KR102155669B1 - 압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치 - Google Patents

압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 역률 보상용 콘덴서 대신에 압전부재가 가지고 있는 고유의 콘덴서 성분을 이용하여 배전선로의 역률을 개선할 수 있는 압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치는 하나 이상의 압전부재(piezoelectric member)를 포함하는 압전유닛(piezoelectric unit) 및 상기 압전유닛에 고정 접착되어 상기 압전유닛에 전류가 인가됨에 따라 벤딩 운동(bending motion)하는 하나 이상의 멤브레인 부재를 포함하는 액츄에이터 소자(actuator element); 및 상기 액츄에이터 소자의 상기 압전부재 또는 상기 멤브레인 부재에 부착되어 상기 액츄에이터 소자를 지지하는 지지부재(supporting member)를 포함하는 액츄에이터를 포함하되, 상기 액츄에이터는 배전선로에 연결되고, 상기 배전선로에는 역률 보상용 콘덴서의 재료로서 상기 압전부재가 사용될 수 있다.

Description

압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치{Power factor improvement and ambient temperature control apparatus using piezoelectric member}
본 발명은 압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치에 관한 것으로서, 특히, 역률 보상용 콘덴서 대신에 압전부재가 가지고 있는 고유의 콘덴서 성분을 이용하여 배전선로의 역률을 개선할 수 있는 압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 역률이란 피상전력에 대한 유효전력의 비율을 말한다. 즉, 전체 입력되는 전력 중에 실제로 일하는 전력의 비이다. 이러한 역률은 전력 제어나 소비 전력 낭비를 방지하는 기술을 요하는 곳에서 주요한 제어인자로 활용된다.
역률 제어는 목표로 하는 역률만큼 부하의 역률을 높이는 것으로, 전력 설비에서 주로 이용되는 역률 제어 방법은 피상전력을 낮추어 역률을 높인다. 피상전력은 무효전력과 관계가 있으며, 무효전력이 클수록 피상전력이 높아지고 무효전력이 작을수록 피상전력이 낮아진다. 그러므로, 무효전력을 낮게 하여 피상전력을 낮추는 것으로 역률 보상한다.
같은 전력을 수송할 때 다른 조건은 그대로 두고 역률만을 개선하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
① 변압기, 배전선의 손실 저감
② 설비용량의 여유 증가
③ 전압강하의 경감
배전선로의 역률개선은 전력용 콘덴서를 부하에 병렬로 접속시켜서 하고 있는데, 일반적으로 채용하고 있는 방법으로는 다음과 같은 3가지를 들 수 있다.
① 콘덴서뱅크를 변전소에 집중설치하거나 배전선로의 주상에 설치한다.
② 콘덴서뱅크를 수용가의 수전실에 설치한다.
③ 콘덴서뱅크를 부하에 직접 설치한다.
이상의 3가지 중 ① 은 전력공급자 측에서, ②, ③은 수용가 측에서 설치하는 것이 보통이다. 콘덴서뱅크는 부하에 근접해서 설치되므로 역률개선효과가 직접적이고 또 그 효과도 전 계통에 미치게 된다는 좋은 점은 있으나, 그 반면에 가동률이 낮기 때문에 ①의 설치 또한 필수적이다.
또한, 한국전력 기본공급약관(2019.07.01) 제41조(역률의 유지), 제43조(역률에 따른 요금의 추가 또는 감액)에 규정하여 역률 개선을 위해 많은 노력을 하고 있다.
도 1은 배전선로의 단상회로를 도시하고 있다. 도 1의 배전선로는 부하가 유도성 부하인 경우 역률이 낮은 문제점이 있다. 이에, 단상회로인 경우 도 2와 같이 배전선로의 역률개선을 위한 전력용 콘덴서를 부하와 병렬로 접속시킨다.
도 3은 배전선로의 3상회로도를 도시하고 있다. 도 3의 3상회로에서는 그 결선방법에 따라 Δ (델타) 결선과 Y 결선이 있으며, 이에 따른 역률 개선을 위한 전력용 콘덴서의 접속 방법은 도 4a와 같이 배전선로의 3상회로 중 Δ (델타) 결선에서의 역률개선을 위한 전력용 콘덴서 회로도, 그리고 도 4b와 같이 배전선로의 3상회로 중 Y 결선에서의 역률개선을 위한 전력용 콘덴서 회로도를 구성하여 역률을 개선한다. 하지만, 전력용 콘덴서는 역률 개선 이외에는 어떠한 역할을 못한다.
