KR100540464B1 - 액화가스와 같은 가압유체용 탱크 - Google Patents

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리오넬 포네
패뜨릭 잭퀴에
쟝-루이 샤르
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소시에떼 나쇼날 데듀뜨 에 드 꽁스트럭시용 드 모뙤르 다비아시옹-에스.엔.이.씨.엠.에이.
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Abstract

적어도 하나의 분기관(30,32)에 평행하게 연결된 튜브와 같은 다수의 단위탱크(20)로 이루어진 탱크는 임의의 단위탱크를 그 안에 수용된 압력의 떨어짐에 대응하여 격리시킬 수 있는 밸브형태의 폐쇄수단을 구비하고 있다.

Description

액화가스와 같은 가압유체용 탱크 {Tank for Pressurised Fluid, in Particular for Liquefied Gas}
본 발명은 가압유체, 특히 1MPa 보다 훨씬 높은, 전형적으로 5MPa 보다 높은 고압력하의 가압유체용 탱크에 관한 것으로, 한정되지는 않지만 본 발명의 특정한 사용분야는 차량에 사용되는 액화프로판가스(LPG) 등의 액화된 가스와 같은 가압유체용 탱크에 관한 것이다.
사람들이나 민감한 물품에 가까이 또는 제한된 공간에 있는 근래의 가압형 탱크는 안전에 문제를 일으키고 있으며, 일반적인 해결방법은 튼튼한 용기를 사용하는 것이나, 이는 무겁게 된다. 더구나, 내부압력을 잘 견딜 수 있도록 하는 이러한 용기의 최적의 형상은 특히 차량에 설치될 수 있는 형태를 종종 제한하고, 이는 차량에서의 이용될 수 있는 부피를 많이 차지한다. 덧붙여, 안전기준은 이러한 탱크가 설치된 차량이 터널도로로 통과하는 것을 금지할 수 있다.
본 발명의 목적은 전술한 결점이 없는 고압력하의 유체용 탱크를 제공하는 것으로, 이를 위해 본 발명은 적어도 하나의 분기관에 평행하게 연결된 다수의 단위탱크와, 떨어지는 내부압력에 대응하여 임의의 단위탱크를 격리시키도록 된 폐쇄수단을 구비한 탱크를 제공하는데, 바람직하기로 상기 단위탱크는 튜브로 이루어진다.
본 발명의 주요 장점은 이용할 수 있는 공간에 아주 쉽게 맞춰질 수 있다는 것으로, 압력을 견디는 능력은 전체적으로 탱크의 전체형상에 관계없이 각 단위탱크의 단면과 벽두께에 의해 결정되므로, 다른 길이의 단위탱크를 사용하거나, 1열 당 여러 개를 갖춘 열로 배열하거나, 또는 서로 연결된 소조립품으로 구별되게 서로 모음으로써, 이용할 수 있는 공간에 탱크의 부피를 분배할 수 있다. 이러한 선택은 차량에 대해 특히 바람직하여서, 탱크를 수용함으로써 이용할 수 있는 부피를 줄게 하지 않게 한다.
덧붙여, 규격화된 설계 때문에 상기 탱크는 간단히 저비용으로 제조할 수 있는데, 이는 특히 필요한 길이로 절단될 때 동일한 튜브가 임의의 형상과 부피의 탱크를 제조하는 데에 사용될 수 있어 튜브형태로 되어 있는 단위탱크에 적합하다.
더구나, 이러한 단위탱크는 전형적으로 단위탱크내의 상대적인 압력손실 때문에 특별한 구성과 크기가 없는 임의의 복잡한 형상의 용기로는 불가능한, 외부압력을 수용하는 능력을 제공한다.
또한, 본 발명은 예컨대 금속이나 금속합금 또는 복합재료와 같은 다양한 재료를 단위탱크용으로 사용할 수 있도록 되어 있는 바, 상기 복합재료는 탄소섬유나 "케블라(Kevlar;등록상표)" 또는 유리로 보강될 수 있고, 에폭시 수지와 같은 수지로 만들어진 매트릭스(matrix)를 갖출 수 있다.
덧붙여, 특히 벽두께에 관한 필수조건은 제공될 탱크의 부피를 갖는 단일체인 탱크 보다 각 단위탱크에 대해 훨씬 덜 엄격하고, 단일체인 탱크와 비교하여 질량의 절감은 현저하게 될 수 있다.
본 발명에 따른 탱크의 다른 장점은 안전성이 우수하다는 것이다. 폐쇄수단 때문에 하나의 단위탱크가 손상되더라도 그 내용물뿐만 아니라 전체탱크를 위태롭게 하지 않고, 따라서 누출되는 경우에 주변환경으로의 피해를 제한한다. 단지 하나의 단위탱크가 손상되었을 때 누출되는 소량의 유체흐름은 사용상의 어떤 제한을 의미하는데, 예컨대 터널도로의 통과를 금지하는 것과 같이 더 이상 정당화될 수 없는 것이다.
