KR20180109952A - 이산화탄소 압축 및 전달 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 가역 열전 소자를 사용하는 이산화탄소 압축 및 전달 장치 및 이러한 이산화탄소 압축 및 전달 장치를 운용하는 방법에 구현된다.

Description

이산화탄소 압축 및 전달 시스템

이산화탄소(CO₂) 압축 및 전달 시스템은 많은 산업 분야에서 사용될 수 있는데, 예를 들어 꽤 확산된 용도는 반도체의 세정을 위한 것이다. 이 분야에서는, 유동, 전달 특성, 기체 품질(특히 오염 물질 측면에서)이 가장 중요하다.

작은 이산화탄소 입자가 큰 눈송이(snowflake)로 응집되는 이산화탄소 기판 세정은 스웨인 등(Swain et al.)의 미국 특허 5,125,979호에 기술되어 있다. 보다 구체적으로, 스웨인 등은 작은 이산화탄소 입자를 형성하기 위해 오리피스에서 단열 챔버 안으로 이산화탄소를 팽창시키고, 작은 이산화탄소 입자가 큰 눈송이로 응집될 때까지 단열 챔버 안에 작은 이산화탄소 입자를 유지하고, 큰 눈송이를 가속시키기 위해 큰 눈송이를 불활성 기체의 고속 와류에 동반(entrain)시키고, 세정할 기판의 표면으로 불활성 기체와 가속된 큰 눈송이의 스트림을 보내는 세정 공정을 기술한다.

레이치 등( Leitch et al.)의 미국 특허 6,889,508호는 중간 생성물인 액체 이산화탄소를 관리하고 취급하기 위해 정화 필터 및 리시버 탱크와 같은 요소의 존재를 요구하는 이산화탄소 정화 및 공급 시스템을 기술한다. 보다 구체적으로, 레이치 등은 액체 이산화탄소 공급물에서 이산화탄소 증기의 공급 스트림을 증류하고, 이산화탄소 증기 공급 스트림을 적어도 하나의 정화 필터에 도입하고, 정화된 공급 스트림을 중간 생성물인 액체 이산화탄소 스트림을 형성하기 위해 응축기 내부에서 응축하고, 중간 생성물인 액체 이산화탄소 스트림을 적어도 하나의 고압 축적 챔버에 도입하고, 고압 축적 챔버에 들어있는 액체 이산화탄소를 가압하기 위해 고압 축적 챔버를 가열하고, 고압 축적 챔버로부터 가압된 액체 이산화탄소 스트림을 전달하고, 고압 축적 챔버를 보충하기 위해 가압된 액체 이산화탄소 스트림의 전달을 중단하는 것을 포함하는, 가압 액체 이산화탄소 스트림을 제조하는 배치 공정 및 장치를 기술한다.

브리글리아 등( Briglia et al.)의 미국 특허 출원 2015/0253076호는 직렬로 연결된 다중 용기에 의해 이산화탄소를 정화하고 응축하기 위한 방법 및 장치를 개시한다. 보다 구체적으로, 이산화탄소가 풍부한 혼합물을 제1 경납땜(brazed) 알루미늄 평판-핀 열교환기에서 냉각시키고, 냉각된 혼합물로부터 유도된 적어도 하나의 유체를 증류 단계 및/또는 적어도 연속적인 두 개의 부분 응축 단계를 갖는 정화 단계로 보내고, 정화 단계에서 이산화탄소-고갈 기체를 생성하여, 이를 제1 교환기에서 재가열하고 정화 단계에서 이산화탄소가 풍부한 액체를 생성하여 이를 팽창시킨 후, 제2 열교환기에 보내어 상기 방법의 유체에 의해 가열하며, 상기 열교환기는 이산화탄소가 풍부한 액체와 상기 방법의 유체 사이에서만 간접적인 열교환을 수행하고, 이산화탄소가 풍부한 액체는 제2 교환기에서 적어도 부분적으로 기화되고, 형성된 기화 기체는 상기 방법의 최종 생성물일 수 있는 이산화탄소가 풍부한 기체를 형성하기 위해 제1 교환기에서 재가열된다.

포겔맨 등( Fogelman et al.)의 미국 특허 출원 2007/0204908호는 액체 상으로부터의 증기 발생기용 가열 열전 소자를 갖는 듀어스(Dewars) 시스템을 개시하는데, 이러한 시스템은 기체 전달 회로상에 일-방향 밸브가 있는 것뿐만 아니라 열전 소자가 가열 능력만을 갖는 점 둘 다 때문에, 기체 - 액체 변환의 가역적 개념에 사용할 수 없다.

