KR102441415B1 - 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실린더의 독립구동이 가능한 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프는 캠샤프트의 구동력에 의해 직선왕복운동하는 피스톤; 및 피스톤의 동작에 따라 액화가스를 가압, 토출하는 액화가스 압축장치;를 포함하여 이루어지며, 압축대상 액화가스를 흡입밸브로 공급하는 액화가스 공급유로와, 액화가스 공급유로로부터 액화가스를 흡입하고, 피스톤의 압력이 가해지면 흡입된 액화가스를 토출밸브측으로 공급하는 흡입밸브와, 흡입밸브로부터 공급된 액화가스를 가압 상태로 토출하는 토출밸브를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

선박 이중연료엔진의 가스공급펌프{Gas supply pump for dual fuel engine}

본 발명은 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실린더의 독립구동이 가능한 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프에 관한 것이다.

선박에 채용되는 이중연료엔진(dual fuel engine)은 천연가스와 중유를 연료로 이용한다. FGSS(fuel gas supply system)은 이중연료엔진에 액화가스를 공급하는 장치이다. 따라서 고압가스분사방식 이중연료엔진에서는 고압의 가스공급을 위한 FGSS용 고압펌프가 필수적으로 구비되어야 한다.

FGSS용 고압펌프는 일반적으로, 하나의 크랭크축에 복수의 실린더가 구비되고 각각의 실린더에 장착된 커넥팅로드 및 피스톤이 실린더 내에서 왕복 운동하여 고압연료를 압축/토출하는 방식으로 구동된다. 그러나, 이러한 방식의 고압펌프의 경우, 커넥팅로드 및 피스톤이 크랭크축과 구조적으로 연결되어 있어, 실린더에 장착된 커넥팅로드 및 피스톤의 동작을 선택적으로 제어할 수 없다. 이에, 고압펌프의 고장 또는 점검을 대비하기 위해서는 여분의 고압펌프가 설치될 수 밖에 없다.

이와 같이, 구동을 위한 고압펌프 이외에 여분의 고압펌프가 FGSS에 설치되어야 함에 따라, 2대의 고압펌프를 설치하기 위한 공간을 확보해야 할 뿐만 아니라 2대의 고압펌프 설치에 따라 추가적인 비용이 발생된다.

한국공개특허공보 제2018-0093403호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 실린더의 독립구동이 가능한 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프는 캠샤프트의 구동력에 의해 직선왕복운동하는 피스톤; 및 피스톤의 동작에 따라 액화가스를 가압, 토출하는 액화가스 압축장치;를 포함하여 이루어지며, 압축대상 액화가스를 흡입밸브로 공급하는 액화가스 공급유로와, 액화가스 공급유로로부터 액화가스를 흡입하고, 피스톤의 압력이 가해지면 흡입된 액화가스를 토출밸브측으로 공급하는 흡입밸브와, 흡입밸브로부터 공급된 액화가스를 가압 상태로 토출하는 토출밸브를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

액화가스 공급유로의 일단은 가스공급펌프 일측에 구비된 액화가스 공급구와 연결되고, 다른 일단은 흡입밸브 일측에 구비된 액화가스 흡입구와 연결되며, 압축대상인 액화가스는 액화가스 공급구 및 액화가스 공급유로를 거쳐 액화가스 흡입구를 통해 흡입밸브 내부공간으로 공급된다.

흡입밸브의 둘레에 액화가스 흡입구를 선택적으로 개폐하는 개폐부재가 구비되며, 개폐부재는 흡입밸브의 하단측 둘레에 구비된 스프링부재에 연결되어 스프링부재의 압축, 복원에 따라 직선왕복운동이 가능하며, 스프링부재의 압축에 의해 개폐부재가 압축방향으로 이동되면 액화가스 흡입구가 개방되며, 스프링부재의 복원에 따라 개폐부재가 복원방향으로 이동되면 액화가스 흡입구가 차단되며, 개폐부재가 액화가스 흡입구를 차단한 상태에서, 액화가스 공급유로를 통해 액화가스가 공급되면 액화가스의 공급압력에 의해 개폐부재가 스프링부재의 압축방향으로 이동되어 액화가스 흡입구가 개방되며, 이에 따라 액화가스가 흡입밸브 내부공간으로 공급된다.

상기 토출밸브는 토출챔버 내에 위치하며, 토출밸브의 하단측에 스프링부재가 구비되어 스프링부재의 압축, 복원에 따라 토출밸브의 직선왕복운동이 가능하게 되며, 상기 토출챔버 상단측 둘레에 일정 공간의 보조챔버가 구비되고, 보조챔버와 토출밸브 사이에 토출유입관이 구비되며, 흡입밸브로부터 배출된 액화가스는 보조챔버 및 토출유입관을 순차적으로 거쳐 토출밸브로 공급된다.

토출밸브는 스프링부재의 복원시 흡입밸브 배출관을 차단하는 형태로 위치하며, 토출밸브가 스프링부재의 압축방향으로 이동하면 토출챔버의 상단측에는 공간이 형성됨과 함께 흡입밸브 배출관이 개방되며, 토출밸브의 이동으로 인해 토출챔버 상단측에 공간이 형성되면 토출챔버 상단측 공간은 흡입밸브 배출관과 공간적으로 연결됨과 함께 보조챔버와 연결되며, 흡입밸브 배출관을 통해 배출되는 액화가스는 토출챔버 상단측 공간을 통해 보조챔버 및 토출유입관을 거쳐 토출챔버 내부공간으로 공급된다.

흡입밸브를 통해 액화가스가 배출되는 경우에서, 피스톤의 작용압력이 액화가스 공급유로로 공급되는 액화가스의 공급압력보다 커 액화가스 흡입구는 개폐부재에 의해 차단된다.

회전 구동이 가능한 캠샤프트; 캠샤프트의 길이 방향을 따라 일정 간격을 두고 구비되며, 캠샤프트의 중심으로부터 편심된 형태를 갖는 복수의 캠노즈; 각각의 캠노즈에 밀착하여 구비되는 캠롤러; 캠롤러의 일측에 이웃하는 구비되어 캠샤프트의 구동력을 피스톤에 전달하는 드라이브축;을 더 포함하여 이루어지며, 캠샤프트의 회전시, 캠노즈가 피스톤의 압축 방향으로 이동되면 피스톤이 압축되며, 캠노즈가 피스톤의 압축해제 방향으로 이동되면 피스톤의 압축이 해제되며, 상기 캠롤러는 캠노즈로부터 선택적으로 이격이 가능하며, 캠롤러와 캠노즈의 이격시 캠노즈의 회전구동력은 피스톤에 전달되지 않는다.

하나의 캠샤프트에 복수의 드라이브축이 직교하는 방향으로 나란히 배열되며, 캠샤프트의 캠노즈와 드라이브축 사이에 캠롤러가 구비된다.

캠노즈의 회전중심은 캠샤프트의 회전중심과 동일하고, 캠노즈의 반경은 캠샤프트의 반경보다 작으며, 캠샤프트의 회전시 캠노즈에 밀착된 캠롤러는 일정 거리 내에서 직선왕복운동한다.

캠샤프트의 회전에 의해 캠노즈가 수직방향 기준으로 90도 각도에 위치한 경우 캠롤러는 피스톤의 압축 방향으로 이동되며, 캠샤프트의 회전에 의해 캠노즈가 270도 각도에 위치하는 경우 캠롤러는 피스톤의 압축해제 방향으로 이동된다.

캠롤러 및 드라이브축을 일체형으로 연결하는 일체형 연결부재가 더 구비되며, 상기 일체형 연결부재의 일단측에 캠롤러가 안착되고, 다른 일단측에 드라이브축이 장착되며, 드라이브축을 감싸는 형태로 구비되는 압축스프링이 일체형 연결부재의 내측에 고정되며, 캠샤프트의 회전시 캠노즈에 밀착된 캠롤러 및 드라이브축과 일체형 연결부재가 함께 직선왕복운동한다.

본 발명에 따른 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프는 다음과 같은 효과가 있다.

고압펌프에 구비된 각각의 실린더에 대해 독립적인 구동제어가 가능하다. 이에 따라, 특정 실린더의 고장 또는 점검이 요구되는 경우에 대비하여 추가 펌프를 설치할 필요가 없다.

또한, 캠샤프트의 회전운동에 따른 관성모멘트가 드라이브축 및 피스톤에 미치는 영향을 최소화할 수 있으며, 흡입밸브 및 토출밸브로 구성되는 액화가스 압축장치를 통해 액화가스를 효과적으로 압축함과 함께 액화가스의 역류를 방지할 수 있다.

