KR101865673B1 - 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재 및 이를 이용한 선박의 저온 단열 화물창 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중앙이 비어 있는 테두리 프레임, 상기 테두리 프레임의 하부에 부착되는 하부 판, 및 상기 테두리 프레임의 상부에 부착되는 상부 판; 을 포함하는 금속박스; 상기 하부 판과 상기 상부 판 사이에서 일정한 간격을 가지면서 상기 금속 박스 내에 설치되는 단열재; 및 상기 금속박스의 공간 내에 충진되어 경화된 비발포성 폴리우레탄; 을 포함하며, 상기 비발포성 폴리우레탄은 상기 금속박스의 내면 및 상기 단열재의 표면과 기밀 접착된 것을 특징으로 하는 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재를 포함하여 건조되는 선박의 저온 단열 화물창으로서, 상기 단열 구조재는 화물창의 일부를 이루는 것을 특징으로 하는 선박의 저온 단열 화물창 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.

Description

비발포성 폴리우레탄 단열 구조재 및 이를 이용한 선박의 저온 단열 화물창{NON-FOAM POLYURETHANE TYPE INSULATION AND STRUCTURAL COMPONENTS, AND INSULATION CARGO TANK OF LOW TEMPERATURE USING THE SAME}
본 발명은 바람직하게는 중앙이 비어 있는 테두리 프레임, 상기 테두리 프레임의 하부에 부착되는 하부 판, 및 상기 테두리 프레임의 상부에 부착되는 상부 판; 을 포함하는 금속박스; 상기 하부 판과 상기 상부 판 사이에서 일정한 간격을 가지면서 상기 금속 박스 내에 설치되는 단열재; 및 상기 금속박스의 공간 내에 충진되어 경화된 비발포성 폴리우레탄; 을 포함하며, 상기 비발포성 폴리우레탄은 상기 금속박스의 내면 및 상기 단열재의 표면과 기밀 접착된 것을 특징으로 하는 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재를 포함하여 건조되는 선박의 저온 단열 화물창으로서, 상기 단열 구조재는 화물창의 일부를 이루는 것을 특징으로 하는 선박의 저온 단열 화물창 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
일반적으로 복합 라미네이트 구조재는 금속재의 상부 판 및 하부 판 사이에 엘라스토머(elastomer)를 주입하여 제작하는 것으로, 건축물의 콘크리트 구조재 및 조선 분야의 철구조재를 대체하는 구조재로 사용되고 있다.
특허등록 제10-0742033호 공보에는 종래 복합 라미네이트 구조재가 개시(開示)되어 있다.
도 1은 상이한 형태의 종래 복합 라미네이트 구조 건축물의 측단면도이고, 도 2는 동일한 형태의 종래 복합 라미네이트 구조 건축물의 종단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래 복합 라미네이트 구조재는 제1 내면과 제1 외면이 있는 제1 금속 층(1); 제2 내면과 제2 외면이 있으며, 제1 금속 층과 이격 배치되는 제2 금속 층(2); 제1 내면 및 제2 내면 사이에 위치한 폼(10); 및 폼(10)에 의해 점유되지 않은 제1 내면 및 제2 내면 사이의 공간에 위치되고 제1 내면 및 제2 내면에 부착되는 엘라스토머로 구성된 중간층(20)을 포함한다. 여기서 엘라스토머는 플라스틱이나 폴리머 물질(plastics or polymer material)을 의미한다.
폼(10)에 의해 점유되지 않은 공간은 엘라스토머인 중간층(20)으로 충전(充塡)된다.
폼(10)은 인터커넥터(12)에 의해 상호 연결된 수개의 서브섹션(11)을 포함한다.
폼(10)은 금속 층(1,2)과, 또는 엘라스토머와 반응하지 않는 임의 종류의 경량발포제, 예를 들면 폴리우레탄(PU) 폼으로 제조될 수 있다. 폼은 밀도가 20kg/m3보다 큰 폴리프로필렌 반-경질 폼이다. 중간층(20)은 자기 중량보다 현저히 큰 하중을 지탱할 수 있도록 엘라스토머를 사용한다.
그러나 종래 복합 라미네이트 구조재는 다음과 같은 문제들이 있다.
첫째, 종래 복합 라미네이트 구조재는, 하중과 충격만을 고려하여 제조된 구조재로서 단열을 위한 단열재로는 사용할 수 없는 한계가 있다. 즉, 금속 박스를 구성하는 제1 금속 층(1)과 제2 금속 층(2)이 상대적으로 고밀도인 엘라스토머의 중간층(20)에 접착 연결된 구조이므로, 열교 현상이 제1 금속 층(1)과 제2 금속 층(2) 전면에서 발생한다. 다시 말해서, 종래 복합 라미네이트 구조재는 그 구조상, 제1 금속 층(1)과 제2 금속 층(2)의 열전도율이 매우 높으므로, 단열재로서의 기능은 엘라스토머(elastomer)인 중간층(20) 및 내부 부속물에 의해서만 이루어진다. 하지만, 일반적으로 사용되는 엘라스토머의 열전도율(k-value)은 약 0.1774 W/m·K (20℃ 기준)로, 에어로젤이나 진공단열재와 같은 단열재와는 비교조차 되지 않으며, 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 유기 및 무기 단열재(열전도율 0.030~0.045 W/m·K)에 비해서도 단열성능이 현저히 떨어지므로, 단열재로 사용하기에는 적합하지 않다.
둘째, 종래 복합 라미네이트 구조재는, 폼(10)과 인터커넥터(12)와 서브섹션(11)의 높이 및 폭이 불규칙하게 형성되므로, 폴리우레탄 폼 주입시 주입공정이 매우 힘들고 주입시간이 많이 소요되는 단점이 있으며, 또한 폼(10)과 인터커넥터(12)와 서브섹션(11) 공간 안에 데드 존(dead zone)이 발생하여서 의도하지 않은 캐비티(cavity)가 생겨 복합 라미네이트 구조재 자체의 강성을 떨어뜨리는 문제가 있다.
셋째, 종래 복합 라미네이트 구조재는, 폼(10)이 인터커넥터(12)에 의해 서브섹션(11)과 상호 연결되는 구조로, 폼(10)과 인터커넥터(12)와 서브섹션(11)의 높이 및 폭이 불규칙적으로 형성되므로, 균일한 충격흡수가 요구되는 구조재로는 적합하지 않다.
다시 말해서, 폼(10)의 폴리우레탄(PU) 폼은 중간층(20)의 엘라스토머보다 상대적으로 저가(低價)의 재질이므로 제조비용 절감 측면에서는 유리하지만, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 금속 층(1)에 가해지는 하중이 제2 금속 층(2)으로 전달될 때에, 폼(10)과 인터커넥터(12)와 서브섹션(11)의 높이 및 폭이 불규칙하게 형성되어 있기 때문에, 각 위치 (a), (b), (c), (d)에서의 충격흡수 하중이 상이하게 존재하여서 충격흡수 및 피로하중의 불균형을 초래함으로써, 복합 라미네이트 구조재 전체의 충격흡수 성능을 취약하게 하고, 피로 균열을 유발하는 문제가 있다.
한편, 종래 대부분의 단열재는 구조재 및 마감재로서의 특성이 없다. 따라서, 콘크리트, 목재, 철 구조와 같은 기본 구조재 시공이 선행되어야 하며, 단열재 보호 및 기밀 유지를 위해서 주의가 요하는 시공 작업 및 추가 마감재 작업이 요구된다.
열전도율 0.010 W/m·K 이하의 대표적 단열재는 에어로젤 단열재 및 진공단열재가 있다. 이러한 단열재들은 낮은 열전도율로 인해 기존의 유기 및 무기 단열재와 비교하여 월등히 얇은 두께로도 동일한 단열 효과를 기대할 수 있다. 하지만, 이들 모두 구조재로서의 기능은 미미하므로, 반드시 구조재를 먼저 시공한 후 별도로 상당한 주의가 요구되는 단열재 부착 시공을 하여야 그 기능을 발휘할 수 있으며, 대부분의 단열재는 단열재 보호를 위한 추가적인 마감재 공사도 요구된다.
