KR20140049965A - 유체 불투과성 단열 홀더 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지지 구조물(2)에, 바람직하게는 선박의 선체에 통합되는 유체 불투과성 단열 홀더에 관한 것으로, 횡단폭 방향으로 내측에서 외측으로 보이는 상기 홀더의 벽(3)은 상기 홀더에 포함된 유체(4)와 접촉하고 있는 일차 유체 장벽층(5), 및 일차 단열층(6)을 포함하고, 상기 일차 유체 장벽층(5)의 재료는 저온에서 유연한 플라스틱이고, 상기 플라스틱은 폴리아미드에 기초하고, 상기 일차 단열층(6)은 섬유의 망층 또는 부직층에 의해 분리된 두개의 투과성 직물층을 포함하는 직물 3D-층이다.

Description

유체 불투과성 단열 홀더{FLUID IMPERMEABLE AND THERMALLY INSULATED HOLDER}
본 발명은 지지 구조물에, 바람직하게는 선박의 선체에 통합되는 유체 불투과성 단열 홀더에 관한 것으로, 횡단폭 방향으로 내측에서 외측으로 보이는 상기 홀더의 벽은 상기 홀더에 포함된 유체와 접촉하고 있는 일차 유체 장벽층 및 일차 단열층을 포함한다.
선박의 구조물에 통합된 이러한 홀더는 액화 가스와 같은 저온 유체, 특히 LNG(Liquefied Natural Gas)와 같은 메탄 함량이 높은 가스의 생산, 저장, 적재, 해상이나 해양 운송, 및/또는 배출에 적합하다. 매우 낮은 온도에서 LNG의 해상 운송은 빠른 속도로 상기 LNG를 증발시켜서, 항해 동안에 상기 액화 가스를 매우 양호하게 단열시킬 필요가 있다.
다양한 원인으로 인하여, 예를 들면 가속이나 과속에 의해 또는 제동이나 감속에 의해 탱크 로리 및 로드 트럭의 운반가능한 탱크 내의 화물은 커브길에서의 고속에 의해 또는 충돌에 의해(거의 충돌로 인해) 발생되는 방향 전환(swerving)에 의해 심지어는 차량의 전복을 초래할 수 있는 원치 않는 동적 거동을 나타낼 수 있다고 알려져 있다. 이러한 영향은 저장 탱크, 트럭, 또는 탱커에 포함된 화물의 유형에 따른 주요 부품 때문이다. 예를 들어, 자유로운 가동(낮은 점성의) 액체는 탱커의 급작스런 기동에 영향을 받을 때에 쉽게 흔들림을 받을 것이다. 전후 방향으로 상기 액체의 이동이나 슬로싱(sloshing)은 부가적인 충격력을 제공할 수 있고, 이에 의하여 상기 탱커나 트럭의 전복을 가속화시킨다. 법적 규제로 인해 상기 탱크의 축 길이방향이나 구동 방향으로 액체의 슬로싱이나 진동을 방지하기 위하여, 일정 한계 이상의 체적을 갖는 홀더 내부에 배플 플레이트가 장착된다. 이러한 배플 플레이트는 축방향 액체 이동만을 감쇠시켜 반경 방향이나 접선 방향 이동과 같은 액체의 비축방향 이동은 감쇠되지 않거나 작은 정도로만 감쇠될 것인 단점을 상기 배플 플레이트가 갖는다. 또한, 이러한 플레이트는 그 자신의 질량 및 체적을 가지므로, 홀더의 용적을 감소시킨다. 게다가, 이러한 플레이트는 통상적으로 홀더의 내부에 고정되게 장착되어, 노동 집약적인 내부 장치, 검사, 수리, 또는 세정이 필요할 것이다. 더 나아가, 상기 홀더의 내부에 고정되게 장착된 플레이트는 진동하는 액체의 에너지 및 충격력의 일부를 상기 홀더 및 홀더 벽에 전달할 것이다.
