KR20210105928A - 액체 수소를 공급하기 위한 펌핑 장치, 플랜트 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액체 수소를 펌핑하기 위한 장치에 관한 것으로서, 그러한 장치는, 압축되는 유체를 위한 유입구(12) 및 압축된 유체를 위한 배출구(13) 사이에 직렬로 배열된, 제1 압축 스테이지를 형성하는, 바람직하게 피스톤을 갖는, 제1 압축 부재(2), 및 제2 압축 스테이지를 형성하는, 피스톤을 갖는, 제2 압축 부재(3)를 포함하고, 제1 압축 부재(2)는 초임계 상태에서 액체 수소를 압축하는데 적합하고 그러한 압축을 위해서 구성되며, 제2 압축 구성요소(3)는 제1 압축 부재에 의해서 공급되는 초임계 수소를 증가된 압력으로 특히 200 내지 1000 bar의 압력으로 압축하기에 적합하고 그러한 압축을 위해서 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 액체 수소를 공급하기 위한 펌핑 장치, 설비 및 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은, 압축되는 유체를 위한 유입구 및 압축된 유체를 위한 배출구 사이에 직렬로 배열된, 제1 압축 스테이지를 형성하는, 바람직하게 피스톤을 갖는, 제1 압축 구성요소, 및 제2 압축 스테이지를 형성하는 제2 피스톤 압축 구성요소를 포함하는, 액체 수소를 펌핑하기 위한 장치에 관한 것이다.
고압 기체 수소를 액화 수소 공급원으로부터 제공하기 위한 알려진 해결책은 액화 수소를 저장하는 것, 이어서 이를 운반하고, 증발시키고 가열하는 것, 그리고 최종적으로 이를 통상적인 시스템으로 주변 온도에서 압축하는 것을 포함한다.
그러나, 이러한 장치는 에너지(저밀도 압축 가능 유체의 압축)가 너무 크고 투자비가 너무 높다. 대안적인 해결책이 액체 수소를 직접적으로 압축하는 것을 포함하고, 그러한 액체 수소는 압축 불가능 유체인 것으로 간주된다.
액체 수소를 펌핑하기 위한 몇몇 기술이 존재한다.
특히 수소 에너지 적용예에서, 액체 수소는 고압에서 압축될 필요가 있다. 이러한 고압(300 bar 초과)에서, 예를 들어, 펌프의 흡입측의 가스의 존재로 인해서, 펌핑이 더 복잡해진다. 이러한 가스의 존재는, 액체를 증발시키고 공동화 현상(cavitation phenomena)을 생성하는, 열 입력 그리고 압축 열 때문일 수 있다. 고압에서 압축된 생성된 가스는 펌프를 보다 더 가열한다. 다른 이유는, 고압에서 증가되는 피스톤 밀봉 세그먼트를 통한 누출율일 수 있다. 이러한 상대적으로 "고온인" 유체 누출은 회수하기 어렵다. 그에 따라, 가스를 포함하는 흡입측은 저밀도가 되고, 펌프에서 유동 및 성능 저하가 발생된다.
펌프 유입구에서 누출을 재순환시키는 알려진 해결책은 전술한 모든 단점을 갖는다. 문헌 US 2007/0028628은 2-스테이지 펌프를 설명하고, 여기에서 고압 누출물은 액체 저장부 내로 재-주입된다. 이는 상당한 증발 손실("비등(boil-off)")을 포함한다.
알려진 해결책에 따라, 액체 수소는 2차례 펌핑되고(직렬의 2개의 압축 스테이지), 이에 대해서는 문헌 US 4447195를 참조한다. 일부 해결책에 따라, 펌프는 액체 수소가 충진된 컨테이너 내에 침잠되고, 이는 최적의 열평형화(thermalization)를 가능하게 하고 펌프 내에서 임의의 공동화 문제를 제한한다. 그러나, 이는 펌프 유지보수를 더 복잡하게 만든다.
액체 수소용 펌프는 이하의 몇몇 제약을 만족시킬 수 있어야 한다: 빈번한 중단/재시작에도 불구하고 (특히 비-산업적 환경에서 유지보수하는데 있어서의 어려움으로 인한 상당한 예상 수명, 안정시키기 어렵고 펌프 내의 공동화 현상에 기여하는 기체 수소를 생성하는 증발 가스("비등")를 방지하기 위한 매우 고품질의 단열.
알려진 장치는 완전히 만족스럽지 못하다.
본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 단점의 전부 또는 일부를 극복하는 것이다.
