KR20210120987A - 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 유체 바이패스 방법 및 시스템 - Google Patents

비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 유체 바이패스 방법 및 시스템 Download PDF

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KR20210120987A
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Abstract

비석유 연료(non-petroleum fuel)의 온도를 제어하기 위한 유체 바이패스(bypass) 방법에 있어서, 상기 유체 바이패스 방법은, 액체 또는 실질적으로 증발기(vaporizer)(10, 320, 420, 520, 620)에서 추가적인 열 추가(heat addition)가 요구되는 초임계 열역학 상태(supercritical thermodynamic state)의 연료를 차량에 대하여 바람직한 유량(flow rate)을 달성하기에 충분한 압력으로 공급하는 단계; 및 부분적으로 또는 증발이 없는(no vaporization) 바이패스 스트림(bypass stream)(12, 440, 540, 640)을 열교환기(350, 450, 550, 650A, 650B)의 저온측(cold side)의 저온유체(cold fluid)로서 열교환기(350, 450, 550, 650A, 650B)로 우회시키는(diverting) 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은, 연료의 나머지 스트림(remainder stream)을 증발기(10, 320, 420, 520, 620)에 공급하는(providing) 단계; 증발기(10, 320, 420, 520, 620)에서 유출된(outflowed) 나머지 스트림과 열교환기(350, 450, 550, 650A, 650B)의 저온측에서 유출된 저온유체를 혼합하여 혼합 연료스트림(combined fuel stream)을 형성하는 단계; 및 열교환기(350, 450, 550, 650A, 650B)의 고온측(warm side)의 고온유체(warm fluid)로서 혼합 연료스트림을 열교환기(350, 450, 550, 650A, 650B)에 공급하는 단계를 더 포함한다.

Description

비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 유체 바이패스 방법 및 시스템
본 발명은 2018년 11월 16일자로 출원된 미국 가출원번호 62/768,151호의 "비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 유체 바이패스 방법 및 시스템" 및 2019년 8월 6일자로 출원된 미국 출원번호 16/532,682호의 "비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 유체 바이패스 방법 및 시스템"에 대한 혜택(benefit)을 주장하는 것이며, 이들은 본 발명에 참조로서 포함된다.
본 발명은 가압가스(pressurized gas) 또는 연료 분배(dispensing) 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는, 예를 들면, 수소 또는 천연가스와 같이, 비석유 연료(non-petroleum fuel)의 온도를 제어하기 위한 바이패스(bypass) 방법 및 시스템을 포함하는 가압가스 또는 액체 분배 시스템에 관한 것이다.
종래기술에 있어서, 연료로서 액체수소를 저장하기 위한 저장탱크를 가지는 수소충전소(Hydrogen Refueling Station ; HRS)가 제시되어 있다. 일반적으로 탱크는, 차량의 재충전이 필요할 때 연료가 적절한 온도로 준비되도록 하기 위하여 열교환기(heat exchanger ; HX)와 함께 전기구동식 냉각시스템(electrically-powered refrigeration system)을 사용하여 축열장치(thermal storage)의 온도를 하루 24시간동안 -40℃ 미만으로 유지한다. 그러나 이러한 축열장치 및 열교환기(HX) 시스템은, 축열장치 및 연료 냉각을 위한 열교환 시스템에서 사용 가능한 열에너지가 제한됨으로 인해 연속으로(back-to-back) 충전할 수 있는 차량의 수에 제한이 있으며, 연속으로 차량을 충진하기 위해서는 좁은 범위(narrow range)의 주변온도(ambient temperatures), 차종(vehicle type) 및 탱크용량(tank capacity)에 맞게 조정되어야 한다. 예를 들면, 열교환기(HXs)는 고압 수소라인(high pressure hydrogen line)을 가지는 물리적으로 큰 알루미늄 블록으로서, 냉각 및 저온 수소라인(cold hydrogen line)이 알루미늄으로 주조된다. 이러한 "콜드블록(cold block)"은 차량의 완충시 사용 가능하도록 차가운 온도를 저장한다. 콜드블록을 -40℃ 이하로 유지하기 위해 상시적으로 냉각이 사용되는 경우에도 모든 시스템 배관을 바람직한 목표온도로 유지하는 것은 여전히 불가능하므로, 따라서 노즐 온도가 바람직한 목표온도에 도달하기 전에 배관망(pipe network)을 냉각하기 위해 시간이 걸리게 된다.
즉, 종래기술의 방법에 있어서, 종래기술의 방법 및 시스템들은 느리게 반응하여 바람직한 목표온도에 도달하기까지 최대 30초가 걸리며, 예를 들면, 20℃ ~ -39℃와 같이, 일반적으로 콜드블록이 유지되는 온도범위가 넓고, 이는 날씨, 시기(time of year) 및 연속충전 횟수(number of back-to-back fill ups)에 따라 달라진다. 결과적으로, 소비자는 일반적으로 온도변동(temperature fluctuations)으로 인해 연료가 가득찬 탱크보다 적게 받게 되므로, 판매되는 수소의 양이 줄어들어 연료전지 차량의 주행거리가 짧아지게 된다.
또한, 열악한 온도제어도 충전소 운영 및 유지 비용에 크게 기여한다. 시스템이 정확한 온도범위를 유지할 수 없는 경우 기술팀이 충전소로 이동하여 데이터를 기반으로 열 시스템을 조정하고 테스트 탱크를 사용하여 조정으로 성능이 개선되었는지 확인해야 한다. 때때로 이러한 처리과정은 며칠이 걸릴 수 있으며, 이러한 처리과정 동안 충전소가 폐쇄되어 가동중지 시간(downtime) 및 비용이 발생할 수 있다.
이러한 단점의 일부를 극복하기 위해, 종래기술은 연료의 온도를 제어하기 위한 다양한 시스템 및 방법을 사용한다. 예를 들면, 미국특허 6,619,336 B2호는 가스가 수용탱크에 들어가기 전에 가압된 가스 공급원을 빠져나가는 가스를 냉각하기 위한 냉각시스템을 제시하고 있다. 상기한 냉각시스템은, 예를 들면, 압축 및 재순환되는 수소불화탄소(Hydrofluorocarbon ; HFC)를 사용하는 냉각시스템과 같이, 기계적인 냉각 사이클을 사용할 수 있다. 또는, 냉각시스템은 액체수소 공급원(liquid hydrogen source) 및 저온 저장장치(cold storage device)를 포함할 수 있으며, 여기서 저온 저장장치는 액체수소 공급원으로부터의 액체수소에 의해 냉각된다. 냉각시스템은 또한 가스가 수용탱크로 흘러가기 전에 가압된 가스 공급원을 빠져나가는 가스를 수용하고 냉각하기 위해 적용된 열교환기를 포함한다. 저온 저장장치는 또한 수용탱크를 채울 때 냉각이 필요할 때까지 열에너지를 저장하기 위해 응축가능한 냉매(condensable refrigerant)를 사용할 수 있고, 여기서 냉매는 다시 수소불화탄소(HFC)이거나 또는 아르곤이나 질소와 같은 압축가스를 사용할 수 있다. 냉각시스템은 가압가스 공급원의 적어도 일부를 둘러싸는 냉각 컨테이너(refrigerated container)를 포함할 수 있다. 그러나 미국특허 6,619,336 B2호에 제시된 수소 냉각방법에는 다음과 같은 몇 가지 문제점이 있다.
(1) 고정된 축열시스템은 고정된 수의 연속(B2B) 차량에 대하여만 동작하므로, 냉각시스템이 시스템을 다시 냉각시킬 때까지 차량 충전을 계속할 수 없고, 대부분의 축열시스템은 4 ~ 6대의 차량을 연속으로 충전할 수 있다.
(2) 냉각시스템의 냉각용량이 충분히 견고하지(robust) 않으며, 예를 들면, 차량의 지속적인 연속 충전에 필요한 것보다 낮으므로, 차량을 계속하여 충전할 수 없다.
(3) 냉각은 축열장치를 -40℃ 이하로 유지하기 위해 하루 24시간, 주 7일 전기 사용이 요구되므로, 비용이 많이 든다.
