KR102282181B1 - 직냉식 액화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직냉식 액화장치에 관한 것으로, 중공의 통 형상을 이루고, 내부에 수용 공간을 형성하며, 상판이 결합되어 내외부가 밀폐되는 하우징, 내벽과 외벽의 이중 구조를 이루면서 상기 하우징 내부에 배치되고, 일단이 상기 상판에 고정 결합되면서 외부로 피드 가스 공급관을 제공하고 타단이 상기 내벽과 외벽 사이의 내부 공간으로 연장된 냉각관과, 일단이 외부로 노출되면서 상기 상판에 고정 결합되고 타단이 상기 내부 공간으로 연장되어 냉매를 공급하는 냉매 공급관을 구비하여, 상기 냉각관을 따라 유입되는 기체를 냉각하는 냉각 수조, 일단이 외부로 노출되면서 상기 상판에 고정 결합되는 극저온 냉동기와 상기 하우징 내부의 상기 극저온 냉동기 타단에 결합되는 열교환기로 이루어져, 상기 냉각관을 따라 흐르면서 냉각된 기체를 상기 열교환기로 공급받아 냉각하는 예냉모듈, 일단이 외부로 노출되면서 상기 상판에 고정 결합되는 다수의 극저온 냉동기, 상기 하우징 내부의 다수의 상기 극저온 냉동기 타단에 결합되어 다수의 상기 극저온 냉동기를 병렬 병합하는 제 1 냉각판, 일단이 상기 제 1 냉각판에 결합되는 열교환기 및 상기 열교환기의 타단에 결합되는 제 2 냉각판을 포함하여, 상기 예냉모듈에서 냉각된 기체를 공급받아 액화시키는 액화모듈, 및, 상기 제 2 냉각판에 연결되어 상기 액화모듈에서 액화된 액체를 공급받아 저장하고, 저장된 액체를 외부로 추출하는 액체 추출관을 구비하는 저장탱크를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

직냉식 액화장치{Gas liquefaction apparatus}
본 발명은 직냉식 액화장치에 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 재생 가능한 에너지원으로 분류할 수 있다.
수소를 에너지원으로 사용하기 위해서는 이송의 간편성과 저장의 용이성이 보장되어야 하는 데, 이를 위해서는 고밀도화를 통해 부피를 축소시키는 것이 필요하다. 공지된 수소의 부피를 축소시켜 저장하는 방법 중 에너지 저장 밀도가 가장 큰 것은 수소를 액화시켜 액체수소 형태로 저장하는 방법이다.
기체 수소를 액화시키는 방법으로 Linde-Hampson 사이클, Claude 사이클 등이 알려져 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 최근에는 극저온 냉동기를 이용한 소형 수소 액화 장치에 관한 연구가 수행되고 있는바, 극저온 냉동기의 효율 증대로 기체 수소를 수소 액화 온도인 20K 이하로 보다 용이하게 냉각하는 것이 가능하게 되었다.
수소 에너지의 활용성을 증대시키기 위해서는 극저온 냉동기를 이용한 수소 액화 장치의 성능과 안정성을 개선하기 위한 다양한 방안들이 요구된다. 일 예로, 한국등록특허 10-1756181호는 극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템을 소개하고 있다. 상기 종래의 수소 액화시스템은 2개 이상의 극저온 냉동기를 직렬로 연결하여 시간당 액화 용량을 증대시키는 효과를 나타내도록 구성된다.