바람직하기로, 상기 폐쇄수단은 예컨대 유연성 있는 얇은 막의 형태인 각각의 밸브인데, 이는 분기관에 연결된 각 단위탱크의 끝에 장착되고, 밸브는 분기관의 압력에 대해 떨어지는 단위탱크내의 압력에 상응하여, 즉 분기관과 단위탱크내의 압력차에 의해 단위탱크의 단부를 폐쇄시킨다. 동일한 유연성 있는 얇은 막이 다수의 단위탱크의 단부에 연결된 분기관에 장착되어 다수의 단위탱크에 공유된다.
상기 탱크는 적어도 각 탱크의 노출된 표면을 덮어씌우는 보호실드(shield)를 구비할 수 있는 바, 이 실드는 바람직하기로 폼(foam)이나 벌집형태의 다공성 재료의 두꺼운 기저층과 단단한 보호시트로 이루어진 외장구조를 갖추고 있으며, 예컨대 복합재료인 보호시트는 추진이나 충격에너지의 일부를 흡수하고, 탱크의 넓은 면적 위로 뒤덮기에 적당한 폼재료에 흡수되지 않은 에너지를 전달하여 기저구 조물의 변형을 방지할 수 있다. 탱크 전체를 기능적으로 손상시키지 않고 흡수되는 충격의 크기가 실드의 크기를 결정한다.
본 발명에 따른 탱크에 대한 다른 특징과 장점은 첨부도면을 참조로 하되, 이에 한정되지 않고, 아래에 주어진 설명으로 명확하게 될 것이다.
도 1과 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탱크를 아주 개략적으로 도시한 정면도와 측면도이고,
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도 3은 단위탱크가 도 1과 도 2에 도시된 탱크의 분기관에 연결되는 방법을 도시한 상세도,
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도 4와 도 5는 도 1과 도 2에 도시된 탱크의 단위탱크를 폐쇄하는 수단을 개략적으로 도시한 단면도,
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도 6은 추진이나 충격에 대해 보호하는 실드가 고정된 본 발명에 따른 탱크의 단면도,
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도 7은 다수의 부품으로 된 본 발명의 다른 실시예에 따른 탱크를 도시한 개략도이다.
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다음 설명은 고압력하의 액화가스용, 특히 차량용 액화프로판가스 탱크의 제 조에 관한 것으로, 당해분야의 숙련자들은 설명되는 원리들이 예컨대 산업현장의 유독물질을 수용하는 탱크나 할론(halon)가스를 수용하는 탱크와 같이 고압력하의 가스나 액체용 탱크의 다른 사용에 쉽게 적용될 수 있음을 알고 있다.
도 1과 도 2는 분기관(30)에 평행하게 연결된 다수의 단위탱크(20)로 이루어진 탱크(10)를 도시하고 있다.
상기 단위탱크(20)는 다수의 겹쳐진 열, 즉 "다발"형 배열로 서로 평행하게 배치되어 있으며, 모든 단위탱크는 동일한 직경과 동일한 벽두께를 갖는데, 예컨대 이들은 강철과 같은 금속이나, 탄소섬유 또는 "케블라(등록상표)"로 보강된 에폭시 수지와 같은 복합재료로 제조된다.
상기 단위탱크(20)의 길이와 각 열의 단위탱크의 갯수는 예컨대 차량구조 아래의 탱크를 수용하기에 적합한 부피를 차지할 수 있도록 최적의 방식으로 선택된다. 도 1과 도 2에서, 이용할 수 있는 부피의 한계는 일점쇄선으로 나타내었는데, 바로 볼 수 있는 바와 같이 단위탱크들을 사용하여 규격화된 형태로 탱크를 형성하는 것은 특히 탱크를 다양한 형상으로 맞추기에 아주 알맞다.
양끝에서, 각 단위탱크(20)는 분기관(30)에 연결되어 있는 바, 도시된 예에서 각 분기관(30)은 주어진 열의 단위탱크(20)가 모두 연결된 관형태로 되어 있으며, 추가적인 분기관들(32,34)은 탱크의 양끝에서 평행하게 분기관(30)과 서로 연결되어 있는데, 이들 분기관(32,34)은 사용을 위한 출구와 충전을 위한 입구(도시되지 않음)에 탱크(10)를 연결하는 덕트(36)에 연결된다.
단위탱크(20)의 각 끝은 단위탱크(20)의 한끝(22a)에 용접되거나 나사결합되며, 반대편 끝에서 분기관(30)에 용접되거나 나사결합되는 연결부(22)에 의해 분기관(30)에 연결되는데, 이 연결부(22)는 그 반대편 끝(22b)에서 분기관(30)쪽으로 짧게 관통되어 이 끝이 분기관의 내부로 돌출한다(도 3과 도 4 및 도 5 참조).