특히, 진공단열재의 경우는, 충격에 매우 취약하며 기밀이 조금이라도 파손될 경우, 지속적인 가스 유입/유출로 단열 성능이 현저히 떨어질 수 있기 때문에 시공 및 마감 작업에 각별한 주의가 요구되며, 설치 이후에도 못이나 나사를 박을 수 없는 여러가지 제한 들이 수반된다.
또한, 진공단열재의 경우는, 단열재 자체의 내부 진공유지가 매우 중요하다. 하지만, 진공단열재의 얇은 외피는 근본적으로 외부 충격에 취약하다. 실제로, 시공 중에 발생하는 충격으로 인해서, 단열재가 부분 파손이 발생하는 경우가 빈번하며, 이를 통한 가스 유입/유출로 단열 성능이 현저히 떨어질 수 있다.
또한, 미세한 틈을 통해서 지속적인 가스 유입/유출이 발생할 수 있기 때문에 내구성이나 성능 유지 측면에서 근본적인 문제가 있다.
또한, 기존의 단열재는 운반, 설치 및 유지의 목적상 액체, 젤 타입, 기체 형태의 비정형 단열재로는 사용이 어렵기 때문에 대부분 고체형태로 제한되는 문제가 있다.
최근에 중대형 LPG 운반선의 이러한 문제를 해결하기 위해 고려해 볼 수 있는 통상적인 방법은 아래와 같지만 모두 근본적인 문제가 있기 때문에 적용 불가하다.
1) 화재에 취약한 폴리우레탄 폼을 사용하지 않기 위해서 저온식이 아닌 압력식 탱크 구조로 바꿀 경우, 압력 유지를 위한 막대한 선체 보강 작업이 요구되므로, 선박의 크기가 매우 커지고 구조도 복잡해지므로 경제성이 전혀 없다.
2) 기존의 복합 라미네이트 구조 기술을 적용하여 일체형 탱크 구조를 만드는 방식은, 단열성능이 없기 때문에 탱크 내부 온도 유지가 불가능하므로 적용이 불가하다.
3) 폴리우레탄 폼 및 단열 보호재 시공을 탱크 내부, 즉 액체 화물과 접하는 구역 쪽에서 실시하는 방식은, 액체 화물이 가하는 엄청난 하중을 충격에 약한 단열재가 지탱할 수 없기 때문에 적용이 불가하다.
4) 멤브레인 또는 Semi-멤브레인 방식을 적용할 경우, 공간 활용 측면에서 매우 유리하다. 이 경우, 통상적인 멤브레인 방식의 LNG 운반선과 유사한 방식으로 탱크 구조가 제작되게 된다.
하지만, 통상적인 멤브레인 시공법은 선체 내부의 단열재 시공 후 단열재 보호 및 액체 화물 하중 지지를 위한 탱크 내부의 금속 피복 작업이 요구되는 데, 이 작업은 고도의 기술이 요구되는 방식으로 막대한 공수와 시간이 요구되므로, 경제성이 현저히 떨어진다.
5) 독립 탱크 삽입 방식이 아니라 일체형 탱크 구조를 사용하고 일차 방벽과 이차 방벽 사이에 단열시공을 할 경우는, 단열 시공을 위해서 발포용 호스가 움직이고 환기를 위한 상당한 공간이 요구되므로, 기존의 독립형 탱크 방식보다 훨씬 더 큰 사각공간(Dead Space)이 발생하게 되므로 경제성이 전혀 없다.
현재까지 구조 성능과 단열 성능을 갖는 단열 구조재(또는 복합 판넬)에 대한 기술이 미비하고, 공개된 대부분의 단열 구조재가 종전의 문제점을 그대로 갖고 있어 큰 하중과 저온의 액화가스를 저장하는 화물창에는 적용하지 못하는 기술적 한계가 있다.
국내 공개특허 제10-2002-0049020호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 특히, 저온 탱크인 LPG 화물창에 사용하기 위한 것으로서,
금속재질의 중앙이 비어 있는 테두리 프레임, 상기 테두리 프레임의 하부에 부착되는 하부 판, 및 상기 테두리 프레임의 상부에 부착되는 상부 판; 을 포함하는 금속 박스 내부의 중간 위치에 단열재를 설치하고, 상기 금속박스의 내부 공간에 비발포성 폴리우레탄을 충진하고 경화시켜서, 상기 비발포성 폴리우레탄이 상기 금속박스의 내면 및상기 단열재 표면에 강하게 기밀 접착되도록 함으로써, 구조재의 기능과 단열재의 기능을 동시에 가질 수 있도록 하는 것이다.
본 발명은 중앙이 비어 있는 테두리 프레임, 상기 테두리 프레임의 하부에 부착되는 하부 판, 및 상기 테두리 프레임의 상부에 부착되는 상부 판; 을 포함하는 금속박스; 상기 하부 판과 상기 상부 판 사이에서 일정한 간격을 가지면서 상기 금속 박스 내에 설치되는 단열재; 및 상기 금속박스의 공간 내에 충진되어 경화된 비발포성 폴리우레탄; 을 포함하며, 상기 비발포성 폴리우레탄은 상기 금속박스의 내면 및 상기 단열재의 표면과 기밀 접착된 것을 특징으로 하는 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재를 포함하여 건조되는 선박의 저온 단열 화물창으로서, 상기 단열 구조재는 화물창의 일부를 이루는 것을 특징으로 하는 선박의 저온 단열 화물창 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
종래의 단열재와 대비하여, 본 발명에서 비발포성 폴리우레탄은, 단열재를 외부 충격으로부터 보호하고 구조적 강성(구조재로서의 기능)을 유지하기 위하여 금속박스의 내부 공간 안으로 주입 후 경화되어 금속박스의 내부 면 및 단열재의 표면에 기밀하게 접착된다. 여기서, 기밀 접착은 비발포성 폴리우레탄이 경화되면서 금속박스의 내부 전체 면에 완전 밀착하여 부착, 접합 내지는 접착하며, 단열재의 주위를 감싸서 가스 출입이 없앨 수 있다.
이와 같은 비발포성 폴리우레탄이 금속박스 내면에 강하게 밀착 결합함에 따라서 단열재의 상하로 작용하는 힘에 대하여 금속의 테두리가 구조적 역할을 수행할 뿐만아니라 폴리우레탄도 금속박스의 내면과의 접착력에 의하여 구조적 역할을 수행할 수 있다. 이러한 측면에서 상기 비발포성 폴리우레탄은 약 700kg/㎥ 이상, 바람직하게는 1000kg/㎥ 정도의 밀도를 가지며, 또한, 250MPa보다 큰 탄성계수와, 20MPa 이상의 인장압축 강도를 가진다. 그리고 금속재질의 상, 하부 판과 비발포성 폴리우레탄 간의 접합강도는 3MPa 이상, 바람직하게는 3MPa 내지 15MPa로 할 수 있다. 상기 접합강도가 일정 수준 이상이 되어야 금속박스의 중간에 단열재가 위치하여도 금속박스의 내면과 폴리우레탄의 접착력에 의하여 구조재로의 역할이 가능하다.
상기 단열재는 진공단열재, 에어로젤 단열재, 유기 단열재, 무기 단열재, 및 비정형 타입 단열재로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 바람직하게는 진공단열재이다. 또한, 상기 단열재는 수평방향으로 균일한 두께를 가지는 단열재인 것이 바람직하다. 수평방향으로 균일한 두께를 가지면, 구조적으로 균일한 압력하중을 지탱할 수 있기 때문에 구조재로서의 특성이 강화된다.
본 발명에서 비발포성 폴리우레탄은 단열재 표면에 기밀 접착하여 단열재를 보호하기 때문에 단열재의 파손의 우려가 없다. 따라서, 상기 단열재가 기체, 액체, 젤 타입의 단열재 등과 같은 비정형 단열재인 경우에도 단열재가 안정적으로 보호될 수 있다. 또한, 본 발명에서 폴리우레탄은 발포성 수지나 폴리우레탄 폼과 달리 경화된 수지 내에 기포를 포함하고 있지 않기 때문에 특히 단열재가 진공단열재인 경우에는 상기 단열재의 진공도를 거의 영구히 유지할 수 있는 장점이 있다.
