KR20200076843A - 수소충전소의 수소 냉각을 위한 축열탱크 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소충전소에서 수소자동차에 수소 충전이 신속하게 이루어지도록 수소 냉각을 위한 빠른 응답속도를 제공할 수 있는 기술로 수소충전소의 수소 냉각을 위한 축열탱크에 관한 기술이다. 축열재가 내부에 저장된 저장탱크; 상기 저장탱크 내부에 구비되고, 수소가 유동되는 제1유로와 냉매가 유동되는 제2유로가 형성된 인쇄회로기판형 열교환기 코어; 상기 열교환기 코어의 제1유로 입,출구에 연결되어 상기 수소가 유입되어 배출되게 하는 수소라인; 상기 열교환기 코어의 제2유로 입,출구에 연결되어 상기 냉매가 유입되어 상기 수소를 냉각하고 배출되게 되는 냉매라인; 상기 저장탱크 내부로 순환되어 냉열을 공급되게 하는 축열냉매라인;이 포함되는 것을 특징으로 한다.

Description

수소충전소의 수소 냉각을 위한 축열탱크{Leakage tank in hydrogen filling-station for cooling hydrogen}
본 발명은 수소충전소의 수소 냉각을 위한 축열탱크에 관한 것으로, 수소충전소에서 수소자동차에 수소 충전이 신속하게 이루어지도록 수소 냉각을 위한 빠른 응답속도를 제공할 수 있는 기술로 수소충전소의 수소 냉각을 위한 축열탱크에 관한 기술이다.
수소자동차에 수소를 공급하는 수소충전소는 크게 압축설비, 저장설비, 충전설비로 구분된다.
이 중에서 충전설비는 고압으로 압축된 수소를 차량으로 공급하는 설비이다. 통상 수소충전소에 차량이 들어와 5분 내외로 충전이 완료되어야 하고, 충전요구 조건은 5kg/3min 수준이다.
이러한 충전시간을 만족하기 위해서는 저장탱크에 압축된 수소를 충전설비를 지나는 동안 냉각하여 차량에 공급하고 있으며, 수소 냉각은 수소의 부피를 감소하기 위함이다.
수소 냉각하는 방법은 열교환기(1)에서 냉각시스템(2)을 통해 생성된 냉열원과 열교환에 의해 달성할 수 있으며 도 1은 수소충전인프라 계통도이며, 수소자동차에 충전 과정을 나타내고 있다.
차량의 충전 압력이 700bar 이상으로 고압사용환경에서 컴팩트(compact)한 사이즈가 특징인 인쇄회로기판(PCHE, Printed Circuit Heat Exchanger)를 냉각용 열교환기를 프리쿨러(Pre Cooler) 방식으로 이용한다.
일반적으로 열교환기가 열교환을 하기 위한 정상상태에 도달하기 위해 시동준비시간이 필요하다. 그러나 수소자동차의 신속한 충전을 위해서는 시동준비 시간을 줄이기 위해 열교환기를 적절한 온도 상태로 유지하는 것이 필요하다.
KR 10-1683715 B1 KR 10-2011-0077659 A
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 수소를 냉각하기 위한 열교환기를 저온 냉열 상태를 유지하도록 하여 열교환기의 정상상태에 빠르게 도달하게 하고, 수소자동차에 수소를 신속하게 충전을 할 수 있는 수소충전소의 수소 냉각을 위한 축열탱크를 제공하고자 한다.
상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명은 축열재가 내부에 저장된 저장탱크; 상기 저장탱크 내부에 구비되고, 수소가 유동되는 제1유로와 냉매가 유동되는 제2유로가 형성된 인쇄회로기판형 열교환기 코어; 상기 열교환기 코어의 제1유로 입,출구에 연결되어 상기 수소가 유입되어 배출되게 하는 수소라인; 상기 열교환기 코어의 제2유로 입,출구에 연결되어 상기 냉매가 유입되어 상기 수소를 냉각하고 배출되게 되는 냉매라인; 상기 저장탱크 내부로 순환되어 냉열을 공급되게 하는 축열냉매라인;이 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 인쇄회로기판형 열교환기 코어에는, 상부와 하부에 각각 상,하부 축열보강재가 구비되고, 상기 상,하부 축열보강재는 볼트에 의해 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 냉매라인에는, 상기 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에 연결되어 상기 냉매를 응축하는 응축기와, 상기 응축기와 상기 열교환기 사이에 연결되어 상기 냉매를 감압하여 상기 열교환기에 공급되게 하는 팽창밸브로 구성된 직접냉각회로가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 냉매라인에는, 냉매에 포함된 상기 압축기의 오일을 제거하여 상기 열교환기 코어의 제2유로에 직접 냉매를 순환 가능케 하는 오일필터가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 오일필터는, 상기 압축기와 상기 응축기 사이와, 상기 응축기와 상기 팽창밸브 사이에 적어도 하나 이상이 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 축열냉매라인은, 상기 냉매라인에서 분기되고 3웨이 밸브에 의해 냉매가 순환 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 저장탱크에는, 설정된 온도가 유지되도록 제어기에 의해 상기 집접냉각회로의 가동이 제어되는 것을 특징으로 한다.
