KR20110133887A - 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체 - Google Patents

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KR20110133887A
KR20110133887A KR1020100053536A KR20100053536A KR20110133887A KR 20110133887 A KR20110133887 A KR 20110133887A KR 1020100053536 A KR1020100053536 A KR 1020100053536A KR 20100053536 A KR20100053536 A KR 20100053536A KR 20110133887 A KR20110133887 A KR 20110133887A
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김병철
김기현
김부기
윤순호
김진규
황윤정
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명에 의한 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체는, 극저온 액체를 저장하는 저장공간을 갖는 탱크 내벽에 적층되는 복수의 단열패널과 저장공간에 저장되는 극저온 액체를 밀폐하기 위해 복수의 단열패널에 적층되는 방벽을 포함하고, 단열패널은 아라미드 섬유로 보강된 복합재료로 이루어진 단열박스와 단열박스의 내부에 배치되는 단열재를 갖는다. 이러한 본 발명에 의한 단열 구조체는 단열패널을 열팽창 계수가 다른 보강 섬유에 비해 매우 작은 아라미드 섬유로 보강된 복합재료로 제조함으로써, 열수축량이 작아 2차 방벽의 연신율을 줄일 수 있고, 2차 방벽의 접착부에서 크랙이 발생하는 문제를 해결할 수 있다.

Description

극저온 액체저장탱크의 단열 구조체{HEAT INSULATION STRUCTURE FOR CRYOGENIC LIQUID STORAGE TANK}
본 발명은 극저온 액체저장탱크에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단열패널의 구조를 열수축량이 저감되도록 개선하여 2차 방벽의 안정성을 향상시킬 수 있는 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체에 관한 것이다.
액화천연가스(LNG), 액체 아르곤(LAR), 액체 질소(LN), 액체 산소(LOX), 액체 수소(LH2) 등의 극저온 액체는 증발에 의한 액체의 손실을 최소화하기 위해 단열된 저장탱크에 저장된 상태로 보관되거나 운반된다.
이러한 극저온 액체저장탱크의 일예로, 액화천연가스 저장탱크는 약 -165℃의 초저온 액화천연가스를 안정적으로 저장하기 위해 탱크 내벽에 열손실을 최소화하기 위한 단열 구조체가 배치된 구조로 이루어진다.
액화천연가스 저장탱크의 단열 구조체는 단열재에 보호판이 결합된 샌드위치 구조의 단열패널과 금속 재질의 1차 방벽 및 2차 방벽을 포함한다. 단열 구조체의 단열재로는 열전도계수가 0.021 W/m·K정도인 경질 폴리우레탄 폼(Foam)이 이용된다. 금속 재질의 1차 방벽은 단열 구조체의 가장 안쪽에 배치되어 액화천연가스의 누설을 막는 역할을 하고, 2차 방벽은 복층으로 배치되는 단열패널들 사이에 배치되어 1차 방벽의 파손에 의한 액화천연가스의 누설을 막는 역할을 한다.
액화천연가스 저장탱크에 액화천연가스가 채워지면 내외부의 온도 차이에 의해 온도 구배가 발생하여 단열 구조체 전체에 열응력이 발생하게 된다. 또한, 넓은 면적의 탱크 내벽에 복수의 단열패널을 설치하기 위해서는 단열패널들을 연결하기 위한 연결부재가 필요한데, 극저온에서 단열재가 수축하면서 연결부재에 인장응력이 발생하게 된다.
현재 가장 많이 사용되고 있는 폴리우레탄 폼 재질의 단열재는 폴리머 재료이기 때문에 높은 열팽창계수(약 90 × 10-6m/m·℃)를 갖는다. 단열패널이 대형화되거나 저장온도가 매우 낮을 경우, 단열재의 열수축으로 인한 이음부의 인장 파손이 발생할 우려가 있어, 유리 장섬유를 내부에 혼합하여 열팽창계수를 약 25 × 10-6 m/m·℃ 정도로 낮춘 폴리우레탄 폼이 사용되기도 한다.
