KR101585825B1 - 이중관 히트파이프를 이용한 수소 액화 장치 - Google Patents

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백종훈
강상우
김서영
오인환
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 극저온 냉동기와 접촉하는 응축부와, 상기 응축부로부터 작동유체를 통해 상기 극저온 냉동기의 냉각 에너지를 전달받아 기체수소를 냉각하는 증발부와, 상기 응축부와 증발부 사이에서 연장되고 내부에 작동유체 유동 공간을 형성하는 내측 튜브와 상기 내측 튜브를 이격하여 둘러싸고 형성되며 상기 내측 튜브와의 사이에 이중관 영역을 형성하는 외측 튜브를 구비한 히트파이프: 상기 히트파이프의 상기 이중관 영역 내에 충진되는 고체질소; 상기 히트파이프의 이중관 영역내에 코일형태로 연장 형성되며 기체수소가 내부로 유입되는 상단 유입구와 내부의 기체수소가 상기 액화용기 내부로 배출되는 하단 배출구를 구비하며, 기체수소가 상기 고체질소와의 열교환을 통해 예냉되도록 하는 예냉관; 상기 예냉관 내부에 적어도 부분적으로 형성되고, ortho-para 촉매가 포함되어 상기 예냉관을 지나는 기체수소의 ortho-para 변환을 유도하는 ortho-para 변환부; 상기 예냉관의 상단 유입구와 연결되며 외부로부터 기체수소가 이송되는 통로가 되는 기체수소 이송관; 및 상기 액화 용기 내부에서 액화된 액체수소를 외부로 이송하기 위한 액체수소 이송관을 포함하는 이중관 히트파이프를 이용한 수소 액화 장치를 제공한다.

Description

이중관 히트파이프를 이용한 수소 액화 장치{Hydrogen liquefaction apparatus using dual tube type heat pipe}
본 발명은 수소 액화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 극저온 냉동기의 냉각에너지를 이중관 히트파이프를 통해 전달하여 기체수소를 액화시키는 이중관 히트파이프를 이용한 수소 액화 장치에 관한 것이다.
화석 연료의 과다한 사용으로 인한 대기오염과 지구 온난화의 문제를 해결하기 위한 방안으로 최근 국내외에서는 탄화수소계가 아닌 연료를 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 같은 문제 해결을 위해 제안된 여러 가지 방법 중에서 가장 효율적이며 대표적인 방법이 바로 수소 에너지의 사용이다.
수소 에너지는 탄화수소계 에너지와 달리, 연소시 이산화탄소의 배출 없이 오로지 물만 발생시키고 물로부터 다시 수소를 얻을 수 있으므로 재생가능한 에너지원으로 분류할 수 있다.
수소를 에너지원으로 사용하기 위해서는 이송의 간편성과 저장의 용이성이 보장되어야 하는 데, 이를 위해서는 고밀화도를 통해 부피를 축소시키는 것이 필요하다. 공지된 수소의 부피를 축소시켜 저장하는 방법 중 저장에너지가 가장 큰 것은 수소를 액화시켜 액체수소 형태로 저장하는 방법이다.
기체수소를 액화시키는 방법으로 Linde-Hampson 사이클, Claude 사이클 등이 공지되어 있다. 이러한 수소 액화 사이클은 액화 효율은 우수하나 대형 수소 액화 시스템을 필요로 한다.
그런데, 수소 에너지의 용도를 다양화하고 운송에 의한 에너지 손실을 줄이기 위해서는 지역적으로 액화가 가능한 소형 액화 장치가 필요하므로 공지의 대형 수소 액화 시스템으로는 수소 에너지의 활용성을 증대시키는 데 한계가 있다.
이러한 단점을 해결하기 위해 근래에는 극저온 냉동기를 이용한 소형 수소 액화 장치에 관한 연구가 수행되고 있는바, 극저온 냉동기의 성능 개선으로 인하여 극저온 냉동기만으로 기체 수소를 수소 액화 온도인 20K 이하로 충분히 냉각하는 것이 가능하게 되었기 때문이다.
