KR20230032203A - 매그너스 로터 장치 - Google Patents

Abstract

매그너스 로터 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 매그너스 로터 장치는, 선박의 데크 상부에 원기둥 형태로 설치되는 로터; 내부에 로터가 설치되되 로터와 동심축을 형성하는 더 큰 직경의 원기둥 형태로 설치되며, 일측에 개구부가 형성되어 개폐되는 로터 개폐모듈; 로터 개폐모듈 내부에 설치되되, 로터 개폐모듈이 열리는 경우 로터로부터 일측으로 신장하는 마스트 모듈; 마스트 모듈에 매여저 있으며, 마스트 모듈이 신장하여 데크에 기립되게 설치될 때에 펼쳐지는 돛 모듈을 포함한다.

Description

매그너스 로터 장치{APPARATUS FOR MAGNUS ROTOR}

본 발명은, 매그너스 로터 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 매그너스 로터가 느린 풍속 또는 원하지 않는 풍향에서 불어오는 바람으로 성능이 상대적으로 낮아질때, 성능을 추가로 얻는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 매그너스 로터(Magnus rotor)는 플레트너 로터(Flettner rotor)로도 불리며, 선박의 데크 상부에 원기둥 형태로 설치되는 풍력 보조 추진에 관련된 장치이다.

이러한 매그너스 로터는 선박의 항해 중 원기둥을 회전시킴으로써 발생하는 양력(매그너스 효과, Magnus effect)이 추력 방향으로 작용하게 하여 선박 추진에 소요되는 마력을 절감하는 장치로 활용된다.

매그너스 효과란 독일의 과학자인 ‘하인리히 매그너스(Heinrich Magnus)’가 발견했다해서 붙여진 이름으로, 공 같은 구(sphere)나 원통이 회전하면서 유체 속을 지나 갈 때, 압력이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 휘어지게 되면 앞으로 직진하는 힘이 발생하게 되는 현상을 말한다.

그래서 매그너스 효과는 자신이 길이 방향 축을 중심으로 회전하는 실린더에 유체가 유입 유동함으로 인해 횡력(Transverse force)이 발생하며, 횡력은 유입 유동 방항에 대해 수직으로 작용한다.

그러나, 이러한 매그너스 로터는 느린 풍속이나 원하지 않는 풍향으로 불어오는 바람이 있는 경우에는 매그너스 효과가 상대적으로 떨어지는 단점이 있다.

대한민국 공개특허 제10-2010-0124856호(2010.11.29.공개)

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 매그너스 로터가 느린 풍속 또는 원하지 않는 풍향에서 불어오는 바람으로 성능이 상대적으로 낮아질때, 플랩 또는 wingsail로 변환하여 성능을 추가로 얻는 매그너스 로터 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 데크 상부에 원기둥 형태로 설치되는 로터; 내부에 상기 로터가 설치되되 상기 로터와 동심축을 형성하는 더 큰 직경의 원기둥 형태로 설치되며, 일측에 개구부가 형성되어 개폐되는 로터 개폐모듈; 상기 로터 개폐모듈 내부에 설치되되, 상기 로터 개폐모듈이 열리는 경우 상기 로터로부터 일측으로 신장하는 마스트 모듈; 및 상기 마스트 모듈에 매여저 있으며, 상기 마스트 모듈이 신장하여 데크에 기립되게 설치될 때에 펼쳐지는 돛 모듈을 포함하는 매그너스 로터 장치가 제공될 수 있다.

상기 로터 개폐모듈은, 원기둥 형태의 측면 일부가 절개되어 개구부가 형성되는 본체유닛; 상기 개구부를 양측면에서 슬라이딩 이동하여 개폐하는 도어유닛; 및 상기 본체유닛의 상단 또는 하단에 설치되되, 상기 도어유닛이 슬라이딩 이동하여 상기 개구부의 개폐가 가능하도록 동력을 전달하는 벨트 풀리유닛을 포함할 수 있다.

