KR102463415B1 - 보스부가 강화된 구조를 가지는 고압용기 - Google Patents

보스부가 강화된 구조를 가지는 고압용기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보스부가 강화된 구조를 가지는 고압용기에 관한 것으로서, 상세하게는 실린더와 상기 실린더의 양측 단부에 형성된 돔을 갖는 고압용기에 있어서, 상기 고압용기는 상기 돔의 일단에 형성되는 보스;를 포함하고, 상기 보스는 상기 고압용기 내부로 연료가 드나들기 위한 유로를 포함하는 헤드; 및 상기 헤드로부터 방사 방향으로 연장되며, 상기 헤드를 둘러쌓아 형성되는 숄더;를 더 포함하고, 상기 숄더의 내부에는 적어도 하나 이상의 중공 및 상기 숄더의 외주면에는 적어도 하나 이상의 반중공이 각각 형성되는 것을 포함하여 강화된 보스부를 가지는 고압용기에 관한 발명이다.

Description

보스부가 강화된 구조를 가지는 고압용기 {High pressure tank having reinforced boss-part}
본 발명은 연료전지 시스템이 탑재될 수 있는 차량에서 연료, 상세하게는 수소 공급계에 구비될 수 있는 고압용기의 보스를 강화할 수 있는 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고압용기의 헬리컬층에 구비될 수 있는 금속 재질의 보스에 있어서, 보스 외주면 또는 내부에 중공를 형성하여 보스의 단면 계수를 증가시키며, 결과적으로 고압용기 보스의 강도 및 내구성을 향상시킬 수 있는 고압용기 보스 강화 구조에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급 시스템, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급 시스템, 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.
상기 연료 공급 시스템, 즉 수소 공급계에 구비되는 수소 탱크에는 700bar 정도의 고압 압축 수소가 저장되어 있으며, 이 저장된 압축 수소는 수소 탱크 입구부에 장착된 고압 조절기의 온/오프(on/off)에 따라 고압 라인으로 방출된 후, 시동 밸브와 수소 공급 밸브를 거치면서 감압되어 연료전지 스택으로 공급된다.
이 때, 고압의 가스가 연료(수소)로서 사용되며, 따라서 가스를 필요에 따라 저장, 배출하기 위하여 가스의 저장 용기가 필요하다. 특히 가스는 용기 내 저장 밀도가 낮기 때문에 고압으로 저장하는 것이 효율적이며 다만 고압으로 인한 폭발의 위험에 노출된다는 단점을 가진다. 특히 대체연료가스 차량은 그 저장 용기의 탑재 공간이 한정되어 있기 때문에 저장 압력을 고압으로 유지하면서도 안전성을 확보하는 것이 기술의 핵심이다.
따라서 이러한 연료가스 저장용기 중 복합재 용기의 경우, 수소 가스의 높은 내압을 견디기 위해 비강도 및 비강성이 높은 섬유강화 복합재료로 외피가 보강되어야 하며, 내부에는 가스의 기밀성을 유지하는 라이너가 삽입된다. 상세하게는 양 단에 2개의 반구 형태를 가지는 라이너가 접합 되어 하나의 저장 용기를 구성할 수 있다.
또한, 가스, 특히 수소의 저장 용기는 라이너의 재질에 따라 형태가 나뉘며, 알루미늄과 같은 금속재질의 라이너가 삽입된 용기를 타입 3, 고밀도 폴리머가 삽입된 용기를 타입 4라 구분한다. 타입 3는 상대적으로 안정적이지만 고가이며 내피로특성이 떨어지는 단점이 있으나, 타입 4 용기는 상대적으로 저렴하고 내피로특성이 우수하지만 수소의 누출 및 내투과성능이 떨어지는 등 안정성의 문제가 있다.
특히, 타입 4 용기에서는 돔 형태의 단부 즉, 돔부의 취약부를 보강하기 위해 많은 탄소 섬유를 사용해야하며, 돔부 내측에는 금속 재질의 노즐을 포함하는 보스가 위치할 수 있으므로 금속 보스의 구조 설계에 따라 돔부 전체의 안정성이 영향을 받을 수 있다. 나아가, 금속 보스의 구조 설계는 고압용기 전체의 무게 및 고압 용기가 장착되는 연료 전지 시스템의 효율과도 직접적인 연관이 있다.
