KR20160077029A

KR20160077029A - 코달 사이클을 사용한 추진체

Info

Publication number: KR20160077029A
Application number: KR1020167003049A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 호리간
Original assignee: 호리간 코포레이션
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2016-07-01
Also published as: KR102233754B1; DE112014003201B4; JP2016536508A; US10618616B2; US20160152309A1; DE112014003201T5; WO2015006514A1; GB2530227B; GB201600374D0; GB2530227A

Abstract

본 발명은 한 장소로부터 다른 장소로 가스 또는 액체를 이동시키기 위한 장치 및 그 장치를 사용하는 방법이다. 상기 장치는 적어도 하나의 평면 강성 블레이드; 구동 샤프트를 수용할 수 있는 제1 구멍 및 상기 제1 구멍으로부터 떨어진 거리에 위치되는 제2 구멍인 두 개의 구멍을 갖는, 각각의 평면 강성 블레이드를 위한 크랭크; 한 단부가 강성 블레이드에 그리고 다른 단부가 크랭크의 제2 구멍에 부착되는, 각각의 크랭크를 위한 하나의 커넥팅 로드; 커넥팅 로드를 수용하기 위한 적어도 하나의 개구를 갖는 포위체; 및 커넥팅 로드가 통과하는 각각의 개구 내부에 부착되는 피봇 베어링을 가진다.

Description

코달 사이클을 사용한 추진체 {PROPELLING OBJECTS USING A CAUDAL CYCLE}

본 발명은 팬, 펌프 및 프로펠러에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 한 장소로부터 다른 장소로 가스 또는 액체를 이동시키기 위해 코달 사이클을 사용하거나 공기와 같은 가스 또는 물과 같은 액체를 통해 운송체(craft)를 추진시키는 방법 및 장치를 제공한다.

많은 해양 어류 및 포유류는 코달 사이클에서의 그들의 지느러미의 운동에 의해 물을 헤치며 이동한다. 이러한 사이클은 액체 및 가스를 이동시키기 위한 다양한 장치에 이용되어 왔으나, 이들 발명 중 어느 것도 자연에서 나타나는 성능 및 효율에 필적하거나 초과할 정도로 근접한 것은 없다.

코달 사이클은 역추력 및 항력을 최소화하면서 전방 추력을 최대화하는, 꼬리 지느러미와 같은 추진 표면의 운동을 설명한다. 일반적으로 알려진 두 개의 사이클 형태는 자연적인 코달 사이클과 기계적인 코달 사이클이다. 해양 포유류 및 몇몇 어류는 추진을 위한 자연적인 코달 사이클을 수행하기 위해 그들의 꼬리 지느러미를 사용한다. 이는 조종, 역추진 및 몸통 돌리기(twisting)에 사용되는 가슴 지느러미의 진동 또는 등 지느러미의 굴신운동(flexion)과 유사한 맴돌이(hovering) 운동 또는 정밀 운동에 사용되는 다른 지느러미와 매우 상이하다. 해양 환경에서의 자연적인 꼬리 지느러미는 다양한 조건 하에서의 포유류 또는 어류의 요구에 적합하도록 고도로 개선될 수 있게 진화해왔으며 압력 변화, 난류, 속도 및 동력 하중을 감지하는데 사용된다. 이 지느러미는 그의 후단 에지로부터 발생하는 와류들을 감소시키는 것에 부합되도록 종종 더 얇게 될 수 있고 그 익현 부분(chord section)을 변경시킬 수 있다. 자연적인 코달 사이클은 선단 에지에 의해 구동되며 블레이드 요소는 대부분 강성적이며 후단 에지는 선단 에지/미부 피봇 관절(tail pivot joint)에 의해 위치설정된다. 과도한 난류를 피하기 위해서, 자연적인 사이클은 주로 미는 동작(pushing operation)이다.

자연적인 코달 사이클에서, 선단 에지는 수류 속도에 비례하여 사이클 극단의 한쪽으로부터 다른 쪽으로 진동한다. 지느러미는 그 후에 선단 에지를 따라서 그의 이동 방향 쪽으로 피봇되어, 물을 후방으로 그리고 어류를 전방으로 민다. 이러한 사이클은 속도가 증가함에 따라서 더 얕은 사이클로 반복된다.

기계적인 사이클은 본질적으로 자연적인 코달 사이클과 동일하나, 저속에서 더 긴 추진과 거친 받음 각을 그리고 고속에서 더 얕은 추진과 받음 각을 가진다. 기계적인 코달 사이클에서, 선단 에지는 사이클의 중심에서 벗어난 극단 쪽으로 위치되며, 이때 블레이드는 블레이드에 대한 이상적인 받음 각을 형성한다. 받음 각을 유지하는 동안에 블레이드가 그 방향으로 진행하게 될 때까지 블레이드가 추진된다. 선단 에지는 후단 에지가 선단 에지를 뒤따르는 위치로 그리고 유체 유동에 평행한 위치로 추진되는 동안에 정지된다. 선단 에지는 블레이드에 대한 이상적인 받음 각을 형성하는 사이클의 다른 극단 쪽을 향해 위치된다. 이러한 받음 각을 유지하는 동안에 블레이드는 블레이드가 그 방향으로 진행하게 될 때까지 추진된다. 선단 에지는 후단 에지가 선단 에지를 뒤따르는 위치로 그리고 유체 유동에 평행한 위치로 추진되는 동안에 정지된다. 그후 이러한 사이클이 반복된다.

