KR102535508B1 - 극저온환경용 부품 개발을 위한 부품시험장치 - Google Patents

극저온환경용 부품 개발을 위한 부품시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 극저온환경용 부품 개발을 위한 부품시험장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 단열을 통하여 열을 차단하여 순수한 냉동기를 통하여 액체수소를 생성하여 극저온환경을 조성하여 효율적으로 시험을 수행할 수 있는 극저온환경용 부품 개발을 위한 부품시험장치데 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 내부에 수소 가스가 저장되어 있는 수소가스탱크; 내부에 액화된 질소가 저장되어 있는 액화질소탱크; 수소가스탱크에서 수소가스가 유입될 수 있으며, 유입된 수소가스를 압축할 수 있는 수소가스압축기; 액화질소탱크에서 액화질소 및 수소가스압축기에서 압축수소가스가 유입될 수 있으며, 액화질소를 이용하여 압축수소가스를 냉각시킬 수 있는 예냉각기; 예냉각기에서 냉각된 저온수소가스를 액화시킬 수 있는 액화수소생성모듈; 액화수소생성모듈에서 생성된 액화수소가 유입될 수 있으며, 시편결합부를 구비하고 있어 시험을 수행할 부품을 결합하여 시험을 수행할 수 있는 극저온환경용부품시험모듈을 포함하는, 극저온환경용 부품 개발을 위한 부품시험장치를 제공한다.

Description

극저온환경용 부품 개발을 위한 부품시험장치 {Parts Test Device for Development of Parts for Extremely Low Temperature Environment}
본 발명은 극저온환경용 부품 개발을 위한 부품시험장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 단열을 통하여 열을 차단하여 순수한 냉동기를 통하여 액체수소를 생성하여 극저온환경을 조성하여 효율적으로 시험을 수행할 수 있는 극저온환경용 부품 개발을 위한 부품시험장치에 관한 것이다.
일반적으로 안전밸브는 기기나 배관의 압력이 일정한 압력을 넘었을 경우에 압력을 감소시키기 위하여 자동적으로 밸브가 동작하며, 스프링식과 레버식이 있다.
안전밸브에서는 압력탱크의 내부압력이 최고사용압력에 도달했을 경우 자동적으로 작동하여 고압증기 또는 가스를 배출하여 압력의 상승을 방지하는 밸브로, 통상적인 액화수소탱크를 포함한 압력탱크에서는 자동제어장치 등에 의하여 압력제어를 하고 있기 때문에 안전밸브가 작동하는 일은 많지 않지만, 자동제어장치 등의 고장에 의해 압력이 이상하게 상승했을 때 압력을 탈출시키는 것이 목적이다.
또한, 증기관, 고압 반응기, 봄베 기타의 고압 그릇에서 증기 또는 가스의 압력이 관 또는 그릇의 사용 표준 압력 이상으로 상승되는 경우 용기의 파열을 박고 부속비품등을 보호하기 위하여 자동적으로 가스 또는 증기를 용기 밖으로 방출시키기 때문에 규정압에서 확실하게 작동하고 또 빠르게 복원되어 필요이상의 가스량을 방출하지 않고 또 누설이 없어야 하고, 작동압이 상용압보다 너무 높지않을 것이 요구된다.
안전밸브의 방출구를 봉하는 방법에는 중량에 따른 것, 스프링에 따른 것, 중량과 기레를 사용할 것 등이 있으며, 구조가 간단하고 취출량이 크고 누설이 없으며 부식성 유체나 덩어리 모양의 물질을 포함한 경우도 사용할 수 있어 고압 가스 봄베의 안전 밸브로 종래부터 상용되고 있던 박판 안전 밸브 등이 있다.
액화수소 안전밸브는 극저온호나경에서 안전밸브의 재료 및 성능에 대한 안전성 확보를 위하여 극저온 환경에서 발생할 수 있는 저온취성에 적합한 재료 사용 및 성능을 확인할 수 있는 시험장치가 필요하다.
