KR101270400B1 - 소형 액화기 - Google Patents

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윌리엄 에이. 리틀
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Abstract

본 발명은 비등점이 낮은 질소, 산소, 아르곤, 메탄 등의 극저온기체의 액화 기술에 관한 것으로, 구체적으로는 저렴하면서도 조작이 간단한 소형 극저온기체 액화기에 관한 것이다. 본 발명은 기체를 수거하여 액화시키기 위한 단열부; 단열부 바깥쪽의 제1 구간에서 단열부 안쪽의 제2 구간내 기체공급배관에 정화된 기체를 공급하는 제1, 제2 구간을 갖는 기체공급 시스템; 단열부 바깥의 온열구간과 단열부 안쪽의 냉간구간을 구비하되, 냉간구간은 기체공급 시스템의 제2 구간에 열결합되어 정화기체를 냉각시키는 극저온 냉동기; 및 입력단은 단열부 내부에 있고 출력단은 단열부 바깥에 있는 분배라인;을 포함하고, 기체공급 시스템의 제1 구간에 기체를 압축하는 압축기가 있어, 정화기체의 압력을 대기압보다 높은 고압으로 압축시키며; 극저온 냉동기의 냉간구간의 최저온도는 대기압에서의 기체의 비등점보다는 높고 상기 고압에서의 기체의 비등점보다는 낮으며; 기체공급 시스템의 제2 구간에 유량제한기가 있어, 이곳에서 고압에서 대기압으로 압력이 강하되고 정화기체의 일부가 증발되면서, 정화기체의 일부를 대기압에서의 기체의 비등점까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 액화장치를 제공한다.

Description

소형 액화기{SMALL-SCALE GAS LIQUEFIER}
본 발명은 비등점이 낮은 질소, 산소, 아르곤, 메탄 등의 극저온기체의 액화 기술에 관한 것으로, 구체적으로는 저렴하면서도 조작이 간단한 소형 극저온기체 액화기에 관한 것이다.
지난 1800년대에는 질소와 산소를 먼저 액화한 바로 뒤에 액체질소와 액체산소의 생산이 이루어졌고, 제철분야와 비료업계에서는 아주 중요한 상품이 되었다. 규모의 경제를 통해 액체질소와 액체산소의 가격을 리터당 수 센트정도 낮추었다. 공업용으로 하루 수천톤씩 생산되어 탱커에 실려 장거리 운반되고 있는 이들 액체질소나 액체산소는 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 특히 대학/산업 연구실과 의료용으로 널리 사용되고 있다. 그러나, 연구원이나 의사가 사용하는 양은 하루 수 리터 정도로 소규모이다. 이런 극저온기체의 공장도 가격은 낮지만, 분배하고 저장하는 과정에 손실이 일어나 소량씩 판매하는 최종 가격은 대량판매 가격보다 상당히 높다. 이 문제는 J. W. H. Kohler와 C.O. Jonkers가 Philips Techn . Rev . 16 69(1954)에 게재한 실험실규모의 폐사이클 기체 냉동기의 개발로 1950년대에 일부 해결되었다. 이 냉동기는 공업용 공기/질소 액화기에 비해 훨씬 소형이기는 해도, 사무실에서 사용할 정도는 아니었고, 하루 6kW 정도의 전력으로 140리터 정도의 액 체공기를 생산했다. 이 냉동기는 병원이나 개인 연구실에서 필요한 것보다는 몇단계 용량이 컸다. 따라서, 피부과 전문의, 재료과학자, 화학자가 필요로 하는 액체질소량, 호흡기환자기 팔요로 하는 액체산소량, 기타 소량의 다른 액체기체량을 얻기 위해 하루 몇리터 정도의 양만 생산할 수 있는 훨씬 소형의 액화기가 필요하다.
새로운 등급의 저가 극저온 냉동기인 클리멘코-사이클 극저온냉동기의 효율과 신뢰성의 획기적인 개선으로, 이상 설명한 문제점 몇가지를 해결할 가능성이 생겼다. 그러나, 이런 새로운 냉동기는 액화목적에는 적절치 못하다. 예를 들어, 액화기로 사용할 때 이런 냉동기는 여러 제한을 갖는바, 기존의 공업용 액화기와는 다른 액화방식이 필요하다. 또, 사무실 환경에서 사용하려면 공업적 환경과는 다른 특별한 안전성과 조작성이 요구된다. 또, 소규모의 냉동기와 운전모드는 액화과정의 구현에 있어 다른 제한이 부과된다. 한편, 이런 규모의 차이는 질소, 산소, 아르곤, 천연개스 등의 액화에 있어서 기존의 문제점을 해결하는 새로운 수단을 가능케한다. 본 발명은 이런 다양한 요인들을 고려해 시장의 수요를 충족하는 실제적인 구성을 가능케하는 소형 기체 액화기의 디자인에 관한 것이다.
