KR20230144565A - 수소 및/또는 헬륨과 같은 유체를 액화하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

수소 및/또는 헬륨과 같은 유체를 액화하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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KR20230144565A
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coupled
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피에르 바르죽스
파비엔 듀란드
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레뜌드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레？드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

냉각되는 유체 회로(3)를 포함하는, 유체를 액화하기 위한 장치가 개시되며, 이러한 장치(1)는, 냉각되는 유체 회로(3)와 열 교환되는 열 교환기 조립체(6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13), 상기 열 교환기 조립체(6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13)의 적어도 일부와 열 교환되는 적어도 하나의 제1 냉각 시스템(20)을 포함하고, 제1 냉각 시스템(20)은 주로 헬륨을 포함하는 사이클 가스를 냉장하기 위한 사이클을 갖는 냉장기이고, 상기 냉장기(20)는 사이클 회로(14) 내에서 직렬로 배치되는: 사이클 가스를 압축하기 위한 메커니즘(15), 사이클 가스를 냉각하기 위한 적어도 하나의 부재(16, 5, 6, 8, 10, 12), 사이클 가스를 팽창시키기 위한 메커니즘(17), 및 팽창된 사이클 가스를 재가열하기 위한 적어도 하나의 부재(13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5)를 포함하고, 압축 메커니즘은, 원심 압축기 조립체(15)로 구성되는 직렬의 적어도 4개의 압축 스테이지(15)를 포함하고, 압축 스테이지(15)는 모터 조립체(18)에 의해서 회전 구동되는 샤프트(19, 190)에 장착되며, 팽창 메커니즘은 구심 터빈(17)의 세트로 구성되는 직렬의 적어도 3개의 팽창 스테이지를 포함하고, 사이클 가스를 냉각하기 위한 적어도 하나의 부재(16, 5, 6, 8, 10, 12)는 터빈(17) 중 적어도 하나의 배출구에서 사이클 가스를 냉각하도록 구성되고, 터빈(17)의 적어도 하나가 적어도 하나의 압축 스테이지(15)와 동일한 샤프트(19)에 커플링되어 팽창 중에 생성된 기계적 일을 상기 압축 스테이지(15)에 공급한다.

Description

수소 및/또는 헬륨과 같은 유체를 액화하기 위한 장치 및 방법
본 발명은 수소 및/또는 헬륨과 같은 유체를 액화하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 기체 유체의 공급원에 연결되도록 의도된 상류 단부 및 액화된 유체를 수집하기 위한 부재에 연결되도록 의도된 하류 단부를 갖는, 냉각되는 유체를 위한 회로를 포함하는, 수소 및/또는 헬륨과 같은 유체를 액화하기 위한 장치에 관한 것이고, 이러한 장치는 냉각되는 유체를 위한 회로와 열 교환 관계를 갖는 열 교환기(들)의 조립체를 포함하고, 장치는 열 교환기(들)의 조립체의 적어도 일부와 열 교환 관계를 갖는 적어도 하나의 제1 냉각 시스템을 포함하고, 제1 냉각 시스템은 주로 헬륨을 포함하는 사이클 가스에 냉장 사이클을 수행하는 냉장기(refrigerator)이고, 상기 냉장기는 사이클 회로 내에 직렬로 배치되는: 사이클 가스를 압축하기 위한 메커니즘, 사이클 가스를 냉각하기 위한 적어도 하나의 부재, 사이클 가스를 팽창시키기 위한 메커니즘, 및 팽창된 사이클 가스를 가열하기 위한 적어도 하나의 부재를 포함하고, 압축 메커니즘은, 원심 유형의 압축기(들)의 조립체로 구성되는 직렬의 적어도 4개의 압축 스테이지를 포함하고, 압축 스테이지는 모터(들)의 조립체에 의해서 회전 구동되는 샤프트에 장착되며, 팽창 메커니즘은 구심 유형의 터빈의 조립체로 구성되는 직렬의 적어도 3개의 팽창 스테이지를 포함한다.
수소(H2)를 액화하기 위한 종래 기술의 해결책은, (약 60% 내지 65%의) 비교적 낮은 등온 효율을 가지고 비교적 제한된 부피 용량을 가지는 사이클 압축기를 사용하지만, 투자 비용이 상당하고 유지 보수 비용이 많이 든다.
문헌 EP3368630 A1에는 수소를 액화하기 위한 공지된 방법이 기술되어 있다.
본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 단점의 전부 또는 일부를 해결하기 위한 것이다.
이를 위해서, 본 발명에 따른 장치는, 다른 부분에 대해서는 전술한 전제부에서 주어진 일반적인 정의를 따르되, 본질적으로는, 사이클 가스를 냉각하기 위한 적어도 하나의 부재가 터빈 중 적어도 하나의 배출구에서 사이클 가스를 냉각하도록 구성되고, 터빈의 적어도 하나가 적어도 하나의 압축 스테이지와 동일한 샤프트에 커플링되어 팽창 중에 생성된 기계적 일(work)을 압축 스테이지에 공급하는 것을 특징으로 한다.
결과적으로, 부피 유형의 사이클 압축기를 통해서 상당한 압축률에 도달하도록 의도된 종래 기술의 방법에 비해, 본 발명은 비교적 낮은 압축률에도 불구하고 (예를 들어, 70% 초과의 그리고 일반적으로 75 내지 80%에 가까운) 현저하게 높은 등온 효율을 획득할 수 있게 하는 원심 압축을 이용한다.
또한, 종래 기술에 비해, 본 발명은, 팽창 일, 특히 80K 내지 20K의 사이클 가스의 능동적 회수를 가능하게 하여, 설비의 효율을 높일 수 있게 한다.
바람직하게는, 사이클 가스의 압축은 완전히 원심적이고, 헬륨을 주로 포함하거나 순수 헬륨으로 구성되는 사이클 유체를 사용한다. 이는, 이러한 유형의 압축기의 유리한 이용 및 압축 스테이션에 직접 연결된 터빈의 팽창 일의 기계적 통합을 가능하게 한다.
