KR101838596B1 - 압전소자를 이용한 제빙 장치 - Google Patents

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최경후
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 제빙 장치는 대상체 표면 상의 압전소자 배열 베이스; 압전소자와 구동전원을 연결하는 배선을 보호하는 구동 배선 커버레이어; 압전소자 배열 베이스 상에 위치하여 어레이 형태로 배치된 압전소자; 압전소자에 전원을 공급하는 구동전원의 위상을 제어하는 제어부; 제 1 그룹의 압전소자에 대하여 제 1 구동전원을 공급하고, 제 2 그룹의 압전소자에 대하여 제 2 구동전원을 공급하되, 제 1 그룹의 압전소자와 제 2 그룹의 압전소자는 서로 인접한 것이고, 상기 제 1 구동전원의 위상과 상기 제 2 구동전원의 위상이 상이한 것을 특징으로 한다.

Description

압전소자를 이용한 제빙 장치{DEICING DEVICE USING PIEZOELECTRIC ELEMENT}
본 발명은 압전소자를 이용한 제빙 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 압전소자에 전원을 공급하여 압전소자가 수직, 수평 방향으로 진동하게 함으로써 대상체에 응결되어 있는 설빙, 결빙, 서리 등을 박리시키는 제빙 장치에 관한 것이다.
겨울철 철도차량, 항공기, 풍력발전소 블레이드 등의 여러 시설물 표면에 생성되는 설빙으로 인하여 장치의 에너지 효율 감소, 안전 위협 등 여러가지 문제가 발생하고 있고, 이러한 문제를 해결하기 위하여 제빙장치에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
종래에 범용적으로 사용되고 있는 제빙 기술로는 형상설계 기술, 재료특성 기술, 제빙 부츠, 전열 기술, 화학물 처리 기술 등이 있으며, 각각의 기술을 아래에 설명하기로 한다.
형상설계 기술은 구조체의 형상을 변경하여 착설 현상이 발생하지 않도록 하는 것으로써, 기존에 사용중인 구조체에는 적용하기 어렵고, 본래의 용도에 맞는 특성을 해치지 않으면서 착설 방지를 위한 설계를 적용해야 하는 어려움이 있다. 재료 기술은 초발수표면, 방빙페인트 등 착설 방지를 위한 다양한 물질을 구조체에 도포하는 형태로, 그 지속효과가 오래 가지 않고 주기적으로 반복해서 도포해야 하는 문제점이 있다. 제빙 부츠는 탄성이 있는 고무 재료를 추가로 구조체에 부착하여, 그 내부에 공기를 불어넣음으로써 발생하는 고무 재료의 변형을 이용하여 설빙을 제거하는 방법이며, 이는 공기 압축기 및 배/급기 시스템이 추가로 필요다는 것과 고무재료의 열화와 같은 내구성 문제가 있다. 전열 기술은 구조체에 배치된 전선을 이용하여 순간적인 전기 충격이나 지속적인 전열을 공급하는 방법으로 전력소모가 크다는 문제점이 있다. 화학물 기술은 구조체에 형성된 설빙을 녹이기 위한 화학물을 구조체에 직접적으로 분사하는 방법으로 물질의 독성에 따른 인체 유해성 및 환경오염 문제가 있으며, 주기적으로 반복하여 분사해야 하는 문제점이 있다.
일부 연구에서는, 압전소자를 풍력발전기, 헬리콥터 등의 블레이드에 부착하여, 압전소자가 블레이드 자체에 진동을 발생시켜서 제빙하는 방식을 사용한 바가 있으나, 구조체가 갖는 진동 특성을 고려하여 제빙 장치가 설계 및 배치되어야 한다는 문제점이 있다. 또한 부재의 형상 변경이 필요할 시, 구조체의 진동 특성이 달라지므로, 압전소자 또한 새롭게 설계하여 배치해야 한다는 문제점이 있다. 이와 관련하여, 공개특허WO 2012/051717 (발명명칭: Mechanical Vibration De-icing System and Method)는 압전소자를 이용한 제빙장치를 개시하고 있는데, 대상체의 표면에 이격되어 있는 보호층에 부착된 압전소자가 전기를 공급받아 진동하게 되고, 이 진동이 보호층을 변형시킴으로써 제빙효과를 발생시키는 원리를 사용하고 있다.
