KR20110060943A - 극저온 액체 탱크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소 연료 항공기를 위한 수소 저장 탱크에 관한 것이다. 탱크는 가요성 외부 층 내에 밀봉되고 진공을 형성하도록 공기가 제거되어 있는, 경질 외피 층 둘레의 에어로겔 섹션의 층으로 이루어진 벽을 구비한다. 각 층 섹션의 주연부는 그 층의 다른 섹션과 접하지만, 개별 지점에서만 다른 층의 섹션의 주연부와 중첩한다. 벽은 그 중력 저부에서보다 낮은 그 중력 상부 부근에서의 열 전도성을 특징으로 한다. 탱크는 두 개의 출구 통로를 가지며, 하나는 직접 통로이고, 나머지는 에어로겔의 두 개의 층 사이에서 벽을 통해 연장하는 증기 차폐부를 통과한다. 제어 시스템은 탱크의 비등율을 규제하도록 두 개의 통로를 통한 상대적 유동을 제어한다.

Description

극저온 액체 탱크 {CRYOGENIC LIQUID TANK}

본 출원은 모든 측면에서의 참조문헌으로서 본 명세서에 통합되어 있는 2008년 9월 23일자로 출원된 미국 가출원 제61/194,054호의 이득을 주장한다.

본 발명은 일반적으로 극저온 유체 탱크에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 장거리 항공기에 적합한, 액체 수소의 경량 격납부를 제공하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

수소는 고고도 장거리 항공기를 위한 매력적인 연료이며, 그 이유는 수소가 통상적 탄화수소 연료들에 비해 파운드당 약 2.8배의 에너지를 포함하기 때문이다. 매우 긴 운항범위 또는 지구력을 필요로 하는 항공기 용례들에서, 수소의 높은 비 에너지(specific energy)는 이를 가능하게 하는 열쇠가 될 수 있다. 그러나, 실용적 고려사항들은 그 사용을 거의 불가능하게 한다. 수소의 비 에너지는 매우 높지만, 단위 체적당 에너지는 비교적 낮다.

수소의 높은 비 에너지의 장점을 얻기 위해서, 관련 탱크는 경량인 것이 바람직하며, 저장된 수소의 중량에 비해 매우 작은 비율(바람직하게는 10% 내지 25% 정도)인 것이 이상적이다. 압축된 기체 수소를 저장하기 위한 통상적 탱크는 저장된 수소의 중량의 약 10 내지 20배의 중량을 가지며, 고고도 장거리 항공기에는 비실용적이다. 대형 로켓 부스터를 위한 액체 수소 탱크는 담겨진 수소의 10% 범위의 중량을 갖는다. 그러나, 이들 탱크는 장기적 보관(1 내지 2주 같은)을 위한 것이 아니다. 또한, 이들은 큰 규모의 탱크에 유익하며, 이는 고고도 장거리 항공기의 통상적 실시예에는 비실용적이다.

액체 수소 동력식 고고도 장거리 항공기는 통상적으로 1 내지 2주 동안 완전한 비등을 방지하도록 충분한 절연이 이루어지는 탱크를 필요로 한다. 개별 탱크의 예상 용량은 항공기의 구조 및 크기에 따라서 100 내지 2000 파운드의 범위의 액체 수소일 수 있다.

일부 자동차 용례들을 위해 더 작은 액체 수소 탱크가 출시되어 있다. 차량이 어떠한 연료도 사용하지 않고 정지상태로 있는 경우가 빈번하기 때문에, 자동차 용도를 위해서는 매우 낮은 열 누설율이 필요하며, 수소가 수일의 비활동 기간 걸쳐 차량의 탱크로부터 탈출하지 않을 필요가 있다. 이들 탱크는 통상적으로 매우 무겁다(예를 들어, 10 파운드의 액체 수소를 저장하는 일 시스템은 200 파운드 중량일 수 있다). 또한, 자동차 안전성 표준은 유인 또는 무인 항공기를 위해서는 통상적으로 불필요해지는 소정 레벨의 구조적 충격 내구성을 지정하고 있다.

탱크 절연 방법은 다수의 열 전달 유형들, 즉, 고체를 통한 전도, 기체를 통한 전도와 대류 및 복사를 다루어야 한다. 고성능 절연을 이행하는 대부분의 방법은 전도 및 대류 가스 열 전달을 거의 제거하기 위한 진공에 의존한다. 고체 전도는 전도율에 대비해 높은 강도의 구조적 지지부[예를 들어, 스테인레스 스틸, 유리 섬유 또는 다크론(Dacron) 섬유]에 의해 진공 내에서 단열 탱크를 지지함으로써 감소된다. 복사 열 전달은 복사선 차폐부(다층 절연부 또는 불투명 분말 같은)에 의해 및/또는 미국 특허 제6,347,719호에 설명된 바와 같이 진공 챔버의 내부 벽 및 외부 벽 상에 고 반사성 표면을 연마함으로써 최소화된다.

따라서, 장기 저장을 제공할 수 있고, 낮은 중량을 특징으로 하는 항공기 극저온 저장 탱크에 대한 필요성이 존재한다. 또한, 이 탱크는 항공기의 전체적 효율을 최대화하는 시스템을 사용하여, 연료 수요를 충족하는 속도로 극저온 연료를 제공하도록 다른 항공기 시스템과 연계하여 동작할 필요가 있다. 본 발명의 양호한 실시예는 이들 및 다른 요구들을 충족하며, 다른 관련 장점들을 제공한다.

다양한 실시예에서, 본 발명은 상술한 필요성 중 일부 또는 모두를 해결하며, 높은 레벨의 체적당 에너지 저장을 제공하고, 연장된 기간 동안 유체를 보유하는 기능을 가지며, 쓰임새가 유연하고, 수납될 수 있는 액체의 중량에 관하여 극도로 경량인 극저온 저장부를 제공한다.

본 발명은 유체 저장 공간 내에 액체 형태로 극저온 유체를 저장하도록 구성된 탱크 벽을 특징으로 한다. 제1 양태에서, 탱크는 중력 저부 및 중력 상부를 특징으로 하고, 유체 저장 공간을 형성하면서 실질적으로 둘러싸는 벽은 중력 저부 부근에서의 열 전도성과는 다른 중력 상부 부근에서의 열 전도성을 특징으로 한다.

유리하게는, 이러한 특징은 탱크 설계자가 다양한 충전 레벨에서 탱크의 연소율(burn off rate) 사이의 편차를 변경(예를 들어, 감소)할 수 있게 한다. 이 특징은 연소율이 (증기 형태의 유체와 접촉하는 표면적에 반대로) 극저온 액체와 실제 접촉하는 탱크의 표면적에 주로 관련된다는 사실을 고려한다.

제2 양태에서, 탱크는 경질 외부 층, 가요성 외부 층 및 하나 이상의 중간 층을 형성하는 벽을 포함하고, 하나 이상의 중간 층은 복수의 섹션으로 이루어지고, 이들 섹션 각각은 다른 섹션들 중 하나 이상의 측방향 주연부와 측방향으로 접촉하는 측방향 주연부를 구비하여 측방향으로 벽 전체에 걸쳐 연장한다. 섹션들은 벽이, 그 전체 위에서 모든 중간 층이 측방향 연장 절연 간극을 생성하도록 하는 연장 주연부를 갖게 되는 측방향 연장 부분을 갖지 않는 것을 특징으로 하도록 구성된다.

이러한 구성의 장점은 크고 일반적으로 곡선형 구조인 벽의 에어로겔 절연체 부분이 다루기 쉬운 조각들로 구성되어 조립될 수 있다는 것이다. 또한, 주어진 탱크 디자인에 대하여, 벽의 임의의 주어진 부분의 열 전도성은 그 벽 부분을 덮는 이들 조각들을 변경하는 것 만으로 변경될 수 있다. 따라서, 각 제조된 탱크는 탱크의 예상 용도에 기초하여 기본 디자인과는 다른 탱크 단열부의 부분들만을 변경함으로써 열 전도성의 특정 변동에 맞춤화될 수 있다.

제3 양태에서, 유체 저장 공간을 형성하면서 실질적으로 둘러싸는 최내측 층 둘레에는 유체 저장 공간의 내부로부터 유체 저장 공간의 외부로 연장하는 하나 이상의 튜브의 제1 세트가 존재하고, 증기 차폐부를 형성하는 통로를 형성한다. 하나 이상의 튜브의 제2 세트는 유체 저장 공간 내부로부터 유체 저장 공간 외부로 연장하는 통로로서 구성되며, 증기 차폐부로서 기능하도록 구성되지 않는다. 스위칭 장치는 증기 차폐부의 활동 레벨을 제어하도록 튜브의 제1 세트 및 제2 세트로부터의 상대적 유량을 제어하도록 구성된다. 본 발명의 이 양태를 사용하면, 일반적으로 탱크 내의 가열기를 구동하기 위한 동력을 희생할 필요 없이 탱크의 연소율의 능동적 규제를 제공할 수 있고, 일부 단열부를 능동 제어식 증기 차폐부로 대체함으로써 탱크가 구조적으로 더 얇아지고 더 가벼워질 수 있게 한다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 예시에 의해 본 발명의 원리를 예시하는 첨부 도면을 참조로 이루어지는 양호한 실시예에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 명백히 알 수 있을 것이다. 본 발명의 실시예를 구성 및 활용할 수 있게 하기 위해 이하에 설명된 바와 같은 특정 양호한 실시예에 대한 상세한 설명은 열거된 청구범위를 제한하기 위한 것이 아니며, 오히려, 이들은 청구된 발명의 특정 예시로서의 역할을 하는 것이다.

