KR20140114358A - 복합 돔부를 구비한 타입 i 압력 용기 - Google Patents

복합 돔부를 구비한 타입 i 압력 용기 Download PDF

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KR20140114358A
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브라이언 스펜서
재커리 스펜서
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블루 웨이브 컴퍼니 에스.에이.
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Abstract

본 발명은 복합 돔부 및 금속 실린더형 중심부를 포함하는 압력 용기에 관한 것으로서, 돔부 및 중심부는 모두 용기 내에 격납된 유체에 의해 가해지는 압력을 견딜 수 있는 두께이다. 돔부를 중심부에 결합시키는 방법 또한 개시된다.

Description

복합 돔부를 구비한 타입 I 압력 용기{TYPE I PRESSURE VESSEL WITH COMPOSITE DOME}
본 발명은 압축 유체의 격납 및 수송을 위하여 사용되는 타입 I 압력 용기에 관한 것으로서, 이러한 용기는 1개 또는 2개의 복합 돔형 단부를구비한다.
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 대해 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 금속 돔부(dome)로 캡핑된(capped) 모두 금속인 실린더로 수송되었고, 그 결과 압축 용기는 격납되어 있는 유체의 중량에 비해 매우 무거웠다. 이러한 문제점은 압축 유체의 해상 수송을 위해 현재 가장 광범위하게 사용되는 압력 용기가 소위 타입 I 압력 용기라는 사실에 의해 악화되는데, 타입 I 압력 용기는 용기 내에 격납된 압축 유체에 의해 생성되는 압력을 견딜 수 있을 정도로 충분히 두꺼운 금속 실린더형 중심부 및 금속 돔부 또는 돔부들로 이루어진 모두-금속인 용기이다.
완전히 새로운 타입의 가벼운 압력 용기의 도입과 관련하여 통상적으로 장시간이 소요되는 승인 프로세스를 피하거나 실질적으로 단축하기 위하여 현재 승인된 타입 I 용기의 대부분의 특징을 유지하면서 타입 I 압력 용기의 중량을 어떻게 감소시킬 것인지가 문제이다. 본 발명은 금속 돔부 대신 복합 돔부의 형태로 이러한 문제점에 대한 해결책을 제공한다.
따라서, 본 발명의 일 태양은, 근위 단부, 원위 단부 및 압력 용기가 사용되는 경우 생성되는 의도된 내부 압력을 견디기에 충분한 두께의 벽부를 갖는 세장형의 금속 중공 실린더형 중심부; 및 에이펙스, 원형 단면 베이스 및 내면과 외면과 압력 용기가 사용되는 경우 생성되는 의도된 내부 압력을 견디기에 충분한 두께를 갖는 벽부를 갖는 복합 돔부를 포함하는 압력 용기에 관한 것이며, 복합 돔부의 원형 단면 베이스는 실린더형 중심부의 근위 단부에 결합한다.
본 발명의 일 태양에서, 복합 돔부는 압력 용기에 격납된 유체와 접촉할 수 있는 내면의 임의의 부분 상에 투과 장벽 층을 더 포함한다.
본 발명의 일 태양에서, 압력 용기는 에이펙스, 원형 단면 베이스 및 내면과 외면과 압력 용기가 사용되는 경우 생성되는 의도된 내부 압력을 견디기에 충분한 두께를 갖는 벽부를 갖는 제2 복합 돔부를 더 포함하고, 제2 복합 돔부의 원형 단면 베이스는 실린더형 중심부의 원위 단부에 결합한다.
본 발명의 일 태양에서, 복합 돔부는 압력 용기에 격납된 유체와 접촉할 수 있는 내면의 임의의 부분 상에 투과 장벽 층을 더 포함한다.
본 발명의 일 태양은 세장형의 금속 중공 실린더형 중심부를 제공하는 단계; 돔 에이펙스에 의해 형성되는 근위 단부, 원형 단면 베이스에 의해 형성되는 원위 단부 및 벽부를 갖는 복합 돔부를 제공하는 단계; 및 복합 돔부의 원형 단면 베이스를 실린더형 중심부의 근위 단부에 결합시키는 단계를 포함하는 압력 용기 제조 방법이며, 실린더형 중심부는 근위 단부, 원위 단부 및 압력 용기가 사용되는 경우 생성되는 의도된 내부 압력을 견디기에 충분한 두께의 벽부를 갖고, 벽부는 내면, 외면 및 압력 용기가 사용되는 경우 생성되는 의도된 내부 압력을 견디기에 충분한 두께를 갖는다.
