KR20120084385A - 에어 캐비티 선박의 압력센서를 이용한 공기방 공기 공급 제어방법 - Google Patents

에어 캐비티 선박의 압력센서를 이용한 공기방 공기 공급 제어방법 Download PDF

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김재을
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Abstract

본 발명은 선체의 바닥과 공기방 상부에 압력센서를 각각 설치하여 각각의 압력을 측정하고, 압력 차이를 통하여 공기방 내부의 수위를 측정하여 공기방 내 공기의 유출정도를 빠르게 측정함으로써 필요 시 컴프레셔를 작동하여 공기를 공급하여 공기방 내부의 공기량을 일정하게 유지할 수 있도록 하고, 압력차이를 통한 수위 측정을 통하여 공기방 내부의 신속한 공기 보충이 이루어질 수 있고, 공기방 내 공기가 자동으로 완충상태를 유지하게 되어 과도한 컴프레셔의 작동에 따른 에너지의 낭비를 예방할 수 있으며, 압력센서는 발라스트 탱크 내부에 설치 가능하므로 별도의 설치공간이 필요하지 않으며, 측정부위의 물 표면의 국부적인 파동에 영향이 적고, 전체 공기방의 압력은 위치에 따라 변화가 적으므로 여러개의 센서를 설치할 필요가 없고, 연속적인 레벨변화의 측정이 가능한 에어 캐비티 선박의 공기 공급 제어방법을 제공하는 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

에어 캐비티 선박의 압력센서를 이용한 공기방 공기 공급 제어방법 {Control method using pressure sensor for air supply to air-cavity of air-cavity vessel}
본 발명은 에어 캐비티 선박의 공기방 수위측정을 통한 공기 공급 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에어 캐비티 선박의 선저에 형성된 공기방 내부의 수위를 압력센서를 사용하여 측정하여 수위를 계산하고 공기방 내부의 수위에 따른 압력에 따라 공기 공급정도를 제어하여 적정 공기량이 유지될 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.
선박의 저항을 감소시키기 위한 기술의 하나로 선저 평탄부에 공기를 분사하여 공기층을 형성시킴으로서, 선박의 접수표면적을 감소시키는 에어 캐비티 선박은 널리 알려져 있다.
이와 같은 에어 캐비티 선박은 미국 특허 제 USA 3,595,191호로부터 공지되어 있고, 이 특허에서 유조선과 같은 대양 항해 선박의 선체 바닥에는 압축 공기가 도입되는 다수의 하향 개방형 에어 캐비티가 마련되어 있다. 이에 의해, 선박의 접수표면적이 감소되어, 예컨대 물 저항의 감소와 같은 그 유체역학적 특성이 개선된다.
또한, 네덜란드 특허 제 NL 9301476호의 경우, 공기가 주입되는 에어 캐비티가 선체의 저부에 형성되어 있는 선박이 개시되어 있다. 캐비티 내의 공기층과 선체를 통과하는 물 사이의 감소된 마찰 때문에 물의 저항이 감소되어 연료가 절감되고 보다 경제적으로 추진할 수 있게 된다.
도 1 은 종래 에어 캐비티 선박의 구조를 나타낸 측면도를 도시하고 있다.
종래 에어 캐비티 선박은 공기층의 형성을 위한 캐비티(10)가 선저면으로부터 소정의 깊이를 갖는 홈과 같은 구조로 형성되며, 이로 인해 선체의 구조 변경이 수반된다.
또한, 미도시 되었지만 공기층을 가두는 공기방이 선박의 선저 하부방향으로 돌출 형성된 구조를 가질 수 있다.
그러나 종래의 에어 캐비티 선박은 공기방에 공급된 공기층이 운항중 배출되어 공기량이 감소 시 그 배출량 정도를 알 수 없어 지속적 또는 간헐적인 공기 공급에 의한 공기방내 공기량을 보충함으로써 과도한 공기가 배출되거나 필요한 공기량보다 적은 공기가 공기방에 충전될 수 밖에 없다.
