KR20220042402A - 냉각 장치 및 설비 - Google Patents

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frame
fluid
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파비엥 듀란드
길라윰 델라우트레
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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

프레임(100) 내에 배치되고, 루프를 형성하고 작업 유체를 수용하는 작업 회로(10)를 포함하는 저온 냉각 장치로서, 작업 회로(10)는 사이클을 형성하고, 그러한 사이클은 직렬로: 압축 메커니즘(2, 3), 쿨링 메커니즘(4, 5, 6), 팽창 메커니즘(7), 및 가열 메커니즘(6, 8)을 포함하고, 장치(1)는 작업 유체와의 열 교환에 의해서 적어도 하나의 부재(125)로부터 열을 추출하도록 의도된 냉각 열 교환기(8)를 포함하고, 작업 유체를 쿨링하기 위한 메커니즘 및 가열하기 위한 메커니즘은 공통 열 교환기(6)를 포함하고, 상기 공통 열 교환기에서, 작업 유체는 작업 회로(10)의 2개의 분리된 이송 부분들 내에서 향류로 이송되고, 압축 메커니즘은 적어도 2개의 압축기(2, 3) 및 압축기(2, 3)를 구동하기 위한 적어도 하나의 모터(14, 15)를 포함하고, 작업 유체 팽창 메커니즘은 적어도 하나의 회전 터빈(7)을 포함하고, 상기 장치는 구동 샤프트를 포함하는 적어도 하나의 구동 모터(14, 15)를 포함하고, 구동 샤프트의 일 단부는 압축기(2)를 구동하고 그 타 단부는 터빈(7)에 커플링되며, 모터(14)는 적어도 하나의 고정 지점(104)에서 프레임(100)에 부착되고, 공통 열 교환기(6)는 적어도 하나의 고정 지점(106)에서 프레임(100)에 부착되며, 공통 열 교환기(6)의 2개의 향류 이송 부분들은 프레임(100)의 길이방향(A)으로 배향되며, 구동 모터(14, 15)의 구동 샤프트는 길이방향(A)에 평행한 또는 실질적으로 평행한 방향으로 배향되고, 장치가 동작될 때 터빈(7)이 공통 열 교환기(6)의 상대적으로 저온인 단부에 상응하는 측부에서 길이방향으로 위치되도록 그리고 장치가 동작될 때 압축기(2)가 공통 열 교환기(6)의 상대적으로 고온인 단부에 상응하는 측부에서 길이방향으로 위치되도록, 터빈(7) 및 압축기(2)가 서로에 대해서 길이방향으로 배치된다.

Description

냉각 장치 및 설비
본 발명은 냉각을 위한 장치 및 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 보다 구체적으로는 저온 냉각 장치, 즉 -100℃ 내지 -273℃의 온도로 냉각하기 위한 냉각 장치에 관한 것으로서, 그러한 장치는 프레임 내에 배치되고, 루프를 형성하고 작업 유체를 수용하는 작업 회로를 포함하고, 작업 회로는 사이클을 형성하고, 그러한 사이클은 직렬로: 작업 유체를 압축하기 위한 메커니즘, 작업 유체를 쿨링하기 위한 메커니즘, 작업 유체를 팽창시키기 위한 메커니즘, 및 작업 유체를 가열하기 위한 메커니즘을 포함하고, 장치는 작업 회로 내에서 순환되는 작업 유체와의 열 교환에 의해서 적어도 하나의 부재에서 열을 추출하도록 의도된 냉각 열 교환기를 포함하고, 작업 유체를 쿨링하기 위한 메커니즘 및 가열하기 위한 메커니즘은 공통 열 교환기를 포함하고, 그러한 공통 열 교환기를 통해서, 작업 유체는 쿨링되는지 또는 가열되는지의 여부에 따라 달라지는 작업 회로의 2개의 분리된 통로 부분들 내에서 향류로 통과하고, 압축 메커니즘은 적어도 2개의 압축기 및 압축기를 위한 적어도 하나의 구동 모터를 포함하고, 작업 유체를 팽창시키기 위한 메커니즘은 적어도 하나의 회전 터빈을 포함하고, 장치는 구동 샤프트를 포함하는 적어도 하나의 구동 모터를 포함하고, 구동 샤프트의 일 단부는 적어도 하나의 압축기를 구동하고 그 타 단부는 터빈에 커플링되며, 상기 모터는 적어도 하나의 고정 지점에서 프레임에 고정되고, 공통 열 교환기는 적어도 하나의 고정 지점에서 프레임에 고정되며, 공통 열 교환기의 2개의 향류 통로 부분들은 프레임의 길이방향으로 배향된다.
저온 냉각 장치라는 용어는 -100℃ 내지 -273℃ 특히 -100℃ 내지 -253℃의 온도로 냉각하기 위한 장치를 나타낸다.
본 발명은 특히, 사이클 가스(헬륨, 질소, 수소 또는 다른 순수 가스 또는 혼합물)로도 알려져 있는 작업 가스가 열역학적 사이클을 거쳐 쿨링되도록 의도된 부재 또는 가스에 전달될 수 있는 냉기(cold)를 생성하는, 예를 들어 "터보 브레이턴(Turbo Brayton)" 사이클 또는 "터보 브레이턴 쿨러(Turbo Brayton coolers)"를 가지는 유형의 극저온 냉각기 및/또는 액화기에 관한 것이다.
이러한 장치는 매우 다양한 응용 분야에서 특히 탱크(예를 들어, 선박) 내에서 천연 가스를 쿨링하기 위해서 사용된다. 액화 천연 가스는 예를 들어 기화 방지를 위해서 과냉되거나, 기체 부분이 재액화를 위해서 쿨링된다.