산체스(Sanchez)에게 허여된 미국 특허 제5,054,376호는 공기를 이동시키는데 사용되는 자연적인 코달 사이클의 기계적인 변형(version)을 개시한다. 그러나, 종동 후단 에지 및 비-강성 블레이드는 공기를 구동시키는 쪽으로 지향될 수 있는 힘을 제한하며 대부분의 블레이드 표면은 스트림 내로 항력만을 제공한다.

트리안타필로(Triantafyllou) 등에게 허여된 미국 특허 제5,401,196호는 선박-추진 장치에서의 기계적인 코달 사이클의 예를 개시한다. 그러나, 이러한 시스템은 복잡하고 고장에 민감한 많은 부품들을 가지며 그의 성능은 전통적인 프로펠러들과 그들의 등가물들에 비해 제한된다.

그러므로, 유체 운동 분야에는 더 양호한 성능과 신뢰성을 달성할 수 있는 개선된 코달 사이클에 대한 필요성이 있다.

본 발명은 한 장소로부터 다른 장소로 가스 또는 액체를 이동시키기 위한 장치 및 그 장치의 사용 방법이다. 일 양태에서, 상기 장치는 포위체(encasement), 적어도 하나의 평면 강성 블레이드, 크랭크, 커넥팅 로드 및 피봇 베어링을 가진다. 크랭크는 두 개의 구멍을 가지며, 제1 구멍은 구동 샤프트를 수용할 수 있고 제2 구멍은 제1 구멍으로부터 떨어진 거리에 위치된다. 커넥팅 로드는 한 단부가 강성 블레이드에 부착되고 다른 단부가 크랭크의 제2 구멍에 부착된다. 포위체 또는 기저부는 커넥팅 로드를 수용하기 위한 적어도 하나의 개구를 가질 수 있다. 피봇 베어링은 개구의 내부에 부착되며 그 개구를 통해서 커넥팅 로드가 포위체의 내측으로 통과한다.

일 실시예에서 구동 샤프트는 모터의 구동 샤프트이다. 대안으로, 상기 장치는 구동 샤프트를 갖는 모터를 더 포함한다.

다른 실시예에서 포위체 또는 기저부는 가스 또는 액체 도관이다. 대안으로, 포위체는 모터, 크랭크 및 크랭크에 부착되는 커넥팅 로드의 일부를 수용한다.

다른 양태에서 상기 장치에 의해 가스 또는 액체를 이동시키기 위한 방법이 제공된다. 일 실시예에서 상기 장치는 포위체, 모터와 적어도 하나의 평탄한 강성 블레이드, 크랭크, 커넥팅 로드 및 피봇 베어링을 가진다. 상기 장치에는 제1 및 제2 구멍을 갖는, 각각의 평탄한 강성 블레이드용 크랭크가 있다. 모터는 크랭크의 제1 구멍에 부착되는 구동 샤프트를 가진다. 상기 장치에는 각각의 평탄한 강성 블레이드용 커넥팅 로드가 있다. 각각의 커넥팅 로드의 한 단부는 평탄한 강성 블레이드의 중심에 부착되며 다른 단부는 크랭크의 제2 구멍에 부착된다. 포위체는 각각의 커넥팅 로드를 위한 하나의 개구 및 커넥팅 로드가 통과하는 각각의 개구 내부에 부착되는 피봇 베어링을 가진다. 상기 방법은 평탄한 강성 블레이드를 가스 또는 액체의 내측으로 삽입하는 단계 및 모터를 가동시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 이러한 양태의 일 실시예에서, 포위체는 가스 또는 액체 도관이며 그 도관의 내측으로 평탄한 강성 블레이드가 연장한다. 대안으로, 포위체는 모터를, 크랭크 및 크랭크에 부착되는 커넥팅 로드의 일부를 수납하는 하우징이다.

도 1은 단순화된 코달 사이클 팬의 사시도이다.
도 2는 단순화된 코달 사이클 내의 블레이드의 위치에 대한 도식적 표현이다.
도 3은 이중 블레이드 방식의 단순화된 코달 사이클 시스템의 일 예에 대한 도식적인 표현이다.
도 4는 이중 블레이드 방식의 단순화된 코달 사이클 시스템의 다른 예에 대한 도식적인 표현이다.
도 5는 구동 커넥팅 로드 및 받음 각 설정 커넥팅 로드를 갖춘 기계식 코달 사이클 연동기구의 측단면도이다. 이러한 받음 각 커넥팅 로드는 블레이드의 후단 에지가 선단 에지보다 뒤처지게 하고 정확한 받음 각을 유지하게 하는 스프링에 의해 받음 각에 대한 지연을 부가한다. 전통적인 받음 각 설정 커넥팅 로드는 구동 크랭크 뒤에 몇 도의 각도로 제2 크랭크와 맞춰져서 더 정밀한 받음 각을 부여하지만 구성하는 데에는 더 비싸다.
도 6은 도 5의 받음 각 설정 커넥팅 로드의 지연 단계를 도시하며, (A)는 고정 단계, (B)는 상승 사이클의 하위 단계 및 (C)는 하강 사이클의 상위 단계를 도시한다.

달리 정의하지 않는 한, 본 발명에 사용된 모든 용어는 본 발명이 속한 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 본 발명의 개시 전반에 인용된 모든 특허, 특허 출원 및 공보는 그들 전체가 인용에 의해 포함된다. 본 발명의 용어에 대한 복수의 정의들이 존재하는 경우에 본 섹션(this section)에 있는 것들이 우선시된다.

