KR101755927B1 - 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중공을 구비하는 네크부 및 상기 네크부로부터 외측으로 연장되는 플랜지부를 구비하는 노즐보스 및 상기 노즐보스와 결합되어 내부에 유체 충진 공간이 마련되고, 상기 유체 충진 공간의 단부에 형성된 보강영역의 외측 테두리를 따르며 단차지게 형성되는 라이너를 포함한다.

Description

차량의 비실린더형 복합재 압력 용기{Non-cylinder type composite pressure vessel of vehicle}
본 발명은 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전체적으로 균일한 강성을 확보할 수 있는 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기에 관한 것이다.
복합재 압력용기는, 내부에 대기압을 초과하는 압력의 기체 또는 액체를 보유하는 용기를 의미하는 것으로, 높은 비강성과 비강도, 그리고 내피로성으로 수소연료전지자동차와 천연가스자동차 등에 사용된다.
일반적으로, 복합재 압력용기는 특정 형태를 지니는 고분자 소재의 내측 라이너(liner)에 금속으로 마련된 복합재 섬유를 감아서 적층한 후, 고온 고압에서 성형하여 제작한다.
이러한 복합재 압력용기의 형상이 실린더형인 경우 복합재 섬유가 전 영역에 대해 고르게 와인딩될 수 있기 때문에, 용기의 강성이 균일하게 분포되므로 응력이 고르게 분산되며, 고압의 가스를 저장할 때 압력이 효과적으로 분산되어 최대의 강성을 지니게 된다.
하지만, 실린더형 복합재 압력용기는 원형의 단면 형상을 나타내기 때문에, 차량의 패키지 공간에 탑재할 경우 활용하기 어려운 공간이 남게 되고, 저장 용량 또한 상기 남는 공간 만큼 확보하지 못하게 되므로, 패키지 공간에 대응하는 형상을 가진 비실린더형으로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
그러나, 이러한 비실린더형 복합재 압력용기의 상단부는 정상적인 복합재 섬유의 와인딩이 불가능한 평탄부로 형성되기 때문에, 상단부에 대한 형상 변경을 통해 복합재 섬유의 와인딩이 가능할 수 있도록 하는 것이 중요하다.
대한민국공개특허공보 제10-2013-0038973호(2013.04.19.)
본 발명의 목적은, 비실린더형 복합재 압력용기에서 응력집중이 발생되는 라이너 외측의 보강영역에 동심원 형태의 단차를 형성하여 보강영역에 대한 국부적인 복합재 와인딩이 가능하게 함으로써, 비실린더형 압력용기의 균일한 강성을 확보할 수 있는 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기는 중공을 구비하는 네크부 및 상기 네크부로부터 외측으로 연장되는 플랜지부를 구비하는 노즐보스 및 상기 노즐보스와 결합되어 내부에 유체 충진 공간이 마련되고, 상기 유체 충진 공간의 단부에 형성된 보강영역의 외측 테두리를 따르며 단차지게 형성되는 라이너를 포함한다.
이러한 상기 라이너는 사각형의 단면으로 형성되는 실린더부 및 상기 실린더부와 상기 노즐보스를 연결하고, 돔(dome) 형상으로 형성되며, 상면에 평탄부로 형성된 상기 보강영역이 구비되는 돔부를 구비한다.
여기서, 상기 라이너는 상기 노즐보스를 중심으로 동심원 형태로 구성되며, 상기 보강영역의 외측 테두리를 따라 단차지도록 형성되는 복합재 와인딩부를 더 구비한다.
그리고, 상기 복합재 와인딩부는 상기 노즐보스를 중심으로 동일한 단차 높이로 형성되며, 단차면을 따라 복수의 복합재가 적층되어 형성된다.
또한, 상기 복합재 와인딩부는 상기 단차면에 적층되는 복합재의 적층 높이를 조절하여 단차가 상쇄되도록 형성된다.
또한, 상기 단차면의 높이는 2mm 이상의 높이로 형성된다.
본 발명은, 비실린더형 복합재 압력용기에서 응력집중이 발생되는 라이너 외측의 보강영역에 동심원 형태의 단차를 형성하여 보강영역에 대한 국부적인 복합재 와인딩이 가능하게 함으로써, 비실린더형 압력용기의 균일한 강성을 확보할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 구조적으로 보강영역의 강성을 확보할 수 있기 때문에, 보강영역에 응력이 집중되어 파열이 발생하는 현상을 미연에 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기의 구조를 보여주는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기에 대한 복합재 와인딩부의 상면을 보여주는 도면이다.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기에 대한 복합재 와인딩부의 측면을 보여주는 도면이다.
