KR102602929B1 - 액화수소 기화용 열교환 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액화수소 기화용 열교환 시스템에 관한 것으로서, 액화수소 또는 수소가스를 열매체 상에서 다중경로로 순환시켜 충분히 냉각할 수 있으며, 2개의 열교환기를 통해 열매체를 여러곳으로 분산하여 열교환할 수 있으므로, 액화수소충전서 내부에서 이원화된 기체수소충전소와 같이 복합 상업 운영이 가능하도록 함을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템은, 액화수소를 열교환시켜 공급원에 공급하는 액화수소 기화용 열교환 시스템은, 제1 열매체를 공급하는 제1 공급수단; 상기 제1 공급수단과 별개로 제1 열매체를 공급하는 제2 공급수단; 상기 제1 공급수단 및 제2 공급수단 중 적어도 어느 하나 이상으로부터 제1 열매체를 공급받아 액화수소를 열교환시키는 제1 열교환부; 상기 제1 열교환부에 공급하기 위한 제1 열매체를 순환시켜 대기온도에 의해 열교환 되도록 하고, 상기 제1 열교환부에 공급되었다가 배출되는 저온의 제1 열매체를 공급순환장치로 회수시키는 라지에이터; 및 상기 제1 열교환부에서 배출된 상기 제1 열매체가 상기 라지에이터를 통과함에 따라 생성되는 성에를 제거하도록 제2 열매체로 상기 라지에이터를 가열하는 제상부를 포함하고, 상기 공급원에 대한 수소 공급이 대기중일 경우 상기 제1 공급수단 및 제2 공급수단 중 선택되는 어느 하나만 제1 열매체를 공급하고, 상기 공급원에 수소를 공급할 시 상기 제1 공급수단 및 제2 공급수단이 동시에 제1 열매체를 공급하도록 프로그래밍된다.

Description

액화수소 기화용 열교환 시스템{HEAT EXCHANGER SYSTEM FOR LIQUEFIED HYDROGEN VAPORIZATION}
본 발명은 액화수소 기화용 열교환 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액화수소를 기체로 열교환 하기 위한 기존의 대기(大氣)식 기화기(VAPORIZER)보다 기화속도, 기화량, 안전성, 설치면적 등에서 탁월한 효과를 제공할 수 있는 강제형 액화수소 기화용 열교환 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 수소가스를 현재 가장 많이 사용하고, 활용되는 곳은 수소 충전소이며, 생산된 수소가스 기체는 고압수소로써, 200Bar로 압축되어 튜브트레일러에 이송되고, 수소충전소에서 다시 재압축하여 수소탱크에 700Bar~900Bar 저장한 후 수소충전기를 사용하여 수소자동차 및 수소 상용차에 충전하게 된다.
액화수소충전소는 고압의 기체수소충전소에비하여 월등한 운송비용 절감과 대용량 저장이 가능하며, 부지면적 축소와 저압저압 저장의 저장안정성을 기대할 수 있는 장점이 있으나, 액화수소를 수소자동차에 직접 액화수소로 충전하는 충전시스템과 수소자동차 액화탱크등 실질적인 액화를 직접 수소자동차에서 충전하여 사용하기 어려우므로, 액화수소는 액펌프를 이용하여 900Bar의 초고압으로 압축 기화후 초고압의 기체수소로 수소자동차에 충전해야한다.
현재는 초고압의 기체수소충전소가 수소활용측면에서 많은 안정성과 기반시설을 구축하여 상용화되고있의나, 액화수소충전소 구축에 필요한 액화수소저장탱크, 액화수소액펌프, 액화수소 기화기, 수소자동차에 직접 액화수소충전등 많은 기술적 여건은 매우 취약하므로 그전까지는 액화수소충전소 운영 시스템을 초고압 기체수소충전소의 안정화된 일부 시스템을 유지해야 한다.
초저온으로(영하253
Figure 112023068921667-pat00001
) 저장된 저압의(약2Bar) 액화수소는 대기(大氣)식 기화기(VAPORIZER) 장치를 통하여 기화될 수는 있의나 저압으로 기화된 기체수소가스를 다시 초고압의 기체수소가스로 압축하기위해서는 기존방식의 수소압축기 및 인프라 구성이 필요한 단점이 있으므로, 액화수소 액펌프를 이용하여 한번에 초고압의 액화수소로 생성되면 대기(大氣)식 기화기(VAPORIZER)를 통하여 액화상태에서 기체상태로 상변화가 이뤄지게됨니다. 대기(大氣)식 기화기(VAPORIZER)는 저압용으로서 초고압의 압력을 견디지 못하거나 빠른 유속에 의한 불안정한 기화 상태를 보이고 기화 시간이 많이 걸리는 문제점이 있다.
등록특허공보 제10-1949490호(2019.02.12.)
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 액화수소 또는 수소가스를 열매체 상에서 다중경로로 순환시켜 충분히 냉각할 수 있으며, 2개의 열교환기를 통해 열매체를 여러곳으로 분산하여 열교환할 수 있으므로, 액화수소충전소와 기체수소충전기를 복합적으로 하여 상업 운영을 할 수 있는 액화수소 기화용 열교환 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고, 액화수소나 수소가스를 열교환 시키기 위한 열매체를 제공하는 라지에이터에 발생되는 성에를 제거할 수 있으며, 종래 열교환기에서 성에를 제거하는 방식에 비교하여 소모전력을 70%이상 절감할 수 있는 액화수소 기화용 열교환 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고, 라지에이터에 발생된 성에를 바람으로 날려버리는 형태로 제거함으로써 성에를 수집하지 않아도 되어, 별도의 성에 처리 공정이 발생되지 않는 등 사용상의 편의성을 향상시킬 수 있는 액화수소 기화용 열교환 시스템을 제공하는 데에도 그 목적이 있다.
또한, 열매체에 대기온도를 작용시킨 후, 액화수소나 수소가스와 열교환 하도록 할 수 있는 액화수소 기화용 열교환 시스템을 제공하는 데에도 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템은, 액화수소를 열교환시켜 공급원에 공급하는 액화수소 기화용 열교환 시스템에서, 제1 열매체를 공급하는 제1 공급수단; 상기 제1 공급수단과 별개로 제1 열매체를 공급하는 제2 공급수단; 상기 제1 공급수단 및 제2 공급수단 중 적어도 어느 하나 이상으로부터 제1 열매체를 공급받아 액화수소를 열교환시키는 제1 열교환부; 상기 제1 열교환부에 공급하기 위한 제1 열매체를 순환시켜 대기온도에 의해 열교환 되도록 하고, 상기 제1 열교환부에 공급되었다가 배출되는 저온의 제1 열매체를 공급순환장치로 회수시키는 라지에이터; 및 상기 제1 열교환부에서 배출된 상기 제1 열매체가 상기 라지에이터를 통과함에 따라 생성되는 성에를 제거하도록 제2 열매체로 상기 라지에이터를 가열하는 제상부를 포함하고, 상기 공급원에 대한 수소 공급이 대기중일 경우 상기 제1 공급수단 및 제2 공급수단 중 선택되는 어느 하나만 제1 열매체를 공급하고, 상기 공급원에 수소를 공급할 시 상기 제1 공급수단 및 제2 공급수단이 동시에 제1 열매체를 공급하도록 프로그래밍 된다.
그리고, 상기 제1 공급수단 및 제2 공급수단 중 적어도 어느 하나 이상으로부터 제1 열매체를 공급받아 수소가스를 열교환시키는 제2 열교환부를 더 포함하고, 상기 라지에이터는 상기 제2 열교환부에 공급하기 위한 제1 열매체도 순환시켜 대기온도에 의해 열교환 되도록 하고, 상기 제2 열교환부에 공급되었다가 배출되는 저온의 제1 열매체도 공급순환장치로 회수시키며, 상기 제상부는 상기 제2 열교환부에서 배출된 상기 제1 열매체에 의해 라지에이터에 생성되는 성에도 제거한다.
또한, 상기 제2 열교환부는, 상기 제1 열교환부는 수소가스의 열교환이 이루어지도록 제1 열매체가 충진되는 열교환실이 내부에 형성되고, 일측과 타측이 각각 개방된 본체부; 상기 본체부의 일측 개방된 부분에 배치되고, 상기 수소가스를 분배하여 순환시키기 위한 적어도 하나 이상의 제1 분배채널이 형성된 제1 분배챔버; 상기 본체부의 타측 개방된 부분에 배치되며, 상기 수소가스를 분배하여 순환시키기 위한 적어도 하나 이상의 제2 분배채널이 형성된 제2 분배챔버; 상기 제1 분배챔버와 제2 분배챔버의 사이에서 서로 일정간격 이격되도록 배치되고, 양측이 상기 제1 분배채널과 제2 분배채널에 각각 결합되어 수소가스의 순환 경로를 제공하는 복수개의 순환튜브; 상기 제1 분배챔버에 상에서 상기 제1 분배채널을 복수개로 구획하여, 상기 제2 분배챔버 측으로 수소가스를 이송시키기 위한 적어도 하나 이상의 제1 이송영역 및 상기 제2 분배챔버 측에서 되돌아 오는 수소가스를 상기 제1 이송영역으로 전달하는 적어도 하나 이상의 제1 전달영역을 형성시키는 제1 구획부; 및 상기 제2 분배챔버 상에서 상기 제2 분배채널을 복수개로 구획하여, 상기 제1 분배채널 측으로 수소가스를 이송시키기 위한 적어도 하나 이상의 제2 이송영역 및 상기 제1 분배챔버 측에서 되돌아 오는 수소가스를 상기 제2 이송영역으로 전달하는 적어도 하나 이상의 제2 전달영역을 형성시키는 제2 구획부를 포함한다.
그리고, 상기 제1 구획부는, 상기 제1 분배챔버의 일측면에 결합되는 제1 틀부; 상기 제1 틀부의 내부공간에서 상기 제1 분배챔버를 제1 방향으로 가로지르는 형태로 배치되는 제1 구획바; 및 상기 제1 틀부의 내부공간에서 상기 제1 구획바와 교차되면서 상기 제1 분배챔버를 제2 방향으로 가로지르는 형태로 배치되어, 상기 제1 이송영역 및 제1 전달영역을 구획 형성하며, 상기 제1 구획바와 교차되는 교차점을 중심으로 그 일측에 상기 수소가스를 상기 제1 전달영역에서 제1 이송영역으로 통과시키기 위한 제1 통과홀이 적어도 하나 이상으로 형성되는 제2 구획바를 포함한다.
또한, 상기 제2 구획부는, 상기 제2 분배챔버의 일측면에 결합되는 제2 틀부; 상기 제2 틀부의 내부공간에서 상기 제2 분배챔버를 제1 방향으로 가로지르는 형태로 배치되는 제3 구획바; 및 상기 제2 틀부의 내부공간에서 상기 제3 구획바와 교차되면서 상기 제2 분배챔버를 제2 방향으로 가로지르는 형태로 배치되어, 상기 제2 이송영역 및 제2 전달영역을 구획 형성하며, 상기 제3 구획바와 교차되는 교차점을 중심으로 그 일측과 타측에 상기 수소가스를 어느 하나의 제2 전달영역에서 어느 하나의 제2 이송영역으로 통과시키기 위한 제2 통과홀 및 다른 어느 하나의 제2 전달영역에서 다른 어느 하나의 제2 이송영역으로 통과시키기 위한 제3 통과홀이 각각 적어도 하나 이상으로 형성되는 제4 구획바를 포함한다.
