KR20240023446A - 강화 압력 용기 - Google Patents

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KR20240023446A
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dome
longitudinal end
liner
pressure vessel
outer diameter
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비외른 크리엘
헤르트 나우번
드리스 드비셔
칸-훙 응우옌
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플라스틱 옴니엄 뉴 에너지스 프랑스
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Abstract

압력 용기 (4) 로서:
- 내부 유체 저장 챔버 (3) 를 규정하는 라이너 (6) 로서:
ㆍ제 1 종방향 단부 (8a) 에서 제 1 외경 (D1) 을 갖는 일반적으로 원통형 중심부 (8),
ㆍ제 2 외경 (D2) 의 베이스 (12a) 를 갖는 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 로서, 상기 제 2 외경 (D2) 은 상기 제 1 외경 (D1) 보다 작은, 상기 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12), 및
ㆍ상기 일반적으로 원통형 중심부 (8) 와 상기 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 사이에 위치되고, 상기 일반적으로 원통형 중심부 (8) 의 상기 제 1 종방향 단부 (8a) 를 상기 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 의 베이스 (12a) 에 연결하는 제 1 중간부 (13) 를 갖고,
상기 라이너 (6) 의 상기 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 는 측지 돔 윤곽 (geodesic dome contour) 을 갖는 돔 형상의 종방향 단부보다 상기 내부 유체 저장 챔버 (3) 를 향해 덜 오목한 돔 윤곽을 갖는, 상기 라이너 (6),
- 상기 라이너 (6) 의 상기 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 및 상기 제 1 중간부 (13) 둘 다의 형상에 상보적인 형상을 갖는 제 1 돔 강화 쉘 (16) 로서, 상기 제 1 돔 강화 쉘 (16) 은 상기 라이너 (6) 의 상기 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 및 상기 제 1 중간부 (13) 둘 다에 끼워맞춰지는, 상기 제 1 돔 강화 쉘 (16),
- 보스 (14), 및
- 상기 라이너 (6) 및 상기 제 1 돔 강화 쉘 (16) 을 둘러싸거나 감싸는 외부 복합 구조물 (20) 을 포함한다.

Description

강화 압력 용기
본 발명은 차량용 압력 용기에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 본 발명은 압력 용기 및 이러한 압력 용기를 포함하는 차량에 관한 것이다.
차량용 고압 용기는, 일반적으로 라이너라고도 지칭되는 중공 용기를 포함하고, 상기 중공 용기는 2 개의 돔 형상의 종방향 단부들을 갖는 일반적인 원통형 형상을 갖고, 생산하기 위해 가볍고 저렴하도록 선택되는 재료와 같은 플라스틱 재료, 또는 금속 (예를 들어, 알루미늄) 과 같은 다른 재료로 제조된다. 이 용기는 압력하에서 가스, 예를 들어 디하이드로겐 (dihydrogen) 을 저장하도록 의도되고, 동력 공급원과 같은 다양한 기능들을 위한 압력 용기가 장착된 차량에 의해 사용되도록 의도된다. 압력하의 가스는 용기의 내부 표면에 강한 제약을 가하며, 이는 용기의 무결성을 손상시키고 특히 디하이드로겐과 같은 가연성 가스로 위험한 누출을 야기할 수 있다.
용기의 기계적 특성을 향상시키기 위해, 강화 섬유, 예를 들어 탄소 섬유로 제조된 필라멘트를 용기의 외부 표면 주위에 모두 권취하는 것이 공지되어 있다. 필라멘트는, 권취를 용이하게 하고 용기의 외부 표면의 각각의 피스를 확실히 덮기 위해 수지 내에 매립된다.
용기의 돔 형상의 종방향 단부에 대해, 용기와 독립적으로 필라멘트의 권취, 및 그 후 후속 단계에서 용기에 돔 강화 쉘을 끼워 맞추는 것을 포함하는 돔 강화 부분 또는 돔 강화 쉘을 제조하는 것이 공지되어 있다. 문헌 DE 10 2017 208 492 A1 은 이러한 돔 강화 쉘의 예를 제공한다. 이러한 돔 강화 쉘이 사용될 때, 섬유의 런의 모든 지점에서 권취된 강화 섬유에 일정한 장력을 야기하기 위해 용기 및 돔 강화 쉘의 돔 형상의 종방향 단부들에 측지 돔 윤곽 (geodesic dome contour) 이 제공된다. 그러나, 몇 가지 단점이 있다.
돔 강화 쉘의 존재는 권취된 강화 섬유 내부, 특히 돔 강화 쉘의 선단 영역에서 응력 집중을 국부적으로 증가시키며, 이는 사용된 돔 강화 쉘이 없을 때보다 더 많은 강화 섬유를 사용할 필요가 있게 한다. 더 많은 강화 섬유를 사용하는 것은 압력 용기의 제조 동안 팽창적이고 시간 소모적이며 결과적인 용기가 더 무겁기 때문에 바람직하지 않다.
상기 관점에서, 사용된 강화 섬유의 양을 감소시키면서 양호한 기계적 특성을 유지하여 압력 용기를 최적화할 필요가 있다.