빙엄 등( Bingham et al.)의 미국 특허 출원 2004/0089335호는 장치의 한정되고 좁은 부분에 설치되는 열전 소자를 사용하는 유체 전달 시스템을 개시한다.

열전 효과는 온도차를 전기 전압으로 직접 변환하는 것이며 그 반대도 마찬가지이다. 열전 소자는 각 면 상의 온도가 상이할 경우 전압을 발생시킨다. 반대로, 전압이 열전 소자에 인가되면, 열전 소자는 온도차를 발생시킨다.

"열전 효과"라는 용어는 개별적으로 확인된 세 가지 효과: 제벡 효과, 펠티에 효과 및 톰슨 효과를 포함한다. 펠티에 효과는 두 개의 다른 전도체의 대전 접합부에서 가열 또는 냉각이 존재하는 것이다. 두 개의 전도체 사이의 접합부를 통해 전류가 흐를 경우, 접합부에서 열이 생성(또는 제거)될 수 있다.

본 발명은 가역 열전 효과, 즉 가열 및 냉각 둘 다를 발생시키는 장치의 능력을 이용하고 활용한다. 이러한 작용을 보여주는 가장 널리 사용되는 장치 중 하나는 펠티에 소자이며, 줄-톰슨 기반의 소자와 같이 가열만을 발생시키는 장치는 본 발명을 수행하기에 적합하지 않다.

유체 전달 및 제어를 위한 펠티에 효과 또는 펠티에 소자의 사용은 제닝스 등(Jennings et al.)의 미국 특허 3,801,204호에 예로 기술된 바와 같이 오랫동안 공지되어 있다. 그러나, 이 특허는 이산화탄소 저장 및 액화를 고려하지 않고, 그에 기술된 시스템은 복수의 일반적으로 정의된 환형 동심형 채널을 포함하는 복잡한 구조의 사용을 고려한다.

본 명세서에 개시된 방법 및 장치는 관여된 단계의 개수를 특히 참조하여 종래 기술보다 간단한 구조를 갖는 향상된 이산화탄소 압축 및 전달 시스템을 달성하며, 그의 제1 측면에서 유입부 및 배출부를 갖는 용기를 포함하며, 유입부는 외벽 및 내벽을 갖는 이산화탄소 유동 채널에 접하고, 이산화탄소는 상기 내벽과 상기 외벽 사이에서 유동하고, 상기 이산화탄소 유동 채널의 외부에 접하는 복수의 가역 열전 소자가 존재하고, 이산화탄소 유동 채널의 폭은 1.0 mm 내지 10 mm이고, 가역 열전 소자의 최소 개수는 3 개로서 각각 용기의 하부, 중간부 및 상부에 대응하게 배치됨을 특징으로 하는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템으로 구성된다.

본 발명의 이점은 기체 압축용 기계 펌프가 없는 것과 관련되며, 이것은 고체 입자 형태 또는 화학 물질 형태의 오염물이 CO₂ 스트림에 추가되지 않도록 보장한다.

본 명세서에 개시된 예시적인 실시예에 대한 가장 유용한 분야 중의 하나는 이산화탄소 반도체 세정이다.

이들과 그 밖의 다른 실시예, 특징 및 이점은 다음 설명을 읽고 도면의 몇몇 그림을 검토함으로써 당업자에게 명백해질 것이다.

이제, 도면을 참조하여 몇몇 예시적인 실시예가 기술될 것이고, 유사한 구성 요소에는 유사한 참조 번호가 제공된다. 예시적인 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이지 제한하는 것이 아니다. 도면은 본 발명을 설명하기 위한 목적만을 갖고 있으며, 청구범위에 포함되는 보다 일반적인 범위의 제한으로 이해되거나 해석되서는 안되고, 또한 일부 선택적 요소(배관, 밸브, 전기 제어,...)는 당업자가 이것을 이해하는 데 필요하지 않기 때문에 도시되지 않았다. 도면은 다음의 그림을 포함한다:
도 1은 본 발명에 따라 도시된 이산화탄소 압축 및 전달 시스템의 측면도이다.
도 2는 도 1의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 트윈-용기 이산화탄소 압축 및 전달 시스템을 도식적으로 나타낸 기체 회로도이다.
도 4는 추가적인 냉각 능력을 가지는 도 3에 따른 트윈-용기 이산화탄소 압축 시스템의 변형을 도시한다.