상기 진공단열재의 열전도율(W/m·K, 20℃ 기준)은 0.0045 이하인 것이 바람직하다.
상기 비발포성 폴리우레탄은 폴리에틸렌(LDPE)계 탄성 중합체의 합성수지인 엘라스토머가 바람직하다.
상기 해양구조물용 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재의 제조시에, 상기 단열재를 상기 하부 판과 상기 상부 판 사이에서 일정한 간격을 유지하기 위하여 간격 유지수단을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 간격 유지수단은, 상기 테두리 프레임에 상기 단열재의 끝단 부를 지지하기 위한 단턱이 형성되거나, 상기 하부 판 및 상부 판 중 하나 이상과 상기 단열재 사이에 설치되는 지지재일 수 있다. 상기 지지재는 수지재로 만들 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 중앙이 비어 있는 테두리 프레임에 상기 테두리 프레임의 하부에 하부 판을 부착하는 단계; 단열재를 상기 하부 판과 일정한 간격을 두고 상기 테두리 프레임 내에 위치시키는 단열재 위치단계; 상기 테두리 프레임 상부에 상부 판을 부착하는 단계; 및 비발포성 폴리우레탄을 상기 상부 판, 하부 판 및 테두리 프레임으로 구성된 금속박스 내에 충진(충전,充塡)하고 경화시켜서 상기 비발포성 폴리우레탄이 상기 금속박스 내면 및 상기 단열재 표면에 기밀 접착하는 단계를 포함하는 해양구조물용 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재의 제조방법을 제공한다.
상기 금속박스에 폴리우레탄을 충진할 때에는, 상기 금속박스의 일 측면에 구멍을 형성하고 그 구멍에 폴리우레탄을 주입할 수 있다. 상기 테두리 프레임이 구조재로서의 지지 기능을 한다는 측면에서 상부 판 및 하부 판 중 하나 이상에 구멍이 형성될 수 있다. 상기 구멍은 폴리 우레탄의 충진 이후에 용접 등의 방법으로 메워지는 것이 바람직하다.
상기 금속박스를 이루는 금속의 재질은 비발포성 폴리우레탄과 강한 접착력을 제공하고, 또 구조재로서의 기능을 할 수 있는 범위 내에서 선택이 가능하다. 다만, LPG 탱크와 같이 저온 유체를 저장하는 용도로 사용될 경우에는 저온 유체와 접축하는 부분은 저온강을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 금속박스를 형성할 때에는 용접 등의 방법을 이용할 수 있는데, LPG 탱크와 같이 기밀성을 요하는 부분에 사용할 경우에는 기밀접합에 적합한 방법을 이용하여야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 단열 구조재는, 금속 박스공간 안에서 하부 판, 테두리 프레임, 그리고 상부 판의 내측 면에 비발포성 폴리우레탄이 완전 밀착하여 접착(부착 혹은 접합)되므로, 이와 같은 강력한 접착구조에 의해서 단열재의 보호 기능이 우수할 뿐만 아니라 뛰어난 구조 성능을 구비한다.
또한, 비발포성 폴리우레탄이 기밀 접착으로 단열재의 주위를 감싸 보호하므로, 비정형 단열재, 특히 진공 단열재의 경우는, 가스 출입이 발생하지 않게 되므로, 장기간 사용시에도 단열 성능 저하 없이 그대로 단열 성능을 유지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 고성능 단열 구조재가 적용된 LPG 운반선 화물창은, 독립 탱크 삽입 방식이 아니라 선체에 직접 시공하는 방식이기 때문에, 기존의 독립 탱크와 선체 사이에 발생하는 엄청난 사각공간을 없앨 수 있어 공간 효율이 대폭 증가한다.
특히, 기존 84K LPG 운반선 화물창의 구조 성능 및 단열 성능을 만족하는 고성능 단열 구조재의 두께는 “저온용 철판인 상부 판(6T)- 상부 비발포성 폴리우레탄(15T)-단열재(20T)- 하부 비발포성 폴리우레탄(15T)- 저온용 철판인 하부 판(6T)”으로 설계할 수 있는데, 이러한 설계에서는, 사각공간이 없어지고 기존의 PUF 시공 두께(약, 120mm)와 단열 보호재의 시공두께가 얇아지면서 엄청난 추가 탱크 공간 확보가 가능하다.
기존의 선형을 유지하는 경우는 화물창 용적이 약 20~25% 증가하거나, 기존의 화물창 크기(DWT 84K)를 유지하는 경우는 선체의 전체 사이즈(폭, 길이, 높이 등)가 대폭 감소하기 때문에 약 5~10% 정도의 선박의 경량화 및 선형 계수 감소로 인해서 10~20% 이상의 연료 소비량 감소 효과도 기대할 수 있다.
LPG 운반선 화물창 제작시 화재 위험을 근본적으로 해결할 수 있다.
비발포성 폴리우레탄인 폴리우레탄은 폴리우레탄 폼에 비해 월등히 방화 성능이 우수하며, 특히 폴리우레탄 자체가 금속 박스공간(테두리 프레임과 상, 하부 판에 의해 형성된 내부 공간)안에 밀봉되기 때문에 직접적인 화기와의 노출이 원천 차단된다.
기존의 독립 탱크 삽입 방식의 경우는, 독립 탱크 자체도 상당한 구조 시공이 요구되고 독립 탱크를 지탱하는 선체도 막대한 구조 시공이 요구되나, 본 발명의 경우는 하나의 선체구조를 사용하기 때문에, 즉 사이드 쉘에 인너 헐을 설치하는 대신에 단열 구조재를 직접 사이드 쉘(외판)에 시공하는 단순 구조로 인해서 막대한 제작비 감소 효과가 있다.
LPG 운반선 화물창 제작시 특수 저온 철판 사용량이 감소하여 제작비용이 대폭 절감된다.
LPG 탱크 온도는 통상 영하 50℃~55℃ 정도로 유지되므로, 일반 철판보다 가격이 높은 특수 저온강을 사용하여 독립 탱크 전체를 제작해야 한다. 하지만, 본 발명의 경우는, 액화가스와 접촉하는 상부 판은 특수 저온강을 사용하여야 하지만, 액화가스와 접촉하지 않는 하부 판은 일반 철판을 사용할 수 있는 구조이기 때문에 고가의 특수 저온강의 사용량이 약 반으로 감소하게 된다.
또한, 두께에 있어 종래 독립 탱크 구조 두께가 12T일 경우, 본 발명의 경우는, 특수 저온용 철판 6T 및 일반 철판 6T만 소요되므로, 제작비용이 대폭 절감된다.
도 1은 상이한 형태의 종래 복합 라미네이트 구조 건축물의 측 단면도
도 2는 동일한 형태의 종래 복합 라미네이트 구조 건축물의 종단면도
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재를 도시한 분리 사시도
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재를 도시한 결합 사시도
도 5는 도 4의 I-I선 단면도
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재의 변형 예를 도시한 평면도
도 7은 도 6의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도
도 8은 복수 개의 단위체로 구성된 플렉서블 복합단열재의 밴딩을 보인 단면도
도 9는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재의 다른 변형 예를 도시한 분리 사시도
도 10은 도 9의 종단면도
도 11은 또 다른 변형 예를 보인 종단면도
도 12는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재 제조방법을 설명하는 블록도
도 13은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재를 도시한 분리 사시도
도 14는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재를 도시한 결합 사시도
도 15는 도 14의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도
도 16은 도 15의 변형 예를 도시한 종단면도
도 17은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재를 도시한 종단면도
도 18은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재 제조방법을 설명하는 블록도
도 19는 열교 차단 부재와 단열 시트를 도시한 종단면도
도 20은 본 발명의 고성능 단열 구조재가 적용된 중대형 LPG 운반선 화물창을 도시한 단면도
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재 및 그 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재를 도시한 분리 사시도, 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재를 도시한 결합 사시도, 도 5는 도 4의 I-I선 단면도, 도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재의 변형 예를 도시한 평면도, 도 7은 도 6의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도, 도 8은 복수 개의 단위체로 구성된 플렉서블 복합단열재의 밴딩을 보인 단면도, 도 9는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재의 다른 변형 예를 도시한 분리 사시도, 도 10은 도 9의 종단면도, 및 도 11은 또 다른 변형 예를 보인 종단면도이다.
