KR101371593B1

KR101371593B1 - 가스 탱크 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101371593B1
Application number: KR1020110104518A
Authority: KR
Inventors: 강윤중; 박범석
Original assignee: 현대비에스앤씨 (주)
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2014-03-10
Also published as: KR20130039877A

Abstract

본 발명의 가스 탱크는, 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함하는 필라멘트 부재를 와인딩함으로써 형성되는 중간 섬유층; 상기 중간 섬유층에 적층되는 표면 수지층; 을 포함한다.

Description

가스 탱크 및 그 제조 방법{GAS TANK AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 자동차나 기타 산업용 연료로 사용되는 고압 가스를 저장하는 가스 탱크 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

연료용 고압 가스를 저장하는 가스 탱크는 고압에 견디기 위하여 고강성, 내부식성, 내피로성, 경량성 등을 요한다. 가스 탱크가 자동차 등의 수송 기관에 장착되는 경우, 안전을 위한 고강도 확보와 함께 경량화의 문제가 큰 이슈로 대두된다. 금속 재료로 된 가스 탱크의 경우 고강도가 확보되는 장점은 있으나 하중이 무겁고 내부식성이 약한 문제점이 있다. 한국공개특허 제1988-0002730호는 개량된 측면벽 구조물을 갖는 압력용기를 기재한다.

본 발명은 고강도와 함께 경량화를 달성하기 위하여 복합 재료로 된 가스 탱크를 제공한다. 고압력에 견디기 위하여 본 발명의 가스 탱크는 복합 재료를 포함하여 3중 구조로 이루어진다.

일 실시예로서, 본 발명의 가스 탱크는, 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함하는 필라멘트 부재를 와인딩함으로써 형성되는 중간 섬유층; 상기 중간 섬유층에 적층되는 표면 수지층; 을 포함한다.

일 실시예로서, 본 발명의 가스 탱크는, 가스가 수용되는 라이너; 상기 라이너의 표면에 필라멘트 부재가 와인딩된 중간 섬유층; 상기 중간 섬유층에 적층되는 표면 수지층; 을 포함하고, 상기 중간 섬유층의 외주에 고압의 액상 수지를 주입함과 동시에 상기 라이너의 내부에 고압의 공기를 주입하여 상기 표면 수지층이 형성된다.

일 실시예로서, 본 발명의 가스 탱크 제조 방법은, 가스가 수용되는 라이너를 형성하는 단계; 상기 라이너에 건조한 상태의 필라멘트 부재를 와인딩하여 중간 섬유층을 형성하는 단계; 상기 중간 섬유층에 고압으로 액상 수지를 주입하고 상기 라이너의 내부에 고압의 공기를 주입하여 표면 수지층을 형성하는 단계; 를 포함한다.

단순히 필라멘트 부재만으로 와인딩하는 경우 성형성이나 강도가 떨어진다. 본 발명은 라이너를 기본 뼈대로 삼아 여기에 필라멘트 부재를 와인딩하여 중간 섬유층을 형성한다. 따라서, 필라멘트 부재를 와인딩하여 1차적으로 완성된 중간 섬유층을 라이너에 결합시키는 방법에 비하여 각 층의 성형성이나 강도가 향상된다.

본 발명은 라이너를 와인딩 틀로 사용하여 라이너에 건조 상태의 필라멘트 부재를 와인딩하기 때문에, 마찰 계수가 낮아 서로 응집되는 성질이 약하고 스스로 일정한 형상을 유지하기 힘든 필라멘트 부재를 가스 탱크 형상으로 정확하게 성형할 수 있다.

중간 섬유층 위에 배치되는 표면 수지층은 열 경화성 수지로 고압 적층되어 전체적으로 3중 구조의 가스 탱크가 형성되므로 표면 균열 발생이 억제되고 내충격성이나 내마모성이 개선된다.

