KR20220143396A - 냉각 장치 및 이를 포함하는 포신 냉각 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 운용 시 온도가 상승하는 발열 장치에 적용되는 포신 냉각 시스템에 있어서, 발열 장치를 둘러싸며, 운용 시 과열되는 발열 장치를 냉각하는 냉각 장치; 및 발열 장치에서 발생되는 열의 온도와 온도에 의한 발열 장치의 변형량을 포함하는 발열 정보를 실시간으로 전달 받고, 발열 정보를 기반으로 발열 장치의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고, 냉각 장치는 발열 장치를 둘러싸도록 도포된 상변화 물질을 통해 발열 장치를 냉각하는 것을 특징으로 하는 포신 냉각 시스템을 제시한다.

Description

냉각 장치 및 이를 포함하는 포신 냉각 시스템{Cooling apparatus and gun barrel cooling system including the same}
본 발명은 냉각 장치 및 이를 포함하는 포신 냉각 시스템에 관한 것이며, 특히 상변화 물질 및 광섬유 센서가 적용된 냉각 장치 및 이를 포함하는 포신 냉각 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
해군 함정의 대함/대공/대장/대지 등의 복합전 개념의 다중 위협에 대한 작전이 수행되고 있다. 적의 공격 무기체계가 고도화/정밀화 되면서 함정 생존성의 확보가 필요하다. 종말 단계의 방어 시스템인 근접방어무기체계(CIWS)의 경우 대공/대함 위협표적을 제거하기 위해 중앙에 위치한 함포를 통해 분당 수천발을 발포하게 되며, 탄 발포 시 발생되는 열에 의해 포신에 예측이 불가능한 변형이 발생하여 함포 명중률을 저하시키므로 포신에 대한 냉각 설계가 필요하다.
종래의 고속 발포, 연속사격용 함포의 경우 별도의 냉각장치를 미보유하고 있으며, 짧은 시간에 발생된 고열에 의해 포신의 변형이 최소화 될 수 있도록 포신의 재질 선정 시 열 변형율이 최소화된 재질로 제작할 수 있다. 하지만, 열 변형율이 최소화되는 재질로 포신을 제작하더라도 발포 시 발생되는 고열에 의해 함포의 포신이 변형되게 되며, 포신 변형에 따라 함포 명중률이 저하된다.
또한, 종래의 연속사격용 함포는 발포 시 발생되는 고열로 인해 함포를 연속적으로 운용하는데 제한이 발생하며, 한계 시간 동안 발포 후 포신 냉각을 위한 시간이 필요한 문제가 있으며, 발포 시 발생되는 열이 얼마나 되는지 열에 의해 포신이 어떤 형상으로 변형되는지 확인이 불가능한 문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 발포 시 발생되는 열에 의한 온도 및 온도에 따른 변형량을 측정하여, 함포 제어에 활용함으로써, 함포의 명중률을 상승시키는 것에 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 운용 시 온도가 상승하는 발열 장치에 적용되는 포신 냉각 시스템에 있어서, 상기 발열 장치를 둘러싸며, 운용 시 과열되는 상기 발열 장치를 냉각하는 냉각 장치; 및 상기 발열 장치에서 발생되는 열의 온도와 상기 온도에 의한 상기 발열 장치의 변형량을 포함하는 발열 정보를 실시간으로 전달 받고, 상기 발열 정보를 기반으로 상기 발열 장치의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 냉각 장치는 상기 발열 장치를 둘러싸도록 도포된 상변화 물질을 통해 상기 발열 장치를 냉각하는 것을 특징으로 하는 포신 냉각 시스템을 제안한다.
