KR20140110903A - 복합 보스를 구비한 압력 용기 - Google Patents

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KR20140110903A
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프란체스코 네티스
브라이언 스펜서
재커리 스펜서
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블루 웨이브 컴퍼니 에스.에이.
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Abstract

본 발명은 압축 유체를 수송하는데 사용되는 압력 용기와 함께 사용하기 위한 일체형 복합 보스에 관한 것이다.

Description

복합 보스를 구비한 압력 용기{PRESSURE VESSEL WITH COMPOSITE BOSS}
본 발명은 압축 유체의 격납 및 수송을 위하여 사용되는 압력 용기를 위한 복합 보스에 관한 것이다.
화석 연료 연소의 환경에 대한 악영향은 점점 문제가 되고 있고 대체 에너지원에 대한 큰 관심의 원동력이 되어 왔다. 태양광, 바람, 원자력, 지열, 그리고 기타 에너지원에 대한 발전이 이루어지는 동안, 특히 고에너지 사용 어플리케이션에 있어서, 경제적인 대체 에너지원의 광범위한 가용성이 달성하기 어려운 목표로 남아 있다는 것은 매우 분명하다. 한편, 화석 연료가 가까운 미래에 에너지 시장을 장악할 것이 예견된다. 화석 연료 중에서, 천연 가스는 가장 깨끗하게 연소하고, 따라서 에너지 생산을 위한 명확한 선택이다. 따라서, 전 세계가 화석 연료 연소가 환경에 미치는 영향을 더욱 자각함에 따라 석탄 및 석유와 같은 다른 화석 연료를 천연 가스로 가능한 한 많이 보충 또는 대체하려고 계획하는 움직임이 있다. 불행하게도, 세계의 천연 가스 중 대부분은 멀리, 지구의 접근하기 어려운 지역에 침적되어 있다. 지형과 지정학적 요인이 이런 지역으로부터 천연 가스를 안정적이고 경제적으로 추출하는 것을 극도로 어렵게 만든다. 파이프라인의 사용과 육로 수송이 검토되고, 일부 경우에는 시도되었지만, 비경제적이라는 것이 밝혀졌다. 흥미롭게도, 지구의 원격 천연 가스 매장량의 상당 부분은 해양 및 해양에 쉽게 접근할 수 있는 다른 수역(body of water)에 비교적 근접하게 위치한다. 따라서, 원격지로부터의 천연 가스의 해상 수송이 확실한 해결책인 것으로 보인다. 천연 가스의 해상 수송이 갖고 있는 문제점은 주로 경제적 측면에 관한 것이다. 외항 선박들은 단지 아주 많은 총중량을 운반할 수 있고 해로 운송의 비용이 이러한 사실을 반영하는데, 비용은 운송되는 총 중량, 즉, 제품의 중량과 제품이 운송되는 격납 용기의 중량의 합에 따라 산출된다. 제품의 순중량이 운송 컨테이너의 자체 중량에 비해서 낮으면, 제품의 단위 질량 당 운송비가 터무니없이 높아진다. 이것은 압축 유체의 수송의 경우에 특히 그러한데, 압축 유체는 종래 격납되어 있는 유체의 중량에 비해 매우 무거운 스틸 실린더로 수송되었다. 이러한 문제점은 타입 III 및 타입 IV 압력 용기의 등장으로 다소 개선되었다. 타입 III 압력 용기는 필라멘트형 복합 랩핑으로 와인딩되는 비교적 얇은 금속 라이너로 구성되는데, 그 결과 이러한 용기는 전체 용기 중량을 상당히 절감하면서 스틸 용기의 강도를 갖는다. 타입 IV 압력 용기는 마찬가지로 필라멘트형 복합물로 랩핑된 폴리머 라이너를 포함한다. 타입 IV 압력 용기는 현재 승인된 모든 압력 용기 중에서 가장 가볍다. 타입 III 및 타입 IV 용기의 사용은, 이러한 용기들을 매우 크게 만드는 경향 - 길이가 18미터이고 직경이 2.5-3.0미터인 실린더 용기가 현재 제조되고 있으며 30미터 이상의 길이와 6미터 이상의 직경을 갖는 용기가 고려되고 있음 - 과 함께 압축 유체의 해양 수송의 경제성을 최적화하기 위하여 앞서 나가는 중요한 단계가 되었다.
모든 압력 용기는 "보스(boss)"라고 지칭되는 적어도 하나의 단부 고정체(end fitting)를 필요로 하는데, 유체를 용기에 적하(loading)하고 용기로부터 양하(offloading)하기 위하여 용기는 이러한 단부 고정체에 의해 외부 장비에 연결된다. 현재 사용되는 보스는 예컨대, 스테인리스 스틸, 니켈 합금, 알루미늄 등과 같은 금속으로 이루어진다. 불행하게도, 이들 보스는, 특히 대형 압력 용기와 관련하여, 매우 무겁고 타입 III 또는 타입 IV 압력 용기의 무게의 70%를 차지하는 것으로 추정되어 왔다. 더욱이, 대형 금속 보스는 제조하기가 어렵고 고가인 경향이 있는데, 많은 경우에 100,000 달러 이상이다. 이러한 요인들은 압축 유체의 해상 수송의 경제성, 그리고 따라서 실행 가능성에 큰 부정적인 영향을 미친다.
압축 유체의 수송을 위하여, 압축 용기, 특히 그 영향이 가장 유리한 타입 III 및 타입 IV 압축 용기에 있어서 필요한 것은 가볍고 저렴한 보스이다. 본 발명은 이러한 보스를 제공한다.
따라서, 일 태양에서, 본 발명은 일체형 복합 보스를 포함하는 압력 용기에 관한 것이다.
본 발명의 일 태양에서, 일체형 복합 보스는 근위단, 원위단, 외면 및 내면을 갖는 세장형 중공 실린더를 포함하고, 내면은 실린더의 중공 부분의 직경을 형성한다.
실린더의 외면의 일부분은 압력 용기에 원형 개구를 형성하는 압력 용기의 벽부의 두께와 인접할 수 있다.
실린더의 근위단은 근위단 표면에서 압력 용기의 외부에서 종단할 수 있다.
근위단 표면은 둘레에 배치된 복수의 스레드 홀을 포함할 수 있다.
실린더의 원위단은 압력 용기의 내면과 인접한 플랜지 표면을 갖는 플랜지에서 종단할 수 있으며, 플랜지의 직경은 압력 용기의 원형 개구의 직경보다 크고, 플랜지 표면이 원형 개구의 직경과 만나는 지점에서의 플랜지의 두께는 압력 용기에 격납된 압축 유체에 의해 가해지는 압력을 견디기에 충분하다.
본 발명의 일 태양에서, 복합 보스의 표면은 압력 용기의 동작 압력에서 압축 유체에 의해 실질적으로 불가입성인 재료층에 의해 압축 유체로부터 분리되고, 그렇지 않으면 압축 유체와 접촉할 것이다.
