KR20230132702A - 극저온 펌프 냉각을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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스티븐 더블유 호프만
데이비드 조나단 초크
조셉 피 코헨
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

액체 수소 또는 기타 극저온 유체 펌프를 냉각하기 위한 장치 및 프로세스는 수소 손실을 최소화하는 데 또한 도움이 되는 빠른 시동을 허용하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예는 실질적으로 개선된 펌프 시동 시간을 허용하면서 수소 손실을 최소화할 수 있는 펌프에 대한 극저온 냉각 동작을 지원하도록 구성 및 배열된 블로바이 회로를 이용할 수 있다. 일부 실시예는 온도를 모니터링하기 위해 적어도 하나의 온도 센서 및 펌프의 냉각을 수행하기 위해 이용되는 유체의 유동을 용이하게 할 수 있는 조절 가능한 제어 밸브를 이용할 수 있다.

Description

극저온 펌프 냉각을 위한 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR CRYOGENIC PUMP COOLDOWN}
본 혁신은 극저온 유체(예를 들어, 액체 수소, 액체 산소, 액체 질소, 액체 헬륨 등)를 사용하도록 위치되고 구성될 수 있는 펌프를 냉각하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
수소 생성 및 공급 시스템의 예는 미국 특허 번호 제6,401,767호, 제6,474,078호, 제6,619,336호, 제6,708,573호, 제6,745,801호, 제6,786,245호, 제7,028,724호, 제7,328,726호, 제7,793,675호, 제7,921,883호, 제8,020,589호, 제8,286,675호, 제8,365,777호, 제8,453,682호, 제8,899,278호, 제9,074,730호, 제9,151,448호, 제9,261,238호, 제9,279,541호, 제9,404,620호, 제9,863,583호, 제10,502,649호 및 제10,508,770호로부터 알 수 있다.
일부 수소 연료 공급 응용은 액체 수소 펌프를 이용할 수 있다. 이러한 펌프의 예는 미국 특허 출원 공개 번호 제2007/0227614호, 및 제2018/0058441호 및 중국 특허 공개 번호 CN 111765064A 및 CN 110429300A 및 중국 실용 신안 CN 213116590 U로부터 알 수 있다.
미국 특허 제5,537,828호에 개시된 바와 같이, 극저온 펌프는 극저온 액체를 저압 저장 탱크에서 고압 저장 탱크로 통과시키기 전에, 펌프에 도달하기 전의 액체 기화를 최소화하는 것을 돕기 위해 적절한 극저온 온도로 냉각될 수 있다. 극저온 펌프는 전형적으로 증기로는 또는 심지어 액체와 증기의 혼합물으로도 잘 동작하지 않는다.
이 문제를 해결하기 위해 이용된 한 가지 해결책은 펌프를 저온 유체에 침액하여 액체 수소 온도의 유지를 보장하는 것이다. 예를 들어, 미국 특허 제6,474,078호에 이 기술이 개시되어 있다.
미국 특허 출원 공개 제2014/0096540호는 분배 스테이션으로부터 액화 천연 가스(LNG)를 전달하기 위한 펌프를 개시한다. 극저온 LNG는 펌프 부품을 충분히 낮은 온도로 유지하여 임펠러의 저온 쇼크 또는 차등 가열을 방지하기 위해 펌핑 시스템을 통해 지속적으로 유동할 필요가 있다.
우리는 극저온 유체(예를 들어, 수소)의 손실을 최소화하는 것을 돕는 동시에, 또한 펌프를 시작하는 데 필요한 시간의 양을 감소시키기 위해 극저온 펌프 냉각 동작을 위한 새로운 방법 및 장치가 필요하다고 판단했다. 일부 실시예는 시동 시간을 2분만큼 짧게 또는 2분 미만이 되도록 허용할 수 있으면서, 동시에, 또한 수소 연료의 손실을 실질적으로 감소시킬 수 있다(예를 들어, 일부 실시예는 수소 손실을 예를 들어 50%를 초과하여 감소시킬 수 있음). 일부 구현에서, 펌프는 분배기, 유동 제어 매니폴드 또는 다른 하류 유닛을 향한 유체의 유동을 구동하는 것을 돕기 위해 펌프가 동작되기 전에 수행되는 냉각 동작이 적용될 수 있다. 냉각 기간이 종래의 상황보다 더 길 수 있지만, 펌프 시동 프로세스가 훨씬 더 신속하게 발생할 수 있게 하여 펌프 동작의 시작에 필요한 전체 시간 기간이 크게 감소되도록 실시예가 구성될 수 있다. 펌프의 냉각 및 이 냉각 온도에서의 펌프 유지는 펌프가 신속하게 시작될 수 있는 방식으로 제공될 수 있다(예를 들어, 5분 이내, 5분 미만 5초 초과, 최대 2분, 최대 3분, 10초에서 2.5분 사이, 5초에서 4분 사이 등). 펌프 온도가 수소 손실을 최소화하면서 원하는 냉각 온도로 유지될 수 있고 펌프를 액체 수소에 침액하여야 하는 것도 피할 수 있는 실시예가 제공될 수 있다. 실시예는 또한 펌프의 동작 전에 펌프 하류의 도관을 배기할 필요성을 또한 피하면서 펌프의 이러한 냉각된 온도가 유지될 수 있도록 구성될 수 있다.
극저온 수소 펌프(CHP) 시스템 또는 다른 극저온 유체 펌프 시스템에 대한 수소 손실을 감소시키기 위한 실시예가 제공될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예는 펌프의 냉각에 필요한 배기 체적을 감소시킴으로써 수소 손실을 감소시킬 수 있다. 실시예는 또한 손실 및 시동 시간을 감소시키는 가압 배출 라인으로 펌프의 시동을 용이하게 할 수 있다. 실시예는 또한 더 빠른 시작 시간을 허용하여 차량의 직접 충전을 가능하게 할 수 있으며, 이는 연료 공급 스테이션을 위한 가스 저장 또는 2차 예냉 시스템에 대한 필요성을 최소화할 수 있다. 우리는 실시예가 종래에 빠른 시작 동작으로 고려되는 것을 제공하기 위한 시도로 그 온도를 유지하기 위해 완전히 침액된 펌프와 비교할 때 손실된 수소의 상당한 감소를 허용할 수 있는 펌프 내부의 배출 경로를 따라 가스를 유동하게 함으로써 효율적인 냉각을 추가로 제공할 수 있다고 믿는다.
일부 실시예는 대기로의 유체의 유동을 허용할 수 있는 제어 밸브의 이용에 의해 냉각 동작을 지원하기 위해 블로바이 회로(blow-by circuit)를 이용할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 제어 밸브는 예를 들어 대기압에 있는 외부 환경으로 유체를 배기시키 공기 동작식 제어 밸브일 수 있다. 이 냉각 시간 기간은 냉각 동작이 시작된 시점의 펌프 온도에 따라 상당한 양의 시간이 걸릴 수 있다. 펌프가 주위 온도에 있는 일부 상황에서는 냉각 동작에 최대 2시간이 걸릴 수 있다. 펌프가 냉각된 온도에 도달하면, 그 후, 펌프를 이 온도에서 유지하여 빠른 시동을 용이하게 할 수 있다(예를 들어, 5초와 5분 사이의 시간 사이, 3분 미만, 2분 미만, 5초와 2.5분 사이의 시간, 10초와 3분 사이의 시간 등). 다른 상황에서, 냉각 프로세스에 짧은 시간 기간이 소요되도록 펌프를 신속하게 냉각할 수 있다. 그 후, 펌프는 짧은 시간 기간(예를 들어, 5초와 5분 사이의 시간, 3분 미만, 2분 미만) 내에 그 동작 온도로 냉각된 이후 시동 동작이 적용될 수 있다.
또한, 적어도 하나의 온도 센서를 이용하여 펌프 온도의 모니터링을 도울 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 온도 센서는 펌프의 출구에서 또는 그 근방에서 펌프의 온도를 모니터링하도록 위치될 수 있는 제1 온도 센서를 포함할 수 있다. 제2 온도 센서가 또한 펌프 내의 어딘가의 온도를 모니터링하기 위해 제공될 수 있다(예를 들어, 펌프로의 공급 입구의 또는 그 근방의 센서). 이 온도 센서는 냉각 동작을 위해 공급되는 수소 또는 기타 극저온 유체의 온도를 모니터링을 도와 유동이 원하는 냉각 동작을 제공할 수 있을 만큼 충분히 저온인지 확인하는 데 도움이 될 수 있다. 온도 센서(TE)의 예는 열전쌍 또는 다른 적절한 유형의 온도 센서를 포함할 수 있다.
일부 실시예는 펌프가 동작하지 않을 때 액체 수소 연료 및/또는 매우 저온인 가스(예를 들어, 저장 탱크 내의 극저온 수소 가스)가 펌프를 통해 펌프의 입구로 통과하게 하도록 구성된 장치를 이용할 수 있다. 대기로의 블로바이 회로 또는 다른 배기 배열이 펌프에 결합될 수 있고 펌프가 동작하지 않을 때 개방될 수 있으며, 바람직하게는 느린 속도 또는 낮은 속도인 미리 선택된 속도로 펌프를 통한 유체의 유동을 구동하는 것을 돕도록 펌프의 냉각을 위해 냉각 유체가 그를 통해 통과된다. 펌프가 미리 선택된 동작 온도 이하이고, 분배기에서 유체에 대한 수요가 있는 것으로 판단되면, 펌프가 시작될 수 있다. 일부 실시예에서, 펌프의 시작은 하류 배관의 배기 또는 대기로의 펌프를 통한 제품의 유동 없이(이 기능은 예상치 못한 성능 문제, 컴포넌트 장애 등으로 인해 필요할 수 있는 경우에 사용하기 위한 블로바이 회로 또는 기타 배기 배열에 의해 여전히 제공될 수 있음) 거의 즉시(예를 들어, 몇 분 이내, 2분 미만, 0.25분 내지 2분 범위 내 또는 1-30초 범위 내 등) 이루어질 수 있다. 일부 실시예에서, 이와 같이 크게 개선된 펌프 시동 시간은 펌프를 그 동작 온도로 냉각시키는 데 사용되는 냉각 프로세스로 인해 발생할 수 있다. 다른 실시예에서, 이렇게 크게 개선된 펌프 시동 시간은 펌프와 유체 연통하는 저장 탱크로부터 출력가능한 액체 및/또는 가스 극저온 유동의 이용에 의해 제공될 수 있다.
다른 실시예는 펌프의 실린더가 저온 가스(예를 들어, 극저온 가스), 액체 수소, 또는 다른 저온 유체(예를 들어, 극저온 산소, 극저온 헬륨, 극저온 질소 또는 극저온 수소 같은 극저온 유체)가 펌프의 실린더의 병렬 경로를 통해 펌프를 냉각하게 하도록 크기 설정 및 구성되도록 구성될 수 있다. 이 병렬 경로는 독립적으로 사용할 수 있으며, 전혀 사용하지 않거나 냉각 유체가 피스톤 링 주위를 통과하도록 형성된 기본 유로와 함께 사용할 수 있다. 냉각 유체를 위한 이 추가 경로는 예를 들어 링 마모의 변동을 상쇄하거나 펌프의 유휴 피스톤 위치가 펌프를 통한 유동을 제한하는 경우에 사용할 수 있다.
수소 저장 및 분배를 위한 장치가 제공된다. 장치는 적어도 하나의 저장 탱크로부터 수소를 수용하도록 위치된 펌프를 포함할 수 있다. 펌프는 액체가 그를 통해 펌프 밖으로 통과할 수 있는 펌프 배출 도관을 위한 펌프 배출 출구를 가질 수 있다. 펌프는 또한 압축 공동 및 압축 공동 내에서 이동 가능한 이동 가능한 피스톤을 가질 수 있다. 펌프는 또한 압축 공동과 이동 가능한 피스톤에 인접하게 위치된 피스톤 링을 가질 수 있다. 피스톤 링과 압축 공동은 피스톤이 정지되어 있는 동안 수소 가스가 압축 공동으로 통과할 수 있고 수소 가스를 대기로 배기하기 위한 냉각 배출 도관과 유체 연통하도록 구성된 냉각 유동 출구로 압축 공동으로부터 피스톤 링을 통해 통과할 수 있도록 위치 및 구성될 수 있다.
냉각 배출 도관은 압축 액체가 그를 통해 펌프 밖으로 통과할 수 있는 펌프 배출 도관과 분리될 수 있다. 예를 들어, 펌프 밖으로 나와 펌프 배출 도관을 통해 통과하는 유체는 냉각 배출 도관을 통과하지 않는다. 또한, 펌프 밖으로 나와 냉각 배출 도관을 통해 통과하는 유체가 펌프 배출 도관을 통과할 수 없을 수 있다.
수소 저장 및 분배를 위한 장치의 실시예는 또한 저장 탱크 및 수소 공급 도관 배열을 포함할 수 있다. 수소 공급 도관 배열은 다음 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: (i) 저장 탱크와 펌프의 공급 입구 사이에 연결되어 저장 탱크로부터 펌프로 액체 수소를 공급하는 액체 공급 도관, 및 (ii) 저장 탱크와 펌프의 공급 입구 사이에 연결되어 수소 가스를 저장 탱크로부터 펌프로 공급하는 수소 가스 공급 도관. 장치의 실시예는 또한 냉각 배출 도관을 포함할 수 있다. 냉각 배출 도관은 펌프에 연결될 수 있으며, 그래서, 냉각 유동 출구를 통과한 수소 가스가 펌프의 냉각 동작 중에 배기되도록 펌프 밖으로, 그리고, 냉각 배출 도관을 통해 통과할 수 있다.
