KR20150007327A - 방사열방출구조체 - Google Patents
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Abstract
대형내연엔진(10)용의 방사열방출구조체(30)는 커버(32)를 포함한다. 커버(32)는 내연엔진(10)의 배기다기관(18)과 커버(32) 사이에 간격을 둔 채로 해당 배기다기관(18)을 덮도록 구성되어 있다. 커버(32)는 최소 1개의 출구개구부(36)을 가진다. 방사열방출구조체(30)는 공기덕트(38)와 송풍기(46)을 추가로 포함한다. 공기덕트(38)는 커버(32)의 최소 1개의 출구개구부(36)에 유체연통되어 있고, 송풍기(46)는 공기 덕트(42)에 유체연통되어 있다.
Description
본 발명은 일반적으로 연소기관의 냉각시스템에 관하며, 보다 구체적으로는 해군함, 발전소 또는 해상시설용의 대형내연엔진에 쓰이는 냉각시스템에 관한 것이다.
내연엔진 가동 중에는, 엔진의 연소유닛에서의 연료 연소에 의해 상당량의 열이 발생한다. 열은 연소유닛의 외측면으로 전달된다. 따라서 외측면의 온도가 상승한다. 마찬가지로 고온 배기가스가 배기가스 시스템을 가열한다. 예를 들어, 배기가스 배기다기관은 연소유닛에서 방출되는 고온 배기가스에 의해 가열된다.
고온의 표면은 고온의 표면에 퍼져있는 미세분산된 연료 및/또는 오일을 자연발화시킬 위험을 동반한다. 자발적 자연발화는 치명적인 폭연(deflagration)을 유발할 가능성이 있고, 그 결과 사람을 다치게 하거나 오일 또는 연료 누출을 초래하여 엔진실에 화재를 낼 수도 있다. 아울러, 고온의 표면은 상당한 화상 위험성을 내포한다.
IACS, DNV 및 SOLAS 규약에 따르면, 표면 온도가 220℃를 초과하는 엔진 표면은 반드시 단열되어야만 한다.
예를 들어, 규제 최대표면온도인 220℃를 하회하도록 내연엔진의 배기가스 배기다기관을 단열하는 수법은 잘 알려져 있다. 그러나, 통상적인 배기가스 배기다기관의 단열에는 막대한 비용이 든다.
아울러, 표면 단열은 엔진 내부에 열이 축적되는 결과를 초래할 수 있고, 그 결과 엔진 부품에 악영향을 끼칠 수 있다. 특히 V형 엔진의 경우, 열이 축적되면 크랭크축 편향이 일어날 가능성이 있다는 것이 알려져 있다.
나아가 한 대 이상의 엔진이 설치되는 엔진실은 온도가 상승할 수 있으므로 별도의 엔진실 환기시설을 필요로 할 수 있다. 환기시설이 없으면 엔진실에서 근무하는 기술자들은 고온에 시달리게 된다.
엔진 냉각장치의 예는 JP540377713U, JP59035634U, US5,284,115A, EP2192281A1 및 EP0345144A1에 개시되어 있다.
본 개시는 적어도 부분적으로, 기존 시스템의 하나 이상의 양태를 개선 또는 극복하기 위한 것이다.
본 개시의 제1 양태에 따르면, 방사열방출구조체는 배기다기관을 포함하는 대형내연엔진에 사용되도록 구성될 수 있다. 해당 방사열방출구조체는 상기 대형내연엔진에 장착되도록 구성된 커버를 포함한다. 해당 커버는 내연엔진의 배기다기관과 커버 사이에 간격을 둔 채로 배기다기관을 덮고, 출구개구부를 최소 1개 가지며, 하부원주단을 포함한다. 하부원주단은 해당 하부원주단의 최소 일부가 대형내연엔진에 대하여 흡기간극을 형성하는 형태를 띠고 있다. 방사열방출구조체는 그 밖에도, 배기구와 커버의 최소 1개의 출구개구부에 유체연통되어 있는 최소 1개의 흡기구를 가지는 공기덕트와, 배기구에 유체연통되어 있는 송풍기를 포함한다.
