KR101756181B1 - 극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템 - Google Patents

극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템에 관한 것으로, 액체질소를 이용하여 기체수소를 예냉하기 위한 예냉 열교환기와, 상기 예냉 열교환기를 통해 예냉된 기체수소를 공급받아 1차로 냉각시키는 1차 극저온 냉동기와, 상기 1차 극저온 냉동기의 콜드 헤드(Cold-head)에 부착되는 열교환기와, 상기 1차 극저온 냉동기에서 1차로 냉각된 기체수소를 액화 온도 20.3K까지 냉각하도록 상기 1차 극저온 냉동기와 직렬로 배치되는 n차 극저온 냉동기(n은 2 이상의 자연수)와, 상기 n차 극저온 냉동기를 통해 20.3K에 도달한 기체수소를 액화시키기 위해 상기 n차 극저온 냉동기와 접촉되는 응축판과, 상기 예냉 열교환기, 1차 극저온 냉동기 및 n차 극저온 냉동기를 설치할 수 있는 공간을 제공하는 저온 용기를 포함하며, 직렬로 배치된 복수개의 극저온 냉동기를 통해 기체수소를 다단계로 냉각시켜 액화시킴으로써, 액화 용량을 증가시킬 수 있고 초기 투자 비용이 절감되고 액화 시스템의 간편성 및 운전성이 확보되는 효과가 있다.

Description

극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템{Hydrogen Liquefaction System with Extremely Low Temperature Cryocoolers}
본 발명은 극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수개의 극저온 냉동기를 직렬로 연결하는 간단한 구성으로 시간당 액화 용량을 10L/h 수준으로 증대시킬 수 있는 소용량 수소 액화시스템에 관한 것이다.
액체 수소는 화석 연료에 비해 10배 이상 가벼운 연료로, 우주 항공 산업 분야에서 꾸준히 로켓, 무인기(UAV)와 같은 추진체 연료로 각광받아 왔으며, 최근 수소 연료를 내연기관으로 이용한 차량이 본격적으로 상용화됨에 따라 그 수요가 급증하고 있다.
이와 같은 추세에 힘입어 국내에서도 일부 기초 연구 및 실험에 액체 수소의 수요가 꾸준히 증가하고 있으며, 소용량 액화를 통한 액체 수소의 공급은 향후 관련기술 개발과 시장 형성에 중요한 역할을 할 수 있다.
그러나 수소의 액화 온도는 대기압 기준 20.3K로서, 일반 물질에 비하여 극저온의 범위에서 액화가 이루어진다. 즉, 액체 수소를 얻기 위해서는 극저온 공학(cryogenic engineering), 열역학(thermodynamics), 열전달(heat transfer)과 같은 다양한 공학 분야가 필연적으로 응용되어야 한다. 일반적인 대규모 수소 액화 플랜트는 Brayton 사이클 또는 Claude 사이클로 구성되는데, 여기에는 압축기(compressor), 열교환기(heat exchanger), 극저온 터빈(cryogenic turbine) 등의 설비가 필요하므로 소용량 액화에는 적합하지 않다.
따라서, 소용량 수소 액화시스템을 구현하기 위해서는 별도의 액화 방식을 고려하여야 한다.
이와 관련된 기술로서, 한국등록특허 제10-1585825호는 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 수소 액화 장치가 개시되어 있다.
그러나, 종래 기술의 극저온 냉동기를 이용한 수소 액화장치는 단일의 예냉관과 극저온 냉동기를 적용함으로써, 액화 용량이 적어 액체 수소의 수요증가와 생산 경제성에 부합하지 못하는 문제점이 있었다.
이에, 초기 투자 비용을 낮추고 간편성 및 안전성을 확보하면서 액화 용량을 10L/h 수준으로 높일 수 있는 수소 액화 기술이 요구된다.
한국등록특허 제10-1585825호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 시간당 10L 수준의 액화 수소의 생산이 가능한 방법을 마련하기 위해, 다수개의 1단 극저온 냉동기를 직렬로 연결하여 함께 가동함으로써, 간단한 구성으로 액화 용량을 증대할 수 있는 소용량 수소 액화시스템의 제공을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 액체질소를 이용하여 기체수소를 예냉하기 위한 예냉 열교환기와, 상기 예냉 열교환기를 통해 예냉된 기체수소를 공급받아 1차로 냉각시키는 1차 극저온 냉동기와, 상기 1차 극저온 냉동기의 콜드 헤드(Cold-head)에 부착되는 열교환기와, 상기 1차 극저온 냉동기에서 1차로 냉각된 기체수소를 액화 온도 20.3K까지 냉각하도록 상기 1차 극저온 냉동기와 직렬로 배치되는 n차 극저온 냉동기(n은 2 이상의 자연수)와, 상기 n차 극저온 냉동기를 통해 20.3K에 도달한 기체수소를 액화시키기 위해 상기 n차 극저온 냉동기와 접촉되는 응축판과, 상기 예냉 열교환기, 1차 극저온 냉동기 및 n차 극저온 냉동기를 설치할 수 있는 공간을 제공하는 저온 용기를 포함하며, 직렬로 배치된 복수개의 극저온 냉동기를 통해 기체수소를 다단계로 냉각시켜 액화시키는 극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템이 제공된다.
