KR101567197B1 - 원심 와인딩법 기반의 라이너리스 압력용기 및 그 제조방법 - Google Patents

원심 와인딩법 기반의 라이너리스 압력용기 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고압 탱크 제조 등에 활용가능한 라이너리스 압력용기를 연속섬유의 원심 방향 방출을 통하여 제조하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

Description

원심 와인딩법 기반의 라이너리스 압력용기 및 그 제조방법 {A linerless pressure vessel by centrifugal forced winding and a method for manufacturing thereof}
본 발명은 고압 탱크 등에 활용가능한 라이너리스 압력용기를 연속섬유의 원심 방향 방출을 통하여 제조하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
라이너가 존재하지 않는 용기, 예를 들면 고압 탱크 등에 대한 요구에 따라 형상 기억 폼 등을 이용한 제조 방법이 개발되고 있다. 미국Composite Technology Development Inc., U.S. Air Force Research Laboratory 및 University of Texas 공동 개발한 기술로서 FASTRAC 1 위성에 탑재(1.9L, 직경 152mm, 길이 203mm, 0.2kg)된 중공형 탱크는 작동압 138bar, 보증압 690bar, 폭발압 1,300~1,700bar인 것으로서 KIBOKO社 의 toughened epoxy 및 T700 carbon fiber(Toray)소재를 이용하여 MUPET [Multiple Use Precision Extractable Tooling]공법으로 제조되었다. 상기 공법은 먼저 필라멘트 와인딩을 수행한 후 형상 기억 폼 소재로 이를 지지하여 상온에서 형상 유지 및 열경화를 위한 압력을 부여한다. 경화가 완료된 후 진공 및 냉각 조건에서 형상 기억 폼이 수축되고 이를 탱크에서 제거한 후 재사용하는 방법이다(도 1 및 2 참조).
상기한 방법은 우주항공 분야에서 민수 용도로 확대 적용 진행 중에 있다.
고압용기 제조 방법에 관한 또다른 문헌으로서 미국공개특허 제2005-0258575호는,
준비된 용기를 섬유질로 와인딩하고 금형틀 내에서 압력을 가해 팽창성형하도록 구성된 제조방법을 개시한다.
한국등록특허 제10-0857170호는 전후진 가능한 노즐(400에서 노즐(400)에 일체로 구비된 패리슨 접착용 날개(410)의 하면에는 접착제가 도포되도록 구성시킨 고압용기에 구비되는 라이너 제조용 중공성형장치를 개시하며,
미국공개특허 제3900355호는,
제2도에서 개구부(32)가 형성된 노즐튜브(33)는 모터(43)에 의하여 회전구동되며, 원심력에 의하여 레진액을 실린더(30)벽에 분사하도록 구성된 장치를 개시한다.
한편, 한국등록특허 제10-1271454호는,
혼합재료가 이동할 수 있는 혼합재료 수송관으로 압출시켜 분사구를 통해 몰드에 분사하고, 유리섬유는 소정의 길이로 절단된 촙트스트랜드 형태로 별도의 유리섬유 분사구를 통하여 동시에 분사시켜 제조되는 용기를 개시한다.
그러나, 상기 어느 기술도 용기 내측을 와인딩하며, 동시에 와인딩 형태와 물성 등을 조절하며, 압력 용기에 라이너가 존재하지 않도록 제조하며, 제조 공정 또한 연속적인 구성을 개시하지 못한다.
본 발명은 CNG, LPG, H2 등의 저장을 위해 경량화된 라이너리스 고압탱크를 내측면 와인딩 공법으로 제조하는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은, 수지가 함침된 섬유가 와인딩된 3차원의 중공형 섬유성 구조재가 안착된 고압탱크를 제조하는 방법에 있어서, 중공 형상의 금형 내부에서 수지가 함침된 섬유가 방출되어 금형 내부 표면에 안착하는 것이고, 섬유를 방출하는 방출부는 금형 내부에서 이동 축을 따라 이동 및 회전하는 것이며, 방출은 원심력에 의하여 원주방향으로 이루어지는 것이고, 3차원의 중공형 섬유성 구조재는 금형의 내부 형상을 따라 와인딩 되어 제조되는 것인 방법 및 이를 수행하기 위한 장치를 제공한다.
본 발명은 라이너리스 고압 탱크를 제조함에 있어서 제조 공정을 단순화하고 원가를 절감하는 동시에 탱크 경량화를 구현하였다.
