WO2011083888A1 - 가변핀 어셈블리 - Google Patents

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WO2011083888A1
WO2011083888A1 PCT/KR2010/000792 KR2010000792W WO2011083888A1 WO 2011083888 A1 WO2011083888 A1 WO 2011083888A1 KR 2010000792 W KR2010000792 W KR 2010000792W WO 2011083888 A1 WO2011083888 A1 WO 2011083888A1
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WO
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pin
wing
wind
variable
fin
Prior art date
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PCT/KR2010/000792
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English (en)
French (fr)
Inventor
최원석
장봉진
Original Assignee
(주)인사이드밸류
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/06—Rotors
    • F03D3/062—Rotors characterised by their construction elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F05B2240/211—Rotors for wind turbines with vertical axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B2240/31—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor of changeable form or shape
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to the structure of a wing, ie, a fin, installed in a fluid utilization device such as a windmill, and more particularly, to a variable fin structure capable of changing the shape and position of a fin.
  • a wing ie, a fin
  • a fluid utilization device such as a windmill
  • variable fin structure capable of changing the shape and position of a fin.
  • a windmill may be referred to as a wind turbine or the like in the general name of a device that generates rotational force by the flow of air, ie, wind.
  • the windmill has a shaft portion that is largely rotatably fixed and a fin portion formed to receive air well around the shaft.
  • These wings usually need to be light and strong in order to be large and well shaped, while at the same time having a thin thickness to lighten the overall weight.
  • the wing surface is made thin and wide to receive the wind well.
  • the wing since the wing may be damaged by very strong wind, it is necessary to limit the width and thickness of the wing surface in consideration of the maximum limit value.
  • the wing surface faces toward the front as a whole when the wind blows the wind, but forms a slightly curved or twisted surface with respect to the front. Therefore, when the wing receives the wind, the air slides along the plane of the wing to change the direction of the air flow to have a lateral component. In response, the wing moves in the opposite direction to its side, which causes the wing to rotate about its axis.
  • Windmills are usually fixed on the ground or on the sea and are designed to face one direction, and although the wind direction is not the wind blowing from the windmill front, if the wind has the windmill's frontal component, it is partially Even rotational power can be obtained.
  • the curved shape of the wing is designed to rotate most efficiently when the wind is blowing from the front, but the windmill can rotate even when the wind is blowing from the back as opposed to the front. In particular, with a simple flat slope wing, the wind coming from the front or the back is no difference in giving the force to rotate the wing.
  • the blade shape is a curved surface (twisted surface) which is configured to rotate most efficiently when the windmill vane is faced with wind. Design it.
  • a mechanical reverse rotation prevention device may be formed to prevent the windmill from rotating in the opposite direction.
  • a windmill having a simple inclined plane wing receives wind from the front, or conversely receives wind from the rear, or the rotational direction is reversed only when the wing part is placed.
  • a wing has a disadvantage in that it is not high in terms of wind use efficiency, which converts the wind to the maximum rotational force due to its simple structure.
  • the present invention has been made to solve the above-described problem, and an object of the present invention is to provide a pin assembly having a structure capable of rotating or displacing in the same direction even when there is air flow in either the front or rear direction.
  • variable pin assembly for achieving the above object is made of a thin surface structure in order to be light on the one hand while being subjected to the pressure of the fluid in a wide surface, one end is fixed, the rest of the pin except this one is fixed It is characterized in that it comprises a pin made to rotate or deform within a predetermined range in both directions opposite to each other from the original position by receiving the air or other fluid pressure around the one end so that the position can be changed.
  • a stopper may be further provided around the pin to limit the degree of rotation or deformation to a certain range when the pin is rotated or deformed under fluid pressure such as air.
  • the stopper is provided symmetrically in both directions above the original position or the original shape of the pin, and may be installed in plural pairs with respect to one pin. At this time, the pin extends in a straight line from the fixed end in the original position, and the line connecting the plurality of stoppers in one of the two directions adjacent to each other is the farther away from the fixed end of the pin.
  • the stopper is preferably arranged so that the angle formed with the straight line representing the pin is small.
  • the pin is composed of a plurality of component pins are arranged next to each other, and the component pins are connected to each other through a hinge structure or a joint structure to be free to be bent around the joint structure, or the pin is easily deformed by the air pressure It may also consist of a single elastic rigid body that can be made.
  • the fixed end of the pin may be provided with a separate rotation center axis coupled to the one end, but also coupled to the structure to which the pin is fixed, and an elastic restoration such as a coil spring or a leaf spring between the rotation center axis and one end of the pin. Sieves may be interposed.