그리고, 상기 제1 분배챔버의 일측면에 결합되어, 상기 수소가스의 누출을 방지하며, 상기 제1 구획부의 일정영역이 수용되는 제1 수용홈을 포함하여 그 내면이 상기 제1 분배챔버와 소정간격 이격되는 제1 마감캡; 상기 제1 마감캡에 결합되고, 어느 하나의 제1 이송영역으로 수소가스를 공급하기 위한 제1 공급부; 상기 제1 마감캡에 결합되며, 어느 하나의 제1 전달영역으로부터 배출되며 열교환이 완료된 수소가스를 수소자동차 또는 수소충전기에 공급하는 제1 배출부; 상기 제2 분배챔버의 일측면에 결합되어, 상기 수소가스의 누출을 방지하며, 상기 제2 구획부의 일정영역이 수용되는 제2 수용홈을 포함하여 그 내면이 상기 제2 분배챔버와 소정간격 이격되는 제2 마감캡; 상기 제2 마감캡에 결합되고, 어느 하나의 제2 이송영역으로 수소가스를 공급하기 위한 제2 공급부; 및 상기 제2 마감캡에 결합되고, 어느 하나의 제1 전달영역으로부터 배출되며 열교환이 완료된 수소가스를 수소자동차 또는 수소충전기에 공급하는 제2 배출부를 더 포함한다.
또한, 상기 순환튜브를 각각 감싸는 형태로 배치되며, 상기 열교환실에 충진되는 제1 열매체를 열원으로 하여 상기 순환튜브를 냉각시키는 냉각코일을 더 포함한다.
그리고, 상기 제1 분배챔버 및 제2 분배챔버의 사이에 적어도 하나 이상으로 배치되고, 상기 냉각코일이 각각 관통하는 복수개의 관통홀이 일정간격으로 형성된 칸막이를 더 포함하고, 상기 칸막이는 본체부의 중앙부분을 기준으로 그 하층부에 위치된 냉각코일들에만 적용되며, 수평방향으로 서로 이격되도록 배치되는 복수개의 제1 칸막이 및 상기 본체부의 중앙부분을 기준으로 그 상층부에 위치된 냉각코일들에만 적용되고, 수평방향으로 서로 이격되도록 배치되는 복수개의 제2 칸막이로 분할되며, 상기 제1 칸막이와 제2 칸막이는 서로 상이한 간격으로 배치되며, 상기 제1 칸막이들과 제2 칸막이들은 그 하측 일정영역과 상측 일정영역이 서로 수평선상에 위치되도록 배치되어, 상기 열교환실에 충진된 열매체는 상기 제1 칸막이들과 제2 칸막이들의 사이 공간에서 반복적으로 상승 및 하강되면서 상기 수소가스를 냉각시킨다.
또한, 상기 제상부는, 상기 라지에이터의 일측에 배치되고, 상기 라지에이터를 가열하기 위한 제2 열매체가 주입되는 주입관; 상기 라지에이터를 구성하는 이송관들의 사이에 배치되며, 상기 주입관으로부터 제2 열매체를 공급받아 이송시켜 이송관에 간접열을 전달하는 전달관; 및 상기 전달관으로부터 배출되는 제2 열매체를 부가 공급순환장치로 회수시키는 유출관을 포함한다.
그리고, 상기 라지에이터를 향해 대기의 바람을 공급하는 드라이부를 더 포함한다.
또한, 상기 라지에이터는 복수개로 적용되며 서로 일정간격 이격되도록 배치되고, 상기 라지에이터의 상측과 하측에 각각 배치되는 제1 필터 및 제2 필터; 상기 제1 필터의 상면과 제2 필터의 저면에 각각 배치되며, 상기 라지에이터의 사이 공간으로 외기를 공급하기 위한 복수개의 외기흡입구가 형성된 외기공급부를 더 포함한다.
그리고, 상기 부가 공급순환장치는, 제2 열매체를 저장하는 탱크; 및 상기 탱크에 저장된 제2 열매체를 상기 제상부에 공급하는 공급라인을 포함하고, 상기 탱크 및 상기 공급라인의 일정영역을 상기 라지에이터의 상측에 거치하여 상기 탱크 및 공급라인 내의 제2 열매체가 태양열에 의해 가열되도록 하는 거치대를 더 포함한다.
본 발명에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템은, 액화수소 또는 수소가스를 열매체 상에서 다중경로로 순환시켜 충분히 냉각할 수 있으며, 2개의 열교환기를 통해 열매체를 여러곳으로 분산하여 열교환할 수 있으므로, 액화수소충전서 내부에서 이원화된 기체수소충전소와 같이 복합 상업 운영이 가능한 효과가 있다.
그리고, 액화수소나 수소가스를 열교환 시키기 위한 열매체를 제공하는 라지에이터에 발생되는 성에를 제거할 수 있으며, 종래 열교환기에서 성에를 제거하는 방식에 비교하여 소모전력을 70%이상 절감할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 라지에이터에 발생된 성에를 바람으로 날려버리는 형태로 제거함으로써 성에를 수집하지 않아도 되어, 별도의 성에 처리 공정이 발생되지 않는 등 사용상의 편의성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 열매체에 대기온도를 작용시킨 후, 액화수소나 수소가스와 열교환 하도록 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템을 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템에 적용된 제2 열교환부를 도시한 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템에 적용된 제1 분배챔버 및 제2 분배챔버를 도시한 정면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템을 도시한 결합 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템에 적용된 제2 열교환부를 직렬로 연결한 예를 도시한 부분 단면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템에 적용된 라지에이터 및 제상부를 도시한 정면도.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템에 적용된 라지에이터 및 제상부의 배치상태를 도시한 측면도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템을 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템에 적용된 제2 열교환부를 도시한 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템에 적용된 제1 분배챔버 및 제2 분배챔버를 도시한 정면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템을 도시한 결합 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템에 적용된 제2 열교환부를 직렬로 연결한 예를 도시한 부분 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템에 적용된 라지에이터 및 제상부를 도시한 정면도이며, 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템에 적용된 라지에이터 및 제상부의 배치상태를 도시한 측면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템(1)은, 수소가스를 열매체 상에서 다중경로로 순환시켜 충분히 냉각한 이후에 수소 충전기나 수소 자동차와 같은 공급원에 공급할 수 있고, 액화수소를 수소가스와 다른 독립된 장송에서 다중경로로 순환시켜 기화한 이후에 수소 자동차에 공급할 수 있으며, 수소가스 또는 액화수소를 열교환하기 위한 제1 열매체의 이송과정에서 라지에이터(270)에 발생되는 성에를 최소한의 전력으로 제거할 수 있는 기술이다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템(1)은, 제1 공급수단(250)과, 제2 공급수단(260)과, 제1 열교환부(A)와, 라지에이터(270)와, 제상부(280) 및 제2 열교환부(290) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
제1 공급수단(250)은 펌프로 형성될 수 있다. 제1 공급수단(250)은 제1 열매체를 저장하는 제1 열매체탱크(341)와 연결된다.
제2 공급수단(260)은 펌프로 형성될 수 있다. 제2 공급수단(260)은 제1 열매체를 저장하는 제1 열매체탱크(341)와 연려된다.
제1 공급수단(250) 및 제2 공급수단(260)에서 공급되는 제1 열매체는 후술되는 제상부(280)를 통과한 후, 연결라인을 통해 제1 열교환부(A) 및 제2 열교환부(290)에 각각 연결된다.
따라서, 제1 공급수단(250) 및 제2 공급수단(260)은 모두 제1 열매체탱크(341)에 저장된 제1 열매체를 펌핑하여 제1 열교환부(A) 및 제2 열교환부(290)에 각각 공급할 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소가스용 열교환 시스템은, 공급원에 대한 수소 공급이 대기중일 경우 제1 공급수단(250) 및 제2 공급수단(260) 중 선택되는 어느 하나만 제1 열매체를 공급하고, 공급원에 수소를 공급할 시 제1 공급수단(250) 및 제2 공급수단(260)이 동시에 제1 열매체를 공급하도록 프로그래밍 된다. 구체적으로, 수소가스를 수소자동차에 공급하지 않는 대기 상태에서는 제1 공급수단(250)만 운전모드로 작동되고 제2 공급수단(260)은 대기모드를 유지한다. 제1 공급수단(250)은 수소충전기의 내부에 장착되는 제1 열교환부(A) 및 제2 열교환부(290)에 제1 열매체를 소량만 공급하여 수소가스 또는 액화가스의 기화량을 최소화 함에 따라, 제1 열매체가 제1 열교환부(A)의 내부를 순환하면서 수소가스를 예냉하도록 한다.
그리고, 수소자동차에 수소가스를 충전할 시에는 수소가스 또는 액화가스의 빠른 급냉이 필요하므로, 제1 공급수단(250) 및 제2 공급수단(260)이 동시에 운전모드로 설정되어 수소자동차에 수소가스를 급속충전하는 것이 가능하다.
또한, 수소자동차의 충전이 완료되면 제2 공급수단(260)은 자동으로 대기모드로 전환되도록 프로그래밍 된다.
이때, 제1 공급수단(250) 및 제2 공급수단(260)의 기능은 서로 바뀔 수 있다.
즉, 제2 공급수단(260)이 예냉용으로 사용되고, 제1 공급수단(250)이 제2 공급수단(260)과 함께 급속충전용으로 사용될 수 있다.
한편, 제1 열교환부(A)는 제1 공급수단(250)과 제2 공급수단(260) 중 적어도 어느 하나 이상으로부터 제1 열매체를 공급받아 액화수소를 열교환에 의해 기화시킨다. 그리고, 기화된 수소가스는 수소자동차에 바로 공급되거나 또는, 제2 열교환부(290)에 공급되어 제2 열교환부(290)를 흐르는 제1 열매체에 의해 한번 더 열교환 된 후 수소자동차에 공급될 수 있다.
이러한 제1 열교환부(A)는 본원발명의 출원인에 의해 출원된 출원번호 제10-2023-0043700호, 명칭 : 액화수소 열교환기에 대한 것으로, 구체적인 설명은 생략한다.
제2 열교환부(290)는 본체부(10)와, 제1 분배챔버(20)와, 제2 분배챔버(30)와, 순환튜브(40)와, 냉각코일(50)과, 칸막이(60a,60b)와, 제1 구획부(70)와, 제2 구획부(80)와, 제1 마감캡(90)과, 제1 공급부(100)와, 제1 배출부(110)와, 제2 마감캡(120)과, 제2 공급부(130) 및 제2 배출부(140) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본체부(10)는 도 1을 기준으로 좌측과 우측이 각각 개방되고 내부에 빈 공간이 형성된 통 형상으로 형성될 수 있다.
이때, 본체부(10)는 원통, 다각형 단면 형상의 통 등 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 도면에는 원통 형상으로 형성된 예를 도시하였다.
본체부(10)의 내부 빈 공간은 수소가스의 열교환이 이루어지도록 열매체가 충진되는 열교환실로 사용된다.
본체부(10)의 하측에는 수소가스를 냉각시키기 위한 열매체가 주입되는 주입구(10a)가 형성되고, 상측에는 열매체를 배출하기 위한 배출구(10b)가 형성된다.
주입구(10a) 및 배출구(10b)는 각각 제1 마개(미도시) 및 제2 마개(미도시)에 의해 개폐될 수 있다.