본 발명에 사용된 것과 같은 용어 "부착된(affixed)"은 블레이드와 커넥팅 로드 사이의 그리고 커넥팅 로드와 크랭크 사이의 상호작용을 지칭한다. 블레이드와 커넥팅 로드 사이의 경우에, 연결은 정적 또는 동적일 수 있다. 커넥팅 로드와 크랭크 사이의 경우에, 연결은 동적이다. 예를 들어, 운동이 원형 운동인 경우에 커넥팅 로드는 크랭크에 회전 가능하게 부착된다.

본 발명에 사용된 바와 같은 용어 "모터"는 장치의 하나 이상의 블레이드를 활성화시켜 작동시키기 위한 회전 에너지를 제공할 수 있는 구동 샤프트를 갖는 임의의 장치일 수 있다.

본 발명에 사용된 바와 같은 용어 "포위체(encasement)"는 가스 또는 액체가 통과하는 도관을 지칭한다. 대안으로, 포위체는 모터, 크랭크 및 커넥팅 로드의 일부를 수납하는 수납체(enclosure)일 수 있다. 블레이드가 도관과 같은 제한된 구역 내에서 가스 또는 액체를 이동시키는 경우에, 포위체가 제한된 구역이다. 그와 같은 예에서, 모터는 바람직하게 도관과 블레이드의 외측에 장착되며 커넥팅 로드의 일부는 가스 또는 유체가 체류하는 도관의 내측으로 연장한다. 블레이드가 가스 또는 유체를 통해 장치를 추진시키는데 사용되는 경우에, 포위체는 모터, 크랭크 및 커넥팅 로드의 일부를 수용하는 수납체이며 커넉팅 로드의 나머지 일부와 블레이드는 포위체의 외측에 있는 환경에 노출된다.

본 발명의 일 양태에서, 장치 및 방법은 단순화된 코달 사이클을 사용한다. 단순화된 코달 사이클에서, 블레이드 경로는 크랭크 중심으로부터 커넥팅 로드가 장착되는 거리(C) 및 피봇 베어링이 크랭크 중심으로부터 떨어진 거리(P)에 의해 결정된다(도 2). 더 큰 거리의 C는 더 큰 받음 각을 제공하며 따라서 더 큰 가속도를 제공하지만 더 작은 최대 유체 유동을 제공한다. 더 큰 거리의 P는 더 적은 받음 각을 제공하며 따라서 더 작은 가속도를 제공하지만 더 큰 유체 속도를 제공한다. 단순화된 코달 사이클에서 블레이드는 크랭크로부터 멀어지는 쪽으로 추진되어 블레이드가 극단 외측-추력 지점(extreme out-thrust point)에 도달할 때까지 블레이드가 가변 아크(varying ark) 및 가변 받음 각을 형성하게 한다. 이 지점에서, 유체는 크랭크 회전과 동일한 방향으로 편향된다. 블레이드는 그 후에 크랭크 쪽으로 당겨져서 블레이드가 극단 내측-추력 지점(extreme in-thrust point)에 도달할 때까지 블레이드가 가변 아크 및 가변 받음 각을 형성하게 한다. 이 지점에서, 유체는 크랭크 회전과 동일한 방향으로 중심 지점으로부터 멀어지는 쪽으로 편향된다.

본 발명의 다른 양태에서, 장치 및 방법은 유체 또는 가스를 구동시키기 위해 기계적인 코달 사이클 및 평탄한 평면 블레이드를 사용한다. 이는 블레이드가 포일(foil)이 아니고 단지 평탄한 평면 블레이드라는 점에서 이전의 장치와 구별된다.

블레이드

블레이드(5)(도 1)는 평탄한 강성 판이지만, 상부 표면과 바닥 표면이 평행하고 두께가 강성을 유지하면서 항력을 방지하도록 최소화된다면 블레이드는 주름지거나 조립된 구조물일 수 있다. 본 발명의 평탄한 강성 블레이드(5)는 전통적인 블레이드와 상이한데, 이는 본 발명의 블레이드가 듀티 사이클(duty cycle)을 방해하고 배출 유동 내의 발산 와류에 기여하여 성능을 감소시키는 유선형 또는 포일형 형상(fared or foil-shaped)이 아니기 때문이다. 블레이드(5)는 블레이드의 폭이 원하는 추진 대상 스트림 폭이도록 크기설정될 수 있다. 블레이드(5)의 전방 길이 및 후방 길이는 유체나 가스가 속도를 높이는데 필요한 가속도 하중, 유체의 궁극적 희망 속도 및 블레이드(5) 내로 도입되는 동력에 비례하여 크기설정될 수 있다. 예를 들어, 추진 유체에 사용되는 6-인치 폭의 블레이드는 (전후방향) 길이가 1 내지 3 인치일 수 있다. 1 인치의 블레이드 길이는 고속으로 가속되는 저-질량 유체들을 위한 것이다. 2-인치 블레이드 길이는 고-질량 유체들을 중속으로 가속시키기 위한 것이며 3-인치 블레이드 길이는 저속으로 이동되는 점성 유체를 위한 것이다. 폭이 길수록, 속도가 느릴수록, 그리고, 더 얇을수록(또는 전후방향 길이가 더 짧을수록) 더 높은 효율에 기여한다는 점에서 표준 프로펠러 설계 이론이 본 발명에 적용된다. 블레이드(5)는 공기를 회로판 상으로 이동시키기 위한 거시적 용례들로부터 강들 또는 운하들을 통한 가속이나 심지어 계곡을 통한 공기의 가속에 이르기까지 규모확대 또는 규모축소될 수 있다.

