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KR20240157728A - 극저온용 멤브레인 탱크 - Google Patents

극저온용 멤브레인 탱크 Download PDF

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KR20240157728A
KR20240157728A KR1020247032869A KR20247032869A KR20240157728A KR 20240157728 A KR20240157728 A KR 20240157728A KR 1020247032869 A KR1020247032869 A KR 1020247032869A KR 20247032869 A KR20247032869 A KR 20247032869A KR 20240157728 A KR20240157728 A KR 20240157728A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
membrane
fluid
insulation
tank
primary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
KR1020247032869A
Other languages
English (en)
Inventor
폴 쥐. 베르간
Original Assignee
래티스 인터내셔널 에이에스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 래티스 인터내셔널 에이에스 filed Critical 래티스 인터내셔널 에이에스
Publication of KR20240157728A publication Critical patent/KR20240157728A/ko
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

주변 온도와 상당히 다를 수 있는 온도에서 유체를 격납하기 위한 멤브레인 탱크로서, 예를 들어 극저온 유체를 포함하기 위한 것으로, 상기 멤브레인 탱크는 내부 격납 용적으로부터 다음을 포함한다:
유체 밀폐되고, 작동 시 포함된 유체와 접하며 1차 유체 장벽으로 기능하는 1차 멤브레인,
상기 멤브레인을 외부에서 둘러싸는 절연층,
선체 또는 격벽 또는 기타 구조와 같은 외부 구조로서, 상기 외부 구조가 내부의 절연층 및 1차 멤브레인을 지지하고 그에 따른 결과적인 힘을 지지하는 외부 구조,
유체의 적재 및 하역을 위한 하나 이상의 개구부, 및
외부 구조가 극저온에서 취성이 되는 강철 구조인 경우, 예를 들어 선체 외부 구조와 같은 경우에 사용되는 선택적인 2차 멤브레인으로, 상기 2차 멤브레인은 절연층을 1차 및 2차 멤브레인 사이의 내부 절연과 2차 멤브레인과 외부 구조 사이의 외부 절연으로 나누는 것,
여기서, 상기 1차 멤브레인은 평평한, 곡선 또는 이중 곡선 형상의 영역과 상기 영역들 사이의 물결 모양을 포함하며, 상기 영역들은 하부의 절연에 고정되고 상기 물결 모양은 열 유발 변형을 흡수한다.
상기 멤브레인 탱크는 극저온 유체의 적재, 격납 및 하역 중에 전체 절연층 또는 내부 절연층의 진공을 가능하게 하기 위해, 진공 펌프를 전체 절연층 또는 내부 절연층에 작동 가능하게 연결하기 위한 연결 부품을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

극저온용 멤브레인 탱크
본 발명은 저온, 극저온 또는 고온 유체의 저장 및 운송을 위해 주변 지지 구조물 내부에 배치된 열적으로 절연된 멤브레인 탱크에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 극저온 유체의 저장 및 운송에 특히 적합한 멤브레인 탱크와 그 제조 방법을 제공한다.
냉각 및 극저온 유체의 저장과 운송은 특히 극저온 온도 범위에서 도전적이다. 매우 낮은 온도에서 저장 및 운송되고 일반적으로 절연된 용기에 보관되는 다양한 기체 또는 액화 기체가 존재한다. 중요한 예로 액화천연가스(LNG)가 있는데, 이는 일반적으로 대기압에서 -163°C의 "비등점"에서 액화된다. 유체의 종류와 상관없이, 정상 온도와 대기압에서 기체 상태인 모든 유체는 냉각 및 가압 조건에서 액체 및 기체 형태로 용기 내에서 효율적으로 저장 및 운송될 수 있다. 일부 기체의 경우 압력과 냉각의 조합을 적용하는 것이 바람직할 수 있지만, 기체를 대기압에서 냉각에 의해 액화한 후 그러한 조건에서 용기로 이송 및 저장하는 경우도 있다. LNG는 일반적으로 압력을 가하지 않고 저장되는 액화 기체의 예이다.
저장된 액화 기체에 일어나는 일은 주로 두 가지 경로를 따른다: 주변보다 낮은 온도로 유지되는 모든 물질은 열적으로 절연되었든 아니든 약간의 열을 받게 된다. 그 결과, 액화 기체는 비등하기 시작하여 기체 증발이 용기에서 방출된다. 또는 기체로 변환된 유체가 용기에서 빠져나가지 못하게 되면 압력과 온도가 결과적으로 증가한다. 첫 번째 경우는 일반적으로 저장 탱크가 상당한 압력 상승을 위해 설계되지 않았기 때문에 "비가압" 용기로 불린다. LNG와 같은 기후 파괴 가스는 대기로 방출될 때 매우 유해하고 규정에 의해 방출이 금지될 수 있기 때문에, 기체 증발은 연소되거나 엔진에서 사용되거나 재액화 후 저장소로 반환되어야 할 수 있다. 두 번째 경우에는 용기가 기체를 내부에 보관하는 예상되는 최대 보유 시간 동안 압력 상승을 견딜 수 있는 강도를 가진 적절한 압력 용기로 설계되어야 한다.
특정 경우에 선택되는 용기 전략은 기체의 종류, 열 절연 성능, 탱크의 실제 크기 등 많은 요인에 따라 달라진다. 작은 탱크는 큰 탱크보다 표면적 대 체적 비율이 더 크다; 이는 동일한 유형의 절연을 가진 탱크에서 열 유입 문제가 작은 탱크에서 큰 탱크보다 훨씬 더 심각할 것임을 의미한다. 결과적으로, 작은 선박의 LNG 연료 탱크와 같은 비교적 작은 탱크는 압력 상승을 견딜 수 있는 압력 용기로 건설될 가능성이 높다. 반면에 LNG용 대형 육상 저장 탱크 및 LNG 운송선과 같은 매우 큰 탱크는 일반적으로 대기압 또는 거의 대기압에서 기체를 유지하도록 설계된다. 본 발명은 주로 비가압 또는 저압 탱크에 관한 것이다.
대기압에서 액화 기체를 저장하는 저장 탱크에는 본질적으로 두 가지 주요 유형이 있는데, 그것들은 쉘형 탱크와 멤브레인 탱크이다. 쉘 탱크는 일반적으로 프리즘 형태나 구형이며 외부에 열 절연이 있다. 이 탱크들은 외부 구조물과 독립적이며 종종 독립 탱크라고 불리는데, 이는 저장된 유체로부터의 모든 하중을 견딜 수 있도록 설계되었기 때문이다. 이 하중에는 증기압, 정적 수압, 선박 운동으로 인한 동적 압력이 포함될 수 있다. 이것이 이 탱크들이 멤브레인 탱크보다 훨씬 더 무거운 이유이다. 다른 절연된 탱크 유형인 멤브레인 탱크는 선박의 화물실이나 육상의 사일로형 구조물과 같은 하중을 지지하는 외부 구조물에 의존한다. 그 이유는 차가운 액화 기체에 대한 장벽이 외부 하중 지지 구조물을 통해 중간 절연층을 지지받는 얇고 다소 약한 멤브레인과 열 절연에 불과하기 때문이다. 분명히, 멤브레인은 탱크 내부의 차가운 유체와 같은 온도를 갖게 되어 실온 상태에서 냉각으로 인해 상당히 수축하게 된다. 따라서 주변 지지 구조물은 냉각되지 않고 멤브레인보다 훨씬 더 강성이 높고 강하기 때문에, 멤브레인 단독으로 열 수축 문제를 해결해야 한다. 이는 잠재적으로 멤브레인에 과도한 응력을 가하고 파손시켜 누출을 초래할 수 있다. 멤브레인의 열 수축을 다루는 방법은 멤브레인 평면에 변형 유연성을 제공하는 것이다. 이는 면내 열 변형이 물결 모양의 굽힘과 신장에 의해 보상될 수 있도록 멤브레인 판에 두 개의 수직 방향으로 기하학적 물결 모양 패턴을 제공함으로써 가능하다. 반면 멤브레인의 평면 부분은 심각한 응력을 받지 않고 수축하여 평평하게 유지될 수 있다. 많은 사람들이 인식하고 있듯이, 멤브레인에서 허용 가능한 응력 수준을 보장하는 효과적인 물결 모양 기하학 구조의 개발은 간단한 문제가 아니다. 지금까지 산업에서 사용된 물결 모양 기하학 구조는 대부분 경험과 테스트에 기반을 두었으며 낮은 응력 수준을 보장한다는 증거는 덜 명확했다. 모든 경우에 서로 다른 방향의 물결 모양 채널이 교차하는 위치에서 충분한 변형성과 허용 가능한 응력 수준을 얻는 것은 특히 어려운 과제이다.
지속적인 열 응력과 함께 내부 유체의 가변적인 압력 하중도 멤브레인의 무결성과 지속 가능성에 문제가 될 수 있다. 대양을 항해하는 선박의 액화 가스 멤브레인 탱크의 경우, 선박의 움직임은 탱크 내부에 내부 액체 표면파를 생성하여 멤브레인에 심각한 주기적 하중, 균열 및 누출 고장을 초래할 수 있다. 이 문제는 특히 앞서 언급한 물결 모양에서의 높은 응력 집중과 관련이 있다. 더욱이, 종종 슬로싱이라고 불리는 심각한 표면 운동은 이러한 파도가 탱크의 벽과 내부 모서리에 부딪힐 때 매우 높은 국부적 동적 압력을 초래할 수 있다. 이러한 문제들은 멤브레인 탱크의 특정 과제로 인식되고 있으며, 수년에 걸쳐 긴 가동 중지 시간과 비용이 많이 드는 손상 수리가 필요한 사례들이 있었다.
LNG용 열 절연 멤브레인 탱크는 가스 및 해운 산업에서 60년 이상 사용되어 왔으며 이 기간 동안 많은 경험이 축적되었다. LNG 운반선에 사용되는 멤브레인 탱크의 크기도 놀랍게 성장했다. 선박 및 부유식 터미널의 단일 탱크 용량은 50,000 m³ 이상(선박에 탑재된 일련의 탱크의 경우 수십만 m³)일 수 있으며, 단일 육상 탱크는 수십만 m³의 크기를 가질 수 있다.
그러나 LNG 및 심지어 LH2(액체 수소), 주변 온도에 비해 차가운 유체 또는 따뜻한 유체와 같은 극저온 유체의 저장을 위한 멤브레인 탱크를 향상된 안전성과 감소된 비용의 조합으로 제공하는 데 대한 수요가 여전히 존재한다. 극저온 유체는 일반적으로 대기압에서 비등점이 -90°C 이하인 유체로 정의된다. 본 발명의 목적은 안전성, 다용성 및/또는 비용에 유익한 효과를 가진 멤브레인 탱크와 방법을 제공하는 것이다.
검색 결과, 본 발명에서 제공하는 멤브레인 탱크에 대한 설명이나 도면이 포함된 출판물은 발견되지 않았다. 이 기술 분야의 현재 상태를 설명하고 도시하는 가장 가까운 출판물은 다음과 같다: US4149652A, DE2251688B2, KR20210152835A, US4119241A, EP 1732828, KR100213686B1, WO 2021037483 A1, US 2020256514 A1, US 2018073678 A1 및 KR 20160087652 A. 상기 출판물 중 어느 것도 완전히 확장 가능한 진공 절연을 갖는 멤브레인 탱크에 대한 설명이나 도면을 포함하지 않는다. 또한 상기 출판물 중 어느 것도 단면에서 볼 때 코사인 함수 또는 자연 좌굴 함수의 형상을 갖는 물결 모양에 대한 설명이나 도면, 또는 그러한 형상이 유익한 이유를 포함하지 않는다.
본 발명은 주변 온도와 상당히 다를 수 있는 온도에서 유체를 격납하기 위한 멤브레인 탱크를 제공하며, 예를 들어 극저온 유체를 포함하기 위한 것으로, 상기 멤브레인 탱크는 내부 격납 용적으로부터 다음을 포함한다:
유체 밀폐되고, 작동 시 포함된 유체와 접하며 1차 유체 장벽으로 기능하는 1차 멤브레인,
상기 멤브레인을 외부에서 둘러싸는 절연층,
선체 또는 격벽 또는 기타 구조와 같은 외부 구조로서, 상기 외부 구조가 내부의 절연층 및 1차 멤브레인을 지지하고 그에 따른 결과적인 힘을 지지하는 외부 구조,
유체의 적재 및 하역을 위한 하나 이상의 개구부, 및
외부 구조가 극저온에서 취성이 되는 강철 구조인 경우, 예를 들어 선체 외부 구조와 같은 경우에 사용되는 선택적인 2차 멤브레인으로, 상기 2차 멤브레인은 절연층을 1차 및 2차 멤브레인 사이의 내부 절연과 2차 멤브레인과 외부 구조 사이의 외부 절연으로 나누는 것,
여기서, 상기 1차 멤브레인은 평평한, 곡선 또는 이중 곡선 형상의 영역과 상기 영역들 사이의 물결 모양을 포함하며, 상기 영역들은 하부의 절연에 고정되고 상기 물결 모양은 열 유발 변형을 흡수한다.
