KR101572395B1 - 수직 가변형 해양 세일 시스템 - Google Patents

수직 가변형 해양 세일 시스템 Download PDF

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KR101572395B1
KR101572395B1 KR1020147001711A KR20147001711A KR101572395B1 KR 101572395 B1 KR101572395 B1 KR 101572395B1 KR 1020147001711 A KR1020147001711 A KR 1020147001711A KR 20147001711 A KR20147001711 A KR 20147001711A KR 101572395 B1 KR101572395 B1 KR 101572395B1
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에릭 홀로한
에드워드 셔갈리스
제임스 로데스
제레미 린지
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매그너스 엘티디.
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    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H9/00—Marine propulsion provided directly by wind power
    • B63H9/02—Marine propulsion provided directly by wind power using Magnus effect
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

본 발명의 실시예들은 매그너스 효과를 이용하여 선박에 추력을 제공할 수 있는 기계식 세일 시스템, 방법, 장치 및 코드를 제공한다. 일부 실시예들에서, 기계식 세일 시스템이 제공되며, 상기 기계식 세일 시스템은 선박의 데크 레벨 아래에 배치된 사일로, 상기 사일로 내부에 장착되어 제 1 세일 실린더와 제 2 세일 실린더를 지지하는 리프트 캐리지, 및 상기 사일로 내부에서 상기 리프트 캐리지를 선택적으로 위치결정하기 위해 제어 시스템에 커플링된 적어도 제 1 구동 모터를 포함하며, 상기 제어 시스템은 상기 적어도 제 1 구동 모터를 제어하여 상기 사일로 내부에서 상단 위치에 상기 리프트 캐리지를 배치함으로써 상기 제 1 및 제 2 세일 실린더들을 전개시키도록 작동가능하다.

Description

수직 가변형 해양 세일 시스템{VERTICALLY-VARIABLE OCEAN SAIL SYSTEM}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본원은 2011년 6월 22일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제61/499,904호의 이익과 우선권을 주장하며, 상기 가특허 출원은 모든 목적을 위해 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합되어 있다.
기술 분야
일부 실시예들은 선박 추진 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 일부 실시예들은 선박 추진 시스템을 보완하기 위한 수직 가변형 해양 세일(sail) 시스템을 제공한다.
전세계 해운 산업은 에너지 소비의 측면에서 상당한 변곡점에 도달하였다. 현재, 연료 비용은 해운 산업의 글로벌 수익의 35%를 소비하며, 이는 역사상 가장 높은 수익 점유율이다. 이 비용은 꾸준히 증가하고 있으며 감소할 기미가 보이지 않는다. 이러한 연료 비용, 특히, 선박 소유자/운영자의 연간 비용의 2/3이상에 상당하는 연료 비용을 줄이는 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
해운이 다른 운송 방식에 비해 톤당/마일 기준으로 매우 효율적인 운송 수단이기는 하지만, 선박은 여전히 오염과 CO2 배출의 주요 원인이다. 대형 상용 선박은 지구와 인간의 건강 모두에 유해한 가스 혼합물을 방출하는 석유 정제 프로세스의 맨 마지막인 벙커 연료를 사용한다. CO2와 함께, 질소 산화물과 황 산화물(산성비의 원인)도 입자상 물질로 알려져 있다.
전세계 해운 무역은 연간 10억 톤의 CO2를 배출하는 원인이 되고 있으며, 전세계 경제가 회복됨에 따라, 이 수치는 증가할 것이다. 이는 단일 산업으로서의 해운이 독일과 같이 완전히 산업화된 국가보다 더 많은 CO2 배출원이 된다는 것을 의미한다. 해운 산업을 국가로 가정하면, 세계 CO2 성적표에서 6위를 차지할 것이다. 이러한 배출물을 줄이는 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
영국특허공개공보 GB 2 187 154 A 미국특허 US 1,674,169
본 발명의 실시예들은 선박의 배출물과 에너지 소비를 감소시키는 시스템, 방법 및 장치를 제공한다. 이러한 감소는 본 발명에 따른 하나 이상의 수직 가변형 해양 세일 시스템(본 명세서에서는, "세일 시스템" 또는 "VOSS"라 함)을 추가로 장착하거나 개조함으로써 실현될 수 있다. 상기 세일 시스템은 회전하여 바람을 전방 추력으로 변환함으로써 선박을 추진하는 세일 실린더를 포함한다. 본 발명의 실시예들은 세일 시스템이 선박의 주 엔진을 강화할 수 있도록 함으로써, 주 엔진이 항해 속도를 여전히 유지하면서도 속도를 낮출 수 있게 된다(throttled back). 일부 실시예들에 따르면, 세일 시스템은 완전히 퇴축가능하며(fully retractable), 불리한 조건이나 선박의 화물을 선적하거나 하역할 때 하강할 수 있다. 세일 실린더 위에서 바람에 의해 추력이 생성된다는 것은 선박이 주 엔진으로부터 동력을 덜 필요로 함으로써, 연료 소비율이 낮아진다는 것을 의미한다. 통상적인 작동 조건에서, 선박의 평균 연간 연료 비용이 크게 감소될 수 있다. 또한, 선박이 본 발명의 세일 시스템을 포함하도록 개조되거나 설계되면, 매년 수백만 톤의 CO2 배출물을 피할 수 있다.
일부 실시예들에서, 기계식 세일 시스템이 제공되며, 상기 기계식 세일 시스템은 선박의 데크 레벨 아래에 배치된 사일로, 상기 사일로 내부에 장착되어 제 1 세일 실린더와 제 2 세일 실린더를 지지하는 리프트 캐리지, 및 상기 사일로 내부에서 상기 리프트 캐리지를 선택적으로 위치결정하기 위해 제어 시스템에 커플링된 적어도 제 1 구동 모터를 포함하며, 상기 제어 시스템은 상기 적어도 제 1 구동 모터를 제어하여 상기 사일로 내부에서 상단 위치에 상기 리프트 캐리지를 배치함으로써 상기 제 1 및 제 2 세일 실린더들을 전개시키도록 작동가능하다.
도 1은 일부 실시예들의 특징을 이용한 선박의 단면도이다.
도 2는 일부 실시예들의 특징을 이용한 선박의 평면도이다.
도 3은 일부 실시예들의 특징을 이용한 선박의 단면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 일부 실시예들에 따른 기계식 세일의 단면도이다.
도 5는 일부 실시예들에 따른 기계식 세일의 부분 단면도이다.
도 6은 일부 실시예들에 따른 리프트 캐리지(lift carriage)의 단면도이다.
도 7은 일부 실시예들에 따른 세일 시스템의 부분 단면도이다.
도 8은 일부 실시예들에 따른 관형 코어를 포함한 세일 시스템의 부분 단면도이다.
도 9는 일부 실시예들에 따른 상부 세일 실린더를 포함한 세일 시스템의 부분 단면도이다.
도 10은 일부 실시예들에 따른 상부 세일 실린더의 일부분을 포함한 세일 시스템의 부분 단면도이다.
도 11은 일부 실시예들에 따른 사일로(silo)의 일부분을 포함한 세일 시스템의 부분 단면도이다.
도 12는 일부 실시예들에 따른 리프트 드라이브의 일부분을 포함한 세일 시스템의 부분 단면도이다.
도 13은 일부 실시예들에 따른 제어 시스템의 블록도이다.
이제, 4개의 세일 시스템(120)이 장착된 선박(100)의 단면도인 도 1을 먼저 참조하여 일부 실시예들의 특징에 대해 설명한다. 도시된 바와 같이, 선박(100)은 벌크 화물을 운반하기 위해 하나 이상의 화물창(104)을 가진 벌크 화물선(또는, "벌크 캐리어", "벌크 프레이터(freighter)" 또는 간단하게 "벌커"라 함)이다. 당업자들은, 본 명세서를 읽으면, 본 발명의 특징이 다수의 다른 유형, 구조 및 크기의 선박에 대한 바람직한 결과와 함께 사용될 수 있으며, 벌커에서의 사용은 단지 예시를 위한 것임을 이해할 것이다. 일부 실시예들의 특징을 설명하기 위해, 그리고 바람직한 결과를 제공하는 것으로 여겨지는 특수한 구조를 설명하기 위해, 본 발명의 세일 시스템(120)과 제어 시스템의 사용을 본 명세서에서는 벌크 화물선에서의 사용과 관련하여 설명하였으나, 이들은 다른 유형의 선박에도 사용될 수 있다.
선박(100)은 선박의 기존 프로펠러 추진 시스템(106)을 보완하기 위해 세일 시스템(120)을 사용하도록 개조되거나 특수하게 설계될 수 있다. 세일 시스템(120)은 바다에서 이용가능한 바람을 동력원으로 활용하여 전방 추력을 생성하고 "매그너스 효과(Magnus effect)"를 통해 선박을 추진함으로써, 선박(100)에 의해 사용되는 연료의 양을 감소시키도록 구성된다.