상기 마스트 모듈은, 상기 로터의 상단과 하단에 각각 설치되되, 크기가 다른 복수의 튜브가 나사산으로 연결되어 회전하면서 신장되는 텔레스코픽 튜브유닛; 및 상기 텔레스코픽 튜브유닛의 끝단에 결합되어 데크에 기립되게 설치되는 마스트 유닛을 포함할 수 있다.

상기 돛 모듈은, 상기 마스트 모듈에 의해 신장되어 바람을 받는 돛 유닛; 및 상기 로터와 상기 로터 개폐모듈 사이에서 이격하여 설치되되, 상기 돛 유닛을 감거나 펼치는 두 개의 롤러유닛을 포함할 수 있다.

선박으로 불어오는 바람의 방향을 감지하는 풍향 센서; 및 상기 풍향 센서에 의해 감지되는 바람의 방향을 연산하여 상기 로터의 방향을 제어하는 제어 모듈을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은, 플랩 또는 wingsail로 변환하여 성능을 추가로 얻는 매그너스 로터 장치가 제공되어, 종래와 달리 매그너스 로터가 느린 풍속 또는 원하지 않는 풍향에서 불어오는 바람으로 성능이 상대적으로 낮아질때, 로터의 리프트를 증가시키고 풍향에 따른 위치 조절을 통해 낮은 풍속이나 원하지 않는 풍향에서 불어는 바람에 대해서도 로터의 성능 향상이 이루어져 선박 추진에 소요되는 마력을 절감할 수 있다.

도 1은 매그너스 로터 장치가 설치된 선박에 대한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 매그너스 로터 장치의 전체 구성도이다.
도 3은 로터 개폐모듈의 동작에 대한 사시도이다.
도 4는 마스트 모듈의 동작에 대한 개념도이다.
도 5는 매그너스 로터 장치의 동작에 대한 설명도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 매그너스 로터 장치가 설치된 선박에 대한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 매그너스 로터 장치의 전체 구성도이며, 도 3은 로터 개폐모듈의 동작에 대한 사시도이고, 도 4는 마스트 모듈의 동작에 대한 개념도이며, 도 5는 매그너스 로터 장치의 동작에 대한 설명도이다.

이하에서 도 1 내지 도 2에 도시된 매그너스 로터 장치의 전체 구성을 먼저 설명한 후에, 도 3 내지 도 5에 도시된 상세 구성에 대해서 설명하도록 한다.

먼저, 도 1을 참조하여 살펴보면 선박(1)은 매그너스 로터 장치(10)가 데크(20)에 기립되게 설치될 수 있다. 여기에서 매그너스 로터 장치(10)는 하나만 설치된 것으로 도시하였으나, 하나 이상의 매그너스 로터 장치(10)가 선박(1)의 여러 장소에 이격하여 설치될 수 있음은 자명하다.

매그너스 로터 장치(10)는 로터(100), 로터 개폐모듈(300), 마스트 모듈(500), 돛 모듈(700)을 포함한다.

도 2를 참조하면, 로터(100)가 중앙에 위치하게 있으며 평상시에는 로터 개폐모듈(300)의 열림과 닫힘 동작을 하는 도어가 닫힌 상태로 있다가, 도어를 열리게 되면 마스트 모듈(500)이 일측으로 신장하게 되며 돛 모듈(700)이 펼쳐지게 된다.

이하에서 도 3내지 도 5를 참조하여 매그너스 로터 장치(10)의 상세 구성에 대해서 설명하기로 한다.

먼저, 로터(Rotor)는 일반적으로 발전기, 전동기, 터빈, 수차 등의 회전 기계에서 회전하는 부분을 통틀어 이르는 말로서 회전자(回轉子)라고도 하며, 본 발명의 실시예에서 로터(100)는, 선박(1)의 갑판인 데크(20)(Deck) 상부에 원기둥 형태로 기립되어 설치된다.

다음으로, 로터 개폐모듈(300)은, 내부에 로터(100)가 설치되되 로터(100)와 동심축을 형성하는 더 큰 직경의 원기둥 형태로 설치되며, 일측에 개구부가 형성되어 개폐된다.

본 발명의 일 실시예에서는 원기둥 형태이 로터(100)가 설치되고 동심축을 형성하는 중공의 로터 개폐모듈(300)이 로터(100)의 외부를 둘러싸는 형태로 매그너스 로터 장치(10)가 설치될 수 있다.

