KR102199645B1 - 선박 및 선박을 동작시키기 위한 방법 - Google Patents

선박 및 선박을 동작시키기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 시스템(3, 4, 5, 15)을 갖는 선박(1, 2)에 관한 것이며, 상기 전기 시스템(3, 4, 5, 6, 7, 15, 21, 22)은 공간(8, 18)에 존재하고, 상기 공간(8, 18)은 공기와는 상이한 분위기(20)를 갖는다. 공간(8, 18)은 압력 선체(19)에 의해 형성될 수 있다. 분위기(20)는 예컨대 불활성 가스를 포함한다. 선박(1, 2)을 동작시키기 위한 방법에 따라, 전기 시스템(3, 4, 5, 6, 7, 15, 21, 22)을 갖는 공간(8, 18)은 분위기(20)로 충전된다.

Description

선박 및 선박을 동작시키기 위한 방법
본 발명은 선박(watercraft) 및 선박을 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다. 선박들은 예컨대 배(ship)들 또는 잠수함들(U-보트(boat)들)이다. 배들의 예들은 화물선들, 유조선들, 컨테이너선(container ship)들, 여객선들, 스피드보트(speedboat)들, 초계정들, 소해정들 등이다. 잠수함들의 예들은 핵 잠수함들, 연구 잠수함들, 수렵 잠수함들, 구조 잠수함들, 수리 잠수함들, 무인 잠수정(UUV; unmanned underwater vehicle)들이며, 이들은 예컨대 원격-제어 잠수정들일 수 있거나 또는 자율 잠수정들일 수도 있다.
EP 1 354 387 B1은 선박, 특히 예컨데 배들, 잠수함들 등을 위한 에너지 시스템(energy system)을 개시한다. 다양한 유형들 및 형상들의 이들 선박들은 통상적으로, 고정 프로펠러(propeller)들, 조정가능 프로펠러들, 키(rudder) 프로펠러들, 그리고 가끔 또한 워터 제트(water jetting) 시스템들을 이용하여 구동된다. 여기서, 구동을 위한 기계 에너지는 연소 엔진(engine)들, 예컨대, 오토(Otto) 엔진들, 중유 또는 경유 동작을 갖는 디젤(diesel) 엔진들, 또는 가스 터빈(gas turbine)들에 의해 직접적으로 생성된다. 선박에 의해 보유되는 탱크(tank)들에 저장되는 화석 연료들이 에너지 운반체들로서 사용된다. 그러한 경우들에서, 선박에 탑재된(on board) 연소 엔진들은 구동을 위해 사용될 뿐만 아니라, 대신에, 선박에 탑재된 복수의 전기 부하들, 예컨대, 보조 구동부들 ―이어서, 이 보조 구동부들은 전기 에너지를 기계 에너지로 변환함―, 열, 냉기 및 빛을 생성하기 위한 전기 디바이스(device)들, 매체(media) 기술용 전기 디바이스들 및 해상 과학용 전기 디바이스들을 위한 전기 에너지를 생성하기 위해서도 사용된다. 여기서, 연소 엔진들은 전기 기계들에 커플링되며(coupled), 이 전기 기계들은 연소 엔진들에 의해 출력된 기계 에너지를 전기 부하들을 위한 전기 에너지로 변환한다. 선박용 에너지 시스템은 또한, 배터리(battery) 및/또는 연료 전지를 가질 수 있으며, 이 배터리 및/또는 연료 전지에 의하여, 적어도 하나의 전기적 구동부 및 적어도 하나의 전기 부하가 공급망을 통해 전기 에너지를 공급받을 수 있으며, 이 전기적 구동부는, 예컨대, 적어도 하나의 인버터 유닛(inverter unit)을 통해 공급망의 직류망에 연결될 수 있는 교류 구동부이다.
전기 디바이스들, 이를테면, 예컨대 전기 모터(motor), 스위치(switch), 램프(lamp) 등의 경우, 위험 영역들에 관한 가이드라인(guideline)들이 존재한다. 이들은 예컨대 구역 1 및 구역 2의 화재 위험 영역 및 폭발 영역을 포함할 수 있다. 디바이스들은, 달성될 보호에 따라서, 표준 또는 보호의 정도에 부합되게 구현되어야 한다.
선박들이 자족적으로 사용되기 때문에, 높은 수준의 신뢰성이 요구된다. 또한, 단순하고 비용-효과적인 구성의 선박들을 실현하는 것이 유리하다.
