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KR20120004652A - 극저온 액체저장탱크의 단열 패널 및 이를 갖는 단열 구조체 - Google Patents

극저온 액체저장탱크의 단열 패널 및 이를 갖는 단열 구조체 Download PDF

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KR20120004652A
KR20120004652A KR1020100065256A KR20100065256A KR20120004652A KR 20120004652 A KR20120004652 A KR 20120004652A KR 1020100065256 A KR1020100065256 A KR 1020100065256A KR 20100065256 A KR20100065256 A KR 20100065256A KR 20120004652 A KR20120004652 A KR 20120004652A
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insulating material
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김병철
윤순호
김진규
김기현
황윤정
유하나
임준우
최일범
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명에 의한 극저온 액체저장탱크의 단열 패널은, 극저온 액체를 저장하기 위해 탱크 내벽 안쪽에 마련되는 저장공간을 단열하기 위해 탱크 내벽에 결합되는 것으로, 저장공간과 탱크 내벽 사이의 열이동을 막기 위한 단열재, 단열재의 굽힘 강성을 높이기 위해 단열재의 외면에 결합되는 보호판, 극저온 환경에서 단열재의 균열 발생을 억제하기 위해 단열재의 두께 방향으로 마련되는 복수의 슬릿을 포함한다. 본 발명에 의한 단열 패널은 간단한 구조의 슬릿을 구비함으로써 이웃하는 단열 패널들 사이의 경계에서 열수축량을 줄일 수 있다. 따라서, 별도의 보강재 없이 극저온 환경에서 균열 발생을 억제할 수 있다.

Description

극저온 액체저장탱크의 단열 패널 및 이를 갖는 단열 구조체{HEAT INSULATION PANEL FOR CRYOGENIC LIQUID STORAGE TANK AND HEAT INSULATION STRUCTURE HAVING THE SAME}
본 발명은 단열 패널에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 균열 발생을 억제하고 높은 단열 성능을 확보할 수 있는 극저온 액체저장탱크의 단열 패널 및 이를 갖는 단열 구조체에 관한 것이다.
액화천연가스(LNG), 액체 아르곤(LAR), 액체 질소(LIN), 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, 액화천연가스용 저장탱크는 약 -165℃의 초저온 액화천연가스를 저장하기 위한 것으로, 구형 타입(Spherical Type)과 멤브레인 타입(Membrane Type)이 있다. 멤브레인 타입의 액화천연가스용 저장탱크는 구형 타입의 액화천연가스용 저장탱크보다 적재용량이 크고 제작이 간편하여 현재 가장 널리 사용되고 있다. 멤브레인 타입의 액화천연가스용 저장탱크로는 MARK-Ⅲ 타입과 NO-96 타입이 알려져 있다. 이들 액화천연가스용 저장탱크는 액화천연가스의 누출을 막고, 액화천연가스가 저장되는 저장공간을 단열하기 위한 단열 구조체가 탱크 내벽에 결합된 구조로 이루어진다.
NO-96 타입의 액화천연가스 저장탱크는 열팽창이 매우 낮은 인바강(Invar, 36% 니켈강)을 1차 방벽 및 2차 방벽으로 사용하고, 방벽 사이에 펄라이트(Pearlite)가 채워진 단열 박스가 배치된다. 이에 반해 MARK-Ⅲ 타입의 액화천연가스 저장탱크는 폴리우레탄 폼((Polyurethane foam))과 합판(Plywood) 등으로 이루어진 단열 패널을 복층으로 적층하고, 단열 패널에 1차 방벽과 2차 방벽을 결합하여 액화천연가스가 저장된 저장공간을 밀폐함과 동시에 단열한다. 1차 방벽으로는 열변형으로 인한 팽창 및 수축을 흡수하기 위하여 격자모양의 주름부가 마련된 스테인리스 강판을 사용하고, 2차 방벽으로는 금속 또는 복합 재료(Composite)로 이루어진 방벽 시트를 사용한다.
이들 두 가지 타입의 액화천연가스 저장탱크는 가스 기화율(Boil-off rate, BOR)이 비슷한 것으로 알려져 있으나, 인바 멤브레인에 비해 스테인리스 강판이 가격이 싸고 시공이 편리하며 폴리우레탄 폼의 단열효과가 뛰어나기 때문에, MARK-Ⅲ 타입의 액화천연가스 저장탱크가 선호되고 있다.