예를 들어, 천연 가스의 유동은 냉각기/액화기의 사이클 가스에 의해서 쿨링된 열 교환기 내에서 순환될 수 있다.
이러한 장치들은 압축 스테이지들의 배출구들 사이에 개재된 복수의 열 교환기를 포함할 수 있다. 이러한 장치들은, 프레임 내에 또는 주위에 통합되어 있으며, 그 부피는 제한되어 있다. 따라서, 이러한 여러 교환기들 및 연관 파이프들을 통합하는 것이 어렵다. 작업 가스의 쿨링은 일부 경우에 문제가 될 수 있다.
또한, 장치의 여러 구성요소는 주변 온도와 극저온(특히, 25K 이하) 사이의 상당한 온도 변화에 영향을 받을 수 있다. 따라서, 이러한 온도 변화는, 장치의 무결성에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 치수 변화를 유발할 가능성이 있다.
본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 단점의 전부 또는 일부를 극복하기 위한 것이다.
이를 위해서, 본 발명에 따른 장치(다른 부분은 전술한 서문에서 주어진 일반적인 정의에 따른다)는 본질적으로 상기 구동 모터의 구동 샤프트가 길이방향에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 배향되고, 장치가 동작될 때 터빈이 공통 열 교환기의 상대적으로 저온인 단부에 상응하는 측부에 길이방향으로 위치되도록 그리고 장치가 동작될 때 압축기가 공통 열 교환기의 상대적으로 고온인 단부에 상응하는 측부에 길이방향으로 위치되도록, 터빈 및 압축기가 서로에 대해서 길이방향으로 위치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예가 이하의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
- 장치가 동작될 때, 프레임의 고정 지점에 대한 공통 열 교환기의 연결부가, 상대적으로 고온인 단부 및 상대적으로 저온인 단부 사이에, 그리고 특히 수축될 가능성이 있는 열 교환기의 저온 단부와 팽창할 가능성이 있는 열 교환기의 고온 단부를 분리하는 열 교환기의 부분 내에 위치되는 열 교환기의 길이방향 위치에 위치되고,
- 장치가 동작될 때, 공통 열 교환기의 온도는 저온 단부와 고온 단부 사이에서 길이방향으로 변화되고, 특히 약 100K의 온도의 저온 단부는 팽창 메커니즘으로부터 오는 상대적으로 저온인 작업 유체를 수용하여 가열하고 쿨링된 작업 유체를, 팽창 메커니즘에 진입하기 전에, 배출하며, 특히 약 300K의 온도의 고온 단부는 압축 메커니즘으로부터 오는 고온 작업 유체를 수용하고 압축 메커니즘에 진입하기 전에 가열된 작업 유체를 배출하며, 프레임의 고정 지점에 대한 공통 열 교환기의 연결부가, 고온 단부와 저온 단부 사이에, 특히 200 내지 270K, 특히 250K의 동작 온도의 구역 내의 중간 길이방향 위치에 위치되고,
- 모터 및 공통 열 교환기의 각각을 프레임에 고정하기 위한 고정 지점들은 100 cm 미만, 특히 50 cm 미만만큼 길이방향(A)으로 이격되고, 바람직하게는 프레임의 길이방향으로 동일 레벨에 위치되며,
- 작업 유체를 쿨링하기 위한 메커니즘은, 2개의 압축기들의 배출구들에 각각 배치되고 작업 유체와 쿨링 유체 사이의 열 교환을 보장하는 2개의 쿨링 열 교환기를 포함하고, 프레임은 지지부에 고정되도록 의도된 하부 기부를 포함하고, 2개의 쿨링 열 교환기는 길이방향 축에 횡방향인 방향으로 공통 열 교환기의 옆에서 프레임 내에 위치되며, 이는 쿨링 열 교환기들이 공통 열 교환기와 프레임의 하부 기부 사이에 위치되지 않는다는 것을 의미하고,
- 2개의 쿨링 열 교환기의 각각은, 길이방향 축에 평행한 각각의 길이방향으로 연장되는 세장형 형상을 가지고,
- 2개의 쿨링 열 교환기들이 수직 방향으로 서로 상하로 배치되며,
- 각각의 쿨링 열 교환기는 쿨링하고자 하는 작업 가스를 위한 유입구 및 2개의 길이방향 단부에 각각 배치된 쿨링된 작업 가스를 위한 배출구를 포함하고, 각각의 쿨링 열 교환기는 쿨링 유체용 유입구 및 쿨링 유체용 배출구를 포함하고, 2개의 쿨링 열 교환기들은 서로 역으로 배치되고, 이는 2개의 쿨링 열 교환기들의 각각의 길이방향이 평행하거나 실질적으로 평행하고 상기 쿨링 열 교환기들 내의 작업 유체의 순환 방향들이 서로 반대된다는 것을 의미하고,
- 2개의 쿨링 열 교환기 중 하나의 쿨링 유체용 배출구는 다른 쿨링 열 교환기의 쿨링 유체용 유입구에 연결되며, 그에 따라 쿨링 열 교환기 중 하나를 통과하는 쿨링 유체의 유동의 일부는 다른 쿨링 열 교환기 내에서 이미 순환되었으며,
- 2개의 쿨링 열 교환기는 인접하여, 즉 50 내지 500 mm, 특히 10 내지 300 mm의 거리만큼 이격되는 방식으로 위치된다.
