KR101409997B1 - 고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템 - Google Patents

Abstract

고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템이 개시된다. 이러한 시스템은 주행체의 표면에 나선으로 배치되는 고주파 교류 케이블과, 고주파 교류 케이블에 전원을 인가 가능하도록 배치되는 전원부를 포함하고, 전원부에 의해 전원이 인가되면 방전 또는 플라즈마가 발생된다. 고주파 교류 케이블은 상기 전원부에 병렬로 연결되는 다수개의 소선을 포함하고, 소선들은 길이방향으로 다수개의 절단부위를 가진다. 이렇게 발생되는 플라즈마는 철도차량의 표면에 달라 붙어있는 공기를 날려버려 철도차량의 주행에 영향을 주는 공기 저항을 감소시키고, 또한 고속으로 주행하는 철도차량에서 큰 저항으로 작용하는 난류를 플라즈마를 이용하여 일정한 방향으로 움직이게 함으로써 저항을 저감하는 효과를 배가시키게 된다.

Description

고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템{SYSTEM FOR DECREASING AIR RESISTANCE USING HIGH-FREQUENCY ALTERNATING CURRENT CABLE}

본 발명은 공기저항 저감 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고속 운송 수단에 플라즈마를 발생시키도록 설치되어 공기저항을 저감시키는 고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템에 관한 것이다.

비행체, 자동차, 철도차량 등과 같이 고속으로 이동하는 운송수단 분야에서 는 공기저항을 최소화하기 위해 일찍부터 많은 노력을 기울여 왔다. 공기저항은 고운송수단의 고속화를 방해하는 주요 원인이기 때문이다. 운송수단의 속도가 증가할 때 공기저항은 속도의 자승에 비례하여 증가하고 소요 동력은 속도의 3승에 비례하여 증가한다. 그만큼 공기저항은 운송수단의 고속화에 있어서 극복하여야 할 주요 장애요소라고 할 수 있다.

도 1a 및 1b는 고속 철도차량인 해무에서 발생되는 기류에 대한 시뮬레이션 도면이다.

도 1a 및 1b에서 알 수 있는 바와 같이 고속으로 철도차량이 운행할 때 기류가 철도차량의 몸체를 타고 흐르게 되며 공기저항의 30%는 마찰저항이다. 이를 해소하기 위해 일반적으로는 철도차량의 전두부를 유선형으로 설계하여 도 1a에서와 같이 기류가 자연스럽게 철도차량 표면을 타고 흐르도록 하고 있다. 이와 같이 고속철도차량의 전두부를 유선형으로 형성할 때 공기저항의 감소효과가 있고, 보다 더 좋은 효과를 거두기 위해 정밀한 디자인이 개발되고 있다. 실제로 고속철도차량의 경우 산천과 해무의 공기저항이 10% 정도 차이가 있고 고속주행에 필요한 전력이 다르다.

그러나 고속철도차량의 이상과 같은 유선형 전두부 설계가 공기저항을 줄이는데 어느 정도의 성과를 거두고 있지만, 도 1b 및 1c에서 알 수 있는 바와 같이 차량과 차량 사이와 후미부에서의 저항을 줄이지 못하고 있다.

이에 대한 몇 가지 원인이 있다. 도 1c에서 도시한 바와 같이, 우선 전두부를 타고 올라왔던 기류와 주위에 있던 공기가 층을 이루어 난류를 형성하여 철도차량에 작용하는 공기저항을 증가시킨다는 점, 철도차량의 표면에 달라 붙어있는 공기로 인한 마찰력이 증대한다는 점, 그리고 후미부에서의 공기 박리로 인해 공기저항이 증대된다는 점 등이 있다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고속 운행 수단의 표면에 고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템을 제공한다.

본 발명은 고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템을 제공하며, 이 시스템은: 주행체의 표면에 나선으로 배치되는 고주파 교류 케이블과; 상기 고주파 교류 케이블에 전원을 인가 가능하도록 배치되는 전원부;를 포함하고, 상기 전원부에 의해 전원이 인가되면 방전 또는 플라즈마가 발생된다.

상기 고주파 교류 케이블은 상기 전원부에 병렬로 연결되는 다수개의 소선을 포함한다.

상기 다수개의 소선 각각은 길이방향으로 다수개의 절단부위를 가진다.

상기 다수개의 소선은 실질적으로 두께가 균일한 박막형이다.

상기 다수개의 소선은 상기 절단부위들을 인접하는 소선과 길이방향에 있어서 다른 위치에 있어서 엇갈린 배열을 가질 수 있다.

상기 다수개의 소선들 사이와 개별 소선의 절단부위에는 유전체가 배치될 수 있다.

상기 다수개의 소선들 사이로 공기를 불어놓도록 배치되는 공기발생장치를 더 포함하고, 상기 유전체는 공기일 수 있다.

