Search

KR-20260061153-A - 스케일링 가능한 압력 용기, 그 제조 방법 및 그 용도

KR20260061153AKR 20260061153 AKR20260061153 AKR 20260061153AKR-20260061153-A

Abstract

크기, 형상 및 압력 스케일링 가능한 압력 용기는 작동 중에 가압되는 유체의 수용을 위해 누설 방지되는 외부 압력 쉘, 및 유체의 로딩 및 언로딩을 위해 외부 압력 쉘을 통과하는 적어도 하나의 개구를 포함한다. x 축, y 축 및 z 축을 갖는 데카르트 좌표 시스템을 기준으로, 압력 용기는 다음을 더 포함한다는 점에서 구별된다: - z 축에 직교하게 배향되고, 평행 인장 패널들의 둘레와 연결되는 대향하는 외부 압력 쉘 부분들 상의 압력을 전달 및 균형화하는 것에 의해 작동 중에 인장력을 받는 복수의 내부 평행 인장 패널들(평판형 플레이트들), - z 축에 평행하게 배향되고, 상기 인장 빔들의 단부들과 만나는 대향하는 외부 압력 쉘 부분들 상의 압력을 전달 및 균형화하는 것에 의해 작동 중에 인장력과 연결되고 인장력을 받는 복수의 내부 평행 인장 빔들. 상기 압력 용기의 제조 방법 및 그 용도.

Inventors

  • 베르간 폴 쥐.

Assignees

  • 래티스 인터내셔널 에이에스

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20240320
Priority Date
20230706

Claims (15)