냉각 배출 도관은 펌프가 비활성화되어 있는 동안 펌프의 냉각 동작 중에 수소를 배기하기 위해 개방 위치로 조절 가능한, 조절 가능한 밸브를 가질 수 있다. 또한, 배기를 방지하기 위해 조절 가능한 밸브를 폐쇄할 수 있다. 폐쇄될 때, 냉각 배출 도관은 도관을 통과하는 수소 가스를 저장 탱크로 다시 공급하여 펌프를 위한 블로바이 증기 반환부로서 기능하는 도관 세그먼트를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 장치는 하나 이상의 온도 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예는 다음 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: (1) 펌프에 연결되어 저장 탱크에서 펌프로 공급되는 수소의 온도를 측정하는 제1 온도 센서; 및 (2) 냉각 배출 도관에 연결되어 냉각 배출 도관을 통과하기 위해 펌프로부터 출력된 수소의 온도를 모니터링하는 제2 온도 센서. 실시예는 또한 저장 탱크로부터 펌프로 공급되는 수소의 온도와 펌프로부터 출력되어 냉각 배출 도관을 통과하는 수소의 온도 사이의 차이를 결정하기 위해 제1 온도 센서 및/또는 제2 온도 센서에 통신적으로 연결된 제어기를 포함할 수 있다. 제어기는 하드웨어(예를 들어, 온도 센서(들)와의 통신을 위한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체 및 적어도 하나의 트랜시버 또는 인터페이스에 연결된 프로세서)를 포함할 수 있다. 제어기는 펌프가 미리 선택된 동작 온도 범위 내의 온도에 있다고 결정하고, 차이가 미리 선택된 펌프 동작 온도 임계값 내에 있다는 결정에 응답하여, 펌프가 분배기를 향해 수소를 공급하도록 활성화될 수 있다고 결정하도록 구성될 수 있다.
제어기는 수소 공급 도관 배열의 밸브를 조절하고 펌프 구동 모터와 통신하여 펌프가 미리 선택된 펌프 동작 온도 임계값 내의 온도에 있고 차이가 미리 선택된 펌프 동작 온도 임계값 내에 있다는 결정에 응답하여 펌프를 켜도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 펌프는 냉각 유로를 따라 냉각 유동 출구를 향해 이동하는 동안 수소 가스가 피스톤을 통과한 후에 수소 가스의 일부를 내부 펌프 컴포넌트로 통과시키도록 위치된 적어도 하나의 내부 냉각 채널을 포함할 수 있다. 예를 들어, 펌프의 실린더 내에 냉각 채널이 형성될 수 있다.
펌프 냉각 동작을 수행하는 방법이 또한 제공된다. 방법의 실시예는 펌프의 빠른 시동을 허용할 수 있다. 방법의 실시예는 펌프가 비활성화되는 동안 저장 탱크 내의 수소가 펌프의 압축 공동으로 통과할 수 있도록 저장 탱크와 유체 연통하는 펌프에 연결된 냉각 배출 도관의 밸브를 개방하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 펌프의 피스톤이 정지되어 있는 동안 저장 탱크로부터 펌프로 수소를 통과시켜 피스톤이 정지되어 있는 동안 압축 공동으로 통과된 수소 가스가 압축 공동으로부터 압축 공동과 피스톤에 인접하게 위치된 피스톤 링을 통해 통과되도록 하는 것을 포함할 수 있다. 수소 가스는 배기를 위해 피스톤 링에서 냉각 배출 도관으로 통과될 수 있다.
방법의 실시예는 또한 다른 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방법은 또한 펌프가 미리 선택된 동작 펌프 온도 범위 내에 있는 온도로 냉각된 것을 결정하고, 펌프가 미리 선택된 동작 펌프 온도 범위 내에 있는 온도에 있고 펌프에 유체 연결된 분배기에서 액체 수소에 대한 수요가 있다는 결정에 응답하여, 냉각 배출 도관의 밸브를 폐쇄하여 수소 가스의 배기를 중지하고 펌프 구동 모터를 켜서 저장 탱크로부터 적어도 하나의 분배기를 향해 액체 수소를 공급하기 위해 압축 공동 내의 펌프의 피스톤을 이동시키도록 펌프를 켜는 것을 포함할 수 있다.
다른 예로서, 실시예는 또한 저장 탱크로부터 펌프로 공급되는 수소의 온도를 측정하기 위해 펌프의 일부를 통과하는 수소의 온도를 모니터링하는 것 및 냉각 배출 도관을 통과하기 위해 펌프로부터 출력된 수소의 온도를 모니터링하는 것을 포함할 수 있다. 제1 온도 센서는 펌프의 일부를 통과하는 수소의 온도를 측정하기 위해 펌프에 연결될 수 있고, 제2 온도 센서는 냉각 배출 도관을 통과하기 위해 펌프로부터 출력된 수소의 온도를 측정하기 위해 냉각 배출 도관에 연결될 수 있다.
방법의 실시예는 제어기를 이용할 수 있다. 제어기는 예를 들어 적어도 하나의 트랜시버 또는 인터페이스에 연결된 프로세서 및 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체와 같은 하드웨어를 포함할 수 있다. 제어기는 펌프가 미리 선택된 펌프 동작 온도 임계값 이하인지를 결정하기 위해 제1 온도 센서 및/또는 제2 온도 센서에 통신적으로 연결될 수 있다. 펌프가 미리 선택된 펌프 동작 온도 임계값 이하에 있다는 결정에 응답하여, 제어기는 냉각 배출 도관의 밸브를 폐쇄하여 수소 가스의 배기를 중지하기 위한 통신을 발신할 수 있다.
일부 실시예에서, 방법은 또한 펌프를 통과하는 수소의 온도와 펌프로부터 출력되고 냉각 배출 도관을 통과하는 수소의 온도 사이의 차이를 결정하는 것을 포함할 수 있다. (i) 차이가 미리 선택된 펌프 동작 온도 임계값 내에 있고, (ii) 펌프를 통과하는 수소의 온도가 미리 선택된 펌프 동작 온도 범위 내에 있고, (iii) 펌프에 유체 연결된 분배기에서 액체 수소에 대한 수요가 있다는 결정에 응답하여, 수소의 배기를 중지하고 펌프 구동 모터를 켜서 저장 탱크로부터 분배기를 향해 액체 수소를 공급하기 위해 압축 공동 내에서 펌프의 피스톤을 이동시키기 위해 펌프를 켜기 위해 냉각 배출 도관의 밸브가 폐쇄될 수 있다.
다른 실시예에서, 방법은 온도 센서의 원위 측정 지점이 펌프 바닥 및/또는 펌프 내의 둑 플레이트에 인접한 펌프 내의 미리 선택된 검출 위치에서 펌프 내에 위치되도록 위치된 펌프에 연결된 온도 센서를 통해 펌프 내의 온도가 펌프에 대해 미리 선택된 동작 온도 범위 내에 있다는 것을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 펌프 내의 온도가 미리 선택된 동작 온도 범위 내에 있고 펌프에 유체 연결된 분배기에서 액체 수소에 대한 수요가 있다는 결정에 응답하여, 냉각 배출 도관의 밸브를 폐쇄하여 수소 가스의 배기를 중지하고, 펌프 구동 모터를 켜서 저장 탱크로부터 분배기를 향해 액체 수소를 공급하기 위해 압축 공동 내에서 펌프의 피스톤을 이동시키기 위해 펌프를 켠다.
극저온 유체 저장 및 분배 장치용 펌프가 또한 제공된다. 펌프의 실시예는 압축 공동 내에서 운동하도록 이동 가능한 피스톤 로드에 연결된 피스톤 및 압축 공동과 피스톤에 인접하게 위치된 피스톤 링을 포함할 수 있다. 펌프는 또한 극저온 액체가 그를 통해 펌프 밖으로 통과할 수 있는 펌프 배출 도관을 위한 펌프 배출 출구를 가질 수 있다. 피스톤 링과 압축 공동은 피스톤이 정지되어 있는 동안 극저온 가스가 압축 공동으로 통과할 수 있고, 따라서, 극저온 가스를 배기하기 위한 냉각 배출 도관과 유체 연통하도록 구성된 냉각 유동 출구를 향해 압축 공동으로부터 그리고, 피스톤 링을 통해 극저온 가스가 통과할 수 있도록 구성될 수 있다.
펌프의 실시예는 다른 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 펌프는 냉각 배출 도관을 포함할 수 있고 냉각 유동 출구는 냉각 배출 도관과 유체 연통할 수 있다. 냉각 유동 출구는 일부 실시예에서 피스톤의 비압축 측면에 위치될 수 있다.
펌프에서 이용될 수 있는 극저온 가스는 (i) 수소 가스, 질소 가스, 산소 가스 또는 헬륨 가스일 수 있다. 극저온 가스가 수소 가스인 실시예에서, 펌프의 압축 챔버로 공급되는 액체는 극저온 액체 수소일 수 있다. 극저온 가스는 질소 가스인 실시예에서, 액체는 극저온 액체 질소일 수 있다. 극저온 가스가 산소인 실시예에서, 액체는 극저온 액체 산소일 수 있다. 극저온 가스가 헬륨인 실시예에서, 액체는 극저온 액체 헬륨일 수 있다.
펌프 배출 출구를 통해 펌프 밖으로 통과할 수 있는 액체는 펌프가 펌프 밖으로 액체 유동을 구동하도록 동작될 때 압축 공동 내에서 발생하는 피스톤 운동을 통해 펌프 밖으로 밀려나는 액체일 수 있다. 펌프 배출 출구를 통해 펌프 밖으로 구동되는 액체는 압축 액체라고도 지칭될 수 있다.
일부 상황에서, 극저온 가스는 극저온 산소 가스, 극저온 질소 가스, 극저온 헬륨 가스 또는 극저온 수소 가스일 수 있거나 그럴 수 있거나 펌프가 비활성화되는 동안 펌프로 통과되는 극저온 액체로부터 형성된 증기일 수 있다. 예를 들어, 극저온 수소 가스는 액체 수소가 펌프를 냉각할 때 수소 가스로 기화되는, 펌프로 공급되는 극저온 액체 수소로부터 형성될 수 있다. 극저온 질소 가스는 액체 질소가 펌프를 냉각할 때 질소 가스로 기화되는, 펌프로 공급되는 액체 극저온 질소로부터 형성된 질소 가스일 수 있다. 극저온 산소 가스는 액체 산소가 펌프를 냉각할 때 산소 가스로 기화되는, 펌프로 공급되는 극저온 액체 산소로부터 형성된 산소 가스일 수 있다. 헬륨 가스인 극저온 헬륨 가스는 액체 헬륨이 펌프를 냉각할 때 헬륨 가스로 기화되는, 펌프로 공급되는 극저온 액체 헬륨으로부터 형성될 수 있다.
수소 저장 및 분배를 위한 우리의 장치, 수소 연료 분배 및/또는 저장을 용이하게 하기 위해 위치 및 구성될 수 있는 펌프 냉각 장치, 펌프의 극저온 동작을 위한 펌프 냉각을 위한 장치 펌프, 및 이를 제조하고 사용하는 방법의 기타 세부사항, 목적 및 이점은 그 특정 예시적인 실시예에 대한 다음의 설명이 진행됨에 따라 명백해질 것이다.
수소 저장 및 분배를 위한 장치, 수소 연료 분배 및/또는 저장을 용이하게 하도록 위치 및 구성될 수 있는 펌프 냉각 장치, 펌프의 극저온 동작을 위한 펌프 냉각 장치, 및 이를 제조하고 사용하는 방법의 예시적인 실시예가 여기에 포함된 도면에 도시되어 있다. 도면에 사용된 유사한 참조 번호는 유사한 컴포넌트를 식별할 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 수소 연료 분배 및 저장 장치의 제1 예시적인 실시예의 개략적인 블록도이다.
도 2는 수소 연료 분배 및 저장 장치의 제1 예시적인 실시예에서 이용될 수 있는 펌프(5)를 냉각하기 위한 장치의 제1 예시적인 실시예의 개략도이다. 제어기(CTRL)가 다른 요소(예를 들어, 펌프(5), 온도 센서(TE), 제어 밸브(4acv) 등)와 형성할 수 있는 예시적인 통신 연결은 도 2에 점선의 말단에 화살표가 있는 점선을 통해 표시되어 있다.
도 3은 장치의 펌프(5)가 수평 펌프로 구성되는 도 2에 예시된 펌프 냉각 장치의 제1 예시적인 실시예의 부분적인 내부 개략도이다.
도 4는 장치의 펌프(5)가 수직 펌프로 구성되는 도 2에 예시된 펌프 냉각 장치의 제1 예시적인 실시예의 부분적인 내부 개략도이다. 펌프(5)의 수직 배향을 예시하는 것을 돕기 위해 수직 축 라인(5axis)이 도 4에 도시되어 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 수소 연료 분배 및 저장 장치는 미리 선택된 압력으로 내부에 액체 수소를 저장하도록 구성된 저장 탱크(3)를 포함할 수 있다. 저장 탱크에 저장된 수소는 액체 수소를 탱크 내 저장을 위한 시설, 파이프라인 또는 현장 수소 생성 시스템(2)(점선으로 도시됨)으로 수송한 것일 수 있는 하나 이상의 트레일러를 통해 공급될 수 있다.
