KR101347355B1

KR101347355B1 - 선박에 사용되는 터보차저 및 이를 구비하는 선박

Info

Publication number: KR101347355B1
Application number: KR1020120073820A
Authority: KR
Inventors: 노시웅
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2014-01-24

Abstract

선박에 사용되는 터보차저 및 이를 구비하는 선박이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 선박에 사용되는 터보차저는 흡기관으로 유입되는 흡기가스를 이용하여 기계적 에너지를 생산하고 배기관으로 배기가스를 배출하는 엔진, 배기관에 설치되고, 배기가스를 팽창시켜 터빈 축을 회전시키는 터빈, 터빈 축과 연결되는 발전기 축의 회전을 이용하여 전기 에너지를 발생하는 발전기, 발전기와 연결되고, 전기 에너지를 저장하는 배터리, 배터리와 연결되고, 전기 에너지를 이용해 전기모터 축을 회전시키는 전기모터, 전기모터 축과 연결되는 압축기 축의 회전을 이용하여 흡입가스를 압축시켜 흡기관으로 흡기가스를 내보내는 압축기, 및 엔진, 배터리, 또는 전기모터 중 어느 하나 이상으로부터 입력 정보를 받아 발전기 또는 전기모터 중 어느 하나 이상에 작동 신호를 보내는 것을 포함하는 제어부를 포함한다.

Description

선박에 사용되는 터보차저 및 이를 구비하는 선박{Turbo charger for ship and Ship having the same}

본 발명은 선박에 사용되는 터보차저 및 이를 구비하는 선박에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터빈의 출력을 전기에너지로 변환하고 이를 이용하여 압축기를 구동시키는 선박에 사용되는 터보차저 및 이를 구비하는 선박에 관한 것이다.

고유가 시대가 도래함에 따라, 선박을 비롯한 기계장치에서는 점차적으로 효율을 높이고 전체적인 에너지를 절약하는 시스템들에 대한 관심이 고조되고 있다. 그러나 선박을 비롯한 기계장치에서 엔진을 작동시키기 위한 연료의 25% 가량이 엔진의 폐기 가스로 대기 중에 버려지고 있는 현실이다.

터보차저(Turbo Charger)는 과급기라고도 하며, 내연기관의 출력을 증가시키기 위해 압축기를 통하여 압축된 외기를 실린더에 밀어넣는 장치이다. 이를 사용하면 출력이 높아지므로 비행기나 선박 등의 출력이 증가한다.

터보차저는 배기가스가 터빈 하우징 내를 흐르면서 터빈 휠을 회전시키고 동일축에 연결된 컴프레샤 휠이 회전하면서 에어클리너를 통해 들어오는 공기를 압축하여 연소실로 보내게 된다. 터보차저는 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여 터빈을 돌리고 터빈은 흡기매니폴드와 에어클리너 사이에 위치하는 압축기와 연결되어 엔진 실린더로 들어가는 공기를 압축하게 된다.

터보차저를 사용하면, 엔진의 출력이 증가하여 연비가 향상되고 엔진의 소형경량화가 가능해진다. 또한 자연 흡기식 엔진 대비 흡입 공기량이 많아지므로 불연소로 인한 배기 유해 물질 배출이 감소한다.

그러나 기존의 터보차저는 엔진의 출력이 낮은 경우(Low load)에 배기가스가 터빈을 충분히 돌릴 수 없기 때문에 압축기에서 공기를 제대로 압축하지 못하여 엔진의 효율이 떨어지는 문제가 있었다. 또한 엔진의 출력이 높은 경우(High load)에 터빈이 너무 강하게 작동하여 압축기에서 엔진으로 과도하게 압축된 공기를 보내어 엔진에 무리가 가는 문제가 있었다. 이를 막기 위하여 일정 수준 이상의 배기가스가 터빈에 유입되는 경우 바이패스(Bypass) 시킨다. 따라서 터보차저가 작동하기 위한 엔진의 출력구간이 한정적으로 배기가스가 바이패스 됨으로 인하여 낭비되는 에너지가 존재한다.

한국 공개특허공보 2010-0101911호(2010. 09. 20. 공개)에는 엔진의 배기가스를 이용하여 전기를 생산하고 저장하는 발전장치에 관한 기술이 개시된다.

한국 공개특허공보 2010-0101911호(2010. 09. 20. 공개)

본 발명의 실시 예는 엔진의 배기가스를 바이패스 시키지 않으면서도 엔진에 무리를 주지 않는 선박에 사용되는 터보차저를 제공하고자 한다.

또한 본 발명의 실시 예는 터빈의 출력이 부족한 경우에도 엔진에 충분히 압축된 흡기가스를 제공하는 선박에 사용되는 터보차저를 제공하고자 한다.

