KR102243009B1

KR102243009B1 - 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템 및 제어방법

Info

Publication number: KR102243009B1
Application number: KR1020200076472A
Authority: KR
Inventors: 조용환; 김일환
Original assignee: (주)발맥스기술
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2021-04-22

Abstract

본 발명은 액화천연가스 충전장치 및 제어방법에 관한 것으로서, 액화천연가스 충전장치는 초저온 상태의 액화천연가스가 저장되는 저장탱크부; 상기 저장탱크부에 저장된 액화천연가스를 펌핑하는 펌프; 상기 펌프에 의해 펌핑된 초저온 상태의 액화천연가스를 충전에 필요한 온도로 열 교환시킨 후 차량의 연료탱크로 공급하는 열 교환기; 상기 저장탱크부에 액화질소를 공급하거나 또는 상기 열 교환기에 액화질소가 기화된 질소가스를 공급하는 액화질소 공급부를 포함하되, 상기 액화질소 공급부와 상기 저장탱크부는, 액화질소 공급 라인에 의해 연결되고, 상기 저장탱크부 내부에는 상기 액화질소 공급 라인을 통과하여 공급되는 액화질소를 분사하기 위한 튜브가 설치된 것을 특징으로 하고, 액화천연가스 제어방법은, 저장탱크부 내부의 압력을 측정하는 단계; 상기 저장탱크부에서 측정된 압력 값이 설정 값 이상이면, 액화질소 공급부와 저장탱크부를 연결하는 액화질소 공급 라인을 개방하는 단계; 상기 액화질소 공급 라인을 통해 유입된 액화질소를 튜브를 통해 저장탱크부 내부에 분사시키는 단계; 및 상기 분사되는 액화질소와 상기 저장탱크부 내부의 액화천연가스 및 증발가스의 열 교환에 의해 온도를 낮추고, 압력을 낮추는 단계를 포함한다.

Description

액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템 및 제어방법{Control method and refrigerant charging system of LNG filling station}

본 발명은 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템 및 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량의 연료탱크에 액화천연가스를 공급하여 충전하는 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템 및 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 차량용으로 보급하기 위한 액화천연가스(LNG : Liquefied Natural Gas)는 액화천연가스 수용시설, 즉 액화천연가스 충전시설의 저장탱크부에 액화천연가스를 수용한 후, 이를 충전용 차량에 공급하여 충전하게 된다.

이 때, 저장탱크부에 저장되는 액화천연가스는 초저온 상태인 -160℃ ~ -150℃로 저장되고, 이와 같이 저장된 액화천연가스를 충전용 차량에 안정적으로 공급 및 충전시키기 위해서는 액화천연가스 온도를 충전에 필요한 온도인 -120℃ ~ -130℃로 가열한 후 충전용 차량에 공급하여야 한다.

이에 따라, 종래에는 액화천연가스를 충전용 차량에 충전하기 전에 저장탱크부의 액화천연가스를 충전에 필요한 온도로 가열하기 위하여 펌프 및 열 교환기를 통해 포화상태로 액화천연가스를 열 교환시킨 후, 열 교환된 포화상태의 액화천연가스를 충전용 차량에 공급하여 충전시켜 왔었다.

도 1은 종래의 액화천연가스 충전장치를 개략적으로 도시한 구성도로서, 도시된 바와 같이, 종래의 액화천연가스 충전장치는, 초저온 상태의 액화천연가스가 저장되는 저장탱크부(10)와, 이 저장탱크부에 저장된 액화천연가스를 펌핑하는 펌프(20)와, 이 펌프(20)에 의해 펌핑된 초저온 상태의 액화천연가스를 충전에 필요한 온도로 가열하는 열 교환기(30)를 포함하며, 이 열 교환기(30)에 의해 가열된 액화천연가스는 차량(40)의 연료탱크로 공급되어 충전이 이루어지게 된다.

그런데, 상기한 바와 같이 열 교환기에 의해 가열되어 차량의 연료 탱크로 액화천연가스가 공급되어 충전될 때, 저장탱크부(10), 펌프(20), 각종 밸브, 열 교환기(30) 및 이들을 연결하는 각종 배관으로 외부의 열이 유입되는 경우가 발생되며, 이에 따라 저장탱크부(10) 내의 온도와 압력이 상승하게 되어 저장탱크부(10) 내에 증발된 증발가스(BOG : Boil Off Gas)가 생성되고, 이와 같이 증발된 증발가스가 외부로 누설됨에 따라 경제적인 손실이 발생됨은 물론, 증발가스 발생 시 다량의 탄소가 배출되어 온실가스를 배출한다는 문제점이 제기되었다.

