KR20010089360A - 압축 가스 연료 저장 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20010089360A
KR20010089360A KR1020017005254A KR20017005254A KR20010089360A KR 20010089360 A KR20010089360 A KR 20010089360A KR 1020017005254 A KR1020017005254 A KR 1020017005254A KR 20017005254 A KR20017005254 A KR 20017005254A KR 20010089360 A KR20010089360 A KR 20010089360A
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KR
South Korea
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pressure cells
compressed gas
pressure
cells
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KR1020017005254A
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Inventor
존제이. 오지니악
데일비. 틸러
폴디. 빈홀드
리차드제이. 힐드브랜드
Original Assignee
추후보정
더 존스 홉킨스 유니버시티
추후제출
테크니컬 프로덕츠 그룹 인코포레이티드
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Publication date
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Abstract

압축 가스 차량 연료 저장 장치는 모양에 따르는 컨테이너 내에 위치한 충격 흡수 발포재료(33,34)에 의해 지지되는 다수의 압축 가스 압력 셀(30)로 구성된다. 컨테이너는 압축 가스 압력 셀(30)에 대하여 치수가 결정되고, 방사상 공기 간극은 각 압축 가스 압력 셀을 두른다. 방사상 공기 간극(20)은 압력에 의해 유도된 압력 셀(30)의 팽창이 근접 압력 셀에 압력을 가하지 않거나 컨테이너에 물리적 압력이 없도록 해준다. 압력 셀들은 열적으로 작동하는 압력 경감장치, 수동 안전 차단밸브 그리고 연료 저장장치를 차량 파워소스와 연료보급 어댑터에 연결하는 수단을 포함하는 가스 제어장치(40)에 의해 서로 연결된다. 가스 제어장치(40)는 컨테이너에 부착된 보호용 커버에 의해 덮어진다. 본 장치는 차량 샤시에 스트랩으로 부착되어 고속 충돌시 원하는 데로 변형하게 한다.

Description

압축 가스 연료 저장 장치 및 그 제조방법{COMPRESSED GAS FUEL STORAGE SYSTEM}
본 발명의 정부의 에너지 부에 의해 실시된 계약 번호 DE-FG02-95CE50421호에 의해 이루진 것이다. 정부는 본 발명의 일부 권리를 갖는다.
석유 생산 수요는 증가하는 반면에 미국 석유 저장량은 더욱 방출하기 어려워짐에 따라 자국의 석유 생산은 감소하는 경향이 있다. 미국 석유 공급의 절반은 수입되고 있으며, 미국 에너지 부는 2010년까지 60%의 부족을 예상했다. 외국 석유생산에 의존하는 국제 석유회사들은 수요를 만족시킬 것이지만, 미국 경제가 용인할 수 없는 가격이 될 것이다. 부족의 주요한 요인은 차량이다. 현재의 예측으로는 차량이 전 세계적으로 5억대에서 2030년까지는 10억대로 증가할 것이다. 해결책은 명확하다. 차량을 위한 대체 에너지가 개발되어야 한다.
수소, 프로판, 메탄 혹은 자연가스와 같은 압축가스가 차량을 위한 연료 소스로서 석유를 대체하여 사용될 수 있는지 증명되었다. 자연 가스는 미국 내에서 풍부한 상품이고 비싸지 않기 때문에 대체물로서 더욱 관심을 가지는 것 중의 하나이다. 결과적으로, 현재 미국 내에서 3만 이상의 자연 가스 이용 차량이 사용 중이다. 이러한 차량들은 저가의 연료비와 감소된 엔진 유지비를 보여 주었고, 배기가스 배출에도 상당한 감소를 보였다. 그러한 차량들은 제한된 영역으로 인하여 빠른 트럭, 배달 밴, 버스들과 택시들에 제한되어 왔다. 이러한 제한들은 존재하는 압축 가스 연료 시스템에 필요한 공간에서 기인한다. 이러한 공간적 제한은 트럭 바닥 체적, 자동차 트렁크 체적과 영역의 손실을 가져온다. 또한, 높은 초기 구매가격이 가스 저장장치의 가격으로 인해 나타난다.
압축가스 차량 연료장치는 전통적으로 단일의 큰 실린더나 혹은 기계적으로 서로 연결되어 차량 샤시에 단단히 장착되는 일련의 작은 실린더들로 구성된다. 많은 클램프, 브라켓 그리고 많은 밸브들과 안전 장치들은 연방법을 만족하기 위해 필요하다. 설치와 유지비도 높다.
종래 기술에 의한 현재의 압축 자연가스 연료장치의 예가 도 1에 도시되어있다. 이러한 전형적인 시스템에서, 압축 자연가스 저장 실린더들은 트렁크 내에 가치 있는 화물 공간을 차지하고 설치되며, 많은 안전 장치들은 각 탱크가 설치 규칙을 만족하는 적절한 안전장치를 갖는지 확인하기 위해 전체 연료 공급장치를 통하여 포함된다. 크기나 탱크의 크기는 감소될 수 있으나, 이러한 해결책은 받아들일 수 없는 영역 제한의 결과를 가져온다. 상술한 관련 요소들은, 차량과 산업개발에 공급되는 경량용 자연 가스의 판매를 방해해왔다.
본 발명은 일체형 저장 시스템(Integrated Storage System,ISS)이라고 불리는 차량용 일체형 압축 가스 연료 저장장치에 관한 것으로, 다수의 고압 가스저장 실린더(이하 압력 셀이라 칭함)를 포함하고, 이들은 주조된 하우징 내에 모두 포함된 작동 및 안전 제어를 포함하는 가스 제어장치에 의해 상호 연결된다.
도 1 은 차량에 설치된 통상적인 종래 기술에 의한 압축 자연가스 연료 시스템을 나타낸다.
도 2 는 본 발명장치를 경량용 차량에 설치한 것을 나타낸다.
도 3 은 조립되어 차량에 장착될 준비가 된 일체형 압축 가스 차량연료저장장치의 3/4 투시도이다.
