KR102329602B1 - 액체공기를 이용한 선박의 운용시스템 및 그 운용장치 - Google Patents

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이호생
임승택
문정현
서종범
강희진
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Abstract

본 발명은 액체공기를 이용하여 선박의 냉동 사용, 압축공기 생산, 발전 및 추진하는 운용시스템으로서, 상기 선박의 일부분에 설치되며 액체공기를 저장하고 상기 운용시스템에 액체공기를 공급하는 액체공기 공급부; 상기 선박의 일부분에 설치되며 상기 액체공기 공급부에 연결되어 상기 액체공기 공급부에서 제공되는 액체공기의 열교환을 통해서 압축공기로 변화시키는 열교환부; 상기 선박의 일부분에 설치되며 상기 열교환부에 연결되어 상기 열교환부로부터 제공되는 압축공기를 이용하여 상기 선박을 추진하고 운용하는 운용부; 및 상기 선박의 일부분에 설치되며 상기 액체공기 공급부, 열교환부 및 운용부에 각각 연결되어 상기 액체공기 공급부, 열교환부 및 운용부의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

액체공기를 이용한 선박의 운용시스템 및 그 운용장치{Vessel Operating System And Its Operating Device Using Liquid Air}
본 발명은 선박을 추진하고 운용하는 시스템 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체공기의 상태변화를 통해서 에너지원을 생성하여 선박을 추진시키고 내부시설들을 운용하는 액체공기를 이용한 선박의 운용시스템 및 그 운용장치에 관한 것이다.
선박용 추진기의 예로 내장형 회전자 워터제트 추진기능 개인용 선박에 사용되는 50 내지 150 마력급의 소형 유니트, 경비정, 고속여객페리선 및 동력요트용으로 사용되는 1000 내지 15000 마력급의 중형 유니트의 형태로 그 사용이 매년 증가되어 왔다. 소형의 경우에는 효율이 낮아도 개인용 선박의 경우에는 외장형 추진기에 비하여 안전성의 관점에서 이를 필요로 하게 된다. 중형 유니트의 경우에는 워터 제트가 비교적 효율적이 되는 순항 시간의 대부분을 고속으로 운행하여야 하는 고속 여객용페리와 같은 선박에 주로 사용된다.
이들 워터제트들은 저속 및 중속 범위에서는 비효율적이며 회전자에 발생하는 공동 손상(Cavitation damage)에 의한 속도 및 동력전달 상의 한계를 갖는 것으로 알려졌다. 그러나, 낮은 흘수(Shallow draft), 수경 소음이 낮은점, 외장형 프로펠러, 축, 및 키-프로펠러 시스템에 비한 저 유지 비용, 보다 일정하고 부드러운 엔진 부하성능, 및 승객석에 인가되는 소음 및 진동의 감소등의 장점들에 의하여 고속 여객용 페리선에서는 점차 선호되는 추진체로 되어 왔다.
공기 부양선(Surface Effect Ship : SES) 또는 종래의 연안 경비정(SECOSTER) 공기 부양선 등과 같은 공기 부양선에 워터제트를 적용하는데에는 많은 문제점들이 있다. 이는 공기 부양선 저면의 공기층이 워터제트의 흡입구로 유입되어 워터제트의 성능을 저하시키기 때문이다. 이러한 비효율성 때문에 표준 워터제트의 경우에는 회전자 또는 임펠러의 하류에 위치한 압력 발생 노즐을 구비한 가압수 시스템으로 구성된다. 물에 의해 반송되거나 또는 물과 혼합되는 공기의 양이 비록 적더라도(특정 실험에서는 5% 또는 그 이하가 임계점으로 밝혀짐), 이는 임펠러 효율을 급격히 저하시키게 된다.
워터제트 유압구가 손상될 수 있는 파고가 높은 수면에서 운항되는 표준시험선체에 대하여도 워터제트에 공기가 유입되는 문제점이 발생된다.
1967~1968년에 프래트 엔드 휘트니 사에서 수행한 3,200 마력급의 워터제트에 대한 시험에서도 공기 유입에 대한 문제는 여전히 존재하였으며 그 심각한 영향을 쉽게 해소할 수 없음이 밝혀졌다. 길이 33.2ｍ(109ft), 승선인원 350명의 38노트인 워터제트 추진식 공기 부양선 여객 페리선(뉴올리언주 소재의 아본데일 인터스트리사 제품) 2종에 대한 시험에서 가메와(Kame Wa)제 쌍발 2,000 마력 워터제트 내로 공기가 유입될때 성능저하가 심하게 발생됨이 입증되었다.
