KR20090096433A - 극저온 상태 하에서 배리어로서의 복합 재료의 용도 - Google Patents

극저온 상태 하에서 배리어로서의 복합 재료의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 극저온 상태 하에서, 유체 배리어로서의 복합재료의 용도에 관한 것으로서, 이 복합 재료는
a) 대기 상태에서 50 GPa 미만의 인장탄성계수 (영률) ,및
b) 대기 상태에서 적어도 5 % 의 파단시 인장 변형률을 갖는다. 또한, 본 발명은 복합 재료를 포함하는 극저온 유체를 위한 샌드위치 및 봉쇄 시스템에 관한 것이다.

Description

극저온 상태 하에서 배리어로서의 복합 재료의 용도{USE OF A COMPOSITE MATERIAL AS A BARRIER UNDER CRYOGENIC CONDITIONS}
본 발명은 극저온 상태 하에서 배리어 특히, 소정의 특성을 갖는, 유체 배리어로서의 복합 재료의 용도에 관한 것이다. 또한, 복합 재료를 사용한 콘테이너, 파이프, 탱크, 용기, 도관과 공동 (caverns) 등의 봉쇄 시스템 (containment system) 뿐만 아니라 복합 재료를 사용한 샌드위치(sandwich) 에 관한 것이다.
저장 탱크 및 파이프라인 등과 같이 극저온 상태 하에서 사용하는 유체 배리어는, 배리어 뒷편의 재료를 향해 극저온 유체가 빠져나가는 것 (egress) 을 방지하고자 의도된 것이다. 통상, 종래의 유체 배리어는 니켈 강 또는 특별한 섬유 강화 복합 재료 등의 유사한 특성을 갖는 특별한 재료에 기초한다. 이러한 특별한 섬유 강화 복합 재료의 예시는 그래파이트, 유리 (S2 유리 및 E 유리 등) 및 초고분자량 폴리에틸렌 등의 구조적 섬유에 의해 강화된 열경화성 플라스틱 매트릭스 재료 (에폭시 및 폴리우레탄 등) 로 구성된 것들을 포함한다.
예시로서, WO 2006/003192 A1 는 LNG (액화 천연 가스), 액화 질소, 산소 또는 이산화 탄소 및 액화 수소 등의 액화 가스를 저장하는 단열된 콘테이너에서의 유체 배리어의 용도를 개시하고 있다. WO 2006/003192 에 개시된 바와 같은 유 체 배리어는 폴리우레탄 또는 에폭시 또는 이들의 조합과 같은 플라스틱 재료를 포함한다. 원한다면, 유체 배리어는 유리 섬유의 결합에 의해 강화될 수도 있다.
WO 2006/003192 A1 에 따른 유체 배리어가 이미 만족스럽게 기능하고 있지만, 이러한 복합 재료에 기초한 유체 배리어의 사용은 전체 구조물에 의해 수용되어야 하는 고응력을 도입할 수도 있다. 몇몇의 경우, 이는 유체 배리어 및/또는 전체 구조물의 기계적 고장을 일으킬 수도 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 최소화하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 예컨대, -30 ℃ 미만, -100 ℃ 미만, 또는 -150 ℃ 미만의 극저온 상태 하에서 유체 배리어로서 사용하는 대안의 재료를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 극저온 유체용 콘테이너, 파이프, 탱크, 용기, 도관 및 공동과 같은 개선된 봉쇄 시스템을 제공하는 데에 있다.
하나 이상의 상기 또는 다른 목적은, 본 발명에 따라,
a) 대기 상태에서 50 GPa 미만의 인장탄성계수 (영률), 및
b) 대기 상태에서 적어도 5 % 의 파단시 인장 변형률을 갖는, 극저온 상태 하에서 유체 배리어로서의, 복합 재료의 용도를 제공함으로써 이루어질 수도 있다.
EP 0 465 252 A1 은 가스 배리어를 형성하는 가스 불침투성의 합성 폴리머를 포함하는 압축 가스 및/또는 극저온 가스용 콘테이너 또는 도관을 개시하고 있다. 구조 섬유가 가스 불침투성의 합성 폴리머에서 구체화되어 복합 재료를 형성할 수 있다. 통상, 복합 재료는 낮은 변형률 및 높은 탄성율을 갖는다. 본 명세서에서 언급된 적절한 구조 섬유를 사용하면, 통상, 복합 재료는 50 GPa 이상의 영률을 가질 것이다.