이와 함께, 피스톤이 이동하는 영역에서의 최적 씰링 구조를 통해 액화가스 유입으로 인한 캐비테이션 발생을 방지함과 함께 실린더 내부공간의 과열을 효과적으로 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프의 사시도.
도 2는 도 1의 A-A`선에 따른 단면도.
도 3a 및 도 3b는 캠노즈 위치에 따른 캠롤러의 직선왕복이동을 설명하기 위한 참고도.
도 4는 드라이브축과 피스톤의 결합부위를 나타낸 참고도.
도 5는 드라이브축과 피스톤의 결합부위를 나타낸 사시도.
도 6은 액화가스 압축장치의 구성도.
도 7은 액화가스 압축장치의 사시도.
도 8은 흡입밸브의 개폐부재가 개방된 상태를 나타낸 참고도.
도 9a 및 도 9b는 토출밸브의 동작을 설명하기 위한 참고도.
도 10은 실린더측 실링 구조 및 로드측 실링 구조를 나타낸 참고도.
도 11은 실린더측 실링 구조의 사시도.
도 12는 로드측 실링 구조의 사시도.
도 13 및 도 14는 제 1 실시예의 컷오프볼트를 이용한 캠롤러와 캠노즈의 이격을 설명하기 위한 참고도.
도 15 및 도 16는 제 2 실시예의 컷오프핀을 이용한 캠롤러와 캠노즈의 이격을 설명하기 위한 참고도.
도 17a 내지 도 17c는 제 2 실시예에 따른 캠롤러와 캠노즈의 이격 동작을 나타낸 참고도.
도 18은 제 3 실시예의 랙-피니언을 이용한 캠롤러와 캠노즈의 이격을 설명하기 위한 참고도.

본 발명은 각 실린더의 독립구동이 가능한 고압펌프에 관한 기술을 제시한다. 본 발명에 따른 고압펌프는 이중연료엔진에 고압가스를 공급하는 역할하며, 이중연료엔진에 고압가스를 공급하는 FGSS(fuel gas supply system)에 채용될 수 있다.

고압펌프는 복수의 실린더를 구비하며, 각각의 실린더를 통해 고압가스를 분사한다. 각각의 실린더는 고장 또는 점검을 대비해야 하는데, 특정 실린더가 고장되는 경우 또는 특정 실린더의 점검이 필요한 경우 해당 실린더에 대해서만 조치하고 나머지 실린더는 정상 구동되도록 하는 것이 효율적일 것이다. 그러나, 앞서 '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 바와 같이 종래 기술에 따른 고압펌프의 경우, 하나의 크랭크축에 복수의 실린더가 구비되고 각각의 실린더에 커넥팅로드 및 피스톤이 장착되는 구조임에 따라, 각각의 실린더에 대한 독립적인 구동제어가 가능하지 않다.

본 발명은 고압펌프에 구비된 각각의 실린더에 대해 독립적인 구동제어가 가능한 기술을 제시한다. 세부적으로, 본 발명은 캠샤프트에 복수의 실린더를 구비시키고, 각각의 실린더의 구동을 선택적으로 제어할 수 있는 기술을 제시한다.

이와 함께, 본 발명은 캠샤프트의 관성모멘트가 드라이브축 및 피스톤에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 드라이브축과 피스톤의 최적 결합구조를 제시한다. 또한, 본 발명은 흡입밸브 및 토출밸브로 구성되는 액화가스 압축장치를 통해 액화가스를 효과적으로 압축함과 함께 액화가스의 역류를 방지할 수 있는 기술을 제시한다. 아울러, 본 발명은 피스톤이 이동하는 영역에서의 최적 씰링 구조를 통해, 액화가스 유입으로 인한 캐비테이션 발생을 방지함과 함께 실린더 내부공간의 과열을 효과적으로 억제할 수 있는 기술을 제시한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프를 상세히 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프는 캠샤프트, 캠롤러(30), 드라이브축(40), 피스톤(50) 및 액화가스 압축장치를 포함하여 이루어진다.

캠샤프트(10)의 회전운동이 드라이브축(40) 및 피스톤(50)의 직선왕복운동을 유도하고, 피스톤(50)의 직선왕복운동에 따른 압력이 액화가스 압축장치에 인가되어 액화가스 압축장치에 의해 액화가스가 고압으로 토출되는 방식이다.

상기 캠샤프트(10)는 구동수단의 동력에 의해 회전되며, 상기 캠샤프트(10)에는 캠샤프트(10)의 길이 방향을 따라 일정 간격을 두고 복수의 캠노즈(20)(cam nose)가 구비된다. 각각의 캠노즈(20)마다 드라이브축(40)이 배치되고, 드라이브축(40)은 캠샤프트(10)의 길이방향에 직교하는 형태로 구비된다. 캠노즈(20)와 드라이브축(40) 사이에는 캠롤러(30)가 구비된다. 따라서, 하나의 캠샤프트(10)에 복수의 드라이브축(40)이 직교하는 방향으로 나란히 배열되며, 캠샤프트(10)의 캠노즈(20)와 드라이브축(40) 사이에 캠롤러(30)가 구비되는 형태를 이룬다.

캠샤프트(10)의 회전운동은 드라이브축(40)의 직선왕복운동을 유도하는데, 이는 캠샤프트(10)의 캠노즈(20)에 의해 가능하게 된다.

캠노즈(20)의 회전중심은 캠샤프트(10)의 회전중심과 동일하고, 캠노즈(20)의 반경은 캠샤프트(10)의 반경보다 작다.

각각의 캠노즈(20) 일측에는 캠노즈(20)에 밀착하는 형태로 캠롤러(30)가 구비된다. 캠노즈(20)의 중심이 캠샤프트의 중심으로부터 편심되어 있음과 함께 캠노즈(20)의 반경이 캠샤프트(10)의 반경보다 작음으로 인해, 캠샤프트(10)가 회전하게 되면 캠노즈(20) 일측에 구비된 캠롤러(30)는 일정 거리 내에서 직선왕복운동하게 된다.

또한, 캠롤러(30)의 일측에는 드라이브축(40) 및 피스톤(50)이 이웃하여 연결되는 바, 캠롤러(30)의 직선왕복운동시 드라이브축(40) 및 피스톤(50) 역시 함께 직선왕복운동한다.

구체적으로, 도 3a에 도시된 바와 같이 캠샤프트(10)의 회전에 의해 캠노즈(20)가 수직방향 기준으로 90도 각도에 위치한 경우 캠롤러(30)는 피스톤(50)의 압축 방향으로 이동되며, 도 3b에 도시된 바와 같이 캠샤프트(10)의 회전에 의해 캠노즈(20)가 270도 각도에 위치하는 경우에는 캠롤러(30)는 피스톤(50)의 압축해제 방향으로 이동된다. 이와 같이, 캠샤프트(10)의 회전시 캠롤러(30)는 일정 거리 내에서 직선왕복운동하며, 캠롤러(30)가 직선왕복운동하는 거리는 캠노즈(20)가 90도 각도에 위치한 경우와 캠노즈(20)가 270도 각도에 위치한 경우의 사이에 해당된다. 여기서, 캠노즈(20)가 270도 각도에 위치하는 경우에서 캠롤러(30)가 피스톤(50)의 압축해제 방향으로 이동하는 것은 후술하는 압축스프링(120)에 의해 가능하게 된다. 또한, 본 명세서에서 피스톤(50)의 압축 방향이라 함은 피스톤(50)이 실린더(80) 내부로 이동하는 방향을 의미하며, 피스톤(50)의 압축해제 방향이라 함은 피스톤(50)이 실린더(80) 외부로 이동하는 방향을 의미한다.

캠롤러(30)의 일단측에는 드라이브축(40)이 구비되며, 드라이브축(40)의 둘레 상에는 압축스프링(120)이 구비된다. 캠롤러(30)가 피스톤(50)의 압축 방향으로 이동하는 경우 압축스프링(120)이 압축되며, 캠롤러(30)가 피스톤(50)의 압축 해제 방향으로 이동하는 경우 압축스프링(120)은 원래 상태로 복원된다.

상기 캠롤러(30) 및 드라이브축(40)은 일체형 연결부재(110)에 의해 일체형으로 연결되며, 압축스프링(120)의 일단부는 일체형 연결부재(110)에 고정된다. 구체적으로, 일체형 연결부재(110)는 중공 형태를 이루는데, 일체형 연결부재(110)의 일단측에는 캠롤러(30)가 안착되고 다른 일단측에는 드라이브축(40)이 장착되며, 드라이브축(40)을 감싸는 형태로 구비되는 압축스프링(120)이 일체형 연결부재(110)의 내측에 고정된다.

이와 같이, 캠롤러(30), 드라이브축(40) 및 일체형 연결부재(110)가 일체형으로 연결되는 구조임에 따라, 캠샤프트(10)의 회전시 캠노즈(20)에 밀착되어 있는 캠롤러(30) 뿐만 아니라 드라이브축(40) 및 일체형 연결부재(110)도 함께 직선왕복운동하게 되며, 이들의 이동에 따라 압축스프링(120)이 압축되거나 원래 상태로 복원된다.

한편, 일체형 연결부재(110)의 외측에는 캠롤러-드라이브축 케이스(130)가 구비된다. 캠롤러-드라이브축 케이스(130)는 일체형 연결부재(110) 및 압축스프링(120)을 외부 환경으로부터 보호함과 함께 일체형 연결부재(110) 및 압축스프링(120)의 이동을 가이드하는 역할을 한다.