수소 생성 시스템(2)은 예를 들어 암모니아를 분해하여 수소 가스를 형성하기 위한 적어도 하나의 암모니아(NH3) 분해기 시스템을 갖는 암모니아 분해기 시스템 또는 메탄 개질기 시스템- 메탄을 개질하여 수소(H2)를 형성하는 적어도 하나의 메탄 개질기를 가짐 -을 포함할 수 있다. 수소 생성 시스템(2)은 형성된 수소 가스를 다른 가스(예를 들어, 질소, 이산화탄소 등)로부터 분리하기 위해 정제 시스템 또는 가스 분리 시스템을 이용하도록 구성될 수 있다. 이러한 정제 시스템은 예를 들어 압력 변동 흡착 시스템(PSA) 및/또는 온도 변동 흡착 시스템(TSA)을 포함할 수 있다. 다른 유형의 정제 시스템이 대안적으로 또는 또한 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 수소 생성 시스템(2)으로부터의 수소 가스 출력은 수소 생성 시스템으로부터 출력된 수소가 적어도 99.5몰%(mol%) 수소, 또는 적어도 99.7mol% 수소(예를 들어, 99.7 mol% 수소 내지 99.999 mol% 수소 사이의 범위 이내)이도록 정화될 수 있다. 수소 생성 시스템(2)으로부터 출력되거나 그 시스템으로부터 수용되는 수소는 액화되어 저장 탱크(3)에 저장될 수 있거나, 연료 공급 스테이션 현장에서의 저장 탱크(3)로의 전달 및 저장을 위한 수송을 위해 액화될 수 있다.
저장 탱크(3)는 미리 선택된 저장 온도 및 미리 선택된 저장 압력에서 내부에 액체 수소를 저장하는 용기 또는 복수의 용기를 포함할 수 있다. 저장된 수소는 극저온에서 저장된 액체 수소일 수 있다. 예를 들어, 저장된 액체 수소의 온도는 -255℃ 내지 -241℃의 온도 범위 이내, -255℃ 미만, -240℃ 미만 내지 -255℃의 온도 범위 이내, -253℃ 내지 -241℃ 범위 이내, 또는 미리 선택된 저장 압력 범위 내에 있는 동안 수소를 액체 형태로 유지할 수 있는 다른 적절한 온도 범위 이내일 수 있다. 저장된 액체 수소의 압력은 9 초과 내지 12.07atm의 범위, 1 atm 초과 12atm 미만, 또는 9atm 초과 12atm 미만의 범위, 9.0atm 내지 11.6atm 또는 미리 선택된 저장 온도 범위 내에 있는 동안 액체 수소를 액체 형태로 유지하도록 선택된 다른 적절한 압력 범위(예를 들어, 0.2MPa 내지 1.1MPa, 0.2MPa 초과, 0.5MPa 내지 1.2MPa, 10 psig 초과 135 psig 미만 등)일 수 있다.
액체 수소(3L)가 내부에 저장되어 있는 동안 저장 탱크(3) 내에서 수소 가스(3G)가 형성될 수 있다. 이 수소 가스(3G)는 저장 탱크(3) 밖으로 배기되어 아래에서 더 설명되는 냉각 프로세스를 통해 펌프(5)의 냉각을 제공할 수 있다. 수소 가스(3G)는 냉각 동작 및/또는 빠른 시작 동작을 제공하기 위해 단독으로 및/또는 액체 수소(3L)의 공급과 함께 이용될 수 있다. 다른 상황에서, 수소 가스(3G)를 이용하지 않는 냉각 동작 및/또는 빠른 시작 동작을 위해 액체 수소(3L)가 사용될 수 있다.
현장 수소 생성 시스템(2)이 존재하는 실시예의 경우, 저장 탱크(3)는 연료 스테이션의 적어도 하나의 분배기(9)에 대한 수소 수요로 인해 적어도 하나의 펌프(5) 및 유동 제어 매니폴드(FCM)(7)를 통해 하나 이상의 분배기(9)를 향해 공급하기 위해 저장된 수소가 저장 탱크(3) 밖으로 통과될 필요가 발생할 때까지 내부에 수소를 보유하기 위해 수소 생성 시스템(2)으로부터 출력된 수소를 저장할 수 있다. 수소 생성 시스템으로부터 출력된 수소는 액화되어 저장 탱크(3)에 액체 수소로 저장될 수 있다. 다른 실시예에서, 저장 탱크(3)는 연료 스테이션의 적어도 하나의 분배기(9)에 대한 수소 수요로 인해 적어도 하나의 펌프(5) 및 유동 제어 매니폴드(FCM)(7)를 통해 하나 이상의 분배기(9)를 향해 공급하기 위해 저장된 수소가 저장 탱크(3) 밖으로 통과될 필요가 발생할 때까지 내부에 액체 수소를 보유하기 위해 미리 선택된 저장 온도 및 미리 선택된 저장 압력에서 수소를 저장하도록 구성될 수 있다.
적어도 하나의 저장 탱크(3)에 저장된 수소는 일부 실시예에서 적어도 99.97몰%(mol%) 수소인 수소일 수 있다. 저장된 수소는 또한 일부 실시예에서 최대 300 ppm(예를 들어, 0 ppm 내지 300 ppm 범위)의 불순물 농도를 포함할 수 있다. 최대 300 ppm의 불순물(예를 들어, 누적 총량으로서 0 ppm 내지 300 ppm 범위의 불순물)은 0 ppm 내지 5 ppm 범위로 존재하는 물, 0 ppm 내지 2 ppm 범위 이내인 메탄 또는 다른 단일 탄소 등가 탄화수소를 제외한 전체 탄화수소, 0 ppm 내지 5 ppm 범위 이내인 산소, 0 ppm 내지 100 ppm 범위 이내인 메탄, 0 ppm 내지 300 ppm 범위 이내인 헬륨, 0 ppm 내지 300 ppm 범위 이내인 질소, 0 ppm 내지 300 ppm 범위 이내인 아르곤, 0 ppm 내지 2 ppm 범위, 일산화탄소는 0 ppm 내지 0.2 ppm 범위, 총 황 화합물은 0 ppm 내지 0.004 ppm 범위의 이산화탄소, 0 ppm 내지 0.2 ppm 범위의 포름알데히드, 0 ppm 내지 0.2 ppm 범위의 포름산, 0 ppm 내지 0.1 ppm 범위의 암모니아, 및 0 ppm 내지 0.05 ppm 범위까지의 할로겐화 화합물을 포함할 수 있다.
저장 탱크(3)에 저장된 수소는 차량(예를 들어, 자동차, 트럭, 보트 등)의 연료 탱크에 분배되도록 적어도 하나의 분배기(9)를 통과하기 위해 FCM(7)을 향해 공급될 수 있다. 수소 공급 도관(4)은 저장 탱크(3)로부터 펌프(5)로 수소를 공급하도록 위치될 수 있으며, 따라서, 펌프(5)는 수소의 압력을 미리 선택된 수소 공급 압력으로 증가시키고 저장 탱크(3)로부터 FCM(7)을 향해 수소의 유동을 구동하는 것을 도울 수 있다.
펌프(5)로부터 출력된 액체 수소는 열 교환기(6)(예를 들어, 기화기, 다른 유형의 열 교환기 등)로 공급되어 펌프(5)로부터 출력된 수소를 미리 선택된 온도 범위 내에 있는 미리 선택된 온도로 가온할 수 있다. 펌프로부터 출력된 수소의 일부는 열 교환기(6)를 우회하기 위해 우회 도관(6a)을 통과할 수 있다. 우회 도관(6a)은 열 교환기(6)를 우회하도록 우회 도관(6a)을 통과하는 펌프(5)로부터의 출력된 수소의 일부를 제어하기 위해 하나 이상의 제어 밸브(6acv)를 포함하는 우회 도관 배열(6bp)을 포함할 수 있다. 우회된 부분은 FCM(7)에 공급된 수소가 미리 선택된 온도에 있거나 미리 선택된 온도 범위 내에 있도록 열 교환기(6)로부터 출력된 수소 부분과 혼합되도록 공급될 수 있다. 우회된 부분은 우회된 부분의 사용을 통해 수소를 가온하는 데 필요한 열 교환기(6)의 용량을 감소시키면서 열 교환기(6)가 보다 효율적으로 작동하게 할 수 있다. 이는 운영 비용을 감소시키고 열 교환기(6)의 보다 효율적인 동작을 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 우회 도관(6a)을 위한 우회 도관 배열(6bp)은 FCM 및/또는 분배기에 공급하기 위한 수소 유동의 혼합을 위한 온도 제어를 제공하는 것을 돕기 위해 별도의 냉동 시스템 또는 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 이를 이용할 수 있지만, 또한, 본 출원에 설명된 냉각 프로세스의 이용으로 펌프(5)의 빠른 시작 및 우리의 냉각 프로세스의 실시예를 이용하는 펌프(5)의 실시예에 의해 제공될 수 있는 차량 연료 탱크의 상대적으로 순간적인 충전의 결과로서 냉동 시스템에 대한 필요성을 감소시킬 수 있도록(예를 들어, 그 사용의 회피를 허용하거나 더 작은 크기의 시스템의 사용을 허용하도록) 실시예가 구성될 수 있음이 고려된다.
또 다른 실시예에서, 제1 우회 도관(6a)은 열 교환기(6)로부터 출력된 가온된 수소와의 후속 혼합을 위해 열 교환기를 우회하기 위해 이용될 수 있다. 냉각 배출 도관(4b)에 의해 제공될 수 있는 배기에 대한 백업 또는 보충으로서 추가적인 배기 옵션을 제공하기 위해 별개의 제2 도관 배열이 있을 수 있다.
FCM(7)은 펌프(5)와 적어도 하나의 분배기(9) 사이에 유체 연결되어, 차량의 연료 탱크에 분배하기 위한 적어도 하나의 분배기(9)에 수소를 공급하기 위해 열 교환기(6) 및/또는 우회 도관(6a)의 우회 도관 배열(6bp)로부터 출력된 수소를 수용할 수 있다. 펌프(5)와 FCM(7) 사이에 다른 유닛을 위치할 수 있다. 예를 들어, 수소의 압력이 펌프(5)를 통해 증가된 후에, 수소가 FCM에서 수용되기 전에 미리 선택된 FCM 공급 온도로 수소를 가온하기 위해 수소를 가온하도록 펌프(5)의 하류 및 FCM(7)의 상류에 적어도 하나의 열 교환기(6)가 있을 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 펌프(5)와 병렬로 및/또는 제1 펌프(5)에 대한 백업으로서 기능하도록 위치된 제2 펌프(도시되지 않음)가 있을 수 있다. 제2 펌프가 제1 펌프(5)와 병렬로 작동하도록 배열되는 이러한 실시예에서, 제2 펌프는 유사한 유로 및 도관 배열을 이용할 수 있다. 예를 들어, 수소가 FCM(7)에서 수용되기 전에 제2 펌프로부터 출력된 수소의 온도를 조절하기 위해 제2 펌프(도시되지 않음)와 FCM(7) 사이에 위치된 제2 열 교환기(도시되지 않음)가 또한 존재할 수 있다. 제2 펌프가 백업 펌프로 기능하는 상황에서, 제2 펌프는 제1 펌프와 동일한 도관에 연결되고 유지보수 또는 수리 문제 또는 제1 펌프의 동작에 영향을 미칠 수 있는 다른 문제로 인해 제1 펌프를 대체하기 위해 온라인 상태가 될 수 있다.
또한, 수소 압력이 펌프(5)를 통해 증가되고, 열 교환기(6)를 통과 및/또는 열 교환기(6)의 출력을 냉각하기 위해 우회한 이후 더 높은 압력에서 수소를 저장하기 위해 FCM으로부터 수소를 수용하기 위해 FCM(7)과 유체 연통하는 고압 저장소(8)가 존재할 수 있다. 고압 저장소(8)는 저장 탱크(3)의 제1 압력보다 더 높은 제2 압력으로 내부에 수소를 유지할 수 있다. 이러한 고압 저장소를 위한 압력은 FCM(7) 및/또는 분배기(9)를 통해 수소를 탱크로 분배하는 것을 용이하게 하는 것을 돕기 위해 차량 탱크가 유지되어야 하는 압력보다 더 높게 설정될 수 있다.
FCM(7)은 수소를 하나 이상의 차량 또는 다른 디바이스의 적어도 하나의 연료 탱크로 분배하기 위해 분배기에 수소를 제공하기 위한 연료 분배 시스템의 하나 이상의 분배기(9)와 유체 연결될 수 있다. FCM(7)은 다른 차량의 연료 탱크 또는 수소를 수용하는 분배기 근방에 위치한 다른 디바이스에 연료를 공급하기 위해 분배기에 수소를 제공하기 위해 동시에 연료 스테이션의 하나 이상의 분배기에 수소를 분배하도록 구성될 수 있다. 분배기에서 수소를 공급하는 것은 연료 스테이션 또는 연료 스테이션 분배기 키오스크에서 수소에 대한 지불이 이루어진 이후 또는 이전에 발생할 수 있다.
