KR20200024261A

KR20200024261A - 에너지 발생 장치

Info

Publication number: KR20200024261A
Application number: KR1020207002694A
Authority: KR
Inventors: 아나톨 코노뉴스키; 마크 맥컷천
Original assignee: 클린 파워 피티와이 엘티디
Priority date: 2017-07-03
Filing date: 2018-07-03
Publication date: 2020-03-06
Also published as: CN110800201B; JP2023153939A; WO2019006499A1; ZA202000462B; CN110800201A; AU2018295561A1; US20200158095A1; AU2018295561B2; EP3649727A4; JP7824659B2; CA3064453A1; JP2020526177A; US11300109B2; EP3649727A1; US20220220946A1

Abstract

본 발명은 광범위하게 플라이휠 어셈블리(12), 플라이휠 어셈블리(12)에 작동 가능하게 결합되는 구동 수단(14) 및 플라이휠 어셈블리(12)에 추출 수단(18)을 통해 작동 가능하게 결합되는 에너지 발생기(16)를 포함하여 전기를 생산하기 위한 장치(10)에 관한 것이다. 구동 수단(14)은 바이어싱 수단(20)에 저장된 에너지를 제공하도록 배열된 액추에이터(22)에 연결된 바이어싱 수단(20)을 포함한다. 장치(10)는 또한 플라이휠 어셈블리(12)와 바이어싱 수단(20) 사이에 결합되는 트랜스미션 수단(24)을 포함하며, 바이어싱 수단(20)으로부터 저장된 에너지의 방출이 모멘텀을 얻는 플라이휠 어셈블리(12)의 회전에 영향을 미치는 구동력을 제공한다. 추출 수단(18)은 플라이휠 어셈블리(12)의 모멘텀의 빠른 추출을 위해 배열된다. 에너지 발생기(16)는 플라이휠 어셈블리(12)의 빠르게 추출된 모멘텀으로부터 전기를 발생시킨다.

Description

에너지 발생 장치

본 발명은 광범하게 통상적으로 전기 형태의 에너지를 생산하기 위한 장치에 관한다.

해당 기술분야에 알려져 있는 다양한 플라이휠 발전기가 있다. 이러한 발전기들은 일반적으로 플라이휠을 회전시키도록 배열된 스타터 모터를 포함하며, 이는 발전기를 구동하여 전력을 생산한다. 미국 특허 공보 번호 2007/0120430은 미리 결정된 횟수의 회전 후에 플라이휠을 구동하는 자기 회로에서 전기 펄스의 고정 전자석들과 협력하는 일련의 영구 자석을 포함하는 이러한 종래 기술 유형의 발전기를 설명한다. 플라이휠은 플라이휠이 충분한 속도에 도달하고 자체 관성 하에서 계속 회전할 때까지 고정 전자석들에 전기 펄스들을 인가하는 발전기에 결합된다. 플라이휠은 약 400rpm의 비교적 빠른 속도로 회전한다. 미국 특허 번호 6,624,542는 플라이휠을 그것의 회전 관성이 관련 발전기에서 전력으로 변환되는 최고 속도로 가속하도록 설계된 모터를 갖는 다른 종래 기술의 발전기를 설명한다. 발전기를 최대 40,000rpm의 높은 작동 속도로 효율적으로 작동시키기 위해 발전기는 플라이휠 전원의 방전 동안 발생되는 열을 흡수하도록 설계된 냉각 시스템을 포함한다.

본 발명의 제1 양태에 따르면 다음을 포함하는 에너지 생산 장치가 제공된다:

회전하도록 배열된 플라이휠 어셈블리;

상기 플라이휠 어셈블리에 작동 가능하게 결합되는 구동 수단으로서, 바이어싱 수단을 바이어싱하여 상기 바이어싱 수단에 저장된 에너지를 제공하도록 배열된 액추에이터에 연결된 상기 바이어싱 수단을 포함하는, 상기 구동 수단;

상기 플라이휠 어셈블리과 상기 바이어싱 수단 사이에 결합되는 트랜스미션 수단으로서, 상기 바이어싱 수단으로부터 저장된 상기 에너지의 방출이 모멘텀을 얻는 상기 플라이휠 어셈블리의 회전에 영향을 미치도록 상기 트랜스미션 수단을 구동하는 구동력을 제공하는, 상기 트랜스미션 수단;

상기 플라이휠 어셈블리의 상기 모멘텀의 빠른 추출을 위해 상기 플라이휠 어셈블리에 작동 가능하게 결합되는 추출 수단;

상기 플라이휠 어셈블리의 빠르게 추출된 상기 모멘텀으로부터 에너지를 발생시키기 위한 상기 추출 수단과 연관되는 에너지 발생기.

바람직하게는 상기 액추에이터는 구동 모터의 영향을 받아 바이어싱됨에 따라 상기 바이어싱 수단에 저장된 상기 에너지를 제공하는 상기 바이어싱 수단에 결합되는 상기 구동 모터를 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 바이어싱 수단은 이완시 상기 바이어싱 수단의 상기 구동력을 제공하는 저장된 스프링 에너지를 제공하는 스프링에 응력을 가하도록 회전되는 상기 구동 모터에 결합되는 상기 스프링을 포함한다. 훨씬 더 바람직하게는, 상기 스프링은 상기 트랜스미션 수단에 연결되는 비틀림 스프링 어셈블리이며, 상기 비틀림 스프링 어셈블리는 그것의 저장된 스프링 에너지를 방출함에 따라 상기 플라이휠 어셈블리의 회전을 위한 상기 구동력을 제공하도록 배열되는 비틀림 스프링에 응력을 가하기 위해 상기 구동 모터를 통해 상기 트랜스미션 수단에 관해 감기도록 구성되는 상기 비틀림 스프링을 포함한다. 한층 더 바람직하게는, 상기 스프링은 상기 트랜스미션 수단에 연결되는 정토크 스프링 어셈블리(constant torque spring assembly)이며, 상기 정토크 스프링 어셈블리는 그것의 저장된 스프링 에너지를 방출함에 따라 상기 플라이휠 어셈블리의 회전을 위한 상기 구동력을 제공하도록 배열되는 정토크 스프링에 응력을 가하기 위해 상기 구동 모터를 통해 상기 트랜스미션 수단에 관해 감기도록 구성되는 상기 정토크 스프링을 포함한다. 훨씬 더 바람직하게는, 상기 구동 모터는 상기 바이어싱 수단에 저장된 상기 스프링 에너지를 제공하기 위해 감소된 시간 기간 동안 상기 바이어싱 수단을 빠르게 바이어싱하도록 설계된다.

바람직하게는, 상기 바이어싱 수단은 상기 구동 모터를 통해 상기 바이어싱 수단으로 달성할 수 있는 최대 변위에 관해 감소된 변위로 바이어싱되도록 설계된다. 더 바람직하게는, 상기 바이어싱 수단은 연속적인 단계들로 상기 감소된 변위로 바이어싱되도록 설계된다. 훨씬 더 바람직하게는, 상기 바이어싱 수단은 상기 연속적인 단계들의 선행하는 단계에서 상기 바이어싱 수단의 실질적인 최대 이완 이전에 계속되는 단계에서 상기 감소된 변위로 바이어싱되도록 설계된다.

바람직하게는, 상기 트랜스미션 수단은 상기 플라이휠 어셈블리의 회전을 위해 상기 바이어싱 수단과 상기 플라이휠 어셈블리 사이에 연결되는 구동 결합을 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 구동 결합은 상기 바이어싱 수단 및 상기 플라이휠 어셈블리의 주변부 주위에 둘러싸이는 연속적인 구동 벨트를 포함한다. 대안적으로, 상기 구동 벨트는 상기 바이어싱 수단 및 상기 플라이휠 어셈블리와 연관되는 비교적 작은 직경의 스핀들 주위에 둘러싸인다. 훨씬 더 바람직하게는, 상기 구동 수단은 또한 상기 바이어싱 수단에 저장된 상기 에너지가 적어도 우세하게 방출되는 것과 실질적으로 동시에 또는 직후에 상기 액추에이터 또는 상기 트랜스미션 수단 중 어느 하나로부터 상기 바이어싱 수단을 분리함으로써 상기 액추에이터와 독립적인 상기 플라이휠 어셈블리의 계속된 회전을 가능하게 하도록 상기 바이어싱 수단에 작동 가능하게 결합되는 구동 클러치를 포함한다.