놀랍게도, 1 mm 내지 10 mm의 이산화탄소 유동 채널 폭을 갖고 복수의 가역 열전 소자를 사용하는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템(위에서 참조된 종래 기술 중 어느 것에도 기술 정보 및 교시가 개시되지 않음)이 열전 효과를 통한 CO₂ 관리(압축 및 전달)의 기술적 문제와 특별히 연관되어 있음이 밝혀졌다.

본 발명의 독창적인 개념에서는, 본질적으로 시스템 용기의 전체 길이가 냉각(이산화탄소 압축용) 및 가열(이산화탄소 전달용)에 기여하며, 이는 열전 소자가 용기의 길이를 거쳐 이상적으로 균일하게 분포되어 있음을 의미한다. 최소한의 구성에서, 이것은 이산화탄소 압축 및 전달 시스템 용기의 하부, 중간부 및 상부에 대응하게 배치되는 3개의 열전 소자의 사용을 의미한다. 이것은 속도 및 제어 측면에서 보다 효율적으로 액체 형태의 이산화탄소를 저장하고 그것을 기체 형태로 방출하는 능력을 보장한다.

"용기"라는 용어는 이산화탄소를 액체 및 기체 형태로 둘 다 수용하기에 적합한 컨테이너를 나타낸다. 그의 보다 간단한 구성에서, 두 개의 개구부, 유입부 및 배출부를 갖는 기밀 실린더이다. 용기 유입부는 적절한 배관, 피팅 및 밸브를 통해 유입되는 이산화탄소 공급물과 접하고, 마찬가지로 용기 배출구는 적절한 배관, 피팅 및 밸브를 통해 이산화탄소를 기체 형태로 전달한다. 바람직하고 가장 일반적인 용기의 기하학적 구조는 실린더형이다.

"하부" 및 "상부"라는 용어는 용기 유입부에 대해 상대적으로 고려되어야 하며, 구체적으로 이산화탄소 상부는 용기 유입부에 근접해 있는 것이고, 하부는 그것으로부터 멀리 떨어져 있는 것이다. 바람직한 실시예에서, 그 상부에 배치되는 가역 열전 소자는 그 중심이 이산화탄소 압축 및 전달 시스템 용기 길이의 처음 1/4(유입부에 인접한 곳)에 배치되는 것을 의미하고, 중간부에 배치되는 가역 열전 소자는 그 중심이 용기 길이의 1/3 내지 2/3 사이에 배치되는 것을 의미하고, 마지막으로 그 하부에 배치되는 가역 열전 소자는 그 중심이 용기 길이의 마지막 1/4(유입부로부터 멀리 떨어진 곳)에 배치되는 것을 의미한다.

바람직한 실시예에서, 이산화탄소 유동 채널은 용기 몸체부의 내부 표면에 평행하고 나란하게 연장되는 요소인 유동 전환기에 의해 얻어진다. 전환기와 용기 몸체부 간의 갭(gap)은 위에서 정의된 이산화탄소 유동 채널의 폭이다. 이 경우, 내벽은 용기 몸체부를 마주하는 전환기 표면에 의해 주어진다. 전형적으로, 전환기는 빈 실린더의 구조를 가져서, 그 외부 표면은 용기의 내벽과 함께 이산화탄소 유동 채널을 한정하며 그 내부는 적절한 시스템 운용 단계에서 액체 CO₂를 수용한다.

전환기는 기능적으로 동등하고 당업자에게 공지된 많은 대안적인 방법으로 용기에 고정시킬 수 있으며, 가장 일반적인 설계는 용접이지만 어떤 기술이든 간에 연결부는 기밀될 필요가 있다. 용기의 내부 용적 상에 있는 전환기는 주위 빈 공간(내부 용기 표면과 전환기 표면 간의 거리에 의해 주어진 CO₂ 유동 채널)을 통해 유입부와 유체로 연통한다. 또한, 덜 바람직하기는 하지만 이산화탄소 유동 채널을 제조하기 위한 대안적인 해법은 이중 벽 용기의 사용에 의해, 또는 보다 정확하게는 1 내지 10 mm의 기하학적 구속을 유지하는 간극(interspace)을 갖는 용기에 의해 주어진다.

