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KR102211432B1 - 극저온용 오일필터 및 상기 극저온용 오일필터가 적용된 선박용 증발가스 처리 시스템 - Google Patents

극저온용 오일필터 및 상기 극저온용 오일필터가 적용된 선박용 증발가스 처리 시스템 Download PDF

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KR102211432B1
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filter
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정인돈
제창호
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대우조선해양 주식회사
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Abstract

극저온용 오일필터가 개시된다.
상기 극저온용 오일필터는, 제2 오일필터 내부를 수평하게 분할하는 제1 플레이트; 상기 제1 플레이트 하부 공간을 수평하게 분할하는 제2 플레이트; 상기 제1 플레이트 상면에 설치되어 윤활유를 걸러내는 다수개의 필터엘리먼트; 및 커버부재와 관부재를 포함하는 트랩;을 포함하고, 상기 커버부재는 상기 제2 플레이트 상면에 설치되어 상기 관부재의 상부를 덮고, 상기 관부재는 상기 제2 플레이트를 관통하여 상기 제2 오일필터의 하단에 연결되며, 상기 다수개의 필터엘리먼트에 의해 걸러진 윤활유가 상기 제1 플레이트 하부로 흘러 상기 제2 플레이트 상면에 모이고, 윤활유가 걸러진 액화가스(증발가스와 액화가스가 혼합된 기액혼합상태의 유체를 포함한다.)는 상기 관부재를 따라 상기 제2 오일필터 외부로 배출된다.

Description

극저온용 오일필터 및 상기 극저온용 오일필터가 적용된 선박용 증발가스 처리 시스템{Cryogenic Oil Filter and Boil-Off Gas Treatment System having the same for Vessels}
본 발명은, 극저온용 오일필터와, 증발가스를 엔진의 연료로 공급하거나 재액화시켜 처리하는 시스템에 관한 것이다.
근래, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다. 가스를 저온에서 액화시킨 액화가스는 가스에 비해 부피가 매우 작아지므로 저장 및 이송 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 액화천연가스를 비롯한 액화가스는 액화공정 중에 대기오염 물질을 제거하거나 줄일 수 있어, 연소시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로도 볼 수 있다.
액화천연가스는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -163℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 가진다. 따라서, 천연가스를 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있게 된다.
그러나 천연가스의 액화 온도는 상압 -163 ℃의 극저온이므로, 액화천연가스는 온도변화에 민감하여 쉽게 증발된다. 이로 인해 액화천연가스를 저장하는 저장탱크에는 단열처리를 하지만, 외부의 열이 저장탱크에 지속적으로 전달되므로 액화천연가스 수송과정에서 저장탱크 내에서는 지속적으로 액화천연가스가 자연 기화되면서 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생한다.
증발가스는 일종의 손실로서 수송효율에 있어서 중요한 문제이다. 또한, 저장탱크 내에 증발가스가 축적되면 탱크 내압이 과도하게 상승할 수 있어, 심하면 탱크가 파손될 위험도 있다. 따라서, 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되는데, 최근에는 증발가스의 처리를 위해, 증발가스를 재액화하여 저장탱크로 복귀시키는 방법, 증발가스를 선박의 엔진 등 연료소비처의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다.
증발가스를 재액화하기 위한 방법으로는 별도의 냉매를 이용한 냉동 사이클을 구비하여 증발가스를 냉매와 열교환하여 재액화하는 방법, 및 별도의 냉매가 없이 증발가스 자체를 냉매로 하여 재액화하는 방법 등이 있다. 특히, 후자의 방법을 채용한 시스템을 부분 재액화 시스템(Partial Re-liquefaction System, PRS)이라고 한다.
한편, 일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DF 엔진, X-DF 엔진, ME-GI 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.
DF 엔진은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 6.5bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.
X-DF 엔진은, 2행정으로 구성되고, 16 bar 정도의 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클을 채택하고 있다.
ME-GI 엔진은, 2행정으로 구성되며, 300bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.
