KR102126226B1

KR102126226B1 - 돛 장치

Info

Publication number: KR102126226B1
Application number: KR1020197037781A
Authority: KR
Inventors: 장긍덕
Original assignee: 에도나 인코포레이티드; 장긍덕
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2020-06-24
Anticipated expiration: 2037-06-22
Also published as: WO2018235220A1; CN110770435B; US11473557B2; EP3643913B1; KR102142243B1; EP3643913A1; KR20200003931A; US20220003205A1; EP3643913A4; JP6312284B1; KR20200047805A; JPWO2018235220A1; CN110770435A; DK3643913T3

Abstract

공전하면서 자전하는 돛 장치를 비교적 단순하고 파괴되기 어려운 구조로 실현한다.
돛 장치(1)는 지지체(2)와 돛부(4)와 오목부(5a, 5b)로 된 가이드 궤적과 결합부(8a, 8b)를 구비한다. 지지체(2)의 일부를 이루는 회전체(2c)는 회전 에너지가 출력 또는 입력된다. 돛부(4)는 지지체(2)에 자전 가능하게 설치되고, 지지체(2)의 축 주위를 공전한다. 돛부(4)는 유체와 접하는 돛부(4)의 움직임에 따라 유체 에너지를 회전 에너지로 변환하거나 회전 에너지를 유체 에너지로 변환한다. 가이드 궤적은 오목부(凹部)(5a, 5b)의 양자(兩者)가 연속하면서 엔드리스(Endless) 궤적을 형성하고, 돛부(4) 공전 과정에서 자전 각도를 규정한다. 결합부(8a, 8b)는 돛부(4)와 가이드 궤적을 결합해 돛부(4)를 가이드 궤적을 따라 변위시킨다.

Description

돛 장치

본 발명은 돛(帆)이 공전(公轉)하면서 자전(自轉)하는 돛 장치에 관한 것이다.

일반적으로 임펠러(Impeller)가 유체를 받아 회전하여 원동력을 얻는 원동기로서 양력형 원동기와 항력형 원동기가 알려져 있다. 양력형 원동기는 주로 양력(즉, 날개에 작용하는 힘 중, 유체의 흐름 방향에 수직인 성분)을 이용하여 회전력을 얻는 원동기이며, 풍력 발전기 (Propeller 풍차) 등에서 국내는 물론 국외에서도 널리 사용되고 있다. 그렇지만 이 타입(Type)은 중후 장대(重厚長大)하고 무게 중심이 높은 것 이외에, 풍속보다 더 고속(최대 약 11 배)으로 풍차(날개)가 회전하기 때문에 부서지기 쉽고, 구조의 복잡성에 기인하여 유지 및 보수에도 어려움이 있다. 또한 풍차의 고속 회전 시에 있어서의 진동 등에 기인한 고장을 억제하기 위해 나셀(Nacelle) 내에 브레이크(Brake)가 장착되어 있으며, 풍차의 회전 속도가 소정의 상한을 초과하지 않도록 제한된다. 이 경우 상한이 되는 회전속도가 정격 출력(한계)이 되어, 그 이상의 풍력 에너지는 활용할 수가 없으므로 에너지의 변환 효율이 우수하다고는 할 수 없다. 더욱이 날개에 의한 바람 소리 등의 환경상의 문제도 경시할 수 없다. 그래서 이러한 여러 문제를 해결하기 위해, 최근, 항력형(抗力型) 원동기가 주목을 받고 있다. 항력형 원동기란 주로 항력(즉, 돛에 작용하는 힘 중 유체의 흐름 방향에 평행한 성분)을 이용하여 회전력을 얻는 원동기이다. 이 타입(Type)에서는 양력형과는 달리 돛 (풍차)의 회전속도가 저절로 풍속 이하로 제한된다.

예를 들어 특허 문헌 1에는 도 18에서와 같은 항력형 원동기(에너지 변환 시스템)가 개시(開示)되어 있다. 이 원동기는 회전축에 장착된 십자가 모양의 회전자(Rotor)(40)와, 이 회전자(40)가 갖추고 있는 4 개의 끝에 개별적으로 설치된 4 개의 블레이드(Blade: 70)를 갖고 있다. 이러한 블레이드(70)는 회전자(40)에 자전 가능하게 설치되고, 회전자(40)의 축 주위를 공전한다. 각각의 블레이드(70)를 축지하는 회전축은 기어(Gear)기구를 통해 회전자(40) 내를 반경 방향으로 연장하는 프로펠러 축(Propeller shaft: 58)에 1 대 1로 연결되어 있으며, 프로펠러 축(58)으로부터 공급된 동력에 따라, 이에 대응 하는 블레이드(70)의 자전 각도가 조정된다. 구체적으로는 블레이드(70)의 회전위치가 0 도일 때에는 최대(100 %)의 블레이드(Blade) 면적으로 바람을 받고, 블레이드(70)의 회전 위치가 180도 일 때에는 최소(거의 0 %)의 블레이드(Blade) 면적의 바람을 받는다. 또한 0도에서 180도에 이르는 동안은 블레이드(Blade) 면적이 최대에서 최소를 향해 서서히 변화함과 동시에, 180도에서 360도에 이르는 동안은 블레이드(Blade) 면적이 최소에서 최대로 향해 서서히 변화한다. 각각의 블레이드(70)에 대해 그 공전 위치에 따라 자전 각도를 조정함으로써 블레이드(70)가 받는 풍력에 불균형(Unbalance)이 생겨 회전자(40)가 회전한다.

또한 특허 문헌 2에는 도 19에서와 같은 항력형 원동기(Blinking 돛 풍차)가 개시되어 있다.

이 원동기는 회전축 A에 장착된 복수의 와이드 프레임(Wide frame) B를 주체로 구성되어 있으며, 이러한 와이드 프레임 (Wide frame) B는 회전축 A 주위를 일체로 회전한다. 와이드 프레임(Wide frame) B에는 수평 방향으로 연장되는 복수의 수평 바(Bar)가 소정의 간격을 두고 설치되어 있는 것과 동시에, 각각의 수평 바(Bar)에는 스프링 고리(Spring Ring)에 의해 닫힘 방향으로 항상 연결되어 있는 시트 (Sheet) C가 자유롭게 개폐가 되도록 설치되어 있다. 상하의 시트 (Sheet) C는 서로 오버랩(Overlap)되어 있고, 풍향 H의 순 방향으로는 열릴 수가 있지만, 반대 방향(逆方向)으로는 열리지 않는다. 이로 인하여 이 도면의 왼쪽의 와이드 프레임 (Wide frame) B에는 스프링 고리(Spring Ring)의 탄성력(added force)에 대항하여 열려진 시트 (Sheet) C 사이를 바람이 통과하는 반면, 오른쪽 와이드 프레임 (Wide frame) B에서는 전체가 닫쳐 있는 시트 (Sheet) C 가 전면으로 바람을 받게 된다. 그 결과 좌우의 시트 (Sheet) C가 받는 풍력에 불균형(Unbalance)이 발생하여 일체화된 와이드 프레임 (Wide frame) B가 회전한다.

특허 문헌1：국제 공개 제２００７／１１３４０１호

특허 문헌2：미국 특허 제７７８０４１６호 명세서

그러나 상술한 종래 기술은 공전하면서 자전하는 돛(帆)의 움직임을 실현하기 위해 복잡하고 손상되기 쉬운 구조를 채용하고 있어 실용성에 어려움이 있다. 즉 특허 문헌 1의 항력형 원동기는 기어(Gear)기구를 이용하기 때문에 구조가 복잡하고, 기어(Gear)기구에 의한 에너지 손실(동력 전달 효율, 발열, 소음 등)이 발생하기 때문에 에너지의 변환 효율이 감소함과 동시에, 각 기어(Gear)에 응력(應力)이 집중하기 때문에 부서지기가 쉽다. 또한 특허 문헌 2의 항력형 원동기는 스프링 고리(Spring Ring)의 탄성력에 의해 돛(帆)의 수풍면적(受風面積)이 조정되므로 상당히 높은 풍속이 되지 않으면 이 기구 자체가 작동하지 않는다. 따라서 어느 것이나 항력형 원동기로서의 실용성에 어려움이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 공전하면서 자전하는 돛(帆)의 움직임을 비교적 간단하고 고장 없는 구조로 실현하는 것이다.

