KR20140115310A - 초고압 작동 압력 용기 - Google Patents

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KR20140115310A
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gas
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프란체스코 네티스
브라이언 스펜서
재커리 스펜서
구이세페 베르가민
줄리오 카리니
대니얼 디'아멜즈
지안프랑코 니소
파올로 레돈디
바니 네리 토마셀리
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블루 웨이브 컴퍼니 에스.에이.
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Abstract

본 발명은 초고압에서 가스를 격납 또는 수송하기 위한 고압 용기에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 이러한 압력에서 압축 천연 가스를 격납 또는 수송하기 위한 그러한 용기 및 이를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 가스를 육상 또는 해상에서 저장 또는 수송하는 방법에 관한 것이다.

Description

초고압 작동 압력 용기{ULTRA-HIGH OPERATING PRESSURE VESSEL}
본 발명은 선박에서 가압된 가스 또는 연료를 격납 또는 수송하기 위한 고압 용기에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 압축 천연 가스(CNG)를 격납 또는 수송하기 위한 그러한 용기에 관한 것이다.
본 발명은 또한 가스를 육상 또는 해상에서 저장 또는 수송하는 방법에 관한 것이다. 나아가, 본 발명은 가스, 특히 압축 천연 가스를 수송하기 위한 운송체에 관한 것이다.
본 발명은 PCT/EP2011/071793, PCT/EP2011/071797, PCT/EP2011/071805, PCT/EP2011/071794, PCT/EP2011/071789, PCT/EP2011/071799, PCT/EP2011/071788, PCT/EP2011/071786, PCT/EP2011/071810, PCT/EP2011/071809, PCT/EP2011/071808, PCT/EP2011/071800, PCT/EP2011/071811, PCT/EP2011/071812, PCT/EP2011/071815, PCT/EP2011/071813, PCT/EP2011/071814, PCT/EP2011/071807, PCT/EP2011/071801 및 PCT/EP2011/071818에 대해 우선권을 주장하며, 이러한 출원의 전체 내용은 원용에 의해 본원에 통합된다. 이러한 선행 출원에 개시된 압력 용기의 특징은, 요구되는 압력에서 유체를 저장하기 위한 적합한 저장 수단의 구조를 제공할 수 있다는 점에서 본 발명과 관련된다.
연료, 특히 압축 천연 가스(CNG) 수송의 분야에 있어서 용량 및 효율 증가의 요청과 스틸 기반 실린더의 통상적인 이용으로 인하여, 보다 두꺼운 구조체가 개발되기에 이르렀고, 이러한 구조체는 특히 부식성 환경에서 결함 및 구조상의 불균일에 대해 보다 엄격한 품질 제어를 통상적으로 필요로 한다. 스트랜드(stranded) 가스 매장소를 개발하게 되면서 원격의 적하 및 양하(offloading) 장소에서의 설비 및 처리를 줄여야 할 필요가 생겼다. 이러한 요건의 불리한 점은, 수송된 연료에서 콘덴세이트 및 하이드레이트가 존재할 가능성이 있어 부식 및 손상 내성의 측면에서 격납 재료 요건을 더 높이게 된다는 점이다.
나아가, 대형 매장소의 경우 CNG의 이용은 액화 천연 가스(LNG)의 이용에 비해서 비교적 낮은 밀도 때문에 불리하게 된다: 200 bar 및 주위 온도에서 CNG에 대해 대략 0.2 kg/cm3인 반면, -162℃에서(초저온 액체) LNG에 대해 0.4 kg/cm3. 보다 높은 가스 밀도를 달성함으로써 주어진 부피에 대하여 수송된 가스의 양을 개선시키기 위해 다양한 방법이 제시되지만, 이러한 방법 중 단지 하나의 방법만이 냉각(가능하게는 유체의 액화)을 위한 프로세스 설비의 복잡한 구현을 배제한다: 주위 온도에서 저장 및 수송 압력의 증가. 이러한 방법은 보다 두껍고 무거운 격납 구조를 필요로 한다.
CNG 적하 및 양하 절차 및 설비는 가스원의 위치 및 관련된 가스 조성과 연관된 몇몇 요인에 의존한다.
선박에 연결하기 위한 설비(부표, 플랫폼, 제티 등)와 관련하여, 유연성을 높이고 인프라구조 비용을 최소화하는 것이 바람직하다. 통상적으로, 어떤 설비를 이용해야 할지 선택하는 것은 다음의 기준을 고려하여 이루어진다:
·안전성
·신뢰성 및 규칙성
·수심 및 이동 특성; 및
·선박 작업: 근접도 및 조종.
통상적인 플랫폼은 해저와 연결되는 가스를 모으기 위한 인프라구조를 포함한다.
제티(jetty)는 가스원이 육상에 있는 경우 적용될 수 있는, 선박에 연결하기 위한 또 다른 통상적인 솔루션이다(적하 및 양하). 가스가 처리되고 CNG로서 적합한 적하 압력으로 압축되는 처리 플랜트로부터, 가스 파이프라인은 제티까지 연장되고 적하 및 양하 작업을 위해 이용된다. 기계적인 아암이 제티로부터 선박까지 연장된다.
제티는 비교적 확고히 정착된 솔루션이다. 그러나, 새로운 제티를 만드는 데에 비용 및 시간이 많이 든다. 제티는 또한 상당한 양의 공간을 요하며, 특히 보호 영역에서 해상 교통에 대해 비교적 높은 환경적 효과를 미치게 된다.
부표를 이용하는 솔루션은 다음과 같이 분류될 수 있다:
·CALM 부표
·STL 시스템
·SLS 시스템; 및
·SAL 시스템.
CALM(Catenary Anchor Leg Mooring) 부표는 얕은 수심에 특히 적합하다. 이러한 시스템은 선박이 수면에 부유하는 부표에 정박(moor)되는 것에 기초한다. 이러한 시스템의 주요 컴포넌트는 다음과 같다: 통합된 터릿을 갖는 부표, 스위블, 배관, 설비, 하나 이상의 호스, 선박에 연결하기 위한 밧줄, 해저에 연결되는 체인 및 닻을 포함하는 정박 시스템. 시스템은 또한 해저에 연결되는 연성의 라이저(riser)을 포함한다. 이러한 유형의 부표는 밧줄을 연결하고 선박에 배관작업하기 위한 보조/서비스 선박의 지원을 필요로 한다.
STL(Submerged Turret Loading System)은 거친 해상 조건을 위해 연결 및 연결해제 장치를 포함한다. 이러한 시스템은 해저에 정박된 부유하는 부표에 기초한다(부표는 연결을 위해 용이한, 해수면 아래의 평형 위치에서 부유할 것이다). 선박에 연결될 때, 부표는 끌어 올려져서 선박 내부의 결합 원추(mating cone)에 고정된다. 이러한 연결은 부표 터릿 주위에서 선박 선체의 자유로운 회전을 허용한다. 이러한 시스템은 또한 해저에 연결되는 연성의 라이저를 포함하지만, 연결을 허용하기 위해 선박 내부의 전용 공간을 필요로 한다.
SLS(Submerged Loading System)는 적하/양하 라이저에 연결되는 해저 장착 스위블 시스템 및 음향 트랜스폰더로 이루어진다. 부유하는 호스의 연결은 지원 선박 없이 손쉽게 이루어질 수 있다. 픽업 로프에 의해서 연성의 라이저를 들어 올린 다음 선박 상의 대응하는 커넥터에 연결할 수 있다.
SAL(Single Anchor Loading)은 단일한 무어링 라인을 갖는 무어링 및 유체 스위블, 유체 이송을 위한 연성의 라이저 및 해저에 닻을 내리기 위한 단일한 닻을 포함한다. 해저로부터 선박을 향해 위로 무어링 라인과 라이저를 함께 잡아당김으로써 탱커가 시스템에 연결된다. 그 후 무어링 라인은 고정되고 라이저는 선박에 연결된다.
CNG 수송 분야에 있어서 용량 및 효율 증가의 요청과 이를 위한 스틸 기반 실린더의 통상적인 이용으로 인하여, 보다 두꺼운 구조를 가진 스틸 기반 실린더가 개발되기에 이르렀고, 이러한 구조로 인하여 무거운 장치, 또는 격납 시스템에 대한 수송되는 가스의 질량 비율이 더 낮은 장치가 만들어진다. 이러한 결과는 복합 재료와 같은 더 가벼운 향상된 재료를 이용함으로써 극복될 수 있다.
그러므로, 일부 기존 솔루션은 장치의 중량을 줄이기 위해 이미 복합 구조체를 이용하고 있지만, 복합 구조체의 크기 및 구성은 최적화되지 않으며, 이는 예를 들면 이용되는 재료의 한계 때문이다. 예를 들어, 소형의 실린더 또는 비전통적인 형상을 갖는 용기를 이용하게 되면 종종, 수송되는 가스의 측면에서 효율이 낮아지고(보다 작은 용기의 경우 채워지지 않은 공간의 비율이 높아질 수 있음), 용기의 내부 검사가 더 어려워진다. 나아가, 용기의 단부가 아닌 실린더형 부분만을 덮기 위한 부분 랩핑(예를 들면, 후프-랩핑된 실린더)을 이용하게 되면, 단지 금속 쉘이 노출되는 용기의 단부와 용기의 랩핑된 부분 사이에 경계면이 존재하게 된다. 이는 또한 부식과 같은 문제를 발생시킬 수 있다.
또한, 연속적인 구조의 부분에서 재료 간의 전이는 통상적으로 더 약한 영역을 형성하게 되고, 따라서 파손이 발생하기 쉬운 지점이 생기게 된다.
압축 유체의 수송 또는 운반을 위한 압력 용기는, 현재 관리 기관에 의해 승인된 4가지 유형 또는 타입을 구성하고, 이들 모두는 하나 이상의 돔형 단부를 갖는 실린더형이다:
타입 I. 모두 금속으로 이루어지고, 통상적으로 알루미늄 또는 스틸로 구성된다. 이러한 타입의 용기는 값이 저렴하지만 다른 유형의 용기에 비해 매우 무겁다. 전체 용기가 격납된 압축 유체에 의해 용기에 가해지는 의도된 압력을 견디기에 충분한 강도를 가지므로, 본 발명의 건조 필라멘트상 오버-랩을 포함하여 어떠한 방식의 강도-강화 오버-랩도 필요도 하지 않는다. 타입 I 압력 용기는 현재, 해로로 압축 유체를 이송하는데 이용되는 컨테이너의 상당 부분을 포함하고, 해상 운송에 이들을 이용하게 되면 경제적인 제약이 매우 엄격해진다.
타입 II. 현재 복합 오버-랩을 이용하여, 실린더형 부분만이 강화될 필요가 있도록 표준 두께의 금속 단부 돔을 갖는 보다 얇은 실린더형 중심 섹션으로 구성된다. 복합 랩은 일반적으로 폴리머 매트릭스로 함침된 유리 또는 카본 필라멘트를 구성한다. 이러한 복합물은 통상 용기의 중앙부 둘레에 "후프-랩핑"된다. 용기의 한쪽 단부 또는 양쪽 단부의 돔은, 통상적인 사용 시에 용기에서 생기는 압력을 견디기에 충분한 강도를 가지며 복합 랩핑되지 않는다. 타입 II 압력 용기에서는, 금속 라이너가 격납된 압축 유체의 내부 압력으로부터 기인하는 응력의 대략 50%를 떠맡고 복합물이 응력의 대략 50%를 떠맡는다. 타입 II 용기는 타입 I 용기보다 가볍지만 비용이 많이 든다.
타입 III. 전체 구조, 즉 실린더형 중심 섹션과 단부 돔(들)을 포함하는 얇은 금속 라이너로 구성된다. 이와 같이, 라이너는 현재 전체 용기 둘레에 필라멘트상 복합 랩으로 강화된다. 타입 III 용기에서의 응력은 복합 랩의 필라멘트상 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.
타입 IV. 실린더형 중심 섹션과 돔(들) 양자 모두를 포함하는 실질적으로 기밀의 폴리머 라이너로 구성되며, 중심 섹션과 돔 모두는 현재 필라멘트상 복합물로 완전히 랩핑된다. 복합 랩은 용기의 전체 강도를 제공한다. 타입 IV 용기는 용기의 승인된 4가지 유형 중 가장 가볍지만, 가장 비용이 많이 들기도 한다.
위에서 논의된 바와 같이, 타입 II, III, IV 압력 용기는 현재, 용기에 격납된 압축 유체에 의해 가해지는 의도된 압력을 견디는데 필요한 강도를 제공받기 위해서 용기 라이너 위에 복합 오버-랩을 필요로 한다.
본 발명은 이러한 압력 용기의 적응 및, 고압(최대 1000 bar) 응용에 적합한 추가적인 타입의 압력 용기 제조를 다룬다.
그러므로 본 발명은 공지된 압력 용기의 단점들 중 적어도 하나의 단점을 해소하거나 완화하고자 한다.
특히 본 발명의 목적은, 현재의 설계보다 실질적으로 더 높은 압력을 견딜 수 있는 고압 용기를 제공하는 것이다. 이에 의해 보다 높은 가스 밀도가 달성될 수 있고, 따라서 이송 효율을 높일 수 있다. 부가적으로, 본 발명의 고압 용기는 중량이 가벼워야 하는데, 보다 가벼운 용기로 인하여 해양 운송수단의 하중 지지 용량을 초과하지 않고도 더 많은 양의 가스/유체를 이러한 해양 운송수단, 예컨대 선박으로 이송할 수 있기 때문이다 - 용기의 내용물(즉, 가압된 가스 또는 수송되는 유체)에 대하여, 운반되는 중량이 적어지는 것은(즉, 보다 작은 비율) 물리적인 용기 때문일 것이다. 마지막으로 이러한 용기는, 매장소에 위치된 최소 설비 및 처리로도 격납을 가능하게 하기 위해 고도의 부식 및 손상 내성을 가져야 한다.
본 특허에서 언급되는 첫 번째 격납 시스템 솔루션은 내부 압력에 의해 생기는 하중을 떠맡기 위해 복합 재료로 만들어지고, 적어도 하나의 폴리머 코팅이 CNG 수송, 적하 및 양하 단계 중에 어떠한 구조적인 목적도 갖지 않는 비금속성 재료로 만들어지며, 이는 통상적으로 "라이너"라 불린다. 복합 저장 탱크를 이용하면, 전통적인 고강도 스틸 합금에 비하여, 보다 높은 특성(재료의 기계적 특성/밀도)을 갖는 재료의 구현으로 더 두꺼운 구조를 갖는 효과를 완화시킨다.
이러한 내식성 탱크의 혁신은 보다 두꺼운 복합 층을 갖는 방법에 놓이게 되고, 이로써 설계 및 하중 조건의 효율성을 보장하게 된다.
비금속성 코팅은 내식성을 가져야 하고 비처리 또는 비가공된 가스를 담을 수 있어야 한다. 열가소성 폴리머의 경우 탄화수소 내식성이 있는 폴리에틸렌 등의 이용이 예상된다. 열경화성 수지의 경우에는 탄화수소 내식성이 있는 폴리-디시클로펜타디엔계 수지, 에폭시, 폴리에스터 등의 이용이 예상된다. 특히, 폴리-디시클로펜타디엔 수지는 고밀도 폴리에틸렌에 비해서 고압에서 더 낮은 확산율을 나타내고, 이러한 초고압 CNG 응용을 위해 가장 적합하다고 여겨진다.
고도의 압축성 응력 때문에, 이러한 복합 압력 탱크의 양극 부품(polar fitting)은 압축성 응력을 견디도록 금속 합금, 예컨대 스테인리스 스틸로 만들어지고, 이는 탄소 섬유 강화되는 경우 복합 재료와의 갈바닉 커플링을 회피할 뿐만 아니라 내식성을 허용한다.
본 발명의 제1 양상은, 200 bar를 초과하는 압력에서 연료 격납 또는 수송을 위한 고압 용기에 관한 것이며, 이러한 고압 용기(10)는:
가스 적하 및 양하, 그리고 액체 배출을 위한 적어도 하나의 개구부;
라이너; 및
이러한 라이너의 외측에 제공되는 적어도 하나의 외부 섬유 층
을 포함한다.
이러한 연료는 압축 천연 가스인 것이 바람직하다.
라이너는 비금속성인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 고압 용기가 350 bar 초과, 700 bar 초과, 또는 더 바람직하게는 1000 bar에 이르는 압력에서 연료를 저장 및 수송하는데 적합하다. 본원에서 개시된 방법을 이용하면 1000 bar를 초과하는 압력에서 연료를 저장하는데 적합한 용기도 가능한 것으로 예상된다. 그러나, 1034 bar를 초과하는 압력에 대한 압력 용기의 인증은 현재의 인증법을 이용하는 경우 어려울 것이라 예상된다. 그러나, 이를 초과하는 능력도 본원에서 개시되는 접근법을 이용한다면 달성할 수 있다.
라이너는 실질적으로 화학적 불활성일 수 있다.
라이너는 적어도 스테인리스 스틸의 내식성을 가질 수 있다. 바람직하게 내성은 탄화수소 또는 CNG 또는 기타 다른 이러한 연료, 및 H2S 및 CO2와 같은 유체 내의 불순물에 대한 것이다.
비금속성 라이너는 예를 들어 탄화수소 또는 CNG 또는 H2S 및 CO2와 같은 유체 내의 불순물에 대하여 적어도 스테인리스 스틸의 내식성을 가질 수 있고, 예를 들면 AISI 316 스테인리스 스틸의 내식성을 가질 수 있다. 예를 들어, 라이너는 예를 들어 ISO 15156에 따라 본질적으로, 바람직하게 또는 실질적으로 H2S 내성이 있을 수 있다.
라이너의 내부 표면은 부가적인 투과성 및 부식 한계를 제공하도록 추가적으로 보호될 수 있다. 라이너의 내부 보호는 특정한 낮은 투과율 특성을 갖는 수지의 부가적인 얇은 층 또는 얇은 금속성 층일 수 있다. 금속의 경우 얇은 보호 층의 증착은, 유기 (폴리머) 기질과 선택된 낮은 투과성 금속 간의 화학적 결합을 제공할 수 있는 촉매를 수반해야 한다.
CNG는 가변의 혼합 비율로 다양한 잠재적인 구성 성분들을 포함할 수 있고, 일부는 가스 상일 수 있으며 다른 것들은 액체 상일 수 있고, 또는 양자의 혼합일 수 있다. 이러한 구성 성분들은 통상적으로 다음 화합물 중 하나 이상을 포함할 것이다: C2H6, C3H8, C4H10, C5H12, C6H14, C7H16, C8H18, C9+ 탄화수소, CO2 및 H2S, 그리고 잠재적으로 톨루엔, 디젤, 및 액체 상태의 옥탄.
라이너는 다음을 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다: 고밀도 폴리에틸렌, 고순도 폴리-디시클로펜타디엔, 폴리-디시클로펜타디엔 기반 고순도 폴리-시클로펜타디엔 수지, 에폭시 수지, 폴리비닐 클로라이드, 또는 탄화수소 가스, 특히 압축 천연 가스 폴리머에 불투과성인 것으로 알려진 기타 다른 폴리머 - 라이너는 탄화수소 및 천연 가스 혼합물과 같은 원료(raw) 가스의 유압식 격납이 가능한 것이 바람직하다. 라이너는 또한 이러한 가스로부터의 공격에 불활성을 갖는 것이 바람직하다.
섬유 층은 라이너 둘레에 와인딩되는 섬유로 만들어질 수 있다.
상기 섬유 층의 섬유는 탄소 섬유, 그래파이트 섬유, E-유리 섬유, 또는 S-유리 섬유의 그룹으로부터 선택될 수 있다. 섬유는 탄소 섬유인 것이 바람직하다.
