KR20170022110A - 스프링을 이용한 동력 발생장치 - Google Patents

스프링을 이용한 동력 발생장치 Download PDF

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Abstract

외부 동력원으로부터 발생된 기계적 에너지의 일부를 실린더 스프링 기구와 판 스프링 기구를 작동시키는데 이용하고, 실린더 스프링 기구와 판 스프링 기구로부터 발생되는 기계적 에너지를 다시금 재사용할 수 있도록 구성함으로써, 외부 동력원으로부터의 기계적 에너지 공급이 최소화되도록 하여 발전 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있는 스프링을 이용한 동력 발생장치가 소개된다. 이러한 스프링을 이용한 동력 발생장치는 외부 동력원으로부터 기계적 에너지를 전달받아 회전할 수 있도록 구성되는 크랭크 축과, 상기 크랭크 축의 크랭크 핀에 연결되어 크랭크 축의 회전 운동을 직선 운동으로 변환시키는 제1 로드와, 이 제1 로드에 연결되어 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 제1 연결 블록과, 이 제1 연결 블록에 그 일측이 연결되는 코일 스프링과, 이 코일 스프링의 타측에 연결되어 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 제2 연결 블록을 포함하는 적어도 두 개 이상의 실린더 스프링 기구와, 상기 실린더 스프링 기구의 제1 연결 블록 또는 제2 연결 블록과 상기 크랭크 축의 크랭크 저널을 기계적으로 연결함으로써, 상기 실린더 스프링 기구에서 발생한 동력을 상기 크랭크 축으로 재전달하여 상기 크랭크 축의 회전 운동을 증가시키는 적어도 두 개 이상의 판 스프링 기구와, 상기 크랭크 축에 연동하도록 결합되어 회전하 는 출력축을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

스프링을 이용한 동력 발생장치{POWER GENERATING APPARATUS USING SPRING}
본 발명은 스프링을 이용한 동력 발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실린더 스프링 기구와 판 스프링 기구를 조합하여 일반 가정용 또는 산업용 동력원으로 효과적으로 이용할 수 있는 스프링을 이용한 동력 발생장치에 관한 것이다.
일반적으로 발전기는 수력, 화력, 원자력, 풍력, 태양열 등 외부 동력원으로부터 발생된 기계적 에너지를 전달받아 전기 에너지로 변환시키는 장치이다.
이러한 발전기는 외부에서 지속적으로 기계적 에너지를 공급하지 않으면 발전을 계속할 수 없다.
한편, 발전에 사용되는 외부 동력원에 의한 기계적 에너지를 발전기를 통해 전기적 에너지로 변화시키는 경우, 마찰 등에 의한 에너지 손실로 인해 발전 에너지 변환 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.
대한민국 등록 실용신안 제20-0258510호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 외부 동력원으로부터 발생된 기계적 에너지의 일부를 실린더 스프링 기구와 판 스프링 기구를 작동시키는데 이용하고, 실린더 스프링 기구와 판 스프링 기구로부터 발생되는 기계적 에너지를 다시금 재사용할 수 있도록 구성함으로써, 외부 동력원으로부터의 기계적 에너지 공급이 최소화되도록 하여 발전 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있는 스프링을 이용한 동력 발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 스프링을 이용한 동력 발생장치는, 외부 동력원으로부터 기계적 에너지를 전달받아 회전할 수 있도록 구성되는 크랭크 축과, 상기 크랭크 축의 크랭크 핀에 연결되어 크랭크 축의 회전 운동을 직선 운동으로 변환시키는 제1 로드와, 이 제1 로드에 연결되어 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 제1 연결 블록과, 이 제1 연결 블록에 그 일측이 연결되는 코일 스프링과, 이 코일 스프링의 타측에 연결되어 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 제2 연결 블록을 포함하는 적어도 두 개 이상의 실린더 스프링 기구와, 상기 실린더 스프링 기구의 제1 연결 블록 또는 제2 연결 블록과 상기 크랭크 축의 크랭크 저널을 기계적으로 연결함으로써, 상기 실린더 스프링 기구에서 발생한 동력을 상기 크랭크 축으로 재전달하여 상기 크랭크 축의 회전 운동을 증가시키는 적어도 두 개 이상의 판 스프링 기구와, 상기 크랭크 축에 연동하도록 결합되어 회전하는 출력축을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 판 스프링 기구는 상기 제2 연결 블록에 연결되는 제2 로드와, 이 제2 로드의 일측에 그 일측이 연결되는 원호 형상 판 스프링과, 이 원호 형상 판 스프링의 타측에 연결되는 제3 로드와, 이 제3 로드와 편심 연결되어 제3 로드의 직선 운동을 회전 운동으로 변환하는 편심륜과, 이 편심륜의 회전을 상기 크랭크 축의 크랭크 저널로 전달하는 기어장치를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 원호 형상 판 스프링은 상기 제2 로드의 작동에 의해 어느 일 방향으로 볼록한 원호 형상의 단면 형상에서 이와 대칭되는 다른 방향으로 볼록한 원호 형상의 단면 형상으로 반복적으로 변형되면서 상기 제 3로드와의 연결 부분을 왕복 직선 운동을 시키도록 작동하는 것이 바람직하다.
