KR101987595B1 - 고압 용기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고압 용기에 관한 것으로, 연료전지 차량의 연료탱크 등으로 적용가능한 고압 용기의 돔부를 형성하기 위한 섬유복합재료의 적층 패턴 및 구조를 최적화하여 동일 중량 대비 효율적인 강도 및 강성 보강이 가능하도록 하는 고압 용기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 의하면, 고압 용기의 지지층 중 고압 용기 내압에 의한 응력이 집중되는 돔부의 취약부에 상대적으로 고강도의 섬유복합재료를 혼합하여 사용함으로써 파열 강도 및 강성을 증대할 수 있음은 물론, 돔부의 취약지점을 직접 보강하게 되므로 섬유복합재료의 사용량 및 와인딩 횟수/두께를 줄일 수 있으며, 이에 따라 고압 용기의 제조 비용을 절감할 수 있다.

Description

고압 용기 {High pressure tank}
본 발명은 고압 용기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 섬유복합재료의 적층 패턴 및 구조를 최적화하여 동일 중량 대비 효율적인 강도 및 강성 보강이 가능하도록 하는 고압 용기에 관한 것이다.
일반적으로 수소를 연료로서 사용하는 연료전지 차량은 고압의 가스 형태로 수소를 저장하기 위한 고압 용기로서 고압 연료탱크를 탑재한다.
상기 고압 연료탱크는 가스의 투과를 차단하는 내부의 라이너층과 탱크 내부 압력을 지지하는 외부의 지지층으로 구성되며, 상기 라이너층에는 플라스틱 재료가 주로 사용되고, 상기 지지층에는 고가의 섬유복합재료가 주로 사용된다.
예를 들어, 고압 연료탱크의 지지층에 많이 사용되는 탄소섬유복합재료는 탄소섬유를 강화 섬유로 사용한 복합재료로서, 경량이면서 고강도, 고탄성의 복합체를 만드는데 사용 가능하나 동일 중량의 일반 탄소강 대비 약 20배 이상으로 비싼 고가 재료이다.
섬유복합재료는 섬유의 적층 패턴에 따라 재료의 강도가 변화하는 이방성 재료이기 때문에 적층 패턴이 좋지 않을 경우 다량의 재료를 사용하고서도 높은 강도를 얻을 수 없는 단점이 있다.
이에 본 발명은 연료전지 차량의 연료탱크 등으로 적용가능한 고압 용기의 돔부를 형성하기 위한 섬유복합재료의 적층 패턴 및 구조를 최적화하여 동일 중량 대비 효율적인 강도 및 강성 보강이 가능하도록 하는 고압 용기를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 고압 용기의 외층을 형성하는 지지층은 중앙에 실린더부와 이 실린더부의 양측에 형성된 돔부로 이루어지고, 상기 돔부는 내층의 저각이너헬리컬층 파트와 외층의 저각아우터헬리컬층 파트로 이루어지며, 상기 저각이너헬리컬층 파트는 복수의 저각이너헬리컬층으로 구성되되 상기 복수의 저각이너헬리컬층 중 적어도 하나의 저각이너헬리컬층은 다른 저각이너헬리컬층보다 상대적으로 높은 강성을 가지는 고강도 저각이너헬리컬층인 것을 특징으로 하는 고압 용기를 제공한다.
구체적으로, 상기 돔부의 총 두께 중 5 ~ 30 %의 두께 영역이 상기 저각이너헬리컬층 파트로 이루어지고, 상기 돔부의 총 두께 중 70 ~ 95 %의 두께 영역이 상기 저각아우터헬리컬층 파트로 이루어진다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 저각이너헬리컬층 파트는 복수의 저각이너헬리컬층 중 일부는 상대적으로 높은 강성을 가지는 고강도 저각이너헬리컬층이고 다른 일부는 상대적으로 낮은 강성을 가지는 저강도 저각이너헬리컬층이며,
상기 고강도 저각이너헬리컬층은 모두 저각이너헬리컬층 파트의 외층에 배치될 수 있고, 상기 저강도 저각이너헬리컬층은 모두 저각이너헬리컬층 파트의 내층에 배치될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 고강도 저각이너헬리컬층과 저강도 저각이너헬리컬층은 적층 순서를 제한하지 않고 서로 혼합 배치되거나, 서로 한층씩 번갈아 적층된 형태로 혼합 배치될 수 있다.
