KR102590605B1 - 수중운동체의 액화산소 충전 시스템 - Google Patents

수중운동체의 액화산소 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수중운동체의 액화산소 충전 시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수중운동체의 액화산소 충전 시스템은 함 외부로부터 공기를 공급 받는 흡기 장치, 상기 흡기 장치를 통해 흡기된 공기를 압축하여 압축된 공기를 저장하는 적어도 하나의 압축공기 저장용기, 상기 압축공기 저장용기로부터 공기를 제공받아 산소를 정제하는 산소 PSA(Pressure Swing Adsorption) 장치, 상기 산소 PSA 장치로부터 정제된 산소를 공급받아 액화시키는 산소액화장치, 및 상기 산소액화장치에서 액화된 액화산소를 저장하는 액화산소탱크를 포함한다.

Description

수중운동체의 액화산소 충전 시스템{LIQUEFIED OXYGEN FILLING SYSTEM OF UNDERWATER MOVING BODY}
본 발명의 실시예는 수중운동체의 액화산소 충전 시스템에 관한 것이다.
수중운동체는 잠수함 등을 포함하는 개념으로서, 수중을 잠항할 수 있으며, 이를 위해 함내의 전원을 공급받아 동작하는 추진모터 등에 의해 회전력이 발생되고, 이 회전력이 프로펠러까지 전달되어 추진력을 발생시킨다.
현대의 잠수함들은 잠항일수를 증가시켜 작전 능력을 향상시키기 위해 공기불요추진체계(Air Independent Propulsion, AIP)를 적용하고 있다.
AIP를 구성하는 연료전지는 수소와 산소의 반응을 통해 전기와 물을 생성하는데 이러한 전기의 생산을 위해서는 수소와 산소의 지속적인 공급이 필요하다.
산소는 함 내에 액화산소탱크를 배치하여 저장하고, 연료 전지의 가동 필요 시 액화산소를 기화시켜 공급한다.
다만, 액화산소는 작전소요기간에 따라 산정된 양만큼 액화산소탱크에 충전하여 사용하고 작전 종료 후 복귀하여 육상시설로부터 재충전한다.
그런데, 작전기간 증가를 위해서는 연료 전지의 가동을 위한 수소와 산소 공급이 더 많이 필요한데, 이 때문에 산소를 저장하는 액화산소탱크 용량의 증가가 필요하였다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0112683호(2015.10.07. 공개일)
본 발명의 목적은 공기불요추진체계가 적용된 잠수함 등의 수중운동체에서 산소 PSA(Pressure Swing Adsorption)를 이용하여 함 외부로부터 공급받은 공기 중에서 산소를 분리하고, 고순도 산소를 압축하여 액화한 후 액화산소탱크로 충전할 수 있는 수중운동체의 액화산소 충전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수중운동체의 액화산소 충전 시스템은 함 외부로부터 공기를 공급 받는 흡기 장치; 상기 흡기 장치를 통해 흡기된 공기를 압축하여 압축된 공기를 저장하는 적어도 하나의 압축공기 저장용기; 상기 압축공기 저장용기로부터 공기를 제공받아 산소를 정제하는 산소 PSA(Pressure Swing Adsorption) 장치; 상기 산소 PSA 장치로부터 정제된 산소를 공급받아 액화시키는 산소액화장치; 및 상기 산소액화장치에서 액화된 액화산소를 저장하는 액화산소탱크;를 포함한다.
또한, 상기 흡기 장치와 상기 적어도 하나의 압축공기 저장용기 사이를 연결하는 배관 상에 설치되어, 상기 흡기 장치를 통해 흡기된 공기를 설정 압력으로 압축하는 공기 압축기;를 더 포함한다.
또한, 상기 압축공기 저장용기와 상기 산소 PSA 장치 사이를 연결하는 배관 상에는 적어도 하나의 유량 및 압력 조절기가 구비될 수 있다.