바람직하게는, 상기 냉각 장치는, 상기 발열 장치를 둘러싸며, 상기 발열 장치에서 발생하는 열을 전도하는 하우징; 및 상기 하우징의 외측에 구비되며, 상기 발열 장치에서 발생되는 열의 온도 및 상기 온도에 의한 변형량을 실시간으로 측정하여 상기 발열 정보를 생성하는 광섬유 센서를 포함하고, 상기 상변화 물질은 상기 발열 장치와 상기 하우징 사이에 도포되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 냉각 장치는, 상기 발열 장치의 운용이 시작되는 경우, 상기 발열 장치에서 발생하는 열을 상기 하우징을 통해 상기 상변화 물질로 전도하며, 상기 상변화 물질이 일정 온도에서 고체에서 액체로 변화하면서 상기 발열 장치에서 발생하는 열을 흡수하며, 상기 발열 장치의 운용이 종료되는 경우, 상기 상변화 물질이 액체에서 고체로 변화하여 외부로 열을 방출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 발열 정보를 전달 받으며, 상기 발열 정보를 통해 상기 발열 장치의 변형 방향에 따른 변형량을 계산하여 변형 정보를 생성하는 데이터 처리부; 상기 변형 정보를 전달 받으며, 상기 변형 정보에 이용하여 변형에 따른 오차를 보정하여 상기 발열 장치를 제어하는 제어 정보를 생성하는 발열 장치 처리부; 및 상기 제어 정보를 전달 받아 상기 발열 장치를 제어하는 구동 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 데이터 처리부는, 상기 발열 장치 운용 전, 상기 냉각 장치의 광섬유 센서를 통해 측정된 상기 상변화 물질의 온도와 초기 측정된 상기 상변화 물질의 초기 온도 값을 주기적으로 비교하며, 상기 측정된 상변화 물질의 온도와 상기 초기 온도 값의 편차를 기준으로 상기 상변화 물질의 잔존 수명을 예측하여 상기 상변화 물질의 교체 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 데이터 처리부는, 상기 광섬유 센서를 통해 측정된 온도와 상기 초기 온도 값을 기준으로 교체 알고리즘을 적용하여 상기 상변화 물질의 잔존 수명을 예측하여, 상기 예측된 잔존 수명이 기 설정된 수명 이하인 경우 상기 교체 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 교체 알고리즘은, 상기 초기 온도 값과 상기 측정된 온도의 유사성 측정을 통해 잔존 수명을 예측하며, 상기 초기 온도 값과 상기 측정된 온도의 집합 사이의 관계를 평균 함수와 공분산 함수를 통해 학습하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 발열 정보를 분석하여 변형량 및 변형 방향을 기준으로 상기 발열 장치의 정확도를 보상하기 위한 연산을 수행하여 연산 결과를 산출하고, 상기 연산 결과를 기준으로 상기 발열 장치를 구동하는 구동 명령을 생성하여 상기 발열 장치에 전송하는 것을 특징으로 한다
바람직하게는, 상기 발열 장치는, 복수의 포신을 포함하고, 상기 복수의 포신과 상기 냉각 장치의 사이에 상기 상변화 물질이 각각 도포되어 있으며, 상기 복수의 포신을 상기 냉각 장치가 둘러싸며, 상기 냉각 장치는 상기 복수의 포신 각각의 온도를 조절하며, 상기 복수의 포신을 둘러싸기 위해 원통형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은 운용 시 온도가 상승하는 발열 장치에 적용되는 냉각 장치에 있어서, 상기 발열 장치를 둘러싸며, 상기 발열 장치에서 발생하는 열을 전도하는 하우징; 및 상기 하우징의 외측에 구비되며, 상기 발열 장치에서 발생되는 열의 온도 및 상기 온도에 의한 변형량을 실시간으로 측정하는 광섬유 센서를 포함하고, 상기 발열 장치와 상기 하우징 사이에 상변화 물질이 도포되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치를 제안한다.
바람직하게는, 상기 냉각 장치는, 상기 발열 장치의 운용이 시작되는 경우, 상기 발열 장치에서 발생하는 열을 상기 하우징을 통해 상기 상변화 물질로 전도하며, 상기 상변화 물질이 일정 온도에서 고체에서 액체로 변화하면서 상기 발열 장치에서 발생하는 열을 흡수하며, 상기 발열 장치의 운용이 종료되는 경우, 상기 상변화 물질이 액체에서 고체로 변화하여 외부로 열을 방출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 발열 장치는 복수의 포신을 포함하고, 상기 냉각 장치는, 상기 복수의 포신을 각각 원통 형태의 상기 하우징으로 둘러싸며, 상기 복수의 포신과 상기 하우징 사이에 상기 상변화 물질이 각각 도포되어 있으며, 상기 각각의 하우징 외측에 구비되는 상기 광섬유 센서를 통해 상기 복수의 포신에서 발생되는 열의 온도 및 상기 온도에 의한 변형량을 각각 측정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 냉각 장치는, 상기 발열 장치 운용 전, 상기 광섬유 센서를 통해 측정된 상기 상변화 물질의 온도와 초기 측정된 상기 상변화 물질의 초기 온도 값을 주기적으로 비교하며, 상기 측정된 상변화 물질의 온도와 상기 초기 온도 값의 편차를 기준으로 상기 상변화 물질의 잔존 수명을 예측하여 생성된 상기 상변화 물질의 교체 신호에 의해 상기 상변화 물질이 교체되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 본 발명은 분당 수천발을 발사하는 포신에서 발생되는 고열을 상변화 물질이 포함된 냉각 장치를 통해 냉각시킴으로써 포신의 온도를 일정 온도 이하로 유지시킬 수 있으며, 열에 의한 변형을 최소화함으로써 함포의 정확도를 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포신 냉각 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치가 적용된 근접방어무기체계(CIWS)를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 포신 냉각 시스템의 제어부를 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 센서를 통한 포신 변형량을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 센서를 통한 냉각 장치의 잔존 유효 수명을 예측한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치를 포함하는 포신 냉각 시스템의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 발명은 냉각 장치 및 이를 포함하는 포신 냉각 시스템에 관한 것이다.
