KR20240005680A - 복합 상호 직조 가스 봉입 조립체 - Google Patents

복합 상호 직조 가스 봉입 조립체 Download PDF

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채드 앨빈 씨더버그
켄 씨. 핼보젠
브래들리 제이. 마우트레이
브라이언 씨. 예기
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어질러티 퓨엘 시스템즈 엘엘씨
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Abstract

필라멘트를 실질적으로 원통형인 형틀 상에 권선함으로써 형성되는 구조적 쉘을 갖는 압력 용기가 제공된다. 구조적 쉘은 제1 필라멘트 및 제2 필라멘트를 갖는다. 제1 필라멘트는 제1 재료를 포함한다. 제1 필라멘트는 주 후프 방향으로 형틀의 주위에 권선된다. 제2 필라멘트는 제2 재료를 포함한다. 제2 재료는 제1 재료와 상이하다. 제2 필라멘트는 주 나선 방향으로 형틀의 주위에 권선된다. 제1 필라멘트 및 제2 필라멘트는 형틀 상에서 층으로 상호 직조된다.

Description

복합 상호 직조 가스 봉입 조립체
임의의 우선권 출원의 참조로서의 포함
본원과 함께 제출된 출원 정보서(Application Data Sheet)에서 식별된 국외 또는 국내 우선권 주장에 대한 임의의 그리고 모든 출원이 37 C.F.R. § 1.57 하에서 참조로 여기에 포함된다. 예를 들어, 본원은 2021년 5월 7일자로 출원된 미국 가특허출원 제63/201667호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
본 개시 내용은 고압 정격 가스 실린더, 저비용의 고내구성 가스 실린더, 및/또는 다른 가스 봉입 구조물을 제공하기 위한 라이너 및 보강 구조물을 갖는 가스 실린더 조립체에 관한 것이다.
가스 실린더는 압력 용기로서 그리고 압축 천연 가스(CNG)를 위한 연료 탱크로서 구성될 수 있고, 운반 분야에서 수소를 저장하기 위해서 사용될 수 있다. 그러한 탱크는 4가지 상이한 유형들로 분류될 수 있다. 유형 3 및 유형 4의 탱크 설계는 각각 금속 및 중합체 라이너, 그리고 섬유 보강재를 이용한다. 섬유 보강재는 구조적 보강을 제공하기 위한 필라멘트 랩핑 층(filament wrapped layer)을 포함한다. 다른 탱크 유형과 달리, 유형 4의 탱크는 부식되지 않고, 단위 저장 부피당 무게가 더 가볍고, 제조 비용이 저렴하다.
섬유 보강 필라멘트를 라이너 위에 랩핑하는 것은 복잡한 프로세스이다. 탱크가 가압될 때, 반경방향 하중은 축방향 하중보다 훨씬 더 크다. 결과적으로, 섬유는 축방향으로 제공되는 것보다 큰 반경방향 보강을 제공하여야 한다. 보강 차이는, 탱크의 중앙 원주방향 섹션에서 하나의 섬유 권선 패턴을 제공하고, 탱크의 돔형 단부에서 상이한 권선 패턴을 제공함으로써 달성된다.
이러한 권선 패턴을 제공하기 위해서, 통상적인 탱크 프로세싱은 중앙 섹션 권선 패턴으로부터 돔형 단부 권선 패턴으로 전환하는 것을 포함한다. 하나의 기술에서, 이러한 전환은 중앙 섹션의 단부에서 반경방향 보강을 위해서 권선되는 섬유 필라멘트를 컷팅함으로써 달성된다. 이어서, 섬유 필라멘트의 자유 단부를 탱크에 연결하고, 섬유 필라멘트를 재배향하고, 이어서 단부 패턴을 탱크 주위에 권선함으로써 단부 섹션 패턴 권선이 시작될 수 있다. 이러한 접근 방식은 대량 생산에서는 실용적이지 않다. 다른 기술에서, 전환은, 마찰 한계 내에서, 섬유 각도를 중앙 섹션 내의 큰 각도로부터 단부 섹션 패턴 내의 작은 각도로 서서히 조정함으로써 달성된다. 그러나, 이러한 접근 방식은 구조적으로 필요한 것보다 더 많은 재료를 권선하는 것을 포함하므로, 중량, 두께/직경, 권선 시간, 및 비용이 추가된다.
압력 용기 및 연료 탱크와 같은 가스 실린더, 그리고 파이프를 포함하는 다른 가스 봉입 조립체의 생산에서 섬유 권선 기술을 개선하여, 실용적이고 대량 생산이 용이한 프로세스를 제공하고 제품 손상을 줄일 필요가 있다. 이러한 제품 손상은 권선 패턴 전환부의 한계로 인해서 발생될 수 있다. 후프 스트랜드(hoop strand) 및 나선 스트랜드를 동시에 권선하여 상호 직조 구조물(interwoven structure)을 획득함으로써 개선이 달성될 수 있다. 이러한 접근 방식은, 동일한 또는 상이한 재료의 후프 스트랜드 및 나선 스트랜드를 이용하여 단위 중량당 보강을 개선할 수 있다.
일부 적용예에서, 상호 직조를 촉진하기 위해서 후프 스트랜드 및 나선 스트랜드를 독립적으로 적용할 수 있게 하는 권선 장치가 제공될 수 있다. 바람직하게는, 권선 장치는 상이한 재료들 및/또는 상이한 재료 조성들로 동시에 권선하는 것을 촉진할 수 있고, 그에 따라 필요한 곳에서 더 강한 그리고 낮은 강도로 충분한 곳에서 더 적은 과다 섬유를 갖는 상호 직조 구조물을 제공할 수 있다.
하나의 예에서, 파이프 또는 압력 용기와 같은 가스 봉입 조립체는 하나의 3차원 상호 직조 층에 의해서 보강된 라이너를 포함할 수 있다. 하나의 3차원 상호 직조 층의 내부 표면은 라이너의 외부 표면과 직접 접촉될 수 있다. 하나의 3차원 상호 직조 층의 외부 표면은 완전히 형성된 탱크의 외부 표면을 형성할 수 있다. 일부 경우에, 완전히 형성된 탱크의 외부 표면은 또한 도색되거나 달리 마무리될 수 있으나, 그러한 경우에 부가적인 구조적 층은 필요하지 않다.
주 후프 스트랜드 및 주 나선 스트랜드를 상호 직조하는 방법은, 상이한 강성도(stiffness)의 재료 또는 상이한 강성도의 재료 조성으로 형성된 구분된 층들 사이에서 어떠한 구분된 경계도 가지지 않는, 복합 구조물을 제공할 수 있다. 그러한 구조물은, 층 분리 및/또는 특정 충격 각도 또는 충격력의 방향과 관련하여, 층상형 구조물보다 훨씬 더 내구적인 것으로 생각된다.
다른 실시형태에서, 형틀(form)(예를 들어, 금속 또는 중합체 라이너, 파이프 라이너, 굴대, 및/또는 제거 가능한 형틀)이 스핀들에 장착된다. 스핀들을 이용하여 형틀을 회전시킨다. 형틀이 회전되는 동안, 제1 재료의 제1 필라멘트가 주 후프 방향으로 권선된다. 제1 필라멘트가 권선되는 동안, 제2 필라멘트를 주 나선 방향으로 동시에 권선한다. 제1 필라멘트 및 제2 필라멘트를 동시에 권선하는 것은 형틀 주위에 배치되어 보강하는 상호 직조 구조물을 제공한다. 형틀이 라이너인 경우, 형틀은 최종 제품 내로, 예를 들어 압력 용기 또는 파이프 조립체 내로 통합될 수 있다. 일부 방법에서, 형틀은 제거될 수 있고, 그에 따라 필라멘트의 내부 층이 구조물의 자유 표면, 예를 들어 내측부를 형성한다.
일부 방법에서, 제1 및 제2 필라멘트의 권선은 제1 구성(예를 들어, 라이너의 경선(meridian)에 대한 각도)의 제1 아이(eye)를 갖는 제1 캐리지 및 제2 구성(예를 들어, 라이너의 경선에 대한 각도)의 제2 아이를 갖는 제2 캐리지에 의해서 독립적으로 제어된다. 제1 및 제2 캐리지는 라이너 또는 다른 형틀 위를 다수 통과하여 진행하고, 그에 따라 각각의 통과에서 상호 직조되는 그리고 후속 통과에 의해서 적용되는 보강 층의 구분된 변형 경계 층 부분이 없는 3차원 구조물을 생성하도록 제어될 수 있다.