이를 위해, 본 발명에 따르면 다음을 포함하는 압력 용기가 제공된다:
- 내부 유체 저장 챔버를 규정하는 라이너로서:
ㆍ제 1 종방향 단부에서 제 1 외경 (D1) 을 갖는 일반적으로 원통형 중심부,
ㆍ제 2 외경 (D2) 의 베이스를 갖는 제 1 돔 형상의 종방향 단부로서, 상기 제 2 외경 (D2) 은 상기 제 1 외경 (D1) 보다 작은, 상기 제 1 돔 형상의 종방향 단부, 및
ㆍ일반적으로 원통형 중심부와 제 1 돔 형상의 종방향 단부 사이에 위치되고, 일반적으로 원통형 중심부의 제 1 종방향 단부를 제 1 돔 형상의 종방향 단부의 베이스에 연결하는 제 1 중간부를 갖고,
상기 라이너의 상기 제 1 돔 형상의 종방향 단부는 측지 돔 윤곽을 갖는 돔 형상의 종방향 단부보다 내부 유체 저장 챔버를 향해 덜 오목한 돔 윤곽을 갖는, 상기 라이너,
- 상기 라이너의 제 1 돔 형상의 종방향 단부 및 제 1 중간부 둘 다의 형상에 상보적인 형상을 갖는 제 1 돔 강화 쉘로서, 상기 제 1 돔 강화 쉘은 상기 라이너의 제 1 돔 형상의 종방향 단부 및 제 1 중간부 둘 다에 끼워맞춰지는, 상기 제 1 돔 강화 쉘,
- 보스, 및
- 상기 라이너 및 상기 제 1 돔 강화 쉘을 둘러싸거나 감싸는 외부 복합 구조물.
제 1 돔 강화 쉘의 상보적인 형상 덕분에, 압력 용기의 기계적 특성들은 제 1 돔 형상의 종방향 단부 및 제 1 중간부를 강화함으로써 개선된다. 특히, 외부 복합 구조물 내부 및 제 1 돔 강화 쉘 내부에서 응력이 감소된다. 이는 우수한 기계적 특성을 유지하면서 섬유를 제 1 돔 강화 쉘의 제조 및 외부 복합 구조물에 덜 사용하는 것을 가능하게 한다. 이는 결과적인 압력 용기의 중량 감소를 허용한다. 또한, 이는 라이너 및 제 1 돔 강화 쉘에 걸쳐 외부 복합 구조물을 권취하는 시간이 감소됨에 따라 제조 시간의 감소를 허용한다.
또한, 제 1 외경 (D1) 과 제 2 외경 (D2) 사이의 직경의 차이로 인해, 제 1 돔 강화 쉘이 라이너와 플러싱되거나 과도하게 돌출되지 않도록 삽입 영역이 제 1 중간부에 형성되어, 제 1 돔 강화 쉘이 돌출할 지점에서 외부 복합 구조물 내부에 과도한 응력의 인가를 방지한다. 바람직한 실시형태에서, 제 1 외경 (D1) 및 제 2 외경 (D2) 은 제 1 돔 강화 쉘이 라이너와 플러싱하도록 하는 것이다. 이와 같이, 압력 용기의 외부 표면은 특히 매끄럽다. 이는 외부 복합 구조물의 적용을 개선하고 압력 용기 내의 응력 레벨을 감소시킨다.
"제 1 돔 강화 쉘이 라이너와 플러싱하는" 이라는 표현은, 라이너의 외부 표면이 제 1 돔 강화 쉘의 외부 표면과 기하학적으로 혼합된다는 것을 의미한다.
"필라멘트" 라는 표현은, 복합 재료를 형성하기 위해 액체 매트릭스로 함침되거나 미리 함침되지 않은 (즉, 건조 섬유들), 연속적인 섬유 토우, 바람직하게는 탄소 섬유, 유리 섬유 또는 아라미드 섬유를 의미한다. 사용된 매트릭스의 유형에 따라, 복합 재료의 2 개의 메인 군들이 있다. 열경화성 수지 또는 열가소성 중합체를 매트릭스로 하여 형성된 열경화성 복합체 및 열가소성 복합체가 제공된다.
열경화성 수지는, 열경화성 수지를 형성하기 위해 경화 조건들 (예를 들어, 열, UV 또는 다른 복사들, 또는 단순히 이들을 서로 접촉시킴으로써 등) 에 노출시에 반응하는, 반응성 열경화성 전구체를 형성하는 2 개 이상의 반응성 성분들을 혼합함으로써 형성된다. 열경화성 매트릭스는 고성능 복합체를 산출하기 위해 완전히 경화되어야 한다. 일단 경화되면, 열경화성 수지는 고체이며, 수지가 더 이상 흐를 수 없기 때문에 더 이상 가공되거나 재성형될 수 없다. 열경화성 수지의 예는 불포화 폴리에스테르, 에폭시, 비닐 에스테르, 폴리우레아, 이소시아누레이트, 및 폴리우레탄 수지를 포함한다. 점착성이지만 여전히 연성이도록 부분적으로만 경화된 반응성 수지로 함침된 섬유들로 제조된 열경화성 프리프레그를 제조할 수 있다. 프리프레그는 저장되고 나중에 수지를 UV 에 가열 또는 노출시켜 프리프레그를 완전 경화시키고 고형화시킴으로써 압력 하에서 추가로 가공될 수 있다.