도 4 는 본 발명의 확대도이다.
도 5 은 위에서부터 아래로 살펴보면, 아래에서 본 가스 제어장치의 맞은 편의 본 발명의 말단부의 평면도, 차량의 차대에 설치되는 도 3의 선 A-A를 따라 본 본 발명의 내부를 보기 위해 잘라낸 도면, 그리고 위에서 본 본 장치의 가스 제어장치 말단의 평면도.
도 6 은 가스 제어장치 보호용 커버의 내부를 나타내는 3/4 확대도; 발포성 보호용 블록은 가스 제어장치의 도관 출구 말단을 지지하고; 보호용 커버의 밀폐된 말단에서 가스 제어장치의 말단을 지지한다.
도 7 은 ISS 컨테이너/외부 쉘의 하단 쉘 부분, 장치에 사용되는 압력 셀들중의 하나, 그리고 압력 셀들의 쿠션과 지지를 해주는 발포성 범퍼들과 탄성 캡(cap)을 나타내는 3/4 부분도.
도 8 은 분배 머니폴드(manifold), 압력 셀 커넥터 그리고 관련된 튜브를 포함하는 가스 제어장치의 투시도.
도 9 는 네 개의 압축 가스 압력 셀들을 포함하는 본 발명의 대체 실시예의 3/4 투시도.
도 10 은 삼각 단면을 가진 조립체를 만들기 위해 배열된 다수의 압축 가스 압력 셀들을 포함하는 본 발명의 대체 실시예의 3/4 투시도.
도 11 은 삼각 단면을 가진 조립체를 만들기 위해 배열된 다수의 압축 가스 압력 셀들을 포함하는 본 발명의 대체 실시예의 내부를 나타내는 3/4 확대 투시도.
도 12 는 특정 차량에 요구되는 공간을 수용하기 위하여 다른 치수를 가지는 다수의 압축 가스 압력 셀을 포함하는 본 발명의 대체예를 나타내는 3/4 투시도.
본 발명은 상술한 현재의 가스 저장장치의 한계를 극복하는 압축 가스 연료 저장장치를 생산하는 생산공정과 재료에 있어서 최근 개발된 것을 이용한다. 본 발명은 경량설계, 정부와 산업표준에 의해 정해진 응용 표준과 안전조건을 만족하거나 초과하는 고강도 저장장치를 포함하는 면에서 매우 중요하다.
본 발명에 따른 압축 가스 연료저장장치는 많은 복합적인 위로 싸여진 실린더들(압력 셀)을 포함하며, 압력 셀을 위한 내부 발포성 보호재료가 있는 고강도 외부 쉘(shell)을 사용하고, 상호 연결용 가스라인이 있는 중앙 가스제어장치와 밀폐된, 하지만 서비스를 위해 제거 가능한 보호용 커버가 상기 가스 제어장치, 그리고 상기 장치를 차량에 부착하기 위한 스트랩(strap)을 포함한다.
외부 쉘은 응력이 없고(압력을 받지 않고) 내화성인 구조로, 많은 압력 셀들을 차량 응용과 연관된 물리적 악조건을 견딜 수 있는 단일 컨테이너로 사용하는 목적에 쓰인다. 외부 쉘과 이에 포함된 발포성 충격흡수재료는 충격하중으로부터 압력 셀들을 포호하는 기능을 한다. 가스 제어장치 보호용 커버와 이에 포함된 발포성 충격흡수재료는 충격하중으로부터 가스제어장치를 보호하는 기능을 한다. 외부 쉘과 가스 제어장치 보호용 커버는 섬유유리 혼합 박층 재료로부터 만들어진다. 탄성 가스켓과 그로밋(grommet)과 공동으로, 외부 쉘은 또한 물, 염분, 차량용 유체(즉, 가솔린, 엔진오일, 밧데리 산, 부동액, 브레이크 오일 등)와 햇빛에의 노출로부터 압력 셀들을 보호하는 기능을 한다.
단지 단일한 가스 제어장치가 모든 안전 표준을 만족하는 데에 필요하다.이는 많은 압력 셀들이 단일 컨테이너로 단일화되기 때문이다. 이러한 가스제어장치는 열적으로 작동되는 압력 경감장치, 수동 서비스 잠금 밸브, 전기 솔레노이드 밸브, 그리고 연료저장장치를 차량 엔진과 급유 어댑터에 연결하는 포트를 포함한다.
본 발명의 압축 가스 연료 저장장치는 스트랩(strap), 탭(tab) 혹은 브라켓으로 차량에 부착되도록 설계되며, 이들은 후단부 충돌의 경우에 차량 샤시의 구조적 컴플라이언스(compliance)를 변화시키지 않는다. 이것은 차량의 탑승객이 탑승하지 않는 구획(즉, 트렁크와 엔진룸)에서 샤시의 변형을 통하여 충돌 에너지를 흡수하여 승객을 보호하도록 설계되는 경량용 차량에서는 매우 중요하다.
따라서, 본 발명의 주요 목적은 차량 적재제한과 사용 가능한 샤시 공간에 적응하기 위한 거의 사각형이나 다른 비원통형 형상을 가지는 차량을 위한 압축 가스 연료 저장장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 단일 가스 제어장치를 사용하는 압축 가스 차량 연료 저장장치를 제공하는 것으로, 열적으로 작동되는 압력 경감장치, 수동작동의 차단밸브, 전기 솔레노이드 밸브, 연료장치를 차량 엔진과 급유 어댑터에 연결하는 포트 그리고 주조된 하우징 내에 포함된 많은 압력 셀들을 포함한다.
본 발명의 또 다른 목적은 반구형에 가까운 돔형 말단부를 가지는 원통형 압력 셀들을 포함하는 압축 가스 차량 연료 저장장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 압력 셀들 사이에 종방향 삼각형 보강재을 포함하는 주조된 하우징 내에 포함된 많은 압력 셀들을 가지는 압축 가스 차량 연료 저장장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 주조된 컨테이너 부분들을 같이 각각 고정하기 위한 파스너(fastener)나 접착제를 사용하여 조립되는 많은 압력 셀들을 위한 주조된 컨테이너를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 압축 가스 차량 연료 저장장치를 위한 주조된 가스 제어장치의 보호 커버를 제공하는 것이다.
