KR20180112821A - 폴캡 강화 압력용기 - Google Patents

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엔리치먼트 테크놀로지 컴퍼니 엘티디. 츠바이크니더라숭 도이치랜드
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Abstract

본 발명은 원통형 중심부(21)의 내부용기(2)와 양측의 중심부(21)를 각각 폐쇄하는 2 개의 돔형 폴캡(22) 및, 가압 하중에 대한 내측 용기(2)를 보강하기 위해 내측 용기(2) 상에 권취된 외부층(3)을 포함하는 보강된 폴캡(22)을 갖는 압력 용기(1) 및 이 압력 용기(1)의 제조 방법에 관한 것으로, 상기 외층(3)은 섬유 복합 재료(FVM)의 적어도 하나의 폴캡 보강층(31) 및 압력 용기 보강층(32)을 포함하며, 상기 폴캡 보강층(31)이 상기 폴캡(22)을 부분적으로 덮고, 상이 압력 용기 보강층(32)이 상기 폴캡(22)과 중심부(21)를 덮으며, 윤곽-안정 프리폼(5)이 적어도 하나의 폴캡(22) 상에, 바람직하게는 양 폴캡(22) 상에 폴캡 보강층(31)으로서 배열된다.

Description

폴캡 강화 압력용기
본 발명은 강화된 폴캡(pole cap)을 갖는 압력용기 및 그 압력용기를 제조하는 방법에 관한 것이다.
섬유 복합 재료의 섬유 보강 압력용기 시장은 지속적으로 성장하고 있으며, 천연가스 및 프레킹 가스(fracking gas)의 증가하는 추출은 압력용기, 특히 해당 파이프 라인 네트워크가 없는 국가에서의 저장이 필요하다. 또한, 연료전지 차량의 개발에 매우 관여하는 자동차 분야가 있으며, 여기서 연료는 압력용기 내에 고압의 기체수소 형태로 저장된다. 가벼운 압력용기는 압력용기의 운반에 바람직하고, 왜냐하면 높은 용기 중량을 갖는 압력용기의 운반은 불필요하게 많은 양의 에너지를 소비하고 지나치게 높은 운송 비용을 초래하기 때문이다.
현재 사용되는 압력용기는 원통형 중앙부를 가지며, 중앙부의 폐쇄를 위한 폴캡(pole cap)은 양측에 위치하고, 예를 들면, 섬유 감는 방법을 사용하여 제조된다. 여기에는 라이너(압력용기용 용기 내부)가 사용되며, 이는 한 손으로 감기 코어 역할을 하며 다른 한편으로는 용기의 비 침투성을 보장한다. 압력용기의 생산을 위해 이 라이너는 섬유 복합 재료로 보강하기 위해 권취되어 최종 압력용기가 안정성을 유지힌다. 유형 3 압력용기는 알루미늄 또는 강철의 금속 라이너를 사용하는 반면, 유형 4 압력용기는 플라스틱 라이너를 사용한다.
건식 또는 사전 함침된 섬유(주로 탄소 섬유)를 라이너에 편조하는 권선 방법과 경쟁하는 소위 과편조(overbraiding) 방법이 있다. 2 가지 기술된 제조 방법에서 적층 구조는 상당히 상이하다. 과편조(overbraiding) 과정에서 섬유 각도에 대한 변이 가능성은 매우 제한되어 있다. 왜냐하면 편조(braiding) 보빈의 개수와 사용되는 섬유의 두께가 특정 섬유 각도를 초래하기 때문이고, 이 각도는 작은 한계 내에서만 변할 수 있고, 과편조(overbraiding) 공정의 단점은 섬유 주름 방향 및 섬유 적층 방향에 따른 상이한 라미네이트 품질, 특히 편조가 작은 직경에서 큰 직경으로 또는 그 반대로 발생하는지 여부에 따라 다르며, 섬유 주름은 조직 내의 섬유의 방향 전환을 말하고, 예를 들어 섬유 복합 재료의 경우, 섬유 번들은 날실, 각각 사슬로 함께 묶여 있다. 이는 날실에 의해 야기 된 섬유 다발의 편차를 초래할 수 있으며, 이로 인해 조직의 섬유 평행 강도가 감소하게 된다.
권선 방법에서는 원주 권선과 축 권선이 구별된다. 원주 권선은 용기 축에 대해 80 ∼ 90°의 섬유 침착 각을 가지며, 축 방향 층은 축에 대해 10 ∼ 70°의 각도를 갖는다. 이론적으로 모든 와인더(winders)는 압력 용기의 원통형 부분에서 0°와 90° 사이에서 구현될 수 있지만, 이는 장력 조건이 특별한 라미네이트 구조를 결정하기 때문에 실제로는 의미가 없다. 권취된 압력 용기의 라미네이트 구조는 원주 방향으로 권취된 실이 미끄러져서 라이너 클램핑시에만 정지하기 때문에 폴캡(pole cap) 영역에서 둘레 방향의 보강이 불가능하다는 결점을 나타낸다. 이 누락 된 주변 보강은 해당 축 방향 권선에 의해 보상되어야하며, 그렇지 않으면 용기가 폴캡(pole cap) 영역에서 조기에 실패할 수 있기 때문이다. 단점은 필요한 축 방향 권선이 부분적으로 폴캡 영역에만 필요하고 압력 용기의 원통형 영역에서 중복된다는 것이다. 결과적으로 특히 긴 용기의 경우 불필요하게 많은 양의 섬유가 처리되어 용기의 비용 및 중량을 증가시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 동일한 강도 특성을 유지하면서 더 비용 효율적으로 제조될 수 있는 압력 용기를 제공하는 것이다.