블레이드(5)의 목적은 프로펠러와 같은 구동 장치로서 또는 펌핑 또는 팬-형 장치로서 유체 또는 공기로 지향성 에너지를 전달하기 위한 것이다. 블레이드는 작동에 대한 편향력, 굽힘력 및 주기적인 힘에 견딜 수 있을 뿐만 아니라 블레이드가 작동하게 될 환경에 대한 요구들(즉, 부식, 열 및 유체 오염물로부터 블레이드 영향에 대한 효과)에 견딜 수 있는 임의의 강성 재료로 구성될 수 있다. 재료의 종류는 예를 들어, 청동, 알루미늄, 탄소 섬유, 강성 플라스틱 또는 강판을 포함한다.

프로펠러 설계에 익숙한 관련 기술분야의 통상의 기술자의 상식으로는 블레이드(5)를 유선형화하거나 테이퍼형성 할 수 있다. 그러나, 본 발명은 예상외로, 이러한 것이 유체 유동을 제한하며 피해야 할 것임을 발견하였다. 블레이드(5) 형태 내의 임의의 테이퍼는 블레이드의 저압측으로부터 발산 와류(shedding vortices)를 생성하여 동력 사용을 증가시킬뿐만 아니라 유체 유동을 제한하는 원인이 될 것이다. 결과적으로, 블레이드(5)의 선단 에지 및 후단 에지가 평행한 블레이드 표면들의 유선형화를 피하기 위해서 절벽형상이다. 예외적으로 두꺼운 블레이드(5)에서, 블레이드가 긴 기간 동안의 유동에 평행하게 위치될 예정이라면 선단 에지는 둥글게 가공될 수 있다.

구동 표면들은 주어진 길이에 대해 표면적을 증가시키도록 세로로 홈 가공되거나(grooved), 항력 특징을 개선하도록 미세한 딤플로 딤플링 가공되거나(dimpled) 블레이드가 물을 헤치며 이동할 때 블레이드에 들러붙는 물의 양을 감소시킴으로써 마찰을 감소시키기 위한 초소수성(omniphobic)인 코팅들로 처리될 수 있다.

블레이드(5)는 기술분야에 공지된 다양한 방법에 의해 크랭크 커넥팅 로드(6)의 말단 단부에 부착되며 용례, 작동 환경 및/또는 크기에 의존할 것이다. 고려된 요인들은 블레이드(5)를 그의 주면 상에 단단히 확실하게 유지하는 능력, 이물질 타격에 대한 내성 및 손상 또는 마모 블레이드의 교체시 작업 편이성을 포함한다. 강판으로 제조된 대형 블레이드는 커넥팅 로드에 용접될 수 있는 넓은 패드를 가질 수 있는 반면에, 소형 탄소 섬유 블레이드는 지지 패드 와셔를 통해서 넓은 커넥팅 로드 단부에 장착될 수 있다. 블레이드에 대한 추가의 지지를 제공하는 도브테일 연결부, 접착 리브 구조물 및 통합된 그로브(grove)가 또한 장착에 사용될 수 있다.

크랭크 암

크랭크 암(8)은 모터의 구동 샤프트에 연결된다(도 1). 회전은 회전 에너지를 본질적인 선형 운동으로 전환시키는 원형 경로로 커넥팅 로드(6)/블레이드(5) 조립체의 일 단부를 구동한다. 크랭크는 구동원의 중심으로부터 떨어진 거리에 커넥팅 로드(6)의 일 단부를 위치시키며 그 중심에 대해 커넥팅 로드를 회전시켜, 피봇 베어링(7)을 통해 커넥팅 로드(6)/블레이드(5) 조립체를 추진 및 후퇴시킨다. 크랭크 암(8) 오프셋 직경(offset diameter)은 구동될 유체의 깊이 및 피봇 베어링(7)에 대한 블레이드의 평균 받음 각을 규정한다. 크랭크 오프셋이 크면 클수록, 크랭크 암(8)이 피봇 베어링(7)으로부터 더 멀어지며, 구동되는 유체의 스트림이 더 커지며 받음 각이 더 얕아진다. 얕은 왕복거리가 얇은 유체 또는 고속으로 구동되는 유체에 바람직하다. 그들 고유의 거친 받음 각(coarse angle of attack)을 갖는 긴 왕복거리들은 정지상태로부터 가속될 필요가 있는 걸쭉한 유체(thicker fluid) 또는 중액(heavier fluid)를 위한 것이다. 가변 오프셋을 갖는 크랭크 암(8)은 필요시 광범위한 성능을 위해 제공될 수 있다. 크랭크 암(8)은 주철, 알루미늄 또는 플라스틱과 같은 임의의 강성 재료로 만들어질 수 있다.

모터(9)는 기어 또는 벨트 조립체를 거쳐 크랭크 암(8)을 구동시키는데 사용될 수 있으나, 크랭크 암(8)에 연결되는 풍차, 수동 펌프 또는 페달 레버와 같은 다른 동력원이 또한 유효할 수 있다.

커넥팅 로드

커넥팅 로드(6)는 크랭크 암(8)을 블레이드(5)에 연결하며 모터(9)로부터의 동력을 블레이드(5)로 전달한다(도 1). 커넥팅 로드는 구동력(driving power)에 대한 그리고 구동되는 유체의 저항에 대한 동적 힘(dynamic force)뿐만 아니라 블레이드 사이클 장애들에 의해 도입되는 편향 및 변형력에 저항하도록 블레이드(5)에 확실하게 장착된다. 커넥팅 로드(6)는 장치에 의해 수행되는 유체의 비체적을 구동시키기 위한 응력과 부하를 극복할 수 있는 다양한 재료로 만들어질 수 있다. 바람직하게, 커넥팅 로드는 로드 스톡 또는 주조 금속으로 준비된다.

