KR101179982B1 - 맨드릴을 이용한 고 신뢰성 압력용기 제조 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압력용기 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압력용기의 돔부를 성형하는 과정에 용기 내부에 맨드릴을 삽입하여 용기의 돔부 성형시 요철이 발생하지 않도록 하며 형상정밀도 향상을 위한 맨드릴을 이용한 곤 신뢰성 압력용기 제조 방법 및 장치로, 방법은 유동 성형을 통해 압력용기의 중간부를 성형하는 단계와; 상기 중간부 안쪽으로 돔 형상을 갖는 맨드릴을 투입하는 단계와; 상기 성형롤러를 이용하여 압력용기의 돔부를 성형하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하고, 장치는 상기 장치가 회전하는 회전의 중심에 설치되어 회전하는 맨드릴 축과; 상기 맨드릴 축과 연결되어 설치되고 상기 축과 연결되는 반대쪽은 상기 압력용기 돔구조의 내부와 동일한 크기와 라운드를 갖는 돔형상으로 구성되는 맨드릴과; 상기 맨드릴로부터 설정된 거리만큼 떨어진 상태에서 회전하는 1개 이상의 성형롤러를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

압력용기, 유동성형, 돔, 넥, 맨드릴

Description

맨드릴을 이용한 고 신뢰성 압력용기 제조 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR HIGH PRESS GAS CONTAINER USING MANDRILL}

본 발명은 압력용기 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압력용기의 돔부를 성형하는 과정에 용기 내부에 맨드릴을 삽입하여 용기의 돔부 성형시 요철이 발생하지 않도록 하며 형상정밀도 향상을 위한 맨드릴을 이용한 곤 신뢰성 압력용기 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.

압력용기는 각종 고압으로 저장하여야하는 가스를 저장하기 위한 용기로서 고압의 내부 압력을 견딜 수 있어야 하기 때문에 일반적인 용기 제조 방법으로 생산하기에는 많은 어려움이 따른다.

본 발명의 대상인 압축기체 저장용 고압용기 개발의 최종목표는 7.0MPa를 견디는 용기무게가 110kg이하의 재료 개발에 있고, 고압용기용 라이너의 제조 방법으로는 현재까지는 심리스(Seamless)관을 이용해 용기를 형성하는 만네스만 방식과 강피를 뽑아내 만드는 에르하르트 방식의 두가지가 있다.

그러나 이러한 방식으로제조된 고압용기는 세계적으로 생산할 수 있는 곳이 한정되어 전량 수입에 의존해야 하는데다 정밀한 조도의 가공이나 균일한 제품의 생산이 어렵다는 문제가 있고, 만네스만 방식은 용기와 같은 지름과 두께를 가진 심리스 강관을 절단해 그 중 한면을 적당한 제조온도로 가열해 특수금형을 사용 교축해 결합한 후 하부를 만들고, 상부는 성형하고 열처리 한 다음 캡장치용 와샤를 장착하고 최종입구에 나사를 만들어 밸브를 장착하여 용기 제작을 완료하는 방법이다.

에르하르트 방식은 백열 상태로 가열된 강관을 대각선 길이와 같은 내경의 둥근형에 넣고 회전축으로 누르면 둥근 바닥면을 갖는 중공소재가 되고, 이 소재를 동관 인발과 같은 방법으로 점차적으로 외경을 축소해 규정치수로 다듬질 하고 그 후로는 만네스만식과 같이 다른면을 제조하 두부(상부)를 만들어 용기 제작을 완료하는 방법이다.

DDI(Deep Drawing & Ironing) 방식은 강관을 프레스와 소둔 과정을 반복해 형상을 가공한 후 에르하르트 식과 동일한 방식으로 봉합해 용기를 제고하는데, 국내의 경우 정지형 철강 고압용기를 오래 전부터 사용되고 있으나 자동차용 연료용기는 고압용기로서 경량화를 달성하기 위하여 복합재료용기 개발이 92년 부터 추진되 소형의 제품으로 알루미늄 라이너에 유리섬유로 보강한 고압용기의 개발이 완료된바 있으나 아직까지 차량 탑재용으로 순수 국산화된 제품이 실용화까지 완료된 제품은 극히 미비하다.