본 과제의 해결 수단에 제공된 구성에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
먼저, 축열에 의해 냉열원을 열교환기 코어를 예비 냉각하고 있으므로 열교환기의 응답속도를 빠르게 할 수 있어 수소자동차에 수소 충전이 신속하게 이루어진다.
그리고, 열교환기 코어에 냉매를 직접냉각방식으로 수소와 열교환 하므로 열교환 효율이 높다.
도 1은 수소충전인프라 계통도이다.
도 2는 수소 간접냉각방식을 나타낸 계통도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수소충전소의 수소 냉각을 위한 축열탱크의 내부 구성을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수소충전소의 수소 냉각을 위한 축열탱크의 냉각 시스템을 나타낸 도이다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하고자 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에 나타난 바는 본 발명의 전반적인 이해를 위해 제시된 것이므로 본 발명의 기술적 범위가 그것들에 한정되는 것은 아니다 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 구성 및 기능에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수소충전소의 수소 냉각을 위한 축열탱크의 내부 구성을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명은 크게 저장탱크(100), 열교환기 코어(200), 수소라인(300), 냉매라인(L1), 축열냉매라인(L2)이 포함되어 이루어진다.
먼저, 저장탱크(100)는 축열재가 내부에 저장되고 상기 열교환기 코어(200)를 밀폐 수용하게 된다.
상기 열교환기 코어(200)는 수소가 유동되는 제1유로와 냉매가 유동되는 제2유로가 형성된 인쇄회로기판 열교환기(PCHE, Printed Circuit Heat Exchanger)형태로 이루어진다. 여기서, 인쇄회로기판형 열교환기 코어를 사용하는 이유는 차량의 충전 압력이 700bar 이상으로 고압사용환경에서 컴팩트한 사이즈로 사용하기 위함이며 수소 냉각을 위해서는 최적의 코어이기 때문이다.
그리고, 상기 열교환기 코어(200)의 제1유로 입,출구에 연결되어 상기 수소가 유입되어 배출되게 하는 수소라인(300)이 형성된다. 이 수소라인(300)은 수소충전소의 저장탱크(100)에서 공급되고 상기 열교환기 코어(200)에서 냉각이 되도록 열교환이 이루어져 수소자동차에 충전이 되는 라인이다.
상기 열교환기 코어(200)의 제2유로 입,출구에 연결되어 상기 냉매가 유입되어 상기 열교환기 코어(200)의 제1유로에 유입되는 수소와 열교환하여 배출되게 할 수 있는 냉매라인(L1)이 형성된다.
그리고, 본 발명에서는 상기 저장탱크(100) 내부로 순환되어 냉열을 공급되게 하는 축열냉매라인(L2)이 형성된다.
상기 축열냉매라인(L2)은 코일 형태로 감겨진 형상이 되게 하여 상기 저장탱크(100)에 열전달 면적을 최대한 늘리고 균일하게 할 수 있다.
상기 열교환기 코어(200)에는 상부와 하부에 각각 플레이트 형상의 상,하부 축열보강재(210,220)가 구비되고, 상기 상,하부 축열보강재(210,220)는 볼트(230)에 의해 연결되어 고정되어 상기 열교환기 코어(200)의 상,하부에 밀착된 상태를 유지할 수 있다.
여기서, 상기 상,하부 축열보강재(210,220)는 알루미늄 재질로 하여 상기 열교환기 코어(200)의 냉각된 열을 전도받아 축열된 상태를 유지되게 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수소충전소의 수소 냉각을 위한 축열탱크의 냉각 시스템을 나타낸 도이다.
상기 냉매라인(L1)에는 상기 냉매를 압축하는 압축기(410)와, 상기 압축기(410)에 연결되어 상기 냉매를 응축하는 응축기(420)와, 상기 응축기(420)와 상기 열교환기 코어(200) 사이에 연결되어 상기 냉매를 감압하여 상기 열교환기 코어에 공급되게 하는 팽창밸브(430)로 구성된 직접냉각회로(400)가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 직접냉각회로(400)는 냉매를 직접적으로 열교환기 코어(200)의 제2유로에 공급하게 되므로 냉각효율이 높아지는 이점이 있다. 즉 냉매의 증발잠열을 이용함으로써 열효율이 우수하며, 공급되는 저온의 온도 조건이 간접냉각 방식보다 우수하다. 간접냉각 방식은 도 2에서 표현하였다. 도 2를 참조하면, 압축기(10), 응축기(20), 응축밸브(30)를 냉매라인(L3) 순환하는 냉매는 열교환기 코어(60)의 제2유로에 순환되는 중간열교환이 버퍼 탱크(40)에 의해 냉매라인(L4)을 통해 간접 냉매하게 되며 통상적으로 사용하는 냉각시스템이다. 그리고 간접냉각방식은 펌프(50)를 별도로 필요하여 구동 전력이 더 발생하므로 직접냉각방식이 에너지 효율면에서도 우수하다.
