KR102500657B1 - 압력용기 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스를 수용하는 라이너; 및 상기 라이너 외부에 형성되는 복합재층을 구비하는 압력용기며, 상기 라이너 및 상기 복합재층 사이에 점탄성을 가지는 전단응력흡수층을 구비한 압력용기를 제공한다.

Description

압력용기 및 이의 제조방법{HIGH-PRESSURE TANK AND MAKING METHOD THEREOF}
본 발명은 압력용기에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 라이너와 복합재층 사이 계면에서 발생되는 전단 피로 하중에 의한 라이너의 파단을 방지할 수 있는 압력용기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
압력용기는 내부에 산소, 천연가스, 수소 등 다양한 가스가 가압된 상태로 보관 및 이송되며, 내부 보관 중인 가스가 누출되지 않도록 하는 기밀 구조가 요구된다.
압력용기는 금속재로 이루어진 타입 I, 금속 라이너에 복합재가 추가되어 경량화된 타입 II, 금속 라이너에 복합재가 풀랩으로 보강된 타입 III이 주로 사용되나 최근 경량화를 위해 금속 라이너를 대체하여 플라스틱 소재 라이너에 복합재가 보강된 타입 IV의 압력용기가 주로 개발되고 있다.
복합재가 보강된 압력용기는 통상 라이너와 라이너 외부에 필라멘트 와인딩 공법으로 형성되는 복합재층을 포함하는데 고압 가스를 반복적으로 충·방전 하는 경우 라이너와 복합재층 사이에 전단 하중이 발생하게 된다.
상기 전단 하중이 발생하는 경우 라이너와 복합재층의 마찰에 의해 균열이 발생될 수 있으며 압력용기가 파단되어 수명이 감소되는 문제가 발생한다.
라이너와 라이너를 보강하는 복합재층 사이에 고착을 억제하기 위하여 이형제 처리하거나, 윤활제를 도포하여 응력을 분산시키는 방법이 개시되나, 라이너 외주면 전체와 라이너와 이종재질로 선택되는 금속재 보스와의 계면에서 발생하는 응력까지 고려한 압력용기는 아직 개시된 바가 없다.
따라서 이종소재 보스를 구비하는 압력용기에서의 충방전시 피로응력을 보다 효과적으로 분산시켜, 압력용기의 수명을 효과적으로 증가시킨 압력용기의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0090455호에 기재되어 있다.
본 발명의 압력용기의 라이너가 고압가스의 충방전시 팽창과 수축으로 인한 버클링(Buckling) 변형에 대한 저항을 부여하여 라이너의 내구성을 증가시키고, 전단응력흡수층의 두께를 조절하여 라이너에 추가적인 내구성을 부여할 수 있는 압력용기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 라이너 형성 후 표면처리와 스프레이 도포를 통한 직접 전단응력흡수층을 형성하여 효과적으로 응력을 분산시킬 수 있는 압력용기의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
1. 본 발명의 하나의 관점은 압력용기에 관한 것이다.
상기 압력용기는 가스를 수용하는 라이너; 및 상기 라이너 외부에 형성되는 복합재층을 구비하는 압력용기며, 상기 라이너 및 상기 복합재층 사이에 점탄성을 가지는 전단응력흡수층을 구비한다.
2. 상기 1구체예에서, 상기 전단응력흡수층은 하기 수학식을 만족할 수 있다:
[수학식 1]
M2 < M1, M3
상기 수학식 1에서 M2는 전단응력흡수층의 탄성률이고, M1은 라이너의 탄성률이고, M3은 복합재층의 탄성률이다.
[수학식 2]
E2 > E1, E3
상기 수학식 2에서 E2는 전단응력흡수층의 신율이고, E1은 라이너의 신율이고, E3은 복합재층의 신율이다.
3. 상기 1 또는 2 구체예에서, 상기 라이너는 표면에 반응성 작용기가 형성되거나, 요철이 형성될 수 있다.
4. 상기 1 내지 3중 어느 하나의 구체예에서, 상기 전단응력흡수층은 실리콘, 폴리우레탄, 폴리우레아, 스티렌-부타디엔-러버(SBR), 니트릴-부타디엔-러버(NBR), 및 에틸렌-프로필렌-러버(EPDM) 중 1 종 이상일 수 있다.