즉, 액화천연가스의 충전시설 운전 중, 저장탱크부(10)와 펌프(20) 및 열 교환기(30)를 비롯하여 각종 밸브, 계기, 배관 등에 외부의 대기가 유입됨에 따른 온도 상승에 의해 증발된 증발가스가 생성되고, 이로 인해 저장탱크부(10)로 증발가스가 유입되어 압력을 상승시킴에 따라 저장탱크부(10)의 설계 압력 초과가 발생하게 되었다.

이에, 저장탱크부(10)의 안전 밸브를 통해 외부로 유입된 대기를 방출시킴에 따라 증발가스 또한 외부로 누설되어 안전문제 및 경제적인 손실이 발생됨은 물론, 증발가스 발생 시 다량의 탄소가 배출되어 온실가스를 배출하게 되는 문제점이 있었다.

한국특허등록 제10-1056984호(2011.08.09.)

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점에 착안하여 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 차량의 연료탱크에 액화천연가스를 충전하는 과정 중, 외부의 열 유입에 의해 발생되는 증발가스가 저장탱크부로 유입되는 경우, 저장탱크부 내의 압력과 온도를 조절하여 증발가스의 외부 노출을 억제하도록 하는 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템 및 제어방법을 제공하는 것이다.

즉, 저장탱크부 내의 온도를 낮추어 압력을 줄이도록 함으로써, 증발가스의 누설에 따른 경제적 손실을 최소화하고, 증발가스의 외부 배출을 줄여 온실가스의 배출을 억제하도록 하는 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템 및 제어방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 열 교환기로 공급되기 위한 기화된 비활성 질소가스를 외부로 방출시키지 않고 회수하여 별도의 보조 탱크에 보관 후, 재활용 하도록 함으로써, 설비 비용 및 운전 비용을 절감할 수 있도록 하는 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템 및 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템은, 초저온 상태의 액화천연가스가 저장되는 저장탱크부; 상기 저장탱크부에 저장된 액화천연가스를 펌핑하는 펌프; 상기 펌프에 의해 펌핑된 초저온 상태의 액화천연가스를 충전에 필요한 온도로 열 교환시킨 후 차량의 연료탱크로 공급하는 열 교환기; 상기 저장탱크부에 액화질소를 공급하거나 또는 상기 열 교환기에 액화질소가 기화된 질소가스를 공급하는 액화질소 공급부를 포함하되, 상기 액화질소 공급부와 상기 저장탱크부는, 액화질소 공급 라인에 의해 연결되고, 상기 저장탱크부 내부에는 상기 액화질소 공급 라인을 통과하여 공급되는 액화질소를 분사하기 위한 튜브가 설치된 구성으로 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 열 교환기에는, 내부 압력을 감지하는 제1 압력센서가 구비되고, 상기 제1 압력센서에 의해 감지된 압력 값이 설정 값 이하이면, 상기 열 교환기 내부로 기화된 질소가스가 공급되도록 하고, 상기 제1 압력센서에 의해 감지된 압력 값이 설정 값 이상이면, 상기 열 교환기 내부의 기화된 질소가스를 외부로 배출시키도록 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 액화질소 공급부와 상기 열 교환기 사이에는 보조 탱크가 구비되고, 상기 보조 탱크의 일 측에는 압력밸브에 의해 연결된 공압 액츄에이터가 설치되며, 상기 액화질소 공급부로부터 공급되는 액화질소는 상기 보조 탱크를 통과하면서 기화되어 질소가스로 변환된 후, 상기 열 교환기로 유입될 수 있다.

또한, 상기 열 교환기와 상기 열 교환기의 일측에 설치되는 배출밸브 사이에는 바이패스 유로가 설치되고, 상기 바이패스 유로 상에는 성에 제거용 온/오프 밸브를 사이에 두고 성에 제거부가 설치될 수 있다.

또한, 상기 저장탱크부에는, 내부 압력을 감지하는 제3 압력센서가 구비되고, 상기 제어부는, 상기 제3 압력센서에 의해 감지된 압력 값이 설정 값 이상이면, 상기 액화질소 공급부로부터 저장탱크부로 액화질소가 공급되도록 하여 상기 튜브를 통해 분사되도록 제어할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템 제어방법은, 상기한 구성의 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템을 이용하여 저장탱크부 내의 온도 및 압력을 제어하는 방법에 있어서, (a) 저장탱크부 내부의 압력을 측정하는 단계; (b) 상기 저장탱크부에서 측정된 압력 값이 설정 값 이상이면, 액화질소 공급부와 저장탱크부를 연결하는 액화질소 공급 라인을 개방하는 단계; (c) 상기 액화질소 공급 라인을 통해 유입된 액화질소를 튜브를 통해 저장탱크부 내부에 분사시키는 단계; 및 (d) 상기 분사되는 액화질소와 상기 저장탱크부 내부의 액화천연가스 및 증발가스의 열 교환에 의해 온도를 낮추고, 압력을 낮추는 단계를 포함할 수 있다.