또한, 많은 압력 셀들을 위한 보호 하우징으로서 기능하는 주조된 컨테이너 내에 대기압을 유지하는 수단을 제공하는 것이 목적이다.
또 다른 목적은 보통의 압력을 가하거나 압력을 제거하거나 하는 동안에 컨테이너에 응력을 가하지 않고 연료 셀들의 팽창과 수축을 허용하는 보호용 컨테이너 내의 많은 압력 셀들을 위한 장착 수단을 제공하는 것이다.
또한, 컨테이너의 갑작스러운 파괴를 일으키지 않고 고속 추진으로 상기 컨테이너를 작동시키도록 하기 위하여 보호용 컨테이너 내에서 많은 압력 셀들의 각각을 고립시키는 수단을 제공하는 것이 목적이나, 가스 배출은 제어된 방법으로 하도록 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 스트랩, 탭 혹은 브라켓 등의 수단을 사용하여 압축 가스 차량 연료 저장장치를 차량에 부착하는 수단을 제공하는 것이며, 보통 작동 조건 하에서 상기 장치가 샤시에 유지되게 하지만, 고속 충돌 시에 샤시가 파괴되면 샤시에 대하여 장치를 변위가 발행하도록 해준다.
본 발명의 주요한 다른 목적은 정부표준과 산업표준을 만족하거나 초과하는압축 가스 차량 연료 저장장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 여기에 참고로 포함된 ANSI/NFPA(American National Standards Institute and National Fire Protection Association)에 의해서 1992년편찬된 ANSI/NFPA 52 압축 자연가스(CNG) 차량 연료장치의 표준을 만족하거나 초과하는 압축 가스 차량 연료 저장장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 NGVC(Natural Gas Vehicle Coalition)에 의해 1992년에 개발된 표준과 압축 NGV(Natural Gas Vehicle) 연료 컨테이너를 위한 기본적 만족 요건을 위한 미국 표준, ANSI/AGA NGV2-1992를 만족하거나 초과하기 위한 것이여 여기에 참조로 기술되었다.
본 발명의 다른 목적은 압축 자연가스 차량(NGV, Natural Gas Vehicle) 연료 컨테이너를 위한 기본적 만족 요건을 위해 미국 표준으로 편찬되고 1995년 3월 1l일에 수정된, ANSI/AGA NGV2를 만족하거나 초과하기 위한 것이여 여기에 참조로 기술되었다.
본 발명의 다른 목적은 압축 가스 협회에서 개발되어, 압력 경감 장치 표준의 압축 가스를 위한 실린더, CGA-1.1-1994로 편찬된 표준을 만족하거나 초과하기 위한 것이여 여기에 참조로 기술되었다.
본 발명의 다른 목적은 교통부(Department of Transportation, DOT)의 NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration)에 의해 개발되고, 연방 차량 안전표준 번호 303호와 1994년의 압축 자연가스 차량의 연료장치 통합으로 NHTSA에 의해 편찬된 표준들을 만족하거나 초과하는 것으로 여기에 참조로 포함된다.
본 발명의 다른 목적은 교통부(Department of Transportation,DOT)의 NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration)에 의해 개발되고, 연방 차량안전 표준번호 304호 압축자연 가스 연료 컨테이너로서 NHTSA에 의해 편찬된 표준들을 만족하거나 초과하는 것이다.
본 발명의 예견되는 응용은 자동차, 밴 그리고 경량, 중형 및 중량이 큰 트럭을 위한 차량 저장 컨테이너이다. 따라서, 선호되는 실시예는 사용 가능한 샤시 공간에 맞는 장치의 관점에서 제공되며, 종래의 가솔린 연료탱크에 유사한 방법으로 장착된다. 도 2는 선호되는 실시예를 나타내며, 차량의 아래쪽이나 내부에 위치하도록 크기와 모양을 가진다. 도 1의 종래의 압축 가스 연료 저장장치와 도 2에 도시된 본 발명에 의한 통합된 장치를 비교하면, 통합된 장치가 화물 공간을 보존하는 것을 보여준다. 압축 가스 통합 저장장치(7)가 가솔린 채움 포트와 동일한위치에서 연료보급 포트(9)를 가진 차량의 샤시(8) 아래에 장착되도록 하여준다.
본 발명이나 혹은 통합 저장장치를 위한 ISS(Integrated Storage System)은 수소, 자연가스, 자연가스와 수소가스 혼합물 혹은 어떠한 다른 가스와 같은 압축 가스와 함께 사용되도록 설계되며, 이들은 고압으로 저장되고 차량의 연료 소스로서 사용된다. 그러나, 본 발명을 간단히 하기 위하여, 선호되는 실시예에서는 서비스 압력 3600 psig 까지로 압축 자연가스(CNG) 연료 저장장치의 관점에서 기술된다.
도 2에 나타낸 본 장치는 통상적으로 차량에 장착된다. 이는 압력지지, 손상에 대한 내구성과 가스 제어의 개념을 포함한다. 이제 도 3 및 4를 참조하면, 이러한 개념들은 가스 제어장치 보호용 커버(13)가 있는 가스 제어장치(40)와 쉘 부분의 상부와 하부(11,12)로 구성된 보호용 응력이 없는 외부 쉘(10) 내에 포함된 돔형의 말단부를 가지는 원통형 몸체를 수반하는 타입의 많은 압축 가스 압력 셀(30)들에 의해 달성된다.