본 발명에서, 상기 1차 극저온 냉동기와 n차 극저온 냉동기는 팽창 단 수가 1개인 1단 극저온 냉동기로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 1차 극저온 냉동기와 n차 극저온 냉동기 사이에 2차 극저온 냉동기 내지 n-1차 극저온 냉동기가 더 설치되며, 상기 2차 극저온 냉동기 내지 n-1차 극저온 냉동기는 상기 1차 극저온 냉동기와 n차 극저온 냉동기 사이에 직렬로 연결되어 기체수소의 액화용량을 증가시킬 수 있다.
상기 2차 극저온 냉동기 내지 n-1차 극저온 냉동기의 콜드 헤드(Cold-head)에 열교환기가 부착되며, 상기 열교환기는 내부에 기체수소가 흐르는 튜브가 실린더 벽에 감긴 구조로 되어 있는 튜브-실린더 열교환기(TCHX)로 이루어지며, 상기 튜브와 실린더는 구리 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 열교환기는 튜브-실린더 열교환기(TCHX) 이외에도 브레이징 타입의 판형 열교환기 등 다양한 형상의 열교환기가 채택될 수 있다.
한편, 상기 저온 용기는 상기 예냉 열교환기, 1차 극저온 냉동기 및 n차 극저온 냉동기의 설치공간을 제공하는 외부 용기와, 상기 외부 용기의 내부에 설치되며, 상기 응축판에서 액화된 액화수소를 수용하는 액화용기와, 상기 외부 용기의 상부에 설치되며 상기 예냉 열교환기, 1차 극저온 냉동기 및 n차 극저온 냉동기를 고정하여 설치할 수 있는 상판으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 저온 용기는 상기 외부 용기와 액화용기 사이에 외부 복사 열 유입을 감소시키기 위한 액체질소가 충진되며, 상기 액체질소를 자동적으로 공급하기 위해서 전자식 개폐(on-off)밸브가 구비될 수 있다.
또한, 상기 상판은 소용량 수소 액화시스템을 구성하는 극저온 냉동기를 2개 또는 3개로 적용할 경우에도 동일한 상판을 사용할 수 있도록 설계되며, 액체수소 배출구, 예냉 기체수소 공급부, 극저온 냉동기 탑재부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 예냉 열교환기는 실린더 용기 내에 나선형 관을 담그는 형태로 구성되며, 상기 외부 용기의 상판에 예냉 열교환기가 직접 결합되어 설치되거나 상기 예냉 열교환기가 상기 상판의 외부에 노출된 상태로 설치가능하도록 상기 예냉 열교환기 상부와 하부에 별도의 플랜지(flange)를 추가하여 구성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 액화용기 내부에 채워진 액체수소의 수위를 감지하고 수소 액화 시스템의 종료 시점을 결정하기 위한 온도센서가 상기 1차 극저온 냉동기 또는 n차 극저온 냉동기의 콜드 헤드(Cold-head)에 부착될 수 있다.
또한, 상기 1차 극저온 냉동기 또는 n차 극저온 냉동기의 하부에는 액체수소의 수위를 감지하기 위한 수직 막대가 더 설치되고, 상기 수직 막대의 표면에 일정간격으로 상기 온도센서가 부착될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명에 의하면, 본 발명은 복수개의 극저온 냉동기를 직렬로 연결하여 소용량 수소 액화시스템의 용량을 시간당 10L 수준으로 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상업용 극저온 냉동기를 이용하여 소용량 수소 액화시스템을 설계함으로써 초기 투자 비용이 절감되고, 수소 액화 시스템의 간편성 및 안전성이 확보되는 효과가 있다.
또한, 소용량의 수소 액화를 위해 액체 질소를 이용함으로써, 고가의 액체 헬륨을 이용하는 방법에 비해 비용의 절감할 수 있고, 배출 기체의 적절한 처리가 가능한 효과가 있다.
