KR102571451B1 - 스트레인 센서를 구비한 복합 소재 압력 용기 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
복합 소재 압력 용기를 제조하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 입구부가 구비된 라이너를 준비하는 단계; 그리고 상기 라이너 상에 적어도 하나의 복합 소재 필라멘트를 감아 내부 쉘을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 내부 쉘을 형성하는 단계는 필라멘트 형태로 제작된 복수의 에나멜선 스트레인 센서 각각이 라이너 상에 감기기 시작하는 시작 위치를 달리하여 라이너 상에 상기 복합 소재 필라멘트와 함께 동시에 감길 수 있다.
상기 방법에 의하여 제조된 복합 소재 압력 용기가 더 제조된다.
상기 방법에 의하여 제조된 복합 소재 압력 용기가 더 제조된다.
Description
본 발명은 스트레인 센서를 구비한 복합 소재 압력 용기 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복합 소재 압력 용기의 결함 진단 및 잔류 수명을 예측하기 위하여 스트레인 센서가 구비된 복합 소재 압력 용기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
환경 오염으로 인한 기후 변화로 인하여 친환경 에너지원에 관한 관심이 점점 커지고 있다. 특히, 자동차, 버스, 트럭, 배, 철도, 비행기와 같은 운송 장치는 기존의 화석 연료를 대신하여 전기나 수소를 에너지원으로 사용하고 있다.
수소 차량이나 수소 철도 차량에 사용되는 수소 저장 장치가 파손되면 큰 사고가 발생할 수 있으므로, 수소 저장 장치는 약 700 bar의 고압을 견딜 수 있고 20000번 이상의 충전에 의하여도 내구 성능이 유지되어야 한다. 내구 성능이 확보된 수소 저장 장치라도 사용이나 외부 충격에 의하여 결함이 발생할 수 있으므로, 수소 저장 장치의 구조 건전성 상태 모니터링(Structural Health Monitoring; SHM) 체계의 도입이 필요하다.
구조 건전성 상태 모니터링을 위하여는, 구조 건전성을 나타내는 물리값들을 적절히 선정하고 정확히 측정하여야 한다. 이를 위하여, 물리값들을 정확히 측정할 수 있는 센서들의 장착 위치 및 장착 방법에 대한 연구가 필요하다.
구조 건전성을 나타내는 물리값들 중 하나는 스트레인이다. 종래의 저항 타입의 스트레인 센서는 스트레인 센서가 장착된 국부적인 영역만의 스트레인을 측정할 수 있었다. 따라서, 넓은 영역의 상태를 모니터링하기 위해서는 많은 수의 스트레인 센서를 장착하여야 하며, 채널 수가 늘어나 비용이 높아지고 제품화가 용이하지 않았다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 복합 소재 압력 용기의 구조 건전성 상태 모니터링을 위한 센서, 특히 스트레인 센서가 구비된 복합 소재 압력 용기를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 실시 예는 스트레인 센서가 구비된 복합 소재 압력 용기의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재 압력 용기의 제조 방법은 입구부가 구비된 라이너를 준비하는 단계; 그리고 상기 라이너 상에 적어도 하나의 복합 소재 필라멘트를 감아 내부 쉘을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 내부 쉘을 형성하는 단계는 필라멘트 형태로 제작된 복수의 에나멜선 스트레인 센서 각각이 라이너 상에 감기기 시작하는 시작 위치를 달리하여 라이너 상에 상기 복합 소재 필라멘트와 함께 동시에 감길 수 있다.
하나의 양상에서, 상기 복수의 에나멜선 스트레인 센서는 복합 소재 압력 용기의 전체 면적에 대하여 균등하게 감길 수 있다.
다른 하나의 양상에서, 상기 복수의 에나멜선 스트레인 센서는 복합 소재 압력 용기에 국부적으로 상이한 집중도로 감길 수 있다.
또 다른 하나의 양상에서, 상기 복수의 에나멜선 스트레인 센서의 일부는 복합 소재 압력 용기의 전체 면적에 대하여 균등하게 감기고, 상기 복수의 에나멜선 스트레인 센서의 다른 일부는 복합 소재 압력 용기에 국부적으로 상이한 집중도로 감길 수 있다.
상기 방법은 상기 내부 쉘 상에 외부 쉘을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 외부 쉘의 양단 중 적어도 하나에 폼 플라스틱으로 제작된 돔을 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
복합 소재 필라멘트는 탄소 섬유, 유리 섬유, 및 아라미드 섬유 중 하나 이상의 섬유와 수지를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 복합 소재 압력 용기는 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재 압력 용기를 제조하는 방법에 의하여 제조될 수 있다.
