KR20240027871A - 최적화된 외부 복합 구조체를 갖는 압력 용기 - Google Patents

최적화된 외부 복합 구조체를 갖는 압력 용기 Download PDF

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칸-훙 응우옌
헤르트 나우번
드리스 드비셔
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플라스틱 옴니엄 뉴 에너지스 프랑스
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Abstract

본 발명은 내부 유체 저장 챔버(3) 및 외부 복합 구조체(20)를 포함하는 압력 용기(4; 4')에 관한 것이며, 상기 외부 복합 구조체(20)는 상기 보강 섬유들의 나선형 층들(20a) 및 후프 층들(20b) 양쪽을 포함하는 두께(T)를 가지며, 모든 나선형 층들(20a)의 조합된 두께의 적어도 20%는 상기 외부 복합 구조체(20)의 25% 최내부 두께(T) 내에 위치되고, 상기 내부 유체 저장 챔버(3)는 제 1 중간 부분(13)를 갖는 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)을 포함하는 라이너(6)에 의해 규정된다. 상기 압력 용기(4; 4')는 상기 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)과 제 1 중간 부분(13)의 형상에 상보적인 형상을 갖는 제 1 돔 보강 쉘(16)을 추가로 포함하고, 상기 제 1 돔 보강 쉘(16)은 상기 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)과 제 1 중간 부분(13) 상에서만 상기 라이너(6)에 피팅된다.

Description

최적화된 외부 복합 구조체를 갖는 압력 용기
본 발명은 차량을 위한 압력 용기에 관한 것이다. 보다 정확하게, 본 발명은 압력 용기 및 이러한 압력 용기를 포함하는 차량에 관한 것이다.
차량을 위한 고압 용기는 일반적으로 2개의 돔-형상의 종방향 단부들을 구비한 일반적인 원통형 형상을 갖고, 경량이고 제조하는 데 저렴하도록 선택되는 플라스틱 재료 또는 금속(예를 들어, 알루미늄)과 같은 다른 재료로 제조되는 라이너라고도 지칭되는 중공 용기를 포함한다. 이러한 용기는 동력 공급원(source of power)과 같은 다양한 기능을 위한 압력 용기가 구비된 차량에 의해 사용되도록, 압력 하에서 가스, 예를 들어 이수소(dihydrogen)을 저장하기 위해 의도된다. 압력 하의 가스는 용기의 내부 표면 상에 강한 제약을 가하며, 이는 용기의 완전성을 손상시키고 특히 이수소와 같은 가연성 가스로 인한 위험한 누출을 야기할 수 있다.
용기의 기계적 특성을 개선하기 위해, 용기의 외부 표면 전체 주위에 보강 섬유, 예를 들어 탄소 섬유로 제조된 필라멘트를 와인딩하는 것은 공지되어 있다. 필라멘트는 와인딩을 용이하게 하고 컨테이너의 외부 표면의 각각의 피스를 확실히 커버하기 위해 수지 내에 매립된다.
예를 들어, 공개된 특허 문헌 US 2020/116304 A1, US 2012/048862 A1 및 US 2017/241591 A1에 개시된 바와 같이, 외부 복합 구조체를 형성하기 위해 보강 섬유의 나선형 층 및 후프 층 양쪽을 갖는 용기의 외부 표면을 와인딩하는 것이 공지되어 있다. 압력 용기가 고압 하에서 가스를 수용할 때, 컨테이너의 일반적인 원통형 형상과 돔-형상의 종방향 단부 부분 사이의 경계에서의 외부 복합 구조체의 최내부 층에서 과도한 기계적 응력을 피하기 위해, 나선형 층의 두께를 증가시키는 것은 알려져 있다. 이러한 해결책은 압력 용기의 중량을 증가시키기 때문에 만족스럽지 않다.
용기의 돔-형상의 종방향 단부 부분에 대해, 컨테이너와 독립적으로, 필라멘트의 와인딩, 및 그후 후속 단계에서, 컨테이너 상에 돔 보강 쉘을 피팅하는 것을 포함하는, 돔 보강 파트 또는 돔 보강 쉘을 제조하는 것은 공지되어 있다. 문헌 DE 10 2017 208 492 A1은 이러한 돔 보강 쉘의 예를 제공한다. 이러한 돔 보강 쉘이 사용될 때, 컨테이너의 일반적인 원통형 형상과 용기의 돔-형상의 종방향 단부 사이의 경계에서 외부 복합 구조체의 최내부 층은 또한 압력 용기가 고압 하에서 가스를 포함할 때 과도한 기계적 응력을 받는다.
상기의 관점에서, 사용되는 보강 섬유의 양을 감소시키면서 양호한 기계적 특성을 유지함으로써 압력 용기를 최적화할 필요가 있다.
본 발명은 압력 용기를 제공하며, 상기 압력 용기는, 내부 유체 저장 챔버 및 상기 내부 유체 저장 챔버를 둘러싸거나 에워싸는 외부 복합 구조체를 포함하고, 상기 외부 복합 구조체는 보강 섬유들의 나선형 층 및 후프 층 양쪽을 포함하는 두께를 가지며, 모든 나선형 층의 조합된 두께의 적어도 20%는 상기 외부 복합 구조체의 25% 최내부 두께 내에 위치되고, 바람직하게는 모든 나선형 층의 조합된 두께의 적어도 30%는 상기 외부 복합 구조체의 20% 최내부 두께 내에 위치된다.
