KR102248953B1 - 가스 컨테이너 - Google Patents

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Abstract

가스가 수용되며 수지로 성형된 라이너; 상기 라이너의 외부 표면에 형성된 에틸렌 비닐 알코올 필름; 및 상기 에틸렌 비닐 알코올 필름의 외부 표면에 형성된 복합재층을 포함하는 가스 컨테이너가 제공된다.

Description

가스 컨테이너{GAS CONTAINER}
본 발명은 가스 컨테이너에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 산소 차폐 효과 및 내열성을 높일 수 있고 펌프나 밸브와의 체결 강도를 높일 수 있으며 압력을 주었을 때 파열 전 실린더 부위가 찢어지면서 실린더 내의 가스 누출만 발생하는 안정적인 구조를 확보할 수 있는 가스 컨테이너에 관한 것이다.
가스 컨테이너는 금속재 라이너 표면을 에폭시 수지 등으로 함침시킨 섬유 예를 들면 탄소 섬유로 완전히 덮도록 감아서 만든 압력 용기이다. 재난을 진화하는 과정에서 소방관 등은 가스 컨테이너를 통해 필요한 산소를 공급받을 수 있다.
기존 가스 컨테이너는 금속재 라이너로서 산소 투과도가 0에 가까운 알루미늄 라이너를 사용한 TYPE3(내부 라이너는 알루미늄 라이너, 외부는 복합재층으로 구성됨) 복합재 압력 용기를 사용하고 있다. 그러나, 해당 용기는 장시간 사용시 알루미늄 표면의 피복층이 산화되어 녹 발생, 및 인체 흡입시 중금속 중독 문제가 대두되고 있다. 또한, 가스 컨테이너는 화재 발생시 사용자가 장기간 동안 등에 매고 이동해야 하는 특성을 가지고 있어서 장시간 사용시 사용자의 체력 저하 및 이동 속도 감소를 초래한다.
이에, 최근 금속재 라이너를 대체하여 비금속 라이너와 복합재 섬유로 제작한 TYPE4 복합재 용기를 개발하고 있다. TYPE4 복합재 용기는 TYPE3 복합재 용기의 금속재 라이너 대신에 비금속 라이너로서 폴리에틸렌테레프탈레이트 라이너를 사용한다. 그런데, 폴리에틸렌테레프탈레이트 라이너는 알루미늄 라이너와는 달리 산소 투과성이 높아서 산소 차폐 효과가 떨어졌으며, 유리전이온도도 낮아서 내열성이 떨어지는 문제점이 있었다. 따라서, 이러한 문제점을 해소할 수 있는 가스 컨테이너에 대한 개발이 절실하다.
본 발명의 배경기술은 한국등록특허 제10-0469636호 등에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 열가소성 수지 필름으로 된 라이너의 외피에 에틸렌 비닐 알코올 필름을 부착함으로써 산소 차폐 효과 및 내열성을 높일 수 있는 가스 컨테이너를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 열경화성에 의해 접합한 라이너 접합부를 보스부에 포함시켜 펌프나 밸브와의 체결 강도를 높일 수 있는 가스 컨테이너를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 압력을 주었을 때 파열 전 실린더 부위가 찢어지면서 실린더 내의 가스 누출만 발생하는 안정적인 구조의 가스 컨테이너를 제공하는 것이다.
본 발명의 가스 컨테이너는 가스가 수용되며 수지로 성형된 라이너; 상기 라이너의 외부 표면에 형성된 에틸렌 비닐 알코올 필름; 및 상기 에틸렌 비닐 알코올 필름의 외부 표면에 형성된 복합재층을 포함할 수 있다.
상기 에틸렌 비닐 알코올 필름은 상기 라이너의 외부 표면에 테이핑 방식으로 형성될 수 있다.
상기 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌나프탈레이트 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 압력 용기는 보스부를 더 포함하고, 상기 보스부는 열경화에 의해 형성된 라이너 보스부를 포함할 수 있다.
상기 보스부는 상기 라이너 보스부를 둘러싸는 금속 보스부를 더 포함할 수 있다.
상기 금속 보스부는 상기 라이너에 연결될 수 있다.
본 발명은 열가소성 수지 필름으로 된 라이너의 외피에 에틸렌 비닐 알코올 필름을 부착함으로써 산소 차폐 효과 및 내열성을 높일 수 있는 가스 컨테이너를 제공하였다.
본 발명은 열경화성에 의해 접합한 라이너 접합부를 보스부에 포함시켜 펌프나 밸브와의 체결 강도를 높일 수 있는 가스 컨테이너를 제공하였다.
본 발명은 압력을 주었을 때 파열 전 실린더 부위가 찢어지면서 실린더 내의 가스 누출만 발생하는 안정적인 구조의 가스 컨테이너를 제공하였다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 가스 컨테이너의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 가스 컨테이너에 대해 압축 잔류 응력을 측정한 결과이다.