(4) 열교환기(HX) 표면적(surface area)이 고정되어 있으므로 축열량이 고정되고, 냉각용량이 부하에 비해 상대적으로 작으므로, 주변상태(ambient conditions) 및 긴 시운전시간(commissioning time), 높은 인건비(labor cost) 및 개별화된 HRS 소프트웨어/하드웨어 구성을 야기하는 파이프의 길이와 같이, 장소 특정적 변화(site-specific changes)에 따라 냉각설정(refrigeration setpoints)을 조정해야 한다.
(5) 축열장치는 작은 범위의 차량 탱크 크기에 맞추어 조정되며 더 작거나 큰 탱크 범위에 대하여 유연하지 않다. 예를 들면, 경량 차량(light duty vehicle)에 연료를 공급하기 위해 설계된 온도제어장치(Temperature Control Unit ; TCU)는 필요한 연료의 양이 다르고 요구되는 냉각이 다르므로 버스에 연료를 공급하는 장치와 호환되지 않으며, 그 반대도 마찬가지이다.
(6) 온도제어장치 풋프린트(footprint)는 물리적으로 크고 디스펜서(dispenser)에 인접한 피트(pit)에 설치되어야 하며, TCU 풋프린트는 얼마나 많은 디스펜서가 얼마나 가깝게 배치될 수 있는지를 제한하므로 충전소에서 사용되는 토지는 일반적으로 프리미엄(premium)이 붙는다.
즉, 종래기술의 온도제어장치는 수소연료 적용의 상용화(commercialization) 및 확장(scale-up)을 제한하는 차량 특정적(vehicle-specific) 디스펜서를 제시하고 있다.
본 발명은 여러가지 방식으로 종래기술의 방법 및 시스템에 대한 개선을 제공함으로써 상기한 바와 같은 종래기술의 단점을 해결하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시예에 있어서, 비석유 연료(non-petroleum fuel)의 온도를 제어하기 위한 유체 바이패스(bypass) 방법은, 액체 또는 실질적으로 증발기(vaporizer)에서 추가적인 열 추가(heat addition)가 요구되는 초임계 열역학 상태(supercritical thermodynamic state)의 연료를 차량에 대하여 바람직한(desired) 유량(flow rate)을 달성하기에 충분한 압력으로 공급하는 단계; 콜드 스트림(colder stream)을 형성하는 부분적 또는 증발이 없는(no vaporization) 바이패스 스트림(bypass stream)을 우회시키는(diverting) 단계; 연료의 나머지 스트림(remainder stream)을 증발기에 공급하는(providing) 단계; 증발기에서 유출된(outflowed) 나머지 스트림과 콜드 스트림을 혼합하여 혼합 연료 스트림(combined fuel stream)을 형성하는 단계; 및 혼합 연료 스트림을 공급하는 단계를 포함하여 구성된다.
다른 실시예에서, 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 유체 바이패스 방법은, 액체 또는 실질적으로 증발기에서 추가적인 열 추가가 요구되는 초임계 열역학 상태의 연료를 차량에 대하여 바람직한 유량을 달성하기에 충분한 압력으로 공급하는 단계; 부분적 또는 증발이 없는 바이패스 스트림을 열교환기의 저온측(cold side)의 저온유체(cold fluid)로서 열교환기로 우회시키는 단계; 연료의 나머지 스트림을 증발기에 공급하는 단계; 증발기에서 유출된 나머지 스트림과 열교환기의 저온측에서 유출된 콜드 스트림을 혼합하여 혼합 연료 스트림을 형성하는 단계; 및 열교환기의 고온측(warm side)의 고온유체(warm fluid)로서 혼합 연료 스트림을 열교환기에 공급하는 단계를 포함하고, 열교환기로부터 유출된 콜드 스트림은 열교환기의 고온측의 혼합 연료 스트림의 일부가 된다.
또 다른 실시예에서, 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 시스템이 제공되고, 상기 시스템은, 액체 또는 실질적으로 증발기에서 추가적인 열 추가가 요구되는 초임계 열역학 상태의 연료를 차량에 대하여 바람직한 유량을 달성하기에 충분한 압력으로 공급하도록 이루어지는 펌프(pump); 부분적으로 또는 증발이 없는 바이패스 스트림을 열교환기의 저온측의 저온유체(cold fluid)로서 바이패스 라인(bypass line)을 통해 열교환기로 우회시키도록 이루어지는 바이패스 밸브(bypass valve); 연료의 나머지를 수용하도록 이루어지고, 유출되는 나머지 스트림은 열교환기의 저온측에서 유출된 저온유체와 혼합되어 혼합 연료 스트림을 형성하는 증발기; 및 저온측의 저온유체를 수용하고 고온측의 고온유체로서 공급되는 혼합 연료 스트림을 수용하도록 이루어지는 열교환기를 포함하고, 열교환기에서 유출된 저온유체는 열교환기의 고온측의 혼합 연료 스트림의 일부가 되는 바이패스 스트림이다.
상기한 실시예들에 의해 제공되는 유체 바이패스 방법 및 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 시스템은 적어도 다음과 같은 장점을 가진다.
(1) 자본비용(capital cost)을 감소하는 별도의 냉열 저장장치(cold thermal storage) 제거.
(2) 자본 및 운영비용(operational cost)을 감소하는 냉각시스템(refrigeration system) 제거.
(3) 충전소 장비 풋프린트(station equipment footprint) 감소.
(4) 개선된 수소 분배성능(dispensing performance), 더 빠른 냉각속도(cooling speed), 제어가능한(controllable) 분배온도 및 수소 분배온도 설정점 설정(setpoint setting)의 유연성(flexibility).
(5) 모든 크기의 차량 탱크를 충전하는 유연성, 디스펜서는 종래기술에서 350bar 및 700bar 전용의 노즐을 제공하기 위해 단일의 디스펜서 내에서도 별도의 분배 채널(dispensing channel)이 요구된다. 본 실시예는 각각의 노즐에 대하여 -40℃의 분배온도에서 빠르게 350bar 주변온도 중형(Medium Duty)/대형(Heavy Duty)(MD/HD) 차량 및 700bar 소형 차량(Light Duty Vehicle ; LDV)을 충전할 수 있도록 한다.
(6) 유량계, 밸브, 필터, 조절기(regulator) 및 -40℃ 이하의 온도에서 열주기에 민감할(sensitive) 수 있는 다른 기기(instruments)에 대하여 디스펜서에서 주변온도 근처 영역(near ambient temperature zone)을 생성한다(도 3의 MIXOUT).
본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 대한 추가적인 이해를 제공하고 설명의 일부를 구성하기 위해 사용된다. 첨부된 도면은 이하의 실시예와 함께 본 발명을 설명하는 것이나, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
도 1a는 제 1 실시예에 따른 온도제어 시스템의 개략도이다.
도 1b는 제 1 실시예에 따른 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 유체 바이패스 방법의 플로차트이다.
도 2는 제 2 실시예에 따른 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 유체 바이패스 방법의 플로차트이다.
도 3은 실시예에 따른 작업 공정도(flowsheet) 모델 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 제 3 실시예에 따른 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 시스템의 개략도이다.
도 5는 제 4 실시예에 따른 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 시스템의 개략도이다.
도 6은 제 5 실시예에 따른 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 시스템의 개략도이다.
각각의 도면에 있어서, 유사한 요소에는 유사한 참조번호가 부여되었다. 도시된 도면은 반드시 축척(scale) 또는 비율(proportion) 대로 작성되는 것이 아니라 해당 구성요소에 대한 더 나은 이해를 제공하기 위해 작성되는 것이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니고, 일반적인 예시(exemplary illustration)를 제공하는 것임에 유념해야 한다.
도 1a에 나타낸 바와 같이, 일 실시예에서, 시작 과정(startup sequence) 동안 디스펜서(dispenser)에 의해 감지될 수 있는, 충전될 차량 유형(vehicle type)에 요구되는 정확한 온도로 연료 스트림의 온도를 조정하기(tune) 위해 바이패스 라인 및 바이패스 제어밸브가 증발기 주변에 설치된다. 상기 시스템은, 적어도 시작 과정(startup sequence), 최소 연료공급 과정(minimum fueling sequence), 종료과정(termination sequence), 누출점검 과정(leak check sequence) 등을 포함하는 연료공급 주기(fueling cycle)에 걸쳐 분사된 연료 온도를 자동으로 조절하고(regulate) 이상적인 온도(ideal temperature)를 유지하도록 한다.
