이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 상변화물질을 이용한 노면 가열장치 및 이를 이용한 노면 가열시스템을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 상변화물질을 이용한 노면 가열장치를 설명하기 위한 개략적인 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 상변화물질을 이용한 노면 가열장치를 설명하기 위한 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 축열부를 구성하고 있는 복수의 유닛 중 개별유닛의 부분 확대도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 상변화물질을 이용한 노면 가 열장치는 발열부재(20), 전원부(70) 및 축열부(40)를 포함한다.
먼저, 상기 발열부재(20)는 상기 전원부(70)에서 공급되는 전기적인 에너지 또는 지열 등을 이용하여 열을 발생시키는 부재이다. 발생된 열은 상기 축열부(40)에 전달되어 축열부(40) 내부에 충진된 상변화물질의 상태변화(고체상태에서 액체상태로)를 일으킨다.
상기 발열부재(20)로는 발열이 가능한 다양한 부재를 사용할 수 있으며, 예를 들면, 열선 또는 면상발열체를 사용할 수 있다.
본 실시예에 의한 노면의 결빙 방지 시스템은 전원부(70)를 포함할 수 있다. 상기 전원부(70)는 상기 발열부재(20)와 상변화유도부재(60)에 전원을 인가한다.
보다 상세히 설명하면, 상기 상변화유도부재(60)로 전원을 인가함으로써, 상기 상변화유도부재(60)의 구동에 의해 상기 축열부(40)에 충격 또는 마찰 등의 자극을 가할 수 있도록 하여 축열부(40) 내부에 충진된 상변화물질을 액체에서 고체로 변화시키기 위함이다.
또한, 상기 발열부재(20)로 전원을 인가함으로써, 상기 상변화유도부재(60)의 구동에 의해 상기 축열부(40) 내부에 충진된 고체상태의 상변화물을 상기 발열부재(20)의 발열을 통해 액체로 변화시킬 수 있다.
한편, 상기 축열부(40) 내부에는 외부의 충격 또는 마찰 등의 자극에 의해 상태변화가 이루어지면서 순간적으로 많은 양의 열을 발산하는 상변화물질이 충진 된다.
상기 축열부(40) 내부에 충진되는 상변화물질(Phase Change Material : PCM)로는 n-paraffin, poly ethylene glycol(PEG), Na2SO4 10H2O, Na2HPO4 12H2O, Zn(NO2)2 6H2O, Na2S3O3 5H2O, NaCH3COO 3H2O 등을 예시할 수 있다.
상기 상변화물질은 온도에 따라 액체에서 고체 또는 고체에서 액체로 변하면서 잠열에 해당되는 열을 저장하거나 방출하는 자동 온도조절 기능성 물질을 의미한다.
보다 상세히 설명하면, 잠열(latent heat)이란 어떤 물질이 상전이(phase transition) 될 때 즉, 고체에서 액체(또는 액체에서 고체), 액체에서 기체(또는 기체에서 액체)가 될 때 흡수하거나 방출하는 열을 의미한다.이러한 잠열은 현열(sensible heat) 즉, 상전이가 일어나지 않은 상태에서 온도 변화에 따라 흡수 또는 방출하는 열보다 매우 크게 나타난다.
물의 경우 섭씨 0℃ 얼음(고체)에서 물(액체)로 바뀔 때 1g당 80cal의 열을 흡수한다. 이러한 열은 같은 양의 섭씨 O℃의 물을 80℃까지 올릴 때 필요한 열량과 같다. 이와 같이 잠열에 해당되는 열의 흡수 또는 방출 효과를 이용하여 에너지를 저장하거나 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 물질을 잠열 저장물질, 상변화 물질 또는 상전이 물질이라 한다.
상전이 온도 및 잠열량 등은 그 물질이 고유한 특성이라서, 물질마다 다르게 나타나며 사용 목적에 따라 적당한 물질을 선택할 경우 일상생활에 유용하게 쓰일 수 있다.