본 개시의 또다른 양태에 따르면, 방사열방출구조체는 배기다기관을 포함하는 대형내연엔진에 사용되도록 구성된다. 해당 방사열방출구조체는 내연엔진의 배기다기관과 커버 사이에 간격을 둔 채로 배기다기관을 덮도록 구성된 커버를 포함한다. 커버는 출구개구부를 최소 1개 가질 수 있다. 방사열방출구조체는 배기구와 커버의 최소 1개의 출구개구부에 유체연통되어 있는 최소 1개의 흡기구를 가지는 공기덕트와, 배기구에 유체연통되어 있는 송풍기를 추가로 포함한다.
본 개시의 또다른 양태에 따르면, 대형내연엔진은 방사열방출구조체와 깔때기를 포함한다. 해당 깔때기는 방사열방출구조체의 하류측에 유체연통되어 있다.
본 개시의 그 외 또다른 양태에 따르면, 발전소는 엔진실과, 해당 엔진실에 배치되어 있는 최소 1대의 대형내연엔진을 포함한다. 최소 1대의 대형내연엔진은 상술한 방사열방출구조체를 포함한다.
본 개시의 그 외 또다른 양태에 따르면, 대형내연엔진의 방사열방출방법은 배기다기관을 포함하는 대형내연엔진을 가동시키는 단계와, 배기다기관과 간격을 두고 배치되어 있는 커버 밑의 가열된 대기를 취합하는 단계와, 커버에 있는 최소 1개의 출구개구부를 통해 커버와 배기다기관 사이의 공간으로부터 가열된 대기를 제거하는 단계를 포함한다. 커버는 대형내연엔진에 장착되도록 구성되고, 하부원주단을 포함한다. 하부원주단은 해당 하부원주단의 적어도 일부가 대형내연엔진에 대하여 흡기간극을 형성하도록 되어 있다.
본 개시의 그 외 또다른 양태에 따르면, 대형내연엔진의 방사열방출방법은 대형내연엔진을 가동시키는 단계를 포함한다. 대형내연엔진은 배기다기관을 포함할 수 있다. 해당 방출방법은, 배기다기관과 간격을 두고 배치되어 있는 커버 밑의 가열된 대기를 취합하는 단계와, 커버에 있는 최소 1개의 출구개구부를 통해 커버와 배기다기관 사이의 공간으로부터 가열된 대기를 제거하는 단계를 추가로 포함한다.
본 개시의 기타 특징 및 양태는 하기의 설명 및 첨부 도면에서 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 커버가 배기다기관을 덮고 있는 내연엔진의 개략도이다.
도 2는 커버가 배기다기관을 덮고 있는 내연엔진의 개략도이다.
도 2는 커버가 배기다기관을 덮고 있는 내연엔진의 개략도이다.
이하, 본 개시의 예시적 실시형태를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 설명하고 도면에 도시하는 예시적 실시형태는 본 개시의 원리를 교시하여 당업자가 다양한 환경에서 다양한 용도로 본 개시를 실시 및 사용할 수 있도록 보조하는 것을 목적으로 한다. 따라서 예시적 실시형태는 본원의 보호 범위를 한정하지 않으며, 한정하는 것으로 해석해서도 안 된다. 다만, 본원의 보호 범위는 첨부된 청구항에 의해 규정되어야 한다.
본 개시는 부분적으로 내연엔진의 배기다기관 단열은 비용 효율이 낮고 각종 부작용이 생길 수 있다는 인식에 기초하고 있다. 예를 들어, 엔진 내부에 열이 축적될 경우 엔진 블록의 열팽창에 의해 크랭크축 편향이 일어날 수 있고, 엔진실의 온도가 상승하여 엔진실 환기시설을 확장해야 할 필요가 생긴다.