본 발명은, 개선된 극저온용 오일필터와, 상기 개선된 극저온용 오일필터가 적용된 선박용 증발가스 처리 시스템을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 제2 오일필터 내부를 수평하게 분할하는 제1 플레이트; 상기 제1 플레이트 하부 공간을 수평하게 분할하는 제2 플레이트; 상기 제1 플레이트 상면에 설치되어 윤활유를 걸러내는 다수개의 필터엘리먼트; 및 커버부재와 관부재를 포함하는 트랩;을 포함하고, 상기 커버부재는 상기 제2 플레이트 상면에 설치되어 상기 관부재의 상부를 덮고, 상기 관부재는 상기 제2 플레이트를 관통하여 상기 제2 오일필터의 하단에 연결되며, 상기 다수개의 필터엘리먼트에 의해 걸러진 윤활유가 상기 제1 플레이트 하부로 흘러 상기 제2 플레이트 상면에 모이고, 윤활유가 걸러진 액화가스(증발가스와 액화가스가 혼합된 기액혼합상태의 유체를 포함한다.)는 상기 관부재를 따라 상기 제2 오일필터 외부로 배출되는, 극저온용 오일필터가 제공된다.
상기 관부재 상단은 상기 제2 플레이트 상면에 쌓이는 윤활유의 액위보다 높게 위치할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 냉매로 사용하는 열교환기; 상기 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스를 압축시키는 압축기; 상기 압축기에 의해 압축되고 상기 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 제1 감압장치; 및 상기 제1 감압장치 하류에 설치되어 윤활유를 분리하는 제2 오일필터;를 포함하고, 상기 제2 오일필터는 상기 극저온용 오일필터인, 선박용 증발가스 처리 시스템이 제공된다.
상기 선박용 증발가스 처리 시스템은, 상기 저장탱크로부터 배출되는 액화가스를 가압시키는 제2 펌프; 및 상기 제2 펌프에 의해 가압된 액화가스를 기화시키는 기화기;를 더 포함할 수 있다.
상기 선박용 증발가스 처리 시스템은, 상기 기화기에 의해 기화된 가스의 일부를 감압시키는 제2 감압장치를 더 포함할 수 있다.
상기 선박용 증발가스 처리 시스템은, 상기 제2 오일필터 하류에 설치되어 재액화된 액화가스와 기체 상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 합류되어 상기 열교환기의 냉매로 사용될 수 있다.
상기 선박용 증발가스 처리 시스템은, 상기 압축기 하류에 설치되어 증발가스에 포함된 윤활유를 걸러내는 제1 오일필터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 극저온용 오일필터인 제2 오일필터에서, 윤활유와 액화가스(증발가스와 액화가스가 혼합된 기액혼합상태의 유체를 포함한다. 이하 동일하다.)의 비중차를 이용하여 윤활유를 확실하게 제거할 수 있고, 필터엘리먼트 내부 온도가 높아지는 경우에도 윤활유가 배출라인 쪽으로 흘러 들어가는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박용 증발가스 처리 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 제2 오일필터의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 제2 오일 필터의 개략도이다.
도 4는 도 3의 A 부분을 확대한 것이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명은, 천연가스를 연료로 사용하는 엔진을 탑재한 선박 및 액화가스 저장탱크를 포함하는 선박 등에 다양하게 응용되어 적용될 수 있다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박용 증발가스 처리 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 선박용 증발가스 처리 시스템은, 열교환기(100), 압축기(200), 제1 감압장치(410) 및 제2 오일필터(320)를 포함한다.
저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스는, 열교환기(100)의 냉매로 사용된 후 압축기(200)에 의해 압축된다. 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스는 열교환기(100)로 보내져, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 냉매로 사용하여 열교환되어 냉각된다.
압축기(200)에 의해 압축된 증발가스는 제1 엔진(E1)의 연료로 공급되고, 제1 엔진(E1)에서 사용되지 않은 잉여 증발가스가 열교환기(100)로 보내져 재액화 과정을 거칠 수 있다.
압축기(200)는 다단 압축기일 수 있으며, 5단 압축기일 수 있다. 압축기(200)가 다단 압축기인 경우, 압축기(200)의 전부 압축 과정을 거친 증발가스가 제1 엔진(E1) 및 열교환기(100)로 보내질 수 있고, 압축기(200)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스(일례로, 5단 압축 과정 중 2단 압축 과정을 거친 증발가스)는 제2 엔진(E2)으로 보내질 수 있다. 또한, 압축기(200)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스는 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit, G)로 보내질 수 있다.