일부 방법에서, 제1 필라멘트를 권선하는 것 그리고 동시에 제2 필라멘트를 권선하는 것은, 예를 들어 완전한 보강 구조물의 내부 경계로부터 완전한 보강 구조물의 외부 경계까지 연속적인 제1 필라멘트 및 제2 필라멘트 중 적어도 하나로 수행된다. 본원에서 사용된 바와 같이, 완전한 보강 구조물은, 적용예를 위해서 충분히 강한 그리고 보강 구조물의 외측에서 표면 마감, 페인트, 또는 다른 층을 포함할 필요가 없는 보강 구조물이다.
일부 방법에서, 제1 필라멘트를 권선하는 것은 라이너(또는 더 일반적으로 형틀)의 경선에 대한 제1 각도 범위에 걸쳐 권선 장치의 제1 아이를 조정하는 것을 포함할 수 있고, 동시에 제2 필라멘트를 권선하는 것은 라이너(또는 더 일반적으로 형틀)의 경선에 대한 제2 각도 범위에 걸쳐 권선 장치의 제2 아이를 조정하는 것을 포함할 수 있다. 일부 접근 방식에서, 제1 각도 범위는 제2 각도 범위와 중첩되지 않는다. 제1 각도 범위는 주 후프 방향에 상응할 수 있고 제2 각도 범위는 주 나선 방향에 상응할 수 있다. 제1 각도 범위는 약 80도 내지 약 100도일 수 있다. 제2 각도 범위는 약 20도 내지 약 -20도일 수 있다.
일 실시형태에서, 실질적으로 원통형인 형틀 상의 필라멘트 권선에 의해서 형성된 구조적 쉘(shell)을 갖는, 압력 용기 또는 더 일반적으로 파이프와 같은 가스 봉입 조립체가 제공된다. 일부 실시형태에서, 형틀은 경량, 예를 들어 중합체 라이너일 수 있다. 일부 실시형태에서, 형틀은 금속 라이너일 수 있다. 일부 실시형태에서, 형틀은 분리 가능할 수 있다. 구조적 쉘은 제1 필라멘트 및 제2 필라멘트를 갖는다. 제1 필라멘트는 제1 재료를 포함한다. 제1 필라멘트는 주 후프 방향으로 형틀의 주위에 권선된다. 제2 필라멘트는 제2 재료를 포함한다. 제2 재료는 제1 재료와 상이하다. 제2 필라멘트는 주 나선 방향으로 형틀의 주위에 권선된다. 제1 필라멘트 및 제2 필라멘트는 형틀 상에서 층으로 상호 직조된다.
다른 실시형태에서, 실질적으로 원통형인 형틀(예를 들어, 중합체 라이너, 경량 라이너, 경량 중합체 라이너, 금속 라이너, 파이프 라이너, 굴대, 및/또는 분리 가능 형틀), 제1 필라멘트, 및 제2 필라멘트를 포함하는, 압력 용기 또는 더 일반적으로 파이프 조립체와 같은 가스 봉입 조립체가 제공된다. 제1 필라멘트는 주 후프 방향으로 형틀의 주위에 권선된다. 제2 필라멘트는 주 나선 방향으로 형틀의 주위에 권선된다. 제1 필라멘트의 제1 부분이 제2 필라멘트 위에 배치되고 제1 필라멘트의 제2 부분이 제2 필라멘트 아래에 배치되도록, 제1 필라멘트 및 제2 필라멘트가 형틀 상에서 직조된다. 본원에서 사용된 바와 같이, 하나의 필라멘트는, 그 길이가 압력 용기의 반경방향으로 다른 필라멘트와 라이너 사이에 있는 경우, 다른 필라멘트의 아래에 위치된다.
제1 필라멘트 및 제2 필라멘트는 동일한 재료일 수 있다. 제1 및 제2 필라멘트가 동일한 재료인 경우, 제1 및 제2 필라멘트의 조성이 동일할 수 있다. 제1 및 제2 필라멘트가 동일한 재료일 수 있으나, 제1 및 제2 필라멘트가 상이한 재료 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 필라멘트 및 제2 필라멘트가 동일한 재료를 포함할 수 있으나, 제1 재료가 더 높은 강도로 구성될 수 있다. 제1 및 제2 필라멘트가 상이한 재료들을 포함할 수 있고, 예를 들어 탄소 보강 필라멘트 및 유리 보강 필라멘트일 수 있다.
본 발명의 특징은, 예시적인 목적으로만 제공되는 첨부의 개략적인 도면과 함께 읽을 때, 이하의 상세한 설명을 통해 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 도면은 이하의 도면을 포함한다:
도 1은 이중 캐리지 권선 장치에서 다수의 권선 아이를 이용하여, 개선된 가스 실린더, 예를 들어 압력 용기 또는 연료 탱크를 형성하는 프로세스의 일부를 도시한다.
도 2는 도 1의 권선 장치 및 필라멘트 권선 방법을 더 도시하는 개략도이다.
도 3a는 직조 구조물의 일부가 더 구체적으로 도시된, 도 1에서 확인되는 가스 실린더의 개략도이다.
도 3b는 직조 구조물의 다른 부분이 더 구체적으로 도시된, 도 1에서 확인되는 가스 실린더의 개략도이다.
도 3c는 직조 구조물의 다른 부분이 더 구체적으로 도시된, 도 1에서 확인되는 가스 실린더의 개략도이다.
도 3d는 직조 구조물의 다른 부분이 더 구체적으로 도시된, 도 1에서 확인되는 가스 실린더의 개략도이다.
도 4는 도 1 내지 도 3d에 도시된 권선 장치 및 방법에 의해서 생산된 가스 실린더의 일부의 횡단면도이다.
본 설명은 여러 실시형태에 대한 특정 상세 내용을 기술하고 있지만, 그러한 설명은 단지 예시적인 것이고 어떠한 방식으로도 제한적인 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 당업자에 의해서 이루어질 수 있는 그러한 실시형태의 다양한 응용 및 그에 대한 수정 또한 본원에서 설명된 전반적인 개념에 포함된다. 본원에서 설명된 각각의 그리고 모든 특징, 및 그러한 특징의 둘 이상의 각각의 그리고 모든 조합은, 그러한 조합 내의 특징들이 서로 모순되지 않는 한, 본 발명의 범위 내에 포함된다.
본원은 신규한 가스 실린더, 그리고 이러한 가스 실린더를 생산하기 위한 방법 및 장치를 개시한다. 본원에서 사용된 바와 같이, "실린더"라는 용어는 가스를 저장하기 위해서 이용될 수 있는 저장 탱크, 압력 용기, 및 다른 컨테이너를 포함하고, 정확한 실린더와 같은 특정 형상으로 및/또는 횡단면이 일정하거나 변동 없는 원형 형상을 가지는 것으로 반드시 제한되는 것은 아니다. 신규한 장치 및 방법은 제1 방향으로 권선된 제1 섬유 및 제2 방향으로 권선된 제2 섬유로 이루어진 상호 직조 구조물을 생성한다. 권선 프로세스는, 구조물 내에서 구분된 경계 층, 특히 강성도 경계 층을 가지지 않는 상호 직조 섬유로 이루어진 3차원 구조물을 제공한다. 상호 직조 섬유의 3차원 구조물은 예를 들어 섬유의 연속적인 스트랜드에 의해서 연속적으로 형성될 수 있고, 그에 따라 층들 사이의 전환을 위한 섬유의 컷팅 또는 멈춤을 방지할 수 있다. 그러한 경계 층을 제거함으로써, 보강 구조물은 특정 실패 모드를 방지하면서, 동시에 일부 실시형태에서 높은 압력 정격을 달성하고, 일부 실시형태에서 큰 내구성을 달성하며, 일부 실시형태에서 높은 압력 정격 및 큰 내구성 모두를 달성한다.