CO₂ 채널을 위한 1 내지 10 mm의 좁은 범위는 20 내지 120 cm의 길이를 갖는 전환기를 통해 유용하게 얻어진다. 바람직하게는, 전환기 반경과 용기 몸체부의 내부 반경 간의 비율은 0.8 내지 0.98, 보다 바람직하게는 0.9 내지 0.97이다. 가능하지만 덜 바람직한 비실린더형 기하학적 구조의 경우, 이 조건은 내접하는 전환기와 내부 용기 둘레의 비율을 지칭한다.

이산화탄소 유동 채널은 전환기 길이가 최대일 경우, 즉 용기 길이와 동일한 경우에 달성되는 것과 같이 이산화탄소 압축 및 전달 시스템 용기의 전체 길이를 따라 연장될 필요가 없으며, 바람직한 실시예에서 용기의 일부, 가장 낮은 부분은 그런 요소가 없다는 점이 강조되어야 한다. 이것은 가역 열전 소자가 냉각에서 가열로 전환될 경우, 액체에서 기체로의 상 전이가 매우 효율적이고 용기의 한정된 부분(하부)에서의 유동 채널의 부재가 가열된 (용기) 벽에 직접 접하는 것을 보장하기 때문에, 시스템 응답의 방해가 없도록 보장한다. 이와 관련하여, 바람직하게는 이산화탄소 유동 채널은 이산화탄소 압축 및 전달 시스템 용기 길이의 0.25 내지 0.75의 길이를 갖는다.

본 발명에 따른 바람직한 가역 열전 소자는 표준 펠티에 소자이다. 본 발명의 목적상 5 와트 내지 50 와트의 열제거력으로 40℃ 내지 65℃의 온도 차이(delta)를 제공할 수 있는 펠티에 소자의 사용이 특히 유리하다.

가역 열전 소자는 바람직하게는 이산화탄소 유동 채널의 외부 표면 위에 배치되고, 인접한 두 소자 간의 거리는 바람직하게는 0.25 cm 내지 4 cm이며, 거리는 펠티에 말단으로부터 측정되고 이러한 거리 매개 변수는 인접한 (수직 또는 수평) 펠티에 소자의 상호간의 수직 또는 수평 배치를 지칭한다.

본 발명은 가역 열전 소자를 이산화탄소 유동 채널에 고정하는 특정 방법, 예를 들어 납땜, 전도성 열 테이프, 단열 테이프, 전도성 접착 페이스트에 의해 제한되지 않지만, 0.070 와트/m·K 초과의 열전도율을 가지는 열 전도성 페이스트의 사용이 하나의 시스템 용기에 의해 생성되는 시간당 CO₂의 양 측면에서 시스템 성능을 향상시키는 것이 밝혀졌다. 특히 본 발명자들은 이러한 해법을 사용하여 본 발명에 따른 시스템으로 3.5 kg/hr을 지속적으로 달성할 수 있었다.

바람직하게는, 이산화탄소 압축 및 전달 시스템 용기의 외부 표면에 10% 내지 100%가 가역 열전 소자의 활성부에 의해 덮인다(활성부는 접촉 요소를 냉각 또는 가열하는 열전 소자의 부분으로 정의됨).

본 발명의 이점 중 하나는 본 발명에 따른 시스템이 단순히 가역 열전 소자에서 전류 방향을 변경시키는 것에 의해 재하(load)-압축 단계와 전달 단계 간을 용이하게 자동으로 전환할 수 있어서, 위에서 참조된 미국 특허 6,889,508호 및 미국 특허 출원 2015/0253076호에서 나타낸 바와 달리 하나의 용기가 이산화탄소 압축 및 전달에 적합하게 사용될 수 있다는 점이다.

본 발명의 변형 중 하나는 연속적인 운용을 보장하기 위해 병렬로 운용되는 두 개의 동일한 용기의 사용하여, 하나가 재하/압축 단계에 있을 경우(열전 소자는 이산화탄소 유동 채널 벽을 냉각함), 다른 하나는 대신에 이산화탄소를 전달하도록 하는(열전 소자는 이산화탄소 유동 채널을 가열함) 것을 고려한다.

본 발명의 따른 이산화탄소 압축 및 전달 시스템의 용기를 위한 바람직한 기하학적 구조는 도 1에 도시된 것처럼 실린더형으로서, 도 1은 본 발명에 따른 하나의 용기 시스템의 측면도를 도시하고, 도 2에는 그 단면도가 도시되어 있다.