제1 엔진(E1)은 ME-GI 엔진 등의 추진용 엔진일 수 있고, 제2 엔진(E2)은 DF 엔진 등의 발전용 엔진일 수 있다.
압축기(200)에 의한 압축 과정과, 열교환기(100)의 냉각 과정을 거친 유체는, 제1 감압장치(410)에 의한 감압 과정을 거쳐 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 발명은, 제1 감압장치(410) 하류에 설치되어 재액화된 액화가스와 기체 상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기(500)를 더 포함할 수 있다. 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화가스는 저장탱크(T)로 보내질 수 있고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스와 합류되어 열교환기(100)의 냉매로 사용될 수 있다.
한편, 본 발명은, 제2 펌프(620), 기화기(700) 및 제2 감압장치(420)를 더 포함할 수 있다.
저장탱크(T)로부터 배출된 액화가스는, 제2 펌프(620)에 의해 가압되고 기화기(700)에 의해 기화된 후 두 흐름으로 분기된다. 두 흐름으로 분기된 유체 중, 한 흐름은 제1 엔진(E1)의 연료로 공급되고, 나머지 흐름은 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 후 제2 엔진(E2)의 연료로 공급된다.
저장탱크(T) 내부에는 제1 펌프(610)가 설치될 수 있고, 제1 펌프(610)에 의해 가압되어 저장탱크(T) 외부로 배출된 액화가스가 제2 펌프(620)에 의해 가압된 후 기화기(700)에 의해 기화될 수 있다. 또한, 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 증발가스는 가열기(800)에 의해 제2 엔진(E2)의 요구 온도로 가열된 후에 제2 엔진(E2)의 연료로 공급될 수 있다.
본 발명은 압축기(200) 하류에 설치되어 증발가스에 포함된 윤활유를 걸러내는 제1 오일필터(310)를 더 포함할 수 있다. 압축기(200)가 급유 윤활 방식의 실린더를 포함하는 경우, 증발가스가 압축기(200)에 의해 압축되며 증발가스에 소량의 윤활유가 섞일 수 있고, 증발가스에 섞인 윤활유는 열교환기(100)에서 냉각되며 열교환기(100)의 유로를 막을 수 있으므로, 걸러낼 필요가 있다. 제1 윤활유분리장치(310)는 코어레서(Coalescer) 또는 흡착기(Adsorber)일 수 있다.
제2 오일필터(320)는, 제1 감압장치(410) 하류에 설치되어 윤활유를 걸러낸다. 본 발명이 기액분리기(500)를 포함하는 경우, 제1 감압장치(410)에 의해 감압된 유체는 제2 오일필터(320)를 통과하여 기액분리기(500)로 보내진다.
열교환기(100) 및 제1 감압장치(410)를 거치며 유체는 극저온으로 냉각되므로, 제2 오일필터(320)는 극저온 용(Cryogenic)으로 설계된다. 극저온의 유체에 섞인 윤활유는 유동점 아래의 고체(또는 응고된) 상태이므로, 제2 오일필터(320)는 고체(또는 응고된) 상태의 윤활유를 걸러내게 된다.
본 발명의 제2 오일필터(320)의 구성에 대해 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 제2 오일필터의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 제2 오일필터(320)는, 제1 플레이트(910) 및 다수개의 필터엘리먼트(930)를 포함한다.
제1 플레이트(910)는 제2 오일필터(320) 내부를 수평하게 분할하며, 다수개의 필터엘리먼트(930)는 제1 플레이트(910) 상면에 설치된다.
제1 감압장치(410)에 의해 감압된 후 공급라인(L1)을 따라 제2 오일필터(320)로 보내진 유체는, 다수개의 필터엘리먼트(930)를 통과하며 윤활유가 걸러지고, 윤활유가 걸러진 유체는 배출라인(L2)을 따라 제2 오일필터(320) 외부로 배출된다. 배출라인(L2)을 따라 제2 오일필터(320) 외부로 배출된 유체는, 기액분리기(500)로 보내지거나 바로 저장탱크(T)로 보내진다.