  1. 작동 중에 가압되는 유체의 수용을 위해 누설 방지되는 외부 압력 쉘(2), 및 상기 유체의 로딩 및 언로딩을 위해 상기 외부 압력 쉘을 통과하는 적어도 하나의 개구(10)를 포함하는 압력 용기(1)로서, x 축, y 축 및 z 축을 갖는 데카르트 좌표 시스템을 기준으로, 상기 압력 용기는, - 상기 z 축에 직교하게 배향되고, 평행 인장 패널들의 둘레와 연결되는 대향하는 외부 압력 쉘 부분들(6) 상의 압력을 전달 및 균형화하는 것에 의해 작동 중에 인장력을 받는 복수의 내부 평행 인장 패널들(평판형 플레이트들)(4), - 상기 z 축에 평행하게 배향되고, 상기 인장 빔들의 단부들과 만나는 대향하는 외부 압력 쉘 부분들(5) 상의 압력을 전달 및 균형화하는 것에 의해 작동 중에 인장력과 연결되고 인장력을 받는 복수의 내부 평행 인장 빔들(12)을 더 포함하고, - 바람직하게는 상기 내부 인장 패널들에 연결된 상기 외부 압력 쉘 부분들의 내부에 종방향 보강재들(14)을 또한 포함하고 - 상기 종방향 내부 보강재들은 상기 z 방향으로 연장됨 -, - 바람직하게는 상기 내부 인장 빔들에 연결된 상기 외부 압력 쉘 부분들의 내부에 횡방향 보강재들을 또한 포함하고 - 상기 횡방향 보강재들은 상기 x 방향 및/또는 상기 y 방향으로 연장됨 -, - 바람직하게는 상기 x 방향 및 상기 y 방향으로 직교하게 연장되게 바람직하게 배열되는, 상기 내부 인장 패널들 상의 보강재를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 외부 압력 쉘 표면의 기하학적 구조는 평면 패널들 및 상기 평면 패널들을 연결하는 단일 및 이중 곡선형 압력 쉘 부분들로 구성되고, - 상기 단일 곡선형 압력 쉘 부분들은, 2개의 평면 패널들이 만나는 측면들에서 평면 패널들을 연결하는, 곡률 반경 R을 갖는 다수의 단일 곡선형 압력 쉘 부분들로 구성되고, - 상기 이중 곡선형 압력 쉘 부분들은, 3개의 평면 패널들이 만나는 코너들에서 평면 패널들을 연결하는, 곡률 반경 R을 갖는 다수의 구형(spherical) 압력 쉘 부분들로 구성되는, 압력 용기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내부 인장 빔들(12)은, x 방향 및 y 방향으로 연장되는 보강재들이 교차하는 위치들에서 횡방향 보강재들(15)을 통해, 또는 x 방향 및 y 방향으로의 횡방향 보강재 둘 모두가 존재하지 않는 경우 x 방향 또는 y 방향 중 하나로 연장되는 횡방향 보강재를 통해, 상기 인장 빔들의 단부들과 만나는 대향하는 외부 압력 쉘 부분들(5)에 구조적으로 연결되는, 압력 용기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 인장 빔들은 상기 복수의 내부 인장 패널들 내의 대응하는 개구들을 통해 연장되고/되거나 상기 복수의 내부 인장 패널들 내의 인장 빔들을 위한 구조물을 포함하는, 함께 결합되는 섹션들을 포함하는, 압력 용기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 압력 쉘은, 상기 x 축, 상기 y 축 및 상기 z 축에 각각 직교하는 6개의 평판형 패널들(평판형 플레이트들), 2개의 평판형 패널들이 만나는 12개의 1/4 원통형 단일 곡선형 부분들, 및 3개의 평판형 패널들이 만나는 8개의 1/8 구형 이중 곡선형 코너들을 포함하는, 압력 용기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 평행 인장 패널들은 상기 z 축을 따라 균일하게 분포되고, 상기 z 축에 평행하게 배향된 상기 내부 평행 인장 빔들은 균일하게 간격을 두고 분포되는, 압력 용기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직교 기준 시스템에 대해 비스듬한 각도의 하나 또는 여러 개의 외부 패널들과 같은, 불규칙한 하나 이상의 외부 압력 쉘 부분들을 포함하거나, 또는 심리스하게(seamlessly) 연결된 외부 압력 쉘 부분들을 갖는 비유사한, 연결된 외부 압력 쉘 부분들을 포함하는 전체 압력 용기를 포함하는, 압력 용기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 용기는, 사용되는 중량 및 재료, 및 제조 비용과 같은 목적 함수들에 대한 최적의 설계 솔루션을 결정하기 위해, 체계적, 파라메트릭 변동들에 의해 또는 수학적 최적화에 의해, 쉘 플레이트 두께, 내부 인장 패널들 사이의 거리 및 내부 인장 빔들 사이의 거리, 치수들 그리고 보강재들 사이의 거리와 같은 주요 기하학적 파라미터들을 결정하기 위해, 단순화된 설계 공식들과 진보된, 컴퓨터화된 분석 툴을 사용하여 모든 적용 가능한 코드 및 규제 요건들에 따라 설계되는, 압력 용기.