이 목적은 각각의 경우 양측에서 중앙부를 폐쇄하는 형상의 폴캡과 압력 부하에 대항하여 내부 용기의 보강을 위해 내부 용기에 감겨 진 외부 층을 포함하는 원통형 중앙부의 내부 용기와 2 개의 돔을 포함하는 압력 용기에 의해 달성되고, 상기 외부 층은 적어도 하나의 폴캡 보강층 및 섬유 복합 재료로 된 압력 용기 보강층을 포함하며, 상기 폴캡 보강층은 상기 폴캡을 적어도 부분적으로 덮고 상기 압력 용기 보강층은 폴캡 및 중앙 부분을 덮는다.
원통형 압력 용기는 실린더 축에 수직인 원형 단면을 갖는 원통형 부분(여기서는 중앙 부분이라고 함)을 포함한다. 가스가 압력 용기에 저장될 수 있도록 중앙 부분의 실린더 표면은 돔 모양의 뚜껑 표면으로 닫혀 있다. 이러한 기하학적 고려 사항은 내측 용기의 압력 용기 및 내측 용기를 감싸는 외측 층의 압력 용기에 균등하게 적용되어 내부 용기를 강화한다(예 : 플라스틱 용기). 한편으로, 이러한 용기는 매우 낮은 중량을 가지며, 예를 들어 운반 수단에서의 용도가 중요하고, 다른 한편으로는 수소와 같은 가스는 저압으로 고압하에 저장될 수 있다. 왜냐하면 플라스틱은 매우 낮은 수소 투과성을 가지며 요구되는 강도는 섬유 복합 재료의 외부 층에 의해 제공되기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따른 압력 용기는 돔형 뚜껑 표면을 갖는 내부 용기를 포함하는데, 바람직하게는 반구로부터 벗어나는 형상을 가지며, 내부 용기의 원통형 중심부에 인접한 뚜껑 가장자리 영역에서보다 강한 곡률을 가지며, 반구형 표면의 중심 영역은 반구형 표면의 중심 영역보다 작은 곡률을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 가압 용기는 돔형 덮개 표면을 갖는 내부 용기를 포함하는데, 바람직하게는 반구로부터 벗어나는 형상을 가지며, 이는 반구 표면의 원통형 중심 부분에 비해 내부 용기의 원통형 중심 부분에 인접한 뚜껑 가장자리 영역에서 더 강한 곡률을 가지며, 덮개 표면의 중심 영역은 반구 표면의 중심 영역에 비해 더 작은 곡률을 갖는다. 이와 같은 특히 적합한 돔형 덮개 표면은 이소텐 소드(isotensoid)라고도 불린다. 따라서 이소텐소드(isotensoid)는 그 위에 감긴 섬유 복합 재료의 외부층에서 섬유 경로의 모든 지점에서 섬유에 일정한 장력을 생성하는 형태를 의미하며, "커버"라는 용어는 외부로부터 내부 용기에 폴캡 보강층 및 압력 용기 보강층을 적용하는 것을 의미한다.
이 경우, 섬유 복합 재료는 일반적으로 2 개의 주요 구성 요소, 이 경우 섬유 사이에 고체 결합을 생성하는 매트릭스 재료에 매립된다. 따라서, 섬유 복합 재료는 하나 이상의 섬유로부터 권취 및/또는 편조 될 수 있으며, 섬유는 서로 접촉하게 단단히 감겨 있고 및/또는 직조 되어 있고, 이는 섬유 복합 재료가 원하는 두께를 가지며 이 두께를 갖는 대응하는 외부층을 구성할 때까지 섬유가 추가의 섬유 층에 감겨진 및/또는 편조된 섬유 층을 생성한다. 일 실시 예에서 외부 층은 다수의 섬유 층에서 제 1 및 추가의 섬유, 예컨대 제 2 섬유를 포함한다. 복합 재료는 예를 들면 관련된 두 가지 개별 구성 요소 중 하나보다 높은 강도와 같은 고품질 특성을 제공하는 섬유 복합 재료를 주게 되고, 섬유 방향의 섬유 보강 효과는 섬유의 탄성률이 매트릭스 재료의 탄성률보다 세로 방향으로 큰 경우, 매트릭스 재료의 탄성계수가 섬유의 파단시의 신장률보다 큰 경우, 섬유의 파괴 강도가 매트릭스 재료의 파괴 강도보다 큰 경우에 발생하며, 유리 섬유, 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 강섬유, 천연 섬유 또는 합성 섬유와 같은 모든 종류의 섬유가 사용될 수 있고, 예를 들어 듀로머(Duromers), 엘라스토머 또는 열가소성 플라스틱을 매트릭스 재료로 사용할 수 있으며, 섬유 및 매트릭스 재료의 재료 특성은 당업자에게 공지되어 있으므로, 당업자는 각각의 용도에 대한 섬유 복합 재료의 제조에 적합한 섬유 및 매트릭스 재료의 조합을 선택할 수 있고, 이 경우, 섬유 복합 영역 내의 개별 섬유 층은 단일 섬유 또는 몇몇 동일하거나 상이한 섬유를 포함할 수 있다.
그러나, 폴캡만이 중심부 위로 연장되지 않고 중심부의 압력 용기의 강도가 압력 용기 보강층에 의해서만 달성될 수 있는 폴캡 보강층을 포함하기 때문에, (원주 방향 및 축 방향 2 : 1의 비율의 섬유층)에 최적화된 섬유 복합 층에 의해 형성되는 섬유 복합 층을 사용하여 형성되고, 중심 부분을 폴캡(기하학적으로 정렬된 섬유층)의 기하학적 구조가 회피된다.
본 발명에 따른 압력 용기는 다른 압력 용기와 동일한 강도를 갖기 위해 내부 용기의 포장으로서 외부 층을 제조하기 위한 섬유 복합 재료를 덜 필요로 한다. 따라서, 본 발명에 따른 압력 용기는 동일한 강도 특성으로보다 비용 효율적으로 제조될 수 있다.
이러한 이점은 예를 들어 권선 기술 및 폴캡 위에 배치된 소위 프리폼 (preform)의 사용을 통해 달성될 수 있다.
