KR20220042365A - 냉동 및/또는 액화 방법, 장치 및 시스템 - Google Patents

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KR20220042365A
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cooling
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exchanger
refrigeration
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파비엥 듀란드
다미엥 킬렛
레미 니콜라스
세실 곤드란드
진-마르크 버나드트
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레뜌드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

저온 냉동 장치 포함한 시스템을 사용하는 냉각 및/또는 액화 방법을 개시한다. 상기 냉동 장치(1)는, 루프를 형성하고 작동 유체를 포함한 작동 회로(10)로서, 압축 기구(2, 3), 냉각 기구(6), 팽창 기구(7), 및 가열 기구(6, 8)가 직렬로 연결된 사이클을 형성하는 작동 회로(10)와; 추가로, 상기 작동 회로(10)를 순환하는 작동 유체와의 열교환을 통해 유효 유체 흐름으로부터 열을 추출하는 냉각용 교환기(8)를 포함하고, 상기 시스템은 냉각용 교환기(8) 내로 상기 유효 유체 흐름을 순환시키는 도관(15)을 포함하며, 상기 방법은, 유효 유체 흐름이 냉각용 교환기(8)를 순환할 때 냉동 장치(1)가 제1 냉각 동작 모드로 들어가, 냉각용 교환기(8)를 냉각시키는 냉각 단계와; 상기 냉각 단계 후, 냉각용 교환기(8) 내에서 고형화된 불순물을 제거하기 위한 세정 단계를 포함하되, 세정 단계 시, 냉동 장치(1)는, 작동 가스가 작동 회로(10)를 순환하지만 냉각용 교환기(8)의 냉각력이 제1 동작 모드에서보다 덜 강력한 제2 동작 모드로 들어가는 것을 특징으로 한다.

Description

냉동 및/또는 액화 방법, 장치 및 시스템
본 발명은 냉동 및/또는 액화 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 보다 구체적으로 사용자 유체 흐름, 특히 천연 가스 흐름의 냉각 및/또는 액화 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 저온 냉동 장치, 즉 -100℃ 내지 -273℃, 특히 -100℃ 내지 -253℃의 온도로 냉동시키는 저온 냉동 장치를 포함한 냉각 및/또는 액화 시스템을 사용하며, 상기 냉동 장치는, 루프를 형성하고 작동 유체를 포함한 작동 회로로서, 작동 유체를 압축시키는 기구, 작동 유체를 냉각시키는 기구, 작동 유체를 팽창시키는 기구, 및 작동 유체를 가열하는 기구가 직렬로 연결된 사이클을 형성하는 작동 회로와; 상기 작동 회로를 순환하는 작동 유체와의 열교환을 통해 사용자 유체 흐름으로부터 열을 추출하도록 구성된 냉각용 교환기를 포함하고, 상기 시스템은 냉각용 교환기 내에서 상기 사용자 유체 흐름을 순환시키는 도관을 포함하며, 상기 방법은, 사용자 유체 흐름이 냉각용 교환기를 순환할 때 냉동 장치가 제1 냉각 동작 모드로 들어가, 냉각용 교환기를 냉각시키는 냉각 단계와; 상기 냉각 단계 후, 냉각용 교환기 내에서 고형화된 불순물을 세정하는 단계를 포함한다.
본 발명은 특히 극저온 냉동기 또는 액화기에 관한 것으로, 예를 들면 사이클 가스(헬륨, 질소, 수소, 또는 다른 순수 가스나 혼합물)가 열역학적 사이클을 거치면서 냉기를 생성하여 냉각 대상 구성요소 또는 냉각 대상 가스에 전달될 수 있는 "터버 브레이튼(Turbo Brayton)" 사이클 또는 "터보 브레이튼 냉각기들"을 갖는 유형의 극저온 냉동기 또는 액화기에 관한 것이다.
이러한 장치들은 다양한 응용 분야에서, 특히 (예컨대, 선박에 설치되는) 탱크 속의 천연 가스를 냉각시키기 위해 사용된다. 액화 천연 가스를 예를 들어 과냉각시켜 기화되지 않도록 하거나, 기체 부분을 냉각시켜 재액화한다.
예를 들어, 천연 가스 흐름이 냉동기/액화기의 사이클 가스에 의해 냉각된 열교환기를 순환할 수 있도록 되어 있다.
이러한 열교환기에서 냉각된 가스에 불순물(이를테면, 이산화탄소)이 함유되어 있을 수 있는데, 이러한 불순물은 열교환기가 저온 상태가 되면 고형화되기 쉽다. 이로 인해 열교환기가 폐색될 수 있고 시스템의 효율성이 떨어질 수 있다.
한 가지 해결안은 전기 히터로 열교환기를 적극적으로 가열하는 것이다. 그러나, 이 방법은 에너지 측면에서 비용이 많이 들고, 폭발성 분위기 발생으로 인해 종종 부적합하다.
본 발명의 목적은 위에서 설명한 종래 기술의 결점들 중 전부 또는 일부를 극복하는 데에 있다.
이를 위해, 위의 전제부에 주어진 일반적 정의에 의거하여 본 발명에 따른 방법은, 세정 단계 시, 냉동 장치가, 작동 가스가 작동 회로를 순환하되 냉각용 교환기의 냉각력이 제1 동작 모드에 비해 감소되는 제2 동작 모드에 있는 것을 본질적으로 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예는 다음 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
- 세정 단계 시, 냉동 장치는 냉각력을 제로로 만들거나 냉각용 교환기가 가열되도록 한다.