수소 에너지의 활용성을 증대시키기 위해서는 극저온 냉동기를 이용한 수소 액화 장치의 성능과 안정성을 개선하기 위한 다양한 방안들이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 극저온 냉동기를 이용한 수소 액화 장치에서 히트파이프와 ortho-para 변환부가 하나로 결합된 이중관 히트파이프를 이용한 수소 액화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 히트파이프를 이중관 형태로 형성하고 고체질소(SN2)로 충진된 이중관 영역 내에 ortho-para 변환부를 구비한 예냉관을 설치함으로써 기체수소(GH2)가 예냉관 및 그 내부의 ortho-para 변환부를 지나면서 예냉 및 ortho-para 변환된 상태로 히트파이프의 증발기와 접촉하여 액화되도록 하여 극저온 냉동기의 초기 부하를 줄이는 것이 가능한 이중관 히트파이프를 이용한 수소 액화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 극저온 냉동기가 가동 정지된 상태에서도 액화수소의 증발(boil-off)이 히트파이프의 이중관 영역 내에 충진된 고체상태의 냉각물질이 액체상태로 상변화하는 시간 동안 지연되도록 함으로써 액체수소의 저장 성능이 향상되도록 한 이중관 히트파이프를 이용한 수소 액화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 외부 용기 내부에 극저온 냉동기로부터 냉각 에너지를 제공받은 기체수소가 액화되는 액화 용기를 구비한 수소 액화 장치에서 있어서, 상기 액화 용기 내부에 구비되어 상기 극저온 냉동기로부터 냉각 에너지를 전달받아 기체수소를 액화시키기 위한 것으로서, 상기 극저온 냉동기와 접촉하는 응축부와, 상기 응축부로부터 작동유체를 통해 상기 극저온 냉동기의 냉각 에너지를 전달받아 기체수소를 액화시키는 증발부와, 상기 응축부와 증발부 사이에서 연장되고 내부에 작동유체 유동 공간을 형성하는 내측 튜브와 상기 내측 튜브를 이격하여 둘러싸고 형성되며 상기 내측 튜브와의 사이에 이중관 영역을 형성하는 외측 튜브를 구비한 히트파이프: 상기 히트파이프의 상기 이중관 영역 내에 고체상태로 상변화하여 충진되는 냉각물질; 상기 히트파이프의 이중관 영역내에 코일형태로 연장 형성되며 기체수소가 내부로 유입되는 상단 유입구와 내부의 기체수소가 상기 액화용기 내부로 배출되는 하단 배출구를 구비하여, 기체수소가 냉각물질과의 열교환을 통해 예냉되도록 하는 예냉관; 상기 예냉관 내부에 적어도 부분적으로 형성되고, ortho-para 촉매가 포함되어 상기 예냉관을 지나는 기체수소의 ortho-para 비(ratio)의 변환을 유도하는 ortho-para 변환부; 상기 예냉관의 상단 유입구와 연결되며 외부로부터 기체수소(GH2)가 이송되는 통로가 되는 기체수소 이송관; 및 상기 액화 용기 내부에서 액화된 액체수소(LH2)를 외부로 이송하기 위한 액체수소 이송관을 포함하여, 상기 기체수소(GH2)가 상기 예냉관을 통해 이송되면서 예냉 및 ortho-para 비가 변환된 상태로 상기 히트파이프의 상기 증발부와 접촉하여 액화되는 이중관 히트파이프를 이용한 수소 액화 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 상기 냉각물질은 질소를 포함하며, 상기 질소는 외부로부터 기체질소(GN2)를 이송하는 기체질소 이송관을 통해 상기 이중관 영역으로 도입된 후 냉각되어 고체질소(SN2) 상태로 상변화되어 충진된다.
본 발명에 의하면, 상기 기체수소 이송관은 분기되어 상기 히트파이프의 내측 튜브 내부로 기체수소를 작동유체로 공급하는 작동유체 유입통로와 연결된다.
본 발명에 의하면, 상기 예냉관의 하단 배출구에는 기체수소를 상기 증발부의 표면으로 안내하는 액화 유도관이 연결된다.
본 발명에 의하면, 히트파이프와 ortho-para 변환부가 하나로 결합된 새로운 형태의 수소 액화 장치를 제공하는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 의하면, 기체수소는 고체질소가 충진된 히트파이프의 이중관 영역 내에 위치한 예냉관 및 그 내부의 ortho-para 변환부를 거치면서 예냉 및 ortho-para 변환을 거치게 되는 바, 예컨대 77K로의 예냉과 77K의 평행상태로 ortho-para 변환되며, 그 후 히트파이프의 증발부와 접촉하여 액체수소로 액화된다. 이로 인해, 300K의 기체수소가 20K의 히트파이프의 증발부와 직접 접촉하여 냉동기의 부하가 급격히 증가하는 것을 방지하게 된 바 냉동기의 초기 열부하를 줄일 수 있다.