이를 위해서, 전술한 서두에서 제공된 일반적인 정의를 또한 따르는, 본 발명에 따른 장치는 기본적으로, 제1 압축 구성요소가 초임계 상태에서 액체 수소를 압축하는데 적합하고 그러한 압축을 위해서 구성되며, 제2 압축 구성요소는 고압에서 특히 200 내지 1000 bar의 범위의 압력에서 제1 압축 구성요소에 의해서 공급되는 초임계 수소를 압축하기에 적합하고 그러한 압축을 위해서 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예가 이하의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
- 제1 압축 구성요소는 13 내지 200 bar, 특히 14 내지 100 bar의 범위의 압력에서 액체 수소를 압축하기에 적합하고 그러한 압축을 위해서 구성되며;
- 제1 압축 구성요소는 슬리브 내에서 병진운동적으로 이동 가능한 피스톤을 포함하는 적어도 하나의 조립체를 포함하고, 제2 압축 구성요소는 별도의 슬리브 내에 배열되는 별도의 피스톤을 포함하는 적어도 하나의 조립체를 포함하며, 제1 및 제2 압축 구성요소의 피스톤은 각각 독립적으로 결정된 이동 속력으로 교번적인 이동으로 그 각각의 슬리브 내에서 이동되며, 제1 압축 구성요소의 적어도 하나의 피스톤의 이동 속력은 제2 압축 구성요소의 적어도 하나의 피스톤의 이동 속력 미만이고;
- 제1 압축 스테이지(2)의 적어도 하나의 피스톤의 이동 속력이 0.02 m/s 내지 0.5 m/s, 그리고 특히 0.02 m/s 내지 0.2 m/s의 범위이고;
- 제2 압축 스테이지의 적어도 하나의 피스톤의 이동 속력은, 예를 들어, 0.02 m/s 내지 1 m/s이고;
- 제1 압축 구성요소의 적어도 하나의 피스톤 및/또는 제2 압축 구성요소의 적어도 하나의 피스톤은, 그 슬리브 내의 피스톤의 축방향 안내를 보장하는 선형 작동기 구동 메커니즘, 특히 스크류 및 위성 롤러 유형이고 전기 모터에 의해서 활성화되는 메커니즘을 통해서 이동되며;
- 제1 압축 구성요소 및/또는 제2 압축 구성요소가 진공 내에서 열적으로 절연되고;
- 제1 압축 구성요소 및/또는 제2 압축 구성요소가, 냉각 유체에 의해서 열평형화되는 열 차폐부를 포함하고;
- 장치는 열평형화 회로를 포함하고, 열평형화 회로는 액화 가스 공급원, 그리고 특히 펌핑 장치에 의해서 압축되도록 의도된 액체 수소의 공급원에 연결되도록 의도된 제1 상류 단부, 및 액화 가스와 열 차폐부 사이의 열 교환을 보장하는 적어도 하나의 하류 단부를 포함하고;
- 열평형화 회로는, 열 차폐부를 압축 구성요소의 압축 챔버에 연결하고 압축 구성요소의 압축 챔버 내의 열 차폐부와 열 교환된 액화 가스의 적어도 일부를 전달하도록 구성되는 부분을 포함하고, 즉 압축 구성요소는 열 차폐부를 냉각하기 위해서 사용된 액화 가스를 압축하며;
- 장치는 열평형화 유체를 복귀시키기 위한 회로를 포함하고, 이러한 회로는 열 차폐부에 연결된 단부, 및 열 차폐부의 냉각에 이용된 가열된 액화 가스의 적어도 일부를 방출하기 위해서 액화 가스 공급원에 및/또는 회수 구역에 연결되도록 의도된 단부를 포함하고;
- 제1 압축 구성요소의 피스톤의 이동 속도가 초당 0.02 내지 0.05 m이고;
- 제2 압축 구성요소의 피스톤의 이동 속도가 0.02 m/s 내지 1 m/s이고;
- 제1 압축 구성요소 및/또는 제2 압축 구성요소는 내부에서 증발된 수소를 수집하기 위한 회로를 포함하고, 상기 회로는 회수 구역으로 방출하기 위한 배출구를 포함하며;
- 하나 이상의 피스톤(들)을 통과한 유체 누출물을 회수하기 위한 회로가 상기 누출물의 적어도 일부를 제1 압축 스테이지로부터 공급원으로 지향시키며;
- 하나 이상의 피스톤(들)을 통과한 유체 누출물을 회수하기 위한 회로는, 냉각 관점에서, 상기 누출물의 적어도 일부를 제2 압축 스테이지로부터 열평형화 회로로, 특히 열 차폐부로 지향시키고, 이어서, 적용 가능한 경우에, 이는, 재-압축 관점에서, 제2 압축 스테이지 내로 재도입되며;
- 제1 압축 구성요소는 냉각 유체에 의해서 열평형화되는 열 차폐부를 형성하는 쉘(shell) 내에 배열되고, 유체를 공급원으로부터 제1 압축 스테이지로 전달하는 피압축 유체를 위한 회로는 제1 압축 스테이지의 쉘을 통과하고, 제1 압축 스테이지의 상기 쉘은 제1 압축 스테이지의 적어도 하나의 피스톤의 공급 챔버 및 제1 압축 스테이지의 열 차폐부를 형성한다.
본 발명은 또한 전술한 또는 이하의 특징 중 어느 하나에 따른 펌핑 장치를 포함하는 가압된 액체 수소를 공급하기 위한 설비에 관한 것으로서, 이러한 설비는 액화 수소 공급원, 및 도관을 포함하는 전달 회로를 포함하고, 이러한 도관은 공급원을, 액체 수소의 압축 및 배출구로의 전달의 관점에서, 액체 수소를 펌핑 장치에 공급하기에 적합하고 그러한 공급을 위해서 구성되는 펌핑 장치의 유입구에 연결한다.
다른 가능한 특정 특징에 따라:
- 설비는 적어도 하나의 복귀 도관을 포함하고, 이러한 복귀 도관은 펌핑 장치에 연결된 상류 단부, 및 공급원에 연결되고 펌핑 장치 내에서 증발된 가스를 공급원으로 방출하기에 적합하고 그러한 방출을 위해서 구성된 하류 단부를 가지며;
- 적어도 하나의 복귀 도관은: 수동적인 또는 제어되는 밸브, 릴리프 밸브 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명은 또한 전술한 또는 이하의 특징 중 어느 하나에 따른 장치 또는 전술한 또는 이하의 특징 중 어느 하나에 따른 설비를 이용하여 가압 액체 수소를 공급하기 위한 방법에 관한 것으로서, 이러한 방법은 액체 수소를 펌핑 장치의 유입구에 공급하는 단계, 이러한 액체 수소를 제1 압축 구성요소 내에서 14 내지 100 bar의 범위의 압력 및 20 내지 40 K 범위의 온도에서 압축하는 단계, 이어서 제1 압축 구성요소를 빠져 나오는 수소를 제2 압축 구성요소 내에서 50 내지 1000 bar 범위의 압력 및 40 내지 150 K 범위의 온도에서 부가적으로 압축하는 단계를 포함한다.