관련된 과제를 해결하기 위해 본 발명은 지지체와 돛부(帆部), 가이드 궤적과 결합부(係合部)를 갖는 돛 장치를 제공한다. 돛부(帆部)는 지지체에 자전자재(自轉自在)로 설치되고, 지지체의 축 주위를 공전한다. 가이드 궤적은 엔드리스(Endless) 궤적으로서, 돛부(帆部)의 공전 과정에서 자전 각도를 규정한다. 결합부(係合部)는 돛부(帆部)와 가이드 궤적을 맞물려 결합해 돛부(帆部)를 가이드 궤적을 따라 변위(變位)시킨다.

여기서 본 발명에 있어서 상기 가이드 궤적은 돛부(帆部)의 공전 반경을 r_T, 돛부(帆部)의 자전 반경을 r_p, X 축의 정방향(正方向)을 기준으로 한 돛부(帆部)의 공전 각도를 θ라고 하면, 아래 식을 충족시킬 수 있다.

[수식 1]

또한 본 발명에 있어서, 상기 가이드 궤적은 돛부(帆部)의 공전 반경을 r_T, 돛부(帆部)의 자전 반경을 r_S, Y 축의 음의 방향(負方向)을 기준으로 한 돛부(帆部)의 공전 각도를 θ라고 하면, 아래 식이 충족될 수 있다.

[수식 2]

본 발명에 있어서, 상기 돛부(帆部)는 간격을 두고 복수 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 결합부(係合部)는 돛부(帆部)의 각각에 대응하여 설치되어 있는 것이 바람직하다. 또한 제 1 발명에 있어서, 상기 결합부(係合部)는 가동식의 이음매를 개재하여 돛부(帆部)의 단부(端部)에 설치되어 있어도 좋다.

본 발명에 있어서, 상기 가이드 궤적은 제 1의 가이드 궤적과 제 2의 가이드 궤적을 갖는 동시에, 상기 결합부(係合部)는 제 1 결합부(係合部)와 제 2 결합부(係合部)를 가지고 있어도 좋다. 제 1의 가이드 궤적은 돛부(帆部)의 한 쪽 끝에 배치되어 있다. 제 2의 가이드 궤적은 돛부(帆部)의 다른 쪽 끝에 배치되어 있는 동시에, 제 1의 가이드 궤적과 대향(對向)한 상태에서, 제 1의 가이드 궤적과 동일하거나 유사한 궤적 패턴을 가진다. 제 1 결합부(係合部)는 돛부(帆部)의 한 쪽 끝(一端)과 1의 가이드 궤적과를 결합한다. 제 2의 결합부(係合部)는 돛부(帆部)의 다른 끝과 제 2의 가이드 궤적을 결합한다.

본 발명에 있어서, 상기 제 1 결합부(係合部)는 돛부(帆部)의 한 쪽 끝(一端)의 자전축(自轉軸) 주위에 설치되어, 제 1의 가이드 궤적과 결합하는 복수의 결합부(係合部)를 가지고 있어도 좋고, 상기 제 2의 결합부(係合部)는 돛부(帆部)의 다른 끝의 자전축(自轉軸) 주위에 설치되어, 제 2의 가이드 궤적과 결합하는 복수의 결합부(係合部)를 가지고 있어도 좋다.

본 발명에 있어서, 지지축(支持軸)에 대하여 요동 자재(搖動自在)의 부착판(取付板)과 제1의 돛 장치와 제2의 돛 장치를 구비하고 있어도 좋다. 제1의 돛 장치는 부착판(取付板)에 설치되어 지지축(支持軸)의 오른쪽에 배치되어 있다. 제 2의 돛 장치는 부착판(取付板)에 설치되어 지지축(支持軸)의 왼쪽에 배치되어 있다. 여기서 제 1의 항해 장치 및 제 2의 돛 장치는 상술한 돛 장치로서, 제 1의 돛 장치의 가이드 궤적 및 제 2의 돛 장치의 가이드 궤적은 대칭이다.

본 발명에서 유체를 모아서 돛부(帆部)에 공급하는 기구를 더 설치해도 된다.

본 발명에 따르면 가이드 궤적을 이용하여 돛부(帆部)의 공전 과정에서 자전각도를 조정함으로써 비교적 간단한 구조로 돛부(帆部)의 자전 각도를 조정할 수 있다. 또한 돛부(帆部)의 자전 각도를 규정하기 위한 기어(Gear)기구가 불필요하므로 손상되기 어렵고 내구성이 뛰어나다.

특히 본 발명을 유체와 접하는 돛(帆)의 움직임에 따라 유체 에너지를 회전 에너지로 변환하고, 또는 회전 에너지를 유체 에너지로 변환하는 에너지 변환 기구에 적용한 경우 비교적 간단한 구조로 높은 에너지 변환 효율을 얻을 수 있어 실용성이 뛰어난 에너지 변환기구를 실현할 수 있다. 나아가, 가이드 궤적이 대칭이 되도록 제 1 및 제 2의 돛 장치를 배치한 경우, 이러한 돛 장치에 외력이 균등하게 가해지기 때문에 풍향과 마주하도록 돛 장치의 방향을 자동 조절할 수 있다. 나아가, 유체를 모으는 기구를 부가함으로써 돛 장치에 공급되는 유체의 양을 늘려 에너지 변환량을 늘릴 수도 있다.

[도 1] 제 1 실시 예에 따른 돛 장치의 외관 사시도(外觀斜視圖)
[도 2] 돛 장치의 주요부 전개도(展開圖)
[도 3] 지지체의 상면도(上面圖)
[도 4] 도３의 Ａ－Ａ단면도(斷面圖)
[도 5] 일례로서의 돛부(帆部)의 정면도(正面圖)
[도 6] 다른 예로서의 돛부(帆部)의 정면, 측면 및 저면도(底面圖)
[도 7] 결합부(係合部) 근방의 요부 단면도(要部斷面圖)
[도 8] 가이드 궤적과 결합부(係合部)와의 결합 상태를 나타낸 도면
[도 9] 돛부(帆部)가 설치된 지지체의 상면도
[도 10] 제 1의 예에 따른 돛부(帆部)의 동작 설명도
[도 11] 제 1의 예에 따른 가이드 궤적의 설명도
[도 12] 제 2의 예에 따른 돛부(帆部)의 동작 설명도
[도 13] 제 2의 예에 따른 가이드 궤적의 설명도
[도 14] 제 3의 예에 따른 공전 원과 가이드 궤적과의 관계를 나타낸 도면
[도 15] 제 2의 실시 예에 따른 돛 장치의 상면도(上面圖)
[도 16] 제 3의 실시 예에 따른 돛 장치의 외관 사시도(斜視圖)
[도 17] 제 4의 실시 예에 따른 돛 장치의 외관 사시도(斜視圖)
[도 18] 종래의 항력형 원동기의 설명도
[도 19] 종래의 항력형 원동기의 설명도

(제1의 실시형태)

도 1은 제 1의 실시 형태에 따른 돛 장치의 외관 사시도(斜視圖)이다. 이 돛 장치(1)는 한 쌍의 지지체(2)와 복수의 연결봉(連結棒)(3)과 복수 돛부(帆部)(4)를 주체로 구성되어 있다. 한 쌍의 지지체(2)는 회전축 A (돛부(4)의 공전 축) 방향으로 떨어져 있어 서로 마주보고 배치되어 있다. 이러한 지지체(2)는 네 모서리에 설치된 복수의 연결봉(連結棒)(3)에 의해 연결되고, 케이스로 일체화되어 있다. 복수의 돛부(帆部)(4)는 한 쌍의 지지체(2)에 의해 끼워져 있으며, 회전축 A 주위를 일체로 회전한다.

