KR101434013B1 - 압력 용기 보스와 쉘을 위한 내전단성 인터페이스 요소 - Google Patents

압력 용기 보스와 쉘을 위한 내전단성 인터페이스 요소 Download PDF

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헥사곤 테크놀로지 에이에스
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Abstract

압력 용기는 복합재 쉘(18); 이 복합재 쉘(18)에 포트(32)를 형성하고 목부(28)를 포함하는 보스(16); 및 복합재 쉘(18)과 보스(16) 사이에 배치되는 인터페이스 요소(34, 34A, 34B, 34C, 34D)를 포함한다. 인터페이스 요소(34, 34A, 34B, 34C, 34D)는 복합재 쉘(18)은 물론 보스(16)에도 접합되지 않아, 인터페이스 요소(34, 34A, 34B, 34C, 34D)와 복합재 쉘(18) 간의 이동을 허용하는 한편, 인터페이스 요소(34, 34A, 34B, 34C, 34D)와 보스(16) 간의 이동을 허용하게 된다. 인터페이스 요소(34, 34A, 34B, 34C, 34D)는 또한 보스(16)의 목부(28)에 인접하게 배치된 목부(38)를 더 포함한다.

Description

압력 용기 보스와 쉘을 위한 내전단성 인터페이스 요소{PRESSURE VESSEL SHEAR RESISTANT BOSS AND SHELL INTERFACE ELEMENT}
본 발명은 압력 용기 보스와 쉘을 위한 내전단성 인터페이스 요소에 관한 것이다.
예를 들면 산소, 천연 가스, 질소, 수소, 프로판 및 기타 연료를 저장하는 등과 같이 각종 유체를 가압 하에 수용하는 데에 압력 용기가 통상 이용되고 있다. 적절한 컨테이너 재료로는 권취한 유리섬유 필라멘트 또는 기타 합성 필라멘트의 적층된 층들을 열경화성 수지 또는 열가소성 수지로 함께 접합한 것을 포함한다. 폴리머 또는 기타 비금속 탄성 라이너 또는 블레더(bladder)가 종종 복합재 쉘 내에 배치되어, 용기를 밀봉하고 내부 유체가 복합재와 접촉하는 것을 방지한다. 용기의 복합재 구조는 경량이고 부식, 피로 및 파국적 고장(catastrophic failure)에 대한 저항성이 있는 등의 다수의 이점을 제공한다. 이러한 특성은 압력 용기의 구조에서 주된 힘의 방향으로 통상 배향되는 보강 섬유 또는 필라멘트의 높은 비강도(specific strength) 때문이다.
도 1 및 도 2에는 본 명세서에 참조로 인용되는 미국 특허 제5,476,189호에 개시된 것과 같은 긴 압력 용기(10)가 도시되어 있다. 이 압력 용기(10)는 본체 섹션(12) 및 단부 섹션(14)을 갖는다. 압력 용기(10)의 한쪽 단부 또는 양쪽 단부에 금속 보스(boss)(16)(예를 들면, 알루미늄)가 마련되어, 압력 용기(10)의 내부와 연통하는 포트를 제공한다. 압력 용기(10)는 외측 복합재 쉘(18)로 덮인 내측 폴리머 라이너(20)로 이루어진다. 여기서, "복합재"라 함은 필라멘트 권취 구조 또는 적층 구조와 같이 섬유 보강 수지 매트릭스 재료를 의미한다. 복합재 쉘(18)이 모든 구조적 하중을 해소시키고 플라스틱 라이너(20)가 가스 배리어를 제공한다.
라이너(20)는 외측 복합재 쉘(18)의 개구(26) 내에 개구(24)가 정렬된 대체로 반구형의 단부 섹션(22)을 구비한다. 보스(16)는 정렬된 개구들 내에 배치되는 것으로, 목부(28) 및 반경 방향 외측으로 돌출하는 플랜지부(30)를 포함한다. 보스(16)는 포트(32)를 형성하고, 이 포트를 통해 고압의 유체가 압력 용기(10)의 내부와 연통할 수 있다.
몇몇 용례에서, 압력 용기(10)는 축압기(accumulator)로서 이용되고 있다. 이 용례는 압력 용기(10)의 높은 사이클 수명(가압/감압)을 수반한다. 알루미늄 보스(16)의 목부(28)와 플랜지부(30)는 강체이다. 그러나, 가압 하에서, 복합재 쉘(18)은 변형되는 경향이 있다. 복합재 쉘(18)이 보스(16)의 금속 재료와 직접 접촉하는 경우, 그러한 변형은 축압기의 사이클 중에 보스(16)에 의한 복합재 쉘(18)의 마모로 인해 복합재 쉘(18)의 파열(spalling)을 초래할 수 있다.
하나의 양태에서, 본 발명은 압력 용기에 관한 것으로, 이 압력 용기는, 복합재 쉘; 이 복합재 쉘에 포트를 형성하고 목부를 포함하는 보스; 및 복합재 쉘과 보스 사이에 배치된 인터페이스 요소(interface element)를 포함하며, 이 인터페이스 요소는 복합재 쉘은 물론 보스에도 접합되지 않아, 인터페이스 요소와 복합재 쉘 간의 이동을 허용하는 한편, 인터페이스 요소와 보스 간의 이동을 허용하며, 인터페이스 요소는 보스의 목부에 인접하게 배치된 목부를 포함한다.
