KR101138159B1 - 모형빙의 밀도 제어 시스템 및 이를 이용한 모형빙의 밀도 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 빙해수조에서의 모형빙(Model Ice) 결빙 시에 미세한 공기방울을 투입시킴으로써 모형빙의 밀도를 줄이고, 미세한 공기방울을 투입하는 시간을 조절하여 모형빙의 밀도를 제어할 수 있는, 모형빙의 밀도 제어 시스템 및 이를 이용한 모형빙의 밀도 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 실해역의 얼음과 비슷한 모형빙을 생성하여 모형시험의 정도를 향상시켜 모형시험 해석 시 편리하게 사용할 수 있으며, 모형시험을 의뢰하는 기관에 모형빙의 밀도 정보를 제공하여 모형시험의 신뢰성을 증대시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

모형빙의 밀도 제어 시스템 및 이를 이용한 모형빙의 밀도 제어 방법{A Density Control System for Model Ice}

본 발명은 모형빙(Model Ice)의 생성 시에 빙해수조 수조수로 미세기포를 분사하여 모형빙의 밀도를 제어할 수 있는 모형빙의 밀도 제어 시스템 및 이를 이용한 모형빙의 밀도 제어 방법에 관한 것이다.

빙해수조(도 1)는 2009년 8월경에 국내 최초로 한국해양연구원에 건설되었으며, 전 세계적으로도 3-4개의 상용화된 빙해수조가 있어 관련 연구를 수행하고 있다.

빙해수조에서는 모형빙(Model Ice)의 여러 가지 물리적인 특성이 중요한 시험 조건으로서, 실해역의 결빙된 얼음과 동일하게 모형빙의 밀도를 맞추어 주어야 한다. 그리고 빙해선박의 성능을 효과적으로 검증하고 연구하기 위해서는, 빙해수조의 모형빙 생성 기술, 빙모형 시험 기술 등이 충분히 뒷받침되어야 하며, 이를 위해서는 빙해수조에서 모형빙의 밀도를 제어하는 기술이 지속적으로 개발되어져야 한다.

종래 다른 국외의 빙해수조에서는 모형빙의 측정된 밀도에 보정식을 적용하여 결과를 추정하고 있으므로 정확한 실험 결과를 제공하지 못한다.

본 출원인은 실해역에서 생성된 얼음의 밀도를 다각적으로 조사하고, 이를 빙해수조에서 만든 모형빙의 밀도와 비교한 결과, 빙해수조에서의 모형빙 생성 시 밀도가 실해역의 얼음보다 크게 나타남을 알게 되었으며, 빙해수조에서의 모형빙 결빙 시에 미세한 공기방울을 투입시킴으로써 모형빙의 밀도를 줄일 수 있으며, 미세한 공기방울을 투입하는 시간을 조절하여 모형빙의 밀도를 제어할 수 있음을 알게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 빙해수조에서의 모형빙(Model Ice) 결빙 시에 미세한 공기방울을 투입시킴으로써 모형빙의 밀도를 줄이고, 미세한 공기방울을 투입하는 시간을 조절하여 모형빙의 밀도를 제어할 수 있는, 모형빙의 밀도 제어 시스템 및 이를 이용한 모형빙의 밀도 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 빙해수조 외부 구역에 존재하며, 공압펌프를 이용하여 압축공기를 생성하는 압축공기발생장치; 빙해수조 바닥에 설치된 수중레일을 따라 이동하는 수중예인전차; 상기 압축공기발생장치와 상기 수중예인전차를 상호 연결하며, 상기 압축공기발생장치로부터 생성된 압축공기가 상기 수중예인전차 쪽으로 이동하는 통로가 되는 압축공기호스 및; 상기 압축공기호스의 수중예인전차 쪽 연결부 끝단에 설치되며, 몸체에 형성된 다수의 미세구멍을 통하여 압축공기를 미세기포로 변환시켜 빙해수조 수조수로 분사하는 버블판;을 포함하는 모형빙의 밀도 제어 시스템 및 이를 이용한 모형빙의 밀도 제어 방법을 제시한다.

본 발명에 따르면, 빙해수조 내에 움직이는 수중예인전차가 존재하고, 빙해수조 밖에 압축공기발생장치가 위치하여 수중예인전차까지 압축공기호스로 연결되며, 압축공기호스의 끝단에는 미세구멍(100-300um)이 뚫려 있는 버블판이 설치되어 있다. 수중예인전차는 모형빙 생성 시에 빙해수조 내를 저속으로 움직이면서 버블판으로부터 분사되는 미세기포를 빙해수조 수조수로 골고루 공급하게 되고, 이 미세기포가 모형빙과 함께 결빙되면서 결론적으로 모형빙의 밀도를 낮출 수 있으며, 미세기포가 발생되는 시간을 조절하여 모형빙의 밀도를 제어할 수 있게 된다.

