KR101871283B1 - 플라스틱제 압력가스용기 - Google Patents

플라스틱제 압력가스용기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기밀성이 향상된 플라스틱제 압력가스용기가 제공된다. 본 발명의 플라스틱제 압력가스용기는, 수지재료로 된 내부라이너층 및 외부라이너층과; 상기 내부라이너층 및 외부라이너층 사이에 개재되며 상기 내부라이너층 및 외부라이너층보다 가스투과도가 낮은 수지재료로 이루어진 차폐층과; 상기 차폐층, 상기 내부라이너층 및 외부라이너층 중 적어도 어느 하나의 표면에 적층되는 나노입자층으로 이루어진 적층구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

플라스틱제 압력가스용기{GAS TANK}
본 발명은 기밀성을 갖는 플라스틱제 압력가스용기에 관한 것이다.
액화가스(LPG, LNG)용 압력가스용기는 금속제 가스용기에서 무게를 가볍게 하기 위하여 플라스틱제로 대체되고 있는 추세이다. 플리스틱제 가스용기는 기본적으로 폴리에틸렌 등의 수지재료를 블로우몰딩 성형법에 의해 만들어지며, 강도 보강을 위해 외표면에 FRP(fiber reinforced plastics) 등의 보강층이 적층된다.
하지만, 플라스틱제 압력가스용기에 널리 사용되는 폴리에틸렌 등의 통상의 수지재료는 강도가 우수하고 저렴하며 성형이 용이하다는 장점이 있으나, 불가피하게 어느 정도 가스의 투과가 발생한다. 그래서 수지재료의 가스투과도가 높은 경우에는 플라스틱제 압력가스용기로서 사용할 수 없도록 하는 규제가 가해지기도 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 기밀성이 향상된 플라스틱제 압력가스용기를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 수지재료로 된 내부라이너층 및 외부라이너층과; 상기 내부라이너층 및 외부라이너층 사이에 개재되며 상기 내부라이너층 및 외부라이너층보다 가스투과도가 낮은 수지재료로 이루어진 차폐층과; 상기 차폐층, 상기 내부라이너층 및 외부라이너층 중 적어도 어느 하나의 표면에 적층되는 나노입자층으로 이루어진 적층구조를 갖는 것을 특징으로 하는 플라스틱제 압력가스용기에 의해 달성된다. 가스투과도가 낮은 재료를 이용하며, 나노입자층을 코팅하여 플라스틱제 압력가스용기의 기밀성을 향상시킨다.
여기서, 상기 내부라이너층 및 외부라이너층의 수지재료는 폴리에틸렌이며, 상기 차폐층의 수지재료는 폴리아미드일 수 있다. 내부라이너층 및 외부라이너층을 폴리에틸렌으로 제조하여 강도를 유지하며, 차폐층을 폴리아미드로 제조하여 기밀성을 향상시키는 것이다.
그리고, 상기 나노입자층은 25nm이하의 입자크기를 가지는 규소산화물을 포함하는 코팅제를 이용하여 형성된 코팅층일 수 있다. 이에 의해 플라스틱제 압력가스용기의 기밀성을 더욱 향상시킬 수 있다.
여기서, 가스의 입출되는 관상의 유동로를 형성하며, 외표면의 체결나사부와, 상기 외부라이너층의 적층단면이 노출되는 개구단을 갖는 네크부와; 상기 개구단의 영역에서 상기 개구단을 포함한 상기 네크부의 외표면과 내표면을 수용하며 맞물리는 캡보스와; 상기 캡보스 내에 수용되어 상기 개구단과 접촉하는 실링부재를 더 포함할 수 있다. 네크부와 캡보스 사이에 오링을 개재하여 기밀성을 향상시키며, 캡보스을 네크부의 외표면과 내표면을 수용하도록 하여 네트부의 외형변형을 최소화하여 플라스틱제 압력가스용기의 안정성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기 캡보스에 연결되며 상기 플라스틱제 압력가스용기로 가스가 입출되도록 개폐 가능한 밸브유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 다층 플라스틱 적층구조와 나노입자 코팅층을 구비함으로써 기밀성이 향상된 플라스틱제 압력가스용기가 제공된다.
