KR20140093278A - 에너지 생성기 - Google Patents

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KR20140093278A
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유리이 발렌티노비치 트루비아노브
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리미티드 라이어빌리티 컴퍼니 “우크레이니언 뉴에너지 그룹” (“유엔지”리미티 드) 리미티드
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Abstract

에너지 생성기는 기계 공학에 관한 것이며, 특히 회전 액튜에이터 장치에 관한 것이다. 본 장치는, 회전 가능한 구동 샤프트가 설치되는 하우징; 추가의 로드가 제공된 휠 형태로 이루어진 불균형 질량체의 부재에 대하여, 구동 샤프트에 고정된 마스터 휠을 통한 구동 샤프트의 회전 전달 메커니즘을 포함하는 마스터 유닛; 마스터 유닛과 최종 소비자 사이에 위치하며, 작동 모멘트의 트랜스미션을 허용하는 작동 노드를 포함하는 운동학적 체인;을 포함한다. 본 기술적 해결 수단에 따르면, 구동되는 편심 휠은 그 단부가 연결 부재, 즉 로커 아암에 의하여 단단히 연결된 추가의 고정적 구동 축 상에서 회전 가능하도록 장착된다. 구동 축에 추가의 커플링 링크가 구비되며, 이는 가변 체적 작동 챔버의 가동 부재에 연결되고; 챔버는 수신자를 통하여 최종 소비자에 연결된다. 장치는 구동 휠 및 상응하는 구동 휠에 연결되고 일련의 상응하는 로커 아암에 단단히 부착된 추가의 구동 편심 휠을 더 포함할 수 있다.

Description

에너지 생성기{Energy generator}
본 발명은 공학 기술에 관한 것으로, 회전 운동의 구동 장치(에너지 생성기)에 관한 것이며, 특히 에너지 저장/변환의 관성 시스템에 관한 것으로, 다양한 기계 및 메커니즘을 구동하는데 사용될 수 있다.
전기적 모터에 의하여 소비되는 전기 에너지를 절약하도록, 바디 회전으로 야기되는 관성력을 이용하는 관성 에너지 전환기의 디자인이 다수 존재한다.
관성 구동 장치(IDD; Inertial drive device)가 공지되는데(러시아 특허 제2076241호, 1997년), 여기에서의 구조체에서는 일 평면에서의 불균형한 로드(load)의 회전이 왕복 운동이 되고 이러한 로드의 관성력의 연속적인 단일 방향 작동을 제공한다. 상기 장치는 원의 기하학적 특성을 사용하였는데, 상기 원은 1:2 비율의 치수로서 로드에서 서로에 대하여 새겨진 것으로서 미끄러짐 없이 서로에 대하여 울리게 된다. 상기 장치의 주된 문제점은 디자인에서 유성 트랜스미션을 사용한 것이다 - 대부분의 에너지 기계적 트랜스미션은 높은 정확도의 디자인적 해결 수단을 필요로 하며 속도 특징에서 매우 제한적이다. 엔진 구동 장치는 유성 트랜스미션의 회전을 위하여서만 소비되기에, 전기 에너지 소비 감소는 실재 매우 적다.
또한, 관성 트랜스미션이 공지되는데(러시아 특허 제2354873호, 2009년), 여기에서 디자인 관성 메커니즘은 직사각 단면의 중공 링으로 구성된 두 개의 유사한 형태로 이루어지며, 관성 공간은 수은으로 채워진다. 링 내측에서 고속으로 수은을 이동시키는 펌프가 링의 넓어진 부분 상에 고정된다. 수은이 이동하면, 반대 방향으로 작동하는 상이한 값의 관성력(F 및 F1)이 발생한다. 이러한 힘은 어떠한 방향으로도 균형잡히지 않고 상이한 방향으로 작동하며 장치의 슬레이브 샤프트의 회전을 야기하는 힘의 커플링을 생성한다.
이러한 기술적 해결 수단은 관성 트랜스미션이 일 방향으로의 회전을 전달하는 것인데, 관성 메커니즘의 유용한 작동 전부의 사용을 감소시키고, 장치의 효율성 인자 및 전체적 효율성을 각각 감소시킨다. 더욱이, 장치는 펌프 작동을 위한 추가 에너지 소비를 요구한다.
게다가, 수은은 최고의 위험 수준을 갖고 저온에서조차 쉽게 증발되며 그 증기 및 성분은 높은 독성을 갖는 것으로 알려져 있기에, 편심 질량으로서 (높은 비중을 갖는) 수은의 사용은 이러한 장치에서 환경적 위험성을 증가시킨다.
상기 발명에 근사한 것은, 회전을 위한, 특히 작동 회전 가능 유닛을 포함하며 간헐적 운동 메커니즘의 사용에 기초하여 작동하는 전기 생성기의 회전을 위한 구동기이며, 기계적 진동의 공급원에 의하여 생성되는 교번적 회전 모멘트에 적용된다(러시아 특허 제2377458호, 2009년).
