KR20220054614A - 압력용기 - Google Patents

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KR20220054614A
KR20220054614A KR1020227008533A KR20227008533A KR20220054614A KR 20220054614 A KR20220054614 A KR 20220054614A KR 1020227008533 A KR1020227008533 A KR 1020227008533A KR 20227008533 A KR20227008533 A KR 20227008533A KR 20220054614 A KR20220054614 A KR 20220054614A
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KR
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liner
pressure vessel
ring
sealing
counterpiece
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KR1020227008533A
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Inventor
마이클 소넨
프랭크 오트렘바
Original Assignee
엔피록스 비브이
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Publication date
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Abstract

본 발명은 섬유 복합 성분 및 금속 성분을 갖는 하이브리드 압력용기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 하이브리드 압력용기의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 하이브리드 압력용기는 외경(DL)을 갖는 내부 면 및 외부 표면을 갖는 라이너, 및 외부 직경(DB)을 갖는 금속 보스를 가지며, 금속 보스는 밸브를 수용하도록 구성되며, 하이브리드 압력용기 내부에 저장 체적을 갖고, 라이너는 파이프 형상이고 보스의 외부 직경(DB)은 라이너의 외경(DL) 이상이어야 한다.

Description

압력용기
본 발명은 섬유 복합 부품 및 금속 부품을 갖는 하이브리드 압력용기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 하이브리드 압력용기의 제조 방법에 관한 것이다.
압력용기, 특히 섬유 복합 재료로 강화된 압력용기(이하 "FCM"으로 약칭) 시장은 지속적으로 성장하고 있다. 천연 가스 및 프래킹 가스 생산량이 증가함에 따라 특히 각각의 파이프라인 네트워크가 없는 국가에서는 압력용기에 저장해야 한다. 또한, 연료 전지 차량의 개발에 크게 관여하는 자동차 산업에서는 연료를 고압의 압력용기에 수소 기체 형태로 저장해야 한다. 수소를 사용하는 다른 유형의 차량은 철도 차량, 항공기 또는 선박일 수 있고, 압력용기의 운송에 있어서는 중량물의 압력용기를 운송하는 것은 불필요 하므로 많은 에너지를 소비하여 운송비용이 과도하게 높은 부담이 있기 때문에 경량의 압력용기가 바람직하다.
현재 사용되는 원통형 섬유 강화 압력용기는 권선 방식에 의해 권선 코어 역할을 하는 내부 용기에 외부 층으로 권취된 매트릭스 재료에 섬유로 만들어진 FCM으로 구성된 강화층이 있고, 권선은 시간과 비용 면에서 효율적인 섬유 복합층 제조에 선호되는 공정이며, 예를 들면, 압력용기의 기밀성, FCM으로 만들어진 보강층은 압력용기에 필요한 기계적 안정성을 제공한다. 유형 3의 압력용기의 경우 다음으로 구성된 금속 내부 용기(금속 라이너) 예컨대 알루미늄 또는 강철이 사용되고, 유형 4의 압력용기의 경우 내하중이 없는 내부 용기(라이너)는 플라스틱으로 만들어지며, 플라스틱 라이너는 일반적으로 개별 구성 요소의 블로우 성형, 회전 성형 또는 용접으로 생산된다. 가장 일반적으로 사용되는 재료는 특정 제조 방법으로 인해 열가소성 수지 예컨대 폴리아미드 또는 폴리에틸렌, 특히 고밀도 폴리에틸렌이다.
금속 보스는 밸브를 연결하거나 유형 4 용기의 끝 부분이 되는 용도로 사용되고, 이 경우 닫힌 보스로 구현될 수 있으며, 보스의 외경은 라이너의 외경보다 훨씬 작다. 압력용기는 매우 높은 내부 압력을 견뎌야 하고, 예컨대 현재 자동차의 수소 탱크는 약 700bar의 압력으로 채워져 있습니다. 특히, 충돌 시에도 압력용기가 파열되지 않을 수 있고, 따라서 이러한 압력용기는 "폴캡"이라고 하는 것으로 양쪽이 닫힌 원통형 중앙 부분으로 설계된다. FCM은 원통형 중앙 부분과 폴캡 위에 보강 층으로 감겨 있고, 강화 층은 예를 들면 필라멘트 와인딩 방법으로 제조될 수 있으며, 여기서 압력용기의 랩핑은 단일 작업으로 발생하고, 다시 말해서, 섬유는 플라스틱 라이너에 원주 방향으로 또는 십자형으로 또는 나선 층의 형태로 한 번의 작업으로 감겨진다.
보스와 압력용기 사이의 연결은 특히 중요하고, 보스는 높은 내부 압력을 견뎌야 하므로 내압 방식으로 압력용기에 연결해야 하며, 압력용기와의 연결에도 동일하게 적용된다. 보스는 또한 압력용기에 단단히 연결되어야 하고, 수소는 매우 작은 분자를 가진 폭발성 가스이며, 따라서 고압 상태의 수소에 대해서도 압력용기가 완전히 조여지는 것이 특히 수소 수송에 중요하다.
독일 특허출원 DE 10 2016 221 978 A1로부터 중공 섬유 복합 구성요소 및 힘 전달 구성요소를 통해 섬유 복합 구성요소에 힘을 전달하기 위한 적어도 하나의 금속성 힘 전달 구성요소로 이루어진 하이브리드 구성요소가 공지되어 있으며, 섬유 복합 구성요소 제공된 주축을 따라 제1 및 제2 단부를 포함하고, 적어도 제1 단부는 개방 단부이다. 주축에 대면하는 내부면 및 대향하는 외부면을 갖는 개방 단부의 적어도 하나의 제1 부분은 주축을 따라 연장되고, 제1 부분은 제1 단부의 방향으로 테이퍼링 된다. 힘 전달 구성요소는 제1 부분의 내부 면에 안착하기 위해 그에 따라 형성된 내부 코어 및 외부 면에 적어도 부분적으로 안착하기 위해 내부 코어 및 제1 부분에 적합한 내부 힘 전달 면을 갖는 금속성 외부 림을 포함하고, 제 1 부분의 내부 코어 및 외부 림은 외부 림이 제 1 부분에 배치된 후 내부 코어가 견인 연결에 의해 외부 림 방향으로 제 1 개방 단부를 통해 당겨질 수 있도록 적합하게 조정되며, 이러한 방식으로 힘 전달 구성요소를 통해 섬유 복합재 구성요소에 힘을 전달할 수 있도록 제1 부분의 FCM 상의 외부 림의 적절한 압입이 생성될 수 있다. 그러나, 하이브리드 구성요소는 하이브리드 구성요소를 채우고 비울 수 있는 라이너와 보스가 없기 때문에 압력용기로 적합하지 않다.