도 1은 본 발명을 구현하는 탱크를 포함하는 항공기의 입면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 탱크의 벽의 일부의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 탱크에 통합된 바와 같은 경질 외피 및 목부를 둘러싸는 제1 에어로겔 층의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 에어로겔 층을 형성하는데 사용되는 5개 개별 섹션의 도면이다.
도 5는 개별 섹션의 다르게 도시되어 있는 도 3에 도시된 제1 에어로겔 층의 사시도의 일부이다.
도 6은 탱크의 벽의 두께를 도시하는, 도 1에 도시된 탱크의 단면도이다.
도 7은 도 1에 도시된 탱크에 통합된 증기 차폐부의 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 탱크 벽 및 증기 차폐부의 부분 단면도이다.
도 9는 다양한 연결부와 함께, 도 1에 도시된 탱크의 기본적 구조 배열의 단면도이다.
도 10은 도 4에 도시된 에어로겔 층 중 하나의 개별 섹션의 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따라 탱크를 제조하기 위한 대안적 실시예 구성 설비이다.

앞서 요약되고, 열거된 청구범위에 의해 규정되어 있는 본 발명은 첨부 도면과 함께 읽어야하는 이하의 상세한 설명을 참조로 더 잘 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 특정 양호한 실시예에 대한 본 상세한 설명은 본 발명의 특정 구현예를 구성 및 활용할 수 있게 하기 위해 기재된 것이며, 열거된 청구범위를 제한하고자 하는 것이 아니고, 오히려, 이들의 특정 예들을 제공하기 위한 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 전형적 실시예는 고고도 장거리 항공기를 위한 액체 수소 탱크에 관한 것이다. 본 실시예는 성층권에서 비행하도록 구성된 무인 장거리 항공기(101)에 의해 사용되기에 매우 적합하다. 항공기는 수소 연료를 담기 위한 하나 이상의 탱크(103)를 포함한다. 탱크로부터 비등하는 수소 가스는 (통상적으로 연료 전지 또는 내연 기관인) 파워 컨버터(105)에 공급된다. 파워 컨버터는 엔진 내에서 수소를 연소시켜 하나 이상의 프로펠러들(107)의 회전 및/또는 패이로드(109)에 대한 급전을 위한 전기 생성을 위한 샤프트 동력을 생성하거나 연료 전지 내에서 공기로부터의 수소를 산소와 반응시켜 전기를 생성한다. 이 전기는 그후 추진 모터 및 패이로드에 대한 파워 공급을 위해 사용된다.

탱크는 각각이 개별적으로 사용될 수 있거나 다른 태양 중 하나 이상과 조합하여 사용될 수 있는 다수의 고유한 태양을 특징으로 한다. 이는 유체 저장 공간을 실질적으로 둘러싸면서 유체 저장 공간을 형성하는 내부 경질 외피와 외부 단열체를 구비하는 벽으로 구성된다. 외부 단열체는 기밀 가요성 커버와 경질 외피 사이에 수납된 에어로겔의 다수의 층들로부터 형성된다. 공기는 경질 외피와 가요성 기밀 커버 사이에 진공을 형성하도록 인출된다.

각 층은 층이 벽 전반에 걸쳐 측방향으로 연장하도록 경질 외피와 유체 저장 공간을 실질적으로 둘러싸도록 퍼즐 같이 함께 끼워지는 복수의 섹션들로 이루어진다. 섹션은 에지를 형성하는 측방향 주연부를 가지고, 각 층의 에지는 단지 탱크의 벽 둘레의 단일 지점에서 다른 층의 에지와 중첩한다. 본 출원에서, 용어 '측방향'은 고려되는 원주 위치에서 경질 외피의 국지적 표면에 평행한 방향을 의미하는 것으로 이해된다.

항공기가 수소 연료를 사용할 때, 탱크 내의 액체 레벨이 감소되고, 그에 의해, 경질 외피와 액체 수소 사이의 유효 직접 열 전달 면적이 감소된다. 단열부는 열 통로(heat passage)의 대부분이 탱크의 저부에 가깝게 존재하고, 따라서, 변하는 유효 열 전달 면적의 영향을 늦추도록 맞춤화된다.

절연부는 또한 증기 차폐부, 즉, 탱크를 둘러싸는 일련의 튜브들을 포함하고, 이는 탱크의 내부를 탱크 외측의 외부 공급 라인에 연결한다. 다른 일련의 튜브는 증기 차폐부를 형성하지 않고 외부 공급 라인에 탱크를 연결하는 직접 출구이다. 탱크로부터의 액체는 증발되고, 탱크로부터 견인되며, 선택적으로, 외부 열을 흡수하도록 증기 차폐부 라인을 통해 견인되어, 탱크 내로의 열 유동을 감소시킬 수 있다. 대안적으로, 액체는 탱크로부터 다른 직접 출구 통로를 통해 인출될 수 있으며, 이는 증기 차폐부의 영향에 의한 탱크로의 열 유동의 감소가 발생하지 않게 한다. 액체가 통과 유동하는 통로를 제어하기 위해 밸브가 사용된다. 증기 차폐부 및 직접 출구 통로를 통한 상대적 유량을 관리함으로써, 탱크 내로의 열 유동은 능동적으로 규제될 수 있으며, 그에 의해, 탱크 내로 열을 도입하여 액체의 가스화를 규제하기 위한 전류 또는 다른 수단을 사용할 필요성을 감소시킨다.

층상 에어로겔

특히 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예의 액체 저장 탱크는 유체 저장 공간, 즉, 내부 탱크(110)를 형성하고 실질적으로 둘러싸는 벽(109)을 형성한다. 벽의 구조 부분은 경질 외피(111), 진공 배리어 필름(117) 및 경질 외피와 진공 배리어 필름 사이의 하나 이상의 중간 절연층을 포함한다. 절연층(들)은 진공내에 있으며, 절연부를 제공하고, 진공에 기인한 외부적 압력 부하를 지지한다. 특히, 제1 중간 에어로겔 절연층(113) 및 제2 중간 에어로겔 절연층(115)이 존재한다. 본 실시예에서, 경질 외피는 유체 저장 공간을 직접적으로 한정하고, 삼투에 맞서 액체 수소를 수납하기에 적합한 재료 및 구성으로 이루어진다. 그 부하 담지 용량은 내부 설계 압력(통상적으로 20 내지 80 psi의 범위일 수 있음)을 견디도록 설계된다.

본 실시예의 설명에 관련하여, 경질 외피(111) 및 진공 배리어 필름(117) 양자 모두는 벽의 구조를 기준으로 외부 층으로 고려될 수 있지만, 외피는 탱크의 전체 구조에 관하여 벽의 내부면을 형성한다. 따라서, 벽을 기준으로, 경질 외피는 경질 외부층이고, 진공 배리어 필름은 가요성 외부층이며, 절연 층은 내부 층이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 경질 외피(111)와 진공 배리어 필름(117) 사이의 각 중간 에어로겔 절연 층(113 및 115)은 복수의 섹션(121)으로 이루어지고, 예를 들어, 제1 층(113)은 제1 층 섹션으로 이루어지고, 제2 층(115)은 제2 층 섹션으로 이루어진다. 각 층에 대하여, 각 섹션은 섹션이 퍼즐 같은 형태로 벽 전반에 걸쳐 실질적으로 전체 경질 외피(111)를 둘러싸고 덮도록 그 층의 하나 이상의 다른 섹션의 측방향 주연부에 측방향으로 접하는 측방향 주연부(123)를 특징으로 한다.

제1 및 제2 층들의 섹션은 서로 다른 구조를 가지며, 그래서, 모든 제1 층 섹션에 대해, 그 제1 층 섹션의 주연부의 어떠한 부분도 임의의 제2 층 섹션의 주연부의 일부에 평행하게 연장하는 동시에 그와 방사상으로 중첩하지는 않는다. 따라서, 두 개의 층은 절연층을 형성하고, 이 절연층은 (측방향 연장 선들이 아니라) 기껏해야 단일 지점인, 그 위에 어떠한 에어로겔도 존재하지 않는 위치를 가지며, 벽은, 그 전체 위에서 소정 거리에 걸쳐 연장하는 벽 절연부 내의 방사상 간극이 존재하여 측방향 연장 절연부 간극이 생성되게 하는 연장 주연부를 모든 중간 층이 갖게 되는 측방향 연장 부분을 갖지 않는 것을 특징으로 한다.