본 발명의 일 태양에서, 상기 방법에서, 원형 단면 베이스를 실린더형 중심부의 근위 단부에 결합시키는 단계는 원형 단면 베이스로 종단하는 실린더형 베이스 연장부를 구비하는 상기 복합 돔부를 형성하는 단계; 실리더형 베이스 연장부의 외면의 원주 주위에 미리 선택된 직경을 갖는 반원형 홈을 형성하는 단계; 실리더형 베이스 연장부의 내면의 원주 주위에 실린더형 베이스 연장부 홈과 동일한 직경을 갖는 반원형 홈을 형성하는 단계; 실린더형 베이스 연장부의 외면 또는 실린더형 베이스 연장부의 내면 중 하나의 원주 주위에 추가 홈을 형성하는 단계; 추가 홈으로 시일을 삽입하는 단계; 실린더형 베이스 연장부를, 반원형 홈들이 정렬하여 원형 단면 원주 캐비티를 형성할 때까지 실린더형 중심부의 근위 단부로 삽입하는 단계; 원주 캐비티와 교차할 때까지 실린더형 중심부의 외면으로부터 연장하는 원형 단면 루멘을 형성하는 단계; 루멘 및 원주 캐비티의 직경보다 점진적으로 작은 직경을 갖는 가요성 와이어를 루멘을 통하여 원주 캐비티로 삽입하는 단계; 및 가요성 와이어가 원주 캐비티의 전체 원주를 실질적으로 가로지를 때까지 가요성 와이어를 원주 캐비티를 통해 진출시키는 단계를 포함하고, 실린더형 베이스 연장부는 실린더형 베이스 연장부가 실린더형 중심부로 삽입되도록 하는 외경을 가지며, 추가 홈은 그 표면에 있는 반원형 홈과 원형 단면 베이스 또는 실린더형 중심부의 근위 단부 사이에 배치되고, 루멘은 원주 캐비티와 실질적으로 동일한 직경을 갖는다.
본 발명의 일 태양에서, 상기 방법에서, 시일은 오-링 시일, 립 시일, 컵 시일, 브이-시일, 보어 시일 및 페이스 시일로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
본 발명의 일 태양에서, 상기 방법에서, 가요성 와이어는 스틸, 티타늄, 알루미늄 및 니켈계 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
본 발명의 일 태양에서, 상기 방법에서, 복합 돔부를 실린더형 금속 튜브와 결합시키는 단계는 원형 단면 베이스로부터 원주 외측으로 연장하는 돔부 플랜지를 구비한 복합 돔부를 형성하는 단계; 실린더형 중심부의 근위 단부로부터 원주 외측으로 연장하는 중심부 플랜지를 구비한 실린더형 중심부를 형성하는 단계; 실린더형 중심부의 근위 단부에 원주 캐비티를 형성하는 단계; 원주 캐비티에 시일을 삽입하는 단계; 돔부 플랜지의 관통-홀과 중심부 플랜지의 관통-홀이 정렬하도록 돔부 플랜지를 중심부 플랜지와 인접하게 배치하는 단계; 및 정렬된 관통-홀을 통하여 배치된 패스너로 돔부 플랜지를 중심부 플랜지에 결합시키는 단계를 포함하고, 돔부 플랜지는 플랜지 원주 주위에 배치된 복수의 관통-홀을 가지며, 중심부 플랜지는 플랜지 원주 주위에 배치된 복수의 관통-홀을 갖고, 돔부 플랜지는 중심부 플랜지의 표면에 인접하게 배치될 수 있는 표면을 포함하며, 플랜지들이 인접한 경우 상기 관통-홀들이 정렬하고, 원주 캐비티는 실린더형 중심부의 두께 내에 배치된다.
본 발명의 일 태양에서, 상기 방법에서, 패스너는 너트 및 볼트 어셈블리를 포함한다.
본 발명의 일 태양에서, 상기 방법에서, 복합 돔부를 실린더형 금속 튜브와 결합시키는 단계는 원형 단면 베이스로부터 원주 외측으로 연장하는 돔부 플랜지를 구비한 복합 돔부를 형성하는 단계; 실린더형 중심부의 근위 단부로부터 그에 평행하게 원주 외측으로 연장하는 중심부 플랜지를 구비한 실린더형 중심부를 형성하는 단계; 돔부 플랜지 또는 중심부 플랜지에 원주 캐비티를 형성하는 단계; 시일을 캐비티로 삽입하는 단계; 돔부 플랜지를 중심부 플랜지와 인접하게 배치하는 단계; 돔부 플랜지 표면의 테이퍼와 반대로 테이퍼되고 돔부 플랜지의 근위 표면 테이퍼와 실질적으로 동일한 길이인 근위 표면, 테이퍼된 표면이 시작하는 지점으로부터 중심부 플랜지의 표면에 평행하게 외측으로 연장하는 하부 표면 및 테이퍼된 표면이 끝나는 지점으로부터 하부 표면에 평행하게 외측으로 연장하는 상부 표면을 가지는 단면을 갖는 별개의 금속 환형 링을 제공하는 단계; 돔부 플랜지를 중심부 플랜지와 인접하게 배치하는 단계; 금속 환형 링의 하부 표면이 중심부 플랜지의 표면과 인접하고, 금속 환형 링의 상기 테이퍼된 표면이 돔부 플랜지의 테이퍼된 표면과 인접하도록 금속 환형 링을 복합 돔부 상에 배치하는 단계; 및 환형 링을 중심부 플랜지에 결합시키는 단계를 포함하고, 돔부 플랜지는 돔부 베이스와 평행한 원위 표면 및 복합 돔부의 외면에서의 돔부 플랜지의 기점으로부터 돔부 플랜지의 외측 에지를 향하여 테이퍼된 근위 표면을 가지며, 중심부 플랜지는 돔부 플랜지보다 길다.