또한 압력 용기를 생산하는 과정에 발생하는 문제점으로는 돔부를 형성하는 과정에 강제적으로 용기의 크기를 줄여 넥을 형성하여야 하므로 요철이 발생하게 되는 문제점이 있는데 이는 압력용기의 신뢰성과 관련된 가장 중요한 사안이고, 특 히 넥에 밸브를 장착하는 경우에 있어서는 잦은 가스의 충전과 사용에 의하여 돔부의 파손의 우려가 크게 나타나는 것이다.

이러한 상황 하에서 본 발명에서는 상기 목적을 달성할 수 있는 압력용기를 제조할 수 있도록 하고자 한다.

본 발명의 목적은 돔부에 요철이 발생하지 않고, 형상정밀도가 향상된 고신뢰성을 담보할 수 있는 압력용기를 제조할 수 있도록 하는 것이다.

이를 위하여 본 발명은 유동 성형을 통해 압력용기의 중간부를 성형하는 단계와; 상기 중간부 안쪽으로 돔 형상을 갖는 맨드릴을 투입하는 단계와; 상기 성형롤러를 이용하여 압력용기의 돔부를 성형하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 성형롤러를 이용하여 압력용기를 성형하는 과정에 맨드릴을 성형롤러의 회전속도 및 방향과 동일하게 회전시키는 단계가 더 추가되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 장치가 회전하는 회전의 중심에 설치되어 회전하는 맨드릴 축과; 상기 맨드릴 축과 연결되어 설치되고 상기 축과 연결되는 반대쪽은 상기 압력용기 돔구조의 내부와 동일한 크기와 라운드를 갖는 돔형상으로 구성되는 맨드릴과; 상기 맨드릴로부터 설정된 거리만큼 떨어진 상태에서 회전하는 1개 이상의 성형롤러를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 맨드릴의 돔형상의 중심에는 상기 압력용기에 형성되는 넥의 내부직경과 동일한 외부 직경을 갖는 맨드릴 넥이 더 추가되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여 구성된 본 발명은 돔부에 요철이 발생하지 않고, 형상정밀도가 향상된 고신뢰성을 담보할 수 있는 압력용기를 제조할 수 있도록 하는 효과가 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 하나의 실시 예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구 범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 구성 및 구조에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 의한 심리스 파이프 제조과정을 도시하고 있는 것으로, 먼저 적절한 특성을 갖는 환봉을 준비한 상태에서 상기 환봉을 적절한 길이로 절단할 필요가 있는데 이러한 절단 과정은 현재 널리 사용되고 있는 절단기를 이용하여 절단하는 것이 가능하기 때문에 얇은 두께로 절단하여 이차 가공할 준비를 하게 되는 것이다.

이후 상기 절단된 환봉은 고열로 가열하여 가열하게 되는데 이때 가열 온도는 대략 400~500도 사이의 온도로 가열하게 되는데 상기 온도의 핵심요소는 소재가 재결정되기 전의 온도로 가열하여야 하는 것이다.

그렇지 않고 재결정 온도 이상으로 가열하게 되는 경우에 있어서는 재질의 특성이 변하게 되는 문제가 발생하게 되는 것이다.

고온으로 가열된 절단된 환봉은 프레스로 단조성형 하게 되는데 이때 단조 성형된 소재는 컵 모양을 하게 되어 한쪽은 뚫려 있으나 다른 한쪽은 막혀있는 형상을 하게 되고 소재의 두께는 대략 20~25mm 정도의 두께를 갖게 되는데 상기 단조 성형의 두께는 필요에 따라 조절가능하다 하겠다.