셋 이상의 완전한 중간 에어로겔 층(즉, 경질 외피를 실질적으로 둘러싸는 절연 층)을 구비하는 대안 실시예에서, 기껏해야 단지 단일 지점인, 그 위에 에어로겔이 존재하지 않는 위치가 존재하도록 추가적 하나 이상의 층들이 측방향 연장 부분에 중첩되는 한, 두 개의 층은 그 전체의 위에서 이들 양자가 하나의 연장 주연부를 갖게 되는 측방향 연장 부분을 가질 수 있다. 다른 대안 실시예에서, 이미 설명한 실시예로부터의 부착된 또는 통합된 제1 및 제2 층 조각의 조합으로서 더 복잡한 에어로겔 형상이 형성될 수 있다. 전술한 대안에서와 같이, 본 실시예의 벽은, 그 전체 위에서, 소정 거리에 걸쳐 연장하는 벽 절연부 내의 방사상 간극이 존재하도록 하는 연장 주연부를 모든 중간 층이 갖게 되는 측방향 연장 부분이 존재하지 않는 것을 특징으로 한다.

가요성 진공 배리어 필름 층은 절연부의 중간 층을 둘러싸는 백(bag)의 형태이다. 경질 및 가요성 탱크 층들은 절연 층을 포함하는 기밀 격실을 형성하도록 서로 밀봉되고, 공기가 기밀 격실로부터 인출되어 실질적으로 진공을 형성한다. 진공은 본 기술 분야에 공지된 바와 같이 극저온 액체를 위한 양호한 절연체로서 기능하도록 완전한 진공에 충분히 근접한다.

본 실시예에서, 가요성 층은 벽의 외부 측부 상의 외부 층이고, 경질 외피는 비교적 강성적(즉, 부하 지지) 층이며, 벽의 내부 측부 상에 존재한다. 다른 구성이 본 발명의 범주 내에 있다.

도 5를 참조하면, 제1 중간 층 에어로겔 절연 섹션(121)에 추가로, 층의 부분이 아니면서 층 섹션보다 더 얇을 수 있는 개별 섹션(131)이 그 위에서 모든 중간 층이 벽 절연부 내에 선형 방사상 간극이 존재하도록 하는 연장 주연부를 갖게 되는 임의의 단일 지점 위치를 통한 열 누설을 방지하기 위해 사용된다. 도면에 도시되어 있지 않은 제2 중간 층은 개별 섹션의 지점에서 제1 중간 층의 주연부와 중첩하는 주연부를 갖는다.

본 실시예에서, 개별 섹션(131)은 단일 지점 위치 위에 작은 패치들을 형성하고, 임의의 다른 개별 섹션의 측방향 주연부에 측방향으로 접하지 않는 측방향 주연부를 갖는다. 이들은 제1 및 제2 층(113 및 115) 사이에 배치되지만, 다른 실시예에서, 이들은 제1 층과 경질 외피(111) 사이에 존재하거나, 제2 층과 진공 배리어 필름(117) 사이에 존재할 수 있다.

다양한 절연 효과

탱크가 사용될 때, 열은 주로, 증기로서의 유체를 수납하는 탱크의 부분들이 아니라 극저온 유체와 직접 접촉하는 탱크 벽의 부분을 통해 탱크 내로 전도된다. 결과적으로, 모든 주변 인자가 일정하게 유지되면, 비등율은 탱크 내의 현재 유체 레벨과 연계된 표면적이 내려갈 때 감소할 것이다. 성층권 항공기에서, 항공기가 통상적으로 탱크 무게, 그리고, 이에 따라, 항공기 무게가 적을 때 비행을 유지하기 위해 더 적은 연료를 필요로 하기 때문에, 이는 반드시 비생산적인(counterproductive) 것은 아니다. 그럼에도 불구하고, 임의의 주어진 항공기에 대하여, 예상 평균 비행 시나리오는 비등율이 상술한 바와 같이 단지 유체 레벨 표면적에 의해서만 변하면 종점 부근의 너무 작거나 너무 많은 비등의 특징을 갖게 될 수 있다.

탱크 내의 비등이 너무 작을 때, 전기 가열기 같은 소정 유형의 가열기가 비등율을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 이는 적절한 연료 유동을 제공하지만 에지를 소비하며, 이 에너지는 이렇게 소비되지 않았다면 항공기의 비행 기간을 연장시키기 위해 사용될 수 있다. 너무 많은 비등이 존재할 때, 잉여 연료는 버려져야 하거나, 추가적 냉각 기구가 사용되어 비등율을 저속화하여야 한다. 각 경우는 비행 기간을 제한하는 비효율성들을 유발한다. 본 발명은 평균 예상 비행을 위한 주변 조건에 걸쳐 발생하는 자연적 발생 비등율을 맞춤화함으로써 이들 비효율성들을 제한한다. 비등율은 탱크의 액체 레벨 표면적에 기초하여 비등율의 더 큰 수동적 제어가 달성되도록 탱크의 벽에 걸친 열 전도성을 맞춤화하는 것에 의해 맞춤화된다.

도 1, 도 2 및 도 6을 참조하면, 항공기(101) 내에서, 탱크(103)는 중력 저부(201)와 중력 상부(203)를 특징으로 하도록 배향된다. 유체 저장 공간, 즉, 내부 탱크(110)를 형성하고 실질적으로 둘러싸는 벽은 중력 저부에서 및 그 부근에서보다 중력 상부에서 및 그 부근에서 더 낮은 열 전도성을 특징으로 한다. 이러한 설명은 명시적으로 벽 자체의 전도성을 지칭하며, 이는 중력 상부 및/또는 저부에 존재할 수 있는 임의의 연결 하드웨어(예를 들어, 목부)의 열 전도성과는 별개이다.

본 실시예에서, 벽은 중력 저부(201)를 수용 및 포함하는 저부 부분(205)과, 중력 상부(203)를 수용 및 포함하는 상부 부분(207)을 포함하는 복수의 부분을 포함한다. 복수의 부분들 중 각 부분 전체에 걸쳐, 벽은 일정한 열 전도성을 특징으로 한다. 상부 부분의 열 전도성은 저부 부분의 열 전도성보다 낮으며, 다시 말하면, 상부 부분은 저부 부분보다 우수한 절연체이다. 도시된 실시예에서, 벽의 2개 부분이 존재하며, 상부 벽 부분은 저부 벽 부분의 에어로겔 층보다 더 두꺼운 에어로겔 층으로 구성된다.

상부 부근의 더 큰 절연의 결과로서, 열 플럭스의 대부분은 저부를 통해 발생하고, 탱크의 상부 부분을 통해 액체 레벨이 낮아질 때 다른 방식에서 비등율이 변하는 것보다 적게 비등율이 변하게 된다.

대안 실시예에서, 열 전도성은 중력 상부로부터 중력 저부로 연속적으로 변하거나, 액체가 통과하는 각 액체 레벨을 위한 원하는 열 플럭스를 맞춤화하는 형태로 변한다. 이러한 맞춤화는 하나보다 많은 유형 또는 밀도의 절연체를 사용하는 것 같은 방식으로 열 전도성을 변화시킴으로써 또는 절연체 두께를 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 다른 맞춤화는 주어진 유체 레벨에서 탱크의 위선방향 원주 둘레의 전도성을 변화시키고 유체 레벨에 의한 전도성을 변화시킴으로써 이루어질 수 있다. 이는 탱크의 적도(중력 저부 반부로부터 중력 상부 반부를 분할하는) 둘레의 위선 스트립의 표면적이 탱크의 더 높거나 더 낮은 위선들로부터 취해지는 동일한 폭의 위선 스트립의 표면적에 비해 크다는 사실을 보상하는 것을 도울 수 있다.

이러한 양태의 열 전도성의 변화는 탱크의 일 위선 단부(예를 들어, 상단부)에서 나머지 단부에 비해 전도성이 낮은 절연체 구조를 사용함으로써 달성된다. 예로서, 상술한 실시예에서, 섹션 주연부(123)에서의 단일 지점 중첩부를 덮는 에어로겔의 개별 섹션(131)은 탱크 내의 개별 섹션의 높이(즉, 중력 상부에 대한 근접도)에 걸쳐 변할 수 있다. 예로서, 개별 섹션은 저부 부근에서 보다 탱크의 상부 부근에서 더 두꺼울 수 있거나, 탱크의 상부 부근에서 측방향으로 더 클 수 있거나, 심지어 저부 부근의 위치에서 탱크에 존재하지 않을 수도 있다. 마지막 옵션은 진공 배리어 필름(117)이 다양한 에어로겔 섹션에 의해 진공에 대해 지지되고 단지 개별 섹션(131)만이 서로 다른 레벨의 단일 지점 중첩 섹션 주연부를 지지하기 때문에 소정의 구조적 위험을 갖는 옵션이다.

