KR20210128384A - 비워진 튜브 수송 시스템용 튜브 세그먼트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내접원의 지름이 2m 이상이고 압력을 받고 있는 응용에 적합한 튜브를 구성하기 위한 튜브 섹션과, 이 튜브 섹션으로부터 제작된 진공 튜브 수송 시스템 튜브에 관한 것이다.

Description

비워진 튜브 수송 시스템용 튜브 세그먼트

본 발명은 지름이 적어도 2m인 내접원을 가진 압력을 받는 응용에 적합한 튜브를 구성하기 위한 튜브 섹션과 이것으로부터 제작된 비워진 튜브 수송 시스템에 관한 것이다.

압력을 받는 응용은 튜브 내의 압력이 튜브 외부보다 낮은 것을 의미한다. 따라서 튜브는 외부 압력을 받는다. 이러한 압력을 받는 응용의 하나는 비워진 튜브 수송(ETT: evacuated tube transport) 시스템에서의 튜브이다. 하이퍼루프(hyperloop)는 테슬라(Tesla)와 스페이스엑스(SpaceX)의 합동 팀이 공개한 오픈소스 진공튜브열차(vactrain) 디자인을 설명하는 데 처음 사용된, 승객 및/또는 화물 수송을 위해 제안된 ETT 모드이다. 주로 로버트 고다드(Robert Goddard)의 진공튜브열차에서 도출된 하이퍼루프는 밀폐된 진공 튜브 또는 진공 튜브들의 시스템으로 구성되어 있으며, 이를 통해 포드(pod)는 공기 저항이나 마찰 없이 사람이나 물체를 고속으로 가속하여 운반할 수 있다. 2012년에 처음 공개된 엘론 머스크(Elon Musk)의 개념 버전은 감압된 튜브들을 포함하고 있으며, 이 튜브들에서는 가압된 캡슐들이 선형 유도 모터 및 공기 압축기에 의해 구동되는 공기 베어링 위에 탑재된다. 상기 튜브들은 지상의 철탑 위에서 또는 지하의 터널에서 주행할 수 있다. 이 개념은 현재의 철도 또는 항공 여행보다 상당히 빠른 여행을 허용할 것이다. 이상적인 하이퍼루프 시스템은 기존 대중교통 모드보다 에너지 효율적이고 조용하며 자율적일 것이다.

고속철도의 개발은 역사적으로 마찰 및 공기 저항을 관리하는 데 어려움을 겪어 왔으며, 이 두 가지 모두 차량이 고속으로 접근할 때 상당하게 된다. 상기 진공튜브열차 개념은 비워진(공기가 없는) 또는 부분적으로 비워진 튜브에서 자기 부상 열차를 사용하여 이러한 장애물을 이론적으로 제거하여, 매우 높은 속도를 허용한다. 자기 부상의 원리는 US1020942에 개시되어 있다. 그러나 자기 부상 비용이 높고 장거리에 걸쳐 진공을 유지하기가 어렵기 때문에 이러한 유형의 시스템을 여태까지 구축할 수 없었다. 하이퍼루프는 진공튜브열차 시스템과 유사하지만 대략 1 밀리바(100 Pa)의 압력에서 작동하므로 US5950543에서 일반적인 용어로 개시된 바와 같이 비워진 튜브 수송(ETT) 시스템으로 설명될 수 있다.

ETT 시스템은 주행 경로에서 모든 장애물을 이동시킴으로써 기존의 수송과 관련된 많은 문제를 해결한다. 주행하는 물체(이 경우 캡슐)는 튜브 안에 있으므로 의도한 경로를 유지하고 장애물이 경로에 등장할 수 없다. 후속 캡슐이 동일한 가속 및 감속을 겪는 경우, 많은 캡슐이 완전한 안전과 함께 한 번에 튜브에서 동일한 방향으로 이동할 수 있다. 한 캡슐이 후속 캡슐에 대해 장애가 되지 않도록 가속 및 감속이 계획된다. 캡슐의 신뢰성은 움직이는 부품에의 의존이 적거나 거의 없기 때문에 매우 높다. 가속에 필요한 대부분의 에너지는 감속 중에 회복된다.