- 세정 단계 시, 사용자 유체의 흐름이 냉각용 교환기 내에서 순환되고 냉각용 교환기에 의해 가열된다.
- 압축 기구는 하나 이상의 압축기 및 이러한 압축기(들)를 회전시키는 적어도 하나의 구동 모터로 이루어지며, 냉동 장치의 냉동력은 가변적이고 구동 모터(들)의 회전 속도를 조절함으로써 제어되되, 제2 동작 모드에서 구동 모터들 중 적어도 하나의 회전 속도가 상기 모터의 최대 또는 공칭 회전 속도의 1% 내지 60%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 특히 20% 내지 30%이다.
- 압축 기구는 다수의 회전식 압축기들 및 각각 회전 구동축을 포함한 적어도 2개의 구동 모터들로 이루어지며, 상기 압축기들은 각자의 회전축(들)에 의해 회전하도록 구동되고, 작동 유체를 팽창시키는 기구는 적어도 하나의 압축기의 구동 모터들 중 하나의 축과 결합하여 함께 회전하는 적어도 하나의 회전식 터빈을 포함한다.
- 냉동 장치의 제2 동작 모드에서, 축과 결합하여 함께 회전하는 터빈을 포함한 적어도 하나의 모터는 정지되고, 압축기의 적어도 하나의 다른 구동 모터는 상기 모터의 최대 또는 공칭 회전 속도의 1% 내지 60%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 특히 20% 내지 30%의 회전 속도로 작동한다.
- 정지된 상기 적어도 하나의 모터를 제동한다. 이는 해당 축 및/또는 압축기 및/또는 터빈의 회전을 감속시키거나 차단시킨다는 것을 뜻한다.
- 냉동 장치의 제1 동작 모드에서는 구동 모터들의 회전축이 각각의 제1 회전 방향으로 회전하고 작동 유체가 제1 순환 방향으로 작동 회로를 순환하며, 냉동 장치의 제2 동작 모드에서는 적어도 한 모터, 특히 축에 터빈이 커플링 결합되어 있는 모터가 반대 방향으로 회전하도록, 즉 상기 모터의 회전 축이 제1 회전 방향의 회전 반대 방향으로 회전하도록 설정된다.
- 축과 결합되어 함께 회전하는 터빈을 포함한 모터에 의해 구동되는 적어도 하나의 압축기는 원심 압축기이며, 냉동 장치의 제2 동작 모드에서 작동 유체는 제1 순환 방향으로 작동 회로를 순환한다.
- 냉동 장치의 제2 동작 모드에서, 반대 방향으로 회전하도록 설정된 모터와 별개인 적어도 하나의 구동 모터는 정지되거나 또는 상기 모터의 최대 또는 공칭 회전 속도의 1% 내지 60%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 특히 20% 내지 30%의 회전 속도로 작동한다.
- 사용자 유체의 흐름은 사용자 유체 탱크로부터 펌핑되어 냉각용 교환기(8) 내에서 순환되며, 냉각용 교환기와의 열교환을 거친 사용자 유체는 탱크로 회수된다.
- 상기 방법은, 세정 단계와 동시에 및/또는 세정 단계 후에, 세정 단계 시 분리된 불순물을 냉각용 교환기에서 쓸어내어(sweep) 방출시키도록 냉각용 교환기 내로 퍼지 유체 흐름을 주입하여 냉각용 교환기를 퍼지하는 단계를 포함한다.
- 퍼지하는 단계는 천연 가스를 사용하여 열교환기를 쓸어내는 것을 포함하며, 천연 가스는 배출 구역으로 방출된다.
- 퍼지하는 단계는 사용자 유체를 사용하여 열교환기를 쓸어내는 것을 포함한다.
본 발명은 또한 저온 냉동 장치, 즉 -100℃ 내지 -273℃의 온도로 냉동시키는 저온 냉동 장치에 관한 것으로, 상기 냉동 장치는, 루프를 형성하고 작동 유체를 포함한 작동 회로로서, 작동 유체를 압축시키는 기구, 작동 유체를 냉각시키는 기구, 작동 유체를 팽창시키는 기구, 및 작동 유체를 가열하는 기구가 직렬로 연결된 사이클을 형성하는 작동 회로와; 상기 작동 회로를 순환하는 작동 유체와의 열교환을 통해 적어도 한 구성요소에서 열을 추출하도록 구성된 냉각용 교환기와; 전자 제어장치로서, 냉동 장치의 냉동력을 제어하고, 냉각용 교환기를 순환하는 사용자 유체 흐름을 냉각시키기 위해 냉동 장치를 냉각용 교환기의 제1 냉각 동작 모드로 전환하고, 냉각용 교환기 내에서 고형화된 불순물을 세정시켜 제거하기 위해 냉동 장치를 세정 모드로 전환하도록 구성되며, 상기 세정 모드에서 냉동 장치의 냉동력과 냉각용 교환기의 냉각력을 제1 동작 모드에 비해 감소시키도록 구성된 전자 제어장치를 포함한다.
다른 가능한 특정 특징들에 따르면,
- 압축 기구는 하나 이상의 압축기 및 이러한 압축기(들)를 회전시키는 적어도 하나의 구동 모터로 이루어지며, 냉동 장치의 냉동력은 가변적이고 구동 모터(들)의 회전 속도를 조절함으로써 제어되며, 전자 제어장치는 제2 동작 모드에서 구동 모터들 중 적어도 하나의 회전 속도를 상기 모터의 최대 또는 공칭 회전 속도의 2% 내지 60%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 특히 20% 내지 30%의 값으로 설정하도록 구성된다.
