KR20220064160A - 요요 타입 에너지 수확 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 요요 타입 에너지 수확 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 요요 타입 에너지 수확 장치는, 일방향으로 길게 형성된 와이어의 끝단이 고정되는 부분으로, 상기 와이어를 통해 전해지는 회전력에 의해 회전되어서 와이어의 감김 및 풀림을 가능하게 하는 회전축; 상기 회전축을 사이에 두고 서로 반대측에 대향 배치되고, 각각 상기 회전축와 함께 회전될 수 있도록 그 회전축에 연결되며, 전위차 형성에 따른 전하 이동을 가능하게 하는 전극이 마련되는 한 쌍의 회전 케이스들; 및 상기 각 회전 케이스의 내부에 상기 회전축 및 회전 케이스에 대해 상대회전 가능하게 설치되고, 상기 전극과 마주하는 면에 양전하 또는 음전하로 대전이 이루어지는 대전부가 마련되는 한 쌍의 회전 블레이드들;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

요요 타입 에너지 수확 장치{Yoyo type energy harvesting apparatus}

본 발명은 요요 타입 에너지 수확 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실생활에서 활용되는 제품을 이용한 에너지 수확을 가능하게 하여 필요시 예비 전력또는 비상 전력으로 사용할 수 있게 하고, 회전 블레이드 간의 마모가 요구되지 않는 비접촉대전 방식에 의한 에너지 수확을 가능하게 하여 상대적으로 오랫동안 사용할 수 있도록, 구조가 개선된 요요 타입 에너지 수확 장치에 관한 것이다.

현대 사회에서 주로 사용하는 에너지원은 석탄, 석유, 원자력 등을 이용한 발전을 통해 전기에너지를 생산하는 방식이다. 이러한 에너지원들은 모두 유한한 자원이며 발전과정에서 해로운 가스, 폐수 등을 만들어내어 환경오염의 문제도 있다. 현재의 편리성만을 우선시하여 이러한 유한하며 환경에 해로운 자원을 소비하는 것보다는 지속해서 사용 가능한 에너지원을 찾을 필요성이 있다. 이러한 측면에서 볼 때 일상생활에서 버려지는 에너지들, 예를 들어 사람들이 계단을 밟는 힘, 자동차의 바퀴가 도로를 밟는 힘, 내리는 비의 낙하에너지, 등의 에너지들을 전기에너지로 변환하여 재사용할 수 있다면 분명 의미가 있을 것이다. 이와 관련하여 마찰대전에 의한 전기에너지 수확방법이 주목받고 있다.

두 표면이 마찰할 때 마찰에 의한 대전 효과가 나타난다. 이렇게 대전 된 유전체가 전극과 접촉하게 되면 유전체에 대전 된 전하와 반대되는 전하가 전극에 유도된다. 이 이후에 대전 된 유전체가 전극과 분리될 때 전극에 유도된 전하는 다시 원래 위치로 돌아가게 되는데 전극에 유도될 때와 원래 위치로 돌아갈 때 전하의 이동이 생겨 전류가 생긴다. 이때 전하의 운동방향은 전극에 유도될 때와 원래 위치로 돌아갈 때 반대방향이므로 같은 운동을 반복한다면 교류전류가 발생한다. 이러한 메커니즘을 통해서 마찰대전을 이용한 발전이 가능하게 된다.

마찰대전을 이용한 발전의 큰 한계점 중 한 가지는 마찰을 통한 발전이기에 회전 블레이드의 마모가 불가피하며 이로 인하여 발전을 할수록 수명이 많이 줄어든다는 데에 있다. 한편 전극과 유전체가 접촉하지 않는 비접촉대전의 발전방법이 있다.

