KR102469512B1 - 액화수소 충전용 극저온 펌프의 피스톤 파워 로드 커플링 - Google Patents

액화수소 충전용 극저온 펌프의 피스톤 파워 로드 커플링 Download PDF

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권환주
권병수
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Abstract

본 발명은 극저온 펌프에 있어서, 동력파트의 파워 로드와 압축수단의 피스톤 로드 사이에 냉열 전도 차단이 가능하도록 함과 아울러 피스톤의 편심 발생을 보상할 수 있도록 하여서 된 액화수소 충전용 극저온 펌프의 피스톤 파워 로드 커플링을 개시한다.
본 발명은 이를 위하여 극저온 펌프에 있어서, 동력파트에 의하여 승강되는 파워 로드와, 피스톤을 승강시키도록 연결하는 피스톤 로드 사이에 냉열 전도 차단이 가능하도록 커플링 칼라와 커플링 스페이스 칼라를 배치하고, 피스톤 로드 상단이 결합되는 커플링 캡 내부에 상기 커플링 스페이스 칼라가 배치되도록 하여 냉열 전달이 차단되도록 함과 동시에 피스톤의 편심 발생을 보상할 수 있도록 하여서 된 것이다.
이에 따라 본 발명은 압축 대상물에 의한 냉열의 상승을 차단함으로써 피스톤 로드를 제외한 여타 부위의 현격한 온도차 발생을 방지하여 부위별 수축량의 상이함에 따른 잔류 인장응력이 증대로 열충격을 받아 크랙이 확산됨을 방지하여 수명 단축을 방지하고 시스템의 신뢰성 향상에 기여할 수 있게 되는 것이다.

