KR20040019044A - 튜브 본체를 단열시키기 위한 시스템 - Google Patents

Abstract

튜브형 본체를 위한 단열 시스템으로서, 무기질 또는 폴리머의, 불연속적 또는 다공성의 충진 재료를 내부에 포함하고 배리어 호일로 제조된 배기 외부체에 의해 각각 형성되는 둘 이상의 배기 패널(4, 4')을 포함한다. 상기 각각의 패널(4, 4')은 대향 엣지들 중에서 롤링 축에 평행한 두개의 대향 엣지들(5, 5')이 나란히 맞대어질 때까지 롤링된다. 상기 롤링된 배기 패널(4, 4')들은 배기 패널(4)의 엣지(5)가 다른 배기 패널(4')의 엣지(5')에 대해 엇갈린 상태가 되도록 서로 동축적으로 배치된다.

Description

튜브 본체를 단열시키기 위한 시스템{SYSTEM FOR THERMALLY INSULATING TUBULAR BODIES}

여러 종류의 단열 시스템이 공지되어 있다. 특히, 임의 형상의 본체의 보온재(lagging)를 형성하기 위해 광모(mineral wool), 유리솜 또는 폴리우레탄과 같은 열 전도도가 작은 물질이 중간에 놓여질 수 있는 이중 외측 벽을 본체에 제공할 수 있다는 것이 공지되어 있다.

그러나, 그러한 물질의 단열성이 아주 뛰어나지는 않으며, 때때로 본체의 내부 온도를 일정하게 유지하기 위해 두껍게 사용할 필요가 있었다. 이러한 것의 예를 들면 원유를 이송하기 위한 해저 파이프의 경우가 있으며, 그 해저 파이프는 내측 튜브로 원유가 흐르고 외측의 튜브는 보호부로서 작용하는 두개의 동축적인 스테인레스 스틸 튜브에 의해 형성된다. 점도의 증가를 피하면서 원유의 장거리 수송이 가능하도록 하기 위해, 약 60 내지 90℃의 상승된 온도에서 반드시 유지되어야 하며, 그에 따라 두 튜브들 사이의 공간내에는 많은 양의 단열 물질이 삽입되어야 한다. 따라서, 큰 크기의 외측 튜브를 사용하여야 하며, 외측 튜브에 필요한스테인레스 스틸의 양이 지름의 함수로서 급격히 증대되기 때문에, 결과적으로 파이프의 전체 체적 및 중량이 상당히 증대된다. 파이프의 제조 비용 역시 그에 비례하여 높아진다.

그 대신에, 파이프의 단열 달성의 관점에서 진공의 낮은 열 전도도를 이용하기 위해 동축적인 튜브들 사이의 중간 공간을 배기(evacuate)할 수도 있다. 그러나, 이 경우에 파이프의 구성이 보다 복잡해지며, 양 튜브를 형성하는 강(steel)으로부터 시간 경과에 따라 배출되는 가스를 흡수할 수 있는 게터(getter) 물질을 그 중간 공간에 배치할 필요가 있다.

진공하에서 충진(filling) 재료가 존재하는 외부체(envelope)에 의해 형성된 배기(evacuated) 단열 패널이 공지되어 있다. 그러한 외부체는 대기 가스가 패널내로 유입되는 것을 방지하는(또는 높은 정도로 감소시키는) 역할을 하여, 해당 용도가 요구하는 단열 조건을 충족시킬 수 있는 진공 레벨을 유지한다. 이를 위해, 외부체는 가스 투과성이 높은 정도로 감소된 것을 특징으로 하는 소위 "배리어(barrier)" 호일(foil)로 제조되며, 상기 호일은 단일 성분으로 제조될 수도 있으나, 보다 일반적으로는 서로 상이한 성분들로 이루어진 다층 구조를 가진다. 일반적으로, 다층 구조의 경우에, "배리어" 효과는 성분 층들 중 하나에 의해서 주어지며, 다른 층들은 그 배리어 층을 기계적으로 지지하고 보호하는 역할을 한다. 한편, 충진 재료는 패널내에 진공이 형성되었을 때 외부체의 마주하는 면들을 서로 이격시켜 유지하는 작용을 주로 하며, 단열 기능의 수행을 위해 공동(porosity) 또는 공간이 배기될 수 있도록 다공성의 또는 불균일한 내부 구조를 가져야 한다. 이러한 재료는 예를 들어 실리카 분말, 유리 섬유, 에어로겔(aerogel), 규조토(diatomaceous earth), 등과 같은 무기물; 또는 폴리우레탄 또는 폴리스틸렌 경직형(figid form), 보드(board) 및 분말 형태와 같은 폴리머일 수 있다.

