KR102087172B1 - 초전도 모터 사이클을 이용한 액체산소 냉각시스템 - Google Patents

초전도 모터 사이클을 이용한 액체산소 냉각시스템 Download PDF

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Abstract

액체산소 냉각시스템이 개시된다. 이 액체산소 냉각시스템은, 액체산소가 저장되는 액체산소탱크와, 상기 액체산소가 순환되는 액체산소 라인과, 냉매가 순환되는 냉매 라인과, 상기 냉매와 상기 액체산소 사이의 열 교환이 이루어지는 열교환기와, 상기 액체산소 라인에서 상기 냉매가 상기 열교환기를 통과하도록 상기 냉매 라인을 따라 상기 냉매를 순환시키는 초전도 모터를 포함한다.

Description

초전도 모터 사이클을 이용한 액체산소 냉각시스템{LIQUID OXYGEN COOLING SYSTEM USING SUPERCONDUCTOR MOTOR CYCLE}
본 발명은 초전도 모터 사이클을 이용한 액체산소 냉각시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 초전도 모터 사이클을 냉각시키기 위한 냉매의 냉열로 산소를 냉각시켜 액체산소의 기화를 방지하여 액체 상태를 유지시키기 위한 액체산소 냉각시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 수소(H2)와 산소(O2)의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜 사용하는 시스템이다. 연료전지(Fuel Cell)는 자동차나 선박과 같은 다양한 분야에 적용되고 있으며, 특히, 소음이 적게 발생해야 하는 잠수함의 경우, 선체의 진동이 작아 은닉성을 확보할 수 있고, 공기가 필요하지 않기 때문에 타 추진 시스템에 비해서 잠항시간을 늘릴 수 있는 장점을 가지고 있다.
연료전지의 연료로 사용되는 수소는 합금에 저장하고, 산소는 저온(약 -180℃)으로 액화시켜 저장하여 사용하게 된다. 이러한 연료전지의 예들로는, 한국기계연구원에 의해 출원되어 특허 허여된 대한민국 등록특허 제10-1110320호(2012년 01월 19일자 등록), 및 대한민국 등록특허 제10-0969508호(2010년 07월 05일자 등록) 등에 개시되어 있다.
위의 특허문헌들을 포함한 종래의 연료전지의 경우, 액화된 상태의 액체산소를 저장함에 있어서는, 열 전달을 차단하기 위해 단열재를 사용하고 있다. 그러나, 액체산소탱크로의 열을 차단하고자 단열재를 사용하더라도, 약간씩의 열 전달이 이루어지게 되고, 이로 인해 산소의 기화현상이 발생하게 되고, 기화된 산소를 외부로 방출하여 액체산소탱크 내부의 압력을 조절하는 작업이 뒤따라야 하므로, 그만큼의 액체 산소의 낭비가 발생하게 되는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안이 당해 기술 분야에서 요구된다.
대한민국 등록특허 10-1110320(2012.01.19. 등록) 대한민국 등록특허 제10-0969508호(2010.07.05. 등록)
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래 액체산소탱크의 열 전달에 의해 기화되는 산소에 의한 압력상승을 막기 위하여, 외부로 버려지는 산소의 양을 줄이고자 초전도체 모터 사이클과 액체산소 간의 열교환이 이루어지도록 하는 액체산소 냉각시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 액체산소 냉각시스템은, 상기 액체산소가 저장되는 액체산소탱크와, 상기 액체산소 및 액체산소의 기화에 의해 발생된 기체산소가 순환되는 산소 라인과, 초전도 모터를 냉각시키는 냉매가 순환되는 냉매 라인과, 상기 냉매의 냉열을 상기 산소 라인으로 전달하는 열교환기로 구성된다.
일 실시예에 따라, 상기 냉매 라인은 상기 냉매를 상기 초전도 모터로 공급하는 제 1 펌프를 더 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 산소 라인은 상기 열교환기로부터 냉열을 얻은 액체산소를 상기 액체산소탱크로 보내는 제 2 펌프를 더 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 냉매 라인은 상기 냉매를 냉각시키는 냉각 유닛을 더 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 산소 라인은 상기 기체산소를 배출시켜 압력을 조절하는 밸브를 더 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 냉매는 액체질소인 것을 특징으로 하는 액체산소 냉각시스템.
본 발명은 초전도 모터를 작동시키기 위한 냉매 사이클과 액체산소를 유지하기 위한 산소 사이클 사이에 열교환기를 설치하여 냉매 사이클의 냉열을 산소 사이클로 열전달 시킴으로써 액체산소의 기화를 방지할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 액체산소 냉각시스템의 초전도 모터의 초전도 현상을 설명하기 위한 그래프이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체산소 냉각시스템의 블록도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
본 발명은 초전도 모터를 냉각시키기 위한 냉매를 이용하여 산소를 냉각시켜 기화를 막고 액체상태를 유지시키기 위한 액체산소 냉각시스템에 관한 것이다. 초전도라 함은 금속이 일정한 온도(Tc;도 1 참조) 이하로 냉각되면 전기 저항이 완전히 사라져 전류를 무제한으로 흘려보내는 현상을 말한다. 도 1의 그래프를 참조하면, 초전도체가 아닌 금속(Non-superconductive Metal)의 경우에는 일정한 온도(Tc) 이하로 가더라도 소정의 저항을 가지나, 초전도체(Superconductor)의 경우, Tc 이하로 가게 되면 전기 저항이 완전히 사라짐을 확인할 수 있다.