본 발명에 의하면, 고압 용기의 지지층 중 용기 내압에 의한 응력이 집중되는 돔부의 취약부에 상대적으로 고강도의 섬유복합재료를 혼합하여 사용함으로써 파열 강도 및 강성을 증대할 수 있음은 물론, 돔부의 취약지점을 직접 보강하게 되므로 섬유복합재료의 사용량 및 와인딩 횟수를 줄일 수 있으며, 이에 따라 고압 용기의 제조 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고압 용기를 나타낸 단면도
도 2는 도 1의 A 부분을 나타낸 확대도
도 3은 도 1의 B 부분을 나타낸 확대도
도 4a 내지 4d는 본 발명의 실시예에 따른 저각이너헬리컬층 파트를 나타낸 도면
도 5는 도 1의 C 부분을 나타낸 확대도
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 고압 용기의 와인딩 패턴 종류를 나타낸 개념도
도 7은 본 발명에 따라 고강도 섬유복합재료를 와인딩하여 형성한 고강도 저각이너헬리컬층의 위치에 따른 고압 용기의 파열압을 나타낸 그래프
도 8은 본 발명에 따라 돔부의 두께 영역 중 고강도 저각이너헬리컬층의 사용 영역에 따른 고압 용기의 파열압을 나타낸 그래프
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1에 보듯이, 본 발명에 따른 고압 용기(100)는 고압 가스 형태의 연료 투과를 차단하는 내층의 라이너층(110)과 탱크 내부 압력을 지지하는 외층의 지지층(120)을 포함하여 형성되고, 개폐용 밸브(미도시)가 결합되는 라이너층(110)의 입구 측에 금속 보스(112)가 일체로 구비된다.
라이너층(110)은 플라스틱 재료를 사용하여 사출 성형되며, 구체적으로 금속 보스(112)를 사출금형에 인서트하고 사출 성형함으로써 라이너층(110)의 입구 측에 금속 보스(112)가 일체 형성되도록 한다.
지지층(120)은 상기 라이너층(110)의 외표면에 섬유복합재료를 감아서 적층하는 와인딩 적층 방식으로 형성되며, 중앙에 실린더부(122)와 이 실린더부(122)의 양측에 일체로 형성된 돔부(124)로 이루어진다.
실린더부(122)는 고압 용기(100)의 직선 구간부로서 라이너층(110)의 중앙부 외관 형상에 따라 원통형으로 형성되며, 도 2에 보듯이 라이너층(110)의 중앙부 외표면에 섬유복합재료가 감겨서 적층되는 후프층(122a)과 헬리컬층(122b)이 서로 번갈아 적층된 단면 구조를 가진다.
여기서, 각각의 후프층(122a)과 헬리컬층(122b)은 섬유복합재료가 라이너층(110)의 외표면에 한 번 감겨서 형성된 것이거나, 또는 섬유복합재료가 라이너층(110)의 외표면에 여러번 감겨서 형성된 것일 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 각각의 후프층(122a)과 헬리컬층(122b)은 섬유복합재료가 적어도 한 번 이상 라이너층(110)의 외표면에 감겨서 형성된다.
또한 이때 후프층(122a)은 지지층(120)의 두께 영역 중 내층 영역에 배치되어 라이너층(110)과 근접하게 적층될수록 고압 용기(100)의 파열 강도 상승에 유리하므로, 실린더부(122)의 후프층(122a)과 헬리컬층(122b) 중 후프층(122a)이 라이너층(110)의 중앙부 외표면에 최초 적층되어 맞닿도록 한다.