설치 형상의 이유로 작은 외경을 가진 각각의 압력용기를 갖는 것이 바람직하고, 외경이 작은 압력용기에서 보스의 외경과 라이너의 외경 사이의 비율은 훨씬 작거나 거의 같다. 한편으로는 밸브를 수용해야 하며 보스의 최소 외경이 필요하고, 반면에, 매우 긴 라이너의 제조는 특히 중공 성형 또는 회전 성형과 같은 대량 생산 방법에서 단점이 없는 것은 아니다.
1 : 독일 특허출원 DE 10 2016 221 978 A1 특허공보.
본 발명의 목적은 가능한 한 작은 외경과 보스의 외경 규모의 라이너 외경을 갖는 하이브리드 압력용기를 제공하는 것으로, 알려진 더 큰 외경을 가진 용기 하이브리드 압력과 동일한 파열 안전성 및 기밀성 요건을 충족한다.
또한, 본 발명의 목적은 이러한 하이브리드 압력용기의 제조 방법을 제공하는 것이다.
첫 번째 목적은 내측면과 외측면을 갖는 라이너, 외경(DL) 및 외경(DB)을 갖는 금속성 보스를 갖는 하이브리드 압력용기에 의해 달성되며, 금속성 보스는 밸브를 수용하도록 되어 있고, 하이브리드 압력용기는 내부에 저장 체적을 갖고, 라이너는 파이프 형상이며 보스의 외경(DB)은 적어도 라이너의 외경(DL)만큼 크다.
"압력용기"라는 용어는 라이너라고도 하는 내부 용기를 포함하는 모든 유형 및 모양의 압력용기를 포함하고, 압력 저항 측면에서 만들어진 요구 사항을 충족한다. 본 개시에서 하이브리드 압력용기는 상이한 재료, 특히 플라스틱 라이너 및 금속 보스로 구성된 압력용기인 것으로 이해된다. 알려진 압력용기는 원통형 중앙 부분의 양쪽에 볼록한 터미널이 있는 원통형이고, 이러한 터미널을 폴캡(pole cap)이라고 하며 중앙 부분의 압력 기밀 밀봉에 사용되며, 압력용기의 보강을 위해 섬유 복합 재료로 만들어진 외부 층이 내부 용기의 외부에 감겨 잠재적으로 동시에 압력 용기의 외부 면을 형성한다. 내부 용기는 다양한 기술, 예컨대 용접, 사출 성형 또는 블로우 성형으로 생산할 수 있고, 폴캡은 예를 들면 용접을 통해 생산 후 중앙 부분에 배치할 수도 있으며, 별도의 폴캡은 예컨대 사출 성형에 의해 제조될 수 있다. 열가소성 내부 용기가 있는 압력용기는 한편으로 매우 낮은 무게를 가지므로 예를 들면 운송 수단에 적용하기 위해 중요하고, 다른 한편으로, 예컨대 수소와 같은 함량은 적절한 열가소성이 충분히 낮은 수소 투과성을 갖고 섬유 복합 재료로 만들어진 외층에 의해 필요한 강성이 제공되기 때문에 낮은 손실로 고압에서 저장될 수 있다.
하이브리드 압력용기는 여러 다른 재료로 구성된 압력용기이다.
일반적으로, 섬유 복합층용 섬유 복합 재료(FCM)는 섬유들 사이에 강한 결합을 생성하는 매트릭스 재료에 내장된 두 가지 주요 구성요소로 구성되며, 여기서 섬유이다. 섬유 복합 재료는 하나의 섬유로부터 또는 복수의 섬유로부터 권취될 수 있고, 여기서 섬유(들)는 서로 밀접하게 인접 접촉하여 권취된다. 권취 섬유는 이미 매트릭스 재료로 함침되어 있고, 이는 섬유 복합 재료가 원하는 두께를 갖고 이 두께를 갖는 대응하는 섬유 층을 형성할 때까지 추가 섬유가 추가 섬유 층으로 감겨 있는 섬유 층을 생성한다. 외부 층은 섬유 복합 재료로 만들어진 여러 겹으로 감겨 있으며, 여기에서 다른 겹은 압력용기의 실린더 축에 대해 다른 섬유 각도로 배열된 섬유를 포함할 수 있고, 한 실시예에서 제1 및/또는 추가 섬유, 예를 들면 제2 섬유로 제조된 섬유 층 각각은 복수의 섬유 플라이(plies)를 포함하며, 복합 재료는 관련된 두 가지 개별 구성 요소가 제공할 수 있는 것보다 더 높은 강도와 같은 더 높은 품질의 섬유 복합 재료 속성을 제공한다. 섬유 방향에서 섬유의 강화 효과는 길이 방향에서 섬유의 탄성 계수가 매트릭스 재료의 탄성 계수를 초과할 때 달성되고, 매트릭스 재료의 파단 신율이 섬유의 파단 신율 또는 섬유의 파단 저항이 매트릭스 재료의 파단 저항을 초과할 때 달성되며, 사용될 수 있는 섬유는 임의의 종류의 섬유, 예컨대 유리 섬유, 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 강철 섬유, 천연 섬유 또는 합성 섬유이다. 섬유 복합재 층에 사용되는 매트릭스 재료는 일반적으로 열경화성 물질이고, 섬유 및 매트릭스 재료의 재료 특성은 당업자에게 알려져 있으며, 결과적으로 당업자는 특정 용도에 대한 섬유 복합 재료를 제조하기 위해 섬유 및 매트릭스 재료의 적절한 조합을 선택할 수 있다. 여기서, 섬유 복합재 영역의 개별 섬유층은 단일 섬유 또는 복수의 동일하거나 상이한 섬유를 포함할 수 있다.
