KR102627293B1 - 온도 조절이 가능한 압축기체 제공장치 및 제공방법 - Google Patents

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Abstract

액화기체를 기화하여 압축기체를 제공하는 압축기체 제공방법은, 열교환 공간을 지그재그로 통과하는 파이프, 열교환 공간의 주입면(inlet)에 바람을 제공하는 송풍팬 및 송풍팬과 파이프 사이에 개재되는 가변 루버(louver)을 제공하는 단계, 파이프 상에 형성되는 아이싱 제거를 위해 송풍팬을 이용하여 열교환 공간의 주입면에 바람을 제공하는 단계, 및 가변 루버의 각도를 조절하여 송풍팬으로부터의 바람에 직접 노출되는 노출 영역(exposed region)과 바람으로부터 가려지는 음영 영역(shadow region)의 비율을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

온도 조절이 가능한 압축기체 제공장치 및 제공방법 {APPARATUS AND METHOD OF SUPPLYING COMPRESSED GAS ENABLE OF CONTROLING OUTLET TEMPERATURE}
본 발명은 압축기체 제공장치 및 제공방법에 관한 것으로서, 액화된 기체를 기화하되 수백 bar 이상의 고압 기체로 제공할 수 있으며 온도 조절이 가능한 압축기체 제공장치 및 제공방법에 관한 것이다.
탈탄소화를 위한 신재생에너지를 비롯한 여러 친환경 솔루션들이 최근 큰 발전을 이루고 상업화가 된 가운데, 석유를 대체할 수 있는 대체 에너지 개발이 다양하게 진행되면서, 수소 등과 같은 압축기체(compressed gas)의 사용이 증가될 수 있다. 예를 들어, 수소는 연료전지의 재료로 사용되고 있으며, 연료전지는 수소의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하고 이를 직류 전류로 공급할 수 있다. 수소를 이용한 연료전지는 외부에서 연료와 공기를 공급함으로써 연속적으로 전기를 생산할 수 있다.
도 1은 종래의 수소 충전 스테이션을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 수소 충전 스테이션은 액화수소 저장탱크(10), 액화수소 펌프(32, 34), 액화수소를 기화하는 압축수소 제공장치(20) 및 압축수소 분배기(40)를 포함할 수 있다.
액화수소 저장탱크(10)에는 액화수소를 저장할 수 있으며, 액화수소 트레일러나 액화수소 수송선 등을 통해서 공급될 수 있다. 액화수소는 수소를 대기압 하에서 약 -253℃까지 냉각하여 액화한 수소로서, 액화수소는 기체 형태의 수소에 비해 체적이 약 1/800으로 감소할 수 있으며, 상업적으로 많이 사용되는 약 35MPa의 압축수소에 비해 약 3배의 체적 에너지 밀도를 갖고 있다.
액화수소는 가스수소에 비해 저장 및 수송이 용이하기 때문에, 수소 충전 시스템까지 액화수소로 제공되며, 수소 충전 스테이션에서 약 35MPa 또는 약 70MPa로 기화된 압축수소로 제공될 수 있다.
이를 위해서 수소 충전 스테이션은 액화수소를 기화하기 위한 압축가스 제공장치(20) 및 기화된 압축수소의 압력을 조정, 유지하여 공급하는 압축수소 분배기(40)를 포함할 수 있다.
압축수소는 연료전지를 이용한 자동차 등에 공급될 수 있으며, 연료전지를 이용하는 자동차는 전기 자동차의 특성과 거의 비슷하여 환경친화적이면서, 기존의 연료 충전방식으로 연료를 공급할 수 있다는 점에서 재충전 시간을 현저히 단축시킬 수 있다는 장점이 있다.
하지만, 약 -253℃의 액화수소를 기화하는 과정에서 기화기에 아이싱이 발생하여 기화 효율이 떨어지는 문제점이 발생하며, 아이싱으로 인해 압축수소 제공장치로부터 공급되는 압축수소의 온도 조절이 어렵다는 단점이 있다.
또한, 압축수소가 약 800bar로 공급되는 과정에서 압축수소 제공장치의 내구성이 문제가 되는 경우가 번번이 발생하고 있기 때문에 이에 대한 해결이 필요하다.
압축수소와 관련하여, 한국등록특허 제10-2248672호(2021-04-29 등록) 및 한국공개특허 제10-2021-0106126호(2021-08-30) 등이 있지만, 압축수소를 제공하는 과정에서 발생하는 위의 문제점을 해결하는 내용은 제시되지 못하고 있다.
본 발명은 액화수소 외에도 액화기체를 기화하여 고압으로 제공하는 과정에서 아이싱의 발생을 용이하게 조절할 수 있으며, 압축기체의 온도 등을 용이하게 조절할 수 있는 압축기체 제공장치 및 제공방법에 관한 것이다.
