KR102469622B1 - 응축형 수소 액화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액화 질소의 특성을 이용하여 상단에서 유입되는 열을 효율적으로 차단하는 응축형 수소 액화 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기체 수소를 응축시켜 액화 수소로 변환하는 응축형 수소 액화 장치에 있어서, 내부에 내부공간이 형성되는 케이싱; 상기 케이싱 상면에 결합하여 상기 내부공간을 밀폐시키는 상단플랜지; 상기 상단플랜지 외면에 장착되어 상기 내부공간까지 연장 배치되는 냉동기; 상기 내부공간에 배치되며, 상기 냉동기를 수용하며, 상면이 상기 상단플랜지와 결합하여 밀폐되며, 내부에 액체 수소를 저장하는 수소 저장조; 상기 내부공간에 상기 수소 저장조의 측면을 감싸는 형태로 배치되며, 내부에 액체 질소를 저장하는 질소 저장조;및 상기 질소 저장조 내부에 배치되어 유입되는 수소를 액체 질소에 의하여 냉각시키는 프리 쿨러를 포함하되, 상기 프리 쿨러에서 냉각된 수소는 상기 냉동기로 유입된 후, 액화되어 상기 수소 저장조에 저장되는 것을 특징으로 한다.

Description

응축형 수소 액화 장치{Condensing type hydrogen liquefier}
본 발명은 응축형 수소 액화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소용량의 수소를 액화시키는 응축형 수소 액화 장치에 관한 것이다.
일반적으로 기체수소를 액화시키는 방법으로 Linde-Hampson 사이클, Claude 사이클 등이 제안되었으며, 상기의 수소 액화 사이클은 액화 효율은 우수하나 대형 수소 액화 시스템을 필요로 하다.
그런데, 소량의 액화 수소가 필요한 경우에는 지역적으로 액화가 가능한 소형 액화 장치가 필요하므로 상기와 같은 대형 수소 액화 시스템으로을 적용하기에는 다소 무리가 있다.
상기와 같은 대형 액화 시스템의 단점을 해결하기 위해, 근래에는 극저온 냉동기를 이용한 소형 수소 액화 장치에 관한 연구가 활발히 수행되고 있다.
극저온 냉동기를 이용한 소형 수소 액화 장치는 액체 수소보다 낮은 온도로 유지되는 극저온 냉동기와 수소를 직접 접촉시켜 수소를 액화 온도인 20K이하로 냉각하여 액화시킨다. 그런데 극저온 냉동기를 이용한 이러한 직접 액화 방식에서 극저온 냉동기가 수소를 상온으로부터 액화 온도까지 냉각하는 경우 온도차에 의한 열역학적 비가역성이 너무 커서 효율적인 냉각이 이루어지기 어려워, 프리쿨러(pre-cooler)를 이용하여 수소를 예냉한 후, 액화 하는 방식들이 주로 적용된다.
예를 들면, '수소 액화 장치용 프리쿨러(등록번호: 10-1458098)'에는 내부에 액상의 냉각 매체가 수용되는 제1 챔버와 상기 제1 챔버와 분리된 제2 챔버를 구비하는 본체; 상기 제1 챔버 내에 설치되며, 일단이 제1 챔버 외부의 수소 이송관과 연결되어 유입된 수소가 타단을 향해 이동하면서 상기 제1 챔버 내에 수용된 액상의 냉각 매체와의 열교환을 통해 냉각되도록 하는 수소 예냉관; 상기 수소 예냉관의 타단과 연결되고 출구가 상기 제2 챔버로 연결되어, 상기 수소 예냉관을 거치면서 예냉된 수소를 단열 팽창시켜 추가적인 냉각이 이루어지도록 하는 팽창 밸브; 및 상기 제2 챔버 내의 빈 공간에 서로 이격되어 설치되어 상기 팽창 밸브 출구를 통해 상기 제2 챔버 내로 유입된 수소가 접촉 이동하면서 ortho-para 변환된 후 수소 배출구를 통해 배출되게 하는 복수의 판형 ortho-para 변환 촉매를 포함하는 수소 액화 장치용 프리쿨러을 구성이 개시되어 있다.
