KR101925679B1 - 와이어 감은 압력 용기 - Google Patents

Abstract

본 발명인 와이어 감은 압력용기는 와이어의 단순 1차원 인장력만으로 내압을 견딜 수 있는 효율적인 와이어 사용이 가능하도록한 와이어 강화 압력용기 구조로서 기존의 일체형인 용기 구조를 양단 덮개와 중앙부 실린더로 각각 제작 후 결합하여 와이어를 감음으로서 기존 와이어 강화 압력 용기에서의 각 와이어에 작용하는 응력상태가 변화하거나 불확실한 점이 없고, 최적의 와이어 감기 설계를 통해 모든 와이어 층이 작고 동일한 나선각과 응력이 발생하도록 설계가 용이하여 재료의 허용 강도와 강성을 최대한 이용 가능함으로서 내압성능을 현저히 우수하도록 제작 가능하다. 또한 하중을 견디기 위한 내력재와 용기 내외부를 차단하는 실링재가 보다 분명히 분리되고 내력재와 실링재 각각에 적합한 재료 선택에 유연성을 가지며, 각 부재의 제작 시 내외, 전후 가 접근성 있는 구조가 됨으로서 부재의 제작 작업이 용이하고, 부재들의 결합에 용접이 이용되지 않음으로써 부재의 물성감소나 그로 인한 열처리, 비파괴 검사 등이 불필요하고 필요한 부재만 교체가 가능하여 유지, 보수가 용이하고 제작 및 관리 비용을 절감할 수 있다.

Description

와이어 감은 압력 용기{wire wound pressure vessel}

본 발명은 일체형 내압용기(耐壓容器)에 관한 것으로 액체 또는 기체를 수용하는 고압용기를 경량 및 저가로 효율적으로 제작하는 방법이다. 더욱 상세하게는, 새로운 구조의 채택을 통해 우수한 내압(耐壓) 성능을 구비하면서도 제작이 용이하고 재료의 효율을 높인 압력용기에 관한 것이다.

내압을 받는 용기는 일반적으로 양단이 반구형이고 중앙부가 원통형 직관형태로 제작되는데 프레스압축 및 가열 전조의 전용라인을 통해 일체형으로 양산된다. 보다 고압을 받는 용기는 외부에 카본 복합체 또는 금속재의 와이어를 감음으로서 용기의 내압 성능을 향상시킨다. 이러한 내압 밀폐용기로는 잠수용 산소탱크, 소방용 호흡기, 가스 자동차용 연료탱크, 미사일 등의 냉각제 및 자세제어용 가스 고압용기 등에 적용된다.

파이프와 호스 같은 경우는 와이어를 감아 내압 성능을 향상하는 것이 용이하며 수동 및 자동으로 실시된다. 도 6과 같은 밀폐형 와이어 강화 일체형 고압용기는 전용 설비에서 용기를 제작한 후 와이어를 감는데 이때 실린더의 원주방향은 용이하게 감을 수 있지만 축 방향은 감기가 용이하지 않아 전용설비를 사용하게 된다.
보다 상세하게는 일체형으로 제작된 양단이 반구형이고 중앙부가 직관형인 용기를 와이어로 보강할 때 축방향 감기에 있어서 나선각이 커지고 반구형과 직관의 연결부에서 와이어의 밀도가 달라지게 되므로 반구형과 실린더 직선부가 만나는 지점의 보강이 가장 적어 효율이 낮게되는 단점을 가진다.
따라서 이 비효율적 구조를 보완하기 위한 고안들이 제안되었다. 즉 내부 실린더 부분 용기가 두꺼워지거나 와이어 층수가 많아져야 하며 이로 인해 무게 상승과 비용증가 와이어 개수 증가로 인한 제작 시간이 증가하는 문제가 있고 그럼에도 불구하고 양단의 반구형과 원통형 실린더가 만나는 경계면의 내압 강도의 불연속 및 불확실한 보강과 함께 감아진 각각의 와이어에 불균일한 인장 변형율이 주어져 모든 와이어가 동일한 응력을 받지 않음으로 변형율이 큰 와이어부터 피로파괴가 시작되고 순차적으로 파단되게 되는 단점을 가진다.

