KR102440677B1 - 버클링 방지형 고압 용기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 버클링 방지형 고압 용기에 관한 것으로, 상세하게는 용기내 가스 연료의 유동흐름을 방해하지 않으면서 라이너부의 강도/강성을 증대할 수 있는 보강 구조를 구성함으로써 기존 라이너부에 버클링을 유발하는 하중이 가해지는 조건에서 라이너부의 강도/강성 부족으로 인한 버클링 발생을 방지할 수 있는 버클링 방지형 고압 용기를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

버클링 방지형 고압 용기 {High pressure tank}

본 발명은 버클링 방지형 고압 용기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고압 용기내 가스 연료의 유동흐름을 방해하지 않으면서 라이너부의 강도/강성을 증대하기 위한 고압 용기에 관한 것이다.

일반적으로 가스 연료(예를 들어, LPG 혹은 수소 등)를 사용하는 차량의 경우 고압의 가스 연료를 저장하는 고압 용기를 탑재한다.

상기 고압 용기 중에는 가스의 투과를 차단하는 내층의 라이너부와 용기 내부 압력을 견디는 외층의 지지부로 구성된 타입이 있다.

이러한 고압 용기의 경우 라이너부의 입구 측에 보스부가 결합되어 구비되는데, 그에 따라 상기 라이너부와 보스부의 결합 부위에 리크가 발생할 가능성이 큰 문제점이 있으며, 또한 가스 연료의 저장 시 팽창되어 있던 고압 용기가 가스 연료의 배출 시 원상태로 복귀하면서 라이너부에 압축 하중이 가해지게 되고 이에 따라 라이너부의 강도/강서 부족으로 인한 버클링(buckling)이 발생하는 문제점이 존재한다.

한국등록특허 제10-1437231호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 용기내 가스 연료의 유동흐름을 방해하지 않으면서 라이너부의 강도/강성을 증대할 수 있는 보강 구조를 구성함으로써 기존 라이너부에 버클링을 유발하는 하중이 가해지는 조건에서 라이너부의 강도/강성 부족으로 인한 버클링 발생을 방지할 수 있는 버클링 방지형 고압 용기를 제공하는데 그 목적이 있다.

이에 본 발명에서는, 가스 연료를 저장하는 고압 용기로서, 내층의 라이너부와 외층의 지지부를 포함하고, 상기 라이너부는 복수의 홈부가 형성되어 있는 요철 표면부를 가지며, 상기 홈부에 보강재를 삽입하여 라이너부의 강도 및 강성을 증대하게 된 것을 특징으로 하는 버클링 방지형 고압 용기를 제공한다.

상기 요철 표면부는 지지부가 비접촉하고 있는 라이너부의 내측 표면에 형성되며, 이에 상기 보강재는 홈부에 삽입 시 요철 표면부와 단차가 발생하지 않도록 하고 또한 라이너부의 재료보다 고강도 및 고강성을 가지는 재료 중에 가스 연료에 대한 취성이 발생하지 않는 재료로 이루어진 것이 사용된다.

또한, 상기 보강재는 상기 홈부를 기밀하게 닫을 수 있는 단면 구조 중에 동일 단면적을 기준으로 가장 큰 단면계수를 가지는 단면 구조의 보강재가 사용되며, 구체적으로 상기 보강재는 사각형이나 사각 링 모양의 단면 구조 대비 더 큰 단면계수를 가지는 I형 단면 구조를 가지는 것이 사용된다.

본 발명에 따른 버클링 방지형 고압 용기는 라이너부의 강도/강성이 증대됨으로써 가스 연료의 저장 시 팽창되어 있던 고압 용기가 가스 연료의 배출 시 원상태로 복귀하면서 라이너부에 압축 하중이 가해지게 되더라도 라이너부의 강성 부족으로 인한 버클링 발생을 방지할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 고압 용기를 보여주는 단면도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 용기를 보여주는 단면도
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고압 용기를 보여주는 단면도
도 4는 본 발명에 따른 보강재의 단면 구조에 따른 단면계수를 비교하여 나타낸 예시도
도 5는 본 발명에 따른 라이너부의 요철 표면부에 보강재를 삽입함에 따른 효과를 나타낸 도면

도 1에 나타낸 바와 같이, 자동차의 가스 연료를 저장하는 고압 용기 중에는 가스 연료의 투과를 차단하는 내층의 라이너부(11)와 용기 내부 압력을 견디는 외층의 지지부(12)로 구성된 타입이 있다.