모터에 의하여 자유 회전하며 미리 결정된 주파수로서 작동 유닛에 축상으로 고정된 불균형 질량체의 부재 형태인 원심 진동기가 기계적 진동의 공급원으로서 사용된다. 이 경우, 모터 및 불균형 질량체의 부재는 작동 유닛 상에 장착되고 오버러닝(overrunning) 클러치가 간헐적 운동 메커니즘에 사용된다.
이러한 구동 장치에서 불균형 질량체(편심 무게)를 구비한 회전 부재의 관성의 원심력이 시동시 출력 샤프트 상의 추가적 출력의 공급원으로서 사용된다.
이러한 기술적 해결 수단의 단점은 다음과 같다:
- 회전 운동 에너지가 회전으로부터 왕복으로 변경되고 다시 회전으로 변경됨으로 인하여, 그리고 이에 따라 전기 에너지로 변형되는데 있어서 트랜스미션 노드에서의 마찰력을 극복하는데 필요한 소비를 고려함으로써 장치 전체의 효율성 인자를 감소시키며, 운동 패턴의 수회의 변경을 야기하는 운동학적(kinematic) 체인 장치의 존재;
- 장치의 출력 샤프트가 추가적 출력 손실을 야기하고 장치 성능을 감소시키는 멀티플라이어(multiplier)의 추가 적용을 필요로 하는 낮은 회전 속도 및 높은 스핀 모멘트로서 회전 운동으로 전달됨;
- 공통되는 회전 플랫폼 상의 진동 공급원(원심 생성기)의 위치가 관성 질량의 증가를 야기하고, 이에 따라 구동기의 효율성 인자를 감소시키고 보다 높은 출력 및 보다 큰 원심 생성기의 사용을 실패시킴;
- 상기 장치에서 관성(원심) 생성기가 일 방향만으로의 회전을 전달하여 (플랫폼의 후방 운동이 안되고 전방 운동만 이루어짐) 생성된 유용한 작업의 사용을 감소시키고 장치의 효율성 인자 및 전체적인 효율성을 각각 감소시킴. 양 방향으로의 회전 전달을 위한 제 2 오버러닝 클러치의 구조적인 설치 가능성은 하나 이상의 기계적 트랜스미션의 추가로 인하여 구조를 매우 복잡하게 할 것임. 더욱이, 오버러닝 클러치의 사용은 작업 리소스 및 전체적 효율성 인자를 감소시킴.
제안되는 기술적 해결 수단의 목적은, 장치의 효율성 인자, 그 효율성 및 신뢰성을 증가시키는 것이며, 동시에 장치의 운동학적 계획을 단순화하고 구조 유닛에서의 마찰력을 극복하기 위한 에너지 손실을 감소하거나 제거함으로써 기술적 용얄을 확장하는 것이며, 결과적으로 에너지 생성 가능성에서 그 출력이 마스터 모터의 출력보다 크도록 하기 위한 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 장치는, 회전 가능한 구동 샤프트가 설치되는 하우징; 추가의 로드가 제공된 휠 형태로 이루어진 불균형 질량체(unbalanced mass)의 부재에 대하여, 구동 샤프트에 고정된 마스터 휠을 통한 구동 샤프트의 회전 전달 메커니즘을 포함하는 마스터 유닛; 마스터 유닛과 최종 소비자(end consumer) 사이에 위치하며, 작동 모멘트의 트랜스미션(transmission)을 허용하는 작동 노드(working node)를 포함하는 운동학적 체인;을 포함하는 에너지 생성기로서, 샤프트의 회전 트랜스미션 메커니즘은, 마스터 휠에 운동학적으로 연결되며 두 개보다 적지 않은 슬레이브 편심 휠을 포함하고, 상기 슬레이브 편심 휠 각각은 구동 샤프트의 축에 평행하게 위치하는 이동 불가능한 추가의 슬레이브 휠 상에 회전 가능하게 고정되며, 상기 슬레이브 편심 휠 모두의 단부가 연결 수단에 의하여 그들 사이에서 연결되고, 균형 빔(balance beam)의 중심이 구동 샤프트 상에 자유 고정되고, 각각의 슬레이브 축에 추가의 연결 링크가 제공되고, 상기 연결 링크의 일단부는 상기 축에 고정되며 타단부는 가변 체적의 작동 챔버의 가동 부재에 연결되고, 상기 챔버는 작동 매체 주입을 위한 입구 밸브 및 수신자(receiver)를 통하여 최종 소비자에로의 출구 밸브를 포함한다.
