KR102059124B1

KR102059124B1 - 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템 및 그의 제어방법

Info

Publication number: KR102059124B1
Application number: KR1020180112629A
Authority: KR
Inventors: 김종수; 강호근; 이윤혁
Original assignee: 한국해양대학교 산학협력단
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2019-12-24

Abstract

액화천연가스가 냉매로서 사용됨에 따라 시스템의 크기가 컴팩트화되고 에너지 효율이 개선되도록, 본 발명은 선박에 설치된 전기기기 및 전력변환장치를 포함하는 냉각대상장치를 냉각시키는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템에 있어서, 액화천연가스가 저장된 저장탱크; 상기 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 공급하는 가스공급펌프; 및 상기 액화천연가스와 열교환되어 냉각되는 글리콜워터의 냉열을 이용해 상기 냉각대상장치를 냉각시키는 냉각부를 포함하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템을 제공한다.

Description

액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템 및 그의 제어방법{cooling system for ship using cold energy of liquefied natural gas and control method for thereof}

본 발명은 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액화천연가스가 냉매로서 사용됨에 따라 시스템의 크기가 컴팩트화되고 에너지 효율이 개선된 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템 및 그의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전기추진선박의 냉각시스템은 발전기(generator), 전동기(motor), 변압기(transformer) 등의 전기기기(electric machinery)와, 정류기(rectifier), 인버터(inverter) 및 캐패시터(DC link capacitors) 등을 포함하는 전력변환장치(power converter) 등과 같은 주요 열 발생장치로부터 발생되는 열을 냉각시키기 위해 구비된다.

이러한 냉각시스템은 펌프 냉각방식(pump cooling system)과 스쿠프 냉각방식(scoop cooling system) 등으로 분류되며, 상기 펌프 냉각방식은 에어 쿨러, 윤활유 쿨러 및 청수 쿨러 등으로 구비되어 다양한 선박에 적용되고 있다.

특히, 상기 청수 쿨러는 상기 전기기기와 상기 전력변환장치를 냉각시키기 위해 청수를 폐루프(close loop) 순환시키는 방법을 사용하고 있다.

도 1은 종래의 선박용 전기기기 냉각시스템을 나타낸 블록도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 종래의 선박용 전기기기 냉각시스템(5)은 전기기기(EM)에 청수를 순환 공급하는 청수쿨러(1), 상기 청수쿨러로부터 순환된 청수를 이용해 공기를 냉각시켜 전기기기를 냉각시키는 냉각공기공급부(2) 및 상기 청수쿨러(1)에 순환되는 청수를 냉각시키는 해수쿨러(3)를 포함하여 구비된다.

상세히, 상기 청수쿨러(1)는 청수가 순환되는 청수순환라인(1a), 청수가 순환되도록 순환력을 제공하는 청수펌프(1b)를 포함한다.

이때, 상기 청수순환라인(1a)은 상기 냉각공기공급부(2)에 구비된 공기냉각부(2a)와 연결되며, 상기 청수펌프(1b)에 의해 냉각된 청수가 상기 공기냉각부(2a)에 공급된다. 그리고, 상기 공기냉각부(2a)에서는 상기 냉각된 청수와의 열교환을 통해 공기가 냉각되며, 냉각된 공기는 송풍팬(2b)을 통해 상기 전기기기(EM)의 내부로 공급되어 권선 등에서 발생되는 열을 냉각시킬 수 있다.

한편, 상기 공기냉각부(2a)로부터 공기를 냉각시키고 승온된 청수는 상기 해수쿨러(3)측으로 이송된다. 여기서, 상기 해수쿨러(3)는 해수가 순환되는 해수순환라인(3a), 상기 해수순환라인(3a)에 해수를 이송시키는 해수펌프(미도시), 상기 해수순환라인(3a)과 연결되어 상기 승온된 청수가 상기 순환된 해수와 열교환을 통해 냉각되는 적어도 하나 이상의 열교환기(3b)를 포함한다.

이때, 상기 열교환기(3b)가 복수개로 구비되는 경우 상기 청수쿨러(1)에는 상기 열교환기(3b)의 수량에 대응하여 상기 청수순환라인(1a)으로부터 분지되는 복수개의 청수분지라인(1c)이 구비되어 각 열교환기(3b)와 연결된다. 그리고, 분지된 각 청수분지라인(1c)이 각 상기 열교환기(3b)로부터 합류되어 냉각된 청수가 상기 청수펌프(1b)에 공급된다. 이와 같이, 종래의 선박용 전기기기 냉각시스템(5)에는 상기 청수쿨러(1)의 청수가 순환되어 상기 전기기기(EM)가 냉각될 수 있다.

한편, 종래의 선박용 전력변환장치 냉각시스템은 불소계 화합물의 냉매를 이용하여 상기 전력변환장치를 냉각시키도록 구비된다.

상세히, 상기 냉매는 냉매예열부에 의해 이상유동될 수 있는 예열온도에 도달할 때까지 예열된 상태에서 상기 전력변환장치의 발열부와 열교환되어 비등온도에 도달하며 기체로 상변화된다.

이때, 상변화된 냉매는 별도의 공급장치를 통해 공급되는 청수 또는 해수와 열교환을 통해 냉각되도록 구비된다. 예컨대, 상기 전력변환장치를 냉각시키고 상변화된 냉매가 청수와 1차적으로 열교환되어 냉각되는데 이러한 청수는 해수와 열교환을 통해 냉각되도록 구비될 수 있다. 이러한 선박용 전력변환장치 냉각시스템은 본 출원인의 등록특허 제10-1878728호에 상세히 개시되고 있다.

그러나, 종래의 선박용 전기기기 냉각시스템(5)은 해수를 이송시키기 위한 별도의 해수공급라인과 펌프, 열교환기 및 제어밸브 등이 구비됨에 따라 선박 내부에 넓은 설치공간이 필요해 공간활용성이 저하되는 문제점이 있었다. 더욱이, 이러한 해수공급라인 및 펌프가 선박에 설치됨에 따라 시공비용이 증가되고 에너지가 추가적으로 사용되어 에너지 효율 및 경제성이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 선박의 운항환경에 따라 공급되는 해수의 온도가 상이하여 청수의 냉각 효율이 달라지므로 이로 인해 청수의 온도 조절에 대한 정밀성이 저하되는 문제점이 있었다.

한국 등록특허 제10-1878728호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액화천연가스가 냉매로서 사용됨에 따라 시스템의 크기가 컴팩트화되고 에너지 효율이 개선된 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템 및 그의 제어방법을 제공하는 것을 해결과제로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 선박에 설치된 전기기기 및 전력변환장치를 포함하는 냉각대상장치를 냉각시키는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템에 있어서, 액화천연가스가 저장된 저장탱크; 상기 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 공급하는 가스공급펌프; 및 상기 액화천연가스와 열교환되어 냉각되는 글리콜워터의 냉열을 이용해 상기 냉각대상장치를 냉각시키는 냉각부를 포함하되, 상기 글리콜워터는 제1글리콜워터 및 제2글리콜워터로 구비되며, 상기 냉각부는 상기 가스공급펌프로부터 공급된 상기 액화천연가스와 제1열교환기에서 1차 열교환되어 냉각되며 제1순환라인을 따라 순환되는 상기 제1글리콜워터의 냉열을 이용해 상기 전기기기가 냉각되도록 냉각공기를 공급하는 제1냉각부와, 상기 제1냉각부로부터 토출되되 상기 액화천연가스가 승온되어 상변화된 천연가스와 제2열교환기에서 2차 열교환되어 냉각되며 제2순환라인을 따라 순환되는 상기 제2글리콜워터의 냉열을 상기 전력변환장치가 냉각되도록 공급하는 제2냉각부를 포함하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템을 제공한다.