도 1은 단일 1단 극저온 냉동기를 이용한 수소 액화 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 2개의 1단 극저온 냉동기를 직렬로 연결한 시스템을 도시한 구성도이다.
도 3은 2개의 1단 극저온 냉동기를 병렬로 연결한 시스템을 도시한 구성도이다.
도 4는 극저온 냉동기의 대수에 따른 직렬 및 병렬 구조의 액화 용량을 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예를 나타낸 것으로, 2개의 극저온 냉동기와 응축판을 적용한 수소 액화 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예를 나타낸 것으로, 3개의 극저온 냉동기와 응축판을 적용한 수소 액화 시스템의 구성도이다.
도 7은 열 유입량 및 1차 극저온 냉동기 콜드헤드와 수소가스의 온도차에 따른 액화용량 변화를 도시한 그래프이다.
도 8은 제1 실시예의 수소액화 시스템에 대한 액화 시스템의 T-s선도이다.
도 9는 본 발명에 적용되는 튜브-실린더 열교환기(TCHX)를 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예의 튜브-실린더 열교환기의 실린더 벽 두께 및 튜브 직경에 따른 열교환기의 유용도 변화를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예의 튜브-실린더 열교환기의 실린더 벽 두께 및 튜브 직경에 따른 열교환기의 유용도 변화를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명에서의 응축판을 콜드헤드(Cold-Head)에 적용한 예를 도시한 사시도이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 단일 1단 극저온 냉동기를 이용한 수소 액화 시스템을 도시한 구성도이고, 도 2는 2개의 1단 극저온 냉동기를 직렬로 연결한 시스템을 도시한 구성도이며, 도 3은 2개의 1단 극저온 냉동기를 병렬로 연결한 시스템을 도시한 구성도이고, 도 4는 극저온 냉동기의 대수에 따른 직렬 및 병렬 구조의 액화 용량을 비교한 그래프이고, 도 5는 본 발명의 제1 실시예를 나타낸 것으로, 2개의 극저온 냉동기와 응축판을 적용한 수소 액화 시스템의 구성도이다.
본 발명의 소용량 수소 액화 시스템의 제1 실시예는 도 5에서 보는 바와 같이, 크게 예냉 열교환기(10), 2개의 극저온 냉동기(20)(30), 응축판(40), 저온 용기(100)를 포함한다.
본 발명에서, 상기 극저온 냉동기(20)(30)는 팽창 단 수가 1개인 1단 극저온 냉동기로 이루어질 수 있다.
통상 극저온 냉동기는 기존 Stirling 냉동기의 팽창기를 변위기(displacer)로 대치한 구성을 하고 있다. 변위기는 양단의 압력 차이가 매우 작아 기계적 신뢰성은 팽창기보다 월등히 높기 때문에 극저온 냉동기의 실용화에 결정적인 계기를 마련해 주었으며, 현재 소용량 극저온 냉동이 필요한 경우에 대부분 극저온 냉동기를 사용하고 있다. 반면 극저온 냉동기 변위기 작동 과정에서 엔트로피가 생성되기 때문에 Stirling 냉동기보다 냉동효율이 낮다. 극저온 냉동기는 팽창 단 수에 따라 1단 극저온 냉동기와 2단 극저온 냉동기로 구분된다. 두 종류의 극저온 냉동기 중 더욱 유리한 방식을 선정하고 사전 설계의 신뢰성을 높이기 위해서 극저온 냉동기들의 실제 성능을 적용하여 사전 설계를 수행하였다.
2단 극저온 냉동기는 한 대의 극저온 냉동기 내에서 연속으로 두 번의 팽창이 이루어지기 때문에 1단 극저온 냉동기보다 극저온 범위 도달에 유리하다.
그러나, 각 단의 액화 용량 차이가 크기 때문에 전체 액화 용량이 감소되며, 여러 대를 사용하게 되었을 때 이점을 얻기 힘들다.
한편, 1단 극저온 냉동기는 팽창 단 수가 하나이기 때문에 2단 극저온 냉동기에 비하여 극저온 범위 도달 시 다소 불리한 측면이 존재할 수 있다. 그러나 여러 대 사용 시 다양한 구성 방식을 적용할 수 있고 이에 따라 발생하는 이점을 활용할 수 있다. 본 출원인의 분석 결과, 2단 극저온 냉동기(1.48 L/h) 대비 2배 이상의 액화가 가능하기 때문에 도 1에서 보는 바와 같이, 2단 극저온 냉동기보다 1단 극저온 냉동기를 사용하는 것이 더욱 적합하다는 결론을 내렸다.
