KR20160020148A - 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치 및 운전 사이클 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영구자석의 자기력을 기계적 에너지로 변환하는 에너지 변환장치 및 방법에 관한 것으로, 자유롭게 이동하는 가동판에 가동판용 척력발생 영구자석(MM2)과 가동판용 인력발생 영구자석(MM1, MM3)이 설치되고, 가동판과 대향된 고정판에 고정판용 척력발생 영구자석(MF2)과 고정판용 인력발생 영구자석(MF1, MF3)이 설치된 구성으로 이루어져, 외부에너지 발생장치에 의해 상기 고정판용 인력발생 영구자석(MF1, MF3)이 장착된 홀더(500a, 500b)가 순간적으로 이동하여 인력이 제거되면, 상기 가동판용 척력발생 영구자석(MM2)과 고정판용 척력발생 영구자석(MF2) 간에 발생하는 척력에 의해 상기 가동판(200)이 가이드부재(100a, 100b)를 따라 이동하면서 기계적 에너지를 발생시키면서 동력 사이클을 이루는 것을 특징으로 한다.

Description

영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치 및 운전 사이클{Mechanical Energy Converting Apparatus Using Permanent Magnet and Working Cycle Thereof}

본 발명은 영구자석을 이용하여 동력을 발생시키는 에너지 변환장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로 대향되게 배치된 영구자석 세트의 배척력과 흡인력을 이용하여 최소의 외부에너지로 높은 성능계수의 기계적 에너지를 발생시킬 수 있는 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치 및 운전 사이클에 관한 것이다.

일상생활에서 사용하는 각종 에너지 변환장치는 운전에 필요한 입력에너지(Ein)와 발생된 출력 에너지(Eout)의 비(Ein/Eout)에 의해 에너지 변환장치의 양부를 판단한다. 즉, 이러한 입력 에너지(Ein) 및 출력 에너지(Eout)와 대응하여 에너지 변환장치의 효율(Efficiency)과 성능계수(Coefficient of Performance: COP)는 에너지 변환장치의 양부를 나타내는 대표적인 지표가 될 수 있다. 그러나 이러한 효율과 성능계수의 개념은 전혀 다르다.

구체적으로, '효율'은 에너지 자원 자체가 보유하고 있는 에너지를 다른 형태의 에너지로 변환하는 정도를 나타내는 것으로, 에너지 변환 과정에서 기계적 손실이 발생하기 때문에 항상 100%보다 적다. 예를 들면, 열기관의 경우, 화석에너지가 보유하고 있는 열량을 기계적 에너지로 변환하는 과정에서 불완전 연소, 에너지 변환 과정에서 발생하는 마찰 등에 의한 기계적 손실 등으로 인해서 에너지 변환에 공급된 열량은 모두 기계적 에너지로 변환할 수 없다.

또한, '성능계수'(Coefficient of Performance: COP)는 주변에 존재하고 있는 잠재적 에너지를 취하여 유효한 에너지로 이용하는 정도를 나타내는 지표로서, 잠재적 에너지를 얻기 위한 장치의 운전에 필요한 에너지에 대한 유효한 에너지로 공급한 양의 비(Ratio)를 나타내며, 항상 100%보다 크다. 예를 들면, 냉동사이클을 이용하여 자연계로부터 열에너지를 취하는 열펌프의 경우, 열원으로부터 열에너지를 취하여 응축 과정에서 공조공간에 열을 공급하는 열량은 냉동사이클의 운전을 위해 압축기 등에 공급하는 운전동력보다 크다.

이러한 관점에서 보면, 예를 들면, "영구자석"이 인력과 척력을 보유한 대표적인 소재이므로, 이러한 "영구자석"의 자극의 배치 방법에 따라 상호 발생하는 자기력에 의한 흡인력(이하, "인력"이라 함) 및 배척력(이하, "척력"이라 함)은 "영구자석" 상호간의 배치에 의해 발생하는 기계적 에너지로서, 이러한 자기력을 기계적 에너지로 변환할 수 있는 에너지 변환장치를 이용함으로써 각종 장비의 운전에 필요한 구동력으로 공급할 수 있다. 즉, 인력과 척력은 "영구자석"이 보유하고 있는 잠재적인 기계적 에너지이며, 기계적 에너지를 얻기 위해서는 에너지 변환장치를 구동하는데 필요한 에너지(이하, "외부 일"이라 함)를 외부로부터 공급해주어야 한다. 이 때, 에너지 변환장치를 통해서 얻어진 기계적 에너지가 유효성을 갖기 위해서는 외부 일에 대한 기계적 에너지 변환량의 비율인 성능계수가 커야 한다.

화석연료를 기반으로 발전한 오늘날의 산업사회는 지구온난화로 대표되는 환경파괴의 폐해와 자원고갈이라는 문제에 봉착하여 이를 해결해야 하는 당면과제를 안고 있다. 이러한 당면과제 해결을 위해 오래전부터 대체자원의 개발, 에너지 이용효율 향상이란 양대 축을 중심으로 대안을 마련하고 있다. 에너지 이용효율 향상관점에서 보면 에너지 변환기기의 효율을 극대화하는 것이 필요하지만, 이 경우 화석연료를 지속적으로 활용해야 하기 때문에 자원고갈이란 현안을 해결하는 데에는 한계가 있다.

