KR102237197B1 - 연료탱크와 일체화된 우레아탱크 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료탱크와 일체화된 우레아탱크에 관한 것으로,
상기 우레아탱크(10)는 외부에는 알루미늄으로 형성된 탱크부(21)와 그 내측면에 소정 두께로 성형된 요소수에 대하여 안정된 특성을 갖는 합성수지층(23)으로 형성되며, 상기 우레아탱크의 탱크부(21)는 같은 재질의 연료탱크(11)와 접합되어 일체화되는 것을 특징으로 하여 구성됨으로써, 종래 우레아탱크 설치 레이아웃상 어려움을 해결하고, 우레아탱크를 합성수지재로 금속제의 연료탱크와 일체로 형성하여 경량화함과 함께 원가를 절감하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따라 회전몰딩법을 이용하여 우레아탱크를 오븐내에서 회전시키면서 소정 온도와 시간 및 회전속도로 성형함으로써, 알루미늄의 외부 탱크내면에 수지층이 우수한 융착 균일도로 일체화되는 효과가 있다.

Description

연료탱크와 일체화된 우레아탱크 및 그 제조방법{UREA TANK INTEGRATED WITH FEUL TANK AND METHOD FOR MANUFACTURING IT}

본 발명은 우레아탱크 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 차량 레이아웃 공간확보와 중량 및 원가절감을 위하여 우레아탱크를 연료탱크와 일체형으로 된 개선된 우레아탱크와, 요소수에 안정된 합성수지재의 우레아 탱크를 금속제의 연료탱크에 일체화되게 형성하는 제조방법에 관한 것이다.

최근 들어 지구 환경에 대한 관심이 커지면서 도심지의 대기질 악화에 가장 큰 주범으로 자동차가 배출하는 유해물질이 손꼽히고 있다. 디젤차량의 배출물질 중 상대적으로 배출량이 많은 질소산화물과 입자상 물질(PM)을 줄이기 위해 국내 및 해외에서 인증을 위한 배출가스 기준을 계속 강화하고 있다.

그 결과 PM배출과 관련해서는 배출량을 제로(zero)에 가깝게 만드는 매연여과장치(DPF)를 장착하도록 강제화하는 EU의 법규가 5년 단위로 점차적으로 강화되어, 1992년 시행된 EURO1에는 일산화탄소(CO) 4.5g/kWh, 탄화수소(HC) 1.1g/kWh, 질소산화물(NOx) 8g/kWh, 입자상물질(PM) 0.36 g/kWh로 규제하던 것을, 2014년 부터 시행되는 EUR06에서는 일산화탄소(CO) 1.5g/kWh, 탄화수소(HC) 0.13g/kWh, 질소산화물(NOx) 0.4g/kWh, 입자상물질(PM) 0.01 g/kWh로 엄격하게 규제하고 있다.

이러한 규제를 충족시키기 위하여, 연료의 정밀 고압 분사화(CRDI, 커먼레일 시스템)나, DOC(디젤산화촉매)의 적용, EGR(배기가스 재순환 장치), DPF(디젤 미립자 필터), SCR(선택적 요소수 환원) 시스템 중에서 적절히 선택하여 사용하여 왔으나, 향후 디젤차량의 배출가스를 줄이기 위해서 특히 중점적으로 연구, 개발될 시스템이 바로 DeNOx 시스템으로, 그 중 가장 높은 질소산화물 저감 효율을 보이는 시스템이 우레아를 이용한 SCR 시스템이다.

이러한 SCR 시스템에 사용하는 우레아를 공급하기 위하여 우레아탱크를 차량 새시에 추가적으로 별도 설치하는 것은 차량의 레이아웃 공간 확보의 여러움과 우레아 탱크의 추가 설치에 따른 중량과 원가 상승을 최소화해야 하는 방안이 요구되었다.

이에 대하여, 국내 특허등록 제10-0370805호(2003년01월21일 등록)에는 도 1에 개략적으로 개시된 바와같이, 환원제 작동 배기가스 정화 장치를 갖춘 차량용 탱크에는 차량에 환원제 탱크를 부가로 조립하는 것을 피하기 위해, 연료(K)를 수용하는 탱크(6)와 환원제(R)를 수용하는 탱크(8)가 하나의 모듈(2)로 결합되고, 이 모듈은 고정용 홀더(14)로 하나의 탱크로 고정될 수 있도록 하며, 연료 탱크 및 환원제 탱크를 차례로 배치하고, 공통 벽(4)에 의해 분리되며, 상기 벽(4)은 양호한 열전도성 금속으로 이루어진 구성을 제안하였다.

