KR101530270B1

KR101530270B1 - 잠수함

Info

Publication number: KR101530270B1
Application number: KR1020130113214A
Authority: KR
Inventors: 클라스 빌켄; 롤란드 베커
Original assignee: 티센크루프 마린 시스템즈 게엠베하
Priority date: 2012-10-01
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2015-06-22
Also published as: KR20140043276A; EP2713021B1; DE102012217931A1; AU2013234433A1; ES2742331T3; EP2713021A3; AU2013234433B2; EP2713021A2

Abstract

잠수함은 배기가스라인에 결합된 적어도 하나의 내연엔진 갖는다. 이 배기가스라인은 헬름홀쯔 공명기와 결합되고, 이 공명기의 공명주파수가 배기가스온도의 함수로 제어된다.

Description

잠수함{Submarine}

본 발명은 잠수함에 관한 것이다.

군용잠수함들의 구상 중 기본적인 과제들 중의 하나는 선상 소음원들을 제거하는 것이고, 또는 적어도 소음발생을 가능한 한 많이 줄이는 것이다. 이들 디젤-발전기 잠수함들에 있어서, 디젤엔진의 작동 중에 발생하는 배기소음은 감소되어야만 한다. 배기 라인에 들어가 있는 흡수머플러들이 현재까지 이 목적을 위하여 사용되어져 왔다. 배기소음은 이들 흡수머플러들과 함께 광범위한 주파수 범위에서 소음되고 있지만, 잠수함 안에 배치된 내연엔진의 점화주파수들은 이 흡수머플러에도 불구하고 잠수함의 바깥환경에서도 확실히 알아볼 수가 있다.

본 발명의 목적은 잠수함 안에 배치된 내연엔진에 의해 발생되는 점화주파수들의 주파수 레벨이 충분한 범위로 약화될 수 있는 잠수함을 제공하는 데 있다.

위의 목적은 청구항 1에 특정된 구성들을 갖는 잠수함에 의해 달성된다. 이 잠수함의 다른 이점 있는 향상 점들은 종속항들, 상세한 설명 및 도면으로부터 알 수 있을 것이다. 종속항들에 특정된 구성들은 각 경우 그 자체는 물론 적절한 조합을 통해 청구항 1에 따른 잠수함을 더 구체화할 수 있다.

본 발명에 따른 잠수함은 배기라인에 연결된 적어도 하나의 내연엔진을 구비하고 있다. 이 내연엔진은 일반적으로 잠수함에 설치된 어떤 내연엔진도 포함할 수 있다. 그러나, 이 내연엔진은 바람직하게는 배터리시스템을 충전하는데 사용되는 발전기로부터 상류에 배치되는 디젤엔진이다.

본 발명에 따르면, 배기라인은 헬름홀쯔(Helmholtz) 공명기와 결합된다. 헬름홀쯔 공명기는 통상적으로 공명기 통에 의해 붙어 있는 공명기 목을 구비하고, 이 공명기 통의 내부 단면은 공명기 목의 내부 단면보다 더 크다. 헬름홀쯔 공명기에 부가하여, 배기라인은 하나 이상의 흡수머플러들과 결합될 수 있다. 헬름홀쯔 공명기들은 특히 특정 주파수의 레벨을 감소시키는데 적합하다. 본 발명에 따른 잠수함에 있어서, 배기라인의 바깥 측에 결합된 헬름홀쯔 공명기는 내연엔진의 점화주파수에 의해 발생된 배기소음을 줄이기 위한 의도이다. 그러나, 이 배기소음의 주파수는 엔진의 시동단계 동안의 온도의 함수로, 그리고 내연엔진의 점점 줄어드는 파워의 함수로 변화한다. 이러한 환경을 고려하기 위하여, 본 발명은 헬름홀쯔 공명기의 공명주파수가 배기가스온도의 함수로 제어되는 것을 제공한다.