그러나 상기 종래의 수소 액화시스템은 복수의 극저온 냉동기가 직렬로만 연결되어 수소를 액화시키는 최종 단계의 n차 극저온 냉동기에서 수소를 액화 처리하는 용량에 한계가 있으므로, 전체 액화시스템에서의 액화 용량에 한계를 나타내고 있다. 또한, 종래의 수소 액화시스템은 액화된 수소가 용기 본체에 보관되어 액화된 수소가 다시 기화되는 것을 효율적으로 방지하지 못하는 단점이 있다. 또한, 종래의 수소 액화시스템은 초기의 냉각 열을 이용하지 못하고, 외부에서 복사되는 열을 효율적으로 차폐하지 못하여 액화의 효율을 극대화하지 못하는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 복수의 극저온 냉동기를 직렬 또는 병렬 연결하여 액화 용량을 증대시킬 수 있는 직냉식 액화장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 내부의 냉각 열을 이용하고 외부에서 유입되는 열을 차단하여 액화 효율을 극대화할 수 있는 직냉식 액화장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 구조를 단순화하고, 저 비용으로 구현할 수 있으며, 유지 보수가 용이한 직냉식 액화장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 직냉식 액화장치는, 중공의 통 형상을 이루고, 내부에 수용 공간을 형성하며, 상판이 결합되어 내외부가 밀폐되는 하우징, 내벽과 외벽의 이중 구조를 이루면서 상기 하우징 내부에 배치되고, 일단이 상기 상판에 고정 결합되면서 외부로 피드 가스 공급관을 제공하고 타단이 상기 내벽과 외벽 사이의 내부 공간으로 연장된 냉각관과, 일단이 외부로 노출되면서 상기 상판에 고정 결합되고 타단이 상기 내부 공간으로 연장되어 냉매를 공급하는 냉매 공급관을 구비하여, 상기 냉각관을 따라 유입되는 기체를 냉각하는 냉각 수조, 일단이 외부로 노출되면서 상기 상판에 고정 결합되는 극저온 냉동기와 상기 하우징 내부의 상기 극저온 냉동기 타단에 결합되는 열교환기로 이루어져, 상기 냉각관을 따라 흐르면서 냉각된 기체를 상기 열교환기로 공급받아 냉각하는 예냉모듈, 일단이 외부로 노출되면서 상기 상판에 고정 결합되는 다수의 극저온 냉동기, 상기 하우징 내부의 다수의 상기 극저온 냉동기 타단에 결합되어 다수의 상기 극저온 냉동기를 병렬 병합하는 제 1 냉각판, 일단이 상기 제 1 냉각판에 결합되는 열교환기 및 상기 열교환기의 타단에 결합되는 제 2 냉각판을 포함하여, 상기 예냉모듈에서 냉각된 기체를 공급받아 액화시키는 액화모듈, 및, 상기 제 2 냉각판에 연결되어 상기 액화모듈에서 액화된 액체를 공급받아 저장하고, 저장된 액체를 외부로 추출하는 액체 추출관을 구비하는 저장탱크를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 냉각 수조 전단계의 상기 피드 가스 공급관에 결합되고 증발 가스 배출관으로 상기 냉각 수조에 연결되어, 상기 냉각 수조에서 증발된 냉매의 냉열을 이용하여 상기 피드 가스 공급관으로 공급되는 기체를 냉각하는 열교환기;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 예냉모듈 또는 상기 액화모듈은, 상기 열교환기에 냉매를 공급하는 보조 냉매관;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 저장탱크는, 탱크 내부에서 기화된 기체를 상기 액화모듈의 열교환기로 공급하는 회수관을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 냉각 수조는, 타원, 트랙 또는 다면체 형상을 이루고, 상기 냉각관은 상기 내벽을 따라 감기면서 상기 냉각 수조 내부 공간으로 연장되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 본 발명은 복수의 극저온 냉동기가 직렬 또는 병렬 연결되어 냉각 효율을 극대화시킴으로써 액화 용량을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 외부로부터의 열침투를 최소화하고, 내부의 냉열을 재활용함으로써, 액화 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 구조가 단순화되어 운영 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 액화장치를 나타낸 사시도,
도 2는 도 1의 액화장치를 나타낸 분해 사시도,
도 3은 도 1의 액화장치의 하우징 내부를 나타낸 사시도,
도 4는 도 1의 액화장치의 냉각 수조 내측을 나타낸 사시도,
도 5는 도 1의 액화장치의 주요 구성을 나타낸 정면도,
도 6은 본 실시예에 따른 액화장치에서 이루어지는 수소 액화 과정의 일 예를 나타낸 블록도.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.