  9. 제1항의 압력 용기를 제조하는 방법으로서, 작동 중에 가압되는 유체를 수용하기 위해 누설 방지되는 외부 압력 쉘로서, 상기 유체의 로딩 및 언로딩을 위해 상기 외부 압력 쉘을 통과하는 적어도 하나의 개구를 제조하거나 배열하는 것을 포함하는, 상기 외부 압력 쉘, 복수의 내부 인장 빔들, 복수의 내부 인장 패널들 - 각각의 내부 인장 패널은 내부 인장 빔들을 위한 개구들 또는 연결 구조물을 포함하고, 상기 개구들 또는 연결 구조물들의 수 및 포지셔닝은 내부 인장 빔들의 수 및 포지셔닝에 대응함 -; 및 데카르트 직교 x-y-z 좌표 시스템을 기준으로; 상기 z 축에 직교하고 상기 z 축을 따라 상기 복수의 내부 인장 패널들을 배열하고 상기 내부 인장 패널들을 상기 내부 인장 패널들의 둘레와 연결되는 외부 압력 쉘 부분들에 구조적으로 연결하는 것, 상기 z 축 방향으로 상기 복수의 내부 인장 빔들 또는 그 섹션들을, 상기 복수의 내부 인장 패널들 내의 내부 인장 빔들을 위한 대응하는 개구들을 통해 또는 연결 구조물에 배열하고, 상기 내부 인장 빔들의 단부들과 만나는 대향하는 외부 압력 쉘 부분들 사이에서 상기 내부 인장 빔들을 구조적으로 연결하는 것, 을 포함하는 상기 구조물 또는 부품들 또는 이들의 사전 조립된 조합을 제조하고 결합하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 내부 인장 패널들에 연결된 압력 쉘 부분들 상의 상기 z 방향의 내부 종방향 보강재들, 내부 인장 빔에 연결된 압력 쉘 부분들 상의 내부 횡방향 보강재들, 및 그 사이에 있는 단일 곡선형 압력 쉘 부분들 내부의 중간 보강재들을 다른 방식으로 용접하거나 결합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 내부 인장 빔들은, 상기 보강재들이 교차하는 위치들에서 x 방향 및 y 방향들로 연장되는 상기 횡방향 보강재들에 상기 내부 인장 빔들을 연결하는 것에 의해, 또는 상기 보강재들 둘 모두가 상기 압력 쉘 부분들 상에 존재하지 않는 경우 x 방향 또는 y 방향으로 연장되는 횡방향 보강재들에 상기 내부 인장 빔들을 연결하는 것에 의해 상기 압력 쉘 부분들에 구조적으로 연결되는, 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 용기를 상기 압력 용기의 3차원 부품들, 모듈들 또는 블록들에 의해 사전 제조 및 조립하는 단계를 포함하며, 블록들로의 분할은 각각의 블록의 생산에서 자동화된 생산 방법들의 접근 및 사용을 고려하여 제조의 용이성에 따라 이루어지고, 그 후 각각의 블록은 그것의 지정된 위치로 순차적으로 들어올려지고 그것의 이웃하는 블록들과 함께 결합되어, 그것의 정의된 구조물로 전체 압력 용기를 구성하는, 방법.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전체 압력 용기의 전부는 패널 방법 접근방식을 사용하여 조립되고 함께 결합되며, 상기 제조 공정은 하단 패널, 인장 패널들, 단부 패널들, 상단 패널, 측면 패널들 및 인장 빔들을 포함하는 보강된 패널들의 전체 또는 일부인 사전 제조된 하위구조물들을 기반으로 하고, 상기 공정 동안 상기 사전 제조된 섹션들 또는 부품들은 규정된 바와 같이 상기 전체 압력 용기를 포함하도록 순차적으로 함께 결합되는, 방법.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 너무 무거워서 하나의 피스로 들어올려 제조할 수 큰 압력 용기의 제조를 위해, 상기 압력 용기는 선박에의 적재와 같은 최종 위치로 운반되어 들어올려질 2개 이상의 주요 섹션들 또는 부품들로 제조되고, 그 후에 이들 주요 섹션들이 상기 전체 압력 용기를 제공하기 위해 함께 결합되며, 그 후에 설비(outfitting) 및 테스트가 이루어지는, 방법.
  15. 액체 천연 가스(LNG), 액체 석유 가스(LPG), 액체 이산화탄소(LCO2), 액체 수소(LH2), 액체 암모니아 또는 원칙적으로 대기압보다 높은 압력에서 저장되어야 하는 임의의 다른 유체, 및/또는 더 비용 효율적으로 저장 및/또는 운반되어야 하는 임의의 유체의 저장 및/또는 운반을 위한, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 압력 용기의 사용.