또한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 캡보스 영역의 기밀 구조를 강화함으로써 기밀성은 더욱 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라스틱제 압력가스용기의 사시도이며,
도2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라스틱제 압력가스용기의 분해사시도이고,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플라스틱제 압력가스용기의 단면을 상세히 나타내는 상세단면도이며,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플라스틱제 압력가스용기의 전하방출을 위한 구조를 나타내는 예시단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 플라스틱제 압력가스용기(1)를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라스틱제 압력가스용기(1)의 사시도이다. 도 1의 플라스틱제 압력가스용기(1)는 가스를 저장하는 가스탱크의 외관을 이루는 본체(10)를 갖는다. 본체(10)의 네크부(150)에 캡보스(20)이 체결되어 있다. 캡보스(20)의 상부에는 플라스틱제 압력가스용기(1)로 가스가 입출되도록 개폐 가능한 밸브유닛(40)가 연결되어 있다. 상세한 구성은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라스틱제 압력가스용기(1)의 분해사시도를 나타내는 도 2와 상세단면도를 나타내는 도 3을 이용하여 설명한다.
플라스틱제 압력가스용기(1)는 용기본체(10)는 복수의 수지를 이용하여 블로우성형법으로 다층을 이루도록 제조된다. 각각의 층은 수지 파이프관을 플라스틱제 압력가스용기(1) 형상의 금형(2)에서 블로우성형하여 형성된다. 외부라이너층(120), 차폐층(130) 및 내부라이너층(110)의 순서로 블로우성형되어 용기본체(10)를 이루게 된다. 이 용기본체(10)의 외표면에 FRP(fiber reinforced plastics) 등의 재료로 보강층(180)이 적층되어 있을 수 있다. 이에 의해 플라스틱제 압력가스용기(1)는 더욱 견고한 강도를 유지할 수 있다. 보강층(180)이 적층되면서 원형통의 형상을 형성하게 된다. 내부라이너층(110) 및 외부라이너층(120)은 폴리에틸렌 등의 수지재료로 구성될 수 있다.
폴리에틸렌 등의 수지재료는 용기로 제조되었을 경우 강도가 강하며, 저렴한 장점을 가지고 있으며 성형이 매우 용이한 재료이다. 하지만 폴리에틸렌 등의 수지재료는 가스투과도가 다른 수지재료보다 비교적 높아 누설량이 적지 않은 편이다. 이러한 폴리에틸렌의 수지재료를 이용한 플라스틱제 압력가스용기(1)의 가스투과도로 인한 누설을 방지하기 위하여 가스투과도가 비교적 낮은 폴리아미드의 수지재료를 이용하여 차폐층(130)을 형성한다. 폴리아미드의 수지재료는 강도는 폴리에틸렌의 수지재료보다 약하나 가스투과도가 월등히 낮아 다층으로 형성되는 내부라이너층(110)과 외부라이너층(120) 사이에 개재되어 플라스틱제 압력가스용기(1)의 기밀성을 향상시킨다. 여기서, 폴리아미드의 수지재료는 가스투과도가 폴리에틸렌의 수지재료보다 상당히 낮아 기밀성이 좋으나 여전히 가스는 플라스틱제 압력가스용기(1) 내에서 외부로 누설될 수 있으므로 나노입자층(140)을 차폐층(130), 내부라이너층(110)과 외부라이너층(120) 중 적어도 하나의 층에 코팅을 하여 플라스틱제 압력가스용기(10)의 가스투과도를 더욱 낮게 만든다.
폴리에틸렌와 폴리아미드 등의 수재재료에는 구조 상에서 미세한 기공이 존재할 수 있는데 이 기공의 크기가 나노입자의 크기 수준으로 형성되므로 나노입자의 코팅제로 미세 기공을 막아서 기밀성을 향상시키는 것이다. 나노입자층(140)은 25nm이하의 입자크기를 가지는 규소산화물을 포함하는 코팅제를 이용하여 형성된 코팅층일 수 있다. 규소산화물은 실리카(SiO2)일 수 있으며, 실리카의 나노입자가 폴리에틸렌 수지, 폴리아미드 수지의 가스투과구조를 차단하여 기밀성은 향상될 수 있다. 나노입자층(140)의 코팅제는 25nm이하의 입자크기를 가지는 것이 바람직하다. 나노입자는 100nm이하의 입자를 가리키며 코팅제로 사용될 수 있지만 폴리에틸렌과 폴리아미드의 수지재료는 블로우성형을 하였을 경우 25nm 이하의 미세기공이 주로 형성된다. 그러므로, 25nm 이하 나노입자의 코팅제가 25nm 이상 나노입자의 코팅제보다 기밀성을 더욱 향상시킨다. 상기에서는 코팅제를 규소산화물의 재료일 수 있다고 하였으나, 화학적, 물리적으로 매우 안정적인 물성의 재료인 것이 바람직하다. 이 외의 코팅제 재료로는 퍼히드로 폴리시라잔 (Perhydropolysilazane), 무기질 폴리시라잔 (Inorganic polysilazane), 유기질 폴리시라잔 (Organic polysilazane), 불소계 화합물, 실리콘계 화합물 등 일 수 있다.