요약하면, 상업적으로 이용가능한 포 워터제트 추진기는 저속 및 중속범위에서 공동현상에 의한 심각한 성능저하 및 거친 수면에서 고속으로 운항할시 유입구에 공기가 유입됨에 따른 회전자의 과속 등의 한계점을 갖는다. 나아가서, 저속 및 중속 범위에서의 이들의 성능은 매우 열악하게 된다.
대한민국 공개특허 특2001-0041029
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 액체공기의 상태를 변화시키면서 발생된 에너지를 이용하여 선박을 추진하고 운용하는 액체공기를 이용한 선박의 운용시스템 및 그 운용장치를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로, 액체공기를 이용하여 선박의 냉동 사용, 압축공기 생산, 발전 및 추진하는 운용시스템으로서, 상기 선박의 일부분에 설치되며 액체공기를 저장하고 상기 운용시스템에 액체공기를 공급하는 액체공기 공급부; 상기 선박의 일부분에 설치되며 상기 액체공기 공급부에 연결되어 상기 액체공기 공급부에서 제공되는 액체공기의 열교환을 통해서 압축공기로 변화시키는 열교환부; 상기 선박의 일부분에 설치되며 상기 열교환부에 연결되어 상기 열교환부로부터 제공되는 압축공기를 이용하여 상기 선박을 추진하고 운용하는 운용부; 및 상기 선박의 일부분에 설치되며 상기 액체공기 공급부, 열교환부 및 운용부에 각각 연결되어 상기 액체공기 공급부, 열교환부 및 운용부의 작동을 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 액체공기 공급부는, 상기 액체공기가 저장되는 공간을 제공하는 액체공기탱크; 및 상기 액체공기탱크를 상기 열교환부와 운용부에 각각 연결되어 상기 액체공기탱크에 저장된 액체공기가 이송되는 유로를 제공하는 연결배관;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 열교환부는, 기체의 냉매가 액체공기와 열교환을 통해 액화되면서 열을 전달하여 액체공기를 압축공기로 변화시키는 응축기; 상기 응축기에 연결되어 상기 응축기를 통해서 액화된 상기 냉매의 증발을 위해 팽창시키는 팽창기; 상기 팽창기에 연결되어 상기 팽창기를 통해서 팽창된 상기 냉매를 액체에서 기체로 기화하며 냉동작용을 하는 증발기; 및 상기 증발기에 연결되어 상기 증발기에서 이송된 상기 냉매의 액화를 위해 압축시키는 압축기;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 운용부는, 상기 열교환부에 연결되어 상기 열교환부에서 제공되는 압축공기를 저장하는 압축공기탱크; 상기 압축공기탱크에 연결되어 상기 압축공기탱크로부터 제공되는 압축공기를 분사하여 선박에 추진력을 제공하는 터빈 추진기; 상기 압축공기탱크로부터 제공되는 압축공기를 이용하여 터빈을 작동시켜서 전력을 생성하는 터빈 발전기; 및 직접 압축공기를 수중에 분사하여 상기 선박을 추진시키는 수중 분사기;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 운용부는, 상기 열교환부로부터 제공되는 압축공기를 이용하여 상기 선박에 별도로 구비된 공압엔진을 작동시키서 상기 선박에 추진력을 제공할 수 있다.
