KR101846733B1 - Pressure vessel using fiber-reinforced composite and method manufacturing thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 섬유강화 복합재 압력 용기 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 우수한 충격 특성을 가지면서도 고가의 섬유강화 복합재의 사용량을 줄여 원가를 절감할 수 있는 섬유강화 복합재 압력 용기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a fiber-reinforced composite material pressure vessel and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a fiber-reinforced composite material pressure vessel capable of reducing the amount of expensive fiber-reinforced composite materials while having excellent impact properties, .
일반적으로, 자동차에서 LPG나 LNG, 수소와 같은 가스 연료를 저장하기 위한 용기로는, 저장 밀도 증대가 가능하도록 가스 연료를 고압으로 압축하여 저장할 수 있는 압력 용기(고압 용기)가 널리 이용되고 있다.2. Description of the Related Art In general, as a container for storing gas fuel such as LPG, LNG and hydrogen in automobiles, a pressure vessel (high-pressure vessel) capable of compressing and storing gaseous fuel at a high pressure so as to increase the storage density is widely used.
이러한 자동차용 압력 용기의 경우, 금속재로 이루어진 타입, 금속재 실린더 부위에 복합재를 적층한 타입, 금속재(예, 알루미늄 합금) 용기 위에 섬유강화 복합재를 와인딩하여 적층한 타입, 그리고 금속 보스(boss)(또는 금속 노즐) 및 라이너(liner) 위에 섬유강화 복합재를 와인딩(winding)하여 적층한 타입이 알려져 있다. In the case of such automotive pressure vessels, a type of metal material, a type of composite material laminated on a metal material cylinder, a type of laminated fiber-reinforced composite material on a metal material (for example, an aluminum alloy), and a metal boss A metallic nozzle) and a liner are wound on a fiber-reinforced composite material.
이 중에서 라이너 위에 섬유강화 복합재를 와인딩한 섬유강화 복합재 압력 용기는, 가스 투과를 차단하는 내측의 라이너와, 상기 라이너의 외측면에 적층되고 내부 압력 지지를 위한 지지층 역할을 하는 섬유강화 복합재층으로 구성된다.Among them, the fiber-reinforced composite material pressure vessel wrapped with the fiber-reinforced composite material on the liner is composed of an inner liner intercepting gas permeation and a fiber-reinforced composite material layer laminated on the outer surface of the liner and serving as a support layer for supporting internal pressure do.
여기서, 상기 내측의 라이너는 주로 금속이나 플라스틱을 사용하여 제작되고 있다.Here, the inner liner is mainly made of metal or plastic.
특히, 무게가 가볍고 가스 취성을 갖지 않는 플라스틱 라이너를 사용하여 고압에 견딜 수 있고 고효율을 필요로 하는 압력 용기를 제작하고 있으며, 플라스틱 라이너를 사용한 압력 용기의 경우 가벼우면서도 내구성이 우수하고 원가 절감이 가능한 이점을 가진다.In particular, we use a plastic liner that is light in weight and does not have gas brittleness to produce pressure vessels that can withstand high pressures and require high efficiency. In the case of pressure vessels using plastic liners, they are lightweight yet durable and cost-effective. .
또한, 상기 압력 용기는 비강성/비강도가 높은 섬유강화 복합재를 사용하여 제작하는데, 고강성 섬유의 경우 높은 내압을 견딜 수 있는 장점이 있지만 충격에 약한 단점을 가지고 있으므로, 이를 보강할 수 있는 구조가 필요하다.In addition, the pressure vessel is manufactured using a fiber reinforced composite material having a high non-rigidity / non-high strength. The high rigidity fiber has an advantage of being able to withstand a high pressure resistance, .
한편, 도 1은 일반적인 섬유강화 복합재 압력 용기의 일부를 도시한 단면도로서, 용기 내측 부분을 이루고 있는 라이너(10)와, 라이너(10)의 양단 부분에 설치된 보스(20), 그리고 섬유강화 복합재층(30)의 양단 부분인 돔부(33)가 도시되어 있다.1 is a cross-sectional view showing a part of a general fiber-reinforced composite material pressure vessel, in which a
상기 라이너(10)는 플라스틱으로 제작될 수 있고, 보스(20)는 금속으로 제작될 수 있으며, 돔부(33)는 섬유강화 복합재로 형성될 수 있다.The
상기 돔부(33)는 플라스틱 라이너(10) 및 금속 보스(20)를 둘러싸고 있는 전체 섬유강화 복합재층(30)에서도 원통부(직선 부분)(도 2에서 도면부호 '32'임)의 양단에 연결되어 있는 돔 형상의 곡선 부분이다.The
도 2는 종래의 압력 용기에서 섬유강화 복합재의 와인딩 상태를 예시한 도면이다.2 is a view illustrating a winding state of a fiber-reinforced composite material in a conventional pressure vessel.
도시된 바와 같이, 플라스틱 라이너(도 1에서 도면부호 '10'임)와 금속 보스(20)를 덮을 수 있도록 섬유강화 복합재(31)를 와인딩하여 섬유강화 복합재층(30)을 형성하는데, 이 섬유강화 복합재층(30)은 라이너(10)의 원통 부분을 덮고 있는 직선의 원통부(32)와, 이 원통부(32)의 양단 부분에 연결되어 라이너(10)의 양단 부분(라이너의 돔 부분) 및 보스(20)를 덮고 있는 곡선의 돔부(33)를 포함하여 구성된다. As shown, a fiber-reinforced
또한, 섬유강화 복합재 압력 용기의 제작 시, 라이너 외측에 소정 폭의 밴드(band) 형상을 가지는 섬유강화 복합재(31)를 용기 중심축(AX)을 기준으로 소정 각도(α)로 와인딩하여 섬유강화 복합재층(30)을 형성한다.When fabricating the fiber reinforced composite pressure vessel, the fiber reinforced
이때, 섬유강화 복합재를 저각(예, α: 5°~ 44°)으로 와인딩한 것을 헬리컬층(저각층)이라 하고, 중각(예, α: 45°~ 88°)으로 와인딩한 것을 튜브헬리컬층이라 하며, 고각(α: 88°~ 89°)으로 와인딩한 것을 후프층(고각층)이라 한다.At this time, the fiber-reinforced composite material was wound at a low angle (e.g., α: 5 ° to 44 °) as a helical layer (low angle layer) , And a hoop layer (high stratum) having a high angle (?: 88 ° to 89 °) is wound.
