KR101924168B1 - 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재 및 그 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재의 제조방법 - Google Patents

선박용 극저온 탱크의 단열 구조재 및 그 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재 및 그 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재의 제조방법에 관한 것으로, 극저온 액화가스와 직접 접촉하는 금속재질의 상부 판과 폴리우레탄 재질의 코어 층 사이에 중간층을 설치함으로써, 극저온을 차단하여 단열 구조재 내부 온도를 코어 층의 설계온도(약 -30℃ ~ -70℃) 이상으로 유지하여, 극저온 취성 파괴 현상을 효과적으로 방지할 수 있으며, 상부 판과 코어 층의 열 팽창 계수 차이 때문에 발생하는 써멀 스트레스를 방지하거나 써멀 스트레스가 단열 구조재 내부로 전달되는 것을 효과적으로 차단할 수 있다. 또한, 상부 구조는 극저온 액화가스의 누출을 막을 수 있는 금속재로 덮인 기밀 및 액밀 구조이며, 하부에는 코어 층이 기밀 및 액밀하게 진공단열재와 접합하여 주위를 감싸 보호하는 구조이므로, 진공단열재로의 가스 및 공기 유입이 차단되므로, 장기간 사용시에도 단열 성능을 그대로 유지할 수 있다.

Description

선박용 극저온 탱크의 단열 구조재 및 그 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재의 제조방법{INSULATION AND STRUCTURAL COMPONENTS FOR ULTRA-LOW TEMPERATURE TANK, AND MANUFACTURE METHOD OF THE SAME}
본 발명은 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재 및 그 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 극저온 액화가스와 직접 접촉하는 금속 재질의 상부 판과 폴리우레탄 재질의 코어 층 사이에 중간층(middle layer)을 추가로 배치하되, 슬립(slip) 가능하게 설치하여서, 극저온 액화가스와 직접 접촉하는 상부 판과 코어 층 간의 열 팽창 계수가 상이하여 발생하는 써멀 스트레스(thermal stress)를 대폭 감소하며, 코어 층의 설계온도 초과로 인한 코어 층의 극저온 취성 파괴 현상을 효율적으로 방지함으로써, 월등한 구조재 성능과 단열 성능을 모두 구현할 수 있는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재 및 그 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 복합 라미네이트 구조재는 밀폐된 금속 박스에 엘라스토머(elastomer)를 주입하여 제작하는 것으로, 건축물의 콘크리트 구조재 및 조선 분야의 철 구조재를 대체하는 구조재료로 사용되고 있다.
특허등록 제10-0742033호 공보에는 종래 복합 라미네이트 구조재가 개시(開示)되어 있으며, 종래 복합 라미네이트 구조재는 다음과 같은 문제점들이 있다.
첫째, 종래 복합 라미네이트 구조재는 하중과 충격만을 고려하여 제조된 구조재로서, 단열을 위한 단열재로는 사용할 수 없는 한계가 있다. 즉, 금속 박스를 구성하는 제1 금속 층과 제2 금속 층이 상대적으로 고밀도인 엘라스토머의 중간층에 접착 연결된 구조이다.
종래 복합 라미네이트 구조재는 구조상 제1 금속 층과 제2 금속 층의 열전도율이 매우 높으므로, 단열재로서의 기능은 엘라스토머(elastomer)인 중간층 및 내부 부속물에 의해서만 이루어진다.
하지만, 일반적으로 사용되는 엘라스토머의 열전도율(k-value)은 약 0.1774 W/m·K(20℃ 기준)로, 에어로젤이나 진공단열재와 같은 단열재와는 비교조차 되지 않으며, 일반적으로 가장 널리 사용되는 유기 및 무기 단열재(열전도율 0.030~0.045 W/m·K)에 비해서도 단열성능이 현저히 떨어지므로, 단열재로 사용하기에는 적합하지 않다. 따라서 현재까지 구조재 성능과 단열 성능을 함께 갖는 단열 구조재 또는 복합 패널에 대한 기술이 미비하고, 공개된 대부분의 단열 구조재가 종전의 문제점을 그대로 갖고 있어 큰 하중과 저온의 화물(예를 들어, 액화가스)을 저장하는 화물창에는 적용하지 못하는 기술적 한계가 있다.
둘째, 종래 복합 라미네이트 구조재는 LNG와 같이 극저온 -163℃의 액화가스를 저장하는 화물창에는 적용할 수 없다. 즉, 통상으로 복합 라미네이트 구조재의 최저 설계온도는 약 -30℃ ~ -70℃ 정도인데, 종래 복합 라미네이트 구조재를 극저온 탱크에 적용할 경우, 극저온이 그대로 복합 라미네이트 구조재 내부에 전달되어 복합 라미네이트 구조재 내부에서 극저온 취성 파괴 현상이 발생한다.
셋째, 종래 복합 라미네이트 구조재가 설령 극저온 액화가스 탱크에 적용할 수 있다고 가정하더라도, 도 1에 도시한 바와 같이, 극저온 액화가스와 접촉하는 금속재의 상부 판(20)과 엘라스토머층(30)이 접착되어 고정되어 있고, 엘라스토머층(30)의 열 팽창 계수가 상부 판(20)의 열 팽창 계수보다 4~6배 크기 때문에 극저온 액화가스 탱크의 극저온 상태에서 두 물질 간에 팽창 정도가 상이하여 써멀 스트레스(thermal stress)가 발생한다.
다시 말해서, 상부 판(20)과 엘라스토머층(30)이 서로 접착되어 고정된 상태에서, 상부 판(20)과 엘라스토머층(30) 간의 열 팽창 계수 차이로 인하여, 써멀 스트레스(thermal stress)가 발생하며, 액화가스의 극저온(액화에틸렌 약 -90℃, 액화천연가스 약 -163℃)이 복합 라미네이트 구조재 내부로 바로 전달되어 결국 엘라스토머층(30)의 설계온도(약 -30℃ ~ -70℃)를 초과하게 되므로, 극저온 취성 파괴 현상이 발생하고, 복합 라미네이트 구조재 전체 구조가 취약해지는 문제가 있음을 예상할 수 있다.
국내 공개특허 제10-1997-0005615호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 극저온 액화가스와 직접 접촉하는 금속재질의 상부 판과 비발포성 폴리우레탄 재질의 코어 층 사이에 중간층을 구성함으로써, 극저온을 차단하여 단열 구조재 내부 온도를 코어 층의 설계온도(약 -30℃ ~ -70℃) 이상으로 유지하여, 극저온 취성 파괴 현상을 효과적으로 방지할 수 있도록 함에 있다.