현대 해군 함정의 대함/대공/대장/대지 등의 복합전 개념의 다중 위협에 대한 작전이 수행되고 있으며, 적의 공격 무기체계가 고도화/정밀화 되면서 함정 생존성의 확보가 필요하다. 종말 단계의 방어 시스템인 근접방어무기체계(CIWS)의 경우 대공/대함 위협 표적을 제거하기 위해 중앙에 위치한 함포를 통해 분당 수천발을 발포하게 되며 탄 발포 시 발생되는 열에 의해 포신에 예측이 불가능한 변형이 발생하여 함포 명중률을 저하시키므로 포신에 대한 냉각 설계가 필요하다.
기존의 고속 발포, 연속 사격용 함포의 경우 별도 냉각 장치를 보유하고 있지 않았으며, 짧은 시간에 발생된 고열에 의해 포신의 변형이 최소화 될 수 있도록 포신의 재질 선정 시 열 변형율이 최소화된 재질로 제작되었다. 이때, 열 변형율이 최소화되는 재질로 포신을 제작하더라도 발포 시 발생되는 고열에 의해 함포의 포신이 변형되게 되며, 포신 변형에 따라 함포 명중률이 저하되는 문제가 있다. 또한, 발포 시 발생되는 고열로 인해 함포를 연속적으로 운용하는데 제한이 발생하며, 한계 시간 동안 발포 후 포신 냉각을 위한 시간이 필요하고, 발포 시 발생되는 열이 얼마나 되는지 열에 의해 포신이 어떤 형상으로 변형되는지 확인이 불가능한 문제가 있다.
본 발명의 냉각 장치 및 이를 포함하는 포신 냉각 시스템은 발포 시 발생되는 열에 의한 온도 및 변형량을 측정하여 함포 제어에 활용함으로써 명중률을 상승시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 냉각 장치(10)는 운용 중에 순간적인 고출력, 고발열을 갖는 플랫폼에 활용 가능이 가능하다. 구체적으로, 냉각 장치(10)는 고속 발포, 연속 사격용 함포 장치 및 총기류를 보유한 플랫폼 등에 사용될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포신 냉각 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1에서 도시한 바와 같이 포신 냉각 시스템(10)은 냉각 장치(100) 및 제어부(200)를 포함하며, 발열 장치(26)에 적용될 수 있다. 포신 냉각 시스템(10)은 도 1에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다.
포신 냉각 시스템(10)은 운용 시 온도가 상승하는 발열 장치에 적용될 수 있다.
냉각 장치(100)는 발열 장치(26)를 둘러싸며, 운용 시 과열되는 발열 장치(26)를 냉각할 수 있다.
냉각 장치(100)는 발열 장치(26)를 둘러싸도록 도포된 상변화 물질(130)을 통해 발열 장치(26)를 냉각할 수 있다.
냉각 장치(100)는 하우징(110), 광섬유 센서(120) 및 상변화 물질(130)을 포함한다. 냉각 장치(100)는 도 1에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다.
하우징(110)은 발열 장치(26)를 둘러싸며, 발열 장치(26)에서 발생하는 열을 전도할 수 있다.
광섬유 센서(120)는 하우징(110)의 외측에 구비되며, 발열 장치(26)에서 발생되는 열의 온도 및 온도에 의한 변형량을 실시간으로 측정하여 발열 정보를 생성할 수 있다.
상변화 물질(130)은 발열 장치(26)와 하우징(110) 사이에 도포될 수 있다. 상변화 물질은 고체, 액체, 기체, 플라즈마인 상태로 각각 존재하는 물질이 열에 의해 한 가지 상에서 다른 상으로 변화하는 물질을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상변화 물질(130)은 고체에서 액체, 액체에서 고체로 상이 변화하는 물질로 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상변화 물질(130)은 고체에서 액체로 변화할 때, 열을 흡수하여 내부에 저장하며, 다시 액체에서 고체로 변화하는 경우, 저장했던 열을 방출할 수 있다. 이를 통해 상변화 물질(130)은 온도 범위와 필요에 따라 적정 에너지를 저장하고 온도를 유지할 수 있다.
냉각 장치(100)는 발열 장치(26)의 운용이 시작되는 경우, 발열 장치(26)에서 발생하는 열을 하우징(110)을 통해 상변화 물질(130)로 전도하며, 상변화 물질(130)이 일정 온도에서 고체에서 액체로 변화하면서 발열 장치(26)에서 발생하는 열을 흡수할 수 있다. 또한, 냉각 장치(100)는 발열 장치(26)의 운용이 종료되는 경우, 상변화 물질(130)이 액체에서 고체로 변화하여 외부로 열을 방출할 수 있다.
