복합재 구조의 저장용기 및 그 제조방법 document_id A220623025945

큰 저장용기들이 액체와 같은 제품을 수송하기 위하여 널리 사용되고 있다. 육로 수송의 경우에 있어서, 다양한 디자인의 탱크가, 원동기 또는 트랙트 유닛에 의해 견인되는 자가 동력 및 반 트레일러인 새시형(chassis) 자동차에 맞도록 생산되어 왔다. 수송차량용 저장용기의 알려진 디자인은 전형적으로 자동차 또는 트레일러에 설치되는 단일의 탱크를 포함한다. 대부분의 탱크들은 길이방향의 조립식 보조-새시로 형성되는데, 이 보조새시에 의해 탱크는 자동차나 트레일러의 새시에 고정된다. 이 것은 지상높이의 변화를 수용하기 위하여 새시에 충분한 여유를, 특히 길이방향으로, 주려는 것이다. 탱크가 새시에 고정될 때, 통상 탱크를 새시와 보조 새시를 길이방향으로 다수 곳에 체결되는 보울트 및 너트를 사용하여 새시에 고정한다. 금속과 금속 사이의 접촉에 의한 마찰을 방지하기 위하여 각 새시 부재 사이에 얇은 고무나 펠트가 배치될 수 있다. 고정식으로 설치된 탱크의 존재 때문에, 조립체는 새시 그 자체보다 상당히 더 견고하다. 대부분 알려진 금속제 탱크들은 석유제품을 수송하기 위해 사용될 때, 각각 입구와 출구를 가진 일련의 별개의 격실(compartments)로 분할된다. 이들은 다른 종류의 액체를 수송하는 것을 가능하게 한다. 연료 또는 윤활유의 경우, 다른 등급의 연료 혹은 윤활유들은 하나의 수송차량의 다른 격실에 수용되어 운반된다. 이러한 복수의 격실을 가진 탱크들은 하나 또는 그 이상의 내부 격벽, 뿐만아니라 외벽의 크랙의 문제가 있는 것을 알려져 있다. 이로 인하여 하나의 격식 안의 내용물은 다른 내용물과의 혼합 및/또는 누출에 의해 오염되는 문제가 생긴다. 이는 방지되어야 할 필요가 있고, 각 격실의 조립성 및 각 탱크의 전체 조립성을 보장하기 위하여 규정에 따라 탱크들이 검사되어야 한다. 상기 크랙(cracking)은 자동차를 사용할 때 자동차의 운동때문에 탱크에 반복되는 응력 때문에 발생한다. 자동차의 새시 또는 트레일러의 새시는 탱크보다 강성이 더 작으므로, 새시의 비틀림을 일으키는 힘이 탱크로 전달된다. 그러나, 금속재 탱크는 이러한 반복 비틀림하중을 지탱할 수 없어 내측 격벽 및/도는 외측 셀(shell)에 크랙을 일으킨다. 수송차량의 강성 탱크의 경우에 발생하는 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위하여 탱크의 보조-새시(sub-chassis)를 차량의 후방에 견고히 설치하고, 탱크의 다른쪽 선단을 차량의 전방에 설치하는 시도가 있었다. 차량 새시 또는 트레일러의 구부림변형은 전형적인 새시의 길이에 대하여 150mm를 초과할 수 있다. 그러한 범위의 움직임은 탱크 설계에 있어서 중요한 고려사항이다. 알려진 탱크 설비(tnaker)의 하나는 바퀴달린 새시와 하나의 뒤쪽에 다른 하나를 순차적으로 배치되는 복수개의 탱크를 포함하는 육상 또는 철로 탱크 설비를 제공한다. 상기 복수개의 탱크는 복수개의 플랙시블(flexible) 설치구를 사용하여 새시위에 각각 개별적으로 설치된다. 플랙시블 설치는, 탱크를 적당히 지지하는 한편 움직임을 허용하도록 쉽게 이루어질 수 있다. 새시가 비틀림과 굽힙력을 받을 때 각 탱크의 허용가능한 움직임 범위를 수용하기에 필요한 정도로 상기 각 탱크는 길이방향으로 간격을 두고 떨어져 있다. 각 탱크에는 적어도 4개의 설치구를 제공하는 것이 바람직하다. 그 설치구의 갯수는 더 무거운 중량체를 수송하기 위하여 증가될 수 있고, 각 설치구는 더 강하게 제작될 수 있다. 굽힙력과 비틀림력을 더 잘 견딜 수 있도록 현재 강으로 만들어지는 탱크는 이제 경량 합금, 예를 들면, 알루미늄합금으로 만들어질 수 있다. 무게를 감소시키면 탱크를 더 크게 만들수 있고, 그에 따라 차량/트레일러의 총중량을 증가시키지 않고도 수송할 액체의 량을 증가시킬 수 있다. 이러한 것은 운전자에게 경제적인 이익을 가져다 주고 더 많은 하중을 적재할 수 있게 한다. 