KR20190055667A - Surface structure capable of generating micro-vortex for self-energy generation for surface heating - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초미세 와류를 발생시키는 구조체에 관한 것으로, 보다 구체적으로 초미세 와류를 일으키는 표면 구조체 표면에 유체가 유동을 일으키며 발생하는 와류를 통해 자가발전을 수행하고, 수집된 에너지로 히터를 구동하여 구조체 표면에 발생하는 결빙을 제거할 수 있는 구조체에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a structure for generating ultrafine vortices, and more particularly, to a method of generating a super vortex by performing self-power generation through a vortex generated by a fluid flowing on a surface structure causing ultrafine vortices, To a structure capable of removing freezing occurring on the surface of the structure.
항공기, Airfoil 및 유체 내에서 구조체의 표면에 발생하는 결빙은 항공기의 무게를 증가시킴은 물론, 항공기 날개의 공기유동을 방해하기 때문에 표면에 발생하는 결빙을 방지하기 위한 다양한 방법들이 연구되어 왔다. 현재는 주로 ADF(Aircraft Deicing Fluid)가 제빙 및 방빙을 위해 사용되고 있으나, ADF는 인체 및 환경에 유해함은 물론 처리 후 방빙을 위해서는 효과가 유지되는 HOT(Holdover Time)내에 비행을 수행해야 할 필요가 있다는 문제점이 존재한다.A variety of methods have been investigated to prevent freezing on the surface of airplanes, airfoils and fluids on the surface of the structures in order to increase the weight of the aircraft and to prevent airflow in the aircraft wing. At present, ADF (Aircraft Deicing Fluid) is mainly used for deicing and icing, but it is necessary to carry out flight in HOT (Holdover Time), which is harmful to the human body and environment as well as the effect is maintained for after- .
이러한 문제점을 해결하기 위해 비행 중 결빙을 제거하기 위하여 bleed air system, heater mat 등의 active한 방법들이 연구되어 왔으나, 이러한 방법들은 엔진 효율을 저하시키거나, 수십~수백kW수준의 큰 에너지를 필요로 한다는 문제가 있다.In order to solve these problems, active methods such as bleed air system and heater mat have been studied in order to remove freezing during flight. However, these methods have been required to reduce engine efficiency or require large energy of several tens to several hundred kW .
이러한 이유로 상기의 결빙 이슈를 해결하기 위하여 친환경적으로 결빙 제거가 가능한 방법이 요구되는 실정이다.For this reason, in order to solve the above-mentioned freezing problem, there is a need for a method capable of freezing and freezing environmentally.
본 발명은 저온 유체 내에서 운행되는 항공기 및 선박 등의 표면에 형성된 구조체를 통해 표면에서 초미세 와류를 발생시키며, 이러한 와류 및 압력을 에너지원으로 하여 내장된 히터를 통해 열 발생이 가능한 표면 구조체를 제공하고자 한다. The present invention relates to a surface structure capable of generating ultrafine vortexes at the surface through a structure formed on the surface of an aircraft or a ship or the like which is operated in a low temperature fluid and generating heat through the built-in heater using such vortex and pressure as energy sources .
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical object of the present invention is not limited to the above-mentioned technical objects and other technical objects which are not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description will be.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 일 실시예로 유체 유동 흐름 내에 존재하는 바디(Body)에 있어서, 상기 바디의 표면에 위치하는 복수 개의 초미세구조물; 상기 바디 내부에 위치하여 바디 표면에 생기는 결빙을 제거하는 히터; 상기 히터의 구동을 제어하는 제어부; 및 상기 바디의 표면에 위치하여 바디 방향으로 흐르는 유체 유동을 활용하여 전기를 생산하여 상기 히터를 구동시키는 적어도 하나 이상의 압전 소자부;를 포함하고,According to an aspect of the present invention, there is provided a body which exists in a fluid flow in an embodiment, comprising: a plurality of ultra-fine structures located on a surface of the body; A heater positioned inside the body to remove ice from the body surface; A controller for controlling driving of the heater; And at least one piezoelectric element which is positioned on the surface of the body and utilizes fluid flow flowing in a body direction to generate electricity to drive the heater,
상기 초미세구조물은 상기 바디 표면에 와류(Vortex)를 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조체를 제공한다.Wherein the ultrafine structure is capable of generating a vortex on the surface of the body. The present invention provides an ultrafine vortex generating surface structure capable of generating heat through self-power generation.
본 발명의 구조체는 상기 바디의 표면의 온도를 측정하는 온도 감지부를 더 포함할 수 있다.The structure of the present invention may further include a temperature sensing unit for measuring the temperature of the surface of the body.
이 때, 상기 제어부는 상기 바디 표면에 생성되는 빙결로 인한 잠열 방출에 의해 상기 온도 감지부에서 온도 상승이 감지되는 경우에는 히터를 구동시키는 것을 특징으로 한다.In this case, the controller drives the heater when a temperature rise is sensed by the temperature sensing unit due to latent heat release due to freezing generated on the body surface.
또한, 상기 제어부는 상기 온도 감지부의 측정 결과, 상기 바디의 표면 온도가 변화하지 않는 시간이 제1 기준값 이상인 경우에는 상기 히터를 구동시키는 것을 특징으로 한다.The control unit may drive the heater when the time when the surface temperature of the body does not change is equal to or greater than a first reference value as a result of the temperature sensing unit.