본 발명으로 인해, 외부 복합체 구조체 두께에서의 나선형 층들의 분포가 최적화된다. 실제로, 종래 기술과 비교하여, 모든 나선형 층들의 조합된 두께의 적어도 20%를 외부 복합 구조체의 25% 최내부 두께 내에 배열함으로써, 압력 용기가 고압 하의 가스를 포함할 때 외부 복합 구조체의 최내부 층들에서의 기계적 응력을 낮추기 위해, 외부 복합 구조체의 두께, 특히 모든 나선형 층들의 조합된 두께를 더 이상 증가시킬 필요가 없다. 본 발명의 이점은 모든 나선형 층의 조합된 두께의 적어도 30%가 외부 복합 구조체의 20% 최내부 두께 내에 배열될 때 훨씬 더 명백하다. 이는 양호한 기계적 특성을 유지하면서 외부 복합 구조체의 제조를 위해 섬유를 덜 사용하는 것을 가능하게 한다. 이는 결과적인 압력 용기의 중량 감소를 허용한다. 추가로, 이는 라이너 위에 외부 복합 구조체를 와인딩하는 시간이 감소됨에 따라 제조 시간의 감소를 허용한다.
"보강 섬유의 나선형 층 "이라는 표현은 보강부로서 나선형 방향으로 배열된, 즉 압력 용기의 종축에 대해 5° 내지 85°의 각도로 배열된, 섬유의 연속 필라멘트를 의미한다.
"보강 섬유의 후프 층"이라는 표현은 보강부로서 후프 방향으로 배열된, 즉 압력 용기의 종축에 대해 85° 내지 90°의 각도로 배열된, 섬유의 연속 필라멘트를 의미한다.
"모든 나선형 층의 조합된 두께"라는 표현은 외부 복합 구조체의 모든 나선형 층을 스택함으로써 형성된 층의 스택의 두께를 의미한다.
"외부 복합 구조체의 최내부 두께"라는 표현은 내부 유체 저장 챔버에 가장 가까운 외부 복합 구조체의 두께를 의미한다.
본 발명에 따르면, 내부 유체 저장 챔버는 다음을 포함하는 라이너에 의해 규정되고, 라이너는,
· 제 1 종방향 단부에서 제 1 외경(D1)을 갖는 일반적으로 원통형의 중심 부분,
제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분으로서, 베이스 부분 및 상기 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분의 상기 베이스 부분에 상기 일반적으로 원통형의 중심 부분의 제 1 종방향 단부를 연결하기 위해 상기 일반적으로 원통형의 중심 부분과 상기 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분 사이에 위치된 제 1 중간 부분을 갖는, 상기 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분을 포함하고,
상기 압력 용기는 상기 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분과 그 제 1 중간 부분의 형상에 상보적인 형상을 갖는 제 1 돔 보강 쉘을 추가로 포함하고, 상기 제 1 돔 보강 쉘은 상기 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분과 그 제 1 중간 부분 상에서만 상기 라이너에 피팅된다.
"일반적으로 원통형 중심 부분"이라는 표현은, 중심 부분이 그 외부 표면으로부터 보았을 때 원통형인 것으로 보이고 일반적으로 공간에서 원통형 형상을 제거하는 것을 의미한다.
제 1 돔 보강 쉘의 상보적인 형상으로 인해, 압력 용기의 기계적 특성들은 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분 및 그 제 1 중간 부분을 보강함으로써 개선된다. 특히, 외부 복합 구조체 내측, 특히 외부 복합 구조체의 최내부 두께 내측에서는 기계적 응력이 감소된다. 이는 양호한 기계적 특성을 유지하면서 외부 복합 구조체의 제조를 위해 섬유를 덜 사용하는 것을 가능하게 한다. 이는 결과적인 압력 용기의 중량 감소를 허용한다. 또한, 이는 라이너 및 제 1 돔 보강 쉘에 걸쳐 외부 복합 구조체를 와인딩하는 시간이 감소됨에 따라 제조 시간의 감소를 허용한다.
바람직하게는, 상기 베이스 부분은 제 2 외경(D2)을 갖고, 상기 제 2 외경(D2)은 상기 제 1 외경(D1)보다 작다. 따라서, 제 1 외경(D1)과 제 2 외경(D2) 사이의 직경의 차이로 인해, 삽입 구역이 제 1 중간 부분에 생성되어 제 1 돔 보강 쉘은 라이너와 같은 평면에 있거나 과도하게 돌출되지 않고, 이는 제 1 돔 보강 쉘이 돌출될 지점에서 외부 복합 구조체 내측에 과도한 기계적 응력의 인가를 회피한다. 바람직한 실시예에서, 제 1 외경 (D1) 및 제 2 외경 (D2) 은 제 1 돔 보강 쉘이 라이너와 같은 평면이 되도록 되어 있다. 이와 같이, 압력 용기의 외부 표면은 특히 매끄럽다. 이는 외부 복합 구조체의 적용을 개선하고 압력 용기 내에서의 기계적 응력 레벨을 감소시킨다.
바람직한 실시예에서, 제 1 돔 보강 쉘은 라이너, 더 바람직하게는 라이너의 일반적으로 원통형의 중심 부분과 같은 평면이다. 그것은 제 1 돔 보강 쉘이 라이너와 같은 평면인 지점에서 외부 복합 구조체 내측에 과도한 기계적 응력의 인가를 회피한다. 이와 같이, 압력 용기의 외부 표면은 특히 매끄럽다. 이는 외부 복합 구조체의 적용을 개선하고 압력 용기 내에서의 기계적 응력 레벨을 감소시킨다.
"제 1 돔 보강 쉘이 라이너와 같은 평면"이라는 표현은 라이너의 외부 표면이 제 1 돔 보강 쉘의 외부 표면과 기하학적으로 블렌딩된다는 것을 의미한다.