도 1은 권선 장치(50) 및 그에 의해서 생산된 압력 용기(100)를 도시한다. 권선 장치(50)는 이중 캐리지(carriage) 장치이다. 이러한 개시 내용은 이중 캐리지로 제한되지 않고, 이어서 다수의 캐리지 구현예에 관한 다른 예에서 2개 초과의 캐리지로 확대될 수 있다. 권선 장치(50)는 상호 직조 필라멘트로 압력 용기(100)를 생산하도록 구성된다. 상호 직조 필라멘트는 독립적으로 제어될 수 있는 다수의 캐리지를 이용하여 필라멘트들을 동시에 권선함으로써 형성된다. 권선 장치(50)는 스핀들(54)을 포함하고, 이러한 스핀들 상에서 구조적 쉘(104)이 생산될 수 있다. 구조적 쉘(104)은 실질적으로 원통형인 형틀 또는 라이너(108)를 포함할 수 있다. 라이너(108)는 경량 구조의 중합체로 형성될 수 있고, 본원에서 경량 라이너로 종종 지칭된다. 다른 원통형 형틀이 다른 적용예를 위해서 권선 장치(50)에서 사용될 수 있다. 스핀들(54)은, 라이너(108)가 그 길이방향 축을 중심으로 회전될 때 라이너(108)를 지지할 수 있는, 회전 척(rotating chuck) 또는 유사 장치를 포함한다. 스핀들(54)의 회전은 그와 기계적으로 커플링된 모터(58)에 의해서 제공될 수 있다.
필라멘트를 라이너(108)의 주위에 권선하는 것은 권선 장치(50)의 캐리지에 의해서 수행될 수 있다. 권선 장치(50)는 제1 아이(66)를 갖는 제1 캐리지(62) 및 제2 아이(74)를 갖는 제2 캐리지(70)를 포함할 수 있다. 제1 캐리지(62)는 스핀들(54)의 일 측면 상에 배치될 수 있다. 제1 캐리지(62)는, 스핀들(54)이 라이너(108)를 지지하는 공간의 측면을 따라서 이동될 수 있다. 제1 캐리지(62)의 이동은 필라멘트가 제1 패턴으로 라이너(108)에 적용되게 할 수 있다. 예를 들어, 제1 캐리지(62)는, 제1 아이(66)를 통해서, 라이너(108)에 대한 주 반경방향 지지를 제공하기에 매우 적합한 필라멘트(112)를 풀어내도록(spool out) 구성될 수 있다. 제1 아이(66)는 제1 재료 조성 또는 제1 구성을 갖는 제1 필라멘트(112A)를 풀어 낼 수 있다. 제1 필라멘트(112A)는 후프 필라멘트일 수 있다.
제2 캐리지(70)는 제1 캐리지(62)로부터 이격될 수 있고, 라이너(108)가 지지될 수 있는 공간을 따라서 이동하도록 구성될 수 있다. 제2 캐리지(70)는, 라이너(108)가 스핀들(54)에 장착될 때 제1 캐리지(62)와 대향되는 라이너(108)의 측면 상에 배치될 수 있다. 제2 캐리지(70)는 제1 캐리지(62)와 독립적으로 이동하도록 구성될 수 있다. 제2 캐리지(70)는 제2 필라멘트(112B)를 풀어내도록 제2 아이(74)를 배향시킬 수 있다. 일부 적용예에서, 제2 필라멘트(112B)는 제1 재료 조성과 상이한 제2 재료 조성을 포함할 수 있다. 제2 필라멘트(112B)는, 나선 필라멘트로서 사용될 수 있게 하는 구성을 가질 수 있다. 일부 적용예에서, 제2 필라멘트(112B)는 제1 필라멘트(112A)와 동일한 재료를 포함한다. 일부 적용예에서, 제2 필라멘트(112B)는 제1 필라멘트(112A)와 동일한 재료 또는 재료들을 포함한다. 제1 필라멘트(112A)와 동일한 재료 또는 재료들로 형성될 때, 제2 필라멘트(112B)는 동일한 또는 상이한 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 필라멘트(112A)는 높은 강도의 구성(예를 들어, 강도가 약 700 ksi, 약 800 ksi, 약 900 ksi, 약 1000 ksi, 약 1100 ksi, 약 1200 ksi, 약 1300 ksi 이상인, 또는 강도가 전술한 숫자의 임의의 조합이 종점으로 규정되는 임의의 범위인, 높은 강도의 탄소 섬유 재료 구성)을 가질 수 있고, 제2 필라멘트(112B)는 더 낮은 또는 낮은 강도의 구성(예를 들어, 강도가 약 300 ksi, 약 400 ksi, 약 500 약 ksi, 약 600 ksi 또는 약 650 ksi 이상인, 또는 강도가 전술한 숫자의 임의의 조합이 종점으로 규정되는 임의의 범위인 낮은 강도 또는 더 낮은 강도인 탄소 섬유 재료 구성, 또는 300 ksi의 강도를 갖는 유리 섬유 재료)을 가질 수 있다. 더 일반적으로, 탄소 섬유와 다른 고강도 구성을 위한 전술한 범위 내의 강도 특성을 갖는 본원에서 설명된 바와 같은 섬유 랩핑에 적합한 탄소 섬유 이외의 재료가 또한 제1 필라멘트(112A)를 위해서 사용될 수 있다. 더 낮은 강도의 또는 낮은 강도의 구성을 위한 전술한 범위 내의 강도 특성을 갖는 본원에서 설명된 바와 같은 섬유 랩핑에 적합한 탄소 및 유리 섬유 이외의 재료가 또한 제1 필라멘트(112A)를 위해서 사용될 수 있다.
도 2는 구조적 쉘(104)을 제조하는 권선 장치(50) 및 프로세스에 관한 추가적인 상세 부분을 도시한다. 라이너(108)는 측면도로 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 라이너(108)는 그 길이방향 축(LA)을 중심으로 회전되도록 스핀들(54)에 의해서 지지된다. 권선 장치(50)는 제1 아이(66) 및 제2 아이(74)를 라이너(108)를 따라 여러 위치로 이동시키도록 제어된다. 2개의 그러한 위치를 도 2에서 확인할 수 있다. 특히, 권선 위치(W1)가 실선에서 확인될 수 있고, 여기에서 제1 아이(66)는 제1 필라멘트(112A)를 주 후프 방향(116)으로 풀어내도록 제어된다. 주 후프 방향(116)은, 제1 필라멘트(112A)의 길이방향 축이 라이너(108)의 경선에 직각에 가까운 방향으로 배향되는 방향이다. 권선 위치(W1)에서의 주 후프 방향(116)은 라이너(108)의 경선(예를 들어, 길이방향 축(LA)에 평행한 라인)으로부터 60 내지 90도의 후프 각도(137)에 상응할 수 있다. 일부 경우, 주 후프 방향(116)은 라이너(108)의 경선으로부터 70 내지 90의 후프 각도(137)에 상응한다. 일부 경우, 주 후프 방향(116)은 라이너(108)의 경선으로부터 80 내지 90의 후프 각도(137)에 상응한다.
일부 경우, 주 나선 방향(120)은 라이너(108)의 경선의 약 -20도 내지 약 0도의 나선 각도(138)에 상응하고, 음의 각도는 길이방향 축의 좌측의 원점으로부터 우측을 향해서 연장되는 제1 라인과, 주 나선 방향(120)과 같은, 제2 라인 사이의 각도로서 시계 방향으로 측정된다. 주 나선 방향(120)은 라이너(108)의 경선의 약 -10도 내지 약 0도의 나선 각도(138)에 상응할 수 있다. 주 나선 방향(120)은 라이너(108)의 경선의 약 -5도 내지 약 0도의 후프 각도(137)에 상응한다.
도 2는 후프 각도(137)에서 우측을 향해서 배향되는 제1 필라멘트(112A)의 3개의 스트랜드를 도시한다. 이러한 3개의 스트랜드는 별도의 스트랜드들로 보이나, 일반적으로 라이너(108) 주위에서 연장될 수 있는 연속적인 제1 필라멘트(112A)의 세그먼트일 것이고, 각각의 세그먼트는 도시된 바와 같이 짧은 거리만큼 인접 세그먼트로부터 분리된다. 제1 필라멘트(112A)의 인접 세그먼트들 사이의 거리는, 스핀들(54)의(그리고 그에 따라 라이너(108)의) 회전 속력, 제1 캐리지(62)의 이동 속력, 및 제1 필라멘트(112A)의 두께를 포함하는, 몇몇 인자에 따라 달라진다. 마찬가지로, 제2 필라멘트(112B)는, 우측 단부가 좌측 단부에 대해서 하향 각도로 배향되고 길이방향 축(LA)의 위치 아래에 있는, 3개의 별도의 스트랜드로 보인다. 이러한 스트랜드는 일반적으로 라이너(108) 주위에 랩핑된 연속적인 제2 필라멘트(112B)의 인접 세그먼트들일 것이다. 제2 필라멘트(112B)의 인접 세그먼트들 사이의 간격은 라이너(108)의 회전 속력, 제2 캐리지(70)의 이동 속력, 제2 아이(74)의 배향, 및 제2 필라멘트(112B)의 두께에 따라 달라질 것이다.