또한, 본 발명은 극저온 액화가스와 직접 접촉하는 금속재질의 상부 판과 비발포성 폴리우레탄 재질의 코어 층 사이에 중간층을 설치하되, 그 중간층은 진공단열재를 기본으로 하고, 그 위에 슬립재 등을 추가로 배치하여, 상부 판과 중간층 사이에 슬립(slip) 현상을 유도함으로써, 상부 판과 코어 층의 열 팽창 계수 차이 때문에 발생하는 써멀 스트레스를 대폭 줄여서 열 변형 및 용접부위 파손 등을 방지할 수 있도록 함에 있다.
또한, 본 발명은 상부 구조가 극저온 액화가스의 누출을 막을 수 있는 금속재로 덮인 기밀 및 액밀 구조이며, 하부에는 코어 층이 기밀하게 중간층과 접합하여 주위를 감싸 보호하는 구조이므로, 진공단열재의 가스출입이 차단되어 장기간 사용시에도 단열성능을 그대로 유지할 수 있도록 함에 있다.
또한, 본 발명은 탱크의 구조적인 움직임이나 하중이 큰 경우는, 커넥터의 연결 구조에 의해서, 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재에 걸리는 스트레스가 균일하게 분산됨은 물론 구조재적 성능이 월등히 향상되도록 함에 있다.
또한, 본 발명은 필요 시, 커넥터가 비발포성 폴리우레탄 주입 전에 배치되므로, 액체 상태로 주입된 코어 층이 경화되면서 커넥터의 모든 표면에 걸쳐서 접합(접착)하므로 자연스럽게 코어 층과 나머지 두 구조가 기밀 및 액밀하게 접합하고, 평면상 보이는 면적의 최소 2~3배 이상으로 접합면적이 증가하며 코어 층을 구조적으로 견고하게 잡아주는 구조가 형성되므로, 내구성과 결합성이 월등히 향상되도록 함에 있다.
또한, 본 발명은 커넥터 구조를 채용하여 금속재질인 상부 판과 하부 판을 비금속재로 대체하면서도, 내구성과 결합성이 월등히 향상되도록 함에 있다.
다시 말해서, 비금속 중에는 금속과 버금가는 구조적 강도를 가진 재질들이 존재한다. 예를 들어, 탄소 섬유 재질의 판의 무게는 철의 약 25% 정도에 불과하나, 강도는 10배 이상 강하다. 반대로, 구조의 설계 하중이 그리 크지 않을 경우, 1㎜가량의 박판(철판)을 사용하고, 폴리우레탄의 두께를 최소(예: 10㎜)로 적용하더라도, 라미네이트 재질의 복합적인 특성으로, 전체 구조 강도가 설계 하중보다 지나치게 클 경우가 있다. 이 경우, 박판보다 강도가 낮은 재질을 사용해야 최적화된 구조 설계가 가능하다.
하지만, 상기 두 가지 경우 모두가 단열 구조재(복합 라미네이트 구조재)에 곧바로 적용되지 못하는 가장 큰 이유는, 폴리우레탄 재질과의 접합성 때문이다.
즉, 금속판의 경우는, 손쉬운 표면처리를 통해서 표면의 조도(surface roughness)를 쉽게 증가시킬 수 있고, 그 결과 폴리우레탄의 경화 과정에서 폴리우레탄이 금속판과 강하게 접합한다. 하지만, 탄소 섬유, 플라스틱이나 플라이우드(plywood)와 같은 비금속 재질은 표면의 조도를 높이는 데에 기술적 어려움이 수반되기 때문에 폴리우레탄 재질과의 결합성능이 매우 떨어지므로, 결과적으로 단열 구조재 전체의 구조적 강도 확보가 어렵게 된다.
본 발명에서는 커넥터 연결구조를 채용하여 종래 기술적 어려움을 해결함으로써 상부 판 및 하부 판이 금속판 이외의 다른 모든 비금속 판의 적용이 가능하다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재 및 그 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 선박용 극저온 탱크 내부에 저장한 저온 액화가스를 단열시키고 저온 액화가스의 하중을 지지하기 위하여 선체의 사이드 쉘 내측 면과 일정간격을 유지하여 설치되는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재로서, 상기 사이드 쉘 내측 면과 일정간격을 유지하여 설치되는 하부 판; 상기 하부 판의 상부에 설치되어 상기 하부 판과의 사이에 공간을 형성하는 상부 판; 상기 공간 안으로 주입되는 액상의 비발포성 폴리우레탄의 흘러내림을 방지하기 위하여 상기 하부 판과 상기 상부 판 사이의 양 끝단 부에 설치되는 금속 재질의 배리어 바(barrier bar); 상기 배리어 바에 의해서 차단된 상기 공간 안으로 액상의 비발포성 폴리우레탄이 주입되고 경화되어 상기 공간 안에 충전되는 코어 층(예를 들어, 비발포성 폴리우레탄층); 및 상기 상부 판과 상기 코어 층 사이에 설치되는 중간층; 을 포함하되,
상기 중간층은 진공단열재를 포함할 수 있으며, 상기 중간층은 상기 상부 판과 슬립 가능하게 설치하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 실시 예에서, 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재는 액화가스 운반선의 화물창에 국한되지 않으며, 해상이나 육상의 저장탱크 등은 물론 단열이 필요한 다른 분야에도 모두 적용될 수 있다.
또, 상기 중간층은 진공단열재를 기본으로 하고, 그 진공단열재 위에 또는 진공단열재 표면 보호재를 설치하거나, 보강 단열재를 설치할 수 있고, 또 진공단열재와 상부 판 사이에 슬립재를 더 설치하는 구성도 가능하다.
또, 상기 진공단열재는 상기 코어 층과 상기 상부 판 사이에 설치되어 단열성능을 가지며, 상기 진공단열재 표면 보호재는 상기 진공단열재와 상기 상부 판 사이에 설치되어 상기 진공단열재의 피복 손상을 방지하며, 금속재질의 상부 판과 비발포성 폴리우레탄 재질의 코어 층 간의 열팽창 계수 차이로 인한 써멀 스트레스에 대응하기 위하여 슬립 가능한 중간층을 설치하되, 중간층의 더 원활한 슬립을 유도하기 위하여 상기 슬립재가 상기 상부 판의 하부에 설치될 수도 있다.
또, 상기 진공단열재 표면 보호재는 합성수지의 필름형태로 구성될 수 있고, 상기 슬립재는 종이 재질의 골판지 형태이거나 합성수지 시트 등으로 구성될 수 있다.
또, 상기 진공단열재의 하면은 상기 코어 층에 접하며, 상기 진공단열재의 측면은 상기 배리어 바에 접하도록 구성될 수 있다.
또, 상기 상부 판과 상기 하부 판 그리고 상기 배리어 바에 의해 형성된 박스 공안에서, 상기 상부 판의 하부에 상기 진공단열재가 배치되고, 상기 진공단열재와 상기 하부 판 사이에는 상기 코어 층이 기밀 및 액밀하게 접합하도록 구성될 수 있다.