따라서, 본 개시는 비용효율이 우수한 방사열방출구조체를 제공함으로써 배기다기관의 뜨거운 표면을 냉각하고, 엔진 내부의 열 축적현상 및/또는 엔진실의 온도 상승을 확실하게 저감하는 방안을 제안한다.
커버, 공기덕트 및 송풍기를 포함하는 방사열방출구조체의 예시적 실시형태를 도 1 및 도 2를 참조하여 이하에 설명한다.
내연엔진(10)은 하나 이상의 실린더 및 관련 연소실(14)을 갖는 연소유닛(12) 및 방사열방출구조체(30)를 포함한다.
연소유닛(12)은, 예를 들어, 디젤, 중유, 원유 및/또는 가스로 작동하는 연소유닛이어도 좋다. 실린더는 예를 들어, 직렬형, V형, W형, 또는 기타 주지의 구성으로 배열될 수 있다.
연소 유닛(12)은 흡기다기관(16)을 추가로 포함한다. 흡기다기관(16)은 급기시스템(20)과 연결되어 있다. 급기시스템(20)은 급기시스템의 하나 이상의 스테이지를 포함할 수 있다.
연소 유닛(12)은 배기다기관(18)을 추가로 포함한다. 배기다기관(18)은 배기시스템(20)과 연결되어 있다. 배기시스템(20)은 촉매 및 필터와 같은 배기가스처리장치, 및/또는 급기시스템(20)의 컴프레서에 구동가능하게 접속된 배기가스 터빈을 포함해도 좋다.
방사열방출구조체(30)는 커버(32)를 포함한다. 커버(32)는, 대형내연엔진(10)의 배기다기관(18)과 커버(32) 사이에 간격을 두고 배기다기관(18)을 덮고 있어, 사이에 공동이 형성되어 있다.
커버(32)는 최소 1개의 출구개구부(36)를 추가로 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 커버(32)는 하부원주단(33)을 포함한다. 하부원주단(33)은, 해당 하부원주단(33)의 적어도 일부가 대형내연엔진(10)에 대하여 흡기간극(34)을 형성하는 형태를 띠고 있다.
일부 실시형태에 있어서, 커버(32)는 대형내연엔진(10)의 배기다기관(18)을 오로지 한 측에서만 덮도록 구성 및 구조화될 수 있다. 커버(32)는 대형내연엔진(10)에 장착되어도 좋다.
공기덕트(38)는 최소 1개의 공기덕트 입구(40)와, 공기덕트 출구(42)를 가진다. 최소 1개의 공기덕트(40)는 커버(32)의 최소 1개의 출구개구부(36)과 유체연통되어 있다.
일부 실시형태에 있어서, 최소 1개의 출구개구부(36)는 커버(32)를 이송하기 위한 계합부재로 기능할 수 있다. 예를 들어, 출구개구부(36) 주위 영역은 강화용 핀(fin) 또는 막대(bar)로 강화되어 있어도 좋다.
일부 실시형태에 있어서, 최소 1개의 출구개구부(36)는, 공기덕트(38)가 최소 1개의 출구개구부(36)에 아직 연결되지 않은 조립 상태의 대형내연엔진 이송용 계합부재를 삽입하도록 구성되어 있다. 해당 계합부재는 대형내연엔진(10)의 각 대응계합부와 계합하며, 예를 들어, 크레인에 연결되어 있는 이송용 사슬에 연결하기 위해 최소 1개의 출구개구부(36)를 통해 접근할 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 최소 1개의 서브 공기덕트(44)는 커버(32)의 최소 1개의 출구개구부(36)와, 공기덕트(38)의 최소 1개의 공기덕트 입구(40)와 유체연통되어 있다.
송풍기(46)는 공기덕트(38)의 공기덕트 출구(42)와 유체연통되어 있다.
일부 실시형태에 있어서, 열교환기(48)는 송풍기(46)와 유체연통되어 있어도 좋다. 열교환기(48)는 열수요시스템 또는 열회수시스템에 추가로 연결되어 있어도 좋다.
