KR102620385B1 - 선박 냉각시스템의 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법 - Google Patents

선박 냉각시스템의 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 선박 냉각시스템(1)에 적용된 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법은 인버터 온도 임계값(Threshold) 보다 높은 인버터 온도에서 펌프 제어기(100)의 펌프 가변 듀티 출력(b)이 인버터 온도별로 다르게 적용하고, 듀티 차이로 냉각수 순환 펌프(10)를 구동하여 인버터(60)에 대한 냉각수 유량을 다르게 공급함으로써 냉각수 순환 펌프(10)의 구동을 세부 단계로 제어하여 펌프 전력 소모량을 최소화할 수 있고, 특히 펌프 구동의 세부 단계를 인버터 온도 기반으로 구분함으로써 냉각 성능 효과를 얻기 위한 펌프 가동시간도 최적화되는 특징이 구현된다.

Description

선박 냉각시스템의 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법{Coolant Circulation Pump Operation Optimization Method for Cooling System of Ship}
본 발명은 전기추진 선박용 냉각시스템에 관한 것으로, 특히 냉각수 순환을 위한 펌프 구동 단계를 세분화 하여 펌프의 전력 소모량을 최소화할 수 있는 선박 냉각시스템의 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법에 관한 것이다
일반적으로 선박의 경우 활동영역이 바다이기 때문에 외부 육지에서 전원을 직접 공급받지 못한다. 이에 선박은 그 내부에 설치된 발전기를 이용해 자체적으로 전원을 생산하여 사용한다. 이 때, 선박에 설치된 발전기는 선박의 동력수단에 사용되는 연료를 소비하면서 전원을 생산한다.
이러한 선박으로 전기추진 선박을 예로 들 수 있고, 상기 전기추진 선박은 주 동력원으로 사용하는 Electric Transportation의 핵심 추진체 운용에 전력변환/제어모듈을 사용한다. 이 경우 상기 전력변환/제어모듈은 인버터와 모터를 포함한다.
그러므로 상기 전력변환/제어모듈은 냉각시스템과 함께 운영된다.
일례로 상기 냉각시스템은 냉각수 순환 펌프, 열교환기, 냉각수 순환 라인을 포함하고, 제어기(예, 인버터 제어기)로 동작된다.
즉, 상기 제어기(예, 인버터 제어기)는 온도 센서의 검출 신호로 인버터 또는 모터의 과열을 확인하고, 특정한 온도 이상의 인버터 또는 모터 과열 시 냉각수 순환 펌프를 특정시간 동안 구동함으로써 냉각수가 열교환기를 거쳐 모터와 인버터를 순환하도록 한다.
그러므로 상기 전력변환/제어모듈은 제어기(예, 인버터 제어기)에 의한 냉각시스템 구동으로 인버터 또는 모터의 과열을 방지하여 준다.
국내공개특허 KR 10-2019-0066353 (2019.06.13)
하지만, 상기 냉각시스템은 제어기(예, 인버터 제어기)의 펌프 제어 방식이 세분화되지 못함으로써 냉각수 순환 펌프의 구동에 따른 전력소모가 크다는 문제를 가지고 있다.
이러한 냉각시스템 운영에 따른 큰 전력소모는 냉각수 순환 펌프의 소비에너지가 상대적으로 큼에 기인한다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 펌프를 세부 단계로 구동함으로써 냉각수 순환에 따른 펌프의 전력 소모량을 최소화할 수 있고, 특히 펌프 구동의 세부 단계를 인버터 온도 기반으로 구분함으로써 냉각 성능 효과를 얻기 위한 펌프 가동시간도 최적화되는 선박 냉각시스템에 대한 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법은 인버터로 냉각수를 순환시켜 주는 냉각수 순환 펌프의 구동이 펌프 제어기의 인버터 온도 임계값으로 판단되는 단계, 및 펌프 가변 듀티로 인버터 과열 온도에 맞춰 듀티 출력을 다르게 하고, 상기 냉각수 순환 펌프가 냉각수 유량을 가변적으로 펌핑하는 펌프부하 가변제어 단계가 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 인버터 온도 임계값은 45℃로 설정된다.
바람직한 실시예로서, 상기 펌프부하 가변제어 단계는 상기 인버터 온도 임계값 보다 높은 제1 인버터 과열 온도를 적용하는 냉각수 유량 최소 공급 단계, 상기 제1 인버터 과열 온도보다 높은 제2 인버터 과열 온도를 적용하는 1차 공급 유량 증가 단계, 및 상기 제2 인버터 과열 온도보다 높은 제3 인버터 과열 온도를 적용하는 2차 공급 유량 증가 단계로 수행된다.