본 발명의 일 태양에서, 재료층은 또한 압축 유체에 대해 실질적으로 비활성이다.
본 발명의 일 태양에서, 재료층은 금속, 세라믹 또는 폴리머를 포함한다.
본 발명의 일 태양에서, 압력 용기의 형상은, 구, 편구, 원환체 또는 1개 또는 2개의 돔형 단부를 구비한 세장형 중공 실린더를 포함한다.
본 발명의 일 태양에서, 압력 용기는, 내부에 격납된 압축 유체에 의해 가해지는 압력을 견디기에 충분한 두께의 금속으로 전체가 이루어진다.
본 발명의 일 태양에서, 1개 또는 2개의 돔형 단부를 구비한 중공 실린더는 폴리머 복합물로 후프-랩핑된 얇은 금속 라이너를 포함하고, 1개 또는 2개의 돔형 단부는 압력 용기에 격납된 압축 유체에 의해 가해지는 압력을 견디기에 충분한 두께의, 라이너의 금속과 동일하거나 상이할 수 있는 금속을 포함한다.
본 발명의 일 태양에서, 중공 실린더 및 1개 또는 2개의 돔형 단부는 얇은 금속 라이너를 포함하며, 중공 실린더는 폴리머 복합물로 후프-랩핑되고, 중공 실린더 및 돔형 단부는 후프-랩핑의 폴리머 복합물과 동일하거나 상이할 수 있는 폴리머 복합물로 이소텐소이드-랩핑된다.
본 발명의 일 태양에서, 중공 실린더 및 1개 또는 2개의 돔형 단부는, 폴리머 복합물로 후프-랩핑되거나, 이소텐소이드-랩핑되거나 또는 후프-랩핑 및 이소텐소이드-랩핑의 조합으로 랩핑된 폴리머 라이너를 포함한다.
본 발명의 일 태양에서, 압력 용기는 복합 보스의 표면과 폴리머 복합물 랩핑 사이에 배치되는 전단층을 더 포함하고, 전단층은 그렇지 않으면 보스 표면이 랩핑 표면과 직접 접촉하는 위치에 배치된다.
본 발명의 일 태양에서, 플랜지의 직경은 적어도 1개 또는 2개의 돔형 단부 윤곽의 변곡점까지 연장한다.
본 발명의 일 태양에서, 폴리머 복합물은 열경화성 폴리머 매트릭스를 포함한다.
본 발명의 일 태양에서, 열경화성 폴리머 매트릭스는, 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 비닐 에스테르 수지, 폴리이미드 수지, 다이사이클로펜타다이엔 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
본 발명의 일 태양에서, 열경화성 폴리머 매트릭스는, 적어도 92% 순도의 다이사이클로펜타다이엔을 포함하는 프리폴리머 제제로부터 형성된다.
본 발명의 일 태양에서, 폴리머 복합물은 섬유 재료를 포함한다.
본 발명의 일 태양에서, 섬유 재료는, 금속 섬유, 세라믹 섬유, 천연 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
본 발명의 일 태양에서, 섬유 재료는, 유리 섬유 및 탄소 섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
본 발명의 일 태양에서, 압력 용기는 복합 보스의 근위단 표면의 스레드 홀과 맞물리는 스레드 외면 및 외부 파이프 연결 디바이스의 스레드와 맞물리는 사이즈의 스레드 내면을 갖는 금속 인서트를 더 포함한다.
본 발명의 일 태양에서, 압축 유체는 압축 천연 가스를 포함한다.
본 발명의 일 태양에서, 압축 천연 가스는 미정제 압축 천연 가스를 포함한다.
이 도면들은 단지 예시의 목적을 위하여 제공되는 것이며 어떠한 방식으로든 본 발명을 제한하는 것으로 해석되는 것을 의도하지 않는다.
도 1은 다양한 타입의 압력 용기의 등축 투영도를 나타낸다. 이러한 용기는 본 발명의 복합 보스가 삽입되는 애퍼처와 함께 도시된다.
도 1a는 구형 압력 용기를 나타낸다.
도 1b는 편구형, 때때로 "거의 구형"이라고 지칭되는, 압력 용기를 나타낸다.
도 1c는 환상 압력 용기를 나타낸다.
도 1d는 실린더형 중심부와 1개의 돔형 단부를 구비한 압력 용기를 나타낸다.
도 1e는 실린더형 중심부와 2개의 돔형 단부를 구비한 압력 용기를 나타낸다.
도 2는 실린더형 중심부와 2개의 돔형 단부를 구비한 압력 용기의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 복합 보스를 나타낸다.
도 4는 압력 용기 라이너에 연결된 본 발명의 복합 보스를 나타낸다.
도 5는 변곡점의 생성을 나타내는, 필라멘트형 복합물로 랩핑된 압력 용기 라이너를 나타낸다.
도 6은 복합 오버랩과 보스 사이에서 삽입된 전단층을 구비한(그렇지 않으면 두 개의 구성의 표면이 직접 접촉함) 압력 용기를 나타낸다.
이 설명 및 첨부된 청구항과 관련하여, 명시적으로 언급되거나 문맥으로부터 명백하게 분명한 경우가 아니라면, 본 발명의 임의의 측면에 대한 단수형의 언급은 복수형을 포함하며 그 반대도 동일하다. 예를 들어, "극 개구(polar opening)"에 대한 언급은 1개의 극 개구 또는 2개의 극 개구에 관한 것으로서 이해된다. 유사하게, "돔들(domes)"에 대한 언급은 2개의 돔뿐만 아니라 1개의 돔을 지칭하는 것으로 이해된다.
본 명세서에서 사용되는, 근사치의 임의의 용어, 비제한적으로, 예컨대, 거의, 약, 대략, 실질적으로, 필수적으로 등은 근사치의 용어에 의해 수정된 그 단어 또는 문구가 기재된 그대로일 필요는 없으며 기재된 설명으로부터 어느 정도 변경될 수 있다는 것을 의미한다. 설명이 변경될 수 있는 정도는, 도입될 수 있는 변화의 정도, 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자가 수정된 버전이 근사치 용어에 의해 수정되지 않은 단어 또는 문구의 속성, 특성 및 기능을 여전히 갖는 것으로 인식하도록 할 수 있는 변화의 정도에 따라 결정될 것이다. 일반적으로, 그러나 앞의 논의를 고려하여, 본 명세서에서 근사치의 단어에 의해 수정되는 수치 값은 명시적인 다른 기재가 없으면 명시된 값에서 ±10%만큼 가변할 수 있다.
용어 "근위(proximal)" 및 "원위(distal)"는 단지 구성물의 대향하는 단부를 지칭하는 것이고 하나의 객체를 다른 객체에 대하여 배향하는 방법, 예컨대 본 발명의 보스의 용기 라이너에 대하여 배향하는 방법으로서 사용된다. 일반적으로, 어떤 단부가 근위로서 지정되고 어떤 단부가 원위로서 지정되는지는, 문맥상 명확하게 다르게 표현되지 않으면, 순전히 임의적이다.