외부 쉘(10)은 고 강도의 주조된 섬유유리 재료로 된 준 사각형 박스형태로 압력 셀들의 형태에 맞추어 치수가 정해진다. 쉘은 많은 압력 셀들을 다양한 환경조건과 선적과 설치 시의 부주의 그리고 도로파편에 의한 충격과 FMVSS 303,304에 의해 요구되는 차량 충돌 아래에서 구조적으로 손상 받지 않도록 하는 단일한 컨테이너로 사용하도록 설계되고 생산된다. 외부 쉘은 ISS가 FMVSS 304 테스트 요구 조건을 모두 만족하거나 초과하도록 도와주며, 상기 테스트는 압력 싸이클링, 화톳불, 균열 내구성, 낙하, 추 충돌과 발포 등의 실험을 포함한다. 쉘은 재료의 선택과 최종 조립에 의해 그 강도를 달성할 수 있으며, 내부 보강재는 압력 셀들 사이의 골 공간에 위치한다.
관통된 파스너(fastener,108)는 가스 제어장치 보호용 커버(13)가 장착 나사(82,도4)로 조립된 상부 및 하부 외부 쉘(11,12)에 고정되도록 하기 위하여 외부 쉘(10)의 상부 및 하부 쉘 부분(11,12)의 전방 말단부에 위치한다. 선호되는 실시예에서, 스테인레스 스틸 너트 판(도시안됨)은 가스 제어장치 보호용 커버 장착 나사의 위치에서 상부 및 하부 쉘의 내부 표면에 접착된다.
압력 셀들 사이의 골 공간은 쉘 안에 종축 삼각 보강재(23,도5)를 포함하며, 보강재는 쉘의 전체 길이에 골을 부분적으로 채우는 단단한 발포성 재료 삽입부를 두르는 섬유유리 층에 의해 형성된다. 각 골에서 만나는 방사상 부분 사이의 브릿지에 의해 형성되는 들어간 표면부는 ISS의 외부 껍질 내에서 모든 장착되는 장치들을 완전히 맞추기 위한 장착 위치를 제공한다. 한 쌍의 외부 장착 스트랩(14,15)은 채널 형상부분(122,124, 도5)과 공동으로 작동하며, 장치들을 샤시에 부착하기 위해 차량에 부착된다. 이러한 장착 부품들은 외부 쉘(10)의 상부와 하부부분(11,12)에서 종축 골 공간으로 맞추어지며, ISS를 차량에 부착하는 수단을 제공하고, 통상의 운전조건 하에서 위치를 유지하게 해주지만, 고속 후단부 충돌의 경우에는 샤시에 대하여 움직일 수 있도록 해준다.
통합 연료저장장치를 형성하는 여러 가지 부품들의 형상이 도 4에 확대되어 나타나있다. 상부 쉘 부분(11)은 하부 쉘 부분(12)의 상부 모서리를 덮는 립(lip,16)을 포함하고, 위로 덮는 립 조인트(44,도5)를 제공하고, 상부 부분은 나사, 리벳 혹은 다른 고정 수단과 조합하여 접착제, 밀봉제를 사용하여 하부 부분에 고정된다. 선호되는 실시예에서, 접착체와 밀봉제가 굳을 때까지 서로 부분들을 고정하는 데에 리벳이 사용된다.
ISS 외부 쉘(10)은 충격 흡수, 보호용 범퍼(21,22)의 장착을 허용하는 내부 치수를 가지며, 이들은 압력 쉘(30)들의 돔형 영역을 둘러싸고 보호한다. 가스제어장치 보호용 커버(13)는 충격 흡수, 보호용 범퍼(78,80,도6)의 장착을 허용하는 내부 치수를 가지며, 이들은 가스 제어장치(40)를 둘러싸고 보호한다.
보호용 범퍼들(21,22)은 상부(11)의 내부 모양과 바닥 쉘 하부(12)로 만들어지고, 압력 셀 돔 영역의 모양에 맞추어 지도록 생산된다. 이러한 충격 흡수 범퍼들은 압력 셀들의 돔을 위한 보호용 지지대로서 작용한다. 압력 셀들은 단지 돔의 영역 내에서 고무나 스펀지와 같은 재료로 된 탄성 접촉 캡(33,34,도7)을 통하여 구조물에 묶이고, 압력 셀들과 충돌 흡수 범퍼 모두는 탄성 접착제로 부착된다. 각 압력 셀의 원통형 부분은 서로에 대해 혹은 외부 쉘과는 물리적인 접촉을 하지 않는다. 이것은 압력 셀들의 원통형 영역을 둘러싸는 방사상의 공기 간극(26,도5)을 형성하는 결과를 가져오며, 각 압력 셀들을 물리적으로 분리하게 된다. 돔 영역 안의 공기 간극(26)과 탄성 접촉 캡(33,34)은 압력 셀들의 통상적인 충전에 의해 야기되는 압력을 받는 동안에 압력 셀들의 치수적 확장을 수반한다.
선호되는 실시예에서, 분리는 압력 셀들과 탄성 접촉 캡(33,34)과 결합된 외부 쉘, 충돌 흡수, 보호용 범퍼(21,22)들의 상대적 치수를 통하여 달성되고, 범퍼들은 외부 쉘들 이내에 위치하게 하고 팽창 중에 압력 쉘들의 길이 연장 효과를 흡수한다. 이러한 상대적인 위치는 각 압력 셀 주위에 방사상의 공기 간극(26)을 형성하며, 이는 셀의 방사상 팽창을 흡수한다. 저장장치 충전 중에, 압력에 의해 유도된 압력 셀의 팽창은 모두 방사상이고 종방향이다. 선택적인 실시예에서, 공기 간극(26)은 저밀도 발포성 재료나 유사한 재료에 의하여 대치될 수 있고, 이는 압력 셀 컨테이너의 내부나 근접한 압력 셀에 심각한 압력을 가하지 않고 압축한다.
