KR20220026589A - 압축 가스 탱크의 안전한 급속 충전을 위한 방법 - Google Patents

압축 가스 탱크의 안전한 급속 충전을 위한 방법 Download PDF

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KR20220026589A
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tank
chamber
pressure vessel
valve assembly
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KR1020227002635A
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마리아 엘리자베스 사데 사데
제이슨 웩슬러
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리나마 코포레이션
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Abstract

기다란 접힌 탱크 및 상기 탱크의 각각의 제1 단부 및 제2 단부에 직접 연결된 제1 충전 커플러 및 제2 충전 커플러를 통해 상기 탱크 내부의 안팎으로 유체를 통과시키도록 구성된 밸브 조립체를 포함하는 IV형 컨포머블 압력 용기가 제공된다. 상기 탱크는 유체의 저장을 위한 적어도 두 개의 챔버를 가지고 있다. 상기 밸브 조립체는 외부 공급원으로부터 유체를 수용하고, 벤튜리 노즐을 통해 외부 유체를 선택적으로 혼합 챔버로 제공하고, 상기 탱크의 제2 단부로부터 상기 혼합 챔버로 유체를 재순환시키고, 재순환된 유체와 외부 유체의 혼합물을 상기 탱크의 제1 단부로 전달한다.

Description

압축 가스 탱크의 안전한 급속 충전을 위한 방법
본 발명은 IV형 압력 용기를 수소 가스로 충전하는 것에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 적어도 두 개의 챔버를 가진 압축 가스 압력 용기에 관한 것으로서, 상기 적어도 두 개의 챔버는 상기 압력 용기에 수소 가스를 충전하는 동안 수소 가스 온도를 안전 임계값, 예를 들면, 85℃ 미만으로 유지하기 위해 상기 적어도 두 개의 챔버 사이에서 수소의 재순환을 유도하기 위해서 벤튜리 노즐을 가진 밸브 조립체를 통하여 유체가 유동할 수 있게 연결되어 있다.
압력 용기는 일반적으로 압력하에서 천연가스, 산소, 질소, 수소, 프로판 등과 같은 기체 및/또는 유체를 저장한다. IV형 압력 용기 또는 탱크는 통상적으로 열가소성 중합체 라이너 위에 감기거나 및/또는 편조된(braided) 탄소 섬유 또는 복합재를 포함하는 무금속 구성(metal-free construction)을 가지고 있다. 특정 IV형 압력 용기는 기체를 저장하기 위한 복수의 챔버를 가진 기다란 용기를 포함하며, 이를 컨포머블 압력 용기(conformable pressure vessel)라고도 한다. 상기 기다란 압력 용기는 차량용 가압 가스 연료 탱크로 사용하도록 구성될 수 있다.
통상적으로, 제1 밸브는 압력 용기를 압축 가스로 충전하기 위해 압력 용기의 제1 단부에 결합되어 있다. 또한, 기다란 압력 용기는 압력 용기의 제2 단부에 결합된 제2 밸브를 가질 수 있다. 상기 제1 밸브 및 제2 밸브는 라이너 외벽에 의해 형성된 압력 용기의 내부 공간으로 가스를 전달하도록 구성되어 있다.
상기 기다란 압력 용기는 압축 열로 인해 그리고, 일부 기체의 경우, 주울-톰슨 효과로 인해 충전시 가열될 수 있다. 압력 용기에 추가 기체가 추가됨에 따라 압력 용기 내의 기체가 압축되어 열 발생을 초래한다. 안전을 위해, 일부 압축 연료 충전소는 위험할 정도의 고온을 피하기 위해 충전 속도를 제어한다. 또한, 고온은 주어진 압력에서 저밀도를 초래하여, 목표 밀도(100%에 가까운 충전 상태)에 도달하기 위해 과압이 필요할 수 있거나, 압력 용기가 덜 충전된 상태(under-filled pressure vessel)를 초래할 수 있기 때문에 바람직하지 않을 수 있다.
따라서 이러한 열 발생은 가솔린 또는 디젤 연료 탱크를 충전하는 것보다 더 오래 걸리는 바람직하지 않은 긴 충전 시간을 초래할 수 있거나 및/또는 압력 용기가 덜 충전된 상태를 초래할 수 있다. 압력 용기와 관련된 이러한 문제를 완화하기 위해서, 많은 충전소는 가스 사전 냉각(pre-cooling)의 옵션을 가지고 있다. 가스 사전 냉각을 이용하면, 가스가 압력 용기에 들어가기 전에 가스가 낮은 온도(예를 들면, -40℃)로 냉각된다. 이것은 초기 온도가 낮기 때문에 압축열로 인해 가스가 도달하는 최대 온도를 낮추는 효과가 있다.
가스 사전 냉각은 연료 충전소의 건설에 상당한 추가적인 복잡성을 추가할 수 있으며, 이는 연료 충전소에 대한 자본 비용 및 운영 비용을 바람직하지 않게 증가시킬 수 있다. 이러한 증가된 비용은 더 높은 가스 가격의 형태로 고객에게 이전될 수 있다. 또한, 사전 냉각 구성요소는 일부 예에서 낮은 신뢰성을 가질 수 있으므로, 유지 보수 및 교체 부품으로 인한 상당한 시간의 충전소 가동 중지 및 상당한 추가 비용을 초래할 수 있다.
본 명세서에 설명되어 있는 것과 같은, 기다란 컨포머블 압력 용기는 순응형 형상(conformable shape)이 단위 저장 부피당 더 많은 표면적을 가질 수 있기 때문에 종래의 모놀리식 압축 가스 탱크(monolithic compressed gas tank)보다 유리할 수 있다. 이러한 증가된 표면적은 보다 빠른 열 소산을 가능하게 하여, 급속 충전 성능을 증가시킬 수 있다. 또한, 이러한 컨포머블 탱크(conformable tank)는 보다 작은 단면적을 가질 수 있으며, 이는 충전 중에 보다 빠른 유속을 초래할 수 있고 따라서 가스로부터 압력 용기 벽으로 보다 많은 대류 열전달(다시 말해서, 보다 큰 누셀트 수(Nusselt number))을 초래할 수 있다.
충전 또는 급속 충전 동안, 이러한 컨포머블 압력 용기는 기존의 모놀리식 압력 용기보다 더 낮은 평균 온도에 도달할 수 있다. 이것은 이러한 컨포머블 압력 용기가 부피에 대한 표면적의 비율이 더 높기 때문일 수 있고, 보다 작은 탱크 직경으로 인해 가스가 보다 빠른 평균 속도를 가질 수 있어서, 보다 많은 대류 열전달을 초래할 수 있기 때문일 수 있다. 이는 가스 사전 냉각의 필요성을 감소시킬 수 있다. 따라서 컨포머블 압력 용기는 일반적으로 사전 냉각된 가스와 관련된 충전 속도를 달성하면서, 보다 높은 온도로 사전 냉각되거나 전혀 사전 냉각되지 않은 유체로 충전될 수 있다.
그러나, 다양한 컨포머블 압력 용기의 기다란 형상으로 인해 다양한 컨포머블 압력 용기를 충전하는 동안 불충분한 혼합이 발생할 수 있으며, 이는 충전 과정의 종료 시점에 최대 온도와 최소 온도 사이의 차이가 다른 구성의 압력 용기보다 훨씬 더 극심할 수 있다는 것을 의미하다. 특히, 압력 용기의 제1 단부에 부착된 제1 밸브를 통하여 압력 용기에 가스를 추가할 때, 제1 단부에서의 유속이 라이너와 외부 복합 셸로의 열전달을 좋게 할 수 있기 때문에, 압력 용기의 제1 단부 근처의 가스 온도는 유입되는 가스의 온도에 가깝게 유지될 수 있다. 반면에, 압력 용기의 제2 단부 근처에 있는 압력 용기의 챔버는 압력 용기의 먼 구역에서 유동이 거의 없기 때문에 상당히 가열될 수 있다. 또한, 압력 용기의 제2 단부 근처에 있는 이러한 챔버는 대류 열전달이 좋지 않다.