상기 상변화 물질의 상변화를 일으키기 위하여 후술하는 상변화 유도부재(60)를 사용하거나, 폭설 등의 상황에서 도로주행자가 상기 상변화물질에 충격이나 마찰을 가하여 상변화를 일으키게 할 수 있다.
상기 축열부(40)는 하나의 유닛으로 구성하여 상기 상변화 물질을 충진하거나, 복수의 유닛들로 구성하여 격벽 등으로 구분된 상기 복수의 유닛마다 상변화 물질을 충진하여 구성할 수 있다. 상기 복수의 유닛으로 상기 축열부를 구성하면, 상변화물질을 단위 유닛별(41)로 나누어 저장할 수 있으며, 단위 유닛별로 상변화 등을 개별제어할 수 있다.
상기 축열부(40)는 금속이나 플렉시블(flexible)한 합성수지 등으로 제작할 수 있으며, 노면에서 가해지는 압력에 견딜 수 있어야 하기 때문에 내구성 있는 알루미늄, 철 등의 금속으로 제작하는 것이 바람직하며, 복수의 유닛으로 구성하는 경우의 가공성을 고려하면, 알루미늄으로 제작하는 것이 보다 바람직하다.
상기 복수 유닛(41)들은 단위 유닛 들을 그 재질에 따라 접착제 또는 용접을 통해 결합하거나, 금속을 절곡하거나 형틀을 제작하여 일체형으로 제작할 수도 있다. 이외에도 결합 가이드 레일(도시 생략) 또는 상기 단위 유닛(41) 측면에 결합 가능한 특정 구조를 형성하여 결합하여도 무방하다.
선택적으로, 상기 단위 유닛(41)들이 서로 접하는 면에 상기 상변화물질에 가해진 충격이 상기 상변화물질을 매체로 하여 전달될 수 있는 구멍을 형성할 수도 있다. 이는 후술하는 상변화유도부재에 의해 전달되는 충격(진동) 또는 마찰 등의 자극이 상기 축열부(40) 내부의 상기 복수의 유닛별로 나누어져 충진된 상변화물질에 보다 효과적으로 전달될 수 있도록 하기 위함이다.
상기 복수의 유닛들 중 하나의 유닛(41)은 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 벌집(honeycomb) 형상을 가지는 것이 바람직하다. 상기 벌집 형상의 구조는 기존에 많은 연구 등을 통해 외부로부터의 충격을 흡수가 탁월하여 완충효과가 우수하고, 내구성이 우수하다는 점이 알려져 있다. 또한, 다른 구조(예를 들어 정삼각형 구조, 정사각형 구조 등)에 비해 전단력(剪斷力)에 견디는 힘이 우수함은 물론, 내부 면적이 가장 크고 재료비가 가장 저렴한 구조로 알려져 있다.
상기 상변화 물질의 누출로 인한 환경오염이나 장치의 성능저하를 방지하기 위하여 상기 축열부(40) 내부에 상변화물질을 직접 충진할 수도 있고, 축열부(40) 내부에 고무팩(미도시) 등을 추가로 형성한 후, 여기에 상변화물질을 충진할 수도 있다. 이러한 충진 방식은 설계 목적에 따라 선택적으로 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 노면의 결빙 방지 장치는 방진 층(10), 하부 플레이트 층(30), 및 상부 플레이트 층(50) 포함할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 노면에서 사람의 보행이나 차량의 운행 등에 따라 발생하는 상기 축열부(40)로 전달되는 진동을 흡수하도록 상기 발열부재(20) 하부에 위치하는 방진 층(10), 상기 발열부재(20)로부터 발산되는 열이 상기 축열부(40)에 충진된 상변화물질에 균일하게 전달될 수 있도록 상기 발열부재(20)와 축열부(40) 사이에 위치하는 하부 플레이트 층(30), 및 상기 축열부(40)로부터 발산되는 열이 노면에 균일하게 전달될 수 있도록 상기 축열부(40) 상부에 위치하는 상부 플레이트 층(50)을 더 포함할 수도 있다.
