KR102301264B1 - 연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치 및 부력조절방법 - Google Patents

연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치 및 부력조절방법 Download PDF

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박종상
김태윤
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유찬우
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 연료전지 장치의 부산물인 생성수가 내부 공간에 저장되는 생성수 저장탱크, 상기 내부 공간에 배치되어, 상기 내부 공간을 상부 공간과 하부 공간으로 분리시키는 부력 피스톤 및 상기 상부 공간에 배치되어, 상기 부력 피스톤에 장착되는 부력 헤드를 포함하는 연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치로서, 본 발명에 의하면, 탱크 등 별도의 장치 및 전력 소모 없이 연료전지 부산물을 처리하면서, 그 부산물에 의해 무인 잠수정의 부력을 조절할 수 있도록 한다.

Description

연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치 및 부력조절방법{CONTROL APPARATUS AND METHOD OF BUOYANCY OF AN UNMANNED UNDERSEA VEHICLE WITH FUEL CELL}
본 발명은 연료전지를 에너지원으로 이용하는 무인 잠수정의 부력을 조절하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
무인무인 잠수정은 해저자원 및 해양탐사, 수중탐색 그리고 장거리/장시간 수중정찰과 탐지를 위해 활용된다.
무인무인 잠수정의 에너지원으로 대부분 2차전지를 이용한다. 그러한 2차 전지를 적용한 무인무인 잠수정의 경우 제한된 공간(크기) 및 용량으로 인해, 수행할 수 있는 임무의 범위가 제한된다.
그래서, 수중에서 장거리 항해와 수중체류 시간확대를 위해 기존 에너지원(2차전지)에 비해 에너지 밀도, 충전시간 등 다양한 측면에서 비교 우위를 가지는 연료전지 시스템을 무인무인 잠수정의 에너지원으로 주로 이용한다.
무인무인 잠수정용 연료전지의 작동원리는 육상에서 사용되는 연료전지와 동일하다. 하지만, 공기와 접촉되지 않는 밀폐 환경 및 수중 환경에 운용되기 때문에 수밀 및 내수압 특성이 요구된다. 또한, 연료전지의 화학적 반응을 통해 생성되는 잔여가스와 생성수를 처리 및 저장할 수 있는 별도의 장치가 필요하다.
특히, 연료전지를 에너지원으로 이용하는 무인무인 잠수정의 경우, 연료(산소/수소)가 소모됨에 따라, 수중중량 및 부력이 변화하여 무인무인 잠수정의 자세에 영향을 준다. 그래서, 이를 보상하기 위해 연료전지 시스템을 적용한 무인무인 잠수정의 경우, 부력조절장치가 필수적으로 필요하다.
또한, 무인무인 잠수정의 부력조절장치는 실시간으로 부력조절이 가능해야한다. 외부 환경(수심에 따른 온도(밀도)변화) 변화에 대응하여 중성부력 유지를 위해 부력조절이 가능해야 한다.
대부분의 부력조절장치들은 발라스트(Balast) 탱크 내 해수를 이용하는 방법을 사용하지만, 이는 별도의 해수 유입을 위한 전력을 요하고, 그럼에도 수소와 산소의 화학반응 후에 생성되는 생성수를 별도로 고려하여야 한다.
연료전지는 고압수소와 고압산소의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 바꾸어 주는 에너지 변환장치이다. 그리고 순수한 물과 잠재적으로 사용가능한 열에너지, 잔류가스(산소 및 수소)가 부산물로 배출된다.
부산물 중에서는 생성수가 대부분을 차지하는데, 기존의 무인무인 잠수정에서의 생성수 처리 방식은 무인 잠수정 내 탱크에 보관하여 수상으로 부양했을 때만 처리가 가능하였다. 별도의 저장 탱크가 필요하게 되고, 생성되는 양에 따라 무인무인 잠수정의 무게 증가로 인한 추가적인 에너지 소모 문제가 발생하게 된다. 또한, 생성수를 저장하는 탱크 안에는 무인무인 잠수정의 운동에 따른 생성수의 슬로싱(sloshing) 현상으로 탱크 내부의 진동과 소음의 문제가 발생할 수가 있다.