본 발명에 의하면, 극저온 냉동기가 멈춘 상태에서도 액체수소의 증발을 고체질소가 액체질소로로 상변화하는 시간 동안 지연시킴으로써 수소 액화 장치의 액체 수소 저장 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 이중관 히트파이프를 이용한 수소 액화 장치의 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 이중관 히트파이프를 이용한 수소 액화 장치에서 히트파이프의 이중관 영역의 구성을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 이중관 히트파이프를 이용한 수소 액화 장치를 상세하게 설명한다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 이중관 히트파이프를 이용한 수소 액화 장치의 구성도이고, 도 2 는 히트파이프의 이중관 영역의 구성을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이중관 히트파이프를 이용한 수소 액화 장치는, 외부 용기(10)와, 액화 용기(20), 극저온 냉동기(30), 히트파이프(40)와, 예냉관(50) 및 ortho-para 변환부(51)를 포함한다.
외부 용기(10)는 상단이 개방된 원통 형태로 형성되어 내부로 액화 용기(20) 등의 다른 부분 등을 설치할 수 있게 구성되며, 개방된 상단은 상부 커버(12)에 의해 덮여 밀폐된다.
상부 커버(12)에는 극저온 냉동기(30)가 설치되어 액화 용기(20) 내에 위치한 히트파이프(40)에 냉각 에너지를 제공한다. 극저온 냉동기(30)는 액화 용기(20) 내부가 20K 이하의 온도가 되도록 충분한 냉각 에너지 제공할 수 있다.
외부 용기(10)와 액화 용기(20) 사이에는 외부 용기 바깥의 상온으로부터 액화 용기(20)로 이루어지는 반경 방향의 열침입을 감소시키기 위한 진공 단열층(11) 및 다층단열재층(multi-layer insulation, 미도시)가 형성된다.
진공 단열층(11)은 외부 용기(10) 내부에서 액화 용기(20)와의 사이 공간이 진공으로 형성되어 이루어지며, 외부 용기(10) 내부에서의 공기에 의한 대류 열전달 및 전도 열전달을 차단하는 기능을 한다. 다층단열재는 액화 용기(20)를 둘러싸고 있는 단열재가 다층으로 겹쳐져 형성되는 것으로, 액화 용기(20)와 외부 용기(10) 사이 공간을 통하여 이루어지는 복사열전달을 감소시키는 기능을 한다.
액화 용기(20)는 외부 용기(10) 내부에 설치되는 원통형의 용기로 형성되며, 상단이 상부 커버(12)에 고정되거나 외부 용기(10)의 바닥면과 액화 용기(20)의 바닥면을 서로 연결하는 지지대(미도시)로 고정된다. 액화 용기(20)는 상단 커버(12)로부터 축방향의 열 침입을 저감시키기 위하여 차단층을 내부에 구비하거나 단열층을 개재하여 상부 커버(12)에 고정될 수 있다. 또한 다른 실시예에 따라 별도의 지지부를 매개로 설치되는 것도 가능하다.
액화 용기(20) 내부에는 극저온 냉동기(30)로부터 극저온의 냉각 에너지를 전달받아 기체수소(GH2)를 액화시키기 위한 히트파이프(40)가 설치된다.
히트파이프(40)는 응축부(41)와 증발부(42)과, 응축부(41) 및 증발부(42) 사이에 이중관 형태로 설치된 외측 튜브(43) 및 내측 튜브(44)를 포함한다.
히트파이프(40)의 응축부(41)은 극저온 냉동기(30)에 접하여 작동유체를 매개로 극저온 냉동기(30)의 냉각 에너지를 히트파이프(40)의 증발부(42)로 전달하는 기능을 하며, 증발부는(42)은 작동 유체에 의해 응축부(41)로부터 전달된 냉각에너지에 의해 액화 용기(20) 내부로 도입된 기체수소(GH2)를 액화시키는 기능을 한다.
응축부(41) 및 증발부(42) 각각에는 냉각핀(41a, 42a)이 구비되어 히트파이프(40)의 내부 즉, 내측 튜브(44) 내부에서의 열전달을 촉진한다.
외측 튜브(43)는 내측 튜브(44)와 이격되어 내측 튜브(44)를 둘러싸도록 형성된다. 이로 인해 외측 튜브(43)와 내측 튜브(44) 사이 공간에 이중관 영역(45)을 형성한다. 이중관 영역(45)은 냉각물질인 고체질소가 충진되는 데, 기체질소가 유입된 후 냉각되어 고체질소(SN2)로 상변화되어 충진된다.
이중관 영역(45)에는 예냉관(50)이 구비된다. 예냉관(50)은 이중관 영역(45) 내부에서 외측 튜브(43) 및 내측 튜브(44) 각각과 이격된 상태로 내측 튜브(44)를 코일형으로 감으면서 연장된다.
