KR20150015220A - 이온풍 발생 장치에서 이온풍의 속도 산출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온풍 발생 장치에 관한 것이다. 본 발명은 바늘 형태의 에미터 전극과, 실린더 형태의 콜렉터 전극을 포함하는 이온풍 발생 장치에 대해, 상기 에미터 전극과 상기 콜렉터 전극의 전압차(V), 상기 에미터 전극과 상기 콜렉터 전극의 거리(G), 상기 콜렉터 전극의 직경(D)에 의해서 발생되는 이온풍의 속도가 산출되는 것을 특징으로 하는 이온풍 발생 장치에서 이온풍의 속도 산출 방법을 제공한다.

Description

이온풍 발생 장치에서 이온풍의 속도 산출 방법{Velocity calculating method for Ionic Wind Generator}

본 발명은 이온풍 발생 장치에서 이온풍의 속도 산출 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이온풍 발생 장치를 제조하지 않더라도 이온풍의 속도를 산출할 수 있는 이온풍의 속도 산출 방법에 관한 것이다.

코로나 방전을 이용한 이온풍은 풍속의 발생과 제어가 용이하고, 기계적인 가동 부분이 없으므로 마모와 소음이 발생하지 않으며 소형화가 가능하다는 장점이 있다.

이온풍은 Hauksbee가 1719년에 최초로 대전된 튜브에서 약한 바람이 생성되는 것을 발견한 이후로 Chattock이 이온풍의 현상을 정량적으로 분석하였으며, 이어 Robinson에 의해 역학적으로 규명이 되었다. 특히 Robinson은 이온풍의 속도가 전류의 함수로 표현된다는 것과, 공기 중에서 코로나 방전시 공급되는 전기에너지의 1~2% 만이 기체입자의 운동에너지로 변환된다는 것을 증명하였다. 한편 Christenson 등은 이온풍이 항공기의 추진에 이용될 수 있다는 제안을 하였다.

코로나 방전을 이용한 송풍장치의 원리는 코로나 방전 전극에서 발생된 이온들이 전극간의 전계, 즉 쿨롱 힘에 의하여 방전 전극(에미터 전극)에서 접지 전극(콜렉터 전극)으로 이동하게 된다. 이렇게 이동하는 이온들이 공기분자의 충돌을 통하여 공기 분자들을 같은 방향으로 이동시키게 되고, 이러한 공기분자들의 운동이 모여 최종적으로 송풍력으로 이용되는 것이다.

따라서, 이온풍을 효과적으로 발생시키기 위해서는 코로나 방전에 의한 많은 이온들의 발생과, 이들 이온들을 강하게 가속시키기 위한 높은 인가 전압(전계)의 생성이 필수적이다.

이러한 이온풍 발생 장치를 다양한 형태로 개발하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 실제로 제품을 제작하지 않더라도 이온풍 발생 장치의 이온풍의 속도를 산출할 수 있는 산출 방법를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 바늘 형태의 에미터 전극과, 실린더 형태의 콜렉터 전극을 포함하는 이온풍 발생 장치에 대해, 기 에미터 전극과 상기 콜렉터 전극의 전압차(V), 상기 에미터 전극과 상기 콜렉터 전극의 거리(G), 상기 콜렉터 전극의 직경(D)에 의해서 발생되는 이온풍의 속도가 산출되는 것을 특징으로 하는 이온풍 발생 장치에서 이온풍의 속도 산출 방법을 제공한다.

특히 수학식 1에 의해서 이온풍의 속도가 산출되는 것을 특징으로 하는 이온풍 발생 장치에서 이온풍의 속도 산출 방법을 제공할 수 있는데, 수학식 1은

이고, A는 콜렉터 전극의 단면적을 의미하고,

를 의미한다.

한편 이온풍의 속도를 산출할 때에 콜렉터 전극의 길이(L)은 인자로 포함시키지 않는 것이 가능하다.

본 발명에 따르면 실제로 제품을 제작하지 않더라도 이온풍 발생 장치에서 발생되는 이온풍을 산출할 수 있기 때문에 비용이 절감될 수 있다.