그러나, 요소수의 특성상 금속재의 우레아탱크는 사용할 수 없는 문제점이 있어서, 우레아에 보다 안정된 재질로 된 우레아탱크가 필요하였으나, 금속제, 예를들어 Al합금으로 된 연료탱크와 합성수지재의 우레아탱크를 일체화하는 것이 레이아웃에 바람직하지만, 이와 같이 이종 재질의 탱크를 일체화하여 제조하는데 어려움이 있었다.

다른 예로서, 국내 특허등록 제10-1036574호(2011년05월17일 등록)에는 HWL 탱크 및 보조 소음기를 연료 탱크와 서로 결합하여 하나의 구조 유닛을 형성하고, 상기 구조 유닛 전체가 상용차의 섀시 프레임에 결합하도록 하였으나, 일체화되는 구조가 복잡하여 제조원가 상승의 문제가 있었다.

국내 특허등록 제10-0370805호(2003년01월21일 등록) 국내 특허등록 제10-1036574호(2011년05월17일 등록)

본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 개선하여 우레아탱크의 레이아웃에 문제점 해결과 중량 감소와 원가절감을 위해 금속제의 연료탱크와 합성수지재의 우레아탱크를 일체화하여 개선된 구조의 우레아탱크를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 합성수지재의 우레아탱크를 금속제의 연료탱크에 일체화하여 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 연료탱크와 일체화된 우레아탱크는, 외부에는 알루미늄으로 형성된 탱크부와 그 내측면에 소정 두께로 성형된 요소수에 대하여 안정된 특성을 갖는 합성수지층으로 형성되며, 상기 우레아탱크의 탱크부는 같은 재질의 연료탱크와 접합되어 일체화되는 것을 특징으로 하여 구성된다.

상기 우레아 탱크의 탱크부는 같은 재질의 연료탱크와 접합되는 단부에 돌출된 테두리가 형성되고, 상기 테두리는 연료탱크의 일단부와 용접으로 접합된다.

상기 테두리의 내측에는 오목한 요홈부가 형성되며, 상기 오목한 요홈부는 연료탱크와의 용접시 발생되는 열이 탱크부 내측으로 전달되어 합성수지층에 영향을 주지 않도록 하기 위한 용접열 해소를 위한 공간이다.

본 발명에 따른, 연료탱크와 일체화된 우레아탱크 제조방법은,

연료탱크와 접합되는 알루미늄으로 된 외부 탱크를 회전 지그에 고정하는 단계(S1),

상기 외부 탱크 속에는 합성수지층(23) 재료 분말을, 상기 합성수지층 형성을 위한 두께를 감안하여 결정된 분량으로 투입하는 단계(S2),

상기 외부 탱크를 회전시키도록 회전체에 LLDPE 분말이 투입된 상기 외부탱크가 고정된 지그를 설치하는 단계(S3),

상기 단계(S3)에서 LLDPE 분말이 투입된 상기 외부탱크가 고정된 지그를 오븐에서 회전하면서 외부탱크내에 LLDPE층을 성형하는 회전성형 단계(S4),

상기 오븐에서 회전 성형된 우레아탱크를 오븐에서 탈거하고 실온에서 냉각하는 단계(S5),

상기 단계(S5)에서 냉각된 우레아탱크를 연료탱크와 용접하는 단계(S6)를 포함하는 회전몰딩법을 이용한다.

상기 외부탱크내에 LLDPE층을 성형하는 회전성형 단계(S4)에서의 성형온도는 290℃ ~ 310℃ 범위이며, 상기 단계(S4)에서 23 ~ 35rpm의 범위에서 회전시키면서 성형하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 단계(S4)에서의 회전 및 가열시간과, 상기 단계(S5)에서 오븐에서 탈거한 다음 성형된 우레아탱크를 냉각하는 시간은 동일하게 25분 내지 30분인 것이 바람직하다.