한편, 본 발명은 선박에 설치된 전기기기 및 전력변환장치를 포함하는 냉각대상장치를 냉각시키기 위해 저장탱크, 가스공급펌프, 그리고 액화천연가스와 열교환되어 냉각된 제1글리콜워터가 순환되는 제1냉각부 및 상기 제1냉각부로부터 토출되되 상기 액화천연가스가 승온되어 상변화된 천연가스와 열교환되어 냉각된 제2글리콜워터가 순환되는 제2냉각부를 포함하는 냉각부를 포함하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템의 제어방법에 있어서, 상기 제1냉각부에 구비된 냉각공기공급부로부터 승온되어 토출된 상기 제1글리콜워터의 제1순환온도가 제1순환온도센서에 의해 검출되는 제1단계; 상기 제1순환온도센서에 의해 검출된 제1순환온도 검출치에 따라 상기 제1냉각부에 구비된 제1전동기의 회전수가 조절되는 제2단계; 상기 전력변환장치의 발열부로부터 승온되어 토출된 상기 제2글리콜워터의 제2순환온도가 제2순환온도센서에 의해 검출되는 제3단계; 및 상기 제2순환온도센서에 의해 검출된 제2순환온도 검출치에 따라 상기 제2냉각부에 구비된 제2전동기의 회전수가 조절되는 제4단계를 포함하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템의 제어방법을 제공한다.

상기의 해결 수단을 통하여, 본 발명에 따른 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템 및 그의 제어방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 상기 냉각부는 저장탱크로부터 공급된 액화천연가스와 열교환되어 냉각되는 클리콜워터의 냉열을 이용해 냉각대상장치를 냉각시키므로 종래와는 달리 해수 또는 청수와의 열교환을 위한 구성요소가 필요하지 않아 설치비용이 절감되고 시스템의 크기가 컴팩트화되어 공간효율 및 유지보수성이 더욱 향상될 수 있다.

둘째, 상기 냉각부로부터 토출되는 천연가스는 가열수단의 구동 및 바이패스라인의 개폐상태가 선택적으로 제어되어 엔진부의 연료로써 사용될 수 있는 적합한 기설정된 토출온도로 조절되어 토출되므로 액화천연가스를 기화시키기 위한 별도의 가열장치가 필요하지 않아 경제성 및 에너지 효율이 더욱 향상될 수 있다.

셋째, 상기 글리콜워터의 순환온도가 검출되어 기설정된 순환온도 범위 이내에 도달되도록 인버터유닛의 제어를 통해 공급유량이 지속적으로 조절되어 정밀하게 순환온도가 제어됨에 따라 발열 상태에 따른 최적의 열전달률 및 냉각효율이 안정적으로 유지되어 냉각대상장치의 내구성 및 작동효율이 더욱 향상될 수 있다.

넷째, 상기 글리콜워터는 냉각대상장치로부터 발생되는 열에 의해 승온된 후 액화천연가스와 단상 열교환을 통해 냉각되므로 종래의 냉매와는 달리 이상 유동될 수 있는 온도로 유지되기 위한 별도의 예열과정이 필요하지 않아 이로 인해 발생되는 소비전력을 현저히 절감할 수 있어 에너지 효율이 더욱 개선될 수 있다.

도 1은 종래의 선박용 전기기기 냉각시스템을 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템을 나타낸 블록도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템을 나타낸 흐름도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템에서 가열수단 및 바이패스라인의 구동과정을 나타낸 흐름도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템을 나타낸 블록도이다.

도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템(100)은 저장탱크(10), 가스공급펌프(20) 그리고 냉각부(30)를 포함하여 구비된다.

여기서, 상기 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템(100)은 선박에 설치된 냉각대상장치를 냉각시키기 위해 구비된다. 이때, 상기 냉각대상장치는 전기기기(electric machinery, 이하 EM) 및 전력변환장치(power converter, 이하 PC)를 포함한다.

상세히, 상기 전기기기(EM)는 발전기(generator), 전동기(motor), 변압기(transformer) 등을 포함하며, 상기 전력변환장치(PC)는 정류기(rectifier), 인버터(inverter) 및 캐패시터(DC link capacitors) 등을 포함한다. 이러한 냉각대상장치는 구동시 많은 열이 발생되므로 냉각을 위하여 본 발명의 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템(100)이 설치된다.

한편, 상기 저장탱크(10)에는 액화천연가스(liquefied natural gas, LNG)가 저장된다. 여기서, 상기 액화천연가스는 통상적으로 저장 및 수송이 용이하도록 천연가스(natural gas, NG)를 -162℃로 냉각시켜 상변화시킨 무색 투명한 액체로 이해함이 바람직하다.

이때, 본 발명의 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템(100)은 상기 액화천연가스의 냉열을 이용하므로 상기 액화천연가스를 운반하거나 연료로서 사용하는 선박에 적용됨이 바람직하나, 이에 국한되는 것은 아니다. 즉, 후술되는 글리콜워터를 냉각시킬 수 있는 소재라면 상기 액화천연가스 이외에도 다양한 소재가 이용될 수도 있다.

그리고, 상기 가스공급펌프(20)는 상기 저장탱크(10)에 저장된 상기 액화천연가스를 공급한다. 여기서, 상기 가스공급펌프(20)는 상기 저장탱크(10)로부터 상기 냉각부(30)를 경유하여 상기 선박의 엔진부(E)와 연결되는 가스공급라인(11)에 상기 액화천연가스가 공급되도록 펌핑력을 제공할 수 있다.

한편, 상기 냉각부(30)는 상기 액화천연가스와 열교환되어 냉각되는 글리콜워터의 냉열을 이용해 상기 냉각대상장치를 냉각시킨다.

이때, 상기 냉각부(30)는 상기 전기기기(EM) 및 상기 전력변환장치(PC)를 동시에 냉각시키기 위해 상기 글리콜워터가 순환되는 단일의 순환라인을 갖는 구성으로 구비될 수도 있으나, 본 실시예에서는 상기 전기기기(EM) 및 상기 전력변환장치(PC)를 각각 냉각시키기 위해 제1냉각부(40) 및 제2냉각부(50)가 구비되는 것을 예로써 도시 및 설명한다.

여기서, 상기 글리콜워터는 후술되는 제1순환라인(40a) 및 제2순환라인(50a)에 각각 순환 유동되는 제1글리콜워터 및 제2글리콜워터로 분류될 수 있으며, 상기 제2글리콜워터는 상기 제1글리콜워터와 실질적으로 동일하게 구비된다. 즉, 상기 글리콜워터는 상기 제1글리콜워터 및 상기 제2글리콜워터로 구비됨이 바람직하다.

이러한 글리콜워터는 에틸렌글리콜(ethylene glycol)과 물(water)이 혼합되어 제조된 유체로, 바람직하게는 에틸렌글리콜과 전도도가 낮은 증류수가 상기 글리콜워터의 전체중량에 대하여 7:3의 중량비로 혼합될 수 있다. 여기서, 상기 물은 전도도가 낮은 증류수로 사용됨이 바람직하다. 이때, 상기 물의 어는점은 0℃이고, 상기 에틸렌글리콜의 어는점은 -12℃이지만 상호 간의 혼합비에 따라 상기 글리콜워터의 어는점이 점차 낮아지는 것을 실험을 통해 확인할 수 있다.

상세히, 상기 에틸렌글리콜이 상기 글리콜워터의 전체중량에 대하여 65~75 중량%로 포함되고, 상기 물이 상기 글리콜워터의 전체중량에 대하여 25~35 중량%로 포함되면 상기 글리콜워터의 어는점이 약 -50℃로 설정될 수 있다. 반면에, 상기 에틸렌글리콜이 상기 글리콜워터의 전체중량에 대하여 65~75 중량%를 초과하여 포함되면 상기 글리콜워터의 어는점이 -50℃보다 높아지는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 현상은 어는점 내림(freezing point depression)으로 설명할 수 있으며, 상기 글리콜워터에는 어는점을 극대화하기 위해 전체중량에 대하여 상기 에틸렌글리콜과 상기 물이 7:3의 중량비로 혼합됨이 바람직하다.

한편, 상기 냉각부(30)는 상기 제1냉각부(40) 및 상기 제2냉각부(50)를 포함하여 구비됨이 바람직하다. 여기서, 상기 제1냉각부(40)는 상기 가스공급펌프(20)로부터 공급된 상기 액화천연가스와 제1열교환기(41)에서 1차 열교환되어 냉각되며 상기 제1순환라인(40a)을 따라 순환되는 상기 제1글리콜워터의 냉열을 이용해 상기 전기기기(EM)가 냉각되도록 냉각공기를 공급함이 바람직하다.