제2 필라멘트(112B)는 제1 필라멘트(112A)와 동시에 라이너(108)의 주위에 권선되고, 그에 따라 본원에서 설명되는 상호 직조 구조물을 형성한다. 제1 캐리지(62) 및 제1 아이(66)는 권선 위치(W1)에서 라이너(108)에 대해서 미리-규정된 배향을 가질 것이다. 제2 캐리지(70) 및 제2 아이(74)는 또한 권선 위치(W1)에서 라이너(108)에 대해서 미리-규정된 배향을 갖는다. 다시 말해서, 권선 위치(W1)는 도 2에 도시된 특정 권선 순간에 제1 아이(66) 및 제2 아이(74) 모두의 배향을 규정한다. 권선 위치(W1)는 주 후프 방향(116)을 생성하는 제1 아이(66)의 배향, 및 주 나선 방향(120)을 생성하는 제2 아이(74)의 배향을 규정할 수 있다. 일부 경우, 90도 미만의 음의 나선 각도(138) 및 후프 각도(137)를 제공하는 다른 권선 위치가 라이너(108)의 중앙 길이를 따라서 제공될 수 있다. 이러한 각도는 각각의 통과(pass)에서 무작위적으로 변경될 수 있다. 이러한 각도는 각각의 통과에서 미리 규정된 방식으로 변경될 수 있다. 이러한 각도는 제1 통과로부터 후속 통과까지 미리 규정된 방식으로 변경될 수 있다.
도 2는 권선 장치(50)의 다른 권선 조건 또는 구성에 상응하는 권선 위치(W4)를 도시한다. 권선 위치(W4)에서, 제1 필라멘트(112A) 및 제2 필라멘트(112B)가 권선 위치(W1)에서와 다른 각도로 풀려나오도록, 제1 캐리지(62) 및 제2 캐리지(70)가 이동된다. 제1 캐리지(62)는 라이너(108)의 길이방향 축을 따라서 권선 위치(W1)에서의 제1 캐리지(62)의 위치로부터 이격된 위치까지 이동된다. 제1 아이(66)는 후프 각도(167)로 배향된다. 후프 각도(167)는 라이너(108)의 경선으로부터 약 90 내지 약 120도일 수 있다. 일부 경우, 주 후프 방향(116)은 라이너(108)의 경선으로부터 약 110 내지 약 90의 후프 각도(167)에 상응한다. 일부 경우, 주 후프 방향(116)은 라이너(108)의 경선으로부터 약 100 내지 약 90의 후프 각도(167)에 상응한다.
권선 위치(W4)에서, 일부 경우에, 주 나선 방향(120)은 라이너(108)의 경선으로부터 약 0 내지 약 20도의 나선 각도(168)에 상응한다. 주 나선 방향(120)은 라이너(108)의 경선의 약 0 내지 약 10도의 나선 각도(168)에 상응할 수 있다. 주 나선 방향(120)은 라이너(108)의 경선의 약 0 내지 약 5도의 위치에 상응할 수 있다. 권선 위치(W4)는 권선 장치(50)의 동작 시에 변경될 수 있다. 예를 들어, 라이너(108)의 권선의 일부가 90도 초과의 후프 각도(167) 및 0도 초과의 나선 각도(168)의 제1 조합을 가질 수 있고, 라이너(108)의 권선의 제2 부분이 90도 초과의 후프 각도(167) 및 0도 초과의 나선 각도(168)의 다른 조합을 가질 수 있다.
이하에서 더 설명되는 바와 같이, 권선 위치(W1)와 권선 위치(W4) 사이의 다른 권선 위치가 가능하다. 일부 경우에, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 제1 캐리지(62) 및 제2 캐리지(70)가 라이너(108)의 길이를 따라서 몇 차례 이동되어 라이너(108)의 전체 커버리지(coverage)를 제공한다. 제1 캐리지(62) 및 제2 캐리지(70)가 권선 위치(W1)를 이동시킬 때, 권선 위치(W4)가 변경될 수 있고, 그에 따라 경선에 대한 또는 서로에 대한 제1 필라멘트(112A) 및 제2 필라멘트(112B)의 각도가 구조적 쉘(104)의 길이에 걸쳐 달라질 수 있다.
도 2는, 권선 프로세스가 제1 필라멘트(112A) 및 제2 필라멘트(112B)의 직조된 또는 상호 직조된 구조물을 초래한다는 것을 보여 준다. 프로세스는, 제1 필라멘트(112A)를 컷팅할 필요가 없이, 필라멘트(112) 및 제2 필라멘트(112B)의 연속적인 스트랜드가 라이너(108)의 전체 커버리지를 달성할 수 있게 하고, 그에 따라 필라멘트(112)가 주 나선 방향으로 재배향되게 할 수 있다. 제1 필라멘트(112A)의 위치가, 더 많은 반경방향 보강을 필요로 하는 라이너(108)의 부분으로 제한될 수 있다. 또한, 제2 필라멘트(112B)는 축방향 하중에 대해서 라이너(108)를 지지하도록 구성될 수 있다. 제2 필라멘트(112B)는 주 후프 방향으로 재배향될 필요가 없고, 이러한 재배향은 재료의 비효율적인 사용을 초래할 수 있고 또한 제2 캐리지(70) 및 제2 아이(74)의 가능한 이동을 제한할 수 있다.
도 2는, 제1 캐리지(62) 및 제2 캐리지(70)가 권선 위치(W1)에서 진행할 때, 제2 필라멘트(112B)의 하나의 회선(turn)이 제1 필라멘트(112A)의 인접 스트랜드의 위 및 아래를 통과할 것임을 보여 준다. 특히, 제2 필라멘트(112B)의 중간 세그먼트가 제1 필라멘트(112A)의 좌측의 2개의 세그먼트 위를 통과하고 도시된 제1 필라멘트(112A)의 최우측 세그먼트 아래를 통과하는 것이 확인된다. 이는 제2 필라멘트(112B) 및 제1 필라멘트(112A)의 상호 직조 또는 직조 구성을 제공한다. 제1 필라멘트(112A)에서도 동일할 수 있다. 제1 필라멘트(112A)의 중간 섹션은 제2 필라멘트(112B)의 상부 2개의 세그먼트 아래를 통과하는 한편, 제2 필라멘트(112B)의 최-하부 세그먼트 위를 통과하는 것이 확인된다. 이는 제1 필라멘트(112A) 및 제2 필라멘트(112B)의 상호 직조 또는 직조 구성을 제공한다. 제1 필라멘트(112A) 및 제2 필라멘트(112B)의 이러한 위-아래의 배열은, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 3차원 상호 직조 구조가 형성될 때 반경방향으로 층(128)의 공간에 걸쳐, 균일한 재료 특성, 특히 강성도의 균일한 특성을 제공한다.
권선 위치(W1)는 제1 브레이드 각도(braid angle, α)를 생성한다. 제1 브레이드 각도(α)는, 주 후프 방향(116)의 제1 필라멘트(112A)와 주 나선 방향(120)의 인접 직조된 제2 필라멘트(112B) 사이에서, 약 90도, 약 95도, 약 100도, 약 105도, 약 110도일 수 있거나, 전술한 종점들 중 임의의 2개에 의해서 규정되는 범위 이내 일 수 있다. 권선 위치(W4)는 주 나선 방향(120)과 주 후프 방향(116) 사이에서 제4 브레이드 각도(θ)를 생성한다. 제4 브레이드 각도(θ)는, 주 후프 방향(116)의 제1 필라멘트(112A)와 주 나선 방향(120)의 인접 직조된 제2 필라멘트(112B) 사이에서, 약 90도, 약 95도, 약 100도, 약 105도, 약 110도일 수 있거나, 전술한 종점들 중 임의의 2개에 의해서 규정되는 범위 이내 일 수 있다. 일 실시형태에서, 권선 위치(W4)에서의 제4 브레이드 각도(θ)는 권선 위치(W1)에서의 제1 브레이드 각도(α)와 동일하다.