더 상세하게는, 도 1a는 증발기(vaporizer)(10)를 사용하여 도시된 도면으로, 바이패스 스트림(12)은 증발기(10)의 상류(upstream)에서 증발기(10)의 하류(downstream) 지점으로 우회되고(diverted), 바이패스 스트림(12)은, 예를 들면, 믹서(13)를 통해 증발기 출력 스트림(outlet stream)과 직접 혼합된다. 바이패스 스트림(12)의 양(amount)은 바람직한 온도, 압력 및 유량(flow rate), 예를 들면, -20℃ ~ -40℃ 및 20MPa ~ 100MPa가 달성되도록 밸브(15, 16)를 제어하는 컨트롤러(14)에 의해 제어된다. 일단 바람직한 온도에 도달하면, 연료 스트림이 노즐을 통해 차량에 분배될 수 있다.
도 1b는 이하의 단계 1 ~ 5(S1 ~ S5) 중 하나 이상을 포함하는 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 방법의 플로차트를 나타내는 도면이다.
단계 1(S1) : 예를 들면, 차량에 연료를 공급하기 위해, 차량에 대하여 바람직한(desired) 유량(flow rate)을 달성하기에(effect) 충분한 압력으로 연료가 공급된다. 연료는 액체, 또는, 실질적으로, 일반적으로 증발(vaporization)로 알려진 과정을 통해 증발기에서 추가적인 열 추가가 요구되는 초임계 열역학적 상태이다.
단계 2(S2) : 연료의 제 1 부분이 증발기 주위의 바이패스 스트림으로서 바이패스 라인에서 우회(divert)된다.
비석유 연료가 액체수소(liquid hydrogen)인 경우, 일부 실시예에서, 연료의 제 1 부분의 비율(fraction)은, 5%, 15%, 25%, 35%, 45%, 55%, 65%, 75%, 85%, 95%와 같이 5% 내지 95% 범위이고, 바람직하게는, 10%, 20%, 30%, 40% 50%, 60%, 70%와 같이 10% 내지 70% 범위이며, 가장 바람직하게는, 15%, 20%, 25%, 26%, 27%, 29%, 30%, 40%와 같이 15% 내지 40% 범위이다.
단계 3(S3) : 연료의 나머지 부분(remainder)은 연료의 제 2 부분으로서 증발기에 공급되며, 이때, 증기(steam), 전기(electric), 가스(gas), 주변공기(ambient air) 또는 기타 열원(other heat source)이 연료의 제 2 부분의 가열 및 증발을 위해 사용된다.
일부 실시예에서, 증발기를 통과한 후, 연료의 제 2 부분의 온도는 증가하는 반면, 압력은 실질적으로 변하지 않는다. 증발된 연료의 제 2 부분의 온도는, 예를 들면, -20℃ ~ 20℃와 같이, 주변온도의 10 ~ 20℃ 범위 내인 것이 바람직하다.
다른 실시예에서, 바이패스 라인에서 우회된 연료의 제 1 부분은 바이패스 스트림의 온도조절을 돕기 위해 부분적으로 또는 증발이 없는 비석유 연료의 혼합물(mixture)이 될 수 있다. 예를 들면, 바이패스 스트림이 증발기의 상류 전체에서 취해지면(taken) 바이패스 스트림에 증발이 발생하지 않는다. 그러나 바이패스 스트림의 온도를 증가시키기 위해, 제 1 부분은, 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 증발기에서 적어도 부분적으로 증발된, 예를 들면, 증발기의 중간지점(point-midway)에서 취해진, 비석유 연료를 포함할 수 있다.
단계 4(S4) : 증발기로부터의 연료의 제 2 부분이 바이패스 스트림과 혼합되어 혼합 연료 스트림(combined fuel stream)을 형성한다. 예를 들면, 증발기로부터의 연료의 제 2 부분이 바이패스 라인으로부터의 연료의 제 1 부분과 혼합된다.
예를 들면, 비석유 연료가 액체수소인 경우, 혼합 연료 스트림의 온도는 -15℃, -10℃, -5℃, 0℃, 5℃, 10℃, 15℃, 20℃와 같이 -15℃ 내지 20℃의 범위이고, 바람직하게는, -5℃, -2℃, 0℃, 2℃, 7℃, 10℃와 같이 -5℃ 내지 10℃의 범위이며, 가장 바람직하게는, -3℃, -1℃, 0℃, 1℃, 2℃, 3℃, 4℃, 5℃와 같이 -3℃ ~ 5℃의 범위이다.
단계 5(S5) : 혼합 연료 스트림이 분배 시스템을 통해 충전(filling)할 차량에 공급된다.
차량의 충전시 목표압력 및 온도에서 목표밀도(target density)에 가까워지면, 충전을 완료하기 전에, 바이패스 라인의 연료가 바람직한 분배 시스템의 값과 동일해지도록 한다. 충전의 종료시 호스를 감압하고 배기(venting)를 최소화하기 위해 차량에서 분리하기 위한 적절한 동작이 수행된다. 예를 들면, 라인에 있는 나머지 연료가 저장시스템으로 반환되거나, 예를 들면, 질소나 아르곤 등과 같이, 적절한 불활성 가스(inert gas)로 세척(flush) 된다.
도 2는 예를 들면, 액체수소 또는 액화천연가스와 같이, 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 방법의 다른 실시예의 플로차트를 나타내는 도면으로, 일부 실시예에 의해 제공되고, 바람직한 온도를 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 유량계(flow meter), 컨트롤러 및 디스펜서의 다른 구성요소에 해롭지(detrimental) 않은 혼합 연료 스트림의 온도를 달성할 수 있으며, 이러한 구성요소의 온도변동(temperature fluctuations)은 그러한 구성요소의 조기고장(premature failures)의 근본적인 원인들(root causes) 중 하나이다. 예를 들면, 주유소에서 장시간 활동이 없을 경우, 매우 차가운 연료 스트림이 유입되어 구성요소들이 예열되고 열순환(thermal cycling)을 겪게 되면 배관의 고장(failure) 및 누출(leak)을 가속화할 수 있다. 처음에, 상기 방법은, 비석유 연료의 수신을 위해 필요한 온도와 압력이 결정될 수 있도록, 예를 들면, RFID, 무선(wireless), IR 센서, QR 코드, 스캐너, I/O 모듈 등이나, 또는, 키패드 등으로 차량 운전자에 의해 입력되는 것으로 충전소의 디스펜서로 충전될 차량의 유형을 감지하는(detecting) 단계를 포함한다.
예를 들면, 차량에 주입되는(entering) 바람직한 분배 연료온도(dispensing fuel temperature)(예를 들면, 연료온도 설정값(fuel temperature setpoint))는, -50℃, -30℃, -15℃, 0℃, 10℃, 20℃, 30℃와 같이 -50℃ ~ 30℃의 범위이고, 바람직하게는, -40℃, -20℃, -5℃, 0℃와 같이 -40℃ 내지 0℃의 범위이며, 가장 바람직하게는, -40℃, -35℃, -30℃, -25℃, -20℃와 같이 차량에 주입되는 바람직한 분배 연료온도는 -40℃에서 -20℃의 범위이고, 이는, 물론 비석유 연료와 차량의 종류에 따라 달라진다.
바람직한 차량 압력은 20MPa, 40MPa, 60MPa, 80MPa, 100MPa와 같이 20MPa 내지 100MPa의 범위이고, 바람직하게는, 35MPa, 45MPa, 55MPa, 65MPa, 70MPa와 같이 35MPa 내지 70MPa의 범위이다.
비석유 연료의 온도를 제어하는 방법은 이하의 단계 10 ~ 50(S10 ~ S50) 중 하나 이상을 포함한다.
단계 10(S10) : 예를 들면, 차량에 연료를 공급하기 위해 차량에 바람직한 유량을 달성하기에 충분한 압력으로 연료가 공급된다. 연료는 액체, 또는, 실질적으로, 일반적으로 증발로 알려진 과정을 통해 증발기에서 추가적인 열추가가 요구되는, 초임계 열역학적 상태이다.