증기 차폐부

도 2 및 도 7을 참조하면, 탱크(103)는 탱크가 놓여지게 되는 주변 조건들로부터 극저온 액체를 수납하기 위한 유체 저장 공간을 더 양호하게 절연하기 위해 증기 차폐부를 구비하도록 추가로 구성된다. 유체 저장 공간은 내부 탱크(110)에 의해 규정된다. 증기 차폐부는 경질 외피(111)의 적어도 일부 둘레로 연장하며, 경질 외피는 유체 저장 공간을 형성하고 실질적으로 둘러싸는 최내측 층을 형성한다.

증기 차폐부는 최내측 층[예를 들어, 경질 외피(111)]의 외측 둘레로 연장하도록 구성되면서 최내측 층의 적어도 일부 둘레의 증기 차폐부로서 사용되는 (극저온 액체로부터의) 극저온 증기를 위한 주변 통로를 형성하도록 구성되는 하나 이상의 튜브(301)의 제1 세트를 포함한다. 이러한 튜브의 제1 세트는 유체 저장 공간의 중력 상부 단부(305) 내의 입구로부터 주변 통로를 형성하는 튜브 부분(303)으로, 그리고, 최종적으로 유체 저장 공간 외측의 출구(307)로 연장한다. 주변 통로를 형성하는 튜브 부분(303)은 바람직하게는 경량이며, 양호한 열 전도성을 갖는다. 튜브 부분(303)을 위한 적절한 재료는 알루미늄이다. 도시된 실시예에서, 두 개의 주변 통로가 하나 이상의 튜브의 제1 세트로부터 형성되어 있다. 두 개의 통로는 상부 매니폴드(308)에서 분리되고, 저부 매니폴드(309)에서 재결합한다.

하나 이상의 튜브(311)의 제2 세트는 유체 저장 공간의 중력 상부 단부(305) 내의 입구로부터 유체 저장 공간의 외측의 출구(313)로 연장하는 제2 통로로서 구성되지만, 탱크를 위한 증기 차폐부로서 기능하도록 구성된 주변 통로를 형성하는 부분은 구비하지 않도록 구성된다. 튜브의 제1 및 제2 세트는 항공기에 의한 사용의 필요에 따라 탱크로부터 기화된 액체(연료)를 완전히 제공하도록 구성된다. 선택적으로, 튜브의 제1 및 제2 세트는 그 입구로부터 상부 매니폴드(308)까지 단일체일 수 있다.

증기 차폐부는 제1 및 제2 통로의 출구(307, 313)로부터의 상대적 유량을 제어 및 규제하도록 구성되는 스위칭 장치(321)를 구비하도록 구성되며, 그래서, 항공기는 각 소스로부터 증기를 제어가능하게 인출할 수 있다. 제어 시스템(323)은 증기 차폐부를 사용하지 않고 주변 조건들에서 발생하는 비등율과 원하는 비등율(즉, 원하는 반응제 유량) 사이의 편차에 기초하여 탱크의 비등율을 제어하도록 스위칭 장치를 제어한다. 달리 말해서, 항공기의 수요 및 저장 탱크의 내용물의 열적 요건들에 기초하여 두 개의 통로를 통한 상대적 유량들을 변화시키도록 구성된다. 스위칭 장치는 1) 원하는 증기 차폐부 활동율로 평균화된 듀티 사이클을 사용하는 온-온 스타일 스위치(또는 두 개의 온-오프 스타일 스위치)만으로서 작동할 수 있거나, 2) 양 통로로부터의 부분 유동을 제어가능하게 제공하도록 구성될 수 있거나, 3) 원하는 증기 차폐 활동율로 평균화된 듀티 사이클을 사용하면서 부분 유동을 제어가능하게 제공하도록 구성될 수 있다는 것을 주의하여야한다.

동작시, 증기 차폐부를 통해 유동하는 비등 가스에 의해, 탱크의 열 도입율은 220K의 주변 온도를 가정하여 다른 방식에서 발생되는 바의 60% 추산치 정도로 감소된다. 다른 방식에서 탱크 내로 누설되는 열은 대신 탱크 외부로의 그 전달 이전에 증기 차폐부를 통해 유동하는 가스를 가열하게 된다. 탱크 내측의 대응 비등율은 탱크 압력이 일정하게 유지되는 것으로 가정하면, 동일한 인자만큼 감소될 것이다. 실제로, 탱크 압력은 소정 범위에 걸쳐 변하게 되기 쉬우며, 비등 가스가 증기 차폐부를 통과하는 시간의 상대적 양이 탱크 압력에 대한 저속 제어로서 사용된다.

도시된 바와 같이, 스위칭 장치(321)는 유체 저장 공간 외측에 배치되며, 이는 주변 조건들에서의 동작을 제공한다. 대안 실시예에서, 스위칭 장치는 탱크 내부에(예를 들어, 통로의 입구에) 존재할 수 있다. 이는 극저온 온도를 취급할 수 있는 더 강인한 스위칭 장치를 필요로 할 수 있다.

[하나 이상의 튜브(301)의 제1 세트의] 증기 차폐부의 주변 통로를 형성하는 튜브 부분(303)은 주변 통로들 사이의 영역들로 증기 차폐부의 차폐 효과를 확산시키도록 구성된 열 전도성 열 확산기(331)를 추가로 구비하도록 구성된다. 열 확산기는 열 전도성 재료로 이루어지며, 증기 차폐부를 형성하는 튜브 부분(303)과 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 열 확산기는 낮은 열적 임피던스를 갖는 연결을 제공하는 수단에 의해 실질적으로 열 확산기의 중심을 따른 라인을 따라 튜브 부분에 부착된다. 실용적인 방법은 초음파 용접 또는 열 전도성 저온 접착제이다.

따라서, 비등된 수소는 선택적으로 두 경로들, 즉, (1) 탱크로부터 소비 위치로 직접적으로, 또는 (2) 에어로겔 절연부 내에 매설될 수 있는 증기 차폐부의 일부로서의 튜브 또는 튜브들을 통한 경로 중 하나를 통해 운반될 수 있다. 증기 차폐부를 통해 운반되는 수소 증기는 열 누설을 감소시키고, 따라서, 비등율을 감소시킨다. 가변적 듀티 사이클에 의한 가스 경로들 사이의 스위칭에 의해, 탱크 내로의 평균 열 누설이 지속적으로 변할 수 있어서, 보조 가열기나 연료 블리딩 및 이에 연계된 낭비되는 에너지를 과도하게 활용하지 않고 항공기의 가변적 연료 소비 요건에 일치될 수 있다.

때때로, 필요한 수소 소비가 너무 높은 경우, 최대 열 누설(즉, 증기 차폐부의 비사용)을 위해 밸브를 제어할 때에도 탱크 내의 압력이 강하할 수 있다. 이 경우, 보조 전기 저항 가열기(도 9를 참조로 도시 및 설명됨)가 원하는 압력을 유지하기 위해 필요한 열을 추가할 수 있다. 다른 경우에, 수소 소비율이 너무 낮다면, 모든 비등 가스가 증기 차폐부를 통해 진행하더라도 탱크 내의 압력이 증가할 수 있다. 이 경우, 과도한 수소 증기는 배기(그리고, 폐기)되어야 한다. 그러나, 특히, 탱크 상의 절연의 양이 의도된 용례에 정확하게 맞춤화될 수 있기 때문에 이런 경우들은 일반적이지 않을 것으로 예상된다. 대부분의 수소 비등율이 증기 차폐부의 사용을 조율하기 위해 밸브 듀티 사이클을 제어함으로써 수용될 수 있는 것으로 예상된다. 대부분의 탱크 및 용례에서, 밸브 스위칭 기간은 클 수 있으며, 분 단위일 수 있다.

본 발명의 범주 내에서, 증기 차폐부로서 각각 별개로 기능하는 하나 보다 많은 튜브 세트를 갖고, 튜브 세트들은 각각 스위치(321) 및 제어 시스템(323)에 의해 개별적으로 제어될 수 있다. 따라서, 하나의 튜브 세트는 탱크의 일 부분을 냉각하도록 구성되고, 나른 튜브 세트는 탱크의 제2 부분을 냉각하도록 구성될 수 있다.

시너지

본 발명의 세 가지 태양은 다수의 시너지를 갖는다. 예로서, 제1 양태의 층상 및 섹션형 구조의 사용은 모든 탱크가 (본 발명의 제2 양태 하에서) 맞춤 설계된 열 구배를 갖도록 구성되게 한다. 모든 층의 각 섹션은 하나보다 많은 열적 구조로 제조될 수 있으며, 예를 들어, 이는 두 개의 다른 두께로 구성될 수 있거나, 두 개의 다른 에어로겔 밀도로 구성될 수 있다. 특정 탱크가 제조될 때, 탱크 설계자는 먼저 비행 계획의 경로에 걸쳐 탱크에 대한 평균 예상 열적 요건을 구하고, 그후, 이를 예상 주변 조건과 비교하여 각각의 다른 액체 레벨에서의 열적 요건을 결정한다. 이 정보를 사용하여, 열적 절연의 레벨이 탱크의 각 섹션 위도에 대하여 결정되고, 각 층 섹션의 열적 품질이 이에 따라 설정될 수 있다. 선택적으로, 탱크 설계자는 기본 설계와, 기본 설계가 다양한 유체 레벨들에서 변할 수 있도록 다양한 열 전도성으로 제공될 수 있는 층 섹션들의 세트를 구비할 수 있다.

