KR101446931B1 - 가압 극저온 액체의 과냉각 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

가압 상태의 극저온 액체의 상태에 따른 적합한 냉각방법을 선택하여 과냉각을 수행할 수 있는 가압 극저온 액체의 과냉각 장치 및 방법이 개시된다.

Description

가압 극저온 액체의 과냉각 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SUPER-COOLING PRESSURIZED CRYOGENIC LIQUID}
본 발명은 가압 극저온 액체의 과냉각 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가압 상태의 극저온 액체의 상태에 따른 적합한 냉각방법을 선택하여 과냉각을 수행하는 과냉각 장치 및 방법에 관한 것이다.
극저온 액체는 다양한 극저온 액체를 사용하는 시스템에서 널리 사용되고 있다. 그런데 극저온 액체는 온도가 올라가면 증발하는 특성이 있다. 따라서 일반적으로 극저온 액체를 보관하기 위해서는 약간의 가압 상태로 보관을 한다. 또한, 사용처로 극저온 액체를 수송하기 위해서는 가압을 하여야 하는데, 가압을 하게 되면 액체의 온도가 상승하기 때문에 다시 극저온 액체를 냉각시킨 후에 수송을 할 필요가 있다.
대기압 상태에서는 상온 비활성 가스를 분사함으로써 극저온 액체의 온도를 항상 낮출 수 있는 것으로 알려져있다.
그러나, 가압 상태의 극저온 액체를 냉각시키는 것은 대기압 상태의 초저온 액체를 냉각시키는 것과는 다른 방법이 필요하다.
가압 상태에 있는 극저온 액체의 경우에는, 그 극저온 액체의 상태에 따라 상온 비활성 가스를 극저온 액체에 분사하였을 때에 온도가 하강하기도 하지만 반대로 상승하는 경우도 발생하기 때문이다.
가압 상태의 극저온 액체의 상태에 따른 적합한 냉각방법을 선택하여 과냉각을 수행할 수 있는 가압 극저온 액체의 과냉각 장치 및 방법에 관한 요청이 꾸준히 제기되어 왔다.
대한민국 등록특허 10-0395596
본 발명은 상기와 같은 요청에 부응하여 착안된 것으로서, 가압 상태의 극저온 액체의 상태에 따른 적합한 냉각방법을 선택하여 과냉각을 수행할 수 있는 가압 극저온 액체의 과냉각 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 가압 극저온 액체의 과냉각 장치는, 액체를 고압 극저온 상태로 저장 가능한 저장탱크부와, 가압용 비활성가스를 주입하여 상기 저장탱크부의 내부 압력을 증가시키는 가압부와, 상기 저장탱크부로 상기 액체를 충전하거나 상기 저장탱크부로부터 상기 액체를 배출하는 액체출입부와, 상기 액체의 상태를 측정하는 상태측정부와, 측정된 상기 액체의 상기 상태에 따라 상기 액체를 과냉각시키기 위하여 상기 저장탱크부의 내부로 분사하되어야 하는 분사용 비활성가스의 종류를 결정하는 제어부와, 상기 제어부에서 결정된 상기 분사용 비활성가스를 상기 저장탱크부의 내부로 분사하는 비활성가스공급부를 포함한다.
이 때, 상기 상태측정부는 상기 액체에 관한 온도측정수단과 상기 액체의 상기 저장탱크 내에서의 수위측정수단을 포함한다.
또한, 상기 온도측정수단은 상기 저장탱크의 내측벽을 따라 종방향으로 배치된 온도센서어레이인 것이 좋다.
또한, 상기 수위측정수단은 상기 액체의 표면에서 부유하면서 상기 액체의 수위에 따라 상기 온도센서어레이의 특정 위치에 대응되는 수위계인 것이 좋다.