바람직하게는, 상기 추출 수단은 상기 플라이휠 어셈블리에 관한 상기 에너지 발생기의 빠른 회전을 위해 상기 플라이휠 어셈블리와 협력하도록 배열된 추출 결합 어셈블리를 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 에너지 발생기는 상기 추출 수단에 작동 가능하게 연결되는 회전자의 빠른 회전 하에서 전기를 생산하도록 함께 협력하는 고정자 내에 장착되는 상기 회전자를 포함하는 전자기 발생기이다. 훨씬 더 바람직하게는, 상기 추출 수단은 또한 상기 플라이휠 어셈블리의 상기 모멘텀의 추출시 빠른 회전을 위해 상기 회전자를 점진적으로 가속하기 위해 상기 추출 결합 어셈블리와 상기 회전자 사이에 배열된 완충기를 포함한다. 훨씬 더 바람직하게는, 상기 추출 결합 어셈블리는 상기 플라이휠 어셈블리 및 상기 회전자와 연관되는 비교적 작은 직경의 풀리의 주변부 주위에 둘러싸이는 연속적인 추출 벨트를 포함하며, 상기 풀리는 그것의 빠른 회전을 위해 상기 회전자에 관해 구성된다. 한층 더 바람직하게는, 상기 전자기 발생기는 상기 구동 수단의 상기 액추에이터에 작동 가능하게 결합되며 이에 의해 상기 전자기 발생기에 의해 생산되는 상기 전기가 상기 액추에이터에 전력을 공급하도록 재생된다. 나아가 훨씬 더 바람직하게는, 상기 전자기 발생기는 상기 발생기에 의해 생산되는 상기 전기를 저장하기 위해 하나 이상의 커패시터와 연관되며, 상기 커패시터들은 저장된 상기 전기에 의해 충전되고 상기 액추에이터에 전력을 공급하도록 배열되는 하나 이상의 배터리와 연관된다.

바람직하게는, 상기 추출 수단은 또한 상기 트랜스미션 수단이 상기 플라이휠 어셈블리의 회전에 영향을 미치는 동안 상기 플라이휠 어셈블리 또는 상기 에너지 발생기 중 어느 하나를 상기 추출 결합 어셈블리에서 분리함으로써, 상기 추출 수단과 독립적인 상기 트랜스미션 수단에 의한 상기 플라이휠 어셈블리의 회전을 가능하게 하도록 상기 추출 결합 어셈블리에 작동 가능하게 결합되는 추출 클러치를 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 추출 결합 어셈블리는 상기 플라이휠 어셈블리가 충분한 모멘텀을 빌트업하면 상기 플라이휠 어셈블리 모멘텀의 추출을 위해 상기 플라이휠 어셈블리 또는 상기 에너지 발생기 중 어느 하나와 체결하도록 배열된다.

바람직하게는, 상기 추출 결합 어셈블리는 상기 플라이휠 어셈블리에 관한 상기 발생기의 회전 속도를 증가시키기 위해 상기 플라이휠 어셈블리와 상기 에너지 발생기에 작동 가능하게 결합되는 기어 어셈블리를 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 기어 어셈블리는 연속 가변형 트랜스미션(continuously variable transmission)을 포함한다.

바람직하게는, 상기 장치는 유체를 함유하는 외측 챔버를 또한 포함하며, 상기 플라이휠 어셈블리가 상기 외측 챔버 내에 회전을 위해 하우징되고 상기 외측 챔버에 함유된 상기 유체 내 실질적인 중성 부력을 위해 설계된다. 더 바람직하게는, 상기 플라이휠 어셈블리는 플라이휠이 장착되는 부유 용기를 포함하며, 상기 부유 용기는 상기 플라이휠 어셈블리가 상기 외측 챔버에 함유된 상기 유체 내 실질적인 중성 부력을 보장하도록 충분한 부력을 갖는다. 훨씬 더 바람직하게는, 상기 플라이휠은 비교적 조밀한 물질로 구성되고 실질적으로 환상형을 갖는다. 훨씬 더 바람직하게는, 상기 부유 용기는 실질적으로 원통형 드럼 형태로 형성된다.

바람직하게는, 상기 플라이휠 어셈블리는 플라이휠에 연결되는 회전 부재를 포함하며, 상기 회전 부재는 상기 구동 수단 및 상기 추출 수단 양자에 작동 가능하게 결합된다. 더 바람직하게는, 상기 플라이휠은 상기 회전 부재에 실질적으로 수직하게 배열되고 공동 축을 가지고 고정되는 샤프트, 및 각각 상기 샤프트에 피벗 가능하게 결합되는 일 단부에 또는 그에 인접하게 있는 복수의 피벗 아암을 포함한다. 훨씬 더 바람직하게는, 상기 플라이휠은 또한 상기 복수의 피벗 아암의 각각의 대향하는 단부에 연결되는 복수의 가중 요소를 포함한다.

바람직하게는, 서로 네트워킹되는 복수의 상기 장치 중 하나이다.

본 발명의 제2 양태에 따르면 다음을 포함하는 에너지 생산 방법이 제공된다:

플라이휠 어셈블리와 연관된 바이어싱 수단을 작동시키는 단계로서, 상기 바이어싱 수단의 상기 작동이 그것을 바이어싱함으로써 상기 바이어싱 수단에 저장된 에너지를 제공하는, 상기 바이어싱 수단을 작동시키는 단계;

모멘텀을 얻는 상기 플라이휠 어셈블리의 회전에 영향을 미치도록 상기 플라이휠 어셈블리에 구동력을 제공하기 위해 상기 바이어싱 수단에 저장된 상기 에너지를 방출하는 단계;

상기 플라이휠 어셈블리의 상기 모멘텀을 빠르게 추출하는 단계;

상기 플라이휠 어셈블리의 빠르게 추출된 상기 모멘텀을 동력원으로 이용하도록 배열된 에너지 발생기를 통해 에너지를 발생시키는 단계.

바람직하게는, 상기 바이어싱 수단의 작동은 연장된 시간 기간 동안 상기 바이어싱 수단의 비교적 느린 바이어싱과 비교하여 감소된 시간 기간 동안 상기 바이어싱 수단에 저장된 상기 에너지를 제공하기 위해 빠르게 수행된다. 더 바람직하게는, 상기 바이어싱 수단은 상기 바이어싱 수단으로 달성할 수 있는 근사 최대 변위에 관해 감소된 변위로 바이어싱된다. 훨씬 더 바람직하게는, 상기 바이어싱 수단은 연속적인 단계들로 상기 감소된 변위로 바이어싱된다. 한층 더 바람직하게는, 상기 바이어싱 수단은 상기 연속적인 단계들의 선행하는 단계에서 상기 바이어싱 수단의 실질적인 최대 이완 이전에 계속되는 단계에서 상기 감소된 변위로 바이어싱된다.

바람직하게는, 상기 바이어싱 수단에 저장된 상기 에너지를 방출하는 단계는 상기 바이어싱 수단에 저장된 상기 에너지가 우세하게 방출되는 것과 실질적으로 동시에 또는 직후에 관련 액추에이터 또는 트랜스미션 수단 중 어느 하나로부터 상기 바이어싱 수단을 분리함으로써 상기 플라이휠 어셈블리의 계속된 회전을 가능하게 하는 것을 수반한다.

바람직하게는, 상기 플라이휠 어셈블리의 상기 모멘텀을 빠르게 추출하는 단계는 상기 플라이휠 어셈블리에 관해 상기 에너지 발생기를 빠르게 회전시키는 단계를 수반한다. 더 바람직하게는, 상기 플라이휠 어셈블리에 관한 상기 에너지 발생기의 상기 회전 속도의 비는 적어도 약 100 대 1이다. 훨씬 더 바람직하게는, 상기 에너지 발생기는 상기 플라이휠 어셈블리에 관한 빠른 회전을 위해 점진적으로 가속된다.

바람직하게는, 상기 에너지 발생기로부터 발생되는 상기 에너지는 상기 바이어싱 수단에 저장된 상기 에너지를 제공하는 데 상기 바이어싱 수단을 작동시키기기 위해 재생된다.

바람직하게는, 상기 방법은 또한 실질적으로 일정한 속도로 상기 플라이휠 어셈블리의 상기 회전 속도를 통제하는 단계를 포함한다.