커넥팅 로드(6)는 크랭크가 선회할 때 자유롭게 회전할 수 있도록 크랭크 암(8)에 장착된다. 이는 코터 핀(cotter pin) 등에 의해 달성될 수 있지만, 최대 평면 강성을 유지하면서 최소 마찰을 보장하는 커넥팅 로드(6) 내의 베어링이 바람직하다. 커넥팅 로드(6)는 피봇 베어링(7)의 내외측으로 미끄럼하며 크랭크 암(8)/커넥팅 로드(6) 조인트의 극단 쪽 운동들을 수용하도록 전방 및 후방으로 피봇할 수 있다. 커넥팅 로드는 용례에 따라서 피봇 베어링(7)을 잡거나 피봇 베어링에 의해 잡힐 수 있도록 설계될 수 있다.

베어링

피봇 베어링(7)은 커넥팅 로드(6)의 선형 운동을 단순화된 코달 사이클 운동으로 전환시킨다(도 1). 크랭크 암(8)은 회전하여 포위체의 기저부 또는 바닥에 장착되는 피봇 베어링(7)의 내외측으로 커넥팅 로드(6)를 하강시킨다. 베어링은 크랭크 암(8)의 중심과 정렬되며 커넥팅 로드(6)의 운동을 크랭크 회전과 동일한 평면으로 제한한다. 베어링은 커넥팅 로드(6)의 내외측으로의 미끄럼 운동 및 크랭크 회전에 의해 부여되는 전방 운동과 후방 운동을 수용한다. 커넥팅 로드(6)의 말단 단부에서의 합성 운동은 절두 삼각형 경로(truncated triangular path)이다. 베어링은 극단 전방 및 극단 후방 위치에서의 유격을 최소화한다. 임의의 이완은 커넥팅 로드 상의 과중한 하중의 원인이 될 수 있으며 블레이드가 극단 받음 각을 갖게 하며, 이는 유동을 방해한다.

피봇 베어링(7)은 커넥팅 로드(6)가 내외측으로 미끄럼할 수 있게 하는 구멍을 포함한 칼라 내에 떠 있는 볼 베어링일 수 있다. 대안으로, 커넥팅 로드(6)에 슬롯이 형성되어 있으면 피봇 베어링(7)은 핀일 수 있으며 그 핀 상에서 커넥팅 로드(6)가 미끄럼한다. 이들은 단지 미끄럼, 피봇 조인트의 두 가지 예이나, 사용될 수 있는 관련기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 다수의 유사한 연결법이 있다. 바람직한 피봇 베어링의 선택은 유체의 점성, 운동 속도 및 항력 감소와 같은 용례의 환경 및 특정 요건들에 의존할 것이다.

도 5에서, 베어링은 미끄럼 베어링(11)이다. 이러한 베어링은 로드(6 및 12)들의 정렬을 유지하며 로드가 하우징(10)을 통해 내외측으로 이동할 수 있게 하여 블레이드(5)의 바람직한 운동을 구동한다.

구동력

구동 샤프트를 갖는 모터(9)는 크랭크 암(8)을 구동하는 회전 에너지를 제공하며 기저부 또는 포위체(10)에 확실하게 장착된다(도 1). 일 실시예에서, 모터(9)는 용례에 대해 적절한 크기이면서, 사용되는 블레이드의 속도, 크기 및 중량을 수용하는 데 적절한 크기인 전기 모터이다. 대안으로, 모터는 사이클의 상위 또는 하위에 블레이드(5)가 위치되어 유동 시스템에서의 항력을 방지할 수 있게 하는 스테핑 모터일 수 있다. 이는 또한, 기존 유동을 방지하기 위해서 거친 각도에서 블레이드(5)를 멈추게 할 수 있다. 내연 기관은 역전(reversing)이 요구되지 않는 몇몇 용례에 적합하고, 저 에너지 용례에서는 페달 또는 수동 펌프 구동기가 적당할 수 있다. 주요 구동 요건들은 원동력이 블레이드(5)를 작동시키기에 적합한 속도로 크랭크 암(8)을 회전시키는 것이다.

포위체 /기저부

모터(9)/크랭크 암(8) 조립체는 시스템을 통해 이동되는 유체 및 피봇 베어링(7)에 관하여 포위체 또는 기저부(10) 내에 확실하게 유지된다(도 1). 포위체(10)는 확대된 진동력에 저항하며 기후 및 간섭(tampering)으로부터 구동 조립체를 보호하도록 설계된다. 다른 실시예들에서, 포위체(10)는 부가적으로 덕트를 형성할 수 있으며 그 덕트를 통해서 유체 또는 공기가 구동된다. 포위체(10)는 이송될 공기나 유체를 수용하는 파이프, 덕트, 도관 또는 관(canal)을 더 포함할 수 있다. 파이프, 덕트, 도관 또는 관은 블레이드 선단의 이동에 간섭하지 않지만 공기나 유체가 블레이드의 주변부 주위로 쉽게 이동할 수 없는 정도의 충분한 공차를 갖는 크기를 가질 수 있다. 몇몇 경우들에서, 덕트는 단지, 흡인 또는 배출 유동 방향을 제어하기만 하면 될 수 있다. 결과적으로, 이물질로부터 블레이드를 보호하기 위해서, 제어 및 보호가 중요하다면 정밀한 배관조직(ducting)이 필요할 수 있다.

유체 또는 유체 내부의 물체를 이동시키는데 조립체가 사용될 수 있다. 이들 용례들 모두에서, 배관조직이 요구될 수 있다. 그러나, 모든 용례들에서 포위체 또는 기저부가 확실하게 장착되는 것이 바람직하다. 이는 저속의 이동 유체로 인한 상당한 양의 진동을 제거하며 고속의 장치에 내재된 진동을 감쇠시킨다. 진동을 감쇠시키는 한 방법은 평형 추를 크랭크 암(8)에 합체시키는 것이다. 이는 평형 추를 크랭크 암(8)의 원주 상에 장착되는 스프링에 배치함으로써 달성될 수 있다.

