KR100790385B1 - 선박의 표면 마찰저항 감소방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 a) 비활성 기체를 플라즈마화하는 단계; b) 플라즈마화된 비활성 기체로 플라즈마 제트를 형성시키는 단계; c) 플라즈마 제트를 이용하여 소수성 코팅 재료를 물체 표면에 용사하여 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는, 물체 표면에 부하되는 마찰저항을 감소시키는 방법을 제공한다. 본 발명은 소수성 재료를 플라즈마 열용사 코팅 기술로 선박의 수선면 아래 선체 표면에 부착함으로써 유체에 의한 마찰저항을 감소시킬 수 있고, 오염물질이 선체에 부착되는 것을 방지할 수 있다.

플라즈마 열용사 코팅, 소수성 재료, 마찰저항

Description

선박의 표면 마찰저항 감소방법{Method for reducing a skin friction resistance of a ship}

도 1은 선박 동체 및 수선면을 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 2는 본 발명의 플라즈마 열용사 코팅 방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 3은 본 발명에 의한 플라즈마 코팅을 선박의 표면에 적용한 경우를 나타낸 예시도이다.

도 4a는 종래의 통상적인 선박의 선체 표면 주위 유동의 경계층을 나타내는 모식도이다.

도 4b는 본 발명에 의한 플라즈마 코팅된 선박의 선체 표면 주위 유동의 경계층을 나타낸 모식도이다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

1 : 수선면 2 : 수선면 하부 선체

3 : 소수성 재료 분말 4 : 플라즈마 제트

5 : 전기 아크 발생장치 6 : 음극

7 : 양극 8 : 비활성 기체 유입구

9 : 냉각수 10 : 선체 표면

11 : 플라즈마 코팅층 12 : 선체 옆면

13 : 선수 14 : 선저

15 : 선미

16 : 종래 선박의 선체 표면 유동의 경계층

17 : 본 발명에 의한 플라즈마 코팅 처리한 선박의 선체 표면 유동의 경계층

본 발명은 선박 표면에 부하되는 마찰저항을 감소시키기 위한 방법에 관한 것이다.

유체 속에서 움직이는 물체, 예를 들어 선박은 물과 공기의 경계면에서 항주하므로, 물과 공기의 양쪽으로부터 유체 저항을 받는다. 따라서, 선박이 소요의 속력으로 항해하기 위해서는 물과 공기로부터의 양쪽 저항 모두를 극복해야 한다.

구체적으로 설명하면, 실해역을 항해하는 선박이 받는 저항은 크게 선박의 수면 아래 부분이 받는 물에 의한 저항과 수면 위 부분이 받는 공기에 의한 저항으로 분류될 수 있는데, 선박이 물로부터 받는 저항은 선박이 받는 전체 저항의 대부분을 차지하며, 이것은 다시 선박이 점성이 없는 이상 유체(ideal fluid) 속에서 운동한다고 가정하였을 때 발생하는 파도로 인한 조파 저항과 이상 유체가 아닌 실제 유체 속에서 운동할 때 발생하는 실제 유체의 점성으로 인한 점성 저항으로 나누어진다. 점성저항은 다시 선박의 형상과는 관계 없이 발생하는 선박 표면에서의 마찰저항과 선박의 형상이 평면이 아닌 임의의 3차원 형상을 갖기 때문에 발생하는 형상저항으로 분류될 수 있다.

선박이 임의의 일정한 속도로 항주할 때, 선박의 표면에는 유체의 점성으로 인하여 접선방향으로 마찰력이 작용한다. 마찰저항은 선박이 받는 전체 저항 중에서 큰 비중을 차지하는데, 예를 들어 저속화물선의 경우는 전체 저항의 70~80% 정도에 이르고, 항주 속도가 증가하면 전체 저항에서 마찰저항이 차지하는 비율이 다소 감소하지만 최소한 40~50%를 차지하게 된다. 따라서, 선박이 받는 전체 저항을 감소시키기 위한 방안으로서 마찰저항을 저감시키기 위한 방법들이 시도되고 있으며, 이에는 수동적인 방법과 능동적인 방법이 있다.

능동적인 방법은 마찰저항 저감장치가 유동에 직접 힘을 가하거나 유동을 직접 제어하는 방법으로서 하기와 같은 방법들이 있다.