또한, 상기 온도센서어레이에서 측정된 온도측정값 및 상기 수위계의 수위에 대응되는 상기 특정 위치 정보가 상기 제어부로 전달되고, 상기 제어부에서 상기 온도측정값 및 상기 특정 위치 정보에 의거하여 상기 액체의 평균온도가 계산되는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 비활성가스공급부는 외부로부터 주입되는 상기 분사용 비활성가스를 냉각시키는 냉각기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 비활성가스공급부는, 상기 평균온도가 상기 액체의 포화온도에 이른 경우, 상기 분사용 비활성가스를 그대로 상기 저장탱크 내부로 분사하고, 그 밖의 경우에는 상기 분사용 비활성가스를 상기 냉각기에 의하여 냉각시킨 후 상기 저장탱크 내부로 분사하도록 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의한 가압 극저온 액체의 과냉각 방법은, 가압 극저온 액체의 과냉각 장치의 저장탱크에 액체가 충전되는 액체주입단계와, 상기 액체의 충전이 끝난 후 상기 저장탱크의 가압이 이루어지는 가압단계와, 가압이 완료된 후 상기 액체가 충전된 부분의 평균온도가 측정되는 액체상태측정단계와, 상기 액체의 과냉각을 위한 상기 저장탱크 내부 분사용 비활성가스의 종류가 결정되는 분사가스결정단계와, 상기 분사가스결정단계에서 결정된 종류의 비활성가스가 상기 저장탱크 내부에 분사되는 가스분사단계를 포함한다.
이 때, 상기 분사가스결정단계에서는 상기 액체의 포화온도를 측정된 상기 평균 온도와 비교하여 상기 분사용 비활성가스의 종류가 결정될 수 있다.
또한, 상기 평균온도가 상기 포화온도보다 낮은 경우, 상기 분사용 비활성가스가 냉각되는 단계가 상기 분사가스결정단계와 상기 가스분사단계 사이에서 더 수행되도록 할 수 있다.
본 발명을 이용하면, 가압 상태의 극저온 액체의 상태에 따른 적합한 냉각방법을 선택하여 과냉각을 수행할 수 있는 가압 극저온 액체의 과냉각 장치 및 방법을 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 과냉각 액체를 수요처로 수송하는 경우 온도상승에 의한 액체의 증발을 절감하고, 증기압을 감소시킴으로써 펌프의 공동화(cavitation) 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가압 극저온 액체의 과냉각 방법의 개념을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 가압 극저온 액체의 과냉각 장치의 일례를 나타낸 블록도,
도 3은 도 2의 블록도에 관한 실시예를 더욱 상세히 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 가압 극저온 액체의 과냉각 방법의 일례를 나타낸 흐름도,
도 5는 도 4의 분사가스결정단계(S140) 및 가스분사단계(S150)를 더욱 자세히 나타낸 순서도이다.
도 1은 본 발명에 따른 가압 극저온 액체의 과냉각 방법의 개념을 나타낸 도면이다.
도 1에서는 비활성가스로서 헬륨(He)기체가 사용되고, 과냉각을 요하는 극저온 액체는 액체산소인 경우를 예로 들어 설명을 하기로 한다.
저장탱크(10)에는 압력조절도관(12)을 통하여 주입되는 헬륨가스에 의하여 가압된 상태로 액체산소가 보관되어 있다.
이 때, 헬륨가스 공급도관(14)을 통하여 순수한 헬륨을 액체산소 내로 분사하면, 생성된 기포 경계면에서의 액체산소 증기압과 기포 내의 산소 분압의 차이로 인하여 산소 증기(oxygen vapor)(110)가 헬륨 기포(100) 속으로 확산된다. 이론적으로 이러한 분압차에 의한 확산은 산소증기의 분압이 기포 내에서 열역학적 평형을 이룰 때까지 계속된다. 열역학적으로 평형이 되는 상태는 기포 내의 산소 증기의 분압(PGOX,b)이 액체산소 온도에서의 포화압력(Psat(TLOX))인 액체산소의 증기압과 같아질 때이다. 이를 수식으로 표현하면 아래 수학식 1과 같다.
Figure 112011104282474-pat00001
기포 내에서의 열역학적 평형상태를 만족시키기 위한 산소 증기는 액체산소의 증발에 의하여 공급되며, 이 때 액체산소로부터 증발 잠열(heat of vaporization)을 흡수하므로 결과적으로 액체산소의 냉각이 이루어지게 된다.
그런데, 가압 상태의 액체산소의 온도에 따라서는 상온 헬륨가스를 분사함으로써 오히려 액체산소의 온도가 상승하게 될 수 있다. 따라서, 가압 상태의 액체산소에 대해서는 상온의 가스 분사에 의한 냉각이 가능한 상태인지 아닌지를 판별하는 것이 중요하다. 만약 냉각이 불가능한 상태인 것으로 판단되었다면, 분사하여야 하는 헬륨가스 자체를 냉각시킨 후에 분사함으로써 가압 액체산소의 냉각을 달성할 수 있게 된다.
극저온 액체의 냉각을 위한 비활성 가스는, 아래 표 1과 같은 대응 관계에 따라 적절히 선택을 할 수 있다.