이때, 상기 제1순환라인(40a)은 상기 제1글리콜워터가 폐루프(close loop) 순환되도록 상기 제1냉각부(40)에 포함되는 각 구성요소의 유입단 및 토출단이 연속적으로 연결된 파이프 또는 배관 등으로 이해함이 바람직하다.

한편, 상기 제1냉각부(40)는 상기 제1열교환기(41), 제1냉각조절장치(42) 및 냉각공기공급부(43)를 포함함이 바람직하다.

상세히, 상기 제1열교환기(41)는 상기 제1순환라인(40a)상에 배치되며 상기 가스공급라인(11)이 연결될 수 있다. 따라서, 상기 제1순환라인(40a)상에 유동되는 상기 제1글리콜워터가 상기 가스공급라인(11)을 통해 유동되는 액화천연가스로부터 단상 열교환될 수 있다. 즉, 상기 제1글리콜워터는 액체상태로 상기 제1열교환기(41)에 유입되어 상기 액화천연가스와 열교환된 이후에도 상변화없이 온도가 하강된 액체상태로 유동될 수 있다.

여기서, 상기 제1글리콜워터는 바람직하게는 40~45℃로 상기 제1열교환기(41)에 유입된 후 상기 액화천연가스와의 열교환을 통해 30~39℃로 냉각되어 상기 제1냉각조절장치(42) 측을 향해 토출될 수 있다.

또한, 상기 제1냉각조절장치(42)는 상기 제1열교환기(41)의 토출단과 연결되어 냉각된 상기 제1글리콜워터의 공급유량을 조절함이 바람직하며, 제1순환펌프(42a) 및 제1인버터유닛(42c)을 더 포함함이 바람직하다.

상세히, 상기 제1순환펌프(42a)는 상기 제1글리콜워터가 유동되도록 펌핑력을 제공함이 바람직하며 상기 제1열교환기(41)로부터 냉각된 상기 제1글리콜워터를 상기 냉각공기공급부(43) 측으로 공급할 수 있다. 여기서, 상기 제1순환펌프(42a)에 구비된 제1전동기(42b)의 회전수에 따라 상기 제1순환라인(40a)에 순환되는 상기 제1글리콜워터의 유량이 제어될 수 있다.

그리고, 상기 제1인버터유닛(42c)은 상기 제1전동기(42b)의 회전수를 조절하도록 연결됨이 바람직하다. 이때, 상기 제1인버터유닛(42c)은 후술되는 제1냉각제어부(45)에 의해 구동이 제어될 수 있으며, 물론 별도의 조작스위치가 구비되어 사용자의 조작에 따라 수동으로 구동이 제어되는 것도 가능하다.

또한, 상기 냉각공기공급부(43)는 상기 제1냉각조절장치(42)로부터 공급된 상기 제1글리콜워터의 냉열을 이용해 공기를 냉각시켜 상기 전기기기(EM)에 냉각공기를 공급하도록 구비된다.

상세히, 상기 냉각공기공급부(43)는 공기냉각부(43a), 송풍팬(43b) 및 에어덕트(43c)를 포함하여 구비될 수 있다. 이때, 상기 공기냉각부(43a)는 상기 에어덕트(43c) 내부에 구비될 수 있으며, 상기 제1냉각조절장치(42)의 토출단과 연결되어 냉각된 상기 제1글리콜워터가 내부에 공급될 수 있다. 그리고, 공급된 상기 제1글리콜워터에 의해 상온의 공기가 열교환을 통해 냉각될 수 있다.

또한, 상기 송풍팬(43b)은 상기 에어덕트(43c) 내부에 구비될 수 있으며 상기 공기냉각부(43a)의 일측에 상기 전기기기(EM) 측을 향해 냉각공기가 유동되도록 배치된다.

그리고, 상기 에어덕트(43c)는 상기 전기기기(EM) 측에 인접하도록 연장될 수 있으며, 상기 전기기기(EM) 측에 인접한 방향의 단부측에 통풍구가 형성될 수 있다. 이때, 상기 냉각공기가 상기 송풍팬(43b)에 의해 통풍구 측으로 배출되어 상기 전기기기(EM)에 공급됨에 따라 상기 전기기기(EM)의 권선 등에서 발생되는 열이 냉각될 수 있다.

또한, 상기 냉각공기공급부(43)에서 공기를 냉각시키고 승온된 상기 제1글리콜워터는 상기 제1열교환기(41) 측을 향해 토출될 수 있다. 그리고, 상기 제1글리콜워터가 상기 제1열교환기(41)에서 다시 냉각되어 상기 냉각공기공급부(43)를 향해 공급되는 과정이 반복됨으로써 상기 제1글리콜워터가 폐루프 순환될 수 있다.

한편, 상기 제2냉각부(50)는 상기 제1냉각부(40)로부터 토출되되 상기 액화천연가스가 승온되어 상변화된 천연가스(natural gas, NG)와 제2열교환기(51)에서 2차 열교환되어 냉각되되 제2순환라인(50a)을 따라 순환되는 상기 제2글리콜워터의 냉열을 상기 전력변환장치(PC)가 냉각되도록 공급함이 바람직하다.

즉, 상기 저장탱크로부터 이송된 액화천연가스가 상기 제1냉각부(40)에 공급된 후 1차적으로 열교환을 통해 천연가스로 상변화되고, 상변화된 천연가스가 상기 제2냉각부(50)에 공급된 후 2차적으로 열교환된다. 다시 말해, 상기 가스공급라인(11)은 실질적으로 상기 제1냉각부(40) 및 제2냉각부(50)에 순차적으로 직렬로 연결될 수 있다.

상세히, 상기 제2냉각부(50)는 상기 제2열교환기(51) 및 제2냉각조절장치(52)를 포함함이 바람직하다.

여기서, 상기 제2열교환기(51)는 상기 제2순환라인(50a)상에 배치되며 상기 제1냉각부(40)의 토출단과 상기 제2냉각부(50)의 유입단측을 연결하는 상기 가스공급라인(11)의 제1연결부(11a)와 연결될 수 있다. 그리고, 상기 가스공급라인(11)에는 상기 제1열교환기(41)에서 상기 액화천연가스가 열교환된 이후 승온됨에 따라 기화된 상기 천연가스가 유동될 수 있다. 따라서, 상기 제1열교환기(41)로부터 토출되는 상기 천연가스가 상기 제2열교환기(51)로 공급될 수 있다.

이때, 상기 천연가스는 상기 제1글리콜워터와 열교환되어 -65~-55℃의 온도로 승온된 후 상기 제1냉각부(40)로부터 토출될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 -60℃로 승온될 수 있다.

그리고, 상기 제2글리콜워터는 상기 천연가스와 단상 열교환될 수 있으며, 40~45℃로 상기 제2열교환기(51)에 유입된 후 상기 천연가스와의 열교환을 통해 30~39℃로 냉각되어 상기 제2냉각조절장치(52) 측을 향해 토출될 수 있다.

이때, 상기 제2열교환기(51)는 실질적으로 상기 제1열교환기(41)와 상호 동일하게 구비되므로 상기 제2열교환기(51)에 대한 자세한 설명은 생략한다.

그리고, 상기 제2냉각조절장치(52)는 상기 제2열교환기(51)의 토출단과 연결되어 냉각된 상기 제2글리콜워터의 공급유량을 조절함이 바람직하며, 제2순환펌프(52a) 및 제2인버터유닛(52c)을 더 포함함이 바람직하다.

여기서, 상기 제2순환펌프(52a)는 상기 제2글리콜워터가 순환되도록 펌핑력을 제공하며, 상기 제2인버터유닛(52c)은 상기 제2순환펌프(52a)에 구비된 제2전동기(52b)의 회전수를 조절하도록 연결됨이 바람직하다. 그리고, 상기 제2인버터유닛(52c)은 후술되는 제2냉각제어부(55)에 의해 구동이 제어될 수 있다.