대한민국 공개특허공보 제2002-77112호는 유연성있는 공기관을 내장한, 다수의 슬릿이 형성되어 있는 파이프 하우징을 선체 표면의 내측 혹은 외측에 설치하여 상기 공기관을 펌프로서 수축, 팽창시켜 슬릿을 통한 유체의 흡입, 분출을 이루게 하여 선체 표면에 형성되는 난류의 유동장을 변화시켜 마찰저항을 감소시키는 방법 및 장치를 개시하고 있다.

또한, 대한민국 등록실용신안공보 제1992-8336호는 엔진과 각각 연결되는 한 쌍의 수차와, 상기 수차의 외측부에 위치하며, 그 중앙부에는 구멍이 형성되는 토출 물결 유도판과, 상기 수차의 양측 외주연부에 위치되어 상기 토출 물결 유도판의 양측에 부착되는 다수 개의 흡입, 토출변향익편 및 상기 구멍의 외측부에 부착 되는 흡입물결 유도판으로 구성되어 있으며, 운항시 선수부에 부닺치는 물결의 마찰저항을 감소시키는 동시에 상기 한 쌍의 수차의 회전속도와 회전방향으로 선박의 운항방향을 조정하는 선박의 선수추진장치를 개시하고 있다.

그러나, 현재 개발된 능동적인 방법들은 별도의 마찰저항 저감장치를 제작 설계하여야 하는 부담 이외에도, 마찰저항 저감장치를 부착함으로써 파생되는 에너지 저감효과보다도 오히려 유동을 제어하기 위하여 이러한 마찰저항 저감장치를 가동하는데 필요한 에너지가 더 크다는 단점을 가지고 있다.

한편, 마찰저항을 저감시키기 위한 수동적인 방법들은 선체의 외형을 바꾸어 마찰저항을 감소시키거나 선박의 일부분, 즉 선박의 선수, 선미 또는 저면에 부가물(appendage)을 부착하여 선박 표면의 유체 흐름을 제어함으로써 추진효율을 높이는 방법들이 이용되어 왔으며, 유동제어를 위한 에너지 공급이 없다는 장점으로 인하여 종래에 널리 이용되어 왔다.

선체의 외형을 바꾸어 마찰저항을 감소시키기 위한 방법으로서, 대한민국 등록특허공보 제359,933호는 선수를 가능한 한 전방으로 뾰족하게 함으로써, 이 선수에서 전방으로의 파반사, 파의 붕괴현상을 완화하여 파랑중 저항증가를 저감할 수 있는 비대선을 개시하고 있다.

한편, 선박의 선수, 선미 또는 저면에 부가물을 설치하여 추진효율을 높이는 방법으로서, 대한민국 등록실용신안공보 2002-6929호는 유속의 저항을 줄이는 회전 반달원반을 개시하고 있으며, 이에 따르면 선박 선수에 회전 반달 원반을 장착하기 위하여 캡 내부에 스러스트 베어링을 삽입하고 보올 베어링을 회전 반달 원반축에 끼워 회전 반달 원반축을 캡으로 덮은 다음 선수에 고정함으로써 선박이 진행할 때 선박의 선수부에 부딛치는 유속의 저항이 줄어든다.

또한, 대한민국 공개특허공보 제1997-69724호는 선체의 하면에 오목부를 형성시키고, 특히 선체의 전면부에 공기가 흡입되는 공기 흡입부를 형성하고, 상기 공기 흡입부를 통해 유입된 공기가 오목부에 잠시 머문 후 선체 후면부의 후면 공기 배출부와 측면부의 측면 공기 배출부로 빠져나가게 함으로써, 상기 선체의 하면에 형성된 오목부에 공기가 지체되어 압력이 발생하게 되고, 이 압력에 의해 선체가 상승력을 받아 물과의 접촉 부위가 최대한 감소되어 마찰저항을 감소시킬 수 있는 고속선박의 구조를 개시하고 있다.

상기 수동적 방법들은 선박의 마찰저항을 감소시키기 위한 방법으로서 능동적 방법들에 비하여 상대적으로 에너지 절감 효율이 높다는 장점을 가지지만, 선박의 외형 자체를 변형시켜야 하는 관계로 선박의 제조공정을 복잡하게 하고 제조원가를 상승시키는 요인이 된다.

