KR102609191B1 - 단열구조를 갖는 극저온 액체 왕복동 펌프 - Google Patents

단열구조를 갖는 극저온 액체 왕복동 펌프 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단열구조를 갖는 극저온 액체 왕복동 펌프에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 액추에이터의 샤프트 즉 피스톤로드를 통한 전도열전달로 인해 발생하는 외열침입 및 대상액체 압축으로 인해 발생하는 압축발열이 펌프 내 수용된 대상액체로 전달되는 것을 최대한 방지하여 펌프 자체에서의 기화를 억제함으로써 궁극적으로는 펌프 성능을 향상시키는, 단열구조를 갖는 극저온 액체 왕복동 펌프를 제공함에 있다.

Description

단열구조를 갖는 극저온 액체 왕복동 펌프 {Reciprocating pump for cryogenic liquid with insulating structure}
본 발명은 극저온 액체 왕복동 펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단열성능을 개선할 수 있는 구조를 갖는 극저온 액체 왕복동 펌프에 관한 것이다.
극저온 액체 펌프란 극저온 액체의 압력을 높이기 위한 펌프로서, 임펠러 및 모터를 이용하여 펌핑하는 형태의 장치, 피스톤(piston) 또는 플런저(plunger)를 이용하여 극저온 액체 자체를 기계적으로 가압하여 압력을 높이는 왕복동 형태의 장치 등의 여러 형태가 있다. 극저온 액체 펌프의 작동환경은 상온에서 기체인 물질들이 액화되어 있는 정도의 말 그대로 극저온 환경으로, 상당한 가혹환경이라 볼 수 있다. 이에 따라 제품 내구성, 수명, 설계시 기대한 성능의 실현 등을 고려할 때 구조나 형상, 동작원리 등이 단순한 편이 나은 경우가 많으며, 이러한 이유로 상대적으로 구조가 단순한 왕복동 형태의 펌프가 매우 많이 사용되고 있다.
극저온 액체 왕복동 펌프의 구조 및 동작원리를 간략하게 설명하자면 다음과 같다. 상술한 바와 같이 극저온 액체 왕복동 펌프는 피스톤 또는 플런저가 펌핑챔버 내에 채워진 대상액체를 기계적으로 가압하여 압력을 높여줌으로써 원하는 방향으로의 흡입 및 토출이 이루어지게 된다. 이 때 피스톤 또는 플런저는 샤프트(shaft)로 펌프 외부와 연결되어 있고, 이 샤프트를 액추에이터로 왕복운동을 시켜서 액체를 압축하게 된다. 그런데 펌프가 작동되는 동안, 피스톤과 플런저 부분은 극저온 액체에 잠긴 상태로 있고 액추에이터는 상온의 외부에 있기 때문에, 외부로부터의 열이 피스톤 및 플런저를 통해 펌프 내의 극저온 액체로 침입하게 될 우려가 있다.
물론 액체를 펌핑하는 방식의 종류로서, 상술한 바와 같은 액추에이터를 사용하는 방식 외에도 멤브레인을 사용하는 방식도 있다. 멤브레인 방식은 연성이 있는 박막이 액체를 밀어주며 펌핑하는 방식으로, 액츄에이팅 방식과는 달리 외부와 연결되어 있는 부품이 없기 때문에 상온과의 연결을 단절할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 멤브레인 방식의 경우 저온에서 멤브레인에 쓰이는 물질들이 취성이 생겨서 파괴되기 쉬우며, 이는 제품 수명에 결정적인 영향을 끼친다는 결정적인 문제가 있다. 이러한 이유로, 특히 제품 내구성 및 수명이 좀더 확보되어야 하는 설비 등에 사용되는 극저온 액체 왕복동 펌프의 경우 일반적으로 액추에이터 방식이 보다 널리 사용되고 있다.
이처럼 액추에이터 방식을 사용하는 극저온 액체 왕복동 펌프의 경우, 제품 설계, 내구성, 수명 등의 측면에서 많은 장점을 가지고 있어 널리 사용되고 있기는 하지만, 상술한 바와 같이 액추에이터의 샤프트를 통한 열 침입이 불가피하게 발생한다는 문제가 있다. 극저온 액체를 다루기 위해서는 용적효율 및 냉열에너지 절약을 위해 극저온 액체로 들어가는 열을 최대한 단열시키는 것이 매우 중요한 바, 이러한 문제가 액추에이터 방식 극저온 액체 왕복동 펌프의 근본적인 약점으로 지적되고 있다.