상기 원호 형상 판 스프링의 중앙부에는 반복적인 변형으로 인한 피로를 보강하는 보강 부재가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 판 스프링 기구는 상기 실린더에 연결되어 상기 크랭크 축과 나란한 방향으로 연장 형성되는 제4 로드와, 이 제4 로드의 단부에 회동 가능하게 연결되는 제5 로드와, 이 제5 로드의 단부에 회동 가능하게 연결되는 제6 로드와, 상기 제5 로드와 상기 제6 로드의 연결부에 설치되는 코일 형상 판 스프링과, 상기 제6 로드와 편심 연결되어 제6 로드의 직선 운동을 회전 운동으로 변환하는 편심륜과, 이 편심륜의 회전을 상기 크랭크 축의 크랭크 저널로 전달하는 기어장치를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 코일 형상 판 스프링은 상기 제1 연결 블록의 작동에 의해 상기 제5 로드와 상기 제6 로드의 연결부에 탄성력이 발생하도록 작동하는 것이 바람직하다.
상기 제1 연결 블록과, 상기 제2 연결 블록에는 상기 실린더의 내부에서의 원활한 왕복 운동을 유도하는 공기 출입 홀이 각각 형성되는 것이 바람직하다.
상기 출력축의 토크를 계측하고, 상기 출력측의 토크가 일정 값 이하인 경우 상기 크랭크 축으로 전달되는 외부 동력원으로부터 기계적 에너지를 증가시키는 제어기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 스프링을 이용한 동력 발생장치에 따르면, 외부 동력원으로부터 발생된 기계적 에너지의 일부를 실린더 스프링 기구와 판 스프링 기구를 작동시키는데 이용하고, 실린더 스프링 기구와 판 스프링 기구로부터 발생되는 기계적 에너지를 다시금 재사용할 수 있도록 구성함으로써, 외부 동력원으로부터의 기계적 에너지 공급이 최소화되도록 하여 발전 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 스프링을 이용한 동력 발생장치를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 스프링을 이용한 동력 발생장치의 일부 구성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 스프링을 이용한 동력 발생장치에 적용된 실린더 스프링 기구의 일부 구성을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 스프링을 이용한 동력 발생장치에 적용된 판 스프링 기구의 원호 형상 판 스프링을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 스프링을 이용한 동력 발생장치에 적용된 실린더 스프링 기구와 판 스프링 기구의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 스프링을 이용한 동력 발생장치에 적용된 실린더 스프링 기구와 판 스프링 기구의 다른 실시예를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 스프링을 이용한 동력 발생장치를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 스프링을 이용한 동력 발생장치의 일부 구성을 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 스프링을 이용한 동력 발생장치에 적용된 실린더 스프링 기구의 일부 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 스프링을 이용한 동력 발생장치에 적용된 판 스프링 기구의 원호 형상 판 스프링을 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 스프링을 이용한 동력 발생장치에 적용된 실린더 스프링 기구와 판 스프링 기구의 일 실시예를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 스프링을 이용한 동력 발생장치에 적용된 실린더 스프링 기구와 판 스프링 기구의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 스프링을 이용한 동력 발생장치는 크랭크 축(100)과, 실린더 스프링 기구(200)와, 판 스프링 기구(300)와, 출력축(400)을 포함하며, 제어기(500)를 더 포함할 수 있다.