제어부(200)는 발열 장치(26)에서 발생되는 열의 온도와 온도에 의한 발열 장치(26)의 변형량을 포함하는 발열 정보를 실시간으로 전달 받고, 발열 정보를 기반으로 발열 장치(26)의 구동을 제어할 수 있다.
제어부(200)는 데이터 처리부(210), 발열 장치 처리부(220) 및 구동 제어부(230)를 포함한다. 제어부(200)는 예시적으로 개시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다.
데이터 처리부(210)는 발열 정보를 전달 받으며, 발열 정보를 통해 발열 장치(26)의 변형 방향에 따른 변형량을 계산하여 변형 정보를 생성할 수 있다.
데이터 처리부(210)는 발열 장치(26) 운용 전, 광섬유 센서(120)를 통해 측정된 상변화 물질(130)의 온도와 초기 측정된 상변화 물질(130)의 초기 온도 값을 주기적으로 비교하며, 측정된 상변화 물질(130)의 온도와 초기 온도 값의 편차를 기준으로 상변화 물질의 잔존 수명을 예측하여 상변화 물질(130)의 교체 신호를 생성할 수 있다.
데이터 처리부(210)는 광섬유 센서(130)를 통해 측정된 온도와 초기 온도 값을 기준으로 교체 알고리즘을 적용하여 상변화 물질의 잔존 수명을 예측하여, 예측된 잔존 수명이 기 설정된 수명 이하인 경우 교체 신호를 생성할 수 있다.
교체 알고리즘은 초기 온도 값과 측정된 온도의 유사성 측정을 통해 잔존 수명을 예측하며, 초기 온도 값과 측정된 온도의 집합 사이의 관계를 평균 함수와 공분산 함수를 통해 학습하여 형성될 수 있다.
발열 장치 처리부(220)는 변형 정보를 전달 받으며, 변형 정보에 이용하여 변형에 따른 오차를 보정하여 발열 장치(26)를 제어하는 제어 정보를 생성할 수 있다.
구동 제어부(230)는 제어 정보를 전달 받아 발열 장치(26)를 제어할 수 있다.
제어부(200)는 발열 정보를 분석하여 변형량 및 변형 방향을 기준으로 발열 장치(26)의 정확도를 보상하기 위한 연산을 수행하여 연산 결과를 산출하고, 연산 결과를 기준으로 발열 장치를 구동하는 구동 명령을 생성하여 발열 장치(26)에 전송할 수 있다.
발열 장치(26)는 복수의 포신을 포함하고, 복수의 포신과 냉각 장치의 사이에 상변화 물질(130)이 각각 도포되어 있으며, 복수의 포신을 냉각 장치(100)가 둘러쌀 수 있다. 냉각 장치(100)는 복수의 포신 각각의 온도를 조절하며, 복수의 포신을 둘러싸기 위해 원통 형상으로 형성될 수 있다.
포신 냉각 시스템(10)은 분당 수천발을 발사하는 포신에서 발생되는 고열을 상변화 물질(130)이 포함된 냉각 장치(100)를 통해 냉각시킴으로써 포신의 온도를 일정 온도 이하로 유지시킬 수 있으며, 열에 의한 변형을 최소화함으로써 함포의 정확도를 개선시킬 수 있다.
포신 냉각 시스템(10)은 냉각 장치(100)에 적용된 광섬유 센서(120)를 통해 포신의 온도 및 온도에 따른 변형량을 실시간으로 측정할 수 있기 때문에 해당 측정 값을 기준으로 추가 연산을 통해 함포의 정확도를 향상시킬 수 있다.
종래에는 일반적으로는 몇 회 이용 시 일괄적으로 교체함에 따라 낭비되는 문제를 야기할 수 있다. 하지만, 본 발명에 따른 포신 냉각 시스템(10)은 광섬유 센서(120)를 이용한 온도 계측을 통해 상변화 물질(130)의 상태정보를 모니터링 하고 상변화 물질(130)의 수명을 예측하여 정비에 활용하기 때문에 정비 비용을 단축시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치가 적용된 근접방어무기체계(CIWS)를 나타내는 도면이다.
근접방어무기체계(20)는 여러 레이더, 전자광학감시장치의 안테나 및 센서가 장착 및 조립되어 운용되는 시스템이다. 구체적으로, 근접방어무기체계는 2개 이상의 포신(총열)을 구비하여 회전을 통해 탄약을 고속으로 발사하는 개틀링 건을 포함하고 있다. 여기서, 개틀링 건은 일정 연속 사격 경과 시 탄약 폭발 열로 포신이 과열되어 있으며, 포신을 냉각시키지 못한 경우, 포신이 휘거나 포신 내경이 확장되어 발사력 감소, 사거리 감소, 명중률 저하 등의 문제가 발생할 수 있다.