5. 상기 1 내지 4 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 전단응력흡수층은 두께가 1 mm 내지 5mm 일 수 있다.
6. 상기 1 내지 5중 어느 하나의 구체예에서, 상기 전단응력흡수층은 ASTM D638에 따른 인장강도가 10Mpa 이하이고, 신율이 150% 이상일 수 있다.
7. 본 발명의 다른 관점은 압력용기 제조방법에 관한 것이다.
상기 압력용기 제조방법은 (a) 라이너를 표면처리하는 단계; (b) 상기 라이너 상부에 전단응력흡수층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 전단응력흡수층 상부에 복합재층을 형성하는 단계;를 포함한다.
8. 상기 7 구체예에서, 상기 라이너의 표면처리는 플라즈마, 코로나, 화염, 샌딩, 그라인딩, 및 폴리싱 중 1종의 방법으로 처리될 수 있다.
9. 상기 7 또는 8 구체예에서, 상기 전단응력흡수층은 상기 보스부와 라이너의 연결 계면 상부, 보스부, 및 라이너부 외주면 전체에 균일한 두께로 형성될 수 있다.
10. 상기 7 내지 9 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 (b) 단계는 상기 전단응력흡수층을 두께가 1 mm 내지 5mm 가 되도록 스프레이 도포되어 형성될 수 있다.
본 발명은 압력용기의 충방전시 발생할 수 있는 라이너의 버클링 현상을 완화하여 라이너의 내구성을 크게 증가시킬 수 있다.
특히 물성이 상이한 복합재층과 라이너의 계면에서 열팽창율 차이에 따른 라이너의 버클링 현상 및 파손을 방지하여 압력용기의 내구성을 증가시킬 수 있으며, 전단응력흡수층을 형성하여 가스배리어성을 유지하면서 라이너의 두께를 조절하여 압력용기 제조효율을 증가시킬 수 있다.
또한 라이너 제조 후 스프레이 코팅 방법으로 직접 전단응력흡수층을 형성하고 필라멘트 와인딩을 통하여 복합재층을 형성하는 간소한 공정으로 압력용기 제조 공정의 효율이 증가된 압력용기 제조방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 압력용기의 부분 절개면을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 압력용기의 단면도이다.
도 3은 도 1의 라이너와 복합재에 각각 작용하는 전단력의 크기와 방향을 나타내는 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 구체예에 따른 압력용기 제조방법의 공정순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 도면은 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수 있다.
'상부', '상면', '하부', '하면' 등과 같은 위치 관계는 도면을 기준으로 기재된 것일 뿐, 절대적인 위치 관계를 나타내는 것은 아니다. 즉, 관찰하는 위치에 따라, '상부'와 '하부' 또는 '상면'과 '하면'의 위치가 서로 변경될 수 있다.
본 명세서에서, 수치범위를 나타내는 "a 내지 b"는 "≥a 이고 ≤b"으로 정의한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체예에 따른 압력용기를 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 압력용기의 부분 절개면을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 압력용기의 단면도이다.
도 1및 2를 참조하면, 본 발명에 따른 압력용기는 라이너(100), 전단응력흡수층(300) 및 복합재층(400)을 포함한다.
상기 라이너(100)는 수소, 산소, 천연가스, 질소 등의 가스를 수용한다.
상기 라이너(100)는 상기 가스와 반응성이 없는 것으로 선택된다.
상기 라이너(100)는 나일론 수지, 에틸렌비닐알콜 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리올레핀 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리페닐렌에테르 수지 및 폴리스티렌 수지 중 1종 이상을 포함하는 열가소성 수지일 수 있다. 상기 라이너(100)가 상기 종류의 재질로 이루어지는 경우 내부식성을 가지며, 가스 충전 시 발생된 압력으로 인한 압력용기의 변형 및 파손에 대해 저항성을 가질 수 있고, 우수한 기계적 강도를 구현할 수 있으며, 가공성이 좋아서 다양한 방법으로 라이너를 성형하여 제조할 수 있다. 구체예에서, 경량화에 유리하고 가스배리어성이 높은 나일론 수지(PA11)일 수 있다.
상기 라이너(100)는 가스가 유입되어 저장될 수 있는 것이면, 형태에 제한받지 않는다.