본 발명의 성질을 보다 잘 이해하기 위해, 에너지 생산 장치의 몇몇 실시 예가 이제 첨부 도면들을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이며, 첨부 도면들에서:
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에너지 생산 장치의 일반적 배열의 사시도이다;
도 2 및 도 3은 도 1의 실시 예의 장치로부터 취해지는 구동 수단 및 트랜스미션 수단의 부분의 확대된 사시도들이다;
도 4는 도 2 및 도 3의 실시 예로부터 취해지는 바이어싱 수단 및 액추에이터를 포함하는 구동 수단의 개략도이다;
도 5는 도 1의 실시 예의 장치로부터 취해지는 추출 수단 및 에너지 발생기의 사시도이다;
도 6은 본 발명에 따른 에너지 생산 장치의 제2 실시 예의 개략도이다;
도 7은 본 발명에 따른 에너지 생산 장치의 제3 실시 예의 개략도이다;
도 8은 대안적인 바이어싱 수단 및 액추에이터를 ?마하는 대안적인 구동 수단의 개략도이다;
도 9는 도 1 내지 도 5의 장치의 상황에서 도 8의 대안적인 구동 수단의 사시도이다;
도 10은 본 발명에 따른 에너지 생산 장치의 제4 실시 예의 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 통상적으로 전기 에너지 또는 전기 형태로 에너지를 생산하기 위한 본 발명의 제1 실시 예에 따른 장치(10)가 있다. 장치(10)는 개괄적으로 플라이휠 어셈블리(12), 플라이휠 어셈블리(12)에 작동 가능하게 결합되는 구동 수단(14) 및 플라이휠 어셈블리(12)에 추출 수단(18)을 통해 작동 가능하게 결합되는 에너지 발생기(16)를 포함한다. 이러한 실시 예의 구동 수단(14)은 바이어싱 수단(20)에 저장된 에너지를 제공하도록 배열된 액추에이터(22)에 연결된 바이어싱 수단(20)을 포함한다. 이러한 실시 예의 장치(10)는 또한 플라이휠 어셈블리(12)와 바이어싱 수단(20) 사이에 결합되는 트랜스미션 수단(24)을 포함하며, 바이어싱 수단(20)으로부터 저장된 에너지의 방출이 모멘텀을 얻는 플라이휠 어셈블리(12)의 회전에 영향을 미치는 구동력을 제공한다. 추출 수단(18)은 플라이휠 어셈블리(12)의 모멘텀의 빠른 추출을 위해 배열된다. 에너지 발생기(16)는 플라이휠 어셈블리(12)의 빠르게 추출된 모멘텀으로부터 에너지 또는 이 경우 전기를 발생시킨다.

이러한 실시 예에서, 장치(10)는 또한 회전을 위해 플라이휠 어셈블리(12)가 포함되는 외측 챔버(26)를 포함한다. 외측 챔버(26)는 프리즘형 또는 큐브형이며, 플라이휠 어셈블리(12)가 적어도 부분적으로 침지되는 유체(28)를 포함하도록 설계된다. 이러한 실시 예에서 플라이휠 어셈블리(12)는 플라이휠(32)이 장착되는 부유 용기(30)를 포함한다. 플라이휠(32)은 실질적으로 환상형이며 강철과 같은 비교적 조밀한 물질로 구성된다. 플라이휠(32)은 비교적 큰 질량을 가져 회전시 상당한 관성을 제공하고 비교적 낮은 회전 속도에서 비교적 큰 운동량을 전달한다. 부유 용기(30)는 원통형 드럼 형태이고 플라이휠 어셈블리(12)가 외측 챔버(26)의 유체(28) 내에 실질적으로 중성 부력을 갖도록 설계된다. 즉, 원통형 드럼(30)의 부력은 플라이휠 어셈블리(12)에 실질적인 중성 부력을 제공하는 플라이휠(32) 가중력에 대항한다. 외측 챔버(26) 내 유체(28)의 비중은 플라이휠 어셈블리(12)에 대한 중성 부력을 달성하기 위해 원통형 드럼(30)의 요구되는 부력에 영향을 줄 것이다. 예를 들어, 유체의 비중이 높을수록 부유 드럼(30)에 적게 의존(적은 부피를 갖는다)하고/거나 중성 부력을 유지하면서 무거운 플라이휠(32)을 견딜 것이다.

이러한 예에서, 환상형 플라이휠(32)은 플라이휠 샤프트(34)를 통해 부유 용기(30) 내에 축 방향으로 고정된다. 부유 용기 또는 드럼(30)은 플라이휠 샤프트(34)와 축 방향으로 정렬되고 부유 드럼(30)의 대향면들(38a 및 38b) 각각에 장착되는 베어링 요소 쌍(36a 및 36b)을 포함한다. 베어링 요소들(36a/b)은 외측 챔버(26)의 대향하는 각각의 내부 면들(42a 및 42b)에 고정되는 대응하는 베어링 요소들(40a 및 40b)에 회전식으로 장착된다. 그에 따라 플라이휠 어셈블리(12)는 외측 챔버(26) 내에서 자유롭게 화전하고 중성 부력 하에서 플라이휠 어셈블리(12)는 베어링 요소들(36a/40a 및 36b/40b)에 최소의 부하 및 마찰을 부여할 가능성이 있다.

도 2 및 3에서 가장 잘 보이는 바와 같이, 이러한 실시 예의 구동 수단(14)은 전기 모터(23) 형태로 액추에이터(22)에 연결되는 나선형 비틀림 스프링(21) 형태의 바이어싱 수단(20)을 포함한다. 모터(23)는 비틀림 스프링(21)을 중심 축으로부터 회전킴에 따라 스프링(21)에 응력을 가하여 저장된 스프링 에너지를 제공하기 위해 배터리(44)에 의해 전력을 공급받는다. 배터리(44)는 장치(10)의 작동을 개시하기 위해 비틀림 스프링(21)을 바이어싱할 때 전기 모터(23)에 초기 전력을 공급하기에 충분히 충전되어야 한다는 것을 이해해야 한다. 이러한 실시 예의 트랜스미션 수단(24)은 연속적인 구동 벨트(25) 형태의 구동 결합을 포함한다. 구동 벨트(25)는 비틀림 스프링(21) 및 플라이휠 어셈블리(12)에 감겨지며 비틀림 스프링(21)으로부터 저장된 에너지의 방출은 다음과 같은 구동력을 제공한다:

1. 비틀림 스프링(21)의 구동 운동 또는 이러한 예에서 비틀림 스프링(21)의 회전을 제공;

2. 비틀림 스프링(21)의 이러한 회전이 그것이 협력하는 구동 벨트(25)를 구동;

3. 구동 벨트(25)가 그것이 또한 협력하는 플라이휠 어셈블리(12)를 구동.

도 4에 보이는 바와 같이, 나선형 비틀림 스프링(21)은 비틀림 스프링(21)이 장착되는 비틀림 스프링 어셈블리(48)의 부분이다. 비틀림 스프링(21)은 스프링 어셈블리(48)의 원통형 하우징(50) 내에 축 방향으로 수용된다. 비틀림 스프링(21)의 외측 단부 영역(52)은 원통형 하우징(50)의 내부에 고정되는 반면 스프링(21)의 내측 단부 영역(54)은 모터(23)의 액슬(56)에 연결된다. 도 4는 저장된 에너지를 제공하기 위해 비틀림 스프링(21)을 바이어싱하고 그 후 저장된 에너지를 비틀림 스프링(21)으로부터의 구동력으로서 방출하는 다음의 이벤트 시퀀스를 도시한다:

1. 도 4(a)에서, 모터(23)는 비틀림 스프링(21)을 비교적 이완된 상태로부터 도 4(b)의 완전히 응력을 받는 상태로 점진적으로 응력을 가하는 한 방향으로 회전된다;

2. 도 4(b)와 4(c) 사이에서, 미리 결정된 장력의 응력을 받는 비틀림 스프링(21)은 응력을 받는 비틀림 스프링(21)이 그것의 저장된 스프링 에너지의 적어도 일부를 방출할 때까지 원통형 하우징(50)을 상기 한 방향으로 회전시킴으로써 그것의 저장된 스프링 에너지를 방출하여 구동력을 제공한다.

도 1 및 도 4에서 가장 잘 보이는 바와 같이, 구동 모터(23)는 감소된 시간 동안 비틀림 스프링(21)의 빠른 바이어싱 또는 응력을 위해 작동되거나 전력을 공급받는다. 도 4(a)와 4(b) 사이에서 발생하는 이러한 감소 또는 단축된 기간은 스프링(21)에 응력을 가하는 데 있어서 구동 작동의 결과적인 효율을 향상시키고 그에 따라 저장된 스프링 에너지를 제공하는 데 효과적이라는 것이 이해된다. 감소되는 시간 기간은 달라질 수 있고 비틀림 스프링(21)에 대한 스프링 상수, 및 모터(23)에 의해 제공되는 토크에 크게 의존할 수 있다. 이러한 예에서, 비교적 짧은 시간 기간은 약 5초를 초과하지 않을 것으로 기대된다. 이는 구동 모터(23)가 스프링(21)을 바이어싱하거나 긴장시키는 동안에만 회전하도록 간헐적으로 전력을 공급받거나 순환된다는 것을 의미한다. 스프링 어셈블리(48)의 회전에 구동력을 제공할 때 저장된 에너지의 후속 방출은 도 4b 및 4c에 도시된 단계들 사이에서 일어난다.

이러한 실시 예에서, 비틀림 스프링(21)은 또한 구동 모터(23)를 통해 감소된 회전 변위로 바이어싱되도록 설계된다. 이는 비틀림 스프링(21)이 그것의 탄성 범위 내에서 비틀림 스프링으로 달성할 수 있는 최대 회전 변위의 일부만 회전식으로 변위됨을 의미한다. 이러한 감소된 변위는 스프링(21)에 응력을 가하는 데 있어서 구동 작동의 결과적인 효율을 더 향상시키고 그에 따라 저장된 스프링 에너지를 제공하는 데 효과적이라는 것이 이해된다.