매우 낮은 열전도도로 인해, 매우 얇은 배기된 패널으로도 기름용 도관의 효과적인 단열을 충분히 달성할 수 있다. 따라서, 그러한 도관의 중간 공간의 내부 크기를 감소시킬 수 있으며, 상기 문제점들을 해결할 수 있다.

예를 들어, PCT No. WO 01/38779 공보에는 튜브 형상을 가지고 있으며 기름 파이핑용 해저 도관 둘레에 위치되기에 적합한 배기된 단열 패널이 기재되어 있다.

그러나, 그러한 패널의 첫번째 단점은, 쉽게 균열을 발생시킬 수 있으며 그에 따라 패널내로의 가스 유입 통로를 허용할 수 있는 외부체의 취성(brittleness)에 있다. 명백하게, 그러한 통로는 패널의 단열 특성을 손상시키며, 해저 파이프라인의 경우에는, 손상된 패널을 교체할 수 없기 때문에 수리할 수 없는 손상을 일으킨다.

배기된 패널의 다른 단점은 튜브형 본체에 대한 적절한 단열을 제공하지 못한다는 것이다. 사실상, 그 패널은 대체적으로 평면형의 형상을 가지며, 그에 따라 기름 도관의 내부 중간 공간의 튜브 형상에 패널을 맞추기 위해서는 두개의 대향 엣지(edge)들이 나란히 맞대어질 때까지 굽혀야 한다.

그러나, 이러한 방식으로 굽혀진 배기 패널은 파이프의 내측 튜브를 완전히 단열시키지 못하며, 특히 엣지들이 나란히 맞대어진 영역에서는 단열이 효과적으로이루어지지 않을 것이다. 특히, 그러한 영역에서, 내측 튜브의 냉각이 발생될 수 있으며, 결과적으로 내측 튜브내를 유동하는 기름이 냉각되고, 그에 따라 파이프내에서 농밀화(thickening)가 발생하고 부분적인 막힘이 발생하게 된다.

본 발명은 저온 또는 고온 유체를 이송하기 위한 파이프와 같은 튜브 본체를 단열시키기 위한 시스템에 관한 것이다.

도 1 은 이중-벽 도관의 단면도로서, 상기 이중-벽 도관의 중간 공간에는 본 발명의 실시예에 따른 단열 시스템이 삽입된 상태를 도시한 단면도이다.

도 2 는 도 1 의 도관의 길이방향 단면도이다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 단점이 없는 튜브형 본체를 위한 단열 시스템을 제공하는 것이다. 그러한 목적은 청구범위 제 1 항에 주요 특징이 기재되고 또 청구범위의 종속항에 추가적인 특징이 기재된 바와 같은 단열 시스템에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 단열 시스템은 용이하게 구성될 수 있고, 튜브형 본체를 완전히 단열시키기 위해 서로 중첩되게 배치된 둘 이상의 얇은 배기 패널을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 상기 단열 시스템의 배기 패널들 중 하나 이상은 충진 재료로서 폴리머 재료를 포함하고, 다른 하나 이상의 패널은 평균 입자 크기가 100 나노미터(nm)이하, 바람직하게는 약 2 내지 20 nm 인 불활성 재료의 분말을 이용한다. 상이한 특성을 가지는 두개의 충진 재료의 커플링으로 인해, 본 발명의 실시예에 따른 단열 시스템은, 기름이 높은 온도로 내부에서 유동하고 그리고 심해에 잠겨지는 파이프라인과 같이 주변 환경의 온도와 많이 다른 온도를 가지는 튜브형 본체를 단열유지하는데 특히 효과적이다.

상기 불활성 분말을 가지는 패널은 폴리머 재료를 포함하는 패널 보다 더 높은 온도를 견딜 수 있으며, 그에 따라 상기 폴리머 충진 재료의 보호부로서 사용될수 있으며, 상기 폴리머 충진 재료의 단열 특성은 고온에 장시간 노출되면 뚜렷한 시효(aging) 현상에 의해 상당히 변화될 것이다.

또한, 불활성 분말을 기초로 한 패널은 균열의 경우에도 단열 특성이 보다 덜 변하게 된다. 사실상, 불활성 분말을 포함하는 패널의 열전도도는 공기가 유입되더라도 약간만 변화되며, 그에 따라 최대 수십 밀리바아(mbar)의 내부 압력에 대해서도 약 8 mW/mㆍK 이하로 유지되며, 내부 압력이 1 바아인 경우에 최대 약 20 mW/mㆍK에 도달하게 된다. 대조적으로, 폴리머 포옴(foam)을 기초로한 패널에서, 열전도도는 내부 압력이 1 밀리바아일 때 약 10 mW/mㆍK로부터 대기압일 때 약 35 mW/mㆍK 까지 급격히 상승한다. 이러한 이유때문에, 제 1 패널로는 알루미늄 호일을 포함하는 외부체를 이용할 필요가 있고, 두번째 패널로는 플라스틱제 다수 층으로 이루어진 내성을 가지는(resistant) 외부체를 이용할 것이다.