상기 라이너(100)는 양 단부에 돔 형상이 구비된 실린더 형태일 수 있으며, 공 또는 도넛 형태의 용기도 선택하는 것도 가능하다.
상시 라이너(100)는 응력을 고려하여 형상이 제한적이나, 상기 전단응력흡수층(300)이 구비되는 경우 라이너(100) 전체에서 응력을 효과적으로 분산시킬 수 있기 때문에 라이너(100)의 형상을 보다 자유롭게 결정할 수 있다.
구체예에서 상기 라이너의 두께는 1 mm 내지 30 mm이다.
상기 라이너(100)가 상기 범위 내의 두께로 구비되는 경우 압력용기를 경량화할 수 있으면서 일정한 가스배리어성을 유지할 수 있으며, 상기 범위에 미치지 못하는 경우 상기 전단응력흡수층(300)이 형성되어도 라이너의 버클링 현상을 방지하기 어려우며, 상기 범위를 초과하는 경우 전단응력흡수층(300) 형성효과가 감소되는 문제가 있다.
상기 라이너(100)는 표면에 반응성 작용기가 형성되거나, 요철이 형성될 수 있다.
상기 라이너(100)는 성형 후 화학적 또는 물리적으로 표면처리된다.
구체예에서, 상기 라이너(100)가 상기 종류의 고분자 수지로 이루어지는 경우 플라즈마 처리하여 라이너 표면에 -OH, -COOH 등의 반응성 작용기가 형성될 수 있다.
구체예에서, 상기 표면처리된 라이너는 요철이 형성되며, 표면조도(Ra, roughness)가 1.5 ㎛ 내지 2.5㎛일 수 있다.
상기 범위 내로 요철이 형성되는 경우 라이너(100) 전단응력흡수층(300)이 효과적으로 점착될 수 있다.
구체예에서, 상기 라이너(100)가 비극성인 경우, 표면처리 되어 전단응력흡수층(300)과 점착력을 효과적으로 증가시킬 수 있다. 상기 라이너(100)가 표면처리 되는 경우 전단응력흡수층(300)과의 점착력이 증가하여 전단응력흡수층(300)이 상기 라이너(100)의 표면에서 분리되지 않는다.
일반적인 라이너는 고압의 가스가 충전되는 경우 급격하게 팽창되어 압력이 가해지는 힘의 접선 방향의 응력이 발생하게 되고, 라이너 재질이 가지는 한계 압축응력을 초과하는 경우 무질서한 버클링(Bucking) 현상이 발생하며, 상기 버클링 현상이 일어나는 경우 최외각의 복합재층과 마찰이 발생되어 라이너와 복합재층이 분리된다.
상기 라이너(100)는 표면처리되어 라이너(100)에 점탄성을 가지는 전단응력흡수층(300)이 점착되어 있기 때문에 라이너(100)를 고정 지지하여 라이너(100)의 버클링 현상을 방지할 수 있다.
구체예에서 상기 라이너(100)는 일측에 보스부(200)를 구비한다.
상기 보스부(200)는 상기 라이너(100)와 이종소재인 금속으로 형성된다. 구체적으로 700 bar 내지 900 bar 압력을 지지할 수 있는 알루미늄 또는 스테인리스 스틸로 구비된다.
상기 보스부(200)는 상기 라이너(100)를 블로우 성형으로 제조한 후 체결되거나, 회전성형으로 라이너를 형성한 이후에 접합으로 형성될 수 있으며, 보스부(200)를 금형에 삽입한 후 사출압축 방식 라이너(100) 한번에 형성되는 것도 가능하다.
상기 보스부(200)의 외주면은 상기 라이너(100)와 마찬가지로 상기 라이너(100)는 성형 후 화학적 또는 물리적으로 표면처리된다.
상기 보스부(200)의 외주면 중 상기 전단응력흡수층(300)과 접하는 면접부위(210)만 표면처리 될 수 있다.
상기 보스부(200)가 스레인리스 또는 알루미늄인 경우에는 플라즈마 처리 보다 그라인딩이나 샌딩과 같은 물리적인 방법으로 표면을 처리하여 면접부위(210)를 표면처리하는 것이 바람직하다.