그리고, 잔류가스의 경우, 연료전지 화학반응 후 남은 수소의 경우 화학반응 후 남은 산소와 제대로 분류되지 못하고 접촉하게 되면 폭발 위험성의 문제가 있을 수 있다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
일본등록특허공보 제3389032호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 탱크 등 별도의 장치 및 전력 소모 없이 연료전지 부산물을 처리하면서, 그 부산물에 의해 무인 잠수정의 부력을 조절할 수 있도록 하는 연료전지 탑재 점수정의 부력조절장치 및 부력조절방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 연료전지 탑재 점수정의 부력조절장치는, 연료전지 장치의 부산물인 생성수가 내부 공간에 저장되는 생성수 저장탱크, 상기 내부 공간에 배치되어, 상기 내부 공간을 상부 공간과 하부 공간으로 분리시키는 부력 피스톤 및 상기 상부 공간에 배치되어, 상기 부력 피스톤에 장착되는 부력 헤드를 포함한다.
그리고, 상기 부력 헤드의 재질은 상기 생성수의 비중보다 작은 비중을 가지며, 상기 부력 헤드의 내부는 밀폐된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 부력 헤드의 상부는 상방향으로 볼록한 형상인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 부력 헤드는 복수 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 부력 헤드의 내부는 진공 상태인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 생성수 저장탱크에는 상기 상부 공간으로 연통되는 생성수 유입관 및 상기 하부 공간으로 연통되는 산소 잔류가스 출입관이 형성된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 생성수 유입관을 통해 상기 생성수가 상기 상부 공간으로 유입되고, 상기 산소 잔류가스 출입관을 통해 연료전지 장치의 부산물 중 산소 잔류가스가 유입 또는 유출 가능한 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 부력 헤드의 하면에 장착되고, 제1 회전축이 결합된 지지 브라켓, 상기 제1 회전축에 일 단이 회전 가능하게 결합되고, 타 단이 한 쌍의 제2 회전축 각각에 회전 가능하게 결합되는 한 쌍의 지지로드 및 상기 한 쌍의 제2 회전축 각각에 일 단이 결합되고, 타 단은 상기 부력 피스톤에 결합되는 한 쌍의 산소 잔류가스 유입관을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 한 쌍의 제2 회전축 각각에 구비되어, 상기 한 쌍의 지지로드의 회전 동작을 제한시키는 한 쌍의 헤드 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 산소 잔류가스 유입관 각각은 상기 하부 공간과 연통되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 산소 잔류가스 유입관 각각은 1회 이상 절곡된 형상인 것을 특징으로 한다.
더욱 구체적으로, 상기 부력 피스톤의 둘레에 결합되는 피니언 기어 및 상기 피니언 기어와 결합되며, 상기 생성수 저장탱크의 내측면에 상기 생성수 저장탱크의 상하 방향을 따라 형성된 랙 기어를 더 포함할 수 있다.
나아가, 상기 피니언 기어와 상기 랙 기어는 쌍을 이뤄 복수 구비되는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 본 발명의 연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절방법은, 상기 생성수 유입관을 통해 상기 상부 공간으로 상기 생성수를 유입시키는 단계 및 상기 산소 잔류가스 출입관을 통해 상기 하부 공간으로 상기 산소 잔류가스를 유입시키는 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 부력 피스톤이 설정된 상승 설정 높이까지 상승한 후, 제어부의 제어에 따라 상기 하부 공간으로부터 상기 산소 잔류가스를 상기 산소 잔류가스 출입관을 통해 유출시키는 단계 및 상기 산소 잔류가스를 유출시키는 단계에 의해 상기 부력 피스톤이 설정된 하강 설정 높이까지 하강하면, 상기 산소 잔류가스를 유출시키는 단계를 중지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 부력조절장치 및 부력조절방법은 무인무인 잠수정운용에 필요한 부력조절에 기여할 수 있는 장치이며, 에너지원으로 사용되는 수소와 산소 화학반응 부산물인 생성수로 운용되므로, 별도의 생성수 보관탱크를 설치할 필요가 없다.
그에 따라 무인무인 잠수정 내 효율적인 구성품 배치와 무게를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
또한 무인무인 잠수정 운용 시 탱크내부의 생성수로 인한 파가 형성되어 소음이나 진동문제가 야기될 수 있지만, 이 발명에서는 인하여 파 형성으로 인한 슬로싱 문제를 해결함으로써, 탱크 내부에서 발생하는 소음 및 진동문제를 해결 할 수 있다는 장점이 있다.