US 6,962,672 는 스페이스 엔진에 특히 적합한 고압 용기를 개시한다. 고압 용기의 내부 스킨은 1 ~ 2 GPa 의 영률을 갖는 폴리아미드를 사용할 수도 있다. 파단시의 인장 변형률은 언급되지 않았고, 게다가 내부 스킨은 복합재가 아니다. 스킨 둘레에 강화 와인딩이 감겨지며, 예컨대, 탄소 섬유 또는 "케블라 (Kevlar)" 라는 상표명 시판중인 아라미드 섬유가 감겨진다. 강화 와인딩에서의 이러한 재료는 매우 높은 영률을 갖는다.
바람직하게는, 인장탄성계수 (영률) 는 40 GPa 미만, 바람직하게는 1.0 GPa 초과, 더욱 바람직하게는 2.0 GPa 을 초과한다.
바람직하게는, 인장탄성계수 (영률) 는 대기 상태에서 DIN EN ISO 527 에 따라 판정되는데, 이는 ISO 554 에 따른 표준 대기 상태, 특히, 권고된 대기 상태인데, 즉 23 ℃ 에서, 50 % 의 상대 습도 및 86 ~ 106 kPa 의 압력이다.
바람직하게는, 대기 상태에서의 파단시 인장 변형률은 8 % 초과, 바람직하게는 10 % 초과, 더욱 바람직하게는 15 % 초과이다. 통상, 대기 상태에서의 파단시 인장 변형률은 75 % 이하이다.
파단시 인장 변형률은 대기 상태에서 DIN EN ISO 527 에 따라 판정된다.
재료의 응력은 재료의 인장탄성계수 (영률) 및 재료의 열팽창계수와 관련되어 있으며, 극저온 재료를 위해서, 지금까지는 저응력 재료가 사용시 겪는 온도의 상당한 변화에 기인하여 극저온 유체에 사용될 수 없는 것으로 고려되고 있다. 그러나, 본 발명은, 놀랍게도, 비교적 낮은 인장탄성계수 (영률) 를 갖는 복합 재료의 사용이 극저온 유체에 사용하기에 알맞다는 것을 발견하였다. 이러한 복합 재료의 사용은 임의의 지지 구조 뿐만 아니라 유체 배리어 재료에서의 열적으로 유도된 응력을 감소시켜, 이 지지 구조를 위해 더 넓은 범위의 재료가 선택될 수 있게 한다.
본 발명에 따르면, "복합 재료" 는 최종 구조 내에서 미세균열 (microscopic level) 상에서 별개의 독특하게 유지되는 상이한 물리적 또는 화학적 특성을 갖는 2 이상의 성분 재료로 제조된 엔지니어링 재료이다. 복합 재료의 인장탄성계수 (영률) 값은 사용된 재료의 상대량에 따를 수도 있다. 당업자는, 복합 재료의 다양한 구성요소의 체적 분류 (volume fraction) 가 바람직한 특성을 갖도록 변경시키는 방법을 용이하게 이해할 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 복합재는 단일 재료 복합재, 즉 동일한 재료를 포함하는 2 개의 층, 예컨대 상승된 온도 및 압력과 함께 융해된 배향성 열가소성 재료의 2 개의 층으로부터 형성된 복합 재료이며, 이에 의해 배향성 열가소성 재료의 층에서 또한 이들 사이에서 분산된 열가소성 매트릭스 재료를 형성한다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 상승된 압력, 특히 정수압이 배향성 열가소성 재료의 용융 온도를 제어하는데 중요하다. 게다가, 단일 재료 복합 재료에서, 하나 이상의 첨가제가 화학적으로 상이하게 결합될 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 복합 재료는 강화제에 의해 강화되는 플라스틱 매트릭스 재료이며, 바람직하게는, 강화제는 적어도 부분적으로 플라스틱 매트릭스 재료에 결합된다. 이에 의해, 플라스틱 매트릭스 재료는 강화제가 매립되는 연속 고용체 상으로서 기능할 수도 있다. 플라스틱 매트릭스 재료와 강화제의 비율에 대해서는 어떠한 특별한 제한도 없다.
강화제는 촙트 (chopped) 또는 연속 섬유, 플레이크 또는 입자 형태일 수도 있지만, 바람직하게는 펠트, 우븐, 로빙, 패브릭, 니트 또는 스티치 구조 등의 텍스타일형 구조를 갖는 재료로 바꿔진다.
게다가, 강화제는 천연 재료 및 열가소성 재료 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것이 바람직하다. 천연 재료는 코이어 (coir), 코튼 (cotton), 리넨 (linen), 주트 (jute), 플랙스 (flax), 라미 (ramie), 사이잘 (sisal) 및 헴프 (hemp) 등의 식물성 섬유; 및 양모, 호스 (horse) 헤어 및 실크 등의 동물성 섬유를 구비하는 섬유를 포함할 수도 있다.