본 발명에 사용되는 초전도 모터는 고자장화 구현을 위해 기존 모터의 구리선을 전기 손실이 없는 초전도 선으로 대체함으로써 전기적 손실 및 에너지 효율 저하와 부피, 무게, 소음, 진동을 줄일 수 있고, 그에 따라 전력 기기의 소형화와 효율증가의 효과를 얻을 수 있는 이점이 있다. 또한, 초전도 모터의 경우, 모터의 크기가 1/2 이하로 줄게 되어 제한된 공간에 모든 장비를 설치해야 하는 특수한 상황인 경우(예를 들어, 잠수함인 경우) 더욱 효과적일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체산소 냉각시스템의 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 액체산소 냉각시스템은, 액체산소가 저장되는 액체산소탱크(140), 냉매가 순환되는 냉매 라인(L1, L2, L3), 냉매와 액체산소 사이의 열 교환이 이루어지는 열교환기(120), 그리고 냉매의 냉열을 얻은 액체산소가 순환하는 산소 라인(L4, L5)을 포함한다.
액체산소탱크(140)는 단열재를 사용하여 단열시키는 경우에도 액체산소탱크(140) 측으로 열 전달이 발생하여 산소의 기화현상이 발생하게 된다. 따라서, 처음에는 액체산소탱크(140)로부터 액체산소와 함께 기체산소도 액체산소 라인(L4)을 따라 나오게 된다. 이후, 제 2 펌프(130)에 의해 액체산소 라인(L4)을 따라 열교환기(120) 측으로 유동된다. 열교환기(120)에서 냉매와의 열교환이 이루어져, 기체 산소는 다시 액화되어 액체산소 라인(L5)을 따라 유동되어 액체산소탱크(140)로 다시 유입된다.
냉매가 냉매 라인(L1, L2, L3)을 따라 순환하는 사이클인 냉매 사이클(C1)에는, 열교환기(120)로부터 나오는 냉매, 즉 액체산소탱크(140)로부터 산소 라인(L4)을 따라 나오는 기체산소 및 액체산소와의 열교환이 이루어진 냉매를 냉각시키는 냉각 유닛(160)이 구비된다. 냉각 유닛(160)에 의해 냉각된 냉매는 제 1 펌프(170)에 의해 다시 초전도 모터(110) 측으로 돌아간다.
또한, 산소 라인 상에는 액체산소탱크(140)에서 기화된 산소기체를 배출시켜 비상시에 압력을 조절할 수 있도록 하는 밸브(150)가 구비될 수 있다. 이 밸브(150)는, 예를 들어, 3 방향 밸브(3-way valve)인 것이 바람직하다.
냉매 사이클(C1) 상에서 초전도 모터(110)를 냉각 시키기 위해서 순환되는 냉매는, 예를 들어, -196℃의 액체질소일 수 있으나, 이러한 예로 한정되는 것은 아니다.
냉매 라인의 구성에서, 냉각 유닛(160)이 냉매 라인 상에서 냉매를 냉각시킨 후 제 1 펌프(170)에 의해 초전도 모터(110) 측으로 냉매를 돌려보내는 것으로 도시되어 있으나, 대안적으로, 냉각 유닛(160)이 냉매 라인 상에 있지 않을 수도 있다.
예를 들어, 열교환기(120)에서 열교환이 이루어진 냉매는 외부로 방출되어 냉매 탱크(미도시) 내에 저장될 수 있고, 초전도 모터(110)는 계속해서 별도의 냉매를 외부에서 공급받을 수도 있다. 물론, 이 경우에도, 액체산소 사이클(C2)에는 액체산소 탱크(140) 내의 액체산소 및 기체산소를 순환시키기 위한 제 2 펌프(130)와, 액체산소탱크(140)에서 기화된 기체산소를 배출시켜 비상시에 압력을 조절할 수 있도록 하는 밸브(150)가 구비된다.
또 다르게는, 초전도 모터(110)를 냉각시키는 냉매가 액체산소 탱크(140) 측에 설치됨으로써, 액체산소 탱크(140) 내에서 산소의 기화가 발생하지 않도록 할 수도 있다.
본 발명의 액체산소 냉각시스템은 연료전지에 사용되는 액체산소를 저장하는 액체산소탱크의 냉각에 유용할 수 있다. 연료전지는 앞서 언급한 바와 같이, 자동차나 선박, 특히 잠수함 등에 많이 사용되고 있다. 예를 들어, 잠수함의 경우, 그 특성상 소음이 적게 발생하여야 할 뿐만 아니라 잠항시간을 늘리기 위해 추진체로서 연료전지가 많이 사용되고 있는데, 연료 전지에 사용되는 수소의 경우 합금에 저장하고, 산소는 액화된 상태(약 -180℃ 정도)로 액체산소탱크 내에 저장한다.
따라서, 도 2를 참조하면, 단열재를 사용함에도 불구하고 기화되는 산소를 외부로 방출시키지 않고 다시 액화시켜 액체산소탱크(140)로 유입시키기 위해서, 냉매의 냉열이 연료전지 측(액체산소 사이클(C2)을 포함하는 구성)의 산소 라인을 따라 순환하는 기체산소로 전달되도록 열교환기(120)를 포함한다. 또한, 초전도 모터를 냉각시키는 냉매를 냉각시키는 냉각 유닛(160)과, 액체산소탱크(140)에서 기화된 산소기체를 배출하여 비상시 압력을 조절하기 위한 밸브(150)를 더 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 냉매는 액체질소일 수 있다. 그러나, 본 발명에 따라 초전도 모터를 냉각시키는 냉매는 이러한 액체질소로 한정되지 않고, 공지된 여러 종류의 냉매가 사용될 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 냉매를 이용하여, 기화되어 버려지는 산소를 액화시켜 다시 탱크에 유입시킴으로써, 기화에 의한 액체산소탱크의 압력 상승을 줄일 수 있게 된다.
110 : 초전도 모터 120 : 열교환기
130 : 제 2 펌프 140 : 액체산소탱크
150 : 3 방향 밸브 160 : 냉각 유닛
170 : 제 1 펌프
C1 : 냉매 사이클 C2 : 액체산소 사이클

