KR102295582B1 - 이중 쉘 탱크 및 선박 - Google Patents

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카즈토 고칸
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카와사키 주코교 카부시키 카이샤
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Abstract

이중 쉘 탱크는, 액화 가스를 저장하는 내조와, 내조를 둘러싸고 내조와의 사이에 진공 공간이 형성되는 외조와, 내조의 적어도 일부의 저면과 마주하도록 내조에 설치되는 적어도 하나의 금속 시트와, 금속 시트 상에 올려지고, 기체 분자를 물리적 흡착에 의해 흡착하는 흡착재와, 내조 및 금속 시트를 덮는 단열재를 구비한다.

Description

이중 쉘 탱크 및 선박
본 발명은 진공식의 이중 쉘 탱크 및 그 이중 쉘 탱크를 포함하는 선박에 관한 것이다.
종래에, 액화 가스를 저장하는 내조(內槽)와 그를 둘러써는 외조(外槽) 사이에 진공 공간이 형성된 이중 쉘 탱크가 알려져 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에는 내조 상에 복수의 단열 필름을 적층하는 동시에, 그러한 단열 필름끼리의 사이에 흡착재를 개재시킨 이중 쉘 탱크가 개시되어 있다. 흡착재는 입상(粒狀)체이고, 단열 필름의 표면에 용착되어 있다.
특허문헌 1에 개시된 이중 쉘 탱크에서는, 진공 공간을 진공으로 하는 때에, 단열 필름이나 내조나 외조의 재료 표면 등으로부터 질소, 산소, 수증기 등의 가스가 방출된다. 그러나, 내조 내에 저온 물질이 주입되면, 단열 필름이 냉각되어 흡착재의 흡착 능력이 향상되고, 흡착재가 상기 방출 가스를 흡착한다. 이와 같은 냉각에 의해 흡착 능력이 향상되는 흡착재는 물리적 흡착에 의해 기체 분자를 흡착하는 것으로 여겨진다. 여기서, 물리적 흡착이란, 반데르발스 힘에 의해 기체 분자가 고정 표면(흡착재)에 농축되는 현상이다.
여기서, 특허문헌 2의 도 2에는, 내조와 외조 사이의 진공 공간 내에, 내조 꼭대기면 및 저면을 따라서 게터(getter) 재료가 배치된 이중 쉘 탱크가 기재되어 있다. 특허문헌 2에서는, 투과한 수소를 흡착하기 위한 게터 재료가 이용되고 있다. 게터 재료는 화학 흡착에 의해 기체 분자를 흡착하는 것이다(특허문헌 2에서는, 게터 재료에 의해 수소 분자가 물 분자로 변환되는 것으로 추측된다).
일본 특허공개 특개소63-318398호 공보 일본 특허공개 특표2006-500536호 공보
그러나, 특허문헌 1에 개시된 이중 쉘 탱크에서는, 단열 필름에 흡착재를 흡착시키는 작업이 필요하기 때문에 코스트(cost)가 높아진다. 또한, 흡착재는 단열 필름끼리의 사이에 개재되어 있기 때문에, 단열 필름의 두께 방향의 온도 구배의 영향으로, 흡착재는 내조의 온도까지는 냉각되지 않아서, 흡착 능력의 향상에 여전히 개선의 여지가 있다.
내조 내에서도 액화 가스의 밀도의 온도 의존성에 의해 온도성층이 형성되기 때문에, 깊이가 깊어질수록 액화 가스의 온도가 낮아진다. 즉, 내조의 외표면 중에서 내조의 저면의 온도가 가장 낮다. 따라서, 흡착재를 내조의 저면에 밀착시켜, 흡착재를 내조의 저면의 온도까지 냉각하는 것을 고려할 수 있다. 그러나, 내조의 하방에서는 흡착재에 당해 흡착재가 내조로부터 멀어지도록 중력이 작용하기 때문에, 내조의 바닥에 흡착재를 밀착시키는 것은 곤란하다.
