KR100640291B1

KR100640291B1 - 부력변환장치 및 부력 변환장치를 이용한 수중측정장치

Info

Publication number: KR100640291B1
Application number: KR1020040087341A
Authority: KR
Inventors: 전호경; 함석현; 이창원; 박재범
Original assignee: 한국해양수산개발원; 전호경
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-12-05
Also published as: KR20060038155A

Abstract

본 발명의 부력변환장치는 경질 몸체, 연질 몸체, 비압축성 유체 및 펌프를 포함한다. 경질 몸체는 수압이 높은 수중에서도 변형 없이 일정한 부피를 유지할 수가 있으며, 연질 몸체는 변형이 가능한 재료로 형성되어 비압축성 유체의 출입에 따라 부피가 변할 수 있다. 펌프에 의해서 비압축성 유체가 경질 몸체 및 연질 몸체를 오고 감에 따라 부력변환장치에 가해지는 부력이 변화하게 되고, 그 부력 변화에 의해서 부력변환장치가 상하로 이동할 수가 있다. 부력변환장치는 소형의 장치에 사용되는 것으로서 물질의 출입 없이 일정량의 비압축성 유체를 이동하여 부력을 변화시킬 수 있으며, 충분한 에너지만 제공된다면 무한대로 상승 및 하강을 반복할 수 있으며, 저전력으로도 작동이 가능하기 때문에 장기간 해양에 잔류하면서 필요한 작업을 수행할 수가 있다.

Description

부력변환장치 및 부력 변환장치를 이용한 수중측정장치{DEVICE OF CHANGING BUOYANCY AND MACHINE OF GATHERING ENVIRONMENTAL INFORMATIONS UNDER WATER USING THE DEVICE}

도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 부력변환장치의 단면도이다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 부력변환장치의 단면도이다.

도 5은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수중측정장치의 정면도이다.

도 6은 제3 실시예에 따른 수중측정장치의 부분 단면도이다.

도 7은 제3 실시예에 따른 수중측정장치의 분해도이다.

도 8은 제3 실시예에 따른 수중측정장치의 경질 몸체 및 펌프를 설명하기 위한 부분 절개 사시도이다.

도 9는 제3 실시예에 따른 수중측정장치가 상승하는 과정을 설명하기 위한 부분 확대 단면도이다.

도 10은 제3 실시예에 따른 수중측정장치가 하강하는 과정을 설명하기 위한 부분 확대 단면도이다.

도 11은 제3 실시예에 따른 수중측정장치의 작동을 설명하기 위한 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

300：수중측정장치 305：하우징

310：경질 몸체 312：고정 챔버

314：내장 플레이트 320：블래더

330：오일 340：펌프

342：피스톤 352：모터

354：볼 스크류 355：너트

356：나사 샤프트 357：커플링

360：측정부 370：제어부

375：메모리 380：안테나

본 발명은 부력변환장치 및 수중측정장비에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 본 발명은 수중에서 수직하게 상하로 이동할 수 있는 부력변환장치 및 그 부력변환장치를 이용하여 상하로 이동하면서 수중의 환경정보(Environmental Information)를 실시간으로 측정할 수 있는 수중측정장치에 관한 것이다.

바다를 알고자 하는 소박한 의구심에서 해양과학이 시작되었으며, 이렇게 출발한 해양과학은 이제 바다를 보다 깊이 이해하는 데에 많은 도움이 되고 있다. 최근 들어 바다를 인류의 미래를 위한 생활의 장으로 기대함에 따라, 바다의 특성들 을 밝혀 내기 위한 많은 노력들이 더 활발하게 시도되고 있다.

하지만, 해수라는 독특한 매질로 인하여 탐사 및 정보전달에 대한 어려움이 있으며, 매 10m마다 약 1기압씩 증가하는 엄청난 수압 등과 같은 많은 장벽들이 해양의 정체를 밝히려는 노력을 가로막고 있다. 현대의 해양학자들은 이러한 장벽을 뛰어넘기 위하여 각종 탐사·관측기술을 더욱 발전시켜 나가고 있으며, 인공위성에 의한 원격탐사기술 등 첨단 탐사기술을 연구에 활용하고 있다.

지금까지 해양을 관측 및 조사하는 동적인 주체는 조사선이다. 항해 자체가 해양조사라고 할 수 있었던 과거에 비해 그 비중이 많이 낮아지긴 했지만, 아직도 해양조사에 있어서 조사선의 위치는 확고하다. 현재 조사선의 기능이 매우 다양해지고 보유장비가 빠르게 변화함에 따라 조사선으로서 요구되는 특성도 점점 까다로워지고 있다. 예를 들어, 조사선은 일반 항로를 벗어날 뿐만 아니라 해역이나 계절과 관계없이 항해를 계속해야 하므로, 기후나 파도에 잘 견딜 수 있도록 설계되어야 하며, 선박의 항속거리도 일반선박에 비해 길어야 한다. 또한, 음향기기, 정밀관측기 등 첨단장비를 손쉽게, 효율적으로 운용할 수 있어야 하며, 선상에서의 실험이나 조사작업을 수행하는 승선연구자들을 위해 안정성이 높고, 동요, 소음, 진동 또한 적어야 한다.

