KR102599151B1 - 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부열교환기를 추가함으로써 응축기와 증발기에서의 열교환량을 늘릴 수 있는 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치에 관한 것이다. 이를 위해, 압축기(51), 응축기(52). 팽창기기(53) 및 증발기(54)를 갖는 히트펌프(50); 및 응축기(52)와 열교환함으로 액화수소를 기화시키는 수소배관(100); 일단이 증발기(54)의 출구측에 연결되고, 타단이 압축기(51)의 입구측에 연결되는 제 1 분지관(64); 일단이 응축기(52)의 출구측에 연결되고, 타단이 팽창기기(53)의 입구측에 연결되는 제 2 분지관(68); 및 제 1, 2 분지관(64, 68)이 상호 열교환하도록 연결되는 내부열교환기(57);를 포함하는 것을 특징으로 하는 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치가 제공된다.
Description
본 발명은 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부열교환기를 추가함으로써 응축기와 증발기에서의 열교환량을 늘릴 수 있는 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치에 관한 것이다.
연료전지(20)가 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.
연료전지(20)의 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.
이에, 기화수소 대비 에너지밀도가 높은 액화수소를 이용함과 동시에 연료전지의 시스템 구성에서 설계가 복잡하고 추가 비용이 발생되는 개질기를 제외하면서 연료전지(20) 본체에 기화수소를 공급하여 전기를 생산할 수 있는 시스템이 연구되고 있다. 도 1은 이러한 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치의 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 히트펌프(50)는 연료전지(20)로 기체수소를 공급한다. 이러한 히트펌프(50)는 냉매 사이클(90)에 의해 동작하는데, 냉매사이클(90)은 압축기(51), 응축기(52), 팽창기기(53) 및 증발기(54)가 연속적으로 연결된 폐회로로 구성된다.
한편, 액화수소탱크(10)에 저장된 액화수소는 수소배관(100)에 의해 응축기(52)를 통과하면서 가열되면서 기화하여 기체수소가 된다. 이러한 종래의 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치에서 연료전지(20)의 출력을 높이기 위해서는 기화되는 수소의 양을 증가시켜야 했고, 결국 냉매사이클(90)을 구성하는 각 구성부품의 용량을 크게 설계해야만 했다. 이는 히트펌프(50)의 외형 증가, 설치 공간의 확대, 제조 비용의 증가 등과 같은 비경제성으로 나타나는 기술적 한계가 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제 1 목적은, 히트펌프 내에 내부열교환기를 추가함으로써 동일한 압축기(51)의 용량이라도 응축기와 증발기에서의 열교환량을 증대시킬 수 있는 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은, 내부열교환기를 통과하는 냉매의 유량을 제어함으로써 다양한 운전조건에서도 시스템의 효율을 높일 수 있는 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 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.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 압축기(51), 응축기(52). 팽창기기(53) 및 증발기(54)를 갖는 히트펌프(50); 및 응축기(52)와 열교환함으로 액화수소를 기화시키는 수소배관(100); 일단이 증발기(54)의 출구측에 연결되고, 타단이 압축기(51)의 입구측에 연결되는 제 1 분지관(64); 일단이 응축기(52)의 출구측에 연결되고, 타단이 팽창기기(53)의 입구측에 연결되는 제 2 분지관(68); 및 제 1, 2 분지관(64, 68)이 상호 열교환하도록 연결되는 내부열교환기(57);를 포함하는 것을 특징으로 하는 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치가 제공된다.
또한, 일단이 증발기(54)의 출구측에 연결되고, 타단이 압축기(51)의 입구측에 연결되는 제 1 바이패스관(74); 및 제 1 바이패스관(74) 상에 설치되어 유량을 제어하는 제 1 바이패스밸브(61);를 더 포함할 수 있다.
또한, 일단이 응축기(52)의 출구측에 연결되고, 타단이 팽창기기(53)의 입구측에 연결되는 제 2 바이패스관(76); 및 제 2 바이패스관(76) 상에 설치되어 유량을 제어하는 제 2 바이패스밸브(76);를 더 포함할 수 있다.
또한, 제 1 분지관(64) 상에서 설치되어 냉매의 유량을 제어하는 제 1 밸브(62)를 더 포함할 수 있다.
또한, 제 2 분지관(68) 상에서 설치되어 냉매의 유량을 제어하는 제 2 밸브(66)를 더 포함할 수 있다.