ETT 시스템의 중요한 요소들 중 하나는 튜브이다. 이들 튜브는 화물 또는 승객을 실은 포드가 통과할 수 있도록 큰 지름을 요구한다. 튜브 내의 압력은 약 100 Pa이므로, 튜브는 약 1000배 더 높은 약 101kPa의 주변 대기압을 견딜 수 있어야 한다. 지상의 튜브들은 종종 (예를 들어 철탑에 의해) 지지될 수 있기 때문에, 튜브는 또한 굽힘 또는 좌굴 없이 두 지지부 사이의 간격에 걸쳐 있을 수 있어야 한다. 하이퍼루프 알파(Hyperloop Alpha) 프로젝트의 전체 제안에 따르면, 승객 튜브에 대한 내진 고려와, 압력 차이, 약 30m 떨어져 위치된 철탑들 사이의 굽힘 및 좌굴, 캡슐 무게 및 가속으로 인한 하중과 같은 하중 사례에 대해 충분한 강도를 제공하기 위해서는 20 내지 23mm 사이의 튜브 벽 두께가 필요하다. 승객과 차량 튜브를 더하면 더 큰 튜브를 위한 튜브 벽 두께는 23 내지 25mm이다. 이러한 계산은 내부 지름이 3.30m 튜브를 기준으로 한다. 그러나 계산에 따르면 ETT 시스템의 경제성은 튜브를 통과하는 포드 크기를 늘림으로써 훨씬 향상될 수 있다. 이러한 증가된 포드 크기는 3.50 내지 5.00 미터의 내부 지름을 요구한다. 이런 지름의 튜브가 강판 또는 스트립으로 제작되는 경우, 30mm 정도의 두께를 요구한다. 핫 스트립 밀(hot strip mil)은 이런 두께의 재료를 공급할 수 없으므로, 이러한 튜브는 강판으로 제작해야 한다. 튜브에 선호되는 재료로서 강철과 ETT 시스템의 제안된 광범위한 사용에 의하면, 약 3000톤/km x 20000km = 60 Mton이 필요할 것이다. 현재 EU28의 총 강판 생산량은 약 10 Mton/년이다. 이러한 용량 문제와는 별도로, 강판으로부터 튜브를 제작하는 것은 튜브가 매우 무거워질 뿐만 아니라 현장에서 강판의 취급 및 성형과 용접을 수행하는데 엄청난 양의 번거로운 작업이 필요하다. 30mm 두께의 강철 5m 지름 튜브의 무게는 3700 kg/m이며, 이는 10m 세그먼트의 무게가 37톤임을 의미한다. Mi-26 헬리콥터의 탑재량은 약 22톤이다. 고가도로나 다른 제약의 관점에서 도로를 통한 수송은 비 현실적이다.

좌굴은 구조의 안정성 손실을 말하고 가장 단순한 형태에서, 재료 강도와 무관하며 이러한 안정성 손실은 탄성 범위 내에서 발생한다고 가정한다. 압축 하중을 받는 가늘거나 얇은 벽 구조는 좌굴에 취약하다. 따라서 튜브는 압력차를 견딜 수 있고, 큰 처짐 없이 30m에 도달할 수 있어야 하며, 또한 충분한 좌굴 저항이 있어야 한다. 고강도 강철을 사용하면 기계적 특성을 증가시키고, 그에 의해 더 얇은 벽 두께를 허용하여 재료를 절약할 수 있지만, 좌굴 저항은 향상 불가능하다.

본 발명의 목적은 종래에 제조된 나선-용접된 튜브 섹션보다 가볍고 좌굴에 취약하지 않은, 압력을 받는 응용을 위한 튜브를 구성하기 위한 튜브 섹션을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 현장에서 제작될 수 있는 압력을 받는 응용을 위한 튜브를 구성하기 위한 튜브 섹션을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 도로를 통해 쉽게 운반될 수 있는 ETT 시스템용 튜브를 구성하기 위한 튜브 섹션을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 열간 또는 냉간 압연 스트립 강철로부터 통상적으로 제조할 수 있는 방식으로 허용 가능한 강성과 유사한 좌굴 성능을 제공하면서 단일의 스킨(skin) 튜브보다 적은 재료를 사용하는 ETT 시스템에 적합한 튜브를 제공하는 것이다.

이러한 목적들 중 하나 이상은 청구항 1에 따른 튜브 섹션으로 달성된다. 바람직한 실시 예들이 종속항들에서 제공된다.

도 1은 5 mm 두께의 정사각형 140 x 140 mm 중공 섹션으로 만들어진 두 개의 세로방향 종재(縱材, longitudinal stringer)를 보여준다. 이 예에서 길이(L)는 30 m이다.
도 2는 도 1의 세로방향 종재들을 11개의 원주방향 섹션(이 예에서는 원형)과 함께 보여준다. 섹션들은 120 x 80 직사각형 중공 섹션을 벽 두께는 6.3 mm이다.
도 3은 세로방향 종재와 원주방향 섹션에 의해 형성된 튜브 섹션의 골격 프레임을 보여준다.
도 4는 얇은 벽의 스킨 섹션의 예를 보여준다.
도 5는 도 3의 프레임에 고정된 도 4의 스킨 섹션을 보여준다.
도 6은 양쪽 끝에 원주방향 섹션이 없는 완성된 튜브 섹션을 보여준다.
도 7은 완성된 튜브 섹션을 측면에서 본 도면이다.
도 8은 세로방향 종래(3), 원주방향 섹션(4) 및 스킨 섹션(5)의 세 가지 주요 요소를 강조하는 튜브 섹션의 단면을 보여준다.
도 9는 반경(R)과 중심점(M)에 의해 표시된 스킨 섹션의 곡률을 보여준다.
도 10은 도 8의 원형 원주방향 섹션이 아닌 다각형 원주방향 섹션의 예를 보여준다.
도 11은 튜브 외부의 압력은 대기압이고 튜브 내부의 압력은 0.1 bar 미만인 지상 응용에서 복수의 튜브 섹션(2)을 포함하는 비워진 튜브 수송 시스템 튜브(1)의 일부를 보여준다.
도 12는 튜브(1)가 압력 차이를 받는 상황을 보여준다(P_외부 = 1 bar, P_내부 = 1 bar (훨씬) 미만).