한편, 산업용 고압용기의 경우 원주방향 압력은 실린더에 와이어를 감아 사용하고 축방향 압력은 양단 또는 일단에 적용된 개폐형 덮개를 보통 와이어로 강화된 요크를 통해 지지하도록 한다. 이 분리형 와이어 강화 고압용기에서 실린더는 요크에서 분리 및 결합되도록 이동되는데 이것은 실린더 내부에 작업물을 넣고 작업 완료 후 빼내어야 하는 필요성에 의하여 형성된 구조이다.

한편 이러한 분리형 와이어 강화 고압용기는 일체형 와이어 강화 고압용기에 비해 매우 향상된 내압 성능을 가질수 있도록 와이어 사용이 효율적이지만 요크가 필요하고 실린더는 양단에 강성을 부가하기 위한 플랜지 부분을 남기고 와이어가 감기는 부분을 가공하여야 하므로 이로 인해 비용이 증가한다.

본 발명은 일체형 와이어 강화 고압용기를 효율적으로 제작하기 위해 실린더와 양단 덮개를 분리 제작한 후 다시 조립하여 와이어를 감음으로서 분리형 와이어 강화 압력용기의 실린더 및 요크의 밀폐 기능과 지지 기능을 통합하도록 고안한 일체형 와이어 강화 고압용기로서 분리형 와이어 강화 고압용기와 같은 효율로 와이어에 의한 강화가 가능하면서 실린더와 덮개의 각 부품의 양산성이 증대되며 전용 제작 장비가 불필요하다.

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특허 10-2010-0017993 : 밀폐 구조의 고압용기 ­국내 고압용기 설계는 밀폐성 유지에 초점을 두고 있으며 고압에서 내압 성능이나 수명예측이나 향상부분에 미진하다.

2)특허 10-2011-0107917 : 딥드로잉을 이용한 가정용 고압용기 제조방법 ­용기 외벽에 탄소섬유 또는 유리섬유 와이어로 외부를 감싸고 그 위를 에폭시 수지 층으로 덮는다. 공정이 복잡하고 생산성이 떨어지며 축방향 와인딩의 문제를 적시하지 못하며 산업용으로 확산이 낮으며 압력을 높이거나 용기의 수명을 제어하기 어렵다.

이를 보완하기 위한 방안으로 용기를 허니콤(Honey comb)으로 형상 설계하여 무게당 강도를 높이려는 고안이 있으나 고압 용기의 경우 역시 와이어를 감기가 어렵고 복잡한 제작공정이 필요하여 생산성 저하 및 생산원가 상승의 문제점이 있고 제작 후 내부공간이 협소하여 압력용기의 체적당 용량이 떨어지는 문제점이 있다.

3)특허 10-2013-0046665 고압용기 및 그 제조방법 4)특허 20-2007-0005425 공기호흡기용 고압용기 두 특허는 고압용기의 피로수명 및 허용 내압을 증가시키는 방법으로 와이어 감기 외에 보강 층을 설치하는 방법을 사용한다. 이 경우 보강 층을 만큼 무게가 증가하고 역시 체적당 용량이 감소하는 단점이 있으며 특히, 요구되는 피로수명을 제어하기가(예측하기가) 매우 어렵다

200910149113(US 8,038,029 B2) 미국의 GM사는 와이어 감기(Wire-wound) 기술을 통한 고압용기의 피로수명 및 허용압력 상승 기술을 보유하나 그림에서 보는 바와 같이 고압용기의 길이 방향 및 사선 방향으로 이루어지고 있으며 공정상 대형 용기에 적용하기 어려워 차량용 소형 용기에 적용되어 진다.

6)특허 PCT/JP2012/066714 고압용기 외벽에 보강 층을 설치하는 방법으로 국내 특허 기술과 유사한 기술이며 보강 층이 내부 용기의 모서리까지 일체형으로 적용되고 피로수명 및 허용 내압이 상승가능하다.