이 경우, 윤곽 - 안정 프리폼(preform)은 폴캡 중 적어도 하나, 바람직하게는 양쪽 폴 캡 상에 폴캡 보강층으로서 배열되고, 프리폼은 압력 용기 보강층의 권취 전 또는 도중에 폴캡에 적용되고 이들을 원주 방향으로 보강하는 섬유 프리폼 블랭크이다. 따라서, 프리폼은 편조 방법 또는 소위 "섬유 배치 방법"에 의해 제조될 수 있고 폴캡에 적용될 수 있다. 본 명세서에서 "윤곽 안정"이라는 용어는 충분한 내재적 강성을 갖는 프리폼을 말하며, 따라서 나중에 권취될 때 변위되거나 압축되지 않는다.
일실시 예에서, 윤곽 - 안정 프리폼은 섬유 재료로부터 편조되고 적어도 140°, 바람직하게는 적어도 150°, 특히 바람직하게는 적어도 160°의 폴캡 마진에서 섬유 재료의 편조 각을 갖는 윤곽 - 안정 프리폼이고, 상기 편조 각은 교차하는 각각의 섬유들 사이의 각도이며, 그 이등분선은 원통형 중심부의 실린더 축에 기본적으로 평행하다. "본질적으로"라는 용어는 명시된 값에서 ± 5°의 최대 편차를 의미합니다. 용어 "망사"(편조된 프리폼은 편조 각과 교차하는 섬유 또는 섬유망재의 예비 형성 물)이라는 용어는 따라서 망목을 형성하기 위해 적어도 2 개의 유연한 재료의 섬유를 연동시킨 제품을 의미한다. 그러나, 총 메쉬 워크로서의 프리폼은 여러 개의 그러한 메쉬 워크를 포함할 수 있다. 따라서 망사는 하나의 실로 만 만들 수 없으므로 상처의 몸체와 반대편에 형성된다. 메쉬 워크의 겹(ply of mesh work)에서 섬유(또는 실)는 편조각(braiding angle) 서로 인접하게 뻗어있는 섬유(실)이 교락 섬유(실)를 교대로 언더 플로우(underflow) 및 오버 플로우 (overflow)하고, 각각의 인접한 실이 언더 플로우 및 반대 방향의 오버 플로우를 수행한다. 섬유 재료의 망목은 상이한 견고성으로 제조될 수 있으므로, 개별 섬유 사이에는 개수 및 크기가 변화하는 볼륨이 있을 수 있으며, 예를 들어 매트릭스 재료로 연속적으로 채울 수 있다. 실시 예에서 망목은 편조 각도로 교차하는 섬유의 다중 층을 포함한다.
일 실시 예에서, 원통형 중심 부분의 실린더 축에 본질적으로 평행한 방향을 갖는 하나 이상의 보강 실이 편조된 프리폼 내로 편조된다. 보강 나사는 폴캡 영역의 휨 하중 용량에 유리하다. 프리폼을 편조할 때, 소위 0°서 있는 실은 보강 실로 쉽게그려 질 수 있다. 0°각도는 실린더 축에 평행한 방향에 해당한다. "본질적으로"라는 용어는 명시된 값에서 ±5°의 최대 편차를 나타낸다. 폴캡의 마진 영역에서 약 160°의 편조 각을 발생시키는 편조 기계 배치가 선택되면 2 : 1(방사형 : 축 방향)의 비율로 거의 최적의 섬유 복합 재료가 0°의 실(standing threads)은 보일러 수식에 따른 응력에 해당한다. 편조 각도는 기둥 뚜껑 중심 방향으로 달라 지지만, 실린더 축에 대한 거리에 따라 달라지므로 텐션이 감소하는 경우에는 문제가 되지 않는다. 이러한 방식으로 구성된 폴캡 보강층은 섬유 주름 방향(작은 직경에서 큰 직경으로 또는 그 반대로 편조하는 것의 차이)에 따라 섬유 주름 및 상이한 라미네이트 품질을 피한다. 예컨대 탄소 실은 보강 실로 사용할 수 있다.
일 실시 예에서 윤곽 - 안정 프리폼은 드레이프성 지지체 물질 상에 스티칭 된 섬유 물질로 이루어지며, 바람직하게는 지지체 물질은 매트이다. "드레이프블 (drapeable)"이라는 용어는 공간 모양에 적응하는 능력을 나타낸다. 스티칭에 의해, 섬유 재료는 원하는 방향으로 고정되고, 일 실시 예에서 섬유 재료는 지지재료 상에 나선형으로 스티칭 된다.
추가의 실시 예에서, 원통형 중심 부분의 실린더 축에 본질적으로 평행한 방향을 갖는 하나 이상의 보강 실이 지지 재료 상에 스티칭되고, 편조 된 예비 형성 체의 보강 실에 대해 이미 상술 한 바와 같은 이와 같은 보강 실에도 적용된다. 예를 들면, 보강 실이 마찬가지로 스티칭되고 축 방향(실린더 축에 평행 한)으로 폴캡을 보강한다.
추가의 실시 예에서 지지 물질은 접착제 층으로 폴캡에 직접 부착된다. 접착층, 예를 들어 스프레이 코트 층으로서 캐리어 층 상에 도포 된 에폭시 수지의 층은 폴캡 상으로 미끄러 진 후에 캐리어 층을 스티치 온 섬유 재료로 폴캡에 단단히 접착시키고, 후속 제조 단계 동안 미끄러짐을 방지한다. 추가의 실시 예에서 예비 성형체는 압력 용기 보강층의 폴캡 상에 권취 된 정지 습식 섬유 복합 재료의 적어도 일부분 위로 미끄러져서 압력 용기 보강층의 매트릭스 재료에 의해 폴캡의 영역에 고정된다. "습윤"이라는 용어는 아직 경화되지 않은 섬유 복합 재료를 말하며, 매트릭스 재료는 외부로부터 가해진 재료와 여전히 가교 결합할 수 있다. 이 경우에, 예를 들어 수지와 같은 충분한 매트릭스 재료가 압력 용기 보강층 상에 위치되어야 하므로, 그 자체로 건조 프리폼이 프리폼의 윤곽 안정성 및 가교 결합을위한 충분한 매트릭스 재료로 잠길 수 있다. 바람직하게는, 프리폼은 열경화성 매트릭스 재료로 이미 침지되거나 함침되어 있다. 이 실시 예에서 폴캡 보강층은 공통 복합체로서 압력 용기 보강층에 통합된다.