전술한 개요는 아래의 상세한 설명에서 보다 상세하게 설명할 개념을 간단한 형식으로 소개하고자 마련한 것이다. 이 개요는 개시하거나 청구하는 본 발명의 주요 특징 또는 필수 특징을 확인시키고자 한다거나, 개시하거나 청구하는 본 발명의 각각의 개시된 실시예 또는 모든 실시예를 설명하고자 한 것은 아니다. 구체적으로, 여기서 하나의 실시예에 대해 개시한 특징들은 다른 실시예에도 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 전술한 개요는 청구된 본 발명의 범위를 결정하는 데에 일조하고자 이용하는 것은 아니다. 수많은 기타 신규한 이점, 특징 및 관계가 상세한 설명을 계속해서 읽음에 따라 명백해질 것이다. 후술하는 상세한 설명 및 도면은 특히 예시적인 실시예를 들고자 한 것이다.
개시된 본 발명은 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이며, 첨부 도면에서 동일한 구조 또는 시스템 요소들에는 여러 도면에 걸쳐 동일한 도면 부호를 부여한다.
도 1은 통상의 길이가 긴 압력 용기의 측면도이다.
도 2는 도 1의 라인 2-2를 따라 취한 그 압력 용기의 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 보스와 쉘을 위한 내전단성 인터페이스 요소의 제1 실시예의 사시도이다.
도 4는 도 3의 보스와 쉘을 위한 내전단성 인터페이스 요소를 수용하는 압력 용기의 도 2와 유사한 부분 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 보스와 쉘을 위한 내전단성 인터페이스 요소의 제2 실시예를 나타내는, 도 4의 원형 영역(도면 부호 5)의 확대 부분 단면도이다.
도 5b는 본 발명의 보스와 쉘을 위한 내전단성 인터페이스 요소의 제3 실시예를 나타내는, 도 4의 원형 영역(도면 부호 5)의 확대 부분 단면도이다.
도 5c는 본 발명의 보스와 쉘을 위한 내전단성 인터페이스 요소의 제4 실시예를 나타내는, 도 4의 원형 영역(도면 부호 5)의 확대 부분 단면도이다.
도 5d는 본 발명의 보스와 쉘을 위한 내전단성 인터페이스 요소의 제5 실시예를 나타내는, 도 4의 원형 영역(도면 부호 5)의 확대 부분 단면도이다.
상기한 도면들에서는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 대해 나타내고 있지만, 본 명세서에서 언급하는 바와 같이 다른 실시예들도 역시 모색될 수 있다. 모든 경우에 있어서, 본 명세서는 개시된 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니라 예시로서 제시하고 있다. 본 발명의 원리의 사상 및 범위 내에 포함되는 수많은 기타 수정예 및 실시예가 당업자들에 의해 안출될 수 있다는 점을 이해해야 할 것이다.
도면은 축척대로 도시되지 않을 수도 있다. 게다가, "위", "아래", "상", "하", "정상", "저부", "측부", "우측", "좌측" 등과 같은 용어가 사용되는 경우, 그 용어들은 상세한 설명의 이해를 용이하게 하기 위해서만 사용한 것이라는 점을 이해해야 할 것이다. 구조체들을 다른 방식으로 배향할 수 있다는 점을 예상할 것이다.
수많은 횟수의 가압-감압 사이클 후에, 복합재 쉘(18)의 파열이 흔히 금속 보스(16)의 말단과 복합재 쉘(18)이 접촉하는 곳, 특히 지점(33)(도 2 참조)에서 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 해법이 본 명세서에 참조로 인용되는 미국 특허 제5,429,845호에 개시되어 있다. 본 발명에 있어서, 압력 용기의 예시적인 실시예는 도 4 내지 도 5d에 도시한 바와 같이 보스(16)와 복합재 쉘(18) 사이에 마련된 내전단성 인터페이스 요소(34 내지 34D)를 포함한다. 도 5a 내지 도 5d에서는 압력 용기의 단면의 절반만을 도시하고 있지만, 다른 절반은 그 거울상[도 4의 축선(35)을 중심으로 한 거울상]을 이룬다. 인터페이스 요소(34 내지 34D)는 또한 보스(16)에 근접한 복합재 쉘(18)과 라이너(20) 사이의 계면 내로 연장한다. 인터페이스 요소(34 내지 34D)는 보스(16)와 복합재 쉘(18) 사이에 가요성의 고마모 표면을 생성하도록 마련된다. 인터페이스 요소(34 내지 34D)의 예시적인 구성이 도 3 내지 도 5D에 도시되어 있다. 인터페이스 요소(34 내지 34D)는 가압 및 감압 중에 복합재 쉘(18)이 보스(16) 위에서 미끄럼 이동하게 하는 데에 도움을 준다.
예시적인 실시예에서, 인터페이스 요소(34 내지 34D)는 복합재 쉘(18)은 물론 보스(16)에도 접합되지 않아, 인터페이스 요소(34 내지 34D)와 복합재 쉘(18) 간의 이동을 허용하는 한편, 인터페이스 요소(34 내지 34D)와 보스(16) 간의 이동을 허용하게 된다. 그러한 미끄럼 이동이 이루어지게 함으로써, 인터페이스 요소(34 내지 34D)에 이용되는 재료는 인터페이스 요소(34 내지 34D)의 내부 전단 변형 또는 불연속을 허용할 필요가 없다.