상기 크랭크 축(100)은 크랭크 핀(110)과 크랭크 저널(120)로 구분되며, 상기 크랭크 핀(110)은 적어도 두 개 이상 형성되고, 상기 실린더 스프링 기구(200)와 상기 판 스프링 기구(300)가 크랭크 축(100)에 연결되는 방법에 따라 다양한 방식으로 정렬되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 크랭크 축(100)에는 상기 크랭크 축(100)으로 기계적 에너지를 전달할 수 있는 외부 동력원(10)과, 에너지를 일시적으로 저장하였다가 다시 방출하는 플라이휠(20)이 이 연결될 수 있으며, 이러한 플라이휠(20)로는 기차 바퀴와 같은 중량 휠 부재가 적용될 수 있다.
또한, 상기 크랭크 축(100)은 축 연결 부재(420)를 이용하여 두 개 이상으로 분리 구성될 수 있고, 이와 같이 크랭크 축(100)이 두 개 이상으로 분리구성되는 경우, 출력축(400) 또한 구 개 이상으로 분리 구성될 수 있으며, 출력축(400)의 길이가 길어지는 경우, 축 연결 부재(410)를 이용하여 출력축(400)의 길이를 연장할 수 있다.
상기 외부 동력원(10)으로부터 발생된 기계적 에너지의 일부는 상기 실린더 스프링 기구(200)와 상기 판 스프링 기구(300)를 작동시키는데 이용되고, 상기 실린더 스프링 기구(200)와 상기 판 스프링 기구(300)로부터 발생되는 기계적 에너지는 다시금 재사용될 수 있다.
상기 실린더 스프링 기구(200)는 도 2 및 도 3에 구체적으로 도시되며, 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 크랭크 축(100)에 적어도 두 개 이상 설치되며, 상기 크랭크 축(100)의 크랭크 핀(110)에 연결되어 크랭크 축(100)의 회전 운동을 직선 운동으로 변환시키는 제1 로드(210)와, 실린더(220)와, 상기 제1 로드(210)에 연결되어 실린더(220)의 내부에서 왕복 운동하는 제1 연결 블록(230)과, 이 제1 연결 블록(230)에 그 일측이 연결되는 코일 스프링(240)과, 이 코일 스프링(240)의 타측에 연결되어 실린더(220)의 내부에서 왕복 운동하는 제2 연결 블록(250)을 포함한다.
상기 제1 연결 블록(230)과, 상기 제2 연결 블록(250)에는 상기 제1 연결 블록(230)과, 상기 제2 연결 블록(250)이 상기 실린더(220)의 내부에서 원활한 왕복 운동을 할 수 있도록 유도하는 공기 출입 홀(231,251)이 각각 형성된다.
또한, 상기 제1 연결 블록(230)과, 상기 제2 연결 블록(250)에는 각각 상기 코일 스프링(240)을 고정할 수 있는 고정구(232,252)가 설치된다.
또한, 상기 제1 로드(210)가 상기 실린더(220)의 직경을 벗어나는 영역까지 상기 제1 연결 블록(230)에 대해 자유롭게 회동할 수 있도록 하기 위해 상기 실린더(220) 중 상기 제1 로드(210)의 작동 가능 영역에는 절개홈이 형성될 수 있고, 마찬가지로 후술할 제2 로드(310)가 상기 실린더(220)의 직경을 벗어나는 영역까지 상기 제2 연결 블록(250)에 대해 자유롭게 회동할 수 있도록 하기 위해 상기 실린더(220) 중 상기 제2 로드(310)의 작동 가능 영역에는 절개홈이 형성될 수 있다.
상기 판 스프링 기구(300)는 상기 실린더 스프링 기구(200)의 제1 연결 블록(230) 또는 제2 연결 블록(250)과 상기 크랭크 축(100)의 크랭크 저널(120)을 기계적으로 연결함으로써, 상기 실린더 스프링 기구(200)에서 발생한 동력을 상기 크랭크 축(100)으로 재전달하여 상기 크랭크 축(100)의 회전 운동을 증가시키기 위한 것으로서, 이러한 판 스프링 기구(300)는 적어도 두 개 이상 설치되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 판 스프링 기구(300)는 도 5에 도시된 것처럼, 원호 형상 판 스프링(320)을 적용한 실시예가 있을 수 있고, 도 6에 도시된 것처럼, 코일 형상 판 스프링(390)을 적용한 실시예가 있을 수 있다.