알려진 기술은 공명기 목 및/또는 공명기 통의 체적을 변경함에 의해 헬름홀쯔 공명기의 공명주파수를 변화시키는 것이다. 따라서, 본 발명은 헬름홀쯔 공명기의 공명주파수가 배기가스온도와 함께 변화하는 배기소음 주파수에 대한 배기가스온도의 함수로서 공명기 목 및/또는 공명기 통의 체적을 조정함에 의해 제어되는 것을 제공한다. 이 대책은 헬름홀쯔 공명기가, 예를 들면 내연엔진의 시동 동안 또는 내연엔진의 점점 줄어드는 파워의 변화 동안과 같이 온도-유도 주파수의 변화의 경우에서조차, 배기소음을 최대로 줄이거나 또는 좋게는 제거하는 것을 보장한다.

본 발명에 따라 사용된 헬름홀쯔 공명기의 공명주파수를 제어하기 위하여, 공명기 목의 길이 또는 그 단면은 물론 공명기 통의 길이 또는 그 단면이 변화가능하게 설계된다. 이것을 허락하는 헬름홀쯔 공명기의 구조적 구성은 선행기술로부터 충분히 알려져 있다. 헬름홀쯔 공명기의 공명주파수를 제어하기 위한 공명기 목의 길이를 변화시키는 것은 구조적으로 특히 간단하다. 이와 관련하여 본 발명에 따른 바람직한 구성은 헬름홀쯔 공명기의 공명기 목이 조절가능한 길이를 갖는 것이다. 공명기 목의 길이는 배기가스온도의 상승시 증가하고 배기가스온도의 하강시 감소하는 식으로 제어된다.

공명기 목의 이러한 조절가능한 길이는 이점 있게 공명기 목을 텔레스코핑(망원경 식으로 길이가 변경가능한) 설계로 함에 의해 달성된다. 따라서, 이 공명기 목은 서로와 관련하여 소정범위까지 이동가능한 적어도 두 결합부분을 구비하고 있고, 그것에 의해 공명기 목의 단면은 실질적으로 동일하게 유지하면서 공명기 목의 길이를 변경시킨다. 공명기 목의 변경가능한 길이를 허용하는 다른 구조적 해법들도 공명기 목의 이러한 텔레스코핑 구성에 부가하여 상상할 수 있다. 예를 들면, 공명기 목의 이러한 조절가능한 길이는 공명기 목의 두 부분들이 나선결합에 의해 함께 연결되어 있다면 공명기의 외벽의 구성으로도 달성될 수가 있다.

공명기 목의 텔레스코핑 실시예는 바람직하게 공명기 목의 제1부분이 환형챔버에 의해 형성되고, 이 환형챔버의 체적이 텔레스코핑 방향으로, 즉 공명기 목의 종축방향으로 변화될 수 있는 것을 제공한다. 이 경우에 있어서, 환형챔버는 환형챔버의 체적의 변화가 있을 때 공명기 목의 텔레스코핑 방향으로 소정의 한계 이내에서 전개될 수 있는 벽에 의해 공명기 목의 텔레스코핑 방향으로 경계지워진다. 이 벽은 공명기 목의 제2 부분을 수용할 수 있고, 또는 이 벽은 환형챔버 속으로 결합되는 공명기 목의 제2 부분에 의해 형성될 수 있다.

이 구조에 제공된 이점 있는 실시예는 공명기 목이 빈 원통형 이중벽 부분을 갖고 있는 것이다. 여기서 내벽 및 외벽 사이의 갭은 환형챔버를 형성하고, 이 환형챔버 속으로 공명기 목의 제2 부분을 포함하는 환형피스톤을 결합한다. 공명기 목의 이중-벽 부분의 내벽 및 외벽 사이에 형성된 환형챔버는 이점 있게 벽의 이동가능한 수단 또는 공명기 목의 제2 부분이 배기가스온도의 함수로 이동될 수 있는 수단을 수용하기 위하여 사용된다.

