KR100991089B1 - 상변화물질을 이용한 노면 가열장치 및 이를 이용한 노면가열시스템 - Google Patents

상변화물질을 이용한 노면 가열장치 및 이를 이용한 노면가열시스템 Download PDF

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Abstract

상변화 시 많은 양의 열을 순간적으로 발생시키는 상변화물질의 상태변화를 제어하여 노면에서 발생될 수 있는 결빙이나 습기를 방지 또는 제거하기 위한 노면 가열장치 및 이를 이용한 노면 가열시스템이 개시되어 있다. 이를 위하여 열을 발산하는 발열부재, 발열부재에 전원을 인가하는 전원부, 그리고 발열부재 상부에 위치하고, 상태변화에 의해 축열과 발열을 하는 상변화물질이 충진된 축열부를 포함하는 상변화물질을 이용한 노면 가열장치와 이를 이용한 노면 가열 시스템을 제공한다. 본 발명에 의한 노면 가열장치 및 이를 이용한 노면 가열시스템을 사용하면, 눈 또는 비 등으로 인한 인도 및 도로의 결빙 상황이나 빗길 상황 등을 신속히 제거 또는 방지할 수 있어, 노면 결빙이나 노면에 존재하는 물기에 따른 각종 사고를 미연에 방지할 수 있다. 또한, 염화칼슘 등을 이용한 제설 또는 결빙 방지 작업을 통해 발생되는 비용을 절감할 수 있고, 환경오염을 막을 수 있게 된다.