매그너스 효과는 윈드 스트림 내에서 회전하는 실린더가 바람의 방향에 대해 대략 직교하는 힘을 생성하는 현상이다. 전체 거동은 에어포일의 거동과 유사하며, 에어포일 작용 대신 기계적인 회전에 의해 순환이 발생한다. 본 발명의 세일 시스템(120)은 이 효과를 이용하여 화석 연료에 대한 선박의 의존도를 감소시키기에 충분한 추진력을 생성한다.
도 2 내지 도 13과 관련하여, 세일 시스템(120)의 구조, 디자인 및 작동에 대해 상세하게 설명할 것이지만, 여기서는 간단하게 소개하기로 한다. 각각의 세일 시스템(120)은 상승("신장") 및 하강("퇴축(retract)")하는 개별 섹션들로 분할된 실린더로 형성된다.
본 명세서에 개시된 실시예들에서, 세일 시스템(120)은 상부 세일 실린더(130)와 하부 세일 실린더(140)를 포함한, 2단의 퇴축가능한 기계식 세일 시스템이다. 상부 세일 실린더(130)와 하부 세일 실린더(140)는 사용하지 않을 때 데크(114) 아래에 적재되도록 사일로(122) 속으로 퇴축된다. 본 발명자들은 2개의 섹션들을 사용하는 것이 바람직한 결과를 제공한다는 것을 발견하였다. 예컨대, 적은 개수의 섹션들을 사용하면, 세일 시스템(120)은 덜 변형(racking)되거나 걸리게(jamming) 된다. 또한, 본 명세서에 개시된 구조는 바람을 동력원으로 활용하여 선박을 추진하는 기존의 세일과 같이 바람직한 결과를 제공하지만, 그로 인해 생성되는 동력과 효율이 더 크다. 또한, 더 적은 개수의 섹션들을 사용하면, 제조, 설치 및 유지 면에서 더 큰 효율을 제공한다. 본 명세서에서는 2개의 세일 섹션들(상부 세일 실린더와 하부 세일 실린더)의 사용에 대해 설명하지만, 당업자들은 다른 개수의 섹션들이 마찬가지로 바람직한 결과들과 함께 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
일부 실시예들에서, 각각의 세일 시스템(120)은 다음과 같은 주요 부품을 포함한다: (ⅰ) 세일 실린더(130, 140), (ⅱ) (도 6과 관련하여 후술하는) 리프트 캐리지, (ⅲ) (도 11 및 도 12와 관련하여 후술하는) 리프트 구동 시스템, 및 (ⅳ) 사일로(122)(또는 "하우징"). 선박(100)에 설치된 세일 시스템(120)들은 명령 및 제어 시스템에 의해 함께 제어되고 작동된다. 일반적으로, (명령 및 제어 시스템 이외의) 세일 시스템(120)의 부품들의 물리적 치수는 다음과 같은 세 가지 주요 속성들의 함수로서 선택된다: 데크 아래의 이용가능한 공간, 해치 콤빙들(hatch combings) 사이의 데크 상에서 이용가능한 공간, 및 세일 실린더의 종횡비.
제조 및 다른 고려 사항들이 물리적 치수에 영향을 미칠 수는 있지만, 본 발명자들은 다음과 같은 설계 속성들이 벌크 캐리어 또는 유조선에 대해 바람직한 결과를 제공한다는 것을 발견하였다. 일반적으로, 벌크 캐리어, 또는 일반적인 형태의 유조선에서 노천 데크 아래의 이용가능한 공간은, 54피트의 노출된 세일 면적과, 세일 섹션들이 전개될 때 세일 섹션들을 함께 록킹할 수 있도록 하기 위해 필요한 관련 중첩부를 수용할 수 있다. 해치 콤빙들 사이의 데크 상의 공간은, 일상적인 선박의 작동을 방해하지 않고 전개된(신장된) 세일 시스템을 둘러싸기에 충분한 공간을 유지하는, 18피트의 세일 실린더 직경을 나타낸다.
일부 실시예들에서, 전체 세일 시스템(120)을 위한 최적의 세일 양태는 6:1이며, 여기서는, 높이가 6이고 직경이 1이다. 따라서, 데크 위 아래의 선박 치수를 고려하면, 세일 실린더(130, 140)는 18피트의 직경과 108피트의 높이를 가질 것이다(즉, 전개되거나 신장된 상태에서의 전체 높이가 108피트이다).
일부 실시예들에 따라, 이와 같이 원하는 치수를 얻기 위해, 세일 실린더 디자인은, (a) 노천 데크 아래에 설치될 수 있는 최소 개수의 포개어진 세일 섹션들, 및 (b) 최대 설계 회전 속도 범위 내에서 최적의 표면 대 풍속비를 얻는 세일 실린더 직경을 제공하도록 선택된다. 일 실시예에서, 세일 실린더의 회전 속도는, 200rpm의 최대 회전 속도를 초래하는 40노트까지의 각각의 풍속에 맞게 최적화된다. 일부 실시예들에서, 풍속에 대한 세일 실린더의 표면 속도의 비율은 추력 또는 구동 벡터를 정의하는 세일 시스템(120)의 전방과 후방 사이에 압력차를 발생시켜 유지하기 위한 중요한 인자로서 사용된다.
세일 실린더(130, 140)는 상부 세일 실린더(130)가 하부 세일 실린더(140) 위에 결합될 수 있도록 구성되어 있다. 이는 상부 세일 실린더(130)가 물을 차단할 수 있도록 하여, 세일 시스템(120) 내부로 강수와 분무가 누설되지 않도록 방지한다. 상부 세일 실린더(130)가 하부 세일 실린더(140) 내부에 결합되도록 세일 실린더들이 구성되는 경우에는, 상부 세일 실린더(140)의 외부에서 아래로 물이 흐르게 되므로, 하부 세일 실린더(140)의 상단에서 세일 시스템(120)으로 물이 유입되지 않도록 하기 위해 고무 시일이 필요하게 될 것이다.
후술하는 바와 같이, 각각의 세일 실린더(130, 140)는 프레임워크의 수평 리브들을 형성하는 일련의 후프형 프레임들로 형성된다. 후프들의 원주 주위에 관형 수직 스트링거(stringer)들이 등간격으로 이격되어 있으며, 원통형 격자로 후프들을 함께 연결한다. 후프들 사이에 간헐적인 대각선들이 결합되며, 프레임워크에 토크 저항을 생성하도록 이격되어 있다. 스트링거들과 프레임 요소들(본 명세서에서는 "구조적 프레임워크"라 함)은 강철이나, 선박(100)에 대해 충분한 강도와 적은 갈바니 부식을 제공하는 다른 재료로 형성될 수 있다. 세일 실린더(130, 140)는 세일 시스템(120)에 대한 반복 하중, 진동 및 응력을 감소시키는 경량의 외부 스킨으로 덮일 수 있다. 예컨대, 외부 스킨은 알루미늄 등과 같은 경량의 내후성(weather resistant) 재료로 형성될 수 있다.
각각의 세일 시스템(120)은 퇴축가능하며, (도 1에 도시된 바와 같이) 사용을 위해 연장되거나, 화물의 선적 또는 하역 또는 다른 활동을 방해하지 않도록 하기 위해 데크(114) 아래로 퇴축될 수 있다. 일부 실시예들에 따라, 세일 시스템(120)의 사용은 선박에 대해 충분한 추가적인 추진력을 제공하여, 연료 소비와 배출물을 상당량 감소시킨다. 세일 시스템(120)의 크기와 선택은, 부분적으로, 선박의 크기와 아울러 구현하고자 하는 효율성에 따라 좌우될 수 있다. 세일 실린더의 크기와 형상은, 해치 콤빙들 사이의 데크 상에서 이용가능한 공간과 세일의 종횡비와 아울러, 선박에서 이용가능한 공간의 여러 양태들의 최적의 융합으로서 안출되었다.
예컨대, 당업자는, 본 명세서를 읽으면, 일부 실시예들에 따른 세일 시스템의 크기와 구조를 결정하고 선택하기 위해 사용될 수 있는 하나의 설계법은 쿠타 쥬코프스키(Kutta-Joukowski)의 리프트 정리와 같은 정리들 또는 다른 유체 및 유동 역학 모델링 방법을 이용하여 설계 양태들을 모델링하는 것임을 이해할 것이다.
특수한 설계 요구를 충족시키는 세일 시스템 디자인과 구조를 선택하기 위해, 다수의 다른 모델링 및 설계법이 사용될 수 있다.
