KR20140119767A - 저장 탱크용 내부 라이너의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

중합체 물질로 제조되고, 구조 층 및 배리어 층을 포함하며, 제1 개구 단부 및 상기 개구 단부에 제1 주변 연결 탭을 갖는 원통형 바디를 제공하는 단계; 원통형 바디의 제1 개구 단부의 단면과 본질적으로 상응하는 단면을 갖는 기저부 및 단부 캡의 주변 단부 부분에서의 제2 주변 연결 탭을 갖는, 중합체 물질로 제조된 돔형 단부 캡을 제공하는 단계; 단부 캡의 기저부를 원통형 바디의 제1 개구 단부상에 놓고 상기 제1 및 제2 주변 탭을 서로 접촉시키는 식으로 단부 캡을 위치시키는 단계; 및 상기 두 연결 탭을 함께 용접하는 단계를 포함하는, 저장 탱크, 특히 수소 저장 탱크용 중합체 내부 라이너의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 라이너를 이용하여 제조된 저장 탱크 및 상기 수소 저장용 탱크의 용도에 관한 것이다.

Description

저장 탱크용 내부 라이너의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING AN INNER LINER FOR A STORAGE TANK}

본 출원은 본원에 참고로 포함되는, 2006년 3월 29일자로 출원된 미국 가출원 60/786716호를 우선권으로 청구한다.

본 발명은 저장 탱크, 특히 수소 저장 탱크용 중합체 내부 라이너의 제조 방법에 관한 것이다.

압축 기체는 교통수단 연료용으로 점점 대중적인 선택이 되고 있다. 더 많은 운송수단이 연료로서 압축 기체를 사용할수록, 이러한 운송수단의 연료 시스템의 배기는 더욱 더 강조될 필요가 있다. 현재, 이러한 시스템으로부터의 기체 침투의 안전성 위험에 주목한 압축 기체 연료 시스템으로부터의 요건이 존재한다. 그러나, 현재 압축 기체 침투의 환경적 관심에 주목한 표준은 존재하지 않는다. 이러한 표준이 도입된다면, 현재의 배기 표준보다 훨씬 더 제한적일 가능성이 있다.

오늘날 교통 운송수단에 사용되는 압축 기체 탱크의 대다수는 압축 메탄 기체 (CH4)를 저장하기 위해 고안되며, III형 또는 IV형의 것이다. 그러나, 환경적 이유로, 연료로서 압축 수소 (H2)로 옮겨가려는 요구가 존재한다. 압축 수소가 연료로 보급된 운송수단 제품은 현재 존재하지 않는다.

수소에 비해 메탄의 분자 크기가 더 크기 때문에, 통상적인 II형, III형 및 IV형 탱크는 압축 메탄 기체로 충전된 경우 현재의 침투 요건을 만족시킨다. 그러나, 압축 수소의 경우, 이들 통상적인 탱크는, 특히 기대되는 바와 같이 보다 제한적인 요건이 도입될 경우 상기 요건을 반드시 만족시키는 것은 아니다.

저장 탱크는 여러가지 카테고리로 분류되어 왔다. II형 탱크는 모든 강철 탱크에 대한 것이며, 이는 일반적으로 다소 무겁고, 따라서 운송수단과 관련해서는 호의적이지 않다. III형 탱크는 알루미늄 라이너를 갖는 복합체 탱크이다. 상기 탱크는 우수한 배기 결과를 나타내지만, 다소 고가이다. IV형 탱크는 중합체 라이너를 갖는 복합체 탱크이다. IV형 탱크도 매우 양호한 배기 결과를 갖지만, III형 탱크에 비해 IV형 탱크는 보다 경량이고 덜 고가라는 추가의 장점을 갖는다. 그러므로, IV형 탱크는 압축 수소 저장 탱크용으로 가장 가능성 있는 후보자이다.

IV형 저장 탱크의 한 예는 US 5,429,845에 나타나 있으며, 이는 플라스틱 또는 다른 엘라스토머로 제조된 비금속 내부 라이너를 포함하고 압축 성형, 블로우 성형, 사출 성형 또는 임의의 다른 일반적으로 공지된 기술에 의해 한 덩어리로(in one piece) 제조되는 저장 탱크를 개시한다. 상기 내부 라이너는 일반적으로 원통형 중심부, 및 금속성 교신 돌기(boss)용 연결부가 있는 일반적으로 돔형인 단부 부분을 갖는다. 또한, 유사한 저장 탱크가 US 5,476,189에 개시되어 있으며, 여기서는 내부 라이너가 금속성 교신 돌기용 연결부가 있는 일반적으로 반회전구체인 단부 절편을 갖는다.