따라서, 본 디자인에서:
- 회전 트랜스미션 메커니즘의 슬레이브 편심 휠은 유사한 지름으로 이루어지며;
- 균형 빔은, 슬레이브 축에 고정된 위치인 극단 지점(extreme point)이 균형 빔의 고정 지점으로부터 구동 샤프트로 등거리이도록, 즉: 원형, 또는 등각형(사각, 등변삼각형), 또는 십자형 형태의 기하학적 형태일 수 있으며, 예를 들어: +, X, *;
- 불균형 질량체의 부재에 대한 샤프트 회전 트랜스미션의 메커니즘은, 마스터 휠로부터 슬레이브 휠로의 휠, 또는 벨트, 또는 체인, 또는 웜 회전 트랜스미션에 기초하여 이루어질 수 있으며;
- 로드는 슬레이브 편심 휠의 표면에 고정되거나, 또는 각각의 편심 휠을 공급할 수 있는 방사상 레일 내에 위치할 수 있으며, 그 내측에서 로드는 추가로 설치된 로드를 위한 국부적 구동 장치의 영향 하에 상기 레일을 따른 방사상 이동이 가능하도록 위치하며;
- 방사상 레일은 직선형, 또는 호형, 또는 편심 휠의 회전 축에 동심인 나선형의 형태일 수 있으며;
- 로드를 위한 국부적 구동 장치는 기계적 형태(스프링 또는 레버), 또는 전기적 형태(전자석 또는 로터), 또는 전자적 형태, 또는 유압적 형태, 또는 공압적 형태로 디자인될 수 있으며;
- 샤프트 트랜스미션 회전 메커니즘은 구동 샤프트의 축을 따라 연속적으로 부착되는 추가의 마스터 휠을 포함할 수 있으며, 이는 슬레이브 편심 휠 각각에 운동학적으로 연관되며;
- 장치가 상응하는 마스터 휠에 운동학적으로 연관된 추가의 슬레이브 편심 휠을 더 포함할 수 있으며, 이에 따라 각각의 연속하는 운동학적 슬레이브 휠은 그 앞선 것에 연결되고 이 경우 슬레이브 휠이 위치하는 모든 축은 동일한 균형 빔에 연속하여 연결되며, 상기 균형 빔의 중심은 구동 샤프트에 자유롭게 고정되며;
- 장치가 각각의 슬레이브 축에서 첫 번째 작동 챔버에 대향하여 고정되는 추가의 작동 챔버를 더 포함할 수 있어서, 작동 커플링을 형성하며;
- 장치가 추가의 작동 챔버를 더 포함하거나, 또는 각각의 슬레이브 축에서 연속하여 배열되는 작동 챔버의 커플링을 포함할 수 있으며;
- 실린더-피스톤 커플링, 또는 벨로우즈 어셈블리, 또는 가요성 벽체(가로막)을 구비한 폐쇄형 챔버, 또는 공압 챔버(공압 스프링)이 가변 작동 챔버로 사용될 수 있다.
따라서, 본 구조체에서는, 구동 샤프트를 통한 마스터 모터로부터의 방사상 가속이 가해지는 회전 편심 바디(휠)의 원심력의 영향 하에서의 기계적 진동 에너지가 손실되며 회전 에너지로 변환하지 않되, 장치의 작동 노드에 직접 전달하며, 연결 유닛을 통하여 가변 체적 챔버에 전달하며, 여기에서 기계적 에너지가 추가의 변환 없이 소비자 사용을 위하여 준비되는 가압된 매체의 에너지로 변환된다. 이러한 방식으로 수신되는 가압된 매체의 에너지는 장치의 구동 샤프트 회전을 위하여 소비되는 에너지 용량을 초과하며, 차례로 그 효율성 인자를 크게 증가시킨다.
마스터 모터(구동 샤프트)와 가변 작동 챔버 사이의 직접적이고 반대 방향인 기계적 연결로 인하여, 장치에서 소비되는 에너지는 오직 구동 샤프트에 미리 결정된 회전 속도를 이루도록 소비되며, 여기에서 균등하게 가속된 편심 바디의 상호 작용으로부터의 원심력이 이루어지며, 즉 베어링에서의 최초 관성 및 마찰력을 극복하도록 이루어진다. 그 결과, 장치의 효율성 인자는 전체로서 그리고 그 효율성을 실질적으로 증가시킨다.
균일한 견부(shoulder)를 구비한 균형 빔은 마스터 및 슬레이브 편심 휠의 일정한 운동학적 연결을 보장하며 로드의 움직임을 제한하는데, 이로 인하여 편심 바디는 구동 샤프트의 회전 축에 대하여 상대적으로 호를 따라 공급되며, 그 반지름은 구동 샤프트와 슬레이브 축 사이의 거리와 같다. 균형 빔은 편심 바디의 활동(유용한 작업)을 상기 호를 따른 방향으로만 전달하며, 미리 결정된 운동 범위의 양 말단에서 동일하다. 즉, 균형 빔의 도움으로, 유용한 작업이 대각으로 위치한 가변 챔버에서 후속하여 생성된다. 따라서, 편심 바디로부터 균형 빔으로 전달되는 활동의 각각의 방향(위/아래)은 본 발명에서 작업한다.
균형 빔과 편심 바디로 이루어진 본 발명의 운동학적 계획에서, 후자의 획득되는 작업 회전에서의 유용항 작업은 결과적으로 폐-루프 시스템의 내부 에너지의 소비에서만 획득된다. 그리고, 편심 바디가 구동 샤프트와 다시 운동학적 연결을 갖지 않으며 슬레이브 축 상에서 유용한 작업을 수행함에 따라, 비-하우징 유닛에서 이러한 운동 종류는 추가 에너지 소비를 필요로 하지 않는 비-지원 운동이다.
