KR20080113033A - 초저온 에어로젤 단열 시스템 - Google Patents

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Abstract

내벽(2) 및 외벽(3)에 의해 형성된 밀봉 가능한 단열 공간(1)에 에어로젤이 제공되어 여압 및 감압되는 초저온 단열 시스템 구축법이다. 여압은 양호하게는 이산화탄소인 응축성 기체를 단열 공간(1)에 제공함으로써 완수된다. 응축성 기체는 단열 공간을 감압시키기 위하여 적어도 일 벽(2, 3)을 190 K보다 낮은 온도로 냉각시킴으로써 냉각되고, 통상적으로 초저온 액체로부터의 냉각이 적용되어 초저온 온도로 냉각된다.
Figure P1020087023025
초저온 단열 시스템, 이중벽 용기 단열, 초저온 단열, 이중벽 도관 단열

Description

초저온 에어로젤 단열 시스템 {CRYOGENIC AEROGEL INSULATION SYSTEM}
본 발명은 전체적으로 단열 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로 초저온 온도에서 사용하게 되는 단열 시스템에 관한 것이다.
이중벽 용기(double-walled vessel)를 위한 종래의 초저온 진공 단열 시스템은 통상적으로 0℃에서 1 미크론 Hg 보다 낮은 높은 진공도를 요구한다. 진공의 목적은 기체의 전도/대류를 감소시키기 위함이다. 요구되는 높은 진공 상태는 생산하는데 많은 비용이 들고 상승된 온도에서 오랜 펌프 배출 시간을 필요로 한다. 이는 진공 단열 장비의 높은 생산 비용으로 귀결된다. 일단 달성되더라도, 실제로 통상 15년 내지 20년인 장비 사용 기간 동안에 진공 상태를 유지하기 매우 어렵고, 모든 예방 조치에도 불구하고 진공 공간의 압력이 상승하는 것을 피할 수 없어 성능의 급격한 손실이 야기되는 것이 발견된다. 하나의 대안은 발포 단열을 사용하는 것이다. 그러나 이러한 단열은 진공 단열보다 훨씬 많은 열 누출을 발생시킨다. 웨더시일(weatherseal) 발포 단열에 정교한 조치가 취해지지 않으면, 물의 침투로 인한 급속한 열화가 야기될 것이다. 따라서, 초저온 단열 시스템은 그 수명동안 신뢰할 수 있고, 제조 비용이 많이 소요되지 않으며, 높은 성능을 가지고, 진공 손실에 비교적 영향을 받지 않을 것이 요구된다.
초저온 단열 시스템 구축법이며, 에어로젤(aerogel)을 내장하며 내벽 및 외벽에 의해 형성된 단열 공간을 제공하는 단계와, 에어로젤 내장 단열 공간에 한번 이상의 여압 과정과 한번 이상의 감압 과정을 수행하는 단계와, 에어로젤 내장 단열 공간의 하나 이상의 벽을 190K 보다 낮은 온도로 냉각하는 단계를 포함하고, 여압 과정은 에어로젤 내장 단열 공간에 응축성 기체를 제공하는 단계를 포함한다.
본원에서 사용되는 용어 "응축성 기체"는 단열 공간의 평균 온도에서 이상 기체 법칙을 적용했을 때 예상되는 압력보다 훨씬 낮은 증기압을 저온 조건에서 갖는 기체를 의미한다. 이는 통상적으로 기체로부터 고체로 상 변화를 겪는 응축성 기체로부터 나타난다. 그러나 에어로젤 단열은 아주 큰 비표면적을 가지며, 초저온 온도로 냉각될 때 어느 정도의 기체를 흡착할 수 있다.
하나뿐인 도면은 본 발명의 일 실시예의 단순화된 단면도이며, 단열 공간이 이중벽 도관의 벽에 의해 형성된다.
본 발명은 이중벽 파이프 또는 이중벽 탱크와 같은 임의의 이중벽 구조체 또는 용기에서의 사용에 적용될 수 있다. 도면은 이중벽 파이프 또는 도관의 단면을 도시하며, 본 발명은 도면을 참조하여 더욱 자세히 논의될 것이다.