바람직하게는, 제 1 돔 보강 쉘의 외부 표면은 라이너의 일반적으로 원통형의 중심 부분의 외부 표면과 같은 평면이다. 따라서, 제 1 돔 보강 쉘은, 제 1 돔 보강 쉘의 외부 표면이 라이너의 일반적으로 원통형의 중심 부분의 외부 표면과 기하학적으로 블랜딩되기 때문에, 라이너의 일반적으로 원통형의 중심 부분의 제 1 외경(D1)으로부터 돌출하지 않는다. 이와 같이, 압력 용기의 외부 표면은 특히 매끄럽다. 이는 외부 복합 구조체의 적용을 개선하고 압력 용기 내에서의 기계적 응력 레벨을 감소시킨다.
바람직한 실시예에서, 라이너는 열가소성 재료로 제조된 플라스틱 라이너이다. 이는 제조 타입 IV 압력 용기를 허용한다.
바람직한 실시예에서, 라이너의 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분은, 지오데식 돔 윤곽 부분을 갖는 돔-형상의 종방향 단부 부분보다 내부 유체 저장 챔버를 향해 덜 오목한 돔 윤곽 부분을 갖는다.
지오데식 돔은 반구의 표면에서 큰 원의 네트워크에 기초하여 돔 구조를 설계하는 것을 의미한다. 지오데식은 국부적인 삼각형 강성도를 갖는 삼각형 요소를 형성하고 또한 구조체에 걸쳐 응력을 분배하도록 교차한다. 지오데식 돔 윤곽은 Stuart M. Lee (ISBN: 0-471-18861-1)의 "Handbook of Composite Reinforcements"의 244-245페이지에 설명된 기술에 의해 생성될 수 있다. 지오데식 돔 윤곽은 필라멘트의 이소텐소이드 로딩(isotensoid loading)을 제공한다.
용어 "이소텐소이드"는 라이너 및 제 1 돔 보강 쉘 주위에 랩핑된 외부 복합 구조체의 각각의 필라멘트가 그 경로의 모든 지점에서 일정한 압력을 경험하는 전체적으로 와인딩된 압력 용기의 특성을 지칭한다. 이러한 구성에서, 압축된 내부 유체에 의해 용기 상에 가해지는 사실상 전체 응력이 외부 복합 구조체의 필라멘트에 의해 취해지고, 매우 적은 응력이 라이너에 의해 취해진다.
바람직하게는, 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분의 돔 윤곽 부분과, 지오데식 돔 윤곽 부분을 갖는 돔-형상의 종방향 단부 부분의 돔 윤곽 부분 사이의 최대 거리는, 제 1 외경의 0.1% 과 5% 사이, 바람직하게는 제 1 외경의 0.5% 과 2.5% 사이이다. 이들 값은 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분에 적합하고, 라이너의 제조시에 구현하기 쉽고, 라이너 및 제 1 돔 보강 쉘을 둘러싸거나 에워싸는 외부 복합 구조체에서 응력의 더 양호한 감소를 허용한다. 응력의 이러한 감소는 사용된 복합 재료 구조의 감소(즉, 재료의 감소)를 허용한다.
제 1 돔 보강 쉘이 라이너의 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분의 형상에 상보적인 형상을 갖기 때문에, 제 1 돔 보강 쉘은 또한 지오데식 돔 윤곽 부분을 갖는 돔 보강 쉘보다 내부 유체 저장 챔버를 향해 덜 오목한 돔 윤곽 부분을 갖는다.
바람직한 실시예에서, 상기 라이너의 상기 제 1 중간 부분은 원통형, 원뿔대형, 만곡형 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 외부 주변 표면을 갖는다. 이와 같이, 제 1 돔 보강 쉘을 포함하는 라이너의 외부 표면은 특히 매끄럽다. 이는 외부 복합 구조체의 적용을 개선하고 압력 용기 내에서의 응력 레벨을 감소시킨다.
바람직하게는, 제 1 중간 부분의 외부 주변 표면은 제 1 원뿔대형 표면과 제 1 원통형 표면의 조합이다. 따라서, 라이너는 일반적으로 원통형의 중심 부분과 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분 사이에 제 1 테이퍼링된 외부 견부를 포함하는 단차형 라이너로서 볼 수 있다.
바람직한 실시예에서, 제 1 돔 보강 쉘은 와인딩, 랩핑, 브레이딩(braiding) 및 테이프 배치(tape placement) 기술들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 기술을 사용하여 제조된다. 유리하게는, 테이프 배치 기술은 레이저 보조 테이프 배치(laser assisted tape placement, LATP 로 알려짐) 기술이다.
특히 바람직한 일 실시예에서, 제 1 돔 보강 쉘은 와인딩 기술을 사용하여 제조된 섬유-보강된 복합 재료의 층들의 와인딩으로 이루어진다.
바람직한 실시예에서, 섬유-보강된 복합 재료의 매트릭스는 열경화성 수지 및 열가소성 폴리머로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 바람직하게는, 섬유-보강된 복합 재료의 매트릭스는 열경화성 수지이다.