추가의 실시 예에서, 압력 용기 보강층은 폴캡 보강층을 덮고, 예비 성형체는 윤곽 안정성을 생성하기 위해 폴캡 상에 고정된다. 결과적으로 부가적으로 적용될 접착층은 프리폼에 생략될 수 있다. 일 실시 예에서 프리폼은 열가소성 매트릭스로 제조되고 플라스틱 재료(예컨대, 열가소성 재료)의 폴캡으로 적어도 시간 방향으로 열 융착된다. 열가소성 매트릭스 재료는 플라스틱 재료로 히트 실링을 가능하게 한다.
추가의 실시 예에서 프리폼은 경화된 프리폼이며, 프리폼의 내부 윤곽은 폴캡으로 조정되고, 프리폼의 외부측 윤곽은 압력 용기 보강층이 그 위에 증착될 수 있는 방식으로 설계되며, 외부측 윤곽은 여기에서 폴캡의 가장자리 영역에서 내부측 용기의 중앙 부분의 연장부를 구성하는 방식으로 설계되며, 압력 용기 보강층은 방사상으로 감겨 진 내부 층을 더 포함하며, 압력 용기 보강층의 추가의 외부층과의 후속적인 권취를 위해 가장자리 부분의 중심부 위 및 외측 윤곽 상으로의 연속적인 층, 바람직하게는 프리폼은 외부측 윤곽의 경계로서의 정지 잡음을 포함하며, 폴캡의 가장자리 영역에서 압력 용기 보강층으로 오버 권취 된다. 방사상 권선은 압력 용기 중앙부의 실린더 축에 대해 섬유 복합 재료의 섬유 방향이 90°에 가까운 압력 용기 보강층의 섬유 각도를 지칭한다.
본 발명에 따른 압력 용기는 예를 들면 CNG 압력 용기, 수소 압력 용기, 호흡용 공기 병 및 다른 압력 용기로서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 압력 용기는 원통형 중심부의 내부 용기와 각각의 경우에 양측의 중심부를 폐쇄하는 2 개의 돔형 폴캡을 포함하여 예컨대 외부측 층은 압력 부하에 대항하여 내부측 용기를 보강하기 위해 폴캡 및 내부측 용기 상에 권취되고, 외부측 층은 적어도 폴캡 보강층 및 섬유 복합재의 압력 용기 보강층을 포함하며, 폴캡 보강층은 적어도 부분적으로 이들을 덮는 방식으로 폴캡 상에 도포되고, 상기 압력 용기 보강층은 외부로부터 상기 폴캡 보강층 상에 도포되는 것이 바람직하다.
이 경우, 윤곽 - 안정 프리폼은 폴캡 중 적어도 하나, 바람직하게는 양쪽 폴 캡 상에 폴캡 보강층으로서 배열될 것이고, 프리폼은 압력 용기 보강층의 권취 전 또는 도중에 폴캡에 도포되고 이들을 원주 방향으로 보강하는 섬유 프리폼 블랭크이다. 따라서, 프리폼은 편조 방법 또는 소위 "섬유 배치 방법"에 의해 제조될 수 있고 폴캡에 적용될 수 있다.
일 실시 예에서, 윤곽 안정 프리폼은 폴캡 마진에서의 프리폼의 편조 각 (FLW)이 적어도 140°, 바람직하게는 적어도 150°, 특히 바람직하게는 적어도 160° 인 섬유 재료(F1)로부터 폴캡 보강층으로서 편조된다. 추가의 단계에서 원통형 중심 부분의 실린더 축에 본질적으로 평행한 방향을 갖는 하나 이상의 보강 실이 이에 의해 편조될 수 있다.
다른 실시 예에서 섬유 재료는 윤곽 - 안정 프리폼(소위 맞춤형 섬유 배치 TFP)의 제조를 위해 드레이프 가능한 지지재료, 바람직하게는 매트 상에 스티칭 될 수 있다. 이 경우 섬유 재료는 지지 재료 상에 나선형으로 스티칭 될 수 있다. 또한, 원통형 중심부의 실린더 축에 본질적으로 평행한 방향을 갖는 하나 이상의 보강 실이 지지 재료 상에 스티칭 될 수 있다. TFP 방법은 또한 탄소 섬유, 유리 섬유 또는 케블라 섬유와 같은 다른 섬유를 서로 결합할 수 있는 가능성을 제공합니다. 예를 들어 필요에 따라 폴캡 영역의 에너지 흡수가 증가하는 방식으로 예를 들면, 용기가 고체 표면과 충돌하는 경우에 요구되는 바와 같이 폴캡 영역에서의 에너지 흡수가 증가 된다. 지지 재료는 폴캡 상에 직접 접착층으로 부착될 수 있다. 접착 결합에 대신하여, 프리폼은 압력 용기 보강층의 여전히 습윤 섬유 복합 재료의 적어도 일부분 위로 미끄러질 수 있고, 압력 용기 보강재의 매트릭스 재료에 의해 폴캡의 영역에 고정 될 수 있다. 대안적으로, 압력 용기 보강층은 외장 안정성을 생성하기 위해 예비 성형체가 폴캡 상에 미리 고정되는 커버 방식으로 폴캡 보강층 상에 도포 될 수 있다. 이러한 목적을 위해 프리폼은 열가소성 매트릭스로 제조 될 수 있고 적어도 플라스틱 재료의 폴캡으로 시간에 따라 열 밀봉 될 수 있다.