  • 1 and 2 are a plan sectional view and a perspective view of a windmill having a variable pin structure which is an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a partial plan cross-sectional view showing a deformed state when the variable pin receives the wind in an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing a form in which a stopper is installed around the variable pin in another embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing a form in which a plurality of stoppers are well-winded around the variable pin in one embodiment of the present invention
  • variable pin receives the force in the same direction even if the direction of the wind is reversed in another embodiment of the present invention
  • FIG 8 and 9 are perspective views for explaining that a plurality of variable pins receive a force in the same direction even if the wind direction is reversed in another embodiment of the present invention.
  • 1 is a planar cross-sectional view showing a state where a plurality of wings are installed so that the wing surface is located perpendicular to the disk surface at the periphery of the disk.
  • the wing structure 20 or fin assembly is installed such that both ends in the longitudinal direction are fixed and supported on the disk surface 10 between two parallelly spaced disk surfaces 10.
  • the wing structure 20 is distributed around the disc surface 10 in a plurality of evenly spaced.
  • Each wing structure 20 has a width direction of the wing (see in FIG. 1 as viewed in the longitudinal direction of the wing so that the line representing the wing is directed in the width direction) of the radiation connecting the wing at the center of the disc surface 10. It is installed to be approximately perpendicular to the direction.
  • One end 21 of the wing is fixed to the disc surface 10 with respect to the illustrated width direction, and the wing 22 is rotated and displaced about the fixed point, or the remaining portion of the fixed point is the disc surface ( 10) It can be deformed as it bends outward or close to the center. That is, as shown in Figure 1, when the flow of air is formed from the center of the disk surface 10 to the outside, each blade 22 is rotated and displaced about the one end 21 fixed under the pressure of the air or When the remaining portion of the wing 22, which is not fixed, moves outward from its original position and is deformed, and when air flows from the outside toward the center, each wing 22 has a different rotational direction or deformation direction. Displaced or deformed.
  • the rotation center axis of the windmill is not necessarily limited to the rotation center axis of a separate physical form, and may be a rotation center (rotation center axis) such as an invisible virtual axis.
  • a ventilator for ventilation of a conventional conventional toilet can also serve as a kind of windmill.
  • a windmill can be slidably inserted into a groove of an upper end of a pipe connected to the bottom of the lower disc surface 10B. Can be. Therefore, the air is supplied through the pipe, the air pressure is increased between the two disk surface (10A, 10B) through the hole 15 of the lower disk surface (10B), the air is outward between the wings by the pressure difference It flows out. In the process, air pressurizes the blades, causing displacement or deformation.
  • the fixed point that is, the fixed end 21 and the central axis 23 of the wing are coupled by a resilient body such as a spring.
  • the rotational displacement can be changed by the degree of air pressure.
  • the direction of the wind is changed from the original direction W1 to the direction W2 having the component flowing to the right, and the wing 22 receives the force F1 to the left in response. Since the wings are fixed to the disc surface 10, the whole windmill with the wings and the disc surface eventually receives the force to rotate counterclockwise. At this time, the pressure of the air or the wind strength and the degree of deformation of the wing by the pressure and elasticity can be made a natural correlation.
  • the disk surface 10 on which the wings 32 are fixed and supported by the stoppers 121 and 131 as shown in FIG. In the deflection or displacement range of the blade ( ⁇ 1 for air flow W3 to ⁇ 2 for air flow W4).
  • the stoppers 121 and 131 are provided with a pair near the inner side and the outer side of the original position of the opposite end so as to act on the fixed end 31 and the opposite end of the wing 32.
  • a wing 42 for one wing 42, four pairs of stoppers 141, 142, 143, respectively, four along the entire width line of the wing 42, near the inside and outside of the original position of the wing, respectively. , 144, 151, 152, 153, and 154 are provided.
  • the limit at which the four points different in distance from one end fixed in the width direction of the blade are displaced outward or inward is determined by these stoppers.
  • the rotational force acting on the windmill is different even when the wind of the same intensity is blowing.
  • the rotation speed may vary.
  • the wings extend in a straight line from the fixed end in the original position, and the line segments connecting the four stoppers 141, 142, 143, and 144 on one side in both directions are adjacent to each other.
  • the stoppers are arranged such that the farther away from the fixed end of the blade, the smaller the angle formed with the widthwise straight line formed by the blade in the original position (for example, ⁇ 3 > ⁇ 4 > ⁇ 5 ).
  • Fig. 6 is a case where one end of the blade in the width direction is coupled to the rotational central axis, and the wings are all composed of four parts, and these parts of the wing are parallel to the rotational center axis and joint joints for joining two of these parts together The case where it is combined by three by one is shown.