드라이브축(40)과 피스톤(50)은 다음과 같은 구성으로 결합된다.

피스톤(50)은 실린더(80) 내에서 직선왕복운동을 하도록 설계된 장치임에 따라, 피스톤(50)에 인가되는 힘의 방향은 피스톤(50)의 직선왕복운동과 정확히 일치해야 한다. 피스톤(50)에 인가되는 힘의 방향이 피스톤(50)의 직선왕복운동 방향과 일치하지 않는다면 이는 피스톤(50)에 인가되는 힘이 일부 손실됨을 의미하며, 나아가 피스톤(50)의 직선왕복운동을 방해함을 의미한다.

한편, 피스톤(50)에 인가되는 힘은 드라이브축(40)의 직선왕복운동이고, 드라이브축(40)의 직선왕복운동은 캠샤프트(10)의 회전운동에 의해 유도된다. 그런데, 캠샤프트(10)의 회전운동이 드라이브축(40)의 직선왕복운동으로 변환되는 과정에서 캠샤프트(10)의 관성모멘트가 드라이브축(40)에 작용하여 드라이브축(40)의 직선왕복운동을 방해할 수 있다. 관성모멘트는 캠/롤러에서 회전왕복운동에 따른 회전관성을 의미하며, 이러한 회전관성이 피스톤 왕복운동에 영향을 주지 않기 위해 후술하는 바와 같이 관성모멘트 완충부재(230)가 구비된다.

본 발명에 따른 드라이브축(40)과 피스톤(50)의 결합구조는 상술한 캠샤프트(10)의 관성모멘트 작용을 고려하여 설계된 것이다. 즉, 캠샤프트(10)의 관성모멘트가 드라이브축(40)에 미치는 영향이 최소화될 수 있도록 드라이브축(40)과 피스톤(50)이 최적의 결합구조를 갖는다.

구체적으로, 도 4 및 도 5를 참조하면, 드라이브축(40)의 일단측에 일정 공간을 제공하는 제 1 안착부(210)와 제 2 안착부(220)가 구비된다. 제 1 안착부(210)는 드라이브축(40)의 내측방향에 위치하고, 제 2 안착부(220)는 드라이브축(40)의 외측방향을 향해 구비된다. 제 2 안착부(220)의 직경은 제 1 안착부(210)의 직경보다 크며, 제 1 안착부(210)의 직경은 피스톤(50)의 직경에 대응된다.

상기 제 1 안착부(210)에 관성모멘트 완충부재(230)가 구비된다. 관성모멘트 완충부재(230)의 노출된 일면은 피스톤(50)과 밀착된다. 또한, 피스톤(50)과 밀착되는 관성모멘트 완충부재(230)의 일면은 곡률 반경이 큰 완만한 볼록면 형태를 이룬다.

피스톤(50)과 밀착되는 관성모멘트 완충부재(230)의 일면을 곡률 반경이 큰 완만한 볼록면 형태로 설계하는 이유는, 드라이브축(40)에 캠샤프트(10)의 관성모멘트가 인가되는 경우 드라이브축(40)에 인가된 관성모멘트가 피스톤(50)에 작용되는 것을 최소화하기 위함이다. 드라이브축(40)에 인가된 관성모멘트는 관성모멘트 완충부재(230)의 볼록면에 의해 분산되어 피스톤(50)에 인가됨에 따라 피스톤(50)에 인가되는 관성모멘트는 최소화된다.

제 2 안착부(220)와 피스톤(50) 사이의 공간에는 스토퍼(240)가 채워진다. 상기 스토퍼(240)는 피스톤(50) 및 제 2 안착부(220)의 내경에 밀착 구비되어 피스톤(50)이 회전되는 것을 방지하는 역할을 한다.

또한, 드라이브축(40)과 피스톤(50)의 결합부위에는 해당 결합부위를 보호하기 위한 클램프(250)가 구비될 수 있다. 즉, 두 편의 클램프(250) 부재를 볼트 등으로 체결하여 드라이브축(40)과 피스톤(50)의 결합부위를 외부 환경으로부터 보호할 수 있다.

상기 피스톤(50)은 실린더(80) 내에서 직선왕복운동을 하며, 피스톤(50)의 직선왕복운동에 따라 액화가스 압축장치에 압력이 인가된다. 상기 액화가스 압축장치는 피스톤(50)에 의해 인가되는 압력을 이용하여 액화가스를 고압 상태로 토출시키는 장치이다.

상기 액화가스 압축장치는 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이 액화가스 공급유로(320), 흡입밸브(60), 토출밸브(70)를 포함하여 구성된다.

액화가스 공급유로(320)는 액화가스를 흡입밸브(60)로 공급하는 유로이다. 액화가스 공급유로(320)의 일단은 가스공급펌프 일측에 구비된 액화가스 공급구(310)와 연결되고, 다른 일단은 흡입밸브(60) 일측에 구비된 액화가스 흡입구(62)와 연결된다. 압축대상인 액화가스는 액화가스 공급구(310) 및 액화가스 공급유로(320)를 거쳐 액화가스 흡입구(62)를 통해 흡입밸브(60) 내부공간으로 공급된다. 흡입밸브(60)에 연결되는 액화가스 공급유로(320)는 흡입밸브(60)를 감싸고 있는 흡입밸브(60) 하우징에 형성된다.

흡입밸브(60)의 둘레에는 액화가스 흡입구(62)를 선택적으로 개폐하는 개폐부재(61)가 구비된다. 개폐부재(61)는 흡입밸브(60)의 하단측 둘레에 구비된 스프링부재(63)에 연결되어 스프링부재(63)의 압축, 복원에 따라 직선왕복운동이 가능하다. 스프링부재(63)의 압축에 의해 개폐부재(61)가 압축방향으로 이동되면 액화가스 흡입구(62)가 개방되며, 스프링부재(63)의 복원에 따라 개폐부재(61)가 복원방향으로 이동되면 액화가스 흡입구(62)가 차단되는 방식이다. 스프링부재(63)의 압축, 복원은 개폐부재(61)에 작용하는 힘에 따라 진행된다.

개폐부재(61)가 액화가스 흡입구(62)를 차단한 상태에서, 액화가스 공급유로(320)를 통해 액화가스가 공급되면 피스톤(50)이 후퇴하면서 흡입밸브(60) 내부공간의 압력이 액화가스의 공급압력보다 작아지게 되어 개폐부재(61)가 스프링부재(63)의 압축방향으로 이동되고 그에 따라 액화가스 흡입구(62)가 개방되며, 액화가스가 흡입밸브(60) 내부공간으로 공급된다. 이와 같은 방식으로 액화가스 공급유로(320)로부터 흡입밸브(60)로의 액화가스 공급이 이루어진다.

흡입밸브(60)의 액화가스는 토출밸브(70)를 통해 고압 상태로 토출되는데, 흡입밸브(60)의 액화가스는 흡입밸브 배출관(60a)을 통해 토출밸브(70)로 공급된다.

토출밸브(70)는 토출챔버(71) 내에 위치한다. 토출밸브(70)는 토출챔버(71) 내에서 압력 인가에 따라 일정 거리 직선왕복운동한다. 또한, 토출밸브(70)의 하단측에는 흡입밸브(60)와 마찬가지로 스프링부재(75)가 구비되는데, 스프링부재(75)의 압축, 복원에 따라 토출밸브(70)의 직선왕복운동이 가능하게 된다. 스프링부재(75)의 압축, 복원은 토출밸브(70)에 작용하는 힘에 따라 결정되며, 토출밸브(70)에 작용하는 힘은 피스톤(50)의 압력에 의해 흡입밸브(60)로부터 배출되는 액화가스의 압력이다.

토출밸브(70)는 스프링부재(75)의 복원시 흡입밸브 배출관(60a)을 차단하는 형태로 위치한다. 토출밸브(70)가 스프링부재(75)의 압축방향으로 이동하면 토출챔버(71)의 상단측에는 공간이 형성됨과 함께 흡입밸브 배출관(60a)이 개방된다. 또한, 토출챔버(71)의 상단측 둘레에는 일정 공간의 보조챔버(72)가 구비되는데, 보조챔버(72)는 토출챔버(71)의 상단측에 형성된 공간과 연결됨과 함께 토출밸브(70) 일측에 구비된 토출유입관(73)과도 연결된다.

즉, 토출밸브(70)의 이동으로 인해 토출챔버(71) 상단측에 공간이 형성되면 해당 공간은 흡입밸브 배출관(60a)과 공간적으로 연결됨과 함께 보조챔버(72)와 연결된다. 또한, 보조챔버(72)가 토출유입관(73)과 연결되는 구조임에 따라, 흡입밸브 배출관(60a)을 통해 배출되는 액화가스는 토출챔버 상단측 공간(74)을 통해 보조챔버(72)를 거쳐 토출챔버(71) 내부공간으로 공급된다.