한편 극저온 액체 펌프의 용도는 기본적으로 극저온 액체의 압력을 높이는 것이며, 산업적으로는 크게 두 가지의 분야로서 에너지 공급용 또는 에너지 발전용에 사용된다.
에너지 공급용에 대해 설명하자면 다음과 같다. 최근 대체 에너지에 관한 활발한 연구 및 개발의 일환으로 수소 연료전지 차량에 대한 관심이 높아졌는데, 이러한 수소 연료전지 차량이 원활하게 운용되려면 수소충전소 인프라가 잘 만들어져야 한다. 이 때 수소충전소에 저장되는 수소가 기체 형태인 것보다는 액체 형태인 것이 당연히 부피 측면에서 월등히 유리하다. 극저온 액체 펌프는 이처럼 수소충전소에서 액체수소를 공급해 주는 용도로 사용될 수 있다. 다만 현재까지 제시된 극저온 액체 펌프는 필요수준까지의 고압(대략 900bar)으로 펌핑하면서 충분한 수명, 내구성 등을 갖추게 하기 어려워, 이러한 점이 해결과제로 지적되고 있다.
에너지 발전용에 대해 설명하자면 다음과 같다. 화석연료발전, 원자력발전 등의 경우 발전시간 및 발전량을 사용자가 원하는 대로 조절할 수 있지만, 풍력발전, 태양광발전 등과 같은 경우 날씨나 시간대 등에 따라 발전량이 달라지며 그것은 사람의 힘으로 제어가 불가능하다는 근본적인 문제가 있다. 이러한 점을 고려하여, 강풍이 불거나 날씨가 맑을 때 전기를 최대한 많이 생산하여 저장해 두었다가 발전환경이 나빠서 발전량이 부족할 때 저장해 두었던 전기를 사용하는 방식이 연구되고 있다. 이처럼 잉여전력을 저장해두는 방식 중 하나가 액화공기를 이용하는 것이다. 잉여전력이 있는 상황에서 그 전력을 이용하여 공기액화플랜트를 작동하여 극저온 액화공기를 생산하여 저장하여 두었다가, 전력이 부족해지면 공기를 기화시켜서 액체에서 기체가 될 때의 팽창력으로 터빈을 작동시켜 전기를 재생산하는 것이다. 이 때 액화공기를 그냥 팽창시키는 것이 아니라 극저온 액체 펌프를 이용하여 액체 자체의 압력을 더욱 높여서 팽창시키면 더 큰 팽창력을 기대할 수 있다.
현재 개발되어 사용되고 있는 극저온 액체 왕복동 펌프의 예시로서, LINDE사의 "Liquid hydrogen pump performance and durability testing through repeated cryogenic vessel filling to 700 bar"(G. Petitpas, et al., International Journal of Hydrogen Energy, Volume 43, Issue 39, 27 September 2018, Pages 18403-18420), CRYOSTAR사의 미국특허등록 제9765762호("Cryogenic pumps", 2017.09.19.) 등이 있다. LINDE사의 극저온 액체 왕복동 펌프(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 피스톤(11)으로 대상액체를 가압하는 제1챔버(12) 및 제1챔버에서 가압되어 전달되어 온 대상액체를 피스톤로드(13)로 가압하여 배출하는 제2챔버(14)를 구비한 형태로 되어 있으며, 피스톤(11) 및 플런저(15) 2가지 부품으로 가압이 이루어지기 때문에 더블 액팅(double acting) 구조라 부른다. CRYOSTAR사의 극저온 액체 왕복동 펌프(20)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 접수챔버(21)로 유입된 대상액체가 체크밸브(22)를 통해 가압챔버(23)로 전달되고, 가압챔버(23) 내의 대상액체가 피스톤(24)에 의해 가압되어 배출되는 형태로 되어 있으며, 피스톤(24)에 의해서만 가압이 이루어지기 때문에 싱글 액팅(single acting) 구조라 부른다.