후술되는, 본 실시예의 차이는 상호 배타적이지 않은 사항으로 이해되어야 한다. 즉 본 발명의 기술 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은, 일 실시예에 관련하여 다른 실시예로 구현될 수 있으며, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 변경될 수 있음이 이해되어야 하며, 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이, 면적 및 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 본 실시예의 설명에 있어서, 1, 2, 전, 후, 등과 같은 표현은 서로 상대적인 순서나 위치, 방향 등을 나타내는 것으로 그 기술적 의미가 반드시 사전적 의미에 구속되지는 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 액화장치를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 실시예의 액화장치를 나타낸 분해 사시도이며, 도 3은 본 실시예의 액화장치의 하우징 내부를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 실시예의 액화장치의 냉각 수조 내측을 나타낸 사시도이며, 도 5는 도 1의 액화장치의 주요 구성을 나타낸 정면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 액화장치는 하우징(100)과, 하우징(100) 내부에 설치되어 공급되는 기체를 1차 냉각하는 냉각 수조(200)와, 1차 냉각된 기체를 2차 냉각하는 예냉모듈(300)과, 2차 냉각된 기체를 액체 상태로 상변화시키는 액화모듈(400)과, 상변화된 액체를 저장하는 저장탱크(500)를 포함한다. 냉각 수조(200), 예냉모듈(300), 액화모듈(400) 및 저장탱크(500)는 기체 또는 액체 상태의 유체가 흐르는 이동관(L1,L2,L3)을 매개로 순차적으로 연결된다. 이하, 본 실시예에서는 수소 가스(GH2)를 액화대상으로 하는 직냉식 수소액화장치를 일 예로 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 하우징(100)은 수소액화장치의 외부 케이스로서, 소정의 직경과 높이를 이루면서 내부가 빈 중공의 통 형상을 이루며, 내부에 냉각 수조(200), 예냉모듈(300), 액화모듈(400) 및 저장탱크(500)를 수용한다. 하우징(100)은 타원, 트랙 또는 다면체 형상 등 상기 구성들이 효율적으로 배치되기 위한 다양한 형상을 이룰 수 있다.
하우징(100)의 상부와 하부는 상판(110)과 하판(120)이 결합되어 내부를 외부로부터 밀봉한다.
상판(110)은 하우징(100)의 상부에 결합되며, 액화 대상인 기체 수소(GH2)가 공급되는 피드 가스(Feed Gas) 공급관(251), 냉매인 액체 질소(LN2)가 공급되는 냉매 공급관(240), 증발된 질소 가스(GN2)가 배출되는 증발 가스 배출관(252), 액화된 수소(LH2)를 추출하는 액체 추출관(510)이 결합되면서 각 공급관, 배출관 또는 추출관을 외부로 노출시킨다. 또한, 상판(110)은 하우징(100) 및 저장탱크(500) 내부를 진공화하기 위하여 진공 펌프(미도시) 등이 결합되는 진공 모듈 결합관(111)이 구비된다. 상판(110)의 상부에는 각종 구성들을 보호하기 위한 보호 캡이 결합될 수 있다.
하판(120)은 하우징(100)의 하부에 결합되며, 하측에는 수소액화장치를 쉽게 이동시키기 위한 캐스터(121, caster) 등이 구비될 수 있다.
하우징(100), 상판(110) 및 하판(120)은 수소액화장치의 본체를 형성하며, 내외부의 열을 효율적으로 차단하면서 고진공을 견딜 수 있는 강도를 가지는 금속, 금속의 합금 또는 비금속 소재로 구성된다.
냉각 수조(200, cooling pool)는 외부에서 공급되는 기체 수소(GH2)를 1차 냉각하는 구성이다. 통상적으로 수소액화장치에 공급되는 기체 수소(GH2)는 상온 상태인 300K로 공급된다. 상온 상태의 기체 수소(GH2)는 냉각 수조(200)를 통과하면서 열교환이 이루어지고, 냉매의 온도 부근까지 1차 냉각이 이루어진다.
냉각 수조(200)는 내벽(210)과 외벽(220)의 이중 구조로서 그 사이의 내부 공간이 밀폐되는 풀 구조를 이루며, 내벽(210)과 외벽(220) 사이의 공간에 냉매가 채워진다. 냉매로는 액화 질소(LN2)가 이용되며, 이때, 냉각 수조(200)는 액화 질소 풀(LN2 pool)로 구성된다. 냉매는 이에 한정되지 않고 공급되는 액화 대상의 기체 온도보다 낮고 기체의 액화점 이상의 다양한 종류의 pre-cooling 물질로서 액화천연가스(LNG), N2, CH4, C3H6, Ne 등과 이들의 혼합물이 적용될 수 있다. 또한, 냉각 수조(200)는 냉매의 종류에 따라 액화천연가스 풀(LNG pool) 등 다양한 종류의 수조로 구성될 수 있다.