아울러, 본 발명의 구조체는 상기 바디의 표면에 생성된 결빙 면적을 감지하는 결빙감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the structure of the present invention may further include an ice sensing unit for sensing a freezing area generated on the surface of the body.
이 때, 상기 제어부는 상기 결빙 감지부에서 상기 바디의 표면 결빙 면적이 제2 기준값 이상으로 결빙된 것으로 감지되는 경우에는 상기 히터를 구동시키는 것을 특징으로 한다.In this case, the controller drives the heater when the surface freezing area of the body is detected as being frozen to a second reference value or more in the freezing detection unit.
또한, 상기 압전 소자부는 압전 소자층과 전극층으로 구성되며, 유체의 유동에 의해 상기 바디의 표면에서 유발되는 와류(Vortex) 및 압력 변화를 이용하여 전기를 생성할 수 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the piezoelectric element unit is composed of a piezoelectric element layer and an electrode layer, and is characterized in that electricity can be generated using a vortex and a pressure change induced on the surface of the body by the flow of the fluid.
본 발명은 또 다른 실시예로 공기 유동 흐름 내에 존재하는 에어 포일(Air foil)에 있어서, 상기 에어 포일의 표면에 위치하는 초미세 와류를 발생시키는 복수 개의 초미세구조물; 상기 에어 포일 내부에 위치하여 에어포일의 표면에 생기는 결빙을 제거하는 히터; 상기 히터의 구동을 제어하는 제어부; 및 상기 에어 포일의 표면에 위치하여 에어 포일 방향으로 흐르는 공기 유동을 활용하여 전기를 생산하여 상기 히터를 구동시키는 압전 소자부;를 포함하고,In another embodiment, the present invention provides an air foil in an air flow stream, comprising: a plurality of ultrafine structures generating ultrafine vortexes located on a surface of the airfoil; A heater positioned inside the airfoil to remove ice from the surface of the airfoil; A controller for controlling driving of the heater; And a piezoelectric element part positioned on the surface of the airfoil and utilizing the air flow flowing in the airfoil direction to generate electricity to drive the heater,
상기 초미세구조물은 상기 바디 표면에 와류(Vortex)를 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조를 갖는 에어 포일을 제공한다.Wherein the ultrafine structure is capable of generating a vortex on the body surface. The airfoil has an ultrafine vortex generating surface structure capable of generating heat through self-power generation.
특히, 상기 압전 소자부는 압전 소자층과 전극층으로 구성되며, 공기의 유동에 의해 상기 에어 포일의 표면에 유발되는 와류(Vortex) 및 압력변화를 이용하여 전기를 생성할 수 있는 것을 특징으로 한다.In particular, the piezoelectric element unit is composed of a piezoelectric element layer and an electrode layer, and is characterized in that electricity can be generated using a vortex and a pressure change caused on the surface of the airfoil by the flow of air.
또한, 본 발명의 에어 포일은 상기 에어 포일의 표면의 온도를 측정하는 온도 감지부 또는 상기 에어 포일의 표면에 생성된 결빙 면적을 감지하는 결빙감지부를 더 포함할 수 있다.The airfoil of the present invention may further include a temperature sensing unit for measuring the temperature of the surface of the airfoil, or an ice detection unit for sensing a freezing area generated on the surface of the airfoil.
이 때, 상기 제어부는 상기 에어 포일 표면에 생성되는 빙결로 인한 잠열 방출에 의해 상기 온도 감지부에서 온도 상승이 감지되는 경우에는 히터를 구동시키는 것을 특징으로 한다.In this case, the controller drives the heater when a temperature rise is sensed by the temperature sensing unit due to latent heat emission due to freezing generated on the surface of the airfoil.
또한, 상기 제어부는 상기 온도 감지부의 측정 결과, 상기 에어 포일의 표면 온도가 변화하지 않는 시간이 제1 기준값 이상인 경우에는 상기 히터를 구동시키는 것을 특징으로 한다.The control unit may drive the heater when the time when the surface temperature of the airfoil does not change is equal to or greater than a first reference value as a result of the temperature sensing unit.
아울러, 상기 제어부는 상기 결빙 감지부에서 상기 에어 포일의 표면 결빙 면적이 제2 기준값 이상으로 결빙된 것으로 감지되는 경우에는 상기 히터를 구동시키는 것을 특징으로 한다.Further, the controller may drive the heater when the surface freezing area of the airfoil is detected as being frozen to a second reference value or more in the freezing sensing unit.
또한, 상기 압력 소자부는 제1 압력 소자부와 제2 압력 소자부로 구성되며,In addition, the pressure element unit may include a first pressure element unit and a second pressure element unit,
상기 제1 압력 소자부, 초미세 구조물, 제2 압력 소자부는 상기 에어 포일의 표면 상에 순서대로 배치되는 것을 특징으로 한다.Wherein the first pressure element, the ultrafine structure, and the second pressure element are arranged in order on the surface of the airfoil.
이 때, 상기 제1 압력 소자부는 상기 에어 포일의 리딩 엣지(Leading edge)에 배치될 수 있다.At this time, the first pressure element may be disposed at a leading edge of the airfoil.