그래서, 도3을 참조하여 로터 개폐모듈(300)의 구성을 상세히 살펴보면, 로터 개폐모듈(300)은 본체유닛(310), 도어유닛(330), 벨트 풀리유닛(350)을 포함한다.

본체유닛(310)은, 원기둥 형태의 측면 일부가 절개되어 개구부가 형성된다.

상세하게는 본체유닛(310)은 원기둥 형태의 둥근 측면 일부가 절개되어 연관된 장치들이 드나들수 있는 개구부가 형성되어 있으며, 개구부의 형태는 개구부의 정면에서 바라보았을 때에 엘리베이터의 자동문과 같은 형태이나 곡률이 형성된 형태로 보인다.

다음으로, 도어유닛(330)은 개구부를 양측면에서 슬라이딩 이동하여 개폐한다.

도어유닛(330)의 개폐되는 타입은 슬라이딩 방식으로 양쪽 외곽방향에서 내부 중심 방향으로 도어들이 슬라이딩 이동하여 도어가 닫히게 되는 양개문 방식이다.

도어유닛(330)이 개폐되는 폭은 로터(100)의 원주길이의 1/2 에서 1/4로 다양하게 설정될 수 있다.

벨트 풀리유닛(350)은, 도 3에는 발명의 일 실시예로 본체유닛(310)의 상단에 설치되어 있으나, 공간확보와 마스트와 돛의 이동 편의성을 위해 본체유닛(310)의 상단 또는 하단에 설치된다.

벨트 풀리유닛(350)은, 도어유닛(330)이 슬라이딩 이동하여 개구부의 개폐가 가능하도록 동력을 전달한다.

일반적으로 벨트 풀리유닛(350)은 벨트풀리·벨트바퀴라고도 하며, 벨트풀리를 단순히 풀리라고도 한다.

여기에서 벨트 풀리유닛(350)은 보통 주철제(鑄鐵製)로 만들지만 경량화(輕量化)를 위해서 나무로 만든 것, 고속도용에는 경합금(輕合金)의 것이 사용된다. 또, 림은 벨트가 벗겨지지 않도록 한 크라운이며, 특히 플랜지를 붙인 벨트풀리나 대형 벨트풀리에는 분할 풀리가 사용된다.

벨트 풀리유닛(350)은 상세히 구분한다면 구동력을 전달하는 벨트(351)와 벨트를 걸기 위한 목적으로 축에 부착하는 풀리(353)로 구분될 수 있으며, 일반적인 벨트와 풀리의 동작과 구성이 적용될 수 있으므로 이하에서 상세한 설명한 생략하기로 한다.

일반적으로 로터(100) 회전을 위한 전기모터를 활용하기 때문에 별도로 로터 개폐모듈(300)의 작동을 위한 모터가 불필요하지만, 필요에 따라 별도로 구동력을 얻기 위한 모터가 설치될 수 있다.

다음으로 이하에서는 마스트 모듈(500)에 대해서 설명하기로 한다.

마스트 모듈(500)은 로터 개폐모듈(300) 내부에 설치되되, 로터 개폐모듈(300)이 열리는 경우 로터(100)로부터 일측으로 신장하는 동작을 한다.

도 4를 참조하여 상세히 살펴보면, 마스트 모듈(500)은, 텔레스코픽 튜브유닛(510)과 마스트 유닛(530)을 포함한다.

텔레스코픽 튜브유닛(510)은, 원기둥 형태인 로터(100)의 상단과 하단에 각각 설치된다.

텔레스코픽 튜브유닛(510)은, 크기가 다른 복수의 튜브가 나사산으로 연결되어 회전하면서 신장된다.

일반적으로 텔레스코픽 튜브는 크기가 다른 복수의 튜브가 연결되어 미끄러지듯이 신장하는 것으로, 예를 들어 셀카봉 등에 많이 활용되는 형태이다.