Description

액화수소 충전용 극저온 펌프의 피스톤 파워 로드 커플링{Piston Power Rod Coupling of Cryogenic Pump for Liquefied Hydrogen Charging}
본 발명은 액화수소 충전용 극저온 펌프의 피스톤 파워 로드 커플링에 관한 것으로, 특히 수소전기 차량 충전소 등에서 수소가스의 효율적 저장을 위한 액화가스 압축 시 동력파트의 실린더측 파워 로드와 압축수단의 피스톤 로드 사이의 현격(懸隔)한 온도차에 대응할 수 있도록 한 액화수소 충전용 극저온 펌프의 피스톤 파워 로드 커플링에 관한 것이다.
일반적으로 사용되는 피스톤 로드 및 선형 운동 유닛간 연결을 위하여 사용되는 커플링의 대표적인 예를 독일의 하인리히 키퍼크 게엠베하 앤 컴퍼니 케이지(HEINRICH KIPP WERK GmbH & Co. KG)에서 제공하는 데이터 시트 K0709( 이하 '인용발명'이라 함)에 의하여 확인할 수 있다.
이러한 커플링으로 기능하는 인용발명에 의하면 피스톤 로드와 유압실린더의 로드 사이에 결합을 위하여 적용되는 것이며, 이러한 인용발명은 동력파트와 압축수단의 피스톤로드 중간에 인용발명을 게재시키는 것으로, 나사 결합수단을 이용하여 동력파트의 로드에 의한 스트로크가 압축수단의 피스톤로드에 전달되도록 하는 것이다.
이에 따라, 동력파트의 로드에 의한 스트로크가 인용발명의 커플링을 거쳐 피스톤 로드로 전달되고 피스톤을 왕복동시킴으로써 압축수단에서 압축대상물을 원하는 상태로 압축되도록 하는 것이다.
이러한 압축대상물이 액화수소인 경우에는 피스톤 로드와 동력파트 사이에 현저한 온도차가 존재하게 되고 이 경우 인용발명의 커플링 부품과 동력파트의 유압실린더 로드, 피스톤 로드 등 각 부품의 부위별 수축량의 상이함에 따른 잔류 인장응력의 불평형이 증대되면서 열충격을 받아 크랙이 확산되어 수명이 급격히 단축될 우려가 높은 것이다.
뿐만 아니라, 피스톤 로드를 경유하여 압축대상물의 냉기가 전달되어 유압실런더가 동결됨에 따라 작동이 정지되는 상황이 빈번히 발생하며, 전체 장치의 저온화에 따른 부싱 수축 등으로 피스톤 로드의 작동이 정지되는 문제점이 발생하였던 것이다.
하인리히 키퍼크 게엠베하 앤 컴퍼니 케이지(HEINRICH KIPP WERK GmbH & Co. KG), K0709퀵 플러그 커플링 레디얼 오프셋 보정 DATA SHEET, 독일, 2022
본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 극저온 펌프에 있어서, 동력파트의 파워 로드와 압축수단의 피스톤 로드 사이에 냉열 전도 차단이 가능하도록 함과 아울러 피스톤의 편심 발생을 보상할 수 있도록 하여서 된 액화수소 충전용 극저온 펌프의 피스톤 파워 로드 커플링을 제공함에 있다.
본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 극저온 펌프에 있어서, 동력파트의 파워 로드와 압축수단의 피스톤 로드사이에 냉열 전도 차단이 가능하도록 커플링 칼라와 커플링 스페이스 칼라를 배치하고, 피스톤 로드 상단이 결합되는 커플링 캡 내부에 상기 커플링 스페이스 칼라가 배치되도록 하여 냉열 전달이 차단되는 내구성 높은 구조를 제공함과 아울러 피스톤 로드의 길이 신장에 따른 피스톤 편심 발생을 보상할 수 있도록 하여서 된 액화수소 충전용 극저온 펌프의 피스톤 파워 로드 커플링을 구비하여서 된 것이다.
이와 같이 하여 본 발명은 커플링 캡 내부 중앙의 커플링 스페이스 칼라와, 커플링 캡 상면에 위치하는 커플링 칼라에 의하여 압축 대상물에 의한 냉열의 상승을 차단함으로써 피스톤 로드를 제외한 여타 부위의 현격한 온도차 발생을 방지하여 부위별 수축량의 상이함에 따른 잔류 인장응력이 증대로 열충격을 받아 크랙이 확산됨을 방지하여 수명 단축을 방지하고 시스템의 신뢰성 향상에 기여할 수 있게 되는 것이다.
뿐만 아니라, 본 발명은 피스톤 로드를 경유하여 상승하는 냉열이 차단되어 동력파트의 유압실런더가 원활한 동작이 가능하게 되므로 전체 장치의 원활한 동작을 확보할 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.
도1은 종래의 실린더 피스톤 로드 체결 구조인 커플링 구조를 예시한 종단면도.
도2는 본 발명이 적용되는 액화수소 충전용 극저온 펌프의 전체적인 구조를 보인 종단면도.
도3는 본 발명에 의한 액화수소 충전용 극저온 펌프의 피스톤 파워 로드 커플링의 외관을 보인 사시도.
도4은 본 발명에서 동력파트의 파워 로드와 압축수단의 피스톤 로드가 커플링과 분리된 상태를 보인 사시도.
도5은 본 발명에 의한 액화수소 충전용 극저온 펌프의 피스톤 파워 로드 커플링 구조를 보인 종단면도.
도6는 본 발명에 의한 도2는 본 발명이 적용되는 액화수소 충전용 극저온 펌프의 전체적인 구조를 보인 분리 사시도.
도7은 본 발명에서 피스톤 로드가 좌측으로 편심된 상태의 동작을 보인 종단면 설명도.
도8은 본 발명에서 피스톤 로드가 우측으로 편심된 상태의 동작을 보인 종단면 설명도.
도9는 본 발명에서 커플링 캡과 커플링 바디가 스파이록으로 고정된 체결 상태를 보인 횡단면도.
이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 적용되는 액화수소 충전용 극저온 펌프(100)의 전체적인 구성을 도2의 단면도로 도시하였다.