사무실이나 가정용 극저온냉동기는 디자인과 구조에 있어서 질소, 산소, 천연개스 등의 기체를 안전하고 효율적이며 편리하게 액화할 수 있어야 한다. 이런 액화기의 개발기술은 런던 페르가몬 프레스의 Proceedings of the Xth International Congress of Refrigeration , Copenhagen 1, 34-39 (1959)에 냉동사이클을 최초로 언급한 A. P. Kleemenko의 이름을 따서 "클리멘코-사이클(Kleemenko-cycle)"로 알려진 다요소, 혼합냉매, 싱글스트림, 캐스케이드, 트로틀 팽창 냉동사이클을 이용한 냉동시스템을 성공적으로 구현하는데 이용된다. 클리멘코의 아이디어를 발전시켜, 미국특허 5,617,739(1997), 5,724,832(1998)에서는 이들 시스템이 극저온 온도에서 성능변화나 유지보수 없이 수천시간 계속 운전할 수 있는 자가세정 기술을 소개했는데, 이 기술은 아래 저서에도 소개되었다: Little, W. A., Keeemenko Cycle Coolers : Low Cost Refrigeration at Cryogenic Temperatures, Proc. Seventeenth International Cryogenic Engineering Conference, Eds. D. Dew-Hughes, R.G. Scurlock, J.H.P.Waston, Institute of Physics Publishing, Bristol (1998), 1-9, Little W.A. MMR's Kleemenko Cycle Coolers: Status , Performance , Reliability , and Production. M-CALC IV, Fourth Workshop on Military and Commercial Applications of Low-Cost Cryocoolers, Strategic Analysis, Inc., November 20-21, 2003. 압축기, 동관이음새, 응축기와 같은 냉동기 부품을 사용해 극저온 시스템의 가격을 가정용 냉동기와 비슷하게 유지할 수 있었다. 또, A.P. Kleemenko의 사상을 기반으로 W.A. Little이 미국특허 5,644,502(1997)에 소개한 과정과 J. Dobak이 미국특허 5,787,715에 소개한 비슷한 과정을 이용해 구현된 효과적인 냉매혼합기체의 디자인은 극저온 냉동기의 크기를 획기적으로 줄이는데 크게 기여했다. 따라서, 전술한 특허들을 본 발명에서 참고하였다.
본 발명은 기체를 수거하여 액화시키기 위한 단열부; 단열부 바깥쪽의 제1 구간에서 단열부 안쪽의 제2 구간내 기체공급배관에 정화된 기체를 공급하는 제1, 제2 구간을 갖는 기체공급 시스템; 단열부 바깥의 온열구간과 단열부 안쪽의 냉간구간을 구비하되, 냉간구간은 기체공급 시스템의 제2 구간에 열결합되어 정화기체를 냉각시키는 극저온 냉동기; 및 입력단은 단열부 내부에 있고 출력단은 단열부 바깥에 있는 분배라인;을 포함하고, 기체공급 시스템의 제1 구간에 기체를 압축하는 압축기가 있어, 정화기체의 압력을 대기압보다 높은 고압으로 압축시키며; 극저온 냉동기의 냉간구간의 최저온도는 대기압에서의 기체의 비등점보다는 높고 상기 고압에서의 기체의 비등점보다는 낮으며; 기체공급 시스템의 제2 구간에 유량제한기가 있어, 이곳에서 고압에서 대기압으로 압력이 강하되고 정화기체의 일부가 증발되면서, 정화기체의 일부를 대기압에서의 기체의 비등점까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 액화장치를 제공한다. 본 발명의 액화장치에서, 극저온 냉동기는 펄스-튜브형이거나, 클리멘코-사이클 냉동기이다. 또, 극저온 냉동기의 냉간구간에 있는 역류 열교환기가 제1 열교환기와 제2 열교환기를 포함하고, 기체공급 시스템의 제2 구간에 있는 열교환부는 역류 열교환기와 열결합된다. 또, 기체공급 시스템이 기체공급라인의 냉간단부에 연결된 온열 퍼지라인을 구비하고, 기체공급 시스템의 제1 구간에는 온열 퍼지라인으로 들어가는 온열기체의 유량을 조절하는 퍼지밸브와 온열기체를 기체공급라인을 통해 위로 흐르게 하여 배출시키는 3웨이밸브가 있다. 또, 기체공급 시스템의 제1 구간에는 압력스윙 흡수기, 막분리기, 막분리기에 연결된 습도계, 및 습도계여 연결된 밸브가 있고, 이 밸브는 습도계가 감지한 기체 순도에 따라 기체공급 시스템의 제2 구간으로 들어가는 가체의 유량을 조절한다. 또, 기체공급 시스템의 제1 구간에 분배밸브와 압력조절기가 있고, 분배밸브는 고압기체를 단열부로 유도하며, 압력조절기는 단열부로 들어가기 전의 기체 압력을 낮추는 기능을 한다. 또, 잠금기구를 분배밸브에 연결하고, 이 잠금기구가 잠겼을 때는 분배밸브가 열리지 않고 잠금기구가 풀렸을 때만 분배밸브가 열리도록 한다. 본 발명은 또한 근접센서를 분배밸브에 연결하고, 근접센서가 분배 보온병을 감지하지 않았을 때는 분배밸브가 열리지 않고 분배 보온병을 감지했을 때만 분배밸브가 열리도록 할 수도 있다.
