KR20070121509A - 고압가스용기 제조방법 - Google Patents

고압가스용기 제조방법 Download PDF

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Abstract

고압가스용기의 제조방법은 적어도 일단부가 개방된 고압가스용기를 제공하는 단계, 고압가스용기 내부에 산화피막 생성방지용 가스를 제공하는 단계, 고압가스용기의 개방된 단부를 가열하는 단계 및 고압가스용기의 개방된 단부를 가압하여 개방된 단부의 개방된 면적을 감소시키는 단계를 포함한다. 가스용기의 단부를 봉합하거나 변형하는 과정에서 가스용기의 내벽에 산화피막이 형성되는 것을 방지할 수 있으며, 가스용기가 소성 변형을 하면서 이미 형성된 도금층이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

Description

고압가스용기 제조방법{METHOD FOR FABRICATING HIGH-PRESSURE GAS CYLINDER}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압가스용기 제조방법을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 도 1의 고압가스용기 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압가스용기 제조방법을 설명하기 위한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압가스용기의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압가스용기의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 열간 스피닝(Hot Spinning) 공정 이후에 고압가스용기 소재에 형성된 산화피막을 보여주는 확대사진이다.
도 7은 도금층을 관통하여 형성된 산화피막을 보여주는 확대사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 니켈 도금된 가스용기의 상부를 봉합한 후 도금층을 확대한 사진이다.
본 발명은 고압가스용기 제조방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는, 고압가스용기 내벽에 대한 우수한 표면처리가 가능하도록 고압가스용기 내벽에 산화피막의 발생을 억제하는 고압가스용기의 제조방법에 관한 것이다.
생화학, 정밀기계 공업, 의학 등의 산업 분야에서는 요구 목적에 따라 다양한 종류의 산업용 가스들이 사용되고 있다. 그런데 부식성 가스 또는 고순도 가스가 사용되는 일부 공정의 경우에는 가스를 보관하는 용기의 내벽과 충전된 가스 사이에 화학적 반응이 일어나지 않도록 적절한 조치를 취하는 것이 매우 중요하다.
이를 위해 상기 산업용 가스에 대하여 화학적으로 매우 안정한 소재만을 사용하여 고압가스용기를 제조하는 방법이 제안될 수 있으며, 주로 사용되는 것이 니켈이다. 그러나 이러한 니켈과 같은 고순도 원소재는 확보하기가 어렵기 때문에, 니켈만을 사용하여 용기를 제작하는 것은 제조비용이 매우 고가이다. 또한, 철로 이루어진 가스용기에 비해 상기의 고순도 소재만으로 이루어진 가스용기는 고압 충전이 어려우며, 운송 및 보관 등에 많은 비용이 소요될 수 있다. 더욱이, 상기의 고순도 소재만으로 이루어진 가스용기를 사용하는 경우, 동일 용량의 가스를 보관하기 위해서 철계 가스용기보다 훨씬 많은 수량의 가스용기가 사용되어야 한다.
다음의 방법은 철로 이루어진 가스용기 내벽을 상기 산업용 가스에 대하여 화학적으로 안정한 금속으로 도금하는 것이다. 하지만, 가스용기를 성형하기 위해서 열간 스피닝(Hot Spinning)이 수행되는데, 이 열간 스피닝(Hot Spinning)은 고 온에서 수행되므로 가스용기 내벽에 산화피막이 형성되거나 도금층에 산화피막이 형성될 수 있다. 가스용기의 내벽에 도금을 수행할 경우 봉합과정에서 생성된 산화피막은 가스용기와 도금층 간의 밀착력을 악화시킬 수 있으며, 도금층에 형성된 산화피막은 불화수소(HF), 브롬화수소(HBr), 염화수소(HCl) 등과 같은 특수가스와 반응하여 가스용기의 내벽을 특수가스에 노출시킬 수가 있다. 특수가스가 가스용기 또는 산화피막과 반응하는 경우 해당 가스의 기대 특성을 저하시킬 수 있다.