다른 시너지에서, 도 8을 참조하면, 증기 차폐부의 주변 통로를 형성하는 튜브 부분(303)은 경질 외피(111)와 가요성 증기 배리어(117) 사이에 존재하고, 통상적으로, 다른 중간 층 표면(도시된 바와 같이)에 접하는 중간 층 표면 내에 매설되어 제1 및 제2 중간(에어로겔) 층(113 및 115) 사이에 있거나, 튜브 부분과 동일한 두께인 층 내의 간극들 사이로 연장하여 그 층의 일부가 된다. 이들 옵션들 중 후자의 경우에, 통상적으로, 제1 중간 층과 제2 중간 층 사이에 제3 중간 층이 존재하며, 제3 중간 층은 복수의 제3 층 섹션과 증기 차폐부로서 사용되도록 구성된 하나 이상의 튜브로 이루어지며, 각 제3 층 섹션은 벽 전반에 걸쳐 측방향으로 연장하도록 하나 이상의 튜브들 중 하나의 측부 또는 다른 복수의 제3 층 섹션 중 하나 이상의 측방향 주연부에 측방향으로 접하는 측방향 주연부를 갖는다. 이들 옵션 중 임의의 옵션에서, 튜브 부분(303)은 열 확산기(331)가 섹션(121)의 주연부(123) 및 주연부의 단일 지점 중첩부 같은 하부 절연부의 영역을 가로질러 연장하고 그들을 절연하도록 연장할 수 있다.

제3 시너지에서, 일 실시예는 증기 차폐부로서 각각 별개로 기능하면서 각각 스위치에 의해 개별적으로 제어가능한 하나보다 많은 튜브 세트를 가질 수 있다. 예로서, 한 세트의 튜브는 탱크의 중력 상부를 냉각시키도록 구성되고, 다른 튜브 세트는 탱크의 중력 저부 부분을 냉각하도록 구성될 수 있다. 연료가 탱크의 상부 부분에 존재하는 비행 초기에, 증기 차폐부 튜브의 상부 세트는 본 발명의 제2 양태의 가변적 절연 효과 레벨을 생성 또는 증대시키도록 사용될 수 있다. 양 튜브 세트는 그후 단지 미소한 연료 사용이 필요할 때의 조건에서 사용될 수 있으며, 유체 레벨이 하부 레벨까지 하강하여 상부 부분을 통한 열 유동이 중요하지 않아질 때인 비행의 후반 부분 동안 하부 튜브 세트만이 사용될 수 있다.

본 발명의 하나 이상의 태양을 이행한 결과로서, 실시예는 항공기 용례를 위한 액체 수소를 저장하기 위한 실용적이고 경량인 수단을 제공한다. 비등 수소 가스는 추진을 제공하기 위한 항공기의 동력 시스템 및 기타 파워 부하에 의해 소비된다. 다양한 실시예는 다수의 장점의 조합을 특징으로 할 수 있으며, 이러한 장점은 1) 낮은 중량 비율(탱크의 중량/수납된 수소의 중량으로서 표현됨), 2) 어떠한 강성적 외부 탱크도 필요하지 않음, 3) 연마된 및/또는 도금된 탱크 표면이 필요하지 않음, 4) 수소 가스 전달율이 큰 범위에 걸쳐 제어가능하게 변경될 수 있으며, 그 크기는 전기 가열기를 사용하지 않고 약 1.7:1의 정도로 예상됨, 5) 낮은 제조 비용 및 6) 특정 제원에 따라 수소 비등율을 설계할 수 있게 하는 고 맞춤형 디자인을 포함한다.

다른 구조적 고려사항

도 9를 참조하면, 경질 외피(111)의 재료가 금속(예를 들어, 알루미늄 또는 티타늄)에서와 같이 등방성 특성을 가지는 경우, 예상 외피 형상은 구형이다. 탱크 밀봉이 금속 라이너를 통해 달성되고 압력 부하가 단방향성 복합 재료의 겉포장에 의해 지지되는 것 같은 대안적 외피의 형태는 겉포장된 파이버 내의 응력의 균일한 분포를 제공하는 공지된 형상인 지오데시크 이소텐시오드(geodesic isotensiod) 같은 대안적 형상을 가질 수 있다.

내부 탱크(110)에 대한 접근은 경질 외피(111)의 중력 상부에 부착되어 그에 대해 밀봉되어 있는 목부(401)를 통해 이루어진다. 목부는 외부 진공 배리어 필름(117)에 대해 내부 외피를 밀봉시키는 장치이며, 이는 탱크의 내부와 외부 사이의 모든 연결부를 제공할 수 있다. 이들 연결부는 액체 충전 포트(403), 통기구(405), 증기 차폐부를 형성하는 하나 이상의 튜브(303)의 제1 세트, (증기 차폐부를 형성하지 않고) 파워 컨버터에 연료를 직접적으로 제공하기 위해 사용되는 비등 가스 포트를 형성하는 하나 이상의 튜브(311)의 제2 세트, 릴리프 밸브(407), 버스트 디스크(409), 스위치(321) 및 탱크 압력, 액체 레벨 등을 감지하도록 구성된 관련 센서를 포함하는 장치들에 연결된다.

하나 이상의 저항 가열 요소(411)는 경질 외피(111)의 (극저온 액체와 접촉하지 않는) 외부 표면에, 바람직하게는 탱크의 중력 저부에서 또는 그 부근에서 부착되어 필요시 비등율을 증가시키기 위한 보조 열을 제공할 수 있다. 제어 시스템(323)은 항공기의 연료 수요 및/또는 탱크 내의 압력에 기초하여 가열 요소의 동작을 제어한다.

탱크에 보조 열을 추가하기 위한 다른 선택적 수단은 가열된 수소 가스를 다시 탱크로 복귀시키는 것이다. 실시예의 이러한 변형에서, 수소 비등 가스는 파워 컨버터로부터의 폐열에 의해 가열되고 작은 저압 압축기에 의해 탱크로 복귀된다. 파워 컨버터가 연료 전지인 경우, 연료 전지로 이동하는 수소가 가열될 수 있고, 그래서, 이들은 수소를 가열하는 것과 동일한 열 교환기가 복귀 수소를 가열하기 위해 사용될 수 있게 한다. 복귀 가스는 탱크의 저부에 공급되고, 삽입 튜브(413)를 사용하여 잔여 액체를 통해 기포를 형성하면서 상승하거나, 직접적으로 액체 표면 상으로 송풍된다.

보조 개방 셀 발포체 절연부는 전체 열 누설을 미세 조율하기 위해 진공 배리어 필름에 외부적으로 인가될 수 있다. 폴리아미드 발포체 같은 경량 개방 셀 발포체는 양호한 절연 특성을 갖지만, 극저온 온도에는 부적합하다. 진공 배리어 필름에 대해 외부에 이런 발포체를 적용하는 것은 통상적으로 발포체가 받는 최저 온도를 허용가능한 레벨[즉, 크라이어펌핑(cryopumping)을 피하기에 충분히 높은]로 제한한다. 선택적으로, 이들 발포체는 상술한 바와 같이 다양한 연료 높이에서 벽의 열 전도성을 (추가로) 맞춤화하기 위해 사용될 수 있다.

진공 배리어 필름과 목부 사이의 기능적 연결을 제공하기 위해, 목부는 경질 외피의 것보다 낮은 열 전도성을 갖는 금속으로 제조된다(예를 들어, 경질 외피는 알루미늄 탱크이고, 목부는 스테인레스 스틸로 구성된다). 이들 두 개의 다른 금속 사이의 연결은 극저온 탱크의 제조에서 알려진 기술을 사용하여 이루어질 수 있다. 목부는 그 말단 단부(즉, 탱크의 내부로부터 가장 먼 상부 단부)를 절연하기에 충분히 길고 얇도록 구성되며, 그래서, 이는 탱크가 비행중에 받게 되는 주변 조건 전반에 걸쳐 모든 부착 요건을 수용하기에 충분히 따뜻하다.

진공 필름(117)은 최초에 경질 외피(111) 상에 적용될 때 에어로겔의 크기보다 다소 큰 백의 형태로 존재한다. 백은 다수의 배리어 필름의 삼각형조각(gore)을 조립함으로써 제조된다. 이웃하는 삼각형조각들의 부착은 바람직하게는 상업적 진공 절연 패널의 제조시 사용되는 바와 같은 종래의 가열 밀봉에 의해 이루어지는 것이 바람직하다. 백은 초기에 탱크의 중력 저부로부터 탱크의 중앙선, 적도 부분까지 조립된다. 그후, 내부 외피 및 에어로겔 절연체가 이 부분 완성된 백 내로 삽입되고, 백이 잔여 봉합부를 밀봉함으로써 완성된다.