만약 과도한 공기가 공기방에 공급되면 공기를 공급하는 에어컴프레셔의 불필요한 가동에 의한 에너지 낭비가 초래될 수 있고, 필요한 만큼의 공기가 공기방에 공급되지 못한다면 공기방의 설치 목적을 달성할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 선체의 바닥과 공기방 상부에 압력센서를 각각 설치하여 각각의 압력을 측정하고, 압력 차이를 통하여 공기방 내부의 수위를 측정하여 공기방 내 공기의 유출정도를 빠르게 측정함으로써 필요 시 컴프레셔를 작동하여 공기를 공급하여 공기방 내부의 공기량을 일정하게 유지할 수 있도록 하는 에어 캐비티 선박의 공기 공급 제어장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 선체 바닥(2)과 공기방 상부(4)에 각각 압력 센서를 설치하고 각각의 센서에서 압력을 측정하는 단계(S10); 선체 바닥(2)의 압력센서의 측정값과 공기방 상부(4)의 압력센서의 측정값의 차이를 계산하여 공기방 내부의 수위를 측정하는 단계(S20); 상기 측정된 수위를 제어컨트롤러로 전달하는 단계(S30); 수위를 전달받은 제어컨트롤러가 적정 수위를 감지하여 기준 수위 이상의 수위 변동이 있는지 판단하는 단계(S40); 상기 기준 수위 이상의 수위 변동이 있을 경우 제어컨트롤러가 컴프레셔를 작동시켜 공기방 내로 공기를 공급하여 충전하는 단계(S50); 상기 압력센서를 통하여 측정된 수위변동 사항을 전달받아 수위 변동 시점이 있는지 판단하는 단계(S60); 상기 제어컨트롤러가 압력센서로부터 수위변동이 없는 시간이 일정시간 유지되면 컴프레셔의 작동을 중지시키는 단계(S70); 상기 제어컨트롤러가 S20 단계로 되돌아가는 단계(S80)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 선체의 바닥에 설치된 압력센서와 공기방 상부에 설치된 압력센서의 차이를 통하여 공기방 내부의 수위를 측정하는 것으로, 압력차이를 통한 수위 측정을 통하여 공기방 내부의 신속한 공기 보충이 이루어질 수 있고, 공기방 내 공기가 자동으로 완충상태를 유지하게 되어 과도한 컴프레셔의 작동에 따른 에너지의 낭비를 예방할 수 있다.
또한, 상기 압력센서는 발라스트 탱크 내부에 설치 가능하므로 별도의 설치공간이 필요하지 않으며, 측정부위의 물 표면의 국부적인 파동에 영향이 적고, 전체 공기방의 압력은 위치에 따라 변화가 적으므로 여러개의 센서를 설치할 필요가 없고, 연속적인 레벨변화의 측정이 가능한 이점이 있는 매우 유용한 발명인 것이다.
도 1 은 종래 일 실시예에 따른 에어 캐비티 선박의 구조를 나타낸 측면도,
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 수위 변동에 따른 공기 공급구조를 나타낸 개념도,
도 3 은 두 지점의 압력차이를 통하여 수위를 측정하는 과정을 설명하기 위한 개념도,
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 수위 측정 방법을 설명하기 위한 개념도.
도 5 는 본 발명에 따른 공기방내 공기 공급 제어 흐름도.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 컴프레셔의 작동시간 제어흐름을 그래프로 나타낸 예시도,
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 는 본 발명의 한 실시예에 따른 수위 변동에 따른 공기 공급구조를 보인 개념도이다. 도시된 바와 같이 본 발명은 에어 캐비티 선박의 선체 바닥(2)과 선저에 형성된 공기방(10)의 상부(4)에 각각 압력센서(20, 21)가 설치되어 있고, 공기방의 어느 일지점에는 고압공기를 생산하는 컴프레셔(30)의 압축공기를 토출하는 노즐(31)이 형성되어 있다. 또한 압력센서의 측정값에 따라 컴프레셔의 작동을 제어하는 제어컨트롤러(40)가 구비된다.
