KR102558636B1 - Liquid hydrogen vaporization system using heat pump with bypass pipe - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압축기기, 응축기, 팽창기기, 증발기를 갖는 히트펌프; 상기 응축기와 열교환하면서 액화수소를 기화시키는 수소배관; 상기 응축기와 상기 팽창기기 사이에 설치되는 제2 응축기; 및 상기 팽창기기와 상기 증발기 사이에 설치되는 제2 증발기를 포함하되, 일단이 상기 응축기의 입구측에 연결되어 연장되면서 제1 타단과 제2 타단으로 이분되고, 상기 제1 타단은 상기 응축기와 상기 제2 응축기 사이에 연결되면서, 상기 제2 타단은 상기 제2 응축기의 출구측에 연결되는 제1 바이패스관; 상기 제1 바이패스관의 일단측 및 제1,2 타단측 상에 각각 대응되도록 설치되어 유량을 제어하는 제1 바이패스밸브; 일단이 상기 제2 증발기의 입구측에 연결되어 연장되면서 제1 타단과 제2 타단으로 이분되고, 상기 제1 타단은 상기 증발기와 상기 제2 증발기 사이에 연결되면서, 상기 제2 타단은 상기 증발기의 출구측에 연결되는 제2 바이패스관; 및 상기 제2 바이패스관의 일단측 및 제1,2 타단측 상에 각각 대응되도록 설치되어 유량을 제어하는 제2 바이패스밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하여,
사용자가 필요에 따라 다용도로 활용하면서 보다 효율적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.The present invention is a heat pump having a compressor device, a condenser, an expansion device, and an evaporator; A hydrogen pipe for vaporizing liquefied hydrogen while exchanging heat with the condenser; a second condenser installed between the condenser and the expansion device; and a second evaporator installed between the expansion device and the evaporator, one end of which is connected to the inlet side of the condenser and extends to divide into a first other end and a second other end, wherein the first bypass pipe is connected between the condenser and the second condenser, and the second other end is connected to the outlet side of the second condenser; first bypass valves installed on one end side and the other first and second end sides of the first bypass pipe to control flow rates; A second bypass pipe having one end connected to the inlet side of the second evaporator and extending to be divided into a first other end and a second other end, the first other end being connected between the evaporator and the second evaporator, and the second other end being connected to the outlet side of the evaporator; And characterized in that it further comprises a second bypass valve installed on one end side and the first and second other end sides of the second bypass pipe to control the flow rate, respectively,
There is an effect that the user can use it more efficiently while using it for multiple purposes according to the need.
Description
본 발명은 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2개의 응축기 및 2개의 증발기를 구성하여 2:2 비율로 마련되도록 하고, 바이패스 방식을 응용하여 2개의 응축기 중 하나 또는 둘이 선택적으로 사용되도록 하는 동시에, 2개의 증발기 중 하나 또는 둘이 선택적으로 사용되도록 한 구성을 통해 사용자가 필요에 따라 다용도로 활용하면서 보다 효율적으로 사용할 수 있는 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a liquefied hydrogen vaporization system using a heat pump, and more particularly, to a liquefied hydrogen vaporization system using a heat pump in which two condensers and two evaporators are configured in a ratio of 2:2, a bypass method is applied so that one or two of the two condensers are selectively used, and one or two of the two evaporators are selectively used. .
일반적으로, 연료전지가 기본적인 시스템의 구성을 갖추기 위해서는 연료용기, 연료용기에 저장된 연료를 개질하여 수소 가스(이하, '기화 가스'라 함.)를 발생시키고 그 기화수소를 스택으로 공급하는 개질기(reformer) 및, 전기를 생산하는 스택(stack)이라 불리는 연료전지 본체가 필요하다. In general, in order for a fuel cell to have a basic system configuration, a fuel container, a reformer that reforms the fuel stored in the fuel container to generate hydrogen gas (hereinafter referred to as 'vaporized gas') and supplies the vaporized hydrogen to the stack, and a fuel cell body called a stack that generates electricity are required.
상기와 관련한 연료전지의 시스템 구성 중 하나인 개질기는 수소를 포함한 연료와 물을 개질 반응에 의해 스택의 전기 생성에 필요한 기화수소로 전환하는 장치이나, 연료의 개질을 위한 설계가 복잡하고 기화수소를 생성하는데 추가적인 비용이 발생된다는 문제점이 있었다.A reformer, one of the system configurations of the fuel cell related to the above, is a device that converts fuel and water including hydrogen into vaporized hydrogen necessary for generating electricity in the stack by a reforming reaction, but the design for reforming the fuel is complicated and there is a problem in that additional cost is incurred to generate vaporized hydrogen.
이러한 문제점을 해소하기 위해 기화수소 대비 에너지밀도가 높은 액화수소를 이용함과 동시에 연료전지의 시스템 구성에서 설계가 복잡하고 추가 비용이 발생되는 개질기를 제외하면서 연료전지 본체에 기화수소를 공급하여 전기를 생산할 수 있는 시스템이 연구되고 있다.In order to solve these problems, liquefied hydrogen, which has a higher energy density than vaporized hydrogen, is used, and at the same time, a system capable of generating electricity by supplying vaporized hydrogen to the fuel cell body while excluding a reformer that is complicated in design and incurs additional costs in the system configuration of the fuel cell is being researched.
도 1은 이러한 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템의 구성도로서, 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 히트펌프(50)는 연료전지(20)로 기체수소를 공급한다.FIG. 1 is a block diagram of a liquefied hydrogen vaporization system using such a heat pump. As shown in FIG. 1 , the heat pump 50 supplies gaseous hydrogen to the fuel cell 20 .
여기서, 상기 히트펌프(50)는 냉매사이클(90)에 의해 동작하는데, 냉매사이클(90)은 압축기(51), 응축기(52), 팽창기기(53) 및 증발기(54)가 연속적으로 연결된 폐회로로 구성된다. Here, the heat pump 50 operates by the refrigerant cycle 90, and the refrigerant cycle 90 consists of a closed circuit in which a compressor 51, a condenser 52, an expander 53, and an evaporator 54 are connected in succession.
한편, 액화수소탱크(10)에 저장된 액화수소는 수소배관(100)에 의해 응축기(52)를 통과하면서 가열되면서 기화하여 기체수소가 된다.On the other hand, the liquefied hydrogen stored in the liquefied hydrogen tank 10 is heated while passing through the condenser 52 by the hydrogen pipe 100 and vaporized to become gaseous hydrogen.