진공 배리어 필름(117) 백은 진공 밀봉되는 방식으로 탱크의 중력 상부에서 목부(401)를 거쳐 경질 외피(111)에 부착된다. 진공 배리어 필름은 진공 절연 패널의 제조에 통상적으로 사용되는 것 같이 통상적으로 금속 폴리에스터 필름 및/또는 폴리에틸렌의 하나 이상의 층인 다층 라미네이트이다. 본 실시예에서, 진공 배리어의 차가운 측부는 경질 외피, 즉, 액체 수소 압력을 지탱하고, 수소 가스 탈출에 대한 배리어를 형성하는 동일 구조체이며, 진공 배리어의 따뜻한 측부는 진공 배리어 필름이다.

액체 수소 온도에서, 백 재료는 통상적으로 취성적이며, 굴곡을 견딜 수 없다. 진공 배리어 필름(117) 백과 목부(401) 사이의 연결부는 탱크가 충전되어 항공기 상에 탑재될 때 백에 대한 손상을 피하도록 구성되어야 한다. 백을 형성하는 패널의 표면은 목부 상의 의도된 밀봉 표면과 실질적으로 동일한 크기인 개구를 남기도록 휴대형 가열 밀봉기로 함께 밀봉된다. 목부에 접합되는 백의 부분은 폴리에틸렌 같은 폴리올레핀을 위해 설계된 솔벤트계 접착제로 먼저 코팅되고, 건조된다. 이 층은 프라이머로서 작용한다. 이 프라이밍된 백 표면은 그후 액체 수소 온도를 위한 등급의 유형의 실온 경화 에폭시로 목부에 접합된다. 백의 느슨한 플랩부는 목부의 부근에서 접착되거나, 테이프로 부착되어 탱크가 충전 및 냉각될 때 필름을 균열시키는 굴곡을 배제한다. 스테인레스 스틸 목부의 거리는 백이 접합되는 외부 표면이 주변 온도에 근접해지는 것을 보증하기에 충분히 길어야 한다. 백과 목부 사이의 전이부를 따뜻한 상태로 유지하는 것을 보증하기 위해 가열기가 사용될 수 있다. 클램핑 칼라는 조인트에 압축력을 제공하기 위해 사용될 수 있다.

구성되고 나면, 에어로겔 절연부 내의 그리고, 외부 백과 내부 외피 사이의 공간 내의 가스/공기는 바람직하게는 약 2.0 Torr 미만의 압력으로 펌핑 배출된다. 목부에 부착된 피팅 및 튜브는 진공 공간에 대한 억세스를 제공한다. 튜브는 스테인레스 스틸 같은 저 전도성 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 튜브의 단부에는 t-접합부가 진공 공간에 대한 억세스를 위한 진공 밸브 및 진공 레벨을 감시하기 위한 진공 압력 트랜스듀서를 제공한다. 진공 레벨은 탱크가 액체 수소를 보유할 때 더욱 증가하게 되며, 그 이유는 잔여 공기가 경질 외피의 벽에서 결빙되기 때문이다.

에어로겔 층이 진공 중에 있고 내부 탱크가 여전히 대기압 상태에 있는 상태에서, 내부 외피 상에 소량의 결과적 외부 압력이 존재한다. 이는 배리어 필름의 외부에 인가되는 대기압의 결과이다. 결과적 부하는 에어로겔에 의해 내부 외피에 전달된다. 겉보기 외부 압력은 주변 대기압과, 내부 외피의 직경에 대한 진공 배리어의 외부의 직경의 비율의 제곱의 곱이다. 내부 탱크가 주변 대기압으로 있는 경우, 결과는 후프 압축을 유발하는 순수 외부 압력이다. 좌굴 가능성은 진공 하에서 탱크 벽에 대해 작용되는 에어로겔 절연 층의 안정화 효과에 의해 완화된다. 추가적으로, 통상적 디자인에 대해 절연부가 내부 외피의 직경에 비해 매우 얇기 때문에, 잔류 외부 압력은 매우 작으며, 1 기압의 2% 내지 3%의 수준이다.

에어로겔의 최적 조성은 탱크 설계 파라미터의 함수이다. 에어로겔은 바람직하게는 복사 열 전달을 감소시키도록 카본 블랙 같은 불투명화제(opacifier)를 포함한다. 한가지 특정 기능적 요구는 항공기가 노출되는 모든 고도에서, 에어로겔이 내부 외피와 외부 진공 배리어 필름 사이의 에어로겔을 압착하도록 작용하는 대기의 압력을 지탱하여야 한다는 것이다. 모든 에어로겔이 실질적 파괴 없이 이러한 부하를 지지할 수 있는 것은 아니다.

에어로겔은 가변적 밀도로 제조될 수 있다. 저밀도 에어로겔은 본 용례에 사용된다면 결과적 밀도를 증가시키고 열적 성능을 열화시키는 부하 하에 부분적으로 파괴될 것이다. 본 용례를 위한 최적의 에어로겔은 일반적으로 1 기압의 압축 부하 하에 전도성 및 밀도의 곱의 최소값을 갖는 것이다. 전도성-밀도 곱의 최소화는 최저 절연부 질량을 초래한다(비록, 동일 전도성-밀도 곱의 다른 재료들에 대해, 절연부의 두께가 최소화되기 대문에 최고 밀도/최저 전도성을 갖는 것이 바람직하지만). 절연부 두께를 감소시키는 것은 두 가지 이득을 가지며, 이는, 상술한 바와 같이 내부 외피의 잔류 압축을 감소시키는 것과, 더 높은 전체 직경과 연계된 증가된 열 전도를 감소시키는 것이다. 전도성은 온도에 따라 변하며, 그래서, 최적의 재료는 탱크 용례를 위한 특정 내부 및 외부 온도에 의존한다.

탱크는 다수의 서로 다른 수단에 의해 지지될 수 있다. 일 예에서, 탱크는 상부 및 하부 중력 단부에서 지지된다. 상부 단부에서 이는 목부에 대한 구조적 부착에 의해 이루어진다. 하부 단부에서, 이는 1차 (상부) 목부와 유사한 기술을 사용하여 백에 연결되어 있는 2차 저부 목부에 대한 부착에 의해 이루어진다. 또한, 2차 목부는 증기 차폐부 통로가 진입되는 (상부) 측부로부터 탱크의 반대(저부) 측부에 있는 벽을 벗어날 수 있게 한다.

이는 탱크 제조자에 의한 양호한 지지 방법이며, 비행 탱크에 사용하기 위한 방법이다. 이 방법에서, 탱크 경질 외피 두께는 북(상부 중력) 및 남(하부 중력) 극에서 보강되며, 탱크의 잔여부 둘레에서는 얇다. 또한, 경질 외피의 구성 동안 용접이 이루어지는 적도에도 두께 증강부가 있다.

이 지지 방법에서, 수직, 종방향, 측방향 및 요잉 부하는 북극 피팅에 의해 지지된다. 탱크가 정적 및 열적 부하에 기인하여 미소하게 수축 또는 신장할 수 있기 때문에, 단지 측방향 및 종방향 부하만이 남극 피팅에 의해 지지된다. 이는 탱크에 어떠한 압축 부하도 도입되지 않는 것을 보장한다. 북극 및 남극 피팅은 충분히 긴 가열 경로가 존재하는 것을 보증하면서 비행 부하가 피팅을 통해 전달될 수 있는 것을 보증하도록 설계되어야한다.

탱크를 지지하는 대안적 방법에서, 경량 재료의 환형 지지 링이 탱크의 외부 윤곽과 일치하도록 각진 표면을 갖도록 제조된다. 링의 직경은 탱크의 직경보다 작고, (액체 레벨의 전체 범위를 고려하여) 탱크 내의 중력 유도 응력을 최소화하도록 선택된다. 링과 탱크 사이의 접촉 표면적의 크기는 과도한 압축 없이 에어로겔에 의해 지지될 수 있는 낮은 평균 접촉 압력을 초래하도록 선택된다. 유사한 환형 링이 탱크의 상부 측부에 배치되어 탱크가 난류 또는 다른 가변 부하 조건에서 적소에 견고히 유지되는 것을 보증할 수 있다. 환형 링은 인장 부재, 압축 부재 또는 비임을 포함하는 임의의 수의 종래의 구조적 요소에 의해 항공기 구조체에 연결될 수 있다.

탱크 구성

완성된 탱크에서, 에어로겔은 인가된 진공에 의해 적소에 유지된다. 그 비가공 상태에서(raw state), 에어로겔은 일반적으로 분말 또는 비드이며, 그래서, 진공이 인가될 때까지 에어로겔을 제 위치에 적용하기 위해 임시적 수단이 필요하다.

