KR102272105B1 - 수소 액화용 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 액화용 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열 교환과 함께 수소의 액화 공정도 하나의 장치에서 수행될 수 있는 수소 액화용 열교환기에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 열 교환용 핀이 내부에서 상부와 하부에 각각 구비되는 코어; 코어의 상부 및 하부에 구비되어 수소가 유입 및 배출되는 수소 유입부 및 수소 배출부; 코어의 상부에 구비되어 유입되는 수소의 액화를 위한 촉매와 함께 가스가 유입되는 촉매 유입부; 및 코어 내부에서 상부 핀과 하부 핀 사이에 공간을 형성하여, 촉매를 통해 유입되는 수소를 액화시키는 촉매 카트리지;를 포함하고, 촉매 유입부로 유입되는 촉매와 가스는 하부 핀 높이까지 충진되며, 수소 유입부로 유입되는 수소가 촉매 카트리지에서 액화되어, 코어 내부에서 열교환과 함께 수소의 액화 공정이 수행되는 것을 특징으로 한다.

Description

수소 액화용 열교환기{HEAT EXCAHGER FOR LIQUEFYING HYDROGEN}
본 발명은 수소 액화용 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열 교환과 함께 수소의 액화 공정도 하나의 장치에서 수행될 수 있는 수소 액화용 열교환기에 관한 것이다.
플레이트 열 교환기 중, 판-핀형 열교환기(PFHE; Plate Fin Heat Exchanger)는 기체-액체(gas to liquid) 열 교환기에 사용된다. 기체는 열 저항이 크므로 핀 영역으로 흐르게 된다.
한편, 수소의 원자에는 양성자 한 개(중수소의 경우는 양성자, 중성자 각 한 개)로 이루어진 핵이 있고, 그 주위를 한 개의 전자가 구형(球形)의 전자구름(1s오비탈)을 구성해서 그것을 감싸고 있다. 수소의 분자는 이와 같은 원자가 두 개 결합하여 서로 떨어진 두 개의 핵 주위를 두 개의 전자가 공통의 전자구름(σ분자오비탈)을 만들어서 에워싸고 있다. 이 때 전자는 양쪽의 핵의 중간부분으로 강하게 끌리기 때문에 전자구름의 밀도는 이 부분에서 특히 높아지고, 핵끼리의 반발작용은 이 전자구름에 의해 없어지므로 전체로는 에너지가 낮고 안정된 상태가 된다.
수소의 원자는 이와 같이 가장 간단한 원자이고, 또 분자는 가장 간단한 형의 공유결합 분자이다. 공유결합을 만들고 있는 한 쌍의 전자는 「파울리의 배타원리」에 따라 항상 반대방향의 자전운동(스핀 운동)을 해야 하지만 수소 분자에서는 다시 핵의 양성자도 스핀을 갖고 있어 이 두 개의 핵의 스핀이 모두 같은 방향인 경우와 서로 반대 방향인 경우가 존재하게 된다. 전자를 오르토수소(ortho-hydrogen), 후자를 파라수소(para-hydrogen)라고 한다. 상온 부근에서는 오르토수소와 파라수소의 비는 3:1로서 거의 변하지 않으나, 저온이 되면 파라수소 쪽이 쉽게 생성되어, 극저온에서 자성체를 촉매로 사용하는 등의 방법으로 거의 순수한 파라수소를 얻을 수도 있다.
전술한 바와 같이, PFHE에서 수소를 액화시켜 사용하기 위해서는 촉매를 이용하여 오르토수소를 파라수소로 변환시켜야 한다. 이를 위해서는 촉매 카트리지(cartridge)가 별도로 필요하다. 종래에는 PFHE 외부에 촉매 카트리지를 설치하고, 기체 상태의 수소를 주입시켜 촉매 카트리지를 통과시킨 뒤, 액화된 수소를 이용하여 열교환을 수행하였다.
따라서, 장비가 복잡해지고, 부피가 커지며, 이로 인해, 설치 공간을 많이 차지하는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0372739호(등록일자: 2003.02.05.)