상술한 종래의 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치에서 연료전지의 출력을 높이기 위해서는 기화되는 수소의 양을 증가시켜야 했고, 결국 냉매사이클을 구성하는 각 구성부품의 용량을 크게 설계해야만 했다.In order to increase the output of the fuel cell in the above-described conventional liquefied hydrogen vaporizer using a heat pump, the amount of vaporized hydrogen had to be increased, and as a result, the capacity of each component constituting the refrigerant cycle had to be designed to be large.
이는 곧, 히트펌프의 외형 증가, 설치 공간의 확대, 제조 비용의 증가 등과 같은 비경제성으로 나타나는 기술적 한계를 초래할 수 있으며, 사용할 수 있는 용도 역시 한정적이라는 단점이 있다.This may cause technical limitations that appear as uneconomical factors such as an increase in the external appearance of the heat pump, an expansion of an installation space, and an increase in manufacturing cost, and there is a disadvantage in that usable uses are also limited.
따라서, 연료전지의 출력을 보다 효율적으로 상승시킬 수 있으면서, 다용도로 활용할 수 있는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템에 관한 기술이 요구되는 실정이다.Therefore, there is a demand for a technology related to a liquefied hydrogen vaporization system using a heat pump that can more efficiently increase the output of a fuel cell and can be utilized for multiple purposes.
따라서, 본 발명은 2개의 응축기 및 2개의 증발기를 구성하여 2:2 비율로 마련되도록 하고, 바이패스 방식을 응용하여 2개의 응축기 중 하나 또는 둘이 선택적으로 사용되도록 하는 동시에, 2개의 증발기 중 하나 또는 둘이 선택적으로 사용되도록 한 구성을 통해 사용자가 필요에 따라 다용도로 활용하면서 보다 효율적으로 사용할 수 있는 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템을 제공하는데 목적이 있다.Accordingly, the present invention configures two condensers and two evaporators so that they are provided in a 2:2 ratio, and by applying a bypass method so that one or two of the two condensers are selectively used, and at the same time, one or two of the two evaporators are selectively used. An object of the present invention is to provide a liquefied hydrogen vaporization system using a heat pump with a bypass pipe that can be used more efficiently while being used for multiple purposes as needed by the user.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problem to be achieved in the present invention is not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적 수단인 본 발명의 일 실시예에 따른 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템은, 압축기기, 응축기, 팽창기기, 증발기를 갖는 히트펌프; 상기 응축기와 열교환하면서 액화수소를 기화시키는 수소배관; 상기 응축기와 상기 팽창기기 사이에 설치되는 제2 응축기; 및 상기 팽창기기와 상기 증발기 사이에 설치되는 제2 증발기를 포함하되, 일단이 상기 응축기의 입구측에 연결되어 연장되면서 제1 타단과 제2 타단으로 이분되고, 상기 제1 타단은 상기 응축기와 상기 제2 응축기 사이에 연결되면서, 상기 제2 타단은 상기 제2 응축기의 출구측에 연결되는 제1 바이패스관; 상기 제1 바이패스관의 일단측 및 제1,2 타단측 상에 각각 대응되도록 설치되어 유량을 제어하는 제1 바이패스밸브; 일단이 상기 제2 증발기의 입구측에 연결되어 연장되면서 제1 타단과 제2 타단으로 이분되고, 상기 제1 타단은 상기 증발기와 상기 제2 증발기 사이에 연결되면서, 상기 제2 타단은 상기 증발기의 출구측에 연결되는 제2 바이패스관; 및 상기 제2 바이패스관의 일단측 및 제1,2 타단측 상에 각각 대응되도록 설치되어 유량을 제어하는 제2 바이패스밸브를 더 포함할 수 있다.A liquefied hydrogen vaporization system using a heat pump introduced with a bypass pipe according to an embodiment of the present invention, which is a technical means for achieving the above object, includes a heat pump having a compressor, a condenser, an expansion device, and an evaporator; A hydrogen pipe for vaporizing liquefied hydrogen while exchanging heat with the condenser; a second condenser installed between the condenser and the expansion device; and a second evaporator installed between the expansion device and the evaporator, one end of which is connected to the inlet side of the condenser and extends to divide into a first other end and a second other end, wherein the first bypass pipe is connected between the condenser and the second condenser, and the second other end is connected to the outlet side of the second condenser; first bypass valves installed on one end side and the other first and second end sides of the first bypass pipe to control flow rates; A second bypass pipe having one end connected to the inlet side of the second evaporator and extending to be divided into a first other end and a second other end, the first other end being connected between the evaporator and the second evaporator, and the second other end being connected to the outlet side of the evaporator; And it may further include a second bypass valve installed on one end side and the first and second other end sides of the second bypass pipe to correspond to each other to control the flow rate.
또한, 상기 히트펌프는, 상기 압축기기, 응축기, 팽창기기 및 증발기를 연속적으로 연결하면서 냉매의 이동통로를 제공하는 냉매배관을 더 포함할 수 있고, 상기 제1,2 바이패스관은, 상기 냉매배관에 연결될 수 있으며, 상기 냉매는, 상기 제1,2 바이패스밸브 각각의 선택적인 개폐동작에 따라 상기 냉매배관, 상기 제1,2 바이패스관 중 적어도 하나를 통해 상기 응축기 및 상기 제2 응축기 중 하나 또는 둘을 선택적으로 경유하면서, 상기 증발기 및 제2 증발기 중 하나 또는 둘을 선택적으로 경유하는 경로로 이동할 수 있다.The heat pump may further include a refrigerant pipe providing a refrigerant passage while continuously connecting the compressor, condenser, expansion device, and evaporator, the first and second bypass pipes may be connected to the refrigerant pipe, and the refrigerant selectively passes through one or both of the condenser and the second condenser through at least one of the refrigerant pipe and the first and second bypass pipes according to a selective opening and closing operation of the first and second bypass valves, respectively. While doing so, it can move in a path selectively passing through one or both of the evaporator and the second evaporator.