본 발명은 또한, 전술하거나 후술되는 특징 중 어느 하나에 따른 냉각 장치를 포함하는, 사용자 유체, 특히 천연 가스의 유동의 냉각 및/또는 액화를 위한 시스템에 관한 것으로서, 그러한 시스템은 사용자 유체의 적어도 하나의 탱크 및 쿨링 교환기 내의 상기 사용자 유체의 유동의 순환을 위한 도관을 포함한다.
또한, 본 발명은 청구범위 내의 전술한 또는 후술되는 특징의 임의의 조합을 포함하는 임의의 대안적인 장치 또는 방법에 관한 것일 수 있다.
추가적인 특정 특징 및 장점은 도면을 참조하여 제공되는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명을 구현할 수 있는 장치 및 시스템의 예의 구조 및 동작을 예시하는 개략적이고 부분적인 상면도를 도시한다.
도 2는 장치 및 시스템의 구조 및 동작의 상세 부분을 예시하는 도 1의 화살표(V)에 따른 개략적이고 부분적인 측면도를 도시한다.
도 3은 2개의 쿨링 열 교환기의 배열의 하나의 가능한 실시형태의 변형에 따른 장치 및 시스템의 구조 및 동작의 상세 부분을 예시하는 개략적이고 부분적인 도면을 도시한다.
도 1 및 도 2의 쿨링 및/또는 액화 시스템은, 쿨링 열 교환기(8)에서 냉기(쿨링 용량)를 공급하는 냉각 장치(1)를 포함한다.
시스템은 이러한 쿨링 교환기(8)와 열 교환되게 배치되는, 쿨링하고자 하는 유체의 유동의 순환을 위한 도관(125)을 포함한다. 예를 들어, 유체는 (예를 들어, 펌프를 통해서) 탱크(16)로부터 펌핑되고, 이어서 (바람직하게는 탱크(16)의 외부에서) 쿨링되고, 이어서 탱크로 복귀되는(예를 들어, 탱크(16)의 가스 상 내로 흘러 내리는(raining down)) 액체 천연 가스이다. 이는, 탱크(16)의 내용물을 쿨링 또는 과냉시킬 수 있게 하고 기화 발생을 제한한다. 예를 들어, 탱크(16)로부터의 액체는, 탱크(16) 내로 재주입되기 전에, 그 포화 온도 미만으로 과냉된다(그 온도가 몇 K, 특히 5 내지 20K 그리고 특히 14K로 떨어진다). 변형예에서, 이러한 냉각은, 특히 재액화를 위해서, 탱크로부터의 기화 가스에 적용될 수 있다. 이는, 냉각 장치(1)가 냉각 열 교환기(8)에서 냉기 용량을 생성한다는 것을 의미한다.
냉각 장치(1)는 순환 루프를 형성하기 위한 (바람직하게는 폐쇄된) 작업 회로(10)를 포함한다. 이러한 작업 회로(10)는 작업 유체(헬륨, 질소, 네온, 수소 또는 다른 적절한 가스 또는 혼합물, 예를 들어 헬륨 및 아르곤 또는 헬륨 및 질소 또는 헬륨 및 네온 또는 헬륨 및 아르곤 및 질소 또는 헬륨 및 질소 및 아르곤 또는 헬륨 및 네온 및 아르곤 또는 헬륨 및 질소 및 아르곤 및 네온 등)를 포함한다.
작업 회로(10)는 사이클을 형성하고, 사이클은: 작업 유체를 압축하기 위한 메커니즘(2, 3), 작업 유체를 쿨링하기 위한 메커니즘(4, 5, 6), 작업 유체를 팽창시키기 위한 메커니즘(7), 및 작업 유체를 가열하기 위한 메커니즘(6)을 포함한다.
장치(1)는 팽창 메커니즘(7)의 하류에 위치되고, 작업 회로(10) 내에서 순환되는 저온 작업 유체와의 열 교환에 의해서, 적어도 하나의 부재(25)에서 열을 추출하도록 의도된 냉각 열 교환기(8)를 포함한다.
작업 유체를 쿨링 및 가열하기 위한 메커니즘은 통상적으로 공통 열 교환기(6)를 포함하고, 그러한 공통 열 교환기를 통해서, 작업 유체는 사이클 내에서 쿨링 또는 가열되는지의 여부에 따라 달라지는 작업 회로(10)의 2개의 분리된 통로 부분들 내에서 향류로 통과한다.
쿨링 열 교환기(8)는 예를 들어 팽창 메커니즘(7)과 공통 열 교환기(6) 사이에 위치된다. 도시된 바와 같이, 이러한 냉각 열열 교환기(8)는 공통 열 교환기(6) 내로 통합될 수 있다(이는, 2개의 교환기들(6, 8)이 하나의 단편일 수 있고, 즉 하나의 그리고 동일한 교환 구조물을 공유하는 분리된 유체 회로들을 가질 수 있다는 것을 의미한다). 물론, 변형예에서, 쿨링 열 교환기(8)는 공통 열 교환기(6)와 별개인 열 교환기일 수 있다.
따라서, 비교적 고온 상태로 압축 메커니즘(2, 3)을 떠나는 작업 유체는, 팽창 메커니즘(7)에 진입하기 전에, 공통 열 교환기(6) 내에서 쿨링된다. 비교적 저온인 상태로 팽창 메커니즘(7) 및 쿨링 열 교환기(8)를 떠나는 작업 유체는, 새로운 사이클을 시작하기 위해서 압축 메커니즘(2, 3) 내로 복귀되기 전에, 공통 열 교환기(6) 내에서, 그 일부가, 가열된다.