우선, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재(100)는 하측에 수평으로 위치하는 하부 판(110); 하부 판(110)의 상면의 테두리 부분에 설치되는 테두리 프레임(120); 하부 판(110)의 상측에 수평으로 위치하며, 양단부가 테두리 프레임(120)의 상면에 고정되는 상부 판(130); 하부 판(110)과 상부 판(130) 사이에 설치되는 단열재(140); 하부 판(110)과 단열재(140) 사이의 공간에 충전되는 하부 엘라스토머(150); 및 상부 판(130)과 단열재(140) 사이의 공간에 충전되는 상부 엘라스토머(160)를 포함한다. 엘라스토머는 플라스틱이나 폴리머 물질(plastics or polymer material)을 의미하는데, 본 발명에서는 비발포성 폴리우레탄을 의미한다. 상기 단열재(140)의 폭에 따라서 상부 및 하부 엘라스토머는 연결될 수도 있고, 상기 단열재에 의하여 별도로 분리될 수도 있다.
하부 판(110)과 상부 판(130)은 강성과 단열을 유지하면서도, 상부 엘라스토머(160) 및 하부 엘라스토머(150)와의 접착성을 고려한 다양한 재질을 모두 사용할 수 있는데, 바람직하게는 금속재질로 하는 것이 가장 좋다. 하부 판(110)과 상부 판(130)은 길이가 1-10m, 폭이 0.5-5m, 두께가 3-30㎜일 수 있다.
하부 판(110)과 상부 판(130)의 표면은 편평할 수도 있지만, 굴곡지게 형성될 수도 있고, 엠보싱 형태로 형성될 수도 있다.
테두리 프레임(120)은 하부 엘라스토머(150)와 상부 엘라스토머(160)의 주위 전체를 둘러싸도록 위치되며, 그 형상은 중실 구조에 한정되지 않으며, 중공의 채널구조 등으로도 변경 가능하다.
본 발명의 단열재(140)는 두께가 5-30㎜일 수 있으며, 수평방향으로 균일한 두께를 가지는 특징이 있다.
단열재(140)의 균일 두께에 의하여 금속재질의 상부 판(130)에서 하부 판(110)으로 하중이 전달될 때에, 단열재(140)의 각 위치(도 1 참조)에서의 충격흡수 하중이 균일하게 존재하여서 충격흡수 및 피로하중의 균형을 유지함으로써, 본 발명의 구조재 전체의 충격흡수 성능을 향상시키고, 피로 균열을 방지하는 효과가 있다.
본 발명의 단열재로는 진공단열재는 물론, 에어로젤 단열재, 또는 슬림의 유기 단열재, 및 무기 단열재 등을 포함할 수도 있으며, 기존에 사용되기 어려운 비정형 타입 단열재(기체, 액체, 젤 타입의 단열재)도 사용할 수 있다.
진공단열재는 양면에 금속판이 형성되고, 그 금속판 사이에 진공단열 부가 형성된 공지기술 등으로 구성될 수 있다. 에어로젤 단열재, 또는 슬림(slim)의 유기 단열재, 및 무기 단열재도 공지기술 등으로 구성될 수 있다.
진공단열재의 열전도율(W/m·K, 20℃ 기준)은 0.0045 이하로 한다.
에어로젤 단열재는 Aspen aerogels, Thermablok을 포함하며, 열전도율(W/m·K, 20℃ 기준)은 0.000020 이하로 한다.
참고로, 열전도율과 열관류율이 낮을수록 단열성능이 높고, 열저항이 높을수록 단열성능이 높게 된다.
본 발명의 단열재로 사용할 수 있는 단열재는 아래 표 1과 같다.
분류 대표 제품 또는 대표 제조사 열전도율(W/m·K @ 20℃)
에어로젤 단열재 Aspen aerogels, Thermablok 0.000020 이하
진공단열재 브이팩, 에너백, 하이퍼백 등 0.0045 이하
무기 단열재 FS 일반 0.025 수준
그라스울 0.034~0.038
미네랄울 0.036~0.038
유기 단열재 XPS 0.270~0.031 수준
EPS 2종 0.031~0.034 수준
EPS 1종 0.036~0.043 수준
폴리에스테르 0.034~0.045 수준
또한, 하부 엘라스토머(150)와 상부 엘라스토머(160)는 탄성률(E)이 최저 예상 온도, 조선 적용의 경우는, 5000MPa 미만으로 하여 지나치게 강성을 띠지 않도록 하는 것이 일반적이다.
또한, 하부 엘라스토머(150)와 상부 엘라스토머(160)는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 일체로 형성되는 구성이거나, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 개별로 형성되는 구성 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
하부 엘라스토머(150)와 상부 엘라스토머(160)가 개별로 형성되는 경우에는 하부 엘라스토머(150)와 상부 엘라스토머(160)의 밀도와 성분이 상이하게 구성될 수도 있다.
이와 같이 하부 엘라스토머(150)와 상부 엘라스토머(160)의 밀도를 상이하게 하는 이유는, 하부 판(110)에 접하는 부분과 상부 판(130)에 접하는 부분의 단열을 달리해야 하는 곳에 사용할 경우, 그에 맞게 하부 엘라스토머(150)와 상부 엘라스토머(160)의 밀도 및 성분을 상이하게 구성함으로써, 상면과 하면의 설계하중 온도 및 조건이 다른 경우가 발생하기 때문이다. 따라서 각 설계조건에 맞는 최적의 성분을 갖는 엘라스토머를 배치함으로써 최적의 구조 및 단열성능을 발휘할 수 있다.
대부분의 단열재는 내부에 작은 기포들이 포함되어 있는 고체이다. 하지만, 열역학적 측면에서 보면, 고체보다는 비정형성 물질인 액체, 젤 및 기체로 단열재를 제작하는 것이 훨씬 더 좋다. 고체의 열전도 계수는 액체의 열전도 계수보다 크며, 액체의 열전도계수는 기체의 열전도 계수보다 약 100배 이상 더 크지만, 운반, 시공 및 유지 보수의 측면에서 큰 단점이 존재하여 비정형성 단열재는 거의 사용되지 않는다.
하지만, 도 5의 (c에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 기존에 사용되기 어려운 비정형 타입 단열재(기체, 액체, 젤 타입의 단열재)(140)도 손쉽게 적용 가능하다. 즉, 에어 매트와 같은 플렉서블 용기(flexible vessel)에 비정형성 단열 물질을 주입하여 임시 비정형 단열재를 만들어 적용하면 손쉽게 비정형성 단열재로도 본 발명의 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재를 제작할 수 있다. 즉, 순차적으로 하부 판(110)을 설치하고, 그 하부 판(110) 위에 테두리 프레임(120)을 설치하며, 하부 판(110)의 상면에 하부 지지재(171)를 설치하고, 임시의 비정형 단열재(140)를 삽입한 후, 그 플렉서블 용기의 상면에 상부 지지재(172)를 설치하고, 하부 및 상부 엘라스토머(150)(160)를 주입하는 방식으로 제작할 수 있다. 상기 지지재는 본 발명의 단열 구조재를 제조할 때, 단열재를 금속박스 내에 일정한 높이(중간이 바람직)로 위치시키기 위하여 사용하는 간격 유지수단이다. 제조과정에서 하부에 하나만 있어도 된다.