상기 도면에서 컴프레셔 및 노즐은 편의상 하나로 도시되어 있으나 에어 캐비티 선박의 선저에 형성된 공기방의 크기에 따라 그 개수는 변경될 수 있는 것으로 본 발명에서는 개수를 한정하지는 않는다.
한편, 상기 선체 바닥에 설치된 압력센서와 공기방의 상부에 설치된 압력센서를 전송받아 공기방 내부의 수위를 계산하는 마이컴(22)을 포함하고 있다.
상기 마이컴에서 수위를 계산하는 방법을 도면과 수식을 사용하여 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 도 4 를 보면 압력에 따라 공기방의 수위를 계산하기 위한 과정을 설명하기 위한 예를 나타내고 있다.
도면에서 보는 바와 같이 선체의 바닥(2)부과, 선체 외부의 수위(1)를 표시하게 되면 선체의 바닥(2)과 선체 외부의 수위(1)는 에너지평형법칙에 따라 다음 수식으로 나타낼 수 있다.
[수식1]
Figure pat00001
+
Figure pat00002
+
Figure pat00003
=
Figure pat00004
+
Figure pat00005
+
Figure pat00006
여기서 선체의 바닥(2)점과 선체 외부의 수위(1)점의 속도에너지항의 차이는 압력 및 위치에너지항의 차이에 비하여 미미하므로 속도에너지 항을 무시하고, P1은 대기압이므로 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수식2]
Figure pat00007
=
Figure pat00008
+
Figure pat00009
Figure pat00010
=
Figure pat00011
(
Figure pat00012
-
Figure pat00013
) =
Figure pat00014
여기서, 공기방 내부의 수위(3)를 살펴보면 선체의 바닥(2)점과 공기방 내부의 수위(3)점은 에너지평형법칙에 따라 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수식3]
Figure pat00015
+
Figure pat00016
+
Figure pat00017
=
Figure pat00018
+
Figure pat00019
+
Figure pat00020
상기 [수식3]에서 선체의 바닥(2)점과 공기방 내부의 수위(3)점의 속도에너지항의 차이는 압력 및 위치에너지항의 차이에 비하여 미미하므로 속도에너지 항을 무시하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수식4]
Figure pat00021
+
Figure pat00022
=
Figure pat00023
+
Figure pat00024
Figure pat00025
=
Figure pat00026
+
Figure pat00027
(
Figure pat00028
-
Figure pat00029
) =
Figure pat00030
-
Figure pat00031
=
Figure pat00032
-
Figure pat00033
=
Figure pat00034
공기방 내부의 수위(3)는 공기방 내부의 수위(3)에 바로 접하는 유체의 압력과 공기방 내부의 기체의 압력이 동일하게 되었을 경우에 정상상태가 된다. 즉, 공기방 내부의 수위(3)에서의 압력과 공기방 상부(4)의 압력은 동일하다.
그러므로 공기방 내부의 기체의 압력은 다음과 같다.
[수식5]
Figure pat00035
=
Figure pat00036
도 3 에서 흘수(Draft)의 수위 변화에 따라 변화되는 공기방 내부의 수위를 구할 수 있는데, 도면의 (a)와 (b)의 공기방 내부의 온도가 같다고 가정하고(T1=T2) 상태변화를 살펴보면 이상기체 상태 방정식에서 다음과 같은 수식을 얻을 수 있다.
[수식6]
Figure pat00037
=
Figure pat00038
=
Figure pat00039
=
Figure pat00040
=
Figure pat00041
Figure pat00042
=
Figure pat00043
=
Figure pat00044
=
Figure pat00045
즉, 빠져나가는 공기가 없다고 가정을 하면 (a)에서 (b)로 변화할 시 공기방 내부의 체적
Figure pat00046
가
Figure pat00047
의 1/2이 된다는 것은
Figure pat00048
가
Figure pat00049
의 2배가 된다는 것을 의미한다.