또한, 연료전지(20)를 경유하여 증발기(54)에서 열교환하는 공기배관(45); 및 공기배관(45) 상에 설치되는 공기팬(40);을 더 포함할 수 있다.
또한, 응축기(52)와 내부열교환기(57) 사이에 설치되는 제 2 응축기(70); 제 2 응축기(70)에서 열교환하는 제 2 공기배관(73); 및 제 2 공기배관(73) 상에 설치되는 제 2 공기팬(72);을 더 포함할 수 있다.
또한, 팽창기기(53)와 증발기(54) 사이에 설치되는 제 2 증발기(80); 제 2 증발기(80)에서 열교환하는 제 3 공기배관(87); 및 제 3 공기배관(87) 상에 설치되는 제 3 공기팬(85);을 더 포함할 수 있다.
또한, 수소배관(100)은 기화된 수소의 압력을 일정하도록 제어하는 압력밸브(30)를 더 포함한다.
또한, 압력밸브(30)에 의해 일정한 압력으로 토출되는 기체수소는 연료전지(20)로 공급된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 증발기가 아닌 내부열교환기에서 과열도를 확보하여, 압축기에서 냉매의 역류를 방지할 수 있고, 저압의 저하를 막을 수 있는 효과가 있다.
또한, 응축기와 증발기에서의 엔탈피 차이, 즉 열교환량을 늘려 줌으로써 동일한 시스템에 비해 응축열과 증발열이 큰 성능향상을 달성할 수 있다.
그리고, 내부열교환기 및 바이패스관을 함께 구성함으로써 내부열교환기에서의 열교환량을 조절할 수 있는 편리성과 효율성이 있다.
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.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래의 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치의 구성도,
도 4는 냉매 사이클에서 내부열교환기로 인한 압력과 엔탈피의 변화를 나타낸 그래프,
도 5는 종래 히트펌프의 냉매 사이클과 본 발명의 냉매 사이클을 대비하여 압력과 엔탈피를 나타낸 그래프이다.
도 1은 종래의 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치의 구성도,
도 4는 냉매 사이클에서 내부열교환기로 인한 압력과 엔탈피의 변화를 나타낸 그래프,
도 5는 종래 히트펌프의 냉매 사이클과 본 발명의 냉매 사이클을 대비하여 압력과 엔탈피를 나타낸 그래프이다.
아래에서는 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.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"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.
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.
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.
제 1 실시예의 구성
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 구성을 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치의 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예는 액화수소탱크(10), 히트펌프(50), 압력조절밸브(30), 연료전지(20), 연료 회수기(60)가 직렬로 구성된다.
액화수소탱크(10)는 연료전지(20)의 연료로 사용되는 기화수소로 기화될 액화수소를 저장한다. 이때, 액화수소탱크(10)는 극저온 상태(예 : 20K ~ 40K)의 액화수소를 저장하기 위해 수소가 액화상태가 되도록 하는 영하 253 ℃로 내부 온도가 유지되는 것이 바람직하며, 액화수소는 기화수소 대비 에너지밀도가 높은 특징이 있다.
수소배관(100)은 액화수소탱크(10)와 연료전지(20) 사이에 연결되며, 응축기(52)를 경유하면서 열교환하도록 구성되며, 기화된 기체수소의 압력을 일정하게 하는 압력밸브(30)(예 : 레귤레이터)가 설치된다. 이러한 압력밸브(30)는 릴리프 밸브, 시퀸스 밸브, 카운터 밸런스 밸브 및 압력 스위치 중 적어도 하나로 대체될 수 있다.
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. 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.
이와 같이, 연료전지(20)로 구현가능한 연료전지들은 전기에너지의 생산을 위해 화석연료로부터 수소(기화수소)를 발생시키는 개질기가 구비되어야 하나, 제 1 실시예의 액화수소 기화장치에서는 히트펌프(50)를 통해 기화수소가 생성됨에 따라, 개질기는 구성에서 생략될 수 있다.
이에, 본 발명의 연료전지(20)는 연료전지의 시스템 구성에서 전기를 생산하는 스택(stack)인 연료전지 본체인 것이 바람직하다.
또한, 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. 이때, 연료전지(20)로부터 발생되는 폐열은 중온의 산소 또는 상기 중온의 산소보다 상대적으로 고온의 산소일 수 있다.