"열가소성 수지"라는 용어는 특정 온도 범위 내에서 열가소적으로 변형될 수 있는 플라스틱을 나타내며, 이 과정은 가역적이다. 즉, 과열로 인해 재료의 열분해가 일어나지 않는 한 냉각 및 용융 상태로 재가열하여 무기한 반복할 수 있고, 이것은 열가소성체를 열경화성 수지 및 엘라스토머(elastomers)와 구별하며, 열가소성체의 또 다른 독특한 특성은 예를 들면 열경화성 수지와 달리 용접될 수 있다는 것이다.
여기서 "파이프형"이라는 용어는 실질적으로 원형인 파이프의 형상, 특히 실질적으로 일정한 내경 및 외경을 각각 갖는 파이프의 형상에 적어도 실질적으로 대응하는 형상을 지칭하며, 특히, 파이프 모양 라이너의 실질적인 특징은 파이프의 직경이 부분적으로 다시 수정되거나 또는 후속 제조 단계에서 완전히 수정되는지 여부와 관계없이 공통 제조 허용 오차의 경계 내에서 원형의 파이프에서 길이로 절단될 수 있다는 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 압력용기의 라이너는 최신 기술로부터 알려진 폴 캡을 갖지 않으며, 특히, 본 발명에 따른 하이브리드 압력용기의 외경은 밸브를 수용해야 하기 때문에 일정한 최소 지름을 가져야 하는 보스에 의해 결정되고, 특히, 본 발명에 따른 하이브리드 압력용기의 라이너 외경은 보스의 외경 정도이며, 이러한 방식으로, 본 발명에 따른 하이브리드 압력용기는 또한 예를들면 차량의 작은 설치 공간에도 설치할 수 있다. 라이너는 모양이 실제로 3차원이 아니기 때문에 제조하기도 매우 쉽고, 파이프 모양 라이너의 2차원 단면은 실질적으로 원형이며 3차원은 하나의 매개변수, 즉 길이로 설명할 수 있으며, 따라서, 이러한 라이너는 블로우 성형, 회전 성형 또는 개별 부품의 용접과 같은 최신 라이너 제조에 일반적으로 사용되는 방법으로 반드시 제조될 필요는 없고, 오히려 압출, 인발 또는 방사와 같은 보다 간단한 생산 방법을 사용할 수도 있다. 이러한 방법에 의해, 각각의 반제품도 매우 정밀하고 경제적으로 긴 길이로 제조될 수 있으며, 이러한 반제품을 일정한 길이로 절단하는 것만으로 파이프형 라이너의 생산도 가능하다.
라이너에 대한 보스 외경의 비율이 크므로, 보스의 외경에 도달할 때까지 용기 보강에 필요한 강화 섬유를 원주 방향으로 잘 정의된 방식으로 증착할 수 있고, 이는 원주방향 플라이(plies)가 적층체의 내면에 최적으로 위치되기 때문에 하중 측면에서 유리하며, 라이너와 보스의 외부 윤곽 사이의 전환은 조화를 이룰 수 있으므로 하중에 해당한다.
유리한 실시예에서, 라이너는 압력 하에서 적어도 부분적으로 소성 변형 가능한 재료로 만들어지며, 하이브리드 압력용기는 보강을 위해 라이너에 적용된 적어도 하나의 외부 층과 압착 링 및 밸브를 수용하는 카운터피스(counterpiece)가 있는 보스를 추가로 갖추고, 라이너에 대해 저장 공간을 밀봉하기 위한 것으로, 라이너는 외부 면과 내부 면이 있는 원통형 연결 영역을 포함하며, 압착 링, 라이너의 연결 영역 및 압착 링, 라이너의 연결 영역 및 상대편 사이에 밀봉 압력을 생성하기 위한 라이너의 연결 영역의 다른 측면에 있는 상대편 사이에 밀봉 압력을 생성하기 위해 라이너의 연결 영역의 한 쪽에 위치되고, 라이너의 연결 영역을 향해 배향된 측면에 제1 모서리가 저장 용적을 향하는 적절하게 형성된 홈을 갖는 상대편 및 밀봉 압력 하에서 밀봉되는 밀봉 링을 수용하기 위한 반대 방향의 제2 에지, 홈 및 밀봉 링은 치수가 정해져 있고 라이너 재료는 밀봉 압력 하에서 그 소성 변형성으로 인해 밀봉 링과 제1 및 제2 에지 사이의 양쪽 갭 내로 적어도 돌출하는 제1 및 제2 밀봉 비드(beads)를 형성하도록 각각 제공된다.
내부 용기는 여기에서 적어도 파이프 모양 라이너와 파이프 모양 라이너의 끝면에 있는 보스로 구성된 여러 부분으로 구성되고, 보스들 중 적어도 하나는 하이브리드 압력용기로부터 매체를 채우거나 제거하기 위한 밸브를 각각 수용하도록 되어 있으며, 반대편 보스는 폐쇄 보스로 구현될 수 있다.
소성 변형 가능한 용기 내부 재료는 자체적으로 견고하고 안정적인 특성을 가지고 있음과 동시에 일정한 유동성을 가지므로 적어도 표면에서 고압 하에서 소성 변형될 수 있어 가압면의 윤곽에 큰 변형을 일으키지 않고 적응할 수 있으며, 또한, 내부 용기는 압력용기에 충전 가스를 저장하기 위한 기밀 저장 공간을 제공하는 기능을 가지고 있으므로 내부 용기 재료는 예를 들면 금속 또는 플라스틱으로 기밀해야 하고, 플라스틱의 경우, 단층 또는 다층 시스템으로서 바람직하게는 PA 또는 PE가 사용되며, 충전 가스는 수소와 같은 모든 가스일 수 있고, 특히, 라이너 반제품은 제조 방법이 간단하기 때문에 블로우 성형(Blow-Molding), 회전 성형(Rot omolding), 용접(Welding) 등의 공지된 방법에 적합하지 않은 소재를 선택할 수 있으며, 이러한 재료, 예컨대 UHMW-PE(초고분자 폴리에틸렌) 또는 PET는 또한 예를 들면 재료보다 더 나은 투과 특성 및/또는 더 나은 온도 특성, 특히 더 우수한 저온 특성 뿐만 아니라 더 적은 수분 흡수를 가질 수 있어 일반적으로 라이너를 생산하는 데 사용되고, 외부 층은 압력용기에 기계적 안정성을 제공하여 가스 불투과성 및 압력 저항의 기능이 내부 용기와 외부 층의 두 구성 요소로 나누어지며, 외부 층은 예컨대 내부 용기에 감거나 다른 기술로 적용된 섬유 복합 층일 수 있다.
