KR101738646B1 - 결빙감지장치 - Google Patents

Abstract

설치 편의성 및 감지 정확성이 개선되도록, 본 발명은 결빙감지대상부가 배치된 대상환경와 인접한 유사 결빙환경에 설치되되, 내부에 장착공간이 형성된 스트럿몸체; 상기 스트럿몸체를 관통하도록 배치되어 상단부가 상기 유사 결빙환경에 노출되되 하단부가 상기 장착공간에 삽입되는 자왜소재의 프로브; 상기 프로브의 하부 외주를 감싸도록 배치되어 자왜 진동을 위한 구동자계를 형성하는 코일부; 상기 프로브의 진동 변위가 증가되도록 상기 코일부의 외주를 따라 배치되어 바이어스자계를 형성하는 마그넷부; 상기 프로브의 진동 주파수 조절을 위해 기설정된 탄성계수를 갖도록 구비되어 상기 프로브의 하단부를 탄발 지지하는 탄성부재; 및 결빙 하중으로 인한 상기 프로브의 진동 주파수 변화를 통해 상기 결빙감지대상부의 결빙상태를 간접 판별하는 결빙판별부를 포함하는 결빙감지장치를 제공한다.

Description

결빙감지장치{apparatus for detecting ice-formation}

본 발명은 결빙감지장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 설치 편의성 및 감지 정확성이 개선되는 결빙감지장치에 관한 것이다.

풍력발전은 자연 상태의 무공해 에너지원이자, 화석연료의 대체 에너지원 중 가장 경제성이 높은 에너지원으로서 평가받는 풍력을 이용한 발전으로 구조적인 간결성과 설치/운영의 편의성 등의 장점을 갖는다.

이러한, 풍력발전설비는 풍력자원의 원활한 수급을 위해 고풍속의 저온지역인 고위도에 많이 설치되고 있다.

한편, 도 1은 종래의 풍력발전설비에서 블레이드에 결빙이 발생된 상태를 나타낸 예시도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 저온지역에서는 블레이드(1) 상에 발생되는 결빙(2)으로 인해 블레이드(1)의 회전시 반경방향으로 불필요한 하중이 형성되며, 블레이드(1)의 내구성 저하, 발전량 저하, 아이스 드로우(ice throw; 얼음이 주변으로 투척되는 현상) 등의 문제를 유발하였다.

따라서, 풍력발전설비의 안전한 운영을 위해서는 블레이드(1) 상의 결빙(2)을 적절한 시점에 제거하는 것이 바람직하며, 결빙 상태를 감지하기 위한 감지장치가 필수적이다. 물론, 이러한 결빙감지장치는 풍력발전장치의 블레이드(1)에 한정되지 않고, 고층 건물의 외벽이나 창문, 빙해운항용 선박, 해상구조물 등 다양한 결빙 예상 지점에 설치되어 사용될 수 있다.

도 2는 종래의 풍력발전설비에 설치된 결빙감지장치를 나타낸 예시도이다.

도 2에서 보는 바와 같이, 종래의 결빙감지장치는 블레이드(1)의 표면에 설치된 스트레인게이지(3a,3b)와, 스트레인게이지(3a,3b)의 감지신호에 따라 블레이드(1)의 결빙상태를 판별 및 표지하는 알림수단을 포함하여 구비된다.

상세히, 블레이드(1) 표면에 결빙이 발생되면, 결빙의 하중에 의해 블레이드의 길이방향으로 압축 또는 신장이 발생되므로, 스트레인게이지(3a,3b)를 통해 블레이드(1)의 변형량 정보가 측정될 수 있으며, 변형량 정보를 통해 블레이드(1) 표면에 대한 결빙 발생 여부가 판별될 수 있다.

이때, 측정된 변형량이 미리 설정된 한계변형량을 벗어나면, 블레이드(1)의 회전속도를 감속하는 등의 제한운전을 하거나, 블레이드(1)의 회전을 정지시켜 결빙제거작업을 하게 된다.

그러나, 이러한 결빙감지장치의 경우, 블레이드(1)의 표면에 직접 스트레인게이지(3a,3b)를 부착하여야 하므로, 설치 과정이 복잡할 뿐만 감지신호의 전송을 위한 신호 연결선의 설치에 어려움이 있다.

또한, 스트레인게이지(3a,3b)의 설치불량, 노후화로 인해 교체의 필요가 있는 경우, 거대한 블레이드(1)에 접근하여 작업이 이루어져야 하므로, 유지관리작업에 상당한 어려움이 동반되는 문제점이 있었다.

한국 공개특허 제10-2014-0014898호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 설치 편의성 및 측정 정확성이 개선되는 결빙감지장치를 제공하는 것을 해결과제로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 결빙감지대상부가 배치된 대상환경와 인접한 유사 결빙환경에 설치되되, 내부에 장착공간이 형성된 스트럿몸체; 상기 스트럿몸체를 관통하도록 배치되어 상단부가 상기 유사 결빙환경에 노출되되 하단부가 상기 장착공간에 삽입되는 자왜소재의 프로브; 상기 프로브의 하부 외주를 감싸도록 배치되어 자왜 진동을 위한 구동자계를 형성하는 코일부; 상기 프로브의 진동 변위가 증가되도록 상기 코일부의 외주를 따라 배치되어 바이어스자계를 형성하는 마그넷부; 상기 프로브의 진동 주파수 조절을 위해 기설정된 탄성계수를 갖도록 구비되어 상기 프로브의 하단부를 탄발 지지하는 탄성부재; 및 결빙 하중으로 인한 상기 프로브의 진동 주파수 변화를 통해 상기 결빙감지대상부의 결빙상태를 간접 판별하는 결빙판별부를 포함하되, 상기 프로브의 외주에는 상기 유사 결빙환경에 대한 노출면적이 증가되도록 진동 방향을 따라 형성된 하나 이상의 요철부가 구비됨을 특징으로 하는 결빙감지장치를 제공한다.