본 발명은 표면에서 초미세 와류를 발생시킬 수 있는 초미세구조물을 포함한 구조체를 제공하고, 이를 통해 발생하는 와류 및 압력 변화로부터 압전 소자를 활용하여 에너지 하베스팅을 수행하고, 자가발전을 통해 생산된 에너지를 사용하여 히터를 구동시키므로 최소한의 에너지로 표면에 생성된 결빙을 제거할 수 있다.The present invention provides a structure including an ultrafine structure capable of generating ultrafine vortices on a surface, performs energy harvesting using a piezoelectric element from vortex and pressure changes generated through the structure, Energy is used to drive the heater, so that the icing generated on the surface can be removed with minimal energy.
도 1은 본 발명의 초미세 와류를 발생시켜 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 표면 구조체에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 초미세구조물을 통하여 초미세 와류가 발생하는 원리에 대하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 초미세구조물의 형상에 대한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 초미세구조물이 배치된 형상에 대한 정면도이다.
도 5는 본 발명의 제어부가 구조체 표면의 결빙을 제거하기 위하여 히터의 구동을 제어하는 과정에 대해 나타낸 흐름도이다.
도 6은 구조체 표면의 결빙이 발생함에 따라 잠열에 의해 표면의 온도가 변화하는 과정을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 초미세 와류를 발생시켜 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 표면 구조를 갖는 에어 포일(Air foil)의 일 실시예에 대한 도면이다.1 is a schematic view of a surface structure capable of generating ultrafine vortex of the present invention to generate heat through self generation.
FIG. 2 is a view showing the principle of ultrafine vortex generated by the ultrafine structure of the present invention.
3 is a cross-sectional view showing the shape of the ultrafine structure of the present invention.
4 is a front view of a shape in which an ultrafine structure of the present invention is disposed.
5 is a flowchart illustrating a process of controlling the driving of the heater to remove icing on the surface of the structure of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing a process in which the temperature of the surface changes due to latent heat as the surface of the structure is freezing.
7 is a view showing an embodiment of an air foil having a surface structure capable of generating heat through self generation by generating ultrafine vortices of the present invention.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대해 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It is to be noted that the same elements among the drawings are denoted by the same reference numerals whenever possible. Further, the detailed description of known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서 전체에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치한다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.It is to be understood that when an element is referred to as being connected or connected to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but it should be understood that there may be other elements in between. Further, when a member is referred to as being " on " another member throughout the specification, this includes not only when a member is in contact with another member but also when another member exists between the two members.
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.In the present application, the term " comprises " or " having " or the like is intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, parts, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 에너지 하베스팅을 통하여 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 구조체에 대하여 살펴본다.1 and 2, a micro vortex generating structure capable of generating heat through energy harvesting of the present invention will be described.
도 1은 본 발명의 초미세 와류를 발생시켜 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 표면 구조체에 대한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 초미세구조물을 통하여 초미세 와류가 발생하는 원리에 대하여 도시한 도면이다.FIG. 1 is a schematic view of a surface structure capable of generating ultrafine vortex of the present invention and capable of generating heat through self-power generation, FIG. 2 is a diagram illustrating a principle of generating ultrafine vortices through the ultrafine structure of the present invention to be.
본 발명은 일 실시예로 유체 유동 흐름 내에 존재하는 바디(Body, 10)에 있어서, 상기 바디(10)의 표면에 위치하는 복수 개의 초미세구조물(200), 상기 바디(10) 내부에 위치하여 바디(10) 표면에 생기는 결빙을 제거하는 히터(300), 상기 히터(300)의 구동을 제어하는 제어부(400) 및 상기 바디의 표면에 위치하여 바디 방향으로 흐르는 유체 유동을 활용하여 전기를 생산하여 상기 히터를 구동시키는 적어도 하나 이상의 압전 소자부(500)를 포함하는 자가 발전(에너지 하베스팅)을 통하여 열을 발생시켜 결빙 제거가 가능한 초미세 와류 발생 구조체를 제공한다.In one embodiment, the present invention provides a body (10) in a fluid flow stream, comprising a plurality of ultra-fine structures (200) positioned on a surface of the body (10) A
이 때, 상기 바디(10)의 형상은 도 1 내지 도 2에 도시된 형상에 한정되는 것은 아니며, 유체 유동 흐름 내에 존재한다면 다른 형상으로 형성되더라도 무관하다.At this time, the shape of the
이하에서는 본 발명의 초미세 와류 발생 구조체를 구성하는 각각의 요소에 대하여 구체적으로 살펴본다. 먼저, 본 발명의 핵심 구성 요소 중 하나인 초미세 구조물(200)은 상기 바디(10)의 표면과 수직한 방향으로 돌출 형성된 복수 개의 초미세구조물(200)로 구성된다. 이 때, 상기 초미세구조물(200)은 일반적으로 마이크로 또는 나노 사이즈의 구조체를 의미한다.Hereinafter, each element constituting the ultrafine vortex generating structure of the present invention will be described in detail. First, the
바디(10) 방향으로 유체가 유동함에 따라 도 2와 같이 바디 표면에는 1차 와류(Primary Vortex)가 유도되고, 상기 복수 개의 초미세구조물(200)은 일정 간격을 두고 배치되어 각각의 초미세구조물(200) 사이에는 2차 와류(Secondary Vortex)가 유도된다.As the fluid flows in the direction of the
다음으로, 도 3 및 도 4를 참조하여 초미세구조물(200)의 형상 및 배치에 대하여 살펴본다.Next, the shape and arrangement of the
도 3은 본 발명의 초미세구조물의 형상에 대한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 초미세구조물이 배치된 형상에 대한 정면도이다.FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a shape of an ultrafine structure of the present invention, and FIG. 4 is a front view of a shape of an ultrafine structure of the present invention.