이때, 상기 제2순환펌프(52a) 및 상기 제2인버터유닛(52c)은 실질적으로 상기 제1순환펌프(42a) 및 상기 제1인버터유닛(42c)과 상호 동일하게 구비되므로 상기 제2순환펌프(52a) 및 상기 제2인버터유닛(52c)에 대한 자세한 설명은 생략한다.

한편, 상기 제2순환라인(50a)은 상기 제2냉각조절장치(52)로부터 공급된 상기 제2글리콜워터가 상기 전력변환장치(PC)의 발열부와 열교환되도록 연결됨이 바람직하다. 여기서, 상기 발열부라 함은 실질적으로 상기 전력변환장치(PC)에 구비되는 전력반도체 소자와 같은 주요 발열대상체로 이해함이 바람직하다.

이때, 상기 제2냉각조절장치(52)의 토출단으로부터 연장되는 제2순환라인(50a)이 상기 발열부측에 구비되는 방열판 내측으로 연결되어 상기 제2글리콜워터가 유동됨에 따라 상기 발열부가 열교환을 통해 냉각될 수 있다.

그리고, 상기 방열판의 내측에서 상기 발열부와 열교환되어 승온된 상기 제2글리콜워터는 상기 제2열교환기(51) 측을 향해 토출될 수 있다. 그리고, 상기 제2글리콜워터가 상기 제2열교환기(51)에서 다시 냉각되어 상기 발열부를 향해 공급되는 과정이 반복됨으로써 상기 제2글리콜워터가 폐루프 순환될 수 있다.

이와 같이, 상기 냉각부(30)는 상기 저장탱크(10)로부터 공급된 액화천연가스와 열교환되어 냉각되는 글리콜워터의 냉열을 이용해 냉각대상장치를 냉각시킨다. 따라서, 해수 또는 청수와의 열교환을 위한 별도의 구성요소가 필요하지 않아 설치비용이 절감되고 시스템의 크기가 컴팩트화되어 공간에너지 효율 및 유지보수성이 더욱 향상될 수 있다.

한편, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템을 나타낸 흐름도이다.

이때, 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템(100)의 제어방법은 다음과 같이 진행된다.

먼저, 도 2 내지 도 3a를 참조하면, 상기 제1냉각부(40)에 공급된 액화천연가스와 열교환되어 냉각된 제1글리콜워터를 상기 전기기기(EM)가 냉각되도록 상기 냉각공기공급부(43)에 공급한다(s10).

여기서, 상기 가스공급펌프(20)가 구동되면 저장탱크(10)에 저장된 액화천연가스가 상기 제1냉각부(40)에 공급되어 상기 제1열교환기(41)에 유입된다.

그리고, 상기 제1열교환기(41)에서는 상기 제1순환펌프(42a)에 의해 순환되는 상기 제1글리콜워터가 상기 액화천연가스와 열교환되어 상기 냉각공기공급부(43) 측으로 공급됨에 따라 상기 전기기기(EM)가 냉각될 수 있다.

또한, 냉각된 상기 제1글리콜워터가 상기 냉각공기공급부(43)에 공급되면(s10), 상기 제1냉각부(40)에 구비된 냉각공기공급부(43)로부터 승온되어 토출된 상기 제1글리콜워터의 제1순환온도가 제1순환온도센서(44)에 의해 검출된다(s20).

여기서, 상기 제1냉각부(40)는 상기 제1순환온도센서(44) 및 상기 제1냉각제어부(45)를 더 포함함이 바람직하다.

상세히, 상기 제1순환온도센서(44)는 상기 냉각공기공급부(43)로부터 승온되어 토출되는 상기 제1글리콜워터의 제1순환온도를 검출함이 바람직하다. 여기서, 상기 제1순환온도센서(44)는 상기 냉각공기공급부(43)의 토출단 및 상기 제1열교환기(41)의 유입단이 연결되는 상기 제1순환라인(40a) 상에 배치될 수 있다.

그리고, 상기 제1순환온도센서(44)는 상기 제1순환온도가 실시간으로 검출되면 검출된 제1순환온도 검출치를 상기 제1냉각제어부(45)로 전송할 수 있다.

한편, 상기 제1순환온도센서(44)에 의해 제1순환온도 검출치가 검출되면(s20), 제1순환온도센서(44)에 의해 검출된 제1순환온도 검출치에 따라 상기 제1글리콜워터의 공급유량이 조절되도록 상기 제1전동기(42b)의 회전수가 조절된다(s31,s41,s42).

이때, 상기 제1냉각제어부(45)는 수신된 상기 제1순환온도 검출치에 따라 상기 제1인버터유닛(42c)의 구동을 제어함이 바람직하다.

이를 위해, 상기 제1순환온도센서(44)에 의해 제1순환온도 검출치가 검출되면(s20), 상기 제1순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 하한값과 비교된다(s30).

여기서, 상기 기설정된 순환온도 범위는 39~46℃로 설정됨이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 40~45℃로 설정될 수 있다. 이때, 상기 기설정된 순환온도 범위의 하한값이 39℃ 미만이면 상기 제1순환라인(40a)에 응결수가 생성되어 상기 냉각대상장치의 고장이 유발될 수 있다. 또한, 상기 기설정된 순환온도 범위의 상한값이 46℃를 초과하면 상기 냉각대상장치에 대한 냉각에너지 효율이 저하될 뿐만 아니라 상기 제1글리콜워터의 상변화가 유발되어 공동현상(cavitation)으로 인한 상기 제1순환펌프(42a)의 구동에너지 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 기설정된 순환온도 범위는 39~46℃로 설정됨이 바람직하다.

한편, 상기 제1순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 하한값 미만이면(s30) 상기 제1전동기(42b)의 회전수가 감소되도록 제어된다(s31).

이때, 상기 제1냉각제어부(45)는 상기 제1순환온도 검출치가 기설정된 순환온도 범위의 하한값 미만이면 상기 제1전동기(42b)의 회전수가 감소되도록 상기 제1인버터유닛(42c)을 제어함이 바람직하다. 이를 통해, 상기 제1순환펌프(42a)의 펌핑력이 감소되어 상기 제1순환라인(40a)에 순환되는 제1글리콜워터의 유량이 감소될 수 있다.

이때, 상기 제1순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 하한값 미만인 경우 상기 냉각공기공급부(43)로부터 공기와의 열교환 에너지 효율이 저하된 상태로, 이러한 상태가 지속되는 경우 상기 제1열교환기(41)에 유입되는 제1글리콜워터의 온도가 높지 않아 상기 액화천연가스의 열전달률이 저하될 우려가 있다.

따라서, 상기 제1전동기(42b)의 회전수가 감소되도록 제어됨에 따라 상기 제1순환펌프(42a)의 펌핑력이 하강되어 상기 냉각공기공급부(43)로 공급되는 상기 제1글리콜워터의 공급유량이 감소되면, 상대적으로 적은 유량의 제1글리콜워터가 공기와 열교환되므로 상기 냉각공기공급부(43)로부터 토출되는 제1글리콜워터의 온도가 상승될 수 있다. 이를 통해, 상기 냉각공기공급부(43)를 통한 냉각효율 및 상기 액화천연가스의 열전달률이 더욱 향상될 수 있다.

한편, 상기 제1순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 하한값 이상이면(s30), 상기 제1순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 상한값과 비교된다(s40).

여기서, 상기 제1순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 상한값을 초과하면(s40), 상기 제1전동기(42b)의 회전수가 증가되도록 제어된다(s41).

이때, 상기 제1냉각제어부(45)는 상기 제1순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 상한값을 초과하면 상기 제1전동기(42b)의 회전수가 증가되도록 상기 제1인버터유닛(42c)을 제어함이 바람직하다. 따라서, 상기 제1순환펌프(42a)의 펌핑력이 증가되어 상기 제1순환라인(40a)에 순환되는 제1글리콜워터의 유량이 증가될 수 있다.

이를 통해, 상기 냉각공기공급부(43)로부터 열교환되어 전달되는 열전달량이 일정한 상태에서 상기 제1글리콜워터의 유량이 증가되므로 상기 냉각공기공급부(43)로부터 토출되는 상기 제1글리콜워터의 제1순환온도가 하강될 수 있다.

