KR20190053148A

KR20190053148A - 파스칼의 원리 기반의 실린더를 사용한 원동기의 회전력 증폭방법

Info

Publication number: KR20190053148A
Application number: KR1020190049468A
Authority: KR
Inventors: 신태수
Original assignee: 신태수
Priority date: 2019-04-28
Filing date: 2019-04-28
Publication date: 2019-05-17

Abstract

Naver 에서 "파스칼의 원리"를 검색해 보면, "1653년 B. 파스칼이 정리한 원리로, 밀폐된 공간에 채워진 유체에 힘을 가하면, 내부로 전달된 압력은 밀폐된 공간의 각 면에 동일한 압력으로 작용한다는 원리다.
단면적이 A1인 피스톤에 F1의 힘을 가하면 A1에 가해진 압력(P1)이 유체를 통해 같은 압력(P2)으로 단면적이 A2인 피스톤에 F2의 힘이 전달된다는 것이다.
이를 식으로 나타내면 P_{1 =}P_{2 --->}F_{1 /}A_{1 =}F_{2 /}A_{2 --->}F_{2 =}F_{1 *}A_{2 /}A₁이다.
따라서 F₂는 A₂ / A₁의 면적비만큼 큰 힘을 낼 수 있음을 알 수 있다. 즉, 좁은 면적에서는 작은 힘(F₁)을 가하더라도 전달되는 다른 쪽의 단면적을 넓히면 큰 힘으로 작용할 수 있음을 알 수 있다." 라고 써 있다.
위에서 식으로 나타낸 관계는 그림 1 에 표시되어 있다.
일예로 도 1 에서 원형 단면의 A1과 A2의 단면적의 크기를 각각 10cm²: 30cm²라고 하고, 작은 피스톤( 12 )의 표면인 A1에 10 kg의 무게를 올려 놓을 때 단위 면적당 압력의 크기는 10 / 10 = 1[ kg/cm²]가 된다.
이때 동일 압력이 유압유( 13 )를 통하여 큰 피스톤( 14 )전해지므로 이 큰 피스톤( 14 )에서 발생되는 압력의 크기는 1[ kg/cm²] * 30[ cm²] = 30kg이 된다.
고로 좌우 큰피스톤과 작은 피스톤이 상하로 움직이지 않기 위해서는, 또는 비기기 위해서는 큰 피스톤( 24 )의 표면에 30 kg의 무게가 놓여져야 한다.
만약, 20 kg이 놓여진다면, 큰 피스톤( 24 )이 위로 올라가게 된다.
도 2 는 도 1 의 관계를 본 발명의 요지를 설명하기 위해 도 1 의 U자형 실린더( 11 )를 도 2 에서 처럼 직선형 실린더( 25 )로 만들어 지면상의 좌우 2개의 바퀴 위에 올려져 있는 대차( 21 )위에 고정, 설치한다.
도 1 의 설명에서 작은 피스톤( 12 )과 큰 피스톤( 14 )의 표면 위에 각각 10 kg : 30 kg 이 놓이면 정지 또는 비긴다고 설명했다.
간략하게 설명하기 위해 이를 100[ N ] : 300[ N ] 로 대치한다.
도 2 에서도 작은 피스톤( 22 )의 표면에 100[ N ] 의 힘을 수평으로 가할 때 큰 피스톤( 24 )의 표면에 300[ N ]의 힘을 가해야 비기게 되어 좌우 어느 쪽으로도 움직이지 않게 된다.
만약 300[ N ]이 아니고, 200[ N ]의 힘을 큰 피스톤( 26 )의 표면에 가한다면, 직선형 실린더( 25 )는 오른쪽으로 밀려 나가게 된다.
도 3 에서는 도 2 에서와 같은 2대의 직선형 실린더( 35 )를 각각 별도의 대차( 31 )위에 고정하고, 좌측 직선형 실린더의 큰 피스톤( 36 )의 표면과 우측 직선형 실린더의 작은 피스톤의 표면과 결합봉( 37 )으로 결합되어 있다.
도 2 에서 작은 피스톤과 큰 피스톤의 단면적비가 1 : 3일 때에는 큰 피스톤의 표면에서 3배의 힘이 발생된다.
도 3 에서와 같이 2 대의 직선형 실린더를 직렬 결합시켰을 때에는 하나의 직선형 실린더일 때에 발생된 3배의 힘이 오른쪽 직선형 실린더의 작은 피스톤에 가해지게 되므로 가해진 힘의 3배가 오른쪽 큰 피스톤 표면에서 발생된다.
따라서 일예로 앞에서 100[ N ]이 가해질 때에 300[ N ]이 발생되었으므로 이것의 3배인 900[ N ]이 발생된다.
도 4 에서도 제 1 상한에서 모터 암으로 가해진 일예로 100[ N ]의 힘이 큰 피스톤( 44 )에서는 300[ N ]이 발생되고, 피스톤 결합봉( 47 )을 통하여 제 2 상한의 직선형 실린더( 41 )의 작은 피스톤의 표면과 결합되어서 큰 피스톤( 44 )에서 900[ N ]이 발생되어지고, 이 힘( force )으로 발전기 암( 49 )을 회전시키게 된다.
도 4 에서 모터 암( arm )의 말단과 결합되는 연결봉( 46 )과 발전기 암( arm )의 말단과 결합되는 연결봉( 42 )의 회전반경( r )을 각각 0.2[ m ]라고 하면, 모터 암( arm )의 연결봉( 46 )에서 발생되는 입력 회전력( torque )은 τ = 힘 * 팔의 길이 = 100 * 0.2 = 20[ N·m ] 이고, 발전기 암( arm )의 연결봉( 42 )에서 발생되는 회전력( torque )은 900 * 0.2 = 180[ N·m ]이다.
따라서 180/20 = 9 이므로 회전력( torque )이 9배 증폭된 셈이 된다.
출력은 P = 회전수 * 토크 = ω * τ[ w ]이다.
따라서 회전수가 동일하고 토크가 9배로 되면 출력도 9배로 증폭될 수 있다.