다른 가능한 특정 특징에 따라:
본 발명은 또한 청구항의 범위 내의 전술한 또는 이하의 특징의 임의의 조합을 포함하는 임의의 대안적인 장치 또는 방법에 관한 것일 수 있다.
추가적인 특징 및 장점은 도면을 참조하여 제공된 이하의 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따른 펌핑 장치의 구조 및 동작의 예를 도시하는 개략적인 부분도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따른 설비의 구조 및 동작의 예를 도시하는 개략적인 부분도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따라 이용될 수 있는 구동 구성요소의 구조 및 동작의 예의 상세 부분을 도시하는 개략적인 부분도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따른 설비의 구조 및 동작의 예를 도시하는 개략적인 부분도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따라 이용될 수 있는 구동 구성요소의 구조 및 동작의 예의 상세 부분을 도시하는 개략적인 부분도를 도시한다.
도 1에 도시된 액체 수소를 펌핑하기 위한 장치(1)는, 피압축 유체를 위한 유입구(12)와 압축된 유체를 위한 배출구(13) 사이에서 직렬로 배열되는, 제1 압축 구성요소(2) 및 제2 압축 구성요소(3)를 포함한다.
제1 압축 구성요소(2)는 바람직하게 피스톤(들) 유형이고, 유입구(12)를 통해서 진입되는 유체를 위한 제1 압축 스테이지를 형성한다.
피스톤 압축에 대한 대안으로서, 기어 또는 루트(root), 또는 원심 유형의 기술, 또는 임의의 다른 적합한 기술을 고려할 수 있다.
제2 압축 구성요소(3)는 또한 바람직하게 피스톤(들) 유형이고, 배출구(13)를 향하는 유체를 위한 제2 압축 스테이지를 형성한다.
2개의 압축 구성요소(2, 3)는 특히 동일 케이싱 또는 하우징 내에 수용될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다(도 2 참조).
유리한 특징에 따라, 제1 압축 구성요소(2)는 액체 수소를 초임계 상태에서 또는 초임계 상태로 압축하기에 적합하고 그러한 압축을 위해서 구성된다.
바람직하게, 제1 압축 구성요소(2)는 액체 수소를 포화 상태에서, 예를 들어 0 내지 10 barg 범위의 압력 및 20 내지 32 K 범위의 온도에서 수용한다.
다시 말해서, 제1 압축 구성요소(2)는 액체 수소를 초임계 상태까지(이하의 조건: PC = 12.98 bar, Tc = 33 K을 넘어서) 압축하도록 구성된다. 이러한 상태에서, 유체는 더 이상 2개의 상(액체 및 가스)으로 공존할 수 없다.
그 부분을 위해서, 제2 압축 구성요소(3)는 제1 압축 구성요소에 의해서 공급되는 초임계 수소를, 증가된 압력 그리고 특히 200 내지 1000 bar 범위의 압력에서, 압축하기에 적합하고 그러한 압축을 위해서 구성된다.
따라서, 제1 압축 스테이지(2)의 유입구에서, 유체는, 예를 들어, 0 내지 10 barg 범위의 압력 및 20 내지 32 K 범위의 온도를 가질 수 있다.
따라서, 제1 압축 스테이지(2)의 배출구에서, 유체는, 예를 들어, 13 내지 150 barg(특히 14 내지 100 barg) 범위의 압력 및 20 내지 50 K 범위의 온도를 가질 수 있다.
제2 압축 스테이지(3)의 배출구에서, 유체는, 예를 들어, 50 내지 1000 barg 범위의 압력 및 40 내지 150 K 범위의 온도를 가질 수 있다.
다시 말해서, 제2 압축 구성요소(3)는 유체를 압축하는 주 작업을 완료한다.
따라서, 제1 압축 구성요소(2)는 5 내지 200 bar, 그리고 바람직하게는 13 내지 150 bar, 특히 14 내지 100 bar의 범위의 압력에서 액체 수소를 압축하기에 적합할 수 있고 그러한 압축을 위해서 구성될 수 있다.
이러한 아키텍처는, 제2 압축 구성요소(3) 내의 유체를 매우 민감하고 관리가 어려운 특성 특히 밀도로 압축하는 것을 방지한다. 이는, 이러한 목적을 위해서 지정되고 의도된 장비의 물품(제1 압축 구성요소(2))에서 공동화 현상(비등)을 제한하거나 관리할 수 있게 한다. 사실상, 액체를 펌핑하는 것에 의해서, 포화에서의 차이는 (비록 매우 작더라도) 액체 내에서 가스를 생성하고 펌핑되는 유체의 밀도를 상당히 변경한다. 초임계 유체는 상이 변화되지 않고 그 밀도가 점진적으로 달라진다.
사실상, (비록 약간이더라도) 포화로부터의 편차에 의해서, 유체의 밀도는 그에 따라 상당히 변화되고, 동작 압력이 낮을 때 더 많이 변화된다. 따라서, 고압 압축이 제2 압축 스테이지에 집중된다.
그에 따라, 제1 압축 스테이지에 의해서 생산되는 초임계 유체가 제2 압축 스테이지에 전달된다(이는 바람직하게는 제1 압축 스테이지와 독립적이다). 그에 따라, 이러한 제2 압축 스테이지는 최종적으로 요구되는 압력 레벨까지 주 압축 작업을 생성하도록 설계될 수 있다.
