KR102359689B1 - 멀티 운용이 가능한 수소 액화 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 극저온 냉동기를 이용하여 수소를 액화시킬 수 있는 수소 액화 장치에 관한 것이다.
상기 수소 액화 장치는, 내부에 수용공간을 갖는 진공 용기; 상기 진공용기 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 기체수소를 공급받아 냉각시키는 1차 극저온 냉동기; 상기 진공용기 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 상기 1차 극저온 냉동기와 연결되는 2차 극저온 냉동기; 상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기와 연결되어, 상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기로 고압의 냉매가스를 공급하는 하나의 압축기; 상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기와, 상기 압축기를 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 제어부는 기체수소를 상기 1차 극저온 냉동기로 공급하여 예비 냉각한 후, 냉각된 기체수소를 상기 2차 극저온 냉동기로 공급하여 액화시키고, 액화수소를 상기 액체수소 저장용기에 저장하도록 제어한다.
이러한 구성에 따르면, 하나의 압축기에 두 대의 극저온 냉동기를 사용하거나, 두 대의 압축기에 두 대 이상의 극저온 냉동기를 서로 연결하여 제어함으로써, 극저온 냉동기 또는 압축기 유닛이 고장 났을 경우에도 전체 시스템을 정지하지 않고 운전이 가능하고, 운전 중에 액체질소의 공급 없이 사용할 수 있고, 무부하 운전 시에 전기를 절감할 수 있는 수소 액화 장치를 제공할 수 있다.
상기 수소 액화 장치는, 내부에 수용공간을 갖는 진공 용기; 상기 진공용기 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 기체수소를 공급받아 냉각시키는 1차 극저온 냉동기; 상기 진공용기 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 상기 1차 극저온 냉동기와 연결되는 2차 극저온 냉동기; 상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기와 연결되어, 상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기로 고압의 냉매가스를 공급하는 하나의 압축기; 상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기와, 상기 압축기를 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 제어부는 기체수소를 상기 1차 극저온 냉동기로 공급하여 예비 냉각한 후, 냉각된 기체수소를 상기 2차 극저온 냉동기로 공급하여 액화시키고, 액화수소를 상기 액체수소 저장용기에 저장하도록 제어한다.
이러한 구성에 따르면, 하나의 압축기에 두 대의 극저온 냉동기를 사용하거나, 두 대의 압축기에 두 대 이상의 극저온 냉동기를 서로 연결하여 제어함으로써, 극저온 냉동기 또는 압축기 유닛이 고장 났을 경우에도 전체 시스템을 정지하지 않고 운전이 가능하고, 운전 중에 액체질소의 공급 없이 사용할 수 있고, 무부하 운전 시에 전기를 절감할 수 있는 수소 액화 장치를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 극저온 냉동기를 이용하여 수소를 액화시킬 수 있는 수소 액화 장치에 관한 것이다.
화석 연료의 과다한 사용으로 인한 대기오염과 지구 온난화를 해결하기 위한 방안으로 최근 국내외에서는 수소 에너지를 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
수소 에너지는 탄화수소계 에너지와 달리, 연소시 이산화탄소의 배출 없이 오로지 물만 발생시키고 물로부터 다시 수소를 얻을 수 있으므로 재생가능한 에너지원으로 분류할 수 있다.
수소를 에너지원으로 사용하기 위해서는 이송의 간편성과 저장의 용이성이 보장되어야 하는데, 이를 위해서는 수소를 액화시켜 액체수소 형태로 저장하는 것이 효율적이다.
기체수소를 액화시키는 방법으로 Linde-Hampson 사이클, Claude 사이클 등이 공지되어 있지만, 이러한 수소 액화 사이클은 액화 효율은 우수하나 대형의 수소 액화 시스템을 필요로 한다.
그런데, 수소 에너지의 용도를 다양화하고 운송에 의한 에너지 손실을 줄이기 위해서는 대형의 수소 액화 시스템으로는 한계가 있고, 현장에서 액화가 가능한 소형의 액화 장치가 필요하다.
이러한 문제를 해결하기 위해 근래에는 극저온 냉동기를 이용한 소형 수소 액화 장치에 관한 연구가 수행되고 있는바, 극저온 냉동기의 성능 개선으로 인해 극저온 냉동기만으로 기체 수소를 수소 액화 온도인 20K 이하로 냉각하는 것이 가능하게 되었기 때문이다.