해상 운송 및/또는 해상에서 유체(액체 및 가스)의 저장을 위한 탱커 선박에서, 상기 액체의 흔들림 및 슬로싱은 물의 팽창 및 해상에서 선박의 보빙(bobbing)으로 인하여 발생할 수도 있다. LNG 탱커나 캐리어와 같은 가스 탱커는 대기압에서 약 마이너스 162℃의 온도에서 액체로 냉각되어 응축되는 가스가 저장 및/또는 운송되는 둘 이상의 홀더를 대체로 포함한다. 상기 홀더는 통상적으로 구 형상의 '자체 지지(self-supporting)'형일 수 있거나 또는 '멤브레인'형일 수 있다. 상기 '멤브레인'형 홀더는 선박의 선체에 의해 직접 지지되고 선박의 지지 구조물과 일체화된다. 상기 선박의 선체에 의해 지지되는 이러한 '멤브레인' 홀더는 슬로싱 액체에 의해 내부 가압력에 대하여 낮은 저항을 가지므로, 해상에서 사용하기에 덜 적합하다.
'멤브레인'형 홀더 내에, 운송될 가스가 증기 상태뿐만 아니라 액체 상태에서 대기압에서 존재한다. 상기 액체는 외부로부터 열 전도로 인해 또한 액체 화물의 슬로싱이나 흔들림에 의해 야기되는 액체에 흡수된 에너지로 인하여 공급된 에너지의 결과로서 비등한다. 상기 가스 탱커의 홀더에서 액체의 흔들림이나 요동은 물의 팽창뿐만 아니라 상기 가스 탱커의 적재 정도에 따라 좌우된다. 상기 적재 정도가 증가하는 경우, 상기 선박은 물에 깊이 놓이게 되어 상기 선박 및 홀더 내의 화물의 고유 진동수 및 진동과 스윙 진동수가 변화할 것이다. 또한 상기 가스 탱커에서, 상기 영향은 액체의 슬로싱 및 요동이 에너지 흡수 및 이에 따른 액체의 증발을 일으키게 할 것이어서 추가적인 냉각이나 그 밖에 초과 에너지를 제거할 필요가 있다. 다음에서, 상기 LNG 탱커의 용어에 의해, 가스 탱커는 액화 가스의 저장 및/또는 운송을 위한 것을 의미한다.
이러한 영향 모두는 컨테이너의 용적을 완전히 활용할 수 없게 하여 일반적으로 10%와 75% 사이의 값으로 충전률을 감소시킨다. 이는, 특히 LNG 셔틀 탱커가 현물 시장에서 작동하는데 있어서 작동 제약을 초래하여, 탱커는 상업적으로 바람직하거나 작동에 필요한 가스의 양을 배출하거나 적재할 수 없는데, 이는 예를 들어 우세한 해상 조건으로 인하여 부표에 계류할 수 없어서 무역 손실을 초래하기 때문이다. 또한, 시추공 근처에서 부유식 저장체로서의 LNG 탱커를 이용한 오일 및 가스 분야의 활용에 있어서, 최대 용적은 물결이나 물의 팽창에서 가능한 최대의 안전성이 요구된다. 또한, LNG 탱커는 주위 열이 저온 액체(천연) 가스를 기화시켜 상기 가스를 고객에서 전달하는데 이용되는 이른바 '재기화(re-gasification)'를 위해 사용된다.
상기 액체 가스는 온도 및 압력에 따라 상기 홀더에서 액체-증기 평형을 이룬다. 상기 압력 및 온도는 대기 상태 하에서 상기 홀더 내의 가스 제품이 기본적으로 비등 액체로서 존재하도록 선택된다. 그러므로, 상기 액체 위의 자유 공간에 액체 상태에서 제품의 증기나 가스가 완전히 채워진다.