상기 전단응력흡수층(300)은 상기 보스부(200) 외부면 전체와 상기 라이너(100)와 보스부(200)가 결합되어 형성되는 계면 상부 및 라이너(100) 외주면 전체에 균일하게 형성된다.
상기 전단응력흡수층(300)은 상기 보스부(200)가 이종소재 재질로 구비되는 경우에도 라이너(100)와 보스부(200)의 계면 상부에서 점착되어 배치된다.
상기 전단응력흡수층(300)은 상기 보스부(200) 및 상기 라이너(100) 외주면 전체에 형성되며 점탄성을 갖는다.
상기 전단응력흡수층(300)은 상기 라이너(100)와 복합재층(300) 사이에서 점탄성을 가지도록 구비되어 상기 라이너(100)와 복합재층(300)의 계면의 전단 피로하중을 흡수하고 에너지를 산일시켜 버클링 현상을 방지한다.
상기 전단응력흡수층(300)은 하기 수학식 1및 2 를 만족한다.
[수학식 1]
M2 < M1, M3
상기 수학식 1에서 M2는 전단응력흡수층의 탄성률이고, M1은 라이너의 탄성률이고, M3은 복합재층의 탄성률이다.
[수학식 2]
E2 > E1, E3
상기 수학식 2에서 E2는 전단응력흡수층의 신율이고, E1은 라이너의 신율이고, E3은 복합재층의 신율이다.
상기 전단응력흡수층(300)은 상기 수학식 1 및 2를 만족하여, 상기 라이너(100) 및 복합재층(400) 보다 탄성률이 낮고, 신율이 높아서 라이너(100)와 복합재층(400) 사이에서 점착되면 전단 피로 하중을 흡수하여 산일시킬 수 있다.
구체예에서, 상기 전단응력흡수층(300)은 실리콘, 폴리우레탄, 폴리우레아, 스티렌-부타디엔-러버(SBR), 니트릴-부타디엔-러버(NBR), 및 에틸렌-프로필렌-러버(EPDM) 중 1 종 이상일 수 있다.
상기 전단응력흡수층(300)은 라이너(100)의 외주면뿐만 아니라 금속제인 상기 보스부(200)에 점착이 가능하고, 페인팅 또는 스프레이 도포에 의한 점착이 가능하다.
상기 전단응력흡수층(300)은 두께가 1 mm 내지 5mm이다.
상기 전단응력흡수층(300)의 두께가 1mm에 미치지 못하는 경우 라이너(100)에서 발생하는 응력 및 라이너와 복합재층(400) 사이에 전달되는 전단 피로하중을 충분하게 흡수하여 에너지를 산일시키기 어렵고, 점착력이 감소되어 상기 라이너(100)에서 분리되는 문제가 발생될 수 있다. 5mm를 초과하는 경우에는 균일한 두께로 형성하기 어려울 뿐만 아니라 압력용기의 경량화에 불리하고, 제조비용이 증가되는 문제가 있다.
상기 전단응력흡수층(300)은 ASTM D638에 따른 1mm 내지 5mm인 시편두께에서 인장강도가 10Mpa 이하이고, 신율이 150% 이상이다. 구체예에서는 인장강도가 1MPa 내지 10 Mpa, 보다 바람직하게는 7 내지 8MPa이다.
상기 전단응력흡수층(300)의 인장강도가 상기 10MPa를 초과하는 경우 상기 라이너(100) 및 상기 보스부(200)에서 발생되는 응력을 효과적으로 흡수하지 못하여 전단 피로 하중을 분산시키기 어렵다.
구체예에서 상기 전단응력흡수층(300)은 ASTM D638에 따른 신율이 150% 이상이다. 구체예에서 150% 내지 500%이다. 신율이 150% 미만인 경우에는 라이너(100)의 팽창에 대응하여 전단응력흡수층(300)이 변화하지 못하여 피로 하중 분산 능력이 떨어진다.
도 3은 도 1의 라이너와 복합재에 각각 작용하는 전단력의 크기와 방향을 나타내는 것이다.