이러한 종래의 극저온 액체 왕복동 펌프들은 실제 제품으로서 상용화되어 현재 사용 중에 있음에도 불구하고, 앞서 설명한 문제 즉 샤프트를 통해 외열이 침입해 들어옴으로써 대상액체의 극저온 상태에 악영향을 끼친다는 문제에 대한 별다른 해결책이 아직 제시되어 있지 않은 상황이다. 극저온 액체를 펌핑하는 액체 펌프들이 주로 사용되는 곳은 앞서 설명한 바와 같이 에너지 공급용 즉 액화수소 차량충전이나 에너지 발전용 즉 액화공기 플랜트에서의 발전 등인데, 결과적으로는 차량 연료로의 이용 또는 에너지 발전을 위해 극저온 액체를 기화시키는 것이 목적이라 하여도, 펌프 자체에서 부실한 단열에 의한 열 유입에 의한 기화는 시스템의 비효율을 야기하는 것이 당연하다. 즉 액체의 기화는 기화기에서 일어나야 하고, 펌프 자체에서는 최소한의 열유입을 실현함으로써 액체의 압력을 최대한 높이는 것이 필요하다. 즉 펌프에서 샤프트를 통한 열유입 문제는 시스템 효율 향상을 위해 반드시 해결해야 하는 과제이다.
미국특허등록 제9765762호("Cryogenic pumps", 2017.09.19.)
"Liquid hydrogen pump performance and durability testing through repeated cryogenic vessel filling to 700 bar"(G. Petitpas, et al., International Journal of Hydrogen Energy, Volume 43, Issue 39, 27 September 2018, Pages 18403-18420)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 액추에이터의 샤프트 즉 피스톤로드를 통한 전도열전달로 인해 발생하는 외열침입 및 대상액체 압축으로 인해 발생하는 압축발열이 펌프 내 수용된 대상액체로 전달되는 것을 최대한 방지하여 펌프 자체에서의 기화를 억제함으로써 궁극적으로는 펌프 성능을 향상시키는, 단열구조를 갖는 극저온 액체 왕복동 펌프를 제공함에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 단열구조를 갖는 극저온 액체 왕복동 펌프는, 대상액체가 유입되는 흡입로가 형성되는 펌프하우징; 상기 펌프하우징 내에 배치되며, 외부로부터 동력을 인가받아 왕복동하는 샤프트에 의해 대상액체를 펌핑하여 배출로를 통해 배출하는 펌핑부; 상기 펌프하우징(100)을 내부에 수용하되 상기 펌프하우징(100) 외면과 이격되게 형성되어 내부공간이 진공으로 형성되는 진공하우징(300); 상기 펌프하우징(100) 및 상기 진공하우징(300) 사이의 공간에서 상기 배출로(210)가 상기 샤프트(250)를 휘감는 코일 형태로 벤딩되어 형성되는 샤프트단열부(450); 상기 배출로(210) 외면을 감싸도록 형성되는 배출로단열부(400); 를 포함할 수 있다.
이 때 상기 샤프트단열부(450)는, 상기 샤프트(250)를 따라 전도열전달되어 온 외열침입이 상기 샤프트(250)를 휘감은 상기 배출로(210) 내 대상액체의 냉열에 의하여 제거됨으로써 단열할 수 있다.
또한 상기 배출로단열부(400)는, 상기 펌프하우징(100) 내에 배치되는 상기 배출로(210) 상에 구비되어, 상기 배출로(210) 내 대상액체의 압축발열이 상기 펌프하우징(100) 내 대상액체로 전달되는 것을 차단하여 단열할 수 있다.
또한 상기 배출로단열부(400)는, 상기 진공하우징(300) 상에 형성되어 외부장치와 연결되어 상기 배출로(210)로부터 토출되는 대상액체를 외부장치로 공급하는 연결로(310) 내에 상기 배출로(210) 끝단 일부가 배치되되, 상기 연결로(310) 내에 배치되는 상기 배출로(210) 상에 구비되어, 외부환경의 열이 상기 배출로(210) 내 대상액체로 전달되는 것을 차단하여 단열할 수 있다.
또한 상기 배출로단열부(400)는, 상기 배출로(210)를 내부에 수용하되 상기 배출로(210) 외면과 이격되게 형성되는 단열관(410)을 포함할 수 있다.
