KR101325700B1 - 슬로싱 억제 장치 - Google Patents

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Abstract

슬로싱 억제 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 슬로싱 억제 장치는, 액체 화물 저장 탱크 내에 저장된 액체 화물 상에 부유되는 부력 유닛들, 및 상기 부력 유닛들을 연결하는 연결 부재를 포함하며, 상기 부력 유닛은, 상기 액체 화물 상에서 부력을 제공하는 부력체, 및 상기 부력체를 감싸는 그물망을 포함한다.

Description

슬로싱 억제 장치 {ANTI SLOSHING APPARATUS}
본 발명은 슬로싱 억제 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액체 화물 저장 탱크 내의 슬로싱을 억제하며 부력 유닛의 이동에 의한 액체 화물 저장 탱크 내벽의 손상을 방지하는 슬로싱 억제 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 해상으로 액체 화물을 운반하기 위하여 여러 가지 형태의 선박들이 제작되고 있다. 예를 들면, LNG(liquefied natural gas), LPG(liquefied petroleum gas), 원유(crude oil) 등의 액체 화물을 옮기기 위하여 각각의 화물 특징에 따라 선체가 제작되고, 이러한 선체에 화물을 저온 또는 고압 등으로 밀폐, 보온하기 위하여 특수한 형태의 액체 화물 저장 탱크들이 적용되고 있다.
이러한 선체 및 액체 화물 저장 탱크를 제작함에 있어서 주요한 하중 조건 중의 하나가 슬로싱(sloshing) 문제인데, 슬로싱이란 액체 화물이 선체의 움직임으로 인해 운동에너지를 계속적으로 받게 됨으로써 자유 표면을 가지는 액체 화물이 급격히 흔들리면서 저장 공간(즉, 액체 화물 저장 탱크)의 내측벽에 강한 충격을 유발하는 유체의 거동을 지칭하는 것으로서, 이러한 슬로싱은 선체 및 액체 화물 저장 탱크의 제작 초기부터 고려된다.
이와 같이, 선체와 액체 화물 저장 탱크의 형태는 액체 화물에 의한 슬로싱을 최소화함과 동시에 예상되는 슬로싱 하중을 충분히 견딜 수 있도록 설계되어 왔고, 이러한 과정에서 구조적으로 견디기 어려운 슬로싱 하중을 피하기 위하여 선주들은 화물의 적재량이 제한되는 조건부 운항 조건을 받아들여야 했다. 그럼에도 불구하고, 슬로싱 하중의 불확실성으로 인하여 예상치 못한 액체 화물 저장 탱크의 손상에 대한 여러 가지 문제점들이 계속해서 발생되고 있다.
이러한 슬로싱의 문제는 선박뿐만 아니라 우주, 항공, 자동차 분야의 연료탱크에서도 동일하게 해결해야 하는 과제였으며, 오히려 선박과 달리, 우주선이나 항공기의 경우 연료탱크가 360도 회전과 같은 급 기동에 의해 발생하는 급격한 유체의 거동으로 인해 단순히 연료 탱크의 구조를 보강하는 문제가 아니라 오히려 연료의 공급을 원활하게 하는 것이 더 중요한 문제였기 때문에, 액체 화물-예컨대 액체 연료-의 유동을 제어하는 방향으로 슬로싱 문제를 해결해 왔다.
이와 같은 슬로싱 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 출원인은 한국 등록 특허 제1043622호(선행문헌 1)에서, 액체의 표면에 부유되도록 부력을 가지는 복수의 부력체, 액체를 흡수하도록 오픈 셀(open cell) 구조를 가지며 부력체를 둘러싸는 폼부재, 폼부재에 구비되는 연결 벨트를 포함하는 부력 유닛, 및 이웃하는 부력 유닛들의 연결 벨트를 연결하는 체결 부재를 포함하는 슬로싱 억제 장치를 제시한 바 있다.
이 때, 상기 선행문헌 1에 개시된 슬로싱 억제 장치에서는 부력 유닛이 정육면체 형상으로 이루어져 있는 예가 제시되어 있다. 이 부력 유닛들은 슬로싱 억제 작용 시, 정육면체의 대면적과 액체 화물 저장 탱크 내측벽과 간섭을 방지하여 원활한 슬로싱 억제 작용을 위하여, 부력 유닛과 액체 화물 저장 탱크 내측벽과의 간격을 크게 유지하여야 한다. 따라서 부력 유닛의 이동에 의한 하중으로 액체 화물 저장 탱크 내측벽의 손상이 유발될 수 있다.
