KR20160083684A - 자동 창호 개폐장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동 창호 개폐장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 섀시에 동력부가 내장되는 종래 자동 창호 개폐장치와 달리, 와이어, 풀리 및 진공 흡착기와 같은 간단한 구성으로 창호에 탈부착할 수 있는 자동 창호 개폐장치를 제공함으로써, 종래 발생하던 교체 및 가격적 부담 등을 해소할 수 있도록 하며, 또한 이는 일반 가정에서 사용하고 있는 기존의 창호에도 손쉽게 설치 및 교체할 수 있어 자동 창호 개폐장치의 상용화에 큰 기여를 하면서도 최근의 많은 가정에서 발생하고 있는 습기로 인한 문제들을 효율적으로 해결할 수 있도록 하며, 아울러, 우적센서를 이용하여 부재 시 자동으로 창호를 여닫아 충분한 환기시간을 제공할 수 있도록 하고 이를 위해 우적센서를 이용한 자동 창호 개폐장치의 동작 알고리즘을 구현하고 가격 경쟁력을 낮춰 상용화시킬 수 있도록 하고, 더욱이 상기 자동 창호 개폐장치의 동작 알고리즘을 구현함에 있어, 일반적인 창문의 질량과 마찰계수를 가정해서 힘을 계산하고, 기어가 받게 되는 하중과 응력을 계산하여 가장 적절한 기어의 소재, 크기, 잇수를 선정하며, 또한 창문을 구동하는데 필요한 모터의 회전속도와 토크의 계산을 통해서 모터를 선정하는 등 그 알고리즘의 최적화를 구현할 수 있도록 하는 자동 창호 개폐장치에 관한 것이다.

Description

자동 창호 개폐장치{Automatic window―driving device}

본 발명은 와이어, 풀리 및 진공 흡착기와 같은 간단한 구성으로 창호에 탈부착할 수 있는 자동 창호 개폐장치를 제공하며, 또한 우적센서를 이용하여 부재 시 자동으로 창호를 여닫아 충분한 환기시간을 제공할 수 있도록 할 뿐만 아니라 이를 위해 우적센서를 이용한 자동 창호 개폐장치의 최적화된 동작 알고리즘을 구현한다.

최근 대기 불안정으로 인한 게릴라적인 국지성 호우와 계절과 상관없는 소나기성 호우의 발생이 증가하고 있다. 또한, 핵가족화와 맞벌이 부부 증가로 인해 집이 비어있는 시간이 늘어나면서 예기치 못한 비로 인한 피해가 늘어나고 있고 또한 이를 피하려다보니 충분한 환기시간을 확보하지 못하는 문제가 발생하고 있다. 이러한 문제점은 가정 내 곰팡이 발생이나 알레르기성 질환 환자의 증가를 야기하고 있다.

따라서, 최근에는 상기 창문을 자동으로 개폐 가능하도록 구성하는 등의 우수한 기능성 및 편의성을 확보한 다양한 종류의 시스템 창호들이 연구 및 개발되고 있으며, 이러한 다양한 종류의 시스템 창호들은, 실내의 온도조절 및 환기를 하는데 대단히 편리하게 창문을 개폐할 수 있을 뿐만 아니라, 화재나 기타 재해 등의 비상사태 시, 미리 상기 창문을 개방하도록 구성함으로써, 산업사고로 인한 인명피해를 상당히 줄일 수 있는 것이 가능해지도록 제작되고 있다.

관련 선행기술로써 특허문헌 1에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 공압을 이용하여 창호의 창문을 자동으로 개방 및 폐쇄하는 공압식 창호 자동 개폐장치에 관한 것으로서, 실린더와 피스톤을 창문 표면 선에 경사지도록 배열하여 전후진 직진운동하는 피스톤의 직진력이 회전운동하는 창문의 회전력으로 보다 효율적으로 전달되어 창문의 개방과 폐쇄가 보다 적은 힘으로, 그리고 보다 부드럽게 행해지도록 공압식 창호 자동 개폐장치가 제안되었다.

그리고 특허문헌 2에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 창문과 창프레임에 자성체가 구비된 제1 링크 및 제2 링크를 각각 설치하고, 모터부와 연동되어 있는 와이어를 이용하여 상기 제2 링크가 횡방향으로 유동가능하도록 구성함으로써, 상기 자성체의 자력으로 인해 상기 창문을 자동으로 개폐할 수 있도록 하는 기술이 제안되었다.