또한, 상기 경로는, 상기 제1 바이패스관 일단측 및 제1 타단측의 제1 바이패스밸브가 개방되면서 상기 제1 바이패스관 제2 타단측의 제1 바이패스밸브가 폐쇄되면, 상기 응축기를 우회하여 미경유하면서 상기 제2 응축기를 경유하는 제1 경로; 상기 제1 바이패스관 일단측의 제1 바이패스밸브가 폐쇄되면서 상기 제1 바이패스관 제1,2 타단측의 제1 바이패스밸브가 개방되면, 상기 응축기를 경유하면서 상기 제2 응축기를 우회하여 미경유하는 제2 경로; 상기 제1 바이패스관 일단측 및 제1,2 타단측의 제1 바이패스밸브가 모두 폐쇄되면, 상기 응축기 및 상기 제2 응축기를 모두 경유하는 제3 경로; 상기 제2 바이패스관 일단측 및 제1 타단측의 제2 바이패스밸브가 개방되면서 상기 제2 바이패스관 제2 타단측의 제2 바이패스밸브가 폐쇄되면, 상기 제2 증발기를 우회하여 미경유하면서 상기 증발기를 경유하는 제4 경로; 상기 제2 바이패스관 일단측의 제2 바이패스밸브가 폐쇄되면서 상기 제2 바이패스관 제1,2 타단측의 제2 바이패스밸브가 개방되면, 상기 제2 증발기를 경유하면서 상기 증발기를 우회하여 미경유하는 제5 경로; 및 상기 제2 바이패스관 일단측 및 제1,2 타단측의 제2 바이패스밸브가 모두 폐쇄되면, 상기 증발기 및 상기 제2 증발기를 모두 경유하는 제6 경로를 포함할 수 있다.In addition, when the first bypass valves at one end side and the first other end side of the first bypass pipe are opened and the first bypass valve at the second other end side of the first bypass pipe is closed, the path bypasses the condenser and does not pass through the second condenser A first path; a second path passing through the condenser and bypassing the second condenser when the first bypass valve at one end of the first bypass pipe is closed and the first bypass valve at the other ends of the first and second bypass pipes is opened; a third path passing through both the condenser and the second condenser when the first bypass valves at one end of the first bypass pipe and at the other ends of the first and second pipes are closed; When the second bypass valves at one end side and the other first end side of the second bypass pipe are opened and the second bypass valve at the second other end side of the second bypass pipe is closed, a fourth path bypassing the second evaporator and passing through the evaporator while not passing through the second bypass pipe; a fifth path bypassing the evaporator while passing through the second evaporator when the second bypass valve at one end of the second bypass pipe is closed and the second bypass valve at the other ends of the first and second bypass pipes is opened; and a sixth path passing through both the evaporator and the second evaporator when all of the second bypass valves at one end side of the second bypass pipe and at the other ends of the first and second bypass pipes are closed.
또한, 연료전지를 경유하여 상기 증발기에서 열교환하는 공기배관; 및 상기 공기배관 상에 설치되는 공기팬을 더 포함할 수 있다.In addition, an air pipe for exchanging heat in the evaporator via the fuel cell; And it may further include an air fan installed on the air pipe.
또한, 상기 제2 응축기에서 열교환하는 제2 공기배관; 및 상기 제2 공기배관 상에 설치되는 제2 공기팬을 더 포함할 수 있다.In addition, a second air pipe for exchanging heat in the second condenser; And it may further include a second air fan installed on the second air pipe.
또한, 상기 제2 증발기에서 열교환하는 제3 공기배관; 및 상기 제3 공기배관 상에 설치되는 제3 공기팬을 더 포함할 수 있다.In addition, a third air pipe for heat exchange in the second evaporator; and a third air fan installed on the third air pipe.
또한, 상기 수소배관은, 기화된 수소의 압력을 일정하도록 제어하는 압력조절밸브를 더 포함할 수 있다.In addition, the hydrogen pipe may further include a pressure control valve for controlling the pressure of the vaporized hydrogen to be constant.
또한, 상기 압력조절밸브에 의해 일정한 압력으로 토출되는 기체수소는, 연료전지로 공급될 수 있다.In addition, gaseous hydrogen discharged at a constant pressure by the pressure control valve may be supplied to the fuel cell.
본 발명에 따른 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템은, 2개의 응축기 및 2개의 증발기를 구성하여 2:2 비율로 마련되도록 하고, 바이패스 방식을 응용하여 2개의 응축기 중 하나 또는 둘이 선택적으로 사용되도록 하는 동시에, 2개의 증발기 중 하나 또는 둘이 선택적으로 사용되도록 한 구성을 통해 사용자가 필요에 따라 다용도로 활용하면서 보다 효율적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.The liquefied hydrogen vaporization system using a heat pump to which a bypass pipe according to the present invention is introduced is composed of two condensers and two evaporators so that they are provided in a 2:2 ratio, and one or two of the two condensers are selectively used by applying a bypass method. At the same time, one or two of the two evaporators are selectively used, so that the user can use them for multiple purposes and more efficiently as needed.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects obtainable in the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
도 1은 종래의 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템의 구성도.
도 3은 상기 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템에서 제1,2 바이패스밸브의 제어에 따른 냉매의 이동경로를 함께 나타낸 구성도.1 is a block diagram of a liquefied hydrogen vaporization system using a conventional heat pump.
2 is a block diagram of a liquefied hydrogen vaporization system using a heat pump to which a bypass pipe is introduced according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram showing a movement path of refrigerant according to control of first and second bypass valves in a liquefied hydrogen vaporization system using a heat pump into which the bypass pipe is introduced.
이하에서는, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, since the description of the present invention is only an embodiment for structural or functional description, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, since the embodiment can be changed in various ways and can have various forms, it should be understood that the scope of the present invention includes equivalents capable of realizing the technical idea. In addition, since the object or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment should include all of them or only such effects, the scope of the present invention should not be construed as being limited thereto.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.The meaning of terms described in the present invention should be understood as follows.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.Terms such as "first" and "second" are used to distinguish one component from another, and the scope of rights should not be limited by these terms. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element. It should be understood that when an element is referred to as being “connected” to another element, it may be directly connected to the other element, but other elements may exist in the middle. On the other hand, when an element is referred to as being “directly connected” to another element, it should be understood that no intervening elements exist. Meanwhile, other expressions describing the relationship between components, such as “between” and “immediately between” or “adjacent to” and “directly adjacent to” should be interpreted similarly.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions should be understood to include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise, and terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that the described features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof exist, and it should be understood that the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless defined otherwise. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as consistent with meanings in the context of related art, and cannot be interpreted as having ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 구성을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the configuration of a preferred embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템의 구성도이고, 도 3은 상기 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템에서 제1,2 바이패스밸브의 제어에 따른 냉매의 이동경로를 함께 나타낸 구성도이다.2 is a configuration diagram of a liquefied hydrogen vaporization system using a heat pump to which a bypass pipe is introduced according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a configuration diagram showing a refrigerant movement path under control of first and second bypass valves in a liquefied hydrogen vaporization system using a heat pump to which the bypass pipe is introduced.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예의 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템은 액화수소탱크(10), 히트펌프(50), 압력조절밸브(30), 연료전지(20), 연료회수기(60)가 직렬로 구성될 수 있고, 공기팬(40), 공기배관(45), 제1,2 바이패스밸브(61, 62), 제1,2 바이패스관(71, 81), 제2 응축기(70), 제2 증발기(80), 제2,3 공기팬(72, 82), 제2,3 공기배관(73, 83) 및 수소배관(100)을 더 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 2, the liquefied hydrogen vaporization system using the heat pump to which the bypass pipe of the preferred embodiment of the present invention is introduced may include a liquefied hydrogen tank 10, a heat pump 50, a pressure control valve 30, a fuel cell 20, and a fuel recovery device 60 in series, an air fan 40, an air pipe 45, first and second bypass valves 61 and 62, and first and second bypass pipes 7 1, 81), the second condenser 70, the second evaporator 80, the second and third air fans 72 and 82, the second and third air pipes 73 and 83, and the hydrogen pipe 100 It may be configured to further include.
