KR20240001689A - 포화 액체를 제공하기 위한 펌프 장치 - Google Patents

포화 액체를 제공하기 위한 펌프 장치 Download PDF

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KR20240001689A
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KR
South Korea
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liquid
pump
inlet
outlet
tank
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Application number
KR1020230082297A
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English (en)
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아민 이세호스트
케이 필립 베루지
피터 프리에제
Original Assignee
에어버스 오퍼레이션즈 게엠베하
에어버스 에스에이에스
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Publication date
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Abstract

포화(saturated) 또는 과냉각(subcooled) 액체를 제공하기 위한 펌프 장치를 제시한다. 상기 펌프 장치는, 탱크 출구를 갖는, 포화 액체용 탱크; 포화 액체를 냉각시키기 위한 열교환기로서, 액체 입구, 액체 출구, 냉각수 입구 및 냉각수 출구를 갖는 열교환기; 펌프 입구와 펌프 출구를 갖는 펌프; 팽창 밸브 입구와 팽창 밸브 출구를 갖는 팽창 밸브; 및 펌프 출구의 하류측에 위치하여 포화 또는 과냉각 액체를 소비주체에 공급하기 위한 펌프 장치 출력부를 포함하며, 탱크 출구가 열교환기의 액체 입구와 유체 연통함에 따라 탱크 내부에 저장되어 있던 포화 액체가 열교환기로 흘러 들어갈 수 있고, 열교환기는 포화 액체를 과냉각시키도록 설계되며, 열교환기의 액체 출구는 펌프 입구와 유체 연통하고, 팽창 밸브 출구는 열교환기의 냉각수 입구와 유체 연통하며, 팽창 밸브 입구는 탱크 또는 열교환기 액체 출구의 하류측에 배치되어, 펌프 장치를 통해 흐르는 액체의 일부를 받아 팽창시킨 후 냉각수 입구로 전달함으로써, 상기 액체의 일부가 적어도 부분적으로 증발되도록 하고, 과냉각되는 액체의 증발열을 흡수한다.

Description

포화 액체를 제공하기 위한 펌프 장치{PUMP ARRANGEMENT FOR PROVIDING A SATURATED LIQUID}
본 발명은 포화(saturated) 또는 과냉각(subcooled) 액체를 제공하기 위한 펌프 장치, 포화 액체를 제공하는 방법, 및 이러한 펌프 장치를 하나 이상 구비한 차량에 관한 것이다.
탱크로부터 펌프를 통해 포화 액체를 소비주체(consumer) 또는 다른 컴포넌트에 공급하는 경우, 탱크 내부의 압력이 감소되고 펌프 내에 캐비테이션 현상(cavitation)이 발생할 가능성이 높아진다. 이러한 포화 액체의 예로, 펌프를 활용하여 소비주체에 수소를 공급하기 위해, 항공기 내부의 저장 탱크, 액화 가스용 육상 운송 차량이나 해상 운송 및 공급 시스템, 또는 고정식 탱크에 저장될 수 있는 액화 수소를 들 수 있다.
포화 액체를 펌핑하는 데 따른 어려움은 항공, 해상 및 육상 차량들과 고정식 응용 분야 통해 알려졌다. 펌프 상류측의 유효 흡입 압력을 증가시키기 위한 몇 가지 방법이 있다. 그 예로, 특히 우주 분야의 경우, 증기나 그 외 다른 가스를 사용하여 탱크 내부의 압력을 증가시키기, 탱크 내부의 증기를 가열하기, 펌프의 위치를 변경하여 정수압의 이점을 살리기, 프리-펌프 사용하기, 또는 저압증발을 통해 펌프 입구에서 액체를 과냉각시키고 가스를 우주선 밖으로 배출하기가 포함된다. 그러나, 이러한 해결책들은 펌프 장치를 더 복잡하게 만들며, 특정 히터나 증발기의 사용에 특별한 노력을 들여야 할 수 있고, 탱크 충전 중에 비응축 가스(non-condensable gas)가 같이 따라다니며 방출/포집되고, 불안정한 성층화, 높은 추가적 중량 및 복잡성, 또는 우주 분야에서의 사용 가능성 제한 등을 초래할 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은, 고효율 저중량 펌프의 유효 흡입 압력을 증가시킬 수 있도록 하고 위에서 밝힌 단점들이 없는, 포화 액체 펌핑을 위한 대안적 펌프 장치를 제시하는 데에 있다.
상기 목적은 청구범위 제1항의 특징을 갖춘 펌프 장치를 통해 달성된다. 유리한 실시예들과 추가적인 개선사항들은 종속항들과 하기 설명에서 파악할 수 있다.