Claims (6)

  1. 액체산소 냉각시스템으로서, 상기 액체산소가 저장되는 액체산소탱크와, 상기 액체산소 및 액체산소의 기화에 의해 발생된 기체산소가 순환되는 산소 라인과, 초전도 모터를 냉각시키는 냉매가 순환되는 냉매 라인 및, 상기 냉매의 냉열을 상기 산소 라인으로 전달하는 열교환기를 포함하되,
    상기 냉매 라인은, 상기 냉매를 상기 초전도 모터로 공급하는 제 1 펌프를 더 포함하고, 상기 산소 라인은 상기 열교환기로부터 냉열을 얻은 액체산소를 상기 액체산소탱크로 보내는 제 2 펌프를 더 포함하며, 상기 냉매 라인은 상기 냉매를 냉각시키는 냉각 유닛을 더 포함하며,
    상기 액체산소 및 액체산소의 기화에 의해 발생된 기체산소는, 상기 액체산소탱크로부터 산소 라인을 따라 나오고, 상기 제 2 펌프에 의해 산소 라인을 따라 상기 열교환기측으로 유동되며, 상기 열교환기에서 냉매와의 열교환되는 상기 기체 산소는 다시 액화되어 산소 라인을 따라 유동되어 상기 액체산소탱크로 다시 유입되며,
    상기 냉매 라인을 따라 순환하는 냉매는, 상기 액체산소탱크로부터 상기 산소 라인을 따라 나오는 상기 액체산소와 상기 기체산소와 열교환이 이루어지며, 상기 냉각 유닛에 의해 냉각된 냉매는 상기 제 1 펌프에 의해 다시 상기 초전도 모터측으로 돌아가는 것을 특징으로 하는 액체산소 냉각시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 산소 라인은 상기 기체산소를 배출시켜 압력을 조절하는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체산소 냉각시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 냉매는 액체질소인 것을 특징으로 하는 액체산소 냉각시스템.
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