한편, 본 발명은 또한 기체공급 시스템의 제1 구간의 기체를 정화하여 정화기체를 만들고, 기체공급 시스템의 제2 구간의 정화기체를 냉각해 응축기체를 만드는 단계; 단열부에 응축기체를 모으는 단계; 및 단열부의 응축기체를 분배라인을 통해 분배하는 단계;를 포함하고, 기체를 냉각할 때 대기압에서의 기체의 비등점보다는 높고 고압에서의 기체의 비등점보다는 낮은 최저온도를 갖는 극저온 냉동기를 이용해 기체의 온도를 낮추며; 정화기체의 압력이 대기압보다 높도록 기체를 압축하고, 응축기체를 대기압으로 팽창시켜 응축기체의 일부는 증발시키고 일부는 고압에서의 기체의 비등점까지 냉각시키는 것을 특징으로 하는 액화방법도 제공한다. 본 발명에 따른 액화방법에 있어서, 극저온 냉동기는 펄스-튜브 극저온 냉동기이거나, 클리멘코-사이클 극저온 냉동기이다. 이런 극저온 냉동기는 역류 열교환기를 포함하고, 기체의 온도를 낮출 때 역류 열교환기에 기체를 열결합한다. 또, 퍼지밸브를 단속적으로 개방하여 정화기체가 온열 퍼지라인을 통해 흐르도록 하며, 온열기체를 온열 퍼지라인에서 기체 공급라인의 냉간단부를 통해 상승시키고, 온열기체를 기체공급라인에서 3웨이밸브를 통해 배출시킨다. 또, 기체를 정화하는 단계에서 압력스윙 흡수기와 막분리기에 기체를 통과시킨 다음, 막분리기에서 기체 순도를 감지하고, 이어서 감지된 기체 순도에 따라 정화기체의 유량을 조절한다. 또, 응축기체의 분배단계에서 분배밸브를 열어 단열부로 기체를 보낸 다음, 단열부로 들어가기 전의 기체의 압력을 낮추도록 한다. 한편, 응축기체 분배단계에서 사용자의 열쇠가 꼭 있어야 하고, 응축기체 분배단계에서 분배보온병이 가까이 있는지 감지해야만 분배를 하도록 하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명에 따라 질소를 액화하기 위한 장치의 개략도;
도 2는 본 발명에 따라 질소를 액화하기 위한 다른 장치의 개략도;
도 3은 본 발명에 따라 안전성을 위해 인터록 기구를 추가한 액화장치의 개략도;
도 4는 본 발명에 따른 펄스-튜브 극저온냉동기를 이용한 질소 액화장치의 개략도.
본 발명의 일례로서 질소 액화기의 체계가 도 1에 도시되어 있다. 이하의 설명은 질소의 액화에 초점을 맞추었지만, 이 액화기는 산소를 포함한 다른 극저온기체의 액화에도 사용할 수 있음은 물론이다. 이런 경우 작동온도를 적절히 조정하고 액화할 기체의 액화온도에 맞게 냉매 혼합물을 최적화하면 된다.
이제 질소 액화기에 대해 설명한다. 액화기의 질소 공급시스템(103)의 제1 구간인 외부 보온병(116)에서는 기체를 정화하고 압축하며, 제2 구간인 내부 보온 병(116)에서는 기체를 냉각하고 응축한다. 마찬가지로, 극저온 냉동시스템(101)의 난방구간인 외부보온병(116)에서는 냉매를 압축하고, 냉동구간인 내부보온병(116)에서는 냉매가 팽창하면서 냉각작용을 한다. 냉동시스템은 고전적인 클리멘코(Kleemenko) 냉동기를 기초로 한다. 가정용 냉동기에 사용되는 것과 비슷한 윤활된 밀봉 압축기(100)에 적당한 냉매가 들어가 압축된다. 압축된 냉매는 유분리기(102)로 들어가 압축기에서 나온 냉매중의 기름의 대부분을 분리해 모세관(104)을 통해 압축기로 되돌린다. 한편, 따뜻한 냉매증기는 관(106)을 통해 유분리기의 위를 지나 공냉응축기(108)로 들어간다. 응축기(108)에서 냉매의 일부분이 액체로 응축되면서 2상 유체로 되고, 이 유체는 필터-건조기(110)를 통과하면서 수분이 제거된다. 냉매는 제2의 기액분리기(112)로 들어간다. 이 분리기(112)의 상부에는 여러개의 판으로 된 기둥 일부분이 있고, 하부에는 나머지 기름과 응축된 냉매를 제거하기 위한 원심분리기가 들어있다. 분리기(112)로는 미국특허 5,617,739와 5,724,832에서 소개한 장치가 바람직하다. 분리된 액체성분은 분리기(112)의 바닥을 통해 액화보온병(116)의 열교환부(114)로 들어간다. 이 액체는 열교환부(114)를 지나 유량제한기(118)를 통과하면서 팽창된 다음, 대향류 열교환부(120) 상부를 통과하는 유체와 합쳐진다. 본 실시예의 유량제한기(118)는 열교환부(120)의 상단 1/3 지점쯤에 설치되고, 이 지점의 온도는 최종적으로는 -60℃(213K) 정도까지 강하한다. 유량제한기(118)에서 나와 열교환부(120)를 통과해 올라가는 증발 액체는 열교환부(122)를 통과해 내려가면서 분리기(112)의 상부에서 분리된 수증기를 냉각하는데 도움을 준다. 증기의 일부분은 열교환부(122)를 통과해 내려가면서 응축된 다. 유량제한기(124)에서 냉각된 냉매는 압력이 강하되면서 증발기(125)를 통과하고, 이곳에서 찬 냉매가 부하(즉, 증발기(125)에 열결합된 열교환부(146)의 바닥)를 냉각시킨 다음, 열교환부(120)를 통과해 올라가면서 열교환부(122)를 타고내래는 유입 증기류를 냉각한다. 보온병을 나간 냉매는 배관(126)을 통해 압축기(100)로 들어가 재압축되고 재순환된다.