종래 MARK-Ⅲ 타입의 액화천연가스 저장탱크에 이용되는 단열 패널의 폴리우레탄 폼은 극저온 환경에서 균열이 발생하기 쉬운 단점이 있다. 이러한 폴리우레탄 폼의 단점을 보완하기 위해 폴리우레탄 폼 내부에 면방향으로 유리 섬유를 배치하여 폴리우레탄 폼의 균열 발생을 억제하는 방법이 제안된 바 있다.
그러나 폴리우레탄 폼을 유리 섬유로 보강하는 단열 패널은 두께 방향의 강도가 저하되고 생산이 어려우며 단열 성능이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유리 섬유 등의 보강재를 사용하지 않고 균열 발생을 억제하고 높은 단열 성능을 확보할 수 있는 극저온 액체저장탱크의 단열 패널 및 이를 갖는 단열 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 극저온 액체저장탱크의 단열 패널은, 극저온 액체를 저장하기 위해 탱크 내벽 안쪽에 마련되는 저장공간을 단열하기 위해 상기 탱크 내벽에 결합되는 것으로, 상기 저장공간과 상기 탱크 내벽 사이의 열이동을 막기 위한 단열재, 상기 단열재의 굽힘 강성을 높이기 위해 상기 단열재의 외면에 결합되는 보호판, 극저온 환경에서 상기 단열재의 균열 발생을 억제하기 위해 상기 단열재의 두께 방향으로 마련되는 복수의 슬릿을 포함한다.
상기 슬릿은 상기 단열재의 상기 저장공간 쪽에 위치하는 상면에서 상기 단열재의 내부로 연장되되, 상기 단열재의 상기 탱크 내벽 쪽에 위치하는 하면을 관통하지 않을 수 있다.
상기 슬릿은 상기 단열재의 상기 저장공간 쪽에 위치하는 상면에서 상기 탱크 내벽 쪽에 위치하는 하면까지 연장될 수 있다.
상기 슬릿의 내부에는 단열물질이 충전될 수 있다.
상기 단열재는 폴리우레탄 폼으로 이루어질 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체는, 극저온 액체를 저장하기 위해 탱크 내벽 안쪽에 마련되는 저장공간을 단열하기 위해 상기 탱크 내벽에 결합되는 것으로, 상기 탱크 내벽을 덮기 위해 상기 탱크 내벽 위에 배치되는 복수의 단열 패널, 상기 저장공간에 수용되는 극저온 액체를 밀폐하기 위해 상기 복수의 단열 패널을 덮도록 상기 복수의 단열 패널 위에 배치되는 방벽을 포함하고, 상기 단열 패널은, 상기 저장공간과 상기 탱크 내벽 사이의 열이동을 막기 위한 단열재, 상기 단열재의 굽힘 강성을 높이기 위해 상기 단열재의 외면에 결합되는 보호판, 극저온 환경에서 상기 단열재의 균열 발생을 억제하기 위해 상기 단열재의 두께 방향으로 마련되는 복수의 슬릿을 갖는다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 의한 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체는, 극저온 액체를 저장하기 위해 탱크 내벽 안쪽에 마련되는 저장공간을 단열하기 위해 상기 탱크 내벽에 결합되는 것으로, 상기 탱크 내벽을 덮기 위해 상기 탱크 내벽 위에 배치되는 복수의 외측 단열 패널, 상기 복수의 외측 단열 패널을 덮기 위해 상기 복수의 외측 단열 패널 위에 배치되는 복수의 내측 단열 패널, 상기 저장공간에 수용되는 극저온 액체를 밀폐하기 위해 상기 복수의 내측 단열 패널을 덮도록 상기 복수의 내측 단열 패널 위에 배치되는 1차 방벽, 상기 저장공간에 수용되는 극저온 액체를 2차로 밀폐하기 위해 상기 복수의 외측 단열 패널과 상기 복수의 내측 단열 패널 사이에 배치되는 2차 방벽을 포함하고, 상기 단열 패널은, 상기 저장공간과 상기 탱크 내벽 사이의 열이동을 막기 위한 단열재, 상기 단열재의 굽힘 강성을 높이기 위해 상기 단열재의 외면에 결합되는 보호판, 극저온 환경에서 상기 단열재의 균열 발생을 억제하기 위해 상기 단열재의 두께 방향으로 마련되는 복수의 슬릿을 갖는다.