이 환형챔버는 바람직하게는 유체로 채워져 있다. 이 단계의 목표는 환형챔버의 체적을 크게 하고, 그 결과 공명기 목의 길이를 크게 하기 위하여 유체를 가열하는 동안 일어나는 유체의 체적팽창을 이용하는 것이다. 기본적으로, 어떤 형태의 유체도 이 환형챔버 속에 채워질 수 있는데, 헬름홀쯔 공명기의 구조적 구성의 기능 및 공명기 목의 길이에 대한 요구되는 변화와 관련하여 전형적으로 가장 적절한 유체가 선택되어야만 한다.

환형챔버 내에 존재하는 유체의 온도가 배기가스온도의 직접함수로 변화하는 것이 최상이다. 이것을 보장하기 위하여, 환형챔버는 바람직하게는 배기가스라인에 열-전도되도록 연결된다. 즉, 이 환형챔버는 열이 배기가스로부터 환형챔버 내의 유체로 흐를 수 있는 식으로 배치된다.

다른 이점 있는 실시예로서, 배기가스로부터 유체로의 이 열 흐름은 배기가스라인에 직접 붙어 있는 공명기 목의 부분인 환형챔버를 갖는 것에 의해 특히 간단하게 만들어질 수 있고, 따라서 배기가스의 열은 배기가스라인의 외벽과 환형챔버의 내벽을 통해 직접 환형챔버 내의 유체로 전달될 수가 있다.

변경가능한 체적의 환형챔버 내에 위치한 유체에 대한 대안으로서, 두 공명기 목 부분들이 나선연결에 의해 함께 결합된 공명기 목의 텔레스코핑 구성이 또한 이점 있게 이중금속 스프링 소자를 제공할 수 있고, 이 이중금속 스프링 소자는 공명기 목의 일 부분과 움직임 가능하게 결합되는데, 이 공명기 목 부분이 공명기 목의 다른 부분과 관련하여 이중금속 스프링 소자의 온도-유도 변형에 의해 꼬이게 되고, 그것에 의해 공명기 목의 길이가 변하는 식으로 결합된다. 이 이중금속 스프링 소자는 공명기 목의 대응하는 부분에 직접 움직임 가능하게 결합될 수 있고, 즉 이 이중금속 스프링 소자는 공명기 목의 이 부분에 직접 연결될 수 있고, 또는 이 이중금속 스프링 소자가 공명기 목의 이 부분에 간접적으로 움직임 가능하게 연결될 수 있는 것으로서, 여기서 이중금속 스프링 소자와 공명기 목의 텔레스코핑 부분 사이에 움직임의 전달을 위하여 기계적 시스템이 배치된다.

이중금속 스프링 소자를 사용할 때, 후자가 열 전도되도록 배기가스라인에 연결되는 것이 최상이다. 이 이중금속 스프링 소자는 바람직하게는 배기가스 라인의 바깥 측 상에 직접 배치된다. 여기서, 이중금속 스프링 소자는 바람직하게는, 이중금속 스프링 소자의 움직임이 공명기 목의 바깥 측 상의 공명기 목의 텔레스코핑 부분과 결합되도록 공명기 목의 바깥 측 상에 배치된다.

본 발명에 따른 잠수함은 그 안에 배치된 내연엔진에 의해 발생 되는 점화주파수들의 주파수 레벨을 충분한 범위로 약화시켜, 내연엔진의 점화주파수에 의해 야기된 배기소음이 좋게는 제거되는 식으로, 그러나 최소한 꽤 의미 있는 범위까지 약화 되는 효과가 있다.

도 1은 헬름홀쯔 공명기와 결합 된, 배기가스 라인까지 연결된 내연엔진을 갖는 잠수함의 부분을 보여주고 있는 개념도를 나타내고,
도 2는 도 1에 묘사된 헬름홀쯔 공명기를 보여주는 확대된 사시도이고,
도 3은 도 1 및 도 2에 묘사된 헬름홀쯔 공명기의 공명기 목을 보여주는 확대 단면도이고,
도 4는 나선결합된 망원경 시스템과 함께 헬름홀쯔 공명기의 공명기 목을 보여주는 확대 단면도이고, 그리고
도 5는 도 4의 선 V-V를 따라 절개한 단면도이다.