상기 냉매라인(L1)에는 냉매에 포함된 상기 압축기의 오일을 제거하여 상기 열교환기 코어의 제2유로에 직접 냉매를 순환 가능케 하는 오일필터(500)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 오일필터(500)는 상기 압축기(410)와 상기 응축기(420) 사이와, 상기 응축기(420)와 상기 팽창밸브(430) 사이에 적어도 하나 이상이 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 오일필터(500)는 먼저 상기 압축기(410)와 상기 응축기(420) 사이에 설치되는 경우에는 압축기(410)에 의해 발생된 오일의 유증기를 흡착하여 제거하기 위함이며, 상기 응축기(420)와 상기 팽창밸브(430) 사이에 설치되는 경우에는 오일의 유분을 제거하기 위함이다.
본 발명에서는 상기 열교환기 코어(200)를 내부로 수용하며 내부에 축열재가 저장된 저장탱크(100)가 구비되는 것을 특징으로 하며 축열냉매라인(L2)에 의해 냉열원이 지나가며, 이러한 축열냉매라인(L2)은 상기 냉매라인(L1)에는 분기되어 상기 저장탱크(100) 내부를 순환하여 상기 냉매에 의해 축열을 유지하게 한다.
그리고, 상기 냉매라인(L1)에는 3웨이(3-way) 밸브(440,450)가 설치되어 상기 냉매를 축열냉매라인(L2) 또는 상기 열교환기 코어(200)의 제2유로를 선택적으로 공급 순환 가능하게 한다.
상기 저장탱크(100)에는 설정된 온도가 유지되도록 제어기에 의해 상기 직접냉각회로(400)의 가동이 제어되게 하며 설정된 온도는 약 -25℃ 내지 -30℃가 되도록 압축기(410)를 운전되게 하여 저장탱크(100)의 내부를 냉각하게 한다. 그리고 압축기(410)가 냉매를 열교환기 코어(200)에 공급하기 위한 냉매의 적정 온도가 약 -45℃ 내지 -50℃로 수소 냉각을 위해 지속적인 가동을 하는 것보다 부하를 줄여주게 되는 것이다.
그리고, 상기 저장탱크(100)는 상기 열교환기 코어(200)를 수용하여 밀폐되게 하며, 수소 누설 탐지기를 설치하여 수소가 누설되는지 여부를 확인할 수 있다.
작동 과정을 보면, 먼저 수소 충전시에는 냉매라인(L1)을 통해 상기 열교환기 코어(200)의 제2유로에 공급하게 되고, 수소 충전 전과 후에는 상기 축열냉매라인(L2)를 통해 저장탱크(100)를 축열하여 상기 열교환기 코어(200)를 예냉시켜 수소 충전시 빠른 응답속도를 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 특허청구범위의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 축열탱크
200: 열교환기 코어
210: 상부 축열보강재
220: 하부 축열부강재
300: 수소라인
400: 직접냉각회로
410: 압축기
420: 응축기
430: 팽창밸브
500: 오일필터

Claims (7)

  1. 축열재가 내부에 저장된 저장탱크;
    상기 저장탱크 내부에 구비되고, 수소가 유동되는 제1유로와 냉매가 유동되는 제2유로가 형성된 인쇄회로기판형 열교환기 코어;
    상기 열교환기 코어의 제1유로 입,출구에 연결되어 상기 수소가 유입되어 배출되게 하는 수소라인;
    상기 열교환기 코어의 제2유로 입,출구에 연결되어 상기 냉매가 유입되어 상기 수소를 냉각하고 배출되게 되는 냉매라인;
    상기 저장탱크 내부로 순환되어 냉열을 공급되게 하는 축열냉매라인;이 포함되는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각을 위한 축열탱크.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기 코어에는,
    상부와 하부에 각각 상,하부 축열보강재가 구비되고, 상기 상,하부 축열보강재는 볼트에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각을 위한 축열탱크.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉매라인에는,
    상기 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에 연결되어 상기 냉매를 응축하는 응축기와, 상기 응축기와 상기 열교환기 사이에 연결되어 상기 냉매를 감압하여 상기 열교환기에 공급되게 하는 팽창밸브로 구성된 직접냉각회로가 설치되는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각을 위한 축열탱크.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉매라인에는,
    냉매에 포함된 상기 압축기의 오일을 제거하여 상기 열교환기 코어의 제2유로에 직접 냉매를 순환 가능케 하는 오일필터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각을 위한 축열탱크.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 오일필터는,
    상기 압축기와 상기 응축기 사이와, 상기 응축기와 상기 팽창밸브 사이에 적어도 하나 이상이 설치되는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각을 위한 축열탱크.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 축열냉매라인은,
    상기 냉매라인에서 분기되고 3웨이 밸브에 의해 냉매가 순환 가능한 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각을 위한 축열탱크.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 저장탱크에는,
    설정된 온도가 유지되도록 제어기에 의해 상기 집접냉각회로의 가동이 제어되는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각을 위한 축열탱크.
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