또한 산소 잔류가스를 제어함으로써, 부력헤드 높낮이를 조절하여 미세 부력(양성부력 및 음성부력) 조절을 할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치를 구성하는 부력 헤드 및 헤드 조절 수단을 별도 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치를 구성하는 피스톤 승강 수단을 별도 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절방법을 도시한 것이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치를 구성하는 부력 헤드 및 헤드 조절 수단을 별도 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치를 구성하는 피스톤 승강 수단을 별도 도시한 것이다.
그리고, 도 4는 본 발명의 연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절방법을 도시한 것이다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치 및 부력조절방법을 설명하기로 한다.
본 발명은 무인 잠수정, 특히 무인무인 잠수정용 연료전지의 화학적 에너지를 전기에너지로 바꾸어 주는 과정 속에 발생하는 부산물을 이용하여 무인무인 잠수정의 부력을 조절하는 장치이다. 연료전지를 적용한 무인무인 잠수정의 경우 산소, 수소 반응에 따라 질량이 달라져 그에 따른 부력 보상이 필요하다. 또한, 무인무인 잠수정은 해양탐사, 수중탐색, 수중정찰 등과 같은 임무를 수행하기 때문에 실시간으로 부력조절이 가능해야하며, 미세부력 조절이 가능해야 한다. 즉, 본 발명에서의 부력조절장치는 외부환경변화(수심에 의한 밀도변화), 그리고 연료(산소/수소)소모에 대응하여 부력보상에 기여할 수가 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 무인무인 잠수정 내의 효율적인 공간 활용 및 공간 배치와 수소와 산소 부산물의 재활용을 통해 무인무인 잠수정 핵심 기능인 부력조절장치를 지원하는 것이다. 이를 통해 기존의 수소와 산소의 화학반응으로 인한 반응 생성수 보관만을 위한 불필요한 탱크 설치 문제를 해결함으로써, 무인무인 잠수정의 구성품 배치 활용성을 높일 수 있다. 뿐만 아니라, 부산물(생성수, 산소잔류가스)을 따로 처리해야한다는 번거로움을 없애고 부산물을 이용해서 부력조절을 하기 때문에 부산물 처리의 단점을 해결할 수 있다.
또한, 부력조절장치 부산물 생성수의 탱크 내부 슬로싱 현상을 최소화 시켜, 임무 수행 시 생성수로 인한 탱크 내부 진동 및 소음문제를 줄일 수 있다.
그리고 본 발명의 마지막 목적은 잔류가스의 폭발 위험성을 줄이는데 있다. 잔류가스(산소)만을 이용해서 부력피스톤 상승운동 및 부력헤드 선형운동에 이용하기 때문에 수소 폭발 조연물질인 산소를 수소와의 접촉을 제거함으로써 보다 안전하게 무인무인 잠수정을 운용할 수 있다.
이를 위해, 본 발명은 별도의 해수 유입을 위한 전력사용 없이 고밀도 수소와 산소의 화학반응 후에 생성된 생성수를 이용하는 방법을 고려한다. 또한, 부력조절장치 내 피스톤 실린더의 선형운동을 통해 체적을 변화시켜 부력량을 조절할 수 있도록 한다.
보다 구체적으로 살펴보면, 본 발명의 연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치는 생성수 저장탱크(110), 부력 피스톤(120), 부력 헤드(130), 헤드 지지 수단 및 피스톤 승강 수단을 포함한다.
생성수 저장탱크(110)에는 생성수 유입관(111)과 산소 잔류가스 출입관(112)이 형성되어, 생성수 유입관(111)을 통해 연료전지 장치(미도시)로부터 부산된 생성수가 유입되어 저장될 수 있게 한다. 이를 통해 생성수를 저장하기 위한 별도의 탱크를 요하지 않고 생성수를 이용하여 부력 조절이 가능하게 한다.
생성수 유입관(111)은 연료전지 장치와 연결되고, 제어 밸브(미도시)를 통해 유입 여부가 제어될 수 있다. 그리고, 생성수 저장탱크(110)의 상부를 통해 연결되어 자중에 의해서 생성수 저장탱크(110) 내로 유입되게 할 수 있다.