최근에는 자원절약과 환경오염방지 차원에서 주변에 거의 무한하게 존재하고 있는 잠재적인 에너지자원인 각종 미활용 에지자원의 활용방안이 커다란 관심을 끌고 있다. 이러한 미활용 에너지 자원의 이용방법에 있어서도 에너지 변환장치를 이용하여 이를 다른 에너지 형태로 변환하는 경우와 잠재적 에너지와 동일한 형태를 유지하면서 가용상태로 변환하는 방법으로 나누어진다.

동일한 형태를 유지하면서 잠재적인 에너지를 가용상태로 변환하는 후자의 경우, 반드시 장치의 작동에 필요한 에너지를 외부에서 공급(이하 "외부에너지"라 함)해주어야 한다. 이 때, 이러한 외부에너지의 공급량을 최소화하면서 장치를 운전함으로써 외부에너지에 대한 유효에너지의 변환량의 비(성능계수)를 최대로 하는 것이 가장 중요하다. 즉, 미활용 열에너지를 열원으로 이용하여 이를 유효에너지로 공급하는 열변환 장치로서 가장 널리 이용하고 있는 열펌프의 경우, 장치의 운전동력을 최소화하여 성능계수를 최대로 하는 것이 가장 중요하다.

대한민국 등록특허번호 제10-1112772호(출원일: 2008년 12월 19일), 발명의 명칭: "연속운동에 필요한 에너지 공급을 위한 영구자석의 순간배척력을 이용한 충격량 발생장치 및 이를 이용한 동력발생장치" 대한민국 공개특허번호 제2000-58534호(공개일: 2000년 10월 5일), 발명의 명칭: "영구자석의 자력을 이용하여 동력을 얻는 방법 및 그장치" 대한민국 공개특허번호 제2001-26946호(공개일: 2001년 4월 6일), 발명의 명칭: "영구자석의 자기력에 의한 에너지 발생장치" 대한민국 공개특허번호 제2005-90760호(공개일: 2005년 9월 14일), 발명의 명칭: "영구자석을 이용한 에너지 변환장치" 대한민국 공개특허번호 제1998-34080호(공개일: 1998년 8월 5일), 발명의 명칭: "영구자석을 사용하는 에너지 변환장치"

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 영구자석이 보유한 자기력을 운전동력 발생의 기반으로 하는 사이클을 구성하여, 에너지 생산과정에서 환경오염 물질의 발생이 없고, 연료의 공급을 최소화할 수 있는 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치 및 운전 사이클을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치는, 가이드부재와; 가동판용 척력발생 영구자석과 가동판용 인력발생 영구자석이 설치되고, 상기 가이드부재를 따라 자유롭게 직선 왕복 이동하도록 설치된 가동판과; 상기 가동판용 척력발생 영구자석과 대향하여 척력을 발생시키는 고정판용 척력발생 영구자석과, 상기 가동판용 인력발생 영구자석과 대향하여 인력을 발생시키는 고정판용 인력발생 영구자석을 구비하고, 상기 가이드부재의 일측에 고정되게 설치된 고정판과; 상기 고정판에 대해 이동 가능하게 설치되며, 상기 고정판용 인력발생 영구자석이 부착되는 홀더 및; 상기 가동판용 척력발생 영구자석과 고정판용 척력발생 영구자석에 의한 척력과, 상기 가동판용 인력발생 영구자석과 고정판용 인력발생 영구자석에 의한 인력이 평형을 이루어 가동판이 정지한 상태에서 상기 홀더를 가동판용 인력발생 영구자석과 멀어지는 방향으로 순간적으로 이동하여 인력을 제거하는 외부에너지 발생장치를 포함하며; 상기 가동판은 상기 외부에너지 발생장치에 의해 홀더가 이동하여 인력이 제거되면, 상기 가동판용 척력발생 영구자석과 고정판용 척력발생 영구자석 간에 발생하는 척력에 의해 가이드부재를 따라 이동하면서 기계적 에너지를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 한 형태에 따르면, 본 발명의 에너지 변환장치는 상기 고정판과 홀더 사이에 설치되어 가동판용 인력발생 영구자석과 고정판용 인력발생 영구자석 간에 발생하는 인력에 의해 수축 변형되면서 반력을 흡수하는 압축 탄성체를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 압축 탄성체의 용량은 상기 가동판용 인력발생 영구자석과 고정판용 인력발생 영구자석에 의한 인력보다 큰 것이 바람직하다.

또한 상기 가동판은 가이드부재를 따라 직선 왕복 운동하여 사이클을 이룬다.

상기 가동판에는 복수개의 가동판용 척력발생 영구자석이 설치되고, 상기 고정판에는 복수개의 고정판용 척력발생 영구자석이 설치될 수 있다.

상기 가동판의 양단부에 가이드부재를 따라 구름 운동하는 이동 휠이 설치될수 있다.

이와 다르게, 상기 가이드부재는 봉 형태로 되어 가동판에 형성된 구멍을 관통하도록 설치되며, 가동판의 구멍과 가이드부재 사이에 직선 운동용 베어링이 설치될 수도 있다.

상기 가동판은 동력전달장치를 매개로 동력을 필요로 하는 구동장치에 연결된다.

상기 동력전달장치는 일단이 상기 가동판(200)에 회전 가능하게 연결되는 컨넥팅로드와, 상기 컨넥팅로드의 타단에 연결되고 일단이 구동장치와 연결되어 직선 운동을 회전 운동으로 변환하여 구동장치로 전달하는 크랭크샤프트를 포함할 수 있다.