미국공개특허 US 2011/0210127 (2011. 09. 01.)
종래의 고압용기의 금속 보스의 경우, 내구성을 증가 시키기 위해 금속 보스의 두께를 두껍게 구성하거나, 금속 보스의 길이를 길게 설계하여야 했다. 이 경우, 고압용기의 중량이 증가하고, 수소 중량 효율이 감소하여, 연료 전지 시스템 전체의 효율이 저하될 수 밖에 없다는 단점이 있었다. 따라서, 본 발명에서는 보스 내부에 형성되는 중공를 통하여 금속 보스의 단면 계수를 증가시키고 응력을 감소시켜, 보스의 중량을 감소시키면서도 고압용기의 내구성을 증가시킬 수 있는 구조를 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일 실시예로서, 실린더와 상기 실린더의 양측 단부에 형성된 돔을 갖는 고압용기에 있어서, 상기 고압용기는 상기 돔의 일단에 형성되는 보스;를 포함하고, 상기 보스는 상기 고압용기 내부로 연료가 드나들기 위한 유로를 포함하는 헤드; 및 상기 헤드로부터 방사 방향으로 연장되며, 상기 헤드를 둘러쌓아 형성되는 숄더;를 더 포함하고, 상기 숄더의 내부에는 적어도 하나 이상의 중공이 형성되는 것을 포함하여 강화된 보스부를 가지는 고압용기를 제공한다.
또한, 상기 중공은 복수개로 형성되어, 상기 숄더의 내부에 고리 형태로 형성되고, 각각 상기 보스의 상기 헤드로부터 동심원을 이루며 형성되며, 상기 중공의 장방향 폭은 상기 헤드에 가까워질수록 길어지는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기를 제공한다.
또한, 상기 중공은 복수개로 형성되어, 상기 숄더의 내부에 판형으로 형성되고, 상기 판형의 중공은 각각 상기 헤드의 중심으로부터 방사 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기를 제공한다.
또한, 실린더와 상기 실린더의 양측 단부에 형성된 돔을 갖는 고압용기에 있어서, 상기 고압용기는 상기 돔의 일단에 형성되는 보스;를 포함하고, 상기 보스는 상기 고압용기 내부로 연료가 드나들기 위한 유로를 포함하는 헤드; 및 상기 헤드로부터 방사 방향으로 연장되며, 상기 헤드를 둘러쌓아 형성되는 숄더; 를 더 포함하고, 상기 숄더의 외주면에는 적어도 하나 이상의 반중공이 형성되는 것을 포함하여 강화된 보스부를 가지는 고압용기를 제공한다.
또한, 상기 중공은 복수개로 형성되고, 상기 외주면에서 고리형태로 형성되고, 각각 상기 보스의 상기 헤드로부터 동심원을 이루며 형성되는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기를 제공한다.
또한, 상기 중공은 복수개로 형성되고, 상기 외주면에서 각각 상기 헤드의 중심으로부터 방사 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기를 제공한다.
또한, 상기 중공은 상기 숄더의 외주면에 와플 패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기를 제공한다.
또한, 실린더와 상기 실린더의 양측 단부에 형성된 돔을 갖는 고압용기에 있어서, 상기 고압용기는 상기 돔의 일단에 형성되는 보스;를 포함하고, 상기 보스는 상기 고압용기 내부로 연료가 드나들기 위한 유로를 포함하는 헤드; 및 상기 헤드로부터 방사 방향으로 연장되며, 상기 헤드를 둘러쌓아 형성되는 숄더;를 더 포함하고, 상기 숄더의 내부에는 적어도 하나 이상의 중공 및 상기 숄더의 외주면에는 적어도 하나 이상의 반중공이 각각 형성되는 것을 포함하여 강화된 보스부를 가지는 고압용기를 제공한다.
또한, 상기 외주면의 반중공과 상기 내부의 중공은 각각 복수개로 형성되고, 상기 외주면의 반중공은 상기 내부의 중공 중 인접하는 두 개의 중공 사이의 상단부 일 지점에 형성되는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기를 제공한다.
또한, 상기 중공 또는 상기 반중공은 일정 간격으로 배치되거나 또는 소정의 간격에 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기를 제공한다.