상기 액화수소탱크(10)는 연료전지(20)의 연료로 사용되는 기화수소로 기화될 액화수소를 저장한다. 이때, 상기 액화수소탱크(10)는 극저온 상태(예 : 20K ~ 40K)의 액화수소를 저장하기 위해 수소가 액화상태가 되도록 하는 영하 253 ℃로 내부 온도가 유지되는 것이 바람직하며, 상기 액화수소는 기화수소 대비 에너지밀도가 높은 특징이 있다.The liquefied hydrogen tank 10 stores liquefied hydrogen to be vaporized as vaporized hydrogen used as fuel of the fuel cell 20 . At this time, it is preferable that the internal temperature of the liquefied hydrogen tank 10 is maintained at -253 ° C. so that hydrogen becomes liquefied in order to store liquefied hydrogen in a cryogenic state (eg, 20K to 40K), and the liquefied hydrogen has a high energy density compared to vaporized hydrogen.
상기 수소배관(100)은 액화수소탱크(10)와 상기 연료전지(20) 사이에 연결되며, 상기 응축기(52)를 경유하면서 열교환하도록 구성되며, 기화된 기체수소의 압력을 일정하게 하는 압력조절밸브(30)(예 : 레귤레이터)가 설치된다. 이러한 상기 압력조절밸브(30)는 릴리프 밸브, 시퀸스 밸브, 카운터 밸런스 밸브 및 압력 스위치 중 적어도 하나로 대체될 수 있다.The hydrogen pipe 100 is connected between the liquefied hydrogen tank 10 and the fuel cell 20, is configured to exchange heat while passing through the condenser 52, and maintains the pressure of vaporized gaseous hydrogen. A pressure control valve 30 (eg, a regulator) is installed. The pressure control valve 30 may be replaced with at least one of a relief valve, a sequence valve, a counterbalance valve, and a pressure switch.
상기 압력조절밸브(30)에 의해 일정한 압력으로 토출되는 기체수소는 상기 연료전지(20)로 공급될 수 있다.Gaseous hydrogen discharged at a constant pressure by the pressure control valve 30 may be supplied to the fuel cell 20 .
상기 연료전지(20)는 수소배관(100)을 통해 공급되는 기체수소와 산소의 전기화학반응으로 생기는 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜 발전하는 장치이다. 본 발명의 연료전지(20)는 철도차량(기차, 열차, 지하철 등)에 적용되는 수소연료전지일 수 있다.The fuel cell 20 is a device that generates electricity by converting chemical energy generated by an electrochemical reaction between gaseous hydrogen and oxygen supplied through a hydrogen pipe 100 into electrical energy. The fuel cell 20 of the present invention may be a hydrogen fuel cell applied to railway vehicles (trains, trains, subways, etc.).
이러한 상기 연료전지(20)는 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC), 고분자전해질형 연료전지(PEMFC, PEFC) 및 직접메탄올 연료전지(DMFC) 중 적어도 하나일 수 있다.The fuel cell 20 may be at least one of an alkali fuel cell (AFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC, PEFC), and a direct methanol fuel cell (DMFC).
이와 같이, 상기 연료전지(20)로 구현가능한 연료전지들은 전기에너지의 생산을 위해 화석연료로부터 수소(기화수소)를 발생시키는 개질기가 구비되어야 하나, 본 발명의 액화수소 기화 시스템에서는 상기 히트펌프(50)를 통해 기화수소가 생성됨에 따라, 개질기는 구성에서 생략될 수 있다.In this way, fuel cells that can be implemented as the fuel cell 20 should be equipped with a reformer that generates hydrogen (vaporized hydrogen) from fossil fuel to produce electric energy, but in the liquefied hydrogen vaporization system of the present invention, as vaporized hydrogen is generated through the heat pump 50, the reformer may be omitted from the configuration.
이에, 본 발명의 연료전지(20)는 연료전지의 시스템 구성에서 전기를 생산하는 스택(stack)인 연료전지 본체인 것이 바람직하다.Accordingly, the fuel cell 20 of the present invention is preferably a fuel cell main body, which is a stack that generates electricity in the fuel cell system configuration.
또한, 상기 연료전지(20)는 전기에너지의 생산 뿐만 아니라 기화수소와 산소를 반응시키는 동안 발생되는 폐열(예 : 61℃ ~ 120℃)을 배출하기 위해 공기배관(45)과 연통되며, 사용된 연료의 회수를 위해 연료회수기(60)와 연결된다.In addition, the fuel cell 20 communicates with the air pipe 45 to discharge waste heat (e.g., 61 ° C. to 120 ° C.) generated during the reaction of vaporized hydrogen and oxygen as well as to produce electrical energy, and is connected to the fuel recovery unit 60 for recovery of used fuel.
이때, 상기 연료전지(20)로부터 발생되는 폐열은 중온의 산소 또는 상기 중온의 산소보다 상대적으로 고온의 산소일 수 있다.In this case, the waste heat generated from the fuel cell 20 may be medium-temperature oxygen or oxygen having a relatively higher temperature than the medium-temperature oxygen.
또한, 상기 연료회수기(60)는 연료전지(20)의 반응을 통해 생성되며, 배출되는 연료를 회수한다. 여기서, 상기 연료회수기(60)로부터 회수되는 연료는 상기 연료전지(20)의 반응에 사용되지 않은 연료(예 : 수소 등)를 의미한다.In addition, the fuel recovery device 60 recovers the fuel generated through the reaction of the fuel cell 20 and discharged. Here, the fuel recovered from the fuel recovery unit 60 means fuel (eg, hydrogen, etc.) not used in the reaction of the fuel cell 20 .
상기 히트펌프(50)는 냉매사이클(90)을 포함하며, 상기 냉매사이클(90)은 압축기기(51), 응축기(52), 팽창기기(53) 및 증발기(54)가 냉매배관(55)을 통해 연속적으로 연결된 폐회로로 구성된다.The heat pump 50 includes a refrigerant cycle 90, and the refrigerant cycle 90 consists of a closed circuit in which a compressor unit 51, a condenser 52, an expansion unit 53, and an evaporator 54 are continuously connected through a refrigerant pipe 55.