본 명세서에서 사용되는, "인접한(contiguous)"이라 함은 근접하고 직접 접촉하거나 다른 재료의 중간층, 예컨대, 비제한적으로 전단층(shear ply)이 없으면 직접 접촉할 수 있는 두 개의 표면을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는, "불투과성(impermeable)" 또는 "불침투성(impervious)"은 유체가 제1 물질로 이루어진 표면으로 어떤 상당한 정도로 침투하는 것이 실질적으로 불가능하도록 만드는 물질의 속성을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는, "비활성(inert)"이라 함은 어떤 물질로 이루어진 표면이 그 표면에 접촉할 수 있는 유체의 임의의 성분에 대해 화학적으로 반응하지 않도록 하는 물질의 속성을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는, "바람직한", "바람직하게" 또는 "더욱 바람직하게" 등은 본 특허 출원의 출원시에 그들이 존재했던 때에 선호되는 것을 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는, "유체"는 가스, 액체 또는 가스와 액체의 혼합물을 지칭한다. 예를 들어, 비제한적으로, 천연 가스는, 지면(ground)으로부터 추출되고 처리 센터로 수송되는 동안, 흔히 가스와 액체 오염물이 혼합되어 있다. 이러한 혼합물은 본 발명의 목적을 위한 유체를 구성할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는, "랩핑(wrap)" 또는 "오버-랩(over-wrap)"은 필라멘트형 재료를 구성물 주위에 와인딩하는 것을 나타내며, 이는 도 1에 도시된 바와 같이 실린더형, 지오데식(geodesic) 환상(toroidal), 구형(spherical), 편구형(oblate spheroidal) 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 필라멘트형 재료는 건조 상태로 구성물 주위에 와인딩되어 그 상태로 남아있을 수 있고 또는 폴리머 매트릭스에 실질적으로 함침 및 삽입될 수 있다. 대안적으로, 필라멘트형 재료는 구성물 상에 와인딩되기 전에 폴리머 매트릭스에 함침될 수 있고 이 경우에 과량의 매트릭스 재료에 또한 삽입될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는, "폴리머 복합물(polymeric composite)"은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자가 이해하는 의미를 갖는다. 간략하게, 그것은 폴리머 매트릭스 재료에 함침, 그에 의해 피복, 또는 함침 및 피복된 섬유상 또는 필라멘트형 재료를 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는, "보스(boss)" 등은 본 발명이 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 디바이스를 지칭한다. 간략하게, "보스"는 압력 용기를 외부 배관(piping)과 상호연결하는데 사용되는 디바이스이며, 이를 통해 압력 용기가 유체로 채워지거나 비워진다.
압축 유체, 예컨대, 압력 천연 가스, CNG의 수송을 위한 압력 용기는, 현재 관리 기관에 의해 승인된 4가지 클래스(class)를 구성하고, 이들 모두는 1개 또는 2개의 돔형 단부를 갖는 실린더형이다:
클래스 I. 모두 금속인 구성, 통상적으로 알루미늄 또는 스틸로 구성된다. 이러한 타입의 용기는 값이 저렴하지만 다른 타입의 용기에 비해 매우 무겁다. 타입 I 압력 용기는 현재, 해로로 압축 유체를 운송하는데 이용되는 컨테이너의 상당 부분을 차지하고 있으나, 해상 수송에서의 그들의 사용은 매우 타이트한(tight) 경제적 제약을 초래한다.
클래스 II. 복합 랩핑으로 실린더부만이 강화된, 표준 두께의 금속 단부 돔을 갖는 보다 얇은 실린더형 중심부로 구성된다. 복합 랩은 일반적으로 폴리머 매트릭스로 함침된 유리 또는 탄소 필라멘트를 구성한다. 이러한 복합물은 통상 용기의 중앙부 주위로 "후프-랩핑(hoop-wrapped)"된다. 용기의 한쪽 단부 또는 양쪽 단부에서의 돔은 복합 랩핑되지 않는다. 클래스 II 압력 용기에서는, 금속 라이너가 격납된 압축 유체의 내부 압력으로부터 기인하는 응력의 대략 50%를 떠맡고 복합물이 응력의 대략 50%를 떠맡는다. 클래스 II 용기는 클래스 I 용기보다 가볍지만 비용이 많이 든다.
클래스 III. 전체 구조에 대해 얇은 금속 라이너를 포함하고, 라이너는 전체 용기 주위의 필라멘트형 복합 래핑으로 강화된다. 타입 III 용기에서의 응력은 복합 랩핑의 필라멘트형 재료에 실질적으로 전부 시프트된다; 라이너는 단지 응력의 작은 부분만을 견딜 필요가 있다. 타입 III 용기는 타입 I 또는 II 용기보다 훨씬 가볍지만 상당한 비용이 더 든다.
클래스 IV. 필라멘트형 복합물로 완전히 랩핑된 실질적으로 기밀의 폴리머 라이너로 구성된다. 복합 랩핑은 용기의 전체 강도를 제공한다. 타입 IV 용기는 압력 용기의 승인된 4가지 클래스 중 확실히 가장 가볍지만, 가장 비용이 많이 들기도 한다.
본 발명의 일체형(single-piece) 복합 보스는 임의의 타입의 압력 용기에 유리하게 사용될 것이다. 예를 들어, 그것은 타입 I 또는 타입 II 압력 용기의 중량조차도 크게 감소시킬 것이며 이러한 적용은 본 발명의 범위 내에 있다.
그러나, 본 발명의 보스를 타입 III 또는 타입 IV 압력 용기에 사용하는 것이 아마도 가장 유리할 것인데, 이러한 사용은 용기의 중량을 크게 감소시킬 것이며 그 결과 압력 용기 자체 중량에 대한 격납된 압축 유체의 비율이 실질적으로 증가하고 부수적으로 용기의 단위 중량당 격납되는 유체의 값이 증가할 것이다. 물론, 아직 정의되지 않은 타입의 압력 용기와 본 발명의 일체형 복합 보스의 사용 또한 본 발명의 범위에 속한다.
전술한 바와 같이, 타입 II, III 및 IV 압력 용기는, 용기 내에 격납된 압축 유체에 의해 가해지는 압력을 견디기 위해 필요한 강도를 제공하기 위하여 복합 랩핑을 필요로 한다. 타입 II 압력 용기에 있어서, 이러한 랩핑은 비교적 간단하고 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 "후프-랩핑"이라고 지칭되는데, 이는 본 명세서의 다른 부분에서 설명되며 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 매우 잘 알려져 있다. 반면, 타입 III 및 타입 IV 압력 용기의 경우, 필요한 강도를 갖는 용기를 생산하기 위하여, 때로는 후프-랩핑과 함께, 때로는 후루-랩핑을 대신하여, 마찬가지로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 알려져 있고 본 명세서의 다른 부분에서 설명되는 "이소텐소이드-랩핑(isotensoidal-wrapping)"이라는 방식으로 용기를 랩핑할 필요가 있다.