도 6및 도 7은 열간 스피닝(Hot Spinning)을 거친 가스용기 내벽을 확대한 사진들이다.
도 6을 참조하면, 철로 이루어진 가스용기의 내벽에 산화피막이 형성되며, 일반적으로 종래의 하부의 봉합 또는 상부의 입구 성형 이후 가스 용기의 내벽에 산화피막이 형성될 수 있으며, 산화피막이 침투하여 가려진 깊은 구멍(Deep blind hole)이 생길 수도 있다. 가스용기의 내벽에 형성된 산화피막은 도금층의 밀착력을 약화시킬 수가 있다.
도 7을 참조하면, 내벽에 니켈 도금층이 형성되어 있는 가스용기의 상부를 성형하는 경우, 가스용기가 열간 스피닝에 의해 소성 변형을 하면서 그 내벽에 형성된 도금층과 산화피막이 함께 소성 유동을 하고, 그 결과 산화피막이 도금층 사이로 침투할 수가 있다. 도금층 사이로 침투한 산화피막에 의해서 고압가스용기 소재의 완벽한 보호가 어려워질 수 있다.
충전된 부식성 가스 또는 고순도 가스가 고압가스용기 내벽과 직접적으로 접촉하는 경우, 용기와 가스 사이에 화학적인 반응이 일어나서 가스의 물리적 화학 적 특성에 영향을 미칠 수 있으며, 가스의 기대 특성이 현저하게 저하될 수가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 종래의 제조방법에서는 열간 스피닝을 수행하거나 도금 전에 화학적 또는 기계적 방법으로 산화피막을 제거하는 공정을 추가적으로 수행하고 있다. 하지만, 상기의 공정들은 전체 내벽에 대하여 산화피막을 완전히 제거하기 어렵고, 산화피막이 완전히 제거되었는지의 여부를 검증할 만한 적절한 방법이 없다.
또한, 고압가스용기 내벽에 바렐(Barrel) 연마 등과 같은 표면처리를 수행하는 경우 종래에는 잔존하는 산화피막으로 인하여 바렐(Barrel) 연마를 거치더라도 깨끗하고 매끈한 표면을 얻을 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 우수한 도금층이 형성하여 부식성 가스 또는 고순도 가스에 대하여도 가스의 고유의 특성을 유지할 있는 고압가스용기의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 열간 스피닝과 같은 고온 분위기의 공정을 거치더라도 가스용기의 내벽에 산화피막이 형성되는 것을 억제할 수 있는 고압가스용기의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 고온 분위기에서 가스용기가 소성 변형을 하여도 산화피막이 도금층 내부로 침투하는 것을 억제할 수 있는 고압가스용기의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 고압가스용기 내벽에 대한 우수한 표면처리가 가능하도록 하여 부식성 가스 또는 고순도 가스에 대하여도 신뢰성을 가지는 고압가스용기의 제조방 법을 제공한다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 고압가스용기 제조방법은 적어도 일단부가 개방된 고압가스용기를 제공하는 단계, 고압가스용기 내부에 산화피막 생성방지용 가스를 제공하는 단계, 고압가스용기의 개방된 단부를 가열하는 단계 및 고압가스용기의 개방된 단부를 가압하여 개방된 단부의 개방된 면적을 감소시키는 단계를 포함한다. 산화피막 생성방지용 가스가 가스용기 내벽 또는 도금층 상에 산화피막이 생성되는 것을 억제하기 때문에 산화피막이 실질적으로 형성되지 않는다. 따라서 열간 스피닝을 거치더라도 산화피막 제거 공정을 생략할 수 있으며, 설령 산화피막 제거 공정을 수행하더라도 산화피막이 내벽 또는 도금층으로 침투하거나 구멍을 형성하지 않아 산화피막이 완벽히 제거될 수가 있다. 또한 바렐(Barrel) 연마와 같은 표면처리를 수행하는 경우에도 청정하고 매끄러운 표면을 얻을 수 있다.