균형 빔의 존재는, 장치의 전체적인 계획이 두 개의 슬레이브 축에서 안정적으로 균형된 편심 휠과 대각의 균형된 가변 챔버에 반응하여 그 작동의 어떠한 현재 모멘트에서도 구동 샤프트 축에 대한 자체-균형이 되도록 허용한다.
본 발명에서, 로드의 운동이 소정의 자유 범위를 가지고 - 편심 바디의 원주를 따르며, 그리고 균형 빔 운동(조절 가능한 위상의 운동, 180도에 이름)에 의하여 미리 결정된 상기 호를 따름 - 대각의 가변 작동 챔버를 가짐에 따라, 장치의 부드러운 작동을 야기하고 아이들(idle) 이동을 전체적으로 배제하며, 차례로 장치의 효율성 인자를 증가시킨다.
상이한 구성에서 방사상 레일로 인하여 편심 휠이 공급되며 그 내측에 로드가 위치하는데, 이는 국부적 구동 장치의 영향 하에서 레일을 따른 로드의 추가의 (편심 휠의 원주를 따른 이동에 따라, 빔 운동에 의하여 한정된 호를 따른) 방사상 이동을 보장한다.
또한, 그 결과 편심 바디 중심 위치의 동적 변화를 보장할 것이다 - 회전 속도가 증가시 회전 축으로부터 외부로 이동하고 회전 속도 감소시 이에 근사하게 이동한다.
이는 마스터 휠의 변화하지 않는 회전 하에서 균형 빔의 동적 편향 각도를 허용할 것이며, 차례로 그 출력, 가변 체적 챔버 내의 가동 부재의 스트로크 범위 및 각각 제공되는 작동 매체의 수량의 지표를 부드럽게 제어하도록 전체 장치의 작동을 멈추지 않는 것을 허용한다. 이는 장치의 효율성 인자를 증가시키고 작동 환경을 개선한다.
본 발명에서는 연관된 평행한 축에서 소정의 슬레이브 휠을 이에 상응하는 마스터 휠에 운동학적으로 연결되고 후속하여 상응하는 균형 빔에 단단히 고정되도록 설치하는 가능성은, 편심 바디가 위치하는 슬레이브 축 각각에서 연결 유닛에 의하여 연결된 가변 체적 챔버의 소정의 작동 커플링을 사용하도록 허용할 것이다. 이는, 차례로, 가변 압력의 동일한 장치에서 에너지를 생성하고 모든 후속하는 작동 챔버에서 작동 매체의 소비하는 것을 허용할 것이다. 이는 장치의 기술적 용량 및 효율성을 증가시킨다.
따라서, 장치의 특징은 본 발명의 목적을 이룩하기에 충분하며 본질적이다.
청구되는 발명의 작동 원리는 장치 설명을 도시하는 첨부된 도면에 의하여 설며될 것이며, 여기에서:
- 샤프트 회전 트랜스미션 메커니즘은 두 개의 마스터 기엇니 휠을 포함하며, 각각은 두 개의 편심 슬레이브 휠에 연관되고;
- 작동 노드는 가변 체적의 챔버의 두 개의 작동 커플링을 포함함(카메라 중 하나는 장치의 보다 정확한 설명을 위하여 도시하지 않음).
도면은 다음을 도시한다:
도 1 - 전방 하우징 커버가 제거된 장치의 개략도(정면도);
도 2 - 장치의 개략도(측면도);
도 3 - 장치의 개략도(평면도);
도 4 - 도 3의 A-A에 따른 단면도;
도 5 - 장치의 일반적인 도면(사시도);
도 6 - 작동 동안의 기계적 활동의 분배의 개략도.
본 장치는, 하우징(1)을 포함하며, 구동 샤프트(2)는 베어링 상에 설치된다. 마스터 기어(3)는 샤프트(2) 상에 고정되며, 로드(5.1 및 5.2)를 각각 구비한 두 개의 운동학적 구동 편심 기어(4.1 및 4.2)에 의하여 연결된다. 기어(4.1 및 4.2)는 구동 샤프트(2)에 평행하게 위치하는 슬레이브 축(6.1 및 6.2) 상에서 베어링 상에 각각 설치되며, 균형 빔(7)의 단부의 양측 상에 단단히 고정된다. 균형 빔(7)의 중심은 샤프트(2)에서 베어링 상에 자유로이 고정된다. 슬레이브 축(6.1 및 6.2) 상에서 연결 유닛(8.1 및 8.2)이 각각 설치되며, 일단은 그 각각에서 가변 체적의 작동 챔버(9.1 및 9.2) 중 하나의 이동 부재에 설치되고, 타단은 가변 체적으로 대향되어 위치하는 챔버(10.1 및 10.2)에 설치된다.
여기에서, 장치는 추가의 유사한 마스터 기어(11)와 두 개의 슬레이브 편심 기어(12.1 및 12.2)를 더 포함하며, 이들은 구동 샤프트(2) 및 슬레이브 축(6.1 및 6.2) 상에 각각 유사하게 고정되고, 반대쪽에 각각 연결 유닛(8.1 및 8.2)이 위치한다.
