JP5864602B2 - 過給機が設けられた船舶の吸入空気冷却システム - Google Patents
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Description
本発明は、吸入空気冷却システムに係り、より詳細には、過給機が設けられた船舶の吸入空気冷却システムに関する。
一般的な船舶には、船舶の推進動力及び船舶で使われる電力生産のような多数の目的のために、ディーゼルエンジン（Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ）のような内燃機関が設けられる。
前記内燃機関の場合、一般的に、燃料の吸入、圧縮、爆発及び排気の行程を用いて、動力を生成する。この際、燃料の吸入過程において、燃料と共に内燃機関の内部に吸入空気（Ｉｎｔａｋｅ Ａｉｒ）が流入されるが、前記吸入空気の圧力を上昇させることによって、前記内燃機関の効率が上昇しうる。
したがって、最近、前記吸入空気の圧力を上昇させて、前記内燃機関に多量の前記吸入空気を供給するための過給機が設けられた船舶が多数提案されている。
前記過給機による吸入空気圧縮方式は、前記内燃機関のクランク軸に歯車を噛み合って機械的に駆動するスーパーチャージャー（Ｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｅｒ）方式及び前記燃焼機関から発生する排ガスを利用した排気タービンで駆動されるターボチャージャー（Ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ）方式がある。
図１には、ターボチャージャー方式によって吸入空気を圧縮させる過給機が設けられた船舶の一例が示される。
前記船舶の内燃機関、すなわち、エンジン３１０から一定圧力及び温度の排ガスＥが排出されれば、排ガスＥは、過給機１００に供給される。
この際、過給機１００に供給された排ガスＥのエネルギーによって、過給機１００の排気タービン１１１では、回転力が発生し、前記回転力を排気タービン１１１と連結された圧縮タービン１１２に伝達される。そして、圧縮タービン１１２は、前記回転力を用いて、外部吸入空気ａを圧縮して、エンジン３１０に供給する。
一方、過給機１１０での吸入空気ａの圧縮過程で、吸入空気ａは、断熱圧縮過程によって圧縮される。したがって、圧縮後の吸入空気ａの温度、すなわち、過給機１１０の後段側吸入空気ａの温度は、より圧縮前の吸入空気ａの温度、すなわち、過給機１１０の前段側吸入空気ａの温度よりも上昇する。
この際、一般的に、前記内燃機関であるエンジン３１０に供給される吸入空気ａの温度が高くなるほど、エンジン３１０の効率は減少する関係にあるので、過給機１１０を経た後段側吸入空気ａの温度の上昇によって、エンジン３１０の効率が減少する問題が発生する。
また、前記船舶が、熱帯地方のような高温の環境で運航する場合、過給機１１０の前記前段側から吸入空気ａの温度が上昇した状態で、圧縮されることによって、エンジン３１０の効率がさらに低下する問題が発生する。
本発明の目的は、前記吸入空気を冷却させて、前記エンジンに供給することによって、前記エンジンの効率を上昇させる船舶の吸入空気冷却システムを提供することである。
本発明の実施形態の一側面によれば、エンジンから生成される排ガスの一部を用いて、外部から流入された吸入空気を圧縮し、前記吸入空気が流入される前段及び圧縮された前記吸入空気を前記エンジンに供給するための後段を含む過給機と、前記過給機で圧縮された前記吸入空気と前記過給機を通過した前記排ガスとのうち何れか１つ以上を冷却させ、前記吸入空気または前記排ガスの流れによって配される１つ以上の冷却ユニットを含む冷却部と、前記冷却ユニットを通じて循環される作動流体から熱源を供給される吸収式冷却装置と、を含む船舶の吸入空気冷却システムが提供される。
また、前記冷却部は、前記過給機から排出された前記吸入空気と熱交換を行う第１作動流体が循環される第１冷却ユニットと、前記第１冷却ユニットの後側に位置して、前記吸入空気と熱交換を行う第２作動流体が循環される第２冷却ユニットと、を含みうる。
また、前記冷却部の前記第２冷却ユニットには、前記吸収式冷却装置を流動する前記第２作動流体と前記船舶外部の海水とのうち１つ以上が流動しうる。
また、前記第２冷却ユニット及び前記吸収式冷却装置の間に設けられて、前記第２作動流体が流動し、前記第２作動流体の流動を選択的に開放または遮蔽するための１つ以上のメイン弁が設けられる第２作動流体流路と、前記第２作動流体流路のうち、前記第２冷却ユニット及び前記メイン弁の間の位置に接続され、前記船舶外部の海水が流動し、前記海水の流動を開放または遮蔽するための１つ以上の補助弁が設けられる補助循環流路と、をさらに含みうる。
また、前記冷却部は、前記船舶外部の海水と熱交換を行う第３作動流体が循環される第３冷却ユニットをさらに含みうる。
また、前記第３作動流体と海水の熱交換を行うための補助冷却装置をさらに含み、前記第３冷却ユニットによる前記吸入空気の冷却は、前記第１冷却ユニット及び前記第２冷却ユニットによる冷却と独立して行われる。
また、前記第１冷却ユニットに前記第１作動流体を供給するための第１作動流体流路には、前記第３作動流体が循環される第３作動流体循環流路が連結され、前記第１作動流体流路のうち、前記第３作動流体循環流路が接続される部分には、前記第１冷却ユニットに対して選択的に前記第１作動流体の供給を遮断し、前記第３作動流体の供給を行うための切替弁をさらに含みうる。