통상 섬유강화 복합재층(30)을 형성함에 있어서 플라스틱 라이너(10)와 금속 보스(20) 모두를 저각의 헬리컬 방식으로 와인딩하여 헬리컬층을 형성한다.Generally, in forming the fiber-reinforced
그러나, 플라스틱 라이너와 보스 전체를 모두 고가의 섬유강화 복합재를 사용하여 헬리컬층을 형성할 경우 충분한 강도 보강의 효과를 얻을 수 있지만, 이 헬리컬층은 원통부에서는 강도 보강의 효과가 미미하다.However, when the helical layer is formed using an expensive fiber-reinforced composite material for the entire plastic liner and the boss, sufficient strength reinforcement effect can be obtained. However, the helical layer has insufficient strength reinforcement effect in the cylindrical portion.
좀더 설명하면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 플라스틱 라이너의 양단 부분에 금속(예, 알루미늄 합금) 재질의 보스(20)를 결합한 뒤, 플라스틱 라이너와 금속 보스의 외측면을 모두 덮을 수 있도록 섬유강화 복합재(31)를 와인딩하여 헬리컬층을 형성한다.2, a
이때, 용기의 외부 지지층인 섬유강화 복합재층(30)의 원통부(32)와 이 원통부 양단에 연결된 돔부(33) 모두가 동일한 고가의 탄소섬유강화 복합재를 와인딩하여 구성한 헬리컬층으로 되어 있다.At this time, both the
그러나, 직선 부분인 원통부에서 헬리컬층은 탱크의 파열압에 영향을 미치지 않으며, 이 영역에 고강도 탄소섬유강화 복합재를 다량으로 사용할 경우 복합재 사용량 증가로 인한 원가 상승의 문제점이 있게 되며, 충격 특성 또한 낮아진다. However, the helical layer does not affect the rupture pressure of the tank in the straight cylindrical portion, and when a high-strength carbon fiber reinforced composite material is used in this region, there is a problem of cost increase due to an increase in the amount of composite material used. Lower.
이에 고가의 섬유강화 복합재의 사용량을 절감할 수 있는 여지가 있으며, 동시에 고가의 섬유강화 복합재의 사용량을 줄여 제작비용을 절감하기 위한 노력이 요구되고 있다.Therefore, there is a room for reducing the amount of expensive fiber-reinforced composite material, and at the same time, efforts are needed to reduce the production cost by reducing the amount of expensive fiber-reinforced composite material.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 우수한 충격 특성을 가지면서도 고가의 섬유강화 복합재의 사용량을 줄여 원가를 절감할 수 있는 섬유강화 복합재 압력 용기 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a fiber-reinforced composite pressure vessel capable of reducing the amount of expensive fiber-reinforced composite materials while having excellent impact properties, and a method of manufacturing the same. It has its purpose.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따르면, 라이너 위에 섬유강화 복합재층이 적층 형성되고, 상기 섬유강화 복합재층이 라이너의 원통 부분을 덮고 있는 원통부와, 라이너의 양단 부분을 덮고 있는 돔부를 포함하여 구성되는 섬유강화 복합재 압력 용기에 있어서, 상기 섬유강화 복합재층의 원통부는 라이너의 원통 부분 위에 적층 형성된 후프층과, 상기 후프층 위에 적층 형성된 헬리컬층을 포함하여 구성되고, 상기 섬유강화 복합재층의 돔부는 라이너의 양단 부분 위에 적층 형성된 헬리컬층을 가지며, 상기 돔부의 헬리컬층은 제1 섬유강화 복합재로 형성되고, 상기 원통부의 헬리컬층은 제2 섬유강화 복합재로 형성된 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a liner, comprising: laminating a fiber-reinforced composite material layer on a liner, the fiber-reinforced composite material layer covering a cylindrical portion of the liner; Wherein the cylindrical portion of the fiber-reinforced composite material layer comprises a hoop layer laminated on a cylindrical portion of the liner, and a helical layer laminated on the hoop layer, wherein the fiber Wherein the dome portion of the reinforcing composite layer has a helical layer laminated on both end portions of the liner, the helical layer of the dome portion being formed of a first fiber-reinforced composite material, and the helical layer of the cylindrical portion being formed of a second fiber- A fiber reinforced composite pressure vessel is provided.
여기서, 상기 제1 섬유강화 복합재는 탄소섬유강화 복합재이고, 상기 제2 섬유강화 복합재는 유리섬유강화 복합재인 것이 바람직하다.Here, the first fiber-reinforced composite material is a carbon fiber-reinforced composite material, and the second fiber-reinforced composite material is a glass fiber-reinforced composite material.
또한, 상기 제1 섬유강화 복합재는 제2 섬유강화 복합재에 비해 강도가 큰 섬유강화 복합재인 것이 바람직하다.The first fiber-reinforced composite material is preferably a fiber-reinforced composite material having a higher strength than the second fiber-reinforced composite material.
또한, 상기 제2 섬유강화 복합재는 제1 섬유강화 복합재에 비해 내충격성이 큰 섬유강화 복합재인 것이 바람직하다.The second fiber-reinforced composite material is preferably a fiber-reinforced composite material having a higher impact resistance than the first fiber-reinforced composite material.