크랭크 암(8)/구동 조립체의 반대쪽에 있는 피봇 베어링(7)과 함께 역-회전 크랭크 암(8)들에 의해 구동되는 한 쌍의 블레이드(5)는 각각의 블레이드가 서로 역방향의 추력을 갖게 함으로써 블레이드 미끄럼 및 유체 편향을 제거하여 진동을 제거하고 하는 부가의 성능을 제공할 수 있다(도 3 및 도 4).

원형(prototype) 팬이 준비되었으며 작동 중에 배출되는 공기를 측정함으로써 테스트되었다. 이러한 측정은 동일한 덕트 크기의 완전하게 가공된 머핀 팬(fully engineered muffin fan)의 속도의 5배 속도로 공기를 이동시켰음을 나타냈다. 장치의 정면에 놓인 손은 종래의 팬에 대개 존재하는 난류를 느끼지 못했다. 그러나, 단순화된 코달 사이클의 경우에, 팬과 덕트 조립체로부터 2 미터를 초과한 거리에서 난류가 발생되었다. 배출은 충분한 체적과 속도의 그리고 완전한 층류였다. 이러한 기술을 사용한 유체 펌프의 물 탱크 테스트는 또한, 물-이동 특징들이 동일하다는 것을 보여줬다.

도 5는 구동 커넥팅 로드(6)의 에너지를 흡수하도록 받음 각과 조절가능한 스프링(14)을 설정하기 위한 제2 커넥팅 로드(12)를 도시한다. 조절가능한 스프링(14)은 블레이드(5)에 대한 지연을 제공하여, 구동 커넥팅 로드(6)에 의해 설정된 각도 바로 뒤에 받음 각을 설정한다.

도 6은 받음 각 커넥팅 로드(12), 스프링(14), 스프링 속박 캡(15) 그리고 상부 스프링 속박 캡을 받음 각 커넥팅 로드에 고정하는 상부 용접물(16) 및 하부 용접물(17)을 위한 고착 기저부(13)를 갖는 받음 각 커넥팅 로드 스프링 조립체의 상세를 도시한다. 하부 용접물(17)은 하부 스프링 속박 캡을 받음 각 커넥팅 로드(12)용 고착 기저부에 고정한다. 받음 각 커넥팅 로드(12)는 단지 스프링(14)의 압축 또는 팽창에 의해서만 제한되는 고착 기저부 상에서 자유롭게 미끄럼한다.

평행한 블레이드를 포함하는 이러한 구성(도 5 및 도 6)은 선형 운동이 더욱 제한된 공간에서 바람직한 팬의 구성에서 가스용으로 적합하다. 스프링 조립체는 또한 고속 사용으로부터의 진동을 감쇠시킨다.

용도

모터는 크랭크에 연결되어 바람직한 유체 유동량과 동일한 작동량(throw)으로 크랭크를 회전시킨다. 커넥팅 로드는 크랭크 디스크에 부착되며 피봇 베어링/피봇-베어링 마운트를 통해 이송되고 블레이드의 중심 주변의 한 지점에서 블레이드에 연결된다. 다중 모터, 커넥팅 로드, 피봇 베어링 및 블레이드를 포함하는 시스템이 상이한 설계 해법을 다루는 구성에 제공될 수 있음을 관련 기술분야의 통상의 기술자가 인정하리라는 것이 예상된다.

팬, 펌프 또는 프로펠러로서의 그의 용도에 따라서, 장치의 블레이드 부분은 유체 또는 가스 스트림 내측으로 하강되고 모터가 시동된다. 유체 또는 가스 스트림이 가속될 때, 모터 속도는 유체를 더욱 가속시키도록 변경될 수 있다. 대안으로, 모터 속도가 일정하게 유지되면, 유체 또는 가스는 블레이드 설계에 대한 최적 속도에 도달할 것이다. 블레이드가 어느 한쪽의 크랭크 극단에서 정지하면, 이는 낮은 항력 상황을 형성하고 유체 또는 가스 유동을 방해하지 않을 것이다. 블레이드가 중간 지점에서 정지하면, 이는 최대 항력을 제공하고 유체 또는 가스 유동을 늦출 것이다. 모터를 역전시키면 블레이드 사이클이 역전할 것이고 유체가 역 방향으로 유동할 것이다.

크랭크 작동량은 중심에 대해 편심으로 또는 중심에 가깝게 조절될 수 있어서 상이한 펌프 특징을 제공한다. 중심에 가깝거나 짧은 작동량에서, 펌프는 오히려, 낮은 가속 특징 그러나 낮은 항력을 갖는 임펠러가 되어서 유체가 고속으로 이동하게 한다. 긴 작동량에서, 유체는 주어진 속도로 더 빠르게 가속하고 고-질량 유체를 더 효율적으로 가속시킬 것이다.

피봇 베어링이 크랭크로부터 더 멀리에 있으면 있을수록, 더 작은(얕은) 받음 각과 더 작은 추진 가속도가 초래될 것이다. 더 가까운 거리는 더 큰 받음 각과 더 큰 가속도를 제공한다. 그러나, 거리가 너무 가까우면, 연동기구 내의 이완을 확대할 것이며, 이는 과도한 소음을 초래하고 마모를 가속화한다.