압축 메커니즘(2, 3)은 적어도 2개의 압축기, 및 압축기(2, 3)를 위한 적어도 하나의 구동 모터(14, 15)를 포함할 수 있다. 또한, 바람직하게는, 장치의 냉각 용량은 가변적이고, 구동 모터(들)(14, 15)의 회전 속력(사이클 속력)을 조절함으로써 제어될 수 있다. 바람직하게는, 장치(1)에 의해서 생산되는 냉기 용량은, 모터(들)(14, 15)의 회전 속력을 0의 회전 속력과 최대 또는 공칭 속력 사이에서 변경하는 것에 의해서, 공칭 또는 최대 용량의 0 내지 100%만큼 조정될 수 있다. 그러한 아키텍처는 넓은 동작 범위에 걸쳐 높은 성능 레벨(예를 들어, 공칭 냉기 용량의 50%에서 97%의 공칭 성능)을 유지할 수 있게 한다.
도시된 비제한적인 예에서, 냉각 장치(1)는 직렬의 2개의 압축기(2, 3)를 포함한다. 이러한 2개의 압축기(2, 3)는 2개의 별개의 모터(14, 15)에 의해서 각각 구동될 수 있다. 터빈(7)이 2개의 모터 중 하나(14)의 구동 샤프트에 커플링된다. 예를 들어, 제1 모터(14)는 압축기(2)를 구동하고 터빈(7)(모터-터보압축기)에 커플링되는 한편, 다른 모터(15)는 압축기(3)(모터-압축기)만을 구동한다. 이러한 모터-터보압축기 및 이러한 모터-압축기의 순서는 작업 회로(10) 내에서 반전될 수 있다(이는, 직렬의 제1 압축기는, 샤프트가 터빈에 커플링되지 않은 모터에 의해서 구동되는 한편, 직렬의 제2 압축기는, 샤프트가 또한 터빈에 커플링되는 모터에 의해서 구동된다는 것을 의미한다).
예를 들어, 장치(1)는, 압축 스테이지(2, 3)를 각각 구동하기 위한 2개의 고속 모터(14, 15)(예를 들어, 10,000의 분당 회전수 또는 수만의 분당 회전수)를 포함한다. 터빈(7)은 압축 스테이지(2, 3) 중 하나의 모터(15)에 커플링될 수 있고, 이는 장치가 압축 스테이지(제1 또는 제2 스테이지)의 구동 모터(15)에 커플링된 팽창 메커니즘을 형성하는 터빈(7)을 가질 수 있다는 것을 의미한다.
따라서, 터빈(들)(7)의 동력이 유리하게 회수될 수 있고 모터(들)의 소비 감소를 위해서 사용될 수 있다. 따라서, 모터의 속력(그리고 그에 따라 작업 가스의 사이클 내의 유량)을 증가시킴으로써, 생성되는 냉각 용량 그리고 그에 따라 액화기의 전기 소비가 증가된다(또는 그 반대가 된다). 압축기(2, 3) 및 터빈(들)(7)은 바람직하게는 (기어형 이동 변속 메커니즘이 없이) 해당 모터의 출력 샤프트에 직접적으로 커플링된다.
모터의 출력 샤프트는 바람직하게는 자기 유형 또는 동적 가스 유형의 베어링에 장착된다. 베어링을 이용하여, 압축기 및 터빈을 지지한다.
도시된 예에서, 냉각 장치(1)는, 2개의 압축 스테이지 및 팽창 터빈(7)을 형성하는 2개의 압축기(2, 3)를 포함한다. 이는, 압축 메커니즘이, 바람직하게는 원심성 유형의 2개의 압축기(2, 3)를 직렬로 포함하고, 팽창 메커니즘은 단일 터빈(7), 바람직하게는 구심성 터빈을 포함한다. 물론, 압축기(들), 터빈(들) 및 모터(들)의 임의의 다른 부재 및 배열: 예를 들어 3개의 별개의 모터들에 의해서 각각 구동되는 3개의 압축기, 예를 들어 이러한 모터들 또는 3개의 압축기들 중 하나의 샤프트의 일 단부에 커플링된 터빈, 및 2개의 터빈 등이 생각될 수 있다. 다른 아키텍처, 특히 3개의 압축기 및 하나의 터빈, 또는 3개의 압축기 또는 2개 또는 3개의 터빈, 또는 2개의 압축기 및 2개의 터빈 등이 생각될 수 있다. 각각의 모터는 회전 구동 샤프트를 가질 수 있고, 그 하나의 단부는 압축기 그리고 선택적으로 다른 휠을 구동하고, 그 타 단부는 자유롭거나(휠이 단부에 부착되지 않는다) 선택적으로 적어도 하나의 다른 휠(압축기 또는 터빈)을 구동한다.
도시된 바와 같이, 냉각 열 교환기(4, 5)는 2개의 압축기(2, 3)의 각각의 배출구에 제공될 수 있다(예를 들어, 상온의 물 또는 쿨링제 회로(coolant circuit)(26)의 임의의 다른 쿨링 매개체 또는 유체와의 열 교환에 의한 쿨링). 도 2 참조.
이는, 등엔트로피 또는 등온 또는 실질적인 등온 압축을 실현할 수 있게 한다. 유사하게, 등엔트로피 또는 등온 팽창을 실현하기 위해서, 가열 교환기가 팽창 터빈(7)의 모두 또는 일부의 배출구에 제공될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 또한 바람직하게는, 작업 유체의 가열 및 쿨링은 바람직하게는 등압적이나, 이러한 것으로 제한되지 않는다.