선행기술문헌 : KR등록특허공보 제10-2122654호(2020.06.12. 공고)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 액화수소생성모듈과 극저온용부품시험모듈을 각각 독립적으로 구비하고, 액화수소생성모듈에서 생성된 액화수소를 이용하여 극저온용부품시험모듈에서 극저온용부품을 시험할 수 있는 극저온환경용 부품 개발을 위한 부품시험장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 극저온환경용 부품 개발을 위한 부품시험장치는 내부에 수소 가스가 저장되어 있는 수소가스탱크; 내부에 액화된 질소가 저장되어 있는 액화질소탱크; 수소가스탱크에서 수소가스가 유입될 수 있으며, 유입된 수소가스를 압축할 수 있는 수소가스압축기; 액화질소탱크에서 액화질소 및 수소가스압축기에서 압축수소가스가 유입될 수 있으며, 액화질소를 이용하여 압축수소가스를 냉각시킬 수 있는 예냉각기; 예냉각기에서 냉각된 저온수소가스를 액화시킬 수 있는 액화수소생성모듈; 액화수소생성모듈에서 생성된 액화수소가 유입될 수 있으며, 시편결합부를 구비하고 있어 시험을 수행할 부품을 결합하여 시험을 수행할 수 있는 액화수소용부품시험모듈을 포함한다.
또한, 액화수소용부품시험모듈은 수소가스 및 헬륨가스를 포함한 시험용 가스를 저장할 수 있는 시험가스탱크, 시험가스탱크에서 유입된 시험가스의 압력을 높일 수 있는 시험가스압축기, 액화질소탱크에서 액화질소를 공급받아 시험가스압축기에서 유입되는 시험가스를 냉각시킬 수 있는 시험가스예냉각기, 액화수소생성모듈에서 생성된 액화수소와 시험가스예냉각기에서 냉각된 시험가스가 유입될 수 있는 시험탱크, 시험탱크에 구비되어 있으며, 안전밸브, 압력계, 펌프, 튜브를 포함한 시험을 실시할 부품이 결합될 수 있는 시편결합부, 시험탱크 내부 환경을 모니터링 할 수 있는 센서부를 포함한다.
또한, 액화수소생성모듈은 유입된 수소가스를 냉각시키는 냉각부, 열손실을 최소화할 수 있는 단열탱크부를 포함하고, 단열탱크부는 외면이 노출되어 있고, 상단에는 밀폐커버에 의하여 밀폐될 수 있는 외(外)탱크부, 외탱크부의 내면과 소정거리 이격된 외탱크부의 내부에 구비되며, 내부에 액화수소가 저장되는 내(內)탱크부, 외탱크의 내면과 내탱크부의 외면사이에 위치하며, 액화질소탱크에서 액화질소가 유입되어 저장될 수 있는 간(間)탱크부를 포함하고, 외탱크부, 간탱크부, 내탱크부 상호간에는 소정거리 이격되어 있고, 각각의 이격공간에는 진공이 형성되어 있는 것을 포함한다.
본 발명에 의하면 극저온환경에서 사용되는 부품의 시험을 설정조건에 따라 효율적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온환경용 부품 개발을 위한 부품시험장치를 도시한 도면,
도 2는 예냉각기 및 액화수소생성모듈을 도시한 도면,
도 3은 단열탱크부의 외탱크부, 간탱크부, 내탱크부를 도시한 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온환경용 부품 개발을 위한 부품시험장치를 도시한 도면, 도 2는 예냉각기 및 액화수소생성모듈을 도시한 도면, 도 3은 단열탱크부의 외탱크부, 간탱크부, 내탱크부를 도시한 도면이다.
본 발명의 바람직한 극저온환경용 부품 개발을 위한 부품시험장치는, 수소가스탱크, 액화질소탱크, 수소가스압축기, 예냉각기, 액화수소생성모듈, 극저온환경용부품시험모듈을 포함한다.
수소가스탱크는 내부에 수소 가스가 저장되어 있으며, 내부에 있는 수소 가스는 수소가스압축기로 유입될 수 있다.
액화질소탱크는 내부에 액화된 질소가 저장되어 있으며, 내부에 있는 액화질소는 예냉각기, 시험가스예냉각기, 액화수소생성모듈 및 액화수소용부품시험모듈로 유입될 수 있다.