비틀림 스프링(21) 또는 다른 바이어싱 수단은 도 4에서 단일 사이클 또는 펄스가 아니라 단계적으로 응력을 받고 이완될 수 있다. 이러한 변형 예에서, 스프링(21)은 이전 단계로부터 스프링(21)을 완전히 이완시키지 않고 계속되는 단계에서 응력을 받을 수 있다. 비틀림 스프링(21)은 특히 이러한 단계적 작동 모드에서 보다 효율적이라는 것이 이해된다. 도시되지 않은 대안적인 배열에서, 구동 벨트는 비틀림 스프링 어셈블리 또는 다른 바이어싱 수단 및 플라이휠 어셈블리와 연관되는 비교적 작은 직경의 스핀들 주위에 둘러싸인다. 이러한 대안적인 실시 예에서, 플라이휠 어셈블리의 회전 이동은 비틀림 스프링 어셈블리의 소정의 회전 변위에 대해 바람직한 실시 예보다 크다는 것을 이해할 것이다. 또한, 비틀림 스프링 어셈블리는 바람직한 실시 예의 플라이휠 어셈블리의 큰 직경과 비교하여, 작은 직경의 스핀들을 구동할 때 더 적은 토크를 가하는 것으로 이해될 것이다.

도 1 및 도 4의 상황에서 가장 잘 예상되는 바와 같이, 장치(10)는 플라이휠 어셈블리(12)가 구동 수단(14)에 의해 구동되는 기계적 효율을 증가시키도록 변형될 수 있다. 이러한 변형은 통상적으로 플라이휠 바이어싱 수단(20)에 의해 어셈블리(12)에 제공되는 기어비(강화 또는 증폭)를 증가시키는 것을 수반할 것이다. 바람직한 실시 예의 상황에서, 증가된 기어링은 플라이휠 어셈블리(12)를 소정의 회전 속도로 회전시키기 위해 스프링 어셈블리(48)에 의해 제공되는 구동력을 증가시킨다. 그에 따라 스프링 어셈블리(48)의 회전 속도는 증가된 기어비에 대략 비례하는 계수만큼 증가된다. 이러한 증가된 기어링은 바이어싱 수단(20)과 연관되는 메시 기어 또는 블록 및 태클 퍼체이스 배열로 또는 적어도 부분적으로 트랜스미션 수단(24)을 형성하여 달성될 수 있다.

바람직한 실시 예의 이러한 변형 예에서, 스프링 어셈블리(48)는 그것의 저장된 에너지를 감소된 시간 기간에 걸쳐 증가된 회전 속도로 방출할 것이다. 감소된 시간은 증가된 기어비에 의해 달성되는 스프링 어셈블리(48)의 증가된 회전 속도에 대략 반비례할 것이다. 이는 스프링 어셈블리(48) 또는 다른 바이어싱 수단에 의해 제공되는 구동력이 증가된 기어링에 비례하여 증폭됨을 의미한다. 플라이휠 어셈블리의 모멘텀을 빠르게 추출하기 전에 그것을 회전시키는 데 보다 짧은 시간 동안 구동력이 요구된다. 대략적으로 기어비가 2배 증가하면 스프링 어셈블리(48)의 구동력 및 회전 속도는 2배 증가할 것이고 스프링 어셈블리(48)는 그것의 저장된 스프링 에너지를 방출하여 약 절반의 시간 기간 동안 구동력을 제공할 것이다(기어 증가 없는 장치와 비교하여). 이는 소정의 시간 기간 내에(기어링이 없는 장치와 비교하여) 바람직한 실시 예의 48과 같은 스프링 어셈블리의 더 많은 사이클로 장치의 기어식 변형에서 추가적인 에너지 효율이 달성될 수 있음을 의미한다.

이러한 실시 예에 도시 또는 포함되지 않았지만, 구동 수단(14)은 또한 바이어싱 수단에 저장된 에너지가 적어도 우세하게 방출되는 것과 질적으로 동시에 또는 직후에 액추에이터(22)로부터 바이어싱 수단(20)을 분리하도록 설계된 구동 클러치를 포함할 수 있다. 이러한 분리는 비틀림 스프링(21)이 비교적 이완된 상태에 있는 도 4(c)와 동시에 또는 직후에 일어날 수 있다. 구동 클러치를 통한 이러한 분리는 구동 모터(23)의 드래그 없이 비틀림 스프링(21)이 액추에이터(22)와 독립적으로 계속 회전할 수 있게 한다. 대안적으로, 비틀림 스프링(21)은 사이클의 이 단계에서 트랜스미션 수단(24)으로부터 해제되거나 분리될 수 있다.

비틀림 스프링은 공통 액추에이터를 공유하는 비틀림 스프링 뱅크 중 하나일 수 있다. 스프링들은 각각에 고정된 액추에이터의 구동 샤프트와 평행하게 배열될 수 있으며 이때 액추에이터의 작동은 스프링 뱅크를 동시에 바이어싱 또는 응력을 가한다. 그 다음 병렬의 스프링들은 저장된 에너지를 함께 방출하여 플라이휠 어셈블리에 구동력을 제공한다. 대안적으로, 스프링들은 인접한 스프링들이 서로 연결된 스프링 중 하나에만 고정되는 액추에이터의 구동 샤프트와 직렬로 배열될 수 있다. 직렬의 스프링들은 저장된 스프링 에너지를 연속하여 방출하여 플라이휠 어셈블리에 구동력을 제공한다. 저장된 스프링 에너지의 이러한 동시 또는 단계적 이완은 이러한 모멘텀의 빠른 추출 이전에 플라이휠 어셈블리의 모멘텀을 증가시키기 위해 플라이휠 어셈블리의 구동력 또는 회전 이동 중 어느 하나를 증가시킨다.

도 5는 장치(10)의 이러한 실시 예의 추출 수단(18)의 부분과 함께 에너지 발생기(16)를 도시한다. 발생기(16)는 고정자 내에 장착된 회전자를 포함하는(둘 다 도시되지 않음) 전자기 발생기(17)의 형태이다. 회전자는 작은 직경의 회전자 풀리(60)에 축 방향으로 고정된 회전자 샤프트(58)를 포함한다. 본 실시 예의 추출 수단(18)은 회전자 풀리(60) 및 큰 직경의 플라이휠 어셈블리(12)에 감겨지는 연속적인 추출 벨트(19) 형태의 추출 결합 어셈블리를 포함한다. 그에 따라 추출 수단(18)은 플라이휠 어셈블리(12)의 모멘텀을 빠르게 추출하도록 구성된다. 추출 결합 어셈블리는 또한 발생기(16)의 회전 속도를 증가시키기 위해 플라이휠 어셈블리(12) 및 에너지 발생기(16)에 작동 가능하게 결합되는 기어 어셈블리(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 플라이휠 어셈블리(12)에 관한 이러한 속도 증가는 연속 가변형 트랜스미션(도시되지 않음)를 포함하는 다양한 종래의 기어 어셈블리 중 하나에 의해 영향을 받을 수 있다. 연속 가변형 트랜스미션은 발생기(16)의 회전 속도를 증가시킬뿐만 아니라 초기에 추출 수단(18)과 발생기(16)의 회전자 사이에 완충기를 제공한다. 이후에 보다 상세히 설명될 이러한 완충기는 플라이휠 어셈블리(12)의 모멘텀의 추출 시 빠른 회전을 위한 발생기(16)의 회전자의 점진적인 가속에 쿠션을 제공한다.

통상적으로, 플라이휠 어셈블리(12)는 구동 수단(14)의 영향을 받는 동안 추출 수단(18) 또는 보다 구체적으로 추출 결합 어셈블리는 플라이휠 어셈블리(12) 또는 발생기(16)로부터 분리된다. 추출 결합 어셈블리는 플라이휠 어셈블리(12)가 충분한 모멘텀을 빌트업하고 예를 들어 코스팅(coasting)하면 플라이휠 어셈블리(12) 또는 발생기(16) 중 어느 하나와 체결하도록 배열된다.. 추출 수단(18)은 이를 위해 추출 클러치(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 플라이휠 어셈블리(12)에 관한 회전자 풀리(60)의 회전 속도는 약 100 대 1의 비일 것으로 기대된다. 이는 약 60 내지 120 rpm의 회전 속도를 갖는 플라이휠 어셈블리(12)에 대해, 전자기 발생기(16)의 회전자 풀리 및 관련 회전자는 약 6000 내지 12000 rpm으로 회전할 것임을 의미한다.