본 실시 형태에서는 유체의 흐름(예를 들어 바람)을 돛부(帆部)(4)에서 받아 돛부(帆部)(4)를 회전시킴으로써 유체 에너지를 회전 에너지로 변환하는 기구, 예를 들면 항력형 원동기로 사용하는 사례(Case)를 상정(想定)하고 있다. 유체 에너지로서는 기체, 액체, 플라스마(Plasma) 등을 포함하여, 모든 유체의 흐름을 이용할 수 있어 풍력 발전뿐만 아니라 수력 발전, 조력 발전 등에도 돛 장치(1)는 적용 가능하다. 또한 변환 대상의 에너지는 전기 에너지뿐만 아니라 운동 에너지, 위치 에너지, 열 에너지 등을 포함하여 모든 에너지로 이용할 수 있다. 예를 들어 발전기 이외에 펌프(기름·물), 컴프레서(공기), 기계적인 지렛대(압축, 압착) 등의 기구가 예상된다.

또한 본 실시 형태에 따른 돛 장치(1)는 돛부(帆部)(4)의 회전에 의해 유체에 흐름을 야기함으로써 회전 에너지를 유체 에너지로 변환하는 기구, 예를 들어 선박 등의 추진력을 발생하는 추진 장치로 사용하는 것도 가능하다. 또한 돛 장치(1)는 이 도면에서 보여주는 바와 같이 수직으로 사용해도 좋고, 가로로 사용할 수도 있다. 또한 복수의 돛 장치(1)를 병렬 배열하든가 적층하여 사용할 수도 있다.

여기서 돛부(帆部)(4)의 매수(枚數)는 원리 상, 적어도 하나로도 충분하지만, 에너지의 변환 효율을 높이는 관점에서 말하면 많은 것이 바람직하다. 그러나 자세한 내용은 후술하지만, 각각의 돛부(帆部)(4)는 회전축 A의 주위를 공전하면서 그 자체도 자전하기 때문에 상호 간섭하지 않을 정도의 간격을 유지할 필요가 있다. 여기에서 상호 간섭하지 않는다는 것은 돛부(帆部)(4)끼리가 물리적으로 접촉하지 않도록 하는 것뿐만 아니라 서로에 대한 바람의 통로를 극단적으로 방해하지 않는다는 의미도 포함된다.

돛 장치(1)의 크기는 용도나 설치 장소에 따라 적절히 설정된다. 예를 들어 발전소(발전기 군)을 구축하는 경우에는 큰 돛 장치(1)를 소수 설치하는 방식 및 작은 돛 장치(1)를 다수 설치하는 방식 중 하나를 사용할 수 있다. 또한 건물에 설치하는 경우, 예를 들어 건물의 벽을 따라 돛 장치(1)를 종횡(縱橫)으로 설정하는 경우 등에는 작은 돛 장치(1)를 다수 설치하는 방식이 효과적이다.

도 2는 돛 장치(1)의 요부 전개도(要部展開圖)이다. 이 도면은 도 1에 나타낸 상하 지지체(2) 중 아래 쪽만을 나타내고 있지만, 상측 지지체(2)의 구성도 기본적으로 동일하다. 이 지지체(2)는 외부 가이드 플레이트(2a)와 내부 가이드 플레이트(2b)와 원반 모양(略円盤狀)의 회전체(回轉體; 2c)와 베이스 플레이트(Base plate; 2d)를 갖고, 3 개의 플레이트(plate; 2a, 2b, 2d)에 의해 회전체(回轉體)가 끼워진 형태로 조립되고 있다.

직사각형의 외부 가이드 플레이트(2a)의 네모서리에는 연결봉(連結棒; 3)이 삽입되는 원형 구멍(丸穴)이 설치되어 있는 동시에, 그 중앙 부근이 원형으로 개구되어 있다. 또한 이 개구보다도 외측의 외부 가이드 플레이트(2a)의 표면에는 곡선으로 연장하는 오목부(凹部; 5a)가 설치되어 있다. 내부 가이드 플레이트(2b)는 외부 가이드 플레이트(2a)가 구비한 개구원(開口円)보다 약간 작은 직경을 갖는 원형(眞円)의 부재(部材)이며, 그 표면에는 곡선으로 연장하는 오목부(凹部)(5b)가 설치되어 있다. 또한 내부 가이드 플레이트(2b)의 중앙에는 원형으로 개구되어 있다. 회전체(2c)는 동심원상(同心円狀)의 내외의 고리(Ring)를 지름 방향으로 연결한 형상을 가지며, 외부 고리(Ring)의 원주상(円周上)에 돛부(帆部; 4)를 회전 가능하게 장착하기 위한 장착 구멍(6)이 돛부(帆部; 4)의 수(數)만큼 원주상(円周上)에 일정한 간격으로 설치되어 있다. 직사각형의 베이스 플레이트(Base plate; 2d)의 네 모서리에는 연결봉(3)이 삽입되는 원형 구멍이 있는 동시에, 그 중앙 부근이 원형으로 개구되어 있다.

도 3은 부재(部材) 2a ~ 2d를 조립해 구성한 지지체(2)의 평면도이며, 도 4는 지지체(2)의 A-A 단면도이다. 지지체(2)로 조립된 상태에서 외부 가이드 플레이트(2a) 및 베이스 플레이트 (Base plate; 2d)는 4 개의 연결봉에 의해 고정되어 있다. 내부 가이드 플레이트(2b)는 그 대략 중앙에서 아래쪽을 향해 돌출된 원통 부위가 베이스 플레이트(2d)의 구멍에 삽입되고, 이를 통해 내부 가이드 플레이트(2b)가 베이스 플레이트(2d)에 걸리게 된다. 이 상태에서 내부 가이드 플레이트(2b)의 윗면은 외부 가이드 플레이트(2a)의 윗면과 동일한 면이 된다.

도 3에 나타낸 바와 같이 이러한 가이드 플레이트(2a, 2b)에 있어서의 평평한 표면에는 가이드 궤적(5)와 상하(上下)를 관통하는 원형 간극(円狀間隙; 7)이 형성된다. 가이드 궤적(5)는 외부 가이드 플레이트(2a)의 오목부(凹部; 5a)와 내부 가이드 플레이트(2b)의 오목부(凹部; 5b)에 의해 형성되며, 곡선이고 엔드리스(Endless)로 연속하고 있다. 이 가이드 궤적(5)은 돛부(帆部; 4)의 공전과정에서 자전각도를 규정하고 있다. 한편, 원형 간극(円狀間隙; 7)은 외부 가이드 플레이트(2a)의 개구경(開口徑)과 내부 가이드 플레이트(2b)의 외경(外徑)과의 차이에 기인하여 발생하는 것으로 양자의 차이에 상당하는 폭을 가짐과 동시에, 표면 위를 원형으로 연장하고 있다. 이 원형 간극(円狀間隙; 7)은 공전하는 돛부(帆部; 4)와의 간섭을 피하기 위한 공간으로서의 역할을 하며, 이를 통해 돛부(帆部; 4)가 회전축 A의 주위의 돛부(帆部; 4)의 회전(공전)을 허용한다.

도 4에 나타낸 바와 같이 회전체(回轉體)(2c)는 내부 가이드 플레이트(2b)의 원통형부위(円筒部位)가 삽입되어 있으며, 그 상하(上下)는 가이드 플레이트(Guide plate; 2a, 2b)와 베이스 플레이트(Base plate; 2d)에 의해 끼워져 있다. 따라서 회전체(回轉體; 2c)는 상기 원통형 부위에 따라 위치가 정해진 상태에서 지지체(2)의 내부에 자유롭게 회전이 가능하게 수용된다.