이후 내경과 외경을 가공하여 전체적인 두께를 일률적으로 유지할 수 있도록 하게 되는데 이러한 과정중에 상기 컵 모양의 막힌 부분을 제거하여 그 구조를 완전히 관통된 형태로 만들 수도 있고 추후 가공될 가공 특성에 따라 그대로 한쪽은 막혀 있는 컵 형상을 그대로 유지한 상태로 가공하여 다음 가공을 진행하는 것도 가능하고 이때는 두께는 대략 14~19mm 정도의 두께를 갖게 되고, 유동성형 과정에 있어서 포워딩 가공 내지는 백워딩 가공의 특징에 따라 선택적으로 선택하여 사용할 수 있는 것이라 하겠다.

이후 유동성형 과정을 수행하게 되는데 상기 유동성형 과정은 상기 컵과 같이 짧고 두꺼운 소재를 얇고 길게 늘이는 과정인 것으로 이때 상기 소재의 내측에 일정한 형상의 틀을 사용하여 외경부 볼륨이 작아지며 작아진 볼륨을 길이방향으로 늘어나도록 하는 특징이 있다 하겠다.

더불어 이때의 소재의 두께는 씨엔지(CNG)용 용기로 사용되는 경우에는 그 두께가 2~6mm 정도이고 수소용의 경우에 있어서는 4~8mm 정도의 두께를 갖게 되는 특성이 있다 하겠다.

이후에 정단 가공을 하게 되는데 정단 가공은 양쪽의 불필요한 부분을 제거 하여 적절한 길이로 절단하는 것을 의미하는 것으로 이때의 길이는 용기의 용량에 따라 달라지므로 어디에 어느 정도의 용량의 용기를 생산할 것인가에 따라 정단가공의 길이가 선택적으로 달라지게 되는 것이다.

여기에서 상기 유동성형된 파이프의 경우 측면적인 특성을 살펴보면 파이프 내부의 직경은 일정하나 파이프를 형성하는 소재의 두께는 중간 부분은 얇고 양쪽끝은 두꺼운 형태를 취하게 되는 특징이 있다 하겠다.

이러한 구조는 양쪽에 형성될 돔은 용기 중간부분 보다 높은 압력을 받으며 돔 끝단의 넥 형성을 위한 소재 볼륨을 확보하여야 하기 때문에 충분한 압력을 견딜 수 있도록 하기 위하여 두꺼운 돔의 형태 및 넥을 만들기 위해서이다.

따라서 바람직하게는 용기의 중간부분을 형성할 중간부(20) 두께는 천연가스용은 2~6mm 정도의 두께를 갖고 수소가스용은 4~8mm 정도의 두께를 갖는게 효과적으로 용기의 무게를 줄이면서 압력에 강건한 용기를 생산할 수 있도록 하며, 양쪽 끝의 경우에 있어서 즉 돔을 형성할 부분인 돔부(30)에 있어서는 천연가스용은 7~9mm 정도의 두께를 갖고 수소용은 12~14mm 정도의 두께를 갖도록 가공하는 것이 바람직하다 하겠다.

도 2는 본 발명에 의한 심리스 파이프 성형과정을 도시하고 있는 것으로 심리스 파이프를 스파이닝 머신을 이용하여 성형함으로써 양쪽 끝에 돔을 형성하는 과정을 도시하고 있는 것이라 하겠다.

이러한 구조는 현재 한쪽에 돔이 형성되어 있는 구조로 구성되어 있는 압력용기는 있으나 양쪽에 돔이 형성되는 구조의 압력용기는 제시된바 없는데 양쪽에 돔을 형성하고 밸브를 부착할 수 있도록 하는 넥을 양쪽에 형성하게 되는데 이때 상기 돔을 형성하기 위하여 구성되는 라운드는 그 특성상 많은 압력이 집중되므로 파이프와 같은 구조를 갖는 용기의 중간부분 보다 두껍게 형성될 필요가 있으므로 상술한 바와 같이 더 두껍게 형성하였던 것이다.