상기 하부 플레이트 층(30)과 상부 플레이트 층(50)은 열전도율이 높은 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 열전도율이 높은 금속으로는 니켈, 철, 및 알루미늄을 들 수 있으며, 이외에도 열전도율이 높은 다른 금속을 사용할 수도 있다. 이는 상기 발열부재(20)로부터 발산되는 열이 축열부(40)로 보다 신속하고 균일하게 전달될 수 있도록 하기 위함이며, 또한 상기 축열부(40)로부터 발산되는 열이 노면위로 보다 신속하고 균일하게 전달될 수 있도록 하기 위함이다.
또한, 노면을 지나는 차량들의 하중에 의해 본 발명의 시스템에 진동이 가해져 상기 축열부(40)를 포함한 하부 구조의 내구성에 나쁜 영향을 미칠 수 있을 뿐만 아니라, 상기 축열부(40) 내부에 충진된 상변화물질이 상태변화를 일으킬 수 있다. 이처럼 상기 차량들의 하중에 의해 상기 상변화물질의 상태변화가 일어나지 않도록 상기 방진 층(10)에서 상기 차량들에 의해 전달되는 진동을 흡수한다. 상기 방진 층(10)은 방진(防振)이 가능한 재질로써 고무플레이트 등을 사용할 수 있으며, 이외에도 방진이 가능한 재질이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하다.
그리고 본 실시예에 의한 노면의 결빙 방지 시스템은 상변화유도부재(60)를 더 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 상기 상변화유도부재(60)는 상기 축열부(40)에 충진된 상변화물질에 충격 또는 마찰 등의 자극을 가하도록 축열부(40)와 접촉 결합된다. 이는 상기 축열부(40) 내부에 충진된 상변화물질을 상태변화(액체에서 고체로) 시키기 위함이다.
상기 축열부(40)와 접촉 결합되어 상변화물질에 충격 또는 마찰 등의 자극을 주는 상변화유도부재(60)는 예를 들어 모터를 사용한 진동판 등을 사용할 수도 있고, 열팽창계수가 다른 두 종류의 얇은 금속판을 포개어 붙여 한 장으로 만든 막대 형태의 바이메탈을 사용할 수도 있다. 이외에도 상기 축열부(40)에 충격 또는 마찰을 가할 수 있는 장치라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하다.
보다 상세히 설명하면, 상기 모터의 경우 전원이 인가되면 모터는 회전 구동을 하게 된다. 이러한 회전 구동에 의해 상기 모터는 진동운동이 이루어지며 이 진동운동이 접촉 결합되어 있는 상기 축열부(40)에 전달되게 된다. 이에 상기 축열부(40)에 충진된 상변화물질이 영향을 받아 상태변화(액체상태에서 고체상태로)가 이루어지게 된다.
또한, 상기 바이메탈의 경우 전원이 인가되면 열팽창계수가 큰쪽에서 작은쪽으로 휘어지면서 형태가 변화하게 된다. 이때 휘어지는 쪽이 상기 축열부(40)와 접촉되는 면에 충격 또는 마찰 등의 자극이 가해지도록 위치시킨다. 이는 바이메탈에 전원이 인가되어 축열부(40)와 접촉되는 부분으로 휘어져 있는 형상을 도 3을 통해 확인할 수 있다. 이에 상기 축열부(40)에 충진된 상변화물질이 영향을 받아 상태변화(액체상태에서 고체상태로)가 이루어지게 된다.
이처럼 상기 상변화유도부재(60)에 의해 상기 상변화물질은 상태변화를 함과 동시에 다량의 열을 발생하게 되는 것이다.
또한, 상기 상변화유도부재(60)는 상기 축열부(40)가 하나의 유닛 또는 복수의 유닛으로 구성되는 경우 상변화를 위한 충격, 진동 또는 마찰 등의 자극을 원활하게 전달하기 위하여 상기 축열부(40)의 표면 또는 내부에 하나 이상 설치될 수 있다. 또한, 상기 축열부(40)가 복수의 유닛으로 구성되는 경우 개별 유닛마다 결합될 수 있다.