상기 초미세구조물(200)의 수직 단면은 도 3 (a)와 같이 상어 이빨(Sawtooth) 형상(∧)일 수 도 있으며, 또는 도 3 (b)와 같이 상어의 표면 형상과 같은 곡면 형상(∩)일 수도 있으며, 또는 도 3 (c)와 같이 스캘럽트(Scalloped) 형상일 수도 있고, 또는 도 3 (d)와 같이 요철 형상일 수도 있다.The vertical cross section of the
또한, 상기 초미세구조물(200)은 상면에서 볼 때 도 4 (a)와 같이 세로 방향으로 길게 형성될 수도 있고, 또는 도 4 (b)와 같이 세로 방향으로도 일정 간격 이격되어 배치될 수도 있으며, 또는 도 4 (c)와 같이 길이가 상이한 복수 개의 초미세구조물(200)이 그룹(Group)을 이루고, 복수 개의 초미세구조물 그룹이 일정 간격 이격되어 배치될 수도 있다. In addition, the
이 때, 상기 초미세구조물 그룹을 형성하는 각각의 초미세구조물(200)은 길이가 가장 긴 초미세구조물(200)을 중심으로 높이 순서대로 좌우 대칭을 이루도록 배치될 수 있다. 다시 말해, 상기 초미세구조물 그룹을 형성하는 각각의 초미세구조물(200)은 상면에서 볼 때 마름모 형상(◇)으로 배치될 수도 있다.At this time, each of the
다만, 상기 초미세구조물(200)의 형상 및 배치는 도 3 내지 도 4에 도시된 형상 및 배치에 한정되지 않으며, 바디(10) 표면에서 초미세 와류를 유발시킬 수 있다면 초미세구조물이 도 3과 다른 형상으로 형성되거나 도 4와 다른 형태로 배치되더라도 무관하다.However, if the
다음으로, 바디(10) 표면에 생성되는 결빙을 제거하는 히터(300)에 대하여 살펴본다.Next, the
바디(10) 표면에 결빙이 생성되면 바디(10)의 무게가 증가할 뿐 아니라, 바디(10) 표면에 작용하는 항력도 증가하게 되며, 이로 인해 바디(10) 주변의 공기 유동에 악영향을 끼쳐 양력(Lift)과 추력(Thrust)이 감소하게 된다는 문제점이 있다.When ice is formed on the surface of the
이에 따라, 본 발명은 히터(300)를 통해 바디 표면(10)의 결빙을 제거함으로써 상기 문제점을 해결하고자 한다.Accordingly, the present invention attempts to solve the above-mentioned problem by removing freezing of the
상기 히터(300)는 상기 바디(10) 내부에 위치하여 표면의 결빙을 제거할 수 있으며, 특히 상기 히터(300)는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 히터여서 바디(10) 내부에 embedded 되어 상기 바디(10) 표면과 MEMS 히터 사이의 공간을 최소화하여 표면에 열을 가하는 것을 방해하는 열 저항을 최소화 시켜 표면의 결빙을 보다 효과적으로 제거할 수 있다.The
또한, 상기 히터(300)는 도 2와 같이 상기 바디(10)의 표면의 온도를 측정할 수 있는 온도 감지부(600) 또는 상기 바디의 표면에 생성된 결빙 면적을 감지할 수 있는 결빙 감지부(700)와 일체로 결합될 수도 있다.2, the
다시 말해, 상기 히터(300)는 온도 감지부(600)와 일체로 결합될 수도 있고, 결빙 감지부(700)와 일체로 결합될 수도 있으며, 온도 감지부(600)와 결빙 감지부(700)가 함께 결합될 수도 있다.In other words, the
이 때, 상기 온도 감지부(600)는 적어도 하나 이상의 온도 센서로 구성되어 바디(10) 표면의 온도 변화를 감지할 수 있으며, 상기 결빙 감지부(700)는 적어도 하나 이상의 광학 센서 또는 무게 센서로 구성되어 바디(10) 표면의 결빙 면적을 감지할 수 있다.At this time, the
앞서 상기 온도 감지부(600) 또는 결빙 감지부(700)는 상기 히터(300)와 일체로 결합될 수 있다고 기술하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 온도 감지부(600) 또는 결빙 감지부(700)는 히터(300)와 결합되지 않고 바디(10)의 표면에 위치할 수도 있다. The
또한, 상기 결빙 감지부(700)는 바디(10) 표면의 결빙을 감지할 수 있다면 광학 센서, 무게 센서 외의 다른 센서를 사용하더라도 무관하다.The freezing
아울러, 상기 히터(300)는 상기 온도 감지부(600) 또는 결빙 감지부(700)에 의해 감지된 정보를 토대로 구동되는데 이에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 한다.In addition, the
다음으로, 도 5와 도 6을 참조하여 제어부(400)에 대하여 구체적으로 살펴본다.Next, the
도 5는 본 발명의 제어부가 구조체 표면의 결빙을 제거하기 위하여 히터의 구동을 제어하는 과정에 대해 나타낸 흐름도이고, 도 6은 구조체 표면의 결빙이 발생함에 따라 잠열에 의해 표면의 온도가 변화하는 과정을 도시한 그래프이다.FIG. 5 is a flowchart illustrating a process of controlling the driving of the heater to remove ice on the surface of the structure of the present invention. FIG. 6 is a flowchart illustrating a process of changing the surface temperature by latent heat Fig.