또한, 상기 보스의 상기 숄더의 외부로는 복합재가 와인딩되는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기를 제공한다.
또한, 상기 헤드는 서로 다른 직경을 가지는 복수개의 원통; 및 상기 서로 다른 직경을 가지는 원통 사이에서 상기 원통을 연결하는 테이퍼진 경사면;을 더 포함하여 구성되며, 복합재는 상기 테이퍼진 경사면과 상기 서로 다른 직경을 가지는 원통 중 큰 직경을 가지는 원통이 만나는 높이까지 와인딩되는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기를 제공한다.
또한, 상기 보스의 상기 숄더의 일단은 상기 라이너와 맞물리는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기를 제공한다.
또한, 상기 보스는 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기를 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 고압용기 보스에 사용되는 재료 사용량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 원가 절감 및 고압용기의 중량을 감소시킬 수 있으며, 수소 중량 효율이 증가될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 중공에 의해 고압용기 보스의 단면계수가 증가될 수 있다. 증가된 단면계수에 의해 굽힘에 대한 보스의 저항이 커질 수 있다. 따라서, 보스의 구조 강도 및 내구성이 증가될 수 있다. 나아가, 보스의 반복피로 내구수명 역시 연장될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 보스 상부에 와인딩되는 복합재에 의한 보스의 응력이 감소될 수 있으므로 복합재 와인딩 시 응력에 의한 보스의 취약부 파손을 방지할 수 있다. 나아가, 와인딩되는 복합재의 양도 감소시킬 수 있으므로, 보스 자체의 중량 감소와 더불어 감소된 복합재 양에 따른 고압용기의 중량 감소 효과도 더불어 누릴 수 있다.
도 1과 도 2는 종래의 기술에 따른 돔과 돔에 형성될 수 있는 보스부, 복합재 및 라이너의 체결, 부착 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 동일 면적에 있어, 단면의 형상에 따른 단면계수의 비를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예를 도시한 도면으로서, 보스의 숄더 내부에 중공과 외주면의 반중공이 형성된 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예를 도시한 도면으로서 숄더 내부의 중공이 고리형태로 형성된 단면도와 조감도를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예를 도시한 도면으로서 숄더 내부의 중공이 판형으로 형성된 단면도과 조감도를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예를 도시한 도면으로서 숄더 외주면에 반중공부가 형성된 단면도와 조감도를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
차량에 탑재되는 연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급 장치, 연료 전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기 공급 장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 냉각 시스템 등으로 구성된다.
연료 전지 시스템의 연료 공급계에는 연료가 탑재된 고압용기가 연료 저장 탱크로서 존재할 수 있다. 고압용기에서는 바람직하게는 수소를 연료로써 탑재 및 사용하며 700bar 정도의 고압 수소 가스가 용기 내부에 저장될 수 있다.
따라서 고압용기의 내부에서는 연료 또는 수소로 인한 고압 상태가 지속될 수 있으며 고압용기를 가압할 수 있다. 특히, 고압용기의 일 지점에 리크가 발생하거나 파단이 생기는 경우 내부의 고압이 일 지점에 집중되어 고압용기의 파손 및 그에 따른 폭발등을 유발할 수 있으므로 고압용기의 내구성 및 안정성은 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템이 탑재될 수 있는 차량에 있어 매우 중요한 요소이다.
이에 따라, 라이너, 상세하게는 플라스틱 재질의 라이너와 상기 라이너의 일단에 연료가 주입되거나 배출될 수 있는 노즐을 포함하는 보스부를 포함하며, 상기 라이너와 보스부가 결합된 구조체 외부를 탄소 섬유 복합재로 와인딩하여 형성되는 타입 4 고압용기를 사용하는 것이 근래의 추세이다.
이러한 타입 4 고압용기의 경우, 고압용기의 몸체를 이루는 실린더와 실린더의 양측 단부에 반구형으로 형성되어 실린더와 더불어 고압용기를 이루는 돔을 포함할 수 있으며, 반구형으로 형성되는 돔에는 상대적으로 고압의 수소에 취약한 부분이 형성될 수 있다. 따라서, 이러한 취약부를 보강하기 위해 다량의 탄소 섬유 복합재를 돔 외부에 와인딩하여야 하며, 와인딩 두께에 따라 돔, 상세하게는 돔의 취약부의 내구성 및 고압용기 전체의 무게가 영향을 받을 수 있고, 나아가 연료 전지 시스템 전체의 효율이 좌우될 수 있다.