이하에서 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다. 각 도면들은 개념도 식으로 매우 단순화하였다.

도 1에 도시된 잠수함의 부분에 있어서, 내연엔진(4)이 진동에 대하여 쿠션이 있는 기저 판(2) 상에 설치된다. 이 내연엔진(4)은 디젤엔진이다. 기저 판(2)은 진동에 대하여 쿠션이 있을 수 있도록 잠수함의 데크(6) 상에 설치된다. 이 내연엔진(4)은 구동축(8)에 의해 발전기(10)와 결합 되고, 이 발전기(10)는 진동에 대하여 쿠션이 있는 기저 판(2) 상에서 내연엔진(4) 옆에 설치된다. 이 발전기(10)는 잠수함의 배터리시스템(도면에 미 도시)을 충전하는데 사용된다.

배기가스라인(12)은 내연엔진(4)에 연결된다. 이 배기가스라인(12)은 도 1에 단지 일부만 도시되어 있고, 내압선각벽(14)을 관통하여 잠수함의 내압선각의 밖으로 뻗어 있다(도 1로부터는 미 도시됨). 흡수머플러(16)가 내연엔진(4)의 출구 측의 배기가스라인(12)에 직접 배치되어 있다.

배기가스라인(12)은 흡수머플러(16)의 출구 측 상에서 헬름홀쯔 공명기(18)와 결합된다. 이 헬름홀쯔 공명기(18)는 내연엔진(4)의 점화주파수에 의해 야기되는 배기소음을 특히 약화시키거나 완전히 제거하는데 사용된다. 특히 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 헬름홀쯔 공명기(18)는 배기가스라인(12)에 직접 연결되는 공명기 목(20)을 보여주고 있다. 헬름홀쯔 공명기(18)의 공명기 통(22)은 배기가스라인(12)으로부터 벗어난 공명기 목(20)의 단부와 붙어 있고, 공명기 목(20)을 향하여는 개방되어 있지만 나머지는 폐쇄되어 있는 디자인을 보여주고 있다. 배기가스라인(12)으로부터 헬름홀쯔 공명기(18)로의 흐름을 허용하는 연결을 설정하기 위하여, 배기가스라인(12)에 개구(24)가 형성된다(도 3). 내연엔진(4)에 의해 발생된 배기가스는 기본적으로 관 형상의 공명기 목(20) 내의 이 개구(24)를 통해 거기로부터 빈 원통형 공명기 통(22) 속으로 흐를 수가 있다.

배기가스온도의 함수로서 헬름홀쯔 공명기(18)의 공명기 주파수를 제어할 수 있도록 하기 위하여, 공명기 목(20)은 텔레스코핑(telescoping, 망원경 식으로 이동가능한) 설계를 갖는다. 이 목적을 위하여, 배기가스라인(12)에 직접 연결되어 있는 공명기 목(20)의 부분은 내부 관 형상 벽(26) 및 거기에 동심으로 배치된 외부 관 형상 벽(28)으로 구성된 이중-벽 구조로 되어 있다. 환형챔버(30)가 배기가스라인(12) 상에 형성된 개구(24)의 바깥 측과 직접 붙어 있는 내부 관 형상 벽(26) 및 외부 관 형상 벽(28) 사이의 갭에 의해 창조된다. 이 환형챔버(30)는 배기가스라인(12)의 바깥 측에 의해 그 일 측 단부가 밀폐된다. 배기가스라인(12)으로부터 벗어나 있는 환형챔버(30)의 타 측 단부는 개방된 설계를 갖는다. 환형챔버(30)의 이 개방 단부는 그 속으로 환형 피스톤(32)이 들어오도록 확장하고, 이 환형 피스톤(32)은 공명기 목(20)과 맞닿는 공명기 통(22)의 전단부 상에 위치되고 공명기 목(20)으로부터 공명기 통(22)으로의 흐름연결을 형성하는 개구(34)를 둘러싸고 있다. 이 피스톤(32)은 공명기 목의 길이방향으로 매우 적게 움직일 수 있고 공명기 목(20)의 제2 부분을 형성할 수 있도록 환형챔버(30) 내에서 안내된다. 공명기 목(20)과 맞닿는 공명기 통(22)의 전단부 상의 개구(34) 둘레에 환형 돌출부(36)가 형성되고, 이것은 약간의 방사상 움직임으로 공명기 목 안에 맞닿는다.