열가소성 중합체는 각각 온도를 증가 및 하강시킴으로써 고체 상태 (또는 비-유동성 상태) 로부터 액체 상태 (또는 유동성 상태) 로 그리고 그 반대로 변경할 수 있다. 반결정성 중합체의 경우, 열가소성물의 온도를 낮추면 결정의 형성 및 열가소성물의 고화를 촉진된다. 반대로, 반결정성 중합체를 이의 용융 온도 이상으로 가열하는 것은 결정을 용융시키고 열가소성물이 유동할 수 있다. 반결정성 열가소성물의 예들로서는 폴리에테르 케톤, 예컨대 폴리에테르 에테르 케톤 (PEEK), 폴리에테르 케톤 케톤 (PEKK), 폴리 에테르 케톤 케톤 에테르 케톤 (PEKKEK), 폴리아미드, 예컨대 폴리아미드 6 (PA6), 폴리아미드 66 (PA66), 폴리아미드 10 (PA10), 폴리아미드 11 (PA11), 폴리아미드 12 (PA12), 폴리올레핀, 예컨대 폴리에틸렌 (PE), 폴리프로필렌 (PP) 등을 포함한다. 비정질 열가소성물은 결정을 형성하지 않고, 용융 온도를 갖지 않는다. 비정질 열가소성물은 재료 온도가 그의 유리 전이 온도 미만인지 또는 초과인지에 따라 응고되거나 유동성이 된다. 비정질 열가소성물의 예들로서는 폴리에테르이미드 (PEI), 폴리설폰 (PSU), 폴리에테르설폰 (PES), 폴리카보네이트 (PC), 폴리스티렌 (PS), 열가소성 폴리우레탄 (TPU) 등을 포함한다. 따라서, 반결정성 및 비정질 열가소성물 둘 모두는 용융 또는 유리 전이 온도 이상으로 가열함으로써 재성형될 수 있고, 그에 따라 온도를 낮춤으로써 새로운 형상으로 동결될 수 있다. 물리적 관점에서 엄격하게 정확하지는 않지만, 단순화를 위해, 액체 상태의 반결정성 및 비정질 열가소성물 둘 모두는 본 명세서에서 "열가소성 용융물" 로 지칭된다.
라이너는 압력 용기, 특히 차량용 압력 용기에 통상적으로 사용되는 임의의 재료로 제조될 수 있다. 예컨대, 라이너는 알루미늄 또는 강과 같은 금속으로 제조될 수 있거나, 플라스틱으로 제조될 수 있다.
제 1 돔 강화 쉘은, 예를 들어 미리 설명된 선행 기술 문헌에 기재된 바와 같은 돔 강화 쉘이다.
본 발명의 맥락에서, 측지 돔은 반구형의 표면에서의 큰 원들의 네트워크에 기초하여 돔 구조물을 지칭하는 것을 의미한다. 측지는 교차하여 국부적인 삼각형 강성을 갖는 삼각형 요소를 형성하고 또한 구조물에 걸쳐 응력을 분배한다. 측지 돔 윤곽은 Stuart M. Lee 의 "Handbook of Composite Reinforcements" (ISBN: 0-471-18861-1) 의 244-245 쪽에 기재된 기법에 의해 생성될 수 있다. 측지 돔 윤곽은 필라멘트의 이소텐소이드 로딩을 제공한다.
용어 "이소텐소이드" 는 라이너 및 제 1 돔 강화 쉘 주위에 감싸지는 외부 복합 구조물의 각각의 필라멘트가 그 경로의 모든 지점들에서 일정한 압력을 경험하는 완전히 권취된 압력 용기의 특성을 지칭한다. 이러한 구성에서, 압축된 내부 유체에 의해 용기에 가해지는 사실상 전체 응력은 외부 복합 구조물의 필라멘트에 의해 취해지고, 매우 적은 응력은 라이너에 의해 취해진다.
제 1 돔 강화 쉘이 라이너의 제 1 돔 형상의 종방향 단부의 형상에 상보적인 형상을 갖기 때문에, 제 1 돔 강화 쉘은 또한 측지 돔 윤곽을 갖는 돔 강화 쉘보다 내부 유체 저장 챔버를 향해 덜 오목한 돔 윤곽을 갖는다.
유리하게는, 라이너의 제 1 중간부의 형상은 원통형, 절두 원추형, 만곡형 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 외주면을 갖는다.
이와 같이, 제 1 돔 강화 쉘을 포함하는 라이너의 외부 표면은 특히 매끄럽다. 이는 외부 복합 구조물의 적용을 개선하고 압력 용기 내의 응력 레벨을 감소시킨다.
바람직하게는, 제 1 중간부의 외주면은 제 1 절두 원추형 표면 및 제 1 원통형 표면의 조합이다.
따라서, 라이너는 일반적으로 원통형 중심부와 제 1 돔 형상의 종방향 단부 사이에 제 1 테이퍼진 외부 숄더를 포함하는 단차형 라이너로서 볼 수 있다.
유리하게는, 제 1 중간부의 제 1 절두 원추형 표면과 제 1 원통형 표면 사이에 형성된 각도 γ 는 15° 미만, 바람직하게는 10° 미만이다.
이 각도는 제 1 절두 원추형 표면으로부터 제 1 중간부의 제 1 원통형 표면으로의 매끄러운 천이부를 허용하고, 외부 복합 구조물에 대한 손상을 야기할 수 있는 예리한 에지들의 형성을 방지한다. 이 각도는 제 1 돔 강화 쉘의 선단 구역에서 라이너 내부의 응력을 감소시키도록 추가로 허용한다.
유리하게는, 제 1 절두 원추형 표면과 일반적으로 원통형 중심부의 외주면 사이에 형성된 각도 σ 는 15° 미만, 바람직하게는 10° 미만이다.
이 각도는 제 1 절두 원추형 표면으로부터 일반적으로 원통형 중심부의 외주면으로의 매끄러운 천이부를 허용하고, 외부 복합 구조물에 대한 손상을 야기할 수 있는 예리한 에지들의 형성을 방지한다. 또한, 제 1 중간부가 제 1 돔 강화 쉘의 선단을 수용하기 위한 제 1 테이퍼진 외부 숄더를 포함할 때, 이 각도는 제 1 돔 강화 쉘의 선단 구역에서 라이너 내부의 응력을 감소시킨다.