또한, 상기 원통부의 헬리컬층은 돔부의 헬리컬층에 일체로 연결되어 있는 것이 바람직하다.It is preferable that the helical layer of the cylindrical portion is integrally connected to the helical layer of the dome portion.
그리고, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 라이너 위에 섬유강화 복합재층이 적층 형성되고, 상기 섬유강화 복합재층이 라이너의 원통 부분을 덮고 있는 원통부와, 라이너의 양단 부분을 덮고 있는 돔부를 포함하여 구성되는 섬유강화 복합재 압력 용기의 제조 방법에 있어서, 상기 라이너의 원통 부분 위에 섬유강화 복합재 밴드를 와인딩하여 상기 원통부의 후프층을 형성하는 단계; 및 상기 후프층 및 라이너의 양단 부분 위에 섬유강화 복합재 밴드를 와인딩하여 상기 원통부 및 돔부의 헬리컬층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 원통부 및 돔부의 헬리컬층을 형성하는 단계에서, 상기 돔부의 헬리컬층은 제1 섬유강화 복합재에 의해 형성하고, 상기 원통부의 헬리컬층은 제2 섬유강화 복합재에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기의 제조 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a liner comprising: a fiber-reinforced composite material layer laminated on a liner, the fiber-reinforced composite material layer including a cylindrical portion covering a cylindrical portion of the liner and a dome portion covering both end portions of the liner The method comprising the steps of: winding a fiber-reinforced composite band on a cylindrical portion of the liner to form a hoop layer of the cylindrical portion; And forming a helical layer of the cylindrical portion and the dome portion by winding a fiber-reinforced composite material band on both end portions of the hoop layer and the liner. In the step of forming the helical layer of the cylindrical portion and the dome portion, Wherein the helical layer is formed by a first fiber reinforced composite material and the helical layer of the cylindrical portion is formed by a second fiber reinforced composite material.
여기서, 상기 제1 섬유강화 복합재는 탄소섬유강화 복합재이고, 상기 제2 섬유강화 복합재는 유리섬유강화 복합재인 것이 바람직하다. Here, the first fiber-reinforced composite material is a carbon fiber-reinforced composite material, and the second fiber-reinforced composite material is a glass fiber-reinforced composite material.
또한, 상기 제1 섬유강화 복합재는 제2 섬유강화 복합재에 비해 강도가 큰 섬유강화 복합재인 것이 바람직하다.The first fiber-reinforced composite material is preferably a fiber-reinforced composite material having a higher strength than the second fiber-reinforced composite material.
또한, 상기 제2 섬유강화 복합재는 제1 섬유강화 복합재에 비해 내충격성이 큰 섬유강화 복합재인 것이 바람직하다.
The second fiber-reinforced composite material is preferably a fiber-reinforced composite material having a higher impact resistance than the first fiber-reinforced composite material.
이로써, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재 압력 용기 및 그 제조 방법에 의하면, 라이너 표면에 적층되는 섬유강화 복합재층의 원통부에서 강도 보강의 기여도가 낮은 헬리컬층을 경량이면서 충격 특성이 더 우수하고 가격이 상대적으로 저렴한 제2 섬유강화 복합재(예, 유리섬유강화 복합재)를 사용하여 형성함으로써, 제작된 압력 용기의 충격 특성이 개선될 수 있고, 요구치를 충족하는 충분한 강도가 확보되면서도 압력 용기의 경량화가 달성될 수 있으며, 압력 용기의 경량화에 따라 수소중량효율을 높일 수 있게 된다.According to the fiber-reinforced composite material pressure vessel of the present invention and the method of manufacturing the same, the helical layer having a low contribution to strength reinforcement in the cylindrical portion of the fiber-reinforced composite material layer laminated on the liner surface is lightweight, By using the relatively inexpensive second fiber-reinforced composite material (for example, a glass fiber reinforced composite material), the impact characteristics of the manufactured pressure vessel can be improved, and sufficient strength can be secured to meet the requirement, And the weight efficiency of hydrogen can be increased according to the weight reduction of the pressure vessel.
또한, 고가의 고강도 섬유강화 복합재의 사용량을 줄일 수 있어 원가 절감이 가능해지는 효과가 있게 된다.
Further, the amount of expensive high-strength fiber-reinforced composite material can be reduced, thereby reducing cost.
도 1은 일반적인 섬유강화 복합재 압력 용기의 일부를 도시한 단면도이다.
도 2는 종래의 압력 용기에서 섬유강화 복합재의 와인딩 상태를 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압력 용기에서 섬유강화 복합재의 와인딩 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압력 용기에서 섬유강화 복합재층의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 5는 압력 용기에 대한 수치 해석 결과를 나타내는 도면이다.1 is a cross-sectional view showing a part of a general fiber-reinforced composite pressure vessel.
2 is a view illustrating a winding state of a fiber-reinforced composite material in a conventional pressure vessel.
3 is a view showing a winding state of a fiber-reinforced composite material in a pressure vessel according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view showing the structure of a fiber-reinforced composite material layer in a pressure vessel according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing a numerical analysis result of a pressure vessel.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.
본 발명은 라이너와 보스를 덮을 수 있도록 소정 폭의 밴드 형상을 가지는 섬유강화 복합재를 용기 중심축을 기준으로 소정 각도로 와인딩하여 적층한 압력 용기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a pressure vessel in which a fiber-reinforced composite material having a band shape of a predetermined width so as to cover a liner and a boss is wound at a predetermined angle with respect to a center axis of the vessel,
또한, 본 발명은 우수한 충격 특성을 가지면서도 고가의 섬유강화 복합재의 사용량을 줄여 원가가 절감될 수 있는 섬유강화 복합재 압력 용기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a fiber-reinforced composite material pressure vessel capable of reducing the amount of expensive fiber-reinforced composite materials while having excellent impact properties, and a manufacturing method thereof.