환형챔버(30)의 내부와 관련하여, 배기가스라인(12)의 바깥측과 피스톤(32)의 단부에 의해 경계지어진 공간은 완전히 유체로 채워진다. 예를 들면, 내연엔진(4)의 시동 중 만약 배기가스온도가 상승하면, 이것은 또한 환형챔버(30) 내부의 유체의 온도를 상승시킨다. 이것은 결국 환형챔버(30) 내의 유체의 열적 팽창을 가져오고, 그 결과 환형챔버(30) 속으로 맞닿아 있는 피스톤(32)이 배기가스라인(12)으로부터 멀어지는 방향으로 유체에 의해 가압되고, 따라서 공명기 목(20)의 길이가 길어지게, 즉 공명기 목(20)을 텔레스코핑 하게 된다. 역으로, 배기가스온도의 저하는 연합된 유체온도의 저하 때문에 환형챔버(30) 내의 유체의 용량을 감소시키고, 그 결과 피스톤(32)은 배기가스라인(12)의 방향으로 움직이고, 따라서 공명기 목의 길이를 감소시킨다. 헬름홀쯔 공명기(18)의 적절한 구조적 구성과 적절한 유체의 선택을 고려해 볼 때, 이것은 내연엔진(4)의 점화주파수에 의해 야기된 배기소음이 좋게는 제거되는 식으로, 그러나 최소한 꽤 의미 있는 범위까지 약화시키는 식으로 헬름홀쯔 공명기(18)의 공명주파수를 조절 가능하게 한다.

도 4 및 도 5에 도시된 공명기 목(20')에 있어서, 파이프 길이(38)는 배기가스라인(12)의 바깥 측에 용접된다. 이 파이프 길이(38)는 공명기 목(20')의 제1 고정된 부분을 형성하고, 배기가스라인(12) 상에 형성된 개구(24)를 둘러싸고 있다.

파이프 길이(38)의 둘레에는 부싱(40)이 배치된다. 이 부싱(40)은 공명기 목(20')의 중심축(A) 주위로 회전할 수 있다. 부싱(40)의 내측으로 방사상으로 확장하고 있는 돌출부(42)가 배기가스라인(12)과 접하고 있는 부싱(40)의 단부영역에 형성되어 있다. 이 돌출부(42)는 파이프 길이(38)의 바깥 주변 상에 형성된 요홈(44) 속으로 체결되고, 파이프 길이(38)의 전체주변 둘레로 확장하고 있다. 이것은 부싱(40)이 공명기 목(20')의 중심축(A)의 방향으로 움직일 수 있는 것으로부터 방지한다. 배기가스라인(12)으로부터 벗어난 부싱(40)의 단부로부터 진행하여, 이 부싱(40)은 암나사부(46)를 보여주고 있다. 이 암나사부(46)는 돌출부(42)에 인접한 부싱(40)의 내부 주변 상에 형성된 안전요홈(48)에서 끝난다.

파이프 길이(50)가 부싱(40)의 암나사부(46)에 나사결합된다. 이 파이프 길이(50)는 그 끝에 숫나사부(52)를 갖는다. 이 파이프 길이(50)는 공명기 목(20')의 제2 부분을 포함하고, 그 위에 공명기 통(22)이 위치되며, 여기서 개구(34)가 공명기 목(20')으로부터 공명기 통(22)으로의 흐름을 허락하는 연결을 설정한다. 배기가스라인(12)과 맞닿는 파이프 길이(50)의 단부로부터 진행하여, 공명기 목(20')의 중심축(A)에 평행하게 배열된 종 요홈(54)이 파이프 길이(50)의 내부면 상에 형성되어 있다. 이 종 요홈(54)은 그 안으로 키(56)를 결합하고, 이 키(56)는 파이프 길이(38)의 바깥 측 표면의 홈(58) 상에 고정된다. 이것은 공명기 목(20')의 중심축(A) 둘레에서 파이프 길이(50)가 회전하는 것을 방지한다.