상기 멤브레인 탱크는 극저온 유체의 적재, 격납 및 하역 중에 전체 절연층 또는 내부 절연층의 진공을 가능하게 하기 위해, 진공 펌프를 전체 절연층 또는 내부 절연층에 작동 가능하게 연결하기 위한 연결 부품을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기술적 효과는 많으며, 아래에서 설명될 것이다. 두 가지 가장 중요한 기술적 효과는 새로운 멤브레인 기하 구조가 물결 모양과 물결 모양 사이의 교차부를 제공하는데, 이는 더 적은 소성 변형으로 형성되고 열 유발 응력이 상당히 낮으며 장기적인 구조적 무결성이 더 우수하다는 것이다. 이는 많은 기술적 이점을 제공하며, 그 중 하나는 물결 모양 사이의 거리를 더 크게 할 수 있어 더 효율적인 제작과 설치, 그리고 더 낮은 비용을 달성할 수 있다는 것이다. 예를 들어, LNG용 탱크에서 물결 모양 사이의 일반적인 거리가 0.2-0.5 m인 반면, 본 발명의 탱크는 유사하거나 동일한 멤브레인 재료를 사용하고 LNG용으로 물결 모양 사이의 거리가 쉽게 1 m를 초과할 수 있으며, 이는 현재 기술 수준에 비해 상당히 더 긴 거리이다. 이는 더 적은 수의 물결 모양, 더 적은 물결 모양 교차, 더 적은 용접 또는 기타 결합, 더 적은 고장 원인, 용이한 생산 및 감소된 비용을 초래한다. 본 발명의 주요 성과 중 하나는 많은 멤브레인 탱크 실시예가 액체 수소 격납, LH2, 또는 심지어 액체 헬륨 격납에도 적합하다는 것인데, 이는 지금까지 현재의 멤브레인 탱크 기술로는 존재하지 않거나 가능하지 않은 것으로 보인다. LH2 격납을 위한 멤브레인 탱크의 경우에도 물결 모양 사이의 거리가 1 m를 초과할 수 있다.
바람직하게는, 물결 모양은 열 유발 변형이 없는 주변 온도에서 단면으로 볼 때, 멤브레인이 멤브레인 평면 내에서 두 방향으로 균일한 압축을 받을 때 물결 모양 스팬에 걸쳐 좌굴과 일치하는 기하학적 함수에 따른 형상 및/또는 코사인 함수로 정의된 형상을 가지며, 여기서 형상은 정확하거나 허용 가능한 편차 내에 있다. 본 발명의 기술적 효과는 위와 아래의 설명에서 분명하다. 단면에서 볼 때 물결 모양의 정확한 코사인 함수 형상 또는 좌굴 함수 형상에서의 기하학적 편차는 현재 기술 수준의 멤브레인 탱크에 비해 기술적 효과가 여전히 존재하는 범위까지 허용된다. 바람직하게는, 형상은 정확하거나 어느 지점에서든 완벽한 코사인 함수 또는 좌굴 함수 진폭의 5%, 3%, 2% 또는 1% 미만의 허용 가능한 기하학적 편차 내에 있다.
바람직하게는, 교차하는 물결 모양의 형상은 교차하는 물결 모양의 중첩된 형상을 따른다.
멤브레인 탱크는 바람직하게는 유체 밀폐된 중간 멤브레인을 추가로 포함하며, 이는 절연을 두 개의 절연층으로 나누어, 각각은 누출 감지를 위해 불활성 기체로 순환되거나 액체 수소 또는 헬륨 저장을 위한 공기 응축 및/또는 고체화를 피하기 위해 진공 상태로 만들 수 있다.
멤브레인 탱크는 바람직하게는 다이 프레스 또는 기타 방식으로 형성된 물결 모양을 가진 멤브레인 구획을 포함하며, 구획 측면이 물결 모양 교차점으로부터 최대 거리에 위치하고, 바람직하게는 물결 모양에 수직인 측면이 측면을 통해 연장되며, 가능하다면 멤브레인은 완전한 유체 밀폐 멤브레인으로 용접하기 전에 응력 해소 처리되어 멤브레인의 응력 수준이 최소화된다.
멤브레인 탱크는 바람직하게는 절연층에 절연 블록을 포함하며, 상기 블록은 내부의 평평한, 곡선 또는 이중 곡선의 1차 멤브레인 영역의 치수와 형상에 맞고 바람직하게는 절연 블록이 결합되는 곳 위 또는 내부에 물결 모양과 교차하는 물결 모양이 있는 1차 멤브레인 구획으로 덮여 있으며, 절연 블록 결합 교차점이 1차 멤브레인 구획의 중심 또는 그 근처의 물결 모양 교차점 아래에 있고, 상기 블록들이 나란히 배열되며, 주변 온도에서 배열된 블록들은 극저온 또는 차가운 유체 격납을 위한 탱크의 경우 바람직하게는 접촉하고 있으며, 바람직하게는 냉각 시 열 방사를 줄이기 위한 홈과 노치가 있지만 따뜻한 유체 격납을 위해서는 바람직하게는 블록 사이에 Δe 또는 Δf의 간격이 있다. 이를 통해 변형과 응력이 감소되고 건설이 용이해진다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 멤브레인 탱크를 건설하는 방법을 제공하며, 다음 단계를 포함한다:
절연층을 건설하는 단계로서, 상기 절연층은 외부 구조의 내측에 배치되며, 상기 외부 구조는 선체 또는 격벽 또는 육상 또는 해상의 기타 하중 지지 구조와 같은 것으로 절연을 외부에서 둘러싸는 단계,
유체의 적재 및 하역을 위한 하나 이상의 개구부를 건설하거나 배치하는 단계,
절연 표면에 유체 밀폐된 1차 멤브레인을 건설하고 배치하는 단계로서, 상기 외부 구조가 내부 절연 및 1차 멤브레인을 지지하고 그에 따른 결과적인 힘을 지지하며, 상기 멤브레인은 예를 들어 극저온 유체를 포함하는 단계로서, 상기 멤브레인은 평평한, 곡선 또는 이중 곡선 형상의 영역을 포함하며, 상기 영역들은 하부의 절연에 고정되고, 상기 멤브레인은 열 유발 변형과 정수압 및 동적 하중으로 인한 변형을 흡수하기 위해 상기 영역들 사이에 추가적으로 물결 모양을 포함하는 단계.
본 방법은 극저온 유체 또는 기타 유체의 적재, 격납 및 하역 중에 1차 멤브레인과 외부 구조 사이 또는 1차 멤브레인과 선택적 2차 멤브레인 사이의 절연층의 진공을 가능하게 하기 위해, 진공 펌프를 절연층에 작동 가능하게 연결하기 위한 연결 부품을 배치하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 방법에 따르면, 탱크는 층별로 건설되거나 및/또는 필요한 모든 절연 및 멤브레인 구조를 포함하는 블록으로 건설되며, 이때 블록은 필요한 경우 완성되고, 멤브레인 탱크의 현장에서 배치 및 결합된다.
바람직하게는, 1차 멤브레인은 용접 또는 기타 방법으로 결합되어 연속적인 멤브레인을 완성하는 판 구획으로 형성되며, 교차하는 물결 모양은 판 구획의 중심 및/또는 측면 내에 있어 판 구획이 바람직하게는 교차하는 물결 모양으로부터 최대 거리에서 결합되고, 물결 모양은 바람직하게는 플라스틱 다이 프레스 또는 유사한 성형 작업에 의해 형성되며, 바람직하게는 물결 모양에 수직인 측면이 측면을 통해 연장되도록 형성되고, 바람직하게는 완전한 유체 밀폐 멤브레인으로 용접하거나 기타 방식으로 결합하기 전에 어닐링과 같은 후열 처리에 의해 멤브레인의 응력이 해소되어 멤브레인의 응력 수준이 최소화된다.
본 발명은 또한 본 발명의 멤브레인 탱크를 주변 온도와 다른 온도를 가진 유체의 저장 및/또는 운송에 사용하는 것을 제공하며, 이러한 유체는 LH2, LHe, LO2, LN2, LNG, LPG, 암모니아, 이산화탄소와 같은 극저온 유체, 기타 차가운 유체, 또는 따뜻한 유체이다.
멤브레인 탱크는 바람직하게는 다음을 포함한다:
- 멤브레인은 유체의 특성과 탱크 내 유체로부터 가해지는 압력을 고려하여 목적에 맞는 기계적 및 화학적 특성을 가진 얇은 판 재료로 구성된다.
- 멤브레인은 이하에서 더 자세히 설명되는 상당한 열 변형을 견디기에 적합한 특수한 기하학적 물결 모양을 가진다.
- 물결 모양 사이의 판 구획은 외부 지지 구조물의 기하학적 형상에 맞는 밀폐된 누설 방지 용기 솔루션을 제공하기 위해 필요에 따라 평평하거나, 단일 곡선 또는 이중 곡선일 수 있다.
- 멤브레인은 평평한 판의 플라스틱 성형이나 스탬핑, 또는 주조에 의한 단순한 제조 방법을 가능하게 하는 기하학적 구조를 가진다.
- 멤브레인은 적절한 기계적 또는 접착 수단에 의해 주변 절연층에 부착된다.
- 열 절연층은 좋은 열 절연뿐만 아니라 멤브레인과 외부 지지 구조 사이의 상당한 변형 차이를 가능하게 하는 절연층, 절연 블록층 또는 절연 박스 요소로 구성되며, 실제 압력 하중을 직접 또는 섬유 보강이나 내부 하중 지지 판 박스와 같은 강화 수단을 통해 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도를 가진다.
- 열 절연층은 적용 가능한 규정 요구 사항을 준수하기 위해 사이에 유체 밀폐 멤브레인이 있는 하위 층을 포함할 수 있다.
- 외부 지지 구조는 내부 멤브레인 탱크로부터의 모든 하중을 견딜 수 있는 충분한 강성과 강도를 가지며, 원칙적으로 특정 목적에 적합한 어떤 형태와 형상도 가질 수 있다.
- 대부분의 다른 멤브레인 탱크 설계와는 달리 화물 손실이 크게 감소되거나 없음
- 대부분의 경우 향상된 절연 성능으로 인해 증발된 화물을 냉각 및 응축하여 재순환할 필요가 감소됨
- 공기의 응축 온도보다 낮은 온도에서 액체 수소 및 헬륨과 같은 액화 가스를 저장할 수 있는 능력
멤브레인 판의 두께는 사용되는 재료, 탱크에 포함된 유체에서 가해지는 정적 및 동적 압력, 열 응력 및 변형, 그리고 물결 모양의 초기 성형 중 변형성과 소성 변형에 대한 판 두께의 영향을 고려하여 결정된다. 이를 고려한 일반적인 판 두께는 0.2에서 4 mm 사이일 수 있다. 멤브레인 판 재료는 노출되는 작동 온도 범위에 적합한 유형이어야 한다. 예를 들어, 극저온 온도는 매우 낮은 온도에서도 연성을 유지하는 특수 강철이나 알루미늄 합금이 필요하다. 액화 가스의 예로는 대기압에서 약 -163°C의 저장 온도를 가진 천연 가스와 -253°C의 액체 수소가 있다. 또한 멤브레인 재료는 탱크 내부의 유체와의 화학적 또는 전기화학적 상호 작용으로 인한 열화에 저항성이 있어야 한다. 금속 판으로 만든 멤브레인 외에도, 물결 모양 멤브레인은 플라스틱이나 복합 재료와 같은 비금속 재료로 만들 수 있다. 이 경우 멤브레인은 플라스틱 성형으로 물결 모양을 만드는 대신 본 발명에서 정의된 유형의 물결 모양을 직접 주조할 수 있다.
본 발명의 멤브레인 탱크의 특징적인 특성은 멤브레인의 과도한 응력을 유발하지 않고 상당한 열 수축 또는 팽창을 허용하는 물결 모양 기하 구조이다. 본 발명의 멤브레인 탱크의 또 다른 특징적인 특성은 현재 산업에서 제공되는 멤브레인 탱크에 일반적으로 사용되거나 가능한 것보다 물결 모양 사이의 거리가 더 길어도 이 목표를 달성할 수 있다는 것이다.