도 6를 참조하면, 상기 후프층(122a)은 라이너층(110)의 외표면에 감기는 섬유복합재료가 고압 용기(100)의 중심축선방향(혹은 라이너층(110)의 축선방향)(L)에 대해 거의 직각을 이루도록 감기는 와인딩 패턴으로 적층되어 형성되고, 헬리컬층(122b)은 라이너층(110)의 외표면에 감기는 섬유복합재료가 고압 용기(100)의 중심축선방향(L)에 대해 일정 범위내의 예각을 이루도록 감기는 와인딩 패턴으로 적층되어 형성된다.
구체적으로, 후프층(122a)은 섬유복합재료가 고압 용기(100)의 중심축선방향(L)에 대해 89°를 이루도록 감기는 후프 패턴으로 적층되어 형성될 수 있고, 헬리컬층(122b)은 섬유복합재료가 고압 용기(100)의 중심축선방향(L)에 대해 45~88°의 예각을 이루도록 감기는 고각헬리컬 패턴 또는 섬유복합재료가 고압 용기(100)의 중심축선방향(L)에 대해 α~44°의 예각을 이루도록 감기는 저각헬리컬 패턴으로 적층되어 형성될 수 있다.
여기서, 상기 α는 섬유복합재료의 최저 와인딩 각도로서 라이너층(110)의 외경(z)과 금속 보스(112)의 외경(rb) 값에 따라 결정된다. 즉, α=sin-1(rb/z)에 의해 저각헬리컬 패턴을 형성하는 섬유복합재료의 최저 와인딩 각도를 결정한다.
돔부(124)는 고압 용기(100)의 곡선 구간부로서 라이너층(110)의 양단부 외관 형상에 따라 대략 반구형으로 형성되고, 도 3에 보듯이 라이너층(110)의 양단부 외표면(구체적으로, 라이너층(110)의 양단부 외표면 및 금속 보스(112)의 외표면)에 섬유복합재료를 여러번 감아서 형성된다.
상기 돔부(124)는, 직접적으로 강성 및 강도를 보강하기 위하여, 다시 말해 돔부 두께를 증가시키거나 별도의 보강부재를 사용하지 않고 파열 강성 및 강도를 보강하기 위하여, 섬유복합재료를 감아서(와인딩하여) 돔부(124)를 형성할 때 선택된 일부 영역에 상대적으로 고강도의 섬유복합재료가 사용된다.
구체적으로, 상기 돔부(124)는 돔부(124)의 두께방향을 기준으로 내층의 저각이너헬리컬층 파트(126a)와 외층의 저각아우터헬리컬층 파트(126b)로 이루어지며, 라이너층(110)의 양단부 외표면 및 금속 보스(112)의 외표면에 인접하는 저각이너헬리컬층 파트(126a)에 상대적으로 높은 강성 및 강도를 갖는 섬유복합재료가 사용된다.
상기 저각이너헬리컬층 파트(126a)는 복수의 저각이너헬리컬층으로 구성되되, 상기 저각이너헬리컬층 중 적어도 하나의 저각이너헬리컬층이 다른 저각이너헬리컬층보다 상대적으로 높은 강성 및 강도를 가지는 섬유복합재료를 사용하여 형성된다.
즉, 상기 저각이너헬리컬층 파트(126a)에는, 저각아우터헬리컬층 파트(126b) 대비 더 높은 강성 및 강도를 가지는 동시에, 다른 저각이너헬리컬층(즉, 저강도 저각이너헬리컬층)보다 더 높은 강성 및 강도를 가지는 섬유복합재료를 라이너층(110) 및 금속 보스(112)의 외표면에 와인딩하여 형성된 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)이 적어도 한 층 이상 포함된다.
