KR101585416B1

KR101585416B1 - Ｌｎｇ 탱크의 증발가스 배출량 감지장치 및 그 감지방법

Info

Publication number: KR101585416B1
Application number: KR1020100081203A
Authority: KR
Inventors: 이강웅
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2016-01-15
Also published as: KR20120018420A

Abstract

본 발명의 ＬＮＧ 탱크의 증발가스 배출량의 감지장치는, 입구는 LNG 탱크 내부와 개통되고 출구는 외부로 개통되며, 입구측에는 증발가스가 유입되는 유입로가 형성되고 상기 유입로의 내측으로 지지턱이 형성된 실린더;와 상기 실린더 내부에 고정장착되되 증발가스가 출구로 배출되도록 유출홀이 타공된 고정자;와 상기 탄성수단에 의해 고정자와 연결되어 지지턱에 안착하고 상기 탄성수단의 탄성력으로 유입로를 폐쇄하는 스풀; 및 압력에 따라 전기를 발생시키는 압전소자;를 포함하며, 상기 스풀은 증발가스의 압력에 따라 탄성력을 극복하여 유입로를 개방하고, 상기 압전소자는 유입로의 개방시 증발가스의 압력에 따라 상이한 전압으로 전기를 발생시키도록 실린더 내에 장착된 것을 특징한다.
아울러, 본 발명의 ＬＮＧ 탱크의 증발가스 배출량 감지방법은, 상기 LNG 탱크는 내부의 증발가스 압력이 미리 정해진 기준 압력 이상이면 상기 증발가스를 외부로 배출하는 릴리프밸브가 장착되되, 상기 릴리프밸브는 증발가스의 배출시 증발가스의 압력에 따라 전기를 발생시키는 압전소자가 설치되어, 상기 압전소자에서 발생된 전기량을 계측하여 증발가스의 배출량을 계산하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＬＮＧ 탱크의 증발가스 배출량 감지장치 및 그 감지방법{Sensing apparatus and method thereof of emission of evaporative gas in LNG tank}

본 발명은 LNG 탱크 내에서 증발가스 배출량을 감지하는 장치 및 그 감지방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LNG 탱크 내에서 웨더링 현상이 발생했는지 여부를 판별하기 위하여 압전효과(Piezo electric effect)를 이용해 메탄가스의 배출량을 감지하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

LNG(액화천연가스)는 천연가스를 운송의 편의성 및 수요변동에 따른 보관성을 증대시킬 목적으로 액화시킨 것으로서, 액화 공전 전에 탈황, 탈습되기 때문에 유해물질이 적고 고칼로리라는 점 등에서 장점이 많다.

이러한 LNG 는 천연가스를 약 600 배 정도 압축시킨 상태로 운송 및 보관되며, 무색 무취인 특성을 갖는다.

그리고, LNG(Liquified natural gas)를 연료로 하는 차량은 연료비가 상대적으로 저렴하고 공해 물질이 배출이 적어 버스와 같은 대형 차량을 중심으로 보급되고 있다.

하지만, 차량 연료로 사용되는 LNG 는 -120^oC 내지 -162^oC 상태로 저장되므로, 시간이 경과함에 따라 탱크의 내부온도와 외부온도 차이로 인하여 탱크 내의 LNG 온도가 상승하는 문제가 있었다.

탱크 내의 LNG 온도가 상승하면, 진공도가 떨어지고 동시에 일부 성분이 기화하여 탱크 압력이 최대 안전 압력까지 상승하였고, LNG 의 성분 비에도 변화가 발생하는 것이다.

즉, LNG 의 성분 중 메탄은 다른 성분보다 끓는 점이 낮기 때문에 상기와 같은 문제가 누적되면 탱크 내 잔류 LNG 에는 메탄 성분이 감소하게 되었고, 이에 따라 연료의 옥탄가 및 발열량 변화에 따라 엔진 내에서 불완전한 폭발을 일으키는 원인이 되었다.

