KR20220139074A - Cryogenic reciprocating pump for generating high pressure liquid using tension, and operating method thereof - Google Patents

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KR20220139074A KR1020210045238A KR20210045238A KR20220139074A KR 20220139074 A KR20220139074 A KR 20220139074A KR 1020210045238 A KR1020210045238 A KR 1020210045238A KR 20210045238 A KR20210045238 A KR 20210045238A KR 20220139074 A KR20220139074 A KR 20220139074A
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Abstract

Disclosed are a cryogenic reciprocating pump for generating high pressure liquid using tension and an operating method thereof. The cryogenic reciprocating pump comprises: a first chamber, a space in which cryogenic liquid flows in from an inlet and is supercooled; a second chamber, a space which is disposed on the first chamber and in which the supercooled liquid that has flowed in from the first chamber is pressurized up to a target pressure and is emitted through an outlet; a rod which moves upward and downward inside the first chamber and the second chamber; a first piston which is connected to the rod, separates the first chamber into a lower end and an upper end, and adjusts the pressure of the first chamber and makes flowage according to a movement of the rod; a second piston which is connected to the rod, separates the second chamber into a lower end and an upper end, and adjusts the pressure of the second chamber and makes flowage according to the movement of the rod; and check valves which are opened and closed according to a pressure difference generated by the movement of the rod to form liquid flow from the inlet to the outlet. Liquid in the upper end of the second chamber is pressurized up to the target pressure while the rod is raised by tension. The present invention can reduce heat penetration through the outwardly extended rod.

Description

장력을 이용하여 고압 액체를 생성하는 극저온 왕복동 펌프 및 이의 동작 방법{CRYOGENIC RECIPROCATING PUMP FOR GENERATING HIGH PRESSURE LIQUID USING TENSION, AND OPERATING METHOD THEREOF}Cryogenic reciprocating pump for generating high-pressure liquid using tension and method of operation thereof

본 발명은 극저온 왕복동 펌프에 관한 것이다.The present invention relates to a cryogenic reciprocating pump.

종래의 극저온 왕복동 펌프의 경우, 피스톤/플런저가 연결된 막대(rod)가 액화수소 챔버(Chamber)에서 위아래로 움직이고, 막대가 아래로 내려올 때 액화수소가 압축되어 고압 상태가 된다. 따라서, 종래 기술은 고압 액체를 만들기 위해, 긴 형상의 막대에 압축응력(compressive stress)을 반복적으로 가하기 때문에, 같은 크기의 인장응력(tensile stress)이 가해지는 경우보다 옆으로 휘는 버클링(buckling)의 발생 가능성이 높아진다. 이를 방지하기 위해 굵은 막대를 사용할 수 있으나, 막대의 단면적을 통해 챔버로의 열전달이 커지고, 막대의 열용량이 커져 펌프 작동 초기에 극저온 액체의 소모를 증가시킨다.In the case of a conventional cryogenic reciprocating pump, a rod to which a piston/plunger is connected moves up and down in a liquid hydrogen chamber, and when the rod descends, the liquid hydrogen is compressed to a high pressure state. Therefore, in the prior art, in order to make a high-pressure liquid, since a compressive stress is repeatedly applied to a long-shaped rod, buckling is bent laterally than when a tensile stress of the same size is applied. increases the likelihood of the occurrence of To prevent this, a thick rod can be used, but heat transfer to the chamber through the cross-sectional area of the rod increases, and the heat capacity of the rod increases, thereby increasing the consumption of the cryogenic liquid at the beginning of the pump operation.

(특허문헌 1) KR20140098824 A(Patent Document 1) KR20140098824 A

(특허문헌 2) US6722866 B (Patent Document 2) US6722866 B

본 개시는 장력을 이용하여 고압 액체를 생성하는 극저온 왕복동 펌프 및 이의 동작 방법을 제공하는 것이다.The present disclosure provides a cryogenic reciprocating pump for generating high-pressure liquid using tension and a method of operating the same.

한 실시예에 따른 극저온 왕복동 펌프는, 입구로부터 극저온 액체가 유입되고 과냉되는 공간인 제1챔버, 상기 제1챔버의 위에 배치되고, 상기 제1챔버에서 유입된 과냉상태의 액체가 목표 압력까지 가압되어 출구로 배출되는 공간인 제2챔버, 상기 제1챔버와 상기 제2챔버 내에서 위아래로 움직이는 막대(rod), 상기 막대에 연결되고 상기 제1챔버를 하단과 상단으로 분리하며, 상기 막대의 움직임에 따라 상기 제1챔버의 압력을 조절하고 유동을 만드는 제1피스톤, 상기 막대에 연결되고 상기 제2챔버를 하단과 상단으로 분리하며, 상기 막대의 움직임에 따라 상기 제2챔버의 압력을 조절하고 유동을 만드는 제2피스톤, 그리고 상기 막대의 움직임에 따라 발생하는 압력 차이에 따라 개폐되어 상기 입구에서 상기 출구 방향으로 액체 흐름을 형성하는 체크밸브들을 포함한다. 상기 막대가 장력에 의해 상승하는 동안, 상기 제2챔버 상단의 액체가 상기 목표 압력까지 가압된다.The cryogenic reciprocating pump according to an embodiment includes a first chamber, which is a space in which a cryogenic liquid is introduced and supercooled from an inlet, and is disposed on the first chamber, and the supercooled liquid introduced from the first chamber is pressurized to a target pressure. A second chamber that is a space that is discharged to the outlet, a rod that moves up and down in the first chamber and the second chamber, is connected to the rod and separates the first chamber into a lower end and an upper end of the rod A first piston that adjusts the pressure of the first chamber according to movement and creates a flow, is connected to the rod and separates the second chamber into a lower end and an upper end, and adjusts the pressure of the second chamber according to the movement of the rod and a second piston for creating a flow, and check valves that open and close according to a pressure difference generated according to the movement of the rod to form a liquid flow from the inlet to the outlet. While the rod is raised by tension, the liquid at the top of the second chamber is pressurized to the target pressure.

상기 막대가 누르는 힘에 의해 하강하는 동안, 상기 제1챔버와 상기 제2챔버 내부에서 액체가 이동할 수 있다.While the rod is lowered by the pressing force, the liquid may move in the first chamber and the second chamber.

상기 체크밸브들은 상기 입구와 상기 제1챔버 하단을 연결하도록 배치되고, 상기 입구와 상기 제1챔버 하단의 압력 차이가 발생하면 상기 제1챔버 하단으로 액체를 유입시키는 제1체크밸브, 상기 제1피스톤에 배치되고, 상기 제1챔버 하단과 상기 제1챔버 상단의 압력 차이가 발생하면 상기 제1챔버 하단에서 상기 제1챔버 상단으로 액체를 이동시키는 제2체크밸브, 상기 제1챔버 상단과 상기 제2챔버 하단을 연결하도록 배치되고, 상기 제1챔버 상단과 상기 제2챔버 하단의 압력 차이가 발생하면, 상기 제1챔버 상단에서 상기 제2챔버 하단으로 액체를 이동시키는 제3체크밸브, 상기 제2피스톤에 배치되고, 상기 제2챔버 하단과 상기 제2챔버 상단의 압력 차이가 발생하면 상기 제2챔버 하단에서 상기 제2챔버 상단으로 액체를 이동시키는 제4체크밸브, 그리고 상기 제2챔버 상단과 상기 출구를 연결하도록 배치되고, 상기 제2챔버 상단과 상기 출구의 압력 차이가 발생하면 상기 제2챔버 상단에서 상기 출구로 액체를 배출시키는 제5체크밸브를 포함할 수 있다.The check valves are disposed to connect the inlet and the lower end of the first chamber, and when a pressure difference between the inlet and the lower end of the first chamber occurs, a first check valve for introducing a liquid into the lower end of the first chamber, the first a second check valve disposed on the piston and configured to move liquid from the lower end of the first chamber to the upper end of the first chamber when a pressure difference between the lower end of the first chamber and the upper end of the first chamber occurs; a third check valve disposed to connect the lower ends of the second chamber and configured to move the liquid from the upper end of the first chamber to the lower end of the second chamber when a pressure difference between the upper end of the first chamber and the lower end of the second chamber occurs; a fourth check valve disposed on the second piston and configured to move liquid from a lower end of the second chamber to an upper end of the second chamber when a pressure difference between the lower end of the second chamber and the upper end of the second chamber occurs; and It may include a fifth check valve disposed to connect the upper end and the outlet, and for discharging the liquid from the upper end of the second chamber to the outlet when a pressure difference between the upper end of the second chamber and the outlet occurs.

상기 막대가 장력에 의해 상승하는 동안, 상기 제1체크밸브, 상기 제3체크밸브 그리고 상기 제5체크밸브가 열리고, 상기 제2체크밸브 및 상기 제4체크밸브는 닫힐 수 있다.While the rod is raised by tension, the first check valve, the third check valve, and the fifth check valve may be opened, and the second check valve and the fourth check valve may be closed.