도 3a 내지 도 3d는, 제1 필라멘트(112A) 및 제2 필라멘트(112B)가 라이너(108) 상에서 층(128)으로 상호 직조된, 직조 구조물(124)의 4개의 부분을 도시한다. 도 3a는, 제1 필라멘트(112A)의 제1 상호 직조 후프 스트랜드(134)가 후프 각도(137)로 배향되고 제2 필라멘트(112B)의 제1 상호 직조 나선 스트랜드(136)가 나선 각도(138)로 배향되는, 직조 구조물(124)의 부분을 도시한다. 후프 각도(137)는 라이너(108)의 경선으로부터 약 90도 미만의 각도를 갖는다. 나선 각도(138)는 라이너(108)의 경선으로부터 반시계 방향으로 측정된 음의 각도, 예를 들어 약 -20도를 갖는다. 후프 각도(137) 및 나선 각도(138)에 대한 다른 값이 앞서 설명되었다. 일 실시형태에서, 제1 브레이드 각도(α)는 연속적인 필라멘트(112A, 112B)의 인접한 브레이드 세그먼트들 사이에서 규정된다. 일 실시형태에서, 예를 들어 후프 각도(137)가 약 80도이고 나선 각도(138)가 약 -20도임에 따라, 제1 브레이드 각도(α)는 약 100도이다. 제1 브레이드 각도(α)의 다른 값이 앞서 설명되어 있다. 전술한 직조 구조물(124)은 인접한 브레이드 스트랜드들 사이에서 제1 상호 직조부(132)를 형성한다.
도 3b는, 제1 필라멘트(112A)의 제2 상호 직조 후프 스트랜드(144)가 후프 각도(147)로 배향되고 제2 필라멘트(112B)의 제2 상호 직조 나선 스트랜드(146)가 나선 각도(148)로 배향되는, 직조 구조물(124)의 다른 부분을 도시한다. 후프 각도(147)는 라이너(108)의 경선으로부터 90도 초과의 각도, 예를 들어 약 95도, 약 100도, 약 105도, 약 110도, 약 115도, 약 120도, 또는 전술한 종점들 중 임의의 종점을 포함하는 범위 내의 각도를 가질 수 있다. 나선 각도(148)는 라이너(108)의 경선으로부터 반시계 방향으로 측정된 음의 각도를 갖는다. 나선 각도(148)는 나선 각도(138)의 예들 중 임의의 예와 동일할 수 있다. 일 실시형태에서, 제2 브레이드 각도(β)는 연속적인 필라멘트(112A, 112B)의 인접한 브레이드 세그먼트들 사이에서 규정된다. 일 실시형태에서, 예를 들어 후프 각도(147)가 약 110도이고 나선 각도(148)가 약 -20도임에 따라, 제2 브레이드 각도(β)는 약 130도일 수 있다. 후프 각도(147) 및 나선 각도(148)에 대한 전술한 예시적인 값들의 조합에 의해서, 다른 제2 브레이드 각도(β)가 가능하다. 전술한 직조 구조물(124)은 인접한 브레이드 스트랜드들 사이에서 제2 상호 직조부(142)를 형성한다.
도 3c는, 제1 필라멘트(112A)의 제3 상호 직조 후프 스트랜드(154)가 후프 각도(157)로 배향되고 제2 필라멘트(112B)의 제3 상호 직조 나선 스트랜드(156)가 나선 각도(158)로 배향되는, 직조 구조물(124)의 다른 부분을 도시한다. 후프 각도(157)는 라이너(108)의 경선으로부터 약 90도 미만의 각도를 갖는다. 후프 각도(157)는 후프 각도(137)와 관련하여 전술한 각도 중 임의의 각도일 수 있다. 나선 각도(158)는 양의 각도를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 제3 브레이드 각도(δ)는 연속적인 필라멘트(112A, 112B)의 인접한 브레이드 세그먼트들 사이에서 규정된다. 일 실시형태에서, 예를 들어 후프 각도(157)가 약 80도이고 나선 각도(158)가 약 20도임에 따라, 제3 브레이드 각도(δ)는 약 60도일 수 있다. 나선 각도(158)는 나선 각도(138)와 관련하여 전술한 각도 중 임의의 각도의 절대값일 수 있다. 제3 브레이드 각도(δ)는 후프 각도(157) 및 나선 각도(158)와 관련하여 개시된 각도들의 임의의 조합일 수 있다. 전술한 직조 구조물(124)은 인접한 브레이드 스트랜드들 사이에서 제3 상호 직조부(152)를 형성한다.
도 3d는, 제1 필라멘트(112A)의 제4 상호 직조 후프 스트랜드(164)가 후프 각도(167)로 배향되고 제2 필라멘트(112B)의 제4 상호 직조 나선 스트랜드(166)가 나선 각도(168)로 배향되는, 직조 구조물(124)의 다른 부분을 도시한다. 후프 각도(167)는 라이너(108)의 경선으로부터 90도 초과 각도를 갖는다. 후프 각도(167)는 후프 각도(147)와 관련하여 개시된 임의의 값에 상응하는 값일 수 있다. 나선 각도(168)는 양의 각도, 예를 들어 나선 각도(158)와 관련하여 개시된 값들 중 임의의 값을 포함한다. 일 실시형태에서, 제4 브레이드 각도(θ)는 연속적인 필라멘트(112A, 112B)의 인접한 브레이드 세그먼트들 사이에서 규정된다. 일 실시형태에서, 예를 들어 후프 각도(167)가 약 110도이고 나선 각도(168)가 약 20도임에 따라, 제4 브레이드 각도(θ)는 약 90도일 수 있다. 제4 브레이드 각도(θ)의 다른 값이, 후프 각도(167) 및 나선 각도(168)와 관련하여 개시된 값들의 조합에 의해서 결정될 수 있다. 전술한 직조 구조물(124)은 인접한 브레이드 스트랜드들 사이에서 제4 상호 직조부(162)를 형성한다.
제1 상호 직조부(132), 제2 상호 직조부(142), 제3 상호 직조부(152), 및 제4 상호 직조부(162)는 구분된 권선 위치로부터 각각 초래될 수 있다. 예를 들어, 제1 상호 직조부(132)는 권선 위치(W1)에 상응하고, 제4 상호 직조부(162)는 권선 위치(W4)에 상응한다. 4개의 구분된 권선 위치가 도 3a 내지 도 3d에 도시된 4개의 상호 직조부를 생성할 수 있지만, 권선 방법은 4개 초과의 권선 위치를 포함할 수 있다. 제1 필라멘트(112A) 및 제2 필라멘트(112B)의 권선 각도는 주 후프 방향(116) 및 주 나선 방향(120)의 각각에 대해서 가장 큰 권선 각도로부터 가장 작은 권선 각도까지 변경될 수 있다. 일부 경우에, 많은 수의 회선이 권선 위치에서 제공될 수 있고, 이어서 구조물의 연부, 변곡점, 또는 물리적 특징부와 같은 압력 용기(100)의 경계 조건에 접근할 때 각도를 조정하기 위해서 상이한 권선 위치에서 하나 이상의 회선이 제공될 수 있다.