상기 섬유는 열가소성 또는 열경화성 수지로 코팅되어 복합 층을 형성할 수 있다. 섬유는 열경화성 수지로 코팅되는 것이 바람직하다. 바람직하게는 탄소 섬유가 상기 라이너에 도포되기 전에 열경화성 또는 열가소성 수지로 함침된다. 바람직하게는 섬유가 수지로 함침된 후에 라이너 둘레에 와인딩된다.
열경화성 수지는 에폭시계 또는 고순도 폴리-디시클로펜타디엔계 수지를 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다.
바람직하게는, 수지 함침된 섬유 또는 함침되는 수지는 라이너의 외측에 도포되기 전에 가열된다. 그 이유는 고압 용기가 두꺼운 복합 벽을 필요로 하기 때문이다. 측벽의 두께가 증가함에 따라 복합물의 경화는 균일한 비율로 발생하지 않으며, 벽의 표면이 벽의 중심부와는 상이한 비율로 경화된다. 결과적으로, 벽의 인접한 부분들 간의 열역학적인 습성이 달라지고, 따라서 내부 열 응력이 생기게 된다. 이 때문에 벽에 잔여 내부 열 응력이 생길 수 있고, 용기가 가압될 때 훨씬 높은 국소적인 응력을 발생시킬 수 있다(즉, 잔여 열 응력에 부가하여 내부 압력에 의해 유발되는 응력). 이에 의해, 예측할 수 없는 특성이 생길 수 있고, 파손이 생기는 것도 가능하다. 그러므로, 이러한 효과를 최소화하는 것이 바람직하며, 이를 달성하기 위해 가열이 도움이 된다.
섬유가 라이너에 도포되기 전에 함침되는 수지 또는 수지 함침된 섬유를 가열함으로써, 벽 중 어느 부분도 경화가 시작되지 않는 상황으로부터 벽의 전체 두께가 한꺼번에 경화되어야 하는 상황이 완화되거나 회피된다. 이는 내부 응력을 크게 줄인다.
완전한 경화가 상온에서 이루어질 수 없도록 수지가 구성되어 있는 경우, 전체 용기는 경화 프로세스를 완료하기 위해 경화 오븐 내에 위치될 수 있다.
상기의 내용과 조합하여, 또는 상기의 내용 대신에, 고압 용기의 섬유 층은 다수의 별개 단계로 형성 및 경화될 수 있다. 이러한 프로세스는 또한 복합 벽 내의 내부 열 응력을 줄이고자 함이다. 복합 벽은 "층들"로 형성될 수 있고, 이로써 특정 두께의 벽(벽의 전체 필요 두께보다는 작은)이 생성되고 경화된다. 선택된 층 두께는, 일단 경화되면 적절히 응력 없는 영역을 생성하도록 충분히 얇다고 알려진 두께이다. 일단 제1 층이 완전히 냉각되면, 추가적인 층이 도포 및 경화되며, 이는 필요한 벽 두께에 도달할 때까지 계속된다.
고압 용기는 복합 층이 경화되는 동안 회전되는 것이 바람직하다. 이는 각각의 개별 층의 경화 단계 동안일 수 있거나(층 방법이 채용되는 경우), 전체 벽 두께의 단일 경화 단계 동안일 수 있으며, 또는 실제로 전체 프로세스 동안일 수 있다. 이는, 완전히 경화되지 않은 여타의 수지에 중력이 영향을 미치는 것을 피하기 위해 이루어지며, 이러한 중력의 영향은 가압될 때 비대칭 및 응력 집중을 유발할 수 있다.
용기는 라이너의 내측에 제공되는 금속성 내부 코팅을 더 포함할 수 있다.
금속성 내부 코팅은 예를 들어 ISO 15156에 따라 실질적으로 H2S 내성일 수 있다.
바람직하게는, 금속성 내부 코팅은 100 kPa(15 psi)의 H2S 부분압의 경우에 항복 강도의 80%에서 황화물 응력-균열을 나타내지 않아야 하고, 계산된 H2S 부분압은 다음과 같다(메가파스칼 단위 - 평방 인치당 파운드):
Figure pct00001
여기서, p는 메가파스칼(평방 인치당 파운드) 단위로 표현된 시스템 전체 절대 압력이며;
Figure pct00002
는 퍼센트로 표현된, 가스 내의 H2S의 몰분율이다.
용기는 라이너와 상기 섬유 층 사이에 개재되는 가스 투과 층을 더 포함할 수 있다.
가스 투과 층은 유리 섬유를 포함할 수 있다.
용기는 가스 누출을 검출하기 위해 상기 가스 투과 층에 연결되는 가스 검출기를 더 포함할 수 있다.
가스 투과 층은 유리하게도, 라이너로부터 누출의 경우 경고할 수 있는 통합된 가스 검출 장치를 포함할 수 있다. 이러한 장치에 대한 연결은 용기의 벽, 예를 들면 이러한 층에 통합됨으로써 이루어질 수 있다. 장치는 수신 유닛으로의 무선 송신을 통해 선박의 다른 곳에서, 통상적으로는 예컨대 선박 상의 고압 용기 근방에서 작동될 수 있다; 예를 들면, 선체 상에서, 칸막이 벽에서, 계기판 상에서, 또는 손목시계 또는 몇몇 다른 휴대용 수신 유닛 내에서.
용기는 대부분의 길이에 걸쳐 일반적으로 실린더형일 수 있다. 섬유 층은 모든 실린더 형상에 걸쳐, 그리고 용기의 실질적으로 모든 단부에 걸쳐 연장되어, 라이너/용기를 실질적으로 완전히 덮게 된다.
용기의 내경은 0.5 미터 내지 5 미터일 수 있다.
이러한 내경은 1.5 미터 내지 3.5 미터일 수 있다.
용기는 용기의 내부에 진입 및/또는 내부를 검사하기 위한 맨홀을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 이후의 모든 실시예 - 고압 용기 - 는 CNG와 같은 유체 기반 가스 또는 연료의 저장 또는 수송을 위한 것이며, 13 내지 65 t/MMscf 범위, 또는 100 t/MMscf에 이르는 중량/가스 용량 비율(weight/gas capacity ratio)을 갖는다. t/MMscf는 백만 표준 입방 피트당 메트릭 톤을 의미하고, 여기서 백만 표준 입방 피트는 고압 용기 내에서 이용가능한 CNG의 양을 정량화하기 위한 표준 용어이다. 중량은 메트릭 톤 단위의 용기 자체 무게(질량)를 지칭한다. 가스 또는 연료는 가스 상태 및 액체 상태의 혼합물, 예컨대 액상 부분을 갖는 가스일 수 있고, 더 바람직하게는 대부분 또는 전적으로 가스 상태이다.
표준 입방 피트(약어로 scf)는 가스의 양에 대한 척도이며, 화씨 60도(섭씨 15.6도) 및 14.696 psi(1 atm 또는 101.325 kPa) 또는 14.73 psi(30 inHg 또는 101.6 kPa)의 압력에서 입방 피트의 부피와 같다. 이와 같이 표준 입방 피트는 부피의 단위가 아니라 양의 단위이고, 사용되는 표준 온도 및 압력이 상이하므로 노멀 입방 미터로의 변환은 입방 피트를 입방 미터로 변환하는 것(0.0283을 곱하는 등)과는 다르다. 이상적인 가스를 가정하면, 14.73 psi의 관례를 이용하는 표준 입방 피트는 1.19804 몰(0.0026412 파운드 몰)을 나타내고, 0.026853 노멀 입방 미터에 상응한다.
유전의 통상적인 가스 부피의 단위는 ccf(100 입방 피트), Mcf(1000 입방 피트), MMcf(백만 입방 피트), Bcf(10억 입방 피트), Tcf(1조 입방 피트), Qcf(1000조 입방 피트) 등을 포함한다. M은 1000에 대한 로마 숫자이다. 2개의 M은 1000의 1000, 또는 백만일 것이다. "표준(standard)"의 s가 종종 포함되지만, 때때로 생략되고 함축된다. 여기서는 발명을 기술하는데 사용하였다.
고압 용기의 구조 중량은 비어있는 고압 용기 - 임의의 배관으로부터 제거된 용기 - 의 무게를 측정함으로써 결정될 수 있다. 그러나, 고압 용기의 크기가 주어지면, 중량(질량)은 종종 계산되거나 결정된 값일 수 있다 - 예컨대, 벽 두께, 크기 및 형상, 그리고 재료 조성을 고려할 때, 종종 인증서에 표시될 것이다. 이는 적합한 구조물이 지원할 수 있게 하기 위함이고, 예를 들어 선박 안에서, 이용가능한 규정, 및 선박 규격, 그리고 관련 규제 기관에 의해 정해지는 바와 같은, 적절히 적용가능한 안전성 인자와 부합하도록 설계될 수 있다.
바람직하게는, 수송되는 가스 중량에 대한 구조 중량의 비율은 0.7 내지 3.4 [t/t]의 범위이고, 예를 들면 250 bar의 CNG 압력 및 20℃의 온도로 적하될 때, 또는 가능하다면 그러한 온도에서 300 bar의 압력으로 적하될 때, 또는 공인된(또는 인증된) 최대 압력 또는 가스 용량(예컨대, scf 단위)으로 적하될 때 그러하다.
scf 단위의 가스량은 압력 및 온도와 무관하게 일정한 중량(질량)을 가지므로, 완전히 적하된 고압 용기(즉, 인증된 용량으로 적하된 용기)가 나타내는 비율은 온도 및 압력에 의존하지 않는다.
예를 들어 유리 기반 복합 타입 3 또는 4 고압 용기의 경우, 중량/공인 최대 가스 용량 비율은 35 내지 65 [t/Mscf]의 범위, 또는 최대 100 [t/Mscf]인 것이 바람직하다. 이는 인증에 의해 사용되는 안전성 인자에 따른 것일 수 있다. 나아가, 예를 들어 250 bar의 CNG 압력 및 20℃의 온도로 적하될 때, 인증된 최대 수송 가스 중량에 대한 구조 중량의 비율은 1.8 내지 3.4 [t/t], 또는 최대 5.0 [t/t]인 것이 바람직하다.
예를 들어 탄소 기반 복합 타입 3 또는 4 고압 용기의 경우, 중량/공인 최대 가스 용량 비율은 13 내지 22 [t/Mscf]의 범위, 또는 최대 40 [t/Mscf]인 것이 바람직하다. 이는 인증에 의해 사용되는 안전성 인자에 따른 것일 수 있다. 나아가, 예를 들어 250 bar의 CNG 압력 및 20℃의 온도로 적하될 때, 인증된 최대 수송 가스 중량에 대한 구조 중량의 비율은 0.7 내지 1.2 [t/t], 또는 최대 2.0 [t/t]인 것이 바람직하다.
상기 고압 용기는 상기 복합 층 위에 수축 랩핑(shrink-wrap)된 방수성 오버-랩(over-wrap)을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 위에서 규정된 바와 같은 복수의 검사가능한 고압 용기를 포함하는 모듈 또는 격실을 제공하고, 고압 용기는 적하 및 양하 작업을 위해 상호연결된다.
본 발명은 또한, 위에서 규정된 바와 같은 적어도 하나의 고압 용기, 또는 모듈 또는 격실을 이용하여, 가스, 특히 압축 천연 가스를 육상 또는 해상에서 저장 또는 수송하는 방법을 제공하고, 가스는 고압 용기 내에 격납된다.
본 발명은 또한, 200 bar를 초과하는 압력, 바람직하게는 250 또는 700 bar를 초과하는 압력, 더 바람직하게는 1000 bar 또는 1050 bar를 초과하는 압력에서 사용하기에 적합한 고압 용기를 생산하는 방법을 제공하고, 이러한 방법은: 실린더형 라이너를 제조하는 단계; 섬유를 수지로 함침하는 단계; 섬유 벽이 필요한 두께에 도달할 때까지 상기 라이너 둘레에 함침된 섬유를 와인딩하는 단계; 및 함침된 상기 섬유 벽을 경화하는 단계를 포함한다.
함침된 상기 섬유는 예를 들어 상기 라이너에 섬유를 와인딩하기 전에 가열되는 것이 바람직하다. 이는 섬유를 함침하는데 수지가 이용되기 전 또는 그 이후일 수 있다.
섬유 필라멘트 와인딩은 다수의 단계로 수행되는 것이 바람직하고, 추가적인 층이 도포 및 경화되기 전에, 필요한 두께보다 얇은 두께 - "층" - 이 상기 라이너 상에 와인딩되고 경화된다. 그 후, 필요한 벽 두께에 도달할 때까지 프로세스가 계속된다.
이러한 프로세스의 반복 회수는 임의적이고 용기 벽의 필요한 두께에 따라 달라진다. 주어진 필요 벽 두께에 대하여, 도포되는 별개의 층의 수가 늘어날수록, 층은 얇아지고, 따라서 두께의 열적 프로파일은 보다 균일해지며, 이에 의해 열 응력이 더 낮아지게 된다.
바람직하게는, 고압 용기가 섬유 벽 또는 층이 경화되는 동안 회전된다. 이는 각각의 개별 층의 경화 단계 동안일 수 있거나(층 방법이 채용되는 경우), 전체 벽 두께의 단일 경화 단계 동안일 수 있으며, 또는 실제로 전체 프로세스 동안 일정하게 일어날 수 있다. 이는, 완전히 경화되지 않은 여타의 수지에 중력이 영향을 미치는 것을 피하기 위해 이루어지며, 이러한 중력의 영향은 가압될 때 비대칭 및 응력 집중을 유발할 수 있다.
본 발명은 또한 가스, 특히 압축 천연 가스를 수송하기 위한 운송체를 제공하고, 이는 위에서 규정된 바와 같은 적어도 하나의 용기 또는 모듈 또는 격실을 포함한다.
상기 운송체는 선박일 수 있다.
상기 운송체는 다수의 고압 용기를 가질 수 있다. 이러한 용기는 모두 상호연결될 수 있거나, 그룹으로 또는 모듈/격실 내에서 상호연결될 수 있다.
고압 용기는 또한, 스쿠버 다이버가 사용하는 것과 같은 호흡 탱크, 병원, 응급 서비스 및 소방관(이러한 경우에 격납된 가스는 가압된 공기 또는 산소, 또는 기타 다른 호흡가능한 가스 혼합물일 수 있음)을 포함하는 비-연료 응용을 위해 이용될 수 있고, 또는 헬륨, 압축 질소, 압축 CO2, 및 현재의 가압 저장소, 예를 들어 화학 플랜트에 있는 기타 다른 가스와 같은 압축 가스를 저장하는 것을 포함하는 비-호흡 응용을 위해 이용될 수도 있다. 본원에서 개시되는 용기의 높은 최대 압력으로 인하여 이러한 압축 가스 저장 장치의 저장 및 관리가능성은, 오늘날 널리 쓰이고 있는 현재의 전-스틸 타입 1 탱크보다 훨씬 사용자 친화적인 것이 되고, 이는 또한, 보다 큰 부피가 제공될 수 있으면서도 압력 용기가 조작가능성의 측면에서도 사용자에 의해 관리가능할 수 있게 됨을 의미한다(매우 큰 압력 용기는 동일한 중량의 보다 작은 용기보다, 또는 많은 응용에서 더 작지만 더 무거운 용기보다 다루거나 조작하기에 불편하다).
그러나 또한, 복합 랩의 폴리머 매트릭스는 오버랩에 강도를 거의 부가하지 않거나 어떠한 강도도 부가하지 않는다고 알려져 있다. 따라서, 본 발명은 또한 추가적인 신규한 와인딩 구성과 이용될 수 있으며, 이러한 구성은 건조 상태에서 압력 용기 라이너 위에 배치되어 압력 용기의 수명 동안 실질적으로 건조 상태로 남아 있는(즉, 수지의 함침으로 결합되지 않은) 건조 필라멘트상 재료를 이용한다. 필라멘트상 재료로의 이러한 건조 랩핑은 또한, 복합 구조체 내부에서 비균질의 하중 전달을 발생시킬 수 있는, 함침 수치 내의 공기 포획의 가능성을 방지한다.
"실질적으로 건조 상태"란 예를 들어 해상 또는 강에서의 응용(예컨대, 스쿠버 다이빙)과 같이 압력 용기가 물에 노출되지 않는 경우로 제한하려는 의도가 아니다. 결국 이러한 경우에서는 필라멘트상 재료가 주변의 습기 또는 다이버가 잠수하는 물에 의해 젖거나 적셔질 수 있다. 그러므로, "건조 상태"란 용어는 그 대신에 용기의 라이너 위에 배치될 때 필라멘트상 재료의 상태를 나타내기 위해 이용되는 것이다 - 그 시점에는 "건조" 상태, 즉 수지로 함침되지 않은 상태이고, 용기가 사용되는 동안에도 그러한 건조(수지로 함침되지 않은) 상태로 유지됨. 그러므로, 이러한 맥락에서 실질적으로 건조란 필라멘트/섬유가 물에 젖거나 잠기는 상황을 배제하지 않는다. 이는 수지가 함침되지 않는다는 의미에서만 건조 상태이다.
건조 필라멘트의 외부 표면 상에서 주위 환경의 노출 보호 또는 내성을 위해 건조 필라멘트상 재료 위에 외부 폴리머 층 또는 코팅이 도포될 수 있다.
이러한 부가적인 "건조 랩" 압력 용기 타입 - 건조 랩은 타입 2 내지 5 및 타입 7 압력 용기 형태 중 어느 것에도 적용될 수 있음 - 또한 이러한 신규한 방식으로 이용될 수 있다.
바람직한 압력 용기를 위한 한 가지 구조는, 대부분의 길이에 걸쳐 일반적으로 실린더 형상을 갖고 용기 내에서 압축 유체와 접촉하기 위해 제1 층으로서 적어도 하나의 스테인리스 스틸 층을 포함하는 용기이며, 이러한 제1 층은 저-탄소 스테인리스 스틸로 만들어지고, 용기는 용기 내에 격납된 유체와 접촉하지 않게 되는 적어도 하나의 섬유-강화 폴리머 층으로 만들어진 부가적인 외부 복합 층을 추가로 갖는다.
용기는 가스 적하 및 양하를 위한 적어도 하나의 개구부를 가질 것이다. 통상적으로 이러한 개구부는 한 단부에 위치한다. 일반적으로 개구부는 반대 단부에도 제공된다. 각 단부의 이러한 개구부는 축방향 개구부라 지칭될 수 있다. 타입 3 내지 5 압력 용기의 경우, 2개의 축방향 개구부가 유사할수록, 필라멘트의 랩핑 패턴이 더 효율적이다. 예를 들어, 축방향 개구부는 모두 원형일 수 있고, 동일한 지름을 가질 수 있다.
복수의 압력 용기가 모듈 또는 격실에 배열될 수 있고, 압력 용기는 적하 및 양하 작업을 위해 상호연결될 수 있다.
바람직하게는 모든 용기들이 동일한 높이, 길이 또는 지름을 가진다. 용기들이 관련된 용기 또는 모듈 또는 격실 내에 제공된 공간에 맞춤형 피팅될 수 있도록 몇몇은 상이한 높이, 길이 또는 지름을 가질 수 있다.
나머지 압력 용기 중 이러한 용기 또는 임의의 용기가 라이너와 복합 층(예컨대, 탄소 섬유 층) 사이에 개재된 절연 층을 더 포함할 수 있다.
절연 층은 가스 투과 층일 수 있다.
압력 용기는 금속성 라이너와 섬유 층 사이에 개재된 가스 투과 층을 더 포함할 수 있다.
이러한 가스 투과 층은 유리 섬유를 포함할 수 있다.
압력 용기는 가스 누출을 검출하기 위해 상기 가스 투과 층에 연결되는 가스 검출기를 더 포함할 수 있다.