정리하면, 배전선로의 역률개선은 전력용 콘덴서뱅크를 부하에 도 2와 같이 병렬로 접속시켜서 사용하고 있는데, 이 콘덴서뱅크는 역률을 개선하기 위한 목적 이외에는 다른 용도로 사용이 불가능하며, 어떠한 다른 부수적인 효과가 없다.
특히, 무효전력 보상 배전반 설계에서 역률을 보상하기 위한 콘덴서뱅크가 1개 이상의 인클로저로 구성된 큐비클(Cubicle)에 설치되는데, 각각의 인클로저 내부에는 열이 발생하는 여러 장치를 규정에 의한 범위 이내로 냉각시키기 위하여 냉각팬이 사용된다. 이때, 냉각팬은 교류모터를 사용하므로, 교류모터 또한 내부에 인덕턴스를 사용하여 역률을 나쁘게 하는 단점이 있다.
이에, 배전선로에서 전력용 콘덴서를 사용하지 않고도 역률을 개선할 수 있으면서도, 무효전력을 유용하게 이용하여 인클로저 내부 공간의 온도를 조절할 수 있는 개선된 장치가 요구된다.
특허등록번호 제1598474호(다중 역률제어 기반 수배전반)
상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명의 목적은, 역률 보상용 콘덴서 대신에 압전부재가 가지고 있는 고유의 콘덴서 성분을 이용하여 배전선로의 역률을 개선할 수 있는 압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 액츄에이터의 벤딩운동으로 인해 발생하는 기계적 변위가 인클로저 내부에서 발생하는 열을 냉각시키는 냉각팬으로 사용되도록 함으로써, 별도의 전력을 사용하지 않고 무효전력을 유용하게 이용할 수 있는 압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 상기에서 언급된 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치는 하나 이상의 압전부재(piezoelectric member)를 포함하는 압전유닛(piezoelectric unit) 및 상기 압전유닛에 고정 접착되어 상기 압전유닛에 전류가 인가됨에 따라 벤딩 운동(bending motion)하는 하나 이상의 멤브레인 부재를 포함하는 액츄에이터 소자(actuator element); 및 상기 액츄에이터 소자의 상기 압전부재 또는 상기 멤브레인 부재에 부착되어 상기 액츄에이터 소자를 지지하는 지지부재(supporting member)를 포함하는 액츄에이터를 포함하되, 상기 액츄에이터는 배전선로에 연결되고, 상기 배전선로에는 역률 보상용 콘덴서의 재료로서 상기 압전부재가 사용될 수 있다.
상기 액츄에이터는 상기 압전부재에 상기 멤브레인 부재를 결합하고, 상기 지지부재에 고정되어 발생하는 상기 벤딩 운동(bending motion)으로 기계적 변위를 발생시킬 수 있다.
상기 액츄에이터는 인클로저로 구성된 큐비클(cubicle)에 설치되어, 상기 인클로저 내부의 온도를 조절하는 냉각팬으로 사용될 수 있다.
상기 액츄에이터는 인클로저 내 칸막이 벽면에 설치되어, 상기 인클로저(enclosure) 내부로 공기가 흐르도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치는 상기 지지부재를 기준으로 상기 멤브레인 부재 끝부분에 부착된 추를 더 포함할 수 있다.
상기 압전부재는 상기 배전선로에 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치는 압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치는 부하가 필요로 하는 양만큼 상기 병렬로 연결된 병렬 압전부재에 선택적으로 무효전력을 공급하도록 제어하는 자동 역률 제어 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 자동 역률 제어 장치는 계기용 변류기와 계기용 변압기에 의해 측정된 전류 및 전압을 통해 역률을 자동으로 제어하는 자동 역률 제어기와, 상기 자동 역률 제어기와 전기적으로 연결되어 상기 자동 역률 제어기의 제어에 따라 상기 병렬 압전기와의 연결을 스위칭하기 위한 스위칭부를 포함할 수 있다.
상기 압전유닛은 상기 멤브레인 부재의 상면 및 하면 중 적어도 하나의 면에 부착될 수 있다.
상기 압전유닛은 복수개일 수 있다.