물결 모양의 주요 목표는 면내 열 수축/팽창을 보상하기 위해 멤브레인 평면에 유연성을 제공하는 것이며, 등방성 재료의 열 변형이 모든 방향에서 동일하기 때문에 필요한 유연성은 물결 모양의 규칙적인 체커 패턴으로 달성할 수 있다. 물결 모양은 어떤 형태의 채널형 기하 구조로 비교적 간단하게 만들 수 있다. 그러나 주요 문제는 물결 모양 채널의 교차 또는 교차점에서 발생한다. 채널 기하 구조의 직선적인 교차 연속은 교차점에서 변형이 완전히 "잠기게" 되기 때문이다. 그림 1은 오늘날 업계에서 일반적으로 사용되는 멤브레인 탱크 물결 모양의 예를 보여주며, 특히 액화천연가스(LNG) 저장용 대형 멤브레인 탱크와 관련이 있다. 이 경우 두 방향의 채널 높이가 다르다; 유연성에 대한 잠금은 교차점에서 채널의 상당한 굽힘과 접힘으로 달성된다. 이러한 물결 모양 기하 구조가 널리 사용되고 있지만 그 성능에 대해 몇 가지 중요한 우려사항이 있다. 고도로 접힌 판 기하 구조는 초기 플라스틱 성형 중 매우 심각한 소성 변형을 의미한다. 또한 날카로운 교차 접힘은 매우 강성이 높은 국부 영역과 응력 집중을 나타내며, 이러한 영역은 종종 "핫스팟"이라고 불린다. 이러한 지점에서의 높은 열 응력에 대한 우려와 함께, 추가적인 문제는 이러한 지점이 열 변화와 탱크 내 유체의 동적 운동으로 인한 가변 압력으로 인한 주기적 응력 중 피로에 특히 취약할 수 있다는 것이다. 본 발명은 물결 모양 채널 내에서, 그리고 가장 중요하게는 물결 모양 사이의 교차 영역에서 높은 국부 응력 집중 없이 높은 면내 유연성을 달성하는 방법을 제공한다. 본 발명은 체커 패턴의 자유 스팬에 걸쳐 함께 눌린 얇은 판이 자연스럽게 채택할 "좌굴 패턴"을 유도하기 위해 최소 잠재 에너지 개념을 활용하여 채널 및 교차 기하 구조의 기초를 두고 있다. 특히 자연스러운 탄성 좌굴 패턴은 멤브레인의 두 방향에서 강제된 균일한 수축 중 저장된 탄성 에너지가 최소가 되는 기하학적 형상을 나타낸다. 이는 또한 가능한 최저 응력과 응력의 부드러운 분포를 보장한다. 본 발명에 따른 기하학적 형상을 생성하는 방법에 대한 자세한 내용은 이후에 설명될 것이다.
설명한 바와 같이, 멤브레인은 물결 모양의 교차 패턴과 뚜렷한 물결 모양 사이의 멤브레인 구획으로 구성된다. 가장 간단한 경우, 평평한 물결 모양 멤브레인은 탱크의 평평한 바닥, 벽 및 천장 영역에 맞을 수 있다. 프리즘 형태의 탱크는 불가피하게 모서리 선과 뾰족한 모서리를 갖게 된다. 이 문제는 본 발명에서 물결 모양 사이의 멤브레인 구획을 일관되게 원통형 또는 구형 기하 구조로 형성함으로써 해결할 수 있다. 마찬가지로 외부 지지 구조가 원통형인 경우, 그 자체가 원통형인 경우, 1차 물결 모양 멤브레인은 물결 모양 사이의 구획이 이에 상응하게 원통형인 상태로 만들 수 있다. 원통형 탱크 벽과 바닥 또는 지붕 구획 사이의 결합 영역도 유사하게 물결 모양 사이의 구획이 곡선 또는 이중 곡선 형상으로 만들어지도록 형성될 수 있다. 원형 바닥 또는 천장 영역은 물결 모양의 교차 패턴으로 맞출 수 있다.
본 발명의 멤브레인 물결 모양의 부드러운 형상은 오늘날 가장 자주 사용되는 물결 모양 멤브레인에 비해 생산에서 상당한 이점을 제공한다. 특히 이중 접힘 기하 구조가 없고 매우 높은 소성 변형이 없다는 사실은 물결 모양의 생산을 크게 단순화하고 멤브레인 재료의 연성 요구 사항을 줄인다. 따라서 물결 모양의 제조는 주로 물결 모양 패턴을 스탬핑하는 것에 기초할 수 있으며, 물결 모양 사이의 평평한 부분은 면외 방향으로 구속되어 평평하게 유지되면서 성형 중 원치 않는 신장과 얇아짐을 피하기 위해 면내 운동을 허용한다. 물결 모양과 교차하는 물결 모양의 프레스 성형 또는 스탬핑은 코사인 또는 좌굴 형상으로 인해 용이해지는데, 이는 이중 접힘이 없고 날카로운 모서리가 없기 때문이다. 따라서 물결 모양과 교차하는 물결 모양은 원뿔형이며 성형 기계에서 쉽게 빠져나오고, 이 형상은 극저온 유체를 포함하는 작동 중뿐만 아니라 성형 중에도 변형을 최소화한다.
멤브레인이 탱크 내부에 저장된 유체를 완전히 둘러싸는 누설 방지 장벽을 제공하는 것이 필수적이다. 이는 멤브레인이 바닥, 측벽 및 지붕이 있는 완전한 밀폐를 제공해야 함을 의미한다. 멤브레인이 절연층에서 떨어지지 않는 것이 중요한데, 이는 동적 압력, 중력 및 변형 응력이 멤브레인의 분리와 손상을 초래할 수 있기 때문이다. 선택된 부착 수단은 주로 멤브레인과 절연층에 사용되는 재료의 유형에 따라 다르다. 일부 경우에는 적절한 접착제 접착 수단을 사용하는 것으로 충분할 수 있다. 그러나 멤브레인을 절연과 연결하는 기계적 수단도 바람직할 수 있다.
이러한 수단에는 절연의 실제 일관성과 절연의 외부 구조층에 따라 용접 부착, 잠금 장치, 앵커 볼트 또는 앵커 핀 등이 포함될 수 있다. 멤브레인은 일반적으로 다양한 유형의 배관, 계측기 및 가능한 맨홀 접근을 위한 개구부를 가질 것이다. 이러한 연결은 탱크 돔 내에 위치할 수 있다. 어떤 경우든, 멤브레인의 이러한 모든 개구부는 누설 방지되어야 하며 열 변형을 고려하는 방식으로 설계되어야 한다.
본 발명의 목적은 멤브레인 외부의 많은 유형의 열 절연에 적용 가능하도록 하는 것이다. 열 절연의 사용이 본 발명의 일부이지만 이는 특정 절연 설계로 제한되지 않는다. 따라서 펄라이트와 같은 다공성 입자, 섬유 및 발포 유형 절연 재료를 포함하는 강화된 절연 시스템은 강화 섬유의 유무에 관계없이 본 발명에 적용 가능하다. 이는 또한 합판 유형 구조물이나 유리 섬유 강화 판금과 같은 강화 판금이 있는 박스 요소를 포함하는 절연 시스템을 포함한다.
유체 밀폐되고 저장된 유체를 포함하는 멤브레인은 노출되는 온도 범위에 적합하고 충분한 변형성을 가진 재료로 만들어지며, 예를 들어 AISI 304 또는 -304L와 같은 오스테나이트계 스테인리스강, 기타 오스테나이트계 스테인리스강, 또는 니켈 오스테나이트계 강 합금이 있다. 낮은 열팽창 계수보다는 입증된 좋은 용접성과 더 낮은 비용이 선호될 수 있으며, 예를 들어 스테인리스강 AISI 304L 또는 -304가 그렇다.
국제 가스 코드는 멤브레인 탱크에 대해 2차 누설 장벽을 포함하도록 요구하여 선박의 화물실과 같은 외부 하중 지지 구조를 1차 멤브레인을 통한 극저온 유체 누설의 경우 극저온 유체 누설로부터 보호한다. 2차 멤브레인에 대해 다양한 솔루션이 가능한데, 예를 들어 물결 모양 멤브레인, 온도에 민감하지 않은 인바(34% Ni)로 만든 평평한 멤브레인, 또는 "Triplex"와 같은 직조 섬유 직물이 있는 복합 재료로 만든 단층 또는 이중층 유연 멤브레인이 있다. 또 다른 대안은 본 발명에서 정의한 기하 구조에 따라 형성된 물결 모양 멤브레인을 사용하는 것이다. 2차 멤브레인은 일반적으로 더 적은 하중과 변형을 받기 때문에 물결 모양의 진폭이 더 작고 멤브레인 두께가 1차 멤브레인보다 더 얇을 수 있다.
공기나 다른 기체가 본질적으로 없는 진공이 우수한 열 절연을 제공한다는 것이 인식되고 있다. 본 발명의 주요 실시예는 현재 유형의 누설 방지 멤브레인을 1차 및 2차 멤브레인 모두에 사용하고 그 사이의 층에서 공기를 제거하여 멤브레인 탱크와 관련하여 진공 절연을 사용한다. 여기서 진공이란 내부 기체, 일반적으로 공기가 실질적으로 가능한 정도로 배출되어 극도로 낮은 내부 압력과 거의 진공 상태를 의미하며, 예를 들어 0.01, 0.001 또는 0.0001 대기압 또는 그 이하이다. 이 경우 두 멤브레인 층 사이의 공간은 유체로부터의 압력(진공 층 외부의 대기 과압 포함)을 견딜 수 있는 충분한 구조적 강도를 가진 지지 다공성 또는 섬유성 층으로 채워져야 한다. 이 층은 층 내에 갇힌 공기를 펌핑하여 진공 상태로 만들기에 적합해야 한다. 2차 멤브레인 외부에 추가 절연을 사용할 수 있다. 이 솔루션의 흥미로운 응용은 멤브레인 탱크가 액체 수소 및 액체 헬륨과 같은 극도로 낮은 온도의 유체를 저장하는 데 사용될 수 있다는 것이다. 액체 수소 또는 액체 헬륨 저장을 위한 본 발명의 멤브레인 탱크의 경우, 진공 층에 의해 생성된 온도 차이는 저장된 유체의 온도와 공기의 응축 온도 사이의 온도 차이보다 커야 한다. 2차 멤브레인 외부의 절연은 기존의 공기가 채워진 유형일 수 있으며 외부 공기나 지지 구조에 대해 적절한 절연을 보장하기 위해 충분한 강도와 두께를 가질 수 있거나, 가능하거나 바람직하게는 진공 절연일 수도 있다.