도 1은 본 발명의 가스 탱크의 3중 구조를 도시한 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 융착부를 구비한 라이너를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 블로우 성형법으로 제조되는 라이너를 도시한다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 필라멘트 부재의 와인딩 방법을 도시한다.
도 7은 본 발명의 건식 와인딩과 비교하기 위한 것으로서, 필라멘트 부재가 수지에 함침되어 습식 와인딩되는 경우에 공극 발생을 설명하는 단면 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예로서, 수지 적층 공정을 설명하는 단면도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

도 1은 본 발명의 가스 탱크의 3중 구조를 도시한 부분 단면도이다. 이를 참조하면, 본 발명의 가스 탱크는, 가스가 수용되는 라이너(100)(liner)와, 라이너(100)의 외부 표면에 필라멘트 부재(210)를 와인딩함으로써 형성되는 중간 섬유층(200)과, 중간 섬유층(200) 위에 적층되는 표면 수지층(300)을 포함하는 3중 구조로 이루어진다.

단순히 필라멘트 부재(210)만으로 와인딩하는 경우 성형성이나 강도가 떨어진다. 본 발명은 라이너(100)를 기본 뼈대로 삼아 여기에 필라멘트 부재(210)를 와인딩하여 중간 섬유층(200)을 형성한다. 따라서, 필라멘트 부재(210)를 와인딩하여 1차적으로 완성된 중간 섬유층(200)을 라이너(100)에 결합시키는 방법에 비하여 각 층의 성형성이나 강도가 향상된다. 라이너(100)는 중간 섬유층(200) 형성시에 맨드릴(mandrel)에 해당하는 기능을 한다. 본 발명과 같이 라이너(100)를 맨드릴로 삼아 라이너(100) 위에 필라멘트 부재(210)를 형성하면, 중간 섬유층(200)이 라이너(100)를 안내 부재로 삼아 와인딩되므로 중간 섬유층(200)의 성형성 및 강도가 향상된다.

또한, 본 발명은 중간 섬유층(200)의 형성시 필라멘트 부재(210)가 액상 수지에 함침되지 않은 건조한 상태로 라이너(100)에 와인딩하는 건식 와인딩에 의한다. 본 발명은 라이너(100)를 와인딩 틀로 사용하여 라이너(100)에 건조 상태의 필라멘트 부재(210)를 와인딩하기 때문에, 마찰 계수가 낮아 서로 응집되는 성질이 약하고 스스로 일정한 형상을 유지하기 힘든 필라멘트 부재(210)를 가스 탱크 형상으로 성형할 수 있다.

라이너(100) 및 중간 섬유층(200)의 위에는 표면 수지층(300)이 형성되어 가스 탱크의 외관을 형성한다. 중간 섬유층(200)의 외부 표면에 표면 수지층(300)을 금형으로 적층시켜 가스 탱크의 표면 강도와 내부식성을 강화한다. 일 실시예로서, 표면 수지층(300)을 형성하는 금형은 RTM(resin transfer molding) 금형이 바람직하다. 중간 섬유층(200) 위에 배치되는 표면 수지층(300)은 열 경화성 수지로 적층되어 전체적으로 3중 구조의 가스 탱크가 형성되므로 표면 균열 발생이 억제되고 내충격성이나 내마모성이 개선된다.

금속 재질로 된 종래의 가스 탱크에 비하여 본 발명의 가스 탱크는 합성 수지, 유리 섬유(glass fiber)나 탄소 섬유(carbon fiber)를 포함하는 필라멘트 부재(210)로 이루어지므로 가스 탱크 내부에 부식이 발생할 염려가 없고 녹이나 금속 부스러기 등의 이물질 발생 염려가 없는 장점이 있다.

이하, 라이너(100), 중간 섬유층(200), 표면 수지층(300)에 대하여 차례로 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 융착부(124)를 구비한 라이너(100)를 도시한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 블로우 성형법으로 제조되는 라이너(100)를 도시한다.