단계 20(S20) : 연료의 제 1 부분이 증발기 주변의 바이패스 라인에서 바이패스 스트림으로서 하류(downstream) 열교환기로 우회되고 열교환기의 저온측에 저온유체로서 공급된다.
비석유 연료가 액체수소인 경우, 일부 실시예에서, 연료의 제 1 부분의 비율은, 5%, 15%, 25%, 35%, 45%, 55%, 65%, 75%, 85%, 95%와 같이 5% 내지 95%의 범위이고, 바람직하게는, 10%, 20%, 30%, 40% 50%, 60%, 70%와 같이 10% 내지 70%의 범위이며, 가장 바람직하게는, 15%, 20%, 25%, 26%, 27%, 29%, 30%, 40%와 같이 15% 내지 40%의 범위이다.
단계 30(S30) : 연료의 나머지 부분이 증발기에 연료의 제 2 부분으로서 공급되고, 증기, 전기, 가스, 주변공기 또는 기타 열원이 연료의 제 2 부분의 가열 및 증발을 위해 사용된다.
일부 실시예에서, 증발기를 통과한 후, 연료의 제 2 부분의 온도는 증가하는 반면, 압력은 실질적으로 변하지 않는다. 증발된 연료의 제 2 부분의 온도는, 예를 들면, -20℃ ~ 20℃와 같이, 주변온도의 10-20℃ 범위 내인 것이 바람직하다.
다른 실시예에서, 예를 들면, 시동 과정(startup sequence) 동안, 대용량의 바이패스 스트림이 증발기를 우회하고 열교환기를 통해 흐른 후 증발기로부터의 가열된 연료와 혼합되어 분배 흐름(dispensing flow)을 위한 혼합 연료 스트림을 형성한다. 그 후, 예를 들면, 수소와 같이, 증발기를 떠나는(leaving) 연료는 온도 설정값을 충족하기 위해 신속하게 냉각될 수 있다.
일부 실시예에서, 예를 들면 충전과정의 후반부에서, 시스템의 파이프가 냉각됨에 따라, 연료 온도 설정점을 유지하기 위해 더 작은 부피(volume)를 가지는 바이패스 스트림이 요구되며, 연료의 유체특성(fluid property)이 변화함에 따라, 열교환기의 열전달 성능이 변화되어 연료 분배온도 설정값을 유지하기 위해 바이패스 유량에 대한 제어가 요구된다. 바이패스 스트림의 부피는 온도 설정점, 주변온도 및/또는 파이프의 온도 등에 따라 결정되는 것임은 용이하게 이해될 수 있다(understandable).
또 다른 실시예에서, 바이패스 라인에서 우회된 연료의 제 1 부분은 바이패스 스트림의 온도조절을 돕기 위해 부분적으로 또는 증발이 없는 비석유 연료의 혼합물이 될 수 있다. 예를 들면, 바이패스 스트림이 증발기의 상류 전체에서 취해지면 바이패스 스트림에 증발이 발생하지 않는다. 그러나 바이패스 스트림의 온도를 증가시키기 위해, 제 1 부분은, 이하에 추가로 논의되는 바와 같이, 증발기에서 적어도 부분적으로 증발된, 예를 들면, 증발기의 중간지점에서 취해진, 비석유 연료를 포함할 수 있다.
단계 40(S40) : 증발기로부터의 연료의 제 2 부분은 열교환기의 저온측으로부터의 바이패스 스트림과 혼합되어 혼합 연료 스트림을 형성하고, 예를 들면, 증발기로부터의 연료의 제 2 부분은 열교환기로부터의 연료의 제 1 부분과 혼합된다.
일부 실시예에서, 열교환기의 저온측으로부터 유출된(outflowed) 바이패스 스트림의 온도는 열교환기 상류측의 바이패스 스트림의 온도보다 높고, 혼합 연료 스트림의 온도는 주변온도에 가깝다.
예를 들면, 비석유 연료가 액체수소인 경우, 혼합 연료 스트림의 온도는, -15℃, -10℃, -5℃, 0℃, 5℃, 10℃, 15℃, 20℃와 같이 -15℃ 내지 20℃의 범위이고, 바람직하게는, -5℃, -2℃, 0℃, 2℃, 7℃, 10℃와 같이 -5℃ 내지 10℃의 범위이며, 가장 바람직하게는, -3℃, -1℃, 0℃, 1℃, 2℃, 3℃, 4℃, 5℃와 같이 -3℃ ~ 5℃의 범위이다.
단계 50(S50) : 혼합 연료 스트림은 열교환기의 고온(warm side) 측의 고온유체(warm fluid)로서 열교환기에 공급되며, 여기서 열교환기의 저온측의 저온유체는 혼합 연료 스트림의 일부로서 혼합된 바이패스 스트림이 우회된 연료의 제 1 부분이다.
차량의 충전이 목표 압력 및 온도에서 목표 밀도에 가까워지면, 충전을 완료하기 전에, 바이패스 라인의 모든 저온 연료(cold fuel)가 분배 시스템의 바람직한 값과 동일해지도록 한다. 충전의 종료시 호스의 압력을 낮추고 배기를 최소화하기 위해 차량에서 분리하기 위한 적절한 동작이 처리된다. 예를 들면, 라인에 남아있는 연료가 저장시스템으로 반환되거나, 예를 들면, 질소나 아르곤 등과 같이, 적절한 불활성가스로 세척된다.
상기한 방법 및 단계에서, 예를 들면, 주변온도의 수소를 생성하기 위해, 증발기로부터의 가열된 연료와 저온 연료가 혼합되는 재급유(refueling) 전반에 걸쳐 분배된 연료의 바람직한 분배온도 설정점을 유지하기 위해, 예를 들면, 비례(Proportion), 비례-적분(Proportional-Integral) 또는 비례-적분-미분(Proportional-Integral-Derivative ; PID) 제어와 같이, 바이패스 제어밸브를 동작시키는 것에 의해 제어되는 바이패스 라인을 통하여 저온 연료의 양을 제어함으로써 연료 스트림의 온도를 빠르게 제어할 수 있는 기능이 제공된다. 예를 들면, 증발기 주위에서 우회되는 저온 연료는 차량에 연료를 분배하기 위한 분배온도를 조절하기 위해 열교환기의 저온측에 공급된다. 그 후, 저온 연료는 주(main) 연료 스트림으로 다시 재순환되어 분배를 위해 혼합 연료 스트림으로 혼합된다. 이러한 방법은 연속충전 횟수(number)와 빈도(frequency)에 근거하여 기후조건(climate conditions), 시기(time of year), 시각(time of day) 및 시스템 파이프와 구성요소 온도의 변화에 대하여 자동적인 보상(automatic compensation)이 가능하게 한다. 또한, 상기한 방법은, 차량 탱크 크기(tank size), 감지된 차량 제원(specifications), 소비자에 의해 선택된 연료의 등급(수소 등급은 충전 또는 밀도의 최종상태(final state)가 될 수 있음), 또는, 최종 탱크밀도(final tank density), 수소 충전시간(hydrogen filling time)이나 다른 파라미터일 수 있는 변수에 근거하여 분배온도 설정값을 자동으로 변경하기 위해 사용될 수 있다. 상기한 방법은, 냉각 시스템을 사용하지 않거나, 또는, 예를 들면, 축열 블록 교환기(thermal storage block exchanger)와 같이, 대형 냉장 알루미늄 블록(cold storage aluminum block)이 요구되지 않으므로 종래기술의 개선이며, 수소 충전소의 자본비용(capital cost)과 운영비용(operational cost)을 절감하고, 소비자에게 수소 가격을 낮추는 것이다.
도 3은 일부 실시예에 의해 제공된 시뮬레이션 모델의 결과를 나타내는 흐름도(flowsheet)이다. 예를 들면, 충전소를 위한 장비의 세부적인 크기 및 용량에 대한 요구사항을 결정하기 위해 열교환기 모델이 생성된다. 이 모델은 NIST(National Institute of Science and Technology) 표준에 따라 액체(liquid), 기체(gaseous) 및 초임계 수소 특성(supercritical hydrogen property)을 이용하여 전체적인 대류계수(convection coefficient), 비열 흐름(specific heat flow) 및 바람직한 열교환기(HX)의 권장치수(recommended dimensions) 및 형상(geometry)을 산출한다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 상기한 모델은 일부 실시예에 의해 제시된 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 유체 바이패스 방법의 정상상태(steady state) 시뮬레이션을 완료하기 위해 사용된다. 도 3의 연료는 액체수소이며, 상기한 방법은 이하의 단계를 포함하여, 예를 들면, 시뮬레이션 된다.