바람직한 실시예로서, 상기 냉각수 유량 최소 공급 단계는 상기 제1 인버터 과열 온도를 상기 인버터 온도 임계값 대비 5℃ 높게 설정하고, 상기 냉각수 순환 펌프는 0-3LPM의 냉각수 유량이 공급되도록 구동된다.
바람직한 실시예로서, 상기 1차 공급 유량 증가 단계는 상기 제2 인버터 과열 온도를 상기 제1 인버터 과열 온도 대비 5℃ 높게 설정하고, 상기 냉각수 순환 펌프는 4-7LPM의 냉각수 유량이 공급되도록 구동된다.
바람직한 실시예로서, 상기 2차 공급 유량 증가 단계는 상기 제3 인버터 과열 온도를 상기 제2 인버터 과열 온도 대비 5℃ 높게 설정하고, 상기 냉각수 순환 펌프는 8-12LPM의 냉각수 유량이 공급되도록 구동되며, 상기 제3 인버터 과열 온도와 상기 제2 인버터 과열 온도 간 온도차가 5℃ 이상으로 유지되는 경우 상기 인버터를 과열 상태로 경고된다.
바람직한 실시예로서, 상기 인버터 과열 온도가 상기 인버터 온도 임계값 보다 낮으면, 상기 펌프 가변 듀티를 출력하지 않는다.
그리고 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 선박 냉각시스템은 냉각수가 순환되는 냉각수 순환 라인으로 연결되고, 냉각수 순환 펌프, 열교환기, 모터 및 인버터로 구성된 냉각 부품; 및 인버터 온도 임계값 보다 높은 인버터 온도에서 펌프 가변 듀티 출력이 인버터 온도별로 다르게 적용하고, 상기 냉각수 순환 펌프를 듀티 차이로 구동하여 상기 인버터에 대한 냉각수 유량을 다르게 공급하는 펌프 제어기가 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 열교환기는 상기 냉각수 순환 라인과 함께 해수 순환 라인을 연결하고, 상기 냉각수 순환 라인의 냉각수와 상기 해수 순환 라인의 해수 간 열교환을 발생시켜준다.
바람직한 실시예로서, 상기 인버터는 온도 센서를 구비하고, 상기 온도 센서는 상기 인버터의 인버터 온도를 검출하여 상기 펌프 제어기로 전송한다.
이러한 본 발명의 선박 냉각시스템에 적용된 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법은 하기와 같은 작용 및 효과를 구현한다.
첫째, 전기추진 선박의 냉각시스템에 적용된 냉각수 순환 펌프의 구동 시 인버터 냉각에 상대적으로 전력소모를 줄여 줄 수 있다. 둘째, 냉각수 순환 펌프 구동이 세분화된 펌프 구동 단계로 제어됨으로써 펌프 전력 소모량이 최소화될 수 있다. 셋째, 세부 펌프 구동 단계가 인버터 온도 기반으로 구분됨으로써 냉각 성능 효과를 얻기 위한 펌프 가동시간이 최적화될 수 있다. 넷째, 냉각시스템의 전력 소모량을 최소화함으로써 전기추진 선박에서 전력변환/제어모듈이 보다 효율적으로 운영될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 선박 냉각시스템에 적용된 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 선박 냉각시스템 구성에서 냉각수 순환 상태이다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 상기 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법은 선박 냉각시스템에 적용되고, 이를 펌프부하 가변제어(S40)로 냉각수 유량이 인버터 과열 온도에 맞춰 가변적으로 공급함으로써 인버터 냉각 효과를 유지하면서 펌프 전력 소모는 최소화될 수 있다.
그러므로 상기 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법은 선박 냉각시스템에 적용되어 소비에너지가 상대적으로 큰 냉각수 순환 펌프를 구동하더라도 전력 소모가 크게 줄어 들 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 선박 냉각시스템(10)은 전력변환/제어모듈을 구성하는 모터(50)와 인버터(60)를 냉각하고, 이를 위해 냉각수 순환 펌프(10), 열교환기(20), 냉각수 순환 라인(30), 해수 순환 라인(40), 온도 센서(70) 및 펌프 제어기(100)로 구성된다. 이 경우 냉각수 순환 펌프(10), 열교환기(20), 모터(50) 및 인버터(60)는 냉각수가 순환되는 냉각수 순환 라인(30)으로 연결된 냉각 부품이다.