도 1은 바늘과 실린더 타입 이온풍 발생 장치의 원리를 도시한 도면.
도 2(a)는 바늘과 실린더 타입 이온풍 발생 장치를 도시한 도면.
도 2(b)는 실험 장치를 도시한 도면.
도 3(a)는 전극 사이의 거리와 인가 전압에 따른 이온풍 발생 장치의 의존도를 도시한 도면.
도 3(b)는 이온풍 발생 장치의 전류-전압 특성을 도시한 도면.
도 4(a)는 방전 전류에 따른 이온풍의 속도 의존도를 도시한 도면. 이때 실선은 식(4)에 의해 예측되는 모델을 도시한 것임.
도 4(b)는 (V-V₀)²에 따른 방전 전류의 의존도를 도시한 도면. 이때 실선은 선형 피팅 라인을 의미함.
도 5는 매개 변수 S에 대한 상수 K₁의 의존도를 도시한 도면.
도 6은 매개 변수 S에 대한 개시 전압의 의존도를 도시한 도면.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

본 발명에서는 실린더 타입의 콜렉터 전극과 바늘 형상의 에미터 전극을 갖는 이온 풍력 발전기를 설계한다. 각각의 전극은 각각 0.7 mm 직경을 갖는 니켈 도금이 된 강철 바늘과, 구리로 이루어진 원통형 튜브로 구성된다. 각각의 전극은 전극 사이의 거리를 수동으로(도 2 참조)가 조정할 수 있도록 설치되어서 거리를 변화시켜 가면서 측정한다.

양극은 고전압 DC 전원 공급 장치 (SL20P30/220, Spellman)를 사용하였다. DAQ 카드 (PCI-6220, National Instruments)와 LabVIEW 9.0 (내쇼날 인스트루먼트)는 인가 전압과 방전 전류를 기록한다. 이온풍의 속도를 측정하기 위해, 열선 풍속계 프로브 (AM-4214SD, Lutron)을 채택했다. 프로브는 구리 실린더 전극의 중심에서 50mm 떨어지도록 배치되고, 위치 및 풍속계 컨트롤러는 1초 마다 속도를 측정하였다. 개시 전압 V₀는 1 μA의 방전 전류를 적용하여 결정되었다. 실내는 20 ~ 25 ℃의 온도를 가지고, 60~66% 습도가 실험 기간 동안 유지되었다.

이온풍에 대한 네 개의 제어 파라미터(실린더 전극의 직경 D, 실린더 전극의 길이 L, 전극들 사이에 전압차 V, 전극 사이의 거리 G (표 1 참조))를 추정했다. 우리는 실린더 전극의 형상을 다섯 가지의 직경과 세 가지 길이로 바꾸었다.

Property	Parameter	Range	Intervals
Input parameter	Appllied voltage (V)	5 to 10 kV	1 kV
	Gap between electrode (G)	-10 to 20 mm	5 mm
	Cylinder electrode configuration	Length (L): 10 to 30 mm	10 mm
		Diameter(D): 8, 9.5, 12.7, 25.4, 31.7 mm
Output parameter	Ionic wind velocity (U) and discharge current (I)

전위는 5 kV의 10 kV로, 전극 사이의 거리는 -10 mm에서 20mm 사이로 변화시켰다. 이때 전극 사이의 거리의 음의 부호가 바늘 실린더 전극에 삽입된 상태를 의미한다.

실험 절차

전원이 켜진 후 이온풍 발생 장치는 이온풍 흐름이 안정될 때까지, 20 초 동안 작동된다. 풍속계 컨트롤러와 LabVIEW 9.0은 20초 동안 인가 전압, 방전 전류와 이온 풍속을 기록한다. 측정은 동일한 제어 매개 변수에 대해 3 회 반복하고, 평균값이 분석된다.

실험 결과에 따르면, 이온풍의 속도와 방전 전류가 네 개의 매개 변수(V, G, D, L)에 의존하는 것을 밝혀냈다. 이온풍의 속도가 포물선 프로파일을 가지고, U는 원통형 전극의 중앙에서 최대 속도를 의미한다.