이제, 도 1의 선박(100)의 평면도가 도시되어 있는 도 2를 참조한다. 도 2는 선박(100)의 데크(114) 상에서 세일 시스템(120)의 하나의 잠재적인 배치를 도시하고 있다. 각각의 세일 시스템(120)은 선박(100)의 중심선을 따라 배치될 수 있으며, 각각의 세일이 연장되었을 때 각각 깨끗한 바람의 흐름을 받을 수 있도록 보장하기 위해 이격되어 있다. 또한, 세일 시스템(120)은, 세일(120)이 퇴축되었을 때(예컨대, 데크(114) 아래에 배치되었을 때) 작업자와 승무원이 해치 커버(108)들 사이의 영역에서 자유롭게 작업할 수 있도록, 해치 커버(108)들 사이에 배치될 수도 있다. 일부 구성들에서, 세일(120)이 완전히 연장되어 작동하도록 배치되었을 때, 용이한 통행을 허용하는 충분한 영역이 세일 시스템(120)과 해치 커버(108)들 사이에 존재한다.
이제, 선박(100)의 단면도를 나타낸 도 3을 참조하면, 하나의 세일 시스템(120)의 세부가 도시되어 있다. 사일로(122)의 베이스를 킬 플로어(keel floor)(110)에 용접하거나 부착함으로써, 도시된 바와 같이, 세일 시스템(120)의 하부 섹션(사일로(122))이 킬 플로어(110)에 부착된다.
사실상, 사일로(122)는 퇴축된 상부 세일 실린더(130)와 하부 세일 실린더(140)를 위한 하우징이다. 후술하는 바와 같이, 일부 실시예들에서, 사일로(122)는 선박의 내부 바닥(화물창 또는 킬 플로어(110)의 베이스 표면)으로부터 노천 데크까지 연장하는 튼튼하게 지어진 16면 튜브이다. 사일로는 횡격벽(118)에 고정되며, 노천 개구의 단일 개구와 함께 완전한 격실로서 형성될 수 있다.
이제, 리프트 사이클 중 서로 다른 위치들에 있는 세일 시스템(120)의 일련의 도면들이 도시되어 있는 도 4a 내지 도 4e를 참조한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "리프트 사이클"은 세일 시스템(120)을 연장(또는 퇴축)시키기 위해 사용되는 기계적인 운동 순서를 나타내기 위해 사용된다. 도 4a 내지 도 4e는 각각 리프트 사이클에서의 서로 다른 순서를 나타낸다. 리프트 사이클의 제어 및 작동은 명령 및 제어 소프트웨어에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명의 리프트 사이클은 왕복 리프트 기능을 이용함으로써, 세일 시스템(120)은 일련의 상하 기동으로 완전 작동 높이까지 연장된다. 리프팅 기동의 전체가 이하에 설명되어 있다. 일부 실시예들에 따라, 세일 시스템(120)을 연장시키기 위해 본 발명의 리프트 사이클을 사용하면, 운영자, 선주 및 승무원들은 단동(single action) 리프트 기능을 채용한 다른 퇴축가능한 로터 시스템보다 많은 장점을 누릴 수 있다. 예컨대, 본 발명의 왕복 리프트 기능을 사용하면, 어떤 부품들(예컨대, 상부 세일 실린더(130), 하부 세일 실린더(140) 등)의 이동 거리가 다른 시스템의 이동 거리의 절반이 된다. 단동 리프트 시스템에서는, 로터, 기계식 세일 조립체 또는 리프팅 마스트 중 어느 하나가 화물창으로부터 완전히 연장될 때까지 전체 거리를 이동하여야 한다. 그 결과, 시스템이 더 쉽게 변형되거나 조이거나 걸리게 된다. 본 발명의 실시예들은, 리프트 캐리지(150)와 세일 실린더(130, 140)의 이동을 줄임으로써, 이러한 문제점들을 제거하거나 실질적으로 저감한다.
또한, 본 발명의 왕복 리프트 방식은 유압 램이나 다른 다단 장치 또는 잭과 같은 고정된 마스트 또는 텔레스코핑 리프트를 사용하는 리프팅 시스템들보다 중요한 장점들을 갖고 있다. 본 발명의 시스템은 세일 시스템 자체가 전개될 때 세일 시스템(120)의 주요 부품들을 이용함으로써 중량을 절감하고, 세일 시스템(120)의 부품들의 이용이 동일한 이동 동작을 만들면서 전개/퇴축 사이클과 세일링 동작 전체에 걸쳐서 완전히 다른 역할들을 한다.
본 발명의 실시예들은 세일 시스템(120)의 작동을 위해 세일 실린더(130, 140)와 리프트 캐리지(150)를 제 위치에 고정하기 위해서도 사용되는 사일로(122)와 록킹 기구(예컨대, 도 6 내지 도 10과 관련하여 후술한 샷 핀(shot pins))만을 사용하기 때문에, 본 발명의 실시예들은 일련의 스트로크와 샷 핀 활성화와 퇴축을 통해 세일 시스템(120)의 완전한 전개를 가능하게 할 수 있다. 이러한 리프트 시스템의 부품들의 다중 사용은 제조 비용의 감소, 복잡도의 감소 및 운영상 및 유지 보수상의 문제 감소를 포함하여 다수의 바람직한 장점들을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 모든 리프트 동작이 노천 데크 레벨에 배치되어 (도 5, 도 6, 도 11 및 도 12와 관련하여 후술한) 리프트 캐리지에 부착된 고강도 체인들을 권취하거나 권출하기 위해 로터리 윈치 스프로킷들을 구동하는 모터들에 의해 이루어질 수 있도록 한다. 리프트 모터들은 일제히 작동하며, 리프트 캐리지의 원주 주위에 평평하고 동일한 리프트를 제공한다. 또한, 이 체인들은, 세일 시스템(120)이 선박(100)의 운동에 의해 움직일 때, 양(positive) 방향과 음(negative) 방향 모든 방향으로 지지를 제공한다.
먼저, 도 4a를 참조하여, 리프트 사이클을 이제 설명할 것이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 세일 시스템(120)이 적하 위치(stowed position)에 놓여 있으며, 부품들이 데크(114) 아래에 있다. 특히, 사일로(122)는 (후술하는 구동 모터들과 다른 리프팅 장치들과 아울러) 상부 세일 실린더(130), 하부 세일 실린더(140) 및 리프트 캐리지(150)를 포함하는 부품들을 보관하고 있다. 적하되어 있을 때, 상판(132)은 날씨로부터 세일 부품들을 보호할 수 있으며, 선적 등을 위해 데크를 깨끗하게 비울 수 있다.
도 4b를 참조하면, 모든 세일 실린더(130, 140)들이 사일로(122) 내의 초기 적하 위치로부터 노천 데크 레벨(114)까지 리프트 캐리지(150) 상에서 리프팅됨으로써, 리프트 사이클이 시작된다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 모든 세일 실린더(130, 140)들이 노천 데크 레벨(114)까지 리프팅되면, (도 4에는 도시되어 있지 않지만, 후술하는) 샷 핀들이 사일로 측면으로부터 연장되어 상부 세일 실린더(130)만을 노천 데크 레벨에 록킹한다. 하부 세일 실린더(140)와 리프트 캐리지(150)는, 상부 세일 실린더(130)를 데크(114) 위에 남기고, 사일로(122) 내의 퇴축 위치로 복귀한다.
이제, 도 4d를 참조하면, 이 시점에서는, (도 7과 관련하여 도시된) 하부 세일 실린더(140)의 상단에 배치된 샷 핀들이 활성화된다. 이 핀들이 상부 및 하부 세일 실린더(130, 140)들을 함께 록킹하며; 상부 세일 실린더(130)의 하단이 하부 세일 실린더(140)의 상단에 록킹된다.
이제, 도 4e를 참조하면, 상부 세일 실린더(130)가 자유롭게 움직일 수 있도록, 노천 데크에 있는 샷 핀들이 이제 퇴축된다. 이제, (양 세일 실린더(130, 140)들과 리프트 캐리지(150)를 포함하여) 전체 세일 시스템(120) 조립체가 노천 데크(114)에서의 전개 위치까지 리프팅된다. 일단 제 위치에 놓이면, 노천 데크 레벨에 있는 샷 핀들이 활성화되어 노천 데크에 리프트 캐리지(150)를 록킹하며, 여기서, 세일 시스템(120)은 추진력을 생성하도록 작동할 수 있다.
세일 시스템(120)을 퇴축하기 위해서는 리프트 사이클이 역순으로 실시된다. 예컨대, (양 세일 실린더(130, 140)들과 리프트 캐리지(150)를 포함하여) 전체 세일 시스템(120) 조립체가 사일로(122) 속으로 퇴축할 수 있도록 노천 데크 레벨에 있는 샷 핀들이 퇴축된다. 리프트 캐리지(150)가 사일로(122)의 하단에 도달하면, 데크 레벨에 있는 샷 핀들이 활성화되어 상부 세일 실린더(130)를 노천 데크 레벨의 제 위치에 록킹한다. 상부 세일 실린더(130)가 노천 데크 레벨에 록킹되었음이 확인되면, 하부 세일 실린더(140)의 상단에 있는 샷 핀들이 퇴축되어 세일 실린더(130, 140)들을 서로로부터 분리시킨다.