상기 제어부(400)는 후술할 압전 소자부(500)에서 생성된 전기를 이용하여 상기 히터(300)의 구동을 제어하는 역할을 하는 구성요소이며, 특히 바디(10) 표면에 결빙이 생성되지 않은 경우에는 히터(300)를 구동할 필요가 없으므로, 상기 온도 감지부(600) 또는 결빙 감지부(700)에서 감지된 바디(10) 표면의 상태 변화를 토대로 히터(300)의 구동이 필요한 시점을 판단하고, 그에 따라 히터(300)를 구동시키는 역할을 한다.The
먼저, 상기 제어부(400)가 상기 온도 감지부(600)에서 감지된 바디(10) 표면의 상태 변화를 토대로 히터(300)를 제어하는 과정에 대하여 살펴본다. First, a process of controlling the
ⅰ) 유체가 바디(10) 표면에서 빙결되면 유체로부터 잠열이 방출되어 도 8과 같이 바디(10) 표면의 온도가 상승하게 되고, 상기 온도 감지부(600)는 이와 같은 온도 상승을 감지할 수 있다.I) If the fluid freezes on the surface of the
따라서, 온도 감지부(600)에서 바디(10) 표면의 온도 상승을 감지하면, 상기 제어부(400)는 표면에 결빙이 생성된 것으로 판단하고 상기 히터(300)를 구동시켜 바디(10) 표면의 결빙을 제거할 수 있다.Accordingly, when the
또한, ⅱ) 온도의 변화가 미세하거나 상기 바디(10)까 저온의 환경에 위치하는 경우에는 상기 온도 감지부(600)가 바디(10) 표면의 온도 변화를 감지하지 못할 수도 있으므로, 이를 대비하여 상기 제어부(400)는 상기 온도 감지부(600)의 측정 결과, 상기 바디(10)의 표면 온도가 변화하지 않는 시간이 제1 기준값 이상인 경우에는 상기 히터를 구동시킬 수도 있다. 이 때, 제1 기준값은 상기 제어부(400)에 기 설정해둔 값으로, 제1 기준값은 바디(10)의 주변 환경(날씨, 온도 등)을 고려하여 달리 설정할 수 있다.Further, in case that the temperature change is small or the temperature is lower than the temperature of the
다음으로, 상기 제어부(400)가 상기 결빙 감지부(700)에서 감지된 바디(10) 표면의 상태 변화를 토대로 히터(300)를 제어하는 과정에 대하여 살펴본다.Next, a process of controlling the
상기 제어부(400)는 바디(10) 표면의 광학 이미지 변화 또는 바디(10)의 무게 변화를 토대로 상기 결빙 감지부(700)에서 상기 바디(10)의 표면 결빙 면적이 제2 기준값 이상으로 결빙된 것으로 감지되는 경우에는 상기 히터(300)를 구동시켜 바디(10) 표면에 생성된 결빙을 제거할 수 있다.The
예를 들어, 제2 기준값을 바디 전체 면적의 10%로 설정한 경우에는 상기 결빙 감지부(700)에서 바디(10)의 표면 결빙 면적이 10% 이상인 것으로 감지되는 경우에만 상기 히터(300)를 구동시킨다.For example, when the second reference value is set to 10% of the entire body area, the
이 때, 상기 제2 기준값은 상기 제1 기준값과 마찬가지로 상기 제어부(400)에 기 설정되어 있는 값이며, 상기 제2 기준값은 상기 바디(10)의 사용 용도에 따라 제2 기준값을 달리 설정할 수 있다.In this case, the second reference value is a value preset in the
상기 제어부(400)는 온도 감지부(600) 또는 결빙 감지부(700)에서 감지된 바디(10) 표면의 상태 변화를 토대로 상기와 같이 히터(300)를 구동시킴으로써, 도 9와 같이 바디(10) 표면에 결빙이 생성되는 것을 최소화할 수 있고, 바디 표면에 결빙이 없어짐에 따라 바디(10)에 작용하는 결빙의 영향을 최소화할 수 있다.The
마지막으로, 압전 소자부(500)는 도 2와 같이 압전 소자층(510, Piezoelectric effect element)과 전극층(520)으로 구성되며, 상기 바디(10)의 표면에 유발되는 와류(Vortex) 및 압력변화를 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 다시 말해, 바디(10) 표면에 유발된 와류 및 압력이 상기 바디(10)의 표면에 위치한 압전 소자층(510)을 가압하게 되고, 이에 따라 전기가 생성된다.2, the
와류 및 압력에 의해 가압된 압전 소자층(510)은 전기를 생성하는 에너지 하베스팅을 수행하게 되고, 생성된 전기는 전극층(520)을 통하여 상기 제어부(400)에 전달되며, 상기 제어부(400)는 상기 압전 소자층(510)에서 생성된 전기를 이용하여 상기 히터(300)를 구동시킬 수 있다.The
이 때, 상기 압전 소자층(510)은 상기 바디(10) 표면에 효율적으로 배치하기 위하여 필름 형태로 제작될 수도 있다.At this time, the
정리하면, 본 발명의 구조체는 복수 개의 초미세구조물(200)을 통해 바디(10) 표면에서 초미세 와류를 발생시키고, 본 발명의 바디(10) 표면에 위치한 압전 소자부(500)는 초미세구조물(210)에 의해 유도된 와류 및 압력 변화를 활용하여 자가 발전을 수행하고, 이를 통해 생산된 전기를 이용하여 히터(300)를 구동시킴으로써, 최소한의 에너지를 사용하여 바디(10) 표면의 결빙을 제거할 수 있다.In summary, the structure of the present invention generates ultrafine vortexes at the surface of the
다음으로, 도 7을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예인 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조를 갖는 에어 포일(Air foil)에 대하여 살펴본다.Next, referring to FIG. 7, an air foil having an ultrafine vortex generating surface structure capable of generating heat through self-power generation, which is another embodiment of the present invention, will be described.
도 7은 본 발명의 초미세 와류를 발생시켜 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 표면 구조를 갖는 에어 포일(Air foil)의 일 실시예에 대한 도면이다.7 is a view showing an embodiment of an air foil having a surface structure capable of generating heat through self generation by generating ultrafine vortices of the present invention.