본 발명은 열교환기 내에서 수소의 액화 공정을 진행할 수 있는 수소 액화용 열교환기를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 수소의 액화를 위한 촉매 카트리지가 열교환기 내부에 구비되는 수소 액화용 열교환기를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 수소의 액화를 위한 촉매가 용이하게 유입 및 분배될 수 있는 수소 액화용 열교환기를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 수소의 액화를 위한 촉매 카트리지가 열교환기 내부에 구비되고, 촉매의 완전 교체 및 일부 교체가 용이하게 이루어질 수 있는 수소 액화용 열교환기를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수소 액화용 열교환기는 열 교환용 핀(fin)이 내부에서 상부와 하부에 각각 구비되는 코어(core); 상기 코어의 상부 및 하부에 구비되어 수소가 유입 및 배출되는 수소 유입부 및 수소 배출부; 상기 코어의 상부에 구비되어 상기 유입되는 수소의 액화를 위한 촉매와 함께 가스가 유입되는 촉매 유입부; 상기 코어의 하부에 구비되어 촉매와 함께 유입된 가스를 배출시키는 가스 배출부; 및 상기 코어 내부에서 상부 핀과 하부 핀 사이에 공간을 형성하여, 상기 촉매를 통해 상기 유입되는 수소를 액화시키는 촉매 카트리지;를 포함하고, 상기 촉매 유입부로 유입되는 촉매와 가스는 상기 하부 핀 높이까지 충진되며, 상기 수소 유입부로 유입되는 수소가 상기 촉매 카트리지에서 액화되어, 상기 코어 내부에서 열교환과 함께 수소의 액화 공정이 수행되는 것을 특징으로 한다. 그리고 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 스크린은 상기 엣지바의 크기 및 간격 조절이 가능하고, 상기 레이크 스크린은 상기 엣지바 및 레이크의 크기 및 간격 조절이 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 촉매 카트리지는, 상부 핀과 하부 핀 사이를 지지하는 사이드 바를 더 포함하고, 상기 촉매 카트리지의 공간에서 상기 촉매가 분배되는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 촉매 카트리지는, 상기 핀의 피치보다 상대적으로 피치가 넓게 구비되는 핀부와, 상기 핀부의 각 핀에 형성되는 개구부,를 포함하는 촉매 분배 수단을 더 포함하고, 상기 촉매 분배 수단에 의해 상기 촉매 카트리지 내에서 상기 촉매가 골고루 분배되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 촉매 유입부 상에 구비되고, 상기 촉매가 유입되는 제1 유입구와, 상기 가스가 유입되는 제2 유입구를 포함하는 이젝터(ejector)를 더 포함하며, 상기 이젝터를 통해 상기 촉매의 유입 및 분배가 용이하도록 가스를 유입시키고, 상기 촉매의 완전 교체 시, 상기 제1 유입구로 촉매를 충진시킬 수 있으며, 상기 촉매의 일부 교체 시, 상기 제2 유입구로 가스를 유입시켜 상기 촉매 카트리지 내의 가스를 배출시키는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 코어의 상부와 하부에 각각 탈착 가능하게 구비되는 제1 및 제2 필터, 상기 하부 핀과 제1 필터 사이 및 상기 상부 핀과 제2 필터 사이에 각각 구비되고 상기 수소 배출부보다 큰 직경을 가지는 제1 및 제2 다공성 파이프, 및 상기 제1 및 제2 다공성 파이프를 둘러서 구비되는 제1 및 제2 메시(mesh)를 포함하는 상부 및 하부 필터링부를 더 포함하고, 상기 상부 및 하부 필터링부는, 상기 코어 내부에서 압이 걸리지 않도록 하고, 상기 촉매와 함께 유입되는 가스의 배출 시, 상기 촉매가 상기 코어 내부에 남을 수 있으며, 상기 촉매 교체 시, 플러싱(flushing)이 가능한 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 의한 본 발명은 아래와 같은 효과를 기대할 수 있다.
열교환기 내에 수소의 액화를 위한 촉매 카트리지가 구비되므로, 하나의 장치 내에서 열 교환과 함께 수소의 액화 공정이 동시에 수행될 수 있는 효과가 있다. 이로 인해, 장비의 크기가 작아지고, 설치 공간을 많이 줄일 수 있는 효과도 있다.
그리고 촉매 카트리지를 열교환기 내부에 설치함으로써 발생될 수 있는 문제, 예컨대 코어 내부에서 압이 높아지는 등의 문제를 해결할 수 있도 있다. 즉, 촉매 카트리지의 형태와 필터의 설치 등으로 인해, 코어 내부에서 차압이 걸리는 문제가 해결될 수 있다.