질소액화를 위한 클리멘코 사이클 냉매 혼합기체
성분 몰분율
네온 0.04
질소 0.38
메탄 0.25
R14 0.11
에탄 0.09
프로판 0.04
부탄 0.04
펜탄 0.05
1
이상 설명한 장치를 이용한 질소의 액화에 적절한 냉매가 표 1에 주어졌다. 이 냉매는 냉동능력이 약 -178℃(95K) 정도로 크다. 클리멘코-사이클 냉동기의 냉동능력은 작동온도가 90K 밑으로 내려가면 급격히 떨어지는데, 이는 비등점이 90K 부근이고 이 온도 밑에서는 증기압이 급격히 떨어지는 냉매 성분의 증발시의 작은 잠열로 인해 이 온도 부근에서 냉동능력이 제한되기 때문이다. 즉, 질소의 액화에는 다른 과정이 필요하고, 어느정도는 산소에 대해서도 마찬가지임을 알 수 있다.
대기압에서의 질소의 비등점은 77.4K이다. 이 온도에서 클리멘코-사이클 냉매의 냉동능력은 90K~100K 범위를 갖는데, 이는 클리멘코-사이클 냉동기의 한계이다. 맥동관, 기포드-맥마흔, 스털링 사이클 냉동기와 같은 다른 종류의 극저온냉동기는 이런 한계가 없다. 따라서, 클리멘코 사이클 냉동기로 질소를 효과적으로 액화하려면, 질소를 507~709 kPa(5~7 atm)의 고압에서 질소를 응축한다. 이 경우, 극저온 냉동기의 냉동구간의 최저온도는 대기압에서의 질소의 비등점보다는 높고 고압에서의 질소의 비등점보다는 낮다. 도 1에 이 관계가 잘 도시되어 있다.
질소 액화를 위해, 압축기(128)에 공기가 들어가서 811 kPa(8atm) 정도의 압력으로 압축된다. 압축공기는 프리필터(130)와 트랩(132)을 통과하면서 자동으로 물을 제거한 다음, 압력 흡수기(134)를 지나면서 더 건조되어 이산화탄소를 제거한다. 흡수기(134)에서 건조되고 일부 정화된 공기는 막분리기(136)에서 질소중의 산소를 제거한다. 건조정화된 질소는 분리기(136)에서 나와 3개의 제어밸브(138,140,142)로 구성된 매니폴드로 들어가는데, 밸브마다 배관에 각각 연결된다. 밸브(138)는 3-웨이 밸브로서 질소공급관(144)을 통해 질소를 보온병(116)에 보낼 수 있다. 공급관(144)의 보온병(116)내 냉간단부는 열교환부(146)로서, 외경 1.5mm, 내경 1.0mm의 소구경 관으로 이루어지고 클리멘코 사이클 열교환부(120,122)를 감싸고 있다. 질소는 열겨환부(146)를 흘러내리면서 100K 정도로 사전냉각된다. 열교환부(146) 바닥의 관은 클리멘코 냉동기의 증발기(125)를 감싸고 있으며, 이곳에서 질소가 냉각응축되어 액화된다. 질소는 압축되어 증발기(125)에서 90~100 K로 응축된다. 액체질소는 유량제한기(148)를 통과하면서 압력이 101 kPa(1 atm)까지 강하하고, 액체질소의 일부분이 증발하면서 보온병내의 기체압력인 101 kPa(1 atm) 정도의 압력에서 나머지 질소를 비등점(78K)까지 냉각한다. 액체는 구멍(149)을 통해 나가면서 보온병에 액체질소(150)로 모인다.