이에 따라, 상기 제1글리콜워터의 제1순환온도가 하강됨에 따라 상기 냉각대상장치에 대한 냉각효율과 상기 제1순환펌프(42a)에 대한 구동효율의 저하가 방지되므로 시스템의 구성부품에 대한 구동신뢰성 및 내구성이 더욱 향상될 수 있다.

물론, 경우에 따라 상기 제1순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 상한값과 비교되는 단계(s40) 이후에 하한값과 비교되는 단계(s30)가 진행되는 것도 가능하다.

한편, 상기 제1순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 상한값 이하이면(s40), 상기 제1전동기(42b)의 회전수가 유지된다(s42).

여기서, 상기 제1냉각제어부(45)는 상기 제1순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위 이내로 도달한 경우 상기 제1전동기(42b)의 회전수가 유지되도록 상기 제1인버터유닛(42c)을 제어함이 바람직하다.

즉, 상기 제1순환온도 검출치는 상기 기설정된 순환온도 범위의 하한값 이상이고 상한값 이하이므로 실질적으로 상기 기설정된 순환온도 범위 이내로 판단될 수 있다. 따라서, 상기 제1전동기(42b)의 회전수가 유지될 수 있으며 상기 제1글리콜워터의 제1순환온도가 상기 기설정된 순환온도 범위 이내에 도달된 상태로 상기 액화천연가스의 열전달률 내지 상기 전기기기(EM)에 대한 냉각효율이 안정적으로 유지될 수 있다.

그리고, 상기 제1전동기(42b)의 회전수가 조절되면(s31,s41,s42), 상기 제1냉각부(40)의 토출단으로부터 액화천연가스가 승온되어 상변화된 천연가스가 토출된다(s50).

여기서, 상기 천연가스가 토출되는 과정(s50)은 실질적으로 상기 제1냉각부(40)에 액화천연가스가 공급되는 과정(s10) 이후 제1전동기(42b)의 회전수가 조절되면서 상기 액화천연가스가 열교환에 의해 기화되어 상기 제1열교환기(41)로부터 상기 제2냉각부(50)를 향해 상기 천연가스로 토출되는 상태로 이해함이 바람직하다.

이때, 상기 천연가스는 토출온도에 따라 상기 엔진부(E)에 연료로써 사용 적합 여부가 판단될 수 있다. 따라서, 상기 제1냉각부(40) 및 상기 제2냉각부(50) 중 적어도 어느 일측의 토출단으로부터 토출되는 상기 천연가스의 토출온도를 측정 및 조절할 필요가 있다.

이를 위해, 상기 냉각부(30)는 가열수단(46), 토출온도센서(47) 및 냉각제어부를 더 포함함이 바람직하다. 여기서, 상기 냉각제어부는 상기 제1냉각제어부(45) 및 후술되는 제2냉각제어부(55)를 포함한다. 즉, 상기 가열수단(46), 상기 토출온도센서(47) 및 상기 냉각제어부는 상기 제1냉각부(40) 및 상기 제2냉각부(50) 중 적어도 어느 일측에 구비됨이 바람직하다.

이때, 본 실시예에서는 상기 제1냉각부(40)에 상기 가열수단(46), 상기 토출온도센서(47) 및 상기 냉각제어부가 구비되는 것을 예로써 도시 및 설명한다.

상세히, 상기 가열수단(46)은 상기 제1글리콜워터의 온도가 상승되도록 선택적으로 가열되며 상기 제1열교환기(41)의 토출단측에 배치됨이 바람직하다. 이때, 상기 가열수단(46)에 구비된 가열원이 상기 제1열교환기(41)의 토출단으로부터 토출되는 냉각된 제1글리콜워터의 온도가 선택적으로 상승하도록 발열될 수 있다.

여기서, 상기 가열수단(46)은 상기 제1냉각제어부(45)의 제어에 따라 선택적으로 구동될 수 있다. 물론, 상기 가열수단(46)이 제2냉각부(50)에 구비되면 상기 제2냉각제어부(55)의 제어에 따라 선택적으로 구동될 수 있다.

그리고, 상기 토출온도센서(47)는 상기 냉각부(30)에서 열교환됨에 따라 상기 액화천연가스가 상변화되어 토출되는 천연가스의 토출온도를 검출함이 바람직하다. 이를 위해, 상기 토출온도센서(47)는 상기 제1열교환기(41)의 토출단측에 배치됨이 바람직하다.

또한, 상기 제1냉각제어부(45)는 상기 토출온도센서(47)에 의해 검출된 토출온도 검출치에 따라 상기 가열수단(46)의 구동을 제어함이 바람직하다.

이때, 상기 냉각부(30)는 바이패스라인(48a) 및 삼방밸브(48)를 더 포함함이 바람직하다.

상세히, 상기 바이패스라인(48a)은 상기 가열수단(46)의 토출단으로부터 분기되어 상기 글리콜워터가 순환되도록 연결됨이 바람직하다.

이를 위해, 상기 바이패스라인(48a)은 상기 가열수단(46)의 토출단으로부터 분기되어 상기 제1열교환기(41)의 유입단측으로 연결됨이 바람직하다. 이를 통해, 상기 바이패스라인(48a)으로 유입된 상기 제1글리콜워터는 상기 냉각공기공급부(43)로 공급되지 않고 상기 제1열교환기(41)측으로 순환될 수 있다.

그리고, 상기 삼방밸브(48)는 상기 바이패스라인(48a)이 분기된 지점에 구비되며 상기 냉각제어부의 제어에 따라 상기 바이패스라인(48a)을 선택적으로 개폐함이 바람직하다. 여기서, 상기 삼방밸브(48)에는 상기 제1열교환기(41)의 토출단, 상기 바이패스라인(48a)의 유입단 및 상기 냉각공기공급부(43)의 유입단이 각각 연결될 수 있다.

또한, 상기 제1냉각제어부(45)의 제어에 따라 상기 바이패스라인(48a)의 유입단 입구 및 상기 냉각공기공급부(43)의 유입단 입구를 선택적으로 개폐할 수 있다. 이를 통해, 상기 제1열교환기(41)의 토출단으로부터 토출되는 제1글리콜워터가 상기 삼방밸브(48)의 개폐상태에 따라 유동방향이 상이하게 설정될 수 있다.

한편, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템에서 가열수단 및 바이패스라인의 구동과정을 나타낸 흐름도이다.

여기서, 상변화된 상기 천연가스가 토출되면(s50), 상기 천연가스의 토출온도를 검출한다(s51).

이때, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 토출온도센서(47)는 상기 제1냉각부(40)의 토출단과 상기 제2냉각부(40)의 유입단측을 연결하는 상기 가스공급라인(11)의 제1연결부(11a)에 배치되어 상기 천연가스의 토출온도를 실시간으로 검출하고, 검출된 상기 토출온도 검출치를 상기 제1냉각제어부(45)에 전송할 수 있다.

그리고, 상기 천연가스의 토출온도가 검출되면(s51), 검출된 상기 토출온도 검출치를 기설정된 토출온도 기준치와 비교하여 상기 천연가스의 토출온도가 조절되도록 상기 가열수단(46) 및 상기 바이패스라인(48a)을 제어한다(s53,s55,s56).

상세히, 상기 천연가스의 토출온도가 검출되면(s51), 검출된 상기 토출온도 검출치가 상기 기설정된 토출온도 기준치와 비교된다(s52).

여기서, 상기 기설정된 토출온도 기준치는 상기 토출온도센서(47)가 상기 제1냉각부(40)의 토출단에 구비되는 경우 -65~-55℃ 이내로 설정될 수 있으며, 상기 토출온도센서(47)가 상기 제2냉각부(50)의 토출단에 구비되는 경우 상기 제2냉각부(50)의 35~45℃ 이내로 설정될 수 있다.

그리고, 검출된 상기 토출온도 검출치가 상기 기설정된 토출온도 기준치 미만이면(s52), 상기 가열수단(46)이 구동되고 상기 바이패스라인(48a)이 폐쇄된다(s53).

이때, 상기 제1냉각제어부(45)는 상기 토출온도 검출치가 기설정된 토출온도 기준치 미만이면 상기 가열수단(46)이 구동되도록 제어함이 바람직하다.

