KR20130121123A - 에너지 획득 컨베이어 벨트 및 방법 - Google Patents

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KR20130121123A
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조셉 엠. 데파소
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라이트람, 엘엘씨
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Abstract

컨베이어 벨트 내의 에너지 획득 및 저장 장치와, 상기 장치를 모듈러 벨트 링크 내에 일체로 몰딩하여 공진 조율을 통해 에너지 획득을 향상시키는 방법을 개시한다. 파워 벨트 탑재 장치에 에너지를 획득하기 위해 압전 물질, 전기 활성 고분자, 열전 발전기, RF 수신기, 광전지 장치, 선형 유도 발전기, 유도 변환기 결합이 사용된다.

Description

에너지 획득 컨베이어 벨트 및 방법 {ENERGY-HARVESTING CONVEYOR BELTS AND METHODS}
본 발명은 대체로 전동 컨베이어에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 주변 공급원으로부터 획득된 에너지에 의해 구동되는 탑재 장치를 갖는 계장화(instrumented) 컨베이어 벨트에 관한 것이다.
센서, 계기, 송신기, 수신기, 및 다른 전기 및 전기기계 장치가 컨베이어 벨트 내에 보다 빈번히 설치되고 있다. 대부분의 이들 장치는 작동하기 위해 전력을 필요로 한다. 벨트 내에 또한 설치되는 개별의 전지 또는 배터리가 이들 장치에 동력을 공급한다. 그러나, 이러한 배터리는 주기적인 모니터링을 필요로 하고 결국에는 새로운 교체물을 설치하기 위해 수동적인 개입이 요구된다.
상기한 단점을 본 발명의 특징을 구현하는 컨베이어 벨트에 의해 해결한다. 이러한 컨베이어 벨트는 벨트 바디 내에 또는 위에 에너지 획득 장치가 배치되는 벨트 바디를 포함한다. 에너지 획득 장치에 연결되는 커패시터 또는 배터리와 같은 에너지 저장 장치가 에너지 획득 장치에 의해 획득되는 에너지를 저장한다. 벨트 바디 내에 또는 위에 배치되는 센서 및 송신기와 같은 전기 장치는 에너지 저장 장치에 저장된 에너지를 동력으로 이용한다.
본 발명의 특징을 구현하는 컨베이어 벨트의 다른 양상은, 외부면 및 내부 중심을 구비하는 벨트 바디를 포함한다. 벨트 바디에 연결되는 열전 발생기는 내부 중심과 상기 외부면의 외부 환경 사이의 온도차를 측정하고 상기 온도차에 비례하는 전압을 발생시키도록 배치된다.
본 발명의 다른 양상에서, p-n 접합부를 갖는 컨베이어 벨트 모듈을 사출 성형하는 방법으로서, (a) 외부로부터 내부로 주형을 충진하고 내부 공동 주위에 외부 물질을 형성하도록 컨베이어 벨트 모듈 형상의 캐비티를 구비하는 주형 안으로 양극으로 또는 음극으로 도핑된 전기 전도성 제1 물질을 주입하는 단계; (b) 상기 공동을 충진하고 상기 내부 및 외부 물질의 경계면에 내부 물질 및 p-n 접합부를 형성하도록 상기 주형 안으로 상기 제1 물질과 반대로 도핑된 전기 전도성 제2 물질을 후속해서 주입하는 단계; (c) 컨베이어 벨트 모듈을 형성하도록 상기 주형에 열과 압력을 인가하는 단계; (d) 상기 내부 물질과 전기 접속 상태로 전극을 설치하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에서, p-n 접합부를 갖는 컨베이어 벨트 모듈을 공동 몰딩하는 방법으로서, (a) 바닥 절반부 주형 및 제1 상부 절반부 주형에 의해 컨베이어 벨트 모듈의 베이스 층의 형태로 형성된 캐비티를 구비하는 제1 주형 안으로 양극으로 또는 음극으로 도핑된 전기 전도성 제1 물질을 주입하는 단계; (b) 컨베이어 벨트 모듈의 베이스를 형성하도록 상기 제1 주형에 열과 압력을 인가하는 단계; (c) 상기 바닥 절반부 주형에서 상기 제1 상부 절반부 주형을 제거하는 단계; (d) 제2 주형을 형성하도록 상기 바닥 절반부 주형 상에 컨베이어 벨트 모듈의 상부층의 형태로 형성된 캐비티를 갖는 제2 상부 절반부 주형을 폐쇄하는 단계; (e) 상기 제2 상부 절반부 주형 내의 상기 캐비티 안으로 상기 제1 물질과 반대로 도핑된 전기 전도성 제2 물질을 주입하는 단계; 및 (f) 상기 베이스 층 상에 상부층을 공동 몰딩하고 상기 베이스 및 상기 상부층의 경계면에 p-n 접합부를 형성하도록 상기 제2 주형에 열과 압력을 인가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 매립된 패시터를 갖는 사출 성형된 컨베이어 벨트 모듈을 제조하는 방법으로서, (a) 제1 내부 공동을 둘러싸는 내부면을 갖는 외부 절연층을 형성하도록 컨베이어 벨트 모듈용 주형 내의 캐비티 안으로 비전도성 물질을 주입하는 단계; (b) 상기 외부 절연층의 내부면을 코팅하고 보다 작은 제2 내부 공동을 한정하는 전도층을 형성하도록 상기 제1 내부 공동 안으로 전도성 물질을 주입하는 단계; (c) 상기 전도층을 코팅하고 상기 제2 내부 공동 보다 작은 제3 내부 공동을 한정하는 유전층을 형성하도록 상기 제2 내부 공동 안으로 유전 물질을 주입하는 단계; (d) 상기 제3 내부 공동을 충진하고, 상기 유전 물질에 의해 전도성 플레이트로부터 분리된 상기 전도층과 함께 커패시터를 형성하는 상기 컨베이어 벨트 모듈의 내부에 상기 전도성 플레이트를 형성하도록, 상기 전도성 물질을 주입하는 단계; 및 (e) 상기 커패시터가 매립된 컨베이어 벨트 모듈을 형성하도록 상기 주형에 열과 압력을 인가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 링크 컨베이어 벨트 내의 장치들에 전력을 공급하기 위한 에너지의 획득을 향상시키기 위한 방법으로서, (a) 벨트 진동에 대해 공진 주파수에서 정점과 상기 공진 주파수 부근의 대역폭을 갖는 주파수 응답을 갖는 진동-감응형 에너지 획득 장치를 구비하는 진행하는 링크 컨베이어 벨트를 포함하는 컨베이어 시스템을 작동시키는 단계; 및 (b) 상기 에너지 획득 장치 안으로 추가의 진동 에너지를 연결시키기 위해 상기 에너지 획득 장치의 상기 주파수 응답에 대해 상기 컨베이어 시스템의 작동 매개변수에 의해 생성된 상기 벨트 진동의 주파수 스펙트럼을 부합시키는 단계를 포함한다.