그러므로, 본 발명의 목적은, 선박의 안전성을 증가시키거나 또는 그들의 설계를 단순화하는 것이다.
본 목적에 대한 하나의 해결책은, 청구항 제1 항에서 청구되는 선박을 이용하여 또는 청구항 제9 항에서 청구되는 방법을 이용하여 달성된다. 추가적인 실시예들은 청구항들 제2항 내지 제8 항, 그리고 제10항 내지 제14 항에서 청구되는 바와 같이 발생한다.
선박은 전기 시스템을 가지며, 이 전기 시스템은 공기와는 다른 분위기를 갖는 공간 내에 존재한다.
전기 시스템은 적어도 하나의 전기 디바이스(device) 또는 복수의 전기 디바이스들을 갖는다. 전기 디바이스들의 예들은 전기 모터들, 전기 발전기들, 전류 컨버터(converter)들, 스위치들, 스위칭(switching) 시스템들, 게이트(gate)들 등이다. 이 유형의 디바이스들은 또한, 예컨대 선박용 에너지 시스템에서 사용된다. 예컨대, 선박용 에너지는, 탄화수소, 이를테면 천연 가스, 또는 원유 등을 포함하는, 매질의 연소로부터, 배터리, 연료 전지로부터 발생한다. 선박(수중 및 수상)에 대해, 많은 경우들에서, (특히) 전기 구성요소들, 다시 말해서, 특히, 전기 디바이스들은 특정한 보호 등급(protection class)을 갖게 구성되어서, 한편으로는 요원에 의한 원치 않는 접촉으로부터 보호되고 다른 한편으로는 결함이 있는 경우에 공동으로 그리고 서로 간에 보호된다. 전기 시스템의 전기 구성요소들 및 디바이스들이 공기와는 다른 분위기를 갖는 공간 내에 배치되면, 개별적인 구성요소들의 보호는 감소될 수 있다. 그러므로, 개별적인 전기 구성요소들의 하우징(housing)은 예컨대 감소된 등급(classification)에 의해서 보다 쉽게 구현될 수 있다. 구성요소가 공기와는 다른 분위기를 갖는 공간 내에 배치되면, 예컨대 개개의 개별적인 구성요소의 별개의 캡슐화(encapsulation)를 생략하는 것이 가능하다. 캡슐화는 어쩌면 더 이상 필요하지 않거나, 또는 이제 단지 부분적인 캡슐화만이 필요할 수 있다. 그러므로, 보호 등급이 또한 감소될 수 있다. 이는 또한, 전기 시스템의 감소된 장착 체적을 가져올 수 있다. 예컨대 아킹(arcing)의 경우에 다른 구성요소 부품들 또는 사람들에 대하여 어떠한 손상도 발생하지 않도록, 이전에 구성요소들은 개별적으로 (부분적으로) 캡슐화되었고(encapsulated) 적절한 보호 등급이 구성요소들에 제공되었다.
안전성을 증가시키기 위하여, 위험 전기 시스템들은 승무원의 숙소(quarter)와 공간적으로 분리될 수 있다.
특수한 분위기를 갖는 공간 내에 전기 구성요소들을, 이를테면 전기 디바이스들을 위치설정하는 것에 의해서, 개별적인 (전기) 구성요소들은 보다 쉽게 그리고 덜 캡슐화된 방식으로 구성될 수 있는데, 그 이유는 예컨대 화재들의 위험이 훨씬 낮거나 또는 배제될 수 있기 때문이다. 예컨대 분위기가 불활성 가스(inert gas)이거나 또는 산소(02)가 분위기로부터 추출된다면, 이것이 달성될 수 있다.
그러므로, 상기 분위기가 배치되는 공간에 의하여, 다수의 구성요소들 또는 위험 구성요소 부품들이 동시에 보호될 수 있다. 산소(02)를 갖는 공기의 공간/시스템 전체의 배기(evacuation)(진공) 및 화재 경보 시스템들이 또한 증가된 안전성을 제공할 수 있다. 이는 또한 상기 공간을 예컨데 오일(oil) 또는 증류수와 같은, 부전도 액체로 채우는 것에 의해서 달성된다.