본 발명에 따라 우레아탱크를 금속제의 연료탱크와 일체화하여 제공함으로써 종래 우레아탱크 설치 레이아웃상 어려움을 해결하고, 우레아탱크를 합성수지재로 금속제의 연료탱크와 일체로 형성하여 경량화함과 함께 원가를 절감하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따라 회전몰딩법을 이용하여 오븐내에서 회전시키면서 소정 온도와 시간 및 회전속도로 성형함으로써, 알루미늄의 외부 탱크내면에 수지층이 우수한 융착 균일도로 일체화되는 효과가 있다.

도 1은 종래 연료탱크와 우레아탱크를 하나의 모듈(2)로 일체화하는 구성을 개략적으로 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명에 따라 연료탱크와 우레아탱크가 일체화된 구조를 보여주는 개략적인 단면도.
도 3은 도 2의 부분확대 단면도.
도 4는 도 2의 분해도.
도 5는 본 발명에 따른 연료탱크와 일체화된 우레아탱크 제조방법의 개략적인 공정도.
도 6은 본 발명의 제조방법에서의 회전성형시 성형온도에 따른 융착도 그래프.
도 7은 본 발명의 제조방법에서의 회전성형시 회전속도에 따른 융착균일도 그래프.
도 8은 본 발명의 제조방법에서 회전성형시 회전냉각, 공회전, 가열 시간에 따른 융착균일도 그래프.

이하에서는 본 발명의 실시예를 도시한 첨부 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2 내지 4에 있어서, 본 발명에 따른 연료탱크 일체형의 우레아탱크(10)는 알루미늄재의 연료탱크(11)와, 연료탱크와 별도로 제작되어 일체로 접합되어 일체화되는 우레아탱크(20)로 구성된다.

본 발명에 따라 상기 우레아탱크(20)는 외부에는 알루미늄 또는 알루미늄합금재의 탱크부(21)와 그 내측면에 소정 두께로 성형된 합성수지층(23)을 포함한다. 상기 탱크부 내측의 합성수지층(23)은 요소수에 대하여 안정된 특성을 갖는 합성수지를 사용하며, 예를들어 선상저밀도폴리에틸렌(LLDPE)수지가 바람직하다.

상기 우레아탱크(20)의 탱크부(21)에 합성수지층(23)의 형성은 회전몰드 공법을 이용하여 형성하며, 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.

상기 우레아탱크(20)의 외측을 구성하는 알루미늄합금재로 된 탱크부(21)가 같은 재질의 연료탱크(11)와 접합되는 단부에는 내측이 오목한 요홈부(24)가 형성되게 테두리(22)가 형성되고, 상기 테두리(22)는 연료탱크(11)의 일단부와 용접에 의해 연료탱크와 우레아탱크가 일체화된다.

상기 테두리(22)는 탱크부(21)의 단부에서 절첩되어 돌출된 형상으로 형성되며, 상기 테두리(22) 내측에 형성되는 오목한 요홈부(24)는 연료탱크와의 용접시 발생되는 열이 탱크부(21) 내측으로 전달되어 합성수지층(23)에 영향을 주지 않도록 하기 위한 용접열 해소를 위한 공간이다.

상기 우레아탱크(20)에는 부속 부품, 예를들어, 센더, FLVV, 멤브레인 밸브, 캡 등을 장착하며, 이러한 부품 설치를 위한 홀은 회전몰드 공법에 의해 금속의 탱크부 내측에 합성수지층(23)을 형성할 때, 탱크부에 형성된 대응된 홀에 코어를 설치하여 합성수지층에 부품 설치용 홀을 형성하며, 이때 특히 센서와 같은 부품을 설치하는 홀에는 미리 브라켓을 인서트하여 브라켓이 매입되게 합성수지층을 형성함으로써, 브라켓과 합성수지층 사이에 우레아가 누출될 수 있는 틈새가 원천적으로 방지된다.

도 5에는 본 발명에 따라 내부에 합성수지층이 일체로 형성된 우레아탱크의 제조방법을 개략적으로 보여주고 있다.

본 발명에 따라 연료탱크에 일체화시키기 위한 우레아탱크는 이종재질을 일체화시키기 위해 회전몰딩법을 이용한다.

단계(S1)로서, 연료탱크와 접합되는 알루미늄 또는 그 합금으로 된 외부 탱크를 회전 지그에 고정하고, 그런 다음 단계(S2)로서 상기 외부 탱크 속에는 합성수지층(23) 재료, 바람직하게는 LLDPE 분말을, 상기 합성수지층 형성을 위한 두께를 감안하여 결정된 분량으로 투입하고, 단계(S3)에서 상기 외부 탱크를 회전시키도록 회전체에 LLDPE 분말이 투입된 상기 외부탱크가 고정된 지그를 설치한다.