또한 본 발명의 실시 예는 최대 효율을 낼 수 있는 선박에 사용되는 터보차저를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 흡기관으로 유입되는 흡기가스를 이용하여 기계적 에너지를 생산하고 배기관으로 배기가스를 배출하는 엔진, 상기 배기관에 설치되고 상기 배기가스를 팽창시켜 터빈 축을 회전시키는 터빈, 상기 터빈 축과 연결되는 발전기 축의 회전을 이용하여 전기 에너지를 발생하는 발전기, 상기 발전기와 연결되고 상기 전기 에너지를 저장하는 배터리, 상기 배터리와 연결되고 상기 전기 에너지를 이용해 전기모터 축을 회전시키는 전기모터, 상기 전기모터 축과 연결되는 압축기 축의 회전을 이용하여 흡입가스를 압축시켜 상기 흡기관으로 상기 흡기가스를 내보내는 압축기, 및 상기 엔진, 상기 배터리, 또는 상기 전기모터 중 어느 하나 이상으로부터 입력 정보를 받아 상기 발전기 또는 상기 전기모터 중 어느 하나 이상에 작동 신호를 보내는 것을 포함하는 제어부를 포함하는 선박에 사용되는 터보차저가 제공될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 엔진이 받는 부하에 관한 정보, 상기 배터리의 전압에 관한 정보, 또는 상기 전기모터에 필요한 전압에 관한 정보 중 어느 하나 이상의 입력 정보를 받아, 상기 발전기를 작동하기 위한 신호 또는 상기 전기모터를 작동하기 위한 신호 중 어느 하나 이상의 신호를 보내는 것을 포함하는 선박에 사용되는 터보차저가 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 흡기관으로 유입되는 흡기가스를 이용하여 기계적 에너지를 생산하고 배기관으로 배기가스를 배출하는 엔진, 상기 배기관에 설치되고 상기 배기가스를 팽창시켜 터빈 축을 회전시키는 터빈, 상기 터빈 축과 연결되는 압축기 축의 회전을 이용하여 흡입가스를 압축시켜 상기 흡기관으로 상기 흡기가스를 내보내는 압축기, 상기 터빈 축과 연결되는 발전기 축의 회전을 이용하여 전기 에너지를 발생하는 발전기, 상기 터빈 축과 상기 발전기 축의 사이에 위치하여 상기 터빈과 상기 발전기 사이의 동력을 끊을 수 있는 제1 클러치, 상기 발전기와 연결되고 상기 전기 에너지를 저장하는 배터리, 상기 배터리와 연결되고 상기 전기 에너지를 이용해 전기모터 축을 회전시키는 전기모터, 및 상기 엔진, 상기 배터리, 또는 상기 전기모터 중 어느 하나 이상으로부터 입력 정보를 받아 상기 발전기, 상기 제1 클러치, 또는 상기 전기모터 중 어느 하나 이상에 작동 신호를 보내는 것을 포함하는 제어부를 포함하는 선박에 사용되는 터보차저가 제공될 수 있다.

상기 전기모터 축은 상기 압축기 축과 연결되어 상기 압축기를 구동시키고, 상기 전기모터 축과 상기 압축기 축의 사이에 위치하여 상기 전기모터와 상기 압축기와 사이의 동력을 끊을 수 있는 제2 클러치를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제2 클러치에 작동 신호를 보내는 것을 더 포함하는 선박에 사용되는 터보차저가 제공될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 엔진이 받는 부하에 관한 정보, 상기 배터리의 전압에 관한 정보, 또는 상기 전기모터에 필요한 전압에 관한 정보 중 어느 하나 이상의 정보를 받아, 상기 발전기를 작동하기 위한 신호, 상기 전기모터를 작동하기 위한 신호, 상기 제1 클러치를 작동하기 위한 신호, 또는 상기 제2 클러치를 작동하기 위한 신호를 보내는 것을 포함하는 선박에 사용되는 터보차저가 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 흡기관으로 유입되는 흡기가스를 이용하여 기계적 에너지를 생산하고 배기관으로 배기가스를 배출하는 엔진, 상기 배기관에 설치되고 상기 배기가스를 팽창시켜 제1 축을 회전시키는 터빈, 상기 제1 축의 회전을 이용하여 흡입가스를 압축시켜 상기 흡기관으로 상기 흡기가스를 내보내는 압축기, 상기 제1 축과 연결되는 제2 축의 회전을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전기로서 작동하거나, 상기 제2 축을 회전시켜 상기 압축기의 구동을 조력하는 전기모터로서 작동하는 발전기 겸용 전기모터, 상기 제1 축과 상기 제2 축의 사이에 위치하여 상기 터빈 또는 상기 압축기와 상기 발전기 겸용 전기모터 사이의 동력을 끊을 수 있는 클러치, 상기 발전기 겸용 전기모터와 연결되고 상기 전기 에너지를 저장하는 배터리, 및 상기 엔진, 상기 발전기 겸용 전기모터, 또는 상기 배터리 중 어느 하나 이상으로부터 입력 정보를 받아 상기 발전기 겸용 전기모터 또는 상기 클러치 중 어느 하나 이상에 작동 신호를 보내는 것을 포함하는 제어부를 포함하는 선박에 사용되는 터보차저가 제공될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 엔진이 받는 부하에 관한 정보, 상기 배터리의 전압에 관한 정보, 또는 상기 발전기 겸용 전기모터에 필요한 전압에 관한 정보 중 어느 하나 이상의 정보를 받아, 상기 발전기 겸용 전기모터를 작동하기 위한 신호 또는 상기 클러치를 작동하기 위한 신호를 보내는 것을 포함하는 선박에 사용되는 터보차저가 제공될 수 있다.

상기 제어부는, 전기 에너지를 필요로 하는 다른 장치로부터 입력 정보를 받아 상기 배터리와 연결된 제3 스위치에 상기 배터리로부터 상기 전기 에너지를 필요로 하는 다른 장치로 전기 에너지를 보내기 위한 작동 신호를 보내는 것을 더 포함하는 선박에 사용되는 터보차저가 제공될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 입력 정보로부터 상기 배터리의 전압이 상기 전기모터 또는 상기 발전기 겸용 전기모터를 작동시키기에 부족한 경우, 상기 전기모터와 연결된 제1 스위치 또는 상기 발전기 겸용 전기모터와 연결된 제2 스위치에 다른 발전 장치로부터 전기모터 또는 발전기 겸용 전기모터를 작동하기 위한 신호 또는 상기 배터리와 연결된 제3 스위치에 다른 발전 장치로부터 상기 배터리에 전기 에너지를 충전하기 위한 신호를 보내는 것을 더 포함하는 선박에 사용되는 터보차저가 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면 터보차저를 구비하는 선박이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 선박에 사용되는 터보차저는 터빈의 출력이 강한 경우에도 엔진에 부하를 주지 않고 에너지를 낭비하지 않을 수 있다.