하지만, 이러한 조건을 만족하는 조사선을 운영하기 위해서는 고가의 조사선을 사용해야 하며, 또한 승선연구자들은 항상 조사선과 함께 움직여야 한다. 고도의 전문성을 요구하는 경우에는 직접적으로 바다를 이동하면서 측정하는 것이 좋을지는 모르지만, 수심, 수심에 따른 수온 및 수압의 변화를 측정하는 경우와 같이 간단하면서 이동에 장시간의 시간이 소요되는 경우에는 작업 자체가 매우 단조롭고 위험해질 수가 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 자동으로 해양 환경을 측정할 수 있는 자동측정장치가 개시되어 있다. 이들 측정장치는 수온이나 수심, 염분, 용존산소 등을 측정하는 간단한 기기에서부터 음파나 레이저빔을 이용하여 측정하는 고도의 장비가 있으며, 이들 장비들은 부이(buoy)에 장착되어 해양 환경을 자동으로 측정할 수가 있다. 이들 부이에 장착된 측정장치들은 현장의 주변 정보를 측정하여 기록 또는 기록된 정보를 전송할 수가 있지만, 수심에 따라 측정장치를 자동으로 이동시키면서 필요한 정보를 수집할 수 없으며, 이러한 작업을 수행할 수 있는 장비에 대한 개발이 아직 미흡하다는 것이 문제이다.

본 발명은 상술한 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명에 따른 수중측정장치는 수중에서 자동으로 상하로 이동하면서 수심에 따른 해양 환경 정보를 측정할 수 있는 특성을 갖는다.

본 발명에 따른 수중측정장치는 수심에 따른 해양 환경 정보를 수집한 다음, 수집된 정보를 인공위성 또는 외부 중계기를 통해 원거리에 위치한 분석 주체로 전송할 수 있는 특성을 가진다.

본 발명에 따른 수중측정장치는 수중 및 수면에서 안정된 자세를 유지할 수 있는 특성을 가진다.

본 발명에 따른 부력변환장치는 부력 변화를 통해 수중에서 수직하게 상하로 이동할 수 있는 특성을 가진다.

본 발명에 따른 부력변환장치는 진동이나 소음 없이 수중에서 상하로 안정되게 이동할 수 있어, 부력변환장치와 함께 이동하는 정밀기계에 대한 영향을 최소로 줄일 수 있는 특성을 가진다.

본 발명에 따른 부력변환장치는 적은 동력을 사용하여 장기간 동안 독립적으로 작동할 수 있는 절전 특성을 가진다.

본 발명의 부력변환장치는 경질 몸체(rigid body), 연질 몸체(soft body), 비압축성 유체(incompressible fluid) 및 펌프(pump)를 포함한다.

경질 몸체는 고정 챔버(fixed volume chamber)를 포함하며, 금속이나 합금과 같은 강도가 높은 재료로 형성되어 수압이 높은 수중에서도 변형 없이 일정한 부피(constant volume)을 유지할 수가 있다. 반면에, 연질 몸체는 가변 챔버(variable volume chamber)을 포함하며, 고무와 같이 어느 정도의 탄성을 가지면서 변형이 가능한 재료로 형성되어 비압축성 유체의 출입에 따라 부피가 변할 수 있는 특성을 가진다. 여기서 비압축성 유체는 외부 압력 변화와 무관하게 일정한 부피를 유지하는 유체로서, 오일과 같이 실질적으로 비압축성인(substantially incompressible) 경우도 포함한다고 할 것이며, 비압축성 유체의 밀도는 주변 매질의 밀도보다 높거나 낮은 경우를 모두 포함할 수 있다.

부력변환장치가 수중에서 특정 수심에 머물러 있고, 비압축성 유체는 밀도가 물보다 낮은 오일이라고 가정하자. 펌프가 작동하여 고정 챔버로부터 가변 챔버로 유체가 이동하면, 가변 챔버의 부피가 증가하게 되고 전체적인 무게의 변화 없이 부피만 증가하기 때문에 부력이 증가하여, 부력변환장치가 수중에서 상승하게 된다. 이제 펌프가 반대로 작동하여 가변 챔버로부터 고정 챔버로 유체가 이동하면, 가변 챔버의 부피가 감소하게 되고 줄어든 부피만큼 부력이 감소하여, 부력변환장치가 수중에서 하강하게 된다. 즉, 펌프의 작동에 의해서 부력이 변화하게 되고, 그 부력 변화에 의해서 부력변환장치가 상하로 이동할 수가 있다.

종래의 잠수함은 해수로 탱크를 채워 몸체를 가라 앉히고 압축 공기로 탱크에 공기를 채워 떠 오르는 원리를 이용한 것이지만, 본 발명에 따른 부력변환장치는 주로 소형의 장치에 사용될 수 있는 것으로서 물질의 출입 없이 일정량의 비압축성 유체를 이동하여 부력을 변화시킬 수 있다. 따라서, 장기간 지속될 수 있는 충분한 에너지만 제공된다면, 부력변환장치는 무한대로 상승 및 하강을 반복할 수 있으며, 1~2년의 장기간 해양에 부유하면서 필요한 작업을 수행할 수가 있다.

본 발명에 따른 수중측정장치는 상술한 부력변환장치의 원리를 이용한 것으로서, 하우징(housing), 하우징 내부에서 일정한 부피를 갖는 경질 몸체, 하우징 외부에서 변하는 부피를 갖는 블래더(bladder), 비압축성 유체, 펌프, 측정부(measuring part) 및 메모리(memory)를 포함한다.