또한, 냉각 수조(200)는 소정의 높이와 직경을 갖는 통 형상을 이루며, 하우징(100) 보다 작은 높이와 직경의 타원, 트랙 또는 다면체 형상 등 다양한 형상을 이룰 수 있다. 냉각 수조(200)는 다수의 연결핀(201)을 매개로 하우징(100)의 상판(110)에 결합되어 고정되고, 하부에는 외부로부터의 충격을 완충시키기 위한 다수의 완충 부재(202)가 구비될 수 있다.
냉각 수조(200)는 내부 공간에 액화 대상의 기체가 흐를 수 있도록 하는 냉각관(230)이 배치된다. 냉각관(230)은 일단이 외부의 피드 가스 공급관(251)과 연결되고, 타단이 냉각 수조(200) 내부에서 소정의 길이로 연장된다. 냉각관(230)은 내관과 외관의 이중관 구조를 이루며, 냉각 수조(200) 외부의 일단부에서 내관을 따라 기체 수소(GH2)가 유입되고, 기체 수소(GH2)는 냉각 수조(200) 내부의 끝단부에서 다시 외관을 따라 흐르면서 액체 질소(LN2)와 열교환이 이루어져 1차 냉각된다. 1차 냉각된 기체 수소(GH2)는 냉각 수조(200) 외부의 제 1 이동관(L1)으로 배출되면서 예냉모듈(300)로 공급된다. 냉각관(230)은 열교환이 효율적으로 이루어지고 냉각 효율이 최대가 될 수 있도록, 냉각 수조(200)의 내벽(210)을 따라 수회 감기도록 설치된다.
냉각 수조(200)의 일 측에는 하우징(100)의 상판(110)을 관통하면서 액체 질소(LN2)가 공급되는 냉매 공급관(240)이 연결된다. 냉매 공급관(240)은 상단부가 상판(110) 외부로 노출되어 게이지(241)가 결합되고, 하단부의 냉매 토출구(242)는 냉각 수조(200) 내부에 위치한다. 액체 질소(LN2)는 냉각관(230)이 충분히 잠기도록 채워질 수 있으며, 냉각 수조(200) 일 측에는 액체 질소(LN2)가 채워진 량을 감지하는 수위 감지센서(243)가 구비된다. 냉매 공급관(240)은 수위 감지센서(243)에서 감지되는 수위량에 따라 솔레노이드 밸브가 구동되어 미리 설정된 양의 액체 질소(LN2)가 유지되도록 질소 공급을 제어한다.
본 실시예의 냉각 수조(200)는 열교환기(250)를 더 구비한다. 열교환기(250)는 냉각 수조(200) 외부 또는 하우징(100) 외부에 설치될 수 있다. 또한, 열교환기(250)는 내부에 액화를 위한 피드 가스 공급관(251)을 관통시키고, 외부에는 증발 가스 배출관(252)이 연결되어 냉각 수조(200)로부터 증발된 질소 가스(GN2)를 공급받는다. 열교환기(250)는 냉각 수조(200) 내에서 증발되는 질소 가스(GN2)와 피드 가스 공급관(251)으로 유입되는 기체 수소(GH2)가 열교환이 이루어지도록 하여 초기 공급되는 기체 수소를 미리 냉각한다.
냉각 수조(200)에 채워진 액화 질소(LN2)는 냉각관(230)의 기체 수소(GH2)에 냉열을 제공하면서 일부가 가스 형태로 증발한다(BOG : Boiled Off Gas). 증발된 질소 가스(GN2)는 냉열 일부를 잃었지만, 초기 공급되는 기체 수소(GH2)보다는 낮은 온도를 유지한다. 따라서 본 실시예에서는 냉각 수조(200) 내부에서 증발되는 질소 가스(GN2)의 냉열을 이용하여 기체 수소(GH2)를 냉각 수조(200)로 공급되기 전 미리 냉각하는데 사용함으로써, 냉각 수조(200)로 공급되는 기체 수소(GH2)의 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 열교환기(250)는 상온보다 낮은 온도 상태를 유지해야 하므로 적절한 단열부재가 적용될 수 있다.