유량제한기(148)는 수동식이나 전자식 조정밸브, 고정 오리피스, 다공식 금속플러그, 기다란 모세관, 또는 짧은 소구경관일 수 있다. 밸브일 경우 장치의 성능을 최적화할 수 있지만, 장치의 동작에는 관심이 없고 액체질소만 필요할 경우에는 이런 모든 조정장치를 없애는 것이 바람직하다. 최적의 신뢰성을 위해서는 유량제한기(148)를 길이는 15cm 정도로 짧게 하고 직경은 0.025cm 정도로 작게 하는 것이 바람직하다. 직경을 작게 한 것은 냉동단계에서의 기체 유량을 제한하기 위해서이고, 냉동단계에서 유속은 질소의 속도에 의해 제한된다. 이런 처리과정동안 유량이 적을수록 냉동기에 가해지는 부하도 작아진다. 온도가 질소의 응축온도에 이르면, 고밀도 액체가 모세관을 쉽게 흐를 수 있으므로 액체가 형성되고 유량이 증가한다. 이런 짧은 모세관이 오리피스형 유량제한기보다 성능이 우수한데, 이는 관의 길이를 변화시켜서 유량특성을 쉽게 조절할 수 있기 때문이다.
보온병의 비등속도를 줄이려면 직경이 작은 목을 다는 것이 좋다. 직경을 줄이는 효과적인 방법은 소구경 질소공급관을 사용하는 것이다. 소구경 배관을 사용하면 동일한 질소유입량에도 유속을 높이고 열전달을 개선할 수 있다. 소구경 배관이 수분이나 이산화탄소의 냉동으로 쉽게 막혀 질소에서 수분과 이산화탄소를 완벽히 제거하지는 못해도 액화기로서는 성공적으로 할 수 있다. 사실상, 이상 설명한 액화기가 질소 사전냉동 배관내의 오염물의 축적으로 인해 액체질소 수율에 약간의 손실은 있지만 수일동안 지속적으로 액화작업을 할 수 있다. 액화기를 더 오랫동안 지속적으로 작동시키려면, 역류장치를 가동시켜(예; 수일에 한번씩) 오염물을 씻어내버린다. 도 1에 도시된 바와 같이, 짧은 퍼지라인(152)를 통해 유량제한기(148) 바로 위의 열교환부(146)에 따뜻한 질소를 보내는 2웨이 퍼지밸브(142)를 열면 역류장치를 작동시킬 수 있다. 2웨이 퍼지밸브(142)를 열자마자 3웨이밸브(138)를 절환하여 열교환부(146) 바닥에 들어가는 질소가 열교환부를 타고올라가 배기구(154)로 나가도록 한다. 따뜻한 질소가 열교환부(146)를 통과하면서 모든 응축 이산화탄소를 증발시키고, 결국에는 열교환부 상단 부근에서 모든 흡수된 수분들을 축출한다. 2-3분간의 청소로도 24시간 운전으로 배관에 쌓인 오염물을 모두 흡수하기에 충분함이 밝혀졌다. 따뜻한 퍼지라인(152)은 구멍(149) 바로 윗쪽에서 질소공급관에 156 지점에서 연결된다. 청소작업이 실행되면, 질소공급관의 말단부가 질소에 의해 따뜻해지면서 흐름을 방해하던 모든 오염물을 제거해버리므로, 질소공급관과 팽창 모세관을 "해동"한다.
이런 역류 "해동" 방식은 대형 공업용 액화기의 축열기의 동작과 비슷한 점이 많다. 이들 액화기에서 유입공기는 단열 금속판이나 기타 표면적이 큰 다른 물질이 쌓인 2개의 기둥으로 된 축열기를 지난다. 기체는 한쪽 기둥을 타고 내려가면서 팽창에 의해 냉각된 다음 다른 기둥을 타고 올라간다. 흐름은 1분이나 2분마다 바뀐다. 한쪽 기둥을 채운 냉각기체는 다음 사이클에서 유임되는 기체를 사전냉각한다. 동시에 물이나 이산화탄소와 같은 오염물이 기둥내의 물질에 흡착되어 다음 사이클에 기둥 밖으로 제거된다. 반면에, 도 1A의 소형 액화기에서는, 오랫동안 액화기를 계속 작동시키고 가끔씩만 해동을 할 정도로 유량이 충분히 작다. 해동이나 청소는 수동으로 할 수도 있지만, 적당한 전자제어로 자동화할 수도 있다.
퍼지밸브(142) 바로 뒤에 초크밸브(143)를 배치하는 것이 바람직하다. 이 경우, 유입되는 청소기체의 압력이 강하되면서 압력스윙 흡수기를 통과하면서 체적이 증가하여, 고도의 순수한 질소가 공급된다.