선행문헌 1: 한국 등록 특허 제1043622호
본 발명의 일 실시예는 부력 유닛의 이동에 의한 액체 화물 저장 탱크 내벽의 손상을 방지하는 슬로싱 억제 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 슬로싱 억제 장치는, 액체 화물 저장 탱크 내에 저장된 액체 화물 상에 부유되는 부력 유닛들, 및 상기 부력 유닛들을 연결하는 연결 부재를 포함하며, 상기 부력 유닛은, 상기 액체 화물 상에서 부력을 형성하는 부력체, 및 상기 부력체를 감싸는 그물망을 포함한다.
상기 부력체는 구형으로 형성될 수 있다. 상기 부력체는 고분자 소재로 형성될 수 있다.
상기 부력 유닛들 중 상기 액체 화물 저장 탱크의 내벽에 인접하여 배치되는 부력 유닛의 부력체는 상기 내벽을 향하여 볼록한 곡면을 형성할 수 있다.
상기 연결 부재는, 상기 부력체를 감싸는 상기 그물망을 연결하는 로프로 형성될 수 있다.
상기 부력 유닛은, 설정된 개수로 구비되어, 상기 연결 부재로 연결되어 서브 모듈을 형성할 수 있다.
상기 액체 화물 저장 탱크는, 좌우현 직선 종단면에서 사각형 공간을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 액체 화물 저장 탱크의 내벽과 부력 유닛과의 간격을 최소화 하므로 부력 유닛의 이동에 의한 액체 화물 저장 탱크 내벽의 손상을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬로싱 억제 장치를 구비하는 액체 화물 저장 탱크의 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 3은 도 2의 슬로싱 억제 장치를 액체 화물 저장 탱크 내에 설치한 상태의 평면도이다.
도 4는 도 3의 슬로싱 억제 장치에서 부력 유닛의 평면도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 6은 도 1의 Ⅵ-Ⅵ 선을 따라 자른 단면에서 슬로싱 억제 장치의 작동 상태도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 슬로싱 억제 장치에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬로싱 억제 장치를 구비하는 액체 화물 저장 탱크의 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 자른 단면도이며, 도 3은 도 2의 슬로싱 억제 장치를 액체 화물 저장 탱크 내에 설치한 상태의 평면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 일 실시예의 슬로싱 억제 장치는 액체 화물 저장 탱크(1) 내에 저장된 액체 화물(2) 상에 부유되는 부력 유닛들(10), 및 부력 유닛들(10)을 연결하는 연결 부재(20, 도 4 및 도 5 참조)를 포함한다. 액체 화물 저장 탱크(1)는 LNG를 저장하기 위한 화물창일 수 있다.
복수의 부력 유닛들(10)은 액체 화물 저장 탱크(1) 내에 저장된 LNG(liquefied natural gas), LPG(liquefied petroleum gas), 및 원유(crude oil) 등과 같은 액체 화물(2)의 자유면을 덮도록 격자 구조로 배치되며, 연결 부재(20)에 의하여 서로 연결됨으로써, 액체 화물(2)의 자유면 상에 부유되는 슬로싱 억제 장치를 구현한다.
슬로싱 억제 장치는 연결 부재(20)에 의하여 서로 연결되는 부력 유닛들(10)로 액체 화물(2)의 자유면을 덮음으로써, 선박이 운항 중, 피치(pitch), 롤(roll), 요(yaw), 위빙(weaving) 등 여러 방향으로 움직일 경우, 액체 화물 저장 탱크(1) 내에서 액체 화물(2)의 슬로싱을 효과적으로 억제할 수 있다.
이 때, 슬로싱 억제 장치는 액체 화물 저장 탱크(1)에 저장될 수 있는 액체, 예를 들어, LNG를 이송하기 위한 복수의 배관(4) 등과 부딪히지 않도록 하거나, 액체 화물 저장 탱크(1)의 모서리 부분 등과 부딪히지 않도록 일부 영역에서 부력 유닛을 구비하지 않을 수 있다.