압력 용기의 제2 단부 근처에서 이러한 온도 상승을 완화하는 첫 번째 알려진 방법은, 미국 공개공보 제2019/120432호에 개시되어 있는 것과 같이, 압력 용기의 교호하는 단부들(alternating ends)로부터 충전하는 것이다. 예를 들어, 충전이 시작될 때, 압력 용기는 압력 용기의 제1 단부에 부착된 제1 밸브를 통하여 충전될 수 있고, 압력 용기의 제2 단부 근처에 있는 유체의 온도가 상승할 수 있다. 제2 단부 근처의 유체 온도가 정해진 높은 값에 도달하면, 압력 용기의 제1 단부에 있는 제1 밸브가 닫히고 제2 단부에 있는 제2 밸브를 통하여 압력 용기가 충전된다. 이 패턴은 압력 용기가 채워질 때까지 반복될 수 있다.
그러나, 첫 번째 알려진 방법은 압력 용기의 두 단부 사이의 중간에 있는 챔버의 유체 온도를 상승시킬 수 있다. 제1 밸브 및 제2 밸브로부터 가장 먼 챔버의 유체가 미리 결정된 온도 범위 내의 온도를 가지도록 보장하기 위해 가스의 추가적인 사전 냉각 및/또는 더 낮은 온도로의 사전 냉각이 필요할 수 있다. 또한, 충전하는 동안 압력 용기의 각각의 단부에 있는 밸브들 간의 전환을 지원하기 위해 추가적인 하드웨어 및 제어가 필요하다.
기다란 압력 용기 내에서의 이러한 온도 상승을 완화하는 두 번째 알려진 방법은 충전소 장비 내에 벤튜리 기반 혼합 시스템(Venturi-based mixing system)을 포함함으로써 달성된다. 미국 공개공보 제2019/120432호에 설명되어 있는 것과 같이, 압력 용기 내의 유체는 압력 용기의 제2 단부에 부착된 제2 밸브를 통하여 제거되고 외부 고압관(high pressure line)을 통해 벤튜리 혼합 챔버로 공급된다. 외부 유체 공급원의 유체는 벤튜리 노즐을 통해 벤튜리 혼합 챔버로 공급된다. 벤튜리 노즐을 통과하는 유체는 뜨거운 유체를 흡입관을 통하여 유입되게 하고 벤튜리 노즐을 통과하는 유체와 혼합되게 한다. 벤튜리 혼합 챔버는 압력 용기의 제1 단부에 부착된 밸브를 통하여 혼합 유체를 제공하도록 구성된 출구 압력관(outlet pressure line)을 포함하고 있다. 벤튜리 노즐로 제공된 유체는 압력 용기 내의 유체 온도를 낮추기 위해서 필요한 경우 사전 냉각될 수 있다. 압력 용기에서 나온 유체가 흡입관, 벤튜리 혼합 챔버를 통해 재순환되어 압력 용기로 복귀하면 압력 용기 내의 유체 이동을 일으킨다.
상기 두 번째 방법은 기다란 압력 용기 내에서 일정량의 온도 상승을 완화할 수 있지만, 복수의 챔버를 가진 압력 용기의 경우 압력 용기 내의 불충분한 유동으로 인해 목표 온도를 초과하는 유체 온도 상승이 여전히 발생할 수 있다. 이와 같이, 압력 용기 내의 다양한 챔버는 국부적으로 상승된 온도를 경험할 수 있다. 국부적으로 상승된 온도는 추가된 유체를 더 낮은 온도로 사전 냉각함으로써 완화될 수 있다. 대안적으로, 뜨거운 유체와 미리 냉각된 유체의 혼합을 개선하기 위해서 벤튜리 노즐을 최적화할 수 있다. 그러나, 외부 유체 공급원에 필요한 사전 냉각량을 최소화하고 압력 용기 내의 유체의 온도 상승을 최소화하는 것이 바람직하다.
또한, 벤튜리 혼합 챔버가 충전소의 입구 충전관(inlet fill line) 내에 포함되어 있는 경우, 2차 흡입관이 압력 용기의 한 단부에 연결되어 벤튜리 혼합 챔버로 이어져야 하다. 압력 용기의 단부들이 멀리 떨어져 있는 경우, 2차 흡입관이 벤튜리 혼합 챔버로 이어져야 하다. 이것은 외부 복합 셸로 덮힌 압력 용기의 라이너보다 덜 보호되는 기다란 흡입관을 초래할 수 있다. 또한, 흡입관의 연장된 길이로 인해 누출이 발생할 수 있다. 또한, 상기 흡입관은 상기 흡입관의 전체 길이와 관련된 압력 강하를 가지고 있다. 따라서, 흡입관의 길이가 증가함에 따라 흡입관의 압력이 감소되고 벤튜리 기반 혼합 시스템의 전체 효율이 감소된다.
따라서, 압력 용기의 한 단부를 벤튜리 혼합 챔버에 연결하는 흡입관이 가능한 한 짧은 방법이 요망된다. 또한, 흡입관이 하우징 조립체 내에서 보호되는 대안이 요망된다.
따라서, 압력 용기의 내부에 유체를 충전하고 상기 내부로부터 유체를 제거하기 위해 기다란 압력 용기의 양 단부를 유체가 유동할 수 있게 연결하는 밸브 조립체를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 기다란 압력 용기의 양 단부에 유체가 유동할 수 있게 결합되어 있는 밸브 조립체 내에 벤튜리 노즐 및 벤튜리 혼합 챔버를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 벤튜리 혼합 챔버와 압력 용기의 양 단부 사이의 연결 유체관의 길이를 최소화하는 것이 바람직하다. 밸브 조립체가 외부 유체관을 사용하지 않고 압력 용기의 양 단부에 직접 결합될 수 있도록 기다란 압력 용기의 적층 구조를 제공하는 것이 또한 바람직하다. 마지막으로, 충전 과정 동안 압력 용기로부터의 열 소산(heat dissipation)을 증진시키는 것이 바람직하다.
기다란 접힌 탱크 및 상기 탱크의 각각의 제1 단부 및 제2 단부에 직접 연결된 제1 충전 커플러 및 제2 충전 커플러를 통해 상기 탱크 내부의 안팎으로 유체를 통과시키도록 구성된 밸브 조립체를 포함하는 압력 용기를 제공한다. 상기 탱크는 유체의 저장을 위한 적어도 두 개의 챔버를 가지고 있다. 상기 밸브 조립체는 외부 공급원으로부터 유체를 수용하고, 벤튜리 노즐을 통해 외부 유체를 선택적으로 혼합 챔버로 제공하고, 상기 탱크의 제2 단부로부터 상기 혼합 챔버로 유체를 재순환시키고, 재순환된 유체와 외부 유체의 혼합물을 상기 탱크의 제1 단부로 전달한다.
본 발명의 장점은 첨부된 도면과 관련하여 고려할 때 아래의 상세한 설명을 참조함으로써 보다 잘 이해할 수 있게 되기 때문에 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른, 밸브 조립체에 직접 결합된 탱크의 입구 및 출구를 가진 컨포머블 압력 용기의 단면도이고;
도 2는 밸브 조립체의 기능적 구성요소 및 밸브 조립체와 탱크 사이의 연결을 나타내는, 도 1의 압력 용기의 A 부분의 제1 실시례의 확대 단면도이고;
도 3은 도 1의 압력 용기로부터 제거된 중합체 라이너의 사시도를 나타내고;
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른, 탱크가 적층 구조로 접혀 있는 컨포머블 압력 용기용 탱크의 사시도를 나타내고;
도 5는 벤튜리 노즐, 벤튜리 혼합 챔버 및 밸브 조립체 내의 흡입관을 나타내고, 압력 용기의 마지막 챔버에서 제1 챔버까지의 재순환을 나타내는, 도 1의 압력 용기의 A 부분의 제2 실시례의 확대 단면도이고; 그리고
도 6은 외부 충전소에 결합된 도 1의 압력 용기의 개략도를 나타내고 있다.