상기 입구부에는 스트레인 센서와 통신이 가능하도록 연결된 센서 모듈이 장착될 수 있다.
상기 센서 모듈은 복합 소재 압력 용기의 내부 압력을 측정하도록 된 내부 압력 센서; 외기의 온도를 측정하도록 된 외기 온도 센서; 그리고 스트레인 센서, 내부 압력 센서, 그리고 외기 온도 센서에 전기적으로 연결된 인쇄 회로 기판을 포함할 수 있다.
센서 모듈은 통신 커넥터를 더 포함하며, 통신 커넥터는 센서 모듈에서 측정된 신호 또는 센서 모듈에서 생성된 신호를 전송하도록 되어 있을 수 있다.
상기 센서 모듈은 복합 소재 압력 용기의 내부 온도를 측정하고 인쇄 회로 기판에 전기적으로 연결된 내부 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 라이너에 필라멘트를 감아 압력 용기를 제조할 때, 필라멘트 형태의 에나멜선으로 스트레인 센서를 형성하여 상기 필라멘트와 함께 감기도록 함으로써 스트레인 센서가 구비된 복합 소재 압력 용기의 제작이 용이하고, 압력 용기 전체의 상태를 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 필라멘트 형태의 복수의 스트레인 센서를 복합 소재 압력 용기에 감음으로써 복합 소재 압력 용기의 제작 공정 중에 발생할 수 있는 일부 스트레인 센서의 손상을 대비할 수 있어 측정의 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 필라멘트 형태의 복수의 스트레인 센서를 복합 소재 압력 용기에 감을 때 상이한 스트레인 센서는 복합 소재 압력 용기의 주요 부분에 대하여 상이한 집중도로 감김으로써 복합 소재 압력 용기에서 손상이 발생한 부분을 특정할 수 있다.
또한, 압력 용기에 인쇄 회로 기판을 포함하는 센서 모듈을 장착함으로써, 스트레인 센서의 측정값과 센서 모듈의 측정값을 이용하여 압력 용기의 구조 건전성 상태 모니터링을 자체적으로 실시하거나, 통신 커넥터를 통하여 스트레인 센서의 측정값과 센서 모듈의 측정값을 외부 장치에 보내 압력 용기의 구조 건전성 상태 모니터링을 외부 장치에서 실시할 수 있다.
그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.
본 명세서의 실시 예들은 유사한 참조 부호들이 동일하거나 또는 기능적으로 유사한 요소를 지칭하는 첨부한 도면들과 연계한 이하의 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재 압력 용기의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 다른 복합 소재 압력 용기의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재 압력 용기의 제조 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
위에서 참조된 도면들은 반드시 축적에 맞추어 도시된 것은 아니고, 본 개시의 기본 원리를 예시하는 다양한 선호되는 특징들의 다소 간략한 표현을 제시하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 특정 치수, 방향, 위치, 및 형상을 포함하는 본 개시의 특정 설계 특징들이 특정 의도된 응용과 사용 환경에 의해 일부 결정될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재 압력 용기의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 다른 복합 소재 압력 용기의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재 압력 용기의 제조 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
위에서 참조된 도면들은 반드시 축적에 맞추어 도시된 것은 아니고, 본 개시의 기본 원리를 예시하는 다양한 선호되는 특징들의 다소 간략한 표현을 제시하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 특정 치수, 방향, 위치, 및 형상을 포함하는 본 개시의 특정 설계 특징들이 특정 의도된 응용과 사용 환경에 의해 일부 결정될 것이다.
여기에서 사용되는 용어는 오직 특정 실시 예들을 설명하기 위한 목적이고, 본 개시를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들은, 문맥상 명시적으로 달리 표시되지 않는 한, 복수 형태들을 또한 포함하는 것으로 의도된다. "포함하다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 경우, 언급된 특징들, 정수들, 단계들, 작동들, 구성요소들 및/또는 컴포넌트들의 존재를 특정하지만, 다른 특징들, 정수들, 단계들, 작동들, 구성요소들, 컴포넌트들 및/또는 이들의 그룹들 중 하나 이상의 존재 또는 추가를 배제하지는 않음을 또한 이해될 것이다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 용어 "및/또는"은, 연관되어 나열된 항목들 중 임의의 하나 또는 모든 조합들을 포함한다.
여기에서 사용되는 바와 같은 "차량" 또는 "차량의"와 같은 용어 또는 다른 유사한 용어는 스포츠 유틸리티 차량(SUV), 버스, 트럭, 다양한 상용 차량을 포함하는 승용차(passenger automobiles), 다양한 보트 및 배를 포함하는 선박, 철도 차량, 항공기, 드론 등을 포함하는 것으로 이해된다.