이들 도면은, 용기 몸체부(100)를 구비하며, 용기 몸체부(100)에 연결되는 서브어셈블리 유입부(101) 및 서브어셈블리 배출부(102), 상부 벤트 포트(103), 및 하부 열전대(104)(하부는 이 요소가 서브어셈블리 배출부(102') 및 결과적으로 용기 배출부에 근접함을 지칭함)를 갖는 단일 용기 이산화탄소 압축 및 전달 시스템 서브어셈블리(10)를 도시한다. 이 시스템 서브어셈블리는 용기 몸체부(100)의 내부에 그와 평행하게 연장되고, 기체 유동을 위한 기체 통로(106)를 한정하는 유동 전환기(105)를 가진다. 도 2에서 전환기(105)는 빈 실린더이며, 하부 용기 내부 용적에 대한 색차(더 어두움)는 그의 범위를 가리키고 나타내기 위해 사용된 것이지 점유 공간을 나타내는 것이 아님 점이 강조되어야한다. 실제로는, 본질적으로 용기 내부 용적 전체는, 나중에 더 설명되는 피팅, 전환기 벽(그것의 몸체부는 속이 빈 요소이므로 제외) 및 다른 요소(벤트 튜브, 열전대)와 같은 속이 찬 요소를 제외하고는, 기체 또는 액체 상태의 이산화탄소로 채워지기 쉽다.

기체 통로(106)는 서브어셈블리 유입부(101)와 연통하고 이산화탄소 유동 채널이다. 용기 몸체부(100)의 외부 표면상에는 용기 몸체부(100)를 가열 및 냉각하는 복수의 펠티에 소자(111, 111', 111", ...,111ⁿ)가 있다. 시스템 서브어셈블리(10)는 펠티에 소자에 의한 열 전달/방출을 향상시키기 위해 유체 유동을 허용하는 복수의 배관(108, 108', 108",...,108ⁿ)을 더 포함한다.

이러한 유체 유동은 예를 들어 바람직하게는 4.7 리터/분 내지 6.6 리터/분의 유속을 갖는 물일 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고, 이산화탄소 압축 및 전달 시스템은 전달/압축의 상이한 모드에서 이산화탄소의 온도를 검사하기 위해 용기 하부의 온도를 측정하기 위한 감지 열전대(104)를 가진다.

바람직한 실시예에서, 본 발명은 액체 이산화탄소의 충진 정도를 측정하기 위한 액체 이산화탄소 센서의 존재를 고려한다. 벤트 포트(103)는 용기의 상부(유입부 근처)에 유용하게 배치된 벤트 튜브(107)와 함께, 이러한 목적을 수행할 뿐 아니라 다른 이점을 제공할 수 있다. 특히, CO₂의 일부를 버리는 것 이외에 오피리스(미도시)를 통한 팽창에 의해, 그것은 기체 대 기체 열교환의 경우에 냉각을 제공하거나, 또는 보다 일반적으로는 유입하는 이산화탄소에 대한 사전 냉각 단계를 제공한다. 또한 이 벤트는 용기에서 운용 중 가장 높은 온도(본 발명의 맥락에서 해석되어야 하고, 따라서 전형적으로 -30℃ 내지 30℃임)를 갖는 부분에 있기 때문에, 기체 방출은 또한 더 높은 액화 온도를 갖는 오염물을 제거/감소시켜 시스템 배출부에 의해 배출되는 CO₂의 품질을 향상시킬 것이다. 벤트 튜브(107)는 응축 시퀀스 동안 용기에서 나오는 액체 CO₂를 실어나르도록 설계된다. 벤트 튜브는 벤트 포트(103)에 대해 특정한 높이로 설정된다. 벤트 튜브(107)의 길이는 CO₂ 액위 위에 상부 공간(headspace)(개방 영역)을 보장하고, 이 상부 공간은 액체 CO₂가 가열되고 그 전달 압력으로 가압 시에 압축 용기(100)의 과잉 가압(over-pressurization)을 방지한다. 바람직한 설계는 압축 용기 내부의 액위 위로 10 내지 30% 상부 공간을 허용하므로, 용기 안으로 들어가는 벤트 튜브의 길이는 용기 길이의 10 내지 30%이다. 시스템으로부터 나오는 벤트 튜브 부분은, 비록 본 발명의 목적상 중요하진 않지만, 이것은 대개 짧고, 전형적으로 길이가 5 cm 미만이며, 원칙적으로 벤트 튜브의 외부 부분의 길이가 0인 것도 가능한데, 이 경우 벤트 튜브의 말단은 시스템의 유입부와 일치한다.