비접촉대전의 발전은 이와 같은 문제를 해결하여 에너지를 반영구적으로 수확할 수 있다. 비접촉대전의 발전은 두 회전 블레이드를 접속하지 않고 대전체와 전극 간 거리를 조절하여 상대적인 전위차를 발생시키고 전극과 대전체의 간격을 유지한 채 대전체를 전극과 평행하게 운동하게 하여 전극 간에 전자가 이동하게 한다. 하지만 쿨롱 법칙에 의하면 전하 사이에 작용하는 정전기적 인력은 두 전하의 곱에 비례하며 입자 사이 거리의 제곱에 반비례한다.

이때 직접 접촉대전과 비접촉대전의 발전에 같은 재료를 사용한다고 하면 전하의 곱은 일정하지만, 비접촉대전의 전하 사이의 거리가 직접 접촉대전보다 커지므로 정전기적 인력이 작아지게 된다. 정전기적 인력이 작아지게 되면 전극에 유도되는 전하의 양이 줄게 되어 결과적으로 직접 접촉대전보다 출력이 줄어들게 된다. 비접촉대전 발전은 직접 접촉대전보다 수명은 길다는 장점이 있으나 출력이 작다는 단점이 있다. 따라서 이러한 단점을 보완할 방법이 필요하다.

1. 대한민국 등록특허공보 등록번호 제1393251호 2. 대한민국 등록특허공보 등록번호 제1569311호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 실생활에서 쉽게 활용되는 제품을 이용하여 에너지를 수확할 수 있게 하고, 비접촉대전 방식에 의한 에너지 수확으로 제품의 내구성을 향상시킬 수 있게 하는 요요 타입 에너지 수확 장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 요요 타입 에너지 수확 장치는, 일방향으로 길게 형성된 와이어의 끝단이 고정되는 부분으로, 상기 와이어를 통해 전해지는 회전력에 의해 회전되어서 와이어의 감김 및 풀림을 가능하게 하는 회전축; 상기 회전축을 사이에 두고 서로 반대측에 대향 배치되고, 각각 상기 회전축와 함께 회전될 수 있도록 그 회전축에 연결되며, 전위차 형성에 따른 전하 이동을 가능하게 하는 전극이 마련되는 한 쌍의 회전 케이스들; 및 상기 각 회전 케이스의 내부에 상기 회전축 및 회전 케이스에 대해 상대회전 가능하게 설치되고, 상기 전극과 마주하는 면에 양전하 또는 음전하로 대전이 이루어지는 대전부가 마련되는 한 쌍의 회전 블레이드들;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 각 회전 블레이드의 대전부 및 회전 케이스의 전극은, 원주방향을 따라 간격을 두고 교번하여 배치되는 복수의 요소들로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 회전축는, 상기 와이어가 권회되는 롤링부와 상기 롤링부의 중심 양측에서 각각 롤링부의 회전방향과 직교하는 방향으로 연장 형성되고 상기 각 회전 케이스에 결합되는 한 쌍의 축연결부들;을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상기 회전축의 각 축연결부와 상기 회전 블레이드 사이에 배치되는 것으로, 상대회전을 가능하게 하는 베어링부와 상기 베어링부를 원주방향을 따라 감싸는 형태로 그 베어링부에 결합되고 상기 회전 블레이드의 회전방향 규제를 위한 래칫부를 구비하는 베어링 유닛;을 포함하여 이루어질 수 있고, 상기 회전 블레이드는 상기 베어링 유닛의 래칫부와 상호작용을 하여 그 회전 블레이드가 한 방향으로만 회전되게 하는 일방향 회전규제부;를 포함하여 이루어지는 것도 가능하다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 요요 타입 에너지 수학 장치는, 실생활에서 놀이기구로 흔히 사용되고 있는 요요에 자가발전을 위한 구성이 유기적으로 결합되게 함으로써, 요요의 회전 동작시마다 회전 케이스와 회전 블레이드 간의 상대 운동에 따른 정전기 유도현상에 의해 에너지 수확이 이루어지도록 하여, 결국 실생활에서 쉽게 활용되는 제품을 이용하여 에너지를 수확할 수 있게 함은 물론, 그 수확된 에너지를, 빛이나 소리를 외부로 송출시키고자 하는 기능 구현시 요구되는 전력원 또는 다른 용도의 비상 전력원으로 사용할 수 있게 수 있게 하고, 비접촉대전 방식에 의한 에너지 수확으로 제품의 내구성을 향상시킬 수 있게 하는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 요요 타입 에너지 수확 장치의 사시도.
도 2는 본 발명 일실시예의 분리 사시도.
도 3은 본 발명 일실시예의 단면도.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 단면도.
도 5는 본 발명 일실시예의 발전 원리를 설명하기 위한 도면.
도 6은 실험을 위해 제작한 모형을 결합해 요요를 했을 때 LED가 켜지는 모습을 도시한 도면.
도 7은 요요에 직접 LED를 채용하여 실험한 모습을 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 요요 타입 에너지 수확 장치의 단면도.
도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ 단면도.