그리고, 상기 결빙판별부는 상기 프로브의 진동 주파수를 실시간 감지하는 오실레이터와, 상기 오실레이터에 의해 감지된 진동 주파수가 기설정된 결빙기준 주파수 이하로 감소되면 결빙상태에 대응되는 모니터링신호를 송출하는 연산제어부를 포함하되, 상기 장착공간에는 기형성된 결빙의 제거를 통해 상기 프로브의 진동 주파수가 초기화되도록 상기 프로브의 외주를 감싸도록 배치되어 상기 송출된 모니터링신호에 따라 상기 프로브를 가열하는 가열부가 구비됨이 바람직하다.

또한, 상기 코일부는 상기 프로브의 진동방향을 따라 상하로 구획되어 배치되되 상호 반대되는 나선방향으로 권취된 드라이브코일부 및 피드백코일부를 포함하고, 상기 결빙감지장치는 상기 드라이브코일부 및 상기 피드백코일부에 기설정된 주기의 교류 전류를 인가하는 전원부를 더 포함함이 바람직하다.

삭제

그리고, 상기 스트럿몸체의 상면부에는 상기 유사 결빙환경의 기류가 가속되도록 상측으로 라운드지게 돌출 형성된 가속곡면부가 구비되되, 상기 프로브의 상부 외주에는 결빙결합면적이 증가되도록 섬유직물재질의 흡착슬리브가 구비되고, 상기 스트럿몸체 및 상기 프로브는 상기 유사 결빙환경의 기류 방향을 따라 기설정된 각도로 경사지게 설치됨이 바람직하다.

상기의 해결 수단을 통해서, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 종래에 센서장치 등이 결빙감지대상부에 직접 설치되는 것과 달리, 대상환경과 인접한 유사 결빙환경에 배치된 프로브의 진동 주파수 변화를 통해 결빙감지대상부의 결빙상태가 간접적으로 감지되므로 결빙감지대상부의 구동 성능 저하가 예방되면서도 안정적인 모니터링이 가능하다.

둘째, 상기 가열부가 상기 프로브의 외주를 감싸는 관 형상으로 구비되므로, 상기 프로브가 가열부의 직접적인 접촉 없이 복사를 통한 열전달로 가열되어 표면에 형성된 결빙이 제거됨에 따라 진동시 주파수의 왜곡이 방지될 수 있어 결빙상태에 대한 감지 정확성이 개선될 수 있다.

셋째, 상기 프로브의 하단부를 지지하는 탄성부재의 탄성계수에 따라 구동자계나 프로브 등의 설계변경 없이도 자왜 진동 주파수가 넓은 범위로 조절될 수 있으므로 유사 결빙환경의 다양한 기상조건에 적합한 초기 진동 주파수가 용이하게 설정될 수 있어 제품의 호환성이 증가될 수 있다.

넷째, 상기 드라이브코일부 및 피드백코일부가 반대되는 자극방향을 갖는 한쌍의 구동자계를 형성하되, 코일부의 외주에 배치된 마그넷부를 통해 구동자계와 직교하는 바이어스자계가 형성되어 각 구동자계의 자기력선이 프로브의 축방향으로 정렬되므로 프로브의 신축 변위량 및 진폭량이 증가되어 진동 주파수의 검출 정확성이 개선될 수 있다.

다섯째, 상기 스트럿몸체의 가속곡면부 및 경사진 설치방향을 통한 기류의 가속과, 프로브의 요철부를 통한 기류 접촉면적의 증가, 상기 흡착슬리브를 통한 결빙의 안정적인 결합을 통해 유사 결빙환경에서 프로브의 결빙 발생 및 성장이 촉진될 수 있으므로 제품의 감지 민감도가 개선될 수 있다.

도 1은 종래의 풍력발전설비에서 블레이드에 결빙이 발생된 상태를 나타낸 예시도.
도 2는 종래의 풍력발전설비에 설치된 결빙감지장치를 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 결빙감지장치의 설치상태를 나타낸 예시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 결빙감지장치를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 결빙감지장치를 나타낸 블록도.
도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d는 본 발명의 일실시예에 따른 결빙감지장치에서 프로브의 변형예를 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 결빙감지장치를 나타낸 측면도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 결빙감지장치를 나타낸 측면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 결빙감지장치를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 결빙감지장치의 설치상태를 나타낸 예시도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 결빙감지장치를 나타낸 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 결빙감지장치를 나타낸 블록도이며, 도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d는 본 발명의 일실시예에 따른 결빙감지장치에서 프로브의 변형예를 나타낸 단면도이다.

도 3 내지 도 6d에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 결빙감지장치(100)는 스트럿몸체(20), 프로브(10), 코일부(40), 마그넷부(50), 탄성부재(70), 그리고 결빙판별부를 포함한다.

여기서, 상기 결빙감지장치(100)는 결빙감지대상부의 결빙 발생여부 및 성장상태를 감지하되, 감지된 결빙 발생여부 및 성장상태에 대응되는 모니터링신호를 관리서버(미도시) 등으로 전송하는 장치를 의미한다.

이때, 상기 관리서버(미도시)는 상기 수신된 모니터링신호에 따라 상기 결빙감지대상부의 결빙 발생여부 및 성장상태에 대한 알림메시지를 생성하여 관리자측 표시장치(미도시)로 표시할 수 있다.

여기서, 상기 알림메시지는 상기 결빙감지대상부의 결빙 발생여부 및 성장상태를 나타내는 음성, 이미지, 텍스트 등으로 구비될 수 있으며, 상기 알림메시지에 따라 결빙감지대상부에 발생된 결빙을 제거하는 일련의 유지보수작업이 수행될 수 있다.