따라서, 본 발명은 저렴한 비용으로 흡착재를 내조의 저면의 온도까지 냉각할 수 있는 이중 쉘 탱크 및 그 이중 쉘 탱크를 포함하는 선박을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 이중 쉘 탱크는, 액화 가스를 저장하는 내조와, 상기 내조를 둘러싸고 상기 내조와의 사이에 진공 공간이 형성되는 외조와, 적어도 일부가 상기 내조의 저면과 마주하도록 상기 내조에 설치되는 적어도 하나의 금속 시트와, 상기 금속 시트 상에 올려지고, 기체 분자를 물리적 흡착에 의해 흡착하는 흡착재와, 상기 내조 및 상기 금속 시트를 덮는 단열재를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 따르면, 열전도율이 높은 금속 시트가 해당 금속 시트의 적어도 일부가 내조의 저면과 마주하도록 내조에 설치되어 있고, 또한 그러한 금속 시트가 내조와 함께 단열재로 덮여 있기 때문에, 내조에 액화 가스가 주입된 경우에는 금속 시트가 내조의 저면과 동일한 온도까지 냉각된다. 그리고, 그러한 금속 시트에 흡착재가 올려져 있기 때문에 흡착재를 내조의 저면의 온도까지 냉각할 수 있다. 게다가 금속 시트에 흡착재를 올려 놓기만 하면 되기 때문에, 저렴한 비용으로 효과를 얻을 수 있다.
상기 금속 시트의 재질은 상기 내조의 재질과 동일하여도 좋다. 이러한 구성에 따르면, 내조에 액화 가스를 주입할 때 내조가 열수축하지만, 금속 시트도 내조와 같은 선 팽창률로 열수축한다. 따라서, 내조가 열수축했을 때 내조와 금속 시트의 상대적인 위치 어긋남을 방지할 수 있다.
상기 내조에는 복수의 스터드 볼트(stud bolt)가 설치되어 있고, 상기 단열재는 복수의 단열 시트를 포함하고, 상기 복수의 스터드 볼트는 상기 금속 시트 및 상기 복수의 단열 시트의 고정에 사용되어도 좋다. 이러한 구성에 따르면, 공통의 스터드 볼트로 금속 시트와 단열 시트의 양쪽을 고정할 수 있어서, 구조를 간단하게 할 수 있다.
상기 적어도 하나의 금속 시트는, 복수의 금속 시트를 포함하고, 인접한 상기 금속 시트의 단부끼리 겹쳐져 있고, 이러한 겹치는 부분을 상기 내조에 설치된 스터드 볼트가 관통하고 있어도 좋다. 이러한 구성에 따르면, 스터드 볼트의 개수를 가능한 적게 할 수 있다.
상기 흡착재는 다공성의 입상체 또는 분말체로서 주머니에 봉입(封入)되어 있고, 상기 금속 시트에는 복수의 개구가 형성되어 있어도 좋다. 이러한 구성에 따르면, 기체 분자가 금속 시트의 개구를 통해서 흡착재와 충돌 가능하다.
또한, 본 발명의 선박은, 상기 이중 쉘 탱크를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 저렴한 비용으로 흡착재를 내조의 저면의 온도까지 냉각할 수 있다.
[도 1] 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 쉘 탱크가 탑재된 선박의 일부 단면도이다.
[도 2] 도 1의 II-II 선에 따른 이중 쉘 탱크의 단면도이다.
[도 3] 도 2의 일부를 확대한 도면이다.
[도 4] 도 3의 IV-IV 선에 따른 단면도이다.
[도 5] 도 4의 V-V 선에서 본 저면도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 쉘 탱크(2)가 탑재된 선박(1)의 일부를 도시한다.
본 실시예에 따르면, 이중 쉘 탱크(2)는, 축 방향이 선장 방향과 평행한 원통 형상이다. 그러나, 이중 쉘 탱크(2)의 형상은 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 구 형상이라도 좋고, 입방체 형상 또는 직육면체 형상이라도 좋다.
이중 쉘 탱크(2)는 액화 가스를 저장하는 내조(3)와, 내조(3)을 둘러싼 외조(6)를 포함한다. 내조(3)와 외조(6) 사이에는 진공 공간(21)이 형성된다. 액화 가스는, 예를 들어, 액화 석유 가스(LPG, 약 -45 ℃), 액화 에틸렌 가스(LEG, 약 -100 ℃), 액화 천연 가스(LNG, 약 -160 ℃), 액화 산소(LO2, 약 -180 ℃), 액화 수소(LH2, 약 -250 ℃), 액화 헬륨(LHe, 약 -270 ℃) 등이다.
내조(3) 및 외조(6) 각각은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 일정한 단면 형상으로 횡방향으로 연장되는 몸통부와, 이러한 몸통부의 양측의 개구를 막는 반구 형상의 폐색부로 구성되어 있다. 그러나, 폐색부는 몸통부와 수직인 평면이라도 좋고, 접시 형상이라도 좋다. 외조(6)의 몸통부의 중심선은 내조(3)의 몸통부의 중심선과 거의 일치하고, 외조(6)의 몸통부의 직경은 내조(3)의 직경보다 크다.