또한, 본 발명의 실시형태는 이하의 특징 중 하나 이상을 가질 수 있다:
- 압축 메커니즘은 원심 유형의 압축기만을 포함하고,
- 사이클 가스를 냉각하기 위한 적어도 하나의 부재는 터빈의 적어도 일부의 배출구에 배치된 열 교환기(들)의 조립체를 포함하고,
- 장치는, 사이클 가스의 순환 방향을 따라서 직렬의 마지막 터빈을 제외한 터빈의 적어도 일부의 배출구에 배치되는, 열 교환기와 같은 사이클 가스를 냉각하기 위한 시스템을 포함하고,
- 사이클 가스의 순환 방향을 따라, 직렬의 적어도 2개의 터빈은 그 직렬 배치의 반대 순서로 간주되는 압축 스테이지에 각각 커플링되고, 다시 말해서, 예를 들어, 적어도 하나의 터빈은, 사이클 회로에서 선행하는 다른 터빈에 커플링된 압축 스테이지의 상류에 위치된 압축 스테이지에 커플링되고,
- 압축 스테이지에 커플링된 적어도 하나의 터빈의 작업 압력은 상기 적어도 하나의 터빈이 커플링된 압축 스테이지를 포함하는 압축기의 작업 압력으로 조정되고, 다시 말해서 터빈에 진입하는 사이클 가스의 압력은 상기 적어도 하나의 터빈이 커플링된 압축기의 유입구 압력과 40% 이하 그리고 바람직하게는 30% 또는 20% 이하만큼 상이하고,
- 터빈 그리고 압축 스테이지를 하나의 그리고 동일한 샤프트에 기계적으로 커플링시키는 것은, 커플링된 터빈의 그리고 압축 스테이지의 동일한 회전 속력을 보장하도록 구성되고,
- 장치는 터빈에서보다 더 많은 압축 스테이지를 포함하고, 각각의 터빈은 각각의 모터에 의해서 구동되는 하나의 각각의 압축 스테이지와 동일한 샤프트에 커플링되고, 터빈에 커플링되지 않은 다른 압축 스테이지는 별도의 각각의 모터에 의해서 구동되는 로터리 샤프트에만 장착되고,
- 터빈에 커플링된 압축 스테이지 및 터빈에 커플링되지 않은 압축 스테이지가 사이클 회로 내에서 직렬로 교번화되고(alternate),
- 장치는 16개의 압축 스테이지 및 8개의 터빈, 또는 12개의 압축 스테이지 및 6개의 터빈, 또는 8개의 압축 스테이지 및 4개의 터빈, 또는 6개의 압축 스테이지 및 3개의 터빈, 또는 4개의 압축 스테이지 및 3개의 터빈을 포함하고,
- 사이클 회로는, 사이클 가스의 유동의 일부를 압축 메커니즘의 유입구에서의 저압과 압축 메커니즘의 배출구에서의 고압 사이의 중간 압력 레벨로 압축 메커니즘으로 복귀시키기 위한, 터빈 중 하나의 배출구에 연결된 제1 단부 및 제1 압축 스테이지 이외의 압축 스테이지 중 하나의 유입구에 연결된 제2 단부를 갖는 복귀 파이프를 포함하고,
- 복귀 파이프는 사이클 가스를 냉각하기 위한 적어도 하나의 부재 및/또는 팽창된 사이클 가스를 가열하기 위한 부재와 열 교환 관계를 가지며,
- 사이클 회로는, 터빈의 상류에 연결된 제1 단부 및 하류에 위치된 다른 터빈의 유입구에 연결된 제2 단부를 가지는, 사이클 가스의 유동을 위한 부분 우회 파이프를 포함하고, 상기 우회 파이프는 사이클 가스의 유동의 일부를 가장 저온의 하류 터빈의 유입구에 직접 전달하도록 구성되고,
- 열 교환기(들)의 조립체는, 직렬로 배치된 그리고 내부에서 사이클 회로의 2개의 별도의 부분들이 사이클 가스의 냉각 및 가열의 각각을 위해서 향류 동작(countercurrent operation)으로 동시에 순환을 수행하는, 복수의 열 교환기를 포함하고, 상기 복수의 열 교환기는 사이클 가스를 냉각하기 위한 부재 및 사이클 가스를 가열하기 위한 부재를 형성하고,
- 장치는 열 교환기(들)의 조립체의 적어도 일부와 열 교환 관계를 갖는 제2 냉각 시스템을 포함하고, 제2 냉각 시스템은 액체 질소 또는 냉각제들의 혼합물과 같은 열-전달 유체를 위한 회로를 포함하고,
- 사이클 가스는 헬륨 또는 적어도 50%의 헬륨을 포함하는 혼합물로 구성되고,
- 사이클 회로는, 터빈의 적어도 하나의 유입구에서, 결정된 동작 지점으로의 유체의 유량을 조정하도록 구성된 유입구 안내 베인("IGV")을 포함하고,
- 터빈들의 작업 압력들은 해당 터빈이 커플링되는 압축기들의 작업 압력으로 각각 설정되고, 그에 따라 터빈에 진입하는 사이클 가스의 압력은 상기 터빈이 커플링되는 직렬의 2개의 압축기의 배출구 압력과 30% 이하 그리고 바람직하게는 20% 이하만큼 상이하다.
본 발명은 또한 전술한 또는 후술하는 특징 중 임의의 하나에 따른 장치를 이용하여 극저온 온도의 수소, 특히 액화 수소를 생산하기 위한 방법에 관한 것이고, 여기에서 사이클 가스를 압축하기 위한 메커니즘의 유입구에서의 사이클 가스의 압력은 2 내지 40 바 절대값(bar abs) 그리고 특히 8 내지 35 바 절대값이다.
또한, 본 발명은 청구범위 내의 전술한 또는 후술되는 특징의 임의의 조합을 포함하는 임의의 대안적인 장치 또는 방법에 관한 것일 수 있다.
더 구체적인 특징 및 장점은 도면을 참조하여 제공되는 이하의 설명을 통해서 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제1의 가능한 예시적 실시형태의 구조 및 동작을 설명하는 개략적 부분도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 제2의 가능한 예시적 실시형태의 구조 및 동작을 설명하는 개략적 부분도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 제3의 가능한 예시적 실시형태의 구조 및 동작을 설명하는 개략적 부분도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 제4의 가능한 예시적 실시형태의 구조 및 동작을 설명하는 개략적 부분도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 제5의 가능한 예시적 실시형태의 구조 및 동작을 설명하는 개략적 부분도를 도시한다.
도 6은 장치의 모터-구동형 터보압축기의 구조 및 동작의 가능한 예를 도시하는 본 발명의 제4의 가능한 예시적 실시형태의 상세 부분의 개략적 부분도를 도시한다.
도 1에 도시된 유체를 액화하기 위한 장치(1)는 수소를 액화하기 위한 것이나, 다른 가스, 특히 헬륨 또는 임의의 혼합물에도 적용될 수 있다.
장치(1)는, 기체 유체 공급원(2)에 연결되도록 의도된 상류 단부 및 액화된 유체를 수집하기 위한 부재(4)에 연결되도록 의도된 하류 단부(23)를 갖는, 냉각되는 유체(특히 수소)를 위한 회로(3)를 포함한다. 공급원(2)은 일반적으로 전해조, 수소 분배 네트워크, 증기 메탄 개질(SMR) 유닛 또는 임의의 다른 적합한 공급원(들)을 포함할 수 있다.
장치(1)는 냉각되는 유체를 위한 회로(3)와 열 교환 관계를 갖는 직렬 배치된 열 교환기(들)(6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13)의 조립체를 포함한다.
장치(1)는 열 교환기(들)(5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13)의 조립체의 적어도 일부와 열 교환 관계를 갖는 적어도 하나의 냉각 시스템(20)을 포함한다.
제1 냉각 시스템(20)은 주로 헬륨을 포함하는 사이클 가스에 냉장 사이클을 수행하는 냉장기이다. 이러한 냉장기(20)는, 사이클 회로(14)(바람직하게는 폐쇄 루프) 내에서 직렬로 배치되는: 사이클 가스를 압축하기 위한 메커니즘(15), 사이클 가스를 냉각하기 위한 적어도 하나의 부재(16, 5, 6, 8, 10, 12), 사이클 가스를 팽창시키기 위한 메커니즘(17), 및 팽창된 사이클 가스를 가열하기 위한 적어도 하나의 부재(13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5)를 포함한다.
결과적으로, 액화되는 유체(예를 들어, 수소)는 사이클 가스의 유체(예를 들어, 헬륨 그리고 가능하게는 하나 이상의 다른 성분(들))와 별개인 유체이다.