본 발명의 일 태양에서, 상기 방법에서, 환형 링을 중심부 플랜지에 결합시키는 단계는 환형 링과 중심부 플랜지를 함께 용접하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 태양에서, 상기 방법에서, 환형 링을 중심부 플랜지에 결합시키는 단계는 환형 링 및 중심부 플랜지에 관통-홀을 형성하는 단계; 및 관통-홀로 삽입된 패스너를 이용하여 환형 링을 중심부 플랜지에 결합시키는 단계를 포함하고, 관통-홀은 환형 링과 중심부 플랜지가 인접한 경우 정렬한다.
본 발명의 일 태양에서, 상기 방법에서, 패스너는 너트 및 볼트 어셈블리를 포함한다.
본 발명의 일 태양에서, 상기 방법에서, 환형 링을 중심부 플랜지에 결합시키는 단계는 복수의 C-클램프를 이용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 태양에서, 복합 돔부는 폴리머 매트릭스에 삽입된 섬유 재료를 포함한다.
본 발명의 일 태양에서, 섬유 재료는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
본 발명의 일 태양에서, 폴리머 매트릭스는 다이사이클로펜타다이엔 폴리머 제제를 포함한다.
본 발명의 일 태양에서, 다이사이클로펜타다이엔 폴리머 제제는 적어도 92% 순도의 다이사이클로펜타다이엔을 포함한다.
이 도면들은 전적으로 본 발명의 이해를 돕기 위한 목적으로 제공된다. 이 도면들은 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하는 것으로서 해석되는 것을 의도한 것이 아니다.
또한 일부 도면에서 다양한 컴포넌트의 표면이 이격되어 있는 것으로 도시되어 있으나 이하의 설명은 이러한 표면이 인접해 있는 것을, 즉 서로 접촉하는 것을 명시할 수 있음을 유의해야 한다. 이들 표면은, 단지 표면 사이의 관계를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 목적으로 도면에서는 이격되도록 도시된다는 것이 이해되어야 한다.
도 1은 복합 돔부 및 금속 실린더형 중심부를 갖는 본 발명의 압력 용기를 나타낸다. 돔부 및 중심부는 아래에 기재된 방법 중 하나에 의해, 즉, 중심부 및 돔부 상의 플랜지의 관통-홀을 통해 삽입된 외부 패스너를 이용하여 결합하여 도시된다. 이것은 돔부와 중심부를 결합하는 하나의 방법이지만 본 발명을 어떠한 방법으로도 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 복합 돔부 및 금속 실린더형 중심부를 갖는 본 발명의 압력 용기를 나타내는 것으로서, 돔부 및 중심부는 돔부 표면 및 중심부 표면의 반원형 홈으로 형성되는 원형 단면 캐비티를 가로지르는 와이어에 의해 서로 결합된다.
도 3은 복합 돔부 및 금속 실린더형 중심부를 갖는 본 발명의 압력 용기를 나타내는 것으로서, 돔부는 패스너가 배치되는 관통-홀을 갖는 플랜지에 의해 중심부에 결합된다.
도 4는 복합 돔부 및 금속 실린더형 중심부를 갖는 본 발명의 압력 용기를 나타내는 것으로서, 돔부는, 중심부 상의 플랜지에 결합되고 돔부 상의 플랜지에 중첩함으로써 돔부를 중심부에 고정하는 환형 우측부에 의해 중심부에 결합된다.
이 설명 및 첨부된 청구항과 관련하여, 명시적으로 언급되거나 문맥으로부터 명백하게 분명한 경우가 아니라면, 본 발명의 임의의 측면에 대한 단수형의 임의의 언급은 복수형을 포함하며 그 반대도 동일하다.
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, 얼마나 큰 변화가 도입될 수 있는지, 그리고 얼마나 큰 변화가 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자로 하여금 수정된 버전이 근사치 용어에 의해 수정되지 않은 단어 또는 문구의 속성, 특성 및 기능을 여전히 갖는 것으로 인식하도록 할 수 있는지에 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 예컨대 본 발명의 보스의 용기 라이너에 대한 배향과 같이 하나의 객체를 다른 객체에 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 중간층이 없으면 직접 접촉할 수 있는 두 개의 표면을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는, "바람직한", "바람직하게" 또는 "더욱 바람직하게" 등은 본 특허 출원의 출원시에 그들이 존재했던 때에 선호되는 것을 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는, "불투과성(impermeable)" 또는 "불침투성(impervious)"은 유체가 제1 물질로 이루어진 표면으로 임의의 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, "유체"는 가스, 액체 또는 가스와 액체의 혼합물을 지칭한다. 예를 들어, 비제한적으로, 천연 가스는, 지면(ground)으로부터 추출되어 처리 센터로 수송되는 동안, 흔히 가스와 액체 오염물이 혼합되어 있다. 이러한 혼합물은 본 발명의 목적을 위한 유체를 구성할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는, "복합물"은, 예컨대 금속, 세라믹, 유리 및 폴리머와 같이, 결합하여 임의의 개별 컴포넌트에 존재하지 않는 구조적 또는 기능적 속성을 만들어내는, 별개이지만 구조적으로 상호보완적인 둘 이상의 물질을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는, "필라멘트형 복합물(filamentous composite)"은 매트릭스 재료에 함침되거나, 삽입되거나, 또는 함침 및 삽입된 필라멘트형 재료로 이루어진 복합물을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는, "폴리머 필라멘트형 복합물"은 필라멘트형 재료가 삽입, 함침 또는 삽입 및 함침되어 있는 매트릭스가 폴리머를 포함하는 경우의 필라멘트형 복합물을 지칭한다.