또한, 외부 보강층, 및 원통형 바디상에 용접된 반구형 단부 캡 밑동(butt)을 포함하는 내부 라이너를 갖는 압력 용기를 제조하는 것이 WO 03/031860로부터 공지되어 있다. 상기 구조는, 금속성 연결부 (즉, 용기 내에서 압력 하에 유체의 도입을 허용하는 밸브를 고정하기 위한 것)는 단부 캡에 의해 쉽게 상위(over) 성형될 수 있는데 원통형 바디는 통상적인 성형 기술로 수득될 수 있다는 장점을 갖는다. 그러나, 이러한 라이너는 단일층 폴리프로필렌의 것이어서, 침투성 면에서 불량한 결과를 야기한다.

또한, 침투성 면에서 훨씬 더 양호한 결과를 제공하는 HDPE 및 EVOH 기재의 다층 라이너를 갖는 것을 제외하고 유사한 구조 (외부 유리 또는 탄소 섬유 복합체를 갖는 내부 라이너)를 사용하는 것이 DE 103 60 953에서 제안되었다. 그러나, 상기 문헌에 개시된 라이너의 제조 방법은 라이너가 다단계 사출 성형에 의해 한 덩어리로 제조되므로 다소 복잡하다.

상기 두 문헌의 교시내용의 조합 (즉, 원통형 바디 및 용접된 단부 캡을 갖는 라이너를 선택하나, 여기서 원통형 바디는 다층 구조로 이루어진 것)은 저장 탱크용 내부 라이너의 개선된 제조 방법 및 개선된 저장 탱크를 얻기 위한 개선된 내부 라이너 둘 다를 제공할 수 있다.

그러나, 다층 구조의 용접은 일반적으로 용접 대역에서 연결 문제 (즉, 기계 성능 및 침투성 면에서)를 야기한다.

본 발명은 상기 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 문제를 해결하는 것을 목적으로 하며,

ㆍ 중합체 물질로 제조되고, 구조 층 및 배리어 층을 포함하며, 제1 개구 단부 및 상기 개구 단부에 제1 주변 연결 탭을 갖는 원통형 바디를 제공하는 단계;

ㆍ 원통형 바디의 제1 개구 단부의 단면과 본질적으로 상응하는 단면을 갖는 기저부 및 단부 캡의 주변 단부 부분에서의 제2 주변 연결 탭을 갖는, 중합체 물질로 제조된 돔형 단부 캡을 제공하는 단계;

ㆍ 단부 캡의 기저부를 원통형 바디의 제1 개구 단부상에 놓고 상기 제1 및 제2 주변 탭을 서로 접촉시키는 식으로 단부 캡을 위치시키는 단계; 및

ㆍ 상기 두 연결 탭을 함께 용접하는 단계

를 포함하는, 저장 탱크, 특히 수소 저장 탱크용 중합체 내부 라이너의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 한 측면에 따르면, 단부 캡의 주변 단부 부분에, 원통형 바디의 개구 단부의 주변 연결 탭으로의 용접을 위한 주변 연결 탭을 제공한다. 이러한 연결에 의해 단부 캡과 원통형 바디 사이의 연결부에서의 침투의 위험이 제한되며, 강한 기계적 연결이 제공된다.

"연결 탭"은 원통형 바디 및 단부 캡 각각의 벽의 연장을 의미하며, 이는 두 부분이 이들의 외부 표면 중 하나의 실질적인 부분상에서 서로 용접되게 한다. 바람직하게는, 상기 탭은 두 부분의 외부 표면이 서로 용접되도록 안쪽으로 구부려져, 그 형태를 통해 강하고 불침투성인 연결을 제공하는 돌출부(projection)를 안쪽에 제공한다.

용접 탭의 치수는 바람직하게는 물질의 습곡을 용이하게 하도록 라이너의 벽 두께보다 크지만, 용접부의 기계적 성질이 라이너의 나머지 부분의 성질과 현저하게 상이하지 않음을 보장하기에 충분히 실질적으로 작으며, 이로써 응력 발원으로 인한 실패의 위험을 완화시킨다. 이와 관련하여, 라이너의 벽 두께의 2배 이상 그러나 라이너의 벽 두께의 5배 또는 4배 이하의 길이를 갖는 용접 탭이 양호한 절충안이다.