열경화성 수지는 열경화성 수지를 형성하기 위해 경화 조건(예를 들어, 열, UV 또는 다른 방사선, 또는 단순히 이들을 서로 접촉시키는 것 등)에 노출 시 반응하는 반응성 열경화성 전구체를 형성하는 2개 이상의 반응성 성분을 혼합함으로써 형성된다. 열경화성 수지는 고성능 복합재를 산출하기 위해 완전히 경화되어야 한다. 일단 경화되면, 열경화성 수지는 고체이며, 수지가 더 이상 유동할 수 없기 때문에 더 이상 프로세싱되거나 재성형될 수 없다. 열경화성 수지의 예는 불포화 폴리에스테르, 에폭시, 비닐 에스테르, 폴리우레아, 이소시아누레이트, 및 폴리우레탄 수지를 포함한다. 점착성이지만 여전히 연질이도록 부분적으로만 경화된 반응성 수지로 함침된 섬유로 제조된 열경화성 프리프레그(prepreg)를 제조하는 것이 가능하다. 프리프레그는 저장되고 나중에 프리프레그를 완전히 경화시키고 고화시시키도록 수지를 가열하거나 UV에 노출시킴으로써 압력 하에서 추가로 프로세싱될 수 있다.
열가소성 폴리머는 각각 온도를 증가 및 하강시킴으로써 고체 상태(또는 비-유동성 상태)로부터 액체 상태(또는 유동성 상태)로 그리고 그 반대로 패스(pass)할 수 있다. 반결정성 폴리머의 경우, 열가소성 물질의 온도를 낮추는 것은 열가소성 물질의 고화 및 결정의 형성을 촉진한다(drive). 역으로, 반결정질 폴리머를 rm 용융 온도 초과로 가열하는 것은 결정을 용융시키고 열가소성 물질을 유동시킬 수 있다. 반결정질 열가소성 물질의 예는 폴리에테르 케톤, 예를 들어 PEEK, PEKK, PEKKEK, 폴리아미드, 예를 들어 PA6, PA66, PA10, PA11, PA12, 폴리올레핀, 예를 들어 PE, PP 등을 포함한다. 비정질 열가소성 물질은 결정을 형성하지 않고, 용융 온도를 갖지 않는다. 비정질 열가소성 물질은 재료 온도가 그 유리 전이 온도 미만인지 또는 초과인지에 따라 고화되거나 유동성으로 된다. 비정질 열가소성 물질의 예는 PEI, PSU, PES, PC, PS, TPU 등을 포함한다. 따라서, 반결정질 및 비정질 열가소성 물질 양쪽은 그 용융 또는 유리 전이 온도 초과로 그것들을 가열함으로써 재성형될 수 있고, 따라서 온도를 낮춤으로써 그 새로운 형상으로 동결될 수 있다. 물리적 관점으로부터 엄격하게 정확하지는 않지만, 단순화를 위해, 액체 상태의 반결정질 및 비정질 열가소성 물질 양쪽은 본 명세서에서 "열가소성 용융물"로 지칭된다.
바람직한 실시예에서, 섬유-보강된 복합 재료의 섬유는 탄소 섬유, 아라미드 섬유 및 유리 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 섬유이다. 이는 섬유-보강된 복합 재료의 중량 감소와 기계적 강도 사이의 양호한 절충을 허용한다. 보다 바람직하게는, 섬유-보강된 복합 재료의 섬유는 탄소 섬유이다.
바람직한 실시예에서, 제 1 돔 보강 쉘을 제조하기 위해 사용되는 섬유-보강된 복합 재료의 섬유는 높은 모듈러스, 예를 들어 250 GPa를 갖는 연속 섬유이다. 이는 섬유-보강된 복합 재료의 기계적 강도를 추가로 개선시킨다.
바람직한 실시예에서, 라이너는 추가로:
·상기 일반적으로 원통형의 중심 부분의, 상기 제 1 종방향 단부에 축방향으로 대향하는, 제 2 종방향 단부에서의 제 3 외경,
·제 2 돔-형상의 종방향 단부 부분으로서, 바람직하게는 제 3 외경보다 작은, 제4 외경의 베이스 부분, 및 상기 제 2 돔-형상의 종방향 단부 부분의 상기 베이스 부분에 상기 일반적으로 원통형의 중심 부분의 제 2 종방향 단부를 연결하기 위해 상기 일반적으로 원통형의 중심 부분과 상기 베이스 부분 사이에 위치된 제 2 중간 부분을 갖는, 상기 제 2 돔-형상의 종방향 단부 부분을 포함하고,
상기 압력 용기는 상기 제 2 돔-형상의 종방향 단부 부분과, 제 2 중간 부분의 형상에 상보적인 형상을 갖는 제 2 돔 보강 쉘을 추가로 포함하고, 상기 제 2 돔 보강 쉘은 상기 제 2 돔-형상의 종방향 단부 부분과 제 2 중간 부분 상에서만 상기 라이너에 피팅된다.
이러한 배열에 의해, 라이너의 일반적으로 원통형의 중심 부분의 각각의 종방향 단부는 본 발명의 유리한 기계적 특성을 제공하는 돔-형상의 종방향 단부 부분을 갖는다.
바람직한 실시예에서, 제 2 돔 보강 쉘은 라이너, 더 바람직하게는 라이너의 일반적으로 원통형의 중심 부분과 같은 평면이다.
바람직하게는, 제 2 돔 보강 쉘의 외부 표면은 라이너의 일반적으로 원통형의 중심 부분의 외부 표면과 같은 평면이다.
바람직한 실시예에서, 라이너의 제 2 돔-형상의 종방향 단부 부분은, 지오데식 돔 윤곽 부분을 갖는 돔-형상의 종방향 단부 부분보다 내부 유체 저장 챔버를 향해 덜 오목한 돔 윤곽 부분을 갖는다.
바람직하게는, 제 2 돔-형상의 종방향 단부 부분의 돔 윤곽 부분과, 지오데식 돔 윤곽 부분을 갖는 돔-형상의 종방향 단부 부분의 돔 윤곽 부분 사이의 최대 거리는, 제 3 외경의 0.1% 과 5% 사이, 바람직하게는 제 3 외경의 0.5% 과 2.5% 사이이다. 이들 값은 제 2 돔-형상의 종방향 단부 부분에 적합하고, 라이너의 제조시에 구현하기 쉽고, 라이너 및 제 2 돔 보강 쉘을 둘러싸거나 에워싸는 외부 복합 구조체에서 응력의 더 양호한 감소를 허용한다. 응력의 이러한 감소는 사용되는 복합 재료 구조체의 감소를 허용한다.