상기 주행체가 철도차량일 경우, 상기 고주파 교류 케이블은 적어도 전두부, 차량 연결부, 및 후미부에 배치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 철도차량과 같은 고속 주행체의 기류의 영향을 받는 표면에 고주파 교류 케이블을 배치하여 플라즈마를 발생시킴으로써 철도차량의 표면에 달라 붙어있는 공기를 날려버려 철도차량의 주행에 영향을 주는 공기 저항을 감소시킬 수 있다. 또한, 고속으로 운행하는 기기에서 큰 저항으로 작용하는 난류를 플라즈마를 이용하여 일정한 방향으로 움직이게 함으로써 저항을 저감시킨다. 특히 고속철도와 같이 다양한 부위에서 공기저항의 영향을 많이 받게 되는 전두부, 차량 연결부, 및 후미부에 플라즈마 발생영역을 형성함으로써 효과를 배가시킬 수 있다. 또한, 주행체의 표면에 얇은 박막으로 고주파 교류 케이블을 설치함으로써 철도차량의 전체적인 무게 향상이 없기 때문에 다른 부분에 영향을 미치지 않게 된다. 결과적으로 같은 속도를 낼 때 더 적은 힘을 필요로하기 때문에 에너지 절감의 효과가 있게 된다. 이러한 구성은 철도차량만이 아닌 다양한 고속 주행체에 활용할 수 있다. 일반적으로 플라즈마를 발생하기 위해 고압의 전압이 필요하나, 본 발명에서는 저 전류를 사용하기 때문에 소비 전력이 높지 않지 않다는 이점도 있다.

도 1a 내지 1c는 고속 철도차량인 해무에서 발생되는 기류에 대한 시뮬레이션 도면이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템을 고속 철도차량에 적용한 예를 도시한 도면과, 그를 이용한 기류 시뮬레이션 도면이다.
도 3은 본 발명의 고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템에 대한 하나의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템에 대한 다른 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템에 대한 또 다른 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템을 제공한다. 하기의 실시예들에서는 주로 고속철도차량인 철도차량에 적용되는 예를 들어서 설명하였다.

도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이 고속 주행체인 철도차량의 표면에 배치된다. 특히, 전두부, 차량 연결부, 및 차량 후미부에 플라즈마 발생을 위한 고주파 교류 케이블(10)을 배치하고 고주파 교류 케이블(10)에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 발생시킨다. 이러한 결과로, 도 1b에 도시한 기존의 철도차량과 도 2b에 도시한 철도차량의 기류 흐름의 변화를 알 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템은, 주행체의 표면에 나선(피복이 없는 상태)으로 배치되는 고주파 교류 케이블(10)을 포함한다. 이를테면 고주파 교류 고주파 교류 케이블(10)은 다수개의 소선(10-1, 10-2……,10-n)으로 이루어진다. 다수개의 소선(10-1, 10-2……10-n)들은 상호 접촉하지 않은 형태로 배열된다.

본 발명의 하나의 실시예에서 이러한 상태에서 고주파 전원부(20)는 다수개의 소선(10-1, 10-2……10-n)들이 병렬로 연결되도록 다수개의 소선(10-1, 10-2……10-n)들의 양단부에 연결되어 고주파 전원을 공급한다.

바람직하게는 도시한 바와 같이 다수개의 소선(10-1, 10-2……10-n)들은 길이방향으로 다수개의 절단부위를 가진다. 결과적으로 다수개의 소선(10-1, 10-2……10-n)들은 다수개의 절편의 형태를 띠게 되고 그들 사이에 유전체(미도시)가 배치된다.

더욱 바람직하게는 인접하는 소선들의 절단부위가 서로 엇갈린 위치에 배치됨으로써 소선의 절편 부위들이 부분적으로 겹치게 됨으로써 그 사이의 영역에서도 플라즈마가 발생될 수 있기 때문에, 플라즈마 발생 영역이 더 확대되는 효과가 얻어진다. 즉, 다수개의 소선(10-1, 10-2...10-n)은 각기 가지는 절단부위들을 인접하는 소선과 길이방향에 있어서 다른 위치에 구비함으로써 길이방향으로 절편부위가 서로 부분적으로 겹쳐지게 된다.

결과적으로 전원부(20)로부터 고주파 전원이 인가되면 플라즈마가 발생되어 표면에 달라붙어있는 공기를 털어내고, 주행체의 전두부를 따라 이동하는 공기가 주행체 외표면 전체에서 이어갈 수 있도록 하여 저항을 감소시킨다. 특히, 기류의 박리가 발생하여 박리 부분에 플라즈마가 위치하게 되어서, 큰 저항으로 작용하는 난류를 일정한 방향으로 움직이게 함으로써 저항을 저감시킨다.

상술한 바와 같이 고주파 교류 케이블(10)은 철도차량(100)의 여러 위치의 표면에 배치되며, 바람직하게는 전두부, 차량 연결부, 및 후미부에 배치될 수 있다. 이러한 위치들에 배치함으로써 도 2b와 같은 표면을 타고 흐르는 기류를 유지할 수 있게 된다.

도 3에 도시한 바와 같이, 철도차량(100)의 표면에 나선으로 도포 형성되는 고주파 교류 케이블(10)은 바람직하게는 박막층으로 형성되어 그 자체가 기류흐름에 방해가 되지 않도록 한다.