바람직하게는, 제 1 돔 형상의 종방향 단부의 돔 윤곽과 측지 돔 윤곽을 갖는 돔 형상의 종방향 단부의 돔 윤곽 사이의 최대 거리는 제 1 외경 (D1) 의 0.1% 와 5% 사이, 바람직하게는 제 1 외경 (D1) 의 0.5% 와 2.5% 사이이다.
이들 값들은 제 1 돔 형상의 종방향 단부에 적합하고, 라이너의 제조에서 구현하기 쉽고, 라이너 및 제 1 돔 강화 쉘을 둘러싸거나 감싸는 외부 복합 구조물에서 응력의 보다 양호한 감소를 허용한다. 응력의 이러한 감소는 사용된 복합 구조물의 감소를 허용한다.
다른 실시형태에서, 압력 용기는 제 1 외경 (D1) 이 후프층을 포함하도록 라이너의 일반적으로 원통형 중심부 주위에 권취된 후프층을 더 포함한다.
이러한 배열은 라이너가 단차식 라이너라기보다는 고전적인 라이너일 수 있게 한다. 고전적인 라이너는 단차가 없는 라이너이다.
바람직한 실시형태에서, 압력 용기는 압력 용기로서:
- 상기 라이너는:
ㆍ일반적으로 원통형 중심부의, 제 1 종방향 단부 반대편의, 제 2 종방향 단부에서의 제 3 외경,
ㆍ제 4 외경의 베이스를 갖는 제 2 돔 형상의 종방향 단부로서, 상기 제 4 외경은 상기 제 3 외경 보다 작은, 상기 제 2 돔 형상의 종방향 단부, 및
ㆍ일반적으로 원통형 중심부와 제 2 돔 형상의 종방향 단부 사이에 위치되고, 일반적으로 원통형 중심부의 제 2 종방향 단부를 제 2 돔 형상의 종방향 단부의 베이스에 연결하는 제 2 중간부
를 더 포함하고,
상기 라이너의 상기 제 2 돔 형상의 종방향 단부는 측지 돔 윤곽을 갖는 돔 형상의 종방향 단부보다 내부 유체 저장 챔버를 향해 덜 오목한 돔 윤곽을 갖고,
- 상기 압력 용기는, 상기 라이너의 제 2 돔 형상의 종방향 단부 및 제 2 중간부 둘 다의 형상에 상보적인 형상을 갖는 제 2 돔 강화 쉘을 더 포함하고, 상기 제 2 돔 강화 쉘은 상기 라이너의 제 2 돔 형상의 종방향 단부 및 제 2 중간부 둘 다에 끼워맞춰지며,
- 상기 외부 복합 구조물은 상기 라이너 및 2 개의 상기 돔 강화 쉘들을 둘러싸거나 감싼다.
이러한 배열에 의해, 라이너의 일반적으로 원통형 중심부의 각각의 종방향 단부는 본 발명의 유리한 기계적 특성을 제공하는 돔 형상의 종방향 단부를 갖는다.
유리하게는, 제 3 외경은 제 1 외경과 대략 동일하다.
바람직하게는, 제 4 외경은 제 2 외경과 대략 동일하다.
유리하게는, 라이너의 제 2 중간부의 형상은 원통형, 절두 원추형, 만곡형 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 외주면을 갖는다.
이와 같이, 제 2 돔 강화 쉘을 포함하는 라이너의 외부 표면은 특히 매끄럽다. 이는 외부 복합 구조물의 적용을 개선하고 압력 용기 내의 응력 레벨을 감소시킨다.
바람직하게는, 제 2 중간부의 외주면은 제 2 절두 원추형 표면 및 제 2 원통형 표면의 조합이다.
따라서, 라이너는 일반적으로 원통형 중심부와 제 2 돔 형상의 종방향 단부 사이에 제 2 테이퍼진 외부 숄더를 포함하는 단차형 라이너로서 볼 수 있다.
유리하게는, 제 2 중간부의 제 2 절두 원추형 표면과 제 2 원통형 표면 사이에 형성된 각도는 15° 미만, 바람직하게는 10° 미만이다.
이 각도는 제 2 절두 원추형 표면으로부터 제 2 중간부의 제 2 원통형 표면으로의 매끄러운 천이부를 허용하고, 외부 복합 구조물에 대한 손상을 야기할 수 있는 예리한 에지들의 형성을 방지한다. 이 각도는 제 2 돔 강화 쉘의 선단 구역에서 라이너 내부의 응력을 감소시키도록 추가로 허용한다.
유리하게는, 제 2 절두 원추형 표면과 일반적으로 원통형 중심부의 외주면 사이에 형성된 각도는 15° 미만, 바람직하게는 10° 미만이다.
이 각도는 제 2 절두 원추형 표면으로부터 일반적으로 원통형 중심부의 외주면으로의 매끄러운 천이부를 허용하고, 외부 복합 구조물에 대한 손상을 야기할 수 있는 예리한 에지들의 형성을 방지한다. 또한, 제 2 중간부가 제 2 돔 강화 쉘의 선단을 수용하기 위한 제 2 테이퍼진 외부 숄더를 포함할 때, 이 각도는 제 2 돔 강화 쉘의 선단 구역에서 라이너 내부의 응력을 감소시킨다.
바람직하게는, 제 2 돔 형상의 종방향 단부의 돔 윤곽과 측지 돔 윤곽을 갖는 돔 형상의 종방향 단부의 돔 윤곽 사이의 최대 거리는 제 3 외경의 0.1% 와 5% 사이, 바람직하게는 제 3 외경의 0.5% 와 2.5% 사이이다.