이에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명은 예를 들면 3bar의 충전가스가 유입되는 가스유입뷰(101)와 유입된 충전가스를 2단 압축과정에 의하여 액화가스토출구(103)를 경유하여 900bar의 고압으로 토출시키기 위한 압축수단(102)과,
상기 압축수단(102)에 내장된 피스톤(104)을 상하 승강시키기 위한 피스톤 로드(105)와,
상부의 동력파트인 유압실린더(107)에 의하여 승강하는 파워 로드(106)와,
상기 파워 로드(106)와 피스톤 로드(105) 사이에 연결되어 이들을 결합시키기 위하여 본 발명에 의한 피스톤 파워 로드 커플링(200)을 설치하여서 된 것이며,
액화를 위한 냉각시스템 관련 구조는 헬륨가스를 냉매가스로 이용하는 것으로 본 발병의 기술적 특징의 설명과 직접 관련성이 적으므로 구체적 언급은 생략한다.
이러한 본 발명에 의한 피스톤 파워 로드 커플링(200)을 살펴보면 압축수단(102)의 피스톤(104)으로 동력을 공급하기 위한 파워 로드(106)와, 상기 파워 로드(106)와 결합되는 상부커플링그랜드(201)와,
상방에 상기 상부커플링그랜드(201)가 일체로 체결되고, 하방에 하부커플링그랜드(202)가 체결되는 원통상의 커플링 바디(203)와,
상기 상,하부 커플링그랜드(201,202) 사이에 구성되며, 커플링 칼라(204)와, 커플링 스페이스 칼라(205)가 구비된 이미드 고리를 가지는 고분자 물질로 성형된 커플링 캡(208)이 설치되고,
상기 커플링 바디(203)의 측면 둘레에서 커플링 칼라(204)를 향해 사선으로 형성된 그리스 니플(206)에 의한 그리스 주입구가 상기 커플링 칼라(204)의 주위와 연통되도록 하며, 상기 커플링 캡(208)을 피스톤 로드 상단(1051)에 조립 후 풀림방지를 위한 스파이크록(207)이 커플링 바디(203) 둘레에 설치되며, 체결공(2082)에 상기 스파이크록(207)이 고정된다.
또한, 커플링 캡(208)의 내측에 구비된 커플링 스페이스 칼라(205)와 피스톤 로드 상단(1051)이 접면하도록 조립하여서 된 것이다.
이와 같이 된 본 발명의 작동을 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 액화수소 충전용 극저온 펌프(100)의 동력파트와 압축수단(102) 사이를 연결하는 커플링(200)의 외관 및 내부 조립 구조를 도3에 도시하였다.
이에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명은 유압실린더(107)로 대표될 수 있는 동력파트에서 파워 로드(106)가 승강하게 된다. 이러한 파워 로드(106)는 도 3 이하에서 동력파트와 연결되는 부분이 편의상 생략되어 도시되었다.
아울러 압축수단(102)의 피스톤(104)에 연결된 피스톤 로드(105) 역시 도 2로 보인 바와 같이, 그 길이를 충분히 함으로써 동력파트로의 냉열 전달을 감소시킬 수 있도록 하고 있으나, 편의상 하방의 길이를 생략하여 도 3 이하에 도시하였다. 본 발명은 동력파트의 동력으로 파워 로드(106)가 하강하게 되고, 피스톤 로드(105)의 피스톤(104)이 실린더(107)에 가하는 압력을 해제하는 순간 실린더(107) 내부의 압축된 가스에 의한 압력으로 피스톤 로드(105)가 상승하게 된다.
이때 파워 로드(106)가 상부커플링그랜드(201)의 막힌 중앙 요홈에 결합되어 있으므로 파워 로드 하단(1061)이 상부커플링그랜드(201)를 하방으로 밀어내게 되고, 이러한 상부커플링그랜드(201)의 둘레 및 저면은 커플링 바디(203) 상방에 결합되어 있는 것이어서 커플링 바디(203)가 함께 하강하게 된다. 이에 따라 커플링 바디(203) 하방의 하부커플링그랜드(202)가 하향하게 되므로 이에 따라 상,하부커플링그랜드(201,202) 사이에 설치된 커플링 캡(208)과 커플링 칼라(204), 커플링 스페이스 칼라(205)로 구성된 요소에 의하여 피스톤 로드 상단(1051)이 하향 동력을 받게 된다.
이러한 하향 동력은 피스톤 로드(105)를 하향시키는 방향으로 작용하게 되어 피스톤(104)이 압축수단(102)의 실린더 내부의 가스를 압축시키게 되고 도 2로 보인 시스템에서는 2단 압축과정으로 고압의 압축을 실시하게 된다.
이와 같이 하여 압축수단(102)에 의해서 압축된 고압가스는 토출구(103)를 경유하여 -210℃의 매우 낮은 온도와 90Mpa의 높은 압력으로 배출되어 기화기를 통해 대량의 수소가스를 작은 수용능력을 가진 저압 탱크에 보관할 수 있게 되는 것이다.
이에 따라 챔버 내에 충전되어 있는 액화 수소가스에 의한 냉열은 실린더(107)와 피스톤(104), 피스톤 로드(105)를 통하여 전달되고, 이러한 냉열은 본 발명에서 피스톤 로드 상단(1051)에 도달하며, 피스톤 로드 상단(1051) 상방의 커플링 스페이스 칼라(205)를 경유하여 커플링 캡(208)에 도달한다.
여기에서 상기 커플링 캡(208)은 이미드 고리를 가지는 고분자 물질로 주로 방향족의 무수물 및 디아민을 이용하여 합성된 폴리아미드로 제작된다.
이러한 상기 커플링 캡(208)은 낮은 열팽창율, 내충격성, 매우 낮은 열전도를 갖추고 있으며, 도 5로 보인 바와 같이 피스톤 로드 상단(1051)을 감싸고 있는 구조이어서 피스톤 로드(105)의 냉열의 상승 전도를 억제하게 된다.