구동 샤프트의 상이한 작동 속도에서 장치의 작동 동안 바람직하지 않은 가능한 불균형 진동을 피하도록, 가변 체적의 네 개의 챔버(편심 바디마다 2개의 카메라)의 기술적 해결 수단이 바람직하다.
본 발명은 다음과 같이 작동한다.
전기 모터, 내연 엔진, 풍력 발생기, 수압-생성기 등과 같은 마스터 동력원에서의 활동이 구동 샤프트(2)에 공급되고, 이는 미리 결정된 회전 속도로 가속되며, 마스터 기어(3)를 구동시킨다. 다음, 기어(3)는 두 개의 슬레이브 편심 기어(4.1 및 4.2)를 구동하며, 이는 각각 슬레이브 축(6.1 및 6.2)에 대하여 고정된 베어링 상에서 자유로이 회전한다.
기엇니 휠의 1:1 기어비는 (마스터 및 슬레이브로서, 이 경우 모두 동일한 지름임) 편심 바디에 동일한 실린더형의 공간적 위치를 제공하며, 이들 각각이 회전축에 대하여 완전한 회전을 한다. 기엇니의 변화가 필요한 경우, 편심 휠의 동일한 동기화를 위하여, 슬레이브 및 마스터 기엇니 휠은 더/덜 필요한 것으로 계산된 필요한 변조로서 유사한 트랜스미션을 하여 계산된 상이한 지름으로 만들어진다.
로드(5.1 및 5.2)의 회전시, 이들은 관성의 원심력을 받으며, 그 영향 하에서 각각의 슬레이브 축(6.1 및 6.2) 상에서 편심 바디(4.1 및 4.2)의 힘을 증가시키고, 균형 빔(7)은 최초 위치로부터 편동하여(deviation) 왕복 운동을 시작한다.
원심력 방향의 실린더형 변화로 인하여, 편심 바디(4.1 및 4.2)와 동기화된 균형 빔(7)은 진동 운동을 한다. 진동폭이 항상 주어지는데, 계산에 의하여 결정된 로드(5.1 및 5.2)의 무게 중심의 극단 지점에 대한 거리와 동일하다.
편심 바디(4.1 및 4.2)의 활동은, 균형 빔이 편동의 극단 지점에 이른 경우, 즉 모멘트값이 구동 샤프트에 대하여 상대적으로 일정한 경우 즉각 전달된다. 로드의 원심력이 균형 빔의 방향과 최대로 동축으로 이루어진 경우, 즉 위상 변화가 자연스럽게 이루어진 경우, 그 방향은 균형 빔의 편동의 극단 지점에서 180도 변화하여 양 방향으로 유용하고 효과적은 활동을 취하도록 한다.
운동학적 체인인 "균형 빔(7) - 슬레이브 축(6.1 및 6.2) - 연결 유닛(8.1 및 8.2) - 가변 체적의 챔버(9.1, 9.2, 10.1, 10.2)의 가동 부재"을 통하여, 균형 빔의 진동 운동의 어떠한 방향도 가변 체적의 모든 챔버의 가동 부재를 구동한다. 이 경우, 두 개의 대각하는 대향 챔버(9.1 및 10.2)에서 압축되는 작동 매체가 프로세스되어 균형 빔의 시계방향으로의 편동이 이루어지고, 이와 동시에 두 개의 대각하는 대향 챔버(10.1 및 9.2)에서의 작동 매체의 채움 프로세스로서 균형 빔의 반시계 방향으로의 편동이 이루어진다. 즉, 유용한 작업이 가변 체적의 모든 챔버 커플링에서도 후속하여 효과적인 경우, 균형 빔(7)의 진동 운동의 어떠한 방향도 작동한다.
가변 체적의 챔버에서는, 출구 밸브(미도시)에 의하여, 가압된 작동 매체가 최종 소비자(end consumer)에 전달된다. 설정된 본 발명의 출력 작동 파라미터 및 작동 조건(환경 조건 포함)에 따라, 작동 매체는 액체, 가스, 공기일 수 있다.
작동 챔버의 출구 밸브는 수신자로부터 최종 소비자에 연결될 수 있으며, 여기에서 (전기 에너지와 반대로) 가압된 매체의 에너지가 손실되지 않을 수 있고, 장기간 축적되고, 저장되고, 필요시 예를 들어 전기 출력 트랜스미션 라인과 같은 추가 연결 수단의 필요 없이 장거리에 걸쳐 전달된다. 추가로, 본 발명의 최종 소비자에 의하여 출력 소비에서 필요한 증가가 있는 경우 사용될 수 있다. 이는 공지된 장치와 비교하여 더욱 효과적이다.
이러한 구조체의 추가적인 장점은 추가 기능을 수행할 수 있는 가능성이며, 즉 다양한 프로세스 장치, 시스템 및 구성에서 진공을 생성하고 유지할 수 있고 저장조에 공기 및 증기-가스를 펌핑하고 그 내측에 진공을 생성할 수 있다. 더욱이, 추가의 구조적 변형을 필요로 하지 않으며, 가변 체적의 챔버의 입구 및 출구 밸브의 기능을 변경하는 것으로 충분하다. 따라서 이들 각각은 "반대 방향"으로 작동할 것이다. 상기의 장치에서 매체 진공 프로세스는 단순하며 경제적이기도 할 것이다. 장치의 이러한 추가 기능의 존재는 기술적 가능성을 확장시키고 범용적으로 한다.