라이너(100)는 가스의 누출을 방지하고 가스와의 반응성이 낮으며 접합성이 양호한 열가소성 수지로 성형되는 것이 바람직하다. 라이너(100)는, 폴리에틸렌(PE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE : High Density Polyethylene)을 포함한 열 가소성 수지로 이루어진다.

라이너(100)는 제1 방식 또는 제2 방식에 의하여 제조된다. 도 2에 도시된 제1 방식은, 돔부(110), 실린더부(120), 보스부(130)가 각각의 경계면에서 초음파 융착 또는 열 융착에 의하여 접합되는 융착 방식이다. 돔부(110), 실린더부(120), 보스부(130)의 경계면에 융착부(124)가 형성된다.

돔부(110)는 실린더부(120)의 양측 개구부(122)를 폐쇄하는 돔(dome)형상이다.

실린더부(120)에는 가스가 수용되며, 실린더부(120)는 파이프 형상으로서 양단에는 돔부(110)가 결합되고, 중앙에는 보스부(130)가 끼워지는 개구부(122)가 형성된다.

보스부(130)는 가스의 통로가 되는 것으로 펌프나 밸브가 장착되는 부분인 금속 베이스부(132)와 실린더부(120)에 접합되는 합성 수지 재질의 수지 접합부(134)를 포함한다. 금속 베이스부(132)에 가스의 유량을 제어하는 밸브나 펌프가 볼트나 용접 등으로 체결되어야 하고, 내변형성이 타 부분에 비하여 높아야 하므로 금속 재질로 이루어진다. 수지 접합부(134)는 실린더부(120)와 접합성이 양호해야 하므로 라이너(100)와 동일한 재질인 열 가소성 수지로 이루어진다.

일 실시예로서, 수지 접합부(134)의 재료가 되는 열 가소성 수지가 주입되는 인서트 금형(410)에 펌프나 밸브가 장착되는 금속 베이스부(132)를 함께 넣고 성형하는 인서트 사출(insert molding)에 의하여 보스부(130)가 마련된다.

융착 방식에 의하면 가스 탱크의 용량 조절시 돔부(110)는 기존의 치수로 제작된 것을 그대로 사용하고 실린더부(120)의 길이만 조절함으로써 가스 탱크 용량을 손쉽게 가변할 수 있다. 또한 융착 방식의 경우, 하자가 발생한 부분만을 떼어내고 정상품으로 교체하면 되므로 부품 공급과 교환 측면에서 유리하다.

융착부(124)는 초음파 융착 또는 열 융착에 의하여 접합되므로, 접합성이 뛰어난 열 가소성 수지로 라이너(100)를 형성하는 것이 바람직하다. 후술하는 제2 방식에 의하더라도 보스부(130)는 블로우 금형(420)에서 한 번에 성형되지 않고 별개의 부품으로 라이너(100)에 접착되므로 접착성이 양호한 열 가소성 수지로 라이너(100)를 제작한다.

도 3에 도시된 라이너(100) 성형에 관한 제2 방식은, 블로우 금형(420)에 라이너 베이스(151)를 삽입하고 라이너 베이스(151) 내부에 공기를 불어넣어 라이너 베이스(151)를 라이너(100) 형상으로 팽창시킨 블로우 성형법이다. 블로우 구멍을 통하여 주입되는 공기는 라이너 베이스(151) 내부를 팽창시키며, 라이너 베이스(151) 외부는 블로우 금형(420)에 밀착되어 금형 내부와 동일한 형상으로 성형된다. 블로우 금형(420)을 통과한 라이너(100)는 후가공 공정에서 개구부(122)가 가공되며, 인서트 사출 또는 기타의 방법으로 마련된 보스부(130)가 개구부(122)에 융착된다.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 필라멘트 부재(210)의 와인딩 방법을 도시한다. 도 7은 본 발명의 건식 와인딩과 비교하기 위한 것으로서, 필라멘트 부재(210)가 수지에 함침되어 습식 와인딩되는 경우에 공극(290) 발생을 설명하는 단면 사진이다.