아래의 상세한 설명, 첨부의 청구범위 및 첨부 도면을 참조하면 본 발명의 상기한 특징과 양상들이 그 장점과 함께 보다 잘 이해된다.
도 1은 본 발명의 특징을 구현하는 계장화 컨베이어 벨트를 갖는 컨베이어 시스템의 등축도이다.
도 2는 도 1의 컨베이어 벨트의 계장화 부분의 블록도이다.
도 3은 진동 에너지에 감응하는 압전 에너지 획득 장치를 갖는 도 1의 컨베이어 벨트의 측면도이다.
도 4는 열전 발전기를 갖는 도 1의 컨베이어 벨트 내의 컨베이어 벨트 모듈의 등축도이다.
도 5A 내지 도 5C는 도 1의 컨베이어 벨트 내에 사용가능한 모듈러 컨베이어 벨트 링크 내에 스트레인 발생기로서 매립된 3가지 형태의 압전 장치의 측면도이다.
도 6은 도 1의 컨베이어 벨트 내에 사용하기 위한 p-n 열전대 연결을 갖는 모듈러 컨베이어 벨트 링크를 사출 성형하기 위한 주형의 측면도이다.
도 7A 및 도 7B는 도 1의 컨베이어 벨트 내에 사용하기 위한 p-n 열전대 연결을 갖는 모듈러 컨베이어 벨트 링크를 공동 몰딩하기 위한 몰딩 프로세스의 측면도이다.
도 8은 선형 발전기를 갖는 도 1의 컨베이어 벨트의 일부분의 측면도이다.
도 9는 유도 결합식 발전기를 갖는 도 1의 컨베이어 벨트의 일부분의 측면도이다.
도 10은 무선 주파수 에너지 획득기를 갖는 도 1의 컨베이어 벨트의 일부분의 측면도이다.
도 11은 광전 에너지 획득기를 갖는 도 1의 컨베이어 벨트의 일부분의 측면도이다.
도 12는 도 1의 컨베이어 벨트 내에 사용가능한 매립식 에너지 저장 커패시터를 갖는 사출 성형된 모듈러 벨트 링크의 측면도이다.
본 발명의 특징을 구현하는 컨베이어 시스템의 하나의 형태가 도 1 및 도 3에 도시된다. 이 실례에서 운반로(carryway; 12) 상에 지지된 컨베이어 벨트(10)로서 도시된 컨베이어는 벨트의 무한 컨베이어 경로의 운반로 세그먼트(18)를 따라 외부 이송면(conveying surface; 16) 상에서 이송 방향(14)으로 물품을 운송한다. 운반로의 단부에서 컨베이어 벨트에서 멀리 물품이 운반된다. 컨베이어 벨트(10)는 구동 스프로켓(20)을 돌아간 후 복귀로 세그먼트(19)를 따라 아이들 스프로켓(21)를 돌아서 운반로 세그먼트(18)로 되돌아온다. 구동 스프로켓 및 아이들 스프로켓 모두는 회전 샤프트(22) 상에 장착된다. 이 구동 샤프트에는 이송 방향(14)으로 벨트를 구동시키기 위한 구동 모터(24)가 연결된다. 복귀로 세그먼트(19)에서, 롤러 사이에 형성된 커티너리(28)에서 처지는 현상을 방지하기 위해 한 쌍의 이격된 롤러(26, 27) 또는 슈즈 사이에 벨트가 지지된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 컨베이어 벨트(10)에는 컨베이어 벨트 상에 또는 내에 배치되는 전자부품 패키지(30)가 장착된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전자부품 패키지 내에는 에너지 획득 장치(32), 정류기(33), 에너지 저장 장치(34), 전압 조절기(35), 센서(36) 및 송신기(38)가 포함된다. 온도, 습도, 대기압, 또는 다른 국부 조건을 감지할 수 있는 센서(36)는 국부 조건을 측정하고, 측정치를 조절하며, 데이터 라인(42)을 통해 프로세서(40)에 이들 측정치를 전송한다. 프로세서(40)는 데이터 라인(43)을 통해 송신기(38)로 센서 측정치를 전송하기 전에 센서 측정치를 버퍼링, 스케일링, 필터링 또는 포맷한다. 그러면 송신기(38)는 안테나(44)를 통해 원격으로 측정치를 무선 전송한다. 센서, 송신기, 프로세서, 및 다른 보조 회로를 포함하는 전기 장치(45)를 작동시키는 전력이 에너지 저장 장치(34)에 의해 전압 조절기(35)를 통해 전력 라인(46)으로 제공되는데, 이 에너지 저장 장치는 커패시터 또는 전지 또는 배터리일 수 있다. 에너지 획득 장치(32)는 컨베이어 벨트에 연결된 외부 공급원으로부터 에너지를 끌어 모은다. 모아진 에너지는 전기 장치(45)가 필요로 하는 에너지를 공급하는 에너지 저장 장치를 충전하도록 정류되는 가변 전압을 발생시킨다.