주입구(10a) 및 배출구(10b)의 외주연에는 나선이 각각 형성되고, 제1 마개 및 제2 마개의 내주연에는 나선홈이 각각 형성된다.
따라서, 제1 마개는 주입구(10a)에 나선결합되고, 제2 마개는 배출구(10b)에 나선결합된다.
주입구(10a)를 개방하고, 배출구(10b)를 제2 마개로 폐쇄한 상태에서 주입구(10a)를 통해 열교환실에 열매체를 충전한 후, 제1 마개로 주입구(10a)를 폐쇄한 다음, 후술되는 순환튜브(40)를 통해 순환되는 수소가스를 냉각시키면 된다.
그리고, 열매체를 통한 수소가스의 열교환이 완료되면 제2 마개를 개방하여 열매체를 배출하면 된다.
이때, 열매체는 냉기, 냉매, 열매체유 등 수소가스를 약 -40℃로 냉각시킬 수 있는 다양한 냉각용 물질 중 어느 하나로 적용될 수 있다.
그리고, 본체부(10)는 열손실이 적고 열차단력이 우수한 재질이나 열전도성이 적은 재질로 형성될 수 있다.
한편, 제1 분배챔버(20)는 후술되는 제1 구획부(70)와 상호작용에 의해 공급원으로부터 공급되는 수소가스를 여러 경로로 분배하여 순환튜브(40)에 공급하면서 후술되는 제2 분배챔버(30) 측으로 갔다가 되돌아오는 수소가스를 다시 제2 분배챔버(30)로 이송시켜 열교환이 이루어지도록 한 다음, 최종적으로 배출하여 수소자동차 또는 수소충전기에 공급하는 구성이다.
이를 위해, 제1 분배챔버(20)는 제1 챔버 본체부(21) 및 제1 플랜지부(22)를 포함한다.
제1 챔버 본체부(21)는 대략 원판 형상으로 형성될 수 있다. 제1 챔버 본체부(21)는 전방으로 돌출되어 본체부(10)의 좌측 개방된 부분을 통해 열교환실에 소정 깊이 삽입되는 제1 돌출부(211)를 포함한다.
제1 돌출부(211)는 제1 챔버 본체부(21)에 일체로 구성되며, 원판 형상으로 형성될 수 있다.
제1 돌출부(211)의 둘레면에는 기밀유지를 위한 제1 메탈링(150)이 장착되는 제1 메탈링장착홈(211a)이 형성된다.
이러한 제1 챔버 본체부(21)에는 수소가스를 분배하여 순환시키기 위한 적어도 하나 이상의 제1 분배채널(20c)이 형성된다.
제1 분배채널(20c)은 제1 챔버 본체부(21) 및 제1 돌출부(211)를 공동으로 타공함으로서 형성되는 홀이다.
제1 분배채널(20c)은 다수개로 적용되며, 후술되는 제1 구획부(70)에 의해 일정패턴으로 복수 구획되어 그 일부는 수소가스를 제2 분배챔버(30)에 이송시키는 용도로 사용되고, 다른 일부는 제2 분배챔버(30) 측으로 갔다가 되돌아오는 수소가스를 다시 제2 분배챔버(30)로 이송시키는 용도로 사용되며, 또 다른 일부는 열교환, 즉 냉각이 완료된 수소가스를 수소자동차 또는 수소충전기로 배출하는 용도로 사용된다.
한편, 제1 플랜지부(22)는 제1 챔버 본체부(21)의 가장자리를 영역을 형성하는 구성이다.
제1 플랜지부(22)는 제1 챔버 본체부(21)와 일체로 형성되며, 후술되는 제1 마감캡(90)과 볼트 및 너트 결합을 위한 복수개의 제1 결합홀(221)이 형성된다.
아울러, 제1 플렌지부 중 후술되는 제1 마감캡(90)과 마주하는 면에는 기밀 유지를 위한 제2 메탈링(160)이 장착되는 제2 메탈링장착홈(22a)이 형성된다.
한편, 제2 분배챔버(30)는 후술되는 제2 구획부(80)와 상호작용에 제1 분배챔버(20) 및 순환튜브(40)를 통해 이송되어 온 수소가스를 여러 경로로 분배하여 다시 순환튜브(40)에 공급하면서 전술한 제1 분배챔버(20) 측으로 갔다가 되돌아오는 수소가스를 다시 제1 분배챔버(20)로 이송시켜 열교환이 이루어지도록 하는 구성이다.
이를 위해 제2 분배챔버(30)는 제2 챔버 본체부(31) 및 제2 플랜지부(32)를 포함한다.
제2 챔버 본체부(31)는 대략 원판 형상으로 형성될 수 있다. 제2 챔버 본체부(31)는 전방으로 돌출되어 본체부(10)의 우측 개방된 부분을 통해 열교환실에 소정 깊이 삽입되는 제2 돌출부(311)를 포함한다.
제2 돌출부(311)는 제2 챔버 본체부(31)에 일체로 구성되며, 원판 형상으로 형성될 수 있다.
제2 돌출부(311)의 둘레면에는 기밀유지를 위한 제3 메탈링(170)이 장착되는 제3 메탈링장착홈(311a)이 형성된다.
이러한 제2 챔버 본체부(31)에는 수소가스를 분배하여 순환시키기 위한 적어도 하나 이상의 제2 분배채널(30c)이 형성된다.
제2 분배채널(30c)은 제2 챔버 본체부(31) 및 제2 돌출부(311)를 공동으로 타공함으로서 형성되는 홀이다. 이때, 제1 분배채널(20c)인 홀과 제2 분배채널(30c)인 홀의 개수는 동일하게 형성되면서 각각이 서로 1:1 대향되도록 배치된다.
제2 분배채널(30c)은 다수개로 적용되며, 후술되는 제2 구획부(80)에 의해 일정패턴으로 복수 구획되어 그 일부는 수소가스를 제1 분배챔버(20)에 이송시키는 용도로 사용되고, 나머지는 제1 분배챔버(20) 측으로 갔다가 되돌아오는 수소가스를 다시 제1 분배챔버(20)로 이송시키는 용도로 사용된다.
이때, 제2 분배챔버(30)는 전술한 제1 분배챔버(20)와 동일한 형상으로 형성되는 바, 제1 분배챔버(20)와 제2 분배챔버(30)의 기능은 서로 바뀔 수 있다.
이에 대해서는 아래에서 자세히 설명하기로 한다.
한편, 제2 플랜지부(32)는 제2 챔버 본체부(31)의 가장자리를 영역을 형성하는 구성이다.
제2 플랜지부(32)는 제2 챔버 본체부(31)와 일체로 형성되며, 후술되는 제2 마감캡(120)과 볼트 및 너트 결합을 위한 복수개의 제2 결합홀(321)이 형성된다.
아울러, 제2 플렌지부 중 후술되는 제2 마감캡(120)과 마주하는 면에는 기밀 유지를 위한 제4 메탈링(180)이 장착되는 제4 메탈링장착홈(32a)이 형성된다.
한편, 순환튜브(40)는 수소가스의 순환 경로를 제공하는 구성이다.
수소가스는 순환튜브(40)를 따라 순환하는 과정에서 열교환실에 충진되는 열매체에 의해 냉각된다.
순환튜브(40)는 복수개로 적용되어 제1 분배챔버(20)와 제2 분배챔버(30)의 사이에 서로 일정간격 이격되도록 배치된다.
순환튜브(40)는 제1 분배채널(20c) 및 제2 분배채널(30c)과 동일한 개수로 적용된다.
각각의 순환튜브(40)는 일측이 제1 분배채널(20c)에 삽입되어 고정되고, 타측은 제2 분배채널(30c)에 삽입되어 고정된다.
이때, 순환튜브(40)의 양측은 제1 챔버 본체부(21) 및 제2 챔버 본체부(31)로부터 소정길이 돌출될 수 있다.
이러한 순환튜브(40)들 중 일부는 수소가스를 제1 분배챔버(20)에서 제2 분배챔버(30)로 이송시키는 용도로 사용되고, 다른 일부는 수소가스를 제2 분배챔버(30)에서 제1 분배챔버(20)로 이송하는 용도로 사용되며, 또 다른 일부는 냉각이 완료된 수소가스를 수소자동차 또는 수소충전기로 배출하는 용도로 사용된다.
이상 설명한 순환튜브(40)들에는 냉각코일(50)이 각각 적용된다.
냉각코일(50)은 순환튜브(40)와 동일한 개수로 적용된다.
따라서, 냉각코일(50)은 순환튜브(40)를 각각 감싸면서 제1 챔버 본체부(21) 및 제2 챔버 본체부(31)의 사이에 배치된다.
냉각코일(50)은 내면이 순환튜브(40)의 외면에 접촉되도록 장착되거나 또는, 내면이 순환튜브(40)의 외면에 이격되도록 장착될 수 있다.
냉각코일(50)은 열전도성이 우수하고, 쉽게 냉각될 수 있는 금속재질로 형성된다.
냉각코일(50)은 열교환실에 충진되는 열매체에 의해 냉각되어, 냉기를 순환튜브(40)에 전달함에 따라 수소가스의 냉각율을 향상시킨다.
나아가, 냉각코일(50)의 내면과 순환튜브(40)의 외면 사이에 냉기가 가둬지게 되며, 이 냉기가 순환튜브(40)에 집중됨으로 수소가스의 냉각율을 향상시킬 수 있다.
이상 설명한 냉각코일(50)들에는 칸막이가 적용된다.
칸막이는 복수개로 적용되어 제1 돌출부(211)와 제2 돌출부(311)의 사이 공간에 서로 일정간격 이격되도록 배치된다.
그리고, 칸막이에는 적어도 하나 이상의 냉각코일(50)이 각각 관통하는 적어도 하나 이상의 관통홀이 일정간격으로 형성된다.
칸막이의 테두리는 본체부(10)의 내면에 단순 접촉되거나 고정될 수 있다.
일 예로 칸막이는 부채꼴 형상, 곡선형상, 반원형 형상 중 선택되는 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있다.
도 3을 기준으로 칸막이는 열교환실의 높이 방향 중앙부분을 기준으로 그 상층부에 위치된 냉각코일(50)들에만 적용되며, 수평방향으로 서로 이격되도록 배치되는 제1 칸막이(60a) 및 열교환실의 높이 방향 중앙부분을 기준으로 그 하층부에 위치된 냉각코일(50)들에만 적용되고, 수평방향으로 서로 이격되도록 배치되는 제2 칸막이(60b)로 분할될 수 있다.
이때, 제1 칸막이(60a) 및 제2 칸막이(60b)는 서로 동일한 형상으로 형성되되, 서로 배치되는 위치만 상층부와 하층부로 나뉜다.
따라서, 제1 칸막이(60a)는 도 3에 도시된 바와 같이 열교환실에서 상,하 방향으로 서로 지그재그 형태로 배치된다.
나아가, 제1 칸막이(60a)와 제2 칸막이(60b)는 서로 상이한 간격으로 배치되어, 제1 칸막이(60a)들과 제2 칸막이(60b)들은 그 하측 일정영역과 상측 일정영역이 각각 서로 수평선상에 위치되도록 배치된다.
따라서, 주입구(10a)를 통해 열교환실에 열매체를 주입하면, 열매체가 제1 칸막이(60a)들과 제2 칸막이(60b)들의 사이 공간을 따라 반복적으로 상승 및 하강되면서 순환튜브(40)를 따라 순환되는 수소가스를 충분히 냉각시키게 된다.