본 발명의 목적은 선박, 플랫폼, 육상 저장, 지하 저장 내부에 위치한 극저온 유체용 연료 및 화물 탱크를 포함하여 가능한 가장 넓은 범위의 응용 분야에 대한 멤브레인 탱크 솔루션을 제공하는 것이다. 실제 지지 구조의 설계는 탱크에 저장된 유체의 무게, 절연 시스템의 무게, 탱크 내부의 유체로부터 전달되는 정적 및 동적 압력을 견딜 수 있어야 한다. 지지 구조 설계의 다양성은 본 발명의 필수적인 부분이며, 본 발명은 대부분의 유형의 구조적 외부 탱크 솔루션과 함께 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 주변 온도와 상당히 다를 수 있는 온도에서 유체를 격납하기 위한 멤브레인 탱크를 제공하며, 예를 들어 극저온 유체를 포함하기 위한 것으로, 상기 멤브레인 탱크는 내부 격납 용적으로부터 다음을 포함한다:
유체 밀폐되고, 작동 시 포함된 유체와 접하며 1차 유체 장벽으로 기능하는 1차 멤브레인,
상기 멤브레인을 외부에서 둘러싸는 절연층,
선체 또는 격벽 또는 기타 구조와 같은 외부 구조로서, 상기 외부 구조가 내부의 절연층 및 1차 멤브레인을 지지하고 그에 따른 결과적인 힘을 지지하는 외부 구조,
유체의 적재 및 하역을 위한 하나 이상의 개구부, 및
외부 구조가 극저온에서 취성이 되는 강철 구조인 경우, 예를 들어 선체 외부 구조와 같은 경우에 사용되는 선택적인 2차 멤브레인으로, 상기 2차 멤브레인은 절연층을 1차 및 2차 멤브레인 사이의 내부 절연과 2차 멤브레인과 외부 구조 사이의 외부 절연으로 나누는 것,
여기서, 상기 1차 멤브레인은 평평한, 곡선 또는 이중 곡선 형상의 영역과 상기 영역들 사이의 물결 모양을 포함하며, 상기 영역들은 하부의 절연에 고정되고 상기 물결 모양은 열 유발 변형을 흡수하는 것을 특징으로 하며, 상기 멤브레인 탱크는 물결 모양이 단면에서 볼 때 코사인 함수 또는 자연 좌굴 함수의 형상을 가지는 것을 특징으로 하며, 이는 극저온 유체를 적재할 때 탱크를 냉각함으로써 열 유발 수축에 의해 물결 모양에 저장되는 탄성 에너지가 최소화되어, 상기 열 수축에 의해 물결 모양에 오직 탄성 응력만이 발생하는 결과를 가져오는 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게는, 교차하는 물결 모양의 형상은 물결 모양의 중첩된 형상을 따르며, 날카로운 굽힘이나 모서리가 없고 이중 접힘이 없어 단순한 다이 성형을 가능하게 하며, 바람직하게는 형상이 정확하거나 어느 지점에서든 완벽한 코사인 함수 또는 좌굴 함수 진폭의 5%, 3%, 2% 또는 1% 미만의 허용 가능한 기하학적 편차 내에 있으며, 바람직하게는 멤브레인을 ΔT만큼 냉각할 때의 실제 신장 Δe 및 Δf는, 주변 온도에서의 초기 물결 모양 간격 e 및 f에 대해, 여기서 c 및 d는 각각의 물결 모양 사이의 치수인 경우, 다음과 같다:
Δe = e_T - e = c - c_T = - c α ΔT, 및 Δf = f_T - f = - d α ΔT
여기서, α는 멤브레인에 대한 열팽창의 할선 탄성 계수(coefficient)이며,
그리고 바람직하게는, 멤브레인 탱크는 절연층에 절연 블록을 포함하며, 상기 블록은 내부의 평평한, 곡선 또는 이중 곡선의 1차 멤브레인 영역의 치수와 형상에 맞고 바람직하게는 절연 블록이 결합되는 곳 위 또는 내부에 물결 모양과 교차하는 물결 모양이 있는 1차 멤브레인 구획으로 덮여 있으며, 절연 블록 결합 교차점이 1차 멤브레인 구획의 중심 또는 그 근처의 물결 모양 교차점 아래에 있고, 상기 블록들이 나란히 배열되며, 주변 온도에서 배열된 블록들은 극저온 또는 차가운 유체 격납을 위한 탱크의 경우 바람직하게는 접촉하고 있으며, 바람직하게는 냉각 시 열 방사를 줄이기 위한 홈과 노치가 있지만 따뜻한 유체 격납을 위해서는 바람직하게는 블록 사이에 Δe 또는 Δf의 간격이 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 멤브레인 탱크를 건설하는 방법을 제공하며, 다음 단계를 포함한다:
절연층을 건설하는 단계로서, 상기 절연층은 외부 구조의 내측에 배치되며, 상기 외부 구조는 선체 또는 격벽 또는 육상 또는 해상의 기타 하중 지지 구조와 같은 것으로 절연을 외부에서 둘러싸는 단계,
유체의 적재 및 하역을 위한 하나 이상의 개구부를 건설하거나 배치하는 단계,
절연 표면에 유체 밀폐된 1차 멤브레인을 건설하고 배치하는 단계로서, 상기 외부 구조가 내부 절연 및 1차 멤브레인을 지지하고 그에 따른 결과적인 힘을 지지하며, 상기 멤브레인은 예를 들어 극저온 유체를 포함하는 단계로서, 상기 멤브레인은 평평한, 곡선 또는 이중 곡선 형상의 영역을 포함하며, 상기 영역들은 하부의 절연에 고정되고, 상기 멤브레인은 열 유발 변형을 흡수하기 위해 상기 영역들 사이에 추가적으로 물결 모양을 포함하는 단계,
상기 방법은 멤브레인이 평평한, 곡선 또는 이중 곡선 형상의 영역들 사이에 물결 모양으로 성형되며, 상기 영역들은 하부의 절연에 고정되고, 상기 물결 모양은 단면에서 볼 때 코사인 함수 또는 좌굴 함수의 형상을 가지며, 여기서 성형 중뿐만 아니라 극저온 유체를 적재할 때 탱크를 냉각함으로써 물결 모양의 열 유발 신장에 의해 물결 모양에 저장되는 탄성 에너지가 최소화되어, 상기 신장에 의해 물결 모양에 최소의 응력이 발생하는 것을 특징으로 하며,
바람직하게는 멤브레인 탱크는 절연층에 절연 블록을 포함하도록 건설되며, 상기 블록은 내부의 평평한, 곡선 또는 이중 곡선의 1차 멤브레인 영역의 치수와 형상에 맞고 바람직하게는 절연 블록이 결합되는 곳 위 또는 내부에 물결 모양과 교차하는 물결 모양이 있는 1차 멤브레인 구획으로 덮여 있으며, 절연 블록 결합 교차점이 1차 멤브레인 구획의 중심 또는 그 근처의 물결 모양 교차점 아래에 있고, 상기 블록들이 나란히 배열되며, 주변 온도에서 배열된 블록들은 극저온 또는 차가운 유체 격납을 위한 탱크의 경우 바람직하게는 접촉하고 있으며, 바람직하게는 냉각 시 열 방사를 줄이기 위한 홈과 노치가 있지만 따뜻한 유체 격납을 위해서는 바람직하게는 블록 사이에 Δe 또는 Δf의 간격이 있다. 감소된 응력과 변형 및 용이한 건설이 그 결과이다.
본 발명의 전형적인 멤브레인 탱크는 선박의 LH2, LNG 및 기타 극저온 또는 차가운 액체 운송용 탱크로, 선체 구조와 가능한 추가적인 내부 구조물(예: 격벽)이 외부 하중 지지 구조이다. 본 발명의 다른 전형적인 멤브레인 탱크는 고정식 저장 탱크로, 콘크리트 탱크나 지상에 서 있거나 지하에 묻혀 있거나 동굴과 같은 지하에 배치된 금속 탱크이며, 여기서 콘크리트, 금속, 기타 구조물 또는 주변 동굴 구조가 외부 하중 지지 구조이거나 그 일부이다. 많은 바람직한 멤브레인 탱크 실시예의 경우, 절연은 개방 기공을 가진 폼(예: PU-폴리우레탄)을 포함하며, 이는 강하고 동시에 진공에 좋으며, 바람직하게는 블록 형태로 성형되고, 바람직하게는 1차 멤브레인을 향하는 홈이 있어 설치 시 더 쉬운 진공 처리를 위한 채널을 형성한다.
도 1은 본 발명에 따르지 않은, 현재 많은 열 절연 멤브레인 탱크에서 사용되는 물결 모양 패턴을 도시한다.
도 2는 선박 선체 내부의 멤브레인 화물 탱크를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 멤브레인 탱크를 도시하며, 외향 및 내향 물결 모양과 두 층의 절연을 가진다.
도 4는 본 발명에 따른 멤브레인 탱크를 도시하며, 하나의 진공 절연층과 하나의 기존 열 절연층을 가진다.
도 5는 변형이 주로 물결 모양의 격자에 의해 처리되는 멤브레인 층의 열 수축을 도시한다.
도 6은 주요 응력 집중 없이 저에너지 물결 모양 기하 구조를 생성하는 원리를 도시한다.
도 7은 물결 모양의 교차를 위한 저에너지 멤브레인 기하 구조의 추가 확장을 도시한다.
도 8은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 물결 모양 교차 시 멤브레인 기하 구조를 유도하는 방법을 도시한다.
도 9는 컴퓨터 시뮬레이션 및 컴퓨터 그래픽으로 생성된 멤브레인 물결 모양 기하 구조의 예를 보여준다.
도 10은 본 발명을 다양한 탱크 기하 구조에 적용한 예를 제공한다.
도 11은 다중 물결 모양을 가진 멤브레인 구획을 제작하는 방법을 도시한다.
열 절연 다중 장벽 시스템 내의 열 수축 또는 팽창 문제는 종종 어떤 형태의 기하학적 물결 모양을 사용하여 처리되는데, 이를 통해 유연한 멤브레인 장벽이 절연의 다른 면에서의 온도 변화로 인해 발생하는 변형을 허용한다. 다른 열 조건과 변형을 처리하는 전형적인 예는 현재 액화천연가스(LNG)와 같은 냉각 또는 극저온 유체 저장용 열 절연 탱크에 사용되는 설계이다. 선박에 탑재된 LNG용 멤브레인 유형 화물 탱크의 경우, 선박 구조 자체가 하중 지지 지지 구조를 제공하는 반면, 극저온 유체는 충분한 열 절연 용량과 강도를 가진 열 절연층과 내부 유체에 대한 누설 방지 멤브레인에 의해 이 구조로부터 절연되고 분리된다. 규정에 따라 안전상의 이유로 절연층 내부에 2차 누설 방지 장벽이 필요할 수도 있다. 차가운 유체에 대한 멤브레인 장벽이 상당히 열 수축하는 반면 탱크 구조는 선박의 일부로서 수축하지 않을 때 기본적인 문제가 발생한다. 주요 열 수축이 있을 경우 평평한 멤브레인은 분명히 열 수축과 변형으로 인해 파손되거나 느슨해질 것이다. 이 문제는 일반적으로 처음에 평평한 멤브레인에 기하학적 물결 모양을 제공하여 물결 모양 영역이 굽힘과 신장을 통해 수축을 보상하도록 함으로써 해결된다. 이 문제를 어렵게 만드는 것은 열 수축이 자연스럽게 멤브레인의 양방향으로 발생한다는 것인데, 이는 물결 모양도 일반적으로 서로 수직인 두 방향으로 배향되어야 함을 요구한다. 결과적으로 물결 모양의 격자에는 물결 모양의 교차가 포함된다. 이는 물결 모양이 교차점을 통해 중단 없이 계속될 수 없고, 이차원 수축을 완전히 가능하게 하기 위해 이러한 교차점에서 "깨져야" 함을 필요로 한다. 도 1은 현재 기술에 의해 물결 모양 교차 문제가 해결된 전형적인 예를 보여준다. 기본 멤브레인 평면 10 외에도 한 방향의 물결 모양 채널 11과 수직 방향의 다소 더 큰 물결 모양 채널 12가 있다. 교차하는 물결 모양의 "깨짐"은 두 물결 모양의 길이 방향에 수직인 접힘 또는 "매듭" 13과 14를 만들어 각 물결 모양이 자체 길이 방향으로도 수축할 수 있도록 함으로써 이루어진다. 물결 모양에 여러 개의 상당히 날카로운 굽힘이 있어 물결 모양 패턴의 기하학적 형성 중 상당한 국부적 소성 변형이 발생함을 알 수 있다. 분명히 작동 중 멤브레인의 실제 열 수축으로 인해 추가적인 열 발생 응력이 발생할 것이다. 이중으로 접힌 매듭이 있는 이중 채널 기하 구조는 매우 강성이 높은 구조적 영역을 의미하며, 이는 일반적으로 강한 응력 집중 또는 "핫스팟"을 야기한다. 이러한 응력 집중은 멤브레인에 사용된 특정 재료에 대해 일반적으로 허용되는 응력 수준을 초과하는 과도하게 높은 응력을 야기할 수 있다. 본 발명은 열 수축 중 저장된 변형 에너지를 최소화하는 원리에 기반하여 상당히 다른 유형의 물결 모양 및 교차 기하 구조를 정의하며, 이는 냉각 또는 가열 중 탄성 및 소성 변형을 크게 감소시킨다. 및/또는 본 발명은 완전히 확장 가능한 진공 절연에 기반한다. 이는 또한 열 또는 기계적 주기 동안 피로 손상에 관해서도 유익한 결과를 가져온다.
도 2는 멤브레인 탱크의 일반적인 원리를 도시한다. 멤브레인은 그 자체로는 거의 구조적 강도가 없기 때문에, 멤브레인은 탱크 내부의 액체상 유체와 기체상 유체로부터 전달되는 모든 정적 및 동적 압력을 지지하는 하중 지지 격납 구조물에 의해 지지되어야 한다. 도 2에서 이는 선박 내부의 화물 탱크에 대해 도시되어 있으며, 여기서 선체 20과 화물창 21이 유체 형태의 액체 22와 기체 23으로부터의 압력을 견딜 수 있는 완전하고 충분히 강한 탱크 밀폐를 제공한다.