전체 용기가 복합물로 랩핑되는 경우, 아래에 놓이는 금속 또는 폴리머 구조는 통상적으로 "라이너"라고 지칭되는데, 라이너는 그 위에 복합 랩핑이 와인딩되며 격납된 압축 유체가 직접 접촉하는 표면을 제공한다.
본 발명의 목적을 위하여, 2개의 돔형 단부가 있는 실린더형 중심부를 형성하는 압력 용기 라이너(간결성을 위하여, 이러한 용기는 이하 "실린더형 압력 용기"로 단순하게 지칭될 것임) 및 돔형 단부 중 하나의 단부 내의 극 개구에 끼워진(fitted) 본 발명의 보스만이 상세하게 설명된다. 다만, 본 발명의 보스는 구형, 편구형(거의 구형) 또는 환상 압력 용기에도 동일하게 적용될 수 있다.
보스가 이들 대안적인 용기 구조체 중 임의의 용기 구조체에 일단 끼워지면, 필요한 경우, 복합 랩핑을 적용함으로써 압력 용기의 제조를 완성하는 표준 기술이 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있다.
실린더형 압력 용기 라이너/보스 어셈블리가 다루어진 상태에서, 그것은 거의 하찮은 연습은 아니지만, 단부 돔, 필라멘트형 재료를 구성하는 복합물 및 폴리머 매트릭스를 포함하여 라이너를 디자인 및 적용하는 것은 확립된 절차이며, 최종 결과는 완전히 복합-랩핑된 압력 용기이다. 간략하게, 압력 용기의 주어진 직경의 실린더부, 주어진 극 개구 직경, 주어진 돔 형상 및 주어진 필라멘트 폭에 대하여, 와인딩 패턴은, 비제한적으로, 네팅 분석(netting analysis), 유한 요소 해석(finite element analysis) 및 이들의 조합을 포함한 알려진 알고리즘을 이용하여 용이하게 결정될 수 있다. 이들 수학 공식의 이용은 용기의 이소텐소이드 랩핑을 결과로 하는 와인딩 패턴의 디자인을 가능하게 한다.
"이소텐소이드(isotensoid)"라는 용어는, 랩핑의 각각의 필라멘트가 그것의 경로의 모든 지점에서 압력이 일정한, 완전히 와인딩된 용기의 속성을 지칭한다. 이것은 현재 복합 랩핑된 압력 용기에 대한 최적의 디자인으로 고려되는데, 이러한 구성에서는 압축 유체에 의해 용기에 부과된 전체 응력이 사실상 복합물의 필라멘트에 의해 추정되고, 매우 적은 부분만이 폴리머 매트릭스 또는 라이너에 의해 추정되기 때문이다.
돔 형상은 변할 수 있으며 2:1 타원형, 3:1 타원형, 그리고 지오데식을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 특성 "2:1" 및 "3:1"은 타원의 장축과 단축의 비율을 나타낸다. 지오데식 돔 형상이 현재는 바람직한데, 그것이 각각의 극 개구 직경, 각각의 실린더부 직경 및 각각의 필라멘트 폭에 대한 수치 해법을 다룰 수 있는 회전면을 구성하기 때문이다. 이러한 수치 해법은 결과적으로 압력 용기의 직경으로부터 극 개구를 향하는 돔의 곡률의 진보된 플로팅(plotting)을 가능하게 한다.
곡률에 대한 지식은 상술한 알고리즘을 이용하여 최대 강도의 디자인 및 적용, 즉, 용기에 대한 이소텐소이드, 필라멘트 랩핑을 가능하게 한다.
이러한 압력 용기는 가장 가벼운 전체 중량에서의 최고 압력 적하(loading)의 최적 조합을 나타낸다.
실린더형 압력 용기 라이너의 등축 투영도(isometric projection)가 도 1e에 도시된다. 압력 용기 라이너(1)는 실린더부(10), 돔부(20 및 30), 그리고 돔부(20) 내의 극 개구(polar opening)(40)로 구성된다. 돔부(30)는 돔부(20)에 도시된 것과 유사한 극 개구를 가지거나 가지지 않을 수 있다. "극 개구"는 통상적으로 원형인, 돔부 내의 홀(hole)을 지칭하는데, 각각의 단부에 1개씩, 2개의 극 개구를 구비한 실린더형 압력 용기 라이너의 개략도인 도 2에 도시된 바와 같이, 그 둘레는 용기(1)의 중심선(150)으로부터 반경 방향으로 등거리에 있다. 극 개구는 돔부와 조화를 이루는(blended) 목부(neck)로서 형성됨으로써 돔부가 목부에 대해 어깨 부분을 형성하게 된다. 목부 중 하나는 다른 것보다 더 클 수 있고, 또는 그들은 동일한 사이즈일 수 있다. 도시된 바와 같이, 상부 목부는 통상적으로 더 넓은데, 이는 보통 검사 목적을 위한 것이고, 반면 하부 목부는 일반적으로 유체의 적하(loading) 및 양하(offloading)를 위반 것이다.
본 발명의 복합 보스는 극 개구 또는 극 개구들에 고정되고, 라이너는 필라멘트형 복합물로 와인딩되며, 그 다음 압축 유체를 용기로 전달하고 용기로부터 제거하기 위하여 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 추가의 하드웨어가 보스에 결합될 수 있다.
압력 용기 라이너의 보다 상세한 개략도가 도 2에 도시된다. 전술한 바와 같이, 복합 오버랩은, 비교적 정교한 디자인 수학 및 구현 기계를 구성하지만, 압력 용기 디자인 및 제조 기술 분야에서 통상의 기술자에게 잘 알려져 있고, 이들 알려진 기술 중 임의의 기술이 본 발명의 복합 보스를 포함하는 압력 용기 라이너에 적용될 수 있다. 따라서, 복합-랩핑이 본 발명의 요소와 연관되는 측면은 충분히 논의될 것이나, 이를 제외하고는 복합 용기 랩핑의 디자인 및 구현은 더 이상 논의되지 않을 것이다.
도 2에 도시된 압력 용기 라이너(100)는 길이(112)를 갖는 실린더형 중심부(110), 외면(115), 내면(120), 두께(125), 돔부(130 및 135), 그리고 극 개구(140 및 145)로 이루어진다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 압력 용기가 돔부(130 및 135) 중 1개에만 극 개구를 포함하는 경우 또한 가능하며 본 발명의 범위에 속한다.
도시된 돔부는 실린더와 섞여서 실린더로부터 어깨부를 통해 목부까지 둥글게 형성된다. 돔부는 또한 다른 곡선 형상을 추정할 수 있는데, 일반적으로 반구형 형상을 포함한다. 특히, 이러한 반구형 형상을 구비하는 경우, 실린더형 중심부(110)의 길이(112)가 영(zero)에 접근함에 따라, 그 결과는 실질적으로 구형 또는 편구형(oblate spheroidal) 압력 용기라는 것이 이해된다. 이것은 단지 본 발명의 복합 보스가 실린더형 압력 용기에서처럼 구형 또는 편구형 압력 용기에도 동일하게 적합하다는 이전 설명을 보강하는 것이다.