홈에 위치한 밀봉 링은 상대편의 홈을 완전히 채우지 않고 상대편의 내면을 향한 양쪽 홈에 틈을 남기고, 첫 번째 및 두 번째 갭은 밀봉 효과의 중복성을 제공하는 데 사용되며, 내부 용기 재료의 적절한 유동성 및 그에 따른 밀봉 비드(beads)의 형성과 함께 보스의 구성요소 구성은 압력용기에서 보스의 구성요소를 동시에 안전하게 배치함으로써 개선된 밀봉 효과를 보장하고, 또한 두 개의 실링 비드(beads)가 압력 변화를 일으키더라도 실링 링이 홈에 안정적으로 유지되며, 이 밀봉 개념은 저장 공간을 밀봉할 때 3중 중복성을 제공한다 즉, 직렬 밀봉 (I) 카운터피스(counterpiece)에 대한 벌지(bulge)의 첫 번째 밀봉 비드, (II) 밀봉 링을 향한 라이너의 연결 영역을 통한 압착 링 및 (III) 보스에 대한 연결 영역에서 라이너의 두 번째 밀봉 비드, 밀봉의 신뢰성 및 영구성을 크게 향상시키고, 보스에 의해 가해지는 밀봉 압력으로 인해 밀봉 비드가 형성되어 보스가 추가로 자체 밀봉되며, 밀봉 개념은 압착 링 및 보스의 재료와 무관하지만 동일한 재료는 내부 용기 재료보다 적어도 유동성이 낮다.
지정된 압력용기는 본 발명에 따른 밀봉 개념으로 인해 매우 유연한 구조를 가지므로 압착 링의 적절한 구성으로 맞춤형 보스를 쉽게 조정할 수 있고, 또한 센서 시스템, 측정 센서 또는 압력용기로 돌출된 기타 구성 요소를 통합하기 위한 추가 슬리브 통합이 계속 가능하다.
다른 유리한 실시예에서, 압착 링은 라이너의 연결 영역의 내부면에 위치되고 카운터피스는 라이너의 연결 영역의 외부면에 위치되어 압착 링과 라이너의 연결 영역과 카운터피스 사이에 밀봉 압력을 생성한다.
원리는 역전될 수도 있고, 대안적인 실시예에서 압착 링은 라이너의 연결 영역의 외부면에 위치되고 라이너의 연결 영역의 내부면에 위치되는 카운터피스는 라이너의 연결 영역 및 카운터피스, 압착 링 사이의 밀봉 압력을 생성하며, 그러나, 이 실시예에서 압력용기 내부의 가스가 라이너 파이프의 단부면 주위로 흐르도록 제공하여 밀봉 효과에 기여하는 밀봉 개념은 적용되지 않는다.
일 실시예에서 압착 링은 소성 변형성으로 인해 내부 용기 재료가 저장 체적을 향하는 저면 상의 압착 링 주위에 제3 비드를 형성하도록 치수가 지정되고, 이러한 방식으로, 압착 링이 저장 공간을 향해 미끄러지는 것이 방지되며, 이러한 방식으로 원래 설정된 밀봉 링에 가해진 밀봉 압력이 유지되고, 또한 압력용기에 충격이 가해지는 경우 압착 링이 더 이상 미끄러지거나 저장 공간으로 떨어질 수 없다.
다른 실시예에서 압착 링 또는 카운터피스(counterpiece)는 저장 용적과 라이너의 연결 영역의 상단 사이에 저장 용적에 대한 개방 가스 연결이 있도록 형성되고, 따라서 저장 공간 내부의 압력은 라이너의 연결 영역 상단에도 존재한다.
다른 실시예에서 압착 링은 라이너의 연결 영역에 대면하는 외부면 및 대향하는 내부면을 포함하고, 라이너의 연결 영역에 놓이는 압착 링의 외부면의 면적은 그 내부면보다 작고, 기존 라이너의 저장 공간과 연결 영역 상단 사이의 가스 연결로 내부와 외부의 면적 비율이 다르기 때문에 압력용기의 저장 공간 내부의 압력과 압착에 의해 밀봉 압력이 추가로 증가하고, 저장 공간의 압력이 상승하면(예: 저장 공간이 가스로 채워진 경우, 예를 들어 최대 500bar) 링이 카운터피스(counterpie ce) 쪽으로 추가로 눌러져 밀봉 효과와 신뢰성이 더욱 높아진다.
홈은 응력이 가해지지 않은 상태에서 밀봉 링의 형상에 적합한 윤곽을 포함할 수 있고, 이러한 방식으로 밀봉 링 뒤에 정의되지 않은 공동이 형성될 수 없으므로 밀봉 링의 밀봉 효과가 더욱 향상된다.
밀봉 링은 O-링일 수 있으며, O-링은 한편으로는 신뢰할 수 있는 밀봉 특성을 갖고 다른 한편으로는 이러한 유형의 링에 대해 홈 내부에 적합한 윤곽을 제공하는 것이 가장 쉽고, 홈의 곡률은 O-링 표면의 곡률에 맞게 조정되며, 밀봉 링, 즉, 이 경우 O-링은 가스 밀봉에 적합한 모든 재료로 만들 수 있다.
보스는 압착 링과 카운터피스를 상호 연결하는 추가 안전 요소를 포함할 수 있고, 이것은 상대편, 특히 상대편을 향한 압착 링의 미끄러짐을 방지한다.