따라서 본 발명에서는 돔(100)의 일단에 구비될 수 있는 보스(200)의 내부에 '빈 공간'을 형성하거나 보스(200)의 외부에 '홈'을 형성함으로써 보스(200)의 무게를 낮추면서도 강도 및 내구성을 증가시키면서, 와인딩되는 탄소 섬유 복합재의 양도 더불어 절감할 수 있는 보스(200) 구조를 가지는 고압용기에 대하여 설명하고자 한다. 이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명에 따른 강화된 보스를 가지는 고압용기에 대하여 상세히 설명하도록 한다. 나아가, 본 발명에서는 고압용기를 '실린더'와 '돔(100)'으로 나누어 설명하며, 상세하게는 '실린더'는 고압용기에서 원통형으로 형성되는 부분을 지칭할 수 있으며 상기 원통형 실린더의 양단 각각에 형성되어 실린더와 더불어 고압용기를 형성하는 반구 형태 부분을 '돔(100)'이라고 지칭할 수 있다. 또한, '중공(210a)'의 의미는 보스(200), 상세하게는 숄더(200b) 내부에 형성될 수 있는 '빈 공간'을 의미하며, '반중공(210b)'은 보스(200) 외주면, 상세하게는 보스(200)의 숄더(200b) 외주면을 따라 형성될 수 있는 '홈'을 의미하며 단수 및 복수의 개념을 통합하여 서술하고 있음에 유의하여야 한다.
도 1 및 도 2는 타입 4 고압용기의 일반적인 돔의 구성을 도시한 도면이다. 돔의 일부에는 보스가 구비될 수 있다. 보스의 일단에는 라이너가 체결될 수 있으며 보스와 라이너가 체결된 구조체의 외주면으로는 복합재, 상세하게는 탄소 섬유로 이루어지는 복합재가 여러겹 와인딩 될 수 있다.
한편, 도 3은 동일 면적에 있어서, 단면의 형상에 따른 단면계수의 비율을 나타낸 것으로써 동일 면적의 경우, 내부가 전부 채워져있는 형태에 비해 내부가 사각형 형태, 바람직하게는 정사각형 형태로 비워진 경우의 단면계수가 더 크고, 전술한 두 경우에 비해 알파벳 'I' 형태로 형성된 단면의 단면계수가 가장 크다는 것을 알 수 있다. 더불어 단면계수와 관련된 응력 수식
'σ=M/Z, σ : 응력, M : 모멘트, Z : 단면계수'
의 식을 고려하면, 단면계수가 클수록 응력이 감소한다는 것은 통상의 기술자에게 자명한 사항이므로, 단면계수가 클수록 응력이 감소하여, 굽힘에 대한 저항이 커지며, 그 결과 동일 외압이 작용하더라도 해당 부재의 외압에 대한 강도 및 내구성이 향상될 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 보스(200)의 내부의 빈 공간(이하 '중공(210a)'이라고 명명함) 또는 외주면에 홈(이하 '반중공(210b)'이라고 명명함)을 형성하여 보스(200)의 단면계수를 향상시키는 것을 목적으로 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 강화된 보스(200)의 구조를 도시한 도면이다. 본 발명에서는 고압용기의 실린더와, 상기 실린더와 더불어 양측에 형성되는 돔(100)이 제시될 수 있다. 나아가, 돔(100)의 일단에는 보스(200)가 형성될 수 있다. 바람직하게는 금속 재료로 이루어진 보스(200)가 구비될 수 있다.
상기 보스(200)는 다시 헤드(200a)와 숄더(200b)로 나뉘어질 수 있다. 보스(200)의 헤드(200a)는 그 내부에 고압용기의 내부와 외부를 연결하는 유로 또는 통로를 포함할 수 있고 상기 유로 또는 통로의 끝단에는 노즐이 부착 또는 탈착될 수 있는 구조. 바람직하게는 나사 체결을 위한 나선형 홈을 포함하여 구성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 헤드(200a)는 서로 다른 직경의 원통이 상하로 배치되는 형상일 수 있으며 서로 다른 직경의 원통은 테이퍼진 형태의 실린더에 의해 연결될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 고압용기로부터 더 먼 원통의 직경이 고압용기에 가깝게 형성되는 원통의 직경보다 클 수 있다.