상기 액츄에이터 소자는 상기 지지부재의 일측 또는 양측에 형성되고, 상기지지부재는 상기 멤브레인 부재에 부착될 수 있다.
상기 액츄에이터 소자는 복수의 멤브레인 부재를 포함하고, 상기 복수의 멤브레인 부재 각각에 적어도 하나의 압전유닛이 부착될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치는 상기 액츄에이터 소자의 진동을 원활하도록 상기 액츄에이터 소자와 지지부재의 사이에 개재되는 탄력부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 역률 보상용 콘덴서 대신에 압전부재가 가지고 있는 고유의 콘덴서 성분을 이용하여 액츄에이터에 인가되는 전력의 역률을 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 배전선로에 액츄에이터 내 압전부재가 병렬로 연결되고, 압전부재 각각에 스위치가 연결되어, 역률개선이 필요한 양만큼 스위치를 절환시켜 공급되게 함으로써, 전력의 역률을 높여 에너지 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 압전부재에 멤브레인 부재를 결합한 액츄에이터 소자가 지지부재에 고정되어 발생하는 벤딩 운동으로 인해 생성되는 기계적 변위를 냉각팬으로 사용함으로써, 인클로져 내부 공간의 온도를 적절하게 조절할 수 있는 효과도 있다. 이에, 별도의 전력을 사용하지 않고 무효전력을 유용하게 이용할 수 있다.
특히, 인클로저 칸막이 벽면에 냉각팬을 설치하지 않고도 액츄에이터를 통해 외부의 찬공기가 유입되고 내부의 더운 공기를 유출되어 인클로저 내부의 주위 온도를 국제표준 IEX60831-2 및 동일한 국내 표준 규격인 KSC4801 등에서 규정된 온도로 조절할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 역률보상회로가 없는 배전선로의 단상회로도를 도시한다.
도 2는 배전선로의 역률개선을 위한 전력용 콘덴서를 단속한 단상회로도를 도시한다.
도 3은 역률보상회로가 없는 배전선로의 3상회로도를 도시한다.
도 4a는 배전선로의 3상회로 중
Figure 112019111465800-pat00001
(델타) 결선에서의 역률개선을 위한 전력용 콘덴서 회로도를 도시한다.
도 4b는 배전선로의 3상회로 중 Y 결선에서의 역률개선을 위한 전력용 콘덴서 회로도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치를 설명하기 위한 도면을 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 자동 역률 개선 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 도 5에 도시된 액츄에이터를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는 액츄에이터 소자의 사시도를 도시한다.
도 8b는 액츄에이터 소자의 단면도를 도시한다.
도 9의 (a)는 유니모프식 액츄에이터 소자의 개략 단면도를 도시한다.
도 9의 (b) 내지 (d)는 유니모프식 액츄에이터 소자에 전기를 인가함에 따른 변화를 나타낸 개략도를 도시한다.
도 10은 바이모프식 액츄에이터 소자의 단면도를 도시한다.
도 11a 및 도 11b는 바이모프식 액츄에이터 소자에 전기를 인가함에 따른 변화를 나타낸 개략도를 도시한다.
도 12는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 외팔보형태의 휨운동 도해도를 도시하다.
도 13a 내지 도 13c는 멤브레인 부재에 압전유닛이 부착된 액츄에이터의 단면도를 도시한다.
도 14a 및 도 14b는 멤브레인 부재의 끝부분에 추가 설치된 액츄에이터의 단면도를 도시한다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 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, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부,' '유닛' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위 회로를 의미한다.
본 발명의 실시예에 따른 압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치를 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치를 설명하기 위한 도면을 도시하고 있고, 도 6은 도 5에 도시된 자동 역률 제어 장치를 설명하기 위한 도면을 도시하고 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압전부재를 이용한 역률 개선 및 주위 온도 조절 장치는 크게 액츄에이터(A)와, 자동 역률 제어 장치(B)를 포함하여 구성된다.
액츄에이터(A)는 하나 이상의 압전 부재(100, piezoelectric member)를 갖는 압전 유닛(190, piezoelectric unit), 압전 유닛(190)과 달리 극히 작은 전류팽창률을 갖고 압전 유닛(190)에 접착되는 멤브레인 부재(200)를 포함하는 액츄에이터 소자(175)와, 액츄에이터 소자(175)를 지지하는 지지 부재(300, supporting member)를 포함한다.
