KR20110065241A - 고효율 자가발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율 자가발전장치에 관한 것으로, 특히, 압전소자에 의한 발전과, 자석 및 유도코일에 의한 전자기유도작용을 이용한 발전을 동시에 수행할 수 있는 고효율 자가발전장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에 고효율 자가발전장치는, 자가 발전장치에 있어서, 일단이 지지부에 고정되는 복수의 압전소자가 소정 상하 간격을 갖도록 적층 형성된 압전소자 적층부; 인가되는 외력에 의해 이동되는 봉상몸체에 상기 각 압전소자에 변형력을 인가하도록 소정 상하 간격으로 변형돌부가 형성된 이동봉; 상기 이동봉의 이동시 전자기유도작용으로 기전력이 생성되도록, 상기 이동봉측 또는 상기 이동봉의 내부 중심에 권취, 형성되는 유도코일; 및 상기 유도코일과 전자기유도작용을 수행하도록 상기 이동봉의 내부 중심 또는 상기 이동봉측에 N,S 자극이 반복적으로 형성된 마그네트부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 따르면, 외력에 의해 이동되는 이동봉이 압전소자에 변형력을 작용하여 전력을 생성하도록 하는 동시에 자체적으로 자석 및 유도코일에 의한 전자기유도작용으로 비교적 큰 전력을 생성하게 되므로, 부피와 크기를 최소화하면서도 발전효율이 향상되어 다양한 소형 장치나 물품의 전원장치로 적용할 수 있다.

자가 발전장치, 압전소자, 유도코일, 마그네트부

Description

고효율 자가발전장치 {POWER GENERATOR}

본 발명은 고효율 자가발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 압전소자에 의한 발전과, 자석 및 유도코일에 의한 전자기유도작용을 이용한 발전을 동시에 수행할 수 있는 고효율 자가발전장치에 관한 것이다.

생활 주변이나 산업현장에서 볼 수 있는 대부분의 물품이나 장치는 전기를 동력원으로 하고 있다. 사회의 고도화에 따라 그 수요는 지속적으로 증가되고 있고, 석탄, 석유 등과 같은 화석에너지를 이용한 화력발전이나 원자력발전 등을 이용하여 생산된 전력이 대부분을 차지하고 있다.

하지만, 종래의 전기 생산방법은 대규모의 투자가 필요하고 환경오염을 유발하므로 최근에는 태양광발전, 풍력발전, 조력발전, 등 다양한 대체 발전시설에 투자와 개발이 활발하게 진행되고 있다.

그리고, 발전시설로부터 생산된 전기는 전력케이블을 매개로 비교적 큰 사용전력이 요구되는 가정용 및 산업용 장치나 제품에 공급되어 에너지원으로 사용되고 있지만, 가로등, 소규모의 가전제품이나, 휴대용 단말기 등과 같이 휴대성이나 활동성이 요구되는 대부분의 물품은 1차전지나 리듐이온전지와 같은 2차전지를 구비 하여 전원으로 사용하고 있다.

하지만, 배터리는 한정된 사용시간으로 인해 전원이 방전되면 다시 충전해서 사용하여야 하고, 이동 중에 있거나 야외에서는 충전할 수 없으므로 방전시에는 해당 제품을 사용할 수 없게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근에는 다양한 자가 발전장치가 개발되어 비상시에 필요한 전원을 사용할 수 있도록 하고 있다.

예컨대, 대한민국 등록특허 등록번호 제10-0890917호에는 도1에 도시된 바와 같이, 베이스와, 이 베이스에 돌출되게 다수 개로 형성된 압전소자, 압전소자의 양면에 형성된 전극, 압전소자를 서로 연결시키는 연결진동판을 구비한 진동형 미소발전소자가 개시되어 있다.

그리고, 대한민국 등록특허 등록번호 제10-0622830호에는 도2에 도시된 바와 같이 판형 압전소자(11)를 적층하여 구성한 적층부(1)와, 이 적층부를 둘러싸 적층부를 보호하는 케이스부(2), 압전소자에 힘을 전달해 주는 외력전달부(3)를 구비하되, 적층부(1)는 다수의 판형 압전소자(11)를 직렬 및 병렬로 배치한 고효율 소형 발전기가 개시되어 있다.