본 발명은 바닥이 형성된 가스용기의 상단을 변형하여 용기 입구를 형성하는 경우에 사용될 수 있으며, 이때 바닥이 형성된 가스용기는 스펀(spun) 실린더, DDI(Deep Drawn & Ironed) 실린더, 빌렛 피어스드(Billet Pierced) 실린더 등이 될 수 있으며, 다양한 방식으로 형성될 수가 있다. 이 외에도 본 발명은 가스용기의 용기 몸체(cylinder body)의 하단을 봉합하여 바닥을 형성하는 경우에도 사용될 수가 있다.
상기 산화피막 생성방지용 가스는 불활성 가스, 탄화수소 가스, 환원성 가 스 또는 이들의 혼합가스를 이용하여 제공될 수 있다. 산화피막 생성방지용 가스는 고압가스용기 내면과 산소와의 접촉을 차단하고 고압가스용기 표면에 형성된 산화물을 환원시킴으로써 고압가스용기 내면에 산화피막이 형성될 수 있는 환경을 근본적으로 차단할 수 있다.
또한, 산화피막 생성방지용 가스는 가열을 통해 가스용기의 단부를 봉합하는 과정 전체에 대해 지속적으로 제공되는 것이 바람직하지만, 그 외에도 공정 조건에 따라 일부 시점에서 간헐적으로 제공될 수도 있다.
또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면 고압가스용기 제조방법은 원통 형상의 용기 몸체를 제공하는 단계, 용기 몸체에 산화피막 생성방지용 가스를 제공하며 용기 몸체의 하부를 봉합하는 단계, 하부가 봉합된 용기 몸체의 내면을 도금하는 단계, 및 용기 몸체에 산화피막 생성방지용 가스를 제공하며 용기 몸체의 상부에 용기 입구를 형성하는 단계를 포함한다.
열간 스피닝 공정을 통해 용기의 하부 바닥 및 상부 입구를 모두 형성할 수 있으며, 각 열간 스피닝 공정에서는 산화피막 생성방지용 가스가 사용되어 산화피막이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 열간 스피닝 공정들 사이에 도금을 수행하여도 산화피막 제거공정을 생략하거나 산화피막 제거공정을 용이하게 완료하여 도금 공정을 완벽하게 수행할 수가 있다. 그리고 바렐(Barrel) 연마와 같은 표면처리를 수행하는 경우 청정하고 매끄러운 표면을 얻을 수 있다.
또한, 가스용기의 용기 입구를 형성하는 과정에서도 산화피막의 형성을 억제하여, 도금층과 산화피막의 소성 유동에 의해서 산화피막이 도금층으로 침투하는 것을 방지할 수도 있다.
용기 몸체의 하부를 봉합하는 단계 및 용기 몸체의 상부에 용기 입구를 형성하는 단계는 동일 또는 다른 산화피막 생성방지용 가스를 사용할 수 있으며, 산화피막 생성방지용 가스는 불활성 가스, 탄화수소 가스, 환원성 가스 또는 이들 가스의 조합을 이용하여 제공될 수 있다.
내면을 도금하는 단계에서 전기 도금 또는 무전해 도금이 모두 수행될 수 있으나, 바람직하게는 전기 도금이 수행될 수가 있다. 또한 상기 도금 공정은 부식성 가스 또는 고순도 가스 등에 대하여 화학적으로 안정한 소재를 이용하여 수행될 수 있으며, 대표적으로 사용되는 소재는 니켈이다.
또한, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면 원통 형상의 용기 몸체를 제공하는 단계, 용기 몸체에 산화피막 생성방지용 가스를 제공하며 용기 몸체의 하부를 봉합하는 단계, 용기 몸체에 산화피막 생성방지용 가스를 제공하며 용기 몸체의 상부에 용기 입구를 형성하는 단계, 및 용기 입구가 형성된 용기 몸체의 내면을 도금하는 단계를 포함한다.