본 실시예에서는 풍력발전설비의 블레이드(1)를 결빙감지대상부의 예로써 설명 및 도시하나, 상기 결빙감지대상부는 이에 한정되지 않고 고층건물의 외벽이나 창문, 빙해운항용 선박의 갑판, 해상구조물 등 다양한 결빙 예상 지점을 포괄하는 개념으로 이해함이 바람직하다.

한편, 도 3 내지 도 4를 참조하면, 상기 스트럿몸체(20)는 상기 결빙감지대상부가 배치된 대상환경(b)과 인접한 유사 결빙환경(a)에 설치된다.

여기서, 상기 유사 결빙환경(a)은 상기 대상환경(b)과 유사한 온도, 습도, 풍속 등의 기상조건을 갖는 환경을 의미하며, 대상환경(b)과 인접하면서도 결빙감지장치(100)의 설치가 용이한 영역으로 설정될 수 있다.

예를 들어, 풍력발전설비의 블레이드(1)가 결빙감지대상부인 경우, 상기 유사 결빙환경(a)은 상기 블레이드(1)를 지지하는 나셀(4)의 상면부측으로 설정될 수 있다.

이때, 상기 나셀(4)의 상면부는 상기 블레이드(1)가 배치된 대상환경(b)으로부터 인접 배치되어 대상환경(b)과 유사한 기상조건을 갖되, 회전 등의 운동이 직접 발생되지 않는 부분으로 상기 결빙감지장치(100) 및 배선의 설치가 용이하다.

또한, 상기 결빙감지장치(100)가 상기 블레이드(1) 또는 대상환경(b)에 직접 설치되는 것이 아니라, 블레이드(1) 또는 대상환경(b)과 인접한 유사 결빙환경(a)에서 대상환경(b)의 기상조건에 따른 블레이드(1)의 결빙 발생여부 및 성장상태를 간접적으로 감지하므로 블레이드(1)의 회전 운동에 대한 영향이 최소화될 수 있다.

즉, 상기 결빙감지대상부의 성능 저하 없이 결빙 발생여부 및 성장상태가 안정적으로 모니터링될 수 있으므로 제품의 효율성이 개선될 수 있다.

이때, 상기 스트럿몸체(20)는 상기 나셀(4)의 상면부에 직접 설치되는 것도 가능하나, 상기 스트럿몸체(20) 및 상기 나셀(4)의 상면부 사이에는 전원부(33)를 비롯한 각종 전장부품이 설치되는 하우징(30)이 구비됨이 바람직하다.

여기서, 상기 스트럿몸체(20)는 상기 유사 결빙환경(a)의 기류에 대한 저항이 최소화되되 내부에 장착공간(s)이 형성되도록 뒤집어진 원통형으로 구비되고, 상면부에 프로브(10)의 설치를 위한 프로브관통홀(21)이 형성됨이 바람직하다.

그리고, 상기 하우징(30)의 상면부에는 몸체결합홀(35)이 형성되며, 상기 스트럿몸체(20)의 하단부가 상기 몸체결합홀(35)에 결합됨에 따라 상기 장착공간(s)과 상기 하우징(30)의 내부 공간이 상호 연통될 수 있다.

이때, 상기 하우징(30) 및 상기 스트럿몸체(20)는 유사 결빙환경(a)의 기상 조건으로 인한 부식이나 파손이 최소화되도록 내수성 및 내압성이 뛰어난 금속 재질 또는 엔지니어링 플라스틱 소재로 구비됨이 바람직하다.

한편, 상기 프로브(10)는 상기 스트럿몸체(20)의 상면부를 관통하도록 상기 프로브관통홀(21)을 따라 배치되며, 상단부가 상기 유사 결빙환경(a)에 노출되되, 하단부가 상기 장착공간(s)에 삽입된다.

그리고, 상기 코일부(40)는 상기 장착공간(s)에 배치되되 상기 프로브(10)의 하부 외주를 감싸도록 구비되어 자왜 진동을 위한 구동자계를 형성한다.

상세히, 상기 코일부(40)는 피복 등에 의해 절연된 전선이 프로브(10)의 축방향을 따라 나선형으로 복수회 권취되어 형성되며, 전류 인가시 나선형의 전류 흐름을 형성할 수 있다.

그리고, 나선형 전류 흐름에 의해 상기 코일부(40)의 내부 중공을 따라 프로브(10)의 축방향으로 자극이 배열된 구동자계가 형성될 수 있다.

여기서, 상기 코일부(40)에는 기설정된 주기로 음극과 양극이 변화하는 교류 전류가 인가되며, 전류의 흐름 방향 전환에 따라 구동자계의 자극 방향이 주기적으로 반전될 수 있다.

그리고, 상기 프로브(10)는 자왜소재로 구비된다. 여기서, 상기 자왜소재라는 말은 외부자계에 노출시 자계의 자극방향으로 내부 자구가 이동되어 신장 또는 축소되는 성질을 갖는 물질을 포괄하는 의미로 이해함이 바람직하다.

예를 들어, 상기 자왜소재는 강자성 물질로 철, 니켈, 코발트, 스테인레스 스틸 및 그 합금 등의 물질로 구성된 페라이트(ferrite)로 구비될 수 있으며, 그 중에서도 42%의 니켈, 5%의 크롬, 2.5%의 티타늄을 함유하되 잔부가 철로 구성된 니켈-철 합금으로 구비됨이 더욱 바람직하다.

이때, 상기 구동자계는 상기 프로브(10)의 축방향으로 N극 및 S극이 배열되며, 상기 프로브(10)는 상기 구동자계의 자극 방향을 따라 신장 또는 수축 변형될 수 있다.

그리고, 상기 구동자계의 자극 방향이 주기적으로 반전됨에 따라 상기 프로브(10)가 신장 및 수축을 반복하며 자왜 진동될 수 있다.

