KR101687604B1

KR101687604B1 - 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101687604B1
Application number: KR1020140128643A
Authority: KR
Inventors: 이대길; 이동영; 최재헌; 최일범; 유영호; 김기현; 남수현; 임준우; 김민국
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2016-12-19
Also published as: KR20160036406A

Abstract

본 발명은 액화천연가스 등의 초저온 액체를 저장 및 운반하기 위한 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체 및 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 금속 멤브레인 조립체는 윗면에 복수의 주름이 형성되어 있는 금속 멤브레인과, 복수의 주름에 가해지는 외압을 지지하도록 복수의 주름 안에 장착되어 있고 아랫면이 개방되어 있는 압력 지지 구조물로 구성된다. 본 발명의 제조 방법은 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인의 주름 안에 장착하여 외압을 지지하기 위한 압력 지지 구조물의 재료를 하부 금형의 캐버티 안에 넣고, 하부 금형의 캐버티와 상기 압력 지지 구조물의 재료 사이 또는 상기 압력 지지 구조물의 재료 위 중 한 곳 이상에 진동 및 충격을 감쇠할 수 있는 감쇠층의 재료를 넣는다. 압력 지지 구조물의 재료와 감쇠층의 재료를 상부 금형의 돌기에 의하여 가압하여 압력 지지 구조물과 감쇠층을 형성하고, 압력 지지 구조물과 감쇠층을 하부 금형의 캐버티로부터 분리한다. 본 발명에 의하면, 금속 멤브레인의 주름 안에 개방 형태의 압력 지지 구조물이 장착되어 주름에 작용되는 외압을 지지함으로써, 외압 지지 성능을 크게 향상시키고, 진동 및 충격을 효과적으로 감쇠하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 금형을 이용하는 압축성형에 의하여 용이하게 제조되어 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체 및 그 제조 방법{METAL MEMBRANE ASSEMBLY FOR CRYOGENIC LIQUID CONTAINMENT SYSTEM AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 초저온 액체 저장 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액화천연가스 등의 초저온 액체를 저장 및 운반하기 위한 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG), 액체아르곤(Liquid argon), 액체질소(Liquid nitrogen), 액체산소(Liquid oxygen) 등의 극저온 액체는 증발에 의한 손실을 최소화하기 위하여 단열 구조의 저장 시스템에 보관되거나 운반된다. 극저온 액체 저장 시스템의 일례로 LNG 운반선(LNG carrier)의 화물창(Cargo containment system)이 있다. LNG 운반선의 화물창은 -165℃의 초저온 LNG를 저장 및 운반하기 위하여 구형 탱크(Spherical type tank)보다 용량이 크고 제작이 간편한 멤브레인형 탱크(Membrane type tank)가 선호되고 있다. 멤브레인형 LNG 운반선의 보냉 시스템(Cold reserving system)은 프랑스의 가즈트랜스포트 이트 테크니가즈(Gaz transport et technigaz, GTT, France)사에 의하여 개발된 가즈트랜스포트 시스템(Gaz transport system)과 테크니가즈 시스템(Technigaz system)이 사용되고 있다. 가즈트랜스포트 시스템은 GTT No96으로 부르고도 있으며, 테크니가즈 시스템은 GTT 마크-Ⅲ(GTT Mark-Ⅲ) 시스템으로 부르고도 있다.

한편, 테크니가즈 시스템의 LNG 운반선 화물창은 미국 특허 제7,540,395호 "밀봉 벽 구조물 및 이 구조물을 구비한 탱크(Sealed wall structure and tank furnished with such a structure)"에 개시되어 있다. LNG 운반선 화물창은 LNG 운반선을 구성하는 내벽(Inner hull)의 내측에 설치되며, 1차 방벽(Barrier), 1차 패널(Panel), 1차 단열층(Insulation layer), 2차 방벽, 2차 단열층과 2차 패널로 구성되어 있다. 1차 방벽은 LNG의 액밀성(Liquid tightness)을 갖는 복수의 금속 멤브레인으로 구성되어 있다. 금속 멤브레인들은 열변형(Thermal deformation)으로 인한 수축 및 팽창을 흡수하기 위하여 격자 형태의 주름(Corrugation)이 성형되어 있는 스테인리스스틸 시트(Stainless steel sheet)로 구성되어 있다. 금속 멤브레인들의 경계는 용접에 의하여 접합되어 있다.

