KR20100083475A - 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선에 관한 것으로서, 뱃머리에는 결빙해역에 물리적으로 충돌하여 얼음을 깨뜨리는 충돌부를 포함하며, 상기 충돌부의 일측에는 마이크로웨이브를 조사하는 마이크로웨이브 발생수단이 구비되어 충돌되기 직전의 얼음을 해빙시켜 결빙해역에서의 쇄빙작업을 보다 원활히 할 수 있다.

또한, 상기 충돌부의 일측에는 초음파를 발생시키는 초음파 발생수단이 구비되어 충돌되기 직전의 얼음에 충격파를 가하여 결빙해역에서의 쇄빙작업을 보다 원활히 할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선은 충돌부의 일측에 마이크로웨이브 또는 초음파 발생부와 같은 쇄빙촉진수단이 구비되므로 낮은 추진력으로 효율적인 쇄빙작업이 가능한 장점이 있으며, 엔진의 에너지 소모량을 크게 줄여 상기 엔진에 사용되는 연료비를 대폭 절감할 수 있는 장점이 있다.

쇄빙선, 마이크로웨이브, 초음파, 결빙해역, 뱃머리

Description

쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선{ICE BREAKER HAVING FACILITATION DEVICE FOR ICE CRUSHING}

본 발명은 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 결빙된 해역의 얼음과 충돌하는 뱃머리의 충돌부 일측에 쇄빙촉진수단을 구비하여 결빙해역에서의 쇄빙작업을 보다 원활히 할 수 있도록 하는 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선에 관한 것이다.

극지역(남극, 북극)은 지구의 마지막 남은 미개척 원시 대륙으로서 막대한 양의 생물 자원과 광물자원을 보유하고 있는 것으로 평가됨에 따라, 세계 각국은 극지역 개발을 위해 경쟁적으로 힘을 쏟고 있다.

극지역 개발을 증대시키기 위해서는 우선 이를 지원하기 위한 충분한 인프라를 확보하는 것이 무엇보다 중요한데, 특히 극지역의 생태와 자원을 확보하기 위한 연구기지 건설 등의 인프라 구축이 필요한 실정이다.

이러한 인프라 구축을 위해 극지역의 얼음을 뚫고 각종 물자와 장비를 수송할 수 있는 선박이 필요하게 되었으며, 얼음을 뚫고 극지역을 운항할 수 있는 쇄빙선의 수요가 증가하게 되었다.

일반적으로 쇄빙선(Ice breaker)은 얼음이 덮여 있는 결빙해역(結氷海域)에서 수역(수면의 일정한 구역)의 얼음을 부수어 항로를 만들기 위해 사용되는 선박을 말하며, 상기 쇄빙선에는 결빙해역의 얼음을 깨뜨리기 위한 강력한 추진 기관이 장착되어 있다.

이러한 쇄빙선은 쇄빙 능력을 보유하고 있어 남극대륙 주변이나 북극해처럼 얼어있는 바다에서도 독자적인 항해가 가능하기 때문에 극지를 포함한 어느 곳에서라도 자력으로 항해할 수 있다.

뿐만 아니라 일반 선박이 항해할 수 없는 결빙된 해역에서 항로를 개척해 줌으로써 화물선 선단을 이끌어 화물수송이 가능하도록 돕거나 운항하던 선박이 얼음에 갇힐 경우 이를 구조하는 역할을 수행하기도 한다.

상기와 같은 쇄빙선은 수역에 따라 내해형과 대양(大洋)형이 있으며, 선형에 따라 미국형과 유럽형이 있다.

대양형은 대형 선박으로 러시아의 원자력 쇄빙선과 같은 1만 6000t의 초대형선이 이에 속한다. 미국형은 선수에도 추진기가 있어서 빙면 하부의 물을 배제해서 쇄빙을 용이하게 하고, 유럽형은 빙면상에 올려서 쇄빙하는 것과 선수를 빙면에 충돌시켜 쇄빙하는 두 양식이 있는데, 추진기는 선미에만 있다.

