WO2023182743A1 - 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크 - Google Patents

발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크 Download PDF

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WO2023182743A1
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tank
uneven
projectile
load distribution
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양창환
원도윤
김수종
정훈
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(주)이노스페이스
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    • F17C2270/0186—Applications for fluid transport or storage in the air or in space
    • F17C2270/0197—Rockets

Definitions

  • the present invention relates to a detachable double-layer insulated tank for a projectile. More specifically, by implementing a detachable double-double wall structure, the strength performance of the insulated tank relative to its weight, that is, the specific strength, is improved, and heat transfer is minimized to improve insulation performance. This relates to a detachable double-walled insulating tank for a projectile.
  • liquid oxygen is in great demand for liquid propellants in rockets, oxygen oxidation in steel and chemical industries, welding in shipbuilding and mechanical engineering, medical use, or aeration in water treatment.
  • Liquid oxygen is used in the aerospace industry to test rocket engines, etc., and in this case, the state of liquid oxygen needs to be high density. Therefore, in order to increase the density of liquid oxygen, a method is used to reduce the volume by lowering the temperature of the liquid oxygen.
  • liquid oxygen with a temperature of -183°C at a pressure of 1 atmosphere is generally pressurized to about 100 atmospheres through a pressurization tank.
  • the liquid oxygen reaching the test engine undergoes a temperature increase due to heat intrusion from the piping and an increase in the internal energy of the liquid due to pressurized pressure, causing the liquid to expand in volume.
  • the density of the liquid decreases.
  • the temperature of the liquid oxygen sent to the pressurized tank must be adjusted by factors such as heat intrusion from the pipe and increase in internal energy due to pressurized pressure.
  • the temperature should be below -186°C.
  • the liquid oxygen supply side supplies liquid oxygen that has been previously low-temperature-treated to -186°C or lower through a cryogenic tank lorry. and 2) pumping liquid oxygen from a cryogenic liquefied gas storage tank (double tank) to maintain the pressure below 0.7 bar.
  • the purpose of the present invention is to solve the conventional problems, by implementing a separate double-layer wall structure to improve the specific strength performance of the insulated tank relative to the weight, and to improve insulation performance by minimizing heat transfer.
  • a separate double-layer wall for a projectile to improve insulation performance. Providing an insulated tank.
  • the separate double-walled insulating tank for a projectile includes a hollow open cylindrical portion whose upper and lower ends are open in an upright state; an upper cap portion that seals the upper end of the opening cylindrical portion; and
  • the open cylindrical portion includes: a flat portion having a flat outer peripheral surface; a concavo-convex portion that is slidably coupled to the flat portion; and a plurality of load distribution spaces spaced apart from each other along the height direction of the open cylindrical portion, and forming a ring shape as a portion of the concavo-convex portion is spaced apart from the flat portion.
  • the concavo-convex portions include coupling portions spaced apart from each other and slidably supported on the flat plate; and a curved portion that connects two adjacent coupling portions and forms the load distribution space.
  • At least the load distribution space between the flat part and the uneven part is filled with an insulating member.
  • the specific strength-to-weight performance of the insulated tank can be improved by implementing a separate double-layered wall structure, and the insulation performance can be improved by minimizing heat transfer.
  • the present invention can increase the strength of the insulating tank relative to the total weight of the insulating tank even if the sum of the thickness of the flat portion and the thickness of the uneven portion is substantially the same as the thickness of the conventional insulating tank, and the strain rate of the open cylindrical portion is 50% or more. It can be reduced.
  • the present invention can significantly reduce the stress acting on the open cylindrical part through the coupling relationship between the uneven part and the load distribution space, and ensure the structural stability of the insulated tank.
  • the present invention can reduce the overall weight of the insulated tank through the air layer through the load distribution space.
  • the present invention can stably form a load distribution space in the open cylindrical part through the detailed connection relationship of the uneven parts and secure a uniform pattern of the uneven parts.
  • the present invention can clarify stress distribution in the curved portion showing an arc shape and minimize deformation of the open cylindrical portion.
  • the present invention can minimize deformation of the open cylindrical portion and prevent the strength of the open cylindrical portion from being reduced through the ratio relationship between the coupling portion and the curved portion.
  • the present invention can minimize deformation of the open cylindrical portion and prevent the strength of the open cylindrical portion from being reduced through the ratio relationship between the coupling portion and the load distribution space.