상기 가동판용 인력발생 영구자석과 상기 고정판용 인력발생 영구자석 간에 작용하는 인력의 합은 상기 가동판용 척력발생 영구자석과 상기 고정판용 척력발생 영구자석 간에 작용하는 척력보다 큰 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 한 형태에 따르면, 전술한 본 발명의 에너지 변환장치를 이용하여 자기력을 기계적 에너지로 변환시키는 에너지 변환 방법으로서,

(a) 가동판용 척력발생 영구자석과 고정판용 척력발생 영구자석에 의한 척력과, 가동판용 인력발생 영구자석과 고정판용 인력발생 영구자석에 의한 인력이 평형을 이루어 가동판이 고정판에 대해 일정 거리 이격된 위치에서 정지 상태를 유지하는 단계와;

(b) 외부에너지 발생장치가 홀더를 상기 가동판용 인력발생 영구자석과 멀어지는 방향으로 순간적으로 이동하여 인력을 제거하는 단계와;

(c) 상기 가동판이 가동판용 척력발생 영구자석과 고정판용 척력발생 영구자석에 의한 척력에 의해 가이드부재를 따라 이동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법이 제공된다.

여기서 상기 가동판은 가이드부재를 따라 직선 왕복 운동하여 사이클을 이루며, (a) ~ (c) 단계가 연속적으로 반복 수행될 수 있다.

본 발명에 따르면, 가동판용 척력발생 영구자석과 고정판용 척력발생 영구자석에 의한 척력과, 가동판용 인력발생 영구자석과 고정판용 인력발생 영구자석에 의한 인력이 평형을 이루어 가동판이 정지한 상태에서 고정판용 인력발생 영구자석이 부착된 홀더에 외부 에너지를 가하여 순간적으로 이동시켜 인력을 제거하게 되면, 가동판이 척력에 의해 선형 운동하게 된다. 따라서 영구자석의 자기력을 효과적으로 기계적 에너지로 변환할 수 있다.

또한 고정판과 홀더 사이에 인력에 의해 수축 변형되면서 반력을 흡수하는 압축 탄성체를 설치하여, 영구자석의 자기력을 기계적 에너지로 변환하는 에너지 변환장치의 유효성을 나타내는 성능계수(입력 에너지(Ein)와 출력 에너지(Eout)의 비(Ein/Eout)로 주어짐)를 최대화시킬 수 있고, 이에 따라 엔진, 항타기 등 각종 기계의 운전에 필요한 구동원을 효율적으로 획득할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석의 에너지 변환장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 영구자석의 에너지 변환장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 에너지 변환장치의 일부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 에너지 변환장치의 가동판이 척력에 의해 이동하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2의 에너지 변환장치의 사이클을 설명하는 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

먼저, 오늘날 일상생활에서 필요로 하는 열에너지와 전기에너지는 대부분 화석연료, 원자력 또는 신재생에너지로부터 얻고 있으나, 부존자원의 한계성, 에너지 변환 및 이용 과정에서 발생하는 오염물질 등에 의한 지구환경 오염문제, 에너지 발생의 불규칙성 때문에 대체자원 확보의 필요성이 증대되고 있다. 또한, 에너지 이용 효율 측면에서 볼 때, 열기관은 40% 내외로서 매우 낮은 상태에 머물러 있으며, 주변에 존재하고 있는 미활용 에너지를 회수하여 유효 이용하는 에너지절약 기기로서 널리 이용하고 있는 열펌프의 성능계수도 약 4~8 정도에 머물러 있다.

본 발명의 실시예에 따른 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치는, 전술한 점을 고려하여 자기력을 기반으로 하여 에너지 생산과정에서 환경오염 물질의 발생이 없고, 연료의 공급이 거의 필요 없는 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치의 구동에 관한 것으로, 구동에 필요한 외부 일에 대한 에너지 변환량의 비율인 성능계수성능계수(COP)를 수십 배 또는 그 이상(이론적으로는 수천 배 이상)까지 얻을 수 있다.

다시 말하면, 오늘날 지구상에서 이용하고 있는 모든 에너지 변환장치의 궁극적인 목표는 최대의 유효에너지를 얻는데 있다고 할 수 있다. 즉, 에너지 변환장치는 에너지원 자체의 화학적 반응에 의해 발생하는 에너지 변환과 잠재적으로 보유하고 있는 에너지를 취하여 유효한 에너지 형태로 변환하는 방법으로 대별할 수 있다. 이러한 에너지 변환은 자체적으로 일어날 수 없고, 어떠한 형태이든 모두 변환에 필요한 에너지를 외부로부터 공급받아야 한다.

여기서, 에너지 변환의 정도를 나타내는 대표적인 지수로서 효율(Efficiency)과 성능계수(Coefficient Of PerC′rmance: COP)가 있다. 여기서, 상기 효율은 에너지 변환장치에 공급한 에너지원의 총 에너지량에 대해 에너지 변환장치에 의해 유효 에너지의 형태로 변환한 총 에너지량의 비로 표기하고(예를 들면, 내연기관), 또한, 상기 성능계수(COP)는 가용할 수 있는 잠재적인 에너지를 보유하고 있는 계(係)에 외부로부터 에너지를 공급하여 잠재되어 있는 에너지를 취하였을 경우, 외부에서 공급한 에너지량에 대한 잠재적 에너지의 취한 량과의 비율로 표기한다(예를 들면, 열펌프). 이 때, 상기 효율은 항상 1보다 작고, 상기 성능계수는 1보다 크다.