또한 본 발명의 실시 예에 따른 선박에 사용되는 터보차저는 터빈의 출력이 약한 경우에도 엔진에 충분하게 압축된 흡기가스를 제공할 수 있다.

또한 본 발명의 실시 예에 따른 선박에 사용되는 터보차저는 터빈의 출력에 상관없이 최대의 효율을 낼 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 터보차저의 시스템 조직도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 터보차저의 시스템 조직도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 터보차저의 시스템 조직도이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

본 발명의 제1 실시 예에 따른 선박에 사용되는 터보차저는 도 1에 도시한 바와 같이, 엔진(100), 엔진(100)의 배기가스를 팽창시키는 터빈(200), 터빈(200)과 연결되어 전기 에너지를 생산하는 발전기(310), 이를 저장하는 배터리(400), 배터리(400)에 저장된 전기 에너지를 이용해 동력을 발생시키는 전기모터(320), 및 전기모터(320)의 동력에 의해 흡입가스를 압축시키는 압축기(500)를 포함한다.

엔진(100)은 흡기관(80)으로 유입되는 흡기가스를 이용하여 기계적 에너지를 생산하고 배기가스를 배기관(10)으로 배출한다. 배기관(10)은 터빈(200)과 연결되어, 배기가스는 터빈(200)에 의해 팽창되면서 터빈 축(20)을 회전시킨 후 배출가스로 배출된다.

종래의 터보차저는 터빈 축(20)과 압축기 축(50)이 일체로 이루어져 터빈(200)이 동작하면 압축기(500)가 동작하는 구성으로 이루어진다. 이 때, 엔진(100)의 배기가스 압력이 낮은 경우에는 터빈(200)의 출력이 충분하지 못하게 된다. 터보차저가 효과적으로 동작하기 위하여 압축기(500)가 필요로 하는 동력을 터빈(200)이 제공하지 못하는 경우 터보차저의 효율은 떨어지게 된다. 즉, 엔진(100)의 배기가스 압력이 낮은 경우에 터보차저가 그 역할을 다 하지 못하는 결과를 나타낸다.

뿐만 아니라, 종래의 터보차저는 엔진(100)의 배기가스 압력이 지나치게 높은 경우, 터빈(200)의 출력이 압축기(500)가 필요로 하는 동력을 상회하게 된다. 이 경우 불필요하게 압축된 흡기가스를 엔진(100)에 제공하게 되며, 엔진(100)에 무리를 주어 내구성 등에 영향을 끼치게 되는 문제가 있다. 이를 방지하기 위해 종래의 터보차저는 엔진(100)의 배기가스 라인에 터빈(200)을 통과하지 않는 바이패스 라인을 따로 두게 된다. 그러나 바이패스 라인을 통해 빠져나가는 배기가스는 터보차저에 이용되지 못하고 버려지는 것으로 에너지를 낭비하는 결과를 가져온다.

본 발명의 제1 실시 예는 엔진(100)의 배기가스 압력에 상관없이 엔진(100)이 필요로 하는 압력으로 압축된 흡기가스를 엔진(100)에 제공하여 효율을 향상시키는 선박에 사용되는 터보차저를 제공한다. 본 발명의 제1 실시 예는 바이패스되는 배기가스 없이 모두 터빈 축(20)을 회전시키는 데 이용된다.

터빈 축(20)은 발전기 축(30)과 연결되어 있어, 터빈 축(20)의 회전에 따라 발전기(310)는 전기 에너지를 생산한다. 도 1에서는 터빈 축(20)과 발전기 축(30) 사이에 기어(21, 31)를 통해 연결되는 것으로 도시하였지만, 터빈 축(20)과 발전기 축(30)이 일체로서 형성되는 것도 상관없다.

발전기(310)에서 생산된 전기 에너지는 배터리(400)에 저장된다. 즉, 터빈(200)의 출력이 과할 경우에도 배터리(400)에 충전하였다가 필요한 에너지만큼 만 사용하면 되므로, 지나치게 압축된 흡기가스로 인한 엔진(100)의 과부하 발생 문제점은 발생하지 않는다. 마찬가지로 터빈(200)의 출력이 부족할 경우에도 배터리(400)에 충전된 전기 에너지에서 필요한 전기 에너지를 사용할 수 있게 되어, 터보차저의 효율을 유지할 수 있게 된다.

배터리(400)는 전기모터(320)와 연결되어 배터리(400)에 저장된 전기에너지로 전기모터 축(40)을 회전시킨다. 전기모터 축(40)은 압축기 축(50)과 연결되어 압축기(500)가 흡입가스를 압축할 수 있도록 한다. 도 1에서는 전기모터 축(40)과 압축기 축(50) 사이에 기어(41, 51)를 통해 연결되는 것으로 도시하였지만, 전기모터 축(40)과 압축기 축(50)이 일체로서 형성되는 것도 상관없다.

본 발명의 제1 실시 예는 터보차저를 제어하는 제어부(601)를 포함한다.