도 5에 도시된 실시예의 경우, 도 2에 도시된 도면을 추가적으로 참조하면, 상기 판 스프링 기구(300)는 상기 제2 연결 블록(250)에 연결되는 제2 로드(310)와, 이 제2 로드(310)의 일측에 그 일측이 연결되는 원호 형상 판 스프링(320)과, 이 원호 형상 판 스프링(320)의 타측에 연결되는 제3 로드(330)와, 이 제3 로드(330)와 편심 연결되어 제3 로드(330)의 직선 운동을 회전 운동으로 변환하는 편심륜(340)과, 이 편심륜(340)의 회전을 상기 크랭크 축(100)의 크랭크 저널(120)로 전달하는 기어장치(350)를 포함한다.
여기서, 상기 원호 형상 판 스프링(320)은 상기 제2 로드(310)의 작동에 의해 어느 일 방향으로 볼록한 원호 형상의 단면 형상에서 이와 대칭되는 다른 방향으로 볼록한 원호 형상의 단면 형상으로 반복적으로 변형되면 상기 제3 로드(330)와의 연결 부분을 왕복 직선 운동을 시키도록 작동한다.
한편, 도 4 (a)에는 상기 원호 형상 판 스프링(320)의 상면이 도시되고, 도 4 (b)에는 상기 원호 형상 판 스프링(320)의 측면이 도시되며, 도 4를 참조하면, 상기 원호 형상 판 스프링(320)의 중앙부에는 반복적인 변형으로 인한 피로를 보강하는 보강 부재(321)가 더 설치될 수 있다.
도 6에 도시된 실시예의 경우, 상기 판 스프링 기구(300)는 상기 실린더(220)에 연결되어 상기 크랭크 축(100)과 나란한 방향으로 연장 형성되는 제4 로드(360)와, 이 제4 로드(360)의 단부에 회동 가능하게 연결되는 제5 로드(370)와, 이 제5 로드(370)의 단부에 회동 가능하게 연결되는 제6 로드(380)와, 상기 제5 로드(370)와 상기 제6 로드(380)의 연결부에 설치되는 코일 형상 판 스프링(390)과, 상기 제6 로드(380)와 편심 연결되어 제6 로드(380)의 직선 운동을 회전 운동으로 변환하는 편심륜(340)과, 이 편심륜(340)의 회전을 상기 크랭크 축(100)의 크랭크 저널(120)로 전달하는 기어장치(350)를 포함한다.
상기 기어장치(350)의 경우, 도 6에 구체적으로 도시되지는 않았으며, 이러한 기어장치(350)는 다양하게 구성될 수 있다. 하지만 상기 편심륜(340)이 기어장치(350)를 매개로 크랭크 축(100)의 크랭크 저널(120)에 연결되는 구조는 앞서 설명한 도 2 및 도 5에 도시된 실시예의 경우와 동일하다.
상기 제6 로드(380)는 상기 크랭크 축(100)의 크랭크 저널(120)에 연결됨에 있어서, 다양한 방식으로 연결될 수 있다. 예컨대, 상기 편심륜(340)에 연결되지 않으면서 상기 기어장치(350)에는 연결되어 크랭크 축(100)의 크랭크 저널(120)에 연결될 수 있고, 상기 편심륜(340)과 상기 기어장치(350)를 매개로 하지 않고 상기 크랭크 축(100)의 크랭크 저널(120)에 직접 연결될 수 있다.
상기 코일 형상 판 스프링(390)은 상기 제1 연결 블록(230)의 작동에 의해 상기 제5 로드(370)와 상기 제6 로드(380)의 연결부에 탄성력이 발생하도록 작동한다.
상기 출력축(400)은 상기 크랭크 축(100)에 연동하도록 결합되며, 출력축(400)의 회전력은 발전기나 다른 장치의 입력축을 회전시키는데 이용될 수 있다. 이러한 출력축(400)의 길이를 길게 할 필요가 있는 경우, 축 연결 부재(410)를 이용하여 출력축(400)의 길이를 연장할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 스프링을 이용한 동력 발생장치는 상기 출력축(400)의 토크를 계측하고, 상기 출력측(4O0)의 토크가 일정 값 이하인 경우 상기 크랭크 축(100)으로 전달되는 외부 동력원(10)으로부터 기계적 에너지를 증가시키는 제어기(500)를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 스프링을 이용한 동력 발생장치에 따르면, 외부 동력원으로부터 발생된 기계적 에너지의 일부를 실린더 스프링 기구와 판 스프링 기구를 작동시키는데 이용하고, 실린더 스프링 기구와 판 스프링 기구로부터 발생되는 기계적 에너지를 다시금 재사용할 수 있도록 구성함으로써, 외부 동력원으로부터의 기계적 에너지 공급이 최소화되도록 하여 발전 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있게 된다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.