이들 값들은 제 2 돔 형상의 종방향 단부에 적합하고, 라이너의 제조에서 구현하기 쉽고, 라이너 및 제 2 돔 강화 쉘을 둘러싸거나 감싸는 외부 복합 구조물에서 응력의 보다 양호한 감소를 허용한다. 응력의 이러한 감소는 사용된 복합 구조물의 감소를 허용한다.
다른 실시형태에서, 압력 용기는 제 3 외경이 후프층을 포함하도록 라이너의 일반적으로 원통형 중심부 주위에 권취된 후프층을 더 포함한다.
이러한 배열은 라이너가 단차식 라이너라기보다는 고전적인 라이너일 수 있게 한다. 고전적인 라이너는 단차가 없는 라이너이다.
본 발명에 따르면 또한 전술한 바와 같은 압력 용기를 포함하는 차량이 제공된다.
다른 특징들 및 이점들은, 예시적이고 비제한적인 예로서 주어지고 첨부된 도면들과 함께 다음의 설명을 읽음으로써 나타날 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 차량의 일반도이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 압력 용기의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b 는 도 2 의 압력 용기의 돔 강화 쉘 및 돔 강화 쉘의 제 1 층 (도 3a) 및 돔 강화 쉘의 제 2 층 (도 3b) 의 선행 기술의 돔 강화 쉘에서의, 차동 내부 응력의 재분할을 비교하는 시뮬레이션 그래픽이다.
도 4 는 도 2 의 압력 용기의 외부 복합 구조물과 선행 기술의 외부 복합 구조물에서 차동 내부 응력의 재분할을 비교하는 시뮬레이션 그래픽이다.
도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 압력 용기의 단면도이다.
본 발명은 특정 실시형태들에 관하여 그리고 소정의 도면들을 참조하여 설명될 것이지만 발명은 이에 제한되는 것이 아니라 청구항들에 의해서만 제한된다. 설명된 도면들은 단지 개략적이고 비제한적이다. 도면들에서, 일부 요소들의 크기는 예시적인 목적들을 위해 과장되며 비율대로 도시되지 않는다. 치수들 및 상대적 치수들은 발명을 실시하기 위한 실제 축소들에 대응하지 않는다.
청구항들에 사용된 "포함하는" 이라는 용어는 그 이후에 열거된 수단으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안되고; 이는 다른 요소들이나 단계들을 제외하지 않는다. 따라서, 이는 언급된 특징들, 정수들, 단계들 또는 구성요소들의 존재를 특정하는 것으로 해석되어야 하지만, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들 또는 구성요소들, 또는 이들의 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하지 않는다. 따라서, "수단 A 및 B 를 포함하는 디바이스" 라는 표현의 범위는 구성요소들 A 및 B 로만 이루어진 디바이스들로 제한되지 않아야 한다. 이는 본 발명과 관련하여, 디바이스의 관련 구성요소들만이 A 및 B 인 것을 의미한다.
도 1 은 고압하에서 가스를 포함하도록 구성된 압력 용기 (4; 4') 를 포함하는 차량 (2) 을 나타낸다. 예를 들어, 압력 용기 (4; 4') 는 차량의 연료 전지에 통전하기 위한 디하이드로젠을 포함할 수 있다. "고압 용기" 라는 표현은 700 bar 에 이르는 내부 압력을 견딜 수 있는 압력하에서 가스를 저장하도록 의도된 용기를 의미한다. 예를 들어, 압력 용기는 국제 연합에 의해 발행된 "Agreement Concerning the Adoption of Uniform Technical Prescriptions for Wheeled Vehicles, Equipment and Parts which can be Fitted and/or be Used on Wheeled Vehicles and the Conditions for Reciprocal Recognition of Approvals Granted on the Basis of these Prescriptions" 의 부록 133-규정 제 134 를 준수할 수 있다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 압력 용기 (4) 의 절반을 나타낸다. 압력 용기 (4) 는 압력 용기 (4) 의 유체 저장 챔버 (3) 를 규정하는 라이너 (6) 를 포함한다. 라이너 (6) 는 종방향 축 (10) 및 2 개의 유사한 돔 형상의 종방향 단부들: 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 및 제 2 돔 형상의 종방향 단부 (제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 만이 도 2 에 도시됨) 를 규정하는 일반적으로 원통형 중심부 (8) 를 갖는다. 라이너 (6) 는 종축 (10) 에 수직이고 라이너 (6) 의 체적의 중심을 통과하는 대칭 평면을 갖는다. 다른 실시형태들에서, 라이너는 하나의 돔 형상의 종방향 단부 (12) 만을 가질 수 있다.
이하에서, 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 만이 설명될 것이며, 제 2 돔 형상의 종방향 단부가 대칭 평면에 대해 대칭에 의해 추론될 수 있음을 알고 있다. 이는 제 1 중간부 (13) 에 대해서도 동일하다.
일반적으로 원통형 중심부 (8) 는 라이너 (6) 의 제 1 종방향 단부 (8a) 에서 제 1 외경 (D1) 을 갖는다. 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 는 종방향 축 (10) 과 동축인 중심축 및 제 2 외경 (D2) 의 베이스부 (12a) 를 가지고, D2 는 D1 보다 작다. 라이너 (6) 는 일반적으로 원통형 중심부 (8) 와 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 사이에 위치된 제 1 중간부 (13) 를 더 포함한다. 제 1 중간부 (13) 는 일반적으로 원통형 중심부 (8) 의 제 1 종방향 단부 (8a) 를 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 의 베이스부 (12a) 에 연결한다.