상세히, 상기 자왜소재의 결정입자는 다수의 자구(magnetic domain)로 구성된 다자구 구조로, 외부자계에 노출시 각 자구가 외부자계의 자극방향으로 정렬되며 단일 자구로 병탄됨에 따라 결정입자의 자극방향 치수가 증가하게 된다.

이때, 외부자계의 자극방향이 반전되면, 단일자구로 병탄된 각각의 자구가 분리되며 자극방향의 치수가 감소된 후 각 자구가 변화된 외부자계의 방향으로 재정렬 및 재병탄되어 결정입자의 자극방향의 치수가 다시 증가될 수 있다.

한편, 상기 마그넷부(50)는 상기 코일부(40) 및 상기 프로브(10)의 외주를 부분적으로 감싸도록 외주 일측이 개방된 'C'자형 튜브로 구비되며, 내주측과 외주측에 각각 N-S극이 착자된 영구자석 또는 전자석으로 구비될 수 있다.

즉, 상기 마그넷부(50)는 상기 코일부(40)의 외부에서 상기 구동자계와 직교하는 자극 방향을 갖는 바이어스자계를 형성할 수 있다. 이때, 상기 구동자계는 바이어스자계의 자기장에 의해 반경방향 내측으로 가압되며, 프로브(10)의 축방향으로 직선화된 자기력선을 가질 수 있다.

이에 따라, 상기 구동자계의 자극 방향과 프로브(10)의 축방향이 정렬되어 프로브(10)의 신축 변위량 및 자왜 진동시 진폭량이 증가될 수 있으며, 증가된 진폭을 통해 진동 주파수가 정확하게 검출될 수 있다.

한편, 상기 탄성부재(70)는 상기 프로브(10)의 하단부를 탄발 지지하며, 상기 프로브(10)의 축방향으로 탄성 변형되는 코일 스프링 등으로 구비됨이 바람직하다.

이때, 상기 탄성부재(70)는 상기 프로브(10)의 진동 주파수 조절을 위해 기설정된 탄성계수를 갖도록 구비됨이 바람직하다. 즉, 탄성부재(70)의 탄성계수를 통해 상기 프로브(10)의 진동 주파수가 조절될 수 있다.

상세히, 상기 프로브(10)가 구동자계에 의해 축방향으로 신축되어 자왜 진동되면, 상기 프로브(10)의 진동이 상기 탄성부재(70)에 전달된다. 이때, 상기 탄성부재(70)는 탄성계수에 따른 고유의 진동 주파수로 진동되며, 상쇄 또는 증폭을 통해 상기 프로브(10)의 진동 주파수를 증감시킬 수 있다.

이에 따라, 상기 코일부(40)의 권선횟수, 길이, 두께 또는 교류 전류의 주파수, 크기 등을 통한 구동자계의 크기나 주기 조절, 프로브(10)의 단면적과 길이, 중량 등을 교체하는 복잡한 설계변경 없이, 탄성부재(70)의 탄성계수를 선택하여 프로브(10)의 하단부를 탄발 지지하도록 배치하는 것만으로 자왜 진동에 따른 진동 주파수가 용이하게 조절될 수 있다.

즉, 상기 구동자계의 크기나 주기, 프로브(10)의 규격이 동일한 상태에서도 자왜 진동 주파수가 40kHz ~ 40Hz와 같이 넓은 범위로 조절될 수 있으며, 상기 유사 결빙환경(a)의 다양한 기상조건에 적합한 초기 진동 주파수가 용이하게 설정될 수 있으므로 제품의 호환성이 증가될 수 있다.

한편, 상기 결빙판별부는 결빙 하중으로 인한 상기 프로브(10)의 진동 주파수를 변화를 통해 상기 결빙감지대상부의 결빙상태를 간접적으로 판별한다.

즉, 상기 프로브(10)가 일정한 초기 진동 주파수로 자왜 진동되는 상태에서, 상기 프로브(10)의 상부 외주에 결빙이 발생되면, 결빙의 중량으로 인해 프로브(10)의 진동 주파수가 감소되며, 결빙이 성장할수록 프로브(10)의 진동 주파수 감소폭도 증가하게 된다.

이때, 상기 결빙판별부는 초기 상태(미결빙)에서 프로브(10)의 진동 주파수와 결빙상태에서 프로브(10)의 진동 주파수를 상호 비교하여 상기 프로브(10)의 결빙상태를 판별할 수 있다.

즉, 상기 대상환경(b)의 기상조건으로 인해 결빙감지대상부에 결빙이 발생된 경우, 대상환경(b)과 유사한 기상조건의 유사 결빙환경(a)에 노출된 프로브(10)에도 결빙이 발생되므로 상기 프로브(10)의 결빙상태를 통해 결빙감지대상부의 결빙상태가 간접적으로 감지될 수 있다.

이처럼, 종래에 결빙감지를 위한 센서장치가 결빙감지대상부에 직접 설치되는 것과 달리, 대상환경(b)과 인접한 유사 결빙환경(a)에 배치된 프로브(10)의 진동 주파수 변화를 통해 대상환경(b)의 기상조건에 따른 블레이드(1)의 결빙 발생여부 및 성장상태를 간접적으로 감지할 수 있다.

이에 따라, 블레이드(1)의 회전 운동에 대한 영향이 최소화되어 결빙감지대상부의 성능 저하가 예방되며, 회전 등 직접적인 운동이 없는 유사 결빙환경에서 결빙감지대상부의 결빙 발생여부 및 성장상태가 안정적으로 모니터링될 수 있으므로 제품의 설치편의성 및 내구성이 개선될 수 있다.

한편, 도 4 내지 도 5를 참조하면, 상기 결빙판별부는 상기 프로브(10)의 진동 주파수를 실시간 감지하는 오실레이터(31)와, 상기 오실레이터(31)에 의해 감지된 진동 주파수가 기설정된 결빙기준 주파수 이하로 감소되면 결빙상태에 대응되는 모니터링신호를 송출하는 연산제어부(32)를 포함함이 바람직하다.