실제로 반복 실험 결과 상기 커플링 캡(208)의 열전도율은 0.18 W/mk ~ 0.26W/mk 이거나 0.15Kcal/mh℃ ~ 0.23Kcal/mh℃로 유지하는 경우 커플링 바디(203)의 온도 범위가 상온 온도 범위인 20℃ ~ 40℃를 유지하여 시스템의 원활한 운용이 가능함을 확인하였다.
아울러, 커플링 캡(208)은 상방에서 하강하는 파워 로드(106)의 파워 로드 하단(1061)에 의한 누름충격을 완화하기 위하여 저탄소강인 커플링 칼라(204)가 커플링 캡(208) 상면에 배치되고, 이에 더하여 그리스 주입을 위한 그리스 니플(206)이 구비된다. 이러한 그리스 니플(206)로 주입된 그리스는 커플링 칼라(204) 전면(全面)에 고루 도포되어 커플링 칼라(206)가 미세 거동함에 따라 파워 로드(106)의 하강에 따른 누름 응력을 분산시킴으로써 커플링 캡(208)의 내구성을 증진시킨다.
또한, 파워 로드(106)에 의한 누름충격은 커플링 캡(208) 내부에 결합된 커플링 스페이스 칼라(205)에도 전달되므로 커플링 스페이스 칼라(205)에서 응력이 분산된 후 피스톤 로드 상단(1051)에 전달되므로 내충격력을 증진시키게 된다.
아울러, 본 발명에서는 길이가 길게 되어 냉열의 전달을 감쇄하고 있는 피스톤 로드(105)가 일시적으로 편심되는 현상이 발생할 수 있으며, 이러한 편심을 보상하기 위하여 도 5, 도 7 및 도 8로 보인 바와 같이, 피스톤 로드 상단(1051)을 감싸도록 커플링 캡(208) 하부로 확장되어 있는 확장부(2081)와 하부커플링그랜드(202) 사이에 0.3 mm 내지 0.8 mm 범위의 간격으로 편심 구속 방지 갭(209)이 형성될 수 있으며, 이러한 편심 구속 방지 갭(209)은 커플링 캡의 하방의 외경과 하부 커플링 그랜드 내경 사이의 간격을 의미할 수 있다.
이를 구체적인 예를 들어 설명하면, 도 7의 도면상 피스톤 로드(105)가 좌측으로 미세 각도(θ)로 편심되는 경우 커플링 캡(208)의 내부에 배치된 커플링 스페이서 칼라(205)의 중심점을 기준으로 피스톤 로드(105)가 커플링 캡(208) 하단에서 우측으로 기울어지면서 정상적인 승강 동작이 가능하도록 보상하게 된다.
즉, 피스톤 로드 상단(1051)을 감싸고 있는 커플링 캡(208) 하단의 확장부(2081)가 사선상으로 변형되어 피스톤 로드(105)가 미세 각도(θ)로 편심되더라도 수용할 수 있게 되며, 연속 승강 동작을 반복하다보면 확장부(2081)의 중심으로 점차 중심을 잡아 원활한 정상적인 승하강 동작이 가능하게 되는 것이다.
이와는 반대로 도 8의 도면상 피스톤 로드(105)가 우측으로 편심되는 경우 커플링 캡(208)의 내부에 배치된 커플링 스페이서 칼라(205)의 중심점을 기준으로 피스톤 로드(105)가 커플링 캡(208) 하단에서 좌측으로 기울어지면서 편심을 보상하게 되어 이 경우에도 정상적인 승강 동작이 가능하게 된다.
즉, 커플링 캡(208) 하단의 확장부(2081)와 하부커플링그랜드(202) 사이에 편심 구속 방지 갭(209)이 형성되어 있으므로 피스톤 로드(105)가 편심되더라도 수용할 수 있게 되며, 연속 승강 동작을 반복하다보면 확장부(2081)의 중심으로 점차 중심을 잡아 원활한 정상적인 승하강 동작이 가능하게 되는 것이다.
아울러, 본 발명에서는 상기 커플링 캡(208)이 폴리이미드로 제작되고, 커플링 바디(203)는 저탄소강으로 제작되어 열팽창계수는 물론 구조상 누름충격 시 받게 되는 응력이 불균일함을 감안하여 경년(經年)에도 불구하고 안정된 조립 상태가 유지되도록 도 9로 보인 바와 같이, 커플링 바디(203)에 커플링 캡(208)을 고정시키는 스파이크록(207)을 1개소 이상 횡단면상 다방향에서 결합되도록 구성할 수 있다.
이를 위하여 커플링 바디(203)와 상기 커플링 캡(208) 사이에 풀림방지용 렌치볼트와 와셔로 구성된 스파이크록(207)을 횡단면 상 중심으로 설치하여 상기 렌치볼트가 커플링 캡(208)의 체결공(2082)에 결합됨으로써 장기간 사용에도 스파이크록(207)의 풀림 현상을 방지하고 커플링 캡(208)을 커플링 바디(203)에 고정할 수 있게 된다.
이상에서, 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것이 아니고, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범위를 이탈하지 않는 범위 내에서 치수 및 모양 그리고 구조 등의 다양한 변형 및 모방할 수 있음은 명백한 사실이며 이러한 변형 및 모방은 본 발명의 기술 사상의 범위에 포함된다.
100 : 액화수소 충전용 극저온 펌프 101 : 가스유입부
102 : 압축수단 103 : 액화가스토출구
104 : 피스톤 105 : 피스톤 로드
1051 : 피스톤 로드 상단 106 : 파워 로드
1061 : 파워 로드 하단 107 : 유압실린더
200 : 커플링 201 : 상부커플링그랜드
202 : 하부커플링그랜드 203 : 커플링 바디
204 : 커플링 칼라 205 : 커플링 스페이스 칼라
206 : 그리스 니플 207 : 스파이크록
208 : 커플링 캡 2081 : 확장부
2082 : 체결공 209 : 편심 구속 방지 갭