상기 제1체크밸브는 위로 올라간 상기 제1피스톤에 의해 상기 입구와 상기 제1챔버 하단의 압력 차이가 발생하면 열리고, 상기 제1챔버 하단으로 액체를 유입시킨다. 상기 제3체크밸브는 상기 제1피스톤에 의해 상기 제1챔버 상단이 가압되어 상기 제1챔버 상단과 상기 제2챔버 하단의 압력 차이가 발생하면 열리고, 상기 제1챔버 상단에서 상기 제2챔버 하단으로 액체를 이동시킨다. 상기 제5체크밸브는 상기 제2챔버 상단의 액체가 상기 제2피스톤에 의해 상기 목표 압력까지 가압되어 상기 제2챔버 상단과 상기 출구의 압력 차이가 발생하면 열리고, 상기 출구로 액체를 배출시킨다.The first check valve is opened when a pressure difference between the inlet and the lower end of the first chamber is generated by the raised first piston, and the liquid flows into the lower end of the first chamber. The third check valve opens when the upper end of the first chamber is pressed by the first piston and a pressure difference between the upper end of the first chamber and the lower end of the second chamber occurs, and the lower end of the second chamber from the upper end of the first chamber move the liquid to The fifth check valve opens when the liquid at the upper end of the second chamber is pressurized to the target pressure by the second piston and a pressure difference between the upper end of the second chamber and the outlet occurs, and the liquid is discharged to the outlet.

상기 막대가 누르는 힘에 의해 하강하는 동안, 상기 제1체크밸브, 상기 제3체크밸브 그리고 상기 제5체크밸브가 닫히고, 상기 제2체크밸브 및 상기 제4체크밸브는 열릴 수 있다.While the rod descends by the pressing force, the first check valve, the third check valve, and the fifth check valve may be closed, and the second check valve and the fourth check valve may be opened.

상기 제2체크밸브는 상기 제1피스톤에 의해 상기 제1챔버 상단이 압축되어 상기 제1챔버 하단과 상기 제1챔버 상단의 압력 차이가 발생하면 열리고, 상기 제1챔버 하단에서 상기 제1챔버 상단으로 액체를 이동시킨다. 상기 제4체크밸브는 상기 제2피스톤에 의해 상기 제2챔버 하단이 압축되어 상기 제2챔버 하단과 상기 제2챔버 상단의 압력 차이가 발생하면 열리고, 상기 제2챔버 하단에서 상기 제2챔버 상단으로 액체를 이동시킨다.The second check valve opens when the upper end of the first chamber is compressed by the first piston and a pressure difference between the lower end of the first chamber and the upper end of the first chamber occurs, and the upper end of the first chamber from the lower end of the first chamber move the liquid to The fourth check valve opens when the lower end of the second chamber is compressed by the second piston and a pressure difference between the lower end of the second chamber and the upper end of the second chamber occurs, and the upper end of the second chamber from the lower end of the second chamber move the liquid to

상기 극저온 액체는 극저온 액화수소일 수 있다.The cryogenic liquid may be cryogenic liquid hydrogen.

상기 출구는 고압 액화수소 저장소에 연결될 수 있다.The outlet may be connected to a high-pressure liquid hydrogen reservoir.

다른 실시예에 따른 극저온 왕복동 펌프는, 유입된 극저온 액체가 목표 압력까지 가압되어 출구로 배출되는 공간인 가압 챔버, 상기 가압 챔버 내에서 위아래로 움직이는 막대, 상기 막대에 연결되고 상기 가압 챔버를 하단과 상단으로 분리하며, 상기 막대의 움직임에 따라 상기 가압 챔버 하단과 상단의 압력을 조절하고 유동을 만드는 가압 챔버용 피스톤, 액체 유입 지점과 상기 가압 챔버 하단을 연결하도록 배치되고, 상기 액체 유입 지점과 상기 가압 챔버 하단의 압력 차이가 발생하면, 상기 가압 챔버 하단으로 액체를 유입시키는 제1체크밸브, 상기 가압 챔버용 피스톤에 배치되고, 상기 가압 챔버 하단과 상기 가압 챔버 상단의 압력 차이가 발생하면 상기 가압 챔버 하단에서 상기 가압 챔버 상단으로 액체를 이동시키는 제2체크밸브, 그리고 상기 가압 챔버 상단과 상기 출구를 연결하도록 배치되고, 상기 가압 챔버 상단과 상기 출구의 압력 차이가 발생하면 상기 가압 챔버 상단에서 상기 출구로 액체를 배출시키는 제3체크밸브를 포함한다. 상기 출구는 상기 액체 유입 지점보다 높은 지점에 위치한다. 상기 제1체크밸브, 상기 제2체크밸브 그리고 상기 제3체크밸브는 상기 액체 유입 지점에서 상기 출구 방향으로 액체 흐름을 형성하도록 개폐된다.A cryogenic reciprocating pump according to another embodiment is a pressurized chamber, which is a space in which the introduced cryogenic liquid is pressurized to a target pressure and discharged to an outlet, a bar moving up and down in the pressurized chamber, and connected to the bar and connecting the pressurized chamber to the bottom and A piston for the pressure chamber that separates to the upper end and adjusts the pressure at the lower end and upper end of the pressurization chamber and creates a flow according to the movement of the rod, arranged to connect the liquid inlet point and the lower end of the pressurization chamber, the liquid inlet point and the When a pressure difference at the lower end of the pressurization chamber occurs, a first check valve for introducing a liquid into the lower end of the pressurization chamber is disposed in the piston for the pressurization chamber, and when a pressure difference between the lower end of the pressurization chamber and the upper end of the pressurization chamber occurs, the pressurization A second check valve for moving the liquid from the lower chamber to the upper end of the pressurization chamber, and disposed to connect the upper end of the pressurization chamber and the outlet, and when a pressure difference between the upper end of the pressurization chamber and the outlet occurs, the upper end of the pressurization chamber and a third check valve for discharging the liquid to the outlet. The outlet is located above the liquid inlet point. The first check valve, the second check valve and the third check valve are opened and closed to form a liquid flow from the liquid inlet point to the outlet direction.

상기 막대가 상승하는 동안, 상기 제1체크밸브는 열리고 상기 제2체크밸브는 닫혀서, 상기 가압 챔버 하단에 액체가 채워지고, 상기 제3체크밸브는 상기 가압 챔버 상단의 액체가 상기 목표 압력까지 가압되어 상기 가압 챔버 상단과 상기 출구의 압력 차이가 발생하면 열리고, 상기 출구로 액체를 배출시킬 수 있다.While the rod rises, the first check valve opens and the second check valve closes, so that the lower end of the pressurization chamber is filled with liquid, and the third check valve pressurizes the liquid at the upper end of the pressurization chamber to the target pressure. to be opened when a pressure difference between the upper end of the pressurization chamber and the outlet occurs, and the liquid may be discharged to the outlet.

상기 막대가 하강하는 동안, 상기 제1체크밸브는 닫히고 상기 제2체크밸브는 열려서, 상기 가압 챔버 하단에 채워진 액체가 상기 가압 챔버 상단으로 이동하고, 상기 제3체크밸브는 내려가는 상기 가압 챔버용 피스톤에 의해 상기 가압 챔버 상단이 팽창되어 상기 출구보다 압력이 낮아지면 닫힐 수 있다.While the rod is lowered, the first check valve is closed and the second check valve is opened, so that the liquid filled at the lower end of the pressurization chamber moves to the upper end of the pressurization chamber, and the third check valve moves down the piston for the pressurization chamber By the expansion of the upper end of the pressure chamber may be closed when the pressure is lower than the outlet.

상기 극저온 왕복동 펌프는 상기 가압 챔버의 아래에 배치되고, 입구로부터 상압의 극저온 액체가 유입되고 과냉시키는 과냉 챔버, 상기 막대에 연결되고 상기 과냉 챔버를 하단과 상단으로 분리하며, 상기 막대의 움직임에 따라 상기 과냉 챔버 하단과 상단의 압력을 조절하고 유동을 만드는 과냉 챔버용 피스톤, 상기 입구와 상기 과냉 챔버 하단을 연결하도록 배치되고, 상기 입구와 상기 과냉 챔버 하단의 압력 차이가 발생하면 상기 과냉 챔버 하단으로 액체를 유입시키는 제4체크밸브, 그리고 상기 과냉 챔버용 피스톤에 배치되고, 상기 과냉 챔버 하단과 상기 과냉 챔버 상단의 압력 차이가 발생하면 상기 과냉 챔버 하단에서 상기 과냉 챔버 상단으로 액체를 이동시키는 제4체크밸브를 더 포함할 수 있다. 상기 액체 유입 지점은 상기 과냉 챔버 상단에 위치할 수 있다.The cryogenic reciprocating pump is disposed below the pressurization chamber, a supercooling chamber into which a cryogenic liquid of normal pressure is introduced from an inlet and supercooled, is connected to the rod and separates the subcooling chamber into a lower end and an upper end, and according to the movement of the bar A piston for a supercooling chamber that regulates the pressure at the lower end and upper end of the subcooling chamber and creates a flow, and is disposed to connect the inlet and the lower end of the subcooling chamber, and when a pressure difference between the inlet and the lower end of the subcooling chamber occurs, the lower end of the subcooling chamber a fourth check valve for introducing a liquid, and a fourth check valve disposed on the piston for the supercooling chamber, and moving the liquid from the lower end of the supercooling chamber to the upper end of the supercooling chamber when a pressure difference between the lower end of the supercooling chamber and the upper end of the supercooling chamber occurs It may further include a check valve. The liquid inlet point may be located at the top of the subcooling chamber.