상기 방법으로, 양호한 배기 결과를 갖는 내부 라이너를 보다 가격-효율적으로 제조할 수 있다. 전체 내부 라이너를 제조하기 위하여 복잡한 사출 성형 방법을 사용하는 것이 필수적이지는 않다. 보통의 연료 탱크 분야에 공지되어 있는 통상적인 블로우 성형 기술을 원통형 바디를 제조하기 위해 사용할 수 있다. 또한, 본 방법은 상이한 길이의 내부 라이너를 제조하기 위한 쉽고 효과적인 해결책을 제공한다. 사실상, 돔형 단부 캡은 완성된 내부 라이너를 형성하기 위하여 임의의 길이의 원통형 바디에 연결될 수 있다. 또한, 본 방법에 따른 내부 라이너는 우수한 침투성을 제공하며, 압축 수소용 저장 탱크와 관련하여 적합하다. 마지막으로, 단부 캡은 예를 들어 탱크 기능(들)을 위해 요구되는 부속품을 상위 성형하거나, 존재하는 부분을 열형성하고 상기 열형성 부분상에 상기 부속품 (또는 그에 따른 연결 부분)을 고정시킴으로써 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 방법에서, 단부 캡에 또한 1개 이상의 구조 층 및 1개 이상의 배리어 층을 제공하는 것이 바람직하다. 두 부분 (원통형 바디 및 단부 캡) 모두에서, 배리어 층은 통상적인 연료 탱크의 경우 두 구조 층 사이에 끼어 있는 것이 바람직하다. 본 발명의 전체 라이너에서의 배리어 층의 존재는 그의 침투 성능을 추가로 증가시킨다. 그 결과, 상기 바람직한 실시양태를 이용하여 제조된 바와 같은 내부 라이너를 갖는 저장 탱크는 저장 탱크로부터 대기로의 배기를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 이는 또한 보다 작은 분자 크기의 기체, 예를 들어 수소의 저장을 가능하게 한다.

부착층은 2개 (또는 3개의) 층을 결합시키기 위해 구조 층과 배리어 층 사이에 제공될 수 있다. 부착층은 구조 층 및 배리어 층 둘 다에 부착성인 임의의 물질, 예를 들어 하기 기재된 바와 같은 PE/EVOH 형태에 대해서는 부착제 개질된 LDPE로 제조될 수 있다.

바람직하게는, 구조 층은 폴리에틸렌 (PE) 또는 폴리아미드 (PA)를 포함한다.

배리어 층은 바람직하게는 에틸렌 비닐 알콜 공중합체 (EVOH)를 포함하며, 500 ㎛ 미만, 가능하게는 심지어 300 ㎛ 미만의 두께를 가질 수 있다.

원통형 바디는 제1 개구 단부와 반대편에, 주변 연결 탭을 역시 포함하는 제2 개구 단부를 가질 수 있으며, 상기 방법은

ㆍ 원통형 바디의 제2 개구 단부의 단면과 본질적으로 상응하는 단면을 갖는 기저부 및 주변 연결 탭을 갖는, 중합체 물질로 제조된 추가의 돔형 단부 캡을 제공하는 단계;

ㆍ 단부 캡의 기저부를 원통형 바디의 제2 개구 단부상에 놓고 두 연결 탭을 서로 접촉시키는 식으로 추가의 단부 캡을 위치시키는 단계; 및

ㆍ 두 연결 탭을 함께 용접함으로써 원통형 바디의 제2 개구 단부상에 추가의 단부 캡을 용접하는 단계

를 추가로 포함할 수 있다.

추가로, 본 발명은 상기 방법에 따라 제조된 내부 라이너 및 이러한 내부 라이너를 포함하는 저장 탱크에 관한 것이다.

상기 기재된 내부 라이너는 사실상 저장 탱크를 제공하기 위하여 일반적으로 외부 껍질과 조합된다. 외부 껍질의 성질은 10 bar 이상의 압력을 함유하기에 적합한 임의의 구조이다. 이는 금속성 구조의 형태 또는 더욱 바람직하게는, 라이너의 외측 주위에 감긴, 바람직하게는 그 후 보다 내충격성인 물질층으로 감긴 탄소 섬유 필라멘트 복합체일 수 있다. 바람직하게는, 라이너 및 외부 껍질은 서로 등축으로 인접하고, 내부 라이너상의 외부 껍질의 기계적 속박 이외에는 상기 둘은 연결되어 있지 않고 상이한 속도로 팽창 및 수축된다.

