KR101482813B1 - 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초음파에 의한 캐비테이션(cavitation) 현상 및 압전 특성을 이용한 물리적 타격을 통해 얼음에 균열을 유도하고 이를 통해 얼음을 효과적으로 깰 수 있는 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박은 선체 일측에 구비된 압전 초음파 쇄빙수단을 포함하여 이루어지며, 상기 압전 초음파 쇄빙수단은, 전기적 신호를 진동신호로 변환하는 압전 진동자와, 상기 압전 진동자에 의해 변환된 진동신호의 응력을 증폭하는 호온(horn)과, 상기 응력 증폭된 진동신호에 의해 전후 이동하여 얼음을 타격하는 해머와, 상기 해머와 호온 사이에 구비되어 상기 호온에 의해 응력 증폭된 진동신호 상기 해머로 전달하는 진동 매개체를 포함하여 이루어지며, 상기 압전 진동자에 의해 변환된 진동신호는 상기 호온에 전달됨과 함께 수중의 매질에 전달되어 캐비테이션 코어의 발생을 유도하는 것을 특징으로 한다.

Description

압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박{Ship with piezoelectric and ultrasonic ice breaking means}
본 발명은 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초음파에 의한 캐비테이션(cavitation) 현상 및 압전 특성을 이용한 물리적 타격을 통해 얼음에 균열을 유도하고 이를 통해 얼음을 효과적으로 깰 수 있는 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박에 관한 것이다.
쇄빙선(Ice breaker)은 얼음으로 덮인 결빙해역에서 얼음을 부수며 항로를 만들 수 있는 능력을 보유한 선박을 일컫는다. 대부분의 쇄빙선은 선박의 추진력이나 빙판 위에 올라타 선박의 무게를 이용하여 빙판을 깨뜨리는 방식으로 동작되는데, 빙판 위로 올라타야 됨에 따라 강력한 추진장치가 장착된다. 또한, 두께 1m 가량의 얼음을 연속해서 깨야하기 때문에 매우 큰 추진력이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 초음파에 의한 캐비테이션(cavitation) 현상 및 압전 특성을 이용한 물리적 타격을 통해 얼음에 균열을 유도하고 이를 통해 얼음을 효과적으로 깰 수 있는 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박은 선체 일측에 구비된 압전 초음파 쇄빙수단을 포함하여 이루어지며, 상기 압전 초음파 쇄빙수단은, 전기적 신호를 진동신호로 변환하는 압전 진동자와, 상기 압전 진동자에 의해 변환된 진동신호의 응력을 증폭하는 호온(horn)과, 상기 응력 증폭된 진동신호에 의해 전후 이동하여 얼음을 타격하는 해머와, 상기 해머와 호온 사이에 구비되어 상기 호온에 의해 응력 증폭된 진동신호 상기 해머로 전달하는 진동 매개체를 포함하여 이루어지며, 상기 압전 진동자에 의해 변환된 진동신호는 상기 호온에 전달됨과 함께 수중의 매질에 전달되어 얼음 내부에 캐비테이션 코어의 발생을 유도하는 것을 특징으로 한다.
상기 해머는, 얼음과 접촉하여 얼음을 깨뜨리는 역할을 하는 타격판과, 상기 타격판의 일측에 구비되어 상기 압전 진동자, 호온 및 진동 매개체가 구비되는 공간을 제공함과 함께 상기 압전 진동자, 호온 및 진동 매개체를 고정시키는 고정체 역할을 지지 샤프트를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 타격판의 상부에 균일한 밀도로 복수의 첨단 돌기체가 구비될 수 있다.
상기 지지 샤프트의 일단은 너트 부재와 결합되며, 상기 너트 부재 상에 압축 스프링부재가 더 구비된다. 또한, 상기 진동 매개체, 호온 및 압전 진동자는 상기 타격판의 배면 상에 순차적으로 적층되며, 상기 진동 매개체, 호온 및 압전 진동자는 중앙 부위가 개구된 형태를 이루어 상기 지지 샤프트에 끼워지는 형태로 구비될 수 있다.
상기 해머를 선체에 고정시키는 고정 부재가 더 구비되며, 상기 고정 부재는 상기 지지 샤프트에 밀착, 구비되는 내부 슬리브와, 상기 내부 슬리브에 연결됨과 함께 선체에 고정되는 외부 슬리브로 구성된다. 이와 함께, 전원 공급부가 더 구비되며, 상기 전원 공급부는 상기 압전 진동자의 고유진동수에 상응하는 전기적 신호를 상기 압전 진동자에 인가한다.
본 발명에 따른 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박은 다음과 같은 효과가 있다.
압전 및 초음파 특성을 이용하여 얼음에 균열이 발생되는 것을 유도함에 따라, 후속의 실질적인 쇄빙시 소요되는 에너지를 현격하게 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 쇄빙수단의 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 쇄빙수단의 단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박을 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박은 압전 초음파 쇄빙수단(100)을 구비한다.