또, 본 발명에서는 상기 코어 층 내부에 경량 형상체, 예를 들어 버블 코어(bubble core)가 구비될 수 있다.
또, 본 발명에서는 액화가스 등에 의한 스트레스를 분산하고 구조적 강성을 높이기 위한 커넥터가 구비될 수 있으며, 커넥터는 표면에 피복이 형성되거나 메쉬(mesh)로 구성될 수도 있다.
커넥터를 메쉬(mesh) 형태로 구성할 경우, 커넥터의 표면은 물론 커넥터 안에도 비발포성 폴리우레탄이 균일하게 채워지므로 더욱 견고하게 커넥터를 고정할 수 있다.
또, 상기 커넥터는 상기 상부 판과 상기 코어 층을 서로 연결할 수도 있으며, 이 경우, 슬립에 간섭을 유발하지 않도록 커넥터와 중간층은 어느 정도 유격을 유지하는 것이 바람직하다.
또, 상기 커넥터의 일단 부는 진공단열재 표면 보호재, 보강 단열재, 및 슬립재(slip membrane) 중 어느 하나에 연결(고정)되고, 상기 커넥터의 타단 부는 상기 코어 층에 연결(고정)될 수 있다.
또, 상기 커넥터의 일단 부는 진공단열재 표면 보호재, 보강 단열재, 및 슬립재(slip membrane) 중 어느 하나에 연결(고정)되고, 상기 커넥터의 타단 부는 상기 하부 판에 연결(고정)될 수 있다.
또, 상기 커넥터는 상기 상부 판의 하면에 고정되는 웨브; 및 상기 웨브로부터 연장 형성되고 상기 코어 층 안에 설치되는 플랜지; 로 구성될 수 있다.
또, 상기 상부 판과 상기 하부 판은, 금속 판과 플라스틱판의 샌드위치 구조 또는 플라스틱 판과 금속 판의 샌드위치 구조 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또, 상기 상부 판과 상기 하부 판 중 적어도 어느 하나는 금속 판으로 이루어지며, 상기 금속 판에는 주름 부가 형성될 수 있다.
한편, 본 발명은 하부 판과 상부 판 사이에 배리어 바를 설치하여 공간을 형성하며, 상기 공간 상측에는 중간층을 설치하고, 상기 공간 하측에는 액상의 비발포성 폴리우레탄을 주입 경화시켜서 코어 층을 형성하되, 상기 공간 내 측면에 상기 코어 층을 기밀하게 접합하고, 상기 중간층은 상기 상부 판과 슬립 가능하게 설치하는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재 제조방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
1) 극저온 액화가스와 직접 접촉하는 금속재질의 상부 판과 폴리우레탄 재질의 코어 층 사이에 중간층을 설치함으로써, 극저온을 차단하여 단열 구조재 내부 온도를 코어 층의 설계온도(약 -30℃ ~ -70℃) 이상으로 유지하여, 극저온 취성 파괴 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
2) 극저온 액화가스와 직접 접촉하는 금속재질의 상부 판과 폴리우레탄 재질의 코어 층 사이에 중간층을 설치하되, 그 중간층은 진공단열재를 기본으로 하고, 그 위에 슬립재 등을 추가로 배치하여, 상부 판과 중간층 사이에 슬립(slip) 현상을 유도함으로써, 상부 판과 코어 층의 열 팽창 계수 차이 때문에 발생하는 써멀 스트레스를 대폭 줄이거나 써멀 스트레스가 단열 구조재 내부로 전달되는 것을 효과적으로 차단하여 열 변형 및 용접부위 파손, 취성 파괴 등을 방지할 수 있다.
3) 단열 구조재의 상부 측 구조는 극저온 액화가스의 누출을 막을 수 있는 금속재로 덮인 기밀 및 액밀 구조이며, 하부 측에는 코어 층이 기밀 및 액밀하도록 진공단열재와 접합하여 주위를 감싸 보호하는 구조이므로, 진공단열재의 가스출입이 차단되므로, 장기간 사용시에도 단열성능을 그대로 유지할 수 있다.
4) 저장탱크의 구조적인 움직임이나 하중이 클 경우, 커넥터의 연결구조에 의해서, 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재에 걸리는 스트레스가 균일하게 분산됨은 물론 구조재 성능이 월등히 향상될 수 있다.
5) 필요 시, 커넥터는 비발포성 폴리우레탄 주입 전에 배치되므로, 액체 상태로 주입된 코어 층이 경화되면서 커넥터의 모든 표면에 걸쳐서 접합하므로, 자연스럽게 코어 층과 나머지 두 구조가 기밀하게 접합하게 되고, 쇄기 형상을 가지며 평면상 보이는 면적의 최소 2~3배 이상 접합 면적이 증가하여 코어 층을 구조적으로 견고하게 잡아주는 구조가 형성되므로, 내구성과 결합성이 월등히 향상되고 박리현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
6) 커넥터 구조를 채용하여 금속재질인 상부 판과 하부 판을 비금속재로 대체하면서도, 내구성과 결합성이 월등히 향상된 단열 구조재를 구현할 수 있다.
도 1은 복합 라미네이트 구조재에 대한 써멀 스트레스와 극저온 취성 파괴 현상을 설명하기 위한 단면도
도 2는 본 발명의 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재가 적용된 액화가스 운반선 화물창을 도시한 단면도
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재를 도시한 단면도
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재를 도시한 단면도
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재를 도시한 단면도
도 6은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재를 도시한 단면도
도 7은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재를 도시한 단면도
도 8은 도 7의 커넥터 변형 예들을 도시한 단면도
도 9는 본 발명의 제6 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재를 도시한 단면도
도 10은 본 발명의 제7 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재를 도시한 단면도
도 11은 본 발명의 제8 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재를 도시한 단면도
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재 및 그 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재가 적용된 액화가스 운반선 화물창을 도시한 단면도이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재가 적용된 액화가스 운반선 화물창은 내부에 저장한 극저온 또는 저온 액화가스를 단열시키고 저온 액화가스의 하중을 지지하기 위하여 선체의 사이드 쉘(1) 내측 면과 일정간격을 유지하여 설치되는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재(10)를 구비할 수 있다.
액화가스는 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)나 에텐(Ethane)이나 에틸렌 등을 모두 포함한다.
주지하는 바와 같이, 액화천연가스의 주요 구성 성분인 메탄은 1기압에서 약 ―161.5℃의 끊는 점을 가지며, 세일가스(Shale Gas) 및 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 ‘LNG’라 함) 등으로부터 추출된 에텐(Ethane)은 약 ―88.6℃의 끊는 점을 갖는다. 이러한 에텐/에틸렌과 LNG는 액화된 상태로 선박에 의해 수송될 수 있는데, 본 발명이 적용되는 선박은 LNG 운반선, LPG 운반선, 및 액화에틸렌가스 운반선 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 액화가스 운반선 화물창은 선체, 예를 들어 사이드 쉘(1)의 내측에 인너 헐(inner hull)을 형성하는 대신에 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재(10)를 선체에 직접 적용한 화물창에 관한 것이다. 여기서, 사이드 쉘(1) 이란, 외부 헐 또는 외판을 포함한다.