비정형 타입의 단열재(140)를 엘라스토머(elastomer)가 주입 및 경화되는 시간(통상 약 4시간) 동안에, 어느 정도의 압력만 견딜 수 있는 플렉서블 용기에 담은 후, 고체 단열재와 같은 방식으로 수평방향(평면방향)으로 균일하게 배치한 후, 본 발명의 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재로 만들면, 내부의 유동형태의 비정형 단열재(140)가 금속 박스(상, 하부 판과 테두리 프레임이 이루는 공간) 및 상, 하부 엘라스토머(160,150)로 둘러싸여 보호될 수 있다. 플렉서블 용기는 합성수지 등을 포함한다.
또한, 단열재(140)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 단일체 구성될 수도 있고, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 복수 개의 단위체가 서로 연결된 복합체로 구성될 수도 있다.
금속재질인 하부 판(110)과 상부 판(130)은 열변형에 의한 거동(movement)이 수반되므로, 하중에 의한 밴딩 시에 복합체로 구성된 단열재(140)가 도 8에 도시된 바와 같이 여유있게 휘어져서 단열재(140)의 파손이나 손상을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 단열재(140)를 하부 판(110)과 상부 판(130) 사이의 공간에 일정간격을 유지하여 지지하는 구조는 도 3 내지 5에 도시된 지지재 구조, 또는 도 9 및 도 10에 도시된 단턱 구조일 수 있다.
도 3 내지 5에 도시된 바와 같이, 하부 판(110)과 단열재(140) 사이의 공간을 유지하기 위하여 제1 지지재(171)가 구비되고, 상부 판(130)과 단열재(140) 사이의 공간을 유지하기 위하여 제2 지지재(172)가 구비될 수 있다.
제1 지지재(171) 및 제2 지지재(172)의 설치 개수와, 서로 간의 설치간격은 도면에 표시된 것에 한정되지 않으며, 설계조건에 따라 변경될 수 있다. 제1 지지재(171) 및 제2 지지재(172)의 재질은 고밀도의 엘라스토머를 사용할 수도 있다.
또한, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 하부 판(110)과 단열재(140) 사이의 공간과, 상부 판(130)과 단열재(140) 사이의 공간을 유지하기 위하여, 테두리 프레임(120)의 상면에 단열재(140)의 끝단 부를 지지하기 위한 단턱(121)이 형성될 수도 있다.
또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 지지재(171,172) 구조와 단턱(121) 구조가 함께 적용됨으로써, 구조적 강도 및 안전성을 높일 수 있다.
한편, 이와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재(100) 제조방법은, 판상체로 형성된 하부 판(110)을 수평으로 설치하는 단계(S110); 하부 판(110)의 상면의 테두리 부분에 테두리 프레임(120)을 설치하는 단계(S120); 하부 판(110)과 상부 판(130) 사이의 공간에 단열재(140)를 수평으로 설치하는 단계(S130); 하측 판(110)의 상측에 수평으로 위치하도록 상부 판(130)의 양단부를 테두리 프레임(120)의 상면에 고정하는 단계(S140); 및 하부 판(110)과 단열재(140) 사이의 공간에는 하부 엘라스토머(150)를 충전하고, 상부 판(130)과 단열재(140) 사이의 공간에는 상부 엘라스토머(160)를 충전하는 단계(S150)를 포함한다. 상기 단계의 일부 변형도 가능하며, 상기 하부 판(110)과 상부 판(130) 사이의 공간에 단열재(140)를 수평으로 설치하는 단계(S130)는 지지재나 단턱을 이용할 수 있다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재(100) 제조방법에서는 하부 엘라스토머(150)와 상부 엘라스토머(160)를 개별로 충전하거나 일체로 충전하는 방법 중 어느 하나를 택일할 수 있다.
하부 엘라스토머(150)와 상부 엘라스토머(160)를 개별로 충전하는 경우에는 하부 엘라스토머(150)와 상부 엘라스토머(160)의 밀도를 상이하게 구성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 하부 판(110)에 접하는 부분과 상부 판(130)에 접하는 부분의 단열을 달리해야 하는 곳에 사용할 경우, 그에 맞게 하부 엘라스토머(150)와 상부 엘라스토머(160)의 밀도와 성분을 상이하게 구성함으로써, 상면과 하면의 설계하중 온도 및 조건이 다른 경우가 발생하기 때문이다. 따라서 각 설계조건에 맞는 최적의 성분을 갖는 엘라스토머를 배치함으로써, 최적의 구조 및 단열성능을 발휘할 수 있다.
하부 엘라스토머(150)와 상부 엘라스토머(160)를 일체로 충전하는 방법은 하부 엘라스토머(150)와 상부 엘라스토머(160) 양측에서 동시에 충전하거나 일측에서 충전할 수 있다.
한편, 도 13은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재를 도시한 분리 사시도, 도 14는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재를 도시한 결합 사시도, 도 15는 도 14의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도, 도 16은 도 15의 변형 예를 도시한 종단면도이다.
먼저, 도 13 내지 도 15를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재(200)는 하측에 수평으로 위치하는 하부 판(210); 하부 판(210)의 상면의 테두리 부분에 설치되는 테두리 프레임(220); 하부 판(210)의 상측에 수평으로 위치하며, 양단부가 테두리 프레임(220)의 상면에 고정되는 상부 판(230); 하부 판(210)과 상부 판(230) 사이에 설치되는 단열재(240); 하부 판(210)과 단열재(240) 사이의 공간에 충전되는 하부 엘라스토머(250); 및 상부 판(230)과 단열재(240) 사이의 공간에 충전되는 상부 엘라스토머(260)를 포함한다.
테두리 프레임(220)은 제1 테두리 프레임(221)과, 제1 테두리 프레임(221)과 서로 마주보게 결합하는 제2 테두리 프레임(222)으로 구성될 수 있다.
제1 테두리 프레임(221)과 제2 테두리 프레임(222)은 "ㄷ"자 단면 형상을 가지며, 단열재(240)의 양단부가 삽입되기 위한 지지 홈(220a)이 형성된다.
제1 테두리 프레임(221)과 제2 테두리 프레임(222)은, 하부 판(210)과 단열재(240) 사이에 위치하는 하부 수평부재(22); 상부 판(230)과 단열재(240) 사이에 위치하는 상부 수평부재(23); 하부 수평부재(22)와 상부 수평부재(23)를 연결하는 수직부재(24)로 구성될 수 있다.
하부 판(210)의 끝단 부는 하부 수평부재(22)의 하면 면적의 1/2 이하로 접하게 되고, 상부 판(210)의 끝단 부는 상부 수평부재(23)의 하면 면적의 1/2 이하로 접하게 하는 것이 열전도율 측면과 강도 측면에서 바람직하다(도 15 참조).
다시 말해서, 하부 판(210) 및 상부 판(210)과 테두리 프레임(220)의 연결면적을 최소한으로 구성하여 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재 자체의 강성을 유지하면서도 열전도율을 낮추어 단열성능을 높이도록 하는 것이 바람직하다.
수직부재(24)의 양 끝단은 하부 수평부재(22)와 상부 수평부재(23)의 끝단에 용접되는 구조가 바람직하다.
또한, 도 16에 도시된 바와 같이, 단열재(240)의 양단에 쿠션 부재(241)를 추가하여 금속재질인 하부 판(210)과 상부 판(230)의 밴딩과 수평방향 신축현상 발생 시에, 단열재(240)의 변형이나 파손을 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 도 17은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재를 도시한 종단면도이고, 도 18은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재 제조방법을 설명하는 블록도이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재(300)는 하측에 수평으로 위치하는 하부 판(310); 하부 판(310)의 상면의 테두리 부분에 설치되는 테두리 프레임(320); 하부 판(310)의 상방에 수평으로 위치하며, 양단부가 테두리 프레임(320)의 상면에 고정되는 상부 판(330); 하부 판(310)과 상부 판(330) 사이에 설치되는 단열재(340); 하부 판(310)과 단열재(340) 사이의 공간과, 상부 판(330)과 단열재(340) 사이의 공간에 설치되는 하, 상부 보이드 코어(일명, 버블 코어)(380)(390); 하부 판(310)과 단열재(340) 사이의 공간에 충전되는 하부 엘라스토머(350); 상부 판(330)과 단열재(340) 사이의 공간에 충전되는 상부 엘라스토머(360)를 포함한다. 본 발명의 보이드 코어는 탁구공과 같이 그 내부에 공간이 형성된 부재를 포함한다.