각 압력 셀은 입력과 출력 포트(31,도 4 및 7)를 포함하며, 쉘 내에서 개구부를 통하여 확장하는 금속 보스의 말단부 안으로 기계적으로 꿰뚫어지는 관통구멍으로 구성된다. 또한, 각 압력 셀의 노출된 금속보스들을 둘러싸는 고무 봉인이나 패킹(19)은 압력이 작용하는 도중에 외부 쉘에 응력을 가하지 않고 길이방향으로 늘어나도록 하여주고, 압력 쉘들은 외부 쉘 안에 위치시키는 데에 사용된다. 패킹은 또한 밀폐용으로 사용되며, 물이나 다른 파편들이 외부 쉘 공기 간극(26) 내에 모이는 것을 방지해 준다.
도 4에 잘 나타나 있듯이, 장치는 보호용 커버(13)와 작은 대기 배출 튜브(70) 아래의 영역 안에서 외부 쉘(10)을 통하여 구멍(71)으로 구성된 내부 배출구를 포함하며, 이들은 함께 압력 셀들 주위와 압력 셀 컨테이너 내의 공기 간극이 국부 대기압을 유지하도록 해주고, 외부 쉘(10)이 응력이 없는 상태로 유지되도록 해준다. 대기 배출 튜브(70)는 보호용 커버(13) 아래에서 보호용 커버 아래의 공간이 대기압으로 유지되게 한다.
탄성 가스켓(17)은 외부 쉘(10)과 가스 제어장치 보호용 커버(13) 사이의 밀봉을 제공한다. 탄성 밀봉부와 마개(18)는 열적으로 작동되는 압력경감장치(pressure relief device, PRD) 안전 튜브(74), 가스 공급튜브(63), 배분 머니폴드 솔레노이드 외부 파워 전선(75) 그리고 대기 배출 튜브(70)의 경로를 밀봉하고 지지한다.
주조된 섬유가스 재료로 생산된 가스 제어장치 보호용 커버 설계는 가스 제어장치를 쉽게 어떠한 가스 누출 흐름을 막아 배출시키는 서비스 할 수 있게 해준다. 도 4 및 6에 나타난 바와 같이, 보호용 커버(13)는 가스켓(17)을 위한 밀폐 표면과 장착 나사(82)를 설치할 영역을 제공하는 볼트 구멍(37)이 있는 플랜지(39)를 포함하며, 상기 나사(82)는 외부 쉘과의 구조적 연결과 가스켓(17)을 위한 고정력을 제공한다. 보호용 커버(13)는 외부 표면에 홈(102,104)을 포함하며, 이는 ISS 장착 스트랩(14,15)을 수용하도록 치수와 위치가 정해진다. 보호용 커버(13)는 또한 도 6에 잘 나타난 바와 같이 PRD 트리거(trigger,88,도8)가 불의 열기에 열적으로 노출되도록 하는 가스켓이 있고 홈이 있는 윈도우(106)를 포함한다. 보호용 커버는 또한 수동 차단을 제공하기 위한 제거가능한 탄성 밀봉 플러그(38)가 있는 통로 구멍을 포함한다. 보호용 커버는 편평한 외부 표면(114,도3)을 가지며, 이는 상술한 연료 컨테이너 표준에 의해 요구되는 6피트 낙하시험 동안에 일어나는 충격으로 인한 국부 응력을 최소화하기 위하여, 외부 쉘의 전방 표면과 평행하다. 두 개의 충격 흡수, 보호용 범퍼(78,80, 도6)는 가스 제어장치를 보호하며 두르는 가스 제어장치 보호용 커버(13)의 내부 말단부 안으로 장착된다.
본 발명에 사용된 압력 셀(30)은 ANSI/AGA NGV-2에 있는 내역에 따른 타입 3 혹은 4 구조의 상업적 압축 자연가스 차량저장 실린더의 변형이며, 부품번호 R240049-001로 Lincoln, Nebraska의 Lincoln Composites에 의해 생산된다. 타입 3 합성 완전 포장 실린더는 라이너(liner) 위로 구부러진 수지 매트릭스 필라멘트 안에서 강화 섬유의 연속적인 필라멘트가 있는 금속 라이너로 구성된다. 도 5에 단면으로 도시된 타입 4의 전체 합성 실린더는 수지 매트릭스(28) 내에 강화 섬유의 연속 필라멘트로 감싸진 가스가 통하지 않고, 비하중 베어링 플라스틱 라이너(35)를 가진다. 실린더들은 합성 오버랩이 모든 하중에 대해 발생하도록 설계된다. 비반구형 돔형 말단부를 가진 원통형 압력 셀들은 고압을 수반하는 가스를 운반하는 가장 효과적이고 경제적인 수단이므로 사용된다. 이는 원형 단면을 가지는 압력 용기는 균일한 후프 응력(hoop stress)을 갖기 때문이다. 비원형 단면을 가진 압력 용기는 보다 높은 후프 응력을 가질 것이며, 또한 국부 굽힘 응력을 받고, 따라서 보다 두꺼운 벽을 요구하여 더 무겁고 비경제적인 압력용기가 될 것이다.
선호되는 실시예에서, 도 5의 압력 셀(30)들은 고밀도 폴리에틸렌(High Density Polyethylene, HDPE) 라이너가 감긴 에폭시 수지 필라멘트가 있는 E-유리 섬유와 카본의 합성물로 구성되는 타입 4 설계이며, 상기 라이너는 각 말단부에서 알루미늄 보스로 주조된다. 그들은 타입 4 범위의 상업적 생산품과 유사하며, 부가적인 오버랩, 코팅 혹은 충돌이나 환경에의 노출로부터 보호할 수 있는 어떠한 수단을 갖지 않는다는 것만 다르다. 이러한 기능은 ISS의 다른 부품들, 즉 에너지 흡수 범퍼들과 외부 쉘(10)에 의해서 수행되기 때문이다. 또한, 압력 셀들은 꼬리 말단부에서 닫혀진 보스를 가지며, 이는 돔 표면과 수평을 이룬다. 압력 셀들은 테스트를 위한 FMVSS 304의 모든 요구조건을 만족하거나 초과하며, 이 테스트는 터짐, 압력 싸이클, 고온 균열, 응력 파괴 그리고 가스 투과 등이 포함된다. 다른 압력 셀 설계는 ISS의 부가적인 실시예에 포함될 것이다. 이것은 전체 카본 오버랩을 제외하고는 상기 기술된 것들과 유사한 압력 셀들을 포함한다.
