KR20050060589A - 저온 액화가스 저장수송용 단열탱크의 단열재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저온 액화가스 저장수송용 단열탱크의 단열재에 관한 것으로, 그 목적은 단열성능이 우수한 에어로젤의 단점인 취성과 압축시 단열성능 저하를 극복하여 LNG운반선의 적재화물의 보온을 위한 단열 탱크의 단열재로 사용할 수 있도록 함으로써, 단열성능을 향상시키고, 운항시 단열층 무게에 의한 운송비용 손실을 개선하며, 단열층의 두께를 줄여 화물 적재량을 증대시키고자 하는 데에 있다.

본 발명은 저온 액화가스 저장/수송용 단열탱크에 사용되는 단열재에 있어서, 상기 단열재는 폴리우레탄 폼 단열재와 에어로젤 패널을 멤브레인과 선체 사이에 위치하도록 설치되는 플라이우드 사이에 교대로 적층배열 설치하고, 상기 플라이우드에 연결되도록 보강부재가 설치되는 단일방벽 구조로 이루어진 저온 액화가스 저장수송용 단열탱크의 단열재를 제공함에 있다.

Description

저온 액화가스 저장수송용 단열탱크의 단열재{Heat Insulating Materials of Cargo Tank for Liquefied Natural Gas Carriers}

본 발명은 저온 액화가스 저장수송용 단열탱크의 단열재에 관한 것으로, 폴리우레탄 단열재와 에어로젤 패널을 격자형 또는 박스형으로 배열 설치하여 강도 및 단열성능을 향상시킨 저온 액화가스 저장수송용 단열탱크의 단열재에 관한 것이다.

일반적으로 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas, 이하 'LNG'라 함)는 지하에서 뽑아 올린 탄화수소 계열의 천연 가스를, 운송과 저장의 편의를 위해 -162℃로 압축, 냉각, 액화시켜 부피를 1/600으로 줄인 극저온 액체를 말하는 것으로, 가격에 비해 열량이 우수하여 석유 대체에너지로 각광받고 있으며, 청정에너지로서 LNG 교역량 증가에 따라 LNG운반선의 수요도 증가하고 있다.

상기와 같은 액화천연가스 또는 액화수소 및 산소 등, 저온의 액화가스를 저장 수송하는 단열용기의 설계에 있어서 외부로부터의 열침입에 의한 액화가스의 비등을 방지하는 단열 기술이 무엇보다도 중요하다. 현재 상업적으로 고안 적용되고 있는 단열방법에는 외부 단열 방법과 내부 단열방법이 있으며, 내부 단열방법은 용기 외함의 온도를 외기 온도와 유사하게 제어할 수 있으므로 저온용 소재의 적용과 같은 소재 사용에 제약이 없는 장점을 구비하고 있다. 이러한 내부 단열방법에는 미국의 맥도넬 더글라스 사의 중간 방벽 구조(US Pat. 3,993,216, 1976)를 기초로 2중 방벽 구조를 가지는 프랑스의 GTT사의 멤브레인형의 단열 용기가 알려져 있다.

도 1 은 상기와 같은 종래의 이중 방벽구조를 보인 단열탱크 예시도를 도시한 것으로, LNG가 직접 접촉하는 제 1 밀봉벽인 멤브레인 금속판넬(101)과, 멤브레인에 일정한 하중이 걸리게 하는 제 1 플라이 우드(102)와, 제 1 단열벽인 폴리우레탄 폼(103)과, 제 2 밀봉벽인 알루미늄 금속판(104)과 제 2 단열벽인 폴리우레탄 폼(105)과, 제 2 플라이우드(106)와, 화물과 단열탱크의 중량을 선체(107)에 전달하는 마스틱(110)과 단열탱크를 선체에 고정하는 고정 수단으로서 볼트(108)와 너트(109)로 구성되어 있다.