경질 몸체는 하우징 내부에 장착되며, 일정한 부피를 가지며 고정 챔버를 포함한다. 반면에, 블래더는 하우징의 외부로 노출되며 가변 챔버를 포함하여 변하는 부피를 가진다. 그리고, 비압축성 유체는 이상적인 비압축성뿐만 아니라 실질적인 비압축성을 갖고 있는 유체도 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 펌프의 작동에 의해서 비압축성 유체가 고정 챔버 및 가변 챔버 사이를 이동할 수 있으며, 비압축성 유체의 이동에 따라 수중측정장치의 부력이 변화하여 수중측정장치가 상하로 이동할 수가 있다. 수중측정장치가 이동하는 동안, 측정부는 수심, 수온, 염분, 수압 등의 환경 정보를 측정하여 메모리에 저장할 수 있으며, 저장된 환경 정보는 나중에 외부의 리더기(reading device)로 전송되거나, 위성통신 또는 중계기통신 등을 통해서 실시간으로 외부의 네트워크 서버로 전송될 수가 있다.

수중측정장치는 에너지를 유지하는 한, 반복적으로 상하 이동을 할 수 있다.

따라서 수면에서 데이터 전송을 완료한 후에 다시 하강하여 해류를 통해 다른 위치로 이동할 수 있으며, 동일한 위치를 반복적으로 측정함으로써 시간에 따른 환경 정보의 변화를 측정할 수도 있다.

본 발명에 따른 수중측정장치는 자동으로 상하 이동을 할 수 있으며, 상승 또는 하강하는 동안 주변의 해양 환경 정보를 획득할 수가 있다. 또한, 펌프에 감속비가 큰 기어 모터(geared motor)를 사용함으로써 저전력을 사용하면서도 고압력의 펌프를 작동할 수 있어 동력 소모를 최소로 줄일 수도 있다. 실제로 수중측정장치는 신속한 상승 또는 하강을 필요로 하지 않기 때문에 저전력의 모터로도 충분히 제 기능을 수행할 수 있으며, 수년간 반복되는 측정 프로젝트에서도 무리 없이 우수한 결과물을 얻을 수가 있어 매우 경제적이기도 하다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 하기의 실시예 외에도 본 발명의 실시예는 다양하게 구성될 수 있다. 즉, 본 발명 의 권리범위는 하기의 실시예에 의해 제한되거나 한정되지 않는다.

실시예 1

도 1 및 도 2를 참조하면, 부력변환장치(100)는 경질 몸체(110), 연질 몸체(120), 오일(130) 및 펌프(140)를 포함한다. 경질 몸체(110)는 금속과 같은 경질 소재로 구성되며, 외부의 압력에 의해서 변형되지 않는 특성을 가진다. 따라서 경질 몸체(110)의 내부는 외부 압력에 의해서 변형되지 않는 고정 챔버(112)를 포함한다.

일반적으로 경질 몸체(110)는 스테인리스 스틸 등으로 구성되지만, 산화 피막 처리를 한 알루미늄으로 구성될 수도 있다. 왜냐하면, 알루미늄은 다른 금속에 비해 작은 비중을 갖고 있으며, 산화 피막 처리된 알루미늄은 스테인리스 스틸(e.g. STS316)과 비슷한 강도를 갖기 때문이다. 게다가 산화 피막 처리된 알루미늄은 해수 부식에 매우 강한 내성을 갖기 때문에 거친 해양 환경에서도 사용될 수가 있다.

연질 몸체(120)는 고무와 같이 연질 소재로 구성되며, 외부 또는 내부의 압력 차에 의해서 가변 챔버(122)의 부피가 변화하는 특성을 갖는다.

펌프(140)는 경질 몸체(110) 및 연질 몸체(120) 사이에 장착되며, 펌프(140)에 의해서 고정 챔버(112) 및 가변 챔버(122)는 밀봉된 상태로 연결되어 있다. 고정 챔버(112) 및 가변 챔버(122)에는 비압축성 유체인 오일(130)이 충진되어 있으며, 오일(130)은 펌프(140)에 의해서 고정 챔버(112) 및 가변 챔버(122) 사이를 이 동할 수가 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 부력변환장치(100)는 수중에 부유되어 있는 상태에 있으며, 이때 부력변환장치(100)에 미치는 중력(W) 및 초기 부력(B1)이 동일하게 유지된다.

펌프(140)가 작동을 시작하여 고정 챔버(112) 내의 오일(130)을 가변 챔버(122)로 강제로 이송시키면, 비압축성 유체인 오일(130)이 연질 몸체(120)로 유입되면서 연질 몸체(120)를 부풀게 한다. 연질 몸체(120)의 부피가 증가하면서 부력변환장치(100)의 초기 부력(B1)에 더해 추가 부력(B2)이 형성되고, 증가된 부력에 의해 부력변환장치(100)는 수중에서 상승하게 된다.

부력변환장치(100)를 가라 앉히기 위해서는 오일(130)을 반대로 이동시킨다.

펌프(140)가 작동하여 가변 챔버(122) 내의 오일(130)을 고정 챔버(112)로 강제로 이송시키면, 가변 챔버(122) 내의 오일(130)이 줄어들면서 연질 몸체(120)의 부피도 줄어든다. 연질 몸체(120)의 부피가 감소하면서 부력변환장치(100)의 부력도 감소하게 되고, 그 결과 부력변환장치(100)는 수중에서 하강하게 된다.