외부 쉘(10)과 가스 제어장치 보호용 커버(13)의 재료는 여러 NGV 연료 컨테이너 표준에서 요구하는 환경 노출의 형태로부터 압력 셀을 보호하도록 선택된다. 선호되는 실시예에서, 외부 쉘(10)의 쉘 부분의 상부(11)와 하부(12), 그리고 가스 제어장치 보호용 커버(13)는 진공 도움 수지 전달 주조 기술(여기에 참고로 포함된 미국특허 4,902,215호, 5,052,906호 그리고 5,316,462호)인 세만 합성수지 주입 주조공정(Seemann composite resin infusion molding process, SCRIMP)을 사용하여 섬유 유리 층으로부터 만들어진다. 가스 제어장치 보호용 커버(13)는 다른 섬유 유리 레이 업(lay-up)과 발포성 보강재가 사용되지 않는 것을 제외하고는 상부 및 하부 쉘 부분을 만드는 데에 사용되는 방법과 유사하게 제작된다. 가스 제어장치 보호용 커버(13)는 에너지 흡수 보호용 발포성 범퍼를 말단부 영역으로 본딩하거나 주조함으로써 완성된다.
도 8에 보인 바와 같이, 가스 제어장치는 가스 배분 머니폴드(41)를 포함하며, 선호되는 실시예에서 이는 기계가공이나 주조되어 ISS의 세 압력 셀들을 서로 연결하는 금속 블록으로 된다. 가스 배분 머니폴드(41)는 차량 전기장치에 의해 제어되는 솔레노이드에 의한 밸브(51)를 포함하며, 압력 셀(30)의 외부의 입력과 출력 포트(31)에의 종래의 고압 결합(93, 하나의 커플링 포트를 위한 결합, 도시안됨), 스테인레스 스틸 튜브 조립체(61,62) 그리고 부가적인 결합(91,92)을 통하여연결되는 커플링 포트(도시안됨)에의 내부 가스 통로를 제공한다. 따라서, 모든 세 개의 압력 셀들은 머니폴드(41)에 의하여 공기압적으로 상호 연결된다.
수동 차단 밸브(55)는 ISS로부터 차량 연료시스템으로 솔레노이드 밸브(52) 그리고 머니폴드(41) 내의 입출력 포트(도시안됨)를 통하여 가스 흐름을 막는 수단을 제공한다. 입출력 포트는 차량 가스흐름 제어와 차량 연료 시스템에 종래의 고압 결합과 스테인레스 스틸 튜브 조립체(63)에 의해서 연결된다. 차량은 가스 흐름이 상호 배타적인 경향으로 머니폴드(41)로부터 차량 엔진이나 혹은 압축 가스 공급소스로부터 머니폴드(41)를 통하여 ISS 안으로 연료공급 모드에서 흐르게 하는 보조적인 가스 흐름 제어장치를 포함할 수 있다.
머니폴드(41)는 머니폴드의 내부 가스 통로와 열적으로 응답하는 안전밸브(72)에 트리거(88)와 고무 밀봉부(90)로, 트리거로 종래의 고압 결합과 스테인레스 스틸 튜브 조립체(72)에 의하여 공기압적으로 연결된 안전 배출 포트(도시안됨)를 포함한다. 열적으로 응답하는 안전밸브, 즉 압력 경감장치(72)는 연료 저장영역과 관련된 차량화재의 경우에 제어된 비율로 ISS를 통기하기 위해 개방한다. 위급 통기과정 중에, 안전 배출 튜브(74)를 통하여 열적으로 응답하는 안전밸브(72)로부터 달아나는 연료는, 만약 발화한다면 연소할 것이지만, 화염은 차량으로부터 벗어나도록 안내하는 배출 튜브 조립체의 개방위치로 인하여 파괴적이지 못할 것이다.
선호되는 실시예에서, 압력 셀들과 이들의 보호용 하우징들은 다음 단계로 조립된다. 주조된 보호용 발포성 범퍼(21,22)는 외부 쉘 상부 및 하부(11,12)에접착된다. 탄성 접촉 캡(33,34)은 접착제나 밀봉제로 세 개의 압력 셀들의 돔형 말단부에 부착된다. 접착제는 세 개의 압력 셀들 각각 위에서 탄성 캡(33,34)의 외부 표면에 적용된다. 고물 밀봉제나 패킹(19)은 금속 보스가 노출된 압력 셀 주위에 놓인다. 압력 셀들은 하부 쉘 부분(12) 내에 놓이고, 고무 밀봉제나 패킹을 하부 쉘 부분(12)의 전방 말단부의 모서리 내의 슬롯 안에 위치시킨다. 상부 쉘 부분(11)은 하부 쉘 부분 위로 설치된다. 접착성 밀봉제는 쉘 부분들 사이의 결합 영역 주변에 적용된다. 접착제나 밀봉제가 굳는 동안에, 조립체는 상부 및 하부 쉘 부분의 겹치는 모서리 내의 미리 뚫어진 구멍들을 통하여 설치된 다수의 리벳에 의해 고정된다.
조립 공정은 가스 제어장치(40)를 압력 셀의 금속 보스 안의 입출력 포트(31)에 부착시키는 과정으로 계속된다. 탄성 가스켓(17)은 가스 제어장치 보호용 커버(13)와 조립된 압력 셀 컨테이너(10) 사이에 위치한다. 그 다음에, 가스 제어장치 보호용 커버(13)는 가스켓(17) 위초 다수의 장착 나사(82)를 사용해 외부 쉘(10)에 부착되고, 나사는 외부 쉘의 상부 및 하부 안의 관통되는 파스너(108) 안으로 들어간다. 이것은 가스 제어장치를 마무리한다.
