KR20230142592A

KR20230142592A - 가압 가스, 특히 수소의 격납을 위한 탱크를 제조하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20230142592A
Application number: KR1020237030437A
Authority: KR
Inventors: 마르크 모레; 브뤼 앙투안 드
Original assignee: 포르시아 쥐스뗌 데샤피망
Priority date: 2021-03-09
Filing date: 2022-03-09
Publication date: 2023-10-11
Also published as: US20240066819A1; JP2024509977A; CN117015462A; WO2022189470A1; EP4056345B1; FR3120564B3; FR3120564A3; EP4056345A1

Abstract

본 발명은, 연속 섬유 보강재, 프리즘형 형상 및 두께 e를 갖는 복합 탱크의 내부 공동 내에 가압 가스를 저장하기 위한 상기 탱크를 생성하기 위한 방법으로서, 상기 탱크는 내부 공동을 통해 상기 탱크의 2개의 비연속 면들 사이에서 연장되는 섬유를 포함하는, 방법에 관한 것이다. 본 방법은, 그가 (i) 두께 e를 갖는 프리즘형 섬유질 예비성형체를 획득하는 단계(720) - 프리즘형 섬유질 예비성형체는 그의 두께 전체에 걸쳐 3차원 연속 보강재를 포함함 -; (ii) 두께 e의 1/4 미만의 두께에 걸쳐 상기 예비성형체의 외부 층을 중합체로 함침시켜, 프리즘의 모든 면에 걸쳐 연장되는 복합 외부 셸을 구성하는 단계(760); 및 (iii) 탱크의 공동 내에 함유된 섬유질 네트워크와 외부 셸 사이의 두께 e의 1/10 미만의 두께를 갖는, 내부 라이닝을 구성하는 밀봉된 층을 형성하는 단계(790)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가압 가스, 특히 수소의 격납을 위한 탱크를 제조하기 위한 방법

본 발명은 감소된 벌크(bulk)의, 더 구체적으로는 그러나 배타적이지 않게는 프리즘형 플레이트 형태의, 가압 가스를 함유할 수 있는 탱크를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

종래 기술

수송가능 탱크 내의 가압 가스의 저장은, 대체적으로, 금속 또는 복합 재료로 제조된 원통형 또는 구형 탱크에서 수행된다.

그의 낮은 밀도 때문에, 수소 가스는 비교적 높은 압력에서, 통상적으로 200 바 내지 700 바(2*10⁷ 내지 7*10⁷ Pa)에서 저장된다.

종래 기술로부터의 이러한 유형의 탱크는, 그의 형상 및 그의 부피에 의해, 차량 내에 통합하기 어렵고, 이러한 통합은, 대체적으로, 상기 차량의 승객실을 희생하여 수행된다.

문헌 US 8 651 268에서 설명된 바와 같은 프리즘형 형상의 탱크는 차량 내에 통합하기가 더 용이하다. 그러나, 종래 기술의 이러한 문헌에서 설명된 탱크는 5 cm³ 및 500 cm³ 내에 포함되는 작은 용량을 위해 의도되며, 이는, 특히 에너지 벡터로서, 수소 생산 현장 상에서의 저장 또는 이동성의 분야에서 대부분의 응용에 적합하지 않다.

이를 위해, 본 발명자들은 공계류 중인 출원 FR2102314에서 설명된 탱크를 설계하였으며, 그 탱크는 형상이 프리즘형이고 연속 섬유에 의해 보강된 복합 재료로 제조되며, 프리즘의 모든 면을 덮고 가스의 저장을 위한 내부 공동을 한정하는 외부 셸(shell)을 포함하며, 이러한 탱크는, 상기 내부 공동 내측에서, 탱크의 2개의 인접하지 않은 면들 사이에서 연장되는 보강 섬유를 포함한다.

따라서, 탱크 내측의 섬유 보강재는 그의 강도에 관여하고, 내부 압력에 의해 생성된 응력에 대해 외부 셸 내에 응력을 더 잘 분배하는 것을 가능하게 할 뿐만 아니라, 외부 응력에 대한 패널의 구조적 품질을 상기 탱크에 부여하는 것을 가능하게 하며, 이는, 그의 프리즘형 형상과 조합하여, 차량 또는 항공기의 구조 내로의 상기 탱크의 통합을 용이하게 한다.

본 발명은, 연속 섬유 보강재, 프리즘형 형상 및 두께 e를 갖는 복합 탱크의 내부 공동 내에 가압 가스를 저장하기 위한 상기 탱크를 생성하기 위한 방법으로서, 상기 탱크는 내부 공동을 통해 상기 탱크의 2개의 비연속 면들 사이에서 연장되는 섬유를 포함하는, 방법에 관한 것으로, 상기 방법은,

i. 두께 e를 갖는 프리즘형 섬유질 예비성형체를 획득하는 단계 - 프리즘형 섬유질 예비성형체는 그의 두께 전체에 걸쳐 연속 3차원 보강재를 포함함 -;

ii. 두께 e의 1/4 미만의 두께에 걸쳐 상기 예비성형체의 외부 층을 중합체로 함침시켜, 프리즘의 모든 면에 걸쳐 연장되는 복합 외부 셸을 구성하는 단계; 및

iii. 탱크의 공동 내에 함유된 섬유질 네트워크와 외부 셸 사이의 두께 e의 1/10 미만의 두께를 갖는, 내부 라이닝을 구성하는 밀봉된 층을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명은 아래에 개시된 실시예 및 변형예에 따라 구현되며, 이는 개별적으로 또는 임의의 작동 조합에 따라 고려되어야 한다.