여러 도면에 걸쳐서 유사한 숫자가 유사하거나 대응하는 부분을 나타내는 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시례에 따른, 압력하에서 액체 및/또는 기체를 수용하는 IV형 압력 용기(10)가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 압력 용기(10)는 수소, 질소, 천연가스, 헬륨, 디메틸 에테르, 액화 석유 가스, 크세논 등과 같은 기체 및/또는 압축 액체의 저장에 적합하다. 자동차에 사용하기 위한 수소 저장용 압력 용기(10)는 일반적으로 정상 사용 동안 약 5,000 PSI 내지 약 10,000 PSI의 내부 압력에 맞게 설계되어 있다. 이에 비해서, 압축 천연가스의 저장을 위한 압력 용기(10)는 일반적으로 정상 사용 동안 약 3,000 PSI의 내부 압력에 맞게 설계되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 압력 용기(10)는 본 명세서에서 온-탱크-밸브(OTV:On-Tank-Valve) 조립체(18)로 지칭되는 밸브 조립체(18)에 고정되게 결합된 기다란 컨포머블 탱크(14)를 포함하고 있다. 기다란 컨포머블 탱크(14)는 유체 및/또는 기체(34)의 저장을 위한 내부(30)를 가진 중합체 라이너(26)를 가지고 있다. 아래에서 보다 상세하게 설명하겠지만, 중합체 라이너(26)는 외부 복합 셸(28)에 의해 둘러싸여 컨포머블 탱크(14)를 형성한다. 수소 기체와 같은 기체는 수소 기체가 저장되는 압력 및 온도에 따라 기체 형태 또는 유체 형태(예를 들어, "액체" 형태)일 것이기 때문에 "유체"와 "기체"라는 용어는 본 명세서에서 서로 바꿔서 사용된다.
도 3은 연결기 부분(38), 테이퍼(taper) 부분(42), 및 배관 부분(46)을 가진 중공체(30)를 포함하는 베어 라이너(bare liner)(26)의 일 실시례를 나타내고 있다. 중공체(30)는 라이너(26)의 제1 말단부(54)와 제2 말단부(58) 사이에 뻗어 있는 기다란 원통형 벽(50)에 의해 형성된다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 중합체 라이너(26)는 서로 반대쪽에 있는 내부 표면 및 외부 표면(62, 66), 라이너(26)의 제1 말단부(54)에 있는 입구 개구(70), 그리고 라이너(26)의 제2 말단부(58)에 있는 출구 개구(74)를 포함하고 있다. 라이너(26)의 입구 개구(70)와 출구 개구(74) 각각은 유체 및/또는 기체(34)를 원하는 대로 라이너(26)의 내부(30) 안으로 및/또는 밖으로 통과시키기 위해 사용될 수 있다. 라이너(26)의 입구 개구(70)와 출구 개구(74) 각각은 라이너(26)의 목부분 출구(neck outlet)(78, 78')에 의해 형성된다.
도 3을 참조하면, 라이너(26)는 제1 직경(86)을 가진 복수의 기다란 강성 배관 부분(46), 제1 직경(86)보다 작은 제2 직경(90)을 가진 복수의 연결기 부분(38), 그리고 연이은 기다란 강성 배관 부분(46)과 연결기 부분(38) 사이에 배치되어 있으며 상기 기다란 강성 배관 부분(46)과 연결기 부분(38)을 연결시키는 테이퍼 부분(42)을 포함하고 있다. 제1 직경(86) 및 제2 직경(90)은 각각 배관 부분(46) 및 연결기 부분(38)의 외경(86, 90)으로 정해진다.
복수의 기다란 강성 배관 부분(46) 각각은 유체(34)의 저장을 위한 각각의 챔버(94)를 형성하는데, 제1 챔버(98)는 라이너(26)의 제1 단부(54)에 인접하게 형성되어 있고 마지막 챔버(102)는 라이너의 제2 단부(58)에 인접하게 형성되어 있다. 라이너(26)의 다른 실시례는 특정 용도를 위해 원하는 대로 제1 챔버(98)와 마지막 챔버(102) 사이에 임의의 갯수의 챔버(94)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 라이너(26)는 라이너(26)의 단부(54, 58) 사이에서 뻗어 있는 단일의 기다란 챔버(94)를 포함할 수 있다.
반복하는 라이너 부분(106)이 도 3에 도시되어 있다. 반복하는 라이너 부분(106)은 테이퍼 부분(42) 및 강성 배관 부분(46)에 부착된 연결기 부분(38)과 함께 단일 강성 배관 부분(46)을 포함하는 것으로 정해진다. 라이너(26)의 다양한 실시례는 유체(34)의 저장을 위한 임의의 원하는 갯수의 챔버(94)를 형성하는 임의의 원하는 갯수의 반복하는 라이너 부분(106)을 포함할 수 있다. 각각의 라이너 부분(106)은 치수, 형상 등이 다를 수 있다. 특정 라이너 부분(106)은, 비제한적인 예로서, 배관 부분(46), 연결기 부분(38), 및 상이한 외경, 길이 및 형상을 가진 테이퍼 부분(42)을 포함할 수 있다. 일부 실시례에서, 특정 라이너 부분(106)은 다른 라이너 부분(106)의 길이보다 짧거나 긴 길이를 가질 수 있다. 다른 실시례에서, 각각의 연결기 부분(38)의 길이는 라이너(26)가 원하는 적층 구조(126)(도 4에 도시되어 있음)로 접힐 수 있도록 선택될 수 있다. 따라서, 반복하는 라이너 부분(106)들은 동일할 수 있거나 반복하는 라이너 부분(106)들이 하나 이상의 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 말단부(54, 58)에 있는 라이너(106) 부분은, 도 2에 도시되어 있고 아래에 보다 상세하게 설명되어 있는 것과 같이, 보스형 피팅(boss-style fitting)(110, 110')과 짝을 이루어 및/또는 마찰식으로 결합하도록 구성된 테두리 부분(cuff portion)(108)을 가진 연결기 부분(38)을 포함할 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 연결기 부분(38)은 주름진 형태(corrugated)(118)일 수 있으며, 이는 라이너(26)가 적층 구조(126)로 접혀서 소정의 공간을 채우거나 및/또는 접혀서 하우징에 넣어질 수 있도록 연결기 부분(38)이 가요성을 가지게 한다. 주름지지 않은 연결기 부분(non-corrugated connector portion)(38')은 다양한 실시례에서 강성일 수 있다. 다양한 실시례에서, 연결기 부분(38)은 배관 부분(46)의 직경(86)보다 작은 직경(90)을 가질 수 있고, 테이퍼 부분(42)은 연결기 부분(38)의 직경(90)과 배관 부분(46)의 직경(86) 사이의 변이부(transition)를 제공한다. 그러나, 다른 실시례는 하나 이상의 적절한 직경(86, 90)을 가진 부분(38, 42, 46)을 가진 라이너(26)를 포함할 수 있고, 다른 실시례에서는, 라이너(26)가 다양한 형상을 포함할 수 있는 비원통형인 부분(38, 42, 46)을 가질 수 있다. 마찬가지로, 일부 실시례에서, 배관 부분(46)은 주름(corrugation)(118)을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 라이너(26)는, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 용접부가 없고 단일 재료를 사용하여 이음매 없는 라이너로 제작된다. 그러나, 일부 실시례에서는, 단일 챔버(94)를 포함하는 각각의 라이너 부분(106)이 서로 연결되어 복수의 챔버(94)를 포함하는 기다란 라이너(26)를 형성할 수 있다. 일부 실시례에서, 라이너(26)는 라이너(26)의 다양한 부분(38, 42, 46)을 형성한 다음 상기 부분(38, 42, 46)을 함께 결합시킴으로써 제작될 수 있다. 예를 들어, 연결기 부분(38)은 테이퍼 부분(42), 배관 부분(46), 및/또는 테두리 부분(108)과 별도로 제작될 수 있다. 이러한 개별 부분(38, 42, 46, 108)은 나중에 함께 결합되어 라이너(106)를 형성할 수 있다.