이러한 과정을 통해서 부력변환장치(100)는 수중 또는 기타 매질 내에서 상하로 이동할 수 있으며, 외부로 유출되는 물질 없이 장치 내부에 있는 비압축성 유체의 이동에 의해서 부력을 조절할 수 있기 때문에 측정장치와 같이 주변에 대한 영향 없이 정밀한 이동을 요구하는 경우에 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 에너지가 제공되는 한에서 무한대로 상하로 이동할 수 있다는 장점이 있다.

실시예 2

도 3 및 도 4를 참조하면, 부력변환장치(200)는 하우징(205), 경질 몸체(210), 블래더(220), 오일(230) 및 펌프(240)를 포함한다. 하우징(205)에는 경질 몸체(210) 및 펌프(240)가 내장되며, 블래더(220)는 하우징(205) 외부로 노출된다.

그리고 오일(230)은 경질 몸체(210) 및 블래더(220) 사이를 이동하면서 블래더(220)의 부피를 변화시키고, 블래더(220)에 체적 변화에 따른 부력 변화를 이용하여 부력변환장치(200)는 수중에서 상하로 이동할 수가 있다.

구체적으로 하우징(205) 및 경질 몸체(210)는 금속과 같은 경질 소재로 구성되며, 외부의 압력에 의해서 변형되지 않는 특성을 가진다. 경질 몸체(210)는 하우징(205) 내부에 장착되며, 하우징(205)은 경질 몸체(210) 및 펌프(240)를 1차적으로 보호하여 수압에 의해 물이 침투하는 것을 방지할 수 있다. 경질 몸체(210)의 내부는 외부 압력에 의해서 변형되지 않는 고정 챔버(212)를 포함한다. 일반적으로 경질 몸체(210)는 스테인리스 스틸 등으로 구성된다. 하우징(205)도 일반적으로 스테인리스 스틸로 구성되지만, 산화 피막 처리를 한 알루미늄으로도 구성될 수도 있다. 왜냐하면, 알루미늄은 다른 금속에 비해 작은 비중을 갖고 있으며, 산화 피막 처리된 알루미늄은 스테인리스 스틸(e.g. STS316)과 비슷한 강도를 갖고 있을 뿐만 아니라 해수 부식에 매우 강한 내성을 갖기 때문이다.

블래더(220)는 고무와 같이 탄성을 가지며 변형될 수 있는 연질 소재로 구성된다. 따라서 블래더(220) 내부에 제공되는 가변 챔버(222)는 내외부의 압력 차 또는 가변 챔버(222) 내의 오일(230) 양에 의해서 부피가 변할 수가 있다. 또한, 블 래더(220)는 원통형의 형상으로 형성되며 그 측면은 벨로우즈(bellows)와 같이 상하로 주름져 있기 때문에, 블래더(220)는 상하로 높이를 달리하면서 자신의 부피를 증가 또는 감소시킨다.

블래더(220)는 하우징(205)의 상단부 또는 하단부에 장착되며, 연결관을 통해 부력변환장치의 일부를 구성하는 경질 몸체(210)와 연결되어 있다. 또한, 블래더(220)는 하우징(205)의 외부로 노출되어 있으며 블래더(220) 안에 있는 오일(230)의 양에 의해서 팽창 또는 수축함에 따라 부력변환장치(200)로 가해지는 부력을 조절할 수가 있다. 따라서, 부력변환장치(220)는 펌프(240)을 이용하여 블래더(220) 내의 오일(230) 양을 조절할 수 있으며, 오일(230) 양에 대응하여 달라지는 부력을 이용하여 수중 내에서 상하로 이동할 수가 있다.

이를 위해서, 본 실시예에 따른 펌프(240)는 고정 챔버(212)에서 밀봉된 상태를 유지하며 왕복운동을 하는 피스톤(242)과 피스톤(242)을 이송하기 위한 이동부재(250)를 포함한다. 이를 위해 고정 챔버(212)는 실린더(cylinder) 형상으로 형성되어 있으며, 고정 챔버(212)의 형상에 대응하여 피스톤(242) 역시 원형으로 형성되어 있다.

이동부재(250)는 모터(252), 모터(252)에 전원을 공급하기 위한 배터리(253), 및 모터(252)의 회전과 연동하는 볼 스크류(254)를 포함하며, 볼 스크류(254)는 고정 챔버(212) 내에 고정된 너트(255), 너트(255)와 나사로 결속된 나사 샤프트(256), 및 나사 샤프트(256)와 피스톤(242)을 연결하는 커플링(257)을 포함한다. 나사 샤프트(256)의 수나사에 대응하여 너트(255)의 홀 내면에는 암나사가 형성되어 있다. 너트(255)와 나사 샤프트(256)가 상호 나사로 결속되어 있기 때문에, 나사 샤프트(256)는 회전을 하면서 고정된 너트(255)에 대해 축방향으로 이동을 할 수가 있다. 나사 샤프트(256)의 단부에는 커플링(257)을 통해 피스톤(242)이 장착되어 있으며, 커플링(257)은 나사 샤프트(256)의 회전 및 축방향 운동 중 축방향 운동만 전달할 수 있다.

모터(252)는 나사 샤프트(256)의 다른 단부에 장착되어 회전을 전달하며, 나사 샤프트(256)와 함께 이동을 할 수가 있다. 특히, 부력변환장치(200)를 상승시키기 위해 블래더(220)를 팽창하는 경우, 피스톤(242)과 함께, 모터(252) 및 나사 샤프트(256)가 함께 하강하기 때문에 무게 중심을 아래로 이동시킬 수가 있다.