수소가스압축기는 수소가스탱크에서 수소가스가 유입될 수 있으며, 유입되는 수소가스를 일정압력으로 압축할 수 있다.
예냉각기는 액화질소탱크에서 액화질소가 유입될 수 있고, 수소가스압축기에서 압축수소가스가 유입될 수 있으며, 액화질소탱크에서 유입된 액화질소를 이용하여 수소가스압축기에서 압축된 압축수소가스를 -196℃까지 냉각시킬 수 있다.
예냉각기를 구비하지 않고, 바로 냉각하여 액화수소를 생성하는 경우, 300K의 수소를 20K로 냉각시키는데 3500J/g의 엔탈피를 제거하여야 하고, 수소가 기체에서 액체로 상변화를 함으로 발생하는 잠열에 의하여 448J/g 엔탈피를 제거하여야함으로, 냉동기를 이용하여 제거해야할 엔탈피가 3948J/g이다.
예냉각기를 구비한 경우, 300K의 수소를 80K로 예냉각기에서 냉각이 되므로, 냉동기에서는 80K의 수소를 20K로 냉각시키기 위하여 500J/g의 엔탈피를 제거하여야 하고, 수소가 기체에서 액체로 상변화를 함으로 발생하는 잠열에 의하여 448J/g의 엔탈피를 제거하여야 하므로, 냉동기를 이용하여 제거하여야할 엔탈피가 948J/g으로 줄어들게 되므로, 효율적으로 액화수소를 제조할 수 있는 효과가 있다.
액화수소생성모듈은 예냉각기에서 냉각된 저온수소가스를 액화시킬 수 있으며, 냉각부, 단열탱크부를 포함하여 이루어진다.
냉각부는 예냉각기에서 -196℃까지 냉각된 저온수소가스를 끓는점(-253℃)이하로 냉각시켜 수소가스를 액화시킨다.
단열탱크부는 열손실을 최소화하여 액화수소를 저장할 수 있으며, 외탱크부, 내탱크부, 간탱크부를 포함아여 이루어진다.
외탱크부는 외면이 노출되어 있고, 상단에는 밀폐커버에 의하여 밀폐될 수 있으며, 외탱크부의 내부에는 내탱크부가 위치할 수 있다.
밀폐커버에는 탱크내부의 압력이 소정압력 이상이 되는 경우 작동하는 스프링식 안전밸브와, 안전밸브가 고장 또는 기타 외부요인으로 인하여 작동하지 않을 때를 대비한 파열판식 예비안전밸브가 구비되어 있다.
내탱크부는 외탱크부의 내면과 소정거리 이격되어 외탱크부의 내부에 위치할 수 있으며, 내부에 액화수소가 저장될 수 있다.
간탱크부는 외탱크의 내면과 내탱크부의 외면 사이에 위치하며, 액화질소탱크에서 액화질소가 유일되어 저장될 수 있다.
또한, 외탱크부, 간탱크부, 내탱크부 상소간에는 소정거리 이격되어 있고, 각각의 이격공간에는 진공이 형성되어 있다.
즉, 내측방향으로 외탱크-진공공간-간탱크-진공공간-내탱크의 순으로 단열탱크가 이루어져있다.
내탱크내부에는 액화수소의 수위를 센싱할 수 있는 액화수소수위센서가 구비되어 있고, 간탱크내부에는 액화질소의 수위를 센싱할 수 있는 액화질소수위센서가 구비되어 있어, 내탱크 내부의 액화수소의 수위에 상응되는 수위로 간탱크 내부로 액화질소가 유입될 수 있다.
일반적인 탱크에 액화수소가 저장되어 있는 것에 비하여, 외탱크-진공공간-간탱크외면-액화질소-간탱크내면-진공공간-내탱크의 순으로 이루어진 본원발명의 단열탱크에 저장되어 잇으면 열손실이 훨씬 줄어들 수 있으므로, 액화질소를 효율적으로 생성 및 보관이 가능하다.
액화수소용부품시험모듈은 액화수소생성모듈에서 생성된 액화수소가 유입될 수 있고, 시편결합부를 구비하고 있어 시험을 수행할 부품을 결합하여 시험을 수행할 수 있으며, 시험가스탱크, 시험가스압축기, 시험가스예냉각기, 시험탱크, 시편결합부, 센서부를 포함하여 이루어진다.