본 발명에 의한 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체는 단열 패널에 간단한 구조의 슬릿이 마련됨으로써 이웃하는 단열 패널들 사이의 경계에서 열수축량을 줄일 수 있다. 따라서, 별도의 보강재 없이 극저온 환경에서 균열 발생을 억제할 수 있으며, 종래의 단열 구조체에 비해 보강재에 의한 두께 방향으로의 강도 저하, 생산성 저하, 단열 성능 저하 등의 문제를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 극저온 액체저장탱크의 단열 패널 및 이를 갖는 단열 구조체를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 단열 구조체와 비교되는 단열 구조체의 비교예를 나타낸 것이다.
도 3은 도 1의 A 부분을 확대하여 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 단열 패널의 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 극저온 액체저장탱크의 단열 패널 및 이를 갖는 단열 구조체를 나타낸 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 의한 극저온 액체저장탱크의 단열 패널 및 이를 갖는 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 1에 도시된 것과 본 발명의 일실시예에 의한 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체(100)는 내부에 극저온 액체를 저장하기 위한 저장공간이 마련되는 탱크 내벽(50)에 결합되어 저장공간에 저장되는 극저온 액체를 밀폐하고 탱크 내벽(50)과 저장공간 사이를 단열하는 역할을 한다. 단열 구조체(100)는 복층으로 배치되는 단열 패널(110)(120)과 1차 방벽(130) 및 2차 방벽(140)으로 구성된다.
단열 패널(110)(120)은 탱크 내벽(50) 위에 결합되는 외측 단열 패널(110)과 외측 단열 패널(110)을 덮는 내측 단열 패널(120)로 구분될 수 있다. 이들 단열 패널(110)(120)은 폴리우레탄 폼 등 저장공간과 탱크 내벽(50) 사이의 열이동을 막기 위한 단열재(111)(121)의 외측에 합판이나 복합 재료 등으로 이루어진 보호판(112)(122)이 결합된 구조로 이루어진다. 보호판(112)(122)은 단열재(111)(121)의 굽힘 강성(Flexural stiffness)을 높여주는 역할을 한다. 외측 단열 패널(110)은 탱크 내벽(50)에 접착제(60) 또는 스터드 볼트(미도시)에 의해 고정되고, 내측 단열 패널(120)은 접착제에 의한 접착 등의 결합 방법으로 외측 단열 패널(110)에 고정된다.
1차 방벽(130)은 저장공간에 저장되는 극저온 액체가 누출되지 않도록 저장공간을 밀폐하기 위한 것으로 내측 단열 패널(120) 위에 설치되는 앵커 스트립(Anchor strip, 미도시)에 용접 고정되는 금속 재질의 방벽 시트(131)를 포함한다. 1차 방벽(130)을 구성하는 방벽 시트(132)는 스테인리스 스틸이나 알루미늄 등 극저온에서 취성에 의한 물성 저하가 발생하지 않는 다양한 금속 소재로 이루어질 수 있다. 1차 방벽(130)은 열수축에 의한 열응력 발생을 억제하기 위한 복수의 주름부(132)를 갖는다.
2차 방벽(140)은 1차 방벽(130)이 파손될 경우 극저온 액체를 2차로 밀폐하기 위한 것으로, 외측 단열 패널(110) 위를 배치된다. 2차 방벽(140)은 외측 단열 패널(110)을 덮는 복수의 방벽 시트(141)를 포함한다.
도 2는 본 발명에 의한 단열 구조체와 비교되는 단열 구조체의 비교예를 나타낸 것이다.
극저온 환경에서 단열 구조체(200)를 구성하는 구성요소에는 열수축(Thermal shrinkage)이 발생할 수 있다. 외측 단열 패널(210)의 경우 2차 방벽(140)으로 연결된 이웃한 외측 단열 패널(210)의 열수축에 의해 외측 단열 패널(210)에 부분적으로 발생하는 응력(Stress)과 재료 간의 열수축률 차이로 인해 균열이 발생할 수 있다. 일반적으로 단열 패널(210)을 구성하는 구성요소 중에서, 강도와 인성이 낮은 단열재(211)에 균열이 발생하는 경향이 있다. 특히, 이웃하는 단열 패널들(210) 사이의 경계(B)에서는 재료의 열수축에 의한 변형량이 가장 크게 발생하므로 균열이 발생할 가능성이 크다.