하지만, 위 기술은 압전소자의 진동을 이용하여 대상체와 이격되어 있는 보호층을 변형시킴으로써 결빙을 박리시키는 기술이기 때문에 이격되어 있는 보호층의 큰 진동량 확보를 위해 유연한 재료를 사용해야 하며, 설빙까지의 에너지 전달 거리가 길기 때문에 에너지 효율이 떨어지며, 보호층의 재질, 형상, 크기 선정에 자유롭지 못하다는 한계점을 가진다.
PCT 공개특허 WO 2012/051717 (발명의 명칭: Mechanical Vibration De-icing System and Method)
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 대상체 상에 배치된 압전소자를 진동시켜 설빙, 결빙, 서리 등을 신속하게 박리시키는 제빙장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
본원의 일 측면에 따른 제빙장치는, 대상체 표면 상의 압전소자 배열 베이스; 압전소자와 구동전원을 연결하는 배선을 보호하는 구동 배선 커버레이어; 압전소자 배열 베이스 상에 위치하여 어레이 형태로 배치된 압전소자; 압전소자에 전원을 공급하는 구동전원의 위상을 제어하는 제어부; 제 1 그룹의 압전소자에 대하여 제 1 구동전원을 공급하고, 제 2 그룹의 압전소자에 대하여 제 2 구동전원을 공급하되, 제 1 그룹의 압전소자와 제 2 그룹의 압전소자는 서로 인접한 것이고, 상기 제 1 구동전원의 위상과 상기 제 2 구동전원의 위상이 상이한 것을 특징으로 한다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 설빙 형성 예상 부위 또는 설빙 형성 부위의 계면에 압전소자가 구비되어, 기계적인 방법으로 설빙을 제거 또는 방지하는 효과가 있다.
또한, 본 제빙 장치가 부착될 구조물의 형상 또는 진동 특성에 대한 설계 변경 없이, 풍력발전기, 항공기, 선박, 자동차 등 범용적으로 적용할 수 있다는 장점이 있다.
구조물의 크기, 형상, 재질의 종류에 무관하게 설치할 수 있으며, 구조체가 갖는 고유진동수, 강성 등 진동 특성을 고려하지 않고도 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 포함한 제빙장치를 도시한 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자가 제빙 동작을 수행하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 압전소자를 포함하는 제빙장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자의 배치 방법 및 전압 인가 방식을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자의 배치 방법 및 전압 인가 방식을 도시한 도면이다
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자의 배치 방법 및 전압 인가 방식을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자의 배치 방법 및 전압 인가 방식을 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제빙장치(10)를 도시한 측면도 이다.
우선, 도 1을 참조하여, 본원의 일 실시예에 따른 제빙장치(10)의 구동 방법과 구조를 설명한다.
압전소자(100)는 비전도성 압전소자 배열 베이스(110) 상에 위치해있으며, 그 상부에 설빙 등이 형성될 수 있다.
상세하게는, 구동전원(140)으로부터 전압을 인가받은 압전소자(100)는 인장 또는 전단되어 설빙에 물리적 응력을 가하게 되고, 이에 따라 설빙에 균열이 생기게 함으로써, 설빙을 제거할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자가 제빙 동작을 수행하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
상술한 압전소자는, 도2a와 같이 베이스 표면에 대하여 수직방향으로 인장되는 압전소자이거나, 도2b와 같이 베이스 표면에 대하여 수평방향으로 전단되는 압전소자일 수 있으며, 대상체의 상태에 따라 두 가지 압전소자를 다양하게 조합 및 배치하여 사용할 수 있다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 압전소자를 포함하는 제빙장치를 도시한 도면이다.
도3은 제1압전소자(101)와 제2압전소자(102)가 인접하여 배치되어 있으며, 각 압전소자에는 서로 반대의 위상을 갖는 제1구동전원(141)과 제2구동전원(142)이 공급된다. 그리고 각 구동전원의 공급을 제어하는 제1전원제어부(131)와 제2전원제어부(132)가 포함될 수 있다.
또한, 제1압전소자(101)의 전면 전극은 제1배선(151)을 통해 제1구동전원(141)의 양극과 연결되어 있으며, 제1압전소자(101)의 후면 전극은 제2배선(152)을 통해 제1구동전원(141)의 음극과 연결되어 있다. 그리고 제2압전소자(102)의 전면 전극은 제3배선(153)을 통해 제2구동전원(142)의 양극과 연결되어 있으며, 제2압전소자(102)의 후면 전극은 제4배선(154)을 통해 제2구동전원(142)의 음극과 연결되어 있다.