また、前記第２冷却ユニットに前記第２作動流体を供給するための第２作動流体流路には、前記海水が循環される海水循環流路が連結され、前記第２作動流体流路のうち、前記海水循環流路が接続される部分には、前記第２冷却ユニットに対して選択的に前記第２作動流体の供給を遮断し、前記海水の供給を行うための切替弁をさらに含みうる。
また、前記第３冷却ユニットは、前記第１冷却ユニットと前記第２冷却ユニットとの間に配され、前記第２冷却ユニットに流れる前記第２作動流体の温度は、前記第３冷却ユニットに流れる前記第３作動流体の温度よりも低く形成されうる。
また、前記吸収式冷却装置は、冷媒の蒸発潜熱を用いて、前記第２作動流体を冷却させる蒸発器と、前記蒸発器での蒸発された冷媒を吸収する吸収液が収容された吸収器と、前記熱源として供給される前記過給機から排出された前記吸入空気を用いて、前記冷媒の吸収を通じて薄くなった前記吸収器の吸収液を加熱させて再生させる再生器と、前記再生器で蒸発した冷媒を凝縮させる凝縮器と、を含みうる。
また、前記吸収式冷却装置は、前記第２冷却ユニットに供給される前記第２作動流体の温度をセンシングするための温度センサーをさらに含みうる。
また、前記冷却部は、前記排ガスを冷却させるための第１作動流体が流動する第１冷却ユニット及び前記圧縮された吸入空気を冷却させるための第２作動流体が流動する第２冷却ユニットを含み、前記第１冷却ユニットは、前記過給機から前記排ガスが排出される排気マニホールド上に配されて、前記排ガスが、前記第１作動流体と熱交換させ、前記第２冷却ユニットは、前記過給機と前記エンジンとの間に配されて、前記過給機で圧縮された前記吸入空気と前記第２作動流体とを熱交換させうる。
また、前記冷却部は、前記船舶外部の海水と熱交換を行う第３作動流体が循環される第３冷却ユニットをさらに含みうる。
また、前記第３作動流体と前記船舶外部の海水との熱交換を行うための補助冷却装置をさらに含み、前記第３冷却ユニットによる前記吸入空気の冷却は、前記第１冷却ユニット及び前記第２冷却ユニットによる冷却と独立して行われる。
また、前記第１冷却ユニットは、前記排ガスと熱交換して蒸気を生成させる低圧蒸気発生器であり得る。
また、前記吸収式冷却装置は、前記冷媒の蒸発潜熱を用いて、前記作動流体を冷却させる蒸発器と、前記蒸発器での蒸発された冷媒を吸収する吸収液が収容された吸収器と、前記熱源として供給される前記排ガスの一部を用いて、前記冷媒の吸収を通じて薄くなった前記吸収器の吸収液を加熱させて再生させる再生器と、前記再生器で蒸発した冷媒を凝縮させる凝縮器と、を含みうる。
また、前記冷却部は、前記過給機から前記エンジンへの前記吸入空気の流動のための吸入空気流路が形成され、前記吸入空気流路に沿って配される前記１つ以上の冷却ユニットが設けられる冷却部本体を含みうる。
また、前記１つ以上の冷却ユニットは、前記冷却部に着脱自在に設けられるようにカートリッジ形態に形成されうる。
また、前記冷却部と前記エンジンとの間に設けられ、前記冷却部を経て冷却された圧縮空気から発生する凝結水を処理するための凝結水処理装置をさらに含みうる。
本発明の実施形態によれば、吸収式冷凍機を用いて、船舶のエンジンに供給される吸入空気を冷却することによって、エンジン効率を上昇させることができる。
また、前記過給機で圧縮された高温の前記吸入空気を冷却させるための吸収式冷却装置が、前記吸入空気から熱源を得て駆動されることによって、吸収式冷却装置の駆動のための別途の熱源が要求されず、吸入空気を冷却させるための冷却システムのエネルギー効率が上昇する。
また、前記過給機で圧縮された高温の前記吸入空気が、前記エンジンに供給される過程で、複数の段階を経て冷却されることによって、一回で前記吸入空気を冷却させる場合に比べて、前記吸入空気の冷却効率が上昇する。
以下、添付した図面を参照して、本発明による望ましい実施形態を詳細に説明する。
図２は、吸入空気の温度とエンジンの効率との間の関係を示す図である。
図２を参照すると、ディーゼルエンジンのような内燃機関に供給される吸入空気の温度が上昇するほど、前記内燃機関の燃料効率を示す燃料消費率（ＳＦＯＣ）も上昇する。
この際、前記燃料消費率は、燃料消費量の仕事当量を意味するものであって、前記燃料消費率が増加するほど、前記内燃機関で同一の仕事量を生成させる燃料の消費量が増加するので、前記内燃機関の効率は減少する。
すなわち、前記吸入空気の温度と前記内燃機関の熱効率は、反比例の関係にあるので、前記内燃機関の熱効率を増加させるためには、前記内燃機関に供給される前記吸入空気の温度の減少が要求される。
以下、前記内燃機関に供給される前記吸入空気の温度を減少させるための本実施形態による船舶の吸入空気冷却システムの構成を詳しく説明する。
図３は、本発明の第１実施形態による船舶の吸入空気冷却システムの構成を示す図であり、図４は、図３の吸入空気冷却システムの吸収式冷凍機の構成を示す図である。
まず、図３を参照すると、本実施形態による船舶の吸入空気冷却システム１は、過給機１００と、吸収式冷却装置２００と、補助冷却装置４００と、冷却部５００と、を含む。
より詳しく、過給機１００は、エンジン３００から生成される排ガスの一部Ｅを用いて、吸入空気ａを圧縮するターボチャージャー方式の過給機からなり、排ガスの一部Ｅが供給されて回転力を発生させる排気タービン１０１と、排気タービン１０１と連結されて、前記回転力を伝達されて、外部の吸入空気ａを圧縮してエンジンに供給する圧縮タービン１０２と、を含む。
そして、過給機１００には、圧縮タービン１０２を基準に、外部から吸入空気ａが流入される前段及び圧縮タービン１０２で圧縮された吸入空気ａがエンジン３００に向けて流出される後段が形成される。
過給機１００で圧縮された吸入空気ａは、エンジン３００に供給され、圧縮された吸入空気ａを供給されたエンジン３００は、大気圧状態の吸入空気ａが供給される場合に比べて、過量の圧縮空気ａを供給されることによって、その効率が上昇しうる。