그런데 유리섬유는 열전달계수가 5 W/m·K 정도로 높아서 단열패널의 열전달율을 증가시키기 때문에 함유량을 크게 증가시키는데 한계가 있으며, 단열패널의 이음부에서 피로수명에 영향을 주는 인장응력이 발생하고 있는 실정이다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 극저온에서 단열패널 자체의 열수축으로 인해 발생하는 열응력을 감소시킴으로써 2차 방벽의 안정성을 향상시킬 수 있는 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체는, 극저온 액체를 저장하는 저장공간을 갖는 탱크 내벽에 적층되는 복수의 단열패널과 상기 저장공간에 저장되는 극저온 액체를 밀폐하기 위해 상기 복수의 단열패널에 적층되는 방벽을 포함하고, 상기 단열패널은 아라미드 섬유로 보강된 복합재료로 이루어진 단열박스 및 상기 단열박스의 내부에 배치되는 단열재를 갖는다.
상기 단열박스는 아라미드 단섬유, 아라미드 장섬유, 아라미드 펄프, 아라미드 나노섬유 중에서 선택된 아라미드 섬유 보강재가 기지재(Matrix)에 함침된 구조로 이루어질 수 있다.
상기 단열재는 수지 폼, 펄라이트(Perlite), 에어로졸 중에서 선택된 소재를 포함할 수 있다.
상기 단열재는 아라미드 단섬유, 아라미드 장섬유, 아라미드 펄프, 아라미드 나노섬유 중에서 선택된 아라미드 섬유 보강재가 수지 폼에 함침된 구조로 이루어질 수 있다.
상기 수지 폼은 폴리우레탄(Polyurethane) 폼, 페놀(Phenol) 폼, PS(Polystylen) 폼, PVC(Polyvinyl chloride) 폼 중에서 선택된 소재를 포함할 수 있다.
상기 단열패널은 상기 단열박스의 강도 보강을 위해 상기 단열박스의 외면에 결합되고 상기 단열패널보다 큰 강성을 갖는 보호판을 더 포함할 수 있다.
상기 단열패널은 강도 보강을 위해 상기 단열박스의 내부에 마련되는 보강 리브를 더 포함할 수 있다.
상기 보강 리브는 상기 단열박스와 같은 재질로 이루어질 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 의한 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체는,
극저온 액체가 저장되는 저장공간을 갖는 탱크 내벽 위에 적층되고 아라미드 섬유로 보강된 복합재료로 이루어진 단열박스 및 상기 단열박스의 내부에 배치되는 단열재를 갖는 복수의 외측 단열패널, 상기 복수의 외측 단열패널 위에 적층되는 복수의 내측 단열패널 ,상기 저장공간에 저장되는 극저온 액체를 밀폐하기 위해 상기 복수의 내측 단열패널 위에 적층되는 1차 방벽, 상기 저장공간에 저장되는 극저온 액체가 상기 탱크 내벽으로 침투하는 것을 막기 위해 상기 복수의 외측 단열패널과 상기 복수의 내측 단열패널 사이에 개재되는 2차 방벽을 포함한다.
상기 내측 단열패널은 아라미드 섬유로 보강된 복합재료로 이루어진 단열박스 및 상기 단열박스의 내부에 배치되는 단열재를 포함할 수 있다.
상기 외측 단열패널 및 상기 내측 단열패널은 강도 보강을 위해 상기 각 단열박스의 내부에 마련되는 보강 리브를 더 포함할 수 있다.