단계 10 : 450bar, -252℃에서 연료가 공급되고, 상기한 연료는 액체 또는 증발기(320)에서 추가적인 열 추가가 요구되는 초임계 상태이다. 차량에 대한 수소의 분배온도는 평형온도(equilibrium temperature)로서 차량을 충전하기 위한 목표 -40℃, 440bar로 결정된다. 즉, 열교환기(350)의 출구온도(HOTOUT)는 -40℃이다.
단계 20 : 바이패스 밸브(330)를 통해, 증발이 없는 바이패스 스트림이 수치 안정성(numerical stability)을 강화하기 위한 모델링 보조수단(modeling aid)으로서 플래시 탱크(flash tank)(335)에 공급되고, 그 후, 하류 열교환기(downstream heat exchanger)(350)로 공급된다. 연료분배 과정이 시작되고, 모델링은 440bar의 압력에서 수행된다.
단계 30 : 연료의 나머지는 제 2 부분으로서 440bar에서 증발기(320)에 공급된다.
단계 40 : -50℃에서 열교환기(350)의 저온측을 통과한 바이패스 스트림은 혼합기(mixer)(325)에서 증발기(320)를 통과한 나머지 연료와 20℃의 온도에서 혼합되어 4℃의 온도에서 혼합 연료 스트림을 형성한다(MIXOUT).
단계 50 : 혼합 연료 스트림은 고온유체로서 열교환기(350)의 고온측에 공급되고, 혼합 연료 스트림의 출구온도(outlet temperature)는 -40℃이다(HOTOUT).
시뮬레이션 결과로부터, 상기한 방법은 원하는 결과를 얻기 위해 크기가 조절될 수 있음을 알 수 있다. 더욱이, 디스펜서에 진입하기 전에 혼합 연료 스트림의 온도가 4℃(MIXOUT) 이므로, 유량계 및/또는 밸브 및/또는 다른 구성요소를 가지는 디스펜서의 코어가 극도의 저온에 노출되지 않고 온도변동이 적으며, 이에, 디스펜서 및 구성요소에 대한 온도 스트레스가 감소된다.
동적 응답시간을 개선하고(refine), 예를 들면, 다른 연료, 다른 차량 등과 같이, 다른 실시예에 대한 용량 요구사항(capacity requirements)을 결정하기 위해 추가적인 모델링이 수행될 수 있음은 용이하게 이해된다.
도 4는 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 시스템의 또 다른 실시예를 나타내는 도면으로, 도 4에 있어서 연료는 액체수소이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 상기한 시스템(400)은, 차량에 대하여 바람직한 유량을 달성하기에 충분한 압력으로 연료를 공급하도록 구성되는 LH2 펌프(410)를 포함하며, 여기서 연료는 액체, 또는, 일반적으로 증발로 알려진 과정을 통해 증발기(420)에서 추가적인 열 추가가 요구되는 실질적으로 초임계 열역학적 상태이고, 또한, 바이패스 라인(440)을 통해 부분적으로 또는 증발이 없는 바이패스 스트림을 열교환기(450)의 저온측의 저온유체로서 열교환기(450)로 우회시키도록 구성되는 바이패스 밸브(430)와, 열원을 이용하여 연료의 제 2 부분으로서 연료의 나머지 부분을 수용하도록 구성되는 증발기(420)를 포함하고, 여기서, 증발기(420)로부터 유출된 연료의 제 2 부분은 열교환기로부터 유출된 바이패스 스트림과 혼합되어 혼합 연료 스트림을 형성하며, 혼합 연료 스트림은 열교환기의 고온측에 고온유체로서 공급되고, 우회된 바이패스 스트림으로부터 열교환기(450)로부터의 저온 연료가 혼합되어 열교환기(450)의 고온측에 공급되는 혼합 연료 스트림을 형성하며, 또한, 수소 연료로 차량을 충전하도록 구성되는 노즐(470)을 포함한다.
일 실시예에서, 혼합 연료 스트림을 형성하기 위해 바이패스 스트림이 증발기로부터의 연료의 나머지 부분, 예를 들면, 연료의 제 2 부분과 혼합된 후, 혼합 연료 스트림은 차량에 연료를 공급하기 위한 디스펜서(460)에 공급된다. 디스펜서(460)는 열교환기(450) 및 예를 들면, 유량계(flow meter), 감압기/조절기(pressure reducer/regulator), 온도센서(temperature sensor), 압력센서(pressure sensor) 등과 같이, 차량에 대하여 연료의 분배를 모니터링 및 제어하기 위해 사용되는 다양한 그룹의 장치(480)를 선택적으로 포함한다. 차량에 대하여 연료를 분배하기 위해 노즐(470)이 구비된다.
다른 실시예에서, LH2 펌프(410)와 LH2 증발기(420) 사이의 바이패스 밸브(430)는 열교환기(450)의 유량(flow rate) 및 냉각속도(cooling rate)를 제어하기 위해 열교환기(450)의 출구에서 다른 바이패스 밸브(430B)로 대체될 수 있다. 바이패스 밸브(430/430B)의 이상적인 배치는 본 발명에서 제한되지 않는 위치 특징적(station-specific) 구성에 따라 달라진다. 예를 들면, 바이패스 밸브(430B)가 LH2 증발기(420)와 열교환기(450) 사이에 위치되면, 연료 스트림은 밸브에 보다 적은 스트레스를 주는 더 높은 온도(-50℃)를 가지므로, 밸브의 신뢰성(reliability) 및 사용기간(service life)이 장치의 열변화 및 열충격 감소로 인해 개선된다. 따라서, 일부 실시예에서, 예를 들면, LH2 펌프(410)와 같이, 공급원(supply source)으로부터의 액체수소의 극도의 저온에 노출되지 않으나, 예를 들면, 증발기를 따라 서로 다른 단계(stage) 또는 위치(position)에서 바이패스 스트림이 배출되는(drawn off) 장소에 따라서 바이패스 스트림이 다양한 양의 부분적으로 증발된(또는 증발된) 연료를 포함할 수 있는 열교환기(450)에서 가열되므로(warmed), 구성요소의 개선된 수명을 위하여 바이패스 밸브(430B)만이 바이패스 스트림의 우회를 제어하기 위해 사용된다.
정상 동작조건(normal operating condition)하에서, LH2 펌프(410)는 연료가 증발되고 주변온도 근처에서 디스펜서(460)로 주입되는 증발기(420)를 통해 연료를 공급한다. 그러나 연료는 차량에 분배하기 위해 노즐(470)에 도달하기 전에 -40℃로 냉각되어야 하므로, 밸브 제어유닛(495)은 LH2 증발기(420)를 우회하기 위해 바이패스 밸브(430 및/또는 430B)를 개방함으로써 LH2 펌프(410)로부터의 수소연료의 비율을 조절한다. 바이패스 스트림은 바이패스 라인(440)을 통해 열교환기(450)로 흐르고 노즐(470)로의 혼합 연료 스트림의 온도를 바람직한 분배온도로 냉각시킨다. 그 후, 바이패스 스트림은 재순환되고 증발기(420)로부터의 나머지 연료와 혼합되어 분배를 위한 혼합 연료 스트림(즉, 분배 흐름(dispensing flow))을 형성하며, 이는 0℃ 근처의 평형점(equilibrium point)에 도달한다. 따라서, 바람직한 분배온도에 도달할 뿐만 아니라, 극도로 열순환에 취약한 다양한 그룹의 장치(480)에 효과적인 열보호(thermal protection)가 제공된다. 디스펜서(460)로 주입되는 혼합 연료 스트림의 이러한 온도(예를 들면, 도 4애 나타낸 5℃)는 엄격하게 제어되는 목표(tightly-controlled targe)가 아니나, 디스펜서(460) 내부의 구성요소가 심각한 열온도 사이클(thermal temperature cycles)에 노출되지 않도록 상대적으로 고온의 온도범위를 제공하기 위한 것이다.