방사상 밖으로 확장하고 있는 레버(60)가 배기가스라인(12)과 접하고 있는 영역내에 부싱(40)의 바깥 측 표면상에 배치된다. 도 5로부터 확실한 바와 같이, 이 레버(60)는 배기가스라인(12)의 바깥 측에 고정된 이중금속 스프링 소자(62)에 연결된다. 이 이중금속 스프링 소자(62)는 소용돌이 스프링으로 설계되어 있다.

배기가스라인(12) 내부의 온도의 상승은 이중금속 스프링 소자(62)를 가열하고, 이것은 따라서 팽창한다. 이것은 파이프 길이(50)가 부싱(40)의 암나선(46)으로부터 풀리게 되도록 레버(60)에 힘을 가하고, 그것에 의해 공명기 목(20')의 길이를 증가시키고, 그리고 그런 이유로 그것의 부피가 증가 된다. 역으로, 배기가스온도의 감소는 이중금속 스프링 소자(62)를 수축시키고, 따라서 파이프 길이(50)는 부싱(40) 속으로 더 감겨 지며, 공명기 목(20')의 길이 및 부피는 축소된다.

2: 기저 판 4: 내연엔진
6: 데크 8: 구동축
10: 발전기 12: 배기가스라인
14: 내압선각 벽 16: 흡수머플러
18: 헬름홀쯔 공명기 20, 20': 공명기 목
22: 공명기 통 24, 34: 개구
26, 28: 벽 30: 환형챔버
32: 피스톤 36, 42: 돌출부
38, 50: 파이프 길이 40: 부싱
44: 요홈 46: 암나선
48: 안전요홈 52: 숫나선
54: 종 요홈 56: 키
58: 홈 60: 레버
62: 이중금속 스프링 소자 A: 중심축

Claims

적어도 하나의 내연엔진(4) 및 거기에 결합된 배기가스라인(12)을 갖는 잠수함에 있어서, 배기가스라인(12)이 헬름홀쯔 공명기(18)와 결합되고, 이 공명기의 공명주파수가 배기가스온도의 함수로 제어되며,
상기 헬름홀쯔 공명기(18)의 공명기 목(20)은 조절가능한 길이를 가지고, 상기 공명기 목(20)은 텔레스코핑 설계를 가지며,
상기 공명기 목(20)의 제1부분은 환형챔버(30)에 의해 형성되며, 이 환형챔버(30)의 용량은 공명기 목(20)의 텔레스코핑 방향으로 변화될 수 있고,
상기 공명기 목(20)은 빈 원통형 이중벽 부분을 구성하고, 내벽(26) 및 외벽(28) 사이의 갭이 환형챔버(30)를 형성하며, 이 환형챔버(30) 속으로 공명기 목(20)의 제2부분을 형성하는 환형 피스톤(32)이 결합되는 것을 특징으로 하는 잠수함.
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제 1항에 있어서, 환형챔버(30)는 유체로 채워지는 것을 특징으로 하는 잠수함.
제 1항에 있어서, 환형챔버(30)는 열전도되도록 배기가스라인(12)과 결합되는 것을 특징으로 하는 잠수함.
제 1항에 있어서, 환형챔버(30)는 배기가스라인과 직접 붙어 있는 공명기 목(20)의 일부인 것을 특징으로 하는 잠수함.
제 1항에 있어서, 공명기 목(20)의 텔레스코핑 부분에 이동가능하게 결합된 이중금속 스프링 소자가 제공되는 것을 특징으로 하는 잠수함.
제 9항에 있어서, 상기 이중금속 스프링 소자는 열전도되도록 배기가스라인(12)에 연결되는 것을 특징으로 하는 잠수함.