  • Each of the four parts that make up the wing is basically a flat component pin, which is arranged side by side facing each other, and is formed by combining two through a hinge structure or joint axis.
  • the hinge structure allows the two connected component pins to rotate or bend easily.
  • the wing is deformed by the force of the wind when it is subjected to the wind, while on the one hand it is deformed by the stopper and bent to obtain an efficient rotational force when the wind is received.
  • the stoppers (points in the figure) are installed at the positions where these joint axes are held, but the overall wing shape, which consists of four parts, is installed at the position that maximizes the rotational force received by the wind.
  • the embodiment of Fig. 5 is suitable for the case where it is bent and deformed well by elasticity under pressure
  • the embodiment of Fig. 6 is less free of the joint shaft connecting the parts when the elasticity of each part of the wing is less well bent by the wind. It is suitable because the rotation can convert the wind pressure to the maximum rotational force as a whole.
  • FIG. 7 shows a case where the configuration is the same as that of FIG. 6 and only the direction of the wind is reversed. If the direction of the wind is reversed, the direction of deformation or displacement of the blade is reversed, and as a result, the direction in which the windmill with the blade rotates becomes the direction as shown in FIG. As a result, in this configuration, even if the wind direction is changed, the windmill rotates in the same direction, so that the rotational direction of the windmill can be usefully used.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a part of a windmill to which an embodiment of the present invention is applied.
  • the upper and lower disc surfaces are not shown here, but only wings and stoppers (parts indicated by dots) are shown.
  • a plurality of wings (four here) are installed along the periphery of the disc surface, and four pairs of stoppers are installed around each wing, one pair per wing, so that the wind hits the wing from the inside to the outside and flows to the right. do.
  • the wing is forced to move the wing to the left in response to wind and collisions, and to move it from the center outward. Since the wings are distributed evenly along the circumference of the disk, all the forces to move the wings from the center to each other cancel each other, and even if there is some force that does not cancel, the windmill is fixed only to rotate around the central axis, so the windmills are parallel. It cannot be moved. Eventually, the force to move the wings act in the counterclockwise direction when blowing from the top to the bottom, the wings are fixed to the disc surface together to form a windmill, so the windmill rotates counterclockwise.
  • FIG. 9 shows a state in which only the direction of wind is reversed in the same embodiment as in FIG. 8.
  • wings and stoppers are installed so that when the wind blows from the outside to the wind, the wind hits the wing and flows to the right.
  • the wing is forced to move it to the left and to move it from the outside to the center.
  • the same description as in FIG. 8 may be applied, and the windmill rotates counterclockwise.
  • variable pin assembly of the present invention can be used in a number of devices in addition to the windmill, depending on how to arrange a plurality of wings to enable the use of various other forms do. In addition, by increasing the number of wings to increase the area of the wind can generate more force.
  • the material of the wing may be mainly considered to be a lightweight elastic rigid body, it may also be made of fabrics, synthetic resins, metal sheets or composite materials thereof.

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Abstract

면상구조로 이루어지며, 그 일단이 고정되고, 이 일단을 제외한 핀의 나머지 부분은 고정된 일단을 중심으로 공기나 기타 유체 압력을 받아 원 위치에서 서로 반대되는 양 방향으로 일정 범위 내에서 회전하거나 변형되어 위치가 변경될 수 있도록 이루어지는 핀을 구비하는 것을 특징으로 하는 가변핀 어셈블리가 개시된다. 이때, 공기 등 유체 압력을 받아 핀이 회전하거나 변형될 때 회전 정도 혹은 변형 정도를 일정 범위로 제한하기 위해 스토퍼가 핀 주변에 더 구비될 수 있다. 따라서, 정면이나 후면 어느 방향에서 바람이 불 때에도 공기의 흐름 속에 있는 핀에는 동일한 방향으로 힘이 작용하게 되고, 그 바람 방향에 적합한 형태로 핀(fin)을 변형시키는 것이 가능하므로 이 가변핀 어셈블리를 이용하는 기기의 효율성을 높일 수 있다.

Description

가변핀 어셈블리
본 발명은 풍차 등 유체 이용 기기에 설치되는 날개, 즉, 핀(fin)의 구조에 관한 것으로, 특히, 핀의 형태와 위치를 변화시킬 수 있는 가변핀 구조에 관한 것이다. 이하 날개와 핀은 같은 의미로 서로 혼용하기로 한다.