  • the present invention can minimize the temperature change of liquid oxygen in the insulating tank through the insulating member, increase the stability of the liquid oxygen, increase the insulation performance on the inside and outside of the insulating tank, and minimize the deformation of the curvature. there is.
  • the present invention can minimize the thickness of the flat portion and the uneven portion in the open cylindrical portion, and can stably withstand the pressure of liquid oxygen filled in the insulating tank.
  • the present invention can smoothen the flow of the uneven portion from the flat portion when shrinkage due to liquid oxygen occurs in the flat joint portion or the arc-shaped curved portion through the coupling relationship between the flat joint portion and the concavo-convex portion.
  • the present invention can structurally improve the strength and rigidity of the uneven portion against a constant pressure load inside the insulated tank through the structural shape of the flat portion and the uneven portion.
  • the uneven part when the uneven part is deformed by a pressure load, it comes into contact with the flat part, so the load of the uneven part is transferred to the flat part, which is the outer wall, and the stress is also distributed, resulting in improving the structural stability of the insulated tank against the pressure load.
  • the present invention when liquid oxygen flows into the inside of an insulated tank, a shrinkage phenomenon occurs. Since the area of the uneven part of the inner wall is larger than the flat flat part of the outer wall, the amount of shrinkage of the uneven part of the inner wall is greater than that of the flat part of the outer wall. It becomes large, and a fine gap is created between the flat part and the uneven part, thereby minimizing heat transfer from the uneven part to the flat part. In other words, the primary insulation effect occurs through a fine gap, and the secondary insulation effect occurs through the insulation member filled in the load distribution space, which can maximize the stability of the liquid oxygen filled in the insulation tank. , the structure of the launch vehicle’s insulation tank can also be optimized.
  • Figure 1 is a perspective view showing a separate double-wall insulated tank for a projectile according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is an enlarged longitudinal cross-sectional view showing an open cylindrical portion in a separate double-wall insulated tank for a projectile according to an embodiment of the present invention.
  • the separate double-walled insulation tank for a projectile is a box filled with liquid oxygen inside, and includes an opening cylindrical part 10, an upper cap part 20, and , may include a lower cap portion 30.
  • the open cylindrical portion 10 has a hollow cylindrical shape with the upper and lower ends opened in an upright state.
  • the opening cylindrical portion 10 includes a flat plate portion 11 having a flat outer peripheral surface, an uneven portion 12 that is slidably coupled to the flat portion 11, and a portion of the uneven portion 12 is a flat portion ( As it is spaced apart from 11), it has a ring shape and may include a plurality of load distribution spaces 13 spaced apart along the height direction of the opening cylindrical portion 10.
  • the flat portion 11 and the uneven portion 12 have a hollow cylindrical shape with the upper and lower ends opened in an upright state.
  • the uneven portion 12 is a coupling portion 121 that is spaced apart from each other and is slidably supported on the flat plate 11, and a curved portion that connects the two adjacent coupling portions 121 but forms a load distribution space 13. It may include (122).
  • the coupling portion 121 and the curved portion 122 each have a ring shape.
  • the coupling portion 121 may be formed flat like the flat portion 11 and stably stacked and supported on the flat portion 11, or may be spaced apart from the flat portion 11 to form a fine gap.
  • the curvature portion 122 is recessed from the inner peripheral surface of the flat plate portion 11 in the longitudinal cross-section state, and is formed to protrude toward the center of the open cylindrical portion 10. Then, a load distribution space 13 is formed between the flat part 11 and the curved part 122.
  • the curvature portion 122 preferably has a circular arc shape in longitudinal cross-section.
  • h1 represents the height of the coupling portion 121 with respect to the open cylindrical portion 10 in an upright state
  • h2 represents the height of the curved portion 122 with respect to the open cylindrical portion 10 in an upright state
  • d is It represents the maximum distance between the flat portion 11 and the curved portion 122 based on the open cylindrical portion 10 in an upright state.
  • h1:h2 1.0:1.6 ⁇ 2.0
  • the stress or deformation of the insulated tank is minimized due to the load on the internal pressure of the insulated tank, and the overall structural performance of the insulated tank is stabilized or insulated. It can prevent the overall structural performance of the tank from deteriorating.
  • h2 is more than 1.6 times h1 and less than 2.0 times h1 is sufficient.