본 발명에 따른 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치는 척력과 인력을 보유한 소재인 영구자석의 조합에 의해 성능계수를 최대화시켜 준무한대(Semi-Infinite)의 성능계수를 확보하기 위한 것이다.

영구자석들을 서로 대면시킬 경우, 동일 극끼리는 척력이 발생하고, 상이한 극끼리는 인력이 발생하는 것은 이미 잘 알려진 사실이다. 즉, 이러한 영구자석들 상호간에는 이미 기계적인 에너지가 잠재되어 있다고 할 수 있다.

이러한 영구자석들을 내연기관과 비교하면, 내연기관의 경우 연료의 연소에 의해 발생하는 열에너지를 기계적 에너지로 변환하여 활용하는 것은 팽창 과정을 일어나게 하는 폭발력이며, 영구자석의 조합에서는 척력이 폭발력에 해당한다고 할 수 있다. 따라서 영구자석들의 동일 극끼리 대면한 상태에서 거리를 좁히고, 이러한 영구자석들 상호간에 척력을 발생시키기 위해서는 외부로부터 외부 에너지를 공급해야 하며(예를 들면, 내연기관의 압축 과정), 이 때, 가한 외부 에너지는 해당 이격 거리에 해당하는 척력과 동일하다. 따라서 이러한 척력 발생을 위해 필요한 외부에너지 공급량을 최소화하는 방법이 확보되어야 한다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 첫번째 실시예에 따른 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치의 구성 및 작용을 설명한다. 이 실시예의 에너지 변환장치는 상호간에 발생한 인력에 대한 반력(척력을 발생시키기 위해 작용하는 인력에 대한 반발력으로 이하 "반력"이라 함)이 강성체에 직접 전해지는 경우를 나타낸다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 인력발생 영구자석이 강성체에 고정된 에너지 변환장치의 경우, 일정 간격으로 평행하게 설치된 2개의 가이드부재(100a, 100b) 사이에 가동판(200)을 자유롭게 이동할 수 있게 설치하고, 상기 2개의 가이드부재(100a, 100b)의 일측에 고정판(400)을 고정되게 설치한다. 여기서 상기 가동판(200)의 양측면에 가이드부재(100a, 100b)를 따라 구름 운동하는 이동 휠(30a, 30b)이 설치되고, 상기 2개의 가이드부재(100a, 100b)는 레일 형태를 가지며, 상기 이동 휠(30a, 30b)에 의해 상기 가동판(200)이 상기 2개의 가이드부재(100a, 100b) 사이에서 자유롭게 이동할 수 있게 구성된다.

물론 이 실시예에서는 가동판(200)의 자유로운 이동을 위해서 이동 휠(300a, 300b)이 레일 형태의 가이드부재(100a, 100b)를 따라 이동하는 것으로 예시하였지만, 이와 다르게 가이드부재(100a, 100b)가 원형 또는 다각형 단면의 봉 형태로 이루어져 가동판(200)의 형성되는 구멍을 관통하도록 설치되고, 가동판(200)의 구멍과 봉 형태의 가이드부재(100a, 100b) 사이에는 직선 운동용 베어링이 개재된 구성으로 이루어져 가동판(200)이 가이드부재(100a, 100b)를 따라 이동하도록 구성될 수도 있을 것이다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 가동판(200)과 상기 2개의 고정판(400)은 서로 대향하도록 설치하며, 상기 가동판(200)의 일측면에 가동판용 제1 인력발생 영구자석(MM1), 가동판용 척력발생 영구자석(MM2) 및 가동판용 제2 인력발생 영구자석(MM3)이 배치된다. 도면에 도시하지는 않았으나, 상기 가동판(200)은 컨넥팅로드 및 크랭크샤프트와 같은 동력전달장치를 매개로 동력을 필요로 하는 구동장치에 연결될 수 있다. 상기 컨넥팅로드는 일단이 상기 가동판(200)에 회전 가능하게 연결되며, 상기 크랭크샤프트는 상기 컨넥팅로드의 타단에 연결되고 일단이 구동장치와 연결되어 컨넥팅로드의 직선 운동을 회전 운동으로 변환하여 구동장치에 전달한다. 상기 구동장치는 예를 들어 발전기나 압축기 및 엔진(Engine)과 같은 회전운동기기를 구동하거나 프레스 및 항타기와 같은 왕복운동기기를 구동할 수 있다.

또한, 상기 가동판(200)과 대향하는 고정판(400)의 일측면에 고정판용 제1 인력발생영구자석(MF1), 고정판용 척력발생 영구자석(MMF2) 및 고정판용 제2 인력발생 영구자석(MF3)이 일정 간격으로 배치된다. 상기 고정판용 척력발생 영구자석(MMF2)은 고정판(400)에 고정되게 설치되고, 상기 고정판용 제1 인력발생영구자석(MF1) 및 고정판용 제2 인력발생 영구자석(MF3)은 고정판(400)에 대해 일정 거리만큼 직선 왕복 이동 가능하게 구성된 홀더(500a, 500b)에 고정되게 설치된다. 상기 홀더(500a, 500b)는 외부에너지 발생장치(미도시)와 연결되어 외부에너지 발생장치에 의해 도면상 우측으로 선형 이동한다. 상기 외부에너지 발생장치는 자연에너지를 이용하여 기계적인 운동을 발생시키는 장치로 된 것이 바람직하다.

