KR102645588B1 - 고압 탱크 - Google Patents

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KR102645588B1
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pressure tank
manifold
mouthpiece
liner
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오사무 사와이
유키 가이
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

가령 가스가 개구부와 덮개 형상 부재의 삽입부의 간극으로부터 누설되었다고 해도, 덮개 형상 부재에 가해지는 하중의 증가를 방지할 수 있는 고압 탱크를 제공한다.
가스를 저류하는 고압 탱크(1)는, 원통 형상의 개구부(13)를 갖는 라이너(10)와, 라이너(10)를 덮는 보강층(20), 개구부(13)를 덮는 보강층(20)의 외측에 고정되어 외주에 수나사부(33)가 형성된 마우스피스(30), 개구부(13)를 폐색하도록 개구부(13) 내에 삽입되는 삽입부(43)와, 개구부(13)의 단부면(13a)과 맞닿는 맞닿음면(47)과, 내주에 형성되어 마우스피스(30)의 수나사부(33)와 나사 결합하는 암나사부(46)를 갖는 매니폴드(40) 및 매니폴드(40)의 맞닿음면(47)과 고압 탱크(1)의 외부와 연통하는 연통로(60)를 구비한다.

Description

고압 탱크{HIGH-PRESSURE TANK}
본 발명은, 가스를 저류하는 고압 탱크에 관한 것이다.
종래, 이와 같은 기술 분야로서, 예를 들어 특허문헌 1에 기재되어 있는 것이 있다. 특허문헌 1에 기재된 고압 탱크는, 내부에 가스를 저류하는 저류 공간과 해당 저류 공간과 연통하는 개구부를 갖는 라이너와, 라이너의 외주면에 형성된 보강층과, 라이너의 개구부에 장착되어 외주에 수나사부가 형성된 마우스피스와, 라이너의 개구부를 폐색하는 매니폴드를 구비하고 있다. 매니폴드는, 덮개 형상으로 형성되어 있으며, 라이너의 개구부 단부면과 맞닿는 맞닿음면과, 개구부 내에 삽입되는 삽입부와, 마우스피스의 수나사부와 나사 결합하는 암나사부를 갖는다. 그리고, 매니폴드는, 그 암나사부와 마우스피스의 수나사부와 나사 결합함으로써 해당 마우스피스에 장착되고, 라이너의 개구부를 폐색한다.
일본 특허 공개 제2020-112189호 공보
그러나, 상술한 고압 탱크에서는, 만에 하나, 탱크 내의 가스가 개구부와 매니폴드의 삽입부의 간극으로부터 누설된 경우, 누설된 가스가 매니폴드의 맞닿음면에 모인다. 이에 의해, 매니폴드에 가해지는 하중이 커지게 되는 문제가 발생한다. 이와 같은 문제에 대하여, 예를 들어 매니폴드의 암나사부 및 마우스피스의 수나사부를 길게 하고, 즉 양자의 나사 결합하는 나사 결합 부분을 길게 함으로써, 나사 결합에 의한 체결력을 높이는 방법이 검토되지만, 나사 결합 부분을 길게 하는 것에 기인하여 가스의 저류량이 감소하는 문제가 새롭게 발생해 버린다.