이에, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로서, 선박의 외형 자체를 변화시키거나 별도의 부가물을 설치함이 없이, 간단한 제조공정 및 저렴한 생산비로 선박 표면에 작용하는 마찰저항을 감소시킴으로써 연료비를 현저하게 절감할 수 있는 선박 표면의 마찰저항 감소방법을 제공한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,

a) 비활성 기체를 플라즈마화하는 단계; b) 플라즈마화된 비활성 기체로 플라즈마 제트를 형성시키는 단계; c) 플라즈마 제트를 이용하여 소수성 코팅 재료를 물체 표면에 용사하여 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 물체 표면에 부하되는 마찰저항을 감소시키는 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 비활성 기체는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 라돈(Rn) 및 질소(N₂) 기체로 이루어진 군으로부터 선택된다.

상기 플라즈마 제트는 5,000K 내지 10,000K의 온도 및 100m/s 내지 2,000m/s의 속도를 갖는 것이 바람직하다.

소수성 코팅 재료로는 테프론, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 폴리머가 사용되는 것이 바람직하다.

상기 플라즈마 제트의 용사 거리는 10cm 내지 40cm이고, 상기 코팅층의 두께는 20㎛ 내지 100㎛인 것이 바람직하다.

본 발명은 다양한 물체의 표면에 적용될 수 있고, 예를 들어 선박, 자동차, 항공기 등의 다양한 운송 수단에도 적용될 수 있으며, 바람직하게는 상기 물체 표면은 선박의 수선면 하부 선체이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

유체 속에서 운동하는 물체의 표면에 발생하는 마찰저항은 유체가 가지는 끈적끈적한 성질인 점성에 의한 저항으로서, 이러한 마찰저항은 유체와 맞닿는 물체 의 표면에서 주로 발생되는 저항으로서, 예를 들어 도 1을 참조하면, 실해역을 항해하는 선박의 경우에는 선박 표면이 물과 접하는 부분인 수선면 하부 선체(2)에서 대부분의 마찰저항이 발생된다. 이러한 표면 마찰저항은 물체의 표면상태, 즉 물체 표면의 조도, 물체 표면의 형상 등에 따라 그 크기가 크게 달라진다.

본 발명은 고속 또는 저속으로 운항하는 선박의 표면에서 발생하는 물과의 마찰저항을 감소시키기 위한 방법에 관한 발명으로서, 물의 표면과 선박의 표면이 접하는 경계면에는 계면 에너지(interfacial energy)가 존재하게 되는데, 종래 통상적인 선박의 경우에는 선박 표면과 물 표면이 이루는 경계면의 계면 에너지가 선박 표면 에너지와 물 표면 에너지를 합한 것보다 더 작으므로 선박 표면은 친수성을 띄게 되고, 선박 표면과 물 표면 사이에는 점성에 의한 마찰 저항이 발생하게 된다. 그러나, 이러한 선박의 표면에 소수성 코팅 처리를 하게 되면, 소수성 코팅과 물 표면이 이루는 경계면의 계면 에너지가 소수성 코팅의 표면 에너지와 물의 표면 에너지의 합보다 더 커질 수 있어서 선박 표면은 소수성을 띄게 되고, 결과적으로 선박 표면과 물 표면 간의 마찰 저항은 대폭 감소하게 된다.

도 2는 본 발명의 플라즈마 열용사 코팅 방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 2에 따르면, 본 발명에 의한 플라즈마 열용사 코팅 방법에 사용되는 플라즈마는 비활성 기체(8)를 전기 아크 발생 장치(5)에서 전기 아크 방전에 의하여 플라즈마화 시키게 되며, 사용되는 비활성 기체는 플라즈마화 되어 열용사 코팅 방법에 사용될 수 있는 것이라면 제한이 없으나, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 라돈(Rn) 및 질소(N₂) 기체로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.

비활성 기체의 플라즈마화는, 비활성 기체에 강한 전장을 발생시켜 가속된 전자들의 연속된 충돌에 의하여 전하 입자를 생성시킴으로써 전기전도성을 갖는 절연파괴에 이르도록 하고, 따라서 고전류가 흐르는 아크 방전으로 플라즈마 상태를 유지시킴으로써 가능하게 된다.