슬로싱 억제 장치는 액체 화물(2) 상에서 부력 유닛(10)의 이동으로 인하여, 액체 화물 저장 탱크(1) 내벽에 충격 하중을 가할 수 있다. 따라서 본 실시예의 슬로싱 억제 장치는 부력 유닛(10)이 액체 화물 저장 탱크(1) 내벽에 가하는 충격 하중을 최소화 하여, 충격 하중에 의한 액체 화물 저장 탱크(1) 내벽의 손상을 방지할 수 있도록 형성된다. 이를 위하여, 일 실시예의 슬로싱 억제 장치는 최외곽의 부력 유닛(10)과 액체 화물 저장 탱크(1) 내벽 사이의 간격(C)을 최소화 하도록 구성된다.
도 4는 도 3의 슬로싱 억제 장치에서 부력 유닛의 평면도이고, 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 일 실시예의 슬로싱 억제 장치에서 부력 유닛(10)은 액체 화물 저장 탱크(1)의 내벽과의 간격(C)을 최소화 하여, 슬로싱 억제 작용시, 부력 유닛(10)이 이동할 수 있는 범위를 최소화 한다.
따라서 슬로싱 억제 작용시, 부력 유닛(10)이 액체 화물(2) 상에서 간격(C)만큼 이동할 수 있고, 이때, 액체 화물 저장 탱크(1)의 내벽에 작용하는 충격 하중은 미약하게 되고, 이로 인하여 액체 화물 저장 탱크(1) 내벽의 손상을 일으키지 않는다.
구체적인 예를 들면, 부력 유닛(10)은 액체 화물 저장 탱크(1) 내에 저장된 액체 화물(2) 상에 부유되도록 부력을 형성하는 부력체(11), 및 부력체(11)를 감싸는 그물망(12)을 포함한다.
부력체(11)는 부력 유닛들(10) 전체에 동일하도록 볼록한 곡면을 가지게 형성될 수 있다. 또한, 부력체(11)는 액체 화물 저장 탱크(1)의 내벽에 인접하여 배치되는 부력 유닛(10)에서만 액체 화물 저장 탱크(1)의 내벽을 향하여 볼록한 곡면을 형성할 수 있다.
예를 들면, 부력체(11)는 예시된 바와 같이, 구형체 또는 타원체(미도시)로 형성될 수 있다. 이 부력체(11)는 액체 화물(2)의 자유면을 덮으면서 액체 화물 저장 탱크(1)의 내벽에 근접하여 대항하는 부분을 최소로 형성한다.
따라서 예시된 부력체(11)는 액체 화물 저장 탱크(1) 내벽과의 간격(C)을 작게 형성하여도 슬로싱 억제 작용시, 액체 화물 저장 탱크(1)의 내벽과 간섭되지 않는다. 즉 원활한 슬로싱 억제 작용이 가능하다.
이와 같은, 구형체의 부력체(11)는 슬로싱 억제 작용을 하면서, 액체 화물 저장 탱크(1) 내벽과의 간격(C)을 작게 설정하므로 액체 화물(2) 상에서 부력 유닛(10)의 이동 범위를 작게 설정한다. 따라서 부력체(11)의 이동에 따른 액체 화물 저장 탱크(1) 내벽에 가해지는 충격 하중이 작아진다.
예를 들면, 부력체(11)는 직경이 0.5∼1.0m인 구형체로 형성되며, 액체 화물 저장 탱크(1) 내부 공간의 크기에 따라 다양한 크기 및 다양한 개수로 형성될 수 있다.
부력체는 액체 화물에 부유되기 위한 부력을 가지며, 액체 화물이 LNG인 경우 극저온에서도 액상 전환이 이루어지지 않는 기체를 내부에 충전할 수 있도록 기밀 공간의 중공 구조로 이루어질 수 있다(미도시). 부력체는 이와 같이 구조적인 특성으로 부력을 형성할 수 있으며, 그 밖에도 재질의 특성으로 부력을 제공할 수도 있다.
부력체는 부력에 의해 형태가 변화되지 않을 정도의 강도를 가지는 재질로 제작되며, LNG 등과 같은 액체 화물에 의한 극저온 상태에서도 변형되지 않고 강도를 충분히 유지할 수 있도록 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다.