압력 용기에 대한 또 다른 구성은 다시, 대부분의 길이에 걸쳐 일반적으로 실린더 형상일 수 있고 가스 적하 및 양하를 위한 적어도 하나의 개구부를 가질 수 있다. 그러나 이러한 구성에서, 압력 용기는 금속성 라이너, 금속성 라이너의 외부에 인접하는 제1 섬유 층, 및 제1 섬유 층의 외부에 인접하는 제2 섬유 층을 포함한다. 제1 섬유 층과 제2 섬유 층은 상이한 재료로 이루어진다.
금속성 라이너는 가스 불투과성 및/또는 내식성을 가질 수 있다.
금속성 라이너는 스틸, 스테인리스 스틸, 니켈 기반 합금, 2-상 스틸(bi-phase steel), 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 및 티타늄 합금을 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다.
섬유 층들 중 하나 또는 양자 모두는 금속성 라이너 둘레에 와인딩되는 섬유로 이루어질 수 있다.
제1 섬유 층은 탄소 섬유를 포함할 수 있다.
제2 섬유 층은 유리 섬유를 포함할 수 있다.
이러한 방식으로 활용될 수 있는 또 다른 형태의 압력 용기는 압축 가스/유체가 저장될 수 있는 내부 용적을 형성하는 본체, 및 압축 가스/유체를 용기 내로 적하하기 위한 유입구를 가지며, 용기의 본체는 압력 용기의 의도된 내용물, 즉 압축 가스 또는 유체에 실질적으로 불투과성인 매트릭스 및 섬유를 포함하는 섬유-강화 필라멘트-와인딩 복합 재료로 오로지 전적으로 이루어진 쉘 구조를 포함한다.
바람직하게는, 사용 시에 압축 가스/유체는 쉘 구조의 내측에 직접 접촉할 것이다.
쉘 구조는 실린더형 섹션 및 실린더형 섹션의 양단에 하나씩 2개의 종단부를 포함하는 것이 바람직하고, 이들 모두는 섬유-강화 필라멘트-와인딩 복합 재료로 이루어진다.
종단부는 돔형 종단부인 것이 바람직하다.
돔형 종단부는 용기 둘레에 섬유의 나선형 랩핑에 대하여 측지선 형상을 가지는 것이 바람직하다.
복합 재료의 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유 또는 Kevlar® 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
복합 재료의 수지는 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 고순도 디시클로펜타디엔 수지, 비스말레이미드 수지 및 폴리이미드 수지 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 복합 압력 용기를 제조하는 방법은, 유입구/유출구를 포함하는 압력 용기의 형상을 형성하기 위해 일회용 맨드릴을 제공하고 이러한 일회용 맨드릴 둘레에 필라멘트 섬유를 와인딩하는 단계를 수반한다. 유입구/유출구는 통상적으로 그 단부에서 애퍼처이다. 각 단부에 하나씩 두 개의 애퍼처가 있을 수 있다. 단부들은 통상 반대편인 단부들이다.
이러한 방법은 통상적으로 복합물이 경화된 후 유입구/유출구를 통해 일회용 맨드릴을 제거하는 단계를 수반한다.
이러한 방법은 일회용 맨드릴 둘레에 섬유를 와인딩하기 전에 테이프를 형성하도록 필라멘트 섬유를 응집시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 방법은 일회용 맨드릴 둘레에 섬유를 와인딩하기 전에 필라멘트 섬유를 수지로 함침하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
섬유의 함침은 바람직하게는, 섬유가 테이프로 형성된 후에 발생하거나, 수지의 배치(batch)로, 예컨대 수지의 조(bath)에 테이프를 침지시킴으로써 이루어진다.
이러한 방법은 바람직하게는, 일회용 맨드릴 둘레에 있는 동안, 적어도 자립-지지되기에 충분한 정도로 복합물을 경화시키는 단계를 포함한다.
이러한 방법은 바람직하게는, 복합물을 경화시키고, 일단 복합물이 자립-지지되기에 충분한 정도로 경화되면 일회용 맨드릴을 제거하는 추가적인 단계를 포함한다.
이러한 방법은 복합물에 열적 유도 기계적 결함을 방지/감소하기 위한 다중-단계 경화 프로세스를 포함하는 것이 바람직하다.
바람직하게는 필라멘트 와인더가 증가된 벽 두께를 갖는 용기와 함께 이용되기에 적합하도록 적응된다.
바람직하게는 맨드릴은 얼음을 포함하고, 이 경우 맨드릴의 제거에는 얼음의 융해가 포함될 수 있다.
바람직하게는 맨드릴은 컴팩트 모래(compacted sand)를 포함하며, 이 경우 맨드릴의 제거는 용기로부터 모래를 흔들어 떨어뜨리는 것을 포함할 수 있다.
맨드릴은 스캐폴드를 포함할 수 있고, 이 경우 맨드릴의 제거에는 스캐폴드의 붕괴가 포함될 수 있다.
맨드릴은 용해가능한 화학적 화합물(예컨대 물에 용해될 수 있는 화합물)로 형성되는 구조를 포함할 수 있고, 이 경우 맨드릴의 제거는 구조가 액체 상태로 용해되는 것을 포함할 수 있다.
이러한 압력 용기는 또한 차량, 대형 트럭, 버스, 기차, 보트, 또는 비행기와 같은 운송수단에 설치될 수 있다.
이러한 고압 용기는 또한, 비-운송 용도에 적용될 수 있고, 여기에는 연료 대신에 일부 다른 가스가 격납될 필요가 있는 경우, 예를 들면 공기 공급, 일반적인 가스 분배 응용, 의학 서비스, 산업 서비스, 스쿠버 다이빙과 같은 레크리에이션 서비스, 소화기 및 호흡 장치와 같은 응급 서비스 요건이 포함된다. 실제로 가압된 스틸 압력 용기가 현재 이용되는 어느 경우에서도, 본원에서 제공되는 고압 솔루션 중 하나로 교체하는 것이 이로울 것이다.
본 발명에 따르면 위에서 열거한 다양한 선택적 또는 바람직한 특징들을 다른 타입의 압력 용기에 조합하는 것도 예상되며, 열거된 응용에 수정된 그러한 압력 용기를 이용하는 것도 예상된다.
본 발명에 따른 고압 용기는 수송되는 가스, 특히 CNG 1kg당 용기의 비용을 낮출 수 있다.
본 발명의 추가적인 이점은 수송되는 가스, 특히 CNG의 단위 부피당 고압 용기의 중량이 감소될 수 있다는 점이다.
본 발명에 의하면 내식성을 유지하면서도 고압 용기를 위해 더 적은 플라스틱 재료를 사용하는 것이 가능해질 수 있다.
본 발명은, 냉각, 가능하게는 유체의 액화를 위해 복잡한 프로세스 설비를 이용하지 않고도 보다 높은 가스 밀도가 안전하게 수송될 수 있게 함으로써 이러한 모든 효과를 거두게 된다.
도 1a는 본 발명에 따른 압력 용기의 맨홀 또는 개구 섹션의 개략적인 단면도이다.
도 1b는 본 발명에 따른 압력 용기의 맨홀 또는 개구 섹션의 세부적인 단면도를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 양상에 따른 고압 용기의 개략적인 단면도이다.
도 3, 4, 5는 모듈 또는 격실 내의 복수의 용기의 배열을, 각각 위쪽에서 본 사시도, 아래쪽에서 본 사시도, 바로 위에서 본 사시도로 개략적으로 나타낸다.
도 6a, 6b, 6c는 모듈 내에서 그리고 선박의 선체 내에서 용기의 가능한 배열을 개략적으로 나타낸다.
도 7은 나란히 배열된 2개의 모듈을 보여주는 선박 선체를 통한 단면도를 개략적으로 나타낸다.
도 8은 위쪽 배관에 대한 보다 세부적인 도면을 개략적으로 나타낸다.
도 9는 본 발명의 추가적인 양상에 따른 고압 용기의 개략적인 단면도이다.
도 10은 도 9의 용기의 벽 부분의 확대도이다.
도 11은 본 발명의 추가적인 양상에 따른 고압 용기의 개략적인 단면도이다.
도 12는 본 발명의 추가적인 양상에 따른 고압 용기의 개략적인 단면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 가능한 가스 누출 검출 시스템의 개략적인 확대도이다.
도 14는 본 발명의 추가적인 양상에 따른 고압 용기의 개략적인 단면도이다.
도 15 및 16은 와인딩 기술을 나타낸다.
도 17은 마지막 실시예의 압력 용기를 통한 단면도를 나타낸다.
본원에서 기술하는 다음의 실시예 모두는, 200 bar를 초과하는 압력, 더 바람직하게는 350 bar 또는 700 bar를 초과하는 압력, 또는 가장 바람직하게는 1000 bar 내지 1050 bar에 이르는 압력에서 연료 또는 가스, 특히 기체 연료, 특히 CNG를 격납 또는 수송할 수 있도록 설계되고 예상된다. 압력 용기 및 고압 용기라는 용어는 때때로 서로 혼용되고, 따라서 달리 언급하지 않는 한 특정 용기가 견딜 수 있는 압력의 차이를 엄격하게 나타내는 것은 아니다.
나아가, 압력 용기가 CNG를 격납하거나 수송하기 위한 것이라고 때때로 기술될 것이지만, 이는 다른 가스 및 연료를 격납하거나 수송할 가능성을 배제하는 것은 아니고, 따라서 본원에 포함되는 모든 용기는 다수의 상이한 연료 또는 가스를 위해 이용될 수 있다고 예상된다.
마지막으로, 모든 도면은 단지 예시적인 것이며, 비율에 따라 도시된 것은 아니다. 그러므로, 도시된 벽 두께는 정확하지 않을 수 있고, 도시된 바와 같이 청구된 압력을 견디기에 충분한 크기를 가지지 않을 수도 있다.
섬유-강화 폴리머는 또한 섬유-강화 플라스틱으로도 알려져 있는데, 섬유로 강화된 폴리머 매트릭스로 이루어진 복합 재료이며, 이러한 섬유는 통상적으로 섬유 유리, 아라미드 또는 탄소이다; 폴리머는 일반적으로 에폭시, 비닐에스테르, 폴리에스테르 또는 다른 열경화성 폴리머 또는 이들의 혼합물이다. 바람직하게 이러한 폴리머는, 본원에서 기술되는 응용 또는 실시예를 위해 적합한 압력 용기의 컴포넌트이며, 타입 2 내지 8 압력 용기 각각에서 발견될 수 있을 것이다.
특히 본 문헌에서 타입 4 고압 용기라 지칭되는 본 발명의 제1 실시예는, 특히 압축 천연 가스 격납 또는 수송을 위한 고압 용기에 관한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 양상에 따른 고압 용기(10)는 가스 적하 및 양하, 그리고 액체 배출을 위한 적어도 하나의 개구부(71, 72), 비금속성 라이너(2), 및 비금속성 라이너(2)의 외측에 제공되는 적어도 하나의 외부 섬유 층(3)을 포함한다. 이러한 배열의 경우, 라이너(2)는 외부 복합 층(3)에 의해 랩핑되거나 둘러싸일 수 있다.
내부 비금속성 라이너(2)는, 미세 구조 특성에 기인하여 가스에 불투과성이 있도록 라이너를 위해 적합한 열가소성 또는 열경화성 재료가 선택되므로 원료 가스의 유압식 격납이 가능하다. 천연 가스 분자는 이러한 재료에 있어서 공간적 배열 및/또는 화학적 친화도 양자 모두 때문에 라이너를 통과할 수 없다. 라이너에 적합한 재료는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 및 고순도 폴리-디시클로펜타디엔(DCPD)과 같은 폴리머를 포함한다. 그러나, 원료 가스의 유압식 격납이 가능한 기타 다른 재료가 알려져 있으며, 따라서 그 대신 이러한 재료가 이용될 수 있다.
내부 라이너(2)는 가스, 바람직하게는 CNG 수송, 적하, 및 양하 단계 중에 어떠한 구조적인 목적도 가지지 않는다.
비금속성 라이너(2)는 내식성을 가져야 하고 비처리 또는 비가공된 가스, 즉 원료 CNG를 담을 수 있어야 한다. 비금속성 라이너(2)가 열가소성 폴리머로 만들어지는 경우, 탄화수소 내식성이 있는 폴리에틸렌 또는 이와 유사한 플라스틱을 이용하는 것이 바람직할 수 있다.
이러한 라이너의 제조는 바람직하게는 회전성형을 통해 이루어진다. 예를 들어, 가열된 중공 몰드가 재료의 차지(charge) 또는 슈트(shot) 중량으로 채워진다. 그 다음에 천천히 회전되고(통상 서로에 대해 수직인 2개의 축을 중심으로), 이에 따라 연화된 재료는 분산되어 몰드의 벽에 들러붙는다. 라이너를 통하여 고른 두께를 유지하기 위해, 몰드는 가열 단계 동안 줄곧 계속하여 회전하여 냉각 단계 동안 새깅 또는 변형을 방지한다.
비금속성 라이너(2)가 열경화성 수지로 만들어지는 경우 폴리에스테르, 에폭시, 폴리-디시클로펜타디엔계 수지 또는 탄화수소 내식성이 있는 유사한 플라스틱을 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 라이너의 제조는 다시 회전성형을 통해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 중공의 몰드는 비경화된 열경화성 재료로 채워지고, 그 다음에 천천히 회전되어 비경화된 재료가 분산되어 몰드의 벽에 들러붙는다.
특히 이러한 후자의 실시예의 경우 열경화성 화합물의 보다 낮은 점성으로 인하여 단지 하나의 축으로 회전해도 충분할 수 있다는 점을 인식해야 한다.
라이너를 통하여 고른 두께를 유지하기 위해, 몰드는 통상적으로 (촉매를 통한) 경화 단계 동안 줄곧 계속하여 회전할 것이다. 이는 새깅 또는 변형을 방지하는데 도움이 될 수도 있다.
이러한 구성에 의해 또한, 탱크가 다양한 가스, 예컨대 보어 유정으로부터의 직접적인 원료 가스를 담을 수 있게 되며, 이러한 가스에는 원료 천연 가스, 예를 들어 압축된 경우 - 원료 CNG 또는 RCNG, 또는 H2, 또는 CO2 또는 가공된 천연 가스(메탄), 또는 원료 또는 부분 가공된 천연 가스, 예를 들면 14% 이하의 몰분율의 CO2 허용량, 1,000 ppm 이하의 H2S 허용량, 또는 H2 및 CO2 가스 불순물, 또는 기타 다른 불순물 또는 부식성 종이 있는 가스가 포함된다. 그러나, 바람직한 용도는 CNG 수송이며, 다만 원료 CNG, 부분 가공된 CNG 또는 청정 CNG - 최종 사용자에게 배송가능한 표준으로 가공된, 예컨대 상업상, 산업상, 또는 주거용의 CNG일 수 있다.
CNG는 가변의 혼합 비율로 다양한 잠재적인 구성 성분들을 포함할 수 있고, 일부는 기상이며 다른 것은 액상이거나, 양자의 혼합물을 포함할 수 있다. 이러한 구성 성분들은 다음의 화합물 중 하나 이상을 통상 포함할 것이다: C2H6, C3H8, C4H10, C5H12, C6H14, C7H16, C8H18, C9+ 탄화수소, CO2 및 H2S, 그리고 잠재적으로 톨루엔, 디젤 및 액체 상태의 옥탄 및 기타 불순물/종.
가스의 가압 수송 중에 구조적인 지지가 외부 복합 층(3)에 의해 이루어지거나 제공되는 한편, 섬유(3)의 와인딩 중에 제조로 인한 응력을 떠맡도록 비금속성 라이너(2)가 제공될 수 있다.
비금속성 라이너(2)의 내부 표면은 바람직하게는, 투과율 및 내식성을 향상시키기 위해 내부 코팅(1)에 의해 코팅될 수 있다. 도 1b에서 내부 표면 중 일부에만 도시되어 있는 선택적인 점선 참조. 실제적으로 이러한 코팅은 전체 표면에 걸쳐 위치할 수 있지만, 단지 예시적인 목적으로 도시된 것이다.
비금속성 라이너(2)의 내부 코팅(1)은 특정한 저투과율 특성을 갖는 수지의 특별한 얇은 층 또는 얇은 금속성 층일 수 있다. 금속의 경우 얇은 보호 층(1)의 증착은 바람직하게는, 유기 (폴리머) 기질과 선택된 저투과율 금속 또는 바람직한 금속염, 착화제 및 환원제를 포함하는 용액 사이에 화학적 결합을 제공할 수 있는 촉매를 수반할 수 있다.
외부 복합 층(3)은 통상 섬유-강화 폴리머(유리 섬유, 또는 탄소/그래파이트 섬유, 또는 아라미드 섬유 기반 복합물)일 것이고, 보강재로서 제공된다. 이는, 용기(10)를 실질적으로 완전히 랩핑하고(용기의 단부 대부분을 포함), 서비스 중에 구조적 기여를 제공하도록 형성된다.
유리 섬유가 이용되는 경우, 바람직하게는 1,500 MPa 이상의 제안된 극한 강도 및/또는 70 GPa 이상의 제안된 영률을 갖는 E-유리 또는 S-유리 섬유를 이용하는 것이 바람직할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 탄소 섬유가 이용되는 경우, 바람직하게는 3,200 MPa 이상의 강도 및/또는 230 GPa 이상의 영률을 갖는 탄소 얀을 이용하는 것이 바람직할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는 얀 마다 12,000, 24,000 또는 48,000개의 필라멘트가 있다.
복합 매트릭스는 바람직하게는 폴리머 수지 열경화성 또는 열가소성일 수 있고, 더 정확하게는 열 경화성인 경우 에폭시계 수지일 수 있다.
고압 용기(10)는 또한 비금속성 라이너(2)와 섬유 층(3) 사이에 개재된 가스 투과 층을 더 포함할 수 있다. 가스 투과 층이 유리 섬유를 포함하는 것이 유리하다. 고압 용기(10)는 가스 누출을 검출하기 위해 가스 투과 층에 연결되는 가스 검출기를 더 포함할 수 있다.
외부 복합 층(3)의 최외곽 부분은, 용기(10)에 화재가 발생하는 것을 방지하기 위해, 예를 들어 NGV2-2007 또는 기타 다른 국제 인정 표준 및 테스트 절차에 따라, 높은 내염성을 갖는 수지를 이용하여 추가로 함침될 수 있다. 이러한 수지는 페놀 폴리머와 같은 열경화성 수지일 수 있다.
도 2를 참조하면, 개구부(71 및/또는 72) 탱크 단부(11 및/또는 12) 중 적어도 하나는, 또한 복합 재료로 만들어진 노즐의 형태를 취할 수 있고, 여기에서 강화 섬유는 탄소 또는 그래파이트이고 수지 매트릭스는 에폭시계인 것이 바람직하다.
복합 노즐의 제조는 이른바 폐쇄형 몰드 기술을 수반할 수 있다.
복합 노즐은 복합 압력 용기 구조에 통합되어 압력 용기 헤드부 상에 섬유가 미치는 와인딩 힘이 와인딩된 복합물과 라이너 사이에 있는 노즐에 압축 상태를 유도하게 될 수 있다.
복합 노즐은 프로세스에서 밸브, 파이프 및 기타 다른 컴포넌트 또는 연료 라인을 직접 연결할 수 있는 나사형 홀을 외측면에 가질 수 있고, 부품들이 압력 용기 형상의 밖에 위치하지 않게 되어 압력 용기를 수용하기 위한 필요 공간을 줄이게 된다.
복합 노즐 대신에, 특히 300 bar를 넘어서는 압력을 경험하도록 의도되는 실시예에 대해서는 금속 노즐이 바람직할 수 있다. 이는, 압축 응력의 예상되는 레벨을 허용하기 위해 노즐을 지나치게 크게 할 필요가 있으므로 압축 응력에 기인하여 복합 노즐의 이용이 과도하게 복합해지거나 비현실적인 것이 될 수 있기 때문이다.