또한, 상기 흡기 장치는, 수중운동체의 스노클 모드 시 동작하여 함 외부의 공기를 흡기할 수 있다.
또한, 상기 흡기 장치는, 함 외부로 인출되어 해수면 밖으로 돌출 가능한 길이를 갖는 공기 공급 관을 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 산소액화장치는, 상기 산소 PSA 장치와 상기 액화산소탱크 사이를 연결하는 배관 상에 설치되어, 상기 산소 PSA 장치로부터 정제된 산소를 상기 액화산소탱크까지 유동하는 과정 중에 냉각시키는 산소냉각기일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르는 수중운동체의 액화산소 충전 방법은 수중운동체의 액화산소 충전 시스템을 이용한 수중운동체의 액화산소 충전 방법으로서, 상기 흡기 장치에서, 함 외부로부터 공기를 공급 받는 흡기 단계; 상기 압축공기 저장용기에서, 상기 흡기 장치를 통해 흡기된 공기를 압축한 다음, 압축된 공기를 저장하는 압축 공기 저장 단계; 상기 산소 PSA 장치에서, 상기 압축공기 저장용기로부터 공기를 제공받아 산소를 정제하는 산소 정제 단계; 상기 산소액화장치에서, 상기 산소 PSA 장치로부터 정제된 산소를 공급받아 액화시키는 산소 액화 단계; 및 상기 액화산소탱크에서, 상기 산소액화장치에서 액화된 액화산소를 저장하는 액화산소 저장 단계;를 포함한다.
상기 산소 정제 단계 이전에, 상기 압축공기 저장용기에서 상기 산소 PSA 장치로 공기가 공급될 때, 상기 공기의 공급 유량 및 압력을 조절하는 공기 유량 및 압력 조절 단계;를 더 포함한다.
또한, 상기 흡기 단계는, 수중운동체의 스노클 모드 시 상기 흡기 장치가 동작하여 함 외부의 공기를 흡기할 수 있다.
본 발명에 의하면 공기불요추진체계가 적용된 잠수함 등의 수중운동체에서 산소 PSA(Pressure Swing Adsorption)를 이용하여 함 외부로부터 공급받은 공기 중에서 산소를 분리하고, 고순도 산소를 압축하여 액화한 후 액화산소탱크로 충전할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 상기와 같은 방식으로 고순도 산소를 압축하여 액화한 후 액화산소탱크에 충전할 수 있어서 육상시설로부터 액화산소의 보충(또는 충전) 없이 해상에서 직접 산소를 생산 및 저장할 수 있다.
그 결과 공기불요추진체계가 적용된 잠수함 등의 수중운동체의 작전기간을 증가시킬 수 있는 유리한 기술적 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 해상/잠항 중에 산소생산 및 액화산소탱크로의 충전이 가능하므로 잠항 기간 대폭 증가될 수 있어 잠수함 등의 수중운동체의 작전 능력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중운동체의 액화산소 충전 시스템에서 함 외부 공기를 유입시켜 압축한 후 압축공기 저장용기에 저장하는 것을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중운동체의 액화산소 충전 시스템에서 압축공기를 사용하여 산소 PSA 시스템을 통해 고순도 산소를 분리하여 액화산소탱크에 공급하는 것을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도면에서, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중운동체의 액화산소 충전 시스템에서 함 외부 공기를 유입시켜 압축한 후 압축공기 저장용기에 저장하는 것을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중운동체의 액화산소 충전 시스템(100)은 흡기 장치(120), 공기 압축기(130), 압축공기 저장용기(140)를 포함한다.
흡기 장치(120)는 잠수함 등의 수중운동체(10)의 외부로부터 공기를 흡기하여 함 내부로 공기를 공급한다.
여기서, 흡기 장치(120)는 수중운동체(10)의 스노클 모드 시 동작하여 함 외부의 공기를 흡기하도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 흡기 장치(120)는 함 외부로 인출되어 해수면 밖으로 돌출 가능한 길이를 가지며, 함 외부의 공기를 유입시켜 함 내부로 유입시킬 수 있는 공기 공급 관(110)을 더 구비할 수 있다.