부력체는 폐쇄 셀(closed cell) 구조를 갖는 폼재질로 이루어질 수도 있다(미도시). 즉, 부력체가 중공 구조를 갖는 것이 아니라 부력체 자체가 폐쇄 셀 구조를 갖는 폼재질로 이루어질 수 있다. 여기서 폐쇄 셀 구조는 부력체의 내부로 액체를 흡수하지 않아 부력을 가질 수 있는 구조이다.
이와 같이 부력체가 폐쇄 셀의 폼재질로 이루어짐에 따라, 열 하중, 압축 하중 등에 의해 부력체의 표면에 크랙(crack)이 발생되더라도 부력체의 내부로 액체 화물(2)이 스며들지 못한다. 따라서 부력체는 부력을 안정적으로 유지할 수 있다.
예를 들면, LNG와 같은 액체 화물이 액상을 유지하는 극저온에서도 탄성을 유지할 수 있도록 부력체는 페놀 수지, 멜라민 수지 및 이들의 합성수지 중 어느 하나를 포함하는 고분자 소재로 형성될 수 있다.
한편, 액체 화물 저장 탱크(1)의 내부에 액체 화물(2)이 충전되어 만재 상태인 경우(도 6 참조), 부력 유닛들(10)은 액체 화물(2)의 유동에 의하여 액체 화물(2)로부터 압축 하중(F1)을 받을 수 있다. 이 경우에도, 부력 유닛들(10)을 곡면으로 액체 화물 저장 탱크(1)의 천정에 밀착되므로 액체 화물 저장 탱크(1)의 천정을 손상시키지 않는다.
그물망(12)은 부력체(11)을 감싸서 부력 유닛들(10)의 연결을 용이하게 한다. 그물망(12)은 단순히 부력체(11)의 단부 또는 부력체(11)의 국부적인 영역에 설치되는 것이 아니라, 상술한 바와 같이 부력체(11)의 전면에 걸쳐 고르게 설치되어 부력체(11)를 안정적으로 잡아준다.
그물망(12)은 부력체(11)와의 접촉 면적을 줄이면서도 부력체(11)의 전면적에서 균일하게 접촉된다. 따라서 부력체(11)의 유동에 의해 그물망(12)과 부력체(11) 사이의 계면에 작용하는 하중은 부력체(11)의 표면에 고르게 분산될 수 있다, 이에 따라, 부력 유닛(10)은 구조적으로 안정성을 가진다.
이웃하는 부력 유닛(10)은 그물망(12)과 그물망(12)을 연결 부재(20)에 걸고, 연결 부재(20)의 양단을 서로 연결함으로써 서로 연결될 수 있다. 연결 부재(20)는 로프로 형성될 수 있다. 연결 부재(20)는 이웃하는 부력 유닛들(10) 중 2개씩을 각각 연결한다. 또한 연결부재는 길게 형성되는 이웃하는 부력 유닛들(10)의 연속적으로 연결할 수도 있다(미도시)
한편, 슬로싱 억제 장치를 액체 화물 저장 탱크(1) 내부에 설치함에 있어서, 액체 화물 저장 탱크(1) 내에서 부력 유닛들(10)을 연결 부재(20)로 하나씩 연결할 수도 있고, 복수의 부력 유닛들(10)을 연결 부재(20)로 연결하여 1차로 형성되는 서브 모듈들을 연결 부재(20)로 2차로 연결할 수도 있다.
부력 유닛들(10)로 서브 모듈을 형성하는 방법은 액체 화물 저장 탱크(1) 외부에서 서브 모듈을 제작하므로 외부에 비하여 상대적으로 작업 환경이 열악한 액체 화물 저장 탱크(1) 내부에서 연결 부재(20)로 연결하는 작업을 줄일 수 있다.
도 6은 도 1의 Ⅵ-Ⅵ 선을 따라 자른 단면에서 슬로싱 억제 장치의 작동 상태도이다. 도 6을 참조하면, 액체 화물 저장 탱크(1) 내부에 액체 화물(2)이 만재된 상태에서, 액체 화물(2)의 유동시, 슬로싱 억제 장치의 부력 유닛들(10)은 액체 화물(2)의 자유면에 부유하면서 연결부를 통하여 유동하면서 액체 화물(2)에 의한 슬로싱을 억제한다.