탱크가 주변 구조물과 완전히 다른 온도의 유체, 즉 매우 뜨겁거나 고도로 냉각된 유체를 보유할 수 있어야 한다는 점을 고려하면, 유체를 밀폐 구조물로부터 적절한 열 절연층 24로 분리하는 것이 필요하다. 분명히, 유체는 누설 방지 장벽 내에 포함되어야 하며, 여기서는 비교적 얇고 유연한 멤브레인 25이다. 따라서 멤브레인 25는 포함된 유체에 대한 1차 장벽이며 포함된 유체의 온도를 갖게 된다. 절연 유형과 멤브레인의 특성에 대한 추가 참조는 나중에 제공될 것이다. 그림은 또한 탱크의 충전과 비우기 목적으로 외부로 연장되는 파이프 26과 27이 있는 개구부를 나타낸다. 탱크는 일반적으로 검사를 위한 인간 접근용 개구부와 모니터링, 계측 및 내부 펌프를 위한 다양한 형태의 케이블링을 위한 개구부를 포함할 것이다. 그림의 탱크는 LNG 화물 탱크와 같은 선박 내부 멤브레인 탱크의 전형적인 형태를 반영한다. 그러나 본 발명의 멤브레인 탱크를 위한 지지 구조는 원통형이나 상자형과 같은 매우 다른 형태를 가질 수 있으며, 해양 구조물이나 육상에 위치할 수 있다. 본 발명의 멤브레인 탱크는 이러한 경우에도 동등하게 잘 적용된다.
도 3a는 절연과 함께 본 발명의 1차 멤브레인 층을 더 자세히 보여준다. 여기서 멤브레인 25는 하부 절연과 완전히 연결된 부드러운 부분 30으로 특징지어지며, 따라서 외부 탱크 21의 기하학적 구조에 따라 평평하거나, 원통형이거나, 둥근 모서리와 같이 이중 곡선이다. 유체가 고도로 냉각되었다고 가정하면, 멤브레인 구획은 설치된 멤브레인의 제조 온도와 작동 중 저장된 유체의 온도 사이의 온도 차이에 따라 수축할 것이다. 이러한 수축은 그림에서 이중 화살표로 표시되어 있다. 연속적으로 부드러운 멤브레인은 강성이 높은 외부 하중 지지 구조가 수축을 완전히 저항하고 구속된 멤브레인의 열 변형이 멤브레인 자체에 의해 처리되어야 하기 때문에 쉽게 파손될 수 있으며, 이는 멤브레인을 파손시키지 않고 가능해야 하며 박리 및 분리와 같은 다른 형태의 손상으로 이어질 수 있다. 이 문제를 해결하는 방법은 돌출 구획 31로 도시된 것처럼 멤브레인을 개별적으로 굽은 물결 모양으로 성형하는 것이다. 따라서 부드러운 구획 30의 수축은 물결 모양 31의 신장과 굽힘으로 처리될 수 있다. 물결 모양의 굽힘 응력을 허용 가능한 낮은 수준으로 유지하기 위해 멤브레인이 얇은 것이 바람직하다. 그러나 멤브레인의 두께는 자유 스팬 물결 모양에 가해지는 유체 압력을 견딜 수 있을 만큼 충분히 두꺼워야 한다.
그림은 또한 열 절연이 1차 절연층 32와 2차 절연층 34로 구성될 수 있으며, 이들은 2차 누설 방지 멤브레인 33에 의해 분리되어 있음을 보여준다. 절연층에 사용되는 주요 절연 재료는 일반적으로 추가적인 섬유 보강이 있거나 없는 폴리우레탄 폼과 같은 절연 폼이다. 섬유 절연 및 펄라이트 조약돌과 같은 더 약한 유형의 절연 재료도 사용될 수 있다. 따라서 탱크 내부의 유체로부터의 압력을 지지 구조 20, 21로 전달하기 위해 합판 또는 기타 적절한 강화 재료로 만든 상자형 하중 지지 요소로 절연층을 강화할 필요가 있을 수 있다. 절연층을 위한 기술적 솔루션은 기존의 산업 관행에서 알려져 있으며 쉽게 이용 가능하다.
2차 멤브레인 33은 1차 멤브레인 30을 통해 누설이 있을 경우 매우 차가운 유체에 노출되는 것으로부터 주변 구조 20을 보호하기 위한 안전 조치이다. 2차 멤브레인을 갖는 것은 LNG 멤브레인 탱크에 대한 코드에서 일반적으로 요구되는 안전 조치이다. 그림은 물결 모양이 없는 2차 멤브레인을 보여준다. 이는 인바와 같은 열 수축에 민감하지 않아 수축하지 않는 재료로 만들 수 있다. 또는 멤브레인 자체가 Triplex 멤브레인과 같은 일종의 직조 재료로 만들어져 충분한 탄성을 가지면서 동시에 누설 방지되도록 할 수 있다. 나중에 보여질 것처럼, 2차 멤브레인도 1차 멤브레인처럼 물결 모양으로 만들 수 있다. 1차 멤브레인은 절연층에 부착되어 위치를 유지해야 한다. 이를 위해 다양한 방법이 있으며, 접착제를 포함할 수 있는 다양한 형태의 기계적 부착 방법이 있다.
도 3b는 본 발명의 물결 모양 35가 탱크 내부로 향하는 대신 절연 쪽으로 향하는 대안을 보여준다. 이 실시예의 물결 모양도 물결 모양의 굽힘과 신장에 의해 열 수축을 동등하게 수용할 수 있으며, 차이점은 유체 압력이 "아치" 형 기하 구조 대신 "서스펜션" 형 기하 구조에 작용한다는 것이다. 또한 그림에서 1차 절연층에 물결 모양이 절연층으로 들어가는 것을 수용하기 위한 홈 36이 있음을 볼 수 있다. 도 3a와 3b에 나타난 대안 중 선택할 때 고려해야 할 점은 3a 유형의 구획과 물결 모양을 용접하는 것이 절연층으로 들어가는 물결 모양에 비해 더 쉽다는 것이다.
본 혁신의 목적은 다양한 유형의 열 절연 시스템에 적용 가능하도록 하는 것이다. 한 가지 대안적인 절연 유형은 진공 절연으로, 이는 진공 절연층의 공기나 기체를 매우 큰 정도로 제거하여 대기압의 작은 분율로 만드는 원리에 기반하며, 이를 통해 층을 통한 전도와 대류에 의한 열 전달을 효과적으로 감소시킨다. 또한 진공 절연은 -253°C(20도 K)에서 액체 수소를 저장하기 위한 유일한 실용적인 절연 유형이라는 점이 중요한데, 이는 공기나 다른 기체로 채워진 다공성 또는 섬유성 절연이 그러한 온도에서 빠르게 액화되고 심지어 고체화되어 절연층이 열 절연 능력을 잃게 되기 때문이다.
도 4는 본 발명에 진공 절연층을 구현하는 방법을 보여준다. 절연 시스템은 진공 절연층 40과 일반적인 다공성 또는 섬유성 유형의 열 절연이 있는 절연층 41의 두 층으로 구성된다. 이 층들은 외부로부터 진공층으로 공기가 누출되지 않도록 하는 누설 방지 멤브레인 42에 의해 분리된다. 탱크에 액체 수소를 저장하는 경우, 이 층들의 두께는 2차 멤브레인 42 옆의 두 번째 층 41의 온도가 공기의 액화 온도 이상으로 유지되도록 균형을 이루어야 한다. 모든 응용에서 진공 절연의 사용은 원하는 열 절연 특성을 달성하는 효과적이고 공간 절약적인 방법일 수 있다. 모든 경우에 2차 멤브레인 42도 상당한 냉각을 받아 상당한 수축을 겪게 될 것이 분명하다. 1차 멤브레인 30의 경우와 마찬가지로 열 수축으로 인한 2차 멤브레인의 과도한 응력을 피하는 것이 중요하다. 이는 멤브레인 42가 냉각될 때 굽히고 늘어날 수 있는 물결 모양 43을 적용함으로써 쉽게 해결된다. 본 발명에서 제공하는 1차 멤브레인에 사용되는 물결 모양 기하 구조 31은 2차 멤브레인에도 동등하게 잘 적용될 수 있다. 냉각과 열 수축이 1차 멤브레인보다 다소 적을 것이라는 사실은 2차 멤브레인의 물결 모양 43의 진폭을 다소 작게 사용할 수 있게 한다. 두 멤브레인 층 사이의 공간은 저장된 유체로부터의 압력뿐만 아니라 진공으로 인한 추가적인 압축(흡입, 약 1기압의 추가 압축)을 받는다. 따라서 두 멤브레인 층 사이의 공간은 충분한 압축 강성과 강도를 가진 다공성 또는 섬유성 재료 44로 결과적인 압축을 안전하게 견뎌야 한다. 이 간격 재료에는 앞서 도 3과 관련하여 언급한 판 강화와 같은 강화 시스템이 포함될 수 있다. 도 4는 또한 두 물결 모양 층 31과 43 사이의 개구부로 표시된 지지 재료 영역 사이에 열린 공간 45가 있을 수 있음을 나타낸다. 이 개구부 45는 내부 탱크 24, 25 주변의 전체 진공 밀폐를 span하는 "운하" 시스템을 제공한다. 이 운하 네트워크는 두 멤브레인 사이의 공간을 효율적으로 진공화하는 과정에 매우 유용하다. 분명히 지지층 44도 이 운하 45를 통해 공기가 제거되어야 한다.
쉽게 이해할 수 있듯이, 진공 절연층에 대한 대안으로 도 3b에 나타난 것과 같이 1차 멤브레인에 대해 도 3a와 도 4에 나타난 것과 같은 방향으로 물결 모양을 배향하는 대신 절연 물결 모양을 사용하는 것이 가능하다.
본 유형의 물결 모양 진공 절연층은 본 발명의 멤브레인 탱크 내 액체 수소 저장 외에도 많은 다른 유형의 유체 저장을 위한 효과적인 열 절연 수단으로도 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 작동 방식을 더 자세히 설명한다. 도 5a는 탱크가 차가운 유체로 채워지기 전에 장착된 3x3 패턴의 멤브레인 물결 모양 구획을 보여준다. 특히, 본 발명의 멤브레인 탱크는 뜨거운 유체에 대해서도 동등하게 잘 작동하지만, 이는 열 변형의 부호가 다음에 설명하는 것과 반대가 될 것이라는 점을 이해하면 되므로 여기서 반복해서 언급하지 않는다. 선 50은 냉각이 일어나기 전 1차 멤브레인 표면의 물결 모양에 대한 시스템 선 패턴을 나타낸다. 시스템 선 사이의 거리는 한 방향으로 "a"이고 다른 방향으로 "b"이며, 대부분의 경우 두 거리는 같을 것이다. 그림은 또한 물결 모양 사이의 부드러운 멤브레인 영역 51과 냉각 전 블록 사이에 위치한 음영 처리된 물결 모양 패턴 52(내향 또는 외향 방향)를 보여준다. 멤브레인의 부드러운 부분 51은 도 3a의 30에 해당하며, 음영 처리된 영역 52는 물결 모양 31에 해당하지만, 51은 교차하는 물결 모양 사이의 교차 부분도 포함한다는 차이가 있다. 멤브레인과 아래 절연 지지대 사이의 접촉 영역의 크기는 한 방향으로 c이고 다른 방향으로 d이다. 따라서 냉각 전 물결 모양 스팬은 한 방향으로 e = a - c이고 다른 방향으로 f = b - d이다.