또한, 수소의 액화를 위한 촉매가 용이하게 유입 및 분배될 수 있는 효과도 있다. 즉, 촉매 유입 시, 가스 예컨대 질소 가스를 함께 유입하고, 이젝터 및 필터링부로 인해, 촉매가 촉매 카트리지 내부로 용이하게 유입될 수 있고, 한 쪽으로 쏠리는 등의 문제 없이 골고루 분배될 수 있는 효과가 있다.
그리고 촉매의 전체 교체 또는 일부 교체가 용이하게 이루어질 수 있는 효과도 있다. 코어 상부에 이젝터를 설치하고, 하부에 필터를 설치함으로써, 촉매가 완전히 배출되지 않도록 할 수 있고, 촉매의 플러싱이 가능하도록 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기를 나타낸 도면이다.
도 2a와 도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기의 핀과 촉매 카트리지를 나타낸 도면이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기의 핀과 촉매 카트리지를 나타낸 단면도이다.
도 4a와 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기의 핀과 촉매 카트리지를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기를 나타낸 도면이다.
도 7는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기를 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다. 설명에 앞서 본 발명의 이점 및 특징 및 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니며, 이러한 용어 중 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하는 것이고, 설명 상에 방향을 지칭하는 단어는 설명의 이해를 돕기 위한 것으로 시점에 따라 변경 가능함을 주지하는 바이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 수소 액화용 열교환기(100)는 코어(core; 10), 수소 유입부(11), 수소 배출부(12), 촉매 유입부(15), 상부 핀(20a), 하부 핀(20b), 및 촉매 카트리지(30)을 포함한다.
코어(10)는 열 교환용 핀이 내부에 구비된다. 코어(10) 내부에서 촉매, 가스, 및 수소가 유동된다. 이들의 유동을 위한 핀(20)이 코어(10) 내부에 구비된다. 코어(10) 내부에는 상부와 하부에 각각 상부 핀(20a)과 하부 핀(20b)이 구비된다. 도 1에는 간단히 도시하기 위하여 상부 핀(20a)과 하부 핀(20b)이 비어있는 것처럼 도시하였지만, 도 2a와 도 2b에 도시된 바와 같은 핀이 구비된다.
상부 및 하부 핀(20a, 20b)은 코어(10) 내부에서 상부와 하부에 각각 구비된다. 상부 핀(20a)과 하부 핀(20b)은 도 2a와 도 2b, 도 3a 및 도 4a에 도시된다. 도 2a와 도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기의 핀과 촉매 카트리지를 나타낸 도면이다. 도 3a와 도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기의 핀과 촉매 카트리지를 나타낸 단면도이고, 도 4a와 도 4b는 사시도이다.
상부 및 하부 핀(20a, 20b)은 도 2a와 도 2b, 도 3a 및 도 4a를 참조하면, 일반적인 판-핀형 열교환기(PFHE; Plate Fin Heat Exchanger)의 핀과 같이 형상이다. 이러한 형상으로 인해, 표면 반응 면적 및 열교환 표면적이 최대화된다. 상부 및 하부 핀(20a, 20b)은 코어(10) 내부에서 수소 유입부(11)와 수소 배출부(12)를 따라 길게 형성된다.
수소 유입부(11)는 코어(10)의 상부에 구비된다. 수소 유입부(11)로는 열교환을 위한 수소가 유입된다. 본 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기(100) 내부에서는 유입되는 수소로 인해 열교환이 이루어진다. 수소로 인한 열교환을 위해서 하기되는 촉매 유입부(15)를 통해 촉매가 유입된다.
수소 유출부(12)는 코어(10)의 하부에 구비된다. 수소 유출부(12)로는 촉매를 위해 유입되었던 수소를 배출시키기 위한 부분이다. 수소 유출부(12)는 열교환을 위해 사용된 수소를 배출시킨다. 수소 유출부(12)의 상세한 형태는 도 5를 참조하여 좀 더 상세히 하기한다.
촉매 유입부(15)는 코어(10)의 상부에 구비된다. 촉매 유입부(15)로는 수소 유입부(11)로 유입되는 수소의 액화를 위한 촉매와 함께 가스가 유입된다. 촉매 유입부(15)는 플랜지(flange)와 볼트로 체결되는 맨홀(manhole)을 설치할 수 있다. 이러한 맨홀로 인해, 내부 상태를 용이하게 확인할 수 있고, 열교환기(100)의 유지 및 보수 시, 맨홀을 열어 용이하게 유지 및 보수가 가능하다. 이러한 맨홀의 설치는 열교환기(100)의 하부에도 동일하게 구비될 수 있다.