더 나아가, 생성수 유입관(111)은 도시와 같이 생성수 저장탱크(110)의 상부의 측방에 형성될 수 있고, 둘레를 따라서 또는 양 측방에 연결될 수 있다.
그리고, 입구로부터 중앙 측으로 연장되고, 중앙 측에 형성된 홀을 통해 생성수 저장탱크(110) 내부로 유입되어 저장되고, 입구로부터 홀까지 하향 경사지거나 하향 단차가 형성됨으로써 생성수(w)가 자중에 의해서 유입될 수 있게 할 수 있다.
그리고, 산소 잔류가스 출입관(112)은 연료전지 장치와 연결되고, 제어 밸브를 통해 유입 및 유출 여부가 제어될 수 있다. 그리고, 생성수 저장탱크(110)의 하부를 통해 연결되어 생성수 저장탱크(110) 내로 유입되거나, 이로부터 유출되게 할 수 있고, 유출되는 산소 잔류가스는 다른 처리장치로 연결되어 처리되게 하거나, 저장 후 재투입되게 할 수 있다.
더 나아가, 산소 잔류가스 출입관(112)은 도시와 같이 생성수 저장탱크(110)의 하부의 측방에 형성될 수 있고, 둘레를 따라서 또는 양 측방에 연결될 수 있다.
잔류가스의 부산물 중에는 산소만이 생성수 저장탱크(110)로 유입되게 함으로써, 산소와 수소에 의한 폭발 위험을 줄일 수 있도록 한다.
그리고, 생성수 유입관(111) 및 산소 잔류가스 출입관(112)에 구비되는 제어 밸브는 제어부(미도시)에 의해 개폐가 제어되게 할 수 있다.
다음으로, 생성수 저장탱크(110) 내에는 저장탱크의 상하 방향으로 동작 가능한 부력 피스톤(120)이 구비되고, 부력 피스톤(120)에 의해 생성수 저장탱크(110)의 내부 공간은 상하 공간이 구획되며, 부력 피스톤(120)의 동작에 따라 상하 공간의 체적이 달라지게 된다.
그래서, 부력 피스톤(120)의 상부 공간에는 생성수(w)가 저장될 수 있고, 하부 공간에는 산소 잔류가스가 출입될 수가 있다.
이를 위해 부력 피스톤(120)의 둘레와 생성수 저장탱크(110)의 내측 벽면 간에는 밀폐되는 것이 바람직하며, 밀폐를 위한 수단이 추가될 수 있다.
다음으로, 부력 헤드(130)는 복수 구성되어, 각각 헤드 조절 수단에 의해 지지되어 부력 피스톤(120) 상에 장착이 된다.
부력 헤드(130)는 내부에 빈 공간을 가지며, 상부에 헤드 커버부(131)와 하부에 슬로싱 방지부(132)로 이루어져 밀폐되고, 내부 공간은 진공 상태일 수 있다.
그리고, 생성수(w)의 비중보다 작은 비중을 가지는 재질일 수 있다.
또한, 헤드 커버부(131)는 도시와 같이 상방향으로 볼록한 형상일 수 있으며, 생성수(w)의 비중보다 작은 비중을 가지는 재질일 수 있다.
따라서, 생성수 저장탱크(110)에 생성수가 일정 이상, 즉 도시와 같이 부력 헤드(130)를 채우는 정도로 저장되게 되면 부력 헤드(130)에는 생성수(w)에 의해 부력이 발생하게 되어 상방향으로 동작될 수가 있다.
그리고, 슬로싱 방지부(132)는 생성수(w)와의 접촉면적을 넓힘으로써 생성수(w)에 의해 발생되는 슬로싱(sloshing)을 저감시키기 위한 것이다.
이를 위해, 재질적으로 고무 등의 탄성 변형 가능한 재질에 의해 충격을 흡수할 수 있으며, 또는 형상적인 특징에 의해, 즉 요철 형상, 주름 형상, 엠보(embo) 형상 등의 형상이 반복적으로 형성될 수도 있다.
부력 헤드(130)를 지지하며, 동작을 보조하는 헤드 지지 수단은 지지 브라켓(141). 제1 회전축(141), 지지로드(143), 산소 잔류가스 유입관(144), 제2 회전축(145), 헤드 스토퍼(146), 헤드 완충부(147)를 포함한다.