도 5b는 열 냉각이 일어난 후의 상황을 보여주며, 내부의 균일한 열 수축 변형 ε_T가 멤브레인의 모든 방향에서 동일하다. 이 수축은 멤브레인의 평평한 부분이 어떻게 수축하는지 보여주는 화살표로 그림에 나타나 있다. 그러나 1차 멤브레인의 시스템 선 50 사이의 거리는 여전히 같은 위치에 있는데, 이는 멤브레인 탱크가 탱크 내 차가운 유체로 인해 냉각되지 않는 외부 지지 구조 20, 21에 의해 완전히 고정되어 있기 때문이다. 멤브레인이 수축하고 시스템 선이 움직이지 않기 때문에, 열 수축은 유연한 물결 모양 52의 굽힘과 신장으로 보상되어야 하며, 부드러운 부분 51은 적용된 온도 변화와 멤브레인 재료의 열 특성에 따라 수축한다. 열 변형 ε_T와 멤브레인의 부드러운 부분의 실제 수축은 탱크 냉각 후의 온도 변화 ΔT와 멤브레인의 할선 탄성 계수(계수) α에 따라 달라지므로 다음과 같다:
c_T = c (1 + ε_T) = c (1 + α ΔT), 및 d_T = d (1 + α ΔT) …(1)
여기서 ΔT는 냉각을 고려할 때 음수이며, 액화천연가스의 경우 -163°C, 액체 수소의 경우 -253°C를 냉각 전 초기 온도 20°C와 관련하여 고려한다. 물결 모양 사이의 부드러운 구획이 수축한다는 것은 물결 모양의 스팬이 늘어날 것임을 의미한다:
e_T = a - c_T, 및 f_T = b - d_T …(2)
여기서 물결 모양의 실제 기계적 신장은 다음과 같다:
Δe = e_T - e = c - c_T = - c α ΔT, 및 Δf = f_T - f = - d α ΔT
…(3)
음수 ΔT가 신장 Δe와 Δf에 대해 양수 값을 제공한다는 점에 유의하라. 이는 도 5b에서 물결 모양 영역의 크기 증가로 나타난다. 멤브레인의 두께와 a, b, c, d와 같은 기하학적 매개변수, 그리고 물결 모양의 크기와 형상은 특정 응용의 실제 조건과 허용 가능한 변형 응력 및 변형에 대한 요구 사항에 따라 선택된다. 물결 모양 사이의 거리 a와 b를 더 크게 하면 물결 모양이 적어지고, 용접이 적어지며, 더 저렴한 솔루션이 된다. 수치 시뮬레이션은 본 발명에서 물결 모양 사이의 거리가 1 m 이상이 가능함을 보여주는데, 이는 도 1에 나타난 물결 모양에 대해 약 0.2 m가 일반적인 현재의 일반적인 멤브레인 탱크 설계에 비해 상당히 더 큰 거리이다.
도 4에서 보여진 것처럼 2차 멤브레인 42, 43도 본 발명에 따른 물결 모양 멤브레인으로 구현될 수 있다. 1차 절연층 44는 본 발명의 실시예에 따라 기존의 열 절연이거나 진공 절연일 수 있다. 2차 멤브레인의 온도 변화 ΔT는 1차 멤브레인보다 적을 것이며, 따라서 열 수축/팽창도 적을 것이다. 따라서 2차 멤브레인의 물결 모양 진폭은 1차 멤브레인의 물결 모양 진폭보다 다소 작을 수 있다.
지금까지의 설명은 열 수축이 물결 모양의 유연성으로 처리될 것이라고 언급했다. 따라서 목표는 제작 중 소성 변형과 냉각(또는 가열)에 의해 신장될 때 발생하는 유연성과 최소 응력의 조합을 고려하여 최상의 성능을 가진 물결 모양 기하 구조를 확립하는 것이다. 역학의 기본 원리에 따르면 선형 탄성체는 변형 중 축적된 총 탄성 에너지(에너지의 적분)가 최소가 되는 방식으로 항상 변형된다(최소 위치 에너지 원리). 따라서 첫 번째 단계는 열 변형으로 인해 스팬 e와 f를 가진 물결 모양 채널이 변할 때 최소 위치 에너지 기하 구조를 나타내는 물결 모양 채널의 초기 기하 구조를 확립하는 것이다(도 5a 참조).
알려진 바와 같이, 축방향 하중을 받거나 이와 동등하게 강제 단부 단축을 받는 고정된 보 또는 판 띠는 정확히 수학적 "코사인" 함수로 정의되는 기하학적 형상으로 좌굴된다. 이 해는 안정성 문제에 대한 최소 위치 에너지 원리를 사용하여 보 방정식에서 유도될 수 있다. 따라서 코사인 함수는 좌굴 중 고정된 보 또는 판 띠 내에서 가능한 가장 작은 응력 축적을 제공하는 형상을 나타낸다. 특히, 코사인 함수는 멤브레인 물결 모양에 대해서도 선호되는 기하 구조인데, 이는 폭 e와 f를 가진 얇은 판 띠의 좌굴 또는 압축에 대해서도 최소 에너지 조건을 나타내기 때문이다. 도 6a는 고정된 측면 61을 가진 얇은 탄성 판 60이 단부 하중 62를 받는 것을 보여준다. 고정된 단부 조건은 절연층에 의해 지지되는 평평한 멤브레인 영역으로의 전이에 해당한다.
도 6b는 또한 단부 64에서의 유한 변위 Δ의 결과로 나타나는 탄성 좌굴 형상 63을 보여준다. 작은 변위를 가정하면, 힘 하중 62와 강제 변위 64 모두에 대한 좌굴 형상은 정확한 코사인 함수이다. 코사인 함수가 무한소 변형에만 적용되지만 물결 모양의 정의된 최상점인 "정점" 67에 의해 정의되는 모든 물결 모양 스팬 65와 진폭 66에 대해 쉽게 스케일링될 수 있다. 수치 시뮬레이션 연구는 스케일 업된 코사인 함수가 초기 물결 모양 기하 구조의 정의로 매우 잘 작동함을 확인했다. 특히, 코사인 형상은 매우 부드러운 곡률 변화를 제공하며 제작 시 물결 모양의 소성 성형 중 중간 또는 최소의 소성 변형을 제공한다. 한 걸음 더 나아가, 물결 모양에 대한 좌굴 형상 사용 원리는 비선형 대변위 효과를 고려한 더 고급 좌굴 형상을 활용함으로써 쉽게 확장될 수 있다. 단순한 코사인 함수를 사용하는 대신 선호되는 형상은 대변위 효과를 고려한 판 좌굴의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 생성될 수 있다. 이러한 형상들이 작은 변형 코사인 함수보다 더 나은 성능을 보이는 것으로 나타났다. 대변위 좌굴 형상도 원하는 스팬 65와 물결 모양의 진폭 66에 따라 스케일링될 수 있다. 따라서 도 6b는 초기 물결 모양 기하 구조에 대한 비선형 이론 좌굴 형상을 나타내는 것으로도 볼 수 있는 기하 구조를 보여준다.
도 6c는 측면 압력 q, 68로 인한 기하 구조 변화를 고려하여 물결 모양 형상을 생성할 수도 있음을 보여준다. 선형 탄성 이론에서 균일한 측면 압력을 받는 고정된 보의 변형 형상은 최대 진폭 69를 가진 4차 다항식으로 주어진다. 열 변형 없이 순수한 탱크 내 압력만 있는 경우, 이는 물결 모양 기하 구조에 대한 좋은 선택일 것이다. 그러나 열 변형이 지배적인 멤브레인 탱크의 경우, 물결 모양에 대한 압력 효과는 이차적이며 무시될 수 있다. 실제 열 변형 대 압력 변형의 비율에 따라, 물결 모양에 대한 코사인 좌굴 형상에 실제 압력에 따른 압력 다항식을 추가하는 것도 가능하다. 마찬가지로, 대변위 효과와 올바르게 적용된 압력 하중을 모두 고려하는 대변위 컴퓨터 시뮬레이션 형상을 사용하여 여기서 설명한 방법에 따라 원하는 진폭 66을 가진 고급 변형 형상 63을 생성하는 것도 가능하다.
물결 모양 채널의 직선 부분에 대해 정의된 기하 구조의 단순한 확장을 도 5에 나타난 물결 모양 채널의 교차에 수정 없이 적용할 수 없다는 특별한 과제가 발생한다. 그 이유는 교차하는 물결 모양을 통과하는 연속적인 직선 정점선 67이 정점선의 교차점에서 교차하는 물결 모양의 열 변형을 보상하는 데 필요한 유연성을 완전히 "잠글" 것이기 때문이다(도 5의 선 50 참조). 이 문제는 본 발명에서 이전에 정의된 생성된 좌굴 형상 사용 방법의 확장을 적용함으로써 해결된다. 도 7은 두 개의 교차하는 물결 모양 70과 71 사이의 교차 영역을 보여준다. 구체적으로, 도 7a는 도 5에도 나타난 시스템 선 50과 함께 두 개의 교차하는 물결 모양을 보여준다. 단순화를 위해, 그리고 대부분의 응용에서 그럴 것처럼, 그림의 교차하는 물결 모양은 물결 모양 스팬 e_1을 가진 동일한 기하 구조를 갖는다. 가능한 한 낮은 응력을 생성하는 핵심은 응력 집중과 경점을 피하는 것이므로, 교차하는 물결 모양과 평평한 영역 사이의 경계선은 72로 표시된 것처럼 둥글게 처리되어야 하며, 여기서는 곡률 반경 R을 가진 원형으로 나타나 있다.
교차하는 코사인 유형 물결 모양에 대한 좌굴 형상 기하 구조 선은 도 7b, 7c 및 7d에 나타나 있다. 도 7b는 도 7a의 A-A와 B-B 선으로 표시된 교차 영역으로의 전이까지 직선 부분의 물결 모양을 나타내는 물결 모양 멤브레인의 초기 코사인 또는 좌굴 유형 단면 기하 구조 73을 보여준다. 그림은 74로 표시된 물결 모양 스팬 e_1, 75로 표시된 초기 물결 모양 높이 h_1, 그리고 1차 절연층의 기본 지지대 76을 보여준다. 그림은 물결 모양 아래 절연 블록 사이에 간격 77이 있을 수 있음을 나타내며, 이 간격의 크기는 e_1보다 작은 한 중요하지 않다. 78은 시스템 선 50에 따라 위치한 직선 물결 모양 부분의 정점선을 표시한다.
도 7c와 7d는 교차하는 물결 모양의 잠금을 방지하는 본 발명에 따른 교차 기하 구조를 추가로 보여준다. 정점 78을 가진 직선 물결 모양을 선 79를 따라 교차점을 통해 직접 계속하는 대신, 교차하는 물결 모양은 정점 80과 진폭 h_2(81로 표시)를 가진 추가 좌굴과 함께 보강된다. 이 추가 좌굴 함수의 스팬은 e_2(82로 표시)이며, 도 7a의 전이선 A-A와 B-B 사이에도 나타나 있다. e_2 길이의 이 중첩된 좌굴에 의해 제공되는 유연성은 교차점이 시스템 선 50을 따라 변형될 수 있게 하며, 도 5b에 요구 사항으로 도시된 대로 대각선 방향으로도 변형될 수 있게 한다.
교차 기하 구조의 추가 정의는 도 7d에 나와 있으며, 대각선 단면 E-E와 F-F를 따른 물결 모양 기하 구조 83을 보여준다. 대각선 단면의 스팬은 85로 표시된 e_3이며 물결 모양 높이 84는 h_1과 h_2의 합이다. e_2와 e_3은 e_1과 R의 크기의 직접적인 함수이다. 물결 모양 교차점과 멤브레인의 평평한 부분 사이의 전이는 원 단면 대신 다른 기하 구조로 맞출 수 있다. 이의 예로는 포물선 함수, 초타원, B-스플라인 또는 물결 모양 경계를 표시하는 부드럽고 연속적인 모서리 함수를 제공하는 기타 기하 함수가 있다.
매개변수 e_1, R, h_1 및 h_2의 선택은 암묵적으로 단면 A-A, B-B, 반경 R을 가진 경계선 72, 그리고 단면 C-C, D-D, E-E, F-F를 따른 물결 모양 기하 구조를 정의한다. 스팬과 진폭에 따라 선택된 매개변수와 일치하는 코사인 함수로 좌굴을 따라 기하 구조를 선택할 수 있다. 부드러운 가장자리 함수 72는 멤브레인의 평평하거나 부드러운 부분과 일치하는 외향 법선 기울기가 0이다. 이러한 정의된 특성 좌굴선과 경계 조건을 기반으로, 기하학적 표면 맞춤을 사용하여 완전하고 부드러운 좌굴 기하 구조를 정의할 수 있다. 특정 기하 곡선 사이의 이러한 평활화 기술은 수치 컴퓨터 그래픽에서 널리 사용된다. 예를 들어, "nurbs"(비균일 유리 기저 스플라인)를 포함한 다양한 B-스플라인 유형 기술이 컴퓨터 생성 표면과 애니메이션 영화에서 많이 사용된다.