산화피막 생성방지용 가스를 이용한 열간 스피닝 공정을 통해 용기의 하부 바닥 및 상부 입구를 모두 형성한 후, 도금 공정을 수행할 수 있으며, 내면을 도금하는 단계에서 전기 도금 또는 무전해 도금이 모두 수행될 수 있으나, 바람직하게는 무전해 도금이 수행될 수가 있다. 또한 상기 도금 공정은 부식성 가스 또는 고순도 가스 등에 대하여 화학적으로 안정한 소재를 이용하여 수행될 수 있으며, 대표적으로 사용되는 소재는 니켈이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 상기 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압가스용기 제조방법을 설명하기 위한 구성도이며, 도 2는 도 1의 고압가스용기 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 고압가스용기(100)의 용기 몸체(110)는 밀폐된 바닥(120) 및 개방된 상부를 포함하며, 개방된 상부는 열간 스피닝을 통해 용기 입구(130)로 성형될 수 있다. 용기 입구(130)를 성형하기 위해서, 용기 몸체(110)를 고정 및 회전하기 위한 회전 지그(210)가 사용되며, 용기 몸체(110) 주변으로 히터(220)가 제공된다. 또한, 성형 롤러(230)는 용기 입구(130) 주변에 위치하여 가열된 용기 몸체(110)의 상단부를 가압 및 성형할 수 있다.
고정된 용기 몸체(110)의 내부로 가스주입장치(240)가 제공된다. 가스주입장치(240)는 용기 몸체(110) 내로 삽입되는 노즐(242)을 포함하며, 불활성 가스나 환원성 가스 등을 공급할 수 있는 가스 공급부(246, 248) 및 가스를 노즐(242)로 공급하거나 혼합할 수 있는 혼합부(244)를 포함한다. 또한, 가스주입장치(240)는 노즐(242)의 위치를 조절할 수 있는 이동부(252) 및 가이드레일(254)을 포함할 수 있으며, 이동부(252)가 가이드레일(254)을 따라 이동하면서 노즐(242)의 위치를 변 경할 수가 있다.
고압가스용기는 용기 몸체(110)를 회전 지그(210)에 장착하고(S10), 가스주입장치(240)를 이용하여 회전 지그(210)에 장착된 용기 몸체(110)에 산화피막 생성방지용 가스를 공급하며(S11), 용기 몸체(110)를 히터(220)로 가열하고 성형 롤러(230)로 소성 변형을 시킬 수 있다(S12). 상기 과정을 통해서 용기 입구(130)를 성형할 수 있으며, 이 외에도 입구 내면에 나사부를 형성하거나 나사부에 다시 도금을 형성하는 등의 후가공을 할 수도 있다(S14).
본 실시예에서 고압가스용기(100)는 하부가 폐쇄되고 상부가 가공 전으로 개방된 상태로 제공된다. 용기 몸체(110)는 그 제조방법에 따라 일단부가 개방된 상태로 제공되는데, 용기 몸체(110)를 제조하기 위해서는 열간 스피닝에 의한 스펀(Spun) 실린더가 제공될 수 있으며, 그 외에도 딥 드로잉(Deep Drawing)에 의한 DDI(Deep Drawn & Ironed) 실린더 또는 에르하르트 공법에 의한 빌렛 피어스트(Billet Pierced) 실린더로 제공될 수가 있다.
참고로, 스펀 실린더는 파이프 형상으로 만들어진 소재로부터 만들어지며, 고압가스용기의 하부 및 상부를 성형하기 위해 열간 스피닝(Hot Spinning) 공정을 거치게 된다. DDI(Deep Drawn & Ironed) 실린더는 둥근 원판으로 만들어진 소재에 윤활처리를 수행하고, 딥 드로잉 또는 프레스 공정을 통해 바닥을 갖는 실린더를 형성한다. 또한, 빌렛 피어스드 실린더는 예비 성형된 덩어리 형상의 소재로부터 만들어지는데, 상부에서 펀치(Punch)를 이용하여 기본 형상을 형성하고 하부를 형성한다. 상기 DDI 실린더 및 빌렛 피어스드 실린더는 하부를 형성할 때 열간 스피 닝과 같은 공정을 거치지 않는다.