본 발명에 따르면, 실해역의 얼음과 비슷한 모형빙(Model Ice)을 생성하여 모형시험의 정도를 향상시켜 모형시험 해석 시 편리하게 사용할 수 있으며, 모형시험을 의뢰하는 기관에 모형빙의 밀도 정보를 제공하여 모형시험의 신뢰성을 증대시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 효과는, 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

도 1은 일반적인 빙해수조의 전체 측면 구조를 개략적으로 나타낸 모식도.
도 2는 본 발명에 따른 모형빙의 밀도 제어 시스템에 대한 전체 구성 개념도.
도 3은 본 발명에서 미세기포를 분사하는 버블판과 수중예인전차의 작동에 관한 개념도.
도 4는 본 발명에 의해 미세기포가 모형빙과 함께 결빙되고 그에 따라 모형빙의 밀도가 제어되는 과정을 설명한 예시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중예인전차의 구조를 나타내는 예시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 버블판의 구조를 나타내는 예시도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

1. 모형빙의 밀도 제어 시스템

바람직하게는 실해역의 평균 빙밀도인 0.93Mg.m-3 을 맞추기 위해 센서를 이용하여 모형빙(Model Ice)의 밀도를 실시간으로 측정하여 생성중인 모형빙의 밀도를 조절하여야 하나, 실시간 측정의 어려움으로 인해 경험적으로 공압량, 수중예인전차의 이동속도 및 작동시간 등을 조절하여 빙해수조의 모형빙이 생성되는 전 구역에 균일하게 미세기포를 공급하여 모형빙의 밀도가 실해역 얼음의 밀도와 동일하게 되도록 맞추어야 하는 바, 이는 본 발명에 따른 모형빙의 밀도 제어 시스템에 의하여 효과적으로 실현될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 모형빙의 밀도 제어 시스템에 대한 전체 구성 개념도이다.

본 발명에 따른 모형빙의 밀도 제어 시스템은 압축공기발생장치(4), 수중예인전차(5), 압축공기호스(7) 및 버블판(8)을 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따르면, 빙해수조 내에 움직이는 수중예인전차(5)가 존재하고, 빙해수조 밖에 압축공기발생장치(4)가 위치하여 수중예인전차(5)까지 압축공기호스(7)로 연결되며, 압축공기호스(7)의 끝단에는 미세구멍이 뚫려 있는 버블판(8)이 설치되어 있다. 수중예인전차(5)는 모형빙(2) 생성 시에 빙해수조 내를 저속으로 움직이면서 버블판(8)으로부터 분사되는 미세기포(9)를 빙해수조 수조수(3)로 골고루 공급하게 되고, 이 미세기포(9)가 모형빙(2)과 함께 결빙되면서 결론적으로 모형빙(2)의 밀도를 낮출 수 있으며, 미세기포(9)가 발생되는 시간을 조절하여 모형빙(2)의 밀도를 제어할 수 있게 되는 것이다.

이하, 각 구성요소별로 보다 상세하게 설명한다.

압축공기발생장치(4)는 빙해수조 외부 구역에 존재하며, 공압펌프를 이용하여 압축공기를 생성한다. 압축공기발생장치(4)는 상용의 공압펌프 및 밸브를 이용하여 공압량을 조절할 수 있다.

수중예인전차(5)는 빙해수조 바닥에 설치된 수중레일(6)을 따라 이동한다.

수중예인전차(5)는 모터의 구동에 따라 움직일 수 있는데, 자체적으로 탑재한 모터의 구동에 따라 움직이거나, 또는 모터의 구동에 따라 감기거나 풀리는 별도의 와이어에 연결되어 와이어의 인장력에 따라 움직이는 방식(도 5) 등 다양한 이동방식을 취할 수 있다.

한편, 모터에는 구동 속도와 구동 시간을 입력할 수 있도록 하여 사용자가 수중예인전차(5)의 구동을 빙해수조 환경이나 실험의 목적 등에 따라 자유롭게 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

수중예인전차(5)의 구조는 빙해수조 환경이나 실험의 목적 등에 따라 다양한 구조를 취할 수 있다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중예인전차(5)의 구조를 나타내는 예시도인데, 이에 따르면 수중예인전차(5)는 하부에 바퀴가 달려있고, 바퀴 위에 기본 프레임이 위치하며, 기본 프레임에 와이어가 연결되어 움직이게 된다. 수중예인전차(5) 상부에는 압축공기호스(7)와 연결되어 미세기포(9)를 발생시키는 버블판(8)이 위치한다.

압축공기호스(7)는 압축공기발생장치(4)와 수중예인전차(5)를 상호 연결하며, 압축공기발생장치(4)로부터 생성된 압축공기가 수중예인전차(5) 쪽으로 이동하는 통로가 된다.

