KR102297888B1 - 가스 용기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소재의 기계적 물성을 고려하여 일정 수준의 내압을 확보할 수 있도록 최적의 두께를 가진 휴대용 가스 용기에 관한 것으로, 이는 제1 방향으로 볼록한 형상을 가진 돔면; 상기 제1 방향으로 볼록한 형상을 가진 하면; 및 상기 돔면과 상기 하면을 연결하는 원통형 몸체를 포함하고, 상기 돔면을 형성한 소재의 항복강도는 220 ~ 230MPa이고, 상기 돔면의 두께는 0.34 ~ 0.35mm이다.

Description

가스 용기 {Gas can}

본 발명은, 일정 수준의 내압을 확보할 수 있도록 최적의 두께를 가진 휴대용 가스 용기에 관한 것이다.

다양한 레저 문화가 확산되고 활성화되면서 휴대용 버너의 사용이 빈번해지고, 이와 더불어 휴대용 가스 용기가 널리 사용되고 있다. 이러한 가스 용기 중 캠핑용으로 주로 사용되는 상대적으로 납작한 가스 용기는 용기 자체를 세워서 사용하도록 되어 있다.

통상, 휴대용 가스 용기는 액화 석유 가스 중 부탄 가스를 주 원료로 한 부탄 가스 혼합물을 충전하여 사용된다. 이러한 가스 용기는 용기 내의 가스압을 이용하여 내용물을 외부로 분출시키는 것으로, 내용물이 충전되어 있을 경우에는 용기 내에 일정 이상의 압력이 항상 작용하고 있다. 따라서, 고온 또는 일정 이상의 압력이 작용하여 내부 압력이 높아지게 되면 용기가 변형되거나 파손되고 심할 경우에 폭발할 수 있다.

특히, 가스 용기가 일정 수준의 내압을 견디지 못하면, 안전 장치가 제대로 작동하지 못하고 용기의 외벽이 파열되어 인명 피해가 발생할 위험이 있다.

종래에는 생산업체에서 경험적으로 용기의 외벽 두께를 조절해가며 내압 테스트를 시행하였다. 이러한 내압 테스트는 시간과 비용이 많이 소요될 뿐 아니라, 생산되고 있는 용기의 내압과 두께의 상관 관계를 개략적으로도 알 수 없다.

(특허문헌 1) KR 1484949 B1

이에 본 발명은 소재의 기계적 물성을 고려하여 일정 수준의 내압을 확보할 수 있도록 최적의 두께를 가진 가스 용기를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 용기는, 제1 방향으로 볼록한 형상을 가진 돔면; 상기 제1 방향으로 볼록한 형상을 가진 하면; 및 상기 돔면과 상기 하면을 연결하는 원통형 몸체를 포함하고, 상기 돔면을 형성한 소재의 항복강도는 220 ~ 230MPa이고, 내압이 3MPa일 때 변형률이 0.15 이하이며, 상기 돔면의 두께는 0.34 ~ 0.35mm(오차범위 0.3%)이고, 내압이 3MPa일 때, 두께에 따른 등가 소성 변형률의 감소량에 관한 식 1을 만족하며, [식 1]은 등가 소성 변형률의 감소량 = -1.09 × 두께차(mm)인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 용기는, 제1 방향으로 볼록한 형상을 가지며, 상단에 구멍이 형성된 돔면; 상기 제1 방향으로 볼록한 형상을 가진 하면; 및 상기 돔면과 상기 하면을 연결하는 원통형 몸체를 포함하고, 상기 돔면을 형성한 소재의 항복강도는 220 ~ 230MPa이고, 내압이 3MPa일 때 변형률이 0.15 이하이며, 상기 돔면에서 적어도 상기 구멍으로부터 방사상으로 7 ~ 9mm의 거리만큼 떨어진 부위의 두께는 0.34 ~ 0.35mm(오차범위 0.3%)이고, 내압이 3MPa일 때, 두께에 따른 등가 소성 변형률의 감소량에 관한 식 1을 만족하며, [식 1]은 등가 소성 변형률의 감소량 = -1.09 × 두께차(mm)인 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 일정 수준의 내압을 견딜 수 있는 소재의 두께를 정하여 최적의 생산 조건을 도출할 수 있는 효과를 얻게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 용기를 도시한 사시도이다,
도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 용기의 내압 시뮬레이션 해석에 따른 변형률을 나타낸 도면이다.
도 4는 일정 내압에서 소재의 두께 변화에 따른 변형률을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 용기를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 용기는, 제1 방향으로 볼록한 형상을 가진 돔면(1); 제1 방향으로 볼록한 형상을 가진 하면(2); 및 돔면과 하면을 연결하는 원통형 몸체(3)를 포함하고, 돔면을 형성한 소재의 항복강도는 220 ~ 230MPa이고, 돔면의 두께는 0.34 ~ 0.35mm(오차범위 0.3%)이다.