안전 요소는 카운터피스에서 지지될 수 있고 적어도 압착 링을 마주하는 측면에 압착 링의 상단과 맞물리기 위해 제공된 나사산을 포함하며, 안전 요소는 예를 들면, 밴조 볼트 또는 라이너의 연결 영역의 상단에 압력을 가하기 위한 통로 구멍이 있는 해당 모양의 링일 수 있다.
밸브 연결 피스의 상대편은 압력에 대해 안정되도록 밸브를 수용하기 위한 연결 수단을 포함할 수 있고, 예컨대 밸브는 상대편의 연결 수단으로서 각각의 나사산에 내압 방식으로 나사로 고정될 수 있다.
다른 유리한 실시예에서 상대편은 라이너의 연결 영역을 향하는 측면에서 축방향 힘을 흡수하기 위한 적어도 하나의 추가의 적절하게 형성된 홈을 갖고, 이러한 방식으로 추가 홈으로 상대편을 형성하기 쉽기 때문에 축방향 힘을 매우 쉽게 흡수할 수 있다.
라이너는 열가소성 재료로 만들 수 있고, 열가소성 수지를 쉽고 저렴하게 처리하여 반제품 파이프를 형성할 수 있기 때문에 이것은 명백한 선택이며, 라이너는 예를 들면 HDPE, PA, UHMW-PE 또는 PET로 구성될 수 있다.
대안적으로 열가소성 라이너 재료는 섬유 강화 열가소성 물질일 수도 있고, 일 실시예에서 강화 섬유는 탄소 섬유일 수 있다.
대안적으로 라이너는 열경화성 재료, 특히 섬유 강화 열경화성 재료로 제조될 수 있고, 본 발명에 따른 하이브리드 압력용기는 파이프 형상의 라이너를 구비하며, 파이프 모양의 라이너 또는 열경화성 수지로 구성된 반제품 라이너는 예컨대 인발 방식으로 제조하기가 비교적 쉽고, 이러한 방식으로 열경화성 라이너를 저렴하게 생산할 수 있으며, 그들은 또한 안정성과 투과성 면에서 이점을 제공할 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 하이브리드 압력용기의 제조 방법에 관한 것으로, 이 방법은 다음 단계를 포함한다:
1) 조립식 파이프형 라이너를 제공하는 단계,
2) 압착 링을 라이너의 연결 영역에 넣는 단계,
3) 밀봉 압력 하에서 라이너 재료의 소성 변형성으로 인해 홈 및 밀봉 링이 그에 따라 치수가 정해진 밀봉 링과 제1 또는 제2 에지 사이의 두 갭으로 각각 돌출하는 적어도 제1 및 제2 밀봉 비드를 생산할 저장 공간을 밀봉하기 위해 형성하는 단계,
4) 라이너 상에 외층을 제조하는 단계 및,
5) 밸브(5)를 보스(4)에 배치하는 단계.
본 발명에 따른 제조 방법에 따르면, 하이브리드 압력용기가 효율적으로 제조될 수 있고, 하이브리드 압력용기의 외경은 보스에 의해 결정되며, 특히, 본 발명에 따른 하이브리드 압력용기의 경우, 라이너 외경은 보스의 외경 정도일 수 있고; 이러한 방식으로 차량과 같은 작은 설치 공간에도 설치할 수 있다. 라이너의 모양은 실제로 입체적이지 않고, 파이프 모양의 라이너는 2차원 모양으로 실질적으로 원형 단면을 가지고 있으며, 따라서 이러한 라이너는 블로우 성형, 회전 성형 또는 개별 부품의 용접과 같은 최신 라이너 제조에 일반적으로 사용되는 방법으로 반드시 제조될 필요는 없고, 오히려 압출, 인발 또는 방사와 같은 더 간단한 제조 방법도 제공되며, 이러한 방법에 의해 각각의 반제품을 매우 정밀하고 경제적으로 또한 큰 길이로 제조할 수 있고, 이러한 반제품으로부터 간단한 길이 절단에 의해 파이프 형상의 라이너가 제조된다.
다른 유리한 실시예에서 방법은 라이너 재료의 소성 변형성으로 인해 저장 체적을 향하는 그 바닥면 상의 압착 링 주위에 제3 비드를 형성하는 추가 단계를 포함한다.
다른 유리한 실시예에서 외부 층은 내부 플라이(inner ply)와 외부 플라이(outer ply)를 갖고, 외부 플라이는 내부 플라이와 보스 위에 싸여 있고, 다른 플라이로 분리하여 각 플라이를 다른 재료로 만들 수 있으며, 외부 플라이는 섬유 복합 플라이다.
다른 유리한 실시예에서 내부 플라이의 조립식 반제품 파이프는 원주 방향 플라이로 덮인 섬유 복합 파이프이고, 원주 방향 플라이는 내부에서 외부로 다음 방향으로 증가하는 섬유 복합 파이프의 길이방향 축에 대한 각도를 갖고, 예를 들면, 감싸는 각도는 80°에서 84°로, 그 다음에는 88°로 증가할 수 있으며, 이러한 방식으로 둘레 패키지의 하중이 보다 균일해지고, 이것은 예컨대 로빙 수를 변경하여 달성할 수 있다.
내부 플라이는 개별적으로 제조할 수도 있고, 예를 들면, 파이프로 미리 제작할 수 있는 바 특히 내부 플라이가 섬유 복합 플라이로 포장되어 있는 경우 금속 와인딩 스핀들에서 정밀하게 제조될 수 있기 때문입니다.
원통형 반제품 파이프를 압출할 수 있다.
원통형 반제품 파이프도 인발 또는 방사 방법으로 제조할 수 있다.
이 모든 방법은 처리할 재료에 따라 효율적인 것으로 입증되고, 당업자는 방법을 알고 처리할 재료에 적합한 방법을 선택할 수 있다.
다른 유리한 실시예에서 파이프 형상 라이너는 원통형 반제품 파이프로부터 길이로 절단되고, 즉, 반제품은 파이프 모양의 라이너가 아니라 파이프 모양의 라이너를 길이에 맞게 절단한 더 긴 파이프이며, 더 긴 반제품의 제조는 파이프 모양의 라이너의 개별 성형보다 효율성 측면에서 이점이 있다.