100 : 크랭크 축
110 : 크랭크 핀
120 : 크랭크 저널
200 : 실린더 스프링 기구
210 : 제1 로드
220 : 실린더
230 : 제1 연결 블록
240 : 코일 스프링
250 : 제2 연결 블록
300 : 판 스프링 기구
310 : 제2 로드
320 : 원호 형상 판 스프링
330 : 제3 로드
340 : 편심륜
350 : 기어장치
360 : 제4 로드
370 : 제5 로드
380 : 제6 로드
390 : 코일 형상 판 스프링
400 : 출력축
500 : 제어기

Claims (8)

  1. 외부 동력원으로부터 기계적 에너지를 전달받아 회전할 수 있도록 구성되는 크랭크 축;
    상기 크랭크 축의 크랭크 핀에 연결되어 크랭크 축의 회전 운동을 직선 운동으로 변환시키는 제1 로드와, 이 제1 로드에 연결되어 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 제1 연결 블록과, 이 제1 연결 블록에 그 일측이 연결되는 코일 스프링과, 이 코일 스프링의 타측에 연결되어 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 제2 연결 블록을 포함하는 적어도 두 개 이상의 실린더 스프링 기구;
    상기 실린더 스프링 기구의 제1 연결 블록 또는 제2 연결 블록과 상기 크랭크 축의 크랭크 저널을 기계적으로 연결함으로써, 상기 실린더 스프링 기구에서 발생한 동력을 상기 크랭크 축으로 재전달하여 상기 크랭크 축의 회전 운동을 증가시키는 적어도 두 개 이상의 판 스프링 기구; 및
    상기 크랭크 축에 연동하도록 결합되어 회전하는 출력축;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링을 이용한 동력 발생장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 판 스프링 기구는 상기 제2 연결 블록에 연결되는 제2 로드와, 이 제2 로드의 일측에 그 일측이 연결되는 원호 형상 판 스프링과, 이 원호 형상 판 스프링의 타측에 연결되는 제3 로드와, 이 제3 로드와 편심 연결되어 제3 로드의 직선 운동을 회전 운동으로 변환하는 편심륜과, 이 편심륜의 회전을 상기 크랭크 축의 크랭크 저널로 전달하는 기어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링을 이용한 동력 발생장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 원호 형상 판 스프링은 상기 제2 로드의 작동에 의해 어느 일 방향으로 볼록한 원호 형상의 단면 형상에서 이와 대칭되는 다른 방향으로 볼록한 원호 형상의 단면 형상으로 반복적으로 변형되면서 상기 제 3로드와의 연결 부분을 왕복 직선 운동을 시키도록 작동하는 것을 특징으로 하는 스프링을 이용한 동력 발생장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 원호 형상 판 스프링의 중앙부에는 반복적인 변형으로 인한 피로를 보강하는 보강 부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 스프링을 이용한 동력 발생장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 판 스프링 기구는 상기 실린더에 연결되어 상기 크랭크 축과 나란한 방향으로 연장 형성되는 제4 로드와, 이 제4 로드의 단부에 회동 가능하게 연결되는 제5 로드와, 이 제5 로드의 단부에 회동 가능하게 연결되는 제6 로드와, 상기 제5 로드와 상기 제6 로드의 연결부에 설치되는 코일 형상 판 스프링과, 상기 제6 로드와 편심 연결되어 제6 로드의 직선 운동을 회전 운동으로 변환하는 편심륜과, 이 편심륜의 회전을 상기 크랭크 축의 크랭크 저널로 전달하는 기어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링을 이용한 동력 발생장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 코일 형상 판 스프링은 상기 제1 연결 블록의 작동에 의해 상기 제5 로드와 상기 제6 로드의 연결부에 탄성력이 발생하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 스프링을 이용한 동력 발생장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 연결 블록과, 상기 제2 연결 블록에는 상기 실린더의 내부에서의 원활한 왕복 운동을 유도하는 공기 출입 홀이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 스프링을 이용한 동력 발생장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 청구항에 있어서,
    상기 출력축의 토크를 계측하고, 상기 출력측의 토크가 일정 값 이하인 경우 상기 크랭크 축으로 전달되는 외부 동력원으로부터 기계적 에너지를 증가시키는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링을 이용한 동력 발생장치.
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