촉매 유입부(15)는 수소 유입부(11)로 유입되는 오르토수소(ortho-hydrogen)를 파라수소(para-hydrogen)로 변환하기 위한 촉매, 예컨대 수산화철(Fe(OH)3; Hydrous ferric oxide)이 유입된다. 촉매는 분말 타입으로, 촉매 유입부(15)로 촉매를 유입시킬 시, 한 쪽으로 쏠릴 수도 있고, 촉매 카트리지(30) 내부에서 골고루 채워지지 않을 수도 있다. 따라서, 촉매의 유입이 용이하도록 질소 가스(N2)가 함께 유입된다. 질소 가스로 인해, 촉매가 코어(10) 내부에서 용이하게 분배될 수 있다. 촉매 유입부(15)로 유입되는 촉매와 가스는 하부 핀(20b) 높이까지 충진된다. 촉매 및 가스가 너무 많이 유입되면, 코어(10) 내부에서 압이 높아지게 되고, 너무 적게 유입되면, 촉매의 역할을 할 수 없으므로, 적절한 양만큼 유입될 수 있도록 조절한다. 이러한 촉매 유입부(15)의 상세한 형태는 도 5를 참조하여 좀 더 상세히 하기한다.
촉매 카트리지(30)는 코어(10) 내부에서 상부 핀(20a)과 하부 핀(20b) 사이에 형성되는 공간이다. 촉매 유입부(15)로 유입되는 촉매와 질소 가스는 촉매 카트리지(30)로 유입된다. 즉, 공간으로 형성되는 촉매 카트리지(30)에서 촉매 유입부(15)를 통해 유입되는 촉매와 질소 가스에 의해, 수소 유입부(11)로 유입되는 수소의 액화가 이루어진다. 촉매 카트리지(30)의 형상에 따른 실시예들은 하기한다.
필터링부는 하부 필터링부(80a)와 상부 필터링부(80b)로 구성된다. 하부 필터링부(80a)는 코어(10) 하부에 탈착 가능하게 필터가 구비된다. 하부 필터링부(80a)는 촉매와 함께 유입되는 질소 가스의 배출을 위해 구비된다. 상부 필터링부(80b)는 코어(10) 상부에 구비된다. 하부 필터링부(80a)에 대한 설명의 상세한 형태는 도 5를 참조하여 좀 더 상세히 하기한다.
제1 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기(100)에 대하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 제1 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기(100)는 전술한 형태에서 촉매 유입부, 촉매 카트리지(30), 및 필터 부분의 형태를 좀 더 상세히 도시하여 설명한다.
촉매 유입부에는 이젝터(ejector; 70)가 구비된다. 이젝터는 제1 유입구(71)와 제2 유입구(72)를 포함한다. 제1 유입구(71)로는 촉매가 유입되고, 제2 유입구(72)로는 가스가 유입된다. 제2 유입구(72)를 통해 유입되는 질소 가스는 제1 유입구(71)로 유입되는 촉매가 코어(10) 내부로 용이하게 유입되고, 분배될 수 있도록 한다.
촉매는 사용된 이후 교체가 될 수 있는데, 촉매의 완전 교체 시, 가스 배출구(12) 및 하부 필터링부(80a)로 인해 촉매 및 가스가 배출되면, 이젝터(70)를 통해 촉매 및 가스가 충진될 수 있다. 촉매가 충진되면, 가스는 하부 필터링부(80a)를 통해 배출될 수 있다. 촉매의 일부 교체 시, 제1 유입구(71)로 촉매를 유입시키고 제2 유입구(72)로 질소 가스를 유입시키면서, 하부 필터링부(80a)의 필터(81)를 제거하여 가스를 플러싱(flushing)함으로써 촉매의 교체가 이루어질 수 있다.