또한, 제1 구동전원(141) 및 제2구동전원(142)에는 제1전원제어부(131)과 제2전원제어부(132)가 각각 연결되어 있어서, 압전소자에 인가되는 전압을 제어하되, 제1압전소자(101)와 제2압전소자(102) 간의 위상차가 반대가 되도록 전원을 공급한다.
예시적으로, 제1구동전원(141)으로부터 전압을 인가받은 제1 압전소자(101)가 인장 상태가 될 때, 제2구동전원(142)에 연결된 제2압전소자(102)는 인장 상태에서 본래의 상태로 돌아오게 된다.
한편, 제2구동전원(142)으로부터 전압을 인가받은 제2압전소자 (102)가 인장 상태가 될 때, 제1구동전원(141)에 연결된 제1압전소자(101)는 인장 상태에서 본래의 상태로 돌아오게 된다.
또한, 서로 쌍을 이루는 압전소자의 개수는 2개뿐만 아니라, 3개 또는 n개 일 수 있으며, 이 때 압전소자의 개수에 따라 각 압전소자에 인가되는 전원의 위상을 달리하여 압전소자의 위상을 조절한다.
예시적으로, 압전소자 쌍이 2개의 압전소자를 포함하는 경우에는 상술한 바와 같이 2개의 압전소자의 위상이 반대가 되도록 180도 위상차를 갖는 구동전원을 각각의 압전소자에 인가하고, 압전소자 쌍이 3개의 압전소자를 포함하는 경우에는 3개의 압전소자의 위상이 상이하도록 120도 위상차를 갖는 구동전원을 각각의 압전소자에 인가하고, 압전소자 쌍이 n개의 압전소자를 포함하는 경우에는 n개의 압전소자의 위상이 상이하도록 360/n도 위상차를 갖는 구동전원을 각각의 압전소자에 인가한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압전소자의 배치 방법 및 전압 인가 방식을 도시한 도면이다.
복수의 압전소자는 서로 인접한 제 1 압전소자(101) 및 제 2 압전소자(102)가 하나의 행을 이루도록 복수개 만큼 교차하여 배치된 제 1 압전소자 행 그룹(103) 및 서로 인접한 제 1 압전소자(101’) 및 제 2 압전소자(102’)가 하나의 행을 이루도록 복수개 만큼 교차하여 배치된 제 2 압전소자 행 그룹(104)을 포함하되, 제 1 압전소자 행 그룹(103)의 제 1 압전소자(101)와 제 2 압전소자 행 그룹의 제 2 압전소자(102’)가 서로 인접하고, 제 1 압전소자 행 그룹(103)의 제 2 압전소자(102)와 제 2 압전소자 행 그룹(104)의 제 1 압전소자(101’)가 서로 인접하도록 배치된 것이며, 제 1 압전소자(101, 101’)에 제 1 구동전원(141)이 인가되고, 제 2 압전소자(102, 102’)에 제 2 구동전원(142)이 인가된다.
이와 같이, 동일한 행 그룹에서 인접한 압전소자에 대해서 서로 상이한 위상의 구동전원을 인가할 뿐만 아니라, 서로 상이한 행 그룹에 속하면서 서로 인접한 압전소자에 대해서도 서로 상이한 위상의 구동전원을 인가한다.
또한, 가로열과 세로열에 배치하는 압전소자의 개수는 제빙이 요구되는 표면의 형상과 면적에 따라 다양하게 지정될 수 있다.
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자의 배치 방법 및 전압 인가 방식을 도시한 도면이다.
본 발명의 적용처에 따라 다양한 형태 및 배열로 압전소자를 적용할 수 있음을 보여주는 예시 도면으로, 소정의 길이만큼 연장된 제 3압전소자(105)와 제 3압전소자(105)와 동일한 길이만큼 길이 방향으로 연장된 제4압전소자(106)를 포함한다.
제3압전소자(105)에는 제 1 구동전원(141)이 인가되고, 제 4 압전소자(106)에는 제 2 구동전원(142)이 인가된다.
도6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자의 배치 방법 및 전압 인가 방식을 도시한 도면이다.