전자기 발생기(16)는 회전자 풀리(60) 및 관련 회전자가 회전 시 통상적인 방식으로 전기를 발생시키는 교류 발전기 형태이다. 이러한 실시 예에서, 전기는 64와 같은 하나 이상의 커패시터에 저장된다. 커패시터(64)는 전자기 발생기(16)의 비교적 빠른 회전에 의해 발생된 전기를 저장하는 데 특히 적합한 것으로 이해된다. 도시되지 않았지만, 발생기(16)에 의해 발생되거나 커패시터(64) 내에 저장되는 전기는 장치(10)의 폐쇄 루프 구성에서 구동 수단(14)의 액추에이터(22)에 전력을 공급하기 위해 재생될 수 있다. 선행하는 도면들의 실시 예에서, 액추에이터(22)는 발생기(16)에 의해 발생되거나 커패시터(64)에 저장된 전기를 이용하여 재충전되는 배터리(44)를 통해 전력을 공급받는다.

플라이휠 어셈블리(12)의 부유 드럼(30)은 부유 드럼(30)과 일체로 형성되는 비교적 큰 풀리 쌍(66 및 68)을 포함한다. 66과 같은 풀리들은 부유 드럼(30)의 중앙에 위치되고 각각 부유 드럼(30)의 주변부 주위에 위치되는 대향하는 연속적인 레일 쌍(70a 및 70b)에 의해 형성된다. 구동 벨트(25)는 풀리들 중 하나의 풀리(66)와 체결되거나 그 주위를 둘러싸는 한편 피동 벨트(19)는 다른 하나의 풀리(68) 주위를 둘러싼다. 구동 벨트(25) 및 피동 벨트(19)는 플라이휠 어셈블리(12) 및 발생기(16)에 요구되는 회전을 제공하도록 충분히 긴장된다. 구동 벨트들(25) 및/또는 피동 벨트(19)는 그것들의 관련 회전 구성요소들을 충분히 파지하거나 그것들과 체결되기 위해 리브 또는 톱니형일 수 있다.

장치(10)는 적용될 전력 요건에 따라 확대 또는 축소될 수 있다. 장치(10)는 동일하거나 상이한 규모 또는 크기이지만 서로 네트워킹된 복수의 장치 중 하나 일 수 있다. 네트워크화된 장치의 특정 구성은 다양할 수 있지만 분기 배열로 구성된 장치를 포함한다. 바람직한 실시 예의 플라이휠 어셈블리(12)는 공통 트랜스미션 수단(24)을 통해 플라이휠 어셈블리(12)에 작동 가능하게 결합되는 다수의 바이어싱 수단/액추에이터 모듈을 포함하는 구동 수단(14)의 모듈 형태에 의해 구동될 수 있다. 플라이휠 어셈블리(12)의 질량은 바이어싱 수단/액추에이터 모듈들의 수 또는 플라이휠 어셈블리(12)를 구동하는 데 요구되는 규모를 좌우할 것으로 기대된다. 바이어싱 수단/액추에이터 모듈들은 단계적으로 또는 연속적으로 작동함으로써 바이어싱 수단에 저장된 에너지를 방출하여 플라이휠 어셈블리(12)의 회전에 충분한 구동력을 제공한다. 유사하게, 에너지 발생기(16)는 공통 추출 수단(18)에 작동 가능하게 결합되는 다수의 전자기 발생기 모듈로서 제공될 수 있다. 발생기 모듈들은 전기를 동시에 발생시키거나 연속적인 단계 또는 사이클에서 전기를 발생시키도록 동기화될 수 있다.

장치(10)의 이러한 실시 예의 변형에서, 추출 수단(18)은 추출 수단(18)과 발생기(16)의 회전자 사이에 배열되는 완충기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 완충기는 이 경우 플라이휠 어셈블리(12)의 모멘텀의 추출 시 빠른 회전을 위해 발생기(16)의 회전자를 점진적으로 가속시키도록 설계된 도 4의 스프링 어셈블리와 같은 비틀림 스프링 형태일 수 있다. 이러한 변형 예에서, 피동 벨트(19)는 선행하는 실시 예의 회전자 풀리(60)와 균등한 원통형 하우징(50) 주위를 둘러싼다. 비틀림 스프링(21)의 내측 단부 영역(54)은 회전자 샤프트(58)에 결합되며 이에 의해:

1. 피동 벨트(19)의 영향 하 하우징(50)의 초기 회전이 회전자 샤프트(58)의 회전 없이 스프링(21)을 비틀고;

2. 임계 장력에서 스프링(21)은 회전자 샤프트(58)의 회전을 시작하여 점진적으로 가속시키며;

3. 비틀림 스프링(21)은 회전자 샤프트(58)가 원통형 하우징(50)의 회전 속도와 실질적으로 동일한 회전 속도로 가속되는 단계에서 그것의 비틀림 한계에 도달한다.

도 6 및 도 7은 에너지 생산 장치의 제2 및 제3 실시 예들을 개략적으로 도시한다. 두 경우 모두에서 장치는 도 1 내지 도 5의 선행하는 실시 예의 장치(10)와 실질적으로 동일하다. 언급을 용이하게 하고 반복을 피하기 위해, 대응하는 구성요소들에 추가 "0"또는 "00"을 갖는 동일한 참조 부호들을 사용하였다. 예를 들어, 도 6의 실시 예의 플라이휠 어셈블리는 120으로, 도 7의 플라이휠 어셈블리는 1200으로 표기하였다.

도 6의 제2 실시 예에서, 구동 수단(140)은 중간 클러치(110)를 통해 바이어싱 수단(200)에 결합된 액추에이터(220)를 포함한다. 이러한 실시 예의 액추에이터(220)는 석탄 또는 가스 연소 발전소(290)에 존재하는 것과 같은 회전 터빈(270)의 형태로 존재한다. 바이어싱 수단(200)은 클러치(110)를 통해 터빈(220)에 의해 회전하도록 구동된다. 장치(100)는 액추에이터(220)에 전력을 공급하는 데 있어서 발생기(160)에 의해 생산된 전기를 이용할 필요가 없다는 점을 제외하고는 선행하는 실시 예와 그 외 구성이 유사하다. 장치(100)는 발생기(160)에 작동 가능하게 결합되고 추출 수단(180)에 의해 구동되는 기어 어셈블리(102)를 포함할 수 있다. 기어 어셈블리(102)는 선행하는 실시 예에서 설명된 것과 같은 완충기를 포함하거나 이와 협력할 수 있다. 그에 따라 이러한 실시 예의 장치(100)는 생산된 에너지 또는 전기가 다른 곳에서 소비될 수 있는 개루프 구성을 갖는다.

도 7의 제3 실시 예에서, 구동 수단(1400)은 배터리(4400)가 전기 그리드(4500)로부터의 전기를 통해 재충전되는 것을 제외하고는 제1 실시 예와 구성이 유사하다. 전기는 화석 연료 또는 다른 발생기(4700), 또는 장치(1000) 지역의 석탄 또는 가스 연소 발전소(2900)와 연관되는 변전소에 의해 발생된다. 그에 따라 장치(1000)는 다른 곳에서 소비하기 위해 전기를 생산하는 개루프 구성을 갖는다. 그에 따라 장치는 화석 연료 및 우라늄과 같은 재생 불가능한 에너지원들을 포함하여, 발전소, 또는 변전소에 새로 장착할 수 있는 에너지 모듈의 형태로 제공될 수 있다. 대안적으로 장치는 태양열, 풍력, 파력, 수력, 바이오매스, 조력 또는 지열원들과 같은 재생 가능한 에너지원들을 포함하여, 발전소, 또는 변전소에 새로 장착할 수 있는 에너지 모듈의 형태로 제공될 수 있다.

장치는 구동 수단이 다음을 포함할 수 있는 한에 있어서 그 구성 면에서 다양할 수 있다.

1) 바람직한 실시 예의 비틀림 스프링 대신 탄성적으로 유연한 세장형 부재;

비틀림 스프링의 회전 비틀림이 아니라 선형 작용으로 신장 또는 압축하기 위한 선형 코일 스프링;

3) 바람직한 실시 예의 전기 모터 대신 유압 드라이브 또는 공압 드라이브.

트랜스미션 수단 및/또는 추출 수단은 플라이휠 어셈블리에 작동 가능하게 결합되는 메쉬형 기어링 또는 다른 기계적 장치들을 포함할 수 있다. 대안적으로 연속적인 벨트들이 연속적인 체인들로 대체될 수 있다. 플라이휠 어셈블리는 그 회전 축이 수평이 아닌 수직으로 배향될 수 있다. 바람직한 실시 예의 외측 챔버는 상단이 개방 프리즘 형상일 수 있으며 하단 챔버는 부분적으로 원통형이거나 부유 용기와 상보적이다. 외측 챔버 및 부유 용기가 없는 경우, 플라이휠 어셈블리는 자기 또는 다른 베어링들에 의해 회전하도록 지지될 수 있다.