위에 표시된 단계의 번호부여는 단계를 수행하는 시간 순서를 정의하지 않으며, 이러한 순서는 아래에서 설명되는 실시예에 따라 또는 심지어 이들 실시예의 변형예에 따라 상이하다. 이들 단계들이 그들의 구현을 위한 중간 단계를 포함할 때에도 동일하게 적용되며, 이 경우에 소정 중간 단계는 다른 주요 단계 또는 주요 단계의 다른 중간 단계, 또는 심지어 이들 다른 단계의 임의의 중간 단계 전에, 그 후에 또는 그와 동시에 수행될 수 있거나 수행된다.

아래의 설명은 실시예가 필수적인 경우를 특정한다.

구체적으로 명시되지 않는 한, 본문 전체에 걸쳐, 등위 접속사 "또는"은 "및/또는"과 동등하고 포괄적인 것으로 이해되어야 한다.

제1 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 방법의 단계 iii)은, 단계 i) 전에,

iii. 플라스틱 사출 방법에 의해, 내부 셸을 구성하는 셸을 획득하는 단계를 포함하고,

단계 i)은,

i.a 밀봉된 라이닝을 구성하는 셸의 외부 표면 상에 섬유질 플라이(ply)를 드레이핑(draping)하는 단계; 및

i.b 단계 i.a)에서 침착된 섬유질 플라이 및 단계 iii.a)에서 획득된 내부 셸을 통해 예비성형체의 2개의 비연속 면들 사이에 스티칭(stitching)에 의해 섬유를 삽입하는 단계를 포함한다.

이 실시예는 대량 생산에 특히 더 적합하다.

이 실시예에 따르면, 단계 iii.a)에서 획득된 내부 셸은 그의 비연속 면들 중 2개 사이에서 연장되는 중공 스페이서를 포함하고, 단계 i.b)에서 스티칭에 의해 삽입된 섬유는 스페이서 내를 통과한다.

본 발명에 따른 방법의 제2 실시예에 따르면, 단계 ii)는, 단계 i) 후에,

ii.a 단계 i)에서 획득된 예비성형체를 밀봉된 인클로저(enclosure) 내에 패킹하는 단계;

ii.b. 예비성형체를 포함하는 인클로저 내에 진공을 생성하는 단계;

ii.c 예비성형체를 포함하는 인클로저를 액체로 충전하는 단계;

ii.d 액체로 침지된 예비성형체를 동결시키는 단계;

ii.e 예비성형체의 외부 층을 동결-건조시키는 단계;

ii.f 상기 외부 층을 중합체로 함침시켜 외부 셸을 구성하는 단계; 및

ii.g 예비성형체로부터 남은 액체를 배출하는 단계를 포함한다.

이러한 실시예는, 액체의 존재에 의해, 향후의 외부 셸을 구성하는 외부 층만을 단계 ii) 동안 중합체로 함침시키는 것을 가능하게 한다. 그가 특별히 기계가공된 도구를 필요로 하지 않기 때문에, 이 실시예는 개별 또는 맞춤 제조에 더 적합하다.

대안적인 실시예에 따르면, 단계 ii.c)에서 도입된 액체는 물 또는 졸-겔이다.

유리하게는, 본 발명에 따른 방법은, 외부 셸을 함침시키는 단계 ii) 전 또는 후에, 상기 외부 셸을 통과하고 예비성형체의 내측과 외측을 유체 연통시킬 수 있는 커플링을 예비성형체 내에 통합하는 것으로 이루어진 단계를 포함한다.

이러한 커플링은, 유리하게는, 반드시는 아니지만, 가스 탱크를 충전하고 상기 탱크로부터 가스를 인출하기 위한 완성된 부품에 사용되지만, 본 발명의 대상인 제조 방법 동안에도 사용된다.

따라서, 단계 ii.c) 동안 도입된 액체가 물일 때, 커플링은, 단계 ii.g)에서, 예비성형체로부터 물을 흡출하는 데 사용되며, 본 방법은, 단계 iii) 동안, 일단 물이 배출되면,

iii.b 내부 공동 내측의 섬유질 네트워크를 고화시키는 것으로 이루어진 단계를 포함한다.

하나의 변형예에 따르면, 단계 iii.b)는, 커플링을 통해 예비성형체 내측에 중합체를 분무하여 내부 라이닝을 구성하고 상기 공동 내의 섬유질 네트워크를 강화하는 단계를 포함한다.

다른 변형예에 따르면, 단계 iii.b)는 내부 공동 내로의 졸-겔의 주입, 및 졸-겔의 액상의 증발에 의한 상기 공동 내의 섬유질 네트워크의 고화를 포함한다.

단계 ii.c) 동안 도입된 액체가 졸-겔일 때, 커플링은, 단계 ii.g) 동안, 예비성형체 내측의 졸-겔의 액상을 증발시키는 데 사용되며, 단계 iii)은 졸-겔의 중합에 의해 수행된다.

유리하게는, 본 발명에 따른 방법은, 단계 iii) 후에,

iv. 필라멘트 권취에 의해 탱크를 둘러싸는 유지 스트립을 생성하는 단계를 포함한다.