극저온액체 메탄, 액체산소 액체질소, 액체수소
비활성가스 질소가스, 헬륨가스 헬륨가스
도 2는 본 발명에 따른 가압 극저온 액체의 과냉각 장치의 일례를 나타낸 블록도이다.
도 2에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 가압 극저온 액체의 과냉각 장치는, 저장탱크부(200), 가압부(210), 가스배출부(220), 액체출입부(230), 상태측정부(240), 비활성가스공급부(250) 및 제어부(260)를 포함하여 이루어진다.
저장탱크부(200)는 고압 극저온의 액체를 저장하는 저장탱크를 포함하여 이루어진다. 이 저장탱크는 내부에 후술하는 상태측정부(240)의 온도측정모듈(242)과 수위측정모듈(244)이 장착될 수 있도록 한다.
가압부(210)는 저장탱크부(200)로 비활성가스를 주입함으로써 저장탱크부(200)를 가압 상태로 유지한다. 이를 위하여, 가압부(210)는 외부와 연결된 도관(C)을 통하여 비활성가스를 공급받는다. 가압되는 압력의 정도는 극저온액체의 토출압력, 유량 등을 고려하여 결정되며, 제어부(260)로부터의 가압부 제어신호에 따라 가압을 수행한다.
가스배출부(220)는 저장탱크부(200)에 주입된 비활성가스를 배출함으로써 저장탱크부(200) 내의 압력을 조절하는 역할을 수행한다.
액체출입부(230)는 저장탱크부(200)에 저장되는 극저온 액체의 충전 및 배출을 수행한다. 이를 위하여 액체출입부(230)는 제어부(260)의 액체출입부 제어신호에 따라 액체의 충전 및 배출에 관한 밸브를 개폐하는 기능을 수행한다. 액체출입부(230)의 도관(A)을 통하여 저장탱크부(200) 내부로 충전되거나 저장탱크부(200)로부터 배출되는 극저온 액체가 출입하게 된다.
상태측정부(240)는 저장탱크부 내의 극저온 액체의 상태를 측정하는 기능을 수행한다.
상태측정부(240)에서 측정된 극저온 액체의 상태가 정확하게 판단되어야 저장탱크부에 상온의 비활성가스를 공급하여 극저온 액체의 냉각을 수행할 것인지, 냉각된 비활성가스를 공급하여 극저온 액체의 냉각을 수행할 것인지가 결정될 수 있다.
이를 위하여 상태측정부는 온도측정모듈(242) 및 수위측정모듈(244)을 더 포함한다. 온도측정모듈(242)은 온도센서 등으로써 이루어질 수 있으며, 수위측정모듈(244)은 수위센서 등으로써 이루어질 수 있다. 온도측정모듈(242) 및 수위측정모듈(244)은 앞서 설명한 바와 같이 저장탱크부(200)의 저장탱크 내부 또는 표면 등 측정에 적합한 위치에 설치되어 극저온 액체의 수위 및 온도를 측정한다.
측정된 극저온 액체의 온도 및 수위 데이터는 제어부로 전송된다.
비활성가스공급부(250)는 저장탱크부(200) 내부에 극저온 액체의 냉각을 위하여 비활성가스를 공급하는 기능을 수행한다.
앞서 언급한 바와 같이, 극저온 액체의 상태에 따라 극저온 액체의 냉각을 위하여 상온의 비활성가스가 주입되는 경우와 냉각된 비활성가스가 주입되어야 하는 경우가 있다. 비활성가스공급부(250)는 냉각된 비활성가스가 주입되어야 하는 경우를 위하여 비활성가스 냉각모듈(252)을 더 포함하도록 할 수 있다. 비활성가스 냉각모듈(252)은 예컨대 액체질소(LN2) 냉각기 등으로 이루어질 수 있다.
비활성가스 공급부(250)는 저장탱크부(200)로 분사되어야 하는 비활성가스를 도관(B)을 통하여 외부로부터 공급받는다.
도 3은 도 2의 블록도에 관한 가압 극저온 액체의 과냉각 장치의 실시예를 더욱 상세히 나타낸 도면이다.
상온의 비활성가스를 분사하는 것만으로 극저온 액체가 냉각되는 경우는, 충전된 액체가 가압압력에 해당하는 포화온도를 유지하고 있는 경우이다. 반면, 극저온 액체가 이미 충분히 포화온도 미만의 과냉각 상태를 유지하고 있는 경우에는 상온의 비활성가스를 분사하더라도 오히려 온도가 상승하게 되므로, 저온의 비활성가스를 분사하여야 한다.