상기 막대가 상승하는 동안, 상기 제4체크밸브는, 위로 올라간 상기 과냉 챔버용 피스톤에 의해 상기 입구와 상기 과냉 챔버 하단의 압력 차이가 발생하면 열리고, 상기 과냉 챔버 하단으로 액체를 유입시킬 수 있다. 상기 제5체크밸브는, 상기 과냉 챔버용 피스톤에 의해 상기 과냉 챔버 하단보다 상기 과냉 챔버 상단의 압력이 낮아져서 닫힐 수 있다. 상기 제3체크밸브는, 상기 과냉 챔버용 피스톤에 의해 상기 과냉 챔버 상단이 압축되고 상기 가압 챔버용 피스톤에 의해 상기 가압 챔버 상단이 팽창되어 압력 차이가 발생하면 열릴 수 있다.While the rod is rising, the fourth check valve is opened when a pressure difference between the inlet and the lower end of the supercooling chamber occurs by the piston for the subcooling chamber that is raised upward, and the liquid can be introduced into the lower end of the subcooling chamber. The fifth check valve may be closed by lowering the pressure at the upper end of the supercooling chamber than at the lower end of the supercooling chamber by the piston for the supercooling chamber. The third check valve may be opened when the upper end of the subcooling chamber is compressed by the piston for the subcooling chamber and the upper end of the pressurization chamber is expanded by the piston for the pressurization chamber to generate a pressure difference.

상기 극저온 액체는 극저온 액화수소일 수 있다.The cryogenic liquid may be cryogenic liquid hydrogen.

실시예에 따른 극저온 왕복동 펌프는 장력을 이용하여 고압의 액체를 생성하고, 유동을 발생시킬 정도로 막대에 압축응력을 가하기 때문에, 막대에 큰 압축응력을 가해 고압의 액체를 만드는 기술에 비해 버클링 발생 가능성을 낮출 수 있다.The cryogenic reciprocating pump according to the embodiment generates a high-pressure liquid by using tension and applies a compressive stress to the rod enough to generate flow, so buckling occurs compared to the technology to create a high-pressure liquid by applying a large compressive stress to the rod can lower the chances.

실시예에 따른 극저온 왕복동 펌프는 종래 기술에 비해 상대적으로 가는 막대를 사용할 수 있어서, 외부로 연장된 막대를 통한 열침입을 줄일 수 있다. Cryogenic reciprocating pump according to the embodiment can use a relatively thin rod compared to the prior art, it is possible to reduce the heat penetration through the rod extending to the outside.

실시예에 따른 극저온 왕복동 펌프는 입구가 아래에 있으므로, 극저온 액체 저장소의 낮은 수위에서도 작동할 수 있다.The cryogenic reciprocating pump according to the embodiment has the inlet below, so it can operate at low water levels in cryogenic liquid reservoirs.

도 1은 한 실시예에 따른 극저온 왕복동 펌프의 구조도이다.
도 2는 한 실시예에 따른 막대 상승 동안의 극저온 왕복동 펌프 동작을 설명하는 도면이다.
도 3은 한 실시예에 따른 막대 하강 동안의 극저온 왕복동 펌프 동작을 설명하는 도면이다.
도 4는 한 실시예에 따른 수소 공급 시스템의 개념도이다.1 is a structural diagram of a cryogenic reciprocating pump according to an embodiment.
FIG. 2 is a view for explaining the operation of a cryogenic reciprocating pump during rod lifting according to one embodiment.
3 is a view for explaining the operation of the cryogenic reciprocating pump during rod lowering according to one embodiment.
4 is a conceptual diagram of a hydrogen supply system according to an embodiment.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

먼저 종래 기술에 대해 살펴본다.First, let's look at the prior art.

독일 린데(Linde)에서 개발한 극저온 왕복동 펌프는 double acting piston and plunger 구조로서, 액체가 유입되는 제1챔버와 액체가 가압되는 제2챔버를 피스톤/플런저가 연결된 막대(rod)가 위아래로 움직이면서, 고압의 액체를 만든다. 구체적인 동작을 살펴보면, 막대가 내려올 때 외부의 액체가 제1챔버 상단으로 들어오고, 제1챔버 하단의 액체는 가압되어 과냉상태가 되다가 압력이 일정 수준에 도달하면 과냉상태의 액체가 제2챔버의 상단으로 주입되며, 제2챔버 하단의 액체는 목표 압력으로 가압된다. 막대가 올라가면, 제1챔버 상단의 액체가 하단으로 유입되고, 제2챔버 상단의 과냉상태의 액체가 제2챔버 하단으로 유입된다. The cryogenic reciprocating pump developed by Linde, Germany, is a double acting piston and plunger structure. The rod connected with the piston/plunger moves up and down the first chamber into which the liquid flows and the second chamber where the liquid is pressurized. Creates a high-pressure liquid. Looking at the specific operation, when the rod comes down, the external liquid enters the upper part of the first chamber, and the liquid in the lower part of the first chamber is pressurized to become a supercooled state, and when the pressure reaches a certain level, the supercooled liquid enters the second chamber It is injected to the top, and the liquid at the bottom of the second chamber is pressurized to a target pressure. When the rod is raised, the liquid at the upper end of the first chamber flows into the lower end, and the liquid in the supercooled state at the upper end of the second chamber flows into the lower end of the second chamber.

프랑스 크라이오스타(Cryostar SAS)의 특허문헌 1을 살펴보면, 챔버로 들어온액체가 가압 공간으로 들어가서 플런저를 통해 액체가 가압된다. Referring to Patent Document 1 of Cryostar SAS in France, the liquid entering the chamber enters the pressurized space and the liquid is pressurized through the plunger.

이와 같이, 종래 기술은 고압 액체를 만들기 위해, 긴 형상의 막대에 압축응력(compressive stress)을 반복적으로 가하기 때문에, 같은 크기의 인장응력(tensile stress)이 가해지는 경우보다 옆으로 휘는 버클링(buckling)의 발생 가능성이 높아진다. 이를 방지하기 위해 굵은 막대를 사용할 수 있으나, 막대의 단면적을 통해 챔버로의 열전달이 커지고, 막대의 열용량이 커져 펌프 작동 초기에 극저온 액체의 소모를 증가시킨다.As such, the prior art repeatedly applies a compressive stress to a long rod in order to make a high-pressure liquid, so that buckling is bent laterally than when a tensile stress of the same size is applied. ) is more likely to occur. To prevent this, a thick rod can be used, but heat transfer to the chamber through the cross-sectional area of the rod increases, and the heat capacity of the rod increases, thereby increasing the consumption of the cryogenic liquid at the beginning of the pump operation.

특허문헌 2의 경우, 막대에 가해지는 장력과 스프링 복원력을 이용하여 액체의 유입, 가압, 이동의 흐름을 만드는데, 극저온에서는 취성이 생겨서 스프링을 이용한 펌프 제어에 한계가 있다. In the case of Patent Document 2, the flow of liquid inflow, pressurization, and movement is made by using the tension applied to the rod and the spring restoring force.

본 개시의 극저온 왕복동 펌프는 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 장력을 이용하여 고압의 액체를 생성하는 구조를 가지고, 이에 대해 다음에서 자세히 설명한다. 본 개시에서 극저온 액체가 극저온 왕복동 펌프에 의해 가압되는데, 극저온 액체로서 약 20K의 액화수소를 예로 들어 설명할 수 있다.In order to solve the problems of the prior art, the cryogenic reciprocating pump of the present disclosure has a structure for generating a high-pressure liquid using tension, which will be described in detail below. In the present disclosure, the cryogenic liquid is pressurized by a cryogenic reciprocating pump, and as the cryogenic liquid, liquid hydrogen of about 20K can be described as an example.

도 1은 한 실시예에 따른 극저온 왕복동 펌프의 구조도이다.1 is a structural diagram of a cryogenic reciprocating pump according to an embodiment.