도 5는 돛부(帆部; 4)의 정면도이다. 이 돛부(帆部; 4)는 바람을 받는 돛(帆; 4a)를 주체로 구성되어 있다. 돛(帆; 4a)으로서는 전형적으로 가볍고 높은 강성(高剛性) 금속과 강화 섬유 플라스틱 등을 판상(板狀, 사각형 모양)에 형성한 것을 사용하지만, 넓은 의미에서는 수지계(樹脂系) 소재, 섬유계 소재, 강화 나무, 세라믹 등을 널리 사용할 수 있다. 또한 도 6에 나타낸 바와 같이 금속제 또는 강화 섬유, 플라스틱 재질의 테두리 모양 또는 격자상(格子狀)의 프레임(4c)에 시트(Sheet; 4d)를 부착한 것을 돛(帆; 4a)으로 사용할 수도 있다. 시트(Sheet; 4d)는 천, 플레이트, 필름, 호일(箔), 랩(Wrap), 막(膜) 등과 같이 경량인 것에 더하여, 낮은 함수성(低含水性, 비에 젖어도 무거워지지 않는다), 낮은 경화성(低硬化性, 태양광에 경화하지 않는다), 저반사성(低反射性, 태양 광으로 빛나지 않는다), 부동성(不凍性, 겨울비에 얼지 않는다)을 구비하는 소재를 이용하는 것이 바람직하다. 또한 시트(Sheet; 4d)로서는 투명 또는 반투명의 것을 이용하면 설치 장소의 풍경에 돛 장치(1)를 융합시킬 수가 있다. 경관의 유지가 요구되고 있는, 최근 돛(帆; 4a)의 색상과 디자인은, 설치상에 중요한 요소이다. 돛(帆; 4 a)의 표면 형상은, 평면상(平面狀), 곡면 형상(曲面狀), 유선형상(流線形狀), 정현상(正弦狀), 구형상(矩形狀), 삼각상(三角狀) 또는 톱니모양의 어느 것이라도 좋다. 또한 돛(帆; 4 a)의 양끝 중앙에는, 회전축 A의 방향으로 돌출된 자전축(自轉軸; 4b)이 각각 설치되어 있다. 상단의 자전축(自轉軸; 4b)은 상단의 지지체(2)(회전체 2c)가 구비된 장착 구멍(6)에 삽입되고, 하단의 자전축(4b)은 하단의 지지체(2)(회전체 2c)가 구비된 장착 구멍(6)에 삽입된다. 이렇게 하여 복수의 돛부(帆部; 4)는 회전체(2c)를 통해 연결되어, 회전축 A 주위를 일체로 회전 또는 공전한다.

돛부(帆部: 4)의 양 끝에는 회전축 A 방향으로 돌출된 한 쌍의 결합부(8a, 8b)가 좌우에 설치되어 있다. 상측의 결합부(8a, 8b)는 상측의 지지체(2)가 준비된 가이드 궤적(5)과 돛부(帆部; 4)의 상단과 맞물리게 결합하고, 하측의 결합부(8a, 8b)는, 하측의 지지체(2)가 준비된 가이드 궤적(5)과 돛부(4)의 하단과 결합한다. 이로 인해 돛부(帆部; 4)의 상하는 자전축(4b)에 의한 지원까지 포함하면 각각 3 점(点)으로 안정적으로 지지된다. 다만, 돛부(帆部; 4)가 길이 방향으로 비교적 짧은 경우 또는 돛(帆; 4a)의 수풍면적(受風面積)을 그다지 확보할 필요가 없는 경우 등에 있어서는, 예를 들어 상단을 결합부(係合部; 8a)만을 하단을 결합부(係合部; 8b)만으로 하여 지지점(支持点)의 수를 줄일 수도 있다. 가장 극단적인 예로, 돛부(4)의 상단은 자전축(4b)만의 1 점으로 지지하고, 그 하단은 결합부(8a, 8b) 중 하나를 사용하여 2 점으로 지지한다는 형태를 생각할 수 있다(이 경우 상단의 가이드 궤적(5)은 불필요하다). 반대로 돛부(4)가 매우 긴 경우나 돛(帆; 4a)의 면적이 큰 경우 등에서는 돛부(4)의 지지 안정성(支持安定性)을 높이기 위해 필요한 경우 지지점의 수(數)나 가이드 궤적을 늘리는 것이 바람직하다.

본 실시 형태와 같이 가이드 궤적(5)이 오목(凹狀)한 경우에는 결합부(係合部; 8a, 8b)는 기본적으로 볼록한 형상(凸形狀)을 가지고 있으면 좋다. 반대로 가이드 궤적(5)이 레일(Rail)과 같은 볼록한 형상(凸形狀)의 경우에는 결합부(係合部; 8a, 8b)는 기본적으로 오목한 모양(凹形狀)을 가지고 있으면 좋다. 그러나 단순한 요철(凹凸)에 의한 결합(係合)에서는 양자의 마찰(미끄럼 저항)에 의한 에너지(Energy) 손실(발열과 소음)이 생겨 에너지의 변환 효율이 저하될 우려가 있다. 따라서 본 실시 형태에서는 가이드 궤적(5)과 결합부(8a, 8b) 사이의 마찰을 줄이기 위한 구조상의 조치를 강구하고 있다.

도 7은 결합부(係合部; 8a)(또는 8b) 근방의 요부 단면도(要部斷面圖)이며, 도 8은 가이드 궤적(5)과의 결합 상태를 나타내는 도면이다. 결합부(8a)는 구름 베어링 형태로 구성되어 있으며, 이 구름 베어링 형태는 가동식 이음매(9)(예를 들면, 볼 조인트)를 통해 돛부(4)에 설치되어 있다. 이러한 이음매(9)를 설치하는 이유는, 돛부(4)가 길어지면 왜곡되어지기가 쉬워 가이드 궤적(5)와 맞물려 있는 결합부(8a) 등에 과도한 부하가 걸리기 때문에 그러한 왜곡을 흡수하기 위해서이다. 또한 결합부(8a, 8b)로서는 돛부(4)와 가이드 궤적(5)을 결합하는 기능을 담당하는 한 어떤 기구를 이용하여도 좋고, 고정 부재(固定部材)뿐만 아니라 가동식 연결기구 등을 사용해도 좋다. 도 7에 나타낸 구름 베어링 형태 및 가동식 이음매는 하나의 연결(Link)기구로 지탱할 수도 있다.

도 9는 복수의 돛부(帆部; 4)가 설치된 지지체(2)(일단 측)의 평면도이다. 사각형 모양의 돛부(4)의 양끝에 대하여 가이드 궤적(5)이 각각 설치된 구성에서는 한 쌍의 가이드 궤적(5)이 대향(對向)한 상태(돛 장치(1)의 조립상태)에서 동일한 궤적 형태(선 모양)를 가진다. 또한 돛부(4)의 양끝에 있어서, 자전축(4b)에서 결합부(8a, 8b)까지의 거리가 동일한 경우 양끝의 가이드 궤적(5)의 크기는 동일하게 되지만, 자전축(4b)에서 결합부(8a, 8b)까지의 거리는 상이할 수 있으며, 이 경우 양끝의 가이드 궤적(5)은 닮은 꼴이 된다. 구체적으로는 한 쪽 끝(一端側)보다 다른 쪽 끝(他端側)이, 자전축(4b)에서 결합부(8a, 8b)까지의 거리가 큰 경우 다른 쪽 끝의 가이드 궤적(5)은 커지게 되고, 반대의 경우에는 다른 쪽 끝의 가이드 궤적(5)은 작아진다.