상기에서와 같이, 이들 특허 구조들은 단열소재로서 발포 천연광물인 perlite나 발포 폴리우레탄을 사용하고 있으나, 이들 단열구조들은 단열특성을 확보하기 위해 요구되는 두께가 두꺼워 공간효율이 저하되는 단점이 있다. 즉, 종래의 저온 액화가스 저장/수송용 단열탱크 구조는 보온을 위한 단열층이 폴리우레탄 폼으로만 구성됨으로써 두께가 과도하게 두껍고 무거우므로 단열층 제조비용이 과다하며, 단열층의 무게에 의해 운송비용을 증가시키고, 화물적재 용량의 손실을 초래하는 문제점이 있었다. 일례로 종래의 단열탱크 구조에 의해 건조된 145,000㎥급 LNG운반선의 경우 단열층의 두께로 인하여 약 3%정도의 적재용량 손실을 초래하고 있고, 또한 단열시스템의 단열성능은 하루에 적재 LNG의 0.15%가 기화되는 것으로 알려져 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 단열층의 소재를 변경하려는 연구가 활발히 이루어지고 있으나, 적재하중을 견뎌야하는 문제점과, 극저온하에서 소재의 단열 특성을 유지해야하는 문제점 등에 의해 많은 어려움이 있었다.

또한, 미국특허 6,485,805와 2002/0094426 등에서 그 특징이 언급되어 있는 단열을 위한 신소재인 에어로젤은 나노단위의 기공성 구조를 가진 저밀도 물질이며, 열전도도, 음파 전도도가 극히 낮으며, 단열·방음·방진·적외선 차단성 및 충격흡수 특성이 우수한 것으로 밝혀졌으나, 그 재질적 취성과 고압으로 압축할 경우, 단열성능이 저하되고, 강도가 부족하여 구조 강도 측면에서 하중전달형 내부 단열방법으로 직접 적용하는데 어려움이 있으며, 이로 인해 LNG운반선등과 같이 저온 액화가스를 저장/수송용 단열재로 사용하는데 여러 가지 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 저온 액화가스 저장 및 수송용 단열탱크를 2차 방벽 기능없이 단일 방벽에 의해 형성할 수 있는 저온 액화가스 저장수송용 단열탱크의 단열재를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또다른 목적은 단열성능이 우수한 에어로젤의 단점인 취성과 압축시 단열성능 저하를 극복하여 저온 액화가스운반선의 적재화물의 보온을 위한 단열 탱크의 단열재로 사용할 수 있도록 함으로서, 단열성능을 향상시키고, 운항시 단열층 무게에 의한 운송비용 손실을 개선하며, 단열층의 두께를 줄여 화물 적재량을 증대시키고자 하는 데에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 폴리우레탄과 에어로졸을 격자보강형 또는 박스형으로 하여 강도를 향상시키고, 이를 통해 기계적 하중을 지탱할 수 있는 저온 액화가스 저장수송용 단열탱크의 단열재를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 저온 액화가스 저장/수송용 단열탱크에 설치되는 단열재의 두께를 감소하여 설치를 용이하게 하고 공간을 절약할 수 있는 저온 액화가스 저장수송용 단열탱크의 단열재를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 저온 액화가스 저장/수송용 단열탱크에 사용되는 단열재에 있어서, 상기 멤브레인과 선체 사이에 설치되는 단열재는 폴리우레탄 폼 단열재(10)와 에어로젤 패널(20)이 플라이우드(40,50) 사이에 교대로 적층배열 설치되고, 상기 플라이우드(40,50)에 연결되도록 보강부재(30)를 설치하도록 되어 있다.

이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2 는 본 발명에 따른 구성을 보인 단열재 단면예시도를, 도 3 은 도 2 의 A-A 선 단면도를 도시한 것으로, 본 발명은 플라이우드(40,50) 사이에 폴리우레탄 단열재(10)와 에어로젤 패널(20)을 수평으로 교대로 적층하고, 보강부재(30)가 수직 및 수평방향으로 등간격을 유지하며 배열하도록 되어 있다. 즉, 단열 성능이 우수한 과립이나 직물판 형태의 미세기공 함유형 단열재료(예: 에어로젤)의 단점인 취성과 압축 변형에 의한 단열성능 저하를 극복하기 위하여, 액체 상태의 폴리우레탄 폼을 경화시키는 과정에 직물 판형태의 에어로젤을 적층 배열하고 수직방향으로 강성을 확보하기 위한 보강부재를 수직으로 배열하도록 되어 있다.

상기 폴리우레탄 단열재(10)는 폴리에테르계 폴리우레탄에 기포가 들어 있는 우레탄폼으로서, 그 제조방법은 산화프로필렌에 얼마간의 산화에틸렌을 섞어서 먼저 폴리에테르로 하고, 그 양끝의 OH기를 톨루일렌디이소시안산과 반응시켜 고분자량의 폴리우레탄으로 만든다.