제 2 돔 보강 쉘이 라이너의 제 2 돔-형상의 종방향 단부 부분의 형상에 상보적인 형상을 갖기 때문에, 제 2 돔 보강 쉘은 또한 지오데식 돔 윤곽 부분을 갖는 돔 보강 쉘보다 내부 유체 저장 챔버를 향해 덜 오목한 돔 윤곽 부분을 갖는다.
유리하게는, 제 3 외경은 제 1 외경(D1)과 대략 동일하다.
바람직하게는, 제4 외경은 제 2 외경(D2)과 대략 동일하다.
유리하게, 상기 라이너의 상기 제 2 중간 부분은 원통형, 원뿔대형, 만곡형 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 외부 주변 표면을 갖는다. 이와 같이, 제 2 쉘을 포함하는 라이너의 외부 표면은 특히 매끄럽다. 이는 외부 복합 구조체의 적용을 개선하고 압력 용기 내에서의 응력 레벨을 감소시킨다.
바람직하게는, 제 2 중간 부분의 외부 주변 표면은 제 2 원뿔대형 표면과 제 2 원통형 표면의 조합이다. 따라서, 라이너는 일반적으로 원통형의 중심 부분과 제 2 돔-형상의 종방향 단부 부분 사이에 제 2 테이퍼링된 외부 견부를 포함하는 단차형 라이너로서 볼 수 있다.
바람직한 실시예에서, 제 2 돔 보강 쉘은 와인딩, 랩핑, 브레이딩 및 테이프 배치 기술들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 기술을 사용하여 제조된다. 유리하게는, 테이프 배치 기술은 레이저 보조 테이프 배치(LATP) 기술이다.
특히 바람직한 일 실시예에서, 제 2 돔 보강 쉘은 와인딩 기술을 사용하여 제조된 섬유-보강된 복합 재료의 층들의 와인딩으로 이루어진다.
바람직한 실시예에서, 유리 섬유 층이 보강 섬유의 나선형 층 및 후프 층의 보강 섬유를 보호하기 위해, 외부 복합 구조체 위에 제공될 수 있다.
바람직하게는, 보강 섬유는 탄소 섬유이다.
본 발명은 본 발명에 따른 압력 용기를 포함하는 차량에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 차량의 일반적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 압력 용기의 단면도이다.
도 3은 도 2에서 F로 표시된 부분의 상세도이다.
도 4는 외부 복합 재료 구조체의 최내부 두께 내에서 상이한 나선형 층 배열들에 대한 외부 복합 재료 구조체의 제 1 나선형 층에서의 기계적 응력을 비교하는 시뮬레이션 그래픽이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예의 부분적인 단면도이다.
본 발명은 특정한 실시예에 대해 그리고 소장 도면에 대해 설명될 것이지만, 본 발명은 이에 제한되지 않고 청구범위에 의해서만 제한된다. 설명된 도면들은 단지 개략적이며 비제한적이다. 도면들에서, 요소들의 일부의 크기는 과장될 수 있으며, 예시적 목적을 위해 과장되지 않을 수 있다. 치수 및 상대 치수는 본 발명의 실시에 대한 실제 감소에 상응하지 않는다.
청구범위에 사용된 "포함하는" 이라는 용어는 이후에 열거된 수단에 제한되는 것으로 해석되어서는 안 되며; 다른 요소나 단계를 배제하는 것은 아니다. 따라서, 지칭된 바와 같은 언급된 특징들, 완전체들, 단계들 또는 구성요소들의 존재를 특정하는 것으로 해석되어야 하지만, 하나 이상의 다른 특징들, 완전체들, 단계들 또는 구성요소들, 또는 이들의 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는다. 따라서, "A 와 B 를 포함하는 디바이스"라는 표현의 범위는 구성요소 A 와 B 만으로 이루어진 디바이스에 규정되지 않는다. 이는 본 발명과 관련하여, 디바이스의 유일한 관련 구성요소들이 A 및 B 라는 것을 의미한다.
도 1은 고압 하에서 가스를 수용하도록 구성된 압력 용기(4; 4')를 포함하는 차량(2)을 나타낸다. 예를 들어, 압력 용기(4; 4')는 차량의 연료 전지에 전력을 공급하기 위한 이수소를 포함할 수 있다. "고압 용기"라는 표현은 최대 700 bar 에 이르는 내부 압력을 견딜 수 있는 압력 하에서 가스를 저장하도록 의도된 압력 용기를 의미한다. 예를 들어, 압력 용기는 국제연합에 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 134호를 준수할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 압력 용기(4)의 절반을 나타낸다. 압력 용기(4)는 라이너(6)에 의해 규정된 내부 유체 저장 챔버(3)를 포함한다. 라이너(6)는 종축(10)을 따라 연장되는 일반적으로 원통형의 중심 부분(8) 및 2개의 유사한 돔-형상의 종방향 단부 부분: 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12) 및 제 2 돔-형상의 종방향 단부 부분을 가지며, 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)만이 도 2에 도시되어 있다. 라이너(6)는 종축(10)에 수직이고 라이너(6)의 볼륨의 중심을 통과하는 대칭 평면을 갖는다. 다른 실시예에서, 라이너(6)는 단지 하나의 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)만을 가질 수 있다.