본 발명은, 이와 같은 기술 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 가령 가스가 개구부와 덮개 형상 부재의 삽입부의 간극으로부터 누설되었다고 해도, 덮개 형상 부재에 가해지는 하중의 증가를 방지할 수 있는 고압 탱크를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 고압 탱크는, 가스를 저류하는 고압 탱크이며, 통 형상의 개구부를 갖는 라이너와, 상기 라이너를 덮는 보강층과, 상기 개구부를 덮는 상기 보강층의 외측에 고정되고, 외주에 수나사부가 형성된 통 형상 부재와, 상기 개구부를 폐색하도록 상기 개구부 내에 삽입되는 삽입부와, 상기 개구부의 단부면과 맞닿는 맞닿음면과, 내주에 형성되어 상기 통 형상 부재의 상기 수나사부와 나사 결합하는 암나사부를 갖는 덮개 형상 부재와, 상기 덮개 형상 부재의 상기 맞닿음면과 상기 고압 탱크의 외부를 연통하는 연통로를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 따른 고압 탱크는, 덮개 형상 부재의 맞닿음면과 고압 탱크의 외부를 연통하는 연통로를 구비하기 때문에, 가령 탱크 내의 가스가 개구부와 덮개 형상 부재의 삽입부의 간극으로부터 누설되어 덮개 형상 부재의 맞닿음면으로 흘러들었다고 해도, 누설된 가스가 연통로를 경유하여 맞닿음면으로부터 고압 탱크의 외부로 유출될 수 있다. 이에 의해, 누설된 가스가 덮개 형상 부재의 맞닿음면에 모이는 것을 억제할 수 있어, 덮개 형상 부재에 가해지는 하중의 증가를 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가령 가스가 개구부와 덮개 형상 부재의 삽입부의 간극으로부터 누설되었다고 해도, 덮개 형상 부재에 가해지는 하중의 증가를 방지할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 고압 탱크의 주요부를 나타내는 부분 단면도이다.
도 2는 도 1의 A-A선을 따르는 단면도이다.
도 3은 누설된 가스의 흐름을 나타내는 단면도이다.
도 4는 제2 실시 형태에 따른 고압 탱크의 주요부를 나타내는 부분 단면도이다.
도 5는 도 4의 B-B선을 따르는 단면도이다.
도 6은 제3 실시 형태에 따른 고압 탱크의 주요부를 나타내는 부분 단면도이다.
도 7은 도 6의 C-C선을 따르는 단면도이다.
도 8은 제4 실시 형태에 따른 고압 탱크의 주요부를 나타내는 부분 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고압 탱크의 실시 형태에 대하여 설명한다. 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일 부호를 붙이고, 그 중복 설명을 생략한다. 이하의 설명에 있어서, 고압 탱크가 연료 전지 차량에 탑재되어 내부에 고압의 수소 가스가 충전되는 예를 들지만, 고압 탱크에 충전 가능한 가스는, 수소 가스에 한정되지 않고, CNG(압축 천연 가스) 등의 각 압축 가스, LNG(액화 천연 가스), LPG(액화 석유 가스) 등의 각종 액화 가스 등이어도 된다.
[제1 실시 형태]
도 1은 제1 실시 형태에 따른 고압 탱크의 주요부를 나타내는 부분 단면도이다. 본 실시 형태의 고압 탱크(1)는, 양 단부가 돔 형상으로 둥그스름한 대략 원통 형상의 고압 가스 저장 용기이며, 가스 배리어성을 갖는 라이너(10)와, 라이너(10)의 외주면을 덮도록 형성된 보강층(20)을 구비하고 있다.
라이너(10)는, 수소 가스에 대한 가스 배리어성을 갖는 수지 재료로 형성되어 있으며, 원통 형상의 동체부(11)와 동체부(11)의 축 L 방향의 양 단부에 마련된 한 쌍의 돔부(12)(도 1에 있어서는 편측의 돔부만을 나타냄)를 갖는다. 동체부(11)의 축 L 방향은, 즉 고압 탱크(1)의 축 L 방향이다. 이하의 설명에서는, 이 「고압 탱크의 축 L 방향」을 「축 L 방향」이라고 축약한다.
돔부(12)는, 반구 형상을 나타내고 있다. 그리고, 돔부(12)에 있어서의 동체부(11)는 반대측의 단부에는, 원통 형상의 개구부(13)가 마련되어 있다. 개구부(13)는, 돔부(12)보다도 작은 외경을 갖고, 축 L 방향을 따라 돔부(12)로부터 돌출되도록 배치되어 있다. 이 개구부(13)는, 고압 탱크(1) 내에 수소 가스를 충전하기 위한 충전구, 혹은 고압 탱크(1) 내에 저류되는 수소 가스를 배출하기 위한 배출구로서 기능한다.