이러한 고압 용기(10)의 경우 라이너부(11)의 입구 측에 개폐용 밸브 등의 결합을 위한 금속 재질의 보스부(13)가 결합되어 구비되며, 무게가 가볍고 수소 취성이 발생하지 않는 플라스틱 재질의 라이너부를 사용하여 고압, 고효율을 필요로 하는 곳에 많이 사용되고 있다.

상기 고압 용기(10)는 가스 연료의 저장 시 팽창되어 있다가 가스 연료의 배출 시 원상태로 복귀하게 되면서 라이너부(11)에 압축 하중이 가해지게 되는데, 이때 라이너부(11)의 강도 및 강성이 부족한 경우 그로 인한 버클링이 발생하게 된다.

이에 본 발명에서는 고압 용기의 내층을 형성하는 라이너부의 강도/강성을 증대하기 위한 하이브리드(hybrid)형 보강 구조를 구성하여 기존 라이너부에 버클링을 유발하는 하중이 가해지는 조건에서 라이너부의 강도/강성 부족으로 인한 버클링 발생을 방지할 수 있도록 한다.

이때 상기 라이너부의 강성을 증대하기 위한 보강 구조는 고압 용기내 가스 연료의 유동흐름을 간섭하지 않는 조건을 만족하도록 구성된다.

첨부한 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 용기를 보여주는 단면도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고압 용기를 보여주는 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 보강재의 단면 구조에 따른 단면계수를 비교하여 나타낸 예시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 라이너부의 요철 표면부에 보강재를 삽입함에 따른 효과를 나타낸 도면이다.

도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 고압 용기(100)는 가스 연료의 투과를 차단하는 내층의 라이너부(110)와 용기 내부 압력을 견디는 외층의 지지부(120) 및 상기 라이너부(110)의 입구 측에 접합되는 보스부(130)를 포함하여 구성된다.

상기 지지부(120)는 라이너부(110)의 외표면에 섬유복합재료를 감아서 적층하는 와인딩 방식으로 형성 가능하며, 원통형의 실린더부와 이 실린더부의 양측에 일체로 형성된 돔부로 이루어진다.

상기 라이너부(110)는 플라스틱 재료를 사용하여 사출 성형 가능하며, 예를 들어 보스부(130)를 인서트한 사출금형을 이용하여 보스부(130)와 일체로 접합되게 형성 가능하다.

이러한 라이너부(110)는 크게 2층의 단면 구조를 가지는 고압 용기(100)의 내층을 형성하는 것으로서, 라이너부(110)의 외측 표면에는 지지부(120)가 밀착하여 구비되고 라이너부(110)의 내측 표면은 가스 연료가 저장되는 고압 용기(100)의 내부공간을 둘러싸게 된다.

상기 라이너부(110)는 그 내측 표면에 복수의 홈부(112)가 형성되어 있는 요철 표면부(111)를 가진다.

다시 말해, 상기 요철 표면부(111)는 지지부(120)가 비접촉하고 있는 라이너부(110)의 내측 표면에 요철 구조로 마련되고, 요철 구조에 따른 복수의 홈부(112)가 고압 용기(100)의 축선방향으로 이격 배열된다.

그리고, 상기 각 홈부(112)에는 보강재(113)가 밀착 삽입되어 고정되고, 상기 보강재(113)는 라이너부(110)의 강도 및 강성을 증대시키는 역할을 하게 된다.

이때 보강재(113)는 요철 표면부(111)와 더불어 고압 용기(100)의 내부공간을 둘러싸게 되고, 요철 표면부(111)와 단차 없이 평평한 표면 구조를 이루어 고압 용기(100)의 내부공간을 둘러싸게 된다.

다시 말해, 상기 보강재(113)는 요철 구조를 가지는 라이너부(110)의 내측 표면 즉, 요철 표면부(111)로부터 돌출됨 없이 홈부(112)에 삽입되어 고정되고, 이에 요철 표면부(111)와 더불어 매끄럽고 평평한 라이너부(110)의 내측 표면을 이루게 되며, 이때 각 홈부(112)를 기밀하게 닫아주게 됨으로써 고압 용기(100)에 저장되는 가스 연료의 유동흐름을 방해하지 않게 된다.