중간 섬유층(200)은 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함하는 필라멘트 부재(210)가 건식 와인딩된 것이다.

본 발명과 비교되는 것으로 습식 섬유 와인딩 공법에 의하여 복합 재료를 제조하는 경우, 섬유를 수지에 함침하여 습식 상태의 섬유를 감아서 탱크 형상으로 성형한다. 그러나, 수지에 함침된 섬유는 점성이 높아 끈적끈적한 상태이며 반복 성형시 동일한 위치 및 동일한 두께를 유지할 확률이 낮으므로 형상 재현성이 떨어진다. 또한, 섬유가 수지에 함침된 습식 상태로 권선되면 공정 관리가 힘들어 생산성 및 생산 수율이 저하되고, 품질 균일성이 떨어지는 문제점이 있다. 습식 섬유 와인딩은 도 7과 같이 공극(290)의 발생률이 높아 강도가 떨어지며 균일성이 저하된다. 이물질이나 불순물이 필라멘트 부재(210)에 혼입되어 수율이 떨어지며, 형상의 균일성이 떨어지며, 필라멘트 부재(210)에 묻은 액상 수지로 인하여 공기 구멍이 다발되므로 강도가 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 이를 개선하여 필라멘트 부재(210)에 수지를 함침시키지 않고 건식 상태에서 라이너(100)의 표면에 필라멘트 부재(210)를 와인딩한다. 건식 필라멘트 와인딩에 의하여 중간 섬유층(200)을 형성하면, 생산 수율과 생산 시간을 단축시키는 장점이 있고, 공극률을 개선하여 기포 함량을 줄이고 강도를 향상시킨다. 건식 와인딩에 의하면 와인딩 시간이 줄어들어 생산 수율이 향상되며, 필라멘트 부재(210)의 취급이 간편하고 필라멘트 부재(210)에 이물질이 달라붙지 않아 품질 균일성이 향상된다.

x축을 변형율(strain)로 놓고, y축을 인장 강도(tensile strength)로 놓은 그래프에서, 필라멘트 부재(210)는 표면 수지층(300)을 형성하는 합성 수지에 비하여 휠씬 큰 기울기를 갖는 직선 또는 곡선으로 나타난다. 즉, 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함하는 필라멘트 부재(210)는 동일한 변형율(strain)에 대하여 표면 수지층(300)보다 휠씬 높은 인장 강도를 갖는다. 한편, 표면 수지층(300)을 형성하는 합성 수지는 동일한 인장 강도에 대하여 필라멘트 부재(210)보다 휠씬 높은 변형율을 갖는다.

따라서, 라이너(100) 또는 표면 수지층(300)을 형성하는 합성 수지는 필라멘트 부재(210)보다 인장 강도가 작은 한계가 있지만 재료가 파단할 때까지 에너지를 흡수하므로 인성(toughness)이 좋으며, 우수한 경년 열화 저항성을 갖고, 자외선 등의 환경 열화에 강하며, 반복 피로 하중에 강한 특징이 있다.

라이너(100)나 표면 수지층(300)의 인장 강도를 보완하는 것이 중간 섬유층(200)이다. 필라멘트 부재(210)로 이루어진 중간 섬유층(200)은, 중간 섬유층(200)의 내측에 배치되는 수지 재질의 라이너(100)는 물론 중간 섬유층(200)의 외측에 배치되는 표면 수지층(300)의 스트레인 특성과 인장 강도를 집중적으로 향상시킨다. 중간 섬유층(200)과 라이너(100) 및 표면 수지층(300)의 표면 장력과 내변형성을 향상시킨다.

이와 같이 라이너(100) 또는 표면 수지층(300)을 형성하는 수지의 특성과 중간 섬유층(200)을 형성하는 필라멘트 부재(210)의 특성을 결합하여 본 발명의 가스 탱크가 형성된다. 라이너(100) 또는 표면 수지층(300)을 형성하는 수지와 필라멘트 부재(210)의 상대 비율은 물론, 필라멘트 부재(210)의 권선 방향에 따라 가스 탱크의 강도가 달라진다.