이하에서, 제 2 요소가 대칭 평면에 대해 대칭에 의해 추론될 수 있다는 것을 알기 때문에, 요소들의 각각의 쌍 중 제 1 요소만이 설명될 것이다.
일반적으로 원통형의 중심 부분(8)은 라이너(6)의 제 1 종방향 단부(8a)에서 제 1 외경(D1)을 갖는다. 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)은 종축(10)과 동축인 중심축 및 D1보다 작은 제 2 외경(D2)의 베이스 부분(12a)을 갖는다. 라이너(6), 보다 정확하게는 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)은 일반적으로 원통형의 중심 부분(8)과 베이스 부분(12a) 사이에 위치된 제 1 중간 부분(13)을 추가로 포함한다. 제 1 중간 부분(13)은 일반적으로 원통형의 중심 부분(8)의 제 1 종방향 단부(8a)를 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)의 베이스 부분(12a)에 연결한다.
압력 용기(4)는 라이너(6) 및 제 1 돔 보강 쉘(16) 양쪽을 둘러싸거나 에워싸는 외부 복합 구조체(20)를 포함한다. 외부 복합 구조체(20)는 베이스 부분(21a)을 갖는 돔-형상의 부분(21)을 포함한다. 제 1 돔 보강 쉘(16)은 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12) 및 그 제 1 중간 부분(13)의 형상에 상보적인 형상을 갖는다. 제 1 돔 보강 쉘(16)은 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12) 및 그 제 1 중간 부분(13) 상에서만 라이너(6)에 피팅된다. 실제로, 제 1 외경(D1)과 제 2 외경(D2) 사이의 직경의 차이는 제 1 테이퍼링된 외부 견부 형태의 삽입 구역이 제 1 중간 부분(13)에 생성되어 제 1 돔 보강 쉘(16)이 라이너(6)와 같은 평면에 있도록 되어 있다. 후자의 포지션에서, 제 1 테이퍼링된 외부 견부는 제 1 돔 보강 쉘(16)의 팁(27)을 수용한다. 따라서, 제 1 돔 보강 쉘(16)은 라이너(6), 더 바람직하게는 라이너(6)의 일반적으로 원통형의 중심 부분(8)과 같은 평면이다. 보다 정확하게는, 제 1 돔 보강 쉘(16)의 외부 표면은 라이너(6)의 일반적으로 원통형의 중심 부분(8)의 외부 표면과 같은 평면이다.
유리하게는, 라이너(6)의 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)은, 지오데식 돔 윤곽 부분을 갖는 돔-형상의 종방향 단부 부분보다 내부 유체 저장 챔버(3)를 향해 덜 오목한 돔 윤곽 부분(12b)을 갖는다.
바람직하게는, 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)의 돔 윤곽 부분(12b)과, 지오데식 돔 윤곽 부분을 갖는 돔-형상의 종방향 단부 부분의 돔 윤곽 부분 사이의 최대 거리는, 제 1 외경(D1)의 0.1% 과 5% 사이, 바람직하게는 제 1 외경(D1)의 0.5% 과 2.5% 사이이다.
제 1 돔 보강 쉘(16)이 라이너(6)의 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)의 형상에 상보적인 형상을 갖기 때문에, 제 1 돔 보강 쉘(16)은 또한 지오데식 돔 윤곽 부분을 갖는 돔 보강 쉘보다 내부 유체 저장 챔버(3)를 향해 덜 오목한 돔 윤곽 부분을 갖는다.
본 실시예에서, 라이너(6)의 제 1 중간 부분(13)은 제 1 원뿔대형 표면(9) 및 제 1 원통형 표면(11)의 조합으로 이루어진 외부 주변 표면을 갖는다.
압력 용기(4)는 라이너(6) 내외로 유체를 충전 및 배출하기 위한 보스(boss)(14)를 포함한다. 보스(14)는 베이스 부분(12a)에 축방향으로 대향하는, 라이너(6)의 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)에 위치된 애퍼츄어에 피팅된다.
제 1 돔 보강 쉘(16)은 섬유-보강된 복합 재료의 층의 와인딩으로 이루어진다. 섬유-보강된 복합 재료는, 예를 들어, 일반적으로 RTM 프로세스로 불리는 수지 주입 프로세스 또는 수지 이송(resin transfer) 몰딩 프로세스에 의해, 적층된 후 사전 함침되고 경화되거나, 사전 함침 및 함침되지 않을 수 있다. 그러한 프로세스들 동안, 복합 재료의 경화는 복합 재료가 수지 주입 공구 또는 수지 이송 몰드 내측에 유지되는 동안 발생한다. RTM 프로세스는 감소된 내부 응력을 갖는 제 1 돔 보강 쉘(16)의 여분의 매끄러운 외부 표면을 얻는 것을 허용한다는 것에 주목해야 한다. 제 1 돔 보강 쉘(16)은 라이너(6)의 종축(10)과 동축인 중심축 및 베이스 부분(22a)을 갖는 돔-형상의 부분(22)을 갖는다. 섬유-보강된 복합 재료의 섬유는 탄소 섬유, 아라미드 섬유 및 유리 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 섬유이다. 바람직하게는, 섬유-보강된 복합 재료의 섬유는 탄소 섬유이다.
또한, 유리 섬유 층이 보강 섬유의 나선형 층(20a) 및 후프 층(20b)의 보강 섬유를 보호하기 위해, 외부 복합 구조체(20) 위에 제공될 수 있다.
