KR20230171064A - Independent liquid hydrogen storage tank including a vacuum insulation layer and a method for implementing vacuum insulation thereof, marine transportation means including an independent liquid hydrogen storage tank - Google Patents
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Abstract
진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크 및 그의 진공 단열 구현 방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크는, 내부에 저장되는 액화수소와 직접 접하면서 기밀을 수행하는 1차 방벽; 1차 방벽의 외측으로부터 일정 거리 이격되게 설치되며 1차 방벽과의 사이에 폐공간을 형성하는 구획구조물; 및 폐공간을 진공으로 형성하여 마련되는 진공단열층을 포함하되, 진공단열층에 대한 진공 작업이 수행되기 전에 폐공간은 수분 및 산소를 제거하기 위한 목적으로 치환가스로 치환되고, 진공단열층에 대한 진공 작업이 수행되기 전 또는 후에 1차 방벽의 내부 공간에 소량의 액화수소를 분사하여 미리 냉각시키는 쿨다운 공정이 수행됨으로써, 1차 방벽의 온도 하락에 따른 진공단열층의 온도 감소 및 진공단열층의 온도 하락에 따른 진공단열층의 압력 감소, 그리고 진공단열층의 온도 하락에 따른 진공단열층 내 잔여 치환가스의 상변화 및 치환가스의 상변화에 따른 진공단열층의 압력 감소의 영향으로, 진공단열층에 대한 추가적인 진공 효과가 발생하는 것을 특징으로 한다.An independent liquefied hydrogen storage tank including a vacuum insulation layer and a method of implementing vacuum insulation thereof are disclosed. An independent liquefied hydrogen storage tank including a vacuum insulation layer according to an aspect of the present invention includes a primary barrier that performs airtightness while directly contacting the liquefied hydrogen stored therein; A partition structure installed at a certain distance from the outside of the primary barrier and forming a closed space between the primary barrier and the primary barrier; and a vacuum insulation layer prepared by forming a closed space with a vacuum, wherein before the vacuum work on the vacuum insulation layer is performed, the closed space is replaced with a purge gas for the purpose of removing moisture and oxygen, and the vacuum work on the vacuum insulation layer is performed. Before or after this is performed, a cool-down process is performed in which a small amount of liquefied hydrogen is sprayed into the internal space of the primary barrier to pre-cool it, thereby reducing the temperature of the vacuum insulation layer and the temperature of the vacuum insulation layer due to a decrease in the temperature of the primary barrier. Due to the reduction in pressure of the vacuum insulation layer, the phase change of the residual substitution gas in the vacuum insulation layer due to the temperature drop in the vacuum insulation layer, and the reduction in pressure in the vacuum insulation layer due to the phase change of the substitution gas, an additional vacuum effect occurs on the vacuum insulation layer. It is characterized by:
Description
본 발명은 진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크 및 그의 진공 단열 구현 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 끓는점이 현저히 낮은 수소의 운송 및 저장이 가능하도록 진공 단열층을 포함하여 고성능의 단열시스템을 갖춘 독립형 액화수소 저장탱크와 그의 진공 단열을 효과적으로 구현하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an independent liquefied hydrogen storage tank including a vacuum insulation layer and a method of implementing vacuum insulation thereof. More specifically, the present invention relates to a high-performance insulation system including a vacuum insulation layer to enable transportation and storage of hydrogen with a significantly low boiling point. It is about a self-contained liquefied hydrogen storage tank and a method of effectively implementing its vacuum insulation.
일반적으로 수소의 운송은 크게 내륙에서의 운송과 해상에서의 운송으로 구분할 수 있다. 내륙에서 수소의 운송은 파이프 라인을 이용하거나 전용 수송 차량 또는 철도 등을 이용하여 이루어질 수 있고, 해상에서 수소의 운송은 특수한 저장설비를 갖춘 선박을 통해 이루어질 수 있다.In general, hydrogen transportation can be broadly divided into inland transportation and maritime transportation. Transportation of hydrogen inland can be accomplished using pipelines, dedicated transport vehicles, or railways, and transportation of hydrogen at sea can be accomplished through ships equipped with special storage facilities.
파이프 라인을 제외한 내륙 및 해상을 통한 수소 운송의 공통적인 특징은 수소를 저장할 수 있는 특수한 저장설비가 갖추어진 운송 수단을 통해 이루어진다는 점이다. 특히 효율적인 수소의 운송을 위해서는 기체 상태의 수소를 냉각 그리고/혹은 가압하여 액화시킨 상태로 저장설비에 저장하여 운송하는 것이 바람직하다는 것이 일반적인 견해이다.A common feature of hydrogen transportation via inland and sea, excluding pipelines, is that it is accomplished through transportation vehicles equipped with special storage facilities that can store hydrogen. In particular, for efficient transportation of hydrogen, it is a general opinion that it is desirable to store and transport gaseous hydrogen in a storage facility in a liquefied state by cooling and/or pressurizing it.
액화수소의 저장을 위해 다양한 기술이 적용될 수 있다. 구체적으로 해상과 육상에서 모두 적용되고 있는 멤브레인형 탱크(membrane type tank) 저장기술과 주로 해상에서 적용되고 있는 독립형 탱크(independent type tank) 저장기술이 고려될 수 있다. 독립형 탱크는 압력용기(pressure vessel)로 지칭되는 Type C 탱크와 상압탱크(atmospherical tank)인 Type A 탱크 및 Type B 탱크로 구분될 수 있다.Various technologies can be applied to store liquefied hydrogen. Specifically, membrane type tank storage technology, which is applied both at sea and on land, and independent type tank storage technology, which is mainly applied at sea, can be considered. Independent tanks can be divided into Type C tanks, which are referred to as pressure vessels, and Type A tanks and Type B tanks, which are atmospheric tanks.
상기한 저장기술들은 현재 상용화되어 있는 것들로서 기술적으로 구현하는데 큰 어려움이 없지만, 이러한 기존 저장기술들은 주로 LNG(액화천연가스)나 LPG(액화석유가스)의 저장에 적합하게 설계된 것으로서, 기존의 저장기술들의 단열방식으로는 LNG나 LPG 등과 대비하여 액화 온도(끓는점)가 현저히 낮은 수소를 상당한 기간 동안 손실 없이 저장하여 운송하기에는 무리가 있다.The above-mentioned storage technologies are currently commercialized and there is no great difficulty in technically implementing them, but these existing storage technologies are mainly designed to be suitable for the storage of LNG (liquefied natural gas) or LPG (liquefied petroleum gas). It is difficult to store and transport hydrogen, which has a significantly lower liquefaction temperature (boiling point) compared to LNG or LPG, without loss for a significant period of time using the insulation methods of these technologies.
기존의 저장기술들을 액화수소의 저장에 이용하기 위해서는 저장탱크(혹은 저장용기)에 갖추어지는 단열시스템의 단열 두께를 수배에서 수십배까지 증가시키거나 진공단열재와 같은 고성능 단열재를 추가적으로 적용하는 등의 설계 변경이 필수적으로 고려될 수 밖에 없으며, 기존의 저장기술들을 끓는점이 현저히 낮은 액화수소의 저장에 바로 적용할 수는 없는 실정이다.In order to use existing storage technologies for storing liquefied hydrogen, design changes such as increasing the insulation thickness of the insulation system provided in the storage tank (or storage container) from several to several tens of times or additionally applying high-performance insulation such as vacuum insulation are required. This inevitably must be considered, and existing storage technologies cannot be directly applied to the storage of liquefied hydrogen, which has a significantly low boiling point.
기체 상태의 수소는 상압(atmospherical pressure)에서 -253℃의 끓는점을 가지기 때문에 해당 온도까지 냉각이 되어야 기체 상태에서 액체로 전환된다. 또한 가압된 환경에서도 수소가 액화되는 온도는 상당히 낮다. 대략 10barg로 가압하였을 때에도 수소는 -242℃ 수준에서 액체로 전환될 수 있다.Since gaseous hydrogen has a boiling point of -253℃ at atmospheric pressure, it must be cooled to that temperature to convert from gaseous state to liquid. Additionally, even in a pressurized environment, the temperature at which hydrogen liquefies is quite low. Even when pressurized to approximately 10 barg, hydrogen can be converted to liquid at -242°C.