Description

파스칼의 원리 기반의 실린더를 사용한 원동기의 회전력 증폭방법{Torque amplification method by using the cylinder based on Pascal's principle}

본 발명은 파스칼 원리를 이용, 응용한 피스톤부 실린더를 사용하여 원동기의 회전력( torque )을 증폭하는 발명에 관한 발명이다.

현재까지 이 세상에서 동일 회전수에서 입력( input )의 증가없이 모터 같은 원동기의 토크( torque )를 증폭시킬 수 있는 어떤 장치나 방법은 존재하지 않는다.

동일 회전수에서 모터나 디젤엔진 같은 원동기의 입력의 증가없이 원동기의 회전력( torque )을 증폭시키는 방법을 제공한다.

직열로 결합된 첫번째 직선형의 실린더의 작은 피스톤의 표면에 모터 암의 연결봉을 접촉시키고, 마지막 직선형 실린더의 큰 피스톤의 표면의 결합기구와 발전기 암의 연결봉을 결합시키고, 모터를 회전시켜서 모터같은 원동기의 회전력( torque )을 증폭시킨다.

원동기의 입력의 증가없이 원동기의 토크를 증폭시킬 수 있다는 말은 곧 원동기의 출력을 공짜로 증폭시킬 수 있음을 의미하므로 화석에너지 사용에 따른 환경과 기후변화문제, 인구증가에 따른 세계 에너지 수요증가 문제의 약 70 % ~ 80 % 정도 이상을 해결할 수 있을 것으로 예상된다.