또한 폼 성형(成形) 방법으로는 원-숏법(one-shot method)과 프리폴리머법(prepolymer process)의 2가지가 있는데, 원숏법은 원료성분을 한꺼번에 전부 섞어 반응시켜 발포시키므로 경제적이어서 연질폼은 대부분 이 방법으로 만들어진다. 프리폴리머법은 미리 글리콜의 일부와 디이소시안산염을 반응시켜 프리폴리머(부분중합제)를 만들어 두고, 여기에다 나머지 글리콜·발포제·촉매 따위를 섞어 발포시키는 방법인데, 발포가 고르기 때문에 반경질 폼이나 경질 폼처럼 공업용으로 쓰이는, 품질을 중히 여기는 폼을 만드는 데 이 방법을 이용한다.

상기 에어로젤 패널(20)은 나노단위의 미세 기공성 구조를 구비하고 있으며, 열전도도 및 음파 전도도가 극히 낮고, 단열·방음·방진·적외선 차단성 및 충격흡수 특성이 우수한 신소재인 에어로젤을 이용한 것으로, 직물판 형태의 에어로젤을 적층배열하고 이와 같이 적층된 에어로젤 패널은 폴리우레탄 단열재와 교대로 적층된다.

상기 보강부재(30)는 양단부가 플라이우드(40,50)에 각각 연결/설치되는 것으로, 스페이서 형상을 구비하고, 단열성능을 해치지 않는 범위에서 강성이 충분한 합판, 금속 또는 수지판 등을 사용하며, 적층된 폴리우레탄 단열재와 에어로젤 패널에 수직을 이루도록 즉, 격자형상을 구비하도록 설치되어 있다.

도 4 는 본 발명에 따른 또다른 구성을 보인 단열재 단면 예시도를 도시한 것으로, 보강부재(30)를 밀폐된 박스형상으로 형성하도록 되어 있다. 즉, 폴리우레탄 단열재(10)와 에어로젤 패널(20)을 순차적으로 적층하고, 상기 적층된 폴리우레탄 단열재(10)와 에어로제 패널(20)의 외부면에 보강부재(30)를 박스형상으로 형성한 후, 그 내부를 진공감압하여 기밀을 유지시키고, 상기와 같이 형성된 박스형 보강부재를 플라이우드(40,50) 사이에 설치하거나, 상기 박스형 보강부재 외부면을 따라 플라이우드(40,50)를 연결 설치하도록 되어 있다. 즉, 본 발명은 적층 강도 및 기밀성을 동시에 확보하기 위해 단열판 내부를 진공으로 감압이 가능하도록 폴리우레탄 단열재와 에어로젤 패널을 박스형상의 구조로 형성할 수 있으며, 박스형상의 외부면을 방벽기능이 있는 실드패널(31)로 이루어진 보강부재(30)로 감싸도록 되어 있다.

상기 실드패널(31)은 알루미늄 박판으로 형성되거나 도 4 에 도시된 바와 같이, 알루미늄 박판등의 금속실드내에 에어로젤이 삽입/설치되는 구성으로 되어 있다.

상기와 같이 본 발명은 폴리우레탄 단열재(10)와 에어로젤 패널(20)을 플라이우드(40,50) 사이에 교대로 적층하고, 스페이서 형상으로 이루어진 보강부재(30)를 상기 플라이우드(40,50) 사이에 설치하거나, 박스형상의 보강부재 외부면을 따라 플라이우드(40,50)를 연결 설치하여 적층된 폴리우레탄 단열재와 에어로젤 패널을 보강하도록 되어 있다.

다음은 상기와 같이 제조된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실험예이다.

실험예 1

멤브레인에 일정한 하중이 걸리게 하는 제 1 플라이우드와 마스틱과 연결되는 제 2 플라이우드 사이에 폴리우레탄 폼 단열재와 에어로젤 패널을 교대로 적층배열 설치한 단열재(시험편 1)와, 이와 같이 적층된 단열재의 제 1,2 플라이우드 사이에 폴리우레탄 폼 단열재와 에어로젤 패널의 수직방향으로 보강부재(스페이서)가 설치된 단열재(시험편2)에 대하여 압축응력에 대한 변형저항성을 측정하였으며, 이에 대한 결과는 표 1 과 같다. 이때, 상기 변형량 평가는 통상의 깊이 20m 의 액화천연가스 용기의 바닥에 적용하는 수압 조건인 평당 m 당 83,000 N 의 하중에 대한 변형 저항성을 측정하였다.