본 발명은, 도 1 내지 도 12를 참조하여, 어떠한 방식으로도 제한되지 않는 그의 바람직한 실시예에 따라 아래에 개시된다.
도 1
도 1은 본 발명에 따른 탱크의 일 실시예의 상부 사시도를 도시한다.
도 2
도 2는 자동차 프레임 내로의 본 발명에 따른 탱크의 예시적인 통합을 사시도로 도시한다.
도 3
도 3은 항공기의 바닥 내로의 본 발명에 따른 탱크의 예시적인 통합을 사시도로 도시한다.
도 4
도 4는 본 발명에 따른 탱크의 구조의 제1 실시예를 정의된 단면도 DD(도 1)로 도시한다.
도 5
도 5는 다른 실시예에 따른, 탱크의 내부 구조를 정의된 단면도 DD(도 1)로 개략적으로 도시한다.
도 6
도 6은 본 발명에 따른 방법의 제1 실시예의 블록도이다.
도 7
도 7은 본 발명에 따른 방법의 제2 실시예의 블록도이다.
도 8
도 8은 그의 제2 실시예에 따른 본 발명의 방법의 드레이핑 단계의 변형을 도시한다.
도 9
도 9는 본 발명에 따른 방법의 구현을 위한 도구의 예를 단면도로 개략적으로 도시한다.
도 10
도 10은 커플링의 예시적인 통합의, AA(도 1)를 따른 정의된 부분 단면도이고, 상기 커플링의 절결 상세도를 포함한다.
도 11
도 11은 본 발명의 방법에 따른 커플링의 통합의 다른 예를 정의된 부분 단면도 BB(도 1)에 따라 도시한다.
도 12
도 12는 본 발명의 방법에 따른 커플링의 제3 통합을 정의된 부분 단면도 CC(도 1)로 도시한다.
본 발명을 구현하는 최상의 방법
[도 1], 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 방법에 의해 획득된 탱크(100)는 직사각형 베이스를 갖는 대체적으로 프리즘형인 형상의 것이고, 범위가 최대 1000 바(10⁸ Pa)일 수 있는 압력에서 가압 가스, 특히 수소를 함유하도록 적응된다.
상기 탱크는, 선택적으로, 그가 임의의 수단에 의해, 특히 볼트결합에 의해 임의의 구조물, 특히 차량의 구조물에 부착될 수 있게 하는 플랜지(110)를 포함한다. 상기 플랜지는, 유리하게는, 탱크의 제조 동안 복합 셸 내에 통합되고, 상기 셸과 동일한 피스(piece)로 제조된다.
탱크(100)는 그가 함유하는 가스의 충전 및 인출을 허용하기 위해 커플링(130, 140, 150)을 포함한다.
도 1은 동일한 탱크 상의 커플링의 3가지 예시적인 실시예를 도시하고 있으며, 당업자는, 동일한 탱크 상의 복수의 커플링의 가능성을 배제하지 않고서, 이들 실시예 중 어느 하나에 따른 하나의 커플링만이 필요하다는 것을 이해한다.
일 실시예에 따르면, 탱크(100)는, 한편으로는 커플링을 유지하도록 그리고 다른 한편으로는 그가 그의 사용 동안 받는 내부 압력 및 외부 응력 둘 모두에 대한 탱크의 저항을 개선하도록 의도되는 하나 이상의 보강 스트립(160)을 포함한다.
도 2 및 도 3에서, 예시적인 사용에 따르면, 본 발명의 탱크(201, 202, 301, 302)는 구조물 내의 바닥 요소로서, 예를 들어 연료 전지를 갖는 전기 차량의 섀시(200) 내에 또는 항공기(300)의 구조물의 승객실 바닥 또는 화물칸 바닥 내에 통합된다.
실시예에 관계없이, 탱크는 섬유 보강재 및 연속 중합체 매트릭스를 갖는 복합 재료로 제조된 외부 셸, 및 외부 셸의 내부 표면에 의해 경계설정되는 밀봉된 내부 공동을 포함하며, 내부 공동은 외부 셸의 면들 사이에서 연장되는 보강재에 의해 경계설정되는 복수의 개방 셀을 포함한다. 따라서, 용기로서의 그의 역할에 더하여, 탱크의 공동은 내부 압력에서의 탱크의 강도 및 외부 응력에 대한 탱크의 저항 둘 모두와 관련하여 구조적 역할을 갖는다.
본 발명에 따른 방법은 상이한 실시예에 따라 외부 셸 및 셀형 공동을 생성하는 것을 목적으로 한다.
[도 4], 제1 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 탱크는 복수의 중공 스페이서(491)를 포함하는 내부 셸(420)을 포함하며, 복수의 중공 스페이서는 상기 내부 셸의 2개의 면들 사이에서 연장되고 이들 2개의 면의 전체 표면에 걸쳐 분포된다.
상기 중공 스페이서(491)는 임의의 형상의 것이지만, 상기 내부 셸(420)의 내부 용적부의 섹션을 밀봉하지 않도록 불연속적이다. 마찬가지로, 상기 스페이서는 그들이 사이에서 연장되는 벽들에 반드시 수직은 아니다.
이 실시예에 따르면, 개방 셀은 내부 공동 내에서 상기 스페이서에 의해 경계설정된다.
이 실시예에 따르면, 튜브형 스페이서(491)는 원통형이고, 내부 셸의 벽과 동일한 부품으로부터 제조되며, 그들의 보어(bore)(492)는 상기 벽을 통과한다.
내부 셸(420)은 가스를 함유할 수 있는 밀봉된 내부 공동(490)을 경계설정한다. 상기 내부 셸은, 예시적인 실시예에 따르면, 고밀도 폴리에틸렌 또는 폴리아미드 PA6로 제조된다.