다른 실시 예에서 그리고 도 8에 도시된 바와 같이, 바이어싱 수단은 스프링 어셈블리(82)에 포함되는 정토크 스프링(constant torque spring)(80)을 포함할 수 있다. 스프링 어셈블리(82)는 또한 모터(88)의 액슬(86)에 고정되는 내측 케이싱(84) 및 토크 스프링(80)의 가장 바깥쪽 턴이 고정되는 외측 케이싱(90)을 포함한다. 내측 케이싱(84)은 모터(88)의 작동 및 관련 액슬(86)의 회전이 토크 스프링(80)의 응력에 영향을 미치도록 토크 스프링(80)의 가장 안쪽 턴에 고정된다. 도 8은 저장된 에너지를 제공하기 위해 토크 스프링(80)을 바이어싱하고 그 후 저장된 에너지를 토크 스프링(80)으로부터의 구동력으로서 방출하는 다음 이벤트 시퀀스를 도시한다:

1. 도 8(a)에서, 모터(88)는 토크 스프링(80)을 그것의 이완된 상태로부터 도 8(b)의 완전히 응력을 받는 상태로 점진적으로 응력을 가하는 한 방향으로 회전된다;

2. 도 8(b)와 8(c) 사이에서, 미리 결정된 시간의 응력을 받는 토크 스프링(80) 또는 토크 스프링(80)의 변위는 응력을 받는 토크 스프링(80)이 그것의 저장된 스프링 에너지의 실질적으로 전부를 방출할 때까지 외측 케이싱(90)을 상기 한 방향으로 회전시킴으로써 그것의 제공된 스프링 에너지를 방출하여 구동력을 제공한다.

도 9는 도 1 내지 도 5의 장치의 상황에서 스프링 어셈블리(82)를 포함하는 대안적인 구동 수단을 도시한다. 언급의 편의를 위해, 정토크 스프링 어셈블리(82)의 다양한 구성요소를 제외하고는 장치(10)에 대한 동일한 참조 부호들을 사용하였다.

도 10은 본 발명에 따른 장치(10000)의 제4 실시 예의 개략도이다. 장치(10000)는 제1 실시 예와 동일한 구동 수단(14000) 및 에너지 발생기(16000)를 포함하므로 이러한 구성요소들은 상세하게 도시되지 않음을 이해해야 한다. 플라이휠 어셈블리(12000)는 제1 실시 예와 일치하여 외측 유체 챔버에서 회전하기 위해 부유 용기에 둘러싸일 수 있거나 대안적으로 플라이휠 어셈블리는 이러한 추가 피처들을 배제하고 단지 대기 공간에서 회전될 수 있다. 언급을 용이하게 하고 반복을 피하기 위해, 이러한 대안적인 장치(10000)의 동일한 구성요소들에 대해 동일한 참조 부호들을 사용하였다.

첫째로 장치(10000)는 플라이휠 어셈블리(12000)가 제2 플라이휠(11000)에 공동 축을 가지고 연결되는 제1 플라이휠(32000) 형태의 회전 부재를 포함하는 한에 있어서 선행하는 실시 예들에서 벗어난다. 이러한 실시 예에서, 제2 플라이휠(11000)은 제1 플라이휠(32000)에 축 방향으로 고정되고 실질적으로 수직으로 배향되는 플라이휠 샤프트(13000)를 포함한다. 제2 플라이휠(11000)은 플라이휠 샤프트(13000)의 상측 영역에 피벗식으로 연결되는 15000a 및 15000b와 같은 복수의 플라이휠 아암을 포함하는 피치 플라이휠(governed flywheel) 형태이다. 피벗팅 아암들(15000a/b)은 그것들의 자유 또는 원위 단부들에서 각각의 플라이휠 추들(17000a/b)을 통해 가중된다. 작동시, 제1 플라이휠(32000)은 구동 수단(14000)을 통해 회전되며 여기서:

1. 플라이휠 아암들(15000a/b)은 플라이휠 샤프트(13000)로부터 반경 방향 거리가 증가함에 따라 점진적으로 상승하여 피치 플라이휠(11000)의 회전 모멘텀을 증가시키고;

2. 플라이휠 아암들(15000a/b)은 추들(17000a/b) 및 제1 플라이휠(32000)의 회전 속도에 따라 구동 수단(14000)의 입력 에너지를 중력 퍼텐셜 에너지 및 회전 모멘텀의 형태로 이용하여 미리 결정된 높이를 달성한다.

제2 또는 피치 플라이휠(11000)은 또한 제1 플라이휠(32000)과 협력하여 플라이휠 어셈블리(12000)의 구성에 크게 의존하여 플라이휠 어셈블리(12000)의 회전 속도를 실질적으로 일정한 속도로 조절하는 데 효과적이다. 그에 따라 피치 플라이휠(11000)은 그것이 플라이휠 어셈블리(12000)의 회전을 제어하는 방식으로 동적이다.

이러한 실시 예의 플라이휠 어셈블리(12000)의 제1 플라이휠(32000)은 연속적인 구동 벨트(25000)를 통해 구동 수단(14000)에 결합되고, 제1 플라이휠(32000)은 연속적인 추출 벨트(19000)를 통해 에너지 발생기(16000)에 결합된다.

장치(10000)는 그것의 추출 단계에서 플라이휠 어셈블리(12000)의 모멘텀을 빠르게 추출한다. 추출 단계에서, 피치 플라이휠(11000)의 플라이휠 아암들(15000a/b)은 플라이휠 샤프트(13000)를 향해 점진적으로 낮아져 그렇지 않으면 느려질 수 있는 플라이휠 어셈블리(12000)의 회전 속도를 증가시킨다. 피치 플라이휠(11000)은 이러한 추출 단계 동안 플라이휠 어셈블리(12000)의 회전을 실질적으로 일정한 회전 속도로 유지한다. 또한 피치 플라이휠(11000)은 그것의 구동 및 추출 단계들 모두에서 플라이휠 어셈블리(12000)의 실질적으로 일정한 회전 속도를 유지함에 있어서, 본 발명의 선행하는 실시 예들과 비교하여 개선된 효율을 제공하는 것으로 이해된다. 제1 플라이휠(32000)의 크기 및 질량은 플라이휠 아암들(15000a/b)이 하강하고 플라이휠 어셈블리(12000)의 모멘텀이 빠르게 추출될 때 피치 플라이휠(11000)이 플라이휠 어셈블리(12000)의 회전을 촉진한다는 조건으로 선행하는 실시 예들로부터 감소될 수 있다. 대안적인 실시 예에서, 플라이휠로서 효과적으로 기능하지 않는 회전 부재는 플라이휠 어셈블리(12000)가 단지 피치 플라이휠(11000) 형태의 단일 플라이휠로 제한되는 경우 질량을 감소시킬 수 있다. 이러한 변형 예에서, 회전 부재는 피치 플라이휠(11000)을 지지하고 구동 벨트(25000) 및 추출 벨트(19000)의 결합을 제공하는 회전 플랫폼의 형태 일 수 있다.

선행하는 실시 예들 각각에서 그리고 본 발명의 다른 양태에 따라 에너지 생산 방법이 제공된다. 제1 실시 예의 상황에서 방법은 다음의 개괄적인 단계들을 수반한다:

1. 플라이휠 어셈블리(12)와 연관된 바이어싱 수단(20)을 작동시키는 단계로서, 상기 작동이 바이어싱 수단(20)에 저장된 에너지를 제공하는, 상기 바이어싱 수단을 작동시키는 단계;

2. 플라이휠 어셈블리가 모멘텀을 얻는 그것의 회전에 영향을 미치도록 플라이휠 어셈블리(12)에 바이어싱 수단(20)에 저장된 에너지를 구동력 형태로 방출하는 단계;

3. 플라이휠 어셈블리(12)의 모멘텀을 빠르게 추출하는 단계;

4. 플라이휠 어셈블리(12)의 빠르게 추출된 모멘텀을 동력원으로 이용하도록 배열된 에너지 발생기(16)를 통해 에너지를 발생시키는 단계.

장치(10)의 효율을 개선하기 위해, 바이어싱 수단(20)은 감소된 시간 기간 동안 액추에이터(22)에 의해 빠르게 작동된다. 제1 실시 예에서, 이는 구동 모터(23)에 감소된 시간 기간 동안 전력이 공급되어 바이어싱 수단(20)을 바이어싱하고 저장된 에너지를 제공하는 데 있어서 구동 동작의 결과적인 효율을 개선함을 의미한다. 장치(10)의 상황에서 설명된 바와 같이, 바이어싱 수단(10)은 그것의 최대 탄성 변위 범위의 일부가 부분적으로 변위 또는 비틀림될 수 있다. 바람직한 실시 예에서, 구동 모터(23)는 5초 미만의 기간 동안 간헐적으로 전력을 공급받거나 펄싱될 수 있다.