상기의 장치의 작동 중 힘의 분배의 개요가 도 6에 도시되며, 여기에 기재된 문자들은 다음과 같다.
X, Y, Z - 좌표축
R - 슬레이브 편심 기어(4.1)(또는 4.2)의 이동 경로 반지름, 구동 샤프트(2)의 회전 중심으로부터 슬레이브 축(6.1 및 6.2) 각각의 회전 중심으로의 거리;
Ω - R과 동일한 반지름의 구동 샤프트(2)에 대한 상대적인 진동 운동을 야기하는 편동에서의 균형 빔의 파동의 각속도;
ω - 슬레이브 편심 기어의 회전 각속도 (로드(5.1 및 5.2)의 회전의 각도상 주파수);
r - 로드(5.1 및 5,2)의 무게 중심의 회전 반지름;
Fmot - 주파수(ω)로 회전하는 작동 하에서 구동 모터로부터 로드까지 인가되는 힘;
Fc -f - 반발력;
Fc - 원심력;
FX - 원심력의 방사상 성분;
Mr - 로드 저항 모멘트;
φ- Fc 와 F 사이의 각도.
2.2KW의 용량의 구동 모터의 작동 결과, 298.8s-1(2850RPM)의 각속도가 구동 샤프트(2)에 전달된다. 이 때에, 샤프트 상에 단단히 고정된 마스터 기어(3)가 동일한 속도로 회전한다. 마스터 및 슬레이브 기어비가 각각 1:1이기에(도시된 예시에서 마스터 및 슬레이브 기어의 지름은 서로 동일한 것으로 가정), 로드(5.1 및 5,2)가 고정되는 슬레이브 기어의 회전 각속도(ω) 역시 298.8s-1이다. 편심 바디(슬레이브 기어)의 회전은 다음 값의 원심력을 생성한다.
Fc = m·ω2·r = 8570N
여기에서:
m - 각각의 로드의 질량, 1600g으로 가정;
r - 로드의 무게 중심까지의 거리, 30mm로 가정.
원심력(Fc)의 방사상 성분(Fx)은 대칭으로 위치한 제 2 편심 바디에 의하여 생성된 유사한 힘에 의하여 균형을 맞추므로 장치의 작동에 영향을 주지 않는다. (반지름(R)의 경로에 대한) 탄젠트 방향의 순간값으로서 이와 동시에 반지름(r)의 경로에 대한 방사상 값인 원심력(Fc)의 성분은, 선(S)을 따라 이로부터 가변 체적의 챔버에 대하여 편심체의 축에 인가되는 힘(F)으로서 이는 다음과 같다:
F = 2·m·ω2·r·cosωt
여기에서,
문자 2는 로드의 개수를 지칭하며:
t - 회전 시간, s이다.
t=0에서의 힘은 다음과 같다.
F = 8570N
(r 및 S를 따른) 로드의 방사상 속도의 순간값은 다음과 같다.
V = ω·r·cosωt
그리고, t=0에서: V=9m/s이다.
따라서, 마스터 기어의 바닥면(Z) 축을 따른 회전 각속도(Ω)는 각속도(ω)보다 매우 작으며, 따라서 이는 무시될 수 있다.
힘(F)에 의하여 생성되는 축(Z)에 대한 모멘트(활동 모멘트)는 다음과 같다.
M = F·R
여기에서, R - 축(Z)으로부터 로드 회전 지의 거리, m이며,
다음:
M = 8570·0.14 = 1200Nm
특히, 회전 운동의 경우, 용량은 다음과 같다:
P = M·ωb 그리고 ωb = φ/t
여기에서:
ωb - 균형 빔 회전의 각속도, rad/s
φ - 균형 빔 회전 각도, 0.42rad와 같음;
t - 균형 빔이 한 번의 파동을 만드는 시간, 0.02s와 같음.
다음:
ωb = 0.42 / 0.02 = 21 rad/s
결과적으로, 균형 빔의 이론적인 용량은:
P = 1200·21 = 25200(Wt) = 25.2kW
이로서, 균형 빔의 이론적 용량(25.2kW)은 회전 구동 샤프트에 대한 최초 모터 용량(2.2kW)의 10배를 넘는다.
본 장치에서, 편심 바디의 크기 및 무게는, 균형 빔(7)이 미리 결정된 값으로 구동 샤프트(2)의 속도로서 편동하고, 미리 결정된 진폭으로 진동 운동을 수행하고, 그리고 연결 유닛(8.1 및 8.2)을 통하여 편심 바디의 활동을 가변 체적의 챔버에 힘(F)과 동일하게 전달하도록 정하여 진다. 가변 체적의 챔버에서 가동 부재는 균형 빔(7)의 진동의 주어진 진폭과 동일한 거리로 이동한다.