또한 특허문헌 3에서는 구동부로부터 인가되는 회전력에 의해 작동부가 진퇴하여, 창틀에 설치된 창문을 개폐하도록 구성된 창문용 자동 개폐장치에 관한 것으로, 구동부와 작동부 사이에는 이들의 연결상태를 제어하는 클러치부를 형성하여, 상기 클러치부에 의해 구동부의 비 구동상태에서는 구동부와 작동부 사이의 연결상태가 해체되어서, 사용자가 수동으로 창문의 개폐를 도모할 수 있도록 한 창문용 자동 개폐장치가 제안되었다.

하지만, 상기와 같은 종래의 기술들은 창호가 설치되는 섀시(chassis) 자체에 내장되어 있는 구성이므로, 이를 설치하기 위한 비용, 시간 및 공간적 여건이 많이 소모되며 그 교체나 보수 등이 어려운 문제점이 있었다.

아울러, 복잡한 구조와 많은 부속으로 인해 충분한 수요 창출을 위한 가격 선정에 많은 제한이 있는 문제점이 있었다.

특허문헌 1 : 대한민국 등록특허공보 제10-1014361호 "공압식 창호 자동 개폐장치" 특허문헌 2 : 대한민국 등록특허공보 제10-1427108호 "자동창호 개폐장치" 특허문헌 3 : 대한민국 등록특허공보 제10-1186688호 "창문용 자동 개폐장치

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 섀시에 동력부가 내장되는 종래 자동 창호 개폐장치와 달리, 와이어, 풀리 및 진공 흡착기와 같은 간단한 구성으로 창호에 탈부착할 수 있는 자동 창호 개폐장치를 제공함으로써, 종래 발생하던 교체 및 가격적 부담 등을 해소할 수 있도록 하며, 또한 이는 일반 가정에서 사용하고 있는 기존의 창호에도 손쉽게 설치 및 교체할 수 있어 자동 창호 개폐장치의 상용화에 큰 기여를 하면서도 최근의 많은 가정에서 발생하고 있는 습기로 인한 문제들을 효율적으로 해결할 수 있도록 함을 과제로 한다.

아울러, 우적센서를 이용하여 부재 시 자동으로 창호를 여닫아 충분한 환기시간을 제공할 수 있도록 하고 이를 위해 우적센서를 이용한 자동 창호 개폐장치의 동작 알고리즘을 구현하고 가격 경쟁력을 낮춰 상용화시킬 수 있도록 함을 다른 과제로 한다.

더욱이 상기 자동 창호 개폐장치의 동작 알고리즘을 구현함에 있어, 일반적인 창문의 질량과 마찰계수를 가정해서 힘을 계산하고, 기어가 받게 되는 하중과 응력을 계산하여 가장 적절한 기어의 소재, 크기, 잇수를 선정하며, 또한 창문을 구동하는데 필요한 모터의 회전속도와 토크의 계산을 통해서 모터를 선정하는 등 그 알고리즘의 최적화를 구현함을 또 다른 과제로 한다.

본 발명은 창호에 적용되는 자동 창호 개폐장치에 있어서, 회전력을 생성하는 모터; 상기 모터의 회전력을 풀리로 전달하는 기어; 상기 기어를 매개로 모터로부터 전달된 회전력을 바탕으로 와이어를 감거나 푸어 좌우동작시키는 풀리; 및 상기 진공 흡착기를 매개로 창호와 접합하며, 창호와 접합한 상태에서 상기 풀리의 동작에 대응하여 창호를 좌우운동시키는 와이어;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 자동 창호 개폐장치를 과제의 해결 수단으로 한다.

이때, 상기 자동 창호 개폐장치는, 우적센서(rain sensor)를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 바(Bar)로 제작되어 창호 하단에 적용되는 것이 바람직하다.