- 압축 기구는 다수의 회전식 압축기들 및 각각 회전 구동축을 포함한 적어도 2개의 구동 모터들로 이루어지며, 상기 압축기들은 각자의 회전축(들)에 의해 회전하도록 구동되고, 작동 유체를 팽창시키는 기구는 적어도 하나의 압축기의 구동 모터들 중 하나의 축과 결합하여 함께 회전하는 적어도 하나의 회전식 터빈을 포함한다.
- 제2 동작 모드에서, 전자 제어장치는, 축과 결합하여 함께 회전하는 터빈을 포함한 적어도 하나의 모터를 정지시키고, 압축기의 적어도 하나의 다른 구동 모터를 상기 모터의 최대 또는 공칭 회전 속도의 1% 내지 60%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 특히 20% 내지 30%의 회전 속도로 작동시키도록 구성된다.
- 냉동 장치는 정지된 모터를 제동하기 위한, 그리고 상기 정지된 모터의 축 및/또는 압축기 및/또는 터빈의 회전을 감속 및/또는 차단하기 위한, 기계식, 전기식 또는 자기식 시스템을 구비한다.
- 제1 동작 모드에서, 구동 모터들은 각각의 제1 회전 방향으로 회전축이 회전하도록 구성되며, 축과 결합하여 함께 회전하는 터빈을 포함한 적어도 하나의 모터는 가역(reversible) 회전방향을 갖는 유형의 모터이고, 전자 제어장치는 냉동 장치의 제2 동작 모드 시 상기 모터를 제1 회전 방향의 회전 반대 방향으로 회전시키도록 구성된다.
- 냉동 장치의 제2 동작 모드에서, 전자 제어장치는, 반대 방향으로 회전하도록 설정된 모터와 별개인 적어도 하나의 구동 모터를 정지시키도록 구성되거나, 또는 반대 방향으로 회전하도록 설정된 모터와 별개인 구동 모터의 회전 속도를 제1 동작 모드 시 상기 모터의 회전 속도의 1% 내지 60%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 특히 20% 내지 30%의 값으로 제한하도록 구성된다.
본 발명은 또한 전술된 또는 후술되는 특징들 중 어느 하나에 따른 냉동 장치를 포함하는, 사용자 유체 흐름, 특히 천연 가스 흐름의 냉동 및/또는 액화 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템은 적어도 하나의 사용자 유체 탱크, 및 냉각용 교환기 내에서 상기 사용자 유체 흐름을 순환시키는 도관을 포함한다.
본 발명은 또한 청구범위의 범위 내에서 전술된 또는 후술되는 특징들의 임의의 조합으로 이루어진 임의의 대안적인 장치 또는 방법에 관한 것일 수 있다.
추가의 특정 특징 및 이점들은 도면을 참조하여 제공되는 하기 설명을 읽음으로써 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명을 구현할 수 있는 예시적 장치 및 시스템의 구조와 작동을 설명하는 개략적 부분도를 나타낸다.
도 1의 냉각 및/또는 액화 시스템은 냉각용 교환기(8)에 냉기(냉각능(력))를 제공하는 냉동 장치(1)를 포함한다. 상기 시스템은 냉각용 교환기(8)와 열교환하도록 배치된 도관(25)을 포함하며 이 도관을 통해 냉각 대상인 유체의 흐름이 순환된다. 예를 들어, 상기 유체는 탱크(16)로부터 (예컨대 펌프를 통해) 펌핑되는 액체 천연가스로서, (바람직하게는 탱크(16) 외부에서) 냉각된 후 다시 저장탱크(16)로 (예컨대, 탱크(16)의 기체상으로 비 내리듯) 회수된다. 이에 따라 탱크(16) 안의 내용물이 냉각 또는 과냉각될 수 있으며 기화 현상의 발생이 제한될 수 있다. 예를 들어, 탱크(16)로부터의 액체는 해당 액체의 포화 온도 아래로(몇 K, 구체적으로는 5K 내지 20K, 특히 14K만큼의 온도 강하가 일어나면서) 과냉각된 후에 탱크(16) 내로 재주입된다. 일 변형예에 의하면, 이러한 냉동법은 탱크로부터의 기화 가스에 적용되어 구체적으로는 가스를 재액화시키는 게 목적이다. 이는 냉동 장치(1)가 냉각용 교환기(8)에 냉각력을 제공한다는 것을 의미한다.
냉동 장치(1)는 순환 루프를 형성하는 작동 회로(10)(바람직하게는, 폐쇄된 회로)를 포함한다. 이 작동 회로(10)는 작동 유체(헬륨, 질소, 네온, 수소, 혹은 다른 적합한 가스 또는 이들의 혼합물, 예를 들어, 헬륨과 아르곤, 헬륨과 질소, 헬륨과 네온, 또는 헬륨과 질소와 네온)를 포함한다.
작동 회로(10)는, 작동 유체를 압축시키는 기구(2, 3), 작동 유체를 냉각시키는 기구(6), 작동 유체를 팽창시키는 기구(7), 및 작동 유체를 가열하는 기구(6, 8)가 직렬로 연결된 사이클을 형성한다.
냉동 장치(1)의 냉각용 열교환기(8)는 작동 회로(10)를 순환하는 작동 유체와의 열교환을 통해 하나 이상의 구성요소(25)로부터 열을 추출하도록 구성된다.