도 1을 참고하면, 극저온 왕복동 펌프(100)는 극저온 액체(cryogenic liquid)의 압력을 높이는 장치로서 극저온 액체(예, 상압 액체)를 공급받고, 이를 가압하여 고압(예를 들면, 900bar) 극저온 액체를 배출한다. 이를 위한 극저온 왕복동 펌프(100)는 외부에서 유입된 극저온 액체가 과냉되는 공간인 제1챔버(110), 그리고 제1챔버(110)의 위에 배치되고 제1챔버에서 유입된 과냉상태의 액체가 목표 압력까지 가압되는 공간인 제2챔버(120), 제1챔버(110)와 제2챔버 내에서 위아래로 움직이는 막대(rod)(150), 막대(130)에 연결되고 막대(130)의 움직임에 따라 제1챔버(110)의 압력을 조절하고 유동을 만드는 제1피스톤(140), 막대(130)에 연결되고 막대(130)의 움직임에 따라 제2챔버(120)의 압력을 조절하고 유동을 만드는 제2피스톤(150), 그리고 막대(130)의 움직임에 따라 발생하는 압력 차이에 따라 개폐되어 입구(inlet)에서 출구(outlet) 방향으로 액체 흐름을 형성하는 5개의 체크밸브들(161, 162, 163, 164, 165)을 포함하고, 이들을 감싸고 지지하는 하우징(170)으로 구성된다. 제2챔버(120)은 는 액체를 압축시키기 위해 제1챔버(110)보다 좁은 공간을 가진다. 막대(130)는 극저온 왕복동 펌프(100)의 바깥으로 연장되고, 외부의 구동장치(actuator)(200)에 의해 왕복운동을 한다. 극저온 왕복동 펌프(100)의 입구(inlet)는 체크밸브(161)를 통해 제1챔버(110)의 바닥면에 연결되고, 출구(outlet)는 체크밸브(165)를 통해 제2챔버(120)의 윗면에 연결된다. 입구(inlet)는 상압의 극저온 액체 저장소 안에 잠겨 있거나, 상압의 극저온 액체 저장소에 연결될 수 있다. 출구(outlet)는 목표 고압 근처의 극저온 액체 저장소에 연결될 수 있다. Referring to FIG. 1 , the cryogenic reciprocating pump 100 is a device for increasing the pressure of a cryogenic liquid, and receives a cryogenic liquid (eg, atmospheric liquid) and pressurizes it to high pressure (eg, 900 bar) cryogenic liquid emits For this purpose, the cryogenic reciprocating pump 100 is disposed on the first chamber 110, which is a space in which the cryogenic liquid introduced from the outside is supercooled, and the first chamber 110 and the liquid in the supercooled state introduced from the first chamber is targeted. The second chamber 120, which is a space that is pressurized to pressure, a rod 150 that moves up and down in the first chamber 110 and the second chamber, is connected to the rod 130, and is connected to the movement of the rod 130. The first piston 140, which adjusts the pressure of the first chamber 110 and creates a flow, is connected to the rod 130, and according to the movement of the rod 130, the pressure of the second chamber 120 is adjusted and the flow is controlled. Five check valves 161 and 162 that open and close according to the pressure difference generated by the movement of the second piston 150 and the rod 130 to form a liquid flow from the inlet to the outlet. , 163 , 164 , and 165 , and consists of a housing 170 that surrounds and supports them. The second chamber 120 has a narrower space than the first chamber 110 in order to compress the liquid. The rod 130 extends to the outside of the cryogenic reciprocating pump 100 , and reciprocates by an external actuator 200 . An inlet of the cryogenic reciprocating pump 100 is connected to the bottom surface of the first chamber 110 through a check valve 161, and an outlet is connected to the second chamber 120 through a check valve 165. connected to the top surface of The inlet may be immersed in a cryogenic liquid reservoir at atmospheric pressure, or may be connected to a cryogenic liquid reservoir at atmospheric pressure. An outlet may be connected to a cryogenic liquid reservoir near the target high pressure.

이외에도 극저온 왕복동 펌프(100)에 열침입을 막기 위한 절연체가 부가될 수 있다. 막대가 움직이는 부분에서 발생할 수 있는 누설을 막기 위해 극저온 왕복동 펌프(100)에 동적 실링이 부가될 수 있다. 누설된 기체를 재액화하는 장치 또는 누설된 기체를 별도의 기체 저장소로 운반하는 장치가 극저온 왕복동 펌프(100)에 부가될 수 있다. 제1피스톤(140)과 제2피스톤 중 적어도 하나는 플런저로 대체될 수 있다.In addition, an insulator for preventing heat intrusion to the cryogenic reciprocating pump 100 may be added. A dynamic seal may be added to the cryogenic reciprocating pump 100 to prevent leakage that may occur in the moving parts of the rod. A device for reliquefying the leaked gas or a device for transporting the leaked gas to a separate gas reservoir may be added to the cryogenic reciprocating pump 100 . At least one of the first piston 140 and the second piston may be replaced with a plunger.

극저온 왕복동 펌프(100)는 제1챔버(110)와 제2챔버(120)를 통해 유입된 액체를 두 단계로 나누어 가압한다. 극저온 액체는 일반적으로 포화상태의 액체상태로 보관되기 때문에 작은 열침입이나 유동에 의해서도 쉽게 증발한다. 만약 액체가 펌프 작동 중에 펌프 내부에서 증발한다면 전체적인 비체적이 커지면서 압축 후의 용적 효율이 줄어들 수 있다. 따라서, 극저온 왕복동 펌프(100)는 외부에서 유입된 포화상태의 액체를 제1챔버(110)에서 약간 가압하여 과냉상태로 만들고, 과냉상태의 액체를 제2챔버(120)에서 목표 고압(예를 들면, 900bar)으로 만드는 2단계 가압을 진행한다. 따라서, 제1챔버(110)를 과냉 챔버, 제2챔버(120)를 가압 챔버로 부를 수 있다.The cryogenic reciprocating pump 100 divides and pressurizes the liquid introduced through the first chamber 110 and the second chamber 120 in two stages. Since cryogenic liquids are generally stored in a saturated liquid state, they evaporate easily even by small heat intrusion or flow. If the liquid evaporates inside the pump during pump operation, the overall specific volume increases and the volumetric efficiency after compression may decrease. Accordingly, the cryogenic reciprocating pump 100 slightly pressurizes the saturated liquid introduced from the outside in the first chamber 110 to make it supercooled, and the supercooled liquid is transferred to the second chamber 120 at a target high pressure (for example, For example, proceed with a two-step pressurization to make 900 bar). Accordingly, the first chamber 110 may be referred to as a supercooling chamber, and the second chamber 120 may be referred to as a pressure chamber.

막대(130)의 운동 범위는 챔버 용량 및 압력에 따라 결정될 수 있고, 설계에 따라 막대(130)는 제1피스톤(140)과 제2피스톤(150) 중 적어도 하나가 해당 챔버의 윗면에 도달할 때까지 올라가거나, 지정된 최대 높이까지 올라갈 수 있다. 또한 설계에 따라 막대(130)는 제1피스톤(140)과 제2피스톤(150) 중 적어도 하나가 해당 챔버의 바닥면에 도달할 때까지 내려오거나, 지정된 최저 높이까지 내려갈 수 있다.The range of motion of the rod 130 may be determined according to the chamber capacity and pressure, and according to the design, the rod 130 is designed so that at least one of the first piston 140 and the second piston 150 reaches the upper surface of the chamber. You can climb until you reach a certain height, or you can climb up to a specified maximum height. Also, depending on the design, the rod 130 may descend until at least one of the first piston 140 and the second piston 150 reaches the bottom surface of the corresponding chamber, or may descend to a specified lowest height.

제1피스톤(140)과 제2피스톤(150)은 막대(130)의 움직임에 따라 각 챔버에서 액체의 압력을 조절하고 유동을 만드는 역할을 한다. 제1피스톤(140)은 막대(130)의 움직임에 따라 제1챔버(110)에서 위아래로 움직이고, 제1챔버(110) 내부를 하단(A)과 상단(B)으로 분리한다. 제1피스톤(140)에 의해 분리되는 하단(A)과 상단(B)의 부피는 막대(130)의 움직임에 따라 가변된다. 제2피스톤(150)은 막대(130)의 움직임에 따라 제2챔버(120)에서 위아래로 움직이고, 제2챔버(120) 내부를 하단(C)과 상단(D)으로 분리한다. 제2피스톤(150)에 의해 분리되는 하단(C)과 상단(D)의 부피는 막대(130)의 움직임에 따라 가변된다.The first piston 140 and the second piston 150 serve to adjust the pressure of the liquid in each chamber and create a flow according to the movement of the rod 130 . The first piston 140 moves up and down in the first chamber 110 according to the movement of the rod 130 , and divides the inside of the first chamber 110 into a lower end (A) and an upper end (B). The volume of the lower end (A) and the upper end (B) separated by the first piston 140 varies according to the movement of the rod 130 . The second piston 150 moves up and down in the second chamber 120 according to the movement of the rod 130 , and divides the inside of the second chamber 120 into a lower end (C) and an upper end (D). The volume of the lower end (C) and the upper end (D) separated by the second piston 150 varies according to the movement of the rod 130 .

5개의 체크밸브들(161, 162, 163, 164, 165)은 액체를 한 방향으로만 흐르게 만드는 밸브들로서, 아래 입구(inlet)에서 윗쪽 출구(outlet) 방향으로만 흐름을 만들 수 있다. 5개의 체크밸브들은 정해진 한 방향으로 압력 차이가 발생하면 열리고, 그렇지 않으면 닫힌다.The five check valves 161 , 162 , 163 , 164 , and 165 are valves that allow the liquid to flow in only one direction, and can make a flow only in the direction from the lower inlet to the upper outlet. The five check valves open when a pressure differential occurs in one predetermined direction, and close otherwise.