또한, 상기 보강재(113)는 사각형이나 I형 등의 다양한 단면 구조를 가지는 것이 사용될 수 있으나, 동일 단면적을 기준으로 단면계수가 가장 큰 단면 구조를 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 단면계수가 증가함에 따라 라이너부(110)의 강성 및 강도를 강화하는 보강재(113)의 성능이 증대되기 때문이다.

알려진 바와 같이 굽힘 응력(σ)은 "σ=M/Z"이며, 따라서 단면계수(Z)가 증가하면 굽힘 변형에 대한 저항이 커지게 되고 결국 동일 압력 하중에 대한 굽힘 응력(σ)이 감소하므로 라이너부(110)의 강도/강성 및 내구성이 향상되는 효과가 있음을 알 수 있다. 참고로, 상기 M은 굽힘 모멘트이다.

도 4를 참조하여 일례로서 설명하면, 사각형의 단면 구조를 가지는 보강재(도 4의 (a) 참조)의 단면계수가 1이라고 할 때, 중공형의 사각형 즉, 사각 링 모양의 단면 구조를 가지는 보강재(도 4의 (b) 참조)의 단면계수는 1.78이고, I형 단면 구조를 가지는 보강재(도 4의 (c) 참조)의 단면계수는 3.06임을 확인한바 있다.

이와 같이 상기 보강재(113)는 그 단면 형상에 따라 단면계수가 달라지게 되며, 따라서 동일 단면적을 기준으로 단면계수가 가장 큰 단면 구조를 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하며, 이는 요철 표면부(111)의 홈부(112)에 삽입가능한 조건을 만족하는 것을 전제로 한다.

즉, 상기 홈부(112)에 삽입된 보강재(113)는 요철 표면부(111)와 더불어 라이너부(110)의 내측 표면을 평평하고 기밀하게 닫아 마감할 수 있는 조건을 만족해야 한다. 이는 고압 용기(100)내에 충전되는 가스 연료의 정상적인 유동을 저해하지 않도록 하기 위함이다.

라이너부(110)의 내측 표면이 단차 없이 평평한 표면 구조를 만족하지 못하는 경우, 예를 들어 라이너부(110)의 내측 표면에 홈 등이 존재하는 경우 가스 연료의 유동 정체 및 와류가 발생하게 된다.

따라서, 도 4에 도시되어 있는 보강재 중에는 I형 단면 구조를 가지는 보강재(113b)를 사용하는 것이 바람직하다. 물론, 상기 홈부(112)를 요철 표면부(111)와 단차 없이 기밀하게 닫을 수 있는 동시에 상기 I형 단면 구조의 보강재(113b)보다 더 큰 단면계수를 가지는 단면 구조의 보강재를 사용하는 것이 더 바람직하다.

상기 I형 단면 구조의 보강재(113b)는 요철 표면부(111)의 홈부(112)에 삽입 시 홈부(112)를 기밀하게 닫아주어 요철 표면부(111)를 단차 없이 평평하게 마감할 수 있는 조건을 만족하는 동시에, 사각형이나 사각 링 모양의 단면 구조를 가지는 보강재 대비 보다 큰 단면계수를 가짐에 따라 더 큰 보강 성능을 가지게 된다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 라이너부(110)의 내측 표면이 단차 없이 평평한 표면 구조를 만족하지 못하지 경우, 다시 말해 요철 표면부(111)의 홈부(112)에 보강재(113)를 미삽입하는 경우, 고압 용기(100)내 가스 연료의 유동흐름이 발생할 때, 상기 홈부(112)에 가스 연료가 유입되면서 유동 정체(유동흐름성 저하) 및 와류가 발생하게 되고 그에 따라 고압 용기(100)의 차압 증가와 열교환성 불량으로 인한 국부적 온도 증가(온도 분포 불균일) 및 연료잔류량 측정 오류 등의 문제를 유발할 수 있다.