풍차는 공기의 흐름 즉 바람에 의해 회전력을 발생시키는 장치의 일반적 명칭으로 풍력 터어빈 등으로 지칭될 수 있다. 풍차는 크게 회전 가능하게 고정된 축부분과 축 주변에 바람을 잘 받도록 형성된 날개(fin) 부분을 구비하여 이루어진다. 이러한 날개는 대개 크고 형태를 잘 유지하게 만들 수 있도록 가볍고 강한 재질을 사용할 필요가 있고, 동시에 전체 무게를 가볍게 하기 위해 얇은 두께를 가지도록 한다. 또한, 날개가 공기의 흐름 가운데 있으면 바람을 잘 받을 수 있도록 날개면은 얇고 넓게 만들어진다. 그러나, 매우 강한 바람에 의해 날개가 훼손될 수 있으므로 최대 한계치를 고려하여 날개 면의 넓이와 두께등이 제한될 필요가 있다.
풍력 발전에 많이 사용되는 수평축 풍차 등에서, 날개면은 바람이 불어오는 정면을 기준으로 할 때 전체적으로는 정면을 향하지만 정확하게는 정면에 대해 다소 틀어진 사면 혹은 뒤틀림면을 이루게 된다. 따라서, 날개가 바람을 받으면 공기가 날개의 면을 따라 미끄러지면서 공기 흐름의 방향을 바꾸어 측방향 성분을 가지도록 한다. 그리고 그 반작용으로 날개는 그 측방향과 반대편으로 이동하게 되고 이러한 이동이 날개를 날개가 붙어있는 축을 중심으로 회전하도록 한다.
풍차는 대개 지상 혹은 해상에 고정되어 하나의 방향을 향하도록 제작되며, 비록 바람의 방향이 풍차에 정면에서 불어오는 방향이 아닐지라도 바람이 풍차의 정면 방향 성분을 가진다면 이 정면 방향 성분에 의해 일부라도 회전력을 얻을 수 있다. 또한 날개의 곡면 형태는 정면에서 바람이 불 때 가장 효율적으로 회전할 수 있도록 설계되지만 정면과 반대로 뒤편에서 바람이 불 때에도 풍차는 회전할 수 있다. 특히, 단순한 평탄한 경사면 날개를 가질 경우, 정면이나 뒷면에서 오는 바람은 날개를 회전시키는 힘을 주는 데 차이가 없게 된다.
그러나, 풍차의 이용목적상 날개가 한쪽으로만 회전하도록 할 필요가 있다. 가령, 직류 발전을 하면서 전류 방향을 고정시킬 필요가 있거나, 한쪽 방향으로만 기계를 동작시킬 필요가 있을 때에는 풍차 날개가 정면으로 바람을 받을 때 가장 효율적으로 회전하도록 이루어진 곡면 (뒤틀린 면)으로 날개 형태를 설계한다. 그리고, 반대방향으로 풍차가 회전하는 것을 방지하기 위해 기계적인 역회전 방지 장치를 형성할 수도 있다.
이런 일방 회전형 풍차에서는 한쪽으로 부는 바람만 사용할 수 있고, 역방향 바람은 사용할 수 없으므로 전체적으로 바람을 이용할 수 있는 효율이 떨어지고, 역방향으로 바람이 불 때에는 날개가 회전하지 않은 채로 바람을 많이 받으면 날개나, 지지대, 고정된 기계부분에 높은 압력이 가해져 손상될 위험이 높아질 수 있다.
또한, 단순 경사면 날개를 가지는 풍차는 정면에서 바람을 받거나, 반대로 후면에서 바람을 받거나 날개 부분만을 놓고 보면 회전 방향이 반대일 뿐 회전효율은 동일하게 된다. 그러나, 이런 날개는 그 단순한 구조로 인하여 풍력을 최대한 회전력으로 바꾸는 풍력 이용 효율 면에서는 높지 못하다는 단점이 있다.
따라서, 바람이 어느쪽으로 불거나 풍차가 동일한 방향으로 회전하고, 또한 정면과 후면, 어느 방향으로 바람이 불 때에도 높은 풍력 이용 효율을 가질 수 있는 핀구조가 있다면 이용면에서 바람직할 것이다.
또한, 물과 공기의 성질이 다르므로 핀의 형태나 두께 크기 등을 바꾸는 문제는 있겠지만, 이런 핀구조를 이용하여 물과 같은 액체 유체의 흐름에 따라 회전하면서 유용한 일을 하는 수차 등에도 적용할 가능성이 있으므로 바람직할 것이다.
