KR102640355B1

KR102640355B1 - 목부에 단열구조를 갖는 극저온 고압가스 용기

Info

Publication number: KR102640355B1
Application number: KR1020220187351A
Authority: KR
Inventors: 김성철
Original assignee: 김성철; 이구연
Priority date: 2022-12-28
Filing date: 2022-12-28
Publication date: 2024-02-29

Abstract

본 발명은 용기본체의 목부에 급격한 열손실을 차단할 수 있는 단열 구조가 설치되어 저장효율이 높아지도록 한 단열구조를 갖는 극저온 고압가스 용기를 제공한다. 본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 고압가스 입출구에 나사홀이 형성된 목부를 갖도록 금속 라이너로 제작된 용기본체와, 용기본체의 외면에 목부의 일부를 노출시킨 상태에서 탄소유리섬유 복합재로 접합시킨 용기본체 외피층과 다층단열층으로 이루어지되, 용기본체의 목부에서 외부로 노출되는 부분을 감싸서 급격한 열손실을 방지하기 위해 GFRP로 제작된 목부단열캡이 목부에 나사 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

목부에 단열구조를 갖는 극저온 고압가스 용기{Cryogenic compressed gas tank having insulation structure on the neck}

본 발명은 극저온 고압가스 용기에 관한 것으로, 특히 용기본체의 목부에 급격한 열손실을 차단할 수 있는 단열 구조가 설치되어 저장효율이 높아지도록 한 단열구조를 갖는 극저온 고압가스 용기에 관한 것이다.

극저온 고압 수소탱크(CCH2;Cryogenic Compressed Hydrogen)는 액체수소(-253℃) 또는 극저온 수소가스(-100~-253℃)를 저장할 수 있으면서 동시에 최대 350bar까지 견딜 수 있는 저장용기이다.

기존 액체수소탱크의 경우, 스테인레스강 2중 진공벽 구조의 고성능 단열기능을 갖는 용기로 사용압은 15bar 이하이다. 따라서 액체수소가 기화되어 용기 내부의 증기압이 상승하여 15bar 이상이 되면, 안전밸브 또는 릴리프 밸브를 작동시켜 기화된 수소가스를 배출해야 한다. 일반적으로 하루 이내에 15bar 이상에 도달하여 수소 가스 배출이 시작된다. CCH2 탱크는 극저온을 저장하면서 동시에 내압구조를 가지기 때문에 액체수소 저장시 릴리프 밸브가 열리는 시점이 7일 이상 늦춰진다. CCH2 탱크에 액체수소가 아닌 극저온 수소가스를 고압으로 저장할 수 있는데 이 경우, 이론적으로 저장효율이 상온 고압용기 대비 150~200%에 달한다. 유럽, 미국에서는 20여년전부터 CCH2 탱크(용기)의 연구개발이 진행되어 왔고, 최근 CCH2 용기에 대한 인증기준 수립과 상용화를 준비하고 있다.

현재 4가지 유형의 구조를 갖는 수소 저장 탱크가 제안되어 있다. 제1 타입은 용기 전체가 금속재질(스틸, 알루미늄) 라이너로 구성된 것이고, 제2 타입은 금속재질(스틸, 알루미늄) 라이너에 몸통부분을 유리(탄소)섬유 복잡재료로 보강한 형태이고, 제3 타입은 금속 라이너 전체에 탄소(유리)섬유 복합재료를 보강한 형태이고, 제4 타입은 플라스틱과 같은 비금속 라이너에 탄소(유리)섬유 복합재료로 용기 전체를 보강한 형태이다. 여기서, 제3 타입의 경우, 추가적으로 그 외부를 고성능 단열재(예로, 단열매트, 진공단열판, 이중 진공 단열층 등)로 감싸는 구조가 연구되고 있다.

그런데, 연구된 제3 타입의 경우에도 기존의 내압구조나 다층 단열구조로도 외부밸브 또는 배관이 연결되는 넥(neck)부의 열손실을 차단할 수 없어 저장효율을 높이는데 한계가 있다. 따라서 CCH2 탱크에 있어 복합재료로 금속 라이너를 보강하되 넥부의 열손실을 차단할 수 있는 방안이 필요하다.

본 발명의 배경이 되는 기술로는 한국 등록특허 등록번호 제10-0469636호(특허문헌 1)로서, '복합재료 고압용기용 고밀폐도 금속성 노즐보스'가 제안되어 있다. 이는 라이너 내부에서 탄성재료로 된 실링과 조임쇠를 이용하여 노즐보스와 라이너가 만나는 경계지점을 견고하게 밀폐시킴과 동시에 금속성 노즐보스를 사용한 복합재료 용기를 장시간 사용할 때 노즐보스와 라이너 사이의 계면 분리로 인하여 발생하는 가스의 누출을 방지하도록 한 것이다. 그러나 이 배경기술은 노즐보스의 노즐 머리부가 외부에 그대로 노출되어 열손실을 차단할 수 없다.