여기서 상기 가동판용 제1 인력발생 영구자석(MM1) 및 상기 고정판용 제1 인력발생 영구자석(MF1)은 인력이 발생하도록 상반된 극이 서로 대향되고, 상기 가동판용 척력발생 영구자석(MM2) 및 상기 고정판용 척력발생 영구자석(MF2)은 척력이 발생하도록 동일한 극이 서로 대향되며, 상기 가동판용 제2 인력발생 영구자석(MM3) 및 상기 고정판용 제2 인력발생 영구자석(MF3)은 인력이 발생하도록 상반된 극이 서로 대향된다.

구체적으로, 상기 가동판용 제1 인력발생 영구자석(MM1) 및 상기 고정판용 제1 인력발생 영구자석(MF1) 상호간, 및 상기 가동판용 제2 인력발생 영구자석(MM3) 및 상기 고정판용 제2 인력발생 영구자석(MF3) 상호 간에는 동일한 인력(Ft)이 작용한다. 또한, 상기 가동판용 척력발생 영구자석(MM2) 및 상기 고정판용 척력발생 영구자석(MF2) 상호간에는 척력(Fr)이 작용하게 된다. 예를 들면, 2Ft>Fr>Ft의 관계가 있다고 가정하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 이들 상호간에 작용하는 힘의 평형관계가 이루어지는 준평형 상태 위치, 즉 척력 Fr과 인력 2Ft가 상호 평형을 이루는 위치에서 상기 가동판(200)은 정지하게 된다.

이 때, 상기 고정판용 제1 인력발생 영구자석(MF1) 및 고정판용 제2인력발생 영구자석(MF3)이 설치되어 있는 홀더(500a, 500b)에는 인력(Ft)에 대응하는 동일한 크기의 반력이 각각 발생한다. 또한, 상기 고정판용 척력발생 영구자석(MF2)이 설치된 고정판(400)의 접촉면에는 척력(Fr)에 대응하는 동일한 크기의 반력이 발생한다. 이러한 역학적인 관계에서 상기 가동판(200)을 척력(Fr)에 의해서 도면상 좌측으로 이동하도록 하기 위해서는 인력(Ft)을 제거해 주어야 하는데, 이를 위해서는 외부로부터 상기 인력(Ft)과 동일한 방향으로 이보다 큰 힘(C)을 가해야 한다.

이 경우 외부에서 가한 힘의 합은 척력 Fr 과 동일하다. 즉, 외부에 대해서 일을 할 수 있는 척력 Fr과 외부에서 공급한 힘의 비인 성능계수는 이론적으로 1이다.

도 2와 도 3은 본 발명의 두번째 실시예에 따른 영구자석의 기계적 에너지 변환장치에서 고정판(400)과 인력발생 영구자석 장착용의 홀더(500a, 500b) 사이에 반력을 저장하는 압축 탄성체(600a, 600b)를 삽입한 구성을 나타낸 것으로, 가동판(200)이 정지된 초기 상태를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환장치에서 척력에 의해 가동판이 이동된 상태를 나타내는 도면이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 척력과 인력을 보유한 소재의 에너지 변환장치는, 기본적인 구성은 전술한 첫번째 실시예의 에너지 변환장치와 동일하지만, 영구자석을 고정하기 위한 홀더(500a, 500b)에 고정판(400)에 대해 홀더(500a, 500b)를 탄력적으로 지탱하는 압축 탄성체(600a, 600b)가 설치되어 고정판(400)과 홀더(500a, 500b) 사이에서 발생하는 반력을 흡수하도록 된 점에서 차이가 있다. 상기 압축 탄성체(600a, 600b)는 압축코일스프링 또는 영구자석 등을 이용하여 구성할 수 있다.

상기 압축 탄성체(600a, 600b)는 일단이 고정판(400)에 지지되고 타단이 홀더(500a, 500b)의 끝단에 지지되도록 홀더(500a, 500b)에 끼워져, 상기 홀더(500a, 500b)에 도면상 오른편으로, 즉 인력(Ft)과 동일한 방향으로 탄성력을 가한다. 상기 압축 탄성체(600a, 600b)는 상기 인력(Ft)이 상기 고정판용 인력발생 영구자석(MF1, MF3)에 작용할 때 수축되면서 홀더(500a, 500b)에 발생하는 반력을 흡수하여 저장하게 된다. 또한, 상기 압축 탄성체(600a, 600b)의 용량은 상기 인력(Ft)보다 크고, 상기 인력(Ft)에 의해 상기 압축 탄성체(600a, 600b)의 이동거리가 변형되면서 상기 가동판(200) 및 상기 고정판(400) 사이에 상호작용하는 힘의 평형을 이루는 지점에서 상기 가동판(200)이 정지하게 된다.

이에 따라 상기 가동판용 제1 인력발생 영구자석(MM1)과 고정판용 제1 인력발생 영구자석(MF1), 가동판용 제2 인력발생 영구자석(MM3)과 고정판용 제2 인력발생 영구자석(MF3)에 의해 인력이 발생하게 되고, 가동판용 척력발생 영구자석(MM2)과 고정판용 척력발생 영구자석(MF2) 상호 간에는 척력을 발생한다. 이 때의 인력을 압축 탄성체(600a, 600b)에 저장한 상태에서 상기 홀더(500a, 500b)에 힘(C′)을 가하여 상기 인력(Ft)을 제거하여 상기 가동판(200)이 척력(Fr)에 의해 상기 가이드부재(100a, 100b)를 따라 이동함으로써 상기 영구자석들(MM1, MM2, MM3, MF1, MF2, MF3)의 자기력이 역학적 에너지로 변환될 수 있다.