도 4는 라이너(100)의 축 방향을 따라 필라멘트 부재(210)가 권선되는 실시예를 도시한다. 필라멘트 부재(210)는 실린더부(120)에서 축 방향과 이루는 각도가 0°로서 축 방향에 평행한 방향으로 연장되며, 돔부(110)에서 축 방향과 이루는 경사각(θ)이 0~90°로서 돔부(110) 또는 돔부(110)와 실린더부(120)의 경계면에서 상기 실린더부(120)의 축방향에 대하여 소정의 경사각(θ)을 이루며 와인딩된다.

실린더부(120)는 일정한 직경을 갖지만 돔부(110)는 내주 부분의 직경이 외주 부분의 직경보다 작다. 따라서, 일정한 굵기의 필라멘트 부재(210)를 실린더부(120)를 거쳐 돔부(110)에 와인딩하는 경우 돔부(110)의 중심 부분으로 갈수록 필라멘트 부재(210)의 적층 두께가 커지는 문제가 발생한다. 이를 개선하기 위한 일 실시예로서, 돔부(110)에서 필라멘트 부재(210)의 경사각은 필라멘트 부재(210)의 턴(turn) 수에 따라 서로 다른 값을 가진다. 이에 따라 실린더부(120)의 중간 섬유층(200) 두께와 돔부(110)의 중간 섬유층(200) 두께가 균일하게 와인딩된다.

일 실시예로서, 도 4를 참조하면, 실린더부(120)에서 평행하게 연장되는 필라멘트 부재(210) 중 서로 인접한 제1 섬유(210a) 및 제2 섬유(210b)는 돔부(110) 영역에서 서로 다른 경사각을 가지며 서로 다른 방향으로 연장된다. 따라서, 돔부(110)의 특정 영역이 두꺼워지는 것을 방지할 수 있다.

도 5는 실린더부(120)의 축방향에 경사진 제1 방향을 따라 직선상으로 섬유 다발(220)의 방향성을 유지하며 각각의 섬유 다발(220)이 지그재그(zigzag)로 엇갈리게 권선되는 실시예를 나타낸다. 섬유 다발(220)은 평행하게 연장되는 다수의 필라멘트 부재(210)를 포함한다. 도 5와 같은 형상으로 섬유 다발(220)을 와인딩하는 경우, 돔부(110) 및 실린더부(120)의 경계 부분에서 경사각의 급격한 변화가 없으므로 실린더부(120) 및 돔부(110)의 와인딩 두께 차이가 줄어들어 강도 보강 특성이 균일한 장점이 있다.

도 6은 돔부(110)에는 도 5와 같이 섬유 다발(220)이 지그재그(zigzag) 형상으로 권선되고 실린더부(120)에는 실린더부(120)의 원주 방향을 따라 연장되는 후프(hoop)형상으로 권선되는 실시예를 나타낸다. 섬유 다발(220)의 턴(turn) 수가 증가되면서 돔부(110)의 와인딩을 완료하여 1차 와인딩부(221)를 형성하고, 섬유 다발(220)의 경사각을 변동시킨 다음, 실린더부(120)를 후프 형상으로 와인딩하여 2차 와인딩부(222)를 형성한다.

섬유 다발(220)이 지그재그(zigzag) 형상으로 권선된 1차 와인딩부(221)는 라이너(100)에 밀착되며, 실린더부(120)의 원주 방향을 따라 연장되는 후프(hoop)형상으로 섬유 다발(220)이 권선된 2차 와인딩부(222)는 1차 와인딩부(221)의 위에 밀착된다. 이에 의하면 돔부(110)와 실린더부(120)의 섬유 다발(220) 두께를 균일하게 할 수 있으며 실린더부(120)의 래디얼(radial) 방향 및 탄젠셜(tangential) 방향 스트레인이 집중 보강되는 장점이 있다.