외부 셸(410)은, 이들 예가 제한적이지 않고서, 탄소, 유리, 아라미드 섬유 또는 이들의 임의의 조합의 40% 내지 65%의 섬유 함량에 대해, 복수의 보강 방향으로 섬유질 플라이의 스택을 포함하는, 연속 중합체 및 섬유질 보강 매트릭스를 갖는 복합 재료로 제조된다.
섬유(404)는 외부 셸(410) 내로 그리고 그의 면들 사이에서 연장되어, 탱크의 내부 공동(490)을 통해 중공 스페이서(491)의 보어(492) 내로 통과한다. 이들 섬유(404)는 중공 스페이서의 보어(492)를 충전하는, 외부 셸의 매트릭스를 구성하는, 열경화성 또는 열가소성인 중합체로 함침된다.
따라서, 섬유(404)를 포함하는 중공 스페이서(491)는, 내부 공동(490) 내의 압력에 의해 인장되고 탱크의 강도 및 저항에 관여하는 횡방향 보강재를 구성한다. 그들은, 또한, 탱크에 의해 형성된 복합 플레이트의 강성 및 굽힘 강도에 기여하는 보강재를 구성한다.
도 5에서, 제2 실시예에 따르면, 탱크는, 의도된 응용에 따라, 기계적 강도 및 압력, 충격 및 압흔에 대한 저항의 특성을 상기 탱크에 제공하도록, 탄소, 유리, 아라미드 단독으로 또는 임의의 조합으로 이루어진 섬유질 플라이의 3차원 네트워크의 형태이다.
탱크는, 섬유가 열가소성 또는 열경화성 특성의 중합체 매트릭스 내에 포획되어, 그에 따라, 연속 섬유질 보강재를 갖는 복합 셸을 구성하는 외부 셸(510)을 포함한다. 이러한 셸(510)은 프리즘의 6개의 면에 걸쳐 연장되고, 그의 내부 면 상에, 밀봉된 라이닝(520)을 포함한다.
이러한 밀봉된 라이닝(520)은 가스, 특히 2수소가 압력 하에 함유될 수 있는 내부 공동(590)을 경계설정한다.
그들이 매트릭스 내에 포획되는 프리즘의 면들 중 하나 상에서 외부 셸 내에 함유된 섬유(501, 502, 503, 504)는, 그들이 또한 중합체 매트릭스 내에 포획되는 셸의 다른 면까지 연장되어, 탱크의 내부 공동(590)을 통과한다. 내부 공동 내의 섬유 함량은 셸 내의 섬유 함량에 비해 크게 감소된다. 따라서, 내부 공동 내의 섬유 또는 섬유의 세트는 이러한 공동 내의 개방 셀을 경계설정한다.
실시예에 관계없이, 탱크는, 바람직하게는 프리즘의 최대 측부의 1/10 이하인 e의 두께를 갖는 프리즘형 플레이트의 형태이다.
외부 셸(410, 510)의 두께(471, 571)는 탱크 내에 함유될 가스의 압력 및 그가 통합되는 구조물에서 탱크가 경험하는 응력, 섬유의 특성 및 함량뿐만 아니라 중합체의 특성의 함수이다. 이러한 두께는 전형적으로는 두께 e의 ¼ 미만이고, 우선적으로는 탱크의 두께 e의 1/10 미만이며, 인용된 데이터에 따른 계산에 의해 결정된다.
내부 라이닝(420, 520)의 두께는 전형적으로는 두께 e의 1/10 미만, 우선적으로는 두께 e의 1/30 미만이다.
[도 6], 도 4에 도시된 탱크의 버전에 적응된, 본 발명에 따른 방법의 제1 실시예에 따르면, 제1 단계(610)는 탱크의 내부 셸을 구성하는 셸을 획득하는 것으로 이루어진다.
일 실시예에 따르면, 이 단계는 플라스틱 사출 방법을 구현한다.
제1 변형예에 따르면, 본 방법은 중공 하프 스페이서(691)를 각각 포함하는 2개의 하프(half) 셸(621, 622)을 획득하는 것으로 이루어지며, 중공 하프 스페이서의 보어(692)는 그들이 부착되는 각자의 하프 셸의 벽을 통과한다.
이어서, 하프 셸은, 예를 들어 밀봉 용접에 의해 조립되어 탱크의 내부 셸을 구성한다.
다른 대안(도시되지 않음)에 따르면, 내부 셸을 획득하는 것은 사출/팽창 방법을 구현한다.
비제한적인 예로서, 내부 셸은 고밀도 폴리에틸렌 또는 폴리아미드(PA6)로 제조된다.
도 6은 스페이서(691)가 형상이 원통형인 특정 예를 도시하고 있지만, 당업자는 이들이 매우 다양한 형상을 취할 수 있다는 것을 이해한다.
드레이핑 단계(620)에서, 연속 섬유(611, 612)가 선행 단계(610)에서 획득된 내부 셸(420)의 외부 면 상에 침착된다. 예시적인 실시예에 따르면, 이러한 단계는 수동 또는 자동 드레이핑에 의해, 오버브레이딩(overbraiding)에 의해, 내부 셸이 코어로서 사용됨으로써, 또는 상기 내부 셸(625)을 3D 편직으로 획득된 하나 이상의 슬리브 내로 스레딩(threading)함으로써, 또는 상기 내부 셸(420) 주위의 필라멘트 권취 기법에 의해 구현된다.
드레이핑 단계 동안 침착된 섬유(611, 612)는 본 발명의 대상인 탱크의 향후의 외부 셸의 연속 보강재의 대부분을 구성한다.
외부 셸을 구성하도록 의도되는 복합 재료의 특성 및 침착 방법에 따라, 드레이핑 단계(620) 동안 침착되는 섬유(611, 612)는 분말화, 필름화 또는 언더캐스팅(undercasting)에 의해 열경화성 또는 열가소성 중합체로 미리함침된 섬유인 건조 섬유이다.