이제 하부 세일 실린더(140)는 상부 세일 실린더(130)의 내부에서 자유롭게 이동한다. 하부 세일 실린더(140)와 리프트 캐리지(150)가 데크 레벨로 리프팅된다. 3개의 모든 부품들이 노천 데크 레벨에 놓이고, 노천 데크에 있는 샷 핀들이 퇴축되면, 리프트 캐리지(150)와 양 세일 실린더(130, 140)들이 사일로(122) 속으로 하강하게 된다(이들은 이제 포개어진다). 세일 실린더(130, 140)들과 리프트 캐리지(150)를 포함한 모든 부품들이 완전 퇴축 위치에 놓이면, 상판(132)이 노천 데크 레벨에 있는 데크 개구 주위의 배수구 벽체에 맞물린다. 세일 시스템(120)을 풍우밀로 만들고 극한의 위험한 해상 상태에서 세일 시스템(120)을 고정하기 위해 록킹 클램프들이 결합될 수 있다.
이제, 데크(114)와 킬 플로어(110) 사이에 배치된 사일로(122)가 도시되어 있는 도 5를 참조하여, 사일로(122)의 일부 실시예들의 특징을 설명한다. 일부 실시예들에 따라, 사일로(122)에는 리프트 캐리지(150)와 구동 모터(170)들을 포함하여 그 내부에서 전개되는 다수의 부품들이 설치되어 있다. 사일로(122)는 세일 시스템이 퇴축되었을 때는 세일 시스템(120)을 위한 강한 케이싱을 제공하도록 형성되며, 세일 시스템(120)이 전개되었을 때는 프레임워크 및 구조적 지지체 역할을 한다. 또한, 사일로(122)는 선박(100)을 추진하기 위해 세일 시스템(120)으로부터 선박(100)의 구조로 추력을 전달하도록 구성되어 있다. 일부 실시예들에서, 사일로(122)는 킬 플로어(110)로부터 노천 데크(114)까지 연장하는 16면 튜브로서 강철로 형성된다. 일부 실시예들에서, 사일로(122)는, 사일로(122)의 전체 높이로 연장하며 리프트 캐리지(150)가 승강할 때 리프트 캐리지(150)가 따라서 활주하는 레일 역할을 하는 압연강 코너 피이스를 구비하도록 설계된다. 일부 실시예들에서, 사일로(122)는 선박의 횡격벽에 설치되며, 사일로에 의해 대체된 횡격벽은 제거된다.
16면의 각 코너는, (도 6의 하단에 도시된) 리프트 캐리지 롤러 가이드로 사용하기 위한 수직 가이드를 고정할 수 있도록 하는 성형된 거더에 의해 강하게 보강될 수 있다. 사일로(122)는 휘어지지 않고 (무거운 광석이나 석탄으로 채워질 수 있는) 선적된 화물창의 압력을 견딜 수 있도록 강한 것이 바람직하다.
사일로(122)의 상단 원주 주위에는 데크 레벨의 샷 핀(176)들이 배치된다. 이 샷 핀(176)들은 노천 데크 높이보다 약간 위의 레벨에 있지만, 리프트 모터, 기어박스 및 스프로킷 가이드가 수용된 수밀 메자닌 데크 아래에 보호된다.
상판의 하단은, (도 5에 도시된 바와 같이) 상부 세일이 하강하였을 때, 사일로(122) 하우징과 함께 방수 시일을 생성한다. 본 출원인들은 16면 사일로 구조가 바람직한 결과를 제공한다는 것을 믿지만, 다른 사일로 프레임 구조들도 사용될 수 있다.
이제, 도 6을 참조하면, 사일로(122) 내부에 배치되는 리프트 캐리지(150)는 수평 평면 플랫폼(154)으로부터 상방으로 연장하는 중앙 스핀들(152) 주위에 형성된다. 수평 평면 플랫폼(154)은 실질적으로 원형이며(즉, 사일로(122)의 원주 내부에 결합되도록 형성된다), 반경방향 프레임워크 방식으로 헤비 스틸로 구성되어 있다. 수평 평면 플랫폼(154)은 세일 실린더(130, 140)의 베어링을 수용하도록 미세하게 가공된 후벽형 강철로 된 수직 스핀들(152)을 가지며, 상기 베어링은 (도 7 및 도 8과 관련하여 후술한) 관형 코어 내부에 배치되어 있다. 본 명세서에서는, 수평 평면 플랫폼(154)을, 스핀들(152)과 함께, "리프트 캐리지"라 한다.
일부 실시예들에서, 리프트 캐리지(150)는 중앙 시핀들(152)로부터 발산하는 16개의 스포크(또는 반경방향 아암(154))를 갖는다. 리프트 캐리지(150)의 각각의 반경방향 아암(154)은 상호연결 강철 부재들에 의해 강화되어 있다. 반경방향 아암(154)의 외측 단부에는 다수의 부착물들이 고정되어 있다. 일 실시예에서, 반경방향 아암(154)들 중 8개에는 (도 11에 도시된 바와 같이) 사일로(122) 내의 수직 리프트 가이드에 대해 작용하는 롤러 가이드(148)들이 장착되어 있다. 다른 8개의 반경방향 아암(154)에는 (도 12에 도시된 바와 같이) 체인 단부 부착물들이 상하단에 장착되어 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "체인"은 구동 벨트와 체인 모두를 지칭하기 위해 사용된다. 본 발명의 실시예들은 바람직한 결과를 위해 구동 벨트 또는 체인(또는 이들의 조합) 중 하나를 사용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 2개의 메인 베어링들이 리프트 캐리지(150)의 스핀들(152) 상에 수직으로 대략 12피트 이격하여 배치된다. 일부 실시예들에서, 이러한 베어링들 중 상부 베어링은 스러스트 및 레이디얼 베어링이고, 하부 베어링은 오직 레이디얼 베어링이다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 베어링들은 관형 코어(146)에서 회전하는 세일 실린더들 사이에 작용한다. 도 7을 참조하면, 관형 코어(146)는 사일로(122) 내부에 배치된 하부 세일 실린더(140)의 일부로서 도시되어 있다. 리프트 캐리지(150)는, 중앙 스핀들(152)이 관형 코어(146) 내의 베어링(154)들과 결합하도록, 배치된다. 그러면, 세일 실린더(140)는 회전하지 않는 스핀들(152)을 중심으로 회전할 수 있다. 이 베어링들은 회전하지 않는 스핀들과 관형 코어에서 회전하는 세일 실린더 사이에 작용한다. 베어링들은 세일 실린더(140)가 수직 축만을 중심으로 하여 회전하도록 할 수 있다. 이러한 베어링들의 디자인은 세일 실린더들의 회전 속도와 아울러, 선박의 피칭이나 롤링으로 인해 세일 시스템(120)에 가해질 수 있는 모든 추가적인 부하와, 세일 실린더가 정지되었을 때 예상되는 바람의 힘, 또는 바람의 흐름 내에서 세일 실린더를 회전시킴으로써 유도되는 매그너스 효과로 인해 예상되는 리프트를 고려한 것이다. 일 실시예에서 높은 부하와 회전 속도에서 예상할 수 있는 열을 감소시키고 베어링의 수명을 연장하기 위해, 강제 윤활 시스템이 이 베어링들 속에 내장된다. 베어링들은 미세 공차로 가공되어 스핀들(152)과 관형 코어(146) 모두에 대해 미세 공차로 장착됨이 바람직하다.
당업자들은, 본 명세서를 읽으면, 리프트 캐리지(150)의 회전하지 않는 스핀들(152), 베어링(154) 및 관형 코어(146)/세일 실린더(140) 사이의 결합이 중요한 설계상 특징이며, 각각의 설치를 위해 공차가 미세하게 가공되고 설계되어야 한다는 것을 이해할 것이다.
도 6 및 도 12를 모두 간단히 참조하면, 전체 로터와 리프트 캐리지(150)는 원통형 사일로(122) 내부에서 수직으로 운동하도록 형성되어 있다. 이러한 수직 운동은 리프트 모터(170), 기어박스 및 구동 벨트/체인(172)에 의해 이루어진다. 일 실시예에서, 4개의 리프트 모터(170) 세트가 데크 레벨(114)에 있는 사일로(122)의 상단 주위에 등간격으로 배치된다. 각각의 리프트 모터(170)는 각각 2개의 구동 샤프트가 연장되어 있는 기어박스를 구동한다. 이 구동 샤프트에는 구동 체인에 고정밀도로 맞물리는 스프로킷 휠이 장착되어 있다. 구동 벨트/체인(172)은 가이드 스프로킷 위로 연장하여, 리프트 캐리지의 반경방향 아암의 외측 단부에 있는 상부 인장 커넥터(174)에 부착된다. 구동 벨트/체인(172)은, 동일한 반경방향 아암의 하단으로부터, 동일한 유형의 인장 커넥터에 의해 부착된다. 이 구동 벨트/체인(172)은 사일로(122)의 하단에 배치된 스프로킷 휠까지 하방으로 계속된다. 구동 벨트/체인(172)은 하단 스프로킷 휠 주위로 연장하며, 방해받지 않고 데크 레벨로 복귀하여 회로를 완성한다. 리프트 드라이브가 전체 회로에 있으면, 리프트와 하강이 구동 스프로킷의 회전 방향과 관계없이 구동 벨트/체인(172)에 동일한 영향을 미치기 때문에 바람직하다.