도 3에 도시된 중합체 라이너(26)는 일반적으로 나일론(PA), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리프로필렌(PP), 에틸렌비닐알코올(EVOH), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리우레탄(PU), 폴리염화비닐(PVC), 및/또는 이와 유사한 재료와 같은 하나 이상의 중합체 재료로 형성된다. 중합체 라이너(26)는 중합체 재료의 단일 층으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 중합체 라이너(26)는 두 개 이상의 중합체 층의 다층 구조로 형성될 수 있다. 또한, 특정 용도를 위해 원하는 대로, 하나 이상의 금속 층이 라이너(26) 내에 포함될 수 있다.
라이너(26)의 강도를 증가시켜서 라이너(26)가 안전하게 작동할 수 있는 듀티 압력(duty pressure)을 증가시키기 위해 수지 또는 다른 적절한 재료로 함침된 섬유 가닥을 라이너(26)에 감거나 및/또는 라이너(26)위에 편조(braiding)할 수 있다. 추가적으로, 편조는 다양한 실시례에서 복수의 층으로 배치될 수 있다. 수지로 함침된 섬유 가닥으로 된 하나 이상의 층은 수지가 경화된 후 단단한 외부 복합 셸(28)을 형성한다.
도 1에 도시된 외부 복합 셸(28)은 수지 함침 섬유 가닥으로 된 하나 이상의 층을 포함하고 있다. 외부 복합 셸(28)에 적합한 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유, 붕소 섬유, 아라미드 섬유, 고밀도 폴리에틸렌 섬유(HDPE), Zylon™ 폴리파라페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸[poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazole)] 섬유(PBO), 아라미드 섬유, Kevlar® 폴리파라페닐렌 테레프탈아미드 섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유(PET), 나일론 섬유(PA), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에스테르 섬유(PL), 폴리프로필렌 섬유(PP), 폴리에틸렌 섬유(PE), 금속, 에틸렌비닐알콜 섬유(EVOH), 폴리우레탄 섬유(PU) 등 중의 하나 이상을 포함한다. 적합한 수지는 에폭시 수지, 비닐에스테르 수지, 열가소성 수지, 폴리에스테르 수지, 우레탄, 열가소성 수지 등 중의 하나 이상을 포함한다. 외부 복합 셸(28)을 형성하는 수지와 섬유의 유형과 양뿐만 아니라, 라이너(26)의 재료와 치수의 선택은 부분적으로 압력 용기(10)의 원하는 작동 조건에 기초하여 선택된다.
도 4의 기다란 탱크(14)는 라이너(26)가 외부 복합 셸(28)로 덮히고, 원하는 접힌 형상(126)으로 접히고, 수지가 경화되어 외부 복합 셸(28)을 단단하게 하면 형성된다. 다양한 실시례에서, 탱크(14)는 3차원 구조(126)로 접힐 수 있다. 도 4는 편조된 층으로 덮힌 라이너(over-braided liner)(26)가 접혀서 적층 구조(126)로 유지되어 있는 일 실시례를 나타내고 있다. 바람직하게는, 도 4에 대체적으로 도시되어 있는 바와 같이, OTV 조립체(18)가 아래에 보다 상세하게 설명되어 있는 것과 같이 탱크(14)의 입구 개구(70)와 탱크(14)의 출구 개구(74) 양자 모두에 직접 연결될 수 있도록 탱크(14)의 입구 개구(70)는 탱크(14)의 출구 개구(74)에 인접하게 배열된다.
도 4에 도시된 실시례에서, 탱크(14)는 복수의 챔버(94)를 포함하고, 각 챔버(94)의 출구(130)는 연결기 부분(38)을 통해 인접한 챔버(94')의 입구(134)에 유체가 유동할 수 있게 연결되어 있다. 도 4에 도시된 탱크(14)는 하나의 긴 탱크(14)를 형성하기 위해 유체가 유동할 수 있게 연결되어 있는, T1 내지 T10으로 표시된, 예시적인 10개의 챔버(94)를 포함하고 있다.
챔버 T1은 라이너(26)의 제1 단부(54)에 있는 입구 개구(70)에 인접하기 때문에 제1 챔버(98)로 정해진다. 챔버 T10은 라이너(26)의 제20 단부(58)에 있는 출구 개구(74)에 인접하기 때문에 마지막 챔버(102)로 정해진다. 도 4에 도시되어 있는 것과 같이, 챔버 T1 내지 챔버 T5는 바람직하게는 챔버 T6 내지 챔버 T10 위에 수직으로 배열되어 있다.
도 4를 참조하면, 충전 과정 동안 유체는 라이너(26)의 제1 단부(54)에 있는 입구 개구(70)를 통해 탱크(14)에 추가된다. 종종, 유체(34)는 탱크(14)에 유체(34)를 추가하기 전에 사전 냉각된다. 챔버 T1 내지 챔버 T10 내의 유체(34)는 입구 개구(70)를 통해 추가되는 유체(34)에 의해 압축된다. 챔버 T1 내지 챔버 T10 내의 유체(34)의 압축은 열을 발생시킨다. 통상적으로, 사전 냉각된 유체(34)를 수용하는 챔버 T1은 탱크(14)의 길이를 따라 입구 개구(70)로부터 더 멀리 떨어진 챔버 T2 내지 챔버 T10에 저장된 유체(34)보다 더 낮은 내부 유체 온도를 가지고 있다. 챔버 T1 내지 챔버 T10 내의 유체(34)가 충전 과정 동안 챔버 T1 내지 챔버 T10 사이에서 혼합되지 않으면, 챔버 T1이 챔버 T10에 저장된 유체(34)의 온도보다 낮은 유체 온도를 나타내는 식으로, 챔버 T1 내지 챔버 T10에 걸쳐서 온도 기울기(temperature gradient)가 나타날 가능성이 있다.
도 4에 도시된 실시례에서, 챔버 T1 내지 챔버 T5가 챔버 T6 내지 챔버 T10보다 입구 개구(70)에 더 가깝기 때문에, 충전 과정 동안 챔버 T6 내지 챔버 T10은 챔버 T1 내지 챔버 T5 내의 열 상승보다 더 큰 상대 열 상승을 가질 가능성이 있다. 충전 과정 동안 더 큰 예상 열 상승을 가진 챔버 T6 내지 챔버 T10은 더 작은 예상 열 상승을 가진 챔버 T1 내지 챔버 T5 아래에 수직으로 위치되어 있다. 바람직하게는, 충전 과정 동안 상부 층의 챔버(126A) 내의 유체의 평균 온도 상승이 하부 층의 챔버(126B) 내의 유체의 평균 온도 상승보다 적게 되도록 챔버 T1 내지 챔버 T10는 적층 구조(126)로 배열되어 있다. 참고로, 유체의 가장 큰 온도 상승은 통상적으로 충전 과정이 완료될 무렵 챔버 T1 내지 챔버 T10 내에서 관찰된다. 소정의 적층 구조(126)는 부분적으로 탱크(14)의 각 챔버 T1 내지 챔버 T10 내의 예상되는 유체 온도 상승, 챔버 T1 내지 챔버 T10의 길이와 챔버의 갯수, 접힌 압력 용기(14)에 대한 가용 공간 및 다른 요인에 기초하여 선택된다.