이러한 액츄에이터(A)는 자동 역률 제어 장치(B)와 유선으로 연결되며, 자동 역률 제어 장치(B)로부터 전력을 인가받는다.
도 6을 참조하여 자동 역률 제어 장치(B)를 설명하면, 자동 역률 제어 장치(B)는 다수의 액츄에이터(A) 내 압전부재(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))와, 전원단의 일측 배전선로(P, Q)에 설치되어 배전선로(P, Q)에 흐르는 전류에 비례하는 출력신호를 제공하는 계기용 변류기(CT)와, 전원단의 전압을 이에 비례하는 낮은 전압으로 변환하여 제공하는 계기용 변압기(PT)를 구비하여, 이들 계기용 변류기(CT)와 계기용 변압기(PT)에 의해 측정된 전류 및 전압을 통해 역률을 자동으로 제어하는 자동 역률 제어기(400)와, 자동 역률 제어기(400)와 전기적으로 연결되어 해당 자동 역률 제어기(400)의 제어에 따라 다수의 병렬 압전부재(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))와의 연결을 스위칭하기 위한 스위칭부(410)를 포함하여 구성된다.
자동 역률 제어 장치(B)는 도 6에 도시된 단선 결선도에서 보는 바와 같이 전력선의 실제 역률을 계측, 다수의 병렬 압전부재(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))(도 8에서의 압전부재(100)가 여러개 있는 것을 의미함)의 제어를 통해 부하가 필요로 하는 양만큼 무효전력을 병렬 압전부재(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))에 선택적으로 공급하게 한다. 이에, 전력의 역률을 높여 에너지 효율을 높일 수 있다.
여기서, 액츄에이터(A)는 압전부재에 의해 콘덴서로써의 전기적 특성으로 역률을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 전기적 특성에서 발생하는 역압전효과로 기계적 변위가 생성된다. 역압전 효과라고 하는 것은 외부로부터 전압을 액츄에이터(A)에 걸어주면, 액츄에이터(A)가 기계적 변위를 일으키는 현상(여기서는, 벤딩 운동 또는 웨이브 운동이라 한다)을 말한다.
콘덴서 용량은 압전부재의 병렬 연결이 많을수록 증가되므로, 자동 역률 제어 장치(B)는 역률 개선이 필요한 양만큼 후술하는 스위칭부(410)를 조절하여 배전선로(P, Q)에 전기적으로 연결된 압전부재에만 전력이 공급되도록 제어할 수 있다. 이에, 유동성 부하인 경우, 무효전력을 스위칭부(410)에 의해 스위칭되어 전기적으로 연결된 압전부재에 공급되도록 하여 전력의 역률을 개선할 수 있다.
스위칭부(410)는 자동 역률 제어기(400)의 출력에 접속되고, 병렬 압전부재(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))에 각각 대응하게 구비되어, 각 병렬 압전부재(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))로의 전로를 개폐하도록 상태 절환 가능한 스위치들(SW-1, SW-2, SW-3..., SW-(n))로 구성되고, 자동 역률 제어기(400)의 제어신호에 따라 해당 스위치(SW-1, SW-2, SW-3..., SW-(n) 중 적어도 하나의 스위치)가 스위칭되어 해당 병렬 압전부재(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))로의 전로를 개폐하도록 상태가 전환된다.
또한, 스위칭부(410)는 해당 스위치의 절환상태에 따라서 해당하는 병렬 압전부재(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))로의 전로를 동시에 개방 또는 투입하도록 전로를 개폐하는 릴레이 또는 전자개폐기와 그 접점으로 구성되는 릴레이부를 포함할 수 있다.
이와 같은 스위칭부(410)와 연결된 자동 역률 제어기(400)는 계기용 변압기(PT)와 계기용 전류기(CT)로부터의 출력신호를 이용하여 산출된 무효전력과 미리 설정된 콘덴서 용량을 비교하여 목표 역률을 만족시키는 콘덴서 용량을 찾아 동시에 해당 콘덴서로의 전로를 개폐 제어하는 제어신호를 출력한다.
이와 같이 무효전력과 콘덴서 용량을 비교하여 여러개의 병렬 압전부재(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))를 동시에 제어할 수 있도록 함으로써, 역률을 목표한 범위내에서 유지할 수 있다. 나아가, 여러개의 전부재(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))가 가지고 있는 콘덴서로써의 전기적 특성으로 전력의 역률을 더욱 개선할 수 있다.