포화 액체를 제공하기 위한 펌프 장치를 제시한다. 상기 펌프 장치는, 탱크 출구를 갖는, 포화 액체용 탱크; 포화 액체를 냉각시키기 위한 열교환기로서, 액체 입구, 액체 출구, 냉각수 입구 및 냉각수 출구를 갖는 열교환기; 펌프 입구와 펌프 출구를 갖는 펌프; 팽창 밸브 입구와 팽창 밸브 출구를 갖는 팽창 밸브; 및 펌프 출구의 하류측에 위치하여 포화 액체를 소비주체에 공급하기 위한 펌프 장치 출력부를 포함하며, 탱크 출구가 열교환기의 액체 입구와 유체 연통함에 따라 탱크 내부에 저장되어 있던 포화 액체가 열교환기로 흘러 들어갈 수 있고, 열교환기는 포화 액체를 과냉각시키도록 설계되며, 열교환기의 액체 출구는 펌프 입구와 유체 연통하고, 팽창 밸브 출구는 열교환기의 냉각수 입구와 유체 연통하며, 팽창 밸브 입구는 탱크 또는 열교환기 액체 출구의 하류측에 배치되어, 펌프 장치를 통해 흐르는 액체의 일부를 받아 팽창시킨 후 냉각수 입구로 전달함으로써, 상기 액체의 일부가 적어도 부분적으로 증발되도록 하고, 과냉각되는 액체의 증발열을 흡수한다.
본 발명에 따른 펌프 장치에 의해 포화 액체용 펌프에 대한 유효 흡입 압력(NPSP)을 증가시키는 것이 가능하며, 전술한 단점들을 미연에 방지한다. NPSP는 펌핑되는 액체의 전체 압력과 주어진 온도에서의 증기압 간의 차이인 것으로 이해하면 된다. 본 펌프 장치의 핵심 기능을 아래에서 자세히 설명하고자 한다.
탱크는 포화 액체를 수용하기 위한 저장용기이다. 탱크는 저장되는 액체에 따라 특정 압력을 기계적으로 견디도록 설계할 수 있다. 또한, 탱크 내부로의 열 전달을 최소화하기 위해 탱크를 단열 처리할 수 있다. 예를 들어, 포화 액체는 일반적으로 극저온에서 저장되는 액화 수소일 수 있으며, 이 경우 탱크는 일반적으로 단열 처리된다. 그러나, 액화 석유 가스(LPG), 탄화수소 및 응축물용으로 쓰이는 탱크들은 반드시 단열 처리하지 않아도 되며, 본 발명에 따른 펌프 장치는 특정 액체 용도로 국한되지 않는다.
탱크는 탱크의 상단, 측면 또는 저면에 배치될 수 있는 탱크 입구를 포함할 수 있다. 탱크 입구는 포화 액체를 탱크에 공급하는 데 사용될 수 있다. 그러나 탱크 입구는 아래에 자세히 설명하는 것처럼 탱크에 증기나 가스를 공급하는 데 사용할 수도 있다. 바람직하게 탱크 출구는 NPSP를 더욱 최적화하기 위해 저면에 배치될 수 있다.
열교환기는 포화 액체를 과냉각시키기 위해 구비된다. 이를 위해 포화 액체가 액체 입구를 통해 열교환기로 유입되며 열교환기 내부에 생성되어 있는 하나 또는 복수의 냉각 채널을 통과하며 흐를 수 있다. 그 후, 과냉각된 액체는 액체 출구에서 열교환기를 빠져나간다. 냉각 기능을 제공하기 위해 냉각수 입구가 마련되어 있으며, 이를 통해 포화 액체의 2상 유체(two-phase flow)가 전달된다. 이런 식으로 2상 유체 형태인 액체의 일부에 의해 냉각수 기능이 제공된다. 2상 유체는, 펌프 장치를 통해 흐르는 포화 액체의 일부가 팽창 밸브에 공급되어 냉각수 입구의 하류측에서 팽창함으로써 생성된다. 이로 인해 탱크 포화 온도에 비해 크게 감소된 포화 온도에서 부분 증발이 발생하게 되며, 냉각수 입구에 도달하는 유체는 액체와 증기의 혼합물이다. 열교환기 내부에서, 팽창된 액체는 냉각 채널들을 통해 증발열을 흡수하여 추가로 증발되며 냉각수 출구를 통해 흘러 나간다. 그 결과, 액체가 과냉각되고 증기 흐름이 생성된다. 팽창 밸브는, 고정 오리피스 기하구조 또는 이와 유사한 것을 통해 팽창 동작으로 설정될 수 있거나 능동적으로 제어될 수 있는 스로틀 밸브일 수 있다. 또한 팽창 밸브는 하나 이상의 팽창 노즐로 이어지는 간단한 전환 밸브일 수 있다.