리프팅 및 전개 과정에서 리프트 캐리지가 평행하게 유지되도록 보장하기 위해 각각의 드라이브(170)들이 동기되도록 보장하는 것이 중요하다. 이러한 평행 리프트는 리프트와 아울러 각 지점을 유지함으로써 캐리지의 걸림이나 이동이 제거되도록 보장하는 체인 리프트 시스템의 능력에 의해 큰 도움을 받는다.
리프트 캐리지의 8개의 반경방향 아암들의 단부에 각각의 리프트 체인 연결부가 설치된다. 이러한 아암들 사이에는, 가이드 롤러가 장착된 반경방향 아암이 배치된다. 이와 같은 역할의 산재는, 해상에 있는 선박으로부터 예상할 수 있는 바와 같은 힘들의 수직적, 수평적 및 복잡한 조합을 효율적으로 극복할 수 있기 때문에, 리프트의 원활한 작동을 더 보장한다.
이제, 도 5, 도 9, 도 10 및 도 11을 참조하여, 일부 실시예들에서의 (상부 샷 핀(142) 세트와 데크 레벨 샷 핀(176) 세트를 포함하는) 샷 핀들의 사용에 관한 세부 사항을 설명한다. 리프트 동작은 모든 세일 실린더(130, 140)들이 사일로(122) 내에 수용되고 리프트 캐리지(150)가 사일로(122)의 하단에 배치된 상태에서 시작된다. 이러한 상태는, 노천 데크(114) 위에서 대략 40인치 상승되어 있는 원형 배수구까지 하방으로 상판(132)을 도깅(dogging)함으로써 만들어질 수 있다. 세일 시스템(120)을 전개시키기 위해, 다음과 같은 단계들이 후속하게 된다. 먼저, 상판(132)이 언도깅(undogged)된다. 리프트 캐리지(150)가 2개의 세일 실린더(130, 140)를 데크 레벨(114)까지 리프팅하도록, 구동 모터가 작동된다. 데크 레벨 샷 핀(176)들이 활성화되고 연장되어, 상부 세일 실린더(130)의 하단 아래의 레벨에 록킹된다.
그 다음, 리프트 캐리지(150)가 퇴축하거나 하강하도록, 구동 모터가 작동된다. 하부 세일 실린더(140)는 샷 핀(176)들에 의해 데크 레벨에 록킹되어 있지 않기 때문에, 데크 레벨 샷 핀(176)들에 의해 고정되어 있는 상부 세일 실린더(130)를 데크 레벨에 남기고, 하부 세일 실린더(140)도 하강하게 된다.
그 다음, 하부 세일 실린더(140)의 상부 섹션에 있는 샷 핀(142)들이 활성화된다. 이로 인해, 2개의 세일 실린더(130, 140)들이 함께 록킹된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 샷 핀(142)들은 하부 세일 실린더(140)의 상부 섹션에 배치되어 있으며, 이제, 하부 세일 실린더(140)의 상부 섹션이 상부 세일 실린더(130)의 하부와 정렬된 위치에 놓이기 때문에, 샷 핀들이 활성화되어 세일 실린더(130, 140)들의 내부로부터 양 세일 실린더(130, 140)들을 관통할 수 있다.
그 다음, 데크 레벨 샷 핀(176)들이 퇴축되며, 리프트 캐리지(150)가 양 세일 실린더(130, 140)들을 데크 레벨(114)까지 리프팅하도록, 구동 모터가 활성화된다(이제, 양 세일 실린더는 함께 록킹된다). 데크 레벨 샷 핀(176)들이 다시 활성화되어 리프트 캐리지(150)를 제 위치에 (도 6의 샷 핀 수용체(158)들에) 록킹한다. 이제, 세일 시스템(120)이 전개되어, 선박(100)을 추진하기 위한 추력을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 세일 시스템(120)을 퇴축시키기 위해서는, 이 과정이 역행된다.
세일 시스템(120)을 전개시키고 퇴축시키기 위한 이러한 샷 핀과 다른 부품들의 사용은 작동 효율성의 증대, 유지 보수의 감소를 포함하여 다수의 바람직한 장점들을 제공한다.
이제, 세일 실린더(130, 140)의 다른 특징들에 대해 설명한다. 하부 세일 실린더(140)는 상부 세일 실린더(130)와 유사한 구조를 갖지만, 직경이 약간 작기 때문에, 장치가 퇴축되거나 적하될 때, 상부 세일 실린더(130)의 내부에 포개어진다. 일부 실시예들에 따르면, 실린더(140)의 하반부는 실질적으로 수지상(dendritic)인 격자에 의해 내부적으로 지지되며, 이 격자는 그 중앙에 관형 코어(146)를 구비하고 있다. 관형 코어(146)는 회전하는 세일 실린더(130, 140)들과 정적인 리프트 캐리지(150) 사이의 접속점이다. 일반적으로, 2개의 베어링이 관형 코어에 장착되며, 이들은 리프트 캐리지(150)의 상부를 형성하는 헤비 스틸 스핀들(152)을 중심으로 코어(그리고 코어에 부착된 세일 실린더들)가 자유롭게 회전할 수 있도록 한다. 관형 코어(146)의 하단부에는 그루브가 형성된 벨트 수신체가 배치되어 있으며, 이는 구동 모터에 직접 연결되어 있다.
상부 세일 실린더(130)는, 전개될 때, 하부 세일 실린더(140) 위로 연장하며, 상부 세일 실린더(130) 내부에 장착된 수직 가이드에 의해 전개 위치로 안내된다. 이 가이드는 하부 세일 실린더(140)의 상단에 있는 롤러 가이드 세트와 일치하게 된다. 이러한 수직 가이드와 롤러는 2개의 세일 실린더(130, 140)가 일제히 회전하도록 보장하며, 회전 록으로서 효과적으로 작용한다. 상부 세일 실린더(130)는 그 전개 위치로 상승하였을 때 그 스톱(stop) 내에 맞물리며, 2개의 세일 실린더(130, 140)들 사이의 중첩부에 배치된 샷 핀(142)들에 의해 제 위치에 록킹된다. 이러한 샷 핀들은, 활성화되었을 때, 수평으로 전개되어, 양 세일 실린더(130, 140)들을 효과적으로 관통하여 양 세일 실린더들을 함께 고정(록킹)한다.
상부 세일 실린더(130)는 그 전개 위치로 상승하였을 때 그 스톱 내에 맞물리며, 2개의 세일 실린더(130, 140)들 사이의 중첩부에 배치된 샷 핀(142)들에 의해 제 위치에 록킹된다. 이러한 샷 핀(142)들은, 활성화되었을 때, 수평으로 전개되어, 양 세일 실린더들을 효과적으로 관통하여 양 세일 실린더들을 함께 고정한다. 상부 세일 실린더(130)의 하부 섹션에는 보강 링(136)(도 10)이 부착될 수 있으며, 상기 보강 링은 상기 하부 섹션에 강성을 제공하고, 연장되었을 때 세일 실린더(130, 140)들을 함께 유지하는 샷 핀(142)들에 대한 강한 접속점을 제공한다. 일부 실시예들에서, 보강 링(136)는 강철, 알루미늄, 또는 강성을 제공하며 내식성이 있는 다른 경량의 재료로 형성될 수 있다.
각각의 세일 실린더(130, 140)의 구조적 완전성은, 수직 리브와 수평 리브를 포함하는 하나 이상의 리브(144)들을 사용함으로써, 증대될 수 있다. 이 리브들 사이에 간헐적인 대각선 리브들이 장착될 수 있으며, 프레임워크에 토크 저항을 생성하도록 이격될 수 있다. 이 리브들은 충분한 구조적 지지를 제공하는 크기로 된 두꺼운 관형 강철과 같은 재료로 형성될 수 있다.
각각의 세일 실린더(130, 140)의 스킨은 알루미늄, 강철 또는 복합 재료일 수 있는 재료의 시트를 부착하여 형성된다. 재료의 선택은 세일 시스템(120)이 작동하도록 전개될 온도 범위와 의도한 작동 영역에 의해 영향을 받을 수 있다. 스킨은 용접, 리벳, 나사 또는 접착제에 의해 세일 실린더 프레임워크에 부착될 수 있다.
세일 실린더(130, 140)들은 회전 대칭이며, 전체 동작 회전 범위에서 작동할 때 진동이나 고조파 공명의 전파를 제거하기 위해 관성 진동 감쇠 장치가 세일 실린더들에 장착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 세일 시스템(120)이 전개되었을 때 더 낮은 세일 시스템 무게 중심을 제공하기 위해, 상부 세일 실린더(130)는 하부 세일 실린더(140)보다 더 가볍게 형성되며, 이에 따라, 시스템에 대한 응력과 부하를 저감할 수 있다.