본 발명에 따른 섬유강화 복합재 압력 용기는 연료전지 자동차에서 연료전지의 반응가스 중 연료가스인 수소를 고압으로 저장하기 위한 수소 탱크로 유용하다.The fiber-reinforced composite material pressure vessel according to the present invention is useful as a hydrogen tank for storing hydrogen as a fuel gas in a reaction gas of a fuel cell at a high pressure in a fuel cell vehicle.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압력 용기에서 섬유강화 복합재의 와인딩 상태를 나타내는 도면이고, 도 4는 섬유강화 복합재층의 구성을 나타내는 단면도(도 3의 'R1' 영역을 취한 단면도)이다.FIG. 3 is a view showing a winding state of a fiber-reinforced composite material in a pressure vessel according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view showing a structure of the fiber-reinforced composite material layer (a sectional view taken along the line R 1 'in FIG. 3).
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압력 용기는 가스 투과를 차단하는 내측의 라이너(10)와, 상기 라이너(10)의 외측면에 적층되고 내부 압력 지지를 위한 지지층 역할을 하는 섬유강화 복합재층(30)으로 포함하여 구성된다.As shown in the drawings, the pressure vessel according to the embodiment of the present invention includes an
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압력 용기는 라이너(10) 양단 부분에 설치된 보스(20)를 더 포함할 수 있다.In addition, the pressure vessel according to the embodiment of the present invention may further include a
여기서, 내측의 라이너(10)는 플라스틱을 사용하여 제작한 공지의 플라스틱 라이너가 될 수 있고, 보스(20)는 금속, 예를 들어 알루미늄 합금(예, Al6061)을 재질로 하여 제작될 수 있다.Here, the
상기 섬유강화 복합재층(30)은 라이너(10)와 보스(20)를 덮을 수 있도록 소정 폭의 밴드 형상을 가지는 섬유강화 복합재(이하 '복합재 밴드'라 칭함)(31)를 용기 중심축(AX)을 기준으로 소정 각도(α)로 와인딩하여 형성될 수 있다.The fiber-reinforced
또한, 본 발명에 따른 압력 용기에서 라이너(10)에 적층되는 외부 지지층인 섬유강화 복합재층(30)은 라이너(10)의 원통 부분을 덮고 있는 직선의 원통부(32)와, 이 원통부(32)의 양단 부분에 연결되어 라이너(10)의 양단 부분(라이너의 돔부) 및 보스(20)를 덮고 있는 곡선의 돔부(33)를 포함하여 구성된다. The fiber-reinforced
또한, 섬유강화 복합재층(30)은 헬리컬 방식으로 와인딩하여 적층 형성되는 헬리컬층(저각층)(32b,32d,33a,33b)을 포함하며, 이러한 헬리컬층(32b,32d,33a,33b)은 섬유강화 복합재층(30)의 원통부(32)와 돔부(33)에 압력 용기의 외부층으로서 적층 형성될 수 있다.The fiber reinforced
이러한 섬유강화 복합재층(30)의 외부층을 헬리컬층으로 형성할 경우 라이너(10)와 보스(20) 모두를 덮을 수 있도록 복합재 밴드(31)를 와인딩하여 헬리컬층을 형성할 수 있는데, 이때 종래와 같이 원통부와 돔부에서 모두 동일한 탄소섬유강화 복합재 밴드를 와인딩하여 헬리컬층을 형성한다면 고가인 탄소섬유강화 복합재의 사용량이 크게 늘면서 원가 상승의 요인이 된다.When the outer layer of the fiber-reinforced
이에 따라, 본 발명자는 상기한 문제점을 해결하기 위한 연구를 거듭한 결과, 압력 용기의 수치 해석 결과를 참조하였을 때, 직선 부분인 원통부(32)에서는 헬리컬층의 응력 수준이 높지 않음을 확인하였다.As a result, the inventor of the present invention has found that the stress level of the helical layer in the
또한, 원통부(32)에서 헬리컬층은 강도 보강의 효과가 미미하고, 탱크의 파열압에 영향을 미치지 않음을 확인하였다.Further, it was confirmed that the helical layer in the
도 5는 압력 용기에 대한 수치 해석 결과를 나타내는 도면으로서, 붉은색은 응력 수준이 높은 영역을 나타내고, 초록색은 응력 수준이 낮은 영역을 나타낸다.FIG. 5 is a view showing a numerical analysis result for a pressure vessel, in which red indicates a region having a high stress level and green indicates a region having a low stress level.
도 5는 돔부(33)에서 라이너 외측면 바로 위에 후프층이 적층되고 그 위에 헬리컬층과 후프층, 다시 헬리컬층이 교대로 반복 적층된 압력 용기에 대한 해석 결과를 나타낸다.5 shows the result of analysis of a pressure vessel in which a hoop layer is laminated on the outer surface of the liner in the
상기 후프층은 복합재 밴드를 용기 중심축(AX)을 기준으로 각도 88°~ 89°의 고각 범위로 와인딩한 섬유강화 복합재층이고, 상기 헬리컬층은 복합재 밴드를 용기 중심축을 기준으로 각도 5°~ 44°의 저각 범위로 와인딩한 섬유강화 복합재층이다.Wherein the hoop layer is a layer of fiber-reinforced composite material that winds the composite band in an elevation angle range from 88 ° to 89 ° with respect to the container center axis (AX), the helical layer comprising a composite band, Reinforced composite layer wound to a low angle range of < RTI ID = 0.0 > 44. ≪ / RTI &
도 5의 결과를 살펴보면, 응력 수준이 높은 붉은색 영역이 후프층이고, 응력 수준이 낮은 초록색 영역이 헬리컬층임을 알 수 있다.5, it can be seen that the red region having a high stress level is a hoop layer and the green region having a low stress level is a helical layer.