본 발명의 공기 유동 흐름 내에 존재하는 에어 포일(Air foil, 100)에 있어서, 상기 에어 포일(100)의 표면에 위치하는 복수 개의 초미세구조물(200), 상기 에어 포일(100) 내부에 위치하여 에어 포일(100)의 표면에 생기는 결빙을 제거하는 히터(300), 상기 히터(300)의 구동을 제어하는 제어부(400) 및 상기 에어 포일의 표면에 위치하여 에어 포일(100) 방향으로 흐르는 공기 유동을 활용하여 전기를 생산하여 상기 히터(300)를 구동시키는 압전 소자부(500)를 포함하는 자가발전(에너지 하베스팅)을 통하여 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 구조체를 갖는 에어 포일(100)을 제공한다.In an
이 때, 상기 초미세구조물(200)은 앞서 본 발명의 일 실시예인 초미세 와류 발생 구조체에 대한 설명에서 언급했던 바와 에어 포일(100) 표면에서 와류가 유도되는 형상으로 형성된 것이 특징이다.At this time, the
본 발명의 에너지 하베스팅을 통하여 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조체를 갖는 에어 포일을 구성하는 상기 압전 소자부(500)는 압전 소자층(510)과 전극층(520)으로 구성되며, 공기의 유동에 의해 상기 에어 포일의 표면에 유발되는 와류(Vortex) 및 압력 변화에 의해 전기를 생성할 수 있는 것을 특징으로 한다.The
이 때, 상기 압전 소자층(510)은 에어 포일(100)의 표면에 배치되기 적합하도록 필름 형태일 수도 있다.At this time, the
또한, 본 발명의 에너지 하베스팅을 통하여 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조체를 갖는 에어 포일은 상기 에어 포일(100)의 표면의 온도를 측정하는 온도 감지부(600) 또는 상기 에어 포일(100)의 표면에 생성된 결빙 면적을 감지하는 결빙 감지부(700)를 더 포함할 수 있고, 상기 결빙 감지부(700)는 무게 센서 또는 광학 센서를 활용하여 에어 포일(100)에 생성된 결빙 면적을 감지할 수 있다.The airfoil having an ultrafine vortex generating surface structure capable of generating heat through the energy harvesting of the present invention may further include a
이 때, 상기 온도 감지부(600) 또는 결빙 감지부(700)는 상기 히터(300)와 결합되어 일체를 구성할 수도 있고, 히터(300)와 이격되어 에어 포일(100)의 표면에 배치될 수도 있다.At this time, the
상기 제어부(400)는 ⅰ) 에어 포일(100)의 표면에 생성된 빙결로 인한 잠열 방출에 의해 상기 온도 감지부(600)에서 온도 상승이 감지되는 경우에는 히터(300)를 구동시킬 수 있고, 또는 ⅱ) 상기 온도 감지부(600)의 측정 결과, 상기 에어 포일(100)의 표면 온도가 변화하지 않는 시간이 제1 기준값 이상인 경우에는 상기 히터(300)를 구동시킬 수 있다.The
또한, ⅲ) 상기 제어부(400)는 상기 결빙 감지부(700)에서 상기 에어 포일의 표면 결빙 면적이 제2 기준값 이상으로 결빙된 것으로 감지되는 경우에는 상기 히터(300)를 구동시킬 수도 있다.Iii) The
상기 제어부(400)의 상기와 같은 히터(300)를 구동 과정은 앞서 구체적으로 설명하였으므로, 여기서는 자세한 설명을 생략한다.Since the process of driving the
본 발명의 자가발전을 통하여 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조를 갖는 에어 포일을 구성하는 상기 압력 소자부(500)는 제1 압력 소자부(510)와 제2 압력 소자부(520)로 구성되며, 상기 에어 포일(100)의 표면 상에 상기 제1 압력 소자부(510), 초미세 구조물(200), 제2 압력 소자부(520)는 이 순서대로 배치될 수 있다.The
특히, 도 10과 같이 상기 제1 압력 소자부(510)는 상기 에어 포일(100)의 리딩 엣지(Leading edge)에 배치되고, 상기 제2 압력 소자부(520)는 상기 에어 포일(100)의 트레일링 엣지(Trailing edge)에 배치될 수 있는데,10, the first
ⅰ) 상기 제1 압력 소자부(510)가 에어 포일(100)에서 공기 유동에 따른 압력의 변화가 가장 큰 리딩 엣지에 위치하여, 상기 압력 변화를 활용하여 에너지 하베스팅을 수행할 수 있고,I) the first pressure element part (510) is located at the leading edge where the change in pressure due to the air flow in the airfoil (100) is the greatest, so that energy harvesting can be performed utilizing the pressure change,
ⅱ) 상기 제2 압력 소자부(520)는 유체 유동에 따른 마찰력(Friction)과 와류(Vortex)가 주로 발생되는 트레일링 엣지에 위치하여, 상기 마찰력과 와류로 인하여 발생하는 압력 변화 및 공기의 진동 등을 활용하여 에너지 하베스팅을 수행하여 상기 히터(300)를 구동시킬 전기를 생산할 수 있다.Ii) The
즉, 본 발명은 공기의 유동에 따라 변화하는 에어 포일(100)의 압력 변화와 에어 포일(100) 표면에 유도되는 와류를 고려하여 상기 제1 압력 소자부(510)를 에어 포일(100) 내에서 표면의 압력 변화가 가장 큰 리딩 엣지에 배치하고, 제2 압력 소자부(520)를 마찰과 와류가 주로 발생되는 트레일링 엣지에 배치함으로써, 에너지 하베스팅의 효율을 높일 수 있다.That is, in the present invention, the first
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention.
또한, 본 발명에서 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.Furthermore, the terms used in the present invention are used only to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
10 : 바디
100 : 에어 포일
200 : 초미세구조물
300 : 히터
400 : 제어부
500 : 압전 소자부
510 : 제1 압전 소자부
520 : 제2 압전 소자부
600 : 온도 감지부
700 : 결빙 감지부10: Body
100: airfoil
200: ultrafine structure
300: heater
400:
500: piezoelectric element portion
510: first piezoelectric element portion
520: second piezoelectric element part
600: Temperature sensing unit
700:
Claims (15)
상기 바디의 표면에 위치하는 복수 개의 초미세구조물;