체크밸브(161)는 입구(inlet)와 제1챔버(110)의 하단을 연결하도록 배치되고, 외부의 액체를 제1챔버(110) 하단(A)으로 유입시키는 유체 흐름을 만든다. 체크밸브(162)는 제1챔버(110)에서 움직이는 제1피스톤(140)에 배치되고, 제1챔버(110) 하단(A)에서 상단(B)으로의 유체 흐름을 만든다. 체크밸브(163)는 제1챔버(110) 상단(B)과 제2챔버(120) 하단(C)을 연결하도록 배치되고, 제1챔버(110) 상단(B)에서 제2챔버(120) 하단(C)으로의 유체 흐름을 만든다. 체크밸브(164)는 제2챔버(120)에서 움직이는 제2피스톤(150)에 배치되고, 제2챔버(120) 하단(C)에서 상단(D)으로의 유체 흐름을 만든다. 체크밸브(165)는 제2챔버(120) 상단(D)과 출구(outlet)를 연결하도록 배치되고, 제2챔버(120) 상단(D)의 고압 액체를 출구로 배출하는 유체 흐름을 만든다.The check valve 161 is disposed to connect the inlet and the lower end of the first chamber 110 , and creates a fluid flow that introduces an external liquid into the lower end A of the first chamber 110 . The check valve 162 is disposed on the first piston 140 moving in the first chamber 110 , and makes a fluid flow from the lower end (A) to the upper end (B) of the first chamber 110 . The check valve 163 is disposed to connect the upper end (B) of the first chamber 110 and the lower end (C) of the second chamber 120 , and the second chamber 120 at the upper end (B) of the first chamber 110 . Create a fluid flow to the bottom (C). The check valve 164 is disposed on the second piston 150 moving in the second chamber 120 , and makes a fluid flow from the lower end (C) to the upper end (D) of the second chamber 120 . The check valve 165 is disposed to connect the upper end (D) and the outlet of the second chamber 120, and makes a fluid flow for discharging the high-pressure liquid of the upper end (D) of the second chamber 120 to the outlet.

구동장치(200)가 막대(130)에 인장응력(tensile stress)을 가하면, 막대(130)가 당기는 힘(장력)에 의해 위로 올라간다. 막대가 올라가는 동안, 체크밸브(162) 및 체크밸브(164)는 닫히고, 체크밸브(161), 체크밸브(163) 그리고 체크밸브(165)가 열려서 유체 흐름을 만든다. 체크밸브(161)을 를 통해 들어온 외부의 액체가 제1챔버(110) 하단(A)을 채우고, 체크밸브(163)를 통해 제1챔버(110) 상단(B)의 액체가 제2챔버(120) 하단(C)으로 이동하며, 제2챔버(120) 상단(D)에서 제2피스톤(150)에 의해 가압된 고압 액체가 체크밸브(165)를 통해 출구로 배출된다.When the driving device 200 applies a tensile stress to the rod 130 , the rod 130 rises upward by a pulling force (tension). While the rod is raised, the check valve 162 and the check valve 164 are closed, and the check valve 161, the check valve 163 and the check valve 165 are opened to create a fluid flow. The external liquid entering through the check valve 161 fills the lower end (A) of the first chamber 110, and the liquid at the upper end (B) of the first chamber 110 through the check valve 163 flows into the second chamber ( 120) moves to the lower end (C), and the high-pressure liquid pressurized by the second piston 150 at the upper end (D) of the second chamber 120 is discharged to the outlet through the check valve 165 .

구동장치(200)가 막대(130)에 압축응력(compressive stress)을 가하면, 막대(130)가 누르는 힘(압력)에 의해 위에서 아래로 내려온다. 막대가 내려오는 동안, 체크밸브(161), 체크밸브(163) 그리고 체크밸브(165)가 닫히고, 체크밸브(162) 및 체크밸브(164)가 열려서 유체 흐름을 만든다. 체크밸브(162)를 통해 제1챔버(110) 하단(A)의 액체가 상단(B)으로 이동하고, 체크밸브(164)를 통해 제2챔버(120) 하단(C)의 액체가 상단(D)으로 이동한다.When the driving device 200 applies a compressive stress to the rod 130 , the rod 130 comes down from the top by the pressing force (pressure). While the rod is lowered, the check valve 161 , the check valve 163 and the check valve 165 close, and the check valve 162 and the check valve 164 open to create a fluid flow. The liquid at the lower end (A) of the first chamber 110 through the check valve 162 moves to the upper end (B), and the liquid at the lower end (C) of the second chamber 120 through the check valve 164 moves to the upper end ( Go to D).

이처럼, 막대(130)가 위로 올라갈 때 액체가 가압되고, 막대(130)가 아래로 내려갈 때 각 챔버의 하단에서 상단으로의 액체 이동이 발생한다. 따라서, 극저온 왕복동 펌프(100)는 장력을 이용하여 고압의 액체를 생성하고, 유동을 발생시킬 정도로 막대(130)에 압축응력을 가하기 때문에, 막대에 큰 압축응력을 가해 고압의 액체를 만드는 종래 기술에 비해 옆으로 휘는 버클링(buckling) 발생 가능성이 적다. 결국, 극저온 왕복동 펌프(100)는 종래 기술에 비해 상대적으로 가는 막대(130)를 사용할 수 있고, 이에 따라 외부로 연장된 막대를 통한 열침입을 줄일 수 있다. 또한, 극저온 왕복동 펌프(100)는 입구가 아래에 있으므로, 극저온 액체 저장소의 낮은 수위에서도 작동할 수 있다. 따라서, 극저온 액체 저장소에 저장되어야 하는 최소 필요량이 줄일 수 있다.As such, liquid is pressurized as the rod 130 rises upward, and liquid movement from the bottom to the top of each chamber occurs as the rod 130 descends. Therefore, the cryogenic reciprocating pump 100 generates a high-pressure liquid by using tension, and applies a compressive stress to the rod 130 enough to generate a flow. There is less possibility of buckling that is bent sideways compared to that. As a result, the cryogenic reciprocating pump 100 may use a relatively thin rod 130 compared to the prior art, and thus may reduce heat intrusion through the rod extending to the outside. In addition, the cryogenic reciprocating pump 100 has an inlet down, so it can operate at low water levels in cryogenic liquid reservoirs. Thus, the minimum requirement to be stored in the cryogenic liquid reservoir can be reduced.

다음에서, 극저온 왕복동 펌프(100)의 동작에 대해 자세히 설명한다.In the following, the operation of the cryogenic reciprocating pump 100 will be described in detail.

도 2는 한 실시예에 따른 막대 상승 동안의 극저온 왕복동 펌프 동작을 설명하는 도면이고, 도 3은 한 실시예에 따른 막대 하강 동안의 극저온 왕복동 펌프 동작을 설명하는 도면이다.FIG. 2 is a view for explaining the operation of the cryogenic reciprocating pump during rod raising according to an embodiment, and FIG. 3 is a view for explaining the operation of the cryogenic reciprocating pump during lowering of the rod according to one embodiment.

도 2의 (a)를 참고하면, 막대(130)가 누르는 압력에 의해 지정된 최저 지점까지 내려온 상태로서, 이를 상승 시작 상태라고 정의할 수 있다. 상승 시작 상태에서, 제1챔버(110) 상단(B) 및 제2챔버(120) 상단(D) 각각의 부피는 최대이다. 이때, 제1챔버(110) 하단(A)은 제1피스톤(140)에 의해 입구 쪽 압력(상압)보다 높게 압축되어, 체크밸브(161)는 닫혀있다. 제2챔버(120) 하단(C)은 제2피스톤(150)에 의해 압축되고, 제1챔버(110) 상단(B)은 제1피스톤(140)에 의해 팽창되어, 체크밸브(163)는 닫혀있다. 제2챔버(120) 상단(D)은 제2피스톤(150)에 의해 팽창되어, 체크밸브(165)는 닫혀있다. 체크밸브(162)는 제1챔버(110) 하단(A)과 상단(B)의 압력 평형 여부에 따라 열리거나 닫힐 수 있다. 체크밸브(162)는 제2챔버(120) 하단(C)과 상단(D)의 압력 평형 여부에 따라 열리거나 닫힐 수 있다.Referring to (a) of FIG. 2 , as a state in which the bar 130 has descended to the lowest point specified by the pressing pressure, this may be defined as a rising start state. In the rising start state, the volume of the upper end (B) of the first chamber 110 and the upper end (D) of the second chamber 120 is the maximum. At this time, the lower end (A) of the first chamber 110 is compressed higher than the inlet pressure (normal pressure) by the first piston 140, and the check valve 161 is closed. The lower end (C) of the second chamber 120 is compressed by the second piston 150, the upper end (B) of the first chamber 110 is expanded by the first piston 140, and the check valve 163 is Closed. The upper end (D) of the second chamber 120 is expanded by the second piston 150, and the check valve 165 is closed. The check valve 162 may be opened or closed depending on whether the pressure of the lower end (A) and the upper end (B) of the first chamber 110 is balanced. The check valve 162 may be opened or closed depending on whether the pressure of the lower end (C) and the upper end (D) of the second chamber 120 is balanced.