  • h1:d 1: 0.4 ⁇ 0.6
  • the deformation of the flat portion 11 is minimized to stabilize the strength performance of the open cylindrical portion 10 and the structural performance of the uneven portion 12, It is possible to prevent the strength performance of the relief pipe portion 10 and the structural performance of the uneven portion 12 from being deteriorated.
  • d is more than 0.4 times h1, and less than 0.6 times h1 is sufficient.
  • the uneven portion 12, which is the inner wall may be movable better, but as the curvature of the curved portion 122 increases, the length of the curved portion 122 increases. Therefore, the amount of shrinkage of the curved portion 122 due to liquid oxygen at an extremely optimal temperature also increases, resulting in an increase in structural stress due to shrinkage, and as a result, there is a problem in that the structural performance of the uneven portion 12, which is the inner wall, is deteriorated.
  • the load distribution space 13 between the flat part 11 and the uneven part 12 may be filled with an insulating member (not shown).
  • the insulation member (not shown) stably fills the load distribution space (13) through a filling hole (not shown) formed through the flat plate portion (11) in the area where the load distribution space (13) is formed. can do.
  • the upper cap portion 20 seals the upper end of the opening cylindrical portion 10. It is advantageous for the upper cap portion 20 to have a dome shape to withstand the contraction force caused by liquid oxygen.
  • the lower cap portion 30 seals the lower end of the opening cylindrical portion 10. It is advantageous for the lower cap portion 30 to have a dome shape to withstand the contraction force caused by liquid oxygen.
  • Liquid oxygen is filled in a conventional insulating tank including a single cylindrical plate with a thickness of 2 mm and an insulating tank according to an embodiment of the present invention in which the flat part 11 has a thickness of 1 mm and the uneven part 12 has a thickness of 1 mm. Then, as a result of measuring the deformation of the cylindrical plate and the open cylindrical portion 10, it was confirmed that the open cylindrical portion 10 swelled about 50% less than the cylindrical plate.
  • the specific strength-to-weight performance of the insulated tank can be improved by implementing a separate double-layered wall structure, and the insulation performance can be improved by minimizing heat transfer.
  • the strength of the insulating tank can be increased relative to the total weight of the insulating tank, and the open cylindrical portion
  • the strain rate in (10) can be reduced by more than 50%.
  • the stress acting on the open cylindrical portion 10 can be significantly reduced through the coupling relationship between the uneven portion 12 and the load distribution space 13, and the structural stability of the insulated tank can be secured.
  • the overall weight of the insulated tank can be reduced through the air layer through the load distribution space 13.
  • the load distribution space 13 can be stably formed in the open cylindrical part 10 through the detailed connection relationship of the uneven parts 12, and a uniform pattern of the uneven parts 12 can be secured.
  • stress distribution in the curved portion 122 showing an arc shape can be clearly distributed, and deformation of the open cylindrical portion 10 can be minimized.
  • the temperature change of liquid oxygen in the insulating tank can be minimized through an insulating member (not shown), while increasing the stability of the liquid oxygen and increasing the insulation performance on the inside and outside of the insulating tank, and the curvature portion 122 Deformation can be minimized.
  • the thickness of the flat portion 11 and the uneven portion 12 in the open cylindrical portion 10 can be minimized, and the pressure of liquid oxygen filled in the insulating tank can be stably withstood.
  • the uneven portion 11 when contraction by liquid oxygen occurs in the flat coupling portion 121 or the arc-shaped curved portion 122 through the coupling relationship between the flat portion 11 and the uneven portion 12, the uneven portion 11 The flow of the part 12 can be smoothened.
  • the strength and rigidity of the uneven portion 12 can be improved against a constant pressure load inside the insulated tank through the structural shape of the flat portion 11 and the uneven portion 12.
  • the uneven part 12 when the uneven part 12 is deformed due to a pressure load, it comes into contact with the flat part 11, so that the load of the uneven part 12 is transmitted to the flat part 11, which is the outer wall, and the stress is also distributed, resulting in The structural stability of the insulated tank against pressure load can be improved.