또한, 상기 선박의 일부분에 설치되며 상기 제어부에 연결되어 상기 운용부의 작동을 위한 연료를 제공하는 연료공급부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 액체공기를 이용하여 선박의 냉동 사용, 압축공기 생산, 발전 및 추진하는 운용장치로서, 상기 선박의 일부분에 설치되며 액체공기를 저장하고 상기 운용장치에 액체공기를 공급하는 액체공기 공급유닛; 상기 선박의 일부분에 설치되며 상기 액체공기 공급유닛에 연결되어 상기 액체공기 공급유닛에서 제공되는 액체공기의 열교환을 통해서 압축공기로 변화시키는 열교환 유닛; 상기 선박의 일부분에 설치되며 상기 열교환 유닛에 연결되어 상기 열교환 유닛으로부터 제공되는 압축공기를 이용하여 상기 선박을 추진하고 운용하는 운용유닛; 및 상기 선박의 일부분에 설치되며 상기 액체공기 공급유닛, 열교환 유닛 및 운용유닛에 각각 연결되어 상기 액체공기 공급유닛, 열교환 유닛 및 운용유닛의 작동을 제어하는 컨트롤러;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 액체공기 공급유닛은, 상기 액체공기가 저장되는 공간을 제공하는 액체공기탱크; 및 상기 액체공기탱크를 상기 열교환 유닛과 운용유닛에 각각 연결되어 상기 액체공기탱크에 저장된 액체공기가 이송되는 유로를 제공하는 연결배관;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 열교환 유닛은, 기체의 냉매가 액체공기와 열교환을 통해 액화되면서 열을 전달하여 액체공기를 압축공기로 변화시키는 응축기; 상기 응축기에 연결되어 상기 응축기를 통해서 액화된 상기 냉매의 증발을 위해 팽창시키는 팽창기; 상기 팽창기에 연결되어 상기 팽창기를 통해서 팽창된 상기 냉매를 액체에서 기체로 기화하며 냉동작용을 하는 증발기; 및 상기 증발기에 연결되어 상기 증발기에서 이송된 상기 냉매의 액화를 위해 압축시키는 압축기;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 운용유닛은, 상기 열교환 유닛에 연결되어 상기 열교환 유닛에서 제공되는 압축공기를 저장하는 압축공기탱크; 상기 압축공기탱크에 연결되어 상기 압축공기탱크로부터 제공되는 압축공기를 분사하여 선박에 추진력을 제공하는 터빈추진기; 상기 압축공기탱크로부터 제공되는 압축공기를 이용하여 터빈을 작동시켜서 전력을 생성하는 터빈 발전기; 및 직접 압축공기를 수중에 분사하여 상기 선박을 추진시키는 수중 분사기;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 액체공기를 소형선박에 활용하는 것으로 액체공기를 냉동에 활용하고, 열교환부를 통해서 압축공기를 생산하여 선박의 추진에 사용할 수 있다.
보다 상세하게는, 선박 내에서 고온의 유체인 냉매와 액체공기를 열교환하여 고온의 유체인 냉매에 냉열을 공급, 이를 소형선박 냉동 창고, 냉방, 담수화 등에 활용하고, 고온의 유체인 냉매에서 열을 전달받은 액체공기는 기화되어 압축공기 상태로 저장이 되며, 저장된 압축공기는 액체공기탱크, 열교환부, 압축공기탱크, 터빈 발전기, 터빈 추진기, 수중 분사기 등으로 구성되어 선박의 직접추진 또는 터빈 구동을 통한 전력 생산을 할 수 있다.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 액체공기를 이용한 선박의 운용시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 액체공기를 이용한 선박의 운용시스템의 전체 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 액체공기를 이용한 선박의 운용장치의 전체 구성블록도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 액체공기를 이용한 선박의 운용시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 액체공기를 이용한 선박의 운용시스템의 전체 블록도이다.
도 1내지 도 2에 도시된 바와 같이, 액체공기를 이용하여 선박의 냉동 사용, 압축공기 생산, 발전 및 추진하는 운용시스템으로서, 본 발명은 액체공기 공급부(100), 열교환부(200), 운용부(300) 및 제어부(400)를 포함할 수 있다.
액체공기 공급부(100)는 선박(30)의 일부분에 설치되며 액체공기를 저장하고 운용시스템(10)에 액체공기를 공급할 수 있다.
액체공기(liquid air)란, 공기를 강하게 압축하고, 또 동시에 임계온도(臨界溫度) 이하로 냉각시켜 액체로 만든 것이다. 약간 푸른빛을 띠고 있으며, 상압에서의 끓는점은 －190℃, 비중은 대략 1이다.
보통의 공기가 산소와 질소와 혼합물인 것 같이, 액체공기도 액체산소와 액체질소의 혼합물이므로, 방치해 두면 끓는점이 낮은 질소가 먼저 기체가 되고 액체산소의 농도가 커져 푸른 빛이 짙어지고 비중도 변한다. 공기 중에서는 수증기를 응축시키기 때문에 흰 연기가 난다. 물체를 액체공기 중에 넣으면 －100℃ 이하로 냉각되므로, 액체도 고체가 되고, 또 고체도 탄성을 잃어버리게 된다. 예를 들면, 고무 등은 굳어져 망치로 때리면 부서지고, 또 생선은 단단하게 얼어 떨어뜨리면 깨지게 된다. 현재 액체공기의 가장 큰 공업적 용도는 분류하여 질소를 얻는 것이지만, 동시에 산소도 얻을 수 있다. 각종 비활성기체를 회수하는 데도 이용된다. 또한 액체공기는 유기화합물과 혼합하면 폭발하는 경우가 있으므로 주의해야 한다.