또한, 높은 수압을 가진 수중에서 블래더(220)를 팽창시키기 위해서는 피스톤(242)은 이에 상응하는 큰 압력으로 오일(230)을 밀어 낼 수 있어야 한다. 이를 위해서 모터(252)는 회전력(Torque)를 내어야 하는데, 본 실시예에 따른 부력변환장치(200)에서는 모터(252)의 회전력을 증가시키기 위해 큰 감속비를 가진 기어 모터(Geared Motor)를 사용한다. 이 외에도 충분히 높은 출력을 가진 모터를 사용할 수도 있지만, 높은 출력을 가진 모터는 대체로 크고 무거우며 상당히 고가이기 때문에 실제로 부력변환장치(200)에 적용하기가 부적합하다. 본 실시예에 따르면, 큰 감속비를 가진 소형 모터를 사용한다. 소형 모터는 소모 전력이 적기 때문에 부력변환장치의 수명을 연장시킬 수 있으며, 전압변동이나 부하변동, 속도, 출력(power), 기어비 등의 변수를 조절하여 전력소모량을 극소화할 수가 있다.

고정 챔버(212) 및 가변 챔버(222)에는 비압축성 유체인 오일(230)이 충진되 어 있으며, 오일(230)은 펌프(240)에 의해서 고정 챔버(212) 및 가변 챔버(222) 사이를 이동할 수가 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 부력변환장치(200)는 수중에 부유되어 있는 상태에 있으며, 이때 부력변환장치(200)에 미치는 중력(W) 및 초기 부력(B1)이 동일하게 유지된다. 그 다음, 펌프(240)가 작동을 시작하여 고정 챔버(212) 내의 오일(230)을 가변 챔버(222)로 강제로 이송시키면, 비압축성 유체인 오일(230)이 블래더(220)로 유입되면서 블래더(220)를 부풀게 한다. 블래더(220)의 부피가 증가하면서 부력변환장치(200)의 부력이 증가하게 되고, 그 결과 부력변환장치(200)가 수중에서 상승하게 된다.

반대로, 부력변환장치(200)를 가라 앉히기 위해서 오일(230)을 반대로 이동시키면 된다. 펌프(240)가 작동하여 가변 챔버(222) 내의 오일(230)을 고정 챔버(212)로 강제로 이송시키면, 오일(230)가 줄어들면서 블래더(220)의 부피도 줄어든다. 블래더(220)의 부피가 감소하면서 부력변환장치(200)의 부력도 감소하게 되고, 그 결과 부력변환장치(200)는 수중에서 하강하게 된다.

이러한 과정을 통해서 부력변환장치(200)는 수중 또는 기타 매질 내에서 상하로 이동할 수 있으며, 외부로 유출되는 물질 없이 장치 내부에 있는 비압축성 유체만으로도 부력을 조절할 수 있기 때문에 측정장치와 같이 주변에 대한 최소한의 영향 및 정밀한 이동을 요구하는 경우에 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 에너지가 제공되는 한에서 무한대로 상하로 이동할 수 있다는 장점이 있다.

실시예 3

도 5은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수중측정장치의 정면도이며, 도 6은 제3 실시예에 따른 수중측정장치의 부분 단면도이고, 도 7은 제3 실시예에 따른 수중측정장치의 분해도이다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 수중측정장치(300)는 하우징(305), 경질 몸체(310), 블래더(320), 오일(330), 펌프(340), 측정부(360), 제어부(370), 메모리부(375) 및 안테나(380)를 포함한다. 하우징(305)에는 경질 몸체(310) 및 펌프(340)가 내장되며, 블래더(320) 및 측정부(360), 안테나(380)는 하우징(305)의 외부에 장착되어 노출된다. 그리고 오일(330)은 경질 몸체(310) 및 블래더(320) 사이를 이동하면서 블래더(320)의 부피를 변화시키고, 블래더(320)에 체적 변화에 따른 부력 변화를 이용하여 수중측정장치(300)가 수중에서 상하로 이동할 수가 있다.

구체적으로 하우징(305) 및 경질 몸체(310)는 금속과 같은 경질 소재로 구성되며, 외부의 압력에 의해서 변형되지 않는 특성을 가진다. 경질 몸체(310)는 하우징(305) 내부에 장착되며, 경질 몸체(310)과 함께 펌프(340), 제어부(370), 메모리부(375) 및 배터리(353)도 하우징(205) 내부에 장착된다. 하우징(305)은 하우징 몸체(306), 상부 캡(307) 및 하부 캡(308)을 포함하며, 각 연결부에는 나사 결합 및 오-링(O-ring) 등을 사용하여 하우징(305) 내로 물이 침투하는 것을 방지할 수 있다. 이렇게 하우징(305)은 경질 몸체(310), 펌프(340) 및 내장된 부품들을 보호하는 기능을 한다. 여기서 하우징(305)은 일반적으로 스테인리스 스틸로 구성되지만, 산화 피막 처리를 한 알루미늄으로 구성될 수도 있다. 산화 피막 처리된 알루미늄은 스테인리스 스틸(e.g. STS316)과 비슷한 강도를 갖고 있을 뿐만 아니라 해수 부 식에 매우 강한 내성을 갖고 있으며, 다른 금속에 비해 작은 비중을 갖고 있다.

경질 몸체(310)의 내부는 외부 및 내부 압력에 의해서 변형되지 않는 고정 챔버(312)를 포함한다. 일반적으로 경질 몸체(310)는 스테인리스 스틸 등으로 구성된다.