도 3은 거의 반구형 돔부의 극 개구 내에 끼워지도록 형상화된, 본 발명의 일체형 구성을 포함하는 보스를 나타낸다. 보스는 외면(205), 내면(210), 관통-홀(through-hole)(215) 및 관련 기술 분야에서 "윙(wing)"으로 지칭되기도 하는 플랜지(flange)를 포함한다.
설명의 목적으로, 보스의 플랜지 단부가 보스의 원위단으로 고려될 것이고, 다른 단부가 자연적으로 근위단으로 고려될 것이다.
스레드(threaded) 홀(235)은 근위단 표면(230) 주위에 방사상으로 배치된다. 이들 스레드 홀은 보스를 플랜지 피스(piece)에 직접 연결하는데 사용될 수 있고 플랜지 피스는 용기를 적하 및 양하하기 위하여 외부 라인에 용기를 연결하는데 사용될 수 있다.
현재의 바람직한 대안에서, 스레드 홀(235)은 의도된 패스너(fastener)와 함께 사용하기 위해 필요한 직경보다 큰 직격을 갖는 접합면(mating surface)을 형성한다. 외부 스레드(242)가 있는 금속 인서트(insert)(240)가 이러한 오버사이즈 홀 내에 나사로 고정된다. 인서트는 또한 내부 스레드(245)를 포함하는데, 이러한 내부 스레드는 적하 및 양하를 위하여 외부 시스템에 압력 용기를 부착하는데 사용되는 어떠한 디바이스에도 정확하게 연결할 수 있는 사이즈를 갖는다. 단순성과 명확성을 위하여 네 개의 홀(235)만이 도면에 도시되어 있다. 실질적으로 더 많은 홀, 때로는 20개를 초과하는 홀이 근위 표면(230) 주위에 균일한 간격으로 형성될 수 있다.
도 4는 극 개구(307) 내에 삽입된 일체형 복합 보스(305)를 구비하는 압력 용기 라이너의 단부(300)를 나타낸다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 관형 중심부(315)의 외면(310)의 일부분은 극 개구(310)가 라이너의 두께에 의해 형성되는 라이너(300)의 표면(318)과 인접해 있다. 또한, 플랜지(335)의 표면(330)은 표면(320)이 돔부(340)의 윤곽선을 따라가는 라이너(300)의 내면(319)과 인접해 있다. 보스(305)는 근위단(350)부터 원위단(355)까지 연장하는 루멘(lumen)(345)을 갖는다. 보스(305)는 또한, 전술한 바와 같이, 도 3에 도시된 금속 스레드 인서트가 장착될 수 있는 스레드 홀(360)을 갖는다.
압력 용기 라이너의 돔부는 상당히 넓은 범위의 윤곽을 가질 수 있다. 그러나, 대부분의 경우, 윤곽은 2:1 타원체, 3:1 타원체 또는 지오데식 형상을 포함한다. 지오데식 윤곽이 가장 흔하고 현재 바람직하다. 지오데식 윤곽은, 최적의 필라멘트형 와인딩 패턴을 결정하여 극 개구를 포함하는 돔부를 포함하여 압력 용기의 모든 부분에서 이소텐소이드 랩핑을 생성하기 위하여, 앞서 설명된 네팅 분석 및 유한 요소 분석을 이용하여 분석하기 위해 쉽게 수정할 수 있다. 이것은, 물론 보스 플랜지의 직경이 극 개구의 직경보다는 커야 하지만, 보스 플랜지의 직경이 덜 명백한 기능을 수행한다는 점에서 중요하다. 즉, 앞의 파라미터가 일단 정해지면, 사용될 필라멘트의 크기가 결정되고 와인딩 패턴이 설정되며, 이소텐소이드 구성을 유지하기 위하여 와인딩되는 필라멘트가 극 개구의 둘레에 "계속 적층(stack up)" 될 것이라는 것을 분석 수학이 지시한다. 그 결과 랩핑된 돔부의 윤곽에 변곡점(inflection point)이 생성된다. 변곡점은 곡률의 수직(meridonial) 반경이 필라멘트 랩핑의 적층에 기인하여 부호가 바뀌는 지점이다. 이것은 도 5에 도시되는데, 필라멘트 와인딩(400)이 복합 보스(420)가 극 개구(410) 내로 삽입된 극 개구(410)의 둘레에 적층되어 있는 것이 나타나 있고 랩핑이 극 개구로부터 멀어지도록 이동함에 따라 와인딩이 퍼져서, 즉, 적층되지 않아서 랩핑된 돔부의 곡률이 다시 돔부 그 자체의 곡률과 거의 같아지게 되는 것으로 도시되어 있다.
변곡점은, 그 정확한 지점이 곡선 방정식의 2차 도함수가 영이 되는 지점으로서 수학적으로 정확하게 결정될 수 있으나, 대략 도 5의 영역(430)에 발생하는 것으로 나타난다.
변곡점에서의 응력으로 인한 압력 용기의 잠재적인 치명적인 고장(catastrophic failure)을 방지하기 위하여, 플랜지(445)의 직경(440)은 적어도 도 5에 도시된 변곡점에 이르도록 디자인된다. 이러한 방식에서, 변곡점의 영향은 효과적으로 제거되고, 변곡점에서 발생하는 응력은 플랜지(445)에 의해 흡수된다.
폴리머 라이너에도 적용 가능하지만 금속 라이너와 관련하여 특히, 플랜지(445)를 랩핑된 돔부의 변곡점까지 이르게 하는 대신, 플랜지의 직경이 변곡점을 넘어서 2에서 5 라이너 두께만큼 연장하면 전체적으로 더욱 강한 용기를 얻을 수 있다.
본 발명의 복합 보스의 디자인에 있어서 고려하여야 할 또 다른 중요한 측면은 도 5의 전단점(shear point)(475)에서의 보스의 두께(470)이다. 전단점(475)은 플랜지가 극 개구의 에지와 만나는 지점이다. 복합 랩핑이 극 개구에서 종단되기 때문에 에지를 넘어서, 즉, 더 압력 용기의 중심선을 향해서는, 격납된 유체에 의해 부과되는 모든 응력을 사실상 보스의 두께가 홀로 흡수해야 한다. 전단점에서의 정확한 두께는 압력 용기의 의도된 최대 동작 압력에 따라 결정될 것이다.
최대 동작 압력 및 보스를 제조하는 복합물의 기계적 속성이 일단 결정되면, 기계 공학 디자인 계산의 비교적 간단한 적용이 전단점에서의 보스의 적합한 두께의 용이한 결정을 가능하게 할 것이다.