비금속성 라이너(2) 위에 외부 복합 층(3)을 제조하는 것은 와인딩 기술을 수반하는 것이 바람직하다. 이는 잠재적으로 생산 시간의 측면에서 높은 효율을 제공할 수 있다. 나아가, 섬유의 배향에 양호한 정확도를 제공할 수 있다. 또한 양호한 품질 재생가능성을 제공할 수 있다.
와인딩 장치는 종래의 응용보다 큰 용기 및/또는 무거운 용기를 다루는데 적합할 필요가 있을 것이다. 이러한 와인딩 장치는 보다 큰 베어링, 강화된 스핀들, 그리고 요구되는 두꺼운 측벽이 적절히 지지될 수 있도록 하기 위한 추가적인 조정을 필요로 할 것이다.
강화 섬유는 맨드릴을 통해 역장력으로 와인딩되는 것이 바람직하다. 맨드릴은 비금속성 라이너(2)에 의해 구성된다. 따라서 비금속성 라이너(2)는 이러한 기술을 위해 수형 금형을 구성한다. 와인딩은 섬유가 수지에 사전-함침된 후에 수행되는 것이 바람직하다. 따라서 함침된 섬유는 바람직하게는, 주어진 지름에 대하여 필요한 두께에 도달할 때까지 상기 비금속성 라이너(2) 위에 층들로 증착된다.
본 발명의 용기가 이용될 압력이 현재 이용 중인 어떠한 설계보다도 실질적으로 더 높기 때문에 복합 층(3)의 두께는 현재의 설계보다 두꺼워져야 할 것이다. 요구되는 복합 층(3)의 두께는, 두꺼운 벽을 갖는 효과가 고려된다면, 당업자에게 알려져 있는 통상의 기술을 이용하여 계산될 수 있다.
층(3)의 증가된 두께는, 종전에 이러한 설계의 용기(10)의 상업적 실시를 막는 것으로 여겨졌던 많은 문제들을 야기한다.
보다 두꺼운 섹션은 경화하는데 더 오래 걸리고, 이는 종종 층(3)의 특정 깊이는 경화되지만 다른 깊이는 경화되지 못하는 결과를 낳는다. 이는 또한 수용가능하지 않은 열적 유도 응력을 유발한다.
열적 유도 응력의 발생을 줄이기 위해, 많은 방법이 개별적으로 또는 조합되어 이용될 수 있다. 현 실시예에서는, 함침되는 수지가 필라멘트 와인딩 이전에 가열된다. 이는 종종, 이하 설명하는 바와 같이 열가소성 수지에 대해 이루어지지만, 열경화성 수지에 대해서는 통상적인 실시가 아니며, 온도 또한 열가소성 수지의 표준적인 실시와는 상이하다.
이러한 가열은 통상의 기술자에게 알려져 있는 기존 방법으로 이루어지고(예컨대, 맨드릴 둘레에 실제 와인딩하기 이전에 섬유가 통과하는 수지 배치(batch)를 가열), 가열되는 온도는 이용되는 수지에 따라 특정된다. 다시 말해서, 함침된 섬유는 수지가 이미 경화 프로세스를 시작한 상태로 맨드릴(비금속성 라이너(2)) 상에서 증착될 것이다. 이는 벽의 중심부가 그 표면과는 상이한 속도로 경화되는 후벽 효과를 줄이게 된다.
부가적으로, 복합 층(3)은 다수의 단계로 와인딩 및 경화되며, 각각의 단계는, 수용가능할 정도의 적은 양의 열 응력이 생성되면서 이후 경화될 수 있는 양만큼 두께를 늘리게 된다. 이러한 점진적인 단계별 접근법에 의해, 큰 두께의 복합물이 동시에 경화되어야 할 필요성이 제거된다.
마지막으로, 용기는 와인딩 프로세스 뿐만 아니라 경화 프로세스 중에도 회전된다. 이에 의해, 경화되지 않은 수지가 어느 곳에서도 중력 때문에 이동 또는 생성되지 않게 된다. 이는 두꺼운 구조의 경우 훨씬 큰 위험 요소이다.
본 발명은 실질적으로 완전히 랩핑된 고압 용기(10)에 관한 것이므로, 제조 프로세스에서 섬유를 위해 다중-축 크로스헤드를 이용하는 것이 바람직할 수 있다.
이러한 프로세스는 또한, 고압 용기(10)의 단부(11, 12)의 대부분을 구조적 외부 복합 층(3)으로 덮는 것을 포함하는 것이 바람직하다.
열경화성 수지를 이용하는 경우, 비금속성 라이너(2) 둘레에 실제로 섬유를 와인딩하기 전에 섬유를 함침하기 위해 함침용 바스켓을 이용할 수 있다. 그 다음에 함침된 섬유는 위에서 기술한 바와 같이, 용기의 두꺼운 복합 층(3)에서의 열적 유도 응력을 줄이기 위한 방법의 일부로서 가열된다.
열가소성 수지를 이용하는 경우, 맨드릴에 도달하기 직전에 수지를 융해시키기 위해 위에서 언급한 바와 같이 섬유 증착 이전에 수지의 가열이 있을 수 있고, 또는 섬유가 금속 라이너 상에 복합 재료로서 증착되기 전에 열가소성 수지로 함침될 수 있다. 수지는 다시, 섬유 및 수지 복합물이 비금속성 라이너(2)에 도달하기 직전에 수지를 융해하기 위해서 섬유를 증착하기 전에 가열된다. 그 다음에 복합물이 위에서 설명한 바와 같은 단계로 도포되고 경화될 수 있다.
부가적으로, 본 발명의 제1 실시예와 관련하여 기술한 바와 같이, 실질적으로 더 높은 압력을 견디기 위해 필요한 두꺼운 복합 층에서 생길 수 있는 열 응력을 줄이기 위해 다양한 방법이 이용가능하다.
본 발명의 용기가 이용될 압력이 현재 이용 중인 어떠한 설계보다도 실질적으로 더 높기 때문에 복합 층 두께는 현재의 설계보다 두꺼워져야 할 것이다. 요구되는 복합 층의 두께는, 두꺼운 벽을 갖는 효과가 고려된다면, 당업자에게 알려져 있는 통상의 기술을 이용하여 계산될 수 있다.
층의 증가된 두께는, 종전에 이러한 설계의 용기의 상업적 실시를 막는 것으로 여겨졌던 많은 문제들을 야기한다.
보다 두꺼운 섹션은 경화하는데 더 오래 걸리고, 이는 종종 층의 특정 깊이는 경화되지만 다른 깊이는 경화되지 못하는 결과를 낳는다. 이는 또한 수용가능하지 않은 열적 유도 응력을 유발한다.
열적 유도 응력의 발생을 줄이기 위해, 많은 방법이 개별적으로 또는 조합되어 이용될 수 있다. 현 실시예에서는, 함침되는 수지가 필라멘트 와인딩 이전에 가열된다. 이는 종종, 이하 설명하는 바와 같이 열가소성 수지에 대해 이루어지지만, 열경화성 수지에 대해서는 통상적인 실시가 아니며, 온도 또한 열가소성 수지의 표준적인 실시와는 상이하다.
이러한 가열은 통상의 기술자에게 알려져 있는 기존 방법으로 이루어지고, 가열되는 온도는 이용되는 수지에 따라 특정된다. 다시 말해서, 함침된 섬유는 수지가 이미 경화 프로세스를 시작한 상태로 맨드릴 상에서 증착될 것이다. 이는 벽의 중심부가 그 표면과는 상이한 속도로 경화되는 후벽 효과를 줄이게 된다.
부가적으로, 복합 층은 다수의 단계로 와인딩 및 경화되며, 각각의 단계는, 수용가능할 정도의 적은 양의 열 응력이 생성되면서 이후 경화될 수 있는 양만큼 두께를 늘리게 된다. 이러한 점진적인 단계별 접근법에 의해, 큰 두께의 복합물이 동시에 경화되어야 할 필요성이 제거된다.
마지막으로, 용기는 와인딩 프로세스 뿐만 아니라 경화 프로세스 중에도 회전된다. 이에 의해, 경화되지 않은 수지가 어느 곳에서도 중력 때문에 이동 또는 생성되지 않게 된다. 이는 두꺼운 구조의 경우 훨씬 큰 위험 요소이다.
고압 용기(10)에는 바람직하게는, 가스 적하 및 양하 그리고 액체 배출을 위한 적어도 하나의 개구부(71 및/또는 72)가 제공될 수 있다. 개구부(71 및/또는 72)는 용기(10)의 단부(11, 12) 어느 쪽에도 제공될 수 있지만, 도 2에 도시된 바와 같이 하단부(12)에 개구부(72)를 제공하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 배관에 연결하기 위한 12 인치(30 cm) 개구부일 수 있다.
고압 용기(10)는 또한 상단부(11)에 개구부(71)를 갖고, 이는 적어도 18 인치(45 cm) 폭의 액세스 맨홀(6), 예컨대 밀봉되거나 밀봉가능한 커버를 갖는 맨홀(또는 더 바람직하게는 24 인치(60 cm) 맨홀)의 형태인 것이 바람직하다. 바람직하게는 ASME(미국 기계 학회) 표준에 따라 제공된다. 바람직하게는 개구부(71)에 폐쇄 수단(73)이 제공되고(도 1a 참조), 이러한 폐쇄 수단은 예를 들어 볼트를 조임으로써 가스 수송 중에 개구부의 밀봉 폐쇄를 가능하게 하지만, 용기(10)가 사용되지 않을 때에는, 예를 들어 사람이 폐쇄 수단을 제거하고 개구부/맨홀(6)을 통해 용기 내부로 들어감으로써, 내부 검사가 가능해진다.
도 3은 모듈 또는 격실(40) 내의 복수의 용기에 대한 바람직한 배열을 나타낸다. 고압 용기(10)는 선박의 선체에서(도 7 참조) 모듈 또는 격실(40)에 배열될 수 있고, 용기(10)는 예컨대 배관(61)을 통해, 적하 및 양하 작업을 위해 상호연결될 수 있다. 바람직한 구성으로, 이러한 모듈 또는 격실(40)은 4개의 에지를 가지고(4변 형상임), 복수의 용기(10)를 포함한다. 선택된 용기의 수는 용기 지름 또는 형상 및 모듈 또는 격실(40)의 크기에 따라 달라질 것이다. 나아가, 모듈 또는 격실의 수는 모듈 또는 격실(40)을 수용하기 위한 선박 선체의 구조적 제약에 따라 달라질 것이다. 모든 모듈 또는 격실이 동일한 크기 또는 형상을 가져야 하는 것은 아니고, 마찬가지로 동일한 크기 또는 형상의 고압 용기를 포함하거나 동일한 수의 용기를 포함할 필요가 없다.
본 발명의 이러한 양상은 - 복수의 용기의 배열 - 본 발명에서 기술되는 임의의 실시예, 또는 본 발명에 따른 임의의 추가적인 고압 용기에 적용될 수 있다.
용기(10)는 모듈 또는 격실 내에서 규칙적인 어레이를 이룰 수 있다 - 도시된 실시예에서는 4 x 7 어레이. 동일한 모듈 내에 있는지(즉, 상이한 크기의 고압 용기들), 또는 상이한 크기의 모듈들 내에 있는지에 따라, 기타 다른 어레이 크기도 예상될 수 있고, 이러한 배열은 선박의 선체에 적절하게 맞추어지도록 선택 및 설계될 수 있다.
외부 검사-가능성이라는 이유 때문에 모듈 또는 격실(40) 내에서 용기(10) 사이의 거리는 적어도 380 mm, 또는 더 바람직하게는 적어도 600 mm인 것이 바람직하다. 이러한 거리는 또한 가압된 가스로 적하될 때 용기 팽창을 위한 공간을 허용한다 - 용기는 적하될 때 부피가 2% 이상 팽창할 수 있다(그리고 주변 온도의 변화 또한 용기의 부피 변화를 초래할 수 있다).
바람직하게는, 모듈 또는 격실(40) 사이의 거리, 또는 외측 용기(10A)와 모듈 또는 격실(40)의 벽 또는 경계(40A) 사이의 거리, 또는 이웃하는 모듈 또는 격실(40)의 인접하는 외측 용기 사이의 거리는(예를 들어, 이웃하는 모듈 또는 격실(40)을 분리하는 어떠한 물리적인 벽도 없는 경우) 적어도 600 mm, 또는 더 바람직하게는 적어도 1 m 이 될 것이며, 이는 또한 외부 검사-가능성이라는 이유 때문 및/또는 용기 팽창을 허용하기 위함이다. 압력 용기 사이의 거리가 더 멀어지면 또한, 350 bar 초과, 또는 700 bar 초과, 또는 더 바람직하게는 1000 bar 또는 1050 bar에 이르는 보다 높은 작동 압력에 기인하는, 화물 선체에서의 누출의 경우 늘어난 줄-톰슨 효과(가스 팽창 및 온도 강하)를 감안하게 될 것이다.
도 3을 더 참조하면, 각각의 고압 용기 행(또는 열)은, 예를 들어 바람직하게는 12 인치(30 cm) 개구부(72)를 통해 메인 헤더로, 예컨대 전동 밸브를 통해, 각 용기(10)의 하부(12)로부터 적하 및 양하 작업을 위한 파이프 시스템(60)과 상호연결된다.
메인 헤더는 다양한 다른 압력 레벨, 예를 들어 3가지 레벨(높음 - 예컨대, 1000 bar, 중간 - 예컨대, 600 또는 400 bar, 및 낮음 - 예컨대 250 또는 120 bar)과 하나의 블로 다운 헤더 및 불활성 목적으로 하나의 질소 헤더를 포함할 수 있다.
또한 도 3에 도시된 바와 같이, 용기(10)는 바람직하게는 전용 지지대 또는 브래킷 상에, 또는 제 위치에 스트랩 결합됨으로써, 수직으로 장착되는 것이 바람직하다. 이러한 지지대(미도시)는 용기 서로에 대한 수평 변위를 방지하도록 용기(10)를 홀딩한다. 클램프, 브래킷, 또는 기타 다른 기존의 고압 용기 유지 시스템이 이러한 목적으로 이용될 수 있고, 예를 들면 각각의 용기의 메인 실린더를 고정하는 후프 또는 스트랩 등이 있다. 지지대는 예를 들어 약간의 탄성을 가짐으로써 용기 팽창을 수용하도록 설계될 수 있다.
용기(10)가 수직으로 장착되는 경우, 선박 운동으로부터 발생하는 이후의 동적 하중에 영향을 덜 받는다. 나아가 이러한 수직 배열에 의해, 필요한 경우 모듈 또는 격실(40) 내에서 단일 용기들을 보다 쉽게 교체할 수 있게 된다 - 먼저 위쪽에서 다른 용기를 제거할 필요 없이 용기를 밖으로 들어올릴 수 있다. 이러한 구성에 의해 또한 잠재적으로 신속한 설치 시간이 가능해진다. 수직 위치로 용기(10)를 장착하게 되면 또한, 응축된 액체가 중력의 영향 하에 하부로 하강할 수 있게 되고, 이에 의해 예를 들어 각 용기(10) 하부의 12 인치 개구부(72)를 이용하여 용기로부터 양하가능하게 된다.
바람직하게는 가스의 양하는 또한 용기(10)의 하부로부터 이루어질 것이다.
파이프 및 밸브(60)의 대부분이 모듈(40)의 하부 근방에 설치되는 경우, 전체 배열의 무게 중심은 또한 낮은 위치에 있게 될 것이고, 이는 특히 해상에서의 안정성을 개선하기 위해, 또는 가스 수송 중에 추천 및 선호된다.
모듈 또는 격실(40)은 바람직하게는, 용기(10)들 및 모듈의 벽(40A)들 사이의 공간이 질소 가스로 채워진 상태로 제어된 환경으로 유지되므로, 화재 위험을 줄이게 된다. 대안적으로, 엔진 배기 가스가 이러한 불활성 기능을 위해 이용될 수 있는데 그 조성에 CO2가 풍부하기 때문이다.
개별 용기(10)의 크기를 최대화함으로써, 예를 들어 용기의 지름을 6 미터 이하, 길이를 30 미터 이하로 함으로써, 격납되는 동일한 전체 부피에 대하여 용기(10)의 총 개수가 감소될 수 있고, 이는 연결 및 상호-배관 복잡성을 줄일 수 있고, 따라서 용접부, 조인트 및 매니폴드와 같은 보다 약한 위치에서 통상적으로 발생하는 가능성 있는 누출 포인트들의 수를 줄이게 된다. 바람직한 구성은 적어도 2 m의 지름을 요한다.
가스 저장을 위해 이용되는 상호연결이라는 동일한 개념을 이용하여 액체 저장(예컨대, 콘덴세이트)을 위해 하나의 전용 모듈을 별도로 떼어둘 수 있다. 이와 같이 모듈(40)은 잠재적으로 모두 함께 연결되어 다른 모듈(40)로부터 전용 모듈로 이러한 액체의 분배가 가능해진다 - 선박은 통상적으로 다수의 모듈(40)을 특징으로 구비할 것이다.
유입 및 유출 가스 저장 배관은 바람직하게는, 밸브-연결된 매니폴드를 통해 계측, 가열, 및/또는 블로 다운 시스템 및 소기 시스템 중 적어도 하나와 연결될 수 있다. 바람직하게 이들은 분산 제어 시스템(DCS)에 의해 원격으로 활성화될 수 있다.
배관 지름은 바람직하게는 다음과 같다:
CNG 적하/양하에 전용화된 3개의 메인 헤더(낮은 압력, 중간 압력 및 높은 압력)에 대해 18 인치.
블로 다운 CNG 라인에 대해 24 인치.
모듈에 불활성 가스를 공급하는 파이프에 대해 6 인치.
블로 다운 불활성 가스 라인에 대해 10 인치.
가능한 액체 적하/양하에 전용화된 파이프에 대해 10 인치.
국제 규정, 표준 및 규칙에 예상되는 바와 같이, 모든 모듈에는 바람직하게는 적절한 소방 시스템이 장착될 수 있다.
수송된 가스, 바람직하게 CNG는, 200 bar 초과, 잠재적으로 350 bar, 600 bar, 700 bar 또는 800 bar 초과의 압력, 그리고 잠재적으로는 최고 1000 bar 또는 1050 bar의 압력에 있을 것이다.
제1의 특정한 실시예로서 기술된, 타입 4 압력 용기의 고압 버전 이외에도, 기타 다른 형태의 압력 용기도 본 발명에 따를 수 있다. 이러한 다른 형태의 압력 용기는 타입 5, 타입 6, 타입 7, 및 타입 8 압력 용기라 지칭될 수 있는 것을 포함한다. 이러한 다양한 상이한 압력 용기 타입의 기타 다른 수정된 버전을 적용하는 것도 가능하다. 그러나 특히 상기 제1 실시예에 더하여, 본 발명은 타입 3, 5, 6, 7, 및 8의 압력 용기에 적용될 수 있다.
이용가능한 압력 용기의 타입에 대한 요약은 다음과 같다:
타입 1: 금속이 격납을 위한 구조로 이용되는 전-스틸 압력 용기;
타입 2: 구조적 스틸 헤드(돔) 및 하이브리드 재료 본체를 갖는 복합 후프-랩핑된 스틸 탱크(스틸 + 섬유-강화 폴리머, 섬유 강화는 후프 섹션에 있음), 하이브리드 재료는 하중 공유 조건에 있음;
타입 3: 비금속성 구조적 오버랩을 갖는 금속성 라이너. 금속 라이너는 단지 유체 격납 목적을 위한 것이다. 비금속성 외부 구조적 오버랩은 바람직한 구성으로서 섬유-강화 폴리머로 만들어진다; 다른 비금속성 오버랩도 가능하다.