이러한 결과는, 압력 용기의 라이너 외측면에 적층 형성되는 섬유강화 복합재층에서 직선 부분인 원통부(32)에서는 헬리컬층의 응력 수준이 높지 않고, 헬리컬층에 의한 강도 보강의 효과 또한 미미하며, 헬리컬층이 탱크의 파열압에 크게 영향을 미치지 않다는 것을 의미한다.This result shows that the stress level of the helical layer is not high in the
이러한 점에 착안하여, 본 발명에 따른 압력 용기는, 다른 부분에 비해 상대적으로 응력 수준이 높지 않은 직선 부분인 원통부(32)의 헬리컬층(저각층)(32b,32d)에 대해서는, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 돔부(33)의 헬리컬층(33a,33b)에 사용되는 섬유강화 복합재에 비해 강도가 낮으면서 충격 특성은 우수하고(내충격성이 큼) 가격이 상대적으로 저렴한 섬유강화 복합재를 사용하여 제작한다.In view of this point, in the pressure vessel according to the present invention, the helical layers (low-refractive layers) 32b and 32d of the
즉, 섬유강화 복합재층(30)을 구성하는 헬리컬층(32b,32d,33a,33b)에 이종의 섬유강화 복합재를 사용하여 압력 용기를 제작하는 것이다.That is, the pressure vessel is manufactured by using different kinds of fiber-reinforced composite materials for the
또한, 압력 용기에서 후프층(고각층)(32a,32c)은 압력 하중을 크게 분담하여 지지하는 복합재층으로서, 이를 안쪽으로 배치할수록 용기 효율이 좋아진다. Further, in the pressure vessel, the hoop layers (high stratification layers) 32a and 32c are composite layers that support the pressure load in a largely divided manner.
결국, 본 발명에 따른 압력 용기의 섬유강화 복합재층(30)은 라이너(10)의 원통 부분을 덮고 있는 직선의 원통부(32)가 라이너(10) 외측면 바로 위에 적층되는 후프층(32a)과, 이 후프층 외측면 위에 적층되는 헬리컬층(32b,32d)을 포함하여 구성된다.As a result, the fiber-reinforced
또한, 라이너(10)의 양단 부분(라이너의 돔부) 및 보스(20)를 덮고 있는 곡선의 돔부(33)가 라이너 외측면 및 보스 표면 위에 적층되는 헬리컬층(33a,33b)을 가지며, 돔부(33)에서는, 고각으로 복합재 밴드를 와인딩하기 어려우므로, 후프층 없이 저각으로 복합재 밴드를 와인딩하여 적층한 헬리컬층만을 형성한다.A
또한, 본 발명에 따른 압력 용기의 섬유강화 복합재층(30)은, 라이너(10)의 원통 부분을 덮고 있는 섬유강화 복합재층(30)의 원통부(32)가 후프층(32a,32c)과 헬리컬층(32b,32d)이 교대로 반복 적층된 구성을 가질 수 있다.The fiber reinforced
바람직한 실시예에서, 섬유강화 복합재층(30)의 원통부(32)는, 라이너(10)의 원통 부분(직선 부분) 외측면 바로 위에 복합재 밴드를 고각으로 와인딩하여 적층 형성한 제1 후프층(32a)과, 이 제1 후프층(32a) 위에 복합재 밴드를 저각으로 와인딩하여 적층 형성한 제1 헬리컬층(32b)과, 이 제1 헬리컬층(32b) 위에 적층 형성한 제2 후프층(32c)과, 이 제2 후프층(32c) 위에 적층 형성한 제2 헬리컬층(32d)을 포함하여 구성될 수 있다.In the preferred embodiment, the
도시된 실시예에서는 헬리컬층(32b,32d)이 각각의 후프층(32a,32c) 위에 별도로 적층되는 두 개의 층으로 되어 있으나, 헬리컬층이 최외곽층으로 하나만 존재하더라도 충격 특성의 보강 효과를 나타낼 수 있다.In the illustrated embodiment, the
하지만, 도면에 예시한 바와 같이 헬리컬층(32b,32d)이 각각의 후프층(32a,32c) 위에 별도로 적층되는 두 개의 층일 경우 충격 특성의 보강 효과는 한 개 층일 경우에 비해 더 크게 나타난다.However, when the
또한, 본 발명에 따른 압력 용기의 섬유강화 복합재층(30)에서, 곡선 부분인 돔부(33)의 경우 헬리컬층(33a,33b)이 제1 섬유강화 복합재로 형성되고, 직선 부분인 원통부(32)의 경우 헬리컬층(32b,32d)이 제2 섬유강화 복합재로 형성된다.In the fiber reinforced
이때, 제1 섬유강화 복합재와 제2 섬유강화 복합재는 섬유로 보강된 수지 복합재로서, 수지는 열경화성 수지가 될 수 있고, 더욱 상세하게는 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리아미드 수지 등이 될 수 있다.In this case, the first fiber-reinforced composite material and the second fiber-reinforced composite material are resin composite materials reinforced with fibers, and the resin may be a thermosetting resin, and more specifically, an epoxy resin, a polyester resin, a polyamide resin, .
또한, 제1 섬유강화 복합재는 강도 특성이 우수한 탄소섬유강화 복합재가 될 수 있고, 제2 섬유강화 복합재는 충격 특성이 우수한 유리섬유강화 복합재가 될 수 있다.Further, the first fiber-reinforced composite material may be a carbon fiber-reinforced composite material having excellent strength characteristics, and the second fiber-reinforced composite material may be a glass fiber-reinforced composite material having excellent impact properties.