본 실시예의 냉각 수조(200)는 냉매 공급관(240)을 통하여 78K의 액체 질소(LN2)가 공급되고, 피드 가스 공급관(251)을 통하여 상온 상태인 300K의 기체 수소(GH2)가 공급된다. 따라서, 냉각 수조(200)를 통하여 300K의 기체 수소(GH2)는 78K의 기체 수소(GH2)로 1차 냉각된다.
또한, 본 실시예의 냉각 수조(200)는 외부로부터의 열 침투를 차단하여, 내부 공간에 배치되는 예냉모듈(300), 액화모듈(400), 저장탱크(500) 및 다수의 유체관(L1,L2,L3,L4)을 포함하는 각 구성들을 외부 열로부터 보호한다. 따라서, 본 실시예의 냉각 수조(200)는 기체 수소(GH2)를 1차 냉각시키는 기능을 수행함과 동시에 외부에서 침투되는 열을 차단하는 차폐 수조로 기능한다.
예냉모듈(300)은 냉각 수조(200)를 통하여 1차 냉각된 약 78K의 기체 수소(GH2)를 2차 냉각한다. 예냉모듈(300)은 상단부가 하우징(100) 외부로 노출되면서 플랜지를 매개로 상판(110)에 고정 결합되는 극저온 냉동기(310)와, 극저온 냉동기(310) 하단부의 콜드 헤드(cold head)에 결합되는 열교환기(320)를 포함한다. 열교환기(320)는 냉각 수조(200)의 냉각관(230)과 제 1 이동관(L1)으로 연결되어 1차 냉각된 기체 수소(GH2)를 공급받는다. 열교환기(320)는 내부에 히트 파이프가 구비되고, 히트 파이프는 열전달 효율을 향상시키기 위하여 표면적을 향상시키는 다양한 소재, 형상 또는 구조의 전열 수단이 적용될 수 있다.
극저온 냉동기(310)는 피드 가스인 기체 수소(GH2) 액화점까지 온도를 낮추어 콜드 헤드의 열교환기(320)에 전달하고, 열교환기(320)는 극저온 냉동기(310)에서 전달받은 냉열을 이용하여 기체 수소(GH2)를 냉각한다. 냉각 수조(200)에서 1차 냉각된 78K의 기체 수소(GH2)는 극저온 냉동기(310)의 열교환기(320)를 통과하면서 78K 내지 20K로 냉각되며, 본 실시예에서는 40K로 냉각되도록 시스템이 구성된다. 극저온 냉동기(310)에서 40K로 냉각된 기체 수소(GH2)는 제 2 이동관(L2)을 통하여 액화모듈(400)의 열교환기(420)로 공급된다.
한편, 예냉모듈(300)은 열교환기(320)에 냉매를 공급하는 보조 냉매관(330)을 더 포함할 수 있다. 보조 냉매관(330)은 하우징(100) 외부로부터 상판(100)에 고정 결합되면서 열교환기(320)에 연결되어, 극저온 냉동기(310)의 콜드 헤드에서 생성되는 냉열을 효과적으로 전달하기 위하여 열교환기(320)에 직접 냉매를 공급한다.
액화모듈(400)은 기체 수소(GH2)를 액화시키는 구성으로, 냉각 수조(200) 및 예냉모듈(300)을 거치면서 78K 내지 20K로 냉각된 기체 상태의 수소(GH2)를 수소의 액화점인 20.3K@1atm 이하의 온도로 냉각하여 액체 상태의 수소(LH2)로 상변화시킨다. 액화모듈(400)은 다수의 극저온 냉동기(410, Cryocooler)를 포함하며, 본 실시예의 액화모듈(400)은 3개의 극저온 냉동기(410)로 구성된다. 3개의 극저온 냉동기(410)는 상단부가 하우징(100) 외부로 노출되면서 플랜지를 매개로 상판(110)에 고정 결합되고, 하단부의 콜드 헤드에는 열교환기(420)가 결합되되, 열교환기(420)는 제 1 냉각판(Cooling Plate, 430)을 매개로 결합된다. 또한, 열교환기(420)의 하단부에는 제 2 냉각판(440)이 결합된다.