쇄빙선은 결빙수에서 활동하므로 얼음에 봉쇄되어도 이탈이 가능하고 선체가 손상되지 않도록 둥근 형의 특수 선형을 이루고 있으며, 외판은 평활하고 용골도 붙어 있지 않다. 선체 구조도 쇄빙시·유빙수면 항해시는 선체에 걸리는 큰 외력에 견디도록 수면선 부근의 외판을 두껍게 하고 늑골(frame)도 튼튼하게 간격을 협 소하게 하는 등 특수한 설계로 되어 있다. 쇄빙시 및 결빙 이탈시를 위해서 선체를 전후로 경사지게 할 수 있도록 강력한 펌프와 물탱크를 갖추고 있다.

바다 얼음을 깨며 나아가는 쇄빙선은 일반선박에 비해 매우 무겁고 엔진출력이 크며 얼음을 깨기 쉬운 뱃머리 구조를 갖추고 있다.

얼음을 깰 때엔 배와 얼음 사이의 마찰 저항을 최소화해야 하는데, 최근 개발된 쇄빙선은 뱃머리의 폭이 평균 선폭보다 더 넓고 배꼬리의 폭은 더 좁으며 뱃머리가 완만한 곡선을 이뤄‘수저’모양을 하고 있다. 이러한 모양은 쇄빙선의 뱃머리가 얼음 위로 쉽게 올라타도록 하고, 큰 뱃머리로 얼음을 깨며 나아가면 뒷부분(선미)은 쉽게 빠져나오게 한 설계이다.

쇄빙선은 두께 1m 가량의 얼음을 잇따라 깨야 하기 때문에 저속에서도 매우 큰 추진력이 필요하며, 배가 얼음에 갇혔을 때 스스로 빠져나오는 추진력은 쇄빙선의 필수 요소라 할 수 있다. 최근에 건조된 핀란드의 쇄빙선은 제자리에서 맴도는 프로펠러를 갖춰 전방위 쇄빙을 하는 기술을 갖추기도 했다.

이와 같이 쇄빙선의 큰 추진력을 이용하여 얼음을 깨는 방식은 뱃머리가 얼음 위를 올라타 배의 무게로 얼음을 깨부수는 방식인데, 이 때 배를 일부러 좌우로 흔들어 더 빨리 얼음을 깨기도 한다.

그러나 이와 같은 단순한 방식은 쇄빙선의 큰 추진력을 위한 엔진의 에너지 소모량이 크기 때문에 쇄빙을 위한 연료비가 상당히 많이 드는 문제점이 있었으며, 단순히 중력과 같은 물리적인 방법에만 의존하기 때문에 그 효율성이 저하되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 엔진의 에너지 소모량을 줄여 작은 추진력으로 결빙해역의 쇄빙작업을 효율적으로 할 수 있는 쇄빙촉진수단을 구비한 쇄빙선을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선은, 결빙해역에 물리적으로 충돌하여 얼음을 깨뜨리는 충돌부를 포함하며, 상기 충돌부의 일측에는 마이크로웨이브를 조사하는 마이크로웨이브 발생수단이 구비되어 충돌되기 직전의 얼음을 해빙시켜 결빙해역에서의 쇄빙작업을 보다 원활히 할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마이크로웨이브 발생수단은 전원공급장치로부터 공급되는 고압전원을 인가받아 마이크로웨이브를 발생시키는 마그네트론과, 상기 마그네트론에서 발생된 마이크로웨이브를 안내시키는 도파관과, 상기 도파관을 통해 안내된 마이크로웨이브를 결빙해역에 조사하는 안테나를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선은, 결빙해역에 물리적으로 충돌하여 얼음을 깨뜨리는 충돌부를 포함하며, 상기 충돌부의 일측에는 초음파를 발생시키는 초음파 발생수단이 구비되어 충돌되기 직전의 얼음에 충격파를 가하여 결빙해역에서의 쇄빙작업을 보다 원활히 할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 초음파 발생수단은 초음파 발생을 위한 발진신호를 제공하는 구동회로와, 상기 구동회로에서 제공되는 발진신호를 증폭시키는 증폭기와, 상기 증폭기에서 증폭된 발진신호를 입력받아 초음파를 발생시키는 초음파발진기를 포함하여 이루어진다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선은 충돌부의 일측에 마이크로웨이브 또는 초음파 발생부와 같은 쇄빙촉진수단이 구비되므로 낮은 추진력으로 효율적인 쇄빙작업이 가능한 장점이 있다.