여기에서 사용되는 바와 같은 "압력 용기"는 수소를 포함하는 기체 또는 액체 연료 및 액화 연료를 포함하는 액체를 그 내부에 임시적으로 저장할 수 있는 용기를 의미한다. 압력 용기는 입구부를 포함하며, 입구부를 통하여 압력 용기에 기체 또는 액체를 충전하거나 압력 용기 내의 기체 또는 액체를 그 외부로 배출할 수 있다.
추가적으로, 아래의 방법들 또는 이들의 양상들 중 하나 이상은 적어도 하나 이상의 제어 유닛(예를 들어, 전자 제어 유닛(electronic control unit; ECU) 등), 제어기 또는 제어 서버에 의해 실행될 수 있음이 이해된다. "제어 유닛", "제어기", 또는 "제어 서버"라는 용어는 메모리 및 프로세서를 포함하는 하드웨어 장치를 지칭할 수 있다. 메모리는 프로그램 명령들을 저장하도록 구성되고, 프로세서는 아래에서 더욱 자세히 설명되는 하나 이상의 프로세스들을 수행하기 위해 프로그램 명령들을 실행하도록 특별히 프로그래밍된다. 제어 유닛, 제어기, 또는 제어 서버는, 여기에서 기재된 바와 같이, 유닛들, 모듈들, 부품들, 장치들, 또는 이와 유사한 것의 작동을 제어할 수 있다. 또한, 아래의 방법들은, 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 하나 이상의 다른 컴포넌트들과 함께 제어 유닛 또는 제어기를 포함하는 장치에 의해 실행될 수 있음이 이해된다.
또한, 본 개시의 제어 유닛, 제어기, 또는 제어 서버는 프로세서에 의해 실행되는 실행 가능한 프로그램 명령들을 포함하는 비일시적인 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체로서 구현될 수 있다. 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체들의 예들은 롬(ROM), 램(RAM), 컴팩트 디스크(CD) 롬, 자기 테이프들, 플로피 디스크들, 플래시 드라이브들, 스마트 카드들 및 광학 데이터 저장 장치들을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 컴퓨터 판독가능 기록 매체는 또한 컴퓨터 네트워크 전반에 걸쳐 분산되어 프로그램 명령들이, 예를 들어, 텔레매틱스 서버(telematics server) 또는 제어기 영역 네트워크(Controller Area Network; CAN)와 같은 분산 방식으로 저장 및 실행될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재 압력 용기는 라이너에 필라멘트를 감아 압력 용기를 제조할 때, 필라멘트 형태의 에나멜선으로 스트레인 센서를 형성하여 상기 필라멘트와 함께 감기도록 함으로써 제작이 용이하고, 압력 용기 전체의 상태를 정확하게 검출할 수 있다. 또한, 필라멘트 형태의 복수의 스트레인 센서를 복합 소재 압력 용기에 감음으로써 복합 소재 압력 용기의 제작 공정 중에 발생할 수 있는 일부 스트레인 센서의 손상을 대비할 수 있어 측정의 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 필라멘트 형태의 복수의 스트레인 센서를 복합 소재 압력 용기에 감을 때 상이한 스트레인 센서는 복합 소재 압력 용기의 주요 부분에 대하여 상이한 집중도로 감김으로써 복합 소재 압력 용기에서 손상이 발생한 부분을 특정할 수 있다. 또한, 압력 용기에 인쇄 회로 기판을 포함하는 센서 모듈을 장착함으로써, 스트레인 센서의 측정값과 센서 모듈의 측정값을 이용하여 압력 용기의 구조 건전성 상태 모니터링을 자체적으로 실시하거나, 통신 커넥터를 통하여 스트레인 센서의 측정값과 센서 모듈의 측정값을 외부 장치에 보내 압력 용기의 구조 건전성 상태 모니터링을 외부 장치에서 실시할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예들을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재 압력 용기의 개략적인 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 다른 복합 소재 압력 용기의 개략적인 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재 압력 용기(1)는 수소, 액체 연료, 또는 액화 연료 등을 그 내부에 임시적으로 저장할 수 있도록 중공 형상으로 형성된다. 상기 복합 소재 압력 용기(1)는, 이에 한정되지 않지만, 원통 형상을 가지며, 복합 소재 압력 용기(1)의 일단에는 입구부(6)가 구비되어 외부와 유체적으로 연통되며, 복합 소재 압력 용기(1)의 타단은 막혀 있다. 이에 따라, 복합 소재 압력 용기(1)는 입구부(6)를 통하여 기체 또는 액체를 충전할 수 있거나, 그 내부에 저장된 기체 또는 액체를 필요한 부품에 공급할 수 있다. 이를 위하여, 상기 입구부(6)에는 밸브(도시하지 않음)가 구비될 수 있다. 설명의 편의 상, 본 명세서에서는 복합 소재 압력 용기(1)는 수소 차량(수소를 동력원으로 이용하는 자동차, 버스, 트럭, 선박, 철도 차량, 항공기, 드론 등)을 위한 수소 압력 용기로 예시하나, 다른 용도를 위한 기체 또는 액체의 압력 용기일 수 있다.