용기본체(10)는 가스의 입출되는 관상의 유동로를 형성하며, 외표면의 체결나사부(152)와, 외부라이너층(120)의 적층단면이 노출되는 개구단(154)을 갖는 네크부(150)가 형성되어 있다.
플라스틱제 압력가스용기(1)는 개구단(154)의 영역에서 개구단(154)을 포함한 네크부(150)의 외표면과 내표면을 수용하며 맞물리는 캡보스(20)을 갖는다. 캡보스(20)은 내측면에 암나사산이 형성되어 있어서 네크부(150)의 체결나사부(152)에 맞물려서 체결된다. 캡보스(20)은 네크부(150)를 수용할 수 있는 형상을 이루며 네크부(150)의 내표면을 밀착함으로써 맞물리게 된다. 이에 의해 네크부(150)는 그 형상이 외압 또는 내압에 의해 변경되는 것을 방지할 수 있다. 캡보스(20)은 네크부(150)의 내표면을 밀착하도록 하고 있으나 그 형상에는 한정되지는 않는다. 네크부(150)의 내표면을 밀착하는 캡보스(20)의 개구지지부(158)의 반경은 캡보스(20)의 네크부(150)로의 체결해제방향으로 갈수록 커지는 것일 수 있다. 이에 의해 캡보스(20)의 개구지지부(158)가 네크부(150)에 체결되면서 네크부(150)의 내표면에 더욱 밀착될 수 있다. 네크부(150)에 캡보스(20)가 체결되면 외표면에 FRP(fiber reinforced plastics) 등의 보강층(180)이 적층된다. 보강층(180)이 적층될 때는 캡보스(20)의 말단 형상이 네크부(150)와 체결방향의 가로방향으로 돌출된 플랜지 형상으로 마련되어 보강층(180)이 돌출된 캡보스(20)의 플랜지 형상의 부분을 덮음으로써 캡보스(20)가 네크부(150)에 견고하게 체결되어 있을 수 있으며, 기밀성이 향상되어 체결되어 있을 수 있다.
플라스틱제 압력가스용기(1)는 네크부(150)와 캡보스(20)가 체결되어 가스를 차단하고 있으나 외부로 누설될 수도 있는 것을 방지하기 위하여 네크부(150)의 개구단(154)에 캡보스(20)와 접촉하여 가스 누설을 방지하는 실링부재(30)를 더 포함할 수 있다. 플라스틱제 압력가스용기(1)가 다층으로 이루어지므로 각 층 사이로 내부의 가스가 누설될 수 있는 가능성이 존재하므로 실링부재(30)는 다층으로 이루어진 네크부(150)의 개구단(154) 전체를 접촉하여 실링이 되도록 넓게 형성되는 것이 바람직할 것이다. 다만, 개구단(154)에 형성된 실링부재수용부(156) 내에 수용되어 캡보스(20)와 접촉하여 가스 누설을 방지하는 실링부재(30)일 수도 있다. 실링부재(30)는 개구단(154)에 형성되어 있는 실링부재수용부(156)에 일부가 수용되어 캡보스(20)가 네크부(150)에 체결될 때 캡보스(20)와 네크부(150) 사이의 기밀성을 향상시킨다. 실링부재(30)가 개구단에 형성된 실링부재수용부(156)에 위치하여 기밀성을 향상할 수 있지만 이에 한정되지 않으며 캡보스(20)와 네크부(150) 사이에서 기밀성을 향상시킬 수 있는 것이면 어느 것이든 가능하다.
캡보스(20)의 상부는 플라스틱제 압력가스용기(1)로 가스가 입출되도록 개폐 가능한 밸브유닛(40)가 연결될 수 있도록 내측면에는 나사산이 형성되어 있을 수 있다. 캡보스(20) 내측면에 형성된 나사산은 내부로 갈수록 좁아지도록 형성되어 있어서 밸브유닛(40)이 결합될 때 대응되는 형상의 숫나사산이 캡보스(20) 내측면에 형성된 나사산과 물리면서 더욱 견고하게 결합이 될 수 있다. 밸브유닛(40)과 캡보스(20)의 결합은 이에 한정되는 것은 아니며 밸브유닛(40)이 캡보스(20)에 원터치로 연결되도록 그 형상을 하고 있을 수도 있다. 밸브유닛(40)가 캡보스(20)에 연결되어 가스를 이송시킬 수 있는 형태이면 어느 것이든 가능하다.