물결 모양 기하 구조를 정의하기 위해 좌굴 함수를 사용하는 개념은 비선형 대변위 효과를 포함한 비선형 전산 역학을 사용하여 물결 모양 교차의 좌굴 기하 구조를 더 직접적으로 생성하는 대안적 접근 방식을 제안한다. 이의 기초는 도 5b에 도시된 멤브레인 열 수축 메커니즘이다. 그러나 좌굴 현상은 열 수축의 역문제인 열 팽창에 의해 생성된다. 도 8은 변형되지 않은 자유 스팬 영역 90을 가진 멤브레인의 교차 부분을 보여준다. 자유 스팬 영역의 가장자리를 따라 있는 화살표 91은 멤브레인이 가열되고 경계선 92가 그에 따라 이동할 때 이 경계가 어떻게 이동할지를 보여준다. 이 화살표들이 도 5에 나타난 것과 반대 방향임에 주목하라. 경계선 92를 따른 운동이 충분히 크면 자유 스팬 영역의 좌굴이 발생할 것이다. 이 과정은 예를 들어 유한 요소법을 사용하여 전산 역학을 통해 시뮬레이션될 수 있다. 그림은 좌굴장의 4분의 1에 대한 이산화 메시 93을 나타낸다. 단순화를 위해 그림에는 상당히 거친 메시만 표시되어 있다. 물결 모양 가장자리 선 92가 있는 멤브레인의 부드러운 부분 94는 평면 밖으로의 좌굴에 대해 구속된다. 계산에 대한 추가 세부 사항은 현재 범위를 벗어난다. 계산 모델이 그림에 나타난 전체 영역을 포함하거나 대안적으로 대칭선을 따라 적절한 경계 조건을 도입하여 더 작은 4분의 1 모델 또는 8분의 1 모델을 사용할 수 있다고 말하는 것으로 충분할 것이다. 따라서 최소 에너지 좌굴 기하 구조는 계산 모델에 포함된 영역 주변에 적절한 변위 조건을 부과함으로써 수치 시뮬레이션을 통해 확립될 수 있다. 좌굴 계산은 고유값 문제로 선형화되거나 완전한 비선형 대변위 공식을 기반으로 할 수 있다. 얻어진 좌굴 기하 구조는 물결 모양 멤브레인의 주요 기하학적 매개변수와 일치하는 적절한 물결 모양 기하 구조에 도달하기 위해 평면 내에서뿐만 아니라 진폭에서도 스케일링될 수 있다. 이 기하 구조는 따라서 제작 중 물결 모양 멤브레인의 소성 성형에 적용될 수 있다. 역설적으로 보일 수 있지만, 압축에 의해 생성된 좌굴 기하 구조는 수축(냉각)에 대해서도 최소 에너지 형태를 나타낸다. 그 이유는 수축(냉각)보다는 압축이 적용될 때 물결 모양 기하 구조의 작은 변형으로 인한 응력이 본질적으로 부호만 반대인 동일한 것이기 때문이다.
도 9는 본 발명에 따라 생성된 물결 모양 기하 구조의 컴퓨터 생성 플롯을 보여준다. 날카로운 굽힘이나 접힘이 없고 오직 부드러운 전이 기하 구조만 있음에 주목하라. 나타난 기하 구조는 도 1에 표시된 현재의 멤브레인 탱크 기하 구조에 비해 상당한 이점을 제공한다. 이러한 개선된 성능은 물결 모양 형성 중 생성된 소성 변형의 크기와 멤브레인의 주요 가열 또는 냉각으로 인한 열 변형으로 인한 응력과 변형 모두에 관한 것이다. 멤브레인 기하 구조의 컴퓨터 시뮬레이션은 본 발명에 따라 생성된 물결 모양 기하 구조의 매우 유리한 성능을 확인했다.
열 절연된 멤브레인 탱크는 일반적으로 바닥, 측벽 및 상부 천장을 포함하는 완전한 밀폐를 포함한다. 이는 도 2의 전형적인 선박 화물 탱크에 대해 도시되어 있지만, 선박, 플랫폼 및 육상에서 많은 다른 탱크 기하 구조도 적용될 수 있다. 본 발명의 멤브레인 기하 구조는 예를 들어 다른 탱크 벽 세그먼트 사이의 전이를 고려하여 다양한 탱크 기하 구조로 쉽게 확장될 수 있다. 도 10은 본 발명을 다양한 기하 구조의 멤브레인 탱크에 구현하는 방법의 몇 가지 예를 보여준다. 도면은 1차 멤브레인에 대한 물결 모양에 초점을 맞추어 크게 단순화되어 있으며, 1차 절연 및 2차 멤브레인과 2차 절연층과 같은 다른 부분은 표시되지 않았다. 도 10a는 프리즘 기하 구조를 가진 지지 탱크 구조 100에 대한 평면 접합의 예를 보여준다. 1차 멤브레인 102의 물결 모양 101은 접합 평면 사이의 모서리에 배치될 수 있다. 2차 멤브레인이 있는 절연층은 103으로 간단히 표시되어 있다. 이 접근 방식은 둔각 모서리 각도 104(90도 이상)에 적합하다. 여기에 나타나지 않았지만 평면 102에도 여러 개의 물결 모양이 있을 수 있음이 분명하다. 도 10b는 지지 구조 100이 90도 모서리 105를 가진 경우를 보여주며, 이 경우 모서리 물결 모양이 적합하지 않을 수 있다. 이 문제는 지지 구조에 보강된 둥근 기하 구조 106을 제공하거나 대안적으로 모서리 영역을 절연으로 채움으로써 날카로운 모서리를 둥글게 처리하여 바람직하게 해결할 수 있다. 곡률 반경과 물결 모양 사이의 적절한 거리에 따라 1차 멤브레인의 곡선 모서리 부분 108에 여러 개의 물결 모양 107이 있을 수 있다. 도 10c는 본 물결 모양 시스템을 원통형 탱크에 적용한 것을 보여준다. 1차 멤브레인의 전체 원통형 표면 주위에 여러 개의 물결 모양 109가 있다. 육상의 LNG용 원통형 탱크는 종종 여기에 자세히 나타나지 않은 강철층 109와 결합된 보강 콘크리트로 만들어진다. 도 10d는 도 10b의 프리즘 탱크에 해당하는 것으로, 날카로운 프리즘 탱크 모서리 110의 3D 투시도를 보여주며, 관련 멤브레인 탱크 모서리 111은 아래의 절연층과 마찬가지로 둥글게 처리되어 있다. 음영 처리된 띠 112는 전체적인 물결 모양 시스템을 나타낸다. 구형으로 형성된 멤브레인 모서리 영역 113은 물결 모양 114의 삼각형 패턴으로 둘러싸여 있다. 주목할 만한 점은 인접한 모서리 물결 모양이 여전히 115로 표시된 것처럼 90도로 서로 교차한다는 것이다.
멤브레인 시스템은 제작이 쉽다. 도 11에 나타난 평평한 금속 판은 선택된 정의된 물결 모양 기하 구조의 프레스 다이를 사용하여 원하는 물결 모양 기하 구조로 압착될 수 있다. 미리 제작된 멤브레인 판 구획 120은 판의 크기와 물결 모양 시스템 선 122 사이의 거리에 따라 하나 또는 여러 개의 물결 모양 단위 121을 포함할 수 있다. 도 11은 3x2 물결 모양 교차를 가진 예를 보여준다. 판의 외부 부분 123은 시스템 선 거리의 절반과 동일한 너비를 가진다. 이러한 방식으로 멤브레인의 물결 모양 판 구획은 테두리 124를 따라, 일반적으로 용접에 의해 물결 모양에서 가장 먼 거리에서 결합될 수 있다. 판 크기와 물결 모양 사이의 거리에 따라 제작된 한 판 내의 물결 모양 패턴에 대해 1x1, 1x2, 2x2, 2x3 등과 같은 많은 대안이 존재한다. 판 구획의 크기 선택은 또한 1차 멤브레인 아래의 절연 시스템에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어 특정 절연 단위 크기, 절연 블록 또는 절연 박스가 있는지 여부에 따라 달라질 수 있다. 1차 멤브레인을 아래의 절연층에 부착하는 시스템도 절연층의 특성에 따라 다르다. 이러한 부착에는 접착제 및 기계적 부착이 포함될 수 있다.
2차 멤브레인도 본 발명의 물결 모양 시스템을 사용하여 제작될 수 있으며, 1차 멤브레인에 대해 설명한 것과 유사한 절차를 따를 수 있다. 2차 멤브레인의 열 변형은 1차 절연층으로 인해 온도 차이가 더 작기 때문에 일반적으로 1차 멤브레인보다 작을 것이다. 2차 멤브레인에 직접적인 유체 압력이 없다는 점도 고려하면 이러한 요인들로 인해 1차 멤브레인보다 더 작은 물결 모양 진폭을 사용할 수 있다. 특별한 경우는 1차 절연층이 더 나은 절연 특성을 달성하기 위해 진공 상태일 때이다. 1차 절연층 내의 진공은 본 멤브레인 탱크 시스템이 건조한 공기의 응축 온도보다 훨씬 낮은 온도의 유체와 함께 사용될 수 있게 한다. 이러한 중요한 응용의 한 예는 대용량, 저압 액체 수소 탱크일 수 있다. 1차 및 2차 절연층의 강성과 강도에 따라 이러한 탱크는 멤브레인 탱크 내부로부터의 중간 정도의 압력도 견딜 수 있다.
[발명의 설계, 원리 및 구현에 대한 추가 설명]
본 발명은 낮은 온도와 극저온 온도 또는 대안적으로 매우 높은 온도의 유체를 보관하는 절연된 멤브레인 탱크를 다룬다. 원칙적으로 멤브레인 탱크는 탱크 시스템이 탱크 내부의 유체로부터의 정적 및 동적 압력을 견딜 수 있는 외부 지지 구조를 포함해야 한다. 본 발명은 탱크 내 유체의 온도와 외부 지지 구조의 온도 사이의 상당한 온도 차이로 인한 주요 열 변형을 처리할 수 있는 새로운 유형의 멤브레인 탱크에 초점을 맞춘다. 이 능력은 보와 얇은 판의 면내 하중(또는 운동학적 구속)과 관련된 좌굴 기하 구조를 사용하여 생성된 기하 구조를 활용한 멤브레인 물결 모양에 대해 정의된 기하 구조를 사용하여 달성되며, 및/또는 적어도 내부 절연층에 진공을 가짐으로써 달성된다. 물결 모양의 기하 구조는 고전 역학 문헌에서 알려진 특별히 정의된 좌굴 함수를 기반으로 할 수 있다. 대안적으로, 그리고 많은 경우에 더 나은 방법으로, 물결 모양 기하 구조는 지정된 절차를 따르고 비선형 전산 역학을 사용하여 유도될 수 있다.
또한, 본 발명은 탱크의 1차 멤브레인과 외부 지지 구조 사이의 열 절연에 관한 것이다. 이 절연은 여러 층으로 구성될 수 있으며, 예를 들어 1차 및 2차 절연층과 누설 방지를 위한 2차 멤브레인을 포함할 수 있다. 본 발명의 한 주요 실시예에서, 본 발명은 특정 유형의 열 절연에 제한되지 않으며 오늘날 사용 가능한 대부분의 열 절연 시스템과 함께 사용될 수 있다. 이에는 조약돌, 섬유 및 다공성 유형의 절연이 포함되며, 강화 시스템이나 내부 하중 지지 요소의 유무와 관계없이 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 주요 실시예에서, 적어도 내부 절연층은 LH2와 같은 유체의 적재, 저장, 운송 및 하역 중 작동 시 진공 상태이다. 요구가 높은 작업의 경우, 예를 들어 LH2 및 바람직하게는 LNG의 경우, 두 가지 주요 실시예가 바람직하게 결합된다.
대부분의 현재 유형의 멤브레인 탱크가 물결 모양이 없는 직선 2차 멤브레인을 가지고 있는 반면, 본 발명은 2차 멤브레인에 대해서도 본 발명에서 정의한 유형의 물결 모양 멤브레인 사용을 가능하게 한다. 이를 통해 1차 절연층(내부 절연층 또는 절연이라고도 함)이 매우 낮은 내부 압력으로 진공 상태가 될 수 있는 특별한 응용이 가능해진다. 이는 진공이 없는 대부분의 절연보다 더 나은 절연 특성을 가진 매우 효율적인 유형의 절연을 제공한다. 또 다른 주요 이점은 이를 통해 본 발명의 특정 실시예에서 탱크가 액체 수소 및 액체 헬륨과 같이 응축 온도가 극도로 낮은 액화 가스에 사용될 수 있다는 것이다.
본 발명은 기하 구조와 크기 면에서 매우 다양한 저장, 화물 및 연료 멤브레인 탱크에 사용될 수 있다. 외부 지지 구조가 충분한 강도를 가진다는 전제 하에, 현재의 모듈식 멤브레인 물결 모양 시스템은 수만 입방미터를 포함하여 크기 면에서 완전히 확장 가능하다. 멤브레인 층은 상당한 내부 탱크 압력에 대해 설계될 수 있지만, 대부분의 경우 탱크는 절연층이 압력을 견딜 수 있는 능력에 의해 제한될 수 있다.
본 발명의 물결 모양 멤브레인은 금속 판의 소성 성형을 사용하거나 목적에 맞는 재료의 주조에 의해 만들 수 있다. 제작된 판 단위는 여러 개의 물결 모양 패턴을 포함할 수 있다. 1차 또는 2차 멤브레인의 판 단위는 용접이나 다른 유형의 결합 기술에 의해 함께 결합될 수 있다.