이하에서는 자동 역률 제어 장치(B)와 연결된 액츄에이터(A)에 대해 상세하게 설명하기로 한다.
도 7a 및 도 7b는 도 5에 도시된 액츄에이터를 도시한 도면으로, 보다 구체적으로는 도 7a는 도 5에 도시된 액츄에이터를 설명하기 위한 사시도이고, 도 7b는 도 7a에 도시된 액츄에이터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7a를 참조하면, 앞에서 설명한 바와 같이 액츄에이터(A)는 멤브레인 부재(200)와, 멤브레인 부재(200)의 상면과 하면 중 적어도 하나에 부착된 압전유닛(190)을 포함한다.
도 7a에서는 멤브레인 부재(200)의 상면에 복수개의 압전유닛(190)이 각각 부착되고, 멤브레인 부재(200)의 하면에는 멤브레인 부재(200)의 상면과 대응되는 위치에 복수개의 압전유닛(190)이 설치된 것을 도시하고 있지만, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 액츄에이터(A)는 단일의 압전유닛(190)이 멤브레인 부재(200)의 상면 및 하면에 각각 부착될 수도 있고, 멤브레인 부재(200)의 상면에 복수개의 압전유닛(190)이 부착되고 멤브레인 부재(200)의 하면에 단일의 압전유닛(190)이 부착될 수도 있으며, 멤브레인 부재(200)의 상면에 단일의 압전유닛(190)이 부착되고 멤브레인 부재(200)의 하면에 복수개의 압전유닛(190)이 부착될 수도 있다. 인클로져 내부 환경(예컨대, 내부 공간의 크기)을 고려하여 멤브레인 부재(200)에 설치되는 압전유닛(190)의 개수 및 위치가 정해짐이 바람직하다.
액츄에이터(A)는 지지부재(300)를 기준으로 멤브레인 부재(200) 끝부분에 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이 멤브레인 부재(200) 끝부분에 무게 증가를 위한 추(292)를 포함하여 벤딩운동(휨운동)의 진폭을 더욱 증가시킬 수 있다. 도 7a 및 도 7b는 추(292)가 멤브레인 부재(200)의 상면과 하면에 각각 설치된 것으로 설명하고 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 추(292)가 멤브레인 부재(200)의 상면 또는 하면에만 설치될 수도 있다. 멤브레인 부재(200)의 끝부분에 추(292)를 달아 진폭을 크게 하여 냉각팬으로의 역할을 증대시킬 수 있다.
도 14a 및 도 14b에도 멤브레인 부재(200)의 끝부분에 설치된 추(292)를 잘 도시하고 있다. 도 14a는 압전유닛(190)이 지지부재(300)와 결합되어 있는 상태를 도시하고 있고, 도 14b는 압전유닛(190)이 지지부재(300)와 이격설치되어 있는 상태를 도시하고 있다.
이하 도면을 참조하여 액츄에이터(A)에 대해 설명하면, 먼저, 도 8a, 도 8b, 도 9a 내지 도 9c를 참조하여 압전부재(100) 및 멤브레인 부재(200)의 벤딩 운동(bending motion)이 발생하는 원리에 대하여 설명하되, 이하에서의 전극 연결은 본 발명이 속하는 기술분야인 압전소재를 이용한 액츄에이터에서 통상적으로 사용하는 방법에 의한다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터 소자의 사시도 및 단면도를 도시하고 있고, 도 9의 (a)는 제 1 및 제 2 전극에 전기를 인가하지 않은 상태의 액츄에이터 소자(175)의 단면도를 도시하고 있고, 도 9의 (b)는 압전부재(100)와 멤브레인 부재(200)의 전류팽창률이 동일한 경우의 액츄에이터 소자(175)의 단면도를 도시하고 있고, 도 9의 (c) 및 도 9의 (d)는 제 1 및 제 2 전극(101, 102)에 전기를 인가하여 멤브레인 부재(200)가 벤딩 운동을 하는 액츄에이터 소자(175)의 단면도를 도시하고 있으며, 도 10는 도 8a의 멤브레인 부재(200)의 한쪽 면에 부착된 압전부재(100)와 동일한 압전부재(155)를 멤브레인 부재(200)의 다른 한쪽 면에 부착한 바이모프식 액츄에이터 소자의 단면도를 도시하고 있다.