이와 같은 수소의 상변화 특성 때문에 상온(atmospherical temperature)에 가까운 저장탱크의 외부 조건과 -253℃의 액화수소가 저장되는 저장탱크의 내부 간에 크게는 300℃에 달하는 온도차가 발생하게 된다. 이러한 저장탱크의 내/외부 온도 차이는 열전달의 요인이 되고, 열전달로 인해 발생하는 열류(heat flux)에 의한 열침임으로 인하여 저장탱크 내부에 저장되어 있는 액화수소의 증발을 야기시킨다.Due to the phase change characteristics of hydrogen, a temperature difference of up to 300°C occurs between the external conditions of the storage tank, which is close to atmospheric temperature, and the inside of the storage tank, where liquefied hydrogen is stored at -253°C. This difference in temperature between the inside and outside of the storage tank becomes a factor in heat transfer, and heat immersion due to heat flux generated by heat transfer causes evaporation of the liquefied hydrogen stored inside the storage tank.
저장탱크 내부에서 발생하는 액화수소의 증발은 결국 수소의 저장 및 운송 과정 동안 수소의 손실로 다가온다. 가압형 저장탱크의 경우에는 견딜 수 있도록 설계된 최대허용압력(maximum design vapour pressure) 내에서 증발가스(BOG;Boil-Off Gas)를 저장탱크 내부에 저장할 수 있겠으나, 수소의 임계점(critical point)에 이르지 않게 관리해야 할 것이 요구되고, 지속적인 액화수소의 증발로 인하여 허용 내압을 넘어설 것이 예상되는 경우에는 증발가스를 저장탱크 외부로 방출할 수 밖에 없다.Evaporation of liquefied hydrogen occurring inside a storage tank ultimately results in loss of hydrogen during the hydrogen storage and transportation process. In the case of a pressurized storage tank, boil-off gas (BOG) can be stored inside the storage tank within the maximum design vapor pressure, but it is not possible to store boil-off gas (BOG) inside the storage tank at the critical point of hydrogen. It is required to manage it so that it does not prematurely, and if it is expected to exceed the allowable internal pressure due to continuous evaporation of liquefied hydrogen, the evaporation gas has no choice but to be released outside the storage tank.
LNG나 LPG와 대비하여 끓는점이 현저히 낮은 액화수소의 해상 운송시 액체 상태의 수소의 증발률을 저감시켜 운송 손실을 최소화하기 위해서는 액화수소가 저장되는 저장탱크의 단열성능을 높이거나 열손실을 줄이는 방안이 마련되어야 한다.In order to minimize transportation losses by reducing the evaporation rate of liquid hydrogen during maritime transportation of liquefied hydrogen, which has a significantly lower boiling point compared to LNG or LPG, measures are taken to increase the insulation performance of the storage tank where liquefied hydrogen is stored or to reduce heat loss. This must be provided.
본 발명의 목적은, 수소의 해상 운송시 액체 상태의 수소를 상당한 기간 동안 열손실을 최소화한 상태로 저장하여 운송할 수 있도록 고성능 단열시스템을 갖춘 액화수소 저장탱크 및 이를 포함하는 해상 운송 수단을 제공하는데 있다.The purpose of the present invention is to provide a liquefied hydrogen storage tank equipped with a high-performance insulation system and a maritime transportation means including the same so that liquid hydrogen can be stored and transported with minimal heat loss for a considerable period of time during maritime transportation of hydrogen. I'm doing it.
그 중에서도 가압형 저장탱크는 상압형 저장탱크와 대비하여 일정 수준의 설계 압력까지 증발에 의한 압력 상승을 제어할 수 있기 때문에 비교적 효율적인 운영이 가능하고, 열손실의 최소화가 가능하다면 화물의 손실을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 이에 본 발명은 액화수소의 저장/운송을 위한 저장탱크 및 이에 구축되는 단열시스템을 국제해사기구(IMO;International Maritime Organization)에서 분류하고 있는 Type C 독립형 탱크 형태로 설계 및 구성하여 제안하고자 한다.Among them, pressurized storage tanks can be operated relatively efficiently because they can control the pressure rise due to evaporation to a certain level of design pressure compared to normal pressure storage tanks. If heat loss can be minimized, cargo loss can be minimized. There is an advantage to being able to do it. Accordingly, the present invention seeks to design and construct a storage tank for storage/transportation of liquefied hydrogen and an insulation system built thereto in the form of a Type C independent tank classified by the International Maritime Organization (IMO).
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 내부에 저장되는 액화수소와 직접 접하면서 기밀을 수행하는 1차 방벽; 상기 1차 방벽의 외측으로부터 일정 거리 이격되게 설치되며 상기 1차 방벽과의 사이에 폐공간을 형성하는 구획구조물; 및 상기 폐공간을 진공으로 형성하여 마련되는 진공단열층을 포함하되, 상기 진공단열층에 대한 진공 작업이 수행되기 전에 상기 폐공간은 수분 및 산소를 제거하기 위한 목적으로 치환가스로 치환되고, 상기 진공단열층에 대한 진공 작업이 수행되기 전 또는 후에 상기 1차 방벽의 내부 공간에 소량의 액화수소를 분사하여 미리 냉각시키는 쿨다운 공정이 수행됨으로써, 상기 1차 방벽의 온도 하락에 따른 상기 진공단열층의 온도 감소 및 상기 진공단열층의 온도 하락에 따른 상기 진공단열층의 압력 감소, 그리고 상기 진공단열층의 온도 하락에 따른 상기 진공단열층 내 잔여 치환가스의 상변화 및 상기 치환가스의 상변화에 따른 상기 진공단열층의 압력 감소의 영향으로, 상기 진공단열층에 대한 추가적인 진공 효과가 발생하는 것을 특징으로 하는, 진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크가 제공될 수 있다.According to one aspect of the present invention for achieving the above object, a primary barrier that performs airtightness while directly contacting the liquefied hydrogen stored therein; a partition structure installed at a certain distance from the outside of the primary barrier and forming a closed space between the primary barrier and the primary barrier; and a vacuum insulation layer prepared by forming the closed space in a vacuum, wherein before vacuum work on the vacuum insulation layer is performed, the closed space is replaced with a purge gas for the purpose of removing moisture and oxygen, and the vacuum insulation layer Before or after the vacuum operation is performed, a cool-down process of pre-cooling the internal space of the primary barrier by spraying a small amount of liquefied hydrogen is performed, thereby reducing the temperature of the vacuum insulation layer due to a decrease in the temperature of the primary barrier. and a decrease in the pressure of the vacuum insulation layer according to a decrease in the temperature of the vacuum insulation layer, and a phase change of the remaining substitution gas in the vacuum insulation layer according to a decrease in the temperature of the vacuum insulation layer and a decrease in the pressure of the vacuum insulation layer according to the phase change of the substitution gas. Due to the influence of, an independent liquefied hydrogen storage tank including a vacuum insulation layer can be provided, characterized in that an additional vacuum effect on the vacuum insulation layer occurs.
상기 치환가스는 수소(H2)보다 상변화 온도가 높은 물질일 수 있다.The substitution gas may be a material with a higher phase change temperature than hydrogen (H 2 ).
상기 치환가스는 절대압 3bar 이하에서 기체에서 액체 및/또는 고체로 상변화가 발생하며 상변화 온도가 -100℃ 이상인 물질일 수 있다.The substitution gas undergoes a phase change from gas to liquid and/or solid at an absolute pressure of 3 bar or less and may be a material with a phase change temperature of -100°C or higher.
상기 치환가스는 이산화탄소(CO2)일 수 있다.The substitution gas may be carbon dioxide (CO 2 ).