복수의 돛부(4)는 간격을 두고 배치되어 있다. 각각의 돛부(4)가 구비된 자전축(4b)은 원형 간극(円狀間隙; 7)에 의해 그려지는 원 주위를 이동하고, 이에 따라 각각의 돛부(4)가 회전축 A 주위를 공전한다. 상술한 바와 같이 복수의 돛부(4)는 회전체(2c)에 의해 서로 연결되어 있기 때문에 이러한 돛부(4)가 공전하여도 원주상의 간격은 일정하게 유지된다. 또한 각각의 돛부(4)에 대응하여 형성된 결합부(8a, 8b)는 가이드 궤적(5)에 의해 그려지는 엔드리스(Endless) 곡선 위를 이동한다. 가이드 궤적(5)은 돛부(4)의 공전 과정에서 자전 각도를 규정하고 있다. 따라서 가이드 궤적(5) 위를 결합부(8a, 8b)가 이동하므로 돛부(4)는 공전하면서 자전하게 된다. 또한 돛부(4)의 간격은 반드시 동일한 간격이어야 하지는 아니지만, 회전 변동을 효율적으로 시동(始動)시켜, 또한 회전 효율의 변동폭을 억제하고 안정시킨다는 관점과 아름다운 디자인을 형성한다는 관점에서 말하자면, 동일한 간격인 것이 바람직하다. 그러나 돛부(4)의 움직임은 지지거(紙芝居)처럼 보이기도 하기 때문에 디자인에 따라서는 반대로 일부러 다른 간격으로 타이밍의 변화를 연출하는 경우도 생각할 수 있다. 또한 후술하는 바와 같이 돛부(4)의 플레이트(Plate)면이나 시트(Sheet)면에 광고나 자연 풍경 등을 인쇄하거나 반대로 투명하게 하는 변화의 다양성(Variation)도 생각할 수도 있다.

도 10은 제 1 예에 관한 돛부(4)의 동작 설명도이다. 공전각도 θ = 0 °에서 수풍면적(受風面積)이 최소가 되는 돛부(4)는 공전각도 θ가 커짐에 따라 수풍면적(受風面積)을 점차 증가하면서 공전 각도 θ = 90 °에서 수풍면적(受風面積)이 최대가 된다. 그 후 공전 각도 θ가 커짐에 따라 수풍면적(受風面積)이 점차 감소하면서 공전각도 θ = 180 °에서 수풍면적이 최소가 된다. 이 이후 θ = 360 ° (0 °)에 도달할 때까지는 수풍면적(受風面積)이 최소의 상태가 유지된다. 이로 인해 파선(破線 점선)으로 나타낸 공전원상(公轉円狀)의 상반부와 하반부와의 수풍면적의 차이에 기인한 수풍(受風)의 불균형(Unbalance)이 생긴다. 이로 인해 공전 원상의 위쪽 절반만이 바람을 받는 형태가 되고, 돛부(4)는 시계반대 방향으로 회전(공전)한다.

다음으로 도 11을 참조하여 제 1의 예와 같이 돛부(4)를 작동시키는 가이드 궤적(5)의 형상을 얻기 위한 구체적인 수식에 대해 설명한다. 돛부(4)의 동작은 파선(破線 점선)으로 나타낸 공전원(公轉円) T(원형) 및 실선(實線)으로 나타낸 엔드리스(Endless) 가이드 궤적 G의 두 개에 따라 결정된다.

먼저, 모든 좌표의 원점 T₀를 (x, y) = (0,0)로 정한다. 공전원 T는 원형(True circle)으로, 회전체(回轉體; 2c)의 원형(眞円)인 돛부(4)의 자전 중심의 궤적을 나타내고, (식 -1)로 표시된다.

[수식 3]

가이드 궤적 G는 돛부(4)의 지점 양끝의 가이드 형상을 나타내며, 상반신(上半分)의 영역(y ≥ 0)과, 하반신(下半分)의 영역(y < 0)으로 나누어 설명할 수 있다. 먼저, 상반신(Upper half) 영역 (y ≥ 0, θ = 0 ~ 180도)에 대해 생각한다. 이 경우 중심이 돛부(4)의 중심점과 동일하며, 한편 중심에서 돛부(帆部)의 지점까지가 반경 r_p가 되는 점선(点線)으로 나타낸 작은 원 S를 그린다. 이 영역에서는 θ_u = θ의 관계가 있다. 작은 원 S의 중심 좌표 S₀는 항상 공전원 T에 있고, 작은 원 S의 좌표는 (식 -2 (a)) 및 (식 -2 (b))로 표현된다.

[수식 4]

따라서, 가이드 궤적 G의 외측의 원 P_OS의 좌표는 (식 -3 (a)) 및 (식 -3 (b))로 표현된다.

[수식 5]

한편, 가이드 궤적 G의 내측의 원 P_IS의 좌표는 (식 -3 (c)) 및 (식 -3 (d))로 표현된다.

[수식 6]

따라서 초기 조건으로 r_T와 r_P를 부여하면 상술한 일련의 식 (식 -3 (a)) ~ (식 -3 (d))에 의해 상반신(Upper half)의 영역(y ≥ 0, θ = 0 ~ 180도)의 가이드 궤적 G를 얻을 수 있다.

다음으로 하반신(Lower half)의 영역(y < 0, θ = 180 ~ 360도)에 대해 생각 한다. 이 경우 먼저 중심 돛부(4)의 중심점과 동일하며, 한편 중심에서 돛부(4)의 지점까지가 반경 r_p인 작은 원 S를 그린다. 또한 θ_L = θ-π의 관계가 있다. 작은 원형 S의 중심 좌표는 (식 -4 (a)) 및 (식 -4 (b))로 표현된다.

[수식 7]

따라서, 가이드 궤적 G의 외측(Outside)의 원 P_OS의 좌표는 (식 -5 (a)) 및 (식 -5 (b))로 표현된다.

[수식 8]

가이드 궤적 G의 내측(Inside)의 원 P_IS의 좌표는 (식 -5 (c)) 및 (식 - 5 (d))로 표현된다.

[수식 9]

따라서 초기 조건으로 r_T와 r_P를 부여하면 상술한 일련의 식 (식 -5 (a)) ~ (식 -5 (d))에 따라 하반신(Lower half)의 영역(y < 0, θ = 180 ~ 360도)의 가이드 궤적 G를 얻을 수 있다.

이상과 같이 초기 조건으로 r_T와 r_P를 부여하면 공전 원 T는 (식 -2 (a)) ~ (식 - 2 (b)) 및 (식 -4 (a)) ~ (식 -4 (b))(또는 (식 -1))에 의해 얻을 수 있다. 또한 가이드 궤적 G는 상반신(Upper half)의 영역(y ≥ 0, θ = 0 ~ 180도)에 대해서는 (식 -3 (a)) ~ (식 -3 (d))에 의해, 하반신(Lower half)의 영역(y < 0, θ = 180 ~ 360도)에 대해서는 (식 -5 (a)) ~ (식 -5 (d))에 의해 얻을 수 있다.

결론적으로 제 1 의 예에 따른 공전 원 T 및 가이드 궤적 G는 돛부(4)의 공전 반경을 r_T, 돛부(4)의 자전 반경을 r_P, X 축의 정방향을 기준으로 한 돛부(4)의 공전 각도를 θ라고 하면 아래 식으로 표현된다.

[수식 10]

가이드 궤적(5)에 의해 규정되는 돛부(4)의 움직임은 상술한 제 1 예에 한정되는 것이 아니라, 다양한 변화(Variation)를 생각할 수 있다. 도 12는 제 2의 예에 따른 돛부(4)의 동작 설명도이다. 공전 각도 θ = 0 °에서 수풍 면적(受風面積)이 최소가 되는 돛부(4)는 공전 각도 θ가 커짐에 따라 수풍 면적(受風面積)을 점차 증가하면서 공전 각도 θ = 180 °에서 수풍 면적(受風面積)이 최대가 된다. 그 후 공전 각도 θ가 커짐에 따라 수풍 면적(受風面積)이 점차 감소하면서 공전 각도 θ = 360 ° (= 0 °)에서 수풍 면적(受風面積)이 다시 최소가 된다. 이에 따라 파선(破線 점선)으로 나타낸 공전 원의 상반부와 하반부에서 수풍 면적(受風面積)의 차이에 기인한 수풍(受風)의 불균형(Unbalance)이 생긴다. 이에 따라 돛부(4)는 시계 방향 반대로 회전(공전)한다.