이 때 상기 배출로단열부(400)는, 상기 배출로(210) 및 상기 단열관(410) 사이의 공간이 진공으로 형성될 수 있다.
또는 상기 배출로단열부(400)는, 상기 배출로(210) 및 상기 단열관(410) 사이의 공간에 기체가 채워질 수 있다.
또는 상기 배출로단열부(400)는, 유리섬유 또는 고분자재질로 형성되어 상기 배출로(210)에 밀착되어 감싸도록 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 극저온 액체 왕복동 펌프에서 배출로의 형상을 개선하고 단열구조를 도입함으로써, 액추에이터의 샤프트 즉 피스톤로드를 통한 전도열전달로 인해 발생하는 외열침입 및 대상액체 압축으로 인해 발생하는 압축발열이 펌프 내 수용된 대상액체로 전달되는 것을 최대한 방지하는 큰 효과가 있다.
구체적으로 설명하자면, 본 발명에서는 고압으로 압축된 대상액체가 외부로 토출되기 전에 피스톤로드와 열교환되도록 함으로써, 압축된 대상액체의 냉열을 이용하여 피스톤로드를 통해 침입해오는 외열을 제거하는 구조를 가진다. 또한 고압으로 압출된 대상액체가 외부로 토출되는 배출로 상에 단열부를 형성함으로써, 압축된 대상액체가 가지고 있는 압축발열이 펌프 내 수용된 대상액체로 전달되는 것을 막는 구조를 가진다.
본 발명에 의하면, 이러한 구조를 통해 외열침입 및 압축발열이 효과적으로 방지되며, 따라서 펌프 내 대상액체가 이러한 불필요한 열로 인하여 원치않게 증발되는 문제를 크게 저감할 수 있는 효과가 있다. 또한 이처럼 펌프 내에서의 기화가 억제됨에 따라, 펌프 내부에 기화가스(boil-off gas)가 존재할 경우 발생하는 기체의 체적탄성으로 인한 토출성능 저하 문제가 해소되는 큰 효과가 있다. 결과적으로, 본 발명에 의하면 외열침입 또는 압축발열을 적절하게 단열해 줌으로써 궁극적으로는 펌프의 고압토출 성능을 향상시킬 수 있는 큰 효과가 있는 것이다.
도 1 및 도 2는 종래의 다양한 극저온 액체 왕복동 펌프.
도 3은 본 발명의 단열구조를 갖는 극저온 액체 왕복동 펌프의 개념도.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 배출로단열부의 여러 실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 단열구조를 갖는 극저온 액체 왕복동 펌프를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 단열구조를 갖는 극저온 액체 왕복동 펌프의 개념도를 도시한다. 본 발명의 극저온 액체 왕복동 펌프(1000)는, 도 2에 도시된 바와 같이 펌프하우징(100), 펌핑부(200), 진공하우징(300), 샤프트단열부(450), 배출로단열부(400)를 포함한다.
상기 펌프하우징(100)은 대상액체를 유입하여 수용하는 역할을 하는데, 이를 위하여 상기 펌프하우징(100)에는 일측에 도시된 바와 같이 대상액체가 유입되는 흡입로(110)가 형성된다. 여기에서의 대상액체는 액화수소, 액화질소, 액화산소 등과 같은 극저온상태의 액체 모두가 적용가능하다. 한편 최초에 상기 펌프하우징(100) 내 공간 전체에 대상액체를 완전히 꽉 채웠다 하더라도, 다양한 원인으로 열이 발생함에 따라 대상액체가 기화되어 생성된 기화가스(boil-off gas)가 도면에 도시된 바와 같이 약간의 공간을 차지하게 된다. 이러한 기화가스가 차지하는 공간이 과도하게 커지면 펌프동작이 원활하게 이루어지지 못할 수 있으므로, 도시된 바와 같이 상기 펌프하우징(100) 상측에 적절한 시기에 가스를 배출할 수 있도록 하는 리턴로(120)가 구비되어 있는 것이 바람직하다.