촉매 카트리지(30)는 전술한 상부 및 하부 핀(20a, 20b)과 유사하지만, 피치가 더 넓게 형성된 제1 촉매 분배 수단(40)을 포함한다. 제1 촉매 분배 수단(40)은 핀부(41)와 개구부(43)를 포함한다. 핀부(41)는 도 2a와 도 2b, 도 3b와 도 4b에 도시된 바와 같이, 상부 및 하부 핀(20a, 20b)의 피치(d)보다 상대적으로 피치(D)가 넓게 구비된다. 개구부(43)는 핀부(41)의 각 핀에서 형성된다. 넓은 피치(D)로 구비되는 핀부(41)와 각 핀에 형성되는 개구부(43)로 인해, 촉매 카트리지(30) 내에서 촉매는 골고루 분배될 수 있다. 즉, 촉매 카트리지(30) 내부에서 한 쪽으로 쏠리는 등의 문제가 없이, 함께 유입되는 가스에 의해 개구부(43)를 통해 핀부(41) 사이에 골고루 분배될 수 있다. 한편, 개구부(43)의 형상은 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
하부 필터링부(80a)는 필터(81), 다공성 파이프(83), 및 메시(mesh; 85)를 포함한다. 필터(81)는 코어(10) 하부에서 탈착 가능하게 구비된다. 필터(81)에 의해 촉매 유입 시 함께 유입되는 가스가 배출 될 수 있고, 촉매의 교체 시, 가스를 플러싱할 수도 있다. 다공성 파이프(83)는 하부 핀(20b)과 필터(81) 사이에 구비되고, 수소 배출부(12) 보다 큰 직경을 가진다. 메쉬(85)는 다공성 파이프(83)를 둘러서 구비된다. 다공성 파이프(83)와 메쉬(85)를 통해, 가스의 배출이 용이하도록 하고, 가스 배출 시 촉매가 빠져나가지 않도록 한다.
상부 필터링부(80b)는 전술한 하부 필터링부(80a)와 마찬가지로 다공성 파이프(83)와 메시(85)를 포함한다. 하부 및 상부 필터링부(80a, 80b)로 인해, 코어(10) 내부에서 압력이 높아지지 않도록 조절할 수 있다.
하부 필터링부(80a)는 촉매의 완전 교체 시, 필터(81)를 제거하여 촉매가 모두 빠지도록 한 뒤, 이젝터(70)를 통해 다시 촉매와 가스가 유입되도록 한다. 촉매의 일부 교체 시, 이젝터(70)를 통해 가스를 유입시키고, 필터(81)를 통해 가스를 배출시키면서, 플러싱한다.
제2 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기(100')에 대하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기를 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 제2 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기(100')는 전술한 형태에서 촉매 카트리지(30')의 형태를 변형하였다.
촉매 카트리지(30')는 제2 촉매 분배 수단(50)을 포함한다. 제2 촉매 분배 수단(50)은 복수 개의 바(bar; 51)를 포함한다. 바(51)는 상부 핀(20a)과 하부 핀(20b) 사이의 공간인 촉매 카트리지(30')에 구비되고, 상부 핀(20a)과 하부 핀(20b) 사이 사이에서 일정한 간격을 두고 복수 개가 구비된다. 전술한 촉매 카트리지(30)와 같이, 빈 공간으로 구비될 경우, 상부 핀(20a)이 처지는 등의 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 제2 실시예에 따른 열교환기(100')의 촉매 카트리지(30')는 복수 개의 바(51)를 구비하여, 상부 핀(20a)이 처지지 않도록 한다. 제2 촉매 분배 수단(50)에 의해, 상부 핀(20a)이 지지되고, 촉매 카트리지(30') 내에서 촉매가 골고루 분배될 수 있다.
제3 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기(100")에 대하여 설명한다. 도 7는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기를 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 제3 실시예에 따른 수소 액화용 열교환기(100")는 전술한 형태에서 촉매 카트리지(30")의 형태를 변형하였다.
촉매 카트리지(30")는 사이드 바(60)를 더 포함한다. 사이드 바(60)는 촉매 카트리지(30") 내부에서 상부 핀(20a)과 하부핀(20b) 사이를 지지하되, 양쪽 가장자리 부분을 지지한다. 사이드 바(60)를 통해 상부 핀(20a)이 처지지 않고 지지되고, 촉매 카트리지(30") 내에서 촉매가 골고루 분배될 수 있다.
상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.