아래에서 추가로 설명되겠지만, 본 발명에 따른 펌프 장치의 실시예에 따라, 증기는 탱크 내부의 압력을 증가시키기 위해 사용될 수 있거나 환경으로 배출될 수 있다. 포화 액체를 과냉각시킴으로써, 펌프 입구의 NPSP가 증가하고 펌프는 포화 액체를 각 소비주체에 안정적으로 펌핑할 수 있다. 캐비테이션의 위험이 감소한다. 포화 또는 과냉각 액체는 펌프 하류측에 있는 펌프 장치 출력부에 제공된다. 후술되는 대부분의 실시예에서, 펌프 장치 출력부는 펌프 출구에 직접 연결된다는 점에 유의한다.
모든 가능성을 고려하기 위해, 팽창 밸브 입구가 탱크 출구에 직접 연결될 수도 있다는 점을 나타낸다.
유리한 일 실시예에서, 펌프 장치는 냉각수 출구와 결합된 압축기를 추가로 포함한다. 포화 액체가 기화되어 생성된 증기는 압축기에 유입되어 가압된다. 일부 실시예에서는, 증기압이 탱크 압력보다 높아짐에 따라, 가압된 증기, 즉 가압된 가스가 탱크 입구로 공급되어 탱크 압력이 증가될 수 있다. 다른 실시예에서는 증기압이 대기압보다 높아짐에 따라 증기가 대기로 배출될 수 있다. 냉각수 측의 온도가 더 낮아질 수 있도록 압축기는 열교환기에서의 증발을 위해 더 낮은 압력을 발생시킬 수 있다.
유리한 일 실시예에서, 팽창 밸브는 펌프의 하류측 및 냉각수 입구의 상류측에 위치하는 유체 라인에 연결된다. 따라서, 펌프 출구에서 흘러 나오는 포화 액체의 일부를 포화 액체의 소비주체를 위한 공급 흐름으로부터 이송한 후 팽창 밸브에 다시 공급하여 적어도 부분적으로 증발시킨다. 이는 펌프에 의해 형성되는 압력 차이를 활용하며, 액체 일부를 팽창 밸브로 다시 공급하는 피드백 과정을 단순화하는 장점이 있다.
유리한 일 실시예에서, 팽창 밸브는 펌프의 상류측 및 냉각수 입구의 상류측에 위치하는 유체 라인에 연결된다. 본 팽창 밸브는 펌프 하류측의 지점으로부터 이송되는 포화 액체가 공급되는 팽창 밸브와는 다르게 설계될 수 있다. 그러나, 탱크와 열교환기의 액체 출구 간의 압력 차이는 포화 액체의 일부를 팽창 밸브에 공급하기에 충분하다. 이러한 포화 액체의 일부는 다시 팽창되기 전에 추가로 가압되지는 않으므로, 펌프 장치의 전체 효율이 전술한 해결책에 비해 다소 높아질 수 있다.
유리한 일 실시예에서, 압축기는 탱크 입구에 연결된다. 압축기는 흡입 압력을 생성하여 포화 압력을 탱크 내부의 액체의 포화 압력 미만으로 낮추며, 기화된 액체는 탱크 입구로 공급된다. 이로써 탱크 내부의 압력이 증가하게 되는데, 이를 위해 별도의 가스 공급원이나 전용 장치로부터의 다른 가스는 필요하지 않다. 바람직하게 압축기는 증발된 액체의 압력을 탱크 내부의 압력보다 약간 높게 증가시키도록 설계된다. 압력 차이는 각각의 포화 액체와 필요한 질량 유량에 따라 정해질 수 있다. 압축기, 그리고 상기 압축기의 하류측이나 내부에 위치하는 압력 센서는 제어 유닛에 연결된다. 이러한 제어 유닛은 기설정된 압력 증가를 제공하도록 압축기를 제어할 수 있다.
유리한 일 실시예에서, 압축기 또는 냉각수 출구는 주변환경, 즉 펌프 장치의 주변(펌프 장치가 설치되어 있는 차량을 둘러싼 대기 또는 공간일 수 있음)과 유체 연통한다. 이에 따라 압축기는 기화된 액체의 압력을 대기압보다 높은 수준으로 증가시킬 수 있다. 펌프 장치가 기화된 액체를 항상 대기 중으로 배출시킬 수 있는 한 압축기 전용 제어가 전적으로 필요하지는 않다. 이는 펌프 장치가 대기압 하에 작동 가능할 수 있도록 한다. 냉각수 출구가 주변환경과 유체 연통하는 구성인 경우, 펌프 장치는 우주 또는 높은 대기 고도 전용으로, 예컨대, 약 10,000 m 이상 고도에서 상업용 항공기의 순항비행(cruise flight) 단계 전용으로 작동 가능하다.
