KR20040073361A - 잠수함 - Google Patents

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KR20040073361A
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호발트스벨케-도이췌벨프트아게
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Abstract

잠수함이 가스압력탱크로부터 공급이 이루어지는 연료전지설비를 갖는다. 압력 레벨을 연료전지설비에 허용된 압력으로 감소시킬 수 있도록 하기 위하여 감압기가 제공된다. 감압기의 안전을 도모하기 위하여, 감압기의 고장시에 허용할 수 없는 고압력이 연료전지설비에 도달하는 것을 방지하기 위하여, 감압기와 소비단 사이의 공급관내 압력이 증가하는 경우 공급관을 차단하는 배압안전장치가 제공됨을 특징으로 한다.

Description

잠수함 {SUBMARINE}
본 발명은 잠수함에 관한 것으로, 특히 이러한 잠수함에 사용되는 밸브장치에 관한 것이다.
잠수함, 특히 군용 잠수함에서, 에너지저장수단으로서 배터리 이외에 연료전지설비의 사용이 크게 증가하고 있다. 이러한 연료전지설비는 전형적으로 산소의 공급에 의해 연료전지설비에서 촉매하에 산화되어 열과 전기를 발생시키는 수소와 같은 기체연료로 작동된다. 통상적으로 반응물은 압력용기내에 액체상태로 저장된다. 이들 압력용기내의 압력은 연료전지설비의 작동을 위하여 허용된 압력 보다 상당히 커서 규칙적으로 액체반응물을 기체형태로 전환시켜 이들의 압력을 낮추는 것이 필요하다. 이는 종래기술에서 다양한 형태로 알려져 있는 압력감소수단(이후부터는 줄여서 감압기라 함)에 의하여 이루어진다.
감압기가 고장이 날 경우, 고가의 민감한 연료전지설비가 영구적인 손상 또는 파괴에 이를 정도로 압력이 아주 크게 가하여지는 것을 방지하기 위하여, 육상에 설치되는 연료전지설비에 있어서는 감압기의 후측에 안전밸브 또는 파열형 디스크를 연결하는 것이 이미 알려져 있는 바, 감압기에 결함이 발생되거나 여러 이유로 인해 연료전지설비의 작동에 알맞은 압력 이상으로 압력이 증가하는 경우에는, 이와 같이 증가된 압력이 안전밸브 또는 파열형 디스크를 통하여 외부 주위로 방출된다.
잠수함에 있어서는 이러한 형태로 배압보호(back-pressure protection)가 이루어지지는 않는 바, 그 이유는 한편으로는 잠수함의 압력선체 내부의 두 반응물 중 하나라도 잠수함 내부로 무단유출되는 경우가 발생되고, 다른 한편으로는 잠수함이 잠수하였을 때에 그 주위의 압력이 연료전지의 작동에 적당한 압력 보다 높아 주위로 방출되는 것이 불가능하기 때문이다. 따라서, 주위의 압력으로 인해서 압력감소는 더 이상 원하는 형태로 이루어지지 않는다.
본 발명의 목적은 감압기가 고장이 날 경우에 압력선체내로 반응가스가 유출되고 과도한 고압으로 연료전지설비에 충격을 가하는 것을 확실하게 방지하는 잠수함을 제공하는데 있다.
청구범위 제1항에 기술한 특징부의 본 발명에 따라 본 발명의 목적이 달성된다. 본 발명의 장점을 가진 실시형태를 종속항, 상세한 설명 및 도면에 기술한 바와 같이, 본 발명에 있어서는 감압기로부터 연료소비장치로 안내되는 부분에서 압력의 증가가 일어나는 경우 공급관을 차단하는 수단이 제공된다.
본 발명의 기본개념은 공급관에서 유동방향을 기준으로 보았을 때 감압기의 후측에서 과도한 압력의 증가가 일어날 때에 압력의 추가적인 증가가 일어나는 것을 방지하기 위하여 압력증가의 원인에 관계없이 공급관을 차단하는 것이다. 차단이 이루어졌을 때 압력은 정상작동압력 보다 높게 유지되지만 연료전지설비를 위한 최대 허용압력보다는 낮게 유지된다. 어떠한 이유에서든지 공급관내에서 압력이 증가하는 경우, 즉시 공급관을 차단함으로서 연료전지설비가 과도한 압력의 영향을받지 않게 된다. 마찬가지로 압력선체내인 잠수함의 내측으로 방출되는 것이 안전하게 방지될 수 있다.