외조(6)는 선저(11)에 설치된 한 쌍의 새들(saddle)(12)에 의해 이중 쉘 탱크(2)의 축 방향으로 서로 이격하는 위치에서 지지되어 있다. 한편, 내조(3)와 외조(6) 사이에는, 새들(12)과 동일한 위치에서 내조(3)를 지지하는 한 쌍의 지지 부재(22)가 배치되어 있다.
내조(3)는 진공 공간(21) 내에서, 전체적으로 단열재(5)로 덮여 있다. 본 실시예에 따르면, 단열재(5)가 복수의 단열 시트로 구성되어 있다. 그러나, 도면에서는 그러한 단열 시트의 끊어진 자국은 도시 생략한다. 단열 시트는 내조(3)의 외표면을 따라 빈틈없이 나열되어 있다. 단열 시트는 단일층을 형성하여도 좋고, 두께 방향으로 적층된 복수층을 형성하여도 좋다.
각각의 단열 시트는 복수층의 적층 구조를 가진다. 구체적으로, 각각의 단열 시트는 교대로 쌓아 올려진 복사 씰(seal) 필름과 스페이서를 포함한다. 복사 씰 필름은, 예를 들어, 알루미늄 호일도 좋고, 수지 시트의 표면에 알루미늄(금 또는 은이라도 좋음)이 증착된 필름이라도 좋다. 스페이서는 열전도율 작은 시트이다. 이러한 시트로서는, 수지 제의 그물, 직포, 부직포 등이나, 종이, 유리 섬유 재료 등을 사용할 수 있다. 다만, 단열 시트는 유리 섬유로 구성되어 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 내조(3)와 단열재(5) 사이에 흡착재(4)가 배치되어 있다. 흡착재(4)는 기체 분자를 물리적 흡착에 의해 흡착한다. 진공 공간(21)이 진공으로 되면, 단열재(5)나 내조(3)나 외조(6)의 재료 표면 등으로부터 질소, 산소, 수증기 등의 가스가 방출된다. 흡착재(4)는, 단열재(5)나 내조(3)나 외조(6)의 재료 표면 등에서 방출되는 가스를 흡착하여 진공 공간(21)의 진공도를 유지하는 역할을 한다.
흡착재(4)는, 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 금속 시트(7) 상에 올려져 있다(도 1 및 도 2에서는 도면의 간략화를 위해 금속 시트(7)의 도시를 생략). 적어도 하나의 금속 시트(7)는, 적어도 그 일부가 내조(3)의 저면과 마주하도록 내조(3)에 설치되어 있다. 그리고, 상술한 단열재(5)는 내조(3) 및 금속 시트(7)를 덮고 있다.
여기에서, 「저면」이란 내조(3)의 외표면 중, 최하점을 중심으로, 당해 외표면의 법선과 연직 하방을 향하는 방항이 이루는 각도가 45도 이하의 영역을 말한다. 본 실시예에 따르면, 이중 쉘 탱크(2)가 원통 형상이기 때문에, 저면의 단면 형상은 횡방향에서는 90도의 원호 형상이고, 종방향에서는 45도의 원호부의 사이에 직선부를 가지는 형상이다. 이중 쉘 탱크(2)가 구 형상인 경우는, 저면의 단면 형상은 모든 방향으로 90도의 원호 형상이다.
상술한 「적어도 하나의 금속 시트(7)의 일부가 내조(3)의 저면과 마주한다」는 것은, 적어도 하나의 금속 시트(7)의 일부가 내조(3)의 저면과 겹치는 범위 내에 존재한다는 것을 말한다. 또한, 모든 금속 시트(7)가 내조(3)의 저면과 겹치는 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 나아가, 적어도 하나의 금속 시트(7)는 내조(3)의 저면 중 적어도 최하점을 덮고 있는 것이 더 바람직하다.
본 실시예에 따르면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 흡착재(4)가 내조(3)의 몸통부의 하측 절반을 따라 배치되어 있다. 따라서, 복수의 금속 시트(7)가 흡착재(4)와 마찬가지로, 내조(3)의 몸통부의 외주면 중 하측 절반과 마주하도록 배치되어 있다.
금속 시트(7)의 재질은 내조(3)의 재질과 동일하다. 예를 들어, 내조(3) 및 금속 시트(7)의 재질은 스테인레스 스틸, Ni기 합금, 알루미늄 합금 등이다.
본 실시예에 따르면, 각각의 금속 시트(7)가, 도 5에 도시된 바와 같이, 직사각형을 이루고 있다. 그리고, 인접한 금속 시트(7)의 단부끼리 겹쳐져 있다. 한편, 내조(3)에는, 금속 시트(7)의 모서리와 대응하는 위치에 스터드 볼트(9)가 설치되어 있다. 스터드 볼트(9)는 인접한 금속 시트(7)의 겹쳐진 부분을 관통하고 있다.