전기 아크 발생 장치(5)는, 통상적으로 50 내지 10,000A의 아크 전류와 0.1 내지 5기압의 운전 조건하에서 운전되고, 냉각수(9)의 순환에 의하여 과열이 방지되며, 전극으로는 일반적으로 많은 열전자 방출과 높은 융점이 요구되는 막대형 음극(6) 및 열 및 전기 전도도가 우수한 노즐형 또는 공동형 양극(7)이 사용된다. 예를 들면, 막대형 음극에는 텅스텐에 2% 정도의 산화토륨(ThO₂)이 첨가된 소재가 사용될 수 있으며, 산화란탄(LaO₂), 산화세륨(CeO₂), 산화이트륨(Y₂O ₃), 또는 0.1% 란타늄보라이드(LaB₆)가 첨가된 소재가 사용될 수도 있다. 또한 양극으로는 무산소동이 사용될 수 있다.

이렇게 플라즈마화된 비활성 기체는 노즐을 통하여 고온, 고속으로 방출 또는 배출됨으로써 5,000K 내지 10,000K의 온도 및 100m/s 내지 2,000m/s의 속도를 갖는 플라즈마 제트(4)를 형성한다. 형성된 플라즈마 제트를 열원으로 사용하여, 바람직하게는, 테프론, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 폴리머인, 소수성 코팅 재료(3)를 10cm 내지 40cm의 용사거리를 두고 선박 표면(10)에 용사하여, 20㎛ 내지 100㎛ 두께의 코팅층(11)을 형성한다.

도 3은 본 발명에 의한 플라즈마 코팅 기술을 선박의 표면에 적용한 경우를 나타낸 예시도이다. 도 3에 따르면, 선박의 경우, 유체에 의한 마찰 저항은 주로 물과 접하는 선박 표면에서 발생되므로, 선박의 수선면 하부 선체 중 선체 옆면(12), 선수(13), 선저(14) 및 선미(15)에 본 발명에 의한 플라즈마 코팅 기술이 적용될 수 있다.

도 4a 및 4b는 종래 통상적인 선박의 선체 표면 주위 유동의 경계층(16) 및 본 발명에 따른 플라즈마 코팅된 선박의 선체 표면 주위 유동의 경계층(17)을 나타내는 모식도이다. 도 4a에 따르면, 종래 통상적인 선박의 경우, 물의 점성에 의하여 전단응력이 발생되고 있음을 알 수 있다. 이러한 전단응력은 마찰저항을 야기하여 선박의 추력감소의 원인이 된다. 반면에, 도 4b에 따르면, 본 발명에 따른 플라즈마 코팅된 선박의 경우에는, 물 표면과의 경계면에 소수성 플라즈마 코팅(11)이 존재하는 관계로, 표면의 점성 및 전단응력이 크게 감소하는 것을 알 수 있으며, 결과적으로 선체에 작용하는 마찰저항이 크게 감소하게 된다.

본 발명에 의한 플라즈마 코팅 기술은 선박뿐만 아니라 다양한 물체의 표면에 소수성을 부여하고자 하는 때에도 적용될 수 있다.

상기와 같이, 본 발명은 소수성 재료를 플라즈마 열용사 코팅 기술로 선박의 수선면 아래 선체 표면에 부착함으로써 유체에 의한 마찰저항을 감소시킬 수 있고, 오염물질이 선체에 부착되는 것을 방지할 수 있다.

Claims (6)

1. a) 비활성 기체를 플라즈마화하는 단계;

   b) 플라즈마화된 비활성 기체로 플라즈마 제트를 형성시키는 단계;

   c) 플라즈마 제트를 이용하여 소수성 코팅 재료를 물체 표면에 용사하여 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 물체 표면에 부하되는 마찰저항을 감소시키는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 비활성 기체는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 라돈(Rn) 또는 질소(N₂) 기체인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 제트는 5,000K 내지 10,000K의 온도 및 100m/s 내지 2,000m/s의 속도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 소수성 코팅 재료는 테프론, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 폴리머인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 용사 거리는 10cm 내지 40cm이고, 상기 코팅층의 두께는 20㎛ 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 물체 표면은 선박의 수선면 하부 선체인 것을 특징으로 하는 방법.

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