도 4 내지 도 6에 도시된 본 발명의 실시예에서, 필라멘트 부재(210)는 건식으로 와인딩되므로 라이너(100) 표면과 필라멘트 부재(210)의 점착성이 낮다. 건식 와인딩의 낮은 점착성은 습식 와인딩에 비하여 와인딩 시간이 약 50% 감소되고 형상 재현성, 이물질 방지, 균일성 측면에서 유리한 장점을 제공한다. 그러나, 건식 와인딩의 낮은 점착성은 와인딩시 라이너(100) 표면에서 필라멘트 부재(210)를 미끄러지게 하는 요인이 된다.

이를 개선하기 위하여 후크(152)가 마련되는 것이 바람직하다. 후크(152)는 라이너(100)의 외주에 돌출되며 필라멘트 부재(210) 또는 섬유 다발(220)에 걸쳐져 필라멘트 부재(210) 또는 섬유 다발(220)의 와인딩 방향을 변동시킨다. 후크(152)는 필라멘트 부재(210) 또는 섬유 다발(220)의 경사각이 불연속적으로 급격하게 변동되는 위치에 마련되며 필라멘트 부재(210)의 미끄럼 유동을 방지한다.

일 실시예로서, 후크(152)는 돔부(110)와 실린더부(120)의 경사 부분에 마련되는 것이 필라멘트 부재(210)의 미끄럼 방지 효과를 극대화할 수 있다. 필라멘트 부재(210)는 후크(152)에 걸려서 유동이 방지되며 돔부(110) 및 실린더부(120)의 경계 부분에서 급격한 경사각의 변화를 달성할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예로서, 표면 수지층(300)의 형성 과정을 설명하는 단면도이다.

표면 수지층(300)은 에폭시, 비닐에스터(vinyl ester)를 포함한 열경화성 수지를 RTM 금형(430)을 이용하여 중간 섬유층(200) 외주 표면에 고압으로 적층시킨 것이다.

에폭시 수지는 비중 1.230~1.189이며, 굽힘 강도, 경도 등 기계적 성질이 우수하다. 경화시에 휘발성 물질의 발생 및 부피의 수축이 없고, 재료 면에 큰 접착력을 가진다. 안료(顔料)를 첨가함으로써 마음대로 착색할 수 있고, 내 일광성도 양호하며, 주형(注型) 가공성이나 봉입(封入) 가공성이 매우 뛰어나다. 따라서, 금속과 금속은 물론 이종 재료간의 접합 재료로 좋다. 고리 모양 다이 에폭시수지의 경우는 내열성도 향상되어 180℃ 전후까지 내열성을 갖는다.

비닐에스터는 비닐 알코올 에스터로서 아세틸렌과 지방산을 가압 반응하여 얻는다. 비닐에스터는 카복실산 에스터(일반식 RCOOCH=CH2)를 포함하며 무기산 에스터도 포함한다. 아세틸렌과 지방산을 가압하고 아연염 등을 촉매로 하여 반응시키면 비닐에스터가 생성된다. 비닐에스터에 대하여 라디칼 중합을 일으켜 고분자 반응시키면 폴리 비닐에스터, 비닐 혼성 중합체, 폴리 비닐 알코올이 생성된다.

라이너(100)에 중간 섬유층(200) 형성이 완료되고, 보스부(130)의 융착이 완료되면 최종 공정으로서 표면 수지층(300)이 적층된다. 이때, 고압으로 표면 수지층(300)을 적층하여 표면 수지층(300)의 강도를 향상시킨다. 표면 수지층(300)의 형성시 수지 주입구(432)를 통하여 중간 섬유층(200)의 외주에 고압의 액상 수지를 주입함과 동시에, 액상 수지의 주입 압력에 따라 라이너(100)가 변형되는 것을 방지하기 위하여 라이너(100)의 내부에는 액상 수지의 주입 압력과 동일한 압력의 공기가 공기 주입부(422)를 통하여 주입된다.