저장탱크 기술은 계속 진화하고 있고, 이러한 것은 금속제 저장탱크의 기본적 사양에 다양한 설계변화를 일으킨다. 중량체 수송 탱크는 종래에는 강 또는 알루미늄과 같은 금속을 만들어져 왔다. 몇몇 탱크들은 미국특허 제3,687,087호에 개시된 바와 같은 절연 라이너가 적용되었다. 이 미국특허는 철로 수송차량 몸체의 내측 표면에 탄성의 절연구조물을 개시하고 있다. 상기 탄성 절연구조물은 금속제 차량 몸체의 내측 표면에 고정된 외측 표면을 가진 폴리우레탄 발포제의 층과, 상기 폴리우레탄 발포재층의 내측 표면에 고정된 엘라스토머(elastomer)재의 내측 라이너를 포함한다. 상기 폴리우레탄 발포제는 상기 엘라스토머 내측 라이너용 중간 쿠션층을 형성하고, 약 1인치의 두께를 가지며, 약 8인치의 두께로 될 수 있다. 엘라스토머 내측 라이너는 1/2 인치 이하의 두께를 가지고, 발포제보다 작은 단단함을 가진다. 탄성 절연 구조에 작용하는 적재물에 의해 작용되는 힘에 의해 발생되는 에너지는 상기 절연구조물을 통하여 철로 차량 몸체에 전달되는 에너지의 잔류량을 가진 상기 절연 구조물의 변형에 의해 없어진다. 공구 또는 차량 내의 작업자로부터 작용되는 국부적인 높은 응력이 가해지면, 중간 발포층은 영구적으로 변형될 수 있는 반면에, 적재물과 접촉하는 엘라스토머 내측 라이너는 손상없이 유지된다. 종래 알려진 육상 탱크탑재 차량(tanker)은 전형적으로 사각 형상의 베드 프레임(bed frame)상에 탄성적으로 지지되고 상기 베드 프레임의 수평면 내에 부분적으로 배치되고는 트럭의 주 프레임 위에 배치되는 원통형 탱크를 가지고, 상기 베드 프레임은 상기 트럭의 주 프레임 상에 탄성적으로 지지된다. 상기 원통형 탱크의 외측에 일치하는 1쌍의 사다리 형상의 플레이트가 실린더형 탱크에 고정되고, 하나는 탱크의 각 선단에 인접하며, 브라켓 아래에 고정된 한 쌍의 상부 탱크는 각 사다리형 플레이트에 고정되고, 상기 베드 프레임상에 견고히 고정된 브라켓 아래에 고정된 대응 하부 탱크에 차례로 탄성적으로 보울트로 고정된다. 상기 베드 프레임에 고정된 브라켓들은 주 트럭 프레임 상의 대응 브라켓에 보울트로 체결된다. 이러한 구성의 예들은 미국 특허 제4,283,066호에 개시되어 있다. 더 가벼운 경량 재료와 같은, 금속제 대체 재질로 탱크를 제조하는 몇몇 시도가 있었다. 하나의 예는 미국 특허 제4,292,898호에 개시되어 있다. 이 미국특허는 필라멘트 권취 복합재 철도차량을 개시하고 있는데, 이 철도차량은 길이가 긴, 벽을 가지는 하중 지지 몸체를 가진다. 이 철도 차량의 몸체의 벽은, 유리 강화 필라멘트의 섬유 강화 필라멘트와 특별한 특성을 가진 구조적 유기 폴리머 수지조성물의 조성물로 만들어진다. 경량 트레일러 탱크를 제공하기 위한 다른 시도는 미국 특허 제4,729,570호에 개시되어 있다. 이 특허는 새시없는 유리섬유 탱크 트레일러를 개시하고 있고, 이 트레일러는 약 45도의 각도로 경사 권취된 유리섬유 필라멘트로써 섬유 강화 이소토릭 수지(isotholic resin)으로 형성된 탱크 셀(shell)을 포함한다. 이 탱크 셀은 유체 수송용 용기를 형성하기 위하여 전방 헤드와 후방 헤드를 가진다. 전방 크래들(cradle)은 5번째 휠 부재를 설치하기 위하여 사용되는 설치부로써 탱크 셀에 부착되고, 후방 크래들은 후방 휠 캐리지를 설치하기 위하여 사용되는 설치부를 가지고, 탱크 셀에 부착된다. 복수개의 원주방향 강화 리브(rib)는 각 설치부 사이에, 그리고 상기 탱크 셀 상에 길이방향으로 다른 요구 위치에 위치한다. 상기 리브는 유리섬유 강화 수지로써 몰드 성형된다. 각 리브는 뒤집어짐을 방지하기 위한 확대된 상부를 가진다. 유리섬유 수지를 크래들과 리브에 적용하기에 앞서, 원주방향의 밴드들이 추가적인 강도를 부여하기 위하여 크래들이나 리브 위에 구비된다. 트레일러의 구멍들에는 오버플로우(overflow) 방지를 포함한다. 배플(baffle)은 트레일러안에서 원하지 않는 유체의 움직임을 방지하기 위하여 제공된다. 