도 1은 종래의 극저온 냉동기를 이용한 수소 액화 장치를 도시하는 도면이다.
진공챔버(10)의 상부에는 극저온 냉동기(30)가 설치되고, 극저온 냉동기(30)는 압축기 유닛(35)과 연결되어, 압축기 유닛(35)으로부터 헬륨 냉매를 공급받는다.
진공챔버(10) 내에는 예냉기(20)가 위치하여, 액체 질소에 의해 기체 수소를 80K 정도로 예비 냉각시킨다.
기체 수소는 예냉기(20)에서 예비 냉각된 후 극저온 냉동기(30)의 액화열교환기(40)로 공급된다. 기체 수소는 액화열교환기(40)에서 20K까지 냉각되어 액화된 후, 액체수소 저장용기(50)에 저장된다. 저장된 액화수소는 극저온 밸브(60)를 통해 외부로 공급될 수 있다.
종래의 수소 액화 장치는 극저온 냉동기(30) 또는 압축기 유닛(35)이 고장 났을 경우, 부득이하게 전체 시스템을 정지하고 액체수소를 이송해야 하는 문제가 있다.
또한, 종래의 수소 액화 장치는 운전 중에 예냉기(20)로 액체질소를 계속 공급해야 하므로, 액체질소의 공급이 어려운 곳에서는 사용하기가 불편하다.
따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 극저온 냉동기 또는 압축기 유닛이 고장 났을 경우에도 전체 시스템을 정지하지 않고 운전이 가능하고, 운전 중에 액체질소의 공급 없이 사용할 수 있는 수소 액화 장치를 제공하고자 함에 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 수소 액화 장치는, 내부에 수용공간을 갖는 진공 용기; 상기 진공용기 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 기체수소를 공급받아 냉각시키는 1차 극저온 냉동기; 상기 진공용기 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 상기 1차 극저온 냉동기와 연결되는 2차 극저온 냉동기; 상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기와 연결되어, 상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기로 고압의 냉매가스를 공급하는 하나의 압축기; 상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기와, 상기 압축기를 제어하는 제어부; 를 포함한다.
또한, 상기 제어부는 기체수소를 상기 1차 극저온 냉동기로 공급하여 예비 냉각한 후, 냉각된 기체수소를 상기 2차 극저온 냉동기로 공급하여 액화시키고, 액화수소를 상기 액체수소 저장용기에 저장하도록 제어한다.
또한, 상기 제어부는 상기 압축기에서 압축된 냉매가스를 상기 1차 극저온 냉동기 또는 상기 2차 극저온 냉동기에 선택적으로 공급하도록 제어한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 액화 장치는, 내부에 수용공간을 갖는 진공 용기; 상기 진공용기 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 기체수소를 공급받아 냉각시키는 1차 극저온 냉동기; 상기 진공용기 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 상기 1차 극저온 냉동기와 연결되는 2차 극저온 냉동기; 상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기와 연결되어, 고압의 냉매가스를 공급하는 제1 압축기; 상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기와 연결되어, 고압의 냉매가스를 공급하는 제2 압축기; 상기 1차 극저온 냉동기, 상기 2차 극저온 냉동기, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기를 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 모두를 이용해서 냉매가스를 상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기에 공급할 수 있고, 상기 제어부는 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 어느 하나를 이용해서 냉매가스를 상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기에 공급하거나 또는 상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기 중 어느 하나로 공급하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 액화 장치는, 내부에 수용공간을 갖는 진공 용기; 상기 진공용기 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 기체수소를 공급받아 냉각시키는 1차 극저온 냉동기; 상기 진공용기 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 상기 1차 극저온 냉동기와 연결되는 2차 극저온 냉동기; 상기 진공용기 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 상기 2차 극저온 냉동기와 연결되는 3차 극저온 냉동기; 상기 1차 극저온 냉동기, 상기 2차 극저온 냉동기 및 상기 3차 극저온 냉동기와 연결되어, 고압의 냉매가스를 공급하는 제1 압축기; 상기 1차 극저온 냉동기, 상기 2차 