부가 성능이 요구될 때, 시스템은 3 내지 4 배의 속도로 작동될 수 있다. 이는 시스템의 부품이 균형을 이루지 못하는 경우에 증가된 소음과 진동을 초래할 수 있다. 스프링-장전된 평형 추는 대부분의 사이클 하중 진동(cycle loading vibration)을 감쇠시키도록 블레이드 상의 하중 중량과 동일하게 크랭크 상에 장착될 수 있다. 빈번한 고속 사용이 예상된다면, 역 추력 블레이드(두 개의 브레이드 시스템)가 사용될 수 있다. 양측 블레이드가 유체를 동일한 방향으로 구동하게 하기 위해서, 크랭크는 반대 방향들로 구동되어야 한다. 이는 다양한 방법에 의해서 달성될 수 있다. 하나의 모터를 사용한다면, 하나의 축 상에서 크랭크를 구동하는 피니언과 두 개의 크라운 기어들이 사용될 수 있다.

중심의 전방 또는 후방에 부착된 커넥팅 로드를 가지면 유체가 더욱 빠르게 가속되게 할 수 있으나, 이는 또한 더 큰 항력을 최고 속도의 유체 유동에 부여한다. 결과적으로, 이러한 기술은 고 점도 또는 저속 이동 유체들에 바람직하다.

펌프들

유체를 이동시키기 위해 본 발명의 장치를 사용하는 것은 본질적으로, 가스를 이동시키는 것과 동일하나, 장치의 모든 요소는 더 무거운 질량과 점도를 수용하기 위해서 실질적으로 더 견고해질 것이다(도 1). 블레이드 운동의 특징은 오염을 감소시키며 그의 유동 내에 포획된 물체를 손상시킬 가능성이 더 적다.

팬

가스를 이동시키기 위해서 본 발명의 장치를 사용하는 것은 일반적으로 더 가벼운 구성을 허용한다. 연기 또는 폭발성 가스를 이동시키는 것은 방폭 모터 또는 비금속성 블레이드 및 심지어 휴대성을 요구할 수 있다. 예를 들어, 회로 기판 상의 공기 운동에 사용되는 더 작은 장치는 모터가 기류를 방해하는 것을 피하기 위해 한쪽에 떨어져 위치된 모터 및 연장된 구동 샤프트를 가질 수 있다. 유사하게, 룸 팬(room fan)은 안정성을 위해 기저부에 모터를 가질 수 있다. 조립체는 또한, 유동을 더 광범위하게 분산시키도록 진동될 수 있다. 100 피트에 달하거나 그보다 큰 블레이드를 갖춘 초대형 장치가 지역공동체로부터 스모그나 연기와 같은 바람직하지 않은 공기 오염물을 이동시키도록 구성될 수 있다. 대안으로, 이러한 크기의 장치가 들불(wildfire) 통제 상황에 대해 역풍으로서 사용될 수 있다. 유사하게, 잠재적 결빙상태 동안에 농작물에 따스한 미풍을 내보내는 것으로 기후로 인한 손실을 방지할 수 있다.

프로펠러

종래의 프로펠러는 시간이 지남에 따라 부식되는 단점을 가진다. 이는 전통적인 포일-블레이드형 프로펠러 블레이드 상의 또는 그 주변의 압력이 유체의 증기압과 동일할 정도로 충분히 감소될 때의 사용 중에 발생한다. 이러한 상황 하에서, 액체 상태는 더 이상 유지될 수 없으며 분자가 증발하여 공동, 또는 수소 기포 및 산소 기포를 형성한다. 이들 가스가 서로 접촉할 때 이들은 2,000 ℉ 초과의 온도에서 미시적 폭발 반응을 유발시켜 점식(pitting)과 침식을 일으킨다. 기포는 또한 유동 패턴을 왜곡시키며, 이는 효율을 감소시킨다. 본 발명의 기술의 층류식 표면 유동은 이들 문제점을 제거하여 더 긴 블레이드 수명을 제공하고 보수 및 작동 비용을 감소시킨다.

항공기 또는 보트 프로펠러와 같은, 가스 또는 액체를 통해 물체를 이동시키기 위한 본 발명의 장치는 동일한 방향으로 추진되는 한 쌍의 블레이드로 구성될 수 있다(도 3 및 도 4). 그러나, 측면들이 단일 구동 이중 블레이드 실시예를 위해서는 너무 멀리 떨어져 있는 경우, 좌현과 우현에 장착되는 두 개의 별개의 장치를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 모델은 밀집된 구역에서의 조종을 위한 역추진을 가능하게 한다. 단일 모터 이중 블레이드 실시예는 구동, 조종, 트림(trim) 및엄격한 조작을 위해서 모든 바람직한 방향으로 추력을 제공하도록 방향성 있게 위치될 수 있어서 키, 추진기 또는 후진 기어의 필요성을 제거한다.

위에서 제시한 정보는 상기 장치와 방법에 대한 실시예를 어떻게 형성하고 사용할지에 대한 완전한 개시 및 설명을 관련 기술분야의 통상의 기술자들에게 부여하기 위해 제공되며, 발명자가 그의 발명으로서 간주한 것의 범주를 제한하려는 것이 아니다. (관련 기술분야의 통상의 기술자들에게 자명한 본 발명을 수행하기 위한) 전술한 형태의 변형이 다음 청구범위의 범주 내에 있도록 의도된다. 본 명세서에 인용된 모든 공보, 특허, 및 특허 출원은 인용에 의해 본 발명에 포함된다.