본 실시형태에서, 라이너 (6) 의 제 1 중간부 (13) 는 제 1 절두 원추형 표면 (9) 및 제 1 원통형 표면 (11) 의 조합으로 구성된 외주면을 갖는다. 제 1 중간부 (13) 의 제 1 절두 원추형 표면 (9) 과 제 1 원통형 표면 (11) 사이에 형성된 각도 γ 는 15° 미만, 바람직하게는 10° 미만이다. 이 각도는 제 1 원통형 표면 (11) 에 대한 제 1 절두 원추형 표면 (9) 의 경사에 대응하고, 예리한 에지들의 형성을 방지하는 이들 2 개의 부분들 사이의 매끄러운 천이부를 허용한다. 더욱이, 제 1 절두 원추형 표면 (9) 과 일반적으로 원통형 중심부 (8) 의 외주면 사이에 형성된 각도 σ 는 15° 미만, 바람직하게는 10° 미만이다. 이 각도는 일반적으로 원통형 중심부 (8) 의 외주면에 대한 제 1 절두 원추형 표면 (9) 의 경사에 대응하고, 예리한 에지들의 형성을 방지하는 이들 2 개의 부분들 사이의 매끄러운 천이부를 허용한다.
라이너 (6) 의 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 는, 문헌 DE 10 2017 208 492 A1 에 기재된 돔 형상의 종방향 단부와 같은, 측지 돔 윤곽을 갖는 돔 형상의 종방향 단부보다 내부 유체 저장 챔버 (3) 를 향해 덜 오목한 돔 윤곽을 갖는다. 제 1 돔 형상의 종방향 단부의 돔 윤곽과 측지 돔 윤곽을 갖는 돔 형상의 종방향 단부의 돔 윤곽 사이의 최대 거리는 제 1 외경 (D1) 의 0.1% 와 5% 사이, 바람직하게는 제 1 외경 (D1) 의 0.5% 와 2.5% 사이이도록 제공된다.
압력 용기 (4) 는 라이너 (6) 내외로 유체를 충전 및 배출하기 위한 보스 (14) 를 포함한다. 보스 (14) 는 라이너 (6) 의 제 1 돔 형상 종방향 단부 (12) 에 위치된 구멍에 끼워맞춰진다.
압력 용기 (4) 는 라이너 (6) 의 제 1 돔 형상 종방향 단부 (12) 상에 끼워맞춰지는 제 1 돔 강화 쉘 (16) 을 포함한다. 이 실시형태에서, 압력 용기 (4) 는 라이너 (6) 의 하나의 돔 형상 종방향 단부에 각각 끼워맞춰지는 2 개의 유사한 돔 강화 쉘들을 포함하고, 2 개의 돔 강화 쉘들은 전술한 대칭 평면에 대해 서로 대칭이다. 이하에서, 제 1 돔 강화 쉘 (16) 만이 설명될 것이며, 제 2 돔 강화 쉘이 대칭 평면에 대해 대칭에 의해 추론될 수 있음을 알고 있다. 본 실시형태에서, 제 1 외경 (D1) 과 제 2 외경 (D2) 사이의 직경의 차이는, 제 1 돔 강화 쉘 (16) 이 라이너 (6) 와 플러싱하도록 제 1 중간부 (13) 에 제 1 테이퍼진 외부 숄더 형태의 삽입 영역이 형성되도록 하는 것이다. 후자의 위치에서, 제 1 테이퍼진 외부 숄더는 제 1 돔 강화 쉘 (16) 의 선단 (27) 을 수용한다.
압력 용기 (4) 는 라이너 (6) 및 제 1 돔 강화 쉘 (16) 을 둘러싸거나 감싸는 외부 복합 구조물 (20) 을 포함한다. 이러한 외부 복합 구조물 (20) 은 압력 용기의 제조에서 잘 알려진 것으로서, 이하의 설명에서는 더 이상 설명하지 않는다.
제 1 돔 강화 쉘 (16) 은 섬유 강화 복합 재료의 층들의 권선으로 구성된다. 섬유 강화 복합 재료는, 예를 들어 흔히 RTM 공정이라고 불리는 수지 주입 공정 또는 수지 이송 성형 공정에 의해, 놓이고 나서 미리 함침되고 경화되거나, 미리 함침되고 함침되지 않을 수 있다. 그러한 공정들 동안, 복합 재료가 수지 주입 공구 또는 수지 이송 몰드 내부에 남아 있는 동안 복합 재료의 경화가 발생한다. RTM 공정은 감소된 내부 응력을 갖는 돔 강화 쉘 (16) 의 여분의 매끄러운 외부 표면을 획득하는 것을 허용한다는 것에 유의해야 한다. 제 1 돔 강화 쉘 (16) 은 라이너 (6) 의 종축 (10) 과 동축인 중심축과 베이스 (24) 를 갖는 돔 형상부 (22) 를 갖는다. 본 실시형태에서, 제 1 돔 강화 쉘 (16) 은 라이너 (6) 의 제 1 중간부 (13) 및 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 둘 다의 형상에 상보적인 형상을 갖는다. 따라서, 제 1 돔 강화 쉘 (16) 은 또한 측지 돔 윤곽을 갖는 돔 강화 쉘보다 내부 유체 저장 챔버 (3) 를 향해 덜 오목한 돔 윤곽을 갖는다. 제 1 돔 강화 쉘 (16) 은 라이너 (6) 의 제 1 중간부 (13) 및 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 둘 다에 끼워맞춰진다.
도 3a 및 도 3b 는, 전제부에 인용된 선행 기술 문헌 DE 10 2017 208 492 A1 의 돔 강화 쉘 및 제 1 돔 강화 쉘 (16) 의 섬유 강화 복합 재료의 제 1 층 및 제 2 층에서 각각, 선행 기술에 의해 제안된 바와 같은 돔 강화 쉘에서의 응력 및 제 1 돔 강화 쉘 (16) 에서의 응력을 비교하는 소프트웨어 ABAQUS 에서의 시뮬레이션을 도시한다.