이 때, 액화질소 공급부를 통해 열 교환기로 공급되어 기화된 질소가스는, 공압 액츄에이터로 공급하여 각종 설비의 정비 또는 청소 용도로 재활용 하거나, 또는, 액화천연가스의 충전 노즐에 생성된 성에를 제거하는 용도로 재활용 하는 단계를 포함할 수도 있다.

또 한편, 본 발명의 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템은, 초저온 상태의 액화천연가스가 저장되는 LNG 저장탱크부; 상기 LNG 저장탱크 내에 설치되어 LNG 저장탱크의 온도와 압력을 조절 해주는 LN2 열 교환기; 상기 열교환기 에 액화질소를 공급하는 액화질소 공급부를 포함하는 LN2 저장 탱크; 상기 LN2 저장 탱크 의 LN2 FLOW를 개폐 하는 LN2 개폐 밸브; 상기 LN2 개폐 밸브의 개폐를 조정해주는 N2 온도 측정기 및 제어 장치; 상기 N2 FLOW 개방후 LN2 를 받아 LN2를 기화시켜 N2 가스를 흘려보내 LN2 저장 탱크내 압력을 상승시켜 주는 압력 증강기; LN2 저장 탱크에서 흘러오는 LN2 의 유량을 조절 하는 LN2 FLOW CONTROL VALVE; LN2 FLOW CONTROL VALVE 유량을 측정 해서 전단에 설치된 FLOW CONTROL VALVE 의 유량 값을 제공해 주는 질량 유량계; 상기 LNG 저장 탱크내의 LN2 열교환기에서 LNG와 열교환후 기화되어배출되는 N2 가스를 재활용 하기위한 N2 저장 탱크; 상기 LNG 저장 탱크의 LNG를 차량으로 충진시켜주는 LNG 펌프를 포함 설치된 구성으로 이루어질 수도 있다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템 및 제어방법에 의하면, 차량의 연료탱크에 액화천연가스를 충전하는 과정 중, 외부의 열 유입에 의해 발생되는 증발가스가 저장탱크부로 유입되는 경우, 저장탱크부 내의 압력과 온도를 조절하고, LN2 냉매의 유량을 조절함으로써, 저장탱크부 내의 압력과 온도를 효과적으로 조절하여 증발가스의 외부 노출을 억제시킴에 따라 경제적 손실을 줄이고, 환경오염을 예방하는 효과가 제공될 수 있다.

즉, 저장탱크부 내의 온도를 낮추어 압력을 줄이게 됨으로써, 증발가스의 누설에 따른 경제적 손실이 최소화되고, 증발가스의 외부 배출이 줄어 온실가스의 배출이 억제되는 효과가 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템 및 제어방법에 의하면, 열 교환기 내에 질소가스가 공급되어 내부가 팽창됨에 따라 전기 스파크에 의한 화재,폭발의 발생 우려가 불식됨으로써, 열 교환기 내에 비교적 가격이 낮은 비방폭 전기장치의 설치가 가능하여 전체적인 제조설비의 비용이 절감되는 효과도 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템 및 제어방법에 의하면, 열 교환기로 공급되기 위하여 기화된 비활성 질소가스를 외부로 방출시키지 않고 회수하여 별도의 보조 탱크에 보관 후, 재활용 하게 됨으로써, 설비 비용 및 운전 비용 등이 절감되는 유용한 효과도 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 종래의 액화천연가스 충전장치를 개략적으로 도시한 구성도
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템을 개략적으로 도시한 구성도.
도 3은 도 2에서 저장탱크부와 액화질소 공급부의 연결관계를 도시한 구성도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템의 비활성 질소가스 재활용 관계를 도시한 순서도.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템을 개략적으로 도시한 구성도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

따라서, 몇몇 실시 예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계 및/또는 동작 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다. 그리고, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 사시도, 단면도, 측면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함되는 것이다. 또한, 본 발명의 실시 예에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템 및 제어방법을 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템을 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 3은 도 2에서 저장탱크부와 액화질소 공급부의 연결관계를 도시한 구성도이다.

먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냄애 충전시스템은, 저장탱크부(100), 펌프(200), 보조 탱크(300), 열 교환기(700)(LNG 디스펜서), 액화질소 공급부(500)를 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템은, 액화질소 공급부(500)와 보조 탱크(300) 사이에 설치되는 유입밸브(510)와, 보조 탱크(300)의 일 측에 설치되는 공급밸브(310)와, 열 교환기(700)의 일 측에 설치되는 배출밸브(730) 및 열 교환기(700) 내의 압력에 의해 유입밸브(510) 및 배출밸브(730)의 개폐를 제어하기 위한 제어부(미도시됨)를 더 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.