스티칭 단계(630) 동안, 섬유가, 스티칭 라인(604)을 따라, 드레이핑 단계(620) 후에 획득된 예비성형체 내로 스티칭된다. 유리하게는, 이렇게 스티칭된 섬유는 스페이서의 보어를 통과하고, 예비성형체의 전체 두께를 통과하여, 탱크의 향후의 횡방향 보강재를 구성한다.
따라서, 예비성형체 내로 스티칭함으로써 삽입되는 섬유(604)는 스페이서의 보어 내의 향후의 공동 내에서 그리고 그들이 연결하는 탱크의 벽에 실질적으로 수직으로 연장될 뿐만 아니라, 또한 탱크의 벽의 두께에서 이들 벽에 실질적으로 평행하게 연장된다.
함침 및 고화 단계(640) 동안, 외부 셸을 형성하는 섬유질 스택은 중합체로 함침되고 고화되어, 외부 셸 및 횡방향 보강재 둘 모두 내에 섬유 보강재를 갖는 복합 재료를 획득한다.
매트릭스를 구성하는 중합체(들) 및 섬유의 특성에 따라, 함침 및 고화 단계(640)는 건조 섬유 및 열경화성 매트릭스의 경우 알려진 방법에 따라, 수지의 사출 또는 주입에 의해 - 이러한 사출 후에 소성이 이어짐 -, 또는 섬유가 열경화성 또는 열가소성 중합체로 함침되는 경우 용융 가교 또는 용융 고화에 의해, 또는 특히 외부 셸이 그의 충격 강도를 개선하기 위해 외부 층 상에 여러 중합체, 예를 들어 열가소성 중합체 매트릭스를 포함하는 경우 이들 다양한 공정의 조합에 의해 획득된다.
이들 함침-고화 방법은 종래 기술로부터 알려져 있으며, 위에서 설명되지 않는다. 그들은 진공 하에서 또는 압력 하에서, 오토클레이브에서 또는 자율 장비에서 구현된다.
아래에서 설명되는 다른 실시예와 비교하여, 이러한 제1 실시예는 대량 생산 실시예에 더 적합하다. 사출 용접 또는 사출 블로잉에 의해 내부 쉘을 제조하기 위한 작업, 건조 섬유로부터의 3D 편직 또는 오버브레이딩에 의한 또는 열가소성 중합체로 함침된 섬유 슬리브의 제조, 및 마지막으로 함침-고화 작업은 대응하는 특정 수단을 구현하는 원거리 생산 현장에서 수행될 수 있다.
[도 7], 측정 또는 유닛 상에서 제조하기에 더 적합하지만 배타적이지 않은 다른 실시예에 따르면, 드레이핑 단계(710) 동안, 실질적으로 프리즘형인 건조 예비성형체가 획득된다.
이 실시예는 도 5에 도시된 탱크의 것에 대응한다.
이 경우에, 아래에 개시된 대안적인 실시예에 따른 대체적인 원리는 획득된 섬유 예비성형체를 액체로 충전하는 것, 및 이러한 액체에 의해, 외부 셸을 구성하기 위한 함침된 구역을 제어하는 것으로 이루어진다.
하나의 예시적인 실시예에 따르면, 드레이핑은, 프리즘의 측방향 면을 연결하는 위사 섬유(501), 및 그들의 단면 배향이 각각 0°와 45° 사이에서 변화하여 다른 2개의 측방향 면들 사이뿐만 아니라 프리즘의 상부 면과 하부 면 사이의 접합을 보장하도록 직조되는 경사 섬유(502, 503)를 포함하는, 통상적으로 인터로크(interlock)로 지칭되는 상호직조 유형의 신축성 3차원 직물을 사용한다.
스티칭 단계(720)에 따르면, 이렇게 획득된 예비성형체는 프리즘의 2개의 반대편 면들 사이에서 연장되는 스티치(504)에 의해 보강된다.
도 8에서, 대안적으로, 드레이핑 단계는, 향후의 내부 공동에 대응하는 구역에, 저장 용적부를 생성하기 위해 3차원 부직포로 제조된 스페이서(891)를 포함하는 섬유질 네트워크를 생성한다. 이 변형예에서, 섬유 네트워크는 탱크의 측방향 면을 연결하는, 교차 방향으로의 능직형(twill-type) 또는 태피터형(taffeta-type) 직물(805₁, 805₂)의 스택으로 이루어진다.
동일한 방식으로, 이러한 건조된 예비성형체는 서로 반대편인 면들 사이에서 연장되는 스티치(804)에 의해 보강된다.
따라서, 예비성형체 내로 삽입되는 섬유(804)는 향후의 공동 내에서, 그들이 연결하는 탱크의 벽에 실질적으로 수직으로 연장될 뿐만 아니라, 또한 탱크의 벽의 두께에서 이들 벽에 실질적으로 평행하게 연장된다.
용어 "3차원 부직포"는 광범위하게 해석되어야 한다. 비제한적인 예에 따르면, 그는 개방 셀을 포함하는 폼(foam), 또는 중합체 와이어의 부직 매트이다.
도 7로 돌아가서, 함침에 앞서, 충전 단계(730)에 따르면, 건조 예비성형체는 진공이 생성되는 밀봉된 공동을 포함하는 도구 내에 배치된다. 일단 내측에 진공이 존재하면, 예비성형체를 포함하는 밀봉된 공동은 도구 내로 주입되는 액체(731)로 충전된다.