도 4 는 외부 복합 구조물 (20) 의 근위층에서의 응력과 선행 기술의 외부 복합 구조물의 근위층에서의 응력을 비교하는 소프트웨어 ABAQUS 에서의 시뮬레이션을 도시한다.
도 3a, 도 3b 및 도 4 는 시뮬레이션에서 출력 UVARM8 에 대응하는 필라멘트에서 섬유 방향으로의 층상 응력을 도시한다. 이들 3 개의 도면들에서, 점선 (28) 은 본 발명에 따른 압력 용기의 외부 복합 구조물 (20) 또는 제 1 돔 강화 쉘 (16) 에서의 응력의 발생에 대응하고, 실선 (30) 은 선행 기술에 따른 압력 용기의 외부 복합 구조물 또는 돔 강화 쉘에서의 응력의 발생에 대응하며, 라이너의 돔 형상의 종방향 단부는 측지 돔 윤곽을 갖는다.
도 3a, 도 3b 및 도 4 는 본 발명으로부터의 2 개의 개량들을 보여준다. 첫째, 제 1 돔 강화 쉘 (16) 의 섬유 강화 복합 재료의 층들에서의 응력은 섬유를 따라 대략 500 MPa 로 감소된다 (도 3a 및 도 3b 참조). 제 1 층에 대해, 비-측지 돔 윤곽을 갖는 돔 형상의 종방향 단부 (12) 의 경우에 응력이 섬유를 따라 감소되는 반면, 측지 돔 윤곽을 갖는 돔 형상의 종방향 단부의 경우에는 응력이 약간 증가하는 것을 알 수 있다. 둘째, 외부 복합 구조물 (20) 내의 응력은 또한 섬유를 따른 위치의 함수에서 약 500 MPa 내지 1000 MPa 로 감소되며, 본 발명은 섬유를 따른 응력의 발생을 매끄럽게 하여, 압력 용기의 잠재적 파손을 초래할 수 있는 응력의 집중 구역들을 제거한다. 이러한 파손은 전형적으로 예를 들어 20 bar 내지 700 bar 로 진행하는 연속적인 압력 사이클링 후에 발생된다.
이러한 장점 덕분에, 압력 용기에 대한 동일한 기계적 특성을 유지하면서 외부 복합 구조물 (20) 내에 섬유를 덜 사용할 수 있다. 결과적인 압력 용기는 더 경량이고 더 적은 제조 시간을 요구한다.
도 5 는 본 발명의 변형 실시형태를 도시한다. 이 실시형태에서, 후프층 (15) 은 제 1 외경 (D1) 이 후프층 (15) 을 포함하도록 라이너 (6) 의 일반적으로 원통형 중심부 (8) 주위에 권취된다.
본 발명의 압력 용기는 당업계에 이미 잘 알려져 있고 여기서 더 상세히 설명되지 않을 수단에 의해 제조될 수 있다.
전술한 실시형태들은 예시적이며 제한적인 실시형태들이 아니다. 명백하게, 본 발명의 개념으로부터 벗어나지 않고서 전술한 교시들에 비추어 본 발명의 많은 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명은 구체적으로 설명된 바와 같이 달리 실시될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
2 : 차량
3 : 내부 유체 저장 챔버
4; 4' : 복합 압력 용기
6 : 라이너
8 : 라이너 (6) 의 중심부
8a: 중심부 (8) 의 제 1 종방향 단부
9 : 제 1 절두 원추형 표면
10 : 종축
11 : 제 1 원통형 표면
12 : 라이너 (6) 의 제 1 돔 형상의 종방향 단부
12a : 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 의 베이스
13 : 중심 라이너 (6) 의 제 1 중간부
14 : 보스
15 : 후프층
16 : 제 1 돔 강화 쉘
20 : 외부 복합 구조물
22 : 제 1 돔 강화 쉘 (16) 의 돔 형상부
24 : 돔 형상부 (22) 의 베이스
27 : 제 1 돔 강화 쉘 (16) 의 선단
28 : 점선
30 : 실선

Claims (18)

  1. 압력 용기 (4; 4') 로서,
    - 내부 유체 저장 챔버 (3) 를 규정하는 라이너 (6) 로서:
    ㆍ제 1 종방향 단부 (8a) 에서 제 1 외경 (D1) 을 갖는 일반적으로 원통형 중심부 (8),
    ㆍ제 2 외경 (D2) 의 베이스 (12a) 를 갖는 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 로서, 상기 제 2 외경 (D2) 은 상기 제 1 외경 (D1) 보다 작은, 상기 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12), 및
    ㆍ상기 일반적으로 원통형 중심부 (8) 와 상기 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 사이에 위치되고, 상기 일반적으로 원통형 중심부 (8) 의 상기 제 1 종방향 단부 (8a) 를 상기 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 의 베이스 (12a) 에 연결하는 제 1 중간부 (13) 를 갖고,
    상기 라이너 (6) 의 상기 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 는 측지 돔 윤곽 (geodesic dome contour) 을 갖는 돔 형상의 종방향 단부보다 상기 내부 유체 저장 챔버 (3) 를 향해 덜 오목한 돔 윤곽을 갖는, 상기 라이너 (6),
    - 상기 라이너 (6) 의 상기 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 및 상기 제 1 중간부 (13) 둘 다의 형상에 상보적인 형상을 갖는 제 1 돔 강화 쉘 (16) 로서, 상기 제 1 돔 강화 쉘 (16) 은 상기 라이너 (6) 의 상기 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 및 상기 제 1 중간부 (13) 둘 다에 끼워맞춰지는, 상기 제 1 돔 강화 쉘 (16),
    - 보스 (14), 및
    - 상기 라이너 (6) 및 상기 제 1 돔 강화 쉘 (16) 을 둘러싸거나 감싸는 외부 복합 구조물 (20)
    을 포함하는, 압력 용기 (4; 4').