플라스틱제 압력가스용기(1)는 외부라이너층(120), 차폐층(130), 나노입자층(140) 및 내부라이너층(110)이 블로우성형이되어 용기본체(10)를 형성하면 외측면으로 수지를 함침시킨 다수의 탄소섬유나 유리섬유 FRP(fiber reinforced plastics)를 원주방향과 길이방향과 같은 다양한 방향으로 와인딩하여 플라스틱제 압력가스용기(1) 내압 하중을 보다 많이 견딜 수 있도록 한다. 이렇게 외부처리를 하여 화재 등에 견딜 수 있도록 할 수 있다.
플라스틱제 압력가스용기(1)는 외부로부터 가스를 충전하게 되는데 플라스틱제 압력가스용기(1) 내에 정전기 등과 같은 전하가 외부로 방출되지 않고 축적되어 있을 수 있다. 이렇게 플라스틱제 압력가스용기(1) 내부에 전하가 남아 있지 않고 외부로 방출될 수 있도록 플라스틱제 압력가스용기(1) 일 부분의 구조를 도 4와 같이 마련할 수 있다.
플라스틱제 압력가스용기(1)에 대하여 외향 돌출된 돌기를 마련하는데 돌기의 중앙부분은 내부라이너층(110)과 일체로 형성된 접지부(160)로 형성되며, 접지부(160)를 둘러싸는 돌기의 외곽부분은 외부라이너층(120)에서 일체로 연장되어 접지부(160)를 외부에 노출되도록 안내하는 가이드부(170)로 형성되도록 할 수 있다. 노출된 접지부(160)는 V자형으로 내부방향으로 함몰되어 있을 수 있다. 플라스틱제 압력가스용기(1) 내부의 전하가 외부로 방출되어야 하는 것이므로 꼭지점 형상을 만들어 주는 것이 바람직하다. 노출된 접지부(160)가 V자형으로 함몰되어 있다고 하였으나 꼭지점과 같은 역할을 할 수 있는 원뿔형, 사각뿔형 등 뿔형상으로 함몰되어 있을 수 있으며 바늘과 같은 형상으로 꼭지점이 형성되어 있을 수 있다. 함몰되어 있는 형상은 한정되지 않는다. 내부라이너층(110)이 연장되어 있는 접지부(160)이므로 내부라이너층(110)에 포함되어 성형된 카본블랙 성분이 축적된 전하 및 플라스틱제 압력가스용기(1) 내부에서 발생한 전하 등을 접지부(160)로 순간적으로 이동시켜 가스가 충전되면서 발생될 수 있는 안전사고를 방지할 수 있다. 내부라이너층(110)은 카본블랙 성분이 혼합되어 있어 전하를 접지부(160)로 이동시키며 플라스틱제 압력가스용기(1)를 적당한 곳에 비치하면 땅이나 다른 도전성 재료에 접촉하여 전하를 방출할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 플라스틱제 압력가스용기(1)는 블로우성형법을 이용하여 제조된다.
블로우성형을 하기 위한 플라스틱제 압력가스용기(1)의 외형을 가진 금형으로 외부라이너층(120)을 형성하기 위한 폴리에틸렌 관이 이동한다. 금형이 폴리에틸렌 관을 수용할 수 있도록 분리되면서 폴리에틸렌 관이 분리된 금형의 사이에 이동하여 위치하고 분리된 금형의 사이에 위치된 폴리에틸렌 관의 상부로 블로우성형기의 노즐이 삽입된다. 분리된 금형이 폴리에틸렌 관의 상부와 하부를 물면서 합쳐진다. 이후 금형이 폴리에틸렌 관의 상부와 하부를 집어서 공기가 빠져 나가지 않게 한 후 금형의 내부를 폴리에틸렌 관의 블로우성형에 적절한 온도로 만들어주고 상부에 위치한 블로우성형기의 노즐에서 가스를 불어넣어 성형을 하면 금형의 내부면 형상에 대응하도록 폴리에틸렌 관이 외부라이너층(120)을 형성하게 된다. 이와 같이 차폐층(130)도 폴리아미드 수지를 외부라이너층(120) 위에 적층 성형한다.