본 발명의 일 측면에 따른 독립형 액화수소 저장탱크는, 상기 진공단열층의 내부에서 상기 1차 방벽의 외측 표면을 둘러싸도록 배치되는 다층박막단열재(multi-layer insulation)와 상기 진공단열층의 내부 공간에 충진되는 분말형 단열재 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.An independent liquefied hydrogen storage tank according to one aspect of the present invention is a multi-layer insulation disposed to surround the outer surface of the primary barrier inside the vacuum insulation layer and filling the internal space of the vacuum insulation layer. It may further include at least one of the powder-type insulating materials.
상기 분말형 단열재는 펄라이트(pelite), 중공미소유리구(hollow glass microspheres), 에어로겔(aerogel) 중 어느 하나일 수 있다.The powder-type insulating material may be any one of perlite, hollow glass microspheres, and aerogel.
상기 보조단열층은 진공단열패널(vacuum insulation panel), 폴리우레탄폼(polyurethane foam)을 포함하는 폼 형태의 유기 단열재 및 글라스울(glass wool)을 포함하는 무기 단열재 중 어느 하나로 구성될 수 있다.The auxiliary insulation layer may be composed of any one of a vacuum insulation panel, a foam-type organic insulation material including polyurethane foam, and an inorganic insulation material including glass wool.
본 발명의 일 측면에 따른 독립형 액화수소 저장탱크는, 상기 1차 방벽과 상기 구획구조물 사이에 설치되어 두 구조물 사이의 간격을 일정하게 유지하면서 지지하는 다수개의 제1 지지체; 및 상기 구획구조물을 지지하는 다수개의 제2 지지체를 더 포함할 수 있다.An independent liquefied hydrogen storage tank according to one aspect of the present invention includes a plurality of first supports installed between the primary barrier and the partition structure to support them while maintaining a constant distance between the two structures; And it may further include a plurality of second supports supporting the partition structure.
또한, 본 발명은 상기에 기술된 특징들 중 적어도 어느 하나의 특징을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크를 구비한 해상 운송 수단을 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a maritime transportation means equipped with an independent liquefied hydrogen storage tank including at least one of the features described above.
상기 액화수소 저장탱크는 IMO Type C 탱크일 수 있다.The liquefied hydrogen storage tank may be an IMO Type C tank.
상기 해상 운송 수단은 액화수소 운반선일 수 있다.The maritime transport vehicle may be a liquefied hydrogen carrier.
한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 내부에 저장되는 액화수소와 직접 접하면서 기밀을 수행하는 1차 방벽과, 상기 1차 방벽의 외측으로부터 일정 거리 이격되게 설치되며 상기 1차 방벽과의 사이에 폐공간을 형성하는 구획구조물을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크에 있어서, 상기 폐공간에 치환가스를 주입하여 수분 및 산소를 제거하는 치환단계; 상기 폐공간을 진공으로 형성하여 진공 단열 공간으로 만드는 진공형성단계; 및 상기 1차 방벽의 내부 공간에 소량의 액화수소를 분사하여 미리 냉각시키는 쿨다운 공정을 포함하는 사전 작업을 수행하는 적재준비단계를 포함하되, 상기 적재준비단계는 상기 치환단계의 이후이면서 상기 진공형성단계의 전 또는 후에 수행되며, 상기 적재준비단계에서 발생하는 상기 1차 방벽의 온도 하락에 따른 상기 진공 단열 공간의 온도 감소 및 상기 진공 단열 공간의 온도 하락에 따른 상기 진공 단열 공간의 압력 감소, 그리고 상기 진공 단열 공간의 온도 하락에 따른 상기 진공 단열 공간 내 잔여 치환가스의 상변화 및 상기 치환가스의 상변화에 따른 상기 진공 단열 공간의 압력 감소의 영향으로, 상기 진공 단열 공간에 대한 추가적인 진공 효과가 발생하는 것을 특징으로 하는, 진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크의 진공 단열 구현 방법이 제공될 수 있다.Meanwhile, according to another aspect of the present invention for achieving the above object, a primary barrier that is in direct contact with the liquefied hydrogen stored inside and performs airtightness, and is installed at a certain distance from the outside of the primary barrier, In the independent liquefied hydrogen storage tank including a partition structure forming a closed space between the primary barrier and the closed space, a purification step of removing moisture and oxygen by injecting a purge gas into the closed space; A vacuum forming step of forming the closed space into a vacuum insulated space; And a loading preparation step of performing preliminary work including a cool-down process of pre-cooling the internal space of the primary barrier by spraying a small amount of liquefied hydrogen, wherein the loading preparation step is after the substitution step and the vacuum It is performed before or after the forming step, and the temperature of the vacuum insulated space decreases due to the temperature drop of the primary barrier that occurs in the loading preparation step, and the pressure of the vacuum insulated space decreases due to the temperature decrease in the vacuum insulated space, And due to the effect of the phase change of the remaining substitution gas in the vacuum insulation space as the temperature of the vacuum insulation space decreases and the pressure reduction in the vacuum insulation space due to the phase change of the substitution gas, an additional vacuum effect on the vacuum insulation space A method of implementing vacuum insulation of a stand-alone liquefied hydrogen storage tank including a vacuum insulation layer can be provided, which is characterized in that a occurs.
상기 진공형성단계에서는 진공펌프를 이용하여 상기 폐공간 내 공기를 빼냄으로써 해당 공간을 상기 진공 단열 공간으로 만들 수 있다.In the vacuum forming step, the space can be made into the vacuum insulation space by removing the air in the closed space using a vacuum pump.
상기 치환가스는 수소(H2)보다 상변화 온도가 높은 물질일 수 있다.The substitution gas may be a material with a higher phase change temperature than hydrogen (H 2 ).
상기 치환가스는 절대압 3bar 이하에서 기체에서 액체 및/또는 고체로 상변화가 발생하며 상변화 온도가 -100℃ 이상인 물질일 수 있다.The substitution gas undergoes a phase change from gas to liquid and/or solid at an absolute pressure of 3 bar or less and may be a material with a phase change temperature of -100°C or higher.
상기 치환가스는 이산화탄소(CO2)일 수 있다.The substitution gas may be carbon dioxide (CO 2 ).
본 발명은 끓는점이 현저히 낮은 액화수소의 저장 및 운송에 최적화된 것으로서, 진공 단열을 이용하여 액화수소를 상당한 기간 동안 열손실을 최소화한 상태로 저장하여 운송할 수 있도록 고성능 단열시스템을 갖춘 액화수소 저장탱크 및 이를 포함하는 해상 운송 수단을 제공한다. The present invention is optimized for the storage and transportation of liquefied hydrogen with a significantly low boiling point, and is equipped with a high-performance insulation system to store and transport liquefied hydrogen with minimal heat loss for a considerable period of time using vacuum insulation. Provides tanks and marine transportation including tanks.
본 발명은 진공 단열의 구현을 통해 우수한 단열성능을 확보함으로써 열침입에 의한 액화수소의 손실율을 최소화할 수 있고, 궁극적으로는 해상을 통한 수소의 원거리 운송시 액화수소의 증발률(BOG;Boil-Off Rate)을 현저하게 저감시키고 에너지 손실을 최소화하는 경제적인 효과를 가진다.The present invention can minimize the loss rate of liquefied hydrogen due to heat intrusion by securing excellent insulation performance through the implementation of vacuum insulation, and ultimately, the evaporation rate of liquefied hydrogen (BOG; Boil- It has the economic effect of significantly reducing the off rate and minimizing energy loss.
더 나아가, 본 발명은 진공 단열 공간의 구성과 더불어 상변화 온도가 비교적 높은 치환가스를 진공 단열 공간의 치환 공정에 사용함으로써, 해당 공간에 대한 진공 조성시 1차 방벽의 온도 변화 및 치환가스의 상변화에 따른 추가 압력 변화를 이용하여 보다 효과적인 진공 환경의 구현이 가능한 효과가 있다.Furthermore, the present invention uses a substitution gas with a relatively high phase change temperature in the substitution process of the vacuum insulation space in addition to the configuration of the vacuum insulation space, thereby reducing the temperature change of the primary barrier and the phase of the substitution gas when creating a vacuum in the space. It is possible to implement a more effective vacuum environment by using additional pressure changes according to the change.