상기 심리스 파이프의 끝단을 가공함에 있어 끝부분을 안쪽으로 밀어가면서 가공하게 되면 크게 뚫려있던 파이프의 구멍이 점점 좁아지면서 종단에는 소정의 구멍 크기를 갖는 넥이 형성되고 넥과 파이프의 연결은 돔 형태로 연결되는 것이다.

이러한 넥을 용기의 양쪽에 형성하게 되면 다양한 측면에서 효과적으로 압력용기를 사용할 수 있을 것이다.

도 3은 본 발명에 의한 압력용기의 구조를 도시하고 있는 것으로 압력용기의 양쪽에 넥이 형성되게 되는데 상기 넥이 압력용기의 양쪽에 형성되게 되면 먼저 버스와 같은 경우 한쪽은 밸브를 설치하여 가스의 충전 및 사용을 위한 유출입이 가능하도록 하고 다른 한쪽은 밀봉하게 된다.

상기 금속재질의 압력용기를 사용하는 재료로 알루미늄을 많이 사용하는데 상기 알루미늄 자체만으로 가스로부터 발생하는 고압을 견딜 수 있도록 설계하기 위해서는 용기가 두꺼워져야 하는데 이때 용기의 무게 때문에 불합리한 상황이 발생하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 용기의 표면을 탄소 섬유로 와인딩하는 과정을 추가하게 되면 용기의 외부가 탄소 섬유에 의하여 보강되기 때문에 더욱 강해진 용기를 형성할 수 있게 되어, 결국 용기는 내피로서의 역할을 수행하고 탄소 섬유는 외피로서 역할을 수행하게 되는데, 이때 용기의 양쪽 끝에 넥이 형성되게 될 경우에는 상기 탄소섬유를 와인딩 하는데 있어서 지지대로서의 역할을 수행하게 되므로 더욱 효과적으로 와인딩 할 수 있는 특징이 있는 것이다.

그러나 기존에 사용하고 있는 한쪽에만 넥이 형성된 용기의 경우 탄소섬유로 와인딩 하는데 있어서 많은 어려움이 있었던 것이다.

더불어 양쪽에 넥이 형성된 압력 용기의 경우 플라스틱 재질로 구성된 용기가 제시된바 있으나 이러한 재질은 천연가스의 경우 충분히 수용할 수 있으나 수소가스와 같이 입자가 작은 가스를 충 방전시 온도 변화에 대한 적응이 어려워 플라스틱 면을 통해 외부로 유출되는 문제가 발생하게 되고 고압을 견디기 어려운 문제가 있어서 수소가스용 압력 용기로 사용하기에는 많은 어려움이 있는 것이다.

따라서 본 발명에 의한 양쪽에 넥을 갖는 알루미늄 압력 용기는 양쪽의 넥이 탄소 섬유로 와인딩 하는 과정에 지지대로서의 역할을 수행할 수 있으며, 다양한 내용물을 담을 수 있는 압력용기로 사용할 수 있고 필요에 따라 한쪽의 넥을 스틸마개와 같은 마개로 막게 될 경우 한쪽에만 넥이 형성된 용기와 동일하게 이용할 수 있는 장점이 있다 하겠다.

도 4는 본 발명에 의한 심리스 파이프의 측면도를 도시하고 있는 것으로, 정단가공된 파이프를 도시하고 있는 것으로 먼저 심리스 파이프(11)의 중간부분의 두께는 얇고 양쪽 끝은 두꺼운 구조를 하고 있는데, 압력용기의 특성상 고압을 견딜 수 있으면서도 무게를 최소화 하여야 효과적으로 사용할 수 있도록 하기 위한 구조 를 달성하기 위하여 압력을 적게 받는 부분은 최소한의 두께로 구성되도록 하고 압력을 많이 받는 부분도 최소한의 두께로 구성되도록 하기 위한 구조로 구성되어 있다.

