KR19990072363A - 극저온유체실린더충전시스템 - Google Patents

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브루스홀 데이비슨
토마스에드워드 데브리애
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조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 실린더 충전 기체가, 가압된 기체와 혼합되어 가압된 극저온 액체를 증발시키므로써 생성되며 동시에 단일 단계로 충전 기체를 생성시키고, 충전 기체의 온도를 제어하므로써 이후 신속한 충전율을 달성시킬 수 있는, 기체를 실린더에 급속 충전시키면서 실린더 내용물의 높은 주변 온도 편차를 피하는 시스템에 관한 것이다.

Description

극저온 유체 실린더 충전 시스템 {CRYOGENIC FLUID CYLINDER FILLING SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 실린더의 충전에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 고압에서 기체를 실린더에 충전시키기 위한 극저온 유체의 용도에 관한 것이다.
기체 충전된 실린더는 매우 많은 용도로 사용된다. 예를 들어, 산소로 충전된 실린더는 의료용으로 환자에게 산소를 공급하는 데 사용된다. 아르곤으로 충전된 실린더는 기체를 차폐시킬 목적으로 용접 작업에 아르곤을 공급하는 데 사용된다. 질소로 충전된 실린더는 불활성화용으로 질소를 공급하려는 많은 분야에 사용된다. 헬륨으로 충전된 실린더는 리프팅(lifting)용으로 팽창성 구조물에 헬륨을 공급하는 데 사용된다. 수소 또는 탄화수소로 충전된 실린더는 연소용으로 이러한 기체를 공급하는 데 사용된다. 이산화탄소로 충전된 실린더는 음료의 탄산포화를 위해 이산화탄소를 공급하는 데 사용된다. 또한, 기체 혼합물은 실린더로부터 공급되므로써 광범위하게 사용된다.
일반적으로, 실린더는 0.01 내지 2.0 세제곱 피트 수체적의 범위로 비교적 크기가 작아 충전 스테이션에서 사용 지점으로 용이하게 수송될 수 있다. 일반적으로, 실린더는 집중식 충전 스테이션에서 기체로 충전되어 충전 스테이션에서 사용 지점까지 운반된다. 실린더는 고압, 일반적으로 절대 평방 인치당 2000 파운드(psia)를 초과하는 압력하에서 충전되어, 실린더로 충전되는 기체의 양 또는 용적이 최대화된다.
실린더의 충전에 있어서, 기체가 저장 용기로부터 실린더로 유입되어 실린더내 압력이 상승함에 따라 실린더의 고정된 용적으로 인해, 실린더내 기체의 온도는 이상 기체 법칙 관계에 따라 상승하게 된다. 실린더내 기체 온도가 주위 온도를 현저히 초과하지 않아야 한다는 것은 중요하다. 주위 온도를 초과하는 경우, 보다 적은 양의 기체가 주어진 실린더에 설정된 압력에서 유입될 수 있으며, 실린더의 기체 내용물이 주위 온도로 설정됨에 따라 실린더가 부분적으로만 충전되게 되어, 이와 다르게 수송될 수 있는 경우보다 상당히 적은 양의 기체가 충전 스테이션으로부터 사용 시점에 전달된다.
실린더가 가압 기체로 충전되므로써 실린더내 고온 기체 온도 문제를 피하기 위해, 당해 업자들은 느린 유속, 일반적으로 분당 약 100psi로 실린더를 충전시므로써, 실린더내 증가 압력에 의한 열 증가를 실린더 벽에서 주변으로의 열 소산율과 거의 동일하게 한다. 이러한 경우, 실린더 내용물의 온도는 주변 온도를 현저하게 초과하지 않는다. 이러한 절차는 실린더의 부분 충전 문제를 효과적으로 해결하기는 하지만, 시간이 많이 소모되고, 이에 따라 비용이 많이 들어 비효율적이다.
따라서, 본 발명의 목적은 실린더 기체 내용물의 온도를 주변 온도보다 상당히 높게 상승시키는 열축적 문제에 직면하지 않고 지금까지 가능했던 압력보다 상당히 높은 압력으로 기체를 실린더에 충전시킬 수 있는 실린더 충전 시스템을 제공하는 데 있다.
도 1은 충전 스테이션에서 다수개의 실린더가 매니포울드(manifold)를 통해 동시에 충전되는 본 발명의 특히 바람직한 일 구체예의 개략도이다.