본 발명의 효과들은 상술된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and other effects not mentioned may be clearly understood from the description below.
도 1은 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크의 1차 방벽과 구획구조물 사이에 설치되는 제1 지지체를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크의 구획구조물과 선체 사이에 설치되는 제2 지지체를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크의 진공 단열 구현 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액화수소 저장탱크의 진공 단열 구현 방법을 나타낸 흐름도이다.Figure 1 is a diagram showing the structure of a liquefied hydrogen storage tank according to the present invention.
Figure 2 is a diagram showing the first support installed between the primary barrier and the partition structure of the liquefied hydrogen storage tank according to the present invention.
Figure 3 is a diagram showing a second support installed between the hull and the partition structure of the liquefied hydrogen storage tank according to the present invention.
Figure 4 is a flowchart showing a method of implementing vacuum insulation of a liquefied hydrogen storage tank according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a flowchart showing a method of implementing vacuum insulation of a liquefied hydrogen storage tank according to another embodiment of the present invention.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적 및 효과를 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조해야 한다.In order to fully understand the present invention, its operational advantages, and the purposes and effects achieved by practicing the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
본 명세서에 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와는 다소 상이할 수 있으며, 도면에 도시된 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장되거나 축소될 수 있고 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.Matters expressed in the drawings attached to this specification may be somewhat different from the form actually implemented in schematic drawings to easily explain the embodiments of the present invention, and the sizes of each component shown in the drawings are for explanatory purposes. It can be exaggerated or reduced and does not mean the size that is actually applied.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 예컨대, 본 명세서에서 어떤 구성요소를 '포함'한다고 하는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.The terminology used herein is merely used to describe specific embodiments and is not intended to limit the invention. For example, in this specification, “including” a certain component does not mean excluding other components, but may further include other components, unless specifically stated to the contrary.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결'된다고 하는 것은 직접적인 연결은 물론 간접적인 연결을 포함하는 것이며, 두 구성요소 사이에 다른 구성요소가 존재할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 의미로 해석될 수 있다.In addition, it should be understood that saying that a component is 'connected' to another component includes direct connection as well as indirect connection, and that other components may exist between the two components. Singular expressions may be interpreted to include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.
본 명세서에서 관례상 저장탱크에 적용된 용어 '상부', '상측' 또는 '위'는 중력에 대한 방향과는 관계없이 탱크의 내측을 향하는 방향을 가리키는 것이고, 마찬가지로 용어 '하부', '하측' 또는 '아래'는 중력에 대한 방향과는 관계없이 탱크의 외측을 향하는 방향을 가리키는 것이다.In this specification, the terms 'top', 'top' or 'top', as customarily applied to storage tanks, refer to the direction toward the inside of the tank, regardless of the direction with respect to gravity, and likewise the terms 'lower', 'lower' or 'Down' refers to the direction toward the outside of the tank, regardless of the direction relative to gravity.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로서 이에 의하여 본 발명이 한정되지는 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by explaining preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are provided so that those skilled in the art can easily understand the technical idea of the present invention, and the present invention is not limited thereto.
도 1은 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크의 구조를 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크의 1차 방벽과 구획구조물 사이에 설치되는 제1 지지체를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크의 구획구조물과 선체 사이에 설치되는 제2 지지체를 나타낸 도면이다. 도 2 및 도 3은 각각 도 1에서 'A' 및 'B'로 표시된 부분을 확대 도시한 것이다.Figure 1 is a diagram showing the structure of a liquefied hydrogen storage tank according to the present invention. Figure 2 is a diagram showing the first support installed between the primary barrier and the partition structure of the liquefied hydrogen storage tank according to the present invention, and Figure 3 is a diagram showing the first support installed between the partition structure and the hull of the liquefied hydrogen storage tank according to the present invention. This is a diagram showing the second support. Figures 2 and 3 are enlarged views of the portions marked 'A' and 'B' in Figure 1, respectively.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)는, 내부에 저장되는 액화수소와 직접 접하면서 1차적인 기밀을 수행하는 1차 방벽(primary barrier, 110); 1차 방벽(110)의 외측으로부터 일정 거리 이격되어 설치되며 1차 방벽(110)과의 사이에 폐공간을 형성하는 구획구조물(120); 1차 방벽(110)과 구획구조물(120) 사이에 형성되는 폐공간을 진공으로 형성하여 마련되는 진공단열층(130); 구획구조물(120)의 외측을 둘러싸도록 설치되는 보조단열층(140); 1차 방벽(110)과 구획구조물(120) 사이에 설치되어 1차 방벽(110)을 지지하는 다수개의 제1 지지체(150); 및 구획구조물(120)과 선체(H) 사이에 설치되어 구획구조물(120)을 지지하는 다수개의 제2 지지체(160)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the liquefied