바람직하게는, 강화제는 열가소성 재료를 포함한다. 바람직하게는, 강화제용의 열가소성 재료는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리메틸펜텐, 폴리이소부텐 또는 이들의 코폴리머 또는 테르폴리머로 이루어진 그룹에서 선택된 폴리올레핀, 바람직하게는 폴리프로필렌을 포함한다.
또한, 강화제는, 그 결과의 복합 재료가 50 GPa 미만의 인장탄성계수 (영률) 와 적어도 5 % 의 파단시 인장 변형률을 갖는 한, 탄소 섬유, 유리 섬유 및 폴리머 섬유를 포함하는 광범위한 재료로부터 선택될 수 있다.
바람직하게는, 강화제는 대기 상태에서 DIN EN ISO 527 에 따라 결정되는 바와 같이 적어도 5 % 의 파단시 인장 변형률을 가지며, 더욱 바람직하게는 대기 상태에서의 파단시 인장 변형률은 8 % 초과, 바람직하게는 10 % 초과, 더욱 바람직하게는 15 % 를 초과한다. 통상, 대기 상태에서의 파단시 인장 변형률은 75 % 이하이다.
본 발명에 따라 사용되는 플라스틱 매트릭스 재료는, 그 결과의 복합 재료가 50 GPa 미만의 인장탄성계수 (영률) 를 갖는 한, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 비닐 에스테르, 에폭시, 페놀릭, 폴리이미드, 폴리아미드 및 다른 것을 포함하는 폴리머 재료 등의 광범위한 재료로부터 선택될 수 있다. 그러나, 플라스틱 매트릭스 재료는 대기 상태에서 DIN EN ISO 527 에 따라 결정되는 바와 같이 0.1 ~ 5.0 GPa 의 인장탄성계수 (영률) 를 갖는 것이 바람직하다.
플라스틱 매트릭스 재료는 바람직하게는 열가소성 재료 또는 열경화성 재료를 포함한다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 플라스틱 매트릭스 재료는 열가소성 재료이다. 열가소성 재료의 이점은 용이하게 형상을 만들 수 있다는 것이다. 바람직하게는, 열가소성 재료는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리메틸펜텐, 폴리이소부텐 또는 이들의 코폴리머 또는 EPDM 등의 테르폴리머로 이루어진 그룹에서 선택된 폴리올레핀, 바람직하게는 폴리프로필렌을 포함한다.
단일 재료 복합재는 바람직하게는 열가소성 재료이며, 강화 섬유 상과 같은 배향성 열가소성 재료 및 배향성 열가소성 재료 사이의 매트릭스 모두는, 동일한 열가소성 폴리머를 포함하며, 바람직하게는 본질적으로 동일한 열가소성 폴리머로 이루어지며, 더욱 바람직하게는 동일한 열가소성 폴리머로 이루어진다. 배향성 열가소성 재료의 제어된 표면 용융에 기인하여 접합이 이루어진다. 인장탄성계수 (영률) 및 열팽창계수 (CTE) 등의 단일 재료 복합재의 물리적 특성은 처리에 영향을 미치는 용융의 범위까지 제어될 수 있으며, 이는 배향성/비배향성 열가소성 재료 중량비 (또한, 섬유/매트릭스 비라 함) 를 판정한다.
이들 단일 재료 복합재를 제조하는 방법은 종래 기술에서 공지되어 있으며, 예컨대, 미국 특허출원 공개 공보 2005/0064163; Journal of Applied Polymer Science, Vol. 104, 118 - 129 (2007; B. Alcock 등); Composites: Part A (applied science and manufacturing), Vol. 38, 147 - 161 (2007; B. Alcock 등) 에 개시되어 있으며, 이는 본 명세서에 참조되어 있다.
통상, 제조 공정은 단방향 레이업, 우븐 패브릭 또는 촙트 섬유/넌-우븐 펠트 등의 다양한 형태의 배향성 열가소성 폴리머 섬유를 사용한다. 공지된 바와 같이, 정압으로 섬유의 용융 온도를 제어하는 것이 중요하다. 섬유는, 상승된 압력에서는 섬유의 용융 온도가 낮지만, 낮은 압력에서는 섬유의 용융 온도가 높은 온도로 상승된 압력 하에서 가열된다. 제어 시간 동안의 압력의 감소가 섬유의 용융을 유발하고, 이는 섬유의 표면에서 시작된다. 결정화에 앞선 제어된 압력하의 이러한 표면 용융은 합체된 구조를 제조한다.
대안으로 공지된 공정은 섬유 등의 배향성 열가소성 재료 스트랜드의 사용을포함한다. 공압출 및 테이프 웰딩 (tape welding) 의 이러한 처리는 재료 특성의 손실 없는 넓은 실링 윈도우 (130 ~ 180 ℃) 때문에 종래의 실링 처리에 걸쳐 장점을 갖는다.