유체 불투과성 단열 '멤브레인' 홀더의 벽은 여러 층으로 구성된다. 먼저, 횡단폭 방향으로 내측에서 외측으로 보이는 곳에 저온 유체와 접촉하고 있는 일차 유체 장벽층이 적용된다. 이러한 일차 유체 장벽층은 약 0.1mm의 두께를 갖는 금속 시트 및/또는 금속 포일 및/또는 금속 멤브레인으로 구성된다. 금속은 온도 변화에 의해 팽창 및 수축하기 때문에, 상기 시트 간에 복잡한 연결부가 필요하고, 상기 시트에는 크랙이나 찢김을 방지하기 위하여 지그재그나 코러게이트형 구조가 제공되어야 한다. 이는 일차 유체 장벽층을 제조 및 적용하는데 복잡하게 만들어서 비용을 증가시킨다. 또한, 이러한 '멤브레인' 홀더의 벽은 홀더의 내부에서 슬로싱하는 액체로부터 발생하는 충격 및 다른 힘을 수용하고 흡수하기 위한 능력을 거의 갖지 못한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 저비용으로 제조될 수 있으며 홀더에서 내부의 액체에 의해 가해진 충격 및 다른 힘을 수용할 수 있는 저렴한 유체 불투과성 단열 홀더를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 유체 불투과성 단열 홀더의 벽을 제공하는 본 발명에 의해 달성되고, 상기 유체 불투과성 단열 홀더의 벽에서 일차 유체 장벽층의 재료는 저온에서 유연한 플라스틱이고, 상기 플라스틱은 폴리아미드에 기초하고, 상기 일차 단열층은 섬유의 망층 또는 부직층에 의해 분리된 두개의 투과성 직물층을 포함하는 직물 3D-층이다.
저온의 유연성 플라스틱을 적용함으로써 상기 일차 유체 장벽층의 팽창 및 수축을 보상하기 위한 포괄적인 조치를 취할 필요가 없다. 폴리아미드 및 방향족 폴리아미드나 아라미드에 기초한 플라스틱은 특히 이러한 목적에 매우 적합함을 보인다. 이러한 아라미드는 Kevlar, Nomex, 및 Twaron 상표로도 알려져 있다. 직물 3D-층을 사용하면 부직 섬유 사이에서 높은 비율의 공기로 인하여 높은 단열을 얻게 되는 이점을 갖고, 상기 부직 섬유에 의해 향상된 충격 흡수 효과의 이점도 갖는다. 이러한 직물 3D-층은 Muller Textil의 3메시(3mesh) 상표로도 알려져 있다.
바람직한 일 실시예에서, 상기 일차 단열층은 둘 이상의 직물 3D-층을 포함한다. 이러한 일차 단열층을 하나의 직물 3D-층으로 구성하는 것이 유리하지만, 대체로 낮은 비용을 발생시킬 것인 둘 이상의 직물 3D-층으로 상기 단열층을 조립할 수도 있다.
상기 홀더 벽에는 저온에서 단단해지거나 얼지 않을 재료의 이차 단열층이 제공되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 이차 단열층의 재료를 위해 케이폭이 선택된다. 활용되는 저온에서 단단해지거나 얼지 않을 케이폭과 같은 재료의 층을 적용함으로써, 향상된 충격 방지 홀더 벽이 얻어진다. 케이폭은 케이폭 나무(ceiba pentandra)의 열매에서 자라는 천연 중공 섬유이다.
상기 직물 3D-층의 외측에 이차 유체 장벽층이 제공되는 것이 바람직하다.
상기 실시예에서, 직물 3D-층의 외측에 각각 두개의 이차 유체 장벽층이 제공되는 것이 바람직하다.
특히, 상기 이차 유체 장벽층은 직물 3D-층의 외측에서 상기 투과성 직물층과 고정되게 연결(적층)된다. 이러한 방안으로 이차 유체 장벽은 저비용으로 상기 홀더의 벽에 용이하게 설치될 수 있다. 상기 유체 장벽층은 저비용으로 직물 3D-층의 섬유층과 미리 용이하게 연결될 수 있다(이는 적층으로 불리기도 함).
상기 실시예는 홀더 벽의 직물 3D-층의 부직층은 냉각제를 전달하기 위하여 채널 또는 중공의 벽부인 것이 바람직하다. 특히, 상기 채널 또는 중공의 벽부는 홀더의 전체 둘레에 걸쳐 연장된다. 더 나아가, 특히 상기 채널 또는 중공의 벽부에는 냉각제를 위한 공급 도관 및 배출 도관이 제공된다. 상기 직물 3D-층의 직물층에 유체 장벽층을 적용함으로써, 환경으로부터 열 누출을 제거하여 상기 홀더에서 액체의 증발을 감소시키기 위하여 질소와 같은 냉각제가 공급 도관에서 배출 도관으로 운반될 수 있도록 상기 홀더의 벽에 채널 또는 캐비티나 중공 공간이 마련된다. 이에 의하여, 상기 냉각제 의해 채널 또는 캐비티를 가압할 수 있어서, 상기 직물의 3D-층은 큰 강성 및 증가된 기계적 강도를 획득하게 된다.