도 4는 압력 용기(100)의 벽의 개략적 횡단면을 도시한다. 일 실시형태에서, 압력 용기(100)의 최내측 공동이 라이너(108)의 내부 벽에 의해서 둘러싸인다. 라이너(108)는 전술한 바와 같이 경량 중합체 라이너일 수 있다. 라이너(108)의 외부 표면은, 3차원 상호 직조 구조물을 포함하는 층(128)에 의해서 둘러싸일 수 있다. 층(128)은, 라이너(108)가 스핀들(54)에 의해서 회전될 때, 라이너(108)를 따른 권선 장치(50)의 제1 캐리지(62) 및 제2 캐리지(70)의 2번 내지 30번, 일부 경우에 6번 내지 20번, 예를 들어 15번의 통과에 의해서 형성된다. 각각의 통과는 주 후프 방향(116)으로 1개 내지 10개, 일부 경우에 2개 내지 8개, 예를 들어 4개, 5개, 6개, 또는 7개의 제1 필라멘트(112A)의 루프를 적용할 수 있다. 각각의 통과는 주 나선 방향(120)으로 1개 내지 10개, 일부 경우에 2개 내지 8개, 예를 들어 4개, 5개, 6개, 또는 7개의 제2 필라멘트(112B)의 루프를 적용할 수 있다. 각각의 통과에서 그리고 라이너(108)의 각각의 회전에서, 제2 필라멘트(112B)는 제1 필라멘트(112A)와 직조되어, 예를 들어 제1 필라멘트(112A)의 각각의 궁형 세그먼트가 제2 필라멘트(112B)의 하나 이상의 (예를 들어 복수의) 연속적인 세그먼트의 아래를 그리고 위를 통과하게 하고/하거나, 제2 필라멘트(112B)의 각각의 궁형 세그먼트가 제2 필라멘트(112B)의 하나 이상의 (예를 들어 복수의) 연속적인 세그먼트의 아래를 그리고 위를 통과하게 한다. 결과적으로, 브레이드 보강부의 연속적인 층(128)이 얻어진다. 층(128)은 3차원 상호 직조 구조물인데, 이는 제1 캐리지(62) 및 제2 캐리지(70)의 각각의 통과로 인해서 제1 아이(66) 및 제2 아이(74)가, 라이너(108)의 외부 표면에 적용된 초기 두께에 대한, 부가적인 직조 두께를 형성하기 때문이다. 구조적 쉘(104)의 강성도는 층(128)을 통해서 반경방향으로 균일한데, 이는 제1 필라멘트(112A) 및 제2 필라멘트(112B)가 층(128)의 여러 반경방향 위치에서 동일한 비율로 존재하기 때문이다.
층(128)의 연속적인 속성이 도 4에 도시되어 있고, 도 4는 층(128)의 최내측 부분(128A)에 위치되는 내부 표면 경계에서 실선을 도시하고 층(128)의 최외측 부분(128B)에 위치되는 외부 표면 경계에서 실선을 도시하며, 최내측 부분과 최외측 부분 사이에서는 구분된 경계 층이 없다. 도 4의 쇄선은, 층(128)의 전체 두께가 라이너(108)를 가로지르는 제1 캐리지(62) 및 제2 캐리지(70)의 많은 통과의 결과일 수 있다는 것을 보여 준다. 그러나, 권선 프로세스는, 이러한 권선 통과들 사이에서 강성도 특성의 경계가 없이, 연속적인 재료의 벌크를 초래한다. 본원에서 설명된 권선 프로세스는 또한 주 나선 방향으로 어떠한 필라멘트도 없이 필라멘트가 주로 후프 방향으로만 배향되는 지역과, 주 후프 방향으로 어떠한 필라멘트도 없이 필라멘트가 주로 나선 방향으로만 배향되는 지역 사이에서 구분된 경계를 가지지 않는다. 제1 캐리지(62) 및 제2 캐리지(70)의 4번의 통과로 층(128)이 구축될 수 있다는 것을 쇄선이 제시하지만, 통과의 수는 지지 필라멘트 내에서 라이너(108)를 완전히 둘러싸기 위한 15번 이상의 통과를 포함하는 임의의 수일 수 있다.
전술한 내용의 하나의 예시적인 적용예로서, 연료 전지 차량 및 수소 가스를 이용하는 다른 적용예에서 사용될 수 있는 수소 가스 실린더의 생산이 있다. 이러한 적용예에서, 압력 용기(100)는 동작 시에 700 bar의 압력을 문제없이 견디도록 구성된다. 제1 필라멘트(112A)는 전술한 바와 같이 주 후프 방향 또는 방향들로 권선된 고강도 탄소 섬유 재료를 포함한다. 제2 필라멘트(112B)는 또한 전술한 바와 같이 주 나선 방향 또는 방향들로 권선된 탄소 섬유 재료를 포함한다. 일 실시형태에서, 제1 필라멘트(112A) 및 제2 필라멘트(112B)는 동일한 보강 능력을 갖는 섬유들을 포함하고, 예를 들어 동일한 재료 조성으로 형성되고, 동일한 섬유일 수 있다. 제2 필라멘트(112B)가 축방향 하중 지지에 더 기여하지만, 제1 필라멘트(112A) 및 제2 필라멘트(112B) 모두가 반경방향 하중 지지에 기여한다. 일부 경우에, 제2 필라멘트(112B)는 더 낮은 성능의(예를 들어, 더 낮은 강도의) 탄소 섬유 구성일 수 있다. 섬유들을 상호 직조함으로써, 수소 가스 실린더의 생산이 신속하게 완료될 수 있다. 이는, 적어도 부분적으로, 섬유를 컷팅함으로써 또는 권선 각도를 후프 각도로부터 나선 각도로 변경함으로써 섬유를 후프 방향과 나선 방향 사이에서 전환할 필요성을 줄이거나 제거하는 것에 기인한다. 상호 직조 구조물은 필라멘트(112A, 112B)의 재료 특성이 변화될 때에도 균일한 강성도를 제공한다.
전술한 내용의 다른 예시적인 적용예로서 저비용으로 그리고 일부 경우에 더 큰 내구성으로 CNG를 저장하기 위한 가스 실린더를 생산하는 것이 있다. 이러한 접근 방식에서, 제1 필라멘트(112A)는 고강도 재료로 구성될 수 있다. 제2 필라멘트(112B)는 저강도의 (동일하거나 상이한) 재료로 구성될 수 있다. 제1 필라멘트(112A)는 고강도 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 제2 필라멘트(112B)는 저강도 재료, 예를 들어 유리 섬유를 포함할 수 있다. 유리 섬유의 저강도는 구조적으로 필요한 것보다 더 많은 재료를 권선할 것을 필요로 한다. 특히, 유리 섬유는 탄소 섬유보다 두껍다. 부가적인 재료는 중량 관련 불이익을 제공한다. 그러나, 전체적인 비용은 더 낮을 수 있는데, 이는 유리 섬유가 탄소 섬유보다 저렴하기 때문이다. 또한, 유리 섬유는 더 큰 내구성을 가지고, 더 큰 내화성을 갖는다. 또한, 더 두껍기 때문에, 유리 섬유는 또한 핸들링 시에 발생되는 컷팅 또는 마모와 같은 표면 손상에 덜 민감하다. 더 작은 강성도의 유리는 또한 손상되는 경우에도 쉽게 풀리지 않는다(unravel). 더 두꺼운 단부 부분은 또한 낙하-충격 손상에 대해서 더 큰 내성을 갖는다. 그에 따라, 접착제에 의해서 유지되고 실린더를 보호하기 위해서 부가되는 추가적인 발포체 "범퍼"가 없이도, 탄소-유리 버전의 압력 용기(100)를 운반할 수 있게 한다.
전술한 내용의 다른 예시적인 적용예로서, 파이프 조립체의 생산이 있다. 이러한 조립체에서, 파이프 라이너와 같은 형틀이 제공될 수 있다. 파이프 라이너는 라이너(108)와 유사할 수 있다. 압력 용기(100)와 달리, 파이프 조립체는 라이너의 단부에서 폐쇄되지 않을 수 있다. 이는 가스 및 다른 유체를 이송하기 위한 파이프 조립체의 기능을 보전한다. 파이프 조립체는 고강도 재료로 구성될 수 있는 제1 필라멘트(112A)를 포함할 수 있다. 제2 필라멘트(112B)는 동일한 재료 또는 저강도의 (동일하거나 상이한) 재료로 구성될 수 있다. 제1 필라멘트(112A)는 고강도 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 제2 필라멘트(112B)는 또한 고강도 탄소 섬유 또는 저강도 재료, 예를 들어 저강도 탄소 섬유 또는 유리 섬유를 포함할 수 있다. 제1 필라멘트(112A)와 제2 필라멘트(112B)를 파이프 조립체로 상호 직조하는 것은 뛰어난 파열 압력 성능을 제공할 수 있다. 제1 필라멘트(112A)와 제2 필라멘트(112B)를 파이프 조립체로 상호 직조하는 것은 다른 권선 기술에 비해서 더 빠른 처리(throughput)를 제공할 수 있다.