하지만, 전술한 대한민국 등록특허 등록번호 제10-0890917호에 나타난 발전장치는 압전소자를 이용하여 전기를 생성하는 장치로서 비교적 부피가 작아 공간적 제한을 받는 물품이나 장치에 적용할 수 있으나, 압전소자로부터 생성되는 전기량은 매우 작아서 전기를 필요로 하는 MP3, 휴대단말기 등과 같은 휴대용 전기 및 전자기기나 소형 장치 등의 소비전력을 고려할 때 에너지원이나 충전전원으로 사용한 다는 것은 불가능한 실정이다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로, 대한민국 등록특허 등록번호 제10-0622830호에 나타난 바와 같이 다수의 판형 압전소자(11)를 직렬 및 병렬로 배치하여 구성함으로써 전기 발전량을 증가시킬 수 있지만, 여전히 발전할 수 있는 전기량은 한계가 있고 부피가 지나치게 증가되어 휴대용 전기 및 전자기기나 소형 장치에 장착이 곤란한 한계를 갖고 있다. 그리고, 압전소자는 매우 고가이므로 많은 수량의 압전소자를 이용하여 자가 발전장치를 구성할 경우 제조비용이 지나치게 비싸지게 되므로 현실적인 적용이 불가능한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 착안한 것으로, 압전소자에 의한 발전과, 자석 및 유도코일에 의한 전자기유도작용을 이용한 발전을 동시에 수행하도록 함으로써, 소형으로 구성하면서도 발전효율이 향상된 고효율 자가발전장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 고효율 자가발전장치는, 자가 발전장치에 있어서, 일단이 지지부에 고정되는 복수의 압전소자가 소정 상하 간격을 갖도록 적층 형성된 압전소자 적층부; 인가되는 외력에 의해 이동되는 봉상몸체에 상기 각 압전소자에 변형력을 인가하도록 소정 상하 간격으로 변형돌부가 형성된 이동봉; 상기 이동봉의 이동시 전자기유도작용으로 기전력이 생성되도록, 상기 이동봉측 또는 상기 이동봉의 내부 중심에 권취, 형성되는 유도코일; 및 상기 유도코일과 전자기유도작용을 수행하도록 상기 이동봉의 내부 중심 또는 상기 이동봉측에 N,S 자극이 반복적으로 형성된 마그네트부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 압전소자 적층부는 상기 이동봉을 중심으로 복수 개로 배치, 구성될 수 있다.

상기 이동봉에 작용되는 한 번의 가압력에 대해 다수의 병진운동이 수행되도록 하는 증폭수단을 구비할 수 있다.

상기 증폭수단은, 상기 이동봉의 하부에 구성되는 제1 탄성부재; 및 상기 이동봉의 상부에 구성되는 제2 탄성부재로 구성될 수 있다.

그리고, 상기 이동봉은 내부에 내부홀이 형성된 봉상으로 구성되고, 상기 내부홀에는 상기 유도코일이 권취, 형성되고, 상기 유도코일의 내부 중심에 봉상의 상기 마그네트부가 내설될 수 있다.

한편, 상기 지지부는 상기 이동봉의 삽입을 위한 삽입공이 천공, 형성되고, 상기 이동봉은 하방 이동시에 상기 지지부 상면에 밀착되어 그 하방 이동거리가 제어되도록 구성되고, 상방 이동시에 상기 지지부 내면에 밀착되어 그 상방 이동거리가 제어되도록 하는 멈춤돌부를 구비할 수 있다.

그리고, 상기 지지부는 원통형 케이스로 형성되고, 상기 이동봉은 원통형 케이스의 중심에 종방향으로 설치되며, 상기 압전소자 적층부는 상기 압전소자의 자유단측이 상기 이동봉에 근접되도록 상기 원통형 케이스의 외주연을 따라 복수 개로 배치, 구성될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 고효율 자가발전장치에 의하면, 외력에 의해 이동되는 이동봉이 압전소자에 변형력을 작용하여 전력을 생성하도록 하는 동시에 자체적으로 자석 및 유도코일에 의한 전자기유도작용으로 비교적 큰 전력을 생성하게 되므로, 부피와 크기를 최소화하면서도 발전효율이 향상되어 다양한 소형 장치나 물품의 전원장치로 적용할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 도3 내지 도9에 의거하여 상세히 설명하고, 도3 내지 도9에 있어서 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조번호를 부여한다. 한편 각 도면에서 일반적인 기술로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도시하였다.

첨부도면, 도3은 본 발명에 따른 고효율 자가발전장치의 기술적 사상을 설명하기 위한 개략적인 단면도, 도4는 본 발명에 따른 고효율 자가발전장치에 적용되는 압전소자 적층부의 요부를 확대한 도면이다.

도3을 참조하면, 본 발명에 따른 고효율 자가발전장치는 다수의 압전소자(11)로 이루어진 압전소자 적층부(10), 압전소자(11)에 변형력을 인가하는 이동봉(20), 이동봉(20)의 이동시 전자기유도작용으로 기전력이 생성되도록 구성되는 유도코일(30)과 마그네트부(40), 발전전원을 저장하기 위한 전원저장수단(50), 및 회로부(70)를 구비한다.