장치는 프레임(100), 예를 들어 평행 6면체 프레임 내에 수용된다. 프레임(100)은 하부 기부(101)를 포함한다. 도 2의 도시와 대조적으로, 프레임의 상부 단부는 장치 위의 구조물을 반드시 가질 필요는 없고, 장치의 가장 높은 지점에서 또는 그 아래에서 기부(101)의 수직 위에 위치되는 주변 스트럿만을 가질 수 있다. 이는, 프레임이 장치의 전체 주위에서, 그러나 상부 부분을 덮지 않으면서, 측방향 보호부를 형성할 수 있다는 것을 의미한다.
압축기(2) 및 터빈을 구비하는 모터(14)가 고정 지점(104)에서 프레임(100)에 고정된다. 예를 들어, 프레임(100)은, 평행 6면체이고 강성 스트럿 또는 빔으로 형성되는 주변부 또는 구조물을 포함한다. 예를 들어, 이러한 모터(14)는, 예를 들어 나사 작업 및/또는 리벳 작업 및/또는 용접에 의해서, 주변 길이방향 스트럿에 고정된다.
유사하게, 공통 열 교환기(6)는 고정 지점(106)에서 프레임(100)에 고정된다. 예를 들어, 이러한 열 교환기(6)는, 예를 들어 나사 작업 및/또는 리벳 작업 및/또는 용접에 의해서, 중앙 길이방향 스트럿에 고정된다.
공통 열 교환기(6)의 2개의 향류 통로 부분은 프레임(100)의 길이방향(A)으로 배향된다. 이는, 공통 열 교환기(6)가 길이방향(A)으로 배향되고 그 내부의 작업 가스의 유동이 이러한 방향으로 실질적으로 평행하게 통과한다는 것을 의미한다.
도 1에서 확인될 수 있는 바와 같이, 압축기(2) 및 터빈(7)을 구비하는 모터(14, 15)의 구동 샤프트는 또한 이러한 길이방향(A)에 평행한 또는 실질적으로 평행한 방향으로 배향될 수 있다.
또한, 터빈(7) 및 압축기(2)는 비교적 길이방향으로 배치되고, 그에 따라, 장치가 동작될 때 터빈(7)은 공통 열 교환기(6)의 상대적으로 저온인 단부에 상응하는 측부 상에 길이방향으로 위치되고(도 1의 우측), 장치가 동작될 때 압축기(2)는 공통 열 교환기(6)의 상대적으로 고온인 단부에 상응하는 측부 상에 길이방향으로 위치된다(도 1의 좌측).
이는:
고온 동작 상태로부터 저온 동작 상태로 전환될 때 치수적 수축이 발생될 수 있는 요소(교환기(6), 터빈(7) 및 관련 파이프의 일부)가 장치의 하나의 그리고 동일한 측부(이러한 경우에 도 1의 길이방향 및 우측)에 배치될 수 있게 하고,
고온 동작 상태로부터 전환될 때 치수적 수축이 발생될 수 있는 요소(교환기(6), 압축기(2) 및 관련 파이프의 일부)가 장치의 하나의 그리고 동일한 측부(이러한 경우에 도 1의 길이방향 및 좌측)에 배치될 수 있게 한다.
고정된 고정 지점(104, 106)의 양 측부에 위치되는 이러한 요소들은 그에 따라 구속되지 않고 자유롭게 수축/팽창될 수 있다.
"저온" 요소(터빈(7), 교환기의 저온 단부 및 연관 파이프)는 동일 방향으로(도 1의 좌측으로) 자유롭게 수축된다. "고온" 요소(압축기(2), 열 교환기(6)의 고온 단부 및 연관 파이프)는 동일 방향으로(마찬가지로 도 1의 좌측으로) 자유롭게 팽창된다. 이러한 것은 장치 상에서 원치 않는 힘을 방지하거나 제한할 수 있게 하고, 이는 내부의 온도 변화에 의해서 유발되는 치수적 변화를 보다 잘 흡수할 수 있게 한다.
구체적으로, 통상적으로 장치가 동작(특히 공칭 동작)될 때, 열 교환기(6)의 온도가 저온 단부와 고온 단부 사이에서 길이방향 구배를 따라서 균등화된다. 예를 들어 약 100k의 온도의 저온 단부는, 팽창 메커니즘(7)으로부터 오는 상대적으로 저온인 작업 유체를 수용하여 이를 가열하며, 팽창 메커니즘(7)에 진입하기 전에, 냉각된 작업 유체를 다른 방향으로 배출하는, 열 교환기(6)의 단부이다. 예를 들어 약 300k의 온도의 고온 단부는, 압축 메커니즘으로부터 오는 고온 작업 유체를 수용하고 이를, 압축 메커니즘에 진입하기 전에, 가열된 작업 유체를 다른 방향으로 배출하는, 공통 열 교환기(6)의 단부이다.
유리한 특정 특징에 따라, 프레임(100)의 고정 지점(106)에 대한 공통 열 교환기(6)의 연결부는 저온 단부와 고온 단부 사이의, 특히 200 내지 270K, 특히 250K의 동작 온도의 구역 내의 열 교환기(6)의 중간 길이방향 위치에 위치된다.
바람직하게는, 프레임(100)의 고정 지점에 대한 공통 열 교환기(6)의 연결부는, 장치가 동작될 때, 상대적으로 고온인 단부와 상대적으로 저온인 단부 사이에, 그리고 특히 수축(저온으로의 쿨링에 의해서 유발되는 수축차) 가능성이 있는 열 교환기(6)의 저온 단부와 팽창(고온으로의 가열에 의해서 유발되는 팽창차) 가능성이 있는 열 교환기(6)의 고온 단부를 분리하는 열 교환기의 부분 내에 위치되는 열 교환기(6)의 길이방향 위치에 위치된다.