이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확히 하기 위하여, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.

그리고, 이하의 설명에서 동일한 식별 기호는 동일한 구성을 의미하며, 불필요한 중복적인 설명 및 공지 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기 발명의 배경이 되는 기술에 대한 기재 내용과 중복되는 이하의 본 발명의 각 실시예에 관한 설명 역시 생략하기로 한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 요요 타입 에너지 수확 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 요요 타입 에너지 수확 장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명 일실시예의 분리 사시도이며, 도 3은 본 발명 일실시예의 단면도이며, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 단면도이며, 도 5는 본 발명 일실시예의 발전 원리를 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 실험을 위해 제작한 모형을 결합해 요요를 했을 때 LED가 켜지는 모습을 도시한 도면이며, 도 7은 요요에 직접 LED를 채용하여 실험한 모습을 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 요요 타입 에너지 수확 장치는, 실생활에서 흔히 놀이기구로 이용되고 있는 요요 구조에 에너지 수확을 위한 구성을 유기적으로 결합되게 하여, 요요 동작시 수확되는 에너지를, 빛이나 소리를 외부로 송출시키고자 하는 기능 구현시 요구되는 전력원으로 사용할 수 있게 하고, 다른 용도의 비상 전력원 또는 예비 전력원으로 사용할 수 있게 하는 것으로, 회전축(1)과 한 쌍의 회전 케이스(21)(22)들과 한 쌍의 회전 블레이드(41)(42)들을 포함하여 이루어진다.

상기 회전축(1)은 일방향으로 길게 형성된 와이어(W)의 끝단이 고정되는 부분으로, 상기 와이어(W)를 통해 전해지는 회전력에 의해 회전되어서 와이어(W)의 감김 및 풀림을 가능하게 한다.

상기 한 쌍의 회전 케이스(21)(22)들은, 상기 회전축(1)을 사이에 두고 서로 반대측에 대향 배치되고, 각각 상기 회전축(1)와 함께 회전될 수 있도록 그 회전축(1)에 연결되며, 상기 회전축(1)와 대향하는 면 측에, 전위차 형성에 따른 전하 이동을 가능하게 하는 전극(31)(32)이 마련된다.

본 실시예에서 상기 한 쌍의 회전 케이스(21)(22)들은 상기 회전축(1)과 별개로 제작되어서 그 회전축(1)에 결합되도록 구성되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 한 쌍의 회전 케이스들이 회전축와 일체로 형성되는 것도 가능하다. 이러한 일체 형성 구조의 경우 상기 한 쌍의 회전 케이스들의 중심에 회전축가 위치하고 이 회전축에 와이어가 감김 및 풀림 가능하게 권회되도록 구성된다.

상기 한 쌍의 회전 블레이드(41)(42)들은, 상기 한 쌍의 회전 케이스(21)(22)들이 상기 회전축(1)와 함께 회전되는 것과는 대조적으로, 상기 회전축(1)에 대해 상대회전 되도록 구성된다.