여기서, 스터드 볼트(9)는, 단열재(5)를 구성하는 단열 시트를 관통하여도 좋다. 또는, 단열 시트가 스터드 볼트(9)를 사이에 두고 인접하도록 배치되고, 스터드 볼트(9)가 단열 시트 사이의 간격으로부터 돌출하여도 좋다.
스터드 볼트(9)는 금속제의 베이스 플레이트(31)를 통해 내조(3)에 설치되어 있다. 스터드 볼트(9)는 나사 구조 또는 용접 등에 의해 베이스 플레이트(31)에 접합되어 있고, 베이스 플레이트(31)는 용접 등에 의해 내조(3)에 접합되어 있다. 도면 예에서는, 베이스 플레이트(31)가 원형이지만, 베이스 플레이트(31)는 사각형이라도 좋다.
스터드 볼트(9)의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP) 등의 열전도율이 낮은 것인 것이 바람직하다.
금속 시트(7)는, 베이스 플레이트(31)에 면 접촉하여 있다. 따라서, 내조(3)과 금속 시트(7) 사이에서는 양호한 열전도가 이루어진다. 베이스 플레이트(31)는, 금속 시트(7)와 내조 (3) 사이에 간격을 확보하는 스페이서로서도 기능을 한다.
본 실시예에 따르면, 각각의 금속 시트(7)에, 복수의 개구(71)(도 5 참조)가 형성되어 있다. 따라서, 기체 분자가 금속 시트(7)의 개구(71)를 통해서 흡착재(4)에 충돌 가능하다. 개구(71)는 금속판에 천공 가공된 관통공이라도 좋다. 또는, 금속 시트(7)는, 마름모 형상의 개구(71)가 지그재그 형으로 나열된 익스팬드 메탈(expand metal)이라도 좋다. 그러나, 진공 공간(21) 중의 기체 분자는 금속 시트(7) 주위에서 내조(3)의 외표면을 따라 흡착재(4)로 향해 진입하는 것이 가능하기 때문에, 금속 시트(7)는 개구(71)를 구비하지 않는 금속판이라도 좋다.
상술한 흡착재(4)는 다공성의 입상체 또는 분말체로서 주머니에 봉입되어 있다. 흡착재(4)를 봉입한 주머니는 리벳에 의해 금속 시트(7)에 고정된다. 흡착재(4)로는, 활성탄, 제올라이트, 실리카겔, 알루미나 등을 사용할 수 있다.
단열재(5)의 외측에는 누름판(8)이 배치되어 있다. 이러한 누름판(8)은 너트(91)에 의해 상술한 스터드 볼트(9)에 고정되어, 금속 시트(7) 및 단열재(5)를 구성하는 단열 시트를 유지한다. 즉, 스터드 볼트(9)는 금속 시트(7) 및 단열 시트의 고정에 사용되고, 누름판(8)은 단열재(5) 및 금속 시트(7)를 베이스 플레이트(31)로 밀어붙인다. 예를 들어, 누름판(8)은 인접한 스터드 볼트(9)에 걸치도록 연장되는 복수의 막대형 부재로 구성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예의 이중 쉘 탱크(2)는 열전도율이 높은 금속 시트(7)가 해당 금속 시트(7)의 적어도 일부가 내조(3)의 저면과 마주하도록 내조(3)에 설치되어 있고, 또한, 그러한 금속 시트(7)가 내조(3)와 함께 단열재(5)로 덮여 있기 때문에, 내조(3) 내에 액화 가스가 주입된 경우에는 금속 시트(7)가 내조(3)의 저면과 동일한 온도까지 냉각된다. 그리고, 그러한 금속 시트(7) 상에 흡착재(4)가 올려져 있기 때문에, 흡착재(4)를 내조(3)의 저면의 온도까지 냉각시킬 수 있다. 게다가 금속 시트(7) 상에 흡착재(4)를 올려 놓기만 하면 되기 때문에, 저렴한 비용으로 효과를 얻을 수 있다.
또한, 이중 쉘 탱크(2)에서 액화 가스를 추출할 때에는, 이중 쉘 탱크(2)가 비워질 때까지 이중 쉘 탱크(2)의 하부에 액화 가스가 잔류한다. 따라서, 이중 쉘 탱크(2)가 비워지기 직전까지 흡착재(4)를 냉각하면서 높은 진공도를 유지할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 스터드 볼트(9)가 금속 시트(7) 및 단열 시트의 고정에 사용되기 때문에, 공통의 스터드 볼트(9)로 금속 시트(7)과 단열 시트의 양쪽을 고정할 수 있어, 구조를 심플하게 할 수 있다.