각 단위탱크의 끝에 분기관의 배열이 있는 것으로 설명되었지만, 한끝이 폐쇄된 경우에는 통상 단위탱크의 반대편 끝에 단지 하나의 분기관 배열이 구비될 수 있다.
덧붙여, 분기관(32 또는 34)에 평행하게 서로 연결된 관형태의 분기관(30)을 사용하는 것 대신으로, 탱크의 각 끝에 있는 각 분기관 조립체가 모든 열을 따라 통과하는 물결모양의 튜브로 이루어지거나, 공동(空洞)의 끝판으로 이루어질 수 있다. 이러한 경우에, 상기 끝판은 그들의 원주 주위로 기밀하게 서로 연결된 2개의 이격되고 평행한 벽으로 형성되는데, 이들 벽 중 하나는 단위탱크의 연결부가 관통하는 구멍들을 갖추고 있다.
도 4와 도 5는 예컨대 추진의 충격이나 충돌로 생기는 파손 또는 손상 때문에 임의의 단위탱크내에서 압력이 떨어지는 경우, 단위탱크(20)용 폐쇄수단을 구성하는 유연성 있는 얇은 막(40)을 도시하고 있다.
도시된 예에서, 상기 얇은 막(40)은 분기관에 연결된 열(列)의 단위탱크(20)의 축에 직각인 표면을 갖추면서, 분기관(30)의 전체길이를 따라 뻗어 있고 유연성 있는 재료로 길고 가느다란 형상으로 되어 있다. 따라서, 상기 얇은 막(40)은 열에 있는 모든 단위탱크(20)가 공유하는 폐쇄수단을 구성하게 되고, 그 끝에서 이 얇은 막(40)은 예컨대 접착제나 기계적 수단에 의해 분기관(30)의 폐쇄된 끝에 고정된다.
예컨대, 상기 유연성 있는 얇은 막(40)은 섬유로 보강된 탄성중합체로 이루어진 복합재료로 만들어지는 바, 정상작동에서 얇은 막(40)은 변형되지 않고 분기관(30)에 연결된 단위탱크(20)에 자유로이 접근할 수 있게 하는데(도 4 참조), 분기관(30)을 밀폐되게 서로로부터 격리된 2개의 길이방향의 공간으로 분할하지 않기 때문에 동일한 압력이 얇은 막의 양쪽면에 유지된다.
단위탱크(20)내에서 갑작스럽게 압력이 떨어진 경우(도 5 참조)에, 상기 얇은 막(40)은 자동적으로 변형되고 상기 단위탱크에 해당되는 연결부(22)의 끝을 폐쇄시키는데, 각 끝에 분기관 조립체가 연결되어 있으면, 동일한 현상이 단위탱크의 양끝에서 일어난다. 따라서, 탱크의 불완전한 부분이 탱크의 나머지 부분으로부터 신속히 격리되는데, 이 나머지 부분은 유체의 손실이 매우 제한된 채로 계속 사용될 수 있다.
유연성 있는 얇은 막의 사용은 저비용과, 움직이는 부품이 필요없게 됨으로 인한 신뢰성 때문에 바람직하다. 그럼에도 불구하고, 예컨대 각 단위탱크의 양끝에 연결된 역류방지밸브와 같은 폐쇄수단의 다른 실시예가 사용될 수 있는데, 상기 역류방지밸브는 해당 단위탱크에 압력강하가 없는 경우에 밸브를 개방된 채로 유지하는 작은 회복력을 선택적으로 받게 된다.
이미 전술한 바와 같이, 전형적으로 5cm 보다 작거나, 1cm 보다 훨씬 작은 아주 작은 직경으로 될 수 있는 단위탱크의 사용은 그다지 두껍지 않은 벽을 사용하면서 아주 높은 압력을 견딜 수 있게 한다. 예컨대, 8mm의 외부직경과 1mm의 벽두께를 갖는 탄소 및 에폭시 복합재료로 만들어진 단위탱크는 100MPa의 내부압력을 견딜 수 있다.
따라서, 고압력하의 유체용 탱크는 동일한 용량의 단일체 탱크보다 대체로 가볍게 된다.
추진과 충돌에 대해 단위탱크를 보호하기 위해서, 탱크는 적어도 각각의 노출된 표면 위로 보호실드가 구비되는 것이 바람직하다.