흡입밸브(60)에 액화가스가 채워진 상태에서(도 9a 참조), 흡입밸브(60)에 피스톤(50)의 압력이 작용하면 흡입밸브(60)의 액화가스가 흡입밸브 배출관(60a)을 통해 배출되는데, 이 때 흡입밸브 배출관(60a)을 통해 배출되는 액화가스의 압력이 토출밸브(70)에 인가된다. 토출밸브(70)에 압력이 인가됨에 따라 토출밸브(70)가 스프링부재(75)의 압축방향으로 이동하게 되고 그에 따라, 토출챔버(71) 상단측에 공간(74)이 형성되며, 흡입밸브 배출관(60a)을 통해 배출되는 액화가스는 토출챔버(71) 상단측의 공간(74)을 거쳐 보조챔버(72)로 이동된다(도 9b 참조). 보조챔버(72)가 토출흡입관과 연결되는 구조임에 따라, 보조챔버(72) 내의 액화가스는 토출흡입관 내부공간으로 공급되고, 최종적으로 가압된 상태의 액화가스가 토출밸브(70)를 통해 외부로 배출된다.

피스톤(50)의 압축해제 방향으로의 이동으로 인해 흡입밸브(60)의 액화가스가 흡입밸브 배출관(60a)을 통해 배출되지 않으면, 토출챔버(71)는 스프링부재(75)의 복원에 의해 원래 상태로 이동되어 토출챔버(71) 상단측의 공간(74)을 사라짐과 함께 토출챔버(71)가 흡입밸브 배출관(60a)을 차단하게 된다.

흡입밸브 배출관(60a)으로부터 배출되는 액화가스가 토출챔버(71) 상단측의 공간(74) 및 보조챔버(72)를 거쳐 토출밸브(70)로 공급되는 구조임에 따라, 토출밸브(70) 후단측의 액화가스가 역류하더라도 보조챔버(72) 및 토출챔버(71) 상단측의 공간(74)에 의해 흡입밸브(60)쪽으로의 역류가 방지된다.

상술한 바에 있어서, 흡입밸브 배출관(60a)을 통해 액화가스가 배출되는 경우에서, 피스톤(50)의 작용압력이 액화가스 공급유로(320)로 공급되는 액화가스의 공급압력보다 월등히 큼에 따라, 액화가스 흡입구(62)는 개폐부재(61)에 의해 차단된다.

이상 설명한 바와 같이, 실린더(80) 내에서 직선왕복운동하는 피스톤(50)의 압력이 액화가스 압력장치에 인가되어 액화가스 압력장치의 흡입밸브(60) 및 토출밸브(70)를 통해 액화가스가 고압 상태로 토출된다.

한편, 액화가스 압력장치에 의해 액화가스가 가압되어 토출되는 과정에서, 액화가스 압력장치의 액화가스가 피스톤(50)과 실린더(80) 사이의 미세한 틈을 통해 실린더(80) 내부공간으로 유입될 수 있다. 이러한 액화가스 유입을 씰링을 통해 차단을 하면 액화가스의 누설 없이 토출이 되어 펌프 효율이 증가한다. 그러나 씰링을 통해 액화가스 유입을 차단할 경우, 실린더(80) 내부공간으로 유입된 액화가스는 피스톤(50)의 직선왕복운동 과정에서 마찰열로 인한 캐비테이션(cavitation)의 형성을 유도하여 피스톤(50), 실린더(80) 및 드라이브축(40)등에 기계적 손상을 야기할 수 있다.

따라서, 실린더(80) 내부공간의 액화가스 유입을 완벽히 차단하거나 일부 허용하는 것 모두 장단점이 있다.

본 발명은 액화가스의 유입을 차단 또는 허용하는 피스톤(50) 씰링(sealing) 구조를 통해, 펌프의 효율을 증가시킬 수 있는 방안과 액화가스 유입으로 인한 캐비테이션 발생을 방지할 수 있는 방안을 제시한다.

피스톤(50) 씰링 구조는 크게 실린더측과 로드측으로 구분된다. 실린더측 씰링 구조는 실린더에 장입되는 피스톤(50)에 구비된 씰링 구조이며, 로드측 씰링 구조는 실린더(80)에 장입되지 않는 피스톤부 즉, 로드(rod)에 구비된 씰링 구조이다.

본 발명은 실린더측 씰링 구조는 액화가스 유입을 일정 부분 허용하도록 설계하고, 로드측 씰링 구조는 액화가스 및 기타물질의 유입을 방지하는 형태로 설계한다. 아울러, 본 발명은 실린더측 씰링 구조 및 로드측 씰링 구조 모두에 대해 액화가스 및 기타물질의 유입을 방지하는 구성을 제시한다.

실린더측 씰링 구조의 경우, 도 10 및 도 11a에 도시한 바와 같이 실린더(80)에 장입되는 피스톤부의 둘레에 공간적으로 연결되는 스프링부재 안착홈(51a)과 가이드링 안착홈(51b)이 구비된다. 스프링부재 안착홈(51a)과 가이드링 안착홈(51b)은 다단 형태를 이루며, 가이드링 안착홈(51b)의 폭이 스프링부재 안착홈(51a)의 폭보다 넓게 설계된다. 스프링부재 안착홈(51a)에는 중공 형상을 띠어 탄성을 갖는 스프링부재(410)가 장착되며, 스프링부재 안착홈(51a)에 이웃하는 가이드링 안착홈(51b) 내에는 띠 형태의 판상 가이드링(420)이 장착된다. 스프링부재 안착홈(51a)에 안착되는 스프링부재(410)의 폭은 가이드링 안착홈에 안착되는 가이드링(420)의 폭보다 좁다.

가이드링(420)은 피스톤의 실린더 내에서의 왕복운동시 피스톤(50)의 이동을 가이드하는 역할을 하며, 가이드링(420)과 접하여 스프링부재 안착홈(51a)에 안착되는 스프링부재(410)는 피스톤(50)의 이동시 가이드링에 인가되는 힘을 완충하는 역할을 한다. 스프링부재(410)가 구비됨에 따라 가이드링(420)의 위치가 일정하게 유지될 수 있어 피스톤(50)의 이동을 안정적으로 가이드할 수 있다.

상기 가이드링(420)과 스프링부재(410)의 조합은 피스톤부의 길이 방향을 따라 일정 간격을 두고 반복 배치된다. 일 실시예로, 가이드링(420)과 스프링부재(410)의 조합을 5번 반복 배치할 수 있다.

상술한 바와 같은 가이드링(420)과 스프링부재(410)로 구성되는 실린더측 씰링 구조는 액화가스 유입을 일정 부분 허용하도록 설계이며, 이러한 설계는 실린더(80) 내부공간의 과열을 효과적으로 억제하기 위한 구성이다.

실린더측 씰링 구조를 상술한 바와 같이 액화가스 유입을 허용하는 구조로 설계하는 것 외에 액화가스 유입을 허용하지 않는 구조로 설계하는 것도 가능하다. 액화가스 유입을 허용하지 않는 실린더측 씰링 구조는 씰링의 본래 목적에 충실한 구조라 할 수 있다.

액화가스 유입을 허용하지 않는 실린더측 씰링 구조는 세부적으로, 도 11b에 도시한 바와 같이 가이드링(420)과 피스톤씰(430)의 조합으로 구성된다. 구체적으로, 피스톤부의 둘레를 따라 가이드링 안착홈이 구비되고, 해당 가이드링 안착홈 내에 띠 형태의 판상 가이드링(420)이 장착된다. 또한, 가이드링 안착홈으로부터 피스톤부의 길이 방향으로 이격된 위치의 피스톤부 둘레에는 피스톤씰 안착홈이 구비되며, 해당 피스톤씰 안착홈 내에는 피스톤씰(430)이 장착된다.

가이드링(420)은 피스톤씰(430)의 좌우에 배치되는 구조를 이루며, 가이드링(420)은 피스톤(50)의 이동을 가이드하는 역할을 하며, 피스톤씰(430)은 액화가스의 유입을 억제하는 역할을 한다.

상기 피스톤씰(430)은 세부적으로 다음과 같이 구성된다. 피스톤씰(430)은 밀착부재(431), 스프링부재(432) 및 스토퍼(433)로 구성된다. 밀착부재(431), 스프링부재(432) 및 스토퍼(433)는 피스톤(50)의 둘레를 감싸는 형태를 이룬다.

밀착부재(431)는 일면이 피스톤(50) 외면과 밀착되고 다른 일면이 실린더(80) 내벽과 밀착되며, 내부에 스프링부재(432)가 안착될 수 있는 안착홈을 구비한다. 스프링부재(432)는 밀착부재(431)의 안착홈에 개재되어 스프링부재(432)의 복원력을 통해 밀착부재(431)가 피스톤(50) 외면 및 실린더(80) 내벽에 밀착되도록 힘을 인가하는 역할을 한다. 밀착부재(431)와 스프링부재(432)의 조합을 통해 액화가스가 실린더의 일측에서 다른 일측으로 유입되는 것을 억제할 수 있다. 상기 스토퍼(433)는 스프링부재(432)가 밀착부재(431)의 안착홈으로부터 이탈되는 것을 방지하는 역할을 한다.