충전 과정 동안 챔버 T1 내지 챔버 T5가 챔버 T6 내지 챔버 T10의 유체 온도보다 낮은 유체 온도를 가질 것으로 예상되기 때문에 바람직한 적층 구조(126)는 챔버 T6 내지 챔버 T10 위에 챔버 T1 내지 챔버 T5를 위치시키는 것이다. 챔버 T1 내지 챔버 T10 내에서 유체 온도가 상승함에 따라, 과도한 열은 먼저 유체(34)로부터 라이너(26)로 대류에 의해 전달된 다음 외부 복합 셸(28)을 통해 전도되어 탱크의 외부 표면(28')의 온도를 상승시킨다. 탱크(14)의 외부 표면(28')의 온도의 상승은 외부 복합 셸(28)을 둘러싸는 외부 공기(Hb, Ht)의 온도를 증가시킨다. 외부 복합 셸(28)을 둘러싸는 외부 공기(Hb, Ht)의 온도의 상승은 챔버 T1 내지 챔버 T10 내의 유체 온도의 상승과 직접적으로 관련된다. 이와 같이, 챔버 T6 내지 챔버 T10이 챔버 T1 내지 챔버 T5보다 유체 온도의 더 큰 상승을 경험할 것으로 예상되기 때문에 충전 과정 동안 챔버 T6 내지 챔버 T10을 둘러싸는 외부 공기(Hb)의 열 상승은 챔버 T1 내지 챔버 T5를 둘러싸는 외부 공기(Ht)의 열 상승보다 클 것이다. 고온 챔버 T6 내지 챔버 T10을 둘러싸고 있는 가열된 외부 공기(Hb)가 챔버 T1 내지 챔버 T5를 둘러싸고 있는 상대적으로 더 차가운 외부 공기(Ht)쪽으로 상승할 것이기 때문에 챔버 T1 내지 챔버 T5와 챔버 T6 내지 챔버 T10 사이의 예상되는 유체 온도의 상대적인 차이는 적층 구조(126)를 통한 대류를 발생시킨다. 대류(C)로 인한 적층 구조(126)를 통한 기류(Hb, Ht)의 이동은 챔버 T6 내지 챔버 T10를 덮는 외부 복합 셸(28)로부터의 열 소산(Hb)을 증진시킨다.
도 4를 참조하면, 바람직하게는 적층 구조(126)는 적어도 상부 층의 챔버(126A)와 하부 층의 챔버(126B)를 포함하도록 선택된다. 그러나, 적층 구조(126)는 임의의 갯수의 챔버(126A, 126B) 층을 포함할 수 있다. 또한, 충전 과정 동안 하부 층의 챔버(126B)의 유체 내의 예상 평균 온도 상승이 상부 층의 챔버(126A)의 유체 내의 예상 평균 온도 상승보다 크게 되도록 챔버 T1 내지 챔버 T10는 적어도 상부 층의 챔버(126A)와 하부 층의 챔버(126B)에 위치된다. 더 복잡한 적층 구조(126)는 도 4에 도시된 것보다 더 많은 챔버를 가진 탱크(14)에 사용될 수 있고 마찬가지로 두 개보다 많은 층의 챔버(126A, 126B)를 포함할 수 있다. 그러나, 바람직한 실시례는 충전 과정 동안 가장 큰 열 상승을 경험할 것으로 예상되는 챔버(94, T6-T10)가 가장 적은 열 상승을 경험할 것으로 예상되는 챔버(94, T1-T5)의 근처 아래에 위치되도록 탱크(14)를 접는 것이다.
도 2를 참조하면, 보스형 피팅(110, 110')이 라이너(26) 둘레에 외부 복합 셸(28)을 형성하기 전 및/또는 후에 라이너(26)의 각각의 개구(70, 74)와 조립될 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 제1 피팅(110)은 탱크(14)의 제1 단부(54)에 결합될 수 있고 제2 피팅(110')은 탱크(14)의 제2 단부(58)에 결합될 수 있다. 비록 도 2는 피팅(110, 110')이 라이너(26)의 연결기 부분(38)에 결합되어 있는 것을 나타내고 있지만, 다른 실시례에서는, 피팅(110, 110')이 테두리 부분(108), 테이퍼 부분(42), 및/또는 배관 부분(46)을 포함하여, 탱크(14)의 임의의 적절한 부분에 결합될 수 있다. 이러한 피팅(110, 110')은 크림프 피팅(crimp fitting), 볼트 피팅(bolt fitting) 또는 임의의 다른 적절한 유형의 피팅을 포함할 수 있다. 예를 들어, 피팅(110, 110')은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 라이너(26)의 개구(70, 74) 각각에 삽입된 스템(136)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 피팅(110, 110')은 스템(136)을 라이너(26) 및 외부 복합 셸(28)에 고정되게 결합시키기 위해서 라이너(26)의 각 단부(54, 58)에서 외부 복합 셸(28) 둘레에 크림핑된 접속관(ferrule)(138)을 포함할 수 있다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 보스형 피팅(110, 110')은 라이너(26)의 단부(54, 58)와 결합하도록 구성될 수 있다. 일부 실시례에서, 상기 피팅(110, 110')은 편조된 층으로 덮힌 외부 복합 셸(over-braided outer composite shell)(28)과 결합하도록 구성될 수 있다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 보스형 피팅(110, 110')은 OTV 조립체(18)와 접속하도록 구성되어 있다. 다양한 실시례에서, OTV 조립체(18)는, 본 명세서에 보다 상세하게 설명되어 있는 것과 같이, 온도, 압력 등을 포함하여, 탱크(14) 내의 탱크 상태를 감지하기 위해서 설치될 수 있다.
일부 실시례에서, 탱크(14)의 라이너(26)는 도 2에 도시된 것과 같은 피팅(110, 110') 부착을 위해 탱크(14)의 한쪽 또는 양쪽 단부(54, 58)에 매끄러운 테두리 부분(cuff portion)(108)을 포함할 수 있다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 라이너(26)의 일부 실시례는 접속관(138)과 같은 크림프 피팅을 위한 매끄러운 부착 표면을 허용하도록 테두리 부분(108) 및 주름 부분(118)을 가진 연결기 부분(38)을 포함할 수 있다. 라이너(26)의 단부(54, 58)에 있는 이러한 테두리 부분(108)은 내부 연결기 부분(38)과 동일한 크기, 더 큰 크기 또는 더 작은 크기일 수 있는 다양한 적절한 직경일 수 있고, 이러한 연결기 부분(38)은 완전히 또는 부분적으로 주름진 형태(118)일 수 있다. 다시 말해서, 일부 실시례는 라이너(26)의 단부(54, 58)에 상이한 라이너(26) 기하구조(geometry)를 가지며 라이너(26)의 단부(54, 58) 사이의 라이너(26)의 내부 부분(106)에 대해 반복하는 라이너 기하구조를 포함할 수 있다. 비-주기적인 라이너(26) 기하구조도 특정 용도를 위해 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 피팅(110, 110')은 금속, 플라스틱 등을 포함하여 다양한 적절한 재료로 제조될 수 있다. 일부 실시례에서, 피팅(110, 110')은 압축된 수소와 접촉하도록 구성될 수 있고, 피팅(110, 110')의 수소 취성(hydrogen embrittlement) 또는 약화에 대해 저항성을 가지며 피팅(110, 110)으로의 수소 확산으로 인한 파단에 대해 저항성을 가지도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 피팅(110, 110')은 수소 유발 파단(hydrogen induced fracturing)에 저항하는 재료 및/또는 표면 코팅을 포함할 수 있다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 스템(136)은 제1 단부(150)와 제2 단부(154) 사이에 스템(136)을 관통하여 길이방향으로 뻗어 있는 보어(146)를 가질 수 있다. 또한, 피팅(110, 110')은 OTV 조립체(18)와 짝을 이루어 결합하도록 구성된 대체로 원통 형상의 헤드(158)를 포함할 수 있다. 일부 실시례에서는 더 큰 직경의 보어(146)를 가지는 것이 보어(146)를 통한 유동률을 증가시키는데 바람직할 수 있으며, 이는 보다 빠른 충전을 위해 바람직할 수 있다. 또한, 센서가 상기 보어(146) 내에 그리고 라이너(26)에 의해 형성된 내부 공동(30) 내에 삽입될 수 있도록 하기 위해 더 큰 직경의 보어(146)가 바람직할 수 있다. 다양한 실시례에서, 헤드(158) 및/또는 스템(136)은 라이너(26)를 스템(136)에 밀봉하고 헤드(158)를 OTV 조립체(18)에 밀봉하기 위한 O-링 페이스 시일(O-ring face-seal), O-링 보어 시일(O-ring bore-seal) 등을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 스템(136)의 헤드(158)는 나삿니(thread)(162)를 포함할 수 있고, 상기 나삿니는 적절한 유체가 본 명세서에 보다 상세하게 설명되어 있는 바와 같이 라이너(26)에 의해 형성된 내부 공동(30)으로 유입 및/또는 상기 내부 공동(30)으로부터 제거될 수 있도록 OTV 조립체(18)와 결합하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이러한 유체가 수소를 포함하는 경우, OTV 조립체(18)는 라이너(26)에 의해 형성된 내부 공동(30)을 수소로 충전하기 위해 수소 충전소와 직접 또는 간접적으로 결합될 수 있다. 또한, OTV 조립체(18)는 라이너(26)에 의해 형성된 내부 캐비티(30) 내에 저장된 수소로부터 차량 엔진에 수소 연료를 공급하기 위해 차량 엔진과 직접 또는 간접적으로 결합될 수 있다.