잠수함내에서 본 발명에 따른 안전수단의 기술적인 실현은 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 모든 해결책의 전제조건은 공급관내의 안전한 장소에 차단밸브를 설치하는 것이며, 이는 본 발명의 실시형태에 따라서 반드시 감압기와 연료소비장치 사이에 배치될 필요는 없으며 경우에 따라서는 감압기의 전방에 배치될 수도 있다. 차단 밸브가 외부제어수단(예를 들어, 전자제어수단 또는 유압제어수단)에 의하여 작동된다면 후자의 경우가 고려될 수 있다. 따라서, 가스의 유동방향에서 감압기의 후측과 가스소비장치의 전방인 공급관의 영역에서 단지 압력을 측정하므로서 연료전지설비의 전방에서 압력감지기에 의하여 압력이 검출되는 것이 요구되며, 이러한 압력검출기는 그 신호가 검출된 압력값에 따라서 차단밸브를 차단 또는 해제토록 작동시키는 전자제어장치에서 처리된다. 감압기로부터 연료소비장치로 연결된 공급관의 일부에서 압력이 정해진 값 이상으로 증가하는 경우에 차단밸브가 차단작동됨과 동시에 압력이 정해진 값 이하로 되어 차단밸브가 개방된다. 이러한 장치는 공간조건에 관계없이 배치될 수 있는 잇점을 갖는다. 차단밸브는 실제로 공급관의 어디에나 설치될 수 있으나 고압영역의 가스체적/압력체적이 고려되어야 한다. 다만 감지기는 감압기의 후측에 배치된다. 마찬가지로 전자제어장치도 잠수함내 어느 장소에나 배치될 수 있다.
전기설비의 고장인 경우에도 안전이 확보될 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 다른 실시형태에 따라서 차단밸브는 자동폐쇄되는 기계적은 구조로 설계될 수 있다. 밸브의 개방, 즉 그 작동은 사용된 공급시스템에 따라서 적기적으로, 또는 공압이나 수압적으로 이루어질 수 있다. 특히, 유압 또는 공압작동인 경우에 제어장치도 유압 또는 공압으로 작동될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 전기적인 압력감지기 대신에 유압 또는 공압작동형의 압력감지기를 사용할 경우에는 이러한 감지기가 압력신호의 처리를 위하여 제어장치에 연결된다.
차단밸브를 자동개폐형으로 구성하기 위해서는, 밀폐동체 또는 슬라이딩 밸브를 가질 경우의 슬라이더에 스프링의 탄지력을 가하거나 또는 차단밸브의 전방에 위치한 공급관의 압력으로 가하는 것이 유용하다.
본 발명에 따라서 제공되는 기계적인 차단밸브는 전기, 공압 또는 유압에 관계없이 작동되며 감압기와 연료소비장치사이의 도관에 사이에 결합되고 밸브유입구의 압력에 따라서 자동적으로 전환될 수 있게 구성된다. 더욱이 이러한 기계적인 구성은 다른 시스템의 고장이 있는 경우에도 확실하게 계속 작동될 수 있는 유리한 잇점을 갖는다. 또한 이 시스템은 주전원이 고장인 경우에도 작동한다.
차단밸브가 시트밸브(seat valve)의 형태로 구성되는 구조는 설계가 간단하고 밀폐동체에 간단히 밀폐방향으로 스프링, 예를 들어 헬리컬 압축스프링의 탄지력이 가하여져서 단부위치의 어떠한 조절도 필요치 않게 된다.
밸브 하우징내의 밀폐동체는 피스턴 및/또는 멤브레인에 이동가능하게 결합되고, 일측으로 피스턴 또는 멤브레인이 밸브유입구와 연결되며 타측으로는 밸브 하우징내의 밀폐공간에 연결되거나 또는 이러한 타측에서 밀폐공간을 직간접적으로 제한할 수 있게 되어 있다. 감압기의 유출구측에 연결되는 밸브유입구의 압력은 항상 감압기 후측의 압력과 같아서 밸브가 정해진 압력값을 초과할 때 자동밀폐될 수 있게 되어 있는 경우 이 압력은 밸브를 제어하는데 유용하게 이용된다. 유입구측이 이러한 증가된 압력은 피스턴에 가하여지고 밀폐동체가 밸브시트에 가압될 때 밀폐동체와의 운동결합으로 밸브유입구와 유출구 사이의 통로가 차단될 때까지 압력의 증가에 따라서 피스턴이 폐쇄공간내에 위치하는 가스체적의 압축하에 이동한다.