블래더(320)는 고무와 같이 탄성을 가지며 변형될 수 있는 연질 소재로 구성되며, 하부 캡(308)의 하단에 장착되어 외부로 노출된다. 블래더(320)는 연결관을 통해 부력변환장치의 일부를 구성하는 경질 몸체(310)와 연결되며, 연결관은 하부 캡(308)에 형성된 홀을 통해서 블래더(320)와 경질 몸체(310)를 연결할 수가 있다

또한, 블래더(320)는 하우징(305)의 외부로 노출되어 있으며, 블래더(320) 내부에 제공되는 가변 챔버(322)는 내외부의 압력 차 또는 가변 챔버(322) 내의 오일(330) 양에 의해서 부피가 변할 수가 있다. 따라서 블래더(320)는 가변 챔버(322)에 있는 오일(330)의 양에 의해서 팽창 또는 수축할 수 있으며, 부피 변화에 따라 달라지는 부력의 특성을 이용하여 수중측정장치(300)로 가해지는 부력을 조절할 수가 있다. 또한, 블래더(320)는 원통형의 형상으로 형성되며 그 측면은 벨로우즈(bellows)와 같이 상하로 주름져 있기 때문에, 블래더(320)는 상하로 높이를 달리하면서 자신의 부피를 증가 또는 감소시킨다.

펌프(340)는 경질 몸체(310) 내에 장착되며, 경질 몸체(310) 및 블래더(320) 내에 있는 오일(330)의 양을 조절한다. 이를 위해서 펌프(340)는 고정 챔버(312)에서 밀봉된 상태를 유지하며 왕복운동을 하는 피스톤(342)과 피스톤(342)을 이송하기 위한 이동부재(350)를 포함한다.

이동부재(350)는 모터(352), 모터(352)에 전원을 공급하기 위한 배터리(353), 및 모터(352)의 회전과 연동하는 볼 스크류(354)를 포함하며, 모터(352)는 볼 스크류(354)와 연동함으로써 볼 스크류(354)의 단부에 장착된 피스톤(342)을 이동시킬 수 있다.

배터리(353)는 리튬 1차 전지로서 같은 양의 알카라인 전지에 비해 무게가 가볍고 저전력의 연속방전(약 16㎂)의 경우에도 에너지 효율이 약 88%로 안정된 전원을 공급할 수가 있다는 장점이 있다. 배터리(353)는 경질 몸체(310)가 장착된 내장 플레이트(314)의 하단부에 고정되며, 모터(352) 및 제어부(370) 등에 전원을 공급하는 것은 물론, 수중측정장치(300)의 무게중심이 하반부에 위치하도록 할 수가 있다.

도 8을 참조하면, 볼 스크류(354)는 고정 챔버(312) 내에 고정된 너트(355), 너트(355)와 나사로 결속된 나사 샤프트(356), 및 나사 샤프트(356)와 피스톤(342)을 연결하는 커플링(357)을 포함한다. 나사 샤프트(356)의 수나사에 대응하여 너트(355)의 홀 내면에는 암나사가 형성되어 있다. 너트(355)와 나사 샤프트(356)가 상호 나사로 결속되어 있기 때문에, 나사 샤프트(356)는 회전을 하면서 고정된 너트(355)에 대해 축방향으로 이동을 할 수가 있다. 나사 샤프트(356)의 단부에는 커플링(357)을 통해 피스톤(342)이 장착되어 있으며, 커플링(357)은 나사 샤프트(356)의 회전 및 축방향 운동 중 주로 축방향 운동만 전달할 수 있다.

모터(352)는 나사 샤프트(356)의 다른 단부에 장착되어 회전을 전달하며, 나사 샤프트(356)와 함께 이동을 할 수가 있다. 특히, 수중측정장치(300)를 상승시키기 위해 블래더(320)를 팽창시키는 경우, 피스톤(342)과 함께, 모터(352) 및 나사 샤프트(356)가 함께 하강하기 때문에 무게 중심을 아래로 이동시킬 수가 있다.

또한, 높은 수압을 가진 수중에서 블래더(320)를 팽창시키기 위해서는 피스톤(342)은 이에 상응하는 큰 압력으로 오일(330)을 밀어 낼 수 있어야 한다. 이를 위해서 모터(352)는 큰 회전력(Torque)를 내어야 하는데, 본 실시예에 따른 수중측정장치(300)에서는 모터(352)의 회전력을 증가시키기 위해 큰 감속비를 가진 기어 모터(Geared Motor)를 사용한다. 소형의 기어 모터는 소모 전력이 적기 때문에 부력변환장치의 수명을 연장시킬 수 있으며, 전압변동이나 부하변동, 속도, 출력(power), 기어비 등의 변수를 조절하여 전력소모량을 극소화할 수가 있다.

고정 챔버(312) 및 가변 챔버(322)에는 비압축성 유체인 오일(330)이 충진되어 있으며, 오일(330)은 펌프(340)에 의해서 고정 챔버(312) 및 가변 챔버(322) 사이를 이동할 수가 있다.

오일(330)에 의해서 팽창 및 수축을 반복하는 블래더(320)를 보호하기 위해서, 하우징(305)의 하단부에는 보호 가드(390)가 장착된다. 보호 가드(390)는 원통형으로 형성되어 블래더(320)의 측면을 커버하며, 블래더(320)가 외부의 물체와 충돌하는 것을 예방할 수가 있다.