상기 펌핑부(200)는 상기 펌프하우징(100) 내에 배치되며, 외부로부터 동력을 인가받아 왕복동하는 샤프트(250)에 의해 대상액체를 펌핑하여 배출로(210)를 통해 배출하는 역할을 한다. 상기 펌핑부(200)의 형태는 외부로부터 동력을 인가받아 왕복동하는 상기 샤프트(250)를 포함하는 형태라면 어떤 것이든 될 수 있다. 예를 들어 도 1에 소개된 더블 액팅 구조, 즉 2개의 펌핑챔버가 존재하며 피스톤 및 플런저가 각각 대상액체를 가압하도록 형성되는 구조나 및 도 2에 소개된 싱글 액팅 구조, 즉 1개의 펌핑챔버만 존재하는 구조일 수도 있고, 또는 도 1에 도시된 예시가 아니더라도 외부와 연결된 상기 샤프트(250)를 포함하기만 한다면 어떤 형태여도 무방하다. 이에 불필요한 오해를 피하기 위하여 도 3에서는 상기 펌핑부(200)의 구조를 특정하지 않도록 도시하였다.
상기 진공하우징(300)은 상기 펌프하우징(100)을 내부에 수용하되, 도시된 바와 같이 상기 펌프하우징(100) 외면과 이격되게 형성되어 내부공간이 진공으로 형성된다. 즉 상기 진공하우징(300) 및 상기 펌프하우징(100) 사이의 공간이 진공으로 형성되며, 이 진공에 의하여 상기 펌프하우징(100)이 외부와 효과적으로 단열될 수 있게 된다. 이처럼 상기 진공하우징(300)의 역할은 극저온 액체를 수용하고 있는 상기 펌프하우징(100)을 상온의 외부공간과 단열하는 것이나, 물론 당연히 상기 펌프하우징(100) 및 외부장치와의 연결부품, 즉 상기 흡입로(110), 상기 리턴로(120), 상기 배출로(210), 상기 샤프트(250) 등은 상기 진공하우징(300)을 관통하여 형성되며, 이들 간의 연결부위는 기체가 새어들어와 진공상태를 망가뜨리지 않도록 기밀이 잘 유지되게 만들어져야 함은 자명하다. 더불어 상기 배출로(210)에서 토출되는 극저온 대상액체는, 앞서 설명한 바와 같이 에너지 공급용으로서 차량연료로 공급되거나 에너지 발전용으로서 액화공기 플랜트의 발전용 터빈을 돌리기 위해 기화기에 공급되는 등 외부장치로 공급된다. 이러한 외부장치들과의 원활한 연결을 위하여, 상기 진공하우징(300) 상에는 외부장치와 연결되어 상기 배출로(210)로부터 토출되는 대상액체를 외부장치로 공급하는 연결로(310)가 구비되며, 상기 배출로(210) 끝단 일부가 상기 연결로(310) 내에 배치되도록 할 수 있다. 물론 이 경우에도 상기 배출로(210)에서 배출된 대상액체 및 외부장치의 공기가 상기 진공하우징(300) 내 공간으로 새어들어오지 못하도록 연결부위에 기밀유지구조가 구비되어 있어야 한다. 한편 상기 진공하우징(300)에는, 내부공간을 진공으로 만들기 위하여 기체를 뽑아내는 진공로(320)도 당연히 구비된다.
상술한 바와 같은 구성은 어떤 형태의 극저온 액체 왕복동 펌프이든 거의 비슷하게 공통적으로 가지고 있는 구성이다. 물론 예를 들어 펌프 본체 및 외부 간의 단열을 위해 본 발명에서는 상기 진공하우징(300)을 이용하고 있으나, 매우 두꺼운 단열재를 사용하는 등과 같은 다른 방식이 이용될 수도 있는 등 약간의 설계변경이 있을 수는 있겠으나, 기본적으로 극저온 액체 왕복동 펌프라면 상술한 바와 같은 구성에서 크게 달라지지 않는다.