도면을 참조하면, 단열 공간(1)은 이중벽 도관(4)의 내벽(2) 및 외벽(3)에 의해 형성된 체적이다. 단열 공간(1)은 폴리에스테르(polyester), 섬유 유 리(fiberglass), 탄소 섬유(carbon fiber), 실리카 섬유(silica fiber), 그리고 이들의 혼합물과 같은 섬유상 배팅(fibrous batting)과 결합된 에어로젤을 포함하는 블랭킷(blanket)과 같은 에어로젤 복합체의 형태일 수 있는 에어로젤(5)을 내장한다. 양호하게는 적어도 75%의 단열 공간 체적이 에어로젤 또는 에어로젤 복합체로 채워진다.
임의의 적절한 에어로젤이 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 본발명의 실시에서의 양호한 에어로젤은 실리카 에어로젤이다. 에어로젤은 단일 블럭(monolithic block)으로서, 과립, 구슬, 또는 분말 미립자의 형태의 미립자로서, 또는 섬유상 배팅을 포함하는 복합 에어로젤 블랭킷으로서 생산될 수 있다. 젤 또는 에어로젤은 콜로이드 입자의 응집성의, 강성의, 연속적인 3차원 네트워크이다. 3차원 젤 미세구조를 형성하기 위하여, 젤은 통상적으로 중화염이 결여된 때 산성인 조건에서 콜로이드 입자의 집합으로 인하여 생성된다. 응집성의 젤 미세구조가 유지되도록 초임계 건조와 같은 방법에 의해 젤이 건조되면, 즉 세공으로부터 액체가 제거되면, 저밀도 젤 또는 에어로젤이 형성된다. 에어로젤 생산을 위한 적절한 공정은 미국 특허 제3,122,520호에 기재되어 있다. 에어로젤 복합체 생산을 위한 적절한 공정은 미국 특허 제6,670,402호에 기재되어 있다. 에어로젤은 양호하게는 금속 산화 에어로젤이며, 구체적으로는 실리카 에어로젤이다. 에어로젤 입자는 임의의 적절한 밀도를 가질 수 있으며, 양호하게는 약 0.05 g/cm.sup.3 내지 약 0.15 g/cm.sup.3이다. 또한 에어로젤 입자는 임의의 적당한 표면적을 가질 수 있으며, 양호하게는 최소한 약 200 m.sup.2/g이다. 본원에서 기재된 표면적은 0.05 내지 0.25 atm의 범위에서 다섯개의 상이한 상대 압력에서 흡착된 질소의 양을 기초로 계산되었으며, 이는 그레그 에스. 제이. 및 싱 케이. 에스. 더블유.의 "흡착, 표면적 및 간극률" (Gregg, S. J., and Sing, K.S.W., "Adsorption, Surface Area and Porosity", P.285, Academic Press, New York (1991))에서 참조하는 BET 모델(Brunauer-Emmett-Teller model)에 따른 것이다.
에어로젤 입자는 예컨대 광학적 투과성, 극히 낮은 밀도 및 매우 낮은 열 전도성과 같은 매우 바람직한 특성을 가진다. 에어로젤 입자는 임의의 적절한 직경을 가질 수 있다. 양호하게는, 실질적으로 모든 에어로젤 입자의 직경은 약 0.5 mm 또는 그 이상(예컨대, 약 1 mm 또는 그 이상)이다. 보다 양호하게는, 실질적으로 모든 에어로젤 입자의 직경은 약 5 mm 또는 그 이하(예컨대, 0.5 또는 1 mm 내지 약 5 mm)이다. 에어로젤은 본 발명의 실시에서 임의의 적절한 형태로 사용될 수 있다. 예컨대, 에어로젤은 그 용도에 따라 폴리에스테르, 섬유 유리, 탄소 섬유, 실리카 또는 석영 섬유(quartz fiber)와 같은 섬유와 함께 혼합되어 블랭킷 내에 통합될 수 있다. 이후, 복합 에어로젤/섬유 블랭킷은 파이프 주위에 일련의 층으로 단단히 감싸진다. 이러한 구성에서, 통상적으로 구리 또는 알루미늄과 같은 연마된 금속인 저 방사율 물질의 얇은 시트를 삽입함으로써 복사 차폐를 제공하는 것이 가능하다. 이러한 선택 사양의 두 번째 장점은 에어로젤이 현존하는 다중층(multi-layer) 단열을 적용 장치를 사용하여 감싸질 수 있다는 것이다.