7)특허 PCT/JP2004/012709

-와이어 감기 기술에 탄소섬유를 효율적으로 적용하여 고압 용기의 피로수명 및 허용압력을 상승 시키는 기술이다. 탄소섬유의 특성상 유지보수가 어렵고 생산원가가 높아 산업에 확대 적용하기 어려운 단점이 있다.

본 발명은 전술한 일체형 와이어 강화 압력용기의 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 인장강도가 우수한 와이어를 감아 보강된 효율적인 고압용기를 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에서는 와이어를 감는 용기 구조를 실린더 및 덮개로 분리해 만든 후 다시 함께 조립한 후 와이어를 감음으로서 각부품이 제작이 용이하도록 하면서 저렴하고 와이어의 효율이 극대화된 일체형 압력용기가 되도록 하는데 목적이 있다.

이 방법으로 인해 압력용기가 받는 응력은 축방향 및 반경 방향 압력을 모두 해당 방향의 와이어의 1차원 인장하중만 작용되고 그로인해 고압용기 설계가 간단하고 모든 와이어가 동일한 인장력을 받도록 용이하게 설계 및 제작이 가능하며 보다 바람직하게는 각 압력용기의 각각의 부위가 동일한 부하 응력을 가지도록 최적화 가능하여 재료의 활용 효율이 높아지는 고압용기를 제작 가능하도록 하는 데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 용기를 이루는 실린더 및 덮개 요소를 현재의 전용 용기 제작 설비 없이 압출과 단조, 압연 등의 일반적인 제작 장비로 해당 부품에 필요한 고도의 특성부여가 가능하도록 한데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 용기를 이루는 직관 실린더 및 양단 덮개 및 실링 부품은 각각 제작하기 용이한 형태인 분리된 채로 제작하고 조립 전에는 모든 부재가 내외, 전후 어느 방향에서도 용이하게 접근 가능하여 당해 재료의 압출, 전조, 압연, 단조, 표면 처리, 기계가공 등 일반적인 제작 작업으로 특성 부여가 용이하며 실린더와 덮개의 경계에서 수용 매체의 특성과 용기의 용도에 따라 특수한 실링 구조나 다양한 목적의 입구 및/또는 출구를 덮개에 구성하기 용이하도록 한데 목적이 있다.

또한 본 발명은 하중을 견디기 위한 내력 요소인 와이어와 용기 내외부를 차단하는 실링 요소, 즉 실린더, 덮개 및 시일이 분명하게 분리됨으로써 내력 요소와 실링 요소 각각의 기능에 충실한 재료 선택의 유연성을 확보할 수 있도록 한 고압용기를 제공하고자 하는 데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 기존의 일체형 압력용기 재료에서 원주방향 및 축방향 복합응력이 작용하는데 와이어의 활용이 특히 축 방향에서 높은 나선각이 필요하고 와이어의 접촉 면이 곡선이며 용기의 직선부와 곡선부가 만나는 부위에서는 급격한 경사면이 발생하여 나선각이 최대가 되고 와이어에 인장력이 걸리면 슬립이 발생하기 쉬우며 이러인해 와이어 재료의 허용응력에 비해 와이어 사용 효율이 저하되는 구조적 문제를 해결하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명으로 인한 와이어 및 와이어가 감긴 일체형 압력용기는 어느 특정 부위도 동일한 응력을 받도록 설계하거나 특정 부위를 낮은 강도로 설계함으로서 파괴의 부위를 미리 주어질수 있도록 하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명으로 인한 와이어 및 와이어가 감긴 일체형 압력용기는 실린더 및 덮개, 와이어, 가스켓 등 부재들의 결합에 용접이 이용되지 않음으로써 분리 제작 및 결합, 이동 및 해체 보관이 가능하고 필요 시 재 사용하거나 필요한 부재만 교체가 가능하여 제작, 정비, 유지, 보수가 용이하고 제작 및 관리 비용을 절감할 수 있도록 한 고압용기를 제공하고자 하는 데 목적이 있다.