바람직하게는, 단일 재료 복합재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리메틸펜텐, 폴리이소부텐 또는 이들의 코폴리머 또는 EPDM 과 같은 테르폴리머, 바람직하게는 폴리프로필렌을 포함하고, 더욱 바람직하게는 본질적으로 이들로 이루어지고, 가장 바람직하게는 이들로 이루어진다.
복합 재료는, -30 ℃ 미만, 바람직하게는 -100 ℃ 미만, 또는 -150 ℃ 미만의 극저온 상태 하에서 유체 배리어로서 사용된다. 이러한 온도 (-100 ℃ 미만, 바람직하게는 -150 ℃ 미만, 통상 -160 ℃ 미만) 는 액화천연가스 (LNG) 에 적합하다.
이를 위해, 극저온 액체는 극저온 상태로 온도를 감소시킴으로서 액화되는 액화 가스이다. 극저온 유체는 극저온 유체, 극저온 상태 하에서 유지되는 가스 및 극저온 상태 하에서 유지되는 초임계 유체를 포함한다. 유체 배리어는 극저온 유체에 적합한 배리어이다. 이를 위한 극저온 상태는 -30 ℃ 미만, 바람직하게는 -100 ℃ 미만, 또는 -150 ℃ 미만의 온도를 의미한다. 복합 재료는, 바람직하게는 -100 ℃ 미만, 더욱 바람직하게는 -150 ℃ 미만의 온도에서 사용되는데, 이는 이러한 특성을 갖는 복합 재료를 사용하는 이점이 널리 활용되고 있기 때문이다.
바람직하게는, 복합 재료는 DIN EN ISO 527 에 따라 판정되는 바와 같이 (액체 질소의) -196 ℃ 에서 적어도 3 %, 바람직하게는 적어도 5 %, 더욱 바람직하게는 적어도 6 %, 더욱 더 바람직하게는 8 % 초과, 가장 바람직하게는 10 % 를 초과하는 파단시 인장 변형률을 갖는다.
바람직하게는, 복합 재료는, 40 ℃ 에서 250×10-6 m/m/℃ 미만의 열팽창 계수를 갖는다. 더욱 바람직하게는, 복합 재료는 배향성이 있으며, 복합 재료는 복합 재료의 배향 방향으로 40 ℃ 에서 250×10-6 m/m/℃ 미만의 열팽창 계수를 갖는다.
게다가, 바람직하게는, 복합 재료는 -60 ℃ 에서 100×10-6 m/m/℃ 미만의 열팽창 계수를 갖는다. 더욱 바람직하게는, 복합 재료는 배향성이 있으며, 복합 재료는 복합 재료의 배향 방향으로 -60 ℃ 에서 100×10-6 m/m/℃ 미만의 열팽창 계수를 갖는다.
열팽창 계수는, 열기계분석 (TMA) 에 의해 -60 ~ +70 ℃ 의 온도에서 ISO 11359-2 에 따라 적절하게 판정될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은, 예컨대, 액화 가스, 이것으로 제한하는 것은 아니지만, LNG, 액화 질소, 산소, 이산화탄소 및 수소 등과 같은 극저온 유체의 봉쇄, 저장, 처리, 수송 또는 전달시의 사용을 제공한다. 이러한 사용은 일시적이거나 영구적이며, 온-쇼어(on-shore) 또는 오프-쇼어, 지면 위, 물 위, 물 아래 또는 지하, 또는 이들의 조합일 수 있다. 또한, 이러한 사용은 극저온 유체의 봉쇄, 저장, 처리, 수송 및/또는 전달을 위한 다른 장치, 기기, 플랜트 또는 설비의 임의의 부품의 유닛 또는 시스템의 상류 및/또는 하류일 수 있다. 이는 하나 이상의 액화 플랜트, 익스포트, 탑재, 수송, 하역, 임포트 또는 최종 용도 설비, 또는 이들의 부품을 포함할 수 있다.