유리한 일 실시예에서, 펌프 장치는, 1차 입구, 2차 입구 및 제트 펌프 출구를 갖는 제트 펌프를 추가로 포함하며, 팽창 밸브가 열교환기 액체 출구의 하류측에 배치되고, 펌프가 상기 1차 입구와 결합되며, 냉각수 출구가 상기 2차 입구와 결합된다. 제트 펌프에는 과냉각 액체의 가압 유체가 일차적 흐름으로서 공급된다. 증발된 액체 형태의 이차적 흐름은 상기 2차 입구를 통과해 일차적 흐름에 흡입된다. 이들 두 흐름이 혼합되어 함께 제트 펌프 출구를 빠져나간다.
유리한 일 실시예에서, 제트 펌프 출구가 탱크 입구와 결합된다. 이에 따라 제트 펌프의 1차 입구에는 펌프에서 빠져나오는 흐름의 일부만 제공된다. 탱크 내부의 압력을 증가시키기 위해 증발된 액체와 포화 액체의 혼합물을 탱크 입구에 제공할 수도 있다.
유리한 일 실시예에서, 펌프 장치 출력부는 펌프의 하류측 및 제트 펌프의 1차 입구의 상류측에 위치한다. 위와 같이, 펌프 출구에서 빠져나오는 흐름의 대부분이 소비주체에 공급된다. 해당 흐름의 일부만 제트 펌프의 1차 입구에 공급된다.
유리한 일 실시예에서, 펌프 장치 출력부가 제트 펌프 출구에 연결된다. 이의 대안으로 제트 펌프 출구는 소비주체를 위한 전체 질량 유량을 전달한다.
유리한 일 실시예에서, 팽창 밸브는 가변 단면을 가져, 팽창 밸브를 통과해 흐르는 포화 액체의 일부를 제어하도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 원하는 증발 동작 및/또는 필요한 압력 강하를 제공하도록 팽창 밸브를 제어할 수 있다.
위와 유사하게, 본 발명은 포화 또는 과냉각 액체를 제공하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 탱크로부터 포화 액체를 탱크 출구를 통해 열교환기의 액체 입구로 공급하여 액체를 과냉각시키는 단계, 탱크로부터의 포화 또는 과냉각 액체 혹은 과냉각 액체의 일부를 팽창 밸브의 팽창 밸브 입구로 공급하여 탱크 액체 온도에 비해 감소된 온도에서 적어도 부분적으로 증발시키고, 열교환기의 냉각수 입구로 공급하여 액체 입구로 흘러 들어가는 액체로부터 증발열을 흡수함으로써 실질적으로 완전히 증발되도록 하는 단계, 과냉각 액체를 열교환기의 액체 출구로부터 펌프의 펌프 입구로 공급하는 단계, 및 과냉각 액체를 펌프 출구의 하류측에 위치하는 펌프 장치 출력부로 펌핑하여 포화 액체를 소비주체에 공급하는 단계를 포함한다.
유리한 일 실시예에서, 압축기 또는 제트 펌프는 냉각수 흐름의 압력을 해당 탱크 포화 압력 미만으로 감소시킨다.
유리한 일 실시예에서, 상기 방법은 증발된 액체를 탱크의 탱크 입구로 공급하여 탱크 내부의 압력을 증가시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
추가로 그리고 위와 유사하게, 하나의, 복수의, 또는 모든 추가 단계가 제공될 수 있다. 그 예로, 냉각수 출구에서 흘러 나오는 증발된 액체를 압축기로 압축하는 단계를 들 수 있다. 압축된 가스를 탱크 입구 또는 주변환경에 공급할 수 있다. 과냉각 액체를 펌프의 상류측 또는 하류측에서 팽창 밸브로 공급할 수 있다.
또한, 과냉각 액체를 제트 펌프의 1차 입구로 펌핑할 수 있고 냉각수 출구에서 흘러 나오는 증발된 액체를 제트 펌프의 2차 입구로 공급할 수 있으며, 상기 과냉각 액체는 제트 펌프 출구에서 펌프 장치 출력부로 공급된다. 대안으로는, 펌프 하류측 및 제프 펌프 상류측으로부터의 과냉각 액체가 펌프 장치 출력부로 공급되며, 이때 과냉각 액체의 일부는 제트 펌프의 1차 입구에 제공되고 냉각수 출구에서 흘러 나오는 증발된 액체는 제트 펌프의 2차 입구에 제공되며, 제트 펌프에 의해 과냉각 액체 및 과냉각 가스가 탱크 입구로 전달된다.