一方、過給機１００ｄで吸入空気ａの圧縮時に、吸入空気ａは、断熱圧縮過程によって圧縮されることによって、その温度が上昇し、温度が上昇した吸入空気ａが、そのままエンジン３００に供給される場合、前述したように、エンジン効率の低下が発生しうる。
したがって、本実施形態による過給機１００とエンジン3００との間には、過給機１００で圧縮された吸入空気ａを冷却させるための冷却部５００が設けられる。
冷却部５００は、吸入空気ａの流れによって配される複数個の冷却ユニット５１０、５２０、５３０を含み、冷却ユニット５１０、５２０、５３０には、前記吸収式冷却装置２００及び前記補助冷却装置４００から冷却された作動流体ｗ１、ｗ２、ｗ３が循環されて、吸入空気ａがエンジン3００に流動する過程で冷却されるようにする。
冷却ユニット５１０、５２０、５３０は、第１冷却ユニット５１０、第２冷却ユニット５２０及び第３冷却ユニット５３０に配され、第１冷却ユニット５１０は、過給機１００に最も隣接され、第２冷却ユニット５２０は、第１冷却ユニット５１０の後側に位置される。そして、第３冷却ユニット５３０は、第１冷却ユニット５１０及び第２冷却ユニット５２０の間に配される。
この際、第１冷却ユニット５１０及び第２冷却ユニット５２０には、それぞれ吸収式冷却装置２００から冷却された第１作動流体ｗ１及び第２作動流体ｗ２が供給及び循環され、第３冷却ユニット５３０には、補助冷却装置４００から冷却された第３作動流体ｗ３が供給及び循環される。
一方、吸収式冷却装置２００は、冷却部５００の第１冷却ユニット５１０を通じて循環される第１作動流体ｗ１から熱源を供給され、第２冷却ユニット５２０を通じて循環される第２作動流体ｗ２から低温熱源を供給されて、冷却動作を行う。吸収式冷却装置２００の構成に関する詳細な説明は、以下で説明する。
そして、補助冷却装置４００は、吸収式冷却装置２００と別途に設けられ、補助作動流体ｗ４が循環される海水循環流路４２０及び海水循環流路４２０と熱交換可能に設けられ、第３作動流体ｗ３が循環される第３作動流体循環流路４１０を含む。この際、補助作動流体ｗ４は、外部の海水であり得る。
すなわち、補助冷却装置４００では、海水循環流路４２０を循環する補助作動流体ｗ４によって第３冷却ユニット５３０を経て加熱された第３作動流体ｗ３が冷却されうる。
以下、吸収式冷却装置２００の構成について詳しく説明する。
図４を参照すると、吸収式冷却装置２００は、冷媒を用いて第１作動流体ｗ１及び第２作動流体ｗ２を冷却させるために設けられたものであって、蒸発器２１０、吸収器２２０、再生器２３０及び凝縮器２４０を含む。
蒸発器２１０は、冷媒の蒸発潜熱を用いて、船舶用燃料を冷却させる作動流体を冷却させるために設けられたものである。本実施形態では、冷媒Ｒとして清水（ｆｒｅｓｈ ｗａｔｅｒ）が使われうるが、これに限定されるものではない。
一方、前記蒸発器２１０内には、第２作動流体流路２５１が設けられる。前記第２作動流体流路２５１を通じて蒸発器２１０の内部を通過する第２作動流体ｗ２は、蒸発器２１０内での冷媒Ｒの蒸発潜熱によって冷却される。第２作動流体ｗ２としては、一例として、清水のような多様な冷却媒介体が使われる。
また、蒸発器２１０の下部には、冷媒ポンプ２１６が設けられて、蒸発器２１０内の下部に凝結される液状の冷媒Ｒを冷媒パイプ２１２を通じて蒸発器２１０の上部に供給する。蒸発器２１０の上部に供給された冷媒Ｒ、すなわち、清水は、蒸発器２１０内でノズルを通じて作動流体循環流路２５１に向けて噴射されると同時に、蒸発する。
そして、冷媒Ｒの蒸発過程で冷媒Ｒに吸収される蒸発潜熱によって、第２作動流体流路２５１内で流動する第２作動流体ｗ２が冷却されうる。
この際、蒸発器２１０の内部圧力が、一例として、６．５ｍｍＨｇの圧力で形成されるように、蒸発器２１０の内部圧力を調節し、この際、清水からなる冷媒Ｒは、約５℃の温度で蒸発されうる。
一方、吸収器２２０は、蒸発器２１０で蒸発された冷媒Ｒ、本実施形態では、清水を吸収するために設けられたものであって、蒸発器２１０及び吸収器２２０は、冷媒供給流路２１１によって連通されうる。
より詳しく、蒸発器２１０で蒸発が続けば、水蒸気分圧が次第に高くなるので、蒸発温度も上昇して、適切な冷却効果が得られなくなる。したがって、蒸発された冷媒Ｒを吸収器２２０内に貯蔵された吸収液Ａに吸収させれば、蒸発器２１０内での冷媒Ｒの蒸発圧力及び温度を一定に保持されうる。
本実施形態では、吸収器２２０の吸収液Ａとして、臭化リチウム（ＬｉＢｒ）水溶液が使われうるが、これに限定されるものではない。
そして、吸収器２２０内での、吸収液Ａが蒸発された冷媒Ｒの吸収時に発生する吸収熱を除去するために、吸収器２２０内には、補助冷却装置４００から冷却された補助作動流体ｗ４が流動する補助作動流体パイプ２５２が設けられる。
一方、吸収液Ａである前記臭化リチウム水溶液が吸収作用を続くことによって、前記臭化リチウム水溶液の濃度が次第に薄くなれば、前記臭化リチウム水溶液が、冷媒Ｒである清水を吸収する吸収作用の効率が漸減する。
したがって、本実施形態による吸収式冷却装置２００には、前記吸収液Ａの再生のための前記再生器２３０が設けられる。
そして、吸収器２２０の下部には、吸収液ポンプ２２４が設けられ、吸収液ポンプ２２４は、吸収器２２０内の下部に凝縮された臭化リチウム水溶液を第１吸収液循環パイプ２２１を通じて再生器２３０に供給する。