즉, 본 장치에서, 오직 힘(F)이 높은 압력(과도한 압력)으로 가압된 작동 매체를 가변 체적의 챔버 내에서 생성하도록 사용된다. 따라서, 장치에 의하여 챔버 내의 작동 매체의 압력을 직접 증가시키도록 소비되는 구동 모터 에너지는 증가하지 않는다.
더욱이, 전술한 수식은 본 발명에 의하여 생성되고 가압된 매체의 최종 소비자에게 전달되는 에너지가 수배(10배 이상) 장치의 구동에 소비되는 모터 용량을 초과하며, 이는 전체적으로 장치의 고효율 인자를 지칭한다.
본 장치의 작동 동안의 활동(로딩) 분배 및 특히 왕복 컴프레서에서 가압되는 매체(공기)의 형태로 에너지 공급원을 제공(생성)하기 위한 공지된 장치 중 어느 하나의 개략적인 비교는 다음과 같다.
비교되는 장치의 아래의 예시에서의 연산을 수행한다:
- 구동 모터의 활동이 (3개의 실린더로 이루어진) 피스톤 그룹에 크랭크 메커니즘을 이용하여 직접 전달되는 경우의 왕복 컴프레서의 표준 계획
- 구동 모터와 (가변 체적의 챔버의 디자인에서 선택되는) 피스톤 그룹 사이의 운동학적 연결이 비유사한 경우의 4개의 실린더로 이루어진 본 장치의 계획
비교되는 장치는 다음과 같이 가정한다:
d - 피스톤의 지름으로, 80mm와 같음;
S - 피스톤의 면적으로, πd2/4 = 0.005024m2과 같음;
P - 작동 압력으로, 10atm(1.013MPa)와 같음.
1. 공지된 장치:
a) 하나의 실린더용 주입 및 흡기 사이클 모멘트를 위한 가압된 매체의 반응 하중의 연산
Fresponse = P·S = 5.0kN;
b)하나의 실린더용 회전 및 슬라이딩 베이렁에서, 피스톤 그룹에 대한 기계적 저항(링의 마찰)의 연산
Fresistance = 0.3kN
전체적으로, 하나의 실린더는 5.3kN의 힘을 극복할 필요가 있다. 이 경우, 3개의 실린더의 크랭크 메커니즘을 위하여, 18.5kW의 모터 용량이 필요할 것이다.
2. 본 장치:
a) 하나의 실린더용 주입 및 흡기 사이클 모멘트를 위한 가압된 매체의 반응 하중의 연산
Fresponse = P·S = 5.0kN;
b)하나의 실린더용 회전 및 슬라이딩 베이렁에서, 피스톤 그룹에 대한 기계적 저항(링의 마찰)의 연산
Fresistance = 0.3kN
전체적으로, (2개의 실린더가 흡기 모드에서 작동하고 다른 2개는 주입 모드인 경우) 2개의 실린더를 위한 순간 최대 활동을 극복할 필요가 있으며, 이는 다음과 같다:
F = 2·(Fresponse + Fresistance) = 10.6kN
본 장치에서 구동 모터와 피스톤 그룹 사이의 어떠한 직접적 운동학적 연결이 없기에, 모터 용량의 연산은 다음과 같다. 로드 회전을 위하여 디자인된 필요 모터 용량을 개략적으로 연산하며, 그 활동은 각속도 2850RPM에서 10.6kN의 활용 가능한 개략적인 작용을 제공할 것이다.
구성된 (작동) 모드에서, 구동 모터 용량은 오직 베어링 및 기어에서의 마찰을 극복하는데 사용된다.
베어링에서 잃는 용량은(CL)은 다음 공식으로 연산된다.
CL = 1.047·10-3·Mfr·n, 그리고 Mfr = 0.5·k·Fb·d
여기에서,
Mfr - 마찰 모멘트 (N·sm);
n - 회전 주파수로서, 2850RPM과 같음;
k - 마찰 계수로서, 0.001과 같음;
Fb - 활동이 4개의 베어링에 분배되기에 Fb = F/4인 경우 결정되며, 베어링에 대한 완전한 로딩으로 2.65kN과 같음
d - 베어링에서의 구명의 지름으로, 2.5sm과 같음
마찰 모멘트는 다음과 같을 것이다:
Mfr = 0.05·0.001·2.5 ≒ 3.3N·sm
그리고, 베어링에서의 용량 손실은 다음과 같을 것이다.
CL = 1.047·10-3·3.3·2850 ≒ 12.0Wt
베어링의 총 개수는 4개이며, 이는 왜 손실이 48Wt에 이를 것인지에 대한 이유이다.
기엇니 기어 휠에서의 손실은 약 400Wt의 값을 갖는다.
총 손실은 약 0.5kW에 이를 것이다.
장치를 구동하도록, 2.2kW의 용량의 구동 전기 모터를 사용할 수 있다.
연산된 데이터는, 공지된 장치의 구동을 위한 가압된 매체의 성능 및 압축 특성과 관련된 지표 하에서, 본 장치의 구동과 비교하여 몇 배의 보다 많은 전기적 용량이 소비될 필요가 있음을 나타낸다.