결국, 본 발명에서는 섬유강화 복합재층(30)의 원통부(32)에서는, 후프층(32a,32c)이 큰 지지 하중을 감당하도록 하면서, 헬리컬층(32b,32d)에 탄소섬유강화 복합재에 비해 상대적으로 충격 특성이 우수한 유리섬유강화 복합재, 즉 유리섬유로 보강된 복합재를 사용하여, 종래의 압력 용기에 비해 충격 특성이 보강될 수 있도록 한다.As a result, in the present invention, in the
이와 더불어, 본 발명에서는, 유리섬유강화 복합재가 탄소섬유강화 복합재에 비해 밀도가 낮고 상대적으로 가격이 저렴하므로, 원통부(32)의 헬리컬층(32b,32d)에 유리섬유강화 복합재를 사용함으로써, 종래의 압력 용기에 비해 경량화 및 원가 절감을 달성할 수 있는 이점이 있게 된다.In addition, in the present invention, since the glass fiber-reinforced composite material has a lower density and a relatively lower cost than the carbon fiber-reinforced composite material, by using the glass fiber-reinforced composite material for the
상기 후프층(32a,32c)의 경우 제1 섬유강화 복합재인 탄소섬유강화 복합재를 사용하여 형성할 수 있다.In the case of the hoop layers 32a and 32c, the first fiber-reinforced composite material may be formed using a carbon fiber-reinforced composite material.
반면, 돔부(33)에서는 후프층을 형성할 수 없기 때문에 헬리컬층(33a,33b)만으로 용기 내압 지지 및 하중을 감당하여야 하므로 강성 및 강도가 유리섬유강화 복합재에 비해 우수한 탄소섬유강화 복합재, 즉 탄소섬유로 보강된 복합재를 사용한다.On the other hand, since the hoop layer can not be formed in the
헬리컬층만으로 용기 내압 지지 및 하중을 감당하는 돔부에 유리섬유강화 복합재를 사용하여 보강하는 것은 강성 및 강도를 충족하지 못하므로 바람직하지 않으며, 돔부에서는 가압 시 응력이 균일하게 분포하여 강도 저하의 이유로 유리섬유강화 복합재가 아닌 탄소섬유강화 복합재를 사용하는 것이 바람직하다.It is not preferable to reinforce the dome portion supporting the internal pressure of the container and the load by using the glass fiber reinforced composite material because the stiffness and the strength are not satisfied. In the dome portion, stress is uniformly distributed during pressing, It is preferable to use a carbon fiber reinforced composite rather than a fiber reinforced composite.
또한, 압력 용기의 제작 시 헬리컬층을 형성함에 있어서, 헬리컬층을 위한 복합재 밴드(31)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 전체 길이 구간 중 원통부(32)가 되는 일정 구간이 유리섬유로 보강된 제2 섬유강화 복합재(31b)로 되어 있고 그 나머지 구간이 탄소섬유로 보강된 제1 섬유강화 복합재(31a)로 되어 있는 것을 사용한다.Further, in forming the helical layer in the production of the pressure vessel, as shown in Fig. 3, the
이때, 제1 섬유강화 복합재(31a)와 제2 섬유강화 복합재(31b)가 정해진 구간마다 반복되고 상기 두 종류의 섬유강화 복합재가 일체로 연속된 구성을 가지는 복합재 밴드(31)를 사용하며, 이러한 복합재 밴드를 도 3에 나타낸 바와 같이 저각으로 후프층(32a,32c) 위에 반복적으로 와인딩하여 헬리컬층(도 4에서 도면부호 32b,32d)을 형성한다.At this time, a
이 경우, 복합재 밴드(31)의 전체 길이 구간 중 돔부(33) 위치에 해당하는 구간(즉, 라이너의 곡선 돔부 및 보스에 와인딩되는 구간)이 제1 섬유강화 복합재(31a), 예를 들어 탄소섬유강화 복합재로 되어 있고, 원통부(32) 위치에 해당하는 구간(라이너의 직선 원통부에 와인딩되는 구간)이 제2 섬유강화 복합재(31b), 예를 들어 유리섬유강화 복합재로 되어 있으며, 상기 제1 섬유강화 복합재(31a)와 제2 섬유강화 복합재(31b)가 밴드(31)의 전체 구간에서 반복 배치되어 있으므로, 결국, 도 3에 나타낸 바와 같이, 복합재 밴드(31)를 헬리컬 방식으로 그냥 와인딩 해주면, 돔부(33)의 헬리컬층(33a,33b)은 제1 섬유강화 복합재(31a)에 의해 형성되고, 원통부(32)의 헬리컬층(32b,32d)은 제2 섬유강화 복합재(31b)에 의해 형성될 수 있다.In this case, a section corresponding to the position of the
도 3을 참조하면, 제2 섬유강화 복합재(31b)가 직선 부분인 원통부(32)에 와인딩됨을 보여주고 있으며, 이때 와인딩되는 복합재 밴드(31)의 제2 섬유강화 복합재(31b)는 도 4의 헬리컬층(32b,32d)을 형성하게 되는 것으로, 와인딩 시 원통부(32) 끝단을 기준으로 제2 섬유강화 복합재(31b)의 일부가 돔부(33) 쪽으로 넘어갈 수도 있다.Referring to FIG. 3, the second fiber-reinforced
이와 같이 하여, 본 발명에서는 라이너 표면에 적층되는 섬유강화 복합재층의 원통부에서 강도 보강의 기여도가 낮은 헬리컬층을 경량이면서 충격 특성이 더 우수하고 가격이 상대적으로 저렴한 제2 섬유강화 복합재(예, 유리섬유강화 복합재)를 사용하여 형성함으로써, 제작된 압력 용기의 충격 특성이 개선될 수 있고, 요구치를 충족하는 충분한 강도가 확보되면서도 압력 용기의 경량화가 달성될 수 있으며, 압력 용기의 경량화에 따라 수소중량효율을 높일 수 있게 된다.Thus, in the present invention, a helical layer having a low contribution of strength reinforcement in the cylindrical portion of the fiber-reinforced composite material layer laminated on the surface of the liner is made of a second fiber-reinforced composite material having a light weight, The impact characteristics of the manufactured pressure vessel can be improved and the weight of the pressure vessel can be achieved while ensuring sufficient strength to satisfy the requirement, and as the pressure vessel is made lighter, hydrogen Weight efficiency can be increased.