시험가스탱크는 수소가스 및 헬륨가스를 포함한 시험용 가스를 저장할 수 있으며, 시험가스탱크에 저장되어 있는 시험가스는 시험가스압축기로 유입되어 압축될 수 있다.
시험가스압축기는 시험가스탱크에서 유입된 시험가스의 압력을 높일 수 있으며, 시험가스압축기에서 생성된 고압시험가스는 시험가스예냉각기로 유입될 수 있다.
시험가스예냉각기는 액화질소탱크에서 액화질소를 공급받을 수 있으며, 액화질소를 이용하여 시험가스를 냉각시킬 수 있다.
시험탱크는 액화수소생성모듈에서 생성된 액화수소와 시험가스예냉각기에서 냉각된 시험가스가 유입될 수 있다.
시험탱크는 시험탱크 내부를 가열 또는 냉각시킬 수 있는 온도제어부, 외부와의 열교환을 최소화할 수 있는 단열탱크부를 포함하여 이루어진다.
온도제어부는 단열탱크부내부를 가열시키거나 냉각시킬 수 있으며, 단열탱크부의 내부를 가열시키는 경우 액화수소가 기화하여 단열탱크부의 내부의 압력이 상승할 수 있으며, 단열탱크부의 내부를 냉각시키는 경우 단열탱크부의 내부의 압력이 감소할 수 있다.
단열탱크부는 열손실을 최소화하여 액화수소를 저장할 수 있으며, 외탱크부, 내탱크부, 간탱크부를 포함아여 이루어진다.
외탱크부는 외면이 노출되어 있고, 상단에는 밀폐커버에 의하여 밀폐될 수 있으며, 외탱크부의 내부에는 내탱크부가 위치할 수 있다.
밀폐커버에는 탱크내부의 압력이 소정압력 이상이 되는 경우 작동하는 스프링식 안전밸브와, 안전밸브가 고장 또는 기타 외부요인으로 인하여 작동하지 않을 때를 대비한 파열판식 예비안전밸브가 구비되어 있다.
내탱크부는 외탱크부의 내면과 소정거리 이격되어 외탱크부의 내부에 위치할 수 있으며, 내부에 액화수소가 저장될 수 있다.
간탱크부는 외탱크의 내면과 내탱크부의 외면 사이에 위치하며, 액화질소탱크에서 액화질소가 유일되어 저장될 수 있다.
또한, 외탱크부, 간탱크부, 내탱크부 상소간에는 소정거리 이격되어 있고, 각각의 이격공간에는 진공이 형성되어 있다.
즉, 내측방향으로 외탱크-진공공간-간탱크-진공공간-내탱크의 순으로 단열탱크가 이루어져있다.
내탱크내부에는 액화수소의 수위를 센싱할 수 있는 액화수소수위센서가 구비되어 있고, 간탱크내부에는 액화질소의 수위를 센싱할 수 있는 액화질소수위센서가 구비되어 있어, 내탱크 내부의 액화수소의 수위에 상응되는 수위로 간탱크 내부로 액화질소가 유입될 수 있다.
일반적인 탱크에 액화수소가 저장되어 있는 것에 비하여, 외탱크-진공공간-간탱크외면-액화질소-간탱크내면-진공공간-내탱크의 순으로 이루어진 본원발명의 단열탱크에 저장되어 있으면 열손실이 훨씬 줄어들 수 있으므로, 액화질소를 효율적으로 생성 및 보관이 가능하다.
시편결합부는 시험탱크에 구비되어 있으며, 안전밸브, 압력계, 펌프, 튜브, 온도센서를 포함한 시험을 실시할 부품을 결합하여 시험을 실시할 수 있다.
예컨대, 안전밸브를 시험하는 경우, 시편결합부에 안전밸브를 결합을 하고, 온도제어부를 통하여 시험탱크 내부를 가열하거나 시험가스압축기 및 시험가스예냉각기를 여 액화수소를 기화시켜 내부 압력을 높여 소정압력이 되면 안전밸브가 작동하는지 여부를 시험할 수 있다.