한편, 상기 프리 쿨러의 방식 중에는 액화 질소를 이용하여 수소를 예냉하는 방식들도 다수 제안되었다.
상기 방식의 경우 예냉을 위한 질소 저장조와 액화된 수소를 저장하는 수소 저장조가 별도로 구비되고, 수소는 상기 질소 저장조와 열교환에 의하여 예냉된 후 상기 수소조에서 액화되는 형태로 구성된다. 이때 수소 저장조의 상단은 별도의 역차폐수단이 구비되어 있으나, 상온에 직접 노출되어 외부 열이 지속적으로 침투하여 극저온 냉동기의 효율을 저하시키는 단점이 있다.
국내 등록특허공보 제10-1458098호, 2014.10.29.자 등록.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로, 액화 질소의 특성을 이용하여 상단에서 유입되는 열을 효율적으로 차단하는 응축형 수소 액화 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기체 수소를 응축시켜 액화 수소로 변환하는 응축형 수소 액화 장치에 있어서, 내부에 진공의 내부공간을 형성시키는 케이싱; 상기 케이싱 상면에 결합하여 상기 내부공간을 밀폐시키는 상단플랜지; 상기 상단플랜지 외면에 장착되어 상기 내부공간까지 연장 배치되는 냉동기; 상기 내부공간에 상기 케이싱과 이격 설치되며, 상기 냉동기를 수용하며, 상면이 상기 상단플랜지와 결합하여 밀폐되며, 내부에 액체 수소를 저장하는 수소 저장조; 상기 케이싱 및 상기 상단플랜지와 이격되어 설치되고 상기 수소 저장조의 외측면을 감싸는 형태로 수소 저장조의 외측면에서 이격되어 배치되고, 상단에 상기 수소 저장조의 외면과 접촉하는 차단부에 의해 상기 수소 저장조에 결합되며 내부에 액체 질소를 저장하는 질소 저장조; 및 상기 질소 저장조 내부에 배치되어 유입되는 수소를 액체 질소에 의하여 냉각시키고, 냉각된 수소는 상기 냉동기로 유입된 후, 액화되어 상기 수소 저장조에 저장되게 하는 프리 쿨러를 포함하여 구성되어, 상기 수소 저장조는 상기 질소 저장조에 의해 냉기 보존되고, 상기 질소 저장조는 진공의 내부공간에 의해 냉기 보존되게 하며, 상기 차단부로 전달되는 질소 냉기에 의해 상단 플랜지에서 수소 저장조로 전달되는 상온 열기를 차단시키는 것을 특징으로 하는 응축형 수소 액화 장치를 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 수소 저장조는 상기 차단부를 수용하는 수용홈이 형성되어, 상기 상단 플랜지에서 전달되는 상온 열기 통과 경로를 최소화시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 응축형 수소 액화 장치로 되는 것이 바람직하다.
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본 발명에 따른 응축형 수소 액화 장치는 케이싱, 상기 케이싱 내부에 배치되는 수소 저장조, 상기 수소 저장조로 유입되는 수소를 응축하여 액화하는 냉동기, 상기 수소 저장조를 측면으로 감싸는 질소 저장조, 상기 질소 저장조에 배치되어 유입되는 수소를 예비로 냉각하는 프리 쿨러와 상기 질소 저장조의 상단에서 연장되어 상기 수소 저장조의 상단 측면과 접촉하는 차단부를 포함하는 것을 특징으로 하여, 외부에서 수소 저장조로 유입되는 열을 액체 질소에 의하여 차단하여 단열 특성이 형상된 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 응축형 수소 액화 장치의 구성을 설명하는 단면도.
도 2는 도 1의 평면 단면도.
도 3은 도 1에 도시된 냉동기의 구성도.
도 4는 도 1에 도시된 차단부의 확대도.
도 5는 도 4의 다른 실시예의 도.