도 9의 (b)는 압전부재(100)와 멤브레인 부재(200)의 전류팽창률이 동일한 경우로 압전부재(100)가 팽창하더라도 동일한 비율로 멤브레인 부재(200)도 팽창하게 되므로 압전부재(100)와 멤브레인 부재(200)는 벤딩 운동을 하지 않지만, 도 9의 (c) 및 (d)에서는 압전부재(100)는 팽창하거나 수축하지만 멤브레인 부재(200)는 팽창하거나 수축하는 비율이 매우 낮아 압전부재(100)에 접착된 멤브레인 부재(200)의 끝부분이 상하로 벤딩 운동을 하게 된다. 이는 바이메탈의 원리와 유사하다.
멤브레인 부재(200)와 압전부재(100)는 접착제(201)에 의해 접착되고, 접착제(201)는 통상적으로 압전부저 (Piezoelectric Buzzer)에 사용되는 접착제를 사용한다.
이 때, 공진주파수는 하기 비례식(1)에서 알 수 있듯이, 멤브레인 부재(200)의 두께(t)가 얇을수록, 멤브레인 부재(200)의 길이(L)가 길수록 공진주파수(
Figure 112019111465800-pat00002
)가 낮아진다. 하기 비례식(1)에서,
Figure 112019111465800-pat00003
는 공진주파수, k는 비례상수, t는 멤브레인 부재(200)의 두께, L은 지지부재(300)로부터 멤브레인 부재(200) 끝단까지의 길이, E는 영률(Young’s Modulus),
Figure 112019111465800-pat00004
는 멤브레인 부재(200)의 밀도,
Figure 112019111465800-pat00005
는 포아송비(Poisson’s Ratio)를 의미한다.
Figure 112019111465800-pat00006
-------------------(1)
압전부재(100)에 전기적 신호가 입력되는 경우에는 압전부재(100)가 수축 또는 팽창을 하게 되고, 압전부재(100)의 수축 또는 팽창 운동에 의해 압전부재(100)와 멤브레인 부재(200)가 위아래로 벤딩 운동을 하게 된다.
이러한 벤딩 운동으로 인해 발생되는 기계적 변위는 인클로저 내부에서 공기가 유입되어 내부의 더운공기를 유출시키는 냉각팬(Cooling fan) 역할을 한다. 이에, 별도로 냉각팬을 구비하지 않아도 될 뿐만 아니라, 별도의 전력을 사용하지 않고도 무효전력을 유용하게 이용하 수 있다. 특히, 인클로저 내부의 주위 온도를 예컨대 아래의 표 1에서 보는 바와 같인 주위 온도를 국제표준 IEX 60831-2 및 동일한 국내 표준 규격인 KSC 4801에서의 규정온도로 조절할 수 있다.
기호 주위 온도(℃)
최고온도 24시간 평균
A 40 30 20
B 45 35 25
C 50 40 30
D 55 45 35
이는 하기 비례식(2)에서 알 수 있다. 하기 비례식(2)에서 δmax 는 멤브레인 부재(200) 끝단의 최대 진폭, P는 압전부재(100)의 휨강도, E는 영률(Young’s Modulus), w는 멤브레인 부재(200)의 폭, L은 멤브레인 부재(200)의 길이, t는 멤브레인 부재(200)의 두께를 의미한다.
Figure 112019111465800-pat00007
------------------(2)
본 발명에 따른 실시예에서는 도 8b 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 멤브레인 부재(200)의 상면 뿐만 아니라 하면에도 압전부재(155)를 접착할 수 있는데, 이와 같이 멤브레인 부재(200)의 상, 하면 모두에 압전부재(100) 및 압전부재(155)를 부착하는 경우를 바이모프(Bimorph)식이라 하고, 멤브레인 부재(200)의 상, 하면 중 일면에만 압전부재(100)가 형성되어 있는 경우를 유니모프(Unimorph)식이라 한다. 상기의 바이모프식으로 구성하는 경우에는 두 개의 압전부재(100) 및 압전부재(155)에 의해 벤딩 운동이 조절되므로 멤브레인 부재(200) 진폭이 훨씬 크게 된다.