여기서, 상기 저강도 저각이너헬리컬층(126ab)과 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)은 섬유복합재료가 라이너층(110) 및 금속 보스(112)의 외표면에 한 번 감겨서 형성된 것이다.
이렇게 돔부(124)는 내층의 저각이너헬리컬층 파트(126a)의 적어도 일부에 고강도 및 고강성의 섬유복합재료를 사용함으로써 고가의 고강도 섬유복합재료의 사용량을 최소화하는 동시에 돔부(124)의 강도 및 강성을 효과적으로 보강할 수 있게 된다.
상기 돔부(124)는 라이너층(110)의 양단부 외표면 및 금속 보스(112)의 외표면에 섬유복합재료를 와인딩하여 복층 형태로 형성되므로, 먼저 저각이너헬리컬층 파트(126a)를 와인딩하여 형성한 이후에 저각아우터헬리컬층 파트(126b)를 와인딩하여 형성한다.
즉, 상기 돔부(124)는 라이너층(110)의 외표면에 인접하는 돔부(124)의 두께방향으로 내층 영역에 저각이너헬리컬층 파트(126a)가 형성되고, 돔부(124)의 두께방향으로 외층 영역에 상기 저각이너헬리컬층 파트(126a)의 외측에 적층된 형태로 저각아우터헬리컬층 파트(126b)가 형성된다.
통상적으로 돔부(124)는 라이너층(110)의 외표면에 먼저 감기는 내층 영역이 외층 영역 대비 구조적으로 고압 용기(100) 내압의 영향을 더 많이 받게 되므로 상대적으로 응력이 집중되어 취약해지게 되는데, 상기와 같이 돔부(124)의 내층 영역에 적어도 한 층 이상의 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)을 포함하는 저각이너헬리컬층 파트(126a)를 구성함으로써 돔부(124)의 취약부를 효과적으로 개선할 수 있게 된다.
다시 말해, 돔부(124)의 적어도 일부 영역에 상대적으로 높은 강도 및 강성을 가지는 섬유복합재료를 사용함으로써 전체적으로 돔부(124) 강도를 보강할 수 있는 것은 물론이고, 특히 돔부(124)의 내층 영역을 구성하는 저각이너헬리컬층 파트(126a)에 고강도/고강성의 섬유복합재료를 사용함으로써 저각아우터헬리컬층 파트(126b)에 고강도/고강성의 섬유복합재료를 사용하는 것보다 더욱 효과적으로 돔부(124) 강도를 보강할 수 있다.
일반적으로 돔부(124)의 취약성을 개선하기 위해, 섬유복합재료의 적층수(혹은 와인딩 횟수)를 증가시켜 돔부의 두께를 증대하게 되는데, 단순히 섬유복합재료의 적층수를 증가시키는 경우 섬유복합재료의 사용량 대비 보강 효과가 크지 않아 많은 양의 섬유복합재료를 사용해야 하며, 그로 인해 제조 비용이 크게 상승하게 된다.
따라서, 앞서 언급한 바와 같이, 돔부(124)의 구조적 취약부위에 해당하는 내층 영역의 저각이너헬리컬층 파트(126a)를 저각아우터헬리컬층 파트(126b) 대비 강성/강도가 더 높은 섬유복합재료를 사용하여 형성함으로써, 돔부(124)의 응력 집중 현상을 해소할 수 있어 종래 대비 섬유복합재료의 사용량을 저감하는 동시에 돔부(124)의 두께를 감소하고 일반적인 돔부(단일 섬유복합재료를 사용한 돔부임) 대비 동등 수준의 보강 효과를 확보할 수 있다.
여기서, 상기 저각이너헬리컬층 파트(126a)의 상세 구조를 도 4a 내지 4d를 참조하여 살펴보도록 한다.
첨부한 도 4a 내지 4d는 본 발명의 실시예에 따른 저각이너헬리컬층 파트(126a)를 보여주는 도면이다.