상기 설명한 바와 같이, 탱크 (라이너)의 1개 이상의 단부 캡에, 부속품 (예를 들어 밸브)을 저장 탱크에 연결시키는 연결 부분 (교신 돌기)가 제공된다. 상기 부분은 바람직하게는 금속성 부분이다. 이는 라이너가 사출 성형되는 경우에 라이너의 단부 캡으로 상위 성형될 수 있다. 다르게는, 상기 부분은, 탄소 필라멘트 복합체를 라이너 주위에 감기 전에 라이너의 단부 캡의 최상부에 위치된 별개의 부분일 수 있다. 상기 실시양태는 특히 단부 캡이 열형성에 의해 수득될 때 바람직하다. 상기 경우에, 섬유 복합체 층을 감는 동안 연결 부분이 회전되지 않게 하는 상응하는 양각(relief) (예를 들어: 홈 및 융기)을 라이너의 단부 캡의 외부 표면 및 연결 부분의 하위 표면에 제공하는 것이 바람직하다.

마지막으로, 본 발명은 또한 상기 기재된 바와 같은 탱크의 수소 저장용 용도에 관한 것이다.

본 발명의 추가의 측면은 바람직한 실시양태의 상세한 설명을 참고함으로써 명백해질 수 있다.

본 도면은 명세서의 절대적 부분을 형성하며, 이와 관련하여 해독되어야 한다. 본 발명의 상세한 설명은 본 발명의 한 바람직한 실시양태의 비제한적 설명이다.

본 발명에 있어서, 중합체 내부 라이너 및 외부 껍질을 포함하는 저장 탱크의 제조 방법에 있어서, 상기 중합체 내부 라이너는,

ㆍ 중합체 물질로 제조되고, 구조 층 및 배리어 층을 포함하며, 제1 개구 단부 및 상기 개구 단부에 제1 주변 연결 탭을 갖는 원통형 바디를 제공하는 단계;

ㆍ 원통형 바디의 제1 개구 단부의 단면과 상응하는 단면을 갖는 기저부 및 단부 캡의 주변 단부 부분에서의 제2 주변 연결 탭을 갖는, 중합체 물질로 제조된 돔형 단부 캡을 제공하는 단계;

ㆍ 단부 캡의 기저부를 원통형 바디의 제1 개구 단부상에 놓고 상기 제1 및 제2 주변 탭을 서로 접촉시키는 식으로 단부 캡을 위치시키는 단계; 및

ㆍ 상기 두 연결 탭을 함께 용접하는 단계를 통해 제조되고,

원통형 바디의 외부 표면과 단부 캡의 외부 표면이 서로 용접되도록 용접 탭이 안으로 구부러지고,

용접 탭의 길이는 외부 껍질의 벽 두께보다 2 배 이상 크지만 라이너의 벽 두께의 5 배 이하인 것을 특징으로 하는, 중합체 내부 라이너 및 외부 껍질을 포함하는 저장 탱크의 제조 방법일 수 있다.

또한, 용접 탭의 길이는 라이너의 벽 두께보다 크지만 라이너의 벽 두께의 5배 이하인 방법일 수 있다.

또한, 원통형 바디는 블로우 성형으로 제조되는 방법일 수 있다.

또한,단부 캡은 탱크 기능(들)을 위해 요구되는 부속품 위에 성형되거나, 부품을 열성형하고 상기 열성형된 부품상에 상기 부속품 또는 그에 따른 연결 부분을 고정시킴으로써 제조되는 방법일 수 있다.

또한, 배리어 층은 에틸렌 비닐 알콜 공중합체 (EVOH)를 포함하고, 500 ㎛ 미만의 두께를 갖는 방법일 수 있다.

또한,탄소 섬유 필라멘트 복합체를 라이너의 외측 주위에 감아 외부 껍질의 적어도 일부를 형성하는, 상기 방법에 의해 수득된 라이너를 이용하여 저장 탱크를 제조하는 방법일 수 있다.

또한, 라이너 및 외부 껍질이 서로 연결되어 있지 않고, 상기 라이너 및 상기 외부 껍질이 서로 동축으로 인접하여, 상기 라이너 및 상기 외부 껍질이 상이한 속도로 팽창 및 수축할 수 있는 방법일 수 있다.

또한, 부속품 (예를 들어 밸브)을 탱크에 연결시키는 연결 부분을 탱크에 제공하며, 이 때 상기 연결 부분은 탄소 필라멘트 복합체를 라이너 주위에 감기 전에 라이너의 단부 캡의 최상부에 위치된 별개의 부분이고, 섬유 복합체를 감는 동안 연결 부분이 회전되지 않게 하는 상응하는 양각(relief)을 라이너의 단부 캡의 외부 표면 및 연결 부분의 하위 표면에 제공하는 방법일 수 있다.

또한, 상기 저장 탱크는 수소 저장 탱크인 것을 특징으로 하는 저장 탱크의 제조 방법일 수 있다.

또한, 상기 저장 탱크를 수소 저장용으로 사용하는 방법일 수 있다.