* 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 *
1: 저장 탱크 2: 액체 펌프
3: 기화기 4: 매니포울드
5: 펌프 6: 측관 밸브
7: 조절 실린더 8: 저울
9: 조정식 열교환기 10,25,32,33: 밸브
11: 분석기 12: 컴퓨터 시스템
20: 극저온 액체 21: 실린더
22: 충전 라인 23: 도관
34: 전기 접속 라인 35,37: 유입 밸브
상기 목적 및 이외의 목적은 본 명세서를 숙지한 당해 기술자들에게는 명백하게 될 것이며, 본 발명에 의해 달성될 것이다. 본 발명의 일면은
(A) 극저온 액체를 고압으로 펌핑시켜 고압 극저온 액체를 생성시키는 단계,
(B) 고압 극저온 액체의 제 1 부분을 기화시켜 고압 기체를 생성시키는 단계,
(C) 고압 극저온 액체의 제 2 부분과 고압 기체를 혼합하고, 고압 극저온 액체의 제 2 부분을 고압 기체와 직접 열교환에 의해 기화시켜 온도 조절된 고압 기체를 생성시키는 단계, 및
(D) 온도 조절된 고압 기체를 실린더에 공급시키는 단계를 포함하여, 기체로 실린더를 충전시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 일면은
(A) 극저온 액체 저장 탱크, 액체 펌프 및 극저온 액체 저장 탱크로부터 극저온 액체를 액체 펌프에 공급하기 위한 수단,
(B) 기화기, 액체 펌프로부터의 극저온 액체를 기화기에 공급하기 위한 유입 수단 및 기화기로부터 기체를 배출시키기 위한 배출 수단,
(C) 측관 밸브, 유입 수단과 측관 밸브 사이를 연결시키는 제 1 통로, 및 측관 밸브와 배출 수단 사이를 연결하는 제 2 통로,
(D) 실린더 및 기체를 배출 수단에서 실린더로 공급하기 위한 수단을 포함하는, 기체로 실린더를 충전시키는 장치에 관한 것이다.
본원에서 사용되는 용어 "극저온 액체"는 온도가 -40℉ 이하인 유체를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "직접 열교환"은 두 유체를 서로 접촉시키거나 혼합시켜 열교환 관계가 성립됨을 의미한다.
본 발명은 하기에서 도면을 참조로 상세하게 설명될 것이다. 도 1과 관련하여 살펴보면, 극저온 액체 저장 탱크(1)에는 극저온 액체(20)가 들어 있다. 본 발명의 실시에 사용될 수 있는 극저온 액체중에는 산소, 질소, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소, 수소, 메탄, 천연 가스 및 이의 둘 이상의 혼합물이 포함된다.
실린더 충전을 하고자하는 경우, 하나 이상의 실린더는 충전 라인 또는 라인들(22)에 의해 충전 랙(rack) 또는 매니포울드(4)에 연결된다. 도면에 도시된 본 발명의 구체예는 충전용으로 준비된 매니포울드(4)에 연결된 4개의 실린더를 나타내고 있다. 또한, 충전을 위해 연결된 4개의 실린더의 제 2 어레이가 도시되어 있다. 실제 실시에서, 제 1 어레이가 충전되는 동안, 제 2 어레이가 연결되어 펌프(5)에 의해 배기된다. 실린더의 제 1 어레이가 충전된 후, 이들 실린더로의 기체 흐름은 적합한 밸브를 폐쇄시키므로써 중단되고, 실린더의 제 2 어레이로의 기체 흐름은 적합한 밸브를 개방시키므로써 개시된다. 실린더의 제 2 어레이가 충전되는 동안, 제 1 어레이의 충전된 실린더는 단절되어 사용 지점으로의 수송을 위한 준비가 되고, 비어진 실린더는 실린더의 제 2 어레이의 충전이 완료된 후에 충전을 위한 매니포울드에 연결된다. 이러한 절차는 목적하는 수의 실린더가 모두 충전될 때까지 반복된다. 도 1은 각각의 어레이에서 매니포울드에 연결된 네개의 실린더를 도시하고 있다. 본 발명의 실시로 1 내지 수백개의 실린더가 매니포울딩된 어레이에서 동시에 충전될 수 있다. 또한, 도면은 실린더(들)로 충전되는 기체의 순도를 모니터하는 분석기(11)로 도관(23)에 의해 기체를 우회시키는 데 사용되는 어느 한 충전 라인(22)상의 밸브(10)의 사용을 도시한 것이다.