도 2에 도시된 OTV 조립체(18)는 탱크(14)의 제1 단부(54)에 배치된 제1 피팅(110)에 결합된 제1 충전 커플러(166) 및 탱크(14)의 제2 단부(58)에 배치된 제2 피팅(110')에 결합된 제2 충전 커플러(170)를 포함하고 있다. 제1 충전 커플러 및 제2 충전 커플러(166, 170)는 OTV 조립체(18)의 외부 하우징(174)에 고정되게 결합된다. 제1 충전 커플러와 제2 충전 커플러(166, 170) 각각은 탱크(14)의 내부(30)와 OTV 조립체(18) 사이에서 유체를 통과시키기 위해 커플러(166, 170)를 축방향으로 통과하는 보어(178)를 가지고 있다. 각각의 보어(178)는 제1 충전 커플러와 제2 충전 커플러(166, 170) 각각을 통과하는 통로를 형성한다. OTV 조립체(18)는 탱크(14)의 제1 단부(54)의 입구 개구(70)를 탱크(14)의 제2 단부(58)의 출구 개구(74)에 유체가 유동할 수 있게 연결하는 내부 고압관(182)을 포함하고 있고, 이에 대해서는 아래에서 보다 상세하게 설명할 것이다.
도 2는 OTV 조립체(18)의 내부 구조(184)의 기능 블록도를 나타내고 있다. 제1 충전 커플러 및 제2 충전 커플러(166, 170)에 더하여, OTV 조립체(18)는 적어도 하나의 솔레노이드(190)에 의해 제어되는 하나 이상의 밸브(186), OTV 조립체(18)를 통하여 유동하는 유체 유동의 방향을 제어하기 위한 하나 이상의 체크 밸브(194), 온도 압력 방출 장치(TPRD: temperature pressure relief device)(198), 및 유체(34)로부터 미립자를 제거하기 위한 필터(202)를 포함하고 있다. 또한, OTV 조립체(18)는 OTV 조립체(18)를 통해 유동하는 유체의 온도를 모니터링하기 위한 하나 이상의 온도 센서(206, 210)를 포함하고 있다. OTV 조립체(18) 내의 다른 구성요소는 과류 방지 밸브(excess flow valve), 압력 센서, 전자 제어장치 등을 포함할 수 있다. 또한 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, OTV 조립체(18)는 OTV 조립체(18)를 외부 유체 공급원(220), 수소 충전소(221)(도 6에 도시되어 있음), 및/또는 차량 엔진에 직접 및/또는 간접적으로 결합하기 위한 제3 충전 커플러(214) 및 제4 충전 커플러(218)를 포함하고 있다. 일부 실시례에서, 제4 충전 커플러(218)는 온도 압력 방출 장치(TPRD)의 방출구 등에 연결되도록 구성되어 있다. 또한, OTV 조립체(18)는 OTV 조립체(18)가 외부 연료 전지 공급관에 유체가 유동할 수 있게 결합될 때 탱크(14)의 내부(30)로부터 제3 충전 커플러(214) 및/또는 제4 충전 커플러(218) 중의 적어도 하나로 유체를 선택적으로 제공하도록 구성되어 있다.
도 5를 참조하면, OTV 조립체(18)의 일 실시례는 제1 고압관(182)을 통해 제1 충전 커플러(166)에 유체가 유동할 수 있게 연결된 벤튜리 혼합 챔버(222)를 포함하고 있다. 흡입관(226)은 OTV 조립체(18)에 포함되어 있으며 제2 충전 커플러(170)를 통과하는 보어(178)에 유체가 유동할 수 있게 연결된 입구(230) 및 벤튜리 혼합 챔버(222)에 유체가 유동할 수 있게 연결된 출구(234)를 가지고 있다. 상기 흡입관(226)은 제2 고압관(26)이고 유체용 통로(226')를 형성하는 내부 공간(226')을 포함하고 있다. 제1 고압관(182)과 제2 고압관(226) 양자 모두는 OTV 조립체(18)의 외부 하우징(174)에 의해 완전히 둘러싸여 있다. OTV 조립체(18) 내에 포함된 다른 구성요소는 벤튜리 노즐(238)(배출기(eductor) 또는 방출기(ejector)라고도 한다) 및 온도 센서(206, 210)를 포함한다. 벤튜리 노즐(238)은 충전 과정 동안 유체 유동을 순환시키는 데 사용되며, 이는 충전 과정 동안 유체 및/또는 탱크(14)의 최대 온도를 낮출 수 있다.
도 5의 벤튜리 노즐(238)은 벤튜리 혼합 챔버(222)에 유체가 유동할 수 있게 연결되어 있는 노즐 출구(242)와 OTV 조립체(18)의 밸브(186)를 통해 제3 충전 커플러(214)에 선택적으로 유체가 유동할 수 있게 연결되어 있는 노즐 입구(244)를 가지고 있다. 또한, 제1 온도 센서(206)는 벤튜리 노즐(238)로부터 벤튜리 혼합 챔버(222)로 통과하는 유체(248)의 온도를 감지하도록 구성되어 있다. 또한, 제2 온도 센서(210)는 흡입관(226)을 통과하는 유체(252)의 온도를 감지하도록 구성되어 있다. 각각의 온도 센서(206, 210)는 벤튜리 노즐(238)과 흡입관(226) 중의 하나를 통해 유동하는 유체에 열적으로 연결되어 있다.
마지막 챔버(102)와 제1 챔버(98) 사이의 OTV 조립체(18)를 통한 유체(34)의 재순환이 도 5에 도시되어 있다. 외부 유체(220)가 제3 충전 커플러(214)를 통해 벤튜리 노즐(238)로 공급되면, 유체가 화살표 248로 표시된 것과 같이 상승된 압력으로 노즐 출구(242)를 통하여 분출된다. 유체(248)가 벤튜리 혼합 챔버(222)로 이동하면 화살표 252로 표시된 것과 같이 흡입관(226)으로부터 유체가 흡입된다. 흡입관(226)으로부터 나온 유체(252)는 벤튜리 혼합 챔버(222)에서 벤튜리 노즐(238)로부터 나온 유체(248)와 혼합된다. 혼합 유체(248, 252)는 고압관(182)을 통과하여 화살표 70으로 표시되어 있는 것과 같이 탱크(14)의 제1 챔버(98)로 공급된다. 유체(252)가 흡입관(226)을 통해 이동하면 화살표 74로 표시된 것과 같이 마지막 챔버(102)로부터 유체가 흡입된다. 유체가 마지막 챔버(102)로부터, 흡입관(226)을 통하고, 벤튜리 혼합 챔버(222)를 통하여, 제1 챔버(98)로 유동하면 유체가 라이너(14)의 전체 길이를 통하여 유동하게 된다. 라이너(14)의 전체 길이를 통한 유체의 이동은 충전 과정 동안 개별 챔버(94, 98, 102) 내의 온도 상승을 감소시킨다.