본 발명의 세일 시스템을 구비하도록 기존의 선박을 개조하기 전에, 세일 시스템(120)이 작동할 때 이 세일 시스템에 의해 가해지는 힘들을 안전하게 전달하기에 선박의 구조적 강도가 충분한지를 보장하기 위해 심층적인 공학적 분석이 필요하다. 추가적인 구조적 부재 또는 보강재가 필요한 경우, 이들은 세일 시스템(120)을 장착하기 전에 및/또는 장착하는 도중에 필요에 따라 선박에 추가되어야 한다.
일부 실시예들에서, 세일 시스템(120)의 상단에 있는 (예컨대, 슬라이딩식 또는 힌지식) 변형가능한 하부 데크 시일은 세일 시스템(120)이 상승할 때 방수 시일을 생성한다. 상판(132)의 하단은 세일 시스템(120)이 하강할 때 사일로(122)와 함께 방수 시일을 생성한다.
일부 실시예들에서, 사일로(122)는 데크 아래에서 횡격벽에 포함된다. 사일로(122)의 베이스는 킬 부재 또는 이 부재 위의 가장 가까운 지점에 설치된다. 어떤 상황들에서, 선박의 각재(scantlings)와 데크는 세일 시스템(120)에 의해 선체에 가해지는 힘에 저항하는 데 필요한 강도를 달성하도록 조정되어야 한다. 일부 실시예들에서, 정상적인 작동 하에서 선박이 최소한의 안정적인 상태에 있을 때와 세일 시스템이 전개되었을 때의 선박의 안정성을 입증하기 위해, 각 선박의 유체 정역학적 분석이 필요할 수 있다.
세일 실린더(130, 140)가 알루미늄과 강철로 형성되는 것으로 설명하였으나, 다른 재료들이 바람직한 결과와 함께 사용할 수 있다. 예컨대, 실린더(또는 그 일부)는 실린더의 내부 지지 구조물 위로 연장되는 범포(canvas) 또는 플라스틱과 같은 가요성 재료로 구성되거나, 전체 표면을 형성하도록 부착되는 모듈형 강성 피이스로 구성될 수 있다. 또한, 해양 등급 금속 및 복합 재료와 같은 대안적인 스킨 재료가 사용될 수 있다. 리브와 같은 지지 구조는 강철 등을 포함하여 다른 재료로도 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 세일 실린더(130, 140)와 리프트 캐리지(150)는 리프트 캐리지(150)의 스핀들을 중심으로 자유롭게 회전할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 구동 모터(일부 실시예들에서, 4개의 구동 모터가 리프트 캐리지(150) 상의 스핀들(152)의 대향하는 측면들에 쌍으로 장착됨)들이 사용된다. 벨트 또는 구동 체인이 관형 코어 베이스 주위로 연장하며, 제 1 구동 모터 쌍으로 빠져나간다. 벨트는 구동 모터의 샤프트에 부착된 구동 풀리에 맞물린다. 벨트는 구동 풀리를 주위에서 160°계속된 다음, 2개의 구동 모터들 사이에 배치된 인장 풀리로 계속된다. 이 인장 풀리는 벨트의 장력에 영향을 미치도록 조절될 수 있다. 그리고, 벨트는 제 2 구동 모터 상의 제 2 구동 풀리를 통과한 다음 관형 코어로 연장되어 회로를 완성한다. (모든 쌍의) 구동 모터들은, 활성화되었을 때, 세일 실린더(130, 140)들과 리프트 캐리지(150)에 구동력을 제공하며, 상기 리프트 캐리지는 전체 회전 범위에서 회전하며 구동 모터들에 의해서만 그렇게 회전하도록 동력을 전달받는다. 모터들의 속도와 아울러 방향은 (도 13과 관련하여 후술하는) 컴퓨터화된 명령 및 제어 시스템에 의해 제어된다. 모터들은, 전력이 단절되었을 때, 리프트 캐리지(150)와 세일 실린더(130, 140)들의 회전을 자체의 관성에 의해 그리고 내부 제동 시스템을 이용하여 느리게 하도록 작용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 구동 모터 쌍의 위치는 직접적이며 정확하게 서로 반대가 되며, 이에 따라, 구동 모터들에 의해 최고의 동력이 가해질 때, 세일 실린더(130, 140)들과 리프트 캐리지(150)가 상방향으로 연장되는 중(가속 기간)에도 구동 벨트 또는 체인으로부터 관형 코어에 대해 중립적인 힘의 균형이 가해지도록 보장할 수 있다.
세일 실린더(130, 140)들의 연장 및 퇴축의 제어는 도 11 및 도 12와 관련하여 도시된 하나 이상의 리프트 모터, 기어박스 및 체인을 포함하는 제어 시스템에 의해 이루어진다. 일부 실시예들에서, 모터(170)는 전기 모터(예컨대, 10hp의 가변 RPM 유압 기어박스 모터)일 수 있다. 그러나, 당업자는 다른 모터들이 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 일부 실시예들에서, 모터는 (예컨대, 조타실 내에 배치된) 중앙 제어 스테이션으로부터 작동될 수 있다. 일부 실시예들에서, (예컨대, 데크 등으로부터) 로컬 제어가 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어 시스템은 리프트 캐리지의 긴급 제어를 가능하게 하기 위해(예컨대, 날씨 또는 다른 상황이 발생하였을 때 세일 실린더들을 신속하게 퇴축하기 위해) 보조 시스템에 의해 보완될 수 있다. 하나 이상의 배수 펌프를 통해 사일로(122)로부터 물이 배수될 수 있다. 세일 실린더(130, 140)들이 축퇴되었을 때, (예를 들어 선박의 하역 동안) 데크(114)가 깨끗하게 비워져 있도록, 섹션들은 사일로(122) 내부에 확실하게 수용된다.
사일로(122)는, 세일 시스템(120)에 측방향 지지를 제공하도록 배치된 크기의 용접에 의해, 데크(114)와 기존의 격벽 사이에 장착된다. 사일로(122)의 베이스는 용접에 의해 킬 플로어에 고정된다. 이러한 방식으로, 다양한 선박들이 본 발명의 세일 시스템과 함께 사용할 수 있도록 개조될 수 있다.
이제, 본 발명의 특징과 함께 사용될 수 있는 제어 시스템(200)의 추가적인 세부 사항이 도시되어 있는 도 13을 참조한다. 도시된 바와 같이, 제어 시스템(200)은 세일 실린더(202)의 전개를 제어하기 위한 부품들, 예컨대, 리프팅 모터를 제어하기 위한 스위치(217)를 포함한다. 시스템(200)은 세일 실린더(202)의 회전을 개시하기 위한 부품들을 더 포함한다. 이러한 부품들은 세일 실린더(202)의 회전을 개시하거나, 필요에 따라, 세일 실린더(202)의 회전 방향을 변경하기 위해 로직 센터(230)로부터 제어되거나 스위칭될 수 있는 모터(216)를 포함할 수 있다. 각각의 세일(202)의 회전 속도를 모니터링하기 위해, 타코미터(218)가 각각의 세일 실린더(202)와 연관될 수 있다. 세일 시스템을 제어하고 성능을 모니터링하는 데 사용하기 위해 타코미터로부터의 데이터가 로직 센터(230)에 제공될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 명령 및 제어 시스템(800)은 연료 효율을 최대화하기 위해 선상 및 육상 데이터와 결정 지원을 제공하는 코드를 포함할 수 있다. 명령 및 제어 시스템은 자동 및 수동 보조 제어 수단(override)를 제공하고, 이는 세일 시스템(120)을 제어하며, 이에 한정되지는 것은 아니지만, 풍속, 선박의 선수 방향에 대한 풍향 등을 포함하여 선박 웨더 헤드(weather head)로부터의 정보를 수집한다. 선박의 경로와 선수 정보는 선박 함교의 나침반으로부터 수집된다. 선박의 기술 부서로부터의 입력은 선박 속도, 일간 연료 사용량 및 밸러스트 상태를 포함한다. 명령 및 제어 시스템(800)에 의해 수집되는 정보 및 상태 데이터는 각각의 세일 시스템의 현재 상태를 식별하는 정보(예컨대, 세일 시스템이 전개되었는지 또는 퇴축되었는지의 여부, 회전 방향, 및 분당 회전수와 같은 세일 실린더의 회전 동역학)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 주어진 선박 속도에서 선박의 필요 동력의 비율로서 생성되는 구동력을 산출하면서, 주어진 풍속에 대해 세일 시스템의 회전 속도를 최적화하기 위해 알고리즘이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어 시스템(800)은 시간당 그리고 일간 연료 절감량과 아울러 주어진 항해에서의 누계를 표시한다.