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 돔 강화 쉘 (16) 은 측지 돔 윤곽을 갖는 돔 강화 쉘보다 상기 내부 유체 저장 챔버 (3) 를 향해 덜 오목한 돔 윤곽을 가지는, 압력 용기 (4; 4').
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 라이너 (6) 의 상기 제 1 중간부 (13) 는 원통형, 절두 원추형, 만곡형 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 외주면을 가지는, 압력 용기 (4; 4').
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 중간부 (13) 의 외주면은 제 1 절두 원추형 표면 (9) 및 제 1 원통형 표면 (11) 의 조합인, 압력 용기 (4; 4').
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 중간부 (13) 의 상기 제 1 절두 원추형 표면 (9) 과 상기 제 1 원통형 표면 (11) 사이에 형성된 각도 γ 는 15° 미만, 바람직하게는 10° 미만인, 압력 용기 (4; 4').
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 절두 원추형 표면 (9) 과 상기 일반적으로 원통형 중심부 (8) 의 외주면 사이에 형성된 각도 σ 는 15° 미만, 바람직하게는 10° 미만인, 압력 용기 (4; 4').
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 돔 형상의 종방향 단부 (12) 의 돔 윤곽과 측지 돔 윤곽을 갖는 돔 형상의 종방향 단부의 돔 윤곽 사이의 최대 거리는 상기 제 1 외경 (D1) 의 0.1% 와 5% 사이, 바람직하게는 제 1 외경 (D1) 의 0.5% 와 2.5% 사이인, 압력 용기 (4; 4').
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 용기는 상기 라이너 (6) 의 상기 일반적으로 원통형 중심부 (8) 주위에 권취되는 후프층 (15) 을 더 포함하여, 상기 제 1 직경 (D1) 은 상기 후프층 (15) 을 포함하는, 압력 용기 (4; 4').
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 라이너 (6) 는,
    ㆍ상기 일반적으로 원통형 중심부 (8) 의, 상기 제 1 종방향 단부 반대편 (8a) 의, 제 2 종방향 단부에서의 제 3 외경,
    ㆍ제 4 외경의 베이스를 갖는 제 2 돔 형상의 종방향 단부로서, 상기 제 4 외경은 상기 제 3 외경 보다 작은, 상기 제 2 돔 형상의 종방향 단부, 및
    ㆍ상기 일반적으로 원통형 중심부 (8) 와 상기 제 2 돔 형상의 종방향 단부 사이에 위치되고, 상기 일반적으로 원통형 중심부 (8) 의 상기 제 2 종방향 단부를 상기 제 2 돔 형상의 종방향 단부의 베이스에 연결하는 제 2 중간부
    를 더 포함하고,
    상기 라이너 (6) 의 상기 제 2 돔 형상의 종방향 단부는 측지 돔 윤곽을 갖는 돔 형상의 종방향 단부보다 상기 내부 유체 저장 챔버를 향해 덜 오목한 돔 윤곽을 갖고,
    - 상기 압력 용기는, 상기 라이너 (6) 의 상기 제 2 돔 형상의 종방향 단부 및 상기 제 2 중간부 둘 다의 형상에 상보적인 형상을 갖는 제 2 돔 강화 쉘을 더 포함하고, 상기 제 2 돔 강화 쉘은 상기 라이너 (6) 의 상기 제 2 돔 형상의 종방향 단부 및 상기 제 2 중간부 둘 다에 끼워맞춰지며,
    - 상기 외부 복합 구조물 (20) 은 상기 라이너 (6) 및 2 개의 상기 돔 강화 쉘들을 둘러싸거나 감싸는, 압력 용기 (4; 4').
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 3 외경은 상기 제 1 외경 (D1) 과 대략 동일한, 압력 용기 (4; 4').
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 제 4 외경은 상기 제 2 외경 (D2) 과 대략 동일한, 압력 용기 (4; 4').
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 라이너 (6) 의 상기 제 2 중간부는 원통형, 절두 원추형, 만곡형 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 외주면을 가지는, 압력 용기 (4; 4').
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 중간부의 외주면은 제 2 절두 원추형 표면 및 제 2 원통형 표면의 조합인, 압력 용기 (4; 4').
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 중간부의 상기 제 2 절두 원추형 표면과 상기 제 2 원통형 표면 사이에 형성된 각도는 15° 미만, 바람직하게는 10° 미만인, 압력 용기 (4; 4').
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 절두 원추형 표면과 상기 일반적으로 원통형 중심부 (8) 의 외주면 사이에 형성된 각도는 15° 미만, 바람직하게는 10° 미만인, 압력 용기 (4; 4').
  16. 제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 돔 형상의 종방향 단부의 돔 윤곽과 측지 돔 윤곽을 갖는 돔 형상의 종방향 단부의 돔 윤곽 사이의 최대 거리는 상기 제 3 외경의 0.1% 와 5% 사이, 바람직하게는 상기 제 3 외경의 0.5% 와 2.5% 사이인, 압력 용기 (4; 4').
  17. 제 9 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 용기는 상기 라이너 (6) 의 상기 일반적으로 원통형 중심부 (8) 주위에 권취되는 후프층 (15) 을 더 포함하여, 상기 제 3 직경은 상기 후프층 (15) 을 포함하는, 압력 용기 (4; 4').
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 압력 용기 (4; 4') 를 포함하는, 차량.
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