근접방어무기체계(20)는 레이더 등 전자 장치(22) 및 함포 조립체(24)를 포함하며, 함포 조립체(24)에 발열 장치(26)가 포함될 수 있다. 근접방어무기체계(20)는 360도 전방위에 대한 가시선(FOV, Field of View)을 확보하기 위해 탐색 레이더를 포함하고 있으며, 함포 상단에는 광학 및 레이더를 통해 위협표적을 추적하기 위한 추적 레이더와 전자광학 감시장치가 배치되어 있을 수 있다.
도 2를 참조하면, 근접방어무기체계(20)의 중앙에는 위협 표적을 제거하기 위한 함포가 위치해 있으며, 함포 중심에는 분당 수천발을 발사하는 함포 조립체(24)가 위치해 있다.
함포 조립체(24)는 중앙에 위치해 있으며 구동 장치를 통해 고각 및 방위각 방향으로 회전할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 발열 장치(26)는 복수의 포신을 포함하는 개틀링 건으로 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 발열 장치(26)는 복수의 포신이 연결된 상태로 사격이 실시되면 한 방향으로 회전함에 따라 복수의 포신이 과열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 발열 장치(26)는 5~6개의 포신으로 구성되어 있으며, 분당 수천발을 발사 시 포신에 전달되는 고열을 냉각시키기 위해 원통형 구조체로 적용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 발열 장치(26)의 복수의 포신은 원통 형태로 형성된다. 이때, 냉각 장치(100)는 원통 형태의 복수의 포신을 감싸는 형상으로 형성되기 위해 원통 형태로 형성될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
냉각 장치(100)는 하우징(110), 광섬유 센서(120) 및 상변화 물질(130)을 포함한다.
발열 장치(26)의 발포 시 발생된 열은 발열 장치(26)와 냉각 장치(100)의 하우징(110)을 통해 상변화 물질(130)로 전도되고, 상변화 물질(130)이 일정 온도에서 고체에서 액체로 상이 변하면서 다량의 열을 흡수하며 발열 장치(26)가 냉각될 수 있다. 이때, 발열 장치(26)를 냉각함에 따라 함포의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치를 나타내는 도면이다.
함포 조립체(24)는 복수의 포신을 포함하는 발열 장치(26)로 구성되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 발열 장치(26)의 복수의 포신을 냉각시키기 위해 복수의 포신의 표면에 상변화 물질(130)이 포함될 수 있다. 구체적으로, 복수의 포신을 포함하는 발열 장치(26)와 냉각 장치(100)의 사이에 상변화 물질(130)이 포함될 수 있다.
냉각 장치(100)는 하우징(110), 광섬유 센서(120) 및 상변화 물질(130)을 포함한다.
도 3을 참조하면, 냉각 장치(100)는 발열 장치(26)의 주변을 둘러싸도록 구현된다. 구체적으로, 발열 장치(26)를 둘러싸도록 냉각 장치(100)의 하우징(110)이 구비되며, 발열 장치(26)와 하우징(110) 사이에 상변화 물질(130)이 구비될 수 있다. 이때, 광섬유 센서(120)는 하우징(110)에 부착되어 구비될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
냉각 장치(100)는 발열 장치(26)에 운용에 따라 발생되는 열이 하우징(110)을 통해 상변화 물질(130)로 전도되고, 상변화 물질(130)이 일정 온도에서 고체에서 액체로 상이 변하면서 다량의 열을 흡수하여 발열 장치(26)의 열을 흡수할 수 있다.
복수의 포신을 포함하는 발열 장치(26)의 발포가 종료된 후, 상변화 물질(130)은 열을 외부로 방출하며, 열을 외부로 방출함에 따라 액체에서 고체로 다시 상이 돌아올 수 있다. 이때, 상변화 물질(130)은 액체에서 고체로 상이 최초 상태로 되돌아올 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
광섬유 센서(120)는 발열 장치(26)의 복수의 포신의 온도 및 온도에 따른 변형량을 실시간으로 측정하여 광 로터리 조인트(Optic Rotary Joint)를 통해 제어부(200)에 측정 데이터를 전송할 수 있다. 이때, 측정 데이터는 발열 장치(26)에서 발생되는 열의 온도와 온도에 의한 발열 장치(26)의 변형량을 포함하는 발열 정보 외에 냉각 장치(100)에 추가적으로 구성되는 센서를 통해 측정한 데이터를 더 포함할 수 있다.