타입 4: 비금속성 구조적 오버랩을 갖는 비금속성 라이너. 비금속성 라이너(예컨대, 열가소성 또는 열경화성 폴리머 라이너)는 단지 유체 격납 목적을 위한 것이다. 비금속성 외부 구조적 오버랩은 바람직한 구성으로서 다시 섬유-강화 폴리머로 만들어질 수 있다.
타입 5: 제조 프로세스 이후에 제거되는 기질 상에 비금속성 구조가 생성되는, 완전히 비금속성인 구조체(어떠한 별도의 라이너도 없음).
타입 6: 복합 헤드 또는 돔에 맞춰진 스틸 본체 섹션. 압력 용기는 구조적 스틸 본체 섹션 및 밀봉된 조인트에 맞춰진 섬유-강화 폴리머 헤드 또는 돔을 가진다.
타입 7: 복합 헤드 또는 돔을 갖는 복합 후프-랩핑된 스틸 본체. 압력 용기는 하이브리드 스틸 + 섬유-강화 폴리머 후프 랩핑된 본체 섹션을 갖고, 재료는 하중 공유 조건에 있으며 섬유-강화 폴리머 헤드 또는 돔은 밀봉된 조인트에 맞춰진다.
타입 8: 비금속성 구조적 오버랩을 갖는 비금속성 라이너로부터 형성된 근사적 구 형상 압축 용기(위의 타입 4와 유사하지만, 특별한 근사적 구 형상을 가짐). 이러한 압력 용기는 단지 유체 격납 목적을 위해 기능하는 비금속성 라이너(예컨대, 열가소성 또는 열경화성 폴리머)를 가진다. 비금속성 외부 구조적 오버랩은 통상적으로 바람직한 구성에서 섬유-강화 폴리머로 만들어진다.
이와 같이, 고압 용도로 적합한 타입 4 압력 용기 뿐만 아니라, 타입 3, 5, 6, 7, 또는 8 압력 용기도 본 발명에 따른 것이며, 압력 용기는 고압 가스, 바람직하게는 CNG의 저장 또는 수송을 위한 것이고, 상응하는 크기의 승인된 타입 1 압력 용기 및 상응하는 크기의 승인된 타입 2 압력 용기 양자 모두보다 상당히 증가된 최대 압력 능력을 가진다. 최대 압력은 200 bar를 넘거나, 바람직하게는 350 또는 700 bar를 넘거나, 더 바람직하게는 1000 또는 1050 bar에 이른다.
타입 6 압력 용기는 스틸 실린더형 섹션을 갖는 복합 단부 돔을 포함한다. 본 발명에 따른 방법은 최대 압력 용량을 높이기 위해 이러한 용기의 제조 중에 이용될 수 있지만, 실린더형 섹션과 돔 섹션 사이의 결합은 응력 집중을 나타낼 것이고, 따라서 최대 잠재 압력 용량을 한정하게 될 것이다. 따라서, 이러한 타입의 압력 용기는 추가로 논의하지 않을 것이다.
중량 및 가스 용량은 통상적으로, 관련 규제 기관에 의해 "공인된" 특성으로서 특정한 압력 용기, 또는 압력 용기의 특정한 설계에 할당된다. 이는 압력 용기가 사용되기 전에 통상적으로 "공인"되어야 하기 때문이다.
이전과 마찬가지로, 압력 용기는 저장 또는 수송되는 연료에 대해 실질적으로 불활성인 재료, 즉 연료와 접촉할 때 부식되지 않는 경향이 있는 재료로 형성되는 내부 벽 또는 표면을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 압력 용기는 적어도 AISI 316 스테인리스 스틸의 내식성 특성을 가질 수 있거나, 실질적으로 H2S 내성, 또는 바람직하게는 ISO 15156에 따른 H2S 내성을 가질 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 고압을 견딜 수 있는 용기는 보다 두꺼운 벽 섹션을 필요로 한다. 이러한 하중 및 연관된 응력을 견디도록 금속 또는 복합 구조를 설계하는 것은, 두꺼운 벽을 갖는 효과를 고려한다면, 통상의 기술자에게 알려져 있는 전통적인 방법을 이용하여 이루어진다.
고압에 적합한 용기의 제조와 연관된 대부분의 문제는 설계 단계보다는 제조 프로세스 중에 마주치게 된다. 따라서 맞춤형 제조 장치 및 프로세스가 요구될 수 있다.
고압 응용에 적합하지 않을 수 있는 표준 장비의 일례는 필라멘트 와인더이다. 따라서, 필라멘트 스핀들 와인더는, 증가된 벽 두께에 기인하는 추가적인 비틀림 및 중량을 장치가 견딜 수 있게 하기 위해 수정 및 강화를 필요로 할 수 있다. 필라멘트 와인더의 잠재적인 이슈는 본 발명과 연관된 모든 실시예의 제조에 동일하게 적용될 수 있다.
본 출원에서 개시된 바와 같은 맨드릴, 및 특히 일회용 맨드릴은 또한, 보다 두꺼운 벽 섹션에 기인하는 더 큰 힘을 견디도록 맞춤형 제작되어야 할 수 있다. 별개의 금속성 또는 비금속성 라이너가 이용되는 경우, 라이너 자체로 맨드릴로 기능하기에 충분히 강할 수 있으므로, 별개의 맨드릴이 필요하지 않을 수 있다. 맨드릴로 기능할 수 있도록 라이너 두께를 늘리는 것보다, 본원에서 기술된 바와 같이 일회용 맨드릴을 이용하는 것이 더 효율적일 수 있기 때문에, 각각의 경우는 개별적으로 분석될 필요가 있을 것이다. 다시, 이러한 이슈는 본 발명과 연관되는 모든 실시예의 제조에 동등하게 적용될 수 있다.
복합물은 다중-단계 경화 프로세스에 의해 경화되는 것이 바람직하다. 두꺼운 복합 섹션을 위해 단일 단계 경화 프로세스를 이용하게 되면 기계적인 성능에 손상을 가할 위험이 있다. 성능 감소의 한 가지 원인은 열적 잔여 응력 때문이고, 종종 섬유와 복합물의 매트릭스 사이의 열 팽창 특성의 차이 때문이다. 다중-단계 경화 프로세스를 이용하면 이러한 효과의 영향을 줄이게 된다.
본 발명의 모든 실시예 내에서 수송가능한 타입의 다른 연료에는 가압/액체 수소, LNG, GTL(가스 내지 액체) 및 LPG가 포함된다.
이제 나머지 도면을 참조하면, 기타 다른 적합한 고압 용기의 예가 기술될 것이다.
도 9 및 10의 고압 용기는 타입 3 고압 용기이고, 외부 복합 층(200)과 함께, CNG(20)(압축 천연 가스)와 같은 원료 가스의 유압식 또는 유체 격납이 가능한 적어도 제1 층(100)으로서의 내부 금속성 라이너로 이루어진다. 고압 용기는 200 bar 초과, 또는 바람직하게는 350 bar 또는 700 bar 초과, 또는 더 바람직하게는 1000 또는 1050 bar에 이르는 압력에서 가스를 다룰 수 있다.
제1 층(100)으로서의 금속성 라이너는 CNG(20) 수송 중에 구조적 목적을 제공하기 위한 형태로 제공되지 않아도 된다. 그러나, 바람직하게는 적어도 내식성을 가져야 한다. 바람직한 재료는 스테인리스 스틸, 또는 어떤 다른 금속성 합금이다.
이러한 구성은 또한, 탱크가 기타 다른 가스, 예컨대 14% 이하의 몰분율의 CO2 허용량, 1.5% 이하의 몰분율의 H2S 허용량, 또는 H2 및 CO2 가스를 갖는 천연 가스(메탄)를 담을 수 있게 한다. 그러나, 바람직한 용도는 CNG 수송이다.
CNG는 가변의 혼합 비율로 다양한 잠재적인 구성 성분들을 포함할 수 있고, 일부는 기상이며 다른 것은 액상이거나, 양자의 혼합물을 포함할 수 있다. 이러한 구성 성분들은 다음의 화합물 중 하나 이상을 통상 포함할 것이다: C2H6, C3H8, C4H10, C5H12, C6H14, C7H16, C8H18, C9+ 탄화수소, CO2 및 H2S, 그리고 잠재적으로 톨루엔, 디젤 및 액체 상태의 옥탄.
스테인리스 스틸은 AISI 304, 314, 316 또는 316L(낮은 탄소 비율을 갖는)과 같은 오스테나이트계 스테인리스 스틸인 것이 바람직하다. 어떤 다른 금속성 합금이 이용되는 경우, 니켈 기반 합금 또는 알루미늄 기반 합금, 예컨대 내식성을 갖는 합금인 것이 바람직하다.
바람직하게는 제1 층(100)을 형성하는 금속성 라이너는 단지, 스스로 붕괴되지 않도록, 용기의 제조 프로세스로부터 발생하는 응력, 예를 들면 섬유 와인딩 동안 가해지는 응력을 견딜 정도로만 충분히 강할 필요가 있다. 이는, CNG(20)의 가압 수송 중에 구조적 지지가 대신 외부 복합 층(200)에 의해 제공될 것이기 때문이다.
적어도 하나의 섬유 층을 이용하는 외부 복합 층(200)은 섬유-강화 폴리머일 것이다. 복합 층은 유리, 또는 탄소/그래파이트, 또는 아라미드 섬유, 또는 이들의 조합물에 기반할 수 있다. 외부 복합 층은 보강재로서 이용되어, 용기 단부(11, 12)를 포함하여 압력 용기(10)를 완전히 랩핑하고, 서비스 중에 용기에 대한 구조적 강도를 제공하게 된다. 유리 섬유의 경우, E-유리 또는 S-유리 섬유의 이용이 바람직하지만, 이에 제한되지 않는다. 그러나 바람직하게는 유리 섬유가 1,500 MPa 이상의 제안된 인장 강도 및/또는 70 GPa 이상의 제안된 영률을 갖는 것이 바람직하다. 탄소 섬유의 경우, 바람직하게는 3,200 MPa 이상의 인장 강도 및/또는 230 GPa 이상의 영률을 갖는 탄소 얀을 이용하는 것이 바람직할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는 얀 마다 12,000, 24,000 또는 48,000개의 필라멘트가 있다.
복합 매트릭스는 폴리머 수지 열경화성 또는 열가소성인 것이 바람직하다. 열경화성인 경우, 에폭시계 수지일 수 있다.
이러한 금속성 라이너(제1 층(100)) 위에 외부 복합 층(200)을 제조하는 것은 와인딩 기술을 수반하는 것이 바람직하다. 이는 잠재적으로 생산 시간의 측면에서 높은 효율을 제공할 수 있다. 나아가, 잠재적으로 섬유 배향에 있어서 양호한 정확도를 제공할 수 있다. 또한 양호한 품질 재생가능성을 제공할 수 있다.
와인딩 장치는 종래의 응용보다 큰 용기 및/또는 무거운 용기를 다루는데 적합할 필요가 있을 것이다. 이러한 와인딩 장치는 보다 큰 베어링, 강화된 스핀들, 그리고 요구되는 두꺼운 측벽이 적절히 지지될 수 있도록 하기 위한 추가적인 조정을 필요로 할 것이다.
강화 섬유는 맨드릴을 통해 역장력으로 와인딩되는 것이 바람직하다. 맨드릴은 통상 라이너이다. 따라서 라이너는 이러한 기술을 위해 수형 금형을 구성한다. 와인딩은 섬유가 수지에 사전-함침된 후에 수행된다. 따라서 함침된 섬유는 바람직하게는, 주어진 지름에 대하여 필요한 두께에 도달할 때까지 금속성 라이너 위에 층들로 증착된다.
본 발명은 실질적으로 완전히 랩핑된 고압 용기(10)에 관한 것이므로, 제조 프로세스에서 섬유를 위해 다중-축 크로스헤드를 이용하는 것이 바람직할 수 있다.
이러한 프로세스는 또한, 고압 용기(10)의 단부(11, 12)의 대부분을 구조적 외부 복합 층(200)으로 덮는 것을 포함하는 것이 바람직하다.
열경화성 수지를 이용하는 경우, 섬유 증착 전에 함침용 바스켓을 이용할 수 있다 - 금속 라이너(100) 둘레에 실제로 섬유를 와인딩하기 전에 섬유를 함침하기 위해.
열가소성 수지를 이용하는 경우, 맨드릴에 도달하기 직전에 수지를 융해시키기 위해 섬유 증착 이전에 수지의 가열이 있을 수 있고, 또는 섬유가 금속 라이너 상에 복합 재료로서 증착되기 전에 열가소성 수지로 함침될 수 있다. 수지는 다시, 섬유 및 수지 복합물이 금속 라이너(100)에 도달하기 직전에 수지를 융해하기 위해서 섬유를 증착하기 전에 가열된다.
부가적으로, 본 발명의 제1 실시예와 관련하여 기술한 바와 같이, 실질적으로 더 높은 압력을 견디기 위해 필요한 두꺼운 복합 층에서 생길 수 있는 열 응력을 줄이기 위해 다양한 방법이 이용가능하다.
본 발명의 용기가 이용될 압력이 현재 이용 중인 어떠한 설계보다도 실질적으로 더 높기 때문에 복합 층 두께는 현재의 설계보다 두꺼워져야 할 것이다. 요구되는 복합 층의 두께는, 두꺼운 벽을 갖는 효과가 고려된다면, 당업자에게 알려져 있는 통상의 기술을 이용하여 계산될 수 있다.
층의 증가된 두께는, 종전에 이러한 설계의 용기의 상업적 실시를 막는 것으로 여겨졌던 많은 문제들을 야기한다.
보다 두꺼운 섹션은 경화하는데 더 오래 걸리고, 이는 종종 층의 특정 깊이는 경화되지만 다른 깊이는 경화되지 못하는 결과를 낳는다. 이는 또한 수용가능하지 않은 열적 유도 응력을 유발한다.
열적 유도 응력의 발생을 줄이기 위해, 많은 방법이 개별적으로 또는 조합되어 이용될 수 있다. 현 실시예에서는, 함침되는 수지가 필라멘트 와인딩 이전에 가열된다. 이는 종종, 이하 설명하는 바와 같이 열가소성 수지에 대해 이루어지지만, 열경화성 수지에 대해서는 통상적인 실시가 아니며, 온도 또한 열가소성 수지의 표준적인 실시와는 상이하다.
이러한 가열은 통상의 기술자에게 알려져 있는 기존 방법으로 이루어지고, 가열되는 온도는 이용되는 수지에 따라 특정된다. 다시 말해서, 함침된 섬유는 수지가 이미 경화 프로세스를 시작한 상태로 맨드릴(금속성 라이너) 상에서 증착될 것이다. 이는 벽의 중심부가 그 표면과는 상이한 속도로 경화되는 후벽 효과를 줄이게 된다.
부가적으로, 복합 층은 다수의 단계로 와인딩 및 경화되며, 각각의 단계는, 수용가능할 정도의 적은 양의 열 응력이 생성되면서 이후 경화될 수 있는 양만큼 두께를 늘리게 된다. 이러한 점진적인 단계별 접근법에 의해, 큰 두께의 복합물이 동시에 경화되어야 할 필요성이 제거된다.
마지막으로, 용기는 와인딩 프로세스 뿐만 아니라 경화 프로세스 중에도 회전된다. 이에 의해, 경화되지 않은 수지가 어느 곳에서도 중력 때문에 이동 또는 생성되지 않게 된다. 이는 두꺼운 구조의 경우 훨씬 큰 위험 요소이다.
압력 용기(10)에는 가스 적하 및 양하를 위한 개구부(120)가 제공된다(여기서는, 캡 또는 커넥터가 제공). 이는 배관, 예컨대 연료 라인/호흡 레귤레이터 등에 연결하기 위해 제공되는 것이다.
용기는 또한 상단부(11)에 개구부(31)를 갖는다. 그러나 이는 선택적인 것이다 - 완전한 돔형인 제2 단부를 가지는 것이 바람직할 수 있다.
복수의 압력 용기(10)가 모듈 또는 격실에 배열될 수 있고, 압력 용기는 적하 및 양하 작업을 위해 예를 들어 배관을 통해 상호연결될 수 있다.
압력 용기를 홀딩하기 위한 지지대는, 예를 들어 약간의 탄성을 가짐으로써, 또는 그 단부에서 용기를 장착하여 실린더형 섹션이 제한 없이 반경방향으로 팽창할 수 있게 함으로써, 용기 팽창을 수용하도록 설계될 수 있다.
그 다음 도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 또 다른 용기(10)가 도시되어 있다. 이는 유압식 또는 유체 격납이 가능한 내부 금속성 라이너(200)로 이루어져 있다. 금속성 라이너(200)의 내측은 예를 들어 CNG를 격납할 수 있는 비금속성 라이너(110), 예컨대 폴리머 층으로 내부 코팅되어 있다. 금속 라이너(200)는 CNG 수송, 적하 및 양하 중에 구조적 목적을 제공하기 위한 형태로 제공되지 않아도 된다.
금속 라이너(200)는 비금속성 내식성 라이너(110)로 내부 코팅되고, 이러한 라이너는 압축 가스를 담을 수 있다. 바람직한 재료는 에폭시 수지, HDPE(고밀도 폴리에틸렌) 또는 PVC(폴리 염화 비닐)와 같은 얇은 폴리머 비금속성 층(110)을 갖는 탄소-강 코팅된 금속성 라이너(200)일 수 있다. 바람직하게는 50 MPa 이상의 인장 강도를 가진다. 바람직하게는 3 GPa 이상의 영률을 가진다. 바람직하게는 실질적으로 화학적 불활성일 수 있다. 바람직하게는 염화물을 포함하는 광범위의 화학적 조성에 대해 내식성을 갖는다.
이러한 구성은 또한, 용기(10)가 기타 다른 가스, 예컨대 14% 이하의 몰분율의 CO2 허용량, 1.5% 이하의 몰분율의 H2S 허용량, 또는 H2 또는 CO2 가스를 갖는 천연 가스(메탄)를 담을 수 있게 한다. 그러나, 바람직한 용도는 CNG이다.
CNG는 가변의 혼합 비율로 다양한 잠재적인 구성 성분들을 포함할 수 있고, 일부는 기상이며 다른 것은 액상이거나, 양자의 혼합물을 포함할 수 있다. 이러한 구성 성분들은 다음의 화합물 중 하나 이상을 통상 포함할 것이다: C2H6, C3H8, C4H10, C5H12, C6H14, C7H16, C8H18, C9+ 탄화수소, CO2 및 H2S, 그리고 잠재적으로 톨루엔, 디젤 및 액체 상태의 옥탄.
바람직하게는 금속 라이너(200)는 단지, 용기의 제조 프로세스로부터 발생하는 응력, 예를 들면 외부 섬유 층(300)이 도포될 때 가해지는 응력을 견딜 정도로만 충분히 강할 필요가 있다. 이는, 가스의 가압 수송 중에 구조적 지지가 대신 외부 복합 층(300)에 의해 제공될 것이기 때문이다.
금속 라이너(200)가 탄소-강으로 이루어지는 경우, 350 MPa 이상의 바람직한 인장 강도를 갖는 API(미국 석유 협회) 5L X42 또는 X60 또는 ASTM(미국 시험 재료 학회) A516로부터 선택될 수 있을 것이다.
외부 섬유 층(300)은 바람직하게는, 탄소/그래파이트 섬유에 기반한 섬유-강화 폴리머로부터 선택될 수 있고, 바람직하게는 (용기 단부를 포함하여) 용기(10)를 완전히 랩핑하고 서비스 중에 구조적 기여를 제공한다.
탄소 섬유가 외부 섬유 층(300)에 이용되는 경우, 3,200 MPa 이상의 바람직한 인장 강도 및/또는 230 GPa 이상의 바람직한 영률을 갖는 탄소 얀을 이용하는 것이 바람직할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는 얀이 얀 마다 12,000, 24,000 또는 48,000개의 필라멘트를 가질 수 있다.