극저온 냉동기 및 상기 3차 극저온 냉동기와 연결되어, 고압의 냉매가스를 공급하는 제2 압축기; 상기 1차 극저온 냉동기, 상기 2차 극저온 냉동기, 상기 3차 극저온 냉동기, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기를 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 모두를 이용해서 냉매가스를 상기 1차 극저온 냉동기, 상기 2차 극저온 냉동기 및 상기 3차 극저온 냉동기에 공급할 수 있고, 상기 제어부는 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 어느 하나를 이용해서 냉매가스를 상기 1차 극저온 냉동기, 상기 2차 극저온 냉동기 및 상기 3차 극저온 냉동기 중 선택된 하나 또는 두 개의 극저온 냉동기로 공급하도록 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 하나의 압축기에 두 대의 극저온 냉동기를 사용하거나, 두 대 이상의 압축기에 두 대 이상의 극저온 냉동기를 서로 연결하여 제어할 때, 극저온 냉동기 또는 압축기 유닛 중 하나가 고장이 나더라도 전체 시스템을 정지하지 않고 운전이 가능하고, 고장 난 극저온 냉동기 또는 압축기 유닛을 수리하거나 교체가 가능하고, 운전 중에 액체질소의 공급 없이 사용할 수 있고, 무부하 운전 시에 전기를 절감할 수 있는 수소 액화 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 극저온 냉동기를 이용한 수소 액화 장치를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소 액화 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2의 변형 실시예에 따른 수소 액화 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 액화 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 액화 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소 액화 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2의 변형 실시예에 따른 수소 액화 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 액화 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 액화 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소 액화 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 도 3은 도 2의 변형 실시예에 따른 수소 액화 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 액화 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 액화 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 수소 액화 장치(100)는 진공용기(110), 1차 극저온 냉동기(120), 2차 극저온 냉동기(130), 압축기(160), 액체수소 저장용기(150), 제어부(190) 등을 포함한다.
진공용기(110)는 내부에 수용공간을 갖고, 내부의 공기를 배출하여 진공 압력을 형성한다. 진공용기(110)는 내부를 진공으로 유지하여 외부와의 열전달을 최소로 한다.
1차 극저온 냉동기(120)는 진공용기(110) 외부에 설치되어 내부로 연장된다. 1차 극저온 냉동기(120)는 진공용기(110)의 외부 표면에 체결부재에 의해 체결되어 내부로 연장될 수 있다.
2차 극저온 냉동기(130)는 진공용기(110) 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 1차 극저온 냉동기(120)와 연결된다. 2차 극저온 냉동기(120)는 진공용기(110)의 외부 표면에 체결부재에 의해 체결되어 내부로 연장될 수 있다.
1차 극저온 냉동기(120)와 2차 극저온 냉동기(130)는 냉동기 매니폴드(191)에 의해 연결된다. 냉동기 매니폴드(191)는 압축기(160)로부터 전달되는 냉매가스를 1차 극저온 냉동기(120)와 2차 극저온 냉동기(130)로 분배하는 역할을 한다.
압축기(160)는 배관(192) 및 냉동기 매니폴드(191)를 통해 고압의 냉매가스를 1차 극저온 냉동기(120) 및 2차 극저온 냉동기(130)로 공급한다. 배관(192)은 냉동기 매니폴드(191)와 연결된다.
1차 극저온 냉동기(120)는 기체수소를 냉각시키기 위한 1차 극저온 열교환기(121)를 포함한다. 상온의 기체수소는 진공용기(110)의 외부에서 배관을 통해 1차 극저온 열교환기(121)로 공급될 수 있다.
1차 극저온 열교환기(121)는 기체수소를 예를 들어, 80K 이하로 예비 냉각하기 위한 예냉 열교환기로 사용될 수 있다.
2차 극저온 냉동기(130)는 기체수소를 액화시키기 위한 2차 극저온 열교환기(131)를 포함한다. 1차 극저온 열교환기(121)와 2차 극저온 열교환기(131)는 배관으로 연결되고, 배관에는 밸브(125)가 설치된다. 2차 극저온 열교환기(131)는 1차 극저온 열교환기(121)에서 예비 냉각된 기체수소를 20K 이하로 냉각하여 액화시킨다.