상변화 물질(130)은 발열 장치(26)가 동작할 때 마다 고체에서 액체로, 액체에서 고체로 반복되며, 1회 동작 시마다 누출(Leakage) 등이 발생하여 수십 ~ 수백회 사용 시 교체가 필요할 수 있다.
따라서, 포신 냉각 시스템(10)은 냉각 장치(100)에 내장된 광섬유 센서(120)를 이용하여 온도를 실시간으로 계측하고, 초기 설치 시 보다 온도 값이 변화하는 경우, 상변화 물질(120)의 수명이 다한 것으로 판단하여 상변화 물질(120)을 교체할 수 있다.
상변화 물질(120)의 수명이 다한 것으로 판단하여 교체하는 경우, 발열 장치(26)를 둘러싸는 냉각 장치(100)를 교체할 수 있고, 또는 발열 장치(26)와 하우징(110) 사이에 구비되는 상변화 물질(120)만 교체할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 포신 냉각 시스템의 제어부를 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 제어부(200)는 데이터 처리부(210), 발열 장치 처리부(220) 및 구동 제어부(230)를 포함한다. 제어부(200)는 도 5에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다.
제어부(200)는 광섬유 센서(120)를 통해 측정한 발열 정보를 확인한 후, 데이터 처리부(210)에서 온도에 따른 발열 장치(26)의 변형량 및 변형 방향을 분석하여 변형 정보를 생성하여 발열 장치 처리부(220)에 전달할 수 있다. 제어부(200)는 발열 장치 처리부(220)에서, 변형량 및 변형 방향에 따른 변형 정보를 기준으로 정확도를 보상하기 위한 연산을 수행하고, 구동 제어부(230)에 명령하여 연산 결과를 기준으로 발열 장치(26)에 구동 명령을 전달할 수 있다.
포신 냉각 시스템(10)은 냉각 장치(100)에 적용된 광섬유 센서(120)를 통해 온도 변화를 측정하여 초기 설치 시 보다 온도 변화값이 변경되는 경우에 따라 상변화 물질(130)의 수명 및 이상 현상을 데이터 처리부(210)에서 수행하고, 발열 장치 처리부(220)에 해당 정보를 전달할 수 있다. 이때, 발열 장치 처리부(220)는 이상 정보 수신 시 냉각 장치(100) 교체를 위한 교체 신호를 생성하여 정비사에게 알릴 수 있다.
따라서, 포신 냉각 시스템(10)은 제어부(200)를 통해 상변화 물질(130)의 수명/이상 현상을 예측하여 정비를 수행할 수 있어서 일정 횟수 이상 사용 시 교체하는 일반적인 정비절차 대비 정비 비용 단축 및 장비 신뢰도를 높일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 센서를 통한 포신 변형량을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6의 (a)는 열에 의한 포신의 변형이 없는 경우를 나타낸 도면이고, 도 6의 (b)는 열에 의한 포신의 변형이 있는 경우를 나타낸 도면이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 열에 의한 포신의 변형이 없는 경우에는 광섬유 변형량이 0인 것을 확인할 수 있으며, 광섬유 센서의 배열 상태가 직선인 것을 확인할 수 있다.
도 6의 (b)를 참조하면, 열에 의한 포신의 변형이 있는 경우에는 광섬유 변형량이 0보다 큰 것을 확인할 수 있으며, 광섬유 센서(120)의 배열 상태가 곡선 또는 포물선인 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광섬유 변형량은 광섬유 센서(120)를 통해 측정한 발열 장치(26)의 온도에 따른 변형량을 나타낸다.
냉각 장치(100)에 적용된 광섬유 센서(120)는 발열 장치(26)의 온도 및 발열 장치(26)의 온도에 따른 변형량을 실시간으로 측정하여 광 로터리 조인트(Optic Rotary Joint)를 지나서 데이터 처리부(210)에 측정한 발열 정보를 전송할 수 있다. 여기서, 발열 정보는 발열 장치(26)의 온도 및 온도에 따른 변형량을 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니다.
데이터 처리부(210)는 변형 정보를 확인 후 온도에 따른 발열 장치(26)의 변형량 및 변형 방향을 분석하여 생성된 변형 정보를 발열 장치 처리부(220)에 전달할 수 있다.
발열 장치 처리부(220)는 변형 정보를 기준으로 구동 제어부(230)에 변형에 의한 오차를 보정하기 위한 구동 명령을 제공할 수 있다. 여기서, 구동 명령은 발열 장치(26)를 제어하는 제어 정보로서, 이를 통해 함포의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 센서를 통한 냉각 장치의 잔존 유효 수명을 예측한 그래프이다.