Description

상변화물질을 이용한 노면 가열장치 및 이를 이용한 노면 가열시스템{PAVEMENT HEATING APPARATUS USING PHASE CHANGE MATERIAL AND PAVEMENT HEATING SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 노면 가열장치 및 이를 이용한 노면 가열시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 제설이나 제습을 신속하고 간단히 할 수 있으며, 환경오염의 우려가 없을 뿐만 아니라, 더불어 경제적인 방식으로 노면의 상태를 보행이나 운전에 적합한 상태로 유지시킬 수 있는 노면 가열장치 및 이를 이용한 노면의 결빙 방지 시스템에 대한 것이다.
기상 상태에 따라 보도나 도로 등의 노면에 물기가 존재하거나, 눈이 쌓이거나 또는 결빙이 되면 보행이나 차량 주행에 위험요소로 작용하게 된다. 예를 들어, 겨울철 노면에 눈이 내려 쌓이게 되면 사람 또는 차량의 통행에 많은 지장을 초래하게 되고, 큰 사고로 이어지는 경우가 자주 있다. 이러한 상황을 방지하기 위하여 일반적으로, 눈이 내리면 제설작업을 위해 인도 또는 도로에 염화칼슘 등을 살포하여 쌓인 눈을 녹이고, 결빙으로 이어지는 것을 방지한다.
그러나 이러한 방식의 제설작업은 전국적으로 막대한 인력과 비용이 발생할 뿐만 아니라, 기온이 떨어지면 제설작업 후 녹은 눈이 얼음으로 변해 인도 또는 노면에 결빙이 발생될 수 있고, 이로 인한 각종 사고가 발생하고 있는 실정이다. 또한, 노면에 결빙 상태 등의 반복되면 도로가 균열되는 등, 도로의 내구성에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.
따라서 현재 제설 및 결빙 방지를 위해 사용하고 있는 염화칼슘을 도로상에 살포하는 방식에서 벗어나 보다 효율적으로 제설 및 결빙방지를 하기 위한 방법이 요구되고 있는 실정이다. 이러한 요구에 따라 현재 도로의 제설 및 결빙 방지를 위한 방법들이 개발되고 있다.
예를 들면, 대한민국 공개특허공보 제 10-1994-26315 호(1994년12월9일 공개)에 "지열을 이용한 도로의 결빙 방지 방법 및 장치"가 개시되어 있다.
이는 도로의 지하에 열교환 매체를 충진하여 그 열교환 매체가 지열에 의하여 증발되어 도로의 포장층에서 응축할 때 발생되는 열을 이용함으로써, 도로의 결빙을 방지하도록 한 지열을 이용한 도로의 결빙 방지 방법 및 장치에 관한 것이다.
그러나 이는 이론상으로는 별도의 동력이나 유지비를 사용하지 않고 도로의 결빙을 방지할 수 있으나, 실제로는 지하에서 지열에 의해 가온되어 상승하는 열 교환 매체와, 도로의 포장층에서 냉각되어 하강하는 열 교환 매체가 원활하게 순환하지 않고, 수직관의 중간 부분에서 서로 뒤섞이게 된다. 따라서 도로의 결빙 방지 효과가 크지 않다는 문제점이 있을 수 있다. 또한, 지열에 의해 열 교환 매체의 온 도가 상승하는 시간이 지체되는 경우 신속한 노면 가열이 요구되는 상황에 적합하지 않은 문제점이 있다. 나아가 내부가 진공 처리된 고가의 히트 파이프를 사용하기 때문에 장치 생산이나 설치시 많은 비용이 발생하므로 경제적인 바람직하지 않게 된다.
그리고 대한민국 공개특허공보 제 10-2002-6241 호(2002년1월19일 공개)에 "노면 결빙 방지 시스템"이 개시되어 있다.
상기 공보에는 도로의 노면에 열선을 매설하고, 눈이 내릴 때 전원을 인가하여 발열시킴으로써 노면이 결빙되는 것을 방지하도록 한 노면 결빙 방지 시스템이 개시되어 있다. 그러나 이 기술의 경우, 열선을 통해 발열되는 열을 통해서만 노면에 적설된 눈 또는 결빙을 제거할 수 있도록 함으로써 열선의 발열을 통해 노면에 적설된 눈을 녹이는 데까지 걸리는 시간이 지체되게 된다. .
이처럼 현재 개발된 노면 결빙 시스템들은 노면에 적설된 눈을 녹이는 데까지 걸리는 시간이 오래 걸려 만족할 만한 기능을 발휘하지 못하는 바, 보다 짧은 시간 동안 많은 열을 발생시켜 노면에 적설된 눈을 녹일 수 있는 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.
따라서 본 발명의 제1 목적은 상태변화에 따라 짧은 시간에 다량의 열을 발생시키는 상변화물질의 상태변화를 제어하여 노면에서 발생될 수 있는 결빙이나 물 기를 방지 또는 제거할 수 있는 상변화물질을 이용한 노면 가열장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 제2 목적은 상기 가열장치가 복수 개 결합되어 노면 상태에 따라 제어할 수 있는 상변화물질을 이용한 노면 가열시스템을 제공하는데 있다.
상술한 본 발명의 제1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 열을 발산하는 발열부재, 상기 발열부재에 전원을 인가하는 전원부와 상기 발열부재 상부에 위치하고, 상태변화에 의해 축열과 발열을 하는 상변화물질이 충진된 축열부를 포함하는 상변화물질을 이용한 노면 가열장치를 제공한다.
또한, 상기 제2 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 열을 발산하는 발열부재, 상기 발열부재 상에 위치하고 상태변화에 의하여 축열과 발열을 하는 상변화물질이 충진된 축열부를 포함하는 복수의 노면 가열장치, 상기 복수의 노면 가열장치 중 하나이상의 노면 가열장치의 상기 발열부재에 전원을 인가하는 전원부, 그리고 상기 하나이상의 노면가열장치에 인가된 전원이 상기 복수의 노면 가열장치 간에 통전되도록 상기 복수의 노면가열장치를 연결하는 연결부재를 포함하는 상변화물질을 이용한 노면 가열시스템. 상변화물질을 이용한 노면 가열시스템을 제공한다.
본 발명에 의한 상변화물질을 이용한 노면 가열장치 및 이를 이용한 노면 가 열시스템을 사용하면, 겨울철에 눈 또는 비로 인한 인도 및 도로의 결빙방지와 온도 변화에 의해 발생되는 습기를 제거함으로써, 노면결빙, 빗길, 습기로 인해 발생되는 안개로 인한 각종 사고를 미연에 방지할 수 있다.
또한, 염화칼슘 등의 화학물질을 이용한 제설 또는 결빙 방지 작업을 통해 발생되는 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 다량의 화학물질 사용으로 인해 야기될 수 있는 환경오염을 예방할 수 있다.
나아가, 도로에 결빙과 해빙이 반복되는 상황 또는 다습한 상황에 의하여 유발될 수 있는 도로의 내구성 저하를 방지할 수 있고, 결과적으로 경제적으로 도로를 유지관리할 수 있게된다.
또한, 상기 노면 가열장치를 복수개 연결하여 사용하면 적용하고자 하는 도로의 구간 넓이에 구애받지 않고 사용할 수 있고, 노면 가열장치별로 축열과 발열을 제어할 수 있어 기상상황에 대응하여 효율적으로 시tm템을 활용할 수 있다.
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.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 상변화물질을 이용한 노면 가열장치를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 상변화물질을 이용한 노면 가열장치를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 축열부를 구성하고 있는 복수의 유닛 중 개별유닛의 부분 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 상변화물질을 이용한 노면 가열장치를 설명하기 위한 전원인가 흐름 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 상변화물질을 이용한 노면 가열장치를 설명하기 위한 실시 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 상변화물질을 이용한 노면 가열시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명 *
10 : 방진 층 20 : 발열부재
30 : 하부 플레이트 층 40 : 축열부
50 : 상부 플레이트 층 60 : 상변화유도부재
70 : 전원부 80 : 컨트롤러