본 발명의 돔부(dome)를 제조하기 위한 현재 바람직한 복합물은 실제로 폴리머 필라멘트형 복합물이다. 폴리머 매트릭스는 예컨대 본 발명의 압력 용기에서 알 수 있는 바와 같은 고압 환경에서의 사용에 부합하는 속성을 갖는 것으로 알려지거나 발견된 임의의 폴리머일 수 있다.
열가소성 폴리머, 열가소성 엘라스토머, 열경화성 폴리머 및 이들의 조합이 본 발명의 돔부의 제조를 위한 복합물의 매트릭스 폴리머로서 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 필라멘트로 삽입되거나 그와 결합할 수 있다는 것이다.
열경화성 폴리머의 또 다른 이점은 통상적으로 그러한 열경화성 폴리머가, 그들이 섬유/필라멘트와 결합하는 온도와 동일한 온도에서 화학적으로 등온 경화될 수 있다는 것인데, 이러한 온도는 실온일 수 있다.
적합한 열경화성 폴리머는, 비제한적으로, 에폭시 폴리머, 폴리에스테르 폴리머, 비닐 에스테르 폴리머, 폴리이미드 폴리머, 다이사이클로펜타다이엔(dicyclopentadiene: DCPD) 폴리머 및 그들의 조합을 포함한다.
다이사이클로펜타다이엔 폴리머가 현재로서는 바람직하다. 본 명세서에서 사용되는, "다이사이클로펜타다이엔 폴리머"는 다이사이클로펜타다이엔 모노머를 주로 포함, 즉, 85% 이상 포함하는 폴리머를 지칭한다. 그 다음 모노머 함량 중 나머지는 다른 반응성 에틸렌 모노머를 포함할 것이다.
본 발명의 돔부를 제조하는데 사용될 프리폴리머 제제(prepolymer formulation)의 다이사이클로펜타다이엔이 적어도 92%의 순도, 바람직하게는 적어도 98%의 순도를 갖는 것이 또한 현재 바람직하다.
본 명세서에서 사용되는, "프리폴리머 제제"는, 경화 전에 적어도 92% 순도의 다이사이클로펜타다이엔을 하나 이상의 반응성 에틸렌 모노머(들), 중합 개시제(polymerization initiator) 또는 경화제와 임의의 다른 바람직한 첨가제를 더하여 혼합한 혼합물을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는, 반응성 에틸렌 모노머는 적어도 하나의 에틸렌, 즉, -C=C-, 결합을 포함하는 저분자(small molecule)를 지칭하는데, 이는 본 명세서에서의 DCPD 중합을 위한 바람직한 조건 하에서 DCPD와 반응할 수 있고 DCPD 프리폴리머 제제의 원하는 동작 온도에서 유동성 액체이다. 즉, 반응성 에틸렌 모노머의 선택된 양을 DCPD와 혼합하여 그 결과 선택된 제조 온도에서 순수한 DCPD보다 점도가 작은 프리폴리머 제제가 생성된다. 따라서 본 발명의 돔부를 형성하기 위하여 몰드에 증착하는 것이 더욱 용이하다.
일반적으로, 임의의 타입의 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.
본 발명의 폴리머 복합 돔부는 그 분야의 통상의 기술자에게 알려진 임의의 기술에 의해 제조될 수 있다. 특히, 다이사이클로펜타다이엔 수지와 관련하여, 반응 사출 성형(reaction injection molding: RIM)이 현재로서 바람직한 제조 기술이다.