이러한 사용은 다음의 적용을 포함하지만, 이것으로 제한하는 것은 아니다;
익스포트 및 임포트 터미널에서의 탱크 (즉, 벌크 저장), 쉽핑, 및 파이프 및 호스 등의 전달 요소를 포함하는 -30 ℃ 미만, 바람직하게는 -100 ℃ 미만, 더 바람직하게는 -150 ℃ 미만의 온도에서 사용을 위한 (순수 또는 혼합된) 극저온 유체의 저장 및 수송;
(수직의) 원통형 탱크, 프리즘형 탱크, 타원형 탱크 및 구형 탱크를 포함하는 임의의 기하학적 형상의 온쇼어 및 오프쇼어에서의 극저온 유체의 봉쇄;
콘테이너, 휴대용 콘테이너, 숍-제조 콘테이너, 휴대용 탱크 및 카고 탱크에서 극저온 유체의 온쇼어 및 오프쇼어에서의 저장 또는 수송;
암반 공동 (rock caverns) 또는 지하 콘테이너 등의 공동 (Eric Amantini, Emmanuel Chanfreau 및 Ho-Youing Kim 등에 의한 "The LNG storage in lined rock cavern" (Gastech, 2005) 에서 논의된 예시이며, 참조로 본원에 내재됨) 을 포함하는 지하 저장;
극저온 유체의 일시적 또는 영구적 저장을 위한 가압 또는 비가압 용기;
이것으로 제한하는 것은 아니지만, (수직) 원통형, 프리즘형, 타원형, 구형을 포함하는 임의의 기하학적 형상의 극저온 유체의 (임의의 수단에 의한 육상, 해상 또는 항공 등의) 수송을 위한 가압 또는 비가압 용기;
온쇼어, 오프쇼어, 물위, 물 또는 물속을 포함하고, 파이프, 파이프 부분, 파이프 라인, 파이프 시스템, 호스, 라이저 및 관련 장비 및 세부품목을 포함하는 가요성 또는 강성의 튜브에서의 흐름 수송 또는 전달.
본 발명은 또한, 이하에서 정의되는 바와 같이, 복합 재료의 적어도 하나의 층을 포함하는 극저온 유체를 위한 봉쇄 시스템을 제공하는데, 이 봉쇄 시스템은 바람직하게는 콘테이너, 탱크, 파이프, 용기, 도관 및 공동을 포함하는 하나 이상의 그룹을 포함한다.
이러한 봉쇄 시스템 및 이 봉쇄 시스템의 용도의 예시는 후술한다. 파이프는 파이프라인 또는 파이프 부분을 포함하며, 연속되거나 분리된 길이이다.
특히, 봉쇄 시스템의 일례는 극저온 유체를 저장하는 콘테이너이며, 이 콘테이너는 적어도,
부하 지지의 구조적 외부 쉘, 및
외부 쉘의 내부측 상에, 본원에서 이미 규정된 복합 재료를 갖는 하나 이상의 유체 배리어를 포함한다.
특히, 또다른 봉쇄 시스템의 일례는 극저온 유체를 수송하는 파이프이며, 이 파이프는 적어도,
바람직하게는 플라스틱 재료로부터의 부하 지지의 구조적 외부 쉘, 및
외부 쉘의 내부측 상에, 본원에서 이미 규정된, 특히 대기 상태에서 DIN EN ISO 527 에 따라 판정되는 바와 같이 50 GPa 미만의 인장탄성계수 (영률) 를 갖는, 복합 재료를 갖는 하나 이상의 유체 배리어를 포함한다.
특히, 이러한 파이프는,
중심 유체 도관 둘레의 하나 이상의 동심원의 내부 유체 배리어;
외부 동심원 층, 및
선택적으로, 적어도 하나의 내부 유체 배리어와 외부 동심원 층 사이에서 하나 이상의 단열재로 채워지는 적어도 하나의 고리를 포함한다.
이러한 파이프는, 2 개의 내부 유체 배리어의 각각의 인접 세트 사이 및 최외각 내부 유체 배리어와 외부 동심원 층 사이의 고리를 갖는 2, 3 또는 4 개의 내부 유체 배리어를 포함하며, 바람직하게는 적어도 2 개의 고리가 2 이상의 상이한 단열재로 채워진다.
적합한 단열재는 종래기술에 공지되어 있으며, 마이크로겔 또는 마이크로썸(microtherm)(세라믹 분말 및 섬유의 미세기공 혼합물) 등의 다양한 폼 (foam) 및 겔을 포함한다.
이러한 파이프의 일례에서는, 적어도 하나의 내부 유체 배리어가 신장가능하며, 바람직하게는 모든 내부 유체 배리어가 신장하능하므로, 극저온 유체가 존재하는 동안의 온도 변화에 기인한 파이프의 길이방향 변화를 수용한다.
본 발명은 또한, 본원에서 규정된 복합 재료와 구조적 지지층을 포함하는 극저온 상태 하에서, 배리어, 특히 유체 배리어로서의 사용을 위한 샌드위치를 제공한다. 이러한 샌드위치는 임의의 수, 일반적으로 2 개 또는 3 개의 층을 포함할 수도 있고, 본 발명의 봉쇄 시스템은 재료와 폭 등의 동일하거나 상이한 구조를 갖는 하나 이상의 이러한 샌드위치를 포함할 수도 있다. 본 발명의 샌드위치의 적절한 폭은 1 ~ 50 ㎜ 일 수 있다.