라이너부(110)의 내측 표면에 요철 표면부(111)를 형성함에 따라 라이너부(110)의 단면계수를 증가시킬 수 있기 때문에, 라이너부(110)의 강성을 증대하기 위해 상기 요철 표면부(111)만 적용하고 보강재(113)를 미삽입할 수도 있겠으나(도 5의 (a) 참조), 동일 단면적 대비 큰 강성을 확보하기 위해서는 라이너부(110)의 두께가 두꺼워질 수 있으며, 또한 도 5를 참조하여 설명한 상기 문제를 유발할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 라이너부(110)의 두께 증가를 지양하고 고압 용기(100)내 가스 연료의 정상 유동을 원활하도록 하기 위해, 도 2 및 도 3과 같이 보강재(113a,113b)를 요철 표면부(111)의 홈부(112)에 기밀하게 삽입하는 것이 바람직하며, 특히 보강재(113)의 자체 강성을 증대하는 단면 구조를 적용함으로써 라이너부(110)의 전체 강성을 높이고 라이너부(110)의 두께를 상대적으로 좀더 얇게 할 수 있는 I형 단면 구조를 가지는 보강재(113b)를 상기 홈부(112)에 삽입하는 것이 더 바람직하다.

한편, 상기 보강재(113)는 고압 용기(100)내에 충전되는 가스 연료와 직접 접촉하게 되므로, 라이너부(110)의 재료(플라스틱)보다 고강도 및 고강성을 가지는 재료 중에 가스 연료에 대한 취성이 없는 재료로 형성된 것이 사용된다.

고압 용기(100)에 충전되는 수소 연료의 경우 화학 원소 중 가장 작은 원소로서 재료 내부에 침투하여 수소 취성을 일으키기 쉽다. 수소 취성이 일어나게 되면 재료의 인장/피로 등의 기계적 강도가 현저히 저하된다. 특히, 수소는 탄소강과 같이 강도와 강성이 큰 금속에 영향을 더 많이 미친다고 알려져 있다.

이에 상기 보강재(113)는 라이너부(110)의 강성/강도 보강이 가능한 동시에 수소 등의 가스 연료에 대한 취성이 발생하지 않는 재료로 형성되며, 예를 들어 알루미늄 중에서도 수소 취성이 생기지 않는 것으로 알려진 AL6061 로 형성될 수 있다. 아울러, AL6061은 상기 보강재를 가공하기 용이한 이점이 있다.

앞서 설명한 바와 같은 보강재(113)를 이용하여 라이너부(110)의 강성/강도를 증가시킨 고압 용기(100)는 종래 고압 용기 대비 다음과 같은 이점을 가진다.

1. 라이너부의 강성/강도 부족으로 인한 버클링 발생을 방지할 수 있고 라이너부의 피로내구 수명을 향상할 수 있다.

2. 고압 용기내에 충전되는 가스 연료의 유동흐름을 방해하지 않으면서 라이너부의 강성/강도를 증가시킬 수 있다.

3. 라이너부의 전체 강성/강도를 증가시키는 동시에 라이너부의 두께 축소를 도모할 수 있다.

4. 플라스틱 대비 고강도 및 고강성을 가지면서 수소 등의 가스 연료에 취성이 발생하지 않는 재료를 사용함으로써 취성 발생으로 인한 기계적 강도의 감소를 방지할 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 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 : 라이너부
111 : 요철 표면부
112 : 홈부
113,113a,113b : 보강재
120 : 지지부
130 : 보스부

Claims (6)

1. 가스 연료를 저장하는 고압 용기로서,
   내층의 라이너부와 외층의 지지부를 포함하고, 상기 라이너부는 복수의 홈부가 형성되어 있는 요철 표면부를 가지며, 상기 홈부에 보강재를 삽입하여 상기 라이너부의 강도 및 강성을 증대하게 되고,
   상기 요철 표면부는 상기 지지부가 비접촉하고 있는 라이너부의 내측 표면에 형성되고, 상기 보강재는 상기 홈부를 기밀하게 닫아주는 단면 구조를 가지며 상기 홈부에 삽입 시 상기 요철 표면부와 단차가 발생하지 않게 된 것을 특징으로 하는 버클링 방지형 고압 용기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 보강재는 상기 홈부를 기밀하게 닫을 수 있는 단면 구조 중에 동일 단면적을 기준으로 가장 큰 단면계수를 가지는 단면 구조의 보강재인 것을 특징으로 하는 버클링 방지형 고압 용기.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 보강재는 I형 단면 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 버클링 방지형 고압 용기.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 보강재는 라이너부의 재료보다 고강도 및 고강성을 가지는 재료 중에 가스 연료에 대한 취성이 발생하지 않는 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 버클링 방지형 고압 용기.
   

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