100, 100', 100"; 수소 액화용 열교환기
10; 코어
11; 수소 유입부
12; 수소 유출부
15; 촉매 유입부
20; 핀
30; 촉매 카트리지
40, 50; 촉매 분배 수단
41; 핀부
43; 개구부
51, 60; 바
70; 이젝터
71, 72; 유입구
80; 필터링부
81; 필터
83; 다공성 파이프
85; 메시

Claims (6)

  1. 열 교환용 핀(fin)이 내부에서 상부와 하부에 각각 구비되는 코어(core);
    상기 코어의 상부 및 하부에 구비되어 수소가 유입 및 배출되는 수소 유입부 및 수소 배출부;
    상기 코어의 상부에 구비되어 상기 유입되는 수소의 액화를 위한 촉매와 함께 가스가 유입되는 촉매 유입부; 및
    상기 코어 내부에서 상부 핀과 하부 핀 사이에 공간을 형성하여, 상기 촉매를 통해 상기 유입되는 수소를 액화시키는 촉매 카트리지;를 포함하고,
    상기 촉매 유입부로 유입되는 촉매와 가스는 상기 하부 핀 높이까지 충진되며, 상기 수소 유입부로 유입되는 수소가 상기 촉매 카트리지에서 액화되어, 상기 코어 내부에서 열교환과 함께 수소의 액화 공정이 수행되고,
    상기 촉매 카트리지는,
    상기 핀의 피치보다 상대적으로 피치가 넓게 구비되는 핀부와,
    상기 핀부의 각 핀에 형성되는 개구부,를 포함하는 제1 촉매 분배 수단을 더 포함하고,
    상기 제1 촉매 분배 수단에 의해 상기 촉매 카트리지 내에서 상기 촉매가 골고루 분배되며,
    상기 개구부는 유체의 유동 방향과 수직 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 액화용 열교환기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 촉매 유입부 상에 구비되고, 상기 촉매가 유입되는 제1 유입구와, 상기 가스가 유입되는 제2 유입구를 포함하는 이젝터(ejector)를 더 포함하며,
    상기 이젝터를 통해 상기 촉매의 유입 및 분배가 용이하도록 가스를 유입시키고,
    상기 촉매의 완전 교체 시, 상기 제1 유입구로 촉매를 충진시킬 수 있으며,
    상기 촉매의 일부 교체 시, 상기 제2 유입구로 가스를 유입시켜 상기 촉매 카트리지 내의 가스를 배출시키는 것을 특징으로 하는 수소 액화용 열교환기.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 코어 하부에 탈착 가능하게 구비되는 필터, 상기 하부 핀과 필터 사이 및 상기 상부 핀과 촉매 유입부 사이에 각각 구비되고 상기 수소 배출부보다 큰 직경을 가지는 제1 및 제2 다공성 파이프, 및 상기 제1 및 제2 다공성 파이프를 둘러서 구비되는 제1 및 제2 메시(mesh)를 포함하는 상부 및 하부 필터링부를 더 포함하고,
    상기 상부 및 하부 필터링부는, 상기 코어 내부에서 압이 걸리지 않도록 하고,
    상기 촉매와 함께 유입되는 가스의 배출 시, 상기 촉매가 상기 코어 내부에 남을 수 있으며,
    상기 촉매 교체 시, 플러싱(flushing)이 가능한 것을 특징으로 하는 수소 액화용 열교환기.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023096040A1 (ko) * 2021-11-25 2023-06-01 한국기계연구원 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100228590B1 (ko) * 1995-10-03 1999-11-01 마쉬 윌리엄 에프 적당한 순도를 가진 산소의 제조방법 및 제조장치
KR100372739B1 (ko) 1999-12-28 2003-02-17 한국에너지기술연구원 핀형 촉매연소식 열교환기
JP2015017787A (ja) * 2013-07-12 2015-01-29 川崎重工業株式会社 熱交換器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100228590B1 (ko) * 1995-10-03 1999-11-01 마쉬 윌리엄 에프 적당한 순도를 가진 산소의 제조방법 및 제조장치
KR100372739B1 (ko) 1999-12-28 2003-02-17 한국에너지기술연구원 핀형 촉매연소식 열교환기
JP2015017787A (ja) * 2013-07-12 2015-01-29 川崎重工業株式会社 熱交換器

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023096040A1 (ko) * 2021-11-25 2023-06-01 한국기계연구원 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기
KR20230077473A (ko) 2021-11-25 2023-06-01 한국기계연구원 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기
KR102603025B1 (ko) * 2021-11-25 2023-11-16 한국기계연구원 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기

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