작동 유체를 냉각 및 가열하는 기구들은 통상적으로 공통 열교환기(6)를 포함하고, 이러한 공통 열교환기에서 작동 유체는 냉각 또는 가열 여부에 따라 작동 회로(10)의 두 개별 통로 부분들을 서로 반대방향으로 통과한다.
냉각용 열교환기(8)는 예를 들어 팽창 기구(7)와 공통 열교환기(6) 사이에 위치한다. 도시된 바와 같이, 냉각용 열교환기(8)는 공통 열교환기(6)와는 별개인 열교환기일 수 있다. 한편, 일 변형예에 의하면, 냉각용 열열교환기(8)가 공통 열교환기(6)의 일부로 구성되기도 한다(이를테면, 두 열교환기(6, 8)가 일체형일 수 있다. 즉 별개의 유체 회로들이 하나의 동일한 교환 구조를 공유할 수 있다는 것을 뜻한다).
따라서, 압축 기구(2, 3)에서 비교적 뜨거운 상태로 방출된 작동 유체는 먼저 공통 열교환기(6)에서 냉각된 다음 팽창 기구(7)에 진입한다. 팽창 기구(7)와 냉각용 열교환기(8)에서 비교적 차가운 상태로 방출된 작동 유체의 경우는 공통 열교환기(6)에서 가열된 다음 압축 기구(2, 3)로 회수되어 새로운 사이클을 시작한다.
통상적으로, 이하 "제1 동작 모드"로 지칭되는 정상 동작 모드에서, 작동 가스는 압축, 냉각, 팽창 및 가열로 이루어진 사이클을 거쳐 냉각용 교환기(8)에 냉기를 생성하게 된다. 일반적으로, 공통 열교환기(6)의 두 통로 부분에서 순환되는 질량 유량은 동일하거나 대체로 동일하다.
도시된 바와 같이, 정상 동작 모드에서, 유체(예컨대, 액화 천연 가스) 흐름이 냉각용 교환기(8)에서 냉각될 수 있다. 이 유체에 냉각 과정 중에 고형화되기 쉬운 불순물(이산화탄소 등)이 함유되어 있는 경우에는 냉각용 교환기(8)에 장애물(17) 또는 폐색물이 생길 수 있다.
이러한 장애물은, 전술한 대로 작동 가스가 작동 회로(10)를 여전히 순환하되 냉각용 교환기(8)의 냉각력이 제1 동작 모드에 비해 감소되는 제2 동작 모드를 선택함으로써 냉동 장치(1) 자체적으로 수행되는 세정 단계를 통해 제거될 수 있다.
예를 들어, 냉동 장치(1)는 주기적으로 냉각력을 제로(0)로 만들거나 냉각용 교환기(8)가 가열되도록 한다.
세정 단계 시, 상기 냉각용 교환기에 의해 가열된 불순물을 같이 이송하도록, 사용자 유체의 흐름을 냉각용 교환기(8) 내에 순환시킬 수 있다. 사용자 유체의 흐름은 특히 이러한 제2 동작 모드 동안 가열될 수 있다.
압축 기구(2, 3)는 하나 이상의 압축기 및 이러한 압축기(들)(2, 3)를 회전시키는 적어도 하나의 구동 모터(14, 15)로 이루어질 수 있다. 또한, 바람직하게, 냉동 장치의 냉동력은 가변적이며 구동 모터(들)(14, 15)의 회전 속도(사이클 속도)를 조절함으로써 제어 가능하다. 바람직하게는, 냉동 장치(1)에 의해 제공되는 이러한 냉각력은 모터(들)(14, 15)의 회전 속도를 제로 회전 속도 내지 최대 또는 공칭 회전 속도 범위로 변경함으로써 공칭 또는 최대 능력의 0 내지 100%로 조절 가능하다. 이러한 구조를 통해 광범위한 동작 범위에 걸쳐 고성능 수준을 유지할 수 있다(예컨대, 50%의 공칭 냉각력에서 97%의 공칭 성능).
예를 들어, 제2 동작 모드에서 구동 모터들(14, 15) 중 적어도 하나의 회전 속도가 제1 냉각 동작 모드 시의 해당 모터(14, 15)의 회전 속도의 1% 내지 60%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 특히 20% 내지 30%의 값까지 감소된다. 예를 들어, 이렇게 감소된 회전 속도는 해당 모터(14, 15)의 최대 또는 공칭 회전 속도의 1% 내지 60%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 특히 20% 내지 30%에 해당한다.
이 구성에서, 냉각용 교환기(8)에서 제공되는 냉동력은 감소되거나 없어진다(또는 열이 생성된다). 이러한 방식으로, 가열용 열교환기(8)가 가열되면서, 고형화된 불순물을 녹여서 기화시킨다. 선택적으로는 냉각용 열교환기(8) 내의 사용자 유체 흐름과 연관된 이러한 가열에 의해 불순물이 열교환기(8) 외부로 방출되어 예를 들면 사용자 유체 탱크(16) 쪽으로 이송될 수 있다.
도시된 비제한적 예에서, 냉동 장치(1)는 2개의 개별 모터들(14, 15)에 의해 각각 구동되는 직렬 연결된 2개의 압축기들(2, 3)을 포함하며, 상기 2개의 압축기들 중 하나(15)의 구동축에는 터빈(7)이 커플링 결합되어 있다.
이는, 한 모터(14)가 한 압축기(3)만 구동하는 (즉, 모터-압축기) 반면에, 다른 모터(15)는 압축기(2)를 구동하고 동시에 터빈(7)과 커플링 결합되어 있음(즉, 모터-터보압축기)을 뜻한다.