또한, 낮은 추진력으로도 효율적인 쇄빙작업이 가능하므로 엔진의 에너지 소모량을 크게 줄여 상기 엔진에 사용되는 연료비를 대폭 절감할 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부된 도면에 의거한 다음의 바람직한 실시 예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

또한, 하기 설명에서 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들 없이도, 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.

본 발명이 적용될 수 있는 일반적인 쇄빙선은 상술된 [배경기술]란을 통해 간단히 설명하였고, 전체적인 구성은 이미 공지된 내용이므로 상세한 설명은 생략하도록 하며, 하기에서는 본 발명의 특징인 쇄빙촉진수단에 관하여 상세히 설명하도록 한다.

《제1실시 예》

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선의 뱃머리를 도시하는 사시도 및 상기 쇄빙촉진수단으로 사용된 마이크로웨이브 발생수단의 구조를 도시하는 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선은, 결빙해역에 물리적으로 충돌하여 얼음을 깨뜨리는 충돌부(100)를 포함하며, 상기 충돌부(100)의 일측에는 마이크로웨이브를 조사하는 마이크로웨이브 발생수단(120)이 구비되어 충돌되기 직전의 얼음을 해빙시켜 결빙해역에서의 쇄빙작업을 보다 원활히 할 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 마이크로웨이브 발생수단(120)은 전원공급장치(122)로부터 공급되는 고압전원을 인가받아 마이크로웨이브를 발생시키는 마그네트론(124)과, 상기 마그네트론(124)에서 발생된 마이크로웨이브를 안내시키는 도파관(126)과, 상기 도파관(126)을 통해 안내된 마이크로웨이브를 결빙해역에 조사하는 안테나(128)를 포함 하여 이루어진다.

상기 마그네트론(124)에서 발생된 마이크로웨이브는 도파관(126)을 통해 안내되어 상기 도파관(126)에 연통되는 안테나(128)를 통해 결빙구역에 방사되는데, 상기 안테나(128)는 도시된 바와 같이 충돌부(100)의 일측에 다수개로 구성되어 마이크로웨이브가 결빙해역의 바닥면을 향해 방사되므로 상기 충돌부(100) 전면에 분포된 얼음을 향해 균일하게 마이크로웨이브가 방사된다.

이와 같이 쇄빙선의 충돌부(100) 전면에 분포된 얼음을 향해 마이크로웨이브가 균일하게 방사되어 상기 충돌부(100)에 충돌되기 직전의 얼음을 약간이나마 해빙시킬 수 있으므로 낮은 추진력으로 보다 효율적인 쇄빙작업을 할 수 있다.

상기 마그네트론(124)은 일반적으로 자기장 속에서 극초단파(ultrahigh frequency:UHF)를 발진하는 2극 진공관 또는 자전관(磁電管)이라고도 하며, 순동(純銅)의 전극을 양극으로 하고 축방향으로 음극과 그리드를 배치한다.

상기와 같은 마그네트론은 음극의 축방향으로 자기장을 걸면 음극에서 반지름 방향으로 튀어나온 전자는 양극에 흡인됨과 동시에 자기장에 의해서 진행방향으로 직각의 힘을 받는다.

그 결과 전자는 나선상의 운동을 하게 되는데, 여기서 자기장의 강도를 크게 하면 전자가 구부러지는 양도 커지며, 양극에 도달하기 전에 몇 번이라도 돌게 된다. 그리고 자기장의 강도가 어느 한계(임계자속밀도)에 도달하면 전자는 거의 양극에 도달하지 못하게 된다.