대안적으로, TFP 또는 편조 프리폼은 후속 공정에서 예를 들면 소위 수지 전이 성형(RTM)이라 불리는 수단에 의해 이러한 방식으로 제조된 폴캡 보강층이 라이너(압력 용기의 내부 용기)의 폴캡 영역에 적용되기 전에 함침 및 경화될 수 있다. 이에 따라, 상기 형상은 상기 폴캡 보강층의 내부 윤곽이 라이너의 폴캡(압력 용기의 내부 용기) 중 하나에 대응하고 외부 윤곽은 하중에 따라 축 방향 권선을 내려 놓기에 적합한 표면을 구성한다.
다른 실시 예에서 폴캡 보강층의 외부 윤곽은 압력 용기의 중심 부분의 원통형 영역을 폴캡의 가장자리 영역에서 초기에 확장된 영역으로 유지하도록 설계 될 수 있다. 이 방식으로 방사상 권선의 형태로 압력 용기 보강층의 내부 플라이(plies)의 폴캡 영역으로 끌어 들여진 촉진된 증착을 허용한다.
추가의 실시 예에서 이러한 프리폼은 형상 맞춤 방식으로 압력 포트에 연결될 수 있고, 결과적으로 그 위에 감겨진 압력 용기 보강층과 함께 경화 후 프리폼과의 연결이 이루어지므로, 압력 포트로부터 내부 용기로의 연결을 변형시키지 않으면서 압력 포트로부터의 높은 토크가 라미네이트 내로 유도될 수 있다.
본 발명의 이러한 태양 및 다른 태양을 도면에 상세하게 도시한다.
따라서 본 발명 폴캡 강화 압력용기는 재료비가 거의 들지 않고 제조할 수 있고 가능한 한 가장 적은 무게의 용기로 사용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가압 용기의 일 실시예를 나타낸 측면 방향 단면도,
도 2는 편조된 섬유 복합 재료의 프리폼을 갖는 측면 방향 단면에서 폴캡 영역에서의 본 발명에 따른 압력 용기의 일 실시예를 나타낸 도면,
도 3은 (a)폴 캡의 평면도에서 및 (b)프리폼을 통한 측면 방향 단면에서 지지재료 상에 스티칭된(stitched) 섬유 재료의 프리폼을 구비하는 폴캡의 영역에서 본 발명에 따른 가압 용기의 일 실시예를 나타낸 도면,
도 4는 폴캡 상에 드레이핑된(draped) 지지 재료상에 스티칭된(stitched) 섬유 재료의 프리폼을 구비하는 측면 방향 단면에서 폴캡의 영역에서 본 발명에 따른 가압 용기의 일 실시예를 나타낸 도면,
도 5는 프리폼이 있는 측면 방향 단면의 폴캡 영역에서 본 발명에 따른 가압 용기의 일 실시예를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 압력 용기의 제조를 위한 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 압력 용기의 제조를 위한 본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 1은 본 발명에 따른 압력 용기(1)의 측면 단면도이다. 이 압력 용기(1)는 원통형 중심부(21)의 내부 용기(2) 및 양측의 중심부(21)를 각각 폐쇄하는 2 개의 돔형 폴캡(22)과, 상기 내측 용기(2)를 압력 하중에 대항하여 보강하기 위해 내부 용기(2) 상에 권취된 외부층(3)을 포함하고, 상기 외부층(3)은 적어도 하나의 폴캡 보강층(31) 및 섬유 복합 재료(줄여서 FVM)의 압력 용기 보강층(32)을 포함하며, 상기 폴캡 보강층(31)은 상기 폴캡(22)을 적어도 부분적으로 덮고, 상기 압력 용기 보강층(32)은 상기 폴캡(22) 및 중심부(21)를 덮는다. 따라서 섬유각(FW2)은 중심부의 실린더축(Z)에 대해 90°에 가까운 각도, 바람직하게 섬유각(FW2)은 80°이상이다.
도 2는 편조된 섬유 복합 재료(FVM)의 프리폼(5)을 갖는 측면 방향 단면에서 폴캡(22) 영역에서의 본 발명에 따른 압력 용기(1)의 실시 예를 나타낸다. 이러한 윤곽-안정 프리폼(5)은 폴캡(22) 중 적어도 하나, 바람직하게는 양쪽 폴캡(22) 상에 폴캡 보강층(31)으로서 배열되고, 이 경우 상기 프리폼(5)은 적어도 140°, 바람직하게는 적어도 150°, 특히 바람직하게는 적어도 160°의 폴캡 가장자리(25)에서 섬유 재료(F1)의 편조 각(FLW)을 갖는 섬유 재료(F1)로부터 편조된 윤곽-안정 프리폼(51)으로 설계되며, 폴캡 중심부(26)를 향하여 편조각(FLW)은 상당히 감소 된다. 이 실시 예에서 보다 많은 보강실(52)은 원통형 중심부(21)의 실린더축(Z)에 본질적으로 평행한 방향으로 편조된 프리폼(51) 내로 편조 된다. 여기서 명료성을 위해 오직 2 개의 보강실이 도시되어 있다. 교차 섬유에 대해서도 동일하게 적용되며 나머지 섬유에 대한 대표적인 섬유는 몇 개만 제시된다.