본 발명은, 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 정면이나 후면 어느 방향으로의 공기 흐름이 있는 경우에도 동일한 방향으로의 회전이나 변위를 이룰 수 있는 구조를 가지는 핀 어셈블리를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 정면이나 후면 어느 방향으로 공기 흐름이 있는 경우에도 모두 높은 효율을 가지고 바람의 힘을 회전이나 변위를 유도할 수 있는 구조를 가지는 핀 어셈블리를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 가변핀 어셈블리는, 넓은 면에서 유체의 압력을 받으면서 한편으로 가볍도록 하기 위해 두께가 얇은 면상구조로 이루어지며, 그 일단이 고정되고, 이 일단을 제외한 핀의 나머지 부분은 고정된 일단을 중심으로 공기나 기타 유체 압력을 받아 원 위치에서 서로 반대되는 양 방향으로 일정 범위 내에서 회전하거나 변형되어 위치가 변경될 수 있도록 이루어지는 핀을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 가변핀 어셈블리에서, 핀이 공기 등 유체 압력을 받아 회전하거나 변형될 때 회전 정도 혹은 변형 정도를 일정 범위로 제한하기 위해 스토퍼가 핀 주변에 더 구비될 수 있다.
스토퍼는 핀의 원 위치 혹은 원래의 형태를 중심으로 위의 양 방향으로 대칭적으로 구비되며, 핀 하나에 대하여 복수 쌍으로 설치될 수 있다. 이때, 핀은 원 위치에서 고정된 일단을 기점으로 직선상으로 뻗어 있으며, 양 방향 가운데 한쪽에 있는 복수 개의 상기 스토퍼들을 인접한 것끼리 연결한 선은 핀의 고정된 일단과 멀리 떨어진 것일수록 원 위치의 핀을 나타내는 직선과 함께 이루는 각도가 작아지도록 스토퍼가 배열되는 것이 바람직하다.
핀은 복수 개의 성분핀이 서로 나란히 배열되고, 성분핀은 두개씩 힌지 구조 혹은 관절 구조를 통해 연결되어 이 관절 구조를 중심으로 절곡이 자유롭게 되도록 이루어질 수 있고, 혹은, 핀은 공기 압력을 받아 변형이 쉽게 이루어질 수 있는 단일의 탄성 강체로 이루어질 수도 있다.
핀의 고정된 일단에는 이 일단과 결합되는 한편, 핀이 고정될 구조체에도 결합되는 별도의 회전 중심축이 구비될 수 있고, 회전 중심축과 핀의 일단 사이에는 코일 스프링이나 판스프링과 같은 탄성 복원체가 개재될 수 있다.
본 발명에 따르면, 정면이나 후면 어느 방향에서 바람이 불 때에도 공기의 흐름 속에 있는 핀에는 동일한 방향으로 힘이 작용하게 되고, 따라서 이런 가변핀 어셈블리를 가진 풍차나 기타 기기는 회전이나 변위의 방향을 임의의 하나로 특정할 수 있다.
또한, 정면이나 후면의 어느 방향에서 바람이 불 때에도 그 바람 방향에 적합한 형태로 핀(fin)을 변형시키는 것이 가능하므로 이 가변핀 어셈블리를 이용하는 기기의 효율성을 높일 수 있다.
도1 및 도2는 본 발명의 일 실시예인 가변핀 구조를 가지는 풍차의 평단면도 및 사시도,
도3은 본 발명의 일 실시예에서 가변핀이 바람을 받을 때 변형된 상태를 나타내는 부분 평단면도,
도4는 본 발명의 다른 실시예에서 가변핀 주변에 스토퍼가 설치된 형태를 나타내는 부분 평단면도,
도5는 본 발명의 한 실시예에서 가변핀 주변에 복수개의 스토퍼가 바람을 잘 받도록 설치된 형태를 나타내는 부분 평단면도,
도6 및 도7은 본 발명의 다른 한 실시예에서 바람의 방향이 반전되어도 가변핀이 동일한 방향의 힘을 받게됨을 설명하기 위한 사시도들,
도8 및 도9는 본 발명의 또다른 실시예에서 바람의 방향이 반전되어도 복수의 가변핀이 동일한 방향의 힘을 받게됨을 설명하기 위한 사시도들이다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도1은 원판의 주변부에 원판면과 수직으로 날개면이 위치하도록 복수의 날개가 설치된 상태를 나타내는 평단면도이다.
날개 구조(20) 혹은 핀 어셈블리(fin assembly)는 두 개의 서로 평행하게 이격된 원판면(10) 사이에서 길이 방향 양단이 원판면(10)에 고정, 지지되도록 설치된다. 또한, 날개 구조(20)는 원판면(10) 주변을 빙 둘러가면서 복수개가 고른 간격으로 분포되어 있다. 각각의 날개 구조(20)는 날개의 폭 방향(도1에서는 날개의 길이 방향에서 보는 것이므로 날개를 나타내는 선은 폭방향으로 지향되어 있음)이 원판면(10)의 중심에서 그 날개를 잇는 방사선의 방향과 대략 수직을 이루도록 설치된다.