바람직하게는, 이러한 2개의 회로가 그에 따라 분리된다.
도시된 바와 같이, 액화되는 수소를 냉각하는 열 교환기(들)의 조립체는 바람직하게는 직렬로 배치되는 하나의 또는 다수의 향류 열 교환기(5, 6, 8, 10, 12)를 포함하고, 이러한 열 교환기에서 사이클 회로(14)의 2개의 별도의 부분들이 (각각 사이클 가스의 별도의 유동들을 냉각 및 가열하기 위해서) 향류 동작으로 동시에 순환을 수행한다.
다시 말해서, 이러한 복수의 향류 열 교환기는 (예를 들어, 압축 후에 그리고 팽창 스테이지 후에) 사이클 가스를 냉각하기 위한 부재 및 (팽창 후에 그리고 압축 메커니즘으로 복귀되기 전에) 사이클 가스를 가열하기 위한 부재 모두를 형성한다.
압축 메커니즘은 직렬로(그리고 가능하게는 병렬로) 배치된 원심 유형의 압축기들의 조립체로 이루어진 적어도 4개의 압축 스테이지(15)를 포함한다.
압축 스테이지(15)는 모터 구동형 원심 압축기의 휠(wheel)로 구성될 수 있다.
압축 스테이지(15)(즉 압축기 휠)는, 모터(들)(18)(적어도 하나의 모터)의 조립체에 의해서 회전 구동되는 샤프트(19, 190)에 장착된다. 바람직하게는, 모든 압축기(15)가 원심 유형이다.
그 일부에서, 팽창 메커니즘은 적어도 부분적으로 직렬로 배치된 구심 유형의 터빈(17)으로 형성된 적어도 3개의 팽창 스테이지를 포함한다. 예를 들어, 압축 스테이지의 개수(예를 들어, 압축 휠의 개수)는 팽창 스테이지의 개수(예를 들어, 팽창 휠의 개수)보다 많다. 바람직하게는, 모든 터빈(17)이 구심 유형이고, 주로 직렬로 배치된다.
사이클 가스를 냉각하기 위한 적어도 하나의 부재(16, 5, 6, 8, 10, 12)는 특히 적어도 하나의 터빈(17)의 배출구에서 사이클 가스를 냉각하도록 구성된다. 즉, 터빈(17) 내의 팽창 후에, 사이클 가스는 일반적으로 2K 내지 30K의 값만큼 냉각될 수 있다.
또한, 터빈(17)의 적어도 하나가 압축기의 압축 스테이지(15)와 동일한 샤프트(19)에 커플링되어, 팽창 중에 생성된 기계적 일을 압축기에 공급한다.
특정 기술적 특징(원심 압축, 구심 팽창, 터빈으로부터 압축기로의 일의 전달 등)의 이러한 조합은 헬륨을 포함하는 사이클 가스로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 이에 의해서 열-전달 유체(헬륨-기반 사이클 가스)를 사용하는 방법을 액화되는 유체(예를 들어, 수소)의 전달 온도로부터 분리할 수 있다(독립적으로 만들 수 있다). 이에 의해서, 특히, 사이클 회로(14) 내에서, 사이클 가스의 낮은 압력 레벨의 값을 공지된 장치에서보다 높은 압력으로 증가시킬 수 있다. 이는 사이클 가스의 비교적 낮은 전체 압축률에도 불구하고 이루어질 수 있다. 이러한 원심 압축 기술은 일반적으로 종래 기술의 수소의 액화에서 권장되지 않는데, 이는 스테이지마다의 압축률의 제한 때문이다.
결과적으로, 장치(1)는 압축 스테이션의 일부에서 하나 이상의 모터-구동형 터보압축기를 가질 수 있다. 모터-구동형 터보압축기는 모터를 포함하는 조립체이고, 이러한 모터의 샤프트는 압축 스테이지(들)(휠(들))의 조립체 및 팽창 스테이지(들)(터빈(들))의 조립체를 직접적으로 구동한다. 이는 기계적 팽창의 일을 사이클 가스의 하나 이상의 압축기에서 직접적으로 이용할 수 있게 한다.
예를 들어 그리고 도시된 바와 같이, 장치(1)는 터빈(17)보다 많은, 예를 들어 2배 더 많은 또는 대략적으로 2배 더 많은 압축 스테이지(15)를 포함한다. 각각의 터빈(17)은 각각의 모터(18)에 의해서 구동되는 하나의 각각의 압축기 휠(15)과 동일한 샤프트(19)에 커플링될 수 있다. 터빈(17)에 커플링되지 않는 하나 이상의 다른 압축기 휠(15)(스테이지(들))은 별도의 각각의 모터(18)(모터-구동형 압축기)에 의해서 구동되는 로터리 샤프트(190)에만 장착될 수 있다.
도시된 바와 같이, 터빈(17)에 커플링된 압축 스테이지(15) 및 터빈(17)에 커플링되지 않은 압축기가 사이클 회로(14) 내에서 직렬로 교번화될 수 있다.
바람직하게는, 압축 메커니즘은 직렬의 6개 초과의 압축 스테이지를 포함한다. 물론, 예를 들어 수소를 액화할 수 있는 직렬의 3개의 압축 스테이지를 갖는 덜 효과적인 구성도 생각할 수 있으므로, 이는 비제한적인 것이다. 수소의 액화를 달성하기 위한 (원심 기술에 의한) 최소 압축률은 바람직하게는 약 1.3 내지 1.6일 것이다.
직렬의 4개의 압축 스테이지(15)는 특히, 비교적 큰 헬륨의 질량 유량을 희생하는 대신, 피스톤 압축의 공지된 해결책에 비하여 매우 우수한 등온 효율을 획득할 수 있게 한다.
도 1에 도시된 비제한적인 예에서, 4개의 압축 스테이지(15) 및 3개의 터빈(17)만이 도시되어 있지만, 장치(1)는 8개의 압축 스테이지(15) 및 4개의 터빈(17)을 포함할 수 있다. 임의의 다른 분포, 예를 들어 16개의 압축 스테이지(15) 및 8개의 터빈(17), 또는 12개의 압축 스테이지 및 6개의 터빈, 또는 6개의 압축 스테이지 및 3개의 터빈, 또는 4개의 압축기 및 3개의 터빈 등이 생각될 수 있다.
냉각은 (예를 들어, 열-전달 유체 또는 임의의 다른 냉각제에 의해서 냉각되는 열 교환기(16)를 통해서) 모든 또는 일부 압축 스테이지의 하류에 또는 모든 또는 일부 압축기(15)의 하류에 제공될 수 있다. 이러한 냉각은, 도시된 바와 같이, 각각의 압축 스테이지 후에, 2개의 압축 스테이지(15)(또는 그 초과) 마다, 또는 압축 스테이션의 하류에만 제공될 수 있다. 놀랍게도, 직렬의 압축 스테이지(15)의 각각의 배출구에서가 아니라 2개(또는 3개) 마다의 압축 스테이지(15)의 이러한 냉각의 분포는 장치(1)의 비용을 여전히 제한하면서도 냉각 성능을 획득할 수 있게 한다.