보스(200)의 숄더(200b)는 헤드(200a)의 밑단부에서 헤드(200a)로부터 방사방향으로 연장되어 형성되며 단면상에서 헤드(200a)의 원주 방향과 수직인 방향 또는 이와 수직에 가까운 각도의 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 숄더(200b)의 단면은 헤드(200a)에 가까워질수록 두꺼워질 수 있으며, 반대로 헤드(200a)에서 멀어질수록 숄더(200b) 단면의 폭은 얇아질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 보스(200)와 라이너가 체결된 상태에서, 보스(200)와 라이너 외주면에는 탄소 섬유 복합재가 와인딩될 수 있다. 바람직하게는 돔(100)에 와인딩되는 탄소 섬유 복합재를 상기 헤드(200a)의 테이퍼진 실린더와 서로 다른 직경의 원통 중 큰 직경을 가지는 실린더가 만나는 높이까지 적층되도록 반복하여 감을 수있다.
한편, 다시 도 4를 참고하면, 보스(200)의 숄더(200b)의 내부에는 중공(210a)이, 숄더(200b)의 외주면에는 반중공(210b)이 각각 형성될 수 있다. 나아가, 중공(210a) 및 반중공(210b)은 단수 또는 복수개로 형성될 수 있다. 즉, 숄더(200b)의 내부 및/또는 외주면에는 적어도 하나 이상의 중공(210a) 또는 반중공(210b)이 형성될 수 있다.
도 5에 따르면 본 발명의 또 다른 일 실시예로서 중공(210a)은 숄더(200b)의 내부에서 고리형태로 형성될 수 있다. 따라서 보스(200)를 위에서 내려다보면, 중공(210a)은 보스(200) 헤드(200a)의 중심을 중점으로 하여 동심원 형태로 형성될 수 있다. 중공(210a)의 단면 폭은 숄더(200b)의 폭에 비례하여 형성될 수 있다. 따라서 헤드(200a)에 가까운 중공(210a)일수록 중공(210a) 단면의 장방향 길이가 길 수 있으며. 중공(210a) 단면의 면적도 더 넓을 수 있다. 반대로 헤드(200a)에서 멀어질수록 중공(210a)의 길이가 짧아질 수 있으며, 그에 따라 중공(210a) 단면의 면적도 좁아질 수 있다.
즉, 고리형태의 중공(210a)은 내부가 비어있고 고리형태의 원형 단면에 수직 방향으로 일정 폭을 가지는 원통형 실린더 형태일 수 있다. 나아가, 복수개의 중공(210a)이 형성되는 경우, 원통형 실린더의 폭이 서로 상이할 수 있다. 더 나아가, 하나의 원통형 실린더에서도 고리형태의 원형 단면에 수직인 방향을 따라 서로 다른 직경을 가지는 원통형 실린더 형상으로 중공(210a)이 형성될 수 있다.
도 6에 따르면 본 발명의 또 다른 일 실시예로서, 중공(210a)은 숄더(200b)의 내부에서 판형으로 형성될 수 있으며, 따라서 보스(200)를 위에서 내려다보면 중공(210a)은 보스(200) 헤드(200a)의 중심을 중점으로 하여 방사 방향으로 배열될 수 있다. 즉, 보스(200)의 단면도에서 판형의 중공(210a)은 사각형 형태로 나타날 수 있다. 바람직하게는, 중공(210a)의 단면 형상은, 사각형에 가까운 사다리꼴 형태로 구성될 수 있다. 중공(210a)은, 상세하게는 헤드(200a)에 가까운 쪽의 일변의 길이가 헤드(200a)로부터 먼 쪽의 타변의 길이보다 큰 사다리꼴 형태의 판형일 수 있다.