본원에서 개시된 실시형태가 이하의 장점 중 하나 이상을 제공한다. 일 방향으로 권선되는 섬유를 위해서, 예를 들어 주 나선 방향(120)으로 권선되는 제2 필라멘트(112B)를 위해서 저비용의 섬유를 이용함으로써, 상당한 비용 절감을 실현할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제2 필라멘트(112B)는, 제2 필라멘트를 위해서 사용될 수 있는 2개의 재료의 예로서, 유리 섬유 및/또는 저강도 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 이러한 섬유는, 일부 경우에 고강도 구성을 가지는, 주 후프 방향(116)으로 권선되는 제1 필라멘트(112A)보다 상당히 더 저렴할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제2 필라멘트(112B)를 위해서 사용되는 일부 섬유(예를 들어, 유리 섬유)는 더 두꺼울 수 있고, 그에 따라 압력 용기(100)의 더 두꺼운 단부 섹션을 초래할 수 있다. 더 두꺼운 단부 섹션으로 인해서, 낙하 실험 성능 및/또는 다른 내구성 지표를 개선하기 위한 조치를 취할 필요가 없을 수 있다. 이는, 범퍼 또는 다른 내구성 향상부를 제공하는 것과 연관된 비용, 중량, 및 제조 프로세스를 감소 또는 방지할 수 있다. 또한, 유리 섬유는 비-전도성이라는 것 그리고 그에 따라 금속 보스(metallic boss)와 전기 절연(galvanic isolation)을 제공한다는 부가적인 이점을 제공한다.
금속 보스는, 일부 실시형태에서, 예를 들어 압력 용기(100) 외부의 파이핑에 연결하기 위해서 및/또는 압력 용기(100)의 기계적 지지를 위해서 압력 용기(100) 내로 통합된다. 저응력 섬유, 예를 들어 유리 섬유는 압력 용기(100)가 파열되는 경우 덜 단편화(fragmentation)된다. 따라서, 압력 용기(100)의 일부에서, 예를 들어 압력 용기(100)의 돔형 단부의 두께 전체를 통해서, 그 외부 표면에서, 기타 등에서 그러한 섬유를 제공하는 것은 파열 시에 재료의 구속을 개선한다.
전술한 바와 같이, 주 후프 방향(116) 및 주 나선 방향(120)으로 섬유를 동시에 권선하는 것은, 단일 아이/단일 캐리지가 제공되는 경우, 이러한 방향들 사이에서 전환을 하여야 할 필요성을 제거할 수 있다. 동시에 권선하는 것에 관한 이러한 그리고 다른 이점은, 시리즈로 또는 완전히 별도의 층으로서 후프 층 및 나선 층을 권선하는 것에 비해서, 권선 장치(50)가 처리량을 증가시킬 수 있게 하고, 권선 시간을 단축할 수 있게 하고/하거나, 생산 용량을 증가시킬 수 있게 한다. 일부 경우에, 층(128)은 3차원 상호 직조 구조물을 제공할 수 있다. 층(128)의 외부 표면은 압력 용기(100)의 외부 표면에 위치될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제1 필라멘트(112A)의 완전한 권선을 제공하여, 전술한 압력 용기(100)의 다른 이점을 갖는 통상적인 외관을 제공할 수 있다. 통상적인 외관을 제공하는 것에 더하여, 이러한 부가적인 마감 층은, 전환에 더 의존하는 탱크 권선 접근 방식 대신, 다른 생산 시스템, 예를 들어 자동 스퀴지(squeegee), 샌딩(sanding) 및 다른 추가적인 가스 실린더 프로세싱을 이용하는 것을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 특정 실시형태가 설명되었지만, 이러한 실시형태는 단지 예로서 제공된 것이고, 본 개시 내용의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다. 사실상, 본원에서 설명된 신규한 방법 및 시스템은 다양한 다른 형태로 구현될 수 있다. 또한, 개시 내용의 사상으로부터 벗어나지 않고, 본원에서 설명된 시스템 및 방법에서의 다양한 생략, 치환, 및 변경이 이루어질 수 있다. 첨부된 청구범위 및 그 등가물은, 그러한 형태 또는 수정을 본 개시 내용의 범위 및 사상 내에 포함하는 것으로 의도된다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위를 참조하여서만 정의된다.
특정 양태, 실시형태, 또는 예와 함께 설명된 특징, 재료, 특성 또는 그룹이, 달리 양립될 수 없지 않는 한, 이러한 명세서의 이러한 섹션 또는 다른 곳에서 설명된 임의의 다른 양태, 실시형태 또는 예에 적용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. (임의의 수반되는 청구범위, 요약서 및 도면을 포함하는) 본 명세서에 개시된 모든 특징, 및 그렇게 개시된 모든 방법 또는 프로세스의 모든 단계는, 그러한 특징 및/또는 단계의 적어도 일부가 상호 배타적인 조합을 제외하고, 임의 조합으로 조합될 수 있다. 보호는 임의의 전술한 실시형태의 상세 내용으로 제한되지 않는다. 보호는 (임의의 수반되는 청구범위, 요약서 및 도면을 포함하는) 본 명세서에서 개시된 특징의 임의의 신규한 특징, 또는 임의의 신규한 조합, 또는 그렇게 개시된 임의 방법 또는 프로세스의 단계의 임의의 신규한 단계, 또는 임의의 신규한 조합까지 확장된다.
또한, 별개의 구현예들의 맥락으로 본 개시 내용에서 설명된 특정의 특징들이 또한 단일 구현예에서 조합되어 구현될 수 있다. 역으로, 단일 구현예의 문맥에서 설명된 여러 가지 특징이 또한 복수의 구현예에서 별개로 또는 임의의 적합한 하위 조합으로 실시될 수 있다. 또한, 특징들이 특정 조합으로 작용하는 것으로 앞서 설명되어 있을 수 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징이, 일부 경우에, 그러한 조합으로부터 삭제될 수 있고, 그러한 조합은 하위 조합 또는 하위 조합의 변경으로서 청구될 수 있다.
또한, 비록 동작이 특별한 순서로 도면에 도시되거나 명세서에 설명되었을 수 있지만, 그러한 동작은, 원하는 결과를 달성하기 위해서, 도시된 특별한 순서 또는 순차적인 순서로 수행되거나 또는 모든 동작이 수행될 것을 요구하지 않는다. 도시되거나 설명되지 않은 다른 동작이 예시적인 방법 및 프로세스에 통합될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 부가적인 동작이 설명된 임의의 동작들 전에, 후에, 동시에, 또는 그 사이에 수행될 수 있다. 또한, 동작들이 다른 구현예에서 재배열되거나 재-순서화될 수 있다. 당업자는, 일부 실시형태에서, 도시된 및/또는 개시된 프로세스에서 취해진 실제 단계가 도면에 도시된 단계와 상이할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 실시형태에 따라, 전술한 단계 중 특정 단계가 생략될 수 있고, 다른 단계가 부가될 수 있다. 또한, 앞서 개시된 특정 실시형태의 특징 및 속성이 다른 방식으로 조합되어 부가적인 실시형태를 형성할 수 있고, 그러한 부가적인 실시형태의 모두는 본 개시 내용의 범위에 포함된다. 또한, 전술한 구현예의 여러 시스템 구성요소들의 분리가, 모든 구현예에서 그러한 분리를 필요로 하는 것으로 이해되지 않아야 하고, 설명된 구성요소 및 시스템이 일반적으로 단일 제품 내에 함께 통합될 수 있거나 복수의 제품으로 패키지화될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.
이러한 개시 내용의 목적을 위해서, 특정 양태, 장점, 및 신규한 특징이 본원에서 설명된다. 그러한 장점의 모두가 반드시 임의의 특정 실시형태에 의해서 달성될 수 있는 것은 아니다. 그에 따라, 예를 들어, 당업자는, 개시 내용이, 본원에서 교시되거나 제시되었을 수 있는 바와 같은 다른 장점을 반드시 달성할 필요가 없이, 본원에서 교시된 바와 같은 하나의 장점 또는 장점의 그룹을 달성하는 방식으로 구현 또는 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
달리 구체적으로 설명되지 않는 한, 또한 사용된 문맥 내에서 달리 이해되지 않는 한, 특히, "할 수 있는" ("can," "could," "might," 또는 "may)과 같은 조건부 언어는 일반적으로, 특정의 특징, 요소, 및/또는 단계를, 다른 실시형태는 포함하지 않지만, 특정 실시형태는 포함한다는 것을 전달하기 위한 것이다. 그에 따라, 그러한 조건부 언어는 일반적으로, 특징, 요소 및/또는 단계가 어떠한 방식으로든 하나 이상의 실시형태에서 요구된다는 것 또는 하나 이상의 실시형태가, 사용자 입력 또는 프롬프팅이 있거나 없이, 이러한 특징, 요소 및/또는 단계가 임의의 특별한 실시형태에 포함되거나 그러한 임의의 특별한 실시형태에서 실시되는지의 여부를 결정을 위한 로직을 반드시 포함한다는 것을 암시하기 위한 것은 아니다.