압전소자 적층부(10)는 소정 상하 간격을 갖도록 복수의 압전소자(11)가 적층 형성된 것으로, 각 압전소자(11)는 지지부(60)에 일측 단부가 고정되는 판 형태로 형성되고, 그 타측 자유단은 이동봉에 근접, 배치되어, 이동봉(20)의 요동시에 변형되도록 되어 있다.

그리고, 압전소자(11)는 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환되는 압전재료를 이용하여 구성하는 것으로, 다양한 구조로 형성될 수 있지만, 본 실시예에서는 도4에 도시된 바와 같이 이동봉(20)으로부터 작용되는 상하방향 외력에 대해 충분한 강성을 갖도록 보강재(111)에 압전소자층(112)이 형성된 구조로 형성되어 있다.

보강재(111)는 굽힘 하중에 대한 강성이 뛰어난 금속, 합성수지 등을 두께가 얇은 판 형태로 형성한다. 그리고, 보강재(111)는 압전소자층(112)에 비해 긴 길이를 갖도록 돌출됨으로써, 상대적으로 내구성이 취약한 압전소자층(112)이 후술되는 변형돌부(21)와 직접 접촉되지 않고 보강재(111)의 돌출된 부분과 접촉되도록 되어 있다

압전소자층(112)은 압전재료로 형성된 박판을 보강재(111)에 덧대거나 코팅, 도포, 부착 등의 방식으로 구성하고, 압전소자층(112)의 상하 면에는 전원저장수단(50)과 연결되는 도전선(62)의 접속을 위한 전극(61)이 형성되어 있다.

그리고, 압전소자층(112)은 압전재료로 널리 알려져 있는 티탄산바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민, 수정, 전기석, 및 로셀염과 같은 물질을 포함하도록 판상으로 구성하여 적용할 수 있지만, 본 발명에서는 어느 정도의 가요 성이 요구되므로 유연성을 갖는 압전재료로 알려져 있는 PVDF(Polyvinylidine fluride) 재료를 이용하여 박판으로 구성하여 적용한다.

이동봉(20)은 가압력, 진동, 충격 등과 같은 외력에 의해 이동 또는 진동되면서 압전소자 적층부(10)를 구성하는 각 압전소자(11)에 변형력을 동시에 작용하도록 구성된 것으로, 봉상몸체에 각 압전소자에 변형력을 인가하도록 소정 상하 간격으로 변형돌부(21)가 형성되어 있다.

유도코일(30)은 이동봉(20)의 이동시 마그네트부(40)와의 상호작용에 따른 전자기유도작용으로 기전력이 생성되는 구성으로, 이 유도코일(30)은 이동봉(20)의 외주면, 내주면 또는 이동봉(20)의 내부에 매입되는 형태로 권취되거나, 이동봉에 내부홀을 형성하고 이 내부홀에 별도로 설치되는 봉상부재에 권취, 형성될 수 있다.

마그네트부(40)는 유도코일(30)과 전자기유도작용을 수행하도록 N,S 자극이 상하방향을 따라 반복적으로 형성된 것으로, 전술한 유도코일(30)의 설치위치와 대응하는 이동봉(20)의 내부 중심이나 이동봉 자체에 설치된다.

본 발명에 따른 고효율 자가발전장치는 발전된 전원을 전원저장수단(50)에 저장하기 위해 정류하는 회로부(70)를 구비한다. 이 회로부(70)는 압전소자(11)의 변형방향과, 마그네트부(40)의 요동방향이 서로 다르다는 점을 고려하여 출력되는 반대극성의 전압을 정류하도록 브릿지 다이오드, 저항과 컨덴서를 이용한 지연회로를 갖도록 구성할 수 있지만 이에 제한되는 것이 아니며, 널리 알져진 통상의 회로기술을 적용할 수 있다.

도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 자가발전장치를 나타낸 개략적인 종단면도, 도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 자가발전장치를 나타내는 도5의 A-A선 평단면도, 도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 자가발전장치를 나타내는 요부 분리사시도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 자가발전장치는 도5에 도시된 바와 같이 압전소자 적층부(10), 이동봉(20), 유도코일(30), 및 마그네트부(40)를 구비하되, 압전소자 적층부(10)가 이동봉(20)을 중심으로 복수 개로 배치, 구성된다.

