기 술 분 야 [0001]본 발명은 기존의 LNG(Liquified Natural Gas) 연료를 개질하여 수소(H₂)를 슬러시 LNG에 위치시켜 수소 농축 슬러시 LNG 연료로 제조하는 제조방법 및 그 장치에 관한 것이다. 배 경 기 술 [0002]산업화의 급속한 발전에 따라 화석연료 기반의 기계장치나 엔진 등은, 가까운 장래 자원이 고갈되는 문제 뿐만 아니라 연소 후 배출되는 CO₂외 기타 성분들로 인한 대기오염이 심각한 문제를 야기하고 있다. [0003]이로 인하여, 수소, 전기, 풍력, 태양열, 지열 등의 친환경 에너지 자원의 활용도가 급속히 진전되고 있으나, 이들 자원은 생산비용이나 이용 효율 측면에서 화석연료에 비하여 불리한 실정이다. [0004]최근 CO₂배출이 범국가적인 이슈로 부각되고 있음에 따라, 대체연료 뿐만 아니라 신재생에너지에 대한 보다 많은 연구개발 노력을 필요로 하고 있다. [0005]이러한 노력은 주로 전기 배터리, 수소연료전지 등에 집중되고 있지만, 전기생산, 축적, 전달, 사용 등의 단계에서 상당한 에너지 손실을 감수하지 않으면 않된다. [0006]또한, 수소연료전지의 경우, 수소생산에 수반되는 플랜트에서 추가적으로 발생되는 CO₂와 제조비용의 문제를 극복하지 않으면 상용화의 걸림돌로 작용하게 되는 문제점이 있다. [0007]더욱이 이러한 에너지 형태로 이행되는 경우, 인류가 개발하여 과거 100년간 성공적으로 산업화를 주도해온 내연기관 엔진을 모두 폐기하여야 하는 극단적인 상황으로 치닫게 된다. 따라서 현재로서는 기존의 유용한 화석연료를 개질하여 CO₂배출을 억제하고, 연소효율을 높여 엔진의 성능뿐만 아니라 대기 오염을 경감할 수 있다면, 기존의 내연기관 엔진을 그대로 활용할 수 있는 큰 장점을 취할 수 있게 된다. [0008]본 발명자는 기존의 LNG(Liquified Natural Gas) 연료를 적절히 개질하여 CO₂배출을 억제하고, 연소효율을 극대화할 수 있는 방법 및 장치을 발명하였다. 선행기술문헌 [0009]등록특허공보 제10-1309628호(2013.09.17. 공고) 해결하려는 과제 [0010]본 발명은 와류실의 반경방향 입구로 LNG 연료와 수소의 혼합유체를 유입시켜 선회운동과정에서 고온 LNG 연료와 수소 농축 슬러시 LNG 연료로 분리시키는 수소 농축 슬러시 LNG 연료 제조방법 및 그 장치을 제공하고자 한다. 과제의 해결 수단 [0011]본 발명 수소 농축 슬러시 LNG 연료 제조장치는, 내부에 와류실이 형성된 와류관과, 혼합유체가 유입되는 와류실의 외면에 설치된 다수개의 반경방향 입구와, 혼합유체가 시계방향으로 선회운동을 하면서 와류관 내부를 유동하도록 와류실 내부에 구비된 스월베인와, 스월베인 좌측에 형성된 노즐과, 와류관 중심축에서 왼쪽 방향으로 압력이 낮아지고, 오른쪽 방향으로 압력이 증가하는 유동장이 형성되어 고온의 유체는 와류관 우측단으로 메인튜브를 통하여 배출되고, 저온의 유체는 와류관 좌측의 저온유체 배출구를 통하여 배출되는 것을 특징으로 한다. [0012]또한, 노즐은 입구에서 출구쪽으로 갈수록 단면적이 점차적으로 축소되는 축소형인 것을 특징으로 한다. [0013]혼합유체가 유입되는 와류실(120)의 외면에 설치된 다수개의 입구(111)는 홀수개인 것을 특징으로 한다. [0014]저온유체 배출구는 입구에서 출구쪽으로 갈수록 단면적이 점차적으로 확대되는 확대형인 것을 특징으로 한다. [0015]본 발명 수소 농축 슬러시 LNG 연료 제조방법은, 기상의 수소(H₂)와 LNG가 각각 유입하여, 요구되는 초기조건을 확보하기 위하여 열교환기로 유입되고, 열교환기를 거쳐 요구되는 혼합유체의 초기상태(Pi 와 Ti)가 얻어지면, 와류관 입구로 혼합유체가 공급되며, 와류관의 고온측으로 배출하는 기체는, 대형탱크 외부로 배출한 후 회수하여 재사용하고, 대형탱크 내 하부로 배출되는 수소 농축 슬러시 LNG 연료는 대형탱크 외부에 설치한 펌프로 배출하여, 엔진의 연소의 연료라인으로 공급하는 공정이 순차적으로 진행되는 것을 특징으로 한다. [0016]또한, 와류관은 단열처리가 된 대형 탱크 내에 설치하여, 고온측으로 배출하는 유체와 저온측으로 배출하는 유체로 분리시키는 것을 특징으로 한다. 