KR102441524B1 - 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크 - Google Patents

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Abstract

열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크는, 극저온 유체가 저장되는 내조탱크, 내벽이 상기 내조 탱크의 외벽과 소정의 간격을 가지도록 이격되어 상기 내조탱크를 감싸도록 형성되는 외조탱크, 및 일면이 상기 외조탱크의 내벽을 마주하며, 타면이 상기 내조탱크를 향하도록 설치되는 열전소자를 포함하는 열전 시스템을 포함하며, 상기 열전 시스템은, 상기 외조탱크의 내벽 온도 및 상기 내조탱크에 저장되는 극저온 유체의 온도 간의 차이를 이용하여 열전발전을 수행할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크{Cryogenic fluid storage tank performing thermoelectric power generation}
본 발명은 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액화수소와 같은 극저온 유체를 저장하는 극저온 용기(탱크)에서, 양 단의 온도차이를 통해 전력을 생산하는 열전소자의 열전발전을 이용하여, 비교적 간단한 구성으로 극저온 용기 자체적으로 전력을 생산할 수 있도록 하는 기술적 사상에 관한 것이다.
화석 연료 사용에 따른 에너지 문제들에 대한 심각성이 대두되면서, 대체 연료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그 중 수소를 연료로 하는 기술적 사상이 친환경적이면서 높은 효율을 가져 대체 연료로 각광받고 있으며, 휘발유나 경유 등이 아닌 수소를 연료로 하는 수소 차량은 물론, 드론 등의 소형 장치에도 그 활용범위가 넓어지고 있다.
이러한 수소는 액화된 상태에서 보급되고 저장되고 있는데, 액화된 상태의 수소는 극저온 상태로 저장되어 액화수소와 같은 극저온 유체를 보관하기 위한 극저온 용기(또는 초저온 용기)가 필요하다.
이와 같은 극저온 용기에서, 극저온 용기 내부에 남은 극저온 유체의 양을 확인하여 연료의 교체 혹은 충전 시기를 판단할 필요가 있다.
종래에는 극저온 용기 내의 남은 잔여 연료(즉, 극저온 유체)의 양을 측정하고 이를 표시하기 위해서 별도의 외부 전원이 반드시 필요하여, 외부 전원이 없는 경우 극저온 용기 내부에 남은 극저온 유체의 양을 확인할 수 없는 문제가 있다.
또는, 도 1에 도시된 압력 게이지 등을 이용한 아날로그 게이지를 통해 극저온 용기 내부 잔량을 확인할 수 있다.
도 1은 종래의 극저온 용기에서의 용량게이지의 예를 나타낸다.
도 1을 참조하면 극저온 용기 내부 극저온 유체의 잔량을 확인하기 위한 아날로그 게이지가 나타나 있는데, 이와 같이 아날로그 게이지가 구비된 경우 아날로그 게이지의 눈금을 읽어야 하지만 외부 광원이 충분히 확보된 상황이 아니면 육안으로 확인이 어려운 불편함이 있다. 특히, 야간에 주변 빛이 없는 경우에는 별도의 조명장치 없이 확인 자체가 불가능할 수도 있다.
따라서, 극저온 용기 자체의 무게에 큰 변화를 주지 않으면서 비교적 간단한 구성으로 극저온 용기 자체적으로 전력의 생산이 가능하도록 하여, 극저온 용기의 남은 용량 표시나 조명장치 등 다양하게 활용할 수 있도록 하는 기술적 사상이 요구된다.