  • Coupling part 122 Curvature part 13: Load distribution space
  • h1 Height of joint h2: Height of curved portion

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Abstract

본 발명은 분리형 2중 겹벽 구조를 구현하여 중량 대비 단열탱크의 강도성능을 개선하고, 열전달을 최소화시켜 단열성능을 향상시키기 위한 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크에 관한 것이다. 이를 위해, 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크는 직립 상태에서 상단부와 하단부가 개구된 중공의 개구원통부와, 개구원통부의 상단부를 밀폐시키는 상부캡부와, 개구원통부의 하단부를 밀폐시키는 하부캡부를 포함한다. 이때, 개구원통부는 외주면이 평평하게 형성되는 평판부와, 평판부에 슬라이드 이동 가능하게 끼움 결합되는 요철부와, 요철부의 일부가 평판부로부터 이격됨에 따라 링 형상을 나타내고 개구원통부의 높이 방향을 따라 이격 배치되는 다수의 하중분산공간을 포함한다.

Description

발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크
본 발명은 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 분리형 2중 겹벽 구조를 구현하여 중량 대비 단열탱크의 강도성능, 즉 비강도를 개선하고, 열전달을 최소화시켜 단열성능을 향상시키기 위한 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크에 관한 것이다.
일반적으로, 로켓의 액체 추진제나 철강 및 화학 공업에서의 산소 산화, 조선 및 기계공학에서의 용접용이나 의료용 또는 물처리의 폭기용으로 산소의 수요가 크다. 액체산소는 우주 항공 산업 분야에서 로켓 엔진 등을 시험하는 경우에 사용되는데, 이 경우의 액체 산소의 상태는 고밀도일 것을 필요로 한다. 따라서, 액체 산소의 밀도를 높이기 위하여 액체 산소의 온도를 낮춰 부피를 줄이는 방법을 사용하고 있다. 그러나, 로켓 엔진의 시험에 사용되는 액체 산소의 온도를 낮추기 위한 방법을 시행하는데 있어서, 일반적으로 1기압의 상태에서 - 183℃의 온도를 갖는 액체 산소를 가압 탱크를 통하여 약 100기압 정도로 가압하여 강제로 배관을 통하여 이송할 경우에, 당해 시험 대상 엔진에 도달하는 액체 산소는 배관으로부터의 열침입과 가압 압력에 의한 액체의 내부에너지 증가로 인한 온도 상승이 발생하여 액체의 부피가 팽창하게 되고, 따라서 액체의 밀도가 작아지게 된다.
따라서, 시험 대상 엔진에 도달하는 액체 산소의 온도를 - 183℃로 유지하기 위해서는, 가압 탱크로 보내지는 액체 산소의 온도를 배관으로부터의 열침입과 가압 압력에 의한 내부에너지 증가분 등의 온도 상승 요인을 감안한 값인 - 186℃ 이하로 하여야 한다.
상기한 바와 같은 이유로 액체 산소의 온도를 - 183℃ 이하로 떨어뜨리기 위하여 종래에는, 1) 액체 산소를 공급하는 측에서 - 186℃ 이하의 상태를 갖도록 미리 저온 처리한 액체 산소를 초저온 탱크로리를 통하여 공급하는 방법과, 2) 초저온 액화 가스 저장탱크(2중 탱크)에서 액체 산소를 펌핑하여 0.7 bar 이하로 유지하는 방법을 사용하여 왔다.
선행기술문헌에는 대한민국 등록특허공보 제10-0395596호 (2003. 08. 25. 공고, 발명의 명칭 : 액체 질소를 냉매로 하는 액체 산소 냉각을 위한 초저온3중 탱크) 와, 대한민국 공개특허공보 제10-2021-0157232호 (2021. 12. 28. 공개, 발명의 명칭 : 액화 가스 저장 탱크의 단열 구조) 가 있다.
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 분리형 2중 겹벽 구조를 구현하여 중량 대비 단열탱크의 비강도성능을 개선하고, 열전달을 최소화시켜 단열성능을 향상시키기 위한 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크를 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크는 직립 상태에서 상단부와 하단부가 개구된 중공의 개구원통부; 상기 개구원통부의 상단부를 밀폐시키는 상부캡부; 및
상기 개구원통부의 하단부를 밀폐시키는 하부캡부;를 포함하고, 상기 개구원통부는, 외주면이 평평하게 형성되는 평판부; 상기 평판부에 슬라이드 이동 가능하게 끼움 결합되는 요철부; 및 상기 요철부의 일부가 상기 평판부로부터 이격됨에 따라 링 형상을 나타내고, 상기 개구원통부의 높이 방향을 따라 이격 배치되는 다수의 하중분산공간;을 포함한다.