도시된 폭방향을 기준으로 날개의 일단(21)은 원판면(10)에 고정되며, 이 고정된 점을 중심으로 날개(22)는 회전되어 변위되거나, 고정된 점의 나머지 부분이 원판면(10) 중심을 기준으로 멀어지는 바깥쪽으로 혹은 가까와지는 안쪽으로 휘어지듯이 변형될 수 있다. 즉, 도1에서 볼 때, 원판면(10)의 중심에서 바깥쪽으로 공기의 흐름이 형성될 때에는 각각의 날개(22)는 공기의 압력을 받아 고정된 일단(21)을 중심으로 회전하여 변위하거나, 고정되지 않은 날개(22)의 나머지 부분이 원래의 위치에서 바깥쪽으로 이동하여 변형되며, 바깥쪽에서 중심을 향하여 공기의 흐름이 형성될 때에는 각각의 날개(22)는 회전방향 혹은 변형 방향을 달리하여 변위하거나 변형된다.
공기가 원판면 중심에서 바깥쪽으로 불어나가기 위해서는 중심쪽에 외부의 공기를 공급하여 외측보다 압력을 높일 수 있는 구성이 필요하다. 가령, 도2와 같이 날개의 길이방향으로 날개(22)를 고정하는 원판면(10A, 10B)을 형성함에 있어서, 하나의 원판면(10B)에는 공기를 두 원판면(10A, 10B) 사이에 공급하여 압력을 높일 수 있는 홀(15)이 형성된 경우를 상정할 수 있다. 또한, 풍차를 이루기 위해 풍차는 날개(22)의 길이 방향으로 이격 설치된 두 원판면(10A, 10B)의 중심을 잇는 풍차의 회전중심축 방향과 평행하게 형성되는 중심축(23)을 기준으로 회전가능하게 고정된다.
단, 여기서 풍차의 회전중심축은 반드시 별도의 물리적인 형태의 회전 중심축에 한정되는 것은 아니며, 보이지 않는 가상의 축과 같은 회전 중심(회전 중심축)이 될 수도 있다. (종래의 재래식 화장실의 환기를 위한 벤츄레이터도 일종의 풍차 역할을 할 수 있다.) 가령, 풍차는 하방 원판면(10B)의 주변부가 그 아래쪽으로 연결된 파이프의 상단의 홈에 슬라이드 가능하게 삽입되어 있을 수 있다. 따라서, 파이프를 통해 공기가 공급되며, 하방 원판면(10B)의 홀(15)을 통해 두 원판면(10A, 10B) 사이에는 공기의 압력이 높아지고, 기압차에 의해 공기는 날개들 사이로 바깥쪽으로 흘러나가게 된다. 그 과정에서 공기는 날개에 압력을 주어 변위 혹은 변형이 일어나게 한다.
한편, 공기의 흐름에서 압력을 받아 날개가 회전하여 변위되거나 변형될 때, 이 날개들을 가진 풍차가 회전력을 많이 받도록 하기 위해 날개의 변위 정도나 변형 정도, 변형의 형태 등을 한정하거나 조절할 필요가 있다.
이런 조절을 위해 고정된 일단(21)을 중심으로 회전하도록 이루어진 날개(22)에서는 고정된 점 즉, 날개의 고정된 일단(21)과 중심축(23)을 스프링 등 복원력이 있는 탄성체에 의해 결합시켜 회전변위를 공기의 압력 정도에 의해 다르게 할 수 있다. 중심축(23)에 날개의 폭 방향 일단(21)이 회전되지 않도록 고정되고, 날개(22) 자체가 잘 휘어지도록 탄성이 양호한 경우, 공기의 압력에 의해 도3과 같이 점선으로 표시된 원래의 형태(22')에서 실선과 같은 형태(22)로 날개의 변형이 발생한다. 이 과정에서 바람의 방향은 원래의 방향(W1)에서 오른쪽으로 흐르는 성분을 가지는 방향(W2)으로 바뀌고, 날개(22)는 그 반작용으로 왼쪽으로 힘(F1)을 받는다. 날개는 원판면(10)에 고정되어 있으므로 결국 날개와 원판면을 가진 풍차 전체가 반시계방향으로 회전하는 힘을 받게 된다. 이때, 공기의 압력 혹은 바람의 세기와 날개가 압력과 탄성에 의해 변형되는 정도가 자연스러운 상관관계를 이루도록 할 수 있다.