이를 달성하기 위하여 측면보다는 중앙부위에 가해지는 압력이 적기 때문에 이를 심리스 중간부(21)의 두께는 상대적으로 얇게 구성되어 있고 추후에 돔형상으로 둥글게 만들면서 넥을 형성할 부분은 심리스 돔부(31)와 같이 상대적으로 두꺼운 구조로 구성되어 있어서 결과적으로 압력용기의 중간부분 보다는 끝부분 즉 돔이 형성되는 부분의 두께가 상대적으로 두껍도록 형성할 수 있는 구조를 갖추게 되는 것이다.

도 5는 본 발명에 의한 심리스 파이프에 의한 압력용기로서 상기 심리스 파이프(11)를 가공하여 형성된 압력용기(10)를 도시하고 있는 것으로 먼저 중간부(20)의 경우 다른 부분보다 얇게 구성된 특징이 있는데 그것은 중간부의 경우 가스를 압력용기에 채웠을 때 주어지는 압력이 다른 부분에 비하여 작기 때문이고, 상기 압력용기를 형성하기 위한 심리스 파이프를 정단가공 하였을 때 돔부(30)를 가공하여 돔을 형성하게 되면 중간부 보다 두껍고 강한 돔부를 형성할 수 있는 것이다.

또한 여기에서 더 가공하게 되면 작고 긴 관 모양의 넥(40)이 형성되게 되는데 상기 넥 내부에 탭(41)을 형성하여 스틸매개로 막을 경우 효과적으로 막을 수 있고 필요에 따라 밸브를 설치하여 가스의 입출구로서 활용할 수도 있는 것이다.

더불어 상기 넥이 양쪽에 형성되게 되면 추가 가공으로 탄소섬유를 이용하여 용기의 외벽을 감싸는 과정에 상기 넥이 지지대로서의 역할을 수행할 수 있어서 더욱 효과적으로 탄소 섬유를 감을 수 있는 것이다.

그러나 여기에서 항상 환봉을 절단하고 가열하여 컵을 형성하는 것도 가능하나 심리스 파이프 자체를 절단하여 가열과정 내지는 프레스 과정을 배제하고 곧바로 유동성형하는 것도 가능하다 하겠다.

도 6은 본 발명에 의한 심리스 파이프 압력용기 가공도를 도시하고 있는 것으로, 이러한 방법은 현재 일반적으로 사용하고 있는 압력용기 제조 방법으로 가공이 손쉽고 편하여 널리 사용되고 있는 실정이다.

상술한 방법에 의하여 심리스 파이프를 제조하게 될 경우 가장큰 문제점은 돔부(30)에서 발생하게 된다.

일반적으로 엘피지 가스를 저장하기 위해서는 3.5MPa 이하의 압력이 걸리게 되므로 상기 돔부에 문제점이 약간 있다고 하더라도 압력용기가 충분히 버틸 수 있으므로 별달리 문제가 되지 않는다.

그러나 수소가스에 있어서는 7.0MPa이상의 압력을 견뎌야 하는데 파이프의 외부에서 성형 롤러만을 이용하여 성형하게 될 경우 돔부의 가공이 부드럽게 이루어지지 못하므로 돔부에 적층이 생겨 내부 압력에 취약하게 되는 것이다.

도 7은 본 발명에 의한 심리스 파이프 외관도를 도시하고 있는 것으로, 여기에서 제시하고 있는 용기는 성형롤러만을 이용하여 돔부를 형성한 것으로 외부에 요철이 발생하여 강한 압력을 이겨내기에 많은 어려움이 따르고 상기 돔부를 두껍게 처리한다고 하더라도 내부 압력이 발생하게 되면 돔부의 파손에 의하여 용기가 파손되는 사고가 발생하게 되는 것이다.

