KR101476615B1

KR101476615B1 - 가스 탱크

Info

Publication number: KR101476615B1
Application number: KR1020110104520A
Authority: KR
Inventors: 정대선
Original assignee: 현대비에스앤씨 (주)
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2014-12-26
Also published as: KR20130039879A

Abstract

본 발명의 가스 탱크는, 가스가 수용되며 개구부가 형성된 라이너; 상기 라이너에 필라멘트 부재를 와인딩한 중간 섬유층; 상기 개구부와 연결되는 보스부; 상기 보스부 또는 상기 개구부에 대한 응력 집중을 완화하는 보강부; 를 포함한다.

Description

가스 탱크{GAS TANK}

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, 가스가 수용되며 개구부가 형성된 라이너; 상기 라이너에 필라멘트 부재를 와인딩한 중간 섬유층; 상기 개구부와 연결되는 보스부; 상기 보스부 또는 상기 개구부에 대한 응력 집중을 완화하는 보강부; 를 포함한다.

일 실시예로서, 본 발명의 가스 탱크는, 가스가 수용되며 개구부가 형성된 라이너; 상기 라이너에 필라멘트 부재를 와인딩한 중간 섬유층; 상기 개구부와 연결되어 가스의 통로가 되는 금속 베이스부 및 상기 금속 베이스부를 지지하는 수지 접합부를 구비하는 보스부; 상기 금속 베이스부와 상기 수지 접합부의 결합력을 강화하는 결합력 강화 수단; 을 포함한다.

본 발명에 따르면 보강부가 마련되어 보스부에 작용하는 응력 집중을 완화시키고 내파열성을 증대시키며 보스부에 있어서도 금속과 수지의 결합 부분에 결합력 강화 수단을 마련하여 전단 응력 작용시 보스부의 회전이나 뒤틀림을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 가스 탱크의 3중 구조를 도시한 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 라이너의 일 실시예를 도시한다.
도 3은 본 발명의 라이너의 다른 일 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명의 필라멘트 부재 와인딩 방법의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 본 발명의 보강부의 일 실시예를 도시한다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 보스부의 일 실시예를 도시한다.

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.

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.

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.

도 2는 본 발명의 융착부를 구비한 라이너를 도시하고, 도 3은 블로우 성형에 의한 라이너를 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.

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 4는 본 발명의 필라멘트 부재 와인딩 방법의 일 실시예를 도시한다.

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.

다수의 필라멘트 부재(210)를 평행하게 연장한 섬유 다발(220)은 지그재그(zigzag) 형상으로 권선되고 실린더부(120)에는 실린더부(120)의 원주 방향을 따라 후프(hoop)형상으로 권선된다. 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.

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 주입구를 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 주입부를 통하여 주입된다.

공기 주입에 의하여 라이너(100)의 변형이 방지되는 조건에서 고압으로 표면 수지층(300)을 형성하면 공극 발생율이 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.

도 5는 본 발명의 보강부(600)의 일 실시예를 도시한다. 보스부(130)의 장착을 위하여 구멍이 뚫리는 라이너(100)의 개구부(122)에는 응력 집중(stress concentration)이 발생한다. 응력 집중이 발생하는 부위는 외력 작용시 가장 먼저 항복 응력(yield stress)에 도달하거나 파단된다. 따라서, 보스부(130) 또는 라이너(100)의 개구부(122)에 대한 응력 집중을 완화하거나 강도를 보강하는 보강부(600)가 필요하다.

도 5은 필라멘트 부재(210)를 링(ring) 형상으로 와인딩한 보강부(600)를 도시한다. 보강부(600)는 필라멘트 부재(210)는 물론 에폭시, 폴리에스테르, 비닐에스테르, 열가소성 수지, 고무를 포함한 엘라스토머(elastomer), 열경화성 수지 또는 내파열성을 제공할 수 있는 다른 적절한 수지 재료 중 적어도 하나로 이루어진다.