공기 주입부(422)는 RTM 금형(430)의 일부를 개구하여 형성된다. 일 실시예로서, 공기 주입부(422)에 보스부(130)를 밀착시켜 보스부(130) 및 공기 주입부(422)의 틈새로 공기가 누설되지 않도록 하고, 보스부(130)에 형성된 가스 구멍(133) 및 라이너(100)의 개구부(122)를 통하여 라이너(100) 내부에 공기를 주입한다.

공기 주입에 의하여 라이너(100)의 변형이 방지되는 조건에서 고압으로 표면 수지층(300)을 형성하면 공극(290) 발생률이 감소되고 중간 섬유층(200)과 표면 수지층(300)의 결합력이 향상된다. 수지 주입으로 형성된 표면 수지층(300)은 금형 내부 또는 금형에서 꺼낸 상태에서 1차 경화 또는 2차 경화된다.

수지 주입구(432)를 통한 액상 수지의 주입 압력 또는 공기 주입부(422)를 통한 공기의 주입 압력은 30 Bar 이상이다. 표면 수지층(300)을 이루는 액상 수지는 30Bar 이상의 압력으로 금형에 주입되며 80℃ 이상의 고온에서 10~20분 동안 1차 경화 단계를 거치면서 안정화된 고분자 고리를 형성한다. 1차 경화 단계 이후에는 자연 냉각 등으로 2차 경화된다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

100...라이너 151...라이너 베이스
152...후크 200...중간 섬유층
210...필라멘트 부재 220...섬유 다발
221...1차 와인딩부 222...2차 와인딩부
290...공극 300...표면 수지층
110...돔부 120...실린더부
122...개구부 124...융착부
130...보스부 132...금속 베이스부
133...가스 구멍 134...수지 접합부
410...인서트 금형 420...블로우 금형
422...공기 주입부 430...RTM 금형
432...수지 주입구