기계적 진동은 컨베이어 시스템 어디에나 있다. 여러 산업 분야에서, 컨베이어가 작동하는 환경은 진동을 발생한다. 컨베이어 자체 내부에서, 구동 스프로켓의 현 맥동(chordal pulsation), 복귀할 때 커티너리의 진동, 그리고 벨트-서지(belt-surge) 파동이 모두 컨베이어 벨트를 통해 전달된다. 이들은 컨베이어 벨트 내에 매립된 전기 또는 전기기계 장치에 전력을 공급하기 위해 획득될 수 있는 여러 종류의 진동 에너지의 단지 몇 가지 실례이다. 도 3에 도시된 바와 같은 컨베이어 벨트에서 진동 에너지를 획득하기 위한 에너지 획득 장치로서 기능하도록 압전 장치(48)가 특별히 적용 가능하다. 이 압전 장치(48)는 압전 물질이 변형될 때 전하를 발생시킨다. 벨트 내의 주기적 진동으로 압전 장치가 변형하게 되고, 에너지 저장 장치(34)를 충전시키기 위해 사용될 수 있는 전압을 발생시킨다. 압전 장치(48)는 예컨대 석영과 같은 결정체, 자기변형 물질, 또는 압전 세라믹으로 이루어질 수 있으며 컨베이어 벨트(10) 내에 또는 그 위에 배치될 수 있다.
진동 에너지의 획득을 향상시키는 한 가지 방법은 획득된 에너지의 양을 최대화하기 위해 벨트 진동의 주파수 스펙트럼에 대해 압전 드라이브의 주파수 응답을 조율하는 것이다. 압전 장치의 주파수 응답은 중심에 정점, 또는 공진, 주파수를 가지며, 이 정점의 양측에서 감소하여 압전 장치가 특히 민감한 협소한 범위의 주파수에 걸쳐 대역폭을 규정한다. 예상되는 벨트 진동 주파수를 커버하는 대역폭을 갖는 압전 장치를 선택함으로써, 에너지 획득이 향상된다.
풀리에 의해 마찰식으로 구동하는 평편한 벨트와 달리, 일련의 열의 고정-피치 벨트 모듈 또는 링크로 구성되는 모듈식 플라스틱 컨베이어 벨트는 스프로켓에 의해 직결(positively) 구동된다. 결국, 파워 체인과 같이, 고정-피치 벨트가 스프로켓에 의해 구동되면 모듈식 플라스틱 컨베이어 벨트는 현 모양 또는 다각형으로 작동한다. 현 모양 작동의 주파수는 벨트 피치에 대한 벨트의 선형 속도의 비와 동일하다. 압전 장치의 공진 주파수가 현 모양 작동에 의해 야기되는 벨트 내의 선형 속도 맥동의 주파수와 동일하다면, 진동-에너지 획득의 효율이 증가한다. 고효율 획득을 달성하기 위한 하나의 방법은 벨트 진동의 주파수와 거의 일치하도록 압전 장치의 공진 주파수를 조율 또는 선택하는 것이다. 다른 방법은 예컨대 벨트의 선형 속도를 조정함으로써 압전 장치의 공진 주파수에 부합하도록 진동을 조율하는 것이다. 대안으로, 획득을 위해 이용 가능한 진동 에너지의 양은 보다 적은 치형부를 갖는 보다 작은-직경 스프로켓을 사용하여 현 모양 작동의 진폭을 증가시킴으로써 증가될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 복귀로 세그먼트(19) 내의 컨베이어 벨트(10)의 인장은 낮다. 결국, 이 벨트는 지지 롤러(26, 27) 사이에서 커티너리(28)를 형성한다. 이 커티너리는 벨트 피치, 커티너리 깊이, 벨트 중량, 벨트 스프링 상수, 및 커티너리의 2개의 지지점 사이의 거리 즉, 복귀 슈 또는 롤러(26, 27) 사이의 간격의 함수인 공진 주파수를 갖는다. 벨트 진동의 주파수가 커티너리의 공진 주파수와 동일한 경우, 커티너리는 화살표(50)로 나타낸 바와 같이 심하게 진동한다. 결국, 벨트는 커티너리의 공진 주파수에서 벨트 내에 상당한 진동 주파수를 야기하지 않는 속도로 정상적으로 작동된다. 그러나, 더 많은 진동 에너지가 획득을 위해 이용될 수 있도록 하기 위해, 커티너리가 공진하게 하여 더 많은 에너지가 압전 장치로 전달되도록 벨트의 속도 또는 다른 벨트 변수들 중 하나를 조절할 수 있다.