즉, 상기 축열부(40)가 복수의 유닛으로 구성되는 경우 상기 복수의 유닛 전체에 상변화 자극을 가할 수 있도록 하나 또는 복수의 상변화유도부재(60)를 설치할 수 도 있고, 복수의 유닛을 이루는 개별 유닛마다 상변화유도부재(60)를 설치할 수도 있다.
이 중, 개별 유닛마다 상변화유도부재(60)를 설치하는 경우, 개별 유닛마다 상변화여부를 개별적으로 컨트롤할 수 있어, 노면에 적설량, 결빙정도, 및 습기량에 대응하여 필요한 정도의 열만 발생시킬 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 상기 복수의 유닛(41)들의 접촉면에 구멍을 형성하는 경우는 상변화물질의 상태변화 속도를 높이기 위한 하나의 방안으로 사용할 수 있다. 그러나 이 경우 상변화유도부재(60)만 설치하는 경우 개별제어는 불가능하다는 단점이 있다.
또한, 도 2를 참조하면 본 실시예에 의한 노면의 결빙 방지 시스템은 기상센 서(미도시)와 컨트롤러(80)를 더 포함할 수 있다.
상기 도로 포장된 아스팔트 즉, 노면에 눈이 적설되거나 또는 비가 내려 결빙이 발생하였을 경우 상기 기상센서에서 이를 감지하고, 이에 따라 컨트롤러(80)에서 전원부(70)의 전원이 상변화유도부재(60)로 인가되도록 제어한다.
구체적으로, 상기 컨트롤러(80)는 상기 전원부(70)를 통해 상기 발열부재(20)와 상변화유도부재(60)로 인가되는 전원을 제어한다. 이를 위해 상기 전원부(70)와 상변화유도부재(60) 및 전원부(70)와 발열부재(20) 사이에 형성된다.
보다 상세히 설명하면, 상기 컨트롤러(80)는 상기 축열부(40)를 통해 열을 발산시키고자 할 경우에 상기 전원부(70)의 전원이 상변화유도부재(60)로 인가되도록 제어한다. 이 때 상기 컨트롤러(80)의 제어에 의해 상기 상변화유도부재(60)로 전원이 인가되는 시간 즉, 상변화유도부재(60)의 구동시간은 축열부(40) 내부에 충진된 상변화물질의 상태변화(액체에서 고체로)가 완전히 이루어질 수 있는 시간이며, 이러한 전원 인가 시간은 상기 축열부(40)의 크기에 따라 달라지는 것은 자명하다.
그리고 상기 컨트롤러(80)는 상기 상변화유도부재(60)로 인가되는 전원을 제어하여 상기 축열부(40) 내부에 충진된 상변화물질의 상태변화를 액체에서 고체로 변화시킨 후, 이를 다시 액체로 변화시키기 위해 상기 전원부(70)의 전원이 발열부재(20)로 인가되도록 제어한다. 이 때 상기 컨트롤러(80)의 제어에 의해 상기 발열부재(20)로 전원이 인가되는 시간 즉, 발열부재(20)의 발열에 의해 상기 축열부(40) 내부에 충진된 상변화물질의 상태변화(고체에서 액체로)가 완전히 이루어질 수 있는 시간이며, 이 또한 상기 축열부(40)의 크기에 따라 달라진다.
상기 컨트롤러(80)에서 상변화유도부재(60)와 발열부재(20)에 인가되는 전원을 제어하는 시간은 상변화물질의 상태변화(액체에서 고체 또는 고체에서 액체)가 완전히 이루어지는 시간이 상기 축열부(40)의 크기에 따라 어떻게 달라지는가에 대한 상관관계 실험을 통해 구할 수 있다.