상기한 바와 같은 종래 금속 멤브레인은 주름의 높이가 높을수록 열수축(Thermal shrinkage) 시 금속 멤브레인의 용접부에 발생하는 열응력(Thermal stress)의 크기는 감소하나, 주름의 외압 지지 성능(Outer pressure resisting capability)이 낮아지는 단점이 있다. 따라서 금속 멤브레인의 주름에 대한 외압 지지 성능의 향상이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 금속 멤브레인의 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은, 주름에 작용되는 외압 지지 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 진동 및 충격을 효과적으로 감쇠하여 신뢰성을 향상시킬 수 있는 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 따른 목적은, 압축성형에 의하여 용이하게 제조할 수 있는 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체가 제공된다. 본 발명에 따른 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체는, 윗면에 복수의 주름이 형성되어 있는 금속 멤브레인과; 복수의 주름에 가해지는 외압을 지지하도록 복수의 주름 안에 장착되어 있고, 아랫면이 개방되어 있는 압력 지지 구조물을 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체의 제조 방법은, 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인의 주름 안에 장착하여 외압을 지지하기 위한 압력 지지 구조물의 재료를 하부 금형의 캐버티 안에 넣는 단계와; 하부 금형의 캐버티와 압력 지지 구조물의 재료 사이 또는 압력 지지 구조물의 재료 위 중 한 곳 이상에 진동 및 충격을 감쇠할 수 있는 감쇠층의 재료를 넣는 단계와; 압력 지지 구조물의 재료 위에 진동 및 충격을 감쇠할 수 있는 감쇠층의 재료를 넣는 단계와; 압력 지지 구조물의 재료와 감쇠층의 재료를 상부 금형의 돌기에 의하여 가압하여 압력 지지 구조물과 감쇠층을 형성하는 단계와; 압력 지지 구조물과 감쇠층을 하부 금형의 캐버티로부터 분리하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체 및 그 제조 방법은, 금속 멤브레인의 주름 안에 개방 형태의 압력 지지 구조물이 장착되어 주름에 작용되는 외압을 지지함으로써, 외압 지지 성능을 크게 향상시키고, 진동 및 충격을 효과적으로 감쇠하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 금형을 이용하는 압축성형에 의하여 용이하게 제조되어 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 따라서 LNG를 저장하여 운반하기 위한 LNG 운반선 화물창에 유용하게 채택될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체가 일례로 LNG 운반선 화물창에 적용되어 있는 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 금속 멤브레인 조립체의 제조 방법을 설명하기 위하여 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 4의 금속 멤브레인 조립체의 제조 방법을 설명하기 위하여 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체의 또 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체의 또 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하, 본 발명에 따른 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체 및 그 제조 방법에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 금속 멤브레인 조립체(10)는 초저온 액체 저장 시스템의 일례로 LNG 운반선 화물창의 1차 방벽(20)을 구성하는데 사용될 수 있다. 금속 멤브레인(30)은 열변형으로 인한 수축 및 팽창을 흡수하기 위하여 표면에 돌출되도록 성형되어 있는 복수의 주름(32)을 구비한다. 주름(32)은 그 안쪽에 채널(Channel: 34)을 갖는다. 금속 멤브레인(30)은 스테인리스스틸 시트로 구성될 수 있다. 1차 방벽(20)의 구성을 위하여 복수의 금속 멤브레인(30)의 경계는 용접되어 있다.

LNG 운반선 화물창의 구성을 위하여 1차 패널(40)이 금속 멤브레인(30)의 이면에 장착되어 있다. 1차 패널(40)은 플라우드, 섬유강화 복합재료 시트((Fiber reinforced composite sheet) 등으로 구성될 수 있다. 1차 단열층(42)이 1차 패널(40)의 이면에 장착되어 있다. 1차 단열층(42)은 복수의 단열폼(Insulation foam), 예를 들면 폴리우레탄폼(Polyurethane foam)에 유리섬유(Glass fiber)를 보강한 강화 폴리우레탄폼(Reinforced polyurethane foam)으로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 금속 멤브레인 조립체(10)는 주름(32)에 가해지는 외압을 지지하도록 주름(32)의 안쪽에 장착되어 있는 압력 지지 구조물(Pressure resisting structure: 50)을 구비한다. 개방단부(52)가 채널(54)을 형성하도록 압력 지지 구조물(50)의 아랫면에 형성되어 있다. 즉, 압력 지지 구조물(50)은 주름(32)과 부합되도록 아랫면이 개방되어 있는 개방 형태의 개곡선(Open curve)로 구성되어 있다. 압력 지지 구조물(50)은 주름(32)에 가해지는 외압을 지지하여 주름(32)의 변형을 방지함으로써 신뢰성을 향상시키게 된다. 압력 지지 구조물(50)은 금속재료, 고분자재료(Polymer material), 복합재료 등으로 다양하게 구성될 수 있다. 금속재료는 알루미늄(Aluminum), 스테인리스 스틸, 티타늄(Titanium) 등의 시트(Sheet) 또는 플레이트(Plate)로 구성될 수 있다. 고분자재료는 폴리에스테르(Polyester), 에폭시(Epoxy), 폴리우레탄(Polyurethane) 등으로 구성될 수 있다.