복합 소재 압력 용기(1)는 몸체(2)와 입구부(6)를 포함한다.
몸체(2)는 원통 형상으로 형성되며, 라이너(30)와, 내부 쉘(40)과, 외부 쉘(50)을 포함할 수 있다.
라이너(30)는 몸체(2)에 대응하는 중공 형상으로 형성된다. 라이너(30)의 일단에는 입구부(6)가 결합되고, 라이너(30)의 타단은 막혀 있다. 상기 라이너(30)는 다양한 재료로 제작될 수 있지만, 본 발명의 실시 예에서 상기 라이너(30)는 플라스틱과 같은 폴리머로 제작될 수 있다.
내부 쉘(40)은 입구부(6)가 결합된 라이너(30)를 전체적으로 감싸고 있다. 상기 내부 쉘(40)은 라이너(30)의 외면에 적어도 하나의 복합 소재 필라멘트(42, 44, 46)를 적어도 하나 이상의 층으로 감아 형성된다. 상기 복합 소재 필라멘트(42, 44, 46)는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 등에 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 이소시아네이트 수지, 에폭시 수지 등의 수지를 함침시켜 형성될 수 있다. 또한, 상기 내부 쉘(40)은 적어도 하나의 스트레인 센서(20)를 포함한다. 상기 스트레인 센서(20)는 에나멜선으로 제작되며, 복합 소재 필라멘트(42, 44, 46)와 유사한 형상의 필라멘트로 형성되어 복합 소재 필라멘트(42, 44, 46)와 함께 상기 라이너(30)에 감길 수 있다. 즉, 상기 스트레인 센서(20)는, 복합 소재 필라멘트(42, 44, 46)를 라이너(30)에 감아 내부 쉘(40)을 형성할 때, 복합 소재 필라멘트(42, 44, 46)와 함께 라이너(30)에 감겨 내부 쉘(40)을 형성한다. 이에 따라, 복합 소재 필라멘트(42, 44, 46)를 라이너(30)에 감아 복합 소재 압력 용기(1)를 제작할 때, 스트레인 센서(20)도 복합 소재 압력 용기(1)에 장착될 수 있다. 따라서, 복합 소재 압력 용기(1)의 구조 건전성 상태 모니터링을 위한 스트레인 센서(20)의 장착이 용이해진다.
현재 사용되는 스트레인 센서의 초기 저항값은 약 120Ω 정도이고, 하중을 받아 스트레인 센서가 변형되면 저항값이 증가하는데, 상기 스트레인 센서는 저항값의 변화를 측정하여 변형량을 측정한다. 따라서, 에나멜선 스트레인 센서(20)의 초기 저항값을 약 120Ω 정도가 되도록 제작하면 기존의 계측기를 사용하여 복합 소재 압력 용기(1)의 변형량을 측정할 수 있다. 즉, 에나멜선 스트레인 센서(20)의 초기 저항값은 다음의 식을 만족시킨다.
r * L = 120
여기서, r은 에나멜선 단위 길이당 저항값을 나타내고, L은 에나멜선의 길이를 나타낸다.
예를 들어, 지름이 0.1mm인 에나멜선은 1m 당 약 2Ω 정도되므로 약 60m 정도의 에나멜선을 라이너(30)에 감아 스트레인 센서(20)를 구성하면 기존의 계측기를 사용하여 복합 소재 압력 용기(1)의 변형량을 측정할 수 있고, 계측기의 칼리브레이션이 용이하다.
상기 에나멜선 스트레인 센서(20)는 라이너(30)에 감긴 후 그 양단은 입구부(6)로 연장된다.
한편, 얇고 긴 에나멜선 스트레인 센서(20)를 라이너(30)에 감는 경우 에나멜선에 결함이 발생할 수 있다. 이러한 결함에 대비하기 위하여 복수의 에나멜선 스트레인 센서(20)를 라이너(30)에 감을 수 있다. 이 때, 하나의 에나멜선 스트레인 센서(20)를 라이너(30)에 감기 시작하는 시작 위치를 다른 하나의 에나멜선 스트레인 센서(20)를 라이너(30)에 감기 시작하는 시작 위치와 달리하여 복수의 에나멜선 스트레인 센서(20)를 라이너(30)에 동시에 감을 수 있다. 예를 들어, 세 개의 에나멜선 스트레인 센서(20)를 라이너(30)에 감을 때, 시작 위치들 사이의 중심각을 120°로 설정하여 세 개의 에나멜선 스트레인 센서(20)를 라이너(30)에 동시에 감을 수 있다.