구체적으로, 외부 에너지를 가하여 상기 가동판(200)을 상기 고정판(400)에 근접시키면, 상기 가동판용 제1 인력발생 영구자석(MM1)과 고정판용 제1 인력발생 영구자석(MF1), 가동판용 제2 인력발생 영구자석(MM3)과 고정판용 제2 인력발생 영구자석(MF3)에 의해 인력(Ft)이 발생하고, 가동판용 척력발생 영구자석(MM2)과 고정판용 척력발생 영구자석(MF2) 상호 간에 척력(Fr)이 발생하게 되는데, 이 때 압축 탄성체(600a, 600b)에 인력(Ft)에 대응하는 반력(Ft′)에 해당하는 변위가 발생하면서 압축 탄성체(600a, 600b)에 탄성력이 저장되고, 이들의 힘이 평형을 이룬 위치에서 가동판(200)은 정지하게 된다. 즉, 이들 관계를 식으로 표시하면 Ft=Ft′이다.

이러한 힘의 균형이 이루어진 상태에서는 매우 작은 힘으로 인력을 제거하는 힘(C′)을 작용시켜 가동판용 인력발생 영구자석(MM1, MM3)들과 고정판용 인력발생 영구자석(MF1, MF3)을 격리시킬 수 있다. 이를 종합적으로 표현하면 가동판용 인력발생 영구자석(MM1, MM3)들과 고정판용 인력발생 영구자석(MF1, MF3)이 고정된 홀더(500a, 500b)에 극히 미소한 힘 C′를 작용하여 가동판용 인력발생 영구자석(MM1, MM3)들과 고정판용 인력발생 영구자석(MF1, MF3)을 서로 분리할 수 있고, 결과적으로 가동판용 척력발생 영구자석(MM2)들과 고정판용 인력발생 영구자석(MF1, MF3) 사이에 작용하는 척력이 가동판(200)에 작용하게 되어 가동판(200)은 외부에 대해 일을 할 수 있는 에너지를 얻게 된다. 이러한 결과를 통해 Fr>>2C′관계가 성립하며, 여기에서 C′ 값이 극히 적으므로 성능계수를 나타내는 Fr/2C′는 거의 무한한 성능계수(COP)를 갖게 된다는 이론이 성립한다.

이와 같이 본 발명의 두번째 실시예에 따른 에너지 변환장치에서 성능계수(COP)를 거의 무한한 큰 값(준무한대 성능계수)으로 확보할 수 있는 원리에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 것과 같이 영구자석을 배치할 경우, 척력(Fr)과 인력(Ft)이 상호평형을 이루는 위치에서 정지하게 된다. 이 때, 상기 고정판용 인력발생 영구자석(MF1, MF3)과 고정판(400)의 접촉면에는 각각 인력(Ft)과 같은 크기의 반력이 발생한다. 이 때, 척력(Fr)에 의해 가동판(200)이 이동하도록 하기 위해서는 순간적으로 인력(Ft)을 제거해야 하는데, 외부에서 에너지를 가하여 고정판용 인력발생 영구자석(MF1, MF3)을 순간적으로 떼어내면 된다. 이 때, 순간적으로 필요한 힘은 인력(Ft) 이상이 되어야 한다. 이러한 경우, 외부에서 가한 힘의 합은 척력(Fr)과 동일하다. 즉, 외부에 대해서 일을 할 수 있는 척력(Fr)과 외부에서 공급한 힘의 비인 성능계수는 이론적으로 1이 된다.

이론적으로는 인력(Ft)과 동일한 반력을 압축 탄성체(600a, 600b)에 저장하도록 함으로써 힘의 평형상태를 만들 수 있다. 즉, 인력(Ft)을 제거하기 위해 공급하여야 할 외부 일을 거의 "0"화 할 수 있어 척력과의 비인 성능계수(COP)를 이론적으로는 준무한대로 할 수 있다.

그런데 도 3에 도시한 것과 같이, 인력(Ft)이 작용할 때 발생하는 반력을 흡수할 수 있는 압축 탄성체(600a, 600b)를 홀더(500a, 500b)와 고정판(400) 사이에 배치하면, 그 반력은 압축 탄성체(600a, 600b)에 저장된다. 이 때, 압축 탄성체(600a, 600b)의 각각의 용량은 인력(Ft)보다 다소 큰 것을 사용하면, 인력(Ft)에 의해 상기 압축 탄성체(600a, 600b)의 거리가 변형되면서 상호작용하는 힘의 평형을 이루는 지점에서 상기 가동판(200a) 및 상기 인력발생 영구자석의 홀더(500a, 500b)가 각각 정지하게 된다.

이 때, 상기 가동판(200a) 및 상기 인력발생 영구자석 홀더(500a, 500b)에서 힘의 평형이 이루어진 상태에서는 아주 작은 힘만 가해도 힘의 평형이 깨어진다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 극히 적은 힘(C′)만으로도 인력발생 영구자석(MM3, MF3) 상호간에 각각 작용하는 인력(Ft)을 극복하고, 이들을 분리할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 가동판(200)에 가해진 척력(Fr)과 이동거리(W2)에 의해 상기 척력(Fr)에 의해 발생한 외부 에너지(Eout)가 W2·Fr 로 주어지고, 상기 인력발생 영구자석 이동체(500a, 500b)에 가해진 외부 공급 힘(C′)과 이동거리(W1)에 의해 상기 인력(Ft)을 제거하기 위해 외부에서 공급한 에너지(Ein)가 W1·C′로 주어지며, 이 때, 입력 에너지(Ein)에 대한 출력 에너지(Eout)의 비로 주어지는 성능계수(Coefficient Of Performance: COP)는 (W2·Fr)/(W1·C′)가 될 수 있다. 이 때, 상기 인력발생 영구자석 이동체(500a, 500b)에 가해진 외부 공급 힘(C′)이 적을수록 상기 성능계수(COP)가 거의 무한한 큰 값(≒∞)인 준무한대가 된다.