히트펌프(50)는 냉매사이클(90)을 포함하며, 냉매사이클(90)은 압축기(51), 응축기(52), 내부열교환기(57), 팽창기기(53) 및 증발기(54)가 연속적으로 연결된 폐회로로 구성된다.
압축기(51)는 내부열교환기(57)와 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 압축기(51)는 필요에 따라 액분리기, 오일분리기 등을 포함할 수 있다.
응축기(52)는 압축기(51)와 내부열교환기(57) 사이에 설치되며, 고온고압 냉매의 응축을 통해 중온고압의 액체 냉매를 생성한다. 이때, 응축기(52)에서 냉매의 고열은 수소배관(52)으로 전달되어 액화수소의 기화작용에 사용된다. 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.
팽창기기(53)는 내부열교환기(57)와 증발기(54) 사이에 설치되며, 응축기(52)에서 응축된 후 내부열교환기(57)에서 열교환을 한 중온고압 냉매를 팽창시켜 저온(예 : -40℃ ~ 10℃) 저압 냉매를 생성한다. 팽창기기(53)는 팽창밸브가 될 수 있다.
증발기(51)는 내부열교환기(57)와 팽창기기(53) 사이에 설치되며, 일측 채널로 냉매 사이클이 통과하고, 또 다른 채널로 고온의 공기배관(45)이 통과하면서 열교환이 이루어진다. 증발기(51)는 이러한 열교환을 통해 저온저압의 냉매를 중온저압 냉매로 변화시킨다. 증발기(51)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.
내부열교환기(57)는 서로 분리된 2개의 채널이 내부에 구성되며, 상호 인접하도록 구성되어 원활한 열전달이 이루어지도록 한다. 내부열교환기(57)의 저온측 채널에는 제 1 분지관(64)이 연결된다. 제 1 분지관(64)의 일단은 증발기(54)의 출구측에 연결되고, 내부열교환기(57)를 경유한 후, 타단은 압축기(51)의 입구측에 연결된다. 제 1 밸브(62)는 제 1 분지관(64) 상에 설치되어 제 1 분지관(64)을 통과하는 냉매의 유량을 제어한다.
내부열교환기(57)의 고온측 채널에는 제 2 분지관(68)이 연결된다. 제 2 분지관(68)의 일단은 응축기(52)의 출구측에 연결되고, 내부열교환기(57)를 경유한 후, 타단은 팽창기기(53)의 입구측에 연결된다. 제 2 밸브(66)는 제 2 분지관(68) 상에 설치되어 제 2 분지관(68)을 통과하는 냉매의 유량을 제어한다.
제 1 바이패스관(74)은 증발기(54)와 압축기(51)를 직접 연결하도록 구성되며, 제 1 바이패스밸브(61)가 설치되어 제 1 바이패스관(74)을 통과하는 냉매의 유량을 제어한다.
제 2 바이패스관(76)은 응축기(52)와 팽창기기(53)를 직접 연결하도록 구성되며, 제 2 바이패스밸브(65)가 설치되어 제 2 바이패스관(76)을 통과하는 냉매의 유량을 제어한다.
공기배관(45)은 연료전지(20)와 증발기(54)를 경유하도록 구성되고, 공기팬(40)이 포함된다. 공기배관(45)은 연료전지(20)로부터 고온의 열을 전달받아 증발기(54)에서 냉매를 가열한다.
연료회수기(60)는 연료전지(20)의 반응을 통해 생성되며, 배출되는 연료를 회수한다. 여기서, 연료회수기(60)로부터 회수되는 연료는 연료전지의 반응에 사용되지 않은 연료(예 : 수소 등)를 의미한다.
제 1 실시예의 동작
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 동작을 상세히 설명하기로 한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 팽창기기(53)에서 중온고압의 냉매는 팽창되면서 저온저압의 기체로 변환된다.
증발기(54)는 연료전지(45)에서 가열된 공기배관(45)의 공기로부터 열전달을 받아 저온저압의 냉매를 중온으로 가온한다.
그 다음, 중온저압의 냉매는 제 1 분지관(64)을 통해 내부열교환기(57)에서 추가로 가온됨으로써 더 높은 온도의 중온저압의 냉매가 된다. 이와 같이 추가로 가온된 냉매는 압축기(51)에서 압축됨으로써 고온고압의 냉매가 된다. 이때 압축기(51)의 유입측 냉매의 온도가 추가 가온으로 더 높아지기 때문에 동일한 압축기(51)라도 더 높은 압축 성능을 발휘할 수 있다.