또한, 상기 축열부가 복수의 유닛으로 구성되고, 상기 복수의 유닛을 구성하는 단위 유닛마다 상변화유도부재(60)가 설치되어 있는 경우 상기 컨트롤러는 기상상태에 따라 상변화를 일으키는 유닛의 수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 기상센서에서 폭설 등의 기상상황이 감지되면, 모든 상변화유도부재(60)에 전원을 인가하여 최대한의 열을 방열하고, 소량의 눈이 내리는 경우라면 일부 유닛에서만 상변화가 일어나도록 전원이 인가되는 상변화유도부재의 수를 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 상변화물질을 이용한 노면 가열장치를 설명하기 위한 전원인가 흐름 블록도이다.
도 4를 참조하면, 상기 전원부(70)의 전원은 발열부재(20)와 상변화유도부재(60)로 각각 인가된다. 그리고 상기 발열부재(20)와 상변화유도부재(60)로 각각 인가되는 전원은 컨트롤러(80)에 의해 제어된다.
보다 상세히 설명하면, 상기 전원부(70)를 통해 상변화유도부재(60)와 발열부재(20)로 인가되는 전원을 상기 컨트롤러(80)에서 제어하여 상변화유도부재(60) 및 발열부재(20)에 전원 인가를 필요로 하는 적기(適期)에 전원을 공급한다.
상기 발열부재(20)와 상변화유도부재(60)에 각각 인가되는 전원을 제어하는 상기 컨트롤러(80)는 수동의 스위치 형식일 수도 있고, 또는 신호에 의해 자동으로 전원을 인가하는 제어 프로그램일 수도 있다. 이는 본 발명의 시스템의 설계 목적에 따라 선택적으로 사용할 수 있다.
상술한 노면 가열장치는 예를 들면, 아스팔트나 시멘트 등으로 건설되는 도로 하부, 보도블럭 등으로 건설되는 보도 등에 설치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 상변화물질을 이용한 노면 가열장치를 설명하기 위한 실시 단면도이다.
도 5를 참조하면, 예를 들어 아스팔트 도로인 경우, 현재 도로 포장의 구조는 최하층부에 위치하는 지반층(90)을 기초로 하여 상기 지반층(90) 상부에 분쇄된 자갈층(91)을 일정두께 적층시킨 후, 적층된 자갈층(91) 상부에 소위 아스팔트(92)의 적층으로 이루어진다.
본 발명의 노면의 결빙 방지 시스템(100)은 상기 자갈층(91)과 아스팔트(92) 사이에 삽입 적층되는 것이 바람직하다. 이는 본 발명의 시스템 동작을 통해 상기 아스팔트(92)에 발생될 수 있는 결빙을 방지하기 위함이다.
그리고 본 발명은 상변화물질을 이용한 노면 가열장치를 복수개 연결한 노면 가열시스템을 제공한다. 이하, 상술한 노면 가열장치에 대한 기재와 공통되는 부분의 기재는 생략하거나 약술하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 상변화물질을 이용한 노면 가열시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 노면 가열시스템은 열을 발산하는 발열부재, 상기 발열부재 상에 위치하고 상태변화에 의하여 축열과 발열을 하는 상변화물질이 충진된 축열부를 포함하는 복수의 노면 가열장치와 상기 복수의 노면 가열장치 중 하나이상의 노면 가열장치의 상기 발열부재에 전원을 인가하는 전원부, 그리고 상기 하나이상의 노면가열장치에 인가된 전원이 상기 복수의 노면가열장치간에 통전되도록 상기 복수의 노면가열장치를 연결하는 연결부재를 포함한다.
본 발명의 노면 가열시스템은 수개에서 수십 개 또는 그 이상을 결합하여 사용할 수도 있다. 이는 상기 노면 가열장치(100)를 적용하고자 하는 노면 구간 범위에 따라 결정될 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 노면 가열장치(100)를 다수 개 결합하기 위한 설계시에는 각각의 노면 가열장치(100) 마다 전원이 인가될 수 있도록 전선 등을 설치하고, 이러한 전선을 연결시킴으로써 하나의 루트를 형성하도록 설계할 수 있다.