이 때 본 발명에서는, 상기 펌프하우징(100) 내에 수용되어 있는 극저온의 대상액체가 원치않은 요인으로 인하여 증발되어 기화가스(boil-off)가 되는 것을 단열을 이용하여 방지한다. 특히 본 발명은, 외부의 동력원과 연결되어 상기 펌프부(200)로 펌핑력을 인가하기 위해 필수적으로 구비되어야만 하는 상기 샤프트(250)를 따라 외부의 상온이 전도열전달에 의해 침입해 오는 것을 방지하도록 하기 위한 특수한 구조를 가진다. 더불어 본 발명은, 대상액체가 고압으로 압축되는 과정에서 발생하는 열로 인하여 상기 펌프하우징(100) 내의 대상액체가 원치않게 가열되는 것 또한 방지하는 구조를 가진다. 이러한 구조들이 바로 상기 샤프트단열부(450) 및 상기 배출로단열부(400)이다.
상기 샤프트단열부(450)는, 상기 펌프하우징(100) 및 상기 진공하우징(300) 사이의 공간에서 상기 배출로(210)가 상기 샤프트(250)를 휘감은 코일 형태로 벤딩되어 형성된다. 상기 샤프트(250)는 앞서 설명한 바와 같이 외측 끝단은 외부 상온에 존재하는 동력원과 연결되어 있고 내측 끝단은 내부 극저온의 대상액체와 접촉해 있다. 따라서 상기 샤프트(250)를 따라 외부로부터 전도되어 온 열이 펌프 내부의 극저온 대상액체로 전달되는 현상이 불가피하게 발생한다. 이 때, 본 발명에서는 외부에서 내부로 들어오는 중간지점, 즉 상기 펌프하우징(100) 및 상기 진공하우징(300) 사이의 공간에서, 상기 배출로(210)가 상기 샤프트(250)를 휘감은 코일 형태로 벤딩되어 형성되게 한다. 상기 배출로(210) 내에 유통되는 대상액체는, 비록 고압으로 압축되는 과정에서 온도가 올라가서 상기 펌프하우징(100) 내에 수용된 대상액체보다는 좀더 고온일 수는 있겠으나, 상온에 비하면 여전히 극히 낮은 온도임은 자명하다. 따라서 상기 배출로(210) 내에 유통되는 대상액체는 상당한 냉열을 가지고 있으며, 이 냉열로 상기 샤프트(250)를 따라 침입해오는 열을 매우 효과적으로 식혀 제거할 수 있다. 즉 정리하자면, 상기 샤프트단열부(450)는, 상기 샤프트(250)를 따라 전도 열전달된 외열침입이 상기 샤프트(250)를 휘감은 상기 배출로(210) 내 대상액체의 냉열에 의하여 제거됨으로써 단열하는 역할을 하는 것이다.
상기 배출로단열부(400)는, 상기 배출로(210) 외면을 감싸도록 형성되어 단열을 수행한다. 이 때 상기 배출로단열부(400)가 어느 위치에 구비되느냐에 따라 단열 목적 및 역할이 약간 달라지며, 이에 대하여 이하에서 보다 상세히 설명한다.
먼저 상기 배출로단열부(400)는 상기 펌프하우징(100) 내에 배치되는 상기 배출로(210) 상에 구비될 수 있다. 이 경우 상기 배출로단열부(400)는, 상기 배출로(210) 내 대상액체의 압축발열이 상기 펌프하우징(100) 내 대상액체로 전달되는 것을 차단하여 단열하는 역할을 한다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 펌프하우징(100) 내에 수용된 대상액체는 극저온으로 액체상태를 유지하고 있는데, 펌핑에 의하여 대상액체가 강하게 압축되면 온도가 올라가서 원치않은 증발이 일어날 수도 있다. 이러한 기체를 기화가스(boil-off gas, BOG)라고 하며, 기체의 체적탄성으로 인하여 펌프에서의 고압토출을 어렵게 하는 원인이 되어 펌프 성능을 저하시키므로, 기화가스 발생을 억제하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있는 실정이다. 이 때 본 발명에서는 압축발열에 의하여 고온이 된 상기 배출로(210) 내 대상액체가 상기 펌프하우징(100) 내로 열을 전달하여 불필요한 기화가스 생성이 이루어지는 것을 방지하도록, 상기 배출로단열부(400)가 단열을 수행하게 된다. 요약하자면 상기 펌프하우징(100) 내에 구비되는 상기 배출로단열부(400)는, [배출로 내 대상액체 → 펌프하우징 내 대상액체]로의 열전달을 단열하며, 이를 통해 펌프 내 기화가스 발생을 억제한다.