또한, 압력계를 시험하는 경우, 시편결합부에 압력계를 결합하고, 온도제어부를 통하여 시험탱크 내부를 가열 또는 냉각하여 시험탱크내부의 압력에 변화를 주어 압력계가 제대로 작동하는지 여부를 시험할 수 있다.
이와 같이 시편결합부에 액화수소용 안전밸브 또는 극저온환경에서 사용되는 부품을 결합하여 극 저온환경에서 동작을 적절하게 할 수 있는지, 저온취성 등을 효과적으로 시험할 수 있다.
센서부는 시험탱크 내부 환경을 모니터링할 수 있으며, 온도센서, 압력센서, 액화수소수위센서, 액화질소수위센서를 포함하여 이루어진다.
온도센서는 시편결합부에 온도센서 또는 온도계를 결합하여 작동 시험을 실시할 경우, 시험대상 온도센서와 비교하여 시험대상 온도센서 또는 온도계가 정상작동하는지 여부를 판단할 수 있다.
압력센서는 시편결합부에 압력센서 또는 압력계를 결합하여 작동 시험을 실시할 경우, 시험대상 압력센서 또는 압력계와 비교하여 시험대상 압력센서 또는 압력계가 정상작동하는지 여부를 판단할 수 있다.
본 발명에 의하면 극 저온환경에서 동작하여야 하는 부품의 시험을 안전하고, 효율적으로 실시할 수 있다는 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (3)

  1. 내부에 수소 가스가 저장되어 있는 수소가스탱크;
    내부에 액화된 질소가 저장되어 있는 액화질소탱크;
    수소가스탱크에서 수소가스가 유입될 수 있으며, 유입된 수소가스를 압축할 수 있는 수소가스압축기;
    액화질소탱크에서 액화질소 및 수소가스압축기에서 압축수소가스가 유입될 수 있으며, 액화질소를 이용하여 압축수소가스를 냉각시킬 수 있는 예냉각기;
    예냉각기에서 냉각된 저온수소가스를 액화시킬 수 있는 액화수소생성모듈;
    액화수소생성모듈에서 생성된 액화수소가 유입될 수 있으며, 시편결합부를 구비하고 있어 시험을 수행할 부품을 결합하여 시험을 수행할 수 있는 극저온환경용부품시험모듈
    을 포함하고,
    액화수소생성모듈은
    유입된 수소가스를 냉각시키는 냉각부,
    열손실을 최소화할 수 있는 단열탱크부
    를 포함하고,
    단열탱크부는
    외면이 노출되어 있고, 상단에는 밀폐커버에 의하여 밀폐될 수 있는 외(外)탱크부,
    외탱크부의 내면과 소정거리 이격된 외탱크부의 내부에 구비되며, 내부에 액화수소가 저장되는 내(內)탱크부,
    외탱크의 내면과 내탱크부의 외면사이에 위치하며, 액화질소탱크에서 액화질소가 유입되어 저장될 수 있는 간(間)탱크부
    를 포함하고,
    외탱크부, 간탱크부, 내탱크부 상호간에는 소정거리 이격되어 있고, 각각의 이격공간에는 진공이 형성되어 있는 것
    을 포함하는 극저온환경용 부품 개발을 위한 부품시험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    극저온환경용부품시험모듈은
    수소가스 및 헬륨가스를 포함한 시험용 가스를 저장할 수 있는 시험가스탱크,
    시험가스탱크에서 유입된 시험가스의 압력을 높일 수 있는 시험가스압축기,
    액화질소탱크에서 액화질소를 공급받아 시험가스압축기에서 유입되는 시험가스를 냉각시킬 수 있는 시험가스예냉각기,
    액화수소생성모듈에서 생성된 액화수소와 시험가스예냉각기에서 냉각된 시험가스가 유입될 수 있는 시험탱크,
    시험탱크에 구비되어 있으며, 안전밸브, 압력계, 펌프, 튜브를 포함한 시험을 실시할 부품이 결합될 수 있는 시편결합부,
    시험탱크 내부 환경을 모니터링 할 수 있는 센서부
    를 더 포함하는, 극저온환경용 부품 개발을 위한 부품시험장치.
  3. 삭제
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