인터페이스 요소(34 내지 34D)가 전단력에 저항성이 없는 고무와 같은 재료로 이루어지는 경우, 그 재료는 보스(16)에 대한 복합재 쉘(18)의 이동에 의해 소모될 수 있다(즉, 문질러져 마모될 수 있음). 따라서, 예시적인 실시예에서, 인터페이스 요소(34 내지 34D)는 높은 강성, 낮은 마찰, 및 우수한 치수 안정성을 갖는 엔지니어링 열가소성 수지(engineering thermoplastic) 또는 폴리옥시메틸렌(통상 POM으로 지칭되며, 폴리아세탈 또는 폴리포름알데히드로서 알려져 있음)과 같은 전단력에 대한 큰 저항성을 갖는 재료로 이루어진다. DuPont사의 상표명 DELRINTM이 널리 알려져 있다. 그러한 인터페이스 요소 재료는 인터페이스 요소(34 내지 34D)와 복합재 쉘(18) 간에는 물론 인터페이스 요소(34 내지 34D)와 보스(16) 간에 고마모 및 저마찰을 촉진시킨다.
다른 적합한 재료로는 예를 들면, 직조 섬유 또는 잘게 썬 섬유로 보강된 폴리머 또는 엘라스토머가 포함된다. 그러한 재료는 인터페이스 요소(34 내지 34D)에 추가적인 내마모성을 제공할 수 있다. 인터페이스 요소(34 내지 34D)를 위해 특히 적합한 재료는 인터페이스 요소(34 내지 34D)의 분열을 방지하도록 고무의 탄성 계수[약 250 psi(평방 인치당 파운드)]보다 큰 탄성 계수를 갖는다. 게다가, 인터페이스 요소(34 내지 34D)를 위해 특히 적합한 재료는 복합재 쉘(18)을 손상시킬 수 있는 보스(16)의 말단(33)에서 하중 집중을 최소화하도록, 금속 보스 재료의 탄성 계수[알루미늄의 탄성 계수는 약 10 Mpsi(평방 인치당 백만 파운드); 강의 탄성 계수는 약 29 Mpsi]보다 작은 탄성 계수를 갖는다. 압력 용기가 겪을 수 있는 높은 부하 또는 연장된 사이클로 인해, 인터페이스 요소(34 내지 34D)를 위한 재료는 인터페이스 요소(34 내지 34D)의 분열을 방지하도록 통상 이용되는 고무보다 상당히 커야 한다. 예를 들면, DELRINTM은 약 350 kpsi(평방 인치당 천 파운드)의 탄성 계수를 갖는다.
예시적인 실시예에서, 인터페이스 요소(34 내지 34D)는 목부(38)를 포함하고, 이 목부(38)는 보스(16) 및 복합재 쉘(18)과의 접촉으로 인해 파손되기 쉽지 않아 복합재 쉘(18)을 손상으로부터 보호하는 유순한 구조에 기여한다. 도 4, 도 5b, 도 5c 및 도 5d에 도시한 바와 같은 몇몇 실시예에서, 목부(38, 38B, 38C, 38D)의 단부가 보스(16)에 근접한 복합재 쉘(18)의 전체 두께에 걸쳐 연장하여, 복합재 쉘(18)이 보스(16)와 직접 접촉하지 않게 한다. 도 5a에 도시한 바와 같은 다른 실시예에서는 목부(38A)가 보스(16)에 근접한 복합재 쉘(18)의 전체 두께에 걸쳐 연장하지 않아, 복합재 쉘(18)이 보스(16)와 직접 접촉하게 된다. 도 5c에 도시한 바와 같은 몇몇 실시예에서는 목부(38C)가 직선형이다[즉, 균일한 두께를 갖고 보스(16)의 목부(28)에 대해 평행하게 연장됨]. 도 5d에 도시한 바와 같은 다른 실시예에서는 목부(38D)가 단부에 근접함에 따라 보다 작은 두께로 테이퍼진다. 도 4, 도 5a 및 도 5b에 도시한 바와 같은 다른 실시예에서, 목부(38, 38A, 38B)는 단부(39)에 인접하여 반경 방향 외측으로 연장하는 립(lip)(40, 40A, 40B)을 구비한다. 립(40, 40A, 40B)은 복합재 쉘(18)이 스커트부(skirt)(36)로부터 축방향으로 멀어지게 이동하는 것을 방지하여, 압력 용기(10)가 불리한 부하 조건을 겪게 되더라도 인터페이스 요소(34)와 복합재 쉘(18)을 축방향으로 확고하게 맞물린 상태로 유지하는 기계적 상호 맞물림을 제공한다. 도 5b에 도시한 바와 같은 몇몇 실시예에서, 인터페이스 요소(34B)의 하부 또는 스커트(36B)는 실질적으로 균일한 두께를 갖고, 에지(42)에서만 테이퍼져, 응력의 불연속을 최소화하도록 되어 있다. 도 4, 도 5a, 도 5c 및 도 5d에 도시한 바와 같은 다른 실시예에서, 스커트(36, 36A, 36C, 36D)는 목부(38, 38A, 38C, 38D)로부터 반경 방향 외측으로 연장함에 따라 보다 작은 두께로 테이퍼진다. 이러한 테이퍼는 계면 압력의 관리와 하중 분포의 제어를 보다 양호하게 할 수 있게 한다.
다수의 실시예를 참조하여 본 발명의 주제를 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 형태 및 세부 사항에 있어 변형이 이루어질 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 게다가, 하나의 실시예에 대해 개시한 임의의 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고 그 반대로도 가능하다.