도 3은 프리폼을 통한 (a)폴캡의 평면도에서 및 (b)측면 방향 단면에서 지지 재료(54) 상에 스티칭된(stitched) 섬유 재료(F1)의 프리폼(53)을 구비하는 폴캡(22)의 영역에서 본 발명에 따른 압력 용기(1)의 실시 예를 나타낸다. 도시된 프리폼(53)은 폴캡(22) 중 적어도 하나, 바람직하게는 양쪽 폴캡(22) 상에 폴캡 보강층(31)으로 배열되고, 이 경우 섬유 재료(F1)는 지지 재료(54) 상에 나선형으로 스티치 될 수 있으며, 이 실시 예에서 원통형 중심부(21)의 실린더축(Z)에 본질적으로 평행한 방향을 갖는 하나 이상의 보강실(55)이 지지 재료(54) 상에 스티칭 될 수 있고, 도 4b에 도시된 바와 같이 프리폼(53)은 섬유 복합 재료(F1, FVM) 및 지지 재료(54) 이외에 접착층(56)을 포함하며, 상기 지지 재료(54)는 폴캡 상에 직접 접착층(56)으로 부착되고, 이 경우, 보강실(55)은 활주할 수 있고 따라서 폴캡 윤곽으로 재형성될 수 있다.
도 4는 폴캡(22) 상에 드레이핑된 지지 재료(54) 상에 스티칭된 섬유 재료(FVM)의 프리폼(53)을 갖는 측면 방향 단면에서 폴캡(22)의 영역에서 본 발명에 따른 압력 용기(1)의 실시예를 나타낸다.
도 2 내지 도 4의 폴캡 프리폼(5, 51 및 53)은 압력 용기 보강층(32)의 폴캡 (22) 상에 권취된 정지 습윤 섬유 복합 재료(F2)의 적어도 일부분을 미끄러져 움직일 수 있으며, 압력 용기 보강층(32)의 매트릭스 재료에 의해 폴캡(22)의 영역에 고정될 수 있고, 이 목적을 위해 폴캡 프리폼(5, 51 및 53)은 매트릭스 물질로서 열경화성 재료를 포함하여 압력 용기 보강층(32)과의 양호한 가교 결합이 생성될 수 있다.
한편, 폴캡 프리폼(5, 51, 53)은 압력 용기 보강층(32)에 의해 덮여야 하고, 윤곽 안정성을 생성하기 위한 폴캡 프리폼(5, 51, 53)은 폴캡(22) 상에 고정되어야 하며, 폴캡 프리폼(5, 51, 53)은 바람직하게는 열가소성 재료로 제조되는 폴캡에 양호한 열 봉합을 가능하게 하기 위해 매트릭스 재료로서 열가소성 재료를 포함한다.
도 5는 폴캡(22)을 위한 삽입 구성 요소로서의 프리폼(5)을 갖는 압력 용기 (1)의 또 다른 실시 예를 나타낸다. TFP 또는 그물망 프리폼(5)은 내부 용기(2)의 폴캡(22) 상에 폴캡 보강층(31)으로서 적용되기 이전 후속 공정에서 예를 들면, 소위 수지 전이 성형(RTM) 수단에 의해 듀로플라스틱(duroplastic) 수지를 갖는 주형 내에서 함침 및 경화된다. 이와 같이 제공된 폴캡 보강층(31)의 형상은 프리폼(5)의 내부 윤곽(5i)이 폴캡(22)의 형상과 일치하도록 설계되고, 외부 윤곽(5a)은 하중에 따라 압력 용기 보강층(32)의 축 방향 섬유 권취물(F2)의 증착에 적합한 표면을 구성한다.
이 경우, 외부 윤곽(5a)은 내부 용기(2)의 중심부(21)가 처음에 연장된 영역으로서 폴캡(22)의 가장자리(25)에서 계속되도록 설계될 수 있으며, 폴 캡 영역으로 끌어 들여진 방사상 권선 형태의 압력 용기 보강층(32)(원주 방향 권선)의 내부 층(F2i)의 증착은 정지 노우즈(57)까지 용이해 진다. 이 경우, 이 프리폼(5)은 형태 연결 방식으로 압력 포트(4)에 확실하게 있을 수 있다. 결과적으로 그 위에 감겨 진 압력 용기 보강층(32)과 함께 경화 후 프리폼(5)과 연결되어 압력 포트(4)에서 내부 용기(2)로 연결 변형 없이 압력 포트(4)로부터의 높은 토크가 라미네이트 내로 유도될 수 있다.
도 6 은 도 1에 도시된 압력 용기를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법(100)의 일 실시 예를 나타내고, 상기 압력 용기를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법(100)은 편조 방법의 수단에 의한 제조단계(112) 또는 장식할 수 있는 지지 재료(54) 상 섬유 재료의 스티칭을 통한 제조단계(116)에 의해 적어도 하나의 폴캡(22), 바람직하게는 양 폴캡(22)에 대한 폴캡 보강층(31)으로서 윤곽-안정 프리폼(5, 51, 53)을 제조하는 단계(110)와; 폴캡 보강층(31)이 적어도 부분적으로 폴캡(22)을 덮도록 폴캡 보강층(31)이 폴캡(22)에 적용되는 단계(120) 및; 압력 용기 보강층(32)의 폴캡(22) 및 중심부(21)에 적용되고, 바람직하게는 압력 용기 보강층(32)이 외부로부터 폴캡 보강층(22)에 적용되는 단계(130)를 포함한다.
도 7은 도 1에 도시된 압력 용기를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법 (100)의 다른 실시 예를 나타내고, 상기 압력 용기를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법(100)은 윤곽-안정 프리폼(5)의 제조단계(110) 및 폴캡 보강층의 적용단계(120)에 대한 압력 용기 보강층(32)이 그 위에 증착될 수 있는 방식으로 설계된 폴캡(22) 및 외부 윤곽(5a)에 적합한 내부 윤곽(5i)과 폴캡(22)의 가장자리 영역(25)에서 내부 용기(2) 중심부(21)의 연장부를 구성하는 방식으로 설계된 외부 윤곽(5a)을 갖는 프리폼(5) 경화 단계(140)와; 중심부(21) 상에 그리고 직접 가장자리(25)의 외부 윤곽(5a) 상에 압력 용기 보강층(32)의 방사상 권선으로서 내부 층(F2i), 바람직하게는 폴캡(22)의 가장자리 영역(25)에서 압력 용기 보강층(32)으로 과권취 될 외부 윤곽(5a)의 경계로서 프리폼(5)의 정지 노우즈(57)의 권취단계(150)를 포함하여 압력 용기 보강층(32)의 하나 이상의 외부 층(F2a)을 전체 프리폼(5) 상에 권취한다(150).