수소 연료 공급 스테이션은 종종 하루 중 대부분은 아니더라도 전혀 사용하지 않거나 매우 미미한 사용으로 많은 시간 동안 가동될 수 있다. 그러나, 사용 중일 때, 연료 공급 스테이션에서 수소에 대한 수요가 많을 수 있다. 종종 수소 연료를 위한 풍부한 저장 공간이 제공되어 스테이션이 수요가 존재할 때 높은 수요를 충족할 수 있다. 고수요 조건이 발생할 때(예를 들어, 연료 공급 스테이션에서 차량의 연료 공급이 필요한 경우, 연료 공급 스테이션에서 다수의 차량 연료 탱크에 연료 공급이 이루어지고 있는 경우 등), 하나 이상의 분배를 통한 분배를 위해 저장 탱크(3) 밖으로, 그리고, FCM(7)을 향해 수소 유동을 구동하는 것을 돕도록 펌프(5)의 빠른 시동이 필요할 수 있다. 우리는 연료 공급 분배기(들)(9)에서 차량 연료 탱크를 충전하는 데 과도한 지연을 피하기 위해 연료 공급 스테이션이 수요가 없는 상황에서 고수요 상황으로 더 신속하게 조절할 수 있도록 더 빠른 펌프 시동을 허용하는 것이 유익할 것이라고 판단했다. 일부 실시예에서, 이러한 더 빠른 시동은 비교적 빠른 시간 기간 내에(예를 들어, 10분 미만 분, 5분 미만, 2.5분 미만, 동시에, 또한 지속기간은 5초 초과) 원하는 동작 온도로 펌프가 냉각될 수 있게 하는, 빠른 시동 프로세스의 일부인 냉각 동작의 사용을 통해 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 이 더 빠른 시동 시간은 펌프(5)를 원하는 동작 온도 이내가 되게 하여 종래의 펌프 침액 접근법을 통해 발생할 수 있는 상당한 수소 손실을 또한 방지하면서 분배기에서 수요가 존재할 때 빠른 시동을 위해 펌프가 사용 가능해질 수 있게 하도록 기능하는, 상당한 양의 시간(예를 들어, 최대 2시간, 30분 초과 및 3시간 미만 등)이 소요될 수 있는 냉각 동작에 의해 제공될 수 있다. 실시예는 더 빠른 시동을 제공하기 위해 고수요 상황을 해결할 수 있는 동시에, 반드시 고수요 발생으로 고려되지는 않을 수 있는 연료 공급 스테이션의 분배기에서의 수요가 있는 다른 상황도 해결할 수 있다.
우리는 또한 펌프(5)의 빠른 시동을 제공하는 것이 고압 저장소에 대한 필요성을 최소화하거나 제거하는 데 도움이 될 수 있다고 결정했다. 고압 저장소는 제공하는 데 상대적으로 비용이 많이 들 수 있으며 연료 공급 스테이션에서 상당한 양의 공간을 이용할 수 있다. 고압 저장소는 비교적 빠른 시간 기간(예를 들어, 차량에 연료를 제공하기 위해 작동되는 분배기의 0.5-5분 이내 등)에 활성화될 수 있는 펌프(5)를 사용함으로써 제거까지는 아니더라도 최소화될 수 있다. 이 유리한 특징은 특히 펌프(5)가 극저온 저장 탱크(예를 들어, 저압 저장 탱크(3))에 대한 추가 열 부하 또는 탱크에 대한 상당한 추가 열 부하 없이 매우 신속하게 동작할 준비가 된 상태로 유지될 수 있는 실시예에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 저압 저장 탱크(3) 내에 저장된 수소로 인한 상당한 수소 손실을 방지하는 미리 선택된 냉각 온도에서 펌프를 유지하는 것은 펌프(5)의 빠른 시작 특징이 제공하는 효율을 개선시키는 데 도움이 될 수 있다.
예를 들어, 냉각 프로세스의 일부 실시예는 먼저 펌프를 냉각하기 위해 저장 탱크(3)로부터의 저온 수소 가스를 이용함으로써 낭비되는 수소 생성물을 최소화할 수 있다(저장 탱크(3)로부터 더 따뜻한 증기를 제거하는 것에 의한 감소된 열 부하). 이러한 유형의 냉각은 또한 펌프(5)로 공급되는 액체 수소가 펌프(5)로 이어지는 도관의 온도로 인해 비등할 수 있는 상황을 피하는 데 도움이 될 수 있으며, 따라서, 형성된 증기는 액체가 펌프(5)에 도달하는 것을 방지하며, 그 이유는 비등된 액체를 통해 형성된 증기가, 그를 통해 액체가 공급되는 도관을 통해 탱크로 되돌아갈 수 없기 때문이다. 이러한 증기는 펌프(5)로 액체가 통과하도록 허용하기 위해 배기(및 이어서 손실)될 필요가 있을 수 있으며, 이는 탱크(3)의 열 부하를 감소시킬 수 있고 추가적인 펌프 냉각을 제공할 수 있다. 냉각 동작 동안 액체가 펌프(5)로 유입되는 것을 방지하는 냉각 프로세스의 실시예는 생성되는 가스 및 그것이 저장 탱크(3)로부터 펌프(5)로 통과할 때 증기로 비등하는 액체로부터 형성된 가스를 배기할 필요성을 감소시킬 수 있다. 이러한 냉각 동작은 펌프가 분배기(9)에서의 수요에 응답하여 신속하게 활성화될 수 있게 효율적이고 개선된 방식으로 펌프의 빠른 시동을 용이하게 하는 데 도움이 될 수 있다.
도 2 내지 도 4에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 펌프(5)는 펌프(5)의 시동이 비교적 짧은 시간 기간(예를 들어, 5분 미만, 2분 이하, 30초 이하, 15초 내지 3분 또는 5초 내지 2.5분의 범위 등) 내에 발생할 수 있도록 개선된 냉각 동작을 용이하게 하도록 배열 및 구성될 수 있다. 하류 배관을 배기시키거나 제품을 펌프(5)를 통해 대기로 유동시키지 않고 펌프(5)를 시작할 수 있도록 냉각 동작이 수행될 수 있다(이 기능은 예상치 못한 성능 문제, 컴포넌트 장애 등으로 인해 필요할 수 있는 경우에 사용하기 위한 펌프 배기 도관 배열을 통해 여전히 제공될 수 있음). 이러한 개선된 냉각 동작은 연료 공급 스테이션이 수요에 보다 신속하게 적응하도록 허용할 수 있고, 차량의 탱크를 보다 신속하게 충전하기 위해 연료 공급 스테이션의 개선된 동작을 가능하게 하거나 달리 분배기가 연료 탱크를 충전하기 위해 동작되게 할 수 있다. 우리는 실시예가 또한 펌프 침액 접근법과 비교할 때 발생하는 저장된 수소의 손실을 상당히 감소시킴으로써 수소 손실을 피하는 실질적인 개선을 제공할 수 있다고 믿는다. 더욱이, 실시예는 또한 더 적은 고압 저장소 용량이 필요하게 할 수 있거나 고압 저장소의 제거를 허용할 수 있다.
수소 공급 도관 배열(4)은 저장 탱크(3)를 펌프(5)에 연결하고 펌프(5)를 FCM(7) 및 분배기(들)(9)에 유체 연결하는 도관을 포함할 수 있다. 예를 들어, 수소 공급 도관 배열(4)은 펌프(5)에 액체 수소(3L)를 공급하기 위해 저장 탱크(3)와 펌프(5)의 공급 입구(5a) 사이에 연결된 액체 공급 도관(4a)을 포함할 수 있다. 수소 공급 도관 배열(4)은 또한 저장 탱크(3) 내에서 수소 가스(3G)를 수용하고 펌프 냉각 동작을 수행하기 위해 수소 가스를 펌프(5)에 공급하기 위해 수소 가스(3G)를 출력하도록 구성될 수 있는 수소 가스 공급 도관(4g)을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 펌프(5)는 가스 공급 도관(4g)과 유체 연통하는 가스 공급 입구(4go) 및 액체 공급 도관(4a)과 유체 연통하는 액체 공급 입구(4ao)를 포함하는 다수의 공급 입구를 포함하는 공급 입구(5a)를 가질 수 있다. 다른 실시예에서 (도 2에서 점선으로 표시된 바와 같이) 펌프(5)는 가스 공급 도관(4g) 및 액체 공급 도관(4a)과 유체 연통하는 단일 공급 입구를 갖는 공급 입구(5a)를 포함할 수 있다. 단일 공급 입구를 갖는 실시예에서, 가스 공급 도관(4g)은 액체 공급 도관(4a)에 연결되는 세그먼트(9g)(점선으로 도시됨)를 포함할 수 있어 액체와 가스의 혼합물 또는 가스만이 단일 펌프 공급 입구(5a)를 통해 펌프(5)로 통과할 수 있다. 가스 공급 도관(4g)의 이 세그먼트(9g)는 또한 냉각 동작 또는 다른 동작을 위한 추가 유로 옵션을 마찬가지로 제공하기 위해 펌프(5)를 위한 다수의 공급 입구를 이용할 수 있는 실시예에 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.
냉각 배출 도관(4b)이 펌프(5)에 연결되어 대기로의 수소 배기를 용이하게 할 수 있고, 따라서, 펌프의 냉각 동작을 수행하기 위해 펌프를 통과한 수소가 냉각 동작 동안 펌프(5)로부터 출력된 냉각 수소를 대기로 배기하기 위해 배출될 수 있으며, 따라서, 냉각 동작 수소가 펌프(5)로부터 하류로 통과되지 않을 수 있다(예를 들어, 열 교환기(6) 또는 FCM(7)로 하류로 통과되지 않음). 수소의 배기는 또한 수소의 유동을 저장 탱크(3)로부터 펌프(5)로 그리고 이어서 배기를 위해 펌프 밖으로 구동하는 데 도움이 되는 차압을 제공할 수 있으며, 따라서, 미리 선택된 동작 온도로 펌프를 냉각시키거나 이러한 온도에서 펌프를 유지하기 위한 냉각 동작을 수행하기 위해 수소의 유동을 구동하는 것을 돕는 다른 장비가 필요하지 않을 수 있다.
수소 공급 도관 배열(4)의 펌프 배출 도관(4d)은 펌프(5)를 열 교환기(6) 및 FCM(7)에 연결할 수 있고, 따라서, 펌프 배출 출구(4d)를 통한 펌프(5)로부터 출력된 액체 수소가 미리 선택된 온도 범위 내의 원하는 미리 선택된 FCM 공급 온도로 가온하기 위해 열 교환기(6)를 통해 통과할 수 있고, 이어서, 열 교환기(6)와 FCM(7) 사이에 연결될 수 있는 수소 공급 도관 배열(4)의 FCM 공급 도관(4e)을 통해 FCM(7)으로 통과될 수 있다. 펌프 배출 도관(4d)은 냉각 배출 도관(4b)으로부터 분리될 수 있다. 냉각 배출 도관(4b)을 통해 펌프 밖으로 통과되는 수소 가스는 펌프 배출 도관(4d)의 일부를 통과하지 않을 수 있다. 또한, 펌프 배출 도관(4d)을 통한 펌프(5)로부터 출력된 수소는 펌프 배출 도관(4d)을 통과한 수소가 FCM(7) 및 적어도 하나의 분배기(9)를 향하여 통과함에 따라 냉각 배출 도관(4b)을 통과하지 않는다.
미리 선택된 온도 범위는 차량 연료 탱크 내부의 압축 열을 최소화하는 데 도움이 되도록 연료가 연료 탱크로 분배되는 온도 근방의 온도일 수 있다. 일부 실시예에서, 미리 선택된 온도 범위는 -40℃ 이상 50℃ 이하, -20℉ 내지 -40℉ 또는 -25℃ 내지 -40℃일 수 있다.
수소 공급 도관 배열(4)은 또한 펌프 배출 도관(4d)에 연결된 수소 우회 도관 배열(6bp)을 포함할 수 있으며, 따라서, 수소가 펌프 냉각의 보조 또는 백업 수단으로서 배기 도관(4f)을 통해 대기로 배기될 수 있고 및/또는 그래서 수소의 일부가, 수소가 FCM(7)을 통과하기 전에 원하는 온도 범위로 수소를 유지하기 위해 FCM(7)에 공급되는 수소와 혼합하는 데 사용되는 열 교환기 우회 도관 배열(6bp)을 통해 열 교환기(6)를 우회할 수 있다. 수소의 일부가 열 교환기(6)를 우회하도록 허용하기 위한 우회 도관 배열의 사용은 열 교환기(6)의 부하를 감소시키는 데 도움이 되어 수소를 원하는 미리 선택된 FCM 공급 온도 범위로 유지하기 위한 운영 비용을 절약할 수 있다. 예를 들어, 열 교환기(6)를 우회하기 위한 이러한 우회 유동을 제공하기 위해, 펌프(5) 및 도관의 하류 배기를 위한 제어 밸브(4acv)는 폐쇄될 수 있으며, 동시에, 우회 도관 배열(6bp) 내의 다른 밸브는 개방되어 수소의 일부의 유동이 열 교환기(6)를 통과하고 열 교환기(6)로부터 출력된 수소의 가온된 부분과의 후속 혼합을 위해 열 교환기(6)를 우회하도록 우회 도관 배열을 통과한다.
체크 밸브(4cv)가 도관 배열(4)에 위치할 수 있다. 각각의 체크 밸브(4cv)는 수소가 체크 밸브를 통과한 후, 체크 밸브(4cv)로부터 역방향으로(예를 들어, 다시 저장 탱크(3) 또는 펌프(5)를 향하여 상류로) 유동하는 것이 방지되도록 수소 공급 도관 배열에서 역방향으로 수소가 유동하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 체크 밸브(4cv)가 열 교환기(6)와 펌프(5) 사이에 위치하여 수소가 체크 밸브를 통과한 후에 펌프(5)를 향해 역방향으로 유동할 수 없도록 할 수 있다. 다른 예로서, 적어도 하나의 체크 밸브(4cv)는 냉각 동작 동안 펌프(5)로부터 출력된 수소가 체크 밸브(4cv)를 통과한 후에 펌프로 역류할 수 없도록 냉각 배출 도관(4b)에 연결될 수 있다.