압축공기 저장용기(140)는 상기 흡기 장치(120)를 통해 흡기된 공기를 압축하여 압축된 공기를 저장한다.
예컨대 압축공기 저장용기(140)는 적어도 하나 이상 구비될 수 있는데, 도 1에 도시된 바와 같이 다수 개가 구비되는 것이 좋다. 압축공기 저장용기(140)는 압축공기 실린더 등을 이용할 수 있다.
공기 압축기(130)는 상기 흡기 장치(120)를 통해 흡기된 공기를 설정 압력으로 압축한다.
구체적인 예로서, 공기 압축기(130)는 상기 흡기 장치(120)와 상기 적어도 하나의 압축공기 저장용기(140) 사이를 연결하는 배관 상에 설치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중운동체의 액화산소 충전 시스템에서 압축공기를 사용하여 산소 PSA 시스템을 통해 고순도 산소를 분리하여 액화산소탱크에 공급하는 것을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수중운동체의 액화산소 충전 시스템(100)은 전술한 흡기 장치(120), 공기 압축기(130), 압축공기 저장용기(140)와 함께 산소 PSA 장치(160), 산소액화장치(170), 액화산소탱크(180)를 더 포함한다.
산소 PSA(Pressure Swing Adsorption) 장치(160)는 상기 압축공기 저장용기(140)로부터 공기를 제공받아 산소를 정제한다.
산소액화장치(170)는 상기 산소 PSA 장치(160)로부터 정제된 산소를 공급받아 액화시키는 장치이다.
구체적으로 설명하면, 산소액화장치(170)는 산소 PSA 장치(160)와 액화산소탱크(180) 사이를 연결하는 배관 상에 설치될 수 있다.
예컨대, 산소액화장치(170)는 산소 PSA 장치(160)로부터 정제된 산소를 액화산소탱크(180)까지 유동하는 과정 중에 냉각시키는 산소냉각기를 이용할 수 있다.
액화산소탱크(180)는 상기 산소액화장치(170)에서 액화된 액화산소를 저장한다.
이에 더하여, 압축공기 저장용기(140)와 산소 PSA 장치(160) 사이를 연결하는 배관에는 적어도 하나의 유량 및 압력 조절기(150)가 더 구비될 수 있다.
이와 같이 구성됨에 따라 잠수함 등의 수중운동체(10)는 스노클 모드에서 함 외부의 공기를 흡기하고, 이를 압축 후 다량의 압축공기를 압축공기 저장용기(140)에 저장할 수 있다. 그리고 압축공기를 산소 PSA 장치(160)를 통해 고순도 산소를 분리하고 이를 액화산소탱크(180)에 공급할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 수중운동체의 액화산소 충전 시스템(100)을 이용한 수중운동체의 액화산소 충전 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수중운동체의 액화산소 충전 방법은, 흡기 단계, 압축 공기 저장 단계, 산소 정제 단계, 산소 액화 단계, 액화산소 저장 단계를 포함한다.
먼저, 흡기 단계가 수행된다. 흡기 단계는 전술한 흡기 장치(120)에서, 함 외부로부터 공기를 공급 받는 단계이다. 이 단계에서는, 잠수함의 스노클 모드 시 상기 흡기 장치(120)가 동작하여 함 외부의 공기를 흡기한다.
다음으로, 압축 공기 저장 단계가 수행된다. 압축 공기 저장 단계는 전술한 압축공기 저장용기(140)에서, 상기 흡기 장치(120)를 통해 흡기된 공기를 압축한 다음, 압축된 공기를 저장하는 단계이다.