이때, 상기 연산제어부(32)는 마이크로 컨트롤러 등으로 구비되며, 상기 오실레이터(31)를 통해 감지된 진동 주파수를 기설정된 결빙기준 주파수와 비교하는 일련한 처리 과정을 수행할 수 있다.

여기서, 상기 프로브(10)의 진동 주파수 변화량 및 상기 프로브(10)의 결빙량(결빙 성장상태) 간의 상관관계는 실험적으로 도출될 수 있으며, 도출된 상관관계에 대한 데이터베이스가 테이블화되어 저장부(34)에 저장될 수 있다.

이때, 상기 결빙기준 주파수는 상기 상관관계를 기반으로 기설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 결빙기준 주파수는 도출된 상관관계에 대한 데이터베이스로부터 프로브(10)의 결빙이 발생된 시점의 진동 주파수로 설정될 수 있으며, 발생된 결빙이 결빙감지대상부의 성능 저하를 유발할 수 있는 정도로 성장된 시점의 진동 주파수로 설정되는 것도 가능하다.

그리고, 상기 연산제어부(32)는 오실레이터(31)를 통해 감지된 진동 주파수가 상기 결빙기준 주파수 이하로 감소되면, 결빙발생에 대응되는 모니터링신호를 상기 관리서버(미도시)로 송출할 수 있다.

물론, 상기 결빙기준 주파수는 결빙성장률에 따라 다단계로 설정되는 것도 가능하며, 상기 연산제어부(32)는 감지된 진동 주파수가 각 단계에 대응되는 결빙기준 주파수로 감소되면 단계별 결빙성장률을 나타내는 모니터링신호를 관리서버로 송출할 수 있다.

이때, 상기 관리서버(미도시)는 상기 수신된 모니터링신호에 따라 상기 결빙감지대상부의 결빙 발생여부 및 성장상태에 대한 알림메시지를 생성하여 관리자측 표시장치(미도시)로 표시하고, 결빙감지대상부의 발생된 결빙을 제거하는 일련의 유지보수작업이 수행될 수 있다. 이에 따라, 결빙으로 인한 결빙감지대상부의 내구성 및 성능 저하 등이 최소화될 수 있다.

한편, 상기 장착공간(s)에는 기형성된 결빙의 제거를 통해 상기 프로브(10)의 진동 주파수가 초기화되도록 상기 송출된 모니터링신호에 따라 상기 프로브(10)를 가열하는 가열부(60a)가 구비됨이 바람직하다.

여기서, 상기 가열부(60a)는 니켈 합금 등의 열선부재로 구비될 수 있으며, 하단부가 상기 전원부(33)에 연결되고, 상기 전원부(33)는 상기 연산제어부(32)의 모니터링신호에 따라 상기 가열부(60a)의 전원 공급을 제어할 수 있다.

이때, 상기 가열부(60a)의 상단부에는 상기 프로브(10)의 외주를 감싸도록 배치되는 발열관부(61)가 구비됨이 바람직하다.

상세히, 상기 발열관부(61)는 상기 프로브(10)의 외경을 초과하는 내경을 갖는 링형 또는 원호형으로 구비되어, 프로브관통홀(21) 하단 테두리 및 코일부(40) 상단 테두리 사이에 배치될 수 있다.

이때, 상기 발열관부(61)의 내주부는 상기 프로브(10)의 외주로부터 기설정된 간격으로 이격된 상태에서 상기 프로브(10)의 외주 전체 또는 대부분을 감싸도록 배치된다.

그리고, 상기 발열관부(61)의 열은 복사를 통해 상기 프로브(10)로 전달되며, 상기 프로브(10)는 상기 가열부(60a)와 직접적인 접촉 없이 가열되어 표면에 형성된 결빙이 제거될 수 있다. 이에 따라, 상기 프로브(10)의 진동 주파수에 대한 왜곡이 방지될 수 있다.

여기서, 상기 가열부(60a)는 기설정된 가열대기시간에 따라 구동된 후 정지되도록 제어될 수 있으며, 상기 프로브(10)의 온도를 감지하는 온도센서(미도시)가 구비된 경우에는 상기 프로브(10)가 기설정된 온도로 상승되면 정지되도록 제어되는 것도 가능하며, 본 실시예에서는 프로브(10)의 진동 주파수에 의해 가열부(60a)가 정지되도록 제어되는 것을 예로써 설명한다.

이때, 상기 가열부(60a)는 상기 프로브(10)의 진동 주파수가 기설정된 정상상태 주파수 이상으로 상승되면 구동이 정지되도록 제어될 수 있다.

여기서, 상기 정상상태 주파수는 상기 프로브(10)의 초기 진동 주파수를 의미하는 것으로 이해함이 바람직하며, 결빙 제거시 발생된 수분으로 인한 진동 주파수 감소량을 고려하여 초기 진동 주파수로부터 소정의 편차로 감소된 값으로 설정됨이 더욱 바람직하다.

즉, 상기 연산제어부(32)는 상기 오실레이터(31)를 통해 감지된 진동 주파수를 상기 정상상태 주파수와 비교하되, 상기 진동 주파수가 상기 정상상태 주파수 이상으로 증가되면 정상상태에 대응되는 모니터링신호를 송출할 수 있다.

이때, 상기 전원부(33)는 정상상태에 대응되는 모니터링신호에 따라 상기 가열부(60a)의 전원 공급을 차단할 수 있다.

이에 따라, 온도센서, 타이머 등의 별도의 제어수단 없이도 프로브(10)의 결빙이 완전하게 제거될 수 있도록 가열부(60a)가 정확하게 제어될 수 있으며, 간소화된 구조로 제품의 생산성이 향상되면서도 프로브(10)의 안정적인 초기화가 가능하여 결빙상태에 대한 감지 정확성이 개선될 수 있다.