서징(surging)은 고정-피치 벨트 내의 다른 공진 공급원이다. 벨트의 공진 압축 및 팽창인 서징은 화살표(51)로 나타낸 바와 같이 벨트 경로의 운반로 세그먼트(18) 상에서 통상 발생한다. 공진 주파수는 벨트 피치, 스프링 상수, 및 선형 벨트 속도의 함수이다. 에너지 획득은 공진을 발생시키는 특정 분야에 대해 이들 양을 조절함으로써 향상된다.
진동 벨트의 운동 에너지를 획득하는 압전 장치 대신에, 정전기 장치가 사용될 수 있다. 정전기 에너지 획득 장치는 벨트 진동의 함수로서 그 정전용량이 변하는 버랙터 또는 대전 가변 커패시터(charged variable capacitor)를 포함한다. 진동으로 인한 정전용량의 변화는 버랙터의 플레이트들을 가로질러 전압 변화를 야기한다. 변화하는 전압이 에너지 저장 장치를 충전한다. 공진에서 작동하도록 설계된 버랙터는 존재할 것으로 예상되는 진동 주파수에 가능한 한 근접한 공진 주파수를 갖도록 선택된다. 따라서, 진동-감응형 버랙터는 컨베이어 벨트(10) 내에 또는 그 위에 배치되는 에너지 획득 장치로서 사용될 수 있다.
에너지 획득 장치의 또 다른 양상이 도 4에 도시된다. 열전 발생기(TEG)(52)는 제1 열 교환기(56)와 제2 열 교환기(57) 사이에 개재된 p-n 접합부를 형성하는 층 내에 양으로 도핑되고(p-타입) 음으로 도핑된(n-타입) 반도체 물질(54)을 포함한다. 제1 열 교환기(56)를 갖는 TEG(52)는 컨베이어 벨트(10) 내에 매립되며, 반도체 물질 중 하나와 접촉하는 상기 제1 열 교환기(56)는 벨트가 통과하여 진행하는 프로세스의 온도에 노출하기 위해 벨트의 외부면(16)에 배치된다. 다른 반도체 물질과 접촉하는 제2 열 교환기(57)가 컨베이어 벨트의 내부 중심에 배치된다. 제벡 효과(Seebeck)에 의해, 2개 층의 반도체 물질을 가로질러 온도 구배가 생성되면 전압이 발생된다. 따라서, 컨베이어 벨트가 온도가 변하는 프로세스를 통해 진행함에 따라, 약(weakly) 전도성 벨트의 중심과 프로세스의 온도 사이의 온도 지체(lag)로 인해, 반도체 물질에 대해 연결된 2개의 와이어(58, 59)에 대해 전압 전하를 발생시키는 2개의 열 교환기(56, 57) 사이에 온도차가 발생한다. 정류기, 에너지 저장 장치, 및 획득된 열전 에너지에 의해 전력을 공급받는 다른 전자부품을 포함하는 매립된 전기 장치(60)에 2개의 와이어가 연결된다.
대안으로, TEG는 하나는 p-타입, 다른 하나는 n-타입으로 함께 용접된 2개의 금속-합금 와이어를 포함하는 열전쌍으로 구현될 수 있다. 이들 와이어는 전기적으로 직렬로 그리고 열적으로 병렬로 연결된다. 일측이 가열되고 타측이 냉각됨에 따라 전압이 발생된다. 변화하는 전압이 정류되고 에너지 저장 장치를 충전한다. 복수의 p-n 접합부를 직렬로 연결하고 복수의 일련의 접합부를 병렬로 연결하여 열전 배터리를 형성함으로써 추가의 에너지를 획득할 수 있다. 따라서, TEG는 플라스틱 또는 다른 저-전도성 벨트가 가변 온도를 겪게 되는 가열 또는 냉각 프로세스에 사용되는 컨베이어 벨트 내에서 에너지를 획득하는데 특히 효과적이다.