이러한 요철이 형성된 돔부의 구조에 의한 사고 발생 원인을 살펴보면 용기 내부에 고압의 수소 가스를 투입하였을 때 중간부의 경우 고르게 펴져 있어서 내부의 용기 내부의 압력이 고르게 퍼지는 특성이 있고 외부를 고강도의 탄소 섬유로 감아 두었기 때문에 용기 내부에 가스를 주입하였을 때 가스의 압력에 의하여 중간부가 파손될 염려는 없는 것이다.

그러나 돔부의 경우 고르게 펴져 있던 중간부가 휘어지게 되고 휘어지는 과정에 요철이 형성되게 되면 용기 내부의 압력이 고르게 퍼지지 못하는 문제가 발생하여 요철의 한 부분에 압력이 집중되게 되고, 탄소섬유로 외부를 감아 두었다고 하더라도 돔부와 같이 휘어지는 부분에는 중간부와 같이 효과적으로 탄소 섬유를 감기 어려운 문제가 있어서 용기 내부의 압력에 의하여 파손될 우려가 있어서 돔부의 경우 중간부 보다 두껍게 형성하였어도 파손될 우려가 있다.

실제 수차례의 용기 파손에 의한 사고가 발생한바 있는데, 이 모든 파손 사유 및 파손 부위가 돔부에 집중하고 있는 것을 보면 돔부의 중요성이 재차 확인되고 있는 사례라 하겠다.

이러한 용기의 파손을 방지하기 위한 방법으로는 2가지를 생각해 볼 수 있는데 첫번째가 용기의 내부압을 줄이는 것이고, 두번째가 용기가 내부압을 충분히 버틸 수 있도록 설계하는 것인데, 먼저 첫번째의 경우 동일한 용기내에 충전할 가스의 양이 줄어들게 되어 1회 충전당 차량의 운행 거리가 줄어들게 되므로 이를 충분히 확보하기 위해서는 용기의 크기가 커져야 하는 문제점이 있어서 바람직한 방법 이라 할 수 없고, 두번째의 경우 효과적으로 용기가 설계되는 경우 그 기능 및 목적을 효과적으로 달성할 수 있는 바람직한 방안이 될 것이다.

따라서 두번째 방안을 달성하기 위해서는 돔부의 정확하고 확실한 설계가 이루어져야 목적을 달성할 수 있다 하겠다.

도 8은 본 발명에 의한 심리스 파이프 내부도를 도시하고 있는 것으로, 용기의 내부 또한 외부와 같이 요철이 발생하게 되는데, 용기 내부에 형성되어 있는 요철은 외부의 요철보다 더욱 중요하게 작용하게 되어 용기 파손 사고의 1차적인 원인이 된다 하겠다.

따라서 외부의 요철을 제공하는 것보다 더 중요한 것이 돔부의 용기 내부에 형성되는 요철을 완전히 제거하여 설계와 동일한 형상정밀도 향상이 용기의 안전을 일차적으로 담보할 수 있는 사안이라 하겠다.

도 9는 본 발명에 의한 심리스 파이프 맨드릴 가공도를 도시하고 있는 것으로, 먼저 용기의 성형을 위해서 용기 내부에 맨드릴(50)을 삽입하고 성형롤러를 이용하여 외부에서 성형을 수행하는 방법을 사용하게 된다.

이와 같은 방법을 사용하게 되면 외부의 성형롤러만을 이용하는 경우에 비하여 용기 내부에 맨드릴(50)을 삽입하게 되면 내부에서 맨드릴이 효과적으로 잡아주고 있기 때문에 용기 내부 및 외부의 요철 발생이 사라지게 되는 것이다.

맨드릴의 형상을 살펴보면 맨드릴의 외경 특히 돔타입으로 구성된 맨드릴의 돔 부분은 압력용기 내부의 돔부가 굴곡되는 굴곡각과 동일하게 구성되어 있어서 효과적으로 내부를 잡아주고 있는 상태에서 외부의 성형롤러 가공이 이루어지기 때 문에 요철이 발생하지 않으므로 고효율의 고 신뢰성 압력용기를 플로포밍을 통해서 달성할 수 있게 되는 것이다.