여기에 도시된 실시 예는 본 발명의 예일 뿐이므로 제한적으로 이해되어서는 안된다. 당업자에 의해 고려되는 대안적인 실시 예는 본 발명의 범위에 동등하게 포함된다.
1 : 압력 용기 2 : 내부 용기
3 : 섬유 복합 재료로 만든 외부층 4 : 밸브/압력 포트
5 : 폴캡 보강층으로서 윤곽 안정 프리폼 5a : 프리폼의 외부 윤곽
5i : 프리폼의 내부 윤곽 21 : 내부 용기의 원통형 중심부
22 : 내부 용기의 돔형 폴캡
25 : 폴캡 또는 확장 영역의 가장자리 26 : 폴캡 중심부
31 : 외층의 폴캡 보강층 32 : 외부층의 압력 용기 보강층
51 : 섬유 재료로 편조한 편평한 프리폼 52 : 망사용 보강실
53 : 지지 재료 상에 스티칭된 섬유 재료로 만들어진 윤곽 안정 프리폼
54 : 지지 재료 55 : 프리폼용 보강실
56 : 접착층
57 : 압력 용기 보강층용 정지 노우즈(nose)
100 : 본 발명에 따른 압력 용기
110 : 윤곽 안정 프리폼 제조단계
112 : 편조 방법의 수단에 의한 생산단계
114 : 하나 이상의 보강실의 추가 편조단계
116 : 스티칭을 통한 생산단계
118 : 폴캡을 갖는 프리폼의 꼼꼼한 열 밀봉단계
120 : 폴캡 보강층 적용단계
130 : 폴캡상에 대한 압력 용기 보강층의 적용단계
140 : 폴캡에 맞게 내부 윤곽을 가진 프리폼 경화단계
150 : 압력 용기 보강층의 내부층을 주변 영역의 프리폼의 외부 윤곽에 직접
권 취하는 단계
F1 : 폴캡 보강층의 섬유 또는 섬유재료
F2 : 압력 용기 보강층의 섬유 또는 섬유재료
F2i : 압력 용기 보강층의 내층 F2a : 압력 용기 보강층의 외층
FW1 : 폴캡 보강층의 섬유각도 FLW : 폴캡 보강층의 꼬기각
FW2 : 압력 용기 보강층의 섬유각
FVM : 외층, 폴캡 보강층 및/또는 압력 용기 보강층의 섬유 복합재
Z : 원통형 중앙부의 실린더 축

Claims (15)

  1. 원통형 중심부(21)의 내부용기(2)와, 양측의 원통형 중심부(21)를 각각 폐쇄하는 2 개의 돔형 폴캡(22) 및, 가압 하중에 대한 내부용기(2)를 보강하기 위해 내측 용기(2) 상에 권취된 외부층(3)을 포함하는 보강된 폴캡(22)을 갖는 압력 용기(1)에 관한 것으로, 상기 외부층(3)은 섬유 복합 재료(FVM)의 적어도 하나의 폴캡 보강층(31) 및 압력 용기 보강층(32)을 포함하며, 상기 폴캡 보강층(31)이 상기 폴캡(22)을 적어도 부분적으로 덮고, 상이 압력 용기 보강층(32)이 상기 폴캡(22)과 중심부(21)를 덮으며, 윤곽-안정 프리폼(5, 51, 53)이 적어도 하나의 폴캡(22) 상에 바람직하게는 양 폴캡(22) 상에 폴캡 보강층(31)으로서 배열된 폴캡 강화 압력용기.
  2. 제 1항에 있어서, 윤곽-안정 프리폼(5, 51)이 적어도 140°, 바람직하게는 적어도 150°, 특히 바람직하게는 적어도 160°의 폴캡 가장자리(25)에서 섬유 재료 (F1)의 편조각(FLW)을 갖는 섬유 재료(F1)로부터 편조된 윤곽-안정 프리폼(51)인 것을 특징으로 하는 폴캡 강화 압력용기.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 윤곽 - 안정 프리폼(5, 51, 53)이 원통형 중심부(21)의 실린더 축(Z)에 평행한 방향을 갖는 하나 이상의 보강실(52)이 편조된 프리폼(51) 내로 편조되는 것을 특징으로 하는 폴캡 강화 압력용기.
  4. 제 1항에 있어서, 장식할 수 있는 지지 재료(54) 상에 스티칭된 섬유 재료(F1)로 구성되고, 바람직하게는 상기 섬유 재료(F1)가 상기 지지 재료(54) 상에 나선형으로 스티칭되는 것을 특징으로 하는 폴캡 강화 압력용기.
  5. 제 4항에 있어서, 원통형 중심부(21)의 실린더 축(Z)에 평행한 방향을 갖는 하나 이상의 보강 실(55)이 지지 재료(54) 상에 스티칭되는 것을 특징으로 하는 폴캡 강화 압력용기.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 지지 재료(54)는 상기 폴캡 상에 직접 접착층(56)으로 부착되는 것을 특징으로 하는 폴캡 강화 압력용기.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프리폼(5, 51, 53)은 상기 압력 용기 보강층(32)의 상기 폴캡(22) 상에 감겨진 상기 가요성 습윤 섬유 복합 재료(F2)의 적어도 일부분에 걸처 미끄러져 압력 용기 보강층(32)의 매트릭스 재료에 의해 폴캡(22)의 영역에 고정되는 것을 특징으로 하는 폴캡 강화 압력용기.