멤브레인은 또한 원통형 탱크 표면과 상자형 또는 프리즘형 탱크 기하 구조와 같은 다른 탱크 평면 사이의 전이에 맞도록 성형될 수 있다.
본 발명은 외부 지지 구조와 매우 다른 온도의 유체를 저장할 수 있는 멤브레인 탱크를 제공한다. 특별한 특징은 특정 물결 모양 멤브레인 기하 구조가 멤브레인의 과도한 응력을 유발하지 않고 열 수축 또는 열 팽창으로 인한 매우 큰 변형을 견딜 수 있다는 것이다. 이 물결 모양 기하 구조는 또한 물결 모양 형성 중 소성 변형을 최소화하는 데 있어 주요한 이점을 가진다. 본 발명의 몇 가지 특정 특징은 다음과 같이 요약될 수 있다:
- 본 발명의 연속적으로 부드러운 물결 모양은 현재 기술 수준의 물결 모양보다 교차하는 물결 모양 사이의 거리가 더 크다. 이는 면적당 물결 모양의 수가 더 적다는 것을 의미하며, 고장 위험과 제작 비용을 낮춘다. 예를 들어, 본 발명의 멤브레인 탱크의 멤브레인에서 중앙에 하나의 물결 모양 교차가 있는 1 m² 멤브레인 영역을 가정하면, m²당 1개의 교차가 있다. 비교를 위해, 물결 모양 사이의 거리가 0.5 m인 현재 기술 수준의 멤브레인은 m²당 4개의 물결 모양 교차를 포함한다.
- 본 발명의 멤브레인 탱크의 멤브레인 부분은 물결 모양 교차가 단조롭게 테이퍼진 형태로, 원뿔형이며 현재 기술 수준의 물결 모양 교차에서 보이는 접힘이나 "매듭" 13 및 14와 같은 형태로 잠기지 않기 때문에 프레스 다이 성형 기술로 쉽게 제작할 수 있다. 다르게 설명하면, 평평하거나, 곡선 또는 이중 곡선 영역에서 교차하는 물결 모양의 정상까지의 경사는 항상 90도보다 상당히 작다.
- 1차 멤브레인이 유체와 외부 지지 구조 사이의 주요 온도 차이로 인해 상당히 수축(또는 팽창)하는 반면, 멤브레인은 물결 모양의 굽힘과 신장을 통해 멤브레인의 어떤 부분도 과도한 응력을 받지 않고 이러한 변형을 흡수할 수 있다.
- 소성 성형 변형이 상당히 감소된다.
- 교차부를 포함한 물결 모양의 기하 구조
- 모든 절연 시스템
- 1차 및 2차 절연층의 멤브레인과 절연층 사이의 연결
- 2차 멤브레인
- 진공 절연
- 모든 형태의 탱크
- 확장성
- 제작의 용이성
- 동굴, 지하 탱크, 독립형 탱크 및 선체와 격벽에 통합된 탱크를 포함한 모든 외부 구조물 내부에 설치 가능
- 코사인 함수 또는 좌굴 함수의 물결 모양 형상은 교과서에서 알려진 공식, 예를 들어 알려진 다항식 방정식 또는 테일러 급수를 따르며, 다음 급수 항 내의 정확도를 가지거나, 및/또는 수치 시뮬레이션에 의해 결정된다.
- 폭 e와 f(e가 f와 같거나 다를 수 있음)의 물결 모양에서, 물결 모양은 차가운 또는 극저온 유체를 채우고 멤브레인을 냉각할 때 차갑거나 극저온 서비스를 위해 탄성적으로 Δe 또는 Δf만큼 늘어날 수 있을 만큼 충분히 높고 넓어야 한다. 따뜻한 유체 작동의 경우, 폭 e와 f의 물결 모양은 탄성적으로 Δe 또는 Δf만큼 압축될 수 있을 만큼 충분히 높고 넓어야 한다. 차가운/극저온 또는 따뜻한 유체를 포함하기 위한 본 발명의 멤브레인 탱크의 경우, 폭 e와 f의 물결 모양은 탄성적으로 ± Δe 또는 ± Δf만큼 늘어나거나 압축될 수 있을 만큼 충분히 높고 넓어야 한다.
- 극저온 또는 매우 따뜻한 유체에 적합한 절연을 포함하여 다양한 유형의 열 절연과 함께 사용할 수 있으며, 진공 절연도 포함된다.
- LH2 또는 헬륨을 저장하기 위한 본 발명의 멤브레인 탱크는 공기의 응축을 피하기 위해 충분히 두꺼운 1차 진공 절연층과 2차 절연층을 가진다.
- 물결 모양의 소성 성형 과정은 일반적으로 상당한 잔류 응력을 남기며, 이는 응력 해소 방법과 처리를 적용하여 감소시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 주변 온도와 상당히 다를 수 있는 온도에서 유체를 격납하기 위한 멤브레인 탱크로서, 예를 들어 극저온 유체(cryogenic fluid)를 포함하기 위한 것으로, 상기 멤브레인 탱크는 내부 격납 용적으로부터 다음을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 탱크:
    유체 밀폐되고, 작동 시 포함된 유체와 접하며 1차 유체 장벽으로 기능하는 1차 멤브레인(primary membrane),
    상기 멤브레인을 외부에서 둘러싸는 절연층,
    선체 또는 격벽 또는 기타 구조와 같은 외부 구조로서, 상기 외부 구조가 내부의 절연층 및 1차 멤브레인을 지지하고 그에 따른 결과적인 힘을 지지하는 외부 구조,
    유체의 적재 및 하역을 위한 하나 이상의 개구부, 및
    추가적인 안전성을 위한 선택적인 2차 멤브레인으로서, 극저온에서 취성이 될 수 있는 강철 구조와 같은 외부 구조로의 누출을 방지하기 위한 것으로, 예를 들어 선체 외부 구조와 같은 것이며, 상기 2차 멤브레인은 절연층을 1차 및 2차 멤브레인 사이의 내부 절연과 2차 멤브레인과 외부 구조 사이의 외부 절연으로 나누는 2차 멤브레인,
    여기서, 상기 1차 멤브레인은 평평한, 곡선 또는 이중 곡선 형상의 영역과 상기 영역들 사이의 물결 모양(corrugation)을 포함하며, 상기 영역들은 하부의 절연에 고정되고 상기 물결 모양은 열 유발 변형(thermally induced strain)을 흡수하는 것을 특징으로 하며,
    상기 멤브레인 탱크는 극저온 유체의 적재, 격납 및 하역 중에 전체 절연층 또는 내부 절연층의 진공을 가능하게 하기 위해, 진공 펌프를 전체 절연층 또는 내부 절연층에 작동 가능하게 연결하기 위한 연결 부품(coupling part)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 탱크.
  2. 제1항에 있어서, 상기 물결 모양은 단면에서 볼 때 코사인 함수 또는 자연 좌굴 함수(natural buckling function)의 형상을 가지며, 이는 극저온 유체를 적재할 때 탱크를 냉각함으로써 열 유발 수축에 의해 물결 모양에 저장되는 탄성 에너지가 최소화되어, 상기 열 수축에 의해 물결 모양에 오직 탄성 응력만이 발생하는 결과를 가져오는 것을 특징으로 하는 멤브레인 탱크.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 멤브레인을 ΔT만큼 냉각할 때의 실제 신장 Δe 및 Δf는, 주변 온도에서의 초기 물결 모양 간격 e 및 f에 대해, 여기서 c 및 d는 각각의 물결 모양 사이의 치수인 경우, 다음과 같은 것을 특징으로 하는 멤브레인 탱크:
    Δe = e_T - e = c - c_T = - c α ΔT, 및 Δf = f_T - f = - d α ΔT
    여기서, α는 멤브레인에 대한 열팽창의 할선 탄성 계수(coefficient)이다.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 교차하는 물결 모양의 형상은 물결 모양의 중첩된 형상을 따르며, 날카로운 굽힘이나 모서리가 없고 이중 접힘이 없어 단순한 다이 성형을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 탱크.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 유체 밀폐된 중간 또는 2차 멤브레인을 추가로 포함하며, 상기 중간 또는 2차 멤브레인은 절연을 내부 절연층과 외부 절연층의 두 절연층으로 나누며, 상기 멤브레인들은 동일하거나 상이한 것을 특징으로 하는 멤브레인 탱크.
  6. 제5항에 있어서, 진공 펌프를 연결하기 위한 연결 부품 및 진공 펌프는 내부-1차 절연층에 진공을 제공하도록 배치되며, 필요한 경우 외부-2차 절연층에도, 또는 1차 멤브레인과 외부 구조 사이의 단일 절연층 전체에도 진공을 제공하여 향상된 절연 용량 및/또는 감소된 절연 두께를 위한 것을 특징으로 하는 멤브레인 탱크.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 다이 프레스 또는 기타 방식으로 형성된 물결 모양을 가진 멤브레인 구획을 포함하며, 상기 구획의 측면은 물결 모양 교차점으로부터 최대 거리에 위치하고, 예를 들어 구획 영역의 중심 또는 그 근처에 위치하며, 구획의 측면을 통해 연장되는 물결 모양에 수직인 구획 측면을 가지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 탱크.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 멤브레인 탱크를 건설하는 방법으로서, 다음 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    절연층을 건설하는 단계로서, 상기 절연층은 외부 구조의 내측에 배치되며, 상기 외부 구조는 선체 또는 격벽 또는 육상 또는 해상의 기타 하중 지지 구조와 같은 것으로 절연을 외부에서 둘러싸는 단계,
    유체의 적재 및 하역을 위한 하나 이상의 개구부를 건설하거나 배치하는 단계,
    절연 표면에 유체 밀폐된 1차 멤브레인을 건설하고 배치하는 단계로서, 상기 외부 구조가 내부 절연 및 1차 멤브레인을 지지하고 그에 따른 결과적인 힘을 지지하며, 상기 멤브레인은 예를 들어 극저온 유체를 포함하는 단계로서, 상기 멤브레인은 평평한, 곡선 또는 이중 곡선 형상의 영역을 포함하며, 상기 영역들은 하부의 절연에 고정되고, 상기 멤브레인은 열 유발 변형을 흡수하기 위해 상기 영역들 사이에 추가적으로 물결 모양을 포함하는 단계,
    상기 방법은 추가적으로 극저온 유체 또는 기타 유체의 적재, 격납 및 하역 중에 1차 멤브레인과 외부 구조 사이 또는 1차 멤브레인과 선택적 2차 멤브레인 사이의 절연층의 진공을 가능하게 하기 위해, 진공 펌프를 절연층에 작동 가능하게 연결하기 위한 연결 부품을 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 멤브레인은 평평한, 곡선 또는 이중 곡선 형상의 영역들 사이에 물결 모양으로 성형되며, 상기 영역들은 하부의 절연에 고정되고, 상기 물결 모양은 단면에서 볼 때 코사인 함수 또는 좌굴 함수의 형상을 가지며, 여기서 성형 중뿐만 아니라 극저온 유체를 적재할 때 탱크를 냉각함으로써 물결 모양의 열 유발 신장에 의해 물결 모양에 저장되는 탄성 에너지가 최소화되어, 상기 신장에 의해 물결 모양에 최소의 응력이 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 1차 멤브레인은 용접 또는 기타 방식으로 결합되어 멤브레인을 완성하는 플레이트 구획으로 형성되며, 교차하는 물결 모양은 플레이트 구획의 중심 및/또는 측면 내에 있어, 플레이트 구획이 교차하는 물결 모양으로부터 최대 거리에서만 결합되고, 상기 물결 모양은 바람직하게는 플라스틱 다이 프레스 또는 유사한 프레스 작업에 의해 형성되며, 바람직하게는 물결 모양에 수직인 측면이 측면을 통해 연장되도록 형성되고, 물결 모양 형성으로 인한 잔류 응력은 용접 또는 기타 방식으로 완전한 유체 밀폐 멤브레인으로 결합하기 전에 적절한 열 및 응력 해소 처리 방법 및 필요한 경우 기하학적 형상 수정에 의해 감소될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 탱크를 주변 온도와 다른 온도를 가진 유체의 적재, 저장, 운송 및/또는 하역에 사용하는 것으로서, 상기 유체는 LH2, LHe, LO2, LN2, LNG, LPG, 암모니아, 이산화탄소, 기타 저온 유체와 같은 극저온 유체, 또는 열 변형이 역전되어 물결 모양이 신장되기보다는 압축되는 온유체인 것을 특징으로 하는 사용.
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