대신에, 엄격하게 제어되는 목표온도는 밸브제어유닛(495)에 의해 지속적으로 제어되는 노즐(470)에서의 분배온도 뿐이다. 밸브제어유닛(495)은 유량 또는 선택적으로 바이패스 밸브(430)(및/또는 430B)를 통한 노즐의 전체 흐름을 고려하는 맥락에서 바이패스 비율(bypass fraction)을 조정하여 분배온도 목표를 설정값으로 유지한다.
따라서, 밸브제어유닛(495)은, 예를 들면, 온도센서(490)에서와 같은 센서측정(sensors measurement), 노즐(470)에서의 환경 또는 온도 요구(environmental or the temperature needs)와 같은 변화조건(changing condition)을 실시간으로 모니터링하고, 예를 들면, 연료를 우회시키는 것과 같이, 바이패스 밸브(430)(및/또는 430B)를 통하여 연료의 제 1 부분을 지속적으로(constantly) 조정할 수 있다.
비석유 연료가 액체수소인 경우, 열교환기(450)는 열회수식 열교환기(recuperative heat exchanger)일 수 있으며, 예를 들면, 열교환기(450)는 알루미늄 코어 열교환기(aluminum core heat exchanger)일 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 의해 제공되는 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 시스템으로서, 도 4와 유사한 기능 및 구성을 가지며, 반복되지 않는다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 상기한 시스템은 증발기(520)를 따라 다양한 임의의 지점에 구비되는 펌프(510), 증발기(520), 바이패스 밸브(530A, 530B, 530C), 디스펜서(560) 및 바이패스 라인(540B)을 포함한다. 증발기(520)는 다수의 일련의(multiple series) 열전달 코일을 포함하며, 여기서 증발기(520)의 바이패스 라인(540B)은 서로 다른 수소 온도, 예를 들면, 증발기로부터 분리된(taken off) 단계(stage) 또는 위치(position)에 따라 서로 다른 양의 증발을 가지도록 구비될 수있다. 이 실시예에서, 분배온도 목표 요구사항에 따라, 예를 들면, -250℃와 30℃ 사이와 같이, 분배온도 목표 설정점을 충족하는 가장 높은 수소 온도를 가지는 바이패스 라인(540B)이 배관 및 열교환기 네트워크 시스템에 대한 열 스트레스를 감소시키는 열교환기(550)를 통하여 온도를 감소시키기 위해 바이패스 라인(540)에서 추가적으로 우회되도록 선택된다. 즉, 이 실시예에서, 바이패스 스트림은 증발기 주위로 우회된 연료의 제 1 부분 및 연료의 제 1 부분보다 고온인 증발기를 통해 공급되는 연료의 제 2 부분의 적어도 일부를 포함한다.
도 6은 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 시스템의 다른 실시예이고, 이 또한 도 4에 나타낸 것과 유사한 특징을 가지며 여기서는 반복되는 설명은 생략한다.
도 6에 나타내 바와 같이, 이 시스템은 펌프(610)(피스톤 펌프일 수 있음), 증발기(620), 바이패스 밸브(630A 및 630B) 및 2개의 디스펜서(660A 및 660B)를 포함한다. 단일의 펌프(610) 및 단일의 증발기(620)가 2개의 디스펜서(660A 및 660B)에 공급을 위해 사용되며, 각 디스펜서는 서로 다른 목표 온도 및 압력으로 차량을 충전하기 위해 사용된다. 바이패스 라인(640)을 통과하는 바이패스 스트림은 각각의 디스펜서(660A 및 660B)로 분할되고 바이패스 밸브(630A 및 630B)에 의해 각각 독립적으로 제어되며, 여기서, 각각의 노즐 압력을 제어하기 위해, 예를 들면, 압력조절기(pressure regulator)와 같이, 각각의 디스펜서(660A 및 660B) 내에 압력제어수단(pressure control means)이 사용되고, 각각의 열교환기(650A 및 650B) 및 바이패스 제어밸브(630A 및 630B)는 연료 분배온도를 제어하기 위해 사용된다. 예를 들면, 소형(light duty)(명목상(nominally) 70MPa) 및 중형(medium duty) 또는 대형(heavy duty)(명목상 35MPa) 차량을 동일한 수소 충전소에서 충전해야 하는 경우, 상기한 시스템은 2개의 디스펜서(660A 및 660B)를 가지는 것에 의해 그러한 요구를 만족시킬 수 있고, 상기한 펌프(610)는 최고압력 요구(highest pressure demand)를 충족시키기 위해 필요한 압력으로 연료를 공급할 수 있다.
2개의 디스펜서(660A 및 660B)가 도시되어 있으나, 복수의 디스펜서가 사용될 수 있으며, 이때, 단일의 펌프(610) 및 단일의 증발기(620)가 복수의 디스펜서에 공급하기 위해 사용되거나, 복수의 펌프 및/또는 증발기가 시스템 요구사항을 충족시키기 위해 사용될 수 있다.
더욱이, 컴퓨터 프로그램을 저장하는 컴퓨터 판독가능(computer readable) 저장매체가 제공되며, 컴퓨터의 프로세서에 의해 컴퓨터 프로그램이 실행되면 상기한 1 내지 50 단계를 포함하는 방법이 수행된다(implemented).
이 실시예는 또한 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체에 저장되는 컴퓨터 프로그램 제품(product)을 포함하고, 상기한 컴퓨터 프로그램 제품은 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터에 의해 실행되면 상기한 1 내지 50 단계가 수행되는 방법을 포함하는 컴퓨터 프로그램을 포함한다.
열관리 시스템을 설명하기 위해 다음과 같은 몇 가지 예(example)가 제공된다.
예 1
450bar 및 20K(-253℃)의 수소가 95bar에서 실질적으로 비어 있는 차량 탱크를 충전하기 위해 사용되며, 이때, 연료 스트림의 30%가 바이패스 스트림으로 우회되고, 열교환기로 진입하며(enter), 열교환기를 통과한 후 바이패스 스트림의 온도는 -50℃가 된다. 나머지 수소 연료 스트림은 증발기로 진입한다. 그 후, 열교환기를 통과하는 바이패스 스트림과 증발기를 통과하는 연료 스트림이 혼합되어 혼합 연료 스트림을 형성하며, 여기서, 혼합 연료 스트림의 온도는 디스펜서의 유량계, 컨트롤러 및 다른 구성요소에 대하여 온도변동으로 인한 열충격 및 스트레스를 방지하기 위해 적합한(comfortable) 온도인 -1℃이다.
예 2
450bar 및 20K(-253℃)의 수소가 195bar에서 실질적으로 비어 있는 차량 탱크를 충전하기 위해 사용되며, 이때, 연료 스트림 29%가 바이패스 스트림으로 우회되고, 열교환기로 진입하며, 열교환기를 통과한 후 바이패스 스트림의 온도는 -50℃가 된다. 나머지 수소 연료 스트림은 증발기로 진입한다. 그 후, 열교환기를 통과하는 바이패스 스트림과 증발기를 통과하는 연료 스트림이 혼합되어 혼합 연료 스트림을 형성하며, 여기서, 혼합 연료 스트림의 온도는 디스펜서의 유량계, 컨트롤러 및 다른 구성요소에 대하여 적합한 온도인 0℃이다.
예 3
450bar 및 20K(-253℃)의 수소가 295bar에서 실질적으로 비어 있는 차량 탱크를 충전하기 위해 사용되며, 이때, 연료 스트림의 27%가 바이패스 스트림으로 우회되고, 열교환기로 진입하며, 열교환기를 통과한 후 바이패스 스트림의 온도는 -50℃가 된다. 나머지 수소 연료 스트림은 증발기로 진입한다. 그 후, 열교환기를 통과하는 바이패스 스트림과 증발기를 통과하는 수소 연료 스트림이 혼합되어 혼합 연료 스트림을 형성하며, 여기서, 혼합 연료 스트림의 온도는 디스펜서의 유량계, 컨트롤러 및 다른 구성요소에 대하여 적합한 온도인 1℃이다.
