KR101337957B1 - 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 머플러 케이스 내에 배치되어 차량 주행 조건에 따라 회전운동하는 가변 밸브; 상기 머플러 케이스를 관통하도록 배치되어 상기 가변 밸브의 회전운동에 따른 운동에너지를 전달하는 샤프트와, 상기 머플러 케이스 외부로 연장된 샤프트의 단부 부근에 고정 배치되어 회전운동하는 레버를 포함하여 이루어지는 동력 전달부; 및 상기 머플러 케이스 외부에 배치되어 상기 레버의 회전운동에 따른 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전부;로 구성됨으로써, 주변에서 버려지는 에너지를 전기에너지로 변환하여 사용하는 에너지 하베스팅 기술을 통해 차량 내 혹은 차량에 연결되는 전자장비에 사용되는 에너지원으로 활용할 수 있게 된다.

Description

머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치{Self generating device using muffler valve}
본 발명은 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 머플러 케이스 내 배치되는 가변 밸브의 운동에너지를 머플러 케이스 외부에 배치되는 발전부에서 전기에너지로 변환하는 자가 발전 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 머플러 또는 소음기는 차량의 엔진에서 배출되는 배기 가스의 온도와 압력을 낮추어 배기소음을 감쇄시키는 장치로서, 금속제의 원통이나 직사각형의 상자 형상으로 이루어진다.
이러한 머플러를 설계함에 있어서 머플러의 저항을 크게 하면 배기소음을 줄일 수 있으나 배기 행정에 가해지는 저항 즉, 배압이 높아져서 엔진의 출력이 저하되는 문제점이 생기고, 이와 반대로 머플러의 저항을 작게 하면 배압을 줄일 수 있으나 배기소음이 증대되는 문제점이 생긴다. 따라서 배기소음과 배압을 동시에 만족시키기 위한 머플러의 개발이 활발히 진행되고 있는 실정이다.
이를 위해 한국등록특허 제10-0508179호에서는 머플러 내 파이프의 일측 끝단에 장착되어 배기 가스의 배압에 의해 개폐작동되는 가변 밸브에 대하여 개시하고 있다. 이러한 가변 밸브는 차량의 주행 시간 동안 지속적으로 회전운동하게 되는데, 여기서 발생하는 에너지를 활용할 수 있는 방안 즉, 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술에 대한 관심이 최근 높아지고 있다.
에너지 하베스팅 기술과 관련하여 종래에 한국등록실용 제20-0212789호처럼 머플러에서 발생 및 배출되는 폐열을 이용해 발전기를 발전시키는 기술이 있었을 뿐, 머플러 내 배치되는 가변 밸브의 회전운동에서 발생하는 에너지를 활용하는 방안에 대한 고려는 부족했던 실정이었다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 연구된 결과물로서, 머플러 내 가변 밸브의 회전운동으로부터 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 변환시켜 적극적으로 활용하면서 에너지 변환 효율도 고효율인 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치는, 머플러 케이스 내에 배치되어 차량 주행 조건에 따라 회전운동하는 가변 밸브; 상기 머플러 케이스를 관통하도록 배치되어 상기 가변 밸브의 회전운동에 따른 운동에너지를 전달하는 샤프트와, 상기 머플러 케이스 외부로 연장된 샤프트의 단부 부근에 고정 배치되어 회전운동하는 레버를 포함하여 이루어지는 동력 전달부; 및 상기 머플러 케이스 외부에 배치되어 상기 레버의 회전운동에 따른 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전부;로 구성된다.
또한, 상기 동력 전달부는 상기 레버가 회전운동하기 전 위치로 되돌아가도록 작동하는 탄성 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 구성될 수 있다.
이때, 상기 샤프트가 상기 머플러 케이스의 내부 및 외부에 걸쳐서 배치되도록 상기 머플러 케이스에 관통 홀이 있는 것을 특징으로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 발전부는 압전소자 모듈과, 상기 압전소자 모듈이 상기 레버의 회전 반경에 배치되도록 압전소자 모듈을 고정하는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 구성될 수 있다.
가장 바람직하게는, 상기 압전소자 모듈은 다수의 박판이 조합된 것을 특징으로 구성될 수 있다.
한편, 상기한 목적을 달성하게 위해, 본 발명에 따른 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 방법은, (a) 머플러 케이스 내에 배치된 가변 밸브가 차량 주행 조건에 따라 회전운동하는 단계; (b) 샤프트에 의해 상기 가변 밸브의 회전운동에 따른 운동에너지가 상기 머플러 케이스 외부로 연장된 샤프트의 단부 부근에 고정 배치된 레버로 전달되는 단계; (c) 상기 레버에서 전달되는 상기 레버의 회전운동에 따른 운동에너지가 머플러 케이스 외부에 배치된 발전부에 의해 전기에너지로 변환되는 단계;로 구성된다.