도 1 은 "파스칼의 원리"원리 설명도 이다.
도 2 는 U자형이라고 할 수 있는 도 2 의 원리 설명도를 직선형으로 또는 일자형으로 만들어 대차( 21 )위에 올려 놓고, 고정한 것을 나타낸 그림이다.
도 3 은 도 2 에서와 같은 2대의 직선형 실린더( 35 )를 각각 별도의 대차( 31 )위에 고정하고, 좌측 직선형 실린더의 큰 피스톤( 36 )의 표면과 우측 직선형 실린더의 작은 피스톤( 32 )의 표면과 결합봉( 37 )으로 결합시킨 것을 나타내고 있다.
도 4 는 모터 쪽에서 발전기 쪽을 바라보는 때의 배치를 나타낸 그림이다.
발전기 회전축( 51 )상에 키( key )없는 실린더 지지대( 46 )상의 제 1, 2, 3, 4 상한에 각각 1대의 직선형 실린더( 41 )를 설치한 상태를 나타내고 있고, 각각의 직선형 실린더는 위치해 있는 지지대 말단의 구멍에 끼워져 있다.
제 1 상한과 제 2 상한의 좌우 2개의 직선형 실린더( 41 )의 큰 피스톤의 표면과 작은 피스톤의 표면이 피스톤 연결봉( 47 )으로 결합되어 있고, 제 3 상한과 제 4 상한의 직선형 실린더( 41 )도 피스톤 연결봉( 47 )으로 결합되어 있다.
피스톤 연결봉( 47 )의 중간 지점 부근은 상하 2 개씩의 지지 바퀴( 45 )로 지지되어 있고, 지지 바퀴( 45 )들은 앞뒤 2 장의 판형 지지대에 고정되어있다.
모터 암( arm, 50 )의 말단의 모터 암 연결봉이 제 1 상한 직선형 실린더( 41 )의 작은 피스톤의 표면과 제 4 상한의 작은 피스톤의 표면에 밀착시켜 접촉하고 있는 타원형 또는 구형 또는 원형 결합기구의 중간 지점을 관통하여 결합되어 있다.
모터가 반시계 방향으로 회전할 때에는 제 1 상한의 직선형 실린더( 41 )의 작은 피스톤의 표면에 압력 또는 힘을 가해주고, 시계 방향으로 회전할 때에는 제 4 상한의 직선형 실린더( 41 )의 작은 피스톤의 표면에 압력 또는 힘을 가해주게 된다.
발전기 암 연결봉은 제 2 상한과 제 3 상한의 큰 피스톤( 44 )의 각각의 표면과 결합된 연결봉의 중간 지점과 결합되어 있다.
모터 암 연결봉과 발전기 암 연결봉의 회전 반경( r )은 동일하다.
도 5 는 도 4 의 결합 상태를 모터 와 발전기의 회전축의 90도 방향에서 본 결합 상태를 나타낸 것으로 다른 내용은 생략 또는 무시하고, 중점 내용은 모터 암 연결봉( 55 )과 발전기 암 연결봉( 54 )의 결합 상태를 설명하기 위한 것이다.

Naver 에서 "파스칼의 원리"를 검색해 보면, "1653년 B. 파스칼이 정리한 원리로, 밀폐된 공간에 채워진 유체에 힘을 가하면, 내부로 전달된 압력은 밀폐된 공간의 각 면에 동일한 압력으로 작용한다는 원리다.

단면적이 A1인 피스톤에 F1의 힘을 가하면 A1에 가해진 압력(P1)이 유체를 통해 같은 압력(P2)으로 단면적이 A2인 피스톤에 F2의 힘이 전달된다는 것이다.

이를 식으로 나타내면 P_{1 =}P_{2 --->}F_{1 /}A_{1 =}F_{2 /}A_{2 --->}F_{2 =}F_{1 *}A_{2 /}A₁이다.

따라서 F₂는 A₂ / A₁의 면적비만큼 큰 힘을 낼 수 있음을 알 수 있다. 즉, 좁은 면적에서는 작은 힘(F₁)을 가하더라도 전달되는 다른 쪽의 단면적을 넓히면 큰 힘으로 작용할 수 있음을 알 수 있다.

이러한 원리는 자동차에 사용하는 유압식 브레이크, 자동차 정비소의 유압식 승강기, 기압계 등의 분야에서 적용되고 있다." 라고 써 있다.

따라서 큰 피스톤의 단면적을 크게하고, 동시에 작은 피스톤의 단면적을 작게하면 더 큰 힘이 작용하게 되고, 또는 어느 한 피스톤의 단면적을 증가시키거나 감소시키면, 작용하는 힘의 크기가 변하게 된다.

위에서 식으로 나타낸 관계는 그림 1 에 표시되어 있다.

일예로 도 1 에서 원형 단면의 A1과 A2의 단면적의 크기를 각각 10cm²: 30cm²라고 하고, 작은 피스톤( 12 )의 표면인 A1에 10 kg의 무게를 올려 놓을 때 단위 면적당 압력의 크기는 10 / 10 = 1[ kg/cm²]가 된다.

이때 동일 압력이 유압 유( 13 )를 통하여 큰 피스톤( 14 )에 전해지므로 큰 피스톤( 14 )에서 발생되는 압력의 크기는 1[ kg/cm²] * 30[ cm²] = 30kg이 된다.

일단 각각의 피스톤의 무게를 무시하고, 큰 피스톤( 24 )과 작은 피스톤( 22 )이 상하로 움직이지 않기 위해서는, 또는 비기기 위해서는 큰 피스톤( 24 )의 표면에 30 kg의 무게가 놓여져야 한다.

만약, 20 kg이 놓여진다면, 큰 피스톤( 24 )이 위로 올라가게 된다.