본 발명의 맥락에서 "압력을 받는 응용에 적합한"은, 상기 튜브 섹션이, 본 발명에 따른 복수의 튜브 섹션을 포함하는 비워진 튜브 수송 시스템에서 사용될 때, 대기압인 튜브 또는 튜브 섹션 밖의 압력을 받는 것을 의미하며, 여기서 튜브 또는 튜브 섹션 내부의 압력은 0.1 bar 미만, 0.01 bar (10 mbar) 미만, 더 바람직하게는 5 mbar 미만, 심지어 2 mbar 미만 또는 심지어 약 1 mbar (

100 Pa) 미만이다. 과잉으로 튜브 섹션의 제작 중에 튜브 섹션이 압력을 받는 상황에 있는 것은 아님을 유의할 필요가 있다.

본 발명은 완전한 튜브로 조립하기 전에 개별 튜브 섹션이 만들어질 수 있도록 한다. 완전한 튜브는 열간압연 강판 및 관형 섹션 솔루션을 제공한다. 큰 지름의 튜브를 생산할 수 있는 개념이다(가장 작은 하이퍼루프 알파 튜브 크기 내부 지름 2.23m 이상으로부터). 이 디자인은 동일한 단일 게이지 벽 튜브보다 적은 재료를 사용하는 동시에 지지 철탑 사이의 허용 가능한 수직 강성과 함께 외부 압력하에서 동일한 좌굴 성능을 달성한다.

ETT 시스템용 튜브는 내부적으로 거의 진공 상태를 유지하고 안정적인 직선 지지 구조를 유지해야 한다. 두 가지 주요 기능적 요구 사항은 좌굴 저항과 수직 강성(예를 들어 처짐에 대한 저항)이다. 외부 압력을 받고 있는 튜브는 두 가지 방식으로 나타날 수 있는 좌굴에 취약하다. 첫째, 전체 튜브 섹션이 붕괴되는 전역 좌굴 파손이 있을 수 있으며 일반적으로 튜브 길이의 절반 사인파로 구성된 모양과 튜브의 중간 스팬(span에서 최대 변위를 가진다. 두 번째 잠재적 좌굴 파손 모드는 튜브의 작은 부분들이 파손되는 국부적 모드이다. 튜브의 디자인은 경량 디자인을 생성하면서 각각 튜닝을 허용하는 수직 강성, 전역 및 국부 모드를 해결한다.

상기 디자인은 개념적 골격 프레임과 스킨(skin) 섹션으로 만들어진 스킨으로 구성된다. 골격 프레임은 여기에 종재(stringer)로서 설명된 세로방향 섹션과 여기에서 리브 (rib)또는 링(ring)으로 설명된 원주방향 섹션으로 구성된다. 링과 종래는 모두 표준 정사각형 또는 직사각형 중공 튜브 또는 섹션으로 만들 수 있다. 이러한 유형의 튜브를 일반적으로 직사각형 중공 섹션(RHS: rectangular hollow sections)이라고 한다. 예를 들어 스킨의 위치를 지정하거나 용접 준비를 돕기 위해, 상기 종재에 대해 고유한 섹션들을 사용하는 것이 약간의 이점이 있을 수 있지만, 타타 스틸의 Celsius® 제품군과 같은 표준 튜브를 사용하는 것이 더 비용 효율적이다. 상기 스킨은 스킨 섹션의 길이를 따라 직선이며, 튜브 섹션의 종재에 부착될 때 호의 중심이 튜브의 중심점을 향하는 스킨 섹션의 너비에 걸쳐 본질적으로 일정한 호를 갖는다. 이것은 외부 압력하에서 스킨 섹션이 압축되는 아니라 명목상 긴장 상태에 있음을 의미한다. 따라서 본 발명의 맥락에서 "사용 중"이라는 용어는, 외부의 대기압이 튜브 섹션 내의 압력보다 (훨씬) 높은, 튜브 섹션의 외부와 내부 사이의 압력 차이를 의미한다. 도 12는 이것을 개략적으로 보여준다.

튜브 무게의 절반 이상은 스킨과 관련이 있으며 스킨 게이지는 좌굴 성능에 큰 영향을 미친다. 스킨이 주로 장력을 받도록 튜브를 설계함으로써 튜브는 압축 하중과 관련된 현상인 좌굴에 덜 취약하다. 오목함을 늘리면 수직 강성에 대한 스킨 기여도가 감소한다. 종래 섹션을 늘리면 강성과 질량이 증가한다. 링의 위치는 전역 모드에 더 큰 영향을 미치기 위해 중간 스팬 쪽으로 편향될 수 있다. 디자인의 일 실시 예는 종재들 사이에 직선 섹션 또는 리브(rib)를 가지며, 따라서 링은 11면 다각형에 대해 도 10에 묘사된 바와 같이 n면 다각형이다. 그러나 이것은 튜브 축에서 리브 중앙까지의 거리가 더 짧아서(도 10 참조) 전역 좌굴에 대한 저항이 적기 때문에 만곡된 원주방향 링만큼 효과적이지 않다. 따라서, 원주형 링은 원형 또는 타원형과 같은 만곡된 형상을 갖는 것이 바람직하다.

튜브 섹션의 길이는 고정되지 않는다. 일반적으로 길이는 10~50m이다. 하이퍼루프 개념 연구에서 길이는 30m가 실현 가능하다고 가정한다. 이러한 길이는 항공, 기차 또는 트럭을 통해 수송될 수 있다. ETT 응용을 위해 튜브 섹션의 내접원의 지름은 바람직하게는 최소 3m이다. 이 지름에 적합한 상한선은 5m이지만, 그 자체로는 제한이 없다. 튜브 섹션이 충분히 강하고 단단하다면, 청구된 발명의 요지를 벗어나지 않고 5m보다 큰 지름을 생각할 수 있다. 또한, 튜브는 단면이 반드시 원형일 필요는 없다. 튜브는 또한 타원형 또는 임의의 다른 적절한 모양일 수 있다.