이와 같이 시간이 지남에 따라 LNG 탱크 내에서 메탄이 증발가스로 기화하여 고비점의 연료성분이 농축되는 현상을 LNG 웨더링(weathering)이라고 하며, 이러한 현상은 엔진의 정밀한 연료공급에 장애요인으로 작용한다.

따라서, 엔진을 보호하기 위해 웨더링 현상에 대비할 수 있도록 LNG 탱크 내의 LNG 에서 미리 정해진 조건 이하로 메탄 성분이 감소하면 이를 운전자에게 경고해줄 필요가 있었다.

그리고, LNG 탱크 내의 LNG 가 미리 정해진 조건 하의 웨더링 상태로 함량비율이 변화하였는지 감별 여부는, 연료탱크 내에 남겨진 LNG 양과 대비하여 증발된 메탄가스의 압력 또는 부피를 비교하면 파악 가능하였다.

따라서, 연료탱크 내의 남은 LNG 의 수위(水位)는 연료량 계측기 또는 센서 등을 통하여 측정가능하므로, 기화된 메탄의 증발가스 압력을 측정하면 웨더링 조건인지 여부를 감별할 수 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같이 LNG 탱크 내에 저장된 LNG 가 웨더링 상태에 놓였는지를 파악하기 위하여 증발가스의 압력을 측정하는 감지장치 및 감지방법을 제공하는 것에 주된 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 감지장치는, LNG 탱크의 증발가스 배출량의 감지장치에 있어서, 입구는 LNG 탱크 내부와 개통되고 출구는 외부로 개통되며, 입구측에는 증발가스가 유입되는 유입로가 형성되고 상기 유입로의 내측으로 지지턱이 형성된 실린더;와 상기 실린더 내부에 고정장착되되 증발가스가 출구로 배출되도록 유출홀이 타공된 고정자;와 탄성수단에 의해 고정자와 연결되어 지지턱에 안착하고 상기 탄성수단의 탄성력으로 유입로를 폐쇄하는 스풀; 및 압력에 따라 전기를 발생시키는 압전소자;를 포함하며,상기 스풀은 증발가스의 압력에 따라 탄성력을 극복하여 유입로를 개방하고, 상기 압전소자는 유입로의 개방시 증발가스의 압력에 따라 상이한 전압으로 전기를 발생시키도록 실린더 내에 장착된 것을 특징으로 한다.

상기 고정자는 원반형 형상이고, 유출홀은 고정자의 둘레를 따라 다수 개가 일정간격으로 형성된 것이 바람직하다.

아울러, 본 발명의 감지방법은, LNG 탱크의 증발가스 배출량 감지방법에 있어서, 상기 LNG 탱크는 내부의 증발가스 압력이 미리 정해진 기준 압력 이상이면 상기 증발가스를 외부로 배출하는 릴리프밸브가 장착되되, 상기 릴리프밸브는 증발가스의 배출시 증발가스의 압력에 따라 전기를 발생시키는 압전소자가 설치되어, 상기 압전소자에서 발생된 전기량을 계측하여 증발가스의 배출량을 계산하는 것을 특징으로 한다.

상기 릴리프밸브는 제1릴리프밸브와 제2릴리프밸브가 다른 위치에서 개별적으로 장착되고, 상기 제1릴리프밸브와 제2릴리프밸브는 증발가스의 배출이 시작되는 기준 압력이 상이하게 설정된 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성의 본 발명은, LNG 탱크 내부에 증발가스의 압력이 상승하면 안전을 위해 LNG 탱크 내부 압력을 낮추며, 동시에 배출된 증발가스량을 측정할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 증발가스 배출량 감지장치인 릴리프밸브는 종래의 릴리프밸브에 압전소자를 장착하여 구성할 수 있으므로 생산이 유리하고 LNG 탱크 조립시 별도의 추가적인 공정을 필요로 하지 않는다.