마찬가지로, 사이클 가스를 냉각하기 위한 적어도 하나의 부재는 바람직하게는 직렬의 터빈들(17)의 적어도 일부의 배출구에 배치된, 열 교환기와 같은, 사이클 가스를 냉각하기 위한 시스템(8, 10, 12)을 포함한다.
이러한 중간의 팽창-간 냉각은 사이클 가스의 가장 낮은 온도에 도달하는 데 필요한 고압의 값을 제한할 수 있게 한다.
도시된 바와 같이, 장치(1)는 바람직하게는, 사이클 가스의 순환 방향을 따라서 직렬의 마지막 터빈(17)을 제외한 모든 터빈(17)의 배출구에서, 열 교환기와 같은 사이클 가스를 냉각하기 위한 시스템을 포함한다. 도시된 바와 같이, 이러한 냉각 시스템은 전술한 각각의 향류 열 교환기(8, 10, 12)에 의해서 제공될 수 있다.
팽창 후의 이러한 냉각은, 냉각되는 유체에서 온도 스테이징(temperature staging)으로 하여금 냉기(cold)를 추출할 수 있게 한다(즉, 각각의 팽창 스테이지 후에 뚜렷한 더-낮은 온도에 도달할 수 있게 한다). 이러한 온도 스테이징은 이러한 배치에 의해서 그리고 이러한 여러 터빈(17)에 공급하기 위해서 얻어지는 최소 압축률을 통해서 획득된다.
직렬의 다수 원심 압축 스테이지(15)를 상류에 배치하는 것은, 하류에서 충분한 냉각의 스테이징을 가능하게 하는 이러한 압력차를 획득할 수 있게 한다. 구체적으로, 동일한 압력차에서, 온도가 낮아질수록, 팽창 중의 엔탈피의 일정 엔트로피 강하가 더 많이 감소한다. 직렬의 터빈(17) 배치 및 터빈 배출구에서의 냉각(8, 10)의 효과는 공지된 통상의 스테이징과 관련하여 터빈(17) 내의 평균 질량 유량을 증가시킨다. 따라서, 이론적 등엔트로피 효율은 증가하는 경향이 있고, 그에 따라 보다 양호한 터빈(17)의 효율을 획득할 수 있게 한다.
특히, 팽창 스테이지들 사이의 냉각(8, 10)은, 보다 더 큰 전체 압축률을 요구하지 않으면서, 사이클 유체가 목표 액화 온도에 도달할 수 있게 한다. 팽창은 바람직하게는 등엔트로피 또는 사실상 등엔트로피이다. 즉, 사이클 유체가 점진적으로 냉각되고 유체가 액화된다.
결과적으로, 마지막의 사실상 등엔트로피의 팽창 스테이지의 배출구에서(즉, 마지막 팽창 터빈(17)의 하류에서) 직접적으로 최소 온도에 도달한다. 그에 따라, 예를 들어 하류에서 줄-톰슨(Joule-Thomson) 유형의 팽창 밸브를 추가적으로 제공할 필요가 없다. 액화되는 수소의 냉기, 특히 과냉 온도가 터빈(17) 만으로 얻어질 수 있다(일의 추출).
바람직하게는, 대부분의 또는 모든 터빈(17)이 하나 이상의 각각의 압축기(15)에 커플링된다.
예를 들어, 사이클 가스의 순환 방향을 따라, 연속적인 터빈들(17)은 바람직하게는 그 직렬 배치의 반대 순서로 간주되는 압축기의 압축 스테이지(15)에 커플링된다. 다시 말해서, 예를 들어, 터빈(17)은, 그에 선행하는 터빈(17)에 커플링된 압축기(15)의 상류에 위치된 압축기(15)에 커플링된다.
그에 따라, 커플링되는 터빈(17) 및 압축기가 연결되는 순서는 바람직하게는 터빈들 및 압축기들 사이에서 적어도 부분적으로 반전된다(사이클 회로에서, 더 상류의 터빈이 더 하류의 압축기에 커플링된다).
따라서, 예를 들어 직렬의 6개의 압축 스테이지(15) 및 직렬의 3개의 팽창 스테이지를 갖는 아키텍처의 경우, 제1 터빈(17)(즉, 압축 메커니즘 후의 제1 터빈(17))이 직렬의 제5 압축기(15)(제5 압축 스테이지)에 커플링될 수 있는 한편, 제2 터빈(17)은 직렬의 제3 압축기(15)(제3 압축 스테이지)에 커플링될 수 있고, 제3 터빈(17)은 직렬의 제1 압축기(15)(제1 압축 스테이지)에 연결될 수 있다. 다른 압축 스테이지를 형성하는 다른 압축기(15)는 터빈에 커플링되지 않을 수 있다(모터-구동형 압축기 시스템 및 모터-구동되지 않는 터보압축기). 결과적으로, 가장 강력한 터빈(17)(가장 하류의 터빈)이 제1 압축 스테이지에 커플링될 수 있다(제1 압축 스테이지가 사이클의 저압을 수용한다). 이러한 비교적 낮은 압력 레벨에서, 압축기(15)의 압축률이 클수록, 그 레벨에서 느끼는 압력 강하의 영향이 작아진다(다른 압축기(15)에서도 마찬가지이다).
전술한 이러한 예는 물론 비제한적이다. 예를 들어, 터빈들(17)이 짝수의 압축기들(15)에 각각 커플링될 수 있거나(제1 터빈과 제6 압축기, 제2 터빈과 제4 압축기 등), 직렬로 직접 압축기와 커플링될 수 있다(예를 들어, 제1 터빈(17)과 제6 압축기(15), 제10 터빈과 제5 압축기 등).
바람직하게는, 터빈(17)의 작업 압력은 이들이 커플링되는 압축기(15)의 작업 압력으로 각각 설정된다. 즉, 터빈(17)에 진입하는 사이클 가스의 압력은 터빈이 커플링된 압축기(15)의 배출구 압력과 40% 이하 그리고 바람직하게는 30% 또는 20% 이하만큼 상이하다. 이는 압축기 휠(15) 및 터빈(17)에 직접적으로 커플링되는 해당 모터(18)의 출력 샤프트(19)에서의 축방향 하중을 감소시킬 수 있게 한다.
예를 들어, 커플링된 적어도 하나의 터빈(17) 및 상응 압축 스테이지는, 터빈(17)을 떠나는 사이클 가스의 압력이 압축 스테이지(15)의 유입구에서의 사이클 가스의 압력과 40% 이하 그리고 바람직하게는 30% 또는 20% 이하만큼 상이하도록 하는 구조적 구성을 갖는다.
마찬가지로, 커플링된 적어도 하나의 터빈(17) 및 상응 압축 스테이지는 바람직하게는, 터빈(17)에 진입하는 사이클 가스의 압력이 압축 스테이지의 배출구에서의 사이클 가스의 압력과 40% 이하 그리고 바람직하게는 30% 또는 20% 이하만큼 상이하도록 하는 구조적 구성을 또한 (또는 가능하게는 대안적으로) 갖는다.
특정 기술적 특징(원심 압축, 구심 팽창, 터빈으로부터 압축기로의 일의 전달, 및 커플링된 압축 휠과 팽창 휠 사이의 압력의 조정)의 이러한 조합은 공지된 해결책에 비하여 장치의 효율을 개선한다.