제 1 그룹의 압전소자에 포함된 압전소자들은 단위 면적을 갖는 압전소자와 상기 단위 면적의 n 배(n은 2 이상의 자연수)에 해당하는 면적을 갖는 압전소자를 포함하고, 제 2 그룹의 압전소자에 포함된 압전소자들은 상기 제 1 그룹의 압전소자들과 각각 동일한 면적을 갖는 압전소자를 포함하는 단위면적을 갖는다. 예를 들면, 제1압전소자(101)의 2배 크기인 제5압전소자(107), 제1압전소자(101)의 4배 크기인 제6압전소자(108), 제1압전소자(101)의 8배 크기인 제 7압전소자(109), 제1압전소자(101)의 n배(n은 2 이상의 자연수) 크기인 압전소자 등이 배치될 수 있다.
도7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자의 배치 방법 및 전압 인가 방식을 도시한 도면이다.
압전소자의 형상은 정방형 외에도 원형, 도넛형 등 사용처에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다.
또한, 구동전원의 파형은 사인파 외에도, 구형파 또는 삼각파 등 다양한 형태의 파형을 적용할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 압전소자를 이용한 제빙장치
100: 압전소자
101: 제1압전소자 102: 제2압전소자
103: 제1압전소자 행그룹 104: 제2압전소자 행그룹
105: 제3압전소자 106: 제4압전소자
107: 제5압전소자 108: 제6압전소자
109: 제7 압전소자
110: 압전소자 배열 베이스
120: 구동 배선 커버레이어
130: 전원제어부
131: 제1전원제어부 132: 제2전원제어부
140: 구동전원
141: 제1구동전원 142: 제2구동전원
151: 제1배선 152: 제2배선
153: 제3배선 154: 제4배선

Claims (8)

  1. 압전소자를 이용한 제빙 장치에 있어서,
    압전소자 배열 베이스,
    구동 배선을 보호하는 커버레이어,
    상기 압전소자 배열 베이스 상에 어레이 형태로 배치된 복수의 압전소자,
    상기 압전소자에 대한 구동전원 입력을 제어하는 전원제어부,
    제 1 그룹의 압전소자에 대하여 제 1 구동전원을 공급하고,
    제 2 그룹의 압전소자에 대하여 제 2 구동전원을 공급하되,
    제 1 그룹의 압전소자와 제 2 그룹의 압전소자는 서로 인접한 것이고,
    상기 제 1 구동전원의 위상과 상기 제 2 구동전원의 구동전원의 위상이 서로 상이한 것이되,
    상기 복수의 압전소자는 서로 인접한 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자가 하나의 행을 이루도록 복수개만큼 교차하여 배치된 제 1 압전소자 행 그룹 및
    서로 인접한 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자가 하나의 행을 이루도록 복수개만큼 교차하여 배치된 제 2 압전소자 행 그룹을 포함하되,
    상기 제 1 압전소자 행 그룹의 제 1 압전소자와 상기 제 2 압전소자 행 그룹의 제 2 압전소자가 서로 인접하고, 상기 제 1 압전소자 행 그룹의 제 2 압전소자와 제 2 압전소자 행 그룹의 제 1 압전소자가 서로 인접하도록 배치된 것이며,
    상기 제 1 압전소자에 상기 제 1 구동전원이 인가되고, 상기 제 2 압전소자에 상기 제 2 구동전원이 인가되는 것인 제빙 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제빙 장치는 상기 압전소자 배열 베이스 층을 대상체의 표면에 결합하는 형태로 설치되는 것이고,
    상기 대상체의 진동수와는 무관하게 설정된 상기 압전소자의 진동에 의하여 제빙 동작을 수행하는 것인 제빙 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 압전소자의 양극에는 제 1 배선을 결합하고, 상기 제 1 압전소자의 음극에는 제 2 배선을 결합하고, 상기 제 2 압전소자의 양극에는 제 3 배선을 결합하며, 상기 제 2 압전소자의 음극에는 제 4 배선을 결합하되,
    상기 제 1 구동전원은 상기 제 1 배선과 제 2 배선 사이에 상기 제 1 구동전원을 공급하고, 상기 제 2 구동전원은 제 3 배선과 제 4 배선 사이에는 상기 제 2 구동전원을 인가하는 제빙 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 구동전원과 제 2 구동전원은 위상차가 180도인 제빙 장치.
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