한편, 도 7을 참고하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예로서, 반중공(210b)은 숄더(200b)의 외주면을 따라 형성될 수도 있다. 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 숄더(200b)의 외주면을 따라 형성되는 반중공(210b)은 상기 외주면에서 고리형태로 형성될 수 있으며, 따라서 보스(200)를 위에서 내려다보면, 반중공(210b)은 보스(200) 헤드(200a)의 중심을 중점으로 하여 동심원 형태로 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 숄더(200b)의 외주면을 따라 형성되는 반중공(210b)은 보스(200) 헤드(200a)를 중심을 중점으로 하여 방사 방향으로 배열될 수 있다. 나아가, 또 다른 일 실시예에 따르면, 숄더(200b)의 외주면을 따라 고리형태 및 방사 방향으로 반중공(210b)이 형성될 수 있다. 즉, 고리형태의 반중공(210b)과 방사 방향으로의 반중공(210b)이 서로 직교하여 와플 형태의 반중공(210b)을 형성할 수 있다.
또한, 숄더(200b) 외주면에 반중공(210b)이 형성되는 경우, 반중공(210b)이 형성되는 방향과 무관하게, 복수개의 반중공(210b)이 형성되는 경우, 각 반중공(210b)의 깊이는 복수개의 반중공(210b) 하단면이 일정 높이에 형성되는 깊이를 가질 수 있다. 또 다른 일 실시예에서는 반중공(210b)의 깊이가 일정하여 복수개의 반중공(210b) 하단면이 서로 다른 높이에 형성될 수도 있다.
나아가, 다시 도 4를 참고하면, 본 발명에서는 숄더(200b)의 내부에 중공(210a) 및 외주면의 반중공(210b)이 동시에 형성될 수 있다. 바람직하게는 중공(210a)은 숄더(200b)의 내부에서 복수개로, 반중공(210b)은 숄더(200b)의 외주면에서 복수개로 형성될 수 있다. 상세하게는 숄더(200b)의 외주면에 형성되는 반중공(210b)은 숄더(200b) 내부에서 인접하는 두 개의 중공(210a) 사이의 벽 상단부에 위치할 수 있다. 즉, 숄더(200b) 내부에서 서로 인접하는 두 개의 중공(210a)과 숄더(200b)의 외주면에 형성된 반중공(210b)에 의해 숄더(200b)의 단면 형상은 알파벳 "I"와 유사한 형상을 형성할 수 있으며, 따라서 숄더(200b) 단면의 단면계수를 증가시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 모든 실시예를 통들어, 중공(210a) 및/또는 반중공(210b)은 일정한 간격을 두고 나란하게 또는 평행하게 배치될 수 있다. 나아가, 불규칙한 소정의 간격으로 배치될 수도 있다. 즉, 중공(210a) 간 또는 반중공(210b) 간의 이격 거리가 일정하지 않지만, 상기 이격 거리가 일정 패턴에 따라 반복되도록 배치될 수 있다.
나아가, 본 발명에서 중공(210a) 및 반중공(210b)이 형성되는 지점 및 배치되는 배향 각도 및 방향은 추후, 보스(200) 숄더(200b) 외부를 둘러 쌓는 복합재가 감기는 방향과 관련이 있음에 유의하여야 한다. 즉, 본 발명의 목적이 보스(200)의 중량을 감소시키면서도 외력에 대한 강도 및 내구성을 향상시키려는 것임을 감안하면, 추후 과정으로서, 보스(200)가 라이너와 체결된 후, 보스(200)와 라이너가 체결된 구조물 외부로 복합재가 와인딩될 때 와인딩 된 복합재에 의해 보스(200)가 힘을 받을 수 밖에 없다. 이 경우, 보스(200)가 받는 힘의 방향은 복합재가 와인딩되는 방향과 연관될 수 밖에 없다. 따라서 본 발명에서는 중공(210a) 및 반중공(210b)의 위치 및 배향각도와 관련한 설계를 와인딩 각도 및 방향을 변수로서 고려할 수 있다.
정리하자면, 본 발명의 핵심 사상은 보스, 상세하게는 보스의 헤드의 주위에 배치될 수 있는 숄더 내부에 형성될 수 있는 중공 및/또는 숄더 외주면에 형성될 수 있는 반중공에 의해 보스 숄더 단면의 단면계수가 증가하여 응력이 감소할 수 있는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에서는 중공 및/또는 반중공의 형상 및 배열, 배치보다는 숄더 내부에 중공이, 숄더 외주면에는 반중공이 형성되었다는 것에 초점을 두고 있음에 유의하여야 한다.