도 4a에 보듯이, 저각이너헬리컬층 파트(126a)는 복수의 저각이너헬리컬층으로 구성되고, 상기 복수의 저각이너헬리컬층 중 하나의 저각이너헬리컬층이 나머지 다른 저각이너헬리컬층 대비 상대적으로 높은 강성 및 강도를 가지는 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)으로 구성된다.
이때, 상기 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)은 저각이너헬리컬층 파트(126a)의 최저층에 배치되어 라이너층(110)의 외표면 및 금속 보스(112)의 외표면에 맞닿게 된다(도 4a의 (a) 참조).
또한, 상기 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)은 저각이너헬리컬층 파트(126a)의 최고층에 배치되거나(도 4a의 (b) 참조), 또는 최저층과 최고층 사이의 어느 한 층에 배치될 수도 있다.(도 4a의 (c) 참조)
다음, 도 4b에 보듯이, 저각이너헬리컬층 파트(126a)는 복수의 저각이너헬리컬층 중 둘 이상의 저각이너헬리컬층이 나머지 다른 저각이너헬리컬층 대비 상대적으로 높은 강성 및 강도를 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)으로 구성된다.
즉, 저각이너헬리컬층 파트(126a)는 복수의 저각이너헬리컬층 중 일부는 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)으로 구성되고 나머지 다른 일부는 저강도 저각이너헬리컬층(126ab)으로 구성된다.
이때, 저각이너헬리컬층 파트(126a)의 두께방향을 기준으로, 상기 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)은 모두 저각이너헬리컬층 파트(126a)의 내층 영역에 배치되고, 상기 저강도 저각이너헬리컬층(126ab)은 모두 저각이너헬리컬층 파트(126a)의 외층 영역에 배치될 수 있다(도 4b의 (a) 참조).
또는, 저각이너헬리컬층 파트(126a)의 두께방향을 기준으로, 상기 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)은 모두 저각이너헬리컬층 파트(126a)의 외층 영역에 배치되고, 상기 저강도 저각이너헬리컬층(126ab)은 모두 저각이너헬리컬층 파트(126a)의 내층 영역에 배치될 수도 있다(도 4b의 (b) 참조).
이때, 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)의 총 두께와 저강도 저각이너헬리컬층(126ab)의 총 두께는 서로 같거나 또는 다를 수 있다.
그리고, 도 4c에 보듯이, 저각이너헬리컬층 파트(126a)는 복수의 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)과 복수의 저강도 저각이너헬리컬층(126ab)이 적층 순서(혹은 와인딩 순서)를 제한하지 않고 서로 혼합 배치된 형태로 구성될 수 있으며, 또한 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)과 저강도 저각이너헬리컬층(126ab)이 서로 한층씩 순차적으로 번갈이 적층된 형태로 혼합 배치될 수도 있다.
이때 저각이너헬리컬층 파트(126a)의 최저층에는 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)이 배치되거나 또는 저강도 저각이너헬리컬층(126ab)이 배치된다.
계속해서, 도 4d에 보듯이, 저각이너헬리컬층 파트(126a)를 구성하는 복수의 저각이너헬리컬층은 모두 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)일 수 있다.
여기서, 저각이너헬리컬층 파트(126a)를 각각의 저각이너헬리컬층(고강도 저각이너헬리컬층 및 저강도 저각이너헬리컬층)은 라이너층(110)의 외표면에 섬유복합재료를 감을 때 섬유복합재료가 고압 용기(100)의 중심축선방향(L)에 대해 일정 범위 내의 예각을 이루어도록 감기는 와인딩 패턴으로 적층되어 형성되며, 구체적으로 섬유복합재료가 고압 용기(100)의 중심축선방향(L)에 대해 α~44°의 예각을 이루도록 감기는 저각헬리컬 패턴으로 적층되어 형성될 수 있으며(도 6의 (c) 참조), 이렇게 저각이너헬리컬층을 감을 때 실린더부(122)의 일부 헬리컬층이 동시 형성된다.