표 1

	100㎜ 두께당 변형량
시험편 1	약 6 ㎜
시험편 2	약 2 ㎜ 이하

실험예 2

내부에 폴리우레탄 단열재와 에어로젤 패널이 교대로 적층배열 설치되고 내부가 진공감압된 박스형 보강부재(실드패널 박스)로 이루어진 단열재(시험편 3)와, 폴리우레탄 폼으로 이루어진 단열재(시험편 4)에 대하여 열전도도를 측정하였으며 이에 대한 결과는 표 2 와 같다.

표 2

	열전도도(㎽/m·K)
시험편 3	4.0
시험편 4	29.2

상기와 같이, 미세기공 함유형 단열재의 열전도도는 진공상태에서 4.0 ㎽/m·K로서 단열성능이 급격히 향상되므로, 단열성능을 극대화하기 위하여 박스 내부를 진공 상태로 유지함으로써 단열성능을 보다 더 개선할 수 있다. 이때 기밀성을 확보하기 위해 부가되는 박스 내면 또는 외면에 에 부착되는 알루미늄 박판 중 하부의 단열 단위 적층판은 2차 방벽기능을 겸비하여 별도의 2차 방벽을 설치할 필요가 없는 이점을 제공한다. 내부진공형의 미세기공 함유형 단열재로 제작한 단열판은 종래의 폴리우레탄에 비해 미세기공함유 단열재의 체적 비율이 30%일 때 약 3 배 단열성능이 우수한 것으로 나타났다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 멤브레인과 선체 사이에 설치되는 플라이우드 사이에 폴리우레탄 단열재와 단열성능이 우수한 에어로젤 패널을 교대로 적층하고, 플라이우드에 연결되도록 보강부재를 설치하도록 되어 있어, 열전도도를 급격히 감소시키고, 종래의 단열재에 비해 두께를 얇게 줄일 수 있으며, 이를 통해 공간 사용효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명은 보강부재를 진공 감압이 가능한 박스형상으로 형성하여 단열성능을 극대화함과 동시에, 강도를 향상시킬 수 있다.

또한, 우수한 단열성능에 의해 저장되는 저온 액화가스의 증발손실량을 줄이고, 운항 경제성을 향상시킬 수 있으며, 산업상 그 이용이 크게 기대되는 등 많은 효과가 있다.

도 1 은 종래의 이중 방벽구조를 보인 단열탱크 예시도

도 2 는 본 발명에 따른 구성을 보인 단열재 단면예시도

도 3 은 도 2 의 A-A 선 단면도

도 4 는 본 발명에 따른 또다른 구성을 보인 단열재 단면예시도

도 5 는 본 발명에 따른 실드패널(Shielded Aerogel) 단면구조를 보인 예시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(10) : 폴리우레탄 단열재 (20) : 에어로젤(Aerogel) 패널

(30) : 보강부재 (31) : 실드(Shield)패널

(40,50) : 플라이우드(plywood)

Claims (5)

1. 저온 액화가스 저장/수송용 단열탱크에 사용되는 단열재에 있어서,

   상기 단열재는 폴리우레탄 폼 단열재와 에어로젤 패널을 멤브레인과 선체 사이에 위치하도록 설치되는 플라이우드 사이에 교대로 적층배열 설치하고, 상기 플라이우드에 연결되도록 보강부재가 설치되는 단일방벽 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 저온 액화가스 저장수송용 단열탱크의 단열재.
2. 제 1 항에 있어서;

   상기 보강부재는 스페이서 형상을 구비하고, 양단부가 플라이우드에 각각 연결/설치되며, 적층된 폴리우레탄 단열재와 에어로젤 패널에 대하여 수직을 이루도록 격자형으로 설치되는 것을 특징으로 하는 저온 액화가스 저장수송용 단열탱크의 단열재.
3. 제 1 항에 있어서;

   상기 보강부재는 밀폐된 박스형상을 구비하고, 폴리우레탄 단열재와 에어로젤 패널이 순차적으로 적층된 내부가 진공 감압되는 것을 특징으로 하는 저온 액화가스 저장수송용 단열탱크의 단열재.
4. 제 3 항에 있어서;

   상기 밀폐된 박스형상의 보강부재 외부면을 따라 플라이우드가 설치된 것을 특징으로 하는 저온 액화가스 저장수송용 단열탱크의 단열재.
5. 제 1 항 내지 제 4 항에 있어서;

   상기 보강부재는 알루미늄 박판 또는, 금속실드내에 에어로젤이 삽입/설치된 실드패널인 것을 특징으로 하는 저온 액화가스 저장수송용 단열탱크의 단열재.