(변형예)
본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능하다.
예를 들어, 금속 시트(7)의 재질은 내조(3)의 재질과 차이가 있어도 좋다. 그러나, 상기 실시예와 같이 금속 시트(7)의 재질이 내조(3)의 재질과 동일하면, 내조(3) 내에 액화 가스를 주입할 때 내조(3)가 열 수축할 때, 금속 시트(7)도 내조와 같은 선 팽창률로 열 수축한다. 따라서, 내조(3)가 열 수축했을 때 내조(3)와 금속 시트(7)의 상대적인 위치 어긋남을 방지할 수 있다.
또한, 베이스 플레이트(31)가 설치되는 대신에, 금속 시트(7)의 단부가 두껍게 되는 동시에, 스터드 볼트(9)가 내조(3)에 직접 연결되어도 좋다.
또한, 복수의 금속 시트(7)가 사용되는 경우, 인접한 금속 시트의 단부는 반드시 겹쳐질 필요는 없다. 그러나, 본 실시예와 같이 인접한 금속 시트(7)의 단부끼리 겹쳐져 있고, 그 겹쳐지는 부분을 스터드 볼트(9)가 관통하면, 스터드 볼트(9)의 개수를 가능한 적게 할 수 있다.
또한, 단열재(5)는 반드시 단열 시트로 구성되어 있을 필요는 없고, 예를 들어, 내조(3)와 외조(6) 사이에 충진된 입상체(예를 들어, 펄라이트)나 유리 섬유 등으로 되어도 좋다. 또는, 단열재(5)는 발포 우레탄으로 구성되어도 좋다. 그러나, 상기 실시예에서 설명한 바와 같은 적층 구조의 단열 시트는, 진공 공간 내에서는, 펄라이트, 유리 섬유, 발포 우레탄에 비해 훨씬 높은 단열 성능을 발휘한다. 따라서, 본 발명은 단열재(5)가 진공 공간 용의 복수의 단열 시트를 포함하는 경우에 특히 효과적이다.
또한, 본 발명은 선박에 탑재되는 탱크뿐만 아니라 지상에 설치되는 탱크에도 적용 가능하다. 그러나, 선박인 경우, 선체의 롤링이나 피칭에 의해 내조(3) 내에 슬로싱이 발생한다. 이러한 슬로싱에 대해, 금속 시트(7)와 내조(3)가 스터드 볼트(9)에서 기계적으로 체결되는데 더하여, 금속 시트(7)와 흡착재(4)가 리벳에 의해 고정되어 있기 때문에, 요동 환경에서도 안정적으로 흡착재를 배치할 수 있다. 따라서, 상기 실시예의 구성은 선박에 탑재되는 탱크에 특히 유용하다.
1: 선박
2: 이중 쉘 탱크
21: 진공 공간
3: 내조
4: 흡착재
5: 단열재
6: 외조
7: 금속 시트
8: 누름판
9: 스터드 볼트

Claims (6)

  1. 액화 가스를 저장하는 내조와,
    상기 내조를 둘러싸고, 상기 내조와의 사이에 진공 공간이 형성되는 외조와,
    적어도 일부가 상기 내조의 저면과 마주하도록 상기 내조에 설치되는 적어도 하나의 금속 시트와,
    상기 금속 시트 상에 올려지고, 기체 분자를 물리적 흡착에 의해 흡착하는 흡착재와,
    상기 내조 및 상기 금속 시트를 덮는 단열재를 구비하는 것을 특징으로 하는 이중 쉘 탱크.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 시트의 재질은 상기 내조의 재질과 동일한 것을 특징으로 하는 이중 쉘 탱크.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 내조에는 복수의 스터드 볼트가 설치되어 있고,
    상기 단열재는 복수의 단열 시트를 포함하고,
    상기 복수의 스터드 볼트는 상기 금속 시트 및 상기 복수의 단열 시트의 고정에 사용되는 것을 특징으로 하는 이중 쉘 탱크.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속 시트는, 복수의 금속 시트이고,
    인접한 상기 금속 시트의 단부끼리 겹쳐져 있고, 이러한 겹치는 부분을 상기 내조에 설치된 스터드 볼트가 관통하고 있는 것을 특징으로 하는 이중 쉘 탱크.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 흡착재는 다공성의 입상체 또는 분말체로서 주머니에 봉입되어 있고,
    상기 금속 시트에는 복수의 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이중 쉘 탱크.
  6. 제1항 또는 제2항에 따른 이중 쉘 탱크를 구비하는 것을 특징으로 하는 선박.
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