보호 가드(390)에 대향하여 하우징(305)의 상부 캡(307)에는 측정부(360) 및 안테나(380)가 장착된다. 측정부(360)는 수심 측정기, 수온 측정기, 염분 측정기, 수압 측정기 등을 포함할 수 있으며, 해양에서의 주변 환경 정보를 측정할 수가 있다. 측정부(360)에 의한 측정은 특정 수심에서 수행될 수 있으며, 상승 또는 하강 중 일정 주기로 수행될 수도 있다. 본 실시예에서 측정부(360)는 주로 상부 캡(307)에 설치되지만, 수심 측정기 및 수온 측정기 등 각 측정기는 각각 다른 위치에 장착될 수 있으며, 하우징(305) 몸체(306), 하부 캡(308) 등 다양한 위치에 장착될 수 있다.

안테나(380)도 역시 상부 캡(307)의 상단에 장착되며, 무선 송수신부로서 외부의 위성 또는 중계기와 필요한 데이터를 송수신할 수가 있다. 본 실시예에서 안테나(380)는 약 80~120cm의 길이로 약 120~160MHz 영역의 주파수를 송수신 할 수가 있다. 수중측정장치(300)에서 측정된 환경 정보는 일단 메모리(375)에 저장되며, 수중측정장치(300)가 수면으로 올라온 후에는 저장된 정보는 안테나(380)를 통해서 외부로 전송될 수 있다.

수면에서도 수중측정장치(300)는 대략 수직한 자세를 유지할 수 있어야 하며, 이를 위해서 하우징(305)의 상단부에는 댐핑 디스크(395)가 장착된다. 댐핑 디스크(395)는 파도치는 수면에서 수면과 함께 상하로 이동하기 때문에 수면과 평행한 상태를 유지하게 되고, 수중측정장치(300)의 하우징(305)은 수면에 대해 수직한 상태를 유지하면서 인공 위성 등과 원활하게 정보를 교환할 수가 있다.

도 9를 참조하면, 수중측정장치(300)는 수중에 부유되어 있는 상태에 있으 며, 이때 수중측정장치(300)에 미치는 중력 및 초기 부력이 동일하게 유지된다. 그 다음, 모터(352)가 작동을 시작하여 나사 샤프트(356)를 회전시키고, 너트(355)에 대응하여 나사 샤프트(356) 및 피스톤(342)이 아래로 이동하게 된다. 피스톤(342)이 아래로 이동함에 따라 고정 챔버(312) 내의 오일(330)이 연결관을 통해 블래더(320)로 이동하게 되고, 블래더(320)가 팽창을 한다. 블래더(320)의 부피가 증가하면서 수중측정장치(300)의 부력이 증가하게 되고, 그 결과 수중측정장치(300)가 수중에서 상승하게 된다.

도 10을 참조하면, 모터(352)가 반대로 작동을 시작하여 나사 샤프트(356)를 반대 방향으로 회전시킴으로써, 너트(355)에 대응하여 나사 샤프트(356) 및 피스톤(342)이 위로 이동하게 된다. 피스톤(342)이 위로 이동함에 따라 가변 챔버(322) 내의 오일(330)이 연결관을 통해 고정 챔버 (312)로 이동하게 되고, 블래더(320)가 수축을 한다. 블래더(320)의 부피가 감소하면서 수중측정장치(300)의 부력이 감소하게 되고, 그 결과 수중측정장치(300)가 수중에서 하강하게 된다.

이러한 과정을 통해서 수중측정장치(300)는 수중 또는 기타 매질 내에서 상하로 이동할 수 있으며, 외부로 유출되는 물질 없이 장치 내부에 있는 비압축성 유체의 이동에 의해서 부력을 조절할 수 있기 때문에 측정장치와 같이 주변에 대한 영향 없이 정밀한 이동을 요구하는 경우에 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 에너지가 제공되는 한에서 무한대로 상하로 이동할 수 있다는 장점이 있다.

수중측정장치(300)의 설정된 목표는 수심 약 500m에서 최소 7일간(default = 10일) 해류를 따라 표류하다가, 수면으로 상승하면서 수심에 따른 수온, 수압, 염분 등을 측정하여 저장하고, 수면에서 측정된 정보를 GPS(Global Positioning System) 위치 정보와 함께 외부 인공위성으로 전송하는 한다. 그리고, 표층대기모드, 하강모드, 및 수심조절모드를 거쳐 절전 모드(power save mode)로 전환되어 약 16㎂의 전류를 소모하면서 일정 시간이 경과될 때가지 표류를 한다.

여기서 절전 모드 기간을 약 7일이라고 했을 경우 소모되는 전류량은 2.69mA로 내부 전압 약 14.4V DC로 150회 동작하였을 때 약 5.8W 소모된다. 추가적으로 수중측정장치의 관측 및 전송시간을 최대 1일로 고려하였을 때 약 3.3년간 동작할 수 있으며, 수중표류기간은 약 2.9년으로 power save mode는 전체 cycle의 88%에 해당 된다.

도 11을 참조하면, 측정부(360)는 수심측정기(361), 수온측정기(362), 염분측정기(363) 등을 포함하며, 이들 측정기에 측정된 정보는 일단 메모리(375)에 저장된다. 수중측정장치(300)가 수면에 도달하게 되면, 제어부(370)는 메모리(375)에 저장된 정보를 안테나(380)를 통해서 외부로 전달하게 되며, 위치감지센서를 통해 입수된 위치 정보도 메모리(375)에 저장하고 외부로 전송하게 된다. 수면에서의 작업이 완료되면 제어부(370)는 펌프(340)의 모터(352)를 작동시킬 수 있으며, 모터(352)는 반대 방향으로 회전하여 수중측정장치(300)를 다시 수중으로 잠수하도록 할 수가 있다.