두 번째 선택 사양은 에어로젤의 미립자 형태로 이중벽 공간을 채우는 것이다. 0.5 내지 5.0 mm 범위 크기의 다양한 분말, 과립 및 구슬이 이용 가능하다. 미립자로 단열 공간을 채우기 위해서는, 일반적으로 파이프를 수직으로 지향시켜 환형의 공간이 바닥부터 위로 채워지도록 하는 것이 바람직하다. 이는 성능에 좋지 않은 영항을 미칠 수 있는 빈 공간이 없도록 보장한다. 분말을 다루는 이용 가능한 수많은 방법들이 있다. 에어로젤을 전달하기 위한 적절한 방법은 진공 컨베이어를 사용하는 것이다.
미리 성형된 백(bag)내에 에어로젤을 패키지 하는 것도 가능하다. 각각의 백은 에어로젤로 채워지고 응축성 기체, 양호하게는 이산화탄소로 정화(purge)된다. 이후 백은 이상적으로는 1000 내지 10,000 미크론 범위의 압력으로 소기(evacuate)되고 밀봉된다. 주위 압력(ambient pressure)에서는, 백의 체적이 감소되어 단열 공간 내에 쉽게 끼워진다. 탱크, 트레일러 등과 같이 큰 단열 공간을 위해서는, 단열 공간을 채우기 위하여 다수의 백이 사용될 수 있다. 도관과 같이 작은 단열 공간을 위해서는, 백은 단열 공간의 윤곽에 합치하는 껍질 형상으로 미리 성형될 수 있다. 이러한 방식으로 에어로젤이 패킹되면, 단열 공간은 여전히 응축성 기체로 정화되어야만 하고, 각 백의 내부 압력에 유사한 압력까지 소기될 것이다. 적절한 백 재료는 조립 공정이 지속되는 동안 진공이 유지될만큼 충분히 낮은 투과성을 갖춘 중합체 재료이다. 이러한 시스템과 함께, 단열 체적의 충분한 부분이 에어로젤을 내장한 백으로 채워져 백이 팽창할 때 빈 공간이 없도록 보장하는 것이 필요하다.
세 번째 선택 사양은 에어로젤 복합체 블랭킷과 에어로젤 미립자의 사용을 결합하는 것이다. 모든 경우에서, 에어로젤의 친수성 또는 소수성 형태 중 어떠한 것도 사용할 수 있다. 소수성 에어로젤 미립자는 그 구조를 잃지 않으면서 압축될 수 있고 낮은 물 함유량을 갖는다. 친수성 에어로젤은 덜 압축 가능하고, 물에 대한 높은 친화성을 가진다. 더욱이, 친수성 에어로젤은 순수 산소 내에서 비가연성이고, 따라서 이러한 사용에서 더욱 적합하다.
이중벽 공간을 밀봉하기 위하여, 단부는 용접되어야만 하고, 이로 인해 공간은 밀폐식으로 밀봉된다. 용접 공정의 고온에 의해 손상되지 않는 고온 에어로젤 블랭킷 또는 섬유 유리 물질이 용접부 주변에 사용되어야만 한다. 이중벽 도관을 제작할 때, 외측 파이프에 대한 내측 파이프의 차등 팽창을 허용하기 위한 수단이 제공되어야만 한다. 일반적으로, 이는 팽창 벨로우즈(bellows)를 제공함으로써 달성된다. 벨로우즈가 공정 압력보다는 진공 압력에 노출되는 경우 때문에, 때때로 외피(jacket) 내에 위치된다. 이러한 배치의 큰 단점은 작동 온도에서 외피의 길이가 감소되고 파이프 지지 시스템은 이러한 움직임을 수용하도록 설계되어야만 한다는 것이다. 비록 벨로우즈가 환경적 및 기계적 손상에 노출될지라도, 실패의 결과는 결국 진공의 손실로 한정된다. 차등 열 팽창을 허용하기 위한 두 번째 방법은 내측 또는 외측 파이프 중 어느 하나에 가요성 호스 부분을 사용하는 것이다.
에어로젤 내장 단열 공간은 정화된다. 양호하게는 제조과정에서 남겨진 에어로젤 물질 내의 어떠한 수분 또는 중질 탄화수소를 제거하기 위하여 처음에는 진공 펌프가 단열 공간을 1000 내지 10000 미크론 Hg 범위 내의 압력까지 소기한다. 이후, 에어로젤 내장 단열 공간은 적어도 한차례의 여압과 적어도 한차례의 감압을 겪게 되며, 이러한 여압은 이산화탄소 기체와 같은 응축성 기체, 즉 적어도 99.5 몰 퍼센트의 이산화탄소를 포함하는 유체를 에어로젤 내장 단열 공간에 제공하는 것을 포함한다. 사용될 수 있는 다른 응축성 기체는 N2O, R-134a, 질소, 산소 및 아르곤을 포함한다. 여압 단계는 외벽의 압력 등급(pressure rating)만큼 높을 수 있다. 감압 단계는 1 기압만큼 높거나 10 미크론 만큼 낮을 수 있으나 통상적으로 1000 내지 10000 미크론 범위 내일 것이다. 양호하게는 에어로젤 내장 단열 공간은 최소한 두 번의 이러한 사이클을 겪고 약 10번 까지의 이러한 사이클을 겪을 수 있다. 양호하게는, 마지막 감압 이후의 단열 공간의 최종 압력은 1000 내지 10000 미크론 범위 내이다.