터빈(예를 들어, 터빈 휠) 및 압축 스테이지(예를 들어, 압축 휠)의 이러한 구조적 구성은, 이러한 2개의 요소가 앞서 구체적으로 설명한 바와 같이 동일하거나 유사한 절대값의 압축 및 팽창을 각각 수행하기 위한 치수(적절한 경우, 휠 및/또는 그 볼루트(volute) 및/또는 그 유입구 분배기의 형상 및/또는 치수)를 갖는다는 것을 의미한다. 즉, 설계에 의해서, 이러한 2개의 커플링 요소는, 바람직하게는 사이클 가스의 유동 조건과 관계없이, (사이클 회로 내의 다른 능동적 또는 피동적 요소를 이용하지 않고) 이러한 압축비 및 팽창비에 도달할 수 있다.
예를 들어, 압축 스테이지에 커플링된 적어도 하나의 터빈(17)의 말단에서의 팽창률은, 그에 커플링된 압축 스테이지(15)의 말단에서의 압력 증가의 값과 40% 초과(또는 20% 초과)로 다르지 않은 값만큼 사이클 가스의 압력을 낮추도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 압축기(15)가 터빈(17)에 커플링되고 10 바 및 15 바(초기에 10 바로부터 배출구 압력 15 바로의 유동의 압축)에서 동작하는 경우, 터빈(17)이 이러한 유동을 15 내지 10 바(15 바의 유입구 및 10 바의 배출구)의 압력으로 팽창시키는 것이 유리하다.
이는 축방향 힘을 지탱하는 샤프트(19)의 축방향 힘의 분포 및 균형을 개선한다.
휠(15, 17)의 말단에서 압력차에 의해서 생성되는 힘의 부호들이 반대이기 때문에, 이는 축방향 힘의 결과를 감소시키는 경향이 있다.
이는 바람직하게는 하나 이상의 압축기(15)에 커플링된 직렬의 다수의 터빈의 경우에도 적용된다.
따라서, 도시된 바와 같이, 팽창 메커니즘은 직렬의 구심 유형의 터빈(17)의 조립체로 구성된 직렬의 적어도 2개의 팽창 스테이지를 포함할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 사이클 가스의 순환 방향을 따라, 직렬의 적어도 2개의 터빈들(17)은 바람직하게는 그 직렬 배치의 반대 순서로 간주되는 압축 스테이지들(15)에 각각 커플링된다. 즉, 적어도 하나의 터빈(17)은, 사이클 회로(14) 내에서 그에 선행하는 다른 터빈(17)에 커플링된 압축 스테이지(15)의 상류에 위치된 압축 스테이지(15)에 커플링된다.
바람직하게는, 장치는 n개의 터빈(팽창 휠 또는 스테이지) 및 k개의 압축 휠 또는 스테이지를 포함하고, k >= n이다. 따라서, 각각의 터빈(17)의 말단에서 선택된 팽창률은 바람직하게는 (전술한 바와 같이) 이러한 터빈이 커플링되는 압축기의 함수로서 부여된다.
터빈(17)에 커플링된 압축기(15) 그리고 이어서 터빈에 커플링되지 않은 압축기(15)의 대안으로 도시된 예에서, 터빈(17)의 작업 압력은 압축기(15)의 작동 압력으로 "하나씩" 또는 "둘씩" 설정될 수 있다(즉, 제1 터빈(17)은 제5 또는 제6 압축기(15)의 압축률로 작업하고; 유사하게 제2 터빈(17)은 제3 또는 제4 압축기의 압축률로 작동하는 등). 직렬의 2개의 압축기(15)의 쌍을 고려하는 경우(터빈에 결합된 압축 휠을 갖는 압축기 및 그 이후의 터빈에 결합되지 않은 압축 휠을 갖는 압축기), 이러한 2개의 압축기 중 제1 압축기는 예를 들어 사이클 가스를 제1 압력(PA)으로 압축하는 한편, 이어서 제2 압축기는 사이클 가스를 제2 압력(PB)으로 압축하며, 여기에서 PB > PA이다. 이러한 2개의 압축기 중 제1 압축기에 커플링될 터빈(17)은 바람직하게는 사이클 가스를 제2 압력(PB)으로부터 제1 압력(PA)으로 팽창시킬 것이다. 이는, 예를 들어, 이러한 제약에 따라 이러한 터빈(17)의 특성을 조절함으로써 획득될 수 있다. 예를 들어, 터빈(17)에 도달하는 유량을 교정하는 분배기의 횡단면이 조절되고, 이는 분배기 부분 및 터빈의 휠 부분 내의 결과적인 압력 강하에 영향을 미친다.
결과적으로, 예를 들어 터빈이 직렬의 2개의 압축 스테이지 마다 커플링될 때, 커플링된 팽창 스테이지와 압축 스테이지 사이의 전술한 압력 관계(유입구/배출구)는 그에 따라 터빈을 포함하는 압축 스테이지에만 또는 직렬의 2개의 압축기 휠의 조립체에 적용될 수 있다.
또한, 하나의 그리고 동일한 샤프트(19)에 대한 터빈(17)의 그리고 압축 스테이지(15)의 하나 이상의 기계적 커플링은 바람직하게는 커플링된 터빈(17)의 그리고 압축 스테이지(15)의 동일한 회전 속력을 보장하도록 구성된다. 이는 장치에서 팽창 일을 직접적으로 그리고 효과적으로 이용할 수 있게 한다. 적절한 경우, 모든 압축기 및 터빈 휠의 회전 속력이 하나의 그리고 동일한 결정 값과 같을 수 있다.
압축 스테이지의 전부 또는 일부를 위해서 제어 부재가 선택적으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 가변-주파수 드라이브("VFD")가 적어도 하나의 압축 스테이지를 구동하는 각각의 모터(18)를 위해서 제공될 수 있다. 이는, 복잡한 기어 시스템 또는 구동부 및 하나 이상의 압축 스테이지 상류의 가변 블레이드 세트에 연결된 특정 제어 수단을 사용하지 않고도, 다수의 압축 스테이지 또는 각각의 압축 스테이지 그리고 그에 따라 팽창의 속력을 독립적으로 조절할 수 있게 한다. 이러한 속력 제어 부재는 압축기의 조립체 또는 각각의 압축 스테이지를 위해서 제공될 수 있다.
바람직하게는, 장치(1)는 사이클의 압축 스테이지들 사이에서, 팽창 스테이지들 사이에서 또는 팽창의 하류에서 회로 내의 압력을 감소시키기 위한(압력 강하) 유동 밸브 또는 밸브를 포함하지 않는다. 결과적으로, 사이클 회로(14)의 유지 보수를 위한 격리 밸브만을 제공할 수 있다.
즉, 터빈(17)의 동작 지점(속력, 압력)이 터빈(17)의 치수적 특징부만으로 조정될 수 있다(예를 들어, 터빈 유입구에 스로틀링 밸브가 없다). 이는 장치의 신뢰성을 높인다(프로세스를 제어하기 위한 밸브가 없기 때문에, 그러한 밸브의 고장과 관련된 잠재적인 문제가 없다). 이는 또한 고가의 보조 회로(안전 밸브 등)를 제거할 수 있게 하고, 제조를 단순화한다(격리할 라인 수의 감소 등).