도 9는 이러한 도구의 원리의 예를 도시한다. 이 실시예에 따르면, 도구는, 예비성형체가 수용되는 밀봉된 공동(911)을 한정하는 타폴린(tarpaulin)(901)을 포함한다. 상기 도구는 상표명 GoreTex®로 더 통상적으로 지칭되는, 팽창 폴리테트라플루오로에틸렌의 반투과성 멤브레인(932)에 의해 보호되는 진공 펌프(931)에 연결된 하나 이상의 흡입 오리피스(930)뿐만 아니라, 밸브(도시되지 않음)를 포함하는 하나 이상의 주입 오리피스(935)를 포함한다. 펌프(931)는, 공동(911) 및 주입 포트(935)를 비워 상기 공동을 충전하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 대상인 본 방법의 구현 동안, 도구는 온도가 제어되는 하나 이상의 연속적인 챔버 내에 배치된다.
변형예에 따르면, 단일 도구가 특정 방법의 모든 단계에 사용되거나, 또는 다수의 도구가 다양한 단계에서 사용된다.
따라서, 충전 단계(730) 동안, 흡입 포트를 통해 공기를 인출함으로써, 건조 예비성형체를 포함하는 도구의 내측에 진공이 생성되고, 이어서 그는 주입 포트를 통해 액체(731)로 충전된다.
제1 대안적인 실시예에 따르면, 충전 단계 동안 사용되는 액체(731)는 물이고, 상기 충전 단계 후에 동결 단계(740)가 이어진다. 이 단계 동안, 물로 완전히 침지된 예비성형체를 포함하는 도구 조립체는 -20℃ 내지 -80℃의 온도에 이르게 되어, 물을 동결시킨다. 이어서, 예비성형체는 얼음(741) 내에 포획된다.
승화 단계(750) 동안, 조립체는 예비성형체를 포획한 얼음의 일부를 승화시키기 위해 진공 하에서 점진적으로 가열된다. 이러한 승화 공정은 온도 상승 속도 및 진공 압력에 의해 제어된다. 이들 조건은 시험을 통해 개발되었다.
하나의 대안적인 실시예에 따르면, 이러한 승화 단계는 예비성형체가 도구 내에 배치되는 동안 수행되며, 그의 흡입 수단은 진공을 제어하는 데 사용되고, 도구는 온도 제어를 허용하는 인클로저 내에 배치된다.
다른 변형예에 따르면, 이러한 단계는 얼음으로부터 인출된 예비성형체를 도구 밖으로 꺼냄으로써 그리고 예비성형체를 진공 및 온도가 제어되는 동결-건조 챔버 내에 배치함으로써 수행된다. 이 경우에, 예비성형체는 후속 단계들이 수행되도록 도구 내에 배치된다.
둘 모두의 경우에서, 승화된 얼음의 두께인 예비성형체의 외측에 의해 수행되는 가열은 예비성형체의 외측으로부터 중심을 향해 전파되어, 이 두께에서 섬유를 동결-건조시키며, 수증기는 도구의 흡입 포트를 통해 또는 동결-건조 챔버에 의해 인출된다.
충분한 두께의 층이 동결-건조될 때, 그리고 필요한 경우, 사출 또는 주입 도구에서 예비성형체를 교체한 후에, 동결-건조된 섬유를 함침시키기 위해, 사출 단계(760) 동안, 액체 수지(761)가 상기 층 내로 사출 또는 주입된다. 예비성형체의 섬유들의 나머지는 얼음 내에 포획되어 유지된다.
따라서, 수지의 사출 동안, 외부 층만이 함침되어 예비성형체의 외부 셸을 구성한다.
소성 단계(770) 동안, 향후의 외부 셸 내로 주입된 수지는 가교되어 그에 그의 기계적 특성을 부여한다. 얼음의 용융으로부터 생성된 물은 탱크의 향후의 공동을 형성할 예비성형체 내측에 포획되어 유지된다.
이어서, 이렇게 획득된 블랭크(blank)는 주형으로부터 제거된다.
비우는 단계(780) 동안, 선행 단계에서 획득된 블랭크의 내측으로 외부 셸을 통과하는 하나 이상의 커플링(160)이 삽입 및 사용되어 상기 블랭크 내측에 함유된 물을 배출한다.
비우고 건조시킨 후에, 셀형 공동을 고화시키는 단계(790) 동안, 수지는 커플링(들)(160)에 의해 예비성형체 내측에 분무되어, 밀봉된 라이닝(520)을 구성하고, 공동 내의 섬유를 함침시킨다.
밀봉된 라이닝(520) 외측에서, 섬유는 분무 동안 간단히 함침되어, 매트릭스를 구성하지 않고서 그들에 소정 강성을 제공하여서, 그에 따라, 가스를 함유하기 위해 공동 내측에 자유 셀형 용적부를 남긴다.
하나의 대안적인 실시예(도시되지 않음)에 따르면, 비우는 단계(780)의 준비로 설치되는 피팅(fitting) 또는 그의 일부는 드레이핑 단계 시에 또는 드레이핑 단계(720)와 준비 단계(730) 사이에서 예비성형체 내에 설치된다. 이 경우에, 상기 커플링은, 예를 들어, 2개의 부품으로 제조되며, 커넥터로 불리우는 상기 부품들 중 하나는 예비성형체 내에 통합되고, 예비성형체의 외부 면과 동일 평면 상에 있으며, 캡에 의해 폐쇄된다.
유리하게는, 이러한 동일한 커플링은, 선택적으로 다른 형태의 연결부를 커넥터에 연결함으로써, 향후의 탱크로부터 가스를 충전 또는 인출하는 데 사용된다.
하나의 대안적인 실시예에 따르면, 충전 단계(730)는 예비성형체를 수용하는 공동을 충전하는 졸-겔을 구현한다.
다음 단계들은, 예를 들어 선행 단계에서 획득된 블랭크를 가열함으로써, 하나 이상의 커플링을 통해, 졸-겔의 액상이 증발되는 비우는 단계(780)까지 동일하다. 따라서, 셀형 공동을 고화시키는 단계(790)는 졸-겔의 액상이 증발에 의해 제거됨과 동시에 섬유 상에서의 졸-겔의 응축에 의해 수행된다.