또한, 본 발명은 단열재 층 및 후술하는 바와 같은 복합 재료를 포함하는 배리어를 포함하는 극저온 상태 하에서, 배리어, 특히 유체 배리어로서 사용하는 샌드위치를 제공한다. 단열재는 본 명세서에 언급된 하나 이상의 단열재가 바람직하다.
본 발명의 실시형태에 대해서는 하기의 비제한적인 도면을 참조하여 기술되고 설명될 것이다.
도 1 은 LNG 등의 극저온 유체를 수송하는 본 발명에 따른 파이프의 개략적인 단면도이다.
도 2 내지 도 4 는 LNG 등의 극저온 유체를 수송하는 본 발명의 추가의 실시형태에 따른 추가의 3 개의 파이프의 개략적인 단면도이다.
도 5 는 극저온 유체를 저장하는 컨테이너의 개략적인 단면도이다.
도 6 은 본 발명에 따른 샌드위치의 개략적인 단면도이다.
동일한 도면 부호는 유사한 구조 요소를 말한다.
이하, 도 1 을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1 은 LNG, LPG 및 액체 질소 등의 극저온 액체를 수송하는 파이프 (2) 의 개략적인 단면도이다. 파이프 (2) 는 중심 유체 도관 (100) 둘레에 동심원으로, 부하 지지 외부 쉘 (30) 및 부하 지지 외부 쉘 (30) 의 내부측 상의 유체 배리어 (10) 를 포함한다.
부하 지지 외부 쉘 (30) 은 니켈 강 등의 금속 재료 또는 콘크리트로 제조될 수도 있지만, 바람직하게는 탄소 강화 에폭시 재료 또는 유리 강화 에폭시 재료 등의 강성 플라스틱 재료로 제조된다.
유체 배리어 (10) 는 50 Gpa 미만의 인장탄성계수 (영률) 를 갖는 복합 재료로 제조된다. 유체 배리어 (10) 로 적합한 재료의 예로는 폴리프로필렌 섬유가 보강된 폴리프로필렌 매트릭스 물질로 이루어진 복합 재료, 즉 단일 폴리머 복합 재료이다. 이러한 복합 재료는 예컨대, CurvTM C100A (독일 그로나우의 Propex Fabrics 로부터 입수가능함) 등과 같은 것으로서 얻어질 수 있으며, 대기 상태에서 DIN EN ISO 527 에 따라 판정됨에 따라 3.2 GPa 의 인장탄성계수 (영률) 를 갖는다.
적합한 복합 재료의 다른 예로는 폴리에틸렌-폴리프로필렌 혼합물로부터 공압출된 폴리프로필렌 섬유로 이루어진 복합 재료이다. 공압출된 재료는 복합재를 위한 매트릭스를 형성하도록 용융되며, 상표명 "PURE (네덜란드 스닉의 Lankhorst Pure Composites B.V. 로부터 입수가능함)" 으로 시판되고 있다. 이 복합 재료에 대해, 대기 상태에서의 인장탄성계수는 약 6.4 GPa 이었고, 파단시의 인장 변형률은 10% 이었다.
다른 적합한 복합 재료는 A. Pegoretti 등에 의한 "Flexural and interlaminar mechanical properties of unidirectional liquid crystalline single-polymer composites" (Composite Science and Technology 66 (2006), pp. 1953-1962) 로 개시되어 있으며, 그 내용이 본 명세서에 참조로 내재되어 있다.
표 1 은 전술한 복합 재료 CurvTM C100A 의 수개의 특성에 대해 기재하고 있 다.
C 복합 재료 C CurvTM C100A
대기 상태에서의 인장탄성계수 (영률) 3.2 ± 0.2 GPa
-196℃에서의 인장탄성계수 (영률) 12.0 ± 1.7 GPa
대기 상태에서의 파단시 인장 변형률 17.6 % ± 0.6
10-6 m/m/℃ 에서의 열팽창 계수 섬유 방향 섬유 방향에 수직
-60 ~ -20 ℃사이 (Tg 미만) 26 ± 4 52 ± 7
0 ~ 20 ℃ 사이 44 ± 7 79 ± 20
40 ~ 70 ℃사이 (Tg 초과) 120 ± 61 125 ± 33
열팽창 계수는 열기계분석 (TMA) 에 의해 -60 ~ +70 ℃ 의 온도 범위에서 ISO 11359-2 에 따라 판정되었다. 섬유 방향 및 섬유 방향에 수직한 방향 모두에서 측정이 이루어졌다. 상기에서 언급된 방법에 따라 다른 측정도 이루어졌다.