헬륨-기반 사이클 가스를 사용하면, 프로세스에서 대기 이하 구역(subatmospheric zone)(이는 사이클 유체가 수소인 경우 위험할 수 있다)의 위험 없이 그리고 냉기 공급원의 동결 위험 없이(헬륨의 최대 액화 온도는 5.17 K이다), 과냉 액화 수소를 위한 온도에 도달할 수 있다. 과냉 액화 수소의 효과는 수소 분자의 운송 체인에서 매우 주목할 만한 이점이 있으며, 운반 중에 비등 가스의 감소로 인해서 잠재적으로 사용자(일반적으로 액체 스테이션)에게도 이점이 있다.
따라서, 냉기 공급원의 결정화가 없이, 액화되는 수소의 유동의 겔 지점(gel point)(13 K)에 도달할 수 있다.
사이클 회로(14)의 저압 부분은 비교적 높은 압력에서 동작할 수 있다. 이는 열 교환기(6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13)에서 부피 유량을 감소시킬 수 있게 한다. 따라서, 사이클 가스의 작업 압력은 냉각되는 유체의 목표 압력 또는 온도로부터 분리될 수 있다. 따라서, 이러한 사이클 가스의 압력을 증가시켜, 터보 기계의 응력에 적응시킬 수 있을 뿐만 아니라, 일반적으로 열 교환기의 치수에 영향을 미치는 주요 매개변수 중 하나인 저압에서의 부피 유량을 줄일 수 있다.
사이클 회로(14) 내의 이러한 낮은 압력 레벨은 예를 들어 10 바 이상이고 일반적으로 10 내지 40 바일 수 있다. 이는 열 교환기 내의 부피 유량을 감소시키고, 이는 압축 스테이지 마다의 낮은 압축률을 상쇄시킨다.
도시된 바와 같이, 장치(1)는 예를 들어 사이클 가스와 열 교환 관계를 갖는 열 교환기(들)(5)의 조립체의 적어도 일부와 열 교환 관계를 갖는 제2 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 제2 냉각 시스템(21)은, 예를 들어, 제1 향류 열 교환기 또는 다수의 향류 열 교환기를 통해서 사이클 가스 및/또는 액화되는 수소를 냉각하는 액체 질소 또는 냉각제의 혼합물과 같은 열-전달 유체를 위한 회로(25)를 포함하고, 또한 적어도 하나의 사전-냉각 교환기(5)를 통해서 도 1에 도시된 바와 같이 폐쇄 루프에서 하나 이상의 열-전달 유체를 순환시키는 것에 의해서 유발되는 고온 단부에서 변위 손실(displacement loss)에 대응할 수 있게 한다.
이러한 제2 냉각 시스템(21)은, 예를 들어, 액화되는 유체 및/또는 작업 가스를 압축 메커니즘의 배출구에서 사전-냉각할 수 있게 한다. (예를 들어, 루프 내의) 열-전달 유체를 위한 회로(25) 내의 이러한 냉각제 순환은 예를 들어 이러한 냉각제를 생성 및/또는 저장하기(28) 위한 유닛(27)에 의해서 공급된다. 적절한 경우, 냉각되는 액체를 위한 회로(3)는 상류에서 사전-냉각되도록 이러한 유닛(27)을 통과한다. 장치(1)가 하나 이상의 다른 부가적인 냉각 시스템(들)을 갖는 것을 상정할 수 있다는 것에 주목하여야 한다. 예를 들어, (예를 들어, 일반적으로 5℃ 내지 -60℃온도의 냉기 공급원에 공급하는) 칠러(chiller)에 의해서 공급되는 제3 냉각 회로가 전술한 시스템에 더하여 제공될 수 있다. 필요한 경우, 제4 냉각 시스템을 또한 제공하여 냉기를 장치(1)에 다시 공급할 수 있고 장치(1)의 액화 파워를 높일 수 있다. 도 2의 실시형태는, 사이클 회로(14)가 복귀 파이프(22)를 포함한다는 점에서만 선행하는 실시형태와 구별되고, 이러한 복귀 파이프는 (하류 방향으로 마지막 터빈이 아닌) 터빈(17) 중 하나의 배출구에 연결된 제1 단부, 및 (상류 방향으로) 제1 압축기(15)가 아닌 압축기(15) 중 하나의 유입구에 연결된 제2 단부를 갖는다. 이러한 복귀 파이프(22)는 사이클 가스의 유동의 일부를 압축 메커니즘의 유입구에서의 낮은 압력과 압축 메커니즘의 배출구에서의 높은 압력 사이의 중간 압력 레벨에서 압축 메커니즘으로 복귀시킬 수 있다.
복귀 파이프(22)는 향류 열 교환기의 적어도 일부와 열 교환 관계를 가질 수 있다. 중간 압력의 압축 스테이션으로의 다수의 복귀 파이프가 유리하게 프로세스의 예상되는 최적화 레벨에 따라 설치될 수 있다. 예를 들어, (고려되는 터빈에서의) 인출 지점 및 (고려되는 압축 스테이지에서의) 주입 지점이 상이한 압력 레벨들을 가질 수 있다. 도 3의 실시형태는, 사이클 회로(14)가 부분 우회 파이프(24)를 더 포함한다는 점에서만 선행 실시형태와 구분되고, 이러한 부분 우회 파이프는 터빈(17)(예를 들어, 상류 방향의 제1 터빈(17))의 상류에 연결된 제1 단부 및 하류에 위치된 다른 터빈(예를 들어, 제3 터빈)의 유입구에 연결된 제2 단부를 갖는다. 예를 들어, 우회 파이프(24)는 고압으로 압축 메커니즘을 빠져나오는 사이클 가스의 유동의 일부를 더 하류의 가장 저온인 터빈을 향해서 전환시킬 수 있게 한다. 유동의 나머지는 이러한 더 고온인 제1 상류 터빈(17)에 진입한다. 이는, 다양한 터빈 및 압축기의 특정 속력과 관련된 배치에 따라, 다양한 스테이지로 보내는 유량을 조절할 수 있게 한다. 예를 들어, 더 높은 압력에 위치되는 압축기는 (프로세스의 저압에 근접하여 위치된) 제1 압축 스테이지보다 더 작은 부피 유량을 수용한다. 이러한 부피 유량을 높이는 그리고 그에 따라 잠재적으로 그 등엔트로피 효율을 높이는 하나의 방법은, 도 3에 도시된 바와 같이, 팽창 스테이지로부터의 중간 압력의 복귀를 포함하는 것이다. 도 4에 도시된 장치(1)는 또 다른 비제한적인 실시형태를 도시한다. 전술한 것과 동일한 요소는 동일한 참조 번호로 표시하였고 다시 구체적으로 설명하지 않는다.
도 4의 장치의 사이클 회로(14)는 (3개의 모터(18)에 의해서 각각 구동되는) 3개의 압축기를 포함한다. 도시된 바와 같이, 각각의 압축기는 4개의 압축 스테이지(15)(즉, 직렬의 4개의 압축 휠)를 가질 수 있다. 이러한 압축 휠(15)은 해당 모터(18)의 샤프트(19)의 일 단부에 직접적으로 커플링시킴으로써 장착될 수 있다. 이러한 예에서, 장치는 그에 따라 직렬의 12개의 원심 압축 스테이지를 갖는다. 도시된 바와 같이, 사이클 가스의 냉각(26)이 2개의 압축 스테이지 마다 제공될 수 있다.