(b)를 참고하면, 최저 지점까지 내려온 막대(130)에 장력이 가해지면, 막대(130)가 장력에 의해 위로 올라간다. 그러면, 제1챔버(110) 상단(B)의 액체는 제1피스톤(140)에 의해 가압되어 과냉상태되고, 압력 차이에 의해 열린 체크밸브(163)을 를 통해 제2챔버(120) 하단(C)으로 이동한다. 제2챔버(120) 상단(D)의 액체는 제2피스톤(150)에 의해 목표 압력까지 가압되면, 압력 차이에 의해 열린 체크밸브(165)를 통해 출구로 배출된다. 한편, 막대(130)에 연결된 제1피스톤(140)이 올라가면, 제1챔버(110) 하단(A)의 부피가 늘어나고, 입구와의 압력 차이에 의해 체크밸브(161)가 열린다. 그러면, 제1챔버(110) 하단(A)으로 극저온 액체가 유입된다. Referring to (b), when tension is applied to the rod 130 that has come down to the lowest point, the rod 130 rises upward by the tension. Then, the liquid at the upper end (B) of the first chamber 110 is pressurized by the first piston 140 to be in a supercooled state, and the second chamber 120 lower end ( Go to C). When the liquid in the upper end (D) of the second chamber 120 is pressurized to the target pressure by the second piston 150, it is discharged to the outlet through the check valve 165 opened by the pressure difference. On the other hand, when the first piston 140 connected to the rod 130 rises, the volume of the lower end A of the first chamber 110 increases, and the check valve 161 is opened by the pressure difference with the inlet. Then, the cryogenic liquid is introduced into the lower end (A) of the first chamber (110).

한편, 막대(130)가 상승하는 동안, 각 피스톤에 의해 분리된 챔버 상단이 하단보다 높은 압력으로 유지되도록 내부 구조가 설계됨으로써, 체크밸브(162) 및 체크밸브(164)가 닫히게 된다.Meanwhile, while the rod 130 rises, the internal structure is designed so that the upper end of the chamber separated by each piston is maintained at a higher pressure than the lower end, so that the check valve 162 and the check valve 164 are closed.

막대(130)가 지정된 최고 지점까지 올라가면, 막대(130)에 가해지는 힘이 장력에서 누르는 압력으로 전환된다.When the rod 130 rises to the specified highest point, the force applied to the rod 130 is converted from tension to pressing pressure.

도 3의 (a)를 참고하면, 도 2의 (b)에서 막대(130)가 장력에 의해 지정된 최고 지점에 위치하는 상태로서, 하강 시작 상태라고 정의할 수 있다. 막대(130)가 지정된 최고 지점까지 올라가면, 막대(130)에 가해지는 힘이 장력에서 누르는 압력으로 전환된다.Referring to FIG. 3 (a), in FIG. 2 (b), the bar 130 is positioned at the highest point designated by tension, which can be defined as a descending start state. When the rod 130 rises to the specified highest point, the force applied to the rod 130 is converted from tension to pressing pressure.

도 3의 (b)를 참고하면, 최고 지점까지 올라온 막대(130)에 압력이 가해지면, 막대(130)가 압력에 의해 점점 아래로 내려간다. 그러면, 제2챔버(120) 상단(D)은 제2피스톤(150)에 의해 팽창되어, 압력이 낮아지고 출구와의 압력 차이에 의해 체크밸브(165)는 닫힌다. Referring to (b) of Figure 3, when pressure is applied to the rod 130 that has risen to the highest point, the rod 130 is gradually lowered by the pressure. Then, the upper end (D) of the second chamber 120 is expanded by the second piston 150, the pressure is lowered, and the check valve 165 is closed by the pressure difference with the outlet.

제2챔버(120) 하단(C)이 제2피스톤(150)에 의해 압축되면서 체크밸브(164)는 열리고, 제2챔버(120) 하단(C)의 액체는 열린 체크밸브(164)를 통해 제2챔버(120) 상단(D)으로 이동한다. As the lower end (C) of the second chamber (120) is compressed by the second piston (150), the check valve (164) is opened, and the liquid at the lower end (C) of the second chamber (120) is passed through the open check valve (164). The second chamber 120 moves to the upper end (D).

제1챔버(110) 상단(B)이 제1피스톤(140)에 의해 압축되면서 체크밸브(162)는 열리고, 제1챔버(110) 하단(A)의 액체는 열린 체크밸브(162)를 통해 제1챔버(110) 상단(B)으로 이동한다.As the upper end (B) of the first chamber 110 is compressed by the first piston 140 , the check valve 162 is opened, and the liquid in the lower end (A) of the first chamber 110 is discharged through the open check valve 162 . The first chamber 110 moves to the upper end (B).

한편, 막대(130)가 하강하는 동안, 체크밸브(161) 및 체크밸브(163)가 닫히도록, 제1챔버(110) 하단(A)과 입구와의 압력 차이, 제1챔버(110) 상단(B)과 제2챔버(120) 하단(C)의 압력 차이가 발생하도록 내부 구조가 설계된다.On the other hand, while the rod 130 is lowered, the pressure difference between the lower end (A) and the inlet of the first chamber 110 so that the check valve 161 and the check valve 163 are closed, the upper end of the first chamber 110 (B) and the second chamber 120, the internal structure is designed so that the pressure difference between the lower end (C) occurs.

도 2의 (a)와 같이, 막대(130)가 지정된 최저 지점까지 내려오면, 막대(130)에 가해지는 힘이 장력으로 전환되어 도 2의 (b)와 같이, 고압의 액체를 출력하는 단계로 넘어간다.As shown in (a) of Figure 2, when the rod 130 comes down to the designated lowest point, the force applied to the rod 130 is converted into tension, and as shown in Figure 2 (b), outputting a high-pressure liquid goes to

도 4는 한 실시예에 따른 수소 공급 시스템의 개념도이다.4 is a conceptual diagram of a hydrogen supply system according to an embodiment.

도 4을 참고하면, 수소는 상온의 기체수소가 아닌 아닌 극저온의 액화수소로 저장되는 것이 효과적이다. 따라서, 수소충전소는 액화수소를 액화수소 저장소(liquid hydrogen Storage)(10)에 저장하고, 액화수소를 기화시키는 증발기(Evaporator)(11) 및 수소 디스펜서(Hydrogen Dispenser)(12)를 통해 수소차량(20)에 액화수소를 공급한다. Referring to FIG. 4 , it is effective to store hydrogen as cryogenic liquid hydrogen rather than gaseous hydrogen at room temperature. Therefore, the hydrogen refueling station stores liquid hydrogen in a liquid hydrogen storage (10), and an evaporator (11) that vaporizes the liquid hydrogen and a hydrogen dispenser (12) through a hydrogen vehicle ( 20) to supply liquid hydrogen.

액화수소는 기체수소에 비해 밀도가 높아서 용적 효율이 높다. 또한 수소차량에 이용되는 수소는 고순도여야 하므로, 기체수소를 이용할 경우 수분 또는 먼지 등의 불순물을 제거하는 작업이 필요하다. 하지만, 액화수소를 기화하여 수소차량에 주입하는 경우, 수소 액화 과정에서 불순물들이 제거되므로, 기체수소를 이용할 때 요구되는 별도의 고순도화 작업이 필요하지 않다. 따라서, 액화수소를 이용한 수소 공급 과정이 단순해 진다.Liquid hydrogen has higher volumetric efficiency than gaseous hydrogen because of its higher density. In addition, since hydrogen used in a hydrogen vehicle must be of high purity, it is necessary to remove impurities such as moisture or dust when gaseous hydrogen is used. However, when liquid hydrogen is vaporized and injected into a hydrogen vehicle, impurities are removed during the hydrogen liquefaction process, so a separate high-purity operation required when using gaseous hydrogen is not required. Accordingly, the hydrogen supply process using liquid hydrogen is simplified.

한편, 수소차량(20)이 350 bar에서 700 bar의 압력으로 수소를 수용하는데, 수소 충전소에서 압력 차이를 이용하여 수소를 공급하기 위해서, 700 bar보다 높은 고압 액화수소(예를 들면, 900bar)가 액화수소 저장소(10)에 저장되어야 한다. 액체 수소 펌프가 액화수소 저장소(10)에 고압 액화수소를 공급하는데, 극저온 왕복동 펌프(Cryogenic Reciprocating Pump)(100)가 사용될 수 있다.On the other hand, the hydrogen vehicle 20 accommodates hydrogen at a pressure of 350 bar to 700 bar. In order to supply hydrogen using the pressure difference at the hydrogen filling station, high-pressure liquid hydrogen (for example, 900 bar) higher than 700 bar is used. It should be stored in the liquid hydrogen storage (10). A liquid hydrogen pump supplies high-pressure liquid hydrogen to the liquid hydrogen reservoir 10 , a cryogenic reciprocating pump 100 may be used.