도 3의 저장탱크(300), 온도센서어레이(342), 수위계(344) 및 냉각기(352)는 각각 도 2의 저장탱크부(200), 온도측정모듈(242), 수위측정모듈(244) 및 비활성가스냉각모듈(252)에 대응된다.
도 3의 가압 극저온 액체의 과냉각 장치를 통하여 가압 상태의 극저온 액체를 과냉각하기 위하여, 먼저 저장탱크(300)에 액체출입부(230)를 통하여 극저온 액체가 충전된다. 충전이 끝난 후 가압부(210)에 의하여 필요한 가압압력으로 비활성가스에 의한 가압이 이루어진다. 가압이 완료된 후 온도센서어레이(342) 및 수위계(344)에 의하여 극저온 액체가 충전된 부분의 평균온도가 계산된다. 온도측정모듈(242)은 수위 축으로 여러 개의 온도 센서가 박혀있는 형태의 온도센서어레이(342)로써 구현할 수 있으며, 수위계(344)를 이용하여 액체의 수위를 정한 후, 액체에 잠겨있는 각 온도센서에서 측정된 온도의 평균값을 취함으로써 액체의 온도를 결정할 수 있다. 이를 위하여, 수위계(344)는 액체의 표면에서 부유하여야 하며, 온도센서어레이(342)는 저장탱크(300)의 내측표면에 배치될 필요가 있다.
만일 평균온도가 가압압력에 해당하는 액체의 포화온도라면, 제어부(260)는 도관(B)을 통하여 비활성가스공급부(250)로 공급되는 상온의 비활성가스를 저장탱크(300) 내로 분사한다. 이 경우, 액체는 섭씨 4 내지 5도 정도 과냉각이 된다. 과냉각된 가압 극저온 액체는 액체 출입부(230) 및 도관(A)을 통하여 외부로 배출될 수 있으며, 수요처로 수송될 수 있게 된다.
반면, 평균온도가 가압압력에 해당하는 액체의 포화온도보다 섭씨 3도 이상의 과냉각 상태를 유지하고 있는 경우에는, 제어부(260)는 도관(B)을 통하여 비활성가스공급부(250)로 공급되는 상온의 비활성가스를 냉각기(352)측으로 연결하여 냉각시킨 후 저장탱크(300) 내부로 분사한다. 이를 통하여 가압 극저온 액체를 더욱 냉각시킬 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 가압 극저온 액체의 과냉각 방법의 일례를 나타낸 흐름도이다.
도 4에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 가압 극저온 액체의 과냉각 방법은, 액체주입단계(S100), 가압단계(S110), 액체상태측정단계(S120), 분사가스결정단계(S130) 및 가스분사단계(S140)를 포함하여 이루어진다.
액체주입단계(S100)에서는 가압 극저온 액체의 과냉각 장치의 저장탱크에 액체가 충전된다.
다음으로, 가압단계(S110)에서는 액체의 충전이 끝난 후 액체의 상태에 따라 요구되는 가압압력으로 비활성가스가 저장탱크에 주입됨으로써 저장탱크의 가압이 이루어진다.
액체상태측정단계(S120)에서는 가압이 완료된 후 액체가 충전된 부분의 평균온도가 측정된다.
분사가스결정단계(S130)에서는 액체의 과냉각을 위하여 저장탱크 내부로 분사되어야 하는 비활성가스의 종류가 결정된다. 만일 저장탱크 내부 액체의 평균온도가 가압압력에 해당하는 액체의 포화온도이면, 저장탱크 내부에 분사되어야 하는 가스는 상온의 비활성가스로 결정되며, 반면 저장탱크 내부 액체의 평균온도가 포화온도 미만의 과냉각 상태에 해당하면, 저장탱크 내부에 분사되어야 하는 가스는 저온의 비활성가스로 결정된다.
가스분사단계(S140)에서는 분사가스결정단계(S130)에서 결정된 종류의 비활성가스가 저장탱크 내부에 분사된다. 한편, 저장탱크 내부 액체의 평균온도가 과냉각 상태인 경우에 분사되는 저온의 비활성가스를 생성하기 위하여, 가스분사단계(S140)에서는 비활성가스의 분사 전에 비활성가스를 냉각기에 통과시켜 냉각을 수행하는 단계가 더 수행될 수 있다.
도 5는 도 4의 분사가스결정단계(S140) 및 가스분사단계(S150)를 더욱 자세히 나타낸 순서도이다.