상기 냉매배관(55)은 냉매의 이동통로를 제공하는 기능을 수행한다.The refrigerant pipe 55 serves to provide a refrigerant passage.
상기 압축기기(51)는 증발기(54)와 상기 응축기(52) 사이에 설치되며, 중온(예 : 0℃ ~ 40℃) 저압(예 : 15bar 이하)의 냉매를 고온(예 : 40℃ ~ 100℃) 고압(예 : 25bar 이상)의 냉매로 압축한다. 이러한 상기 압축기기(51)는 필요에 따라 액분리기, 오일분리기 등을 포함할 수 있다.The compressor unit 51 is installed between the evaporator 54 and the condenser 52, and compresses a medium-temperature (eg, 0 ° C. to 40 ° C.) low-pressure (eg, 15 bar or less) refrigerant into a high-temperature (eg, 40 ° C. to 100 ° C.) high-pressure (eg, 25 bar or more) refrigerant. The compressor device 51 may include a liquid separator, an oil separator, and the like, if necessary.
상기 응축기(52)는 압축기기(51)와 상기 팽창기기(53) 사이에 설치되며, 고온고압 냉매의 응축을 통해 중온고압의 액체 냉매를 생성한다. 이때, 상기 응축기(52)에서 냉매의 고열은 상기 수소배관(100)으로 전달되어 액화수소의 기화작용에 사용된다.The condenser 52 is installed between the compressor device 51 and the expansion device 53, and generates medium-temperature and high-pressure liquid refrigerant through condensation of the high-temperature and high-pressure refrigerant. At this time, the high heat of the refrigerant in the condenser 52 is transferred to the hydrogen pipe 100 and used for vaporization of liquefied hydrogen.
이러한 상기 응축기(52)는 응축 과정을 수행하기 위해 냉각수를 이용하는 수냉식 응축기, 공기를 이용하여 열을 발산하는 공랭식 응축기 및 물이 증발하면서 흡수하는 열을 이용하는 증발식 응축기 중 적어도 하나일 수 있다.The condenser 52 may be at least one of a water-cooled condenser that uses cooling water to perform the condensation process, an air-cooled condenser that dissipates heat using air, and an evaporative condenser that uses heat absorbed while water evaporates.
상기 팽창기기(53)는 응축기(52)와 상기 증발기(54) 사이에 설치되며, 상기 응축기(52)에서 응축된 후의 중온고압 냉매를 팽창시켜 저온(예 : -40℃ ~ 10℃) 저압 냉매를 생성한다. 이러한 상기 팽창기기(53)는 팽창밸브가 적용될 수 있다.The expansion device 53 is installed between the condenser 52 and the evaporator 54, and expands the medium-temperature and high-pressure refrigerant condensed in the condenser 52 to generate a low-temperature (eg -40 ° C to 10 ° C) low-pressure refrigerant. An expansion valve may be applied to the expansion device 53.
상기 증발기(54)는 팽창기기(53)와 상기 압축기기(51) 사이에 설치되며, 일측 채널로 상기 냉매사이클(90)이 통과하고, 또 다른 채널로 고온의 공기배관(45)이 통과하면서 열교환이 이루어진다. 상기 증발기(54)는 이러한 열교환을 통해 저온저압의 냉매를 중온저압 냉매로 변화시킨다.The evaporator 54 is installed between the expansion device 53 and the compressor device 51, and the refrigerant cycle 90 passes through one channel, and the high-temperature air pipe 45 passes through the other channel to perform heat exchange. The evaporator 54 changes the low-temperature and low-pressure refrigerant into a medium-temperature and low-pressure refrigerant through such heat exchange.
여기서, 상기 증발기(54)는 건식 증발기(dry expansion evaporator), 만액식 증발기(flooded evaporator), 반만액식 증발기 (semi-flooded evaporator) 및 냉매액 강제 순환식 증발기(liquid recirculation type evaporator) 중 적어도 하나일 수 있다.Here, the evaporator 54 may be at least one of a dry expansion evaporator, a flooded evaporator, a semi-flooded evaporator, and a liquid recirculation type evaporator.
또한, 상기 공기배관(45)은 연료전지(20)와 상기 증발기(54)를 경유하도록 구성되고, 상기 연료전지(20)로부터 고온의 열을 전달받아 상기 증발기(54)에서 냉매를 가열한다. 이러한 상기 공기배관(45) 상에는 공기를 강제 유동시키는 공기팬(40)이 구성될 수 있다.In addition, the air pipe 45 is configured to pass through the fuel cell 20 and the evaporator 54, and receives high-temperature heat from the fuel cell 20 to heat the refrigerant in the evaporator 54. An air fan 40 for forcibly flowing air may be configured on the air pipe 45 .
한편, 본 발명에 의하면, 상기 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템에서는 상술한 냉매사이클(90)에 상기 제2 응축기(70), 제2 증발기(80), 제1,2 바이패스관(71, 81), 제1,2 바이패스밸브(61, 62), 제2,3 공기배관(73, 83) 및 제2,3 공기팬(72, 82)이 연결 구성된다.On the other hand, according to the present invention, in the liquefied hydrogen vaporization system using the hitting pump introduced, the second condenser 70, the second evapacus 80, the first and second bypass valves 61, 62, the first and second bypass valves 61, 62, second and third air plumbing in the refrigerant cycle 90 83) and the second and third air fans 72 and 82 are connected.
상기 제2 응축기(70)는 응축기(52)와 상기 팽창기기(53) 사이에 설치된다. 상기 제2 공기배관(73)은 외부로부터 연장되어 상기 제2 응축기(70)를 경유하도록 배치되어 냉매와 열교환이 이루어진다. 상기 제2 공기팬(72)은 제2 공기배관(73) 상에 설치되어 공기를 강제 유동시킨다.The second condenser 70 is installed between the condenser 52 and the expansion device 53. The second air pipe 73 extends from the outside and passes through the second condenser 70 to exchange heat with the refrigerant. The second air fan 72 is installed on the second air pipe 73 to forcibly flow air.
이러한 상기 제2 응축기(70)로 인해 냉매는 추가적으로 냉각될 수 있고, 이에 따라, 상기 제2 공기배관(73)을 통해 외부로 열을 배출시키면서 상기 제2 응축기(70)측의 구성은 공지의 '라디에이터'로 사용될 수 있다.Due to the second condenser 70, the refrigerant can be additionally cooled, and thus, while discharging heat to the outside through the second air pipe 73, the configuration on the side of the second condenser 70 can be used as a known 'radiator'.