본 발명은 상기 배경기술이 가지는 문제점을 해결할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 원칙에 따라 제조된 중합체 내부 라이너의 최상부 단면의 도시예이고, 본 발명의 바람직한 실시양태에 따르고 이 방식으로 본 발명에 따른 탱크로 캡슐화된 금속성 교신 돌기의 상세도이다.

도 1 과 관련하여, 중합체 내부 라이너의 최상부 단면은 일반적으로 (10)으로 나타내어지며, 원통형 바디 (12) (이의 제1 단부는 도 1에 나타냄) 및 돔형 단부 캡 (14)를 포함한다.

원통형 바디 (12)는 제1 개구 단부 (16)을 포함하며, 제1 주변 연결 탭 (18)을 포함한다.

단부 캡 (14)는 기저부 및 첨단(apex)을 가지며, 여기서 기저부는 제2 개구 단부 (19)를 갖고, 첨단은 저장 탱크의 내부 챔버와 저장 탱크의 외부 사이의 교신을 형성하기 위한 교신 개구 (20)을 갖는다. 단부 캡 (14)는 그 기저부에 제2 주변 연결 탭 (22)를 포함한다.

주변 연결 탭 (18, 22)는, 단부 캡 (14)가 원통형 바디 (12)의 제1 단부에 위치될 때 주변 연결 탭 (18, 22)가 일직선이며 용접에 의해 연결될 수 있는 방식으로 정렬된다. 일단 함께 용접되면, 원통형 바디 (12) 및 단부 캡 (14)는 압축 기체가 저장될 수 있는 내부 챔버 (24)를 형성한다.

주변 연결 탭 (18, 22) 때문에, 원통형 바디 (12)와 단부 캡 (14) 사이의 연결부에서 내부 라이너 (10)을 통한 기체 누출의 위험이 감소된다.

도 1에 나타낸 내부 라이너 (10)은 구조 층 (28)에 직접 연결된 배리어 층 (26)을 포함한다.

구조 층 (28) 은 PE로 제조될 수 있고, 1 내지 8 mm 범위의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어 구조 층에 사용될 수 있는 다른 물질은 PA이다. 배리어 층 (26)은 EVOH로 제조될 수 있고, 50 내지 500 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 배리어 층 (26) 과 구조층 (28) 사이의 부착층은 구조 층 및 배리어 층 둘 다에 접착성인 임의의 물질, 예를 들어 상기 PE/EVOH 형태에 대해서는 접착제 개질된 LDPE로 제조될 수 있다. 내부 라이너 (10)의 전체 두께는 2 내지 17 mm 범위이다.

도 1 로 돌아가서, 단부 캡 (14)의 첨단에 있는 교신 개구 (20)은, 도시적으로 표시되고 포괄적으로 참고 번호 (40)로 언급된 금속성 교신 돌기와 협력하여, 저장 탱크의 내부와 그의 외부 사이에 교신 통로를 형성한다. 밸브 (나타내지 않음)는 일반적으로 상기 교신 통로에 설치된다. 교신 통로를 통해, 압축 기체는 저장 탱크로 공급되고 그로부터 방출될 수 있다.

도 1 은 라이너의 단부 캡 (14)상의 상응하는 융기 (나타내지 않음)와 맞물리는 홈 (41)을 갖는 금속성 교신 돌기 (40)을 나타낸다. 상기 홈 (41)은 복합체 섬유 외부 껍질 (42)를 라이너 주위에 감을 때 상기 돌기 (40)의 회전을 막아, 감는 동안 단부 캡 (14)의 최상부에 상기 돌기 (40)이 단지 그대로 있게 한다 (고정되지 않음).

본 발명의 원칙을 예시하기 위해 구체적인 실시양태가 제공되고 상세하게 기재되었지만, 본 발명은 이러한 원칙에서 벗어나지 않는 한 달리 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들면, 당업자는 상기 논의로부터 및 동반되는 도면 및 청구항으로부터, 하기 청구항에 기재하는 바와 같은 본 발명의 취지 및 범위에서 벗어나지 않는 한 다양한 변화, 변경 및 변동을 행할 수 있음을 쉽게 인식할 것이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 중합체 내부 라이너
12 원통형 바디
14 돔형 단부 캡
16 제1 개구 단부
18 제1 주변 연결 탭
19 제2 개구 단부
20 교신 개구
22 제2 주변 연결 탭
24 내부 챔버
26 배리어 층
28 구조 층
40 금속성 교신 돌기의 세부장식
41 상기 돌기상의 홈
42 외부 껍질

Claims (1)

1. 본원 발명의 상세한 설명에 기재된 것을 특징으로 하는 수소 저장 탱크.

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