바람직한 (c) 단계는 상기 레버가 회전운동하는 단계와, 상기 레버가 레버의 회전 반경에 배치되는 압전소자 모듈에 압력을 가하는 단계와, 상기 압전소자 모듈에서 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 구성될 수 있다.
특히, 상기 레버가 회전운동하기 전 위치로 되돌아가도록 탄성 수단이 레버에 대해 작동하는 것을 특징으로 구성될 수 있다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치는 가변 밸브의 운동에너지가 발전부로 제공됨으로써, 주변에서 버려지는 에너지를 전기에너지로 변환하여 사용하는 에너지 하베스팅 기술을 적용하게 되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에서는 발생하는 전기에너지를 활용하여 차량 내 혹은 차량에 연결되는 전자장비에 사용되는 보조 에너지원 또는 궁극적으로는 독립 에너지원으로도 사용할 수 있어, 에너지 효율 측면에서도 유리한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 발전부에 다수의 박판이 조합된 압전소자 모듈을 적용시키면 발전효율을 매우 높일 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치의 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치의 분해 사시도이며,
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치의 제1 동작 상태를 개략적으로 도시한 것이고,
도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치의 제2 동작 상태를 개략적으로 도시한 것이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 방법의 순서도를 나타낸 것이다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
이하, 본 발명을 첨부도면을 참조로 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에서 도시한 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치의 분해 사시도이다.
본 발명에 따른 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치는, 머플러 케이스(10) 내에 배치되어 차량 주행 조건에 따라 회전운동하는 가변 밸브(20); 상기 머플러 케이스(10)를 관통하도록 배치되어 상기 가변 밸브(20)의 회전운동에 따른 운동에너지를 전달하는 샤프트(31)와, 상기 머플러 케이스(10) 외부로 연장된 샤프트(31)의 단부 부근에 고정 배치되어 회전운동하는 레버(32)를 포함하여 이루어지는 동력 전달부(30); 및 상기 머플러 케이스(10) 외부에 배치되어 상기 레버(32)의 회전운동에 따른 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전부(40);로 구성된다.
머플러 또는 소음기는 일반적으로 차량의 배기소음을 감쇄시키는 장치로서, 금속제의 원통이나 직사각형의 상자 형상으로 이루어지는 머플러 케이스(10)와, 그 머플러 케이스(10) 내부에 배기가스가 흐르는 파이프 또는 관을 포함하여 구성된다. 여기서, 머플러 케이스(10)는 다양한 형태 및 재질을 사용하여 성형 제작될 수 있으며, 머플러 케이스(10)에는 후술할 샤프트(31)가 머플러 케이스(10)를 관통해 배치될 수 있도록 관통 홀(11)이 있을 수 있다.
가변 밸브(20)는 머플러 케이스(10) 내에 배치되어 차량 주행 조건에 따라 회전운동한다. 특히, 가변 밸브(20)는 머플러 케이스(10) 내 파이프의 일측 끝단에 장착되어 차량 주행 기간 동안 배기 가스의 배압 또는 RPM에 의해 지속적으로 회전운동을 하며 개폐작동될 수 있다. 가변 밸브(20)는 후술할 샤프트(31)를 회전축으로 하여 회전운동을 하고 이와 같은 회전은 운동에너지를 발생시킨다.
동력 전달부(30)는 샤프트(31)와, 레버(32)를 포함하여 이루어진다.
본 발명에서의 샤프트(31)는 봉 또는 막대 형태의 부재로서, 머플러 케이스(10)를 관통하도록 배치되어 상술한 가변 밸브(20)의 회전운동에 따른 운동에너지를 전달한다. 샤프트(31)는 가변 밸브(20)와 일체로 혹은 별도 제작된 것이 결합될 수 있는 형태로 형성될 수 있고, 가변 밸브(20)가 회전한 각도만큼 샤프트(31)도 회전운동하는 방식으로 운동에너지를 전달할 수 있다. 이때, 샤프트(31)는 머플러 케이스(10)에 있는 관통 홀(11)을 통해 머플러 케이스(10)의 내부 및 외부에 걸쳐서 배치될 수 있다. 특히, 관통 홀(11)에는 베이링 등의 지지부재가 있어 샤프트(31)가 마모되는 것을 방지하면서 가변 밸브(20)의 회전운동에 따른 운동에너지를 효과적으로 전달하는데 도움을 줄 수 있다. 덧붙여, 샤프트(31)는 머플러 케이스(10)에 대하여 고정 브라켓(34,35)에 의해 지지되어 설치될 수 있다. 고정 브라켓(34,35)의 형상, 재질 등은 제한되지 않으며, 샤프트(31)의 운동에너지 전달에 문제되지 않게 제작되면 족하다.