이러한 실드는 도 6에 도시되어 있는 바, 이 예에서는 다발로 된 단위탱크(20)와 분기관들을 둘러싸는 폴리우레탄 폼과 같은 폼재료층(42)을 구비하고 있는데, 이 층(42)은 예컨대 아라미드(aramid)섬유로 강화된 에폭시수지 매트릭스를 구성하는 복합물로 이루어진 단단한 구조물 또는 외각체(44)로 덮어씌워진다. 이 외각체(44)는 폼재료층(42) 위로 수지가 함유된 섬유직물을 걸쳐놓은 후 수지를 중합시킴으로써 형성될 수 있다. 변형예에서, 수지가 함유된 섬유직물은, 덮어씌우는 폼재료층을 형성할 목적으로 탱크가 삽입되는 주물의 내부면에 걸쳐놓일 수 있다. 상기 실드는 아라미드섬유와 같은 섬유질 용기와, 폼재료를 대신하여 그 작용을 수행하는 두꺼운 벌집모양구조의 재료로 구성될 수도 있다.
보호실드의 사용은 단위탱크(와 분기관)가 복합재료와 같이 금속과는 다른 재료로 만들어질 때 특히 바람직한데, 이는 이러한 재료들이 종종 낮은 충격저항을 나타내고, 금속보다 덜 유연하기 때문이다.
충돌이나 충격의 경우에, 단단한 외각체(44)는 폼재료층(42)의 표면 위로 압력을 분배한다. 훨씬 더 압력을 분배함으로써 탱크의 단위탱크와 접촉되는 폼의 뒷면으로 변형이 전달되지 않는다.
상기 탱크(10)는 단일 세트의 단위탱크(20)로 이루어지는 한편, 복잡한 형상으로 될 수 있다.
분리된 공간이 탱크가 수용되기에 적합하고 어느 것도 그 자체로 충분한 부피를 제공하지 않을 때, 도 7에 도시된 바와 같이 탱크(10)를 다수의 소조립체(12, 14)로 만들 수 있는데, 각 소조립체는 이용할 수 있는 공간의 작용으로 선택된 배열과 길이를 갖는 다수의 단위탱크를 구비하며, 이 소조립체(12,14)는 하나 이상의 파이프(38)로 서로 연결된다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 이용할 수 있는 공간에 아주 쉽게 적용될 수 있도록 탱크의 부피를 분배할 수 있으면서, 규격화된 설계 때문에 간단히 저비용으로 제조될 수 있고, 충격에너지를 흡수하며 기저구조물의 변형을 방지할 수 있는 보호실드를 갖추어 안전하게 된 탱크를 제공할 수 있게 된다.

Claims (14)

  1. 서로 평행하게 인접하여 배치되고 하나 이상의 다발 형태로 이루어진 다수의 단위탱크(20)가 구비되어 있고,
    상기 단위탱크의 출구가 평행하게 연결되는 분기관(30)이 구비되어 있으며, 상기 인접배치된 단위탱크(20)는 그 끝에 상기 분기관(30)에 연결되기 위한 단부를 구비하며, 상기 탱크의 단부에 각각 장착된 밸브 형태로 된 폐쇄수단을 구비하되, 상기 밸브 형태의 폐쇄수단은 튜브가 연결된 분기관의 압력에 대하여 단위탱크의 압력이 떨어지면 이 탱크의 단부를 폐쇄하여 상기 분기관과 격리할 수 있도록 되어 있는, 액화가스와 같은 가압유체용 탱크.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 단위탱크(20)는 다수의 열로 서로 평행하게 배치된 다수의 튜브로 구성된 것을 특징으로 하는 액화가스와 같은 가압유체용 탱크.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 다수의 열로 평행하게 배치된 튜브열중 적어도 2개는 다른 숫자의 튜브를 구비하는 것을 특징으로 하는 액화가스와 같은 가압유체용 탱크.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 다발 형태의 탱크는 적어도 2개의 다른 길이로 된 튜브를 구비하는 것을 특징으로 하는 액화가스와 같은 가압유체용 탱크.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서, 상기 탱크는 서로 연결된 다수의 소조립체(12,14)를 구비하되, 이 소조립체는 서로 평행하게 배치된 튜브 다발을 구비하는 것을 특징으로 액화가스와 같은 가압유체용 탱크.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서, 상기 밸브는 유연성 있는 얇은 막(40)을 구비하는 것을 특징으로 하는 액화가스와 같은 가압유체용 탱크.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 유연성 있는 얇은 막(40)은 상기 분기관(30)에 장착되고, 다수의 단위탱크에 공유되는 것을 특징으로 하는 액화가스와 같은 가압유체용 탱크.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 탱크는 보호실드를 구비하는 것을 특징으로 하는 액화가스와 같은 가압유체용 탱크.
  12. 삭제
  13. 제 1항에 있어서, 상기 단위탱크(20)는 복합재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 액화가스와 같은 가압유체용 탱크.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 보호실드는 복합재료의 단단한 동체(44)로 덮어씌워진 폼 또는 벌집형태의 다공질재료의 층(42)을 구비하는 것을 특징으로 하는 액화가스와 같은 가압유체용 탱크.
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