또한, 본 발명으로 인한 와이어 및 와이어가 감긴 일체형 압력용기의 연결부 시일은 산업용 분리형 고압장치 및 진공 장치처럼 인듐, 동, 납, 고무 및/또는 실리콘 탄성체 등의 가스켓을 그대로 활용가능하여 현존 기술이나 부품의 적용에 어려움이 없도록 하는데 목적이 있다.

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상기한 문제점을 해결하고자 본 발명에서는 양단이 반구형인 기존의 압력용기 구조와 달리 양단을 반원통형 형상의 덮개로 별도 제작하여 직관 실린더와 결합함으로서 축방향 와이어를 감는 면이 마주보는 평행한 직선이 되어 와이어가 기존의 압력용기에서의 곡선면이 아닌 직선면에 감기도록 한다. 본 발명에서는 각 층과 열의 와이어를 감을 때 통상적으로 연속으로 왕복하며 감는것에 비해 특히 축방향에서 열별로 감음으로서 나선각을 영으로 만들 수 있고 열을 나누지 않고 연속하여 감는다면 와이어 폭을 축길이로 나눈 각도로서 나선각이 매우 작아지게 된다.

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상기한 바와 같은 과제해결수단을 통해, 본 발명인 압력용기는,

첫째, 기존의 압력용기에 비해 적은 와이어 사용으로도 동일한 축방향 강도를 줄수 있으므로 와이어 효율이 높아지고 중앙 실린더와 양단 반구형 경계에서 강도 저하가 없어 내압 성능이 현저히 우수할 수 있고,

둘째, 기존의 일체형으로 제작된 고압용기가 양단 반구형부에서 특히 중앙 실린더와 경계에서 복합응력이 작용하는데 비해 본 발명의 각 부재는 와이어와 실린더의 경우 단순 인장이 작용하고 덮개의 경우 단순 굽힘이나 후프 응력만 작용함으로서 설계가 용이하고,

셋째, 하중을 견디기 위한 내력 기능은 주로는 와이어가 부담하고 용기 내 외부를 차단하는 실링 기능은 그외 부재가 담당하는, 즉 두 가지 기능이 분리됨으로써 내력 기능과 실링 기능 각각의 기능에 적합한 재료 선택의 유연성을 확보할 수 있으며,

넷째, 본 발명의 부재들의 결합에 용접이 이용되지 않음으로써 용접으로 인한 국부적인 열화, 변형 등의 결함이 없으며, 정비가 필요시 필요한 부재만 교체가 가능하여 제작, 검사, 정비, 유지, 보수가 용이하고 제작 및 관리 비용을 절감할 수 있으며,

다섯째, 기존의 압력용기와 같이 전체를 제작하는 전용 설비가 불필요하여 일반 장비로 제작 가능하고,

여섯째 각 구성품이 최적화 하기가 용이하여 동일 압력의 고압용기라면 중량이 감소되는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 반원통형 형상의 덮개를 양단에 가진 압력용기의 최종 조립된 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실린더 부재의 단면 예로서 통상의 실린더 및, 격벽가진 실린더, 별도로 제작된 격벽이 삽입된 실린더이다.
도 3는 본 발명에 따른 압력용기를 도시한 분해사시도이다.
도 4은 본 발명에 따른 중앙 출입구를 가진 압력용기의 예로서 축방향 연속으로 감을 때 와이어 나선각을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 편심 출입구를 가진 압력용기의 예를 도시한 단면도이다.
도 6는 기존의 와이어 감긴 압력용기의 축방향 와이어 나선각을 도시한 단면도이다.

본 발명에 따른 압력용기의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 압력용기(1)는 양단 덮개(3)와 단면 형상이 길이방향을 따라 일정한 실린더(2)로 이루어진다. 여기서 양단 덮개는 반원통형을 보여준다.