보다 구체적으로 설명하면, 도5 내지 도7에 도시된 바와 같이 이동봉(20)을 내부 중심에 위치하도록 배치하고, 이 이동봉을 중심점으로 하는 원주방향을 따라 압전소자 적층부(10)를 일정한 각도로 분할되게 배치하여 구성한다. 이러한, 고효율 자가발전장치는 하나의 이동봉(20)을 구동하면서도 다수의 압전소자 적층부(10)를 작동시킬 수 있는 장점을 갖는다.

상기 압전소자 적층부(10)는 전술한 배치방법 외에도 다양한 배치방법에 따라 복수 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 예컨대, 이동봉(20)을 일정한 간격으로 여러 개 반복 배치하고, 이 이동봉의 좌우측에 압전소자 적층부를 각각 배치하는 방식으로도 구성할 수 있을 것이다.

한편, 상기 압전소자 적층부(10) 및 이동봉(20)이 설치되는 지지부(60)는 원통형 케이스(60a) 형태로 형성된다. 그리고, 지지부(60)의 상면에는 이동봉(20)의 삽입을 위한 삽입공(61)이 천공, 형성되어 이 삽입공(61)을 통해 이동봉(20)이 삽입되어 종방향으로 설치되고, 지지부(60)의 내주면에는 상하 방향으로 다수의 끼움 홈(62)이 형성되어 이 끼움홈(62)에 압전소자(11)의 고정단이 끼워져 압전소자의 자유단측이 상기 이동봉(20)에 근접되게 설치된다.

전술한 방식에 따라 상하로 결합되는 다수의 압전소자(11)는 하나의 압전소자 적층부(10)를 형성하고, 이러한 압전소자 적층부(10)는 원통형 케이스(60a)의 외주연을 따라 복수 개로 배치되어 구성된다.

본 실시예에 따른 고효율 자가발전장치는 이동봉(20)에 작용되는 한 번의 가압력에 대해 다수의 병진운동이 수행되도록 하는 증폭수단(80)을 구비한다. 이 증폭수단(80)은 하부에 구성되는 제1 탄성부재(81)와, 상부에 구성되는 제2 탄성부재(82)를 구비한다. 이때, 제1 및 제2 탄성부재(81)(82)를 압축 코일스프링으로 구성되는 것이 바람직하다.

이와 같이, 제1 및 제2 탄성부재(81)(82)가 구성되면, 외력에 의해 이동봉(20)이 하방으로 이동된 후 외력이 해제될 경우 제1 탄성부재(81)의 탄성력에 의해 이동봉이 상방으로 이동되고, 이후 제2 탄성부재(82)의 탄성력에 의해 이동봉(20)이 다시 하방으로 이동되는 방식으로 점차 진폭이 줄어들면서 반복 시행되므로 발전 능력이 현저히 증가되는 장점을 갖게 된다.

그리고, 이동봉(20)은 내부에 내부홀(22)이 형성된 봉상 구조로 형성되어, 외주면상에 소정 상하 간격으로 형성되는 변형돌부(21)와, 그 상측에 외력을 작용할 수 있는 가압부(23)가 형성되어 있다. 내부홀(22)의 내주면상에는 권취된 유도코일(30)이 접착제 등에 의해 고착되거나 끼워져 고정되고, 이 내부홀(22)의 중심에는 유도코일(30)과 소정 간격으로 이격되어 승강동작을 안내하는 가이드봉의 기 능을 수행하도록 마그네트부(40)가 구성되어 있다. 즉, 마그네트부(40)는 N,S 자극이 상하방향을 따라 반복 적층되듯 형성되어 봉상 구조로 형성된다.

그리고, 이동봉(20)의 하방 이동시에 가압부(23)가 밀착되어 그 하방 이동거리가 제어되도록 지지부(60) 상면에 걸림턱을 갖는 요홈부(63)가 형성되어 있고, 이동봉(20)의 상방 이동시에 지지부(60) 내면에 밀착되어 그 상방 이동거리가 제어되도록 이동봉(20)에는 멈춤돌부(24)가 형성되어 있다.

도8은 본 발명에 따른 고효율 자가발전장치를 소형 장치나 물품의 자가 발전장치로 적용할 수 있도록 적합화한 상태를 나타낸 사시도이고, 도9는 본 발명에 따른 고효율 자가발전장치의 작용을 설명하기 위한 사용상태도이다.

본 발명에 따른 고효율 자가발전장치는 이를 적용하는 물품의 형태나 구조에 따라 그 크기나 형태를 다양하게 구성할 수 있다. 예컨대, 도8에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 고효율 자가발전장치를 신발의 바닥창 뒤꿈치 부분에 설치하고자 하는 경우에는 지지부(60)의 외경과 두께를 뒤꿈치 부분에 삽입할 수 있는 정도의 크기를 갖도록 형성한다.