도 3은 도 2에서 F로 표시된 부분의 상세도를 도시한다. 본 발명에 따른 압력 용기의 외부 복합 구조체(20)는 보강 섬유들의 나선형 층들(20a) 및 후프 층들(20b) 양쪽을 포함하는 두께(T)를 가지며, 모든 나선형 층들(20a)의 조합된 두께의 적어도 20%는 상기 외부 복합 구조체(20)의 25% 최내부 두께(T) 내에 위치된다. 본 실시예에서, 보강 섬유는 탄소 섬유이다. 바람직하게는, 모든 나선형 층들(20a)의 조합된 두께의 적어도 30%는 상기 외부 복합 구조체(20)의 20% 최내부 두께(T) 내에 위치된다. 본 실시예에서, 외부 복합 구조체(20)는 15개의 층: 9개의 나선형 층(20a) 및 6개의 후프 층(20b)을 포함한다.
도 4는 라이너(6) 및 돔 보강 쉘(16) 양쪽을 둘러싸거나 에워싸는 외부 복합 구조체(20)에서의 상이한 응력을 비교하는 ABAQUS 2017에 대한 Wound Composite Modeler(WCM으로 알려짐)와 조합된 ABAQUS 2017 소프트웨어로 만들어진 시뮬레이션 결과를 도시한다. 응력 비교는 라이너(6)의 볼륨의 중심으로부터 거리 0과 거리(21a') 사이의 섹션에서, 외부 복합 구조체(20)의 9개의 나선형 층(20a)의 제 1 나선형 층에서 수행되며, 거리 0은 종축(10)을 따르는 라이너(6)의 볼륨의 중심의 축방향 포지션에 대응하고 거리(21a')는 압력 용기의 종축(10)을 따르는 베이스 부분(21a)의 축방향 포지션에 대응한다.
이러한 후자의 도면에서, 연속 라인(28)은 모든 9개의 나선형 층(20a)의 조합된 두께의 20% 미만이 외부 복합 구조체(20)의 25% 최내부 두께(T) 내에 위치될 때, 외부 복합 구조체(20)의 제 1 나선형 층에서의 내부 응력이 베이스 부분(21a) 근처의, 제 1 중간 부분(13)의 영역에서 3500 MPa 이상에 도달할 수 있다는 것을 도시한다. 짧은 점선(29)은 모든 9개의 나선형 층(20a)의 조합된 두께의 적어도 20%가 외부 복합 구조체(20)의 25% 최내부 두께(T) 내에 위치될 때, 외부 복합 구조체(20)의 제 1 나선형 층에서의 내부 응력이 베이스 부분(21a) 근처의, 제 1 중간 부분(13)의 영역에서 3500 MPa 미만이라는 것을 도시한다. 긴 점선(30)은 모든 9개의 나선형 층(20a)의 조합된 두께의 적어도 30%가 외부 복합 구조체(20)의 20% 최내부 두께(T) 내에 위치될 때, 외부 복합 구조체(20)의 제 1 나선형 층의 내부 응력이 베이스 부분(21a) 근처의, 제 1 중간 부분(13)의 영역에서 2500 MPa 미만이라는 것을 도시한다. 이러한 시뮬레이션에서, 외부 복합 구조체(20)의 제 1 나선형 층에서의 내부 응력은 실제로 외부 복합 구조체(20)의 제 1 나선형 층의 섬유 방향에서의 층상 응력(lamina stress)이다.
후자의 도면으로부터, 또한 외부 복합 구조체(20)의 제 1 나선형 층에서의 내부 응력은 외부 복합 구조체(20)의 최내부 두께(T) 내에 더 많은 나선형 층(20a)을 위치시킴으로써 상당히 감소될 수 있다는 것을 알 것이다.
도 5 는 본 발명의 변형 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 압력 용기(4')는 라이너(6)의 제 1 중간 부분(13)이 만곡형 표면으로 이루어진 외부 주변 표면을 갖는다는 점에서 압력 용기(4)와 상이하다.
본 발명의 압력 용기는 당업계에 이미 잘 알려져 있는 수단에 의해 제조될 수 있고, 이는 여기서 더 상세히 설명되지 않을 것이다.
2: 차량
3: 내부 유체 저장 챔버
4; 4': 압력 용기
6 : 라이너
8: 일반적으로 원통형의 중심 부분
8a: 제 1 종방향 단부
9: 제 1 원뿔대형 표면
10 : 종축
11: 제 1 원통형 표면
12: 라이너의 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분
12a: 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분의 베이스 부분
12b: 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분의 돔 윤곽 부분
13: 제 1 중간 부분
14: 보스
16: 제 1 돔 보강 쉘
20: 외부 복합 구조체
20a: 나선형 층
20b: 후프 층
21: 외부 복합 구조체의 돔-형상의 부분
21a: 외부 복합 재료 구조체의 돔-형상의 부분의 베이스 부분
21a': 제 2 축방향 포지션
22: 제 1 돔 보강 쉘의 돔-형상의 부분
22a: 제 1 돔 보강 쉘의 돔-형상의 부분의 베이스 부분
27: 제 1 돔 보강 쉘의 팁
28: 연속 선
29: 짧은 점선
30: 긴 점선

Claims (12)

  1. 압력 용기(4; 4')로서:
    - 내부 유체 저장 챔버(3) 및
    - 상기 내부 유체 저장 챔버(3)를 둘러싸거나 에워싸는 외부 복합 구조체(20)를 포함하고,
    상기 외부 복합 구조체(20)는 보강 섬유들의 나선형 층들(20a) 및 후프 층들(20b) 양쪽을 포함하는 두께(T)를 가지며, 모든 나선형 층들(20a)의 조합된 두께의 적어도 20%는 상기 외부 복합 구조체(20)의 25% 최내부 두께(T) 내에 위치되고,
    상기 내부 유체 저장 챔버(3)는 라이너(6)에 의해 규정되고, 상기 라이너(6)는:
    · 제 1 종방향 단부(8a)에서 제 1 외경(D1)을 갖는 일반적으로 원통형의 중심 부분(8),
    · 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)으로서, 베이스 부분(12a) 및 상기 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)의 상기 베이스 부분(12a)에 상기 일반적으로 원통형의 중심 부분(8)의 상기 제 1 종방향 단부(8a)를 연결하기 위해 상기 일반적으로 원통형의 중심 부분(8)과 상기 베이스 부분(12a) 사이에 위치된 제 1 중간 부분(13)을 갖는, 상기 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)을 포함하고,