상기 제2 증발기(80)는 팽창기기(53)와 상기 증발기(54) 사이에 설치된다. 상기 제3 공기배관(83)은 외부로부터 연장되어 상기 제2 증발기(80)를 경유하도록 배치되어 냉매와 열교환이 이루어진다. 상기 제3 공기팬(82)은 제3 공기배관(83) 상에 설치되어 공기를 강제 유동시킨다.The second evaporator 80 is installed between the expansion device 53 and the evaporator 54 . The third air pipe 83 extends from the outside and passes through the second evaporator 80 to exchange heat with the refrigerant. The third air fan 82 is installed on the third air pipe 83 to forcibly flow air.
이러한 상기 제2 증발기(80)로 인해 냉매는 추가적으로 가온될 수 있고, 이에 따라, 상기 제2 증발기(80) 측으로 흡수된 열에 대한 공기를 상기 제3 공기배관(83)을 통해 외부로 배출시키면서 상기 제2 증발기(80)측의 구성은 상기 연료전지(20) 외에 냉각이 더 필요한 전자장비, 캐빈(객실) 등에 사용될 수 있다.Due to the second evaporator 80, the refrigerant can be additionally warmed, and accordingly, the air for the heat absorbed to the second evaporator 80 side is discharged to the outside through the third air pipe 83. The configuration on the side of the second evaporator 80 can be used in addition to the fuel cell 20, for electronic equipment and cabins (rooms) requiring more cooling.
즉, 본 발명의 상기 제2 응축기(70) 및 상기 제2 증발기(80)는 상기 응축기(52) 및 상기 증발기(54)와 동일하게 구성되면서 그 기능을 2차적으로 수행할 수 있는 것이다.That is, the second condenser 70 and the second evaporator 80 of the present invention are configured identically to the condenser 52 and the evaporator 54 and can perform their functions secondarily.
상기 제1 바이패스관(71)은 냉매배관(55)과 연결되어 다른 방향으로 연장되는 관으로, 좀 더 구체적으로, 일단이 상기 응축기(52)의 입구측에 연결되어 연장되면서 제1 타단과 제2 타단으로 이분되고, 상기 제1 타단은 응축기(52)와 상기 제2 응축기(70) 사이에 연결되면서, 상기 제2 타단은 제2 응축기(70)의 출구측에 연결된다.The first bypass pipe 71 is a pipe that is connected to the refrigerant pipe 55 and extends in another direction. More specifically, one end is connected to the inlet side of the condenser 52 and is divided into a first other end and a second other end while extending. The first other end is connected between the condenser 52 and the second condenser 70, and the second other end is connected to the outlet side of the second condenser 70.
상기 제1 바이패스밸브(61)는 제1 바이패스관(71)의 일단측 및 제1,2 타단측 상에 각각 대응되도록 설치되어 상기 제1 바이패스관(71)을 통과하는 냉매의 유량을 제어한다.The first bypass valve 61 is installed on one end side and the first and second other end sides of the first bypass pipe 71 to correspond to each other, and controls the flow rate of the refrigerant passing through the first bypass pipe 71.
상기 제2 바이패스관(81)은 냉매배관(55)과 연결되어 다른 방향으로 연장되는 관으로, 좀 더 구체적으로, 일단이 상기 제2 증발기(80)의 입구측에 연결되어 연장되면서 제1 타단과 제2 타단으로 이분되고, 상기 제1 타단은 증발기(54)와 상기 제2 증발기(80) 사이에 연결되면서, 상기 제2 타단은 증발기(54)의 출구측에 연결된다.The second bypass pipe 81 is a pipe connected to the refrigerant pipe 55 and extending in the other direction. More specifically, one end is connected to the inlet side of the second evaporator 80 and extends, and is divided into a first other end and a second other end. The first other end is connected between the evaporator 54 and the second evaporator 80, and the second other end is connected to the outlet side of the evaporator 54.
상기 제2 바이패스밸브(62)는 제2 바이패스관(81)의 일단측 및 제1,2 타단측 상에 각각 대응되도록 설치되어 상기 제2 바이패스관(81)을 통과하는 냉매의 유량을 제어한다.The second bypass valve 62 is installed on one end side and the first and second other end sides of the second bypass pipe 81 to correspond to each other and controls the flow rate of the refrigerant passing through the second bypass pipe 81.
본 발명에서의 상기 제1,2 바이패스밸브(61, 62)는 제어부(미도시)에 탑재된 알고리즘 프로그램에 의해 자동제어될 수 있고, 컴퓨터에 의해 구현될 수 있다.The first and second bypass valves 61 and 62 in the present invention may be automatically controlled by an algorithm program loaded in a control unit (not shown) or implemented by a computer.
상기 냉매는 본 발명에 따르면, 상술한 제1,2 바이패스밸브(61, 62) 각각의 선택적인 개폐동작에 따라 상기 냉매배관(55), 제1,2 바이패스관(71, 81) 중 적어도 하나를 통해 상기 응축기(52) 및 제2 응축기(70) 중 하나 또는 둘을 선택적으로 경유하면서, 상기 증발기(54) 및 제2 증발기(80) 중 하나 또는 둘을 선택적으로 경유하는 경로(R)로 이동하는 것이 바람직하다.According to the present invention, the refrigerant selectively passes through one or both of the condenser 52 and the second condenser 70 through at least one of the refrigerant pipe 55 and the first and second bypass pipes 71 and 81 according to the selective opening and closing operation of the first and second bypass valves 61 and 62 described above, while selectively passing through one or both of the evaporator 54 and the second evaporator 80. It is desirable to move
상기 경로(R)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 6가지의 경로(R1, R2, R3, R4, R5, R6)로 구현될 수 있다.As shown in FIG. 3, the path R may be implemented as six paths R1, R2, R3, R4, R5, and R6.
제1 경로(R1)는 상기 제1 바이패스관(71) 일단측 및 제1 타단측의 제1 바이패스밸브(61a, 61b)가 개방되면서 상기 제1 바이패스관(71) 제2 타단측의 제1 바이패스밸브(61c)가 폐쇄되면, 상기 응축기(52)를 우회하여 미경유하면서 상기 제2 응축기(70)를 경유하는 경로이다.The first path R1 is a path that bypasses the condenser 52 and passes through the second condenser 70 when the first bypass valve 61c at the second other end of the first bypass pipe 71 is closed while the first bypass valves 61a and 61b at one end and the first other end of the first bypass pipe 71 are opened.
제2 경로(R2)는 상기 제1 바이패스관(71) 일단측의 제1 바이패스밸브(61a)가 폐쇄되면서 상기 제1 바이패스관(71) 제1,2 타단측의 제1 바이패스밸브(61b, 61c)가 개방되면, 상기 응축기(52)를 경유하면서 상기 제2 응축기(70)를 우회하여 미경유하는 경로이다.The second path R2 is a path that bypasses the second condenser 70 while passing through the condenser 52 when the first bypass valve 61a at one end of the first bypass pipe 71 is closed and the first bypass valves 61b and 61c at the first and second other ends of the first bypass pipe 71 are opened.