상기 바디 내부에 위치하여 바디 표면에 생기는 결빙을 제거하는 히터;
상기 히터의 구동을 제어하는 제어부; 및
상기 바디의 표면에 위치하여 바디 방향으로 흐르는 유체 유동을 활용하여 전기를 생산하여 상기 히터를 구동시키는 적어도 하나 이상의 압전 소자부;를 포함하고,
상기 초미세구조물은 상기 바디 표면에 와류(Vortex)를 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조체
For a body present in a fluid flow stream,
A plurality of ultrafine structures located on a surface of the body;
A heater positioned inside the body to remove ice from the body surface;
A controller for controlling driving of the heater; And
And at least one piezoelectric element part positioned on the surface of the body and utilizing the flow of fluid flowing in the body direction to generate electricity to drive the heater,
Characterized in that the ultrafine structure is capable of generating a vortex on the body surface. The ultrafine vortex generating surface structure capable of generating heat through self-
상기 바디의 표면의 온도를 측정하는 온도 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조체
The method according to claim 1,
Further comprising a temperature sensing unit for measuring the temperature of the surface of the body. The micro-vortex generating surface structure
상기 제어부는 상기 바디 표면에 생성되는 빙결로 인한 잠열 방출에 의해 상기 온도 감지부에서 온도 상승이 감지되는 경우에는 히터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조체
3. The method of claim 2,
Wherein the control unit drives the heater when a temperature rise is sensed by the temperature sensing unit due to the latent heat release due to freezing generated on the body surface. The micro vortex generating surface structure
상기 제어부는 상기 온도 감지부의 측정 결과, 상기 바디의 표면 온도가 변화하지 않는 시간이 제1 기준값 이상인 경우에는 상기 히터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조체
3. The method of claim 2,
Wherein the control unit drives the heater when a time period during which the surface temperature of the body does not change is equal to or greater than a first reference value as a result of measurement by the temperature sensing unit,
상기 바디의 표면에 생성된 결빙 면적을 감지하는 결빙감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조체
The method according to claim 1,
And a freezing sensor for sensing the freezing area generated on the surface of the body. The micro-vortex generating surface structure
상기 제어부는 상기 결빙 감지부에서 상기 바디의 표면 결빙 면적이 제2 기준값 이상으로 결빙된 것으로 감지되는 경우에는 상기 히터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조체
6. The method of claim 5,
Wherein the controller drives the heater when the surface freezing area of the body is detected to be frozen at a second reference value or more in the freezing sensing unit. The micro vortex generating surface structure
상기 압전 소자부는 압전 소자층과 전극층으로 구성되며, 유체의 유동에 의해 상기 바디의 표면에서 유발되는 와류(Vortex) 및 압력변화를 이용하여 전기를 생성할 수 있는 것을 특징으로 하는 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조체
The method according to claim 1,
Wherein the piezoelectric element portion is composed of a piezoelectric element layer and an electrode layer and is capable of generating electricity using a vortex and a pressure change induced on the surface of the body by the flow of the fluid, Ultra-fine vortex generating surface structure
상기 에어 포일의 표면에 위치하는 복수 개의 초미세구조물;
상기 에어 포일 내부에 위치하여 에어 포일의 표면에 생기는 결빙을 제거하는 히터;
상기 히터의 구동을 제어하는 제어부; 및
상기 에어 포일의 표면에 위치하여 에어 포일 방향으로 흐르는 공기 유동을 활용하여 전기를 생산하여 상기 히터를 구동시키는 압전 소자부;를 포함하고,
상기 초미세구조물은 상기 바디 표면에 와류(Vortex)를 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조를 갖는 에어 포일
In an air foil present in an air flow stream,
A plurality of ultrafine structures located on a surface of the airfoil;
A heater positioned inside the airfoil to remove ice from the surface of the airfoil;