제어부(601)는 엔진(100), 배터리(400), 전기모터(320) 중 어느 하나 이상으로부터 입력 정보를 받아 발전기(310) 또는 전기모터(320) 중 어느 하나 이상에 작동 신호를 보낸다.

제어부(601)는 엔진(100)이 받는 부하에 관한 정보를 받는다. 엔진(100)에 필요 이상으로 압축된 흡기가스가 보내어지는 경우, 엔진(100)은 부하를 받게 되고 내구성에 악영향을 미치게 된다. 반면, 엔진(100)이 받는 부하가 낮은 경우에는 압축기(500)에서 충분히 압축되지 못한 흡기가스가 엔진(100)에 보내지는 것으로 압축기(500)의 출력을 높일 필요가 있다. 이처럼 제어부(601)는 엔진(100)이 받는 부하에 관한 정보를 받음으로써 엔진(100)이 필요로 하는 흡기가스의 압축 정도를 알 수 있게 된다.

제어부(601)는 배터리(400)의 전압에 관한 정보를 받는다. 배터리(400)의 전압이 과할 경우에는 전기 에너지를 필요로 하는 다른 장치에 에너지를 분배할 수 있다. 반면, 배터리(400)의 전압이 부족한 경우에는 발전기(310)를 작동시켜 배터리(400)의 전압을 필요한 정도로 유지하게 된다. 터빈(200)을 구동력으로 하여 전기 에너지를 생산하는 발전기(310) 만으로는 배터리(400)의 전압을 유지하는 것이 부족하다면, 다른 발전 장치(720)로부터 배터리(400)에 전기 에너지를 충전할 수도 있다.

제어부(601)는 전기모터(320)에 필요한 전압에 관한 정보를 받는다. 전기모터(320)는 압축기(500)를 구동시키기에 충분한 전압을 요구 받는다. 즉, 압축기(500)는 엔진(100)에 유입되는 흡기가스가 충분한 정도로 압축될 수 있도록 작동하여야 하므로 일정 전압 이상이 요구된다. 이 요구되는 전압에 관한 정보를 입력 받아 필요한 만큼 전기 에너지를 전기모터(320)에 공급한다. 그러므로 엔진(100)이 필요로 하는 만큼의 부하를 받게 되어, 터보차저의 효율은 항상 최대효율을 유지할 수 있게 된다.

제어부(601)는 발전기(310)를 작동시키기 위한 신호를 보낸다. 제어부(601)는 엔진(100), 배터리(400), 전기모터(320)로부터 하나 이상의 정보를 받아, 발전기(310)를 구동할 것인지 여부에 대하여 판단하여 필요한 경우 발전기(310)를 구동하게 된다. 즉, 배터리(400)의 전압이 부족한 경우, 전기모터(320)에 필요한 전압에 못 미치는 경우, 또는 전기를 필요로 하는 다른 장치(710)가 있는 경우 등에는 발전기(310)를 구동시기기 위한 신호를 보낸다. 그러나 배터리(400)가 완충된 경우에 전기를 필요로 하는 다른 장치(710)에 전기 에너지를 소모할 곳이 없다면 발전기(310)의 구동을 정지 할 수도 있을 것이다.

제어부(601)는 전기모터(320)를 작동시키기 위한 신호를 보낸다. 즉, 엔진(100)이 작동하는 경우에만 전기모터(320)를 작동케 하여 불필요한 전기 에너지가 낭비되는 것을 막는다. 또한 엔진(100)이 작동한다 하더라도 엔진(100)의 부하가 심하여 압축된 흡기가스를 요구하지 않는 경우 등에는 전기모터(320)를 작동하지 못하게 할 수도 있다.

본 발명의 제1 실시 예에 따른 제어부(601)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전기를 필요로 하는 다른 장치(710)로부터 입력 정보를 받아 배터리(400)와 연결된 제3 스위치(410)에 배터리(400)로부터 전기를 필요로 하는 다른 장치(710)로 전기 에너지를 보내기 위한 작동 신호를 보내는 것을 포함할 수 있다.

일반적으로 터빈(200)이 발생시키는 에너지는 압축기(500)가 필요로 하는 에너지보다 크다. 그러므로 터빈(200)에서 발생한 에너지를 모두 압축기(500)에 소요하는 것은 에너지를 낭비하는 결과를 가져온다. 이를 방지하기 위하여 터빈 축(20)의 회전으로부터 발전기(310)가 발생한 전기 에너지를 저장하는 배터리(400)에 관한 정보 및 전기모터(320)가 필요로 하는 전압에 관한 정보를 처리하여 여분의 전기 에너지가 있는 경우, 전기를 필요로 하는 다른 장치(710)에 전기 에너지를 보낼 수 있다. 제어부(601)는 배터리와 연결된 신호부(410)에 작동 신호를 보내어 배터리(400)로부터 다른 장치에 전기 에너지를 보낼 수 있다.

본 발명의 제1 실시 예에 따른 제어부(601)는 도 1에 도시한 바와 같이, 배터리(400)의 전압이 전기모터(320)를 작동 시키기에 부족한 경우, 상기 전기모터(320)와 연결된 제1 스위치(330)에 다른 발전 장치(720)로부터 전기모터(320)를 작동시키기 위한 신호를 보내는 것을 포함할 수 있다.