제3 경로(R3)는 상기 제1 바이패스관(71) 일단측 및 제1,2 타단측의 제1 바이패스밸브(61a, 61b, 61c)가 모두 폐쇄되면, 상기 응축기(52) 및 제2 응축기(70)를 모두 경유하는 경로이다.The third path R3 is a path that passes through both the condenser 52 and the second condenser 70 when all of the first bypass valves 61a, 61b, and 61c at one end side and the first and second other ends of the first bypass pipe 71 are closed.
제4 경로(R4)는 상기 제2 바이패스관(81) 일단측 및 제1 타단측의 제2 바이패스밸브(62a, 62b)가 개방되면서 상기 제2 바이패스관(81) 제2 타단측의 제2 바이패스밸브(62c)가 폐쇄되면, 상기 제2 증발기(80)를 우회하여 미경유하면서 상기 증발기(54)를 경유하는 경로이다.The fourth path R4 is a path that bypasses the second evaporator 80 and passes through the evaporator 54 when the second bypass valve 62c at the second other end of the second bypass pipe 81 is closed while the second bypass valves 62a and 62b at one end and the first other end of the second bypass pipe 81 are opened.
제5 경로(R5)는 상기 제2 바이패스관(81) 일단측의 제2 바이패스밸브(62a)가 폐쇄되면서 상기 제2 바이패스관(81) 제1,2 타단측의 제2 바이패스밸브(62b, 62c)가 개방되면, 상기 제2 증발기(80)를 경유하면서 상기 증발기(54)를 우회하여 미경유하는 경로이다.The fifth path R5 is a path that bypasses the evaporator 54 while passing through the second evaporator 80 when the second bypass valve 62a at one end of the second bypass pipe 81 is closed and the second bypass valves 62b and 62c at the first and second other ends of the second bypass pipe 81 are opened.
제6 경로(R6)는 상기 제2 바이패스관(81) 일단측 및 제1,2 타단측의 제2 바이패스밸브(62a, 62b, 62c)가 모두 폐쇄되면, 상기 증발기(54) 및 제2 증발기(80)를 모두 경유하는 경로이다.The sixth path R6 is a path that passes through both the evaporator 54 and the second evaporator 80 when the second bypass valves 62a, 62b, and 62c at one end side and the first and second other ends of the second bypass pipe 81 are all closed.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.Detailed descriptions of the preferred embodiments of the present invention disclosed as described above are provided to enable those skilled in the art to implement and practice the present invention. Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will understand that the present invention can be variously modified and changed without departing from the scope of the present invention. For example, those skilled in the art can use each configuration described in the above-described embodiments in a manner of combining with each other. Thus, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.The present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential characteristics of the present invention. Accordingly, the above detailed description should not be construed as limiting in all respects and should be considered as illustrative. The scope of the present invention should be determined by reasonable interpretation of the appended claims, and all changes within the equivalent scope of the present invention are included in the scope of the present invention. The invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein. In addition, claims that do not have an explicit citation relationship in the claims may be combined to form an embodiment or may be included as new claims by amendment after filing.
10 : 액화수소탱크 20 : 연료전지
30 : 압력조절밸브 40 : 공기팬
45 : 공기배관 50 : 히트펌프
51 : 압축기기 52 : 응축기
53 : 팽창기기 54 : 증발기
55 : 냉매배관 60 : 연료회수기
61 : 제1 바이패스밸브 61a : 제1a 밸브
61b : 제1b 밸브 61c : 제1c 밸브
62 : 제2 바이패스밸브 62a : 제2a 밸브
62b : 제2b 밸브 62c : 제2c 밸브
70 : 제2 응축기 71 : 제1 바이패스관
72 : 제2 공기팬 73 : 제2 공기배관
80 : 제2 증발기 81 : 제2 바이패스관
82 : 제3 공기팬 83 : 제 3 공기배관
90 : 냉매사이클 100 : 수소배관
R : 경로 작은 화살표 : 냉매흐름 방향
큰 화살표 : 고온에서 저온으로의 열흐름 방향10: liquefied hydrogen tank 20: fuel cell
30: pressure control valve 40: air fan
45: air pipe 50: heat pump
51: compressor 52: condenser
53: expansion device 54: evaporator
55: refrigerant pipe 60: fuel recovery machine
61: first bypass valve 61a: first a valve
61b: first b valve 61c: first c valve
62: second bypass valve 62a: 2a valve
62b: 2b valve 62c: 2c valve
70: second condenser 71: first bypass pipe
72: second air fan 73: second air pipe
80: second evaporator 81: second bypass pipe
82: 3rd air fan 83: 3rd air pipe
90: refrigerant cycle 100: hydrogen pipe
R: path small arrow: direction of refrigerant flow
Large arrow: direction of heat flow from high temperature to low temperature
Claims (8)
상기 응축기와 열교환하면서 액화수소를 기화시키는 수소배관;
상기 응축기와 상기 팽창기기 사이에 설치되는 제2 응축기; 및
상기 팽창기기와 상기 증발기 사이에 설치되는 제2 증발기를 포함하되,
일단이 상기 응축기의 입구측에 연결되어 연장되면서 제1 타단과 제2 타단으로 이분되고, 상기 제1 타단은 상기 응축기와 상기 제2 응축기 사이에 연결되면서, 상기 제2 타단은 상기 제2 응축기의 출구측에 연결되는 제1 바이패스관;
상기 제1 바이패스관의 일단측 및 제1,2 타단측 상에 각각 대응되도록 설치되어 유량을 제어하는 제1 바이패스밸브;
일단이 상기 제2 증발기의 입구측에 연결되어 연장되면서 제1 타단과 제2 타단으로 이분되고, 상기 제1 타단은 상기 증발기와 상기 제2 증발기 사이에 연결되면서, 상기 제2 타단은 상기 증발기의 출구측에 연결되는 제2 바이패스관; 및
상기 제2 바이패스관의 일단측 및 제1,2 타단측 상에 각각 대응되도록 설치되어 유량을 제어하는 제2 바이패스밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템.
a heat pump having a compressor unit, a condenser, an expansion unit, and an evaporator;
A hydrogen pipe for vaporizing liquefied hydrogen while exchanging heat with the condenser;
a second condenser installed between the condenser and the expansion device; and
Including a second evaporator installed between the expansion device and the evaporator,
A first bypass pipe having one end connected to the inlet side of the condenser and extending to be divided into a first other end and a second other end, the first other end being connected between the condenser and the second condenser, and the second other end being connected to the outlet side of the second condenser;
first bypass valves installed on one end side and the other first and second end sides of the first bypass pipe to control flow rates;
A second bypass pipe having one end connected to the inlet side of the second evaporator and extending to be divided into a first other end and a second other end, the first other end being connected between the evaporator and the second evaporator, and the second other end being connected to the outlet side of the evaporator; and
A liquefied hydrogen vaporization system using a heat pump with a bypass pipe, characterized in that it further comprises a second bypass valve installed on one end side and the first and second other end sides of the second bypass pipe to control the flow rate, respectively.