도 1은 MUPET공법에 이용되는 형상기억폼의 온도 변화에 따른 변화량을 나타내는 사진도이다.
도 2는 Composite Technology Development Inc.등에 의해 개발된 라이너가 존재하지 않는 압력용기의 제조 방법을 도시화한 것이다.
도 3은 압력용기를 타입별로 분류한 표이다.
도 4는 본 발명의 라이너리스 고압탱크를 제조하는 원리를 간략히 묘사한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 라이너리스 고압탱크를 제조하는 장치의 모식도이다.
압력용기는 도 3과 같이 Type별로 분류될 수 있다.
US 8,074,826 B2에 개시된 All-composite 압력용기는 폭발 변위를 초과는 압력 부여 시 미세 크랙에 저항성을 가지는 고분자 수지 (KIBOKO社 toughened epoxy)를 필라멘트 와인딩 또는 브레이딩하여 Type V 에 속한다고 할 수 있다.
US 2010/0230417 A1에 개시된 Non-cylindrical 형상의 압력용기는 구역이 나뉘어진 형태로 연결된 라이너 위에 보강재로 감싸진 형태로서 Type Ⅳ에 속한다고 할 수 있다.
US 3,765,557에 개시된 연속섬유 와인딩으로 보강된 고압 용기는 Multi-filament 활용한 braiding으로 압력 용기 보강을 통해 피로 내구 특성을 향상시키는 기술로서 Type III 및 IV 제조에 적용될 수 있다.
본 발명에서 제공하는 기술은 라이너(liner) 없이 중공 탱크를 제조할 수 있으며, 그 방법은 함침된 섬유 방출부를 회전시켜 방출된 섬유가 원심력에 의해 원주방향으로 이동하게 됨으로써 금형 내부 형상을 따라 와인딩 될 수 있도록 하는 것이다(도 4).
도 3의 Type V로서 고압 탱크 제조를 위한 핵심 기술은 금속 또는 고분자 liner 없이 유리섬유 또는 탄소섬유를 필라멘트 와인딩하여 중공 형상 제조하는 것이다. 상기에 설명되었던 기존의 특허공정(MUPET)은 형상 기억 폼 소재를 라이너로 이용하여 필라멘트 와인딩 한 후 냉각시 형상 기억소재를 수축시켜 내부에서 제거하는 방법으로 수행된다.
본 발명은, 함침 섬유를 방출시키는 과정에서 방출부를 회전시켜 섬유의 원심력을 발생시킴으로써 탱크 형상의 금형 내부에 방출된 섬유가 안착되도록 함으로써 별도의 라이너 없이 Type V의 고압탱크를 제조하는 것을 가능케 한다.
더욱 상세하게는 도 5를 참조한다.
도 5에서 A 는 브레이딩 또는 필라멘트 와인딩에 사용되는 섬유로 B(노즐)에서 방출되기 전 단계에서 수지 함침 과정이 진행된 상태로 존재하는 것이고;
B는 섬유를 방출시키는 노즐로 1수준 또는 2수준의 자유도를 가지고 C 와 결합되어 있어, C의 끝단부에서 1축 또는 2축으로 굽힘(tilting)이 가능한 것이고;
C 는 방출부로서, B와 결합되어 있으며 중심부는 중공 (hollow) 이고, 전진 및 후진 운동이 가능하고 중심축을 중심으로 회전운동을 하며, 중공부를 통해 섬유가 B 로 이동되는 것이고;
D 및 E 는 중공 타입 부품 제조를 위한 금형으로 상부(D)와 하부(E) 금형으로 구성되어 있으며, B로 부터 방출된 섬유는 D 및 E 의 내측면에 금형 내부 형상을 따라 와인딩 되는 것이다.
상기 그림의 “가”구간은 초기 방출되는 섬유의 궤적을 안정화 시키는 구간으로 “가” 구간 이후 “나” 구간의 영역에서부터는 설계된 형상의 부품으로 섬유가 방출되는 것일 수 있다.
C의 회전운동으로 인한 방출되는 섬유의 각속도는 방출되는 섬유가 금형의 내벽면에 도달될 때까지 가속되도록 할 수 있다.
방출되는 섬유의 궤적, 방출부(C)에서 섬유가 방출되는 부위로서 노즐(B)의 틸팅각, 방출부의 운동속도 및 금형의 내부형상에 의해 중공형 섬유성 구조재의 와인딩된 형상 및 그 치밀도를 예측할 수 있으며, 방출부(C)가 전진 및 후진을 반복하여 중공형 섬유성 구조재의 와인딩 두께를 조절할 수 있다.