또한, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명, 기술하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경하여 실시할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
나아가, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고 있다. 그리고 상기에서 사용된 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 돔
200 : 보스
200a : 헤드
200b : 숄더
210a : 중공
210b : 반중공

Claims (14)

  1. 실린더와 상기 실린더의 양측 단부에 형성된 돔을 갖는 고압용기에 있어서,
    상기 고압용기는 상기 돔의 일단에 형성되는 보스;
    를 포함하고,
    상기 보스는
    상기 고압용기 내부로 연료가 드나들기 위한 유로를 포함하는 헤드; 및
    상기 헤드로부터 방사 방향으로 연장되며, 상기 헤드를 둘러쌓아 형성되는 숄더;
    를 더 포함하고, 상기 숄더의 내부에는 적어도 하나 이상의 중공이 형성되며,
    상기 중공은 복수개로 형성되어, 상기 숄더의 내부에 판형으로 형성되되, 사다리꼴 형태로 구성되고, 상기 판형의 중공은 각각 상기 헤드의 중심으로부터 방사 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중공은 복수개로 형성되어, 상기 숄더의 내부에 고리 형태로 형성되고, 각각 상기 보스의 상기 헤드로부터 동심원을 이루며 형성되며, 상기 중공의 장방향 폭은 상기 헤드에 가까워질수록 길어지는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기.
  3. 삭제
  4. 실린더와 상기 실린더의 양측 단부에 형성된 돔을 갖는 고압용기에 있어서,
    상기 고압용기는 상기 돔의 일단에 형성되는 보스;
    를 포함하고,
    상기 보스는
    상기 고압용기 내부로 연료가 드나들기 위한 유로를 포함하는 헤드; 및
    상기 헤드로부터 방사 방향으로 연장되며, 상기 헤드를 둘러쌓아 형성되는 숄더;
    를 더 포함하고, 상기 숄더의 외주면에는 적어도 하나 이상의 반중공이 형성되며,
    상기 반중공은 복수개로 형성되고, 상기 외주면에서 고리형태로 형성되고, 각각 상기 보스의 상기 헤드로부터 동심원을 이루며 형성되는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서, 상기 반중공은 복수개로 형성되고, 상기 외주면에서 각각 상기 헤드의 중심으로부터 방사 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기.
  7. 제4항에 있어서, 상기 반중공은 상기 숄더의 외주면에 와플 패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기.
  8. 실린더와 상기 실린더의 양측 단부에 형성된 돔을 갖는 고압용기에 있어서,
    상기 고압용기는 상기 돔의 일단에 형성되는 보스;
    를 포함하고,
    상기 보스는
    상기 고압용기 내부로 연료가 드나들기 위한 유로를 포함하는 헤드; 및
    상기 헤드로부터 방사 방향으로 연장되며, 상기 헤드를 둘러쌓아 형성되는 숄더;
    를 더 포함하고, 상기 숄더의 내부에는 적어도 하나 이상의 중공 및 상기 숄더의 외주면에는 적어도 하나 이상의 반중공이 각각 형성되며,
    상기 외주면의 반중공과 상기 내부의 중공은 각각 복수개로 형성되고, 상기 외주면의 반중공은 상기 내부의 중공 중 인접하는 두 개의 중공 사이의 상단부 일 지점에 형성되어 상기 숄더의 단면 형상이 "
    Figure 112022079511865-pat00008
    " 형상으로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서, 상기 중공 또는 상기 반중공은 일정 간격으로 배치되거나 또는 소정의 간격에 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기.
  11. 제1항, 제4항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보스의 상기 숄더의 외부로는 복합재가 와인딩되는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기.
  12. 제1항, 제4항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 헤드는 서로 다른 직경을 가지는 복수개의 원통; 및
    상기 서로 다른 직경을 가지는 원통 사이에서 상기 원통을 연결하는 테이퍼진 경사면;
    을 더 포함하여 구성되며, 복합재는 상기 테이퍼진 경사면과 상기 서로 다른 직경을 가지는 원통 중 큰 직경을 가지는 원통이 만나는 높이까지 와인딩되는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기.
  13. 제1항, 제4항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보스에 포함된 상기 숄더의 일단은 라이너와 체결되는 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기.
  14. 제1항, 제4항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보스는 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 강화된 보스부를 가지는 고압용기.



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