가스 용기는 돔면(1)과 몸체(3) 및 하면(2)으로 구분할 수 있다. 돔면의 하단은 원통형 몸체의 일단에 연결되고, 돔면의 상단에는 구멍(5)이 형성되어 이 구멍에 가스를 배출하는 밸브(미도시)가 설치될 수 있다.

여기서는 설명 및 해석의 편의상 돔면(1)과 몸체(3)를 구분하여 설명하고 있으나, 실제로 돔면과 몸체는 일체로 성형될 수 있다. 혹은, 돔면과 몸체는 서로 시밍(Seaming)에 의해 결합하거나, 용접 등에 의해 접합될 수도 있다.

몸체(3)의 타단에는 하면(2)이 시밍(6)에 의해 결합될 수 있다. 하면에는 중앙이 용기의 내부를 향해 볼록하게 된 돔부(7)가 형성됨으로써 높은 내압을 견딜 수 있다.

이렇게 구성된 가스 용기로 내압 테스트를 시행할 때 가스 용기의 내부에는 내용물이 채워져 있지 않다. 이 경우, 가스 용기의 내부에 높은 압력이 일정 시간 동안 가해지면 하면(2)의 돔부(7)가 먼저 찌그러지게 되고 안전 장치(미도시)가 작동할 수 있는 환경이 조성된다.

하지만, 가스 용기가 실제로 사용될 때에는 가스 용기의 내부에 내용물이 대략 70 ~ 80% 정도로 채워져 있게 된다. 즉, 용기 내 상부에서 내용물은 기체 상태이고 용기의 중간 높이 이하에서는 내용물이 액체 상태로 존재하게 된다.

이러한 경우에는 가스 용기의 내부에 높은 압력 또는 열이 일정 시간 동안 가해지면 기체 분자들의 운동이 액체 분자들의 운동보다 훨씬 더 빨리 가속화되어 급격히 팽창하기 때문에 가스 용기의 상단 부위, 즉 돔면(1)의 상단 부위에 순간적으로 높은 압력이 가해질 수 있다.

이 상황에서 가스 용기의 돔면(1)의 두께가 충분하지 못하면, 안전 장치가 작동하기도 전에 용기에 파단이 일어나서 폭발이 발생할 수 있다.

또한, 예컨대 휴대용 가스레인지에 장착하여 사용하는 상대적으로 가늘고 긴 가스 용기는 용기 자체를 주로 눕혀서 사용하지만, 상대적으로 납작한 캠핑용 가스 용기의 경우에는 거의 대부분 용기 자체를 세워서 사용하기 때문에, 캠핑용 가스 용기는 돔면에서 크랙이 생기고 위쪽으로 폭발할 수 있다.

여기서, 상대적으로 납작한 캠핑용 가스 용기는 90 ~ 110mm의 지름과 65 ~ 90mm의 높이를 갖고서, 약 230g(약 8oz)의 무게를 가질 수 있다.

전술한 폭발의 위험성을 해소하기 위해 가스 용기의 외벽 두께를 두껍게 하는 방안이 있으나, 소재의 두께가 두꺼워지면 제조 원가를 증가시키는 단점이 있다. 따라서, 가스 용기의 상부로의 폭발을 방지하면서 제조 원가를 유지할 수 있는 최적의 두께를 찾을 필요가 있다.

본 출원인은 우선 소재의 기계적 물성을 활용하여 외벽 두께를 변화시키면서 일정 압력을 0.1s 동안 가하는 내압 시뮬레이션을 진행하였다.

소재로는 예컨대 탄소강 등과 같은 금속 재질로서, 220 ~ 230MPa 정도의 항복강도를 가진 저가(低價)의 소재를 채택하였다.

이때, 가스 용기의 전체 형상을 이용하여 내압 시뮬레이션을 진행하면, 용기 하면(2)의 볼록한 돔부(7)에 변형이 집중되어 실제 상황과 유사한 결론을 도출하기 어렵다.

따라서, 가스 용기의 돔면(1)을 특정하여 시뮬레이션을 시행한 후 가스 용기의 돔면에 대해 등가 소성 변형률(Equivalent Plastic Strain)을 확인하여 두께와 변형률 간의 상관 관계를 얻었다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 용기의 내압 시뮬레이션 해석에 따른 변형률을 나타낸 도면이고, 도 4는 일정 내압에서 소재의 두께 변화에 따른 변형률을 나타낸 그래프이다.