압축기나 제트 펌프에 의해 냉각수가 탱크에 공급되는 경우, 냉각수의 포화 압력(즉, 증발 압력)이 탱크 내부의 액체의 포화 압력 미만으로 감소된다. 이러한 특징은 펌프 장치를 냉각수의 포화 압력보다 높은 대기압에서 작동시키는 데 특히 유용하다.
위에서 언급한 방법 단계들은 연속 공정을 정의하는 것으로 이해하면 되며 이들 단계는 동시에 수행된다.
본 발명은 또한 전술한 설명에 따른 적어도 하나의 펌프 장치와 상기 적어도 하나의 펌프 장치의 펌프 장치 출력부와 결합된 적어도 하나의 소비주체를 포함하는 차량에 관한 것이다.
유리한 일 실시예에서, 상기 차량은 항공기이고, 상기 적어도 하나의 소비주체는 연료 전지, 및/또는 연소 작업을 수행하는 장치를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 이용하여 예시적 실시예들을 보다 상세하게 설명한다. 이들 도면은 개략적인 예시로서 실제 크기를 일정 비율로 표현한 것이 아니다. 동일하거나 유사한 요소는 동일한 참조 번호로 표시하였다.
도 1 내지 도 8은 펌프 장치의 다양한 예시적 실시예들을 개략도로 나타낸다.
도 9는 소비주체 및 본 펌프 장치를 갖춘 항공기를 나타낸다.
도 1은 제1 예시적 실시예의 펌프 장치(2)를 나타낸다. 포화 조건에서 액화 수소와 같은 포화 액체를 저장하는 탱크(4)가 제공된다. 탱크(4)는 탱크 입구(6)와 탱크 출구(8)를 포함한다. 펌프 장치(2)는 탱크(4)로부터의 포화 액체를 저장하고 소비주체(10)에 포화 액체를 제공하도록 설계된다. 여기서는 상세히 도시되지 않았지만, 펌프 장치는 단열재를 포함하기도 한다. 예를 들어, 포화 액체는 액화 수소일 수 있다.
액체는 탱크(4)로부터 출구(8)를 통해 이송되어 열교환기(14)의 액체 입구(12)에 제공된다. 여기서는 상세히 도시되지 않았지만, 하나 이상의 냉각 채널이 제공되며, 이 채널을 통해 액체가 유동한다. 액체는 액체 출구(16)에서 배출된다. 열교환기(14)는 냉각수 입구(18) 및 냉각수 출구(20)를 더 포함한다. 상기 냉각수 입구(18)로 2상 유체, 즉 액체 및 증발된 상태의 액체(아래에서 더 자세히 설명됨)가 유입된다. 열교환기(14)를 통과해 유동하면서 2상 유체는 증발열을 흡수하여 바람직하게는 완전히 증발된다. 그런 후에는 주로 가스 형태로 냉각수 출구(20)를 빠져나간다. 이와 동시에, 액체 출구(16)를 빠져나가는 액체는 과냉각된다.
이러한 과냉각 액체는 펌프(24)의 펌프 입구(22)로 진입하고 그런 후에는 펌프 출구(26)로부터 펌프 장치 출력부(28)로 공급됨으로써, 소비주체(10)에 포화 액체를 공급하게 된다. 펌프(24)의 하류측 및 펌프 장치 출력부(28)의 상류측에 위치하는 접합 지점(30)으로부터 과냉각 액체의 일부가 이송되어 팽창 밸브 입구(34)를 통해 팽창 밸브(32)에 공급된다. 여기서, 액체가 팽창되고 그 일부는 증발함으로써, 위에 언급한 2상 유체를 생성하게 된다. 2상 유체는 증발 밸브 출구(36)를 빠져나가 바로 하류측의 냉각수 입구(18)로 유입된다. 팽창 밸브(32)는 접합 지점(30)으로부터 이송되는 액체의 일부를 제어할 수 있도록 가변 단면을 갖는다.
기화된 액체, 즉 냉각수 출구(20)에서 흘러 나오는 가스는 압축기(40)의 압축기 입구(38)로 공급된다. 여기서 가스는 압축되어 압축기 출구(42)를 통과해 탱크 입구(6)로 공급된다. 이에 따라, 탱크(4) 내부의 압력이 증가된다. 탱크 압력을 증가시키고 펌프 장치 출력부(28)에서의 포화 액체를 과냉각시킴으로써 NPSP가 분명히 개선된다. 이 구성은 또한 압축기(40)를 통해 펌프(24)를 작동 온도까지 냉각시키고 프라이밍할 수 있게 하므로, 배기하고자 하는 펌프(24)를 냉각시키기 위한 질량 유량이 필요하지 않다.