그런 다음, 단계(S4)는 상기 단계(S3)에서 LLDPE 분말이 투입된 상기 외부탱크가 고정된 지그를 오븐에서 회전성형하는 단계로서, 지그에 고정된 상기 외부탱크를 회전체에 의해 오븐내에서 LLPDE가 녹도록 가열하면서 회전시킴에 따라 녹은 LLDPE 수지가 금속의 외부 탱크 내측면에 용착되어 성형된다. 이때 성형 온도와 회전속도는 얻고자 하는 LLDPE 수지의 합성수지층의 두께에 따라 바람직한 융착 균일도가 얻어지는 범위에서 결정된다.

LLDPE 수지는 170℃에서 용융되기 시작하나, 시험에 따르면 표 1과 같이 요구되는 용착 균일도 70% 되는 온도 범위에서 성형 온도를 결정하며, 표 1에서 290℃ 이상인 것이 바람직하지만, 도 6에 도시된 바와 같이 시험에 의해 얻어진 성형온도에 따른 융착도 그래프에서 볼 수 있듯이 온도가 310℃ 보다 큰 경우에서는 오히려 균일도가 낮아지는 것으로 나타났는데, 그 이유는 점성이 증가되기 때문인 것으로 판단된다.

표 1. LLDPE 수지와 알루미늄 융착 균일도에 대한 성형온도 시험결과

또한, 금속의 외부 탱크 내면에 합성수지층, 바람직하게는 LLDPE 수지층을 형성하기 위하여 오븐내에서 가열에 의해 외부 탱크내에서 LLDPE 수지층이 용융되더라도, 회전속도에 따라 외부탱크 내측면에 형성되는 LLDPE 수지층의 두께에 영향을 주게 되며, 시험에 의하면 아래 표 2와 같은 회전속도와 융착 균일도 데이타가 아래 표 2와 같이 얻어졌다.

표 2. LLDPE 수지 성형시 회전속도에 따른 융착균일도 시험결과

또한, 310℃의 온도에서 회전 속도에 대한 융착균일도가 도 7과 같은 그래프로 얻어졌으며, 여기서 회전속도가 25rpm 에서 융착 균일도가 가장 높고 23 ~35rpm에서 가능한 것으로 판단되며, 상기 회전속도가 25rpm 보다 큰 경우 흘러내림 현상이 발생되었다. 따라서, 회전속도는 23 ~ 35rpm이 바람직하다.

또한, LLDPE 수지의 성형시간과 알루미늄 융착 균일도를 케이스별로 얻은 결과 성형시 온도와 회전속도를 310℃/25rpm로 일정하게 하여 성형시간에서 냉각시간, 공회전시간 및 가열시간별로 데이타를 얻은 결과 아래 표 3과 같은 결과를 얻었으며, 성형시간에 따른 융착 균일도를 그래프로 표시한 결과 도 8과 같은 그래프를 얻었다..

표 3. LLDPE 수지 성형시간에 따른 융착균일도 시험결과

이에 따라 가열/공회전/냉각시간이 동일한 시험 1번과 10번에서 가장 높은 융착균일도가 얻어짐으로 부터, 가열시간과 공회전시간 및 냉각시간을 동일하게 수행하는 것이 가장 생산성이 높고, 품질이 유지되면서 최소비용으로 수행하는 성형 조건임을 확인할 수 있었다. 따라서, 냉각, 공회전, 가열 시간은 동일하게 25분 내지 30분인 것이 바람직하다.

그런 다음 단계(S5)로서, 상기 오븐에서 회전 성형된 우레아탱크를 오븐에서 탈거하고 실온에서 냉각하며, 이때 냉각 시간은 위 표 3과 도 8에서 바람직한 것으로 확인된 바와 같이 공회전 및 가열 시간과 같게 하여 수행한다.