구동력을 제공할 때 바이어싱 수단(20)에 저장된 에너지를 방출함에 있어서, 액추에이터(22) 또는 트랜스미션 수단(24)으로부터 바이어싱 수단(20)을 분리하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 분리는 바이어싱 수단(20)에 저장된 에너지가 우세하게 방출되는 것과 실질적으로 동시에 또는 직후에 일어남으로써 액추에티터(22)와 독립적으로 플라이휠 어셈블리(12)의 계속된 회전을 가능하게 할 수 있다. 이러한 분리는 액추에이터 또는 구동 모터(23)의 간헐적인 전력 공급의 각 사이클 또는 펄스 후에 미리 결정된 주기로 일어날 수 있다. 그 다음 바이어싱 수단(20)은 그것의 전력 사이클 이전에 액추에이터(22)와 다시 체결되어야 한다. 구동 동역학은 플라이휠 어셈블리(12)가 목적하는 회전 속도를 달성할 때까지 스프링 또는 다른 바이어싱 수단(20)의 하나 보다 많은 와인딩을 수반할 수 있다. 어느 경우든 액추에이터(22) 또는 구동 모터(23)는 바이어싱 수단(20)이 요구되는 구동력을 제공할 때 맞서 회전하기 위한 앵커를 제공하도록 중단된다.

이러한 실시 예에서, 플라이휠 어셈블리(12)의 모멘텀의 빠른 추출은 플라이휠 어셈블리(12)에 관한 에너지 발생기(16)의 빠른 회전을 수반한다. 이 경우 플라이휠 어셈블리(12)에 관한 발생기의 회전자의 회전 속도의 비는 적어도 약 100 대 1이다. 발생기(16)는 플라이휠(12) 모멘텀의 빠른 추출을 위해 발생기(16)의 상대 회전 속도를 증가시키기 위해 추출 수단(18)과 기어링될 수 있다.

그것의 폐루프 모드에서, 장치(10)는 액추에이터(22)를 작동시키고 바이어싱 수단(20)을 바이어싱하기 위해 그것이 생산하는 에너지 또는 전기를 재생 또는 추출한다. 개루프 모드에서, 장치(10) 또는 보다 구체적으로는 구동 수단(14)의 액추에이터(22)는 외부에서 전력을 공급받거나 구동된다.

이제 본 발명의 여러 실시 예가 설명되었으므로, 에너지 생산 장치는 적어도 다음과 같은 이점들을 갖는다는 것을 이해할 것이다:

1. 그것은 에너지를 효율적으로 생산할 때 비교적 낮은 회전 속도로 회전하는 플라이휠 어셈블리의 모멘텀을 이용한다;

2. 플라이휠 어셈블리의 모멘텀은 에너지를 발생시키기 위한 에너지 발생기와 연관된 추출 수단에 의해 빠르게 추출된다;

3. 구동 수단은 그에 따라 모멘텀을 얻는 플라이휠 어셈블리의 필요한 회전을 제공하여 트랜스미션 수단을 통해 효과적으로 에너지를 저장하고 구동력 형태로 플라이휠 어셈블리에 방출하는 바이어싱 수단을 포함한다.

해당 기술분야의 통상의 기술자들은 여기에 설명된 발명이 구체적으로 설명된 것 이외의 변경 및 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 플라이휠 어셈블리는 적절한 저마찰 베어링이 설계에 통합된다면, 외측 챔버에 부유되지 않고 가중된 플라이휠로 단순화될 수 있다. 바이어싱 수단은 바람직한 실시 예의 비틀림 스프링에서 벗어날 수 있고 압축 또는 신장 또는 다른 코일 스프링들로 제한되지 않고, 일정 하중 스프링, 판 스프링 또는 탄성을 저장하여 동역학을 반환하는 장치들을 포함하여 다른 형태들의 스프링들로 확장된다. 바이어싱 수단에 저장된 에너지가 그것의 회전을 위해 플라이휠 어셈블리에 트랜스미션을 위한 구동력으로서 방출되고, 추출 수단이 플라이휠 어셈블리의 모멘텀의 빠른 추출을 제공한다면 트랜스미션 및 추출 수단은 바람직한 실시 예들의 구동 벨트들에서 벗어날 수 있다. 이러한 실시 예에서, 구동력은 스프링력 형태의 인력이다. 대안적으로, 구동력은 부력과 같은 중력 형태일 수 있다. 바이어싱 수단은 예를 들어, 바이어싱 수단이 플라이휠 어셈블리와 연관되고 바람직한 실시 예의 외측 챔버의 유체에 침지되는 부유 용기 형태일 경우 장치에 요구되거나 설계된 구동력에 따라 스프링들로부터 벗어날 수 있다. 그러한 모든 변경 및 변형은 선행하는 설명으로부터 그 성질이 결정될 본 발명의 범위 내인 것으로 간주되어야 한다.

