KR101229211B1 - 유체분사추진시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리머 액추에이터와 게이트를 구비한 유체저장공간만으로 구현되어 구조가 단순하고 무게를 줄일 수 있는 유체분사추진시스템에 관한 것으로, 폴리머 액추에이터; 상기 폴리머 액추에이터의 일방향 동작에 의해 내부 유체가 외부로 유출되도록 용적이 수축되거나, 외부 유체가 내부로 유입되도록 용적이 팽창되는 유체저장공간; 상기 폴리머 액추에이터의 타방향 동작에 의해 상기 유체저장공간에 가해지는 외력이 제거되면 탄성력에 의해 상기 유체저장공간의 용적을 팽창시켜 외부 유체가 내부로 유입되거나, 상기 유체저장공간의 용적을 수축시켜 내부 유체가 외부로 유출되도록 하는 탄성부; 상기 유체저장공간과 외부공간을 연통시키고, 유체가 외부로부터 유체저장공간 내부로 유입되는 방향으로만 흐르도록 하는 유입게이트; 및 상기 유체저장공간과 외부공간을 연통시키고, 유체가 유체저장공간 내부로부터 외부로 유출되는 방향으로만 흐르도록 하는 유출게이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유체분사추진시스템{FLUID JET PROPULSION SYSTEM}

본 발명은 유체분사추진시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리머 액추에이터의 동작에 의해 유체저장공간이 수축 또는 팽창됨에 따라 유체를 유체저장공간 외부로 방출하거나 내부로 흡입함으로써 추진력을 얻도록 하는 유체분사추진시스템에 관한 것이다.

유체면이나 유체속에서 물체 스스로 이동할 수 있도록 추진력을 제공하는 시스템은 화학적 또는 전기적 에너지를 기계적인 움직임으로 바꾸어 주는 액추에이터(actuator)를 필요로 한다.

종래 유체분사추진시스템에서 사용되는 액추에이터로는 모터나 피스톤이 제시되어져 왔다. 모터나 피스톤이 저장된 에너지를 회전 운동력으로 바꾸고 프로펠러 등을 통해 유체를 밀어내어 그 반작용으로 추진력을 얻는 원리이다.

이러한 유체분사추진시스템 외부로부터의 에너지 공급 없이 구동되는 경우 그 효율 향상을 위해서는 시스템 자체의 경량화 및 저전력 설계가 중요한 요소이다. 한정된 에너지를 효율적으로 사용하여 가동시간을 최대화시키기 위해서는 시스템의 무게를 감소시키고, 전력 소모를 줄여야 하기 때문이다.

그러나 종래 제시된 모터나 피스톤의 경우 구조가 복잡하고 금속, 세라믹 등 의 재료로 구성되는 특성상 액추에이터를 포함한 추진시스템을 구현하는 과정에서 시스템의 부피를 줄이기 어렵고, 경량화에 한계가 있는 문제점이 있었다.

또한 이를 구동시킬 때 큰 소모전력을 요하므로 한정된 에너지로 장시간 구동이 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 구조를 단순화시킴으로써 경량화가 가능한 유체분사추진시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 전력 소모를 줄여 외부로부터의 에너지 공급 없이도 장시간 구동이 가능한 유체분출시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 본체부; 상기 본체부의 내부를 수용공간과 유체저장공간으로 구획한 상태에서 승강이 가능하게 마련되는 중간판; 상기 수용공간 내에 장착되어 동작하여 상기 중간판을 승강시킴으로써 상기 수용공간의 부피를 변화시키는 폴리머 액추에이터; 상기 유체저장공간과 외부공간을 연통시키고, 유체가 외부로부터 유체저장공간 내부로 유입되는 방향으로만 흐르도록 하는 유입게이트; 및 상기 유체저장공간과 외부공간을 연통시키고, 유체가 유체저장공간 내부로부터 외부로 유출되는 방향으로만 흐르도록 하는 유출게이트를 포함하며, 상기 유체저장공간은 폴리머 액추에이터의 작동에 의한 상기 수용공간의 부피 변화에 연동하며, 상기 폴리머 액추에이터의 일방향 동작에 의해 내부 유체가 외부로 유출되도록 용적이 수축되고, 타방향 동작에 의해 외부유체가 내부로 유입되도록 용적이 팽창되는 것을 특징으로 하는 유체분사추진시스템에 의해 달성된다.