일부 실시예들에서, 명령 및 제어 시스템의 화면 디스플레이는 방위 기선(lubber line)이 선수와 동일해지는 나침도를 나타낼 수 있다. 이 방위 기선은 0%에서 100%까지 5% 증분으로 중심으로부터 눈금이 매겨져 있다. 세일링 각도 곡선이 나침도의 양측에 표시된다. 이 곡선은 주어진 바람의 각도에서 세일 시스템의 세일링 효율의 백분율을 나타낸다. 나침도는 겉보기 바람의 방향에 대한 선수의 인자로서 화면 상의 방향을 채택한다. 세일링 각도 곡선은 눈금이 매겨진 방위 기선을 지나며 움직일 것이며, 세일 시스템의 세일링 효율의 백분율을 화면으로부터 직접 읽을 수 있다. 이 백분율은 화면의 우측 상단에 백분율로 표시될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 제안된 항로 보정이 표시 화면의 우측 상단 코너에 표시될 수 있다. 이는 세일링 효율 백분율로부터 산출되며, 더 높은 세일 시스템의 세일링 효율의 백분율을 얻을 수 있는 항로 조정 제안을 관측관에게 표시한다. 일반적으로, 모터(216)는 체인 또는 벨트 드라이브에 의해 세일 실린더들에 또는 리프트 캐리지에 연결되는 전기 모터 또는 한 쌍의 전기 모터일 수 있다. 회전 속도는 모터(216) 상의 변속 기어박스 또는 전자 제어 유닛에 의해 제어될 수 있다(그리고, 로직 센터(230)로부터 원격으로 제어될 수 있다). 해상에서 즉시 전개할 수 있도록 예비로 설치된 제 2 모터가 구비되어 있을 수 있다.
세일 실린더의 하부는 구동 모터에 의해 구동된다. 이들은 치형 벨트, 체인 또는 기어에 의해 맞물릴 수 있다. 일부 실시예들에서, 모터는 위치를 변경하지 않는다. 일부 실시예들에서, 세일 실린더는 구동 모터와 영구적으로 결합된다. 이러한 연결은, 필요한 경우, 과주 방지체(overrun arrestor)로서 사용될 수 있다.
세일 시스템은 선박의 조향을 보조함과 아울러 충돌 정지 기동을 도울 수 있다. 충돌 정지 기동은 가능한 한 신속하게 선박을 정지시키기 위해 사용된다. 세일 시스템은 역추력을 부가하여 선박을 감속하고 정지시키기 위해 필요한 시간과 거리의 양을 줄이기 위해 사용될 수 있다. 대형 선박을 완전히 정지시키기 위해 2마일이 걸릴 수 있으며, 세일 시스템에 의해 제공되는 부가적인 역추력이 필요한 시간과 거리의 양을 줄이는 데 도움을 줄 수 있다. 세일 시스템을 사용함으로써 다수의 방향 전환들을 또한 구현할 수 있다. 따라서, 세일 시스템은 비상 방향타로서의 기능도 할 수 있다.
또한, 세일 실린더들을 서로 반대 방향으로 회전시킴으로써 나타나는 바람 벽 효과가 있으며, 이는, 바람이 쇠퇴할 때, 보다 안정적이며 이용가능한 구동 벡터를 제공할 것이다. 바람 벽 효과는, 바람이 선미 쪽으로 직접 불 때(쇠퇴할 때), 세일 시스템이 킬 방향에 대해 직교하는 추력을 발생시키고 있기 때문에, 발생한다. 세일 시스템으로부터 선박의 측면 위로 교란되는 효과적인 공기 벽이 있다. 이는 세일 시스템에 대해 세일 시스템의 세일 단면적의 대략 4배에 상당하는 작용을 한다. 좌현과 우현 측의 바람 벽 오프(wind wall off)가 존재하도록, 각각의 세일 실린더는 다음 실린더와는 반대 방향으로 회전하도록 설정되어야 한다. 이 효과는 세일 시스템에 대해 더 넓은 구동 범위를 제공하여, 증가하는 추력을 생성하는 유일한 사각으로서 15°의 좌현 및 우현 순풍만을 남기기 때문에, 세일 시스템의 전체 효율을 향상시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 세일 실린더(202)는 2개의 방향으로 회전할 수 있으며, 회전 방향은 바람의 방향이나 (로직 센터(230)를 통해 또는 직접적으로 모터(216)에 대한 입력을 통해) 운영자에 의해 수동으로 결정된다.
일부 실시예들에서, 운영자는 회전 속도를 최적화하고 제어하여 연료 효율을 최적화하기 위해 로직 센터(230)와 상호 작용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 운영자에게 제공되는 데이터는 풍향계(240), (연료 벙커(260)로부터 연료 소비량을 측정하는) 연료 유량계(262), 및 나침반(222)과 같은 항법 기기로부터의 데이터를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모든 데이터는 현재의 작동 통계(예컨대, 선수의 방향, 풍속과 풍향, 및 현재 연료 소비율 등)를 나타내는 제어 화면(220)을 통해 운영자에게 제공될 수 있다. 연료 소비를 개선할 수 있는 선수 방향 또는 항로 변경에 대한 시각적 표현이 다양한 입력들로부터 수집된 데이터에 기초하여 제공될 수도 있다. 이러한 방식으로, 운영자는 항로를 변경하여 연료 효율을 최적화할 수 있다. 일부 실시예들에서, 로직 센터(230)는 운영자가 하나 이상의 기계식 세일(202)을 퇴축 또는 연장시킬 수 있도록 할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 비상시(예컨대, 갑작스런 악천후 상태에서) 세일 실린더의 퇴축이 가능하도록 하기 위해 기계적 보조 제어 수단이 제공될 수 있다. 승무원이 필요에 따라 신속하게 세일 실린더를 퇴축할 수 있도록, 이러한 기계적 보조 제어 수단이 베이스에 또는 각각의 세일 시스템 부근에 제공될 수 있다.
제어 화면(220)이 함교에 제공되어, 세일 시스템 센서로부터 검색된 다양한 데이터를 보고할 수 있다. 데이터는 각각의 세일 실린더의 (예컨대, 연장된 또는 퇴축된) 상태, 각각의 세일 실린더의 회전 속도(예컨대, RPM), 각각의 세일 실린더의 회전 방향, 엔진에 의해 소비되는 연료의 양, 및 엔진의 현재 출력을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 세일 시스템은, 다양하게 규정된 상태들 중에서, 선박이 역풍에 가깝게 또는 역풍 속으로 직접적으로 이동할 때, 강한 바람이나 높은 해양 상태에서 동작할 때, 낮은 다리와 과선교 아래를 통과할 때, 항구에 접안할 때, 또는 크레인과 다른 선상 기계가 사용될 때, 자동으로 퇴축될 수 있도록 하는 센서를 가질 수 있다. 이러한 상태들은 선상의 센서와 아울러 원격 신호 장치들에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 선박과 관련하여 현재와 예상되는 풍속과 풍향을 보고하기 위해 센서가 제공된다. 세일 실린더 스킨과 마스트에서의 압력을 결정하기 위해 추가적인 센서가 제공될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 로직 센터(230)는 세일 시스템의 최적의 사용과 전개를 결정하기 위해 컴퓨터 코드, 실행 알고리즘 및 운영 절차를 포함할 수 있다. 예컨대, 예상되는 풍속의 작동 범위에서 구동 출력을 비교하기 위해, 풍속에 대해 세일 실린더 스킨의 표면 속도의 비율을 비교하는 알고리즘이 제공될 수 있다. 이러한 데이터는 특정 세일 시스템을 구현하는 구조적 특성에 기초하여 산출될 수 있다. 또한, 알고리즘은 현재의 바람 조건의 함수로서 선박이 조향하는 최적의 항로를 확인하는 역할을 할 수 있다. 이 정보는 선박의 함장에게 그래픽 형태로 디스플레이(220) 상에 표시되며, 연료 절감에 대한 고급 정보를 제공한다.
일부 실시예들에서, 최신의 날씨 라우팅 시스템이 제어 화면으로부터 액세스될 수 있다. 컴퓨터 라우팅 시스템은 선박이 항구들 사이의 항로를 설정하고, 위험에 대해 항로를 수정하여, 연료 소비에 대한 경로와 최상의 도착 시간을 최적화할 수 있도록 프로그래밍되어 있다.
날씨 라우팅 설비는 본 발명의 세일 시스템을 위한 최적화 설비를 갖는다. 이는 현재의 날씨 상황(Met-Sit)을 고려하여, 최대 16일 동안의 예보를 계획한다. 위험한 폭풍 또는 해상 조건을 피하면서, 예상되는 바람 조건을 (세일 전개와 사용을 위해) 최상으로 이용하게 될 항로를 선박이 따르도록 이전에 입력된 항로가 자동으로 조정될 수 있다. 작업일 화면과 날씨 라우팅 및 세일 시스템 최적화 프로그램을 모두 통합하면, 항해장과 아울러 선박 소유자/운영자에게 강력한 툴을 제공하게 된다.