발명의 효과 [0017]본 발명은, 수소 농축 슬러시 LNG 연료를 생성하는 와류관의 형상과 운전조건을 최적화하여, 경제적으로 수소 농축 슬러시 LNG 연료를 제조할 수 있는 효과, 와류관을 운전하는데 동력이 필요하지 않으며, 활동부분이 없어 유지 보수가 필요하지 않고, 신뢰성 높은 수소 농축 슬러시 LNG 연료를 제조할 수 있는 효과가 있다. 도면의 간단한 설명 [0018]도 1은 LNG인 메탄(CH4)의 상태변화도. 도 2는 LNG인 메탄(CH4)의 액상(가), 고상(나) 분자배열 상태도. 도 3은 고상의 LNG 분자의 결정구조도. 도 4는 슬러시 LNG 연료 내부에 수소(H₂)가 포함된 상태도. 도 5는 본 발명의 LNG 연료와 수소(H₂)의 혼합유체를 팽창 및 냉각하는 장치의 사시도 및 단면도. 도 6은 도 5에서의 플러그(160) 예시도. 도 7은 본 발명의 와류관 입구에서 LNG 연료와 수소(H₂)의 혼합유체의 온도와 압력을 각각 Ti, Pi로 가정하는 경우, 와류관에서 발생하는 혼합유체의 에너지 분리과정을 나타내는 온도-엔트로피 선도. 도 8은 본 발명의 와류관의 노즐형상. 도 9는 본 발명의 수소 농축 슬러시 LNG 연료 제조장치. 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 [0019]본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. [0020]또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하다. [0021]그리고 본 출원에서, '포함하다', '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특정의 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지칭하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. [0022]또한, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. [0023]그러므로, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 구현 예(態樣, aspect)(또는 실시 예)들을 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, 본 명세서에서 사용한 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. [0024]다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 주지 또는 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다. [0025]이하에서 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참고하여 설명한다. [0026]도 1은 LNG라 불리는 메탄(CH4)의 상태변화도이다. [0027]도시된 하늘색선은 고상(Solid Phase)과 액상(Liquid Phase)의 경계, 연두색선은 액상(Liquid Phase)과 기상(Gas Phase)의 경계 그리고 황토색선은 고상과 기상의 경계를 나타내며 ● 은 3상(Three Phases)이 공존하는 삼중점(Triple Point)을 의미한다. [0028]따라서 하늘색선은 위의 부분은 고상영역, 하늘색선과 연두색선 사이의 영역은 액상영역, 그리고 연두색선 아래 부분은 기상영역이다. [0029]한편 도면의 네모영역으로 나타내는 바와 같이, 고상과 액상의 경계면에서는 고상과 액상의 혼합된 이상(Two-Phase) 형태로 LNG가 존재하게 된다. 