따라서, 이러한 변형예에 따르면, 동결-건조 단계 및 비움 및 조합된 고화 단계 둘 모두 동안, 졸-겔은 외부 셸 측부 상의 향후의 공동의 표면에서, 이어서, 비우는 단계 동안 이 공동 내에 수용된 섬유 상에서 탱크의 공동 내측에서 각각 중합되어, 밀봉된 라이닝을 생성한다.
또 다른 실시예에 따르면, 충전 단계 동안 주입되는 액체(731)는 물이고, 본 방법은, 비우는 단계(780)를 포함하여 그까지, 위에서 설명된 바와 같이 행해진다.
고화 단계(790) 전에, 이전에 물이 비워지고 건조된 내부 공동 내로 졸-겔이 주입된다.
따라서, 고화 단계는 졸-겔의 액상의 증발 및 내부 공동 내의 섬유 상에서의 그의 중합에 의해 수행된다.
실시예에 관계없이, 외부 셸 내의 섬유의 비율은 그 셸에 높은 기계적 특성을 부여하기 위해 40% 내지 65%이다.
내부 공동 내의 섬유의 비율은 상당히 감소되고, 4%와 10% 사이에 포함된다.
따라서, 외부 셸에 포함되고 2개의 면들 사이에서 공동을 통해 연장되는 섬유는 내부 압력 및 외부 응력 둘 모두와 관련하여 탱크의 기계적 강도에 관여하지만, 가압 가스를 함유할 수 있는 용적부를 공동 내에 제공한다. 이들 값은 탱크의 기계적 강도와 용량 사이의 절충에 관한 바람직한 실시예를 나타내지만, 당업자는 공동 내의 이러한 섬유 함량이, 의도된 응용에 따라, 유리하게는, 용량을 손상시키면서 기계적 강도를 증가시키도록 상승되거나 그 반대의 경우도 가능하다는 것을 이해한다.
위에 기재된 실시예는 단일 체적의 내부 공동을 고려하며, 횡방향 보강재는 그의 구획화를 수행하지 않고서 상기 공동 내로 연장된다.
당업자는 본 발명에 따른 방법이, 고려되는 실시예에 관계없이, 구획화된 내부 공동을 생성하는 것을 가능하게 하며, 후자는, 외부 셸의 함침 및 고화와 관련된 것을 제외하고는, 설명된 단계를 구획별로 구현함으로써 용이하게 적응된다는 것을 이해한다.
도 1로 돌아가서, 구현되는 방법에 관계없이, 도구는, 탱크로부터 충전 및 인출하도록 의도되는 하나 이상의 커플링(160)을 포함한다. 상기 커플링은, 유리하게는, 섬유질 예비성형체가 중합체로 함침되기 전에 그 내에 통합된다.
[도 10], 제1 실시예에 따르면, 커플링(130)은 그에 덕트를 연결하기 위한 외부 부분, 및 탱크의 복합 셸(510)을 통해 내부 공동(590) 내로 연장되는 내부 부분(331)을 포함한다. 커플링(130)은, 예를 들어, 의도된 응용에 따라, 수소 취화(hydrogen embrittlement) 현상에 저항하도록 선택되는 금속 재료, 예를 들어 구리 또는 알루미늄 합금으로 제조된다.
이러한 예시적인 실시예에 따르면, 탱크 내측에서 연장되는 커플링의 부분(1031)은 나사형성된다. 이러한 나사(131)는 섬유를 손상시키지 않고서 커플링에 인열 저항을 제공한다.
도 11에서, 다른 실시예에 따르면, 커플링(140)은, 의도된 응용에 따라, 수소 취화 현상에 저항하도록 선택되는 금속 재료, 예를 들어 구리 또는 알루미늄 합금으로 제조된 커플링 블록(1140) 내에 통합된다.
도 11은 암형 커플링(140)을 도시하고 있지만, 당업자는 수형 커플링이 동일한 원리 하에서 실현될 수 있다는 것을 이해한다.
커플링 블록(1140)은, 섬유를 손상시키지 않고서, 가스를 함유하는 공동(590) 내로 섬유질 스택 내로 침투할 수 있는, 바람직하게는 원추형인 바늘(1141)을 포함한다.
금속 또는 바람직하게는 필라멘트 권취에 의해 획득된 복합재로 제조된 하나 이상의 유지 스트립(160)이 탱크 주위로 연장되고, 탱크에 대한 커플링 블록(1140)의 유지를 보장한다.
[도 12], 다른 실시예에 따르면, 커플링(150)은, 외부 셸(510) 및 섬유질 스택을 통해 탱크의 공동(590)의 내측으로 침투하는 리브형 바늘(1251)을 포함한다. 앞선 실시예에 따르면, 커플링(150)은 구리 또는 알루미늄 합금과 같은, 적절한 경우 수소 취화에 저항하는 금속 재료로 제조된다.
이러한 예시적인 실시예에 따르면, 상기 커플링은, 하나 이상의 유지 스트립(160)에 의해 또한 유지되는 금속 플랜지(1250)에 의해 제 위치에 유지된다.
앞선 예들은 도 5에 도시된 버전에 따라 생성된 탱크 내에의 상이한 커플링 변형예의 통합을 보여주고 있지만, 당업자는 이들 실시예가 도 4 및 도 8에 도시된 탱크의 버전에 적용가능하다는 것을 이해한다.
위의 설명 및 예시적인 실시예는, 본 발명이, 가압 가스를 함유할 수 있는 밀봉된 내부 공동 및 탱크의 비연속 면들 사이에서 상기 공동을 통과하는 횡방향 보강재를 포함하는 프리즘형 복합 탱크의 대량 생산 또는 개별 제조에 적응된 경제적인 방법을 제안함으로써, 의도된 목적을 달성함을 보여준다.