여기서, 상기 요철부는, 상호 이격되어 상기 평판부에 슬라이드 이동 가능하게 지지되는 결합부; 및 상호 인접한 두 결합부를 연결하되, 상기 하중분산공간을 형성하는 곡률부;를 포함한다.
여기서, 직립 상태의 상기 개구원통부를 기준으로, 상기 결합부의 높이를 h1 이라 하고, 상기 곡률부의 높이를 h2 라고 하면, h1:h2 = 1.0:1.6~2.0 인 관계식을 만족한다.
여기서, 직립 상태의 상기 개구원통부를 기준으로, 상기 결합부의 높이를 h1 이라 하고, 상기 평판부아 상기 곡률부 사이의 최대거리를 d 라고 하면, h1:d = 1:0.4~0.6 인 관계식을 만족한다.
여기서, 상기 평판부와 상기 요철부 사이 중 적어도 상기 하중분산공간에는, 단열부재;가 충진된다.
본 발명에 따른 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크에 따르면, 분리형 2중 겹벽 구조를 구현하여 중량 대비 단열탱크의 비강도 성능을 개선하고, 열전달을 최소화시켜 단열성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 평판부의 두께와 요철부의 두께의 합이 종래의 단열탱크의 두께와 실질적으로 동일하더라도 단열탱크의 전체 중량 대비 단열탱크의 강도를 증가시킬 수 있고, 개구원통부의 변형율을 50% 이상 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 요철부와 하중분산공간의 결합 관계를 통해 개구원통부에 작용하는 응력을 대폭 줄일 수 있고, 단열탱크의 구조적 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명은 하중분산공간을 통한 공기층을 통해 단열탱크의 전체 중량을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 요철부의 세부 결합 관계를 통해 하중분산공간을 개구원통부에 안정되게 형성하고, 요철부의 균일한 패턴을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명은 호 형상을 나타내는 곡률부에서의 응력 분산을 명확하게 하고, 개구원통부의 변형을 최소화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 결합부와 곡률부 사이의 비율 관계를 통해 개구원통부의 변형을 최소화시키고, 개구원통부의 강도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 결합부와 하중분산공간 사이의 비율 관계를 통해 개구원통부의 변형을 최소화시키고, 개구원통부의 강도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 단열부재를 통해 단열탱크에서 액체산소의 온도 변화를 최소화시키는 한편, 액체산소의 안정성을 높이고, 단열탱크의 내외부에 대한 단열성능을 증가시킬 수 있으며, 곡률부의 변형을 최소화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 개구원통부에서 평판부와 요철부의 두께를 최소화시킬 수 있고, 단열탱크에 충진되는 액체산소의 압력을 안정되게 견딜 수 있다.
또한, 본 발명은 평판부와 요철부의 결합 관계를 통해 평평한 결합부 또는 호 형상의 곡률부에서 액체산소에 의한 수축이 일어날 때, 평판부에서 요철부의 유동을 원활하게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 평판부와 요철부의 구조 형상을 통해 단열탱크 내부의 일정한 압력 하중에 대하여 구조적으로 요철부의 강도와 강성을 개선할 수 있다. 또한, 요철부가 압력하중으로 변형이 발생하면, 평판부와 접촉하게 되어 요철부의 하중이 외벽인 평판부로 전달되고, 응력도 함께 분산되어 결과적으로 압력하중에 대한 단열탱크의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 단열탱크의 내부에 액체산소가 유입되면, 수축 현상이 발생되는데, 외벽인 평평한 평판부보다 내벽인 요철부의 면적이 더 크기 때문에, 외벽인 평판부보다 내벽인 요철부의 수축량이 더 크게 되고, 평판부와 요철부 사이에 미세한 갭이 발생되어 요철부에서 평판부로의 열전달을 최소화시킬 수 있다. 다른 표현으로, 미세한 갭을 통해 1차 단열 효과가 발생하고, 하중분산공간에 충진된 단열부재를 통해 2차 단열 효과가 발생하며, 이로 인해 단열탱크에 충진된 액체산소의 안정성을 극대화시킬 수 있고, 발사체의 단열탱크 구조도 최적화시킬 수 있다.