선박용 극저온 탱크의 단열 구조재(10)는 제1 실시 예의 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재(100) 내지는 제8 실시 예의 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재(800)를 모두 포함한다.
사이드 쉘(1)과 단열 구조재(10) 사이에는 홀드 스페이스(2) 등이 형성될 수 있고, 거더 혹은 스티프너 등(4)에 의해서 단열 구조재(10)가 사이드 쉘(1)에 고정 설치될 수 있다.
단열 구조재(10)를 사이드 쉘(1)에 고정하는 방법은 통상의 체결방식, 예를 들어 용접방식 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 액화가스 운반선 화물창에서, 일 실시 예는 야드에서 제조된 여러 개의 단위 극저온 탱크용 단열 구조재(10)를 화물창 시공현장으로 운반한 후에 여러 개의 단위 극저온 탱크용 단열 구조재(10)를 서로 용접으로 연결하여 패널 구조로 제작할 수 있다.
그리고 다른 실시 예는 선체의 사이드 쉘(1)에 직접 하부 판(110)과 배리어 바(130)와 상부 판(120) 등을 용접하여 판넬 구조로 제작할 수도 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재(100)는 사이드 쉘(1) 내측 면과 일정간격을 유지하여 설치되는 하부 판(110); 및 하부 판(110)의 상부에 설치되어 하부 판(110)과의 사이에 공간(S)을 형성하는 상부 판(120)을 구비한다. 하부 판(110)과 상부 판(120)은 편평한 구조로 형성되고 금속재질, 예를 들어 서스(SUS), 인바(Invar) 등으로 제조될 수 있다. 참고로, 서스는 Steel, Use, Stainless의 머리글로 일본 규격인 JIS에서 스테인리스강의 규격을 나타낼 때 사용하는 것이다.
액화가스와 직업 접하는 상부 판(120)의 상면에는 다수의 주름 부(corrugation)(미도시)가 형성될 수도 있다.
하부 판(110)과 상부 판(120) 사이의 양 끝단 부에는 배리어 바(130)가 설치되어 공간(S)을 기밀 또는 액밀시키며, 배리어 바(130)는 코어 층(140)의 형성과정에서, 공간(S) 안으로 주입되는 액상의 비발포성 폴리우레탄의 흘러내림을 방지하는 역할을 할 수 있다.
배리어 바(130)는 금속재질로 제조될 수 있으며, 직선 형태의 바 형태에 국한되는 것은 아니고 사각 박스나 프레임 형태 또는 격자 형태 등을 모두 포함할 수 있다.
배리어 바(130)는 금속재질에 국한되지 않으며, 비금속으로 대체 가능하지만, 강도 측면에서 금속재질이 가장 바람직하다.
비금속으로 배리어 바(130)가 제조되는 경우, 코어 층(140)과 접합할 수 있는 재질, 예를 들어 강화 합성수지 및 폴리우레탄 재질 등이 사용될 수도 있다.
공간(S) 안으로 액상의 비발포성 폴리우레탄이 주입되고 경화되어 공간(S) 안에 코어 층(140)이 충전될 수 있다. 코어 층(140)은 경화되면서 하부 판(110)과 배리어 바(130)와 접합(혹은 접착) 되어 육면체의 박스 구조를 유지한다.
하부 판(110), 상부 판(120), 배리어 바(130), 코어 층(140), 중간층(150) 간의 결합구조를 살펴보면, 코어 층(140)은 하부 판(110)과 배리어 바(130)와 중간층(150)이 이루는 박스 공간 내면에 기밀 내지는 액밀하도록 밀착 접합한다.
코어 층(140)은 경화과정에서 박스 공간 내면에 기밀 내지는 액밀하도록 밀착 접합하므로, 별도의 접착제를 사용하지 않더라도 견고하게 접착될 수 있다.
배리어 바(130)는 통상의 접합수단, 예를 들어 접착제, 바람직하게는 용접 등으로 하부 판(110)과 상부 판(120)에 접착할 수 있다.
중간층(150)과 상부 판(120)은 접착제를 사용하지 않으며, 슬립 가능하게 접촉된 상태를 유지한다.
본 실시 예에서는, 코어 층(140)이 배리어 바(130)에 의해 밀폐(혹은 차단)되어 외부로 노출되지 않지만, 설계 조건이나 적용 분야에 따라 외부로 노출될 수도 있다(미도시).
본 실시 예에서, 액상의 비발포성 폴리우레탄을 주입하여 경화시키는 방식은 도면에 도시하지 않았으나, 상부 판(120) 또는 하부 판(110)에 주입 홀을 천공을 하고, 그 주입 홀을 통해서 액상의 비발포성 폴리우레탄이 주입되며, 경화 이후에 주입 홀을 플러깅(막는)하는 방식을 사용할 수 있다.
도면에 도시하지는 않았으나, 코어 층(140)은 주입 경화시키는 방식 이외에 블록 형태로 제조된 후에 하부 판(110) 위에 적층하는 방식으로도 가능하다.
본 실시 예에서는, 상부 판(120)과 코어 층(140) 사이에 중간층(150)이 수평방향으로 설치될 수도 있다. 하지만, 하부 판(110)과 상부 판(120)은 편평한 구조에 국한되는 것은 아니며, 특히 상부 판(120)에는 주름 부(corrugation)가 형성될 수도 있다.
금속재질인 상부 판(120)과 폴리우레탄인 코어 층(140)은 열팽창 계수가 상이한바, 상이한 열팽창 계수로 인하여 써멀 스트레스(thermal stress, 열 응력)가 발생할 수 있다. 참고로, 써멀 스트레스란 온도변화에 의해 고체 내부에 생기는 응력을 말한다.
비발포성 폴리우레탄 재질인 코어 층(140)의 열팽창 계수는 금속재질의 상부 판(120)에 비해서 약 4∼6배 크게 되는데, 이러한 열팽창 계수 차이에 의해서 써멀 스트레스가 발생하여 구조재 성능과 단열성을 현저히 떨어뜨리는 문제가 있다.
이러한 문제점을 고려하여 본 실시 예에서는, 슬립 가능한 중간층(150)을 추가하는 간단한 구조변경을 통해서 열팽창 계수 차이에 의해 발생할 수 있는 써멀 스트레스를 대폭 감소하고, 극저온 취성 파괴 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
중간층(150)의 상면은 상부 판(120)의 하면과 슬립 가능하게 접하고, 중간층(150)의 하면은 코어 층(140)과 접합하며, 중간층(150)의 측면은 배리어 바(130)에 접하거나 밀착되게 설치될 수 있다.