액체공기 공급부(100)는 액체공기탱크(110) 및 연결배관(120)을 포함할 수 있다.
액체공기탱크(110)는 액체공기가 저장되는 공간을 제공할 수 있다.
연결배관(120)은 액체공기탱크(110)를 열교환부(200)와 운용부(300)에 각각 연결되어 액체공기탱크(110)에 저장된 액체공기가 이송되는 유로를 제공할 수 있다. 구체적으로, 연결배관(120)의 일부분에는 압력이나 온도의 계측이 가능한 센서나 액체공기의 유동을 제어하는 자동밸브 등이 별도로 구비되어 제어부(400)의 제어에 의해 액체공기의 유동을 제어할 수 있다.
열교환부(200)는 선박(30)의 일부분에 설치되며 액체공기 공급부(100)에 연결되어 액체공기 공급부(100)에서 제공되는 액체공기의 열교환을 통해서 압축공기로 변화시킬 수 있다.
열교환부(200)는 응축기(210), 팽창기(220), 증발기(230) 및 압축기(240)를 포함할 수 있다.
응축기(210)는 기체의 냉매가 액체공기와 연교환을 통해 액화되면서 열을 전달하여 액체공기를 압축공기로 변화시킬 수 있다.
팽창기(220)는 응축기(210)에 연결되어 응축기(210)를 통해서 액화된 냉매의 증발을 위해 팽창시킬 수 있다.
증발기(230)는 팽창기(220)에 연결되어 팽창기(220)를 통해서 팽창된 냉매를 액체에서 기체로 기화하며 냉동작용을 할 수 있다.
압축기(240)는 증발기(230)에 연결되어 증발기(230)에서 이송된 냉매의 액화를 위해 압축시킬 수 있다.
열교환기(200)는 일종의 냉동 사이클(refrigeration cycle)로서, 냉동 사이클에는 ‘증발→압축→응축→팽창’의 네 가지 행정이 있으며, 냉매(冷媒)는 액체에서 기체로, 기체에서 액체로 상태 변화를 반복하면서 순환하게 된다. 즉, 증발 과정에서는 냉매는 액체에서 기체로 변화하고, 압축 과정에서는 냉매를 상온으로 액화하기 쉬운 상태로 만들며, 응축 과정 중 냉매는 기체에서 액체가 되고, 팽창 과정에서는 냉매액을 증발하기 쉬운 상태로 만들 수 있다.
냉매는 이와 같이 네 가지 작용을 순차적으로 반복하면서 냉동 장치의 시스템 내를 순환하여 열을 온도가 낮은 냉장고에서 온도가 높은 냉각수 또는 냉각 공기로 이동시키는 역할을 한다. 반면 극저온의 액화 공기가 기화 과정에서 열을 흡수하는 원리를 이용하여 냉동창고의 냉각에 활용할 수 있으며, 이후 기화된 액체공기는 상기와 같이 압축공기 상태로 저장 활용 된다.
압축공기(compressed air)는 압력을 가하여 부피를 축소시켜 고압으로 한 공기를 가리킨다. 고압의 공기가 저압으로 될 때의 힘을 이용해서 여러 가지 일을 하게 되는데, 일상생활에서도 많이 사용되고 있다. 지하철, 광산의 갱도, 건축물의 환기용에는 압력 0.1kg/㎠, 제철소의 용광로나 주물공장의 코크스 연소용에는 0.5∼1kg/㎠, 시멘트나 미분탄(微粉炭)과 같은 분체(粉體), 그리고 곡립(穀粒)의 밀폐관내(密閉管內) 수송용에는 0.5∼1kg/㎠, 공기해머나 공기드릴, 리벳해머 등에는 7kg/㎠ 정도, 철도차량의 브레이크용이나 도어 엔진의 작동용에는 7kg/㎠, 디젤기관의 연료분사용에는 50kg/㎠ 정도의 압축공기가 사용된다.