한편, 상기 스트럿몸체(20)의 내벽면에는 보조가열부(60b)가 구비됨이 바람직하다. 이때, 상기 보조가열부(60b)는 상기 가열부(60a)와 동일하게 니켈 합금 등의 열선으로 구비될 수 있으며, 상기 스트럿몸체(20)의 내벽면에 매립됨이 바람직하다.

이때, 상기 보조가열부(60b)는 상기 스트럿몸체(20)의 내벽면에 대응되는 링형 또는 원호형 벽체를 형성하도록 배열되되, 하단부가 상기 전원부(33)에 연결되어 상기 가열부(60a)와 동시에 제어될 수 있다.

즉, 상기 프로브(10)에 결빙이 발생되면 상기 연산제어부(32)를 통해 결빙상태에 대응되는 모니터링신호가 송출되고, 상기 전원부(33)는 상기 송출된 모니터링신호를 통해 상기 보조가열부(60b) 및 상기 가열부(60a)의 전원을 공급할 수 있다.

이때, 상기 보조가열부(60b)가 가열되면, 상기 보조가열부(60b)의 열은 전도를 통해 상기 스트럿몸체(20)에 전달될 수 있다.

그리고, 상기 스트럿몸체(20)가 가열됨에 따라 상기 스트럿몸체(20)의 표면에 발생된 결빙이 제거될 수 있다. 이와 함께, 상기 스트럿몸체(20)의 열이 상기 스트럿몸체(20)의 상면부측 유사 결빙환경(a)의 온도를 증가시켜 프로브(10)의 결빙이 보다 신속하게 제거될 수 있다.

한편, 상기 코일부(40)는 상기 프로브(10)의 진동방향을 따라 상하로 구획되어 배치되되 상호 반대되는 나선방향으로 권취된 드라이브코일부(40a) 및 피드백코일부(40b)를 포함함이 바람직하다.

상세히, 상기 코일부(40)는 상기 장착공간(s)에 배치된 프로브(10)의 하부 외주를 감싸도록 구비되되, 상기 드라이브코일부(40a)는 상기 프로브(10)의 하부 외주 중 상부측을 감싸도록 배치되며, 상기 피드백코일부(40b)는 상기 프로브(10)의 하부 외주 중 하부측을 감싸도록 배치될 수 있다.

그리고, 상기 드라이브코일부(40a)는 상기 프로브(10)의 축방향을 따라 원주방향으로 권취되며 상향하는 나선형태로 구비될 수 있으며, 상기 피드백코일부(40b)는 상기 프로브(10)의 축방향을 따라 원주방향으로 권취되며 하향하는 나선형태로 구비될 수 있다.

이때, 상기 드라이브코일부(40a) 및 상기 피드백코일부(40b)는 상호 독립된 인입선과 인출선을 통해 상기 전원부(33)와 연결되며, 상기 인입선 및 인출선 중 하나에는 상기 연산제어부(32)에 의해 제어되는 스위칭수단이 구비됨이 바람직하다.

여기서, 상기 각 코일부(40a,40b)에 전류가 인가되면, 상기 드라이브코일부(40a) 및 상기 피드백코일부(40b)를 통해 상기 프로브(10)의 하부 외주를 따라 상호 반대되는 방향의 나선형 전류 흐름(e1,e2)이 형성될 수 있다.

그리고, 각 나선형 전류 흐름(e1,e2)의 중앙부를 따라 상기 프로브(10)의 축방향을 따라 N극 및 S극이 배열되되 상호 반대되는 자극 방향을 갖는 한쌍의 구동자계(m1,m2)가 형성될 수 있다.

이때, 상기 프로브(10)의 하부 외주 중 상부측은 상기 드라이브코일부(40a)의 구동자계(m1)에 의해 신축되고, 상기 프로브(10)의 하부 외주 중 하부측은 상기 피드백코일부(40b)의 구동자계(m2)에 의해 신축될 수 있다.

이에 따라, 반대되는 자극방향을 갖는 한쌍의 구동자계(m1,m2)에 의해 프로브(10) 하부 외주의 상부측 및 하부측이 동시에 신축될 수 있으므로 프로브(10)의 전체적인 신축 변위가 증가될 수 있다.

이때, 상기 전원부(33)는 상기 드라이브코일부(40a) 및 상기 피드백코일부(40b)에 기설정된 주기의 교류 전류를 인가하되, 상기 피드백코일부(40b)는 상기 오실레이터(31)의 회로 일부를 형성함이 바람직하다.

즉, 상기 피드백코일부(40b)의 인입선 또는 인출선은 상기 오실레이터(31)를 경유하여 상기 전원부(33)와 연결될 수 있으며, 피드백코일부(40b)의 전압을 통해 상기 오실레이터(31)가 제어될 수 있으므로 보다 효율적인 회로 구성이 가능하다.

물론, 상기 피드백코일부(40b)의 인입선에는 상기 교류 전류의 주기를 파장의 절반값으로 지연시키는 지연회로가 연결되는 것도 가능하며, 각 코일부(40a,40b)에 의해 형성된 자계가 동일한 자극 방향으로 배열되어 상호 증폭됨에 따라 프로브(10)의 신축 변위를 증가시킬 수 있다.

한편, 도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d를 참조하면, 상기 프로브(10)의 외주에는 상기 유사 결빙환경(a)에 대한 노출면적이 증가되도록 진동 방향을 따라 형성된 하나 이상의 요철부(11,11a,11b,11c)가 구비됨이 바람직하다.

이때, 상기 요철부(11,11a,11b,11c)는 도 6a와 같이 상기 프로브(10)의 외주에 축방향을 따라 돌출 형성된 돌기로 구비될 수 있으며, 도 6b와 같이 축방향을 따라 함몰 형성된 홈으로 구비될 수 있다.