인간의 간섭 없이 안전한 동작을 위해 습도계(158)를 설치하는데, 기술적 도움을 기대할 수 없는 곳에서는 중요하다. 습도계(158)는 가격이 저렴하고 질소분리기(136)의 투과측에 연결된다. 시동을 걸었을 때, 분리기(136)로 들어가는 공기는 건조기가 완전한 상태가 되기 전까지 어느정도 수분을 함유한다. 대부분의 수분은 분리기(136)의 막을 통과하지만, 일부는 3웨이 밸브(138)를 통해 질소공급관으로 들어가 질소를 오염시킨다. 분리기(138)로부터 체크밸브(160)를 통과하는 유량의 수분함량을 습도계(158)로 측정하고 질소내 수분함량이 일정치 밑으로 떨어질 때까지 3웨이 밸브(138)를 닫아두면 이런 오염을 방지할 수 있다. 습도계로 감지한 기체의 순도에 따라 기체공급장치의 두번째 구간으로의 기체 흐름을 조절하면, 기체공급배관의 저온부의 막힘을 줄일 수 있다. 막분리기(136)의 건조효과 때문에, 160에서의 투과류의 수분함량이 질소생성류의 수분함량보다 훨씬 높다. 또, 투과는 입력측의 고압부에서보다는 대기압에서 일어난다. 따라서, 고압고감도 센서가 아닌 저가의 습도계를 사용할 수 있는 것이다. 체크밸브(160)로 인해 시스템이 정지중일 때 습기있는 주변 공기가 습도계(158)로 들어가는 것이 방지된다.
보온병내의 액체질소량을 측정하고 보온병에 충분한 액체질소가 모였는지를 사용자에게 알려주기 위해 전자식 수심계(162)를 사용한다. 분배밸브(140)를 열어 액체질소를 분배하는데, 이때 질소기체가 압력조절기(164)를 통과하면서 공기압이 791 kPa(100 psig)에서 136 kPa(5 psig) 정도로 떨어진다. 저압 질소가 보온병으로 들어가면서 내부의 기체를 가압하여, 분배라인(167)의 액체질소를 체크밸브(168)쪽으로 밀어내는데, 체크밸브는 사용자의 용기에 대해 13.8 kPa(2 psi)의 크래킹압(cracking pressure)으로 설정된다. 보온병 위의 유량제한밸브(166)는 사전냉각과 액화 작업동안에 소량의 질소기체는 통과시키면서 액체질소의 분배중에는 대량의 질소는 통과시키지 않는 크기를 갖는다.
한편, 도 2와 같이, 포핏형 급속배기밸브(165)를 도 1의 체크밸브(166) 대신 사용할 수 있다. 밸브(165)는 입구를 조절기(164)에 연결하고 출구를 보온병(116) 상단에 연결하도록 설치한다. 배기밸브(165)의 배기구는 대기중으로 개방한다. 또, 도 1의 2웨이밸브(140)를 평상시 닫혀있는 3웨이밸브(141)로 대치한다. 분배버튼을 누르면, 밸브(141)가 작동되면서 급속배기밸브(165)의 입구가 가압되어, 포핏이 배기구를 닫고 보온병을 가압하며 LN2를 분배한다. 분배버튼을 놓으면, 밸브(141)가 정지하고 분배라인내 기체가 3웨이밸브(141)의 배기구를 통해 배출된다. 이어서 보온병의 압력으로 포핏이 배기구에서 열려, 고압보온병이 대기중으로 환기된다. 이 경우, 도 1의 체크밸브(166)를 대신 사용하면서 기체가 운반되는 동안 환기되지 않으므로 소정량의 LN2를 분배하는데 기체가 거의 불필요하다. 사용되는 기체량이 적을수록 스윙흡수기를 통과하는 유량이 줄어들어, 질소의 순도를 높일 수 있다. 이렇게 되면 분배과정중에 촉촉한 공기가 스며드는 것이 방지된다.
액체질소, 액체산소 등의 극저온기체는 피부에 접했을 때 심각한 동상을 일으킬 수 있으므로, 안전과 보안이 아주 중요하다.
도 1의 분배밸브(140)는 액화기 옆면의 푸시버튼으로 쉽게 작동되지만, 액체질소를 분배하는 미인가자나 어린이가 액체질소에 노출되는 것을 방지하기 위해, 도 2와 같이 분배밸브(140)의 회로에 잠금기구를 설치한다. 잠금기구는 잠금상태에서 분배밸브가 열리지 않게 하고 사용자가 열쇠로 연 상태에서는 열린다. 잠금기구(204), 푸시버튼(206) 및 솔레노이드(208)에 전원(200)을 직렬 연결하여 분배밸브(140)를 제어한다. 잠금기구(204)를 열쇠(예, 일반 열쇠, 암호식 키패드, 또는 인가된 사용자에게 부착된 RFID 키)로 작동시켰으면, 푸시버튼(206)을 눌러 분배밸브(104)를 작동시켜, 액체질소를 보온병(116)에서 분배라인(167)을 통해 분배한다(도 1 참조).