바이모프식의 경우에는 상면에 접착된 압전부재(100)의 수축 또는 팽창과 하면에 접착된 압전부재(155)의 수축 또는 팽창이 서로 반대가 되도록 한다.
멤브레인 부재(200)는 황동판, 니켈합금판, 백청동, 인청동, 스테인레스강과 같이 도전성 물질이 효율적이다.
압전부재(100)는 압전체(110)와 외부의 구동회로로부터 인가되는 전기적 신호를 수신하기 위한 전극(101, 102, 201, 202)을 포함하고 있는데, 전극은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 납(Pb) 등 혹은 이것들의 합금이 사용될 수 있다
전극은 외부로부터 전기적 신호가 인가됨으로써 기계적 진동을 발생시키는데, 멤브레인 부재(200)는 반드시 도전성 물질일 필요는 없으나, 멤브레인 부재(200)가 도전성이라면 멤브레인 부재(200)를 전극으로 사용할 수 있다.
상기와 같이 멤브레인 부재(200)를 전극으로 사용하게 되면 압전부재(100)와 멤브레인 부재(200)의 좁은 틈에 전선을 연결하는 수고를 덜 수 있게 된다. 압전체(110)와 멤브레인 부재(200)는 접착제(201)로 접착시킨다.
본 발명에 따른 실시예에서의 압전체(110)는 PZT, PVDF 등의 통상의 압전 물질로 이루어진다.
또한, 멤브레인 부재(200)는 탄성 및 전기 도전성이 높은 소재로서 압전 부재(100)의 벤딩 운동에 의해 진동할 수 있는 모든 부재가 사용될 수 있으나, 멤브레인 부재(200)를 전극으로 사용하고자 하는 경우에는 동합금판, 니켈합금판, 스테인레스강판, 티타늄판 중 하나 이상으로 이루어진다.
또한, 액츄에이터 소자(175)와 지지부재(300) 사이에는 고무, 발포폴리우레탄, 에라스토머, 실리콘 등의 탄력부재(360)가 개재될 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 지지부재(300)인 볼트와 너트(351,352)에 액츄에이터 소자(175)가 접착된 형태를 나타낸 것이고, 상기 비례식(1)과 비례식(2)가 그대로 적용된다. 즉, 공진주파수는 멤브레인 부재(200)의 길이 및 두께와 관계된다.
이에, 멤브레인 부재(200)의 길이는 전원주파수(대한민국인 경우, 예컨대 60Hz)가 공진주파수가 되도록 설계함이 바람직하다.
이하에서는 본 발명에 따른 멤브레인 부재(200)의 진동에 대하여 살펴본다.
압전체(110)의 상하면에 도포된 전극에 각각 +,- 전기를 인가하면 압전체(110)가 수축 또는 팽창을 하게 된다.
만약, 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이, 압전부재(100)가 팽창을 하게 되면 압전부재(100)에 접착된 멤브레인 부재(200)는 거의 팽창하지 않으나, 압전체(110)의 전류팽창률이 멤브레인 부재(200)의 전류팽창률보다는 훨씬 커 멤브레인 부재(200)의 팽창이 거의 무시되어 바이메탈(Bimetal)과 유사한 원리로 멤브레인 부재(200)의 양 끝단이 아래로 휘는 벤딩 운동(bending motion)을 하게 된다.
이때, 도 9의 (d)에 도시된 바와 같이, 전극에 인가하는 전기 신호를 반대로 인가해주면 반대의 현상이 발생된다. 따라서, 전극에 교류 전기를 인가해주면 반복적으로 교번하면서 압전부재(100)와 멤브레인 부재(200)가 상하로 벤딩 운동을 하게 된다. 이에, 멤브레인 부재(200)의 한쪽을 도 12처럼 외팔보 형태의 휨운동을 하게 되면 그 반대쪽에 휨운동으로 인한 진폭은 훨씬 증가한다.
본 발명의 실시예에 따른 압전유닛(190)은 도 10에 도시된 바와 같이 단일의 압전부재(100)일 수도 있지만, 복수의 압전부재(100)로 구성될 수도 있다.