또한, 다수개의 필터엘리먼트(930)에 의해 걸러진 윤활유는 제1 플레이트(910) 하부로 흘러, 제2 오일필터(320)의 하단부에 모이게 된다. 제2 오일필터(320)의 하단부에 모인 윤활유는 제2 드레인라인(L4)을 통해 제2 오일필터(320) 외부로 배출된다.
한편, 필터엘리먼트(930)를 꺼내기 위해서는 제2 오일필터(320) 내부를 질소로 퍼징(Purging)하는 작업이 필요한데, 질소 퍼징 작업 과정에서 질소를 순방향으로 공급하면 필터엘리먼트(930)에 묻은 윤활유가 녹아서 하부로 떨어질 위험이 있다. 따라서, 질소 퍼징 작업시 역방향으로 질소를 공급하며, 필터엘리먼트(930)에 묻은 윤활유는 제1 드레인라인(L3)을 통해 배출된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 제2 오일필터의 개략도이고, 도 4는 도 3의 A 부분을 확대한 것이다. 도 4에 도시된 단일선의 화살표는 윤활유의 흐름을 나타낸 것이고, 이중선의 화살표는 재액화된 액화가스(증발가스와 액화가스가 혼합된 기액혼합상태의 유체를 포함한다. 이하 동일하다.)의 흐름을 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 제2 실시예의 제2 오일필터(320)는, 도 2에 도시된 제1 실시예의 제2 오일필터(320)에 비해, 트랩(940)을 더 포함한다는 점에서 차이점이 존재하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다. 전술한 제1 실시예의 제2 오일필터(320)와 동일한 부재에 대하여는 자세한 설명은 생략한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제2 실시예의 제2 오일필터(320)는 제1 플레이트(910) 하부 공간을 수평하게 분할하는 제2 플레이트(920)와, 트랩(940)을 더 포함한다.
트랩(940)은 커버부재(941)와 관부재(942)를 포함한다.
커버부재(941)는, 제2 플레이트(920) 상면에 설치되어, 다수개의 필터엘리먼트(930)에 의해 걸러진 후 제1 플레이트(910) 하부로 흐르는 윤활유가 관부재(942)로 유입되지 않도록, 관부재(942) 상부를 덮는 역할을 한다.
관부재(942)는, 제2 플레이트(920)를 관통하여 제2 오일필터(320)의 하단에 연결되며, 윤활유가 걸러진 액화가스를 배출라인(L2)으로 보내는 역할을 한다.
관부재(942)의 상단은 제2 플레이트(920)보다 높게 위치한다. 또한, 후술하는 바와 같이 제2 플레이트(920) 상면에는 윤활유가 쌓이는데, 제2 플레이트(920) 상면에 쌓인 윤활유가 관부재(942)로 유입되지 않도록, 관부재(942)의 상단은 제2 플레이트(920) 상면에 쌓이는 윤활유의 액위보다 충분히 높게 위치하는 것이 바람직하다.
제1 실시예의 제2 오일필터(320)에서는 다수개의 필터엘리먼트(930)에 의해 걸러진 윤활유가 제1 플레이트(910) 하부로 흘러 제2 오일필터(320)의 하단부에 모이는 것과는 달리, 본 실시예의 제2 오일필터(320)에서는 다수개의 필터엘리먼트(930)에 의해 걸러진 윤활유가 제1 플레이트(910) 하부로 흘러 제2 플레이트(920) 상면에 모인다.
제1 실시예의 제2 오일필터(320)에 의하면, 윤활유를 완벽하게 제거하지 못해 제2 오일필터(320)로부터 배출된 액화가스에 윤활유가 소량 섞여있는 경우가 발생한다는 문제점이 있다.
또한, 극저온용 오일필터는 기능상 고체만을 걸러내고 액체를 걸러내지 못하는데, 제1 실시예의 제2 오일필터(320)에 의하면, 필터엘리먼트(930)의 내부 온도가 지속적으로 극저온 상태를 유지하지 못하는 경우(청소를 위해 필터엘리먼트(930)를 승온시키는 경우 등), 필터엘리먼트(930)에 묻어있는 윤활유가 녹아서 배출라인(L2) 쪽으로 흘러갈 수 있다는 문제점이 있다.