도 5를 참조하면, 필라멘트 부재(210)를 한 방향으로 와인딩하여 링 형상으로 된 보강부(600)를 마련하고, 상기 링 형상의 보강부(600)를 보스부(130) 주위에 밀착시킨 다음 표면 수지층(300)을 적층한다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 보스부(130)의 일 실시예를 도시한다. 도 7은 보스부(130)가 라이너(100), 중간 섬유층(200), 표면 수지층(300)과 결합되는 상태를 도시하고, 도 8은 금속 베이스부(132)의 형상에 관한 일 실시예를 도시한다.

삭제

앞에서 설명한 것과 같이 보스부(130)는 펌프나 밸브가 장착되는 금속 베이스부(132)와, 금속 베이스부(132)를 지지하며 라이너(100)에 융착되는 수지 접합부(134)를 구비한다. 보스부(130)로 출입되는 가스의 압력에 의하여 보스부(130)에는 압축/ 인장 응력은 물론 전단 응력이 작용하는데 수지 접합부(134)는 보스부(130)를 라이너(100)에 고정시키는 기능은 물론, 보스부(130)에 작용하는 전단 응력을 라이너(100), 중간 섬유층(200), 표면 수지층(300) 중 적어도 하나에 골고루 분산시키는 작용도 겸한다.

이때, 금속 베이스부(132)와 수지 접합부(134)의 결합력이 약하면 수지 접합부(134)가 라이너(100)에 결합된 상태에서 금속 베이스부(132)만 분리되는 불량이 발생할 수 있다. 따라서, 금속 베이스부(132)와 수지 접합부(134)의 결합력을 강화시키는 결합력 강화 수단이 필요하다.

결합력 강화 수단은 금속 베이스부(132) 및 수지 접합부(134)의 결합 부분에 마련되는 수지 채널(710)을 포함한다. 수지 채널(710)은 수지 인렛(720)(inlet)을 통하여 입수한 액상 수지가 수용되는 공간을 형성한다. 인서트 금형(410)에 금속 베이스부(132)를 넣고 수지 접합부(134)를 인서트 사출할 때, 수지 접합부(134)의 재료가 되는 액상 수지는 수지 인렛(720)을 통하여 수지 채널(710)로 유입된다. 수지 채널(710) 내부에서 액상 수지가 경화되면 금속 베이스부(132) 및 수지 접합부(134)의 결합력이 발생한다.

한편, 보스부(130)가 라이너(100)에 결합된 상태에서 중간 섬유층(200)이 와인딩된다. 따라서, 필라멘트 부재(210)의 와인딩시 보스부(130) 및 라이너(100)의 결합력을 증대시키는 수단이 필요하다. 이를 위하여 보스부(130) 및 라이너(100)의 결합 부분에는 결합 돌기(730) 및 결합 홈(740)이 각각 형성된다.

보스부(130) 및 라이너(100)를 체결시 보스부(130)의 수지 접합부(134)와 실린더부(120)를 융착부(124)에서 초음파 융착 또는 열융착시킬 수 있다. 그러나, 융착부(124)의 결합력에 의존하지 않고, 보스부(130)의 금속 베이스부(132)와 실린더부(120)의 결합 수단이 마련되면 보스부(130) 및 라이너(100)의 결합력이 더욱 강화된다. 이를 위하여 도 7에 도시된 예에 따르면, 보스부(130)에 결합 홈(740)이 형성되고 라이너(100)의 일부를 돌출시켜 결합 돌기(730)가 형성된다.

도시하지는 않았지만 결합 홈(740) 및 결합 돌기(730)의 형성 위치가 도 7과 반대로 될 수 있다. 라이너(100)는 보스부(130)에 비하면 두께가 얇으므로 라이너(100)의 일부를 함몰시켜 결합 홈(740)을 형성하는 것보다 라이너(100)의 일부를 돌출시켜 결합 돌기(730)를 형성하는 것이 라이너(100) 쪽의 내강도 향상에 적절하다. 결합 홈(740)의 형성 위치도 수지 접합부(134)의 얇은 두께를 고려하면 금속 베이스부(132)의 일부를 절개하여 결합 홈(740)을 형성하는 것이 바람직하다.

라이너(100)의 성형이 완료되면 라이너(100)에 돌출된 결합 돌기(730)를 보스부(130)의 결합 홈(740)에 체결하고 접착제나 경화제를 도포하여 라이너(100) 및 보스부(130)의 결합력을 증대시킨다.