여기서, 열 교환기(700) 내부에는 내부 압력을 측정하여 제어부로 신호를 인가하기 위한 제1 압력센서가 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템은, 보조 탱크(300)의 일측 방향으로 압력밸브(320)를 사이에 두고 공압 액츄에이터(330)가 설치될 수 있으며, 이 공압 액츄에이터 내에는 내부 압력을 측정하여 제어부로 신호를 인가하기 위한 제2 압력센서가 구비될 수 있는데, 이들 구성의 작동관계는 후에 상세히 설명하기로 한다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템은, 열 교환기(700)와 배출밸브(730) 사이의 유로에 바이패스 유로를 분기시키고, 이 바이패스 유로 상에 성에 제거용 온/오프 밸브(740)와 성에 제거부(750)가 배치될 수 있는데, 이들 구성의 작동 관계 또한 후에 상세히 설명하기로 한다.

저장탱크부(100)는 초저온 상태인 -160℃ ~ -150℃의 액화천연가스가 저장되고, 펌프(200)는 저장탱크부(100)에 저장된 액화천연가스를 펌핑하는 기능을 수행할 수 있다.

또한, 열 교환기(700)는 펌프(200)에 의해 펌핑되어 보조 탱크(300)를 통해 공급된 초저온 상태의 액화천연가스를 충전에 필요한 온도인 -120℃ ~ -130℃로 가열한 후, 차량(400)의 연료탱크로 공급하여 충전시키는 것으로서, 그 내부에는 액화천연가스의 열 교환을 위한 각종 전기장치가 설치되어 있다.

따라서, 차량(400)의 연료탱크에 액화천연가스를 공급하여 충전하는 경우, 펌프(200)의 가동에 의해 저장탱크부(100) 내에 저장된 초저온 상태의 액화천연가스는 보조탱크(300)를 거쳐 공급밸브(310)를 통해 열 교환기(700)로 공급되고, 열 교환기(700)로 공급된 초저온 상태의 액화천연가스는 열 교환에 의해 충전에 필요한 온도로 가열된 후, 차량(400)의 연료탱크로 공급되어 충전이 이루어지게 된다.

이 때, 열 교환기(700)와 차량(400)의 연료탱크 사이에는 충전밸브(710)와 충전 노즐(720)이 구비됨으로써, 충전밸브(710)의 개방 시 충전 노즐(720)을 통해 차량(400)의 연료탱크로 공급되어 충전이 이루어지게 된다.

이 때, 차량(400)의 연료탱크에 액화천연가스가 충전되는 과정 또는 평상시에, 저장탱크부(100), 펌프(200), 각종 밸브, 열교환기(700) 및 이들을 연결하는 각종 배관을 통해 외부의 열이 유입되는 경우가 발생되며, 이에 따라 저장탱크부(100) 내부는 온도 상승에 의해 증발가스(BOG)를 생성하게 된다.

이와 같이 저장탱크부(100) 내에 증발가스가 생성되면, 압력이 상승하게 되고, 이에 따라 증발가스가 외부로 누설됨에 따라 경제적인 손실이 발생됨은 물론, 증발가스 발생 시 다량의 탄소가 배출되어 온실가스를 배출하게 된다.

따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템 및 제어방법에서는, 상기한 바와 같이 외부의 열 유입으로 인해 저장탱크부(100) 내부의 온도 및 압력이 상승하게 되는 경우, 액화질소 공급부(500)를 통해 저장탱크부(100) 내부로 액화질소를 공급함으로써, 저장탱크부(100) 내부의 온도 및 압력을 조절하여 증발가스의 생성을 억제시킴에 따라 외부 누출에 따른 문제점을 해소할 수 있게 된다.

이에 본 발명의 실시 예에서는, 액화질소 공급부(500)로부터 액화질소를 저장탱크부(100) 내부로 공급하기 위한 튜브(102)가 설치될 수 있다.

즉, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 액화질소 공급부(500)로부터 저장탱크부(100)에는 액화질소 공급 라인(도면부호 미부여)이 설치되고, 저장탱크부(100) 내부에는 액화질소 공급 라인을 통해 공급되는 액화질소를 분사시키기 위한 튜브(102)가 설치될 수 있다.

여기서, 액화질소 공급부(500)로부터 액화질소 공급 라인을 통해 튜브(102)로 액화질소를 공급하는 것은, 제어부의 제어신호에 의해 이루어지게 되는데, 이에 대한 상세한 설명은 후에 상세히 설명하기로 한다.