도 1에서 컨베이어 벨트(10)가 운반로(12)를 따라 물품을 운반하면서, 벨트의 바닥과 운반로의 표면 사이의 마찰 계수를 통해 작용하는 벨트와 물품의 중량은 벨트 인장으로서 나타나는 벨트 모션에 대항하는 저항력을 형성한다. 이 인장은 운반로의 송입 단부에서 배출 단부 쪽으로 가면서 증가한다. 컨베이어 벨트는 인장 하의 벨트의 스트레인을 나타내는 관련 스프링 상수를 갖는다. 벨트 스트레인은 저-인장 벨트 복귀 세그먼트(19)에서 완화된다. 도 5A에 도시된 바와 같이, 압전 장치(62)는 모듈식 컨베이어 벨트 링크(64) 내에 매립된다. 링크를 포함하는 벨트가 운반로를 따라 전진하는 동안 변형됨에 따라, 압전 장치(62) 내의 압전 물질이 변형되어 전압이 발생된다. 다른 에너지 획득 장치와 마찬가지로, 전압이 정류되어 에너지 저장 장치를 충전한다. 도 5A에 도시된 바와 같이, 벨트 링크(64) 안으로 몰딩되는 대신에, 도 5B에 도시된 바와 같이 압전 스트레인 발생기(62')가 모듈식 링크(64')에 기계적으로 고정 또는 접합될 수 있다. 다른 대안으로서, 도 5C에서와 같이, 압전 섬유(66)가 링크(64")의 사출 성형 동안 베이스 폴리머와 함께 공동사출된다. 에너지 저장 장치에 전압을 전송하도록 섬유들이 정렬되고 적합한 전극(68, 69)이 고정되면, 모듈식 링크(64")가 섬유에 대해 지지 매트릭스로서 기능한다. 링크가 변형함에 따라, 섬유들이 변형하고, 에너지 저장 장치를 충전하는데 사용되는 전압을 발생시킨다. 운반로를 따라 벨트 인장에 의해 발생되는 변형을 측정하는 대신, 도 5B에 도시된 바와 같이, 압전 에너지 획득 장치는 벨트 모듈 내 구동 포켓(71)을 밀어내는 스프로켓 치형부(70)의 구동력에 응답하는데 사용될 수 있다. 이 실례에서, 스프로켓이 화살표(74)의 방향으로 회전함에 따라, 구동 포켓(71)에 근접하여 위치되는 압전 장치(62")는 구동면(72)에 대한 치형부(70)의 힘에 응답한다. 힘은 구동 스프로켓의 치형부가 상부 상사 중심(top dead center)에서 구동 포켓과 맞물리는 경우 가장 크고, 모듈식 링크(64')가 출구 지점으로 스프로켓 주위로 전진하면서 감소된다.
TEG는 상술한 바와 같이 컨베이어 벨트 또는 모듈식 링크 내에 매립되거나 컨베이어 벨트 또는 모듈식 링크에 부착되는 별도 장치일 수 있거나, 통상의 모듈식 링크로서 구현될 수 있다. 도 6은 함께 가압되면 모듈식 플라스틱 벨트 링크를 몰딩하기 위한 캐비티(80)를 형성하는 2개의 주형 절반부(78, 79)를 포함하는 주형(76)을 도시한다. 첫째로, 양극 또는 음극으로 도핑된 전기 전도성 제1 물질이 사출 포트(82)를 통해 주형 캐비티(80) 안으로 주입된다. 이 제1 물질은 외부로부터 안으로 캐비티를 충진하여 내부 공동(86) 주위로 외부 물질 코팅(84)을 형성한다. 제1 물질과 반대로 도핑된 전기 전도성 제2 물질이 이후 캐비티 안으로 주입되어 내부 물질(85)로서 공동을 충진하고 이들의 경계면을 따라 제1 외부 물질과 함께 p-n 접합부를 형성한다. 컨베이어 벨트 모듈을 주조하기 위해 주형 절반부에 열과 압력이 인가된다. 주형 절반부가 분리되고 모듈이 배출된 후, 내부 물질(85)에 전극 접속부(도시 안됨)가 형성된다.
도 7A 및 도 7B에 도시된 바와 같이 대안으로 일체형 p-n 접합부를 갖는 벨트 모듈이 공동 몰딩 프로세스로 제조될 수 있다. 첫째로, 전기 전도성 제1 물질(84)은 바닥 절반부(92) 및 상부 절반부(93)로 이루어지는 2개-부재 주형(90) 내의 베이스 캐비티(88) 안으로 주입된다. 모듈 베이스(94)를 형성하도록 주형에 열과 압력이 인가된다. 주형의 상부 절단부(93)가 제거되고, 바닥 절반부(92) 및 베이스(94) 상에 폐쇄하는 제2 상부 절반부(95)로 교체된다. 제2 상부 절반부(95)는 베이스(94)의 상부면(98)에 캐비티 에넥스(cavity annex; 96)를 구비한다. 전기 전도성 제2 물질(85)이 에넥스를 충진하도록 캐비티 에넥스(96) 안으로 주입된다. 반대로 도핑된 베이스 층(94)의 상부에 상부층(99)을 형성하도록 폐쇄된 주형 절반부들에 열과 압력이 인가된다. 2개의 층들 사이의 경계는 p-n 접합부를 형성한다. 2차 제조 단계에서 전극이 추가될 수 있다. 따라서, TEG로서 작동하도록 내부-몰딩형 p-n 접합부를 갖는 벨트 모듈은 이들 사출-몰딩 프로세스 중 하나에 의해 형성될 수 있다.
도 8은 벨트의 선형 운동으로부터 에너지를 끌어 모으는 선형 발전기에 의한 에너지의 획득을 보여준다. 벨트의 이송 경로의 하나 또는 그 이상의 부분들을 따라 전자석 또는 영구 자석(104)에 의해 컨베이어 벨트(102)를 가로지르는 고정식 자기장(100)이 발생된다. 자기장을 통과하는 이송 방향(14)으로의 벨트의 운동은 컨베이어 벨트(102) 내에 매립된 코일(108)의 터미널(106)을 가로질러 전압을 유도한다. 유도된 전압이 정류되고 국부 에너지 저장 장치를 충전한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 컨베이어 벨트(112)에 에너지를 전달하는데 변압기(110)가 사용된다. 이 변압기는 벨트의 경로를 따라 고정 위치에 장착된 1차 와인딩(114)을 포함한다. 벨트(112) 내의 코일(116)은 변압기의 2차 와인딩으로서 작용한다. 1차 와인딩이 AC 전원(120)으로부터 전원을 공급받으면, 변압기 작동에 의해 2차 와인딩 즉 코일(116) 내에 AC 전압이 유도된다. AC 전압은 정류기(122)에서 정류되고, 컨베이어 벨트(112) 내에 또는 그 위에 장착된 커패시터 또는 배터리와 같은 에너지 저장 장치(124)를 충전한다. 벨트가 정지되어 코일(116)이 1차 와인딩(114)의 위치에 의해 규정된 충전 스테이션에 멈춰있는 동안 변압기는 에너지 저장 장치가 충전되게 한다. 대안으로, 컨베이어 벨트가 전진 또는 정지하는 동안, 이송 경로의 길이를 따라 하나 또는 그 이상의 충전 스테이션이 에너지 저장 장치를 충전하는데 사용될 수 있다. 컨베이어 벨트의 경로를 따라 다른 충전 스테이션이 위치될 수 있다.