첨부 도면을 참조하여 이하의 설명을 살펴보면 소위 당업자는 본 발명에 따른 단열 시스템의 추가적인 이점 및 특징들을 보다 명확히 이해할 수 있을 것이다.

도 1 을 참조하면, 본 발명에 따른 단열 시스템이 설치된 파이프가 내측 튜브(1) 및 외측 튜브(2)에 의해 공지된 방식으로 형성되며, 외측 튜브(2)는 상기 내측 튜브(1)와 동축적이고 그리고 튜브들 사이에 중간공간(3)이 형성되게 하는 지름을 가진다. 상기 내측 튜브(1)의 내부에는 기름과 같이 단열될 유체가 유동한다. 튜브(1 및 2)는 기름 이송용 해저 파이프의 경우에는 스테인레스 스틸과 같은 임의의 적절한 재료로 제조될 수 있다.

중간공간(3)에는 두개의 배기 패널(4 및 4')이 배치되며, 상기 각각의 패널은 롤링(rolling) 축에 평행한 두개의 대향 엣지(5 및 5')가 나란히 맞대어질 때가지 롤링된다. 롤링 축에 수직인 다른 두개의 엣지들은 롤링된 패널(4 및 4')의 단부 엣지(6 및 6')를 형성한다. 그러한 방식에서, 배기 패널(4 및 4')은 튜브 형상을 가지며 중간공간의 튜브 형상에 맞춰진다. 그 경우, 상기 대향 엣지들(5 및 5')은 예를 들어 고온 밀봉(hot sealing)과 같은 공지된 수단에 의해 서로 밀봉될 것이다.

그렇게 롤링된 두개의 패널(4 및 4')은 서로 반대로 삽입되는데, 이 때 패널(4)의 엣지(5)는 패널(4')의 엣지(5')와 서로 엇갈리며 바람직하게는 상기 엣지(5')에 대해 대각선 방향으로 위치된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 롤링된 패널(4)의 단부 엣지(6) 역시 도 2 에 도시된 바와 같이 롤링된 패널(4')의 단부 엣지(6')에 대해 서로 엇갈리게 배치된다.

그러한 엇갈린 배치에 의해 실질적으로 균일한 단열효과가 얻어질 수 있는데, 이는 패널의 엣지에 위치하는 열악한 단열 영역에서 발생할 수 있는 단열 본체와 외부 환경 사이의 열 통로가 다른 패널의 존재로 인해 막히기 때문이다. 또한,두 패널 중 하나에 대해 파이프의 설치중에 또는 그 후에 균열이 발생하더라도, 다른 패널의 존재에 의해 열 보존 특성이 보장된다.

또한, 단열 시스템은 둘 이상, 예를 들어 3개 또는 4개의 패널을 포함할 수도 있다. 상기 패널들은 모두 동일한 종류이거나 또는 서로 다른 종류일 수 있으며, 특히 예를 들어 다층 형태, 그리고 무기질 또는 폴리머, 불연속 또는 다공성의 충진 재료와 같은 통상적인 외부체를 포함할 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 배기 패널은 다음과 같은 두가지 형태이다; 즉, 하나 이상의 패널은 폴리우레탄계 충진 재료와 같은 폴리머 충진 재료를 포함하고, 하나 이상의 다른 패널은 평균 입자 크기가 100 nm 이하, 바람직하게는 약 2 내지 20 nm 인 불활성 분말을 충진 재료로 이용한다. 바람직하게, 상기 분말은 실리카이다. 원하는 크기 특성을 가지는 실리카는 실리케이트의 알칼리 용액으로부터의 석출에 의해 얻어질 수 있으며; 이러한 종류의 실리카는 예를 들어 영국의 Microtherm International Ltd. 라는 회사가 Microtherm G, Microtherm Super G, 또는 Waterproof Microtherm Super G 라는 제품명으로 생산 및 판매하고 있다.

그 대신에, SiCl₄+ O₂→SiO₂+ 2Cl₂의 반응식에 따라 특별한 챔버내에서 산소와 함께 SiCl₄를 연소시킴으로써 얻어지는 실리카 형태인 발열성(pyrogenic) 실리카를 이용할 수도 있다.