도 3을 참조하면, 압력용기(1000)의 충전 시 라이너(100)의 급속한 팽창으로 응력(S)이 발생하나, 복합재층(400)은 상대적으로 작은 응력(s)을 받게 되며, 방전 시에도 라이너(100)에서 형성되는 응력(S)보다 복합재층(400)이 작은 응력(s)을 받게 되어 전단 피로 하중이 발생되나, 상기 전단응력흡수층(300)이 상기 범위 내에서 형성되는 경우 라이너(100)와 복합재층(400)에 점착된 상태로 전단 피로 하중을 흡수하여 산일시킬 수 있다.
구체예에서, 상기 라이너(100)가 양 단부에 돔 형상이 구비된 실린더 형태인 경우 상기 실린더에서 발생되는 응력이 돔 보다 훨씬 크다. 상기 라이너(100)의 실린더 부분의 외주면에 전체에서 응력을 흡수하여야 하므로 응력이 집중되는 부분에 보강재층, 이형층을 배치하는 경우 압력용기 제조효율을 매우 감소시키나, 점탄성을 가지는 전단응력흡수층(300)을 라이너 외부에 직접 도포하여 균일하게 형성하는 경우 작업공수를 감소시키면서도 라이너(100)의 응력발생에 따른 버클링 현상을 효과적으로 방지하여 전단 피로 하중의 발생을 방지할 수 있다.
상기 복합재층(400)은 상기 전단응력흡수층(300)의 상부에 배치된다.
구체예에서, 상기 복합재층(400)은 탄소섬유, 유리섬유 또는 합성 폴리아미드 섬유 등을 에폭시 수지 등에 함침한 후, 상기 전단응력흡수층(300)에 와인딩하여 형성한다.
상기 복합재층(400)은 상기 라이너(100)와 신율, 열팽창계수가 상이하여, 압력용기에 고압의 가스를 충방전하는 경우 라이너의 팽창에 의한 전단 응력이 발생한다. 상기 복합재층(400)과 상기 라이너(100) 사이에 상기 전단응력흡수층(300)이 배치되는 경우 라이너(100)와 복합재층(400)의 물성 차이에 의한 계면에서 전단 피로 하중을 산일시킬 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 압력용기 제조방법에 관한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 구체예에 따른 압력용기 제조방법의 공정순서도이다.
상기 압력용기 제조방법은 (a) 라이너를 표면처리하는 단계; (b) 상기 라이너 상부에 전단응력흡수층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 전단응력흡수층 상부에 복합재층을 형성하는 단계;를 포함한다.
도 4를 참조하면, 우선 보스부를 구비하는 라이너 제조하고, 상기 라이너를 표면처리한다(S100).
구체예에서, 금형에 라이너 소재를 투입하고 가열 회전하는 로터몰딩을 이용하여 라이너를 제조하고 스테인리스 재질의 보스부를 접합한다.
상기 라이너의 표면처리는 표면처리는 플라즈마, 코로나, 화염, 샌딩, 그라인딩, 및 폴리싱 중 1종의 방법으로 처리된다. 상기 종류의 표면처리로 상기 라이너의 외주면에 반응성 작용기를 형성하거나, 요철을 형성하여 전단응력흡수층을 효과적으로 점착시킬 수 있다.
한 구체예에서는 라이너 표면을 플라즈마 처리하여 라이너 표면에 반응성 작용기를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 보스부의 외부면 중 일부 면접부위는 그라인딩 또는 샌딩 처리되어 표면조도가 증가되어 요철이 형성될 수 있다.
상기 라이너 상부에 전단응력흡수층을 형성한다(S200).
구체예에서, 상기 S200에서, 상기 전단응력흡수층을 스프레이 도포되어 형성될 수 있다. 상기 전단응력흡수층을 직접 스프레이 도포로 형성하는 경우 작업 효율이 증가하고 균일한 두께로 전단응력흡수층을 형성할 수 있다.
상기 전단응력흡수층의 두께는 1 mm 내지 5mm 일 수 있다. 상기 범위 내로 전단응력흡수층을 형성하는 경우에는 라이너와 점착되어 복합재층을 지지하고, 가스배리어성을 증가시키면서도 복합재층 사이에서 발생하는 전단 피로 하중을 효과적으로 산일시켜 라이너의 버클링 현상을 방지하고, 압력용기의 내구성을 증가시킨다.
상기 전단응력흡수층은 상기 보스부와 라이너의 연결 계면 상부, 보스부, 및 라이너부 외주면에 전체에 균일한 두께로 형성된다.
