KR102182622B1 - 복합-재료 압력 용기 및 용기 제어 방법과 시스템 - Google Patents

복합-재료 압력 용기 및 용기 제어 방법과 시스템 Download PDF

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Abstract

복합-재료 압력 용기(1)는 벽부(4)는 구비하고, 상기 벽부는 하나 이상 강화 섬유를 포함한 보강층(11)을 구비하며, 여기서 상기 보강층은 전기 컨덕터이고, 여기서 상기 벽부(4)는 전기 커패시터(13)를 형성하고, 상기 전기 커패시터는 보강층(11)으로 형성된 제1 플레이트, 유전층(14)을 겹치는 전기 전도층(15)으로 형성된 제2 플레이트, 상기 보강층(11)과 상기 전기 전도층(15) 사이에 개재된 유전층(14) 뿐만 아니라 상기 제1 및 제2 플레이트와 접속된 전기 터미널(19, 20)을 구비한다. 용기 제어 방법 및 시스템은 벽부(4) 구조적 상태에 대한 정보를 유도하도록 커패시터에서 전기 테스트를 실행한다.

Description

복합-재료 압력 용기 및 용기 제어 방법과 시스템{Composite-Material Pressure Vessel and System and Method for Controlling the Vessel}
본 발명은 복합-재료 압력 용기, 예를 들면, 가압된 가스를 저장하기 위한 가스 실린더나 축압기에 관한 것이다.
알려진 복합-재료 가스 실린더는 통상적으로 예를 들면, 저장된 가스에 대한 불투수성을 보장하고 스틸이나 합성 재료로 만들어진 내측 층과, 그리고 작동 압력에서 실린더의 기계적 강도를 보장하는 섬유-강화된 복합 재료의 외측 층과, 이 뿐만 아니라 상기 실린더의 외측으로부터 내측으로의 통로 개구를 형성하는 목부, 및 개구용 밸브를 수용하고 상기 통로 개구를 폐쇄하기 위한 착좌부(seat)를 포함한다.
알려진 가스 실린더는 다수회 사용되기 위한 것이고, 그리고 상기 가스 실린더를 만들고 테스트하기 위한 규정은 적용예에 따라 변한다. 가스 실린더에 대한 주된 적용예 중에서, 모터 추진을 위한 액화되거나 압축된 가스의 저장, 가정용 또는 산업용 사용, 산업용으로 압축되거나 액화된 가스의 저장, 압축된 공기용 버퍼 탱크, 호흡기용 호흡가능한 혼합물의 저장, 의료용 가스의 저장, 및 소화기가 언급될 수 있다.
불투수성 및 기계적 저항 대 압력 및 불투수성의 함수에 대한 상이한 재료의 사용에 의해, 복합 가스 실린더는 자동차 분야 적용에 매우 관심이 있고 매우 낮은 중량/적재량 비를 갖는다.
그러나, 복합 가스 실린더의 비교적 복잡한 구조와, 상이한 재료의 비투과 층, 보강층, 및 목부 사이의 상호 작용은 특히 작동 시간이 연장되는 경우에, 내측 층과, 외측 층과, 목부 사이의 경계 구역 및 합성 재료의 퇴화 현상 그리고 실린더의 실링 문제점을 포함할 수 있다.
이러한 구조적 및 실링 퇴화는 2개의 층의 순환 응력을 포함하는, (전체 표면상에서 상호 연결된) 외측 보강층 및 내측 비투과 층의 재료의 열 팽창 계수의 차이에 의해, 그리고 자유 독립적인 열 변형이 방지된다는 사실에 의해 야기된 경계면에 의해 약화된다.
결론적으로, 복합-재료 가스 실린더는 강화 섬유 층을 손상시킬 수 있고 저장된 가스 압력 저항을 감소시킬 수 있는 기계적 충격, 절단 또는 마모 손상에 민감하다.
예를 들면, 자동차 분야에 있어서, 복합 가스 실린더의 폭발 위험성을 감소시키기 위하여 또는 제거하기 위하여, 가능한 손상의 진단을 신뢰가능하게 그리고 용이하게 실행할 필요성이 있다고 여겨진다.
이를 위하여, 진단 시스템은 광학 섬유에 의해 제안되고 있으며, 상기 광학 섬유는 가스 실린더의 보강층에 감기고 그리고 상기 광학 섬유를 통해 광원에 의해 전송된 광 펄스를 처리하기 위한 장치 및 광원과 연결가능하다. 현재까지, 이러한 해결책은 매우 신뢰가능하지 않고 광학 섬유의 비용에 기인하여 매우 고가이다.
더욱이, 실린더 벽부에 묻히고 이에 따라 충격이 발생한 경우에 염색을 배출하도록 구성되어, 받게 되는 손상의 시각 표시를 제공하는 염색 캡슐에 의해 가능한 손상을 표시하도록 제안되고 있다. 그러나, 이러한 해결책은 예를 들면, 자동차 분야에 대해 요구되는 바와 같은 자동화된, 시스템화된 및 표준화된 진단에 대해 적당하지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술과 관련하여 언급된 적어도 여러 단점을 제거하는 것과 관련하여 이런 특징을 갖는 복합-재료 압력 용기를 제공하는 것이다.