중간층(150)은 단일 구조(도 3 참조)뿐만 아니라 다중구조(도 4 내지 도 6)로 구성될 수 있다.
단일 구조란 중간층(150)이 진공단열재로만 구성된 것을 말하며, 그리고 다중구조란 진공단열재(151) 위에 보강 단열재(154)가 설치되고, 그 보강 단열재(154) 위에 진공단열재 표면 보호재(152)가 설치되고, 그 진공단열재 표면 보호재(152) 위에 슬립재(153)가 설치될 수 있는 구성을 말한다.
중간층(150)은 진공단열재 이외에 다른 고성능의 단열재를 포함할 수 있다.
다중구조일 경우, 중간층(150)은 진공단열재(151)를 기본으로 하고, 그 진공단열재(151) 위에 진공단열재 표면 보호재(152), 슬립재(153), 보강 단열재(154) 중 적어도 어느 하나 이상의 조합으로 이루어질 수 있다.
본 실시 예에서는, 진공단열재에 한정되지 않으며, 진공단열재 대신에 에로젤 단열재, 또는 슬림(slim)의 유기 및 무기 단열재 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 기존에 사용하기 어려운 비정형 타입 단열재(기체, 액체, 젤 타입의 단열재)도 포함할 수 있다.
진공단열재의 열전도율(W/m·K, 20℃ 기준)은 0.0045 내외 또는 그 이하로 한다. 에어로젤 단열재는 Aspen aerogels, Thermablock 등을 포함하며, 열전도율(W/m·K, 20℃ 기준)은 0.000020 내외 또는 그 이하로 한다.
진공단열재의 구조는 심재, 및 그 심재를 진공 포장하는 외피 재를 포함하고, 심재 및 외피 재 사이에 금속 박을 포함하되, 금속 박은 알루미늄 포일(Foil)을 포함한다. 진공단열재의 구조는 이미 개시된 공지공용의 기술에 해당하므로, 이에 대한 구체적 설명은 생략한다.
중간층(150)은 도 3에 도시된 바와 같이, 진공단열재로만 구성된 단일구조일 수 있는데, 중간층(즉, 진공단열재)의 두께는 약 25㎜로 구성할 수 있으며, 코어 층(140)과 상부 판(120) 사이에 설치되어, 극저온을 차단하여 단열구조재 내부 온도를 코어 층(140)의 설계온도(약 -30℃∼-70℃) 이상으로 유지하여, 즉 코어 층(140)의 사용온도 범위 내로 유지하여 극저온 취성 파괴 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재를 도시한 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재(200)에서, 중간층(150)은 진공단열재(151) 위에 진공단열재 표면 보호재(152)가 설치된 이중 구조일 수 있다. 즉, 진공단열재 표면 보호재(152)가 진공단열재(151)와 상부 판(120) 사이에 설치될 수 있다.
진공단열재(151)의 밀도는 약 150~300㎏/㎥로 다른 발포성 단열재보다 밀도가 높으며, 압축 하중에 상당히 강한 특성이 있다. 하지만, 피복에 스크래치가 발생하여 미세한 구멍이 생기거나 찢어지면, 단열 성능이 현저히 떨어지는 단점이 있다.
본 실시 예에서는, 상부 판(120)과 하부 판(110)이 금속판으로 구성되는 경우, 금속판인 상부 판(120)의 표면에 먼지나 이물질에 의해 뾰족한 돌기(미도시)가 있을 수 있으며, 이 경우, 진공단열재(151)의 피복이 제작과정에서 그 뾰족한 돌기에 의해 손상될 수 있으므로, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 진공단열재(151) 위에 진공단열재 표면 보호재(152)가 설치되는 것이다. 진공단열재 표면 보호재(152)는 필름 형태로 진공단열재(151) 상면 피복을 보호하는 역할을 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재를 도시한 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재(300)에서는, 중간층(150)은 진공단열재(151) 위에 진공단열재 표면 보호재(152)가 설치되고, 그 진공단열재 표면 보호재(152) 위에 슬립재(153)가 설치된 3중 구조일 수 있다. 즉, 극저온을 차단하여 단열구조재 내부 온도를 코어 층(140)의 설계온도(약 -30℃∼-70℃) 이상으로 유지하여, 즉 코어 층(140)의 사용온도 범위 내로 유지하여 극저온 취성 파괴 현상을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
더 나아가, 슬립재(153)는 중간층(150)의 더 원활한 슬립을 유도하는 역할을 할 수 있으며, 종이 재질의 골판지 형태이거나 합성수지 시트 등으로 구성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재를 도시한 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재(600)에서는, 중간층(150)은 진공단열재(151) 위에 보강 단열재(154)가 설치되고, 그 보강 단열재(154) 위에 진공단열재 표면 보호재(152)가 설치되고, 그 진공단열재 표면 보호재(152) 위에 슬립재(153)가 설치되는 4중 구조일 수 있다.
써멀 스트레스를 대폭 감소하고 그의 전달을 막기 위해서 상부 판(120)과 상부 판 아래 구조물 사이의 슬립 작용이 중요하며, 이러한 슬립 작용을 좀 더 원활히 유도하기 위하여 슬립재(153)가 설치되는 것이다.
슬립재(153)는 표면이 매끄럽게 형성되는 것이 바람직하다. 표면이 매끄러울수록 극저온에서 슬립현상을 좀 더 원활히 유도하여, 극저온과 직접 접촉하는 금속재의 상부 판(120)과 코어 층(140) 간의 열 팽창 계수가 상이하여 발생하는 써멀 스트레스(thermal stress)를 감소함은 물론, 더 나아가, 보강 단열재(154)가 더 설치되어 극저온을 차단하여 단열구조재 내부 온도를 코어 층(140)의 설계온도(약 -30℃∼-70℃) 이상으로 유지하여, 즉 코어 층(140)의 사용온도 범위 내로 유지하여 극저온 취성 파괴 현상을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 단열설계 기준치를 만족하기 위해서, 한 장의 진공단열재로 단열성능이 부족할 경우, 추가로 다른 보강 단열재들을 진공단열재와 함께 배치하여 설계기준을 만족할 수도 있다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 상당한 외부 충격이 있는 경우, 진공단열재에 전달되는 충격 에너지를 흡수하기 위한 충격 완화재(미도시)가 더 배치될 수도 있다.
본 실시 예에서는, 상부 판(120)과 하부 판(110) 그리고 배리어 바(130)에 의해 형성된 공간(S)에서, 상부 판(120)의 하부에 중간층(150)이 배치되고, 중간층(150)과 하부 판(110) 사이에 코어 층(140)이 기밀 및 액밀하게 접합하여 구조적 강성을 더욱 견고하게 유지하도록 한다.