극저온 기체는 극저온 기체 저장 탱크(1)로부터 라인(24)으로, 극저온 기체를 고압, 일반적으로 1000 내지 10000 psia로 펌핑시키는 극저온 액체 펌프(2)에 의해 밸브(25)를 통해 배출된다. 극저온 액체 펌프(2)로부터 펑핑되어 나온 고압 극저온 기체(26)는 제 1 부분(27) 및 제 2 부분(28)로 나뉜다. 제 1 부분(27)은 60% 이상의 고압 극저온 액체(26)를 포함하고, 제 2 부분(28)은 40% 이하의 고압 극저온 액체(26)를 포함한다.
기화기(3)는 극저온 액체 펌프(2)와 연결된 유입구를 가지므로써 극저온 액체가 극저온 액체 펌프(2)로부터 기화기(3)에 공급되며, 배출구를 가지므로써 기체가 기화기(3)로부터 배출된다. 증기 가열된 또는 전기적으로 가열된 기화기와 같은 적합한 기화기가 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 바람직한 기화기는 미국 특허 제 4,399,660호(버글러 등)에 청구되어 있고 개시된 대기 기화기이다. 기화기(3)에서, 고압 극저온 액체의 제 1 부분(27)은 기화되어 기화기(3)로부터 배출되는 고압 기체(29)를 배출구에서 생성시킨다.
고압 극저온 기체의 제 2 부분(28)은 기화기(3)를 우회한다. 측관 밸브(6)는 기화기 유입구와 연결된 제 1 통로를 가지므로써 제 2 부분이 측관 밸브(6)에 공급되고, 제 2 통로를 가지므로써 스트림(30) 중의 극저온 액체의 제 2 부분이 측관 밸브(6)으로부터 기화기 배출구로 공급되어 고압 기체와 혼합된다. 고압 기체로부터의 열은 고압 극저온 액체의 제 2 부분을 기화시키고, 이로써 실린더(들)(21)를 신속 충전시키기 위한 바람직한 온도의 온도 조절된 고압 기체(31)를 생성한다. 온도 조절된 고압 기체(31)의 온도는 바람직하게는 -40 내지 -90℉이다. 온도 조절된 고압 기체의 온도는 더 개방되거나 더 폐쇄된 상태에 있도록 측관 밸브(6)를 조절하므로써 상기 바람직한 범위로 유지되고, 이로써 제 2 부분(28)을 형성하는 고압 극저온 액체(26)의 일부를 변화시킨다.
이후, 온도 조절된 고압 기체(31)는 실린더(들)(21)로 제공된다. 실린더(들)(21)로 공급되는 기체의 조절된 낮은 온도로 인하여, 이 기체는 실린더내 높은 주변 온도에 직면하지 않고 종래의 실시로 가능한 것보다 두배 이상 빠른, 매우 빠른 속도로, 일반적으로 분당 200 내지 500 psi로 실린더에 공급될 수 있다. 일반적으로, 충전된 실린더(들)(21)의 기체 내용물의 최종 압력은 1000 내지 10000 psia이며, 온도는 60℉ 내지 90℉, 즉 주변 온도이다. 따라서, 실린더 충전은 본 발명의 실시에 따라 종래 시간보다 거의 절반 정도만 걸리게 된다. 실린더(들)이 충전되는 경우, 이들 실린더는 매니포울드 배열로부터 단절되어 이미 기술된 바와 같이 사용 시점으로 운송하기 위해 준비된다.
본 발명의 실린더 충전 시스템은 실린더 충전의 정확도를 보장하는 추가의 개선점을 갖는다. 종래의 실시에서, 조절 실린더는 나머지 실린더들과 동시에 충전되고, 조절 실린더 내용물의 압력이 모니터된다. 조절 실린더 내용물의 온도 및 압력이 조절 실린더가 적절하게 충전되었음을 나타낼 때, 모든 실린더로의 기체 흐름은 중단되어 실린더가 전부 충전되었음을 나타낸다. 온도 및 압력 모니터링은 적절한 정확도를 제공하며, 온도 및 압력은 실린더 내용물의 제 2의 인디케이터이다. 제 1의 인디케이터는 따라서 실린더 내용물을 모니터하기 위한 실질적으로 보다 정확한 매개변수로서 실린더의 기체 내용물의 질량이다. 본 발명의 실린더 충전 시스템은 도면에 도시된 매스 모니터링 시스템을 사용한다.