여기서, 양단 덮개부(3)는 그림과 같이 중실(中實) 반원통(半원통)형이고 상기 실린더(2)는 중공(中空) 원통(圓筒)형으로 통상의 내압용기(內壓容器) 중앙부와 같은 직관 형태이거나 도 2에 도시된 바와 같이 압출 등의 방법으로 보강된 내부 형상이나, 내부 유체 충격적 이동 방지, 전기 화학적 반응 제어가 필요한 경우와 필요한 격자 구조의 내부부품을 가질 수 있다.

상기 축 방향 와이어(4)가 감기는 덮개(3)는 미리 필요한 가공을 끝내고 와이어를 감음에 따라 와이어에 굽힘 응력의 발생이 최소가 되도록 감는 자리가 일정한 크기의 반경을 가지고 마주보는 덮개는 평행하여 와이어가 감을 때 비틀어지지 않도록 하는 것이 바람직하다.

상기 덮개(3)는 와이어가 감기는 부분을 제외하고 두 개가 동일한 모양이 아니어도 되며 필요에 따라 출입구 및 취급을 위한 모양을 부여할 수 있다.

상기 시일은 압력용기(1)의 내부에 들어가는 유체가 외부로 유출되는 것을 방지하는 부재로서, 통상 표준화 되어 판매되는 부재로 내압이 커짐에 따라 밀착력이 높아지는 구조를 가지고 수용 유체와 접하여 반응하거나 변형 내지 변질되지 않는 특성이 있는 재료의 시일을 선택한다.

상기 와이어(4)는 단면이 둥근 또는 납작한 띠 형태를 가진 피아노 강선, 탄소섬유 또는 유리섬유, 탄소강화 유리섬유를 사용할 수 있다. 상기 와이어(4)는 항상 인장 상태로 존재하여야 하고 단순히 인장을 주어서 감을 뿐이며 최종적으로 용접이 아닌 볼트, 본딩, 몰딩 등의 기계적인 결합방식에 의해 실린더 또는 덮개에 고정됨으로서 자체의 물리적 특성을 변화시키지 않도록 함이 바람직하다.

상기한 바와 같은 구성을 통해, 본 발명에 따른 고압용기(1)는 내압이 작용 시에 내부 압력에 의해 발생한 힘이나 변형이 덮개(3) 및 실린더(2)를 통해 와이어(4)에 전달되며, 이때 상기 와이어(4)에서는 추가적인 인장 응력이 발생되어 내압을 견디게 된다.

그러므로 상기 와이어(4)는 인장에 대해 우수한 특성을 나타내는 재료를 선택하고 상기 실린더(2)은 압축에 대해 우수한 특성을 나타내는 재료를 선택하고, 덮개(3)는 압축과 굽힘 특성이 우수한 재료를 선택하면 된다.

그러므로 상기 와이어(4)는 앞서 언급한 바와 같이 인장 응력에 대해 우수한 피아노 강선이나, 탄소섬유 또는 유리섬유를 사용하고, 실린더(2)은 압축 응력에 대해 우수한 특성을 나타내는 세라믹, 강 또는 세라믹과 강의 복합 재료를 선택하여 사용할 수 있다.

이하, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 압력용기(1)의 제조방법에 대해 구체적으로 설명한다.

먼저, 양단 덮개(3)와 실린더(2)의 결합위치에 시일을 결합한 후 각자 분리되지 않도록 체결 볼트나 축 방향으로 누르는 지그 등의 적절한 수단으로 결합을 유지하게 한 후 실린더(2)을 보강하기 위한 와이어(4)를 먼저 감는다.

용기의 사용 압력에 따라 적절히 설계된 와이어 인장력과 층수로 실린더(2)에 감은 후 설계된 인장력과 층수로 양단 덮개(3)에 축 방향으로 와이어(4)를 감아 압력용기를 완성한다.

실린더(2)는 양단에 1개 이상의 시일를 면하고 덮개(3)와 함께 결합된 채 실린더(4) 외부에 원주방향으로 와이어(4)를 감음으로서 와이어의 장력에 의해 압축응력이 형성되고 와이어(4)의 장력에 의한 실린더의 수축에 의해 덮개(3)와 끼임이 생기며 실린더와 덮개는 결합이 된다.