액체 CO₂가 벤트 튜브(107)를 통해 압축 용기 밖으로 분출되면 압축 용기가 가득 채워진 것으로 간주된다. 용기 위에 열전대는 분출된 CO₂의 온도를 모니터링하고, 분출된 CO₂가 기체 상에서 액체 상으로 전환될 때 급격한 온도 강하(10℃에서 -10℃)가 있으므로 용기가 액체 CO₂로 가득 차 있음을 나타낸다. 열전대 감지 팁(tip)과 벤트 튜브(107)의 말단 부분 간의 거리는 바람직하게는 0 내지 10 cm이다. 0 cm는 열전대가 벤트 튜브의 외부 맨 끝과 거의 접하는 경우를 나타낸다.

도 2에 도시된 바와 같이, 유동 전환기(105)는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템 용기(100)의 특정 부분에만 있을 수 있다.

도 1 및 도 2는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템의 핵심, 즉 그 안에 CO₂ 채널 유동을 가지는 용기 구조 및 가역 열전 요소의 배치를 도시한다. 일부 실시예에서 전체 시스템은 유입부 및 배출부에서 자동 밸브의 존재, 연속 운용을 위한 "트윈" 용기의 존재, 주위온도에서 -15℃ 내지 -25℃까지 온도를 낮추는 유입부 열교환기를 고려할 수 있다. 이러한 열교환기는 기술 분야에 일반적으로 공지되어 있고, 기체 대 기체 또는 기체 대 액체 타입일 수 있는데, 후자가 바람직하며 물이 액체 매질이다.

바람직한 시스템 운용 압력은 재하 단계 동안 20 내지 24 bar이며, 시스템이 전달 단계로 전환될 경우, 열전 소자의 전류가 냉각 모드에서 가열 모드로 변경하기 위해 역전되고, 결과적으로 온도는 약 23℃에서 전달 온도, 유용하게는 0℃ 내지 30℃로 증가되며, 이산화탄소 전달 압력은 30 내지 70 bar, 바람직하게는 55 내지 60 bar이며, 이상적인 설정점은 58 bar이다. 시스템이 20 bar 미만의 유입 압력에서 운영되고/거나 유량 계수(flow capacity)를 증가시켜야 하는 경우에는 도 4에 도시된 것처럼, 예를 들어 여분의 냉각을 가함으로써 시스템의 냉각 능력을 높이는 것이 필요하다. 여분의 냉각 용량은 유입 압력(6.7 bar)을 감소시키고 액체 CO₂ 처리량을 증가시키는 데 도움을 줄 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작된 트윈-용기 이산화탄소 압축 및 전달 시스템에 대한 기체 회로도의 도식적인 표현은 도 3에 도시되어 있다. 이산화탄소 압축 및 전달 시스템(30)은 연속 운용(CO₂ 공급)을 위해 병렬로 연결된 두 개의 용기(10, 10')를 포함하고, 이것은 이산화탄소 사전-냉각을 위해 시스템 유입부에 배치된 기체 대 기체 열교환기를 가지며, 시스템은 다음의 요소를 포함한다.

● 유입부 용기 스위칭용 자동 밸브 AV1 및 AV2

● 용기 벤트 및 경량 휘발성 불순물 배출용 자동 밸브 AV3 및 AV4

● 배출부 용기 스위칭용 자동 밸브 AV5 및 AV6

● 압력 모니터링용 압력 변환기 PX1, PX2

● 용기(10)의 온도 모니터링용 열전대 TC1, TC3, TC5, TC7, TC9, 용기(10')의 온도 모니터링용 열전대 TC2, TC4, TC6, TC8, TC10, 더욱 구체적으로는,

○ 용기로부터 분출되는 CO2 온도를 모니터링하기 위한 TC1 및 TC2(충진 감지 표시기로 사용됨),

○ 이산화탄소 유동 채널의 인접부의 온도를 모니터링하기 위한 TC3, TC5, TC4, TC6,

○ 용기의 바닥의 온도를 모니터링하기 위한 TC7 및 TC8,

○ 정상 운용시 용기 내부의 액체 온도를 모니터링하기 위한 TC9 및 TC10,

● 응축 시퀀스 동안 용기에서 나오는 CO₂ 방출을 계측하는 오리피스(OR1)(도 3의 도식에서는, 동일한 오리피스가 밸브 AV3(용기(10)용)와 밸브 AV4(용기(10')용)를 통해 양 용기에 연결되기 때문에, 하나의 오피리스만이 트윈 용기 시스템에 사용됨),

● 시스템 압축 및 전달 시스템 용기들의 과잉 가압을 방지하기 위한 PRV1 및 PRV2.