바람직하게, 제1 압축 스테이지로부터 기원하는 유체를 제2 압축 스테이지에 공급하는 것은, 제2 압축 스테이지의 하나 이상의 피스톤(들)을 수용하는 외부 쉘(16)을 통해서 이루어진다. 따라서, 제2 압축 스테이지(3)의 하나 이상의 피스톤(들) 주위의 쉘(16)은 상기 피스톤(6)의 압축 챔버를 위한 공급 챔버로서 그리고 열 차폐부로서 작용한다.
중간 동작 조건, (예를 들어, 제1 스테이지의 압축 속력을 통한) 2개의 압축 스테이지들 사이의 압력의 능동적 조절, 및 열-유압 설계는, 제2 압축 스테이지의 취입부에서 손실(비등)이 없거나 거의 없도록(그리고 작은-압력 복귀를 생성하도록) 결정될 수 있다.
제시된 아키텍처는, 제2 압축 구성요소의 유입구에서의(즉, 하나 이상의 관련 피스톤(들)(6)의 유입구에서의) 유체의 열역학적 조건을 제어하기 위해서, 제1 압축 구성요소(피스톤(들)(4))의 이동 속력이 조정될 수 있게 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일방향 밸브(32)가 2개의 압축 스테이지들 사이에 제공될 수 있다.
2개의 압축 스테이지들의 상대적으로 다른 속력들 및 피스톤의 구동/제어 모드는 압력의 조정을 촉진한다.
제1 압축 구성요소(2)는 바람직하게 비교적 서서히(예를 들어, 2 내지 5 cm/s의 피스톤 이동 속력에서, 그리고 약 5 행정/분의 주파수에서) 압축하도록 구성된다. 이는, 예를 들어 비가역적인 결과, 열 입력, 공동화 효과, 및 구성요소의 마모를 제한하면서, 유체가 초임계 상태가 될 수 있게 할 것이다. 이어서, 유체의 물리적 특성(점도, 밀도)이 보다 잘 제어되고, 밀봉 및 열평형화를 제공하면서, 제2 압축 스테이지(치수 및 재료)의 완료 및 동작을 촉진한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 압축 구성요소(2)는, 슬리브(5) 내에서 병진운동적으로 이동할 수 있는 피스톤(4)을 포함할 수 있다. 피스톤(4) 및 슬리브(5)는 일반적으로 압축 챔버를 형성한다.
유사하게, 제2 압축 구성요소(3)는 별도의 슬리브(7) 내에 배열된 별도의 피스톤(6)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 압축 구성요소의 피스톤(4, 6)은, 각각 결정된 이동 속력으로 교번적인 이동으로 그 각각의 슬리브(5, 7) 내에서 이동된다. 유리하게, 제1 압축 구성요소(2)의 피스톤(5)의 이동 속력은 바람직하게 제2 압축 구성요소(3)의 피스톤(7)의 이동 속력 미만이다.
도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 제1 압축 구성요소(2)의 피스톤(4) 및/또는 제2 압축 구성요소(3)의 피스톤(6)은 스크류 및 위성 롤러 유형의 각각의 구동 메커니즘(8)을 통해서 이동될 수 있다. 이러한 메커니즘은 바람직하게 각각의 별도의 모터(20), 특히 전기 모터에 의해서 활성화된다.
물론, 공통 모터가 고려될 수 있다.
바람직하게, 2개의 압축 스테이지의 피스톤(4, 6)의 이동 속력은 별도이고 기계적으로 독립적이다. 다시 말해서, 다른 압축 스테이지의 피스톤의 이동 속력에 따라 하나의 압축 스테이지의 피스톤의 속력을 기계적으로 결정할 수 있는, 2개의 압축 스테이지들의 피스톤들(4, 6) 사이의 기계적 커플링이 없다.
제2 압축 스테이지(2)에서의 열역학적 조건의 안정성을 최적화하기 위해서, 제1 압축 스테이지(2)의 하나 이상의 피스톤(들)(4)의 속력이 실시간으로 컴퓨팅될 수 있다. 따라서, 2개의 압축 스테이지들의 피스톤들의 이동 속력들이 열역학적으로 상호 의존적일 수 있으나, 독립적으로 기계적으로 제어될 수 있다.
도 3은 스크류(25) 및 위성 롤러(26) 유형의 구동 메커니즘(8)의 예를 개략적으로 도시한다. 간결함을 위해서, 완전한 도시된 메커니즘(너트(27), 루프(28), 안내부(29), 링(30) 등)의 비제한적인 예를 구체적으로 설명하지 않는다.
이러한 구동 유형은, 특히 위치(상당히 적은 유극(play))의 최적의 제어, 압축 구성요소의 큰 부하 및 큰 신뢰성을 가능하게 한다. 이는, 각각의 압축 스테이지를 위한 별도의 이동 속력들을 (적용 가능한 경우에 실시간으로) 관리하기 위한 유연성 및 적응성을 가능하게 한다.
그에 따라, 제1 압축 스테이지는, 열평형화되는(즉, 예를 들어 20 내지 30 K 범위의 온도에서 저온으로 유지되는) 적어도 하나의 피스톤(4)-슬리브(5) 조립체를 포함할 수 있거나 이러한 조립체로 구성될 수 있다. 적어도 하나의 피스톤(4) 및 슬리브(5) 조립체는 바람직하게 밀봉된 쉘(15) 내에 수용된다. 이러한 열평형화는 극저온 취입 유체를 포함하는 쉘(15)에서 발생될 수 있다. 이러한 쉘(15)은 외부 벽에 의해서 진공 내에서 격리될 수 있다. 쉘(15)은 적어도 하나의 피스톤(4)-슬리브(5) 조립체를 수용하고 열적으로 절연시킨다. 물론, 각각의 피스톤(4)-슬리브(5) 조립체가 별도의 각각의 쉘 내에 수용될 수 있다.