적어도 에어로젤 내장 단열 공간의 일 벽, 양호하게는 내벽만이 190 K보다 낮은 온도로 냉각된다. 양호하게는, 이러한 냉각은 도면에 도시된 액체(6)와 같은 초저온 액체를 이중벽 용기로 제공함으로써 수행된다. 적절한 초저온 액체는 액체 질소, 액체 산소, 액체 아르곤, 액화천연기체, 액체 헬륨 및 액체 수소를 포함한다. 에어로젤 내장 단열 공간 내의 온도가 떨어짐에 따라, 그리고 이중벽 구조체의 적어도 일 벽 또는 내측 표면이 필수 온도(requisite temperature)로 냉각될 때, 추가적인 압력 감소가 발생한다. 에어로젤 내장 단열 공간은 양호하게는 소정의 최종 압력(통상적으로 1-5 미크론)에서의 응축성 기체의 어는점 보다 낮은 온도로 냉각된다. 냉각동안 에어로젤 내장 단열 공간 내의 온도는 떨어진다. 이중벽 구조체의 벽 또는 표면이 우세 압력(prevailing pressure)에서의 응축성 기체의 어는점 또는 그보다 낮은 온도로 냉각되면, 예컨대 이산화탄소와 같은 응축성 기체는 내측 표면으로 유입되고 결빙되어 단열 공간 내의 압력을 더 감소시킬 것이다. 에어로젤, 블랭킷, 그리고 만약 있다면 임의의 게터(getter)는 시간이 지나며 발생하는 누출되는 어떤 것을 제거함은 물론 단열 공간의 최초의 진공 강도를 증가시키며, 응축성 기체 및 비응축성 기체를 흡착할 것이다.
작동동안, 진공 공간 내의 작은 모세관 또는 다른 개구를 통해 누설, 진공 공간에 노출된 물질로부터의 배기, 및/또는 진공 공간의 벽을 통한 기체의 침투로 인하여 단열 공간 내의 압력이 오르는 것은 피할 수 없을 것이다. 종래의 진공 단열은 효과적이기 위해서는 1 내지 10 미크론의 범위의 진공을 필요로 한다. 본 발명의 에어로젤 진공 시스템은 10 내지 10000 미크론의 범위 내에서 여전히 효과적이며, 효과적인지는 비진공 발포 타입의 단열보다 낮은 열 누출을 갖는지로 정의된다. 에어로젤 진공 시스템을 위한 허용 작업 압력이 종래 진공 단열보다 높기 때문에, 단열 성능의 큰 손실이 발생하기 전에 심각한 누출을 견딜 수 있다. 에어로젤 내장 단열 공간 내의 압력이 충분히 낮도록 보장하는 정교한 조치가 취해질 필요가 없다는 것은 본 발명의 중요한 일 태양이다. 장치를 제조하는 비용이 감소 되므로, 이는 경제적인 이득으로 귀결된다.
초저온 액체의 저장 및 전달에 사용되는 다양한 타입의 단열은 (1) 진공, (2) 다중층 단열, (3) 분말 및 섬유상 단열(fibrous insulation), (4) 발포 단열, (5)특수 용도 단열인 5가지 범주로 알맞게 나뉜다. 이러한 일반적인 범주간의 경계는 결코 구별되지 않는다. 예컨대, 분말 단열은 기체를 내장하거나 또는 기체가 소기될 수 있고, 후자의 경우에서는 진공 단열과 매우 유사한 특성을 보인다. 그 러나 이런 분류 방식은 초저온 단열의 광범위하게 다양한 타입이 논의될 수 있는 틀을 제공한다.