고온 고압의 냉매는 응축기(52)에서 응축되면서 수소배관(52)으로 열전달을 한다. 이때, 수소배관(52)으로 더 높은 열전달이 이루어지기 때문에 액화수소로부터 기화되는 기체수소의 양을 증대시킬 수 있다.
응축된 중온고압의 냉매는 제 2 분지관(68)에 의해 내부열교환기(57)로 유입되고, 내부열교환기(57)에서 중온의 열을 제 1 분지관(64)으로 전달하게 된다. 따라서, 종래 보다 더 낮은 온도의 중온고압의 냉매가 팽창기기(53)로 유입될 수 있다.
또한, 제 1 바이패스밸브(61)를 제어하여 제 1 바이패스관(74)을 통과하는 냉매의 유량을 제어할 수 있다. 선택적으로 제 1 밸브(62)를 제어하여 제 1 분지관(64)을 통과하는 냉매의 유량을 제어할 수도 있다. 즉, 제 1 바이패스밸브(61) 및/또는 제 1 밸브(62)의 제어를 통해 제 1 분지관(64)의 유량 : 제 1 바이패스관(74)의 유량을 다양한 비율(예 : 0:10, 2:8, 3:7, 5:5, 6:4, 8:2, 10:0 등)로 조정할 수 있다.
또한, 제 2 바이패스밸브(65)를 제어하여 제 2 바이패스관(76)을 통과하는 냉매의 유량을 제어할 수 있다. 선택적으로 제 2 밸브(66)를 제어하여 제 2 분지관(68)을 통과하는 냉매의 유량을 제어할 수도 있다. 즉, 제 2 바이패스밸브(65) 및/또는 제 2 밸브(66)의 제어를 통해 제 2 분지관(68)의 유량 : 제 2 바이패스관(76)의 유량을 다양한 비율(예 : 0:10, 2:8, 3:7, 5:5, 6:4, 8:2, 10:0 등)로 조정할 수 있다.
도 4는 냉매 사이클에서 내부열교환기로 인한 압력과 엔탈피의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4에서 곡선은 포화선을 나타내고, 사각형은 히트펌프의 냉매사이클을 나타낸다. 그리고, 도 4에서 1은 증발기(54)의 출구이면서 내부열교환기(57)의 저온측 입구를 나타내고, 1‘은 내부열교환기(57)의 저온측 출구이면서 압축기(51)의 입구측을 나타낸다. 2’는 압축기(51)의 출구이면서 응축기(52)의 입구를 나타낸다. 3은 응축기(52)의 출구이면서 내부열교환기(57)의 고온측 입구를 나타내고, 3‘은 내부열교환기(57)의 고온측 출구이면서 팽창기기(53)의 입구측을 나타낸다. 4’는 팽창기기(53)의 출구이면서 증발기(54)의 입구측을 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이, 내부열교환기(57)로 인해, 압축기 출구-응축기 입구(2)는 압축기 출구-응축기 입구(2’)로 엔탈피가 증가하여, 응축기 출구-팽창기 입구(3)와의 엔탈피 차이가 증가함(2~3에서 2'~3으로 이동)을 알 수 있다. 또한 팽창기 출구-증발기 출구(4)는 팽창기 출구-증발기 출구(4’)와의 엔탈피 차이가 증가함(4~1에서 4'~1으로 이동)을 알 수 있다.
도 5는 종래 히트펌프의 냉매 사이클과 본 발명의 냉매 사이클을 대비하여 압력과 엔탈피를 나타낸 그래프이다. 도 5에서 흰색 원은 종래의 냉매 사이클을 나타내고, 검은 색 원은 본 발명에 따른 냉매 사이클을 나타낸다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면 압축과정(1-2)에서 압축기(52)이 압축일이 더 작아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 응축과정(2-3)에서의 응축열과 증발과정(4-1)에서의 증발열이 더 크다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 히트펌프에 따르면 내부열교환기(57)로 인해 압축일이 작아지고, 응축열과 증발열이 증대되어 내부열교환기(57)가 없을 때 보다 더 고효율의 시스템임을 확인할 수 있다.