액체수소 저장용기(150)는 1차 극저온 냉동기(120) 및 2차 극저온 냉동기(130)와 연결된다. 액화수소는 2차 극저온 열교환기(131)에서 액체수소 저장용기(150)로 공급되어 저장된다. 저장된 액화수소는 극저온 밸브(101)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
제어부(190)는 1차 극저온 냉동기(120) 및 2차 극저온 냉동기(130)와, 압축기(160) 등을 제어한다. 제어부(190)는 상온의 기체수소를 1차 극저온 냉동기(120)로 공급하여 80K 이하로 예비 냉각한 후, 냉각된 기체수소를 2차 극저온 냉동기(130)로 공급하여 완전히 액화시키고, 액체수소를 액체수소 저장용기(150)에 저장하도록 제어한다.
본 실시예에서 하나의 압축기(160)는 1차 극저온 냉동기(120) 및 2차 극저온 냉동기(130)와 연결되어, 각각의 극저온 냉동기로 냉매가스를 공급할 수 있다. 예를 들어, 필요한 냉동기의 용량이 100이라면, 각각 50인 1차 극저온 냉동기(120) 및 2차 극저온 냉동기(130)를 사용할 수 있다.
종래의 수소 액화 장치에서는 액체질소를 이용하여 상온의 기체수소를 예비냉각하였으므로, 액체질소 공급이 어려운 현장에서는 사용하기 어려운 문제가 있었다.
본 발명에서는 액체질소를 사용하여 기체수소를 냉각하지 않고, 압축기(160)에서 공급되는 냉매가스로 기체수소를 1차 극저온 냉동기(120)에서 냉각하므로, 액체질소 공급이 어려운 현장에서도 기체수소를 액화시켜 저장할 수 있다. 그에 따라, 현장의 여건에 능동적으로 대처할 수 있다.
제어부(190)는 압축기(160)에서 압축된 냉매가스를 1차 극저온 냉동기(120) 또는 2차 극저온 냉동기(130)에 선택적으로 공급하도록 제어한다.
종래의 수소 액화 장치에서는 냉동기 유닛이 고장났을 경우, 전체 시스템을 정지하고 액체수소를 다른 장소로 옮겨야 하는 문제가 있었다.
본 발명에서는, 1차 및 2차 극저온 냉동기(120, 130) 중 어느 하나가 고장났을 경우에도 다른 극저온 냉동기를 이용하여 냉각이 가능하므로, 액체수소를 다른 장소로 옮기지 않아도 된다.
일반적으로, 액체수소를 생성하는 부하 운전이 끝난 후에는, 수소의 액체 상태를 유지하는 무부하 운전을 하게 된다. 무부하 운전에서는 많은 냉각 용량이 필요하지 않지만, 종래의 수소 액화 장치에서는 부하 운전과 거의 동일하게 극저온 냉동기와 압축기를 가동하므로 에너지 소모가 많았다.
본 발명에서는 무부하 운전에서 두 대의 극저온 냉동기 중 하나를 오프(off)하고 다른 하나만 가동할 수 있어 냉동기의 오버홀 주기를 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 무부하 운전에서 여러 대의 극저온 냉동기 중 액화수소의 기화율을 막을 수 있을 정도의 최소한의 냉동기와 압축기만 가동할 수 있어 에너지를 대폭 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 1차 극저온 냉동기(120)를 예비 냉각용으로 사용할 수 있고, 이러한 1차 극저온 냉동기(120)에서는 기체수소 중에 포함된 불순물을 극저온 흡착할 수 있어, 순도가 낮은 일반수소를 사용하여 액화가 가능한 이점이 있다.
불순물이 극저온 열교환기의 배관에 쌓이면 고장의 원인이 될 수 있으므로, 시스템을 정지하고 주기적인 재생 과정을 거쳐야 하는데, 본 발명에서는 2개의 극저온 냉동기를 사용하므로, 전체 시스템을 정지할 필요없이 하나의 극저온 냉동기의 재생 과정 중에 다른 하나를 이용하여 액체수소의 냉각이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 수소 액화 장치에서는 하나의 압축기(160)가 1차 극저온 냉동기(120) 및 2차 극저온 냉동기(130)와 연결되고, 제어부(190)에 의해 개별적인 제어가 이루어지므로, 에너지 비용을 절감하고 여러 가지 운용 상의 이점이 있다.
1차 극저온 냉동기(120) 및 2차 극저온 냉동기(130)는 각각 개별적으로 기체수소를 액화시킬 수도 있다. 이 경우, 기체수소를 공급하는 배관은 1차 극저온 냉동기(120) 및 2차 극저온 냉동기(130)에 연결된다.