피스턴과 멤브레인의 조합이 이용되며, 여기에서 피스턴은 상당한 힘에 적응하는 구성요소이고 반대로 멤브레인은 밀폐기능을 담당하며 밸브 하우징내에 밀폐상태로 확고하게 인장되어 있다. 동시에 이러한 구성은 피스턴과 멤브레인에 의하여 공간이 일측방향으로 제한됨으로서 구성이 비교적 콤팩트하게 되며 저렴하게 제작될 수 있다.
예를 들어, 밀폐동체와 피스턴은 간단히 경합운동이 이루어질 수 있도록 밸브 하우징내에서 축방향으로 이동하는 롯드에 의하여 연결될 수 있다.
밸브 하우징내에 놓이는 밀폐공간은 밸브 또는 기타 다른 수단에 의하여 밀폐되거나 차단될 수 있는 연결개방부를 포함하여야 한다. 연결개방부는 밀폐공간의 블리이딩(bleeding) 또는 압력작용이 이루어질 수 있도록 되어 있으며, 이에 의하여 밸브의 작동압력을 변화시킬 수 있다.
밸브 하우징은 유입구측에서 감압기로부터 연장된 공급관에 연결되고 유출구측에서는 소비장치로 연장되는 공급관에 연결됨으로서 다른 부속수단없이 공급관에 직접 일체화시킬 수 있다.
상기 언급되고 이후 한 실시형태에 의하여 상세히 설명되며 전기나 유압 또는 공압에 의한 제어가 이루어지는 기계적인 차단밸브장치가 잠수함에 조합하여 이용될 수 있을 뿐만 아니라 유사한 분야(정비조건)가 관련되고 상기 언급된 특징과 잇점이 적어도 유리하게 적용되는 다른 분야에도 이용될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 안전수단의 기본 구성을 블록 다이아그램형태로 보인 설명도,
도 2는 공급원과 감압기를 가지고 기계/고압작동형 차단밸브를 갖는 압력원을 보인 단면도 이다.
도면의 주요부분에 대한 부호설명
a... 압력원 b... 연료소비장치
c... 공급관 1... 감압기
2... 배압안전장치
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
연료전지설비의 작동을 위하여 각각 압력탱크(a)로부터 연료전지설비의 형태인 연료소비장치(b)로 산소와 수소가 공급되는 것이 요구된다. 이러한 공급은 압력탱크로부터 감압기(1)의 형태인 압력감소수단까지의 공급관 구간(c1), 감압기(1)로부터 배압안전장치(2)까지의 구간(c2)과, 배압안전장치로부터 연료전지설비인 연료소비장치(b)까지의 구간(c3)을 구성되는 공급관(c)으로 이루어진다. 배압안전장치 (2)는 어떠한 이유에서 감압기(1)의 유출구측 압력이 연료전지설비의 통상적인 작동압력 보다 높은 경우로서, 정해진 압력값 이상이지만 아직은 허용가능한 최대압력 보다는 낮은 압력인 경우, 공급관(c)이 이러한 배압안전장치(2)에 의하여 차단될 수 있도록 한다.
도 2에서 보인 바와 같은 기계-공압형인 실시형태에서, 공급관(c)의 차단은 차단밸브와 그 제어수단을 수용하는 밸브장치로서 구성되는 배압안전장치내에서 직접적으로 이루어진다. 감지기 또는 제어장치와 제어형 차단밸브를 갖는 유압 또는 공압형의 압력탐침기로 작동되는 실시형태의 경우, 압력감지기 또는 압력탐침기는 공급관 구간(c2-c3)의 영역에만 놓이면 되고, 차단밸브는 공급관 구간(c1) 또는 선택적으로 공급관 구간(c2또는 c3)에 배치될 수 있다.
도 2에서, 압력탱크는 부호 a로 표시되어 있다. 여기에서, 공급관(c)은 그 구간(c1)이 압력탱크(a)로부터 감압기(1)측으로 연결되고 이 감압기는 공급관의 구간(c2)을 통하여 배압안전장치(2)에 연결된다. 여기에서, 배압안전장치(2)는 기계-공압형 밸브장치로서 구성되어 있으며 공급관의 구간(c2)에 연결되는 유입구(4)와 연료소비장치(b)로 연결된 공급관의 구간(c3)에 연결되는 유출구(5)를 갖는 밸브 하우징(3)으로 구성된다. 실질적인 차단밸브는 이 실시형태에서 내부에 배열되어 있지만 높이에 따라 변형될 수 있으며, 이 밸브는 밸브시트(6)와 밀폐된 원뿔 형태인 밀폐동체(7)로 구성된다. 밸브시트(6)는 밸브 하우징(3)내의 밸브공(bore)내에 결합되어 있으나 밸브 하우징과 일체로 구성될 수 있다. 밀폐동체(7)와 밸브시트(6)는 유동방향(8)에서 폐쇄방향이 탄지력으로 유지될 수 있도록 선택된다(도 2 참조).