이와 같이 형성된 고효율 자가발전장치를 도9에 도시된 바와 같이 신발(90)의 바닥창 뒤꿈치 부분(91)에 형성한 홈에 삽입하여 설치하게 되면, 착용자가 뛰거나 걸을 경우 이동봉(20)의 가압부(23)가 바닥면과 접촉되면서 요동되므로 압전소자(11)가 변형을 반복하면서 전기를 발전하게 된다. 특히, 본 발명에 따른 고효율 자가발전장치는 압전소자(11)에 의한 발전 외에 유도코일(30)과 마그네트부(40)의 전자기유도작용으로 전원을 발전하게 되므로 상대적으로 큰 전력을 발전할 수 있어 서 MP3, 휴대단말기 등과 같은 휴대용 전기 및 전자기기나 신발의 발열용 열선의 전원으로 적용할 수 있다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고효율 자가발전장치를 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

도1 및 도2는 종래 자가 발전장치를 나타낸 도면,

도3은 본 발명에 따른 고효율 자가발전장치의 기술적 사상을 설명하기 위한 개략적인 단면도,

도4는 본 발명에 따른 고효율 자가발전장치에 적용되는 압전소자 적층부의 요부를 확대한 도면,

도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 자가발전장치를 나타낸 개략적인 종단면도,

도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 자가발전장치를 나타내는 도5의 A-A선 단면도,

도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 자가발전장치를 나타내는 요부 분리사시도,

도8은 본 발명에 따른 고효율 자가발전장치를 소형 장치나 물품의 자가 발전장치로 적용할 수 있도록 적합화한 상태를 나타낸 사시도,

도9는 본 발명에 따른 고효율 자가발전장치의 작용을 설명하기 위한 사용상태도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10:압전소자 적층부

20:이동봉

30:유도코일

40:마그네트부

50:지지부

60:전원저장수단

70:회로부

80:증폭수단

81:제1 탄성부재

82:제2 탄성부재

Claims (7)

1. 자가 발전장치에 있어서,

   일단이 지지부에 고정되는 복수의 압전소자가 소정 상하 간격을 갖도록 적층 형성된 압전소자 적층부;

   인가되는 외력에 의해 이동되는 봉상몸체에 상기 각 압전소자에 변형력을 인가하도록 소정 상하 간격으로 변형돌부가 형성된 이동봉;

   상기 이동봉의 이동시 전자기유도작용으로 기전력이 생성되도록, 상기 이동봉측 또는 상기 이동봉의 내부 중심에 권취, 형성되는 유도코일; 및

   상기 유도코일과 전자기유도작용을 수행하도록 상기 이동봉의 내부 중심 또는 상기 이동봉측에 N,S 자극이 반복적으로 형성된 마그네트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 자가발전장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 압전소자 적층부는 상기 이동봉을 중심으로 복수 개로 배치, 구성된 것을 특징으로 하는 고효율 자가발전장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 이동봉에 작용되는 한 번의 가압력에 대해 다수의 병진운동이 수행되도록 하는 증폭수단을 구비한 것을 특징으로 하는 고효율 자가발전장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 증폭수단은,

   상기 이동봉의 하부에 구성되는 제1 탄성부재; 및

   상기 이동봉의 상부에 구성되는 제2 탄성부재로 구성된 것을 특징으로 하는 고효율 자가발전장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 이동봉은 내부에 내부홀이 형성된 봉상으로 구성되고,

   상기 내부홀에는 상기 유도코일이 권취, 형성되고, 상기 유도코일의 내부 중심에 봉상의 상기 마그네트부가 내설된 것을 특징으로 하는 고효율 자가발전장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 지지부는 상기 이동봉의 삽입을 위한 삽입공이 천공, 형성되고,

   상기 이동봉은 하방 이동시에 상기 지지부 상면에 밀착되어 그 하방 이동거리가 제어되도록 구성되고, 상방 이동시에 상기 지지부 내면에 밀착되어 그 상방 이동거리가 제어되도록 하는 멈춤돌부를 구비한 것을 특징으로 하는 고효율 자가발전장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 지지부는 원통형 케이스로 형성되고,

   상기 이동봉은 원통형 케이스의 중심에 종방향으로 설치되며,

   상기 압전소자 적층부는 상기 압전소자의 자유단측이 상기 이동봉에 근접되도록 상기 원통형 케이스의 외주연을 따라 복수 개로 배치, 구성된 것을 특징으로 하는 고효율 자가발전장치.

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