도 7은 광섬유 센서를 통해 측정한 측정 값과 교체 알고리즘을 활용한 냉각 장치의 잔존 유효 수명을 예측한 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 교체 알고리즘은 입력 값의 집합과 출력 함수의 집합 사이의 관계를 평균 함수와 공분산 함수를 통해 학습하는 회귀 머신러닝 알고리즘일 수 있다. 교체 알고리즘은 입력되는 발열 정보를 통해 잔존 수명을 예측할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치를 포함하는 포신 냉각 시스템의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다. 냉각 장치를 포함하는 포신 냉각 시스템의 제어 방법은 포신 냉각 시스템에 의해 수행되며, 포신 냉각 시스템이 수행하는 동작에 관한 상세한 설명과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
냉각 장치를 포함하는 포신 냉각 시스템의 제어 방법은 광섬유 센서를 이용한 포신 온도 정보를 실시간으로 수신하는 단계(S810), 수신된 데이터를 제어부에 전송 및 저장하는 단계(S820), 온도 편차가 변경되었는지 여부를 확인하는 단계(S830), 포신의 온도 편차 값을 기록하는 단계(S840), 변경된 온도 편차 값이 한계(Threshold) 값을 초과하는지 여부를 확인하는 단계(S850), 냉각 장치 교체 여부에 대해 알림을 제공하는 단계(S860)를 포함한다.
온도 편차가 변경되었는지 여부를 확인하는 단계(S830)는 온도 편차가 변경된 경우 포신의 온도 편차 값을 기록하는 단계(S840)를 수행하고, 온도 편차가 변경되지 않은 경우, 실시간으로 데이터를 계속 수신하는 단계(S832)를 수행할 수 있다.
변경된 온도 편차 값이 한계(Threshold) 값을 초과하는지 여부를 확인하는 단계(S850)는 계측한 온도 값을 기준으로 냉각 장치 초기 설치 시 온도 값과의 편차를 기준으로 교체 알고리즘을 이용하여 냉각 장치의 잔존 수명을 예측할 수 있다. 이를 통해, 정비 비용을 단축할 수 있으며, 발열 장치의 신뢰도가 향상될 수 있다.
변경된 온도 편차 값이 한계(Threshold) 값을 초과하는지 여부를 확인하는 단계(S850)는 한계 값을 초과하는 경우 냉각 장치 교체 여부에 대해 알림을 제공하는 단계(S860)를 수행하고, 한계 값을 초과하지 않은 경우 잔존 유효 수명(RUL) 예측 연산을 수행하며, 결과 값을 전시하는 단계(S852)를 수행할 수 있다.
잔존 유효 수명(RUL) 예측 연산을 수행하며, 결과 값을 전시하는 단계(S852)는 도 7을 참조하여 잔존 유효 수명을 예측할 수 있다.
도 8에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 개재하고 있으나 이는 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 이 분야의 기술자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 8에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 또는 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하거나 다른 과정을 추가하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 포신 냉각 시스템
20: 근접방어무기체계
26: 발열 장치
100: 냉각 자치
110: 하우징
120: 광섬유 센서
130: 상변화 물질
200: 제어부

Claims (13)

  1. 운용 시 온도가 상승하는 발열 장치에 적용되는 포신 냉각 시스템에 있어서,
    상기 발열 장치를 둘러싸며, 운용 시 과열되는 상기 발열 장치를 냉각하는 냉각 장치; 및
    상기 발열 장치에서 발생되는 열의 온도와 상기 온도에 의한 상기 발열 장치의 변형량을 포함하는 발열 정보를 실시간으로 전달 받고, 상기 발열 정보를 기반으로 상기 발열 장치의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 냉각 장치는 상기 발열 장치를 둘러싸도록 도포된 상변화 물질을 통해 상기 발열 장치를 냉각하는 것을 특징으로 하는 포신 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 장치는,
    상기 발열 장치를 둘러싸며, 상기 발열 장치에서 발생하는 열을 전도하는 하우징; 및
    상기 하우징의 외측에 구비되며, 상기 발열 장치에서 발생되는 열의 온도 및 상기 온도에 의한 변형량을 실시간으로 측정하여 상기 발열 정보를 생성하는 광섬유 센서를 포함하고,
    상기 상변화 물질은 상기 발열 장치와 상기 하우징 사이에 도포되는 것을 특징으로 하는 포신 냉각 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각 장치는,
    상기 발열 장치의 운용이 시작되는 경우, 상기 발열 장치에서 발생하는 열을 상기 하우징을 통해 상기 상변화 물질로 전도하며, 상기 상변화 물질이 일정 온도에서 고체에서 액체로 변화하면서 상기 발열 장치에서 발생하는 열을 흡수하며,