또한, 우레탄 재질의 단열부재가 하중분산공간에 충진됨에 따라 평판부와 곡률부의 접촉이 발생하지 않기 때문에 평판부에 작용하는 응력이 매우 작아지고, 평판부에 충진홀이 관통 형성되더라도 구조적으로 취약해지지 않는다. 따라서, 충진홀을 통해 하중분산공간에 단열부재의 충진을 원활하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크에서 개구원통부를 도시한 확대 종단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크의 일 실시예를 설명한다. 이때, 본 발명은 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명확하게 하기 위해 생략될 수 있다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크는 내부에 액체산소가 충진되는 함체이고, 개구원통부(10)와, 상부캡부(20)와, 하부캡부(30)를 포함할 수 있다.
개구원통부(10)는 직립 상태에서 상단부와 하단부가 개구된 중공의 원통 형상을 나타낸다.
개구원통부(10)는 외주면이 평평하게 형성되는 평판부(11)와, 평판부(11)에 슬라이드 이동 가능하게 결합되는 요철부(12)와, 요철부(12)의 일부가 평판부(11)로부터 이격됨에 따라 링 형상을 나타내고 개구원통부(10)의 높이 방향을 따라 이격 배치되는 다수의 하중분산공간(13)을 포함할 수 있다.
평판부(11)와 요철부(12)는 직립 상태에서 상단부와 하단부가 개구된 중공의 원통 형상을 나타낸다.
요철부(12)는 상호 이격되어 평판부(11)에 슬라이드 이동 가능하게 지지되는 결합부(121)와, 상호 인접한 두 결합부(121)를 연결하되 하중분산공간(13)을 형성하는 곡률부(122)를 포함할 수 있다.
결합부(121)와 곡률부(122)는 각각 링 형상을 나타내도록 한다.
결합부(121)는 평판부(11)와 마찬가지로 평평하게 형성되어 평판부(11)에 안정되게 적층 지지되거나 평판부(11)에서 미세한 갭을 형성하도록 이격 배치될 수 있다.
곡률부(122)는 종단면 상태에서 평판부(11)의 내주면으로부터 함몰 형성되고, 개구원통부(10)의 중심으로 돌출 형성된다. 그러면, 평판부(11)와 곡률부(122) 사이에는 하중분산공간(13)이 형성되는 것이다. 곡률부(122)는 종단면 상태에서 원호 형상을 나타내는 것이 바람직하다.
h1 은 직립 상태의 개구원통부(10)를 기준으로 결합부(121)의 높이를 나타내고, h2는 직립 상태의 개구원통부(10)를 기준으로 곡률부(122)의 높이를 나타내며, d는 직립 상태의 개구원통부(10)를 기준으로 평판부(11)와 곡률부(122) 사이의 최대거리를 나타낸다.
여기서, h1:h2 = 1.0:1.6~2.0 인 관계식을 만족하므로, 단열탱크의 내부 압력에 대한 부하로 단열탱크의 응력이나 단열탱크의 변형을 최소화시키는 한편 단열탱크의 전반적인 구조성능을 안정화시키거나 단열탱크의 전반적인 구조성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 다른 표현으로, h2 는 h1 의 1.6배 이상이고 ,h1 의 2.0배 이하이면 충분하다.
하지만, h1:h2 = 1.0:1.6 미만인 관계식에서는 내벽인 요철부(12)에서의 강도가 감소하게 되어 외벽인 평판부(11)에 가해지는 하중이 증가하게 되고, 결과적으로 단열탱크의 내부 압력에 대한 부하로 내벽인 요철부(12)에서 외벽인 평판부(11)로 전달되는 하중이 증가하여 단열탱크의 응력이나 단열탱크의 변형이 증가할 가능성이 높아지는 문제점을 내포하고 있다.
또한, h1:h2 = 1.0:2.0 초과인 관계식에서는 내벽인 요철부(12)에서 외벽인 평판부(!1)로 하중 전달이 원활하지 않아 내벽인 요철부(12)가 부담해야 하는 응력이 높게 발생하고, 결과적으로 단열탱크의 전반적인 구조성능이 저하되는 문제점을 내포하고 있다.
또한, h1:d = 1: 0.4~0.6 인 관계식을 만족하므로, 평판부(11)의 변형을 최소화하여 개구원통부(10)의 강도성능과 요철부(12)의 구조성능을 안정화시키거나, 구원통부(10)의 강도성능과 요철부(12)의 구조성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 다른 표현으로, d 는 h1 의 0.4배 이상이고, h1 의 0.6배 이하면 충분하다.