본 발명의 특별한 목적은 예를 들면, 구조적 상태의 함수로서 압력 용기에 의해 영향을 받는 전기 시그널의 자동화 또는 시스템화 처리에 의해, 자동적으로, 그리고 감소된 비용으로, 간단하고 신뢰가능한 방식으로 손상 진단이 가능하도록 배치된 복합-재료 압력 용기를 제공하는 것이다.
이러한 여러 목적은 내측 저장 공간을 형성하는 벽부를 구비한 복합-재료 압력 용기에 의해 달성되고, 여기서 상기 벽부는:
- 하나 이상의 강화 섬유를 수용하고 전기 컨덕터인 보강층을 포함하고,
상기 복합-재료 압력 용기는:
- 상기 보강층으로 형성된 제1 플레이트,
- 상기 보강층에 대해 외측으로 뻗어있는 유전층,
- 상기 유전층에 대해 외측으로 뻗어있는 전기 전도층으로 형성된 제2 플레이트,
- 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트와 접속된 전기 터미널을 구비한 전기 커패시터를 포함한다는 점에서 특징지워진다.
압력 용기의 적어도 하나의 구조적 구성요소가 전기 커패시터의 전기 소자를 형성하도록 상기 압력 용기의 구성에 의해, 상기 커패시터에서 실행된 전기 테스트에 의해 상기 구성요소의 구조적 특성을 진단할 수 있고 이에 따라 구조적 손상을 진단할 수 있다. 이 결과, 전기 테스트는 사전결정된 시간 간격에서 또는 사전결정된 사건(event)의 함수로서, 예를 들면, 가스-동력공급식 차량의, 그리고 전자 제어 회로에 의해 구동되는 작동 단계를 결정하는 함수로서, 자동적으로 실행될 수 있다.
본 발명의 목적은 또한 내측 저장 공간을 형성하고 하나 이상의 강화 섬유를 수용하고 있는 보강층을 포함한 벽부를 구비한 복합-재료 압력 용기의 구조를 확인하는 방법에 의해 달성되며, 상기 방법은:
보강층, 유전층, 및 전도층이 전기 커패시터를 형성하도록,
- 전기 컨덕터로서 상기 보강층을 만드는 단계,
- 상기 보강층에 대해 외측으로 유전층을 만드는 단계,
- 상기 유전층에 대해 전기 전도층을 만드는 단계를 포함하고,
- 상기 전기 커패시터의 적어도 하나의 전기 특성을 검출하도록 상기 전기 커패시터가 적어도 하나의 전기 테스트를 받는 단계, 및
- 상기 검출된 전기 특성에 따라 상기 보강층의 구조적 특성을 나타내는 적어도 하나의 데이터를 생성하는 단계를 또한 포함한다.
본 발명의 이해를 돕고 본 발명의 장점이 용이하게 파악되도록, 여러 단지 예시적인 실시예가 도면을 참조하여 아래 상세한 설명에 기재되어 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 실린더의 길이방향 단면도이고;
도 2는 도 1의 상세한 확대도이고;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 축압기의 길이방향 단면도이고;
도 4는 도 2의 상세한 확대도이고;
도 5는 복합-재료 구조적 구성요소의, 예를 들면, 가스 실린더 또는 축압기의 상세한 단면도이고;
도 6은 복합-재료 구조적 구성요소의, 예를 들면, 가스 실린더 또는 축압기의 특성을 모니터링하고 진단하기 위한 시스템의 도면이고;
도 7은 예를 들면, 가스 실린더와 같은 압력 탱크, 및 실시예에 따른 탱크의 구조적 특성을 모니터링하고 진단하기 위한 시스템을 구비한 차량의 도면이다.
도면을 살펴보면, 가스 실린더(이후 "실린더") 또는 축압기는 일반적으로 부재 번호 1에 의해 전반적으로 지시되어 있고 단지 예시적인 실시예의 복합-재료 압력 용기를 나타내고 있다.
실린더(1)는 폐쇄 밸브(3)에 의해 폐쇄가능한 가스 저장 공간(2)을 내부로 형성하는 벽부(4)를 포함한다.
벽부(4)는 저장된 가스에 의해, 또는 상이한 기계적 응력이나, 열 응력이나, 화학적 응력에 의해 가해진 내측 압력에 저항하는 작용을 실행한다.
벽부(4)는 강성일 수 있고, 넓은 의미에서 복합 구조적 구성요소를 형성하고, 상기 복합 구조적 구성요소의 적어도 하나의 구조적 특성, 예를 들면, 파단 강도, 손상의 존재/부재, 구조적 강성, 재료 및/또는 층 및/또는 섬유 및/또는 표면의 연속성, 등이 모니터 및/또는 확인 및/또는 테스트 및/또는 저장되도록 요구된다.
본 발명의 특징에 따라, 벽부(4)는:
- 가스 저장 공간(2)을 내부로 형성하는 실링층(12),
- 상기 실링층(12)에 대해 외측으로 뻗어있고, 하나 이상의 강화 섬유를 수용하며, 전기 컨덕터인 보강층(11),
뿐만 아니라 전기 커패시터(13)를 포함한다.
전기 커패시터(13)는 보강층(11)으로 형성된 제1 플레이트, 상기 보강층(11)에 대해 외측으로 뻗어있는 유전층(14), 상기 유전층(14)에 대해 외측으로 뻗어있는 전기 전도층(15)으로 형성된 제2 플레이트, 뿐만 아니라 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트와 접속된 전기 터미널(19, 20)으로 형성된다.