액화모듈(400)에 있어서 3개의 극저온 냉동기(410)는 서로 나란하게 배치되고, 제 1 냉각판(430)은 3개의 극저온 냉동기(410)를 하나로 연결하면서 결합된다. 즉, 3개의 극저온 냉동기(410)는 하나의 제 1 냉각판(430)에 의하여 병렬 구조로 연결된다. 병렬 구조의 극저온 냉동기(410)는 냉각 표면적을 확장시켜 액화 용량을 향상시킬 수 있다. 또한, 3개의 극저온 냉동기(410) 각각은 냉열을 발생시키는 온도가 미세하게 차이가 날 수 있으나, 제 1 냉각판(430)이 이들을 병렬 병합함으로써, 균일한 냉각 온도를 열교환기(420)에 전달할 수 있다.
열교환기(420)는 일 단부가 제 1 냉각판(430)에 결합되어 제 1 냉각판(430)으로부터 냉열을 전달받아 전단계의 열교환기(320)에서 공급되는 기체 수소(GH2)를 액체 수소(LH2)로 상변화시킨다. 본 실시예에서 액화모듈(400)의 열교환기(420)는 통합된 하나의 열교환기를 예시하였으나, 각 극저온 냉동기(410)에 연결되는 복수의 열교환기로 구성될 수 있을 것이다.
또한, 열교환기(420)에는 하우징(100) 외부에서 직접 냉매를 공급하는 보조 냉매관(미도시)이 더 연결될 수 있다.
제 2 냉각판(440)은 열교환기(420)의 타 단부에 결합되어 열교환기(420)에서 생성된 액화 수소(LH2)를 수집하고, 수집된 액화 수소(LH2)가 저장 탱크(500)로 유입되도록 가이드 한다. 이를 위한 제 2 냉각판(440)은 오목한 볼(bowl) 형상을 이룰 수 있으며, 액화 수소(LH2)는 제 3 이동관(L3)을 통하여 저장탱크(500)로 유입된다.
저장탱크(500)는 액화 수소(LH2)를 저장하는 구성으로, 내외부가 밀폐되면서 소정의 용량을 갖는 탱크로 구성되고, 다수의 고정핀(501)을 매개로 하우징(100)의 상판(110)에 결합되어 고정된다. 저장탱크(500)는 제 2 냉각판(440) 하부에 배치되며, 제 3 이동관(L3)을 매개로 제 2 냉각판(440)에 연결된다. 또한, 저장탱크(500)는 기체 회수관(L4)을 구비하며, 기체 회수관(L4)은 액화모듈(400)의 열교환기(420)에 연결된다. 저장탱크(500)로 저장되는 액체 수소(LH2) 중 일부는 외부의 복사열과 같은 다양한 원인으로 기화될 수 있으므로, 기체 회수관(L4)은 저장탱크(400) 내에서 기화된 수소(GH2)를 액화모듈(400)로 피드백시켜 다시 액화되도록 한다.
또한, 저장탱크(500)는 저장된 액화 수소(LH2)를 추출하기 위한 자동 액체 추출관(510)을 구비하며, 액체 추출관(510)은 상판(110) 외부로 노출되고 상단부에는 솔레노이드 밸브(511)가 결합된다. 또한, 저장탱크(500)는 자동 액체 추출관(510)의 일측에 연결되는 수동 액체 추출관(520)을 더 구비할 수 있다.
또한, 저장탱크(500) 일측에는 저장되는 액화 수소(LH2)의 수위를 감지하는 수위 감지센서(530)가 마련된다. 수위 감지센서(530)는 저장 탱크(500)에 저장되는 액체 수소(LH2)의 양을 감지하여 설정된 양의 액체 수소(LH2)가 저장된 경우 피드 가스 공급관(251)을 통한 기체 수소(GH2) 공급을 차단하도록 하여, 수소 액화 과정이 중단되도록 한다.