본 발명은 고압의 압축기체를 생성하는 과정에서 내구성을 유지할 수 있는 압축기체 제공장치 및 제공방법에 관한 것이다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 액화기체를 기화하여 압축기체를 제공하는 압축기체 제공방법은, 열교환 공간을 지그재그로 통과하는 파이프, 열교환 공간의 주입면(inlet)에 바람을 제공하는 송풍팬 및 송풍팬과 파이프 사이에 개재되는 가변 루버(louver)을 제공하는 단계, 파이프 상에 형성되는 아이싱 제거를 위해 송풍팬을 이용하여 열교환 공간의 주입면에 바람을 제공하는 단계 및 가변 루버를 조절하여 송풍팬으로부터의 바람에 직접 노출되는 노출 영역(exposed region)과 바람으로부터 가려지는 음영 영역(shadow region)의 비율을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 액화기체는 그 종류를 한정하지 않지만, 일반적으로 산업계에서 사용되는 액화기체는 액화헬륨, 액화수소, 액체질소, 액체산소, 액체아르곤, LNG, 에틸렌계 및 액화탄산가스 등이 있으며, 이들 액화기체는 영하 50℃에서 영하 269℃범위에서 액체 상태를 유지할 수 있다.
압축기체 제공장치는 현장의 온도, 습도 등에 따라 그 효율이 달라질 수 있으며, 목적하는 유출구의 온도 또는 압력이 달라질 수 있기 때문에 운전 제어가 어렵다.
본 실시예에서는 파이프의 유출구에 장착된 온도 센서 및 가변 루버를 제어하는 제어부가 제공될 수 있으며, 제어부는 온도 센서로부터 수신되는 출구의 온도 정보를 이용하여 가변 루버의 각도를 제어할 수 있다.
파이프에는 송풍팬으로부터 불어오는 바람에 직접 노출되는 노출 영역과 바람이 가려지는 음영 영역으로 구분될 수 있으며, 제어부는 루버의 각도를 조절함으로써 노출 영역과 음영 영역의 비율을 조절할 수 있고, 아이싱을 이용하여 액화기체가 기화되는 속도와 출구 온도를 조절할 수 있다.
즉, 유출구의 온도를 하강시키기 위해 위해서, 가변 루버를 이용하여 음영 영역의 비율을 증가시킬 수 있으며, 음영 영역에 있는 파이프의 일부를 중심으로 표면에 아이싱이 형성될 수 있다. 아이싱으로 인해 기화 효율이 떨어지며, 그에 따라 파이프의 유출구 온도가 하강할 수 있다.
송풍팬의 바람은 아이싱 제거를 위한 용도로서 아이싱을 제거할 수 있을 정도의 정속으로 운행될 수 있다. 기화 속도를 제거하기 위해서 송풍팬의 속도를 제어하는 방법을 고려할 수 있지만, 송풍팬의 속도가 일정 이하가 되면 아이싱 제거가 불가능해지면서 온도 하강이 급격하게 발생하여 정밀 제어가 어려울 수도 있다.
본 실시예에서 파이프는 액화기체가 유입되는 유입구부터 압축기체가 유출되는 유출구까지 단일 파이프로 제공될 수 있다. 파이프에 용접 포인트가 없고 피팅(fitting)으로만 연결을 구성할 수 있기 때문에, 기존에 용접을 수반하는 종래 기술에 비해 약 1000bar 또는 그 이상의 초고압 압축기체를 형성하는 것도 가능하다.
열효율 증가를 위해 파이프의 표면에는 핀이 일체로 형성될 수 있으며, 핀은 파이프 본체에 대해 수직 또는 나선형으로 배열될 수 있다. 송풍팬은 파이프의 길이 방향에 대해 거의 수직한 바람을 제공하는 것이 바람직하며, 이에 파이프 본체의 표면에 형성되는 핀 역시 원형 또는 나선형으로 형성되는 것이 좋을 수 있다.
본 실시예에서는, 유출구의 온도를 하강시키기 위해, 제어부는 노출 영역 대비 음영 영역의 비율을 증가시켜 파이프 상에 아이싱이 형성된 영역을 증가시킬 수 있다. 반대로 유출구의 온도를 상승시키기 위해서, 제어부는 상대적으로 음영 영역의 비율을 감소시켜 파이프 상에 아이싱이 형성된 영역을 감소시킬 수 있다.
특히, 여름과 겨울처럼 큰 온도차가 존재하는 지역에서는, 여름에 유출구의 온도가 목적 온도를 상회할 수 있으며, 이를 제어하는 것이 어려울 수 있다. 본 실시예에 따르면, 가변 루버가 송풍팬으로부터의 바람을 차단함으로써 아이싱 제거 효율을 떨어뜨리고, 그에 따라 유출구의 온도를 목적 온도까지 하강시킬 수가 있다.