再生器２３０は、冷媒、すなわち、清水を吸収することで薄くなった前記臭化リチウム水溶液を加熱させて、吸収液Ａ、すなわち、前記臭化リチウム水溶液から前記清水を蒸発させることによって、前記臭化リチウム水溶液内の臭化リチウムの濃度を増加させる過程、すなわち、吸収液再生過程を行うために設けられる。この際、再生器２３０の上部には、吸収器２２０から薄くなった前記臭化リチウム水溶液を伝達するための第１吸収液循環パイプ２２１が連通される。
再生器２３０内の吸収液Ａは、加熱手段によって加熱されるが、前記加熱手段、すなわち、熱源として、第１冷却ユニット５１０で圧縮された吸入空気ａを冷却しながら、自身は加熱された第１作動流体ｗ１が使われる。この際、再生器２３０には、第１作動流体ｗ１が流動する第１作動流体循環流路２６１が貫通され、再生器２３０の内部に収容された吸収液Ａが、第１作動流体循環流路２６１から熱を伝達されて、前記吸収液再生過程が行われる。
一方、再生器２３０内で前記再生過程を経て濃縮された吸収液Ａは、第２吸収液循環パイプ２３１を通じて、吸収器２２０に循環される。
この際、再生器２３０と吸収器２２０との間には、吸収液熱交換器２６０が設けられることもある。吸収液熱交換器２６０には、第１吸収液循環パイプ２２１及び第２吸収液循環パイプ２３１の一部が貫通し、第１吸収液循環パイプ２２１内で流動する低温及び低濃度の吸収液Ａと第２吸収液循環パイプ２３１内で流動する高温及び高濃度の吸収液Ａとの熱交換が行われる。したがって、吸収液熱交換器２６０は、再生器２３０での加熱量と吸収器２２０での冷却熱量とを大幅に節減することによって、熱効率を改善する役割ができる。
吸収器２２０に入った濃縮された臭化リチウム水溶液は、再び蒸気状の冷媒Ｒを吸収して低濃度になった後、再び再生器２３０に循環されて加熱及び濃縮過程を連続して反復する。
そして、吸収液Ａの前記再生過程で、吸収液Ａから蒸気状の冷媒Ｒ、すなわち、水蒸気は、再生器２３０と凝縮器２４０とを連結する連結パイプ２３２を通じて凝縮器２４０に供給される。
一方、凝縮器２４０は、再生器２３０で蒸発した冷媒Ｒ、すなわち、水蒸気を凝縮させるために設けられる。凝縮器２４０内には、蒸発された冷媒Ｒ、すなわち、水蒸気を凝縮させるために、熱交換部として吸収器２２０内を通り過ぎる補助作動流体パイプ２５２が延設されている。したがって、吸収器２２０を通過した補助作動流体ｗ４は、凝縮器２４０の内部での蒸気状の冷媒Ｒから熱を吸収して、前記蒸気状の冷媒Ｒが液状に凝縮されるようにする。
そして、液状に凝縮された冷媒Ｒ、すなわち、清水は、冷媒パイプ２４１を通じて、蒸発器２１０に再供給されうる。そして、蒸発器２１０に再供給された液状の冷媒Ｒは、吸収式冷凍機２００内での循環を繰り返す。この際、冷媒パイプ２４１には、膨張弁２４２が設けられて、内部に流動する冷媒Ｒの圧力を減圧させうる。
以下、本発明の一実施形態による船舶の吸入空気冷却システムの吸収式冷却装置２００において、冷媒Ｒの流れについて説明する。この場合、吸収式冷却装置２００の細部的な構成要素の作動については、前述したので、これについての詳細な説明は省略する。
吸収式冷却装置２００の蒸発器２１０で蒸発潜熱によって第２作動流体ｗ２を冷却させた冷媒Ｒ（本実施形態では、清水）は、吸収器２２０内の吸収液Ａである臭化リチウム水溶液によって吸収され始める。以後、冷媒Ｒを吸収して濃度が低下した吸収液Ａは、再生器２３０に伝達される。
再生器２３０では、第１作動流体循環流路２６１を通じて再生器２３０の内部を循環する加熱された第１作動流体ｗ１によって、冷媒Ｒが過量吸収された吸収液Ａから冷媒Ｒが蒸発される。そして、第１作動流体ｗ１は、前記熱交換過程によって熱交換器２８０で排ガスから熱を供給された高温の排ガスＥ２によって、冷媒Ｒが過量吸収された吸収液Ａから、冷媒Ｒが蒸発される。
冷媒Ｒが蒸発分離されて、濃縮された吸収液Ａは、再び吸収器２２０に入って吸収作用を再遂行する。そして、再生器２３０から出た蒸気状の冷媒Ｒは、凝縮器２４０に供給されて、海水によって冷却及び凝縮されて、蒸発器２１０に循環されて、１サイクルの冷媒循環過程を終える。
このような循環過程を反復的に行うことによって、蒸発器２１０内で第２作動流体流路２５１を通じて流れる第２作動流体ｗ２を冷却させる。
以下、本実施形態による船舶の吸入空気冷却システムで吸入空気ａが冷却されて、エンジン３００に供給させる冷却部５００の構成を詳細に説明する。
図５は、本発明の実施形態による吸入空気冷却システムの冷却部の構成及び吸入空気の流れを示す図である。
図３及び図５を参照すると、本実施形態による冷却部５００は、内部に過給機１００からエンジン3００への吸入空気ａの流動のための吸入空気流路５４４が形成され、吸入空気流路５４４に沿って配される複数の冷却ユニット５１０、５２０、５３０が設けられる冷却部本体５４０をさらに含む。
この際、冷却部本体５４０には、第１冷却ユニット５１０、第２冷却ユニット５２０及び第３冷却ユニット５３０をそれぞれ挿入させるための第１スロット５４１、第２スロット５４２及び第３スロット５４３が形成され、第１冷却ユニット５１０、第２冷却ユニット５２０及び第３冷却ユニット５３０は、前記スロット５４１、５４２、５４３に着脱自在に設けられるカートリッジ（Ｃａｒｔｒｉｄｇｅ）タイプに形成されうる。
そして、第１冷却ユニット５１０、第２冷却ユニット５２０及び第３冷却ユニット５３０には、それぞれ第１作動流体ｗ１、第２作動流体ｗ２及び第３作動流体ｗ３が流動して、第１冷却ユニット５１０、第２冷却ユニット５２０及び第３冷却ユニット５３０を経てエンジン３００に供給される吸入空気ａと熱交換するための第１作動流体流路５１１、第２作動流体流路５２１及び第３作動流体循環流路５３１が形成される。
以下、吸入空気ａが、冷却部５００によって冷却される過程を詳細に説明する。