일례로 상기 냉각수 순환 펌프(10)는 냉각수를 순환시켜 주고, 상기 열교환기(20)는 그 내부 공간을 냉각수 영역과 해수 영역으로 구분하는 구조로 이루어져 냉각수와 해수의 온도차로 열교환을 수행하며, 상기 냉각수 순환 라인(30)은 냉각수 순환 경로가 형성되도록 냉각수 순환 펌프(10), 모터(50), 인버터(60) 및 열교환기(20)를 연결하고, 상기 해수 순환 라인(40)은 해수 순환 경로가 형성되도록 열교환기(20)의 내부 공간과 연결된다.
특히 상기 냉각수 순환 라인(30)은 냉각수 배출 라인(30A)과 냉각수 복귀 라인(30B)으로 구분되고, 상기 냉각수 배출 라인(30A)은 냉각수 순환 펌프(10), 모터(50), 인버터(60) 및 열교환기(20)를 연결하며, 상기 냉각수 복귀 라인(30B)은 열교환기(20)와 냉각수 순환 펌프(10) 및 모터(50)를 연결한다. 이 경우 냉각수 유량은 모터(50) 및/또는 인버터(60)에 채워져 순환된다.
일례로 상기 온도 센서(70)는 인버터 온도를 검출하도록 인버터(60)에 장착되고, 온도 값을 나타내는 센서 신호가 펌프 제어기(100)로 전송된다. 이 경우 상기 온도 센서(70)는 NTC(Negative Temperature Coefficient Thermistor), PTC(Positive Temperature Coefficient Thermistor), CTR(Critical Temperature Resister Thermistor) 중 어느 하나일 수 있다.
일례로 상기 펌프 제어기(100)는 온도 센서(70)가 전송한 온도센서 신호(a)를 읽고, 펌프 가변 듀티(b)를 출력하여 냉각수 순환 펌프(10)를 구동제어(즉, 회전수)하며, 펌프 제어 로직이 저장된 메모리를 갖춘 중앙처리장치로 동작한다. 이 경우 상기 펌프 제어기(100)는 ECU(Electronic Control Unit) 또는 인버터 제어기일 수 있다.
이하 상기 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법이 도 1 및 도 2를 참조로 상세히 설명된다. 이 경우 제어 주체는 펌프 제어기(100)이고, 제어 대상은 냉각수 순환 펌프(10)이다.
먼저 펌프 제어기(100)는 S10의 인버터 온도 단계에서 인버터 온도를 읽어 확인한다. 이는 도 2와 같이, 인버터(60)에 장착된 온도 센서(70)에서 전송된 온도센서 신호(a)를 이용하여 이루어진다.
이어 펌프 제어기(100)는 S20~S30의 펌프구동여부 확인 단계를 수행하고, 이는 S20의 펌프구동온도 판단 단계, S30의 펌프구동 단계로 수행된다.
일례로 상기 펌프구동온도 판단(S20)은 펌프구동온도 판단식을 적용한다.
펌프구동온도 판단식: 인버터 검출 온도 > K
여기서, “인버터 검출 온도”는 온도 센서(70)로 검출한 인버터(60)의 현재 온도이고, “K"는 펌프구동에 적용되는 인버터 온도 임계값(Threshold)으로 약 45℃를 적용한다.
그 결과 펌프 제어기(100)는 인버터 검출 온도가 45℃ 미만인 경우 S90의 펌프 정지 상태 유지 단계로 전환한 후 S10의 인버터 온도 단계로 복귀한다. 이 경우 상기 펌프 정지 상태 유지(S90)는 냉각수 펌프 OFF로 도 2의 냉각수 순환 펌프(10)가 구동되지 않는 상태이다.
반면 펌프 제어기(100)는 인버터 검출 온도가 45℃ 이상인 경우 S30의 펌프구동 단계로 진입하여 도 2의 냉각수 순환 펌프(10)를 냉각수 펌프 ON으로 전환하고, 상기 냉각수 펌프 ON 상태는 냉각수 순환 펌프(10)가 S40의 펌프부하 가변제어 단계에 맞춰 구동되도록 한다.
그러므로 펌프 제어기(100)는 상기 펌프부하 가변제어(S40)를 S50의 냉각수 유량 최소 공급 단계, S60의 1차 공급 유량 증가 단계, S70의 2차 공급 유량 증가 단계로 구현한다.