도 2는 펌프 장치(44)를 나타낸다. 이는 앞서 설명한 펌프 장치(2)를 기반으로 하되 약간 변경된 구성이다. 본 예에서는, 팽창 밸브 입구(34)가 액체 출구(16)의 하류측 및 펌프 입구(22)의 상류측에 위치하는 접합 지점(46)에 연결된다. 따라서, 펌프(24)에 의해 처리되는 질량 유량 및 이에 따라 펌프(24)에 요구되는 전력이 약간 감소된다. 또한, 팽창 밸브 입구(34)와 팽창 밸브 출구(36) 사이의 압력 차이는 도 1에 나타낸 펌프 장치(2)에서보다 약간 작을 수 있다. 도 1의 펌프 장치(2)와 같은 정도로 탱크 압력을 증가시키기 위해서는 압축기(40)가 약간 더 높은 압축(compression)을 가해야 할 수도 있다.
도 3은 펌프 장치(48)를 나타낸다. 이는 도 1에 나타낸 펌프 장치(2)의 또 다른 변경된 구성이다. 본 예에서는, 압축기 출구(42)가 탱크(4)에 연결되는 것이 아니라 대기(50)에 연결된다. 따라서, 압축기(40)는 단지 기화된 액체의 압력을 대기압보다 약간 높은 압력까지 증가시키도록 구성된다. 이로써 기화된 액체를 대기(50)로 배출시키는 것이 가능해진다. 이에 따라 펌프 장치(48)가 덜 복잡해지고, 압축기(40)를 제어할 필요가 없어질 수도 있다.
도 4는 또 다른 펌프 장치(52)를 나타낸다. 이는 도 3의 펌프 장치(48)와 도 2의 펌프 장치(44)가 변경된 구성이다. 본 예에서는, 과냉각 액체의 일부가 펌프(24)의 상류측에 위치하는 접합 지점(46)으로부터 이송되어 팽창 밸브 입구(34)를 통해 팽창 밸브(32)에 공급된다. 또한, 압축기 출구(42)가 대기(50)에 연결된다. 그 결과, 펌프(24)에 필요한 전력은 펌프(24)의 하류측에 위치하는 접합 지점(30)으로부터 과냉각 액체의 일부를 이송하는 데 드는 전력보다 약간 더 적을 수 있다. 압축기(40)를 제어하지 않아도 되고, 도 1과 도 2의 실시예에서와 같이 높은 압축비를 제공할 필요가 없을 수도 있으므로 펌프의 전력 소비량이 더 낮을 수 있다.
도 5는 펌프 장치(54)를 나타낸다. 이는 도 3에 나타낸 펌프 장치(48)를 기반으로 하되, 압축기(40)를 포함하지 않는다. 본 변형예는 예를 들어 우주 분야, 또는 냉각수 출구(20)에 도달되는 압력이 대기압보다 높은 경우의 분야에 사용될 수 있다.
도 6은 또 다른 펌프 장치(56)를 나타낸다. 이는 도 5에 나타낸 펌프 장치(54)를 기반으로 하되, 과냉각 액체의 일부가 도 2와 도 4에 나타낸 바와 같이 펌프(24)의 상류측에 위치하는 접합 지점(46)으로부터 확장 밸브(32)에 공급된다.
도 7은 펌프 장치(58)를 나타낸다. 이는 1차 입구(62)와 2차 입구(64)를 갖는 제트 펌프(60)를 포함한다. 과냉각 액체는 펌프 출구(26)를 빠져나가 제트 펌프(60)의 1차 입구(62)로 공급된다. 증발된 액체, 즉, 냉각수 출구(20)를 빠져나가는 가스는 제트 펌프(60)의 2차 입구(64)로 공급된다. 1차 입구(62)로 과냉각 액체가 흘러 들어가므로, 가스가 2차 입구(64)로 흡입되어 일차적 흐름과 혼합된다. 이렇게 조합된 흐름은 제트 펌프 출구(66)를 통해 흘러 나온다. 본 실시예의 펌프 장치 출력부(28)는 제트 펌프 출구(66)의 하류측에 위치하여 소비주체(10)에 액체를 공급한다. 제트 펌프(60)는 냉각수 출구(22)로부터의 이미 팽창되어 증발된 액체의 압력을 높여 소비주체(10)에 공급할 수 있는 수동 장치이기 때문에 사용하는 것이 유익하다.
열교환기(14)가 액체 입구(12)를 통해 탱크(4)에 연결되며, 과냉각 액체가 액체 출구(16)를 통해 흘러 나온다. 본 예에서는, 접합 지점(68)이 제공되어 있으며, 과냉각 액체의 일차적 흐름이 상기 접합 지점으로부터 펌프 입구(22)로 공급된다. 흐름의 일부는 팽창 밸브 입구(34)로 공급되어 팽창 밸브(32)에서 팽창된다. 그런 후에는 팽창 밸브 출구(36)를 통과해 냉각수 입구(18)로 공급된다.