하지만, h1:d = 1: 0.4 미만인 관계식에서는 액체산소에 의해 곡률부(122)의 수축량이 상대적으로 작아 외벽인 평판부(11)와 내벽인 요철부(12)의 이격이 상대적으로 작아지게 되어 단열성능이 저하됨은 물론 내벽인 요철부(12)에서 곡률부(122)의 변형이 증가하여 외벽인 평판부(11)에 전달되는 하중이 증가하게 되고, 결과적으로 평판부(11)의 변형이 상대적으로 증가하게 되어 개구원통부(10)의 강도성능이 저하되는 문제점을 내포하고 있다.
또한, h1:d = 1: 0.6 초과인 관계식에서는 내벽인 요철부(12)가 가동적으로는 더 우수해질 수 있으나, 곡률부(122)의 곡률이 커지는 만큼 곡률부(122)의 길이가 증가되기 때문에 극적온의 액체산소에 의한 곡률부(122)의 수축량 또한 증가하게 되어 수축에 의한 구조응력이 증가하고, 결과적으로 내벽인 요철부(12)의 구조성능이 저하되는 문제점을 내포하고 있다.
그리고 단열성능을 향상시키기 위해 평판부(11)와 요철부(12) 사이 중 하중분산공간(13)에는 단열부재(미도시)가 충진될 수 있다. 단열부재(미도시)는 하중분산공간(13)이 형성된 부분에서 평판부(11)에 관통 형성된 충진홀(미도시)을 통해 단열부재(미도시)를 하중분산공간(13)에 안정되게 충진할 수 있다.
상부캡부(20)는 개구원통부(10)의 상단부를 밀폐시킨다. 상부캡부(20)는 액체산소에 의한 수축력을 견디기 위해 돔 형상을 나타내는 것이 유리하다.
하부캡부(30)는 개구원통부(10)의 하단부를 밀폐시킨다. 하부캡부(30)는 액체산소에 의한 수축력을 견디기 위해 돔 형상을 나타내는 것이 유리하다.
두께가 2mm 인 단일 원통판을 포함하는 종래의 단열탱크와 평판부(11)의 두께가 1mm이고 요철부(12)의 두께가 1mm인 본 발명의 일 실시예에 따른 단열탱크에 액체산소를 충진한 다음, 원통판과 개구원통부(10)의 변형을 측정한 결과, 원통판에 비해 개구원통부(10)가 약 50% 적게 부풀어 오르는 현상을 확인할 수 있었다.
또한, 원통판과 개구원통부(10)에 작용하는 응력을 측정한 결과, 원통판에서는 약 249MPa 의 응력이 발생되는 반면, 개구원통부(10)에서 평판부(11)에서는 약 180MPa 의 응력이 발생되는 것을 확인할 수 있었다.
상술한 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크에 따르면, 분리형 2중 겹벽 구조를 구현하여 중량 대비 단열탱크의 비강도성능을 개선하고, 열전달을 최소화시켜 단열성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 평판부(11)의 두께와 요철부(12)의 두께의 합이 종래의 단열탱크의 두께와 실질적으로 동일하더라도 단열탱크의 전체 중량 대비 단열탱크의 강도를 증가시킬 수 있고, 개구원통부(10)의 변형율을 50% 이상 줄일 수 있다.
또한, 요철부(12)와 하중분산공간(13)의 결합 관계를 통해 개구원통부(10)에 작용하는 응력을 대폭 줄일 수 있고, 단열탱크의 구조적 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 하중분산공간(13)을 통한 공기층을 통해 단열탱크의 전체 중량을 감소시킬 수 있다.
또한, 요철부(12)의 세부 결합 관계를 통해 하중분산공간(13)을 개구원통부(10)에 안정되게 형성하고, 요철부(12)의 균일한 패턴을 확보할 수 있다.
또한, 호 형상을 나타내는 곡률부(122)에서의 응력 분산을 명확하게 하고, 개구원통부(10)의 변형을 최소화시킬 수 있다.
또한, 결합부(121)와 곡률부(122) 사이의 비율 관계를 통해 개구원통부(10)의 변형을 최소화시키고, 개구원통부(10)의 강도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 결합부(121)와 하중분산공간(13) 사이의 비율 관계를 통해 개구원통부(10)의 변형을 최소화시키고, 개구원통부(10)의 강도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 단열부재(미도시)를 통해 단열탱크에서 액체산소의 온도 변화를 최소화시키는 한편, 액체산소의 안정성을 높이고, 단열탱크의 내외부에 대한 단열성능을 증가시킬 수 있으며, 곡률부(122)의 변형을 최소화시킬 수 있다.