수소 공급 도관 배열(4)은 또한 조절 가능한 제어 밸브(4acv)를 포함할 수 있다. 조절 가능한 제어 밸브(4acv)는 원하는 유로를 따라 수소 공급 도관 배열(4)을 통한 유체 유동을 안내하기 위해 완전 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이에서 조절될 수 있다.
예를 들어, 제1 조절 가능한 제어 밸브(4acv1)는 냉각 배출 도관(4b)에 연결될 수 있고 개방되어 수소 가스를 대기로 배기할 수 있게 하고, 탱크 밖으로 통과된 수소 가스 및/또는 액체가 FCM(7) 및/또는 분배기(9)를 향해 액체를 구동하기 위해 펌프 동작을 시작하기 전에 냉각 동작을 수행하기 위해 펌프(5)에 공급될 수 있도록 차압을 제공할 수 있다. 제2 조절 가능한 제어 밸브(4acv2)는 탱크와 냉각 배출 도관(4b) 사이에 제공될 수 있고, 제1 조절 가능한 제어 밸브(4acv)가 개방될 때 폐쇄된 상태로 유지될 수 있고, 두 번째 제1 조절 가능한 제어 밸브(4acv)가 폐쇄될 때 개방되어, 펌프가 액체 수소를 분배기(9) 및/또는 FCM(7)을 향해 구동하기 위해 동작될 때, 수소 가스가 탱크(3)를 향해 되돌아갈 수 있게 한다.
우회 도관 배열(6bp)은 제3 조절 가능한 제어 밸브(4avc3), 제4 조절 가능한 제어 밸브(4avc4) 및 제5 조절 가능한 제어 밸브(4acv5)를 포함할 수 있다. 제3 조절 가능한 제어 밸브(4acv3)는 펌프(5)와 열 교환기(6) 사이의 도관의 배기를 허용하도록 개방될 수 있는 언로더 밸브일 수 있다. 이러한 배기를 위해, 제4 조절 가능한 제어 밸브(4acv4)는 폐쇄 위치에 있을 수 있는 반면 제5 조절 가능한 제어 밸브(4acv5)는 개방 위치에 있을 수 있다. 제5 조절 가능한 제어 밸브(4acv5)는 폐쇄될 수 있고, 제3 및 제4 조절 가능한 제어 밸브(4acv3, 4acv4)는 개방되어 열 교환기(6)를 우회하여 열 교환기(6)로부터의 액체 출력에 다시 혼합될 수 있는 수소 유동을 용이하게 할 수 있다.
온도 센서(TE)는 또한 수소 공급 도관 배열(4) 및/또는 장치의 다른 유닛(예를 들어, 펌프(5) 등)에 연결될 수 있다. 온도 센서(TE)는 도관 및/또는 펌프(5) 내의 수소 온도를 측정하여 펌프 동작, 냉각 동작 상태 또는 측정된 온도가 장치 동작과 관련될 수 있는 기타 조건을 모니터링할 수 있다. 일부 실시예에서, 온도 센서는 열전쌍 또는 다른 유형의 온도 센서일 수 있다. 실시예는 또한 펌프(5), 도관 배열(4)의 밸브 및 다른 유닛의 동작을 자동 제어하도록 동작을 모니터링하기 위해 유동 센서, 압력 센서 또는 다른 유형의 센서를 이용할 수 있다. 이러한 센서는 자동 프로세스 제어 시스템의 제어기(CTRL) 또는 다른 유닛에 통신적으로 연결될 수 있으므로 센서로부터 획득한 측정 데이터가 동작을 모니터링하고 장치의 동작을 자동으로 제어하기 위해 제어 시스템에 공급될 수 있다.
도 3 및 도 4로부터 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 펌프(5)는 실린더(5C) 및 이동 가능한 피스톤(5p)을 포함할 수 있다. 이동 가능한 피스톤 로드(5r)- 저장 탱크(5)로부터 하나 이상의 분배기(9)를 향해 수소를 공급하기 위해 수소의 압력을 증가시키도록 피스톤(5p)이 부착됨 -는 피스톤 로드(5r)의 수축 또는 확장을 통해 피스톤(5p)이 조절 가능하게 압축 공동(5cav) 내에 위치되도록 피스톤(5p)을 이동시키기 위해 실린더를 통해 피스톤(5p)으로 연장될 수 있다. 압축 공동(5cav) 내에서 피스톤(5p)의 운동을 구동하기 위해 펌프 구동 모터 또는 다른 피스톤 로드 이동 메커니즘이 피스톤 로드(5r)에 결합될 수 있다. 수소는 펌프 입구(5a)에서 수용될 수 있고 압축 공동(5cav)으로 공급되기 위해 주 공급 입구(5fi)를 통과할 수 있다. 압축된 수소 유체는 펌프 구동 모터가 활성화되어 피스톤(5p)을 이동시키도록 작동할 때 피스톤(5p)의 운동으로 인해 펌프 배출 도관(4d)에 연결된 펌프 배출 출구(4do)를 통해 이 공동으로부터 출력될 수 있다. 이어서 액체 수소가 저장 탱크로부터 수용될 수 있고, 내부에서 압축이 적용되도록 압축 공동(5cav) 내로 공급되고 펌프 배출 밸브(5dv)를 통해 압축 공동(5cav) 밖으로 펌프 배출 출구(4do)로 통과될 수 있다.
펌프(5)는 또한 냉각 동작 동안 수소 가스의 유동이 펌프(5)를 통과하게 하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 탱크(3)로부터의 수소는 펌프를 냉각시키기 위해 압축 공동(5cav)으로 통과될 수 있고, 따라서, 펌프가 꺼져 있거나 비활성화될 때 수소 가스가 압축 공동(5cav)으로 통과할 수 있다(예를 들어, 피스톤(5p)이 펌프 배출 출구(4do)를 통해 수소를 출력하기 위한 수소의 압력을 증가시키기 위한 펌프 구동 모터에 의해 구동되는 피스톤 로드(5r)의 운동을 통해 이동되지 않는다). 냉각 배출 도관(4b)에 연결된 밸브의 개방을 통해 수소 가스를 대기로 배기함으로써 저장 탱크로부터 수소를 출력할 수 있다. 탱크(3)로부터의 수소는 수소 가스 공급 도관(4g)을 통한 수소 가스(3G) 및/또는 액체 공급 도관(4a)을 통한 액체 수소로 출력될 수 있다. 수소의 유동은 수소의 배기를 위한 냉각 배출 도관(4b)의 밸브 개방을 통해 유도될 수 있다.
펌프가 꺼져 있는 동안 펌프(5)로 통과된 수소는 냉각 입구 냉각 유동(5cfi)으로서 주 공급 입구(5fi)를 통해 압축 공동(5cav)으로 통과될 수 있으며, 따라서, 수소 가스는 펌프를 미리 선택된 동작 온도 범위 내에 있는 원하는 동작 온도로 냉각시키기 위한 냉각 경로를 따라 유동할 수 있다. 이 유동을 따라 통과하는 수소 가스는 수소 가스(3G)로서 펌프(5)에 공급되는 가스이거나 펌프의 내부 부분 및/또는 공급 도관을 냉각할 때- 따라서, 액체의 적어도 일부가 냉각 프로세스 동안 그 가스 상태로 전이함 - 가온되는 펌프에 공급되는 액체 수소(3L)에 의해 생성된 가스일 수 있으며, 형성되는 이러한 가스는 입구 냉각 유동(5cfi)을 포함하는 냉각 경로를 따라 통과할 수 있고, 입구 냉각 유동은 배기를 통해 대기로 배출하기 위해 냉각 배출 도관(4b)을 통해 펌프 밖으로 통과하기 전에 압축 공동(5cav)으로 통과하고 이어서 다른 내부 펌프 컴포넌트를 통과한다.
미리 선택된 동작 온도 범위 내에 있는 원하는 동작 온도로 펌프를 냉각시키기 위한 냉각 경로는 수소 가스의 냉각 유동이 압축 공동(5cav) 내부로부터 공동의 밀봉을 돕기 위해 압축 공동(5cav)에 인접하게 위치된 피스톤 링(5pr)을 통해 통과하도록 형성될 수 있다. 피스톤 링(5pr)은 압축 공동(5cav) 내에서의 피스톤(5p)의 운동을 통해 펌프의 동작 중에 이동 가능한 피스톤(5p)과 압축 공동(5cav) 사이의 압축 공동(5cav)의 밀봉을 제공하기 위해 위치되는 반면, 이러한 밀봉은 수소 가스에 대한 완전한 밀봉이 아니며 수소 가스의 유동은 링(5pr)을 통해 유동할 수 있을 수 있다. 냉각 동작 중 이러한 수소 가스의 유동은 도 3 및 도 4에 초기 수소 냉각 유동 5cfr로 도시되어 있으며, 이는 냉각 동작 중에 피스톤 링을 따라, 그리고, 그를 통해 이동하는 수소 가스 냉각 유동(5cf)을 제공하기 위해 압축 공동(5cav)로부터, 그리고, 피스톤 링(5pr)을 따라 통과할 수 있는 수소 가스의 냉각 유동이다. 링에 마모가 발생함에 따라, 수소 가스는 링이 새로운 마모되지 않은 상태일 때보다 더 쉽게 피스톤 링(5pr)을 통과할 수 있다. 냉각 동작 중에 피스톤(5p)이 이동하지 않을 때, 수소 가스는 압축 공동(5cav)으로부터 피스톤 링을 통해 유동할 수 있다. 수소 가스의 냉각 동작 냉각 유로는 수소 가스의 냉각 동작 냉각 유동의 출구 세그먼트(5cfo)로서의 냉각 배출 도관(4b)의 냉각 유동 출구(4bo)로부터 방출될 피스톤 로드(5r)를 따라 통과하기 위한 냉각 동작의 수소 냉각 유동의 세그먼트(5cfp)를 따라 피스톤 링을 통과하여 피스톤(5p)을 지나갈 수 있다. 냉각 동작을 위한 수소 냉각 유동의 출구 유동은 냉각 유동 출구(4bo)로부터 통과하여 냉각 배출 도관(4b)을 통해 대기로 배기될 수 있다.
수소 가스의 냉각 유동은 피스톤(5p)을 따라 그리고 냉각 배출 도관(4b)의 냉각 유동 출구(4bo)를 향하여 통과할 수 있다. 냉각 유동 출구(4bo)를 통과하기 전에, 수소의 냉각 유동은 도 3 및 도 4에 도시된 수소 냉각 유로의 세그먼트(5cfp)에 의해 표시된 바와 같이 피스톤(5p)의 비압축 측면을 통과할 수 있다. 냉각 유동 출구(4bo)는 수소 가스의 냉각 유동이, 냉각 배출 도관(4b)을 통해 냉각 동작의 수소의 냉각 유동을 외부 대기로 배기하기 위해 냉각 배출 도관(4b)에 연결될 수 있는 냉각 유동 출구(4bo)로부터의 출력되기 전에, 피스톤의 비압축 측면으로부터(예를 들어, 피스톤(5p)을 넘어 피스톤 로드(5r)의 일부에 인접) 통과하도록 위치된 냉각 유동 배출 출구일 수 있다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 냉각 채널(5ci)은 수소 가스의 일부가, 펌프(5)의 공급 입구(5a)와 유체 연통하는 적어도 하나의 냉각 채널(5ci)을 통해 펌프(5)의 공급 입구(5a)로부터 펌프(5)의 다른 내부 부분으로 통과할 수 있도록 펌프(5)에 형성될 수 있다. 냉각 채널(들)(5ci)은 실린더(5C)의 내부측 또는 수소 가스를 통해 펌프의 다른 부분을 냉각하기 위해 다른 펌프 부분과 유체 연통할 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각 채널(들)(5ci)은 도 3 및 도 4에 도시된 수소 냉각 유동의 세그먼트(5cfp)에 의해 표시되는 바와 같이 피스톤(5p)의 비압축 측면으로 통과된 수소 가스의 일부가 펌프(5)의 다른 내부 부품을 냉각시키기 위해 냉각 채널(5ci)을 통과할 수 있도록 하는 적어도 하나의 천공된 통로 또는 다른 형성된 통로일 수 있다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 냉각 채널(5ci)은 압축 공동(5cav)을 통해 냉각 동작 동안 펌프를 통과하는 냉각 수소 가스의 유동을 보충하여 펌프의 다른 내부 컴포넌트를 보다 효율적이고 신속하게 냉각하는 것을 돕기 위해 이용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 내부 냉각 채널(5ci)이 존재하지 않거나 이용되지 않을 수 있다.
냉각 채널(5ci)을 통과하는 냉각에 이용되는 수소는 냉각 배출 도관(4b)을 통해 및/또는 펌프(5)의 증기 반환부를 통해 펌프로부터 출력될 수 있다. 예를 들어, 수소 가스의 유동은 피스톤 로드(5r)에 인접한 위치로부터 펌프의 배출 밸브(5dv)에 인접한 위치로 연장할 수 있는 적어도 하나의 냉각 채널(5ci) 및/또는 펌프 배출 도관(4d)과 유체 연통하는 배출 출구(4do) 및 배출 출구(4do)가 유체 연통하는 배출 밸브(5dv)를 통한 수소 배출을 위한 내부 배출 경로를 통과할 수 있다. 수소는 이어서 대기로 배기하기 위해 냉각 배출 도관(4b)을 통해 출력되기 위해 압축 공동(5cav)으로 다시 통과될 수 있다.