일반적으로 터빈(200)이 발생시키는 에너지가 압축기(500)가 필요로 하는 에너지보다 크기는 하지만, 중간 과정에서 소실되는 에너지가 존재하고 엔진(100)의 구동 시작 단계와 같이 급격하게 압축기(500)의 구동이 요구되는 경우 등에는 배터리(400)의 전압이 전기모터(320)를 작동 시키기에 부족할 수 있다. 이 경우, 터보차저의 효율을 유지하기 위해서는 다른 발전 장치(720)로부터 전기모터(320)를 작동시킬 필요가 있다.

뿐만 아니라, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 제어부(601)는 도 1에 도시한 바와 같이, 배터리(400)의 전압이 전기모터(320)를 작동 시키기에 부족한 경우 제3 스위치(410)에 다른 발전 장치(720)로부터 배터리(400)에 전기 에너지를 충전하기 위한 신호를 보내는 것을 포함할 수 있다.

즉, 제1 스위치(330) 또는 제3 스위치(410)는 동일할 수 있으며, 전기모터(320)를 직접 구동시키거나 배터리(400)를 충전할 수 있도록 신호를 보낸다. 물론 두 신호 중 하나만 실행하는 것도 본 발명에 포함됨은 당연하다.

본 발명의 제2 실시 예에 따른 선박에 사용되는 터보차저는 도 2에 도시한 바와 같이, 엔진(100), 터빈(200), 발전기(310), 배터리(400), 전기모터(320), 터빈 축(20)과 연결되는 압축기 축(50)의 회전을 이용하는 압축기(500), 및 터빈 축(20)과 발전기 축(30)의 사이에 위치하는 제1 클러치(91)를 포함한다.

엔진(100), 터빈(200), 발전기(310), 배터리(400), 및 전기모터(320)는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 터보차저와 동일하다.

압축기 축(50)은 터빈 축(20)과 연결되어 있다. 이는 일체로 형성될 수 있으며 연결부재(22)를 통해 연결될 수도 있다. 그러므로 터빈 축(20)의 회전은 그대로 압축기 축(50)의 회전으로 이어진다. 압축기(500)는 터빈 축(20)과 압축기 축(50)이 일체로 형성된 경우에는 터빈 축(20)의 회전에 의해, 또는 터빈 축(20)과 압축기 축(50)이 연결부재(22)를 통해 연결된 경우에는 압축기 축(50)의 회전에 의해 흡입가스를 압축시켜 흡기관(80)으로 흡기가스를 내보낸다.

제1 클러치(91)는 터빈 축(20)과 발전기 축(30) 사이에 위치하여 터빈(200)과 발전기(310) 사이의 동력을 끊을 수 있다. 터빈 축(20)이 발전기 축(30)과 연결된 경우, 터빈(200)의 출력이 압축기(500)를 구동시키기 위한 동력보다 크지 않은 경우에는 발전기 축(30)을 회전시켜 발전기(310)를 구동시키는 것은 오히려 터보차저의 효율을 감소시킨다.

그러므로 터빈(200)의 출력이 압축기(500)를 구동시키기 위한 동력보다 큰 경우에만, 터빈 축(20)과 발전기 축(30)을 연결 시키며, 그렇지 않은 경우에는 터빈 축(20)과 발전기 축(30)의 연결을 끊기 위해 제1 클러치(91)가 필요하다. 제1 클러치 (91)는 관련 기술분야에서 사용되는 클러치와 그 구성이 유사하다.

본 발명의 제2 실시 예에 따른 터보차저는 도 2에 도시한 바와 같이, 전기모터 축(40)과 압축기 축(50)의 사이에 위치하는 제2 클러치(92)를 포함할 수 있다. 압축기 축(50)은 터빈 축(20)과 연결되는 것뿐 만 아니라, 전기모터 축(40)과 연결될 수 있다. 즉, 압축기(500)는 터빈(200)의 출력이 부족한 경우 전기모터(320)의 출력을 이용할 수 있다.

그러나 터빈(200)의 출력이 압축기(500)를 구동시키기 위한 동력 이상인 경우에는 전기모터 축(40)과 압축기 축(50)이 연결될 필요가 없다. 그러므로 터빈(200)의 출력이 압축기(500)를 구동시키기 위한 동력보다 작은 경우에만, 전기모터 축(40)과 압축기 축(50)을 연결시키며, 그렇지 않은 경우에는 전기모터 축(40)과 압축기 축(50)의 연결을 끊기 위해 제2 클러치(92)가 필요하다. 제2 클러치(92)는 관련 기술분야에서 사용되는 클러치와 그 구성이 유사하다.

본 발명의 제2 실시 예에 따른 선박에 사용되는 터보차저는 도 2에 도시한 바와 같이, 제어부(602)를 포함한다. 제어부(602)는 엔진(100), 배터리(400), 전기모터(320) 중 어느 하나 이상으로부터 입력 정보를 받아 발전기(310) 또는 전기모터(320) 중 어느 하나 이상에 작동 신호를 보낸다. 이에 대한 정보 처리 및 작동 신호에 관한 것은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 제어부(601)와 같다.

제어부(602)는 전기 에너지를 필요로 하는 다른 장치로부터 입력 정보를 받아 제3 스위치(410)에 배터리(400)로부터 전기를 필요로 하는 다른 장치(710)로 전기 에너지를 보내기 위한 작동 신호를 보내는 것을 포함할 수 있다. 이에 대한 정보 처리 및 작동 신호에 관한 것은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 제어부(601)와 같다.

제어부(602)는 배터리(400)의 전압이 전기모터(320)를 작동 시키기에 부족한 경우 제1 스위치(330)에 다른 발전 장치(720)로부터 전기모터(320)를 작동하기 위한 신호를 보내는 것을 포함할 수 있다. 이에 대한 정보 처리 및 작동 신호에 관한 것은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 제어부(601)와 같다.