다음은 도 13을 참조하면서 제 2의 예와 같이 돛부(4)를 작동시키는 가이드 궤적(5)의 구체적인 수식에 대해 설명한다. 돛부(4)의 동작은 파선(破線 점선)으로 나타낸 공전 원 T(원형) 및 실선(實線)으로 나타낸 엔드리스(Endless)적인 가이드 궤적 G의 두 개에 따라 결정된다.

먼저, 모든 좌표의 원점 T₀를 (x, y) = (0,0)로 정한다. 공전 원 T는 원형(True circle)으로서, 회전체(回轉體; 2c)의 원형(眞円)인 동시에 돛부(4)의 자전 중심의 궤적을 나타내고, (식 -6)으로 표시된다.

[수식 11]

가이드 궤적 G는 돛부(4)의 지점 양끝 가이드를 나타내며, 다음과 같은 순서로 구할 수 있다. 또한 θ_T과 θ_P와의 관계는 (식 -7)로 부여된다.

[수식 12]

또한 돛부(4)의 양끝인 P_OS와 P_IS, 돛부(4)의 중심인 S₀(0, -r_T)의 4 점은 반드시 직선으로 연결할 수 있다.

먼저, 중심이 돛부(4)의 중심점과 동일하며, 중심에서 돛부(4)의 지점까지가 반경 r_S이 되는 작은 원 S(원형)를 그린다. 작은 원 S의 중심 좌표 S₀는 항상 공전 원 T위에 있고, (식 -6)로부터 (식 -8 (a)) 및 (식 -8 (b))로 표현된다.

[수식 13]

가이드 궤적 G의 외측(Outside)의 원 P_OS의 좌표는 (식 -9 (a)) 및 (식 -9 (b))로 표현된다.

[수식 14]

가이드 궤적 G의 내측(Inside)의 원형 P_IS의 좌표는 (식 -9 (c)) 및 (식 -9 (d))로 표현된다.

[수식 15]

따라서 초기 조건으로 r_T와 r_S를 부여하면 공전 원 T는 (식 -8 (a)) 및 (식 -8 (b)) (또는 (식 -6))에 의해, 가이드 궤적 G는 (식 - 9 (a)) ~ (식 -9 (d))에 의해 얻을 수 있다.

결론적으로 제 2의 예에 따른 가이드 궤적 G는 돛부(4)의 공전 반경을 r_T, 돛부(4)의 자전 반경을 r_S, Y 축의 음의 방향(負方向)을 기준으로 한 돛부(4)의 공전 각도를 θ로 하는 경우, 아래 식으로 표현된다.

[수식 16]

도 14는 제 3의 예에 따른 공전 원 T와 가이드 궤적 G와의 관계를 나타내는 도면이다. 공전 원 T는 제 1 및 제 2의 예와 같이 가이드 궤적 G와 오버랩 (Overlap)하고 있을 필요는 없고, 가이드 궤적 G의 외측에 배치되어 있어도 좋다.

이와 같이 본 실시 형태에 따르면 가이드 궤적(5)를 이용하여 돛부(4)의 공전 과정에서 자전 각도를 규정하고, 돛부(4)의 자전 각도의 조정을 실시한다. 돛(帆; 4a)의 수풍 면적(受風面積)은 순풍 시에는 최대(약 100 %), 역풍 시에는 최소(약 0 %)가 된다. 이것을　통해 수풍 면적(受風面積)의 차이에 기인한 수풍(受風)의 불균형(Unbalance)이 효율적으로 발생하여 돛부(4)가 회전 (공전)한다. 그 결과 유체 에너지(풍력)를 회전 에너지(회전력)로 유효하게 변환할 수가 있다. 또한 풍속 이하의 회전속도에서도 충분히 높은 토크(Torque)를 얻을 수 있으며, 컷인(Cut in) 풍속도 낮고, 소음도 매우 작다. 나아가, 돛 장치(1)를 항력형 원동기로 사용하는 경우 양력형 원동기처럼 브레이크(Brake)를 장착할 필요가 없기 때문에 높은 풍속의 경우에도 에너지를 포기할 필요가 없다. 또한 기어(Gear) 기구 등의 복잡한 기구를 사용하지 않고, 가이드 궤적(5)과 맞물려 결합하는 결합부(係合部; 8a, 8b)에 의해 돛부(4)의 자전 각도를 규정, 조정하고 있기 때문에 기계적 에너지 손실이 적은 데다 기계적으로 손상이 일어나기 어렵고, 동작의 안정성과 안전성 향상을 도모할 수 있다. 그 결과 비교적 간단한 구조로 높은 에너지 변환 효율을 얻을 수 있어 실용성이 뛰어난 돛 장치(1)를 실현할 수 있다.

또한 본 실시 형태에 있어서, 돛부(帆部)(4)를 간격을 두고 복수 배치함과 동시에, 돛부(帆部)(4)의 각각에 대응하는 결합부(係合部)(8a, 8b)(반드시 복수일 필요는 없다)를 설치함으로써, 돛부(帆部)(4)가 1 장의 경우와 비교하여 에너지 변환을 안정적이고 효율적으로 할 수 있다.

또한 본 실시 형태에 있어서, 돛부(4)의 양 끝에 가이드 궤적(5)를 각각 배치하고, 결합부(8a, 8b)를 통해 돛부(4)를 양 끝 쪽에서 지지하는 것으로 돛부(4)의 지지 강도가 높아지고, 돛 장치(1)의 동작 안정성 및 기계적인 강도의 향상을 도모할 수 있다.

나아가, 본 실시 형태에 있어서, 돛부(4)의 한 쪽 끝 또는 양 쪽 끝에서 복수의 결합부(8a, 8b)를 설치하여 돛부(4) 지지점의 수(數)를 늘림으로써 돛 장치(1)의 동작 안정성 및 기계적 강도의 향상을 도모할 수 있다.

또한 서두에서도 언급한 바와 같이 본 실시 예에 따른 돛 장치(1)는 유체 에너지를 회전 에너지로 변환하는 용도뿐만 아니라 회전 에너지를 유체 에너지로 변환하는 용도로도 사용할 수 있음에 유의해야 한다.

(제 2 실시 형태)

제 2 실시 형태는 상술한 제1의 실시 형태에 따른 돛 장치(1)를 복수로 조합한 구성에 관한 것이다. 도 15는 본 실시 형태에 따른 돛 장치(일단 측)의 평면도이다. 이 돛 장치(10)는 부착판(11)에 설치된 복수의 돛 장치(1)를 주체로 구성되어 있다. 부착판(11)의 중앙에는 지지 축(支持軸)(12)이 상하로 관통하고 있으며, 이에 따라 부착판(11)은 지지축(12)에 대해 요동자재(搖動自在)인 상태에서 지지를 받고 있다. 한 쪽의 돛 장치(1)는 지지축(12)의 오른쪽에 배치되는 동시에, 다른 쪽의 돛 장치(1)는 지지축(12)의 왼쪽에 배치되어 있다. 좌우의 돛 장치(1)의 가이드 궤적(5)은, 부착판(11)을 좌우로 이등분(二等分)하는 직선 L에 대해 선대칭(線對稱)인 궤적을 갖고 있다.

본 실시 형태에 있어서, 상술한 제 1의 실시형태와 동일한 효과를 얻는 것 이외에, 가이드 궤적(5)이 선대칭(線對稱)이 되도록 좌우의 돛 장치(1)을 배치함으로써 풍향과 마주하도록 돛 장치(10)의 방향을 자동 조절할 수 있다. 왜냐하면 풍향(風向)에 대해 돛 장치(10)가 기울어져 있는 경우 좌우의 돛 장치(1)에 대한 수풍(受風, 즉 외력)에 불균형(Unbalance)이 생기는데, 이 불균형(Unbalance)을 해소하도록 부착판(11)이 지지축(支持軸)(12)의 주위를 회전하기 때문이다. 또한 특히, 이 도면에 나타낸 바와 같이 좌우의 돛 장치(1)가 가장 근접하는 부분(직선 L 근방)에서 돛부(帆部)(4)의 수풍 면적이 최소가 되도록 가이드 궤적(5)을 배치하면, 좌우의 돛 장치(1)를 더욱 근접시킬 수 있기 때문에 돛 장치(10) 전체의 콤팩트(Compact)화를 도모할 수 있다.