이때 음극 주위에는 전자에 의한 회전전자극(回轉電子極)이 생기고 양극의 진동회로에는 유도전류(誘導電流)가 생겨서 진동이 자극되어 지속하는데, 이를 공진회로에 연결하면 발진기로서 작용하는데 매우 높은 주파수를 발생하거나 짧은 시간 동안 큰 출력을 방출할 수 있게 되는 것이다.

상기와 같은 마그네트론(124)에서 발생되는 마이크로웨이브(microwave)는 일반적으로 초단파보다 주파수가 높은 300~3,000MHz의 UHF(ultrahigh frequency:데시미터파 또는 마이크로파라고도 한다), 3~300GHz의 SHF(superhigh frequency:센티미터파라고도 한다)인 것을 말하는 경우가 많으며, 파장이 짧으므로 빛과 거의 비슷한 성질을 가지고 있다.

이와 같은 마이크로웨이브는 얼음의 물분자에 방사되면 전기장 벡터가 진동하므로 진동하는 힘을 받은 결합된 물분자들은 회전하려고 한다. 이때 회전방향이 다른 물분자에 의해 운동이 저지되면 결합이 끊어지게 되는데, 이 순간 마이크로파 에너지가 들어오고, 잠시 후 분자들이 다시 결합하면서 에너지를 내놓게 되며 이 에너지가 내부에너지가 되어 얼음을 해빙시킬 수 있게 되는 것이다.

앞서 상술한 마이크로웨이브 발생수단(120)의 구성은 당업자에 의해 다양한 방법으로 구성될 수 있으며, 이에 대한 많은 방법은 이미 공지된 내용이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.

《제2실시 예》

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선의 뱃머리를 도시하는 사시도 및 상기 쇄빙촉진수단으로 사용된 초음파 발생수단의 구조 를 도시하는 개념도이다.

도 2을 참조하면, 본 발명의 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선은, 결빙해역에 물리적으로 충돌하여 얼음을 깨뜨리는 충돌부(100)를 포함하며, 상기 충돌부(100)의 일측에는 초음파를 발생시키는 초음파 발생수단(140)이 구비되어 충돌되기 직전의 얼음에 충격파를 가하여 결빙해역에서의 쇄빙작업을 보다 원활히 할 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 초음파 발생수단(140)은 초음파 발생을 위한 발진신호를 제공하는 구동회로(142)와, 상기 구동회로(142)에서 제공되는 발진신호를 증폭시키는 증폭기(144)와, 상기 증폭기(144)에서 증폭된 발진신호를 입력받아 초음파를 발생시키는 초음파발진기(146)를 포함하여 이루어진다.

도시된바와 같이 상기 초음파발진기(146)는 충돌부(100)의 일측에 다수개로 구성되어 초음파가 결빙해역의 바닥면을 향해 방사되므로 상기 충돌부(100) 전면에 분포된 얼음을 향해 균일하게 초음파가 방사된다.

이와 같이 쇄빙선의 충돌부(100) 전면에 분포된 얼음을 향해 강력한 초음파 즉, 충격파가 균일하게 방사되어 상기 충돌부(100)에 충돌되기 직전의 얼음을 약간이나마 분열시킬 수 있으므로 낮은 추진력으로 보다 효율적인 쇄빙작업을 할 수 있다.

초음파는 탄성매질 내에서 발생하는 진동파 또는 압력파로서 가청주파수인 20kHz 보다 큰 값의 주파수를 갖는 음파를 말하며, 주파수가 가청주파수 20kHz보다 커서 인간이 청각을 이용해 들을 수 없는 음파이다. 일반적으로 사람의 귀가 들을 수 있는 음파의 주파수는 16Hz~20kHz의 범위이며, 주파수가 20kHz를 넘는 음파를 초음파라고 한다.

상기 초음파는 공기중을 진행하는 음파처럼 종파의 형태이거나 고체 내에서는 횡파나 전단파(剪斷波)가 될 수도 있다. 또한 초음파 중 어떤 것은 고체 표면을 따라서 진행하거나(레일리파) 가느다란 막대기와 물체의 절단면을 따라서 진행하기도 한다(램파).