이는, 공통 열 교환기(6)의 저온 부분 및 연관된 저온 파이프가 (도 1의 예에서 좌측을 향해서) 자유롭게 수축될 수 있게 하고, 고온 부분이 (도 1의 예에서 좌측을 향해서) 자유롭게 팽창될 수 있게 한다.
이는, 장치 내의 유해한 기계적 응력을 감소시킨다.
바람직하게는, 모터(14) 및 공통 열 교환기(6)의 각각을 프레임(100)에 고정하기 위한 고정 지점들(104, 106)은 프레임 상의 동일한 길이방향 레벨에 또는 100 cm 미만, 특히 50 cm 미만만큼 길이방향(A)으로 이격되어 위치된다.
고정 지점들을 이러한 방식으로 배치함으로써, 하나의 부분을 위한, 수축 가능성이 있는 냉기 요소 및 다른 부분을 위한, 팽창 가능성이 있는 상대적으로 고온인 요소가 서로 상대적으로 배치되고, 그에 따라 상반되는 반대로-작용하는 대향 힘들을 유발하지 않거나 제한하면서, 동일한 유형의 이동이 이루어질 수 있게 한다.
프레임(100)은 지지부(예를 들어, 선박의 지면 또는 바닥 또는 예를 들어 쿨링하고자 하는 액체의 탱크(16)의 상단부)에 고정되도록 의도된 하부 기부(101)를 포함한다. 이러한 기부는, 길이방향 또는 횡방향 스트럿을 구비하는 직사각형을 경계 짓는 강성 스트럿으로 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 장치의 요소의 적어도 일부가 이러한 기부(101), 특히 공통 열 교환기(6) 및 냉각 교환기(8)를 수용하는 박스 구조물에 고정될 수 있다.
2개의 쿨링 열 교환기(4, 5)는, 길이방향 축(A)에 횡방향으로 공통 열 교환기(6)의 옆에서, 프레임(100) 내에 배치될 수 있다. 이는, 쿨링 열 교환기(4, 5)가 공통 열 교환기(6)와 프레임(100)의 하부 기부(101) 사이에 위치되지 않는다는 것을 의미한다. 본 발명자는, 이러한 배치가, 특히 장치가 선박 상에 장착될 때, 힘과 관련된 장치의 무결성을 개선하는 질량 분포를 보장한다는 것을 발견하였다.
도시된 바와 같이, 2개의 쿨링 열 교환기(4, 5)의 각각은, 길이방향 축(A)에 평행한 각각의 길이방향으로 연장되는 세장형 형상을 가질 수 있다. 2개의 쿨링 열 교환기들(4, 5)이 수직 방향으로 서로 상하로 배치될 수 있다.
각각의 쿨링 열 교환기(4, 5)는 쿨링 유체를 위한 유입구(24, 25) 및 쿨링 유체를 위한 배출구(34, 35)를 포함한다. 유리한 특정 특징에 따라, 2개의 쿨링 열 교환기(4, 5) 중 하나의 쿨링 유체용 배출구(34)는 다른 쿨링 열 교환기(5)의 쿨링 유체용 유입구(25)에 연결될 수 있고, 그에 따라 쿨링 열 교환기 중 하나(5)를 통과하는 쿨링 유체의 유동의 일부는 다른 쿨링 열 교환기(4) 내에서 이미 순환되었다(도 3 참조).
이는, 2개의 쿨링 열 교환기(4, 5)가 (쿨링 유체의 유동을 2개의 교환기(4, 5) 내에 각각 분포된 2개의 절반부로 세분하는 대신) 쿨링 유체의 유동의 100%를 수용할 수 있게 한다.
따라서, 쿨링 유체 유량의 이러한 상대적인 증가는 열 교환 계수를 증가시킬 수 있게 하고, 그에 따라 쿨링의 품질 및 신뢰성을 개선한다. 또한, 이러한 해결책은 (특히, 하나의 회로 또는 교환기와 다른 회로 또는 교환기 사이에서 다를 수 있는 압력 강하로 인해서) 2개의 유량들이 2개의 열 교환기들 내에서 분기될 수 있는 알려진 해결책의 필연적인 문제를 회피할 수 있게 한다.
이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 이러한 배치는 또한, 열 교환기(4, 5)를 향하는 또는 열 교환기(4, 5)로부터 오는 쿨링 유체 및 작업 가스를 위한 도관의 네트워크를 단순화할 수 있게 한다. 특히, 이러한 배치는, 작업 유체 및 쿨링 유체를 운반하는 도관의 수 및/또는 길이를 줄이는 것에 의해서, 작업 유체와 쿨링 유체 사이의 향류 순환을 허용하면서, 유체(쿨링 유체 및 작업 유체)를 위한 순환 회로를 더 작은 공간 내에 보다 용이하게 배치할 수 있게 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 예를 들어 쿨링제 회로(26)는 쿨링 유체를 먼저 제2 쿨링 열 교환기(5)에 그리고 이어서 제1 쿨링 열 교환기(5)에 공급한다("제1" 및 "제2"라는 수식어는 작업 유체의 순환 방향을 따른 제1 및 제2 압축 스테이지를 지칭한다).
물론, 반대 배치도 생각될 수 있다(쿨링 유체가 먼저 제1 열 교환기(4)에서 그리고 이어서 제2 열 교환기(5)에서 순환된다).