본 발명은 홀더의 벽의 도면 및 일부 실시예에 의해 더 설명되고, 이에 의한 특징 및 다른 이점이 앞으로 제시될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 불투과성 단열 홀더에 제공된 선체를 갖는 LNG 탱커의 단면도이고,
도 2는 도 1의 홀더의 벽을 상세하게 나타낸 도면이고,
도 3은 냉각제용 채널이 제공된 도 1의 홀더의 단면도이다.
도 1은 액화 가스(4)를 저장하기 위한 홀더가 제공된 선박을 도시하고 있다. 본 예에서, 도시된 선박은 특히 LNG(Liquefied Natural Gas)와 같은 액화 가스를 포함하는데 적합하도록 설계된다. 이하, 액화 가스를 운송하는데 적합한 가스 탱커를 LNG 탱커로 나타낸다. 상기 LNG 탱커에는 홀더 내에 적당한 온도와 압력을 유지하여 액화된 가스를 지속시키기 위한 수단 및 시설이 제공된다. 상기 유체 불투과성 단열 홀더는 선박의 이중 벽 선체(2)에 장착되어 통합된다. 상기 선박은 바다(1)와 같은 물에서 부유하고 있다. 횡단폭 방향으로 보이는 상기 홀더의 벽(3)은 여러 층으로 구성된다. 상기 홀더의 벽(3)은 선박 선체(2)의 측벽 및 하부 측벽에 의해 지지된다.
도 2에서, 상기 홀더 벽(3) 및 선박 벽(2)이 상세하게 도시되어 있고, 좌측에서 우측으로 두께, 단면 폭 방향으로 보이는 것은 액화 가스(4) 및 상기 액화 가스(4)와 접촉하고 있는 일차 유체 장벽층(5)이다. 유체 장벽층(5)은 마이너스 170℃의 대기의 LNG와 같은 낮은 온도에서도 유연성을 갖는 플라스틱 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 유체 장벽층(5)은 전체 또는 대부분이 나일론으로 알려진 재료와 같은 폴리아미드로 이루어진다. 상기 유체 장벽층(5)은 (직조된(woven) 및/또는 부직된(nonwoven)) 하나의 균일한 층일 수 있거나 또는 일측이나 양측에 불투과 층을 갖는 직조된 캐리어로 이루어질 수 있다.
상기 유체 장벽층(5)은 방향족 폴리아미드 플라스틱에 기초한 재료를 함유하여 제조될 수도 있다. 이러한 플라스틱은 Kevlar, Nomex, 및 Twaron 상표로도 알려진 방향족 폴리아미드나 아라미드로 불리우기도 한다.
도 2에서 (횡단폭) 두께 방향으로 상기 일차 유체 장벽층(5)의 우측으로 보여진 것은 바람직하게 Muller Textil의 '3메시(3mesh)' 상표로도 알려진 직물의 3D-층(3D-layer of fabric)에 기초하여 제공된 일차 단열 층(6)이다. 이러한 직물의 3D-층은 개방되거나 투과가능한 (직조된) 두 직물층 사이에 코어 망층(core web layer) 또는 코어 부직포 방적사(core nonwoven fibre-yarn)를 포함한다. 일차 단열층(6)은 단일의 직물 3D-층으로 구성될 수 있거나 또는 둘 이상의 직물 3D-층으로 이루어질 수 있다. 상기 일차 유체 장벽층(5)과 일차 단열층(6) 사이에 바람직하게는 부동(non-freezing) 재료로 이루어진 이차 단열층(7)이 제공될 수 있고, 이에 따라 상기 이차 단열층(7)은 단단하지 않을 것이어서 낮은 작동 온도에서 탄성을 지닐 것이고, 그래서 이러한 층에 유체에 의해 가해진 충격 및 다른 힘이 충분히 수용되어 흡수될 것이다. 이러한 재료를 위해 마이너스 170℃의 온도에서 얼지 않거나 단단해지지 않는 천연 중공 섬유인 케이폭(kapok)이 선택되는 것이 바람직하다. 상기 홀더 벽(3)에는 일차 단열층(6)과 (이중) 선박 벽(2) 사이에 위치된 제2 이차 단열층(8)이 제공될 수 있다. 이러한 단열층(8)은 금속에 대해 허용가능한 가장 낮은 값보다 아래인 온도에 대하여 선박 벽(2)의 내측 - 통상 스틸과 같은 금속- 을 보호한다. 또한, 상기 직물 3D-층에는 투과성 직물의 외측에 제공된 이차 유체 장벽층(6a, 6b)이 제공될 수 있다. 이러한 이차 유체 장벽층(6a, 6b)은 상기 직물 3D-층(6)의 투과성 직물층에 접합, 접착, 또는 적층에 의해 부착될 수 있다. 상기 이차 유체 장벽층(6a, 6b)은 직물 3D-층(6)의 양 외측에 제공되거나 적층될 수 있다.