ISS는 여러 형상의 어떤 수의 압력 셀과도 조립될 수 있을 것이다. 예를 들면, 선호되는 실시예에 유사한 형태에서, 대체적인 형상이 동일하거나 다른 길이의 압력셀들을 보다 적게 사용할 수 있다. 차량 패키징 요구를 수용하는 다른 대체적인 형상들은 도 9에 도시된 바와 같은 보다 작은 직경을 가진 네 개의 압력 셀들, 도 10 및 11에 도시된 삼각 배치 혹은 도 12와 같은 다른 길이와 직경의 압력 셀조립체를 포함한다.
상술한 바는 단지 본 발명의 원리를 설명하는 예시일 뿐이다. 또한, 많은 수정과 변경이 본 발명의 관점을 벗어나지 않는 한도에서 당업자에 의해 가능할 것이며, 따라서 모든 적절한 수정과 동등치환은 본 발명의 범위인 첨부된 청구범위 내에 들어오게 된다.
본 발명의 실시에 의하여 표준 규격을 만족하거나 초과하는 고강도이며 저가격인 효율적인 연료저장장치를 구현할 수 있다.

Claims (37)

  1. 일체형 압축가스 차량연료 저장장치에 있어서;
    돔형 말단부와 원통형 몸체를 가지는 형태의 다수의 압축 가스 압력 셀들과;
    다수의 압축 가스 압력 셀들을 위한 컨테이너;
    상기 다수의 압축 가스 압력 셀들을 상기 컨테이너 내에서 고정하고, 상기 다수의 압력 셀들을 각각에 대하여 그리고 상기 컨테이너로부터, 상기 압축 가스 압력 셀들 중의 하나의 팽창이 근접한 압축 가스 압력 셀이나 상기 컨테이너의 내부에 압력을 가하지 않게 하기 위하여 고립시키기 위한 수단;
    상기 다수의 압축 가스 압력 셀들을 공기압적으로 상호 연결하는 가스 제어장치; 그리고
    상기 장치를 차량에 고정하기 위한 수단을 포함하며, 상기 고정 수단은 고충격의 충돌의 경우에 승객구간의 보호를 위해 차량 샤시의 변형을 허락하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 컨테이너는 주조된 구조물임을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 컨테이너에 부착된 상기 가스 제어장치를 위한 보호용 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 컨테이너와 상기 보호용 커버는 주조된 구조물임을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 컨테이너의 말단부에 위치하며, 상기 압축 가스 압력 셀들의 상기 돔형 말단부를 놓도록 치수를 가진 충격 흡수 발포성 범퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 컨테이너는 다수의 압축 가스 압력 셀들의 모양에 맞도록 형상을 가진 거울 이미지의 상부 및 하부 절반부로 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 근접한 압축 가스 압력 셀들 사이에 상기 상부 및 하부 절반부의 내부에 형성된 골부분과;
    상기 골부분 내에 위치한 단단한 발포성 삽입부를 두르는 섬유유리 층에 의해 형성된 종방향 삼각 보강재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 상부 및 하부 절반부의 둘레 정합 모서리에 형성된 오버랩 립 조인트(overlap lip joint)를 포함하며, 상기 오버랩 립 조인트는 상부 절반부가, 나사, 리벳 혹은 다른 고정수단으로 조합된 접착제나 밀봉제를 사용하여 하부 절반부에 고정되도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 컨테이너의 상기 가스 제어장치 말단부에서 상기 상부 및 하부 절반부에 접합된 다수의 관통된 고정 수단과;
    상기 다수의 관통된 고정수단을 사용하여 상기 컨테이너에 부착된 상기 가스제어장치를 위한 보호용 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 컨테이너의 상기 가스제어장치 말단부에서 상기 상부 및 하부 절반부 안으로 주조된 다수의 관통된 고정수단과;
    상기 다수의 관통된 고정수단을 사용하여 상기 컨테이너에 부착된 상기 가스제어장치를 위한 보호용 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 컨테이너와 상기 보호용 커버는 진공 도움 수지 전달 주조공정을 사용하여 섬유유리 층으로부터 만들어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 컨테이너는 유연한 스트랩들과 채널(channel) 사이에 차량상에 위치하고 부착되며, 상기 채널은 샤시에 부착되고 컨테이너 외부 쉘 안으로 주조된 골 공간 내에서 결합되어, 고충격 충돌 시에 차량 샤시 변형을 일으키게 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 압축 가스 압력 셀들을 고정하고 고립시키는 상기 수단은 상기 압축 가스 압력 셀들을 상기 압축 가스 압력 셀들과 상기 컨테이너에 근접한 것들에 대하여 상기 돔형 말단부에 대하여 고정하기 하기 위한 위치수단을 상기 컨테이너의 말단부에 포함하고, 방사상 공간은 상기 압축 가스 압력 셀들의 상기 몸체 주위에 제공되며, 상기 압축 가스 압력 셀들이 압력을 받으면 상기 방사상 공간은 상기 압축 가스 압력 셀들이 근접한 것들과 혹은 상기 컨테이너와 접촉하지 않도록 해주는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 외부 압력으로 상기 컨테이너 내의 압력을 균일하게 하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 돔형 말단부와 상기 위치수단 사이에 위치한 탄성 캡을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 방사상 공간은 저밀도 재료로 채워지는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 일체형 압축 가스 차량 연료저장장치에 있어서;
    돔형 말단부와 원통형 몸체를 가지는 형태의 다수의 압축 가스 압력 셀들과;
    상기 다수의 압축 가스 압력 셀들을 위한 컨테이너와;
    상기 압축 가스 압력 셀들이나 혹은 상기 컨테이너의 기계적인 간섭을 방지하는 수단; 그리고
    상기의 다수 압축 가스 압력 셀들을 공기압적으로 상호 연결하는 가스 제어장치를 포함하는 장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 압력 셀들이나 상기 컨테이너의 기계적 간섭을 방지하는 수단은 상기 가스 압력 셀들의 상기 원통형 몸체 주위에 방사상 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 컨테이너의 압력을, 상기 압축 가스 압력 셀들이 압력을 받았을 때에 상기 컨테이너가 응력을 받는 것을 피하도록 외부 압력과 균일화를 이루게 하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 컨테이너 내의 압력을 균일화하는 상기 수단은 상기 컨테이너의 내부를 대기와 연결하는 개구부와 튜브로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 얍축 가스 압력 셀들을 상기 컨테이너에 위치시키고 고정시키기 위한 충격 흡수 수단을 포함하며, 상기 방사상 공간은 상기 충격 흡수 수단과 상기 컨테이너와 상기 압축 가스 압력 셀들의 상대적 치수에 의하여 생성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 방사상 공간은 저밀도 재료로 채워지는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 컨테이너는;
    주조된 하부 절반부와;
    주조된 상부 절반부를 포함하며;
    상기 상부 및 하부 절반부들은 상기 절반부들이 상기 컨테이너로 조립될 때에 마주보는 벽부분을 포함하고;
    상기 마주보는 벽부분은 상기 다수의 압축 가스 실린더들의 각각을 위한 굽은 부분을 포함하며;
    상기 굽은 부분의 결합 모서리들은 사이에 골모양의 구획을 만드는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 골부분은 상기 상부 및 하부 절반부들의 각각을 포함하는 단일화된 주조 구조물의 부분으로서 만들어진 단단한 발포성 삽입부를 두르는 섬유유리 층에 의해 형성된 종방향 삼각 보강재를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 제 21 항에 있어서, 상기 컨테이너에 부착된 상기 가스 제어장치를 위한 보호용 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 컨테이너와 상기 보호용 커버는 주조된 구조물임을 특징으로 하는 장치.