도시된 바와 같이, 둘 모두의 경우에, 2개의 유체(쿨링하고자 하는 작업 유체 및 상대적으로 더 저온인 쿨링 유체)의 순환 방향은 바람직하게는 각각의 교환기를 통해서 향류적으로 또는 반대되는 방향들로 통과된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 쿨링 유체의 통로를 위한 2개의 쿨링 열 교환기들(4, 5) 사이의 유체 연결부가 단순화될 수 있고 더 작을 수 있다. 하나의 쿨링 교환기(4, 5)로부터 다른 교환기로의 쿨링 유체의 이러한 전달은 특히 2개의 열 교환기들(4, 5) 사이의 짧고 용접된 튜브 부분, 또는 단순한 튜브 또는 연결체에 의해서 실현될 수 있다.
전술한 바와 같이, 2개의 쿨링 열 교환기들(4, 5)은 특히 인접하여, 특히 서로 나란히 배치될 수 있다. 이는, 장치의 공간 요건을 최적화한다.
필요한 경우, 2개의 쿨링 열 교환기(4, 5)가 하나의 그리고 동일한 케이싱 또는 하우징 내에 통합될 수 있고, 그러한 케이싱 또는 하우징은 작업 유체의 순환을 위한 2개의 분리된 통로들을 포함하고, 상기 2개의 통로는 쿨링 유체 회로의 하나의 그리고 동일한 순환 채널의 직렬인 2개의 부분들과 각각 열 교환된다. 예를 들어, 쿨링 열 교환기(4, 5)의 각각은 각각의 길이방향으로 연장되는 세장형 형상을 가질 수 있다. 각각의 쿨링 열 교환기(4, 5)는, 2개의 길이방향 단부에 각각 배치된, 쿨링하고자 하는 작업 가스를 위한 유입구 및 쿨링된 작업 가스를 위한 배출구를 포함한다.
쿨링 열 교환기(4, 5)는 튜브 유형의, 쉘(shell) 및 튜브 유형의, 판 유형의, 또는 임의의 다른 적합한 기술의 교환기일 수 있다. 교환기(4, 5)는 알루미늄 및/또는 스테인리스 강으로 제조될 수 있다.
또한, 2개의 쿨링 열 교환기(4, 5)는 바람직하게는 서로 역으로 장치 내에 배치되고, 이는, 2개의 쿨링 열 교환기(4, 5)의 각각의 길이방향이 평행하거나 실질적으로 평행하고 상기 쿨링 열 교환기(4, 5) 내의 작업 유체의 순환 방향들이 서로 반대된다는 것을 의미한다. 쿨링 유체의 순환과 관련된 배치와 조합된 이러한 배치는, 장치에서 매우 양호한 성능을 제공하면서, 유체 회로들의 복잡성을 최소화할 수 있게 한다.
장치의 전부 또는 일부, 특히 그 저온 부재가 단열 밀봉된 케이싱(11) (특히, 공통 향류 열 교환기 및 냉각 교환기(8)를 포함하는 진공 챔버) 내에 수용될 수 있다.
본 발명은 다른 유체 또는 혼합물, 특히 수소를 쿨링 및/또는 액화하기 위한 방법에 적용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 저온 냉각 장치, 즉 -100℃ 내지 -273℃의 온도로 냉각하기 위한 냉각 장치로서, 상기 장치는 프레임(100) 내에 배치되고, 루프를 형성하고 작업 유체를 수용하는 작업 회로(10)를 포함하고, 상기 작업 회로(10)는 사이클을 형성하고, 상기 사이클은 직렬로: 상기 작업 유체를 압축하기 위한 메커니즘(2, 3), 상기 작업 유체를 쿨링하기 위한 메커니즘(4, 5, 6), 상기 작업 유체를 팽창시키기 위한 메커니즘(7), 및 상기 작업 유체를 가열하기 위한 메커니즘(6, 8)을 포함하고, 상기 장치(1)는 상기 작업 회로(10) 내에서 순환되는 작업 유체와의 열 교환에 의해서 적어도 하나의 부재(125)에서 열을 추출하도록 의도된 냉각 열 교환기(8)를 포함하고, 상기 작업 유체를 쿨링하기 위한 메커니즘 및 가열하기 위한 메커니즘은 공통 열 교환기(6)를 포함하고, 상기 공통 열 교환기를 통해서, 상기 작업 유체는 쿨링되는지 또는 가열되는지의 여부에 따라 달라지는 상기 작업 회로(10)의 2개의 분리된 통로 부분들 내에서 향류로 통과하고, 상기 압축 메커니즘은 적어도 2개의 압축기(2, 3) 및 상기 압축기(2, 3)를 위한 적어도 하나의 구동 모터(14, 15)를 포함하고, 상기 작업 유체를 팽창시키기 위한 메커니즘은 적어도 하나의 회전 터빈(7)을 포함하고, 상기 장치는 구동 샤프트를 포함하는 적어도 하나의 구동 모터(14, 15)를 포함하고, 상기 구동 샤프트의 일 단부는 적어도 하나의 압축기(2)를 구동하고 그 타 단부는 터빈(7)에 커플링되며, 상기 모터(14)는 적어도 하나의 고정 지점(104)에서 상기 프레임(100)에 고정되고, 상기 공통 열 교환기(6)는 적어도 하나의 고정 지점(106)에서 상기 프레임(100)에 고정되며, 상기 공통 열 교환기(6)의 2개의 향류 통로 부분들은 상기 프레임(100)의 길이방향(A)으로 배향되며, 상기 구동 모터(14, 15)의 구동 샤프트는 상기 길이방향(A)에 평행한 또는 실질적으로 평행한 방향으로 배향되고, 상기 장치가 동작될 때 상기 터빈(7)이 상기 공통 열 교환기(6)의 상대적으로 저온인 단부에 상응하는 측부에서 길이방향으로 위치되도록 그리고 상기 장치가 동작될 때 상기 압축기(2)가 상기 공통 열 교환기(6)의 상대적으로 고온인 단부에 상응하는 측부에서 길이방향으로 