도 3은 도 2의 변형 실시예에 따른 수소 액화 장치를 도시하고 있다.
본 실시예의 수소 액화 장치(100)는 진공용기(110), 1차 극저온 냉동기(120), 2차 극저온 냉동기(130), 제1 압축기(160), 액체수소 저장용기(150), 제어부(190) 등을 포함한다.
본 실시예에서는 1차 극저온 냉동기(120)에 설치되는 1차 극저온 열교환기와, 2차 극저온 냉동기(130)에 설치되는 2차 극저온 열교환기가 별도의 유닛으로 분리되지 않고 액체수소 저장용기(150) 내에 함께 설치된다. 기체수소 공급라인은 액체수소 저장용기(150)에 연결되어, 기체수소는 액체수소 저장용기(150) 내로 공급된다.
이 경우, 기체수소를 극저온 냉동기에 의해 액화시키는 수소 액화 장치(100)의 구조를 단순화시킬 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 수소 액화 장치(100)는 진공용기(110), 1차 극저온 냉동기(120), 2차 극저온 냉동기(130), 제1 압축기(160), 제2 압축기(170), 액체수소 저장용기(150), 제어부(190) 등을 포함한다.
진공용기(110), 1차 극저온 냉동기(120), 2차 극저온 냉동기(130), 액체수소 저장용기(150)는 도 2에 도시된 실시예의 대응되는 구성과 동일하므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에서는 압축기가 제1 압축기(160)와 제2 압축기(170)의 두 대로 구성된다. 제1 압축기(160)와 제2 압축기(170)는 압축기 매니폴드(194)에 의해 서로 연결된다.
제1 압축기(160)는 1차 극저온 냉동기(120) 및 2차 극저온 냉동기(130)와 연결되어, 고압의 냉매가스를 공급한다. 1차 극저온 냉동기(120) 및 2차 극저온 냉동기(130)는 냉동기 매니폴드(193)에 의해 서로 연결된다. 압축기 매니폴드(194)와 냉동기 매니폴드(193)는 배관(195)에 의해 서로 연결된다.
제2 압축기(170)는 1차 극저온 냉동기(120) 및 2차 극저온 냉동기(130)와 연결되어, 고압의 냉매가스를 공급한다.
제어부(190)는 1차 극저온 냉동기(120), 2차 극저온 냉동기(130), 제1 압축기(160) 및 제2 압축기(170)를 제어한다.
제어부(190)는 제1 압축기(160) 및 제2 압축기(170) 모두를 이용해서 냉매가스를 1차 극저온 냉동기(120) 및 2차 극저온 냉동기(130)에 공급할 수 있다.
이와 달리, 제어부(190)는 제1 압축기(160) 및 제2 압축기(170) 중 어느 하나를 오프(off)시키고 나머지 하나를 이용해서 냉매가스를 1차 극저온 냉동기(120) 및 2차 극저온 냉동기(130)에 공급할 수 있다. 또는, 제어부(190)는 제1 압축기(160) 및 제2 압축기(170) 중 어느 하나를 이용해서 냉매가스를 1차 극저온 냉동기(120) 및 2차 극저온 냉동기(130) 중 어느 하나를 오프(off)시키고 나머지 하나로 공급하도록 제어할 수 있다.
이러한 구성에서는, 제1 압축기(160)와 제2 압축기(170) 중 어느 하나, 1차 극저온 냉동기(120)와 2차 극저온 냉동기(130) 중 어느 하나가 고장난 경우에도, 전체 시스템을 정지하지 않고 다른 하나의 압축기와 극저온 냉동기를 이용하여 시스템을 가동할 수 있다.
또한, 무부하 운전에서 두 대의 극저온 냉동기 중 하나를 오프(off)하고 다른 하나만 가동할 수 있어 에너지를 절감할 수 있다.
또한, 1차 극저온 냉동기(120)를 예비 냉각용으로 사용할 수 있어, 순도가 낮은 일반수소를 사용하여 액화가 가능한 이점이 있다.
또한, 극저온 냉동기의 재생 과정에서도 전체 시스템을 정지할 필요없이 하나의 극저온 냉동기의 재생 과정 중에 다른 하나를 이용하여 액체수소의 냉각이 가능하다.