특허문헌 1. 한국등록특허(등록번호 10-2021038, "저장탱크")
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 양 단의 온도차이를 통해 전력을 생산하는 열전소자의 열전발전을 이용하여, 비교적 간단한 구성으로 극저온 용기 자체적으로 전력을 생산할 수 있도록 하는 기술적 사상을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크는, 극저온 유체가 저장되는 내조탱크, 내벽이 상기 내조 탱크의 외벽과 소정의 간격을 가지도록 이격되어 상기 내조탱크를 감싸도록 형성되는 외조탱크, 및 일면이 상기 외조탱크의 내벽을 마주하며, 타면이 상기 내조탱크를 향하도록 설치되는 열전소자를 포함하는 열전 시스템을 포함하며, 상기 열전 시스템은, 상기 외조탱크의 내벽 온도 및 상기 내조탱크에 저장되는 극저온 유체의 온도 간의 차이를 이용하여 열전발전을 수행할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 열전 시스템은, 일측이 상기 타면에 설치되고 타측이 상기 내조탱크의 외벽 소정의 위치에 소정 간격 이내로 근접하도록 형성되는 열전달부를 더 포함하며, 상기 열전달부를 통해 상기 내조탱크로부터 발산되는 냉기를 흡수할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 내조탱크는, 상기 열전달부의 타측과 대응되는 소정 범위의 단열재가 나머지 범위의 단열재에 비해 일정 수준 이하의 두께를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크는, 상기 내조탱크에 저장된 극저온 유체의 용량을 표시하기 위한 용량 게이지를 더 포함하며, 상기 용량 게이지는, 상기 열전 시스템에 의해 생산된 전력을 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 용량 게이지는, 디지털 게이지 또는 조명장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열전 시스템은, 열전발전을 통해 생산된 전력이 출력되는 전원 케이블을 더 포함하며, 상기 전원 케이블은, 소정의 단열재에 의해 단열처리되어 단자측이 상기 외조탱크의 외부로 노출되도록 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 열전발전 시스템은, 극저온 유체가 저장되는 내조탱크 및 내벽이 상기 내조 탱크의 외벽과 소정의 간격을 가지도록 이격되어 상기 내조탱크를 감싸도록 형성되는 외조탱크를 포함하는 극저온 유체 저장탱크에 설치되는 열전발전 시스템에 있어서, 제1면이 상기 외조탱크의 내벽을 마주하도록 설치되고 제2면이 상기 내조탱크를 향하도록 설치되는 열전소자를 포함하는 열전 시스템, 및 일측이 상기 제2면에 설치되고 타측이 상기 내조탱크의 외벽 소정의 위치에 소정 간격 이내로 근접하도록 형성되어 상기 내조탱크로부터 발산되는 냉기를 흡수할 수 있는 열전달부를 포함하며, 상기 외조탱크의 내벽 온도 및 상기 내조탱크에 저장되는 극저온 유체의 온도 간의 차이를 이용하여 열전발전을 수행할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 열전발전을 이용하여 비교적 간단한 구성으로 극저온 용기 자체적으로 생산 가능한 전력을 생산할 수 있어 사용자의 편의성이 크게 향상될 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 종래의 극저온 용기에서의 용량게이지의 예를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크의 개략적인 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크의 개략적인 구성을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크에 의해 생산된 전력의 활용 예를 나타낸다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에 있어서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 중심으로 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
전술한 바와 같이, 종래의 극저온 용기(초저온 용기) 특히, 무인 항공기(드론) 등에 사용되는 탈부착 형태의 소형 극저온 용기는 내부에 수용된 극저온 유체(예컨대, 액화 수소 등)의 용량을 확인하기 위해 외부에서 별도 전원을 필요로 하거나, 압력 게이지 등을 활용한 아날로그 방식의 게이지를 사용하고 있다.
전자의 경우에는 외부 전원이 없이는 극저온 용기에 남은 용량을 확인할 수 없으며, 후자의 경우에는 어두운 야간에 별도의 조명이 없이는 육안으로 남은 용량 확인이 어려운 문제가 있다.
본 발명은 이러한 종래의 문제를 해결하기 위해, 극저온 용기의 특성을 이용하여 비교적 간단한 구조로 극저온 용기 자체에서 전력을 생산하고, 이를 이용하여 간편하고 용이하게 극저온 용기의 남은 극저온 유체량을 확인할 수 있는 기술적 사상을 제공하고자 한다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 상기 극저온 용기에 수용되는 극저온 유체가 액화수소인 경우를 예로 들어 설명하지만 본 발명의 권리범위가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크의 개략적인 구성을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크(100)는, 극저온 유체가 저장되는 내조탱크(110), 내벽이 상기 내조 탱크의 외벽과 소정의 간격을 가지도록 이격되어 상기 내조탱크(110)를 감싸도록 형성되는 외조탱크(120), 및 일면이 상기 외조탱크(120)의 내벽을 마주하며, 타면이 상기 내조탱크(110)를 향하도록 설치되는 열전소자(210)를 포함하는 열전 시스템(200)을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의하면, 상기 열전 시스템(200)은 상기 외조탱크(120)의 내벽 온도와 상기 내조탱크(110)에 저장된 극저온 유체에 의한 온도 간의 차이를 이용하여 열전발전을 수행할 수 있다.
열전발전은 열전소자의 양 단의 온도차에 의해 기전력이 발생하는 제벡 효과를 이용한 것으로, 이미 널리 알려진 기술적 사상이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하도록 한다.
또한, 상기 열전 시스템(200)은 열전발전을 통해 생산된 전력이 출력되는 전원 케이블(230)이 더 포함될 수 있다. 이러한 경우, 상기 전원 케이블(230)은 소정의 단열재에 의해 단열처리되어 단자(231)측이 상기 외조탱크(120)의 외부로 노출되도록 형성될 수 있다.