이러한 예에서, 장치(1)는 직렬의 5개의 팽창 스테이지(6개의 구심 터빈 휠, 그 중 2개는 병렬로 배치된다), 예를 들어 압축기마다 1개 또는 2개의 팽창 스테이지를 갖는다. 도시된 바와 같이, 모든 터빈(17)은 압축기 샤프트(19)에 커플링될 수 있다(예를 들어, 2개의 터빈(17)이 각각의 모터(18)의 샤프트(19)의 타 단부에 장착되어 기계적 일을, 이러한 샤프트(19)에 또한 장착된 압축기 휠(15)에 공급한다). 물론, 터빈(17)은 압축기 휠(15)과 동일한 샤프트(19)의 측부에 위치될 수 있다. 예를 들어, 4개의 제1 팽창 스테이지가 직렬의 4개의 터빈(17)으로 형성된다. 제5 팽창 스테이지는 예를 들어 사이클 회로(14)의 병렬의 2개의 분지(branch) 내에 각각 배치된 2개의 터빈(17)으로 형성된다. 도 5에 도시된 장치(1)는 중간 압력 레벨(중위 압력)에서 터빈(17)을 빠져나가는 사이클 가스의 일부를 압축 메커니즘에 전달하는 사이클 가스를 위한 복귀 라인(122, 123, 124)을 포함한다는 점에서 도 4의 실시형태와 구분된다. 예를 들어, 라인(124)은 제1 터빈의 배출구를 제8 압축 스테이지의 배출구에 연결한다. 마찬가지로, 라인(123)은 제2 터빈의 배출구를 제6 압축 스테이지의 배출구에 연결한다. 마찬가지로, 라인(122)은 제3 터빈(17)의 배출구를 제4 압축 스테이지의 배출구에 연결한다. 물론, 장치는 이러한 중위-압력 복귀 라인 중 1개만을 또는 2개만을 가질 수 있다. 마찬가지로, 다른 복귀 라인도 생각할 수 있다. 또한, 이러한 라인의 단부가 변경될 수 있다(다른 터빈(들)의 배출구 및 다른 압축 스테이지의 배출구(들)).
이러한 또는 이들 복귀는 초과 유량이 공급되는 압축기의 부피 유량을 증가시킬 수 있게 하고 그에 따라 잠재적으로 그 등엔트로피 효율을 높일 수 있게 한다.
도 6에 도시된 장치(1)는 장치(1)의 상세 부분을 도시하여, 모터-구동형 터보압축기 배치의 구조 및 동작에 관한 비제한적인 가능한 예를 설명한다. 모터(18)의 샤프트(19)의 일 단부가 4개의 압축기 휠(4개의 압축 스테이지(15))을 구동한다. 샤프트(19)의 타 단부는 2개의 팽창 스테이지(2개의 터빈(17))에 직접적으로 커플링된다.
물론, (모터의 개수와 마찬가지로) 임의의 다른 적합한 유형의 압축 스테이지(15) 및 팽창 스테이지(17)의 배치(개수 및 분포)를 생각할 수 있다.
결과적으로, 다른 수정이 가능하다.
따라서, 터빈(17), 특히 하류 터빈(가장 저온의 터빈)에 대한 다양한 구성이 가능하다.
예를 들어, 이미 설명한 바와 같이, 2개의 마지막 팽창 스테이지(2개의 터빈)가 병렬로 그리고 직렬이 아니게 설치될 수 있다. 이는 이러한 터빈의 말단에서 더 큰 엔탈피의 강하를 생성할 수 있게 한다. 이는 효율을 떨어뜨리는 결과를 초래할 수 있다(이는, 2개의 터빈이 유량의 100%를 공유하고 사용 가능한 압력의 차이가 거의 2배가 되기 때문이다). 이러한 2개의 마지막 팽창 스테이지에서의 이러한 잠재적인 효율 감소에도 불구하고, 더 큰 엔탈피 강하의 실현은 팽창을 보다 효율적으로 스테이지화 할 수 있게 한다.
이는, 동일한 저온 엔탈피 차이가, 더 고온인 터빈에서보다 더 작은, 터빈의 말단에서의 온도 변동을 유발하기 때문이다. 이는 냉장 및 액화 프로세스의 효율을 개선한다. 결과적으로, 터빈의 말단에서의 상대적으로 감소된 온도차에도 불구하고, 장치의 효율은 양호한 에너지 효율로 수소를 액화할 수 있게 한다.
터빈(17)에 의해서 유발되는 온도차는 터빈(17) 상류의 사이클 가스의 온도에 따라 달라질 수 있다.
냉각 회로를 가스로 채우기 위한 최대 압력을 제한하기 위해서, 버퍼 탱크(미도시) 및 밸브(들)의 조립체가 바람직하게는 낮은 압력 레벨에서 제공될 수 있다. 바람직하게는, 최소 압력 비율은 압축 스테이션의 말단에서 1.3 내지 1.6이다. 사이클 가스는 예를 들어 100% 또는 99%의 헬륨으로 구성될 수 있고 수소로 보충될 수 있다.
사이클 회로는, 터빈(17)의 적어도 하나의 유입구에서, 결정된 동작 지점으로의 유체의 유량을 조정하도록 구성된 유입구 안내 베인("IGV")을 포함할 수 있다.
또한, 압축기 휠(15) 및/또는 터빈(17)의 배치는 전술한 예로 제한되지 않는다. 결과적으로, 압축기(15)의 개수 및 배치는 수정될 수 있다. 예를 들어, 압축 메커니즘이 단지 3개의 압축기로 구성될 수 있고, 각각의 압축기는 (스테이지-간 냉각을 갖거나 가지지 않는) 다수의 압축 스테이지, 예를 들어 3개의 압축 스테이지, 다시 말해서 3개의 압축기 휠을 구비할 수 있다.
마찬가지로, 2개의 압축 스테이지(15)는 다른 압축 스테이지(예를 들어 직렬의 3개의 압축 스테이지)와 병렬로 그리고 직렬로 배치될 수 있다. 병렬의 2개의 압축 스테이지가 다른 압축 스테이지의 상류에 배치될 수 있고, 그에 따라, 하류 방향으로, 동일할 수 있는 기계들을 이용하여 저압의 비교적 큰 유량을 공급할 수 있다.
동일한 방식으로, 터빈(17)은 사이클 회로(14) 내에서 병렬로 배치될 수 있다.
또한, 이미 설명한 바와 같이, 모든 터빈은 하나 이상의 압축기 휠에 커플링될 수 있다(예를 들어, 하나 이상의 압축 스테이지와 동일한 샤프트(19)에 커플링된 하나 이상의 터빈(17)).
설명한 바와 같이, 냉각되는 유체를 위한 회로(3)는, 예를 들어 수소(직교-수소(ortho-hydrogen)에서 준-수소(para-hydrogen)로)의 변환을 위해서, 교환기 또는 교환기(들)의 섹션(들)(29)의 외부에서 하나 이상의 촉매 부재(포트(280))를 가질 수 있다.