이러한 본 발명의 일실시예에 의한 단열 구조체는 단열패널을 열팽창 계수가 다른 보강 섬유에 비해 매우 작은 아라미드 섬유로 보강된 복합재료로 제조함으로써, 열수축량이 작아 2차 방벽의 연신율을 줄일 수 있고, 2차 방벽의 접착부에서 크랙이 발생하는 문제를 해결할 수 있다. 또한, 아라미드 섬유는 높은 강도와 낮은 열전달계수(약 1.8 W/m·K)를 갖기 때문에, 단열 효율의 저하 없이 단열패널의 인장, 압축, 굽힘 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 의한 단열 구조체의 단열패널은 아라미드 섬유로 보강된 복합재료로 이루어진 단열박스가 단열재 둘레를 둘러싸는 구조로 이루어짐으로써, 단열재의 내부 기공에 충전되는 이산화탄소와 같은 열전도가 낮은 기체가 외부로 빠져나가는 것을 막을 수 있고, 이로 인해 단열 성능이 저하되는 문제를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 단열 구조체를 갖는 극저온 액체저장탱크를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 단열 구조체의 외측 단열패널을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 단열 구조체의 내측 단열패널을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 단열 구조체를 갖는 극저온 액체저장탱크를 나타낸 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 단열 구조체를 갖는 극저온 액체저장탱크를 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 것과 같이, 극저온 액체저장탱크(10)는 내부에 극저온 액체를 저장하기 위한 저장공간이 마련되는 탱크 내벽(15)과 탱크 내벽(15)과 저장공간 사이의 열이동을 막기 위해 탱크 내벽(15)에 결합되는 단열 구조체(20)를 포함한다. 단열 구조체(20)는 복층으로 배치되는 단열패널(21)(22), 1차 방벽(23) 및 2차 방벽(24)으로 구성된다.
단열패널(21)(22)은 탱크 내벽(15) 위에 결합되는 외측 단열패널(21)과 외측 단열패널(21) 위에 결합되는 내측 단열패널(22)로 구분될 수 있다. 외측 단열패널(21)은 탱크 내벽(15)에 접착제(17) 또는 스터드 볼트(미도시)에 의해 고정되고, 내측 단열패널(22)은 접착제에 의한 접착 등의 결합 방법으로 외측 단열패널(21)에 고정된다.
1차 방벽(23)은 내측 단열패널(22) 위에 설치되는 앵커 스트립(Anchor strip, 미도시)에 용접되어 내측 단열패널(22)에 고정된다. 2차 방벽(24)은 1차 방벽(23)이 파손될 경우, 극저온 액체가 탱크 내벽(15)으로 침투하는 것을 막는 역할을 한다. 2차 방벽(24)은 외측 단열패널(21) 위에 결합되는 방벽용 시트(25)와 서로 인접하는 외측 단열패널들(21) 사이를 연결하는 이음부 스트립(26)으로 구성된다. 방벽용 시트(25)나 이음부 스트립(26)은 금속 또는 금속과 복합재료의 혼합 재료로 이루어지며, 고분자 접착제 혹은 필름형 접착제 등의 접착제에 의해 외측 단열패널(21)에 접착된다.
저장공간으로 액화천연가스와 같은 극저온 액체가 유입되면, 극저온 액체와 직접 접하는 1차 방벽(23)이 극저온 액체의 온도로 냉각된다. 반면, 탱크 내벽(15) 부근은 상온으로 유지되기 때문에 1차 방벽(23)과 탱크 내벽(15) 사이의 부분은 극저온 액체의 온도와 같은 극저온에서 상온까지의 온도 구배를 갖게 된다. 따라서, 단열 구조체(20)는 1차 방벽(23) 쪽의 열수축이 외측 단열패널(21) 쪽의 열수축보다 커지게 되어 사다리꼴 형태의 변형량 양상을 보이게 되며, 서로 인접하는 두 외측 단열패널(21)에 연결된 이음부 스트립(26)이 큰 인장 하중을 받게 된다.
외측 단열패널(21)과 이음부 스트립(26)에 사용되는 재질과 크기에 따라 이음부 스트립(26)에 가해지는 변형량이 달라질 수 있으나, 그 변형량이 약 2%를 초과하게 되면 이음부 스트립(26)을 접착하는 접착제에 크랙이 발생할 수 있다. 이러한 크랙의 발생은 극저온 액체의 누설 위험을 크게 높이게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명의 일실시예에 의한 단열 구조체(20)는 단열패널(21)(22)이 열수축량이 저감되는 구조로 이루어진다. 즉, 도 1 내지 도 3에 도시된 것과 같이, 외측 단열패널(21) 및 내측 단열패널(22)은 단열박스(27)(29)의 내부에 단열재(28)(30)가 충전된 구조로 이루어진다. 단열박스(27)(29)는 아라미드 단섬유, 아라미드 장섬유, 아라미드 펄프, 또는 아라미드 나노섬유 등 아라미드 섬유 보강재가 수지 기지재(Matrix)에 함침된 복합재료로 이루어진다.