도 2 내지 도 4 및 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 구성 방법에서, 경질 외피(111)는 종래의 타일링 패턴을 사용하여 에어로겔의 패키징된 섹션(121)으로 타일링된다. 섹션은 상술한 바와 같이 제1 층을 형성하도록 성형된다. 각 섹션 타일의 크기는 패키징된 에어로겔 섹션이 경질 외피의 구체와 헐겁게 접촉하는 상태로 굴곡될 수 있게 하도록 설정된다. 경험상, 탱크 원주의 약 10%의 최대 치수를 갖는 타일이 실용적이다. 전술한 바와 같이, 도 4는 40 타일로 구형 탱크를 덮게 되는 5개 타일 패턴의 샘플을 도시한다. 구형 탱크에 대하여, 대안적 타일 방법은 축구공 형상 패턴이다. 다른 패턴들이 본 발명의 범주에 포함된다.

에어로겔 타일은 적절한 타일 형상으로 절단되고 취급을 가능하게 하도록 다공성 백(503) 내에 패키징된 사전압축된 불투명화된 에어로겔 분말(501)의 시트로 이루어진다. 사전압축 단계에서 인가된 압력은 통상적으로 적어도 1 기압으로 충분하며, 그래서, 결과적 타일은 탱크 상의 진공 부하 하에서 크게 압축되지 않는다. 다공성 백은 열 수축가능한 필름으로 구성되며, 타일의 외주 주변에 근접하여 트리밍 및 밀봉되어 있다. 에어로겔 및 성형되고 백에 담겨진 섹션의 형성 방법은 상업적으로 잘 알려진 제품이다. 그럼에도 불구하고, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 이들 타일들을 구형 탱크에 적용하는 것은 본 발명의 범주 내에 있다.

에어로겔 타일은 통상적 플라스틱 필름 테이프(505)로 인접하는 타일에 타일을 테이핑함으로써 탱크에 조립된다(도 3 참조). 테이프의 기능은 진공이 인가되어 타일이 탱크와, 그리고, 서로간에 밀접하게 접촉하게 될 때까지 타일을 대략 제 위치에 보유하는 것이다. 폴리에틸렌 수축 랩의 랩도 백이 설치되는 동안 타일을 적소에 보유하기 위해 사용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 에어로겔 절연부는 바람직하게는 층들로 축조된다. 이는 다수의 장점을 초래한다. 먼저, 타일[섹션(121)] 사이의 결합부는 엇걸려져서 타일들 사이의 불가피한 작은 간극이 상술한 바와 같이 주변으로부터 내부 외피로의 직접적인 절연이 부족한 열 유동 경로를 형성하게 되는 것을 방지한다. 두 번째로, 하나의 두꺼운 층 대신 다수의 더 얇은 층을 추가하는 것은 탱크의 직경에 비해 더 얇은 개별 타일을 초래하여, 그 외부 측부로부터 그 내부 측부까지의 타일의 원주 길이 사이에 더 작은 편차가 존재하기 때문에 더 정밀한 끼워맞춤을 초래한다. 세 번째로, 내부 층 또는 층들은 상술한 바와 같이 층 내에 내장되는 증기 차폐부의 튜브를 위한 공간을 제공하도록 성형될 수 있다. 예로서, 1/4 in 두께층은 증기 차폐부의 일부로서 1/4 in 튜브를 위한 공간을 남기도록 타일링될 수 있다.

도 11을 참조하면, 대안적 구성 방법에서, 에어로겔의 타일링 또는 예비 압축을 필요로하지 않고 분말형 또는 비드형 에어로겔을 직접적으로 제 위치에 배치하기 위한 수단이 사용된다. 제조 설비는 그 내부 형상이 절연된 탱크의 원하는 최종 외부 형상보다 미소하게 크도록 이루어진 외피 구조체(601)로 구성된다. 구조체는 그 중심(미도시)을 통한 평면을 따라 두 개의 외피 반부들로 분리될 수 있어서 경질 외피(611)의 배치를 위한 억세스를 가능하게 한다. 설비는 다양한 통기 구멍들(605)을 통해 외피 반부의 내부 표면에 연결된 플리넘(603)을 포함한다. 플리넘은 진공의 소스(607)에 연결되어 있다.

조립을 위해, 진공 배리어 필름 백(609)은 먼저 경질 외피(611)와 증기 차폐부(613)의 위에 느슨하게 조립되며, 백의 입구는 탱크의 목부에 부착되지 않은 상태로 남겨진다. 백 및 경질 외피/증기 차폐부는 설비 내에 설치되고, 상부에서 목부로부터 지지되며, 그래서, 외피 구조체(601)와 경질 외피(611) 사이의 공간에 의해 형성된 공간 내에 중심설정된다. 증기 차폐부(613) 및 그 배관은 다수의 작은 스페이서에 의해 내부 외피에 대해 적소에 지지된다. 그후 백의 입구가 임시로 외피 구조체(601)에 부착되어 밀봉되며, 플리넘(603)을 통해 진공이 백과 외피 구조체(601)의 내부 표면 사이의 공간에 인가된다. 따라서, 배리어 필름 백은 도시된 바와 같이 외피 구조체(601)와 접촉하도록 균일하게 외측으로 당겨진다. 백은 외피 구조체의 내부 직경보다 직경이 미소하게 더 작은 형태로 이루어진다.

진공은 백의 내부 표면 상에 어떠한 주름도 존재하지 않는 것을 보증하도록 외피 구조체(601)의 벽에 대해 당겨질 때 미소하게 백(609)을 신장시킨다. 이제, 탱크와, (외피 구조체에 대해 임시 밀봉된) 백의 입구 사이에 환형 간극이 존재한다. 에어로겔 분말 또는 비드(615)는 이제, 공간이 완전히 충전될 때까지 이 환형 간극을 통해 추가된다. 공극 없이 공간의 균일한 충전을 촉진하기 위해 설비는 진동되거나, 데드 블로우 해머로 타격되거나, 요동될 수 있다. 모든 에어로겔이 추가된 이후, 가벼운 진공이 외피 구조체(601)로부터 해제되고, 백의 입구가 설비로부터 분리되며, 적절한 접착제로 탱크의 입구에 대해 영구 밀봉된다. 이제, 상술한 바와 같이 진공이 인가된다. 게터(getter)(즉, 진공 시스템으로부터 미량의 가스를 제거하기 위해 사용되는 반응성 재료)가 절연 층 내에 추가되어 진공을 원하는 레벨로 유지할 수 있다.

본 발명은 탱크를 설계하고, 탱크를 제조하기 위한 장치 및 방법과, 탱크 자체의 장치 및 방법을 포함한다. 추가적으로, 본 발명의 다양한 실시예는 상술한 특징의 다양한 조합을 포함할 수 있다. 또한, 청구범위는 설명된 실시예보다 넓은 것으로 간주된다.

본 발명의 특정 형태를 예시 및 설명하였지만, 본 발명의 범주 및 개념으로부터 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 비록, 본 발명이 양호한 실시예를 참조로 상세히 설명되었지만, 본 기술의 숙련자들은 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 것을 인지할 것이다. 따라서, 본 발명은 상술한 설명에 의해 제한되지 않으며, 이하의 청구범위를 기준으로 규정된다.

Claims (27)