ETT 시스템용 튜브와 관련된 볼륨으로 인해, 중공 튜브 및 열간압연 스트립으로 튜브를 만들기 위한 것이다. 최대 1600mm 너비의 스트립으로 디자인을 제한함으로써, 대부분의 공장에서 재료를 조달할 수 있다. 이것은 스킨 섹션의 최대 스팬에 영향을 준다. 더 많은 섹션을 추가하는 것은 수직 강성에 도움을 줄 수 있는 추가 종재를 추가하지만 조립 용접 길이가 추가되어 추가 비용이 추가된다.

제조 및 조립을 위해, 골격 프레임이 먼저 조립되고 그 다음에 그것에 스킨을 용접하는 것이 예상된다.

상기 원주방향 섹션들은 열간압연 튜브 라인의 끝에서 추가 공정으로 만들어질 수 있다. 직사각형 중공 섹션(RHS)의 제조 중에, 끝에 추가된 추가 스테이션은 튜브를 정확한 지름의 매우 얕은 나선형으로 구부린다. 이 나선은 그 다음에 완전한 1회전에서 절단될 것이다. 이러한 단일 회전 나선은 완전한 원형 링을 만들기 위해 단지 약간의 측 방향 조정이 필요하다. 이 방법을 사용하면, 링은 링으로 변환될 때 발생하는 긴장이 최소화될 수 있다. 스킨은 롤 성형되고 및/또는 트랜스퍼 프레스(transfer press)에서 만들어질 수 있다. 스킨에 대한 길고 곧은 연속적인 용접은 로봇 용접의 용이한 촉진을 허용할 수 있다.

얇은 벽의 스킨 섹션은 스킨 섹션들이 부착되는 세로방향 종재와 함께 긴 에지를 따라 바람직하게는 용접에 의해 기밀한 스킨을 형성하고, 상기 세로방향 종재들의 도움으로 외부 압력에 저항한다. 상기 얇은 벽의 스킨 섹션들에 곡선이 제공된다는 사실은 튜브 내의 압력이 외부보다 낮을 때 스킨 섹션들에 장력이 가해지는 것을 의미한다. 이 얇은 벽 구조는 리브와 함께 전역 좌굴 모드에 저항하는 역할을 한다. 스킨 섹션들이 곡률로 인해 안쪽으로 돌출되기 때문에, 튜브 섹션의 내접원의 지름은 세로방향 종재들과 원주방향 섹션들에 의해 형성된 골격 프레임의 내접원보다 작다.

본 발명에 따른 튜브 섹션에 의해 큰 중량 감소가 달성된다. 평평한 나선형 용접된 스트립과 비교하여 동일한 좌굴 강도가 본 발명에 따른 튜브 섹션으로 얻어질 수 있으며, 여기서 본 발명에 따른 튜브 섹션은 평평한 나선형 용접된 스트립의 동등한 튜브 섹션보다 3배 더 가볍다.

본 발명에 따른 튜브 섹션은 적어도 2m 지름의 내접원을 갖는 기밀한 튜브를 포함한다. 소형 및 대형 지름 튜브를 생산할 수 있는 개념이다(가장 작은 하이퍼루프 알파 튜브 크기 2.23m 내부 지름 이상으로부터). 이 설계는 동일한 단일 게이지 벽을 가진 튜브보다 적은 재료를 사용하는 동시에 지지 철탑들 사이에 허용 가능한 수직 강성으로 동일한 외부 압력 좌굴 성능을 달성하고 다른 이점을 갖는다. 바람직하게는 튜브 섹션, 따라서 튜브 섹션들을 결합하여 생성된 튜브의 내접원의 지름은 적어도 2m, 보다 바람직하게는 적어도 3m, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 4m이다. 이 지름에 대한 적절한 상한선은 5m이지만 이것이 그 자체로 제한되는 것은 아니다. 튜브 섹션이 충분히 강하고 뻣뻣하다면, 청구된 바와 같은 본 발명의 요지를 벗어나지 않으면서 5m보다 큰 지름을 생각할 수 있다.

상기 튜브 섹션은 바람직하게는 단일 벽 구성으로 제작된다. 얇은 벽의 스킨 섹션은 기밀성을 제공하여 튜브 내부에 매우 낮은 압력을 유지한다. 튜브 섹션은 원주방향 섹션들과 세로방향 종재들에 의해 형성된 골격 프레임을 기반으로 구성된다. 원주방향 섹션은 테(hoops)를 형성하고 세로방향 종재는 살(staves)을 형성한다. 종재들 사이의 공간은 얇은 벽의 스킨 섹션으로 닫힌다. 좌굴 저항을 개선하고 스킨 섹션을 가능한 한 얇게 유지하기 위해, 스킨 섹션에는 곡률 반경이 R인 만곡이 제공된다. 이 만곡은 얇은 벽을 된 스킨 섹션들의 전체 길이를 따라 연장된다. 이 반경은 예를 들어 롤 성형에 의해 쉽게 생성할 수 있으며 현장에서 가능하다. 바람직하게는 모든 튜브 섹션은 세로방향 방향으로 직선이어서, 종재들과 만곡된 얇은 벽의 스킨 섹션들 또한 길이를 따라 직선이다. 튜브의 만곡은 만곡이 매우 작기 때문에 튜브의 직선 튜브 섹션들을 함께 각도를 조정하여 수용될 수 있다. 트랙은 튜브 자체 내에서 구부러질 수 있다. 더 큰 만곡의 경우, 예를 들어 꼭 필요한 경우, 직선 튜브 섹션들의 감소된 길이가 더 큰 곡률을 얻기 위해 사용될 수 있다.