다양한 차량, 예를 들면 주로 금속재로 만들어지고 차량의 새시위에 안착하거나 휠위에 설치되지만 자력 지지되기에 충분한 구조적 강도를 가지는 저장탱크를 수용하는 철도 차량 및 육상 차량에 적용된다. 게이어 등의 미국 특허 제3,712,250호에 개시된 바와 같이, 탱크가 트럭위에 설치된 크래들 구조물 안의 선단 근처에 지지되는, 철도용 탱크 차량이 제작되어 왔다. 탱크는 앤드선 등의 미국 특허 제3,158,383호에 개시된 바와 같이 유리섬유 강화 플라스틱으로 만들어져 왔다. 이 선행기술의 철도 차량은 중량체 지지 구조물 및/또는 적재된 차량의 총 중량 부분이 차량 중량 자체일 것이 요구되는 중량체 구조 요소를 포함한다. 이들 중량체 구조 요소들은 대개 운송 중 차량에 가해지는 실질적인 길이방향의 힘을 전달하고 지탱하는 길이방향 금속제 구조 요소들을 포함한다. 철도차량의 총 중량이 규정에 의해 제한을 받기 때문에, 조립구조는 유지하면서 차량 지체 중량의 감소가 요구된다. 이것은 적재하중을 더 크게 하고 그 결과 경제적인 운송을 얻을 수 있기 때문이다. 탱크, 예를 들면 운반가능한 콘크리트 혼합용 드럼과 같은 탱크의 구성에 있어서 비 금속제 재료의 사용이 최선으로 알려져 오고 있지만, 그러한 선행기술은 열가소성 또는 열경화성 수지와 같은 플라스틱으로 만들어지는 저장 탱크를 가지는 육상, 철도, 또는 항공 탱크 수송체를 교시하지는 않는다. 출원인은 벽이 적층된 플라스틱으로 제작되고 주로 금속제 사용에 의해서는 충족되는 조립 표준으로 적재된 하중을 지탱할 수 있는 어떠한 탱크에 관하여는 알고 있지 않다. 플라스틱은 바람직한 재료인 경량체이지만, 강 및 플라스틱 사이에 물성, 특히 하중 반응에 있어서의 광범위한 차이 및 플라스틱 제품이 제조에 있어서 어려움의 차이는 우선적으로 극복되어야 한다. 그렇지만 강에서 플라스틱으로 변경함에 있어서 극복되어야 할 구조적 및 제조상의 어려움들이 있다고는 인식하고 있다. 탱크가 정상적인 동작에서 받는 높은 정적 및 동적 하중을 지탱할 수 있는 탱크의 제조에는 전혀 어려움이 없다. 또한, 석유 제품과 같은 유체의 수송 및 저장의 경우에, 탱크의 내측 표면은 화학적으로 비활성 및 비 반응적이어야 한다. 그리하여 알려진 강제(steel) 저장 및 수송 탱크의 대안을 제조하려는 이전에는 없었던 시도들은 화학적을 비활성이고 비 반응성이며 외부 하중과 내용물에 의한 내측 하중을 견뎌내는 높은 내구성 및 용량을 가지는, 플라스틱 탱크를 필요로 하고 있다. 또 다른 기술적 과제는 적층 구조의 경우에 만족할만한 층간 결합을 얻을 수 있는 플라스틱의 사용이다. 어떤 플라스틱은 자연적으로 결합하지 않는다. 열가소성 재료는 실온에서 고체이지만 제품을 몰드성형하기에 적합한 높은 온도에서는 연화되고 용융되지만 실온에서는 다시 원래의 물성을 회복하는 재료이다. 열경화성 수지는 적당한 경화성 또는 촉매 젤과 혼합되고 적당한 시간 후에는 경화되는 알려진 액체 물질이다. 그 것들은 섬유재로써 강화되는 적층 구조물을 만들때 사용된다. 열경화성 수지는 열경화성 수지보다 더 나은 내화학성을 가지고, 그 결과 이들 양 재료를 가진 이중 구조물은 그들의 내화학성 및 구조적 능력을 결합한다. 이들 두 재료들은 적층된 구조물에는 서로 융화하지 않는다. 특히 열경화성 수지는 열가소성 수지와 결합하지 않는다. 종래기술에서 알려진 바에 의하면, 하나의 표면에 압착된 직물포로써 열가소성 시트를 형성하지만, 플라스틱은 여전히 연질이어서 섬유들이 부분적으로 속에 들어있다. 그리고나서 열경화성 수지와 섬유는 이들 직물포의 섬유들 위에 적층되고, 그리고나서 직물포의 섬유들은 개의 비 결합성 물질 사이에 기계적 결합을 형성한다. 이들 과정의 단점은 강한 임베드먼트(embedment)을 형성하기 어렵다는 것과, 직물포는 열가소성 수지에서 외측으로 뽑혀져 나오는 경향이 있다는 것이다. 상기 시트상 재료는 평형하고, 절단 및 융착에 의한 제조공정에 의해 용기에 형성될 수 있을 뿐이다.