다음으로, 로드측 씰링 구조를 살펴보면, 도 10 및 도 12에 도시한 바와 같이 로드측 씰링 구조는 실린더측으로부터의 액화가스 유입을 방지함과 함께 드라이브축(40)과 피스톤(50)의 결합부위에서 유입될 수 있는 공기, 이물질 등의 기타물질을 막도록 설계된다.

피스톤(50)의 로드부가 위치하는 로드부의 둘레에 피스톤 커버(52)가 배치되고, 피스톤 커버(52)에 로드씰(520), 가이드링(510) 및 와이퍼씰(530)이 구비된다. 로드씰(520)은 실린더(80)측 방향의 피스톤 커버(52)에 구비되고, 와이퍼씰(530)은 드라이브축(40) 방향의 피스톤 커버(52)에 구비된다. 또한, 로드씰(520)과 와이퍼씰(530) 각각에 이웃하여 피스톤 커버(52) 상에 가이드링이 배치되며, 가이드링은 로드부 내측 방향에 위치한다. 따라서, 드라이브축(40) 방향에서 실린더(80) 방향으로 피스톤 커버(52)에 와이퍼씰(530), 가이드링, 가이드링, 로드씰(520)이 순차적으로 배치되는 구조를 이룬다.

와이퍼씰(530)은 드라이브축(40) 방향에서 유입될 수 있는 공기, 이물질 등의 기타물질을 막는 역할을 하며, 로드씰(520)은 실린더(80)측로부터의 액화가스 유입을 방지하는 역할을 한다. 또한, 가이드링은 로드부의 피스톤 커버(52) 상에서의 이동을 가이드하는 역할을 한다.

로드씰(520)과 와이퍼씰(530)은 실린더측 씰링 구조에 적용된 피스톤씰과 동일한 구조를 이룬다. 즉, 로드씰(520)과 와이퍼씰(530) 각각은 피스톤씰(430)과 마찬가지로 밀착부재(531), 스프링부재(532) 및 스토퍼(533)로 구성된다.

또한, 로드측 씰링 구조에 적용되는 가이드링(510)은 실린더측 씰링 구조에 적용된 가이드링(510)과 마찬가지로, 내측에 스프링부재(511)가 더 구비된다. 가이드링(510)은 로드부 왕복운동시 로드부의 이동을 가이드하는 역할을 하며, 가이드링(510)과 접하여 스프링부재(511)는 로드부의 이동시 가이드링에 인가되는 힘을 완충하는 역할을 한다. 스프링부재(511)가 구비됨에 따라 가이드링(510)의 위치가 일정하게 유지될 수 있어 로드부의 이동을 안정적으로 가이드할 수 있다.

한편, 본 발명의 가장 중요한 특징 중 하나는 캠샤프트(10)에 구비된 복수의 실린더(80)가 각각 독립적으로 구동될 수 있다는 것이다.

상술한 바와 같이 캠샤프트(10)에는 복수의 캠노즈(20)가 이격되어 구비되고, 각각의 캠노즈(20)에는 캠롤러(30)가 밀착, 구비되며, 각각의 캠롤러(30)에는 드라이브축(40), 피스톤(50), 실린더(80) 및 액화가스 압축장치가 연결된 구조를 이룬다. 이에 따라, 하나의 캠샤프트(10)의 동작을 통해 복수의 액화가스 압축장치를 동작시킬 수 있는 구조이다.

이와 같은 구조 하에서, 복수의 실린더(80) 각각의 구동 즉, 복수의 액화가스 압축장치 각각의 구동을 독립적으로 제어할 수 있다. 이를 구현하기 위한 방법으로, 본 발명은 캠롤러(30)를 캠노즈(20)로부터 강제 이격시켜 강제 이격된 캠롤러(30)에 연결된 드라이브축(40), 피스톤(50), 실린더(80) 및 액화가스 압축장치의 동작을 정지시키는 기술을 제시한다. 구체적으로, 3가지 실시예를 통해 구현 가능하다. 제 1 실시예는 컷오프볼트(140)를 이용하여 캠롤러(30)를 캠노즈(20)로부터 이격시키는 방식이며, 제 2 실시예는 컷오프핀(620)을 이용하여 캠롤러(30)를 캠노즈(20)로부터 이격시키는 방식이며, 제 3 실시예는 랙-피니언(730)을 이용하여 캠롤러(30)를 캠노즈(20)로부터 이격시키는 방식이다.

먼저, 제 1 실시예는 다음과 같다.

도 13 및 도 14를 참조하면, 캠롤러-드라이브축 케이스(130)의 일측에 컷오프볼트(140)가 삽입, 관통되는 컷오프볼트 관통구(131)이 구비되고, 일체형 연결부재(110)의 일측에는 컷오프볼트(140)가 일정 깊이만큼 삽입될 수 있는 컷오프볼트 삽입홈(111)이 구비된다.

컷오프볼트(140)가 컷오프볼트 관통구(131)을 관통한 상태에서 컷오프볼트(140)가 컷오프볼트 삽입홈(111)에 끼워지는 과정을 통해 캠노즈(20)와 캠롤러(30) 사이의 이격을 유도할 수 있다.

캠노즈(20)와 캠롤러(30)가 서로 이격됨에 따라 캠샤프트(10)가 회전되더라도 캠노즈(20)와 캠롤러(30)의 접촉이 이루어지지 않아 해당 캠롤러(30)에 연결된 드라이브축(40) 및 피스톤(50)의 동작을 정지시킬 수 있다. 이러한 방식을 통해, 캠샤프트(10)에 구비된 각각의 피스톤(50)의 구동을 선택적으로 제어할 수 있다.

컷오프볼트(140)가 컷오프볼트 삽입홈(111)에 끼워지는 동작에 의해 캠노즈(20)로부터 캠롤러(30)가 이격되는 원리는 다음과 같다(도 4a 및 도 4b 참조).

이웃하는 배치되는 컷오프볼트 관통구(131)과 컷오프볼트 삽입홈(111)은 그 중심이 서로 일치하지 않고 이격된 형태를 이룬다.

캠롤러-드라이브축 케이스(130)에 컷오프볼트 관통구(131)가 구비됨과 함께 일체형 연결부재(110)에 컷오프볼트 삽입홈(111)가 구비되며, 컷오프볼트(140)는 컷오프볼트 관통구(131)를 관통하여 컷오프볼트 삽입홈(111)에 끼워진다. 컷오프볼트 관통구(131)와 컷오프볼트 삽입홈(111)은 동일한 직경으로 설계할 수 있다.

이 때, 컷오프볼트 관통구(131)의 중심과 컷오프볼트 삽입홈(111)의 중심은 이격된 형태를 이룬다. 캠샤프트(10)에 피스톤(50)이 수직 방향으로 배치되는 것을 기준으로 하면, 컷오프볼트 삽입홈(111)의 중심이 컷오프볼트 관통구(131)의 중심보다 약간 낮은 곳에 위치한다. 또한, 컷오프볼트 삽입홈(111)은 깊이가 깊어질수록 반경이 줄어드는 테이퍼(taper) 형상을 갖는다. 테이퍼 형상에 의해 컷오프볼트 삽입홈(111)의 입구측 반경과 저면측 반경은 'd'만큼의 반경 차이를 이룬다(도 14 참조).

이와 같은 조건 하에, 컷오프볼트 관통구(131)을 관통한 컷오프볼트(140)는 컷오프볼트 삽입홈(111)에 끼워지게 되는데, 컷오프볼트 삽입홈(111)의 중심이 컷오프볼트 관통구(131)의 중심보다 약간 낮은 곳에 위치함에 따라, 컷오프볼트(140)는 테이퍼 형상을 이루는 컷오프볼트 삽입홈(111)의 측면에 접촉하게 된다.

삽입하는 방향으로 컷오프볼트(140)를 계속적으로 조이게 되면, 컷오프볼트(140)는 컷오프볼트 삽입홈(111)의 측면을 따라 컷오프볼트 삽입홈(111)의 내측으로 더욱더 이동하게 된다. 컷오프볼트(140)가 컷오프볼트 삽입홈(111)의 내측으로 이동됨은 컷오프볼트 삽입홈(111)이 구비된 일체형 연결부재(110)가 상부로 이동됨을 의미한다.

이러한 방식으로 컷오프볼트(140)의 일단이 컷오프볼트 삽입홈(111)의 저면에 맞닿게 되면 일체형 연결부재(110)는 컷오프볼트 삽입홈(111)의 입구측과 저면측 사이의 반경 차이인 'd' 길이만큼 상부로 이동된다. 여기서, 컷오프볼트(140) 역시 삽입의 용이를 위해 일정 부분 테이퍼 형상을 이룰 수 있으며, 이 경우 일체형 연결부재(110)의 이동 거리는 'd'에서 컷오프볼트(140)의 테이퍼 두께를 뺀 값에 해당된다.