일부 실시형태에 있어서, 열수요시스템은, 예를 들어, 수영장 또는 라디에이터여도 좋다.
일부 실시형태에 있어서, 깔때기(50)가 열교환기(48) 및/또는 송풍기(46)과 유체연통되어 있다.
일부 실시형태에 있어서, 커버(32)는 커버(32) 외부로부터 공기를 커버(32) 밑의 공간까지 유도하는 복수의 흡기개구부를 추가로 포함할 수 있고, 공기는 커버(32) 밑에서 가열되어 송풍기(46)를 통과해 커버(32) 밖으로 인도된다. 예를 들어, 상기 흡기개구부는, 커버(32) 주위의 하부원주영역 부분에 배열되어 있어도 좋다.
이하, 상술한 내연엔진의 예시적 실시형태에서의 기본 가동을 도 1을 참조하여 설명한다.
대형내연엔진(10)의 통상 가동 중, 연료 및 연소공기는 연소유닛(12)에 제공되어 연소유닛(12)에서 연소한다. 연소공기는 연소유닛(12)의 연소실(14)에 충전되기에 앞서, 급기시스템(20)의 하나 이상의 스테이지에 의해 압축되어도 좋다.
연소 후 고온의 배기가스가 배기다기관(18)을 통해 대형내연엔진(10)의 연소유닛(12)을 벗어나 배기가스 시스템(22)으로 향한다.
배기다기관(18)을 통과한 배기가스는 매우 뜨거우며, 예를 들면, 500℃ 이상의 온도일 수 있다. 배기다기관(18)은 고온 배기가스로부터의 열을 외표면으로 전달할 수 있다. 배기다기관(18)의 외표면은, 배기다기관(18)과 커버(32) 사이의 간격에 존재하는 환경대기로 열을 전달할 수도 있다.
송풍기(46)는 배기다기관(18)과 커버(32) 사이의 간격에 존재하던 가열된 대기를, 커버(32)의 최소 1개의 출구개구부(36)를 통하여 반송한다. 가열된 대기는 공기덕트(38)를 통해 배기다기관(18)으로부터 멀리 떨어진 곳으로 반송되어도 좋다.
동시에, 냉각대기를 흡기간극(34)을 통해 송풍기(46)로 빨아들인다. 유입된 대기의 온도는 배기다기관(18)의 외표면 온도보다 낮고, 공기류에 의해 배기다기관(18)의 방사열을 전달할 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 송풍기(46)는 가열된 대기를 열교환기(48)로 반송한다. 열교환기(48)는 커버(32) 아래쪽에서 유래한 가열된 대기의 열을 열수요시스템으로 전달한다. 열수요시스템은, 예를 들어 라디에이터여도 좋다.
일부 실시형태에 있어서, 송풍기(46)는 커버(32) 아래쪽으로부터의 가열된 대기를 깔때기(50)를 통해 외부로 반송할 수도 있다. 예를 들어 깔때기(50)를, 방사열방출구조체(30)를 포함한 대형내연엔진(10)이 최소 1대 가동되고 있는 엔진실 바깥에 설치된다. 해당 엔진실은 선박, 발전소, 석유시추시설에 설치된 것이다.
이하에서, 대형내연엔진의 방사열방출방법을 설명한다.
대형내연엔진(30)이 가동하고 있다. 가동 중, 고온 배기가스는 배기다기관(18)을 통해 연소유닛(12)을 벗어나고, 배기다기관(18)을 통과하면서 해당 배기다기관을 가열한다.
대기는 배기다기관(18)과 간격을 두고 배치된 커버(32) 아래쪽에서 취합해도 좋다. 대기는 가열된 배기다기관(18)에서 전달된 열에 의해 가열될 수 있다.
커버(32)와 배기다기관(18) 사이의 공간에서 얻은 가열된 대기를 제거해도 좋다. 가열된 대기는 커버(32)에 존재하는 최소 1개의 개구부(36)를 통해 제거된다.