도 13은 일부 실시예들에 따른 제어 프로세스를 설명하기 위한 논리적 구조를 나타내며, 실제 구현은 다를 수 있다. 또한, 본 명세서에 개시된 각각의 선박, 세일 시스템 및 제어 시스템은 다양한 조합으로 임의의 개수의 장치에 의해 구현될 수 있다. 예컨대, 일부 선박들에는 4개보다 더 적거나 더 많은 세일 시스템이 배치될 수 있다. 도 13의 제어 시스템에서, 도시된 장치들 중 2개 이상이 단일의 칩 셋 또는 기능적 시스템으로 배치될 수 있다. 또한, 각각의 장치가 본 명세서에 개시된 기능과 아울러 다른 기능을 제공하기에 적합한 임의의 개수의 하드웨어 및/또는 소프트웨어 요소를 포함할 수 있다. 다른 토폴로지가 다른 실시예들과 함께 사용될 수 있다.
본 명세서에서 논의된 모든 제어 시스템과 프로세스는 하나 이상의 컴퓨터 판독가능한 매체에 저장된 프로그램 코드로 구체화될 수 있다. 이러한 매체는 CD-ROM, DVD-ROM, 자기 테이프, 고체 상태 랜덤 액세스 메모리(RAM) 또는 리드 온리 메모리(ROM) 저장 유닛을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 메모리 저장 유닛은 액세스 패턴과 연관될 수 있으며, 상기 장치(예컨대, 자기, 광전자, 반도체/고체 상태 등)로부터 독립적일 수 있다. 데이터베이스가 RAM 메모리의 프로세서에서 완전히 작동될 수 있도록, 인-메모리 기술이 사용될 수 있다. 따라서, 실시예들은 하드웨어와 소프트웨어의 임의의 특정 조합으로 한정되지 않는다.
실시예들을 벌크 화물선과 관련하여 설명하였으나, 실시예들은 다른 선박 또는 함선과 연관된 바람직한 결과를 달성하기 위해 사용될 수 있음을 유의하여야 한다. 일부 실시예들에서, 유지 관리 프로그램 또는 시스템이 제공될 수 있다. 항해 중의 유지 관리의 대부분은 자체 윤활유 및 오일 공급 유닛 및 부품들에 의해 제공된다. 모든 가동부와 아울러 전기적 접속 및 모니터링 및 리포팅 장치들에 대한 정기적인 검사와 관찰이 필요할 수 있다. 연장된 마스트의 보어 스코프 검사는 미리 정해진 기간(예컨대, 1년)의 가동 기간 후에 필요할 수 있다. 또한, 2개의 세일 실린더의 사용에 대해 설명하였으나, 당업자는 다른 개수의 실린더가 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
실시예들은 오직 예시의 목적만을 위해 본 명세서에 설명되었다. 당업자는 이러한 설명으로부터 실시예가 설명된 실시예들로 한정되지 않으며, 첨부된 특허청구범위의 사상과 범주에 의해서만 한정되는 변형과 변경에 의해 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (19)

  1. 기계식 세일 시스템이며,
    선박의 데크 레벨 아래에 배치된 사일로,
    상기 사일로 내부에 장착되어 제 1 세일 실린더와 제 2 세일 실린더를 지지하는 리프트 캐리지, 및
    상기 사일로 내부에서 상기 리프트 캐리지를 선택적으로 위치결정하기 위해 제어 시스템에 커플링된 적어도 제 1 구동 모터를 포함하며,
    상기 제어 시스템은 상기 적어도 제 1 구동 모터를 제어하여 상기 사일로의 상단 위치에 상기 리프트 캐리지를 배치함으로써 상기 제 1 및 제 2 세일 실린더들을 전개시키도록 작동가능하고,
    상기 제 1 세일 실린더는 하부 세일 실린더이며, 상기 제 2 세일 실린더는 상기 제 1 세일 실린더보다 직경이 더 큰 상부 세일 실린더인
    기계식 세일 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세일 실린더들은 상기 리프트 캐리지의 스핀들을 중심으로 회전가능하며, 상기 리프트 캐리지는 상기 사일로 내부에 회전식으로 고정된
    기계식 세일 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 세일 실린더들의 회전은 선박의 구조로의 추력 전달을 유발하는
    기계식 세일 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    적어도 제 3 세일 실린더를 더 포함하며, 상기 리프트 캐리지는 상기 적어도 제 3 세일 실린더를 더 지지하고, 상기 적어도 제 1 구동 모터는 상기 제 1, 제 2 및 적어도 제 3 세일 실린더들을 전개시키도록 작동가능한
    기계식 세일 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 세일 실린더는 상기 제 1 세일 실린더보다 경량인
    기계식 세일 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 리프트 캐리지, 상기 적어도 제 1 구동 모터, 및 상기 제 1 및 제 2 세일 실린더들은, 상기 시스템이 전개되지 않았을 때, 상기 사일로 내부에 보관되는
    기계식 세일 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 사일로 내부에 보관되어 있을 때, 상기 리프트 캐리지, 상기 적어도 제 1 구동 모터, 및 상기 제 1 및 제 2 세일 실린더들을 보호하기 위한 상판을 더 포함하는
    기계식 세일 시스템.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 리프트 캐리지는 상기 스핀들로부터 연장된 반경방향 아암 세트를 구비하여 형성되며, 상기 반경방향 아암 세트의 일부는 상기 사일로 상의 트랙과 결합하는 롤러 가이드로 종료되는
    기계식 세일 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    16개의 반경방향 아암이 존재하며, 8개의 반경방향 아암은 롤러 가이드로 종료되는
    기계식 세일 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 반경방향 아암 세트의 제 2 부분은 리프팅 지점으로 종료되며, 상기 리프팅 지점은 구동 벨트를 통해 상기 적어도 제 1 구동 모터에 커플링되는
    기계식 세일 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    16개의 반경방향 아암이 존재하며, 8개의 반경방향 아암은 롤러 가이드로 종료되고, 8개의 반경방향 아암은 리프팅 지점으로 종료되며, 상기 시스템은 제 2, 제 3 및 제 4 구동 모터를 더 포함하는
    기계식 세일 시스템.
  13. 기계식 세일 시스템의 작동 방법이며,
    상기 기계식 세일 시스템은, 하부 세일 실린더와, 상기 하부 세일 실린더보다 직경이 더 큰 상부 세일 실린더와, 상기 상부 세일 실린더와 하부 세일 실린더를 지지하는 리프트 캐리지를 구비하고,
    리프트 캐리지, 하부 세일 실린더 및 상부 세일 실린더를 사일로 내에서 상단 위치로 상승시키는 단계,
    상기 상부 세일 실린더를 상기 상단 위치에 고정하기 위해 제 1 록킹 기구를 작동시키는 단계,
    상기 리프트 캐리지와 상기 하부 세일 실린더를 상기 사일로 내에서 하단 위치로 퇴축시키는 단계,
    상기 하부 세일 실린더의 상부를 상기 상부 세일 실린더의 하부에 고정하기 위해 제 2 록킹 기구를 작동시키는 단계,
    상기 제 1 록킹 기구를 작동 해제시키는 단계,
    상기 리프트 캐리지, 상기 하부 세일 실린더 및 상기 상부 세일 실린더를 상기 사일로 내에서 상기 상단 위치로 상승시키는 단계, 및
    상기 하부 세일 실린더와 상기 상부 세일 실린더를 상기 상단 위치에 고정하기 위해 상기 제 1 록킹 기구를 작동시키는 단계를 포함하는
    기계식 세일 시스템의 작동 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 록킹 기구는 복수의 샷 핀인
    기계식 세일 시스템의 작동 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 록킹 기구는 복수의 제 2 샷 핀인
    기계식 세일 시스템의 작동 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 리프트 캐리지의 상승 및 퇴축은 적어도 제 1 리프트 드라이브를 사용하여 실시되는
    기계식 세일 시스템의 작동 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 제 1 리프트 드라이브는 제어 컴퓨터에 의해 제어되는
    기계식 세일 시스템의 작동 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 제 1 리프트 드라이브는 상기 사일로의 상단에 배치되며, 벨트 구동 시스템을 통해 상기 리프트 캐리지에 연결되는
    기계식 세일 시스템의 작동 방법.
  19. 기계식 세일이며,
    복수의 샷 핀을 유지하는 베이스와 상판을 가진, 상부 세일 실린더,
    상기 상부 세일 실린더의 직경보다 작은 직경을 가지며, 상기 상부 세일 실린더의 베이스와 결합되는 상부를 갖고, 상기 샷 핀에 의해 상기 상부 세일 실린더와 탈착가능하게 연결되는, 하부 세일 실린더, 및
    중앙 스핀들을 가지며, 상기 상부 세일 실린더와 상기 하부 세일 실린더가 상기 중앙 스핀들을 중심으로 함께 회전할 수 있도록, 상기 하부 세일 실린더의 베이스와 결합되고, 선박의 데크 아래에 장착된 사일로 내부에 유지되는, 리프트 캐리지를 포함하는
    기계식 세일.
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