또다른 예방조치로 사용자 보온병(210)의 존재를 감지하는 인터록을 설치할 수 있다. 사용자 보온병(210)이 액체질소 분배라인(167) 밑에 제위치에 있지 않으면, 밸브제어회로내의 릴레이(202)에 의해 밸브(140)가 열리지 않는다. 인터록은 다양한 근접감지기술로 할 수 있는데, 여기서는 릴레이(202)에 근접센서(214)를 연결해 사용자 보온병(210)이 가까이 있음을 감지하고 보온병(210)이 제위치에 있을 때만 릴레이(202)를 작동시킨다. 따라서, 근접센서는 보온병을 감지하지 못했을 때 분배밸브가 열리지 않도록 하고, 보온병을 감지했을 때 밸브를 연다. 일반적으로, 보온병(210)에는 근접센서(214)를 작동시키는 감지요소(212)가 부착되어 있다. 예컨대, 센서(214)로는 홀효과 스위치를, 감지요소(212)로는 보온병 바닥면의 자석을 사용할 수 있다. 한편, 감지요소(212)가 RFID(radio frequency identification) 태그로서 고유코드를 갖고 있으며, 근접센서는 보온병 스탠드 밑에 있는 RFID 트랜스폰더인 것이 바람직하다. 트랜스폰더(214)가 제대로 된 코드를 갖춘 RFID를 감지하지 못하면, 릴레이(202)가 개방상태에 있어, 분배밸브(140)가 열리지 않는다.
이런 안전성과 보안성 외에도, 극저온기체의 위험성을 경고하는 경고문을 푸시버튼(206)과 액체질소 분배라인(167) 부근에 설치하는 것이 좋다.
한편, 클리멘코 극저온냉동기 대신 펄스-튜브형 극저온냉동기를 이용하는 액화기도 가능하다. 예를 들어, 도 4는 펄스-튜브 디자인을 근거로 한 소규모 액화기를 보여준다. 설명의 편의상, 펄스-튜브 냉동사이클 요소만 도면에 자세히 도시하였다. 액화기의 다른 요소(예; 질소회로(312)와 그 동작은 도 1, 2에서 설명한 것과 같다. 보온병(116)으로 연결되는 펄스튜브 어셈블리와 애프터쿨러(302)에 압축기(300)를 연결하는 냉매라인을 통해 냉매가 전후진한다. 펄스튜브 어셈블리는 펄스튜브 축열기(304)와 펄스튜브(306)를 포함하는데, 이들 둘다 냉간단부 열교환기(310)에 연결되고, 이 열교환기는 도 1의 증발기(125)처럼 질소회로(312)에 흐르는 질소를 액화시켜 액체질소(150)를 생산하는 냉매를 공급한다. 작동유체로는 대개 헬륨을 선택하지만, 100K 이상의 정상 비등점을 갖는 기체의 액화에는 질소를 사용하기도 한다. 이에 대해서 더 자세한 정보를 구하려면 Peter Kittel의 "A Short History of Pulse Tube Refrigerators"를 참조한다 <http://ranier.oact.hq.nasa.gov/Sensors_page/Cryo/CryoPT/CryoPTHist.html>.
산소액화기의 경우, 안전상의 이유로 별도의 액화냉동 보온병들을 사용하여 탄화수소가 들어있는 냉매라인을 액체산소에서 물리적으로 분리시켜 둔다. 별도의 보온병들을 열전도 요소로 연결하여 첫 보온병의 냉동판이 다른 보온병의 부하를 냉동시키도록 한다. 한편, 냉동배관을 산소에서 분리시키는 케이스를 사용하기도 한다. 어느 경우에도, 냉동배관을 산소배관과 산소에서 물리적으로 분리시켜두되, 냉동배관끼리는 열적으로 결합시켜, 보온병이 하나이거나 두개를 열적으로 결합시킨 것처럼 한다.

Claims (18)

  1. 기체를 수거하여 액화시키기 위한 단열부; 단열부 바깥쪽의 제1 구간에서 단열부 안쪽의 제2 구간내 기체공급배관에 정화된 기체를 공급하는 제1, 제2 구간을 갖는 기체공급 시스템; 단열부 바깥의 온열구간과 단열부 안쪽의 냉간구간을 구비하되, 냉간구간은 기체공급 시스템의 제2 구간에 열결합되어 정화기체를 냉각시키는 극저온 냉동기; 및 입력단은 단열부 내부에 있고 출력단은 단열부 바깥에 있는 분배라인;을 포함하는 액화장치에 있어서:
    상기 기체공급 시스템의 제1 구간은 정화기체의 압력을 대기압보다 높은 고압으로 압축하는 압축기, 상기 압축기의 하류에 위치하는 막분리기, 상기 막분리기에 연결된 습도계, 및 상기 습도계에서 감지된 기체의 순도에 따라 기체공급 시스템의 제2 구간에 공급되는 기체 유량을 조절하도록 습도계에 연결된 밸브를 구비하고;
    극저온 냉동기의 냉간구간의 최저온도는 대기압에서의 기체의 비등점보다는 높고 상기 고압에서의 기체의 비등점보다는 낮으며;
    기체공급 시스템의 제2 구간에 유량제한기가 있어, 이곳에서 고압에서 대기압으로 압력이 강하되고 정화기체의 일부가 증발되면서, 정화기체의 일부를 대기압에서의 기체의 비등점까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 액화장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 극저온 냉동기가 펄스-튜브형 극저온 냉동기인 것을 특징으로 하는 액화장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 극저온 냉동기가 클리멘코-사이클 냉동기인 것을 특징으로 하는 액화장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 극저온 냉동기의 냉간구간에 있는 역류 열교환기가 제1 열교환기와 제2 열교환기를 포함하고, 기체공급 시스템의 제2 구간에 있는 열교환부는 역류 열교환기와 열결합되는 것을 특징으로 하는 액화장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기체공급 시스템이 기체공급라인의 냉간단부에 연결된 온열 퍼지라인을 구비하고, 기체공급 시스템의 제1 구간에는 온열 퍼지라인으로 들어가는 온열기체의 유량을 조절하는 퍼지밸브와 온열기체를 기체공급라인을 통해 위로 흐르게 하여 배출시키는 3웨이밸브가 있는 것을 특징으로 하는 액화장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기체공급 시스템의 제1 구간에는 압력스윙 흡수기, 막분리기, 막분리기에 연결된 습도계, 및 습도계여 연결된 밸브가 있고, 이 밸브는 습도계가 감지한 기체 순도에 따라 기체공급 시스템의 제2 구간으로 들어가는 가체의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 액화장치.