나아가, 커버(32)와 배기다기관(18) 사이의 공간에서 얻은 가열된 대기를, 차가운 대기로 대체할 수도 있다. 차가운 대기는, 최소 1개의 흡기간극(34)을 통해, 커버(32)와 배기다기관(18) 사이로 유입된다.
일부 실시형태에 있어서, 커버(32)와 배기다기관(18) 사이의 공간에서 얻은 가열된 대기를 열교환기(48)로 반송하고, 이후 가열된 대기의 열을 열수요시스템으로 전달한다.
일부 실시형태에 있어서, 커버(32)와 배기다기관(18) 사이의 공간에서 얻은 가열된 대기를, 열전달 후에, 혹은 열전달 대신 외부로 방출한다. 이는 예로서 깔때기(50)에 의해 이루어질 수 있다.
일반적으로, 본 개시에서 쓰이는 전문용어 "내연엔진"에는 특별히 제한은 없으며, 산화제와 연료를 함께 연소시켜, 일정한 거리를 움직임으로써 기계 에너지를 생성하는 엔진의 가동부품, 즉 피스톤 또는 터빈블레이드에 직접적으로 인가될 고온 및 압력가스를 생성하는 엔진이라면 무엇이든 좋다. 따라서, 본 명세서에 인용된 "내연엔진"은 피스톤 엔진과 터빈을 포함한다.
본 명세서에서 "대형내연엔진"은 열 및/또는 전기를 생성하는 발전소와 같은 고정전력공급시스템 또는 유람선, 화물선, 컨테이너선, 탱커 등의 배/선박에서 메인 엔진 또는 보조 엔진으로 쓰일 수 있는 내연엔진을 지칭할 수 있다. 내연엔진의 연료는 디젤유, 선박용 디젤유, 중유, 대체연료 혹은 이들의 혼합, 또는 천연가스를 포함할 수 있다. 엔진은 최대 20개의 실린더를 포함하고 500KW/실린더 이상의 전력을 출력할 수 있다. 엔진은 소형엔진에 대한 100kW로부터 실린더를 최대 20개 가지는 대형엔진에 대한 700kW의 범위 내에서 열을 방사할 수 있다. 예를 들어, 12기통 V형 엔진의 경우 12000kW의 전력을 생산하고, 500kW의 범위 내에서 열을 방사할 수 있다.
본 명세서에서 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명하였으나, 후술하는 청구범위의 범위 내에서 변형 또는 개량을 가하는 것도 가능하다.
Claims (15)
- 배기다기관(18)을 포함하는 대형내연엔진(10)에 사용되도록 구성되는 방사열방출구조체(30)에 있어서,
상기 대형내연엔진(10)에 장착되는 커버(32)로서, 배기다기관(18)과 상기 커버(32) 사이에 간격을 둔 채로 상기 내연엔진(10)의 배기다기관(18)을 덮고, 출구개구부(36)를 최소 1개 가지며, 하부원주단(33)을 포함하는 커버와,
배기구(42)와 상기 커버(32)의 최소 1개의 출구개구부(36)에 유체연통되어 있는 최소 1개의 흡기구(40)를 가지는 공기덕트(38)와,
상기 배기구(42)에 유체연통되어 있는 송풍기(46)를 포함하고,
상기 하부원주단(33)은 해당 하부원주단(33)의 적어도 일부가 상기 대형내연엔진(10)에 대하여 흡기간극(34)을 형성하도록 형성되는, 방사열방출구조체(30). - 배기다기관(18)을 포함하는 대형내연엔진(10)에 사용되도록 구성되는 방사열방출구조체(30)에 있어서,
상기 내연엔진(10)의 상기 배기다기관(18)과 커버(32) 사이에 간격을 둔 채로 상기 배기다기관(18)을 덮고, 출구개구부(36)를 최소 1개 가지는 커버(32)와,
배기구(42)와 상기 커버(32)의 최소 1개의 상기 출구개구부(36)에 유체연통되어 있는 최소 1개의 흡기구(40)를 가지는 공기덕트(38)와,
상기 배기구(42)에 유체연통되어 있는 송풍기(46)를 포함하는, 방사열방출구조체(30). - 제2항에 있어서,
상기 커버(32)는 하부원주단(33)을 포함하고,