여기에서 상기 돔형 맨드릴의 투입은 돔 모양의 반대쪽 맨드릴 중앙에 축이 부착되어 있고 상기 축에 의하여 맨드릴이 회전하게 되며 맨드릴의 이동은 불필요하고 압력용기 자체가 플로포밍 하는 과정에 맨드릴 돔 반대쪽으로 늘어나면서 진행하게 되므로 맨드릴은 항상 같은 위치에 있게 되는 것이다.

또한 상기 맨드릴을 이용하여 더욱 효과적으로 압력용기의 넥 부위를 형성하기 위해서는 상기 맨드릴을 성형롤러의 회전방향과 동일하게 성형롤러와 동일한 속도로 회전할 수 있도록 할 필요가 있는데 이를 위하여는 상기 맨드릴에 맨드릴 축(51)을 부착하여 맨드릴을 회전시키게 되면 되는데 본 발명에서는 성형롤러와 맨드릴의 회전속도가 동일하다는 것은 절대적으로 동일함을 의미하는 것이 아니라 맨드릴의 직경과 성형롤러의 직경을 감안하여 산출하여야 한다.

예를 들어 회전속도가 다르더라도 같은 거리를 동일한 시간에 굴러가게 되면 같은 속도로 회전하는 것으로 보는 것이 타당할 것이다.

또한 맨드릴의 돔구가 형성되는 중심에는 넥의 내부 직경과 같은 두께의 맨드릴 넥(52)을 형성하여 두면 맨드릴을 이용하여 넥을 형성하는 단계에까지 사용할 수 있어서 더욱 안정적으로 돔부와 넥의 연결을 달성할 수 있을 것이다.

그러나 여기에서 돔부를 형성하고 나면 넥(40)을 용기의 양쪽에 형성하여야 하므로 양쪽에 모두 넥을 형성하고 나면 상기 맨드릴을 외부로 뺄 수가 없는 문제가 발생하게 된다.

따라서 맨드릴을 이용하여 플로포밍을 수행한다고 하더라도 압력용기의 한쪽 부분에만 돔부를 형성하는데 사용하게 되고 맨드릴을 이용하여 돔부를 형성하고 넥을 형성한 부분에는 밸브를 부착하게 되는데 여기에서 압력용기의 가장 많은 파손이 발생하는 부위로 잡은 가스 충전과 사용에 의하여 파손이 발생하게 되는 근본적인 문제를 안고 있다.

그러므로 맨드릴을 이용하여 성형하는 부분은 상기 밸브를 부착하는 쪽의 돔부를 성형하게 되고, 반대쪽에 해당하는 넥의 경우에 있어서는 기존에 사용하던 방법을 통해 용기의 내부와 외부를 차단하는 방법을 사용하거나 복합재 즉 탄소섬유로 와인딩하는 횟수를 증가시키는 방법을 사용하게 되는 것이다.

이와 같이 맨드릴을 이용하여 심리스 파이프를 가공하게 되면 용기 내부의 요철이 사라지게 되고 밸브를 부착하게 되는 돔부의 형상 정밀도가 극도로 향상되어 일차적으로 내압에 강하고 밸브를 부착하기 위한 추가 가공 즉 나사산을 형성하는 과정에 더욱 많은 양의 나사산을 정밀하게 형성할 수 있도록 하여 밸브의 설치를 효과적으로 달성할 수 있도록 하게 된다.

따라서 용기 파손이 가장 자주 발생하는 부위의 보강이 외부의 추가 보강이 아닌 용기 자체적으로 달성되므로 가장 효과적으로 목표를 달성할 수 있도록 하는 현존하는 가장 우수한 방법이 맨드릴을 이용한 압력용기 제조 방법이라 하겠다.