    상기 발열 장치의 운용이 종료되는 경우, 상기 상변화 물질이 액체에서 고체로 변화하여 외부로 열을 방출하는 것을 특징으로 하는 포신 냉각 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 발열 정보를 전달 받으며, 상기 발열 정보를 통해 상기 발열 장치의 변형 방향에 따른 변형량을 계산하여 변형 정보를 생성하는 데이터 처리부;
    상기 변형 정보를 전달 받으며, 상기 변형 정보에 이용하여 변형에 따른 오차를 보정하여 상기 발열 장치를 제어하는 제어 정보를 생성하는 발열 장치 처리부; 및
    상기 제어 정보를 전달 받아 상기 발열 장치를 제어하는 구동 제어부를 포함하는 포신 냉각 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는,
    상기 발열 장치 운용 전, 상기 냉각 장치의 광섬유 센서를 통해 측정된 상기 상변화 물질의 온도와 초기 측정된 상기 상변화 물질의 초기 온도 값을 주기적으로 비교하며,
    상기 측정된 상변화 물질의 온도와 상기 초기 온도 값의 편차를 기준으로 상기 상변화 물질의 잔존 수명을 예측하여 상기 상변화 물질의 교체 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 포신 냉각 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는,
    상기 광섬유 센서를 통해 측정된 온도와 상기 초기 온도 값을 기준으로 교체 알고리즘을 적용하여 상기 상변화 물질의 잔존 수명을 예측하여, 상기 예측된 잔존 수명이 기 설정된 수명 이하인 경우 상기 교체 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 포신 냉각 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 교체 알고리즘은,
    상기 초기 온도 값과 상기 측정된 온도의 유사성 측정을 통해 잔존 수명을 예측하며,
    상기 초기 온도 값과 상기 측정된 온도의 집합 사이의 관계를 평균 함수와 공분산 함수를 통해 학습하여 형성되는 것을 특징으로 하는 포신 냉각 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 발열 정보를 분석하여 변형량 및 변형 방향을 기준으로 상기 발열 장치의 정확도를 보상하기 위한 연산을 수행하여 연산 결과를 산출하고, 상기 연산 결과를 기준으로 상기 발열 장치를 구동하기 위한 제어 정보를 생성하여 상기 발열 장치에 전송하는 것을 특징으로 하는 포신 냉각 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 발열 장치는,
    복수의 포신을 포함하고, 상기 복수의 포신과 상기 냉각 장치의 사이에 상기 상변화 물질이 각각 도포되어 있으며, 상기 복수의 포신을 상기 냉각 장치가 둘러싸며,
    상기 냉각 장치는 상기 복수의 포신 각각의 온도를 조절하며, 상기 복수의 포신을 둘러싸기 위해 원통형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 포신 냉각 시스템.
  10. 운용 시 온도가 상승하는 발열 장치에 적용되는 냉각 장치에 있어서,
    상기 발열 장치를 둘러싸며, 상기 발열 장치에서 발생하는 열을 전도하는 하우징; 및
    상기 하우징의 외측에 구비되며, 상기 발열 장치에서 발생되는 열의 온도 및 상기 온도에 의한 변형량을 실시간으로 측정하는 광섬유 센서를 포함하고,
    상기 발열 장치와 상기 하우징 사이에 상변화 물질이 도포되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 냉각 장치는,
    상기 발열 장치의 운용이 시작되는 경우, 상기 발열 장치에서 발생하는 열을 상기 하우징을 통해 상기 상변화 물질로 전도하며, 상기 상변화 물질이 일정 온도에서 고체에서 액체로 변화하면서 상기 발열 장치에서 발생하는 열을 흡수하며,
    상기 발열 장치의 운용이 종료되는 경우, 상기 상변화 물질이 액체에서 고체로 변화하여 외부로 열을 방출하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 발열 장치는 복수의 포신을 포함하고,
    상기 냉각 장치는,
    상기 복수의 포신을 각각 원통 형태의 상기 하우징으로 둘러싸며, 상기 복수의 포신과 상기 하우징 사이에 상기 상변화 물질이 각각 도포되어 있으며, 상기 각각의 하우징 외측에 구비되는 상기 광섬유 센서를 통해 상기 복수의 포신에서 발생되는 열의 온도 및 상기 온도에 의한 변형량을 각각 측정하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 냉각 장치는,
    상기 발열 장치 운용 전, 상기 광섬유 센서를 통해 측정된 상기 상변화 물질의 온도와 초기 측정된 상기 상변화 물질의 초기 온도 값을 주기적으로 비교하며, 상기 측정된 상변화 물질의 온도와 상기 초기 온도 값의 편차를 기준으로 상기 상변화 물질의 잔존 수명을 예측하여 생성된 상기 상변화 물질의 교체 신호에 의해 상기 상변화 물질이 교체되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
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