(제 3의 실시 형태)

제 3의 실시 형태는 상술한 제 2 실시 형태에 따른 돛 장치(10)에 집풍기구(集風機構)를 추가한 구성에 관한 것이다. 도 16은 본 실시 형태에 따른 돛 장치의 외관 사시도(斜視圖)이다. 이 돛 장치(20)는 상술한 돛 장치(10) 이외에, 설치대(13)와 집풍기구(集風機構)(14)를 주체로 구성되어 있다. 설치대(13)는 대략 원형상을 갖고, 그 중심축에는 복수의 연결봉(連結棒)(15)이 자유롭게 회전 가능(回轉自在)하게 설치되어 있다. 돛 장치(10)의 좌우에는, 집풍기구(集風機構)(14)를 구성하는 한 쌍의 플랩(Flap)(14a, 14b)이 자유롭게 개폐 가능(開閉自在)하게 설치되어 있다. 돛 장치(10) 및 플랩(Flap)(14a, 14b)에는 바퀴(Wheel)(16)가 설치되어 있는 것과 함께 복수의 연결봉(連結棒)(15)이 설치되어 있다. 플랩(Flap)(14a, 14b)에 장착되는 연결봉(15)은 플랩(Flap)(14a, 14b)의 개폐(開閉)를 방해하지 않도록 신축성이 있지만, 태풍 등이 불지 않는 통상시의 사용에는 연결봉(15)의 길이는 일정한 길이로 고정되어 있다. 이상과 같은 구성에 의해 돛 장치(10)는 집풍기구(集風機構)(14)에 의해 모아진 바람이 공급됨과 동시에, 바람의 방향에 따라 설치대(13) 위를 회전한다.

해상 등에서는 충분한 풍력(평균 풍속이 7m/s 이상)을 얻을 수 있는 반면, 주거 지역 등에서는 충분한 풍력을 얻지 못할 것으로 예상된다(평균 풍속이 2m/s 정도). 따라서 본 실시 형태에서는 바람을 모으는 기능으로 집풍기구(集風機構)(14)를 설치한다. 즉, 손을 펼친 것과 같은 상태에서 돛 장치(10)의 양 측에 설치된 판자형상(板??)의 플랩(Flap)(14a, 14b)이 바람을 끌어 모아 풍량(유량)을 얻을 수 있다. 반대로, 이러한 플랩(Flap)(14a, 14b)은 예를 들면 태풍 시에는 접거나 제거하는 것으로 파손 등의 피해를 피할 수 있게 된다. 이와 함께, 본 실시 형태에서는 돛 장치(10)가 자동적으로 풍향 쪽으로 향하게 하는 기능으로 연결봉(15) 및 바퀴(16)로 이루어진 회전기구를 설치, 자동적으로 풍향과 정면으로 마주하게 한다. 즉, 설치대(13)의 중심 축에는 연결봉(連結棒)(15)이 자유롭게 요동(搖動自在) 및/또는 회동 가능(回動自在)하게 설치되어 있으며, 360도 회전 가능한 바퀴(Wheel)(16)에 따라 돛 장치(10)는 매끄럽게 설치대(13) 위를 회전하면서 움직인다. 따라서 돛 장치(10)는 자동으로 풍향에 정면으로 마주하게 된다.

본 실시 형태에 있어서, 상술한 각 실시 형태와 동일한 효과를 나타내는 것 이외에, 특히 집풍기구(集風機構)(14)에 의해 입력 풍량을 증대시킬 수 있다. 거기에 더해, 이 돛 장치(10), 플랩(Flap)(14), 연결봉(15)의 세트(Set)를 위로 쌓아 올리면 입력 풍량과 에너지 변환량을 증대시킬 수 있다. 또한 최상단의 지지체(2)(위측)에도 플랩(Flap)을 장착시킴으로써 더욱 입력 풍량을 증대시켜도 된다. 또한 플랩(Flap)의 구조와 형상은 유체를 모으는 기능을 가지고 있으면 어떤 것이라도 좋고, 예를 들면 평평한 플레이트, 곡면 모양의 플레이트, 프레임과 시트(Sheet) 등을 조합하는 것 등 기능면, 디자인 측면 등을 감안해 자유롭게 설정할 수 있다.

또한 상술한 각 실시형태에 있어서, 바람을 모으는 기구는 돛 장치(10)의 벽면(壁面)(지지체 2 이외의 면)에 부가(付加)할 수 있다. 이 경우 돛 장치(10)의 전면(前面)에서 유입해 오는 바람이 후면(後面)으로부터 유출해가는 과정에서 왼쪽 면과 오른쪽 면에서 바람이 새어 나가는 것을 방지함으로써 에너지 변환 효율을 해치지 않는다. 이 기구는 플랩(Flap) 또는 플레이트로 형성할 수 있는 것 이외에, 시트(Sheet)(필요에 따라 프레임으로 강화) 등으로도 형성할 수 있다. 또한 돛 장치(10)를 설치하는 벽, 바닥, 천장 등에도 동일한 기능을 갖게 해도 된다. 또한 전면(前面) 부근 근방에는 유입해오는 바람이 돛부(4)에 효율적으로 닿도록 풍향 변화 및 바람의 압축(고밀도화)을 위한 부재(部材)를 설치해도 된다. 이 부재는 예를 들어 관형(筒狀)의 부재를 수직으로 나누어 선두(先頭), 선단(先端)을 세우는 모양 또는 둥근 모양을 갖게 한 형태로 할 수 있다. 이 부재에 의하여 바람과 반대 방향으로 움직이는 돛부(4)에 바람이 닿기 어렵고, 바람과 순방향으로 움직이는 돛부(帆部)에 보다 고밀도의 바람이 닿기 때문에 에너지 변환 효율을 더욱 더 향상시킬 수 있다. 이 부재는 본 실시 형태뿐만 아니라 제 1의 실시 형태 등에서도 형상(形狀)을 고안하고 사용할 수 있다.

(제 4 실시 형태)

상술한 제 1 내지 제 3 실시 형태는 유체와 접(接)하는 돛(帆)의 움직임에 따라 유체 에너지를 회전 에너지로 변환하고, 또는 회전 에너지를 유체 에너지로 변환하는 에너지 변환기구 에 주안점을 둔 것인 반면, 제 4의 실시 형태는 예를 들어 광고선전 용도로서, 돛부(帆部)의 주면(周面)을 단순히 공전, 자전시키는 것이다. 도 17은 본 실시 형태에 따른 돛 장치의 외관 사시도(斜視도(圖))이다. 이 돛 장치(30)는 지지체(31)와 1 개의 돛부(帆部)(32)와 가이드 궤적(33)과 결합부(係合部)(34)를 주체로 구성되어 있다. 지지체(31)는 대략 원 형상을 가지고 있고, 대략 중심에는 돛부(帆部)(32)에 연결된 크랭크(Crank)(35)가 회전 가능하게 설치되어 있다. 이 크랭크(Crank)(35)에 따라 돛부(帆部)(32)는 지지체(31) 위를 회전 가능하게 하는 한편, 지지체(31)의 축 주위를 공전하게 된다. 또한 돛부(帆部)(32)의 하부(下方)에는 복수의 바퀴(Wheel)(36)가 설치되어 있다. 또한 돛부(帆部)(32)는 선전 광고 등이 인쇄된 광고판과 이를 표시하는 평면 패널 디스플레이(panel display)로 구성되어 있다. 한편, 가이드 궤적(33)은 엔드리스(Endless) 궤적이고, 돛부(帆部)(32)의 공전 과정에서 자전 각도를 규정한다. 예를 들어 도 17의 경우, 가이드 궤적(33)은 상술한 수식 16에서 3r_T = r_S의 경우, 자전 반경이 공전 반경의 3 배의 경우를 얻을 수 있다. 결합부(係合部)(34)는 돛부(帆部)(32)와 가이드 궤적(33)를 결합하고, 돛부(32)를 가이드 궤적(33)에 따라 변위시킨다. 또한 바퀴(Wheel)(37)에 따라 가이드 궤적(33)은 자유롭게 회전할 수 있기 때문에 지지체(31)을 제외한 돛 장치(30) 전체가 가장 효율이 좋은 풍향으로 방향을 자동으로 조절할 수 있다.