라이너(10)는, 예를 들어 폴리에틸렌이나 나일론 등의 수지를 사용하여 회전·블로 성형법에 의해 일체적으로 형성되어 있다. 또한, 라이너(10)는, 수지 대신에 알루미늄 등의 경금속으로 형성되어도 된다. 또한, 라이너(10)는, 회전·블로 성형법과 같은 일체 성형의 제조 방법 대신에, 사출·압출 성형 등에 의해 복수로 분할된 부재를 접합함으로써 형성되어도 된다.
보강층(20)은, 섬유 강화 수지로 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 섬유 강화 수지로서 탄소 섬유 강화 수지(CFRP)가 사용되고 있다. 그리고, 이 탄소 섬유 강화 수지는, 개구부(13)를 포함하는 라이너(10)의 전체를 덮음으로써 상기 보강층(20)을 형성한다. 보강층(20)의 두께는, 라이너(10)의 동체부(11)측으로부터 돔부(12)측을 향함에 따라 두꺼워지고 있다. 보강층(20)에 있어서의 개구부(13)를 덮는 부분의 두께는, 거의 동일하다.
개구부(13)를 덮는 보강층(20)의 외측에는, 마우스피스(30)가 고정되어 있다. 마우스피스(30)는, 청구범위에 기재된 「통 형상 부재」에 상당하는 것이며, 스테인리스나 알루미늄 등의 금속 재료에 의해 원통 형상으로 가공된 것이다. 이 마우스피스(30)는, 축 L 방향을 따라 연장되는 원통 형상의 마우스피스 본체부(31)와, 해당 마우스피스 본체부(31)의 일단부에 연결되어 직경 방향으로 돌출하는 플랜지부(32)를 갖는다.
또한, 마우스피스 본체부(31)의 외주에는, 후술하는 매니폴드(40)와 나사 결합하는 수나사부(33)가 형성되어 있다. 마우스피스 본체부(31)의 내주에는, 톱니 형상의 걸림 클로부(34)가 형성되어 있다. 마우스피스(30)는, 그 걸림 클로부(34)가 보강층(20)의 외주부에 파고 들어감으로써, 보강층(20)과 고정되어 있다.
플랜지부(32)는, 마우스피스(30)의 강도를 높이는 기능과, 매니폴드(40)와 나사 결합할 때에 매니폴드(40)의 나사 결합 깊이를 규제하는 기능을 완수하는 것이며, 마우스피스 본체부(31)와 일체적으로 형성되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 라이너(10)의 개구부(13)에는, 매니폴드(40)가 장착되어 있다. 매니폴드(40)는, 청구범위에 기재된 「덮개 형상 부재」에 상당하는 것이며, 복수개의 고압 탱크(1)를 접속하기 위한 부재이다. 이 매니폴드(40)는, 대략 원판 형상의 본체부(41)와, 본체부(41)의 외주연부와 연결해서 축 L 방향으로 연신하는 측벽부(42)와, 본체부(41)의 중앙에 배치되어 측벽부(42)의 연신측과 동일한 측으로 돌출하는 삽입부(43)를 갖는다.
삽입부(43)는, 개구부(13)를 폐색하도록 개구부(13) 내에 삽입되는 부분이며, 대략 원주 형상을 나타내고 있다. 삽입부(43)의 외경은, 개구부(13)의 내경보다도 약간 작게 형성되어 있다. 삽입부(43)의 중앙에는, 축 L 방향을 따라 연장되는 슬릿(44)이 마련되어 있다. 이 슬릿(44)은, 삽입부(43)를 개구부(13)에 삽입할 때에, 삽입부(43)를 변형시켜 삽입하기 쉽게 하기 위한 구조이다. 또한, 삽입부(43)에는, 주위 홈(45)이 마련되어 있다. 주위 홈(45)에는, 삽입부(43)와 개구부(13) 사이의 밀폐성을 유지하는 O링(50)이 끼워져 있다.