한편, 제1 구획부(70)는 제1 분배챔버(20)에 상에서 제1 분배채널(20c)을 복수개로 구획하여 제2 분배챔버(30) 측으로 수소가스를 이송시키기 위한 적어도 하나 이상의 제1 이송영역(20a) 및 제2 분배챔버(30)로 이송됐다가 되돌아 오는 수소가스를 다른 제1 이송영역(20a)으로 전달하는 적어도 하나 이상의 제1 전달영역(20b, 20d)으로 분할시키는 구성이다.
이를 위해 제1 구획부(70)는 제1 틀부(71)와, 제1 구획바(72) 및 제2 구획바(73) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
제1 틀부(71)는 대략 원형 링 형상으로 형성될 수 있다.
제1 틀부(71)는 제1 챔버 본체부(21)의 후면에 결합되어 제1 마감캡(90)의 내면에 접촉되거나 또는, 제1 마감캡(90)의 내면과 소정간격 이격된다.
이때, 제1 틀부(71)는 제1 챔버 본체부(21)의 중심점을 기준을 전술한 제2 메탈링장착홈(22a)보다 안쪽에 배치된다.
제1 구획바(72)는 제1 틀부(71)의 내부공간에서 제1 분배챔버(20)를 제1 방향으로 가로지르는 형태로 배치된다.
이때, 제1 구획바(72)의 양측은 제1 틀부(71)의 내측면에 연결된다.
제2 구획바(73)는 제1 틀부(71)의 내부공간에서 제1 구획바(72)와 교차되면서 제1 분배챔버(20)를 제2 방향으로 가로지르는 형태로 배치되어, 제1 분배챔버(20)에 적어도 하나 이상의 제1 이송영역(20a) 및 제1 전달영역(20b)을 구획 형성한다.
부가적으로, 제2 구획바(73)는 상기 제1 구획바(72)와 교차되는 교차점을 중심으로 그 일측에 제2 분배챔버(30)로 이송됐다가 되돌아오는 수소가스를 통과시키기 위한 적어도 하나 이상의 제1 통과홀(73a)이 형성된다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템(1)에서 제1 통과홀(73a)은 제2 분배챔버(30)로 이송됐다가 되돌아오는 수소가스를 제1 전달영역(20b)에서 제1 이송영역(20a)으로 이송시킬 수 있도록 자리배치 된다.
이때, 제1 구획바(72) 및 제2 구획바(73)는 X자 형태를 이루도록 서로 교차되거나 또는, 열심자(十) 형태를 이루도록 서로 교차될 수 있으며, 도면에는 X자 형태를 이루도록 교차된 예를 도시하였다.
이러한 제1 구획바(72) 및 제2 구획바(73)를 통해 제1 분배채널(20c)은 2개의 제1 이송영역(20a)과 2개의 제1 전달영역(20b,20d)이 형성된다.
그리고, 1개의 제1 전달영역(20b)은 제2 분배챔버(30) 측으로 수소가스를 이송시키는 용도로 사용되고, 다른 하나의 제1 전달영역(20d)은 냉각이 완료된 수소가스가 수소 자동차에 공급되도록 배출시키는 용도로 사용된다.
부가적으로, 제1 틀부(71)와, 제1 구획바(72) 및 제2 구획바(73)는 제1 마감캡(90)과 마주하는 일측면이 단차지게 형성된다.
제1 틀부(71)와, 제1 구획바(72) 및 제2 구획바(73)의 단차진 부분은 양단이 서로 연결되어 하나의 제1 단턱(70a)을 형성하게 된다.
이때, 제1 틀부(71)와, 제1 구획바(72) 및 제2 구획바(73)의 조합에 의해 제1 단턱(70a)은 대략 부채꼴 형상으로 형성된다.
아울러, 제1 단턱(70a)은 총 4개로 형성되며, 제1 이송영역(20a)과 제1 전달영역(20b,20d) 상에 각각 배치되는 구조를 이룬다.
그리고, 제1 탄턱에는 제1 패킹(190)이 각각 적용된다.
제1 패킹(190)은 제1 단턱(70a)의 형상과 대응되게 대략 부채꼴 형상으로 형성된다. 이러한 제1 패킹(190)은 수소가스가 제1 이송영역(20a) 및 제1 전달영역(20b)을 통과하면서 순환튜브(40)를 따라 반복적으로 순환하는 과정에서 제1 마감캡(90)의 제1 수용홈(91)으로 새어나가는 것을 방지한다.
즉, 제1 패킹(190)들은 수소가스가 제1 분배챔버(20)와, 순환튜브(40) 및 제2 분배챔버(30) 상에서만 반복적으로 순환되어 냉각된 다음, 수소자동차 또는 수소충전기에 공급되도록 하는 것이다.
한편, 제2 구획부(80)는 제2 분배챔버(30)에 상에서 제2 분배채널(30c)을 복수개로 구획하여 제1 분배챔버(20) 측으로 수소가스를 이송시키기 위한 적어도 하나 이상의 제2 이송영역(30a) 및 제1 분배챔버(20)로 이송됐다가 되돌아 오는 수소가스를 다른 제2 이송영역(30a)으로 전달하는 적어도 하나 이상의 제2 전달영역(30b)으로 분할시키는 구성이다.
이를 위해 제2 구획부(80)는 제2 틀부(81)와, 제3 구획바(82) 및 제4 구획바(83) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
이때, 제2 구획부(80)는 전술한 제1 구획부(70)와 동일한 형상으로 형성되는 바, 제1 분배챔버(20)와 제2 분배챔버(30)의 기능을 바꿀 때 제1 구획부(70)와 제2 구획부(80)의 기능도 같이 바뀔 수 있다.
이에 대해서도 아래에서 자세히 설명하기로 한다.
제2 틀부(81)는 대략 원형 링 형상으로 형성될 수 있다.
제2 틀부(81)는 제2 챔버 본체부(31)의 후면에 결합되어 제2 마감캡(120)의 내면에 접촉되거나 또는, 제2 마감캡(120)의 내면과 소정간격 이격된다.
이때, 제2 틀부(81)는 제1 챔버 본체부(21)의 중심점을 기준을 전술한 제4 메탈링장착홈(32a)보다 안쪽에 배치된다.
부가적으로, 도 1에는 제2 틀부(81)가 제2 마감캡(120)의 내부에 배치된 예를 도시하였으나, 이는 도면의 각도상 제2 분배챔버(30)에 의해 제2 틀부(81)가 가려지는 관계로 제2 틀부(81)가 제2 마감캡(120)의 내부에 배치된 상태로 도시하였다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이 제1 틀부(71)가 제1 챔버 본체부(21)의 후면에 배치되어 제1 마감캡(90)과 마주하는 것과 동일하게 제2 틀부(81)도 제2 챔버 본체부(31)의 후면에 배치되어 제2 마감캡(120)과 마주한다.
제3 구획바(82)는 제2 틀부(81)의 내부공간에서 제2 분배챔버(30)를 제1 방향으로 가로지르는 형태로 배치된다.
이때, 제3 구획바(82)의 양측은 제2 틀부(81)의 내측면에 연결된다.
제4 구획바(83)는 제2 틀부(81)의 내부공간에서 제3 구획바(82)와 교차되면서 제1 분배챔버(20)를 제2 방향으로 가로지르는 형태로 배치되어, 제2 분배챔버(30)에 적어도 하나 이상의 제2 이송영역(30a) 및 제2 전달영역(30b)을 구획 형성한다.
그리고, 제4 구획바(83)에는 제3 구획바(82)와 교차되는 교차점을 중심으로 그 일측과 타측에 수소가스를 어느 하나의 제2 전달영역(30b)에서 어느 하나의 제2 이송영역(30a)으로 통과시키기 위한 제2 통과홀(83a) 및 다른 어느 하나의 제2 전달영역(30b)에서 다른 어느 하나의 제2 이송영역(30a)으로 통과시키기 위한 제3 통과홀(83b)이 각각 적어도 하나 이상으로 형성된다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템(1)에서 제2 통과홀(83a) 및 제3 통과홀(83b)은 제1 분배챔버(20)로 이송됐다가 되돌아오는 수소가스를 제2 전달영역(30b)에서 제2 이송영역(30a)으로 이송시킬 수 있도록 자리배치 된다.
아울러, 전술한 제1 이송영역(20a)과 제2 전달영역(30b)이 대향되고, 제1 전달영역(20b,20d)과 제2 이송영역(30a)이 대향되도록 배치된다.
그리고, 제3 구획바(82) 및 제4 구획바(83)는 X자 형태를 이루도록 서로 교차되거나 또는, 열심자(十) 형태를 이루도록 서로 교차될 수 있으며, 도면에는 X자 형태를 이루도록 교차된 예를 도시하였다.
이러한 제3 구획바(82) 및 제4 구획바(83)를 통해 제2 분배채널(30c)은 2개의 제1 이송영역(20a)과 2개의 제1 전달영역(20b,20d)이 형성된다.
그리고, 1개의 제2 전달영역(30b)은 제1 분배챔버(20) 측으로 수소가스를 이송시키는 용도로 사용되고, 다른 하나의 제2 전달영역(30b)은 냉각이 완료된 수소가스가 수소 자동차에 공급되도록 배출시키는 용도로 사용된다.
부가적으로, 제2 틀부(81)와, 제3 구획바(82) 및 제4 구획바(83)는 제2 마감캡(120)과 마주하는 일측면이 단차지게 형성된다.
제2 틀부(81)와, 제3 구획바(82) 및 제4 구획바(83)의 단차진 부분은 양단이 서로 연결되어 하나의 제2 단턱을 형성하게 된다.
이때, 제2 틀부(81)와, 제3 구획바(82) 및 제4 구획바(83)의 조합에 의해 제2 단턱은 대략 부채꼴 형상으로 형성된다.
아울러, 제2 단턱은 총 4개로 형성되며, 제2 이송영역(30a)과 제2 전달영역(30b) 상에 각각 배치되는 구조를 이룬다.
그리고, 제2 탄턱에는 제2 패킹(200)이 각각 적용된다.
제2 패킹(200)은 제2 단턱의 형상과 대응되게 대략 부채꼴 형상으로 형성된다. 이러한 제2 패킹(200)은 수소가스가 제2 이송영역(30a) 및 제2 전달영역(30b)을 통과하면서 순환튜브(40)를 따라 반복적으로 순환하는 과정에서 제2 마감캡(120)의 제2 수용홈(121)으로 새어나가는 것을 방지한다.
즉, 제2 패킹(200)들은 수소가스가 제1 분배챔버(20)와, 순환튜브(40) 및 제2 분배챔버(30) 상에서만 반복적으로 순환되어 냉각된 다음, 수소자동차 또는 수소충전기에 공급되도록 하는 것이다.
한편, 제1 마감캡(90)은 제1 플랜지부(22)에 볼트 및 너트나 피스를 통해 결합되어, 순환되는 수소가스의 누출을 방지한다.
제1 마감캡(90) 중 제1 분배챔버(20)와 마주하는 면에는 제1 틀부(71)와, 제1 구획바(72) 및 제2 구획바(73)가 수용되는 제1 수용홈(91)이 형성된다.
이때, 제1 마감캡(90)은 내벽면이 제1 틀부(71)의 외벽면을 감싸는 형태로 결합된다.
그리고, 제1 수용홈(91)에 제1 틀부(71)와, 제1 구획바(72) 및 제2 구획바(73)가 수용됨으로 인해 제1 마감캡(90)의 내면은 제1 챔버 본체부(21)와 소정간격 이격된다.