세로방향 종재들은 원주방향 섹션들의 내부 표면에 연결된다. 종재는 얇은 벽의 스킨 섹션을 부착하기 위한 골격 프레임을 형성하도록 실질적으로 등거리로 원주방향 섹션들에 장착된다. 만곡된 얇은 벽의 스킨 섹션들의 긴 에지들은 세로방향 종재에, 바람직하게는 세로방향 종재의 내부 표면에 고정적으로 기밀하게 장착된다. 만곡된 얇은 벽의 스킨 섹션(5)의 곡률 반경(R)의 중심점(M)은 튜브 섹션 외부에 있다.

이렇게 제조된 튜브 섹션은 크레인 등으로 처리되고 철탑 또는 기타 지지 구조물에 장착될 만큼 충분한 강성을 갖는다. 골격 프레임은 이러한 강성을 제공한다. 상기 얇은 벽의 스킨 섹션은 기밀성을 제공한다.

일 실시예에서, 세로방향 종재 중 하나 이상 또는 전부는 중공 튜브이다. 이들은 원형 튜브, 타원형 튜브 또는 다각형 튜브일 수 있다. 그러나 세로방향 종재는 타타 스틸 Celsius®-제품군과 같은 직사각형 또는 정사각형 튜브인 것이 바람직하며, 이는 세로방향 종재 및 얇은 벽의 스킨 섹션에 연결하기에 더 적합하게 하는 평평한 에지를 갖기 때문이다. 이들 직사각형 튜브는 또한 약간의 추가 강성을 제공한다.

일 실시예에서, 원주방향 섹션들(4) 중 하나 이상 또는 전부는 중공 직사각형 튜브이다. 이 튜브는 적절한 강성을 가지며 좌굴에 대한 저항이 높다. 바람직하게는 세로방향 종재들은 타타 스틸 Celsius®-제품군과 같은 직사각형 또는 정사각형 튜브인데, 이는 이것들이 세로방향 종재에 연결하기에 더 적합하게 만드는 평평한 에지를 갖기 때문이다.

상기 만곡된 얇은 벽의 스킨 섹션은, 세로방향 에지를 따라 세로방향 종재에 연결된 후 곡률과 두께의 적절한 조합을 선택함으로써, 자체적으로 충분한 강도를 갖는 것이 바람직하지만, 다른 실시 예에서, 추가의 강화 요소(7)가 제공된다. 이러한 추가 강화 요소는 바람직하게는 스킨 섹션의 짧은 에지에 평행하고 스킨 섹션에 고정된 별도의 요소로 구성되거나, 딤플 등과 같은 안쪽 또는 바깥쪽으로 지향된 침입에 의해 스킨 섹션 자체를 강화한다. 스킨에 양각된 패턴은 로컬 패널 좌굴 성능을 높이는 데 도움이 된다. 국부 좌굴에 대한 보강 요소는 스킨 섹션의 표면에 침입하거나 돌출하는 보강구조가 될 수 있다. 침입하는 것은 딤플이 튜브 섹션의 내부 지름을 국부적으로 감소시키는 것을 의미하므로 안쪽으로 지향된 딤플이라고 한다. 돌출하는 것은 딤플이 튜브 섹션의 내부 지름을 국부적으로 증가시키는 것을 의미하므로 바깥쪽으로 지향된 딤플이라고 한다. 딤플은 바람직하게는 침입 보강구조이다. 딤플의 형태는 특별히 제한되지 않으나, 딤플을 일정한 패턴으로 제공하는 것이 유리하다. 이러한 규칙성은 스트립에 예측 가능한 거동을 제공하며, 딤플은 롤 성형 또는 프레싱과 같은 기술을 통해 적용할 수 있다. 딤플의 깊이는 특정 경우에 맞출 수 있다.

가장 단순한 형태에서 원주방향 섹션들은 튜브 섹션의 세로방향 섹션들의 길이를 따라 등거리로 이격된다. 비 제한적인 예로서: 길이(L)가 30m인 튜브 섹션 길이에 대해 11개의 원주방향 섹션이 사용되면, 모든 섹션들 사이의 거리는 3m이고 양쪽 끝에 원주방향 섹션을 가진다. 그러나 일 실시 예에서 원주방향 섹션들 사이의 거리는 길이방향 섹션을 따라 변한다. 바람직한 실시 예에서, 원주방향 섹션들 사이의 거리는 1/2 L에서 가장 작고, 양 말단에서 가장 크다. 이 거리는 튜브 섹션의 좌굴 저항을 최적화하기 위해 바뀔 수 있다.

양쪽 끝의 원주방향 섹션은 골격 프레임의 다른 곳에서 사용되는 것과 동일한 원주방향 섹션이거나, 두 개의 인접한 튜브 섹션을 함께 연결할 수 있는 연결 기능이 있는 특정 원주방향 섹션일 수 있다. 예를 들어, 이러한 특정 원주방향 섹션은 다른 원주방향 섹션의 너비의 두 배인 링을 얻기 위해 함께 용접된 두 개의 원주방향 섹션을 포함하거나, 또는 상기 연결 기능은 예를 들어 온도 변화의 결과로서 길이 변화를 허용하는 확장 조인트(joint)를 포함할 수 있다.