또 다른 유리한 실시예에서 외부 플라이는 FCM으로부터 포장되고, 외부 플라이는 30° 내지 90°, 바람직하게는 35° 내지 90°의 포장 각도로 포장되고, 특히 바람직하게는 라이너의 길이방향 축에 대해 40°내지 90°이며, 각각의 라이너 또는 용기의 외부 직경과 보스의 목 사이의 비율은 추가 원주 방향 플라이에 의한 통합을 필요로 하지 않는 포장될 두 번째 라미네이트 패키지의 포장 각도를 초래하고, 본 실시예에서는 보스가 내부 압력을 완전히 흡수하므로, 제2 라미네이트 패키지의 섬유는 최신 기술에 따른 유형 4 용기에서 생성된 반경방향 힘이 아닌 내부 압력에 의해 생성된 보스의 축방향 힘을 흡수하기만 하면 된다.
다른 유리한 실시예에서 파이프-형상 라이너의 연결 영역은 수축되고, 수축은 예컨대 온도 효과에 의해 수행될 수 있으며 원통형 또는 원뿔형일 수 있고, 수축은 라이너를 수용하기 위한 보스의 외부 영역에서 약간 더 두꺼운 벽 두께로 이어질 수 있다.
다른 유리한 실시예에서 압착 링은 설치 장치에 의해 제 위치에 놓이고, 내부 압착 링의 경우 예를 들면, 보스를 통해 설치 장치에 의해 링을 배치할 수 있어 설치가 용이하다.
또 다른 유리한 실시예에서 압착 링은 설치 시 링과 라이너 사이에 큰 온도 차가 존재하도록 설치 전에 온도 처리되고, 이 온도 차이로 인해 압착 링이 라이너에 놓이거나 원하는 위치까지 라이너에 삽입되어 온도와 라이너의 온도를 동일하게 하여 라이너를 압착하며, 링을 최종 위치에 배치하는 것은 예컨대 하이브리드 압력 용기를 수직으로 배치하고 압착 링을 중력에 의해 최종 위치로 낮추는 방식으로 수행될 수 있고, 압착 링에 자성 재료를 사용하면 압착 링이 내부에 있더라도 외부의 자석을 사용하여 최종 위치까지 가져오는 것도 가능하며, 이것은 또한 설치를 용이하게 하는 데 도움이 된다.
위에 열거된 실시예는 청구범위의 상호 참조로부터 벗어나더라도 개별적으로 또는 임의의 조합으로 본 발명에 따른 장치를 구현하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 측면은 다음과 같이 도면에 상세히 도시되어 있다:
본 발명에 따른 하이브리드 압력용기는 파이프 형상의 라이너를 구비하며, 파이프 모양의 라이너 또는 열경화성 수지로 구성된 반제품 라이너는 예컨대 인발 방식으로 제조하기가 비교적 쉽고, 이러한 방식으로 열경화성 라이너를 저렴하게 생산할 수 있으며, 그들은 또한 안전성과 투과성 면에서 이점을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 압력용기의 일부를 도시한 단면도,
도 2는 밀봉 개념의 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 압력용기의 다른 실시예의 일부를 도시한단면도,
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 압력용기의 다른 실시예의 일부를 도시한단면도 이다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 압력용기(1)의 일부를 도시한 단면도로서, 압력용기(1)는 내부 플라이(31)와 외부 층(3)의 외부 플라이(32)로 덮인 파이프 모양의 라이너(2)를 갖고, 외부 층(3)의 내부 플라이(31)도 파이프 형상이며, 내부 플라이(31)의 단부면은 하이브리드 압력용기(1)의 말단을 형성하는 보스(4)의 카운터피스(42)에 접하고, 외부 플라이(32)는 외부 층의 내부 플라이(31)를 감싸고 있으며, 이 외부 플라이(32)는 또한 보스(4)를 부분적으로 덮고 있어서 보스(4)가 파이프-형상 라이너(2) 및 외부 층(3)의 내부 플라이(31)에 일체로 연결되도록 하고, 하이브리드 압력용기(1)의 외경은 밸브(5; 도면에 도시되지 않음)를 수용할 필요성 때문에 특정 최소 직경을 가져야 하는 보스(4)의 외경에 의해 결정된다. 특히, 라이너(2)의 외경은 보스(4)의 외경 정도이고, 보스(4)의 외경이 라이너(2)의 외경보다 큰 직경 비율로 인해 외부 층(3)의 내층(31)의 보강섬유는 섬유복합관인 경우 보강용으로 필요하며, 용기는 보스(4)의 외경에 도달할 때까지 잘 정의된 방식으로 증착될 수 있고, 이것은 최적으로 원주 방향 플라이가 라미네이트의 내부 면에 위치되어야 하기 때문에 하중 응력 측면에서 유리하며, 라이너(2)와 보스(4)의 외부 윤곽 사이의 전환은 조화를 이룰 수 있고 따라서 하중에 순응할 수 있다. 내부에서 라이너(2)의 라이너 연결부(23)에는 라이너 연결부(23)에서 보스(4)의 카운터피스(42)에 대해 라이너(2)를 압착하는 압착 링(41)이 있고, 카운터피스(42)에는 적어도 2개의 홈(421)이 있으며, 이들 홈(421) 중 하나는 O-링 형태의 밀봉 링(6)을 포함한다.