또한, 복수의 에나멜선 스트레인 센서(20)는 라이너(30)에 다양한 방식으로 감길 수 있다.
하나의 예에서, 복수의 에나멜선 스트레인 센서(20)는 복합 소재 압력 용기(1)의 전체 면적에 균등하게 감길 수 있다. 이에 따라, 스트레인 센서(20)는 복합 소재 압력 용기(1)의 전체에서 발생한 압력 변화를 정확하게 검출할 수 있다. 이 경우, 복합 소재 압력 용기(1)에서 발생한 손상을 빠르게 확인할 수 있다.
다른 하나의 예에서, 복수의 에나멜선 스트레인 센서(20) 각각은 복합 소재 압력 용기(1)에 상이한 집중도로 감길 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1에나멜선 스트레인 센서(20)는 보스부(60)에 빽빽하게 감기는 반면 상단부(62), 중단부(64), 하단부(66), 그리고 종단부(68)에는 균등하지만 듬성듬성 감기고, 제2에나멜선 스트레인 센서(20)는 상단부(62)에 빽빽하게 감기는 반면 보스부(60), 중단부(64), 하단부(66), 그리고 종단부(68)에는 균등하지만 듬성듬성 감기며, 제3에나멜선 스트레인 센서(20)는 중단부(64)에 빽빽하게 감기는 반면 보스부(60), 상단부(62), 하단부(66), 그리고 종단부(68)에는 균등하지만 듬성듬성 감기고, 제4에나멜선 스트레인 센서(20)는 하단부(66)에 빽빽하게 감기는 반면 보스부(60), 상단부(62), 중단부(64), 그리고 종단부(68)에 균등하지만 듬성듬성 감기며, 제5에나멜선 스트레인 센서(20)는 종단부(68)에 빽빽하게 감기는 반면 보스부(60), 상단부(62), 중단부(64), 그리고 하단부(66)에 균등하지만 듬성듬성 감길 수 있다. 이 경우, 제1에나멜선 스트레인 센서(20)를 이용하여 보스부(60)에 발생한 손상을 확인할 수 있고, 제2에나멜선 스트레인 센서(20)를 이용하여 상단부(62)에 발생한 손상을 확인할 수 있으며, 제3에나멜선 스트레인 센서(20)를 이용하여 중단부(64)에 발생한 손상을 확인할 수 있고, 제4에나멜선 스트레인 센서(20)를 이용하여 하단부(66)에 발생한 손상을 확인할 수 있으며, 제5에나멜선 스트레인 센서(20)를 이용하여 종단부(68)에 발생한 손상을 확인할 수 있다. 이와 같이, 복수의 에나멜선 스트레인 센서(20) 각각을 복합 소재 압력 용기(1)의 주요 부분(예를 들어, 손상이 자주 발생하는 부분)에 상이한 집중도로 감음으로써 복합 소재 압력 용기(1)에서 결함이 발생한 부위를 특정할 수 있고, 구조 건전성 상태 모니터링을 위한 데이터의 학습이 빠르게 이루어질 수 있다.
또 다른 하나의 예에서, 일부 에나멜선 스트레인 센서(20)는 복합 소재 압력 용기(1)의 전체 면적에 균등하게 감기고, 다른 일부 에나멜선 스트레인 센서(20)는 복합 소재 압력 용기(1)에 상이한 집중도로 감길 수 있다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 외부 쉘(50)은 상기 내부 쉘(40)의 외부를 감싸고 있다. 상기 외부 쉘(50)은 복합 소재 압력 용기(1)에 가해지는 외부 충격을 흡수할 수 있다. 상기 외부 쉘(50)은 수지로 형성될 수 있으며, 외부 쉘(50)을 형성하는 수지는 복합 소재 필라멘트(42, 44, 46)를 형성하는 수지와 동일하거나 다를 수 있다.
외부 충격으로부터 복합 소재 압력 용기(1)를 더욱 보호하기 위하여, 상기 몸체(2)는 제1, 2돔(3, 4)을 더 포함할 수 있다. 제1, 2돔(3, 4)은 폼 플라스틱으로 제작될 수 있으며, 상기 복합 소재 압력 용기(1)의 양 단부에 각각 설치될 수 있다.