또한 상기 열전소자(210)의 일면이 상기 외조탱크(120)의 내벽을 마주한다고 함은, 상기 열전소자(210)의 일면이 상기 외조탱크(120)의 내벽과 직접 접촉하도록 설치되는 경우와, 상기 열전소자(210)의 일면이 상기 외조탱크(120)와 접촉하지는 않더라도 소정 거리 이내의 간격을 두고 근접하도록 설치되는 경우(예컨대, 상기 열전소자(210)를 지지하는 소정의 프레임 또는 소정의 열전달매체를 통해 설치되는 경우 등)를 포함하는 의미일 수 있다. 어떠한 경우든, 상기 열전소자(210)의 일면은 상기 외조탱크(120)를 향하도록 설치될 수 있다.
또한 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해 상기 외조탱크(120)의 내벽측을 마주하는 상기 열전소자(210)의 일면은 상대적으로 고온측인 제1면, 상기 내조탱크(110)측을 향하는 상기 열전소자(210)의 타면은 상대적으로 저온측인 제2면으로 구분할 수도 있다.
상기 내조탱크(110)에는 액화 수소와 같은 극저온 유체가 수용될 수 있다. 이러한 극저온 유체는 외부의 열이 유입되는 경우 쉽게 기화될 수 있으므로, 상기 내조탱크(110)에는 소정의 단열재를 통해 단열처리가 되어 있을 수 있다. 일 예에 의하면, 상기 내조탱크(110)는 MLI(Multi-Layer Insulayion, 다층박막단열재)에 의해 단열처리가 이루어질 수 있다.
이러한 내조탱크(110) 주변의 온도는, 단열처리가 되어 있다 하더라도 외부 온도에 비해 낮아지게 된다. 따라서 상기 열전 시스템(200)은 이러한 외조탱크(120)측의 온도와 내조탱크(110)측의 온도 차이를 이용하여 열전발전을 수행할 수 있다.
보다 효율적인 열전발전을 위해, 상기 열전 시스템(200)은 일측이 상기 열전소자(210)의 타면(즉, 상기 내조탱크(110)를 향하는 면(제2면))에 설치되고 타측이 상기 내조탱크(110)의 외벽 소정의 위치에 소정 간격 이내로 근접하도록 형성되는 열전달부(220)를 더 포함할 수 있다.
상기 열전달부(220)는 방열판(방열핀) 및/또는 히트파이프의 형태로 구현될 수 있으며, 상기 일측이 상기 열전소자(210)와 접촉되고, 상기 타측은 상기 내조탱크(110)와 가능한 근접하게 위치하도록 형성되어 상기 내조탱크로부터 발산되는 냉기를 보다 용이하게 흡수할 수 있도록 구현될 수 있다. 이때, 상기 열전달부(220)의 타측은 상기 내조탱크(110)와 근접하지만, 상기 내조탱크(110)와 직접 접촉되지는 않는 것이 바람직할 수 있다. 이는 상기 내조탱크(110)의 파손이나, 이로 인한 극저온 유체의 손실 혹은 폭발의 위험을 방지하기 위함일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 상기 내조탱크(110) 중 상기 열전달부(220)의 타측과 대응되는 일부 범위에서 단열재가 나머지 다른 부분에 비해 상대적으로 얇은 두께를 가질 수 있다.
예컨대, 상기 내조탱크(110)가 전술한 바와 같이 MLI층에 의해 단열처리된 경우, 상기 열전달부(220)의 타측과 대응되는 일부 범위에서는 나머지 다른 부분에 비해 MLI층의 두께가 얇거나, 또는 해당 범위만큼은 MLI층이 형성되지 않을 수 있다.
이는 상기 내조탱크(110)에 저장된 극저온 유체로 인한 냉기가 상기 열전달부(220)로 보다 용이하게 전달될 수 있도록 하기 위함일 수 있다.
한편 상기 열전 시스템(200)은 하나가 아닌 복수 개가 설치될 수도 있으며, 그 설치 위치 또한 필요에 따라 다양할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크의 개략적인 구성을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 상기 열전 시스템(200)은 상기 외조탱크(120)의 하단부에 위치하도록 설치되어, 상기 열전달부(220)가 상기 내조탱크(110)의 하단부를 향하도록 형성될 수 있다. 이러한 상기 열전 시스템(200)은 복수 개 설치될 수 있다.
이러한 경우, 상기 내조탱크(110)의 하단부는 전술한 바와 같이 단열재(20) 예컨대, MLI층이 측면부 등 다른 부분에 비해 매우 얇은 두께를 가지거나, 또는 단열처리되지 않을 수 있다. 이로 인해 상기 내조탱크(110)로부터 발산되는 냉기가 상기 외조탱크(120)의 내부 하단부로 모이면서, 상기 열전소자(210) 양 단의 온도차를 보다 크게 하여 열전발전 효율이 상승할 수 있다.