Description

스케일링 가능한 압력 용기, 그 제조 방법 및 그 용도 본 발명은 액체 천연 가스(LNG), 액체 석유 가스(LPG), 액체 이산화탄소(LCO2), 액체 수소(LH2), 및 원칙적으로 대기압보다 높은 압력에서 저장되는 임의의 다른 유체의 저장 및 운반과 같은 압력 하에서의 유체의 저장 및 운반에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 반복적이고 기하학적인 스케일링성의 원리에 기초하는 가압 유체용 소형, 중형 및 대형 저장 탱크 및 운반 탱크에 관한 것이다. 저장 탱크와 운반 탱크는 크기, 형상 및 압력의 관점에서 표현되는 특정한 목적 및 응용을 위해 설계되어야 하며; 가압식 탱크는 일반적으로 "압력 용기"로 지칭된다. 따라서, 압력 용기 개념에 대한 핵심 성능 파라미터는 이들이 안전성, 중량, 비용 및 공간 효율의 관점에서 양호한 성능을 제공하면서 각종 상이한 조건들 및 응용들을 위한 목적을 위해 설계될 수 있도록 하는 것이다. 가압된 유체가 저장되거나 운반되어야 할 때, 압력 용기는 여러 요구사항들 및 제약사항들을 충족해야 한다. 압력 용기는 압력을 처리하고 탱크의 작동 범위에 걸쳐 탱크에 대한 동적 하중 변화를 견디기에 충분히 강해야 한다. 또한, 사용 필드와 관련된 특정 기하학적, 크기 또는 형상 관련 제약사항들이 충족되어야 한다. 예를 들어, 구형 탱크나 원통형 탱크는 가압 유체를 수용하기에 최적인 중량일 수 있지만, 탱크 벽 두께가 너무 두꺼워서 실제 제조 비용이 많이 들 수 있다. 또한, 이러한 쉘 타입 탱크들은 그들의 형상 때문에, 예를 들어, 선박 구조에 사용될 때, 한정적인 공간 내에 배치될 시의 다른 상황들 하에서, 주변 공간의 활용도가 매우 떨어지게 된다. 최대 허용 가능한 쉘 두께와 관련된 크기 제한, 형상 제한, 필요한 저장 용량을 달성하기 위해 다수 개의 탱크가 설치될 필요성, 및 공간 활용 비효율성은 전통적인 구형 및 원통형 쉘 타입 압력 용기의 사용에 대한 심각한 제약 사항들을 나타낸다. 본 발명은 20년 이상 거슬러 올라가는 기술적 연원을 갖는다. 2005년 9월 26일에 등록된 노르웨이 특허 제319876호의 "A system for storage or transport of compressed gas on a floating structure"에는, 고압 하에서 비냉각된 천연 가스와 같은 가압 가스가 강철로 이루어진 긴 표준 가스 파이프라인 섹션들의 스택을 통해 저장될 수 있는 방법이 기재되어 있다. 파이프 벽 두께는 압력과 반경에 비례하기 때문에 화물 중량과 관련하여 요구되는 매우 높은 강철 중량과 실린더 클러스터들에 대한 공간 활용의 비효율성으로 인해 냉각 없이 가압하는 개념은 상업적으로 성공하지 못하였다. 추가 개발 단계는 원통형 압력 용기 번들이 훨씬 더 콤팩트하고, 균일한 셀룰러 구조물로 대체될 수 있는 방법을 설명하는 2006년 7월 17에 등록된 노르웨이 특허 제321892호에 정의되었다. 관련 특허들은 NO 323091, NO 316958, NO 322241 및 NO 316958이다. 이 특허들은 삼각형 및 직교 셀룰러 패턴들과 같은 여러 형태의 셀룰러 구조물이 실린더와 동일한 재료 효율을 제공하는 방법을 보여주었다. 설명된 셀룰러 패턴들은 사실상 "격자 압력 용기"로 지칭될 수 있는 것의 최초의 케이스였다. 