그 다음으로, 공기 유량 및 압력 조절 단계가 수행된다. 공기 유량 및 압력 조절 단계는 상기 압축공기 저장용기(140)에서 상기 산소 PSA 장치(160)로 공기가 공급될 때, 공기의 공급 유량 및 압력을 조절하는 단계이다.
그 다음으로, 산소 정제 단계가 수행된다. 산소 정제 단계는 전술한 산소 PSA 장치(160)에서, 상기 압축공기 저장용기(140)로부터 공기를 제공받아 산소를 정제하는 단계이다.
그 다음으로, 산소 액화 단계가 수행된다. 산소 액화 단계는 전술한 산소액화장치(170)에서, 상기 산소 PSA 장치(160)로부터 정제된 산소를 공급받아 액화시키는 단계이다.
그 다음으로, 액화산소 저장 단계가 수행된다. 액화산소 저장 단계는 전술한 액화산소탱크(180)에서, 상기 산소액화장치(170)에서 액화된 액화산소를 저장하는 단계이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면 공기불요추진체계가 적용된 잠수함 등의 수중운동체에서 산소 PSA(Pressure Swing Adsorption)를 이용하여 함 외부로부터 공급받은 공기 중에서 산소를 분리하고, 고순도 산소를 압축하여 액화한 후 액화산소탱크로 충전할 수 있는 장점이 있다.
나아가, 상기와 같은 방식으로 고순도 산소를 압축하여 액화한 후 액화산소탱크에 충전할 수 있어서 육상시설로부터 액화산소의 보충(또는 충전) 없이 해상에서 직접 산소를 생산 및 저장할 수 있는 장점이 있다. 그 결과 공기불요추진체계가 적용된 잠수함 등의 수중운동체의 작전기간을 증가시킬 수 있는 유리한 기술적 효과가 있다.
더 나아가, 해상/잠항 중에 산소생산 및 액화산소탱크로의 충전이 가능하므로 잠항 기간 대폭 증가될 수 있어 잠수함 등의 수중운동체의 작전 능력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
10: 수중운동체
100: 액화산소 충전 시스템
110: 공기 공급 관
120: 흡기 장치
130: 공기 압축기
140: 압축공기 저장용기
150: 유량 및 압력 조절기
160: 산소 PSA 장치
170: 산소액화장치
180: 액화산소탱크

Claims (6)

  1. 함 외부로부터 공기를 공급 받는 흡기 장치;
    상기 흡기 장치를 통해 흡기된 공기를 압축하여 압축된 공기를 저장하는 적어도 하나의 압축공기 저장용기;
    상기 압축공기 저장용기로부터 공기를 제공받아 산소를 정제하는 산소 PSA(Pressure Swing Adsorption) 장치;
    상기 산소 PSA 장치로부터 정제된 산소를 공급받아 액화시키는 산소액화장치;
    상기 산소액화장치에서 액화된 액화산소를 저장하는 액화산소탱크; 및
    상기 흡기 장치와 상기 적어도 하나의 압축공기 저장용기 사이를 연결하는 배관 상에 설치되어, 상기 흡기 장치를 통해 흡기된 공기를 설정 압력으로 압축하는 공기 압축기;를 포함하며,
    상기 압축공기 저장용기와 상기 산소 PSA 장치 사이를 연결하는 배관 상에는 적어도 하나의 유량 및 압력 조절기가 구비되고,
    상기 흡기 장치는 수중운동체의 스노클 모드 시 동작하여 함 외부의 공기를 흡기하며,
    상기 흡기 장치는 함 외부로 인출되어 해수면 밖으로 돌출 가능한 길이를 갖는 공기 공급 관을 구비하고,
    상기 산소액화장치는 상기 산소 PSA 장치와 상기 액화산소탱크 사이를 연결하는 배관 상에 설치되어, 상기 산소 PSA 장치로부터 정제된 산소를 상기 액화산소탱크까지 유동하는 과정 중에 냉각시키는 산소냉각기인 것을 특징으로 하는 수중운동체의 액화산소 충전 시스템.
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