또한 이는 폴리머 액추에이터, 상기 폴리머 액추에이터의 일방향 동작에 의해 내부 유체가 외부로 유출되도록 용적이 수축되거나 외부 유체가 내부로 유입되도록 용적이 팽창되는 유체저장공간, 상기 폴리머 액추에이터의 타방향 동작에 의해 상기 유체저장공간에 가해지는 외력이 제거되면 탄성력에 의해 상기 유체저장공간의 용적을 팽창시켜 외부 유체가 내부로 유입되거나 상기 유체저장공간의 용적을 수축시켜 내부 유체가 외부로 유출되도록 하는 탄성부, 상기 유체저장공간과 외부공간을 연통시키고 유체가 외부로부터 유체저장공간 내부로 유입되는 방향으로만 흐르도록 하는 유입게이트, 상기 유체저장공간과 외부공간을 연통시키고 유체가 유체저장공간 내부로부터 외부로 유출되는 방향으로만 흐르도록 하는 유출게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체분사추진시스템에 의해 달성될 수도 있다.

여기서, 에너지를 자체적으로 생산하여 지속적인 시스템 운용이 가능하도록 상기 폴리머 액추에이터를 구동시키는 태양전지판이 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 유체의 유입 및 유출로 얻어지는 추진력의 방향을 조절하기 위해 상기 게이트는 복수개가 적어도 일방향 이상을 향하도록 설치되며, 각 게이트의 개폐를 단속함으로써 조향할 수 있도록 하는 제어부가 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 폴리머 액추에이터와 게이트를 구비한 유체저장공간만으로 구현되어 구조가 단순하고 무게를 줄일 수 있는 유체분사추진시스템이 제공된다.

또한 태양전지판에 의해 외부로부터의 에너지 공급 없이 스스로 필요한 전력을 생산해내고, 지속적인 구동이 가능한 유체분사추진시스템이 제공된다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 유체분사추진시스템의 구조를 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 유체분사추진시스템의 폴리머 액추에이터가 신장되는 경우의 작동 상태를 나타내는 개략도이다.
도 3은 도 1의 유체분사추진시스템의 폴리머 액추에이터가 수축되는 경우의 작동 상태를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 유체분사추진시스템의 구조를 도시한 개략도이다.
도 5는 도 4의 유체분사추진시스템의 폴리머 액추에이터가 신장되는 경우의 작동 상태를 나타내는 개략도이다.
도 6는 도 4의 유체분사추진시스템의 폴리머 액추에이터가 수축되는 경우의 작동 상태를 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 유체분사추진시스템의 분해사시도이다.
도 8는 본 발명의 제4실시예에 따른 유체분사추진시스템의 사시도이다.

폴리머 액추에이터(polymer actuator)는 경량화가 용이하고, 동작변위가 크며, 동작전압이 작고, 성형력이 뛰어나는 등의 장점으로 인해 응용이 넓은 액추에이터로서 전기활성고분자(electroactive polymer, EAP)라고도 불리운다. 기본적인 구동 메카니즘은 양면에 통전성 고분자 물질을 바른 고무 밴드에 전기를 통하게 하는 경우 일면은 양극, 타면은 음극이 되어 작용하는 인력에 의해 밴드에 굴절 또는 수축을 일으키고, 전류를 차단하는 경우 다시 원래대로 복원되는 성질을 이용하여 전류의 개폐를 반복적으로 조절함으로써 고분자의 지속적인 변형을 유도하는 것이다.

본 발명은 저전력 구동이 가능한 고분자 액추에이터를 이용하여 경량화된 유체분사추진시스템을 구현한 것이다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 유체분사추진시스템에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 유체분사추진시스템의 구조를 도시한 개략도이다.

본 실시예에 따른 유체분사추진시스템은 본체부(60)의 내부공간이 상하로 이동가능한 중간판(70)에 의해 상부공간과 하부공간으로 구분지어져 있다.

상부 공간에는 인가되는 전압에 따라 체적 변화가 일어나는 폴리머 액추에이터(10)가 상단이 본체부의 상판(61)에 부착되고, 하단이 중간판(70)에 부착되도록 위치한다.

하부 공간에는 측면에 주름홈이 형성된 주름물통 형태의 유체저장공간(20)이 상단이 중간판(70)에 부착되고, 하단이 본체부의 하판(62)에 부착되도록 위치한다. 상기 유체저장공간(62)에는 유체저장공간(62)과 외부공간을 연통시키고, 유체가 외부로부터 유체저장공간(20) 내부로 유입되는 방향으로만 흐르도록 하는 유입게이트(31)와 유체가 유체저장공간(20) 내부로부터 외부로 유출되는 방향으로만 흐르도록 하는 유출게이트(32)가 형성된다.