この際、説明の便宜上、過給機１００の後段から第１冷却ユニット５１０側に流動する吸入空気ａを第１状態吸入空気ａ１、第１冷却ユニット５１０から第３冷却ユニット５３０に流動する吸入空気ａを第２状態吸入空気ａ２、第３冷却ユニット５３０から第２冷却ユニット５２０に流動する吸入空気ａを第３状態吸入空気ａ３、第２冷却ユニット５２０からエンジン3００に向けて流動する吸入空気ａを第４状態吸入空気ａ４と言う。
まず、第１状態吸入空気ａ１は、過給機１００で圧縮された吸入空気ａであって、約１８０℃の温度で第１冷却ユニット５１０に流入される。
この際、第１作動流体５１０は、吸収式冷却装置２００の再生器２３０で約８５℃の温度で冷却されて、第１冷却ユニット５１０に供給され、第１冷却ユニット５１０で第１状態吸入空気ａ１と熱交換されて、約９５℃の温度で加熱されて、再び吸収式冷却装置２００に循環される。
第１冷却ユニット５１０を通じて流動する過程で、約１６０℃の温度で冷却された第２状態吸入空気ａ２は、第３冷却ユニット５３０に流入される。
この際、第３冷却ユニット５３０には、補助冷却装置４００で前記海水と熱交換されて、約３５℃の温度で冷却された第３作動流体ｗ３が供給され、第３作動流体ｗ３は、第２状態吸入空気ａ２と熱交換された後、約４０℃ないし５０℃の温度で加熱されて、補助冷却装置４００に循環される。
そして、第３冷却ユニット５３０を通じて流動する過程で、約４０℃の温度で冷却された第３状態吸入空気ａ３は、第２冷却ユニット５２０に流入される。
第２冷却ユニット５２０には、吸収式冷却装置２００の蒸発器２１０で約７℃の温度で冷却された第２作動流体ｗ２が供給され、第２作動流体ｗ２は、第２冷却ユニット５２０で第３状態吸入空気ａ３と熱交換して加熱された後、再び吸収式冷却装置２００の蒸発器２１０に循環される。
一方、第２冷却ユニット５２０を通じて流動する過程で、約１０℃の温度で冷却された第４状態吸入空気ａ４は、エンジンに供給される。
この際、各状態の吸入空気ａ１、ａ２、ａ３、ａ４の温度及び第１作動流体ｗ１、第２作動流体ｗ２及び第３作動流体ｗ３の温度は、例示的な数値であって、前記それぞれの温度は、吸収式冷却装置を可動させることが可能な温度の範囲内で、圧縮率及び圧縮容量のような多様な要因によって、本実施形態と異ならせて設定しうる。
また、本実施形態で、第１冷却ユニット５１０、第２冷却ユニット５２０、第３冷却ユニット５３０を循環する第１作動流体ｗ１、第２作動流体ｗ２及び第３作動流体ｗ３は、それぞれ清水からなりうるが、これに限定されるものではない。
一方、第１冷却ユニット５１０及び第２冷却ユニット５２０は、吸収式冷却装置２００に対してそれぞれ前記熱源として作動して、吸入空気ａを冷却し、第３冷却ユニット５３０は、補助冷却装置４００から冷却された作動流体を供給されることによって、第１冷却ユニット５１０及び第２冷却ユニット５２０と第３冷却ユニット５３０との冷却は、互いに独立して行われる。すなわち、それぞれの前記冷却ユニットが、互いに独立して冷却を行うことによって、吸収式冷却装置２００及び補助冷却装置４００のうち何れか１つの冷却装置に異常が発生する場合にも、吸入空気ａに対する最小限の冷却が行われる。
本発明の実施形態によれば、過給機で圧縮された高温の前記吸入空気を冷却させるための吸収式冷却装置が、前記吸入空気から熱源を得て駆動されることによって、吸収式冷却装置の駆動のための別途の熱源が要求されず、吸入空気を冷却させるための冷却システムのエネルギー効率が上昇する長所がある。
また、前記過給機で圧縮された高温の前記吸入空気が、前記エンジンに供給される過程で、複数の段階を経て冷却されることによって、一回で前記吸入空気を冷却させる場合に比べて、前記吸入空気の冷却効率が上昇する利点がある。
図６は、本発明の第２実施形態による吸入空気冷却システムの構成を示す図である。
本実施形態は、第２冷却ユニットに冷却流体を供給する構成において差があるだけであり、他の構成においては、図３ないし図５の第１実施形態の構成と同一なので、以下、本実施形態の特徴的な構成を中心に説明する。
図６を参照すると、本実施形態による第２冷却ユニット５２０には、第２作動流体ｗ２及び補助作動流体ｗ４が選択的に循環されうる。
より詳しく、本実施形態による吸入空気冷却システム１は、一側は第２作動流体流路２５１に接続され、他側は海水循環流路４４０に接続される補助循環流路４３０をさらに含む。
そして、補助循環流路４３０には、海水循環流路４４０から第２作動流体流路２５１への補助作動流体ｗ４、すなわち、海水の流入または遮断のための第１補助弁４３１及び第２補助弁４３２を含む。
また、第２作動流体流路２５１には、第２作動流体ｗ２の流れを選択的に遮断するための第１メイン弁２５１ａ及び第２メイン弁２５１ｂが設けられる。
本実施形態による吸入空気冷却システム１の吸収式冷却器２００が、正常動作する場合には、第１メイン弁２５１ａ及び第２メイン弁２５１ｂは、開放状態に、第１補助弁４３１及び第２補助弁４３２は、閉鎖状態に設定される。このような場合、吸収式冷却器２００で冷却された第２作動流体ｗ２が、第２作動流体流路２５１に沿って第２冷却ユニット５２０に供給されて、吸入空気に対する冷却を行う。
一方、吸収式冷却器２００が、正常動作を行わない場合、すなわち、故障または破損のような予期せぬ状況によって動作しない場合、第１メイン弁２５１ａ及び第２メイン弁２５１ｂは、閉鎖状態に、第１補助弁４３１及び第２補助弁４３２は、開放状態に設定される。このような場合、第２作動流体流路２５１には、補助作動流体ｗ４、例えば、０℃ないし２５℃のうち何れか１つの温度で形成される外部の海水が流動して第２冷却ユニット５２０に供給されることによって、吸入空気ａを冷却させることができる。