그리고, 상기 요철부(11,11a,11b,11c)는 상기 프로브(10)의 외주에 원주방향을 따라 상호 이격된 복수로 구비될 수 있으며, 각 요철부는 도 6c와 같이 비대칭되는 형상으로 배열되거나 도 6d와 같이 대칭되는 형상으로 배열될 수 있다.

여기서, 상기 요철부(11,11a,11b,11c)는 상기 프로브(10)의 진동방향에 대응되는 축방향을 따라 형성되므로, 상기 프로브(10)의 진동에 영향을 미치지 않으면서도, 상기 유사 결빙환경(a)에 대한 민감도를 증가시키는 효과를 제공할 수 있다.

즉, 상기 요철부로 인해 유사 결빙환경(a)에 직접적으로 노출 및 접촉되는 면적이 증가되므로 상기 프로브(10)의 표면의 온도, 습도 조건이 유사 결빙환경(a)의 기상조건과 유사하게 유지될 수 있다.

이에 따라, 상기 결빙감지대상부에 결빙이 발생 또는 성장 가능한 기상조건에서, 유사 결빙환경(a)에 노출된 프로브(10)에 대한 결빙 발생 또는 성장이 촉진될 수 있으며 결빙발생 및 상태에 대한 감지 정확도가 향상될 수 있다.

여기서, 상기 요철부(11,11a,11b,11c)는 상기 프로브(10)의 외주에서 기류(f) 흐름 방향과 대면되는 부분으로부터 소정의 각도로 이격된 부분을 따라 형성됨이 바람직하다. 이에 따라, 기류(f)의 흐름 방향 압력으로 인한 진동량 왜곡이 최소화될 수 있다.

한편, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 결빙감지장치를 나타낸 측면도이다. 본 실시예에서는 프로브(210)의 흡착슬리브(212), 스트럿몸체(220)의 가속곡면부(222), 프로브(210) 및 스트럿몸체(220)의 설치방향을 제외한 기본적인 구성은 상술한 일실시예와 동일하므로 동일한 구성에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

도 7에서 보는 바와 같이, 상기 스트럿몸체(220)의 상면부에는 상기 유사 결빙환경의 기류(f)가 가속되도록 상측으로 라운드지게 돌출 형성된 가속곡면부(222)가 구비됨이 바람직하다.

여기서, 상기 가속곡면부(222)는 기류(f)가 유입되는 방향으로 갈수록 곡률이 증가되도록 구비됨이 바람직하다. 상세히, 곡률은 반지름의 역수를 의미하며, 곡률이 클수록 굽어진 정도가 크고 곡률이 낮을수록 평탄한 것으로 이해함이 바람직하다. 즉, 상기 가속곡면부(222)는 기류(f)가 유입되는 표면측이 기류(f)가 배출되는 표면보다 더 굽어진 형상으로 구비된다.

이때, 상기 스트럿몸체(220)의 일측으로 유입된 기류(f)는 상기 가속곡면부(222)의 표면 프로파일을 따라 가속되어 상기 프로브(210)의 표면으로 유동될 수 있으며, 상기 유사 결빙환경의 가속된 기류(f)가 상기 프로브(210)의 표면 온도를 신속하게 감소시킬 수 있다.

이에 따라, 상기 대상환경이 상기 결빙감지대상부에 결빙이 발생 또는 성장 가능한 기상조건으로 전환되면, 유사 결빙환경에 노출된 프로브(210)에 대한 결빙 발생 또는 성장이 촉진될 수 있으므로 결빙 발생여부 및 성장상태에 대한 감지 민감도가 향상될 수 있다.

이때, 상기 스트럿몸체(220) 및 상기 프로브(210)는 상기 유사 결빙환경의 기류(f) 방향을 따라 기설정된 각도(θ)로 경사지게 설치됨이 바람직하다. 여기서, 상기 스트럿몸체(220) 및 상기 프로브(210)의 설치 각도(θ)는 0~30°범위로 설정될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

이에 따라, 상기 스트럿몸체(220) 및 상기 프로브(210)의 표면을 따라 유동되는 기류(f)가 더욱 가속될 수 있으며, 결빙 발생여부 및 성장상태에 대한 감지 민감도가 현저히 증가될 수 있다.

또한, 상기 프로브(210)의 상부 외주에는 섬유직물재질의 흡착슬리브(212)가 구비됨이 바람직하다. 이때, 상기 흡착슬리브(212)는 매쉬 구조로 프로브(210)의 표면에 거칠기, 즉 저온 상태에서 프로브(210)의 표면에 형성된 결빙 입자가 프로브(210)의 표면에 안정적으로 결합될 수 있는 결빙결합면적을 증가시킬 수 있다.

이에 따라, 상기 프로브(210)의 진동시 기형성된 결빙 입자가 분리되는 것을 방지할 수 있으므로 저온 환경에서 프로브(210)의 표면에 대한 결빙 발생 및 성장이 촉진될 수 있으며, 장치의 감지 민감도가 개선될 수 있다.

한편, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 결빙감지장치를 나타낸 측면도이다. 본 실시예에서는 기류유도프레임(80)을 제외한 기본적인 구성이 상술한 일실시예와 동일하므로 동일한 구성에 대한 구체적인 설명은 생략하며, 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면번호로 도시한다.

도 8에서 보는 바와 같이, 상기 스트럿몸체(20)의 상면부에는 상기 프로브(10)의 상부 외주를 감싸도록 구비되어 상기 유사 결빙환경의 기류를 상기 대상환경의 기류에 대응되도록 유도하는 기류유도프레임(80)이 구비됨이 바람직하다.

이때, 상기 기류유도프레임(80)은 상기 프로브(10)의 외주를 따라 기류가 유동 가능한 통기성 벽체를 형성하며, 상기 유사 결빙환경(a)의 기류는 상기 기류유도프레임(80)을 거쳐 상기 프로브(10)의 외주로 유동될 수 있다.