즉, 본 실시예에 채용된 한 쌍의 회전 블레이드(41)(42)들은, 각각 상기 회전축(1)와 회전 케이스(21)(22) 사이에 상대회전 가능하게 배치되고, 상기 전극(31)(32)과 마주하는 면에 양전하 또는 음전하로 대전이 이루어지는 대전부(41a)(42a)가 마련된다.

상기 대전부(41a)(42a)는 대전이 이루어지는 다양한 소재로 구현될 수 있음은 물론이나, 본 실시예에서는 폴리머, PDMS, Teflon 등과 같이 (-)로 대전되기 쉬운 재질로 구현되었다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예에 의한 요요 타입 에너지 수학 장치의 발전 원리는 다음과 같다.

즉, 도 5에 잘 도시된 바와 같이, 회전 케이스(21)와 대전부(41a)가 다른 속도로 회전하며 상대속도를 가지게 된다. 이 때 대전되어 있는 대전부(41a)와 회전 케이스(21)의 하나의 마주 보는 면적이 넓어지고 다른 하나와는 마주 보는 면적이 줄어들게 된다. 이 때 정전기 유도현상에 의해 두 전극(31) 사이에 자유전자가 이동하여 전류가 생긴다. 계속 회전을 하게 되면 상기 회전 케이스(21)와 마주 보는 넓이는 줄고 다른 하나의 회전 케이스(21)와 마주 보는 면적이 늘어나게 되면서 처음과 반대방향으로 전류가 생기게 된다. 이와 같은 회전이 계속되어 교류형태의 전류가 발생한다. 이와 같이 발전된 전류는 도 6 및 도 7에 잘 도시된 바와 같이, 실험을 통해 LED를 점등 시킬 수 있는 정도의 전력원으로 사용될 수 있음을 규명하였다.

상술한 바와 같은 구성과 발전 원리를 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 요요 타입 에너지 수학 장치는, 실생활에서 놀이기구로 흔히 사용되고 있는 요요에 자가발전을 위한 구성이 유기적으로 결합되게 함으로써, 요요의 회전 동작시마다 회전 케이스(21)(22)와 회전 블레이드(41)(42) 간의 상대 운동에 따른 정전기 유도현상에 의해 에너지 수확이 이루어지도록 하여, 결국 실생활에서 쉽게 활용되는 제품을 이용하여 에너지를 수확할 수 있게 함은 물론, 그 수확된 에너지를, 빛이나 소리를 외부로 송출시키고자 하는 기능 구현시 요구되는 전력원 또는 다른 용도의 비상 전력원으로 사용할 수 있게 수 있게 하고, 비접촉대전 방식에 의한 에너지 수확으로 제품의 내구성을 향상시킬 수 있게 하는 효과를 가진다.

한편, 상기 회전 블레이드(41)(42)의 대전부(41a)(42a) 및 회전 케이스(21)(22)의 전극(31)(32)은, 접촉과 분리가 반복적으로 이루어지게 하여 에너지 수확 효율을 향상시킬 수 있도록, 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 원주방향을 따라 간격을 두고 교번하여 배치되는 복수의 요소들로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 회전축(1)은, 상기 와이어(W)가 권회되는 롤링부(11)와 상기 롤링부(11)의 중심 양측에서 각각 롤링부(11)의 회전방향과 직교하는 방향으로 연장 형성되고 상기 각 회전 케이스(21)(22)에 결합되는 한 쌍의 축 연결부(12)들을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 한 쌍의 축 연결부(12)들과 상기 회전 케이스(21)(22)를 함께 회전될 수 있게 하는 회전수단은, 도시되지는 않았으나, 예컨대 키나 핀과 같은 수단으로 각 축 연결부(12)와 회전 케이스(21)(22)를 서로 구속되게 하는 구조 또는 축 연결부(12)의 끝단을 비원형단면 구조로 하고 회전 케이스(21)(22)의 상대홈을 비원형홈 구조로 하는 것과 같이, 다양한 구조로 구현할 수 있음은 물론이다.