본 발명의 배경이 되는 다른 기술로는 한국 등록특허 등록번호 제10-2432512호(특허문헌 2)로서, '다중 가압구조의 노즐보스를 갖는 고압가스 저장탱크'가 제안되어 있다. 이는 노즐보스와 라이너 사이의 밀폐성 저하가 발생되지 않으며, 밸브 착탈로 인하여 반복적인 비틀림 하중이 가해지는 노즐보스와 라이너 사이의 계면이 상호 분리되는 현상을 방지할 수 있도록 한 것이다. 그러나 이 배경기술은 제2가압결합부재를 적용하여 노즐보스가 매립되어 있는 라이너의 내/외측면과 노즐보스의 가압 밀착력이 점차적으로 증가되도록 한 것으로 제2가압결합부재가 외부에 그대로 노출되어 열손실을 차단할 수 없다.

한국 등록특허 등록번호 제10-0469636호 한국 등록특허 등록번호 제10-2432512호

본 발명은 용기본체의 목부에 급격한 열손실을 차단할 수 있는 단열 구조가 설치되어 저장효율이 높아지도록 한 단열구조를 갖는 극저온 고압가스 용기를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 고압가스 입출구에 나사홀이 형성된 목부를 갖도록 금속 라이너로 제작된 용기본체와, 용기본체의 외면에 목부의 일부를 노출시킨 상태에서 탄소유리섬유 복합재로 접합시킨 용기본체 외피층으로 이루어지되, 용기본체의 목부에서 외부로 노출되는 부분을 감싸서 급격한 열손실을 방지하기 위해 GFRP로 제작된 목부단열캡이 목부에 나사 결합되어 있고, 상기 용기본체의 목부 내면에는 저온에서도 금속탄성력을 발휘하여 극저온 고압가스 용기에 접속되는 고압유출입튜브와의 실링기능을 유지하는 에너자이즈드링이 설치되고, 고압유출입튜브의 외면에 목부를 벗어난 구간으로 유리섬유 50중량부 이상이 포함된 유리섬유복합재로 피복된 복합단열층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목부단열캡은 목부의 노출된 외주면을 감싸는 원통형의 목부견착부, 목부견착부에서 절곡 연장되어 목부의 선단에 밀착되는 목부링판, 목부링판에서 고압가스 입출구를 향해 절곡되어 외면에 수나사부를 형성하는 목부체결부를 이루는 것을 특징으로 한다.

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또한, 다층단열층은 슈퍼 단열 매트(Super insulation mat), 에어로젤(Aerogel), 진공단열패널(Vaccum insulation pannel) 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목부에 단열구조를 갖는 극저온 고압가스 용기에 따르면, 용기본체의 목부에 목부단열캡이 설치되어 급격한 열손실을 차단할 수 있다. 또한 에너자이드링의 설치로 목부와 고압유출입튜브의 사이로 누출되는 고압 가스를 방지할 수 있고, 고압유출입튜브에 유리섬유복합재로 피복된 복합단열층이 형성되어 수송배관을 통한 열손실을 차단할 수 있어 극저온 고압가스의 저장효율이 향상된다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 극저온 고압가스 용기의 사시도.
도 2는 도 1의 분해사시도.
도 3은 도 1에 적용된 용기본체의 사시도.
도 4는 도 1의 극저온 고압가스 용기에서 목부 결합부분의 단면도.
도 5는 도 1에 적용된 목부단열캡의 부분절단된 사시도.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명에 따른 극저온 고압가스 용기(10)는 액체수소(-253℃) 또는 극저온 수소가스(-100~-253℃)를 저장할 수 있으면서 동시에 최대 350bar까지 견딜 수 있는 저장용기이다.

극저온 고압가스 용기(10)는 도 1 내지 도 4와 같이 고압가스 입출구(121a)에 나사홀(121b)이 형성된 목부(121)를 갖도록 금속 라이너로 제작된 용기본체(12)와, 용기본체(12)의 외면에 목부(121)의 일부를 노출시킨 상태에서 탄소유리섬유 복합재로 접합시킨 용기본체 외피층(14)과 다층단열층(15)으로 이루어진다.

다층단열층(15)은 슈퍼 단열 매트(Super insulation mat), 에어로젤(Aerogel), 진공단열패널(Vaccum insulation pannel) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

또한, 용기본체(12)의 목부(121)에서 외부로 노출되는 부분을 감싸서 급격한 열손실을 방지하기 위해 GFRP(유리섬유복합재)로 제작된 목부단열캡(16)이 목부(121)에 나사 결합되어 설치된다. 이때 목부단열캡(16)은 높은 비강도와 비강성을 위해 유리섬유 성분이 50중량부 이상이 함유된 GFRP(유리섬유복합재)로 제작됨이 바람직하다.

도 4 및 도 5와 같이 목부단열캡(16)은 목부(121)의 노출된 외주면을 감싸는 원통형의 목부견착부(161), 목부견착부(161)에서 절곡 연장되어 목부(121)의 선단에 밀착되는 목부링판(162), 목부링판(162)에서 고압가스 입출구(121a)를 향해 절곡되어 외면에 수나사부(153a)를 형성하는 목부체결부(163)를 이루어져 있다.