원주방향 섹션의 가장 간단한 형태는 원형이지만, 원주방향 섹션은 타원형도 가질 수 있으며, 이는 두 개의 튜브가 만나 하나로 계속되는 전환을 위해 특히 관련이 있을 수 있다. 예를 들어, 원형, 타원형 단면은 생산 직후 나선형 형태로 튜브를 구부려서 생산할 수 있다. 나선형을 자르고 끝을 함께 용접하여 닫힌 원형 또는 타원형 원주방향 섹션을 생성할 수 있다.

일 실시 예에서, 원주방향 섹션은 원형 또는 타원형이 아닌 다각형 형상을 갖는다. 면의 수는 3만큼 적을 수 있지만 6 또는 7의 수가 사용될 수 있다. 그러나 실용적인 이유로 다각형은 바람직하게는 적어도 8개의 면을 가진다. 이러한 다각형 원주방향 섹션은 직선 튜브를 함께 용접하여 생성할 수 있다.

모든 요소, 세로방향 종재, 원주방향 섹션 및 얇은 벽의 스킨 섹션은 바람직하게는 열간 압연된 강 스트립으로부터 생산된다. 강 스트립은 열간 압연, 선택적으로 아연 도금 및/또는 유기 코팅되거나, 또는 냉간 압연, 어닐링 및 선택적으로 아연 도금 및/또는 유기 코팅될 수 있다. 상기 압연 또는 코팅된 강철 스트립은 일반적으로 감긴(coiled) 강철 스트립의 형태로 제공된다. 상기 얇은 벽의 스킨 섹션이 감긴 스트립에서 직접 이동식 생산 시설을 사용하여 현장에서 생산되고, 이후에 현장에서 튜브 섹션을 조립하는 경우 코일 운송이 문제가 되지 않기 때문에 운송 문제도 해결된다.

일 실시예에서, 원주방향 섹션들을 따르는 길이방향 종재의 개수는 소수(prime number,素數), 예를 들어 11개의 세로방향 종재이다. 본 발명자는 소수의 세로방향 종재를 갖는 것이 전역 모드에 대해 가능한 반복 분할 패턴 모드 형상이 없기 때문에 좌굴 저항에 유익한 효과를 갖는다는 것을 알았다.

일 실시 예에서, 얇은 벽의 스킨 섹션들의 패널의 전부는 아니지만 하나 이상, 바람직하게는 패널들의 1/3 미만은 평평한 스킨 섹션(예를 들어 바닥 패널)과 같은 기능이 추가된 스킨 섹션이거나 또는 주변 장치용 설치 패널이다. 이러한 주변 장치는 전기 레일, 조명 또는 튜브 섹션이 ETT 시스템의 일부로서 역할을 하도록 하는 데 필요한 기타 설치 부품일 수 있다. 또한, 섹션에는 비상 탈출이나 하이퍼루프 조립 중에 액세스를 위한 해치가 제공될 수 있다. 바닥으로서 내부 패널에 가벼운 각인만 필요하거나, 더 두꺼운 게이지가 필요한 각인이 필요하지 않거나, 미끄럼 방지 줄무의판 유형 패턴이 필요할 수 있다. 조립하기 전에 섹션에 대한 액세스 및 탈출 해치를 설치하는 것이 더 쉬울 수 있다. ETT 시스템의 포드 가이드 레일(pod guide rail)과 같은 액세서리를 장착하기 위해 종재에 대한 연장부가 사용될 수도 있다. ETT-포드 레일은 종재들에/로부터 직접 장착될 수 있으며, 필요한 경우 다른 크기 또는 게이지의 종재가 필요할 수도 있다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 복수의 튜브 섹션을 포함하는 비워진 튜브 수송 시스템 튜브로 구현되며, 여기서 튜브 외부의 압력은 대기압이고 튜브 내부의 압력은 0.1 bar 미만, 바람직하게는 0.01 bar (10 mbar) 미만, 훨씬 더 바람직하게는 5 mbar 또는 심지어 2 mbar 미만이다. 지상에 적용할 경우, 튜브 외부의 압력은 약 1 bar의 대기압이다. 연속 튜브를 형성하여 ETT 시스템의 일부를 형성하기 위해 완성된 개별 튜브 섹션들이 결합될 수 있다. 이러한 튜브는 얇은 벽의 스킨 섹션과, 튜브의 중추로서 역할을 하는 상대적으로 열린 골격 프레임에도 불구하고 높은 좌굴 저항의 이점을 가진다. 인접한 튜브 섹션들은 확장 조인트로서 역할도 할 수 있는 연결 링을 사용하여 연결될 수 있다. ETT 시스템과 같은 압력을 받는 응용을 위한 튜브는 관리 가능한 크기의 튜브 섹션들로 분할된다. 이 튜브 섹션은 다른 튜브 섹션에 고정 연결되어 튜브를 형성한다(도 11 참조). 튜브 섹션들 사이의 연결은 튜브 내에 낮은 압력이 존재할 수 있도록 기밀해야 한다. 이 기밀성은 연결 자체에 의해(즉 용접으로 인해), 또는 튜브 섹션들을 함께 볼트로 조여지거나 클램핑될 때 엘라스토머와 같은 튜브 섹션들 사이의 일부 화합물에 의해, 또는 튜브 섹션들의 열 팽창 문제를 처리하기 위한 확장 조인트에 의해 제공될 수 있다.

골격 프레임의 추가 이점은 튜브 섹션 또는 튜브 외부에 주변 장치를 장착하기 위한 베이스 역할도 할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 태양 전지판이 튜브 위에 장착될 수 있다. 또한, 튜브는 철탑에서 공중 높이 떠 있을 것으로 예상되며, 가장 가능성이 높은 손상 형태 중 하나는 높은 나무나 전신주가 튜브를 때리는 것이다. ETT 튜브를 위한 다른 디자인과 비교하여 외부 골격 프레임으로 우수한 보호 기능이 제공된다.