피스톤 로드(5r)의 운동을 통해 펌프가 활성화되고 펌프 동작이 시작된 후, 냉각 배출 도관(4b) 밖으로 배기를 허용하기 위해 밸브(4acv)가 폐쇄된 후에 제어 밸브(4acv)를 개방 위치로 조절함으로써 펌프(5)의 동작 동안의 다시 탱크(3)로의 수소 가스의 블로바이가 제공될 수 있으며, 따라서, 수소 가스는 펌프가 활성화된 동안, 펌프(5) 밖으로, 그리고, 다시, 냉각 배출 도관(4b)을 통해 탱크(3)로 통과될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 냉각 배출 도관(4b)의 제어 밸브(4acv)는 배기를 위해 밸브를 폐쇄하고, 펌프가 활성화되어 액체 수소를 압축하여 수소 가스의 블로바이 이동 경로를 제공할 때, 밸브를 개방하여 냉각 배출 도관(4b)을 통한 수소 가스 출력이 수소 가스를 탱크(3)로 다시 통과하게 하도록 조절될 수 있다.
대안적인 구성에서, 펌프(5)는 압축 공동(5cav) 내의 유체를 압축하기 위해 펌프가 활성화된 동안 수소 가스 공급 도관(4g)이 수소 가스를 위한 블로바이를 제공할 수 있게 구성될 수 있다. 이러한 구성에서, 배기를 위해 냉각 배출 도관(4b)의 밸브가 폐쇄될 수 있고, 따라서, 수소 가스 블로바이는 펌프를 통해 내부적으로 수소 가스 공급 도관(4g)으로 통과하며, 따라서, 이 도관은 액체 수소를 압축하여 FCM(7)을 향해 공급하기 위해 펌프(5)가 활성화된 동안 저장 탱크(3)로의 증기 반환부로서 기능한다.
앞서 설명한 바와 같이, 냉각 동작을 수행하기 위해 탱크(3)로부터 펌프(5)로의 수소 유동을 용이하게 하는 것을 돕기 위해, 펌프는 비활성화된 상태를 유지할 수 있다(예를 들어, 펌프 구동 모터는 꺼진 상태로 유지되거나 작동하지 않을 수 있다). 수소 공급 도관 배열(4)을 통해 펌프(5) 및 저장 탱크(3)와 유체 연통하는 냉각 배출 도관(4b)의 조절 가능한 제어 밸브는 탱크(3)를 외부 대기로 배기하기 위해 개방될 수 있다. 냉각 배출 도관(4b)을 통한 배기(도 2에서 텍스트 "배기"로 표시됨)를 위한 밸브의 개방은 수소가 저장 탱크(3)로부터 냉각 배출 도관(4b)을 통해 배기되기 전 앞서 설명한 바와 같이 냉각 동작을 위해 수소 냉각 유로를 따라 펌프 공동(5cav)을 통과하기 위해 펌프 공급 입구(5a)로 느린 속도로 유동하도록 수소 공급 도관 배열(4)의 압력을 조절할 수 있다. 이러한 느린 속도의 예는 0.53 kg/hr +/-30%, 0.1 kg/hr 내지 0.8 kg/hr의 속도, 또는 0.4 kg/hr 내지 0.6 kg/hr인 유량을 포함할 수 있다. 느린 속도의 다른 예로서, 일부 실시예는 0.1 kg/hr 내지 0.6 kg/hr 범위일 수 있는 유량을 이용할 수 있다.
수소의 유동은 수소 가스 공급 도관(4g)을 통한 수소 가스(3G) 및/또는 액체 공급 도관(4a)을 통한 액체 수소(3L)의 유동을 포함할 수 있다. 이들 도관의 제어 밸브(4acv)는 펌프가 냉각 동작을 위해 비활성화되는 동안 펌프(5)로의 이러한 수소 유동을 용이하게 하기 위해 배기 제어 밸브가 개방되는 동안 개방될 수 있다.
냉각 동작의 결과로 대기 중으로 배기되는 수소로부터 상대적으로 적은 양의 수소가 손실된다. 그러나, 이러한 수소의 손실은 냉각 프로세스의 이용에 의해 제공될 수 있는 펌프(5)의 빠른 시동에 걸릴 수 있는 시간의 실질적인 감소의 관점에서 허용될 수 있다.
또한, 냉각 동작에 이용되는 수소는 수소 가스(3G)일 수 있거나 그렇지 않으면 저장 탱크(3)로부터 배기될 필요가 있을 수 있는 수소 가스(3G)를 포함할 수 있다. 가스(3G)를 배기하기 전에 냉각 동작에서의 냉각을 위한 수소 가스(3G)의 사용은 저압 저장 탱크(3) 내의 액체 수소의 저장 결과로 형성되는 이 수소 가스(3G)의 보다 효율적인 이용을 제공할 수 있다. 이는 가스를 대기로 배기하기 전에 유용한 동작 목적으로 수소 가스(3G)를 이용함으로써 작동 효율을 더욱 개선시킬 수 있다.
펌프(5)가 비교적 오랜 시간 기간 동안 비활성화될 것으로 예상되는 일부 상황에서, 냉각 동작은 수소 가스(3G)만을 사용하여 수행될 수 있다. 이러한 동작은 일부 실시예에서 1-3시간의 시간이 소요되는 냉각 동작을 초래할 수 있다. 펌프가 원하는 온도에 도달하면, 냉각 동작은 느린 속도로 지속적으로 또는 주기적인 간격으로 수소 가스(3G)의 냉각 유동을 사용하여 유지될 수 있다. 이는 연료 공급 스테이션 수요가 높을 것으로 예상되는 예상 시간 근방에서는 펌프를 원하는 온도로 유지하는 동시에, 달리 배기될 필요가 있는 탱크(3) 내의 가스 사용에 의한 수소 손실을 최소화하는 데 도움이 될 수 있다. 이 빠른 시작 특징은 수요가 많지 않은 다른 상황에서도 유익할 수 있다. 예를 들어, 빠른 시작 특징은 저수요 상황에서 차량 연료 탱크에 연료를 공급하는 데 유리할 수 있으며, 그 이유는 이러한 특징은 고압 저장 또는 펌프로부터 하류에서의 수소의 다른 지상 저장에 대한 필요성을 제거하지는 않더라도 최소화하는 데 도움이 될 수 있기 때문이다.
다른 상황에서, 냉각 동작은 또한 액체 수소(3L)를 이용할 수 있다. 펌프가 비활성화되어 있는 동안 냉각 동작을 위해 펌프(5)에 공급되는 액체 수소는 펌프를 원하는 동작 온도로 보다 더 신속하게 냉각시킬 수 있으며, 따라서, 냉각 동작을 보다 신속하게(예를 들어, 1 내지 3분 이내, 5분 이내, 30초 내지 3분 사이, 30초 내지 2분 사이 등) 수행되게 할 수 있다. 액체 수소의 사용은 너무 높은 온도(예를 들어, 미리 선택한 동작 온도 범위에 속할 수 있는 온도보다 더 높음)로 가온되기에 충분한 시간 기간 동안 펌프가 비활성화된 후 분배기 에서의 수요가 예기치 않게 높을 때, 때때로 냉각 동작에 이용될 수 있다. 액체 수소(3L)는 냉각 동작에서 단독으로 또는 수소 가스(3G)의 사용과 함께 이용될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 액체 수소를 사용하는 경우, 액체 수소가 냉각 동작 중에 펌프 컴포넌트와 액체 공급 도관에서 열을 흡수함에 따라 액체 수소가 가열되기 때문에 대부분의 액체 수소는 냉각 프로세스 중에 기화될 수 있다. 액체 수소가 냉각 매체로서 기능함으로써 수소 액체가 가열되어 형성되는, 형성된 수소 가스는 앞서 설명한 바와 같이 냉각 경로 흐름을 따라 통과할 수 있다.
제어기(CTRL)에 통신적으로 연결될 수 있는 온도 센서 및 기타 제어 요소를 이용하여 냉각 동작을 모니터링하고 제어할 수 있다. 예를 들어, 제1 온도 센서(TE)는 펌프 공급 입구(5a)로 통과되는 수소의 온도를 모니터링할 수 있고 제2 온도 센서(TE)는 대기로 출력된(예를 들어, 배기된) 수소의 온도를 모니터링하도록 위치될 수 있다(예를 들어, 냉각 배출 도관(4b)에 연결된 제2 온도 센서(TE)). 제1 및 제2 온도 센서(TE)로부터의 온도 측정 데이터는, 펌프가 미리 선택된 동작 온도 범위 내에서 충분히 저온인 동작 온도에 있게 된 이후, 그리고, 하나 이상의 분배기(9)에서 수소를 연료의 수요가 있는 경우, 다른 밸브의 후속 제어 및 펌프의 동작을 시작하기 위한 펌프 구동 모터의 활성화를 위해 냉각 동작을 모니터링하도록 해당 데이터를 평가하기 위해 제어기(CTRL)로 발신될 수 있다.
제어기(CTRL)는 센서 및 플랜트 및/또는 장치의 다른 요소와 통신하기 위한 비일시적 메모리 및 적어도 하나의 트랜시버에 연결된 프로세서를 갖는 컴퓨터 디바이스일 수 있다. 제어기는 냉각 동작을 위해 펌프(5)에 공급되는 수소의 입구 온도(예를 들어, 펌프(5)에 또는 펌프 입구(5a)에 위치가능한 제1 온도 센서(TE)의 데이터로부터 결정되는 온도)와 냉각 동작 동안 배기를 위해 통과되는 수소의 출구 온도(예를 들어, 냉각 배출 도관(4b) 또는 냉각 유동 배출 출구(4bo)에 위치할 수 있는 제2 온도 센서(TE)의 데이터로부터 결정된 온도) 사이의 차이를 결정하기 위해 온도 센서(TE)로부터 수신된 온도 데이터를 평가하도록 구성될 수 있다. 제1 및 제2 온도 센서로부터 수신된 데이터로부터 결정된 입구 및 출구 온도의 차이가 미리 선택된 펌프 동작 온도 임계값 내에(예를 들어, 차이가 200℉ 또는 115℃ 이내, 100℉ 또는 60℃ 이내, 50℉ 또는 30℃ 이내 또는 다른 적절한 범위 이내) 있고, 펌프 온도가 또한 미리 선택된 동작 온도 이하(예를 들어, 펌프의 제1 온도 센서(TE)가 측정 데이터 제공 펌프 온도가 -200℉ 이하, -300℉ 이하, -350℉ 이하, -400℉ 이하, -240℃ 이하, -180℃ 이하 등) 인 것으로 결정될 때, 펌프(5)는 동작을 위해 원하는 동작 온도에 있는 것으로 결정될 수 있다. 이 온도 확인 프로세스는 하나 이상의 분배기(9)에서 액체 수소에 대한 수요가 있고 따라서 펌프(5)의 활성화가 요구된다고 제어기(CTRL)에 의해 결정된 후에 수행될 수 있다.
이러한 결정에 응답하여, 제어기(CTRL)는 수소 공급 도관 배열(4)의 밸브(4acv) 및 장치의 다른 유닛의 작동을 조절하기 위해 다른 요소와 통신할 수 있다. 예를 들어, 펌프 동작 온도 조건이 충족된 후, 냉각 동작은 도관 배열(4)을 배기하기 위한 밸브(4acv)를 폐쇄함으로써 중지될 수 있고 펌프 구동 모터가 켜져 펌프(5)가, 증가된 압력에서 저장 탱크(3)로부터 FCM(7) 및 분배기(9)를 향해 액체 수소를 공급하기 위해, 저장 탱크(3) 밖으로, 펌프(5)를 통해, 그리고, 펌프 배출 출구(4do)를 거쳐 펌프 배출 도관(4d)을 통해 액체 수소(3L)의 유동을 구동하기 시작할 수 있다.
제어기(CTRL)는 이 동작을 자동으로 제어하기 위해 밸브 및 펌프(5)에 통신을 발신할 수 있거나, CTRL은 제어기(CTRL)에 통신적으로 연결된 디스플레이를 통해 조작자에게 보여질 이 검출된 조건과 관련된 표시의 디스플레이를 야기하여 조작자가 입력 디바이스를 사용하여 밸브 조절을 개시하고 펌프 구동 모터를 시작하기 위한 입력을 제공하는 것을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 이 입력의 수신에 응답하여, 제어기(CTRL)는 그 후 밸브 조절 및 펌프 구동 모터의 활성화 등을 위한 통신을 발신할 수 있으며, 따라서, 하나 이상의 분배기에서 액체 수소에 대한 수요가 펌프로부터 분배기를 향해 액체 수소를 공급함으로써 충족될 수 있다.
예를 들어, (i) 분배기(9)에서 액체 수소에 대한 수요가 있다는 결정, (ii) 차이가 미리 선택된 펌프 동작 온도 임계값 내에 있다는 결정, 및 (iii) 펌프의 온도 센서(TE)를 통한 펌프 온도가 펌프가 미리 선택된 동작 온도 임계값 이하의 온도에 있음을 나타낸다는 결정에 응답하여, 제어기(CTRL)는 냉각 배출 도관(4b)의 밸브를 폐쇄하기 위한 통신을 발신하여 수소의 배기를 중지하고, 펌프(5)를 켜도록 펌프 구동 모터를 켜서 저장 탱크(3)로부터 하나 이상의 분배기(9)를 향해 수소를 공급하기 위해 압축 공동(5cav) 내에서 펌프(5)의 피스톤(5p)을 이동시킬 수 있다. 이러한 통신은 자동으로 발신되거나 조작자로부터 입력을 수신한 후에 발신될 수 있다.