또한, 상기 제1냉각제어부(45)는 상기 토출온도 검출치가 기설정된 토출온도 기준치 미만이면 상기 삼방밸브(48)가 폐쇄되어 상기 바이패스라인(48a)에 상기 제1글리콜워터의 공급이 중단되도록 제어함이 바람직하다.

여기서, 상기 가열수단(46)이 구동되면 상기 제1글리콜워터의 온도가 1차적으로 상승되며 상기 바이패스라인(48a)이 폐쇄됨에 따라 상기 제1글리콜워터는 상기 냉각공기공급부(43)로 공급되어 공기와의 열교환을 통해 2차적으로 온도가 상승될 수 있다. 즉, 상기 제1글리콜워터는 상기 가열수단(46) 및 상기 냉각공기공급부(43)를 통해 신속하게 온도가 상승될 수 있다.

따라서, 상기 제1글리콜워터는 온도가 상승된 상태로 상기 제1열교환기(41)에 유입될 수 있다. 이로 인해 상기 액화천연가스는 상기 제1글리콜워터와의 온도차가 상대적으로 더욱 증가됨에 따라 열전달률이 높아져 상변화된 상기 천연가스의 온도가 상승될 수 있다.

한편, 검출된 상기 토출온도 검출치가 상기 기설정된 토출온도 기준치 이상이면(s52), 검출된 상기 토출온도 검출치가 상기 기설정된 토출온도 기준치를 초과하는지 비교된다(s54).

여기서, 검출된 상기 토출온도 검출치가 상기 기설정된 토출온도 기준치를 초과하면(s54), 상기 가열수단(46)의 구동이 정지되고 상기 바이패스라인(48a)이 개방된다(s55).

이때, 상기 제1냉각제어부(45)는 상기 토출온도 검출치가 기설정된 토출온도 기준치를 초과하면 상기 가열수단(46)의 구동이 정지되도록 제어함이 바람직하다. 여기서, 상기 가열수단(46)의 구동이 정지된다라 함은 상기 가열원의 발열이 단번에 중단되거나, 단계적으로 서서히 상기 가열원의 발열량이 감소하여 발열이 중단되는 것을 포괄하는 개념으로 이해함이 바람직하다.

또한, 상기 제1냉각제어부(45)는 상기 토출온도 검출치가 기설정된 토출온도 기준치를 초과하면 상기 삼방밸브(48)가 개방되어 상기 바이패스라인(48a)에 상기 제1글리콜워터가 공급되도록 제어함이 바람직하다.

여기서, 상기 가열수단(46)의 구동이 정지되면 상기 제1글리콜워터의 온도 상승률이 상대적으로 낮아질 수 있으며, 상기 바이패스라인(48a)이 개방됨에 따라 상기 제1글리콜워터가 상기 냉각공기공급부(43)로 공급되지 않고 상기 바이패스라인(48a)을 통해 우회하여 상기 제1열교환기(41)측으로 순환될 수 있다.

따라서, 상기 제1글리콜워터는 실질적으로 온도를 상승시켜주는 요소가 모두 제거되어 온도가 하강될 수 있으며 이로 인해 상기 액화천연가스의 열전달률이 낮아져 상변화된 상기 천연가스의 온도가 하강될 수 있다.

한편, 검출된 상기 토출온도 검출치가 상기 기설정된 토출온도 기준치 이하이면(s54), 상기 가열수단(46)의 구동이 정지되고 상기 바이패스라인(48a)이 폐쇄된다(s55).

이때, 상기 토출온도 검출치는 실질적으로 상기 기설정된 토출온도 기준치에 도달한 것으로 판단될 수 있다. 따라서, 상기 천연가스의 토출온도가 상기 기설정된 토출온도 기준치에 대응되므로 상기 가열수단(46)의 구동이 정지되고 상기 바이패스라인(48a)이 폐쇄된 상태로 상기 제1글리콜워터가 순환되도록 제어할 수 있다.

이를 위해, 상기 제1냉각제어부(45)는 상기 토출온도 검출치가 기설정된 토출온도 기준치와 대응되면 상기 가열수단(46)의 구동이 정지되도록 제어함이 바람직하다. 또한, 상기 제1냉각제어부(45)는 상기 토출온도 검출치가 기설정된 토출온도 기준치에 대응되면 상기 삼방밸브(48)가 폐쇄되어 상기 바이패스라인(48a)에 상기 제1글리콜워터의 공급이 중단되도록 제어함이 바람직하다.

이와 같이, 상기 냉각부(30)로부터 토출되는 상기 천연가스의 토출온도에 따라 상기 가열수단(46)의 구동 및 상기 바이패스라인(48a)의 개폐가 선택적으로 제어되어 상기 천연가스가 상기 엔진부(E)의 연료로써 사용될 수 있는 적합한 토출온도로 토출될 수 있다. 따라서, 상기 액화천연가스를 연료로 사용하기 위해 기화시키는 별도의 가열장치가 필요하지 않아 경제성 및 에너지 효율이 더욱 향상될 수 있다.

한편, 도 2 내지 도 3b를 참조하면, 상기 천연가스의 토출온도가 조절되어 상기 제1냉각부(40)의 토출단으로부터 토출되면(s50), 상기 제2냉각부(50)에 공급된 상기 천연가스와 열교환되어 냉각된 제2글리콜워터를 상기 전력변환장치(PC)가 냉각되도록 발열부에 공급한다(s60).

여기서, 상기 가스공급펌프(20)가 지속적으로 구동됨에 따라 상기 제1냉각부(40)의 토출단으로부터 토출된 상기 천연가스는 상기 가스공급라인(11)을 통해 상기 제2냉각부(50)로 공급되어 상기 제2열교환기(51)에 유입된다.

그리고, 상기 제2열교환기(51)에서는 상기 제2순환펌프(52a)에 의해 순환되는 상기 제2글리콜워터가 상기 천연가스와 열교환되어 상기 발열부 측으로 공급되어 상기 전력변환장치(PC)가 냉각될 수 있다.

한편, 냉각된 상기 제2글리콜워터가 상기 발열부에 공급되면(s60), 상기 발열부로부터 승온되어 토출된 상기 제2글리콜워터의 제2순환온도가 제2순환온도센서(54)에 의해 검출된다(s70).

여기서, 상기 제2냉각부(50)는 상기 제2순환온도센서(54) 및 상기 제2냉각제어부(55)를 더 포함함이 바람직하다.

상세히, 상기 제2순환온도센서(54)는 실질적으로 상기 제1순환온도센서(44)와 동일한 온도센서로 구비될 수 있으며, 상기 발열부로부터 승온되어 토출되는 상기 제2글리콜워터의 제2순환온도를 검출함이 바람직하다. 여기서, 상기 제2순환온도센서(54)는 상기 발열부의 토출단 및 상기 제2열교환기(51)의 유입단이 연결되는 상기 제2순환라인(50a) 상에 배치될 수 있다.

그리고, 상기 제2순환온도센서(54)는 상기 제2순환온도가 실시간으로 검출되면 검출된 제2순환온도 검출치를 상기 제2냉각제어부(55)로 전송할 수 있다.

한편, 상기 제2순환온도센서(54)에 의해 제2순환온도가 검출되면(s70), 제2순환온도센서(54)에 의해 검출된 제2순환온도 검출치에 따라 상기 제2글리콜워터의 공급유량이 조절되도록 상기 제2전동기(52b)의 회전수가 조절된다(s81,s91,s92).

이때, 상기 제2냉각제어부(55)는 수신된 상기 제2순환온도 검출치에 따라 상기 제2인버터유닛(52c)의 구동을 제어함이 바람직하다.

이를 위해, 상기 제2순환온도센서(54)에 의해 상기 제2순환온도 검출치가 검출되면(s70), 상기 제2순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 하한값과 비교된다(s80).

여기서, 상기 제2순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 하한값 미만이면(s80) 상기 제2전동기(52b)의 회전수가 감소되도록 제어된다(s81).

이때, 상기 제2냉각제어부(55)는 상기 제2순환온도 검출치가 기설정된 순환온도 범위의 하한값 미만이면 상기 제2전동기(52b)의 회전수가 감소되도록 상기 제2인버터유닛(52c)을 제어함이 바람직하다.