즉 액상 내부에 고상의 알갱이가 혼입되어 있는 것과 같은 이상(Two-Phase)의 상태가 된다. 이러한 상태를 슬러시(Shush) LNG라고 한다. [0030]도 1의 A 상태인 1 bar, 150K에 있는 기상의 LNG를 적절한 수단으로 등압조건에서 냉각하면 슬러시 상태의 LNG를 얻을 수 있으며, B 상태인 8 bar, 150K에 있는 기상의 LNG를 팽창 냉각하면 유사한 슬러시 상태의 LNG를 얻을 수 있다. [0031]도 2는 LNG인 메탄(CH4)의 액상(가), 고상(나) 분자배열 상태도이다. [0032]도시된 바와 같이 고상(나)에 비하여 액상(나)에 더 많은 공극(Porocity)이 형성됨을 알 수 있다. [0033]도 3은 고상의 LNG 분자의 결정구조도, 도 4는 슬러시 LNG 연료 내부에 수소(H₂)가 포함된 상태도, 도 5는 본 발명의 LNG 연료와 수소(H₂)의 혼합유체를 팽창 및 냉각하는 장치의 사시도 및 단면도이다. [0034]도 3에서 a는 분자의 운동학적 직경(Kinetic Diameter)를 의미한다. [0035] [0036]표 1은 유체별의 분자량과 운동학적 직경을 나타낸다. [0037]표 1로부터 LNG(CH₄) 분자의 운동학적 직경은 38㎚이고, 수소(H₂) 분자의 운동학적 직경은 28.9㎚이다. [0038]수소(H₂) 분자가 LNG(CH₄) 분자의 한 가운데 들어가는 경우, 가장 가까운 LNG(CH₄) 분자는 수소(H₂) 분자로부터 30㎚의 거리에 있게 된다. [0039]따라서 수소(H₂) 분자와 LNG(CH₄) 분자 사이의 거리는 33.5㎚가 되고, 이와 같은 상태를 도 4에 개념도로 나타냈다. 이는 수소 농축 슬러시 LNG 연료로서, LNG(CH₄) 분자 내부에 수소(H₂) 분자를 포함할 수 있게 된다. 이러한 수소 농축 슬러시 LNG 연료는 원래 LNG 연료에 비하여 내부에 많은 수소(H₂) 분자를 내포하게 되므로, 분자특성이 크게 달라져, 연소에 매우 유리한 상태로 될 수 있다. [0040]도 5는 본 발명의 LNG 연료와 수소(H₂)의 혼합유체를 팽창 및 냉각하는 장치의 사시도 및 단면도이다. [0041]내부에 와류실(120)이 형성된 와류관(110. Vortex Tube)을 구비하고 있으며, 와류실(120)의 외면에 설치한 다수개의 반경방향의 입구(111)로부터 유입하는 혼합유체는 입구(111) 및 와류실(120) 내부에 구비된 스월베인(140)과 연동하여 시계방향으로 선회운동(Swirl motion)하는 노즐(130)을 거쳐 와류관(110) 내부를 유동하게 된다. 이 때 스월베인(140)으로 유입되는 혼합유체는 노즐(130)의 입구(131)에서 출구(132)를 따라 선회운동된다. [0042]와류관(110) 입구는 반경방향으로 설치된 다수개의 입구(111)을 통하여 혼합유체가 공급된다. 이 경우, 사용하는 입구(111)의 개수는 5개 또는 7개 등의 홀수로 하는 것이 바람직하다. 입구를 홀수로 하면 와류관(110)의 내부에서 선회강도가 커진다. [0043]이 경우 혼합유체의 선회운동에 의하여, 와류관(110)의 한 단면에서, 관 중심에는 압력이 낮아지고, 외곽부로 갈수록 압력이 높아지는 유동장이 형성되며, 동시에 와류관(110) 중심축 방향으로는 와류관(110) 축방향으로 강한 압력구배(Pressure Gradient)가 형성되어, 와류관(110) 중심축에서 왼쪽 방향으로 압력이 낮아지는 반면, 오른쪽 방향으로 압력이 증가하는 유동장이 형성된다. [0044]따라서 상대적으로 