또한, 고가의 고강도 섬유강화 복합재의 사용량을 줄일 수 있어 원가 절감이 가능해지는 효과가 있게 된다.Further, the amount of expensive high-strength fiber-reinforced composite material can be reduced, thereby reducing cost.
참고로, 수소중량효율은 동일 중량의 용기에 상대적으로 얼마나 많은 양의 수소를 넣을 수 있느냐를 나타내는 지표로서, 수소가 완전 충전되어 있는 상태의 용기 전체 중량 대비 수소 중량으로 표기할 수 있고, 이때 단위는 wt%가 될 수 있다.
For reference, the hydrogen weight efficiency is an indicator of how much hydrogen can be put into a container of the same weight, and can be represented by the weight of hydrogen relative to the total weight of the container in which hydrogen is fully charged, Can be wt%.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. And are also included in the scope of the present invention.
10 : 라이너
20 : 보스
30 : 섬유강화 복합재층
31 : 복합재 밴드
31a : 제1 섬유강화 복합재(탄소섬유강화 복합재)
31b : 제2 섬유강화 복합재(유리섬유강화 복합재)
32a : 원통부의 제1 후프층
32b : 원통부의 제1 헬리컬층
32c : 원통부의 제2 후프층
32d : 원통부의 제2 헬리컬층
33a, 33b : 돔부의 헬리컬층10: Liner
20: Boss
30: Fiber-reinforced composite layer
31: Composite band
31a: First fiber-reinforced composite material (carbon fiber-reinforced composite material)
31b: Second fiber-reinforced composite material (glass fiber-reinforced composite material)
32a: first hoop layer of the cylindrical portion
32b: a first helical layer of the cylindrical portion
32c: second hoop layer of the cylindrical portion
32d: second helical layer of the cylindrical portion
33a, 33b: Helical layer of the dome
Claims (15)
상기 섬유강화 복합재층의 원통부는 라이너의 원통 부분 위에 적층 형성된 후프층과, 상기 후프층 위에 적층 형성된 헬리컬층을 포함하여 구성되고,
상기 섬유강화 복합재층의 돔부는 라이너의 양단 부분 위에 적층 형성된 헬리컬층을 가지며,
상기 돔부의 헬리컬층은 제1 섬유강화 복합재로 형성되고, 상기 원통부의 헬리컬층은 제2 섬유강화 복합재로 형성되며,
상기 원통부의 헬리컬층은 돔부의 헬리컬층에 일체로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기.
A fiber-reinforced composite material pressure vessel comprising a cylindrical portion having a fiber-reinforced composite material layer laminated on a liner, the fiber-reinforced composite material layer covering a cylindrical portion of the liner, and a dome portion covering both end portions of the liner,
Wherein the cylindrical portion of the fiber-reinforced composite material layer comprises a hoop layer laminated on a cylindrical portion of the liner, and a helical layer laminated on the hoop layer,
Wherein the dome portion of the fiber-reinforced composite material layer has a helical layer laminated on both end portions of the liner,
Wherein the helical layer of the dome is formed of a first fiber-reinforced composite material, the helical layer of the cylindrical portion is formed of a second fiber-
Wherein the helical layer of the cylindrical portion is integrally connected to the helical layer of the dome portion.
상기 제1 섬유강화 복합재는 탄소섬유강화 복합재이고, 상기 제2 섬유강화 복합재는 유리섬유강화 복합재인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기.
The method according to claim 1,
Wherein the first fiber-reinforced composite material is a carbon fiber-reinforced composite material, and the second fiber-reinforced composite material is a glass fiber-reinforced composite material.
상기 제1 섬유강화 복합재는 제2 섬유강화 복합재에 비해 강도가 큰 섬유강화 복합재인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기.
The method according to claim 1,
Wherein the first fiber-reinforced composite material is a fiber-reinforced composite material having a higher strength than the second fiber-reinforced composite material.
상기 제2 섬유강화 복합재는 제1 섬유강화 복합재에 비해 내충격성이 큰 섬유강화 복합재인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기.
The method according to claim 1,
Wherein the second fiber-reinforced composite material is a fiber-reinforced composite material having higher impact resistance than the first fiber-reinforced composite material.
상기 섬유강화 복합재층의 원통부는 라이너의 원통 부분 위에 적층 형성된 후프층과, 상기 후프층 위에 적층 형성된 헬리컬층을 포함하여 복수 개의 후프층과 헬리컬층이 교대로 반복 적층된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기.
The method according to claim 1,
Wherein the cylindrical portion of the fiber-reinforced composite material layer has a structure in which a plurality of hoop layers and a plurality of helical layers are alternately repeatedly stacked, including a hoop layer formed on the cylindrical portion of the liner and a helical layer laminated on the hoop layer Fiber reinforced composite pressure vessel.
상기 섬유강화 복합재층의 원통부는 라이너의 원통 부분 바로 위에 적층 형성된 제1 후프층과, 상기 제1 후프층 위에 적층 형성된 제1 헬리컬층과, 상기 제1 헬리컬층 위에 적층 형성된 제2 후프층과, 상기 제2 후프층 위에 적층 형성된 제2 헬리컬층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기.