입구부(6)는 상기 라이너(30)의 일단에 결합되며, 상기 입구부(6)의 내부에는 통로(7)가 형성되어 라이너(30)의 외부와 라이너(30)의 내부를 유체적으로 연통한다. 상기 입구부(6)의 적어도 일부는 상기 내부 쉘(40), 외부 쉘(50) 및 제1돔(3)에 의하여 둘러싸이게 된다. 상기 입구부(6)의 일단은 길이방향 일측으로 더욱 연장되어 튜브, 호스, 파이프 등에 의하여 다른 부품에 유체적으로 연결된다. 상기 입구부(6)의 일 단부에는 센서 모듈(10)이 장착된다. 또한, 상기 입구부(6)의 타단은 상기 라이너(30)의 일단을 관통하여 라이너(30)의 내부에 위치한다. 상기 입구부(6)의 타단에는 내부 온도 센서(15)가 장착되어 복합 소재 압력 용기(1)의 내부 온도를 측정할 수 있다.
센서 모듈(10)은 상기 입구부(6)의 일 단부에 장착되어 있으며, 내부 압력 센서(11), 외기 온도 센서(12), 통신 커넥터(13), 그리고 인쇄 회로 기판(14)을 포함할 수 있다. 또한, 입구부(6)로 연장된 에나멜선 스트레인 센서(20)의 양단은 센서 모듈(10)에 연결되어 스트레인 센서(20)의 측정값 또는 이에 대한 신호를 센서 모듈(10)에 전달한다. 복수의 에나멜선 스트레인 센서(20)가 사용되는 경우, 상이한 스트레인 센서(20)의 양단은 센서 모듈(10)의 상이한 채널에 연결되어 센서 모듈(10)은 각각의 스트레인 센서(20)의 측정값을 인식할 수 있고, 하나의 스트레인 센서(20)의 측정값을 다른 하나의 스트레인 센서(20)의 측정값과 비교할 수 있다.
내부 압력 센서(11)는 상기 복합 소재 압력 용기(1)의 내부 압력을 측정한다. 상기 내부 압력 센서(11)는 통로(7)에 장착될 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 상기 내부 압력 센서(11)는 내부 온도 센서(15)와 함께 복합 소재 압력 용기(1) 내에 장착될 수 있다.
외기 온도 센서(12)는 복합 소재 압력 용기(1) 외부의 외기 온도를 측정한다. 상기 외기 온도 센서(12)는 센서 모듈(10)에 장착되거나, 복합 소재 압력 용기(1)의 외부에 장착되어 외기 온도에 대한 신호를 센서 모듈(10)에 전송할 수 있다. 이와는 달리, 상기 센서 모듈(10)은 수소 차량에 장착된 외기 온도 센서(12)로부터 외기 온도에 대한 신호를 수신할 수 있다.
통신 커넥터(13)는 센서 모듈(10)과 외부 서버(도시하지 않음), 외부 컴퓨팅 장치(도시하지 않음) 또는 모바일 장치(도시하지 않음)를 통신이 가능하도록 연결한다. 통신 커넥터(13)는 무선 또는 유선 커넥터일 수 있다.
인쇄 회로 기판(14)은 스트레인 센서(20), 내부 압력 센서(11), 외기 온도 센서(12), 내부 온도 센서(15)와 통신이 가능하도록 연결되어 복합 소재 압력 용기(1)의 스트레인, 복합 소재 압력 용기(1)의 내부 압력 및/또는 내부 온도, 및/또는 외기 온도에 대한 신호를 수신할 수 있다. 인쇄 회로 기판(14)은 제어기(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 상기 제어기는 복합 소재 압력 용기(1)의 스트레인, 복합 소재 압력 용기(1)의 내부 압력 및/또는 내부 온도, 및/또는 외기 온도에 대한 신호를 기초로 복합 소재 압력 용기(1)의 결함을 진단하고 남은 수명을 계산할 수 있다. 인쇄 회로 기판(14)은 통신 커넥터(13)를 통하여 외부 서버, 외부 컴퓨팅 장치, 및/또는 모바일 장치에 유선 또는 무선으로 통신이 가능하도록 연결되어 복합 소재 압력 용기(1)의 스트레인, 복합 소재 압력 용기(1)의 내부 압력 및/또는 내부 온도, 및/또는 외기 온도에 대한 신호를 외부 서버, 외부 컴퓨팅 장치, 및/또는 모바일 장치에 전송할 수 있다. 또한, 상기 제어기가 복합 소재 압력 용기(1)를 자가 진단할 수 있는 경우, 상기 인쇄 회로 기판(14)은 복합 소재 압력 용기(1)의 진단 결과에 대응하는 신호를 외부 서버, 외부 컴퓨팅 장치, 및/또는 모바일 장치에 전송할 수 있다.