첨부한 도면을 참고하여, 본 발명의 일 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 출원에 개시된 기술은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 출원의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본원 발명의 발명자는 압축 공기가 수용되는 라이너를 수지 재질 특히 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름으로 할 경우 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름은 산소 투과성이 높아서 외부로부터 산소가 쉽게 투과되거나 내부로부터 산소가 잘 빠질 수 있어서 차폐 효과가 떨어지고, 유리전이온도가 낮아서 내열성이 낮다는 문제점이 있음을 알아내었다. 이에, 공기가 수용되는 수지 재질의 라이너의 외부 표면에 에틸렌 비닐 알코올 필름을 부착함으로써 산소 차폐 효과 및 내열성을 높일 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
이하, 도 1을 참고하여 본 발명의 가스 컨테이너를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 가스 컨테이너의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 가스 컨테이너(100)는 라이너(10), 에틸렌 비닐 알코올 필름(20) 및 복합재층(30)이 순차적으로 적층된 복합재 압력 용기를 포함할 수 있다. 복합재 압력 용기는 가스를 수용하는 실린더부(110), 실린더부(110)의 한쪽과 연결된 돔부(120), 실린더부(110)의 다른 한쪽과 연결된 보스부(130)로 구성된다.
라이너(10)는 수지로 되어 있으며 실린더부((110)를 형성하여 공기를 수용할 수 있다.
라이너(10)는 수지로 되어 있어서 종래 알루미늄 등의 금속 라이너의 부식으로 인한 녹 등의 이물질 발생, 중금속 중독 등의 문제점을 해소할 수 있다. 또한, 수지는 가스와의 반응성이 낮으며 접합성이 양호한 종류를 선택할 수 있다. 예를 들면, 상기 수지는 예를 들면 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌나프탈레이트 등의 폴리에스테르 수지로 되어 있을 수 있다.
라이너(10)는 수지로 되어 있으며 특히 폴리에틸렌테레프탈레이트는 산소 투과성이 높고 유리전이온도가 낮다. 따라서, 라이너의 외부 표면에 에틸렌 비닐 알코올(EVOH) 필름을 형성함으로써 산소 투과성을 보완하여 산소 차폐 효과 및 유리전이온도를 높여 내열성을 높일 수 있다.
라이너(10)는 라이너를 구성하는 각각의 부분 즉 보스부, 돔부, 실린더부를 각각 제조한 다음 각각의 경계면에서 초음파 융착 또는 열 융착에 의해 접합하는 융착 방식에 의해 제조될 수 있다. 융착 방식에 의할 경우 보스부, 돔부, 실린더부 사이에 융착에 의한 경계면이 형성된다. 보스부, 돔부, 실린더부 중 하나 이상에 문제가 생길 경우 문제가 생긴 부분만 제거하여 새로운 것으로 교체할 수 있다.
다른 방법으로, 라이너는 블로우 성형법에 의해 제조될 수 있다. 블로우 성형법은 라이너 베이스를 블로우 금형에 삽입하고 라이너 베이스 내부에 공기를 불어넣어 라이너 베이스를 만들고자 하는 라이너 형상으로 팽창시키는 방법이다. 라이너(10)는 복합재층 형성시에 맨드릴(mandrel)에 해당하는 기능을 한다. 라이너를 맨드릴로 삼아 라이너 위에 복합재층을 형성할 경우 복합재층이 라이너를 기재로 삼아 와인딩되므로 복합재층의 성형성, 강도가 향상될 수 있다.
에틸렌 비닐 알코올 필름(20)은 라이너(10)와 복합재층(30) 사이에 형성되어, 상술한 바와 같이 산소 차폐 효과 및 내열성을 높일 수 있다. 도 1에서 I-II를 참조하면, 복합재 압력 용기의 내부로부터 라이너(10), 에틸렌 비닐 알코올 필름(20), 및 복합재층(30)의 3층 구조로 구성된다. 또한, 에틸렌 비닐 알코올 필름은 압력 용기 내에 장착되어 압력 용기의 가장 이상적인 파열 모드인 몸체 부위에서 최대 응력이 발생하도록 함으로써 파열 전 해당 부위가 찢어지면서 가스 누출만 발생하도록 하여 압력 용기의 안전성을 높일 수 있다.
에틸렌 비닐 알코올 필름(20)은 에틸렌과 비닐 알코올의 공중합체로서 당업자에게 알려진 통상의 종류를 사용할 수 있다.
일 구체예에서, 에틸렌 비닐 알코올의 공중합체는 에틸렌과 비닐 알코올의 공중합체로 제조될 수 있다. 다른 구체예에서, 에틸렌 비닐 알코올의 공중합체는 에틸렌과 비닐 아세테이트의 공중합체를 제조한 다음 가수분해시켜 제조될 수도 있다. 공중합체 제조, 가수분해는 당업자에게 알려진 통상의 방법에 의한다.
에틸렌 비닐 알코올 필름(20)은 라이너(10) 외부 표면에 테이핑 방식으로 적용될 수 있다. 테이핑 방식으로 적용시 산소 차폐 및 내열성 개선 효과가 있을 수 있다.
복합재층(30)은 에틸렌 비닐 알코올 필름(20)의 외부 표면에 적층되며 압력 용기 전체를 둘러쌈으로써 압력 용기에 공기 충전지 내부 압력을 견디도록 할 수 있다.