본체부(41)는, 해당 매니폴드(40)의 천장판에 해당하는 부분이다. 본체부(41)의 내면은, 개구부(13)의 단부면(13a)과 맞닿는 맞닿음면이 되므로, 이하에서는, 해당 내면을 매니폴드(40)의 맞닿음면(47)이라고 칭한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 맞닿음면(47)에 대응하는 개구부(13)의 단부면(13a), 보강층(20)의 단부면(20a) 및 마우스피스(30)의 단부면(30a)은, 동일 평면 상에 놓여 있다. 또한, 측벽부(42)의 내주에는, 마우스피스(30)의 수나사부(33)와 나사 결합하는 암나사부(46)가 형성되어 있다.
또한, 본 실시 형태의 고압 탱크(1)는, 매니폴드(40)의 맞닿음면(47)과 고압 탱크(1)의 외부를 연통하는 연통로(60)를 더 구비하고 있다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 연통로(60)를 상세히 설명한다.
도 2는 도 1의 A-A선을 따르는 단면도이다. 연통로(60)는, 매니폴드(40)의 맞닿음면(47)에 마련된 오목 홈(48)을 포함한다. 오목 홈(48)은, 매니폴드(40)의 직경 방향을 따라서, 매니폴드(40)의 중심측으로부터 암나사부(46)측까지 연장되도록 형성되어 있다. 오목 홈(48)은, 예를 들어 매니폴드(40)의 둘레 방향의 3군데에 있어서 등간격(120° 씩)으로 배치되어 있다. 그리고, 해당 오목 홈(48)은, 매니폴드(40)의 암나사부(46)와 마우스피스(30)의 수나사부(33)를 나사 결합하는 나사 결합 부분과 함께 연통로(60)를 구성한다.
이와 같이 구성된 고압 탱크(1)에서는, 도 3의 화살표로 나타낸 바와 같이, 만에 하나 O링(50)의 불량 상태 등의 원인으로 탱크 내의 수소 가스가 개구부(13)와 매니폴드(40)의 삽입부(43)의 간극으로부터 누설되어 매니폴드(40)의 맞닿음면(47)으로 흘러들었다고 해도, 누설된 수소 가스가 맞닿음면(47)에 마련된 오목 홈(48) 및 매니폴드(40)의 암나사부(46)와 마우스피스(30)의 수나사부(33)의 나사 결합 부분을 경유하여, 고압 탱크(1)의 외부로 유출될 수 있다. 즉, 오목 홈(48) 및 매니폴드(40)의 암나사부(46)와 마우스피스(30)의 수나사부(33)의 나사 결합 부분은, 누설된 수소 가스의 빠져나가는 길이 된다. 이에 의해, 누설된 수소 가스가 매니폴드(40)의 맞닿음면(47)에 모이는 것을 방지할 수 있으므로, 매니폴드(40)에 가해지는 하중의 증가를 방지할 수 있다.
[제2 실시 형태]
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 고압 탱크의 제2 실시 형태를 설명한다. 본 실시 형태의 고압 탱크(1A)는, 연통로의 구조에 있어서 상술한 제1 실시 형태와 다르지만, 그 밖의 구조는 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 이하에서는, 그 상위점만을 설명한다.
도 4는 제2 실시 형태에 따른 고압 탱크의 주요부를 나타내는 부분 단면도이며, 도 5는 도 4의 B-B선을 따르는 단면도이다. 본 실시 형태의 고압 탱크(1A)에 있어서, 연통로(61)는, 매니폴드(40)의 맞닿음면(47)으로부터 축 L 방향을 따라서 해당 매니폴드(40)를 관통하는 관통 구멍(49)으로 구성되어 있다. 즉, 관통 구멍(49)은, 맞닿음면(47)으로부터 매니폴드(40)의 본체부(41)를 관통하는 것이다. 이와 같은 관통 구멍(49)은, 하나여도 되고, 복수여도 된다. 도 5에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 관통 구멍(49)은, 4개이며, 매니폴드(40)의 둘레 방향을 따라 등간격(90° 씩)으로 배치되어 있다.