복합 매트릭스는 폴리머 수지 열경화성 또는 열가소성인 것이 바람직하다. 보다 정확하게 말하자면, 열경화성 수지가 이용되는 경우, 에폭시계 수지, 또는 대안적으로 비닐 에스테르 또는 폴리에스테르계 수지인 것이 바람직하다. 이는 또한 비용 절감을 달성할 수 있다.
탄소/에폭시 복합물을 포함하는 외부 섬유 층(300)은 금속성 라이너(200) 용도로 이용되는 스틸과 마찬가지로 전기적으로 도전성이 있기 때문에, 가능한 갈바닉 커플링을 방지하기 위해서 절연 특성을 가진 부가적인 절연 복합 층을 제공하는 것이 바람직하다.
이러한 절연 층은 바람직하게는 에폭시 수지에 매립된 유리 섬유로 이루어져 외부 층의 수지와 부합하게 될 수 있다. 유리 섬유에 관해서는, E 유리 또는 S 유리 섬유를 이용하는 것이 바람직하나 이에 제한되지 않는다. 그러나 바람직하게는, 유리 섬유는 1,000 MPa 이상의 제안된 인장 강도 및/또는 70 GPa 이상의 영률을 가진다.
대안적으로, 도 12에 도시된 바와 같이, 절연 층(4)으로서 폴리머 코팅을 도포하는 것이 유용할 수 있다. 이러한 실시예에서 절연 층은 라이너(200)와 섬유 층(300) 사이이다. 절연 층(4)은 바람직하게는, 에폭시 수지, HDPE(고밀도 폴리에틸렌) 또는 PVC(폴리 염화 비닐)와 같은 재료로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는 이러한 코팅이 50 MPa 이상의 인장 강도 및/또는 3 GPa 이상의 영률을 가진다.
통상적으로 단지 압축성 응력을 견딜 필요가 있는 절연 층(4)은 다공성 특성을 가질 수 있고, 즉 스틸 라이너로부터 누출의 경우 가스에 투과가능할 수 있다. 그 다음에 절연 층(4)은 바람직하게는, 내부 라이너(200)로부터 누출의 경우 경고할 수 있는 통합된 가스 검출 장치를 더 포함할 수 있다. 도 13은 용기의 벽에 통합될 수 있는 이러한 장치에 대한 연결을 개략적으로 나타낸다. 이러한 장치는 근방에 위치한 수신 유닛으로의 무선 송신을 통해 작동될 수 있다.
이러한 금속성 라이너(200)(제1 층) 위에 외부 복합 층(300)을 제조하는 것은 와인딩 기술을 수반하는 것이 바람직하다. 이는 잠재적으로 생산 시간의 측면에서 높은 효율을 제공할 수 있다. 나아가, 잠재적으로 섬유 배향에 있어서 양호한 정확도를 제공할 수 있다. 또한 양호한 품질 재생가능성을 제공할 수 있다.
와인딩 장치는 종래의 응용보다 큰 용기 및/또는 무거운 용기를 다루는데 적합할 필요가 있을 것이다. 이러한 와인딩 장치는 보다 큰 베어링, 강화된 스핀들, 그리고 요구되는 두꺼운 측벽이 적절히 지지될 수 있도록 하기 위한 추가적인 조정을 필요로 할 것이다.
강화 섬유는 맨드릴을 통해 역장력으로 와인딩되는 것이 바람직하다. 맨드릴은 통상 라이너이다. 따라서 라이너는 이러한 기술을 위해 수형 금형을 구성한다. 와인딩은 섬유가 수지에 사전-함침된 후에 수행되는 것이 바람직하다. 따라서 함침된 섬유는 바람직하게는, 주어진 지름에 대하여 필요한 두께에 도달할 때까지 금속성 라이너 위에 층들로 증착된다.
본 발명은 실질적으로 완전히 랩핑된 고압 용기(10)에 관한 것이므로, 제조 프로세스에서 섬유를 위해 다중-축 크로스헤드를 이용하는 것이 바람직할 수 있다.
이러한 프로세스는 또한, 고압 용기(10)의 단부(11, 12)의 대부분을 구조적 외부 복합 층(300)으로 덮는 것을 포함하는 것이 바람직하다.
열경화성 수지를 이용하는 경우, 섬유 증착 전에 함침용 바스켓을 이용할 수 있다 - 금속 라이너(200) 둘레에 실제로 섬유를 와인딩하기 전에 섬유를 함침하기 위해.
열가소성 수지를 이용하는 경우, 맨드릴에 도달하기 직전에 수지를 융해시키기 위해 섬유 증착 이전에 수지의 가열이 있을 수 있고, 또는 섬유가 금속 라이너 상에 복합 재료로서 증착되기 전에 열가소성 수지로 함침될 수 있다. 수지는 다시, 섬유 및 수지 복합물이 금속 라이너(200)에 도달하기 직전에 수지를 융해하기 위해서 섬유를 증착하기 전에 가열된다.
부가적으로, 본 발명의 제1 실시예와 관련하여 기술한 바와 같이, 실질적으로 더 높은 압력을 견디기 위해 필요한 두꺼운 복합 층에서 생길 수 있는 열 응력을 줄이기 위해 다양한 방법이 이용가능하다.
본 발명의 용기가 이용될 압력이 현재 이용 중인 어떠한 설계보다도 실질적으로 더 높기 때문에 복합 층 두께는 현재의 설계보다 두꺼워져야 할 것이다. 요구되는 복합 층(300)의 두께는, 두꺼운 벽을 갖는 효과가 고려된다면, 당업자에게 알려져 있는 통상의 기술을 이용하여 계산될 수 있다.
층(300)의 증가된 두께는, 종전에 이러한 설계의 용기(10)의 상업적 실시를 막는 것으로 여겨졌던 많은 문제들을 야기한다.
보다 두꺼운 섹션은 경화하는데 더 오래 걸리고, 이는 종종 층(300)의 특정 깊이는 경화되지만 다른 깊이는 경화되지 못하는 결과를 낳는다. 이는 또한 수용가능하지 않은 열적 유도 응력을 유발한다.
열적 유도 응력의 발생을 줄이기 위해, 많은 방법이 개별적으로 또는 조합되어 이용될 수 있다. 현 실시예에서는, 함침되는 수지가 필라멘트 와인딩 이전에 가열된다. 이는 종종, 이하 설명하는 바와 같이 열가소성 수지에 대해 이루어지지만, 열경화성 수지에 대해서는 통상적인 실시가 아니며, 온도 또한 열가소성 수지의 표준적인 실시와는 상이하다.
이러한 가열은 통상의 기술자에게 알려져 있는 기존 방법으로 이루어지고, 가열되는 온도는 이용되는 수지에 따라 특정된다. 다시 말해서, 함침된 섬유는 수지가 이미 경화 프로세스를 시작한 상태로 맨드릴(라이너(200)) 상에서 증착될 것이다. 이는 벽의 중심부가 그 표면과는 상이한 속도로 경화되는 후벽 효과를 줄이게 된다.
부가적으로, 복합 층(300)은 다수의 단계로 와인딩 및 경화되며, 각각의 단계는, 수용가능할 정도의 적은 양의 열 응력이 생성되면서 이후 경화될 수 있는 양만큼 두께를 늘리게 된다. 이러한 점진적인 단계별 접근법에 의해, 큰 두께의 복합물이 동시에 경화되어야 할 필요성이 제거된다.
마지막으로, 용기는 와인딩 프로세스 뿐만 아니라 경화 프로세스 중에도 회전된다. 이에 의해, 경화되지 않은 수지가 어느 곳에서도 중력 때문에 이동 또는 생성되지 않게 된다. 이는 두꺼운 구조의 경우 훨씬 큰 위험 요소이다.
압력 용기(10)에는 가스 적하 및 양하 그리고 액체 배출을 위한 개구부(7)가 제공될 수 있다(여기서는, 캡 또는 커넥터가 제공). 이러한 개구부는 용기(10)의 양쪽 단부(11, 12)에 배치될 수 있다.
용기(10)는 또한 나머지 단부(11)에 제2 개구부(6)를 갖는 것으로 도시된다. 이는 선택적인 것이다 - 대신에 단부 돔이 완전히 둥근 형태일 수 있다.
그 다음에 도 14를 참조하면, 본 발명의 의도된 목적으로 이용하기 위한 고압 용기의 추가적인 실시예가 도시되어 있다. 용기는 원료 가스의 유압식 또는 유체 격납이 가능한 내부 금속 라이너(111)로 이루어져 있다. 금속 라이너(111)는 CNG 수송, 적하 및 양하 단계 중에 구조적 목적을 제공하기 위한 형태로 제공되지 않아도 된다.
금속 라이너(111)는 내식성을 갖고 CNG를 격납할 수 있어야 한다. 이용되는 재료는 스테인리스 스틸, 알루미늄 또는 기타 다른 내식성 금속성 합금인 것이 바람직하다.
스테인리스 스틸의 경우에는 AISI 304, 314, 316 또는 316L(낮은 탄소 비율을 갖는)과 같은 오스테나이트계 스테인리스 스틸인 것이 바람직하지만 이에 제한되지 않는다.
기타 다른 금속성 합금의 경우에는, 내식성이 있는 니켈 기반 합금 또는 알루미늄 기반 합금을 이용하는 것이 바람직하지만 이에 제한되는 것은 아니다.
이러한 구성은 또한, 용기가 기타 다른 가스, 예컨대 14% 이하의 몰분율의 CO2 허용량, 1.5% 이하의 몰분율의 H2S 허용량, 또는 H2 및/또는 CO2 가스를 갖는 천연 가스(메탄)를 담을 수 있게 한다. 그러나, 바람직한 용도는 CNG이다.
CNG는 가변의 혼합 비율로 다양한 잠재적인 구성 성분들을 포함할 수 있고, 일부는 기상이며 다른 것은 액상이거나, 양자의 혼합물을 포함할 수 있다. 이러한 구성 성분들은 다음의 화합물 중 하나 이상을 통상 포함할 것이다: C2H6, C3H8, C4H10, C5H12, C6H14, C7H16, C8H18, C9+ 탄화수소, CO2 및 H2S, 그리고 잠재적으로 톨루엔, 디젤 및 액체 상태의 옥탄.
바람직하게는 금속 라이너(111)는 단지, 용기의 제조 프로세스로부터 발생하는 응력, 예를 들면 섬유 와인딩 중에 가해지는 응력을 견딜 정도로만 충분히 강할 필요가 있다. 가스의 가압 수송 중에 구조적 지지가 대신 외부 복합 층(들)(222, 333)에 의해 제공될 것이다.
도시된 실시예에 따르면, 라이너(111) 둘레의 제1 섬유 층(222)은 탄소/그래파이트에 기반한 섬유 강화 폴리머이다. 이는 (용기 단부의 대부분을 포함하여) 실질적으로 용기를 완전히 랩핑하며, 서비스 중에 구조적 기여를 제공하도록 되어 있다. 바람직하게는 3,200 MPa 이상의 인장 강도 및/또는 230 GPa 이상의 바람직한 영률을 갖는 탄소 얀을 이용하는 것이 바람직할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는 얀 마다 12,000, 24,000 또는 48,000개의 필라멘트를 가질 수 있다.
도시된 실시예에 따르면, 제2 섬유 층(333)은 격리 및 보호 기능을 갖는다. 사용 시에 이는 회부 환경과 직접 접촉하게 될 것이다. 이러한 언급된 이유로 인하여, 제2 외부 섬유 층(333)은 바람직하게는 폴리머 또는 유리 섬유에 기반한 섬유-강화 폴리머일 수 있으며, 이는 공격적인 해양 환경에서의 불활성 속성 때문이고, 낮은 열 전도율의 측면에서의 격리 특성 때문이다. E-유리 또는 S-유리 섬유의 이용이 바람직하지만 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는 섬유가 1,000 MPa 이상의 제안된 인장 강도 및/또는 70 GPa 이상의 영률을 가진다.
고려되는 복합 층과는 무관하게 복합 매트릭스는 폴리머 수지 열경화성 또는 열가소성인 것이 바람직하다. 보다 정확하게 말하자면, 열경화성 수지가 이용되는 경우, 에폭시계 수지, 또는 대안적으로 비닐 에스테르 또는 폴리에스테르계 수지인 것이 바람직하다. 이는 기존의 스틸 구성을 포함하는 다른 가능한 구성에 비해 비용을 절감할 수 있다.
이러한 금속성 라이너(111) 위에 외부 복합 층(222, 333)을 제조하는 것은 와인딩 기술을 수반하는 것이 바람직하다. 이는 잠재적으로 생산 시간의 측면에서 높은 효율을 제공할 수 있다. 나아가, 잠재적으로 섬유 배향에 있어서 양호한 정확도를 제공할 수 있다. 또한 양호한 품질 재생가능성을 제공할 수 있다.
와인딩 장치는 종래의 응용보다 큰 용기 및/또는 무거운 용기를 다루는데 적합할 필요가 있을 것이다. 이러한 와인딩 장치는 보다 큰 베어링, 강화된 스핀들, 그리고 요구되는 두꺼운 측벽이 적절히 지지될 수 있도록 하기 위한 추가적인 조정을 필요로 할 것이다.
강화 섬유는 맨드릴을 통해 역장력으로 와인딩되는 것이 바람직하다. 맨드릴은 통상 라이너이다. 따라서 라이너는 이러한 기술을 위해 수형 금형을 구성한다. 와인딩은 섬유가 수지에 사전-함침된 후에 수행된다. 따라서 함침된 섬유는 바람직하게는, 주어진 지름에 대하여 필요한 두께에 도달할 때까지 금속성 라이너 위에 층들로 증착된다.
본 발명은 실질적으로 완전히 랩핑된 고압 용기(10)에 관한 것이므로, 제조 프로세스에서 섬유를 위해 다중-축 크로스헤드를 이용하는 것이 바람직할 수 있다.
이러한 프로세스는 고압 용기(10)의 단부(11, 12)의 적어도 대부분을 구조적 외부 복합 층(222, 333)으로 덮는 것을 포함하는 것이 바람직하다.
열경화성 수지를 이용하는 경우, 섬유 증착 전에 함침용 바스켓을 이용할 수 있다 - 금속 라이너(111) 둘레에 실제로 섬유를 와인딩하기 전에 섬유를 함침하기 위해.
열가소성 수지를 이용하는 경우, 맨드릴에 도달하기 직전에 수지를 융해시키기 위해 섬유 증착 이전에 수지의 가열이 있을 수 있고, 또는 섬유가 금속 라이너 상에 복합 재료로서 증착되기 전에 열가소성 수지로 함침될 수 있다. 수지는 다시, 섬유 및 수지 복합물이 금속 라이너에 도달하기 직전에 수지를 융해하기 위해서 섬유를 증착하기 전에 가열된다.
부가적으로, 본 발명의 제1 실시예와 관련하여 기술한 바와 같이, 실질적으로 더 높은 압력을 견디기 위해 필요한 두꺼운 복합 층에서 생길 수 있는 열 응력을 줄이기 위해 다양한 방법이 이용가능하다.
본 발명의 용기가 이용될 압력이 현재 이용 중인 어떠한 설계보다도 실질적으로 더 높기 때문에 복합 층 두께는 현재의 설계보다 두꺼워져야 할 것이다. 요구되는 복합 층(222, 333)의 두께는, 두꺼운 벽을 갖는 효과가 고려된다면, 당업자에게 알려져 있는 통상의 기술을 이용하여 계산될 수 있다.
층(222, 333)의 증가된 두께는, 종전에 이러한 설계의 용기(10)의 상업적 실시를 막는 것으로 여겨졌던 많은 문제들을 야기한다.
보다 두꺼운 섹션은 경화하는데 더 오래 걸리고, 이는 종종 층(222, 333)의 특정 깊이는 경화되지만 다른 깊이는 경화되지 못하는 결과를 낳는다. 이는 또한 수용가능하지 않은 열적 유도 응력을 유발한다.
열적 유도 응력의 발생을 줄이기 위해, 많은 방법이 개별적으로 또는 조합되어 이용될 수 있다. 현 실시예에서는, 함침되는 수지가 필라멘트 와인딩 이전에 가열된다. 이는 종종, 이하 설명하는 바와 같이 열가소성 수지에 대해 이루어지지만, 열경화성 수지에 대해서는 통상적인 실시가 아니며, 온도 또한 열가소성 수지의 표준적인 실시와는 상이하다.
이러한 가열은 통상의 기술자에게 알려져 있는 기존 방법으로 이루어지고, 가열되는 온도는 이용되는 수지에 따라 특정된다. 다시 말해서, 함침된 섬유는 수지가 이미 경화 프로세스를 시작한 상태로 맨드릴 상에서 증착될 것이다. 이는 벽의 중심부가 그 표면과는 상이한 속도로 경화되는 후벽 효과를 줄이게 된다.
부가적으로, 복합 층(222, 333)은 다수의 단계로 와인딩 및 경화되며, 각각의 단계는, 수용가능할 정도의 적은 양의 열 응력이 생성되면서 이후 경화될 수 있는 양만큼 두께를 늘리게 된다. 이러한 점진적인 단계별 접근법에 의해, 큰 두께의 복합물이 동시에 경화되어야 할 필요성이 제거된다.
마지막으로, 용기는 와인딩 프로세스 뿐만 아니라 경화 프로세스 중에도 회전된다. 이에 의해, 경화되지 않은 수지가 어느 곳에서도 중력 때문에 이동 또는 생성되지 않게 된다. 이는 두꺼운 구조의 경우 훨씬 큰 위험 요소이다.
압력 용기(10)는 가스 적하 및 양하를 위한 개구부(7)를 포함할 수 있다(여기서는, 캡 또는 커넥터가 제공). 이러한 개구부는 배관에 연결되기 위한 것이다.
용기(10)는 또한 나머지 단부(11)에 개구부(6)를 갖는다. 이는 선택적인 것이며, 대신에 단부가 완전한 돔형일 수 있다.
본 발명에 대한 예시로서, 다음의 예가 제시된다:
1. 적어도 500 MPa의 인장 강도 및 0.08% 이하의 탄소 함유량을 갖는 AISI 316 스테인리스 스틸로 이루어진 내식성 금속성 라이너가 3,200 MPa 이상의 인장 강도 및 230 GPa 이상의 바람직한 영률을 갖는 탄소 섬유 기반 구조적 복합물에 의해 오버랩핑되고, 바람직하게는 얀 마다 12,000, 24,000 또는 48,000 개의 필라멘트를 가지며, 적어도 80 MPa의 인장 강도 및 격리 목적으로 0.2 W·m-1·K-1의 열 전도도를 갖는 비-강화 에폭시 수지로 이루어진 제2 외부 층을 구비함.
2. 적어도 500 MPa의 인장 강도 및 0.08% 이하의 탄소 함유량을 갖는 AISI 316 스테인리스 스틸로 이루어진 내식성 금속성 라이너가 3,200 MPa 이상의 인장 강도 및 230 GPa 이상의 바람직한 영률을 갖는 탄소 섬유 기반 구조적 복합물에 의해 오버랩핑되고, 바람직하게는 얀 마다 12,000, 24,000 또는 48,000 개의 필라멘트를 가지며, 1,000 MPa 이상의 제안된 인장 강도 및 70 GPa 이상의 제안된 영률을 갖는 E-유리 또는 S-유리를 가지고 격리 목적으로 0.2 W·m-1·K-1의 열 전도도를 갖는 에폭시 수지로 함침된 제2 외부 유리 섬유 기반 복합 층을 구비함.