도 6은 도 4의 단열 효과를 설명하는 설명도.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 “연결”, “결합” 또는 “접속”된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 “연결”, “결합” 또는 “접속”될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 응축형 수소 액화 장치(100)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 전체 장치를 지지하는 케이싱(10), 상기 케이싱(10)의 상단을 안착되어 내부공간(11)을 밀폐하는 상단플랜지(20), 상기 상단플랜지(20)에 장착되어 외면에서 내면까지 배치되는 냉동기(30), 상기 케이싱(10)의 내부공간(11)에 상기 냉동기(30)를 수용하면서, 액체 수소를 저장하는 수소 저장조(40), 상기 수소 저장조(40)의 측면을 감싸는 형태로 배치되는 질소 저장조(60) 및 상기 질소 저장조(60)에 내부에 배치되는 프리 쿨러(80)를 포함하여 구성된다.
먼저 상기 케이싱(10)은 내부에 내부공간(11)이 형성되며, 적절한 강도를 가지는 것이 바람직하며, 그 형상은 제한되지 않는다. 또한 외기에 의한 열의 유입을 방지하기 위하여 다양한 형태의 차폐수단들을 추가할 수 있다.
상기 상단플랜지(20)는 상기 케이싱(10) 상단에 결합하여 상기 내부공간(11)을 밀폐하는 역할을 하며, 역시 적절한 강도로 구현되고, 도시되지는 않았지만, 외기에 의한 열의 유입 등을 방지하기 위하여 다양한 형태의 차폐수단들을 추가할 수 있다.
또한, 상기 상단플랜지(20)는 다른 부품들과 재료 투입을 위한 배관들이 설치되므로, 상기 부품과 배관 설치를 위한 다양한 설치 구조들을 추가할 수 있다.
한편, 상기 냉동기(30)는 상기 상단플랜지(20) 외부에서 상기 케이싱(10) 내부공간(11)에 연장되는 형태로 설치되며, 상기 상단플랜지(20)에 고정된다.
상기 냉동기(30)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 상단플랜지(20)에 고정되는 본체부(31)와 상기 본체부(31) 하단에 부착되어 열을 전달하는 히트파이프(32), 상기 히트파이프(33) 하단에 부착되어 수소를 응축시켜 액화하는 변환기(34)를 포함한다.
상기 본체부(31)는 고유의 냉동 장치를 포함하는 구성으로 저온을 형성하는 역할을 수행하며, 상기 히트파이프(32)는 상기 본체부(32)에서 형성된 저온을 하단의 변화기(34)로 전달하는 역할을 한다.
한편, 상기 변환기(34)는 수소를 열교환에 의하여 응축 액화시키는 역할을 하며, 통상 사용되는 O-P 변환기를 적용한다.
한편 상기 변환기(34)에는 수소가 유입하는 유입구(35)과 액화된 액화 수소가 배출되는 배출구(36)를 포함한다.
그리고 상기 냉동기(30)는 20K까지 저온을 형성할 수 있도록 구성되며, 상기 온도에서 상기 유입구(35)를 통하여 상기 변환기(34)로 유입되는 수소는 응축되어 상기 배출구(36)로 배출된다.
한편, 상기 수소 저장조(40)는 상기 냉동기(30)를 수용하며, 상기 배출구(36)를 통하여 배출되는 액화 수소를 저장하는 역할을 하는 것으로, 상기 상단플랜지(20)에 상면이 고정되어 내부가 밀폐된다.
또한 상기 수소 저장조(40)는 상기 케이싱(10)과 일정 거리 이격되어 배치되며, 상기 케이싱(10)과 수소 저장조(40) 사이는 진공이 형성되어 외부에 의하여 전달되는 열을 최소화하도록 구성한다.
한편, 상기 질소 저장조(60)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 수소 저장조(40)의 측면의 일부를 감싸는 형태로 구성된다.
즉, 상기 질소 저장조(60)의 높이는 상기 수소 저장조(40) 높이보다 작게 형성하고, 또한 상기 케이싱(10)과 상단플랜지(20)와 일정거리 이격되도록 배치된다. 물론 도면에 도시되지 않았지만, 상기 케이싱(10)은 내면에서 상기 질소 저장조(60)를 지지하는 지지부를 포함할 수 있다.
또한 상기 질소 저장조(60)의 내부에는 액체 질소가 충진되어 있으며, 별도의 배관을 통하여 상기 액체 질소가 공급되고, 배출된다.
상기와 같이 질소 저장조(60)는 상기 수소 저장조(40)의 측면을 감싸는 형태이므로, 케이싱(10) 측면을 통하여 유입되는 외기열을 차단하는 효과가 있다.