상기의 과정을 통해 일체형 연결부재(110)를 'd' 길이만큼 상부로 이동시킬 수 있으며, 이는 캠노즈(20)와 캠롤러(30) 사이가 'd' 길이만큼 이격됨을 의미한다. 이와 같은 원리에 의해 캠노즈(20)와 캠롤러(30)가 이격 상태를 유지할 수 있으며, 캠노즈(20)와 캠롤러(30)의 이격을 통해 캠샤프트(10)가 회전되더라도 해당 캠롤러(30)에 연결된 드라이브축(40) 및 피스톤(50)은 동작되지 않는다.

상술한 바에 있어서, 캠롤러-드라이브축 케이스(130)의 일측에 컷오프볼트(140)가 삽입, 관통되는 컷오프볼트 관통구(131)이 구비되고, 일체형 연결부재(110)의 일측에는 컷오프볼트(140)가 일정 깊이만큼 삽입될 수 있는 컷오프볼트 삽입홈(111)이 구비됨을 기술하였는데, 컷오프볼트 관통구(131) 및 컷오프볼트 삽입홈(111)의 구비 위치는 특정되지 않는다. 일 실시예로, 캠샤프트(10) 케이스의 내측 공간에 해당되는 곳에 컷오프볼트 관통구(131) 및 컷오프볼트 삽입홈(111)이 구비되거나(도 4a 및 도 4b 참조), 캠샤프트(10) 케이스의 외부에 해당되는 곳에 컷오프볼트 관통구(131) 및 컷오프볼트 삽입홈(111)이 구비될 수 있다.

컷오프핀(620)을 이용하는 제 2 실시예의 구성은 다음과 같다.

도 15 및 도 16을 참조하면, 캠롤러-드라이브축 케이스(130)의 일측에 내부가 빈 원통 형상의 컷오프핀 가이드부재(610)가 구비되며, 컷오프핀 가이드부재(610) 내에 컷오프핀(620)이 삽입, 구비된다. 컷오프핀(620)은 컷오프핀 가이드부재(610) 내에서 상승 또는 하강이 가능하다.

컷오프핀 가이드부재(610)의 일측에 컷오프핀 가이드홈(611)이 구비된다. 컷오프핀 가이드홈(611)은 수직가이드홈과 수평가이드홈으로 구분되며, 수직가이드홈과 수평가이드홈은 공간적으로 서로 연결된다. 수직가이드홈은 수직선 상의 제 1 지점에서 제 2 지점까지 연장된 형태이며, 수평가이드홈은 수직가이드홈의 제 2 지점에서 수평 방향의 제 3 지점까지 연장된 형태이다. 수평가이드홈의 제 2 지점과 제 3 지점은 각각 0도와 180도 지점에 구비되는 것이 바람직하다.

컷오프핀(620)의 일측에는 컷오프핀 가이드핀(621)이 구비되며, 컷오프핀 가이드핀(621)은 컷오프핀 가이드홈(611) 내에 위치한다. 이에 따라, 컷오프핀 가이드핀(621)은 컷오프핀 가이드홈(611)을 따라 이동 가능하다. 컷오프핀 가이드핀(621)이 컷오프핀 가이드홈(611)의 제 1 지점에서 제 2 지점으로 수직이동하면 컷오프핀(620)은 해당 거리만큼 하강하며, 컷오프핀 가이드핀(621)이 컷오프핀 가이드홈(611)의 제 2 지점에서 제 3 지점으로 수평이동하면 컷오프핀(620)은 제 2 지점에서 제 3 지점 사이의 각도만큼 예를 들어 180도만큼 회전한다.

컷오프핀(620)의 저면에는 컷오프핀(620)보다 작은 반경을 갖는 원통형상의 캠롤러 이격돌기(622)가 구비된다. 캠롤러 이격돌기(622)의 중심은 컷오프핀(620)의 원중심으로부터 편심된 형태를 이룬다. 컷오프핀 가이드핀(621)이 컷오프핀 가이드홈(611)의 제 2 지점에서 제 3 지점으로 수평이동하면, 컷오프핀(620)의 저면에 구비된 캠롤러 이격돌기(622) 역시 일정 각도 예를 들어, 180도 회전한다.

한편, 캠롤러-드라이브축 케이스(130)의 일측에는 컷오프핀(620)이 삽입, 관통되는 컷오프핀 관통구(132)가 구비되며, 컷오프핀 관통구(132)에 대응되는 일체형 연결부재(110)에는 캠롤러 이격 가이드홈(112)이 구비된다.

컷오프핀 가이드핀(621)이 제 2 지점에 위치하는 경우, 컷오프핀(620) 하단의 캠롤러 이격돌기(622)가 일체형 연결부재(110)의 캠롤러 이격 가이드홈(112) 내에 위치하며, 캠롤러 이격 가이드홈(112) 내에서 캠롤러 이격돌기(622)는 일체형 연결부재(110)와 맞닿지 않는 상태를 이룬다(도 17a 참조).

이와 같은 상태에서, 컷오프핀(620) 돌기를 컷오프핀 가이드홈(611)의 제 2 지점에서 제 3 지점으로 이동시키면, 컷오프핀(620)이 수평 회전됨에 따라 캠롤러 이격돌기(622) 역시 수평 회전하게 되며, 이에 따라 캠롤러 이격돌기(622)는 캠롤러 이격 가이드홈(112) 내에서 일정 각도 수평 회전하면서 일체형 연결부재(110)와 맞닿게 된다(도 17b 참조). 이어, 캠롤러 이격돌기(622)는 맞닿아 있는 일체형 연결부재(110)를 물리적으로 밀어내게 되고, 이러한 일체형 연결부재(110)의 이동에 의해 캠롤러(30) 역시 일체형 연결부재(110)와 함께 이동되어 최종적으로 캠롤러(30)와 캠노즈(20)의 이격이 이루어지게 된다(도 17c 참조).

반대로, 컷오프핀 가이드핀(621)을 컷오프핀 가이드홈(611)의 제 3 지점에서 제 2 지점으로 이동시키면, 이동되었던 일체형 연결부재(110)가 최초 상태로 복원되고 캠롤러(30)와 캠노즈(20)는 다시 접촉하게 된다.

상술한 바와 같이, 컷오프핀(620)을 이용하는 구성을 통해 캠노즈(20)와 캠롤러(30)의 이격을 유도하고, 캠노즈(20)와 캠롤러(30)의 이격을 통해 특정 피스톤(50) 즉, 특정 실린더(80)의 구동을 선택적으로 제어할 수 있다.

랙-피니언(730)을 이용하는 제 3 실시예의 구성은 다음과 같다.

제 1 실시예와 제 2 실시예는 일체형 연결부재(110)에 컷오프볼트(140) 또는 컷오프핀(620)을 삽입하는 방식을 통해 캠롤러(30)를 캠노즈(20)로부터 이격시키는 방식임에 반해, 제 3 실시예에는 드라이브축(40)의 이동을 통해 캠롤러(30)와 캠노즈(20)의 이격을 유도하는 방식이다.

제 3 실시예에 따르면, 도 18에 도시한 바와 같이 드라이브축(40)과 피스톤(50)이 결합되는 부위에 이를 외부 환경으로부터 보호하기 위한 커플링 케이스(710)가 더 구비된다. 또한, 유압실린더(80)에 의해 동작되는 랙-피니언(730) 장치를 더 구비한다.

구체적으로, 상기 커플링 케이스(710)의 내측 공간에 랙 부재(720)가 구비된다. 상기 랙 부재(720)는 드라이브축(40)의 일측과 연결, 고정되거나 드라이브축(40) 및 피스톤(50) 모두와 연결, 고정되는 형태를 이룬다. 이에 따라, 드라이브축(40)의 이동시 랙 부재(720) 역시 함께 이동된다. 달리 말하면, 랙 부재(720)의 이동시 드라이브축(40) 및 피스톤(50) 역시 함께 이동된다.

상기 랙 부재(720)의 외측면에는 톱니 형상의 랙(rack)이 구비된다. 또한, 상기 랙 부재(720)의 랙에는 피니언(730)(pinion)이 맞물리는 형태로 구비된다. 이에, 피니언(730)의 회전동작에 따라 랙 부재(720)의 상하 이동이 가능하게 된다. 피니언(730)의 다른 일측에는 피니언(730)에 구동력을 전달하는 피니언 가이드부재(740)가 구비되며, 피니언 가이드부재(740)는 유압실린더(80)에 의해 선택적으로 상하이동된다. 피니언 가이드부재(740) 표면에도 랙이 구비되며, 피니언(730)은 피니언 가이드부재(740)의 랙에 맞물린다.

이와 같은 구조 하에, 유압실린더(80)를 통해 피니언 가이드부재(740)를 하향 이동시키면 피니언(730)은 반시계방향으로 회전되며, 피니언(730)의 반시계방향 회전에 의해 드라이브축(40)과 연결된 랙 부재(720)는 상향 이동된다. 랙 부재(720)의 상향 이동은 드라이브축(40)의 상향 이동을 의미하며, 드라이브축(40)이 상향 이동됨에 따라 캠노즈(20)와 캠롤러(30) 사이의 이격을 유도할 수 있게 된다.