이 밖에 특수한 것으로서, 잠수함의 부침용(浮沈用)에는 100∼150kg/㎠의 압축공기가 사용된다. 압축공기를 사용한 원동기는 인화(引火)하는 일이 없으므로 폭발의 위험성이 있는 탄갱(炭坑) 속이나 화학공장에서 사용된다. 형식에는 증기기관형, 성형(星型) 크랭크회전식, 성형 실린더회전식, 기어형, 회전가동날개형[回轉可動翼型] 등이 있다.
운용부(300)는 선박(30)의 일부분에 설치되며 열교환부(200)에 연결되어 열교환부(200)로부터 제공되는 압축공기를 이용하여 선박(30)을 운항을 추진하고 운용할 수 있다.
운용부(300)는 압축공기탱크(310), 터빈 추진기(320), 터빈 발전기(330) 및 수중 분사기(340)를 포함할 수 있다.
압축공기탱크(310)는 열교환부(200)에 연결되어 열교환부(200)에서 제공되는 압축공기를 저장하는 공간을 제공할 수 있다.
터빈 추진기(320)는 압축공기탱크(310)에 연결되어 압축공기탱크(310)로부터 제공되는 압축공기를 분사하여 선박에 추진력을 제공할 수 있다.
터빈 발전기(330)는 압축공기탱크(310)로부터 제공되는 압축공기를 이용하여 터빈을 작동시켜서 전력을 생성할 수 있다.
수중 분사기(340)는 직접 압축공기를 수중에 분사하여 선박(30)을 추진시킬 수 있다. 구체적으로, 수중 분사기(340)는 압축공기탱크(310)로부터 제공되는 압축공기를 직접 선박(30) 추진을 위한 에너지로 사용할 수 있다.
터빈은 유체 흐름으로부터 에너지를 추출하여 유용한 일로 변환하는 회전식 기계장치이다. 난류, 소용돌이라는 뜻의 라틴어 turbo 가 어원이다. 수증기를 이용하는 증기터빈(steam turbine), 연소가스를 이용하는 가스터빈(gas turbine) 등 작동원리, 구조에 따라 여러 종류가 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 액체공기를 이용한 선박의 운용시스템의 운용부는 열교환부(200)로부터 제공되는 압축공기를 이용하여 선박(30)에 별도로 구비된 공압엔진을 작동시키서 선박(30)에 추진력을 제공할 수 있다. 구체적으로, 공압엔진은 실린더내의 피스톤축 등으로 구성되어 열교환부로부터 제공되는 압축공기를 이용하여 작동되어 선박의 추진을위한 추진력을 제공항 수 있는데, 보다 구체적으로, 실린더 내의 피스톤 축을 양쪽면에 연설하여 흡기구와 흡, 배기구를 통해 냉각된 압축공기가 흡입 또는 배기되어 피스톤에 평형을 이루어주며 피스톤과 실린더의 일측을 통해서 열팽창 압력을 피스톤에 전달하며 피스톤이 후진할시 배기밸브가 열리면서 배기구를 통하여 순환관으로 배출되며 이에 순환관은 냉각관에 의해서 냉각된물과 작용하여 열을 방출하여 물과 열평형에 의해 냉각된 공기를 손실없이 실린더로 공급하므로 4기의 실린더가 크랭크축과 캠에 의해서 연쇄적인 작동이 이루어질 수 있다.
제어부(400)는 선박(30)의 일부분에 설치되며 액체공기 공급부(100), 열교환부(200) 및 운용부(300)에 각각 연결되어 액체공기 공급부(100), 열교환부(200) 및 운용부(300)의 작동을 제어할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 액체공기를 이용한 선박의 운용시스템은 연료공급부(500)를 더 포함할 수 있다.
연료공급부(500)는 선박(30)의 일부분에 설치되며 제어부(400)에 연결되어 운용부(300)의 작동을 위한 연료를 제공할 수 있다.
연료공급부(500)는 선박의 추진력과 운용 연료원으로 쓰이는 압축공기가 소진된 경우를 대비하여 비상용으로 구비되는 비상 추진 운용 방안으로 배터리나 석유연료 등을 이용하여 터빈 추진기(320)나 터빈 발전기(330)를 작동시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 액체공기를 이용한 선박의 운용장치의 전체 구성블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 액체공기를 이용하여 선박의 냉동 사용, 압축공기 생산, 발전 및 추진하는 운용장치로서, 본 발명은 액체공기 공급유닛(610), 열교환 유닛(620), 운용유닛(630) 및 컨트롤러(640)를 포함할 수 있다.