따라서 도 4와 같이 목부단열캡(16)은 목부체결부(163)가 용기본체(12)의 목부(121)에 형성된 나사홀(121b)에 나사 체결됨으로써 용기본체(12)에 결합된다. 이때 목부단열캡(16)은 용기본체(12)의 목부(121)와 접하는 부분에 극저온 환경에서도 점착력을 유지하는 접착제가 접착되어 설치될 수 있다.

이와 같이 목부단열캡(16)이 용기본체(12)의 목부(121)에 결합되어져 설치되면, 목부견착부(161), 목부링판(162) 및 목부체결부(163)를 목부(121)가 외부로 노출되는 방지할 뿐만 아니라 자체의 단열 작용에 의해 용기본체(12)의 목부(121)에서 열손실을 차단할 수 있고, 이로 인해 극저온 고압가스 용기(10)에 충진된 극저온 고압가스의 저장효율의 저하를 방지할 수 있다.

한편, 용기본체(12)의 목부(121) 내면에는 저온에서도 금속탄성력을 발휘하여 극저온 고압가스 용기(10)에 접속되는 고압유출입튜브(20)와의 실링기능을 유지하는 에너자이즈드링(energized ring)(18)이 설치됨이 바람직하다. 에너자이즈드링(18)은 메탈스프링 또는 오링을 테프론 자켓과 조합하여 극저온에서도 계속적인 반발탄성을 유지할 수 있도록 제작된 것이다. 따라서 극저온 고압가스 용기(10)의 목부(121)와 고압유출입튜브(20)와의 사이로 극저온 고압가스가 누출되는 현상을 에너자이즈드링(18)의 강력한 밀폐 기능으로 방지할 수 있다.

이때 도 2 및 도 4와 같이 고압유출입튜브(20)의 외면에는 목부(121)를 벗어난 구간으로 유리섬유 50중량부 이상이 포함된 유리섬유복합재로 피복된 복합단열층(201)이 형성되어 구성됨이 바람직하다. 물론 추가적인 단열이 필요한 경우, 고압유출입튜브(20)에도 이중 진공벽 구조의 단열층을 추가로 부착할 수 있다.

이같이 고압유출입튜브(20)에도 복합단열층(201)이 형성된 경우, 용기본체(12)의 목부(121) 뿐만 아니라 고압유출입튜브(20)를 통해 이동하는 수송구간에도 단열이 이루어져 열손실을 최대로 억제함으로써 극저온 고압 가스의 저장효율을 극대화할 수 있다.

지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

10: 극저온 고압가스 용기
121: 목부
121a: 고압가스 입출구
121b: 나사홀
14: 용기본체 외피층
15: 다층단열층
16: 목부단열캡
161: 목부견착부
162: 목부링판
163: 목부체결부
18: 에너자이즈드링
20: 고압유출입튜브
201: 복합단열층

Claims

극저온 고압가스 용기(10)에 있어서,
고압가스 입출구(121a)에 나사홀(121b)이 형성된 목부(121)를 갖도록 금속 라이너로 제작된 용기본체(12)와, 용기본체(12)의 외면에 목부(121)의 일부를 노출시킨 상태에서 탄소유리섬유 복합재로 접합시킨 용기본체 외피층(14)과 다층단열층(15)으로 이루어지되,
용기본체(12)의 목부(121)에서 외부로 노출되는 부분을 감싸서 급격한 열손실을 방지하기 위해 GFRP(유리섬유복합재)로 제작된 목부단열캡(16)이 목부(121)에 나사 결합되어 있고,
상기 용기본체(12)의 목부(121) 내면에는 저온에서도 금속탄성력을 발휘하여 극저온 고압가스 용기(10)에 접속되는 고압유출입튜브(20)와의 실링기능을 유지하는 에너자이즈드링(18)이 설치되고, 고압유출입튜브(20)의 외면에 목부(121)를 벗어난 구간으로 유리섬유 50중량부 이상이 포함된 유리섬유복합재로 피복된 복합단열층(201)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 목부에 단열구조를 갖는 극저온 고압가스 용기.
제 1항에 있어서,
상기 목부단열캡(16)은 목부(121)의 노출된 외주면을 감싸는 원통형의 목부견착부(161), 목부견착부(161)에서 절곡 연장되어 목부(121)의 선단에 밀착되는 목부링판(162), 목부링판(162)에서 고압가스 입출구(121a)를 향해 절곡되어 외면에 수나사부를 형성하는 목부체결부(163)를 이루는 것을 특징으로 하는 목부에 단열구조를 갖는 극저온 고압가스 용기.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 다층단열층(15)은 슈퍼 단열 매트(Super insulation mat), 에어로젤(Aerogel), 진공단열패널(Vaccum insulation pannel) 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 목부에 단열구조를 갖는 극저온 고압가스 용기.
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