이러한 반응에서 생성된 실리카는 수 나노미터 내지 수십 나노미터 사이의 크기를 가지는 형태의 입자들이며, 그 반응은 보다 큰 입자들을 생성할 수도 있다.발열성 실리카는 예를 들어 미국의 CABOT Corp. 라는 회사가 Nanogel^?이라는 제품명으로 제조 및 판매하고 또는 독일의 Wacker GmbH 라는 회사가 제조 및 판매하고 있다.

이러한 실리카는 균일한 몇 밀리미터 두께의 블록을 제조할 수 있게 용이하게 경화될 수 있도록 예를 들어 유리 섬유와 같은 광물 섬유와 혼합될 수 있다. 상기 블록은 비교적 용이하게 포장되고, 배기되며 이어서 롤링될 수 있을 것이다.

그러한 불활성 재료는 일반적으로 고온을 잘 견딜 수 있기 때문에, 그러한 재료를 포함하는 패널들은 주위 환경과 단열되는 본체 중에서 보다 높은 온도를 가지는 것과 접촉하게 배치된다. 따라서, 기름 이송용 도관의 경우에는, 튜브(1) 내부를 흐르는 원유의 높은 온도에 장시간 노출됨으로 인한 손상으로부터 폴리머 충진 재료를 포함하는 패널을 보호하기 위해 상기 패널들이 내측 튜브(1)와 직접 접촉하도록 배치되는 것이 바람직하다. 도 1 의 경우에, 패널(4)은 불활성 충진 물질을 포함하고, 패널(4')은 폴리머계 충진 재료를 기초로 하는 것이 바람직하다.

기름 이송용 도관의 단열과 관련하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명에 따른 단열 시스템은 예를 들어 액체 질소 또는 산소와 같은 극저온 유체를 이송하기 위한 파이프 또는 보일러와 같은 튜브 형상의 기타 본체를 단열시키는데 사용될 수도 있다.

Claims (12)

1. 무기질 또는 폴리머의, 불연속적 또는 다공성의 충진 재료를 내부에 포함하고 배리어 호일로 제조된 배기 외부체에 의해 각각 형성되는 둘 이상의 배기 패널(4, 4')을 포함하는 튜브형 본체를 위한 단열 시스템에 있어서,

   상기 배기 패널(4, 4')은 대향 엣지들 중에서 롤링 축에 평행한 두개의 대향 엣지들(5, 5')이 나란히 맞대어질 때까지 롤링되며, 상기 대향 엣지들 중 상기 롤링 축에 수직한 다른 두개의 엣지들은 롤링된 배기 패널의 단부 엣지(6, 6')를 형성하며, 상기 롤링된 배기 패널(4, 4')들은 배기 패널(4)의 엣지(5)가 다른 배기 패널(4')의 엣지(5')에 대해 엇갈린 상태로 서로 동축적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 튜브형 본체를 위한 단열 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 배기 패널(4)의 엣지(5)들은 다른 배기 패널(4')의 엣지(5')들에 대해 대각선 방향으로 마주보게 배치되는 것을 특징으로 하는 튜브형 본체를 위한 단열 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 롤링된 배기 패널(4)의 상기 단부 엣지(6)들은 다른 롤링된 배기 패널(4')의 단부 엣지(6')에 대해 엇갈리는 것을 특징으로 하는 튜브형 본체를 위한 단열 시스템.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기 패널 중 하나 이상은 폴리머 충진 재료를 포함하고, 다른 배기 패널 중 하나 이상은 평균 입자 크기가 100 나노미터 이하인 불활성 재료 분말을 충진 재료로서 이용하는 것을 특징으로 하는 튜브형 본체를 위한 단열 시스템.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 폴리머 충진 재료는 폴리우레탄인 것을 특징으로 하는 튜브형 본체를 위한 단열 시스템.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 불활성 재료의 분말은 약 2 내지 20 나노미터의 평균 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 튜브형 본체를 위한 단열 시스템.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 불활성 재료의 분말은 광물 섬유와 혼합되는 것을 특징으로 하는 튜브형 본체를 위한 단열 시스템.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 광물 섬유는 유리 섬유인 것을 특징으로 하는 튜브형 본체를 위한 단열 시스템.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 불활성 재료는 실리카인 것을 특징으로 하는 튜브형 본체를 위한 단열 시스템.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 실리카는 발열성 실리카인 것을 특징으로 하는 튜브형 본체를 위한 단열 시스템.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기 패널의 두께는 4 내지 15 mm 인 것을 특징으로 하는 튜브형 본체를 위한 단열 시스템.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 대향 엣지들은 상호 밀봉되는 것을 특징으로 하는 튜브형 본체를 위한 단열 시스템.