이상, 제 1 실시예 내지 제 3 실시예에 따른 캠롤러(30)와 캠노즈(20)의 이격 방식에 대해 설명하였다. 한편, 상술한 바와 같은 제 1 실시예 내지 제 3 실시예를 이용한 캠롤러(30)와 캠노즈(20)의 이격에 있어서, 캠노즈(20)가 캠롤러(30)와 정확히 마주보는 상태에서 캠롤러(30)와 캠노즈(20)의 이격 동작이 진행되어야 하며, 이를 위해 소정의 터닝기어가 구비될 수 있다. 터닝기어는 캠샤프트(10)의 회전을 미세 조정하여 캠노즈(20)가 캠롤러(30)와 정확히 마주보는 상태로 조정할 수 있다.

상술한 제 1 실시예 내지 제 3 실시예를 통해 캠롤러와 캠노즈의 이격을 유도하고 이를 통해 각각의 실린더 구동을 독립적으로 제어하는 것이 가능함을 기술하였는데, 상기 제 1 실시예 내지 제 3 실시예에 따르면 캠롤러와 캠노즈가 이격되는 방식임에 따라 캠롤러와 캠노즈가 이격된 상태이면 피스톤이 정지되어 액화가스가 토출되지 않는다.

본 발명은 액화가스의 토출량을 조절할 수 있는 기술을 제시한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 피스톤(50)의 스크로크(stroke) 길이를 조절함으로써 액화가스 토출량을 제어할 수 있다.

구체적으로, 도 19에 도시한 바와 같이 드라이브축(40)과 피스톤(50) 사이에 압력챔버(810)를 구비시킨다. 압력챔버(810)의 제 1 면(811)은 드라이브축(40)과 맞닿으며, 압력챔버(810)의 다른 제 2 면(812)은 피스톤(50)과 맞닿아 고정된 형태를 이룬다. 드라이브축(40)과 맞닿는 압력챔버(810)의 제 1 면(811)은 드라이브축(40)의 구동력에 의해 이동 가능하다. 따라서, 드라이브축(40)이 피스톤(50)쪽 방향으로 이동되면 압력챔버(810)의 제 1 면(811) 또한 피스톤(50)쪽 방향으로 이동되어 압력챔버(810)의 체적이 작아지게 된다.

본 발명의 일 실시예는 상술한 원리를 이용하여 액화가스 토출을 정지시키거나 액화가스 토출량을 제어할 수 있다.

도 20a에 도시한 바와 같이 압력챔버(810)에 윤활유(820)가 가득 채워진 상태에서, 드라이브축(40)의 구동력이 압력챔버(810)의 제 1 면(811)에 인가되면 드라이브축(40)의 구동력은 압력챔버(810)에 채워진 윤활유(820)를 거쳐 피스톤(50)에 인가되며, 최종적으로 피스톤(50)의 압력이 액화가스 압축장치에 전달되어 정상적인 액화가스 토출이 진행된다.

반면, 도 20b와 같이 압력챔버(810)에 윤활유(820)가 존재하지 않는 경우, 드라이브축(40)의 구동력이 압력챔버(810)의 제 1 면(811)에 인가되면 압력챔버(810)가 빈 공간임에 따라 압력챔버(810)의 제 1 면(811)은 제 2 면(812)쪽으로 이동된다. 이 때, 캠샤프트 구동에 따른 드라이브축(40)의 스크로크 길이가 압력챔버(810)의 제 1 면(811)과 제 2 면(812) 사이에 해당된다면, 드라이브축(40)의 구동력은 압력챔버(810)의 제 2 면(812)에 전달되지 않는다. 따라서, 캠샤프트 구동에 따라 드라이브축(40)이 이동되더라도 드라이브축(40)의 구동력이 피스톤(50)에 전달되지 않음으로 인해 액화가스 압축장치는 동작되지 않아 액화가스의 토출이 진행되지 않는다.

또한, 도 20c와 같이 압력챔버(810)의 일 부분만 윤활유(820)가 채워지고 나머지 부분은 빈 공간인 상태에서, 드라이브축(40)의 구동력이 압력챔버(810)의 제 1 면(811)에 인가되면 압력챔버(810)의 일부가 빈 공간임에 따라 해당 빈 공간의 거리만큼 제 1 면(811)이 이동되며, 이와 같은 상태에서 드라이브축(40)의 구동력이 윤활유(820)를 매개로 피스톤(50)에 인가된다.

드라이브축(40)의 전체 스트로크 길이(Ds) 중에서 압력챔버(810)의 빈 공간 길이만큼은 피스톤(50)에 구동력이 인가되지 않음에 따라, 피스톤(50) 역시 전체 스트로크 길이(Ds) 중 압력챔버(810)의 빈 공간 길이를 뺀 나머지 스크로크 길이만 이동하게 된다. 이와 같이, 피스톤(50)의 스크로크 길이가 짧아짐에 따라 액화가스 압축장치를 통해 토출되는 액화가스 토출량이 정상 대비 줄어들게 된다.

상술한 바와 같이, 압력챔버(810)를 빈 공간 상태로 설정하여 액화가스의 토출을 정지시킬 수 있으며, 또한 압력챔버(810)에 윤활유(820)를 가득 채움으로써 드라이브축(40)의 구동력이 피스톤(50)에 온전히 전달되도록 하여 액화가스의 토출을 정상 상태를 유지시킬 수 있으며, 이와 함께 압력챔버(810)에 채워지는 윤활유(820)의 양을 조절함으로써 액화가스 압축장치로부터 토출되는 액화가스의 토출량을 선택적으로 제어할 수 있다.

상기 압력챔버(810)의 일측에는 윤활유 공급유로(830)가 구비되며, 윤활유 공급유로(830)를 통해 압력챔버(810)로의 윤활유(820) 공급 또는 압력챔버(810)로부터의 윤활유(820) 배출이 가능하다. 또한, 윤활유 공급유로(830)는 윤활유 공급장치(840)와 연결된다. 윤활유 공급장치(840)를 이용하여 압력챔버(810)에 공급되는 윤활유(820)의 양, 압력챔버(810)로부터 배출되는 윤활유(820)의 양을 설정할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 가스공급펌프는 하나의 캠샤프트에 복수의 피스톤이 구비되고, 각각의 피스톤은 상술한 제 1 내지 제 3 실시예 중 어느 하나의 컷오프 방식 또는 상술한 압력챔버 방식을 통해 독립적으로 구동될 수 있다.

각각의 피스톤에 연동되는 액화가스 압축장치는 캠샤프트의 회전구동에 따라 고압의 액화가스를 토출하고, 각각의 액화가스 압축장치를 통해 토출되는 액화가스는 통합배출관에서 합류되어 최종적으로 엔진 연소실에 공급된다.

통합배출관을 통해 엔진 연소실에 액화가스를 공급함에 있어서, 액화가스는 토출압력에 따른 맥동(이하, '토출압력 맥동'이라 함)을 띠게 된다(도 21 참조). 통합배출관을 통해 엔진 연소실에 공급되는 액화가스의 토출압력 맥동은 액화가스의 연소효율 뿐만 아니라 엔진에 물리적 영향을 미친다. 토출압력 맥동이 크면 액화가스의 연소효율이 저하됨과 함께 엔진에 물리적 충격을 가하게 된다.

액화가스의 토출압력 맥동은 캠샤프트에 연동되어 동작되는 피스톤의 개수 및 피스톤이 연결되는 캠노즈의 위상과 관련이 있다. 동작되는 피스톤의 개수가 많을수록 토출압력 맥동이 감소되고, 피스톤이 연결되는 캠노즈의 위상이 등간격으로 배치될 때 토출압력 맥동이 감소됨을 실험을 통해 확인하였다.

도 22 및 도 23은피스톤의 개수 및 캠노즈 위상에 따른 토출압력 맥동을 나타낸 실험결과이다. 도 22를 참조하면, 캠샤프트에 연결된 피스톤이 4개인 경우에서, 동작되는 피스톤의 수가 2개일 때 토출압력 맥동은 7.5bar로 가장 크다. 반면, 동작되는 피스톤의 수가 3개일 때의 토출압력 맥동은 5.5bar, 동작되는 피스톤의 수가 4개일 때의 토출압력 맥동은 3.5bar로 동작되는 피스톤의 수가 많아질수록 토출압력 맥동이 감소됨을 알 수 있다. 이는 동작되는 피스톤의 수가 많아질수록 각각의 피스톤을 통해 압축되어 배출되는 액화가스의 토출압력 맥동이 상쇄되기 때문이다.

또한, 도 23을 참조하면, 캠노즈의 위상이 등간격인 경우와 캠노즈의 위상 변화없이 1개의 피스톤을 컷오프한 경우에 있어서, 동작되는 피스톤의 수가 2개일 때와 3개일 때 모두 캠노즈의 위상이 등간격인 경우에서 토출압력 맥동이 감소됨을 알 수 있다. 구체적으로, 동작되는 피스톤이 3개이고 캠노즈의 위상이 등간격인 경우 토출압력 맥동이 5.5 bar인 반면, 캠노즈의 위상 변화없이 1개의 피스톤을 컷오프하여 3개의 피스톤을 동작시킨 경우에는 토출압력 맥동이 10bar로 증가되었다. 또한, 동작되는 피스톤이 2개이고 캠노즈의 위상이 등간격인 경우 토출압력 맥동이 7.5 bar인 반면, 캠노즈의 위상 변화없이 1개의 피스톤을 컷오프하여 2개의 피스톤을 동작시킨 경우에는 토출압력 맥동이 10bar로 증가되었다.