시뮬레이션에서는 가스 용기, 특히 돔면(1)이 고정된 것으로 설정하고서 돔면의 수직한 방향으로 압력을 가한다. 또한, 소재의 두께를 변화시키면서 데이터를 확보한다.

소재의 두께가 커질수록 일정 내압을 가할 때 외벽의 변화량이 감소됨을 확인할 수 있는데, 가해지는 내압의 크기가 커질수록 두께 증가에 따른 외벽 변화량의 감소 효과가 커짐을 알 수 있다.

통상적으로, 가스 용기의 내압 테스트시 내압은 약 1.3 ~ 1.5MPa 정도가 가해지며, 0.15(무차원수) 이상의 변형률에 도달하는 경우에 급격히 파단이 일어나면서 폭발로 이어진다.

도 4에서는, 이러한 가스 용기의 내압 테스트에 비해 2배 이상인 극한의 내압 조건(3MPa)에서 변형률이 0.15 이하인 두께는 0.33mm 이상임을 알 수 있다.

한편, 두께가 0.36mm 이상으로 되면, 제조 원가의 부담이 커진다.

이에 따라, 폭발에 대한 안정성을 만족하면서 제조 원가를 유지 내지 절감할 수 있는 가스 용기의 돔면(1)의 두께는 0.34 ~ 0.35mm(오차범위 0.3%)로 결정할 수 있다.

또한, 220 ~ 230MPa 정도의 항복강도를 가진 소재에 3MPa의 내압을 가할 때, 도 4의 그래프로부터 소재 두께에 따른 등가 소성 변형률의 감소량에 관한 상관 관계식이 아래의 식 1처럼 얻어질 수 있다.

[식 1]

등가 소성 변형률의 감소량 = -1.09 × 두께차(mm)

이러한 상관 관계식에 의하면, 내압에 따른 가스 용기의 최적의 두께를 결정하는 데에 도움이 될 수 있다.

더구나, 도 3을 참조하면, 가스 용기의 돔면(1)에서 밸브의 설치를 위한 구멍(5)으로부터 방사상으로 7 ~ 9mm 정도의 거리만큼 떨어진 부위에 변형률이 집중됨을 볼 수 있다.

따라서, 가스 용기의 돔면에서 적어도 최대 변형 부위, 즉 돔면(1)의 상단에 있는 구멍으로부터 방사상으로 7 ~ 9mm 정도의 거리만큼 떨어진 부위의 두께는 0.34 ~ 0.35mm(오차범위 0.3%)인 것이 바람직하다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 일정 수준의 내압을 견딜 수 있는 소재의 두께를 정하여 최적의 생산 조건을 도출할 수 있는 효과를 얻게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 돔면
2: 하면
3: 몸체
5: 구멍
6: 시밍
7: 돔부

Claims (5)

1. 제1 방향으로 볼록한 형상을 가진 돔면;
   상기 제1 방향으로 볼록한 형상을 가진 하면; 및
   상기 돔면과 상기 하면을 연결하는 원통형 몸체
   를 포함하고,
   상기 돔면을 형성한 소재의 항복강도는 220 ~ 230MPa이고, 내압이 3MPa일 때 변형률이 0.15 이하이며, 상기 돔면의 두께는 0.34 ~ 0.35mm(오차범위 0.3%)이고,
   내압이 3MPa일 때, 두께에 따른 등가 소성 변형률의 감소량에 관한 식 1을 만족하는 가스 용기.
   [식 1]
   등가 소성 변형률의 감소량 = -1.09 × 두께차(mm)
   
2. 제1 방향으로 볼록한 형상을 가지며, 상단에 구멍이 형성된 돔면;
   상기 제1 방향으로 볼록한 형상을 가진 하면; 및
   상기 돔면과 상기 하면을 연결하는 원통형 몸체
   를 포함하고,
   상기 돔면을 형성한 소재의 항복강도는 220 ~ 230MPa이고, 내압이 3MPa일 때 변형률이 0.15 이하이며, 상기 돔면에서 적어도 상기 구멍으로부터 방사상으로 7 ~ 9mm의 거리만큼 떨어진 부위의 두께는 0.34 ~ 0.35mm(오차범위 0.3%)이고,
   내압이 3MPa일 때, 두께에 따른 등가 소성 변형률의 감소량에 관한 식 1을 만족하는 가스 용기.
   [식 1]
   등가 소성 변형률의 감소량 = -1.09 × 두께차(mm)
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 가스 용기는 90 ~ 110mm의 지름과 65 ~ 90mm의 높이를 갖는 가스 용기.
   
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