복합 돔부 및 금속 중심부를 포함하는 압력 용기가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 압력 용기는 가늘고 긴(elongate) 실린더형 중심부(1) 및 폴리머 복합 돔부(5)를 포함한다. 실린더형 중심부(1)는 금속, 예컨대, 비제한적으로, 스테인리스 스틸, 탄소 스틸, 철 또는 알루미늄으로 제조되지만, 돔부(5)는 전술한 바와 같이 복합물로 제조된다. 실린더형 중심부(1)의 벽부(15)의 두께(10)는 정상적으로 사용되는 경우 압력 용기에 격납된 압축 유체에 의해 가해지는 내부 압력을 견딜 수 있다. 바로 위에 나열한 것과 같은 가장 흔히 사용되는 금속의 경우, 다양한 의도된 내부 압력에 대한 최소 두께는 ASME(American Society of Mechanical Engineers), DNV(Det Norske Veritas), ABS(Americal Business Standards) 및 ISO(International Organization for Standardization)에 의해 정해진 표준에 따라 결정된다. 일반적으로, 이들 조직이 제공하는 것은 주어진 압력 하에서 유체를 격납한 용기가 견뎌낼 수 있어야 하는 특정 응력(stress) 값이다. 압력 용기를 제조하는데 사용되는 재료 - 본 발명의 목적의 경우 금속 및 복합물 - 에 따라, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 요구되는 응력 값에 기초하여 각각의 컴포넌트의 벽부의 필요한 두께를 쉽게 결정할 수 있을 것이다. 돔부(5)의 벽부(13)의 두께(20) 또한 정상적인 사용의 경우 압력 용기에 격납된 압축 유체에 의해 가해지는 내부 압력을 견디기에 충분하다. 도면에 도시된 바와 같이 실린더형 중심부(1)의 벽부(15)의 두께(10)와 돔부(5)의 벽부(13)의 두께(20)가 서로 동일한 것을 제안할 수 있으나, 이는 일반적인 경우가 아니며 도면은 이러한 것을 나타내는 것으로 해석되어서는 안 된다. 일반적으로, 두께(20)는 두께(10)보다 약간 크거나 상당히 더 클 것이다. 도 1에서, 복합 돔부는 플랜지(flange)(11 및 13)를 통하는 패스너(fastener)(9)에 의해 금속 중심부에 결합되는 것으로 도시되어 있다. 이것은 도 3에 보다 상세하게 나타나 있다. 도 1 및 도 3은 돔부와 중심부가 결합될 수 있는 하나의 방식을 도시하고 있으나, 결코 제한적인 것이 아니며 제한하는 것으로 해석되어서도 안 된다. 돔부를 중심부에 결합하는 다른 방법이 본 명세서 및 도 2 및 도 4에서 설명된다.
정상적인 사용에서 용기 내의 가압된 유체와 접촉하는 돔부(5)의 표면은 투과 장벽 층(permeation barrier layer)(25)을 포함할 수 있는데, 이 층은 용기 내에 격납된 특정 유체에 대해 불침투성 및 비활성인 재료를 포함한다. 이러한 재료는, 비제한적으로, 금속, 세라믹 및 폴리머를 포함한다. 사용될 수 있는 폴리머는 폴리에틸렌 및 다이사이클로펜타다이엔 폴리머를 포함하지만 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 다른 재료도 용이하게 인식될 수 있다.
본 발명의 복합 돔부는 도 2에 도시된 바와 같이 실린더형 금속 중심부에 결합될 수 있다. 도 2에서, 돔부(5)는 돔-형상 부분(18) 및 실린더형 베이스 연장부(cylindrical base extension)(22)로 이루어진다. 베이스 연장부(22)는 도시된 바와 같이 중심부(1)로 삽입될 수 있도록 하는 외경(27)을 갖는다. 베이스 연장부(22)의 외면(32)은 원주 반원형 홈(circumferential semicircular groove)(30)을 포함하고, 중심부(1)의 내면(35)은 상호보완적인, 원주 반원형 홈(40)을 포함한다. 베이스 연장부(22)는 2개의 표면의 반원형 홈이 정렬되어 원주 원형 단면 캐비티(circumferential circular cross-section cavity)를 형성할 때까지 중심부(1)로 삽입된다. 베이스 연장부(22)의 외면(32) 또는 중심부(1)의 내면(35)은 선택적인 형상일 수 있는 추가의 홈(45)을 포함한다. 도면에서, 홈(45)은 베이스 연장부(22)의 외면(32)에 있는 것으로 도시되어 있다. 베이스 연장부(22)를 중심부(1)로 삽입하기 전에, 돔부(5)와 중심부(1)의 교차점을 완전히 밀폐하기 위하여 시일(seal)이 홈(45)에 배치될 수 있다. 시일은 도 2에 도시되어 있지 않다.
본 명세서에서, "시일(seal)"은 두 개의 환경을 효과적으로 서로 격리시킬 재료를 지칭한다. 압력 용기의 경우에, 외부 환경이 용기에 격납된 가압 유체로부터 격리된다. 시일은 용기 내에 수송될 유체에 대해 불침투성 및 비활성이고 가요성인 재료로 이루어진다. 이러한 재료는, 바이턴(Viton), BUNA, 실리콘, 테플론, 스테인리스 스틸 및 기타 금속을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
중심부(1)의 벽부(50)는 또한 루멘(lumen)(55)을 포함하는데, 루멘은 외면(60)으로부터 반원형 홈(40)까지의 두께(10)를 가로질러서 홈(30 및 40)이 정렬되는 경우 형성되는 원형 단면 캐비티(70)를 가로막는다. 홈이 정렬되면, 가요성 금속 와이어(80)가 루멘(55)으로 삽입되고 캐비티(70) 주위를 완전히 가로지를 때까지 원형 단면 캐비티(70)로 진출한다. 와이어는 압력 용기가 정상적으로 사용되는 경우 격납된 유체에 의해 생성되는 압력 하에서 전단되는(sheared) 것을 방지하는 두께이다.