도 6은 수소 충전소(221)에 연결된 압력 용기(10)의 일 실시례의 기능도(functional diagram)를 나타내고 있다. 수소 충전소(221)는 일반적으로 고압 유동관(260)을 통해 하나 이상의 솔레노이드 작동 밸브(256)에 연결된 외부 유체 공급원(220)을 포함하고 있다. 수소 충전소(221)는 하나 이상의 솔레노이드 작동 밸브(256)에 전기적으로 연결된(268) 컨트롤러(264)를 포함하고 있다. 하나 이상의 솔레노이드 작동 밸브(256)는 제1 충전 포트 및 제2 충전 포트(272, 276)에 유체가 유동할 수 있게 연결된다. 제1 충전 포트(272)는 외부 유체(220)가 OTV 조립체(18)에 제공될 수 있도록 압력 용기(10)의 제3 충전 커플러(214)와 결합하도록 구성되어 있다. 제2 충전 포트(276)는 압력 용기(10)의 제4 충전 커플러(218)에 결합되도록 구성되어 있다. 선택적으로, 제2 충전 포트(276)는 제4 충전 커플러(218)를 온도 압력 방출 장치(TPRD)(198)용 방출구(280)에 유체가 유동할 수 있게 연결한다.
충전 과정 동안, 외부 유체(220)는, 도 6에 도시된 화살표 A로 표시되어 있는 것과 같이, 수소 충전소(221)의 밸브(256)를 통과한다. 외부 유체(220)는, 화살표 B로 표시되어 있는 것과 같이, 밸브(256)에 의해 제1 충전 포트(272)로 전달된다. 외부 유체(220)는, 화살표 C로 표시되어 있는 것과 같이, 제3 충전 커플러(214)를 통해 수용되어 OTV 조립체(18)의 밸브(186)로 전달된다. 외부 유체(220)는, 화살표 D로 표시되어 있는 것과 같이, 선택적으로 OTV 조립체(18)의 밸브(186)를 통과하여 벤튜리 노즐(238)의 입구(244)로 전달된다. 벤튜리 노즐(238)은, 도 6에 도시된 화살표 E로 표시되어 있는 것과 같이, 벤튜리 노즐 출구(242)와 벤튜리 혼합 챔버(222)를 통해 상승된 압력으로 유체를 배출한다. 유체 E가 벤튜리 혼합 챔버(222)를 통하여 유동하면, 화살표 F로 표시되어 있는 것과 같이, 흡입관(226)을 통해 유체가 흡입된다. 유체 G는 흡입 라인(226)을 통한 유체 F의 이동에 의해 탱크(14)의 챔버(102)로부터 흡입된다. 흡입관(226)으로부터의 유체 F, G는 벤튜리 혼합 챔버(222)에서 벤튜리 노즐(238)로부터의 유체 E와 혼합되어, 도 6에 도시된 화살표 K로 표시되어 있는 것과 같이, 챔버(98)로 유동하는 유체 K를 형성한다.
또한 도 6에 도시되어 있는 것과 같이, 유체 K는 챔버(98) 내에서 유체 L과 혼합되고 유체 L이 압축되어 열 H1을 방출한다. 챔버(102) 내의 유체 압력의 감소(챔버(102)를 떠나는 유체 G로 인한)와 결합된 챔버(98) 내의 증가된 유체 압력으로 인해, 화살표 M으로 표시되어 있는 것과 같이, 유체 M이 챔버(98)와 챔버(102) 사이의 연결기 부분(38)을 통해 유동하게 된다. 유체 M은 연결기(38) 내에 존재하는 유체를 압축하여 추가적인 열 H2를 발생시킨다. 챔버(102)로부터 제거된 유체 G보다 더 많은 유체 K가 챔버(98)에 추가되기 때문에, 챔버(102)로 들어가는 유체 M은 챔버(102) 내에서 유체 N을 더 압축하여, 추가적인 열 H3을 발생시킨다.
도 6을 참조하면, 과잉 열 H1, H2, H3은 먼저 유체로부터 라이너(26)로 대류에 의해 전달된 다음 탱크(14)의 라이너(26) 및 외부 복합 셸(28)을 통해 전도된다. 충전 과정 동안 벤튜리 혼합 챔버(222)에 유체 E를 추가하는 경우, 챔버(98, 102) 및 연결기 부분(38)과 함께 유체 L, M, N의 온도는 계속 상승할 것이다.
그러나, 챔버(102)는 챔버(98)의 온도 상승보다 더 큰 온도 상승을 경험하게 될 것이다. 챔버(102)를 챔버(98) 아래에 배치시킴으로써, 대류가 발생하여 챔버(102)의 과잉 열 H3을 챔버(98)를 향해 상승하게 할 것이다. 챔버(98, 102) 주위의 그리고 탱크(14)의 적층 구조(126)를 통과하는 대류 기류(convection airflow)가 챔버(102) 내의 온도 상승을 감소시킨다.
이러한 대류 효과는 도 6의 OTV 조립체(18)로 들어가는 유체 B를 사전 냉각함으로써 더욱 증가된다. 사전 냉각된 유체 E가 챔버(102)로부터 흡입된 뜨거운 유체 F와 혼합되면, 생성된 혼합 유체 K는 챔버(102)를 떠나는 유체 F, G보다 더 낮은 온도를 가진다. 혼합된 사전 냉각된 유체 K를 챔버(98)에 추가하면 상부 챔버(98)와 하부 챔버(102) 사이의 온도 차이가 증가하여 적층 구조(126)를 통한 대류의 양이 증가한다. 적층 구조(126)를 통한 대류의 양이 증가함에 따라, 챔버(94, 98, 102)로부터 소산될 수 있는 열 H3의 양이 증가한다.
도 4를 참조하면, 복수의 챔버 T1 내지 챔버 T10을 가진 기다란 컨포머블 탱크(14)는 적층 구조(126)를 통한 대류 기류를 최대화하기 위해 충전하는 동안 가장 큰 열 상승을 경험할 것으로 예상되는 챔버 T6 내지 챔버 T10가 더 적은 열 상승을 경험할 것으로 예상되는 챔버 T1 내지 챔버 T5 아래에 위치되도록 접힐 수 있다. 바람직하게는, OTV 조립체(18)의 하우징(174) 외부에 고압관의 사용을 요하지 않고서 단일 OTV 어셈블리(18)가 탱크(14)의 입구 개구(70) 및 출구 개구(74)에 직접 결합될 수 있도록 탱크(14)의 출구 개구(74)에 인접하게 탱크(14)의 입구 개구(70)를 배치하는 접는 양식(folding pattern)이 선택된다.
온-탱크-밸브(OTV) 조립체(18)를 가진 기다란 압력 용기(10)의 한 가지 이점은 OTV 조립체(18)가 압력 용기(10)의 내부(30)에 유체를 충전하고 압력 용기(10)의 내부(30)로부터 유체를 제거하기 위해 기다란 압력 용기(10)의 양 단부(50, 54)를 유체가 유동할 수 있게 연결한다는 것이다. 두 번째 이점은 OTV 조립체(18)가 기다란 압력 용기의 양 단부에 유체가 유동할 수 있게 결합된 탱크의 한 단부(50)로부터 다른 단부(54)로 유체를 재순환시키도록 구성된 벤튜리 노즐(238)과 벤튜리 혼합 챔버(222)를 OTV 조립체(18) 내에 포함하고 있다는 것이다. 세 번째 이점은 OTV 조립체가 벤튜리 혼합 챔버와 압력 용기의 양 단부 사이의 연결 유체관의 길이를 최소화한다는 것이다. 네 번째 이점은 OTV 조립체(18)가 외부 유체관을 사용하지 않고 압력 용기(10)의 양 단부(50, 54)에 직접 결합될 수 있도록 압력 용기(10)가 적층 구조(126)로 접혀 있다는 것이다. 다섯 번째 이점은 압력 용기(10)의 적층 구조(126)가 충전 과정 동안 압력 용기(10)로부터의 열 소산을 증진시킨다는 것이다.