이 원주 방향 감긴 와이어(4)는 실린더(2)의 원주 방향 수축을 고려하여 각층의 와이어가 설계된 인장 변형율(strain)이 되도록 감으며 최종적으로 내부에 압력이 주어질 때 각 층의 와이어는 모두 동일한 인장 응력(tensional stress)을 받도록 감는다. 상기 원주방향으로 와이어(4)를 감고 와이어 끝 부분은 그 자리에 본드나 체결 수단을 통해 고정한다.

다음으로, 축 방향으로 와이어(4)는 실린더(2)의 양단 덮개(3) 간에 다층으로 감으며 인장력을 주어 감는다. 와이어는 내압이 작용할 때 실린더(2)의 직경과 내부압력의 곱으로 생기는 축방향 힘을 견디고 와이어의 인장 변형에 의해 실린더(2)와 덮개(3)가 분리되지 않고 실링이 유지될 정도로 감아야 하며 감을 때 실린더(2)의 축 방향 수축을 고려하고 내부 압력이 작용 시 각층의 와이어가 설계된 인장 변형율(strain)이 되며 최종적으로 내부에 압력이 주어질 때 각 층의 와이어는 모두 동일한 인장 응력을 받도록 감는다. 상기 축 방향으로 와이어(4)를 감은 후 와이어 마지막 부분은 그 자리에 본드나 체결 수단을 통해 고정한다.
상기 와이어(4)는 그리스 등의 윤활 수단을 통해 각 층간의 미소한 변형율 차이를 흡수할 수 있도록 한다.
상기 와이어(4)를 감아 완성된 압력용기는 이를 외부와 차단하여 덮을 수 있는 덮개를 더 구비하여 와이어(4)를 보호할 수 있다.

상기한 방법으로 압력용기(1)의 기본 구성을 완성한 후 출입구는 덮개(3)의 미리 준비한 부분에 통상적인 탭핑 등의 수단에 의해 커넥터나 플랜지를 설치하여 다른 장치로 연결이 가능한 상태로 준비한다.

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원자로 압력용기, 가스 차량용 압력용기, 잠수호흡용 압력용기, 소방 호흡용 압력용기, 미사일 자세 제어용 압력용기, 인공위성용 위치제어용 압력용기, 적외선 센서 냉매용 압력 용기, 우주 발사체용 연료탱크, 헬륨등 저온 기화 운반 탱크 등

1 : 압력용기 2 : 실린더 3 : 덮개 4 : 와이어
5 : 격벽 6: 나선각(Helix angle) 7 : 출입구

Claims (11)

1. 양단 덮개와 단면 형상이 길이방향을 따라 일정한 실린더로 이루어지는 압력용기에 있어서,
   원통형 실린더,
   실린더 양단을 막아주는 반원통형 형상을 가진 덮개 및 실링재 및
   내압이 가해질 때 실린더의 원주방향 팽창력을 견디는 다층의 와이어 및
   내압이 가해질 때 양단부의 덮개에 축방향 작용력을 견디는 다층의 와이어로 구성되는 압력용기에서
   상기 실린더 및 덮개로 이루어진 압력용기는 모든 축 방향 감긴 와이어가 나선각이 없거나 동일한 나선각이며 와이어의 양단 덮개와의 접촉면이 직선으로 감김으로서 와이어의 전 폭에 걸쳐 동일한 변형율이 가능한 구조인 것을 특징으로 하는
   압력용기
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 덮개는,
   실린더,
   상기 실린더의 양단과 결합하고, 실린더의 수축을 방지하는 결합 부 턱이 있고 상기 축방향으로 와이어를 감을 수 있는 하나 이상의 반원통형 형상을 가지고 사용 유체가 내외부를 출입하는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는
   압력용기
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 실린더는 내부 유체의 충격적 유동을 방지하거나 전기 화학적 반응 제어를 위한 별도의 격벽형 내부 형상이나 부품을 가지는 것을 특징으로 하는
   압력용기
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