하부 판(310)과 상부 판(330)은 강성과 단열을 유지하면서도, 상부 엘라스토머(360) 및 하부 엘라스토머(350)와의 접착성을 고려한 다양한 재질이라면 모두 사용할 수 있는데, 바람직하게는 금속재질로 하는 것이 가장 좋다.
테두리 프레임(320)은 중실 구조에 한정되지 않으며, 중공의 채널구조 등으로도 변경 가능하다. 테두리 프레임(320)은 2개로 구성되는 것뿐만 아니라 4개로 구성될 수도 있다.
단열재(340)는 진공단열재는 물론, 에어로젤 단열재, 또는 슬림(slim)의 유기 및 무기 단열재 등을 포함한다.
진공단열재(340)의 열전도율(W/m·K, 20℃ 기준)은 0.0045 이하로 한다.
에어로젤 단열재는 Aspen aerogels, Thermablok을 포함하며, 열전도율(W/m·K, 20℃ 기준)은 0.000020 이하로 한다.
하부 엘라스토머(350)와 상부 엘라스토머(360)는 개별로 형성되거나, 일체로 형성되는 구성중 어느 하나로 구성될 수 있는데, 하부 엘라스토머(250)와 상부 엘라스토머(360)가 개별로 형성되는 경우에는 하부 엘라스토머(350)와 상부 엘라스토머(360)의 밀도, 성분 등을 상이하게 구성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 하부 판(310)에 접하는 부분과 상부 판(330)에 접하는 부분의 단열을 달리해야 하는 곳에 사용할 경우, 그에 맞게 하부 엘라스토머(350)와 상부 엘라스토머(360)의 밀도 또는 성분을 상이하게 구성함으로써, 상면과 하면의 설계하중 온도 및 조건이 다른 경우가 발생하기 때문이다. 따라서 각 설계조건에 맞는 최적의 성분을 갖는 엘라스토머를 배치함으로써 최적의 구조 및 단열성능을 발휘할 수 있다.
또한, 도 18을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재(300) 제조방법은 판상체로 형성된 하부 판(310)을 수평으로 설치하는 단계(S310); 하부 판(310)의 상면 테두리 부분에 테두리 프레임(320)을 설치하는 단계(S320); 하부 판(310)의 상면에 하부 보이드 코어(380)를 설치하는 단계(S330); 테두리 프레임(320)의 지지 홈(320a) 안에 단열재(340)의 단부를 탄력적으로 삽입하여 단열재(340)를 설치하는 단계(S340); 단열재(340)의 상면에 상부 보이드 코어(390)를 설치하는 단계(S350); 상부 보이드 코어(390)의 상측에 수평으로 위치하도록 상부 판(330)의 양단부를 테두리 프레임(320)의 상면에 고정하는 단계(S360); 및 하부 판(310)과 단열재(340) 사이의 공간에는 하부 엘라스토머(350)를 충전하고, 상부 판(330)과 단열재(340) 사이의 공간에는 상부 엘라스토머(360)를 충전하는 단계(S370)를 포함한다.
테두리 프레임(320)은 제1 테두리 프레임(321)과, 제1 테두리 프레임(321)과 서로 마주보게 결합하는 제2 테두리 프레임(322)으로 구성될 수 있다.
하부 엘라스토머(350)와 상부 엘라스토머(360)를 개별로 충전하거나 일체로 충전하는 방법 중 어느 하나를 택일할 수 있다.
하부 엘라스토머(350)와 상부 엘라스토머(360)를 개별로 충전하는 경우에는 하부 엘라스토머(350)와 상부 엘라스토머(360)의 밀도, 성분 등을 상이하게 구성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 하부 판(310)에 접하는 부분과 상부 판(330)에 접하는 부분의 단열을 달리해야 하는 곳에 사용할 경우, 그에 맞게 하부 엘라스토머(350)와 상부 엘라스토머(360)의 밀도 또는 성분 등을 상이하게 구성함으로써, 상면과 하면의 설계하중 온도 및 조건이 다른 경우가 발생하기 때문이다. 따라서 각 설계조건에 맞는 최적의 성분을 갖는 엘라스토머를 배치함으로써 최적의 구조 및 단열성능을 발휘할 수 있다.
도 19는 본 발명의 다른 실시 예를 나타낸다.
도 19에 도시된 바와 같이, 커넥터(160)는 단열재(140)의 관통 홀(141)을 관통하는 웨브(web)(161) 및 웨브(161)의 상부와 하부에 형성되는 상, 하부 플랜지(163,162)로 구성될 수 있다. 참고로, 단열재(140)의 관통 홀(141)은 단열재(140) 자체에 형성된 구멍으로서 단순히 웨브(web)(161)가 설치되기 위한 구멍 일뿐 진공 단열재일 경우 진공구조에는 전혀 장애를 주지 않는다. 커넥터(160)는 단열재(140)를 기준으로, 하부 비발포성 폴리우레탄(151)과 상부 비발포성 폴리우레탄(152)의 박리현상을 방지하기 위하여 하부 비발포성 폴리우레탄(151)과 상부 비발포성 폴리우레탄(152)을 서로 연결하도록 한다. 커넥터(160)는 수지나 금속재질 등을 사용할 수 있고 상부와 하부 폴리우레탄이 단열재를 기준으로 박리되는 것을 방지하는 기능을 가진다면 다양한 형태가 가능하다. 이와 같이 커넥터를 구비하는 것은 단열재를 폴리우레탄 사이에 위치시킨 경우, 밴딩이 심한 부분에 사용될 때나 금속판의 수직 방향(상하 방향)으로 당기는 하중이 걸릴 경우, 폴리우레탄과 금속판은 붙어있지만, 폴리우레탄과 단열재 사이에서 박리현상이 발생할 수 있다. 박리 현상이란, 외부 굽힘 하중에 대하여 상부 폴리우레탄과 하부 폴리우레탄이 동일방향으로 거동(擧動)하기 않는 현상이 반복됨에 따라 단열재를 기준으로 상부 폴리우레탄 또는 하부 폴리우레탄이 진공 단열재로부터 분리되는 현상을 말한다.
이하, 본 발명에 따른 단열 구조재를 적용한 중대형 액화가스 운반선 화물창에 대하여 설명한다.
도 20에 따르면, 본 발명에 따른 중대형 액화가스 운반선 화물창은, 선체의 사이드 쉘(1)의 내측에 인너 헐(inner hull)을 형성하는 대신에 단열 구조재(10)를 선체에 직접 적용한 화물창에 관한 것이다. 여기서 사이드 쉘(1) 이란, 외부 헐 또는 외판을 포함하는 것으로 한다.
본 발명의 중대형 액화가스 운반선 화물창은, 내부에 저장한 저온 액화가스를 단열시키고 저온 액화가스의 하중을 지지하기 위하여 선체의 사이드 쉘(1) 내측 면과 일정간격을 유지하여 설치되는 단열 구조재(즉, 단열 구조 판넬)(10)를 구비한다.
사이드 쉘(1)과 단열 구조재(10) 사이에는 홀드 스페이스(2) 및 밸러스트 탱크(3) 등이 형성될 수 있고, 거더(혹은 스티프너 등)(4)에 의해서 단열 구조재(10)가 사이드 쉘(1)에 고정 설치된다. 단열 구조재(10)를 사이드 쉘(1)에 고정하는 방법은 통상의 체결방식인 용접방식 등을 사용할 수 있다.
한편, 단열 성능을 높이기 위해서는 분자 간의 열 전달을 최대한 억제하여야 하는데, 분자들이 촘촘하게 배열된 고밀도의 자재로는 적정한 단열성능을 기대하기 어렵기 때문에, 단열재 자체만으로는 구조재로서의 성능을 기대할 수 없다. 따라서, 기존 단열재에는 콘크리트, 철 구조, 목재 등의 기초 구조 설비 작업이 반드시 더 추가로 선행되어야 한다.