Claims (5)

  1. 동력파트에 의하여 승강되는 파워 로드와, 피스톤을 승강시키도록 연결하는 피스톤 로드 사이를 연결하되, 상기 파워 로드와 결합되는 상부커플링그랜드와, 상기 상부커플링그랜드가 상방에 일체로 체결되는 원통상의 커플링 바디와, 상기 커플링 바디 하방에 하부커플링그랜드를 체결하며 상기 상,하 커플링그랜드 사이에 커플링 칼라와, 커플링 스페이스 칼라가 내장된 이미드 고리를 가지는 고분자 물질로 성형된 커플링 캡이 설치되고, 상기 커플링 바디에 설치된 그리스 니플을 통해 그리스 주입구와 커플링 칼라의 주위가 연통되도록 하며, 상기 커플링 캡의 내측에 구비된 커플링 스페이스 칼라와 피스톤 로드 상단이 접면하도록 조립하여서 됨을 특징으로 하는 액화수소 충전용 극저온 펌프의 피스톤 파워 로드 커플링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 커플링 바디에 통공을 형성하여 외부와 상기 커플링 칼라 둘레가 연통되도록 하고, 상기 커플링 바디의 통공에 그리스 니플을 설치하여서 됨을 특징으로 하는 액화수소 충전용 극저온 펌프의 피스톤 파워 로드 커플링.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 커플링 캡의 열전도율은 0.18 W/mk 내지 0.26W/mk로 하여서 됨을 특징으로 하는 액화수소 충전용 극저온 펌프의 피스톤 파워 로드 커플링.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 커플링 캡의 하방의 외경과 하부 커플링 그랜드 내경 사이에 편심 구속 방지 갭이 구성됨을 특징으로 하는 액화수소 충전용 극저온 펌프의 피스톤 파워 로드 커플링.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 커플링 바디와 상기 커플링 캡 사이에 풀림방지용 렌치볼트와 와셔로 구성된 스파이크 록을 횡단면 상 중심방향으로 설치하여서 됨을 특징으로 하는 액화수소 충전용 극저온 펌프의 피스톤 파워 로드 커플링.

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101641562B1 (ko) * 2014-11-03 2016-07-21 한국전기연구원 열 차단용 샤프트를 포함하는 극저온 펌프
KR20210005953A (ko) * 2018-06-11 2021-01-15 가부시키가이샤 아이에이치아이 압축비 가변 기구

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Title
하인리히 키퍼크 게엠베하 앤 컴퍼니 케이지(HEINRICH KIPP WERK GmbH & Co. KG), K0709퀵 플러그 커플링 레디얼 오프셋 보정 DATA SHEET, 독일, 2022

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