본 발명에서, 복합 랩핑의 실제 두께 또는 양은 명시적으로 기재되지 않았음이 이해되어야 한다. 이것은 압력 용기의 다양한 부분의 두께 및 랩핑의 양이 주로 용기의 동작 압력에 의존하기 때문이다. 물론, 압력은 미리 결정되고 결정된 압력의 초과는 압력 용기의 치명적인 고장을 초래할 수 있다.
용기의 최대 동작 압력이 설정되고 용기를 제조하는데 사용되는 재료, 예컨대, 금속, 폴리머, 세라믹, 복합물 또는 기타 재료의 물리적 속성이 정해지면, 랩핑의 필요한 두께 및 양의 결정은 공학 원리의 간단한 적용이다.
최대 동작 압력은 실질적으로 가변할 수 있으므로, 본 발명의 목적을 위하여 임의의 이러한 특정 크기를 명시적으로 기재하는 것은 불필요하다.
본 발명의 복합 보스는 복합물에 추가 강도를 부여하는 섬유 재료가 함유된 폴리머 매트릭스를 포함한다. 폴리머 매트릭스는 예컨대 본 발명의 압력 용기에서 알 수 있는 바와 같은 고압 환경에서의 사용에 부합하는 속성을 갖는 것으로 알려진 임의의 폴리머일 수 있다.
열가소성 폴리머, 열가소성 엘라스토머, 열경화성 수지 및 이들의 조합이 사용될 수 있으나, 다른 타입의 폴리머보다 훨씬 양호한 기계적 속성, 화학적 저항성, 열 안전성 및 전체 내구성을 보여줄 수 있는 열경화성 폴리머가 현재 바람직하다.
대부분의 열경화성 플라스틱 또는 수지의 특별한 이점은 압력 및 온도의 주변 조건 하에서 그들의 전구체 모노머 또는 프리폴리머가 비교적 낮은 점도를 갖는 경향이 있고 따라서 매우 용이하게 섬유 및 필라멘트에 삽입되거나 그와 결합될 수 있다는 것이다.
또 다른 이점은 통상적으로 그러한 열경화성 폴리머가, 그들이 섬유/필라멘트와 결합하는 동일한 온도에서 화학적으로 등온 경화될 수 있다는 것인데, 이러한 온도는 실온일 수 있다.
적합한 열경화성 수지는 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 비닐 에스테르 수지, 폴리이미드, 다이사이클로펜타다이엔(dicyclopentadiene) 수지 및 그들의 조합을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
다이사이클로펜타다이엔 수지, 특히 ROMP-합성 사이클로펜타다이엔 수지가 현재로서 바람직하다.
보스의 제조를 위해 사용될 프리폴리머 제제(prepolymer formulation)에서 다이사이클로펜타다이엔이 적어도 92%의 순도, 바람직하게는 적어도 98%의 순도를 갖는 것 또한 현재 바람직하다.
본 명세서에서 사용되는, "프리폴리머 제제"는 적어도 92% 순도의 다이사이클로펜타다이엔을 하나 이상의 반응성 에틸렌 모노머, 중합 개시제(polymerization initiator) 또는 경화 전 임의의 바람직한 다른 첨가물을 더하여 경화제와 혼합하는 것을 지칭한다.
일반적으로, 임의의 타입의 섬유 재료 또는 필라멘트형 재료가 본 발명의 폴리머 복합물을 생성하는데 사용될 수 있다. 이러한 재료는, 비제한적으로, 천연 재료(실크, 대마, 아마 등), 금속, 세라믹, 현무암 및 합성 폴리머 섬유 및 필라멘트를 포함한다.
현재 바람직한 재료는 통상 섬유유리(fiberglass)로 알려진 유리 섬유, 탄소 섬유, 특히 주로 상품명 Kevlar®로 판매되는 아라미드 섬유 및 초고분자량 폴리에틸렌, 예컨대 Spectra®(Honeywell Corporation) 및 Dyneeva®(Royal DSM N.V.)를 포함한다.
압력 용기 라이너는 단일 재료층 또는 복수의 재료층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 비제한적으로, 용기 라이너 쉘(shell)은 단일 금속층, 예컨대, 비제한적으로, 스테인리스 스틸, 아연, 구리, 주석, 알루미늄 및 이들의 조합 및 합금의 단일 층을 포함할 수 있는데, 이 경우 라이너는 타입 III 압력 용기일 것이다.
대안적으로, 라이너는 단일 폴리머층 또는 복수의 폴리머층을 포함할 수 있는데, 각각의 층은 각각의 다른 층과 동일하거나 상이할 수 있으며, 이 경우 타입 IV 압력 용기를 구성할 것이다.
또한 대안적으로 격납된 가스와 접촉하는 내면을 갖는 폴리머층, 격납된 유체에 대한 용기의 불투과성(impermeability), 불침투성(imperviousness) 또는 양자 모두, 또는 불가입성(impenetrability)을 돕기 위한 매우 얇은 금속층을 포함할 수 있다. 금속층이 라이너의 구조적 특징을 구성하기에는 너무 얇기 때문에 이 경우는 여전히 타입 IV 압력 용기를 구성할 것이다.
본 명세서에서 보스의 크기, 특히 플랜지의 직경 및 전단점에서의 그것의 두께가 본 명세서의 개시 내용을 이용하여 결정되었다면, 보스 그 자체는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 알려진 임의의 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 보스는 경화된 복합 재료의 고체 피스(piece)로부터 밀링될(milled) 수 있다. 또는 보스는 유동성 프리폴리머 제제 및 예컨대 비제한적으로 압축 성형, RIM(reaction injection molded) 또는 RTM(resin transfer molding)과 같은 기술을 이용하여 성형될 수 있는데, 이러한 기술들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있으므로 더 이상의 설명이 필요하지 않다.
복합물이 일반적으로 유체, 특히 압력 하에서의 유체에 대해 어느 정도 투과성이 있으므로 압력 용기에 격납된 유체에 대해 불투과성인 재료층을 본 발명의 복합 보스의 표면에 도포하는 것이 바람직할 수 있다.
특히, 유체가, 물과 접촉하면 산(acid)을 형성하는 이산화탄소 및 황화수소와 같은 물질을 포함할 수 있는 미정제(raw) 천연 가스의 경우와 같이 가성(caustic) 속성을 갖는다면, 가압된 유체에 대해 비활성인 재료를 선택하는 것이 동시에 바람직할 것이다.
재료층은, 비제한적으로, 금속 클래딩(cladding), 무전해 또는 전해 증착된 금속 박막, 보스의 제조를 위해 매트릭스 폴리머로 사용된 것과 동일한 폴리머층 또는 필요한 불가입성 및 비활성 속성을 갖는 다른 폴리머층을 구성할 수 있다.
도 6은 보스의 표면(550) 상에 불가입성/비활성 층(540)을 갖는 복합 보스(510)를 구비한 압력 용기(500)를 나타낸다. 그렇지 않으면 보스는 압력 용기(500) 내에 격납된 유체와 접촉할 것이다.