제 2 실시예
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치의 구성도이다. 본 발명의 제 2 실시예 중 전술한 제 1 실시예와 동일한 구성에 대해서는 제 1 실시예의 구성을 그대로 인용한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제 2 응축기(70)는 응축기(52)와 내부열교환기(57)의 고온측 입구 사이에 설치된다. 제 2 공기배관(73)은 외부로부터 연장되어 제 2 응축기(70)를 경유하도록 배치되어 냉매와 열교환이 이루어진다. 제 2 공기팬(72)은 제 2 공기배관(73) 상에 설치되어 공기를 강제 유동시킨다. 이러한 제 2 응축기(70)로 인해 냉매는 추가적으로 냉각된다.
제 2 증발기(80)는 팽창기기(53)와 증발기(54) 사이에 설치된다. 제 3 공기배관(87)은 외부로부터 연장되어 제 2 증발기(80)를 경유하도록 배치되어 냉매와 열교환이 이루어진다. 제 3 공기팬(85)은 제 3 공기배관(87) 상에 설치되어 공기를 강제 유동시킨다. 이러한 제 2 증발기(80)로 인해 냉매는 추가적으로 가온된다.
본 발명에서의 제 1, 2 밸브(62, 66), 제 1, 2 바이패스밸브(61, 65) 등은 제어부(미도시)에 탑재된 알고리즘 프로그램에 의해 자동제어될 수 있고, 컴퓨터에 의해 구현될 수 있다.
제 2 실시예의 제 2 응축기(70)와 제 2 증발기(80)는 선택적으로 추가되거나 선택적으로 삭제될 수 있다.
선택적으로, 추가적인 응축기와 증발기를 복수로 더 부설할 수도 있다.
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.
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.
10 : 액화수소탱크,
20 : 연료전지,
30 : 압력밸브,
40 : 공기팬,
45 : 공기배관,
50 : 히트펌프,
51 : 압축기,
52 : 응축기,
53 : 팽창기기,
54 : 증발기,
57 : 내부열교환기,
60 : 연료회수기,
61 : 제 1 바이패스밸브,
62 : 제 1 밸브,
64 : 제 1 분지관,
65 : 제 2 바이패스밸브,
66 : 제 2 밸브,
70 : 제 2 응축기,
72 : 제 2 공기팬,
73 : 제 2 공기배관,
74 : 제 1 바이패스관,
76 : 제 2 바이패스관,
80 : 제 2 증발기,
85 : 제 3 공기팬,
87 : 제 3 공기배관,
90 : 냉매사이클,
100 : 수소배관,
화살표 : 고온에서 저온으로의 열흐름 방향.
20 : 연료전지,
30 : 압력밸브,
40 : 공기팬,
45 : 공기배관,
50 : 히트펌프,
51 : 압축기,
52 : 응축기,
53 : 팽창기기,
54 : 증발기,
57 : 내부열교환기,
60 : 연료회수기,
61 : 제 1 바이패스밸브,
62 : 제 1 밸브,
64 : 제 1 분지관,
65 : 제 2 바이패스밸브,
66 : 제 2 밸브,
70 : 제 2 응축기,
72 : 제 2 공기팬,
73 : 제 2 공기배관,
74 : 제 1 바이패스관,
76 : 제 2 바이패스관,
80 : 제 2 증발기,
85 : 제 3 공기팬,
87 : 제 3 공기배관,
90 : 냉매사이클,
100 : 수소배관,
화살표 : 고온에서 저온으로의 열흐름 방향.