도 8은 펌프 장치(70)를 나타낸다. 이는 도 7에 나타낸 펌프 장치(58)를 기반으로 하되, 본 예시적 실시예에서는 펌프 장치 출력부(28)가 펌프 출구(26)의 하류측 및 제트 펌프(60)의 1차 입구(62)의 상류측에 위치하는 접합 지점(72)에 연결된다. 펌프 출구(26)로부터 흘러 나오는 과냉각 액체의 일부만 제트 펌프(60)의 1차 입구(62)로 공급된다.
이때, 증발된 액체, 즉 냉각수 출구(20)를 빠져나가는 가스는 2차 입구(64)로 공급되고 1차 제트 펌프 유체의 유동 작용을 통해 2차 입구(64)로 흡입된다. 결과적으로 제트 펌프 출구(66)는 탱크 입구(6)와 연결되어, 증발된 액체는 물론 포화 액체의 일부를 탱크(4)에 다시 공급함으로써 탱크(4) 내부의 압력이 증가하도록 한다.
끝으로 도 9는 동체(76), 날개(78), 엔진(80) 및 꼬리 날개(82)를 포함하는 항공기(74)를 나타낸다. 소비주체(10)는 예를 들어 연료 전지 시스템일 수 있으며, 꼬리 날개(82)의 영역에 통합되고, 이를 파선 박스로 표시하였다. 소비주체(10)의 바로 근처에 펌프 장치(2) 또는 전술한 펌프 장치들(44, 48, 52, 54, 56, 58 또는 70) 중 임의의 하나가 자리할 수 있으며, 소비주체(10)에 수소를 제공할 수 있다. 그러나, 다른 유형의 소비주체, 다른 액체, 또는 다른 항공기 구성 및 다른 차량을 배제하지 않으며, 본 도면은 단지 예시일 뿐이다.
2 펌프 장치
4 탱크
6 탱크 입구
8 탱크 출구
10 소비주체
12 액체 입구
14 열교환기
16 액체 출구
18 냉각수 입구
20 냉각수 출구
22 펌프 입구
24 펌프
26 펌프 출구
28 펌프 장치 출력부
30 접합 지점
32 팽창 밸브
34 팽창 밸브 입구
36 팽창 밸브 출구
38 압축기 입구
40 압축기
42 압축기 출구
44 펌프 장치
46 접합 지점
48 펌프 장치
50 대기
52 펌프 장치
54 펌프 장치
56 펌프 장치
58 펌프 장치
60 제트 펌프
62 1차 입구
64 2차 입구
66 제트 펌프 출구
68 접합 지점
70 펌프 장치
72 접합 지점
74 항공기
76 동체
78 날개
80 엔진
82 꼬리 날개

Claims (15)

  1. 포화(saturated) 또는 과냉각(subcooled) 액체를 제공하기 위한 펌프 장치(2, 44, 48, 52, 54, 56, 58, 70)에 있어서,
    - 탱크 출구(8)를 갖는, 포화 액체용 탱크(4),
    - 포화 액체를 냉각시키기 위한 열교환기(14)로서, 액체 입구(12), 액체 출구(16), 냉각수 입구(18) 및 냉각수 출구(20)를 갖는 열교환기(14),
    - 펌프 입구(22)와 펌프 출구(26)를 갖는 펌프(24),
    - 팽창 밸브 입구(32)와 팽창 밸브 출구(36)를 갖는 팽창 밸브(34), 및
    - 펌프 출구(26)의 하류측에 위치하여 포화 또는 과냉각 액체를 소비주체(consumer)(10)에 공급하기 위한 펌프 장치 출력부(28)
    를 포함하며,
    탱크 출구(8)가 열교환기(14)의 액체 입구(12)와 유체 연통함에 따라 탱크(4) 내부에 저장되어 있던 포화 액체가 열교환기(14)로 흘러 들어갈 수 있고,
    열교환기(14)는 포화 액체를 과냉각시키도록 설계되며,
    열교환기(14)의 액체 출구(16)는 펌프 입구(22)와 유체 연통하고,
    팽창 밸브 출구(36)는 열교환기(14)의 냉각수 입구(18)와 유체 연통하며,
    팽창 밸브 입구(34)는 탱크(4) 또는 열교환기(14) 액체 출구(16)의 하류측에 배치되어, 펌프 장치(2, 44, 48, 52, 54, 56, 58, 70)를 통해 흐르는 액체의 일부를 받아 팽창시킨 후 냉각수 입구(18)로 전달함으로써, 감소된 포화 온도에서 상기 액체의 일부가 적어도 부분적으로 증발되도록 하고, 과냉각되는 액체의 증발열을 흡수하는 것인, 펌프 장치(2, 44, 48, 52, 54, 56, 58, 70).