선박의 일 실시예에서, 상기 공간은 압력 선체(pressure hull)에 의해 형성된다. 중공 바디(hollow body)인 압력 선체를 이용하여 동작 동안 내압과 외압 사이에 압력차가 발생한다. 잠수정들은 압력 선체를 갖는다. 또한 전체 잠수정이 예컨대 상기 분위기로 채워질 수 있다.
선박의 일 실시예에서, 상기 분위기는 저-반응 가스(low-reaction gas) 또는 가스 혼합물이거나 또는 저-반응 가스 또는 가스 혼합물을 갖는다. 무인 수상 운송수단 및 무인 잠수정의 경우, 적어도 동작하지 않는 동안에, 호흡가능한 분위기가 보급되는 것을 보장하기 위한 주의가 취해질 필요가 없다. 그러므로, 이들 운송수단들은, 원치 않는 반응들(연소, 부식,...)을 방지하는 물질로 채워질 수 있다. 이는 예컨대 불활성 가스에 의하여 이루어질 수 있으며, 전체 운송수단은 이 불활성 가스로 채워질 것이거나 또는 채워진다. 그러므로, 운송수단 또는 적어도 전기 시스템을 갖는 공간은 환경과의 반응을 방지하거나 또는 억제하는 물질 또는 분위기로 채워진다. 이는 다양한 가스들(불활성 가스, 희가스(noble gas), 질소, 수소, 천연 가스, CO2,...)에 의하여 이루어질 수 있다. 필요하다면, 이용가능한 공간은 추진제(propellant)를 위해 증가될 수 있고 이로써 바다 상에서의 서비스(service) 수명이 부가적으로 증가될 수 있다. 매우 불활성인 가스들이 불활성 가스들로 지칭된다. 그러므로 이 불활성 가스들은 단지 몇몇의 화학 반응들에만 참여한다. 질소 및 모든 희가스들(헬륨(helium), 네온(neon), 아르곤(argon), 크립톤(krypton), 제논(xenon), 라돈(radon))은 그러한 불활성 가스들에 포함된다.
선박의 일 실시예에서, 상기 분위기는 파워 연료를 갖는다. 파워 연료는 예컨대 천연 가스이다. 그러므로, 불활성 가스에 대안적인 분위기로서, 가스상의 파워 연료 또한 상기 분위기를 형성할 수 있다. 또한 그러한 경우에 소비된 파워 연료는 어떠한 폭발성을 갖는 분위기도 발생하지 아니하도록, 추가적인 가스(예컨대, 보유되는 어큐뮬레이터(accumulator)로부터의 질소)에 의해 대체될 수 있다. 파워 연료로서 가스의 추가적인 예는, 예컨대 연료 전지에서 사용될 수 있는 수소 가스(H2)이다.
선박의 일 실시예에서, 상기 공간은 초과 압력(overpressure)을 갖는다. 상기 초과 압력 때문에, 예컨대, 잠수정의 침수 깊이(immersion depth)가 증가될 수 있다. 예컨대, 운송수단의 설계를 이용하여, 내압이 외압보다 항상 더 높음을 보장하기 위한 주의가 취해질 수 있다. 그러므로, 설계는 압력 실린더(cylinder)들과 유사하게 구성될 수 있다(P 내부 >> P 외부).
선박의 일 실시예에서, 선박은 절반 이상이(predominantly) 또는 완전히 상기 분위기로 플러시된다(flushed). 그러므로 선박의 내부(interior)가 예컨대 산소만을 가진다면, 공기 산소에 의한 폭발 위험은 더 이상 존재하지 않는다. 이 절차는 무인 운송수단들의 사용 동안 특히 적절하다.
선박의 일 실시예에서, 전기 시스템은 전류 컨버터, 전기 모터 및/또는 전류 분배망을 갖는다. 이들 구성요소들 또는 디바이스들은 특히 운송수단의 전기적 구동을 위해 요구되며, 이는 그러므로 고도로 고장-안전(fail-safe) 방식으로 실현될 수 있다.
선박의 일 실시예에서, 선박은 특히 무인인(unmanned) 잠수함이다. 무인 잠수정(UUV; unmanned underwater vehicle)은 예컨대 천연 오일 소스(natural oil source)들에서의 밸브들의 수리를 위해, 파이프라인(pipeline)들의 수리를 위해 또는 광산(mine)들을 청소하기 위해 사용될 수 있다.
본 목적에 대한 하나의 해결책은 또한, 전기 시스템을 갖는 공간이 분위기로 충전되는, 선박을 동작시키기 위한 방법에서 달성된다. 상기 분위기는 특히 불활성 가스 또는 불활성 가스 혼합물을 갖는다.