예를 들어, 냉동 장치(1)의 제2 동작 모드에서, 구동축에 터빈(7)이 커플링 결합되어 있는 모터(15)는 정지되고, 압축기(3)만 구동하는 다른 모터(14)는 모터의 최대 또는 공칭 회전 속도의 1% 내지 60%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 특히 20% 내지 30%의 회전 속도로 작동한다. 모터의 최대 또는 공칭 회전 속도는 최대 냉각력의 경우에 모터가 낼 수 있는 최대 속도를 뜻한다. 이러한 최대 또는 공칭 회전 속도는 냉동 장치(1)의 동작에 권장되는 최대 속도이며, 필요한 경우, 모터가 본질적으로 낼 수 있는 최대 회전 속도보다 낮을 수 있다. 이 구성에서, 정지된 모터(15)의 구동축에 커플링 결합되어 있는 터빈(7) 및 압축기(2)는 자유회전할 수 있다.
전술한 바와 같이, 다른 모터(14)가 감소된 속도로 운전하면 작동 유체는 낮은 효율로 작동 회로(10)를 순환하게 된다. 자유회전하는 터빈(7) 및 압축기(2)는 또한 작동 가스의 작동 회로(10) 내 압력 강하를 추가로 일으킬 수 있다. 이는 이미 감소된 장치(1) 전력 소비를 늘리지 않으면서, 냉각용 교환기(8)에서의 상대적 가열을 증가시킴으로써 불순물이 방출되도록 할 수 있다.
이러한 가열 및 불순물 세정 속도를 더욱 증가시키기 위해서는 이 동작 모드에서 추가적인 압력 강하를 일으키면 된다. 예를 들어, 정지 상태의 모터(15)를 제동한다. 예를 들어, 정지된 모터의 축의 회전 및/또는 상응하는 압축기(2) 및/또는 터빈(7)의 회전을 감속시키거나 차단시킬 수 있다. 이러한 제동(감속)(20)이나 차단은 가동식 및/또는 전기식 및/또는 자기식 스톱을 통해 기계적으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 모터(들)는 전기 모터, 특히 동기 모터이다. 모터 제동은 이 동작 모드의 제어 회로에 제동 저항을 제공함으로써 수행될 수 있다. 유사하게는, 이러한 전기 모터에 순간적으로 단락될 수 있는 3상 회로도를 포함시켜 확실하게 제동되도록 할 수 있다. 모터(15)는 특히 가역 모터일 수 있으며, 토크를 생성하기 보다는 전류를 발생하고 구동축을 제동하는 역 발전기 모드로 전환함으로써 모터 제동을 달성할 수 있다.
이들 제동 모드는 전기 모터의 제어 회로(베리에이터)에서 사용 가능하다. 따라서, 모터의 기준 구조를 변경하지 않고도 간단한 소프트웨어 제어를 통해 이들 제동 모드를 구현할 수 있다.
또 다른 변형 실시예에 의하면, 제2 동작 모드에서, 적어도 하나의 모터(15), 예를 들어 모터의 축과 결합하여 함께 회전하는 터빈(7)을 포함한 모터는 반대 방향으로 회전하도록 설정된다.
이는, 냉동 장치(1)의 제1 동작 모드에서는 구동 모터들(14, 15)의 회전축이 각각의 제1 회전 방향으로 회전하고 작동 유체가 제1 순환 방향으로 작동 회로(10)를 순환하며, 냉동 장치(1)의 제2 동작 모드에서는 적어도 한 모터(15)(바람직하게는 축에 터빈(7)이 커플링 결합되어 있는 모터)가 반대 방향으로 회전하도록, 즉 해당 모터의 회전 축이 제1 회전 방향의 회전 반대 방향으로 회전하도록 설정된다는 것을 뜻한다.
작동 유체는 계속 제1 순환 방향으로 작동 회로(10)를 순환하지만, 특히 터빈(7)의 반대 방향 회전(이 방향에 최적화되지 않음)은 작동 가스로부터 기계적 일(팽창)을 추출하기 보다는 작동 가스에 기계적 일을 공급함으로써 작동 가스를 가열할 수 있다. 이는 특히 구심형 터빈과 함께, 터빈 기술을 이용하여 작동된다. 또한 바람직하게, 압축기(들)는 원심 압축기이다.
모터(15)가 반대 방향(역방향)으로 회전하도록 설정되었을 때, 다른 모터(14)(또는 여러 개의 모터가 있는 경우에는 나머지 모터들)는 특히 자유회전하도록 정지될 수 있지만, 바람직하게 다른 모터(14)(또는 나머지 모터들)는 감소된 회전 속도로 작동하도록 구성된다. 예를 들어, 상기 다른 모터(14)(또는 나머지 모터들 중 적어도 하나)는 해당 모터(14)의 최대 또는 공칭 회전 속도의 1% 내지 60%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 특히 20% 내지 30%의 속도로 회전하도록 설정된다.
모터(들)의 속도가 감소되면, 가열 효율이 높아지고, 제1 냉각 동작 모드로 냉동 장치를 더 빠르고 더 효율적으로 재가동할 수 있게 된다.
바람직하게, 반대 방향으로 회전하도록 설정된 모터(들)(14)는 감소된 속도로, 예를 들면 해당 모터의 최대 또는 공칭 회전 속도의 1% 내지 60%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 특히 20% 내지 30%의 속도로, 회전하도록 설정된다.
그러나, 한 가지 가능한 변형예에 의하면, 반대 방향의 회전 속도가 더 높을 수 있고, 모터의 최대 또는 공칭 회전 속도에 이를 수 있다.