또한, 하나의 압축기를 이용하여 두 대의 극저온 냉동기를 구동할 수 있어, 에너지를 절감하거나 운용 상의 이점을 발휘할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예의 수소 액화 장치에서는 두 대의 압축기(160, 170)가 1차 극저온 냉동기(120) 및 2차 극저온 냉동기(130)와 연결되고, 제어부(190)에 의해 개별적인 제어가 이루어지므로, 에너지 비용을 절감하고 여러 가지 운용 상의 이점을 가질 수 있다.
본 실시예에서도 도 3과 마찬가지로 1차 극저온 냉동기(120)에 설치되는 1차 극저온 열교환기와, 2차 극저온 냉동기(130)에 설치되는 2차 극저온 열교환기가 별도의 유닛으로 분리되지 않고 액체수소 저장용기(150) 내에 함께 설치될 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 수소 액화 장치(100)는 진공용기(110), 1차 극저온 냉동기(120), 2차 극저온 냉동기(130), 3차 극저온 냉동기(140), 제1 압축기(160), 제2 압축기(170), 액체수소 저장용기(150), 제어부(190) 등을 포함한다.
진공용기(110), 1차 극저온 냉동기(120), 2차 극저온 냉동기(130), 액체수소 저장용기(150)는 도 2에 도시된 실시예의 대응되는 구성과 동일하므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에서 극저온 냉동기는 1차 극저온 냉동기(120), 2차 극저온 냉동기(130), 3차 극저온 냉동기(140)의 세 대로 구성되고, 각각은 제1 압축기(160) 및 제2 압축기(170)와 연결된다. 제1 압축기(160)와 제2 압축기(170)는 압축기 매니폴드(197)에 의해 서로 연결된다. 1차 극저온 냉동기(120), 2차 극저온 냉동기(130) 및 3차 극저온 냉동기(140)는 냉동기 매니폴드(196)에 의해 서로 연결된다. 압축기 매니폴드(197)와 냉동기 매니폴드(196)는 배관(198)에 의해 서로 연결된다.
1차 극저온 냉동기(120)는 진공용기(110) 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 기체수소를 공급받아 냉각시킨다.
2차 극저온 냉동기(130)는 진공용기(110) 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 1차 극저온 냉동기(120)와 연결된다. 2차 극저온 냉동기(130)는 밸브(125)를 통해 1차 극저온 냉동기(120)와 연결된다. 2차 극저온 냉동기(130)는 2차 극저온 열교환기(131)를 포함한다.
3차 극저온 냉동기(140)는 진공용기(110) 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 2차 극저온 냉동기(130)와 연결된다. 3차 극저온 냉동기(140)는 밸브(135)를 통해 2차 극저온 냉동기(130)와 연결된다. 3차 극저온 냉동기(140)는 3차 극저온 열교환기(141)를 포함한다.
제1 압축기(160)는 1차 극저온 냉동기(120), 2차 극저온 냉동기(130) 및 3차 극저온 냉동기(140)와 연결되어, 고압의 냉매가스를 공급한다.
제2 압축기(170)는 1차 극저온 냉동기(120), 2차 극저온 냉동기(130) 및 3차 극저온 냉동기(140)와 연결되어, 고압의 냉매가스를 공급한다.
제어부(190)는 1차 극저온 냉동기(120), 2차 극저온 냉동기(130), 3차 극저온 냉동기(140), 제1 압축기(160) 및 제2 압축기(170)를 제어한다.
제어부(190)는 제1 압축기(160) 및 제2 압축기(170) 모두를 이용해서 냉매가스를 1차 극저온 냉동기(120), 2차 극저온 냉동기(130) 및 3차 극저온 냉동기(140)의 모두 또는 선택된 두 개로 공급할 수 있다.
이와 달리, 제어부(190)는 제1 압축기(160) 및 제2 압축기(170) 중 어느 하나를 이용해서 냉매가스를 1차 극저온 냉동기(120), 2차 극저온 냉동기(130) 및 3차 극저온 냉동기(140) 중 선택된 하나 또는 두 개로 공급하도록 제어할 수 있다.
이러한 구성에서는, 제1 압축기(160)와 제2 압축기(170) 중 어느 하나, 1차 극저온 냉동기(120), 2차 극저온 냉동기(130), 3차 극저온 냉동기(140) 중 어느 하나가 고장난 경우에도, 전체 시스템을 정지하지 않고 다른 하나의 압축기와 극저온 냉동기를 이용하여 시스템을 가동할 수 있다.