A. 실험 결과

도 3 (a)는 다양하게 적용된 전압에 대한 전극 사이의 거리에 따른 이온풍의 속도 의존성을 나타낸다. 실린더 길이는 10mm로 고정하지만, 전극 사이의 거리를 -10 mm에서 20 mm까지의 범위에서 변화시켰다. 도 3(a)의 각각의 그래프는 하나의 실린더 직경에 대해서 값을 변화시켜서 측정된 그래프이다. 8mm ~ 12.7mm의 직경을 갖는 실린더에서, 항복 전압은 25.4mm ~ 31.7mm의 직경을 갖는 실린더보다 낮았다. 따라서 8 ~ 12.7 mm의 실린더 직경을 갖는 일부 데이터는 사용할 수 없다.

실험 결과는 이온풍의 속도는 두 전극 사이의 거리 G에 따른 인가 전압에 따라 증가된다. 두 전극 사이의 전기장은

(1)

로 주어진다.

(1) 식에 따른 전기장은 인가 전압에 따라 증가된다. 전기장에 충전된 이온에 적용되는 힘은 가스의 단위 볼륨에 대한 힘으로 간주 될 수 있다:

(2)

이때, F는 이온에 적용되는 힘이고, E는 전기장, e는 기본 전하, 이온의 수는 n 을 의미한다. 힘은 공기의 흐름을 발생시키기 때문에, 이온풍의 속도는 증가되는 인가 전압에 따라 증가한다.

이온풍의 속도는 5 mm와 10mm 사이의 특정 전극 간 거리에서 극대화될 수 있다. Rickard et al. 는 전극 사이의 거리와 실린더의 직경의 비(G/D)가 대략 0.5일 때에 이온풍의 속도의 속도가 최고라고 얘기한다. 실험 결과에 따르면 G / D가 0.32와 0.63 사이의 범위라고 결과를 밝혀냈고, 이전 연구에 따른 결과와 어느 정도 일치하는 것을 확인할 수 있다.

도 3 (b)는 이온풍 발생 장치의 전류 - 전압 특성을 작은 실린더에 대해서는 단조롭게(monotonously) 인가 전압에 따라 증가하지만, 큰 실린더 직경에서는 2차의 형태(quadratic)에 따르게 인가 전압에 따라 증가한다.

B. 경험적 모델

실험 결과를 바탕으로, 우리는 경험적 모델을 개발했다. 이전의 연구에서, 이온풍의 속도 U는 (3)에 따른 식에 의해서 구현되었다.

(3)

이때, I는 방전 전류이고, 공기의 밀도 ρ = 1.2 kg/m³ , 양이온의 이동성 μ = 2.0m²/V·s을 의미한다. 계수 k는 주로 전극의 형상과 전극 사이의 거리에 따라 달라진다. Sigmond and Lagstadt는 플레이트 형상의 바늘에 대해서 상수 k는 G / A의 제곱근에 비례한다는 것을 제안했다(A는 유효 방전을 위한 단면적). 이온풍이 속도는 그래서 아래와 같이 표현될 수 있다.

(4)

도 4 (a)에서 방전 전류에 대한 이온풍의 속도를 제시한다. 실선은 식(4)에 의해서 예측된 속도를 의미한다. 유효 방전 단면적은 우리의 실험에서 설정된 구리 실린더 튜브의 단면적으로 주어진다. 그림 4 (a)는 예측값과 25.4 mm와 31.7 mm의 실린더 직경에 대한 실험 데이터가 일치하는 것을 보여준다.

우리는 방전 전류와 인가 전압 사이의 관계를 고려하여 진행했다. Townsend는 대략적인 관계를 제안했다:

(5)

이때 K₀는 바늘 전극의 반경, 이온 이동성, 전극 사이의 거리, 전극의 형상에 의존하는 계수이다.

그러나 Kip은 Townsend 타운센드의 관계식이 양의 코로나 프로세스보다 음의 코로나 프로세스에 보다 적합하다고 했다. 양의 코로나 프로세스에 관해서는 Meng el al. 은 아래 식에 의해서 경험적 모델을 제시한다.