한편, 복합재료는 섬유강화 복합재료(Fiber reinforced composite)로 구성되어 있다. 섬유강화 복합재료는 복수의 보강섬유가 매트릭스(Matrix)에 함침된 후 경화되어 구성된다. 보강섬유는 탄소섬유(Carbon fiber), 유리섬유(Glass fiber), 아라미드섬유(Aramid fiber) 등으로 다양하게 구성될 수 있다. 매트릭스는 에폭시수지(Epoxy resin), 폴리에스테르수지(Polyester resin), 페놀수지(Phenolic resin), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌 테레프타레이트(Polyethylene terephthalate, PET) 등으로 다양하게 구성될 수 있다. 섬유강화 복합재료는 다층으로 적층(Stacking)되어 압축성형(Compression molding), 진공백성형(Vacuum bag molding), 시트 몰딩 컴파운드(Sheet molding compound, SMC) 등에 의하여 압밀·경화되어 압력 지지 구조물(50)로 제조된다.

도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 압력 지지 구조물(50)은 금속 멤브레인(30)과 함께 금형(Mold: 70)에 의하여 일체형으로 압축성형된다. 금형(70)은 반원형 캐버티(Cavity: 72a)가 형성되어 있는 하부 금형(72)과, 반원형 돌기(74a)가 형성되어 있는 상부 금형(74)으로 구성되어 있다. 압력 지지 구조물(50)의 성형을 위하여 금속 멤브레인(30)의 주름(32)을 뒤집어서 하부 금형(72)의 캐버티(72a)에 넣고, 압력 지지 구조물(50)의 재료, 예를 들면 금속재료로 섬유강화 복합재료를 채널(34) 안에 넣는다. 상부 금형(74)의 돌기(74a)에 의하여 섬유강화 복합재료를 가압하면, 압력 지지 구조물(50)이 금속 멤브레인(30)과 일체형으로 성형된다. 몇몇 실시예에 있어서, 섬유강화 복합재료의 압축성형을 위하여 하부 및 상부 금형(72, 74)은 히터(Heater)의 작동에 의하여 예열할 수 있다.

도 4를 참조하면, 주름(32)의 내면과 압력 지지 구조물(50)의 외면 사이에 개재되어 진동 및 충격을 감쇠시키기 위한 감쇠층(Damping layer: 60)이 압력 지지 구조물(50)의 외면에 장착되어 있다. 감쇠층(60)이 압력 지지 구조물(50)의 외면에 부착되어 있는 것에 의하여 LNG의 공동 현상(Cavitation), 슬로싱(Sloshing) 등으로 인하여 발생되는 충격을 효과적으로 감쇠시킬 수 있다.

도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 압력 지지 구조물(50)과 감쇠층(60)은 금형(70)에 의하여 압축성형된다. 압력 지지 구조물(50)과 감쇠층(60)의 성형을 위하여 감쇠층(60)의 재료, 예를 들면 폴리에스테르, 폴리우레탄 등의 고분자재료를 캐버티(72a)의 내면에 넣고, 고분자재료의 표면에 배치되도록 압력 지지 구조물(50)의 재료, 예를 들면 금속재료로 스테인리스 스틸 시트를 넣는다. 이때, 감쇠층(60)은 고분자 필름(Polymer film) 또는 시트로 구성될 수 있다. 계속해서, 고분자재료와 금속재료를 캐버티(72a) 안에 투입한 후, 상부 금형(74)의 돌기(74a)에 의하여 섬유강화 복합재료와 고분자재료를 가압하면, 압력 지지 구조물(50)과 감쇠층(60)이 성형된다. 몇몇 실시예에 있어서, 압력 지지 구조물(50)과 감쇠층(60)은 금속 멤브레인(30)의 주름(32) 안에 일체형으로 성형될 수 있다.