정리하면, 수지 인렛(720) 및 수지 채널(710)에 의하여 금속 베이스부(132)와 수지 접합부(134)의 결합력이 강화되고 보스부(130)에 작용하는 전단 응력에 대한 내성이 강화되며, 결합 홈(740) 및 결합 돌기(730)의 체결에 의하여 라이너(100)와 보스부(130)의 융착력이 증대된다.

도 8은 금속 베이스부(132)의 일 실시예를 나타낸다. 전단 응력의 작용에 의하여 보스부(130)가 회전하거나 뒤틀리는 현상을 방지하기 위하여 수지 접합부(134)를 원이나 타원 형상으로 하지 않고 다각 형상으로 성형한다. 다각 형상의 꼭지점 위치에 마련되는 꼭지부(750)는 라이너(100) 또는 중간 섬유층(200)에 접촉 간섭되어 전단 응력에 의한 보스부(130)의 변형 거동을 억제한다.

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
200...중간 섬유층 210...필라멘트 부재
220...섬유 다발 221...1차 와인딩부
222...2차 와인딩부 300...표면 수지층
110...돔부 120...실린더부
122...개구부 124...융착부
130...보스부 132...금속 베이스부
134...수지 접합부 410...인서트 금형
420...블로우 금형 600...보강부
610...리브 612...리브 구멍
620...보스부 구멍 710...수지 채널
720...수지 인렛 730...결합 돌기
740...결합 홈 750...꼭지부

Claims

가스가 수용되며 개구부가 형성된 라이너;
상기 라이너에 필라멘트 부재를 와인딩한 중간 섬유층;
상기 중간 섬유층 위에 적층되는 표면 수지층;
상기 개구부와 연결되는 보스부;
상기 보스부 또는 상기 개구부에 대한 응력 집중을 완화하는 보강부; 를 포함하고,
상기 보강부는 상기 필라멘트 부재를 한 방향으로 와인딩하여 링 형상으로 성형한 것으로 상기 보스부 주위에 밀착되고,
상기 보강부가 상기 보스부 주위에 밀착되면 액상 수지가 주입되어 상기 표면 수지층이 적층되며,
상기 보스부 또는 상기 개구부에 집중되는 응력이 상기 보강부를 통하여 상기 라이너, 상기 중간 섬유층, 및 상기 표면 수지층으로 분산되는 가스 탱크.
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가스가 수용되며 개구부가 형성된 라이너;
상기 라이너의 외부 표면에 배치되는 것으로 상기 라이너에 필라멘트 부재를 와인딩한 중간 섬유층;
상기 중간 섬유층 위에 적층되는 표면 수지층;
상기 개구부와 연결되어 가스의 통로가 되는 금속 베이스부 및 상기 금속 베이스부를 지지하는 수지 접합부를 구비하는 보스부;
상기 금속 베이스부와 상기 수지 접합부의 결합력을 강화하는 결합력 강화 수단; 을 포함하고,
상기 결합력 강화 수단은, 상기 금속 베이스부 및 상기 수지 접합부의 결합 부분에 마련되는 수지 채널을 포함하며,
상기 중간 섬유층에 액상 수지가 주입될 때, 상기 수지 채널은 상기 수지 인렛을 통하여 입수한 상기 주입된 액상 수지가 수용되는 공간을 형성하며 상기 수지 채널 내부에서 상기 액상 수지가 경화되면 상기 금속 베이스부 및 상기 수지 접합부의 결합력이 발생하고,
상기 보스부 또는 상기 개구부에 집중되는 응력이 상기 라이너, 상기 중간 섬유층, 및 상기 표면 수지층으로 분산되는 가스 탱크.
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제7항에 있어서,
상기 결합력 강화 수단은, 상기 보스부 및 상기 라이너에 각각 마련되는 결합 돌기 및 상기 결합 돌기가 삽입되는 결합 홈을 포함하는 가스 탱크.
제10항에 있어서,
상기 결합 돌기는 상기 라이너의 일부를 돌출시킨 것이고,
상기 결합 홈은 상기 결합 돌기와 대응되는 위치에 상기 금속 베이스부의 일부를 절개한 것인 가스 탱크.