레버(32)는 머플러 케이스(10) 외부로 연장된 샤프트(31)의 단부 부근에 고정 배치되어 회전운동한다. 레버(32)는 샤프트(31)로부터 전달된 운동에너지를 후술할 발전부(40)로 보내게 된다. 또한, 레버(32)는 도 1에서 도시된 것처럼 머플러 케이스(10) 외부로 연장된 샤프트(31)의 단부를 고정하는 고정 브라켓(34)보다 샤프트(31) 끝단에 위치할 수 있지만, 레버(32)의 설치 위치가 이와 같이 제한되는 것은 아니다. 즉, 머플러 케이스(10) 외부로 연장된 샤프트(31)로부터 운동에너지를 전달받을 수 있고, 후술할 발전부(40)로 운동에너지를 보낼 수 있는 위치라면 레버(32)가 설치될 수 있다. 덧붙여, 레버(32)는 돌출부를 포함된 형상으로 제작될 수 있고, 이 돌출부는 후술할 발전부(40)와의 관계에서 운동에너지를 전달할 수 있다.
동력 전달부(30)는 상술한 샤프트(31) 및 레버(32) 이외에 탄성 수단(33)을 더 포함할 수 있다.
본 발명에서의 탄성 수단(33)은 레버(32)가 초기 위치로 즉, 회전운동하기 전 위치로 되돌아가도록 작동할 수 있다. 탄성 수단(33)은 레버(32)의 위치를 초기 상태로 되돌릴 수 있을 뿐만 아니라, 레버(32)가 고정 배치되어 있는 샤프트(31) 및 샤프트(31)와 연결되도록 설치되어 있는 가변 밸브(20)의 위치 또한 초기 상태로 되돌릴 수도 있다. 탄성 수단(33)의 일부는 상술한 레버(32)에 걸려있는 형태로 제작될 수 있고, 레버(32)가 초기 위치로 되돌아가도록 힘을 가해줄 수 있다. 여기서 탄성 수단(33)으로 코일스프링이 사용되는 것이 바람직하다.
발전부(40)는 머플러 케이스(10) 외부에 배치되어 상술한 레버(32)의 회전운동에 따른 운동에너지를 전기에너지로 변환한다. 특히, 발전부(40)는 압전소자 모듈(41)과, 그 압전소자 모듈(41)이 상술한 레버(32)의 회전 반경에 배치되도록 압전소자 모듈(41)을 고정하는 하우징(42)을 포함할 수 있다.
압전소자 모듈(41)에 레버(32)의 지속적인 기계적 변형이 인가되면 즉, 운동에너지가 전달되면, 압전소자 모듈(41)이 전달된 에너지를 전기에너지로 전환시킬 수 있다. 이때, 압전소자 모듈(41)은 다수의 박판이 조합된 것일 수 있고, 다수의 박판이 조합된 형태로 제작되어 발전효율을 높이는 데에 효과적이다.
여기서, 압전소자(piezo electric element)는 외부로부터 기계적 변형을 가하면 전기분극이 나타나는 현상을 이용한 소자로서, 압전효과가 큰 로셸염, 티틴산 바륨 등을 사용하여 제작될 수 있고 모듈 형태로 제작되는 것이 바람직하다.
하우징(42)은 상술한 압전소자 모듈(41)이 레버(32)의 회전 반경에 배치되도록 압전소자 모듈(41)을 고정할 수 있다. 덧붙여, 와이어(43)가 발전부(40) 특히, 압전소자 모듈(41)에 연결되어 생성된 전기에너지를 활용하는 데에 사용될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치는 차량 주행 조건에 따라 동작 상태가 달라지므로, 이와 관련해서 도 3a 및 도 3b를 참고하여 설명한다. 도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치의 제1 동작 상태에 대하여, 도 3b는 제2 동작 상태에 대하여 개략적으로 도시한 것이다.