위치되도록, 상기 터빈(7) 및 압축기(2)가 서로에 대해서 길이방향으로 위치되는, 냉각 장치에 있어서, 상기 장치가 동작될 때, 상기 프레임(100)의 고정 지점에 대한 상기 공통 열 교환기(6)의 연결부가, 상기 상대적으로 고온인 단부 및 상대적으로 저온인 단부 사이에, 그리고 특히 수축될 가능성이 있는 상기 열 교환기(6)의 저온 단부와 팽창할 가능성이 있는 상기 열 교환기(6)의 고온 단부를 분리하는 상기 열 교환기(6)의 부분 내에 위치되는 상기 열 교환기(6)의 길이방향 위치에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장치가 동작될 때, 상기 공통 열 교환기(6)의 온도는 저온 단부와 고온 단부 사이에서 길이방향으로 변화되고, 특히 약 100K의 온도의 상기 저온 단부는 상기 팽창 메커니즘(7)으로부터 오는 상대적으로 저온인 작업 유체를 수용하여 가열하고 상기 쿨링된 작업 유체를, 상기 팽창 메커니즘(7)에 진입하기 전에, 배출하며, 특히 약 300K의 온도의 상기 고온 단부는 상기 압축 메커니즘으로부터 오는 고온 작업 유체를 수용하고 상기 압축 메커니즘에 진입하기 전에 상기 가열된 작업 유체를 배출하며, 상기 프레임(100)임의 고정 지점(106)에 대한 상기 공통 열 교환기(6)의 연결부가, 상기 저온 단부와 고온 단부 사이에, 특히 200 내지 270K, 특히 250K의 동작 온도의 구역 내의 중간 길이방향 위치에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 모터(14) 및 상기 공통 열 교환기(6)의 각각을 상기 프레임(100)에 고정하기 위한 상기 고정 지점들(104, 106)은 100 cm 미만, 특히 50 cm 미만만큼 상기 길이방향(A)으로 이격되고, 바람직하게는 상기 프레임의 길이방향(A)으로 동일 레벨에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작업 유체를 쿨링하기 위한 상기 메커니즘(4, 5, 6)은, 상기 2개의 압축기들(2, 3)의 배출구들에 각각 배치되고 상기 작업 유체와 쿨링 유체 사이의 열 교환을 보장하는 2개의 쿨링 열 교환기(4, 5)를 포함하고, 상기 프레임(100)은 지지부에 고정되도록 의도된 하부 기부(101)를 포함하고, 상기 2개의 쿨링 열 교환기(4, 5)는 상기 길이방향 축(A)에 횡방향인 방향으로 상기 공통 열 교환기(6)의 옆에서 상기 프레임(100) 내에 위치되며, 이는 상기 쿨링 열 교환기들(4, 5)이 상기 공통 열 교환기(6)와 상기 프레임(100)의 하부 기부(101) 사이에 위치되지 않는다는 것을 의미하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 2개의 쿨링 열 교환기(4, 5)의 각각은, 상기 길이방향 축(A)에 평행한 각각의 길이방향으로 연장되는 세장형 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 2개의 쿨링 열 교환기(4, 5)가 서로 상하로 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각각의 쿨링 열 교환기(4, 5)는 쿨링하고자 하는 작업 가스를 위한 유입구 및 2개의 길이방향 단부에 각각 배치된 쿨링된 작업 가스를 위한 배출구를 포함하고, 각각의 쿨링 열 교환기(4, 5)는 쿨링 유체용 유입구(24, 25) 및 쿨링 유체용 배출구(34, 35)를 포함하고, 상기 2개의 쿨링 열 교환기들(4, 5)은 서로 역으로 배치되고, 이는 상기 2개의 쿨링 열 교환기들(4, 5)의 각각의 길이방향이 평행하거나 실질적으로 평행하고 상기 쿨링 열 교환기들(4, 5) 내의 상기 작업 유체의 순환 방향들이 서로 반대된다는 것을 의미하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 2개의 쿨링 열 교환기(4, 5) 중 하나의 쿨링 유체용 배출구(34, 35)는 상기 다른 쿨링 열 교환기(5)의 쿨링 유체용 유입구(24, 25)에 연결되고, 그에 따라 상기 쿨링 열 교환기 중 하나(5, 4)를 통과하는 쿨링 유체의 유동의 일부는 상기 다른 쿨링 열 교환기(4, 5) 내에서 이미 순환된 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 쿨링 열 교환기(4, 5)는 인접하여, 즉 0 내지 500 mm, 특히 10 내지 300 mm의 거리만큼 이격되는 방식으로 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 냉각 장치(1)를 포함하는, 사용자 유체, 특히 천연 가스의 유동의 냉각 및/또는 액화를 위한 시스템으로서, 사용자 유체의 적어도 하나의 탱크(16) 및 상기 쿨링 교환기(8) 내의 상기 사용자 유체의 유동의 순환을 위한 도관(125)을 포함하는, 시스템.
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