한편, 이러한 날개의 변형, 변위 조절과 별도로 혹은 함께, 날개의 변형과 변위의 상한선을 제한하기 위해 도4와 같은 스토퍼(121, 131)를 날개(32)가 고정, 지지되고 있는 원판면(10)에 날개의 변형 혹은 변위 범위(공기의 흐름 W3에 대한 θ1~공기의 흐름 W4에 대한θ2)에 설치할 수 있다. 이 실시예에서는 스토퍼(121, 131)는 날개(32)의 고정된 일단(31)과 반대편의 일단에 작용하도록 반대편 일단의 원래 위치의 내측과 외측 인근에 한쌍을 설치하고 있다.
도5를 참조하면, 하나의 날개(42)에 대해, 날개(42)의 폭방향 선 전체를 따라 날개의 원래 위치의 내측과 외측 인근에 각각 4개씩 모두 4쌍의 스토퍼(141, 142, 143, 144, 151, 152, 153, 154)를 설치하고 있다. 날개가 탄성이 양호하여 잘 휘어지고, 변형되는 강체인 경우, 날개의 폭방향으로 고정된 일단으로부터의 거리가 다른 4개의 지점들이 외측 혹은 내측으로 변위되는 한계가 이들 스토퍼에 의해 결정된다. 이들 스토퍼의 위치를 잘 조절하여, 날개가 중심에서 외측으로 혹은 외측에서 중심으로 부는 바람을 받을 때 가장 회전력을 높일 수 있는 형태가 되도록 설치하면 같은 세기의 바람이 불 때에도 풍차에 작용하는 회전력이 달라지고, 회전 속도가 달라질 수 있다.
여기서는 그런 구성을 위해, 날개는 원 위치에서 고정된 일단을 기점으로 직선상으로 뻗어 있으며, 양 방향 가운데 한쪽에 있는 4 개의 스토퍼들(141, 142, 143, 144)을 인접한 것끼리 연결한 선분은 날개의 고정된 일단과 멀리 떨어진 것일수록 원 위치의 날개가 이루는 폭 방향 직선과 함께 이루는 각도가 작아지도록(가령, θ3>θ4>θ5) 스토퍼가 배열되어 있다.
도6은 날개의 폭방향 일단이 회전 중심축에 결합된 경우로서, 날개는 모두 4개의 부분으로 이루어지고, 날개의 이들 부분은 회전 중심축과 나란하여 이들 부분 가운데 두 개를 서로 결합시키는 관절축 3개에 의해 하나로 결합되는 경우를 나타내고 있다. 날개를 이루는 4개의 각 부분을 기본적으로 평판형인 성분핀이라 하면 이들은 측변을 마주하면서 서로 나란히 배열되어 있고, 힌지 구조 혹은 관절축을 통해 두개씩 결합한 형태로 이루어진다. 힌지 구조는 연결된 두 성분핀이 상호 회전하거나 쉽게 구부러지도록 하는 역할을 한다.
결과적으로 날개는 바람을 받을 때 바람의 힘에 의해 변형되고, 한편으로는 스토퍼에 의해 변형이 제한되어 바람을 받을 때 효율적인 회전력을 얻을 수 있도록 구부러진 형태를 취하게 된다.
이런 예에서는 스토퍼(도면에서 점으로 표시된 부분들)를 이들 관절축이 걸리는 위치에 설치하되, 4개의 부분으로 이루어진 전체적인 날개의 형태가 바람에 의해 풍차가 받는 회전력을 최대화시키는 위치에 설치하고 있다.
도5의 실시예가 압력을 받을 때 탄성에 의해 잘 휘어지고 변형되는 경우에 적합하다면, 도6의 실시예는 날개 각 부분의 탄력이 적어 바람에 의해 잘 휘어지지 않을 때 각 부를 연결하는 관절축의 자유로운 회전에 의해 전체적으로 바람의 압력을 최대한 회전력으로 전환시킬 수 있으므로 적합하다.
도7은 도6과 구성이 같고, 바람의 방향만 반대인 경우를 상정한 경우를 나타낸다. 바람의 방향이 반대인 경우, 날개의 변형 혹은 변위의 방향이 반대가 되고, 결과적으로 날개를 가진 풍차가 회전하는 방향은 도6과 같은 방향이 된다. 결국, 이런 구성에서는 바람의 방향이 바뀌어도 풍차는 동일한 방향으로 돌게되므로 풍차의 회전방향이 일정해야 하는 경우에 유용하게 사용될 수 있다.