따라서, 상기 제2순환펌프(52a)의 펌핑력이 감소되어 상기 제2순환라인(50a)에 순환되는 제2글리콜워터의 유량이 감소될 수 있다. 이를 통해, 상술한 제1전동기(42b)의 회전수가 감소되는 과정(s31)과 같이 상기 발열부에 대한 냉각효율 및 상기 천연가스의 열전달률이 더욱 향상될 수 있다.

한편, 상기 제2순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 하한값 이상이면(s80), 상기 제2순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 상한값과 비교된다(s90).

여기서, 상기 제2순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 상한값을 초과하면(s90) 상기 제2전동기(52b)의 회전수가 증가되도록 제어된다(s91).

이때, 상기 제2냉각제어부(55)는 상기 제2순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 상한값을 초과하면 상기 제2전동기(52b)의 회전수가 증가되도록 상기 제2인버터유닛(52c)을 제어함이 바람직하다.

따라서, 상기 제2순환펌프(52a)의 펌핑력이 증가되어 상기 제2순환라인(50a)에 순환되는 제2글리콜워터의 유량이 증가될 수 있다. 이를 통해, 상술한 제2전동기(52b)의 회전수가 증가되는 과정(s41)과 같이 시스템의 구성부품에 대한 구동신뢰성 및 내구성이 더욱 향상될 수 있다.

한편, 상기 제2순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 상한값 이하이면(s90), 상기 제2전동기(52b)의 회전수가 유지된다(s92).

여기서, 상기 제2냉각제어부(55)는 상기 제2순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위 이내로 도달한 경우 상기 제2전동기(52b)의 회전수가 유지되도록 상기 제2인버터유닛(52c)을 제어함이 바람직하다.

즉, 상기 제2순환온도 검출치는 상기 기설정된 순환온도 범위의 하한값 이상이고 상한값 이하이므로 실질적으로 상기 기설정된 순환온도의 범위 이내로 판단될 수 있다. 따라서, 상기 제2전동기(52b)의 회전수가 유지될 수 있으며 상기 제2글리콜워터의 제2순환온도가 상기 기설정된 순환온도 범위 이내에 도달된 상태로 상기 천연가스의 열전달률 내지 상기 전력변환장치(PC)에 대한 냉각효율이 안정적으로 유지될 수 있다.

이와 같이, 각 냉각부(40,50)에서 순환되는 글리콜워터는 순환온도가 실시간으로 검출되어 기설정된 순환온도 범위 이내에 도달되도록 각 인버터유닛(42c,52c)의 제어를 통해 공급유량이 지속적으로 조절되어 정밀하게 순환온도가 제어될 수 있다. 이에 따라, 상기 냉각대상장치의 발열 상태에 따른 최적의 열전달률 및 냉각효율이 안정적으로 유지될 수 있어 상기 냉각대상장치의 내구성 및 작동효율이 더욱 개선될 수 있다.

또한, 상기 글리콜워터는 상기 냉각대상장치로부터 발생되는 열에 의해 승온된 후 액화천연가스와 단상 열교환을 통해 냉각되므로 종래의 냉매와는 달리 이상 유동될 수 있는 온도로 유지되기 위한 별도의 예열과정이 필요하지 않아 이로 인해 발생되는 소비전력을 현저히 절감할 수 있어 에너지 효율이 더욱 개선될 수 있다.

그리고, 상기 제2전동기(52b)의 회전수가 조절되면(s31,s41,s42), 상기 제2냉각부(50)의 토출단으로부터 상기 천연가스가 토출되어 상기 선박의 엔진부(E)에 공급된다(s100).

상세히, 상기 냉각부(30)에서 열교환됨에 따라 상기 액화천연가스가 상변화되어 토출되는 천연가스는 상기 선박의 엔진부(E)로 공급됨이 바람직하다. 이때, 상기 엔진부(E)는 상기 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로, DFDE(Dual Fuel Diesel Electric)엔진 및 ME-GI 엔진(Man B&W 사의 Gas Injection 엔진) 등으로 구비될 수 있다.

여기서, 종래에는 상기 엔진부(E)에 상기 천연가스를 연료로서 공급하기 위해 별도의 가열장치가 구비되었으며, 저장탱크(10)에 저장되는 액화천연가스를 상기 가열장치를 통해 40~50℃의 온도로 승온시켜 기화시킨 후 상기 엔진부(E)에 공급하였다.

한편, 본 발명의 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템(100)에서는 상기 액화천연가스가 상기 제1냉각부(40)에서 1차 열교환되어 천연가스로 기화되고, 상기 제2냉각부(50)에서 2차 열교환됨에 따라 최종적으로 상기 제2냉각부(50)로부터 토출되는 상기 천연가스는 35~45℃의 온도로 승온될 수 있다.

따라서, 종래와는 달리 별도의 가열장치 없이도 상기 냉각대상장치를 냉각시키는 것만으로도 상기 액화천연가스가 상기 엔진부(E)에 사용 가능한 온도로 승온되고 천연가스로 상변화될 수 있다. 이에 따라, 상기 엔진부(E)에 공급하기 위해 상기 액화천연가스를 기화시키기 위한 별도의 장치가 필요하지 않아 생산성 및 에너지 효율이 더욱 향상될 수 있다.

그리고, 상기 가열수단(46), 상기 바이패스라인(48a) 및 상기 삼방밸브(48)가 상기 제2냉각부(50)에 구비되는 경우에는 상술한 제1냉각부(40)에 구비된 가열수단(46), 바이패스라인(48a) 및 삼방밸브(48)가 구동되는 과정(도 4 참조)과 같은 원리로 상기 제2냉각부(50)에서 토출되는 천연가스의 토출온도를 조절하도록 구비될 수 있다.

이때, 상기 토출온도센서(47)는 상기 제2냉각부(50)의 토출단 및 상기 엔진부(E)를 연결하는 상기 가스공급라인(11)의 제2연결부(11b) 상에 배치될 수 있으며, 상기 가열수단(46) 및 상기 삼방밸브(48)는 상기 제2냉각제어부(55)의 제어에 따라 선택적으로 구동될 수 있다.

여기서, 상기 제2냉각부(50)에 구비되는 가열수단(46)은 상기 제2순환라인(50a)에 응결수 방지수단으로서 사용될 수도 있다. 이때, 상기 제2냉각제어부(55)는 상기 제2순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 하한값 미만이면 상기 가열수단(46)이 구동되도록 제어할 수도 있다.

특히, 상기 제2순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 하한값 미만인 경우 상기 제2순환라인(50a)에 응결수가 생성될 수 있는데 이러한 제2순환라인(50a)은 상기 발열부의 내측으로 연결되므로 응결수가 전력반도체에 낙하되어 고장이 유발될 수 있다.

따라서, 상기 제2순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 하한값 미만인 경우 상기 가열수단(46)이 구동되도록 제어되면 상기 제2글리콜워터의 제2순환온도가 신속하게 상승되어 응결수의 생성이 미연에 방지될 수 있다. 이에 따라, 응결수로 인한 상기 전력변환장치(PC)의 고장 발생이 방지되므로 안정성이 더욱 향상될 수 있다.

이때, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 청구항에서 청구하는 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형 실시되는 것은 가능하며, 이러한 변형예는 본 발명의 범위에 속한다.