위의 모든 요소들은 본 발명에 따른 예시적인 실시예에 내재되어 있다는 점이 강조되어야 한다. 가장 일반적인 변형 중에는, 열전대의 개수와 같이 유용하지만 필수적이지는 않은 항목의 제거(최저가에서 시스템은 하나의 열전대로만 운용될 수 있기 때문), 또는 반대로, 추가 밸브 및 기타 유동 제어 요소의 추가, 심지어 제3 용기 및 그와 관련된 제어의 추가가 있을 수 있다. 이들 변형 모두는 당업자가 쉽게 생각할 수 있는 것이므로 본 발명의 범위 내이다.

도 3의 도식과 특히 관련 있는 변형은 도 4에 도시된다. 이 경우 이산화탄소 압축 및 전달 시스템(40)은 시스템 유입부에 장착된 냉동 유닛인 추가적인 요소를 제공한다. 유용하게는, 이러한 시스템은 0.5kW 내지 3kW의 냉동 용량을 가진다. 이러한 시스템의 존재는 이제 OR1이 냉동 유닛에 완전히 의존하는 기체 대 기체 열교환기에 더 이상 연결되지 않음을 의미한다. 상술한 바와 같이, 이러한 변형은 특히 더 낮은 유입 압력(20 bar 미만)으로 운용될 필요가 있거나 또는 더 높은 처리량을 필요로 하는 시스템에 유용하다.

도 3 및 도 4는 2 용기 시스템을 도시하지만, 기체 대 기체 열교환기 및 선택적인 상류의 추가 냉동 시스템의 존재는 단일 용기 시스템뿐만 아니라 두 개 초과의 용기를 사용하는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템에서도 사용될 수 있다.

다음 표 1은 연속적인 CO₂ 생성을 보장하기 위해 하나의 용기는 생성 모드에 두고 나머지 용기는 스위칭을 위한 준비 또는 대기 모드에 두는 시스템의 상태 및 관련된 밸브 구성을 나타낸다. 이 표, 다음의 표, 및 상태 및 그들의 시퀀스에 대한 임의의 고려 사항은 도 3 및 도 4 실시예에서 공통된다.

표 1: 2 용기 시스템을 위한 상태 시퀀스

표 1에서, 회색으로 표시된 용기 상태는 가열로 설정된 가역 열전 소자를 갖는 반면, 흰색 배경을 갖는 것은 냉각으로 설정된 가역 열전 소자를 갖는 용기 상태를 나타낸다.

일반적인 지속 기간을 전달을 제외한 모든 단계에 대해 표 2에 대신 표시하였으며, 전달의 지속 기간은 트윈 용기의 비-전달 단계의 함수로서, 전형적으로는 상기 단계들(벤트, 응축, 배출, 가압, 균압)의 합계이다.

표 2: 일반적인 시스템 상태 지속 기간

위에서 설명한 방법은 관여 용기 개수, 단계의 수 및 그의 지속 기간의 측면에서 단지 예시적인 것이며 본 발명을 수행하기 위한 최상의 모드를 반영하고, 이는 그의 제2 측면에서 본 발명에 따른 이산화탄소 압축 및 전달 시스템을 사용하는 이산화탄소 압축 방법에 내재된 것이다. 단일 용기의 경우, 요구되는 단계는 응축, 가압 및 전달이고, 이산화탄소 유동 채널 및 유입부 밸브와 배출부 밸브를 가열에서 냉각으로 전환하도록 열전 공급 전류를 제어함으로써 가장 간단한 형태로 달성될 수 있다.

2 용기 이산화탄소 압축 및 전달 시스템 용기의 가장 일반적인 경우, 용기는 제1 용기와 제2 용기가 교대로 전달 단계에 있는 방식으로 시퀀싱된다.