또한, 상기 저각이너헬리컬층 파트(126a) 및 저각아우터헬리컬층 파트(126b)는 탄소섬유를 강화 섬유로 사용한 복합재료, 유리섬유를 강화 섬유로 사용한 복합재료 등의 다양한 섬유복합재료를 사용하여 형성하되, 저각이너헬리컬층 파트(126a)의 일부 저각이너헬리컬층을 다른 저각이너헬리컬층 및 저각아우터헬리컬층 대비 상대적으로 높은 강도 및 강성을 갖는 섬유복합재료를 사용하여 형성함으로써, 섬유복합재료의 사용량 및 돔부(124)의 두께를 줄일 수 있고, 이에 따라 고압 용기의 무게 및 제조비용을 줄일 수 있으며, 또한 고압 용기(100)의 무게 감소로 인해 연료중량효율을 높일 수 있어, 고압 용기(100)에 저장되는 연료공급량을 증가할 수 있고 이에 따라 차량 주행가능거리가 연장되는 이점이 있다.
상기 돔부(124)는 저각이너헬리컬층 파트(126a)를 구성하는 복수의 저각이너헬리컬층 중 적어도 하나의 저각이너헬리컬층이 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)으로 구성됨으로써 돔부(124)의 내층 영역(저각이너헬리컬층 파트)이 외층 영역(저각아우터헬리컬층 파트)보다 높은 파열 강도 및 강성을 가지게 된다.
이러한 돔부(124)는 내층의 저각이너헬리컬층 파트(126a)와 외층의 저각아우터헬리컬층 파트(126b)로 이루어진 총 두께 중 5 ~ 30 %를 저각이너헬리컬층 파트(126a)로 형성하고, 상기 총 두께 중 70 ~ 95 %를 저각아우터헬리컬층 파트(126b)로 형성하는 것이 바람직하다.
만약, 돔부(124)의 총 두께 중 저각이너헬리컬층 파트(126a)의 두께가 5% 미만이면, 돔부(124)의 강도 및 강성을 원하는 수준으로 증가시키는데 어려움이 발생한다. 또한, 돔부(124)의 총 두께 중 저각이너헬리컬층 파트(126a)의 두께가 30%를 초과하면 비용 대비 돔부(124)의 강도 및 강성 보강의 효과가 크지 않으며, 따라서 원가 절감의 효과를 기대하기 어렵다.
통상 섬유복합재료는 고강도 및 고강성을 가지는 재료일수록 고가이기 때문에 고강도 섬유복합재료의 사용량을 최소화하면서 돔부(124)의 강도 및 강성을 증대하는 것이 바람직하다.
다시 말해, 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)이 포함되어 있는 저각이너헬리컬층 파트(126a)의 두께가 돔부(124)의 총 두께 중 30%를 초과하여도 돔부(124)의 강도 및 강성을 원하는 수준으로 증가시킬 수는 있으나, 즉 고강도 저각이너헬리컬층(126aa)이 돔부(124)의 총 두께 중 30%를 초과하는 영역에 배치되어도 돔부(124)의 강도 및 강성을 원하는 수준으로 증가시킬 수 있으나, 30%를 초과하는 경우 섬유복합재료의 사용량 및 재료비 대비 돔부(124)의 보강 효과가 크지 않게 된다.
아울러, 돔부(124)는 구조적으로 금속 보스(112)에 가까워질수록 그 두께가 증가하게 되며, 그에 따라 저각이너헬리컬층 파트(126a)의 두께도 증가할 수 있다.
한편, 도 5에 보듯이, 상기 돔부(124)와 실린더부(122) 사이에는 실린더부(122)의 후프층(122a)이 마감되는 구간부로서 변환부(128)가 구비되고, 상기 변환부(128)에서 지지층(120)의 직선구간부인 실린더부(122)가 곡선구간부인 돔부(124)와 이어지게 된다.