여기서, 상기 기류유도프레임(80)은 나선형 코일관부재, 매쉬형 관부재 등과 같이 결빙감지대상부가 배치된 대상환경의 기류 조건에 따라 다양한 변형 실시될 수 있으며, 본 실시예에서는 나선형 코일관부재로 구비된 것을 예로써 설명한다.

상세히, 상기 기류유도프레임(80)은 소정의 두께를 갖는 코일이 나선형으로 권취되어 형성되되, 나선형으로 권취된 부분의 중공부측 내경이 상기 프로브(10)의 상부 외주측 외경을 초과하도록 구비된다.

여기서, 상기 기류유도프레임(80)은 나선형으로 권취된 코일의 형상이 안정적으로 유지되도록, 스트럿몸체(20)의 상면부에 구비된 복수의 지지대에 결합되어 고정될 수 있다.

이때, 상기 코일은 금속 또는 엔지니어링 플라스틱 등으로 상기 유사 결빙환경(a)의 기류에 의해 형상이 변형되지 않도록 일정 이상의 강도를 갖는 재질이면 한정되지 않고 적용 가능하다.

고공의 대상환경에서 블레이드로 유입되는 기류는 층류(laminar flow)를 형성하며 블레이드를 회전시킨다. 이때, 블레이드가 회전되면, 블레이드의 후방으로 배출되는 기류가 난류(turbulent flow)를 형성하게 되므로 유사 결빙환경에 난류형 기류가 유동된다.

여기서, 상기 유사 결빙환경의 기류는 기류유도프레임(80)을 형성하는 코일과 충돌하며 코일과 코일 사이의 공간을 따라 상하로 분할 유동되되 코일과 상기 프로브(10) 외주 사이의 원호형 공간을 따라 좌우로 분할 유동되어 층류와 가까운 흐름으로 변화된다.

이에 따라, 상기 프로브(10)의 표면으로 유동되는 유사 결빙환경의 기류가 대상환경의 층류 흐름과 유사한 형태로 전환되어, 프로브가 결빙감지대상부와 유사한 기상조건에 노출될 수 있으므로 결빙 발생여부 및 성장상태에 대한 감지 정확성이 현저히 개선될 수 있다.

이때, 상기 보조가열부(60b)는 상기 기류유도프레임(80)의 하단을 따라 구비됨이 바람직하며, 상기 보조가열부(60b)를 통해 상기 프로브(10)와 인접한 유사 결빙환경의 온도를 상승시킬 수 있다. 이에 따라, 진동 주파수의 초기화시 프로브(10)의 결빙이 보다 신속하게 제거될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 청구항에서 청구한 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형실시되는 것은 가능하며, 이러한 변형실시는 본 발명의 범위에 속한다.

100,200: 결빙감지장치 10,210: 프로브
20,220: 스트럿몸체 30: 하우징
40: 코일부 50: 마그넷부
60a: 가열부 60b: 보조가열부
70: 탄성부재

Claims (5)

1. 결빙감지대상부가 배치된 대상환경와 인접한 유사 결빙환경에 설치되되, 내부에 장착공간이 형성된 스트럿몸체;
   상기 스트럿몸체를 관통하도록 배치되어 상단부가 상기 유사 결빙환경에 노출되되 하단부가 상기 장착공간에 삽입되는 자왜소재의 프로브;
   상기 프로브의 하부 외주를 감싸도록 배치되어 자왜 진동을 위한 구동자계를 형성하는 코일부;
   상기 프로브의 진동 변위가 증가되도록 상기 코일부의 외주를 따라 배치되어 바이어스자계를 형성하는 마그넷부;
   상기 프로브의 진동 주파수 조절을 위해 기설정된 탄성계수를 갖도록 구비되어 상기 프로브의 하단부를 탄발 지지하는 탄성부재; 및
   결빙 하중으로 인한 상기 프로브의 진동 주파수 변화를 통해 상기 결빙감지대상부의 결빙상태를 간접 판별하는 결빙판별부를 포함하되,
   상기 프로브의 외주에는 상기 유사 결빙환경에 대한 노출면적이 증가되도록 진동 방향을 따라 형성된 하나 이상의 요철부가 구비됨을 특징으로 하는 결빙감지장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 결빙판별부는 상기 프로브의 진동 주파수를 실시간 감지하는 오실레이터와, 상기 오실레이터에 의해 감지된 진동 주파수가 기설정된 결빙기준 주파수 이하로 감소되면 결빙상태에 대응되는 모니터링신호를 송출하는 연산제어부를 포함하되,
   상기 장착공간에는 기형성된 결빙의 제거를 통해 상기 프로브의 진동 주파수가 초기화되도록 상기 프로브의 외주를 감싸도록 배치되어 상기 송출된 모니터링신호에 따라 상기 프로브를 가열하는 가열부가 구비됨을 특징으로 하는 결빙감지장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 코일부는 상기 프로브의 진동방향을 따라 상하로 구획되어 배치되되 상호 반대되는 나선방향으로 권취된 드라이브코일부 및 피드백코일부를 포함하고,
   상기 드라이브코일부 및 상기 피드백코일부에 기설정된 주기의 교류 전류를 인가하는 전원부를 더 포함함을 특징으로 하는 결빙감지장치.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 스트럿몸체의 상면부에는 상기 유사 결빙환경의 기류가 가속되도록 상측으로 라운드지게 돌출 형성된 가속곡면부가 구비되되,
   상기 프로브의 상부 외주에는 결빙결합면적이 증가되도록 섬유직물재질의 흡착슬리브가 구비되고,
   상기 스트럿몸체 및 상기 프로브는 상기 유사 결빙환경의 기류 방향을 따라 기설정된 각도로 경사지게 설치됨을 특징으로 하는 결빙감지장치.

Images