도 10에는 다른 에너지 획득 기술이 도시된다. 컨베이어 벨트(126)는 정류기에 연결된 안테나 코일(128)과 도 9에 도시된 바와 같은 에너지 저장 장치를 구비한다. 지향성 안테나(132)와 같은 전송 안테나에 외부 무선-주파수(RF) 송신기(130)가 연결되어, 컨베이어 벨트에 RF 에너지를 인도하고 산란을 제한한다. 벨트에 매립된(belt-borne) 안테나 코일(128)은 발생된 RF 신호를 수신하고, 벨트 내에 또는 그 위에 배치된 다른 전기 부품들에 사용하기 위해 도 9에 도시된 바와 같이 정류기 및 에너지 저장 장치에 이 신호를 송신한다.
도 11은 벨트의 상부면(138)과 같은 외부면에 장착된 광전 장치(136)를 갖는 컨베이어 벨트(134)를 도시한다. 이 광전 장치는 가시광선과 같은 입사 광선을, 정류되어 국부 에너지 저장 장치를 충전하는데 사용되는 전압으로 변환시킨다. 이러한 방법으로, 컨베이어 벨트 상의 전자 장치에 전력을 공급하기 위해 인공 또는 태양광이 수집될 수 있다.
상술한 컨베이어 벨트 내에 사용될 수 있는 에너지 저장 장치들 중 하나는 벨트에 부착되거나 벨트 내에 몰딩되는 별도 장치일 수 있는 커패시터이다. 그러나, 저장 커패시터는 도 12에 도시된 바와 같이 벨트와 함께 사출 성형 프로세스로 형성될 수도 있다. 먼저, 제1 내부 공동(144)을 둘러싸는 모듈식 벨트 링크(142)의 외부 절연층(140)을 형성하기 위해 주형 캐비티 안으로 비-전도성 폴리머 물질이 주입된다. 이후, 제1 내부 공동(144)과 경계를 이루는 내부면(148)을 코팅하는 전도층(146)을 형성하도록 제1 내부 공동 안으로 전도성 폴리머 물질이 주입된다. 이후, 보다 작은 제2 내부 공동(150) 안으로 유전 폴리머가 주입되어, 전도층(146)의 내부면(154)을 코팅하고 더욱 보다 작은 제3 내부 공동(156)을 둘러싸는 유전층(152)을 형성한다. 다음에, 제3 내부 공동 안에 전도성 물질이 주입되어 내부 공동을 충진하고 모듈식 링크의 중심에 전도성 플레이트(158)를 형성한다. 유전층(152)에 의해 전도성 플레이트(158)가 전도층(146)과 분리되는 일체형으로 몰딩된 커패시터와 함께 컨베이어 벨트 모듈(142)을 형성하도록 주형에 열과 압력이 인가된다. 에너지 획득 장치에 의해 충전하기 위해 그리고 탑재형 전기 또는 전기기계 부품에 전력을 공급하기 위해 접속될 수 있는 커패시터의 터미널을 형성하기 위해 2차 제조 단계에서 전도성 플레이트(158) 및 전도층(146) 각각에 전극(160, 161)이 연결될 수 있다.
다양한 유형의 에너지 획득 및 저장 장치를 상술하였지만, 다른 유형도 가능하다. 예컨대, 인가된 전압에 의해 형상이 변화하는 전기 활성 폴리머는 기계적으로 변형되는 경우 반대로 전압을 발생시킬 것이다. 결국, 전기활성 폴리머로 몰딩된 모듈식 벨트 링크는 압전 물질과 유사한 방법으로 에너지를 획득하도록 사용 가능하다.

Claims (33)

  1. 컨베이어 벨트로서,
    벨트 바디;
    상기 벨트 바디 내에 또는 그 위에 배치되는 에너지 획득 장치;
    상기 에너지 획득 장치에 의해 획득되는 에너지를 저장하기 위해 상기 벨트 바디 내에 또는 그 위에 배치되며 상기 에너지 획득 장치에 연결되는 에너지 저장 장치;
    상기 벨트 바디 내에 또는 그 위에 배치되며 상기 에너지 저장 장치 내에 저장된 에너지에 의해 전력을 공급받는 전기 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 장치는 센서 측정치를 생성하는 센서 및 상기 센서 측정치를 원격으로 송신하는 송신기를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 획득 장치는 압전 장치, 정전 장치, 열전 발생기, 전기활성-폴리머 장치, 유도 결합 장치, 무선 주파수 수신기 및 광전 장치로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 획득 장치는 벨트 진동으로부터 에너지를 획득하는 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 획득 장치는 벨트 변형으로부터 에너지를 획득하는 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 획득 장치는 컨베이어 벨트와 대기 사이의 온도 구배로부터 에너지를 획득하는 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 획득 장치는 외부 전력 공급원으로부터 유도 결합된 에너지를 획득하는 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 획득 장치는 외부 무선-주파수 공급원으로부터 에너지를 획득하는 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 획득 장치는 외부 방사선 공급원으로부터 에너지를 획득하는 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치는 커패시터인 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 센서에 대한 상기 전압을 조절하도록 상기 에너지 저장 장치 및 상기 센서에 전기적으로 연결된 전압 조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트.