이러한 쉘(15)은, 장치의 내측 및 외측의 냉각 유체, 예를 들어 압축되도록 의도된 유체의 공급원(10)에 의해서 공급되는 액체 수소에 의해서 냉각되는 열 차폐부를 형성할 수 있다.
따라서, 쉘(15)은 냉각 유체로 충진된 체적부 및/또는 유체에 의해서 냉각되는 질량체(mass)일 수 있다.
장치는 열평형화 회로(9)를 포함하고, 열평형화 회로는 액화 가스 공급원(10), 그리고 특히 펌핑 장치에 의해서 압축되도록 의도된 액체 수소의 공급원에 연결되도록 의도된 제1 상류 단부(도관(11)), 및 액화 가스와 쉘(15) 사이의 열 교환을 보장하는 적어도 하나의 단부를 포함한다.
공급원(10)은, 예를 들어, 액체 수소를 1 내지 10 barg 범위의 압력에서 저장한다.
열평형화 회로(9)는, 쉘(15)을 압축 구성요소(2)의 압축 챔버에 연결하는 부분(17)을 포함할 수 있다. 이러한 부분(17)은, 압축 구성요소(2)의 압축 챔버 내에서 쉘(15)과 열 교환된 액화 가스의 적어도 일부를 전달하도록 구성된다. 다시 말해서, 압축 구성요소(2)는 바람직하게, 열 차폐부를 형성하는 그 쉘(15)을 냉각하기 위해서 이용된 액화 가스의 적어도 일부를 압축한다.
따라서, 액체 수소는, 압축 챔버 내로 진입하기 전에, 열 차폐부를 형성하는 쉘(15)을 통과할 수 있다. 그에 따라, 피스톤(4)/슬리브(5) 조립체는 열 차폐부를 형성하는 쉘(15) 내에 침잠되고 냉각된다. 증발된 액체, 그에 따라 매우 적은 액체가 라인(14)을 통해서 공급원(10) 내에서 재순환될 수 있다.
제1 압축 구성요소에 의해서 압축된 유체가 제2 압축 구성요소(3)의 압축 챔버 내로 전달된다(19). 제2 압축 구성요소(3)의 압축 챔버에 진입하기 전에, 이전에서와 같이, 제1 압축 구성요소에 의해서 압축된 유체를 이용하여, 제2 압축 스테이지를 위한 열 차폐부(16)를 형성하는 쉘(16)을 냉각할 수 있다.
바람직하게, 제1 압축 구성요소(2)에 의해서 압축된 초임계 유체는 (바람직하게 냉각되는 질량체만이 아니라 체적부인) 쉘(16)을 통해서 쉘(16) 내로 전달된다. 이러한 유체는 열 차폐부를 형성하는 차폐부(16)의 체적부를 통과하고, 제2 압축 구성요소의 압축 챔버에 진입하기 전에, 피스톤(6)-슬리브(7) 조립체를 냉각한다. 피스톤(들)로부터의 임의의 누출물이 쉘(16)의 체적부 내에서 재순환될 수 있고, 그에 따라 후속하여 재-압축될 수 있다.
열 차폐부를 형성하는 쉘(16) 내의 유체가 초임계적인 경우에, 공동화가 없이, 그에 따라 펌프의 유동의 상당한 저하가 없이, 열 유입구, 압축 열 및 누출물을 구성할 수 있다.
제2 압축 구성요소(3)는 특히, 제1 압축 구성요소(2)의 절연 구조물과 유사한 절연 구조물을 가질 수 있다. 다시 말해서, 제2 압축 스테이지는 그에 따라 열평형화되는(즉, 30 내지 50 K 범위의 온도에서 저온으로 유지되는) 적어도 하나의 피스톤(6)-슬리브(7) 조립체를 포함할 수 있거나 그러한 조립체로 구성될 수 있다. 이러한 열평형화는 극저온 취입 유체를 포함하는 쉘(16)을 포함할 수 있고, 이러한 쉘(16)은 외부 벽을 이용하여 진공 내에서 절연될 수 있다. 이러한 쉘(16)은 열 차폐부를 형성할 수 있고, 이러한 열 차폐부는 냉각 유체, 예를 들어 유체 공급원(10)에 의해서 공급되는 액체 수소에 의해서(공급원(10)으로부터 직접적으로 기원하는 유체 또는 제1 압축 스테이지에서 이미 사용된 유체에 의해서 및/또는 외부 냉각 유체 공급원 또는 다른 유형의 저온 공급부에 의해서) 더 냉각된다.
장치(1)는 바람직하게, 쉘(15)에 연결된 단부 및 회수 구역, 그리고 특히 액화 가스 공급원(10)을 위해서 의도된 단부를 포함하는, 열평형화 유체를 복귀시기 위한 회로(14, 21, 22)를 포함한다. 이는, 열 차폐부를 형성하는 쉘(15)을 냉각하기 위해서 사용된 가열된 액화 가스의 적어도 일부가 방출될 수 있게 하고, 적용 가능한 경우에, 회수될 수 있게 한다.
바람직하게, 열평형화를 위한 유체의 순환은 열 사이펀 효과(thermosiphon effect)에 의해서 얻어진다. 다시 말해서, 열평형화는 액화 유체를 증발시키고, 이는 액화 유체의 밀도를 낮추고 저온 가스가 공급원(10)에 복귀되게 하며, 복귀 라인은 이러한 동작을 허용하고 최적화하도록 구성된다.