예냉관(50)은 상단 유입구(52) 및 하단 배출구(54)를 통해 외측 튜브(43) 외부와 연결된다. 상단 유입구(52)는 기체수소 이송관(62)과 연결되고, 하단 배출구(54)는 액화 유도관(55)와 연결된다.
본 발명에 따르면 예냉관(50) 내부에는 수소의 ortho-para 변환을 일으키는 촉매를 구비한 ortho-para 변환부(51)가 형성된다. ortho-para 변환부(51)는 예냉관(50)의 전체 길이에 걸쳐 형성될 수 있으며, 일부에만 형성될 수 있다. ortho-para 변환부(51)가 예냉관(50)에 형성됨으로 인하여, 기체수소가 예냉관(50)을 통과할 때 예냉 및 ortho-para 변환을 동시에 겪게 된다.
액화 유도관(55)는 히트파이프의 증발부(42)의 외측 표면을 향해 연장되어 액화 유도관(55)을 통해 배출되는 기체수소(GH2)를 히트파이프의 증발부(42)로 안내하는 역할을 한다.
외측 튜브(43)에는 외측 튜브(43)와 내측 튜브(44) 사이의 이중관 영역(45)으로 기체질소를 도입시키기 위한 냉각물질 도입구(46)가 구비된다. 냉각물질 도입구(46)는 기체질소 이송관(64)과 연결된다. 이중관 영역(45) 내로 도입된 기체질소는 냉각된 후 상변화되어 고체질소(SN2) 상태로 충진된다.
히트파이프(40)의 내측 튜브(44) 내부에는 기체수소가 작동유체로 충진된다. 이를 위해 히트파이프(40)는 내측 튜브(44)의 내부 공간으로 작동유체인 기체수소가 충진될 수 있는 작동유체 유입통로를 구비할 수 있거나, 작동유체가 충진된 상태로 밀봉되어 제조될 수 있다.
액화 용기(20) 내부에는, 외부에서 액화 용기(20) 내부로 기체수소를 이송하는 기체수소 이송관(62)과 기체질소를 이송하는 기체질소 이송관(64)이 연장된다.
기체수소 이송관(62)은 예냉관(50)의 상단 유입구(52)에 연결되며, 기체질소 이송관(64)은 냉각물질 도입구(46)와 연결되어 외측 튜브(43) 및 내측 튜브(44) 사이의 이중관 영역(45)으로 기체질소를 공급한다.
기체수소 이송관(62) 및 기체질소 이송관(64)에는 상단 유입구(52) 및 냉각물질 도입구(46)로의 기체수소 및 기체질소의 이송을 제어하기 위한 밸브(미도시)들이 설치될 수 있다.
한편, 액화 용기(20)의 바닥면에는 액화 용기(20) 내부에서 액화된 액체수소를 외부로 이송하기 위한 액체수소 이송관(68)이 연결된다.
이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 이중관 히트파이프를 이용한 수소 액화 장치에 의한 수소 액화 과정을 설명한다.
수소 액화 장치가 가동되면, 극저온 냉동기(30)로부터 히트파이프(40)의 응축부(41)에 냉각에너지가 전달된다.
기체수소 이송관(62)을 통해 이송된 기체수소의 일부가 작동유체 유입통로(48)를 통해 히프파이프(40)의 내측 튜브(44) 내측으로 공급된다. 내측 튜브(44) 내부로 공급된 기체수소는 작동유체로서 히트파이프(40) 내부에서 상하로 유동하면서 응축부(41)로 전달된 극저온 냉동기(30)의 냉각 에너지를 증발부(42)로 전달한다.
한편, 기체질소 이송관(64)을 통해 이송된 기체질소)는 냉각물질 도입구(46)를 통해 외측 튜브(43)와 내측 튜브(44) 사이의 이중관 영역(45)으로 공급된다. 이중관 영역(45) 내부로 유입된 기체질소는 냉각 에너지를 전달받아 상 변화하여 고체질소가 된다.
기체수소 이송관(62)을 통해 이송된 기체수소는 상단 유입구(52)를 통해 예냉관(50)으로 유입된다. 밸브 제어에 의해 예냉관(50)으로의 기체수소의 도입 시기는 제어될 수 있다. 예냉관(50)으로 유입된 기체수소는 예냉관(50)을 따라 이동하면서 주변의 고체질소와 열교환하여 예냉이 됨과 동시에 ortho-para 변환부(51)를 지나면서 ortho-para 촉매를 만나 ortho-para 변환을 시작하고 77K에 해당하는 평형상태인 para 수소로 변환을 마친 후, 하단 배출구(54)를 통해 액화유도관(55)으로 이송되며 액화 유도관(55)은 기체수소를 히트파이프의 증발부(42)를 향하도록 안내한다. 기체수소가 예냉 및 para 수소로 변환된 상태로 히트파이프의 증발부(42)와 접촉하게 되므로 신속하게 액체수소 방울 형태로 액화된다.