도 2 는 도 1 의 관계를 본 발명의 요지를 설명하기 위해 도 1 의 U자형 실린더( 11 )를 도 2 에서 처럼 직선형 실린더( 25 )로 만들어 지면상의 좌우 2개의 바퀴 위에 올려져 있는 대차( 21 )위에 고정, 설치한다.

도 1 의 설명에서 작은 피스톤( 22 )과 큰 피스톤( 24 )의 표면 위에 각각 10 kg : 30 kg 이 놓이면 정지 또는 비긴다고 설명했다.

간략하게 설명하기 위해 이를 100[ N ] : 300[ N ] 으로 대치한다.

도 2 에서도 작은 피스톤( 22 )의 좌측 표면에 100[ N ] 의 힘을 수평으로 가할 때 큰 피스톤( 26 )의 우측 표면에 300[ N ]의 힘을 가해야 비기게 되어 좌우 어느 쪽으로도 움직이지 않게 된다.

만약 300[ N ]이 아니고, 200[ N ]의 힘을 큰 피스톤( 26 )의 표면에 가한다면, 직선형 실린더( 25 )는 오른쪽으로 밀려 나가게 된다.

도 3 에서는 도 2 에서와 같은 2대의 직선형 실린더( 35 )를 각각 별도의 대차( 31 )위에 고정하고, 좌측 직선형 실린더의 큰 피스톤( 36 )의 표면과 우측 직선형 실린더의 작은 피스톤의 표면과 결합봉( 37 )으로 결합되어 있다.

도 2 에서 작은 피스톤과 큰 피스톤의 단면적비가 1 : 3일 때에는 큰 피스톤의 표면에서 3배의 힘이 발생된다.

도 3 에서와 같이 2 대의 직선형 실린더를 직렬 결합시켰을 때에는 하나의 직선형 실린더일 때에 발생된 3배의 힘이 오른쪽 직선형 실린더의 작은 피스톤에 가해지게 되므로 가해진 힘의 3배가 오른쪽 큰 피스톤 표면에서 발생된다.

따라서 일예로 앞에서 100[ N ]이 가해질 때에 300[ N ]이 발생되었으므로 이것의 3배인 900[ N ]이 발생된다.

도 4 에서도 제 1 상한에서 모터 암으로 가해진 일예로 100[ N ]의 힘이 큰 피스톤( 44 )에서는 300[ N ]이 발생되고, 피스톤 결합봉( 47 )을 통하여 제 2 상한의 직선형 실린더( 41 )의 작은 피스톤의 표면과 결합되어서 큰 피스톤( 44 )에서 900[ N ]이 발생되어지고, 이 힘( force )으로 발전기 암( 49 )을 회전시키게 된다.

따라서 180/20 = 9 이므로 회전력( torque )이 9배 증폭된 셈이 된다.

도 3 의 위 관계를 본 발명에 적용하기 위해 도 4 와 같이 구성, 조립하면, 모터의 암( arm )의 회전반경( r )과 발전기 암( arm )의 회전반경( r )이 같더라도 발전기 암( arm )의 말단에서 발생되어지는 회전력( torque )은 입력 회전력( torque )인 모터의 회전력( torque )의 9배의 출력 회전력( torque )이 발생된다.

도 4 에서 모터 암( arm )의 말단과 결합되는 연결봉( 46 )과 발전기 암( arm )의 말단과 결합되는 연결봉( 42 )의 회전반경( r )을 각각 0.2m 라고 하면,모터 암( arm )연결봉( 46 )에서 발생되는 회전력( torque )은 τ = 힘 * 팔의 길이 = 100 * 0.2 = 20[ N·m ] 이고, 발전기 암( arm )의 연결봉( 42 )에서 발생되는 회전력( torque )은 900 * 0.2 = 180[ N·m ]이다.

발전기 암 연결봉( 42 )의 위치와 모터 암 연결봉( 46 )의 위치가 수평으로 표시된 직선형 실린더 지지대( 41 )보다 약간 위와 아래에 설치되어 약간의 손실이 있을 수 있으나 일예로 상하로 14도 경사진 sin 76도 일 경우에 sin 76도 = 0.97이므로 약 3%의 손실이 있을 수 있다.

입력과 출력에서 각각 0.97이므로 0.97 * 0.97 = 0.94 정도로 약 6% 의 손실이 있을 수 있으나 9배 증폭된 회전력의 0.94%는 9 * 0.94 = 8.46배가 되어 그 정도 손실을 감수하고서도 이익이 매우 크다.

출력은 P = 회전수 * 토크 = ω * τ[ w ]이다.