(6)

이때, 지수 n은 바늘에 대한 플레이트, 바늘에 대한 실린더 형상에 대해서 1.5~2.0의 값을 가진다. 우리의 실린더 형상에서는, n은 2가 선택되었다. 그림 4(b)의 피팅 라인의 기울기는 매개 변수 K₁을 결정한다. 그림 5에서, 우리는 차원의 매개 변수 S에 대한 기울기를 제시한다. S는 아래 (7)식에 의해서 바늘과 실린더 형상에 따른 거리:

(7)

와 피팅 라인에 데이터 포인트의 컬랩스(collapse)에 의해서 주어질 수 있다.

(8)

또한, 우리는 도 6에서 S에 대한 코로나 개시 전압을 표현하는데, 코로나 개시 전압은 다음과 같이 표현될 수 있다.

(9)

식(6)에서 K₁과 V₀ 를 바꾸어서, 전류 - 전압 특성의 관계를 얻을 수 있다.

(10)

따라서, 이온풍에 아래 식에 따른 경험적 모델이 도출된다.

(11)

이때 A는 컬렉터 전극, 즉 실린더의 단면적(고리 형상을 가짐)을 의미한다.

본 발명에 따른 모델은 이온풍의 속도가 선형적으로 주어진 전극 형상과 작동 유체에 대해서 인가 전압에 따라 증가한다는 것을 보여준다.

실험적으로 양의 코로나(positive corona)로 작동되는 바늘과 실린더 타입의 이온풍 발생 장치를 조사했고, 첫 번째 실험 모델을 개발했다. 다양한 제어 변수(인가 전압, 전극 사이의 거리, 전극 형상)에 대한 이온풍의 속도의 의존도를 결정하기 위해서, 우리는 이온풍의 속도와 방전 전류를 측정했다.

측정에 따르면, 이온풍의 속도가 최대가 되기 위해서는 전극 사이의 최적 거리가 있다는 것이 밝혀졌다. 전극 사이의 주어진 거리에 대해서, 이온풍의 속도는 인가 전압에 따라 증가된다. 또한, 방전 전류는 인가 전압과 코로나 개시 전압 사이의 차이에 대한 이차 함수형태를 이룬다. 본 발명에서는 인가 전압과 전극의 형상에 대한 이온풍의 속도 의존성을 나타내는 경험적 모델을 제안한다. 이 모델은 전극의 구조 및 열 관리 및 흐름 제어의 응용 가능성을 가지고 이온 풍력 발전기를 설계 운전 조건을 결정하는 데 사용할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

Claims (5)

1. 바늘 형태의 에미터 전극과, 실린더 형태의 콜렉터 전극을 포함하는 이온풍 발생 장치에 대해,
   상기 에미터 전극과 상기 콜렉터 전극의 전압차(V), 상기 에미터 전극과 상기 콜렉터 전극의 거리(G), 상기 콜렉터 전극의 직경(D)에 의해서 발생되는 이온풍의 속도가 산출되는 것을 특징으로 하는 이온풍 발생 장치에서 이온풍의 속도 산출 방법.
2. 제1항에 있어서,
   수학식 1에 의해서 이온풍의 속도가 산출되는 것을 특징으로 하는 이온풍 발생 장치에서 이온풍의 속도 산출 방법.
   [수학식 1]
   이온풍 속도
   

   

   
   이때, A는 콜렉터 전극의 단면적을 의미하고,

   

   를 의미함.
3. 제1항에 있어서,
   이온풍의 속도를 산출할 때에 콜렉터 전극의 길이(L)은 인자로 포함시키지 않는 것을 특징으로 하는 이온풍 발생 장치에서 이온풍의 속도 산출 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 에미터 전극은 니켈 도금된 것을 특징으로 하는 이온풍 발생 장치에서 이온풍의 속도 산출 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 콜렉터 전극은 구리도 이루어진 것을 특징으로 하는 이온풍 발생 장치에서 이온풍의 속도 산출 방법.

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