본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)는 운송 수단의 내부에 구획되는 공간(S)에 탑재될 수 있다. 여기서 운송 수단은 바람직하게는 해상 운송 수단, 즉 선박일 수 있으며, 액화수소 저장탱크(100)가 탑재되는 공간(S)은 선체(hull, H)에 의해 구획된 공간일 수 있다.The liquefied
1차 방벽(110)은 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)에서 액화수소가 저장되는 공간을 구획하고, 액화수소와 직접 접하면서 1차적인 기밀을 수행한다.The
1차 방벽(110)은 금속 기밀 구조를 갖출 수 있다. 1차 방벽(110)은 극저온의 액화수소를 안전하게 저장할 수 있도록 저온취성이 강한 금속 소재로 구성될 수 있으며, 예컨대 스테인리스강(stainless steel)을 포함하여 액화수소의 저장이 가능한 것으로 검증된 저온강재가 적용될 수 있다.The
또한, 1차 방벽(110)은 내부 압력 상승을 일정 수준까지 허용할 수 있도록 가압탱크(pressure tank)로 마련될 수 있고, 압력을 견디기에 용이한 실린더 형태를 가질 수 있다. 따라서 1차 방벽(110)을 둘러싸는 구성들을 포함하여 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)의 전체적인 형상 또한 1차 방벽(110)을 따라 실린더 형태로 구비될 수 있다.Additionally, the
1차 방벽(110)의 내부 공간, 즉 액화수소가 저장되는 공간에는 액화수소의 적하역을 위한 배관, 펌프, 펌프 고정 구조, 탱크 및 화물 운용과 관련된 각종 센서, 밸브, 의장품 및 장비 등이 구비될 수 있다. 액화수소의 적하역과 관련된 배관 및 의장품은 1차 방벽(110)을 관통하여 외부로 연결될 수 있으며, 1차 방벽(110)의 관통부는 용접 등을 통하여 기밀이 유지되어야 한다.The internal space of the
1차 방벽(110) 내부로부터의 관통부는 1차 방벽(110) 내부에 구비되는 각종 센서 및 장비의 운용, 화물의 이송 등을 위해 1차 방벽(110)을 관통하여 외측으로 연결되는 부분에 해당하며, 최소한 하나 이상의 관통부가 형성되는 것을 특징으로 한다.The penetration part from inside the
구획구조물(120)은 1차 방벽(110)의 외측으로부터 일정 거리 이격되게 설치되어 1차 방벽(110)과의 사이에 폐공간을 형성하는 구조물로서, 1차 방벽(110)의 구조 건전성과 단열 공간의 구획을 일정하게 유지하는 기능을 담당할 수 있다. 구획구조물(120)은 1차 방벽(110) 전체 공간을 외측에서 포함하는 형태로 구성될 수 있다.The
1차 방벽(110)과 구획구조물(120) 사이의 공간은 크게 진공 단열층으로서 기능하는 부분과 1차 방벽(110) 지지 구조, 1차 방벽(110) 내부로부터의 관통부 등으로 구성될 수 있다. 그리고 구획구조물(120)의 외측 공간은 보조 단열층으로서 기능하는 부분과 구획구조물(120) 지지 구조, 구획구조물(120) 외부로의 관통부 등으로 구성될 수 있다.The space between the
1차 방벽(110)과 구획구조물(120) 사이에 형성되는 폐공간은 진공 환경을 조성하여 진공단열층(130)으로 만들어 준다. 진공단열층(130)은 1차 방벽(110)의 내부에 저장되는 액화수소를 1차적으로 단열시키는 주 단열층으로서 기능한다.The closed space formed between the
본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)는 1차 방벽(110)의 외측 표면을 둘러싸도록 설치되는 다층박막단열재(MLI;Multi-Layer Insulation, 131) 또는 진공단열층(130)의 내부 공간에 충진되는 분말형/비드형 단열재를 더 포함하여 단열성능을 향상시킬 수 있다. 분말형/비드형 단열재는 펄라이트(pelite), 중공미소유리구(hollow glass microspheres), 에어로겔(aerogel) 등과 같이 진공 환경 하에서 단열성능이 우수한 가루 형태의 단열재로 마련될 수 있다.The liquefied
보다 구체적으로, 1차 방벽(110)의 외측에 다층박막단열재(131)를 10겹 내지 100겹으로 감거나 또는 1차 방벽(110)과 구획구조물(120) 사이의 공간에 상술한 분말형 단열재를 채운 후 해당 공간에 대한 진공 형성 작업을 수행하여 진공단열층(130)을 형성할 수 있다. 이때, 진공 형성 작업은 저장탱크(100)의 외부에 설치되는 진공펌프(VP)를 가동하여 1차 방벽(110)과 구획구조물(120) 사이 공간의 공기를 빨아들임으로써 수행될 수 있다. 공기를 흡입하는 진공라인(VL)은 1차 방벽(110)과 구획구조물(120)의 사이 공간으로부터 구획구조물(120)을 관통하여 외부로 연장되어 진공펌프(VP)와 연결될 수 있다. 진공라인(VL) 상에는 진공 형성시 진공도를 확인할 수 있도록 압력게이지(PT)가 설치될 수 있다.More specifically, 10 to 100 layers of multilayer thin
본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)는 1차 방벽(110)과 구획구조물(120) 사이의 공간에 진공 상태를 부가함과 동시에 해당 공간 내에 단열 성능이 우수한 다층박막단열재(131)를 설치하거나 분말 또는 가루 형태의 단열재를 충진함으로써 즉 "진공 단열 + 다층박막단열재" 혹은 "진공 단열 + 분말형 단열재" 형태의 단열 구조를 갖출 수 있다. 다층박막단열재(131)와 분말형 단열재는 진공 단열에 더하여 선택적으로 적용되거나 혹은 둘 모두 적용될 수도 있다.The liquefied
1차 방벽(110)과 구획구조물(120) 사이의 공간, 즉 진공단열층(130)의 공간 내에는 두 구조물(110, 120) 사이를 지지하고 공간을 확보하기 위한 제1 지지체(150)가 설치될 수 있다.A
도 2를 참조하면, 제1 지지체(150)는 1차 방벽(110)과 구획구조물(120) 사이에 키(key) 또는 서포트(support) 형태로 설치될 수 있으며, 1차 방벽(110)의 구조 건전성과 진공단열층(130)으로 구성되는 단열 공간의 구획을 일정하게 유지하는 기능을 담당할 수 있다.Referring to FIG. 2, the
제1 지지체(150)는 1차 방벽(110)과 구획구조물(120) 사이의 열전달에 의한 손실을 최소화할 수 있도록 극저온에서 사용 가능한 플라스틱 소재, 예컨대 PCTFE(PolyChloroTriFluoroEthylene), PTFE(PolyTetraFluoroEthylene), UHMWPE(Ultra-High-Molecular-Weight PolyEthylene) 등으로 구성될 수 있다.The
다수개로 마련되는 제1 지지체(150)는 각각이 위치하는 지점에서 1차 방벽(110)의 외측에 형성되는 지지체 수용부(111)에 고정되거나 접하는 동시에 구획구조물(120)의 내측에 형성되는 지지체 수용부(121)에 고정되거나 접하는 형태로 구성될 수 있다.The plurality of
또한, 제1 지지체(150)는 1차 방벽(110) 측에 형성되는 지지체 수용부(111)에 고정되는 것과 구획구조물(120) 측에 형성되는 지지체 수용부(121)에 고정되는 것을 포함하도록 2개로 분할 구성될 수 있으며, 상하로 배치된 분할체가 서로 접하도록 배치될 수 있다. 참고로 여기서 '상하'란 중력에 대한 방향과는 관계없이 저장탱크의 '내외측'을 의미하는 것이다.In addition, the
제1 지지체(150)를 2개로 분할 구성하는 이유는, 극저온에 의한 열수축 및/또는 액화수소 저장탱크(100)가 탑재되는 운송 수단(예컨대, 선박)의 자유도 운동에 따라 내조를 구성하는 1차 방벽(110)과 외조를 구성하는 구획구조물(120) 간에 상대 변위가 발생하였을 때, 상하로 분할 구성된 제1 지지체(150)가 서로 슬라이딩 운동하여 구조적인 안정성을 꾀할 수 있도록 하기 위함이다(도 2 참조).The reason for dividing the
한편, 전술한 진공단열층(130)이 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)에서 주된 단열층으로서 기능하는 것이라면, 보조단열층(140)은 진공단열층(130)에 의한 진공 단열 구역의 온도를 진공 작업에 필요한 온도 이하로 유지할 수 있도록 단열성능이 결정(단열 소재 및 단열 두께 등의 결정)되는 보조적인 단열층이다.On the other hand, if the above-described
보조단열층(140)은 진공단열층(130)과 마찬가지로 진공 환경의 구현이 가능하도록 별도의 구획을 마련하여 진공 단열을 하거나, 진공단열패널(VIP;Vacuum Insulation Panel), 폴리우레탄폼(polyurethane foam)과 같은 폼 형태의 유기 단열재 혹은 글라스울(glass wool)과 같은 무기 단열재 등을 포함하는 다양한 단열재 중 어느 하나를 구획구조물(120)의 외측면에 부착/설치하는 형태로 단열구조가 형성될 수 있다. 보조단열층(140)이 진공 단열층으로 구성되는 경우에는 내부 공간에 다층박막단열재가 설치되거나 분말형 단열재가 충진될 수 있음은 물론이다.Like the
한편, 구획구조물(120)과 선체(H) 내벽 사이에도 두 구조물 사이를 지지하고 공간을 확보하기 위한 제2 지지체(160)가 설치될 수 있다.Meanwhile, a