Claims

에너지 생산 장치로서,
회전하도록 배열된 플라이휠 어셈블리;
상기 플라이휠 어셈블리에 작동 가능하게 결합되는 구동 수단으로서, 바이어싱 수단을 바이어싱하여 상기 바이어싱 수단에 저장된 에너지를 제공하도록 배열된 액추에이터에 연결된 상기 바이어싱 수단을 포함하는, 상기 구동 수단;
상기 플라이휠 어셈블리과 상기 바이어싱 수단 사이에 결합되는 트랜스미션 수단으로서, 상기 바이어싱 수단에 저장된 상기 에너지의 방출이 모멘텀을 얻는 상기 플라이휠 어셈블리의 회전에 영향을 미치도록 상기 트랜스미션 수단을 구동하는 구동력을 제공하는, 상기 트랜스미션 수단;
상기 플라이휠 어셈블리의 상기 모멘텀의 빠른 추출을 위해 상기 플라이휠 어셈블리에 작동 가능하게 결합되는 추출 수단;
상기 플라이휠 어셈블리의 빠르게 추출된 상기 모멘텀으로부터 에너지를 발생시키기 위한 상기 추출 수단과 연관되는 에너지 발생기를 포함하는, 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 액추에이터는 구동 모터의 영향을 받아 바이어싱됨에 따라 상기 바이어싱 수단에 저장된 상기 에너지를 제공하는 상기 바이어싱 수단에 결합되는 상기 구동 모터를 포함하는, 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 바이어싱 수단은 이완시 상기 바이어싱 수단의 상기 구동력을 제공하는 저장된 스프링 에너지를 제공하는 스프링에 응력을 가하도록 회전되는 상기 구동 모터에 결합되는 상기 스프링을 포함하는, 장치.
청구항 3에 있어서, 상기 스프링은 상기 트랜스미션 수단에 연결되는 비틀림 스프링 어셈블리이며, 상기 비틀림 스프링 어셈블리는 그것의 저장된 스프링 에너지를 방출함에 따라 상기 플라이휠 어셈블리의 회전을 위한 상기 구동력을 제공하도록 배열되는 비틀림 스프링에 응력을 가하기 위해 상기 구동 모터를 통해 상기 트랜스미션 수단에 관해 감기도록 구성되는 상기 비틀림 스프링을 포함하는, 장치.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스프링은 상기 트랜스미션 수단에 연결되는 정토크 스프링 어셈블리(constant torque spring assembly)이며, 상기 정토크 스프링 어셈블리는 그것의 저장된 스프링 에너지를 방출함에 따라 상기 플라이휠 어셈블리의 회전을 위한 상기 구동력을 제공하도록 배열되는 정토크 스프링에 응력을 가하기 위해 상기 구동 모터를 통해 상기 트랜스미션 수단에 관해 감기도록 구성되는 상기 정토크 스프링을 포함하는, 장치.
청구항 2 내지 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동 모터는 상기 바이어싱 수단에 저장된 상기 스프링 에너지를 제공하기 위해 감소된 시간 기간 동안 상기 바이어싱 수단을 빠르게 바이어싱하도록 설계되는, 장치.
청구항 2 내지 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이어싱 수단은 상기 구동 모터를 통해 상기 바이어싱 수단으로 달성할 수 있는 최대 변위에 관해 감소된 변위로 바이어싱되도록 설계되는, 장치.
청구항 7에 있어서, 상기 바이어싱 수단은 연속적인 단계들로 상기 감소된 변위로 바이어싱되도록 설계되는, 장치.
청구항 8에 있어서, 상기 바이어싱 수단은 상기 연속적인 단계들의 선행하는 단계에서 상기 바이어싱 수단의 실질적인 최대 이완 이전에 계속되는 단계에서 상기 감소된 변위로 바이어싱되도록 설계되는, 장치.
청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 트랜스미션 수단은 상기 플라이휠 어셈블리의 회전을 위해 상기 바이어싱 수단과 상기 플라이휠 어셈블리 사이에 연결되는 구동 결합을 포함하는, 장치.
청구항 10에 있어서, 상기 구동 수단은 또한 상기 바이어싱 수단에 저장된 상기 에너지가 적어도 우세하게 방출되는 것과 실질적으로 동시에 또는 직후에 상기 액추에이터 또는 트랜스미션 수단 중 어느 하나로부터 상기 바이어싱 수단을 분리함으로써 상기 액추에이터와 독립적인 상기 플라이휠 어셈블리의 계속된 회전을 가능하게 하도록 상기 바이어싱 수단에 작동 가능하게 결합되는 구동 클러치를 포함하는, 장치.
청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추출 수단은 상기 플라이휠 어셈블리에 관한 상기 에너지 발생기의 빠른 회전을 위해 상기 플라이휠 어셈블리와 협력하도록 배열된 추출 결합 어셈블리를 포함하는, 장치.
청구항 12에 있어서, 상기 에너지 발생기는 상기 추출 수단에 작동 가능하게 연결되는 회전자의 빠른 회전 하에서 전기를 생산하도록 함께 협력하는 고정자 내에 장착되는 상기 회전자를 포함하는 전자기 발생기인, 장치.
청구항 13에 있어서, 상기 추출 수단은 또한 상기 플라이휠 어셈블리의 상기 모멘텀의 추출시 빠른 회전을 위해 상기 회전자를 점진적으로 가속하기 위해 상기 추출 결합 어셈블리와 상기 회전자 사이에 배열된 완충기를 포함하는, 장치.
청구항 13 또는 14에 있어서, 상기 추출 결합 어셈블리는 상기 플라이휠 어셈블리 및 상기 회전자와 연관되는 비교적 작은 직경의 풀리의 주변부 주위에 둘러싸이는 연속적인 추출 벨트를 포함하며, 상기 풀리는 그것의 빠른 회전을 위해 상기 회전자에 관해 구성되는, 장치.
청구항 13 내지 15 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자기 발생기는 상기 구동 수단의 상기 액추에이터에 작동 가능하게 결합되며 이에 의해 상기 전자기 발생기에 의해 생산되는 상기 전기가 상기 액추에이터에 전력을 공급하도록 재생되는, 장치.
청구항 16에 있어서, 상기 전자기 발생기는 상기 발생기에 의해 생산되는 상기 전기를 저장하기 위해 하나 이상의 커패시터와 연관되며, 상기 커패시터들은 저장된 상기 전기에 의해 충전되고 상기 액추에이터에 전력을 공급하도록 배열되는 하나 이상의 배터리와 연관되는, 장치.
청구항 12 내지 17중 어느 한 항에 있어서, 상기 추출 수단은 또한 상기 트랜스미션 수단이 상기 플라이휠 어셈블리의 회전에 영향을 미치는 동안 상기 플라이휠 어셈블리 또는 상기 에너지 발생기 중 어느 하나를 상기 추출 결합에서 분리함으로써, 상기 추출 수단과 독립적인 상기 트랜스미션 수단에 의한 상기 플라이휠 어셈블리의 회전을 가능하게 하도록 상기 추출 결합에 작동 가능하게 결합되는 추출 클러치를 포함하는, 장치.
청구항 18에 있어서, 상기 추출 결합 어셈블리는 상기 플라이휠 어셈블리가 충분한 모멘텀을 빌트업하면 상기 플라이휠 어셈블리 모멘텀의 추출을 위해 상기 플라이휠 어셈블리 또는 상기 에너지 발생기 중 어느 하나와 체결하도록 배열되는, 장치.
청구항 12 내지 19 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추출 결합 어셈블리는 상기 플라이휠 어셈블리에 관한 상기 발생기의 회전 속도를 증가시키기 위해 상기 플라이휠 어셈블리와 상기 에너지 발생기에 작동 가능하게 결합되는 기어 어셈블리를 포함하는, 장치.
청구항 20에 있어서, 상기 기어 어셈블리는 연속 가변형 트랜스미션(continuously variable transmission)을 포함하는, 장치.
청구항 1 내지 21 중 어느 한 항에 있어서, 장치는 유체를 함유하는 외측 챔버를 또한 포함하며, 상기 플라이휠 어셈블리가 상기 외측 챔버 내에 회전을 위해 하우징되고 상기 외측 챔버에 함유된 상기 유체 내 실질적인 중성 부력을 위해 설계되는, 장치.
청구항 22에 있어서, 상기 플라이휠 어셈블리는 플라이휠이 장착되는 부유 용기를 포함하며, 상기 부유 용기는 상기 플라이휠 어셈블리가 상기 외측 챔버에 함유된 상기 유체 내 실질적인 중성 부력을 보장하도록 충분한 부력을 갖는, 장치.
청구항 23에 있어서, 상기 플라이휠은 비교적 조밀한 물질로 구성되고 실질적으로 환상형을 갖는, 장치.
청구항 24에 있어서, 상기 부유 용기는 실질적으로 원통형 드럼 형태로 형성되는, 장치.
청구항 1 내지 19 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라이휠 어셈블리는 플라이휠에 연결되는 회전 부재를 포함하며, 상기 회전 부재는 상기 구동 수단 및 상기 추출 수단 양자에 작동 가능하게 결합되는, 장치.
청구항 26에 있어서, 상기 플라이휠은 상기 회전 부재에 실질적으로 수직하게 배열되고 공동 축을 가지고 고정되는 샤프트, 및 각각 상기 샤프트에 피벗 가능하게 결합되는 일 단부에 또는 그에 인접하게 있는 복수의 피벗 아암을 포함하는, 장치.
청구항 27에 있어서, 상기 플라이휠은 또한 상기 복수의 피벗 아암의 각각의 대향하는 단부에 연결되는 복수의 가중 요소를 포함하는, 장치.
청구항 1 내지 28 중 어느 한 항에 있어서, 서로 네트워킹되는 복수의 상기 장치 중 하나인, 장치.
에너지 생산 방법으로서,
플라이휠 어셈블리와 연관된 바이어싱 수단을 작동시키는 단계로서, 상기 바이어싱 수단의 상기 작동이 그것을 바이어싱하고 그에 따라 상기 바이어싱 수단에 저장된 에너지를 제공하는, 상기 바이어싱 수단을 작동시키는 단계;
모멘텀을 얻는 상기 플라이휠 어셈블리의 회전에 영향을 미치도록 상기 플라이휠 어셈블리에 구동력을 제공하기 위해 상기 바이어싱 수단에 저장된 상기 에너지를 방출하는 단계;
상기 플라이휠 어셈블리의 상기 모멘텀을 빠르게 추출하는 단계;
상기 플라이휠 어셈블리의 빠르게 추출된 상기 모멘텀을 동력원으로 이용하도록 배열된 에너지 발생기를 통해 에너지를 발생시키는 단계를 포함하는, 방법.
청구항 30에 있어서, 상기 바이어싱 수단의 작동은 연장된 시간 기간 동안 상기 바이어싱 수단의 비교적 느린 바이어싱과 비교하여 감소된 시간 기간 동안 상기 바이어싱 수단에 저장된 상기 에너지를 제공하기 위해 빠르게 수행되는, 방법.
청구항 30 또는 31에 있어서, 상기 바이어싱 수단은 상기 구동 모터으로 달성할 수 있는 근사 최대 변위에 관해 감소된 변위로 바이어싱되는, 방법.
청구항 32에 있어서, 상기 바이어싱 수단은 연속적인 단계들로 상기 감소된 변위로 바이어싱되는, 방법.
청구항 33에 있어서, 상기 바이어싱 수단은 상기 연속적인 단계들의 선행하는 단계에서 상기 바이어싱 수단의 실질적인 최대 이완 이전에 계속되는 단계에서 상기 감소된 변위로 바이어싱되는, 방법.
청구항 30 내지 34에 있어서, 상기 바이어싱 수단에 저장된 상기 에너지를 방출하는 단계는 상기 바이어싱 수단에 저장된 상기 에너지가 우세하게 방출되는 것과 실질적으로 동시에 또는 직후에 관련 액추에이터 또는 트랜스미션 수단 중 어느 하나로부터 상기 바이어싱 수단을 분리함으로써 상기 플라이휠 어셈블리의 계속된 회전을 가능하게 하는 것을 수반하는, 방법.
청구항 30 내지 35 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라이휠 어셈블리의 상기 모멘텀을 빠르게 추출하는 단계는 상기 플라이휠 어셈블리에 관해 상기 에너지 발생기를 빠르게 회전시키는 단계를 수반하는, 방법.
청구항 36에 있어서, 상기 플라이휠 어셈블리에 관한 상기 에너지 발생기의 상기 회전 속도의 비는 적어도 약 100 대 1인, 방법.
청구항 30 내지 37 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 발생기는 상기 플라이휠 어셈블리에 관한 빠른 회전을 위해 점진적으로 가속되는, 방법.
청구항 30 내지 38 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 발생기로부터 발생되는 상기 에너지는 상기 바이어싱 수단에 저장된 상기 에너지를 제공하는 데 상기 바이어싱 수단을 작동시키기기 위해 재생되는, 방법.
청구항 30 내지 39 중 어느 한 항에 있어서, 또한 실질적으로 일정한 속도로 상기 플라이휠 어셈블리의 상기 회전 속도를 통제하는 단계를 포함하는, 방법.