3. 내식성 금속성 라이너가 3,200 MPa 이상의 인장 강도 및 230 GPa 이상의 바람직한 영률을 갖는 탄소 섬유 기반 구조적 복합물에 의해 오버랩핑되고, 바람직하게는 얀 마다 12,000, 24,000 또는 48,000 개의 필라멘트를 가지며, 1,000 MPa 이상의 제안된 인장 강도 및 70 GPa 이상의 제안된 영률을 갖는 E-유리 또는 S-유리를 가지고 격리 목적으로 0.2 W·m-1·K-1의 열 전도도를 갖는 에폭시 수지로 함침된 제2 외부 유리 섬유 기반 복합 층과, 적어도 80 MPa의 인장 강도 및 격리 목적으로 0.2 W·m-1·K-1의 열 전도도를 갖는 비-강화 에폭시 수지로 이루어진 제3 외부 층을 구비함. 이러한 구성은 또한 용기가 보다 높은 열적 안정성을 갖도록 하여, 수송된 가스의 온도 구배를 더 낮추게 된다.
본 발명에 대한 또 다른 형태의 압력 용기는 "타입 3" 용기이다. 이는 섬유 강화 복합 재료로 이루어진 외부 구조 층과 내부 금속성 라이너를 가지며, 이러한 내부 금속성 라이너는 얇을 수 있다. 외부 복합 재료가 용기의 구조적 강도를 제공하는 한편, 내부 라이너는 가스의 격납을 위한 불투과성 층을 제공한다. 라이너는 일반적으로 고도의 화학적 내성을 갖는 금속으로 이루어진다. 그러나, 라이너의 목적은 가스와 접촉하기에 적합한 층을 제공하는 것 뿐만 아니라 복합 재료가 형성될 수 있는 기질을 제공하는 것이다. 이러한 복합 재료를 형성하는 방식은 라이너 둘레에 섬유를 와인딩하는 것이다. 그러므로 라이너는 섬유 와인딩 응력을 견딜 수 있도록 설계된다.
이러한 내성 라이너를 형성하는 한 가지 방법은 하나 이상의 금속 시트를 에지를 따라 함께 선 용접하는 것이다. 복수의 유사한 곡률의 금속 시트가 통상 함께 용접되어 라이너를 형성하게 될 것이지만, 단일의 시트가 압연되어 공통의 접합을 따라 결합될 수 있다. 대안으로서 튜브가 압출 성형될 수 있다. 그러면 후프 섹션과 단부 돔 사이의 추가적인 용접이 수행된다. 이러한 단부 돔은 스핀 형성 프로세스를 통해 또는 반지름이 작은 경우(예컨대, 1m 미만) 압착 프로세스에 의해 형성될 수 있고, 이러한 프로세스들은 산업계에서 잘 알려져 있다.
그 다음에 이러한 용접은 통상 매끄러운 마감을 제공하도록 그라인딩된다.
이러한 방법 때문에 상당한 수의 용접이 필요하게 되는데, 용접 프로세스의 열 충격 동안 또는 그 후에 발생할 수 있는 재료의 구조적 변화에 기인하여 용접 라인은 통상적으로 강도/내구성 특성 측면에서 시트 금속 자체보다는 약하기 때문에 각각의 용접은 많은 잠재적인 파손 포인트를 야기한다는 점에 주목해야 한다. 이러한 측면에서, 적합한 라이너의 제조는 노하우, 재료, 시간 및 적합한 장비, 예를 들어 용접 장치 및 전문 시트-클램핑 장비를 필요로 하고, 이는 모두 수반되는 비용을 증가시키게 된다.
도 15 내지 17에 관해 본원에서 개시된 본 발명의 추가적인 실시예에서, 마감된 용기 내부의 라이너를 없애는 것이 가능하다. 다음의 방법은 라이너가 있든지 없든지 무관하게 본원에서 개시된 임의의 용기와 함께 이용될 수 있는 일반적인 기술이다. 실제로, 라이너가 있는 경우 라이너가 비틀림 와인딩 힘을 받아들일 만큼 충분히 구조적으로 강할 필요는 없을 것이고 따라서 보다 얇은 라이너가 이용될 수 있으므로 다음의 방법을 이용하는 것에 여전히 장점이 있다.
CNG 또는 다른 가스 또는 연료의 격납에 적합한, 라이너 없는 용기를 제조하기 위해서, 도 15에 도시된 방법이 제공된다.
이러한 방법에서는, 복수의 릴(31, 32, 33, 34)이 제공되고, 각각이 탄소 섬유, 또는 아라미드 섬유, 또는 케블라®와 같은 한 타래의 선택된 섬유를 하우징한다. 일 실시예에서, 이러한 릴은 선택된 섬유의 개별 필라멘트를 수용한다. 다른 실시예에서는, 섬유의 얀이 릴링될 수 있거나 섬유가 토우(tow), 로프 또는 코드, 또는 브레이드로 번들링될 수 있다. 대안으로서, 섬유는 리본 또는 좁은 재료 시트(섬유 패브릭)로 직조될 수 있고, 여기에는 편평사(flat-fibre) 또는 웨빙이 포함된다.
그 다음에 단일한 섬유, 얀, 토우, 로프 또는 좁은 섬유(들)의 리본은 테이프 기계(35)에 공급된다. 테이프 기계는 실질적으로 1차원적인 이러한 다수의 "섬유"를 단일 테이프(37)로 배열한다. 테이프는 여전히 비교적 좁을 것이지만, 이제는 더 넓거나 2차원적인 형태일 것이고, 즉 릴(31, 32, 33, 34)에서 분리되는 개별 "섬유보다는 더 넓을 것이다.
테이프는 사실상 실질적으로 평행한 "섬유" 배열인 것으로 취급될 수 있고, 섬유는 테이프의 길이를 따라 대체로 나란히, 즉 이동 방향을 가로지르거나 이에 수직하게 연장된다.
그 다음에, 테이프(27)는 수지, 예를 들어 조(38)에 있는 수지의 배치에 침지된다. 적합한 수지는 예를 들어, 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 에폭시 수지, 디시클로펜타디엔 수지, 페놀 수지, 비스말레이미드 수지 및 폴리이미드 수지일 수 있다. 이러한 수지는 일반적으로 가열 및 냉각 시의 습성에 따라 열가소성 수지 또는 열경화성 수지로 분류될 수 있다. 열가소성 수지는 경화된 후에 재가열 및 연화될 수 있지만, 열 경화성 수지는 일단 경화되면 영구적인 손상을 입히지 않고는 재가열되어 연화될 수 없고, 즉 통상적인 제조 온도에서 용융되지 않을 것이다. 한편, 열경화성 수지는 보다 높은 강성 및 보다 높은 일반적인 기계적 특성, 그리고 수지의 경화 이전에 일반적으로 더 낮은 점성을 제공할 수 있다(이러한 장점은 통상적으로 복합 섬유의 보다 양호하거나 신속한 와인딩/제조 프로세스와 보다 양호한 함침을 가능하게 한다). 그러므로, 선택된 수지가 화학적으로 CNG 내성을 갖고 CNG의 구성 성분들, 또는 용기의 요구되는 작동 압력에서 이용되는 임의의 여타 가스에 실질적으로 또는 사실상 완전히 불투과성을 나타내는 경우, 열경화성 수지 및 열가소성 수지 양자 모두 이러한 방법에 적합할 수 있다. 이러한 구성 성분들은 다음 중 하나 이상을 포함할 확률이 높다: C2H6, C3H8, C4H10, C5H12, C6H14, C7H16, C8H18, C9+ 탄화수소, CO2 및 H2S, 그리고 잠재적으로 톨루엔, 디젤 및 액체 상태의 옥탄.
그 다음에 수지 함침된 테이프(39)는 기계적 헤드(40)에 공급되어 이러한 헤드가 맨드릴(45) 둘레에 함침된 테이프(본 도면에서는 도면 부호 41로 표기됨)를 와인딩하는 것을 담당한다. 맨드릴 둘레에 함침된 테이프를 와인딩하기 위해 다양한 방법이 이용될 수 있다. 그러나, 단순한 방법은 1차원적으로, 즉 맨드릴에 평행한 라인을 따라 앞뒤로 이동하는 기계적 헤드(40)를 채용하는 것이며, 여기서 맨드릴(45)이 회전할 때 헤드는 테이프(41)를 전달하게 된다. 와인딩 프로세스는 나선형 후프 와인딩을 수반하는 것이 바람직하다. 나선형 와인딩은 맨드릴의 측지 헤드(단부) 둘레 및 개구부 둘레를 돌게 된다. 후프 와인딩은 실린더형 섹션 상에서 단지 원주 방향으로 돌게 된다. 후프 섹션은 예를 들어 와인딩의 두께 측면에서 헤드의 섬유 양의 대략 2배를 수용하도록 배열될 수 있다.
부가적으로, 본 발명의 제1 실시예와 관련하여 기술한 바와 같이, 실질적으로 더 높은 압력을 견디기 위해 필요한 두꺼운 복합 층에서 생길 수 있는 열 응력을 줄이기 위해 다양한 방법이 이용가능하다.
본 발명의 용기가 이용될 압력이 현재 이용 중인 어떠한 설계보다도 실질적으로 더 높기 때문에 복합 층 두께는 현재의 설계보다 두꺼워져야 할 것이다. 요구되는 복합 층의 두께는, 두꺼운 벽을 갖는 효과가 고려된다면, 당업자에게 알려져 있는 통상의 기술을 이용하여 계산될 수 있다.
복합 층의 증가된 두께는, 종전에 이러한 설계의 용기의 상업적 실시를 막는 것으로 여겨졌던 많은 문제들을 야기한다.
보다 두꺼운 섹션은 경화하는데 더 오래 걸리고, 이는 종종 층의 특정 깊이는 경화되지만 다른 깊이는 경화되지 못하는 결과를 낳는다. 이는 또한 수용가능하지 않은 열적 유도 응력을 유발한다.
열적 유도 응력의 발생을 줄이기 위해, 많은 방법이 개별적으로 또는 조합되어 이용될 수 있다. 현 실시예에서는, 함침되는 수지가 필라멘트 와인딩 이전에 가열된다. 이는 종종, 이하 설명하는 바와 같이 열가소성 수지에 대해 이루어지지만, 열경화성 수지에 대해서는 통상적인 실시가 아니며, 온도 또한 열가소성 수지의 표준적인 실시와는 상이하다.
이러한 가열은 통상의 기술자에게 알려져 있는 기존 방법으로 이루어지고, 가열되는 온도는 이용되는 수지에 따라 특정된다. 다시 말해서, 함침된 섬유는 수지가 이미 경화 프로세스를 시작한 상태로 맨드릴 상에서 증착될 것이다. 이는 벽의 중심부가 그 표면과는 상이한 속도로 경화되는 후벽 효과를 줄이게 된다.
부가적으로, 복합 층은 다수의 단계로 와인딩 및 경화되며, 각각의 단계는, 수용가능할 정도의 적은 양의 열 응력이 생성되면서 이후 경화될 수 있는 양만큼 두께를 늘리게 된다. 이러한 점진적인 단계별 접근법에 의해, 큰 두께의 복합물이 동시에 경화되어야 할 필요성이 제거된다.
마지막으로, 용기는 와인딩 프로세스 뿐만 아니라 경화 프로세스 중에도 회전된다. 이에 의해, 경화되지 않은 수지가 어느 곳에서도 중력 때문에 이동 또는 생성되지 않게 된다. 이는 두꺼운 구조의 경우 훨씬 큰 위험 요소이다.
종래 기술의 타입 3 용기의 형성에 있어서, 맨드릴은 라이너의 형태를 취할 것이다. 그러나, 도 15 내지 17의 실시예에 따르면, 맨드릴은 그 대신 일회용 맨드릴, 즉 일단 복합 층 또는 복합 라미네이트가 그 위에 생성되면 용기의 내부 영역으로부터 제거하거나 없앨 수 있는 맨드릴의 형태를 취한다. 따라서 이러한 맨드릴은 테이프의 와인딩 도중의 와인딩 응력과, 층들이 생성됨에 따른 라미네이션 응력을 견딜 수 있어야 한다 - 라미네이션이란, 이전에 와인딩된 다른 테이프 층들 위를 통과하도록 테이프를 맨드릴 위에서 앞뒤로 계속하여 와인딩하는 것에 의해 테이프의 층들을 서로 점진적으로 적층함으로써 복합 랩의 두께를 성장시키는 프로세스를 지칭한다. 따라서 와인딩은 다수의 나선형 또는 코일형(즉, 후프형) 테이프 층들을 형성하여 실질적으로 균일하거나 평탄한 표면을 제공하게 된다.
도 16의 실시예에서, 일회용 맨드릴(47)은 컴팩트 모래로 이루어져 있다. 기타 다른 일회용 맨드릴 또한 본원에서 이용될 수 있다고 예상되며, 예를 들면 확장가능한 스텐트형(stent-like) 구성, 또는 브레이드, 또는 벌룬, 또는 기타 다른 솔리드 구성, 예컨대 얼음 또는 점토 쉘, 그리고 기타 다른 붕괴형 구조 등이 있다.
도 16은 단지 필요한 전체 수의 와인딩을 완료하기 전에 느슨한 와인딩 형태의 와인딩된 테이프를 나타내며, 이는 단지 와인딩의 원리를 예시하고자 하는 것이다 - 실제로는 맨드릴(47)에 대하여 타이트하게 와인딩될 것이고 테이프 와인딩은 용기의 형상을 형성하도록 여러 번 덮어 씌워질 것이다.
일단 섬유 강화 복합 재료의 덧층(over-layer)이 일회용 맨드릴(47) 위에 만들어져 필요한 재료 두께를 형성하게 되면, 모래는 용기의 중심으로부터 제거될 수 있다. 이는 예컨대 전기기계식 진동기에 의해서, 예를 들어 마감된 컴포넌트에 진동을 가함으로써 이루어질 수 있다. 진동기에 의해 생성된 진동은 컴팩트 모래를 분산시킬 것이고, 그러면 모래는 예컨대 용기를 기울이거나 단부의 애퍼처로부터 씻어냄으로써 용기의 내부로부터 제거될 수 있을 것이다. 애퍼처는 와인딩 프로세스 동안에 용기의 단부에 형성될 것이다(또는 남겨질 것이다). 실제로 애퍼처는 통상 양단에 남겨지거나 형성될 것이다. 이러한 애퍼처는 모래가 제거되게 할 뿐만 아니라, 결국에는 사용 중에 CNG가 용기 내로 적하되고 용기로부터 양하될 수 있게 할 것이다.
용기의 단부는 맨드릴의 돔형 단부 위에 형성되지만, 애퍼처(들)를 남겨놓기에 충분할 정도로만 그러하다.
도 16은 일회용 맨드릴 둘레에 와인딩될 때 수지-함침된 테이프(51)의 일반적인 궤적을 도시한다. 맨드릴(47)은 CNG 압력 용기의 내부 용적의 형상, 이 경우 2개의 돔형 단부 또는 종단부를 갖는 실린더의 형상을 갖는다.
수지-함침된 테이프(51)는 원점 또는 제1 자유 단부(50)로부터 시작하여 맨드릴(47) 상에 공급된다. 도 16에서, 테이프의 원점(50)은 일회용 맨드릴(47)의 좌측 돔 가까이에 위치한다.
맨드릴이 종축을 중심으로 스핀 운동하는 동안, 기계적 테이프 전달 헤드는 맨드릴(47) 둘레로 섬유의 후프 또는 원(53)(코일 또는 나선)을 생성하도록 길이방향으로(축에 평행하게) 이동한다. 이러한 후프 또는 원은 맨드릴의 실린더형 부분을 따라 축에 대해 실질적으로 일정한 각도를 유지한다.
헤드가 맨드릴(47)의 제1 (우측) 단부에 도달할 때, 랩핑 특성이 변화한다. 예를 들어, 헤드가 맨드릴(47)의 우측 단부에 도달함에 따라 느려지고 맨드릴(47)의 회전도 느려진다. 그러므로 후프 또는 원의 각도가 변화할 수 있다. 나아가, 와인딩이 느려짐에 따라, 맨드릴 내에서 비틀림 힘이 생성되고, 이러한 힘은 이미 생성된 와인딩 힘에 더해진다(와인딩 힘은 맨드릴을 외측으로부터 내측으로 압축하는 경향이 있다). 비틀림 힘은 맨드릴의 모멘텀으로부터 생기고, 용기가 크고도 회전 속도가 빠르게 변화하는 경우에 중요할 수 있다. 이러한 이슈는 본 발명과 마찬가지로 고압을 견디기에 적합한 용기를 생성할 때 특히 관계가 있다. 고압 용기는 표준 설계보다 두꺼운 벽을 필요로 하고, 맨드릴에 가해지는 비틀림 힘이 크게 증가하게 된다. 그러나 이러한 부가적인 비틀림 힘은 또한, 맨드릴이 라이너의 형태를 취하는 구성에서도 발생할 것이고, 따라서 이는 공지된 오버-라이너 와인딩 기술과 관련하여 이미 존재하는 문제점이었고, 랩핑의 결과로서 형상이 변형되지 않도록 방지하기 위해 결국 바람직한 것보다 라이너를 더 강하게, 따라서 더 무겁게 할 필요성의 원인이 된 것이었다. 그러나, 본 발명의 일회용 맨드릴을 이용하는 경우, 일회용 맨드릴이 마감된 용기 내에 남아 있지 않게 되므로 이와 같이 더 무거운 맨드릴은 최종 제품에 문제를 야기하지 않는다.
와인딩 장치는 그 자체로, 종래 응용보다 더 크고 및/또는 무거운 용기를 다룰 때 또한 고려될 필요가 있을 것이다. 이러한 와인딩 장치는 보다 큰 베어링, 강화된 스핀들, 그리고 요구되는 두꺼운 측벽 및 맨드릴이 적절히 지지될 수 있도록 하기 위한 추가적인 조정을 필요로 할 가능성이 있다.
반경방향 컴포넌트를 갖는 구조 또는 채워진 구조/맨드릴을 갖는 또 다른 장점으로는 잠재적으로, 통상적으로 얇은 벽 근사로서 보다 작은 재료 섹션을 갖는 전통적인 라이너보다 비틀림 와인딩 힘에 대한 양호한 동작 반응이 있다.
따라서 본 발명의 이러한 양상은 종래 기술에 비해 중요한 장점을 제공한다.
맨드릴에 대한 컴팩트 모래 솔루션의 경우, 부가적인 비틀림 힘을 다루는 것게 관해 거의 문제되는 것이 없을 것이다. 이는 컴팩트 모래가 이러한 하중에 상당한 견고함을 갖게 될 수 있기 때문이다. 맨드릴에 대한 다른 솔루션 또한 이러한 장점을 제공할 수 있다. 예를 들어 파괴가능, 용해가능 또는 융해가능한 재료로부터 형성되는 솔리드 맨드릴(컴팩트 모래, 왁스, 얼음, 점토, 석고 및 많은 기타 다른 입자상 또는 가루이지만 컴팩트화가능한 재료)은 쉽게 비틀려 원래 형상으로부터 벗어나지 않도록 설계될 수 있다. 마찬가지로, 파열가능한 점토 라이너, 또는 벌룬과 같이 붕괴가능한 구조체, 또는 브레이드 또는 스텐트형 구성, 또는 기타 다른 붕괴가능한 스캐폴드가 이러한 힘을 견디기에 충분히 강하지만 애퍼처(들)를 통해 여전히 제거가능하도록 만들어질 수 있다. 이러한 스캐폴드는 컴팩트 모래 패드 또는 얼음 패드와 같은 구성을 지지할 수도 있고, 이로써 맨드릴은 솔리드 맨드릴보다 상당히 가벼워질 수 있다.