  8. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 윤곽 안정화를 위해 상기 압력 용기 보강층(32)이 상기 폴캡 보강층(31)을 덮고 상기 프리폼(5, 51, 53)이 상기 폴캡 (22)에 고정되고, 바람직하게는 프리폼(5, 51, 53)은 열가소성 매트릭스로 제조되고 플라스틱 재료의 폴캡(22)으로 적어도 규칙적으로 열 융착되는 것을 특징으로 하는 폴캡 강화 압력용기.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프리폼(5)은 상기 폴캡 상에 증착하기 위한 경화된 프리폼이며, 상기 프리폼(5)의 내부 윤곽(5i)은 상기 폴캡(22)에 맞추고, 상기 프리폼(5)의 외부 윤곽(5a)은 압력 용기 보강층(32)이 그 위에 침착될 수 있는 방식으로 설계되며, 상기 외부 윤곽(5a)은 상기 폴캡(22)의 가장자리 영역(25)에서 상기 내측 용기(2)의 중심부(21)의 연장부를 구성하는 방식으로 설계되고, 상기 압력 용기 보강층(32)의 하나 이상의 외부층(F2a)을 갖는 전체 프리폼(5)의 후속적인 권취를 위해 가장자리 영역(25)의 외부 윤곽 (5a)을 포함하며, 바람직하게 프리폼(5)은 폴캡(22)의 가장자리 영역(25)에서 압력 용기 보강층(22)으로 과권취되는 외부 윤곽(5a)의 경계로서 정지 노우즈(57)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴캡 강화 압력용기.
  10. 원통형 중심부(21)의 내부용기(2)와, 각각의 경우에 양측의 원통형 중심부(21)를 폐쇄하는 2 개의 돔형 폴캡(22) 및, 가압 하중에 대한 내부 용기(2)를 보강하기 위해 폴캡(22)에 적합화되고, 내부 용기(2) 상에 권취된 외부층(3)을 포함하는 제 1항에 따른 압력 용기(1)를 제조하는 방법(100)에 있어서;
    섬유 복합 재료(FVM)의 적어도 하나의 폴캡 보강층(31) 및 압력 용기 보강층(32)을 포함하는 외부층(3)이 꾸밀 수 있는 지지 재료(54) 상 섬유 재료의 스티칭을 통한 제조단계(116) 또는 편조의 수단에 의한 제조단계(112)에 의해 적어도 하나의 폴캡(22), 바람직하게는 양 폴캡(22)에 대한 폴캡 보강층(31)으로서 윤곽-안정 프리폼(5, 51, 53)을 제조하는 단계(110)와;
    상기 폴캡(22) 상에 폴캡 보강층(31)을 적용하여 상기 폴캡 보강층(31)이 상기 폴캡(22)을 적어도 부분적으로 덮도록 하는 폴캡 보강층 적용단계(120) 및;
    상기 압력 용기 보강층(32)은 외부로부터 폴캡 보강층(22) 상에 적용되는 것이 바람직하고, 상기 폴캡(22)과 원통형 중심부(21) 상에 압력 용기 보강층(32)을 적용하는 단계(130)를 포함하는 폴캡 강화 압력용기 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 윤곽 - 안정 프리폼(5, 51)의 제조단계(110)가 적어도 140°, 바람직하게는 150°, 특히 바람직하게는 160°의 폴캡(22)의 가장자리 영역 (25)에서 상기 프리폼(5, 51)의 편조 각(FLW)을 갖는 섬유 재료(F1)로부터 윤곽-안정 프리폼(5, 51)의 편조의 수단에 의한 제조단계(112)을 포함하는 폴캡 강화 압력용기 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 편조는 원통형 중심부(21)의 실린더 축(Z)에 평행한 방향을 갖는 하나 이상의 보강실(52)의 추가 편조 단계(114)를 포함하는 폴캡 강화 압력용기 제조방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 스티칭을 통한 제조단계(116)의 수단에 의한 윤곽 안정 프리폼(5, 53) 제조단계(110)는 상기 지지 재료(54) 상에 상기 섬유 물질의 나선형 스티칭을 포함하고, 바람직하게는 원통형 중심부(21)의 실린더 축(Z)에 평행한 방향을 갖는 하나 이상의 보강실(55)이 지지 재료(54) 상에 스티칭되는 폴캡 강화 압력용기 제조방법.
  14. 제 10항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 폴캡(22)에 열가소성 매트릭스를 사용하여 제조된 프리폼(5, 51, 53)을 적어도 꼼꼼한 열 밀봉하는 단계(118)와 폴캡(22)에 프리폼(5, 51, 53)을 고정하는 단계를 더 포함하는 폴캡 강화 압력용기 제조방법.
  15. 제 10항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 윤곽(5a)이 상기 폴캡(22)의 가장자리 영역(25)에서 상기 내부 용기(2)의 원통형 중심부(21)의 연장부를 구성하는 방식으로 설계되고, 상기 압력 용기 보강층 (32)이 그 위에 증착될 수 있는방식으로 설계된 상기 폴캡(22)과 외부 윤곽(5a)에 적합한 내부 윤곽(5i)을 갖는 프리폼(5) 경화단계(140)와;
    원통형 중심부(21) 및 직접 가장자리 영역(25)의 외부 윤곽(5a) 상에, 바람직하게는 상기 폴캡(22)의 가장자리 영역(25) 내의 압력 용기 보강층(22)으로 과권취될 외부 윤곽(5a)의 경계로서 프리폼(5)의 정지 노우즈(57) 상에 압력 용기 보강층(32)의 방사상 권선으로서의 내부층(F2i)을 권취하는 단계(150) 및;
    압력 용기 보강층(32)의 하나 이상의 외부층(F2a)을 전체 프리폼(5) 상에 연속적으로 권취하는 단계(13)를 더 포함하는 폴캡 강화 압력용기 제조방법.
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