저장탱크(500)는 하우징(100) 내부에 배치되는 구성을 예시하였으나, 저장용량이 큰 탱크의 경우 하우징(100) 외부에 배치되는 구성도 가능하다.
한편, 도시되지는 않았지만, 하우징(100) 내부의 일 측에는 히터(Heater)가 더 구비될 수 있다. 하우징(100) 내부는 초기에 진공 상태가 유지되는데, 하우징(100) 내부를 진공 상태로 변환할 때 진공 펌프로만 진공으로 변환하는 경우 한계를 나타낸다. 즉, 하우징(100) 내부에 잔존하는 가스나 불순물과 같은 다른 이물질은 가스 흡착제에 흡착될 수 있다. 이 경우 진공 펌프에 의해서는 가스 흡착제에 흡착된 가스나 불순물이 쉽게 분리되지 않는다. 따라서 히터를 이용하여 내부에 소정의 열을 가하는 경우 가스나 불순물이 외부로 쉽게 빠져나가게 되며, 하우징(100) 내부는 이물질이 제거된 순수한 진공 상태가 유지될 수 있다.
또한, 생산된 액체 수소를 외부로 이송시 저장탱크(500)에 대기압 이상의 압력을 가해야 한다. 이때, 히터는 저장탱크(500) 내부의 액체 수소(LH2) 일부를 기화시켜 내압을 증가시키고, 저장된 액체 수소를 용이하게 토출시킬 수 있도록 한다.
또한, 하우징 내부에는 수소 기체 또는 액화 기체의 이동로를 따라 다수의 O-P 컨버터(ortho-para converter)가 더 구비될 수 있다. O-P 컨버터는 소정의 용기 내부에 ortho-para 변환 촉매가 충진되어 이송관 내부를 흐르는 수소의 ortho-para 변환을 유도한다.
일반적으로 수소 분자는 ortho 수소와 para 수소의 두 가지 분자 구조로 존재하는 데, ortho 수소와 para 수소의 평형 조성은 온도에 따라 달라진다. 상온인 300K에서는 25% para 수소와 75% ortho 수소가 평형을 이루며, 액화 온도인 20K에서는 99.9% para 수소 상태로 변화한다. 그런데, ortho 수소에서 para 수소로의 변환은 발열 반응이고, 수십 시간 내지 수일에 걸쳐 매우 천천히 이루어진다. ortho-para 변환 없이 수소의 온도를 강하시켜 액화시키는 경우, 액화 상태에서 ortho-para 변환이 일어나면서 ortho-para 변환시의 발생열이 증발 잠열보다 커 액화된 수소 일부가 다시 기화될 가능성이 있으므로 저장 안정성이 낮다. 따라서 수소 액화 공정에서는 ortho-para 변환 촉매를 이용하여 온도 강하에 맞추어 ortho-para 변환이 이루어지도록 함으로써 액화 후의 ortho-para 변환 후의 발열량을 제어하게 된다.
도 7은 본 실시예에 따른 액화장치에서 이루어지는 수소 액화 과정의 일 예를 나타낸 블록도이다. 도시된 바와 같이 본 실시예의 액화장치에서는, 기체 수소가 냉각 수조, 예냉모듈 및 액화모듈을 통과하면서 액화 수소로 상변화되는 과정으로 진행된다.
구체적으로 살펴보면, 초기 공급되는 기체 수소(GH2)는 냉각 수조 전단의 열교환기를 통과하면서 예비적으로 냉각되어 냉각 수조 내부의 냉각관으로 공급된다. 상기 열교환기에서는 냉각 수조에서 공급되는 증발 질소(GN2)의 냉열과 기체 수소(GH2) 사이에 열교환(HX1)이 이루어진다. 예비 냉각된 기체 수소(GH2)는 냉각관을 따라 냉각 수조 내부로 공급되어 냉각 수조의 액체 질소(LN2)와 열교환(HX2)이 이루어져 1차 냉각된다. 냉각 수조 내부에서 기체 수소는 약 78K로 냉각된다.