가스 실린더의 적어도 하나의 구조적 구성요소(벽부(4))가 전기 커패시터의 전기 소자를 형성하도록 가스 실린더(1)의 구성을 통해, 상기 커패시터(13)에 실행된 전기 테스트에 의한 소자의 구조적 특성의 진단이 가능하고 이에 따라 상기 전기 소자의 구조적 손상의 진단이 가능하다. 전기 테스트는, 이 결과, 사전결정된 사건의 함수로서, 예를 들면, 가스-동력공급식 차량의 작동 단계를 결정하는 함수로서 또는 사전결정된 시간 간격에서 자동적으로 실행될 수 있고, 그리고 전자 제어 회로에 의해 구동될 수 있다.
본 발명에 따라, 가스 실린더(1)의 구조적 상태를 모니터링 하기 위한 방법은 커패시터의 적어도 하나의 전기 특성을 검출하기 위해 벽부(4)로 형성된 전기 커패시터(13)가 적어도 하나의 전기 테스트를 겪게 되는 단계, 및 검출된 전기 특성에 따라 보강층(11)의 구조적 특성을 나타내는 적어도 하나의 데이터를 생성하는 단계를 포함한다.
커패시터(13)의 전기 테스트 단계는 커패시터의 용량의 검출을 포함할 수 있다. 이를 위하여, 전기 포텐셜 차이(전압)가 제1 및 제2 플레이트(보강층(11) 및 전기 전도층(15)) 사이에 가해지고 그리고 커패시터(13)의 전하(Q)가 검출되며, 이는 가해진 전압이나, 또는 이와 관련된 크기(예를 들면, 커패시터(13)를 포함한 R-C 타입의 측정 회로의 일정한 방전 시간)에 비례한다. 전기 용량[in farads]은 전하(Q)와 가해진 전압의 비에 있어서 일정한 비례원칙(C = Q/델타 V)이고 상기 특별한 커패시터(13)의 전기 특성을 형성한다. 용량(C, 정전용량)은 제1 및 제2 플레이트의 기하학적 구조와, 그리고 유전층(14)에서의 재료의 두께, 분포 및 타입에 따라 결정된다. 결론적으로, 검출된 정전용량(C)은 또한, 다른 특성 중에서, 예를 들면, 두께나 두께 변경, 연속성, 불연속성, 중단, 절단, 열상(laceration), 크러슁(crushing), 등과 같은 보강층의 구조적 특성에 따라 결정된다.
부가적으로 또는 대안적으로, 커패시터(13)의 전기 테스트 단계는 커패시터(13)의 절대 유전율의 검출을 포함할 수 있다. 가장 간단하고 예시적인 예에 있어서, 평탄하고 평행한 플레이트를 구비한 평탄한 커패시터(13)의 용량(C)은 제1 및 제2 플레이트 중 한 플레이트의 표면(S)과 그 거리(d) 사이의 비에 비례할 수 있다. 절대 유전율(ε)[in farad/m]은 표면(S)과, 거리(d)와, 그리고 정전용량(C) 사이의 비의 일정한 비례원칙(C=ε*S/d)이고, 그리고 다른 특징 중에서, 또한 다층 벽부(4)의 구조적 특성, 예를 들면, 하나 이상의 층(11, 14, 15)의 두께나 두께 변화, 연속성, 불연속성, 중단, 절단, 열상, 크러슁 등에 따라 결정된 전기 전도층(15)과 보강층(11) 사이에 개재된 유전층(14)의 전기 특성을 형성한다.
물론, 더욱 복잡한 기하학적 형상(실린더, 구체, 구형 캡, 등)에 대해, 커패시터(13)의 전기 크기의 계산을 위한 수식과 이의 실험적 검출을 위한 공지된 방법이 존재한다.
부가적으로 또는 대안적으로, 커패시터(13)의 전기 테스트 단계는 예를 들면, 사전결정된 주파수에서 알려진 진폭을 갖는 사인파 전압 시그널을 적용하고 최종 사인파 전류의 진폭을 검출하며, 그리고 가해진 전압 및 검출된 전류의 진폭에 따라 결정되는 커패시터(13)의 임피던스를 계산하는, 하나 이상의 사전결정된 주파수에서 상기 커패시터(13)의 임피던스(Z)의 검출을 포함할 수 있다. 또한, 임피던스(Z)는 다른 특성 중에서, 또한 벽부의 구조적 특성에 따라 결정되는 벽부(4)의 전기 특성을 이룬다.
일 실시예에 따라, 확인 방법은 즉, 손상이나 이상(anomalies)이 없는, 온전한 벽부(4)의 커패시터(13)의 전기 특성의 하나 이상의 기준 값을 계산 및/또는 검출하는 단계와, 상기 기준 값을 저장하는 단계와, 그리고 실린더(1)의 확인 동안에, 기준 값을 검출된 전기 특성의 실제 값과 비교하는 단계, 그리고 실제 값과 기준 값 사이의 비교에 따라 결정되는 벽부(4)의 구조적 상태를 나타내는 데이터를 생성하는 단계를 포함한다.