이때, 액체 화물 저장 탱크(1)의 내벽 대응 측에 위치하는 부력 유닛들(10)은 곡면을 가지는 부력체(11)와 액체 화물 저장 탱크(1)의 내벽의 간격(C)을 최소로 형성하면서, 액체 화물 저장 탱크(1) 내벽에 대응하는 부분을 최소 면적으로 형성하므로 액체 화물 저장 탱크(1) 내벽과의 간섭을 피할 수 있다.
이와 같이 부력체(11)와 액체 화물 저장 탱크(1) 내벽 사이의 간격(C)이 좁게 형성되므로 액체 화물(2) 상에서 부력 유닛(10)의 이동이 최소로 제한되고, 액체 화물 저장 탱크(1)의 내벽에 작용하는 부력 유닛(10)의 이동 하중이 최소로 된다.
따라서 슬로싱 억제 작용시, 액체 화물 저장 탱크(1) 내벽의 손상이 방지되며, 이로 인하여, 액체 화물 저장 탱크(1)의 내벽을 형성하는 멤브레인 및 보냉재의 필요 강도를 더욱 낮출 수 있다.
일 실시예의 슬로싱 억제 장치는, 이웃하는 부력 유닛들(10)의 그물망(12)을 연결하는 연결 부재(20)의 길이를 짧게 형성함으로써, 슬로싱 억제 작용시, 슬로싱 억제 장치의 단부에서 연결 부재(20)를 중심으로 이웃하는 부력 유닛들(10)이 접히는 현상을 방지할 수 있다.
예를 들면, 연결 부재(20)는 부력 유닛들(10)을 연결한 상태에서 최대 1cm로 설정될 수 있다. 부력체(11)의 직경이 0.5∼1.0m인 구형체로 형성되는 경우, 부력체(11)의 직경에 비하여 연결 부재(20)의 길이가 1cm로 매우 짧기 때문에 이웃하는 부력 유닛들(10)의 접힘이 방지될 수 있다.
한편, 도 1 및 도 6을 참조하면, 액체 화물 저장 탱크(1)은 좌우현 직선 종단면(yz)(즉 선체의 길이방향에 수직인 종단면)에서 사각형 공간을 형성한다. 즉 일 실시예는 부력 유닛(10)에 의하여 액체 화물(2)의 슬로싱을 충분히 억제할 수 있으므로 슬로싱 억제를 위하여, 액체 화물 저장 탱크(1)의 상부 및 하부에 형성되는 경사면을 제거하여 직각으로 형성할 수 있다.
따라서 액체 화물 저장 탱크(1)은 하부 양측과 상부 양측에 경사면(이점 쇄선)으로 형성되는 부분을 제거하여 직각으로 형성함으로써, 용적 증대로 인하여 액체 화물(2)의 수송량을 증가시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 따른 슬로싱 억제 장치에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
1 : 액체 화물 저장 탱크
2 : 액체 화물
4 : 배관
10 : 부력 유닛
11 : 부력체
12 : 그물망
20 : 연결 부재

Claims (7)

  1. 액체 화물 저장 탱크 내에 저장된 액체 화물 상에 부유되는 부력 유닛들; 및
    상기 부력 유닛들을 연결하는 연결 부재
    를 포함하며,
    상기 부력 유닛은,
    상기 액체 화물 상에서 부력을 형성하는 부력체, 및
    상기 부력체를 감싸는 그물망을 포함하며,
    상기 부력체는 고분자 소재로 폐쇄 셀 구조를 가지는 폼재질에 의하여 구형으로 형성되고,
    상기 연결 부재는,
    상기 부력체를 감싸는 상기 그물망을 연결하는 로프로 형성되는
    슬로싱 억제 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 부력 유닛들 중 상기 액체 화물 저장 탱크의 내벽에 인접하여 배치되는 부력 유닛의 부력체는 상기 내벽을 향하여 볼록한 곡면을 형성하는
    슬로싱 억제 장치.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 부력 유닛은,
    설정된 개수로 구비되어, 상기 연결 부재로 연결되어 서브 모듈을 형성하는
    슬로싱 억제 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 액체 화물 저장 탱크는,
    선체의 길이방향에 수직인 종단면에서 사각형 공간을 형성하는
    슬로싱 억제 장치.
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