단열패널의 열팽창 계수를 낮추기 위해 종래의 단열패널이 사용했던 유리 섬유는 열팽창 계수가 약 1.6 × 10-6 m/m·℃인데 반해 아라미드 섬유의 열팽창 계수는 약 -2.2 × 10-6 m/m·℃의 음의 열팽창 계수를 갖는다. 또한, 아라미드 섬유는 높은 강도와 낮은 열전달 계수(약 1.8 W/m·K)를 갖기 때문에, 단열효율의 저하 없이 단열패널(21)(22)의 인장, 압축, 굽힘 강도를 향상시킬 수 있다.
아라미드 섬유로 보강된 복합재료로 이루어진 단열박스(27)(29)는 열팽창 계수가 다른 복합재료에 비해 매우 작으므로, 단열패널(21)(22)의 전체 열팽창 계수를 낮출 수 있으며, 이에 의해 2차 방벽(24) 및 이음부 스트립(26)에 가해지는 열응력을 크게 줄일 수 있다. 외측 단열패널(21)의 단열박스(27) 하면에는 강도 보강을 위한 보호판(31)이 결합되고, 내측 단열패널(22)의 단열박스(29) 상면에는 강도 보강을 위한 보호판(32)이 결합된다. 이들 보호판(31)(32)은 합판(Plywood)이나 섬유강화 복합재료로 이루어진다.
단열패널(21)(22)의 단열재(28)(30)는 열변형을 줄일 수 있도록 아라미드 단섬유, 아라미드 장섬유, 아라미드 펄프 또는 아라미드 나노섬유로 보강된 폴리우레탄(Polyurethane) 폼, 페놀(Phenol) 폼, PS(Polystylen) 폼, PVC(Polyvinyl chloride) 폼 등의 수지 폼이 이용될 수 있다. 또한, 단열재(28)(30)로 단열박스(27)(29)의 내부에 충전되는 펄라이트(Perlite)나 에어로졸이 이용될 수 있다.
단열재(28)(30)로 수지 폼을 사용할 경우, 단열 성능을 높이기 위해 수지 폼의 내부 기공에 이산화탄소와 같은 열전도가 낮은 기체를 채우게 되는데, 수지 폼이 공기 중으로 노출되면 확산 등의 이유로 기공에 충전된 기체가 빠져나가서 단열 성능이 떨어지게 된다. 본 발명에 의한 단열 구조체(20)는 단열재(28)(30) 둘레를 단열박스(27)(29)의 외피가 덮음으로써 단열 기체의 누출로 인한 단열 성능 저하를 막을 수 있다.
이러한 단열패널(21)(22)은 단열재(28)(30)의 표면에 아라미드 섬유로 보강된 복합재료 프리프래그를 적층한 후, 열과 압력을 가하여 동시 경화시킴으로써 단열재(28)(30)를 둘러싸는 단열박스(27)(29)의 외피를 형성할 수 있다. 또는, 단열재(28)(30)의 표면에 아라미드 섬유로 보강된 복합재료 판을 접착하여 단열재(28)(30)를 둘러싸는 단열박스(27)(29)의 외피를 형성할 수 있다.
이러한 본 발명의 일실시예에 의한 단열 구조체(20)는 단열패널(21)(22)을 열팽창 계수가 다른 보강 섬유에 비해 매우 작은 아라미드 섬유로 보강된 복합재료로 제조함으로써, 열수축량이 작아 2차 방벽(24)의 연신율을 줄일 수 있고, 2차 방벽(24)의 접착부에서 크랙이 발생하는 문제를 해결할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 단열 구조체(50)를 갖는 극저온 액체저장탱크(40)를 나타낸 것이다. 도 4에 도시된 단열 구조체(50)는 대부분의 구조가 도 1에 도시된 단열 구조체(20)와 같고, 다만, 외측 단열패널(21) 및 내측 단열패널(22)의 구조가 다소 변경된 것이다.