지지 브라켓(141)은 부력 헤드(130) 하면에 장착되고, 지지 브라켓(141)에 제1 회전축(142)이 결합된다.
제1 회전축(142)에는 한 쌍의 지지로드(143)의 각 일 단이 회전 가능하게 결합되고, 한 쌍의 지지로드(143)의 각 타 단은 제2 회전축(145)에 회전 가능하게 결합된다.
그리고, 제2 회전축(145) 각각에 일 단이 결합되고, 타 단은 부력 피스톤(120) 상면에 결합되는 한 쌍의 산소 잔류가스 유입관(144)이 구비된다.
산소 잔류가스 유입관(144)에 의해 부력 헤드(130)는 부력 피스톤(120) 상에 장착되고, 생성수(w)의 유동에 따라 부력 헤드(130)는 제1 회전축(142)을 기준으로 회전 동작 가능하여, 이러한 동작에 의해 슬로싱을 저감시킬 수가 있다.
또한, 부력 여하에 따라 제2 회전축(145)을 기준으로 지지로드(143)가 회전 동작함에 따라 부력 헤드(130)는 상하 동작 가능하게 구성된다.
그리고, 제2 회전축(145)에는 헤드 스토퍼(146)가 각각 구비되어, 부력 헤드(120)의 과도한 상하 동작을 제한시킬 수 있다.
이 같은 동작을 위해 산소 잔류가스 유입관(144)은 1회 이상 절곡된 형상인 것이 바람직하고, 도시와 같이 2회 절곡될 수 있다. 이에 따라 부력 헤드(130)의 승강 동작시 산소 잔류가스 유입관(144)이 탄성적으로 변형되어 완충적 역할을 하게 된다.
또한, 산소 잔류가스 유입관(144)은 중공 타입으로 구성되어, 부력 피스톤(120)의 하부 공간과 연통될 수 있다.
이와 같이 구성될 경우, 부력 피스톤(120) 하부 공간에 산소 잔류가스 유입시 산소 잔류가스 유입관(144)에 유입되게 함으로써, 부력 헤드(130)의 상승 부력을 원만하게 할 수 있다.
마지막으로, 헤드 완충부(147)가 양 지지로드(143) 또는 양 제2 회전축(145)과 결합되고, 지지 브라켓(141) 하부에 이격되어 배치될 수 있다.
헤드 완충부(147)는 하방향으로 볼록한 완만한 곡면을 갖는 볼(bowl) 형태일 수 있다. 즉, 부력 헤드(130)는 상하 방향으로 동작될 수 있고, 또한 무인 잠수정의 길이 방향(도시상 좌우 방향)으로도 변위가 발생할 수 있는데, 이 경우 다른 구조물과의 접촉에 의한 손상을 방지하기 위해 지지 브라켓(141) 하측에 지지 브라켓(141)과 이격되어 구성될 수 있으며, 또는 무인 잠수정의 길이 방향으로의 동작만을 고려하여 도넛(donut)의 일부 형상과 같은 형상으로 구현될 수도 있다.
다음으로, 피스톤 승강 수단은 부력에 의한 부력 피스톤(120)의 승강 동작이 원활할 수 있도록 보조하기 위해 구성된다.
즉, 피스톤 승강 수단은 부력 피스톤(120)과 생성수 저장탱크(110) 내측면 간의 레인 기어 결합으로 구현될 수 있으며, 이를 위해 부력 피스톤(120)의 둘레에는 피니언 기어(150)가 결합되며, 생성수 저장탱크(110)의 내측면에는 랙 기어(113)가 형성될 수 있다.
그래서, 이와 같은 랙 기어(113)와 피니언 기어(150)의 기어 동작에 의해서 부력 피스톤(120)이 승강될 수 있게 하고, 랙 기어(113)와 피니언 기어(150)는 각각 쌍으로 구성될 수 있다.
또한, 랙 기어(113) 상단에는 피스톤 스토퍼(114)가 돌출 형성됨으로써, 부력 피스톤(120)의 과도한 상승을 저지시킨다.
이상과 같은 본 발명의 부력조절장치의 원리 및 동작을 살펴보면, 연료전지 시스템 운용 시 에너지원(산소 및 수소)의 화학반응 부산물인 생성수와 잔류가스(산소)를 이용하여 무인무인 잠수정의 잠항 및 부상운동에 기여한다.