この際、 第２作動流体流路２５１の内面には、海水によって 第２作動流体流路２５１の腐蝕を防止するための腐蝕防止の構成がさらに設けられうる。
すなわち、本実施形態によれば、吸収式冷却器２００が故障する場合にも、第３冷却ユニット５３０だけではなく、第２冷却ユニット５２０でも、吸入空気ａの冷却が行われる。この際、第２冷却ユニット５２０を経た補助作動流体ｗ４は、前記船舶の外部に排出されうる。
本実施形態による吸入空気冷却システム１では、第２冷却ユニット５２０に吸収式冷却装置２００の作動状態によって、第２作動流体ｗ２及び補助作動流体ｗ４のうち何れか１つが流動して、吸入空気を冷却すると説明されているが、第２作動流体ｗ２及び第３作動流体ｗ３のうち何れか１つが流動する構成も本発明の実施形態に含まれる。
図７は、本発明の第３実施形態による吸入空気冷却システムの構成を示す図である。
本実施形態は、第１冷却ユニットが設けられる構成において差があるだけであり、他の構成においては、図３ないし図５の第１実施形態の構成と同一なので、以下、本実施形態の特徴的な構成を中心に説明する。
図７を参照すると、一般的に、過給機１００の 排気タービン１０１から排出される排ガスＥの温度は、 圧縮タービン１０２で圧縮された吸入空気ａの温度よりも高く形成される。
したがって、本実施形態による吸入空気冷却システム１の第１冷却ユニット５１０は、過給機１００のタービン１０１から外部に排ガスＥを排出するための排気マニホールド（Ｅｘｈａｕｓｔｉｎｇ Ｍａｎｉｆｏｌｄ）に設けられる。
この際、第１冷却ユニット５１０は、内部に流動する第１作動流体ｗ１が排ガスＥの廃熱によって蒸気の形態に加熱させるためのエコノマイザー（Ｅｃｏｎｏｍｉｚｅｒ）で形成されうる。
一方、第１冷却ユニット５１０が、前記排気マニホールド上に設けられることによって、本実施形態による冷却部本体５４０には、第２冷却ユニット５２０及び第３冷却ユニット５３０のみが設けられる形状に形成されうる。しかし、これに限定されず、冷却部本体５４０には、３つ以上の冷却ユニットが設けられることもある。
すなわち、本実施形態による吸入空気冷却システム１の吸収式冷却器２００は、外部に排出される排ガスＥを冷却し、これにより熱源を得て動作する。
本実施形態によれば、吸収式冷却器２００の冷却効率を決定する熱源間の温度差を極大化することができる長所がある。
図８は、本発明の第４実施形態による吸入空気冷却システムの構成を示す図である。
本実施形態は、作動流体流路の構成及びドレインユニットの構成において差があるだけであり、他の構成においては、図３ないし図５の第１実施形態の構成と同一なので、以下、本実施形態の特徴的な構成を中心に説明する。
図８を参照すると、本実施形態による吸入空気冷却システム１の第１作動流体流路５１１及び第２作動流体流路５２１には、それぞれ第３作動流体循環流路４１０及び海水循環流路４２０が接続される。
そして、第３作動流体循環流路４１０及び海水循環流路４２０が接続される第１作動流体流路５１１及び第２作動流体流路５２１の地点には、それぞれ第１切替弁５１２、第２切替弁５１３、第３切替弁５２２及び第４切替弁５２３が設けられる。
すなわち、第１作動流体流路５１１の上流側及び下流側の地点には、第３作動流体循環流路４１０の上流側及び下流側の流路が連結される第１切替弁５１２及び第２切替弁５１３が設けられ、第２作動流体流路５２１の上流側及び下流側の地点には、海水循環流路４２０の上流側及び下流側の流路が連結される第３切替弁５２２及び第４切替弁５２３が設けられる。
第１切替弁５１２、第２切替弁５１３、第３切替弁５２２及び第４切替弁５２３は、３方向弁（３−ｗａｙ Ｖａｌｖｅ）で形成され、第１切替弁５１２及び第２切替弁５１３は、選択的に第１作動流体流路５１１に第３作動流体Ｗ３が流入されるように、前記地点を開放または遮蔽する。そして、第３切替弁５２２及び第４切替弁５２３は、選択的に第２作動流体流路５２１に補助作動流体ｗ４が流入されるように、前記地点を開放または遮蔽する。
すなわち、正常な場合に、第１切替弁５１２及び第２切替弁５１３と、第３切替弁５２２及び第４切替弁５２３は、それぞれ吸収式冷却装置２００と第１作動流体流路５１１及び第２作動流体流路５２１とを連通させ、同時に第１作動流体流路５１１及び第３作動流体循環流路４１０と、第２作動流体流路５２１及び海水循環流路４２０との接続を遮断させる。
一方、吸収式冷却装置２００に異常が発生して、第１冷却ユニット５１０及び第２冷却ユニット５２０で吸入空気ａの冷却が正常に行われない場合には、第１切替弁５１２及び第２切替弁５１３と、第３切替弁５２２及び第４切替弁５２３が、それぞれ吸収式冷却装置２００と第１作動流体流路５１１及び第２作動流体流路５２１との接続を遮断させる。そして、第１切替弁５１２及び第２切替弁５１３と、第３切替弁５２２及び第４切替弁５２３は、第１作動流体流路５１１及び第３作動流体循環流路４１０と、第２作動流体流路５２１及び海水循環流路４２０とを連通させることによって、吸収式冷却装置２００が正常に作動しない場合にも、圧縮空気ａの冷却を正常に行わせうる。
また、本実施形態による吸収式冷却装置２００には、吸収式冷却装置２００から第１冷却ユニット５１０及び第２冷却ユニット５２０に供給される第１作動流体ｗ１及び第２作動流体ｗ２の温度をセンシングして、吸収式冷却装置が正常作動するか否かを判断するための温度センサー（図示せず）がさらに備えられうる。
したがって、前記温度センサーが、第１作動流体ｗ１及び第２作動流体ｗ２の温度をセンシングして、第１作動流体ｗ１及び第２作動流体ｗ２の温度が、それぞれ既定の温度よりも高い場合には、切替弁５１１、５１２、５２１、５２２が、第１冷却ユニット５１０及び第２冷却ユニット５２０に対して第１作動流体ｗ１及び第２作動流体ｗ２の供給を遮断し、第３作動流体ｗ３及び補助作動流体ｗ４を供給させうる。