도 5에서 나타낸 바와 같이, 분사가스결정단계(S140)에서는 측정된 액체의 평균온도와 해당 액체의 포화온도를 비교하여, 가스분사단계에서 분사되어야 하는 가스의 종류가 결정된다.
이에 따라, 만약 상온의 비활성가스가 분사되어야 하는 것으로 결정된 경우에는 상온의 비홀성가스 분사가 수행된다(S142). 반면, 냉각된 비활성 가스가 분사되어야 하는 것으로 결정된 경우에는 가스분사단계(S150)에서 냉각된 비활성가스를 분사하기 위하여 먼저 냉각기로 비활성가스를 냉각하는 단계(S144)가 수행되며, 비활성가스의 냉각이 완료된 후에 냉각된 비활성가스를 저장탱크 내부로 분사(S146)하게 된다.
이를 통하여 저장탱크 내부의 액체의 과냉각이 이루어지게 된다.

Claims (10)

  1. 액체를 고압 극저온 상태로 저장 가능한 저장탱크부와,
    가압용 비활성가스를 주입하여 상기 저장탱크부의 내부 압력을 증가시키는 가압부와,
    상기 저장탱크부로 상기 액체를 충전하거나 상기 저장탱크부로부터 상기 액체를 배출하는 액체출입부와,
    상기 액체의 상태를 측정하는 상태측정부와,
    측정된 상기 액체의 상기 상태에 따라 상기 액체를 과냉각시키기 위하여 상기 저장탱크부의 내부로 분사되어야 하는 분사용 비활성가스의 종류를 온도상태에 따라 결정하는 제어부와,
    상기 제어부에서 결정된 상기 분사용 비활성가스를 상기 저장탱크부의 내부로 분사하는 비활성가스공급부와,
    상기 비활성가스공급부는 외부로부터 주입되는 상기 분사용 비활성가스를 냉각시키는 냉각기를 포함하는 가압 극저온 액체의 과냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상태측정부는 상기 액체에 관한 온도측정수단과 상기 액체의 상기 저장탱크 내에서의 수위측정수단을 포함하는 가압 극저온 액체의 과냉각 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 온도측정수단은 상기 저장탱크의 내측벽을 따라 종방향으로 배치된 온도센서어레이인 가압 극저온 액체의 과냉각 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수위측정수단은 상기 액체의 표면에서 부유하면서 상기 액체의 수위에 따라 상기 온도센서어레이의 특정 위치에 대응되는 수위계인 가압 극저온 액체의 과냉각 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 온도센서어레이에서 측정된 온도측정값 및 상기 수위계의 수위에 대응되는 상기 특정 위치 정보가 상기 제어부로 전달되고, 상기 제어부에서 상기 온도측정값 및 상기 특정 위치 정보에 의거하여 상기 액체의 평균온도가 계산되는 가압 극저온 액체의 과냉각 장치.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 비활성가스공급부는, 상기 평균온도가 상기 액체의 포화온도에 이를 경우, 상기 분사용 비활성가스를 그대로 상기 저장탱크 내부로 분사하고, 그 밖의 경우에는 상기 분사용 비활성가스를 상기 냉각기에 의하여 냉각시킨 후 상기 저장탱크 내부로 분사하는 가압 극저온 액체의 과냉각 장치.
  8. 가압 극저온 액체의 과냉각 장치의 저장탱크에 액체가 충전되는 액체주입단계와,
    상기 액체의 충전이 끝난 후 상기 저장탱크의 가압이 이루어지는 가압단계와,
    가압이 완료된 후 상기 액체가 충전된 부분의 평균온도가 측정되는 액체상태측정단계와,
    상기 액체의 과냉각을 위한 상기 저장탱크 내부 분사용 비활성가스의 종류가 온도상태에 따라 결정되는 분사가스결정단계와,
    상기 분사가스결정단계에서 결정된 종류의 비활성가스가 상기 저장탱크 내부에 분사되는 가스분사단계를 포함하되,
    상기 분사가스결정단계에서는 상기 액체의 포화온도를 측정된 상기 평균 온도와 비교하여 상기 분사용 비활성가스의 종류가 온도상태에 따라 결정되는 가압 극저온 액체의 과냉각 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 평균온도가 상기 포화온도보다 낮은 경우, 상기 분사용 비활성가스가 냉각되는 단계가 상기 분사가스결정단계와 상기 가스분사단계 사이에 더 수행되는 가압 극저온 액체의 과냉각 방법.
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