비록 2단 극저온 냉동기보다 1단 극저온 냉동기가 많은 액화 용량을 보였지만 목표 액화 용량인 10L/h에 도달하기에는 부족하다.
따라서, 여러 대의 극저온 냉동기를 함께 가동하여 액화 용량을 증대하는 방안을 고려하게 되었으며, 도 2 또는 도 3에서 보는 바와 같이, 직렬(series) 조합과 병렬(parallel) 조합으로 추가될 수 있다.
직렬(series) 조합과 병렬(parallel) 조합의 극저온 냉동기를 통한 액화 용량을 산출한 결과 도 4, 표 1과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
표 1은 극저온 냉동기 대수에 따른 직렬 및 병렬 구조의 액화 용량 데이터로서, 두 대의 극저온 냉동기를 사용할 경우 직렬 구성이 병렬 구성보다 약 10%가량 더 많은 수소를 액화할 수 있으며 냉동기의 수를 늘려갈수록 두 구성의 액화 용량 차이는 증가한다. 이는 모든 냉동기들은 온도가 높을수록 많은 냉동 능력을 갖기 때문에 한 냉동기가 더 높은 온도 영역을, 두 번째 냉동기가 더 낮은 온도 영역을 담당하는 방법이 냉동량 관점에서 더 유리하기 때문이다. 또한, 직렬 연결의 경우 유동의 분리 및 결합 과정이 병렬 연결보다 적기 때문에 유량 분배 문제에 있어서도 월등히 유리하다. 따라서 액화 용량이 중시되는 수소 액화기 설계에 있어서 다수의 냉동기 도입 시 직렬 방식을 채택하는 것이 보다 적합하다는 결론을 내릴 수 있었다.
극저온 냉동기 수(대) 직렬구조(L/h) 병렬구조(L/h) 병렬구조 대비 이득효과(%)
1 3.36 3.36 0
2 7.40 6.72 10.1
3 13.22 10.08 31.2
4 23.37 13.44 73.8
따라서, 본 발명의 소용량 수소 액화 시스템은 복수개의 극저온 냉동기를 직렬로 연결하였으며, 직렬로 연결되는 복수개의 극저온 냉동기(20)(30)를 통해 기체수소를 다단계로 냉각시켜 액화시키는 구성이라는 점에서 큰 특징이 있다.
본 발명의 제1 실시예는 상기 예냉 열교환기(10)를 통해 예냉된 기체수소를 공급받아 1차로 냉각시키는 1차 극저온 냉동기(20)와, 상기 1차 극저온 냉동기(20)에서 1차로 냉각된 기체수소를 액화 온도 20.3K까지 냉각하도록 상기 1차 극저온 냉동기(20)와 직렬로 배치되는 n차 극저온 냉동기(n은 2 이상의 자연수)(30)로 구성된다.
본 발명의 제1 실시예에서는 2개의 극저온 냉동기를 구비하므로, 상기 n차 극저온 냉동기(30)가 2차 극저온 냉동기(30)를 의미한다. 즉, 상기 n차 극저온 냉동기(30)는 1차 극저온 냉동기(20)와 직렬로 배치되어 1차 극저온 냉동기(20)에서 1차로 냉각된 기체수소를 액화 온도인 20.3K까지 냉각시키는 역할을 한다.
한편, 본 발명은 기체수소의 액화용량을 증가시키도록 직렬로 배치되는 극저온 냉동기의 개수를 더 늘릴 수 있다.
즉, 도 6은 본 발명의 제2 실시예를 나타낸 것으로, 3개의 극저온 냉동기(20)(30)(50)와 응축판(40)을 적용한 수소 액화 시스템의 구성도이다.
본 발명의 제2 실시예는 상기 1차 극저온 냉동기(20)와 n차 극저온 냉동기(30) 사이에 한 개의 극저온 냉동기(50)가 더 설치되어 상기 n차 극저온 냉동기(30)가 3차 극저온 냉동기의 역할을 한다.
여기서, 추가로 설치되는 극저온 냉동기(50)는 상기 1차 극저온 냉동기(20)와 직렬로 연결되어 1차 극저온 냉동기(20)에서 1차로 냉각된 기체수소를 2차적으로 냉각시키는 2차 극저온 냉동기의 역할을 한다.