한편, 액화질소 공급부(500)는 제어부의 입력신호에 따라 유입밸브(510)를 액화질소를 보조탱크(300)로 유입시키고, 공급밸브(310)를 통해 열 교환기(700) 내로 유입이 이루어지도록 할 수 있다.

따라서, 액화질소 공급부(500)로부터 보조탱크(300)로 공급되는 액화질소는보조탱크(300) 내부의 액화천연가스와 열 교환에 의해 기화되어 질소가스로 변환된 후, 열 교환기(700)로 공급이 이루어질 수 있다.

열 교환기(700)는, 앞서 설명한 바와 같이 초저온 상태의 액화천연가스를 차량(400)의 연료탱크에 충전에 필요한 온도로 가열함으로써, 열 교환이 이루어지도록 하는 것인바, 그 내부에는 각종 전기장치들이 설치되어 있게 된다.

따라서, 열 교환기(700) 내부로 외부의 공기가 유입되면, 유입되는 공기 중에 포함된 각종 이물질 또는 습기 등에 의해 전기 스파크를 발생시킬 우려가 있으며, 이의 경우 화재,폭발 사고의 우려가 발생될 수 있었다.

이에, 종래에는 상기와 같은 화재,폭발 사고의 우려를 불식시키기 위하여 열 교환기(700) 내부에 고가의 방폭 장비를 설치하였는데, 본 발명의 실시 예에서는 열 교환기(700) 내부로 기화된 질소가스를 유입시킴으로써, 열 교환기(700) 내부를 팽창시킴에 따라 외부의 공기 유입이 차단되도록 할 수 있다.

즉, 차량(400)의 연료탱크에 액화천연가스를 충전하는 경우, 열 교환기(700) 내부로 질소가스가 유입되도록 하여 열 교환기(700) 내부가 질소가스에 의해 팽창이 이루어지도록 함으로써, 외부 공기가 열 교환기(700) 내부로 유입되는 것을 미연에 차단시킴에 따라 전기 스파크 발생에 따른 화재,폭발 사고의 우려를 불식시킬 수 있게 된다.

따라서, 열 교환기(700) 내부에는 내부 압력을 측정하기 위한 제1 압력센서가 구비되고, 이 제1 압력센서는 감지된 압력 값을 제어부로 송신하게 되며, 제어부는 입력되는 신호에 의해 유입밸브(510) 및 배출밸브(730)의 개폐를 제어할 수 있게 된다.

즉, 차량(400)의 연료탱크에 액화천연가스를 충전하는 과정에서, 열 교환기(700)의 내부에 설치된 제1 압력센서는 열 교환기(700) 내부의 압력을 감지하고, 감지된 신호를 제어부로 송신하게 된다.

제어부는, 제1 압력센서로부터 입력 받은 감지신호에 의해 열 교환기(700) 내부의 압력이 설정 값 이하이면, 유입밸브(510)에 개방신호를 인가함으로써, 액화질소 공급부(500)로부터 액화질소가 보조 탱크(300)로 공급되도록 하고, 보조 탱크(300)를 통과함에 따라 열 교환에 의해 기화된 질소가스는 공급밸브(310)를 통해 열 교환기(700) 내부로 유입되도록 한다.

한편, 제1 압력센서로부터 입력 받은 감지신호에 의한 압력이 설정 값 이상인 경우, 제어부는 배출밸브(730)에 개방신호를 인가함으로써, 열 교환기(700) 내부의 압력을 낮추도록 할 수 있다.

또 한편, 저장탱크부(100) 내부에는 제3 압력센서가 구비될 수 있으며, 제3 압력센서는 감지된 압력을 제어부로 송신할 수 있다.

이 때, 제어부는 제3 압력센서에 의해 입력받은 압력 값에 의해 액화질소 공급부(500)로부터 액화질소를 저장탱크부(100) 내로 공급할 수 있다.

예컨대, 저장탱크부(100), 펌프(200), 보조 탱크(300), 열 교환기(700), 각종 밸브 및 배관 등을 통해 외부의 열이 유입되고, 이에 따라 온도 상승으로 인해 액화천연가스의 증발로 생성된 증발가스가 저장탱크부(100) 내에서 생성되거나 유입되는 경우, 저장탱크부(100) 내부의 압력은 높아지게 된다.

이 때, 제3 압력센서는 설정 값을 기준으로 압력을 감지하고, 감지된 압력 값을 제어부로 송신하게 되며, 제어부는 설정 값을 기준으로 액화질소 공급부(500)를 통해 저장탱크부(100) 내부로 액화질소를 공급하여 저장탱크부(100) 내부의 온도 및 압력을 조절할 수 있게 된다.