뿐만 아니라, 배터리(400)의 전압이 전기모터(320)를 작동 시키기에 부족한 경우에 제3 스위치(410)에 다른 발전 장치(720)로부터 배터리(400)에 전기 에너지를 충전하기 위한 신호를 보내는 것을 포함할 수 있다.

제어부(602)는 제1 클러치(91)를 작동하기 위한 신호를 보내는 것을 포함한다. 즉, 터빈(200)의 출력이 압축기(500)에 요구되는 동력보다 큰 경우에 터빈 축(20)과 발전기 축(30)을 연결시키기 위하여 제1 클러치(91)를 작동하게 된다.

제어부(602)는 제2 클러치(92)를 작동하기 위한 신호를 보내는 것을 포함할 수 있다. 즉, 터빈(200)의 출력이 압축기(500)에 요구되는 동력보다 작은 경우에만, 전기모터 축(40)과 압축기 축(50)을 연결시키기 위하여 제2 클러치(92)를 작동하게 된다.

이상에서 본 바와 같이, 터빈(200)의 출력이 압축기(500)에 요구되는 동력보다 큰 경우에는 제1 클러치(91)가 붙고, 터빈(200)의 출력이 압축기(500)에 요구되는 동력보다 작은 경우에는 제2 클러치(92)가 붙으며, 터빈(200)의 출력이 압축기(500)에 요구되는 동력과 같은 경우에는 제1 클러치(91) 및 제2 클러치(92)가 모두 떨어지게 된다.

본 발명의 제3 실시 예에 따른 선박에 사용되는 터보차저는 도 3에 도시한 바와 같이, 엔진(100), 제1 축(60)을 회전시키는 터빈(200), 제1 축(60)의 회전을 이용하는 압축기(500), 발전기 겸용 전기모터(340), 배터리(400), 및 제1 축(60)과 제2 축(70)의 사이에 위치하는 클러치(93)를 포함한다.

엔진(100)은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 터보차저와 동일하다.

터빈(200)은 배기관(10)에 설치되고, 배기가스를 팽창시켜 제1 축(60)을 회전시킨다. 제1 축(60)은 압축기(500)와 연결되고, 압축기(500)는 제1 축(60)의 회전을 이용하여 흡입가스를 압축시켜 흡기가스를 내보낸다.

제1 축(60)은 제2 축(70)과 연결된다. 발전기 겸용 전기모터(340)는 제2 축(70)에 연결되고, 터빈(200)이 압축기(500)를 구동시키는 데 충분한 출력을 지니는 경우, 제2 축(70)의 회전을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전기로서 작동한다. 또한 발전기 겸용 전기모터(340)는 터빈(200)이 압축기(500)를 구동시키는 데 충분한 출력을 지니지 못하는 경우, 제2 축(70)을 회전시켜 압축기(500)의 구동을 조력하는 전기모터로 작동한다.

즉, 터빈(200)은 제1 축(60)과 연결되고 제1 축(60)은 압축기(500)와 연결되어, 터빈(200)의 회전은 압축기(500)를 직접적으로 구동시킨다. 그러나 터빈(200)의 출력이 압축기(500)에 요구되는 동력을 상회하는 경우, 흡기가스가 필요 이상으로 압축 되는 것을 방지하고 에너지가 낭비되는 것을 막기 위하여 제2 축(70)과 연결되어 제2 축(70)을 회전시키게 된다. 제2 축(70)의 회전은 발전기 겸용 전기모터(340)를 발전기로서 작동케 하여 전기 에너지를 생산하게 된다.

터빈(200)의 출력이 압축기(500)에 요구되는 동력에 미치지 못하는 경우, 엔진(100)에 필요한 만큼 흡기가스를 압축하기 위해 압축기(500)에 추가 동력을 제공할 필요가 있다. 발전기 겸용 전기모터(340)는 전기모터로서 작용하여 제2 축(70)을 회전시켜 압축기(500)의 구동을 조력하게 된다.

이처럼 발전기 겸용 전기모터(340)는 필요한 경우에 따라 발전기로 또는 전기모터로 사용될 수 있다. 발전기 겸용 전기모터(340)는 그 이름 또는 구성에 관계없이, 하나의 장치 내에 발전기 및 전기모터가 함께 내재되는 경우, 또는 하나의 장치로 발전기 또는 전기모터의 역할을 하는 경우를 포함한다.

또한 제1 축(60)은 하나의 축을 의미할 뿐만 아니라, 터빈(200)에 의해 회전되는 축과 압축기(500)를 구동하는 축이 연결부위로 이루어진 경우에도 일체로 움직임이 이루어지는 것이라면 포함된다 할 것이다.

클러치(93)는 제1 축(60)과 제2 축(70) 사이에 위치하여 터빈(200) 또는 압축기(500)와 발전기 겸용 전기모터(340) 사이의 동력을 끊을 수 있다. 즉, 터빈(200)의 출력이 압축기(500)를 구동시키기에 충분한 경우 클러치(93)는 발전기 겸용 전기모터(340)와 연결되는 제2 축(70)을 제1 축(60)과 떨어뜨리게 된다. 그러나 터빈(200)의 출력이 압축기(500)에 요구되는 동력을 상회하는 경우 클러치(93)는 제1 축(60)을 제2 축(70)과 연결시켜, 제1 축(60)의 회전을 통해 발전기 겸용 전기모터(340)를 발전기로서 동작시키게 된다.