예 4
450bar 및 20K(-253℃)의 수소가 395bar에서 실질적으로 가득찬 차량 탱크를 충전하기 위해 사용되며, 이때, 연료 스트림의 26%가 바이패스 스트림으로 우회되고, 열교환기로 진입하며, 열교환기를 통과한 후 바이패스 스트림의 온도는 -50℃가 된다. 나머지 수소 연료 스트림은 증발기로 진입한다. 그 후, 열교환기를 통과하는 바이패스 스트림과 증발기를 통과하는 연료 스트림이 혼합되어 혼합 연료 스트림을 형성하며, 여기서, 혼합 연료 스트림의 온도는 디스펜서의 유량계, 컨트롤러 및 다른 구성요소에 대하여 적합한 온도인 2℃이다.
예 5
450bar 및 20K(-253℃)의 수소가 435bar에서 실질적으로 가득찬 차량 탱크를 충전하기 우해 사용되며, 이때, 연료 스트림의 25%가 바이패스 스트림으로 우회되고, 열교환기로 진입하며, 열교환기를 통과한 후 바이패스 스트림의 온도는 -50℃가 된다. 나머지 수소 연료 스트림은 증발기로 진입한다. 그 후, 열교환기를 통과하는 바이패스 스트림과 증발기를 통과하는 연료 스트림이 혼합되어 혼합 연료 스트림을 형성하며, 여기서, 혼합 연료 스트림의 온도는 디스펜서의 유량계, 컨트롤러 및 다른 구성요소에 대하여 적합한 온도인 3℃이다.
상기한 실시예들에 의해 제공되는 유체 바이패스 방법 및 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 시스템은 적어도 다음과 같은 장점을 가진다.
(1) 자본비용(capital cost)을 감소하는 별도의 냉열 저장장치(cold thermal storage) 제거.
(2) 자본 및 운영비용(operational cost)을 감소하는 냉각시스템(refrigeration system) 제거.
(3) 충전소 장비 풋프린트(station equipment footprint) 감소.
(4) 개선된 수소 분배성능(dispensing performance), 더 빠른 냉각속도(cooling speed), 제어가능한(controllable) 분배온도 및 수소 분배온도 설정점 설정(setpoint setting)의 유연성(flexibility).
(5) 모든 크기의 차량 탱크를 충전하는 유연성, 디스펜서는 종래기술에서 350bar 및 700bar 전용의 노즐을 제공하기 위해 단일의 디스펜서 내에서도 별도의 분배 채널(dispensing channel)이 요구된다. 본 실시예는 각각의 노즐에 대하여 -40℃의 분배온도에서 빠르게 350bar 주변온도 중형(Medium Duty)/대형(Heavy Duty)(MD/HD) 차량 및 700bar 소형 차량(Light Duty Vehicle ; LDV)을 충전할 수 있도록 한다.
(6) 유량계, 밸브, 필터, 조절기(regulator) 및 -40℃ 이하의 온도에서 열주기에 민감할(sensitive) 수 있는 다른 기기(instruments)에 대하여 디스펜서에서 주변온도 근처 영역(near ambient temperature zone)을 생성한다(도 3의 MIXOUT).
상기한 실시예의 설명에 있어서, 특정한 특징(feature), 구조(structure), 재료(material) 또는 특성(character)은 임의의 하나 이상의 실시예 또는 예에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수로 인용되고 단어 "a" 또는 "an"에서 이어지는 구성요소(element)나 단계(step)는, 그러한 예외가 명시적으로 언급되지 않는 한 복수의 상기 구성요소 또는 단계를 제외하지 않는 것임에 유념해야 한다. 아울러, 현재 설명된 발명 주제의 "일 실시예"에 대한 언급은 인용된 특징 또한 포함하는 추가적인 실시예의 존재를 제외하는 것으로 해석되도록 의도된 것이 아니다. 더욱이, 반대로 명시적으로 언급되지 않는 한, 특정한 특징을 가지는 구성요소 또는 특정한 특징을 가지는 복수의 구성요소를 "포함하는(comprising)", "포함하는(including)" 또는 "가지는(having)"(또는 유사한 용어) 실시예는, 특정한 특징을 가지지 않는 추가적인 그러한 구성요소를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "시스템" 또는 "컨트롤러"와 같은 용어는 하나 이상의 기능을 수행하도록 동작하는 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 예를 들면, 시스템 또는 컨트롤러는, 컴퓨터 메모리와 같은 유형의(tangible) 비일시적(non-transitory) 컴퓨터 판독가능 저장매체에 저장된 명령에 근거하여 동작을 수행하는 컴퓨터 프로세서 또는 다른 논리기반 장치(logic-based device)를 포함할 수 있다. 또는, 시스템 또는 컨트롤러는, 장치의 하드와이어드 논리(hard-wired logic)에 근거하여 동작을 수행하는 하드와이어드 장치(hard-wired device)를 포함할 수 있다. 도면에 도시된 시스템 및 컨트롤러는 소프트웨어 또는 하드와이어드 명령에 근거하여 동작하는 하드웨어, 하드웨어가 작업을 수행하도록 지시하는 소프트웨어, 또는 그 결합을 나타낼 수 있다.
본 명세서에 기재된 주제는 본 명세서의 설명에 기재되거나 본 명세서의 도면에 도시된 구성요소의 구조(construction) 및 배치(arrangement)의 상세한 내용에 대한 적용으로 한정되지 않는 것임에 유념해야 한다. 본 명세서에 기재된 주제는 다른 실시예가 가능하고 다양한 방식으로 실행 또는 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용된 표현(phraseology) 및 용어(terminology)는 설명을 위한 것이며 한정하는 것으로 간주되지 않아야 하는 것임에 유념해야 한다. 본 명세서에서 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)" 또는 "가지는(having)" 및 그 변형(variation)의 사용은 이후에 제시된 항목들과 그 등가(equivalent) 및 추가 항목을 포함하는 것을 의미한다.
상기에 기재된 내용은 예시적인 것이며, 본 발명을 한정하는 것이 아님에 유념해야 한다. 예를 들면, 상기한 실시예(및/또는 그 관점(aspect))는 서로 결합하여 사용될 수 있다. 또한, 그 범위를 벗어나지 않고 현재 설명된 주제의 학습(teaching)에 대하여 특정 상황(situation) 또는 물질(material)을 적용하기 위해 다양한 수정이 이루어질 수 있다. 본 명세서에 기재된 치수(dimensions), 재료 및 코팅의 유형은 개시된 주제의 파라미터를 정의하기 위한 것으로, 결코 한정하는 것이 아니며 예시적인 실시예이다. 상기한 설명을 검토하여(reviewing) 당업자에게 다양한 실시예가 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 주제의 범위는 첨부된 청구범위 및 그러한 청구범위와 동등한 자격을 가지는 범위 전체를 참조하여 결정되어야 한다. 첨부된 청구범위에 있어서, "포함하는(including)" 및 "~에서(in which)" 라는 용어는 각각의 용어 "포함하는(comprising)" 및 "여기서(wherein)"와 동일한 의미의 알기 쉬운 영어(plain-English)로 사용된다. 더욱이, 이하의 청구범위에 있어서, "제 1(first)", "제 2(second)" 및 "제 3(third)" 등의 용어는 단순히 식별표시(label)로서 사용되며, 그 목적에 수치한정(numerical requirement)을 부여하고자 하는 의도가 아니다. 또한, 이하의 청구범위의 한정사항은 수단-플러스-기능형식(means-plus-function format)으로 작성되지 않았으며, 그러한 청구범위 한정이 명시적으로 "~를 위한 수단(mean for)"이라는 문구를 사용하고 이후에 추가적인 구조 없이 기능의 설명만이 기재되지 않는 한 35U.S.C.§112(f)에 근거하여 해석되고자 하는 의도가 아니다.