이러한 방식에 있어서, 예를 들면,
- "확인된 실린더가 기준 값에 부응하거나" 또는 "확인된 실린더가 기준 값에 부응하지 않음",
- "확인된 사용된 실린더가 변경을 나타내지 않거나" 또는 "확인된 사용된 실린더가 변경을 나타냄" 중 한 정보를 포함한 데이터 또는 전기 시그널이, 예를 들면, 사용된 가스 실린더의 구조적 강성의 확인 동안에 또는 새로운 가스 실린더의 품질 제어 동안에, 얻어질 수 있다.
다른 실시예에 따라, 확인 방법은 구조적 이상이 사전에 분류된 상태에서 벽부(4)나 손상된 벽부(4)의 커패시터(13)의 전기 특성의 하나 이상의 "이상 표시 값"을 검출 및/또는 계산하는 단계, 상기 이상 표시 값을 저장하는 단계, 그리고 실린더(1)의 확인 동안에, 상기 이상 표시 값과 검출된 전기 특성의 실제 값을 비교하는 단계, 및 실제 값과 이상 표시 값 사이의 비교에 따라 결정되는 벽부(4)의 구조적 상태를 나타내는 데이터를 생성하는 단계를 포함한다.
이러한 방식에 있어서, 예를 들면, 사용된 가스 실린더의 구조적 강성의 확인 동안에 또는 새로운 가스 실린더의 품질 제어 동안에, 예를 들면,
- "확인된 실린더가 분류 불가능한 이상을 나타내거나" 또는 "확인된 실린더가 분류된 이상을 나타냄[이상의 표시가 사전에 분류된 상태]" 증 한 정보를 포함한 데이터나 전기 시그널이 얻어질 수 있고,
가스 실린더(1)의 벽부(4)의 확인을 실행하기 위하여, 전자 제어 유닛(16)은 전자 프로세서(17) 및 메모리(18)가 커패시터(13)의 터미널(19, 20)과 연결되거나 연결가능한 상태로 제공될 수 있고,
- 확인 단계를 실행하고, 그리고
- 기준 값,
- 이상 표시 값,
- 검출된 대응하는 실제 값에 대한 최대 허용가능한 변화를 표시하는 기준 값의 역치 인터벌(threshold interval),
- 검출된 실제 값, 및/또는
- 상기 검출된 실제 값의 시간 내내의 변화 중 하나 이상의 처리 및 저장, 그리고
- 상기 커패시터(13)의 전기 크기의, 상기 검출된 실제 값을 기준 값과 및/또는 이상 표시 값과 및/또는 상기 기준 값의 역치 인터벌과 비교하도록 구성된다.
일 실시예에 따라, 압력 용기의 제어 및 모니터링 방법은 이전 제어 동안에 검출된 동일한 크기의 실제 값(델타 시간에 따라 결정되는 델타 실제 값)과 관련하여 제어 동안에 검출된 전기 크기의 실제 값의 변화를 계산하는 단계와, 시간이 지남에 따라 유전층의 필연적인 노화에 기인한 이상의 거짓(false) 진단을 확인하고 가능하다면 실제 처분(discard)하도록 실제 값의 계산된 변화를 사용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 본 방법은 검출을 위해 제공되고, 그리고 제어 유닛(6)은:
- 압력; 및/또는
- 시간에 따라 결정되는 압력 변화; 및/또는
- 전체 벽부(4)나 또는 상기 전체 벽부의 측정된 개별 부분의 기하학적 크기(팽창, 수축); 및/또는
- 용기의 로딩/언로딩 사이클의 이력사항 뿐만 아니라 커패시터(13)의 검출된 전기 크기의 실제 값에 따라 결정되는, 압력 용기(1)의 응력 순환 곡선으로부터 유도된 값의 분석을 간접적으로 검출하도록 구성될 수 있다.
실제로, 본 방법은 전기 커패시터(13)를 이루고(compose) 상기 전기 커패시터의 전기 특성을 결정하는 층의 두께/거리와 압력 용기(1)의 가압 상태 사이의 비례원칙을 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따라, 제어 유닛(6)이 하나로 구성되거나, 또는 적어도 이상 또는 사고의 가능한 원인을 이후 확인할 수 있도록, 데이터 삭제에 대해 보호되거나(블랙 박스) 쉽게 변경불가한 하나의 데이터 저장 유닛을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 본 방법은 검출을 위해 제공되며, 그리고 제어 유닛(6)은 예를 들면, 보강층(11) 만의 또는 전기 전도층(15) 만의, 커패시터(13)의 개별 소자의 전기 크기, 특히, 전기 저항이나 특성의 실제 값을 검출하도록, 그리고 커패시터(13)의 전기 크기와 관련하여 상기 기재되어 있는 것과 비슷하게 벽부(4)의 기계적 특성을 나타내는 생성 시그널이나 데이터를 생성하고 대응하는 기준 값 및/또는 이상 표시 값과의 비교를 실행하도록, 구성될 수 있다.
일 실시예에 따라, 제어 유닛(16)은 예를 들면, 디스플레이나 음향 통지 장치와 같은 통지 장치(21)와 또한 연결되고, 그리고 벽부(4)의 실행된 확인 결과에 따른 통지를 내보도록 상기 통지 장치(21)를 제어하도록 구성된다.