이와 같이 긴밀한 접합 구조에 의해서, 구조적 성능이 뛰어나게 됨은 물론, 코어 층이 약 1000㎏/㎥의 밀도를 가지며, 250㎫보다 큰 탄성계수와, 20㎫ 이상의 인장압축 강도를 갖고, 기밀 접합구조로 진공단열재의 주위를 감싸 보호하므로, 진공단열재의 가스출입이 발생하지 않게 되어 장기간 사용시에도 단열성능 저하 없이 그대로 단열성능을 지속할 수 있다.
또한, 도 7은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재를 도시한 단면도이고, 도 8은 도 7에서 커넥터의 변형 예들을 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제5 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재(500)에서는, 상부 판(120)과 코어 층(140)을 서로 연결하는 커넥터(570)를 더 포함할 수 있다. 커넥터(570)의 재질은 금속이나 강화 플라스틱 등을 사용할 수도 있다.
커넥터(570)는 상부 판(120)과 코어 층(140)을 서로 연결할 수도 있으며, 이 경우, 상부 판(120)과 중간층(150)의 슬립에 간섭을 유발하지 않도록 커넥터(570)와 중간층(150)은 어느 정도 유격을 유지하는 것이 바람직하다.
본 실시 예에서는, 커넥터(570) 연결구조를 채택함으로써, 상부 판(120)과 하부 판(110)은 금속 판과 플라스틱판의 샌드위치 구조 또는 플라스틱 판과 금속판의 샌드위치 구조중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 다시 말해서, 상부 판(120)과 하부 판(110)이 금속판이 아닌 플라스틱 판으로 대체할 경우 발생할 수 있는 비발포성 폴리우레탄층과의 결합 성능 저하로 인한 구조적인 강도 문제를 커넥터(570) 연결구조로 해소할 수 있다. 이는, 커넥터(570) 연결구조에 의해서 상부 판(120)과 하부 판(110)과 비발포성 폴리우레탄층과의 결합력을 확보할 수 있기 때문이다.
커넥터(570)는 상부 판(120)의 하면에 고정되고 중간층(150) 사이를 관통하는 웨브(571); 및 웨브(571)로부터 연장 형성되고 코어 층(140) 안에 설치되는 플랜지(572)로 구성될 수 있다. 커넥터(570)는 "ㅗ"자에 국한되지 않으며, "I"자 등으로 변경 가능하다.
더 나아가, 도 8을 참조하면, 커넥터(570)는 철판구조(a), 나사구조(b), 스터드 볼트구조(c), 용접구조(d) 중 어느 하나로 구성될 수 있다. 커넥터(570)는 이러한 구조들에 국한되지 않으며, 적용 분야에 맞게 변경 가능함은 물론이다.
커넥터(570)는 표면에 단열재 피복이 형성될 수도 있고, 메쉬(mesh) 형태(미도시)로 구성될 수도 있다.
커넥터(570)를 메쉬(mesh) 형태로 구성할 경우, 커넥터(570)의 표면은 물론 커넥터(570) 안에도 비발포성 폴리우레탄이 균일하게 채워지므로, 더욱 견고하게 커넥터(570)를 고정하고, 단열 구조재 전체구조가 견고해질 수 있다.
커넥터(570)의 연결구조에서는, 예를 들어 상부 판(120)과 코어 층(140)이 3MPa 이상의 강한 힘으로 연결됨으로써, 외부 하중이 단열 구조재에 가해질 때, 극저온 탱크용 단열 구조재에 걸리는 스트레스가 균일하게 분산될 수 있다.
다시 말해서, 커넥터(570)에 의해서 상부 판(120)과 코어 층(140)이 강한 힘으로 연결되는 구조이므로, 상부 판(120)에 가해지는 외부 하중은 커넥터(570)를 통해서 코어 층(140) 전체에 고르게 분산되어 지지가 되므로, 외부 하중에 대한 스트레스를 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재는, 단열 구조재에 굽힘 하중이 가해질 때, 커넥터(570)의 연결에 의해서 어느 한 방향(동일방향)으로 거동(擧動)하므로, 박리현상을 더욱 효과적으로 방지하고, 월등한 구조적 성능을 가지게 되는 것이다. 여기서, 박리현상이란 외부 굽힘 하중에 대하여, 비발포성 폴리우레탄과 상, 하부 판 등이 동일방향으로 거동하지 않는 현상이 반복됨에 따라 상, 하부 판 등이 분리(이탈)되는 현상을 말한다.
또한, 도 9는 본 발명의 제6 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재를 도시한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제6 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재(600)에서, 커넥터(670)는 상부 판(120)의 하면과 슬립 가능하게 접하고 중간층(150)에 고정되는 제1 플랜지(671); 상기 제1 플랜지(671)로부터 하방 연장 형성되는 웨브(672); 및 상기 웨브(671)의 하단으로부터 상방으로 연장 형성되고 코어 층(140) 안에 고정되는 제2 플랜지(673)로 구성될 수 있다.
커넥터(670)는 제1 플랜지(671)와 제2 플랜지(673)가 중간층(150)과 코어 층(140)을 서로 연결하여 주므로 구조재 강성을 더욱 높일 수 있다.
또한, 도 10은 본 발명의 제7 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재를 도시한 단면도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제7 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재(700)에서, 커넥터(770)는 상부 판(120)의 하면과 슬립 가능하게 접하고 중간층(150)에 고정되는 제1 플랜지(771); 상기 제1 플랜지(771)로부터 하방 연장 형성되는 웨브(772); 및 상기 웨브(772)의 하단으로부터 상방으로 연장 형성되고 하부 판(110)에 용접되는 제2 플랜지(773)로 구성될 수 있다.
커넥터(770)는 제1 플랜지(771)와 제2 플랜지(773)가 중간층(150)과 하부 판(110)을 서로 연결하여 주므로 구조재 강성을 더욱 높일 수 있다.
또한, 도 11은 본 발명의 제8 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재를 도시한 단면도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 제8 실시 예에 따른 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재(800)는 하부 판(110); 및 하부 판(110)의 상부에 설치되는 상부 판(120); 하부 판(110)과 상부 판(120) 사이의 양 끝단 부에 설치되는 배리어 바(130)를 구비한다. 공간(S)에서 상측에는 중간층(150)이 설치되고 하측에는 공간(S) 안으로 액상의 비발포성 폴리우레탄이 주입되고 경화되어 코어 층(140)이 형성된다.
그리고 코어 층(140)의 내부에는 경량 형상체, 예를 들어 버블 코어(860)가 설치될 수 있다. 버블 코어(860)는 탁구공과 같이 내부가 빈 경량 구체로 구성될 수 있다.
버블 코어(860)는 서로 인접하여 배치되거나 혹은 일정 간격을 두고 배치될 수 있다.