당업자라면, 파이프 조립체 (2) 가, 외부 쉘 (30) 및 유체 배리어 (10) 에 추가하여, 외부 쉘 (30) 과 유체 배리어 (10) 사이에 추가 층, 외부 쉘 (30) 상의 외부 코팅 등과 같은 추가의 구성요소를 포함하는 것을 알 수 있을 것이다.
이러한 일 실시예가 도 2 에 도시되어 있으며, 도 2 는 중심 유체 도관 (100), 제 1 유체 배리어 (10), 제 1 고리 (40) 및 외부 동심원 층 (30) 을 동심원 상에 갖는 파이프를 도시하며, 일반적으로 외부 동심원 층은 파이프 (2a) 의 내부 부품을 구조적으로 지지한다. 제 1 고리 (40) 에는 하나 이상의 단열재, 예컨대 에어로겔, 마이크로폼 등의 폼 (foam) 또는 겔이 채워질 수도 있다.
도 3 은 중심 유체 도관 (100), 제 1 내부 유체 배리어 (10), 제 1 고리 (40), 제 2 유체 배리어 (11), 제 2 고리 (41) 및 외부 동심원 층 (130) 을 동심원 상에 갖는 파이프 (2b) 의 추가의 실시예를 도시한다. 제 1 및 제 2 유체 배리어 (10, 11) 는 동일하거나 상이한 조성물을 가질 수도 있고, 제 1 또는 제 2 고리 (40, 41) 는 동일하거나 상이한 단열재를 가질 수도 있다.
도 4 는 중심 유체 도관 (100), 제 1, 제 2 및 제 3 유체 배리어 (10, 11, 12) 및 외부 동심원 층 (30) 을 가지며, 또한 이들 유체 배리어와 외부 동심원 층 사이에 제 1, 제 2 및 제 3 고리 (40, 41, 42) 를 동심원 상에 갖는 파이프 (2c) 의 또다른 실시예를 도시한다.
통상, 도 2 에서 예시화되는 바와 같은 파이프 (2a) 는 동심원 상에서 적어도, 50 ~ 1500 ㎜, 바람직하게는 250 ~ 1000 ㎜, 더욱 바람직하게는 500 ~ 900 ㎜의 직경을 갖는 중심 유체 도관 (100), 1 ~ 10 ㎜ 의 두께를 갖는 제 1 내부 유체 배리어 (10), 25 ~ 250 ㎜ 의 두께를 갖는 제 1 고리 (40) 및 25 ~ 250 ㎜ 의 두께를 갖는 외부 동심원 층 (30) 을 포함한다.
도 5 는 극저온 유체를 저장하는 단열처리된 콘테이너 (200) 의 개략적인 단면도이다. 콘테이너 (200) 는 베이스 플레이트 (220) 및 측벽 (230) 으로 이루어진 부하 지지의 구조적 외부 쉘 (215) 을 포함한다. 도 5 의 실시형태에서, 베이스 플레이트 (220) 및 측벽 (230) 은 콘크리트로 제조된다. 완벽을 위하여, 콘테이너 (200) 는, 단열처리되고 구조적 외부 쉘 (215) 의 일부를 형성할 수 있는 지붕 (도시 생략) 을 포함하는 것을 알 수 있다.
콘테이너 (200) 는, 구조적 외부 쉘 (215) 의 내부면에 고정되는 적어도 2 개의 단열 봉쇄 층, 즉 '내부 봉쇄 층 (240)' 및 외부 봉쇄 층 (250)' 을 더 포함한다.
봉쇄 층 (240, 250) 각각은 단열재 (예컨대, PVC 또는 PUR 등의 발포 플라스틱 재료) 의 패널을 포함한다.
콘테이너 (200) 는 추가로 2 개의 기액밀(vapor-and liquid-tight) 유체 배리어 (210) 를 포함하는데, 그중 하나는 콘테이너 (200) 에 함유된 액화된 가스 (205) 와 접촉하며, 다른 하나는 내부 봉쇄 층 (240) 과 외부 봉쇄 층 (250) 사이에 위치된다. 유체 배리어 (210) 는 명세서에서 정의된 바와 같은 복합 재료로 제조되는데, 그의 적절한 예는 상기 표 1 에 기재되어 있다.
유체 배리어 (210), 봉쇄 층 (240, 250) 및 외부 쉘 (210) 은 분무, 접착, 기계적 고정, 융접 등의 임의의 적절한 수단에 의해 서로 고정될 수도 있으며, 이에 대해서는 종래에 공지되어 있다.