이하, 도 3을 참고로, 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재 압력 용기(1)의 제조 방법을 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재 압력 용기의 제조 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재 압력 용기(1)의 제조 방법은 S100 단계에서 시작하고, S120 단계와 S130 단계를 순차적으로 수행한다. 또한, 선택적으로 S100 단계와 S120 단계 사이에 S110 단계가 수행될 수 있고, S130 단계를 수행한 후에 선택적으로 S140 단계가 수행될 수 있다.
S100 단계에서, 입구부(6)가 결합된 라이너(30)가 준비된다. 앞에서 설명한 바와 같이, 라이너(30)는 플라스틱과 같은 폴리머 또는 금속으로 미리 제작되며, 라이너(30)의 일단에 미리 제작한 입구부(6)가 결합된다. 도 3에 도시되어 있지 않지만, 상기 입구부(6)의 일 단부에는 센서 모듈(10)이 장착될 수 있다. 상기 입구부(6)의 타단은 라이너(30)의 일단을 관통하여 라이너(30)의 내부에 위치하며, 상기 입구부(6)의 타단에는 내부 온도 센서(15)가 장착될 수 있다. 상기 센서 모듈(10)은 내부 압력 센서(11), 외기 온도 센서(12), 통신 커넥터(13), 그리고 인쇄 회로 기판(14)을 포함할 수 있다.
S110 단계에서, 입구부(6)가 결합된 라이너(30)에 길이방향으로 적어도 하나의 기초 필라멘트(42)가 감긴다. 상기 기초 필라멘트(42)는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 등에 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 이소시아네이트 수지, 에폭시 수지 등의 수지를 함침시켜 형성되는 복합 수지 필라멘트일 수 있다. 상기 기초 필라멘트(42)는 제1, 2필라멘트(44, 46)의 와인딩을 용이하게 하기 위한 것으로, 반드시 라이너(30)에 감길 필요는 없다.
S120 단계에서, 상기 라이너(30)에 제1, 2필라멘트(44, 46)를 감아 내부 쉘(40)을 형성한다. 상기 제1, 2필라멘트(44, 46)는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 등에 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 이소시아네이트 수지, 에폭시 수지 등의 수지를 함침시켜 형성되는 복합 수지 필라멘트일 수 있다. 제1, 2필라멘트(44, 46)는 서로 교차하도록 및/또는 기초 필라멘트(42)와 교차하도록 상기 라이너(30) 상에 감길 수 있다. 또한, 상기 제1, 2필라멘트(44, 46)를 라이너(30)에 감을 때 적어도 하나의 스트레인 센서(20)가 라이너(30)에 함께 감긴다. 앞에서 설명한 바와 같이, 상기 스트레인 센서(20)는 설정된 두께의 에나멜선을 필라멘트 형상으로 설정된 길이로 제작된다. 필라멘트 형상의 에나멜선 스트레인 센서(20)는 제1필라멘트(44)의 일부 또는 제2필라멘트(46)의 일부를 대체하거나 제1필라멘트(44) 또는 제2필라멘트(46)와 함께 라이너(30)에 감긴다. 또는, 라이너(30)에 제1, 2필라멘트(44, 46)를 하나 이상의 층으로 감고, 에나멜선 스트레인 센서(20)를 감은 후, 제1, 2필라멘트(44, 46)를 하나 이상의 층으로 다시 감을 수 있다. 또한, 라이너(30)에 감기기 시작하는 시작 위치를 달리하며 복수의 에나멜선 스트레인 센서(20)가 동시에 라이너(30) 상에 감길 수 있다. 더 나아가, 복수의 에나멜선 스트레인 센서(20)는 복합 소재 압력 용기(1)의 전체 면적에 균등하게 감기거나 복합 소재 압력 용기(1)의 주요 부분에 대하여 상이한 집중도로 감길 수 있다. 이 때, 각 스트레인 센서(20)의 양단은 입구부로 연장된다. 상기 적어도 하나의 스트레인 센서(20)를 라이너(30)에 감은 후, 스트레인 센서(20)의 양단을 상기 센서 모듈(10)에 전기적으로 연결한다.
S130 단계에서, 내부 쉘(40) 상에 외부 쉘(50)을 형성한다. 앞에서 언급한 바와 같이, 외부 쉘(50)은 복합 소재 필라멘트(42, 44, 46)를 형성하는 수지와 동일하거나 다를 수 있다. 외부 쉘(50)은 상기 수지를 도포하거나 몰드 내에 내부 쉘(40)이 형성된 라이너(30)를 배치하고 수지를 사출하여 형성될 수 있다. 그러나, 외부 쉘(50)을 형성하는 방법은 앞에서 예시한 방법들에 한정되지 아니한다.