특히 펌프 제어기(100)는 인버터 온도 임계값(K)(S20) 대비 인버터 상승 온도를 적용하고, 상기 인버터 상승 온도는 냉각수 유량 최소 공급(S50)에 적용되는 제1 인버터 과열 온도 A, 1차 공급 유량 증가(S60)에 적용되는 제2 인버터 과열 온도 B, 2차 공급 유량 증가(S70)에 적용되는 제3 인버터 과열 온도 C로 구분된다.
일례로 상기 제1 인버터 과열 온도 A는 약 50℃, 상기 제2 인버터 과열 온도 B는 약 55℃, 상기 제3 인버터 과열 온도 C는 약 60℃를 적용함으로써 온도 간격이 약 5℃로 적용된다.
이로부터 상기 냉각수 유량 최소 공급(S50)은 S51의 제1 인버터 과열 온도 A 미만에서 S52의 최소 펌핑 유량으로 수행되고, 상기 1차 공급 유량 증가(S60)는 S61의 제2 인버터 과열 온도 B 미만에서 S62의 1차 펌핑 유량 증가로 수행되며, 상기 2차 공급 유량 증가(S70)는 S71의 제2 인버터 과열 온도 C 미만에서 S72의 2차 펌핑 유량 증가로 수행된다.
일례로 상기 최소 펌핑 유량(S52)은 냉각수 순환 펌프(10)에서 냉각수 유량을 0-3LPM(Liter Per Minute)으로 펌핑하여 인버터(60)쪽으로 공급하고, 이는 1차 펌핑 유량 증가(S62)에서 4-7LPM, 2차 펌핑 유량 증가(S72)에서 8-12LPM로 증가된다.
도 2를 참조하면, 상기 펌프 제어기(100)는 냉각수 유량 최소 공급(S50~S52), 1차 공급 유량 증가(S60~S62) 및 2차 공급 유량 증가(S70~S72)를 위해 펌프 가변 듀티 출력(b)을 증가시켜 준다.
일례로 상기 냉각수 유량 최소 공급(S50~S52)에서, 약 50℃의 고온 냉각수는 냉각수 순환 펌프(10)에서 0-3LPM으로 펌핑되어 냉각수 배출 라인(30A)을 통해 모터(50)와 인버터(60)를 거쳐 열교환기(20)로 들어가고, 상기 고온 냉각수는 열교환기(20)의 내부 공간에서 해수 순환 라인(40)에서 공급된 낮은 온도의 해수와 열교환으로 저온 냉각수로 전환된 후 냉각수 복귀 라인(30B)을 거쳐 냉각수 순환 펌프(10)로 흡입된다.
그러므로 상기 1차 공급 유량 증가(S60~S62)에서 약 55℃의 고온 냉각수는 4-7LPM 냉각수 유량으로 냉각수 배출/복귀 라인(30A,30B)을 통해 냉각수 순환 펌프(10), 열교환기(20), 모터(50) 및 인버터(60)를 순환하고, 상기 2차 공급 유량 증가(S70~S72)에서 약 60℃의 고온 냉각수가 8-12LPM 냉각수 유량으로 냉각수 배출/복귀 라인(30A,30B)을 순환한다.
이로부터 상기 냉각수 순환 펌프(10)는 인버터(60)에 대한 냉각수 순환을 위한 구동이 인버터 과열 온도에 맞춘 가변적인 냉각수 유량 공급이 이루어지도록 펌프 전력 소모를 최소화한 상태에서 인버터 냉각 효과가 유지되도록 운영될 수 있다.
한편 펌프 제어기(100)는 2차 공급 유량 증가(S70)에서 S72의 제2 인버터 과열 온도 C 이상인 경우, S80의 냉각시스템 경고 단계로 전환되어 냉각수 순환 펌프 제어를 중지한다.
일례로 상기 냉각시스템 경고(S80)는 점명등 또는 부저로 이루어질 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 선박 냉각시스템(1)에 적용된 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법은 인버터 온도 임계값(Threshold) 보다 높은 인버터 온도에서 펌프 제어기(100)의 펌프 가변 듀티 출력(b)이 인버터 온도별로 다르게 적용하고, 듀티 차이로 냉각수 순환 펌프(10)를 구동하여 인버터(60)에 대한 냉각수 유량을 다르게 공급함으로써 냉각수 순환 펌프(10)의 구동을 세부 단계로 제어하여 펌프 전력 소모량을 최소화할 수 있고, 특히 펌프 구동의 세부 단계를 인버터 온도 기반으로 구분함으로써 냉각 성능 효과를 얻기 위한 펌프 가동시간도 최적화된다.