반면, 터빈(200)의 출력이 압축기(500)에 요구되는 동력보다 부족한 경우, 클러치(93)는 제1 축(60)과 제2 축(70)을 연결한다. 발전기 겸용 전기모터(340)가 전기모터로 동작하는 경우 제2 축(70)을 회전시키고, 제2 축(70)의 회전은 제1 축(60)을 회전시켜 압축기(500) 구동을 조력하게 된다.

클러치(93)는 관련 기술분야에서 사용되는 클러치와 그 구성이 유사하다.

본 발명의 제3 실시 예에 따른 선박에 사용되는 터보차저는 도 3에 도시한 바와 같이, 제어부(603)를 포함한다. 제어부(603)는 엔진(100) 또는 배터리(400) 중 어느 하나 이상으로부터 입력 정보를 받는다. 이에 대한 입력 정보에 관한 것은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 제어부(601)와 같다.

제어부(603)는 발전기 겸용 전기모터(340)가 전기모터로 동작하는 경우에, 필요한 전압에 관한 정보를 받는다. 또한, 제어부(603)는 발전기 겸용 전기모터(340)가 발전기로 동작하는 경우에, 발전기 겸용 전기모터(340)를 작동시키기 위한 신호를 보낸다. 또한, 제어부(603)는 발전기 겸용 전기모터(340)가 전기모터로 동작하는 경우에, 발전기 겸용 전기모터(340)를 작동시키기 위한 신호를 보낸다. 이에 대한 정보 처리 및 작동 신호에 관한 것은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 제어부(601)가 전기모터(320)로부터 받는 입력 정보, 및 발전기(310) 또는 전기모터(320)에 보내는 동작 신호와 같다.

제어부(603)는 전기를 필요로 하는 다른 장치(710)로부터 입력 정보를 받아 제3 스위치(410)에 배터리(400)로부터 전기를 필요로 하는 다른 장치(710)로 전기 에너지를 보내기 위한 작동 신호를 보내는 것을 포함할 수 있다.

또한, 제어부(603)는 배터리(400)의 전압이 발전기 겸용 전기모터(340)를 작동 시키기에 부족한 경우, 발전기 겸용 전기모터(340)와 연결된 제2 스위치(350)에 다른 발전 장치(720)로부터 발전기 겸용 전기모터(340)를 작동하기 위한 신호를 보내는 것을 포함할 수 있다.

뿐만 아니라, 배터리(400)의 전압이 발전기 겸용 전기모터(340)를 작동 시키기에 부족한 경우 제3 스위치(410)에 다른 발전 장치(720)로부터 배터리(400)에 전기 에너지를 충전하기 위한 신호를 보내는 것을 포함할 수 있다.

즉, 제2 스위치(350)와, 제3 스위치(410)는 동일할 수 있으며, 발전기 겸용 전기모터(340)를 직접 구동시키거나 배터리(400)를 충전할 수 있도록 신호를 보낸다. 물론 두 신호 중 하나만 실행하는 것도 본 발명에 포함됨은 당연하다.

이에 대한 정보 처리 및 작동 신호에 관한 것은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 제어부(601)와 같다.

제어부(603)는 클러치(93)를 작동시키기 위한 신호를 보내는 것을 포함한다. 터빈(200)의 출력이 압축기(500)에 요구되는 동력보다 큰 경우에 제1 축(60)과 제2 축(70)을 연결시키기 위하여 클러치(93)를 작동시킨다. 반면, 터빈(200)의 출력이 압축기(500)에 요구되는 동력에 미치지 못하는 경우에 제2 축(70)을 제1 축(60)과 연결시키기 위하여 클러치(93)를 작동시킨다.

첫 번째 경우는, 터빈(200)의 동작으로 회전하는 제1 축(60)의 동력 에너지를 제2 축(70)에 전달하여 발전기 겸용 전기모터(340)를 발전기로서 작동시키고자 하는 것이다. 두 번째 경우는, 발전기 겸용 전기모터(340)가 전기모터로서 동작하여 회전하는 제2 축(70)의 동력 에너지를 제1 축(60)에 전달하여 압축기(500)를 조력하고자 하는 것이다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10: 배기관, 20: 터빈 축,
30: 발전기 축, 40: 전기모터 축,
50: 압축기 축, 60: 제1 축,
70: 제2 축, 80: 흡기관,
91: 제1 클러치, 92: 제2 클러치,
93: 클러치, 100: 엔진,
200: 터빈, 310: 발전기,
320: 전기모터, 330: 제1 스위치,
340: 발전기 겸용 전기모터, 350: 제2 스위치,
400: 배터리, 410: 제3 스위치,
500: 압축기, 601-603: 제어부,
710: 전기를 필요로 하는 다른 장치,
720: 다른 발전 장치