본 냉동 장치는 시스템의 구성요소들(모터들, 밸브들, 펌프 등) 모두에 또는 일부에 연결된 하나 이상의 전자 제어장치(12)를 포함할 수 있다. 전자 제어장치(12)는 마이크로프로세서 또는 컴퓨터로 이루어질 수 있으며, 시스템의 구성요소들 모두 또는 일부를 동적으로 제어하고, 특히 전술된 동작 모드들을 (자동으로 및/또는 특히 사용자가 입력한 명령어에 응답하여) 구현하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 냉각용 교환기(8) 세정을 실행시키기 위해 냉동 장치(1)를 제2 동작 모드로 전환시키는 것은 사용자가 입력한 명령어에 의해 수행될 수 있고/있거나 (회로 내 압력 센서 등에 의한) 냉각용 교환기(8) 내의 불순물 장애 검출에 응답하여 수행될 수 있다.
더욱이, 전자 제어장치(12)는 제2 동작 모드에서 냉각용 교환기(8)의 가열을 동적으로 제어하도록 구성(프로그래밍 또는 명령)될 수 있다. 예를 들어, 이러한 제어(제1 동작 모드를 기준으로 한 상대적 가열능)는 주어진 프로파일에 따른 공통 열교환기(6)의 온도 상승 속도에 따라 달라질 수 있고/있거나 공통 열교환기(6)의 온도 상승 속도를 주어진 임계값 미만으로 유지하도록 달리 수행될 수 있다. 이는 공통 열(6)교환기(6) 및/또는 냉각용 교환기(8)가 너무 빨리 가열되는 것을 방지할 수 있도록 하며, 예를 들어 알루미늄 판을 구비한 열교환기의 경우에 유리하다.
도시된 예에서, 냉동 장치(1)는 두 압축 스테이지를 형성하는 2개의 압축기들(2, 3) 및 팽창 터빈(7)을 포함한다. 이는 압축 기구가 직렬 연결된 2개의, 바람직하게는 원심식, 압축기(2, 3)를 포함하며, 팽창 기구는 단일 터빈(7), 바람직하게는 구심형 터빈을 포함한다는 것을 뜻한다. 물론, 임의의 다른 개수 및 배치형태의 압축기(들) 및 터빈, 예를 들어, 직렬 연결된 3개의 압축기들과 1개의 터빈, 또는 3개의 압축기들과 2 또는 3개의 터빈들, 또는 2개의 압축기들과 2개의 터빈들 등을 구상할 수 있다.
도시된 예에서는 냉각용 교환기(4, 5)가 각각 압축기(2, 3)의 출구에 제공되어 있다(예를 들어, 대기 온도의 물과의 열교환에 의한 냉각 또는 임의의 다른 냉각제나 냉각 유체와의 열교환에 의한 냉각).
이로써 등엔트로피- 또는 등온- 또는 실질적 등온- 압축을 실현할 수 있게 된다. 물론, 임의의 다른 배치형태를 구상할 수 있다(예를 들어, 하나 이상의 압축 스테이지를 갖는 냉각용 열압축기(4, 5)가 없다). 유사하게, 등엔트로피- 또는 등온- 팽창을 실현하기 위해 팽창 터빈들(7) 모두 또는 일부의 출구에 가열용 열교환기가 제공되거나 제공되지 않을 수 있다. 또한 바람직하게, 작동 유체의 가열 및 냉각이 등압 가열 및 등압 냉각인 것이 바람직하되 이에 제한되지는 않는다.
예를 들어, 냉동 장치(1)는 압축 스테이지들(2, 3)을 각각 구동하기 위한 2개의 고속 모터들(14, 15)(예컨대, 1분당 회전수가 10,000 또는 수만)을 포함한다. 상기 압축 스테이지들(2, 3) 중 하나의 모터(2)에 터빈(7)이 커플링 결합되어 있을 수 있다. 이는 냉동 장치(1)가 압축 스테이지(2)(특히, 제1 압축 스테이지)의 구동 모터(2)에 커플링 결합되어 팽창 기구를 형성하는 터빈(8)을 구비할 수 있다는 것을 뜻한다.
따라서, 유리하게는 터빈(들)(7)의 동력을 회복시켜 사용함으로써 모터(들)의 전력 소비를 줄일 수 있다. 그러므로, 모터의 속도(이에 따른, 작동 가스 사이클에서의 유량)를 증가시키면, 제공되는 냉각력, 그리고 이에 따른 액화기의 전력 소비가 증가한다(그 반대의 경우도 마찬가지이다). 바람직하게는 압축기들(2, 3)과 터빈(들)(7)이 해당 모터의 출력 축(output shaft)에 (기어식 이동 전달 기구 없이) 직접 커플링 결합된다.
모터의 출력 축은 바람직하게는 자기 베어링 또는 동적 가스 베어링에 장착된다. 베어링은 압축기와 터빈을 지지하는 데 사용된다.
더욱이, 냉동 장치의 전체 또는 일부, 특히 냉동 장치의 냉각 구성요소들은 밀봉된 단열 케이싱(구체적으로, 공통 역류 열교환기를 구비한 진공 챔버)에 수용될 수 있다.
공정의 효율성과 속도를 더욱 개선하기 위해, 세정 단계와 동시에 및/또는 세정 단계 후에, 냉각용 교환기(8) 내로 퍼지 유체 흐름을 주입하여 냉각용 교환기(8)를 퍼지(18)함으로써, 세정 단계 시 분리된 불순물을 냉각용 교환기(8)에서 쓸어내어 방출시킬 수 있다.