압축공기호스(7)는 그 기능상 고무 등과 같은 유연한 재질로 이루어지는 것이 바람직할 뿐만 아니라, 빙해수조의 전역을 움직이는 수중예인전차(5)의 이동 반경에 부족함에 없도록 충분한 길이를 갖는 것이 바람직하다.

버블판(8)은 압축공기호스(7)의 수중예인전차(5) 쪽 연결부 끝단에 설치되며, 몸체에 형성된 다수의 미세구멍을 통하여 압축공기를 미세기포(9)로 변환시켜 빙해수조 수조수(3)로 분사하는 역할을 한다(도 3).

버블판(8)은 포토에칭 기법을 이용하여 제작할 수 있다. 이때, 버블판(8)의 미세구멍은 그 직경이 100-300um의 크기를 갖도록 하여, 버블판(8)으로부터 분사된 미세기포(9)가 모형빙(2)에 포함되어 함께 결빙되는 과정이 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

압축공기발생장치(4)로부터 공급된 압축공기를 버블판(8)을 통하여 미세기포(9) 형태로 수중에 분사하게 되면, 미세기포(9)는 수면에 생성되고 있는 모형빙(2)으로 향하게 된다. 그러면 수면 위의 차가운 공기에 의해 모형빙(2)이 성장하면서 미세기포(9)가 얼음에 갇혀 수조수와 함께 결빙하게 되며, 그 결과 모형빙(2)의 밀도는 수조수만 결빙한 경우보다 더욱 낮아져 실해역의 평균 빙밀도인 0.93Mg.m-3 에 근접하게 된다(도 4).

버블판(8)의 구조는 빙해수조 환경이나 실험의 목적 등에 따라 다양한 구조를 취할 수 있다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 버블판(8)의 구조를 나타내는 예시도인데, 이에 따르면 수중예인전차(5) 상부에 수중예인전차(5)의 진행방향과 직각으로 파이프가 지나가며, 이 파이프 상에 150mm 간격으로 버블판(8)이 위치하게 된다. 도 6은 버블판(8)이 설치된 상태를 빙해수조 위에서 살펴본 모습인데, 파이프는 압축공기호스(7)와 연결된다.

2. 모형빙의 밀도 제어 방법

한편, 본 발명은 상기 모형빙의 밀도 제어 시스템을 이용한 모형빙의 밀도 제어 방법으로서, 대기 온도를 -20도로 떨어뜨려 빙해수조 수조수(3)의 표면에 불균일한 얼음이 생성되도록 하는 제 1 단계; 제 1 단계에서 생성된 불균일한 얼음을 걷어내고, 빙해수조 수조수(3)의 표면에 상온(약30도)의 물을 안개처럼 뿌려주는 제 2 단계; 대기 온도를 다시 -20도로 떨어뜨려 빙해수조 수조수(3)의 표면에 균일한 모형빙(2)이 생성되기 시작하면, 수중예인전차(5)가 빙해수조 바닥을 저속으로 이동하면서 버블판(8)으로부터 분사된 미세기포(9)를 빙해수조 수조수(3)로 공급하는 제 3 단계 및; 소정의 두께를 갖는 모형빙(2)이 생성되면 대기 온도를 0도로 맞추어 모형빙(2)의 강도를 제어하는 제 4 단계;를 포함하는 모형빙의 밀도 제어 시스템을 이용한 모형빙의 밀도 제어 방법을 제시하는 바, 그 구체적인 내용은 다음과 같다.

제 1 단계( Cooling ) : 먼저 빙해수조 수조수(3)의 온도를 약 1.5도 이내로 워터칠러를 사용하여 떨어뜨린다. 다음에 천장에 설치된 냉동기를 이용하여 대기 온도를 -20도로 떨어뜨린다. 이때 빙해수조 수조수(3)의 표면에 불균일한 얼음이 생성된다.

제 2 단계( Seeding ) : 제 1 단계에서 생성된 불균일한 얼음을 걷어내고, 상온(약30도)의 물을 공기와 함께 안개처럼 뿌려준다. 이러한 물분자들이 -20도의 차가운 대기에서 얼어 얼음핵이 되어 빙해수조 수조수(3)의 표면에 안착하게 된다. 이러한 작업을 마치고 나면 대기 온도는 약 -15도로 상승한다.