복합 돔부를 본 발명의 압력 용기의 실린더형 금속 중심부에 결합하는 다른 방법은 원형 단면 베이스(105)에 플랜지(100)를 구비한 돔부(150)를 형성하는 과정을 포함한다. 실린더형 중심부(190) 또한 플랜지(125)를 구비한다. 플랜지(100) 및 플랜지(125)는 복수의 관통-홀(115 및 110)을 구비한다. 중심부(190)의 근위 표면(proximal surface)(130)은 또한 그 안에 형성되는 홈(120)를 갖는다. 시일(도시되지 않음)이 홈(120)에 삽입되고 플랜지(100)는 플랜지(125)와 인접하게 배치되며, 시일은 용기의 내부 부분을 외부로부터 완전히 격리시킨다. 플랜지는 그 다음 관통-홀(110 및 115)로 삽입된 패스너를 이용하여 결합된다. 현재 바람직한 실시예에서, 패스너는 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있는 너트 및 볼트 어셈블리를 포함한다. 복합 돔부(5, 150)는 또한 압력 용기에 격납된 유체와 접촉할 수 있는 모든 표면에 불침투성 장벽 층(140)을 포함한다.
복합 돔부를 금속 중심부에 결합하는 또 다른 방법이 도 4에 도시된다. 도 4에서, 돔부(155)에 플랜지(200)가 형성된다. 플랜지(200)는 테이퍼된 표면(tapered surface)(205)을 갖는다. 실린더형 중심부(195)는 표면(210)에 홈(225)을 갖는 플랜지(220)를 갖는다. 환형 링(Annular ring)(230)은 또한 테이퍼된 표면인 표면(235)을 갖는데, 표면(235)은 표면(205)과 반대 방향으로 테이퍼되어서, 테이퍼된 표면들이 서로 인접한 경우 환형 링(230)의 하부 표면(240)이 플랜지(220)의 상부 표면(210)에 인접하게 된다. 압력 용기를 조립하기 위하여, 시일이 홈(225)에 배치되고 돔부(155)의 플랜지(200)가 중심부(195)의 플랜지(220)에 인접하게 배치된다. 환형 링(230)은 표면(240)이 플랜지(220)의 표면(210)에 인접하고 테이퍼된 표면(235)이 테이퍼된 표면(205)에 인접하게 될 때까지 돔부(155) 위에 배치된다. 플랜지(220)의 표면(210)은 그 다음 환형 링(230)의 표면(240)에 용접될 수 있다. 대안적으로, 환형 링(230)은 복수의 관통-홀(250)을 포함할 수 있고 플랜지(220)는 복수의 관통-홀(260)을 포함할 수 있는데, 표면(210)이 표면(240)에 인접하게 배치되는 경우, 관통-홀이 정렬된다. 그 다음 환형 링(230)은 관통-홀을 이용하여 예컨대, 비제한적으로 너트 및 볼트 어셈블리와 같은 체결 장치에 의해 플랜지(220)에 고정될 수 있다.
원하는 경우, 관통-홀(250 및 260)은 생략될 수 있고, 환형 링(230)을 플랜지(220)에 용접하지 않는 것이 여전히 바람직한 경우, 환형 링(230)은 그 원주 주위에 배치된 복수의 C-클램프(clamp)에 의해 플랜지(220)에 고정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 돔부(155)는 또한 압력 용기에 격납된 유체와 접촉할 수 있는 모든 표면에 불침투성이고 비활성인 장벽 층(270)을 구비할 수 있다.
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 다른 가스, 예컨대, 질소, 이산화탄소, 황화수소 및 헬륨과 같이 물 또한 존재할 수 있다. 이들 중 일부는 그 자체가 반응성이거나 또는 예컨대 물에 용해되면 산을 생성하는 이산화탄소 및 황화수소와 같이 물에 용해되는 경우 반응성일 수 있다. 일반적으로 본 발명의 압력 용기의 중심부의 금속은 미정제 가스의 격납 및 수송에 매우 적합하다. 반면, 복합 돔부는 그것의 고유의 구조로 인하여, 미정제 가스의 일부 성분에 대해 다소 투과성이 있고 반응성을 가질 가능성이 있는데, 이 경우 돔부의 부분 중 미정제 가스와 접촉할 부분 상에 불침투성 및 비활성 층을 사용할 수 있다.
즉, 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 CNG일 수 있는 CNG를, 예를 들면 상업적, 산업적 또는 주거용으로 최종 사용자에게 전달할 수 있는 표준 상태로 처리하여 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.
본 발명의 이러한 특징 및 기타 특징은 청구항 및/또는 본 명세서의 범위 내에서 독립적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다.
이상으로 본 발명은 오직 예로서 설명되었다. 이하 첨부된 청구항의 범위 내에서 본 발명의 세부적인 변형이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 근위 단부, 원위 단부 및 압력 용기가 사용되는 경우 생성되는 의도된 내부 압력을 견디기에 충분한 두께의 벽부를 갖는 세장형의 금속 중공 실린더형 중심부; 및
    에이펙스(apex), 원형 단면 베이스 및 내면과 외면과 상기 압력 용기가 사용되는 경우 생성되는 의도된 내부 압력을 견디기에 충분한 두께를 갖는 벽부(wall)를 갖는 복합 돔부(composite dome)를 포함하고,
    상기 복합 돔부의 상기 원형 단면 베이스는 상기 실린더형 중심부의 상기 근위 단부에 결합하는, 압력 용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합 돔부는, 상기 압력 용기에 격납된 유체와 접촉할 수 있는 상기 내면의 임의의 부분 상에 투과 장벽 층을 더 포함하는, 압력 용기.