본 발명에서, 상기 1차 극저온 냉동기(20)와 n차 극저온 냉동기(30) 사이에 추가되는 극저온 냉동기의 개수는 한정하지 않으며, 필요한 액화용량에 따라 증가가 가능하다. 즉, 본 발명의 제2 실시예에서는 한 개의 극저온 냉동기를 추가로 구성하여 총 3개의 극저온 냉동기(20)(50)(30)를 구성하였지만, 본 발명은 이에 한정하지 않으며, n-1차 극저온 냉동기까지 더 설치될 수 있다. 이 경우, 추가되는 2차 극저온 냉동기(50) 내지 n-1차 극저온 냉동기는 상기 1차 극저온 냉동기(20)와 n차 극저온 냉동기(30) 사이에 직렬로 연결되어 기체수소의 액화용량을 증가시킬 수 있다.
한편, 상기 1차 극저온 냉동기(20) 및 2차 극저온 냉동기(50)의 콜드 헤드(Cold-head)에는 열교환기(24)(54)가 부착된다. 1차 극저온 냉동기(20)에 연결된 열교환기(24)는 상기 예냉 열교환기(10)에서 예냉된 기체수소를 공급받으며, 상기 1차 극저온 냉동기(20)의 콜드 헤드에 의해 기체수소를 더 냉각시켜 배출한다.
상기 열교환기(24)(54)는 도 9에서 보는 바와 같이, 내부에 기체수소가 흐르는 튜브(24b)가 실린더(24a) 벽에 감긴 구조로 되어 있는 튜브-실린더 열교환기(TCHX)로 이루어질 수 있다.
상기 튜브-실린더 열교환기(TCHX: tube-on-cylinder heat exchanger)는 다른 열교환기와 비교하여 제작이 단순하고 저렴하며 상기 튜브(24b)의 감은 수 및 실린더(24a) 길이 등을 조정함으로써, 쉽게 원하는 출구온도를 얻을 수 있다. 더불어 병행 유동과 대향 유동에 모두 적용시킬 수 있고, 단일 유동의 열 교환에도 사용할 수 있다. 특히 소유량 시스템에 높은 적용도를 보이기 때문에 현재의 수소 액화기 설계에 적합하다.
이러한 튜브-실린더 열교환기(24)는 튜브-튜브는 물론 튜브-실린더 간에도 열교환이 이루어지기 때문에 재질이 굉장히 중요한 설계 변수로 작용한다. 앞서 밝힌 것과 같이 콜드헤드(Cold- head)의 전도냉각을 최대로 활용하기 위해 본 발명에서는 상기 튜브(24b)와 실린더(24a)를 구리로 제작한다. 구리의 열전도율은 소용량 수소 액화시스템의 온도범위 내에서 500W/m-K 이상으로 실제 저온에서 활용되는 금속 중 가장 열전도율이 큰 금속이다.
이와 같은 튜브-실린더 열교환기(24)는 2개의 극저온 냉동기의 구성에서는 한 대를 운용하면 되지만 3개의 극저온 냉동기의 구성에서는 두 대의 열교환기가 필요하게 된다. 또한, 본 발명에서 열교환기는 상기 튜브-실린더형 열교환기 이외에도 브레이징타입 판형 열교환기 등 다양한 방식의 열교환기가 채택될 수 있다.
한편, 상기 예냉 열교환기(10)는 액체질소를 이용하여 기체수소를 예냉하기 위한 것이다.
기체수소를 300K부터 20.3K 온도 범위에 이르도록 냉각하는 것을 극저온 냉동기에 전적으로 의존하는 것은 합리적이지 못하다. 따라서 액체질소를 이용한 예냉 열교환기(10)를 적용하여 기체수소를 77-80K로 공급해야 한다. 예냉 열교환기(10)는 실린더 용기 내에 나선형 관을 담그는 형태로 구성된다.
액체질소 예냉 열교환기(10)는 공급되는 300K의 기체수소를 77-80K까지 냉각하며, 진공 용기 내부에 코일형 관 및 O-P 촉매 변환장치(16)가 탑재되어 있다.
이때, 상기 예냉 열교환기(10)의 실린더 직경을 극저온 냉동기의 직경과 동일하게 설계하는 것이 필요하다. 이는 상기 극저온 냉동기의 구성을 2개 또는 3개로 구성하였을 경우에 상기 예냉 열교환기(10)의 위치에 추가되는 극저온 냉동기를 설치하는 방식으로 조립하기 위함이다.
상기 예냉 열교환기(10)는 2개의 극저온 냉동기가 구성되는 제1 실시예의 경우 저온 용기(100) 내부에 위치하며, 3개의 극저온 냉동기가 구성되는 제2 실시예의 경우 저온 용기(100) 외부에 부착되게 된다.