본 발명에 따른 튜브 섹션은 비워진 튜브 수송 시스템을 구성하는데 적합하다. 그러나 튜브 섹션의 구체적인 특성과, 이러한 튜브 섹션들로부터 생성된 튜브 외부에서 튜브에 가해지는 압력이 튜브 내의 압력보다 훨씬 높은 조건에서 수행할 수 있는 능력은 유사한 압력 조건에서 작동하는 튜브의 적용에도 적합하게 한다. 이러한 응용의 예로는 자전거 터널, 자동차 터널, 기차 터널, 유지 보수 터널 또는 샤프트, 수력 발전소의 튜브, 압력을 받거나 받을 수 있는 가스 저장 시스템 등과 같은 지하 또는 수중 터널이 있다.

이제 다음의 비 제한적인 도면들을 참조하여 본 발명을 추가로 설명할 것이다.

도 1은 5 mm 두께의 정사각형 140 x 140 mm 중공 섹션으로 만들어진 두 개의 세로방향 종재를 보여준다. 이 예에서 길이(L)는 30 m이다.

도 2는 도 1의 세로방향 종재들을 11개의 원주방향 섹션(이 예에서는 원형)과 함께 보여준다. 섹션들은 120 x 80 직사각형 중공 섹션을 벽 두께는 6.3 mm이다.

도 3은 세로방향 종재와 원주방향 섹션에 의해 형성된 튜브 섹션의 골격 프레임을 보여준다. 프레임 끝에 있는 원주방향 섹션은 명확성을 위해 생략되었다. 위에서 설명된 바와 같이, 이 원주방향 섹션들은 다른 원주방향 섹션과 동일하거나 두 개의 인접한 튜브 섹션을 연결하기 위해 특별히 맞춰질 수 있다.

도 4는 얇은 벽의 스킨 섹션의 예를 보여주며, 이것은 이 예에서 스킨 섹션의 짧은 에지에 평행하게 연장되는 추가 강화 요소(7)를 구비한다. 스킨 섹션이 세로방향 축을 따라 구부러지는 것은 매우 분명하다. 이 예에서 상기 강화 요소들은 바깥쪽으로 지향하는 딤플이다. 이 예에서 스킨 섹션은 5 mm 열간 압연 강판으로 만들어진다.

도 5는 도 3의 프레임에 고정된 도 4의 스킨 섹션을 보여준다. 이 예에서 강화 요소의 위치는 원주방향 섹션의 위치와 일치한다. 세로방향 종재와 스킨 섹션의 긴 에지들 사이의 연결은 기밀하며, 이 연결은 용접(예를 들면, 레이저 용접, 레이저 하이브리드 용접, 가스 금속 아크 용접, 또는 기타 적절한 형태의 용접)으로 만드는 것이 바람직하다.

도 6은 양쪽 끝에 원주방향 섹션이 없는 완성된 튜브 섹션을 보여준다.

도 7은 완성된 튜브 섹션을 측면에서 본 도면이며, 원주방향 섹션들 사이의 거리가 양쪽 끝에 비해 튜브 섹션의 중간에서 차이가 있음을 명확히 보여주고 있다. 이 예에서 튜브의 크기는 4.5 m 지름의 튜브와 동일한 내부 단면적을 제공한다.

도 8은 세로방향 종래(3), 원주방향 섹션(4) 및 스킨 섹션(5)의 세 가지 주요 요소를 강조하는 튜브 섹션의 단면을 보여준다. 종재의 평평한 에지가 예를 들어 용접으로 원주방향 섹션의 내부 평평한 에지에 고정되어 있음을 명확하게 보여준다. 또한, 스킨 섹션의 에지들이 예를 들어 용접으로 종재에 고정되어 있음을 분명히 알 수 있다. 이 예에서 스킨 섹션의 에지는 종재의 모서리에 고정되어 있다. 이것은 인접한 두 종재 사이의 최단 거리이므로, 자재 절감 측면에서 가장 효율적인 위치이자 가장 접근하기 쉬운 위치이다. 그러나 선호되는 옵션은 아니지만, 스킨 섹션을 종재의 다른 위치, 예를 들어 종재의 중간 높이에, 더 원주방향 섹션 쪽으로 고정하는 것도 가능하다. 이런 식으로 내접원을 약간 늘릴 수 있다.

스킨 섹션의 곡률은 반경(R)과 중심점(M)에 의해 표시된다. 중심점(M)이 튜브 섹션 외부에 있는 것이 필수적인 것으로 간주된다. 중심점이 튜브 섹션 내부에 있는 경우, 스킨 섹션의 곡률이 너무 커서(도 9(a) 참조), 과도한 재료 사용, 너무 작은 내접원과 바람직하지 않은 좌굴 특성을 초래하거나, 중심점이 튜브 내부에 있는 곡률의 경우(도 9(b) 참조), 스킨 섹션이 인장 하중이 아닌 압축 하중을 받는 것을 의미하며, 이는 좌굴 저항에 매우 불리하다.

도 10은 도 8의 원형 원주방향 섹션이 아닌 다각형 원주방향 섹션의 예를 보여준다. 섹션의 다각형 특성은 중심점에서 원주방향 섹션까지의 거리가 일정하지 않음을 의미하며(도 8의 화살표 길이 참조). 이는 각 평면 섹션의 중간(중심점과 원주방향 섹션 사이의 최단 거리)을 전역 좌굴 저항에 덜 효과적이게 한다.