본 명세서의 내용은 본 발명의 주제에 대한 몇 가지 실시예를 나타내는 예를 사용하여 기재되었고, 또한, 임의의 장치나 시스템을 제작하여 사용하는 것과 임의의 통합된(incorporated) 방법을 수행하는 것을 포함하여, 본 발명의 주제의 실시예를 당업자가 실시 가능하게 한다. 본 발명의 주제의 특허가능한(patentable) 범위는 청구범위에 의해 정의되며, 당업자에 의해 발생되는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는, 청구범위의 언어(literal language)와 다르지 않은 구성요소(structural element)를 가지거나, 또는, 청구범위의 언어와 실질적으로 차이가 없는(insubstantial) 동등한 구성요소를 포함하는 경우, 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 비석유 연료(non-petroleum fuel)의 온도를 제어하기 위한 유체(fluid) 바이패스(bypass) 방법에 있어서,
    액체 또는 실질적으로 초임계 열역학 상태(supercritical thermodynamic state)의 비석유 연료를 공급하는(providing) 단계;
    바이패스 라인(bypass line)을 통해 부분적으로(partial) 또는 증발이 없는(no vaporization) 상기 비석유 연료의 적어도 제 1 부분의 바이패스 스트림(bypass stream)을 우회시키는(diverting) 단계;
    상기 비석유 연료의 가열된 제 2 부분을 증발기(vaporizer)에 공급하기 위해, 상기 비석유 연료의 제 2 부분을 상기 증발기에 공급하여 상기 비석유 연료의 제 2 부분을 가열하는 단계;
    상기 증발기로부터의 상기 비석유 연료의 가열된 제 2 부분을 상기 바이패스 스트림과 혼합하여(mixing) 혼합 연료 스트림(combined fuel stream)을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유체 바이패스 방법.
  2. 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 유체 바이패스 방법에 있어서,
    액체 또는 실질적으로 초임계 열역학 상태의 비석유 연료를 공급하는 단계;
    바이패스 라인을 통해 부분적으로 또는 증발이 없는 상기 비석유 연료의 적어도 제 1 부분의 바이패스 스트림을 열교환기(heat exchanger)로 우회시키는 단계;
    상기 바이패스 스트림을 상기 열교환기의 저온(cold side) 측에 공급하는 단계;
    상기 비석유 연료의 가열된 제 2 부분을 증발기에 공급하기 위해, 상기 비석유 연료의 제 2 부분을 상기 증발기에 공급하여 상기 비석유 연료의 제 2 부분을 가열하는 단계;
    상기 증발기로부터의 상기 비석유 연료의 가열된 제 2 부분을 상기 열교환기로부터의 바이패스 스트림과 혼합하여 혼합 연료 스트림을 형성하는 단계;
    냉각된 혼합 연료 스트림을 얻기 위해, 상기 혼합 연료 스트림을 상기 열교환기의 고온(warm side) 측의 열교환기에 공급하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유체 바이패스 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 비석유 연료는 액화 천연가스(Liquefied Natural Gas ; LNG)이고,
    상기 방법은,
    적어도 하나의 차량에 냉각된 상기 혼합 연료 스트림을 공급하는(supplying) 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유체 바이패스 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 비석유 연료는 액화 수소(Liquid Hydrogen)이고,
    상기 방법은,
    적어도 하나의 차량에 냉각된 상기 혼합 연료 스트림을 공급하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유체 바이패스 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 바이패스 스트림의 비율(fraction)이 5% 내지 95%의 범위인 것을 특징으로 하는 유체 바이패스 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 혼합 연료 스트림의 온도가 -15℃ 내지 20℃의 범위인 것을 특징으로 하는 유체 바이패스 방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 열교환기는 열회수식 열교환기(recuperative heat exchanger)인 것을 특징으로 하는 유체 바이패스 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 열교환기는 알루미늄 코어 열교환기(aluminum core heat exchanger)이고,
    상기 제 1 부분은 상기 증발기의 중간 지점(point midway)에서 얻어지는(taken) 것을 특징으로 하는 유체 바이패스 방법.
  9. 제 2항에 있어서,
    압력이 20MPa 내지 100MPa 범위의 차량 압력인 것을 특징으로 하는 유체 바이패스 방법.
  10. 제 2항에 있어서,
    적어도 하나의 차량에 상기 비석유 연료를 분배하기 위한 분배온도(dispensing temperature)가 -50℃ 내지 30℃의 범위인 것을 특징으로 하는 유체 바이패스 방법.
  11. 제 2항에 있어서,
    상기 바이패스 스트림에서 상기 제 2 부분의 양(amount)은, 적어도 하나의 차량에 연료를 공급하기 위한 분배온도 설정점(setpoint)에서 분배온도를 유지하도록 하기 위한 적어도 하나의 제어가능 밸브(controllable valve)로 제어되는 것을 특징으로 하는 유체 바이패스 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    차량에 대하여 연료 스트림의 공급이 완료되기 전에, 상기 바이패스 스트림이 상기 분배온도와 동일한 온도로 균일화되는(equalized) 것을 특징으로 하는 유체 바이패스 방법.
  13. 제 2항에 있어서,
    상기 연료의 적어도 제 3 부분을 상기 증발기로부터 상기 바이패스 라인으로 우회시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 제 3 부분은 상기 증발기에서 적어도 부분적으로 증발되는 것을 특징으로 하는 유체 바이패스 방법.
  14. 제 2항에 있어서,
    냉각된 상기 혼합 연료 스트림을 적어도 하나의 차량에 공급하는 단계; 및
    적어도 제 2 차량에 비석유 연료를 공급하는 단계를 더 포함하고,
    우회된 상기 바이패스 스트림은 제 1 바이패스 스트림과 제 2 바이패스 스트림으로 분할되며(split),
    상기 제 1 바이패스 스트림은 적어도 하나의 차량으로의 상기 혼합 연료 스트림을 냉각시키기 위해 상기 열교환기로 우회되고, 상기 제 2 바이패스 스트림은 제 2 차량으로의 제 2 혼합 연료 스트림을 냉각시키기 위해 제 2 열교환기로 우회되는 것을 특징으로 하는 유체 바이패스 방법.
  15. 제 2항에 있어서,
    냉각된 상기 혼합 연료 스트림을 적어도 하나의 차량에 공급하기 위한 디스펜서(dispenser)를 더 포함하고,
    상기 디스펜서는 유량계(flow meter), 압력조절기(pressure regulator), 노즐(nozzle) 및 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 바이패스 방법.
  16. 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 시스템에 있어서,
    액체 또는 실질적으로 초임계 열역학 상태의 비석유 연료가 적어도 하나의 차량으로 흐르게 하는 압력으로 상기 비석유 연료를 상기 적어도 하나의 차량에 공급하도록 이루어지는 펌프(pump);
    증발이 없거나 부분적인 증발을 가지는(no or partial vaporization) 비석유 연료의 적어도 제 1 부분을 우회시키기(diverting) 위해, 바이패스 밸브(bypass valve)를 포함하여 구비되는 바이패스 라인(bypass line);
    상기 펌프로부터 상기 비석유 연료를 수용하기 위한 주입구(inlet)를 포함하고, 상기 비석유 연료의 적어도 제 2 부분을 가열하도록 이루어지는 증발기;
    상기 증발기의 하류(downstream)에 구비되는 열교환기; 및
    상기 비석유 연료를 차량에 공급하기 위한 노즐을 포함하는 디스펜서를 포함하고,
    상기 열교환기는 상기 바이패스 라인으로부터의 상기 비석유 연료의 적어도 제 1 부분이 상기 열교환기의 저온 측에 공급되고, 상기 열교환기를 빠져나가는(exiting) 상기 비석유 연료의 제 2 부분과 결합되어 혼합 연료 스트림을 형성하도록 구성되며,
    상기 혼합 연료 스트림은 상기 디스펜서의 상기 노즐에 의해 적어도 하나의 차량으로 방출되기(discharge) 전에 상기 열교환기의 고온 측에 공급되는 것을 특징으로 하는 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 시스템.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 증발기는 다단(multiple section)의 열전달 코일(heat transfer coil)을 포함하고,
    상기 바이패스 라인을 통해 상기 열교환기에 가열된 연료의 적어도 제 3 부분을 공급하기 위해 상기 다단의 열전달 코일 중 적어도 하나에 적어도 제 2 바이패스 밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 시스템.
  18. 제 16항에있어서,
    상기 열교환기는 열회수식 열교환기인 것을 특징으로 하는 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 시스템.
  19. 제 18항에있어서,
    상기 열교환기는 알루미늄 코어 열교환기인 것을 특징으로 하는 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 시스템.
  20. 청구항 2항에 기재된 비석유 연료의 온도를 제어하기 위한 유체 바이패스 방법을 포함하고, 프로세서에 의해 실행되어 컴퓨터에서 실시되는 컴퓨터 프로그램이 저장된 비일시적(non-transitory) 컴퓨터 판독가능 저장매체.
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