  3. 제1항에 있어서,
    에이펙스, 원형 단면 베이스 및 내면과 외면과 상기 압력 용기가 사용되는 경우 생성되는 의도된 내부 압력을 견디기에 충분한 두께를 갖는 벽부를 갖는 제2 복합 돔부를 더 포함하고,
    상기 제2 복합 돔부의 상기 원형 단면 베이스는 상기 실린더형 중심부의 상기 원위 단부에 결합하는, 압력 용기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복합 돔부는, 상기 압력 용기에 격납된 유체와 접촉할 수 있는 상기 내면의 임의의 부분 상에 투과 장벽 층을 더 포함하는, 압력 용기.
  5. 압력 용기 제조 방법에 있어서,
    세장형의 금속 중공 실린더형 중심부를 제공하는 단계로서, 상기 실린더형 중심부는, 근위 단부, 원위 단부 및 압력 용기가 사용되는 경우 생성되는 의도된 내부 압력을 견디기에 충분한 두께의 벽부를 갖는, 실린더형 중심부 제공 단계;
    돔 에이펙스에 의해 형성되는 근위 단부, 원형 단면 베이스에 의해 형성되는 원위 단부 및 벽부를 갖는 복합 돔부를 제공하는 단계로서, 상기 벽부는 내면, 외면 및 상기 압력 용기가 사용되는 경우 생성되는 의도된 내부 압력을 견디기에 충분한 두께를 갖는, 복합 돔부 제공 단계; 및
    상기 복합 돔부의 상기 원형 단면 베이스를 상기 실린더형 중심부의 상기 근위 단부에 결합시키는 단계를 포함하는, 압력 용기 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 원형 단면 베이스를 상기 실린더형 중심부의 상기 근위 단부에 결합시키는 단계는,
    상기 원형 단면 베이스로 종단하는 실린더형 베이스 연장부를 구비하는 상기 복합 돔부를 형성하는 단계로서, 상기 실린더형 베이스 연장부는, 상기 실린더형 베이스 연장부가 상기 실린더형 중심부로 삽입되도록 하는 외경을 갖는, 복합 돔부 형성 단계;
    상기 실리더형 베이스 연장부의 외면의 원주 주위에 미리 선택된 직경을 갖는 반원형 홈(groove)을 형성하는 단계;
    상기 실리더형 베이스 연장부의 내면의 원주 주위에 상기 실린더형 베이스 연장부 홈과 동일한 직경을 갖는 반원형 홈을 형성하는 단계;
    상기 실린더형 베이스 연장부의 외면 또는 상기 실린더형 베이스 연장부의 내면 중 하나의 원주 주위에 추가 홈을 형성하는 단계로서, 상기 추가 홈은, 그 표면에 있는 반원형 홈과 상기 원형 단면 베이스 또는 상기 실린더형 중심부의 상기 근위 단부 사이에 배치되는, 추가 홈 형성 단계;
    상기 추가 홈으로 시일(seal)을 삽입하는 단계;
    상기 실린더형 베이스 연장부를, 상기 반원형 홈들이 정렬하여 원형 단면 원주 캐비티(circumferential cavity)를 형성할 때까지 상기 실린더형 중심부의 상기 근위 단부로 삽입하는 단계;
    상기 원주 캐비티와 교차할 때까지 상기 실린더형 중심부의 외면으로부터 연장하는 원형 단면 루멘을 형성하는 단계로서, 상기 루멘은 상기 원주 캐비티와 실질적으로 동일한 직경을 갖는, 루멘 형성 단계;
    상기 루멘 및 상기 원주 캐비티의 직경보다 점진적으로 작은 직경을 갖는 가요성 와이어를 상기 루멘을 통하여 상기 원주 캐비티로 삽입하는 단계; 및
    상기 가요성 와이어가 상기 원주 캐비티의 전체 원주를 실질적으로 가로지를 때까지 상기 가요성 와이어를 상기 원주 캐비티를 통해 진출시키는 단계를 포함하는, 압력 용기 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 시일은 오-링 시일(o-ring seal), 립 시일(lip seal), 컵 시일(cup seal), 브이-시일(V-seal), 보어 시일(bore seal) 및 페이스 시일(face seal)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 압력 용기 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 가요성 와이어는 스틸, 티타늄, 알루미늄 및 니켈계 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 압력 용기 제조 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 복합 돔부를 상기 실린더형 금속 튜브와 결합시키는 단계는,
    상기 원형 단면 베이스로부터 원주 외측으로 연장하는 돔부 플랜지(dome flange)를 구비한 상기 복합 돔부를 형성하는 단계로서, 상기 돔부 플랜지는 플랜지 원주 주위에 배치된 복수의 관통-홀을 갖는, 복합 돔부 형성 단계;
    상기 실린더형 중심부의 상기 근위 단부로부터 원주 외측으로 연장하는 중심부 플랜지를 구비한 상기 실린더형 중심부를 형성하는 단계로서, 상기 중심부 플랜지는 플랜지 원주 주위에 배치된 복수의 관통-홀을 갖고, 상기 돔부 플랜지는 상기 중심부 플랜지의 표면에 인접하게 배치될 수 있는 표면을 포함하며, 상기 플랜지들이 인접한 경우 상기 관통-홀들이 정렬하는, 실린더형 중심부 형성 단계;