本実施形態では、第１作動流体ｗ１及び第２作動流体ｗ２の温度を測定する温度センサーが含まれると説明されているが、第１作動流体ｗ１及び第２作動流体ｗ２のうち何れか１つの作動流体の温度をセンシングするための温度センサーのみを含む構成も本実施形態の構成に含まれる。
一方、本実施形態による吸入空気冷却システム１は、圧縮空気ａの冷却過程で発生する凝結水（Ｄｒａｉｎ Ｗａｔｅｒ）を処理するための凝結水処理装置６００をさらに含む。
凝結水処理装置６００は、冷却部５００とエンジン３００との間に設けられ、冷却部５００を経ながら冷却される圧縮空気ａの内部で凝結される凝結水を捕集して、前記凝結水が含まれた圧縮空気ａが、エンジン３００に直接供給されることを抑制する。
過量の凝結水が含まれる圧縮空気ａが、エンジン３００に供給されることを防止することによって、前記凝結水によるエンジン３００の腐蝕を抑制することができる。
以上、本発明の望ましい発明について図示して説明したが、本発明は、前述した特定の実施形態に限定されず、請求範囲で請求する本発明の要旨を外れずに当業者によって多様な変形実施可能であることはいうまでもなく、このような変形実施形態は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならない。
本発明は、船舶に利用され、このような船舶は、自航能力を有し、人や貨物を移送させる船舶だけではなく、液化天然ガス−浮遊式生産貯蔵設備（ＬＮＧ−ＦＰＳＯ：Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ−Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ）、浮遊式原油貯蔵設備（ＦＳＵ：Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｕｎｉｔ）など貨物を貯蔵及び荷役する浮遊式海上構造物を含みうる。
Claims (14)
- エンジンから生成される排ガスの一部を用いて、外部から流入された吸入空気を圧縮し、前記吸入空気が流入される前段及び圧縮された前記吸入空気を前記エンジンに供給するための後段を含む過給機と、
前記過給機で圧縮された前記吸入空気と前記過給機を通過した前記排ガスとのうち何れか１つ以上を冷却させ、前記吸入空気または前記排ガスの流れによって配される１つ以上の冷却ユニットを含む冷却部と、
前記冷却ユニットを通じて循環される作動流体から熱源を供給される吸収式冷却装置と、を含み、
前記冷却部は、
前記過給機から排出された前記吸入空気と熱交換を行う、前記吸収式冷却装置を流動する第１作動流体が循環される第１冷却ユニットと、
前記第１冷却ユニットの後側に位置して、前記吸入空気と熱交換を行う、前記吸収式冷却装置を流動する第２作動流体が循環される第２冷却ユニットと、
船舶外部の海水と熱交換を行う第３作動流体が循環される第３冷却ユニットと、を含み、
前記第２冷却ユニット及び前記吸収式冷却装置の間に設けられて、前記第２作動流体が流動し、前記第２作動流体の流動を選択的に開放または遮蔽するための１つ以上のメイン弁が設けられる第２作動流体流路と、
前記第２作動流体流路のうち、前記第２冷却ユニット及び前記メイン弁の間の位置に接続され、前記船舶外部の海水が流動し、前記海水の流動を開放または遮蔽するための１つ以上の補助弁が設けられる補助循環流路と、をさらに含む船舶の吸入空気冷却システム。 - 前記第３作動流体と海水の熱交換を行うための補助冷却装置をさらに含み、
前記第３冷却ユニットによる前記吸入空気の冷却は、前記第１冷却ユニット及び前記第２冷却ユニットによる冷却と独立して行われることを特徴とする請求項１に記載の船舶の吸入空気冷却システム。 - エンジンから生成される排ガスの一部を用いて、外部から流入された吸入空気を圧縮し、前記吸入空気が流入される前段及び圧縮された前記吸入空気を前記エンジンに供給するための後段を含む過給機と、
前記過給機で圧縮された前記吸入空気と前記過給機を通過した前記排ガスとのうち何れか１つ以上を冷却させ、前記吸入空気または前記排ガスの流れによって配される１つ以上の冷却ユニットを含む冷却部と、
前記冷却ユニットを通じて循環される作動流体から熱源を供給される吸収式冷却装置と、を含み、
前記冷却部は、
前記過給機から排出された前記吸入空気と熱交換を行う、前記吸収式冷却装置を流動する第１作動流体が循環される第１冷却ユニットと、
前記第１冷却ユニットの後側に位置して、前記吸入空気と熱交換を行う、前記吸収式冷却装置を流動する第２作動流体が循環される第２冷却ユニットと、
船舶外部の海水と熱交換を行う第３作動流体が循環される第３冷却ユニットと、を含み、
前記第１冷却ユニットに前記第１作動流体を供給するための第１作動流体流路には、前記第３作動流体が循環される第３作動流体循環流路が連結され、
前記第１作動流体流路のうち、前記第３作動流体循環流路が接続される部分には、前記第１冷却ユニットに対して選択的に前記第１作動流体の供給を遮断し、前記第３作動流体の供給を行うための切替弁をさらに含む船舶の吸入空気冷却システム。 - エンジンから生成される排ガスの一部を用いて、外部から流入された吸入空気を圧縮し、前記吸入空気が流入される前段及び圧縮された前記吸入空気を前記エンジンに供給するための後段を含む過給機と、
前記過給機で圧縮された前記吸入空気と前記過給機を通過した前記排ガスとのうち何れか１つ以上を冷却させ、前記吸入空気または前記排ガスの流れによって配される１つ以上の冷却ユニットを含む冷却部と、