도 11은 튜브 외부의 압력은 대기압이고 튜브 내부의 압력은 0.1 bar 미만인 지상 응용에서 복수의 튜브 섹션(2)을 포함하는 비워진 튜브 수송 시스템 튜브(1)의 일부를 보여준다. 상기 튜브는 예를 들어 철탑(오른쪽에만 개략적으로 도시됨)에 의해 지지되어 있다.

도 12는 튜브(1)가 압력 차이를 받는 상황을 보여준다(P_외부 = 1 bar, P_내부 = 1 bar (훨씬) 미만). 압력 차이(P_외부-P_내부)에 따라 스킨 패널에 가해지는 힘(F_압력)이 증가한다. 이 힘이 더 클수록, 스킨 패널이 부착되는 종재들 사이의 스킨 패널의 인장 응력이 더 높다. 스킨 패널들에 가해지는 힘은 종재들 사이의 방향에서만 인장 응력을 초래한다. 상기 압력 차이가 0이 되자마자, F_압력도 0가 된다. 따라서 튜브의 외부와 내부 사이의 압력 차이가 있는 경우 스킨 패널에만 인장 응력이 존재하며, 모든 압력을 받는 응용에 그러하다. 튜브 섹션을 구성하는 동안 및 복수의 튜브 섹션을 포함하는 튜브를 구성하는 동안, 튜브의 외부와 내부 사이에 압력 차이가 없는 한 스킨 패널에 장력이 없다.

Claims (15)

1. 내접원의 지름이 2m 이상이고 압력을 받는 응용에 적합한 튜브(1)를 구성하기 위한 길이(L)의 튜브 섹션(2)으로서,
   복수의 세로방향 종재(縱材)(3), 복수의 원주방향 섹션(4), 및 곡률 반경(R)을 갖는 복수의 얇은 벽 스킨 섹션(5)을 포함하고, 상기 곡률은 상기 얇은 벽 스킨 섹션의 전체 길이를 따라 연장되며,
   세로방향 종재(3)는 원주방향 섹션(4)의 내부 표면(4a)에 연결되고, 복수의 세로방향 종재(3)는 상기 원주방향 섹션들에 실질적으로 등거리로 장착되어 상기 벽이 얇은 피부 섹션(5)을 부착하기 위한 골격 프레임(6)을 형성하며,
   얇은 벽 스킨 섹션(5)의 긴 에지들은 세로방향 종재들(3)에 기밀하게 고정 장착되고, 사용 시, 상기 종재들 사이의 상기 얇은 벽 스킨 섹션에 장력이 가해지는, 튜브 섹션(2).
2. 제1항에 있어서,
   만곡된 얇은 벽 스킨 섹션(5)의 곡률 반경(R)의 중심점(M)은 상기 튜브 섹션의 외부에 있는, 튜브 섹션(2).
3. 제1항에 있어서,
   (i) 상기 세로방향 종재들(3)의 하나 이상 또는 모두가 중공이고, 및/또는 (ⅱ) 상기 원주방향 섹션들(4) 중 하나 이상 또는 모두가 중공인, 튜브 섹션(2).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   만곡된 얇은 벽 스킨 섹션(5)에는 섹션의 짧은 에지에 평행한 추가 강화 요소가 제공되는, 튜브 섹션(2).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   원주방향 섹션들(4) 사이의 거리는 튜브 섹션의 양 말단에서보다 L/2에서 튜브 섹션의 중간을 향해 더 작은, 것인 튜브 섹션(2).
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   원주방향 섹션(4)은 만곡된 형상, 바람직하게는 원형 또는 타원 형상을 갖는, 튜브 섹션(2).
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   원주방향 섹션들(4) 중 하나 이상 또는 모두가 8개 이상의 측면을 갖는 다각형인, 튜브 섹션(2).
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   세로방향 종재들(3) 중 하나 이상 또는 모두가 직사각형 튜브인, 튜브 섹션(2).
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   원주방향 섹션들(4) 중 하나 이상 또는 모두가 직사각형 튜브인, 튜브 섹션(2).
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    세로방향 종재들(3) 또는 원주방향 섹션들(4) 중 하나 이상 또는 모두가 열간 압연된 강판으로 제조되는, 튜브 섹션(2).
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    원주방향 섹션(4)을 따라 나열된 세로방향 종재(3)의 개수는 소수(素數)인, 튜브 섹션(2).
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    얇은 벽 스킨 섹션들(5) 중 하나 이상 그러나 1/3 미만은 평평한 스킨 섹션(예를 들어 바닥 패널)이거나 주변 장치용 설치 패널인, 튜브 섹션(2).
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    태양전지 패널이 상기 튜브 섹션의 상부에 제공되고 세로방향 종재들(3) 중 하나 이상 및/또는 원주방향 섹션들(4) 중 하나 이상 고정되는, 튜브 섹션(2).
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 의한 복수의 튜브 섹션(2)을 포함하는 비워진 튜브 수송 시스템 튜브(1)로서,
    튜브 외부의 압력은 대기압이고 튜브 내부의 압력은 0.1 bar 미만인, 비워진 튜브 수송 시스템 튜브(1).
15. 제14항에 있어서,
    2개 이상의 인접한 튜브 섹션(2)이 확장 조인트에 의해 연결되는, 비워진 튜브 수송 시스템 튜브(1).

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