방법과 관련하여, 특히, 설명된 선박들 중 하나가 사용된다. 여기서, 특히, 상기 공간에서 또는 선박에서, 기압보다 더 큰 압력이 생성된다.
방법의 일 실시예에서, 가스 상의 모터 연료, 이를테면 천연 가스 또는 수소가 분위기로서 완전히 또는 부분적으로 사용된다.
방법의 추가적인 실시예에 따라, 상기 공간 및/또는 선박이 분위기로 충전되기 전에 모든 사람들이 내보내진다(cleared). 이것에 의해서 원격-제어될 수 있거나 또는 자율일 수도 있는, 예컨대 UUV와 같은 무인 선박이 되게 된다.
방법의 일 실시예에서, 압력은 침수 깊이의 함수로써 세팅된다(set). 충전된 분위기의 압력이 더 높아질수록 ―여기서, 상기 공간은 압력 선체에 의해 형성됨―, 최대 침수 깊이가 더 깊어진다.
방법의 일 실시예에서, 압력은 침수 깊이의 함수로써 세팅된다. 압력이 더 높아질수록, 더 많은 파워 연료가 선박에 보유될 수 있어서 상기 선박의 항속거리(range)가 증가될 수 있다. 더 깊은 침수 깊이는 또한, 분위기의 더 높은 압력에 의하여 달성될 수 있다.
본 발명은 예시적인 실시예들을 참조하여 아래에서 예를 통해 설명된다. 도면들은 다음을 도시한다:
도 1은 무인 잠수정(unmanned under water vehicle)이며, 그리고
도 2는 선박으로서 배이다.
도 1에 따른 다이어그램(diagram)은 선박의 예로서 잠수함(1)을 도시한다. 잠수함은 기술 시스템을 갖는다. 구성요소들로서, 기술 시스템은 예컨대 (도 1에 미도시된) 전기 모터, 전류 컨버터, 배터리, 연료 전지 및/또는 전력망(mains supply)를 가지는 전기 시스템(15)이다. 전기 시스템(15)은 공간(8) 내에 배치된다. 전기 시스템(15)은 또한, 잠수함(1)의 타워(tower)(14)의 공간(18) 내에 온전히 또는 부분적으로 배치될 수 있다. 공간(8 또는 18)은 공기와는 다른 분위기(20)를 가지며, 상기 분위기(20)를 3개의 물결 모양의 선들을 이용하여 표시하였다. 상기 분위기(20)는 주로, 저-반응 가스 또는 저-반응 가스 혼합물을 갖거나, 또는 그러한 저-반응 가스 또는 저-반응 가스 혼합물로 구성된다. 공간(8)은 압력 선체(19)에 의해 형성된다. 특수한 분위기(20)에 의하여 전기 시스템(15)의 더 단순하고 더 신뢰성 있는 동작이 가능해진다. 압력 선체(19)는 잠수정(1)의 내부 공간(8)을 주위의 수괴(water mass)들과 분리한다.