  2. 제1항에 있어서,
    냉각수 출구(20)와 결합된 압축기(40)를 추가로 포함하는 펌프 장치(2, 44, 48, 52, 54, 56, 58, 70).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    팽창 밸브(32)는 펌프(24)의 하류측 및 냉각수 입구(18)의 상류측에 위치하는 유체 라인에 연결되는 것인, 펌프 장치(2, 44, 48, 52, 54, 56, 58, 70).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    팽창 밸브(32)는 펌프(24)의 상류측 및 냉각수 입구(18)의 상류측에 위치하는 유체 라인에 연결되는 것인, 펌프 장치(2, 44, 48, 52, 54, 56, 58, 70).
  5. 제2항에 있어서,
    압축기(40)는 탱크 입구(8)에 연결되는 것인, 펌프 장치(2, 44, 48, 52, 54, 56, 58, 70).
  6. 제2항에 있어서,
    압축기(40) 또는 냉각수 출구(20)는 주변환경과 유체 연통하는 것인, 펌프 장치(2, 44, 48, 52, 54, 56, 58, 70).
  7. 제1항에 있어서,
    1차 입구(62), 2차 입구(64) 및 제트 펌프 출구(66)를 갖는 제트 펌프(60)
    를 추가로 포함하며,
    팽창 밸브(32)가 열교환기(14) 액체 출구(16)의 하류측에 배치되고,
    펌프(24)가 상기 1차 입구(62)와 결합되며,
    냉각수 출구(20)가 상기 2차 입구(64)와 결합되는 것인, 펌프 장치(2, 44, 48, 52, 54, 56, 58, 70).
  8. 제7항에 있어서,
    제트 펌프 출구(66)가 탱크 입구(8)와 결합되는 것인, 펌프 장치(2, 44, 48, 52, 54, 56, 58, 70).
  9. 제8항에 있어서,
    펌프 장치 출력부(28)는 펌프(24)의 하류측 및 제트 펌프(60)의 1차 입구(62)의 상류측에 위치하는 것인, 펌프 장치(2, 44, 48, 52, 54, 56, 58, 70).
  10. 제7항에 있어서,
    펌프 장치 출력부(28)가 제트 펌프 출구(66)에 연결되는 것인, 펌프 장치(2, 44, 48, 52, 54, 56, 58, 70).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    팽창 밸브(32)는 가변 단면을 가져, 팽창 밸브(32)를 통과해 흐르는 포화 액체의 일부를 제어하도록 구성되는 것인, 펌프 장치(2, 44, 48, 52, 54, 56, 58, 70).
  12. 포화 또는 과냉각 액체를 제공하는 방법으로서,
    - 탱크(4)로부터 포화 또는 과냉각 액체를 탱크 출구(8)를 통해 열교환기(14)의 액체 입구(12)로 공급하여 액체를 과냉각시키는 단계,
    - 탱크(4)로부터의 포화 또는 과냉각 액체 혹은 과냉각 액체의 일부를 팽창 밸브(32)의 팽창 밸브 입구(34)로 공급하여 탱크(4) 내부의 포화 온도에 비해 감소된 포화 온도에서 적어도 부분적으로 증발시키고, 열교환기(14)의 냉각수 입구(18)로 공급하여 액체 입구(12)로 흘러 들어가는 액체로부터 증발열을 흡수함으로써 실질적으로 완전히 증발되도록 하는 단계,
    - 과냉각 액체를 열교환기(14)의 액체 출구(16)로부터 펌프(24)의 펌프 입구(22)로 공급하는 단계, 및
    - 과냉각 액체를 펌프 출구(26)의 하류측에 위치하는 펌프 장치 출력부(28)로 펌핑하여 포화 액체를 소비주체(10)에 공급하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    증발된 액체를 탱크(4)의 탱크 입구(8)로 공급하여 탱크(4) 내부의 압력을 증가시키는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 펌프 장치(2, 44, 48, 52, 54, 56, 58, 70)와 상기 적어도 하나의 펌프 장치(2, 44, 48, 52, 54, 56, 58, 70)의 펌프 장치 출력부(28)와 결합된 적어도 하나의 소비주체(10)를 포함하는 차량(74).
  15. 제14항에 있어서,
    상기 차량(74)은 항공기(74)이고, 상기 적어도 하나의 소비주체(10)는 연료 전지, 및/또는 연소 작업을 수행하는 장치를 포함하는 것인, 차량(74).
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