즉, 저장탱크부(100) 내부에 증발가스가 생성되거나 유입됨에 따라 압력이 설정 값 이상인 경우, 제어부는 액화질소 공급부(500)에 입력신호를 공급하고, 이에 따라 액화질소 공급 라인 상에 설치된 개폐밸브를 개방시킴으로써, 액화질소가 튜브를 통해 저장탱크부(100) 내로 공급이 이루어지도록 한다.

따라서, 저장탱크부(100) 내부에 저장된 액화천연가스와 액화질소가 열 교환을 이룸에 따라 온도 및 압력을 낮추게 됨으로써, 증발가스를 액화시키게 됨은 물론 증발가스의 생성을 억제시키게 된다.

반면에, 제3 압력센서에 의해 감지된 저장탱크부(100) 내부의 압력이 설정 값 이하인 경우, 제어부는 액화질소 공급부(500)로부터 액화질소가 저장탱크부(100) 내로 공급이 이루어지지 않도록 개폐밸브에 폐쇄신호를 인가하게 됨은 자명할 것이다.

한편, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 비활성 질소가스 재활용 관계를 도시한 순서도로서, 보조 탱크(300) 내에서 기화된 비활성 질소가스는 상기한 바와 같이 외부로 배출시키지 않고, 재활용에 사용될 수 있다.

즉, 제1 압력센서로부터 입력 받은 감지신호에 의한 압력이 설정 값 이상인 경우, 제어부는 배출밸브(730)에 개방신호를 인가하지 않고, 성에 제거용 온/오프 밸브(740)에 개방신호를 인가(S140)함으로써, 비활성 질소가스가 성에 제거부(750)로 공급되도록 할 수 있다.

이와 같이 성에 제거부(750)로 공급된 비활성 질소가스는 충전 노즐(720)에 생성된 성에를 제거하는 목적으로 재활용 될 수 있다.

한편, 제1 압력센서로부터 입력 받은 감지신호에 의한 압력이 설정 값 이상인 경우, 제어부는 배출밸브(730) 및 성에 제거용 온/오프 밸브(740)에 개방신호를 인가하지 않고, 공급밸브(310) 또한 개방신호를 인가하지 않은 상태에서, 압력밸브(320)에 개방신호를 인가하여 공압 액츄에이터(330)로 비활성 질소가스가 공급되도록 할 수 있다.

이와 같이 공압 액츄에이터(330)로 공급되는 비활성 질소가스는 압력밸브(320)에 의해 대략 7~7,5Bara의 압력으로 감압된 후, 공급이 이루어지게 되고, 이와 같이 공급된 비활성 질소가스를 이용하여 액화천연가스 충전시설의 각종 설비의 정비 및 청소 등의 용도로 재활용 할 수도 있다.

즉, 종래에는 액화천연가스 충전시설에 각종 설비의 정비 및 청소를 위하여 별도의 에어 컴프레셔 시스템 및 에어 탱크가 설치되는 경우가 대부분인바, 본 발명의 실시 예에서는 비활성 질소가스를 공압 액츄에이터(330)로 공급하고, 이를 액화천연가스 충전시설의 각종 설비의 정비 및 청소 등의 용도로 재활용하도록 함으로써, 별도의 에어 컴프레셔 시스템 및 에어 탱크의 구성을 갖추지 않아도 됨에 따라 설비비가 줄고 운전 비용 또한 절감할 수 있는 효과가 제공될 수 있다.

한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템은, 초저온 상태의 액화천연가스가 저장되는 저장탱크부(1000); 상기 저장탱크부에 설치되어 저장된 액화천연가스를 냉각 시켜 주는 LN2 냉매 과냉 쿨러 (LN2 SUB COOLING COIL COOLER)(1010); 상기 LN2 SUBCOOLER 의해 과냉 관리 되는 LNG 저장 탱크 에 저장된 초저온 상태의 액화천연가스를 차량에 충전 하는 LNG PUMP(2000) ; 상기 LNG 저장탱크부에 설치된 LN2 냉매 과냉 쿨러 (LN2 SUB COOLING COIL COOLER) 에 액화질소를 공급하는 액화질소 공급부를 포함하되, 상기 액화질소 공급부와 상기 액화가스 저장탱크부는, 액화질소 공급 라인에 의해 연결되고, 상기 LNG 저장탱크부 내부에는 상기 액화질소 공급 라인을 통과하여 공급되는 액화질소를 흘려 주기 위한 튜브가 설치된 구성으로 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 LNG 저장 Tank 외부 와 LN2 저장 Tank 상부 에는 LN2 와(1030) N2 온도 측정기(1020)가 있어 LN2 와 N2 GAS 와의 온도차 로 LN2 Tank 후단의 LN2 flow control valve (5050)의 flow rate를 비례제어 하여 LNG 저장 탱크 내의 설치된 LN2 Cooler(coil)의 LN2 유량을 조절 함으로써 LNG 저장 탱크(1000) 내의 천연액화가스 (LNG) 의 온도를 COOLING 정도를 제어 함으로써 온도 상승 에 따른 BOG 발생 및 이로인한 LNG 저장 탱크(1000) 압력 상승을 억제할수 있다. LN2 냉매의 유량을 제어하기 위해 LN2 Tank(5000) 상단에 장착된 N2 온도 측정기(1030)로 내부 온도를 측정 하고 이온도 값과 LNG Tank 내부 를 통과하면서 LNG를 냉각해 주는 LN2 가 LNG 저장 탱크에서 열교환기(1010)에서 열교환후 후단에 설치된 N2 가스 저장 탱크 로 들어가기전 설치된 N2 가스 온도 측정기(1020)에서 측정된 온도 와의 차이값 에 비례해서 LN2 냉매의 양을 조절 한다.