분배기(9)에서 액체 수소에 대한 수요를 충족시키기 위해 냉각 동작이 수행된 이후의 펌프(5)가 펌프의 시동을 위한 원하는 동작 온도에 있다는 것의 검출은 다수의 상이한 설계 기준 세트를 충족하도록 적응될 수 있다. 일부 실시예에서, 온도 센서(TE)의 원위 측정 지점(5tp)은 미리 선택된 검출 위치(LDS)에서 펌프 내에 위치될 수 있다. 도 4에 도시된 펌프(5)와 같은 수직 펌프의 경우, 미리 선택된 검출 위치(LDS)는 압축 공동(5cav)의 주 공급 입구(5fi) 아래에서 펌프 실린더의 바닥(5btm)에 인접할 수 있다. 도 3에 도시된 펌프(5)와 같은 수평 펌프의 경우, 미리 선택된 검출 위치(LDS)는 압축 공동(5cav)과 유체 연통하는 주 공급 입구(5fi)에 인접하게 위치된 둑 플레이트(5wp)에 의해 펌프의 바닥(5btm) 측면에 인접할 수 있다. 둑 플레이트(5wp)는 또한 알려진 레벨-투-플로우 관계를 생성하기 위해 이용될 수 있는 펌프 내의 둑 배플 또는 다른 유형의 요소로 고려될 수 있다. 원위 측정 지점(5tp)은 둑 플레이트(5wp)가 펌프(5) 내의 온도 센서(TE)의 측정 지점(5tp)과 압축 공동(5cav)에 위치한 피스톤(5p) 사이에 있도록 둑 플레이트(5wp) 후방에 위치될 수 있다.
냉각 동작을 위해 액체 수소를 이용하는 펌프(5)의 실시예에 대해, 원위 측정 지점(5tp)의 위치는 이 센서가 냉각 동작 수소 유동의 결과로서 이 미리 선택된 검출 위치(LDS)에 축적된 액체 수소의 온도를 측정하도록 위치될 수 있다. 이러한 검출은 예를 들어 탱크(3) 내의 액체 극저온 수소의 온도와 연관된 온도(펌프를 위한 동작 조건에 대한 온도 센서(TE)의 보정에 따라, 예를 들어, -423℉, -253℃, -400℉, -240℃ 또는 -423℉ 내지 -350℉ 또는 253℃ 내지 -180℃의 온도 등)에서 수소가 갖게 되는 온도를 측정하는 온도 센서(TE)에 의해 이루어질 수 있다. 일단 이러한 검출이 이루어지면, 냉각 동작은 펌프(5)를 충분히 냉각시킨 것으로 결정될 수 있고 펌프가 시작될 수 있다.
펌프(5)가 충분히 냉각되고 펌프 동작이 개시된 후, 냉각 배출 도관(4b)의 하나 이상의 밸브는 펌프(5)의 동작 중에 피스톤 링(5pr)을 통과할 수 있는 임의의 수소(예를 들어, 수소 가스)가 냉각 유동 배출 출구(4bo)로부터 출력될 수 있고 앞서 설명한 바와 같이 (배기되는 대신에) 저장 탱크(3)로 다시 공급될 수 있게 조절될 수 있다.
펌프가 동작 중일 때, 펌프 공급 입구(5a)를 통해 펌프(5)에 의해 수용된 수소는 압축될 수 있고 이어서 펌프 배출 도관(4d)을 통해 펌프(5)로부터 출력될 수 있다. 펌프(5)로부터 출력된 이후, 액체 수소는 FCM 공급 도관(4e)을 통해 FCM(7)에 공급되기 전에 내부에서 가온이 적용되도록 열 교환기(6)를 통과할 수 있다. 가온 매체는 열 교환기(6)를 통과하는 수소의 가온을 용이하게 하기 위해 병류 유동 또는 역류 유동으로 열 교환기(6)를 통과할 수 있다. 그 후, 수소는 FCM에서 하나 이상의 분배기(9)로 통과될 수 있다.
하나 이상의 분배기(9)에서 수소에 대한 수요가 낮거나 중단될 때, 펌프 동작이 중지될 수 있다(예를 들어, 펌프가 비활성화될 수 있음). 펌프(5)는 오랜 시간 동안 꺼져 있을 수 있고, 펌프를 통과하는 극저온의 수소가 없기 때문에 꺼져 있던 만큼 따뜻할 수 있다. 하나 이상의 분배기(9)에서 또 다른 수소 수요 증가로 인해 펌프(5)를 다시 켜야 하는 경우, FCM(7) 및 하나 이상의 분배기(9)를 향해 수소를 공급하기 위해 켜지기 전에 펌프(5)가 원하는 동작 온도에 있는지 확인하기 위해 펌프 구동 모터가 작동되기 전에 냉각 동작이 다시 수행될 수 있다. FCM(7) 및 분배기(들)(9)로 수소를 유동하게 하기 위해 펌프(5)가 활성화(또는 재활성화)될 때마다 펌프 구동 모터를 켜기 전에 냉각 동작의 수행이 이루어질 수 있다.
펌프(5)의 실시예 및 펌프(5)를 냉각하기 위한 장치의 실시예를 이용하는 펌프 냉각 동작의 실시예의 수행은 펌프(5)가 수소 우회 도관(6a) 및 배기 도관(4f)을 통해 대기로 펌프(5)를 통해 하류 배관 또는 유동 수소 생성물을 배기시킬 필요 없이 원하는 동작 온도로 냉각되게 할 수 있다. 그러나, 우회 도관(6a)과 유체 연통하는 하류 배기 도관(4f)이 장치의 실시예에서 유지되어 동작 중에 발생할 수 있는 다른 문제를 고려하기 위해 유지보수 또는 비상 배기 기능을 제공할 수 있다.
펌프(5)의 실시예 및 펌프(5)를 냉각하기 위한 장치의 실시예를 이용하는 펌프 냉각 동작의 실시예는 펌프(5)가 극저온 액체 수소에 펌프를 침액하거나 액체 수소가 항상 연속 동작으로 펌프를 통과할 필요 없이 원하는 동작 온도로 냉각되게 할 수 있다. 이는 펌프의 연속 작동을 피함으로써 에너지 활용을 개선하고 펌프의 지속적인 침액 또는 펌프의 지속적인 작동 또는 필요하지 않을 때의 펌프를 통한 제품의 유동과 연관된 더 높은 비용 및 유지보수 문제를 피할 수 있다. 이러한 펌프 침액 방식은 예를 들어 펌프가 침액된 상태로 유지될 때 발생하는 상당한 수소 비등으로 인해 상당한 손실을 초래할 수 있다. 펌프 침액 접근법과 대조적으로, 우리는 본 발명의 장치 및 펌프 냉각 방법의 실시예가 펌프가 동작하지 않는 동안 펌프 침액의 결과로 발생할 수 있는 상당한 수소 손실을 피할 수 있다고 믿는다.
펌프(5)의 실시예 및 펌프(5)를 냉각하기 위한 장치의 실시예를 이용하는 펌프 냉각 동작의 실시예는 펌프(5)가 펌프의 냉각에 필요한 수소의 배기 체적을 감소시킴으로써 수소 손실을 감소시킬 수 있게 하고, 수소 손실을 감소시키고 펌프의 시동 시간을 감소시키기 위해 가압된 배출 라인을 사용한 더 빠른 펌프 시동 시간을 용이하게 하고, 연료 공급 스테이션을 위한 가스 저장 또는 보조 예냉 시스템에 대한 필요성을 최소화하는 것을 또한 도우면서 분배기(9)에서 차량의 직접 충전을 수행하기 위한 더 빠른 펌프 시동 시간을 가능하게 하고, 또한, 펌프 내부의 냉각 수소 가스 배출 경로를 따른 수소의 유동에 의해 효율적인 냉각을 제공할 수 있다.
우리는 우리의 펌프(5)의 실시예와 펌프(5)를 냉각하기 위한 우리의 장치의 실시예를 이용하여 펌프 냉각 동작 실시예의 기밀 실험 및 시뮬레이션을 수행했으며, 일부 상황에서 시동 시간이 2분 미만(예를 들어, 30초 미만, 15초 미만, 5초 미만, 5초 내지 2분 사이 등)일 수 있는 동시에, 펌프가 높은 주위 온도로 가온될 수 있는 다른 극단적 온도 상황에서, 시동 시간이 2 내지 5분의 범위일 수 있다는 것을 발견하였다. 다른 온도 조건에서, 펌프(5)는 4-7분 범위 이내인 20분 미만의 냉각 시간에서 충분히 냉각될 수 있었고, 상이한 실시예 및 다른 펌프 시작 온도를 사용하여 수행된 상이한 실험에 대해 5분 미만이었다. 또한, 수소 손실은 종래의 냉각 동작과 비교할 때 50%를 초과하여 감소할 수 있으므로 수소 손실 감소에 있어 상당한 동작 개선을 제공할 수 있다.
수소 연료 분배 및/또는 저장을 용이하게 하도록 위치 및 구성될 수 있는 펌프 냉각을 위한 장치, 펌프의 극저온 동작을 위한 펌프 냉각 장치, 펌프 구동 모터의 시작 이전의 우리의 펌프 냉각 동작의 실시예, 이를 제조 및 사용하는 방법의 실시예는 각각 동작을 모니터링 및 제어하도록 위치 및 구성된 프로세스 제어 요소를 포함하도록 구성될 수 있음을 이해하여야 한다(예를 들어, 온도 및 압력 센서, 유동 센서, 자동화된 프로세스 제어 시스템- 워크 스테이션에서 실행될 수 있는 자동화된 프로세스 제어 시스템을 위한 사용자 인터페이스를 제공하기 위해 프로세서, 비일시적 메모리 및 센서 요소, 밸브 및 제어기와의 통신을 위한 적어도 하나의 트랜시버를 포함하는 적어도 하나의 워크 스테이션을 구비함 - 및/또는 장치의 다른 컴퓨터 디바이스 등).
본 출원에 설명된 예시적인 실시예 중 일부는 수소의 이용에 관련한다. 수소는 극저온 유체의 예이다. 펌프(5)의 다른 실시예는 수소 가스 및/또는 액체 수소 대신에 다른 유형의 극저온 유체(예를 들어, 극저온 액체 및/또는 극저온 가스)와 함께 이용될 수 있다. 예를 들어, 저장 탱크(3)는 다른 유형의 극저온 유체(예를 들어, 극저온 헬륨, 극저온 질소 또는 극저온 산소)를 보유할 수 있다. 이러한 실시예에서, 펌프 배출 도관(4d)은 FCM(7) 및/또는 분배기(9) 대신 후속 사용을 위해 펌핑된 액체를 플랜트 요소에 공급할 수 있다. 이러한 실시예에서, 액체 공급 도관(4a)은 액체 극저온 공급 도관(4a)으로 고려될 수 있다. 이러한 실시예에서, 분배기(9)에서의 수요는 또한 제어기(CTRL)를 통한 펌프(5)의 활성화에 대한 기준이 아닐 수 있다. 대신, 동작 온도 평가 기준에 추가하여 다른 제어 기준이 수반될 수 있다(예를 들어, 플랜트 요소 또는 공기 분리 유닛 요소에 대한 극저온 액체 또는 극저온 유체에 대한 수요 등). 따라서, 수소 연료 공급 스테이션의 예시적인 실시예는 예시이고 수소 연료 공급 스테이션 유형 환경에서의 사용에 추가하여 다른 실시예 및 용도가 또한 고려된다는 것을 이해하여야 한다. 실시예는 공기 분리 유닛, 공기 분리 플랜트, 또는 하나 이상의 극저온 액체 또는 극저온 유체(예를 들어, 극저온 산소, 극저온 질소, 극저온 헬륨 등)를 이용할 수 있는 다른 산업 플랜트에서 대안적으로 이용될 수 있다. 수소 가스 및/또는 액체 수소와 관련하여 앞서 설명된 펌프 냉각 동작을 위한 냉각 경로는 이러한 실시예에 대해 이러한 유로를 따라 통과하는 상이한 극저온 가스 및 극저온 액체의 사용을 수반할 수 있다. 예를 들어, 극저온 가스는 이러한 실시예를 위한 수소 가스 대신 극저온 질소, 산소 또는 헬륨 가스일 수 있다. 이러한 실시예에서, 펌프를 통해 사용되는 극저온 액체는 앞서 설명된 바와 동일한 액체 수소의 배출 및 유로를 따라 통과할 수 있다. 그러나, 극저온 액체는 FCM(7) 및 분배기(9) 대신 다른 유형의 하류 유닛으로 통과될 수 있다.
이러한 실시예에서, 저장 탱크(3)에 대해 미리 선택된 온도 및 압력은 상이한 극저온 유체를 고려하여 상이할 수 있다(예를 들어, 유체가 액체로서 유지될 수 있게 온도가 유체에 대한 끓는점 미만일 수 있음). 예를 들어, 액체 헬륨의 저장 및 펌핑을 위해 미리 선택된 저장 온도는 -269℃ 이하의 온도일 수 있다. 극저온 유체가 극저온 질소인 실시예에 대해, 저장을 위해 미리 선택된 온도는 -196℃ 이하일 수 있다. 극저온 유체가 아르곤인 실시예에 대해, 저장을 위해 미리 선택된 온도는 -186℃ 이하일 수 있다. 극저온 유체가 산소인 실시예에 대해, 저장을 위해 미리 선택된 온도는 -182℃ 이하일 수 있다.