    상기 압력 용기는 상기 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)과 제 1 중간 부분(13)의 형상에 상보적인 형상을 갖는 제 1 돔 보강 쉘(16)을 추가로 포함하고, 상기 제 1 돔 보강 쉘(16)은 상기 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)과 제 1 중간 부분(13) 상에서만 상기 라이너(6)에 피팅되는, 압력 용기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 돔 보강 쉘(16)은 상기 라이너(6)와 같은 평면에 있는, 압력 용기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    모든 나선형 층들(20a)의 조합된 두께의 적어도 30%는 상기 외부 복합 구조체(20)의 20% 최내부 두께(T) 내에 위치되는, 압력 용기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 부분(12a)은 제 2 외경(D2)을 갖고, 상기 제 2 외경(D2)은 상기 제 1 외경(D1)보다 작은, 압력 용기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 라이너(6)의 상기 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)은, 지오데식(geodesic) 돔 윤곽 부분을 갖는 돔-형상의 종방향 단부 부분보다 상기 내부 유체 저장 챔버(3)를 향해 덜 오목한 돔 윤곽 부분(12b)을 갖는, 압력 용기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 돔-형상의 종방향 단부 부분(12)의 돔 윤곽 부분(12b)과, 지오데식 돔 윤곽 부분을 갖는 돔-형상의 종방향 단부 부분의 돔 윤곽 부분 사이의 최대 거리는, 상기 제 1 외경(D1)의 0.1% 과 5% 사이인, 압력 용기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 돔 보강 쉘(16)은, 지오데식 돔 윤곽 부분을 갖는 돔 보강 쉘보다 상기 내부 유체 저장 챔버(3)를 향해 덜 오목한 돔 윤곽 부분을 갖는, 압력 용기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 라이너(6)의 상기 제 1 중간 부분(13)은 원통형, 원뿔대형(frustoconical), 만곡형 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 외부 주변 표면을 갖는, 압력 용기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 중간 부분(13)의 상기 외부 주변 표면은 제 1 원뿔대형 표면(9)과 제 1 원통형 표면(11)의 조합인, 압력 용기.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 돔 보강 쉘은 섬유-보강된 복합 재료의 층들의 와인딩으로 이루어지는, 압력 용기.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 라이너(6)는 추가로:
    · 상기 일반적으로 원통형의 중심 부분(8)의, 상기 제 1 종방향 단부(8a)에 축방향으로 대향하는, 제 2 종방향 단부에서의 제 3 외경,
    · 제 2 돔-형상의 종방향 단부 부분으로서, 베이스 부분 및 상기 제 2 돔-형상의 종방향 단부 부분의 상기 베이스 부분에 상기 일반적으로 원통형의 중심 부분(8)의 제 2 종방향 단부를 연결하기 위해 상기 일반적으로 원통형의 중심 부분(8)과 상기 베이스 부분 사이에 위치된 제 2 중간 부분을 갖는, 상기 제 2 돔-형상의 종방향 단부 부분을 포함하고,
    상기 압력 용기는 상기 제 2 돔-형상의 종방향 단부 부분과 제 2 중간 부분의 형상에 상보적인 형상을 갖는 제 2 돔 보강 쉘을 추가로 포함하고, 상기 제 2 돔 보강 쉘은 상기 제 2 돔-형상의 종방향 단부 부분과 제 2 중간 부분 상에서만 상기 라이너(6)에 피팅되는, 압력 용기.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 압력 용기(4; 4')를 포함하는 차량(2).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7803241B2 (en) * 2002-04-12 2010-09-28 Microcosm, Inc. Composite pressure tank and process for its manufacture
CN102388257B (zh) * 2009-04-10 2015-05-27 丰田自动车株式会社 罐及其制造方法
JP5621631B2 (ja) * 2011-02-02 2014-11-12 トヨタ自動車株式会社 高圧タンクの製造方法、および、高圧タンク
JP5531040B2 (ja) * 2012-02-27 2014-06-25 トヨタ自動車株式会社 高圧ガスタンクの製造方法
DE102017101627A1 (de) * 2016-02-18 2017-08-24 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Hochdrucktank und Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks
KR20180017377A (ko) * 2016-08-09 2018-02-21 현대자동차주식회사 고압 용기
DE102017208492B4 (de) 2017-05-19 2020-07-30 Nproxx B.V. Polkappenverstärkter Druckbehälter
KR102322373B1 (ko) * 2017-05-26 2021-11-05 현대자동차주식회사 후프층 및 헬리컬층이 와인딩된 고압용기
JP7014060B2 (ja) * 2018-06-21 2022-02-01 トヨタ自動車株式会社 高圧タンク、高圧タンク搭載装置、および高圧タンクの製造方法
JP7087907B2 (ja) * 2018-10-16 2022-06-21 トヨタ自動車株式会社 高圧タンクおよび高圧タンクの製造方法
JP7092058B2 (ja) * 2019-01-31 2022-06-28 トヨタ自動車株式会社 高圧タンクおよびその製造方法

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