여기서, 본 발명에 따라 돔부의 강도/강성을 보강함에 따른 고압 용기의 파열압(파열강도) 상승 효과를 확인하기 위하여, 지지층의 돔부를 단일 섬유복합재료를 사용하여 제조한 고압 용기(비교예1)와 지지층의 돔부를 이종 섬유복합재료를 사용하여 제조한 고압 용기(실시예1,2)를 각각 준비하고, 비교예1의 고압 용기와 실시예1,2의 고압 용기의 파열압을 측정한 결과를 아래 표 1에 나타내었다.
이때, 상기 비교예1의 고압 용기는 2550MPa 값의 강도 및 135GPa 값의 강성을 갖는 저강도 섬유복합재료만 사용하여 지지층의 돔부를 형성하고, 상기 실시예1,2의 고압 용기는 3040MPa 값의 강도 및 159GPa 값의 강성을 갖는 고강도 섬유복합재료와 2550MPa 값의 강도 및 135GPa 값의 강성을 갖는 저강도 섬유복합재료를 혼합 사용하여 지지층의 돔부를 형성한 점을 제외하고는, 상기 실시예1,2의 고압 용기와 비교예1의 고압 용기를 동일한 조건으로 제조하였다.
다만, 상기 실시예1의 고압 용기는 돔부의 총 두께 중 라이너층과 인접하는 5% 두께 영역에만 고강도 섬유복합재료를 사용하고 나머지 95% 두께 영역에는 저강도 섬유복합재료를 사용하여 제조하였으며, 상기 실시예2의 고압 용기는 돔부의 총 두께 중 라이너층과 인접하는 30% 두께 영역 중 최고층(혹은 최외층)에만 고강도 섬유복합재료를 사용하고 나머지 70% 두께 영역에는 저강도 섬유복합재료를 사용하여 제조하였다.
Figure 112018095835047-pat00001
표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예1,2의 고압 용기는 비교예1의 고압 용기 대비 더 높은 파열압을 가짐을 확인하였으며, 따라서 비교예 1과 동등 수준의 파열압을 가지는 고압 용기를 제작하고자 하는 경우 섬유복합재료의 사용량을 저감할 수 있고, 그에 따라 고압 용기의 중량이 감소되어 수소중량효율이 비교예1 대비 증대됨을 알 수 있다.
여기서, 상기 실시예 1,2의 파열압은 비교예 1의 값을 기준으로 하여 나타낸 것이다.
한편, 도 7은 고강도 섬유복합재료를 와인딩하여 형성한 고강도 저각이너헬리컬층의 위치에 따른 고압 용기의 파열압을 나타낸 것이고, 도 8은 돔부의 두께 영역 중 고강도 저각이너헬리컬층의 사용 영역에 따른 고압 용기의 파열압을 나타낸 것이다. 여기서, 각 파열압 값은 고강도 섬유복합재료를 사용하지 않은 경우의 파열압 값을 기준으로 하여 나타낸 것이다.
먼저, 도 7을 살펴보면, 돔부의 두께를 기준으로, 고강도 섬유복합재료를 한번 와인딩하여 단일층으로 형성한 고강도 저각이너헬리컬층의 위치에 따라 고압 용기의 파열압이 변동됨을 알 수 있으며, 구체적으로 고강도 저각이너헬리컬층이 돔부의 두께를 기준으로 5 ~ 30%의 두께 영역 중 어느 한 층에 위치할 때 파열압이 증대됨을 알 수 있고, 특히 15 ~ 25%의 두께 영역 중 어느 한 층에 위치할 때 파열압이 매우 크게 증대됨을 알 수 있다.