밀폐동체(7)는 밸브 하우징(3)의 기부에 형성된 적당한 통공에서 축방향으로 이동될 수 있도록 안내되는 다단형 실린더(9)상에 얹혀 있다. 저면측으로부터의 다단형 실린더(9)에는 이 다단형 실린더(9)에 힘을 가하여 밀폐동체(7)가 밸브시트의 방향으로 이동하여 놓일 수 있도록 하는 헬리컬 압축스프링(10)이 배치되는 포켓 홀이 구비되어 있다. 이와 같은 방법으로 구성되는 차단밸브는 자동형으로 차단기능을 발휘한다.
밀폐동체(7)는 롯드(12)를 통하여 밀폐동체(7) 또는 다단형 실린더(9)에 기계적으로 연결된 피스턴(11)에 의하여 유체, 특히 공압으로 제어된다. 밀폐동체(7)에 대향된 피스턴(11)의 하측부에는 채널(13)을 통하여 밸브 하우징(3)의 유입구측압력, 즉 감압기(1)의 유출구측에서 공급관(2)의 압력이 가하여진다. 피스턴(11)의 외측부는 멤브레인(14)에 접하며, 이 멤브레인은 그 변부가 밸브 하우징(3)에 밀폐상태로 경고하게 고정되고 밸브 하우징(3)내에 형성된 밀폐공간(15)의 벽을 구성한다. 이 폐쇄공간(15)은 돔형 공간을 이루며 이는 돔형의 압력제어형 감압기로서 알려져 있다. 이는 밀폐구(17)에 의하여 밀폐되는 개방부(16)를 갖는다. 이 개방부(16)는 밀폐공간을 질소로 압력충전하기 위한 블리이딩이 이루어질 수 있도록 한다. 작동압력(2)은 충전에 의하여 고정적으로 설정되는 밀폐공간(15)의 압력에 의하여 설정된다. 예시된 밀폐구(17)는 도관연결부의 형태로 도시되어 있으며 이는 공간(15)이 밀폐되는 것을 강조하고 있다. 실제로 이 밀폐구(17)는 도관연결부 또는 이에 직접 적용되는 리턴 밸브에 의하여 구성되며, 도관연결부를 통하여 밀폐공간(15)의 충전과 압력설정이 이루어진다.
배압안전장치(2)의 기능은 다음과 같다. 정상적인 작동에서는, 도시된 바와 같이 밀폐동체(7)가 밸브시트(6)로부터 일정한 거리를 두도록 정해진 압력이 공간(15)에 가하여진다. 그리고 밸브가 개방되면 유입구(4)와 유출구(5)가 자유롭게 연통된다. 그리고 공간(15)의 압력에 의하여 멤브레인(14) 또는 피스턴(11)과 롯드(12) 및 다단형 실린더(9)에 작용하는 개방방향의 힘과, 채널(13)을 통한 피스턴(11) 후측의 압력 또는 이에 의한 밀폐방향으로의 힘과 이러한 방향으로 작용하는 스프링(10)의 탄지력에 대하여 힘의 평형이 이루어진다.
감압기(1)가 고장이 날 경우, 공급관의 구간(c2)와 밸브의 유입구(4)측에서 압력이 증가한다. 따라서 채널(13)을 통하여 피스턴(11) 또는 멤브레인(14)에 작용하는 힘은 공간(15)의 내부압력에 의하여 생성된 반대의 힘이 작아져 최종적으로 피스턴이 상측으로 이동할 때까지 증가된다. 이에 따라 밀폐동체(7)도 롯드(12)를 통하여 상측으로 이동되어 밸브시트(6)측으로 이동됨으로써 차단밸브가 밀폐되며 공급관의 구간(c2)에서 압력이 더 증가한다 하여도 이 압력이 공급관의 구간(c3)이나 연료소비장치(b)에는 이르지 않게 된다.
이러한 장치의 현저한 잇점은 배압안전장치(2)의 이러한 제어기능이 실질적으로 압력의 증가와 동시에 이루어지고 차단기능을 고려하여 스스로 유사한 기능이 발휘될 수 있도록 한다. 더욱이, 배압안전장치(2)는 한정됨이 없이 그 기능을 발휘함으로서 예를 들어 감압기(1)에서 작은 누출이 있거나 이로 인한 압력은 작은 증가가 있는 경우에도 밀폐동체가 압력상승에 따라서 밀폐방향으로 이동될 수 있도록 한다.