즉, 산소와 수소의 화학 반응으로 생성된 생성수(w)는 생성수 유입관(111)을 통해 생성수 저장탱크(110) 내부로 들어오게 되며, 일정한 양의 생성수(w)가 생성수 저장탱크(110) 내부에 저장되면 부력조절장치를 운용할 수 있게 된다.
생성수 저장탱크(110) 내에는 부력 헤드(130)를 가진 부력 피스톤(120)이 있으며, 이 부력 피스톤(120)은 작용하는 부력 및 레인(기어식)을 통해 상승 및 하강 운동을 하며, 무인무인 잠수정 운동에 기여한다.
무인무인 잠수정이 수중에서 부상하려고 하면 양성부력이 요구되어진다. 이때, 생성수 저장탱크(110) 내에서는 저장된 생성수(w)로 인해, 부력 헤드(130)의 부력이 발생하게 되어, 부력 헤드(130) 및 부력 피스톤(120)이 함께 상승하게 되어 체적 변화로 인해 양성 부력이 생성된다. 반대로, 무인무인 잠수정이 잠항해야 할 경우, 잔류가스(산소)압을 제어함으로써 부력 헤드(130)를 하강시키며, 레인 기어를 통해 부력 피스톤(120)을 하강시켜 음성부력을 만든다.
양성부력 생성 시, 부력 피스톤(120)은 레인 기어의 일정 위치까지 상승할 수 있으며, 레인기어 최상단에 피스톤 스토퍼(114) 설치로 과도한 부력 피스톤(120)의 상승은 방지하고, 생성수 유입관(111)과의 간섭은 피할 수 있는 높이까지 운용될 수 있도록 구성된다. 또한, 잔류가스(산소) 압을 통해 부력 헤드(130)의 일정 높낮이를 조절할 수 있기 때문에, 미세 부력조절에 기여할 수 있게 된다.
그리고, 무인무인 잠수정의 운동으로 인하여, 생성수 저장탱크(110) 내부에 생성수(w) 파가 형성되는데, 이 슬로싱 현상을 감소 및 억제시키기 위해 부력 헤드 하부에 슬로싱 방지부(132)가 구성된다. 또한, 생성수(w) 파 형태에 따라 부력 헤드(130)의 운동을 가능하게 함으로써, 부력 헤드(130)의 운동에 의해 생성수 저장탱크(110) 내부의 생성수(w) 파형성에 따른 진동과 소음 문제를 해결할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 부력조절장치에 의하면, 연료전지의 부산물에 의한 중량 증가에도 부력 보상이 가능해지게 된다.
다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 부력조절방법을 설명하기로 한다.
먼저, 연료전지시스템에 의해 산소와 수소의 반응물로서 생성수가 발생하여 생성수 저장탱크 내로 유입되면(S11), 양성 부력 발생으로 부력 헤드(130) 및 부력 피스톤(120)이 상승하여 무인무인 잠수정(UUV, Unmanned Underseawater Vehicle)이 상승한다(S12).
이때, 제어부는 산소 잔류가스 압을 이용하여 부력 헤드(130)의 상승 및 하강을 제어할 수 있으며(S20), 그에 따라 산소 잔류가스를 생성수 저장탱크(110)에 유입시킬 수 있고(S21), 산소 잔류가스가 부력 피스톤(120) 하측의 생성수 저장탱크(110) 하부 공간으로 유입됨에 따라 양성 부력이 더욱 발생하게 한다.
S12 이후 필요 양성부력, 즉 설정된 상승 설정 높이까지 부력 피스톤(120)이 상승하게 되고(S13), 설정된 상승 설정 높이까지 상승 후 필요에 따라 제어부가 제어하여 산소 잔류가스를 생성수 저장탱크(110)로부터 유출시켜 제거하면(S22), 음성 부력 발생으로 부력 헤드(130) 및 부력 피스톤(120)이 하강하여 무인무인 잠수정(UUV)이 하강한다(S14).
그런 다음, 필요 음성부력, 즉 설정된 하강 설정 높이까지 부력 피스톤(120)이 하강하게 되고(S15), 설정된 하강 설정 높이까지 하강하면 산소 잔류가스의 유출, 제거를 중지시킨다.