Claims

연속 섬유 보강재, 프리즘형 형상 및 두께 e를 갖는 복합 탱크(100, 201, 202, 301, 302)의 내부 공동 내에 가압 가스를 저장하기 위한 상기 탱크의 제조를 위한 방법으로서, 상기 탱크는 상기 내부 공동(490, 590)을 통해 상기 탱크의 2개의 비연속 면들 사이에서 연장되는 섬유(404, 504, 804)를 포함하는, 방법에 있어서, 상기 방법은,
i. 두께 e를 갖는 프리즘형 섬유질 예비성형체를 획득하는 단계(620, 720) - 프리즘형 섬유질 예비성형체는 그의 두께 전체에 걸쳐 연속 3차원 보강재를 포함함 -;
ii. 상기 두께 e의 1/4 미만의 두께(471, 571)에 걸쳐 상기 예비성형체의 외부 층(410, 510)을 중합체로 함침시켜, 프리즘의 모든 면에 걸쳐 연장되는 복합 외부 셸(shell)을 구성하는 단계(640, 760); 및
iii. 상기 탱크의 공동 내에 함유된 섬유질 네트워크와 상기 외부 셸 사이의 상기 두께 e의 1/10 미만의 두께(472, 572)인, 내부 라이닝을 구성하는 밀봉된 층(420, 520)을 형성하는 단계(610, 790)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항에 있어서, 단계 iii)은, 단계 i) 전에,
iii.a 플라스틱 사출 방법에 의해, 상기 내부 라이닝을 구성하는 셸을 획득하는 단계(610)를 포함하고,
단계 i)은,
i.a 상기 내부 라이닝(420)을 구성하는 상기 셸의 외부 표면 상에 섬유질 플라이(ply)(611, 612)를 드레이핑(draping)하는 단계(620); 및
i.b 단계 i.a)에서 침착된 상기 섬유질 플라이 및 단계 iii.a)에서 획득된 내부 라이너를 통해 상기 예비성형체의 2개의 비연속 면들 사이에 스티칭(stitching)(630)에 의해 섬유를 삽입하는 단계를 포함하는, 방법.
제2항에 있어서, 단계 iii.a)에서 획득된 상기 내부 라이닝은 그의 비연속 면들 중 2개 사이에서 연장되는 중공 스페이서(691)를 포함하고, 단계 i.b)에서 스티칭에 의해 삽입된 상기 섬유(404)는 상기 스페이서 내측을 통과하는, 방법.
제1항에 있어서, 단계 ii)는, 단계 i) 후에,
ii.a 단계 i)에서 획득된 상기 예비성형체를 밀봉된 인클로저(enclosure) 내에 패킹하는 단계;
ii.b. 상기 예비성형체를 포함하는 상기 인클로저 내에 진공을 생성하는 단계;
ii.c 상기 예비성형체를 포함하는 상기 인클로저를 액체(731)로 충전하는 단계(730);
ii.d 상기 액체로 침지된 상기 예비성형체를 동결시키는 단계(740);
ii.e 상기 예비성형체의 외부 층을 동결-건조시키는 단계(750);
ii.f 상기 외부 층을 중합체로 함침시켜 상기 외부 셸을 구성하는 단계(760); 및
ii.g 상기 예비성형체로부터 남은 액체를 배출하는 단계(780)를 포함하는, 방법.
제4항에 있어서, 단계 ii.c)에서 도입된 상기 액체(731)는 물인, 방법.
제4항에 있어서, 단계 ii.c)에서 도입된 상기 액체(731)는 졸-겔인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 외부 셸을 함침시키는 단계 ii) 전 또는 후에, 상기 외부 셸(410, 510)을 통과하고 상기 예비성형체의 내측과 외측을 유체 연통시킬 수 있는 커플링(130, 140, 150)을 상기 예비성형체 내에 통합하는 것으로 이루어진 단계를 포함하는, 방법.
제7항에 있어서, 상기 액체는 물이고, 상기 커플링은, 단계 ii.g)에서, 상기 예비성형체로부터 상기 물을 흡출하는 데 사용되며, 상기 방법은, 단계 iii) 동안, 일단 상기 물이 배출되면,
iii.b 상기 내부 공동 내측의 상기 섬유질 네트워크를 고화시키는 것(790)으로 이루어진 단계를 포함하는, 방법.
제8항에 있어서, 단계 iii.b)는 상기 커플링(130)을 통해 상기 예비성형체 내측에 중합체를 분무하여 상기 내부 라이닝(520, 820)을 구성하는 단계, 및 상기 공동 내의 상기 섬유질 네트워크를 고화시키는 단계를 포함하는, 방법.
제8항에 있어서, 단계 iii.b)는 상기 내부 공동 내로의 졸-겔의 주입, 및 상기 졸-겔의 액상의 증발에 의한 상기 공동 내의 상기 섬유질 네트워크의 고화를 포함하는, 방법.
제7항에 있어서, 상기 액체는 졸-겔이고, 상기 커플링은, 단계 ii.g) 동안, 상기 예비성형체 내측의 상기 졸-겔의 액상을 증발시키는 데 사용되며, 단계 iii)은 상기 졸-겔의 중합에 의해 수행되는, 방법.
제7항에 있어서, 단계 iii) 후에,
iv. 필라멘트 권취에 의해 상기 탱크를 둘러싸는 유지 스트립(160)을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.