이러한 다양한 단열을 통한 열전달은 여러 상이한 메카니즘에 의해 발생할 수 있지만, 일반적으로 고체 전도, 기체 전도 및 대류, 및 복사를 포함한다. 모든 단열의 목적은 이런 다양한 메카니즘에 의한 합쳐진 열전달을 최소화하는 것이다. 이런 열전달 모드 전부를 통합하여 실험적으로 측정한 단열의 겉보기 열 전도도(apparent thermal conductivity)는 상이한 단열 타입과 비교하는 최상의 수단을 제공한다. 본 발명의 실시에서의 단열 공간은 10 미크론 보다 큰 압력에서 3 mW/mK보다 적은 겉보기 열 전도도를 갖는다.
도관을 위한 다양한 기계적 설계가 있으며, 이는 내측 튜브상의 벨로우즈와, 외측 튜브상의 벨로우즈와, 각 부분의 단부에 벨로우즈를 포함한다. 가요성 도관도 이용 가능하다. 에어로젤 블랭킷은 후자에 통합하기 적절할 수 있다. 몇몇 경우에서, 분자체 물질(molecular sieve material)을 양호하게는 내벽에 가능한 최대로 근접시키며 결합시켜 대기로부터 누출될 수 있는 불필요한 산소와 질소 및/또는 단열 공간으로 누출될 수 있는 초저온 유체를 흡착하는 것이 바람직할 수 있다. 에어로젤은 매우 큰 비표면적을 가지며, 초저온 온도로 냉각될 때 질소와 산소와 같은 불필요한 기체를 어느 정도 흡착할 수 있다. 더욱이, 본 발명은 게터 및 분자체와 같이 진공을 보장하는데 종래에 사용되는 임의의 수단을 포함할 수 있으며, 복사 차폐물도 포함할 수 있다.
비록 본 발명이 특정 양호한 실시예를 참조하여 자세히 기재되었지만, 당업 자는 청구 범위의 사상과 범주 내에서 본 발명의 다른 실시예가 있다는 것을 알 것이다.

Claims (17)

  1. 에어로젤을 내장하며 내벽 및 외벽에 의해 형성된 단열 공간을 제공하는 단계와,
    상기 에어로젤 내장 단열 공간에 한번 이상의 여압 과정과 한번 이상의 감압 과정을 수행하는 단계와,
    상기 에어로젤 내장 단열 공간의 하나 이상의 벽을 190K 보다 낮은 온도로 냉각하는 단계를 포함하고,
    상기 여압 과정은 상기 에어로젤 내장 단열 공간에 응축성 기체를 제공하는 단계를 포함하는 초저온 단열 시스템 구축법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단열 공간이 이중벽 도관의 내벽 및 외벽 사이에 있는 초저온 단열 시스템 구축법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단열 공간이 이중벽 탱크의 내벽 및 외벽 사이에 있는 초저온 단열 시스템 구축법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 에어로젤은 에어로젤 블랭킷 형태인 초저온 단열 시스템 구축법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 에어로젤 블랭킷은 섬유상 배팅(fibrous batting)과 결합된 에어로젤을 포함하는 초저온 단열 시스템 구축법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 에어로젤은 미립자 형태인 초저온 단열 시스템 구축법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 에어로젤이 백에 담겨 상기 단열 공간에 제공되는 초저온 단열 시스템 구축법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 응축성 기체가 이산화탄소인 초저온 단열 시스템 구축법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 에어로젤 내장 단열 공간에 두 번 이상의 여압 및 감압 사이클이 수행되는 초저온 단열 시스템 구축법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 에어로젤 내장 단열 공간은 초저온 액체로부터의 냉각에 의해 냉각되는 초저온 단열 시스템 구축법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 에어로젤 내장 단열 공간은 분자체를 더 포함하는 초저온 단열 시스템 구축법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 에어로젤 내장 단열 공간은 게터(getter)를 더 포함하는 초저온 단열 시스템 구축법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 에어로젤 내장 단열 공간은 복사 차폐물을 더 포함하는 초저온 단열 시스템 구축법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 에어로젤은 실리카 에어로젤을 포함하는 초저온 단열 시스템 구축법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 냉각 전의 상기 단열 공간은 1000 내지 10000 미크론 범위의 압력을 갖는 초저온 단열 시스템 구축법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 단열 공간은 진공 펌프를 사용하여 상기 여압 전에 소기되는 초저온 단열 시스템 구축법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 단열 공간은 10 미크론 보다 큰 압력에서 3 mW/mK보다 작은 겉보기 열 전도도를 갖는 초저온 단열 시스템 구축법.
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