이러한 문제를 해결하기 위해 단열재(211)의 내부에 유리 섬유와 같은 보강재(213)를 면방향으로 배치하여 극저온에서 재료의 수축에 의한 균열 발생을 억제할 수 있으나, 면방향으로 보강된 단열 패널(210)은 두께 방향의 강도가 오히려 저하되고 생산성이 떨어지며, 열전도율이 상승하여 단열 성능이 떨어지는 단점이 있다.
다른 방법으로, 단열 패널(210)의 크기를 줄여서 열수축량을 줄이는 방법을 고려해 볼 수 있으나, 이는 단열 구조체(200)를 구성하는 단열 패널(210)의 수가 증가하게 되어 단열 구조체(200)의 생산성이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 단열재(111)에 두께 방향으로 슬릿(Slit, 113)을 형성한 것이다. 도 1에 도시된 것과 같이, 극저온 환경에서 단열재(111)는 슬릿(113)을 기준으로 좌우 측면 방향으로 열수축이 발생함으로써, 이웃하는 단열 패널들(110) 사이의 경계(B)에서는 열수축량이 줄어들어 균열 발생을 억제될 수 있다. 슬릿(113)은 단열재(111)에 두께 방향으로 마련되는 작은 틈(Gap)이다.
일반적으로 단열 패널(110)은 극저온 액체와 가까운 상부 쪽의 온도가 가장 낮고, 탱크 내벽(50)에 가까운 하부 쪽의 온도는 상온에 가깝다. 따라서, 단열 패널(110) 상부의 열수축율이 상대적으로 크고 균열 발생 가능성도 크며, 단열 패널(110)의 하부는 균열 발생 가능성이 상대적으로 작다. 이러한 이유로 도 1 및 도 3에 도시된 것과 같이, 슬릿(113)을 단열재(111)의 하부까지 연장하지 않아도 단열 패널(110)의 균열 발생을 억제할 수 있다.
슬릿(113)은 보호판(112)에 단열재(111)를 접합한 후, 단열재(111)를 두께 방향으로 절단하여 단열재(111)에 마련할 수 있다. 이 경우, 절단 간격을 조절함으로써 슬릿(113)의 간격을 조절할 수 있다.
슬릿(113)의 크기나 형상은 단열 패널(110)을 구성하는 구성요소의 재질과 구조에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 슬릿(113)의 폭이 클 경우 대류(Convection)로 인해 단열 성능이 떨어질 수 있으므로 슬릿(113)의 폭은 최소화하는 것이 좋다. 슬릿(113)의 깊이는 단열재(111)에 열수축으로 인한 균열이 발생하는 부분을 고려하여 적절하게 조절하는 것이 좋다.
도 4에 도시된 것과 같이, 슬릿(113)에는 단열 성능을 높이기 위한 단열물질(150)이 채워질 수 있다. 단열물질(150)로는 유연한 재질의 글래스울(Glass wool)이나 저밀도 고분자 폼 등 단열성을 갖는 다양한 소재가 이용될 수 있다.
앞에서는 단열 구조체(100)를 구성하는 단열 패널(110)(120) 중에서 외측 단열 패널(110)에만 슬릿(113)이 마련된 것으로 설명하였으나, 경우에 따라 내측 단열 패널(120)에도 슬릿(113)이 마련될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 극저온 액체저장탱크의 단열 패널 및 이를 갖는 단열 구조체를 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 단열 패널(160)은 슬릿(162)이 단열재(161)의 상면에서 하면까지 연장된 것이다. 이 경우, 독립된 단위 단열재(163)를 일정 간격으로 보호판(112)에 접합함으로써 단위 단열재(163) 사이사이에 슬릿(162)을 형성하거나, 절단 방법을 통해 단열재(161)에 슬릿(162)을 형성할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 단열 구조체(100)는 단열 패널(110)(160)에 간단한 구조의 슬릿(113)(162)이 마련됨으로써 별도의 보강재 없이 극저온 환경에서 균열 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 종래 단열 구조체에 비해 보강재에 의한 두께 방향으로의 강도 저하, 생산성 저하, 단열 성능 저하 등의 문제를 줄일 수 있다.