이처럼 본 발명의 기술적 사상에 따라 열전 시스템(200)에 의해 열전발전이 수행되어 전력이 생산되면, 생산된 전력은 다양하게 활용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크에 의해 생산된 전력의 활용 예를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 기존에 육안으로 확인이 불편한 아날로그 게이지를 대신하여 상대적으로 간편하게 극저온 용기의 남은 용량을 확인할 수 있는 용량 게이지가 구비될 수 있다. 상기 용량 게이지는 상기 열전 시스템(200)에 의해 전술한 바와 같이 생산된 전력을 전원으로 이용할 수 있다.
상기 용량 게이지는 디지털 게이지(300)의 형태로 구현될 수 있으며, 구현 예에 따라서는 기존의 아날로그 게이지 주변을 밝혀 아날로그 게이지의 확인을 용이하게 할 수 있는 소정의 조명장치(300-1)의 형태로 구현될 수도 있다.
상기 디지털 게이지(300)의 경우, 잔량 확인을 위한 레벨 센서 및 남은 용량 표시를 위한 디스플레이를 위해 필요한 전원으로 상기 열전 시스템(200)에 의해 생산된 전력을 활용할 수 있다.
상기 조명장치(300-1)의 경우 LED를 이용한 LED 조명의 형태로 구현될 수 있으며, 어두운 야간에도 기존의 아날로그 게이지를 통해 극저온 용기에 남은 용량을 용이하게 확인할 수 있는 효과를 가질 수 있다. 물론 이 역시 상기 열전 시스템(200)에 의해 생산된 전력을 활용하여 점등될 수 있다.
결국 본 발명의 기술적 사상에 의하면, 열전발전을 이용하여 비교적 간단한 구성으로 극저온 용기 자체적으로 생산 가능한 전력을 생산할 수 있어 사용자의 편의성이 크게 향상될 수 있는 효과가 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

  1. 극저온 유체가 저장되는 내조탱크;
    내벽이 상기 내조 탱크의 외벽과 소정의 간격을 가지도록 이격되어 상기 내조탱크를 감싸도록 형성되는 외조탱크;
    일면이 상기 외조탱크의 내벽을 마주하며, 타면이 상기 내조탱크를 향하도록 설치되는 열전소자를 포함하는 열전 시스템; 및
    일측이 상기 타면에 설치되고 타측이 상기 내조탱크의 외벽 소정의 위치에 소정 간격 이내로 근접하도록 형성되는 열전달부를 포함하며,
    상기 열전 시스템은,
    상기 외조탱크의 내벽 온도 및 상기 내조탱크에 저장되는 극저온 유체의 온도 간의 차이를 이용하여 열전발전을 수행하되,
    상기 열전달부를 통해 상기 내조탱크로부터 발산되는 냉기를 흡수할 수 있는 것을 특징으로 하는 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 내조탱크는,
    상기 열전달부의 타측과 대응되는 소정 범위의 단열재가 나머지 범위의 단열재에 비해 일정 수준 이하의 두께를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크는,
    상기 내조탱크에 저장된 극저온 유체의 용량을 표시하기 위한 용량 게이지를 더 포함하며,
    상기 용량 게이지는,
    상기 열전 시스템에 의해 생산된 전력을 이용하는 것을 특징으로 하는 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크.
  5. 제4항에 있어서, 상기 용량 게이지는,
    디지털 게이지 또는 조명장치 중 적어도 하나를 포함하는 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열전 시스템은,
    열전발전을 통해 생산된 전력이 출력되는 전원 케이블을 더 포함하며,
    상기 전원 케이블은,
    소정의 단열재에 의해 단열처리되어 단자측이 상기 외조탱크의 외부로 노출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열전발전을 수행하는 극저온 유체 저장탱크.
  7. 극저온 유체가 저장되는 내조탱크 및 내벽이 상기 내조 탱크의 외벽과 소정의 간격을 가지도록 이격되어 상기 내조탱크를 감싸도록 형성되는 외조탱크를 포함하는 극저온 유체 저장탱크에 설치되는 열전발전 시스템에 있어서,
    제1면이 상기 외조탱크의 내벽을 마주하도록 설치되고 제2면이 상기 내조탱크를 향하도록 설치되는 열전소자를 포함하는 열전 시스템; 및
    일측이 상기 제2면에 설치되고 타측이 상기 내조탱크의 외벽 소정의 위치에 소정 간격 이내로 근접하도록 형성되어 상기 내조탱크로부터 발산되는 냉기를 흡수할 수 있는 열전달부를 포함하며,
    상기 외조탱크의 내벽 온도 및 상기 내조탱크에 저장되는 극저온 유체의 온도 간의 차이를 이용하여 열전발전을 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 열전발전 시스템.

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