차폐층(130)이 형성된 후에 노즐에서 나노입자층(140)을 형성하기 위한 25nm이하의 입자크기를 가지는 규소산화물을 포함하는 액체코팅제를 차폐층(130)의 내측에 분사한다. 분사된 액체코팅제가 차폐층(130)의 내측에 묻은 채로 굳어져서 나노입자층(140)이 형성되도록 약한 바람을 노즐을 통해 불어넣을 수도 있다. 나노입자층(140)이 형성되면 폴리에틸렌 관(5)를 이용하여 블로우성형을 하여 내부라이너층(110)을 형성한다. 상기와 같이 블로우성형법을 이용하여 플라스틱제 압력가스용기(1)를 성형하여 제조할 수 있으나 이에 한정하지는 않는다. 상기의 예시에서는 차폐층(140)과 내부라이너층(110) 사이에 나노입자층(140)이 형성되어 있지만 나노입자층(140)은 차폐층(140)과 외부라이너층(120)이나 내부라이너층(110) 내측면에 코팅되어 있을 수도 있다.
이후 네크부(150)에 캡보스(20)를 체결하고 캡보스(20)의 플랜지 부분을 포함하여 FRP(fiber reinforced plastics)를 덮어서 더욱 더 견고한 보강층(180)을 형성한다. 이에 의해 플라스틱제 압력가스용기(1)는 제조된다.
이렇게 가스투과도가 낮은 폴리아미드 등의 수지재료의 차폐층(130)을 형성하고 나노입자층(140)을 코팅함으로써 플라스틱제 압력가스용기(1)의 가스 누설을 최대한 방지할 수 있게 된다. 이에 가스누설로 인한 관련규제기준에 대하여 적합한 플라스틱제 압력가스용기(1)를 제공할 수 있으며, 이렇게 기밀성이 향상된 플라스틱제 압력가스용기(1)로 인하여 안전사고가 예방될 수 있으며 가스누설로 인한 냄새의 대기오염을 감소시킬 수 있다.
1 : 플라스틱제 압력가스용기 10 : 용기본체
20 : 캡보스 30 : 실링부재
40 : 밸브유닛 110 : 내부라이너층
120 : 외부라이너층 130 : 차폐층
140 : 나노입자층 150 : 네크부
152 : 체결나사부 154 : 개구단
156 : 실링부재수용부 158 : 개구지지부
160 : 접지부 170 : 가이드부
180 : 보강층 210 : 밸브체결나사부

Claims (5)

  1. 기밀성을 갖는 플라스틱제 압력가스용기에 있어서,
    수지재료로 된 내부라이너층 및 외부라이너층;
    상기 내부라이너층 및 외부라이너층 사이에 개재되며 상기 내부라이너층 및 외부라이너층보다 가스투과도가 낮은 수지재료로 이루어진 차폐층;
    가스의 입출되는 관상의 유동로를 형성하며, 외표면의 체결나사부와, 상기 외부라이너층의 적층단면이 노출되는 개구단을 갖는 네크부;
    상기 개구단의 영역에서 상기 개구단을 포함한 상기 네크부의 외표면과 내표면을 수용하며 맞물리며 말단 형상이 상기 네크부와 체결방향의 가로방향으로 돌출된 형상으로 마련되는 캡보스;
    상기 캡보스 내에 수용되어 상기 개구단과 접촉하는 실링부재; 및
    상기 네크부와 체결방향의 가로방향으로 돌출된 상기 캡보스의 말단 및 상기 외부라이너층을 덮으며 적층되는 보강층을 포함하며,
    상기 차폐층, 상기 내부라이너층 및 외부라이너층 중 적어도 어느 하나의 표면에 적층되는 나노입자층으로 이루어진 적층구조를 갖는 것을 특징으로 하는 플라스틱제 압력가스용기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 내부라이너층 및 외부라이너층의 수지재료는 폴리에틸렌이며, 상기 차폐층의 수지재료는 폴리아미드인 것을 특징으로 하는 플라스틱제 압력가스용기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 나노입자층은 25nm이하의 입자크기를 가지는 규소산화물을 포함하는 코팅제를 이용하여 형성된 코팅층인 것을 특징으로 하는 플라스틱제 압력가스용기.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡보스에 연결되며 상기 플라스틱제 압력가스용기로 가스가 입출되도록 개폐 가능한 밸브유닛을 더 포함하는 플라스틱제 압력가스용기.
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