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 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
100 : 단열 구조체 110, 160 : 외측 단열 패널
111, 121, 161 : 단열재 112, 122 : 보호판
113, 162 : 슬릿 120 : 내측 단열 패널
130 : 1차 방벽 132 : 주름부
140 : 2차 방벽 163 : 단위 단열재

Claims (7)

  1. 극저온 액체를 저장하기 위해 탱크 내벽 안쪽에 마련되는 저장공간을 단열하기 위해 상기 탱크 내벽에 결합되는 극저온 액체저장탱크의 단열 패널에 있어서,
    상기 저장공간과 상기 탱크 내벽 사이의 열이동을 막기 위한 단열재;
    상기 단열재의 굽힘 강성을 높이기 위해 상기 단열재의 외면에 결합되는 보호판; 및
    극저온 환경에서 상기 단열재의 균열 발생을 억제하기 위해 상기 단열재의 두께 방향으로 마련되는 복수의 슬릿;을 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 패널.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬릿은 상기 단열재의 상기 저장공간 쪽에 위치하는 상면에서 상기 단열재의 내부로 연장되되, 상기 단열재의 상기 탱크 내벽 쪽에 위치하는 하면을 관통하지 않는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 패널.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬릿은 상기 단열재의 상기 저장공간 쪽에 위치하는 상면에서 상기 탱크 내벽 쪽에 위치하는 하면까지 연장되는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 패널.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬릿의 내부에 단열물질이 충전되는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 패널.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열재는 폴리우레탄 폼으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 패널.
  6. 극저온 액체를 저장하기 위해 탱크 내벽 안쪽에 마련되는 저장공간을 단열하기 위해 상기 탱크 내벽에 결합되는 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체에 있어서,
    상기 탱크 내벽을 덮기 위해 상기 탱크 내벽 위에 배치되는 복수의 단열 패널;
    상기 저장공간에 수용되는 극저온 액체를 밀폐하기 위해 상기 복수의 단열 패널을 덮도록 상기 복수의 단열 패널 위에 배치되는 방벽;을 포함하고,
    상기 단열 패널은,
    상기 저장공간과 상기 탱크 내벽 사이의 열이동을 막기 위한 단열재,
    상기 단열재의 굽힘 강성을 높이기 위해 상기 단열재의 외면에 결합되는 보호판, 및
    극저온 환경에서 상기 단열재의 균열 발생을 억제하기 위해 상기 단열재의 두께 방향으로 마련되는 복수의 슬릿을 갖는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체.
  7. 극저온 액체를 저장하기 위해 탱크 내벽 안쪽에 마련되는 저장공간을 단열하기 위해 상기 탱크 내벽에 결합되는 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체에 있어서,
    상기 탱크 내벽을 덮기 위해 상기 탱크 내벽 위에 배치되는 복수의 외측 단열 패널;
    상기 복수의 외측 단열 패널을 덮기 위해 상기 복수의 외측 단열 패널 위에 배치되는 복수의 내측 단열 패널;
    상기 저장공간에 수용되는 극저온 액체를 밀폐하기 위해 상기 복수의 내측 단열 패널을 덮도록 상기 복수의 내측 단열 패널 위에 배치되는 1차 방벽; 및
    상기 저장공간에 수용되는 극저온 액체를 2차로 밀폐하기 위해 상기 복수의 외측 단열 패널과 상기 복수의 내측 단열 패널 사이에 배치되는 2차 방벽;을 포함하고,
    상기 단열 패널은,
    상기 저장공간과 상기 탱크 내벽 사이의 열이동을 막기 위한 단열재,
    상기 단열재의 굽힘 강성을 높이기 위해 상기 단열재의 외면에 결합되는 보호판, 및
    극저온 환경에서 상기 단열재의 균열 발생을 억제하기 위해 상기 단열재의 두께 방향으로 마련되는 복수의 슬릿을 갖는 것을 특징으로 하는 극저온 액체저장탱크의 단열 구조체.
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