복합물을 와인딩하는 프로세스로 복귀할 때, 일단 섬유가 맨드릴의 제1 단부에 도달하면, 비록 이러한 단부에서 용기의 애퍼처 부분을 덮지 않은 채 남겨두고 맨드릴(47)의 본체부에 걸쳐 일반적으로 사선으로 추가적인 코일형 경로(5)를 통해 맨드릴의 나머지 단부를 향해 복귀할지라도, 제1 단부에서 맨드릴의 돔 둘레에 와인딩된다. 이러한 경로는 통상적으로 선행하는 코일에 대해 상이한 각도를 가질 것이지만, 이는 선택적이고, 경로는 용기의 실린더형 섹션 둘레에 완전한 루프를 형성하지 않도록 충분히 각을 이루게 될 수도 있다. 제1 단부를 향해 첫 번째 언급된 통과와 통상적으로 동일한 각도로, 통과선을 향해 그리고 다시 제1 단부를 향해 반전되기 전에, 바람직하게는 경로가 용기의 외주의 1/2 미만의 둘레에 루프를 형성하고, 더 바람직하게는 용기 외주의 1/3 미만 또는 가능하게는 1/4 미만의 둘레에 루프를 형성한다.
맨드릴의 회전 속도, 및 헤드(40)의 이동 속도는 맨드릴의 제2 단부에서도 제어 - 감소 - 될 것이다. 나아가, 테이프는 제1 단부에서와 매우 유사하게 제2 단부에서 맨드릴의 돔 둘레에 와인딩되어, 다시 제2 단부에서 용기의 애퍼처를 남겨두게 된다.
와인딩 작업을 끝내면, 테이프는 절단되고 테이프(52)의 제2 자유 단부가 형성된다. 이는 이미 맨드릴 둘레에 와인딩된 섬유의 층 상에 수용된다.
용기는 필요한 경우 이제 경화(또는 "쿡킹")될 준비가 된다.
경화의 종료 시에, 일회용 맨드릴은 적절한 방식으로, 예컨대 컴팩트 샌드에 대해서는 진동 기술에 의해, 또는 스캐폴드를 해체함으로써 제거될 수 있다.
상기 프로세스는 단지 개략적으로 본원에서 예시된 것이다.
테이프의 몇몇 층들은 필요한 두께, 예컨대 수 mm 또는 수 cm 중 하나를 종국적으로 얻을 때까지 맨드릴 둘레에 와인딩될 필요가 있을 것이다. 주어진 용기에 대해 바람직한 실제 두께는 목표 압력 격납 용량 및 마감된 용기의 지름에 따라 다를 것이다. 섬유의 강도 및 와인딩의 각도가 모두 알려져 있으므로 기존의 후프-응력 분석이 이러한 필요 치수를 결정하는데 이용될 수 있다. 특히 본 발명과 같이 고압 시나리오인 경우, 후벽을 갖는 효과를 고려하고 전단 응력을 감안하는 것이 중요하다.
본 발명의 방법을 구현하기 위해 다중 축 필라멘트 와인딩 기계가 또한 이용될 수 있다. 예를 들어, 2-축 또는 3-축 필라멘트 와인딩 기계가 이용될 수 있다. 이들은 각각 섬유 전달 헤드가 평면에서 또는 2차원 또는 3차원 공간에서 이동할 수 있는 기계이다. 와인딩 기계 헤드는 최대 5-축으로 시프트 및 회전될 수 있다.
나아가 맨드릴이 스핀 운동할 수 있는 축의 수는, 위에서 기술된 바와 같이 단지 하나의 (길이방향) 축 대신에 2, 3, 또는 그 이상일 수 있다.
이용되는 기계는 필요한 용기의 설계, 즉 크기 및 형상에 따라 달라질 것이다.
위에서 예시된 제조 프로세스로 얻게 되는 마감된 제품의 예가 도 17에 도시되어 있다. 이러한 도면에서, 용기(64)는 오로지 전적으로 섬유-강화 복합 재료(62)의 구조적인 부분으로 이루어진다. 일회용 맨드릴 둘레에 와인딩되어 있고, CNG와 직접 접촉하는 내부 표면(63)을 나타낸다. 따라서 구조적 복합물 자체로 용기 내에 CNG를 격납할 수 있다 - 어떠한 라이너 또는 내부 코팅도 필요하지 않다(다만, 필요한 경우 용기 내부로부터 코팅이 유리하게 도포될 수 있다.)
그러므로 다양한 상이한 형태의 압력 용기가 기술되었다.
본원에서 기술된 압력 용기는 다양한 가스, 예컨대 보어 유정으로부터의 직접적인 원료 가스를 담을 수 있으며, 이러한 가스에는 원료 천연 가스, 예를 들어 압축된 경우 - 원료 CNG 또는 RCNG, 또는 H2, 또는 CO2 또는 가공된 천연 가스(메탄), 또는 원료 또는 부분 가공된 천연 가스, 예를 들면 14% 이하의 몰분율의 CO2 허용량, 1,000 ppm 이하의 H2S 허용량, 또는 H2 및 CO2 가스 불순물, 또는 기타 다른 불순물 또는 부식성 종이 있는 가스가 포함된다. 그러나, 바람직한 용도는 고압 CNG 수송이며, 다만 원료 CNG, 부분 가공된 CNG 또는 청정 CNG - 최종 사용자에게 배송가능한 표준으로 가공된, 예컨대 상업상, 산업상, 또는 주거용의 CNG일 수 있다.
CNG는 통상적으로 200 bar 초과, 350 bar 또는 700 bar 초과, 또는 바람직하게는 1000 bar에 이르는 압력일 것이다.
CNG는 가변의 혼합 비율로 다양한 잠재적인 구성 성분들을 포함할 수 있고, 일부는 기상이며 다른 것은 액상이거나, 양자의 혼합물을 포함할 수 있다. 이러한 구성 성분들은 다음의 화합물 중 하나 이상을 통상 포함할 것이다: C2H6, C3H8, C4H10, C5H12, C6H14, C7H16, C8H18, C9+ 탄화수소, CO2 및 H2S, 그리고 잠재적으로 톨루엔, 디젤 및 액체 상태의 옥탄, 및 기타 다른 불순물/종.
본 발명은 오직 예시의 목적으로 기술되었다. 첨부된 청구 범위 내에서 본 발명에 세부적인 수정이 이루어질 수 있다.
실시예:
1. 3,200 MPa 이상의 강도 및 230 GPa 이상의 영률을 갖는 탄소 또는 그래파이트 섬유로 이루어진 복합 압력 용기로서, 얀 마다 12,000, 24,000 또는 48,000 개의 필라멘트를 가지며, 열경화성 수지(에폭시계 또는 고순도 폴리-디시클로펜타디엔계 수지)를 구비하고, 용기는 일반적으로 실린더 형상의 점토로 이루어진 일회용 맨드릴을 오버랩핑함으로써 얻게 된다.
2. 3,200 MPa 이상의 강도 및 230 GPa 이상의 영률을 갖는 탄소 또는 그래파이트 섬유로 이루어진 복합 압력 용기로서, 얀 마다 12,000, 24,000 또는 48,000 개의 필라멘트를 가지며, 열경화성 수지(에폭시계 또는 고순도 폴리-디시클로펜타디엔계 수지)를 구비하고, 용기는 얼음으로 이루어진 일회용 맨드릴을 오버랩핑함으로써 얻게 된다.
3. 3,200 MPa 이상의 강도 및 230 GPa 이상의 영률을 갖는 탄소 또는 그래파이트 섬유로 이루어진 복합 압력 용기로서, 얀 마다 12,000, 24,000 또는 48,000 개의 필라멘트를 가지며, 열경화성 수지(에폭시계 또는 고순도 폴리-디시클로펜타디엔계 수지)를 구비하고, 용기는 화학적으로 식각가능한 재료로 이루어진 일회용 맨드릴을 오버랩핑함으로써 얻게 된다.
4. 1,500 MPa 이상의 강도 및 65 GPa 이상의 영률을 갖는 E-유리 또는 S-유리로 이루어진 복합 압력 용기로서, 열경화성 수지(에폭시계 또는 고순도 폴리-디시클로펜타디엔계 수지)를 구비하고, 용기는 기계적으로 분해될 수 있는 모듈들로 이루어진 구형 맨드릴을 오버랩핑함으로써 얻게 되며, 일단 분해되면 단일 컴포넌트들 또는 모듈들은 용기의 유입/유출 애퍼처를 통해 용기로부터 밖으로 꺼낼 수 있음.
5. 1,500 MPa 이상의 강도 및 65 GPa 이상의 영률을 갖는 E-유리 또는 S-유리로 이루어진 복합 압력 용기로서, 열경화성 수지(에폭시계 또는 고순도 폴리-디시클로펜타디엔계 수지)를 구비하고, 용기는 석고로 이루어진 일회용 맨드릴 상에 섬유의 필라멘트를 오버랩핑함으로써 얻게 된다.
6. 0.9 내지 1.1 g/㎤의 밀도, 적어도 30 MPa의 인장 강도를 갖는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 같은 열가소성 라이너(2)로서, 바람직하게는 3,200 MPa 이상의 강도 및 230 GPa 이상의 영률을 갖는 탄소 얀을 이용하는 탄소 또는 그래파이트 섬유 강화에 기반한 복합 구조체(3)로 오버랩핑되고, 얀 마다 12,000, 24,000 또는 48,000 개의 필라멘트를 가지며, 열경화성 수지(에폭시계 또는 고순도 폴리-디시클로펜타디엔계 수지)를 구비한다. 열가소성 라이너(2)는 본 발명의 상세한 설명에서 기술된 바와 같이 다중-축 회전성형에 의해 생성된다.
7. 0.9 내지 1.1 g/㎤의 밀도, 적어도 65 MPa의 인장 강도를 갖는 고순도 폴리-시클로펜타디엔(pDCPD)과 같은 열경화성 라이너(2)로서, 3,200 MPa 이상의 강도 및 230 GPa 이상의 영률을 갖는 탄소 얀을 이용하는 탄소 또는 그래파이트 섬유 강화에 기반한 복합 구조체(3)로 오버랩핑되고, 얀 마다 12,000, 24,000 또는 48,000 개의 필라멘트를 가지며, 열경화성 수지(에폭시계 또는 고순도 폴리-디시클로펜타디엔계 수지)를 구비한다. 열경화성 라이너(2)는 본 발명의 상세한 설명에서 기술된 바와 같이 단일-축 회전성형 기계에 의해 생성된다.
8. 0.9 내지 1.1 g/㎤의 밀도, 적어도 65 MPa의 인장 강도를 갖는 고순도 폴리-시클로펜타디엔(pDCPD)과 같은 열경화성 라이너(2)로서, 3,200 MPa 이상의 강도 및 230 GPa 이상의 영률을 갖는 탄소 얀을 이용하는 탄소 또는 그래파이트 섬유 강화에 기반한 복합 구조체(3)로 오버랩핑되고, 얀 마다 12,000, 24,000 또는 48,000 개의 필라멘트를 가지며, 열경화성 수지(에폭시계 또는 고순도 폴리-디시클로펜타디엔계 수지) 및 국제 표준(ISO) 15156에 따른 H2S 내성이 있는 라이너의 금속성 내부 코팅(1)을 구비한다. 열경화성 라이너는 본 발명의 상세한 설명에서 기술된 바와 같이 단일-축 회전성형 기계에 의해 생성된다.
9. 0.9 내지 1.1 g/㎤의 밀도, 적어도 30 MPa의 인장 강도를 갖는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 같은 열가소성 라이너(2)로서, 1,500 MPa 이상의 제안된 극한 강도 및 70 GPa 이상의 제안된 영률을 갖는 E-유리 또는 S-유리에 기반한 복합 구조체(3)로 오버랩핑되고, 열경화성 수지(에폭시계 또는 고순도 폴리-디시클로펜타디엔계 수지)를 구비한다. 열가소성 라이너(2)는 본 발명의 상세한 설명에서 기술된 바와 같이 다중-축 회전성형에 의해 생성된다.
10. 0.9 내지 1.1 g/㎤의 밀도, 적어도 65 MPa의 인장 강도를 갖는 고순도 폴리-시클로펜타디엔(pDCPD)과 같은 열경화성 라이너(2)로서, 1,500 MPa 이상의 제안된 극한 강도 및 70 GPa 이상의 제안된 영률을 갖는 E-유리 또는 S-유리에 기반한 복합 구조체(3)로 오버랩핑되고, 열경화성 수지(에폭시계 또는 고순도 폴리-디시클로펜타디엔계 수지)를 구비한다. 열경화성 라이너(2)는 본 발명의 상세한 설명에서 기술된 바와 같이 단일-축 회전성형 기계에 의해 생성된다.
11. 0.9 내지 1.1 g/㎤의 밀도, 적어도 65 MPa의 인장 강도를 갖는 고순도 폴리-시클로펜타디엔(pDCPD)과 같은 열경화성 라이너(2)로서, 1,500 MPa 이상의 제안된 극한 강도 및 70 GPa 이상의 제안된 영률을 갖는 E-유리 또는 S-유리에 기반한 복합 구조체(3)로 오버랩핑되고, 열경화성 수지(에폭시계 또는 고순도 폴리-디시클로펜타디엔계 수지) 및 국제 표준(ISO) 15156에 따른 H2S 내성이 있는 라이너(2)의 금속성 내부 코팅(1)을 구비한다. 열경화성 라이너(2)는 본 발명의 상세한 설명에서 기술된 바와 같이 단일-축 회전성형 기계에 의해 생성된다.
기타 다른 많은 효율적인 대안이 통상의 기술자에게 떠오를 것임이 분명하다. 본 발명은 기술된 실시예에 제한되지 않고 통상의 기술자에게 자명한 수정들을 포괄하며 이러한 수정들은 첨부된 청구 범위 및 사상 범위 내에 놓여 있다는 점을 이해할 것이다. 부가적으로, 하나의 특정 실시예와 관련하여 이용된 임의의 방법 또는 기술도 나머지 실시예 중 임의의 실시예에 준용될 수 있을 것이며, 이들의 모든 조합이 본 발명의 범위 내에 있다고 여겨진다.

Claims (42)

  1. 200 bar를 초과하는 압력에서 CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기(10)로서,
    CNG 적하 및 양하(offloading), 그리고 CNG로부터 응축된 액체의 배출을 위한 적어도 하나의 개구부(7);
    라이너(2); 및
    상기 200 bar를 초과하는 압력을 지탱하는 두께를 가지고 상기 라이너(2)의 외측에 제공되는 적어도 하나의 외부 섬유 층(3)
    을 포함하는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 라이너는 비금속성인, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 CNG는 350 bar를 초과하는 압력에서 저장되거나 수송될 수 있고, 상기 외부 섬유 층은 상기 350 bar를 초과하는 압력을 지탱하는 두께를 갖는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 CNG는 700 bar를 초과하는 압력에서 저장되거나 수송될 수 있고, 상기 외부 섬유 층은 상기 700 bar를 초과하는 압력을 지탱하는 두께를 갖는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 CNG는 1000 bar에 이르는 압력에서 저장되거나 수송될 수 있고, 상기 외부 섬유 층은 상기 1000 bar를 초과하는 압력을 지탱하는 두께를 갖는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 라이너(2)는 실질적으로 화학적 불활성인, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 라이너(2)는 적어도 스테인리스 스틸의 내식성을 갖는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 라이너(2)는 고밀도 폴리에틸렌, 고순도 폴리-시클로펜타디엔, 에폭시 수지, 폴리비닐 클로라이드를 포함하는 그룹에서 선택되는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유 층(3)은 상기 라이너(2) 둘레에 와인딩되는 섬유로 만들어지는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유 층(3)의 섬유는 탄소 섬유, 그래파이트 섬유, E-유리 섬유, 또는 S-유리 섬유의 그룹으로부터 선택되는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유는 열가소성 또는 열경화성 수지로 코팅되어 복합 층을 형성하는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 섬유는 상기 라이너의 외측에 도포되기 전에 수지로 함침되는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 섬유는 열경화성 수지로 코팅되는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유는 탄소 섬유인, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    제13항에 종속하는 경우, 상기 열경화성 수지는 에폭시계 또는 고순도 폴리-디시클로펜타디엔계 수지를 포함하는 그룹에서 선택되는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    제12항에 종속하는 경우, 수지 함침된 상기 섬유는 상기 라이너의 외측에 도포되기 전에 가열되는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  17. 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합 층은 다수의 별개 단계로 형성 및 경화되는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  18. 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고압 용기는 상기 복합 층이 경화되는 동안 회전되는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 라이너(2)의 내측에 제공되는 금속성 내부 코팅(1)을 더 포함하는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 금속성 내부 코팅(1)은 본질적으로 H2S 내성인, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 라이너(2)와 상기 섬유 층(3) 사이에 개재되는 가스 투과 층(4)을 더 포함하는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 가스 투과 층(4)은 유리 섬유를 포함하는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    가스 누출을 검출하기 위해 상기 가스 투과 층(4)에 연결되는 가스 검출기(5)를 더 포함하는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고압 용기(10)는 대부분의 길이에 걸쳐 일반적으로 실린더형인, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용기(10)의 내경은 0.5 미터 내지 5 미터인, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용기(10)의 내경은 1.5 미터 내지 3.5 미터인, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용기(10)의 내부에 진입 및/또는 내부를 검사하기 위한 맨홀(6)을 더 포함하는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고압 용기는 35 내지 100 t/Mscf 범위의 중량/가스 용량 비율(weight/gas capacity ratio)을 갖는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고압 용기는 13 내지 40 t/Mscf 범위의 중량/가스 용량 비율을 갖는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    수송되는 가스 중량에 대한 상기 고압 용기의 구조 중량의 비율은 0.7 내지 5.0 범위인, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  31. 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    수송되는 가스 중량에 대한 상기 고압 용기의 구조 중량의 비율은 1.8 내지 5.0 범위인, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  32. 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    수송되는 가스 중량에 대한 상기 고압 용기의 구조 중량의 비율은 0.7 내지 2.0 범위인, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  33. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고압 용기는 상기 복합 층 위에서 수축 랩핑(shrink-wrap)된 방수성 오버-랩(over-wrap)을 갖는, CNG 격납 또는 수송을 위한 고압 용기.
  34. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에서 규정된 바와 같은 복수의 검사가능한 고압 용기(10)를 포함하는 모듈 또는 격실(40)로서, 상기 고압 용기는 적하 및 양하 작업을 위해 상호연결되는, 모듈 또는 격실(40).
  35. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 고압 용기, 또는 제34항의 모듈 또는 격실을 이용하여, CNG, 특히 압축 천연 가스를 육상 또는 해상에서 저장 또는 수송하는 방법으로서, 상기 가스는 고압 용기 내에 격납되는, 방법.
  36. 200 bar를 초과하는 압력에서 사용하기에 적합한 고압 용기를 생산하는 방법으로서,
    실린더형 라이너를 제조하는 단계;
    섬유를 수지로 함침하는 단계;
    섬유 벽이 필요한 두께에 도달할 때까지 상기 라이너 둘레에 함침된 섬유를 와인딩하는 단계; 및
    함침된 상기 섬유 벽을 경화하는 단계
    를 포함하는, 고압 용기를 생산하는 방법.
  37. 제36항에 있어서,
    함침된 상기 섬유는 상기 라이너 상에 와인딩되기 전에 가열되는, 고압 용기를 생산하는 방법.
  38. 제36항 또는 제37항에 있어서,
    섬유 필라멘트 와인딩은 다수의 단계로 수행되고, 추가적인 층이 도포 및 경화되기 전에, 필요한 두께보다 얇은 두께(층)이 상기 라이너 상에 와인딩되고 경화되며, 필요한 벽 두께에 도달할 때까지 프로세스가 계속되는, 고압 용기를 생산하는 방법.
  39. 제36항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고압 용기는 섬유 벽 또는 층이 경화되는 동안 회전되는, 고압 용기를 생산하는 방법.
  40. 가스, 특히 압축 천연 가스를 수송하기 위한 운송체로서,
    제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 용기(10) 또는 제34항의 모듈 또는 격실(40)을 포함하는, 운송체.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 운송체는 선박인, 운송체.
  42. 제40항 또는 제41항에 있어서,
    다수의 고압 용기(10)가 제공되며, 용기는 상호연결되는, 운송체.
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