버블 코어(860)의 재질은 코어 층(140)과의 긴밀한 접합을 위해서 코어 층(140)과 같은 재질이거나 친화성(결합성) 있는 재질로 하는 것이 바람직하지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
코어 층(140)의 내부에 버블 코어(860)가 형성됨으로써, 비발포성 폴리에틸렌의 감소로 경량화가 가능하며, 버블 코어(860)가 공간(S) 안에서 조밀하게 배치됨으로써 구조재 강성을 더욱 높일 수 있다.
한편, 본 발명의 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재 제조방법은 하부 판(110)과 상부 판(120) 사이에 배리어 바(130)를 설치하여 공간(S)을 형성하며, 공간 상측에는 중간층(150)을 설치하고, 공간 하측에는 액상의 비발포성 폴리우레탄을 주입 경화시켜서 코어 층(140)을 형성하되, 공간 내 측면에 코어 층(140)을 기밀하게 접합하고, 중간층(150)의 상면은 상부 판(120)과 슬립 가능하게 설치하는 것이다.
주지하는 바와 같이, 비금속 중에는 금속과 버금가는 구조적 강도를 가진 재질들이 존재한다. 예를 들어, 탄소 섬유재질의 판의 무게는 철의 약 25% 정도에 불과하지만 강도는 10배 이상 강하다.
또한, 반대로 구조의 설계 하중이 그리 크지 않을 경우, 1㎜가량의 박판(철판)을 사용하고 최소 두께의 폴리우레탄(예를 들어, 10㎜)을 적용하더라도, 라미네이트 재질의 복합적인 특성으로 전체 구조 강도가 설계 하중보다 지나치게 클 경우가 있다. 이 경우, 철판보다 강도가 낮은 재질을 사용해야 최적화된 구조 설계가 가능하다.
하지만, 상기 두 가지 경우가 단열 구조재에 적용되지 못하는 가장 큰 이유는 폴리우레탄(PU)과의 접합성 때문이다. 즉, 금속판의 경우는, 손쉬운 표면 처리를 통해 표면의 거칠기를 쉽게 증가시킬 수 있고, 그 결과 폴리우레탄이 경화되면서 폴리우레탄은 금속판과 견고하고 강하게 접합한다.
하지만, 탄소 섬유, 플라스틱이나 플라이우드(plywood)와 같은 목재 재질은 표면이 매끄럽고 표면의 조도를 높이는 데에 여러 기술적 어려움이 있기 때문에, 비발포성 폴리우레탄층과의 결합성능이 매우 떨어지게 된다. 이 경우, 단열 구조재 전체 구조적인 강도 확보에 어려움이 발생한다.
본 실시 예에서는, 커넥터 연결구조를 적용하여 종래의 문제를 손쉽게 해결할 수 있으므로, 상부 및 하부 판은 금속판에 국한되지 않으며, 금속판 이외의 다른 모든 비금속 판의 적용도 가능하게 되는 것이다.
커넥터는 코어 층과의 접촉 면적이 대폭 증가하고, 액체 상태의 폴리우레탄을 주입 경화하는 과정에서, 커넥터와 코어 층이 빈틈없이 매우 견고하게 결합한다. 즉, 비발포성 폴리우레탄층 속에 큰 못이 박혀 있는 것과 같은 결합효과(쇄기 효과)가 발생한다.
따라서, 비금속 재질의 상, 하부 판을 적용하는 경우에도, 예를 들어 상부 판에 커넥터를 연결하고 이를 코어 층까지만 연결하는 구조로 설계하면, 손쉽게 결합성능을 높일 수 있으므로, 금속 판만을 사용한 단열 구조재보다 훨씬 가볍고 강한 구조를 만들거나, 비용 절감 및 최적화 설계를 위해 약한 재질의 판을 사용해야 할 경우, 다양한 비금속 재질의 판을 이용하여 손쉽게 단열 구조재를 만들 수 있다.
본 실시 예에서는 내구성과 결합성이 월등히 향상되고 박리현상을 방지할 수 있다. 즉, 통상의 단열재는 충격에 취약하고 외부 표피의 미세한 틈이 생길 경우, 시간이 지남에 따라 단열 성능이 떨어지는 현상이 발생할 수 있지만, 본 발명의 경우는, 밀폐된 박스와 고밀도의 코어 층이 중간층 외부를 둘러 감싸는 구조로 이루어져 있으므로, 내구성과 결합성이 월등히 향상되고 박리현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함한다."라고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 도면에 도시된 사이드 쉘, 극저온 탱크용 단열 구조재의 두께 및 형상 등은 본 발명의 기술을 용이하게 설명하기 위한 것에 불과한 것으로 도면에 도시된 것에 국한되지 않는다. 그리고 상부, 하부 등의 용어는 설명의 편의를 위해 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 임의적인 용어로, 이들 용어들은 위치와 보는 방향에 따라 역으로 변경되거나 다른 용어로 변경될 수 있음은 물론이다.
또한, 본 실시 예에서는 액화가스 운반선 화물창에 적용되는 단열구조재를 설명하고 있으나, 이는 예시에 불과하고 구조재 성능과 단열 성능이 필요한 다양한 분야에도 적용될 수 있음은 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
1) 극저온 액화가스와 직접 접촉하는 금속재의 상부 판과 코어 층 사이에 진공단열재를 기본으로 설치하고, 그 진공단열재에 진공단열재 표면 보호재, 보강 단열재, 슬립재 등을 추가로 배치하여서, 극저온을 차단하여 단열구조재 내부 온도를 코어 층의 설계온도(약 -30℃∼-70℃) 내지는 그 이상으로 유지함으로써, 극저온 취성 파괴 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
2) 본 발명은 극저온 액화가스와 직접 접촉하는 금속재질의 상부 판과 폴리우레탄 재질의 코어 층 사이에 중간층을 설치하되, 그 중간층은 진공단열재를 기본으로 하고, 그 위에 슬립재 등을 추가로 배치하여, 상부 판과 중간층 사이에 슬립(slip) 현상을 유도함으로써, 상부 판과 코어 층의 열 팽창 계수 차이 때문에 발생하는 써멀 스트레스를 대폭 줄이거나 써멀 스트레스가 단열 구조재 내부로 전달되는 것을 효과적으로 차단하여 열 변형 및 용접부위 파손을 방지할 수 있다.
3) 상부 구조는 극저온 액화가스의 누출을 막을 수 있는 금속재로 덮인 기밀구조이며, 하부에는 코어 층이 기밀하게 진공단열재와 접합하여 주위를 감싸 보호하는 구조이므로, 진공단열재의 가스출입이 차단되므로, 장기간 사용시에도 단열 성능을 그대로 유지할 수 있다.
4) 저장탱크의 구조적인 움직임이나 하중이 클 경우, 커넥터의 연결 구조에 의해서, 극저온 탱크용 단열 구조재에 걸리는 스트레스가 균일하게 분산됨은 물론 구조적 성능이 월등히 향상된다.