이 돛 장치(30)는 다음과 같은 특징을 갖추고 있다. 첫째로, 돛부(32)가 1 장을 전제 조건으로 하고, 자전 반경 또는 돛부(32)의 크기가 크더라도 다른 부재와 충돌할 수 없다. 둘째로, 돛부(32)의 크기를 크게 취할 수 있으므로 충분한 풍력(유체력)을 얻을 수 있어, 돛부(32)가 1 장이라 하더라도 공전, 자전 에너지를 풍력(유체력)에 충당함과 동시에, 전기식 장식(電飾), 라이트 업(Light up) 등에 필요한 에너지를 자가 발전으로 조달한다. 셋째로, 자전 반경 또는 돛부(32)의 크기에 비해, 공전 반경이 작기 때문에 설치 공간의 콤팩트화를 도모할 수 있다. 넷째로, 돛부(32)에 예를 들어 화면 비율(Aspect Ratio)이 16: 9이나 4: 3의 디스플레이(Display)를 장착하면 다양한 이미지, 영상 콘텐트(Content)를 활용할 수 있고, 콘텐트는 인터넷 등을 통해 무궁무진하게 공급할 수 있다. 다섯째로, 공전 속도, 자전 속도가 느린 것이 오히려 광고로서의 기능을 수행하는데 효과적이며, 360도 어느 방향으로도 디스플레이를 보여줄 수 있게 된다. 또한 돛부(32)의 공전과 자전은 풍력만으로도 좋지만, 모터(Motor) 등을 보조적으로 함께 사용해도 좋고, 또는 모터(Motor) 등을 주동력원으로 사용하여도 좋다.

본 실시 형태에 있어서, 공전 과정에서 돛부(32)의 자전 각도를 가이드 궤적(33)에 의해 규정함으로써 돛부(32)의 주면(主面)(선전 광고면)의 표현법을 제어할 수 있으므로 홍보 광고 효과의 향상을 도모할 수 있다.

또한 본 실시 형태에 있어서, 광고 선전용도 이외로는, 예를 들어 돛부(32)에 거울 등의 반사판이나 복잡한 반사를 하는 시트(Sheet) 및 필요에 따라 조명등을 장착하면 농업에 있어서의 동물이나 조류에 대한 대책 용도로, 또는 조난이나 재해 등 비상시의 신호 용도로도 사용 가능하다. 이 경우 조명등은 지지체(31) 측에 설치하여도 좋다.

또한 상술한 각 실시 형태에 있어서, 돛부(4)의 돛면(帆面)이나 지지체(2)의 외면(外面) 등에 태양 전지 등을 장착하면 복수 종류의 재생 에너지를 이용할 수 있다.

1, 10, 20, 30: 돛 장치 2, 31: 지지체
2a: 외부 가이드 플레이트 2b: 내부 가이드 플레이트
2c: 회전체(回轉體) 2d: 베이스 플레이트
3: 연결봉(連結棒) 4, 32: 돛부(帆部)
4a: 돛(帆) 4b: 자전축(自轉軸)
4c: 프레임 4d: 시트(Sheet)
5, 33: 가이드 궤적 5a, 5b: 오목부
6: 장착 구멍 7: 원형 간극
8a, 8b, 34: 결합부 9: 가동식 이음매
11: 부착판 12: 지지축
13: 설치대 14: 집풍기구(集風機構)
15: 연결봉(連結棒) 16, 36, 37: 바퀴(Wheel)
35: 크랭크

Claims

돛 장치에 있어서,
지지체와,
판상체(板狀體) 또는 시트가 부착된 프레임으로 구성된 돛과, 상기 판상체의 단부 또는 상기 프레임의 단부로부터 돌출되어 설치되고, 상기 지지체에 자유롭게 자전 가능하게 설치된 자전축을 구비하여, 상기 지지체의 축 주위를 공전하는 돛부(帆部)와,
상기 지지체에 설치되고, 상기 돛부(帆部)의 공전 과정에서 자전 각도를 규정하는 엔드리스(Endless) 가이드 궤적과,
상기 판상체의 단부 또는 상기 프레임의 단부로부터 상기 자전축의 방향으로 돌출하여 설치되고, 상기 지지체에 설치된 상기 가이드 궤적에 변위자재로 설치됨으로써 상기 돛부(帆部)와 상기 가이드 궤적을 결합하여, 상기 돛부(帆部)를 상기 가이드 궤적을 따라 변위시키는 결합부를 포함하고,
상기 결합부는 상기 단부에서 상기 자전축의 주위에 각각 돌출하여 설치되고, 상기 가이드궤적에 변위 자재로 설치된 복수의 결합부를 구비하는 것을 특징으로 하는 돛 장치.
제1항에 있어서, 상기 가이드 궤적은 상기 돛부(帆部)의 공전 반경을 r_T, 상기 돛부(帆部)의 자전 반경을 ｒ_P, X 축의 정방향을 기준으로 한 상기 돛부(帆部)의 공전 각도를 θ라고 하면, 아래 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 돛 장치.
[수식 17]
제1항에 있어서, 상기 가이드 궤적은 상기 돛부(帆部)의 공전 반경을 rT, 상기 돛부(帆部)의 자전 반경을 rs, Y 축의 부방향(負方向)을 기준으로 한 상기 돛부(帆部)의 공전 각도를 θ라고 하면, 아래 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 돛 장치.
[수식 18]
제1항에 있어서, 상기 지지체(2)는 외부 가이드 플레이트(2a)와 내부 가이드 플레이트(2b)와 원반 모양의 회전체(2c)와 베이스 플레이트(2d)를 갖고, 상기 3 개의 플레이트(2a, 2b, 2d)에 의해 상기 회전체(2C)가 끼워진 형태로 조립되되, 상기 회전체(2c)는, 내부 가이드 플레이트(2b)의 원통형 부위가 삽입되며, 그 상하(上下)는 상기 가이드 플레이트(2a, 2b)와 상기 베이스 플레이트(2d)에 의해 끼워져, 상기 원통형 부위에 따라 위치가 정해진 상태에서, 상기 지지체(2)의 내부에 자유롭게 회전이 가능하게 수용되는 것을 특징으로하는 돛 장치.
제1항에 있어서, 상기 결합부는 가동식(可動式) 이음매를 통해 상기 돛부(帆部)의 끝부분(端部)에 설치되어 있는 것을 특징으로 돛 장치.
제1항에 있어서, 상기 가이드 궤적은 상기 돛부(帆部)의 일단부에 배치된 제 1의 가이드 궤적과, 상기 돛부(帆部)의 타단부에 배치되는 것과 동시에, 상기 제 1 가이드 궤적과 대향(對向)한 상태에서 상기 제 1 가이드 궤적과 동일하거나 또는 유사한 궤적 형태를 갖는 제 2 가이드 궤적을 갖고 있으며, 상기 결합부는 상기 돛부(帆部)의 일단부와 상기 제 1 가이드 궤적을 결합하는 제 1 결합부(係合部)와, 상기 돛부(帆部)의 타단부와 상기 제 2 가이드 궤적을 결합하는 제 2 결합부(係合部)를 포함하는 것을 특징으로 돛 장치.
제1항에 있어서, 상기 지지체(支持)는, 상기 돛 부(帆部)의 일단 측(一端側)에 배치된 제1 지지체와, 상기 돛 부(帆部)의 다른 단측(端側)에 배치된 제2 지지체를 구비하며, 상기 제1 지지체 및 상기 제2 지지체는, 복수의 연결봉에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 돛 장치.
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