복합재층(30)은 섬유를 포함하는 섬유 부재가 와인딩된 층을 포함할 수 있다. 섬유 부재는 건식 와인딩될 수도 있다. 그러나, 섬유 부재를 수지 등에 함침시켜 습식 와인딩시킴으로써 압력 용기에 충진시 내압을 보다 잘 지탱할 수 있다. 상기 수지는 에폭시 수지, 비닐 에스테르 등을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 상기 섬유는 유리 섬유, 금속 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 피치 섬유, 폴리에스테르 섬유, 바잘트(basalt) 섬유 등을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
돔부(120)는 실린더부(110)에 연결되며 실린더부(110)의 한쪽을 폐쇄한다.
돔부(120)는 실린더부와 동일하게, 라이너, 라이너 외부 표면에 형성된 에틸렌 비닐 알코올 필름 및 에틸렌 비닐 알코올 필름의 외부 표면에 형성된 복합재층으로 구성될 수 있다.
돔부(120)에는 노브(knob)가 형성되어 있을 수 있다. 노브는 라이너 및 에틸렌 비닐 알코올 필름 성형 후 외부 표면에 복합재층을 형성할 때 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 와인딩시 상기 섬유를 걸어줌으로써 라이너 및 에틸렌 비닐 알코올 필름 전반에 걸쳐 섬유가 고르게 와인딩되게 할 수 있다.
보스부(130)는 실린더부(110)에 연결되며 실린더부(110)의 다른 한쪽을 폐쇄한다.
보스부(130)는 실린더부(110)와 외부 가스 주입구를 연결하는 부분으로 가스의 통로가 되는 부분이다. 보스부(130)는 실린더부(110) 내에 가스 주입을 위해 펌프 또는 밸브가 장착되는 금속 보스부(50), 및 보스부를 라이너에 연결시키는 라이너 보스부(60)로 구성되어 있다.
라이너 보스부(60)는 실린더부(110) 특히 라이너에 접합되어 있으며, 외부로부터 가스 주입을 위한 통로 역할을 한다.
라이너 보스부(60)는 열경화 수지로 형성될 수 있다. 라이너 보스부(60)를 열경화 수지로 형성함으로써 외부로부터 가스 주입관과 연결시 강도를 보강함으로써 가스가 새는 것을 막을 수 있다. 열경화 수지는 특별히 제한되지 않지만,
금속 보스부(50)는 가스 주입을 위해 펌프 또는 밸브가 체결된다. 금속 보스부(50)는 가스의 유량을 제어하는 밸브나 펌프가 볼트나 용접 등으로 체결되어야 하고, 내변형성이 높아야 하므로 금속 재질로 이루어져 있다.
금속 보스부(50)는 라이너 보스부를 둘러싸도록 형성되어 라이너 보스부의 구조를 보강하고 외부에서 가스 주입시 나사산 형상을 확보하도록 할 수 있다. 금속 보스부(50)는 통상의 금속 예를 들면 알루미늄 등으로 형성될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
금속 보스부(50)는 라이너에 연결되어 라이너의 강도를 보강하고, 외부에서 가스 주입시 체결 역할을 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 가스 컨테이너에 대해 압축 잔류 응력을 측정한 결과이다. 구체적으로, 도 2는 본 발명의 가스 컨테이너에 대해 테스트 압력을 적용하였을 때 압축 잔류 응력을 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 공기 압력기의 실린더 부위에서 최대 응력이 발생하였음을 확인할 수 있다. 이를 통해 압력을 주었을 때 파열 전 실린더 부위가 찢어지면서 실린더 내의 가스 누출만 발생하는 안정적인 구조임을 확인하였다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (6)

  1. 산소를 함유하는 공기가 수용되며 수지로 성형된 라이너;
    상기 라이너의 외부 표면에 테이핑 방식으로 직접적으로 형성된 에틸렌 비닐 알코올 필름; 및
    상기 에틸렌 비닐 알코올 필름의 외부 표면에 형성된 복합재층을 포함하는 가스 컨테이너로서,
    상기 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌나프탈레이트 중 하나 이상을 포함하는 것인, 가스 컨테이너.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스 컨테이너는 보스부를 더 포함하고,
    상기 보스부는 열경화에 의해 형성된 라이너 보스부를 포함하는 가스 컨테이너.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보스부는 상기 라이너 보스부를 둘러싸는 금속 보스부를 더 포함하는 가스 컨테이너.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속 보스부는 상기 라이너에 연결된 가스 컨테이너.

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