이와 같이 제1 마감캡(90)과 제1 챔버 본체부(21)의 사이에 공간을 확보함에 따라, 제1 공급부(100)를 통해 주입된 수소가스가 어느 하나의 제1 이송영역(20a) 상에서 제1 분배채널(20c)인 홀들을 통해 순환튜브(40)들로 원활하게 공급되도록 할 수 있다.
제1 공급부(100)는 제1 마감캡(90)에 관통설치 된다.
이때, 제1 마감캡(90)에는 제1 수용홈(91)과 연결되는 제1 체결홀이 형성되고, 제1 공급부(100)의 외주연에는 제1 체결홀에 체결되는 나선이 길이방향을 따라 형성될 수 있다.
제1 공급부(100)는 수소가스가 통과하도록 중공형 몸체로 형성될 수 있다.
제1 체결홀은 어느 하나의 제1 이송영역(20a)과 마주하도록 배치된다.
따라서, 제1 공급부(100)를 통해 수소가스를 주입하면, 수소가스가 제1 이송영역(20a) 상의 제1 분배채널(20c)인 홀들을 통해 분배되어 순환튜브(40)들로 각각 공급되어 반복적으로 순환하게 된다.
한편, 제1 배출부(110)는 제1 마감캡(90)에 관통설치 된다.
이때, 제1 마감캡(90)에는 제1 수용홈(91)과 연결되는 제2 체결홀이 형성되고, 제1 배출부(110)의 외주연에는 제2 체결홀에 체결되는 나선이 길이방향을 따라 형성될 수 있다.
제1 배출부(110)는 수소가스가 통과하도록 중공형 몸체로 형성될 수 있다.
제2 체결홀은 수소가스를 수소 자동차에 배출시키는 용도로 사용되는 제1 전달영역(20b)과 마주하도록 배치된다.
따라서, 수소가스는 전술한 제1 분배챔버(20)와, 제2 분배챔버(30)와, 제1 구획부(70) 및 제2 구획부(80)에 의해 순환튜브(40)들을 따라 반복적으로 순환되면서 냉각된 후, 최종적으로 수소가스를 배출시키는 용도로 사용되는 제1 전달영역(20d)에서 제1 배출부(110)를 통과하여 수소 자동차에 공급된다.
한편, 제2 마감캡(120)은 제2 플랜지부(32)에 볼트 및 너트나 피스를 통해 결합되어, 순환되는 수소가스의 누출을 방지한다.
제2 마감캡(120) 중 제2 분배챔버(30)와 마주하는 면에는 제2 틀부(81)와, 제3 구획바(82) 및 제4 구획바(83)가 수용되는 제2 수용홈(121)이 형성된다.
이때, 제2 마감캡(120)은 내벽면이 제2 틀부(81)의 외벽면을 감싸는 형태로 결합된다.
그리고, 제2 수용홈(121)에 제2 틀부(81)와, 제3 구획바(82) 및 제4 구획바(83)가 수용됨으로 인해 제2 마감캡(120)의 내면은 제2 챔버 본체부(31)와 소정간격 이격된다.
이와 같이 제2 마감캡(120)과 제2 챔버 본체부(31)의 사이에 공간을 확보함에 따라, 수소가스가 원활하게 순환되도록 할 수 있고, 제2 공급부(130)를 통해 수소가스를 주입할 경우 어느 하나의 제2 이송영역(30a) 상에서 제2 분배채널(30c)인 홀들을 통해 순환튜브(40)들로 원활하게 공급되도록 할 수 있다.
제2 공급부(130)는 제2 마감캡(120)에 관통설치 된다.
이때, 제2 마감캡(120)에는 제2 수용홈(121)과 연결되는 제3 체결홀이 형성되고, 제2 공급부(130)의 외주연에는 제3 체결홀에 체결되는 나선이 길이방향을 따라 형성될 수 있다.
제2 공급부(130)는 수소가스가 통과하도록 중공형 몸체로 형성될 수 있다.
제3 체결홀은 어느 하나의 제2 이송영역(30a)과 마주하도록 배치된다.
따라서, 제2 공급부(130)를 통해 수소가스를 주입하면, 수소가스가 제2 이송영역(30a) 상의 제2 분배채널(30c)인 홀들을 통해 분배되어 순환튜브(40)들로 각각 공급되어 반복적으로 순환하게 된다.
한편, 제2 배출부(140)는 제2 마감캡(120)에 관통설치 된다.
이때, 제2 마감캡(120)에는 제2 수용홈(121)과 연결되는 제4 체결홀이 형성되고, 제2 배출부(140)의 외주연에는 제4 체결홀에 체결되는 나선이 길이방향을 따라 형성될 수 있다.
제2 배출부(140)는 수소가스가 통과하도록 중공형 몸체로 형성될 수 있다.
제4 체결홀은 수소가스를 수소 자동차에 배출시키는 용도로 사용되는 제2 전달영역(30b)과 마주하도록 배치된다.
따라서, 수소가스는 전술한 제2 분배챔버(30)와, 제1 분배챔버(20)와, 제1 구획부(70) 및 제2 구획부(80)에 의해 순환튜브(40)들을 따라 반복적으로 순환되면서 냉각된 후, 최종적으로 수소가스를 배출시키는 용도로 사용되는 제2 전달영역(30b)에서 제2 배출부(140)를 통과하여 수소 자동차에 공급된다.
이상 설명한 제2 공급부(130) 및 제2 배출부(140)는 선택적으로 사용 또는 미사용 된다.
즉, 제1 분배챔버(20)와 제2 분배챔버(30), 제1 구획부(70) 및 제2 구획부(80), 제1 마감캡(90)과 제2 마감캡(120), 제1 공급부(100)와 제2 공급부(130) 및 제1 배출부(110)와 제2 배출부(140)가 각각 서로 동일 형상으로 형성됨으로, 제1 마감캡(90) 측에서 수소가스를 공급하여 냉각시킨 후 배출하거나 또는, 제2 마감캡(120) 측에서 수소가스를 공급하여 냉각시킨 후 배출하면 되는 것이다.
보다 구체적으로, 제1 공급부(100)를 통해 수소가스를 주입하고, 제1 배출부(110)를 통해 냉각된 수소가스를 수소 자동차에 공급하고자 할 경우, 제2 공급부(130) 및 제2 배출부(140)를 별도의 마개로 각각 막으면 되고, 제2 공급부(130)를 통해 수소가스를 주입하고, 제2 배출부(140)를 통해 냉각된 수소가스를 수소 자동차에 공급하고자 할 경우, 제1 공급부(100) 및 제1 배출부(110)를 별도의 마개로 각각 막으면 된다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템은 전술한 구획바들에 대한 제1 통과홀(73a)과, 제2 통과홀(83a) 및 제3 통과홀(83b)의 배치구조를 달리하여 제1 공급부(100)를 통해 주입되는 수소가스가 순환튜브(40)들을 반복적으로 순환하면서 열교환 된 후 최종적으로 제2 배출부(140)를 통해 배출되어 수소 자동차에 공급되도록 할 수도 있고, 제2 공급부(130)를 통해 주입된 수소가스가 순환튜브(40)들을 반복적으로 순환하면서 열교환 된 후 최종적으로 제1 배출부(110)를 통해 배출되어 수소 자동차에 공급되도록 할 수도 있음을 밝힌다.
부가적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템(1)은 온도센서포켓(210)과, 압력센서포켓(220)과, 유량센서포켓(230) 및 벤트(240)포켓을 더 포함할 수 있다.
온도센서포켓(210)과, 압력센서포켓(220)과, 유량센서포켓(230) 및 벤트(240)포켓은 제1 마감캡(90)과 제2 마감캡(120) 중 적어도 어느 하나 이상에 각각 적용될 수 있다.
이를 위해 온도센서포켓(210)과, 압력센서포켓(220)과, 유량센서포켓(230) 및 벤트(240)포켓에는 외주연에 나선이 형성되고, 제1 마감캡(90) 또는 제2 마감캡(120)에는 온도센서포켓(210)과, 압력센서포켓(220)과, 유량센서포켓(230) 및 벤트(240)포켓의 나선이 각각 체결되는 복수개의 부가 체결홀이 더 형성될 수 있다.
그리고, 온도센서포켓(210)에는 온도센서가 장착되고, 압력센서포켓(220)에는 압력센서가 장착되며, 유량센서포켓(230)에는 유량센서가 장착되고, 벤트(240)포켓에는 벤트(240)가 장착된다.
그리고, 온도센서를 통해 주입 또는 배출되는 수소가스의 온도를 측정할 수 있고, 압력센서를 통해 주입되는 수소가스의 압력을 측정할 수 있으며, 유량센서를 통해 주입되는 수소가스의 유량을 측정할 수 있어, 수소가스의 계측 정밀도를 향상시킬 수 있고, 벤트(240)를 통해 제1 수용홈(91) 내의 압력을 이상적으로 만들어 줄 수 있다.
다음으로, 도 2에 도시된 수소가스의 순환경로 및 도 4의 결합 단면도를 병행참고 하여 이상 설명한 제2 열교환부(290)의 작동 및 그 과정에서 나타나는 특유의 효과에 대해 설명한다.
이때, 도 2에는 수소가스의 순환경로를 도시하였고, 도 4에는 액화수소 기화용 열교환 시스템(1)의 결합 단면도를 도시하였다.
먼저, 제2 공급부(130) 및 제2 배출구(10b)를 마개로 막은 상태에서 주입구(10a)를 통해 열교환실에 열매체를 주입함과 아울러, 수소탱크에 압축된 고압의 상태로 저장되어 있는 수소가스를 제1 공급부(100)를 통해 주입한다.
이때, 열매체는 수소가스를 영하 40
Figure 112023068921667-pat00003
로 냉각시킬 수 있는 온도로 적용된다.
주입된 수소가스는 어느 하나의 제1 이송영역(20a) 상에 위치한 제1 분배채널(20c)인 홀들을 통해 순환튜브(40)들에 분배되어 제2 분배챔버(30) 방향으로 이송된다.
이때, 수소가스는 순환튜브(40)들 중 제1 분배채널(20c)에 결합된 순환튜브(40)들을 통해서만 제2 분배챔버(30) 방향으로 이송된다.
그리고, 수소가스는 순환튜브(40)를 따라 제2 분배챔버(30)로 이송되는 과정에서 열교환실에 존재하는 열매체와 열교환하여 냉각된다.
한편, 순환튜브(40)를 따라 제2 분배챔버(30)로 이송된 수소가스는 자신이 출발했던 제1 이송영역(20a)과 대향되는 제2 전달영역(30b)에 도달한 후 제2 통과홀(83a)들을 통과하여 어느 하나의 제2 이송영역(30a)으로 이송된 후, 해당 제2 이송영역(30a) 상에 위치한 제2 분배채널(30c)인 홀들을 통해 순환튜브(40)들에 분배되어 다시 제1 분배챔버(20) 방향으로 이송된다.
이때, 수소가스는 순환튜브(40)들 중 제2 분배채널(30c)에 결합된 순환튜브(40)들을 통해서만 제1 분배챔버(20) 방향으로 이송된다.
그리고, 수소가스는 순환튜브(40)를 따라 제1 분배챔버(20)로 이송되는 과정에서 열교환실에 존재하는 열매체와 한번 더 열교환하여 더 낮은 온도로 냉각된다.