Claims (16)

  1. 기체 유체의 공급원(2)에 연결되도록 의도된 상류 단부 및 액화된 유체를 수집하기 위한 부재(4)에 연결되도록 의도된 하류 단부(23)를 갖는, 냉각되는 유체를 위한 회로(3)를 포함하는, 수소 및/또는 헬륨과 같은 유체를 액화하기 위한 장치로서, 상기 장치(1)는 냉각되는 유체를 위한 회로(3)와 열 교환 관계를 갖는 열 교환기(들)(6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13)의 조립체를 포함하고, 상기 장치(1)는 상기 열 교환기(들)(6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13)의 조립체의 적어도 일부와 열 교환 관계를 갖는 적어도 하나의 제1 냉각 시스템(20)을 포함하고, 상기 제1 냉각 시스템(20)은 주로 헬륨을 포함하는 사이클 가스에 냉장 사이클을 수행하는 냉장기이고, 상기 냉장기(20)는 사이클 회로(14) 내에 직렬로 배치되는: 상기 사이클 가스를 압축하기 위한 메커니즘(15), 상기 사이클 가스를 냉각하기 위한 적어도 하나의 부재(16, 5, 6, 8, 10, 12), 상기 사이클 가스를 팽창시키기 위한 메커니즘(17), 및 상기 팽창된 사이클 가스를 가열하기 위한 적어도 하나의 부재(13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5)를 포함하고, 상기 압축 메커니즘은, 원심 유형의 압축기(들)(15)의 조립체로 구성되는 직렬의 적어도 4개의 압축 스테이지(15)를 포함하고, 상기 압축 스테이지(15)는 모터(들)(18)의 조립체에 의해서 회전 구동되는 샤프트(19, 190)에 장착되며, 상기 팽창 메커니즘은 구심 유형의 터빈(17)의 조립체로 구성되는 직렬의 적어도 3개의 팽창 스테이지를 포함하고, 상기 사이클 가스를 냉각하기 위한 적어도 하나의 부재(16, 5, 6, 8, 10, 12)는 상기 터빈(17) 중 적어도 하나의 배출구에서 상기 사이클 가스를 냉각하도록 구성되고, 상기 터빈(17)의 적어도 하나가 적어도 하나의 압축 스테이지(15)와 동일한 샤프트(19)에 커플링되어 팽창 중에 생성된 기계적 일을 상기 압축 스테이지(15)에 공급하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압축 메커니즘이 원심 유형의 압축기(15) 만을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 사이클 가스를 냉각하기 위한 적어도 하나의 부재는 상기 터빈(17)의 적어도 일부의 배출구에 배치된 열 교환기(들)(8, 10, 12)의 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사이클 가스의 순환 방향을 따라서 직렬의 마지막 터빈(17)을 제외한 터빈(17)의 적어도 일부의 배출구에 배치되는, 열 교환기와 같은 상기 사이클 가스를 냉각하기 위한 시스템(8, 10, 12)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사이클 가스의 순환 방향을 따라, 직렬의 적어도 2개의 터빈(17)은 그 직렬 배치의 반대 순서로 간주되는 압축 스테이지(15)에 각각 커플링되고, 다시 말해서, 예를 들어, 적어도 하나의 터빈(17)은, 상기 사이클 회로(14)에서 선행하는 다른 터빈(17)에 커플링된 압축 스테이지(15)의 상류에 위치된 압축 스테이지(15)에 커플링되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축 스테이지(15)에 커플링된 적어도 하나의 터빈(17)의 작업 압력은 상기 적어도 하나의 터빈이 커플링된 상기 압축 스테이지를 포함하는 압축기(15)의 작업 압력으로 조정되고, 다시 말해서 상기 터빈(17)에 진입하는 사이클 가스의 압력은 상기 적어도 하나의 터빈이 커플링된 상기 압축기(15)의 유입구 압력과 40% 이하 그리고 바람직하게는 30% 또는 20% 이하만큼 상이한 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈(17) 및 상기 압축 스테이지(15)를 하나의 그리고 동일한 샤프트(19)에 기계적으로 커플링시키는 것은, 커플링된 상기 터빈(17)의 그리고 상기 압축 스테이지(15)의 동일한 회전 속력을 보장하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈(17)에서보다 더 많은 압축 스테이지(15)를 포함하고, 각각의 터빈(17)은 각각의 모터(18)에 의해서 구동되는 하나의 각각의 압축 스테이지(15)와 동일한 샤프트(19)에 커플링되고, 상기 터빈(17)에 커플링되지 않은 다른 압축 스테이지(15)는 별도의 각각의 모터(18)에 의해서 구동되는 로터리 샤프트(190)에만 장착되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 터빈(17)에 커플링된 상기 압축 스테이지(15) 및 상기 터빈(17)에 커플링되지 않은 압축 스테이지가 상기 사이클 회로 내에서 직렬로 교번화되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    16개의 압축 스테이지(15) 및 8개의 터빈(17), 또는 12개의 압축 스테이지(15) 및 6개의 터빈(17), 또는 8개의 압축 스테이지(15) 및 4개의 터빈(17), 또는 6개의 압축 스테이지(15) 및 3개의 터빈(17), 또는 4개의 압축 스테이지(15) 및 3개의 터빈(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사이클 회로(14)는, 상기 사이클 가스의 유동의 일부를 상기 압축 메커니즘의 유입구에서의 저압과 상기 압축 메커니즘의 배출구에서의 고압 사이의 중간 압력 레벨로 상기 압축 메커니즘으로 복귀시키기 위한, 상기 터빈(17) 중 하나의 배출구에 연결된 제1 단부 및 상기 제1 압축 스테이지(15) 이외의 압축 스테이지(15) 중 하나의 유입구에 연결된 제2 단부를 갖는 복귀 파이프(22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복귀 파이프(22)는 상기 사이클 가스를 냉각하기 위한 적어도 하나의 부재(5, 6, 8, 10, 12) 및/또는 상기 팽창된 사이클 가스를 가열하기 위한 부재(13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5)와 열 교환 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사이클 회로(14)는, 상기 터빈(17)의 상류에 연결된 제1 단부 및 하류에 위치된 다른 터빈(17)의 유입구에 연결된 제2 단부를 가지는, 상기 사이클 가스의 유동을 위한 부분 우회 파이프(24)를 포함하고, 상기 우회 파이프(24)는 상기 사이클 가스의 유동의 일부를 상기 가장 저온의 하류 터빈의 유입구에 직접 전달하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 교환기(들)의 조립체는, 직렬로 배치된 그리고 내부에서 상기 사이클 회로(14)의 2개의 별도의 부분들이 상기 사이클 가스의 냉각 및 가열의 각각을 위해서 향류 동작으로 동시에 순환을 수행하는, 복수의 열 교환기(5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13)를 포함하고, 상기 복수의 열 교환기는 상기 사이클 가스를 냉각하기 위한 부재 및 상기 사이클 가스를 가열하기 위한 부재(16, 5, 6, 8, 10, 12)를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    열 교환기(들)(5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13)의 조립체의 적어도 일부와 열 교환 관계를 갖는 제2 냉각 시스템을 포함하고, 상기 제2 냉각 시스템(21)은 액체 질소 또는 냉각제들의 혼합물과 같은 열-전달 유체를 위한 회로(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 장치(1)를 이용하여 극저온 온도의 수소, 특히 액화 수소를 생산하기 위한 방법으로서, 상기 사이클 가스를 압축하기 위한 메커니즘(15)의 유입구에서의 상기 사이클 가스의 압력이 2 내지 40 바 절대값 그리고 특히 8 내지 35 바 절대값인, 방법.
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