The method according to claim 1 or 5,
Wherein the cylindrical portion of the fiber-reinforced composite material layer comprises a first hoop layer laminated directly on the cylindrical portion of the liner, a first helical layer laminated on the first hoop layer, a second hoop layer laminated on the first helical layer, And a second helical layer laminated on the second hoop layer.
상기 제1 헬리컬층과 제2 헬리컬층은 각각 돔부의 헬리컬층에 일체로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기.
The method of claim 6,
Wherein the first helical layer and the second helical layer are integrally connected to the helical layer of the dome portion.
상기 라이너의 원통 부분 위에 섬유강화 복합재 밴드를 와인딩하여 상기 원통부의 후프층을 형성하는 단계; 및
상기 후프층 및 라이너의 양단 부분 위에 섬유강화 복합재 밴드를 와인딩하여 상기 원통부 및 돔부의 헬리컬층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 원통부 및 돔부의 헬리컬층을 형성하는 단계에서,
상기 돔부의 헬리컬층은 제1 섬유강화 복합재에 의해 형성하고, 상기 원통부의 헬리컬층은 제2 섬유강화 복합재에 의해 형성하며,
상기 헬리컬층을 형성하기 위한 섬유강화 복합재 밴드는,
전체 길이 구간 중, 와인딩 시 돔부 위치에 해당하는 구간이 제1 섬유강화 복합재로 구성되고, 나머지 원통부 위치에 해당하는 구간이 제2 섬유강화 복합재로 구성되며, 상기 제1 섬유강화 복합재 구간과 제2 섬유강화 복합재 구간이 일체로 연속되어 교대로 반복 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기의 제조 방법.
A method of manufacturing a fiber reinforced composite material pressure vessel, comprising: forming a fiber-reinforced composite material layer on a liner, the fiber-reinforced composite material layer including a cylindrical portion covering a cylindrical portion of the liner and a dome portion covering both end portions of the liner As a result,
Forming a fibrous reinforcing composite band on the cylindrical portion of the liner to form a hoop layer of the cylindrical portion; And
And forming a helical layer of the cylindrical portion and the dome by winding a fiber-reinforced composite band on both end portions of the hoop layer and the liner,
In the step of forming the helical layer of the cylindrical portion and the dome portion,
Wherein the helical layer of the dome is formed by a first fiber-reinforced composite material, the helical layer of the cylindrical portion is formed by a second fiber-
The fiber-reinforced composite band for forming the helical layer comprises:
A section corresponding to the dome portion position during winding is constituted by the first fiber reinforced composite material and a section corresponding to the position of the remaining cylindrical portion is constituted by the second fiber reinforced composite material, Reinforced composite material sections are integrally and continuously arranged alternately and repeatedly.
상기 제1 섬유강화 복합재는 탄소섬유강화 복합재이고, 상기 제2 섬유강화 복합재는 유리섬유강화 복합재인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기의 제조 방법.
The method of claim 9,
Wherein the first fiber-reinforced composite material is a carbon fiber-reinforced composite material, and the second fiber-reinforced composite material is a glass fiber-reinforced composite material.
상기 제1 섬유강화 복합재는 제2 섬유강화 복합재에 비해 강도가 큰 섬유강화 복합재인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기의 제조 방법.
The method of claim 9,
Wherein the first fiber-reinforced composite material is a fiber-reinforced composite material having a higher strength than the second fiber-reinforced composite material.
상기 제2 섬유강화 복합재는 제1 섬유강화 복합재에 비해 내충격성이 큰 섬유강화 복합재인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기의 제조 방법.
The method of claim 9,
Wherein the second fiber-reinforced composite material is a fiber-reinforced composite material having higher impact resistance than the first fiber-reinforced composite material.
상기 원통부의 후프층을 형성하는 단계; 및 상기 원통부 및 돔부의 헬리컬층을 형성하는 단계를 반복 실시하여,
상기 섬유강화 복합재층의 원통부가 라이너의 원통 부분 위에 적층 형성된 후프층과, 상기 후프층 위에 적층 형성된 헬리컬층을 포함하여 복수 개의 후프층과 헬리컬층이 교대로 반복 적층된 구조를 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기의 제조 방법.
The method of claim 9,
Forming a hoop layer of the cylindrical portion; And forming a helical layer of the cylindrical portion and the dome portion,
A structure in which a plurality of hoop layers and a plurality of helical layers are alternately and repeatedly stacked including a hoop layer in which a cylindrical portion of the fiber-reinforced composite material layer is laminated on a cylindrical portion of the liner, and a helical layer laminated on the hoop layer Wherein the fiber reinforced composite material pressure vessel is made of a thermoplastic resin.
상기 원통부의 후프층을 형성하는 단계; 및 상기 원통부 및 돔부의 헬리컬층을 형성하는 단계를 반복 실시하여,
상기 섬유강화 복합재층의 원통부가 라이너의 원통 부분 바로 위에 적층 형성된 제1 후프층과, 상기 제1 후프층 위에 적층 형성된 제1 헬리컬층과, 상기 제1 헬리컬층 위에 적층 형성된 제2 후프층과, 상기 제2 후프층 위에 적층 형성된 제2 헬리컬층으로 구성되도록 하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기의 제조 방법.The method of claim 9,
Forming a hoop layer of the cylindrical portion; And forming a helical layer of the cylindrical portion and the dome portion,
A first hoop layer on which a cylindrical portion of the fiber-reinforced composite material layer is laminated directly on a cylindrical portion of the liner, a first helical layer laminated on the first hoop layer, a second hoop layer laminated on the first helical layer, And a second helical layer laminated on the second hoop layer.
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