또는, 전원 인가장치는 하나의 노면 가열장치에만 설치하고, 각각의 노면 가열장치(100)를 결합하여 가열장치(100) 간에 전원이 연결될 수 있도록 설치하는 것도 가능하다. 이를 위하여, 연결된 각각의 노면 가열장치(100)가 접촉되는 부분에 전원이 흐르도록 플러그(도시 생략)와 콘센트(도시 생략)와 같은 연결부재를 형성하거나, 별도의 연결부재를 사용하여 복수의 노면 가열장치(100) 내부에 통전되는 하나의 전선 루트가 형성되도록 설계할 수도 있다. 상기 플러그와 콘센트를 하나 의 실시예를 들은 것인 바, 이에 국한하지 않고 각각의 노면 가열장치(100)끼리 접촉 결합되어 전원이 흐를 수 있는 어떠한 방법을 사용하여도 무방하다.
또한, 각각의 노면 가열장치(100)의 접촉 결합을 위해서는 가이드 레일(도시 생략)을 형성하여 결합시킬 수도 있고, 또는 측면 결합이 가능한 일정한 구조를 형성하여 결합시켜도 무방하다.
선택적으로 상기 노면 상의 기상상태를 감지하는 기상센서와 상기 기상센서에서 감지된 기상상태에 따라 상기 전원부를 통해 전원이 인가되는 상기 노면 가열장치의 위치와 수를 제어할 수 있는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러를 사용하여 상기 기상센서에서 감지된 기상상태에 따라 전원이 인가되는 가열장치를 위치와 수를 조절함으로써, 필요한 부분에 필요한 양 만큼의 열을 공급함으로써 보다 경제적으로 본 시스템을 운용할 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 노면의 결빙 방지 시스템의 동작흐름을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 시스템을 아스팔트 하부에 위치시켜 도로 포장을 시공한다.
상기 도로 포장된 아스팔트 즉, 노면에 눈이 적설되거나 또는 비가 내려 결빙이 발생하였을 경우 기상센서에서 이를 감지하고, 이에 따라 컨트롤러(80)에서 전원부(70)의 전원이 상변화유도부재(60)로 인가되도록 제어한다.
상기 컨트롤러(80)의 제어에 의해 상기 상변화유도부재(60)에 전원이 인가됨과 동시에 상변화유도부재(60)가 구동하게 된다. 이에 상기 상변화유도부재(60)와 접촉 결합되어 있는 축열부(40)에 충격 또는 마찰 등의 자극이 가해지게 된다.
상기 축열부(40)에 충격 또는 마찰 등의 자극이 가해짐에 따라 상기 축열부(40) 내부에 충진된 상변화물질이 액체상태에서 고체상태로 상태변화가 이루어짐과 동시에 열을 외부로 발산하게 된다.
상기 상변화물질의 상태변화에 의해 발생되는 열은 상부 플레이트 층(50)을 통해 상부에 위치한 아스팔트로 전달되어 아스팔트 위의 눈 또는 결빙을 방지한다.
이 후, 상태변화를 통해 열을 발산한 상기 상변화물질을 원상태(액체상태)로 복구시켜 차후에 재사용을 하기 위해 상기 컨트롤러(80)에서 전원부(70)의 전원을 발열부재(20)로 인가되도록 제어한다.
이에 따라 상기 발열부재(20)는 열을 발산하게 된다. 상기 발열부재(20)를 통해 발산되는 열은 하부 플레이트 층(30)을 통해 신속하고 균일하게 상부에 위치한 축열부(40)로 전달되어 축열부(40) 내부에 충진된 상변화물질을 고체상태에서 액체상태로 상태변화 시킨다.
상기와 같은 상변화 물질의 상태변화 과정을 반복적으로 수행하면서 노면의 제설 또는 결빙 방지를 할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.