이상에서 확인되는 바와 같이, 캠샤프트의 구동에 연동되는 피스톤의 수가 증가될수록 그리고 캠노즈의 위상이 등간격일 때 토출압력 맥동을 저감시킬 수 있다.

또한, 상술한 실험결과를 통해 피스톤의 수 및 캠노즈의 위상 배치를 통해 토출압력 맥동을 조절할 수 있음을 알 수 있다. 일 실시예로, 토출압력 맥동의 허용범위를 고려하여 동작하는 피스톤의 수 및 캠노즈의 위상을 배치할 수 있다. 예를 들어, 토출압력 맥동의 허용범위 상한이 8bar 이하인 경우에는 캠노즈 위상이 등간격으로 배치됨과 함께 동작되는 피스톤의 최수 개수는 2개이다.

10 : 캠샤프트 20 : 캠노즈
30 : 캠롤러 40 : 드라이브축
50 : 피스톤 50a: 흡입밸브 배출관
51a : 스프링부재 안착홈 51b : 가이드링 안착홈
52 : 피스톤 커버
60 : 흡입밸브 61 : 개폐부재
62 : 액화가스 흡입구 63 : 스프링부재
70 : 토출밸브 71 : 토출챔버
72 : 보조챔버 73 : 토출유입관
74 : 토출챔버 상단측 공간 75 : 스프링부재
80 : 실린더
110 : 일체형 연결부재 111 : 컷오프볼트 삽입홈
112 : 캠롤러 이격 가이드홈 120 : 압축스프링
130 : 캠롤러-드라이브축 케이스 131 : 컷오프볼트 관통구
132 : 컷오프핀 관통구 140 : 컷오프볼트
210 : 제 1 안착부 220 : 제 2 안착부
230 : 관성모멘트 완충부재 240 : 스토퍼
250 : 클램프 310 : 액화가스 공급구
320 : 액화가스 공급유로 410 : 가이드링
420 : 고정부재 510 : 가이드링
520 : 로드씰 530 : 와이퍼씰
610 : 컷오프핀 가이드부재 611 : 컷오프핀 가이드홈
620 : 컷오프핀 621 : 컷오프핀 가이드핀
622 : 캠롤러 이격돌기 710 : 커플링 케이스
720 : 랙 부재 730 : 피니언
740 : 피니언 가이드부재

Claims (11)

1. 캠샤프트의 구동력에 의해 직선왕복운동하는 피스톤; 및
   피스톤의 동작에 따라 액화가스를 가압, 토출하는 액화가스 압축장치;를 포함하여 이루어지며,
   압축대상 액화가스를 흡입밸브로 공급하는 액화가스 공급유로와,
   액화가스 공급유로로부터 액화가스를 흡입하고, 피스톤의 압력이 가해지면 흡입된 액화가스를 토출밸브측으로 공급하는 흡입밸브와,
   흡입밸브로부터 공급된 액화가스를 가압 상태로 토출하는 토출밸브를 포함하여 구성되며,
   회전 구동이 가능한 캠샤프트;
   캠샤프트의 길이 방향을 따라 일정 간격을 두고 구비되며, 캠샤프트의 중심으로부터 편심된 형태를 갖는 복수의 캠노즈;
   각각의 캠노즈에 밀착하여 구비되는 캠롤러;
   캠롤러의 일측에 이웃하는 구비되어 캠샤프트의 구동력을 피스톤에 전달하는 드라이브축;을 더 포함하여 이루어지며,
   캠샤프트의 회전시, 캠노즈가 피스톤의 압축 방향으로 이동되면 피스톤이 압축되며, 캠노즈가 피스톤의 압축해제 방향으로 이동되면 피스톤의 압축이 해제되며,
   상기 캠롤러는 캠노즈로부터 선택적으로 이격이 가능하며, 캠롤러와 캠노즈의 이격시 캠노즈의 회전구동력은 피스톤에 전달되지 않는 것을 특징으로 하는 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프.
   
2. 제 1 항에 있어서, 액화가스 공급유로의 일단은 가스공급펌프 일측에 구비된 액화가스 공급구와 연결되고, 다른 일단은 흡입밸브 일측에 구비된 액화가스 흡입구와 연결되며,
   압축대상인 액화가스는 액화가스 공급구 및 액화가스 공급유로를 거쳐 액화가스 흡입구를 통해 흡입밸브 내부공간으로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프.
   
3. 제 1 항에 있어서, 흡입밸브의 둘레에 액화가스 흡입구를 선택적으로 개폐하는 개폐부재가 구비되며, 개폐부재는 흡입밸브의 하단측 둘레에 구비된 스프링부재에 연결되어 스프링부재의 압축, 복원에 따라 직선왕복운동이 가능하며,
   스프링부재의 압축에 의해 개폐부재가 압축방향으로 이동되면 액화가스 흡입구가 개방되며, 스프링부재의 복원에 따라 개폐부재가 복원방향으로 이동되면 액화가스 흡입구가 차단되며,
   개폐부재가 액화가스 흡입구를 차단한 상태에서, 액화가스 공급유로를 통해 액화가스가 공급되면 액화가스의 공급압력에 의해 개폐부재가 스프링부재의 압축방향으로 이동되어 액화가스 흡입구가 개방되며, 이에 따라 액화가스가 흡입밸브 내부공간으로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 토출밸브는 토출챔버 내에 위치하며,
   토출밸브의 하단측에 스프링부재가 구비되어 스프링부재의 압축, 복원에 따라 토출밸브의 직선왕복운동이 가능하게 되며,
   상기 토출챔버 상단측 둘레에 일정 공간의 보조챔버가 구비되고, 보조챔버와 토출밸브 사이에 토출유입관이 구비되며,
   흡입밸브로부터 배출된 액화가스는 보조챔버 및 토출유입관을 순차적으로 거쳐 토출밸브로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프.
   
5. 제 4 항에 있어서, 토출밸브는 스프링부재의 복원시 흡입밸브 배출관을 차단하는 형태로 위치하며, 토출밸브가 스프링부재의 압축방향으로 이동하면 토출챔버의 상단측에는 공간이 형성됨과 함께 흡입밸브 배출관이 개방되며,
   토출밸브의 이동으로 인해 토출챔버 상단측에 공간이 형성되면 토출챔버 상단측 공간은 흡입밸브 배출관과 공간적으로 연결됨과 함께 보조챔버와 연결되며, 흡입밸브 배출관을 통해 배출되는 액화가스는 토출챔버 상단측 공간을 통해 보조챔버 및 토출유입관을 거쳐 토출챔버 내부공간으로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프.
   
6. 제 3 항에 있어서, 흡입밸브를 통해 액화가스가 배출되는 경우에서, 피스톤의 작용압력이 액화가스 공급유로로 공급되는 액화가스의 공급압력보다 커 액화가스 흡입구는 개폐부재에 의해 차단되는 것을 특징으로 하는 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프.
   
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서, 하나의 캠샤프트에 복수의 드라이브축이 직교하는 방향으로 나란히 배열되며, 캠샤프트의 캠노즈와 드라이브축 사이에 캠롤러가 구비되는 것을 특징으로 하는 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프.
   
9. 제 1 항에 있어서, 캠노즈의 회전중심은 캠샤프트의 회전중심과 동일하고 중심이 캠샤프트의 중심으로부터 편심되어 있으며, 캠노즈의 반경은 캠샤프트의 반경보다 작으며, 캠샤프트의 회전시 캠노즈에 밀착된 캠롤러는 일정 거리 내에서 직선왕복운동하는 것을 특징으로 하는 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프.
   
10. 제 1 항에 있어서, 캠샤프트의 회전에 의해 캠노즈가 수직방향 기준으로 90도 각도에 위치한 경우 캠롤러는 피스톤의 압축 방향으로 이동되며, 캠샤프트의 회전에 의해 캠노즈가 270도 각도에 위치하는 경우 캠롤러는 피스톤의 압축해제 방향으로 이동되는 것을 특징으로 하는 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프.
    
11. 제 1 항에 있어서, 캠롤러 및 드라이브축을 일체형으로 연결하는 일체형 연결부재가 더 구비되며,
    상기 일체형 연결부재의 일단측에 캠롤러가 안착되고, 다른 일단측에 드라이브축이 장착되며, 드라이브축을 감싸는 형태로 구비되는 압축스프링이 일체형 연결부재의 내측에 고정되며,
    캠샤프트의 회전시 캠노즈에 밀착된 캠롤러 및 드라이브축과 일체형 연결부재가 함께 직선왕복운동하는 것을 특징으로 하는 선박 이중연료엔진의 가스공급펌프.

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