도 10은 본 발명에 의한 맨드릴을 이용한 심리스 파이프 내부도를 도시하고 있는 것으로, 먼저 상기 맨드릴을 이용하여 플로포밍하게 될 경우 기존에 가지고 있던 문제점인 요철 발생의 문제로 인하여 발생하는 압력용기의 신뢰도 저하의 문 제를 해소하게 되므로 작은 용기에 더욱 많은 양의 가스 특히 7.0MPa 이상의 수소 가스 까지 충전할 수 있어서 효과적이어서 압력용기 제조를 위한 현재의 궁극적인 목표가 7.0MPa의 달성에 있다 하겠다.

용기의 크기와 효율의 문제에 있어서, 차량의 무게를 최소화하면서도 많은 양의 가스를 충전하도록 하여 차량의 연비를 개선하기 위한 근본적인 목적을 달성할 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여 구비된 각 구성은 본 발명의 목적을 효과적으로 달성하는 효과가 있으므로 산업화하여 생산하게 될 경우 국 내외적으로 수입대체효과 및 수출효과에 있어서 큰 경제적 효과를 달성할 것으로 기대되는바 크다 하겠다.

도 1은 본 발명에 의한 심리스 파이프 제조과정

도 2는 본 발명에 의한 심리스 파이프 성형과정

도 3은 본 발명에 의한 압력용기의 구조

도 4는 본 발명에 의한 심리스 파이프의 측면도

도 5는 본 발명에 의한 심리스 파이프에 의한 압력용기

도 6은 본 발명에 의한 심리스 파이프 압력용기 가공도

도 7은 본 발명에 의한 심리스 파이프 외관도

도 8은 본 발명에 의한 심리스 파이프 내부도

도 9는 본 발명에 의한 심리스 파이프 맨드릴 가공도

도 10은 본 발명에 의한 맨드릴을 이용한 심리스 파이프 내부도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 압력용기 11: 심리스파이프

20: 중간부 21: 심리스 중간부

30: 돔부 31: 심리스 돔부

40: 넥 41: 탭

50: 맨드릴 51: 맨드릴 축

52: 맨드릴 넥

Claims (4)

1. 성형롤러를 이용해 파이프를 유동성형하여 압력용기를 제조하는 방법에 있어서,

   유동 성형을 통해 파이프의 중간부를 양쪽 끝단보다 얇은 두께를 갖게 성형하는 단계와;

   제조할 압력용기의 돔부 내부와 동일한 크기 및 라운드를 갖는 돔 형상으로 구성되고 압력용기에 형성할 넥의 내부직경과 동일한 외부 직경을 갖는 맨드릴 넥을 돔 형상의 중심에 구비한 맨드릴을 유동 성형된 파이프의 내부에 투입하는 단계;

   넥을 구비하는 돔부를 성형롤러와 맨드릴을 이용하여 파이프의 한쪽 끝단에 성형하는 단계;

   맨드릴을 파이프의 내부에서 빼내는 단계;

   성형롤러를 이용하여 파이프의 다른 한쪽 끝단에 돔부를 형성하는 단계;

   를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 맨드릴을 이용한 고 신뢰성 압력용기 제조 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 성형롤러를 이용해 파이프를 유동성형하여 압력용기를 제조하는 장치에 있어서,

   상기 장치가 회전하는 회전의 중심에 설치되어 회전하는 맨드릴 축과;

   상기 맨드릴 축과 연결되어 파이프의 내부로 투입할 수 있게 설치되고, 상기 맨드릴 축과 연결되는 반대쪽은 압력용기의 돔부 내부와 동일한 크기와 라운드를 갖는 돔형상으로 구성되며, 돔형상의 중심에는 압력용기에 형성되는 넥의 내부직경과 동일한 외부 직경을 갖는 맨드릴 넥이 구비되는 맨드릴과;

   상기 맨드릴로부터 설정된 거리만큼 떨어진 상태에서 회전하는 1개 이상의 성형롤러;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 맨드릴을 이용한 고 신뢰성 압력용기 제조 장치.

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