특정 세트의 설계 목표 또는 특정 설계 기준 세트를 충족시키기 위해 본 출원에 명시적으로 도시되고 설명된 실시예에 대한 다른 수정이 이루어질 수 있음을 또한 이해하여야 한다. 예를 들어, 다양한 유닛 사이의 유체 유동의 유체 연통을 위해 장치의 다양한 유닛을 상호 연결하기 위한 밸브, 배관 및 다른 도관 요소(예를 들어, 도관 연결 메커니즘, 배관, 밀봉 등)의 배열, 수소 연료 분배 및/또는 저장 시스템의 사용 가능한 영역, 시스템의 크기가 지정된 장비 및 기타 설계 고려사항을 고려한 특정 레이아웃 설계를 충족하도록 배열될 수 있다. 다른 예로서, 장치의 다른 요소를 통과할 뿐만 아니라 다른 장치 요소를 통과하는 유체의 유량, 압력 및 온도는 다른 극저온 유체 저장 및 사용 시스템 설계 구성 및 다른 설계 기준을 고려하여 변할 수 있다. 또 다른 예로서, 장치의 상이한 구조적 컴포넌트에 대한 재료 조성은 특정 설계 기준 세트를 충족시키기 위해 필요할 수 있는 임의의 유형의 적절한 재료일 수 있다.
다른 예로서, 개별적으로 또는 실시예의 일부로서 설명된 특정 특징은 다른 개별적으로 설명된 특징 또는 다른 실시예의 일부와 조합될 수 있는 것으로 고려된다. 따라서, 본 출원에 설명된 다양한 실시예의 요소 및 작용은 조합되어 또 다른 실시예를 제공할 수 있다. 따라서, 수소 저장 및 분배를 위한 우리의 장치, 수소 연료 분배를 용이하게 하도록 위치되고 구성될 수 있는 펌프를 냉각하기 위한 장치, 펌프의 극저온 동작을 위한 펌프 냉각을 위한 장치, 극저온 펌프, 및 이를 제조하고 사용하는 방법의 특정 예시적인 실시예가 위에서 보여지고 설명되었지만, 본 발명은 이에 제한되지 않고 하기 청구범위의 범위 내에서 달리 다양하게 구현되고 실시될 수 있음을 명백히 이해하여야 한다.

Claims (20)

  1. 수소 저장 및 분배를 위한 장치에 있어서,
    적어도 하나의 저장 탱크로부터 수소를 수용하도록 위치된 펌프를 포함하고;
    상기 펌프는 액체가 펌프 그를 통해 밖으로 통과할 수 있는 펌프 배출 도관을 위한 펌프 배출 출구를 갖고;
    상기 펌프는 또한 압축 공동 및 상기 압축 공동 내에서 이동 가능한, 이동 가능한 피스톤을 갖고, 상기 펌프는 또한 상기 압축 공동 및 상기 이동 가능한 피스톤에 인접하여 위치된 피스톤 링을 가지며;
    상기 피스톤 링과 상기 압축 공동은 상기 피스톤이 정지되어 있는 동안 수소 가스가 상기 압축 공동으로 통과할 수 있고, 상기 수소 가스를 대기로 배기하기 위한 냉각 배출 도관과 유체 연통하도록 구성된 냉각 유동 출구로 상기 압축 공동으로부터 상기 피스톤 링을 통해 통과할 수 있도록 위치 및 구성되는, 수소 저장 및 분배를 위한 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    저장 탱크; 및
    상기 저장 탱크로부터 상기 펌프로 액체 수소를 공급하기 위해 상기 저장 탱크와 상기 펌프의 공급 입구 사이에 연결된 액체 공급 도관과 상기 저장 탱크와 상기 저장 탱크로부터 상기 펌프로 수소 가스를 공급하기 위해 상기 펌프의 공급 입구 사이에 연결된 수소 가스 공급 도관 중 적어도 하나를 포함하는 수소 공급 도관 배열을 포함하고;
    상기 냉각 배출 도관은 상기 펌프에 연결되며, 그래서, 상기 펌프의 냉각 동작 동안 배기를 위해 상기 냉각 유동 출구를 통과한 수소 가스가 상기 펌프 밖으로, 그리고, 상기 냉각 배출 도관을 통해 통과할 수 있는, 수소 저장 및 분배를 위한 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 냉각 배출 도관은 상기 펌프가 비활성화되는 동안 상기 펌프의 냉각 동작 동안 수소를 배기하기 위해 개방 위치로 조절 가능한, 조절 가능한 밸브를 갖는, 수소 저장 및 분배를 위한 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 펌프와 연결되어 상기 저장 탱크에서 상기 펌프로 공급되는 수소의 온도를 측정하는 제1 온도 센서; 및
    상기 냉각 배출 도관을 통과하도록 상기 펌프로부터 출력된 수소의 온도를 모니터링하기 위해 상기 냉각 배출 도관에 연결되는 제2 온도 센서 중 적어도 하나를 포함하는, 수소 저장 및 분배를 위한 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 저장 탱크로부터 상기 펌프로 공급되는 수소의 온도와 상기 펌프로부터 출력되어 상기 냉각 배출 도관을 통과하는 수소의 온도 사이의 차이를 결정하기 위해 상기 제1 온도 센서 및/또는 상기 제2 온도 센서에 통신적으로 연결된 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 펌프가 미리 선택된 동작 온도 범위 내의 온도에 있다고 결정하고, 상기 차이가 미리 선택된 펌프 동작 온도 임계값 이내라는 결정에 응답하여, 상기 펌프가 상기 분배기를 향해 수소를 공급하도록 활성화될 수 있다고 결정하도록 구성되는, 수소 저장 및 분배를 위한 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제어기는 수소 공급 도관 배열의 밸브를 조절하고 펌프 구동 모터와 통신하여 상기 펌프가 미리 선택된 펌프 동작 온도 임계값 내의 온도에 있고 상기 차이가 미리 선택된 펌프 동작 온도 임계값 내에 있다는 결정에 응답하여 상기 펌프를 켜도록 구성되는, 수소 저장 및 분배를 위한 장치.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 펌프는 냉각 유로를 따라 상기 냉각 유동 출구를 향해 이동하는 동안 상기 수소 가스가 상기 피스톤을 통과한 후에 수소 가스의 일부를 내부 펌프 컴포넌트로 통과시키도록 위치된 적어도 하나의 내부 냉각 채널을 포함하는, 수소 저장 및 분배를 위한 장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 펌프는 냉각 유로를 따라 상기 냉각 유동 출구를 향해 이동하는 동안 상기 수소 가스가 상기 피스톤을 통과한 후에 수소 가스의 일부를 내부 펌프 컴포넌트로 통과시키도록 위치된 적어도 하나의 내부 냉각 채널을 포함하는, 수소 저장 및 분배를 위한 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 냉각 채널은 상기 펌프의 실린더 내에 형성되는, 수소 저장 및 분배를 위한 장치.
  10. 펌프 냉각 동작을 수행하는 방법에 있어서,
    펌프가 비활성화되어 있는 동안 저장 탱크 내의 수소가 상기 펌프의 압축 공동으로 통과할 수 있게 상기 저장 탱크와 유체 연통하는 상기 펌프에 연결된 냉각 배출 도관의 밸브를 개방하는 단계;
    상기 펌프의 피스톤이 정지되어 있는 동안 상기 저장 탱크로부터 상기 펌프로 수소를 통과시켜 상기 피스톤이 정지되어 있는 동안 상기 압축 공동으로 통과된 수소 가스가 상기 압축 공동으로부터 상기 압축 공동과 상기 피스톤에 인접하게 위치된 피스톤 링을 통해 통과되도록 하는 단계; 및
    배기를 위해 상기 피스톤 링으로부터 상기 냉각 배출 도관으로 상기 수소 가스를 통과시키는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    미리 선택된 동작 펌프 온도 범위 내에 있는 온도로 상기 펌프가 냉각되었다고 결정하는 단계; 및
    상기 펌프가 미리 선택된 동작 펌프 온도 범위 내에 있는 온도에 있고 상기 펌프에 유체 연결된 분배기에서 액체 수소에 대한 수요가 있다는 결정에 응답하여, 냉각 배출 도관의 밸브를 폐쇄하여 수소 가스의 배기를 중지하고, 펌프 구동 모터를 켜서 상기 저장 탱크로부터 적어도 하나의 분배기를 향해 액체 수소를 공급하기 위해 상기 압축 공동 내에서 상기 펌프의 상기 피스톤을 이동시키도록 상기 펌프를 켜는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 저장 탱크로부터 상기 펌프로 공급되는 수소의 온도를 측정하기 위해 상기 펌프의 일부를 통과하는 수소의 온도를 모니터링하는 단계; 및
    상기 냉각 배출 도관을 통과하도록 펌프로부터 출력된 수소의 온도를 모니터링하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 펌프에 연결되는 제1 온도 센서는 상기 펌프의 일부를 통과하는 수소의 온도를 측정하고, 상기 냉각 배출 도관에 연결되는 제2 온도 센서는 상기 냉각 배출 도관을 통과하도록 상기 펌프에서 출력된 수소의 온도를 측정하는, 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 온도 센서 및/또는 상기 제2 온도 센서에 제어기가 통신적으로 연결되어 상기 펌프가 미리 선택된 펌프 동작 온도 임계값 이하인지를 결정하고;
    상기 펌프가 상기 미리 선택된 펌프 동작 온도 임계값 이하라는 결정에 응답하여, 상기 제어기는 상기 냉각 배출 도관의 밸브를 폐쇄하여 수소 가스의 배기를 중지하기 위한 통신을 발신하는, 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 펌프를 통과하는 수소의 온도와 상기 펌프로부터 출력되고 상기 냉각 배출 도관을 통과하는 수소의 온도 사이의 차이를 결정하는 단계; 및
    (i) 상기 차이가 미리 선택된 펌프 동작 온도 임계값 내에 있다는 결정, (ii) 상기 펌프를 통과하는 수소의 온도가 미리 선택된 펌프 동작 온도 범위 내에 있다는 결정, 및 (iii) 상기 펌프에 유체 연결된 분배기에서 액체 수소에 대한 수요가 있다는 결정에 응답하여, 상기 냉각 배출 도관의 밸브를 폐쇄하여 수소의 배기를 중지하고, 펌프 구동 모터를 켜서 상기 저장 탱크로부터 상기 분배기를 향해 액체 수소를 공급하기 위해 상기 압축 공동 내에서 상기 펌프의 피스톤을 이동시키도록 상기 펌프를 켜는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 청구항 10에 있어서,
    상기 온도 센서의 원위 측정 지점이 상기 펌프의 바닥 및/또는 상기 펌프 내의 둑 플레이트에 인접한 상기 펌프 내의 미리 선택된 검출 위치에서 상기 펌프 내에 위치되도록 위치된 상기 펌프에 연결된 온도 센서를 통해 상기 펌프 내의 온도가 상기 펌프에 대해 미리 선택된 동작 온도 범위 이내인 것을 결정하는 단계; 및
    상기 펌프 내의 온도가 상기 미리 선택된 동작 온도 범위 내에 있고 상기 펌프에 유체 연결된 분배기에서 액체 수소에 대한 수요가 있다는 결정에 응답하여, 상기 냉각 배출 도관의 밸브를 폐쇄하여 수소 가스의 배기를 중지하고, 상기 펌프 구동 모터를 켜서 상기 저장 탱크로부터 상기 분배기를 향해 액체 수소를 공급하기 위해 상기 압축 공동 내에서 상기 펌프의 피스톤을 이동시키도록 펌프를 켜는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 극저온 유체 저장 및 분배 장치용 펌프에 있어서,
    압축 공동 내에서 운동을 위해 이동 가능한 피스톤 로드에 연결된 피스톤을 포함하고,
    피스톤 링이 상기 압축 공동과 상기 피스톤에 인접하게 위치되고,
    상기 펌프는 극저온 액체가 그를 통해 펌프 밖으로 통과할 수 있는 펌프 배출 도관을 위한 펌프 배출 출구를 갖고;
    상기 피스톤 링과 상기 압축 공동은 상기 피스톤이 정지되어 있는 동안 극저온 가스가 압축 공동으로 통과할 수 있고, 따라서, 상기 극저온 가스를 배기하기 위한 냉각 배출 도관과 유체 연통하도록 구성된 냉각 유동 출구를 향해 상기 압축 공동으로부터 그리고, 상기 피스톤 링을 통해 극저온 가스가 통과할 수 있도록 구성되는, 펌프.
  18. 청구항 17에 있어서, 냉각 배출 도관을 포함하고, 냉각 유동 출구는 상기 냉각 배출 도관과 유체 연통하는, 펌프.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 냉각 유동 출구는 상기 피스톤의 비압축 측면에 위치하는, 펌프.
  20. 청구항 17에 있어서, 상기 극저온 가스는
    수소 가스- 상기 수소 가스는 수소 가스 및/또는 액체 수소가 펌프를 냉각할 때 수소 가스로 기화되는 상기 펌프로 공급된 액체 수소로부터 형성된 수소 가스임 -;
    질소 가스- 상기 질소 가스는 질소 가스 및/또는 액체 질소가 펌프를 냉각할 때 질소 가스로 기화되는 상기 펌프로 공급된 액체 질소로부터 형성된 질소 가스임 -;
    산소 가스- 상기 산소 가스는 산소 가스 및/또는 액체 산소가 펌프를 냉각할 때 산소 가스로 기화되는 펌프로 공급된 액체 산소로부터 형성된 산소 가스임 -; 및
    헬륨 가스- 상기 헬륨 가스는 헬륨 가스 및/또는 액체 헬륨이 펌프를 냉각할 때 헬륨 가스로 기화되는 펌프로 공급된 액체 헬륨으로부터 형성된 헬륨 가스임 - 중 하나인, 펌프.
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