파이프의 유출구 온도를 하강시키기 위해, 제어부는 파이프 중 액화기체가 유입되는 유입구에 인접한 부분을 음영 영역에 포함시키는 방향으로, 완전 개방시 파이프의 유입구가 노출 영역에 있거나 노출 영역에 가깝게 있다면, 온도 하강을 위해 가변 루버의 각도를 유입구에 먼 방향으로 유도하여 파이프의 유입구 및 그 주변에 아이싱이 형성되도록 할 수 있다. 유입구에서부터 액화기체의 온도 상승을 방해함으로써 전반적으로 유출구의 온도가 떨어지도록 유도할 수 있다.
유출구의 온도를 하강시키기 위해, 제어부는 파이프 중 유입구에 인접한 부분이 유출구에 인접한 부분보다 음영 영역에 더 많이 포함시키는 방향으로 가변 루버의 각도를 제어할 수 있다. 경우에 따라서는 파이프가 상하 왕복을 통해서 복잡하게 배치될 수 있으며, 가변 루버를 이용한 바람의 조절이 한 방향으로 설명되지 않을 수도 있다. 이러한 경우라도 전반적인 노출 영역과 음영 영역의 분포를 산출하고, 유입구에 인접한 부분이 음영 영역에 더 많이 포함하도록 하여 온도 하강을 유도할 수 있다.
열교환 공간에서 유입구와 유출구는 가변 루버의 각도 조절을 따라 상하로 반대 방향에 배치되도록 제공될 수 있다. 좌우로 지그재그로 배치되는 파이프의 경우, 파이프에서 수평한 부분을 상하로 배치될 수 있다. 이에 파이프 중 유입구와 유출구를 서로 반대 위치에 형성함으로써 전반적인 아이싱 분포를 유입구부터 유출구까지로 인위적으로 분포시킬 수 있다.
본 실시예에서 가변 루버는 좌우로 수평 배치되는 윙을 포함하고, 파이프도 좌우로 지그재로로 왕복하면서 열교환 공간 내에 배치되지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며 열교환 공간 내에서 파이프가 상하로 지그재그로 왕복하면서 배치될 수 있고, 그에 따라 가변 루버의 가이드 윙 역시 수직 배치될 수 있다.
또한, 가변 루버의 가이드 윙도 일자가 아닌 다양한 방식으로 수평팬의 바람을 일부만 조절하여 통과시킬 수 있는 다양한 방식으로 형성될 수 있다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 액화기체를 기화하여 압축기체를 제공하는 압축기체 제공장치는, 열교환 공간을 지그재그로 통과하는 파이프, 열교환 공간의 주입면(inlet)으로 파이프 상에 형성되는 아이싱 제거를 위해 바람을 제공하는 송풍팬, 및 송풍팬과 파이프 사이에 개재되는 가변 루버(louver)를 포함하며, 가변 루버는 열교환 공간에서 송풍팬으로부터의 바람에 직접 노출되는 노출 영역과 바람으로부터 가려지는 음영 영역의 비율을 조절할 수 있다.
파이프는 액화기체가 유입되는 유입구부터 압축기체가 유출되는 유출구까지 단일 파이프로 제공될 수 있으며, 파이프의 표면에 핀이 일체로 형성될 수 있다.
파이프의 유출구에 장착된 온도 센서 및 가변 루버를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있으며, 제어부는 온도 센서로부터 수신되는 온도 정보를 이용하여 가변 루버의 각도를 제어할 수 있다.
유출구의 온도를 하강시키기 위해, 제어부는 노출 영역 대비 음영 영역의 비율을 증가시켜 파이프 상에 아이싱이 형성된 영역을 증가시킬 수 있으며, 유출구의 온도를 하강시키기 위해, 제어부는 파이프 중 액화기체가 유입되는 유입구에 인접한 부분을 음영 영역에 포함시키는 방향으로 가변 루버의 각도를 제어할 수 있다.
본 발명의 압축기체 제공방법 및 제공장치에 따르면, 송풍팬은 아이싱 제거를 위한 충분한 풍속의 바람을 제공하며, 가변 루버가 음영 영역의 비율를 조절하여 아이싱이 형성되는 영역을 조절할 수 있다.
즉, 아이싱의 형성을 통해 기화 효율을 조절하고, 기화 효율을 적절히 조절하면서 여름, 겨울 등 일년 내에 기온 차가 큰 지역에서도 목적한 유출구의 온도를 용이하게 제어할 수 있다.