이와 같이 구성된 고압 탱크(1A)에서는, 만에 하나 O링(50)의 불량 상태 등의 원인으로 탱크 내의 수소 가스가 개구부(13)와 매니폴드(40)의 삽입부(43)의 간극으로부터 누설되어 매니폴드(40)의 맞닿음면(47)으로 흘러들었다고 해도, 누설된 수소 가스가 관통 구멍(49)을 경유하여 고압 탱크(1A)의 외부로 유출될 수 있다. 이에 의해, 누설된 수소 가스가 매니폴드(40)의 맞닿음면(47)에 모이는 것을 방지할 수 있으므로, 매니폴드(40)에 가해지는 하중의 증가를 방지할 수 있다.
[제3 실시 형태]
이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 고압 탱크의 제3 실시 형태를 설명한다. 본 실시 형태의 고압 탱크(1B)는, 연통로의 구조에 있어서 상술한 제1 실시 형태와 다르지만, 그 밖의 구조는 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 이하에서는, 그 상위점만을 설명한다.
도 6은 제3 실시 형태에 따른 고압 탱크의 주요부를 나타내는 부분 단면도이며, 도 7은 도 6의 C-C선을 따르는 단면도이다. 본 실시 형태의 고압 탱크(1B)에서는, 연통로(62)는, 매니폴드(40)의 맞닿음면(47)과 대향하는 마우스피스(30)의 단부면(30a)에 마련된 오목 홈(35)을 포함한다.
도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 오목 홈(35)은, 마우스피스(30)의 직경 방향을 따라서, 보강층(20)측으로부터 마우스피스(30)의 수나사부(33)측까지 연장되도록 형성되어 있다. 오목 홈(35)은, 예를 들어 마우스피스(30)의 둘레 방향 3군데에 있어서 등간격 (120° 씩)으로 배치되어 있다. 그리고, 해당 오목 홈(35)은, 매니폴드(40)의 암나사부(46)와 마우스피스(30)의 수나사부(33)를 나사 결합하는 나사 결합 부분과 함께, 연통로(62)를 구성한다.
이와 같이 구성된 고압 탱크(1B)에서는, 만에 하나 O링(50)의 불량 상태 등의 원인으로 탱크 내의 수소 가스가 개구부(13)와 매니폴드(40)의 삽입부(43)의 간극으로부터 누설되어 매니폴드(40)의 맞닿음면(47)으로 흘러들었다고 해도, 누설된 수소 가스가 마우스피스(30)의 단부면(30a)에 마련된 오목 홈(35) 및 매니폴드(40)의 암나사부(46)와 마우스피스(30)의 수나사부(33)의 나사 결합 부분을 경유하여, 고압 탱크(1B)의 외부로 유출될 수 있다. 이에 의해, 누설된 수소 가스가 매니폴드(40)의 맞닿음면(47)에 모이는 것을 방지할 수 있으므로, 매니폴드(40)에 가해지는 하중의 증가를 방지할 수 있다.
또한, 이 경우, 매니폴드(40)의 맞닿음면(47)에 대향하는 보강층(20)의 단부면(20a)에는, 마우스피스(30)의 단부면(30a)에 마련된 오목 홈(35)과 연결하는 오목 홈이 더 형성되어도 된다. 이와 같이 하면, 맞닿음면(47)에 흐른 수소 가스를 보다 원활하게 고압 탱크(1B)의 외부로 유출시킬 수 있다.
[제4 실시 형태]
이하, 도 8을 참조하여 고압 탱크의 제4 실시 형태를 설명한다. 본 실시 형태의 고압 탱크(1C)는, 연통로의 구조에 있어서 상술한 제1 실시 형태와 다르지만, 그 밖의 구조는 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 이하에서는, 그 상위점만을 설명한다.
도 8은 제4 실시 형태에 따른 고압 탱크의 주요부를 나타내는 부분 단면도이다. 본 실시 형태의 고압 탱크(1C)에서는, 연통로(63)는, 보강층(20)의 내부에 마련되어 일단부가 매니폴드(40)의 맞닿음면(47)과 연통하고, 타단부가 고압 탱크(1C)의 외부와 연통하는 구멍부(21)이다. 구체적으로, 도 8에 도시한 바와 같이, 구멍부(21)는, 예를 들어 L자 형상을 나타내고 있으며, 축 L 방향을 따라 연장되는 제1 부분(21a)과, 제1 부분(21a)과 연통하여 축 L 방향과 직교하는 직경 방향으로 연장되는 제2 부분(21b)을 갖는다. 제1 부분(21a)의 일단부는 맞닿음면(47)과 연통하고, 타단부는 마우스피스(30)의 축 L 방향의 길이를 초과하고 있다. 이와 같이 함으로써, 해당 타단부에 연결된 제2 부분(21b)과, 마우스피스(30)의 간섭을 방지할 수 있다.