상기 히트펌프는,
상기 압축기기, 응축기, 팽창기기 및 증발기를 연속적으로 연결하면서 냉매의 이동통로를 제공하는 냉매배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 제1,2 바이패스관은,
상기 냉매배관에 연결되는 것을 특징으로 하며,
상기 냉매는,
상기 제1,2 바이패스밸브 각각의 선택적인 개폐동작에 따라 상기 냉매배관, 상기 제1,2 바이패스관 중 적어도 하나를 통해 상기 응축기 및 상기 제2 응축기 중 하나 또는 둘을 선택적으로 경유하면서, 상기 증발기 및 제2 증발기 중 하나 또는 둘을 선택적으로 경유하는 경로로 이동하는 것을 특징으로 하는 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템.
According to claim 1,
The heat pump,
It is characterized in that it further comprises a refrigerant pipe for providing a refrigerant movement passage while continuously connecting the compressor device, the condenser, the expansion device and the evaporator,
The first and second bypass pipes,
Characterized in that it is connected to the refrigerant pipe,
The refrigerant is
Liquefied hydrogen vaporization system using a heat pump with a bypass pipe, characterized in that the refrigerant moves in a path selectively passing through one or both of the evaporator and the second evaporator while selectively passing through one or both of the condenser and the second condenser through at least one of the refrigerant pipe and the first and second bypass pipes according to the selective opening and closing operation of each of the first and second bypass valves.
상기 경로는,
상기 제1 바이패스관 일단측 및 제1 타단측의 제1 바이패스밸브가 개방되면서 상기 제1 바이패스관 제2 타단측의 제1 바이패스밸브가 폐쇄되면, 상기 응축기를 우회하여 미경유하면서 상기 제2 응축기를 경유하는 제1 경로;
상기 제1 바이패스관 일단측의 제1 바이패스밸브가 폐쇄되면서 상기 제1 바이패스관 제1,2 타단측의 제1 바이패스밸브가 개방되면, 상기 응축기를 경유하면서 상기 제2 응축기를 우회하여 미경유하는 제2 경로;
상기 제1 바이패스관 일단측 및 제1,2 타단측의 제1 바이패스밸브가 모두 폐쇄되면, 상기 응축기 및 상기 제2 응축기를 모두 경유하는 제3 경로;
상기 제2 바이패스관 일단측 및 제1 타단측의 제2 바이패스밸브가 개방되면서 상기 제2 바이패스관 제2 타단측의 제2 바이패스밸브가 폐쇄되면, 상기 제2 증발기를 우회하여 미경유하면서 상기 증발기를 경유하는 제4 경로;
상기 제2 바이패스관 일단측의 제2 바이패스밸브가 폐쇄되면서 상기 제2 바이패스관 제1,2 타단측의 제2 바이패스밸브가 개방되면, 상기 제2 증발기를 경유하면서 상기 증발기를 우회하여 미경유하는 제5 경로; 및
상기 제2 바이패스관 일단측 및 제1,2 타단측의 제2 바이패스밸브가 모두 폐쇄되면, 상기 증발기 및 상기 제2 증발기를 모두 경유하는 제6 경로를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템.
According to claim 2,
The path is
When the first bypass valves at one end side and the first other end side of the first bypass pipe are opened and the first bypass valve at the second other end side of the first bypass pipe is closed, a first path bypassing the condenser and passing through the second condenser while not passing through the condenser;
a second path passing through the condenser and bypassing the second condenser when the first bypass valve at one end of the first bypass pipe is closed and the first bypass valve at the other ends of the first and second bypass pipes is opened;
a third path passing through both the condenser and the second condenser when the first bypass valves at one end of the first bypass pipe and at the other ends of the first and second pipes are closed;
When the second bypass valves at one end side and the other first end side of the second bypass pipe are opened and the second bypass valve at the second other end side of the second bypass pipe is closed, a fourth path bypassing the second evaporator and passing through the evaporator while not passing through the second bypass pipe;
a fifth path bypassing the evaporator while passing through the second evaporator when the second bypass valve at one end of the second bypass pipe is closed and the second bypass valve at the other ends of the second bypass pipe 1 and 2 is opened; and
When the second bypass valves at one end side of the second bypass pipe and at the other ends of the first and second ends are both closed, a sixth path passing through both the evaporator and the second evaporator is provided. Liquefied hydrogen vaporization system using a heat pump.
연료전지를 경유하여 상기 증발기에서 열교환하는 공기배관; 및
상기 공기배관 상에 설치되는 공기팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템.
According to claim 1,
an air pipe for exchanging heat in the evaporator via a fuel cell; and
A liquefied hydrogen vaporization system using a heat pump introduced with a bypass pipe, characterized in that it further comprises an air fan installed on the air pipe.
상기 제2 응축기에서 열교환하는 제2 공기배관; 및
상기 제2 공기배관 상에 설치되는 제2 공기팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템.
According to claim 1,
a second air pipe for exchanging heat in the second condenser; and
A liquefied hydrogen vaporization system using a heat pump introduced with a bypass pipe, further comprising a second air fan installed on the second air pipe.
상기 제2 증발기에서 열교환하는 제3 공기배관; 및
상기 제3 공기배관 상에 설치되는 제3 공기팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템.
According to claim 1,
a third air pipe for exchanging heat in the second evaporator; and
A liquefied hydrogen vaporization system using a heat pump introduced with a bypass pipe, further comprising a third air fan installed on the third air pipe.
상기 수소배관은,
기화된 수소의 압력을 일정하도록 제어하는 압력조절밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템.
According to claim 1,
The hydrogen pipe,
A liquefied hydrogen vaporization system using a heat pump introduced with a bypass pipe, further comprising a pressure control valve for controlling the pressure of the vaporized hydrogen to be constant.
상기 압력조절밸브에 의해 일정한 압력으로 토출되는 기체수소는,
연료전지로 공급되는 것을 특징으로 하는 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템.According to claim 7,
Gaseous hydrogen discharged at a constant pressure by the pressure control valve,
A liquid hydrogen vaporization system using a heat pump introduced with a bypass pipe, characterized in that supplied to a fuel cell.
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