이것은 또한 내부 격자를 둘러싸는 외부 벽들 및 코너들이 내부 하중 지지 구조의 변형과 일치하는 변형을 제공하는 원통형 형상을 가질 수 있는 방법을 보여주었다. 해당 발명의 특히 중요한 특징은 원칙적으로 압력 용기 스케일링성이 무제한이며, 압력 용기가 주어진 한정 공간의 기하학적 요구사항에 적응 가능한 임의의 박스형 전체 형상을 가질 수 있다는 점이다. 내부 하중 지지 구조, 즉 "격자"의 원리로 인해, 외부 쉘 구조만으로 압력을 수용하는 것이 아니라, 내부 가스 압력의 힘을 전달하게 된다. 추가적인 개발은 PCT/NO2005/00232, WO2006001711 및 US 20070194051 A1에 기술된 내부 격자 타입 하중 지지 구조를 갖는 이중벽 박스 타입 압력 용기였다. 이 모든 발명들은 격자 압력 용기들 또는 LPV의 "1세대"로 지칭될 수 있다. 이후, KAIST(Korea Advanced Institute of Science and Technology)에서 내부 하중 지지 구조에 대한 보다 유연한 설계를 통해 개념이 추가로 개발되었으며, 특허 공개 문헌 WO 2012148154, WO 2014073719, US10145508, WO2006001711 및 US2007194051로 참조되는 일련의 특허들을 통해 설명되었다. 이들 특허는 둥근 측벽들을 포함하는 외부 기하학적 구조의 다양한 형태뿐만 아니라, 내부 3차원 하중 지지 격자 구조의 다양한 타입의 구조적 컴포넌트들을 설명한다. 특히, 이들 특허는 균일한 내부 하중 지지 구조를 기술하는 것이 아니라 오히려 압력 용기의 내부 공간 전체에 걸쳐 변할 수 있는 구조적 컴포넌트들의 여러 형태를 기술한다. 이 특허 그룹은 여기서 "2세대" 격자 압력 용기로 지칭되며, LPV 개념을 압력 용기의 중저압 응용들에 더욱 적합하게 만드는 개선사항들을 포함한다. 2세대 LPV는 초기에 액화 천연 가스(LNG)용 압력 용기를 대상으로 개발되었으며, 선박의 LNG 연료 탱크에 적용되어 왔다. 그러나, 이 기술은 암모니아, 액체 수소, 액체 이산화탄소(LCO2) 및 다른 유체의 저장과 같은 다른 중요한 가스 수용 응용들에도 큰 잠재력을 갖는다는 것이 나중에 명백해졌다. 2세대 LPV가 크기 독립적, 형상 독립적 및 압력 독립적 압력 용기에서 최신 기술을 나타내지만, 중량 감소, 구조적 효율 증가, 더 쉽고 더 안전한 제조, 그리고 제조 및 운영의 전체 비용 감소와 관련하여 상당한 개선이 여전히 가능하다면 매우 환영될 것이다. 본 발명의 목적은 특히 구조적 효율성, 총 중량, 제조의 용이성 및 전체 비용과 관련된, 훨씬 더 유리한 버전의 압력 용기를 제공하는 것이다. 본 발명의 중요한 목적은 가스 및 유체를 보다 효율적으로 저장 및 운반할 수 있는 압력 용기를 제공함으로써 보다 지속 가능한 환경 및 경제에 기여하며 이에 의해 전통적인 오일 연료보다 낮은 배출량을 갖는 연료의 보다 양호한 사용을 용이하게 하는 것이다. 그 예로는 액체 천연 가스, 액체 수소 및 암모니아와 같은 수소 운반체, 그리고 CCS(Carbon Capture and Storage) 체인에서의 이산화탄소의 취급 및 저장 등이 있다. 이러한 압력 용기는 환경 친화적인 에너지 운반체 및 탄소 폐기물의 더 나은 취급을 위한 특정 가능성과 함께 녹색 전환을 향한 중요한 인에이블러가 될 것이다. 