본 발명의 일 실시예에서 텔레스코픽 튜브유닛(510)은 스틸 재질로 제작되며, 세부 구성인 튜브의 신장 및 수축을 위한 회전 구동을 위해 전기모터를 사용할 수도 있으며, 로터(100) 회전을 위한 모터가 설치되어 있어 별도의 구동모터없이 동작할 수도 있다.

텔레스코픽 튜브유닛(510)은, 로터 개폐모듈(300)이 닫혀진 상태에서는 로터 개폐모듈(300) 내부에 양 끝단과 연결되어 있는 상태로 수축되어 있다.

텔레스코픽 튜브유닛(510)은, 각 세부 구성 튜브와 튜브 사이에는 나사산으로 연결되어 있어 로터(100)의 내부지지대와 연결되어 있는 가장 큰 튜브를 회전시키면서 각 튜브들이 차례대로 신장되며, 수축을 위해서는 반대 방향으로 회전을 통해 튜브를 수축시킨다.

마스트 유닛(530)은, 텔레스코픽 튜브유닛(510)의 끝단에 결합되어 데크(20)에 기립되게 설치되며, 원기둥 형태로 길게 형성된다.

마스트 유닛(530)은, 일반적으로 선박(1)에 사용되는 마스트와 같이 알루미늄 재질로 제작되며, 원기둥 형태 상하의 양 끝단은 텔레스코픽 튜브유닛(510)과 연결되어 있으며 원기둥의 중간의 폭에 해당하는 길이 방향으로 후술할 돛과 연결되어 있다.

다음으로 도 5를 참조하여 돛 모듈(700)에 대해서 설명하기로 한다.

돛 모듈(700)은, 마스트 모듈(500)에 매여저 있으며, 마스트 모듈(500)이 신장하여 데크(20)에 기립되게 설치될 때에 펼쳐진다.

돛 모듈(700)은, 돛 유닛(710)과 롤러유닛(730)을 포함한다.

일반적으로 돛(Sail)은 돛대에 달아 바람의 힘을 이용하여 배가 앞으로 나갈 수 있도록한 천을 말한다.

본 발명의 일 실시예에서 돛 유닛(710)은, 나일론 또는 아라미드 섬유를 활용해 큰 인장강도를 견디도록 제작된다.

돛 유닛(710)은 로터 개폐모듈(300)이 닫혀진 상태에서는 로터 개폐모듈(300) 내부에 롤러유닛(730)과 연결되어 함께 돌돌 말려있고, 끝단은 마스트 모듈(500)과 연결된다.

돛 유닛(710)의 돌출을 위해서 로터 개폐모듈(300)이 개문되어 텔레스코픽 튜브유닛을 통해 신장되면, 마스트 유닛(530)와 돛은 함께 돌출되며 돛 유닛(710)은 팽맹하게 펴진다.

만약, 로터 개폐모듈(300)의 문이 닫히게 되면 텔레스코픽 튜브유닛(510)과 롤러유닛(730)의 반대 회전 구동을 통해 돛은 롤러와 함께 말려 들어가고 튜브의 수축과 함께 마스트 유닛(530)가 내부로 들어간다.

한편, 매그너스 로터 장치(10)는 풍향 센서(미도시)와 제어 모듈(미도시)을 더 포함할 수 있다.

풍향 센서(미도시)는 선박(1)으로 불어오는 바람의 방향을 감지하는 기능을 하며, 풍향 센서(미도시)의 적용 예로서 V형 화살깃을 사용하는 경우가 많았으나, 풍차형 자동기록 풍속 풍향계나 초음파 풍속 풍향계가 사용되기도 한다.

제어 모듈(미도시)은 풍향 센서(미도시)에 의해 감지되는 바람의 방향을 연산하여 로터(100)의 방향을 제어한다.

이러한 역할을 수행하는 제어 모듈(미도시)은 중앙처리장치(CPU), 메모리(MEMORY), 그리고 서포트 회로(SUPPORT CIRCUIT)를 포함할 수 있다.

중앙처리장치는 본 실시예에서 매그너스 로터 장치(10)의 동작을 콘트롤하기 위해서 산업적으로 적용될 수 있는 다양한 컴퓨터 프로세서들 중 하나 일 수 있다.