통지는 예를 들면, 가스 실린더(1)의 구조적 강성의 확인일 수 있거나, 또는 예를 들면, 가스 실린더 및 실린더 확인 시스템이 차량에 설치되는 경우에 있어서, 상기 가스 실린더(1)의 수리나 교체를 실행하기 위한 이상이나 경고의 경우에서의 비상 통지일 수 있다.
다른 실시예에 따라, 제어 유닛(16)은 원격 모니터링 스테이션(22)과 예를 들면, 무선이나 유선으로, 시그널 통신 상태이고 그리고 벽부(4)의 실행된 확인 결과에 따라 결정된 시그널을 모니터링하는 원격 모니터링 스테이션(22)에 전송 및 생성하도록 구성된다.
원격 모니터링 스테이션(22)으로의 가능한 이상의 통신은 가스 실린더(1)의 사용자, 예를 들면, 차량의 운전자가 이상 통지를 무시할 수 있고 잠재적인 결함있는 가스 실린더(1)를 구비한 차량을 계속 사용하고자 하는 경우에 제3 자에 의해 신속한 개재를 가능하게 한다.
다른 실시예에 따라, 제어 유닛(16)은 또한:
- 벽부(4)의 변형이나 내측 공간(2)에서의 압력을 나타내는 값을 검출하도록 구성된 센서(25), 예를 들면 표면 스테이션 검출 센서, 및/또는
- 상기 벽부(4) 온도를 나타내는 값을 검출하도록 구성된 센서(26)와 시그널 연결된 상태일 수 있고,
시간의 함수로서 온도 곡선 및/또는 시간의 함수로서 압력 곡선을 형성하는 값의 차트로서 가능하게, 검출된 온도 값 및 압력 값을 저장하도록 배치되거나 설계된다.
이러한 경우에 있어서, 제어 유닛(6)은 검출되고 가능하다면 저장되는 압력 및/또는 온도에 따라 결정된 벽부(4)의 구조적 상태의 제어 시그널이나 데이터를 또한 발생시킬 수 있다.
한 실시예에 있어서, 제어 유닛(6)은 커패시터를 형성하는 가스 실린더(1)의 전기 전도층(예를 들면, 섬유-함유 보강층 또는 대안적으로 금속 층) 및/또는 전기 전도층 및 유전층(그 자체로 커패시터의 양 플레이트를 형성하지 않음) 만을 구비한 상이한 압력 용기와 연결될 수 있고, 그리고 전기용량식 "터치 제어" 타입의 전기 전도층(예를 들면, 금속 물체 접근에 기인하여 또는 더욱 일반적으로 정전하를 갖는 물체의 접근에 기인하여)에서의 충전 변화(charge change)를 검출하도록, 그리고 상기 용기의 가능한 부당변경(tampering)을 표시하는 시그널을 생성하고 가능하다면 저장하도록, 구성된다.
이러한 실시예의 제어 장치(6) 및 방법에 있어서, 제어 유닛(6)과 연결된 압력 용기의 부분(전기 전도층, 예를 들면, 보강층, 및 유전층, 예를 들면 용기의 외측 커버 층)은 정전하를 갖는 이물질이 유전체 커버 층에 접근할 수 있을 때에만 커패시터를 형성할 수 있다.
이러한 구성은, 물론, 기재된 방법 단계 및/또는 제어 장치와 조합하여, 상기-기재된 전기용량식 터치 제어 구성을 만족하도록 선택적으로 채택된, 알려진 압력 용기에 조차도 가능한 부당변경 사건의 검출 특성을 적어도 확장할 수 있게 한다.
일 실시예에 따라, 벽부(4)는 상기 벽부(4)의 복수의 상이한 구역(24)에 형성되고 (전기적으로) 상호 분리된 복수의 커패시터(13)를 만들 수 있다. 이는 벽부(4)의 사전결정된 구역에 대한 목표된 방식으로 손상의 존재/부재 또는 구조적 강성의 확인 단계를 실행할 수 있게 한다.
실시예(도 5)에 있어서, 복수의 커패시터(13)는 전기 절연되고 상호 이격된 복수의 부분(15')으로의 전기 전도층(15)의 분리에 의해 얻어진다.
하나 이상의 커패시터(13)를 만들기 위하여, 실린더(1)의 벽부(4)는 보강층(11) 및 전기 전도층(15)이 상호 이격되고 전기 절연되도록, 반드시 구성되어야 한다는 것을 알아야 한다.
벽부(4)의 기하학적 구조는 압력 용기의 적용예에 따라 변할 수 있다. 가스 실린더 또는 축압기의 예에 있어서, 벽부(4)는 실린더(1)의 길이방향 축선(6)을 따라서 뻗어있는 관형 부분(5), 바람직하게 실질적으로 원통형 부분과, 그리고 예를 들면, 구형 또는 타원형 캡의 형상에 있어서, 예를 들면, 활꼴(ogival) 형상으로, 상기 관형 부분(5)의 상측 단부와 연결되고 상기 실린더(1)의 하측 면 반대쪽 상측 면에 내측 공간(2)을 형성하는, 상기 상측 부분(8) 뿐만 아니라 상기 실린더(1)의 하측 면에 상기 내측 공간(2)을 형성하고 상기 관형 부분(5)의 하측 단부를 연결하는 바닥 부분(7)을 구비한다.