기후와 환경 친화적인 에너지 솔루션을 개발, 구현하는 데 있어 국제 사회가 기로에 서 있다. 특히, 국제 해운업계는 새로운 배출 규제 및 요구사항에 직면해 있으며, 이는 선박이 "무배출" 또는 "저배출" 연료로 전환하거나, 또는 대안적으로, 배기가스의 온보드 탄소 포집 및 저장을 요구하고 있다. 탄소세의 도입과 고객의 청정 운반에 대한 요구 역시 청정 선박 운반으로의 전환을 촉진한다. 이와 함께, 친환경 연료와 액체 이산화탄소(LCO2)의 선박 운반에 대한 새로운 시장 기회가 대두되고 있다. 이와 유사하게, 녹색 전환을 다루기 위한 새로운 육상 기반 시설이 또한 개발되고 있으며; 이것은 또한 압력 하에서 엄청난 양의 가스를 저장 및 운반하는 것을 포함한다. 따라서, 저탄소 연료, 암모니아, 수소 및 LCO2와 같은 가스에 대한 응용으로 공간 효율적이고, 스케일링 가능하며 비용 효율적인, 효율적 수용 시스템에 대한 요구가 증가할 것이다. 본 발명의 주요 목적은 이러한 문제에 대한 새롭고 더 나은 해결책을 제공하고 이에 따라 녹색 전환 및 더 지속 가능한 경제에 기여하는 것이다. 본 발명은 작동 중에 가압된 유체의 수용을 위해 누설 방지되는 외부 압력 쉘, 및 유체의 로딩 및 언로딩을 위해 외부 압력 쉘을 통과하는 적어도 하나의 개구를 포함하는 크기, 형상 및 압력 스케일링 가능한 압력 용기를 제공함으로써 목적들을 충족시킨다. x 축, y 축 및 z 축을 갖는 데카르트 좌표 시스템을 참조하면, 압력 용기는 다음을 더 포함한다는 점에서 구별된다: - z 축에 직교하게 배향되고, 평행 인장 패널들의 둘레와 연결되는 대향하는 외부 압력 쉘 부분들 상의 압력을 전달 및 균형화하는 것에 의해 작동 중에 인장력을 받는 복수의 내부 평행 인장 패널들(평판형 플레이트들), - z 축에 평행하게 배향되고, 상기 인장 빔들의 단부들과 만나는 대향하는 외부 압력 쉘 부분들 상의 압력을 전달 및 균형화하는 것에 의해 작동 중에 인장력과 연결되고 인장력을 받는 복수의 내부 평행 인장 빔들, - 바람직하게는 또한 내부 보강된 인장 패널들에 연결된 외부 압력 쉘 부분들 내부에 종방향 보강재들을 포함하고 - 종방향 내부 보강재들은 z 방향으로 연장됨 -, - 바람직하게는 또한 내부 인장 빔들에 연결된 외부 압력 쉘 부분들 내부에 횡방향 보강재들을 포함하고 - 횡방향 보강재들은 x 방향 및/또는 y 방향으로 연장됨 -, - 바람직하게는 또한 종방향 보강재들과 횡방향 보강재들을 연결하는 중간 보강재들을 포함하고, - 바람직하게는 또한, 바람직하게는 x 방향 및 y 방향으로 직교하게 연장되도록 배열되는, 내부 인장 패널들 상의 보강재들을 포함한다. 바람직한 압력 용기 실시예들은 종속 청구항들에 정의된 바와 같거나, 상세한 설명에 명시된 바와 같거나, 도면들에서 명백히 드러나는 바와 같다. 추가 설명에서, 청구항들에서 그리고 도시된 바와 같이, 전술한 특징들의 조합은, 원칙적으로, 내부 압력을 받을 때 압력 용기 내에서 내부적으로만 순수 인장 응력을 제공하며, 최소한의 구조로, 단지 압력 쉘 플레이트들, 내부 패널들 및 보강재들의 두께들을 조정하고, 인장 빔 교차 면적, 내부 패널들 사이의 거리, 내부 인장 빔들 사이의 거리 및/또는 내부 보강재들 사이의 거리 및/또는 이들의 높이를 조정함으로써 상이한 압력으로 스케일링 및 최적화할 수 있다. 단순화 및 비용 감소를 위해, 많은 반복 구조를 포함하는 많은 실시예들