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기에 대한 복합재 와인딩부의 단차면을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시 예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기를 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기의 구조를 보여주는 도면이다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기는 노즐보스(100) 및 라이너(200)를 포함한다.
노즐보스(100)는 노즐보스(100)는 유체 충진 공간 내에 저장된 유체를 배출하는 출구로서, 중공을 구비하는 네크부 및 네크부로부터 외측으로 연장되는 플랜지부로 형성된다.
라이너(200)는 노즐보스(100)와 결합되어 내부에 유체 충진 공간이 마련되도록 하고, 유체 충진 공간의 단부에 형성된 보강영역(A)의 외측 테두리를 따르며 단차지게 형성된다.
이러한 라이너(200)는 실린더부(210) 및 돔부(220)로 형성된다.
여기서, 실린더부(210)는 내부에 유체 충진 공간이 마련되는 사각형의 단면으로 형성된다.
즉, 실린더부(210)는 내부에 유체 충진 공간이 형성되도록 마련되는 것으로, 원통형으로 형성되는 것이 아니라, 사각형의 단면을 가지도록 형성되기 때문에, 원통형과 비교하여 더 많은 양의 유체가 내부에 충진될 수 있도록 한다.
그리고, 실린더부(210)는 상기와 같이 사각형 단면으로 형성된 형상에 따라 성형이 완료되어 차량에 탑재되는 경우 차량 트렁크에 마련된 패키지 공간에 남는 공간 없이 탑재될 수 있고, 그에 따라 패키지 공간을 효율적으로 활용할 수 있다.
따라서, 실린더부(210)는 남는 공간 없이 패키지 공간을 활용하여 저장 용량을 더 확보할 수 있으며, 결과적으로는 실린더부(210)의 형상에 맞게 패키지 공간을 축소하여도 동일한 저장 용량을 확보할 수 있다.
돔부(220)는 돔(dome) 형상으로 형성되어 실린더부(210)와 노즐보스(100)를 연결하고, 상면에 평탄부로 형성된 보강영역(A)이 마련된다.
이러한 돔부(220)는 사각형의 단면을 가진 실린더부(210)와 노즐보스(100)를 연결하기 때문에, 형상적인 특성 상 노즐보스(100)와 인접한 위치에 소정의 면적을 가지는 평탄한 보강영역(A)이 형성되게 된다.
즉, 돔부(220)는 실린더부(210)의 단면 형상이 원통형인 경우 반구형상으로 형성되는데 반해, 실린더부(210)의 형상이 본 실시예와 같이 사각형의 단면을 가진 형상인 경우에는 실린더부(210)와 노즐보스(100)를 연결함에 있어서 평탄한 보강영역(A)이 형성될 수 밖에 없다.
이러한 보강영역(A)은 응력이 집중되는 부분이기 때문에, 실린더부(210)와 돔부(220)에 복합재(10)를 와인딩함에 있어서 보강영역(A)에 대한 국부적인 와인딩이 실시되도록 하여 구조적인 보강이 이루어지도록 해야 한다.
하지만, 라이너(200)의 외측에 복합재(10)를 와인딩하는 경우 와인딩 로봇과 라이너(200)를 회전시키는 장비를 이용하게 되는데, 여기서 보강영역(A)은 평탄부로 형성되기 때문에, 복합재(10)를 적층되는데 어려움이 발생하게 된다.
이를 위해, 본 실시예에 따른 라이너(200)에는 복합재 와인딩부(230)가 형성되는데, 이러한 복합재 와인부(230)는 보강영역(A)이 도 2에 도시된 I - I' 단면도에 도시된 바와 같이 복수의 단차면을 포함하도록 함으로써, 복합재(10)를 와인딩함에 있어서 복합재(10)가 단차면에 걸림 위치될 수 있도록 한다.
그에 따라, 라이너(200)에는 복합재(10)가 효과적으로 적층되도록 할 수 있으며, 결과적으로는 보강영역(A)에 대한 국부적인 보강을 가능하게 할 수 있다.
이하, 도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기에 대한 복합재 와인딩부의 상면을 보여주는 도면이고, 도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기에 대한 복합재 와인딩부의 측면을 보여주는 도면이며, 도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기에 대한 복합재 와인딩부의 단차면을 보여주는 도면이다.
도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 라이너(200)는 노즐보스(100)를 중심으로 동심원 형태로 구성되는 복합재 와인딩부(230)를 구비한다.