Claims (12)

  1. 열을 발산하는 발열부재;
    상기 발열부재 상부에 위치하고, 상태변화에 의해 축열과 발열을 하는 상변화물질이 충진된 축열부;
    상기 축열부에 충진된 상변화물질에 충격이나 마찰을 가하도록 축열부와 접촉 결합되는 상변화유도부재; 및
    상기 발열부재 및 상변화유도부재에 전원을 인가하는 전원부를 포함하는 상변화물질을 이용한 노면 가열장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 발열부재가
    열선 또는 면상발열체를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 노면 가열장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 상변화물질이
    외부로부터 전달되는 열 또는 자극에 의해 상태변화가 이루어져 열을 흡수 또는 방출하는 물질인 n-paraffin, poly ethylene glycol(PEG), Na2SO4 10H2O, Na2HPO4 12H2O, Zn(NO2)2 6H2O, Na2S3O3 5H2O, 또는 NaCH3COO 3H2O인 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 노면 가열장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 축열부가 하나의 유닛 또는 복수의 유닛으로 구분되어지고, 상기 복수 의 유닛은 벌집 모양인 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 노면 가열장치.
  5. 삭제
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 축열부가 복수의 유닛을 포함하고, 상기 상변화유도부재가 상기 복수의 유닛의 유닛별로 별로 접촉 결합되는 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 노면 가열장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 노면 상의 기상상태를 감지하는 기상센서; 및
    상기 기상센서에서 감지된 기상상태에 따라 상기 전원부를 통해 상기 발열부재와 상변화유도부재로 인가되는 전원을 제어하는 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 노면 가열장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 축열부로 전달되는 진동을 흡수하도록 상기 발열부재 하부에 위치하는 방진 층;
    상기 발열부재로부터 발산되는 열이 상기 축열부에 충진된 상변화물질에 균일하게 전달될 수 있도록 상기 발열부재와 축열부 사이에 위치하는 하부 플레이트 층; 및
    상기 축열부로부터 발산되는 열이 노면에 균일하게 전달될 수 있도록 상기 축열부 상부에 위치하는 상부 플레이트 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 노면 가열장치.
  9. 열을 발산하는 발열부재, 상기 발열부재 상에 위치하고 상태변화에 의하여 축열과 발열을 하는 상변화물질이 충진된 축열부, 상기 상변화물질에 충격이나 마찰을 가하도록 축열부에 접촉 결합되는 상변화유도부재를 포함하는 복수의 노면 가열장치;
    상기 복수의 노면 가열장치 중 하나이상의 노면 가열장치의 상기 발열부재 및 상변화유도부재에 전원을 인가하는 전원부; 및
    상기 하나이상의 노면가열장치에 인가된 전원이 상기 복수의 노면가열장치간에 통전되도록 상기 복수의 노면가열장치를 연결하는 연결부재를 포함하는 상변화물질을 이용한 노면 가열시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연결부재는 상기 노면가열장치에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 상 변화물질을 이용한 노면 가열시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 노면 상의 기상상태를 감지하는 기상센서; 및
    상기 기상센서에서 감지된 기상상태에 따라 상기 전원부를 통해 전원이 인가되는 상기 노면 가열장치의 위치와 수를 제어할 수 있는 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 노면 가열시스템.
  12. 열을 발산하는 발열부재;
    상기 발열부재 상부에 위치하고, 상태변화에 의해 축열과 발열을 하는 상변화물질이 충진되는 복수의 유닛으로 이루어지며, 단위 유닛들이 서로 접하는 면에 구멍이 형성된 축열부;
    상기 축열부에 충진된 상변화물질에 자극을 가하도록 상기 복수의 유닛의 유닛별로 접촉 결합되는 상변화유도부재;
    상기 발열부재 및 상변화유도부재에 전원을 인가하는 전원부;
    노면 상의 기상상태를 감지하는 기상센서; 및
    상기 기상센서에서 감지된 기상상태에 따라 상기 전원부를 통해 상기 발열부재와 상변화유도부재로 인가되는 전원을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 상변화물질을 이용한 노면 가열장치.
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