한편, S12에 의해 부력 피스톤(120)이 상승하면, 무인무인 잠수정 운항시 생성수 저장탱크(110) 내 생성수 슬로싱 현상 억제를 위한 부력 헤드 컨트롤이 가능해진다(S30).
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
110 : 생성수 저장탱크
111 : 생성수 유입관 112 : 산소 잔류가스 출입관
113 : 랙 기어 114 : 피스톤 스토퍼
120 : 부력 피스톤
130 : 부력 헤드
131 : 헤드 커버부 132 : 슬로싱 방지부
141 : 지지 브라켓 142 : 제1 회전축
143 : 지지 로드 144 : 산소 잔류가스 유입관
145 : 제2 회전축 147 : 헤드 완충부
150 : 피니언 기어

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 연료전지 장치의 부산물인 생성수가 내부 공간에 저장되는 생성수 저장탱크;
    상기 내부 공간에 배치되어, 상기 내부 공간을 상부 공간과 하부 공간으로 분리시키는 부력 피스톤;
    상기 상부 공간에 배치되어, 상기 부력 피스톤에 장착되는 부력 헤드;
    상기 부력 헤드의 하면에 장착되고, 제1 회전축이 결합된 지지 브라켓;
    상기 제1 회전축에 일 단이 회전 가능하게 결합되고, 타 단이 한 쌍의 제2 회전축 각각에 회전 가능하게 결합되는 한 쌍의 지지로드; 및
    상기 한 쌍의 제2 회전축 각각에 일 단이 결합되고, 타 단은 상기 부력 피스톤에 결합되는 한 쌍의 산소 잔류가스 유입관을 포함하고,
    상기 부력 헤드의 재질은 상기 생성수의 비중보다 작은 비중을 가지며,
    상기 부력 헤드의 내부는 밀폐된 것을 특징으로 하는,
    연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 부력 헤드의 상부는 상방향으로 볼록한 형상인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 부력 헤드는 복수 배치되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 부력 헤드의 내부는 진공 상태인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 생성수 저장탱크에는 상기 상부 공간으로 연통되는 생성수 유입관 및 상기 하부 공간으로 연통되는 산소 잔류가스 출입관이 형성된 것을 특징으로 하는,
    연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 생성수 유입관을 통해 상기 생성수가 상기 상부 공간으로 유입되고,
    상기 산소 잔류가스 출입관을 통해 연료전지 장치의 부산물 중 산소 잔류가스가 유입 또는 유출 가능한 것을 특징으로 하는,
    연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치.
  8. 삭제
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 한 쌍의 제2 회전축 각각에 구비되어, 상기 한 쌍의 지지로드의 회전 동작을 제한시키는 한 쌍의 헤드 스토퍼를 더 포함하는,
    연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 한 쌍의 산소 잔류가스 유입관 각각은 상기 하부 공간과 연통되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치.
  11. 청구항 2에 있어서,
    상기 한 쌍의 산소 잔류가스 유입관 각각은 1회 이상 절곡된 형상인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치.
  12. 청구항 2에 있어서,
    상기 부력 피스톤의 둘레에 결합되는 피니언 기어; 및
    상기 피니언 기어와 결합되며, 상기 생성수 저장탱크의 내측면에 상기 생성수 저장탱크의 상하 방향을 따라 형성된 랙 기어를 더 포함하는,
    연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 피니언 기어와 상기 랙 기어는 쌍을 이뤄 복수 구비되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절장치.
  14. 청구항 7의 부력조절장치의 상기 생성수 유입관을 통해 상기 상부 공간으로 상기 생성수를 유입시키는 단계;
    상기 산소 잔류가스 출입관을 통해 상기 하부 공간으로 상기 산소 잔류가스를 유입시키는 단계;
    상기 부력 피스톤이 설정된 상승 설정 높이까지 상승한 후, 제어부의 제어에 따라 상기 하부 공간으로부터 상기 산소 잔류가스를 상기 산소 잔류가스 출입관을 통해 유출시키는 단계; 및
    상기 산소 잔류가스를 유출시키는 단계에 의해 상기 부력 피스톤이 설정된 하강 설정 높이까지 하강하면, 상기 산소 잔류가스를 유출시키는 단계를 중지시키는 단계를 포함하는,
    연료전지 탑재 무인 잠수정의 부력조절방법.
  15. 삭제
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