도 2는 카운터피스(42), 보스(2)의 라이너 연결부(23), 압착 링(41) 및 형성된 밀봉 비드(24a, 24b, 24c)를 갖는 밀봉 개념의 개략도로서, 도 2a에서 카운터피스(42)의 내부면(42i)은 라이너 연결부(23)의 외부면(23a) 위로 슬라이딩 되고, 여기서 O-링으로 구현된 밀봉 링(6)은 홈(421)에 위치되며, 간극(L1, L2)은 에지(421a, 421b)에 대해 존재하며, 간극에는 O-링(6)의 재료가 없다. 또한, 홈(421)은 무부하 상태에서 O-링(6)의 형상에 적합한 윤곽을 가지므로, 카운터피스(42)가 미끄러질 때 링이 꼬이지 않고, 카운터피스(42)가 라이너 연결부(23) 위로 미끄러진 후, O-링(6)이 압축되어 간극(L1, L2)이 감소되지만 그럼에도 불구하고 홈(421) 및 O-링(6)의 치수로 인해 여전히 존재하며, 이때, 이를 위해 필요한 밀봉 압력(AD)은 압착 링(41)이 내부에서 라이너 연결부(23)에 위치된 후에만 생성되기 때문에 아직 밀봉 비드가 형성되지 않는다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 압착 링(41)의 외부면(41a)은 이제 내부에서 라이너 연결부(23)의 내부면(23i)으로 미끄러지고, 이 두 단계(카운터피스(42) 상에서의 슬라이딩 및 압착 링(41)에서의 슬라이딩)는 또한 역순으로 수행될 수 있으며, 도 2c에 도시된 결과는 동일하다. 압착 링(41)이 라이너 연결부(23)의 내부면(23i) 상의 적절한 위치에 배치되었을 때, 밀봉 압력(AD)은 압착 링(41), 라이너 연결부(23) 및 카운터피스(42) 사이에 작용한다. 밀봉 압력(AD)으로 인해 홈(241)과 O-링(6)의 치수가 적절하게 조정되어 이제 제1 및 제2 밀봉 비드(24a, 24b)가 O-링(6)과 제1 및 제2 에지(421a, 421b) 사이의 2개의 간극(L1, L2)으로 돌출되고, 기존의 밀봉(연결 영역에 대한 O-링)과 함께 비드를 형성하는 라이너 재료의 소성 변형성으로 인해 각각 압력용기(1)의 외부 면에 형성된다. 또한, 압착 링(41)은 소성 변형성으로 인해 라이너 재료가 저장 체적(SV)을 향하는 바닥면(41u) 상의 압착 링(41) 주위에 제3 비드(24c)를 추가로 형성하도록 치수가 지정되고, 이 제3 비드(24c)는 제3 비드(24c)가 제 위치에 압착 링을 유지하고 그것이 라이너 안으로 미끄러지거나 떨어지는 것을 방지하는 한 3중 중복으로 밀봉을 지지한다. 추가적으로, 도 2c에서 보스(4)가 압착 링(41)과 카운터피스(42)를 상호 연결하는 추가 안전 요소(43)를 포함하는 실시예가 표시된다(점선으로 도시됨). 이 안전 요소(43)는 나사산이 압착 링(41)의 상부면(41o)에 있는 대응하는 구멍과 확실한 연결을 설정하는 카운터피스(42)에 유지되는 나사이다.
도 3에서 도 1의 상황은 반대 배열로 도시되어 있다. 즉, 압착 링(41)은 이제 라이너(2)의 라이너 연결부(23)의 외부에 위치되는 반면 보스의 카운터피스(42)는 내부에서 라이너(2)의 라이너 연결부(23)로 돌출된다. 따라서 도 1의 설명은 그 반대로 읽어야 한다.
도 4에서는 라이너(2)가 라이너 연결부(23)에서 수축된 상태에서 기본적으로 다시 도 1의 상황이 도시되어 있다. 수축은 예를 들면, 온도 효과에 의해 발생할 수 있으며 여기서 수축은 원통형이고, 수축으로 인해 라이너를 수용하기 위해 보스의 외부 영역에서 벽 두께가 약간 더 커질 수 있으며, 도 1의 나머지 설명은 도 4에도 적용된다.
1 : 하이브리드 압력용기 2 : 라이너
2i : 라이너의 내부면 2a : 라이너의 외부면
2s : 라이너 파이프의 단면 23 : 라이너 연결부
23i : 연결부 라이너 내부면 23a : 연결 영역 라이너의 외부면
23o : 라이너 연결부의 상부면 24a : 제1 밀봉 비드
24b : 제2 밀봉 비드 24c : 제3 밀봉 비드
3 : 외부층 31 : 외부 층의 내부 플라이
32 : 외부 층의 외부 플라이 4 : 보스
41 : 압착 링 41a : 압착 링의 와부면
41i : 압착 링의 내부면 41o : 압착 링의 상단
41u : 하단압착 링의 바닥면 42 : 카운터피스
42i : 카운터피스의 내부면 421 : 홈
421a : 제1 에지 421b : 제2 에지
43 : 안전 요소 5 : 밸브
6 : 밀봉 링(O-링) AD : 밀봉 압력
GV : 가스 연결
L1, L2 : 각각 홈의 첫 번째 또는 두 번째 가장자리와 압착 링 사이의 간극
SV : 저장 체적

Claims (17)

  1. 내부면(2i) 및 외부면(2a)을 갖고 외경(DL)을 갖는 라이너(2) 및 외경(DB)을 갖는 금속성 보스(4)를 갖추고, 금속성 보스(4)는 밸브(5)를 수용하도록 구성되고, 하이브리드 압력용기는 내부에 저장 체적(SV)을 갖추고, 라이너(2)는 파이프 모양이고 보스(4)의 외경(DB)은 적어도 라이너(2)의 외경(DL)만큼 큰 것을 특징으로 하는 하이브리드 압력용기(1).