한편, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 요요 타입 에너지 수확 장치의 단면도이며, 도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ 단면도이다.

이들 도면에 도시된 실시예는, 상기 회전축의 각 축연결부(12)와 상기 회전 블레이드(410) 사이에 배치되는 베어링 유닛(5)과 회전 블레이드(410)에 마련된 일방향 회전규제부(411)를 더 포함하여 이루어진다.

즉, 상기 베어링 유닛(5)은, 상기 회전 블레이드(410)의 축연결부(12)에 대한 상대회전을 가능하게 하는 베어링부(51)와 상기 베어링부(51)를 원주방향을 따라 감싸는 형태로 그 베어링부(51)에 결합되고 상기 회전 블레이드(410)의 회전 방향을 규제하기 위한 래칫부(52)를 포함하여 이루어진다.

그리고, 상기 회전 블레이드(410)는 상기 베어링 유닛(5)의 래칫부(52)와 상호작용을 하여 그 회전 블레이드(410)가 한 방향으로만 회전되게 하는 일방향 회전규제부(411)를 포함하여 이루어진다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 회전 케이스(21)와 회전축의 회전이 시계방향 또는 반시계방향으로 반복되는 경우에도 동력원에 의해 강제회전되는 회전 케이스(21)와는 달리 관성에 의해 회전되는 회전 블레이드(410)가 한 방향으로만 회전되도록 하여, 회전 블레이드(410)와 회전 케이스(21)가 서로 반대방향으로 회전시 상대적으로 더욱 큰 에너지를 수확할 수 있게 하는 장점을 도출한다.

이상 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

1:회전축 11:롤링부
12:축 연결부 21,22:회전 케이스
31,32:전극 41,42:회전 블레이드
41a,42a:대전부 W:와이어

Claims (4)

1. 일방향으로 길게 형성된 와이어의 끝단이 고정되는 부분으로, 상기 와이어를 통해 전해지는 회전력에 의해 회전되어서 와이어의 감김 및 풀림을 가능하게 하는 회전축;
   상기 회전축을 사이에 두고 서로 반대측에 대향 배치되고, 각각 상기 회전축과 함께 회전될 수 있도록 그 회전축에 연결되며, 전위차 형성에 따른 전하 이동을 가능하게 하는 전극이 마련되는 한 쌍의 회전 케이스들; 및
   상기 각 회전 케이스의 내부에 상기 회전축 및 회전 케이스에 대해 상대회전 가능하게 설치되고, 상기 전극과 마주하는 면에 양전하 또는 음전하로 대전이 이루어지는 대전부가 마련되는 한 쌍의 회전 블레이드들;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 요요 타입 에너지 수확 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 각 회전 블레이드의 대전부 및 회전 케이스의 전극은, 원주방향을 따라 간격을 두고 교번하여 배치되는 복수의 요소들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 요요 타입 에너지 수확 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 회전축은, 상기 와이어가 권회되는 롤링부와 상기 롤링부의 중심 양측에서 각각 롤링부의 회전방향과 직교하는 방향으로 연장 형성되고 상기 각 회전 케이스에 결합되는 한 쌍의 축연결부들;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 요요 타입 에너지 수확 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 회전축의 각 축연결부와 상기 회전 블레이드 사이에 배치되는 것으로, 상대회전을 가능하게 하는 베어링부와 상기 베어링부를 원주방향을 따라 감싸는 형태로 그 베어링부에 결합되고 상기 회전 블레이드의 회전방향 규제를 위한 래칫부를 구비하는 베어링 유닛;을 포함하고,
   상기 회전 블레이드는 상기 베어링 유닛의 래칫부와 상호작용을 하여 그 회전 블레이드가 한 방향으로만 회전되게 하는 일방향 회전규제부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 요요 타입 에너지 수확 장치.

Images