일반적으로, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 과도한 실험 없이 복합 보스에 적용하기에 적합한 재료를 선택할 수 있을 것이며 모든 이러한 재료는 본 발명의 범위 내에 있다.
본 발명의 복합 보스 및 압력 용기의 복합 오버랩이 상이한 재료 - 상이한 속도와 상이한 각도로 확대 및 축소될 수 있음 - 로 이루어지는 경우, 재료가 상이한 속도에서 상이한 각도로 이동하는 경우 생기는 응력을 흡수하기 위하여 재료들의 계면에 "전단층(shear ply)"을 포함하는 것이 필요할 수 있다. 전단층은 단순히 계면(interface) 재료를 나타낸다.
전단층은 일반적으로 분리될 복합 오버랩 표면 경계에 대해 보스 표면에 의해 결정된 형상을 갖는 얇은 재료층을 구성할 것이다.
바람직한 계면 재료는 양호한 탄성 속성을 가질 것이다.
바람직한 계면 재료는, 복합 보스 재료의 이동에 응답하여 그 일부분이 움직이고 오버랩 재료의 이동에 응답하여 다른 부분이 움직이므로, 잠재적으로 상당한 내부 응력을 견뎌낼 수 있을 것이다.
전단층은 일반적으로 고무 및 합성 엘라스토머의 방대한 어레이 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 특정 전단층 재료의 선택은 분리될 재료의 속성을 포함한 몇 가지 요인에 따라 결정될 것이다. 적합한 전단층 재료는 본 명세서의 내용에 기초하여 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자의 능력 내에서 적절히 선택될 것이다.
많은 경우에, 본 발명의 복합 보스에 불투과성 및 불침투성을 부여하기 위해 전단층으로 사용된 것과 동일한 재료를 사용하는 것이 가능할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자라면 본 명세서의 개시 내용에 기초하여 과도한 실험 없이 이러한 각각의 목적을 위한 적합한 재료를 선택할 수 있을 것이다.
전단층(530)에 의해 분리된 복합 오버랩(500) 및 복합 보스(510)를 구비한 압력 용기의 예가 도 6에 도시되어 있다.
본 발명의 보스는 몇 가지 방식으로 용기 라이너와 결합될 수 있다. 용기 라이너가 폴리머인 경우, 돔부 및 극 개구를 포함한 전체 라이너는 맨드릴(mandrel) 상에 형성될 수 있다. 일단 형성되면, 라이너는, 폴리머가 여전히 구부러질 수 있을 정도로 뜨겁거나 재가열하여 다시 유연한 상태를 얻을 수 있는 동안, 보스의 원위단에서 나팔 모양의 플랜지가 관통할 수 있도록 충분히 극 개구에서 기계적으로 확장될 수 있다. 보스가 제자리에 있는 상태에서, 극 개구 라이너는 초기 크기로 되돌아갈 수 있고 이후 전체 용기 라이너는 보스가 제자리에 있도록 냉각될 수 있다. 그 결과는, 보스(305)의 외면(318)의 일부분이 극 개구(305)의 직경에서 라이너(300)의 두께(318)와 인접한 것으로 나타나 있는 도 4에 도시되어 있다.
이러한 실시예에서, 복합 보스는 압력 용기에 격납되어 있는 어떠한 재료, 가스 및/또는 액체와도 접촉할 것이다.
다른 실시예에서, 보스 그 자체가, 용기 라이너를 형성하는데 사용되는 템플릿(template)의 일부분이 되는 맨드릴에 부착될 수 있다. 그 다음 용기 라이너는 보스를 포함하여 전체 템플릿 상에 형성된다. 전술한 바와 같이, 복합 보스는 압력 용기에 격납되어 있는 어떠한 것과도 직접 접촉할 것이다.
타입 III 용기가 고려된다면, 압력 용기를 형성하기 위하여 금속 시트(sheet)가 구부러지고 합쳐지므로 보스가 극 개구 내로 끼워 맞춰질 수 있다.
본 발명의 복합 보스를 라이너와 결합시키기 위한 다른 방법들이 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 발생할 수 있으며; 모든 이러한 방법들은 본 발명의 범위에 속한다.
용기 라이너가 형성되고 보스가 전술된 기술들 중 하나를 이용하여 제자리에 있게 되면, 라이너는 필라멘트 복합물로 와인딩되어 완전한 압력 용기를 생산할 수 있다.
본 발명의 복합 보스를 포함하는 완전히-형성된 타입 III 또는 타입 IV 압력 용기는 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명의 복합 보스를 포함하는 압력 용기는 이러한 수송이 가능한 임의의 타입의 유체를 격납 및 수송하는데 사용될 수 있고, 존재하는 경우, 금속, 세라믹 또는 폴리머인 용기 또는 용기 라이너는 격납된 압축 유체에 대해 불투과성 또는 불가입성이고 또한 격납된 압축 유체에 대해 화학적으로 비활성이 되도록 선택된다.
본 발명의 복합 보스-격납 압력 용기의 현재의 바람직한 용도는 주로 "압축 천연 가스" 또는 간단히 "CNG"로 지칭되는 천연 가스의 격납 및 수송을 위한 것이다.
CNG는 정제된 가스 및 "미정제 가스(raw gas)"로서 본 발명의 용기에 격납 및 수송될 수 있다. 미정제 가스는 처리되지 않은, 웰(well)로부터 직접 제공된 대로의 천연 가스를 지칭한다. 물론, 그것은 천연 가스(메탄) 그 자체를 포함하지만 응축액, 천연 가솔린 및 액화 석유 가스와 같은 액체를 포함할 수 있다. 가스 상태 또는 물에 용해되어 있는 상태의 질소, 이산화탄소, 황화수소 및 헬륨과 같은 다른 가스와 같이 물 또한 존재할 수 있다. 이들 중 일부는 그 자체가 반응성일 수 있고 또는 예컨대 물에 용해되면 산을 생성하는 이산화탄소 및 황화수소와 같이 물에 용해되는 경우 반응성을 가질 수 있다.
현재 바람직한 라이너 폴리머, 다이사이클로펜타다이엔은 상기한 것, 그리고 미정제 가스를 구성할 수 있는 다른 재료들에 대한 화학적 저항성과 관련하여 뛰어난 속성을 갖는다.
고밀도 폴리에틸렌 또한 미정제 가스와 함께 사용하기에 적합하다.
미정제 가스 성분에 대해 불침투성인 다른 라이너 재료들이 본 명세서의 개시에 기초하여 용이하게 인식될 수 있고 임의의 타입의 용기 또는 용기 라이너와 함께 본 발명의 복합 보스를 갖는 압력 용기는 본 발명의 범위 내에 있다.