실린더(1)(도 1)는 관형 목부(9)를 더 포함할 수 있고, 상기 관형 목부는 벽부(4)의 접근 개구(10)와 제거가능하게 또는 불가역적으로 연결되고 그리고 내측 공간(2)과 연통하는 밸브(3)를 수용하도록 구성된다. 때때로 실린더(1)가 벽부(4)의 양 반대 측(상측 부분(8), 하측 부분(7))에서 축압기(도 3) 및 밸브(3)를 구비한 목부(9)로서 구성될 수 있다.
보강층(11)은 탄소 섬유를 포함할 수 있고, 그리고, 예를 들면, 맨드릴에서 에폭시 수지로써 함침된 연속의 탄소 섬유의 권취부 필라멘트에 의해 만들어질 수 있다. 예를 들면, 맨드릴의 경우에 다수의 부분으로의 해산(dissoluton)으로써, 기계적 흩어짐(crumbling)으로써 또는 분리로써, 동일한 맨드릴이 이후, 제거될 수 있다.
대안적으로, 보강층(11)이 권취되는 맨드릴은 강성의 벽부(4)에 통합되어 유지되고, 그리고 한 층을, 예를 들면, 벽부(4)의 불투수성을 보장하는 내측 층(12), 또는 보강층(11)과 내측 층(12) 사이의 중간 층(도시 생략)을 형성한다.
보강층(11), 유전층(14), 및 전기 전도층(15) 중 적어도 하나의 층이 실린더에 저장된 가스에 대해 불침투성일 수 있도록 또한 고려된다. 이러한 방식에 있어서, 벽부(4)는 불침투성 내측 층(12) 없이 만들어질 수 있다. 벽부(4)가 불침투성일 필요가 없는 경우에 있어서, 예를 들면, 가요성 및 불침투성 내측 백이 제공된 축압기에 있어서나 가스 실린더에 있어서, 그리고 또는 상이한 구조적 경우에 있어서, 상기 벽부(4)의 어느 층도 반드시 필수적으로 가스-불침투성이지 않아도 된다.
보강층(11)의 강화 섬유는 4500 MPa 이상의 인장 강도, 바람직하게 4800 MPa 내지 5200 MPa의 인장 강도를 가질 수 있고, 그리고 200 GPa 이상의 탄성 계수, 바람직하게 200 내지 250 GPa의 탄성 계수를 가질 수 있다.
유리하게도, 보강층(11)은 50%vol 내지 70%vol, 바람직하게 55%vol 내지 65%vol, 더욱 바람직하게 대략 60%vol의 (볼륨의) 내용물의 강화 섬유를 포함하며, 이 경우 나머지 볼륨은 열 처리에 의해, 예를 들면, 대략 5 시간의 기간 동안 대략 120도에서 가열함으로써 경화된 에폭시 수지 또는 비닐 에스테르일 수 있는, 매트릭스로 형성된다.
실시예(타입 II 압력 실린더)에 따라, 보강층(11), 이에 따른 보강 탄소 섬유의 전도성 권취부는, 예를 들면, 설계 압력에 따라, 예를 들면 2 mm 내지 25 mm의, 보강층(11)의 두께와 완전한 후프(hoop)-권취부 패턴에 의해, 벽부(4)의 관형(또는 원통형) 부분(5)에서 단지 발생한다. 이러한 경우에 있어서, 축선방향 하중은 내측 층(12), 예를 들면, 금속 라이너에 의해 지지된다.
다른 실시예(타입 III, IV 압력 실린더)에 따라, 보강층(11), 이에 따른 탄소 강화 섬유의 전도성 권취부는 예를 들면, 바닥 부분(7) 및 상측 부분(8)을 또한 커버하는 다른 나선체의 권취부 패턴과 관형 부분에서의 완전한 후프-권취부 패턴에 의해, 관형(또는 원통형) 부분(5)에서 그리고 벽부(4)의 바닥 부분(7) 및 상측 부분(8)에서 발생한다.
유전층(14)은 예를 들면, 에폭시 수지, 폴리에스테르, 또는 비닐 에스테르와 같은 절연성 수지로 이루어질 수 있거나 이들을 포함할 수 있다. 이러한 수지는 예를 들면, 탄소 섬유를 갖는 보강층(11)의 매트릭스를 형성할 수 있고 그리고 전반적으로 0.01 mm ... 0.3 mm 일 수 있는 두께를 갖는 수지의 유전층(14) 만을 또한 형성할 수 있다.
(벽부(4)에서의 층의 고 영역에도 불구하고) 만족스러운 일정한 두께를 갖는 수지만의 유전층(14)을 만드는 어려움을 제거하기 위하여, 유전체 합성 재료, 예를 들면, 수지에 묻힌 및/또는 수지로 충전된 폴리에스테르의 메쉬를 갖는 유전층(14)이 형성되는 것이 유리하다.
다른 실시예에 따라, 유전층(14)은 상기-언급된 절연 수지 중 하나의 절연 수지에 의해 접합된 폴리이미드(Kapton®) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Mylar®)의 하나 이상의 시트나 웨브를 포함한다.