Claims

가스가 수용되는 열가소성 수지의 라이너;
상기 라이너의 외부 표면에 필라멘트 부재가 와인딩된 중간 섬유층;
상기 중간 섬유층에 적층되는 열경화성 수지의 표면 수지층; 을 포함하고,
상기 필라멘트 부재가 건조한 상태로 와인딩된 상기 라이너가 RTM(resin transfer molding) 금형에 투입되며,
상기 RTM(resin transfer molding) 금형 내에서 상기 중간 섬유층의 외주에 30 Bar 이상의 압력으로 액상의 상기 열경화성 수지를 주입함과 동시에 상기 라이너의 내부에 공기를 주입함으로써 상기 라이너의 변형이 방지되면서 상기 표면 수지층이 형성되는 가스 탱크.
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제1항에 있어서,
상기 라이너는 가스가 수용되는 파이프 형상의 실린더부, 상기 실린더부의 개구부에 끼워지며 가스의 통로가 되는 보스부 및 상기 실린더부의 양단을 폐쇄하는 돔부를 포함하는 가스 탱크.
제5항에 있어서,
상기 돔부, 실린더부, 보스부를 서로 융착시키는 융착부가 상기 돔부, 실린더부, 보스부의 경계면에 마련되는 가스 탱크.
제5항에 있어서,
블로우 금형에 라이너 베이스가 삽입되고 상기 라이너 베이스 내부에 공기를 불어넣어 상기 라이너 베이스를 상기 라이너 형상으로 팽창시키고,
상기 블로우 금형에서 꺼내진 상기 라이너에 상기 필라멘트 부재가 와인딩된 가스 탱크.
제5항에 있어서,
상기 보스부는 가스의 통로가 되며 펌프나 밸브가 장착되는 부분인 금속 베이스부와 상기 실린더부에 접합되는 합성 수지 재질의 수지 접합부를 포함하는 가스 탱크.
제8항에 있어서,
상기 수지 접합부의 재료가 주입되는 인서트 금형에 상기 금속 베이스부를 함께 넣고 성형하는 인서트 사출(insert molding)에 의하여 상기 보스부가 마련되는 가스 탱크.
제1항에 있어서,
상기 필라멘트 부재는 동일한 변형율(strain)에 대하여 상기 표면 수지층보다 높은 인장 강도를 갖고, 상기 표면 수지층은 동일한 인장 강도(tensile strength)에 대하여 상기 필라멘트 부재보다 높은 변형율을 갖는 가스 탱크.
제1항에 있어서,
돔부 및 실린더부를 포함하며 상기 필라멘트 부재가 와인딩되는 라이너가 마련되고,
상기 라이너의 축 방향을 따라 상기 필라멘트 부재가 와인딩되며,
상기 필라멘트 부재는 상기 실린더부에서 상기 축 방향과 이루는 각도가 0°로서 상기 축 방향에 평행한 방향으로 연장되며, 상기 돔부에서 상기 축 방향과 이루는 경사각(θ)이 0~90°로서 상기 돔부 또는 상기 돔부와 상기 실린더부의 경계면에서 소정의 경사각(θ)을 이루며 와인딩되는 가스 탱크.
제1항에 있어서,
돔부 및 실린더부를 포함하며 상기 필라멘트 부재가 와인딩되는 라이너가 마련되고, 상기 돔부에서 상기 필라멘트 부재의 경사각은 상기 필라멘트 부재의 턴(turn) 수에 따라 서로 다른 값을 갖는 가스 탱크.
제1항에 있어서,
돔부 및 실린더부를 포함하며 상기 필라멘트 부재가 와인딩되는 라이너가 마련되고, 상기 실린더부에서 평행하게 연장되는 상기 필라멘트 부재 중 서로 인접한 제1 섬유 및 제2 섬유는 상기 돔부 영역에서 서로 다른 경사각을 가지며 서로 다른 방향으로 연장되는 가스 탱크.
제1항에 있어서,
돔부 및 실린더부를 포함하며 상기 필라멘트 부재가 와인딩되는 라이너가 마련되고, 평행하게 연장되는 다수의 필라멘트 부재를 포함하는 섬유 다발이 상기 실린더부의 축방향에 경사진 제1 방향을 따라 직선상으로 연장되며, 상기 각각의 섬유 다발이 지그재그(zigzag)로 엇갈리게 와인딩되는 가스 탱크.
제1항에 있어서,
돔부 및 실린더부를 포함하며 상기 필라멘트 부재가 와인딩되는 라이너가 마련되고, 상기 섬유 다발의 턴(turn) 수가 증가되면서 상기 돔부의 지그재그 와인딩을 완료함으로써 1차 와인딩부가 형성되고, 상기 섬유 다발의 경사각을 변동시킨 후 상기 실린더부를 후프 형상으로 와인딩하여 2차 와인딩부가 형성되는 가스 탱크.
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제1항에 있어서,
상기 열경화성 수지는 적어도 80℃의 고온에서 10~20분 동안 1차 경화 단계를 거치면서 안정화된 고분자 고리를 형성하고, 상기 1차 경화 이후에 자연 냉각에 의하여 2차 경화되는 가스 탱크.
가스가 수용되는 열가소성 수지의 라이너를 형성하는 단계;
상기 라이너의 외부 표면에 건조한 상태의 필라멘트 부재를 와인딩하여 중간 섬유층을 형성하는 단계;
RTM(resin transfer molding) 금형에 상기 필라멘트 부재가 와인딩된 상기 라이너를 투입하고, 상기 RTM(resin transfer molding) 금형 내에서 상기 중간 섬유층의 외주에 30 Bar 이상의 압력으로 액상의 열경화성 수지를 주입하고 상기 라이너의 내부에 공기를 주입함으로써 상기 라이너의 변형을 방지하면서 상기 열경화성 수지의 표면 수지층을 형성하는 단계; 를 포함하는 가스 탱크 제조 방법.