이러한 복합재 와인딩부(230)는 평탄부로 형성된 보강영역(A)의 외측 테두리를 따라 단차지도록 형성되는 것으로, 복합재 와인딩부(230)에 형성된 복수의 단차면 각각은 동일한 단차 높이로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같이 형성된 복합재 와인딩부(230)는 복합재의 와인딩 시 단차면을 따라 복수의 복합재(10)가 적층되도록 형성되며, 단차면의 높이는 복합재 압력 용기의 크기에 따라 설정될 수 있다.
여기서, 복합재 와인딩부(230)에 형성된 단차면의 높이는 2mm 이상의 높이로 형성되는 것이 바람직하다.
즉, 통상적으로 복합재(10)의 와인딩 시 1회 적층되는 높이는 약 0.7mm 내외가 되기 때문에, 각각의 단차면에 3회 이상 복합재(10)가 와인딩되어 적층될 수 있도록 약 2mm 이상의 단차면 높이를 확보하는 것이 바람직하다.
한편, 상기와 같이 복합재 와인딩부(230)의 단차면에 적층되는 복합재(10)는 적층이 완료된 이후에 최종 형상이 단차면을 가지지 않도록 형성된다.
다시 말해, 도 5에 도시된 바와 같이 복합재 와인딩부(230)는 단차면에 적층되는 복합재(10)의 적층 높이를 조절하여 단차가 상쇄된 최종적인 복합재 압력 용기 형상이 형성되도록 한다.
이를 위해, 복합재(10)를 와인딩함에 있어서 단차면의 입구 부분에서는 복합재(10)를 적게 감아 적층시키고, 단차면의 내측 부분에서는 단차면의 입구 부분에서 보다 복합재(10)를 더 많이 감아 적층되도록 함으로써, 단차면의 단차를 상쇄시키며 단차면이 복합재(10)로 채워지도록 한다.
따라서, 본 실시예에서는 복합재 와인딩부(230)에 복합재(10)를 와인딩하여 평탄부로 형성된 보강영역(A)에 대한 국부적인 와인딩이 가능할 수 있기 때문에, 응력 집중이 발생되는 보강영역(A)에 응력이 집중되어 발생할 수 있는 파열 현상을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 보강영역(A)에 대한 국부적인 와인딩이 가능하기 때문에, 보강영역(A)과 비교하여 상대적으로 응력 집중이 발생되지 않는 실린더부(210)에 대한 복합재(10)의 적층을 축소시킬 수 있고, 결과적으로는 복합재 압력 용기의 중량을 절감시킬 수 있다.
본 발명은, 비실린더형 압력용기에서 응력집중이 발생되는 라이너 외측의 보강영역에 동심원 형태의 단차를 형성하여 보강영역에 대한 국부적인 복합재 와인딩이 가능하게 함으로써, 비실린더형 압력용기의 균일한 강성을 확보할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 구조적으로 보강영역의 강성을 확보할 수 있기 때문에, 보강영역에 응력이 집중되어 파열이 발생하는 현상을 미연에 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
이상의 본 발명은 도면에 도시된 실시 예(들)를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 상기 설명된 실시예(들)의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해여야 할 것이다.
10 : 복합재 100 : 노즐보스
200 : 라이너 210 : 실린더부
220 : 돔부 230 : 복합재 와인딩부
A : 보강영역

Claims (6)

  1. 중공을 구비하는 네크부 및 상기 네크부로부터 외측으로 연장되는 플랜지부를 구비하는 노즐보스; 및
    상기 노즐보스와 결합되어 내부에 유체 충진 공간이 마련되고, 상기 유체 충진 공간의 단부에 형성된 보강영역의 외측 테두리를 따르며 단차지게 형성되는 라이너;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 라이너는,
    사각형의 단면으로 형성되는 실린더부; 및
    상기 실린더부와 상기 노즐보스를 연결하고, 돔(dome) 형상으로 형성되며, 상면에 평탄부로 형성된 상기 보강영역이 구비되는 돔부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 라이너는,
    상기 노즐보스를 중심으로 동심원 형태로 구성되며, 상기 보강영역의 외측 테두리를 따라 단차지도록 형성되는 복합재 와인딩부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 복합재 와인딩부는,
    상기 노즐보스를 중심으로 동일한 단차 높이로 형성되며, 단차면을 따라 복수의 복합재가 적층되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 복합재 와인딩부는,
    상기 단차면에 적층되는 복합재의 적층 높이를 조절하여 단차가 상쇄되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 단차면의 높이는,
    2mm 이상의 높이로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 비실린더형 복합재 압력 용기.
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