상기 전단응력흡수층 상부에 복합재층을 형성한다(S300).
상기 복합재층은 탄소섬유를 에폭시 수지에 함침시킨 후 라이너에 와인딩하는 필라멘트 와인딩 방법으로 형성된다.
다른 구체예에서 상기 복합재층이 토우프레그 형대로 라이너에 와인딩되는 경우 플라즈마 처리와 같이 표면처리되어 상기 전단응력흡수층과의 점착력을 증가시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 압력용기 제조
나일론수지(PA11, 아케마)를 금형에 투입하고 로터 몰딩으로 라이너를 2 mm 두께로 제조하고 플라즈마 발생장치에서 플라즈마 처리(200 W, 3분)하여 표면처리하여 표면 조도가 2.5㎛되도록 조절하였다.
SUS316L 재질 보스부를 준비하고, 플렌지와 넥 부분에 샌딩처리하여 중심선 평균거칠기(Ra)가 50 ㎛가 되도록 표면처리하였다.
700bar 용 라이너에 보스부를 결합하고, 폴리우레탄 수지를 스프레이로 도포하고, 90℃에서20분 동안 건조하고 이를 반복하여 전단응력흡수층의 두께가 5mm가 되도록 형성하였다.
탄소섬유에 에폭시를 함침하여 필라멘트 와인딩 공법으로 상기 라이너에 감았으며, 탄소섬유 필라멘트가 일정 방향으로 (후프0°, 헬리컬 ±45°), 약 100mm의 두께로 감아서 복합재층을 형성한 이후에 압력용기를 경화로에 넣어 110℃에 서 2시간 동안 경화시켜, 압력용기를 회수하였다.
실시예 2.
전단응력흡수층을 0.5mm가 되도록 형성하는 것 이외에 실시예 1과 동일하게 압력용기를 제조하였다.
실시예 3.
전단응력흡수층을 10mm가 되도록 형성하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 압력용기를 제조하였다
비교예 1.
전단응력흡수층을 형성하지 않는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 압력용기를 제조하였다.
비교예 2.
전단응력흡수층 대신에 불소계 이형제를 사용하여 실시예 1과 동일하게 압력용기를 제조하였다.
비교예 3
복합재층에 점탄성소재를 함께 함침시켜 실시예 1과 동일하게 압력용기를 제조하였다.
비교예 4.
전단응력흡수층을 5 mm로 형성하되, 에폭시 수지 조성물을 이용하여 신율이 150% 달하지 않는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 압력용기를 제조하였다.
실험예 1. 파열실험 및 압력반복 실험
고압가스의 반복 충방전에 의한 라이너의 파손 여부를 확인하기 위하여 국토교통부고시 제2018-176호 자동차용 내압용기 안전에 관한 규정 검사 기준에 따른 파열검사 및 압력반복 실험을 수행하였다. 상온에서 물을 충전하여 서서히 압력을 가하여 실제 파열압력이 최소 파열압력 이상(최고충전압력의 2.25 배)기준인지 확인하였다. 압력반복실험은 2㎫ 이하의 압력에서부터 사용압력의 1.25배 이상의 압력까지 반복적으로 압력을 가하여 수행하였다.
종류 파열압력(기준 : 1,575bar) 압력반복 실험(Cycle Test)
기준 : 45,000회
파열압(bar) 결과
실시예 1 1,750 만족 만족
실시예 2 1,710 만족 누출
실시예 3 1,880 만족 만족
비교예 1 1,510 기준미달 누출
비교예 2 1,600 만족 누출
비교예 3 1,700 만족 누출
비교예 4 1,510 기준미달 누출
표 1을 참조하면, 실시예 1에 따른 압력용기는 설계상 최소 파열압력 이상으로 가압 후에도 라이너의 내구성이 유지되어 크랙이 발생하지 않았으며, 전단응력흡수층이 구비되는 경우 라이너와 복합재층 사이에 발생되는 전단 응력 피로 하중을 효과적으로 분산시켜 파열압이 증가되어 압력용기의 내구성이 증가되는 것을 확인하였다. 다만 전단응력흡수 10mm 로 두껍게 형성되는 경우 700 bar기준 압력용기의 무게가 5 이상 % 증가되어 압력용기의 경량화에 불리한 것을 확인하였다.