본 발명의 압축기체 제공방법 및 제공장치는 기화가 발생하는 파이프에서 되도록 용접되는 부분을 최소로 함으로써 수백 내지 1000 bar 이상의 기체 압력에서도 내구성을 유지할 수 있다.
도 1은 종래의 수소 충전 스테이션을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기체 제공장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기체 제공장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기체 제공장치에서 가변 루버가 개방된 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기체 제공장치를 이용한 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기체 제공장치를 이용하여 액화질소를 압축질소로 기화하는 과정 및 온도 변화를 실험한 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기체 제공장치를 이용하여 액화질소를 압축질소로 기화하는 과정 및 출구 온도 변화를 실험한 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 7의 압축기체 제공장치에서 가변 루버의 개방에 따른 출구 온도 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 및 도 10은 압축기체 제공장치에서 가변 루버를 통해서 아이싱이 생성 또는 제거되는 과정을 설명하기 위한 사진들이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 상기 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용은 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기체 제공장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기체 제공장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 압축기체 제공장치(100)는 액화기체를 기화하여 압축기체를 제공하기 위한 장치로서, 목적하는 압력과 온도를 유지하며, 상업적으로 이용 가능한 압축기체를 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이, 압축기체로는 헬륨, 수소, 질소, 산소, 아르곤, LNG 등이 적용될 수 있다. 만약, 압축기체가 압축 수소(compressed gaseous hydrogen) 라면, 도 1의 수소 충전 스테이션에서 압축수소 제공장치(20) 대신에 사용될 수 있다.
본 실시예에 따른 압축기체 제공장치(100)는 열교환 공간(130)을 지그재그로 통과하는 파이프(110), 열교환 공간(130)의 주입면(132)으로 송풍을 하는 송풍팬(140) 및 송풍팬(140)과 파이프(110) 사이에 개재되는 가변 루버(150)를 포함할 수 있다.
파이프(110)는 특정 열교환 공간(130) 내에서 균일하게 배치될 수 있으며, 본 실시예에서와 같이 좌우로 굴곡되면서 제공될 수 있지만, 다른 배열로 형성되는 것도 가능하다. 다만, 본 실시예에서는 수백 바 이상의 압력에서도 양호한 내구성을 유지하기 위해, 파이프(110)는 용접 이음이 없는 단일 파이프 본체(120)를 이용하여 제공될 수 있으며, 중간 중간에도 용접으로 가공된 부분 없이 제공될 수 있다. 비록 부분적으로 조인트를 이용하여 연결될 수 있지만, 유체가 통과하는 부분에는 용접의 사용을 최소로 줄일 수 있다.
파이프(110) 중 수평한 파이프 본체(120)의 외면에는 핀(125)이 수직 또는 나선형으로 형성될 수 있으며, 핀(125)은 파이프 본체(120)의 외면에 직접 연결되도록 가공될 수 있다. 일체의 파이프 본체(120)를 좌우로 절곡하여 지그재그 형상으로 가공할 수 있으며, 파이프 본체(120)의 표면에 핀(125)을 부분적으로 형성하거나, 전체 길이로 형성한 후 절곡되는 부분에 대응하는 핀을 제거하여 도시된 파이프(110)를 제작할 수 있다.
송풍팬(140)은 열교환 공간(130)의 일측에 배치되며, 주입면(132)을 향해 바람을 제공할 수 있다. 송풍팬(140)은 아이싱 제거를 위한 충분한 속도의 풍속을 유지할 수 있으며, 열교환 공간(130) 내에 배치된 파이프(110)에 대해 영향력을 미칠 수 있다.
본 실시예에서 송풍팬(140)은 일정한 풍속의 바람을 제공하도록 제공되며, 후술하는 가변 루버(150)를 통해서 아이싱 형성을 제어하지만, 다른 실시예에서는 가변 루버 외에도 송풍팬의 풍속을 조절하는 것도 가능할 수 있다.
다만, 송풍팬의 속도가 일정 이하가 되면 아이싱 제거 자체가 불가능할 수도 있기 때문에, 풍속 조절만을 통한 기화 효율 조절보다는 가변 루버를 이용한 음영 영역의 조절을 병행하는 것이 효율적일 수 있다.
가변 루버(150)는 사각의 프레임 내에 배치되는 다수의 가이드 윙(152) 및 가이드 윙(152)의 각도 조절을 위한 각도 조절부(154)를 포함할 수 있다. 각도 조절부(154)는 자동 또는 수동 조절을 통해서 가이드 윙(152)의 각도를 동시에 조정할 수 있다.
본 실시예에서 제어부(미도시)는 송풍팬(140)의 작동, 파이프(110)의 유량 센싱, 파이프(110)의 유출구(114)에서의 온도 측정, 가변 루버(150)의 각도 조절 등을 수행할 수 있다. 제어부는 파이프(110)의 유출구(114)에 인접하게 장착된 온도 센서(162)로부터 출구 온도를 수신할 수 있으며, 출구 온도에 따라 가변 루버(150)의 각도를 조절하여 출구 온도의 상승 또는 하강을 유도할 수 있다.