제 3 단계( Freezing ) : 제 2 단계에서 약간 상승된 대기 온도를 다시 -20도로 떨어뜨린다. 이때부터 얼음핵이 빙해수조 수조수(3)의 표면에서부터 성장하여 물밑으로 뻗어 내려가면서 균일한 모형빙(2)이 생성된다. 그러면 생성중인 모형빙(2)의 밀도를 맞추기 위하여 약 2시간 후에 본 발명에 따른 모형빙의 밀도 제어 시스템을 가동한다. 즉, 수중예인전차(5)가 빙해수조 바닥을 저속으로 이동하면서 버블판(8)으로부터 분사된 미세기포(9)를 빙해수조 수조수(3)로 공급하는 것이다. 미세기포(9)는 수면에 생성되고 있는 모형빙(2)으로 향하게 되고, 수면 위의 차가운 공기에 의해 모형빙(2)이 성장하면서 미세기포(9)가 얼음에 갇혀 수조수와 함께 결빙하게 되며, 이 과정에서 모형빙(2)의 밀도는 수조수만 결빙한 경우보다 더욱 낮아져 실해역의 평균 빙밀도인 0.93Mg.m-3 에 근접하게 된다.

제 4 단계( Tempering ) : 원하는 두께의 모형빙(2)이 생성된 후에는 모형빙(2)의 강도를 제어한다. 모형빙(2)의 강도는 대기 온도를 높여 얼음을 살짝 녹여서 제어하는데, 이 경우 히터를 사용하여 대기 온도를 0도로 맞춘다. 이때 온도 상승률은 5도/시간으로 하여 모형빙(2)에 과도한 응력이 발생하지 않도록 한다. 최종 강도가 나오면 대기 온도를 0도로 지속적으로 유지한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 빙모형시험용 모형선 2 : 빙모형시험용 모형빙
3 : 빙해수조 수조수 4 : 압축공기발생장치
5 : 수중예인전차 6 : 수중레일
7 : 압축공기호스 8 : 버블판
9 : 미세기포

Claims (6)

1. 빙해수조 외부 구역에 존재하며, 공압펌프를 이용하여 압축공기를 생성하는 압축공기발생장치;
   빙해수조 바닥에 설치된 수중레일을 따라 이동하는 수중예인전차;
   상기 압축공기발생장치와 상기 수중예인전차를 상호 연결하며, 상기 압축공기발생장치로부터 생성된 압축공기가 상기 수중예인전차 쪽으로 이동하는 통로가 되는 압축공기호스 및;
   상기 압축공기호스의 수중예인전차 쪽 연결부 끝단에 설치되며, 몸체에 형성된 다수의 미세구멍을 통하여 압축공기를 미세기포로 변환시켜 빙해수조 수조수로 분사하는 버블판;
   을 포함하는 모형빙의 밀도 제어 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 수중예인전차를 구동시키는 모터의 구동 속도와 구동 시간을 입력할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 모형빙의 밀도 제어 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 버블판의 미세구멍은 직경이 100-300um의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 모형빙의 밀도 제어 시스템.
4. 빙해수조 외부 구역에 존재하며, 공압펌프를 이용하여 압축공기를 생성하는 압축공기발생장치;
   빙해수조 바닥에 설치된 수중레일을 따라 이동하는 수중예인전차;
   상기 압축공기발생장치와 상기 수중예인전차를 상호 연결하며, 상기 압축공기발생장치로부터 생성된 압축공기가 상기 수중예인전차 쪽으로 이동하는 통로가 되는 압축공기호스 및;
   상기 압축공기호스의 수중예인전차 쪽 연결부 끝단에 설치되며, 몸체에 형성된 다수의 미세구멍을 통하여 압축공기를 미세기포로 변환시켜 빙해수조 수조수로 분사하는 버블판;
   을 포함하는 모형빙의 밀도 제어 시스템을 이용한 모형빙의 밀도 제어 방법으로서,
   대기 온도를 -20도로 떨어뜨려 빙해수조 수조수의 표면에 불균일한 얼음이 생성되도록 하는 제 1 단계;
   제 1 단계에서 생성된 불균일한 얼음을 걷어내고, 빙해수조 수조수의 표면에 상온(약30도)의 물을 안개처럼 뿌려주는 제 2 단계;
   대기 온도를 다시 -20도로 떨어뜨려 빙해수조 수조수의 표면에 균일한 모형빙이 생성되기 시작하면, 수중예인전차가 빙해수조 바닥을 저속으로 이동하면서 버블판으로부터 분사된 미세기포를 빙해수조 수조수로 공급하는 제 3 단계 및;
   소정의 두께를 갖는 모형빙이 생성되면 대기 온도를 0도로 맞추어 모형빙의 강도를 제어하는 제 4 단계;
   를 포함하는 모형빙의 밀도 제어 시스템을 이용한 모형빙의 밀도 제어 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   제 4 단계에서, 온도 상승률은 5도/시간으로 하는 것을 특징으로 하는 모형빙의 밀도 제어 시스템을 이용한 모형빙의 밀도 제어 방법.
6. 제 4 항에 있어서,
   제 4 단계에서, 모형빙의 최종 강도가 나오면 대기 온도를 0도로 지속적으로 유지하는 것을 특징으로 하는 모형빙의 밀도 제어 시스템을 이용한 모형빙의 밀도 제어 방법.

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