본 명세서에 설명된 압력 용기는 다양한 가스들, 예컨대 보어 웰(bore well)로부터 직접 나오는 미정제 가스, 예컨대 미정제 CNG 또는 RCNG 같은 압축된 미정제 천연 가스, 또는 H2, 또는 CO2 또는 처리된 천연 가스(메탄), 또는 14몰% 이하의 CO2 허용량, 1,000 ppm 이하의 H2S 허용량을 가지는 미정제 또는 부분 처리된 천연 가스, H2 및 CO2 가스 불순물, 또는 다른 불순물 또는 부식성 물질을 운반할 수 있다. 그러나, 바람직한 용도는 미정제 CNG, 부분 처리된 CNG 또는 청정 CNG를 처리하여 예를 들면 상업적, 산업적 또는 주거용으로 최종 사용자에게 전달할 수 있는 표준 상태까지 CNG를 수송하는 것이다.
CNG는 다양한 잠재적인 성분 부분들을 다양한 혼합 비율로 포함할 수 있는데, 이때 성분들 중 일부는 기체상이며 그 외는 액체상이거나 또는 이들의 혼합 상태이다. 이들 성분 부분들은 전형적으로 다음 화합물의 1종 이상을 포함한다: C2H6, C3H8, C4H10, C5H12, C6H14, C7H16, C8H18, C9+ 탄화수소, CO2 및 H2S, 및 잠재적으로 톨루엔, 디젤 및 액체상 옥탄, 및 기타 불순물/물질.
이상으로 본 발명은 오직 예로서 설명되었다. 이하 첨부된 청구항의 범위 내에서 본 발명의 세부적인 변형이 가능할 것이다.

Claims (22)

  1. 일체형 복합 보스(one-piece composite boss)를 포함하는 압력 용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 일체형 복합 보스는,
    근위단, 원위단, 외면 및 내면을 갖는 세장형 중공 실린더를 포함하고,
    상기 내면은 상기 실린더의 중공 부분의 직경을 형성하며,
    상기 실린더의 상기 외면의 일부분은 상기 압력 용기에 원형 개구를 형성하는 상기 압력 용기의 벽부의 두께와 인접(contiguous)하고,
    상기 실린더의 상기 근위단은 근위단 표면에서 상기 압력 용기의 외부에서 종단하며,
    상기 근위단 표면은 둘레에 배치된 복수의 스레드 홀(threaded hole)을 포함하고,
    상기 실린더의 상기 원위단은 상기 압력 용기의 내면과 인접한 플랜지 표면을 갖는 플랜지에서 종단하며,
    상기 플랜지의 직경은 상기 압력 용기의 상기 원형 개구의 직경보다 크고, 상기 플랜지 표면이 상기 원형 개구의 직경과 만나는 지점에서의 상기 플랜지의 두께는 상기 압력 용기에 격납된 압축 유체에 의해 가해지는 압력을 견디기에 충분한, 압력 용기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복합 보스의 표면은 상기 압력 용기의 동작 압력에서 상기 압축 유체에 의해 실질적으로 불가입성(impenetrable)인 재료층에 의해 상기 압축 유체로부터 분리되고, 그렇지 않으면 상기 압축 유체와 접촉하는, 압력 용기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 재료층은 또한 상기 압축 유체에 대해 실질적으로 비활성인, 압력 용기.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 재료층은 금속, 세라믹 또는 폴리머를 포함하는, 압력 용기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 압력 용기의 형상은, 구(sphere), 편구(oblate spheroid), 원환체(torus) 또는 1개 또는 2개의 돔형 단부를 구비한 세장형 중공 실린더를 포함하는, 압력 용기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압력 용기는, 내부에 격납된 상기 압축 유체에 의해 가해지는 압력을 견디기에 충분한 두께의 금속으로 전체가 이루어지는, 압력 용기.
  8. 제6항에 있어서,
    1개 또는 2개의 돔형 단부를 구비한 상기 중공 실린더는, 폴리머 복합물로 후프-랩핑된(hoop-wrapped) 얇은 금속 라이너를 포함하고,
    상기 1개 또는 2개의 돔형 단부는, 상기 압력 용기에 격납된 상기 압축 유체에 의해 가해지는 압력을 견디기에 충분한 두께의, 상기 라이너의 금속과 동일하거나 상이할 수 있는 금속을 포함하는, 압력 용기.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 중공 실린더 및 상기 1개 또는 2개의 돔형 단부는, 얇은 금속 라이너를 포함하며,
    상기 중공 실린더는 폴리머 복합물로 후프-랩핑되고,
    상기 중공 실린더 및 상기 돔형 단부는 상기 후프-랩핑의 폴리머 복합물과 동일하거나 상이할 수 있는 폴리머 복합물로 이소텐소이드-랩핑(isotensoidally-wrapped)되는, 압력 용기.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 중공 실린더 및 상기 1개 또는 2개의 돔형 단부는, 폴리머 복합물로 후프-랩핑되거나, 이소텐소이드-랩핑되거나 또는 후프-랩핑 및 이소텐소이드-랩핑의 조합으로 랩핑된 폴리머 라이너를 포함하는, 압력 용기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복합 보스의 표면과 상기 폴리머 복합물 랩핑 사이에 배치되는 전단층(shear ply)을 더 포함하고, 상기 전단층은 그렇지 않으면 보스 표면이 랩핑 표면과 직접 접촉하는 위치에 배치되는, 압력 용기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    제2항 및 제6항에 의존하는 경우, 상기 플랜지의 직경은 적어도 상기 1개 또는 2개의 돔형 단부 윤곽의 변곡점까지 연장하는, 압력 용기.
  13. 제2항 또는 제12항에 있어서,
    제8항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 의존하는 경우, 상기 폴리머 복합물은 열경화성 폴리머 매트릭스를 포함하는, 압력 용기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 열경화성 폴리머 매트릭스는, 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 비닐 에스테르 수지, 폴리이미드 수지, 다이사이클로펜타다이엔(dicyclopentadiene) 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 압력 용기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 열경화성 폴리머 매트릭스는, 적어도 92% 순도의 다이사이클로펜타다이엔을 포함하는 프리폴리머 제제로부터 형성되는, 압력 용기.
  16. 제2항, 제13항, 제14항 또는 제15항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 폴리머 복합물은 섬유 재료를 포함하는, 압력 용기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 섬유 재료는, 금속 섬유, 세라믹 섬유, 천연 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 압력 용기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 섬유 재료는, 유리 섬유 및 탄소 섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 압력 용기.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 복합 보스의 근위단 표면의 스레드 홀과 맞물리는 스레드 외면(threaded outer surface) 및 외부 파이프 연결 디바이스의 스레드와 맞물리는 사이즈의 스레드 내면(threaded inner surface)을 갖는 금속 인서트(insert)를 더 포함하는, 압력 용기.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 압축 유체는, 압축 천연 가스를 포함하는, 압력 용기.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 압축 천연 가스는 미정제 압축 천연 가스를 포함하는, 압력 용기.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 하나의 항에 따른 압력 용기를 포함하는 선박.
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