제2 실시예의 제2 오일필터(320)에 의하면, 윤활유와 액화가스의 비중차를 이용하여, 비중이 큰 윤활유는 제2 플레이트(920) 상부에 쌓이게 하고, 비중이 작은 액화가스는 관부재(942)를 통해 제2 오일필터(320) 외부로 배출될 수 있도록 함으로써, 윤활유를 더욱 확실하게 제거할 수 있고, 필터엘리먼트(930) 내부 온도가 높아져 필터엘리먼트(930)에 묻어있는 윤활유가 녹는 경우에도, 윤활유가 배출라인(L2) 쪽으로 흘러 들어가는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
T : 저장탱크 G : 가스연소장치
E1 : 제1 엔진 E2 : 제2 엔진
100 : 열교환기 200 : 압축기
310 : 제1 오일필터 320 : 제2 오일필터
410 : 제1 감압장치 420 : 제2 감압장치
500 : 기액분리기 610 : 제1 펌프
620 : 제2 펌프 700 : 기화기
800 : 가열기 910 : 제1 플레이트
920 : 제2 플레이트 930 : 필터엘리먼트
940 : 트랩 941 : 커버부재
942 : 관부재 L1 : 공급라인
L2 : 배출라인 L3 : 제1 드레인라인
L4 : 제2 드레인라인

Claims (8)

  1. 제2 오일필터 내부를 수평하게 분할하는 제1 플레이트;
    상기 제1 플레이트 하부 공간을 수평하게 분할하는 제2 플레이트;
    상기 제1 플레이트 상면에 설치되어 윤활유를 걸러내는 다수개의 필터엘리먼트; 및
    커버부재와 관부재를 포함하는 트랩;을 포함하고,
    상기 커버부재는 상기 제2 플레이트 상면에 설치되어, 상기 제1 플레이트 하부로 흐르는 윤활유가 관부재로 유입되지 않도록 상기 관부재의 상부를 덮고,
    상기 관부재는 상기 제2 플레이트를 관통하여 상기 제2 오일필터의 하단에 연결되며,
    상기 다수개의 필터엘리먼트에 의해 걸러진 윤활유가 상기 제1 플레이트 하부로 흘러 상기 제2 플레이트 상면에 모이고,
    윤활유가 걸러진 액화가스는 상기 관부재를 따라 상기 제2 오일필터 외부로 배출되며,
    상기 제2 오일필터는 극저온의 액체 또는 기액혼합물에 섞인 고체 또는 응고된 상태의 윤활유를 걸러내는, 극저온용 오일필터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 관부재 상단은 상기 제2 플레이트 상면에 쌓이는 윤활유의 액위보다 높게 위치하는, 극저온용 오일필터.
  3. 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 냉매로 사용하는 열교환기;
    상기 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스를 압축시키는 압축기;
    상기 압축기에 의해 압축되고 상기 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 제1 감압장치; 및
    상기 제1 감압장치 하류에 설치되어 윤활유를 분리하는 제2 오일필터;를 포함하고,
    상기 제2 오일필터는 청구항 1 또는 청구항 2의 극저온용 오일필터인, 선박용 증발가스 처리 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 배출되는 액화가스를 가압시키는 제2 펌프; 및
    상기 제2 펌프에 의해 가압된 액화가스를 기화시키는 기화기;
    를 더 포함하는, 선박용 증발가스 처리 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 기화기에 의해 기화된 가스의 일부를 감압시키는 제2 감압장치를 더 포함하는, 선박용 증발가스 처리 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 오일필터 하류에 설치되어 재액화된 액화가스와 기체 상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함하는, 선박용 증발가스 처리 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 합류되어 상기 열교환기의 냉매로 사용되는, 선박용 증발가스 처리 시스템.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 압축기 하류에 설치되어 증발가스에 포함된 윤활유를 걸러내는 제1 오일필터를 더 포함하는, 선박용 증발가스 처리 시스템.
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