또한, 단열 성능을 유지하기 위해서는 부재 간의 기밀한 접합이 매우 중요하므로 구조재와의 접합 시공 시 상당한 주의를 요하고, 다양한 접합재가 요구된다. 그리고 대부분의 건축 사업의 경우는, 단열재의 보호를 위한 추가 마감재 작업이 요구되므로, 이에 따른 비용 및 시간이 수반된다. 에어로젤 단열재의 경우는 90~95% 이상의 높은 기공률로 인해서 기계적인 강도 측면에서 매우 취약하며 작은 충격에도 파손될 수 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 파이버와 에어로젤의 복합 재료를 사용함으로써, 유연성을 높이고 기계적인 특성을 보완한 에어로젤 Blanket 타입의 단열재가 개발되었지만, 이 경우에도 구조재로서의 특성은 미미하기 때문에 구조재 작업이 선행된 후 별도의 단열재 부착 시공이 추가로 요구된다.
또한, 파이프류나 가스탱크 등에 적용될 경우, 대부분 단열재를 그대로 외부에 노출해 시공하기 때문에 외부 환경에 의한 내구성 및 유지 보수 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 복합 라미네이트 구조 단열재는 전술한 여러 가지 문제점들을 모두 감안하여 발명한 것으로, 1) 엘라스토머(elastomer) 주입 시, 진공단열재의 파손 여부, 2) 단열성능의 확보, 3) 단열재의 기밀성 유지, 4) 외부 충격에 대한 단열재의 보호, 5) 구조재로서의 성능구현 측면을 살펴보기로 한다.
1) 엘라스토머(elastomer) 주입 시 진공단열재의 파손 여부
대부분의 진공단열재는 충격에는 취약하나 압축 로드(compression load) 측면에서는 어느 정도의 강도가 있다. 예를 들어, Fumed silica 방식의 진공단열재의 경우는, 압축 로드가 20㎜의 진공단열패널이 약 8~10 N/㎠ 정도이다. 금속 박스에 액체 상태의 엘라스토머를 주입하면 이후 경화가 일어나면서 온도가 상승하며 팽창 압력이 발생한다. 이때의 발생 압력은 1 N/㎠을 넘지 않는다. 실제로, 기존의 복합 라미네이트 구조를 만들기 위한 엘라스토머 주입 작업 전에 기밀성능시험(air tightness test)을 수행하는 데, 이때의 압력 기준도 대략 1~2 N/㎠ 정도의 압력을 사용하는 것으로 알려진다. 따라서, 엘라스토머 주입 과정(비발포성 폴리우레탄 단열 구조재 제작 과정)에서 진공단열재가 파손되어 단열재 내부가스가 유출/유입될 가능성은 전혀 없다.
2) 단열성능의 확보
패시브 하우스(passive house) 열관류율 기준인 0.15 W/m2 ·K를 만족하는 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재를 제공한다. 일 예로서, 금속재질의 상부 판, 상부 엘라스토머, 진공단열재, 하부 엘라스토머, 금속재질의 하부 판으로 구성된 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재 두께를 각각 4-5㎜, 15-20㎜, 10-20㎜, 15-20㎜, 4-5㎜로 최적화하여 구성함으로써, 단열성능을 충분히 확보할 수 있다.
3) 단열재의 기밀성 유지
엘라스토머 주입 전에 기밀성능시험(air tightness test)을 수행한다. 이보다 확실한 이유는 주입된 액체 상태의 엘라스토머가 경화되면서 자연스럽게 진공단열재 및 금속박스(상, 하부 판과 테두리 프레임이 이루는 공간)의 내부 면과 기밀하게 접합(접착)되고 경화된 폴리우레탄 내부에는 공기가 존재하지 않으므로 진공단열재의 가스 유출/유입이 원천적으로 차단됨으로써, 단열재의 기밀성 유지를 확인할 수 있다.
4) 외부충격에 대한 단열재의 보호
비발포성 폴리우레탄 단열 구조재가 외부로부터 충격을 받을 경우, 일차적으로 금속의 상, 하부 판이 충격을 받고, 그 다음 내부의 폴리우레탄인 엘라스토머가 그 충격을 전달받게 된다. 즉, 단열재의 외부가 금속의 상, 하부 판과 폴리우레탄으로 둘러싼 구조로 보호되는 구조로서, 외부 충격에 대하여 단열재를 충분히 보호함으로써, 해양구조물의 선체 외벽, 갑판 등에 널리 사용할 수 있다.
5) 구조재로서의 성능 구현
비발포성 폴리우레탄 단열 구조재가 안정적인 구조재로서의 특성을 유지하기 위해서는, 금속 박스를 구성하는 상, 하부 판과 엘라스토머와의 전반적인 접합성이 유지되어야 한다.
본 발명의 구조에 따르면, 상부 판 및 하부 판의 내측 면이 상, 하부 엘라스토머와 기밀하게 부착되어 있다. 단열재는 이미 기존 구조재의 표면에 별도로 접합되는 방식으로 다양한 종류의 구조물에 적용되고 있다. 즉, 통상적인 설계 하중을 만족하는 구조재의 거동에 따른 단열재의 파손 여부의 문제는 이미 해결되었다고 볼 수 있다. 따라서, 본 발명의 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재를 구성하는 각 재질 간의 응력 및 하중 전달 문제도 해결된다.
또한, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 복수의 단위체로 구성된 복합체 형태로 진공단열재를 배치하는 경우는, 설계 하중을 초과하는 힘을 받아서 지나치게 밴딩(bending) 된 상태에서도 단열재의 파손 또는 열교 현상 없이 단열 성능을 효과적으로 유지할 수 있다.
또한, 금속재질의 상부 판에 가해지는 하중이 하부 판으로 전달될 때에, 단열재가 수평방향으로 균일하게 설치되어 있으므로, 충격흡수 하중이 균일하게 존재하여서 충격흡수 및 피로하중의 균형을 항상 유지하여 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재 전체의 충격흡수 성능 및 강성을 더욱 향상시키고, 피로 균열 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 적용분야 및 효과는 다음과 같다.
1) 건축물의 지붕, 벽체 및 바닥 구조에 적용될 수 있다.
본 발명의 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재가 설치되는 경우, 단열 기능과 구조기능이 함께 구현되므로 별도의 단열 시공이 필요 없게 된다. 완벽한 열교 현상 차단이 필요한 패시브 하우스(passive house)의 경우, 후속 작업으로서 열교 현상이 발생할 수 있는 금속 테두리 프레임의 접합 구역만 국부적으로 단열 시공을 수행하면 작업이 마무리될 수 있다.
2) 선박에 적용될 수 있다.
온도 유지가 중요한 중 연료유 탱크 및 화학 운반선의 각종 액체 화물 탱크 구조선박의 연료로 사용되는 중 연료유(HFO)는 상온에서 점도가 매우 높기 때문에 중 연료유의 온도를 높여 유동성을 원활히 하는 장치가 필요하다. 이러한 목적으로 중 연료유 탱크 내에 각종 히팅(heating) 장비를 설치하며 그 결과 탱크 내부의 온도는 약 100℃ 정도까지 올라갈 수 있다. 기존 선박의 연료유 탱크는 모두 스틸(steel)로만 구성되어 있기 때문에 탱크를 구성하는 모든 면에서 열교 현상이 발생하여 가열 효과가 매우 떨어진다.
또한, 중 연료유 탱크 인근에 설계 온도가 현저히 다른 구역(예: 냉장이 필요한 화물창)이 배치되는 경우가 빈번히 발생한다. 이 경우 탱크 외부의 단열이 요구되나 선박 구조의 특성상 단열재가 그대로 노출되어 시공된다. 예를 들어, 컨테이너선의 경우는 이러한 배치가 빈번히 발생하며, 이 경우, 컨테이너 하역 과정 중 단열재의 파손이 발생할 수 있으며 혹독한 해상 환경에 의한 유지 보수상의 여러 문제가 발생할 수 있다.