상기 LNG 저장 탱크에서 기회된 N2 의 온도차이값을 받아서 control panel 에서는 LN2 Tank 개폐 밸브 (5010 및 5030) 에 개방 신호가 보내져 2 개의 LN2 Tank 밸브(5010, 5020)가 open 된다. 이때 LN2 Tank 개폐 밸브(5010) 의 개방으로 LN2 가 탱크에서 압력 증강기(5020)로 흐르게 되며 LN2 가 압력 증강기 (5020:pressure build-up unit)를 통해 기화 후 LN2 저장 Tank 로 return 되어 LN2 저장 탱크의 압력 상승을 발생 시키고 이에 따라 LN2 flow 가 LN2 Tank 개폐 밸브( 5030)을 통과 후 LN2 flow control valve (5050)에서 질량 유량 측정기(5040)의 유량 측정 값을 기준으로 valve opening을 조정 하므로서 냉매의 양을 조절하고 이에 따라서 LNG 저장 탱크내의 온도와 압력을 조절 해 준다.

이 때, LNG 저장 탱크 내의 LN2 COOLER에서 열교환후 기화된 N2 가스 는 LNG 저장 탱크 후단부 에 설치된 N2 가스 저장 탱크(3000) 으로 보내져 저장 된다.

상기 N2 저장 탱크에 저장된 N2 가스는, 공압 액츄에이터로 공급하여 각종 설비 및 파이핑 의 정비 또는 청소 용도로 재활용 하거나, 또는, 액화천연가스의 충전 노즐에 생성된 성에를 제거하는 용도로 재활용 하는 단계를 포함할 수도 있다.

또한, 상기 LN2 저장탱크를 개폐하는 LN2 개폐 밸브의 작동은 2 개의 N2 온도 측정기(1020 및 1030) 의 온도측정값 예로 40 미만이면 밸브개방하고 40 이상이면 밸브 닫도록 하여 LN2 의 FLOW를 ON-OFF 방식으로 작동 되도록 하는 콘트롤 판넬에서 제어 한다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 저장탱크부 102 : 튜브
200 : 펌프 300 : 보조탱크
310 : 공급밸브 320 : 압력밸브
330 : 공압 액츄에이터 400 : 차량
500 : 액화질소 공급부 510 : 유입밸브
700 : 열 교환기(LNG 디스펜서) 710 : 충전밸브
720 : 충전 노즐 730 : 배출밸브
740 : 성에 제거용 온/오프 밸브 750 : 성에 제거부
1000 : 저장탱크부
1010 : LN2 cooler (열교환기)
1020 : LNG 탱크 출구측 N2 온도 측정기
1030 : LN2 탱크 측 LN2 온도 측정기
2000 : LNG 펌프 3000 : N2 보조 저장 탱크
4000 : LNG 차량 5000 : LN2 저장 탱크
5010 : LN2 탱크 개폐 밸브 5020 : LN2 압력 증강기
5030 : LN2 탱크 개폐 밸브 5040 : LN2 질량 유량 계
5050: N2 유량 조절 밸브