前記冷却ユニットを通じて循環される作動流体から熱源を供給される吸収式冷却装置と、を含み、
前記冷却部は、
前記過給機から排出された前記吸入空気と熱交換を行う、前記吸収式冷却装置を流動する第１作動流体が循環される第１冷却ユニットと、
前記第１冷却ユニットの後側に位置して、前記吸入空気と熱交換を行う、前記吸収式冷却装置を流動する第２作動流体が循環される第２冷却ユニットと、
船舶外部の海水と熱交換を行う第３作動流体が循環される第３冷却ユニットと、を含み、
前記第２冷却ユニットに前記第２作動流体を供給するための第２作動流体流路には、前記海水が循環される海水循環流路が連結され、
前記第２作動流体流路のうち、前記海水循環流路が接続される部分には、前記第２冷却ユニットに対して選択的に前記第２作動流体の供給を遮断し、前記海水の供給を行うための切替弁をさらに含む船舶の吸入空気冷却システム。 - 前記第３冷却ユニットは、前記第１冷却ユニットと前記第２冷却ユニットとの間に配され、前記第２冷却ユニットに流れる前記第２作動流体の温度は、前記第３冷却ユニットに流れる前記第３作動流体の温度よりも低いことを特徴とする請求項２に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
- 前記吸収式冷却装置は、
冷媒の蒸発潜熱を用いて、前記第２作動流体を冷却させる蒸発器と、
前記蒸発器での蒸発された冷媒を吸収する吸収液が収容された吸収器と、
前記熱源として供給される前記過給機から排出された前記吸入空気を用いて、前記冷媒の吸収を通じて薄くなった前記吸収器の吸収液を加熱させて再生させる再生器と、
前記再生器で蒸発した冷媒を凝縮させる凝縮器と、
を含む請求項１に記載の船舶の吸入空気冷却システム。 - 前記吸収式冷却装置は、
前記第２冷却ユニットに供給される前記第２作動流体の温度をセンシングするための温度センサーをさらに含む請求項６に記載の船舶の吸入空気冷却システム。 - エンジンから生成される排ガスの一部を用いて、外部から流入された吸入空気を圧縮し、前記吸入空気が流入される前段及び圧縮された前記吸入空気を前記エンジンに供給するための後段を含む過給機と、
前記過給機で圧縮された前記吸入空気と前記過給機を通過した前記排ガスとのうち何れか１つ以上を冷却させ、前記吸入空気または前記排ガスの流れによって配される１つ以上の冷却ユニットを含む冷却部と、
前記冷却ユニットを通じて循環される作動流体から熱源を供給される吸収式冷却装置を含み、
前記冷却部は、前記排ガスを冷却させるための、前記吸収式冷却装置を流動する第１作動流体が流動する第１冷却ユニット及び前記圧縮された吸入空気を冷却させるための、前記吸収式冷却装置を流動する第２作動流体が流動する第２冷却ユニットを含み、
前記第１冷却ユニットは、前記過給機から前記排ガスが排出される排気マニホールド上に配されて、前記排ガスが、前記第１作動流体と熱交換させ、
前記第２冷却ユニットは、前記過給機と前記エンジンとの間に配されて、前記過給機で圧縮された前記吸入空気と前記第２作動流体とを熱交換させる、前記冷却部は、船舶外部の海水と熱交換を行う第３作動流体が循環される第３冷却ユニットをさらに含み、
前記第２冷却ユニット及び前記吸収式冷却装置の間に設けられて、前記第２作動流体が流動し、前記第２作動流体の流動を選択的に開放または遮蔽するための１つ以上のメイン弁が設けられる第２作動流体流路と、
前記第２作動流体流路のうち、前記第２冷却ユニット及び前記メイン弁の間の位置に接続され、前記船舶外部の海水が流動し、前記海水の流動を開放または遮蔽するための１つ以上の補助弁が設けられる補助循環流路と、をさらに含む船舶の吸入空気冷却システム。 - 前記第３作動流体と前記船舶外部の海水との熱交換を行うための補助冷却装置をさらに含み、
前記第３冷却ユニットによる前記吸入空気の冷却は、前記第１冷却ユニット及び前記第２冷却ユニットによる冷却と独立して行われることを特徴とする請求項８に記載の船舶の吸入空気冷却システム。 - 前記第１冷却ユニットは、前記排ガスと熱交換して蒸気を生成させる低圧蒸気発生器であることを特徴とする請求項８に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
- 前記吸収式冷却装置は、
冷媒の蒸発潜熱を用いて、前記作動流体を冷却させる蒸発器と、
前記蒸発器での蒸発された冷媒を吸収する吸収液が収容された吸収器と、
前記熱源として供給される前記排ガスの一部を用いて、前記冷媒の吸収を通じて薄くなった前記吸収器の吸収液を加熱させて再生させる再生器と、
前記再生器で蒸発した冷媒を凝縮させる凝縮器と、
を含む請求項８ないし１０の何れか一項に記載の船舶の吸入空気冷却システム。 - 前記冷却部は、
前記過給機から前記エンジンへの前記吸入空気の流動のための吸入空気流路が形成され、前記吸入空気流路に沿って配される前記１つ以上の冷却ユニットが設けられる冷却部本体を含む請求項１または８に記載の船舶の吸入空気冷却システム。 - 前記１つ以上の冷却ユニットは、前記冷却部に着脱自在に設けられるようにカートリッジ形態に形成されることを特徴とする請求項１２に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
- 前記冷却部と前記エンジンとの間に設けられ、前記冷却部を経て冷却された圧縮空気から発生する凝結水を処理するための凝結水処理装置をさらに含む請求項１または８に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
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