이러한 방식으로, 제1 압축 스테이지(2)의 (낮은 파워, 낮은 압력, 느린 속력, 및 완벽하게 열평형화된) 이러한 기술된 동작에 의해서 가능한 한 많이 감소될 수 있는 밀봉 결함은, 그럼에도 불구하고, 회수될 수 있고 공급원 탱크(10)로 복귀될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제2 압축 구성요소(3) 내에서 증발된 가스를 회수하기 위해서, 하나 이상의 도관(들)이 또한 제공될 수 있다.
예를 들어, 가열된 유체를 공급원(10)으로 직접적으로(22) 또는 제1 압축 구성요소(2)를 위한 유사 도관(14)을 통해서 복귀시키기 위해서, 1개 또는 2개의 도관(21, 22)이 제공될 수 있다. 1개 이상의 도관(들)(21, 22)은, 결정된 압력 레벨에서 개방되는, 적어도 하나의 밸브(23) 및/또는 밸브를 형성하는 하나의 플랩(24)을 포함할 수 있다.
동작 위상(phase)에서(즉, 압축 위상에서), 제2 압축 구성요소(3)는 유입 유체에 의해서 냉각된다. 그에 따라, 밀봉 결함 및 열 입력은, 펌핑 구성요소 내로 진입하기 전에, 유체에 의해서 흡수된다. 대기 위상(standby phase)(압축 없음)에서, 제2 펌핑 구성요소(3)는 유체의 순환을 통해서 회로(21-22)에 의해서 저온으로 유지될 수 있다. 이러한 동작은 고압 압축의 가스 손실을 가능한 한 많이 줄일 수 있게 한다. 바람직하게, 2개의 압축 구성요소(2, 3)는 독립적으로 동작하도록 그리고 제어되도록 구성된다. 다시 말해서, 각각의 피스톤(4, 6)의 이동 속력은 다른 피스톤의 이동 속력과 독립적으로 제어될 수 있다(2개의 압축 스테이지들이 기계적으로 독립적이다). 따라서, 예를 들어, 2개의 피스톤(4, 6)의 이동 속력들은 서로 직접적으로 연동되지 않거나 기계적으로 의존하지 않는다. 따라서, 압축 스테이지의 하나 이상의 피스톤(들)의 이동 속력을 변경할 수 있고, 이는 다른 압축 스테이지의 하나 이상의 피스톤(들)의 이동 속력을 자동적으로 변경하지 않는다. 하나의 또는 2개의 피스톤의 이동 속력이 고정될 수 있거나 (제1 압축 구성요소(5)의 피스톤의 이동 속력이 바람직하게 제2 압축 구성요소의 피스톤의 이동 속력 미만인 유일한 조건에서) 직접적으로 상호 관련되지 않는 각각의 값들로 변경될 수 있다. 유사하게, 2개의 압축 스테이지들의 2개의 피스톤들의 이동들이 비-동기화될 수 있다.
그에 따라, 중간 열역학적 조건, 특히 (제1 압축 구성요소(2)의 배출구에서의) 압력, 및 제2 압축 스테이지의 배출구 압력을 각각 제어하기 위해서, 2개의 압축 구성요소(2, 3)가 속력 및/또는 위치 및/또는 이동 행정과 관련하여 조정될 수 있다. 이러한 중간 압력은 예를 들어 13 내지 150 bar 사이의 값에서 제어될 수 있다.
2개의 압축 스테이지들 사이의 피스톤들(4, 6)의 이동 속력차는, 2개의 압축 스테이지들 사이에서 압력을 안정화시킬 수 있을 정도로 충분히 크게, 선택될 수 있다. 적용 가능한 경우에, 버퍼 저장부가 2개의 압축 스테이지들 사이에 제공되어 이러한 압력 안정성을 높일 수 있다.
제2 압축 스테이지(3)의 손실은 취입부에서의 유체의 재순환에 의해서 제한되는 반면, 피스톤들 사이의 속력차는, 요구되는 성능 레벨을 달성하면서, 수명이 그리고 2번의 유지보수들 사이의 시간이 최적화될 수 있게 한다. 이는 제2 압축 스테이지(3)에서의 손실을 제한하거나 제거하는데 도움을 준다. 결과적으로, 제2 압축 스테이지에서, 증기 회수 회로가 선택적으로 생략될 수 있다.
제1 스테이지는 바람직하게 열 입력을 제한하기 위해서 특히 열적으로 최적화된다(취입 유체에 의해서 열평형화되는 진공 챔버 및 펌프). 증발된 가스의 잔류량인, 수소의 증발이 바람직하게 공급원 저장부(10)로 복귀된다.
이러한 방식으로, 제2 압축 스테이지가 열적으로 균형을 이룰 수 있고 가스 손실을 생성하지 않거나 거의 생성하지 않을 수 있다. 이러한 제2 압축 스테이지(3)는 특히 설계에 의해서 열적으로 균형을 이룰 수 있다. 다시 말해서, 제2 압축 구성요소(3) 내측의 구성요소를 위한 안정적인 온도를 생성하기 위해서, 압축 및 마찰 에너지가 방출될 수 있다.
(펌핑 장치의 2번의 사용들 사이의) 비-사용의 경우에, 제1 압축 구성요소(2)가 간헐적으로 활성화되어 장치, 특히 제2 압축 구성요소(3)를 저온으로 유지할 수 있다. 대안적인 실시예로서 또는 조합예에서, 냉각이 제공될 수 있다(예를 들어, 도관(21-21)을 통한 열 사이펀으로서 공급원(10)으로부터의/공급원(10)으로의 유체를 냉각하기 위한 루프를 갖는 열 교환기(들)).