한편 상기 질소 저장조(60)의 일부 상면에는 내부에 열교환기가 포함된 프리 쿨러(80)가 배치된다. 또한, 상기 프리 쿨러(80)는 외부로 연장되는 수소 유입구(81)와 상기 냉동기(30)의 유입구(35)와 별도의 배관에 의하여 연통되는 수소 유출구(82)를 포함한다.
즉, 상기 수소 유입구(81)를 통하여 유입된 수소는 프리 쿨러(80)를 통과하면서, 질소 저장조(60)에 충진된 액체 질소에 의하여 냉각된 후, 상기 수소 유출구(82)를 통하여 배출된 후, 상기 냉동기(30)의 변환기(34)에서 응축된 후, 상기 수소 저장조(40)에 저장된다.
한편, 상기 질소 저장조(60)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 수소 저장조(40)의 상단 측면에 접촉하는 차단부(65)를 포함하여 구성된다.
여기서 상기 차단부(65)는 상기 질소 저장조(60)의 상단에 형성되며, 상기 수소 저장조(40)를 둘러싸는 형태로 형성된다.
또한 필요한 경우 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 수소 저장조(40)의 외면에는 상기 차단부(65)의 끝단을 수용하는 수용홈(45)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한 상기 차단부(65)의 끝단과 수용홈(45)은 사각형, 반원형 또는 삼각형과 같은 형태로 구성될 수 있다.
상기 차단부(65)는 액체 질소의 액화에 따라 지속적으로 약 77K를 유지하므로, 도 6에 도시된, 상기 수소 저장조(40)의 상단에 결합된 상단플랜지(20)를 통하여 외기에서 유입되는 열을 차단하여 수소 저장조(40) 하단의 온도 상승을 방지하는 효과가 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 응축형 수소 액화 장치를 실시하기 위한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10: 케이싱 11: 내부공간
20: 상단플랜지 30: 냉동기
31: 본체부 32: 히트파이프
34: 변환기 35: 유입구
36: 유출구 40: 수소 저장조
45: 수용홈 60: 질소 저장조
65: 차단부 80: 프리 쿨러
81: 수소 유입구 82: 수소 유출구
100: 응축형 수소 액화 장치

Claims (8)

  1. 기체 수소를 응축시켜 액화 수소로 변환하는 응축형 수소 액화 장치에 있어서,
    내부에 진공의 내부공간을 형성시키는 케이싱;
    상기 케이싱 상면에 결합하여 상기 내부공간을 밀폐시키는 상단플랜지;
    상기 상단플랜지 외면에 장착되어 상기 내부공간까지 연장 배치되는 냉동기;
    상기 내부공간에 상기 케이싱과 이격 설치되며, 상기 냉동기를 수용하며, 상면이 상기 상단플랜지와 결합하여 밀폐되며, 내부에 액체 수소를 저장하는 수소 저장조;
    상기 케이싱 및 상기 상단플랜지와 이격되어 설치되고 상기 수소 저장조의 외측면을 감싸는 형태로 수소 저장조의 외측면에서 이격되어 배치되고, 상단에 상기 수소 저장조의 외면과 접촉하는 차단부에 의해 상기 수소 저장조에 결합되며 내부에 액체 질소를 저장하는 질소 저장조; 및
    상기 질소 저장조 내부에 배치되어 유입되는 수소를 액체 질소에 의하여 냉각시키고, 냉각된 수소는 상기 냉동기로 유입된 후, 액화되어 상기 수소 저장조에 저장되게 하는 프리 쿨러를 포함하여 구성되어,
    상기 수소 저장조는 상기 질소 저장조에 의해 냉기 보존되고, 상기 질소 저장조는 진공의 내부공간에 의해 냉기 보존되게 하며, 상기 차단부로 전달되는 질소 냉기에 의해 상단 플랜지에서 수소 저장조로 전달되는 상온 열기를 차단시키는 것을 특징으로 하는 응축형 수소 액화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소 저장조는 상기 차단부를 수용하는 수용홈이 형성되어, 상기 상단 플랜지에서 전달되는 상온 열기 통과 경로를 최소화시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 응축형 수소 액화 장치.
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