S140 단계에서, 외부 쉘(50)의 일단에 제1돔(3)을 부착하고, 외부 쉘(50)의 타단에 제2돔(4)을 부착함으로써 복합 소재 압력 용기(1)를 제작한다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
Claims (12)
- 입구부가 구비된 라이너를 준비하는 단계; 그리고
상기 라이너 상에 적어도 하나의 복합 소재 필라멘트를 감아 내부 쉘을 형성하는 단계;
를 포함하며,
상기 내부 쉘을 형성하는 단계는 필라멘트 형태로 제작된 제1, 2, 3, 4, 5에나멜선 스트레인 센서 각각이 라이너 상에 감기기 시작하는 시작 위치를 달리하여 라이너 상에 상기 복합 소재 필라멘트와 함께 동시에 감기고,
각 에나멜선 스트레인 센서는 복합 소재 압력 용기의 전체 면적에 감기며,
상기 복합 소재 압력 용기는 보스부, 상단부, 중단부, 하단부, 그리고 종단부를 순차적으로 포함하고,
제1에나멜선 스트레인 센서는 보스부에 상대적으로 높은 집중도로 감기며, 상단부, 중단부, 하단부, 그리고 종단부에 균등하지만 상대적으로 낮은 집중도로 감기고,
제2에나멜선 스트레인 센서는 상단부에 상대적으로 높은 집중도로 감기며, 보스부, 중단부, 하단부, 그리고 종단부에 균등하지만 상대적으로 낮은 집중도로 감기고,
제3에나멜선 스트레인 센서는 중단부에 상대적으로 높은 집중도로 감기며, 보스부, 상단부, 하단부, 그리고 종단부에 균등하지만 상대적으로 낮은 집중도로 감기고,
제4에나멜선 스트레인 센서는 하단부에 상대적으로 높은 집중도로 감기며, 보스부, 상단부, 중단부, 그리고 종단부에 균등하지만 상대적으로 낮은 집중도로 감기고,
제5에나멜선 스트레인 센서는 종단부에 상대적으로 높은 집중도로 감기며, 보스부, 상단부, 중단부, 그리고 하단부에 균등하지만 상대적으로 낮은 집중도로 감기는 복합 소재 압력 용기를 제조하는 방법. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 에나멜선 스트레인 센서의 일부는 복합 소재 압력 용기의 전체 면적에 대하여 균등하게 감기고, 상기 복수의 에나멜선 스트레인 센서의 다른 일부는 복합 소재 압력 용기에 국부적으로 상이한 집중도로 감기는 복합 소재 압력 용기를 제조하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 내부 쉘 상에 외부 쉘을 형성하는 단계를 더 포함하는 복합 소재 압력 용기를 제조하는 방법. - 제5항에 있어서,
상기 외부 쉘의 양단 중 적어도 하나에 폼 플라스틱으로 제작된 돔을 부착하는 단계를 더 포함하는 복합 소재 압력 용기를 제조하는 방법. - 제1항에 있어서,
복합 소재 필라멘트는 탄소 섬유, 유리 섬유, 및 아라미드 섬유 중 하나 이상의 섬유와 수지를 포함하는 복합 소재 압력 용기를 제조하는 방법. - 제1항 및 제4항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 따른 복합 소재 압력 용기를 제조하는 방법에 의하여 제조되는 복합 소재 압력 용기.
- 제8항에 있어서,
상기 입구부에는 스트레인 센서와 통신이 가능하도록 연결된 센서 모듈이 장착되는 복합 소재 압력 용기. - 제9항에 있어서,
상기 센서 모듈은
복합 소재 압력 용기의 내부 압력을 측정하도록 된 내부 압력 센서;
외기의 온도를 측정하도록 된 외기 온도 센서; 그리고
스트레인 센서, 내부 압력 센서, 그리고 외기 온도 센서에 전기적으로 연결된 인쇄 회로 기판;
을 포함하는 복합 소재 압력 용기. - 제10항에 있어서,
센서 모듈은 통신 커넥터를 더 포함하며,
통신 커넥터는 센서 모듈에서 측정된 신호 또는 센서 모듈에서 생성된 신호를 전송하도록 된 복합 소재 압력 용기. - 제11항에 있어서,
상기 센서 모듈은 복합 소재 압력 용기의 내부 온도를 측정하고 인쇄 회로 기판에 전기적으로 연결된 내부 온도 센서를 더 포함하는 복합 소재 압력 용기.
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| KR1020220063156A KR102571451B1 (ko) | 2022-05-24 | 2022-05-24 | 스트레인 센서를 구비한 복합 소재 압력 용기 및 그 제조 방법 |
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