  12. 컨베이어 벨트로서,
    외부면 및 내부 중심을 구비하는 벨트 바디;
    열전 발생기를 포함하며, 상기 열전 발생기는 벨트 바디에 연결되고, 내부 중심과 상기 외부면의 외부의 환경 사이의 온도차를 측정하고 상기 온도차에 비례하는 전압을 발생시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 열전 발생기에 연결되는 저장 요소를 더 포함하며, 상기 전압이 상기 저장 요소를 충전하는 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 열전 발생기는 열전쌍 배터리를 형성하도록 일련의 직렬 및 병렬로 연결된 복수의 열전쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 내부 중심은 양극으로 또는 음극으로 도핑되는 전기 전도성 제1 폴리머 물질로 이루어지며, 상기 외부면은 상기 열전 발생기용 상기 제1 폴리머 물질과 p-n 접합부를 형성하도록 상기 제1 폴리머 물질과 반대로 도핑된 전기 전도성 제2 폴리머 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 벨트 바디는 양극으로 또는 음극으로 도핑되는 전기 전도성 제1 폴리머 물질로 이루어진 제1 층, 및 상기 제1 층 상에 배치되는 제2 층을 포함하며, 상기 제2 층은 상기 열전 발생기용 상기 제1 폴리머 물질과 p-n 접합부를 형성하도록 상기 제1 폴리머 물질과 반대로 도핑되는 전기 전도성 제2 폴리머 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트.
  17. 컨베이어 벨트 모듈 내에 p-n 접합부를 사출 성형하는 방법으로서,
    외부로부터 내부로 주형을 충진하고 내부 공동 주위에 외부 물질을 형성하도록 컨베이어 벨트 모듈 형상의 캐비티를 구비하는 주형 안으로 양극으로 또는 음극으로 도핑된 전기 전도성 제1 물질을 주입하는 단계;
    상기 공동을 충진하고 상기 내부 및 외부 물질의 경계면에 내부 물질 및 p-n 접합부를 형성하도록 상기 주형 안으로 상기 제1 물질과 반대로 도핑된 전기 전도성 제2 물질을 후속해서 주입하는 단계;
    컨베이어 벨트 모듈을 형성하도록 상기 주형에 열과 압력을 인가하는 단계;
    상기 내부 물질과 전기 접속 상태로 전극을 설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트 모듈 내에 p-n 접합부를 사출 성형하는 방법.
  18. 컨베이어 벨트 모듈 내에 p-n 접합부를 공동 몰딩하는 방법으로서,
    바닥 절반부 주형 및 제1 상부 절반부 주형에 의해 컨베이어 벨트 모듈의 베이스 층의 형태로 형성된 캐비티를 구비하는 주형 안으로 양극으로 또는 음극으로 도핑된 전기 전도성 제1 물질을 주입하는 단계;
    컨베이어 벨트 모듈의 베이스를 형성하도록 상기 주형에 열과 압력을 인가하는 단계;
    상기 바닥 절반부 주형에서 상기 제1 상부 절반부 주형을 제거하는 단계;
    제2 주형을 형성하도록 상기 바닥 절반부 주형 상에 컨베이어 벨트 모듈의 상부층의 형태로 형성된 캐비티를 갖는 제2 상부 절반부 주형을 폐쇄하는 단계;
    상기 제2 상부 절반부 주형 내의 상기 캐비티 안으로 상기 제1 물질과 반대로 도핑된 전기 전도성 제2 물질을 주입하는 단계;
    상기 베이스 층 상에 상부층을 공동 몰딩하고 상기 베이스 및 상기 상부층의 경계면에 p-n 접합부를 형성하도록 상기 제2 주형에 열과 압력을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    컨베이어 벨트 모듈 내에 p-n 접합부를 공동 몰딩하는 방법.
  19. 매립된 커패시터를 갖는 사출 성형된 컨베이어 벨트 모듈을 제조하는 방법으로서,
    제1 내부 공동을 둘러싸는 내부면을 갖는 외부 절연층을 형성하도록 컨베이어 벨트 모듈용 주형 내의 캐비티 안으로 비전도성 물질을 주입하는 단계;
    상기 외부 절연층의 내부면을 코팅하고 보다 작은 제2 내부 공동을 한정하는 전도층을 형성하도록 상기 제1 내부 공동 안으로 전도성 물질을 주입하는 단계;
    상기 전도층을 코팅하고 상기 제2 내부 공동 보다 작은 제3 내부 공동을 한정하는 유전층을 형성하도록 상기 제2 내부 공동 안으로 유전 물질을 주입하는 단계;
    상기 제3 내부 공동을 충진하고, 상기 유전 물질에 의해 전도성 플레이트로부터 분리된 상기 전도층과 함께 커패시터를 형성하는 상기 컨베이어 벨트 모듈의 내부에 상기 전도성 플레이트를 형성하도록, 상기 전도성 물질을 주입하는 단계; 및
    상기 커패시터가 매립된 컨베이어 벨트 모듈을 형성하도록 상기 주형에 열과 압력을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    매립된 커패시터를 갖는 사출 성형된 컨베이어 벨트 모듈을 제조하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전도성 층에 제1 전극의 제1 단부를 연결하고 상기 전도성 플레이트에 제2 전극의 제1 단부를 연결하며, 상기 외부 절연층을 통해 상기 제1 및 제2 전극의 마주하는 제2 단부들을 연장시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    매립된 커패시터를 갖는 사출 성형된 컨베이어 벨트 모듈을 제조하는 방법.