1 : 선박 냉각시스템
10 : 냉각수 순환 펌프 20 : 열교환기
30 : 냉각수 순환 라인 30A : 냉각수 배출 라인
30B : 냉각수 복귀 라인 40 : 해수 순환 라인
50 : 모터 60 : 인버터
70 : 온도 센서
100 : 펌프 제어기

Claims (11)

  1. 인버터로 냉각수를 순환시켜 주는 냉각수 순환 펌프의 구동이 펌프 제어기의 인버터 온도 임계값(Threshold)으로 판단되는 단계, 및
    펌프 가변 듀티로 인버터 과열 온도에 맞춰 듀티 출력을 다르게 하고, 상기 냉각수 순환 펌프가 냉각수 유량을 가변적으로 펌핑하여 주는 펌프부하 가변제어 단계가 포함되며;
    상기 냉각수는 상기 인버터로 들어가기 전 모터를 통과하고, 냉각수 배출 라인 상에서 상기 냉각수 순환 펌프와 상기 모터 및 상기 인버터의 일렬 배열로 상기 냉각수 배출 라인과 연결되는 것을 특징으로 하는 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 인버터 온도 임계값은 45℃로 설정되는 것을 특징으로 하는 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 펌프부하 가변제어 단계는
    상기 인버터 온도 임계값 보다 높은 제1 인버터 과열 온도를 적용하는 냉각수 유량 최소 공급 단계,
    상기 제1 인버터 과열 온도보다 높은 제2 인버터 과열 온도를 적용하는 1차 공급 유량 증가 단계, 및
    상기 제2 인버터 과열 온도보다 높은 제3 인버터 과열 온도를 적용하는 2차 공급 유량 증가 단계
    로 수행되는 것을 특징으로 하는 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 냉각수 유량 최소 공급 단계는
    상기 제1 인버터 과열 온도를 상기 인버터 온도 임계값 대비 5℃ 높게 설정하고,
    상기 냉각수 순환 펌프는 0-3LPM(Liter Per Minute)의 냉각수 유량이 공급되도록 구동되는 것을 특징으로 하는 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 1차 공급 유량 증가 단계는
    상기 제2 인버터 과열 온도를 상기 제1 인버터 과열 온도 대비 5℃ 높게 설정하고,
    상기 냉각수 순환 펌프는 4-7LPM(Liter Per Minute)의 냉각수 유량이 공급되도록 구동되는 것을 특징으로 하는 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 2차 공급 유량 증가 단계는
    상기 제3 인버터 과열 온도를 상기 제2 인버터 과열 온도 대비 5℃ 높게 설정하고,
    상기 냉각수 순환 펌프는 8-12LPM(Liter Per Minute)의 냉각수 유량이 공급되도록 구동되는 것을 특징으로 하는 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 제3 인버터 과열 온도와 상기 제2 인버터 과열 온도간 온도차가 5℃ 이상으로 유지되면,
    상기 인버터를 과열 상태로 경고하는 것을 특징으로 하는 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 인버터 과열 온도가 상기 인버터 온도 임계값 보다 낮으면,
    상기 펌프 가변 듀티를 출력하지 않는 것을 특징으로 하는 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 의한 냉각수 순환 펌프 운용 최적화 방법이 수행되는 선박 냉각시스템에 있어서,
    냉각수가 순환되는 냉각수 순환 라인으로 연결되고, 냉각수 순환 펌프, 열교환기, 모터 및 인버터로 구성된 냉각 부품; 및
    인버터 온도 임계값(Threshold) 보다 높은 인버터 온도에서 펌프 가변 듀티 출력이 인버터 온도별로 다르게 적용하고, 상기 냉각수 순환 펌프를 듀티 차이로 구동하여 상기 인버터에 대한 냉각수 유량을 다르게 공급하는 펌프 제어기;
    가 포함되는 것을 특징으로 하는 선박 냉각시스템.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 열교환기는 상기 냉각수 순환 라인과 함께 해수 순환 라인을 연결하고,
    상기 냉각수 순환 라인의 냉각수와 상기 해수 순환 라인의 해수 간 열교환을 발생시켜 주는 것을 특징으로 하는 선박 냉각시스템.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 인버터는 온도 센서를 구비하고,
    상기 온도 센서는 상기 인버터의 인버터 온도를 검출하여 상기 펌프 제어기로 전송하는 것을 특징으로 하는 선박 냉각시스템.
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