도 3을 참조하면, 제2 지지체(160)는 제1 지지체(150)와 유사하게 구획구조물(120)과 선체(H) 사이에 키 또는 서포트 형태로 설치될 수 있으며, 구획구조물(120)의 구조 건전성을 유지하는 기능을 한다. Referring to FIG. 3, the
제2 지지체(160)는 구획구조물(120)과 선체(H) 사이의 열전달에 의한 손실을 최소화할 수 있도록 PCTFE, PTFE, UHMWPE 등과 같이 극저온에서 사용 가능한 플라스틱 소재 또는 목재(wood)를 사용하여 구성될 수 있다. 제2 지지체(160)는 보조단열층(140)의 유효 두께 이상으로 구비되도록 크기가 결정될 수 있다. The
다수개로 마련되는 제2 지지체(160)는 각각이 위치하는 지점에서 구획구조물(120)의 외측에 형성되는 지지체 수용부(122)에 고정되거나 접하는 동시에 선체(H) 내벽에 형성되는 지지체 수용부(HA)에 고정되거나 접하는 형태로 구성될 수 있다.The plurality of
또한, 제2 지지체(160)는 2개로 분할 구성되어 상하로 배치된 분할체의 마주하는 면이 서로 접하도록 배치되고, 저장탱크(100)의 외조를 구성하는 구획구조물(120)과 선체(H) 간에 상대 변위가 발생하였을 때 상하로 분할 구성된 제2 지지체(160)가 서로 슬라이딩 운동하여 구조적인 안정성을 꾀할 수 있음(도 3 참조)은 제1 지지체(150)에서 설명한 것과 동일한 원리를 이용하는 것이다.In addition, the
도 1에는 제1 지지체(150) 및 제2 지지체(160)가 저장탱크(100)의 상하부 혹은 하부에만 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)가 탑재된 해상 운송 수단(예컨대, 선박)의 6자유도 운동이나 운항 중 탱크 내부에서 발생하는 슬로싱 하중 등을 고려하여 저장탱크(100)의 좌/우 측면이나 전/후면에도 제1 지지체(150)와 제2 지지체(160)를 추가 배치할 수 있음은 물론이다.In Figure 1, the
저장탱크(100) 내에 형성되는 관통부는, 1차 방벽(110) 내부에 구비되는 각종 센서 및 장비의 운용, 화물의 이송을 위해 1차 방벽(110)과 구획구조물(120)을 연속해서 관통하여 탱크의 외부로 연결되는 부분과, 1차 방벽(110)과 구획구조물(120) 사이의 공간에 구비되는 각종 센서 및 단열재의 충진, 진공 등 내부 환경 구현을 위한 배관 등이 구획구조물(120)을 관통하여 탱크 외부로 연결되는 부분을 포함할 수 있고, 이때 보조단열층(140)이 함께 관통될 수 있다.The penetrating portion formed within the
저장탱크(100)의 외부로부터 보조단열층(140)과 구획구조물(120) 및 1차 방벽(110)을 관통하여 1차 방벽(110)의 내부 공간으로 연결되는 대표적인 구성으로는, 탱크 내부로 액화수소를 선적/하역하는데 이용되는 로딩/언로딩 배관(L1), 1차 방벽(110)에 의해 형성되는 탱크 내조의 상부 공간에 소량의 액화수소를 분사하여 액화수소의 증발을 방지하는 내조 냉각라인(L2), 1차 방벽(110)에 의해 형성되는 탱크 내조 공간에서 발생하는 증발가스를 배출하는 증발가스 배출배관(L3), 1차 방벽(110) 내부에 설치되는 각종 센서 및 전계장 장비들과 연결되는 센서 및 전계장 라인(L4)을 들 수 있다. 센서 및 전계장 라인(L4)은 1차 방벽(110)과 구획구조물(120) 사이의 공간으로도 연장되어 해당 공간에 설치되는 각종 센서 및 전계장 장비들과 연결될 수 있다. 액화가스의 직접적인 기밀을 수행하는 1차 방벽(110)의 관통시에는 용접 등을 통해 관통부의 기밀이 유지되어야 한다. A typical configuration that connects from the outside of the
그리고, 저장탱크(100)의 외부로부터 보조단열층(140)과 구획구조물(120)을 관통하여 1차 방벽(110)과 구획구조물(120) 사이의 공간으로 연결되는 대표적인 구성으로는, 전술한 진공라인(VL)을 들 수 있겠다.In addition, a representative configuration that penetrates the
본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)는 가압탱크로 마련될 수 있고, 보다 바람직하게는 IMO에서 규정하는 Type C 독립형 탱크로 마련될 수 있다. IMO에서 규정하고 있는 기준을 근거로 할 때 설계 가스 압력(design vapour pressure)이 0.7barg 이상으로 설계되는 탱크를 가압탱크로 구분할 수 있다.The liquefied
본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)는 예컨대 액화수소 운반선과 같은 선박에 탑재되어 해상을 통한 수소의 원거리 수송에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 기술적 사상은 액화수소 운반선과 같이 자체적으로 추진 능력을 가진 선박은 물론 액화수소를 해상에서 상당한 기간동안 저장하기 위한 것이라면 자체적으로 추진 능력이 없더라도 해상에 부유하고 있는 다양한 부유식 해상 구조물에 적용될 수 있다.The liquefied
이상에서 설명된 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)는, 진공 단열의 구현을 통해 우수한 단열성능을 확보함으로써 열침입에 의한 액화수소의 손실율을 최소화할 수 있고, 궁극적으로는 해상을 통한 수소의 원거리 운송시 액화수소의 증발률(BOG;Boil-Off Rate)을 현저하게 저감시키고 에너지 손실을 최소화하는 경제적인 효과를 가진다.The liquefied
한편, 본 발명은 1차 방벽(110)과 구획구조물(120) 사이에 형성되는 진공단열층(130)의 진공 환경을 구현하는 절차 및 방법에도 특징이 있으며, 이하에서 도 4 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)의 진공 단열 구현 방법에 대해 자세히 설명하고자 한다.Meanwhile, the present invention is also characterized by a procedure and method for implementing a vacuum environment of the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크의 진공 단열 구현 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액화수소 저장탱크의 진공 단열 구현 방법을 나타낸 흐름도이다.Figure 4 is a flowchart showing a method of implementing vacuum insulation of a liquefied hydrogen storage tank according to an embodiment of the present invention, and Figure 5 is a flowchart showing a method of implementing vacuum insulation of a liquefied hydrogen storage tank according to another embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크(100)의 진공 단열 구현 방법은, 진공단열층(130)의 내부 공간에 단열재를 설치/충진하는 단열재설치단계(S100); 진공단열층(130)의 내부 공간에 치환가스를 주입하여 수분 및 산소를 제거하는 치환단계(S200); 진공단열층(130)의 내부 공간을 진공으로 형성하는 진공형성단계(S300); 1차 방벽(110)의 내부 공간에 극저온 액화수소를 적재하기 위해 해당 공간을 미리 냉각시키는 공정을 포함하여 사전 작업을 수행하는 적재준비단계(S400); 1차 방벽(110)의 온도 하락으로 인하여 진공단열층(130)의 추가 진공 효과가 도모되는 추가진공단계(S500); 및 액화수소 저장탱크(100)의 진공 단열 구현이 완료되는 진공완료단계(S600)를 포함할 수 있다.Referring to Figure 4, the method of implementing vacuum insulation of the liquefied
단열재설치단계(S100)에서 진공단열층(130)의 내부에는 전술한 다층박막단열재(131)나 분말형 단열재 중 적어도 어느 하나가 설치/충진될 수 있다.In the insulation installation step (S100), at least one of the above-described multi-layer thin
치환단계(S200)에서는 진공단열층(130)의 내부를 진공으로 형성하기 이전에 해당 공간에 치환가스를 주입하여 수분 및 산소를 제거하는 과정을 수행한다.In the substitution step (S200), a process of removing moisture and oxygen is performed by injecting a substitution gas into the space before forming the interior of the
여기서 치환가스로는, 절대압 3bar 이하에서 '기체에서 액체' 혹은 '기체에서 고체' 혹은 '기체에서 액체 및 고체'로 상변화가 발생하고, 수소(H2)와 대비하여 상변화 온도가 높은, 보다 바람직하게는 상변화 온도가 -100℃ 이상인 가스가 이용될 수 있으며, 해당 조건을 만족하는 가스로는 이산화탄소(CO2)가 있다.Here, the substitution gas undergoes a phase change from 'gas to liquid', 'gas to solid', or 'gas to liquid and solid' at an absolute pressure of 3 bar or less, and has a higher phase change temperature compared to hydrogen (H 2 ). Preferably, a gas having a phase change temperature of -100°C or higher can be used, and a gas that satisfies the conditions includes carbon dioxide (CO 2 ).