수중측정장치는 프로그램화된 과정에 의해서 자동으로 해양을 이동하면서 수심에 따른 해양 환경 정보를 측정할 수 있으며, 수심에 따라 수집된 환경 정보를 인공위성 또는 외부 중계기를 통해 원거리에 위치한 분석 주체로 전송할 수 있다.

또한, 수중측정장치는 적은 전력을 사용하기 때문에 장기간에 걸쳐 방대한 환경 정보를 수집할 수 있으며, 여기에 사용되는 부력변환장치는 진동이나 소음 없이 수중에서 상하로 안정되게 이동할 수 있기 때문에, 정밀한 측정이 가능하다.

또한, 산화 피막 처리된 알루미늄을 사용함으로써 해수에 대한 내성을 갖게 할 수 있으며, 댐핑 디스크를 사용함으로써 수중 및 수면에서 안정된 자세를 유지할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

고정 챔버를 포함하며 일정한 부피를 갖는 경질 몸체;

가변 챔버를 포함하며 변하는 부피를 갖는 연질 몸체;

실질적인 비압축성을 가지며, 상기 고정 챔버 및 상기 가변 챔버 사이를 이동하는 비압축성 유체; 및

상기 고정 챔버에 밀봉 가능하게 장착되며 상기 고정 챔버를 따라 이동하는 피스톤 및 상기 고정 챔버에 대해서 상기 피스톤을 이동시키기 위한 피스톤 이동부재를 포함하여 상기 비압축성 유체를 강제로 이송시키는 펌프;를 구비하는 부력변환장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 이동부재는 상기 피스톤을 지지하는 볼스크류, 상기 볼스크류를 구동하기 위한 모터, 및 상기 모터에 전원을 공급하는 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 부력변환장치.
제3항에 있어서,

상기 볼스크류는 상기 고정 챔버 내에 고정된 너트부, 상기 너트부와 나사로 결속된 나사 샤프트, 및 상기 나사 샤프트와 상기 피스톤을 연결하는 커플링를 포함하며, 상기 모터는 상기 나사 샤프트와 함께 이동하며 회전력을 전달하는 것을 특징으로 하는 부력변환장치.
제1항에 있어서,

상기 연질 몸체는 연질 소재로 구성된 블래더를 포함하는 것을 특징으로 하는 부력변환장치.
제1항에 있어서,

상기 경질 몸체의 단부에 장착되어 상기 연질 몸체를 보호하는 중공형의 보호 가드를 포함하는 것을 특징으로 하는 부력변환장치.
하우징;

상기 하우징 내에서 고정 챔버를 포함하며 일정한 부피를 갖는 경질 몸체;

상기 하우징의 외부에서 가변 챔버를 포함하며 변하는 부피를 갖는 블래더;

실질적인 비압축성을 가지며, 상기 고정 챔버 및 상기 가변 챔버 사이를 이동하는 비압축성 유체;

상기 비압축성 유체를 이동시키는 펌프;

상기 하우징에 장착되며 주변의 환경 정보를 측정하기 위한 측정부; 및

상기 측정부로부터 얻어진 상기 환경 정보를 저장하기 위한 메모리부;를 구 비하는 수중측정장치.
제7항에 있어서,

상기 펌프는 상기 고정 챔버에 밀봉 가능하게 장착되며 상기 고정 챔버를 따라 이동하는 피스톤 및 상기 고정 챔버에 대해서 상기 피스톤을 이동시키기 위한 피스톤 이동부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중측정장치.
제8항에 있어서,

상기 이동부재는 상기 피스톤을 지지하는 볼스크류, 상기 볼스크류를 구동하기 위한 모터, 및 상기 모터에 전원을 공급하는 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중측정장치.
제9항에 있어서,

상기 볼스크류는 상기 고정 챔버 내에 고정된 너트부, 상기 너트부와 나사로 결속된 나사 샤프트, 및 상기 나사 샤프트와 상기 피스톤을 연결하는 커플링를 포함하며, 상기 모터는 상기 나사 샤프트와 함께 이동하며 회전력을 전달하는 것을 특징으로 하는 수중측정장치.
제7항에 있어서,

상기 블래더는 연질 소재로 구성되며, 벨로우즈와 같이 주름진 형태로 형성 된 것을 특징으로 하는 수중측정장치.
제7항에 있어서,

상기 하우징의 단부에 장착되어 상기 블래더를 보호하는 중공형의 보호 가드를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중측정장치.
제7항에 있어서,

상기 메모리에 저장된 상기 환경 정보를 무선으로 송수신하기 위한 무선 송수신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중측정장치.
제13항에 있어서,

상기 무선 송수신부는 상기 하우징의 상단부에 장착된 안테나를 포함하며, 상기 하우징의 상단부에는 댐핑 디스크가 상기 하우징에 수직하게 장착된 것을 특징으로 하는 수중측정장치.
제7항에 있어서,

상기 측정부는 수심 측정기, 수온 측정기, 염분 측정기, 수압 측정기 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중측정장치.
제7항에 있어서,

상기 하우징은 산화 피막 처리된 알루미늄으로 구성되는 것을 특징으로 하는 수중측정장치.