외측 단열패널(21) 및 내측 단열패널(22)은 아라미드 섬유로 보강된 복합재료로 이루어진 단열박스(27)(29)의 내부에 단열재(28)(30)가 충전된 것으로, 단열박스(27)(29)는 내부에 마련되는 보강 리브(51)(52)에 의해 압축 강도가 보강된다. 단열박스(27)(29) 내부에 마련되는 보강 리브(51)(52)는 단열박스(27)(29)와 같은 재질로 이루어지며, 단열박스(27)(29)의 내부에 수직으로 배치된다. 복수의 보강 리브(51)(52)는 단열박스(27)(29)와 일체로 제조될 수 있다. 보강 리브(51)(52)는 단열패널(21)(22)의 압축 강도를 증가시킴과 동시에 단열패널(21)(22)의 열팽창 계수를 더욱 줄여주는 역할을 한다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
10, 40 : 극저온 액체저장탱크 15 : 탱크 내벽
20, 50 : 단열 구조체 21 : 외측 단열패널
22 : 내측 단열패널 23, 24 : 1차, 2차 방벽
27, 29 : 단열박스 28, 30 : 단열재
31, 32 : 보호판 51, 52 : 보강 리브

Claims (11)

  1. 극저온 액체가 저장되는 저장공간을 단열하기 위해 탱크 내벽에 결합되는 단열 구조체에 있어서,
    상기 탱크 내벽에 적층되는 복수의 단열패널; 및
    상기 저장공간에 저장되는 극저온 액체를 밀폐하기 위해 상기 복수의 단열패널에 적층되는 방벽;을 포함하고,
    상기 단열패널은 아라미드 섬유로 보강된 복합재료로 이루어진 단열박스 및 상기 단열박스의 내부에 배치되는 단열재를 갖는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열박스는 아라미드 단섬유, 아라미드 장섬유, 아라미드 펄프, 아라미드 나노섬유 중에서 선택된 아라미드 섬유 보강재가 기지재(Matrix)에 함침된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열재는 수지 폼, 펄라이트(Perlite), 에어로졸 중에서 선택된 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열재는 아라미드 단섬유, 아라미드 장섬유, 아라미드 펄프, 아라미드 나노섬유 중에서 선택된 아라미드 섬유 보강재가 수지 폼에 함침된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 수지 폼은 폴리우레탄(Polyurethane) 폼, 페놀(Phenol) 폼, PS(Polystylen) 폼, PVC(Polyvinyl chloride) 폼 중에서 선택된 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열패널은 상기 단열박스의 강도 보강을 위해 상기 단열박스의 외면에 결합되고 상기 단열패널보다 큰 강성을 갖는 보호판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열패널은 강도 보강을 위해 상기 단열박스의 내부에 마련되는 보강 리브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 보강 리브는 상기 단열박스와 같은 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체.
  9. 극저온 액체가 저장되는 저장공간을 단열하기 위해 탱크 내벽에 결합되는 단열 구조체에 있어서,
    상기 탱크 내벽 위에 적층되고, 아라미드 섬유로 보강된 복합재료로 이루어진 단열박스 및 상기 단열박스의 내부에 배치되는 단열재를 갖는 복수의 외측 단열패널;
    상기 복수의 외측 단열패널 위에 적층되는 복수의 내측 단열패널;
    상기 저장공간에 저장되는 극저온 액체를 밀폐하기 위해 상기 복수의 내측 단열패널 위에 적층되는 1차 방벽; 및
    상기 저장공간에 저장되는 극저온 액체가 상기 탱크 내벽으로 침투하는 것을 막기 위해 상기 복수의 외측 단열패널과 상기 복수의 내측 단열패널 사이에 개재되는 2차 방벽;을 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 내측 단열패널은 아라미드 섬유로 보강된 복합재료로 이루어진 단열박스 및 상기 단열박스의 내부에 배치되는 단열재를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 외측 단열패널 및 상기 내측 단열패널은 강도 보강을 위해 상기 각 단열박스의 내부에 마련되는 보강 리브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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