상기 압전 초음파 쇄빙수단(100)은 얼음 내에 균열을 유도하는 역할을 하는 것으로서, 두 가지 기능 즉, 초음파를 발생시켜 초음파에 의한 캐비테이션 현상을 유도하여 얼음 내에 균열을 발생시키는 기능(제 1 기능)과 함께 압전 특성을 이용한 물리적 타격을 통해 얼음 내에 균열을 발생시키는 기능(제 2 기능)을 수행한다.
상기 압전 초음파 쇄빙수단(100)은 구체적으로, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 압전 진동자(110), 호온(120)(horn), 진동 매개체(130), 해머(140) 및 전원공급부(160)를 포함하여 구성된다.
상기 압전 진동자(110)는 압전 진동자(110)의 고유진동수에 상응하는 전기적 신호가 인가되면 이를 진동신호로 변환하는 역할을 한다. 상기 압전 진동자(110)에 의해 변환된 진동신호는 상기 호온(120)(horn)으로 전달됨과 함께 수중의 매질 즉, 얼음에게도 전달된다. 얼음으로 전달되는 진동신호는 초음파로서 캐비테이션 현상을 유도하여 얼음의 균열을 유도하는 역할을 하는데, 초음파에 의한 얼음 균열 원리는 후술하여 상세히 설명하기로 한다. 또한, 상기 전원공급부(160)는 상기 압전 진동자(110)의 고유진동수에 해당되는 전기적 신호를 상기 압전 진동자(110)에 인가하는 역할을 한다.
상기 호온(120)은 상기 압전 진동자(110)에 의해 발생된 진동신호의 응력(strain)을 증폭시키는 역할을 한다. 상기 호온(120)은 다양한 단면 형상으로 구성되며 상기 호온(120)에 의한 응력 증폭은 호온(120)의 길이 및 지름에 의해 결정된다. 또한, 상기 진동 매개체(130)는 상기 호온(120)에 의해 증폭된 진동신호를 상기 해머(140)에 전달하는 역할을 한다.
상기 해머(140)는 상기 진동 매개체(130)의 진동신호를 전달받아 실질적으로 얼음을 타격하여 얼음의 균열을 유도하는 역할을 한다. 상기 해머(140)는 세부적으로, 타격판(142)과 지지 샤프트(141)로 구성된다. 상기 타격판(142)은 얼음을 실질적으로 타격하는 역할을 하며, 상기 지지 샤프트(141)는 상기 타격판(142)의 일측에 구비되어 상기 압전 진동자(110), 호온(120) 및 진동 매개체(130)가 구비되는 공간을 제공함과 함께 상기압전 진동자(110), 호온(120) 및 진동 매개체(130)를 고정시키는 고정체 역할을 한다. 또한, 얼음의 균열 발생을 효과적으로 유도하기 위해 상기 타격판(142)의 상부에 복수의 첨단 돌기체(143)가 균일한 밀도로 구비된다.
상기 해머(140)가 선체에 고정되도록 하기 위해 상기 해머(140)의 지지 샤프트(141)의 일측에는 고정 부재가 구비된다. 상기 고정 부재는 내부 슬리브(151)(sleeve)와 외부 슬리브(152)로 구성되며, 상기 내부 슬리브(151)는 상기 지지 샤프트(141)에 밀착, 구비되며 상기 외부 슬리브(152)는 상기 내부 슬리브(151)에 연결됨과 함께 선체의 선수부 또는 선미부 전단에 고정된다.
또한, 상기 해머(140)의 지지 샤프트(141)의 일단은 너트 부재(144)와 결합되는데, 상기 해머(140)의 전후 이동공간을 확보하기 위해 상기 너트 부재(144)와 상기 내부 슬리브(151)는 일정 거리 이격된 위치에 구비되며, 상기 너트 부재(144)와 내부 슬리브(151) 사이에는 해머(140)의 전후 이동시 복원력을 부여하는 압축 스프링부재(145)가 구비된다.
한편, 상기 진동 매개체(130), 호온(120) 및 압전 진동자(110)는 상기 해머(140)의 타격판(142)의 배면 상에 순차적으로 적층된 형태로 구비되는데, 세부적으로 상기 진동 매개체(130), 호온(120) 및 압전 진동자(110)는 중앙 부위가 개구된 형태를 이루어 상기 지지 샤프트(141)에 끼워지는 형태로 구비될 수 있다.
상술한 바와 같은 압전 초음파 쇄빙수단(100)은 선체의 선수부 또는 선미부 전단에 구비되는데, 쇄빙하고자 하는 얼음의 높이, 방향에 따라 그 구비위치가 선택적으로 조정 가능하다. 예를 들어, 별도의 구동수단을 통해 상기 압전 초음파 쇄빙수단(100)의 상하 높이 및 좌우 위치를 조정할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박의 구성을 설명하였으며, 이와 같은 본 발명에 따른 쇄빙선에 의한 얼음 균열 유도원리를 설명하면 다음과 같다. 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 쇄빙선에 의한 얼음 균열 유도는 1) 압전 특성에 의한 물리적 균열과 2) 초음파에 의한 균열에 의해 진행되며, 이와 같은 두 가지 형태의 균열 유도 형태는 압전 진동자(110)에 의한 진동신호 변환과 함께 동시에 진행된다.