본 발명에서는 진폭이 큰 초음파를 사용하는데, 이와 같은 초음파를 물분자로 이루어진 얼음에 가하면 물분자에 급격한 유동이나 전단압력을 유발하는 충격파를 생성할 수 있게 된다.

이러한 효과를 이용하여 결빙해역의 얼음에 충격파를 가하여 쇄빙선의 충돌부(100)에 충돌되기 직전의 얼음을 분열시켜 쇄빙작업을 더욱 효율적으로 할 수 있으며, 낮은 추진력으로도 효율적인 쇄빙작업이 가능하므로 엔진의 에너지 소모량을 크게 줄여 상기 엔진에 사용되는 연료비를 대폭 절감할 수 있게 된다.

앞서 상술한 초음파 발생수단(140)의 구성은 당업자에 의해 다양한 방법으로 구성될 수 있으며, 이에 대한 많은 방법은 이미 공지된 내용이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.

전술한 내용은 후술할 발명의 특허청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다.

상술한 본 발명의 개념과 특정 실시 예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 해당 기술분야 의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.

또한, 상기에서 기술된 실시 예는 본 발명에 따른 하나의 실시예일 뿐이며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다.

이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선의 뱃머리를 도시하는 사시도 및 상기 쇄빙촉진수단으로 사용된 마이크로웨이브 발생수단의 구조를 도시하는 개념도.

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선의 뱃머리를 도시하는 사시도 및 상기 쇄빙촉진수단으로 사용된 초음파 발생수단의 구조를 도시하는 개념도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100: 충돌부

120: 마이크로웨이브 발생수단 122: 전원공급장치

124: 마그네트론 126: 도파관

128: 안테나

140: 초음파 발생수단 142: 구동회로

144: 증폭기 146: 초음파발진기

Claims (4)

1. 얼음이 덮여 있는 결빙해역에서 뱃머리를 물리적으로 충돌시켜 결빙된 구역의 얼음을 부수어 항로를 만드는 쇄빙선에 있어서,

   상기 뱃머리에는 결빙해역에 물리적으로 충돌하여 얼음을 깨뜨리는 충돌부(100)를 포함하며,

   상기 충돌부(100)의 일측에는 마이크로웨이브를 조사하는 마이크로웨이브 발생수단(120)이 구비되어 충돌되기 직전의 얼음을 해빙시켜 결빙해역에서의 쇄빙작업을 보다 원활히 할 수 있는 것을 특징으로 하는 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 마이크로웨이브 발생수단(120)은

   전원공급장치(122)로부터 공급되는 고압전원을 인가받아 마이크로웨이브를 발생시키는 마그네트론(124)과,

   상기 마그네트론(124)에서 발생된 마이크로웨이브를 안내시키는 도파관(126)과,

   상기 도파관(126)을 통해 안내된 마이크로웨이브를 결빙해역에 조사하는 안테나(128)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선.
3. 얼음이 덮여 있는 결빙해역에서 뱃머리를 물리적으로 충돌시켜 결빙된 구역의 얼음을 부수어 항로를 만드는 쇄빙선에 있어서,

   상기 뱃머리에는 결빙해역에 물리적으로 충돌하여 얼음을 깨뜨리는 충돌부(100)를 포함하며,

   상기 충돌부(100)의 일측에는 초음파를 발생시키는 초음파 발생수단(140)이 구비되어 충돌되기 직전의 얼음에 충격파를 가하여 결빙해역에서의 쇄빙작업을 보다 원활히 할 수 있는 것을 특징으로 하는 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 초음파 발생수단(140)은

   초음파 발생을 위한 발진신호를 제공하는 구동회로(142)와,

   상기 구동회로(142)에서 제공되는 발진신호를 증폭시키는 증폭기(144)와,

   상기 증폭기(144)에서 증폭된 발진신호를 입력받아 초음파를 발생시키는 초음파발진기(146)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 쇄빙촉진수단이 구비된 쇄빙선.

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