상기 단계(S5)에서 냉각된 우레아탱크는 연료탱크와 용접한다(단계 S6). 이때, 용접부위는 연료탱크와 같은 상기 우레아탱크(20)의 외측을 구성하는 알루미늄합금재로 된 탱크부(21)에서 내측이 오목하게 절첩하여 돌출된 형상의 단부의 테두리(22)이며, 상기 테두리(22) 내측에 형성되는 오목한 요홈부(24)에서 연료탱크와의 용접시 발생되는 열이 탱크부(21) 내측으로 전달되지 않고 해소되어 탱크부 내측의 합성수지층(23)에 영향을 주지 않게 된다.

또한, 본 발명에 따라 합성수지를 외부 탱크내면에 회전몰딩법에 의해 합성수지층이 융착되게 하여 성형할 때, 추후 예를들어 센서를 설치하는 홀의 위치에 미리 외부 탱크에 브라켓을 고정하여 인서트하여 성형함으로써 브라켓과 합성수지층과의 일체성이 증가되어 요소수의 누출 염려가 없게 된다.

본 발명은 디젤차량에서 질소산화물과 입자상 물질(PM)을 감소시키도록 제공하는 우레아를 수용하여 공급하기 위한 우레아탱크에 적용할 수 있다.

11 : 연료탱크 20 : 우레아탱크
21 : 탱크부 22 : 테두리
23 : 합성수지층 24 : 요홈부

Claims (7)

1. 연료탱크와 일체화된 우레아탱크에 있어서,
   상기 우레아탱크(10)는 외부에는 알루미늄으로 형성된 탱크부(21)와 그 내측면에 소정 두께로 성형된 요소수에 대하여 안정된 특성을 갖는 합성수지층(23)으로 형성되며,
   상기 우레아탱크의 탱크부(21)는 같은 재질의 연료탱크(11)와 접합되어 일체화되는 것을 특징으로 하는 연료탱크와 일체화된 우레아탱크.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 우레아 탱크의 탱크부(21)가 같은 재질의 연료탱크(11)와 접합되는 단부에는 돌출된 테두리(22)가 형성되고, 상기 테두리(22)는 연료탱크(11)의 일단부와 용접으로 접합되는 것을 특징으로 하는 연료탱크와 일체화된 우레아탱크.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 테두리(22)의 내측에는 오목한 요홈부(24)가 형성되며, 상기 오목한 요홈부(24)는 연료탱크와의 용접시 발생되는 열이 탱크부(21) 내측으로 전달되어 합성수지층(23)에 영향을 주지 않도록 하기 위한 용접열 해소를 위한 공간인 것을 특징으로 하는 연료탱크와 일체화된 우레아탱크.
   
4. 연료탱크와 접합되는 알루미늄으로 된 외부 탱크를 회전 지그에 고정하는 단계(S1),
   상기 외부 탱크 속에는 합성수지층(23) 재료 분말을, 상기 합성수지층 형성을 위한 두께를 감안하여 결정된 분량으로 투입하는 단계(S2),
   상기 외부 탱크를 회전시키도록 회전체에 LLDPE 분말이 투입된 상기 외부탱크가 고정된 지그를 설치하는 단계(S3),
   상기 단계(S3)에서 LLDPE 분말이 투입된 상기 외부탱크가 고정된 지그를 오븐에서 회전하면서 외부탱크내에 LLDPE층을 성형하는 회전성형 단계(S4),
   상기 오븐에서 회전 성형된 우레아탱크를 오븐에서 탈거하고 실온에서 냉각하는 단계(S5),
   상기 단계(S5)에서 냉각된 우레아탱크를 연료탱크와 용접하는 단계(S6)를 포함하는 연료탱크와 일체화된 우레아탱크 제조방법.
   
5. 제 4항에 있어서, 상기 외부탱크내에 LLDPE층을 성형하는 회전성형 단계(S4)에서의 성형온도는 290℃ ~ 310℃ 범위인 것을 특징으로 하는 연료탱크와 일체화된 우레아탱크 제조방법.
   
6. 제 4항 또는 5항에 있어서, 상기 단계(S4)에서 23 ~ 35rpm의 범위에서 회전시키면서 성형하는 것을 특징으로 하는 연료탱크와 일체화된 우레아탱크 제조방법.
   
7. 제 4항 또는 5항에 있어서, 상기 단계(S4)에서의 회전 및 가열시간과, 상기 단계(S5)에서 오븐에서 탈거한 다음 성형된 우레아탱크를 냉각하는 시간은 동일하게 25분 내지 30분인 것을 특징으로 하는 연료탱크와 일체화된 우레아탱크 제조방법.
   

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