치환가스는 진공단열층(130) 내부 공간에 허용 압력 이하로 충진될 수 있으며, 진공단열층(130)의 내부에는 상변화된 치환가스(액상 또는 고상)에 의해 센서 및 의장품 등이 영향을 받는 것을 방지하기 위한 회피 설계가 포함될 수 있다.The substitution gas may be filled in the space inside the
진공단열층(130)의 내부 공간에 대한 치환이 완료되면, 진공형성단계(S300)에서 진공단열층(130)의 내부 공기를 빼내어 진공 환경으로 만들어준다. 이러한 진공 조성 작업은 전술한 진공펌프(VP) 및 진공라인(VL)을 이용하여 수행될 수 있다.When the replacement of the internal space of the
적재준비단계(S400)는 1차 방벽(110) 내부에 실제로 액화수소를 적재하기 위한 사전 작업을 수행하는 단계로서, 이러한 사전 작업으로는 1차 방벽(110) 내부를 불활성가스로 치환하는 과정, 1차 방벽(110) 내부에 소량의 액화수소를 분사하여 내조를 미리 냉각시키는 과정(흔히 '쿨다운'이라고 불리움)을 포함할 수 있다.The loading preparation step (S400) is a step of performing preliminary work to actually load liquefied hydrogen inside the
한편, 상기 적재준비단계(S400)에서 1차 방벽(110)의 내부가 사전 냉각됨에 따라 1차 방벽(110)의 온도가 하락하고 이로 인하여 진공단열층(130)의 추가 진공 효과를 얻을 수 있는데, 이하에서 추가 진공의 효과가 도모되는 원리에 대해 보다 구체적으로 살펴본다.Meanwhile, in the loading preparation step (S400), as the interior of the
먼저, 1차 방벽(110)의 온도가 하락함에 따라 1차 방벽(110)의 바로 외측에 위치하는 진공단열층(130)의 진공 단열 공간의 온도도 함께 하락하게 되며, 이에 따라 진공단열층(130)의 내부 압력이 감소하게 되므로 추가적인 진공 효과를 얻을 수 있다(S510).First, as the temperature of the
뿐만 아니라, 진공단열층(130)의 온도가 하락함에 따라 진공단열층(130)의 내부에 남아 있는 잔여 치환가스의 상변화가 발생하게 되는데, 치환가스의 상변화시 발생하는 압력 변화를 통해 또 다른 추가적인 진공 효과를 더 얻을 수 있다(S520). 해당 효과를 도모하기 위하여 앞선 치환단계(S200)에서 진공단열층(130) 내부에 주입되는 치환가스의 성질을 "절대압 3bar 이하에서 기체로부터 액체 및/또는 고체로 상변화가 이루어지고 상변화 온도가 -100℃ 이상이 되는 것"으로 선정하였음에 주목할 필요가 있다.In addition, as the temperature of the
이상과 같이 1차 방벽(110)의 온도 하락에 따른 압력 변화 및 치환가스의 상변화에 따른 압력 변화를 통한 추가 진공 효과를 얻으면서 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)의 진공 단열 구현이 완료될 수 있다(S600).As described above, the vacuum insulation of the liquefied
한편, 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 액화수소 저장탱크(100)의 진공 단열 구현 방법은, 진공형성단계(S300)를 추가진공단계(S500)의 다음 단계에 수행하는 점에서 차이가 있다.Meanwhile, referring to FIG. 5, in the method of implementing vacuum insulation of the liquefied
이는 진공형성단계(S300)에 의한 '진공' 공정과 적재준비단계(S400)에 의한 '냉각' 공정의 선후를 교차하여 실시하는 것으로서, 1차 방벽(110)의 냉각 및 치환가스의 상변화에 따른 추가 진공 효과를 나중에 받을 것인지 아니면 진공 작업 이전에 미리 받게 할 것인지를 선택하는 차이가 있을 뿐이고, 어느 선택지를 따르더라도 추가적인 진공 효과를 얻을 수 있음은 자명하다.This is performed by alternating between the 'vacuum' process in the vacuum forming step (S300) and the 'cooling' process in the loading preparation step (S400), and is responsible for the cooling of the
아상에서 설명된 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)의 진공 단열 구현 방법에 의하면, 진공 단열층(130)의 진공 단열 공간의 구성과 더불어 상변화 온도가 비교적 높은 치환가스를 해당 진공 단열 공간의 치환 공정에 사용함으로써, 해당 공간에 대한 진공 조성시 1차 방벽(110)의 온도 변화 및 치환가스의 상변화에 따른 추가 압력 변화를 이용하여 보다 효과적으로 진공 환경을 구현할 수 있는 효과가 있다.According to the method of implementing vacuum insulation of the liquefied
특히, 저장탱크(100)의 용량이 커질수록 진공 작업에 많은 시간이 소요되는데, 본 발명의 적용시에는 추가 진공(감압)의 효과를 활용하여 목표 단열 성능을 구현함으로써 진공 작업에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.In particular, as the capacity of the
또한, 고진공의 구현을 위해서는 진공도에 따라 복수의 진공 수단(펌프)을 필요로 하지만, 본 발명을 적용한다면 추가 진공(감압)의 효과를 활용하여 단수 혹은 비교적 소수의 진공 수단(펌프)만으로 목표 진공도의 구현을 가능하게 하는 효과가 있다.In addition, in order to implement high vacuum, a plurality of vacuum means (pumps) are required depending on the degree of vacuum, but if the present invention is applied, the effect of additional vacuum (decompression) can be utilized to achieve the target vacuum level with only a single or relatively small number of vacuum means (pumps). It has the effect of enabling the implementation of .
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.The present invention is not limited to the described embodiments, and it is obvious to those skilled in the art that various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, such modifications or variations should be considered to fall within the scope of the claims of the present invention.
100: 액화수소 저장탱크
110: 1차 방벽
120: 구획구조물
130: 진공단열층
140: 보조단열층
150: 제1 지지체
160: 제2 지지체
H: 선체100: Liquefied hydrogen storage tank
110: Primary barrier
120: Compartment structure
130: Vacuum insulation layer
140: Auxiliary insulation layer
150: first support
160: second support
H: hull
Claims (16)
상기 1차 방벽의 외측으로부터 일정 거리 이격되게 설치되며 상기 1차 방벽과의 사이에 폐공간을 형성하는 구획구조물; 및
상기 폐공간을 진공으로 형성하여 마련되는 진공단열층을 포함하되,
상기 진공단열층에 대한 진공 작업이 수행되기 전에 상기 폐공간은 수분 및 산소를 제거하기 위한 목적으로 치환가스로 치환되고,
상기 진공단열층에 대한 진공 작업이 수행되기 전 또는 후에 상기 1차 방벽의 내부 공간에 소량의 액화수소를 분사하여 미리 냉각시키는 쿨다운 공정이 수행됨으로써,
상기 1차 방벽의 온도 하락에 따른 상기 진공단열층의 온도 감소 및 상기 진공단열층의 온도 하락에 따른 상기 진공단열층의 압력 감소, 그리고 상기 진공단열층의 온도 하락에 따른 상기 진공단열층 내 잔여 치환가스의 상변화 및 상기 치환가스의 상변화에 따른 상기 진공단열층의 압력 감소의 영향으로, 상기 진공단열층에 대한 추가적인 진공 효과가 발생하는 것을 특징으로 하는,
진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크.A primary barrier that performs airtightness while directly contacting the liquefied hydrogen stored inside;
a partition structure installed at a certain distance from the outside of the primary barrier and forming a closed space between the primary barrier and the primary barrier; and
It includes a vacuum insulation layer prepared by forming the closed space with a vacuum,
Before vacuum work on the vacuum insulation layer is performed, the closed space is replaced with a purge gas for the purpose of removing moisture and oxygen,
Before or after vacuum work on the vacuum insulation layer is performed, a cool-down process is performed to pre-cool the internal space of the primary barrier by spraying a small amount of liquefied hydrogen,
A decrease in the temperature of the vacuum insulation layer due to a decrease in the temperature of the primary barrier, a decrease in the pressure of the vacuum insulation layer due to a decrease in the temperature of the vacuum insulation layer, and a phase change of the remaining substitution gas in the vacuum insulation layer due to a decrease in the temperature of the vacuum insulation layer. And characterized in that an additional vacuum effect on the vacuum insulation layer occurs due to the influence of a decrease in pressure of the vacuum insulation layer due to the phase change of the displacement gas,
Independent liquefied hydrogen storage tank with vacuum insulation layer.