다른 실시예에 따라, 유전층(14)은 예를 들면, 에폭시 수지, 폴리에스테르, 또는 비닐 에스테르의 매트릭스에 의해 접합되고 보강층(11)에 대해 권취된 유리 섬유를 포함한다. 복합 재료를 만들기 위해 유리 섬유를 권취하기 위한 시스템은 유전층(14) 두께와, 이에 따른 커패시터(13)의 2개의 플레이트 사이의 거리의 정확하고 신뢰가능한 제어를 가능하게 한다.
본 발명은 유전층(14)에서, 65% SiO2, 25% Al2O3, 10% MgO를 갖는 고 강도 S-타입 유리 섬유를 고려하거나, 또는 52%-56% SiO2, 12%-16% Al2O3, 16%-25% CaO, 8%-13% B2O3를 갖는 E-타입 유리 섬유를 고려한다.
유전층(14)에서의 유리 섬유는 탄소 섬유 보강과 함께, 또한 압력 용기(1)의 기계적 저항에 공존하며(concur), 그 제조 비용을 낮추지만 그러나 그 중량을 증대시킨다.
실시예에 따라, 전기 전도층(15)은:
- 전도성 페인트, 예를 들면, 흑연, 구리, 알루미늄, 등(의 파우더 또는 과립)과 같은 전도성 접착제를 갖는 페인트,
- PVD(physical vapor deposition) 또는 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)에 의해 얻어진 금속 코팅,
- 예를 들면, Thermal Arc Spray, Plasma Thermal Spray에 의한 다양한 타입의 금속(아연, 알루미늄, 아연/Al 합금, 등)으로 금속 증착 함으로써 얻어진 금속 코팅으로 이루어지거나 또는 포함할 수 있다.
전기 전도층(15)의 두께의 범위는 예를 들면, 0.01mm 내지 0.5mm일 수 있고 그리고 상기 전기 전도층은 전도성 및 가능한 표면 마모 저항을 반드시 보장해야 한다.
내측 층(12)(적용가능한 곳에서)은 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리에스테르, PET (폴리에틸렌 테레프탈레이트), 폴리염화비닐, 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 그룹에서 선택된 합성 재료(플라스틱 라이너), 바람직하게 열가소성수지를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 내측 층(12)은 또한 내측 공간(2)에 직접적으로 노출되거나 또는 코팅될 수 있는 폴리에스테르, 예를 들면 천연 섬유나 합성 섬유 또는 필라멘트의 직물을 포함한다.
내측 층(2)은:
- 하나 이상의 가능한 중간 층을 갖는 보강층(11)으로 이루어진 몰드에서의 블로우 몰딩, 및/또는
- 내측 층(12)(예를 들면, 상기 보강층(11) 이외의 몰드에 의해)과 상기 내측 층(12)에 대한 상기 보강층(11)의 연속의 권취부의 몰딩, 및/또는
- 스프레잉, 및/또는
- 상기 내측 층(2)을 벽부(4)의 반제품에 증착하는 코팅액이나 코팅 파우더에 의해 상기 내측 공간(2)을 가 충전하도록, 본 경우에 제공된 딥 코팅에 의해, 벽부(4)에 체결될 수 있다.
대안적으로, (만약 제공된다면) 내측 층(12)은 금속 재료(금속 라이너)를 포함할 수 있다.
가스 실린더(1), 확인 또는 진단 시스템, 이에 대한 기재된 확인 방법은 유리하게도 예를 들면, 압력 용기가 제공된 차량, 예를 들면, 가스-동력공급식 차(23)(도 7), 산업용 플랜트, 토목(civilian) 플랜트, 및 군용 플랜트, 병원 뿐만 아니라 압력 용기 제조 시 품질 제어 단계 동안 사용될 수 있다.
보강층(11), 유전층(14) 및 전기 전도층(15)에 대해 기재된 순서는 II, III 또는 IV 타입의 가스 실린더에 대해 특히 유리하지만, 그러나 "외측으로" 및 "외측" 또는 "내측으로" 및 "내측"이라는 표현은 특별한 형태의 압력 용기에 있어서, 보강층(11)이 유전층(14) 및 전기 전도층(15) "외측으로" 위치될 수 있기 때문에, 바인딩이 필요한 것은 아니다. 물론, 유전층(14)이 보강층(11)과 전기 전도층(15) 사이에 개재된다는 것이 필요하다.
본 발명이 압력 용기의 예를 참조하여 기재되어 있을 지라도, 기재된 구조적 강성 확인 방법 및 시스템이 유리하게도 또한 압력 용기 이외의 복합-재료 구조적 구성요소에 대해, 예를 들면, 항공, 항공우주, 또는 하이드로-미케니컬 구조적 구성요소(예를 들면, 항공기 날개, 풍력 회전자 날개, 터빈 블레이드 등과 같음)에 대해 그리고 조합하여 사용될 수 있다는 것이 발명자에 의해 명백하게 고려된다.