액체공기 공급유닛(610)은 선박(30)의 일부분에 설치되며 액체공기를 저장하고 운용장치(600)에 액체공기를 공급할 수 있다.
액체공기 공급유닛(610)은 액체공기탱크(110) 및 연결배관(120)을 포함할 수 있다.
액체공기탱크(110)는 액체공기가 저장되는 공간을 제공할 수 있다.
연결배관(120)은 액체공기탱크(110)를 열교환 유닛(620)과 운용유닛(630)에 각각 연결되어 액체공기탱크(110)에 저장된 액체공기가 이송되는 유로를 제공할 수 있다.
열교환 유닛(620)은 선박(30)의 일부분에 설치되며 액체공기 공급유닛(610)에 연결되어 액체공기 공급유닛(610)에서 제공되는 액체공기의 열교환을 통해서 압축공기로 변화시킬 수 있다.
열교환 유닛(620)은 응축기(210), 팽창기(220), 증발기(230) 및 압축기(240)를 포함할 수 있다.
응축기(210)는 기체의 냉매가 액체공기와 열교환을 통해 액화되면서 열을 전달하여 액체공기를 압축공기로 변화시킬 수 있다.
팽창기(220)는 응축기(210)에 연결되어 응축기(210)를 통해서 액화된 냉매의 증발을 위해 팽창시킬 수 있다.
증발기(230)는 팽창기(220)에 연결되어 팽창기(220)를 통해서 팽창된 냉매를 액체에서 기체로 기화하며 냉동작용을 할 수 있다.
압축기(240)는 증발기(230)에 연결되어 증발기(230)에서 이송된 냉매의 액화를 위해 압축시킬 수 있다.
운용유닛(630)은 선박(30)의 일부분에 설치되며 열교환 유닛(620)에 연결되어 열교환 유닛(620)으로부터 제공되는 압축공기를 이용하여 선박(30)을 추진하고 운용할 수 있다.
운용유닛(630)은 압축공기탱크(310), 터빈 추진기(320), 터빈 발전기(330) 및 수중 분사기(340)를 포함할 수 있다.
압축공기탱크(310)는 열교환 유닛(620)에 연결되어 열교환 유닛(620)에서 제공되는 압축공기를 저장할 수 있다.
터빈 추진기(320)는 압축공기탱크(310)에 연결되어 압축공기탱크(310)로부터 제공되는 압축공기를 분사하여 선박에 추진력을 제공할 수 있다.
터빈 발전기(330)는 압축공기탱크(310)로부터 제공되는 압축공기를 이용하여 터빈을 작동시켜서 전력을 생성할 수 있다.
수중 분사기(340)는 직접 압축공기를 수중에 분사하여 선박(30)을 추진시킬 수 있다.
컨트롤러(640)는 선박(30)의 일부분에 설치되며 액체공기 공급유닛(610), 열교환 유닛(620) 및 운용유닛(630)에 각각 연결되어 액체공기 공급유닛(610), 열교환 유닛(620) 및 운용유닛(630)의 작동을 제어할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 액체공기를 이용한 선박의 운용장치는 연료공급유닛(미도시)을 더 포함할 수 있다.
연료공급유닛(미도시)은 선박(30)의 일부분에 설치되며 컨트롤러(640)에 연결되어 운용유닛(630)의 작동을 위해 연료를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 제어부(400)나 컨트롤러(640)는 무선통신모듈이 구비되어 외부의 모바일 단말기 등과 와이파이 통신모듈, 블루투스 통신모듈 및 지그비 통신모듈 중에서 어느 하나로 연동되어 외부에서도 작동을 제어하거나 제어 상황을 실시간으로 알아볼 수 있다.