극저온 왕복동 펌프(100)는 극저온 왕복동 펌프(100)는 액화수소 듀어(Dewar)(300)로부터 상압 액화수소를 공급받고, 900bar의 고압 액화수소를 액화수소 저장소(10)로 배출할 수 있다. 극저온 왕복동 펌프(100)의 입구(inlet)는 액화수소 듀어(300)에 잠겨 있거나, 액화수소 듀어(300)로부터 액화수소를 공급받을 수 있다. The cryogenic reciprocating pump 100 is the cryogenic reciprocating pump 100 is supplied with liquid hydrogen at atmospheric pressure from the liquid hydrogen Dewar 300 , and high-pressure liquid hydrogen of 900 bar can be discharged to the liquid hydrogen storage 10 . The inlet (inlet) of the cryogenic reciprocating pump 100 may be immersed in the liquid hydrogen dewar 300 or may be supplied with liquid hydrogen from the liquid hydrogen dewar 300 .

수소 충전소 이외에도, 극저온 왕복동 펌프(100)는 극저온 액체 운송에 사용될 수 있고, 극저온 액체를 고지대로 운송할 수 있다.In addition to hydrogen refueling stations, the cryogenic reciprocating pump 100 can be used to transport cryogenic liquids, and can transport cryogenic liquids to high ground.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.The embodiment of the present invention described above is not implemented only through the apparatus and method, but may be implemented through a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium in which the program is recorded.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto. is within the scope of the right.

Claims (15)