또한, 무부하 운전에서 극저온 냉동기 중 하나 또는 두 개를 오프(off)하고 나머지로 가동할 수 있어 에너지를 절감할 수 있다.
또한, 1차 극저온 냉동기(120) 또는 2차 극저온 냉동기(130)를 예비 냉각용으로 사용할 수 있어, 순도가 낮은 일반수소를 사용하여 액화가 가능한 이점이 있다.
또한, 극저온 냉동기의 재생 과정에서도 전체 시스템을 정지할 필요없이 하나의 극저온 냉동기의 재생 과정 중에 다른 극저온 냉동기를 이용하여 액체수소의 냉각이 가능하다.
또한, 하나의 압축기를 이용하여 두 대의 극저온 냉동기를 구동하거나, 두 대의 압축기를 이용하여 세 대의 극저온 냉동기를 구동할 수 있어, 에너지를 절감하거나 운용 상의 이점을 발휘할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예의 수소 액화 장치에서는 두 대의 압축기(160, 170)가 1차 극저온 냉동기(120), 2차 극저온 냉동기(130) 및 3차 극저온 냉동기(140)와 연결되고, 제어부(190)에 의해 개별적인 제어가 이루어지므로, 에너지 비용을 절감하고 여러 가지 운용 상의 이점을 가질 수 있다.
본 실시예에서도 도 3과 마찬가지로 1차 내지 3차 극저온 냉동기(120, 130, 140)에 설치되는 1차 내지 3차 극저온 열교환기가 별도의 유닛으로 분리되지 않고 액체수소 저장용기(150) 내에 함께 설치될 수 있다.
상기에서, 압축기와 극저온 냉동기의 조합이 1:2, 2:2, 2:3인 것에 대해 설명되었으나, 압축기와 극저온 냉동기의 조합은 압축기의 수가 극저온 냉동기의 수보다 적거나 같다면 상기 예 외에도 여러 대의 압축기와 여러 대의 극저온 냉동기의 조합으로 확장하여 연결할 수 있다.
종래에는 압축기와 극저온 냉동기를 고압/저압 헬륨호스로 1:1로 연결했지만, 본 발명에서는 여러 대의 압축기를 압축기 매니폴더를 사용하여 병렬로 연결하고 여러 대의 극저온 냉동기를 냉동기 매니폴더를 사용하여 병렬로 연결한 후 압축기 매니폴더와 냉동기 매니폴더를 배관으로 연결하여 제어한다. 이 경우, 압축기는 복수의 극저온 냉동기와 연결되고, 제어부의 제어에 의해 하나 이상의 극저온 냉동기로 냉매가스를 공급할 수 있다.
또한, 극저온 열교환기와 액체수소 저장용기는 별도의 유닛으로 분리될 수도 있지만, 도 3과 같이 일체형이 될 수도 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
100 : 수소 액화 장치
101 : 극저온 밸브
110 : 진공 용기
120 : 1차 극저온 냉동기
121 : 1차 극저온 열교환기
125 : 밸브
130 : 2차 극저온 냉동기
131 : 2차 극저온 열교환기
135 : 밸브
140 : 3차 극저온 냉동기
141 : 3차 극저온 열교환기
150 : 액체수소 저장용기
160 : 제1 압축기
170 : 제2 압축기
190 : 제어부
191, 193, 196 : 냉동기 매니폴드
194, 197 : 압축기 매니폴드
192, 195, 198 : 배관
101 : 극저온 밸브
110 : 진공 용기
120 : 1차 극저온 냉동기
121 : 1차 극저온 열교환기
125 : 밸브
130 : 2차 극저온 냉동기
131 : 2차 극저온 열교환기
135 : 밸브
140 : 3차 극저온 냉동기
141 : 3차 극저온 열교환기
150 : 액체수소 저장용기
160 : 제1 압축기
170 : 제2 압축기
190 : 제어부
191, 193, 196 : 냉동기 매니폴드
194, 197 : 압축기 매니폴드
192, 195, 198 : 배관
Claims (5)
- 수소 액화 장치에 있어서,
내부에 수용공간을 갖는 진공 용기;
상기 진공용기 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 기체수소를 공급받아 냉각시키는 1차 극저온 냉동기;
상기 진공용기 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 상기 1차 극저온 냉동기와 배관으로 연결되는 2차 극저온 냉동기;
상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기와 연결되어, 고압의 냉매가스를 공급하는 제1 압축기;
상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기와 연결되어, 고압의 냉매가스를 공급하는 제2 압축기;
상기 1차 극저온 냉동기, 상기 2차 극저온 냉동기, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기를 제어하는 제어부;
를 포함하고,
상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기는 압축기 매니폴드(194)에 의해 서로 연결되고,
상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기는 냉동기 매니폴드(193)에 의해 서로 연결되고,
상기 압축기 매니폴드(194)와 상기 냉동기 매니폴드(193)는 배관(195)에 의해 서로 연결되고,