송풍팬(140)으로부터 아이싱을 제거할 수 있는 바람이 지속적으로 제공되며, 열교환 공간(130)과 송풍팬(140) 사이에는 가변 루버(150)의 가이드 윙(152)이 제공되어 바람의 통과 방향과 통과량을 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기체 제공장치에서 가변 루버가 개방된 상태를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기체 제공장치를 이용한 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 보면, 가이드 루버의 각도 조절부(154)가 가이드 윙(152)을 모두 개방할 수 있다. 파이프(110)의 측면에서 도시된 바와 같이, 맨 아래의 유입구(112)에서부터 액화기체가 유입될 수 있으며, 파이프(110)의 내부를 순차적으로 통과하면서 맨 위의 유출구(114)를 통해 압축기체가 유출될 수 있다.
도면에서 파이프(110) 내의 x 표시는 보는 관점에서 유체가 먼 방향으로 진입하는 방향을 의미하며, 점(·) 표시는 보는 관점에서 유체가 되돌아오는 방향을 의미할 수 있다.
가이드 윙(152)이 완전 개방된 상태에서 노출 영역(exposed)과 음영 영역(shadow) 간의 경계는 최하단에 있거나 존재하지 않을 수 있으며, 유입구(112)로 유입된 액화기체에 의해서 유입구(112)에 인접한 파이프 본체(120) 및 주변에 있는 핀(125)의 외면에는 아이싱(ice)이 일부 형성될 수 있다.
하지만, 음영 영역 외에 위치한 파이프(110)에는 바람이 통과하기 때문에 아이싱이 형성되지 않을 수 있다.
도 5의 (a)를 보면, 주변의 온도 상승으로 유출구(114)의 출구 온도가 상승할 수 있으며, 목적 온도의 범위를 벗어나 상승할 수 있다. 이때 제어부는 가변 루버의 각도 조절부(154)를 이용하여 가이드 윙(152)의 각도를 증가시킬 수 있다.
가이드 윙(152)의 각도가 증가하면서, 노출 영역과 음영 영역 간의 경계는 상승할 수 있으며, 파이프(110)에서 아이싱이 형성되는 영역은 더 증가할 수 있다. 유입구(112) 근처에서 아이싱이 증가하기 때문에 기화 효율이 떨어지는 것은 물론 전반적인 온도도 전체적으로 하강할 수 있다.
도 5의 (b)를 보면, 위의 변화로도 목적 온도 범위의 출구 온도가 수신되지 않는다면, 제어부는 가변 루버의 각도 조절부(154)를 이용하여 가이드 윙(152)의 각도를 더 증가시킬 수 있다.
가이드 윙(152)의 각도가 더 증가하면서, 노출 영역과 음영 영역 간의 경계는 상승할 수 있으며, 파이프(110)에서 아이싱이 형성되는 영역은 (a)에 비해서 더 증가할 수 있다.
이때 송풍팬(140)으로부터의 풍량 및 풍속은 변화 없이 유지될 수 있으며, 가변 루버의 각도 조절을 통해서 노출 영역과 음영 영역 간의 경계를 조절하고, 그에 따른 아이싱이 형성되는 영역도 증감할 수 있다.
본 실시예에서는 파이프(110)가 상하로 일렬로 제공되어 액화기체가 압축기체로 기화되는 과정에 따른 노출 영역과 음영 영역이 순차적으로 구분될 수 있지만, 도 3과 같이, 파이프가 3층으로 제공되는 경우에는 이보다 복잡한 배치로 제공될 수 있다.
하지만, 이 경우에도 가변 루버에 따른 노출 영역과 음영 영역이 존재하며, 그 경계에 따라 아이싱이 용이하게 형성되는 영역이 구분될 수 있다. 다만, 이 경우 유출구의 온도를 하강시키기 위해, 제어부는 파이프 중 유입구에 인접한 부분이 유출구에 인접한 부분보다 음영 영역에 더 많이 포함시키는 방향으로 가변 루버의 각도를 제어할 수 있다. 음영 영역이라도 유입구로부터 먼 곳에 위치하며 유입구에 인접한 경우보다 아이싱의 형성이 더딜 수가 있으며, 전반적인 노출 영역과 음영 영역의 분포를 고려하고, 유입구에 인접한 부분이 음영 영역에 더 많이 포함하도록 할 수가 있다. 물론, 출구 온도를 상승시키기 위해서는 반대로 작용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기체 제공장치를 이용하여 액화질소를 압축질소로 기화하는 과정 및 온도 변화를 실험한 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 약 -196℃의 액화질소를 이용하였으며, 가이드 윙을 100%, 80%, 60%, 40%, 20% 개방한 경우를 비교하였다. 그리고 송풍팬을 이용한 공기는 대기압 하에서 약 25℃의 공기를 약 250 m3/min의 유량으로 일정하게 공급하였으며, 작동 후 약 5분 간격으로 파이프의 유입구 압력, 유입구 온도, 출구 온도, 출구 온도의 편차 등을 기록하였다.