    상기 실린더형 중심부의 상기 근위 단부에 원주 캐비티를 형성하는 단계로서, 상기 원주 캐비티는, 상기 실린더형 중심부의 두께 내에 배치되는, 원주 캐비티 형성 단계;
    상기 원주 캐비티에 시일을 삽입하는 단계;
    상기 돔부 플랜지의 관통-홀과 상기 중심부 플랜지의 관통-홀이 정렬하도록 상기 돔부 플랜지를 상기 중심부 플랜지와 인접하게 배치하는 단계; 및
    정렬된 상기 관통-홀을 통하여 배치된 패스너(fastener)로 상기 돔부 플랜지를 상기 중심부 플랜지에 결합시키는 단계를 포함하는, 압력 용기 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 패스너는 너트(nut) 및 볼트(bolt) 어셈블리를 포함하는, 압력 용기 제조 방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 복합 돔부를 상기 실린더형 금속 튜브와 결합시키는 단계는,
    상기 원형 단면 베이스로부터 원주 외측으로 연장하는 돔부 플랜지를 구비한 상기 복합 돔부를 형성하는 단계로서, 상기 돔부 플랜지는, 돔부 베이스와 평행한 원위 표면 및 상기 복합 돔부의 외면에서의 상기 돔부 플랜지의 기점(origin)으로부터 상기 돔부 플랜지의 외측 에지를 향하여 테이퍼된(tapered) 근위 표면을 갖는, 복합 돔부 형성 단계;
    상기 실린더형 중심부의 근위 단부로부터 그에 평행하게 원주 외측으로 연장하는 중심부 플랜지를 구비한 상기 실린더형 중심부를 형성하는 단계로서, 상기 중심부 플랜지는 상기 돔부 플랜지보다 긴, 실린더형 중심부 형성 단계;
    상기 돔부 플랜지 또는 상기 중심부 플랜지에 원주 캐비티를 형성하는 단계;
    시일을 상기 캐비티로 삽입하는 단계;
    상기 돔부 플랜지를 상기 중심부 플랜지와 인접하게 배치하는 단계;
    상기 돔부 플랜지 표면의 테이퍼와 반대로 테이퍼되고 상기 돔부 플랜지의 근위 표면 테이퍼와 실질적으로 동일한 길이인 근위 표면, 테이퍼된 표면이 시작하는 지점으로부터 상기 중심부 플랜지의 표면에 평행하게 외측으로 연장하는 하부 표면 및 상기 테이퍼된 표면이 끝나는 지점으로부터 상기 하부 표면에 평행하게 외측으로 연장하는 상부 표면을 가지는 단면을 갖는 별개의 금속 환형 링을 제공하는 단계;
    상기 돔부 플랜지를 상기 중심부 플랜지와 인접하게 배치하는 단계;
    상기 금속 환형 링의 상기 하부 표면이 상기 중심부 플랜지의 표면과 인접하고, 상기 금속 환형 링의 상기 테이퍼된 표면이 상기 돔부 플랜지의 테이퍼된 표면과 인접하도록 상기 금속 환형 링을 상기 복합 돔부 상에 배치하는 단계; 및
    상기 환형 링을 상기 중심부 플랜지에 결합시키는 단계를 포함하는, 압력 용기 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 환형 링을 상기 중심부 플랜지에 결합시키는 단계는,
    상기 환형 링과 상기 중심부 플랜지를 함께 용접하는 단계를 포함하는, 압력 용기 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 환형 링을 상기 중심부 플랜지에 결합시키는 단계는,
    상기 환형 링 및 상기 중심부 플랜지에 관통-홀을 형성하는 단계로서, 상기 관통-홀은, 상기 환형 링과 상기 중심부 플랜지가 인접한 경우 정렬하는, 관통-홀 형성 단계; 및
    상기 관통-홀로 삽입된 패스너를 이용하여 상기 환형 링을 상기 중심부 플랜지에 결합시키는 단계를 포함하는, 압력 용기 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 패스너는 너트 및 볼트 어셈블리를 포함하는, 압력 용기 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 환형 링을 상기 중심부 플랜지에 결합시키는 단계는, 복수의 C-클램프를 이용하는 단계를 포함하는, 압력 용기 제조 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 복합 돔부는 폴리머 매트릭스에 삽입된 섬유 재료를 포함하는, 압력 용기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 섬유 재료는, 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 압력 용기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스는, 다이사이클로펜타다이엔 폴리머 제제를 포함하는, 압력 용기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 다이사이클로펜타다이엔 폴리머 제제는, 적어도 92% 순도의 다이사이클로펜타다이엔을 포함하는, 압력 용기.
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