도 2, 도 3은 각각 도 1의 유체분사추진시스템의 폴리머 액추에이터(10)가 신장, 수축되는 경우의 작동 상태를 나타내는 개략도이다. 이하 도 2 및 도 3을 참조하면서 도 1에 도시된 유체분사추진시스템의 작동에 대하여 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이 상부 공간에 위치한 폴리머 액추에이터(10)가 신장하는 경우, 그 상단은 본체부의 상판(61)에 의해 지지되고 있으므로 하부 방향으로 부피 팽창이 일어나면서 폴리머 액추에이터(10)의 하단에 접하고 있는 중간판(70)을 아래로 밀어내게 된다. 중간판(70)이 하부 공간에 위치한 유체저장공간(20)에 압력을 가하면 신축성이 있는 유체저장공간(20)의 수축에 의해 내부의 유체가 외부로 방출되게 된다. 유입게이트(31)는 외부 유체의 내부로의 유입만을 허용하므로 유체의 방출은 유출게이트(32)를 통해 이루어지고, 그 방향은 B방향이며, 시스템 전체는 외부 유체와의 반작용에 의해 A방향으로 추진된다.

도 3에 도시된 바와 같이 폴리머 액추에이터(10)가 수축하는 경우, 그 상단은 본체부의 상판(61)에 고정되어 있으므로 상부 방향으로 부피 수축이 일어나면서 폴리머 액추에이터(10)의 하단에 접하고 있는 중간판(70)을 위로 끌어올리게 된다. 중간판(70)에 접하고 있는 유체저장공간(20)이 팽창하면 외부의 유체가 유체저장공간(20) 내부로 유입되게 되는데, 이는 유입게이트(31)만을 통해 이루어진다. 외부 유체의 유입은 B방향으로 이루어지고, 역시 그 반작용으로 시스템 전체는 A방향으로 추진된다.

폴리머 액추에이터(10)가 부피 팽창 및 수축을 반복함으로써 시스템은 지속적으로 동일방향의 추진력을 받게 되므로 유체 내에서의 이동이 가능하다.

본 실시예에서는 폴리머 액추에이터(10)가 유체저장공간(20) 외부에 위치하는 형태로 설계되었으나, 폴리머 액추에이터(10)가 유체저장공간(20) 외부 뿐 아니라 내부에 위치하여 폴리머 액추에이터(10)의 신장, 수축에 의해 유체저장공간(20)이 각각 팽창, 수축하는 방식으로도 설계될 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 인가되는 전압에 의해 체적 변화를 일으키는 폴리머 액추에이터(10)가 제공되었으나, 폴리머 액추에이터(10)의 변형에 의해 유체저장공간(20)에 외력을 가할 수 있도록 설계된다면 체적 변화 외에도 굴절 또는 길이 신축 등 다양한 형태의 변형 특성을 갖는 폴리머 액추에이터(10)가 사용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2실시예 따른 유체분사추진시스템의 구조를 도시한 개략도이고, 도 5, 도 6은 각각 도 4의 유체분사추진시스템의 폴리머 액추에이터(10)가 신장, 수축되는 경우의 작동 상태를 나타내는 개략도이다.

전술한 제1실시예에서는 폴리머 액추에이터(10)의 하단이 중간판(70)에 부착되어 있었으나, 제2실시예에서는 폴리머 액추에이터(10)의 하단이 중간판(70)이 접하고 있지 않고, 도 5에 도시된 바와 같이 폴리머 액추에이터(10)가 신장되는 경우 중간판(70)을 아래로 충분히 밀어낼 수 있을 정도의 크기와 위치를 갖도록 형성된다.

또한 유체저장공간(20)이 위치한 하부에서 본체부의 하판(62)과 중간판(70)을 연결하는 탄성부(40)를 구비하고 있다. 도 6에 도시된 바와 같이 폴리머 액추에이터(10)가 신장 후 수축하는 경우, 폴리머 액추에이터(10)에 의해 중간판(70)에 가해지던 압력이 제거되므로 유체저장공간(20)은 탄성부(40)에 의해 생기는 복원력에 의해 중간판(70)을 밀어 올리면서 팽창하게 된다. 탄성부(40)로는 스프링 또는 유압, 공압실린더 등이 사용될 수 있다.

유체저장공간(20) 내부 유체의 유출은 폴리머 액추에이터(10)의 부피 팽창에 의한 유체저장공간의 압박에 의해 이루어지고, 외부 유체의 유체저장공간(20) 내부로의 유입은 탄성부(40)가 제공하는 복원력에 의한 유체저장공간의 확장에 의해 이루어짐으로써 시스템은 지속적으로 동일방향의 추진력을 받게 되므로 유체 내에서의 이동이 가능하다.