전원부(20)는 바람직하게 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 발생시킨다. 전원부(20)는 이를테면 철도차량(100)의 내부에 배치되어 고주파 교류 케이블(10)에 연결된다.

고주파 교류 케이블(10)은 철도차량(100)의 표면에 배치되며, 도면부호 30은 철도차량의 표면에 설치되는 절연막일 수 있다.

상술한 구성에 의해 철도차량의 다수 부위에 설치되어 플라즈마 발생 구성을 구현하면서 저온과 상압에서 적합하게 운용될 수 있다. 이렇게 박막의 고주파 교류 케이블(10)을 도포하고, 전원부(20)로부터 인가된 고주파 전원에 의해 발생한 플라즈마가 철도차량의 표면에 달라 붙어있는 공기를 날려버려 철도차량의 주행에 영향을 주는 공기 저항을 감소시키고, 또한 고속으로 주행하는 철도차량에서 큰 저항으로 작용하는 난류를 플라즈마를 이용하여 일정한 방향으로 움직이게 함으로써 저항을 저감하는 효과를 배가시키게 된다.

결과적으로 같은 속도를 낼 때 적은 힘을 필요로 하기 때문에 에너지 절감 효과를 거두게 되며, 특히 저전류를 이용하기 때문에 소비 전력이 높지 않다. 또한 철도차량의 윗표면에 얇은 나선의 고주파 교류 케이블(10)을 설치함으로써 차량 전체적인 무게 증가가 거의 없다. 이러한 구성은 상술한 철도차량 외에 고속 주행을 하는 다른 주행체에도 적용할 수 있음은 물론이다.

상술한 바와 같이 고주파 교류 케이블(10)의 소선과 소선 사이에 배치될 수 있는 유전체(절연체)는 유리 등과 같은 재질로 형성될 수도 있지만, 이러한 유전체가 없이도 설치될 수 있다. 이 경우 공기가 유전체의 역할을 수행할 수 있다. 이를테면, 아래로부터 공기를 발생시키는 공기발생장치(미도시)가 설치될 수 있다(도 5 참조). 이와 같이 공기발생장치가 배치되어 소선(10-1, 10-2……10-n)들 사이에 공기를 불어넣을 경우에는 소선(10-1, 10-2……10-n)들 사이에 위치하는 절연막(30) 부위에는 다수개의 기공(미도시)가 배치될 수 있다.

본 발명의 시스템의 다른 실시예가 도 4에 도시되었다. 이는 전체 고주파 교류 케이블(10)의 소선(10-1, 10-2……10-n)들이 철도차량(100)의 길이방향과 교차하는 방향으로 배열되는 형태이다. 전원부(20)는 양측단에 위치하는 소선(10-1, 10-n)에 연결된다. 다른 실시예에서도 유전체로서 유리(미도시) 등이 소선과 소선 사이에 배치되거나, 그러한 유전체가 없이 공기가 유전체의 역할을 할 수 있다. 공기일 경우에 하나의 실시예와 마찬가지로, 도 5와 같이, 아래에서 공기를 불어넣는 장치가 구비될 수 있다. 이와 같이 공기발생장치가 배치되어 소선(10-1, 10-2……10-n)들 사이에 공기를 불어넣을 경우에는 소선(10-1, 10-2……10-n)들 사이에 위치하는 절연막(30) 부위에는 다수개의 기공(미도시)가 배치될 수 있다.

이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.

특히, 본 발명의 상술한 구성은 위에서 예로든 철도차량 외에 자동차, 항공기 등과 같이 고속 주행을 하는 주행체에 모두 적용되어 플라즈마 발생역역을 형성함으로써 높은 공기저항 저감 효과를 거둘 수 있다.

10: 고주파 교류 케이블 10-1, 10-2, 10-n: 소선
20: 전원부 30: 절연막

Claims (8)

1. 고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템으로서:
   주행체의 표면에 나선으로 배치되고, 각각이 길이방향으로 다수개의 절단부위를 가지며, 서로 병렬로 연결되는 다수개의 소선으로 이루어지는 고주파 교류 케이블;
   상기 고주파 교류 케이블에 전원을 인가 가능하도록 배치되는 전원부;를 포함하고,
   상기 전원부에 의해 전원이 인가되면 방전 또는 플라즈마가 발생되는 것인,
   고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 다수개의 소선은 두께가 균일한 박막형인 것인,
   고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 다수개의 소선은 상기 절단부위들을 인접하는 소선과 길이방향에 있어서 다른 위치에 있어서 엇갈린 배열을 가지는 것인,
   고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 다수개의 소선들 사이와 개별 소선의 절단부위에는 유전체가 배치되는 것인,
   고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 다수개의 소선들 사이로 공기를 불어놓도록 배치되는 공기발생장치를 더 포함하고,
   상기 유전체는 공기인 것인,
   고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템.
   
8. 청구항 1항 또는 청구항 4항 내지 7항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 주행체가 철도차량일 경우, 상기 고주파 교류 케이블은 적어도 전두부, 차량 연결부, 및 후미부에 배치되는 것인,
   고주파 교류 케이블을 이용한 공기저항 저감 시스템.

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