즉, 2개의 극저온 냉동기가 적용될 경우에는 상기 저온 용기(100)의 상판(130)에 예냉 열교환기(10)가 직접 결합되어 설치되고, 3개의 극저온 냉동기가 구성되는 제2 실시예의 경우에는 상기 예냉 열교환기(10)가 상기 상판(130)의 외부에 노출된 상태로 설치되는 것이다. 이러한 변환을 원활하게 하기 위해 예냉 열교환기(10) 상부와 하부에 플랜지(flange)가 추가될 수 있다. 도 5와 같이, 상부의 플랜지(12)는 2개의 극저온 냉동기의 조립 시 사용되며, 도 6과 같이, 하부의 플랜지(14)는 3개의 극저온 냉동기의 조립 시 사용된다. 또한, 예냉 열교환기(10)의 내벽 및 외벽 사이는 진공을 유지하도록 설계하였으며, 배관 내에 O-P 촉매 변환장치(16)를 내장하여 1차 O-P 변환이 이루어지도록 한다.
한편, 상기 2차 극저온 냉동기(30)를 통해 20.3K에 도달한 기체수소를 액화시키기 위한 응축판(40)이 상기 2차 극저온 냉동기(30)와 접촉되도록 설치된다.
상기 응축판(40)(condensation plate)은 표면적 확장을 통한 액적 응축(dropwise condensation)을 촉진 하는 장치로서, 극저온 냉동기의 콜드 헤드(cold-head)(32)에 부착되어 전도냉각을 수행한다. 일반적으로 액적 응축 시의 열전달계수는 막 응축 열전달계수의 수십배에 달하며 이때 과랭도가 미치는 영향은 미미하다.
본 발명은 최종 응축단계에서 응축판(40)을 사용함으로써, 큰 냉각효과를 가져올 수 있다. 즉, 최종 응축단계에서의 열전달 표면이 매우 중요한 요소인데, 기본적으로 수직벽에 수소 기체가 응축되기 때문에 액체의 유동에 따라 액적응축(dropwise condensation)이 이루어질 수도 있고, 또는 막응축(filmwise condensation) 이 이루어질 수도 있다. 열전달의 측면에서 액적응축이 막응축에 비해 월등히 큰 냉각 효과를 가져올 수 있기 때문에 액적응축을 확보할 수 있는 방안이 중요하다. 예를 들면 열전달 표면을 수평으로 넓게 제작할 경우, 생성되는 액적이 효과적으로 낙하하여 액적 응축의 효과를 증대시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에서의 응축판(40)을 통해 생성되는 액적이 효과적으로 낙하하여 액적 응축의 효과를 증대시킬 수 있으며, 상기 응축판(40)은 내부 공간이 허락하는 최대 직경을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 응축판(40)을 이용한 액적 응축 시 응축판의 표면물질은 열저항으로 작용하게 되는데, 본 발명의 수소 액화시스템의 경우 이와 같은 저항 요소가 매우 작은 수준이다. 따라서 액화를 담당하는 극저온 냉동기에 열교환기 대신 응축판(40)을 부착하는 것은 굉장히 합리적인 선택이다.
상기 응축판(40)은 도 12와 같이 볼트(42) 접합을 통하여 콜드 헤드(cold-head)(32)에 부착할 수 있도록 설계한다.
한편, 상기 저온 용기(100)는 상기 예냉 열교환기(10), 1차 극저온 냉동기(20) 및 2차 극저온 냉동기(30) 등을 설치할 수 있는 공간을 제공하는 것으로, 예냉 열교환기, 1차 극저온 냉동기 및 n차 극저온 냉동기 등의 설치공간을 제공하는 외부 용기(110)와, 상기 외부 용기(110)의 내부에 설치되어 상기 응축판(40)에서 액화된 액화수소를 수용하는 액화용기(120)와, 상기 외부 용기(110)의 상부에 설치되며 상기 예냉 열교환기, 1차 극저온 냉동기 및 n차 극저온 냉동기를 고정하여 설치할 수 있는 상판(130)으로 이루어질 수 있다.
상기 외부 용기(110)는 상단이 개방된 원통 형태로 형성되어 내부에 액화용기(120)를 설치할 수 있게 구성되며, 개방된 상단은 상판(130)에 의해 덮여 밀폐된다.
여기서, 상기 저온 용기(100)는 상기 외부 용기(110)와 액화용기(120) 사이에 외부 복사 열 유입을 감소시키기 위해 액체질소가 충진될 수 있다. 각 용기에 대한 총 열유입량은 총 3가지 종류의 열 유입을 합산하여 알 수 있다. 첫 번째는 저온 용기(100)의 외벽 및 내벽에 대한 복사열 유입으로, 액체 용기의 표면적에 비례하여 증가한다. 복사 열 유입은 외벽 복사가 대부분의 비중을 차지하고 있는데, 이는 외, 내벽 사이에 액체질소를 이용한 차폐 시스템을 도입함으로써 크게 개선할 수 있다.