상기 하부원주단(33)은 해당 하부원주단(33)의 적어도 일부가 상기 대형내연엔진(10)에 대하여 흡기간극(34)을 형성하는 형태인, 방사열방출구조체(30). - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 송풍기(46)와 유체연통되어 있는 열교환기(48)를 추가로 포함하는, 방사열방출구조체(30). - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커버(32)가 강철판으로 만들어져 있는, 방사열방출구조체(30). - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커버(32)의 상기 최소 1개의 출구개구부(36)가 상기 커버(32)의 이송용 계합부재로 기능하도록 구성되어 있는, 방사열방출구조체(30). - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커버(32)는 상기 대형내연엔진(10)에 장착되어 있고, 상기 커버(32)의 상기 최소 1개의 출구개구부(36)는 상기 대형내연엔진(10)의 이송용 계합부재를 삽입하도록 구성되어 있는, 방사열방출구조체(30). - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커버(32)의 상기 최소 1개의 출구(36)와 상기 공기 덕트(38)의 상기 최소 1개의 흡기구(40) 사이에 유체상호연결되어 있는 최소한 1개의 서브 공기덕트(44)를 추가로 포함하는, 방사열방출구조체(30). - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 대형내연엔진(10)은, 해군함, 발전소 또는 해상시설(offshore application)용의 대형디젤내연엔진, 중유내연엔진, 원유내연엔진 또는 이원연료내연엔진인, 방사열방출구조체(30). - 대형내연엔진(10)에 있어서,
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방사열방출구조체(30)와,
상기 방사열방출구조체(30)의 하류측에 유체연통되어 있는 깔때기(50)를 포함하는, 대형내연엔진(10). - 발전소에 있어서,
엔진실과,
상기 엔진실에 배치되어 있으며, 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항의 방사열방출구조체(30)를 포함하는 최소 1대의 대형내연엔진(10)과,
상기 방사열방추구조체(30)의 하류측에 유체연통되어 있는 깔때기(50)를 포함하는, 발전소. - 대형내연엔진(30)의 방사열방출방법에 있어서,
배기다기관(18)을 포함하는 대형내연엔진(30)을 가동하는 단계와,
상기 배기다기관(18)과 간격을 두고 배치되어 있는 커버(32) 밑의 가열된 대기(heat ambient air)를 취합하는 단계와,
상기 커버(32)에 있는 최소 1개의 출구개구부(36)를 통해 상기 커버(32)와 상기 배기다기관(18) 사이의 공간으로부터 상기 가열된 대기를 제거하는 단계를 포함하고,
상기 커버(32)는 상기 대형내연엔진(10)에 장착되며, 하부원주단(33)을 포함하고, 상기 하부원주단(33)은 해당 하부원주단(33)의 적어도 일부가 상기 대형내연엔진(10)에 대하여 흡기간극(34)을 형성하도록 구성되는, 방사열방출방법. - 대형내연엔진(30)의 방사열방출방법에 있어서,
배기다기관(18)을 포함하는 대형내연엔진(30)을 가동하는 단계와,
상기 배기다기관(18)과 간격을 두고 배치되어 있는 커버(32) 밑의 가열된 대기를 취합하는 단계와,
상기 커버(32)에 있는 최소 1개의 출구개구부(36)를 통해 상기 가열된 대기를 상기 커버(32)와 상기 배기다기관(18) 사이의 공간으로부터 제거하는 단계를 포함하는, 방사열방출방법. - 제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 가열된 대기를 열교환기(48)로 반송하는 단계와,
열수요시스템(heat demanding system)에 상기 가열된 대기의 열을 전달하는 단계를 포함하는, 방사열방출방법. - 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열된 대기를 외부로 반송하는 스텝을 추가로 포함하는, 방사열방출방법.
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