Claims (20)

  1. 압력 용기의 구조적 특성을 제어하기 위한 방법으로서,
    - 내측 저장 공간을 형성하는 벽부를 구비한 복합-재료 압력 용기를 제공하는 단계, 여기서, 상기 벽부는:
    - 하나 이상의 강화 섬유를 수용하며 전기 컨덕터인 보강층,
    - 상기 보강층을 겹치는 전기 전도층,
    - 상기 보강층과 상기 전기 전도층 사이에 개재된 유전층을 포함하여, 상기 보강층으로 형성된 제1 플레이트, 상기 전기 전도층으로 형성된 제2 플레이트, 및 상기 유전층을 갖는 전기 커패시터를 형성하고,
    - 상기 전기 커패시터의 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트에 연결된 전기 터미널을 포함함,
    - 상기 압력 용기의 터미널에 전기 제어 시스템을 연결하는 단계를 포함하고,
    상기 전기 제어 시스템에 의해,
    - 상기 전기 커패시터의 적어도 하나의 전기 특성의 실제 값을 검출하도록 상기 전기 커패시터에 적어도 하나의 전기 테스트를 실행하는 단계, 및
    - 검출된 전기 특성의 실제 값에 따라 결정되는 상기 벽부의 구조적 상태를 나타내는 적어도 하나의 제어 시그널 또는 데이터를 생성하는 단계를 시행하는 단계를 또한 포함하는, 압력 용기의 구조적 특성을 제어하기 위한 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기 테스트를 실행하는 단계는 사전결정된 시간 간격에서 또는 사전결정된 사건의 함수로서 상기 전기 테스트를 자동적으로 실행하는 단계를 더 포함하는, 압력 용기의 구조적 특성을 제어하기 위한 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전기 테스트는:
    - 상기 전기 커패시터의 정전용량을 검출하는 단계,
    - 상기 전기 커패시터의 절대 유전율을 검출하는 단계,
    - 하나 이상의 사전결정된 주파수에서 상기 전기 커패시터의 임피던스를 검출하는 단계; 중 하나를 포함하는, 압력 용기의 구조적 특성을 제어하기 위한 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    - 온전한 상기 벽부의 상기 전기 커패시터의 전기 특성의 하나 이상의 기준 값을 계산하고 검출하거나, 또는 계산하거나 또는 검출하는 단계,
    - 계산되거나 검출된 기준 값을 저장하는 단계,
    - 상기 전기 제어 시스템에 의해, 저장된 상기 기준 값에 대한 검출된 상기 전기 특성의 실제 값을 비교하는 단계,
    - 상기 실제 값과 상기 기준 값 사이의 비교 결과에 따라 결정하는 상기 제어 데이터 또는 시그널을 생성하는 단계를 포함하는, 압력 용기의 구조적 특성을 제어하기 위한 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    - 하나 이상의 이상 표시 값을 계산하고 검출하거나, 또는 계산하거나 또는 검출하는 단계,
    - 계산되거나 검출된 이상 표시 값을 저장하는 단계,
    - 상기 전기 제어 시스템에 의해, 상기 저장된 이상 표시 값과 검출된 상기 전기 특성의 실제 값을 비교하는 단계,
    - 상기 실제 값과 상기 이상 표시 값 사이의 비교 결과에 따라 결정되는 상기 제어 데이터 또는 시그널을 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 이상 표시 값은, 구조적 이상이 사전에 분류된 상태에서, 손상된 벽부의 전기 커패시터의 전기 특성의 값인, 압력 용기의 구조적 특성을 제어하기 위한 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전기 제어 시스템에 의해, 생성된 제어 데이터 또는 시그널에 따라 결정되는 시각 또는 음향 통지를 내보내는 단계를 더 포함하는, 압력 용기의 구조적 특성을 제어하기 위한 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전기 제어 시스템에 의해, 상기 제어 시그널 또는 데이터를 원격 모니터링 스테이션에 전송하는 단계를 더 포함하는, 압력 용기의 구조적 특성을 제어하기 위한 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 방법의 단계들은 상기 벽부의 사전결정된 구역에 대해 선택적으로 실행되는, 압력 용기의 구조적 특성을 제어하기 위한 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 벽부에 접근하는 정전하를 갖는 물체에 기인하여 상기 전기 전도층에서의 충전 변화를 검출하는 단계와, 상기 용기의 가능한 부당변경(tampering)의 시그널 표시를 생성하는 단계를 포함하는, 압력 용기의 구조적 특성을 제어하기 위한 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 벽부는 상기 벽부의 복수의 상이한 구역에 위치되고 서로 전기적으로 분리되는 복수의 상기 전기 커패시터를 형성하는, 압력 용기의 구조적 특성을 제어하기 위한 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 복수의 전기 커패시터는 상기 전기 전도층을 복수의 상호 이격되고 전기 절연된 부분으로 세분화함으로써 얻어지는, 압력 용기의 구조적 특성을 제어하기 위한 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 보강층은 수지-함침된 전기 전도성 탄소 섬유를 포함하는, 압력 용기의 구조적 특성을 제어하기 위한 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 유전층은 절연 수지로 충전된 유전체 합성 재료의 메쉬를 포함하는, 압력 용기의 구조적 특성을 제어하기 위한 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 유전층은 절연 수지 매트릭스에 의해 접합된 유리 섬유를 포함하는, 압력 용기의 구조적 특성을 제어하기 위한 방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기 전도층은:
    - 전도성 접착제를 갖는 페인트,
    - PVD(physical vapor deposition)에 의해 얻어지는 금속 코팅,
    - PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)에 의해 얻어지는 금속 코팅,
    - 스프레잉에 의해 얻어지는 금속 코팅 중 하나를 포함하는, 압력 용기의 구조적 특성을 제어하기 위한 방법.
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