흘수(Draft) 관점에서 보면 공기방 내부의 기체의 체적이 반으로 줄었다는 것은 draft(
Figure pat00050
)가
Figure pat00051
, 즉, [{draft(
Figure pat00052
)+10m}ㅧ2-10m+공기방 높이ㅧ1/2]로 증가했다는 것을 의미한다.
상기 계산식을 도 4 와 함께 본원발명에 적용하면, 선체 바닥(2)에 설치된 압력센서의 압력은
Figure pat00053
=
Figure pat00054
이고, 공기방 상부(4)에 설치된 압력센서의 압력은
Figure pat00055
=
Figure pat00056
으로 나타낼 수 있다.
여기서 공기방 내부의 수위는
Figure pat00057
=
Figure pat00058
=
Figure pat00059
와 같이 계산될 수 있다.
즉, 공기방 내부의 수위는 선체의 바닥(2)에 설치된 압력센서의 압력과, 공기방 상부(4)에 설치된 압력센서의 압력의 차이로 구할 수 있다.
구체적으로 본 발명에 의한 에어 캐비티 선박이 운항될 경우를 예로 들어 설명하면, 에어 캐비티 선박이 운항하면서 해수와의 접촉 또는 선박 속도에 따라 공기방(10)에 충전된 공기가 공기방(10) 하부를 통해 선박의 외부로 배출되면, 그 배출된 공기층의 체적만큼의 해수가 공기방(10)으로 유입된다.
이와 같이 해수가 공기방(10)으로 유입되면, 공기방(10)의 내부의 수위는 상승하게 되고, 이때 상기 선체의 바닥(2)에 설치된 압력센서의 압력과, 공기방 상부(4)에 설치된 압력센서의 차이를 계산하여 상승된 수위가 측정되어 수위 상승에 대한 정보를 제어컨트롤러(40)로 전달하게 되고, 제어 컨트롤러는 컴프레셔(30)를 작동시켜 압축공기를 노즐(31)을 통해 공기방(10)에 공급하여 공기방(10) 내부의 공기를 보충하게 된다.
또한, 컴프레셔(30) 작동을 통해 공기방(10) 내부에 공기가 공급되어 수위가 낮아지게 되는 시점 이후부터는 컴프레셔(30)를 통해 공급되는 공기가 공기방(10) 외부로 빠져 나가고 있는 상태이므로 컴프레셔(30)의 작동을 중지시키면 공기방(10) 내 불필요한 공기 공급을 예방하게 되어 에너지의 손실을 줄여줄 수 있게 된다.
도 6 은 본 발명의 한 실시예에 따른 컴프레셔의 작동시간 제어흐름을 그래프로 나타낸 예시도로서, 도시된 바와 같이 본 발명의 공기방(10)내 충전된 공기의 배출에 따라 수위레벨의 변동이 오게 됨을 알 수 있고, 이 수위레벨을 측정하여 컴프레셔(30)를 작동함으로써 수위 레벨이 다시 변동되는 것을 알 수 있다.
즉, 공기방(10)내 공기가 빠져 나가면서 시간이 지날수록 수위가 선형적으로 상승하게 되고, 압력센서에 의해 지속적으로 수위를 측정하여 컴프레셔(30)의 작동이 개시되면 시간이 지남에 따라 그 수위가 다시 내려가게 되고, 일정시간이 지나면 수위 변동이 없는 상태(Steady status)의 시간이 지속되게 된다.
이러한 수위 변동이 없는 시간이 바로 공기방(10)내 공기가 컴프레셔(30)에 의해 완충된 시간으로 기준압력에 해당하는 시기이다.
따라서 공기방(10)내 공기가 완충된 이 시기 이후부터 컴프레셔(30)를 통해 공급되는 공기는 공기방(10) 체적을 벗어난 공급량이므로 이러한 초과 공급량은 계속 공기방(10) 외부로 배출되게 된다.