도8은 본 발명의 일 실시예가 적용된 풍차의 일부분을 나타내는 사시도이다. 단, 여기서는 상하의 두 원판면은 나타내지 않고, 날개와 스토퍼(점으로 표시된 부분)만을 나타내고 있다. 원판면의 주변부를 따라 복수 개(여기서는 4개)의 날개가 설치되어 있고, 날개 주변에는 날개 하나에 대해 1쌍씩 4쌍의 스토퍼가 설치되어 바람이 안쪽에서 바깥쪽으로 불 때 날개와 부딪혀 오른쪽으로 흐르게 된다.
날개는 바람과 충돌에 의한 반작용으로 왼쪽으로 날개를 움직이려는 힘과 중심에서 바깥쪽으로 날개를 움직이려는 힘을 받는다. 날개는 원판면의 주변부 원주를 따라 균등하게 분포하므로 중심에서 바깥쪽으로 날개를 움직이려는 힘은 모두 서로 상쇄되고, 상쇄되지 않는 일부 힘이 있어도 풍차는 중심축을 기준으로 회전만 가능하게 고정되므로 풍차를 평행 이동시키지는 못한다. 결국, 날개를 움직이려는 힘은 위에서 아래로 불 때 모두 반시계 방향으로 작용하고, 날개는 원판면에 고정되어 함께 풍차를 이루므로 풍차는 반시계방향으로 회전하게 된다.
도9는 도8과 동일한 실시예에서 바람의 방향만 반대로 바뀐 상태를 나타낸다. 여기서도 날개와 스토퍼가 설치되어 바람이 바깥쪽에서 안쪽으로 불 때 바람은 날개와 부딪혀 오른쪽으로 흐르게 된다. 날개는 바람과 충돌에 의한 반작용으로 왼쪽으로 날개를 움직이려는 힘과 바깥쪽에서 중심쪽으로 날개를 움직이려는 힘을 받는다. 결국 도8에서와 같은 설명을 적용할 수 있고, 풍차는 반시계방향으로 회전하게 된다.
이상의 실시예에서는 특정 형태의 풍차에 적용된 경우를 들어 설명하고 있지만 본 발명의 가변핀 어셈블리는 풍차 외에도 다수 기기에 사용될 수 있으며, 복수의 날개를 어떻게 배치하는 가에 따라 여러가지 다른 형태의 이용도 가능하게 된다. 또한, 날개의 수를 증가시켜 바람을 받는 면적을 늘림으로써 더 큰 힘을 발생시킬 수 있다. 날개의 재질도 경량의 탄성 강체가 주로 고려될 수 있지만 직물이나 합성수지, 금속판 기타 이들의 복합 재료로도 이루어질 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체적 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한　것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (7)

  1. 면상구조를 이루며, 일단이 고정되고, 상기 일단을 제외한 나머지 부분은 고정된 상기 일단을 중심으로 유체 압력을 받아 유체 방향에 따라 원 위치에서 서로 반대되는 양 방향으로 일정 범위 내에서 회전하거나 변형되어 위치가 변경될 수 있도록 이루어지는 핀을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변핀 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 핀이 공기 압력을 받아 회전하거나 변형될 때 회전 정도 혹은 변형 정도를 상기 일정 범위로 제한할 수 있는 스토퍼가 상기 핀 주변에 구비되는 것을 특징으로 하는 가변핀 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스토퍼는 상기 핀의 원 위치를 중심으로 상기 양 방향으로 대칭적으로 구비되며, 상기 핀 하나에 대하여 복수 쌍으로 설치되는 것을 특징으로 하는 가변핀 어셈블리.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 핀은 원 위치에서 고정된 상기 일단을 기점으로 직선상으로 뻗어 있으며, 상기 양 방향 가운데 한쪽에 있는 복수 개의 상기 스토퍼들을 인접한 것끼리 연결한 선은 상기 가변핀의 고정된 일단과 멀리 떨어진 것일수록 원 위치의 상기 핀이 이루는 직선과 이루는 경사각이 작아지도록 상기 스토퍼가 배열되는 것을 특징으로 하는 가변핀 어셈블리.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 핀은 복수 개의 성분핀이 서로 나란히 배열되고, 상기 성분핀은 두개씩 상기 힌지 구조 혹은 관절 구조를 통해 연결되어 상기 관절 구조를 중심으로 절곡이 자재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변핀 어셈블리.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 핀은 공기 압력을 받아 변형이 쉽게 이루어질 수 있는 탄성 강체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변핀 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 핀의 고정된 일단에는 상기 일단과 결합되는 별도의 회전 중심축이 구비되고,
    상기 회전 중심축과 상기 일단 사이에는 탄성 복원체가 개재되는 것을 특징으로 하는 가변핀 어셈블리.
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