또한, 개구원통부(10)에서 평판부(11)와 요철부(12)의 두께를 최소화시킬 수 있고, 단열탱크에 충진되는 액체산소의 압력을 안정되게 견딜 수 있다.
또한, 평판부(11)와 요철부(12)의 결합 관계를 통해 평평한 결합부(121) 또는 호 형상의 곡률부(122)에서 액체산소에 의한 수축이 일어날 때, 평판부(11)에서 요철부(12)의 유동을 원활하게 할 수 있다.
또한, 평판부(11)와 요철부(12)의 구조 형상을 통해 단열탱크 내부의 일정한 압력 하중에 대하여 요철부(12)의 강도와 강성을 개선할 수 있다. 또한, 요철부(12)가 압력하중으로 변형이 발생하면, 평판부(11)와 접촉하게 되어 요철부(12)의 하중이 외벽인 평판부(11)로 전달되고, 응력도 함께 분산되어 결과적으로 압력하중에 대한 단열탱크의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 단열탱크의 내부에 액체산소가 유입되면, 수축 현상이 발생되는데, 외벽인 평평한 평판부(11)보다 내벽인 요철부(12)의 면적이 더 크기 때문에, 평판부(11)보다 요철부(12)의 수축량이 더 크게 되고, 평판부(11)와 요철부(12) 사이에 미세한 갭이 발생되어 요철부(12)에서 평판부(11)로의 열전달을 최소화시킬 수 있다. 다른 표현으로, 미세한 갭을 통해 1차 단열 효과가 발생하고, 하중분산공간(13)에 충진된 단열부재(미도시)를 통해 2차 단열 효과가 발생하며, 이로 인해 단열탱크에 충진된 액체산소의 안정성을 극대화시킬 수 있고, 발사체의 단열탱크 구조도 최적화시킬 수 있다.
또한, 우레탄 재질의 단열부재(미도시)가 하중분산공간(13)에 충진됨에 따라 평판부(11)와 곡률부(122)의 접촉이 발생하지 않기 때문에 평판부(11)에 작용하는 응력이 매우 작아지고, 평판부(11)에 충진홀(미도시)이 관통 형성되더라도 구조적으로 취약해지지 않는다. 따라서, 충진홀(미도시)을 통해 하중분산공간(13)에 단열부재(미도시)의 충진을 원활하게 할 수 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
** 부호의 설명 **
10: 개구원통부 11: 평판부 12: 요철부
121: 결합부 122: 곡률부 13: 하중분산공간
20: 상부캡부 30: 하부캡부
h1: 결합부 높이 h2: 곡률부 높이
d: 평판부와 곡률부 사이의 최대거리

Claims (5)

  1. 직립 상태에서 상단부와 하단부가 개구된 중공의 개구원통부;
    상기 개구원통부의 상단부를 밀폐시키는 상부캡부; 및
    상기 개구원통부의 하단부를 밀폐시키는 하부캡부;를 포함하고,
    상기 개구원통부는,
    외주면이 평평하게 형성되는 평판부;
    상기 평판부에 슬라이드 이동 가능하게 끼움 결합되는 요철부; 및
    상기 요철부의 일부가 상기 평판부로부터 이격됨에 따라 링 형상을 나타내고, 상기 개구원통부의 높이 방향을 따라 이격 배치되는 다수의 하중분산공간;을 포함하는 것을 특징으로 하는 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요철부는,
    상호 이격되어 상기 평판부에 슬라이드 이동 가능하게 지지되는 결합부; 및
    상호 인접한 두 결합부를 연결하되, 상기 하중분산공간을 형성하는 곡률부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크.
  3. 제2항에 있어서,
    직립 상태의 상기 개구원통부를 기준으로,
    상기 결합부의 높이를 h1 이라 하고,
    상기 곡률부의 높이를 h2 라고 하면,
    h1:h2 = 1.0:1.6~2.0 인 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    직립 상태의 상기 개구원통부를 기준으로,
    상기 결합부의 높이를 h1 이라 하고,
    상기 평판부아 상기 곡률부 사이의 최대거리를 d 라고 하면,
    h1:d = 1:0.4~0.6 인 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 평판부와 상기 요철부 사이 중 적어도 상기 하중분산공간에는, 단열부재;가 충진되는 것을 특징으로 하는 발사체용 분리형 2중 겹벽 단열탱크.
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