펌핑 장치(1)(및/또는 설비)는, 예를 들어, 구성요소의 전부 또는 일부(밸브(들) 및/또는 모터 및/또는 모터 등)를 제어하기 위한 마이크로프로세서를 포함하는, 데이터를 저장 및 프로세스하기 위한 전자 구성요소를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따라, 펌핑 장치는 2-스테이지 펌프(2개의 압축 스테이지)를 포함할 수 있고, 그 스테이지 중 하나(제1 스테이지(2))는 임계-이하의 유체를 압축하는 반면, 제2 스테이지(3)는 초임계 유체를 압축한다. 제3 고압 압축 스테이지가 선택적으로 하류에 제공될 수 있다. 유리하게, 장치는 압축 피스톤(4, 6)의 하나 이상의 이동 속력(들)을 제어할 수 있고, 그에 따라 피스톤(들)의 (그리고 밀봉부의) 수명이 연장되게 할 수 있다.
전술한 예에서, 제1 압축 구성요소(2) 및 제2 압축 구성요소(3)의 각각은, 그 슬리브(압축 챔버) 내에서 이동할 수 있는 단일 피스톤을 포함한다. 물론, 제1 압축 스테이지(2) 및/또는 제2 압축 스테이지(3)는 하나 초과의 피스톤/슬리브 조립체, 그리고 특히 각각의 슬리브(압축 챔버) 내에서 각각 이동할 수 있는 2개의 피스톤을 포함할 수 있다. 따라서, 제1 압축 스테이지(2)는 단일 피스톤/슬리브 조립체를 포함할 수 있는 반면(이러한 스테이지는 "단일-헤드 스테이지"로 지칭된다), 제2 스테이지(3)는, 2개의 압축 챔버 내에서 각각 이동할 수 있는 2개의 피스톤을 포함할 수 있다(이러한 압축 스테이지는 "이중-헤드 압축 스테이지"로 지칭된다).
하나의 압축 스테이지를 갖는 다수의 피스톤/슬리브 조립체의 경우에, 이러한 피스톤/슬리브 조립체들이 병렬로 배열된다.
본 발명은 목표 압력(예를 들어, 1000 bar)을 달성하기 위해서 2개의 압축 구성요소(2, 3)를 갖는 예로 설명되었다. 물론, 적어도 하나의 제3 중간 압축 스테이지가 (예를 들어, 200 bar의 압력까지 압축하는) 제1 스테이지(2)와 (목표 압력, 특히 1000 bar까지 압축하는) 마지막 압축 스테이지(3) 사이에서 이용되는 아키텍처를 제공하는 것을 고려할 수 있다.
일부 동작 구성에서, 제1 압축 스테이지의 적어도 하나의 피스톤(5)의 이동 속력이 제2 압축 스테이지의 적어도 하나의 피스톤(6)의 이동 속력보다 빠를 수 있다.
이는, 예를 들어, 펌프가 (제2 피스톤이 정지되고 제1 피스톤이 매우 서서히 이동하는) 대기 모드일 때 이용될 수 있다.
다른 구성에서, 제1 압축 스테이지가 제2 압축 스테이지의 하나 이상의 피스톤(들)과 관련하여 하나 이상의 과소 크기의 피스톤(들)을 갖는 경우에, 이러한 경우에, 제1 압축 스테이지의 피스톤(들)은, 제2 압축 스테이지의 하나 이상의 피스톤(들)의 이동 속력보다 빠른 속력으로 이동할 수 있다.
간결함을 위해서, 도시된 예에서, 각각의 압축 스테이지는 단일 피스톤(4, 6)을 포함한다. 물론, 각각의 압축 스테이지는 하나 이상의 피스톤-슬리브 조립체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 압축 스테이지는 병렬의 2개의 피스톤-슬리브 조립체(즉, 압축 스테이지 마다 2개의 피스톤)를 각각 포함할 수 있다. 각각의 압축 스테이지는 바람직하게 별도의 특정 모터에 의해서 파워를 공급 받는다. 다시 말해서, 2개의 모터가 존재하고, 모터의 각각은 각각의 압축 스테이지의 피스톤을 이동시킨다.
Claims (15)
- 압축되는 유체를 위한 유입구(12) 및 압축된 유체를 위한 배출구(13) 사이에 직렬로 배열된, 제1 압축 스테이지를 형성하는, 바람직하게 하나 이상의 피스톤(들)을 갖는, 제1 압축 구성요소(2), 및 제2 압축 스테이지를 형성하는, 하나 이상의 피스톤(들)을 갖는, 제2 압축 구성요소(3)를 포함하는, 액체 수소를 펌핑하기 위한 장치로서, 상기 제1 압축 구성요소(2)는 초임계 상태에서 상기 액체 수소를 압축하는데 적합하고 그러한 압축을 위해서 구성되며, 상기 제2 압축 구성요소(3)는 고압에서 특히 200 내지 1000 bar의 범위의 압력에서 상기 제1 압축 구성요소에 의해서 공급되는 상기 초임계 수소를 압축하기에 적합하고 그러한 압축을 위해서 구성되는, 장치에 있어서, 상기 제1 압축 구성요소(2)는 슬리브(5) 내에서 병진운동적으로 이동 가능한 피스톤(4)을 포함하는 적어도 하나의 조립체를 포함하고, 상기 제2 압축 구성요소(3)는 별도의 슬리브(7) 내에 배열되는 별도의 피스톤(6)을 포함하는 적어도 하나의 조립체를 포함하며, 상기 제1 및 제2 압축 구성요소의 피스톤(4, 6)은 각각 독립적으로 결정된 이동 속력으로 교번적인 이동으로 각각의 메커니즘에 의해서 그 각각의 슬리브(5, 7) 내에서 이동되며, 즉 상기 제1 및 제2 압축 구성요소의 피스톤(4, 6)은 각각 기계적으로 독립적인 이동 속력들로 이동되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항에 있어서,