다양한 실시예가 특정 용어와 장치를 이용하여 설명되었지만, 그러한 설명은 단지 예시적인 목적에 불과하다. 사용된 단어는 제한이 아닌 설명의 단어이다. 본 명세서와 도면에 의해 뒷받침되는 다양한 발명의 정신 또는 범위를 벗어남 없이 당업자에 의해 변경 및 변형이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 다양한 다른 실시예의 측면은 부분 또는 전체적으로 상호 교환될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 청구범위는 제한이나 금반언없이 본 발명의 진정한 정신 및 범위에 따라 해석되어야 한다.

Claims (23)

1. 유입부, 배출부 및 몸체부를 갖는 용기를 포함하는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템으로서, 유입부는 외벽 및 내벽을 갖는 이산화탄소 유동 채널에 접하고, 이산화탄소는 상기 내벽과 상기 외벽 사이에서 유동하고, 상기 이산화탄소 유동 채널의 외부에 접하는 복수의 가역 열전 소자가 존재하고, 이산화탄소 유동 채널의 폭은 1.0 mm 내지 10 mm이고, 가역 열전 소자의 최소 개수는 3 개로서 각각 용기의 하부, 중간부 및 상부에 대응하게 배치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
2. 제1항에 있어서, 이산화탄소 액위 센서를 더 포함하는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
3. 제2항에 있어서, 이산화탄소 액위 센서는 용기 유입부를 관통하는 벤트 튜브의 배출부로부터 10 cm 미만의 거리에 배치된 감지 열전대를 포함하는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
4. 제3항에 있어서, 이산화탄소 압축 및 전달 시스템 용기의 내부에서의 상기 벤트 튜브의 길이는 용기의 상부에 위치하고 압축 용기 길이의 10% 내지 30%인 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 용기는 원통형인 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이산화탄소 유동 채널은 유입부와 유체로 연통하는 유동 전환기(flow diverter)와 용기 몸체부의 내부 표면 간의 갭(gap)에 의해 형성되는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 이산화탄소 유동 채널의 길이는 20 cm 내지 120 cm인 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 이산화탄소 유동 채널의 길이는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템 용기 길이의 0.25 내지 0.75인 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
9. 제8항에 있어서, 이산화탄소 유동 채널은 용기 유입부에 대응하는 곳(in correspondence of)에서 개시되는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
10. 제6항에 있어서, 전환기 반경과 용기의 내측 반경 간의 비율은 0.80 내지 0.98, 바람직하게는 0.9 내지 0.97인 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 가역 열전 소자는 펠티에 열전 소자인 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
12. 제11항에 있어서, 펠티에 소자는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템 용기의 외부 표면과 접하고, 인접한 두 개의 소자 간 거리는 0.25 내지 4 cm인 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
13. 제11항에 있어서, 펠티에 열전 소자의 열 제거력은 5 내지 50 와트인 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펠티에 열전 소자는 열 전도성 페이스트에 의해 이산화탄소 압축 및 전달 시스템 용기에 연결되는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 이산화탄소 압축 및 전달 시스템 용기의 외부 표면의 10% 내지 100%가 가역 열전 소자에 의해 덮이는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 감지 열전대가 상기 시스템의 하부에 존재하는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 용기 유입부가 기체 대 기체 열 교환기에 연결되는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
18. 제17항에 있어서, 기체 대 기체 열교환기는 냉동 시스템의 하류에 있는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 병렬로 연결되고 교대로 운용되는 두 개의 용기를 포함하는 이산화탄소 압축 및 전달 시스템.
20. 제1항에 따른 이산화탄소 압축 및 전달 시스템을 이용한 이산화탄소 공급 방법으로서, 각각 다음의 주요 구성을 특징으로 하는 단계를 포함하는 방법:
    - 전달 단계로서, 가역 열전 소자는 이산화탄소 유동 채널을 가열하고, 유입부는 폐쇄되고, 배출부는 개방되는 단계;
    - 응축 단계로서, 가역 열전 소자는 이산화탄소 유동 채널을 냉각하고, 유입부는 개방되고, 배출부는 폐쇄되는 단계;
    - 가압 단계로서, 가역 열전 소자는 이산화탄소 유동 채널을 가열하고, 유입부는 폐쇄되고, 배출부는 폐쇄되는 단계.
21. 제20항에 있어서, 제1 용기 및 제2 용기를 포함하는 방법.
22. 제20항에 있어서, 용기는 서로 동일한 방법.
23. 제22항에 있어서, 제1 용기와 제2 용기는 교대로 전달 단계에 있는 방법.

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