한편, 순환튜브(40)를 따라 제1 분배챔버(20)로 다시 이송된 수소가스는 자신이 출발했던 제2 이송영역(30a)과 대향되는 제1 전달영역(20b)에 도달한 후 제1 통과홀(73a)들을 통과하여 다른 하나의 제1 이송영역(20a)으로 이송된 후, 해당 제1 이송영역(20a) 상에 위치한 제1 분배채널(20c)들을 통해 순환튜브(40)들에 분배되어 다시 제2 분배챔버(30) 방향으로 이송된다.
이와 같은 경우에도 수소가스는 순환튜브(40)들 중 제1 분배채널(20c)에 결합된 순환튜브(40)들을 통해서만 제2 분배챔버(30) 방향으로 이송된다.
그리고, 수소가스는 순환튜브(40)를 따라 제2 분배챔버(30)로 이송되는 과정에서 열교환실에 존재하는 열매체와 한번 더 열교환하여 보다 더 낮은 온도로 냉각된다.
한편, 순환튜브(40)를 따라 제2 분배챔버(30)로 이송된 수소가스는 자신이 출발했던 제1 이송영역(20a)과 대향되는 제2 전달영역(30b)에 도달한 후 제3 통과홀(83b)들을 통과하여 다른 하나의 제2 이송영역(30a)으로 이송된 후, 해당 제2 이송영역(30a) 상에 위치한 제2 분배채널(30c)인 홀들을 통해 순환튜브(40)들에 분배되어 다시 제1 분배챔버(20) 방향으로 이송된다.
이때, 수소가스는 순환튜브(40)들 중 제2 분배채널(30c)에 결합된 순환튜브(40)들을 통해서만 제1 분배챔버(20) 방향으로 이송된다.
그리고, 수소가스는 순환튜브(40)를 따라 제1 분배챔버(20)로 이송되는 과정에서 열교환실에 존재하는 열매체와 한번 더 열교환하여 더욱더 낮은 온도로 냉각된다.
한편, 순환튜브(40)를 따라 제1 분배챔버(20)로 또 다시 이송되어 온 수소가스는 자신이 출발했던 제2 이송영역(30a)과 대향되는 제1 전달영역(20d)에 도달한 후 제1 배출부(110)를 통해 배출되어 수소 자동차에 공급된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템(1)은 상기와 같이 수소가스가 제1 분배챔버(20)와 제2 분배챔버(30)의 사이에서 순환튜브(40)를 통해 반복적으로 순환하는 과정에서는 냉각코일(50)이 제1 칸막이(60a)와 제2 칸막이(60b)를 통해 반복적으로 상승 및 하강되는 열매체에 의해 냉각되면서 냉기를 순환튜브(40)에 전달함에 따라 수소가스의 냉각율을 향상시킬 수 있다.
나아가, 냉각코일(50)의 내면과 순환튜브(40)의 외면 사이에 냉기가 가둬지게 며, 이 냉기가 순환튜브(40)에 집중됨으로 수소가스의 냉각율을 보다 향상시킬 수 있다.
아울러, 칸막이를 통해 열매체의 이동경로를 증가시킴과 아울러, 제1 분배챔버(20)와, 제2 분배챔버(30)와, 제1 구획부(70)와, 제2 구획부(80) 및 순환튜브(40)를 통해 수소가스를 다중경로로 순환시켜 열매체와 반복적으로 순환시킴에 따라 수소가스의 냉각시간이 길어지도록 하면서 수소가스의 냉각효율을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 도 5를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템의 활용예를 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템을 직렬로 연결한 예를 도시한 부분 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 적어도 2개 이상의 액화수소 기화용 열교환 시스템(1)를 직렬로 연결하여 수소가스를 보다 다중경로로 순환시켜 오랜시간 동안 냉각된 후 수소 자동차에 공급하도록 구현될 수 있다.
이와 같은 경우, 제1 액화수소 기화용 열교환 시스템(1b)의 제2 마감캡(120)과 제2 액화수소 기화용 열교환 시스템(1c)의 제1 마감캡(90)을 볼트 및 너트로 결합하고, 제2 마감캡(120)과 제1 마감캡(90)에는 수소가스를 통과시키는 연결홀을 타공하면 된다.
아울러, 제1 액화수소 기화용 열교환 시스템(1b)의 제1 마감캡(90)에 제1 공급부(100)만 체결하고, 제2 액화수소 기화용 열교환 시스템(1c)의 제2 마감캡(120)에 제2 배출부(140)만 체결하며, 전술한 제1 통과홀(73a)과, 제2 통과홀(83a) 및 제3 통과홀(83b)의 배치구조를 변형함으로서, 제1 액화수소 기화용 열교환 시스템(1b)의 제1 공급부(100)를 통해 주입된 수소가스가 제1 액화수소 기화용 열교환 시스템(1b)의 제1 분배챔버(20)와 순환튜브(40)와 제2 분배챔버(30)를 통과한 후, 제1 액화수소 기화용 열교환 시스템(1b)의 제2 마감캡(120)과, 제2 액화수소 기화용 열교환 시스템(1c)의 제1 마감캡(90)의 연결홀을 순차적으로 통과한 다음, 제2 액화수소 기화용 열교환 시스템(1c)의 제1 분배챔버(20)와 순환튜브(40)와 제2 분배챔버(30)를 거친 후, 다시 제2 액화수소 기화용 열교환 시스템(1c)의 순환튜브(40)와, 제1 분배챔버(20)와, 제1 액화수소 기화용 열교환 시스템(1b)의 제2 분배챔버(30)와, 순환튜브(40)를 순차적으로 통과하여 제1 분배챔버(20)로 이송되었다가 다시 제2 액화수소 기화용 열교환 시스템(1c)로 이송되도록 할 수 있다.
그리고, 수소가스가 제1 액화수소 기화용 열교환 시스템(1b)와 제2 액화수소 기화용 열교환 시스템(1c)를 반복적 왔다 갔다 한 다음, 최종적으로 제2 액화수소 기화용 열교환 시스템(1c)의 제2 배출구(10b)를 통해 배출되어 수소 자동차에 공급되도록 할 수 있을 것이다.
이와 같이 액화수소 기화용 열교환 시스템을 적어도 2개 이상으로 직렬 연결할 경우, 수소가스의 순환경로를 보다 증대시킬 수 있어, 수소가스의 냉각효율을 보다 향상시킬 수 있다.
한편, 제2 열교환부(290)는 제1 공급수단(250) 및 제2 공급수단(260) 중 적어도 어느 하나 이상으로부터 제1 열매체를 공급받아 액화수소를 열교환 시키는 구성이다.
제2 열교환부(290)는 액화수소 저장탱크로부터 액화수소를 공급받도록 구성되며, 제1 공급수단(250) 및 제2 공급수단(260) 중 적어도 어느 하나 이상으로부터 제1 열매체를 공급받아 액화수소를 기화시킨 후 수소충전기에 공급한다.
일 예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템은, 제1 열매체는 제1 공급수단 및 제2 공급수단의 작동에 의해 제상부와 제2 열교환부를 순차적으로 통과하여 제1 열교환부에 공급된 후, 제1 열매체탱크에 회수되도록 설계될 수 있으며, 이는 각 구성들을 연결라인(연결관이나 연결호스)으로 연결함으로써 가능하다.
다른 일 예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템은, 제1 열교환부에 제1 열매체를 공급하기 위한 2개의 공급수단과, 하나의 라지에이터 및 하나의 제상부와, 제2 열교환부에 제1 열매체를 공급하기 위한 다른 2개의 공급수단과, 다른 하나의 라지에이터 및 다른 하나의 제상부를 각각 포함할 수도 있다.
한편, 라지에이터(270)는 액화수소나 수소가스(이하 "대상물"이라 함.)을 열교환시키기 위한 제1 열매체를 제1 열교환부(A) 및 제2 열교환부(290)에 공급하고, 제1 열교환부(A) 및 제2 열교환부(290)에서 대상물과 열교환하여 배출된 제1 열매체를 회수하기 위한 구성이다.
라지에이터(270)는 통상의 라지에이터(270)장치와 동일한 형상으로 형성된다.
즉, 라지에이터(270)는 복수개의 이송관(271)이 서로 지그재그 형태로 연결되는 형상으로 형성되는 바, 제1 열매체를 다중경로로 이송시킨 다음, 제1 열교환부(A) 및 제2 열교환부(290)에 공급하여 대상물을 냉각시킬 수 있도록 한다.
일 예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템에서 라지에이터(270)는 창고나 컨테이너박스 등과 같은 구조물의 내부에 수용되어 대기중에 노출될 수 있다.
이로 인해, 라지에이터(270)를 따라 이송되는 제1 열매체는 대기온도에 의해 간접적으로 열교환 되어 온도가 상승된 후, 제1 열교환부(A) 및 제2 열교환부(290)에 각각 공급되어 대상물과 각각 열교환하게 된다.
이때, 제1 열매체는 실리콘 오일로 적용될 수 있으나, 냉기, 냉매, 열매체 등 수소가스를 약 -40℃로 냉각시킬 수 있는 다양한 냉각용 물질 중 어느 하나로 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템(1)에서 제1 열매체의 종류는 실리콘 오일, 냉기, 냉매, 열매체 등에 한정되지 않음을 밝힌다.
그리고, 열교환부(10)에 공급되어 대상물과 열교환 된 후 온도가 낮아진 저온의 제1 열매체는 공급순환장치(340)로 회수된다.
이때, 라지에이터(270)는 제2 열교환부(290)에 공급하기 위한 제1 열매체도 순환시켜 대기온도에 의해 열교환 되도록 하고, 제2 열교환부(290)에 공급되었다가 배출되는 저온의 제1 열매체도 공급순환장치(340)로 회수시킨다.
공급순환장치(340)는 제1 열매체를 저장하는 제1 열매체탱크(341) 및 제1 열매체를 라지에이터(270)를 통해 제1 열교환부(A) 또는 제2 열교환부(290)에 공급하고, 공급된 제1 열매체를 제1 열매체탱크(341)로 회수하는 제1 공급수단(250) 및 제2 공급수단(260)의 조합에 의해 형성될 수 있다.
이때, 제1 열매체탱크(341)의 내부에는 제1 열매체를 가열하기 위한 가열코일(미도시)이 설치된다.
즉, 가열코일은 열교환부(10)에서 대상물과 열교환하여 저온으로 냉각된 제1 열매체가 다시 대상물을 원하는 온도로 냉각시키기에 충분한 온도로 가열하는 것이다.
그리고, 제1 열매체는 제1 공급수단(250) 및 제2 공급수단(260) 중 적어도 어느 하나 이상의 작동에 의해 공급라인(342,352)을 통해 라지에이터(270)에 공급된다.
라지에이터(270)에 공급된 제1 열매체는 열교환부(10) 및 제2 열교환부(290)에 선택적으로 공급되어 대상물과 열교환하게 된다.
따라서, 대상물은 온도가 상승되어 기화된다. 그리고, 열교환부(10)에서 열교환을 마친 제1 열매체는 제1 공급수단(250) 또는 제2 공급수단(260) 중 적어도 어느 하나 이상의 작동에 의해 회수라인(343) 및 라지에이터(270)를 순차적으로 거쳐 제1 열매체탱크(341)에 회수된다.