본 실시예에서는 폴리머 액추에이터(10), 탄성부(40)가 각각 유체저장공간(20) 외부, 내부에 위치하는 형태로 설계되었으나, 폴리머 액추에이터(10), 탄성부(40)가 각각 유체저장공간 내부, 외부에 위치하여 폴리머 액추에이터(10)의 신장에 의해 유체저장공간(20)이 팽창하고 탄성부(40)가 제공하는 복원력에 의해 유체저장공간(20)을 수축시키는 방식으로도 설계될 수 있다.

이하 제1실시예에 개시된 내용과 중복되는 구성 및 작동에 관한 설명은 생략하기로 한다.

도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 유체분사추진시스템의 분해사시도이다.

본 발명에 의한 유체분사추진시스템은 도 7에 도시된 바와 같이 폴리머 액추에이터(10)를 구동시키는 전력을 공급하는 태양전지판(50)을 포함할 수 있다. 이에 의해 외부로부터의 전력 공급 없이도 스스로 필요한 에너지를 자체적으로 생산하여 지속적인 시스템 운용이 가능하게 된다.

도 8는 본 발명의 제4실시예에 따른 유체분사추진시스템의 사시도이다.

유입게이트(31) 또는 유출게이트(32)를 여러 방향을 향하도록 복수개를 설치한다면 유체의 흡입 또는 분사에 의한 시스템 자체의 추진이 일방향이 아닌 다방향으로 이루어지도록 할 수 있다. 복수개의 게이트의 개폐를 조절하는 제어부가 추진력을 얻고자 하는 방향으로 설치된 유입게이트 또는 그에 대향하는 방향으로 설치된 유출게이트를 개방시키고, 나머지 게이트들을 폐쇄시키면 원하는 방향으로 시스템을 추진시킬 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이 전방 추진력을 얻고자 한다면 전방향 유입게이트(31) 및 후방향 유출게이트(32)를 열고, 좌우방향 추진력을 얻고자 한다면 각각 우방향 유출게이트(34), 좌방향 유출게이트(33)를 열며, 상하방향 추진력을 얻고자 한다면 각각 하방향 유출게이트(36), 상방향 유출게이트(35)를 열어 유체로 이루어진 공간상에서 시스템을 조향하며 이동시킬 수 있다.

본 실시예에서는 전방향 유입게이트(31)에 의해서만 외부 유체의 내부로의 유입을 제어하도록 설계하였으나, 보다 정밀하고 안정적인 방향 제어를 위해서는 동일 방향으로 추진력을 제공하는 유입게이트와 유출게이트를 한 쌍으로 설치하여 해당 방향으로 추진시 해당 유입게이트 및 유출게이트만에 의해 유체 흐름을 조절하도록 할 수 있다.

10 : 폴리머 액추에이터
20 : 유체저장공간
31 : 전방향 유입게이트
32 : 후방향 유출게이트
33 : 좌방향 유출게이트
34 : 우방향 유출게이트
35 : 상방향 유출게이트
36 : 하방향 유출게이트
40 : 탄성부
50 : 태양전지판
60 : 본체부
61 : 본체부의 상판
62 : 본체부의 하판
70 : 중간판

Claims (4)

1. 삭제
2. 폴리머 액추에이터;
   상기 폴리머 액추에이터의 일방향 동작에 의해 내부 유체가 외부로 유출되도록 용적이 수축되거나, 외부 유체가 내부로 유입되도록 용적이 팽창되는 유체저장공간;
   상기 폴리머 액추에이터의 타방향 동작에 의해 상기 유체저장공간에 가해지는 외력이 제거되면 탄성력에 의해 상기 유체저장공간의 용적을 팽창시켜 외부 유체가 내부로 유입되거나, 상기 유체저장공간의 용적을 수축시켜 내부 유체가 외부로 유출되도록 하는 탄성부;
   상기 유체저장공간과 외부공간을 연통시키고, 유체가 외부로부터 유체저장공간 내부로 유입되는 방향으로만 흐르도록 하는 유입게이트; 및
   상기 유체저장공간과 외부공간을 연통시키고, 유체가 유체저장공간 내부로부터 외부로 유출되는 방향으로만 흐르도록 하는 유출게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체분사추진시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 폴리머 액추에이터를 구동시키는 전력을 공급하는 태양전지판을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체분사추진시스템.
4. 제2항에 있어서,
   상기 유입게이트 또는 상기 유출게이트는 복수개가 적어도 일방향 이상을 향하도록 설치되며, 각 게이트의 개폐를 단속함으로써 조향할 수 있도록 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체분사추진시스템.

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