이러한 수위레벨의 변화가 일정 시간동안 일어나지 않으면 제어컨트롤러(40)는 공기방(10)내 압력의 변동이 없음을 인지하여 컴프레셔(30)의 작동을 중지시키게 된다. 이 컴프레셔(30)의 작동이 중지된 시점이 바로 그래프에서 기울기가 없는 직선의 끝 지점이다.
이후 컴프레셔(30)의 작동이 중지되면 선박의 운항에 따른 공기 유실로 인해 다시 공기방(10) 내의 공기층이 이루는 체적이 작아지면서 공기방(10)내 압력이 줄어들어 수위는 상승하게 되고, 압력센서에 의해 측정되는 수위가 일정 수준 이상 상승하면 수위 측정값을 전달받은 제어컨트롤러(40)가 다시 컴프레셔(30)를 작동시켜 공기 공급량을 늘임으로써 수위가 내려가게 되고, 이후 공기방(10)이 충전되어 수위 변동이 없게 되면 컴프레셔(30)의 작동을 중지시키는 싸이클을 반복하게 된다.
도 5 은 본 발명에 따른 공기방내 공기 공급 제어 흐름도인데, 이를 통해 본 발명의 제어 흐름을 설명한다.
본 발명에 따른 제어흐름은 선체 바닥(2)과 공기방 상부(4)에 각각 압력 센서를 설치하고 각각의 센서에서 압력을 측정하는 단계(S10)와, 선체 바닥(2)의 압력센서의 측정값과 공기방 상부(4)의 압력센서의 측정값의 차이를 계산하여 공기방 내부의 수위를 측정하는 단계(S20)와, 상기 측정된 수위를 제어컨트롤러로 전달하는 단계(S30)와, 수위를 전달받은 제어컨트롤러가 적정 수위를 감지하여 기준 수위 이상의 수위 변동이 있는지 판단하는 단계(S40)와, 상기 기준 수위 이상의 수위 변동이 있을 경우 제어컨트롤러가 컴프레셔를 작동시켜 공기방 내로 공기를 공급하여 충전하는 단계(S50)와, 상기 압력센서를 통하여 측정된 수위변동 사항을 전달받아 수위 변동 시점이 있는지 판단하는 단계(S60)와, 상기 제어컨트롤러가 압력센서로부터 수위변동이 없는 시간이 일정시간 유지되면 컴프레셔의 작동을 중지시키는 단계(S70)와, 상기 제어컨트롤러가 S20 단계로 되돌아가는 단계(S80)를 포함하여 이루어진다.
이와 같은 단계를 가짐으로써 본 발명은 항시 공기방(10)내 공기가 자동으로 완충상태를 유지하게 되어 과도한 컴프레셔(30)의 작동에 따라 에너지 낭비를 예방하게 된다.
또한, 공기방(10) 내부의 수위를 지속적으로 측정함으로써 공기방(10) 내부의 신속한 공기 보충이 이루어질 수 있도록 하는 것이다.
한편, 본 발명에 있어 압력센서를 이용하여 수위를 측정하는 방법은, 상기 계산식을 본원발명에 적용하면, 선체 바닥(2)에 설치된 압력센서의 압력은
Figure pat00060
=
Figure pat00061
이고, 공기방 상부(4)에 설치된 압력센서의 압력은
Figure pat00062
=
Figure pat00063
으로 나타낼 수 있다.
여기서 공기방 내부의 수위는
Figure pat00064
=
Figure pat00065
=
Figure pat00066
와 같이 계산될 수 있다.
즉, 공기방 내부의 수위는 선체의 바닥(2)에 설치된 압력센서의 압력과, 공기방 상부(4)에 설치된 압력센서의 압력의 차이로 구할 수 있는 것이다.