이때, 회수라인(343)은 생략될 수 있으며, 이 경우 열교환부(10)에서 열교환을 마친 제1 열매체는 제1 공급수단(250) 또는 제2 공급수단(260) 중 적어도 어느 하나 이상의 작동에 의해 공급라인(343) 및 라지에이터(270)를 순차적으로 거쳐 제1 열매체탱크(341)에 회수된다.
제1 열매체탱크(341)에 회수된 제1 열매체는 가열코일에 의해 다시 일정온도로 가열된 다음, 다시 제1 공급수단(250) 및 제2 공급수단(260)의 작동에 의해 라지에이터(270)를 거쳐 제1 열교환부(A) 및 제2 열교환부(290)에 공급된다.
이때, 수소를 수소자동차에 미충전시 제1 공급수단(250)만 작동하고, 수소를 수소자동차에 충전할 시 제1 공급수단(250) 및 제2 공급수단(260)이 함께 작동한다.
계속해서, 제1 열교환부(A) 및 제2 열교환부(290)에서 배출된 제1 열매체는 대상물과의 열교환에 의해 온도가 낮아지게 되어, 제1 열매체탱크(341)에 회수되기 위해 라지에이터(270)를 통과하는 과정에서 성에를 발생시킨다. 성에를 제거하지 않은 상태에서 열교환부(10)에 공급하기 위한 제1 열매체가 라지에이터(270)를 통과하면 하온(下溫)되기 때문에 대상물의 열교환 효율이 저하된다.
제상부(280)는 이를 방지하기 위해 라지에이터(270)를 가열하여 성에를 제거한다.
제상부(280)는 주입관(281), 주입관(281)과 연결되는 전달관(282) 및 전달관(282)과 연결되는 유출관(283) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참고하면 주입관(281)은 라지에이터(270)의 일측에 배치된다.
주입관(281)에는 라지에이터(270)를 가열하기 위한 제2 열매체가 주입된다.
이때, 제2 열매체는 실리콘 오일로 형성될 수 있으나, 냉기, 냉매, 열매체 등 수소가스를 약 -40℃로 냉각시킬 수 있는 다양한 냉각용 물질 중 어느 하나로 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템(1)에서 제2 열매체의 종류는 실리콘 오일, 냉기, 냉매, 열매체 등에 한정되지 않음을 밝힌다.
전달관(282)은 제2 열매체의 열기를 라지에이터(270)에 간접적으로 전달하는 것으로, 다수개로 적용될 수 있다.
전달관(282)은 이송관(271)들의 사이에 배치되거나 또는, 이송관(271)의 일측에 배치될 수 있다.
전달관(282)들 중 적어도 하나 이상이 주입관(281) 및 유출관(283)에 각각 연결될 수 있다.
그리고, 전달관(282)들은 서로 연결된다. 전달관(282)은 라지에이터(270)의 이송관(271)과 동일한 형태로 연결될 수 있다.
따라서, 제2 열매체는 전달관(282)들을 따라 순환하면서 이송관(271)을 가열한다.
전달관(282)은 이송관(271)보다 작거나 많은 개수로 적용되거나 또는, 이송관(271)과 동일한 개수로 적용될 수 있다. 전달관(282)의 적용 개수에 상관 없이 이송관(271)과 전달관(282)은 서로 섞여 있는 상태를 이루게 된다.
즉, 전달관(282)은 이송관(271) 상에 고루게 분포된 상태로 제2 열매체의 열기를 간접적으로 전달하게 된다.
이와 같이 제2 열매체의 열기를 전달하면 성에가 액화 되어 중력에 의해 낙하하여 이송관(271)에서 자연적으로 제거된다.
유출관(283)은 전달관(282)을 순환한 제2 열매체를 외부로 유출시켜 부가 공급순환장치(340)에 회수될 수 있도록 한다.
이때, 주입관(281)과, 전달관(282) 및 유출관(283)은 열전도도가 우수한 재질로 형성될 수 있으며, 그 예로 동재질로 형성될 수 있다.
이러한 제상부(280)는 제2 열교환부(290)에서 배출된 제1 열매체에 의해 라지에이터(270)에 생성되는 성에도 제거한다.
부가 공급순환장치(340)는 제2 열매체를 저장하는 제2 열매체탱크(351), 제2 열매체를 주입관(281)에 공급하고, 공급된 제2 열매체를 탱크(91)로 회수하는 제3 공급수단을 포함할 수 있다.
이때, 제3 공급수단은 펌프로 형성될 수 있다.
그리고, 제2 열매체탱크(351)의 내부에는 제2 열매체를 가열하기 위한 가열코일(미도시)이 설치될 수 있다.
즉, 가열코일은 라지에이터(270)의 이송관(271)과 간접적으로 열교환하여 온도가 낮아진 제2 열매체를 다시 가열하는 것이다.
그리고, 제상부(280)를 순환하여 유출관(283)을 통해 배출된 제2 열매체는 제3 공급수단의 작동에 의해 회수라인(353)을 거쳐 제2 열매체탱크(351)에 회수된다. 제2 열매체탱크(351)에 회수된 제2 열매체는 가열코일에 의해 다시 일정온도로 가열된 다음, 다시 펌프(92)의 작동에 의해 제상부(280)에 공급된다.
이때, 예를 들어 대상물을 약 1시간 동안 열교환 하는 경우 제2 열매체를 순환시키기 위한 펌프(92)는 약 20분 ~ 30분 간격으로 작동하도록 프로그래밍 될 수 있다.
물론, 대상물의 온도, 제1 열매체의 온도, 제2 열매체의 온도, 기온 등에 따라 제2 열매체를 순환시키기 위한 펌프(92)의 작동 시간은 작업자에 의해 선택적으로 변경될 수 있다.
한편, 전술한 라지에이터(270)와 제상부(280)는 서로 섞여 있는 타입의 모듈(M1,M2)을 형성할 수 있다.
그리고, 도면에는 2개의 모듈(M1,M2)이 서로 일정간격 이격된 상태로 대향되도록 배치된다.
2개의 모듈은 하나의 박스부(370) 내부에 수용될 수 있다.
박스부(370)는 서로 다른 라지에이이터의 일측에 각각 배치되는 제1 측벽(371) 및 서로 다른 라지에이터(270)의 일측과 타착에 각각 배치되는 제2 측벽(372)을 포함할 수 있다.
박스부(370)는 구조물에 수용되거나 실외에 배치될 수 있다.
제1 측벽(371) 및 제2 측벽(372)에 의해 박스부(370)의 내부에는 모듈(M1,M2)이 수용되는 수용공간이 형성된다.
적어도 하나 이상의 제2 측벽(372)은 어느 하나의 제1 측벽(371)에 힌지 결합되어 수용공간을 개방 또는 폐쇄하게 된다.
제1 필터(F1)는 라지에이터(270)들의 상측에 배치되고, 제2 필터(F2)는 라지에이터(270)들의 하측에 배치된다.
그리고, 제1 필터(F1)의 상면과 제2 필터(F2)의 저면에는 판넬 형태의 외기공급부(330)가 배치된다.
이때, 라지에이터(270)의 저면은 외기공급부(330)의 상면에 배치될 수 있다.
외기공급부(330)는 박스부(370)의 상측과 하측을 폐쇄한다.
외기공급부(330)에는 다수개의 외기흡입구(331)가 형성된다. 즉, 외기흡입구(331)를 통해 박스부(370)의 수용공간에 외기를 공급할 수 있다.
제1 필터(F1) 및 제2 필터(F2)는 외기흡입구(331)를 통해 외기와 함께 흡입되는 황사, 미세먼지, 낙엽 등을 필터링 하여 수용공간에 외기만 공급될 수 있도록 한다.
라지에이터(270)와, 제상부(280) 등은 박스부(370)의 내부에 수용되지만 부가 공급순환부(90)의 제2 열매체탱크(351)는 저장하고 있는 제2 열매체를 자연친화적인 방식으로 가열할 수 있도록 구조물의 외부로 돌출된다. 이를 위해, 거치부가 적용된다.
거치대(360)는 라지에이터(270)의 상측에 배치된 외기공급부(330)의 상면에 거치된다.
그리고, 부가 공급순환부(90)의 제2 열매체탱크(351)는 거치대(360)에 설치되어 태양열이 제2 열매체탱크(351) 내의 제2 열매체를 가열한다. 이와 같이 가열된 제2 열매체는 제상부(280)에 공급되어 성에를 제거한다.
특히, 종래에는 성에를 제거하기 위해 히터로 라지에이터(270)를 녹였으나, 이는 히터작동에 의한 전력 소모가 많이 발생되어 경제적이지 못하였다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템(1)는 펌프(92)의 작동을 통해 제2 열매체를 제상부(280)에서 순환시켜 성에를 제거함에 따라, 종래방식 대비 전력을 약 70%정도 절감할 수 있는 특징이 있다.
한편, 드라이부(300)는 모듈(M1,M2)과 각각 1:1 대향되도록 배치된다.
어느 하나의 드라이부(300)는 어느 하나의 모듈(M1)과 대향되고, 다른 하나의 드라이부(300)는 다른 하나의 모듈(M2)과 대향된다.
드라이부(300)는 공지의 팬(FAN)으로 적용되어 모듈(M1,M2) 각각 대기의 바람을 공급한다.
제1 열매체의 온도는 약 -35℃ ~ 약 -45℃이므로, 드라이부(300)는 제1 열매체가 열교환부(10)에 공급되기 위해 라지에이터(270)를 통과하는 과정에서 라지에이터(270)를 향해 대기의 바람을 공급하여 제1 열매체의 온도를 대기의 온도를 통해 상승시킨다.
이때, 드라이부(300)에 의한 제1 열매체의 상승 온도는 기온에 따라 상이하다.
아울러, 드라이부(300)는 제1 열매체에 의해 라지에이터(270)에 생성된 성에를 제거하는 용도로도 사용된다.
즉, 드라이부(300)의 바람을 통해 라지에이터(270)에 생성된 성에를 날려버리는 방식으로 제거할 수 있다.
종래에는 성에를 석션(SUCTION) 방식으로 제거하였으나, 수집한 성에를 처리해야 하는 번거로운 문제점이 있었으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화용 열교환 시스템(1)는 성에를 날려버리는 방식으로 제거함에 따라 종래방식에 비해 사용상의 편의성을 제공할 수 있다.
이때, 드라이부(300)의 바람이 이송관(271)들과 전달관(282)들의 사이를 수월하게 통과하면서 성에를 날려버릴 수 있도록 이송관(271)들 간의 간격 및 이송관(271)들과 전달관(282)들 간의 간격은 넓게 배치하는 것이 바람직하다.