이와 같은 액체질소 차폐 시스템은 외부 복사 열 유입을 액체수소 대신 액체질소가 부담하게 하는 원리로, 기화 시의 잠열에 해당하는 열 유입을 제거할 수 있다. 따라서 차폐 시스템을 도입함에 따라 필요로 하게 되는 액체질소의 양을 산정해야 한다. 또한, 상기 액체질소를 자동적으로 공급하기 위해서 전자식 개폐(on-off)밸브가 구비될 수 있다.
또한, 상기 상판(130)은 소용량 수소 액화시스템을 구성하는 극저온 냉동기를 2개 또는 3개로 적용할 경우에도 동일한 상판을 사용할 수 있도록 설계된다. 따라서, 동시에 다양한 용량의 저온 용기(100)에서 액화를 수행할 때에도 같은 상판(130)을 도입할 수 있도록 하였다. 상기 상판(130)은 액체수소 배출구(도시안함)가 구비되며, 3개의 극저온 냉동기를 적용할 경우 상기 예냉 열교환기(10)가 설치되는 예냉 기체수소 공급부와, 극저온 냉동기를 설치하기 위한 극저온 냉동기 탑재부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 7은 열 유입량 및 1차 극저온 냉동기 콜드헤드와 수소가스의 온도차에 따른 액화용량 변화를 도시한 그래프이고, 도 8은 제1 실시예의 수소액화 시스템에 대한 액화 시스템의 T-s선도이다.
앞서 밝힌 방법으로 1차 극저온 냉동기 콜드헤드와 수소가스의 온도차 및 열 유입량을 변화시켜 가며 액화용량을 예측하면 도 7과 같이 나타난다. 여기에서 유용도의 경우 부착될 열교환기에 대한 상세 설계를 통해 충분히 조절이 가능하므로 0.95로 고정하였다. 제1 실시예의 수소액화 시스템의 T-s 선도는 도 8과 같다. 이때 액화 용량은 6.25 L/h로 설계 목표에 부합하며 콜드헤드(Cold-head)의 온도는 1차 극저온 냉동기는 21.0 K, 2차 극저온 냉동기는 19.3 K로 수소 온도보다 낮게 유지된다.
한편, 상기 액화용기(120) 내부에 채워진 액체수소의 수위를 감지하고 수소 액화 시스템의 종료 시점을 결정하기 위한 온도센서(도시안함)가 상기 1차 극저온 냉동기 또는 n차 극저온 냉동기의 콜드 헤드(Cold-head)에 부착될 수 있다.
또한, 상기 1차 극저온 냉동기(20) 또는 n차 극저온 냉동기의 하부에는 액체수소의 수위를 감지하기 위한 수직 막대(도시안함)가 더 설치되고, 상기 수직 막대의 표면에 일정간격으로 상기 온도센서가 부착될 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 소용량 수소 액화시스템에 의한 수소 액화 과정을 설명한다.
상온(300K)의 기체수소는 예냉 열교환기(10)를 통하여 질소의 액화 온도(77K) 인근까지 냉각된다. 2개의 극저온 냉동기가 구성된 제1 실시예의 경우, 예냉된 기체수소는 1차 촉매 변환기(16)를 지나 튜브-실린더 열교환기(24)로 들어간다. 상기 튜브-실린더 열교환기(24)를 통과한 기체수소는 탱크 내의 빈 공간으로 유입되며, 만약 액체 수소가 차있을 경우 기포 형태로 상부를 향해 올라가게 된다.
이렇게 올라간 수소 기체는 2차 극저온 냉동기에 조립되어 있는 응축판(40)에 의해 액적응축되며, 이와 같이 생성된 액체수소는 탱크 하부로 떨어진다. 이때 외부 열 유입에 의하여 내부에 채워진 액체 수소가 일부 증발할 수 있는데, 증발 된 수소 역시 마찬가지로 응축판(40)에서 재응축 과정을 거쳐 다시 하부에 액체상태로 모이게 된다.