  2. 제 1항에 있어서, 라이너(2)는 압력 하에서 적어도 부분적으로 소성 변형 가능한 재료로 만들어지고, 하이브리드 압력용기는 보강을 위해 라이너(2)에 적용된 적어도 하나의 외부 층(3) 및 밸브(5)를 수용하고 라이너(2)에 대해 저장 공간을 밀봉하기 위한 압착 링(41) 및 카운터피스(42)와; 보스(4)를 연결하기 위한 외부면(23a) 및 내부면(23i)을 갖는 원통형 라이너 연결부(23)를 포함하는 라이너(2)와; 상기 압착 링(41)은 상기 라이너(2)의 라이너 연결부(23)의 내외부면(23i, 23a)과 상기 압착 링(41) 사이의 밀봉 압력(AD)을 생성하기 위한 카운터피스(42)에 위치되며, 라이너(2)의 라이너 연결부(23)의 다른 외내부면(23a, 23i)에 있는 라이너(2)와 카운터피스(42)의 라이너 연결부(23)와; 라이너(2)의 라이너 연결부(23)를 향하는 내부면(42i)에 저장 체적(SV)을 향하고 밀봉 압력(AD) 하에서 밀봉하는 밀봉 링(6)을 수용하기 위해 반대 방향으로 향하는 제1 에지(421a) 및 제2 에지(421b)를 갖는 적절하게 형성된 홈(421)을 갖는 카운터피스(42)와; 홈(421)과 밀봉 링(6)의 치수가 정해져 있고 라이너 재료가 제공되어 소성 변형성으로 인해 밀봉 압력(AD) 하에서 밀봉 링(6)과 제1 및 제2 에지(421a, 421b) 사이의 적어도 양쪽 간극(L1, L2)에서 돌출된 제1 및 제2 밀봉 비드(24a, 24b)를 형성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 압력 용기(1).
  3. 제 2항에 있어서, 압착 링(41)은 라이너(2)의 라이너 연결부(23)와 라이너(2)의 라이너 연결부(23)의 외부면(23a)에 있는 카운터피스(42)와 압착 링(41) 사이의 밀봉 압력(AD)을 생성하기 위해 라이너(2)와 카운터피스(42)의 라이너 연결부(23)의 내부 면(23i)에 위치하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 압력 용기(1).
  4. 제 2항에 있어서, 압착 링(41)은 라이너(2)의 라이너 연결부(23)와 라이너(2)의 라이너 연결부(23)의 내부면(23i)에 있는 카운터피스(42)와 압착 링(41) 사이의 밀봉 압력(AD)을 생성하기 위해 라이너(2)와 카운터피스(42)의 라이너 연결부(23)의 외부면(23a)에 위치하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 압력 용기(1).
  5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 압착 링(41)은 소성 변형성으로 인해 라이너 재료가 저장 체적(SV)을 향하는 바닥면(41u)의 압착 링(41) 주위에 제3 밀봉비드(24c)를 형성하도록 치수가 설정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 압력 용기(1).
  6. 제 2항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 압착 링(41) 또는 카운터피스(42)는 저장 체적(SV)과 라이너(2)의 라이너 연결부(23)의 상부면(23o) 사이에 개방형 가스 연결(GV)이 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 압력 용기(1).
  7. 제 6항에 있어서, 압착 링(41)은 라이너(2)의 라이너 연결부(23)와 마주하는 외부면(41a)과 반대쪽의 내부면(41i)을 포함하며, 외내부면(41a, 41i)의 카운터피스(42) 라이너(2)의 라이너 연결부(23)에 놓이는 부분은 내외부면(41i, 41a)보다 작은 것을 특징으로 하는 하이브리드 압력 용기(1).
  8. 제 2항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 카운터피스(42)는 라이너(2)의 라이너 연결부(23)와 마주하는 내부면(42i)에 축방향 힘을 흡수하기 위해 하나 이상의 추가로 적절하게 형성된 홈을 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 압력 용기(1).
  9. 제 2항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 다음 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 압력용기(1)의 제조 방법.
    1) 조립식 파이프형 라이너(2)를 제공하는 단계,
    2) 압착 링(41)을 라이너(2)의 라이너 연결부(23) 내 또는 위에 배치하는 단계,
    3) 밀봉 압력(AD) 하에 홈(421)과 밀봉 링(6)이 그에 따라 치수가 정해진 상태에서 밀봉 링(6) 사이의 두 간극(L1, L2)으로 돌출되는 적어도 제1 및 제2 밀봉 비드(24a, 24b)를 형성하는 단계 및 생성될 저장 체적(SV)을 밀봉하기 위해 라이너 재료의 소성 변형성으로 인해 각각 제1 에지(421a) 또는 제2 에지(421b)를 형성하는 단계,
    4) 라이너(2) 상에 외부층(3)을 제조하는 단계, 및
    5) 밸브(5)를 보스(4)에 배치하는 단계.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 방법은 라이너 재료의 소성 변형성으로 인해 저장 체적(SV)을 향하는 바닥면(41u)의 압착 링(41) 주위에 제3 밀봉비드(24c)를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 압력용기(1)의 제조 방법.
  11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서, 상기 외부 층(3)은 내부 플라이(31) 및 외부 플라이(32)를 갖고, 외부 플라이(32)는 내부 플라이(31) 및 보스(4) 위에 싸여 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 압력용기(1)의 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 내부 플라이(31)의 조립식 반제품 파이프는 원주 방향 플라이가 둘러싸이는 섬유 복합 파이프이며, 원주 방향 플라이는 내부에서 외부로 증가하는 섬유 복합 파이프의 길이방향 축에 대한 각도를 가지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 압력용기(1)의 제조 방법.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 파이프 모양의 라이너(2)는 원통형 반제품 파이프에서 길이로 절단된 것을 특징으로 하는 하이브리드 압력용기(1)의 제조 방법.
  14. 제 11항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 플라이(32)는 FCM으로부터 포장되며, 외부 플라이(32)는 30°와 90° 사이, 바람직하게는 35°와 90° 사이, 특히 바람직하게는 40°와 90° 사이의 랩핑 각도로 라이너(2)의 세로축을 감싸는 것을 특징으로 하는 하이브리드 압력용기(1)의 제조 방법.
  15. 제 11항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파이프 모양의 라이너(2)는 라이너 연결부(23)에서 수축되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 압력용기(1)의 제조 방법.
  16. 제 11항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압착 링(41)은 설치 장치에 의해 제 위치에 놓이는 것을 특징으로 하는 하이브리드 압력용기(1)의 제조 방법.
  17. 제 11항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압착 링(41)은 설치 전에 온도 처리를 하여 이러한 온도 차이로 인해 설치 시 압착 링(41)과 라이너 사이의 온도 차이가 크게 발생하고, 라이너(2) 위 또는 라이너(2)에 삽입된 상태에서 압착 링(41)을 원하는 위치로 이동하여 라이너의 온도와 온도를 동일하게 하여 라이너(2)를 압착하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 압력용기(1)의 제조 방법.
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