Claims

초저온 상태의 액화천연가스가 저장되는 저장탱크부;
상기 저장탱크부에 저장된 액화천연가스를 펌핑하는 펌프;
상기 펌프에 의해 펌핑된 초저온 상태의 액화천연가스를 충전에 필요한 온도로 열 교환시킨 후 차량의 연료탱크로 공급하는 열 교환기;
상기 저장탱크부에 액화질소를 공급하거나 또는 상기 열 교환기에 액화질소가 기화된 질소가스를 공급하는 액화질소 공급부를 포함하되,
상기 액화질소 공급부와 상기 저장탱크부는,
액화질소 공급 라인에 의해 연결되고, 상기 저장탱크부 내부에는 상기 액화질소 공급 라인을 통과하여 공급되는 액화질소를 분사하기 위한 튜브가 설치되며,
상기 열 교환기에는,
내부 압력을 감지하는 제1 압력센서가 구비되고,
상기 제1 압력센서에 의해 감지된 압력 값이 설정 값 이하이면, 상기 열 교환기 내부로 기화된 질소가스가 공급되도록 하고,
상기 제1 압력센서에 의해 감지된 압력 값이 설정 값 이상이면, 상기 열 교환기 내부의 기화된 질소가스를 외부로 배출시키도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 충전장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 액화질소 공급부와 상기 열 교환기 사이에는 보조 탱크가 구비되고, 상기 보조 탱크의 일 측에는 압력밸브에 의해 연결된 공압 액츄에이터가 설치되며,
상기 액화질소 공급부로부터 공급되는 액화질소는 상기 보조 탱크를 통과하면서 기화되어 질소가스로 변환된 후, 상기 열 교환기로 유입되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 충전장치.
제 1항에 있어서,
상기 열 교환기와 상기 열 교환기의 일측에 설치되는 배출밸브 사이에는 바이패스 유로가 설치되고, 상기 바이패스 유로 상에는 성에 제거용 온/오프 밸브를 사이에 두고 성에 제거부가 설치된 것을 특징으로 하는 액화천연가스 충전장치.
제 1항에 있어서,
상기 저장탱크부에는,
내부 압력을 감지하는 제3 압력센서가 구비되고,
상기 제어부는,
상기 제3 압력센서에 의해 감지된 압력 값이 설정 값 이상이면, 상기 액화질소 공급부로부터 저장탱크부로 액화질소가 공급되도록 하여 상기 튜브를 통해 분사되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 충전장치.
청구항 1 및 청구항 3 내지 청구항 5 중, 어느 하나의 청구항에 기재된 액화천연가스 충전장치를 이용하여 저장탱크부 내의 온도 및 압력을 제어하는 방법에 있어서,
(a) 저장탱크부 내부의 압력을 측정하는 단계;
(b) 상기 저장탱크부에서 측정된 압력 값이 설정 값 이상이면, 액화질소 공급부와 저장탱크부를 연결하는 액화질소 공급 라인을 개방하는 단계;
(c) 상기 액화질소 공급 라인을 통해 유입된 액화질소를 튜브를 통해 저장탱크부 내부에 분사시키는 단계; 및
(d) 상기 분사되는 액화질소와 상기 저장탱크부 내부의 액화천연가스 및 증발가스의 열 교환에 의해 온도를 낮추고, 압력을 낮추는 단계를 포함하고,
액화질소 공급부를 통해 열 교환기로 공급되어 기화된 질소가스는,
공압 액츄에이터로 공급하여 각종 설비의 정비 또는 청소 용도로 재활용 하거나, 또는, 액화천연가스의 충전 노즐에 생성된 성에를 제거하는 용도로 재활용 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 충전방법.
삭제
초저온 상태의 액화천연가스가 저장되는 LNG 저장탱크부;
상기 LNG 저장탱크 내에 설치되어 LNG 저장탱크의 온도와 압력을 조절 해주는 LN2 열 교환기;
상기 열교환기 에 액화질소를 공급하는 액화질소 공급부를 포함하는 LN2 저장 탱크 ;
상기 LN2 저장 탱크 의 LN2 FLOW를 개폐 하는 LN2 개폐 밸브;
상기 LN2 개폐 밸브의 개폐를 조정해주는 N2 온도 측정기 및 제어 장치;
상기 LN2 FLOW 개방후 LN2 를 받아 LN2를 기화시켜 N2 가스를 흘려보내 LN2 저장 탱크내 압력을 상승시켜 주는 압력 증강기
LN2 저장 탱크에서 흘러오는 LN2 의 유량을 조절 하는 LN2 FLOW CONTROL VALVE;
LN2 FLOW CONTROL VALVE 유량을 측정 해서 전단에 설치된 FLOW CONTROL VALVE 의 유량 값을 제공해 주는 질량 유량계;
상기 LNG 저장 탱크내의 LN2 열교환기에서 LNG와 열교환후 기화되어배출되는 N2 가스를 재활용 하기위한 N2 저장 탱크;
상기 LNG 저장 탱크의 LNG를 차량으로 충진시켜주는 LNG 펌프를 포함 설치된 것을 특징으로 하는 액화천연가스 충전장치의 냉매 충전시스템.