이러한 장치의 잇점은 전기시스템의 고장이 있는 경우에도 공급에 관계없이 확실하게 작동될 수 있으며, 더욱이 공급관 구간(c2)에서 압력이 허용가능한 값으로 감소될 때 다시 자동적으로 개방되어 장치가 자기보호기능을 발휘할 수 있다는 점이다. 만약 멤브레인(14)에 결함이 있거나 밀폐공간(15)이 밀폐되지 않는 경우 이밀폐공간(15)의 압력이 방출되고 밀폐동체(7)가 스프링의 힘에 의하여 밸브시트(6)에 가압됨으로서 밸브가 차단된다.
이와 같이, 본 발명은 감압기가 고장이 난 경우 압력선체내로 반응가스가 유출되고 과도한 고압으로 연료전지설비에 충격을 가하는 것이 방지되는 잠수함에 사용되는 밸브장치와 이러한 장치를 구비한 잠수함을 제공한다.

Claims (11)

  1. 압력선체내에 가스소비장치(b), 특히 연료전지설비에 공급관(c)을 통하여 압력원(a)으로부터 연료공급이 이루어지는 잠수함에 있어서, 감압기(1)가 압력원(a)과 가스소비장치(b) 사이에 연결되어 있고, 감압기로부터 소비장치(b)로 연결된 공급관 (c)의 구간(c3)에서 정해진 값 이상으로 압력이 증가하는 경우에 공급관(c)을 차단하는 수단(2)이 설치되어 있는 잠수함.
  2. 제1항에 있어서, 차단밸브가 압력원(a)과 가스소비장치(b) 사이의 공급관(c)에 연결되어 있고, 감압기(1)와 연료소비장치(b) 사이의 공급관 구간(c2)에 압력감지기가 설치되며, 감지기신호에 따라 차단밸브를 작동시키는 제어장치가 설치되어 있는 잠수함.
  3. 상기항 중 어느 한 항에 있어서, 차단밸브(2)가 자동방식에 따라 기계적으로 밀폐될 수 있도록 구성되어 있고, 전기, 공압 또는 유압에 의하여 개방토록 작동될 수 있게 설치되어 있는 잠수함.
  4. 상기항 중 어느 한항에 있어서, 감압기와 소비장치 사이의 공급관에 밸브유입구측의 압력에 따라 자동방식으로 전환되는 차단밸브(2)가 설치되어 있는 장치.
  5. 상기항 중 어느 한 항에 있어서, 차단밸브(2)가 시트밸브(6, 7)의 형태로 구성되고 밀폐동체(7)에 밀폐방향으로 스프링힘이 가하여 지는 잠수함.
  6. 상기항 중 어느 한 항에 있어서, 밀폐동체(7)가 피스턴(11) 또는 멤브레인(14)에 이동가능하게 결합되어 있고, 이러한 피스턴(11) 또는 멤브레인 (14)이 한측으로는 밸브유입구(4)와 연결되어 있고 타측으로는 밀폐공간(15)과 연결되어 있으며, 이러한 타측부에 의해서 밀폐공간(15)이 한정되어 있는 잠수함.
  7. 상기항 중 어느 한 항에 있어서, 피스턴(1)의 일측부에 의해서 밸브 하우징(3)내에 유지되는 멤브레인(14)에 힘이 가하여 지고 밀폐공간(15)이 한정되어 있는 잠수함.
  8. 상기항 중 어느 한 항에 있어서, 밀폐동체(7)와 피스턴(11)이 밸브 하우징(3)내에서 축방향으로 이동하는 롯드(12)에 의하여 연결되어 있는 잠수함.
  9. 상기항 중 어느 한 항에 있어서, 밀폐공간(15)이 블리이딩 또는 압력방출을 위한 개방부(16)를 구비하고 있는 잠수함.
  10. 상기항 중 어느 한 항에 있어서, 밸브하우징(3)은 감압기(1)와 연결된 공급관 구간(c2)을 위한 유입구(4)와 연료소비장치(b)측으로 연결되는 공급관 구간(c3)을 위한 유출구(5)를 구비하고 있는 잠수함.
  11. 제4항 내지 제10항에 기술된 특징을 가지고 있고 차단밸브(2)에 관련된 특징을 가지고 있는 밸브.
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