예를 들어, 가열된 불순물을 퍼지하기 위해 중성 가스 등(예컨대, 질소)의 회로(18)가 구비될 수 있다. 이러한 퍼지는, 필요한 경우, 가열 시 사용자 유체 흐름의 순환을 대체할 수 있다. 수득된 혼합물은 배출 구역으로(예컨대, 대기로) 방출시킬 수 있다.
대안으로, 상기 퍼지(18)는 사용자 유체를 유동시킴으로써 실현될 수 있다. 순환 도관(12)으로부터 (예컨대, 밸브를 구비한 바이패스를 통해) 사용자 유체의 분획물을 회수한다. 이러한 퍼지용 사용자 유체는 냉각용 교환기(8)에서 기화되어 불순물을 분리시킬 수 있다. 수득된 혼합물은 외부 측으로 내보내지거나 수거 구역으로 회수될 수 있으며, 구체적으로는 사용자 유체의 탱크(16) 내로 재주입될 수 있다.
본 발명은 다른 유체 또는 혼합물(특히 수소)의 냉각 및/또는 액화 방법에 적용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 사용자 유체 흐름, 특히 천연 가스 흐름의 냉각 및/또는 액화 방법에 있어서, 상기 방법은 저온 냉동 장치, 즉 -100℃ 내지 -273℃의 온도로 냉동시키는 저온 냉동 장치(1)를 포함한 냉각 및/또는 액화 시스템을 사용하며, 상기 냉동 장치(1)는, 루프를 형성하고 작동 유체를 포함한 작동 회로(10)로서, 작동 유체를 압축시키는 기구(2, 3), 작동 유체를 냉각시키는 기구(6), 작동 유체를 팽창시키는 기구(7), 및 작동 유체를 가열하는 기구(6, 8)가 직렬로 연결된 사이클을 형성하는 작동 회로(10)와; 상기 작동 회로(10)를 순환하는 작동 유체와의 열교환을 통해 사용자 유체 흐름으로부터 열을 추출하도록 구성된 냉각용 교환기(8)를 포함하고, 상기 시스템은 냉각용 교환기(8) 내에서 상기 사용자 유체 흐름을 순환시키는 도관(15)을 포함하며,
    상기 방법은, 사용자 유체 흐름이 냉각용 교환기(8)를 순환할 때 냉동 장치(1)가 제1 냉각 동작 모드로 들어가, 냉각용 교환기(8)를 냉각시키는 냉각 단계와; 상기 냉각 단계 후, 냉각용 교환기(8) 내에서 고형화된 불순물을 제거하기 위한 세정 단계를 포함하되, 세정 단계 시, 냉동 장치(1)는 작동 가스가 작동 회로(10)를 순환하지만 냉각용 교환기(8)의 냉각력이 제1 동작 모드에 비해 감소되는 제2 동작 모드로 들어가는 것인 방법으로서,
    압축 기구는 다수의 회전식 압축기들(2, 3) 및 각각 회전 구동축을 포함한 적어도 2개의 구동 모터들(14, 15)로 이루어지며, 상기 압축기들(2, 3)은 각자의 회전축(들)에 의해 회전하도록 구동되고, 작동 유체를 팽창시키는 기구는 적어도 하나의 압축기(2)의 구동 모터들(14, 15) 중 하나의 축과 결합하여 함께 회전하는 적어도 하나의 회전식 터빈(7)을 포함하며,
    냉동 장치(1)의 제1 동작 모드에서는 구동 모터들(14, 15)의 회전축이 각각의 제1 회전 방향으로 회전하고 작동 유체가 제1 순환 방향으로 작동 회로(10)를 순환하며,
    냉동 장치(1)의 제2 동작 모드에서는 적어도 한 모터(15), 특히 축에 터빈(7)이 커플링 결합되어 있는 모터(15)가 반대 방향으로 회전하도록, 즉 상기 모터의 회전 축이 제1 회전 방향의 회전 반대 방향으로 회전하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    세정 단계 시, 냉동 장치(1)는 냉각력을 제로로 만들거나 냉각용 교환기(8)가 가열되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    세정 단계 시, 사용자 유체의 흐름은 냉각용 교환기 내에서 순환되고 냉각용 교환기에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    압축 기구는 하나 이상의 압축기(2, 3) 및 이러한 압축기(들)(2, 3)를 회전시키는 적어도 하나의 구동 모터(14, 15)로 이루어지며, 냉동 장치(1)의 냉동력은 가변적이고 구동 모터(들)(14, 15)의 회전 속도를 조절함으로써 제어되고,
    제2 동작 모드에서 구동 모터들(14, 15) 중 적어도 하나의 회전 속도가 상기 모터(14, 15)의 최대 또는 공칭 회전 속도의 1% 내지 60%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 특히 20% 내지 30%인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    냉동 장치(1)의 제2 동작 모드에서, 축과 결합하여 함께 회전하는 터빈(7)을 포함한 적어도 하나의 모터(15)는 정지되고,
    압축기(3)의 적어도 하나의 다른 구동 모터(14)는 상기 모터(14)의 최대 또는 공칭 회전 속도의 1% 내지 60%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 특히 20% 내지 30%의 회전 속도로 작동하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    정지된 상기 적어도 하나의 모터(15)를 제동하는(20), 즉 해당 축 및/또는 압축기(2) 및/또는 터빈(7)의 회전을 감속시키거나 차단시킨다는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    축과 결합되어 함께 회전하는 터빈(7)을 포함한 모터(15)에 의해 구동되는 적어도 하나의 압축기(2)는 원심 압축기이며,