상기와 같이 본 발명은 선체의 바닥에 설치된 압력센서와 공기방 상부에 설치된 압력센서의 차이를 통하여 공기방 내부의 수위를 측정하는 것으로, 압력차이를 통한 수위 측정을 통하여 공기방 내부의 신속한 공기 보충이 이루어질 수 있고, 공기방 내 공기가 자동으로 완충상태를 유지하게 되어 과도한 컴프레셔의 작동에 따른 에너지의 낭비를 예방할 수 있다.
또한, 상기 압력센서는 발라스트 탱크 내부에 설치 가능하므로 별도의 설치공간이 필요하지 않으며, 측정부위의 물 표면의 국부적인 파동에 영향이 적고, 전체 공기방의 압력은 위치에 따라 변화가 적으므로 여러개의 센서를 설치할 필요가 없고, 연속적인 레벨변화의 측정이 가능한 장점이 있다.
상술한 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.
1: 선체 외부의 수위 2: 선체의 바닥
4: 공기방의 상부 10: 공기방
20: 선체 바닥부 압력센서 21: 공기방 상부 압력센서
22: 마이컴 30: 컴프레셔
31: 노즐 40: 제어컨트롤러

Claims (3)

  1. 선체 바닥부에 공기방을 형성하는 에어 캐비티 선박에 있어서,
    고압공기를 생산하는 컴프레셔(30); 공기방의 어느 일지점에 형되어 컴프레셔(30)의 압축공기를 토출하는 노즐(31); 에어 캐비티 선박의 선체 바닥(2)에 설치되는 선체 바닥부 압력센서(20); 공기방 상부에 설치되는 공기방 상부 압력센서(21); 상기 선체 바닥부 압력센서(20) 및 공기방 상부 압력센서(21)압력센서의 측정값에 따라 수위를 측정하여 컴프레셔의 작동을 제어하는 제어컨트롤러(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어 캐비티 선박의 공기방 수위측정을 통한 공기 공급 제어장치.
  2. 청구항 1 에 있어서,
    상기 선체 바닥부 압력센서(20) 및 공기방 상부 압력센서(21)압력센서의 측정값은 선체 바닥부의 압력센서(20)의 측정값과 공기방 상부의 압력센서(21)의 측정값의 차이를 계산하여 공기방 내부의 수위를 측정하는 것을 특징으로 하는 에어 캐비티 선박의 공기방 수위측정을 통한 공기 공급 제어장치.
  3. 선체 바닥(2)과 공기방 상부(4)에 각각 압력 센서를 설치하고 각각의 센서에서 압력을 측정하는 단계(S10); 선체 바닥(2)의 압력센서의 측정값과 공기방 상부(4)의 압력센서의 측정값의 차이를 계산하여 공기방 내부의 수위를 측정하는 단계(S20); 상기 측정된 수위를 제어컨트롤러로 전달하는 단계(S30); 수위를 전달받은 제어컨트롤러가 적정 수위를 감지하여 기준 수위 이상의 수위 변동이 있는지 판단하는 단계(S40); 상기 기준 수위 이상의 수위 변동이 있을 경우 제어컨트롤러가 컴프레셔를 작동시켜 공기방 내로 공기를 공급하여 충전하는 단계(S50); 상기 압력센서를 통하여 측정된 수위변동 사항을 전달받아 수위 변동 시점이 있는지 판단하는 단계(S60); 상기 제어컨트롤러가 압력센서로부터 수위변동이 없는 시간이 일정시간 유지되면 컴프레셔의 작동을 중지시키는 단계(S70); 상기 제어컨트롤러가 S20 단계로 되돌아가는 단계(S80)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어 캐비티 선박의 공기방 수위측정을 통한 공기 공급 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103231774B (zh) * 2013-05-10 2015-09-23 沪东中华造船(集团)有限公司 用于压差传感器大气进口端的缓冲管及其装配方法
CN110044439A (zh) * 2019-04-23 2019-07-23 山东省地质矿产勘查开发局第八地质大队(山东省第八地质矿产勘查院) 一种多参数远程自动抽水试验记录仪及其方法

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