1차 냉각된 78K의 기체 수소(GH2)는 예냉모듈의 열교환기로 공급된다. 상기 열교환기는 극저온 냉공기로부터 40K의 냉열을 전달받아 78K 수소 기체(GH2)와 열교환(HX3)하고, 이때, 수소 기체(GH2)는 약 40K로 2차 냉각된다.
2차 냉각된 40K의 수소 기체(GH2)는 액화모듈의 열교환기로 공급되고, 열교환기는 다수의 극저온 냉동기로부터 20K의 냉열을 전달받아 40K 수소 기체(GH2)를 수소의 액화점인 20.3K@1atm 이하의 온도로 냉각하여 액체 수소(LH2)로 액화시킨다. 액화된 수소는 저장탱크로 수집되며, 저장탱크에서 증발되는 일부 수소 기체(GH2)는 다시 액화모듈의 열교환기로 전송되어 액화된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
100 : 하우징
110 : 상판 120 : 하판
200 : 냉각 수조
210 : 내벽 220 : 외벽
230 : 냉각관 240 : 냉매 공급관
250 : 열교환기 252 : 증발 가스 배출관
300 : 예냉모듈
310 : 극저온 냉동기 320 : 열교환기
330 : 보조 냉매관
400 : 액화모듈
410 : 극저온 냉동기 420 : 열교환기
420 : 제 1 냉각판 430 : 제 2 냉각판
500 : 저장탱크
510 : 자동 액체 추출관 520 : 수동 액체 추출관
L1,L2,L3 : 이동관 L4 : 회수관

Claims (6)

  1. 중공의 통 형상을 이루고, 내부에 수용 공간을 형성하며, 상판이 결합되어 내외부가 밀폐되는 하우징;
    내벽과 외벽의 이중 구조를 이루면서 상기 하우징 내부에 배치되고, 일단이 상기 상판에 고정 결합되면서 외부로 피드 가스 공급관을 제공하고 타단이 상기 내벽과 외벽 사이의 내부 공간으로 연장된 냉각관과, 일단이 외부로 노출되면서 상기 상판에 고정 결합되고 타단이 상기 내부 공간으로 연장되어 냉매를 공급하는 냉매 공급관을 구비하여, 상기 냉각관을 따라 유입되는 기체를 냉각하는 냉각 수조;
    일단이 외부로 노출되면서 상기 상판에 고정 결합되는 극저온 냉동기와 상기 하우징 내부에서 상기 극저온 냉동기 타단에 결합되는 열교환기로 이루어져, 상기 냉각관을 따라 흐르면서 냉각된 기체를 상기 열교환기로 공급받아 냉각하는 예냉모듈;
    일단이 외부로 노출되면서 상기 상판에 고정 결합되는 극저온 냉동기, 상기 하우징 내부에서 상기 극저온 냉동기 타단에 결합되는 제 1 냉각판, 일단이 상기 제 1 냉각판에 결합되는 열교환기 및 상기 열교환기의 타단에 결합되는 제 2 냉각판을 포함하여, 상기 예냉모듈에서 냉각된 기체를 공급받아 액화시키는 액화모듈; 및
    상기 제 2 냉각판에 연결되어 상기 액화모듈에서 액화된 액체를 공급받아 저장하고, 저장된 액체를 외부로 추출하는 액체 추출관을 구비하는 저장탱크;를 포함하고,
    상기 저장탱크는 탱크 내부에서 기화된 기체를 상기 액화모듈의 열교환기로 공급하는 회수관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액화모듈의 상기 극저온 냉동기는 다수개로 구성되고, 상기 제 1 냉각판은 다수의 상기 극저온 냉동기를 병렬 병합하면서 결합되는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 수조 전단계의 상기 피드 가스 공급관에 결합되고 증발 가스 배출관으로 상기 냉각 수조에 연결되어,
    상기 냉각 수조에서 증발된 냉매의 냉열을 이용하여 상기 피드 가스 공급관으로 공급되는 기체를 냉각하는 열교환기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 예냉모듈 또는 상기 액화모듈은,
    상기 열교환기에 냉매를 공급하는 보조 냉매관;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 수조는, 타원, 트랙 또는 다면체 형상을 이루고,
    상기 냉각관은 상기 내벽을 따라 감기면서 상기 냉각 수조 내부 공간으로 연장되는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화장치.
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