도 6 은 본 발명에 따른 샌드위치 (300) 의 개략적인 단면도를 도시하며, 이 샌드위치는 상기 도 1 내지 도 5 에서 예시화되는 바와 같은 파이프 조립체 (2, 2a, 2b, 2c) 또는 저장 탱크 (200) 에 사용될 수 있다. 샌드위치 (300) 는 PVC, PUR 등의 단열재 층 (320) 과 명세서에 정의된 복합 재료로 제조된 유체 배리어 (310) 를 포함한다. 유체 배리어 (310) 는 접착 결합, 용접 또는 용융 또는 종래 기술에서 공지된 임의의 다른 적절한 수단에 의해 플레이트 (310) 에 장착될 수도 있다.
당업자는, 수많은 변형예가 본 발명의 범주를 일탈하지 않고 만들어질 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. a) 대기 상태에서 50 GPa 미만의 인장탄성계수 (영률) ,및
    b) 대기 상태에서 적어도 5 % 의 파단시 인장 변형률을 갖는, 극저온 상태 하에서 유체 배리어로서의, 복합 재료의 용도.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복합 재료는 40 ℃ 에서 250×10-6 m/m/℃ 미만의 열팽창 계수를 갖는, 복합 재료의 용도.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 복합 재료는 -196 ℃ 에서 적어도 3 % 의 파단시 인장 변형률을 갖는, 복합 재료의 용도.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합 재료는 -60 ℃ 에서 100×10-6 m/m/℃ 미만의 열팽창 계수를 갖는, 복합 재료의 용도.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합 재료는 강화제에 의해 강화된 단일 재료 복합재 또는 플라스틱 매트릭스 재료를 포함하는, 복합 재료의 용도.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 단일 재료 복합재는 열가소성 재료이며, 강화 섬유 상태와 같은 배향성 열가소성 재료 및 이 배향성 열가소성 재료 사이의 매트릭스는 동일한 열가소성 폴리머를 포함하는, 복합 재료의 용도.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 복합 재료는 강화제에 의해 강화된 플라스틱 매트릭스 재료를 포함하며, 강화제는 적어도 5 % 의 파단시 인장 변형률을 갖는, 복합 재료의 용도.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 극저온 유체의 봉쇄, 저장, 처리, 수송 또는 전달시, 복합 재료의 용도.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에서 규정된 복합 재료와 구조적 지지 층을 포함하는 극저온 상태 하에서 배리어, 특히 유체 배리어로서 사용하는, 샌드위치.
  10. 절연 재료 층 (320) 과 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에서 규정된 복합 재료를 갖는 배리어 (310) 를 포함하는 극저온 상태 하에서 배리어, 특히 유체 배리어로서 사용하는, 샌드위치 (300).
  11. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에서 규정된 적어도 하나의 복합 재료층 을 포함하는, 극저온 유체용 봉쇄 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 극저온 유체용 봉쇄 시스템은 극저온 유체 (205) 를 저장하는 콘테이너 (200) 이며, 이 콘테이너 (200) 는 적어도,
    부하 지지의 구조적 외부 쉘 (215), 및
    외부 쉘 (215) 의 내부측 상에, 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에서 규정된 복합 재료를 갖는 하나 이상의 유체 배리어 (210) 를 포함하는, 극저온 유체용 봉쇄 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서, 극저온 유체용 봉쇄 시스템은 극저온 유체를 수송하는 파이프 (2) 이며, 이 파이프는 적어도,
    중심 유체 도관 (100) 둘레의 하나 이상의 동심원의 내부 유체 배리어 (10) 로서, 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에서 규정된 바와 같은 복합 재료를 갖는 내부 유체 배리어 (10),
    외부 동심원 층 (30), 및
    선택적으로, 적어도 하나의 내부 유체 배리어 (10) 와 외부 동심원 층 (30) 사이에서 하나 이상의 단열재로 채워지는 적어도 하나의 고리 (40) 를 포함하는, 극저온 유체 봉쇄 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 2 개의 내부 유체 배리어의 적어도 하나의 인접 세트 사 이 및/또는 최외각 내부 유체 배리어 (11, 12, 13) 와 외부 동심원 층 (30) 사이의 고리 (40, 41, 42, 43) 를 갖는 2, 3 또는 4 개의 내부 유체 배리어 (10, 11, 12, 13) 를 포함하는, 극저온 유체 봉쇄 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 2 개의 내부 유체 배리어중 각각의 인접 세트 사이 및 최외각 내부 유체 배리어 (11, 12, 13) 와 외부 동심원 층 (30) 사이의 고리 (40, 41, 42, 43) 를 갖는 2, 3 또는 4 개의 내부 유체 배리어 (10, 11, 12, 13) 를 포함하는, 극저온 유체 봉쇄 시스템.
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