본 발명을 예시적인 방식으로 설명하였으며, 사용된 용어는 제한하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이라고 이해해야 한다. 상기 내용을 고려하여 본 발명의 많은 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 첨부된 청구범위 내에서 본 발명은 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (16)

  1. 압력 용기로서,
    유체 저장을 위한 내부를 가진 기다란 접힌 탱크로서, 상기 탱크는 제1 탱크 단부와 제2 탱크 단부 사이에 뻗어 있는 기다란 원통형 벽에 의해 형성된 중합체 라이너를 포함하고, 상기 라이너는 유체 저장을 위한 복수의 챔버를 가지고 있고, 상기 복수의 챔버는 적어도 상기 제1 탱크 단부에 인접한 제1 챔버 및 상기 제2 탱크 단부에 인접한 마지막 챔버를 포함하고, 상기 라이너는 수지와 섬유로 된 외부 복합 셸에 의해 둘러싸여 있으며, 상기 제1 탱크 단부가 상기 제2 탱크 단부에 인접하도록 미리 결정된 적층 구조로 접힌 상기 기다란 접힌 탱크; 그리고
    상기 기다란 접힌 탱크에 결합된 밸브 조립체;
    를 포함하고,
    상기 밸브 조립체가
    상기 제1 탱크 단부에 작동가능하게 결합된 제1 충전 커플러;
    상기 제2 탱크 단부에 작동가능하게 결합된 제2 충전 커플러;
    상기 제1 탱크 단부 및 상기 탱크의 상기 내부로 유체를 끌어들이기 위해 상기 제1 충전 커플러와 연통되어 있는 혼합 챔버;
    외부 유체 공급원으로부터 상기 혼합 챔버로 제1 유체 유동을 끌어들이도록 구성된 적어도 하나의 벤튜리 노즐;
    상기 탱크의 상기 제2 단부로부터 제2 유체 유동이 시작되면, 상기 제2 유체 유동이 상기 혼합 챔버로 유입되어 상기 혼합 챔버 내의 상기 제1 유체 유동과 혼합되도록 상기 제2 충전 커플러와 연통되어 있고 상기 혼합 챔버에 결합된 흡입관; 그리고
    외부 유체 공급원으로부터 상기 제1 유체 유동을 수용하기 위해 상기 밸브 조립체를 상기 외부 유체 공급원에 선택적으로 결합하며, 상기 벤튜리 노즐에 선택적으로 결합된 제3 충전 커플러;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미리 결정된 적층 구조의 상기 복수의 챔버가 적어도 상부 층의 챔버와 하부 층의 챔버를 포함하고; 그리고
    충전 과정 동안 상기 상부 층의 챔버 내의 유체의 평균 온도 상승이 상기 하부 층의 챔버 내의 유체의 평균 온도 상승보다 작은 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 밸브 조립체가 상기 밸브 조립체를 온도 압력 방출 장치(TPRD)의 방출구에 선택적으로 연결하는 제4 충전 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 밸브 조립체가 제1 밸브를 포함하고, 상기 제1 밸브는 상기 제3 충전 커플러를 상기 벤튜리 노즐에 선택적으로 유체가 유동할 수 있게 연결하고, 상기 제1 밸브는 개방 상태와 폐쇄 상태를 가지며;
    상기 제1 밸브가 상기 개방 상태에 있을 때, 상기 제3 충전 커플러에 의해 수용된 상기 외부 유체 공급원으로부터의 상기 제1 유체 유동이 상기 벤튜리 노즐에 제공되고; 그리고
    상기 제1 밸브가 상기 폐쇄 상태에 있을 때, 상기 제3 충전 커플러에 의해 수용된 상기 외부 유체 공급원으로부터의 상기 제1 유체 유동이 상기 벤튜리 노즐로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 충전 커플러가 상기 혼합 챔버와 상기 탱크의 상기 제1 챔버의 상기 내부 사이에 유체를 통과시키는 통로를 포함하고; 그리고
    상기 제2 충전 커플러가 상기 흡입관과 상기 탱크의 상기 마지막 챔버의 상기 내부 사이에 유체를 통과시키는 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 밸브 조립체가 상기 흡입관의 내부 공간에 열적으로 결합된 제1 온도 센서를 포함하고, 상기 제1 온도 센서는 상기 흡입관을 통과하는 유체의 온도를 나타내는 제1 온도 신호를 제공하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 밸브 조립체가 상기 혼합 챔버에 열적으로 결합된 제2 온도 센서를 포함하고, 상기 제2 온도 센서는 상기 벤튜리 노즐로부터 상기 혼합 챔버로 들어가는 유체의 온도를 나타내는 제2 온도 신호를 제공하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 밸브 조립체가 상기 제1 밸브에 작동가능하게 연결된 제1 솔레노이드를 포함하고, 상기 제1 솔레노이드는 상기 제1 밸브를 상기 개방 상태와 상기 폐쇄 상태 사이에서 선택적으로 위치를 바꾸도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 밸브 조립체는 상기 밸브 조립체가 외부 연료 전지 공급관에 유체가 유동할 수 있게 연결될 때 상기 탱크의 상기 내부로부터 상기 제3 충전 커플러 및/또는 상기 제4 충전 커플러 중의 적어도 하나로 유체를 선택적으로 제공하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 밸브 조립체가 상기 혼합 챔버를 상기 제1 충전 커플러에 유체가 유동할 수 있게 연결하는 제1 고압관을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 탱크의 상기 제2 단부에서 시작되는 상기 제2 유체 유동이 제2 고압관을 통하여 상기 혼합 챔버로 이동하도록 상기 흡입관이 상기 혼합 챔버에 유체가 유동할 수 있게 결합된 제1 단부 및 상기 제2 충전 커플러에 유체가 유동할 수 있게 결합된 제2 단부를 가진 제2 고압관을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 밸브 조립체가 외부 하우징을 포함하고, 상기 제1 충전 커플러 및 상기 제2 충전 커플러가 상기 외부 하우징에 고정되게 결합되고; 그리고
    상기 제1 고압관 및 상기 제2 고압관이 상기 외부 하우징 내에 완전히 수용되는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 밸브 조립체가 상기 탱크의 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부에 직접 결합될 수 있도록 상기 제1 탱크 단부가 상기 제2 탱크 단부에 인접하게 배열되는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 탱크의 상기 제1 단부와 상기 제2 단부를 유체가 유동할 수 있게 연결하는 상기 제1 고압관 및 상기 제2 고압관이 상기 밸브 조립체 내에 완전히 둘러싸이도록 상기 밸브 조립체가 상기 탱크의 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부에 고정되게 결합되는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 중합체 라이너가 제1 직경을 가진 복수의 기다란 강성 배관 부분, 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 가진 복수의 연결기 부분, 및 연속적인 기다란 강성 배관 부분과 연결기 부분 사이에 배치되어 연속적인 기다란 강성 배관 부분과 연결기 부분을 연결되는 테이퍼 부분을 포함하고, 상기 복수의 기다란 강성 배관 부분의 각각이 유체 저장을 위한 상기 복수의 챔버 중 하나를 형성하고;
    상기 중합체 라이너가 기다란 탱크를 형성하기 위해 외부 복합 셸로 둘러싸이고; 그리고
    상기 기다란 탱크는 상기 외부 복합 셸의 수지를 경화하기 전에 상기 미리 결정된 적층 구조로 접혀지는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 압력 용기의 상기 마지막 챔버가 상기 적층 구조 내의 상기 제1 챔버의 위치보다 상기 적층 구조 내에서 더 낮게 위치되고; 그리고
    충전 과정 동안 상기 제1 챔버의 외부 표면을 둘러싸는 공기 온도와 상기 마지막 챔버의 외부를 둘러싸는 공기 온도 사이의 상대적인 차이가 상기 적층 구조를 통한 열의 대류를 일으키는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
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