‘C’ 가 전진 또는 후진함에 따라 섬유가 접촉하는 금형 내 위치 조절이 가능하기 때문에, 이러한 ‘B’, ‘C’ 의 운동을 종합적으로 제어함으로써 ‘B’에서 방출된 섬유를 이용하여 금형 내벽을 치밀하게 채울 수 있다.
기본적으로 섬유의 궤적은 ‘B’, ‘C’ 운동 및 금형의 형상 정보 등을 바탕으로 손쉽게 예측 가능하며, 따라서 반대로 금형의 형상 정보를 바탕으로 섬유 방출속도 및 ‘B’, ‘C’의 운동 함수를 계산해 낼 수 있다.
따라서 본 장치를 이용하여 고압탱크 제조 시에는 초기에 금형 형상 정보를 바탕으로 와인딩을 위한 ‘B’, ‘C’의 운동 함수가 자동적으로 계산 프로그래밍 되고, 이를 바탕으로 장치가 작동하여 최종 제품을 만들게 된다.
또한 ‘C’ 의 전진, 후진 운동을 반복적으로 진행시킴으로써 와인딩 벽 두께를 조절할 수 있으며, 와인딩이 완료된 이후에는 금형을 닫고 공기압으로 내압(internal pressure)을 부여하여 경화공정을 거치거나 또는 금형과 이형시킨 후 와인딩된 제품만 별도로 경화시켜 최종 제품을 제작할 수 있다.
원심 방출을 이용한 중공 타입 고압 탱크 제조를 위해서는 열경화성 수지가 함침된 섬유 다발이 요구되며, 해당 열경화성 수지는 이소프탈릭 폴리에스터(isophthalic polyester), 비닐에스터(vinylester), 에폭시(epoxy), 폴리에스터(polyester), 폴리우레탄(polyurethane) 계통이 가능하며, 이와 같은 고분자 수지는 20 내지 70중량%를 포함하는 것이 바람직하며, 수지 함침된 상태 점도가 0.01 내지 100Paㆍs (KS M 3822 표준법 의거 측정) 범위의 열경화성 수지가 바람직하다. 열경화성 수지가 함침된 섬유 다발은 경화되기 전 상태로 방출되어야 하며, 경화 전 상태는 상기 점도로 인하여 금형에 밀착 후 유지 가능한 수준의 접착력을 지닐 수 있게 된다.
상기 기술된 열경화성 수지는 추가 기능 부여를 위해 난연제, 산화방지제, 열안정제, 윤활제, 염료, 안료 및 무기 충진제를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
섬유는 탄소섬유가 가장 유리하며, 해당 탄소섬유는 광각 X선 회절법 산란법 (WAXS, Wide-Angle X-ray Scattering)에 의해 측정한 결정 크기가 1 내지 6 nm이고, 평균 단일 섬유 직경이 1 내지 20 ㎛의 범위 인 것을 특징으로 하는 것이 기계적 물성 측면에서 고압용기에 가장 적합하다.
상기 탄소 섬유 이외 유리 섬유나 아라미드 섬유의 단독 사용이 가능하며, 또한 두 종류 이상 혼합하여 구성된 것을 특징으로 한다.