또한, 화학 운반선의 경우는, 여러 화물을 동시에 운반할 수 있도록 구분된 탱크 구조를 가지는 것이 일반적이며 화학 물질 특성에 따라 탱크 별로 다른 설계 온도를 유지하는 경우가 있다. 하지만, 금속으로 제작된 탱크 구조의 열교 현상 등으로 탱크별 온도 유지에 불가능한 경우도 발생한다. 이 경우, 부득이하게 탱크 사이에 코퍼댐(cofferdam) 또는 엠프티 탱크(empty tank)를 배치하는 경우도 발생한다.
본 발명의 복합 라이네이트 구조 단열재를 상기와 같은 구역에 적용할 경우, 간단한 시공으로 안정적인 구조적 성능과 뛰어난 단열 성능을 동시에 확보할 수 있으며, 기존의 방식보다 얇은 구조로 시공 가능하므로 공간 활용도 측면에서 유리하고, 단열재가 튼튼한 엘라스토머(elastomer) 및 금속의 상, 하부 판으로 보호되고 있으므로, 기밀 유지 및 내 충격과 유지 보수 측면에서 월등히 우수하며, 구획 별 온도특성과 무관하게 탱크 및 구획 배치가 가능하므로 선박 구조의 활용도가 획기적으로 증대될 수 있다.
3) 단열이 필요한 배관(pipe) 구조에 적용될 수 있다.
기존의 파이프는 여러 이유로 단열이 필요한 경우가 많다. 이 경우, 금속 파이프 위에 여러 겹의 단열재를 시공하는 번거로움이 있으며, 단열재가 외부 환경에 그대로 노출되므로 유지 보수 측면에서 근본적으로 취약하다. 진공단열재는 현재 파이프 형태로도 가공되고 있다. 이러한 진공단열재와 기존의 금속 파이프를 이용하여 손쉽게 일체형으로 제작 가능하다. 이 경우, 별도의 단열 시공 작업이 필요 없으므로 설치 작업이 간소화되며 뛰어난 단열 성능이 확보될 뿐 아니라 유지 보수가 매우 간편한 배관 작업이 가능해 진다.
4) LPG선 화물창 탱크 구조에 적용 가능하다.
기존의 LPG 선박의 화물창 제작 방식은 철 구조에 폴리우레탄 프라이머를 바르고 그 위에 폴리우레탄을 수작업으로 분무하여 약 120~200mm 정도의 단열층을 제작한 후, 폴리우레아 코팅(polyurea coating)으로 마감하는 방식이다. 따라서, 상당한 작업 시간이 요구되고, 단열재 분무 시공 시 필연적으로 여러 비산 물질이 발생하여 환경적으로 열악하다. 또한, 탱크 탑재 및 조립 과정에서 단열재가 시공된 이후에 여러 용접 작업이 요구되므로 화재의 위험성이 매우 높으며, 실제로 여러 조선소에서 이로 인한 대형 화재가 발생하여 인명 사고로 이어진 경우가 많다.
LPG선 화물창의 내부 설계 온도는 -50℃로서 화물창 구조는 저온에 버틸 수 있는 저온 강(LT 강)을 사용하여야 한다. 통상적으로 저온 강은 일반 조선 선급용 철판에 비해 고가이다.
본 발명을 LPG선 화물창 구조에 적용할 경우, 기존의 폴리우레탄 분무 방식의 구조보다 훨씬 얇은 구조로 화물창 제작이 가능하므로 실을 수 있는 화물창 공간이 커지거나 선박 크기가 그만큼 작아질 수 있으며, 시공이 매우 간단하여 인건비를 감소할 수 있고, 화재의 위험을 근본적으로 없앨 수 있으며, LPG와 접하는 면만 LT 강으로 사용하고 외부면은 기존의 일반 조선 선급용 철판을 사용할 수 있으므로 철구조재 비용의 절감도 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
예를 들어, 상부 판과 하부 판은 설명의 편의를 위해서 도면을 기준으로 설명한 것으로, 벽체 등에 적용되는 절연 구조재인 경우는 수직으로 위치되므로, 상부 및 하부라는 용어는 수직으로 변경될 수 있음은 물론이다. 위에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
110: 하부 판
120: 테두리 프레임
121: 단턱
130: 상부 판
140: 단열재
150: 하부 엘라스토머
160: 상부 엘라스토머
171: 제1 지지재
172: 제2 지지재
210: 하부 판
220: 테두리 프레임
220a: 지지 홈
221: 제1 테두리 프레임
222: 제2 테두리 프레임
230: 상부 판
240: 단열재
250: 하부 엘라스토머
260: 상부 엘라스토머
310: 하부 판
320: 테두리 프레임
330: 상부 판
340: 단열재
350: 하부 엘라스토머
360: 상부 엘라스토머
380: 하부 보이드 코어
390: 상부 보이드 코어

Claims (6)

  1. 중앙이 비어 있는 테두리 프레임, 상기 테두리 프레임의 하부에 부착되는 하부 판, 및 상기 테두리 프레임의 상부에 부착되는 상부 판을 포함하는 금속박스; 상기 하부 판과 상기 상부 판 사이에서 일정한 간격을 가지면서 상기 금속 박스 내에 설치되는 진공 단열재; 및 상기 금속박스의 공간 내에 충진되어 경화된 비발포성 폴리우레탄; 을 포함하는 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재에 있어서,
    상기 비발포성 폴리우레탄은 상기 금속박스의 내면 및 상기 단열재의 표면과 기밀 접착되며, 상기 진공 단열재의 주위를 감싸서 가스 출입을 없앨 수 있고,
    상기 비발포성 폴리우레탄은, 상기 금속박스의 내면과의 접합 강도 3MPa 내지 15MPa로 밀착 결합함에 따라서 상기 구조재의 상하로 작용하는 힘에 대하여 금속의 테두리가 구조적 역할을 수행할 뿐만 아니라 상기 비발포성 폴리우레탄도 금속박스의 내면과의 접착력에 의하여 구조적 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재를 포함하여 건조되는 선박의 저온 단열 화물창으로서,
    상기 선박의 저온 단열 화물창은, 선체의 사이드 쉘의 내측에 인너 헐(inner hull)을 형성하는 대신에 상기 단열 구조재를 적용하는 것을 특징으로 하는 선박의 저온 단열 화물창.
  2. 청구항 1에 기재된 선박의 저온 단열 화물창을 포함하는 선박.
  3. 중앙이 비어 있는 테두리 프레임, 상기 테두리 프레임의 하부에 부착되는 하부 판, 및 상기 테두리 프레임의 상부에 부착되는 상부 판을 포함하는 금속박스;
    상기 하부 판과 상기 상부 판 사이에서 일정한 간격을 가지면서 상기 금속 박스 내에 설치되는 진공 단열재; 및
    상기 금속박스의 공간 내에 충진되어 경화된 비발포성 폴리우레탄; 을 포함하는 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재에 있어서,
    상기 비발포성 폴리우레탄은 상기 금속박스의 내면 및 상기 단열재의 표면과 기밀 접착되며, 상기 진공 단열재의 주위를 감싸서 가스 출입을 없앨 수 있고,
    상기 비발포성 폴리우레탄은, 상기 금속박스의 내면과의 접합 강도 3MPa 내지 15MPa로 밀착 결합함에 따라서 상기 구조재의 상하로 작용하는 힘에 대하여 금속의 테두리가 구조적 역할을 수행할 뿐만 아니라 상기 비발포성 폴리우레탄도 금속박스의 내면과의 접착력에 의하여 구조적 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 진공단열재의 열전도율(W/m·K, 20℃ 기준)은 0.0045 이하인 것을 특징으로 하는 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재.
  5. 삭제
  6. 삭제
KR1020180015575A 2018-02-08 2018-02-08 비발포성 폴리우레탄 단열 구조재 및 이를 이용한 선박의 저온 단열 화물창 KR101865673B1 (ko)

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