따라서, 이 실시예와 같이 인력발생 영구자석에 의한 인력(Ft)을 상기 압축 탄성체(600a, 600b)에 각각 저장함으로써 상기 인력(Ft) 제거에 필요한 외부 공급 에너지(Ein)를 최소화할 수 있다.

이상에서 영구자석이 보유하고 있는 자기력으로부터 일에너지를 얻을 수 있는 방법과 성능계수를 극대화하기 위한 외부 일에너지 공급을 최소화하기 위한 원리를 설명하였다. 즉, 영구자석의 배척력과 흡인력을 적절히 조합하면 자기력을 기계적 에너지로 변환시킬 수 있고, 이로부터 일에너지를 얻을 수 있다.

그러나, 이러한 개념이 유용성을 갖기 위해서는 위에서 설명한 과정이 연속적으로 발생할 수 있는 사이클 구성이 가능해야 한다. 이에 대해서 도 5를 참조하여 설명한다.

먼저 외부로부터 일에너지(이하 "외부일"이라 함)를 A1A2를 따라 외부로 부터 가하여 인력발생 영구자석의 조합에 의한 인력이 발생하도록 하면 가동판(200)에는 척력 PA2가 발생하는데, 이 때 인력과 척력이 힘의 평형상태를 유지하는 지점에서 가동판(200)이 정지한다. 이러한 과정에서 인력을 발생하는 영구자석 조합의 간격이 넓은 초기에는 외부 일에너지가 필요하지만 거리가 어느 정도 가까워지면 상호간의 인력만으로 가동판(200)에 척력이 발생하게 되어 에너지 공급이 필요없게 된다. 가동판(200)의 경로는 도 5의 A와 반대방향이 된다.

이 상태에서 A2→A2″방향으로 순간적인 외력을 가하여 인력을 제거하면 척력에 의해 가동판(200)은 과정 A를 거쳐 A3 상태가 된다. 이 때 작동을 위해 외부에서 공급한 일에너지는 면적 A1A2A2″A″A1이 되며, 척력에 의해 가동판(200)이 이동하면서 외부에 공급한 일 에너지는 면적A2A3A1′A2가 되므로 결과적으로 영구자석의 자기력으로부터 얻어진 순수 일에너지량은 면적 A1A2A3A1이 된다.

이와 동일하게 A3인 상태에서 반대쪽에 설치한 외부에너지 공급부에 외부로부터 B1B2가 되도록 일에너지를 가하면 척력 PB2가 발생하며, 이 때 위에서 설명한 바와 같이 영구자석의 조합에 의해 인력과 척력은 평형상태를 유지한다. 이 상태에서 B2→B2″방향으로 순간적인 외력을 가하여 인력을 제거하면 척력에 의해 가동판(200)은 B를 거쳐 B3의 상태가 된다. 이 경우 영구자석 조합의 척력에 의해 가동판(200)이 외부에 공급한 일에너지는 면적 B2B3B1′B2 이고, 작동을 위해 외부에서 공급한 일에너지는 면적 B1B2B2″B″B1이 되어 결과적으로 영구자석의 자기력으로부터 얻어진 순수 일에너지 량은 면적 B1B2B3B1이 된다.

이상은 영구자석의 조합만으로 연속작동 사이클을 구성할 수 있음을 증명하는 것으로 외부에서 공급한 일 에너지 량에 비해 영구자석의 자기력으로부터 얻어지는 에너지 량이 월등히 크기 때문에 유효한 동력발생 기관을 구성할 수 있는 영구자석 엔진 사이클을 구현할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명은 화석에너지를 사용하는 기존의 일반 내연기관 사이클과는 전혀 다른 개념의 사이클로서, 연료의 공급이 필요없고, 한 사이클 당 2회의 유효에너지를 발생하면서, 공해가 발생하지 않는 임의의 크기(수십~수백배이나 이론적으로는 수천배까지도 가능함)의 성능계수를 얻을 수 있는 새로운 개념의 사이클을 제시한 것이다.

이러한 본 발명에 따른 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치는 향후 영구자석의 자기력을 기계적 에너지로 변환하고 이를 유효한 에너지 형태로 변환하는 다양한 장치에 이용할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100a, 100b: 가이드부재 , 200: 가동판
MM1: 가동판용 제1 인력발생 영구자석
MM2: 가동판용 척력발생 영구자석
MM3: 가동판용 제2 인력발생 영구자석
300a, 300b: 이동 휠, 400: 고정판
MF1: 고정판용 제1 인력발생 영구자석
MF2: 고정판용 척력발생 영구자석
MF3: 고정판용 제2 인력발생 영구자석
500a, 500b: 홀더, 600a, 600b: 압축 탄성체
Ft: 인력, Fr: 척력,
C, C′: 외부 공급 힘

Claims (13)