가변 루버를 완전 개방하였을 때, 출구 온도는 평균 약 6.03℃의 편차를 가지며, 평균 약 19.4℃의 온도를 유지하였다. 그리고 가변 루버의 각도를 조절하면서 음영 영역을 증가시켰을 때, 유입구 주변의 파이프에서부터 아이싱이 생성되면서 출구 온도는 80% 개방 시 평균 약 16.1℃, 60% 개방 시 평균 약 15.1℃, 40% 개방 시 평균 약 13.8℃, 20% 개방 시 평균 약 12.6℃의 온도를 유지하였다.
참고로, 가변 루버를 완전히 닫았을 때는, 출구 온도가 최초에는 약 21.4℃ 였다가 30분 후에는 약 -18.7℃ 로 급격히 하강하여 온도를 제어하기가 어려운 상태를 유지하였으며, 파이프에서도 아이싱이 형성된 영역이 급격히 증가하여 정상적인 온도 제어가 어려웠다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기체 제공장치를 이용하여 액화질소를 압축질소로 기화하는 과정 및 출구 온도 변화를 실험한 결과를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 도 7의 압축기체 제공장치에서 가변 루버의 개방에 따른 출구 온도 변화를 설명하기 위한 도면이고, 도 9 및 도 10은 압축기체 제공장치에서 가변 루버를 통해서 아이싱이 생성 또는 제거되는 과정을 설명하기 위한 사진들이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 약 -195.8℃의 액화질소를 이용하였으며, 압축기체 제공장치의 효과를 증명하기 위해, 공기 유동이 없는 경우(closed)와 가변 루버의 가이드 윙을 20%, 40%, 60%, 80%로 개방한 경우를 비교할 수 있다.
여기서, 송풍팬을 이용한 공기는 대기압 하에서 약 15~16℃ 정도의 공기를 약 250 m3/min의 유량으로 일정하게 공급하였으며, 작동 후 약 5분 간격으로 파이프의 유입구 압력, 유입구 온도, 출구 온도, 출구 온도의 편차 등을 기록하였다.
우선, 송풍팬이 없는 경우로서 열교환기로만 기화가 일어나는 경우를 보면, 압축기체 제공장치가 작동하는 순간부터 출구 온도가 하강하면서 약 45분 후에는 출구 온도가 -11.3℃가 되면서 열교환기 전체가 아이싱으로 덮인 것을 확인할 수 있다. 송풍팬의 영향이 없을 때 열교환기의 표면에 아이싱이 형성되는 과정은 도 9의 (a) 내지 (d)를 통해서 확인할 수 있다.
그 다음, 가이드 윙을 20%정도 개방하면서 약 5분 및 약 15분 정도 경과하면서((e), (f)), 아이싱이 상부에서부터 제거되는 것을 확인할 수 있다. 실제로 출구 온도도 -3.4℃에서 2.1℃까지 조절할 수 있었다.
가이드 윙을 40%, 60% 및 80% 정도로 순차적으로 개방하면서 아이싱이 제거되는 범위 역시 점차적으로 상부에서부터 확대되었으며(도 10의 (e)~(l) 참조), 실제로 출구 온도도 2.7℃에서 원래 대기 온도에 근접한 18.1℃까지 조절할 수 있었다.