도 3은 냉각제를 전달하기 위하여 채널 또는 중공의 공간이나 캐비티가 제공된 유체 불투과성 단열 홀더의 홀더 벽(3)의 대안적인 실시예를 도시하고 있다. 냉각제로서 질소가 선택되는 것이 바람직하다. 유체 장벽층(6a, 6b)이 직물 3D-층의 투과성 직물층에 부착되는 경우, 부직층은 질소와 같은 냉각제를 위한 유체 채널로서 사용될 수 있다.
상기 냉각제가 공급 도관(9)으로부터 배출 도관(10)으로 흐르게 함으로써, 환경에서의 열 누출이 제거될 수 있어서 상기 컨테이너(4)에서 액체의 증발이 감소된다. 상기 냉각제에 의하여 상기 채널이나 캐비티에 과도한 압력이 제공될 수도 있어서, 상기 직물 3D-층은 큰 강성 및 증가된 기계적 강도를 확보한다.

Claims (11)

  1. 지지 구조물(2)에, 바람직하게는 선박의 선체에 통합되는 유체 불투과성 단열 홀더이며,
    횡단폭 방향으로 내측에서 외측으로 보이는 상기 홀더의 벽(3)은,
    상기 홀더에 포함된 유체(4)와 접촉하고 있는 일차 유체 장벽층(5), 및 일차 단열층(6)을 포함하고,
    상기 일차 유체 장벽층(5)의 재료는 저온에서 유연한 플라스틱이고, 상기 플라스틱은 폴리아미드에 기초하고,
    상기 일차 단열층(6)은 섬유의 망층 또는 부직층에 의해 분리된 두개의 투과성 직물층을 포함하는 직물 3D-층인 것을 특징으로 하는
    유체 불투과성 단열 홀더.
  2. 제2항에 있어서, 상기 일차 단열층(6)은 둘 이상의 직물 3D-층을 포함하는 홀더.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 홀더 벽(3)에는 저온에서 단단해지거나 얼지 않을 재료의 이차 단열층(7, 8)이 제공되는 홀더.
  4. 제3항에 있어서, 상기 이차 단열층(7, 8)의 재료를 위해 케이폭이 선택되는 홀더.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직물 3D-층의 외측에 이차 유체 장벽층(6a, 6b)이 제공되는 홀더.
  6. 제5항에 있어서, 직물 3D-층의 외측에 각각 두개의 이차 유체 장벽층(6a, 6b)이 제공되는 홀더.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 이차 유체 장벽층(6a, 6b)은 직물 3D-층의 외측에서 상기 투과성 직물층과 고정되게 연결되는 -적층되는- 홀더.
  8. 제6항에 있어서, 상기 홀더 벽(3)의 직물 3D-층(6)의 부직층은 냉각제를 전달하기 위하여 채널 또는 중공의 벽부를 구성하는 홀더.
  9. 제8항에 있어서, 상기 채널 또는 중공의 벽부는 홀더의 전체 둘레에 걸쳐 연장되는 홀더.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 채널 또는 중공의 벽부에는 냉각제를 위한 공급 도관(9) 및 배출 도관(10)이 제공되는 홀더.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각제로서 질소가 선택되는 홀더.
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