또한, 이와 같은 구멍부(21)는, 하나여도 되고, 복수여도 된다. 예를 들어, 보강층(20)의 둘레 방향의 4군데에 있어서 등간격(90° 씩)으로 마련되어 있다. 또한, 구멍부(21)의 단면 형상은 특별히 한정되지 않고, 원형이어도 되며, 사각형 등이어도 된다.
이와 같이 구성된 고압 탱크(1C)에서는, 만에 하나 O링(50)의 불량 상태 등의 원인으로 탱크 내의 수소 가스가 개구부(13)와 매니폴드(40)의 삽입부(43)의 간극으로부터 누설되어 매니폴드(40)의 맞닿음면(47)으로 흘러들었다고 해도, 누설된 수소 가스가 구멍부(21)를 경유하여, 고압 탱크(1C)의 외부로 유출될 수 있다. 이에 의해, 누설된 수소 가스가 매니폴드(40)의 맞닿음면(47)에 모이는 것을 방지할 수 있으므로, 매니폴드(40)에 가해지는 하중의 증가를 방지할 수 있다.
또한, 여기에서는, 구멍부(21) 중에 수지 재료로 이루어지는 관이 더 매립되어도 된다. 즉, 연통로는, 보강층(20)의 내부에 마련되어 일단부가 맞닿음면(47)과 연통하고, 타단부가 고압 탱크(1C)의 외부와 연통하는 관으로 구성된다. 이 경우, 마찬가지의 작용 효과가 얻어진다.
상술한 실시 형태에서는, 덮개 형상 부재로서 매니폴드(40)의 예를 들어 설명하였지만, 덮개 형상 부재는 캡, 밸브 부재 등이어도 되고, 매니폴드(40)를 사용한 경우와 마찬가지의 작용 효과가 얻어진다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명은, 상술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 청구범위에 기재된 본 발명의 정신을 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 설계 변경을 행할 수 있는 것이다.
1, 1A, 1B, 1C: 고압 탱크
10: 라이너
12: 돔부
13: 개구부
13a: 단부면
20: 보강층
21: 구멍부
30: 마우스피스(통 형상 부재)
33: 수나사부
35: 오목 홈
40: 매니폴드(덮개 형상 부재)
43: 삽입부
46: 암나사부
47: 맞닿음면
48: 오목 홈
49: 관통 구멍
50: O링
60, 61, 62, 63: 연통로

Claims (5)

  1. 가스를 저류하는 고압 탱크이며,
    통 형상의 개구부를 갖는 라이너와,
    상기 라이너를 덮는 보강층과,
    상기 개구부를 덮는 상기 보강층의 외측에 고정되고, 외주에 수나사부가 형성된 통 형상 부재와,
    상기 개구부를 폐색하도록 상기 개구부 내에 삽입되는 삽입부와, 상기 개구부의 단부면과 맞닿는 맞닿음면과, 내주에 형성되어 상기 통 형상 부재의 상기 수나사부와 나사 결합하는 암나사부를 갖는 덮개 형상 부재와,
    상기 덮개 형상 부재의 상기 맞닿음면과 상기 고압 탱크의 외부를 연통하는 연통로를
    구비하고,
    상기 연통로는, 상기 맞닿음면과 대향하는 상기 통 형상 부재의 단부면에 마련되어 상기 보강층으로부터 상기 수나사부측까지 연장되는 홈을 포함하는, 고압 탱크.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
KR1020220017399A 2021-02-15 2022-02-10 고압 탱크 KR102645588B1 (ko)

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JP2021022155A JP7472819B2 (ja) 2021-02-15 2021-02-15 高圧タンク

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