    냉동 장치(1)의 제2 동작 모드에서 작동 유체는 제1 순환 방향으로 작동 회로(10)를 순환하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉동 장치(1)의 제2 동작 모드에서, 반대 방향으로 회전하도록 설정된 모터(2)와 별개인 적어도 하나의 구동 모터(14)는 정지되거나, 또는 상기 모터(14)의 최대 또는 공칭 회전 속도의 1% 내지 60%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 특히 20% 내지 30%의 회전 속도로 작동하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    사용자 유체의 흐름은 사용자 유체 탱크(16)로부터 펌핑되어 냉각용 교환기(8) 내에서 순환되며,
    냉각용 교환기(8)와의 열교환을 거친 사용자 유체는 탱크(16)로 회수되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 저온 냉동 장치, 즉 -100℃ 내지 -273℃의 온도로 냉동시키는 저온 냉동 장치에 있어서, 상기 냉동 장치(1)는, 루프를 형성하고 작동 유체를 포함한 작동 회로(10)로서, 작동 유체를 압축시키는 기구(2, 3), 작동 유체를 냉각시키는 기구(6), 작동 유체를 팽창시키는 기구(7), 및 작동 유체를 가열하는 기구(6)가 직렬로 연결된 사이클을 형성하는 작동 회로(10)와; 상기 작동 회로(10)를 순환하는 작동 유체와의 열교환을 통해 적어도 한 구성요소(25)에서 열을 추출하도록 구성된 냉각용 교환기(8)와; 전자 제어장치(12)로서, 냉동 장치(1)의 냉동력을 제어하도록, 그리고 냉각용 교환기(8)를 순환하는 사용자 유체 흐름을 냉각시키기 위해 냉동 장치(1)를 냉각용 교환기(8)의 제1 냉각 동작 모드로 전환하고, 냉각용 교환기(8) 내에서 고형화된 불순물을 세정시켜 제거하기 위해 냉동 장치(1)를 세정 모드로 전환하도록 구성되며, 상기 세정 모드에서 냉동 장치(1)의 냉동력과 냉각용 교환기(8)의 냉각력을 제1 동작 모드에 비해 감소시키도록 구성된 전자 제어장치(12)를 포함하고,
    압축 기구는 다수의 회전식 압축기들(2, 3) 및 각각 회전 구동축을 포함한 적어도 2개의 구동 모터들(14, 15)로 이루어지며, 상기 압축기들(2, 3)은 각자의 회전축(들)에 의해 회전하도록 구동되고, 작동 유체를 팽창시키는 기구는 적어도 하나의 압축기(2)의 구동 모터들(14, 15) 중 하나의 축과 결합하여 함께 회전하는 적어도 하나의 회전식 터빈(7)을 포함하며,
    제1 동작 모드에서, 구동 모터들(14, 15)은 회전축이 각각의 제1 회전 방향으로 회전하도록 구성되며, 축과 결합하여 함께 회전하는 터빈(7)을 포함한 적어도 하나의 모터(15)는 가역 회전방향을 갖는 유형의 모터이고,
    전자 제어장치(12)는 냉동 장치(1)의 제2 동작 모드 시 상기 모터(15)를 제1 회전 방향의 회전 반대 방향으로 회전시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 저온 냉동 장치.
  11. 제12항에 있어서,
    압축 기구는 하나 이상의 압축기(2, 3) 및 이러한 압축기(들)(2, 3)를 회전시키는 적어도 하나의 구동 모터(14, 15)로 이루어지며, 냉동 장치(1)의 냉동력은 가변적이고 구동 모터(들)(14, 15)의 회전 속도를 조절함으로써 제어되며,
    전자 제어장치(12)는 제2 동작 모드에서 구동 모터들(14, 15) 중 적어도 하나의 회전 속도를 상기 모터(14, 15)의 최대 또는 공칭 회전 속도의 2% 내지 60%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 특히 20% 내지 30%의 값으로 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    제2 동작 모드에서, 전자 제어장치(12)는, 축과 결합하여 함께 회전하는 터빈(7)을 포함한 적어도 하나의 모터(15)를 정지시키고, 압축기(3)의 적어도 하나의 다른 구동 모터(14)를 상기 모터(14)의 최대 또는 공칭 회전 속도의 1% 내지 60%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 특히 20% 내지 30%의 회전 속도로 작동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    정지된 모터를 제동하기 위한, 그리고 상기 정지된 모터의 축 및/또는 압축기(2) 및/또는 터빈(7)의 회전을 감속 및/또는 차단하기 위한, 기계식, 전기식 또는 자기식 시스템(20)을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉동 장치(1)의 제2 동작 모드에서, 전자 제어장치(12)는, 반대 방향으로 회전하도록 설정된 모터(2)와 별개인 적어도 하나의 구동 모터(14)를 정지시키도록 구성되거나, 또는 반대 방향으로 회전하도록 설정된 모터(2)와 별개인 구동 모터의 회전 속도를 제1 동작 모드 시 상기 모터(2)의 회전 속도의 1% 내지 60%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 특히 20% 내지 30%의 값으로 제한하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 냉동 장치(1)를 포함하는, 사용자 유체 흐름, 특히 천연 가스 흐름의 냉동 및/또는 액화 시스템에 있어서, 적어도 하나의 사용자 유체 탱크(16), 및 냉각용 교환기(8) 내에서 상기 사용자 유체 흐름을 순환시키는 도관(25)을 포함하는 시스템.
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