1. 가이드부재(100a, 100b)와;
   가동판용 척력발생 영구자석(MM2)과 가동판용 인력발생 영구자석(MM1, MM3)이 설치되고, 상기 가이드부재를 따라 자유롭게 직선 왕복 이동하도록 설치된 가동판(200)과;
   상기 가동판용 척력발생 영구자석(MM2)과 대향하여 척력을 발생시키는 고정판용 척력발생 영구자석(MF2)과, 상기 가동판용 인력발생 영구자석(MM1, MM3)과 대향하여 인력을 발생시키는 고정판용 인력발생 영구자석(MF1, MF3)을 구비하고, 상기 가이드부재(100a, 100b)의 일측에 고정되게 설치된 고정판(400)과;
   상기 고정판(400)에 대해 이동 가능하게 설치되며, 상기 고정판용 인력발생 영구자석(MF1, MF3)이 부착되는 홀더(500a, 500b) 및;
   상기 가동판용 척력발생 영구자석(MM2)과 고정판용 척력발생 영구자석(MF2)에 의한 척력(Fr)과, 상기 가동판용 인력발생 영구자석(MM1, MM3)과 고정판용 인력발생 영구자석(MF1, MF3)에 의한 인력(Ft)이 평형을 이루어 가동판(200)이 정지한 상태에서 상기 홀더(500a, 500b)를 가동판용 인력발생 영구자석(MM1, MM3)과 멀어지는 방향으로 순간적으로 이동하여 인력을 제거하는 외부에너지 발생장치를 포함하며;
   상기 가동판(200)은 상기 외부에너지 발생장치에 의해 홀더(500a, 500b)가 이동하여 인력이 제거되면, 상기 가동판용 척력발생 영구자석(MM2)과 고정판용 척력발생 영구자석(MF2) 간에 발생하는 척력에 의해 가이드부재(100a, 100b)를 따라 이동하면서 기계적 에너지를 발생시키는 것을 특징으로 하는 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 고정판(400)과 홀더(500a, 500b) 사이에 설치되어 가동판용 인력발생 영구자석(MM1, MM3)과 고정판용 인력발생 영구자석(MF1, MF3) 간에 발생하는 인력(Ft)에 의해 수축 변형되면서 반력을 흡수하는 압축 탄성체(600a, 600b)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 압축 탄성체(600a, 600b)의 용량은 상기 가동판용 인력발생 영구자석(MM1, MM3)과 고정판용 인력발생 영구자석(MF1, MF3)에 의한 인력(Ft)보다 큰 것을 특징으로 하는 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 압축 탄성체(600a, 600b)는 압축코일스프링 또는 영구자석인 것을 특징으로 하는 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 가동판(200)은 가이드부재(100a, 100b)를 따라 연속 반복적으로 직선 왕복 운동하는 것을 특징으로 하는 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 가동판(200)에는 복수개의 가동판용 척력발생 영구자석(MM2)이 설치되고, 상기 고정판(400)에는 복수개의 고정판용 척력발생 영구자석(MF2)이 설치된 것을 특징으로 하는 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 가동판(200)의 양단부에 가이드부재(100a, 100b)를 따라 구름 운동하는 이동 휠(300a, 300b)이 설치된 것을 특징으로 하는 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 가이드부재(100a, 100b)는 봉 형태로 되어 가동판(200)에 형성된 구멍을 관통하도록 설치되며, 가동판(200)의 구멍과 가이드부재(100a, 100b) 사이에 직선 운동용 베어링이 설치된 것을 특징으로 하는 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 가동판(200)은 동력전달장치를 매개로 동력을 필요로 하는 구동장치에 연결된 것을 특징으로 하는 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 동력전달장치는 일단이 상기 가동판(200)에 회전 가능하게 연결되는 컨넥팅로드와, 상기 컨넥팅로드의 타단에 연결되고 일단이 구동장치와 연결되어 직선 운동을 회전 운동으로 변환하여 구동장치로 전달하는 크랭크샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치.
11. 제6항에 있어서, 상기 가동판용 인력발생 영구자석(MM1)과 상기 고정판용 인력발생 영구자석(MF1) 간에 작용하는 인력(Ft)의 합은 상기 가동판용 척력발생 영구자석(MM2)과 상기 고정판용 척력발생 영구자석(MF2) 간에 작용하는 척력(Fr)보다 큰 것을 특징으로 하는 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치를 이용하여 자기력을 기계적 에너지로 변환시키는 운전 사이클로서,
    (a) 가동판용 척력발생 영구자석(MM2)과 고정판용 척력발생 영구자석(MF2)에 의한 척력(Fr)과, 가동판용 인력발생 영구자석(MM1, MM3)과 고정판용 인력발생 영구자석(MF1, MF3)에 의한 인력(Ft)이 평형을 이루어 가동판(200)이 고정판(400)에 대해 일정 거리 이격된 위치에서 정지 상태를 유지하는 단계와;
    (b) 외부에너지 발생장치가 홀더(500a, 500b)를 상기 가동판용 인력발생 영구자석(MM1, MM3)과 멀어지는 방향으로 순간적으로 이동하여 인력을 제거하는 단계와;
    (c) 상기 가동판(200)이 가동판용 척력발생 영구자석(MM2)과 고정판용 척력발생 영구자석(MF2)에 의한 척력(Fr)에 의해 가이드부재(100a, 100b)를 따라 이동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치의 운전 사이클.
13. 제12항에 있어서, 상기 가동판(200)은 가이드부재(100a, 100b)를 따라 직선 왕복 운동하며, (a) ~ (c) 단계가 연속적으로 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 영구자석 자기력의 기계적 에너지 변환장치의 운전 사이클.
    

Images