  21. 링크 컨베이어 벨트 내의 장치들에 전력을 공급하기 위한 에너지의 획득을 향상시키기 위한 방법으로서,
    운반로를 따라 전진하고 복귀로를 따라 복귀하며, 벨트 진동에 대해 공진 주파수에서 정점과 상기 공진 주파수 부근의 대역폭을 갖는 주파수 응답을 갖는 진동-감응형 에너지 획득 장치를 구비하는 링크 컨베이어 벨트를 포함하는 컨베이어 시스템을 작동시키는 단계;
    상기 에너지 획득 장치 안으로 더 많은 진동 에너지를 전달하기 위해 상기 에너지 획득 장치의 상기 주파수 응답에 대해 상기 컨베이어 시스템의 작동 매개변수에 의해 생성된 상기 벨트 진동의 주파수 스펙트럼을 부합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    링크 컨베이어 벨트 내의 장치들에 전력을 공급하기 위한 에너지의 획득을 향상시키기 위한 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 부합시키는 단계는 상기 에너지 획득 장치의 주파수 응답의 공진 주파수를 조절함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는,
    링크 컨베이어 벨트 내의 장치들에 전력을 공급하기 위한 에너지의 획득을 향상시키기 위한 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 부합시키는 단계는 상기 링크 컨베이어 벨트의 작동 매개변수를 조절함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는,
    링크 컨베이어 벨트 내의 장치들에 전력을 공급하기 위한 에너지의 획득을 향상시키기 위한 방법.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 작동 매개변수는 상기 링크 컨베이어 벨트의 속도인 것을 특징으로 하는,
    링크 컨베이어 벨트 내의 장치들에 전력을 공급하기 위한 에너지의 획득을 향상시키기 위한 방법.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 작동 매개변수는 상기 복귀로를 따라 서로 이격된 한 쌍의 복귀로 지지체 사이에 형성된 커티너리 내의 상기 링크 컨베이어 벨트의 커티너리 공진인 것을 특징으로 하는,
    링크 컨베이어 벨트 내의 장치들에 전력을 공급하기 위한 에너지의 획득을 향상시키기 위한 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 커티너리 공진은 상기 링크 컨베이어 벨트의 피치, 상기 링크 컨베이어 벨트의 중량, 상기 링크 컨베이어 벨트의 스프링 상수, 상기 복귀로 상의 상기 커티너리의 깊이, 및 상기 복귀로 지지체 사이의 거리 중 하나 이상을 변경함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는,
    링크 컨베이어 벨트 내의 장치들에 전력을 공급하기 위한 에너지의 획득을 향상시키기 위한 방법.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 커티너리 공진은 상기 링크 컨베이어 벨트의 속도를 조절함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는,
    링크 컨베이어 벨트 내의 장치들에 전력을 공급하기 위한 에너지의 획득을 향상시키기 위한 방법.
  28. 제21항에 있어서,
    상기 작동 매개변수는 상기 운반로를 따라 상기 링크 컨베이어 벨트의 서징 공진인 것을 특징으로 하는,
    링크 컨베이어 벨트 내의 장치들에 전력을 공급하기 위한 에너지의 획득을 향상시키기 위한 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 서징 공진은 상기 링크 컨베이어 벨트의 피치와 상기 링크 컨베이어 벨트의 스프링 상수 중 하나 이상을 변경함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는,
    링크 컨베이어 벨트 내의 장치들에 전력을 공급하기 위한 에너지의 획득을 향상시키기 위한 방법.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 서징 공진은 상기 링크 컨베이어 벨트의 속도를 조절함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는,
    링크 컨베이어 벨트 내의 장치들에 전력을 공급하기 위한 에너지의 획득을 향상시키기 위한 방법.
  31. 제21항에 있어서,
    감소된 수의 구동 치형부를 갖는 구동 스프로켓을 이용함으로써 현 모양 작동을 증가시킴으로써 벨트 진동의 진폭을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    링크 컨베이어 벨트 내의 장치들에 전력을 공급하기 위한 에너지의 획득을 향상시키기 위한 방법.
  32. 제21항에 있어서,
    상기 에너지 획득 장치는 압전 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    링크 컨베이어 벨트 내의 장치들에 전력을 공급하기 위한 에너지의 획득을 향상시키기 위한 방법.
  33. 제21항에 있어서,
    상기 에너지 획득 장치는 벨트 진동에 따라 정전 용량이 변화되는 버랙터를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    링크 컨베이어 벨트 내의 장치들에 전력을 공급하기 위한 에너지의 획득을 향상시키기 위한 방법.
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