  27. 제 24 항에 있어서, 상기 상부 및 하부 절반부는 상기 다수의 압축 가스 압력 셀들의 모양에 맞추어진 거울 이미지로서의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 상부 및 하부 절반부의 주변 정합 모서리에 형성된 오버랩 립 조인트를 포함하며, 상기 오버랩 립 조인트는, 상부가 나사, 리벳 혹은 다른 고정수단등을 사용하여 하부에 고정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 컨테이너의 상기 가스제어장치 말단부에서 상기 상부 및 하부 절반부들 안에 접착된 다수의 관통된 고정수단을 포함하며, 상기 가스제어장치를 위한 상기 보호용 커버는 상기 다수의 관통된 고정수단을 사용하여 상기 컨테이너에 고정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 컨테이너와 상기 보호용 커버는 진공 도움 수지전달 주조공정을 사용하여 섬유유리 층으로부터 만들어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  31. 차량 연료저장장치에 있어서;
    섬유 감기 공정으로 만들어지는 다수의 압력 셀들로 구성된 압력 셀 조립체와;
    상기 압력 셀 조립체를 덮으며, 상기 압력 셀 조립체의 모양에 따르는 치수를 가지고, 상기 압력 셀들의 압력에 따른 팽창을 허용하도록 치수를 가지며 이들 사이의 물리적 접촉을 막아주는 상기 압력 셀들 주위에 방사상 공기 간극을 제공하는 주조된 보호용 하우징;
    상기 압력 셀들을 공기압적으로 연결하는 가스제어장치;
    상기 가스 제어장치를 위한 보호용 커버; 그리고
    상기 보호용 커버를 상기 보호용 하우징에 고정하는 수단을 포함하는 장치.
  32. 차량 연료저장장치를 제조하는 방법에 있어서;
    주조된 상부 일체형 저장장치 외부 쉘 절반부를 만드는 단계와;
    주조된 하부 일체형 저장장치 외부 쉘 절반부를 만드는 단계;
    미리 주조된 발포성 재료 충격흡수 및 압력 셀 지지 범퍼를 상부 및 하부 일체형 저장장치 외부 쉘 절반부들 안에 접착하는 단계;
    발포성 충격흡수 범퍼 내에 압력 셀들의 돔형 말단부가 있는 상부 및 하부일체형 저장장치 외부 쉘 절반부들 사이에 다수의 압력 셀들을 넣는 단계;
    가스 제어장치를 다수의 압력 셀들에 부착하는 단계; 그리고
    가스 제어장치 커버를 상부 및 하부 일체형 저장장치 외부 쉘 절반부들에 부착하는 단계를 포함하는 방법.
  33. 차량 연료 저장장치를 만드는 방법에 있어서;
    주조된 상부 일체형 저장장치 외부 쉘 절반부를 만드는 단계와;
    주조된 하부 일체형 저장장치 외부 쉘 절반부를 만드는 단계;
    발포성 재료 충격흡수 및 압력 셀 지지 범퍼를 상부 및 하부 일체형 저장장치 외부 쉘 절반부들 안에서 주조하는 단계;
    발포성 충격흡수 범퍼 내에 압력 셀들의 돔형 말단부가 있는 상부 및 하부 일체형 저장장치 외부 쉘 절반부들 사이에 다수의 압력 셀들을 넣는 단계;
    가스 제어장치를 다수의 압력 셀들에 부착하는 단계; 그리고
    가스 제어장치 커버를 상부 및 하부 일체형 저장장치 외부 쉘 절반부들에 부착하는 단계를 포함하는 방법.
  34. 제 32 항 또는 제 33 항에 있어서, 탄성 캡을 상기 압력 셀들의 돔형 말단부에 부착하는 단계를 더 포함하며, 이 단계는 일체형 저장장치 외부 쉘 절반부들 사이에 이들을 마감하기 전에 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 34 항에 있어서, 충격흡수 및 미리 주조된 범퍼를 가스제어장치 보호용 커버 안에 부착하는 단계를 더 포함하는 방법.
  36. 제 34 항에 있어서, 내부 장착 충격흡수 범퍼들을 가스제어장치 보호용 커버 안에서 주조하는 단계를 포함하는 방법.
  37. 제 13 항에 있어서, 상기 저장장치는 장치의 급격한 파괴가 일어남이 없이 고속 추진으로 침투를 수행할 수 있는 장치.
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