아울러, 본 발명의 릴리프밸브는 개방압력이 상이한 제1릴리프밸브와 제2릴리프밸브로 구성되어, 제1릴리프밸브에서 압력조절이 실패할 경우 제2릴리프밸브가 개방되어 증발가스를 배출할 수 있으므로, 제1릴리프밸브에 과다 압력이 가해져 파손되는 것을 방지할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제1릴리프밸브와 제2릴리프밸브가 장착된 LNG 탱크의 단면도,
도 2 는 제1릴리프밸브가 닫혔을 때의 모습을 부분확대한 단면도 및 압전소자에서 발생한 전압의 그래프를 도시한 도면,
도 3 는 제1릴리프밸브가 개방됐 때의 모습을 부분확대한 단면도 및 압전소자에서 발생한 전압의 그래프를 도시한 도면.

본 발명의 증발가스 배출량 감지장치는 릴리프밸브로서, 상기 릴리프밸브는, 입구가 LNG 탱크 내부와 개통되고 출구는 외부로 개통되며 입구측에는 증발가스가 유입되는 유입로를 형성하고 상기 유입로의 내측으로 지지턱이 형성된 실린더;와 상기 실린더 내부에 고정장착되되 증발가스가 출구로 배출되도록 유출홀이 타공된 고정자;와 상기 탄성수단에 의해 고정자와 연결되어 지지턱에 안착하고 상기 탄성수단의 탄성력으로 유입로를 폐쇄하는 스풀; 및 압력에 따라 전기를 발생시키는 압전소자;를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 스풀은 증발가스의 압력에 따라 탄성력을 극복하여 유입로를 개방하고, 상기 압전소자는 유입로의 개방시 증발가스의 압력에 따라 상이한 전압으로 전기를 발생시키도록 실린더 내에 장착된다.

참고적으로, 상기 압전소자는 가압 되었을 때 결정의 곁 면에 전기적 분극이 일어나는 현상을 이용해 전기를 발생시키는 것으로서, 압전효과가 나타나는 물질로는 수정, 로셀염, 티탄산바륨, 인공세라믹(PZT) 등이 있다. 상기 압전소자는 가해지는 힘의 방향, 사용 물질, 전기 발생용량에 따라 다양한 분야에서 사용되며, 본 발명의 압전소자는 증발가스 배출량을 더 정확하게 계측할 수 있도록 (증발가스 유입) 압력에 따라 선형(linear)으로 비례하여 전위차를 발생시키는 형태로 구성되는 것이 바람직하다.

도 1 에 기재된 바와 같이, 상기 릴리프밸브는, 동일한 구성을 갖도록 제조된 제1릴리프밸브(100)와 제2릴리프밸브(200)가 LNG 탱크(300)에서 분기된 관(pipe)들을 통하여 다른 위치에서 개별적으로 장착된다. 그리고, 상기 제1릴리프밸브(100)와 제2릴리프밸브(200)는 증발가스의 배출이 시작되는 기준 압력이 상이하게 설정된다. 즉, 제1릴리프밸브(100)는 내부압력이 190 PSI(바람직하게는 196 PSI) 이상일 때 스풀이 탄성수단의 탄성력을 극복하여 유입로를 개방시키고, 제2릴리프밸브는 내부압력이 230 PSI 이상일 때 유입로를 개방시키도록 구성된다.

따라서, 제1릴리프밸브와 제2릴리프 밸브는 동일한 구조로 구성되되 각각 상이한 탄성계수를 갖는 압축스프링들을 탄성수단으로 구비한다.

도 2 와 도 3 을 참조하여, 본 발명의 감지장치인 릴리프밸브를 더 상세히 설명한다. (도 2 와 도 3 에 도시된 릴리프밸브는 제1릴리프밸브이고 제2릴리프밸브는 동일한 구조 구성된다.)

도시된 바와 같이, 실린더(10)는 입구와 출구측이 개통된 관(pipe)형상으로 각각 LNG 탱크 내부와 외부로 연결되고, 입구측에는 내경이 더 작은 유입로(12)가 형성된다. 상기 유입로(12)의 내측(도면에서 상측)으로는 스풀(40)의 안착되어 유입로(12)를 폐쇄할 수 있도록 지지턱(11)이 형성된다. 상기 지지턱(11)은 스풀(40)의 접착면 형상에 따라 일정한 경사면을 갖도록 형성된다.