이하, 기타의 구성요소들과 상기 구성요소들의 구체적인 내용은 전술한 운용시스템에서와 동일하여 생략하는 바이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 액체공기를 소형선박(30)에 활용하는 것으로 액체공기를 냉동에 활용하고, 열교환부(200)를 통해서 압축공기를 생산하여 선박의 추진에 사용하고, 보다 상세하게는 선박(30) 내에서 고온의 유체인 냉매와 액체공기를 열교환하여 고온의 유체인 냉매에 냉열을 공급, 이를 소형선박(30)의 냉동 창고, 냉방, 담수화 등에 활용하고, 고온의 유체인 냉매에서 열을 전달받은 액체공기는 기화되어 압축공기 상태로 저장이 되며, 저장된 압축공기는 액체공기탱크(110), 열교환부(200), 압축공기탱크(310), 터빈 발전기(330), 터빈 추진기(320) 등으로 구성되어 소형선박(30)의 직접추진 또는 터빈 구동을 통한 전력발전 및 터빈 추진할 수 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시 예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시 예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.
10 : 운용시스템
30 : 선박
100 : 액체공기 공급부
110 : 액체공기탱크
120 : 연결배관
200 : 열교환부
210 : 응축기
220 : 팽창기
230 : 증발기
240 : 압축기
300 : 운용부
310 : 압축공기탱크
320 : 터빈 추진기
330 : 터빈 발전기
340 : 수중 분사기
400 : 제어부
500 : 연료공급부
600 : 운용장치
610 : 액체공기 공급유닛
620 : 열교환 유닛
630 : 운용유닛
640 : 컨트롤러

Claims (10)

  1. 액체공기를 이용하여 선박의 냉동 사용, 압축공기 생산, 발전 및 추진하는 운용시스템으로서,
    상기 선박의 일부분에 설치되며 액체공기를 저장하고 상기 운용시스템에 액체공기를 공급하는 액체공기 공급부;
    상기 선박의 일부분에 설치되며 상기 액체공기 공급부에 연결되어 상기 액체공기 공급부에서 제공되는 액체공기의 열교환을 통해서 액체공기를 압축공기로 변화시키는 열교환부;
    상기 선박의 일부분에 설치되며 상기 열교환부에 연결되어 상기 열교환부로부터 제공되는 압축공기를 이용하여 상기 선박을 추진하고 운용하는 운용부; 및
    상기 선박의 일부분에 설치되며 상기 액체공기 공급부, 열교환부 및 운용부에 각각 연결되어 상기 액체공기 공급부, 열교환부 및 운용부의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 액체공기 공급부는,
    상기 액체공기가 저장되는 공간을 제공하는 액체공기탱크; 및
    상기 액체공기탱크를 상기 열교환부와 운용부에 각각 연결시켜 상기 액체공기탱크에 저장된 액체공기가 이송되는 유로를 제공하는 연결배관;을 포함하며,
    상기 운용부는,
    상기 열교환부에 연결되어 상기 열교환부에서 제공되는 압축공기를 저장하는 압축공기탱크;
    상기 압축공기탱크에 연결되어 상기 압축공기탱크로부터 제공되는 압축공기를 분사하여 선박에 추진력을 제공하는 터빈 추진기;
    상기 압축공기탱크로부터 제공되는 압축공기를 이용하여 터빈을 작동시켜서 전력을 생성하는 터빈 발전기; 및
    상기 압축공기탱크에 연결되어 상기 압축공기탱크로부터 제공되는 압축공기를 직접 수중에 분사하여 상기 선박을 추진시키는 수중 분사기;를 포함하고,
    상기 선박의 일부분에 설치되며 상기 제어부에 연결되어 상기 운용부의 작동을 위한 연료를 제공하는 연료공급부;를 더 포함하며,
    상기 운용부는,
    상기 열교환부로부터 제공되는 압축공기를 이용하여 상기 선박에 별도로 구비된 공압엔진을 작동시키서 상기 선박에 추진력을 제공하는 것을 특징으로 하는 액체공기를 이용한 선박의 운용시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환부는,
    기체의 냉매가 액체공기와 열교환을 통해 액화되면서 열을 전달하여 액체공기를 압축공기로 변화시키는 응축기;
    상기 응축기에 연결되어 상기 응축기를 통해서 액화된 상기 냉매의 증발을 위해 팽창시키는 팽창기;
    상기 팽창기에 연결되어 상기 팽창기를 통해서 팽창된 상기 냉매를 액체에서 기체로 기화하며 냉동작용을 하는 증발기; 및
    상기 증발기에 연결되어 상기 증발기에서 이송된 상기 냉매의 액화를 위해 압축시키는 압축기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체공기를 이용한 선박의 운용시스템.
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