1. 극저온 액체를 저장하도록 구성된 저장 탱크이며,
   중력 저부와 중력 상부를 특징으로 하며,
   유체 저장 공간을 형성하면서 실질적으로 둘러싸는 벽을 포함하고,
   벽은 중력 저부 부근에서와는 다른 중력 상부 부근에서의 열 전도성을 특징으로 하는 저장 탱크.
2. 제1항에 있어서, 벽은 중력 저부 부근에서보다 중력 상부부근에서 더 낮은 열 전도성을 특징으로 하는 저장 탱크.
3. 제2항에 있어서, 벽은 복수의 부분을 포함하고, 상기 복수의 부분은 중력 저부를 포함하는 저부 부분 및 중력 상부를 포함하는 상부 부분을 포함하며,
   복수의 부분의 각 부분 전반에 걸쳐 벽은 일정한 열 전도성을 특징으로 하고,
   상부 부분의 열 전도성은 저부 부분의 열 전도성보다 낮은 저장 탱크.
4. 제3항에 있어서, 복수의 부분은 두 개의 부분으로 구성되는 저장 탱크.
5. 제2항에 있어서, 실질적으로 벽 전반에 걸쳐, 열 전도성이 중력 상부로부터 중력 저부까지 연속적으로 변하는 저장 탱크.
6. 제2항에 있어서, 중력 상부 부근의 벽은 중력 저부 부근의 벽보다 두꺼운 저장 탱크.
7. 제1항에 있어서, 벽은 에어로겔로 구성되고, 중력 상부 부근의 에어로겔의 밀도는 중력 저부 부근의 에어로겔의 밀도와는 다른 저장 탱크.
8. 극저온 액체를 저장하기 위한 탱크를 형성하는 방법이며,
   탱크는 중력 저부와 중력 상부를 특징으로 하고,
   상기 방법은
   저장 공간을 형성하면서 실질적으로 둘러싸는 탱크 벽을 형성하는 단계를 포함하고,
   벽은 중력 저부 부근과는 다른 중력 상부 부근에서의 열 전도성을 특징으로하는 탱크 형성 방법.
9. 유체 저장 공간을 형성하고 실질적으로 둘러싸는 벽을 포함하는 액체 저장 탱크이며,
   경질 외부 층과,
   가요성 외부 층과,
   경질 외부 층과 가요성 외부 층 사이의 하나 이상의 중간 층을 포함하고,
   하나 이상의 중간 층 각각은 복수의 섹션으로 이루어지고, 이들 섹션 각각은 벽의 전반에 걸쳐 측방향으로 연장하도록 다른 섹션 중 하나 이상의 측방향 주연부와 측방향으로 접하는 측방향 주연부를 가지며,
   벽은, 그 전체 위에서 모든 중간층이, 측방향 연장 절연 간극을 형성하도록 하는 연장 주연부를 갖게 되는 측방향 연장 부분을 구비하지 않는 것을 특징으로 하는 액체 저장 탱크.
10. 제9항에 있어서, 경질 층 및 가요성 층은 서로 밀봉되어 중간층을 수납하는 기밀 격실을 형성하고, 기밀 격실은 진공하에 있는 액체 저장 탱크.
11. 제9항에 있어서, 가요성 외부층은 벽의 외부 측부상에 있고, 경질 외부층은 유체 저장 공간과 접하는 벽의 내부 측부에 있는 액체 저장 탱크.
12. 제9항에 있어서, 하나 이상의 중간 층은
    경질 외부 층과 가요성 외부 층 사이의 제1 중간 층으로서, 복수의 제1 층 섹션으로 이루어지고, 각각의 제1 층 섹션은 벽 전반에 걸쳐 측방향으로 연장하도록 다른 복수의 제1 층 섹션 중 하나 이상의 측방향 주연부와 측방향으로 접하는 측방향 주연부를 구비하는, 제1 중간 층과,
    제1 중간 층과 가요성 외부 층 사이의 제2 중간 층으로서, 복수의 제2 층 섹션으로 이루어지고, 각각의 제2 층 섹션은 벽 전반에 걸쳐 측방향으로 연장하도록 다른 복수의 제2 층 섹션 중 하나 이상의 측방향 주연부와 측방향으로 접하는 측방향 주연부를 갖는, 제2 중간 층을 포함하는 액체 저장 탱크.
13. 제12항에 있어서, 모든 제1 층 섹션에 대하여, 제1 층 섹션의 주연부의 어떠한 부분도 임의의 제2 층 섹션의 주연부의 일부에 평행하게 연장하는 동시에 방사상으로 중첩하지는 않는 액체 저장 탱크.
14. 제12항에 있어서, 제1 층 섹션의 주연부 및 제2 층 섹션의 주연부는 복수의 방사상 중첩 지점을 형성하고, 복수의 개별 섹션을 더 포함하며, 각 개별 섹션은 하나 이상의 중첩 지점을 덮도록 배치된 액체 저장 탱크.
15. 제14항에 있어서, 각 개별 섹션은 제1 중간 층과 제2 중간 층 사이에 배치되는 액체 저장 탱크.
16. 제14항에 있어서, 각 개별 섹션은 하나의 중첩 지점을 덮도록 배치되고, 각 개별 섹션은 제1 중간 층과 가요성 외부 층 사이에 위치되는 액체 저장 탱크.
17. 제14항에 있어서, 각 개별 섹션은 임의의 다른 개별 섹션의 측방향 주연부와 측방향으로 접하지 않는 측방향 주연부를 갖는 액체 저장 탱크.
18. 제12항에 있어서, 증기 차폐부로서 사용되도록 구성된 하나 이상의 튜브를 더 포함하고, 하나 이상의 튜브는 제1 중간 층과 제2 중간 층 사이에서 연장하는 액체 저장 탱크.
19. 제12항에 있어서, 제1 중간 층과 제2 중간 층 사이에 제3 중간 층을 더 포함하고, 제3 중간 층은 복수의 제3 층 섹션과 증기 차폐부로서 사용되도록 구성된 하나 이상의 튜브로 이루어지며, 각 제3 층 섹션은 벽 전반에 걸쳐 측방향으로 연장하도록 다른 복수의 제3 층 섹션 중 하나 이상의 측방향 주연부 또는 하나 이상의 튜브 중 하나의 측부에 측방향으로 접하는 측방향 주연부를 갖는 액체 저장 탱크.
20. 유체 저장 공간을 형성하고 실질적으로 둘러싸는 벽을 포함하는 액체 저장 탱크를 형성하는 방법이며,
    경질 외부 층을 제공하는 단계와,
    가요성 외부 층을 제공하는 단계와,
    경질 외부 층과 가요성 외부 층 사이에 하나 이상의 중간 층을 포함하는 벽을 조립하는 단계를 포함하고,
    하나 이상의 중간 층 각각은 복수의 섹션으로 이루어지며, 이들 섹션 각각은 벽 전반에 걸쳐 측방향으로 연장하도록 하나 이상의 다른 섹션의 측방향 주연부에 측방향으로 접하는 측방향 주연부를 구비하고,
    조립 단계에서, 벽은, 그 전체 위에서 모든 중간 층이, 측방향 연장 절연 간극을 형성하도록 하는 연장 주연부를 갖게 되는 측방향 연장 부분을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 액체 저장 탱크 형성 방법.
21. 저장 탱크이며,
    유체 저장 공간을 형성하며 실질적으로 둘러싸는 최내측 층과,
    최내측 층의 적어도 일부 둘레의 증기 차폐부로서 사용되도록 구성된 하나 이상의 튜브의 제1 세트로서, 유체 저장 공간의 내부로부터 유체 저장 공간의 외부로 연장하는 제1 통로로서 구성되는, 하나 이상의 튜브의 제1 세트와,
    유체 저장 공간 내부로부터 유체 저장 공간 외부로 연장하는 제2 통로로서 구성된 하나 이상의 튜브의 제2 세트와,
    제1 및 제2 통로로부터의 상대적 유량을 제어하도록 구성된 스위칭 장치를 포함하는 저장 탱크.
22. 제21항에 있어서, 스위칭 장치는 유체 저장 공간 외부에 위치되는 저장 탱크.
23. 제21항에 있어서, 제2 통로는 증기 차폐부로서 기능하도록 구성되지 않은 직접 출구인 저장 탱크.
24. 제21항에 있어서, 저장 탱크의 압력 요건에 기초하여 상대적 유량을 변화시키도록 구성된 제어기를 더 포함하는 저장 탱크.
25. 제21항에 있어서, 탱크는 극저온 액체로서의 유체를 저장하도록 구성되고, 유체 증기의 소정 유량에 기초하여 상대적 유량을 변화시키도록 구성된 제어기를 더 포함하는 저장 탱크.
26. 탱크로부터 액체 형태의 극저온 유체의 비등율을 규제하는 방법이며,
    유체 저장 공간을 형성하여 실질적으로 둘러싸는 최내측 층을 갖도록 탱크를 제공하는 단계와,
    최내측 층의 적어도 일부 둘레의 증기 차폐부로서 사용되도록 구성된 하나 이상의 튜브의 제1 세트로서, 유체 저장 공간의 내부로부터 유체 저장 공간의 외부로 연장하는 제1 통로로서 구성된 하나 이상의 튜브의 제1 세트를 제공하는 단계와,
    유체 저장 공간의 내부로부터 유체 저장 공간의 외부로 연장하는 제2 통로로서 구성된 하나 이상의 튜브의 제2 세트를 제공하는 단계와,
    극저온 유체의 비등율이 소정 레벨로 규제되도록 제1 및 제2 통로로부터의 상대적 유량을 제어하도록 구성된 스위칭 장치를 사용하여 제1 통로 및 제2 통로로부터의 유체 증기의 상대적 유동을 제어하는 단계를 포함하는 비등율 규제 방법.
27. 극저온 탱크를 구성하는 방법이며,
    경질 외피 위에 층을 형성하기 위한 타일 형상의 패턴을 식별하는 단계와,
    식별 단계에서 식별된 타일 형상으로 절단된 사전압축된 불투명화된 에어로겔 분말의 시트로 이루어져 다공성 백 내에 패키징된 에어로겔 타일을 제공하는 단계로서, 각 타일의 크기는 에어로겔 타일이 구체와 느슨하게 접촉하도록 굴곡될 수 있게 하도록 설정되는, 에어로겔 타일 제공 단계와,
    경질 외피 상의 제 위치에 각 타일을 고정함으로써 에어로겔 타일로 경질 외피를 타일링하는 단계와,
    타일링된 경질 외피의 주연부 둘레에 근접하게 필름 백을 구성 및 밀봉하여 경질 외피와 필름 백 사이에 에어로겔 타일이 수납되는 밀봉된 격실을 형성하는 단계와,
    진공이 타일을 서로에 대해, 그리고 탱크와 밀접하게 접촉하게 하도록 밀봉된 격실로부터 공기를 배기하는 단계를 포함하는 극저온 탱크 구성 방법.
    

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