상기 지지턱(11)과 소정의 거리를 두고 실린더(10) 내에는 고정자(20)가 고정설치된다. 상기 고정자(20)는 원반형상으로서 실린더(10) 내부로 유입된 증발가스가 출구측으로 배출될 수 있도록 유출홀(21)이 형성된다. 상기 유출홀(21)은 고정자(20)의 둘레를 따라 다수 개가 일정간격으로 형성된다.

그리고, 상기 유입로(12)를 개폐하는 스풀(40)은 일부가 유입로(12)에 부분적으로 삽입되어 증발가스를 완전히 차폐할 수 있도록 원뿔형상으로 형성되되, 상기 고정자(20)와는 탄성수단(30)으로 연결된다.

따라서, 상기 스풀(40)은 탄성수단의 탄성력에 의해 가압되어 유입로(12)를 폐쇄하되, 증발가스의 압력이 탄성수단(30)의 탄성력을 극복하면 도 3 과 같이 상승하여 증발가스를 실린더(10) 내부로 유입시킨다. 상기 탄성수단(30)은 압축에 저항하는 탄성력을 갖는 압축스프링인 것이 바람직하며, 압축스프링의 탄성계수는 증발가스의 배출이 시작되는 기준 압력 셋팅에 따라 정해진다.

한편, 본 발명의 압전소자(50)는 스풀(40)의 표면에 장착 또는 도포되되, 증발가스 유입시 즉각적으로 전위차(전압)을 발생시킬 수 있도록 걸림턱(11)과 마주하는 면(面) 및/또는 유입로(12)에 진입한 부분에 장착된다. 그리고, 상기 압전소자(50)에서 발생한 전기는 측정기에서 계측되고 계측된 데이터는 증폭기(amplifier)를 거쳐 컨트롤유닛(LCU: LNG Control unit)으로 제공되도록 구성된다.

따라서, 도 2 와 도 3 의 하단에 그래프들에 도시된 바와 같이, 스풀(40)의 상승에 따라 시간 대비 전압의 변화를 감지할 수 있으며, 이러한 전압의 변화는 증발가스의 압력과 비례하므로 전압변화를 변수로 하여 제1릴리프밸브 및 제2릴리프밸브의 개방 시간 동안에 배출된 증발가스의 양을 계산해 낼 수 있다.

그러므로, 상기와 같이 계산된 증발가스 양과 LNG 탱크 내에 LNG 의 량을 비교하여 컨트롤유닛은, LNG 탱크에 남은 LNG 가 미리 정해진 조건 하의 웨더링 상태 놓이게 됐는지 여부를 계산할 수 있다.

이상과 같이 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

10 : 실린더
20 : 고정자
30 : 탄성수단
40 : 압전소자

Claims

ＬＮＧ 탱크의 증발가스 배출량의 감지장치에 있어서,
입구는 LNG 탱크 내부와 개통되고 출구는 외부로 개통되며, 입구측에는 증발가스가 유입되는 유입로가 형성되고 상기 유입로의 내측으로 지지턱이 형성된 실린더;와
상기 실린더 내부에 고정장착되되 증발가스가 출구로 배출되도록 유출홀이 타공된 고정자;와
탄성수단에 의해 고정자와 연결되어 지지턱에 안착하고 상기 탄성수단의 탄성력으로 유입로를 폐쇄하는 스풀; 및
압력에 따라 전기를 발생시키는 압전소자;를 포함하며,
상기 스풀은 증발가스의 압력에 따라 탄성력을 극복하여 유입로를 개방하고, 상기 압전소자는 유입로의 개방시 증발가스의 압력에 따라 상이한 전압으로 전기를 발생시키도록 실린더 내에 장착된 것을 특징으로 하는 ＬＮＧ 탱크의 증발가스 배출량의 감지장치.
제 1 항에 있어서, 상기 고정자는 원반형 형상이고, 유출홀은 고정자의 둘레를 따라 다수 개가 일정간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 ＬＮＧ 탱크의 증발가스 배출량의 감지장치.
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