도 8을 보면, 가이드 윙을 개방하면서부터 출구 온도를 약 -11~18℃의 범위에서 거의 선형적인 제어가 가능함을 확인할 수 있다. 여기서, 송풍팬은 약 250 m3/min의 유량을 지속적으로 제공하고 있는 반면, 가변 루버의 제어만으로 온도 조절이 용이함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 압축기체 제공장치 110 : 파이프
112 : 유입구 114 : 유출구
120 : 파이프 본체 125 : 핀
130 : 열교환 공간 132 : 주입면
140 : 송풍팬 150 : 가변 루버
152 : 가이드 윙

Claims (18)

  1. 액화기체를 기화하여 압축기체를 제공하는 압축기체 제공방법에 있어서,
    열교환 공간을 지그재그로 통과하는 파이프, 상기 열교환 공간의 주입면(inlet)에 바람을 제공하는 송풍팬 및 상기 송풍팬과 상기 파이프 사이에 개재되는 가변 루버(louver)을 제공하는 단계;
    상기 파이프 상에 형성되는 아이싱 제거를 위해 상기 송풍팬을 이용하여 상기 열교환 공간의 상기 주입면에 바람을 제공하는 단계; 및
    상기 가변 루버를 조절하여 상기 열교환 공간에서 상기 송풍팬으로부터의 바람에 직접 노출되는 노출 영역(exposed region)과 바람으로부터 가려지는 음영 영역(shadow region)의 비율을 조절하는 단계;를 포함하며,
    액화기체가 상기 파이프를 통과하면서 열교환을 통해 압축기체로 기화하여 제공되는 과정에서 상기 가변 루버를 이용하여 상기 파이프에 형성되는 아이싱을 조절하고,
    상기 파이프는 액화기체가 유입되는 유입구 및 압축기체가 유출되는 유출구를 포함하며,
    상기 파이프의 상기 유출구에 장착된 온도 센서 및 상기 가변 루버를 제어하는 제어부가 제공되며, 상기 제어부는 상기 온도 센서로부터 수신되는 온도 정보를 이용하여 상기 가변 루버를 제어하고,
    상기 유출구의 온도를 하강시키기 위해, 상기 제어부는 상기 노출 영역 대비 상기 음영 영역의 비율을 증가시켜 상기 파이프 상에 아이싱이 형성된 영역을 증가시키는 것을 특징으로 하는 압축기체 제공방법.
  2. 액화기체를 기화하여 압축기체를 제공하는 압축기체 제공방법에 있어서,
    열교환 공간을 지그재그로 통과하는 파이프, 상기 열교환 공간의 주입면(inlet)에 바람을 제공하는 송풍팬 및 상기 송풍팬과 상기 파이프 사이에 개재되는 가변 루버(louver)을 제공하는 단계;
    상기 파이프 상에 형성되는 아이싱 제거를 위해 상기 송풍팬을 이용하여 상기 열교환 공간의 상기 주입면에 바람을 제공하는 단계; 및
    상기 가변 루버를 조절하여 상기 열교환 공간에서 상기 송풍팬으로부터의 바람에 직접 노출되는 노출 영역(exposed region)과 바람으로부터 가려지는 음영 영역(shadow region)의 비율을 조절하는 단계;를 포함하며,
    액화기체가 상기 파이프를 통과하면서 열교환을 통해 압축기체로 기화하여 제공되는 과정에서 상기 가변 루버를 이용하여 상기 파이프에 형성되는 아이싱을 조절하고,
    상기 파이프는 액화기체가 유입되는 유입구 및 압축기체가 유출되는 유출구를 포함하며,
    상기 파이프의 상기 유출구에 장착된 온도 센서 및 상기 가변 루버를 제어하는 제어부가 제공되며, 상기 제어부는 상기 온도 센서로부터 수신되는 온도 정보를 이용하여 상기 가변 루버를 제어하고,
    상기 열교환 공간에서 상기 유입구와 상기 유출구는 상호 대향하는 위치에 제공되며,
    상기 유출구의 온도를 하강시키기 위해, 상기 제어부는 상기 파이프 중 상기 유입구에 인접한 부분을 상기 음영 영역에 포함시키는 방향으로 상기 가변 루버의 각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 압축기체 제공방법.
  3. 액화기체를 기화하여 압축기체를 제공하는 압축기체 제공방법에 있어서,
    열교환 공간을 지그재그로 통과하는 파이프, 상기 열교환 공간의 주입면(inlet)에 바람을 제공하는 송풍팬 및 상기 송풍팬과 상기 파이프 사이에 개재되는 가변 루버(louver)을 제공하는 단계;
    상기 파이프 상에 형성되는 아이싱 제거를 위해 상기 송풍팬을 이용하여 상기 열교환 공간의 상기 주입면에 바람을 제공하는 단계; 및
    상기 가변 루버를 조절하여 상기 열교환 공간에서 상기 송풍팬으로부터의 바람에 직접 노출되는 노출 영역(exposed region)과 바람으로부터 가려지는 음영 영역(shadow region)의 비율을 조절하는 단계;를 포함하며,
    액화기체가 상기 파이프를 통과하면서 열교환을 통해 압축기체로 기화하여 제공되는 과정에서 상기 가변 루버를 이용하여 상기 파이프에 형성되는 아이싱을 조절하고,
    상기 파이프는 액화기체가 유입되는 유입구 및 압축기체가 유출되는 유출구를 포함하며,
    상기 파이프의 상기 유출구에 장착된 온도 센서 및 상기 가변 루버를 제어하는 제어부가 제공되며, 상기 제어부는 상기 온도 센서로부터 수신되는 온도 정보를 이용하여 상기 가변 루버를 제어하고,
    상기 열교환 공간에서 상기 유입구와 상기 유출구는 상호 대향하는 위치에 제공되며,
    상기 유출구의 온도를 하강시키기 위해, 상기 제어부는 상기 파이프 중 상기 유입구에 인접한 부분을 상기 유출구에 인접한 부분보다 상기 음영 영역에 더 많이 포함시키는 방향으로 상기 가변 루버의 각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 압축기체 제공방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파이프는 상기 유입구부터 상기 유출구까지 단일 파이프로 제공되는 것을 특징으로 하는 압축기체 제공방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파이프의 표면에 핀이 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 압축기체 제공방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 핀은 상기 파이프에 대해 수직 또는 나선형으로 배열된 것을 특징으로 하는 압축기체 제공방법.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 열교환 공간에서 상기 유입구와 상기 유출구는 상기 가변 루버의 각도 조절을 따라 상하로 반대 방향에 배치되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 압축기체 제공방법.