도 2에 따른 다이어그램은 선박의 예로서 배(2)를 도시한다. 배(2)는 상부구조들(13)을 갖는다. 배(2)는 프로펠러(propeller)(26)를 통해 구동될 수 있으며, 이 프로펠러(26)는 샤프트(shaft)(27)를 통해 트랜스미션(transmission)(23)에 연결된다. 연료 파이프(pipe)(25)를 통해 연료를 공급받는 내연 기관(24)이 트랜스미션(23)에 연결된다. 트랜스미션(23)은 또한, 샤프트(31)를 통해 전기 기계에, 예를 들어 전기 모터(3)에 연결된다. 프로펠러가 있거나 또는 없거나, 또는 트랜스미션이 있거나 또는 없거나, 또는 예컨대 디젤(diesel) 엔진과 같은 내연 기관(24)이 있거나 또는 없거나, 구동의 유형에 관계없이, 배는 공간(8)을 갖는다. 상기 공간(8)은 측벽들(9 및 10), 천장(11) 및 바닥(12)에 의해 경계지워진다. 상기 공간(8)에는 사람(30)이 접근할 수 있다. 분위기(20), 이를테면, 예컨대 주로, 산소 부분들을 거의 갖지 않거나 또는 산소 부분들을 갖지 않는 저-반응 가스로서 질소가 공간(8)에 배치되면, 공간(8)에서 모든 사람들(30)이 내보내진다. 배(2)의 구동 트레인(train)의 적어도 하나의 부품이 상기 공간(8) 내에 배치된다. 구동 트레인은 전기 모터(3)를 갖는다. 전기 모터(3)는 또한, 예컨대 발전기를 이용하여 동작될 수 있다. 전기 모터(3)는 3-상 전기 연결부(6)를 통해 전류 컨버터(4)에 의해 전력을 공급받는다. 전류 컨버터(4)는 예컨대 2-상 DC 버스(bus)(7)를 통해 자신의 전기 에너지를 받는다. 배터리(5), 연료 전지(22) 및 분배망(21)이 이 2-상 DC 버스(7)에 연결된다. 분배망(21), 연료 전지(22), 배터리(5), DC 버스(7), 전류 컨버터(4) 및/또는 모터(3)는 개별적으로 그리고/또는 결합하여 기술 시스템을 이룬다. 이 기술 시스템은, 산소(02)를 거의 갖지 않거나 또는 산소(02)를 갖지 않는 분위기(20)에 배치된다. 하나의 변형에서, 분위기는 예컨대 모터 연료, 이를테면 천연 가스 또는 수소이다. 천연 가스는 연료 파이프(25)를 통해 내연기관(24)에 파워 연료로서 공급될 수 있다. 대안적으로, 연료 전지(22)에서의 반응 가스로서 수소(H2)가 대체 에너지 저장소로서 사용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 선박(watercraft)(1, 2)으로서,
    상기 선박(1, 2)은 전기 시스템(system)(15)을 가지며, 상기 전기 시스템(15)은 공기와는 다른 조성을 포함하는 분위기(20)를 갖는 공간(8, 18) 내에 배치되고,
    상기 전기 시스템(15)은 상기 선박(1, 2)의 전기적 구동을 위해 요구되는, 전류 컨버터(converter)(4), 전기 모터(motor)(3) 및 전력 분배망(21) 중 하나 이상을 갖고,
    상기 분위기(20)는 상기 선박(1, 2)을 작동시키기 위한 파워 연료를 포함하는,
    선박(1, 2).
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 공간(8, 18)은 압력 선체(pressure hull)(19)에 의해 형성되는,
    선박(1, 2).
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 분위기(20)는 불활성 가스, 희가스(noble gas), 질소, 수소, 천연 가스, 또는 이산화탄소(CO2)를 포함하는 저-반응 가스(low-reaction gas)를 갖는,
    선박(1, 2).
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 공간(8, 18)은. 상기 선박(1, 2)의 내압이 상기 선박(1, 2)의 외압보다 더 커지게 하는, 초과 압력(overpressure)을 갖는,
    선박(1, 2).
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 선박(1, 2)은 절반 이상이 상기 분위기(20)로 플러시되는(flushed),
    선박(1, 2).
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선박(1, 2)은 잠수함(1)인,
    선박(1, 2).
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 잠수함(1) 무인(unmanned)인,
    선박(1, 2).
  8. 선박(1, 2)을 동작시키기 위한 방법으로서,
    상기 선박(1, 2)의 전기적 구동을 위해 요구되는, 전류 컨버터(converter)(4), 전기 모터(motor)(3) 및 전력 분배망(21) 중 하나 이상을 갖는 전기 시스템(15)을 상기 선박의 공간(8, 18) 내에 배치하고
    상기 공간(8, 18)을 공기와는 다른 조성을 포함하는 분위기(20)로 충전하는 것을 포함하고,
    상기 분위기(20)는 상기 선박(1, 2)을 작동시키기 위한 파워 연료를 포함하는,
    선박(1, 2)을 동작시키기 위한 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    기압보다 더 큰 압력이 상기 공간(8, 18) 내에 생성되는,
    선박(1, 2)을 동작시키기 위한 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 분위기(20)는 전기 모터(3)를 작동시키기 위한 모터 연료로서 사용되는,
    선박(1, 2)을 동작시키기 위한 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 분위기(20)로 충전되기 전에, 상기 공간(8, 18)에서 모든 사람들(30)이 내보내지는,
    선박(1, 2)을 동작시키기 위한 방법.
  12. 제9 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력은 침수 깊이(immersion depth)에 따라 달라지는,
    선박(1, 2)을 동작시키기 위한 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
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