5) 필요 시, 커넥터는 비발포성 폴리우레탄 주입 전에 배치되므로, 액체 상태로 주입된 코어 층이 경화되면서 커넥터의 모든 표면에 걸쳐서 접합하므로 자연스럽게 코어 층과 나머지 두 구조가 기밀하게 접합하게 되고, 쇄기 형상을 가지며 평면상 보이는 면적의 최소 2~3배 이상 접합 면적이 증가하여 코어 층을 구조적으로 견고하게 잡아주는 구조가 형성되므로, 내구성과 결합성이 월등히 향상된다.
1: 사이드 쉘
2: 홀드 스페이스
4: 거더 혹은 스티프너
10: 선박용 극저온 탱크용 단열 구조재
100: 제1 실시 예의 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재
110: 하부 판
120: 상부 판
130: 배리어 바
140: 코어 층
150: 중간층
151: 진공단열재
152: 진공단열재 표면 보호재
153: 슬립재
154: 보강 단열재
170: 커넥터
171: 웨브
172: 플랜지
S: 공간

Claims (17)

  1. 선박용 극저온 탱크에 사용되는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재로서,
    사이드 쉘과 일정간격을 유지하여 설치되는 하부 판;
    극저온 액화가스와 직접 접촉하고, 상기 하부 판의 상부에 설치되어 상기 하부 판과의 사이에 공간을 형성하는 상부 판;
    상기 공간 안으로 주입되는 액상의 비발포성 폴리우레탄의 흘러내림을 방지하기 위하여 상기 하부 판과 상기 상부 판 사이의 양 끝단 부에 설치되는 금속 재질의 배리어 바(barrier bar);
    상기 공간 안에 형성되는 코어 층; 및
    상기 상부 판과 상기 코어 층 사이에 설치되는 중간층; 을 포함하되,
    상기 중간층은 진공단열재를 포함하며,
    상기 중간층은 상기 상부 판과 슬립 가능하게 설치되고,
    상기 상부 판 및 하부 판은 금속 재질을 포함하고,
    극저온 액화가스와 직접 접촉하는 상기 금속재질의 상부 판과 상기 비발포성 폴리우레탄 재질의 코어 층 사이에 중간층을 설치함으로써, 극저온을 차단하여 상기 비발포성 폴리우레탄재질의 코어 층의 극저온 취성 파괴 현상이 방지되는 것을 특징으로 하는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간층은 진공단열재 표면 보호재, 보강 단열재, 및 슬립재 중 적어도 어느 하나 이상의 조합으로 이루어지는 구성을 더 포함하는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 진공단열재는 상기 코어 층과 상기 상부 판 사이에 설치되어 단열성능을 가지며,
    상기 진공단열재 표면 보호재는 상기 진공단열재와 상기 상부 판 사이에 설치되어 상기 진공단열재의 피복 손상을 방지하며,
    상기 슬립재는 상기 상부 판의 하부에 설치되는 것을 특징으로 하는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 진공단열재의 하면은 상기 코어 층에 접하며, 상기 진공단열재의 측면은 상기 배리어 바에 접하는 것을 특징으로 하는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 판과 상기 하부 판 그리고 상기 배리어 바에 의해 형성된 박스 공안에서, 상기 상부 판의 하부에는 상기 진공단열재가 배치되고, 상기 진공단열재와 상기 하부 판 사이에는 상기 코어 층이 기밀하게 접합하는 것을 특징으로 하는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어 층 내부에 경량 형상체가 구비되는 것을 특징으로 하는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어 층은 비발포성 폴리우레탄을 포함하는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재.
  8. 청구항 1에 있어서,
    스트레스를 분산하고 구조적 강성을 높이기 위한 커넥터를 더 포함하는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 커넥터는 상기 중간층과 상기 코어 층을 서로 연결하는 것을 특징으로 하는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재.
  10. 삭제
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 커넥터는 상기 상부 판의 하면에 고정되는 웨브; 및
    상기 웨브로부터 연장 형성되고 상기 코어 층 안에 설치되는 플랜지;로 구성되는 것을 특징으로 하는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 상부 판과 상기 하부 판은, 금속판과 플라스틱판의 샌드위치 구조 또는 플라스틱 판과 금속판의 샌드위치 구조중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 상부 판과 상기 하부 판 중 적어도 어느 하나는 금속판으로 이루어지며, 상기 금속판에는 주름 부가 형성되는 것을 특징으로 하는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어 층의 설계온도 -30℃∼-70℃ 이상으로 유지되는 것을 특징으로 하는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재.
  15. 하부 판;
    극저온 액화가스와 직접 접촉하고, 상기 하부 판의 상부에 설치되어 상기 하부 판과의 사이에 공간을 형성하는 상부 판;
    상기 공간 안으로 주입되는 액상의 비발포성 폴리우레탄의 흘러내림을 방지하기 위하여 상기 하부 판과 상기 상부 판 사이의 양 끝단 부에 설치되는 금속 재질의 배리어 바(barrier bar);
    상기 공간 안에 형성되는 코어 층; 및
    상기 상부 판과 상기 코어 층 사이에 설치되는 중간층; 을 포함하되,
    상기 중간층은 진공단열재를 포함하며,
    상기 중간층은 상기 상부 판과 슬립 가능하게 설치되고,
    상기 상부 판 및 하부 판은 금속 재질을 포함하고,
    극저온 액화가스와 직접 접촉하는 상기 금속재질의 상부 판과 상기 비발포성 폴리우레탄 재질의 코어 층 사이에 중간층을 설치함으로써, 극저온을 차단하여 상기 비발포성 폴리우레탄 재질의 코어 층의 극저온 취성 파괴 현상이 방지되는 것을 특징으로 하는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재.
  16. 삭제
  17. 하부 판; 극저온 액화가스와 직접 접촉하고, 상기 하부 판의 상부에 설치되어 상기 하부 판과의 사이에 공간을 형성하는 상부 판; 상기 공간 안으로 주입되는 액상의 비발포성 폴리우레탄의 흘러내림을 방지하기 위하여 상기 하부 판과 상기 상부 판 사이의 양 끝단 부에 설치되는 금속 재질의 배리어 바(barrier bar); 상기 공간 안에 형성되는 코어 층; 및 상기 상부 판과 상기 코어 층 사이에 설치되는 중간층; 을 포함하여 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재를 제조하되,
    상기 중간층은 진공단열재를 포함하며,
    상기 중간층은 상기 상부 판과 슬립 가능하게 설치하고,
    상기 상부 판 및 하부 판은 금속 재질을 포함하고,
    극저온 액화가스와 직접 접촉하는 상기 금속재질의 상부 판과 상기 비발포성 폴리우레탄 재질의 코어 층 사이에 중간층을 설치함으로써, 극저온을 차단하여 상기 비발포성 폴리우레탄 재질의 코어 층의 극저온 취성 파괴 현상을 방지하는 것을 특징으로 하는 선박용 극저온 탱크의 단열 구조재 제조방법.

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