하나의 동작 구성에서, 상기 제1 압축 구성요소(2)의 적어도 하나의 피스톤(5)의 이동 속력을 상기 제2 압축 구성요소(3)의 적어도 하나의 피스톤(7)의 이동 속력보다 느린 값에서 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 압축 구성요소(2)는 13 내지 200 bar, 특히 14 내지 100 bar의 범위의 압력에서 상기 액체 수소를 압축하기에 적합하고 그러한 압축을 위해서 구성되는 것을 특징으로 하는 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 압축 스테이지(2)의 적어도 하나의 피스톤(4)의 이동 속력이 0.02 m/s 내지 0.5 m/s의 범위이고, 상기 제2 압축 스테이지의 적어도 하나의 피스톤의 이동 속력이 2 m/s 미만, 그리고 특히 1 m/s 미만인 것을 특징으로 하는 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 압축 구성요소(2)의 적어도 하나의 피스톤(4) 및/또는 상기 제2 압축 구성요소(3)의 적어도 하나의 피스톤(6)은, 그 슬리브 내의 상기 피스톤의 축방향 축방향 안내를 보장하는 선형 작동기 구동 메커니즘(8), 특히 스크류 및 위성 롤러 유형이고 전기 모터(20)에 의해서 활성화되는 메커니즘을 통해서 이동되는 것을 특징으로 하는 장치. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 압축 구성요소(2) 및/또는 상기 제2 압축 구성요소(3)가 진공 내에서 열적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 장치. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 압축 구성요소(2) 및/또는 제2 압축 구성요소(3)가, 냉각 유체에 의해서 열평형화되는 열 차폐부를 형성하는 쉘(15, 16) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 장치. - 제7항에 있어서,
상기 제2 압축 구성요소(3)는 냉각 유체에 의해서 열평형화되는 열 차폐부를 형성하는 쉘(16) 내에 배열되고, 상기 유체를 상기 제1 압축 스테이지(2)로부터 상기 제2 압축 스테이지(3)로 전달하는 피압축 유체를 위한 상기 회로는 상기 제2 압축 스테이지의 쉘(16)을 통과하고, 상기 제2 압축 스테이지의 상기 쉘(16)은 상기 제2 압축 스테이지의 적어도 하나의 피스톤(6)의 공급 챔버 및 상기 제2 압축 스테이지의 열 차폐부를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제7항 또는 제8항에 있어서,
열평형화 회로(9)를 포함하고, 상기 열평형화 회로는 액화 가스 공급원, 그리고 특히 상기 펌핑 장치에 의해서 압축되도록 의도된 액체 수소의 공급원(10)에 연결되도록 의도된 제1 상류 단부, 및 상기 액화 가스와 상기 쉘(15, 16) 사이의 열 교환을 보장하는 적어도 하나의 하류 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제9항에 있어서,
상기 열평형화 회로(9)는, 상기 쉘(15, 16)을 상기 압축 구성요소(2, 3)의 압축 챔버에 연결하고 상기 압축 구성요소(2, 3)의 압축 챔버 내의 상기 쉘(15, 16)과 열 교환된 상기 액화 가스의 적어도 일부를 전달하도록 구성되는 부분(17, 18)을 포함하고, 즉 상기 압축 구성요소(2, 3)는 열 차폐부를 형성하는 그 쉘을 냉각하기 위해서 사용된 액화 가스를 압축하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 열평형화 유체를 복귀시키기 위한 회로(14, 21, 22)를 포함하고, 상기 회로는 상기 쉘(15, 16)에 연결된 단부, 및 상기 쉘(15, 16)을 냉각하기 위해서 사용된 상기 가열된 액화 가스의 적어도 일부를 방출하기 위해서 상기 액화 가스 공급원에 및/또는 회수 구역에 연결되도록 의도된 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 피스톤(들)을 통과하여 회수 체적부(10) 및/또는 상기 열평형화 회로에 전달되는 유체 누출물을 회수하기 위한 회로(33)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 펌핑 장치(1)를 포함하는 가압된 액체 수소를 공급하기 위한 설비로서, 액화 수소 공급원(10), 및 도관(11)을 포함하는 전달 회로(9, 17, 19, 18)를 포함하고, 상기 도관은 상기 공급원(10)을, 액체 수소의 압축 및 배출구(13)로의 전달의 관점에서, 액체 수소를 상기 펌핑 장치(1)에 공급하기에 적합하고 그러한 공급을 위해서 구성되는 펌핑 장치(1)의 유입구(12)에 연결하는, 설비.
- 제13항에 있어서,
적어도 하나의 복귀 도관(14, 21, 22)을 포함하고, 상기 복귀 도관은 상기 펌핑 장치(1)에 연결된 상류 단부, 및 상기 공급원(10)에 연결되고 상기 펌핑 장치(1) 내에서 증발된 가스를 상기 공급원(10)으로 방출하기에 적합하고 그러한 방출을 위해서 구성된 하류 단부를 가지는 것을 특징으로 하는 설비. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 장치 또는 제13항 또는 제14항에서 청구된 바와 같은 설비를 이용하여 가압 액체 수소를 공급하기 위한 방법으로서, 액체 수소를 상기 펌핑 장치(1)의 유입구(12)에 공급하는 단계, 이러한 액체 수소를 상기 제1 압축 구성요소(2) 내에서 14 내지 100 bar의 범위의 압력 및 20 내지 40 K 범위의 온도에서 압축하는 단계, 이어서 상기 제1 압축 구성요소(2)를 빠져 나오는 수소를 상기 제2 압축 구성요소(3) 내에서 50 내지 1000 bar 범위의 압력 및 40 내지 150 K 범위의 온도에서 부가적으로 압축하는 단계를 포함하는, 방법.
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