상기 제어부는 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 모두를 이용해서 냉매가스를 상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기에 공급할 수 있고,
상기 제어부는 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 어느 하나를 이용해서 냉매가스를 상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기에 공급하거나 또는 상기 1차 극저온 냉동기 및 상기 2차 극저온 냉동기 중 어느 하나로 공급하도록 제어할 수 있고,
상기 제어부는 기체수소를 상기 1차 극저온 냉동기로 공급하여 예비 냉각한 후, 냉각된 기체수소를 상기 2차 극저온 냉동기로 공급하여 액화시키고, 액화수소를 상기 액체수소 저장용기에 저장하도록 제어하는 수소 액화 장치. - 삭제
- 삭제
- 수소 액화 장치에 있어서,
내부에 수용공간을 갖는 진공 용기;
상기 진공용기 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 기체수소를 공급받아 냉각시키는 1차 극저온 냉동기;
상기 진공용기 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 상기 1차 극저온 냉동기와 연결되는 2차 극저온 냉동기;
상기 진공용기 외부에 설치되어 내부로 연장되고, 상기 2차 극저온 냉동기와 연결되는 3차 극저온 냉동기;
상기 1차 극저온 냉동기, 상기 2차 극저온 냉동기 및 상기 3차 극저온 냉동기와 연결되어, 고압의 냉매가스를 공급하는 제1 압축기;
상기 1차 극저온 냉동기, 상기 2차 극저온 냉동기 및 상기 3차 극저온 냉동기와 연결되어, 고압의 냉매가스를 공급하는 제2 압축기;
상기 1차 극저온 냉동기, 상기 2차 극저온 냉동기, 상기 3차 극저온 냉동기, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기를 제어하는 제어부;
를 포함하고,
상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기는 압축기 매니폴드(197)에 의해 서로 연결되고,
상기 1차 극저온 냉동기, 상기 2차 극저온 냉동기 및 상기 3차 극저온 냉동기는 냉동기 매니폴드(196)에 의해 서로 연결되고,
상기 압축기 매니폴드(197)와 상기 냉동기 매니폴드(196)는 배관(198)에 의해 서로 연결되고,
상기 제어부는 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 모두를 이용해서 냉매가스를 상기 1차 극저온 냉동기, 상기 2차 극저온 냉동기 및 상기 3차 극저온 냉동기에 공급할 수 있고,
상기 제어부는 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 어느 하나를 이용해서 냉매가스를 상기 1차 극저온 냉동기, 상기 2차 극저온 냉동기 및 상기 3차 극저온 냉동기 중 선택된 하나 또는 두 개의 극저온 냉동기로 공급하도록 제어할 수 있는 수소 액화 장치. - 제4항에 있어서,
상기 제어부는 기체수소를 상기 1차 극저온 냉동기로 공급하여 예비 냉각한 후, 냉각된 기체수소를 상기 2차 극저온 냉동기로 공급하도록 제어하는 수소 액화 장치.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020210004378A KR102359689B1 (ko) | 2021-01-13 | 2021-01-13 | 멀티 운용이 가능한 수소 액화 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020210004378A KR102359689B1 (ko) | 2021-01-13 | 2021-01-13 | 멀티 운용이 가능한 수소 액화 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102359689B1 true KR102359689B1 (ko) | 2022-02-08 |
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ID=80252178
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| KR1020210004378A KR102359689B1 (ko) | 2021-01-13 | 2021-01-13 | 멀티 운용이 가능한 수소 액화 장치 |
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| KR (1) | KR102359689B1 (ko) |
Citations (5)
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2021
- 2021-01-13 KR KR1020210004378A patent/KR102359689B1/ko active IP Right Grant
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