"X, Y 및 Z 중 적어도 하나"의 문구와 같은 접속사 언어는, 달리 구체적으로 기술하지 않는 한, 항목, 용어 등이 X, Y 또는 Z일 수 있다는 것을 전달하기 위해서 일반적으로 사용되는 것으로 문맥에 따라 이해된다. 따라서, 그러한 접속사 언어는 일반적으로, 특정 실시형태가 X 중 적어도 하나, Y 중 적어도 하나, 그리고 Z 중 적어도 하나의 존재를 요구한다는 것을 암시하기 위한 것은 아니다.
본원에서 사용된 바와 같은 "대략적으로", "약", "전반적으로", 및 "실질적으로"와 같은, 본원에서 사용된 정도에 관한 언어는, 원하는 기능을 여전히 수행하거나 원하는 결과를 달성하는 기술된 값, 양, 또는 특성에 근접한 값, 양, 또는 특성을 나타낸다. 예를 들어, "대략적으로", "약", "전반적으로" 그리고 "실질적으로"라는 용어는, 기술된 양의 10% 미만 이내의(within less than 10% of), 5% 미만으로 이내의, 1% 미만 이내의, 0.1% 미만 이내의, 및 0.01% 미만 이내의 양을 지칭할 수 있을 것이다. 다른 예로서, 특정 실시형태에서, "전반적으로 평행한" 및 "실질적으로 평행한"은, 15도, 10도, 5도, 3도, 1도, 또는 0.1도 이하만큼 정확한 평행으로부터 벗어나는 값, 양, 또는 특성을 지칭한다.
본 개시 내용의 범위는 본 명세서의 이러한 섹션 또는 다른 곳의 바람직한 실시형태의 특정 개시 내용에 의해서 제한되도록 의도되지 않으며, 본 명세서의 이러한 섹션 또는 다른 곳에서 제시된 바와 같은 또는 앞으로 제시되는 바와 같은 청구범위에 의해서 정의될 수 있다. 청구범위의 언어는 청구범위에서 사용되는 언어에 기초하여 광범위하게 해석되어야 하고, 본 명세서에서 설명된 예로 제한되지 않으며, 또는, 출원 심사 과정에서 그러한 예는 비-배타적인 것으로 해석되어야 한다.

Claims (27)

  1. 실질적으로 원통형인 형틀 상에 필라멘트를 권선함으로써 형성되는 구조적 쉘을 포함하는 압력 용기로서, 상기 구조적 쉘은,
    주 후프 방향으로 상기 형틀의 주위에 권선되는 제1 재료 조성을 갖는 제1 필라멘트; 및
    상기 제1 재료 조성과 상이한 제2 재료 조성을 갖는 제2 필라멘트로서, 주 나선 방향으로 상기 형틀 주위에 권선되는 제2 필라멘트
    를 포함하고,
    상기 제1 필라멘트 및 제2 필라멘트가 상기 형틀 상에서 층으로 상호 직조되는,
    압력 용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 재료 조성이 탄소 섬유를 포함하는,
    압력 용기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 재료 조성이 유리 섬유를 포함하는,
    압력 용기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 재료 조성은 탄소를 포함하고 더 높은 강도를 제공하며, 상기 제2 재료 조성은 탄소를 포함하고 더 낮은 강도를 제공하는,
    압력 용기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 층은 상기 형틀의 외부 표면으로부터 상기 압력 용기의 외부 표면까지, 그 사이에 층 경계를 가지지 않고, 연속적인 범위를 포함하는,
    압력 용기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 층은 3차원 상호 직조 구조물을 포함하는,
    압력 용기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 층은 상기 3차원 상호 직조 구조물의 제1 부분에서 제1 각도로 서로 교차하는 제1 후프 필라멘트 및 제1 나선 필라멘트를 포함하고, 상기 제1 후프 필라멘트 및 상기 제1 나선 필라멘트는 상기 3차원 상호 직조 구조물의 제2 부분에서 제2 각도로 서로 교차하는,
    압력 용기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 각도가 약 90도이고, 상기 제2 각도가 약 110도인,
    압력 용기.
  9. 형틀을 스핀들에 장착하는 단계;
    상기 스핀들을 이용하여 상기 형틀을 회전시키는 단계;
    상기 형틀이 회전되는 동안, 제1 필라멘트를 주 후프 방향으로 권선하는 단계;
    상기 제1 필라멘트를 권선하는 동안, 제2 필라멘트를 주 나선 방향으로 동시에 권선하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 필라멘트 및 제2 필라멘트를 동시에 권선하는 것은 상기 형틀 주위에 배치되어 상기 형틀을 보강하는 상호 직조 구조물을 제공하는,
    방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 필라멘트를 권선하는 단계는 상기 제2 필라멘트보다 더 큰 강도를 가지는,
    방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 필라멘트를 권선하는 단계는 고강도 탄소 구성을 포함하고, 상기 제2 필라멘트는 저강도 탄소 구성을 포함하는,
    방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 재료를 권선하는 단계는 탄소 섬유를 권선하는 단계를 포함하는,
    방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 재료를 권선하는 단계는 유리 섬유를 권선하는 단계를 포함하는,
    방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제1 필라멘트를 권선하는 단계 및 상기 제2 필라멘트를 동시에 권선하는 단계는 완전한 보강 구조물의 내부 경계로부터 완전한 보강 구조물의 외부 경계까지 연속적인 제1 필라멘트 및 제2 필라멘트 중 적어도 하나로 수행되는,
    방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제1 필라멘트를 권선하는 단계는 상기 라이너의 경선에 대한 제1 각도 범위에 걸쳐 권선 장치의 제1 아이를 조정하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제2 필라멘트를 동시에 권선하는 단계는 상기 라이너의 경선에 대한 제2 각도 범위에 걸쳐 상기 권선 장치의 제2 아이를 조정하는 단계를 포함하고, 상기 제1 각도 범위는 상기 제2 각도 범위와 중첩되지 않는,
    방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 각도 범위는 주 후프 방향에 상응하고 상기 제2 각도 범위는 주 나선 방향에 상응하는,
    방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1 각도 범위가 약 80도 내지 약 100도인,
    방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제2 각도 범위가 약 20도 내지 약 -20도인,
    방법.
  19. 압력 용기로서,
    실질적으로 원통형인 라이너;
    주 후프 방향으로 상기 라이너 주위에 권선된 제1 필라멘트; 및
    주 나선 방향으로 상기 라이너 주위에 권선된 제2 필라멘트
    를 포함하고;
    상기 제1 필라멘트의 제1 부분이 상기 제2 필라멘트 위에 배치되고 상기 제1 필라멘트의 제2 부분이 상기 제2 필라멘트 아래에 배치되도록, 상기 제1 필라멘트 및 상기 제2 필라멘트가 상기 라이너 상에서 직조되는,
    방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 필라멘트는 제1 재료를 포함하고, 상기 제2 필라멘트는 상기 제1 재료와 상이한 제2 재료를 포함하는,
    방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 재료가 탄소 섬유를 포함하는,
    방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 제2 재료가 유리 섬유를 포함하는,
    방법.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 제1 필라멘트 및 제2 필라멘트는, 상기 라이너의 외부 표면으로부터 상기 압력 용기의 외부 표면까지, 층 경계를 사이에서 가지지 않는, 연속적인 범위를 포함하는 3차원 상호 직조 층으로 권선되는,
    방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 3차원 상호 직조 층은 상기 층의 제1 부분에서 제1 각도로 서로 교차하는 제1 후프 필라멘트 및 제1 나선 필라멘트를 포함하고, 상기 제1 후프 필라멘트 및 제1 나선 필라멘트는 상기 층의 제2 부분에서 제2 각도로 서로 교차하는,
    방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제1 각도가 약 90도이고, 상기 제2 각도가 약 110도인,
    방법.
  26. 제19항에 있어서,
    상기 제1 필라멘트 및 제2 필라멘트는 각각 그 길이방향 축을 따라서 대략적으로 동일한 강도로 구성되는,
    방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제1 필라멘트 및 제2 필라멘트 모두가 탄소 섬유를 포함하는,
    방법.
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