  8. 액화기체를 기화하여 압축기체를 제공하는 압축기체 제공장치에 있어서,
    열교환 공간을 지그재그로 통과하는 파이프;
    상기 열교환 공간의 주입면(inlet)으로 상기 파이프 상에 형성되는 아이싱 제거를 위해 바람을 제공하는 송풍팬; 및
    상기 송풍팬과 상기 파이프 사이에 개재되는 가변 루버(louver);를 포함하며,
    상기 가변 루버는 상기 열교환 공간에서 상기 송풍팬으로부터의 바람에 직접 노출되는 노출 영역(exposed region)과 바람으로부터 가려지는 음영 영역(shadow region)의 비율을 조절하고,
    액화기체가 상기 파이프를 통과하면서 열교환을 통해 압축기체로 기화하여 제공되는 과정에서 상기 가변 루버를 이용하여 상기 파이프에 형성되는 아이싱을 조절하고,
    상기 파이프는 액화기체가 유입되는 유입구 및 압축기체가 유출되는 유출구를 포함하며,
    상기 파이프의 상기 유출구에 장착된 온도 센서 및 상기 가변 루버를 제어하는 제어부가 제공되며, 상기 제어부는 상기 온도 센서로부터 수신되는 온도 정보를 이용하여 상기 가변 루버의 각도를 제어하고,
    상기 유출구의 온도를 하강시키기 위해, 상기 제어부는 상기 노출 영역 대비 상기 음영 영역의 비율을 증가시켜 상기 파이프 상에 아이싱이 형성된 영역을 증가시키는 것을 특징으로 하는 압축기체 제공장치.
  9. 액화기체를 기화하여 압축기체를 제공하는 압축기체 제공장치에 있어서,
    열교환 공간을 지그재그로 통과하는 파이프;
    상기 열교환 공간의 주입면(inlet)으로 상기 파이프 상에 형성되는 아이싱 제거를 위해 바람을 제공하는 송풍팬; 및
    상기 송풍팬과 상기 파이프 사이에 개재되는 가변 루버(louver);를 포함하며,
    상기 가변 루버는 상기 열교환 공간에서 상기 송풍팬으로부터의 바람에 직접 노출되는 노출 영역(exposed region)과 바람으로부터 가려지는 음영 영역(shadow region)의 비율을 조절하고,
    액화기체가 상기 파이프를 통과하면서 열교환을 통해 압축기체로 기화하여 제공되는 과정에서 상기 가변 루버를 이용하여 상기 파이프에 형성되는 아이싱을 조절하고,
    상기 파이프는 액화기체가 유입되는 유입구 및 압축기체가 유출되는 유출구를 포함하며,
    상기 파이프의 상기 유출구에 장착된 온도 센서 및 상기 가변 루버를 제어하는 제어부가 제공되며, 상기 제어부는 상기 온도 센서로부터 수신되는 온도 정보를 이용하여 상기 가변 루버의 각도를 제어하고,
    상기 열교환 공간에서 상기 유입구와 상기 유출구는 상호 대향하는 위치에 제공되며,
    상기 유출구의 온도를 하강시키기 위해, 상기 제어부는 상기 파이프 중 상기 유입구에 인접한 부분을 상기 음영 영역에 포함시키는 방향으로 상기 가변 루버의 각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 압축기체 제공장치.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 파이프는 상기 유입구부터 상기 유출구까지 단일 파이프로 제공되는 것을 특징으로 하는 압축기체 제공장치.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 파이프의 표면에 핀이 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 압축기체 제공장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 핀은 상기 파이프에 대해 수직 또는 나선형으로 배열된 것을 특징으로 하는 압축기체 제공장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 열교환 공간에서 상기 유입구와 상기 유출구는 상기 가변 루버의 각도 조절을 따라 상하로 반대 방향에 배치되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 압축기체 제공장치.
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