본 발명에 따른 실시예에서는 도 13a에 도시된 바와 같이, 압전유닛(190)이 지지부재(300)와 밀착형성되어 지지부재(300)에 의해 압전유닛(190)을 지지하도록 구성될 수 있고, 도 13b에 도시된 바와 같이 압전유닛(190)이 지지부재(300)와 소정의 간격만큼 이격 설치되어 지지부재(300)에 의해 압전유닛(190)을 지지하도록 구성될 수 있으며, 도 13c에 도시된 바와 같이 압전유닛(190)이 설치될 수도 있다.
도 13a 내지 도 13c에 도시된 바와 같이, 액츄에이터 소자(175)가 지지부재(300)의 일측에 형성되고, 지지부재(300)는 멤브레인 부재(200)에 부착된다. 볼트와 너트(351, 352)는 지지부재(300)의 일예이다.
나아가, 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같이 액츄에이터 소자(175)는 멤브레인 부재(200) 끝부분에 부착된 추(292)를 포함하여 구성될 수 있다. 추(292)는 무게 증가를 위한 것으로서, 휨 운동의 진폭을 더욱 증가시킬 수 있다.
이에 따라, 멤브레인 부재(200)의 진폭을 크게 하여 냉각팬으로의 역할을 증대시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 압전부재 190 : 압전유닛
175 : 액츄에이터 소자 200 : 멤브레인 부재
292 : 추 300 : 지지부재
400 : 자동 역률 제어기 410 : 스위칭부
A : 액츄에이터 B : 자동 역률 제어 장치

Claims (12)

  1. 하나 이상의 압전부재(piezoelectric member)를 포함하는 압전유닛(piezoelectric unit) 및 상기 압전유닛에 고정 접착되어 상기 압전유닛에 전류가 인가됨에 따라 벤딩 운동(bending motion)하는 하나 이상의 멤브레인 부재를 포함하는 액츄에이터 소자(actuator element); 및
    상기 액츄에이터 소자의 상기 압전부재 또는 상기 멤브레인 부재에 부착되어 상기 액츄에이터 소자를 지지하는 지지부재(supporting member)를 포함하는 액츄에이터를 포함하되,
    상기 액츄에이터는 배전선로에 연결되고,
    상기 배전선로에는 역률 보상용 콘덴서의 재료로서 상기 압전부재가 사용되고,
    상기 액츄에이터는 상기 압전부재에 상기 멤브레인 부재를 결합하고, 상기 지지부재에 고정되어 발생하는 상기 벤딩 운동(bending motion)으로 기계적 변위를 발생시키며,
    상기 압전부재가 가지고 있는 고유의 콘덴서 성분을 이용하여 상기 배전선로의 역률이 보상되는, 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 인클로저로 구성된 큐비클(cubicle)에 설치되어, 상기 인클로저 내부의 온도를 조절하는 냉각팬으로 사용되는, 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 인클로저 내 칸막이 벽면에 설치되어, 인클로저(enclosure) 내부로 공기가 흐르도록 하는, 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재를 기준으로 상기 멤브레인 부재 끝부분에 부착된 추를 더 포함하는, 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압전부재는 상기 배전선로에 병렬로 연결되고,
    부하가 필요로 하는 양만큼 상기 병렬로 연결된 병렬 압전부재에 선택적으로 무효전력을 공급하도록 제어하는 자동 역률 제어 장치를 더 포함하는, 장치,
  7. 제6항에 있어서,
    상기 자동 역률 제어 장치는
    계기용 변류기와 계기용 변압기에 의해 측정된 전류 및 전압을 통해 역률을 자동으로 제어하는 자동 역률 제어기와, 상기 자동 역률 제어기와 전기적으로 연결되어 상기 자동 역률 제어기의 제어에 따라 상기 병렬 압전부재와의 연결을 스위칭하기 위한 스위칭부를 포함하는, 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 압전유닛은 상기 멤브레인 부재의 상면 및 하면 중 적어도 하나의 면에 부착되는, 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 압전유닛은 복수개인, 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 액츄에이터 소자는 상기 지지부재의 일측 또는 양측에 형성되고, 상기지지부재는 상기 멤브레인 부재에 부착되는, 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 액츄에이터 소자는 복수의 멤브레인 부재를 포함하고, 상기 복수의 멤브레인 부재 각각에 적어도 하나의 압전유닛이 부착되는, 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 액츄에이터 소자의 진동을 원활하도록 상기 액츄에이터 소자와 지지부재의 사이에 개재되는 탄력부재를 더 포함하는, 장치.
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