100 : 금형
10 : 섬유 방출부 (회전 및 이동)
20 : 방출 섬유 (원심력에 의해 원주방향으로 이동)

Claims (19)

  1. 0.01 내지 100 Paㆍs 범위의 점도를 갖는 열경화성 수지가 함침된 섬유가 와인딩된 3차원의 중공형 섬유성 구조재가 안착된 라이너리스(linerless) 고압탱크를 제조하는 방법에 있어서, 중공 형상의 금형 내부에서 수지가 함침된 섬유가 방출되어 금형 내부 표면에 안착하는 것이고, 섬유를 방출하는 방출부는 금형 내부에서 이동 축을 따라 이동 및 회전하는 것이며, 방출은 원심력에 의하여 원주방향으로 이루어지는 것이고, 3차원의 중공형 섬유성 구조재는 금형의 내부 형상을 따라 와인딩되어 제조하되,
    상기 방출부에서 섬유가 방출되는 부위인 노즐이 1수준 또는 2수준의 자유도를 가지고 상기 방출부와 연결 결합되어 있되, 상기 방출부의 끝단부에서 1축 또는 2축으로 틸팅(tilting) 조절이 가능하도록 결합된 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 원주방향으로의 방출은 각속도는 방출되는 섬유가 금형의 내벽면에 도달될 때까지 가속되는 것인 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 중공형 섬유성 구조재의 와인딩된 형상 및 그 치밀도는 방출되는 섬유의 궤적, 방출부에서 섬유가 방출되는 부위로서 노즐의 틸팅각, 방출부의 운동속도 및 금형의 내부형상에 의해 예측되는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 중공형 섬유성 구조재의 와인딩 두께는 방출부가 이동축을 따라 전진 및 후진을 반복하여 두꺼워지는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 와인딩 이후 와인딩된 구조재를 금형 내로 가압하거나, 금형으로부터 이형한 후 열경화, 자외선 경화 또는 탈수 경화하는 것을 더욱 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 수지는 열경화성 수지로서 이소프탈릭 폴리에스터(isophthalic polyester), 비닐에스터(vinylester), 에폭시(epoxy), 폴리에스터(polyester) 및 폴리우레탄(polyurethane)계로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상인 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 또는 이들의 혼합인 것인 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 탄소섬유는 광각 X선 회절법 산란법 (WAXS, Wide-Angle X-ray Scattering)에 의해 측정한 결정 크기가 1 내지 6 nm이고, 평균 단일 섬유 직경이 1 내지 20 ㎛의 범위인 것인 방법.
  10. 삭제
  11. 브레이딩 또는 필라멘트 와인딩에 사용되는 섬유(A);
    섬유를 방출시키는 노즐(B);
    방출부(C);
    상부 금형(D); 및
    하부 금형(E);을 포함하되,
    상기 섬유(A)는 상기 노즐(B)에서 방출되기 전 단계까지 점도가 0.01 내지 100Paㆍs인 열경화성 수지 함침 과정이 진행된 상태로 존재하는 것이고,
    상기 노즐(B)은 1수준 또는 2수준의 자유도를 가지고 상기 방출부(C)와 연결 결합되어 있되, 상기 방출부(C)의 끝단부에서 1축 또는 2축으로 틸팅(tilting) 조절이 가능하도록 결합된 것이고,
    상기 방출부(C)는 상기 노즐(B)과 결합되어 있으며, 중심부는 중공 (hollow) 이고, 전진 및 후진 운동이 가능하고, 중심축을 중심으로 회전운동을 하며, 중공부를 통해 상기 섬유가 상기 노즐(B)로 이동되는 것이고,
    상기 상부 금형(D) 및 하부 금형(E)은 중공 타입 부품 제조를 위한 금형으로 상기 노즐(B)에서 방출된 섬유가 상기 상부 금형(D) 및 하부 금형(E)의 내측면에 금형 내부 형상을 따라 와인딩 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 중공형 섬유성 구조재가 안착된 라이너리스(linerless) 고압탱크를 제조하는 장치.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서, 상기 방출부(C)의 회전운동으로 인한 방출되는 섬유의 각속도는 방출되는 섬유가 금형의 내벽면에 도달될 때까지 가속되도록 이루어진 것인장치.
  14. 제11항에 있어서, 방출되는 섬유의 궤적, 방출부(C)에서 섬유가 방출되는 부위로서 노즐(B)의 틸팅각, 방출부의 운동속도 및 금형의 내부형상에 의해 중공형 섬유성 구조재의 와인딩된 형상 및 그 치밀도를 예측하는 것인 장치.
  15. 제11항에 있어서, 방출부(C)가 전진 및 후진을 반복하여 중공형 섬유성 구조재의 와인딩 두께를 조절하는 것인 장치.
  16. 제11항에 있어서, 수지는 열경화성 수지로서 이소프탈릭 폴리에스터(isophthalic polyester), 비닐에스터(vinylester), 에폭시(epoxy), 폴리에스터(polyester) 및 폴리우레탄(polyurethane)계로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상인 것인 방법.
  17. 제11항에 있어서, 상기 섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 또는 이들의 혼합인 것인 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 탄소섬유는 광각 X선 회절법 산란법 (WAXS, Wide-Angle X-ray Scattering)에 의해 측정한 결정 크기가 1 내지 6 nm이고, 평균 단일 섬유 직경이 1 내지 20 ㎛의 범위인 것인 방법.
  19. 삭제
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