입구로부터 극저온 액체가 유입되고 과냉되는 공간인 제1챔버,
상기 제1챔버의 위에 배치되고, 상기 제1챔버에서 유입된 과냉상태의 액체가 목표 압력까지 가압되어 출구로 배출되는 공간인 제2챔버,
상기 제1챔버와 상기 제2챔버 내에서 위아래로 움직이는 막대(rod),
상기 막대에 연결되고 상기 제1챔버를 하단과 상단으로 분리하며, 상기 막대의 움직임에 따라 상기 제1챔버의 압력을 조절하고 유동을 만드는 제1피스톤,
상기 막대에 연결되고 상기 제2챔버를 하단과 상단으로 분리하며, 상기 막대의 움직임에 따라 상기 제2챔버의 압력을 조절하고 유동을 만드는 제2피스톤, 그리고
상기 막대의 움직임에 따라 발생하는 압력 차이에 따라 개폐되어 상기 입구에서 상기 출구 방향으로 액체 흐름을 형성하는 체크밸브들을 포함하고,
상기 막대가 장력에 의해 상승하는 동안, 상기 제2챔버 상단의 액체가 상기 목표 압력까지 가압되는, 극저온 왕복동 펌프.The first chamber is a space in which cryogenic liquid is introduced from the inlet and is supercooled;
a second chamber disposed above the first chamber, a space in which the supercooled liquid introduced from the first chamber is pressurized to a target pressure and discharged to an outlet;
a rod moving up and down in the first chamber and the second chamber;
a first piston connected to the rod and separating the first chamber into a lower end and an upper end, adjusting the pressure of the first chamber according to the movement of the rod and creating a flow;
a second piston connected to the rod and separating the second chamber into a lower end and an upper end, and adjusting the pressure of the second chamber according to the movement of the rod and creating a flow; and
Includes check valves that open and close according to a pressure difference generated according to the movement of the rod to form a liquid flow from the inlet to the outlet,
while the rod is raised by tension, the liquid at the top of the second chamber is pressurized to the target pressure. 제1항에서,
상기 막대가 누르는 힘에 의해 하강하는 동안, 상기 제1챔버와 상기 제2챔버 내부에서 액체가 이동하는, 극저온 왕복동 펌프.In claim 1,
A cryogenic reciprocating pump, wherein liquid moves in the first chamber and the second chamber while the rod is lowered by the pressing force. 제1항에서,
상기 체크밸브들은
상기 입구와 상기 제1챔버 하단을 연결하도록 배치되고, 상기 입구와 상기 제1챔버 하단의 압력 차이가 발생하면 상기 제1챔버 하단으로 액체를 유입시키는 제1체크밸브,
상기 제1피스톤에 배치되고, 상기 제1챔버 하단과 상기 제1챔버 상단의 압력 차이가 발생하면 상기 제1챔버 하단에서 상기 제1챔버 상단으로 액체를 이동시키는 제2체크밸브,
상기 제1챔버 상단과 상기 제2챔버 하단을 연결하도록 배치되고, 상기 제1챔버 상단과 상기 제2챔버 하단의 압력 차이가 발생하면, 상기 제1챔버 상단에서 상기 제2챔버 하단으로 액체를 이동시키는 제3체크밸브,
상기 제2피스톤에 배치되고, 상기 제2챔버 하단과 상기 제2챔버 상단의 압력 차이가 발생하면 상기 제2챔버 하단에서 상기 제2챔버 상단으로 액체를 이동시키는 제4체크밸브, 그리고
상기 제2챔버 상단과 상기 출구를 연결하도록 배치되고, 상기 제2챔버 상단과 상기 출구의 압력 차이가 발생하면 상기 제2챔버 상단에서 상기 출구로 액체를 배출시키는 제5체크밸브
를 포함하는, 극저온 왕복동 펌프.In claim 1,
The check valves are
a first check valve disposed to connect the inlet and the lower end of the first chamber, and for introducing a liquid into the lower end of the first chamber when a pressure difference between the inlet and the lower end of the first chamber occurs;
a second check valve disposed on the first piston and configured to move the liquid from the lower end of the first chamber to the upper end of the first chamber when a pressure difference between the lower end of the first chamber and the upper end of the first chamber occurs;
It is disposed to connect the upper end of the first chamber and the lower end of the second chamber, and when a pressure difference between the upper end of the first chamber and the lower end of the second chamber occurs, the liquid is moved from the upper end of the first chamber to the lower end of the second chamber 3rd check valve,
a fourth check valve disposed on the second piston and configured to move the liquid from the lower end of the second chamber to the upper end of the second chamber when a pressure difference between the lower end of the second chamber and the upper end of the second chamber occurs; and
a fifth check valve disposed to connect the upper end of the second chamber and the outlet, and for discharging the liquid from the upper end of the second chamber to the outlet when a pressure difference between the upper end of the second chamber and the outlet occurs
Including, cryogenic reciprocating pump. 제3항에서,
상기 막대가 장력에 의해 상승하는 동안, 상기 제1체크밸브, 상기 제3체크밸브 그리고 상기 제5체크밸브가 열리고, 상기 제2체크밸브 및 상기 제4체크밸브는 닫히는, 극저온 왕복동 펌프.In claim 3,
While the rod is raised by tension, the first check valve, the third check valve and the fifth check valve are opened, and the second check valve and the fourth check valve are closed, the cryogenic reciprocating pump. 제4항에서,
상기 제1체크밸브는 위로 올라간 상기 제1피스톤에 의해 상기 입구와 상기 제1챔버 하단의 압력 차이가 발생하면 열리고, 상기 제1챔버 하단으로 액체를 유입시키며,
상기 제3체크밸브는 상기 제1피스톤에 의해 상기 제1챔버 상단이 가압되어 상기 제1챔버 상단과 상기 제2챔버 하단의 압력 차이가 발생하면 열리고, 상기 제1챔버 상단에서 상기 제2챔버 하단으로 액체를 이동시키며,
상기 제5체크밸브는 상기 제2챔버 상단의 액체가 상기 제2피스톤에 의해 상기 목표 압력까지 가압되어 상기 제2챔버 상단과 상기 출구의 압력 차이가 발생하면 열리고, 상기 출구로 액체를 배출시키는, 극저온 왕복동 펌프. In claim 4,
The first check valve is opened when a pressure difference between the inlet and the lower end of the first chamber is generated by the first piston raised upward, and the liquid flows into the lower end of the first chamber,
The third check valve opens when the upper end of the first chamber is pressed by the first piston and a pressure difference between the upper end of the first chamber and the lower end of the second chamber occurs, and the lower end of the second chamber from the upper end of the first chamber move the liquid to
The fifth check valve opens when the liquid at the upper end of the second chamber is pressurized to the target pressure by the second piston and a pressure difference between the upper end of the second chamber and the outlet occurs, and discharges the liquid to the outlet, Cryogenic reciprocating pump. 제3항에서,
상기 막대가 누르는 힘에 의해 하강하는 동안, 상기 제1체크밸브, 상기 제3체크밸브 그리고 상기 제5체크밸브가 닫히고, 상기 제2체크밸브 및 상기 제4체크밸브는 열리는, 극저온 왕복동 펌프.In claim 3,
While the rod is lowered by the pressing force, the first check valve, the third check valve and the fifth check valve are closed, and the second check valve and the fourth check valve are opened, a cryogenic reciprocating pump. 제6항에서,
상기 제2체크밸브는 상기 제1피스톤에 의해 상기 제1챔버 상단이 압축되어 상기 제1챔버 하단과 상기 제1챔버 상단의 압력 차이가 발생하면 열리고, 상기 제1챔버 하단에서 상기 제1챔버 상단으로 액체를 이동시키며,
상기 제4체크밸브는 상기 제2피스톤에 의해 상기 제2챔버 하단이 압축되어 상기 제2챔버 하단과 상기 제2챔버 상단의 압력 차이가 발생하면 열리고, 상기 제2챔버 하단에서 상기 제2챔버 상단으로 액체를 이동시키는, 극저온 왕복동 펌프.In claim 6,
The second check valve opens when the upper end of the first chamber is compressed by the first piston and a pressure difference between the lower end of the first chamber and the upper end of the first chamber occurs, and the upper end of the first chamber from the lower end of the first chamber move the liquid to
The fourth check valve opens when the lower end of the second chamber is compressed by the second piston and a pressure difference between the lower end of the second chamber and the upper end of the second chamber occurs, and the upper end of the second chamber from the lower end of the second chamber A cryogenic reciprocating pump that moves liquid into 제1항에서,
상기 극저온 액체는 극저온 액화수소인, 극저온 왕복동 펌프.In claim 1,
The cryogenic liquid is cryogenic liquid hydrogen, cryogenic reciprocating pump. 제8항에서,
상기 출구는 고압 액화수소 저장소에 연결되는, 극저온 왕복동 펌프.In claim 8,
and the outlet is connected to a high-pressure liquid hydrogen reservoir. 유입된 극저온 액체가 목표 압력까지 가압되어 출구로 배출되는 공간인 가압 챔버,
상기 가압 챔버 내에서 위아래로 움직이는 막대,
상기 막대에 연결되고 상기 가압 챔버를 하단과 상단으로 분리하며, 상기 막대의 움직임에 따라 상기 가압 챔버 하단과 상단의 압력을 조절하고 유동을 만드는 가압 챔버용 피스톤,
액체 유입 지점과 상기 가압 챔버 하단을 연결하도록 배치되고, 상기 액체 유입 지점과 상기 가압 챔버 하단의 압력 차이가 발생하면, 상기 가압 챔버 하단으로 액체를 유입시키는 제1체크밸브,
상기 가압 챔버용 피스톤에 배치되고, 상기 가압 챔버 하단과 상기 가압 챔버 상단의 압력 차이가 발생하면 상기 가압 챔버 하단에서 상기 가압 챔버 상단으로 액체를 이동시키는 제2체크밸브, 그리고
상기 가압 챔버 상단과 상기 출구를 연결하도록 배치되고, 상기 가압 챔버 상단과 상기 출구의 압력 차이가 발생하면 상기 가압 챔버 상단에서 상기 출구로 액체를 배출시키는 제3체크밸브를 포함하고,
상기 출구는 상기 액체 유입 지점보다 높은 지점에 위치하며,
상기 제1체크밸브, 상기 제2체크밸브 그리고 상기 제3체크밸브는 상기 액체 유입 지점에서 상기 출구 방향으로 액체 흐름을 형성하도록 개폐되는, 극저온 왕복동 펌프.A pressurized chamber, a space in which the introduced cryogenic liquid is pressurized to the target pressure and discharged to the outlet;
a rod moving up and down within the pressure chamber;
A piston for a pressure chamber connected to the rod and separating the pressure chamber into a lower end and an upper end, and adjusts the pressure at the lower end and upper end of the pressurization chamber according to the movement of the rod and creates a flow;
A first check valve disposed to connect the liquid inlet point and the lower end of the pressurization chamber, and when a pressure difference between the liquid inlet point and the lower end of the pressurization chamber occurs, the liquid flows into the lower end of the pressurization chamber;
A second check valve disposed on the piston for the pressure chamber, and for moving the liquid from the lower end of the pressurization chamber to the upper end of the pressurization chamber when a pressure difference between the lower end of the pressurization chamber and the upper end of the pressurization chamber occurs, and
and a third check valve disposed to connect the upper end of the pressurization chamber and the outlet, and for discharging the liquid from the upper end of the pressurization chamber to the outlet when a pressure difference between the upper end of the pressurization chamber and the outlet occurs,
The outlet is located at a point higher than the liquid inlet point,
wherein the first check valve, the second check valve and the third check valve open and close to form a liquid flow from the liquid inlet point to the outlet direction. 제10항에서,
상기 막대가 상승하는 동안, 상기 제1체크밸브는 열리고 상기 제2체크밸브는 닫혀서, 상기 가압 챔버 하단에 액체가 채워지고,
상기 제3체크밸브는 상기 가압 챔버 상단의 액체가 상기 목표 압력까지 가압되어 상기 가압 챔버 상단과 상기 출구의 압력 차이가 발생하면 열리고, 상기 출구로 액체를 배출시키는, 극저온 왕복동 펌프.In claim 10,
While the rod is rising, the first check valve is opened and the second check valve is closed, so that the lower end of the pressure chamber is filled with liquid,
The third check valve opens when the liquid at the upper end of the pressurization chamber is pressurized to the target pressure and a pressure difference between the upper end of the pressurization chamber and the outlet occurs, and discharges the liquid to the outlet, a cryogenic reciprocating pump. 제11항에서,
상기 막대가 하강하는 동안, 상기 제1체크밸브는 닫히고 상기 제2체크밸브는 열려서, 상기 가압 챔버 하단에 채워진 액체가 상기 가압 챔버 상단으로 이동하고,
상기 제3체크밸브는 내려가는 상기 가압 챔버용 피스톤에 의해 상기 가압 챔버 상단이 팽창되어 상기 출구보다 압력이 낮아지면 닫히는, 극저온 왕복동 펌프.In claim 11,
While the rod is lowered, the first check valve is closed and the second check valve is opened, so that the liquid filled at the lower end of the pressurization chamber moves to the upper end of the pressurization chamber,
The third check valve is a cryogenic reciprocating pump, which is closed when the pressure at the top of the pressure chamber is expanded by the piston for the pressure chamber going down and the pressure is lower than the outlet. 제10항에서,
상기 가압 챔버의 아래에 배치되고, 입구로부터 상압의 극저온 액체가 유입되고 과냉시키는 과냉 챔버,
상기 막대에 연결되고 상기 과냉 챔버를 하단과 상단으로 분리하며, 상기 막대의 움직임에 따라 상기 과냉 챔버 하단과 상단의 압력을 조절하고 유동을 만드는 과냉 챔버용 피스톤,
상기 입구와 상기 과냉 챔버 하단을 연결하도록 배치되고, 상기 입구와 상기 과냉 챔버 하단의 압력 차이가 발생하면 상기 과냉 챔버 하단으로 액체를 유입시키는 제4체크밸브, 그리고
상기 과냉 챔버용 피스톤에 배치되고, 상기 과냉 챔버 하단과 상기 과냉 챔버 상단의 압력 차이가 발생하면 상기 과냉 챔버 하단에서 상기 과냉 챔버 상단으로 액체를 이동시키는 제4체크밸브를 더 포함하고,
상기 액체 유입 지점은 상기 과냉 챔버 상단에 위치하는, 극저온 왕복동 펌프.In claim 10,
A supercooling chamber disposed below the pressurization chamber, in which a cryogenic liquid at atmospheric pressure is introduced from the inlet and supercooled;
A piston for the subcooling chamber that is connected to the rod and separates the subcooling chamber into a lower end and an upper end, and adjusts the pressure at the lower end and upper end of the subcooling chamber according to the movement of the bar and creates a flow;
a fourth check valve disposed to connect the inlet and the lower end of the subcooling chamber, and for introducing a liquid into the lower end of the subcooling chamber when a pressure difference between the inlet and the lower end of the subcooling chamber occurs; and
A fourth check valve disposed on the piston for the supercooling chamber and moving the liquid from the lower end of the supercooling chamber to the upper end of the supercooling chamber when a pressure difference between the lower end of the supercooling chamber and the upper end of the supercooling chamber occurs,
and the liquid inlet point is located above the subcooling chamber. 제13항에서,
상기 막대가 상승하는 동안, 상기 제4체크밸브는, 위로 올라간 상기 과냉 챔버용 피스톤에 의해 상기 입구와 상기 과냉 챔버 하단의 압력 차이가 발생하면 열리고, 상기 과냉 챔버 하단으로 액체를 유입시키며,
상기 제5체크밸브는, 상기 과냉 챔버용 피스톤에 의해 상기 과냉 챔버 하단보다 상기 과냉 챔버 상단의 압력이 낮아져서 닫히고,
상기 제3체크밸브는, 상기 과냉 챔버용 피스톤에 의해 상기 과냉 챔버 상단이 압축되고 상기 가압 챔버용 피스톤에 의해 상기 가압 챔버 상단이 팽창되어 압력 차이가 발생하면 열리는, 극저온 왕복동 펌프.In claim 13,
While the bar is rising, the fourth check valve is opened when a pressure difference between the inlet and the lower end of the subcooling chamber occurs by the piston for the subcooling chamber that rises upward, and the liquid flows into the lower end of the subcooling chamber,
The fifth check valve is closed by lowering the pressure at the upper end of the supercooling chamber than at the lower end of the supercooling chamber by the piston for the subcooling chamber,
The third check valve is, the upper end of the subcooling chamber is compressed by the piston for the subcooling chamber and the upper end of the pressurization chamber is expanded by the piston for the pressurization chamber to open when a pressure difference occurs. 제10항에서,
상기 극저온 액체는 극저온 액화수소인, 극저온 왕복동 펌프.
In claim 10,
The cryogenic liquid is cryogenic liquid hydrogen, cryogenic reciprocating pump.
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