아울러, 봄, 여름, 가을철에는 성에가 제2 열매체에 의해 액화되기 때문에 드라이부(300)는 액화물도 날려버리게 된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 액화수소 기화용 열교환 시스템 10 : 본체부
10a : 주입구 10b : 배출구
20 : 제1 분배챔버 20a : 제1 이송영역
20b,20d : 제1 전달영역 20c : 제1 분배채널
21 : 제1 챔버 본체부 211 : 제1 돌출부
211a : 제1 메탈링장착홈 22 : 제1 플랜지부
22a : 제2 메탈링장착홈 221 : 제1 결합홀
30 : 제2 분배챔버 30a : 제2 이송영역
30b : 제2 전달영역 30c : 제2 분배채널
31 : 제2 챔버 본체부 311 : 제2 돌출부
311a : 제3 메탈링장착홈 32 : 제2 플랜지부
32a : 제4 메탈링장착홈 321 : 제2 결합홀
40 : 순환튜브 50 : 냉각코일
60a : 제1 칸막이 60b : 제2 칸막이
70 : 제1 구획부 70a : 제1 단턱
71 : 제1 틀부 72 : 제1 구획바
73 : 제2 구획바 73a : 제1 통과홀
80 : 제2 구획부 81 : 제2 틀부
82 : 제3 구획바 83 : 제4 구획바
83a : 제2 통과홀 83b : 제3 통과홀
90 : 제1 마감캡 91 : 제1 수용홈
100 : 제1 공급부 110 : 제1 배출부
120 : 제2 마감캡 121 : 제2 수용홈
130 : 제2 공급부 140 : 제2 배출부
150 : 제1 메탈링 160 : 제2 메탈링
170 : 제3 메탈링 180 : 제4 메탈링
190 : 제1 패킹 200 : 제2 패킹
210 : 온도센서포켓 220 : 압력센서포켓
230 : 유량센서포켓 240 : 벤트
250 : 제1 공급수단 260 : 제2 공급수단
270 : 라지에이터 280 : 제상부
281 : 주입관 282 : 전달관
283 : 유출관 290 : 제2 열교환부
300 : 드라이부 310 : 제1 필터
320 : 제2 필터 330 : 외기공급부
331 : 외기흡입구 340 : 공급순환장치
341 : 제1 열매체탱크 342,352 : 공급라인
343,353 : 회수라인 350 : 부가 공급순환장치
351 : 제2 열매체탱크 360 : 거치대

Claims (12)

  1. 액화수소를 열교환시켜 공급원에 공급하는 액화수소 기화용 열교환 시스템에서,
    제1 열매체를 공급하는 제1 공급수단;
    상기 제1 공급수단과 별개로 제1 열매체를 공급하는 제2 공급수단;
    상기 제1 공급수단 및 제2 공급수단 중 적어도 어느 하나 이상으로부터 제1 열매체를 공급받아 액화수소를 열교환시키는 제1 열교환부;
    상기 제1 열교환부에 공급하기 위한 제1 열매체를 순환시켜 대기온도에 의해 열교환 되도록 하고, 상기 제1 열교환부에 공급되었다가 배출되는 저온의 제1 열매체를 공급순환장치로 회수시키는 라지에이터; 및
    상기 제1 열교환부에서 배출된 상기 제1 열매체가 상기 라지에이터를 통과함에 따라 생성되는 성에를 제거하도록 제2 열매체로 상기 라지에이터를 가열하는 제상부를 포함하고,
    상기 공급원에 대한 수소 공급이 대기중일 경우 상기 제1 공급수단 및 제2 공급수단 중 선택되는 어느 하나만 제1 열매체를 공급하고, 상기 공급원에 수소를 공급할 시 상기 제1 공급수단 및 제2 공급수단이 동시에 제1 열매체를 공급하도록 프로그래밍 되는 액화수소 기화용 열교환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 공급수단 및 제2 공급수단 중 적어도 어느 하나 이상으로부터 제1 열매체를 공급받아 수소가스를 열교환시키는 제2 열교환부를 더 포함하고,
    상기 라지에이터는 상기 제2 열교환부에 공급하기 위한 제1 열매체도 순환시켜 대기온도에 의해 열교환 되도록 하고, 상기 제2 열교환부에 공급되었다가 배출되는 저온의 제1 열매체도 공급순환장치로 회수시키며,
    상기 제상부는 상기 제2 열교환부에서 배출된 상기 제1 열매체에 의해 라지에이터에 생성되는 성에도 제거하는 액화수소 기화용 열교환 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 열교환부는,
    수소가스의 열교환이 이루어지도록 제1 열매체가 충진되는 열교환실이 내부에 형성되고, 일측과 타측이 각각 개방된 본체부;
    상기 본체부의 일측 개방된 부분에 배치되고, 상기 수소가스를 분배하여 순환시키기 위한 적어도 하나 이상의 제1 분배채널이 형성된 제1 분배챔버;
    상기 본체부의 타측 개방된 부분에 배치되며, 상기 수소가스를 분배하여 순환시키기 위한 적어도 하나 이상의 제2 분배채널이 형성된 제2 분배챔버;
    상기 제1 분배챔버와 제2 분배챔버의 사이에서 서로 일정간격 이격되도록 배치되고, 양측이 상기 제1 분배채널과 제2 분배채널에 각각 결합되어 수소가스의 순환 경로를 제공하는 복수개의 순환튜브;
    상기 제1 분배챔버에 상에서 상기 제1 분배채널을 복수개로 구획하여, 상기 제2 분배챔버 측으로 수소가스를 이송시키기 위한 적어도 하나 이상의 제1 이송영역 및 상기 제2 분배챔버 측에서 되돌아 오는 수소가스를 상기 제1 이송영역으로 전달하는 적어도 하나 이상의 제1 전달영역을 형성시키는 제1 구획부; 및
    상기 제2 분배챔버 상에서 상기 제2 분배채널을 복수개로 구획하여, 상기 제1 분배채널 측으로 수소가스를 이송시키기 위한 적어도 하나 이상의 제2 이송영역 및 상기 제1 분배챔버 측에서 되돌아 오는 수소가스를 상기 제2 이송영역으로 전달하는 적어도 하나 이상의 제2 전달영역을 형성시키는 제2 구획부를 포함하는 액화수소 기화용 열교환 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 구획부는,
    상기 제1 분배챔버의 일측면에 결합되는 제1 틀부;
    상기 제1 틀부의 내부공간에서 상기 제1 분배챔버를 제1 방향으로 가로지르는 형태로 배치되는 제1 구획바; 및
    상기 제1 틀부의 내부공간에서 상기 제1 구획바와 교차되면서 상기 제1 분배챔버를 제2 방향으로 가로지르는 형태로 배치되어, 상기 제1 이송영역 및 제1 전달영역을 구획 형성하며, 상기 제1 구획바와 교차되는 교차점을 중심으로 그 일측에 상기 수소가스를 상기 제1 전달영역에서 제1 이송영역으로 통과시키기 위한 제1 통과홀이 적어도 하나 이상으로 형성되는 제2 구획바를 포함하는 액화수소 기화용 열교환 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 구획부는,
    상기 제2 분배챔버의 일측면에 결합되는 제2 틀부;
    상기 제2 틀부의 내부공간에서 상기 제2 분배챔버를 제1 방향으로 가로지르는 형태로 배치되는 제3 구획바; 및
    상기 제2 틀부의 내부공간에서 상기 제3 구획바와 교차되면서 상기 제2 분배챔버를 제2 방향으로 가로지르는 형태로 배치되어, 상기 제2 이송영역 및 제2 전달영역을 구획 형성하며, 상기 제3 구획바와 교차되는 교차점을 중심으로 그 일측과 타측에 상기 수소가스를 어느 하나의 제2 전달영역에서 어느 하나의 제2 이송영역으로 통과시키기 위한 제2 통과홀 및 다른 어느 하나의 제2 전달영역에서 다른 어느 하나의 제2 이송영역으로 통과시키기 위한 제3 통과홀이 각각 적어도 하나 이상으로 형성되는 제4 구획바를 포함하는 액화수소 기화용 열교환 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 분배챔버의 일측면에 결합되어, 상기 수소가스의 누출을 방지하며, 상기 제1 구획부의 일정영역이 수용되는 제1 수용홈을 포함하여 그 내면이 상기 제1 분배챔버와 소정간격 이격되는 제1 마감캡;
    상기 제1 마감캡에 결합되고, 어느 하나의 제1 이송영역으로 수소가스를 공급하기 위한 제1 공급부;
    상기 제1 마감캡에 결합되며, 어느 하나의 제1 전달영역으로부터 배출되며 열교환이 완료된 수소가스를 수소자동차 또는 수소충전기에 공급하는 제1 배출부;
    상기 제2 분배챔버의 일측면에 결합되어, 상기 수소가스의 누출을 방지하며, 상기 제2 구획부의 일정영역이 수용되는 제2 수용홈을 포함하여 그 내면이 상기 제2 분배챔버와 소정간격 이격되는 제2 마감캡;
    상기 제2 마감캡에 결합되고, 어느 하나의 제2 이송영역으로 수소가스를 공급하기 위한 제2 공급부; 및
    상기 제2 마감캡에 결합되고, 어느 하나의 제1 전달영역으로부터 배출되며 열교환이 완료된 수소가스를 수소자동차 또는 수소충전기에 공급하는 제2 배출부를 더 포함하는 액화수소 기화용 열교환 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 순환튜브를 각각 감싸는 형태로 배치되며, 상기 열교환실에 충진되는 제1 열매체를 열원으로 하여 상기 순환튜브를 냉각시키는 냉각코일을 더 포함하는 액화수소 기화용 열교환 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 분배챔버 및 제2 분배챔버의 사이에 적어도 하나 이상으로 배치되고, 상기 냉각코일이 각각 관통하는 복수개의 관통홀이 일정간격으로 형성된 칸막이를 더 포함하고,
    상기 칸막이는 본체부의 중앙부분을 기준으로 그 하층부에 위치된 냉각코일들에만 적용되며, 수평방향으로 서로 이격되도록 배치되는 복수개의 제1 칸막이 및 상기 본체부의 중앙부분을 기준으로 그 상층부에 위치된 냉각코일들에만 적용되고, 수평방향으로 서로 이격되도록 배치되는 복수개의 제2 칸막이로 분할되며,
    상기 제1 칸막이와 제2 칸막이는 서로 상이한 간격으로 배치되며, 상기 제1 칸막이들과 제2 칸막이들은 그 하측 일정영역과 상측 일정영역이 서로 수평선상에 위치되도록 배치되어, 상기 열교환실에 충진된 열매체는 상기 제1 칸막이들과 제2 칸막이들의 사이 공간에서 반복적으로 상승 및 하강되면서 상기 수소가스를 냉각시키는 액화수소 기화용 열교환 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제상부는,
    상기 라지에이터의 일측에 배치되고, 상기 라지에이터를 가열하기 위한 제2 열매체가 주입되는 주입관;
    상기 라지에이터를 구성하는 이송관들의 사이에 배치되며, 상기 주입관으로부터 제2 열매체를 공급받아 이송시켜 이송관에 간접열을 전달하는 전달관; 및
    상기 전달관으로부터 배출되는 제2 열매체를 부가 공급순환장치로 회수시키는 유출관을 포함하는 액화수소 기화용 열교환 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 라지에이터를 향해 대기의 바람을 공급하는 드라이부를 더 포함하는 액화수소 기화용 열교환 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 라지에이터는 복수개로 적용되며 서로 일정간격 이격되도록 배치되고,
    상기 라지에이터의 상측과 하측에 각각 배치되는 제1 필터 및 제2 필터;
    상기 제1 필터의 상면과 제2 필터의 저면에 각각 배치되며, 상기 라지에이터의 사이 공간으로 외기를 공급하기 위한 복수개의 외기흡입구가 형성된 외기공급부를 더 포함하는 액화수소 기화용 열교환 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 부가 공급순환장치는,
    제2 열매체를 저장하는 탱크; 및
    상기 탱크에 저장된 제2 열매체를 상기 제상부에 공급하는 공급라인을 포함하고,
    상기 탱크 및 상기 공급라인의 일정영역을 상기 라지에이터의 상측에 거치하여 상기 탱크 및 공급라인 내의 제2 열매체가 태양열에 의해 가열되도록 하는 거치대를 더 포함하는 액화수소 기화용 열교환 시스템.
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