또한, 도 8을 살펴보면, 돔부의 두께를 기준으로 0 ~ 30%의 두께 영역에 전체적으로 고강도 섬유복합재료를 와인딩하여 고강도 저각이너헬리컬층을 형성하는 경우, 고강도 섬유복합재료를 사용하지 않은 경우 및 다른 두께 영역에 고강도 섬유복합재료를 와인딩한 경우 대비, 고압 용기의 파열압이 증가됨을 알 수 있다.
구체적으로, 고강도 섬유복합재료를 사용하지 않고 저강도 섬유복합재료만을 사용하여 돔부를 형성한 경우의 고압 용기 파열압이 1.00이라고 할 때, 돔부의 두께를 기준으로 0 ~ 30%의 두께 영역에 고강도 섬유복합재료를 와인딩한 경우 고압 용기 파열압이 1.11이었고, 돔부의 두께를 기준으로 31 ~ 100%의 두께 영역에 고강도 섬유복합재료를 와인딩한 경우 고압 용기 파열압이 1.10이었다.
고강도 섬유복합재료를 상기와 같은 0 ~ 30%의 두께 영역에 전체적으로 사용한 경우, 고강도 섬유복합재료를 사용하지 않고 저강도 섬유복합재료만을 사용한 경우 대비 고압 용기 파열압이 크게 증가되었으며, 고강도 섬유복합재료를 상기 31 ~ 100%의 두께 영역에 전체적으로 사용한 경우 대비 훨씬 적은 양의 고강도 섬유복합재료를 사용하고도 더 높은 고압 용기 파열압을 얻을 수 있었다.
따라서, 본 발명에서와 같이 돔부의 두께를 기준으로 돔부의 소정 영역에 고강도 섬유복합재료를 사용함으로써 고압 용기의 파열압 상승 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이상으로 본 발명에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 설명에 의해 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
100 : 고압 용기
110 : 라이너층
112 : 금속 보스
120 : 지지층
122 : 실린더부
122a : 후프층
122b : 헬리컬층
124 : 돔부
126a : 저각이너헬리컬층 파트
126aa : 고강도 저각이너헬리컬층
126ab : 저강도 저각이너헬리컬층
126b : 저각아우터헬리컬층 파트
128 : 변환부

Claims (6)

  1. 고압 용기의 외층을 형성하는 지지층은 중앙에 실린더부와 이 실린더부의 양측에 형성된 돔부로 이루어지고,
    상기 돔부는 섬유복합재료가 고압 용기의 중심축선방향을 기준으로 라이너층 및 금속 보스의 외표면에 일정 범위내의 예각으로 감겨서 형성된 것으로서, 내층의 저각이너헬리컬층 파트와 외층의 저각아우터헬리컬층 파트로 이루어지며,
    상기 저각이너헬리컬층 파트는 복수의 저각이너헬리컬층으로 구성되되 상기 복수의 저각이너헬리컬층 중 적어도 하나의 저각이너헬리컬층은 다른 저각이너헬리컬층보다 상대적으로 높은 강성을 가지는 고강도 저각이너헬리컬층이며,
    상기 고강도 저각이너헬리컬층은 모두 저각이너헬리컬층 파트의 외층 영역에 배치되어 상기 돔부의 총 두께 중 15 ~ 25 %의 위치에 위치되는 것을 특징으로 하는 고압 용기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 저각이너헬리컬층 중 상기 고강도 저각이너헬리컬층 이외의 저각이너헬리컬층은 상대적으로 낮은 강성을 가지는 저강도 저각이너헬리컬층인 것을 특징으로 하는 고압 용기.
  3. 삭제
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 저각이너헬리컬층 파트의 내층에는 상기 저강도 저각이너헬리컬층만 배치되는 것을 특징으로 하는 고압 용기.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 실린더부는 라이너층의 외표면에 적층되는 후프층과 헬리컬층이 번갈아 적층된 구조로 형성되고, 상기 후프층과 헬리컬층 중 후프층이 라이너층의 외표면에 맞닿도록 최초 적층되는 것을 특징으로 하는 고압 용기.
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