제 1동작 상태에서는 도 3a에서 도시한 것처럼, 머플러 케이스(10) 내부에 배치된 가변 밸브(20)가 움직임없이 멈춰있게 된다. 제 1동작 상태는 머플러 내 배기 가스의 유입이 없어 가변 밸브(20)가 멈춰있는 상태로서, 차량이 정차해 있거나 주행 전에 시동을 거는 경우로 볼 수 있다. 가변 밸브(20)가 닫혀있는 상태이므로, 샤프트(31) 및 레버(32)도 초기 위치에 있게 되고, 발전부(40) 특히, 압전소자 모듈(41)로 전달되는 에너지는 없는 상태이다.
그리고 제 2동작 상태에서는 도 3b에서 도시한 것처럼, 머플러 케이스(10) 내부에 배치된 가변 밸브(20)가 지속적으로 회전운동하게 된다. 제 2동작 상태는 머플러 내 배기 가스의 유입으로 인해 가변 밸브(20)가 움직이는 상태로서, 차량이 주행하고 있는 경우가 이에 해당할 수 있다. 가변 밸브(20)가 RPM 또는 배압에 따라 회전운동하는 상태이므로, 샤프트(31) 및 레버(32)도 회전운동에 의한 운동에너지가 전달되게 된다. 이 운동에너지는 동력전달부(30)에 의해 발전부(40) 특히, 압전소자 모듈(41)로 전달되게 되고, 발전부(40)는 전기에너지를 생산해내게 된다.
한편, 본 발명에 따른 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 방법에 대해서는 도 4를 참고하여 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 방법의 순서도를 나타낸 것이다.
(a)단계에서 머플러 케이스 내에 배치된 가변 밸브가 차량 주행 조건에 따라 회전운동하게 된다. 즉, 가변 밸브는 차량이 주행하면 RPM 또는 배압에 의해 회전운동을 하게 되고, 이는 운동에너지를 발생시킨다. 상술한 바와 같이 제 2동작 상태에서 (a)단계가 적용될 수 있다.
이후 (b)단계에서 샤프트에 의해 가변 밸브의 회전운동에 따른 운동에너지가 머플러 케이스 외부로 연장된 샤프트의 단부 부근에 고정 배치된 레버로 전달되게 된다.
또한, (c)단계는 레버에서 전달되는 레버의 회전운동에 따른 운동에너지가 머플러 케이스 외부에 배치된 발전부에 의해 전기에너지로 변환되게 된다. 특히, (c) 단계는 레버가 회전운동하는 단계와, 레버가 레버의 회전 반경에 배치되는 압전소자 모듈에 압력을 가하는 단계와, 압전소자 모듈에서 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 레버가 회전운동하기 전 위치로 되돌아가도록 탄성 수단이 레버에 대해 작동할 수 있다. 바람직하게는 탄성 수단이 레버 부근에 배치됨으로써 레버가 초기 위치로 되돌아가도록 힘을 가해줄 수 있고, 레버의 움직임과 동시에 레버와 연결된 샤프트 및 가변 밸브도 초기 위치로 되돌아가도록 작용할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 머플러 케이스 11 : 관통 홀
20 : 가변 밸브 30 : 동력 전달부
31 : 샤프트 32 : 레버
33 : 탄성 수단 40 : 발전부
41 : 압전소자 모듈 42 : 하우징

Claims (8)

  1. 머플러 케이스 내에 배치되어 차량 주행 조건에 따라 회전운동하는 가변 밸브;
    상기 머플러 케이스를 관통하도록 배치되어 상기 가변 밸브의 회전운동에 따른 운동에너지를 전달하는 샤프트와, 상기 머플러 케이스 외부로 연장된 샤프트의 단부 부근에 고정 배치되어 회전운동하는 레버를 포함하여 이루어지는 동력 전달부; 및
    상기 머플러 케이스 외부에 배치되어 상기 레버의 회전운동에 따른 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전부;로 구성되고,
    상기 샤프트가 상기 머플러 케이스의 내부 및 외부에 걸쳐서 배치되도록 상기 머플러 케이스에 관통 홀이 있는 것을 특징으로 하는 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 동력 전달부는 상기 레버가 회전운동하기 전 위치로 되돌아가도록 작동하는 탄성 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 발전부는 압전소자 모듈과, 상기 압전소자 모듈이 상기 레버의 회전 반경에 배치되도록 압전소자 모듈을 고정하는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 압전소자 모듈은 다수의 박판이 조합된 것을 특징으로 하는 머플러 내 가변 밸브를 이용한 자가 발전 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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JP2006115662A (ja) * 2004-10-18 2006-04-27 Taiheiyo Cement Corp エネルギー変換装置およびこれを備えた移動体

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