본 발명은 섀시에 동력부가 내장되는 종래 자동 창호 개폐장치와 달리, 와이어, 풀리 및 진공 흡착기와 같은 간단한 구성으로 창호에 탈부착할 수 있는 자동 창호 개폐장치를 제공함으로써, 종래 발생하던 교체 및 가격적 부담 등을 해소할 수 있도록 하며, 또한 이는 일반 가정에서 사용하고 있는 기존의 창호에도 손쉽게 설치 및 교체할 수 있어 자동 창호 개폐장치의 상용화에 큰 기여를 하면서도 최근의 많은 가정에서 발생하고 있는 습기로 인한 문제들을 효율적으로 해결할 수 있도록 하며, 아울러, 우적센서를 이용하여 부재 시 자동으로 창호를 여닫아 충분한 환기시간을 제공할 수 있도록 하고 이를 위해 우적센서를 이용한 자동 창호 개폐장치의 동작 알고리즘을 구현하고 가격 경쟁력을 낮춰 상용화시킬 수 있도록 하고, 더욱이 상기 자동 창호 개폐장치의 동작 알고리즘을 구현함에 있어, 일반적인 창문의 질량과 마찰계수를 가정해서 힘을 계산하고, 기어가 받게 되는 하중과 응력을 계산하여 가장 적절한 기어의 소재, 크기, 잇수를 선정하며, 또한 창문을 구동하는데 필요한 모터의 회전속도와 토크의 계산을 통해서 모터를 선정하는 등 그 알고리즘의 최적화를 구현할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 특허문헌 1에 따른 자동 창호 개폐장치를 나타낸 도면
도 2는 특허문헌 2에 따른 자동 창호 개폐장치를 나타낸 도면
도 3은 특허문헌 3에 따른 자동 창호 개폐장치를 나타낸 도면
도 4 내지 7은 본 발명에 따른 자동 창호 개폐장치를 나타낸 도면 및 실물사진
도 8은 모터의 회전속도와 기어의 잇수에 대한 응력 그래프
도 9는 웜의 지름과 원주피치에 대한 모터의 토크 그래프
도 10은 웜의 지름과 원주피치에 대한 응력 그래프
도 11은 본 발명에 따른 자동 창호 개폐장치의 구동 알고리즘을 나타낸 도면

본 발명은 상기의 효과를 달성하기 위한 자동 창호 개폐장치에 관한 것으로써, 본 발명의 기술적 구성을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 자동 창호 개폐장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4 내지 7은 본 발명에 따른 자동 창호 개폐장치를 나타낸 도면 및 실물사진으로써, 본 발명은 회전력을 생성하는 모터와, 상기 모터의 회전력을 풀리로 전달하는 기어와, 상기 기어를 매개로 모터로부터 전달된 회전력을 바탕으로 와이어를 감거나 푸어 좌우동작시키는 풀리 및, 상기 진공 흡착기를 매개로 창호와 접합하며, 창호와 접합한 상태에서 상기 풀리의 동작에 대응하여 창호를 좌우운동시키는 와이어를 포함하여 구성된다.

즉, 모터에서 나오는 회전력을 같은 재원을 가지는 기어 3개를 통해 2개의 풀리로 전달(하나의 풀리는 와이어를 감고 나머지 하나는 와이어를 풀게 됨)되고, 창호부분이 와이어와 진공 흡착기를 매개로 연결된다. 이때, 와이어는 상기 2개의 풀리를 따라 감거나 풀리면서 좌우운동하며 하나의 모터로 같은재원 기어 3개를 이용하여 2개의 풀리를 같은속도로 반대방향으로 회전할 수 있게 한다. 따라서, 와이어에 창호와 접합하는 진공 흡착기를 고정하여 와이어의 좌우운동을 창호에 직접 전달함으로써 창호를 자동 개폐시킨다.

이때, 상기 자동 창호 개폐장치는 상술한 와이어와 풀리를 사용한 동력구조를 포함하고 창호의 심미성을 유지하며, 창호에 가해지는 힘에 의해 발생하는 모멘트로 인한 마찰력 증가에 대응하기위해 창호 하단의 바(Bar)형태를 취한다.

한편, 본 발명에 따른 자동 창호 개폐 장치는 우적센서(rain sensor)를 더 포함함으로써 그 사용효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

좀 더 구체적으로 상기 구성에 대한 동력 방식을 와이어 및 풀리로 선정한 이유를 살펴보면, 섀시에 동력부가 탑재되어 작동하는 기존의 자동 창호 개폐 장치와 차별화되어 기존 사용하고 있는 창호에 자유롭게 탈부착이 가능케 하기 위해 최소한의 크기로 제작한다. 창문을 개폐하는 방식에 대하여, 창호 규격에 크게 구애받지 않는 접합방식과 동력방식을 택하였다. 상용화를 위해 가격이 저렴하면서 높은 신뢰도를 가지는 DC모터를 사용하고, DC모터의 회전운동을 창호의 직선운동으로 효과적으로 전환하는 동력원 선정을 위해 TRIZ 분석을 이용하여 다음과 같은 설계방향을 결정하고 시행하였다. (G. Dieter, L.Schomidt, 2010 : 271-284)

첫번째로 분할 즉, 장치를 쉽게 탈부착 할 수 있도록 동력부와 접합부의 설계를 독립적으로 시행한다. 그리고 두번째로 통합 즉, 하나의 모터로 창문의 좌, 우 양방향 운동을 수행한다. 세번째로 곡선화 즉, 창문의 직선운동을 모터의 회전운동으로 제어하기 위해 렉기어, 벨트 및 풀리, 와이어 및 풀리와 같은 동력전달구조를 이용한다. 네번째로 초과나 과부족 즉, 여러 종류의 창호를 움직이기 위해 충분한 힘을 가지는 모터를 확보한다. 다섯번째로 피드백 즉, 창문 위치의 피드백을 통해 정확하게 구동한다. 여섯번째로 일회용품 즉, 수명이 길고 비싼 충전식 배터리 대신, 일회용 전지를 사용한다.