따라서, 본 장치의 기술직 해결 수단은, 저렴하며 환경 진화적인 에너지 공급원 - 가압된 매체로서 이루어지며 이를 수신하고, 누적하고, 저장하고, 전달하는 것을 허용한다. 에너지 공급원의 제조(생성) 비용은, 장치 전체에서 소비되는 에너지 절약으로 인하여 체적 손실 없이 수배 감소한다.

Claims (13)

  1. 회전 가능한 구동 샤프트가 설치되는 하우징;
    추가의 로드(load)가 제공된 휠 형태로 이루어진 불균형 질량체(unbalanced mass)의 부재에 대하여, 구동 샤프트에 고정된 마스터 휠을 통한 구동 샤프트의 회전 전달 메커니즘을 포함하는 마스터 유닛;
    마스터 유닛과 최종 소비자(end consumer) 사이에 위치하며, 작동 모멘트의 트랜스미션(transmission)을 허용하는 작동 노드(working node)를 포함하는 운동학적(kinematic) 체인;
    을 포함하는 에너지 생성기(energy generator)로서,
    샤프트의 회전 트랜스미션 메커니즘은, 마스터 휠에 운동학적으로 연결되며 두 개보다 적지 않은 슬레이브 편심 휠을 포함하고, 상기 슬레이브 편심 휠 각각은 구동 샤프트의 축에 평행하게 위치하는 이동 불가능한 추가의 슬레이브 휠 상에 회전 가능하게 고정되며, 상기 슬레이브 편심 휠 모두의 단부가 연결 수단에 의하여 그들 사이에서 연결되고,
    균형 빔(balance beam)의 중심이 구동 샤프트 상에 자유 고정되고, 각각의 슬레이브 축에 추가의 연결 링크가 제공되고, 상기 연결 링크의 일단부는 상기 축에 고정되며 타단부는 가변 체적의 작동 챔버의 가동 부재에 연결되고, 상기 챔버는 작동 매체 주입을 위한 입구 밸브 및 수신자(receiver)를 통하여 최종 소비자에로의 출구 밸브를 포함하는,
    에너지 생성기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 트랜스미션 메커니즘의 슬레이브 편심 휠은 유사한 지름으로 이루어진,
    에너지 생성기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 균형 빔은, 슬레이브 축에 고정된 위치인 극단 지점(extreme point)이 균형 빔의 고정 지점으로부터 구동 샤프트로 등거리이도록, 즉 원형, 또는 등각형(사각, 등변삼각형), 또는 십자형 형태의 기하학적 형태인,
    에너지 생성기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    불균형 질량체의 부재에 대한 샤프트 회전 트랜스미션의 메커니즘은, 마스터 휠로부터 슬레이브 휠로의 휠, 또는 벨트, 또는 체인, 또는 웜 회전 트랜스미션에 기초하여 이루어지는,
    에너지 생성기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    로드는 슬레이브 편심 휠의 표면에 고정되는,
    에너지 생성기.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 편심 휠에 방사상 레일이 제공되며, 그 내측에서 로드는 추가로 설치된 로드를 위한 국부적 구동 장치의 영향 하에 상기 레일을 따른 방사상 이동이 가능하도록 위치하는,
    에너지 생성기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    방사상 레일은 직선형, 또는 호형, 또는 편심 휠의 회전 축에 동심인 나선형의 형태인,
    에너지 생성기.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    로드를 위한 국부적 구동 장치는 기계적 형태(스프링 또는 레버), 또는 전기적 형태(전자석 또는 로터), 또는 전자적 형태, 또는 유압적 형태, 또는 공압적 형태로 디자인되는,
    에너지 생성기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    샤프트 트랜스미션 회전 메커니즘은 구동 샤프트의 축을 따라 연속적으로 부착되는 추가의 마스터 휠을 포함하며, 이는 슬레이브 편심 휠 각각에 운동학적으로 연관되는,
    에너지 생성기.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상응하는 마스터 휠에 운동학적으로 연관된 추가의 슬레이브 편심 휠을 더 포함하며, 이에 따라 각각의 연속하는 운동학적 슬레이브 휠은 그 앞선 것에 연결되고 이 경우 슬레이브 휠이 위치하는 모든 축은 동일한 균형 빔에 연속하여 연결되며, 상기 균형 빔의 중심은 구동 샤프트에 자유롭게 고정되는,
    에너지 생성기.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 슬레이브 축에서 첫 번째 작동 챔버에 대향하여 고정되는 추가의 작동 챔버를 더 포함하여, 작동 커플링을 형성하는,
    에너지 생성기.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가의 작동 챔버를 더 포함하거나, 또는 각각의 슬레이브 축에서 연속하여 배열되는 작동 챔버의 커플링을 포함하는,
    에너지 생성기.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    실린더-피스톤 커플링, 또는 벨로우즈 어셈블리, 또는 가요성 벽체(가로막)을 구비한 폐쇄형 챔버, 또는 공압 챔버(공압 스프링)이 가변 작동 챔버로 사용되는,
    에너지 생성기.
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