Claims

a. 상부 표면 및 하부 표면을 갖는 적어도 하나의 평면 강성 블레이드;
b. 구동 샤프트를 수용할 수 있는 제1 구멍 및 상기 제1 구멍으로부터 떨어진 설정된 거리에 있는 제2 구멍을 갖는, 각각의 상기 적어도 하나의 평탄한 강성 블레이드를 위한 적어도 하나의 크랭크;
c. 한 단부가 상기 평탄한 강성 블레이드의 상부 표면의 중심에 부착되고 다른 단부가 상기 크랭크의 제2 구멍에 부착되는, 각각의 상기 적어도 하나의 평탄한 강성 블레이드를 위한 적어도 하나의 커넥팅 로드;
d. 적어도 하나의 개구를 갖는 포위체로서, 각각의 상기 적어도 하나의 평탄한 강성 블레이드를 위한 상기 커넥팅 로드가 상기 적어도 하나의 개구를 통해 통과하는, 포위체; 및
e. 상기 커넥팅 로드가 통과하는 상기 포위체의 상기 적어도 하나의 개구 내부에 부착되는 적어도 하나의 미끄럼 베어링;
을 포함하는 가스 또는 액체를 이동시키기 위한 장치.
제1항에 있어서, 상기 구동 샤프트는 모터 구동 샤프트인 가스 또는 액체를 이동시키기 위한 장치.
제1항에 있어서, 상기 포위체는 가스 또는 유체 도관이며, 상기 도관 내측으로 적어도 하나의 평탄한 강성 블레이드가 연장하는 가스 또는 액체를 이동시키기 위한 장치.
제1항에 있어서, 구동 샤프트를 갖는 모터를 더 포함하는 가스 또는 액체를 이동시키기 위한 장치.
제4항에 있어서, 상기 포위체는 상기 모터, 상기 크랭크 및 상기 크랭크에 부착되는 상기 커넥팅 로드의 일부를 수납하는 하우징인 가스 또는 액체를 이동시키기 위한 장치.
a. 상부 표면과 하부 표면을 각각 갖는 제1 평면 강성 블레이드 및 제2 평면 강성 블레이드와;
b. 제1 크랭크 및 제2 크랭크로서, 상기 제1 크랭크는 상기 제1 평면 강성 블레이드를 제어하고 상기 제2 크랭크는 상기 제2 평면 강성 블레이드를 제어하며, 각각의 크랭크는 제1 구멍 및 제2 구멍을 가지며, 상기 제1 구멍은 구동 샤프트를 수용할 수 있으며, 상기 제2 구멍은 제1 구멍으로부터 떨어진 설정된 거리에 있으며, 상기 제1 크랭크의 상기 제2 구멍은 상기 제2 크랭크의 상기 제2 구멍으로부터 180°오프셋되어 있는, 제1 크랭크 및 제2 크랭크;
c. 제1 커넥팅 로드 및 제2 커넥팅 로드로서, 상기 제1 커넥팅 로드는 한 단부가 상기 제1 평면 강성 블레이드의 상부 표면의 중심에 부착되고 다른 단부가 상기 제1 크랭크의 제2 구멍에 부착되며, 상기 제2 커넥팅 로드는 한 단부가 상기 제2 평면 강성 블레이드의 상부 표면의 중심에 부착되고 다른 단부가 상기 제2 크랭크의 상기 제2 구멍에 부착되는, 제1 커넥팅 로드 및 제2 커넥팅 로드;
d. 두 개의 개구들을 갖는 포위체로서, 상기 제1 커넥팅 로드는 하나의 개구를 통해 통과하며 상기 제2 커넥팅 로드는 다른 개구를 통해 통과하는, 포위체; 및
e. 두 개의 피봇 베어링으로서, 상기 커넥팅 로드가 통과하는 상기 포위체의 상기 두 개의 개구 각각의 내부에 하나씩 부착되는, 두 개의 피봇 베어링;
을 포함하는 물을 통해 물체를 이동시키기 위한 장치.
가스 또는 액체를 이동시키기 위한 방법이며,
a. 상부 표면 및 하부 표면을 갖는 적어도 하나의 평탄한 강성 블레이드; 제1 구멍 및 상기 제1 구멍으로부터 떨어진 설정된 거리에 있는 제2 구멍을 갖는, 각각의 상기 적어도 하나의 평탄한 강성 블레이드를 위한 크랭크; 상기 크랭크의 상기 제1 구멍에 부착되는 구동 샤프트를 갖는 모터; 한 단부가 상기 평탄한 강성 블레이드의 상부 표면의 중심에 부착되고 다른 단부가 상기 크랭크의 제2 구멍에 부착되는, 각각의 상기 적어도 하나의 평탄한 강성 블레이드를 위한 커넥팅 로드; 적어도 하나의 개구를 갖는 포위체로서, 각각의 상기 적어도 하나의 평탄한 강성 블레이드를 위한 상기 커넥팅 로드가 상기 적어도 하나의 개구를 통해 통과하는, 포위체; 및 상기 커넥팅 로드가 통과하는 상기 포위체의 상기 적어도 하나의 개구 내부에 부착되는 피봇 베어링을 포함하는 장치를 제공하는 단계;
b. 상기 가스 또는 액체의 내측으로 상기 장치의 상기 적어도 하나의 평탄한 강성 블레이드를 삽입하는 단계; 및
c. 상기 모터를 가동시키는 단계;
를 포함하는 방법.
제6항에 있어서, 상기 포위체는 가스 또는 유체 파이프이며, 상기 파이프 내측으로 상기 적어도 하나의 평탄한 강성 블레이드가 연장하는, 방법.
제6에 있어서, 상기 포위체는 상기 모터, 상기 크랭크 및 상기 크랭크에 부착되는 상기 커넥팅 로드의 일부를 수납하는 하우징인, 방법.