위와 같은 TRIZ분석을 통해 선정한 ‘렉기어’, ‘벨트 및 풀리’, ‘와이어 및 풀리’ 세가지 동력방식에 대해 계층 분석 방법(Analytic Hierarchy Process)을 시행하여 아래와 같은 평가기준(구동부와 구동창 사이의 원활한 힘의 전달과, 설치 후 창호의 기본적 목적을 해치지 않기 위한 심미성과, 제품의 제작비용과, 기존 기술과 특허에 대한 독자성을 선정(G. Dieter, L.Schomidt, 2010 : 327-335)하고 이러한 평가기준의 쌍대비교결과를 아래 [표 1]에 나타내었다.

	힘의 전달	심미성	제작비용	독자성
힘의 전달	1.0	1.0	0.33	0.2
심미성	1.0	1.0	0.33	0.2
제작비용	3.0	3.0	1.0	0.33
독자성	5.0	5.0	3	1.0

그리고, 상기 평가기준 간 쌍대비교를 통해 우선순위를 부여하고, 부여한 우선순위를 토대로 TRIZ분석을 통해 선정한 세가지 동력방식 중 특정 특성(창호 이동에 필요한 최소한의 힘을 전달하는데 아무 무리가 없다., 작은 부품을 통해서 구현가능하기 때문에 창호의 심미성 유지에 용이하다., 동력 구조의 제작비용이 저렴하다., 유사한 기존 특허가 존재하지 않는다.)에 따라 가장 적합하다고 판단된 와이어 및 풀리로 구성된 동력 방식을 선정한 것이다.

한편, 본 발명에 따른 자동 창호 개폐장치는, 제품 내부에서 하나의 모터를 이용하여 와이어를 풀고 감을 수 있도록 하기 위해, 같은 속도로 풀고 감는 풀리 2개, 180도 방향전환을 위한 풀리 1개, 그리고 이 풀리를 회전시킬 3개의 기어로 구성하였으며, 창호와 제품 사이의 접합방식은 두 가지 조건(자유로운 탈부착 및 충분한 고정력)을 만족함으로써 장기간 사용과 잦은 이동 두 가지 모두에 적절하게 대응할 수 있도록 하기 위한 진공흡착기를 적용하였다. 상기 진공흡착기는 동력방식으로 선정한 와이어 및 풀리와의 결합이 결합이 용이하며, 작은 부피로 큰 흡착력을 낼 수 있고 또한 종래 자동 창호개폐장치에 비하여 제작비용 절감 효과도 기대할 수 있다.

아울러, 일반적인 창호의 폭과 창틀의 여유분을 고려하였을 때 허용되는 폭은 70mm정도이며, 보편적인 창문의 폭은 700mm정도이다. 창호가 닫히는 시간을 2 ~ 5초로 가정하고, 평균 3.5초로 두고 계산하면 창호가 닫히는 이상적인 이동속도는 200mm/s이다. 모터가 허용되는 창틀의 폭에 위치하면서 창호의 이상적인 이동속도로 운동해야하기 때문에, 웜기어를 이용하여 두 가지 요구조건을 모두 만족할 수 있도록 한다.

아울러, 기어가 받게 되는 하중과 응력을 계산하여 가장 적절한 기어의 소재, 크기, 잇수를 선정하며, 또한 창문을 구동하는데 필요한 모터의 회전속도와 토크의 계산을 통해서 모터를 선정하는 등 그 자동 창호 개폐장치의 동작 알고리즘의 최적화를 구현해보면, 우선, 창문을 구동하는데 필요한 힘을 계산하기 위하여 M = 5kg, μ = 0.5로 가정하여 창문을 구동하는데 필요한 힘을 구한다. 여기서, M은 일반적인 창문의 질량을 가정, μ의 값은 페놀수지 플라스틱의 정지마찰계수이다. 필요한 힘을 계산하면 F = 5kg X 9.81m/s² X 0.5 = 24.525N이다.

이를 바탕으로 평기어의 소재와 잇수 선정을 위해서 아래 [수학식 1]과 같은 Lewis의 굽힘강도식을 이용한다.