10: 저장탱크 20: 가스공급펌프
30: 냉각부 40: 제1냉각부
46: 가열수단 48: 삼방밸브
48a: 바이패스라인 50: 제2냉각부
100: 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템

Claims

선박에 설치된 전기기기 및 전력변환장치를 포함하는 냉각대상장치를 냉각시키는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템에 있어서,
액화천연가스가 저장된 저장탱크;
상기 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 공급하는 가스공급펌프; 및
상기 액화천연가스와 열교환되어 냉각되는 글리콜워터의 냉열을 이용해 상기 냉각대상장치를 냉각시키는 냉각부를 포함하되,
상기 글리콜워터는 제1글리콜워터 및 제2글리콜워터로 구비되며,
상기 냉각부는
상기 가스공급펌프로부터 공급된 상기 액화천연가스와 제1열교환기에서 1차 열교환되어 냉각되며 제1순환라인을 따라 순환되는 상기 제1글리콜워터의 냉열을 이용해 상기 전기기기가 냉각되도록 냉각공기를 공급하는 제1냉각부와,
상기 제1냉각부로부터 토출되되 상기 액화천연가스가 승온되어 상변화된 천연가스와 제2열교환기에서 2차 열교환되어 냉각되며 제2순환라인을 따라 순환되는 상기 제2글리콜워터의 냉열을 상기 전력변환장치가 냉각되도록 공급하는 제2냉각부를 포함하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 냉각부는
상기 글리콜워터가 상기 가스공급펌프로부터 공급된 액화천연가스와 단상 열교환되어 냉각되는 제1열교환기와,
상기 제1열교환기의 토출단과 연결되어 냉각된 상기 글리콜워터의 공급유량을 조절하는 제1냉각조절장치와,
상기 제1냉각조절장치로부터 공급된 상기 글리콜워터의 냉열을 이용해 공기를 냉각시켜 상기 전기기기에 공급하는 냉각공기공급부를 포함함을 특징으로 하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 제1냉각조절장치는
상기 글리콜워터가 순환되도록 펌핑력을 제공하는 제1순환펌프와,
상기 제1순환펌프에 구비된 제1전동기의 회전수를 조절하도록 구동되는 제1인버터유닛을 더 포함함을 특징으로 하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 냉각부는
상기 냉각공기공급부로부터 승온되어 토출되는 상기 글리콜워터의 제1순환온도를 검출하는 제1순환온도센서와,
상기 제1순환온도센서에 의해 검출된 제1순환온도 검출치에 따라 상기 제1인버터유닛의 구동을 제어하는 제1냉각제어부를 더 포함하며,
상기 제1냉각제어부는
상기 제1순환온도 검출치가 기설정된 순환온도 범위의 하한값 미만이면 상기 제1전동기의 회전수가 감소되도록 상기 제1인버터유닛을 제어하고,
상기 제1순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 상한값을 초과하면 상기 제1전동기의 회전수가 증가되도록 상기 제1인버터유닛을 제어함을 특징으로 하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각부는
상기 글리콜워터가 상기 가스공급펌프로부터 공급된 액화천연가스와 단상 열교환되어 냉각되는 제2열교환기와,
상기 제2열교환기의 토출단과 연결되어 냉각된 상기 글리콜워터의 공급유량을 조절하는 제2냉각조절장치를 포함하며,
상기 제2순환라인은 상기 제2냉각조절장치로부터 공급된 상기 글리콜워터가 상기 전력변환장치의 발열부와 열교환되도록 연결됨을 특징으로 하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 제2냉각조절장치는
상기 글리콜워터가 순환되도록 펌핑력을 제공하는 제2순환펌프와,
상기 제2순환펌프에 구비된 제2전동기의 회전수를 조절하도록 구동되는 제2인버터유닛을 포함함을 특징으로 하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 냉각부는
상기 발열부로부터 승온되어 토출되는 상기 글리콜워터의 제2순환온도를 검출하는 제2순환온도센서와,
상기 제2순환온도센서에 의해 검출된 제2순환온도 검출치에 따라 상기 제2인버터유닛의 구동을 제어하는 제2냉각제어부를 더 포함하며,
상기 제2냉각제어부는
상기 제2순환온도 검출치가 기설정된 순환온도 범위의 하한값 미만이면 상기 제2전동기의 회전수가 감소되도록 상기 제2인버터유닛을 제어하고,
상기 제2순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 상한값을 초과하면 상기 제2전동기의 회전수가 증가되도록 상기 제2인버터유닛을 제어함을 특징으로 하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템.
제 5 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 기설정된 순환온도 범위는 39~46℃로 설정됨을 특징으로 하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각부는
상기 글리콜워터의 온도가 상승되도록 선택적으로 가열되는 가열수단과,
상기 냉각부에서 열교환됨에 따라 상기 액화천연가스가 상변화되어 토출되는 천연가스의 토출온도를 검출하는 토출온도센서와,
상기 토출온도센서에 의해 검출된 상기 토출온도 검출치에 따라 상기 가열수단의 구동을 제어하는 냉각제어부를 더 포함함을 특징으로 하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 냉각제어부는 상기 토출온도 검출치가 기설정된 토출온도 기준치 미만이면 상기 가열수단이 구동되도록 제어함을 특징으로 하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 냉각부는
상기 가열수단의 토출단으로부터 분기되어 상기 글리콜워터가 순환되도록 연결되는 바이패스라인과,
상기 바이패스라인이 분기된 지점에 구비되며 상기 냉각제어부의 제어에 따라 상기 바이패스라인을 선택적으로 개폐하는 삼방밸브를 더 포함함을 특징으로 하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템.
제 12 항에 있어서,
상기 냉각제어부는 상기 토출온도 검출치가 기설정된 토출온도 기준치를 초과하면 상기 삼방밸브가 폐쇄되어 상기 바이패스라인에 상기 글리콜워터가 공급되도록 제어함을 특징으로 하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각부에서 열교환됨에 따라 상기 액화천연가스가 상변화되어 토출되는 천연가스는 상기 선박의 엔진부로 공급됨을 특징으로 하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템.
선박에 설치된 전기기기 및 전력변환장치를 포함하는 냉각대상장치를 냉각시키기 위해 저장탱크, 가스공급펌프, 그리고 액화천연가스와 열교환되어 냉각된 제1글리콜워터가 순환되는 제1냉각부 및 상기 제1냉각부로부터 토출되되 상기 액화천연가스가 승온되어 상변화된 천연가스와 열교환되어 냉각된 제2글리콜워터가 순환되는 제2냉각부를 포함하는 냉각부를 포함하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템의 제어방법에 있어서,
상기 제1냉각부에 구비된 냉각공기공급부로부터 승온되어 토출된 상기 제1글리콜워터의 제1순환온도가 제1순환온도센서에 의해 검출되는 제1단계;
상기 제1순환온도센서에 의해 검출된 제1순환온도 검출치에 따라 상기 제1냉각부에 구비된 제1전동기의 회전수가 조절되는 제2단계;
상기 전력변환장치의 발열부로부터 승온되어 토출된 상기 제2글리콜워터의 제2순환온도가 제2순환온도센서에 의해 검출되는 제3단계; 및
상기 제2순환온도센서에 의해 검출된 제2순환온도 검출치에 따라 상기 제2냉각부에 구비된 제2전동기의 회전수가 조절되는 제4단계를 포함하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템의 제어방법.
제 15 항에 있어서,
상기 제2단계는 상기 제1순환온도 검출치가 기설정된 순환온도 범위의 하한값 미만이면 상기 제1전동기의 회전수가 감소되는 단계와, 상기 제1순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 상한값을 초과하면 상기 제1전동기의 회전수가 증가되는 단계를 포함하며,
상기 제4단계는 상기 제2순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 하한값 미만이면 상기 제2전동기의 회전수가 감소되는 단계와, 상기 제2순환온도 검출치가 상기 기설정된 순환온도 범위의 상한값을 초과하면 상기 제2전동기의 회전수가 증가되는 단계를 포함함을 특징으로 하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템의 제어방법.
제 15 항에 있어서,
상기 제2단계 및 상기 제4단계 중 적어도 어느 일측은
상기 냉각부의 토출단으로부터 토출되는 천연가스의 토출온도가 토출온도센서에 의해 검출되는 단계와,
상기 토출온도 검출치가 기설정된 토출온도 기준치 미만이면 가열수단이 구동되는 단계를 포함함을 특징으로 하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템의 제어방법.
제 17 항에 있어서,
상기 제2단계 및 상기 제4단계 중 적어도 어느 일측은
상기 토출온도 검출치가 상기 기설정된 토출온도 기준치를 초과하면 삼방밸브에 유입된 상기 제1글리콜워터 및 상기 제2글리콜워터 중 적어도 어느 일측이 바이패스라인에 공급되는 단계를 포함함을 특징으로 하는 액화천연가스의 냉열을 이용한 선박용 냉각시스템의 제어방법.