  7. 제1항에 있어서, 기체공급 시스템의 제1 구간에 분배밸브와 압력조절기가 있고, 분배밸브는 고압기체를 단열부로 유도하며, 압력조절기는 단열부로 들어가기 전의 기체 압력을 낮추는 것을 특징으로 하는 액화장치.
  8. 제7항에 있어서, 잠금기구를 분배밸브에 연결하고, 이 잠금기구가 잠겼을 때는 분배밸브가 열리지 않고 잠금기구가 풀렸을 때만 분배밸브가 열리는 것을 특징으로 하는 액화장치.
  9. 제7항에 있어서, 근접센서를 분배밸브에 연결하고, 근접센서가 분배 보온병을 감지하지 않았을 때는 분배밸브가 열리지 않고 분배 보온병을 감지했을 때만 분배밸브가 열리는 것을 특징으로 하는 액화장치.
  10. 기체공급 시스템의 제1 구간에서 기체를 정화하여 정화기체를 만들고, 기체공급 시스템의 제2 구간의 정화기체를 냉각해 응축기체를 만드는 단계; 단열부에 응축기체를 모으는 단계; 및 단열부의 응축기체를 분배라인을 통해 분배하는 단계;를 포함하는 액화방법에 있어서:
    기체공급 시스템의 제1 구간에서 기체를 정화할 때, 기체를 막분리기에 통과시키면서 막 분리기에서 기체의 순도를 감지하고, 감지된 기체의 순도에 따라 정화된 기체의 유량을 조절하며;
    기체를 냉각할 때 대기압에서의 기체의 비등점보다는 높고 고압에서의 기체의 비등점보다는 낮은 최저온도를 갖는 극저온 냉동기를 이용해 기체의 온도를 낮추며;
    정화기체의 압력이 대기압보다 높도록 기체를 압축하고, 응축기체를 대기압으로 팽창시켜 응축기체의 일부는 증발시키고 일부는 고압에서의 기체의 비등점까지 냉각시키는 것을 특징으로 하는 액화방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 극저온 냉동기가 펄스-튜브 극저온 냉동기인 것을 특징으로 하는 액화방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 극저온 냉동기가 클리멘코-사이클 극저온 냉동기인 것을 특징으로 하는 액화방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 극저온 냉동기가 역류 열교환기를 포함하고, 기체의 온도를 낮출 때 역류 열교환기에 기체를 열결합하는 것을 특징으로 하는 액화방법.
  14. 제10항에 있어서, 퍼지밸브를 단속적으로 개방하여 정화기체가 온열 퍼지라인을 통해 흐르도록 하며, 온열기체를 온열 퍼지라인에서 기체 공급라인의 냉간단부를 통해 상승시키고, 온열기체를 기체공급라인에서 3웨이밸브를 통해 배출시키는 것을 특징으로 하는 액화방법.
  15. 제10항에 있어서, 기체를 정화하는 단계에서 압력스윙 흡수기와 막분리기에 기체를 통과시킨 다음, 막분리기에서 기체 순도를 감지하고, 이어서 감지된 기체 순도에 따라 정화기체의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 액화방법.
  16. 제10항에 있어서, 응축기체의 분배단계에서 분배밸브를 열어 단열부로 기체 를 보낸 다음, 단열부로 들어가기 전의 기체의 압력을 낮추는 것을 특징으로 하는 액화방법.
  17. 제10항에 있어서, 응축기체 분배단계에서 사용자의 열쇠를 필요로 하는 것을 특징으로 하는 액화방법.
  18. 제10항에 있어서, 응축기체 분배단계에서 분배보온병이 가까이 있는지 감지해야만 분배를 하는 것을 특징으로 하는 액화방법.
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