또는 상기 배출로단열부(400)는 상기 연결로(310) 내에 배치되는 상기 배출로(210) 상에 구비될 수 있다. 이 경우 상기 배출로단열부(400)는, 외부환경의 열이 상기 배출로(210) 내 대상액체로 전달되는 것을 차단하여 단열하는 역할을 한다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 왕복동 펌프(1000)는 극저온의 대상액체를 에너지 공급용 또는 에너지 발전용으로서 외부장치에 공급하는 용도로 사용된다. 예를 들어 에너지 공급용으로서 차량연료로 공급될 경우, 차량으로 공급되는 도중에 기화되어 버리면 차량에 저장되는 연료량이 부족해지게 된다. 또는 에너지 발전용으로서 기화기에 공급될 경우, 기화기에 공급되기 전에 대상액체가 기화되어 버리면 발전용 터빈을 돌리기에 충분한 압력을 얻지 못하게 된다. 이처럼 외부장치에 공급되는 도중에 기화가 일어나게 되면 전체적인 시스템 성능 및 효율이 떨어지는 것은 자명하며, 이러한 문제를 방지하기 위해 상기 배출로단열부(400)가 활용될 수 있다. 요약하자면 상기 연결로(310) 내에 구비되는 상기 배출로단열부(400)는, [외부 상온환경 → 배출로 내 대상액체]로의 열전달을 단열하며, 이를 통해 외부장치로 대상액체를 공급하는 도중 기화되는 것을 억제한다.
상기 배출로단열부(400)는 다양한 형태로 만들어질 수 있는데, 3가지 실시예가 도 4 내지 도 6에 도시되어 있다. 도 4의 실시예에서는, 상기 배출로단열부(400)가 상기 배출로(210)를 내부에 수용하되 상기 배출로(210) 외면과 이격되게 형성되는 단열관(410)을 포함하되, 상기 배출로(210) 및 상기 단열관(410) 사이의 공간이 진공으로 형성된다. 도 5의 실시예에서는, 도 4의 실시예와 유사하되 다만 이 경우 상기 배출로(210) 및 상기 단열관(410) 사이의 공간에 기체가 채워진다. 도 6의 실시예에서는, 상기 배출로단열부(400) 자체가 유리섬유 또는 고분자재질로 형성되어 상기 배출로(210)에 밀착되어 감싸도록 형성된다.
도 4 내지 도 6의 각 실시예에서, T는 각부의 온도를, R은 각부의 열저항을 나타낸다. 구체적으로는, Tcomp는 상기 배출로(210) 내에서 압축(compressed)되는 대상액체의 온도, Tin1은 상기 배출로(210) 내벽 표면의 온도, Tout1은 상기 배출로(210) 외벽 표면의 온도, Tgas는 상기 배출로(210) 및 상기 단열관(410) 사이에 채워진 기체의 온도, Tin2는 상기 단열관(410) 내벽 표면의 온도, Tout2는 상기 단열관(410) 외벽 표면의 온도, Tbath는 상기 펌프하우징(100) 내에 수용되어 있는 대상액체의 온도를 각각 나타낸다. 또한 R1은 Tcomp 및 Tin1 간의 열저항, R2는 Tin1 및 Tout1 간의 열저항, R3는 Tout1 및 Tgas 간의 열저항, R4는 Tgas 및 Tin2 간의 열저항, R5는 Tout1 및 Tin2 간의 열저항, R6는 Tin2 및 Tout2 간의 열저항, R7는 Tout2 및 Tbath 간의 열저항을 각각 나타낸다. 또한 L은, 도면 상에서는 배출로단열부의 길이인 것처럼 보이는데, 이 때 실제로 상기 배출로단열부(400)는 [배출로 내 대상액체 → 펌프하우징 내 대상액체]로의 열전달을 단열하는 역할을 하는 것으로, L은 대략 상기 펌프하우징(100) 내 대상액체 수위로 계산될 수 있다. 이러한 T, R, L 값들을 이용하여 열전달량을 계산할 수도 있으며, 표 1은 여러 수위에서 도 4 내지 도 6의 각 실시예에서의 열유입량(즉 [배출로 내 대상액체 → 펌프하우징 내 대상액체]로의 열유입량)을 계산한 것이다.