A controller for controlling driving of the heater; And
And a piezoelectric element part which is positioned on the surface of the airfoil and utilizes an air flow flowing in an airfoil direction to generate electricity to drive the heater,
Characterized in that the ultrafine structure is capable of generating a vortex on the body surface. The airfoil having an ultrafine vortex generating surface structure capable of generating heat through self-
상기 압전 소자부는 압전 소자층과 전극층으로 구성되며, 공기의 유동에 의해 상기 에어 포일의 표면에 유발되는 와류(Vortex) 및 압력변화를 이용하여 전기를 생성할 수 있는 것을 특징으로 하는 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조를 갖는 에어 포일
9. The method of claim 8,
Wherein the piezoelectric element part is composed of a piezoelectric element layer and an electrode layer and is capable of generating electricity using a vortex and a pressure change induced on the surface of the airfoil by the flow of air, An airfoil having an ultrafine vortex generating surface structure capable of generating heat
상기 에어 포일의 표면의 온도를 측정하는 온도 감지부 또는 상기 에어 포일의 표면에 생성된 결빙 면적을 감지하는 결빙 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조를 갖는 에어 포일
9. The method of claim 8,
Further comprising a temperature sensing unit for measuring a temperature of the surface of the airfoil or an ice sensing unit for sensing a freezing area generated on a surface of the airfoil. Airfoil
상기 제어부는 상기 에어 포일 표면에 생성되는 빙결로 인한 잠열 방출에 의해 상기 온도 감지부에서 온도 상승이 감지되는 경우에는 히터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조를 갖는 에어 포일
11. The method of claim 10,
Wherein the control unit drives the heater when a temperature rise is detected in the temperature sensing unit due to the latent heat release due to freezing generated on the surface of the airfoil, Airfoil
상기 제어부는 상기 온도 감지부의 측정 결과, 상기 에어 포일의 표면의 온도가 변화하지 않는 시간이 제1 기준값 이상인 경우에는 상기 히터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조를 갖는 에어 포일
11. The method of claim 10,
Wherein the control unit drives the heater when a time period during which the temperature of the surface of the airfoil does not change is equal to or greater than a first reference value as a result of the temperature sensing unit. An airfoil having a surface structure
상기 제어부는 상기 결빙 감지부에서 상기 에어 포일의 표면의 결빙 면적이 제2 기준값 이상으로 결빙된 것으로 감지되는 경우에는 상기 히터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조를 갖는 에어 포일
11. The method of claim 10,
Wherein the controller drives the heater when the freezing area of the surface of the airfoil is detected to be frozen at a second reference value or more in the freezing sensor unit. An airfoil having a surface structure
상기 압력 소자부는 제1 압력 소자부와 제2 압력 소자부로 구성되며,
상기 제1 압력 소자부, 항력 저감부, 제2 압력 소자부는 상기 에어 포일의 표면 상에 순서대로 배치되는 것을 특징으로 하는 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조를 갖는 에어 포일
9. The method of claim 8,
Wherein the pressure element part comprises a first pressure element part and a second pressure element part,
Wherein the first pressure element portion, the drag reduction portion, and the second pressure element portion are arranged in order on the surface of the airfoil.
상기 제1 압력 소자부는 상기 에어 포일의 리딩 엣지(Leading edge)에 배치되는 것을 특징으로 하는 자가발전을 통한 열 발생이 가능한 초미세 와류 발생 표면 구조를 갖는 에어 포일15. The method of claim 14,
Wherein the first pressure element portion is disposed at a leading edge of the airfoil. 2. The airfoil of claim 1, wherein the first pressure element portion is disposed at a leading edge of the airfoil.
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2017
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Title |
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