고온의 유체는 와류관(110) 우측단으로 메인튜브(150)를 통하여 고온유체 출구(180)로 배출되고, 저온의 유체는 와류관(110) 좌측으로 저온의 유체인 슬러시 상태로 저온유체 출구(170)로 배출되므로, 에너지 분리가 가능해진다. [0045]고온유체 출구(180)에는 고온유체 출구(180)보다는 작은 직경의 외경을 갖는 플러그(160)가 설치되어 메인튜브(150)의 외곽부측의 높은 압력의 고온유체를 출구(180)의 내면과 플러그(160)의 외면 사이로 배출되고, 메인튜브(150)의 내면부측의 낮은 압력의 저온유체인 수소 농축 슬러시 LNG 연료는 플러그(160)에 의해 막혀 반대방향인 좌측으로 배출됨으로써, 고온유체와 저온유체인 수소 농축 슬러시 LNG 연료로 분리할 수 있다. [0046]이로 인하여 와류관(110) 우측단으로 배출되는 혼합유체는 도 1에 나타내는 기상이고, 좌측단으로는 슬러시 상으로 배출되므로, 수소(H₂) 분자와 LNG 연료를 혼합하여 혼합유체를 팽창 및 냉각시켜 수소 농축 슬러시 LNG 연료를 얻을 수 있다. [0047]저온유체인 수소 농축 슬러시 LNG 연료의 출구(170)는 입구(171)에서 출구(172)쪽으로 갈수록 단면적이 점차적으로 확대되는 확대형상이다. [0048]도 6은 도 5의 플러그(160)의 형상을 나타낸 것으로, 죄측의 단면이 완만한 곡률을 갖는 것, 삼각형으로 뾰족하되 경사가 완만한 것, 삼각형으로 뾰족하되 경사가 급한 것 등이 있다. [0049]도 7은 와류관 입구에서 혼합유체의 온도와 압력을 각각 Ti, Pi로 가정하는 경우, 와류관에서 발생하는 혼합유체의 에너지 분리과정을 나타내는 온도-엔트로피 선도이다. [0050]도시된 바와 같이 와류관(110) 내부에서 발생하는 유동상태를 등엔탈피 과정(Isenthalpic Process) 및 등엔트로피 과정(Isentropic process)으로 가정한 경우에 와류관(110) 우측단에서 얻어지게 되는 고온상태의 유동과정을 우하향선으로, 그리고 저온상태의 유동과정은 좌하향선으로 나타내었다. [0051]도시된 우하향선과 좌하향선으로부터 알 수 있는 바와 같이, 와류관으로 유입된 혼합유체는 와류실(120) 내부에 구비된 스월베인(140)과 연동하여 시계방향으로 선회운동(Swirl motion)하는 노즐(130)을 거쳐 와류관(110) 내부를 유시키면 혼합유체가 고온측과 저온측으로 분리되어 배출된다는 것을 알 수 있다. [0052]도 8은 본 발명의 와류관의 노즐형상이다. [0053]노즐(130)의 상세 형상은 입구(131)에서 출구(132)쪽으로 갈수록 단면적이 점차적으로 줄어드는 축소형(Convergent Type) 노즐이다. [0054]도 9는 본 발명의 수소 농축 슬러시 LNG 연료 제조장치이다. [0055]기상의 수소(H₂)와 LNG가 요구되는 초기조건을 확보하기 위하여 열교환기로 유입된다. [0056]열교환기를 거친 기상의 수소(H₂)와 LNG는 혼합기로 유입되어 혼합유체의 초기상태 압력과 온도(Pi 와 Ti)가 얻어지면, 와류관(110) 입구로 혼합유체가 공급된다. 본 발명에서 혼합유체의 초기상태 압력은 20 ~ 30bar, 온도 120 ~ 100K의 범위이다. [0057]이 경우 와류관(110)은 단열처리가 된 대형 탱크 내에 설치되고, 고온측으로 배출하는 기체는, 대형탱크 외부로 배출한 후 회수하여 재사용할 있으며, 대형탱크 내 하부로 배출되는 수소 농축 LNG 연료는 대형탱크 외부에 설치한 펌프로 배출하여, 엔진의 연소의 연료라인으로 공급할 수 있다. 부호의 설명 [0058]100:혼합유체 팽창 및 냉각장치 110:와류관 111:와류관 입구 120:와류실 130:노즐 131:노즐 입구 132: 노즐 출구 140:스월베인 150:메인튜브 160:플러그 170:저온유체 출구 180:고온유체 출구