도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 마찰저감층(80)이 감쇠층(60)의 표면에 추가로 형성되어 있다. 마찰저감층(80)은 주름(32)과 감쇠층(60)의 마찰에 의한 손상을 방지한다. 마찰저감층(80)은 캐버티(72a)에 감쇠층(60)의 재료를 넣기 이전에 마찰계수가 낮은 재료를 넣어 감쇠층(60)과 함께 성형할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 압력 지지 구조물(50), 감쇠층(60)과 마찰저감층(80)은 금속 멤브레인(30)의 주름(32) 안에 일체형으로 성형될 수 있다. 또한, 마찰저감층(80)은 감쇠층(60) 대신에 압력 지지 구조물(50)의 표면에 형성될 수 있다. 마찰저감층(80)은 약 100㎛ 크기의 열가소성수지 입자 또는 시트, 자체윤활 입자 등으로 다양하게 구성될 수 있다. 열가소성수지는 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluorethylene, PTFE), 폴리에테르에테르케톤(Polyetheretherketone, PEEK), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리스틸렌(Polystyrene, PS), 폴리프로필렌(Ppolypropylene, PP), 나일론(Nylon) 등이 사용될 수 있다. 자체윤활 입자는 나노미터 또는 마이크로미터 크기의 미세한 탄소입자, 탄소나노튜브, 흑연입자, 산화몰리브덴(MoS₂) 등을 사용할 수 있다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 금속 멤브레인(30)은 압력 지지 구조물(50)의 내면에 장착되어 있는 진동 절연 구조물(Vibration isolation structure: 90)을 더 포함한다. 진동 절연 구조물(90)은 압력 지지 구조물(50)의 안쪽에 배치되어 있는 볼록부(92)와, 볼록부(92)의 양단으로부터 사인 파형(Sine wave)으로 연장되어 있는 파형부(94)로 구성되어 있다. 진동 절연 구조물(90)은 고분자재료, 복합재료로 구성될 수 있다. 진동 절연 구조물(90)은 압력 지지 구조물(50), 감쇠층(60), 마찰저감층(80)과 함께 성형될 수 있다. 진동 절연 구조물(90)은 감쇠층(60)과 마찬가지로 충격 및 진동을 저감시키게 된다.

또한, 진동 절연 구조물(90)의 파형부(94)는 금속 멤브레인(30)과 1차 패널(40)의 마찰에 의한 손상을 방지한다. 강성(Stiffness)이 낮은 재료, 예를 들면 고분자재료 직물, 유리섬유 매트(Glass fiber mat) 등으로 압력 지지 구조물(50)과 진동 절연 구조물(90)이 제조되어 있는 경우, 압력 지지 구조물(50)과 진동 절연 구조물(90)은 열응력을 감소시키는 열응력 감소층으로 작용하여 LNG 운반선 화물창의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 금속 멤브레인(30)의 이면이 1차 패널(40)의 표면에 맞닿아 설치되는 경우, LNG의 누설 감지 및 화재 방지를 목적으로 사용하는 질소 등의 불연성 기체(Incombustible gas)는 주름(32)의 채널(34) 안을 따라 유동된다. 본 발명에 따른 금속 멤브레인 조립체(10)에 있어서 파형부(94)는 금속 멤브레인(30)과 1차 패널(40) 사이에서가 불연성 기체가 유동될 수 있는 통로(Passage)를 제공한다. 이와 같이 파형부(94)가 불연성 기체의 흐름을 위한 통로의 기능을 수행하는 것에 의하여 안전성을 향상시킬 수 있다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

10: 금속 멤브레인 조립체 20: 1차 방벽
30: 금속 멤브레인 32: 주름
40: 1차 패널 50: 압력 지지 구조물
52: 개방단부 60: 감쇠층
70: 금형 72: 하부 금형
74: 상부 금형 80: 마찰저감층
90: 진동 절연 구조물 94: 파형부

Claims

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초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인의 주름을 뒤집어서 하부 금형의 캐버티에 넣은 후, 상기 금속 멤브레인의 주름 안에 장착하여 외압을 지지하기 위한 압력 지지 구조물의 재료를 하부 금형의 캐버티 안에 넣는 단계;
상기 하부 금형의 캐버티와 상기 압력 지지 구조물의 재료 사이에 진동 및 충격을 감쇠할 수 있는 감쇠층의 재료를 넣는 단계;
상기 금속 멤브레인의 주름과의 마찰을 저감하도록 상기 하부 금형의 캐버티에 상기 감쇠층의 재료를 넣기 이전에 마찰저감층의 재료를 넣는 단계;
상기 압력 지지 구조물의 재료, 상기 감쇠층의 재료 및 상기 마찰저감층의 재료를 상부 금형의 돌기에 의하여 가압하여 압력 지지 구조물, 감쇠층 및 마찰저감층을 형성하는 단계; 및
상기 압력 지지 구조물, 상기 감쇠층 및 상기 마찰저감층을 상기 하부 금형의 캐버티로부터 분리하는 단계를 포함하는 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체의 제조 방법.
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제7항에 있어서,
상기 압력 지지 구조물의 재료, 상기 감쇠층의 재료 및 상기 마찰저감층의 재료를 상부 금형의 돌기에 의하여 가압하기 이전에 진동 및 충격의 감쇠할 수 있는 진동 절연 구조물의 재료를 넣는 단계를 더 포함하는 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 진동 절연 구조물은 상기 압력 지지 구조물의 안쪽에 배치되는 볼록부와, 상기 볼록부의 양단으로부터 불연성 기체의 흐름을 위한 통로를 제공하도록 사인 파형으로 연장되는 파형부를 갖도록 형성하는 초저온 액체 저장 시스템용 금속 멤브레인 조립체의 제조 방법.
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