[0] No insulation [1] Vacuum [2] Vapor layer [3] G10
L=0.3 m 104.71 W 0.0008 W 3.32 W 19.32 W
L=0.5 m 177.08 W 0.0014 W 5.72 W 33.19 W
표 1에서, [0]은 상기 배출로단열부(400)가 구비되지 않은 경우 즉 단열구조가 없는 종래의 경우이며, [1]은 도 4의 실시예 즉 진공단열인 경우, [2]는 도 5의 실시예 즉 기체층단열인 경우, [3]은 도 6의 실시예 즉 유리섬유단열인 경우이다. 표 1로 확인되는 바와 같이, 진공단열인 경우 열유입량은 극단적으로 줄어들어 최고의 단열효과를 나타내며, 기체층단열이나 유리섬유단열로도 상당한 단열효과를 얻을 수 있다. 진공단열의 경우에는 거의 열유입량 100%를 제거할 수 있으며, 3가지 실시예 중에서 유리섬유단열이 가장 단열효과가 낮음에도 불구하고 단열구조가 없는 경우와 비교하였을 때 80%나 열유입량을 저감할 수 있음이 확인된다. 이에 따라 펌프 내 대상액체의 불필요한 기화가스 발생이 훨씬 억제될 수 있으며, 시스템 성능 및 효율을 크게 향상할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 본 발명의 왕복동 펌프
100 : 펌프하우징
110 : 흡입로 120 : 리턴로
200 : 펌핑부
210 : 배출로 250 : 샤프트
300 : 진공하우징
310 : 연결로 320 : 진공로
400 : 배출로단열부
410 : 단열관 450 : 샤프트단열부

Claims (9)

  1. 대상액체가 유입되는 흡입로가 형성되는 펌프하우징;
    상기 펌프하우징 내에 배치되며, 외부로부터 동력을 인가받아 왕복동하는 샤프트에 의해 대상액체를 펌핑하여 배출로를 통해 배출하는 펌핑부;
    상기 펌프하우징을 내부에 수용하되 상기 펌프하우징 외면과 이격되게 형성되어 내부공간이 진공으로 형성되는 진공하우징;
    상기 펌프하우징 및 상기 진공하우징 사이의 공간에서 상기 배출로가 상기 샤프트를 휘감는 코일 형태로 벤딩되어 형성되는 샤프트단열부; 및
    상기 배출로 외면을 감싸도록 형성되는 배출로단열부;를 포함하는, 왕복동 펌프.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 샤프트단열부는,
    상기 샤프트를 따라 전도열전달되어 온 외열침입이 상기 샤프트를 휘감은 상기 배출로 내 대상액체의 냉열에 의하여 제거됨으로써 단열하는 것을 특징으로 하는 왕복동 펌프.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 배출로단열부는,
    상기 펌프하우징 내에 배치되는 상기 배출로 상에 구비되어,
    상기 배출로 내 대상액체의 압축발열이 상기 펌프하우징 내 대상액체로 전달되는 것을 차단하여 단열하는 것을 특징으로 하는 왕복동 펌프.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 배출로단열부는,
    상기 진공하우징 상에 형성되어 외부장치와 연결되어 상기 배출로로부터 토출되는 대상액체를 외부장치로 공급하는 연결로 내에 상기 배출로 끝단 일부가 배치되되, 상기 연결로 내에 배치되는 상기 배출로 상에 구비되어,
    외부환경의 열이 상기 배출로 내 대상액체로 전달되는 것을 차단하여 단열하는 것을 특징으로 하는 왕복동 펌프.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 배출로단열부는,
    상기 배출로를 내부에 수용하되 상기 배출로 외면과 이격되게 형성되는 단열관을 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동 펌프.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 배출로단열부는,
    상기 배출로 및 상기 단열관 사이의 공간이 진공으로 형성되는 것을 특징으로 하는 왕복동 펌프.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 배출로단열부는,
    상기 배출로 및 상기 단열관 사이의 공간에 기체가 채워지는 것을 특징으로 하는 왕복동 펌프.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 배출로단열부는,
    유리섬유 또는 고분자재질로 형성되어 상기 배출로에 밀착되어 감싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 왕복동 펌프.
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