증발부(42)와 접촉하여 액화된 액체수소는 하중에 의하여 낙하되어 액화 용기(20) 하부로 모이며, 액화 용기(20) 하부에 모인 액체수소는 액체수소 이송관(68)을 통해 외부로 배출된다.
이와 같이 본 발명에 의하면 기체수소는 예냉관(50)을 통해 고체질소가 충진된 이중관 영역(45)을 지나면서 열교환과 ortho-para 촉매를 거쳐 예냉 및 ortho-para 변환된 상태로 증발부(43)와 접촉하여 액화되므로, 300K 상온의 기체수소가 직접 극저온 냉동기와 접촉하여 극저온 냉동기의 열부하가 급격히 증가하는 것을 방지한다. 즉, 극저온 냉동기의 초기 부하를 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 극저온 냉동기(30)의 가동이 정지된 상태에서도, 히트파이프(40)의 이중관 영역(45)에서 충진된 고체질소가 상변화하여 액체질소가 될 때까지 액화 용기(20) 내부의 액체수소가 외부로부터의 열침입에 의해 서서히 증발하는 boil-off 상태가 되는 것을 지연시킬 수 있다.
이상에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였다. 그러나 본 발명의 보호범위는 상술한 실시 예들에 의해 한정되지 않는다.
10: 외부 용기 12: 상단 커버
20: 액화 용기 30: 극저온 냉동기
40: 히트파이프 41: 응축부
42: 증발부 43: 외측 튜브
44: 내측 튜브 45: 이중관 영역
50: 예냉관 51: ortho-para 변환부
52; 상단 유입구 54: 하단 배출구
55: 액화유도관 62: 기체수소 이송관
64: 기체질소 이송관 68: 액체수소 이송관

Claims (3)

  1. 외부 용기 내부에 극저온 냉동기로부터 냉각 에너지를 제공받은 기체수소가 액화되는 액화 용기를 구비한 수소 액화 장치에서 있어서,
    상기 액화 용기 내부에 구비되어 상기 극저온 냉동기로부터 냉각 에너지를 전달받아 기체수소를 액화시키기 위한 것으로서, 상기 극저온 냉동기와 접촉하는 응축부와, 상기 응축부로부터 작동유체를 통해 상기 극저온 냉동기의 냉각 에너지를 전달받아 기체수소를 냉각하는 증발부와, 상기 응축부와 증발부 사이에서 연장되고 내부에 작동유체 유동 공간을 형성하는 내측 튜브와, 상기 내측 튜브를 이격하여 둘러싸고 형성되며 상기 내측 튜브와의 사이에 이중관 영역을 형성하는 외측 튜브를 구비한 히트파이프:
    상기 히트파이프의 상기 이중관 영역 내에 충진되는 고체질소;
    상기 히트파이프의 이중관 영역내에 코일형태로 연장 형성되며 기체수소가 내부로 유입되는 상단 유입구와 내부의 기체수소가 상기 액화용기 내부로 배출되는 하단 배출구를 구비하며, 기체수소가 상기 고체질소와의 열교환을 통해 예냉되도록 하는 예냉관;
    상기 예냉관 내부에 적어도 부분적으로 형성되고, ortho-para 촉매가 포함되어 상기 예냉관을 지나는 기체수소의 ortho-para 변환을 유도하는 ortho-para 변환부;
    상기 예냉관의 상단 유입구와 연결되며 외부로부터 기체수소가 이송되는 통로가 되는 기체수소 이송관; 및
    상기 액화 용기 내부에서 액화된 액체수소를 외부로 이송하기 위한 액체수소 이송관을 포함하여,
    상기 기체수소가 상기 예냉관을 통해 이송되면서 예냉 및 ortho-para 변환된 상태로 상기 히트파이프의 상기 증발부와 접촉하여 액화되는 것을 특징으로 하는 이중관 히트파이프를 이용한 수소 액화 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 고체질소는 기체질소 이송관을 통해 외부로부터 상기 이중관 영역으로 도입된 기체질소가 상기 이중관 영역 내에서 냉각되고 상변화되어 형성되고, 상기 이중관 영역에 충진되는 것을 특징으로 하는 이중관 히트파이프를 이용한 수소 액화 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 예냉관의 하단 배출구에는 기체수소를 상기 증발부의 표면으로 안내하는 액화 유도관이 연결된 것을 특징으로 하는 이중관 히트파이프를 이용한 수소 액화 장치.
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