메모리는 중앙처리장치와 연결된다. 메모리는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로서 로컬 또는 원격지에 설치될 수 있으며, 예를 들면 랜덤 액세스 메모리(RAM), ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 임의의 디지털 저장 형태와 같이 쉽게 이용가능한 적어도 하나 이상의 메모리일 수 있다.

서포트 회로는 중앙처리장치와 결합되어 프로세서의 전형적인 동작을 지원한다. 이러한 서포트 회로는 캐시, 파워 서플라이, 클록 회로, 입/출력 회로, 서브시스템 등을 포함할 수 있다.

본 장치에서 제어 모듈(미도시)은 매그너스 로터 장치(10)의 동작을 콘트롤하는데, 이러한 일련의 컨트롤 프로세스 등은 메모리에 저장될 수 있다. 전형적으로는 소프트웨어 루틴이 메모리에 저장될 수 있다. 소프트웨어 루틴은 또한 다른 중앙처리장치에 의해서 저장되거나 실행될 수 있다.

본 발명에 따른 프로세스는 소프트웨어 루틴에 의해 실행되는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 프로세스들 중 적어도 일부는 하드웨어에 의해 수행되는 것도 가능하다. 이처럼, 본 발명의 프로세스들은 컴퓨터 시스템 상에서 수행되는 소프트웨어로 구현되거나 또는 집적 회로와 같은 하드웨어로 구현되거나 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합에 의해서 구현될 수 있다.

이러한 매그너스 로터 장치(10)을 활용한다면 선박의 항해 중 느린 풍속 또는 원하지 않는 풍향에서 불어오는 바람으로 로터 장치의 성능이 상대적으로 낮아질때, 플랩 또는 wingsail로 변환하여 선박의 추진에 소요되는 마력을 절감한다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

1 : 선박
10 : 매그너스 로터 장치 20 : 데크
100 : 로터 300 : 로터 개폐모듈
500 : 마스트 모듈 700 : 돛 모듈

Claims (5)

1. 선박의 데크 상부에 원기둥 형태로 설치되는 로터;
   내부에 상기 로터가 설치되되 상기 로터와 동심축을 형성하는 더 큰 직경의 원기둥 형태로 설치되며, 일측에 개구부가 형성되어 개폐되는 로터 개폐모듈;
   상기 로터 개폐모듈 내부에 설치되되, 상기 로터 개폐모듈이 열리는 경우 상기 로터로부터 일측으로 신장하는 마스트 모듈; 및
   상기 마스트 모듈에 매여저 있으며, 상기 마스트 모듈이 신장하여 데크에 기립되게 설치될 때에 펼쳐지는 돛 모듈을 포함하는 매그너스 로터 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 로터 개폐모듈은,
   원기둥 형태의 측면 일부가 절개되어 개구부가 형성되는 본체유닛;
   상기 개구부를 양측면에서 슬라이딩 이동하여 개폐하는 도어유닛; 및
   상기 본체유닛의 상단 또는 하단에 설치되되, 상기 도어유닛이 슬라이딩 이동하여 상기 개구부의 개폐가 가능하도록 동력을 전달하는 벨트 풀리유닛을 포함하는 매그너스 로터 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 마스트 모듈은,
   상기 로터의 상단과 하단에 각각 설치되되, 크기가 다른 복수의 튜브가 나사산으로 연결되어 회전하면서 신장되는 텔레스코픽 튜브유닛; 및
   상기 텔레스코픽 튜브유닛의 끝단에 결합되어 데크에 기립되게 설치되는 마스트 유닛을 포함하는 매그너스 로터 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 돛 모듈은,
   상기 마스트 모듈에 의해 신장되어 바람을 받는 돛 유닛; 및
   상기 로터와 상기 로터 개폐모듈 사이에서 이격하여 설치되되, 상기 돛 유닛을 감거나 펼치는 두 개의 롤러유닛을 포함하는 매그너스 로터 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   선박으로 불어오는 바람의 방향을 감지하는 풍향 센서; 및
   상기 풍향 센서에 의해 감지되는 바람의 방향을 연산하여 상기 로터의 방향을 제어하는 제어 모듈을 더 포함하는 매그너스 로터 장치.
   

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