비교예에서 전단응력흡수층을 형성하지 않거나, 불소계 이형제를 사용하는 경우, 복합재층에 점탄성소재를 코팅하여 와인딩하는 경우 및 점탄성이 상이하여 신율이 150%에 미치지 못하는 경우에는 모두 반복 가압 후 압력용기의 누출이 확인되어 라이너의 변형이 있는 것으로 예측되었다. 특히 압력용기에 충전 유체를 전부 배출하는 것을 실험을 반복하는 경우 기준 반복횟수(10분 간격 45,000회 반복 가압)에 미치기 전에 압력용기의 수축현상이 관찰되었다.
따라서, 고점탄성을 가지는 전단응력흡수층을 보스부와 라이너 전체에 균일하게 도포하는 경우 보스부와 라이너 계면에서 계면분리에 의한 파손을 방지할 수 있고, 라이너의 실린더 부분에 집중되는 응력을 효과적으로 분산시켜, 버클링 현상 방지하며, 복합재층과의 전단 피로 하중 또한 효과적으로 분산시켜 압력용기의 내구성을 크게 증가시킨다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1000 : 압력용기 100 : 라이너
200 : 보스부 210 : 면접부위
300 : 전단응력흡수층 310 : 계면
400 : 복합재층

Claims (10)

  1. 가스를 수용하는 라이너; 상기 라이너 일측에 구비되는 보스부; 및 상기 라이너 외부에 형성되는 복합재층을 구비하는 압력용기며,
    상기 라이너 및 상기 복합재층 사이에 점탄성을 가지는 전단응력흡수층을 구비하고,
    상기 전단응력흡수층은 상기 보스부 및 상기 라이너 외주면에 점착된 것이며, 상기 보스부와 라이너의 연결 계면 상부, 보스부, 및 라이너 외주면에 전체에 균일한 두께로 형성되고, 두께가 1 mm 내지 5mm 이며,
    하기 수학식 1 및 2를 만족하는 압력용기:
    [수학식 1]
    M2 < M1 및 M2 < M3
    (상기 수학식 1에서 M2은 전단응력흡수층의 탄성률이고, M1은 라이너의 탄성률이고, M3은 복합재층의 탄성율임)
    [수학식 2]
    E2 > E1 및 E2 > E3
    (상기 수학식 2에서 E2은 전단응력흡수층의 신율이고, E1은 라이너의 신율이고, E3은 복합재층의 신율임)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 라이너는 표면에 반응성 작용기가 형성되거나, 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 압력용기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전단응력흡수층은 실리콘, 폴리우레탄, 폴리우레아, 스티렌-부타디엔-러버(SBR), 니트릴-부타디엔-러버(NBR), 및 에틸렌-프로필렌-러버(EPDM) 중 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 압력용기.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 전단응력흡수층은 ASTM D638에 따른 인장강도가 10Mpa이하이고, 신율이 150% 이상인 것을 특징으로 하는 압력용기.
  7. (a) 라이너를 제조하여 상기 라이너를 표면처리한 이후 보스부를 결합하는 단계;
    (b) 상기 라이너 상부에 전단응력흡수층을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 전단응력흡수층 상부에 복합재층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 전단응력흡수층은 점탄성을 가지며, 상기 보스부 및 상기 라이너 외주면에 점착된 것이고, 상기 보스부와 라이너의 연결 계면 상부, 보스부, 및 라이너 외주면에 전체에 균일한 두께로 형성되며, 두께가 1 mm 내지 5mm 이고,
    하기 수학식 1 및 2를 만족하는 압력용기 제조방법:
    [수학식 1]
    M2 < M1 및 M2 < M3
    (상기 수학식 1에서 M2은 전단응력흡수층의 탄성률이고, M1은 라이너의 탄성률이고, M3은 복합재층의 탄성율임)
    [수학식 2]
    E2 > E1 및 E2 > E3
    (상기 수학식 2에서 E2은 전단응력흡수층의 신율이고, E1은 라이너의 신율이고, E3은 복합재층의 신율임)
    인 압력용기 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 라이너의 표면처리는 플라즈마, 코로나, 화염, 샌딩, 그라인딩, 및 폴리싱 중 1종의 방법으로 처리되는 것을 특징으로 하는 압력용기 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
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