[수학식 1]

여기서, W는 하중, f_υ는 속도계수, b는 이폭, m은 모듈, y는 잇수에 따라 달리지는 치형계수이다. 상기 [수학식 1]을 이용하여 모터의 회전속도와 평기어의 잇수에 대한 평기어의 응력을 계산하면 도 8과 같다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이 평기아가 받게 되는 최대 응력은 33.4405MPa임을 확인 할 수 있다. 폐놀수지 플라스틱이 보통 30 ~ 50MPa이므로 플라스틱 소재의 평기어 사용이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

그리고 모터선정을 위해 모터가 필요한 토크를 아래 [수학식 2]를 이용하여 계산한다.

[수학식 2]

여기서, F₂는 웜휠의 회전력, ρ'는 상당마찰각, β는 리드각(비틀림각)이다. 웜의 지름과 원주피치에 따른 토크를 계싼하여 도 9에 나타내었다. 즉, 도 9를 통해 모터에 필요한 토크를 알 수 있다. 또한 풀리의 지름을 50mm로 창문의 이동속도를 200mm/s로 가정하면 rpm = 76.39가 나오게 되고 이는 작은 토크와 느린 회전속도를 가지는 모터를 사용하는 것이 가능한 것을 확인할 수 있다.

아울러, 윔기어의 소재와 잇수 선정을 위해 아래 [수학식 3]과 같은 Lewis의 굽힘강도식을 이용하여 기어의 응력을 계산하였다.

[수학식 3]

여기서, W는 하중, f_υ는 속도계수, b는 윔휠의 축방향 이폭, p는 윔휠의 치지각피치, y는 잇수에 따라 달리지는 치형계수이다. 상기 [수학식 3]을 이용하여 웜의 지름과 원주피치에 대한 응력을 계산하기 위하여 rpm = 10000으로 가정하고 계산한 결과는 도 10에 나타내었다. 도 10을 보면 윔기어가 받게 되는 최대응력은 0.5029MPa임을 확이할 수 있다. 이러한 결과는 앞의 평기어와 마찬가지로 플라스틱소재의 웜휠의 사용이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

아울러, 동작을 위한 알고리즘을 제시하였으며, 도 11에 도시된 바와 같이, 먼저 우적센서를 통해서 비가 오는지 오지 않는지를 판단하게 된다. 만약 비가 온다고 판단하면 알고리즘의 왼쪽으로 가게 되어 근접센서를 통해 창문의 개폐여부를 확인하고 만약 창문이 열려있는 것을 확인 하게 되면 모터를 구동시켜서 창문을 닫게 된다. 반대로 오지 않는다고 판단하면 알고리즘의 오른쪽으로 가게 되어 근접센서를 통해 창문의 개폐여부를 확인하고 만약 창문이 닫혀있는 것을 확인 하게 되면 모터를 구동시켜 창문을 열게 된다. 이러한 과정을 통하여 우천 시 자동으로 창문을 개폐하는 것이 가능하다.

즉, 본 발명에 따른 자동 창호 개폐장치는 기어가 받게 되는 응력 계산을 수행하고 이를 통해서 플라스틱부품을 사용가능하다는 것을 확인하였고 기성제품을 사용할 수 있기 때문에 제품의 가격을 내릴 수 있는 요인으로 작용한다. 또한 모터에 필요한 토크와 회전속도를 계산하였고 이를 통해 필요한 모터의 최소 규격을 만족하는 적절한 모터 선정할 수 있었다. 마지막으로 제품의 동작 알고리즘의 구현을 통하여 추후 제어기와 회로의 구성을 통해 자동 창호 개폐장치의 상용화가 가능하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동 창호 개폐장치는 상기의 바람직한 실시 예를 통해 설명하고, 그 우수성을 확인하였지만 해당 기술 분야의 당업자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 창호에 적용되는 자동 창호 개폐장치에 있어서,
   회전력을 생성하는 모터;
   상기 모터의 회전력을 풀리로 전달하는 기어;
   상기 기어를 매개로 모터로부터 전달된 회전력을 바탕으로 와이어를 감거나 푸어 좌우동작시키는 풀리; 및
   상기 진공 흡착기를 매개로 창호와 접합하며, 창호와 접합한 상태에서 상기 풀리의 동작에 대응하여 창호를 좌우운동시키는 와이어;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 자동 창호 개폐장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 자동 창호 개폐장치는,
   우적센서(rain sensor)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 자동 창호 개폐장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 자동 창호 개폐장치는,
   바(Bar)로 제작되어 창호 하단에 적용되는 것을 특징으로 하는, 자동 창호 개폐장치.
   

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