3개의 극저온 냉동기를 가지는 제2 실시예의 경우 제반 과정은 앞서 서술한 제1 실시예와 동일하지만 2대의 튜브-실린더 열교환기(24)(54)를 거치게 되어, 액화용량을 증가시키게 된다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
10: 예냉 열교환기 20: 1차 극저온 냉동기
24: 열교환기 30: n차 극저온 냉동기
40: 응축판 100: 저온 용기
110: 외부 용기 120: 액화용기
130: 상판

Claims (10)

  1. 액체질소를 이용하여 기체수소를 예냉하기 위한 예냉 열교환기;
    상기 예냉 열교환기를 통해 예냉된 기체수소를 공급받아 1차로 냉각시키는 1차 극저온 냉동기;
    상기 1차 극저온 냉동기의 콜드 헤드(Cold-head)에 부착되는 열교환기:
    상기 1차 극저온 냉동기에서 1차로 냉각된 기체수소를 액화 온도 20.3K까지 냉각하도록 상기 1차 극저온 냉동기와 직렬로 배치되는 n차 극저온 냉동기(n은 2 이상의 자연수);
    상기 n차 극저온 냉동기를 통해 20.3K에 도달한 기체수소를 액화시키기 위해 상기 n차 극저온 냉동기의 콜드 헤드에 접촉되는 응축판; 및
    상기 예냉 열교환기, 1차 극저온 냉동기 및 n차 극저온 냉동기를 설치할 수 있는 공간을 제공하는 저온 용기;
    를 포함하며, 상기 1차 극저온 냉동기와 상기 n차 극저온 냉동기는 수소 흐름 경로 상에서 볼 때 직렬로 배치되고, 상기 1차 극저온 냉각기는 상기 열교환기를 바탕으로 수소 기체를 냉각시키고, 상기 n차 극저온 냉각기는 상기 응축판을 통해 냉각된 수소 기체를 전도 냉각으로 액적응축시키고, 상기 저온 용기는 일정한 압력의 진공을 유지하는 극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 1차 극저온 냉동기와 n차 극저온 냉동기는 팽창 단 수가 1개인 1단 극저온 냉동기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 1차 극저온 냉동기와 n차 극저온 냉동기 사이에 2차 극저온 냉동기 내지 n-1차 극저온 냉동기가 더 설치되며, 상기 2차 극저온 냉동기 내지 n-1차 극저온 냉동기는 상기 1차 극저온 냉동기와 n차 극저온 냉동기 사이에 상기 수소 흐름 경로 상에서 볼 때 직렬로 연결되어 기체수소의 액화용량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 2차 극저온 냉동기 내지 n-1차 극저온 냉동기의 콜드 헤드(Cold-head)에 열교환기가 부착되며,
    상기 열교환기는 내부에 기체수소가 흐르는 튜브가 실린더 벽에 감긴 구조로 되어 있는 튜브-실린더 열교환기(TCHX)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 저온 용기는 상기 예냉 열교환기, 1차 극저온 냉동기 및 n차 극저온 냉동기의 설치공간을 제공하는 외부 용기;
    상기 외부 용기의 내부에 설치되며, 상기 응축판에서 액화된 액화수소를 수용하는 액화용기; 및
    상기 외부 용기의 상부에 설치되며 상기 예냉 열교환기, 1차 극저온 냉동기 및 n차 극저온 냉동기를 고정하여 설치할 수 있는 상판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 저온 용기는 상기 외부 용기와 액화용기 사이에 외부 복사 열 유입을 감소시키기 위한 액체질소가 충진되며,
    상기 액체질소를 자동적으로 공급하기 위해서 전자식 개폐(on-off)밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 상판은 소용량 수소 액화시스템을 구성하는 극저온 냉동기를 2개 또는 3개로 적용할 경우에도 동일한 상판을 사용할 수 있도록 설계되며,
    액체수소 배출구, 예냉 기체수소 공급부, 극저온 냉동기 탑재부를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 예냉 열교환기는 실린더 용기 내에 나선형 관을 담그는 형태로 구성되며,
    상기 외부 용기의 상판에 예냉 열교환기가 직접 결합되어 설치되거나 상기 예냉 열교환기가 상기 상판의 외부에 노출된 상태로 설치가능하도록 상기 예냉 열교환기 상부와 하부에 별도의 플랜지(flange)를 추가하여 구성되는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 액화용기 내부에 채워진 액체수소의 수위를 감지하고 수소 액화 시스템의 종료 시점을 결정하기 위한 온도센서가 상기 1차 극저온 냉동기 또는 n차 극저온 냉동기의 콜드 헤드(Cold-head)에 부착되는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 1차 극저온 냉동기 또는 n차 극저온 냉동기의 하부에는 액체수소의 수위를 감지하기 위한 수직 막대가 더 설치되고, 상기 수직 막대의 표면에 일정간격으로 상기 온도센서가 부착되는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템.

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