식에서 회전수가 동일하고 토크가 9배로 되면 출력도 9배로 증폭될 수 있다.

따라서 일예로 100마력 모터는 위 경우에서 100 * 8.46 = 846마력 모터로 동작하게 된다.

위 설명은 상하로 14도 기울어진 경우이지만, 일예로 80도 일 경우에는 0.9848로 0.9848 * 0.9848 = 0.97이므로 최종적으로 3%의 손실이 있을 수 있다.

위 100마력 모터를 80도로 제작하면, 9 * 0.97 = 8.73배가 되어 873마력으로 동작하게 될 것이므로 될수록 상하로 작은 각도로 제작함이 바람직하다.

위 예는 3배 증폭 가능한 직선형 실린더를 2대 직렬로 결합한 경우이고, 일예로 3대를 직열로 결합하면, 27배로 증폭할 수 있다.

손실을 제외하고, 전기적으로는 3배 증폭 가능한 하나의 단위기의 발전기의 출력으로 2번째 단위기의 모터를 회전시키면, 이 단위기의 발전기에서 다시 3 배의 전기적 출력이 가능해질 것이므로 결국 9배 증폭된 전기 출력이 발생될 수 있다.

실린더에 유압 유를 채우고,피스톤을 끼워 넣을 때에 내부의 공기를 배출시키고, 밀봉해야 한다.

자동차 엔진에서 폭발한 가스가 누기되지 않도록 하기 위해 피스톤링등의 여러 부품을 설치하는 것처럼 본 발명의 피스톤들에도 유압 유가 누유되지 않게함이 바람직하고, 될수록 고점도 oil 사용이 바람직하다.

도 4 에서 180도 간격으로 직선형 실린더가 또는 단위기가 좌우 양단에 설치되어 있으나 필요할 경우 90도 간격 또는 그 이하로 설치할 수도 있다.

본 발명에서 원동기로서 일예를 들어 모터, 부하로서 발전기를 사용하고 있는데 모터, 발전기만 사용가능하다는 것은 아니고 상징적으로 또는 대표적으로 사용한 것이므로 다른 어떤 원동기, 부하기기도 사용 가능하다.

도 1 에서
11 ; U 자형 실린더( cylinder ), 12 ; 작은 피스톤( piston ),
13 ; 유압 유( oil ), 14 ; 큰 피스톤( piston ).
도 2 에서
21 ; 대차, 22 ; 작은 피스톤( piston ), 23 ; 직선형 실린더 지지대,
24 ; 유압 유( oil ), 25 ; 직선형 실린더( cylinder ),
26 ; 큰 피스톤( piston ).
도 3 에서
31 ; 대차, 32 ; 작은 피스톤 발전기 암( arm )연결봉,
33 ; 직선형 실린더 지지대 , 34 ; 유압 유( oil )
35 ; 직선형 실린더( cylinder ), 36 ; 큰 피스톤( piston ),
37 ; 직선형 실린더 연결봉.
도 4 에서
41 : 직선형 실린더( cylinder ), 42 ; 작은 피스톤, 43 ; 유압 유,
44 ; 큰 피스톤( piston ), 45 ; 피스톤 결합봉 지지바퀴,
46 ; 실린더 지지대, 47 ; 피스톤 결합봉, 48 ; 피스톤 결합기구,
49 ; 발전기 암( arm ), 50 ; 모터 암( arm ), 51 ; 발전기 회전축.
도 5 에서
51 ; 발전기, 52 ; 발전기 회전축, 53 ; 발전기 암( arm ),
54 ; 발전기 암( arm )연결봉, 55 ; 모터 암( arm )연결봉,
56 ; 모터 암( arm ), 57 ; 모터 회전축, 58 ; 모터.

Claims

도 4 에서 실린더 지지대( 46 )의 좌우, 양단, 상하 구멍 안쪽에 직선형 실린더( 44 )를 설치하고, 실린더 지지대( 46 )의 중심부 상하 말단에 피스톤 결합봉 지지 바퀴( 45 )와 피스톤 결합봉( 47 )을 설치하고, 좌측 직선형 실린더의 상하 큰 피스톤( 43 )의 표면상의 상하 피스톤 결합기구( 48 )를 직결한 연결봉 중간에 발전기 암 연결봉을 결합하고, 우측 상하 작은 피스톤의 표면 상하 지점에 모터 암( arm ) 연결봉을 위치시키고, 모터를 회전시켜서 모터의 회전력( torque )을 증폭시키는 것을 특징으로 하는 회전력 증폭 방법.