Claims (11)

  1. 압력 용기로서:
    복합재 쉘;
    상기 복합재 쉘에 포트를 형성하고, 목부 및 외측으로 연장하는 플랜지부를 포함하는 금속제 보스; 및
    상기 복합재 쉘과 보스 사이에 배치된 인터페이스 요소(interface element)
    를 포함하며, 상기 인터페이스 요소는 상기 복합재 쉘에 접촉하고 또한 상기 보스에 접촉하는 한편, 상기 복합재 쉘이나 상기 보스에 접합되지는 않으며, 이에 의해 상기 인터페이스 요소와 복합재 쉘 간의 이동을 허용하고 또한 상기 인터페이스 요소와 보스 간의 이동을 허용하며,
    상기 인터페이스 요소는 상기 보스의 목부에 인접하게 배치된 목부, 및 상기 보스의 플랜지부에 인접하게 배치된 스커트부를 포함하며,
    상기 인터페이스 요소는 필수적으로 폴리머, 엘라스토머, 및 열가소성 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 이루어지고, 상기 인터페이스 요소는 250 psi보다 크고 10 Mpsi보다 작은 탄성 계수를 갖는 것인 압력 용기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 인터페이스 요소는 폴리옥시메틸렌을 포함하는 것인 압력 용기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 인터페이스 요소는 복수의 섬유를 포함하는 것인 압력 용기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 섬유는 직조되는 것인 압력 용기.
  5. 제3항에 있어서, 상기 섬유는 잘게 썰어지는 것인 압력 용기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 인터페이스 요소의 목부는 인터페이스 요소의 목부의 단부로부터 반경 방향 외측으로 연장하는 립(lip)을 포함하는 것인 압력 용기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 인터페이스 요소의 목부는 복합재 쉘이 보스와 접촉하지 않도록 복합재 쉘의 전체 두께에 걸쳐 연장하는 것인 압력 용기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 인터페이스 요소의 목부는 단부를 향해 테이퍼지는 것인 압력 용기.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 상기 스커트부는 균일한 두께를 갖는 것인 압력 용기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 스커트부는 상기 인터페이스 요소의 목부로부터 스커트부의 에지를 향해 테이퍼지는 것인 압력 용기.
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