Claims

흡기가스를 이용하여 기계적 에너지를 생산하고 배기가스를 배출하는 엔진;
상기 배기가스를 팽창시켜 터빈 축을 회전시키는 터빈;
상기 흡기가스를 압축시켜 상기 엔진에 제공하는 압축기;
상기 터빈 축의 회전을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전기
상기 발전기로부터 발생하는 전기에너지를 저장하는 배터리;
상기 발전기 또는 상기 배터리와 연결되어 상기 압축기를 회전시키는 전기모터; 및
상기 엔진이 받는 부하에 관한 정보, 상기 배터리의 전압에 관한 정보, 또는 상기 전기모터에 필요한 전압에 관한 정보 중 어느 하나 이상의 입력 정보를 받아, 상기 발전기를 작동하기 위한 신호 또는 상기 전기모터를 작동하기 위한 신호 중 어느 하나 이상의 신호를 보내는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는, 전기 에너지를 필요로 하는 다른 장치로부터 입력 정보를 받아 상기 배터리와 연결된 제3 스위치에 상기 배터리로부터 상기 전기 에너지를 필요로 하는 다른 장치로 전기 에너지를 보내기 위한 작동 신호를 보내는 선박에 사용되는 터보차저.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 입력 정보로부터 상기 배터리의 전압이 상기 전기모터를 작동시키에 부족한 경우,
상기 전기모터와 연결된 제1 스위치에 다른 발전 장치로부터 전기모터를 작동하기 위한 신호,
또는, 상기 배터리와 연결된 제3 스위치에 다른 발전 장치로부터 상기 배터리에 전기 에너지를 충전하기 위한 신호를 보내는 것을 더 포함하는 선박에 사용되는 터보차저.
흡기가스를 이용하여 기계적 에너지를 생산하고 배기가스를 배출하는 엔진;
상기 배기가스를 팽창시켜 터빈 축을 회전시키는 터빈;
상기 흡기가스를 압축시켜 상기 엔진에 제공하는 압축기;
상기 터빈 축과 연결되는 발전기 축의 회전을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전기;
상기 터빈 축과 상기 발전기 축의 사이에 위치하여 상기 터빈과 상기 발전기 사이의 동력을 끊을 수 있는 제1 클러치;
상기 발전기로부터 발생하는 전기에너지를 저장하는 배터리;
상기 발전기 또는 상기 배터리와 연결되어 상기 압축기를 회전시키는 전기모터; 및
상기 엔진이 받는 부하에 관한 정보, 상기 배터리의 전압에 관한 정보, 또는 상기 전기모터에 필요한 전압에 관한 정보 중 어느 하나 이상의 정보를 받아, 상기 발전기를 작동하기 위한 신호, 상기 전기모터를 작동하기 위한 신호, 또는 상기 제1 클러치를 작동하기 위한 신호를 작동하기 위한 신호를 보내는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는, 전기 에너지를 필요로 하는 다른 장치로부터 입력 정보를 받아 상기 배터리와 연결된 제3 스위치에 상기 배터리로부터 상기 전기 에너지를 필요로 하는 다른 장치로 전기 에너지를 보내기 위한 작동 신호를 보내는 선박에 사용되는 터보차저.
제3항에 있어서,
상기 전기모터와 상기 압축기의 사이에 위치하여 상기 전기모터와 상기 압축기와 사이의 동력을 끊을 수 있는 제2 클러치를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 제2 클러치에 작동 신호를 보내는 것을 더 포함하는 선박에 사용되는 터보차저.
제4항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 입력 정보로부터 상기 배터리의 전압이 상기 전기모터를 작동시키기에 부족한 경우,
상기 전기모터와 연결된 제1 스위치에 다른 발전 장치로부터 전기모터를 작동하기 위한 신호, 또는 상기 배터리와 연결된 제3 스위치에 다른 발전 장치로부터 상기 배터리에 전기 에너지를 충전하기 위한 신호를 보내는 것을 더 포함하는 선박에 사용되는 터보차저.
흡기관으로 유입되는 흡기가스를 이용하여 기계적 에너지를 생산하고 배기관으로 배기가스를 배출하는 엔진;
상기 배기관에 설치되고, 상기 배기가스를 팽창시켜 제1 축을 회전시키는 터빈;
상기 제1 축의 회전을 이용하여 흡입가스를 압축시켜 상기 흡기관으로 상기 흡기가스를 내보내는 압축기;
상기 제1 축과 연결되는 제2 축의 회전을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전기로서 작동하거나, 상기 제2 축을 회전시켜 상기 압축기의 구동을 조력하는 전기모터로서 작동하는 발전기 겸용 전기모터;
상기 제1 축과 상기 제2 축의 사이에 위치하여 상기 터빈 또는 상기 압축기와 상기 발전기 겸용 전기모터 사이의 동력을 끊을 수 있는 클러치;
상기 발전기 겸용 전기모터와 연결되고, 상기 전기 에너지를 저장하는 배터리; 및
상기 엔진이 받는 부하에 관한 정보, 상기 배터리의 전압에 관한 정보, 또는 상기 발전기 겸용 전기모터에 필요한 전압에 관한 정보 중 어느 하나 이상의 정보를 받아, 상기 발전기 겸용 전기모터를 작동하기 위한 신호 또는 상기 클러치를 작동하기 위한 신호를 보내는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는, 전기 에너지를 필요로 하는 다른 장치로부터 입력 정보를 받아 상기 배터리와 연결된 제3 스위치에 상기 배터리로부터 상기 전기 에너지를 필요로 하는 다른 장치로 전기 에너지를 보내기 위한 작동 신호를 보내는 것을 더 포함하는 선박에 사용되는 터보차저.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 입력 정보로부터 상기 배터리의 전압이 상기 발전기 겸용 전기모터를 작동시키기에 부족한 경우,
상기 발전기 겸용 전기모터와 연결된 제2 스위치에 다른 발전 장치로부터 발전기 겸용 전기모터를 작동하기 위한 신호,
또는 상기 배터리와 연결된 제3 스위치에 다른 발전 장치로부터 상기 배터리에 전기 에너지를 충전하기 위한 신호를 보내는 것을 더 포함하는 선박에 사용되는 터보차저.
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제1항, 제3항, 또는 제6항 중 어느 한 항에 의한 선박에 사용되는 터보차저를 구비하는 선박.