먼저, 1) 압전 특성에 의한 물리적 균열 과정을 살펴보면, 상기 전원공급부(160)로부터 압전 진동자(110)의 고유진동수에 해당되는 전기적 신호가 상기 압전 진동자(110)에 인가되면 상기 압전 진동자(110)는 해당 전기적 신호를 진동신호로 변환한다. 변환된 진동신호는 상기 호온(120)(horn)에 의해 응력 증폭(strain amplification)되어 상기 진동 매개체(130)로 전달되며, 최종적으로 상기 해머(140)의 타격판(142)으로 전달된다. 상기 해머(140)의 타격판(142)은 상기 진동신호에 의해 전후 이동하여 얼음을 타격함으로써 얼음의 균열을 유도한다.
다음으로, 2) 초음파에 의한 균열 유도 과정을 살펴보면, 상기 압전 진동자(110)의 고유진동수에 해당되는 전기적 신호가 상기 전원공급부(160)로부터 상기 압전 진동자(110)에 전달되면, 상기 압전 진동자(110)는 공진을 일으키면서 전기적 신호를 기계적 신호인 진동으로 변환한다. 변환된 진동신호는 수중의 매질인 얼음으로 전달되고, 이로 인해 매질의 운동에너지가 증가하면서 음압이 증가와 감소를 반복하게 된다. 이렇게 반복되는 음압의 변화가 매질의 포화증기압보다 낮아지게 되면 매질이 기화하면서 캐비테이션 코어(cavitation core)가 생성된다. 생성된 캐비테이션 코어는 계속되는 압력의 증압과 감압을 반복하면서 팽창하게 되고 주변압력이 표면장력 이상이 되면서 폭발한다. 이 때, 매우 빠른 속도를 갖는 미세 공기방울이 생성되며, 이러한 미세 공기방울의 에너지에 의해 얼음의 내부에서부터 균열이 발생된다.
100 : 압전 초음파 쇄빙수단
110 : 압전 진동자 120 : 호온
130 : 진동 매개체 140 : 해머
141 : 지지 샤프트 142 : 타격판
143 : 첨단 돌기체 144 : 너트 부재
145 : 압축 스프링부재 151 : 내부 슬리브
152 : 외부 슬리브 160 : 전원공급부

Claims (7)

  1. 선체 일측에 구비된 압전 초음파 쇄빙수단을 포함하여 이루어지며,
    상기 압전 초음파 쇄빙수단은,
    전기적 신호를 진동신호로 변환하는 압전 진동자와, 상기 압전 진동자에 의해 변환된 진동신호의 응력을 증폭하는 호온(horn)과, 상기 응력 증폭된 진동신호에 의해 전후 이동하여 얼음을 타격하는 해머와, 상기 해머와 호온 사이에 구비되어 상기 호온에 의해 응력 증폭된 진동신호 상기 해머로 전달하는 진동 매개체를 포함하여 이루어지며,
    상기 압전 진동자에 의해 변환된 진동신호는 상기 호온에 전달됨과 함께 수중의 매질에 전달되어 얼음 내부에 캐비테이션 코어의 발생을 유도하며,
    상기 해머는,
    얼음과 접촉하여 얼음을 깨뜨리는 역할을 하는 타격판과,
    상기 타격판의 일측에 구비되어 상기 압전 진동자, 호온 및 진동 매개체가 구비되는 공간을 제공함과 함께 상기 압전 진동자, 호온 및 진동 매개체를 고정시키는 고정체 역할을 지지 샤프트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 타격판의 상부에 균일한 밀도로 복수의 첨단 돌기체가 구비되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 지지 샤프트의 일단은 너트 부재와 결합되며, 상기 너트 부재 상에 압축 스프링부재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 진동 매개체, 호온 및 압전 진동자는 상기 타격판의 배면 상에 순차적으로 적층되며, 상기 진동 매개체, 호온 및 압전 진동자는 중앙 부위가 개구된 형태를 이루어 상기 지지 샤프트에 끼워지는 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 해머를 선체에 고정시키는 고정 부재가 더 구비되며, 상기 고정 부재는 상기 지지 샤프트에 밀착, 구비되는 내부 슬리브와, 상기 내부 슬리브에 연결됨과 함께 선체에 고정되는 외부 슬리브로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박.
  7. 제 1 항에 있어서, 전원 공급부가 더 구비되며,
    상기 전원 공급부는 상기 압전 진동자의 고유진동수에 상응하는 전기적 신호를 상기 압전 진동자에 인가하는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 쇄빙수단을 구비한 선박.
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