Claims (10)
- 냉매가 순환하는 압축기(51), 응축기(52). 팽창기기(53) 및 증발기(54)를 갖는 히트펌프(50); 및
상기 응축기(52)와 열교환함으로 액화수소를 기화시키는 수소배관(100);
일단이 상기 증발기(54)의 출구측에 연결되고, 타단이 상기 압축기(51)의 입구측에 연결되는 제 1 분지관(64);
일단이 상기 응축기(52)의 출구측에 연결되고, 타단이 상기 팽창기기(53)의 입구측에 연결되는 제 2 분지관(68);
상기 제 1, 2 분지관(64, 68)이 상호 열교환하도록 연결되는 내부열교환기(57);
상기 응축기(52)와 상기 내부열교환기(57) 사이에 설치되어 상기 냉매를 추가로 냉각하는 제 2 응축기(70);
상기 제 2 응축기(70)에서 열교환하는 제 2 공기배관(73); 및
상기 제 2 공기배관(73) 상에 설치되는 제 2 공기팬(72);을 포함하는 것을 특징으로 하는 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치. - 냉매가 순환하는 압축기(51), 응축기(52). 팽창기기(53) 및 증발기(54)를 갖는 히트펌프(50); 및
상기 응축기(52)와 열교환함으로 액화수소를 기화시키는 수소배관(100);
일단이 상기 증발기(54)의 출구측에 연결되고, 타단이 상기 압축기(51)의 입구측에 연결되는 제 1 분지관(64);
일단이 상기 응축기(52)의 출구측에 연결되고, 타단이 상기 팽창기기(53)의 입구측에 연결되는 제 2 분지관(68);
상기 제 1, 2 분지관(64, 68)이 상호 열교환하도록 연결되는 내부열교환기(57);
상기 팽창기기(53)와 상기 증발기(54) 사이에 설치되어 상기 냉매를 추가로 가온하는 제 2 증발기(80);
상기 제 2 증발기(80)에서 열교환하는 제 3 공기배관(87); 및
상기 제 3 공기배관(87) 상에 설치되는 제 3 공기팬(85);을 포함하는 것을 특징으로 하는 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
일단이 상기 증발기(54)의 출구측에 연결되고, 타단이 상기 압축기(51)의 입구측에 연결되는 제 1 바이패스관(74); 및
상기 제 1 바이패스관(74) 상에 설치되어 유량을 제어하는 제 1 바이패스밸브(61);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
일단이 상기 응축기(52)의 출구측에 연결되고, 타단이 상기 팽창기기(53)의 입구측에 연결되는 제 2 바이패스관(76); 및
상기 제 2 바이패스관(76) 상에 설치되어 유량을 제어하는 제 2 바이패스밸브(65);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 분지관(64) 상에서 설치되어 상기 냉매의 유량을 제어하는 제 1 밸브(62)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 분지관(68) 상에서 설치되어 상기 냉매의 유량을 제어하는 제 2 밸브(66)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 수소배관(100)은 기화된 수소의 압력을 일정하도록 제어하는 압력밸브(30)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 압력밸브(30)에 의해 일정한 압력으로 토출되는 기체수소는 연료전지(20)로 공급되는 것을 특징으로 하는 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210139482A KR102599151B1 (ko) | 2021-10-19 | 2021-10-19 | 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210139482A KR102599151B1 (ko) | 2021-10-19 | 2021-10-19 | 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230056808A KR20230056808A (ko) | 2023-04-28 |
| KR102599151B1 true KR102599151B1 (ko) | 2023-11-09 |
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| KR1020210139482A KR102599151B1 (ko) | 2021-10-19 | 2021-10-19 | 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치 |
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| KR (1) | KR102599151B1 (ko) |
Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| JP2004316779A (ja) * | 2003-04-16 | 2004-11-11 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池の水素供給装置 |
| JP2007155266A (ja) * | 2005-12-07 | 2007-06-21 | Toshiba Kyaria Kk | 冷凍サイクル装置 |
| CN205573730U (zh) * | 2016-04-23 | 2016-09-14 | 广东合即得能源科技有限公司 | 一种燃料电池房车的热泵热水器系统 |
| JP2021515154A (ja) * | 2018-03-02 | 2021-06-17 | エア・リキード・アドバンスド・テクノロジーズ・ユー．エス．・エルエルシー | 燃料電池自動車のための移動式水素ディスペンサ |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR200365161Y1 (ko) | 2004-07-07 | 2004-10-19 | 안황재 | 내부 열교환기 일체형의 이산화탄소 냉매용 어큐뮬레이터 |
| KR101324906B1 (ko) | 2011-06-23 | 2013-11-04 | 한국교통대학교산학협력단 | 이중관 구조를 갖는 2열 코일을 구비한 히트펌프용 실외기 및 그 실외기를 이용한 교번형 히트 펌프 및 그 히트펌프의 작동방법 |
| KR101345840B1 (ko) | 2011-11-24 | 2014-01-16 | 갑을오토텍(주) | 이중 열교환기를 구비한 히트펌프 |
-
2021
- 2021-10-19 KR KR1020210139482A patent/KR102599151B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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