상기 치환가스는 수소(H2)보다 상변화 온도가 높은 물질인 것을 특징으로 하는,
진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크.In claim 1,
The substitution gas is characterized in that it is a substance with a higher phase change temperature than hydrogen (H 2 ).
Independent liquefied hydrogen storage tank with vacuum insulation layer.
상기 치환가스는 절대압 3bar 이하에서 기체에서 액체 및/또는 고체로 상변화가 발생하며 상변화 온도가 -100℃ 이상인 물질인 것을 특징으로 하는,
진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크.In claim 2,
The substitution gas is characterized in that it is a substance that undergoes a phase change from gas to liquid and/or solid at an absolute pressure of 3 bar or less and has a phase change temperature of -100°C or more.
Independent liquefied hydrogen storage tank with vacuum insulation layer.
상기 치환가스는 이산화탄소(CO2)인 것을 특징으로 하는,
진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크.In claim 3,
Characterized in that the substitution gas is carbon dioxide (CO 2 ).
Independent liquefied hydrogen storage tank with vacuum insulation layer.
상기 진공단열층의 내부에서 상기 1차 방벽의 외측 표면을 둘러싸도록 배치되는 다층박막단열재(multi-layer insulation)와 상기 진공단열층의 내부 공간에 충진되는 분말형 단열재 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는,
진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크.In claim 1,
Further comprising at least one of a multi-layer insulation disposed inside the vacuum insulation layer to surround the outer surface of the primary barrier and a powder-type insulation material filled in the internal space of the vacuum insulation layer,
Independent liquefied hydrogen storage tank with vacuum insulation layer.
상기 분말형 단열재는 펄라이트(pelite), 중공미소유리구(hollow glass microspheres), 에어로겔(aerogel) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크.In claim 5,
The powder-type insulation material is characterized in that it is one of perlite, hollow glass microspheres, and aerogel.
Independent liquefied hydrogen storage tank with vacuum insulation layer.
상기 보조단열층은 진공단열패널(vacuum insulation panel), 폴리우레탄폼(polyurethane foam)을 포함하는 폼 형태의 유기 단열재 및 글라스울(glass wool)을 포함하는 무기 단열재 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는,
진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크.In claim 6,
The auxiliary insulation layer is characterized in that it is composed of one of a vacuum insulation panel, a foam-type organic insulation material containing polyurethane foam, and an inorganic insulation material containing glass wool,
Independent liquefied hydrogen storage tank with vacuum insulation layer.
상기 1차 방벽과 상기 구획구조물 사이에 설치되어 두 구조물 사이의 간격을 일정하게 유지하면서 지지하는 다수개의 제1 지지체; 및
상기 구획구조물을 지지하는 다수개의 제2 지지체를 더 포함하는,
진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크.In claim 7,
a plurality of first supports installed between the primary barrier and the partition structure to support them while maintaining a constant distance between the two structures; and
Further comprising a plurality of second supports supporting the partition structure,
Independent liquefied hydrogen storage tank with vacuum insulation layer.
상기 액화수소 저장탱크는 IMO Type C 탱크인 것을 특징으로 하는,
해상 운송 수단.In claim 9,
The liquefied hydrogen storage tank is an IMO Type C tank,
Maritime transport.
상기 해상 운송 수단은 액화수소 운반선인 것을 특징으로 하는,
해상 운송 수단.In claim 10,
Characterized in that the marine transportation means is a liquefied hydrogen carrier,
Maritime transport.
상기 폐공간에 치환가스를 주입하여 수분 및 산소를 제거하는 치환단계;
상기 폐공간을 진공으로 형성하여 진공 단열 공간으로 만드는 진공형성단계; 및
상기 1차 방벽의 내부 공간에 소량의 액화수소를 분사하여 미리 냉각시키는 쿨다운 공정을 포함하는 사전 작업을 수행하는 적재준비단계를 포함하되,
상기 적재준비단계는 상기 치환단계의 이후이면서 상기 진공형성단계의 전 또는 후에 수행되며,
상기 적재준비단계에서 발생하는 상기 1차 방벽의 온도 하락에 따른 상기 진공 단열 공간의 온도 감소 및 상기 진공 단열 공간의 온도 하락에 따른 상기 진공 단열 공간의 압력 감소, 그리고 상기 진공 단열 공간의 온도 하락에 따른 상기 진공 단열 공간 내 잔여 치환가스의 상변화 및 상기 치환가스의 상변화에 따른 상기 진공 단열 공간의 압력 감소의 영향으로, 상기 진공 단열 공간에 대한 추가적인 진공 효과가 발생하는 것을 특징으로 하는,
진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크의 진공 단열 구현 방법.It includes a primary barrier that is in direct contact with the liquefied hydrogen stored inside and performs airtightness, and a partition structure that is installed at a certain distance from the outside of the primary barrier and forms a closed space between the primary barrier and the primary barrier. In the independent liquefied hydrogen storage tank,
A substitution step of removing moisture and oxygen by injecting a substitution gas into the closed space;
A vacuum forming step of forming the closed space into a vacuum insulated space; and
It includes a loading preparation step of performing preliminary work including a cool-down process of spraying a small amount of liquefied hydrogen into the internal space of the first barrier to cool it in advance,
The loading preparation step is performed after the substitution step and before or after the vacuum forming step,
A decrease in the temperature of the vacuum insulated space due to a decrease in the temperature of the primary barrier that occurs in the loading preparation step, a decrease in the pressure of the vacuum insulated space due to a decrease in the temperature of the vacuum insulated space, and a decrease in the temperature of the vacuum insulated space. Characterized in that an additional vacuum effect occurs on the vacuum insulated space due to the phase change of the remaining substitution gas in the vacuum insulated space and the effect of the pressure reduction in the vacuum insulated space due to the phase change of the substituted gas.
Method of implementing vacuum insulation of an independent liquefied hydrogen storage tank including a vacuum insulation layer.
상기 진공형성단계에서는 진공펌프를 이용하여 상기 폐공간 내 공기를 빼냄으로써 해당 공간을 상기 진공 단열 공간으로 만드는 것을 특징으로 하는,
진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크의 진공 단열 구현 방법.In claim 12,
In the vacuum forming step, the space is made into the vacuum insulation space by removing the air in the closed space using a vacuum pump.
Method of implementing vacuum insulation of an independent liquefied hydrogen storage tank including a vacuum insulation layer.
상기 치환가스는 수소(H2)보다 상변화 온도가 높은 물질인 것을 특징으로 하는,
진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크의 진공 단열 구현 방법.In claim 13,
The substitution gas is characterized in that it is a substance with a higher phase change temperature than hydrogen (H 2 ).
Method of implementing vacuum insulation of an independent liquefied hydrogen storage tank including a vacuum insulation layer.
상기 치환가스는 절대압 3bar 이하에서 기체에서 액체 및/또는 고체로 상변화가 발생하며 상변화 온도가 -100℃ 이상인 물질인 것을 특징으로 하는,
진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크의 진공 단열 구현 방법.In claim 14,
The substitution gas is characterized in that it is a substance that undergoes a phase change from gas to liquid and/or solid at an absolute pressure of 3 bar or less and has a phase change temperature of -100°C or more.
Method of implementing vacuum insulation of an independent liquefied hydrogen storage tank including a vacuum insulation layer.
상기 치환가스는 이산화탄소(CO2)인 것을 특징으로 하는,
진공 단열층을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크의 진공 단열 구현 방법.In claim 15,
Characterized in that the substitution gas is carbon dioxide (CO 2 ).
Method of implementing vacuum insulation of an independent liquefied hydrogen storage tank including a vacuum insulation layer.
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- 2022-06-10 KR KR1020220070691A patent/KR20230171064A/en unknown
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