다시 도면에 대해 살펴보면, 조절 실린더(7)가 저울(8)에 안치되어 있다. 조절 실린더(7)의 초기 온도가 충전 사이클의 최종 생성 실린더들(21)의 온도와 동일하도록 하기 위해, 조정식 열교환기(9)가 구비되어 선행 사이클 후에 배기를 위해 조절 실린더(9)에 제공되는 기체를 가열한다.
작동에 있어서, 온도 조절된 고압 기체가 매니포울드(4)로부터 생성 실린더(21)로 공급됨에 따라, 밸브(32 및 33)를 통해 조절 실린더(7)로 공급된다. 실린더(21)의 충전은 프로그램가능한 제어기 및 컴퓨터 시스템(12)에 의해 자동화되고 제어된다. 저울(8)로 알 수 있는 중량은 전기 접속 라인(34)에 의해 시스템(12)으로 모니터되고, 이러한 판독이 조절 실린더(7)가 완전히 기체로 충전됨을 표시하는 경우, 시스템(12)은 유입 밸브(35)에 제 1 어레이를 폐쇄시키라는 신호를 보내고, 유입 밸브(37)에 제 2 어레이를 개방시키라는 신호를 보내 다음 충전 사이클을 시작한다.
실린더 충전을 위한 가압된 기체가 단일 단계로 생성되며 동시에 기체의 온도를 기체가 생성 실린더로 충전되기 전에 한정된 매우 낮은 온도가 되도록 조절하는 본 발명의 극저온 유체 실린더 충전 시스템을 사용하므로써, 실린더 충전 작업이 종래의 가능한 것보다 훨씬 빠른 속도로 진행되어 효율이 증대되고, 실린더 충전 절차의 비용을 절감된다.
본 발명이 특정의 바람직한 구체예를 참조로 상세히 설명되었으나, 당해 기술자들은 특허청구범위내에서 본 발명의 또 다른 구체예가 있음을 인지할 것이다.

Claims (10)

  1. (A) 극저온 액체를 고압으로 펌핑시켜 고압 극저온 액체를 생성시키는 단계,
    (B) 고압 극저온 액체의 제 1 부분을 기화시켜 고압 기체를 생성시키는 단계,
    (C) 고압 극저온 액체의 제 2 부분과 고압 기체를 혼합하고, 고압 극저온 액체의 제 2 부분을 고압 기체와 직접 열교환에 의해 기화시켜 온도 조절된 고압 기체를 생성시키는 단계, 및
    (D) 온도 조절된 고압 기체를 실린더에 공급시키는 단계를 포함하여, 실린더를 기체로 충전시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 부분이 60% 이상의 고압 극저온 액체를 포함하고, 제 2 부분이 40% 이하의 고압 극저온 액체를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 온도 조절된 고압 기체의 온도가 -40℉ 내지 -90℉임을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 온도 조절된 고압 기체가 동시에 다수개의 실린더에 공급됨을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 온도 조절된 고압 기체가 분당 200 내지 500psi 충전율로 실린더에 공급됨을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 극저온 액체가 하나 이상의 산소, 질소, 아르곤, 헬륨, 수소, 메탄 및 이산화탄소를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  7. (A) 극저온 액체 저장 탱크, 액체 펌프 및 극저온 액체 저장 탱크로부터 극저온 액체를 액체 펌프에 공급하기 위한 수단,
    (B) 기화기, 액체 펌프로부터의 극저온 액체를 기화기에 공급하기 위한 유입 구 수단 및 기화기로부터 기체를 배출시키기 위한 배출 수단,
    (C) 측관 밸브, 유입 수단과 측관 밸브 사이를 연결시키는 제 1 통로, 및 측관 밸브와 배출 수단 사이를 연결하는 제 2 통로,
    (D) 실린더 및 기체를 배출 수단에서 실린더로 공급하기 위한 수단을 포함하는, 기체로 실린더를 충전시키는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 배출 수단으로부터 기체를 공급하기 위한 수단이 배출 수단으로부터 기체를 다수개의 실린더에 동시에 공급할 수 있는 매니포울드를 포함함을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 저울상의 조절 실린더, 매니포울드로부터 기체를 조절 실린더에 공급하기 위한 수단, 조절 실린더와 흐름이 연결되는 조정식 열교환기, 및 저울과 전기적으로 연결되는 프로그램식 제어 컴퓨터 시스템을 추가로 포함함을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 기체 분석기 및 매니포울드로부터 기체를 기체 분석기에 공급하기 위한 수단을 추가로 포함함을 특징으로 하는 장치.
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