바닥(120)이 형성된 용기 몸체(110)를 제조한 후, 화학적 또는 기계적 방법을 통해 산화피막을 제거할 수 있다. 예를 들어, 종래의 만네스만(Mannesmann) 공법에 의해 제조된 파이프형 원소재는 절단된 후 파이프의 내측 벽면에 산화피막이 형성될 수 있다. 이러한 산화피막은 도금 공정 수행 시 도금층에 악영향을 미칠 수 있고, 고압가스용기의 신뢰성을 저하시킬 수 있으므로 사전에 화학적 또는 기계적 방법에 의하여 제거되는 것이 바람직하다. 이를 위하여 다음의 세 가지 방법 중 적어도 하나가 선택될 수 있다.
첫 번째 방법은 산처리 등과 같은 화학적 방법을 이용하는 것이고, 두 번째 방법은 호닝(Honing)을 이용하는 것으로서, 고압가스용기의 원소재인 파이프를 고정하고 파이프 내벽과의 접촉 압력이 일정하도록 설계된 연마 장치를 파이프의 길이 방향으로 이송하며 그 마찰력으로 파이프 내벽에 있는 산화피막을 제거하는 방법이다. 세 번째 방법은 절삭날을 이용하여 파이프의 내벽을 절삭 가공함으로써 산화 피막을 강제적으로 제거하는 것이다.
다시 도 2를 참조하면, 산화피막 생성방지용 가스를 용기 몸체(110) 내로 공급한다(S11). 여기서 산화피막 생성방지용 가스로는 질소가스, 아르곤가스와 같은 불활성 가스, 수소가스, 천연가스 등의 탄화수소 가스, 암모니아 분해가스 등의 환원성을 가진 가스가 사용될 수 있으며, 이들 가스의 혼합가스도 사용될 수 있다.
고압가스용기의 상부 또는 하부를 성형하는 과정은 후술하는 바와 같이 고온의 환경 하에서 이루어지므로 상부 또는 하부를 성형하는 중에 고압가스용기 내 벽에는 산화피막이 형성될 수 있다. 이는 이미 도금층(140)이 형성된 경우에도 산화피막이 형성될 수 있으며, 용기 입구(130)를 위한 소성 변형시 산화피막과 도금층(140)의 소성 유동에 의해 산화피막이 도금층에 침투될 수가 있다. 하지만, 본 실시예에서는 산화피막 생성방지용 가스가 성형 전공정 또는 일부 시점에 공급되기 때문에 산화피막의 생성을 억제할 수가 있다.
산화피막은 도금층의 밀착력을 약화시킬 수 있으며, 핀홀(Pin Hole)을 발생시키는 등 도금층의 결함을 유발할 수 있다. 또한 상기 도금층의 결함으로 인하여 충전된 부식성 가스 또는 고순도 가스가 고압가스용기 내벽과 직접적으로 접촉할 수 있어, 양자 사이에 화학적 반응이 일어나는 경우 충전된 가스의 특성이 현저히 저하될 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 고압가스용기 제조방법에서는 용기 몸체(110)를 성형하는 공정 중에 상기의 산화피막 생성방지용 가스를 공급하여 용기 몸체(110)의 내면과 산소와 접촉하는 것을 차단할 수 있으며, 용기 몸체(110) 내에 형성된 산화물을 환원시킴으로써 고압가스용기 내면에 산화피막이 형성될 수 있는 환경을 근본적으로 방지할 수 있다.
이에 따라 고압실린더의 상부 또는 하부를 성형하는 종래의 공정과 달리 본 발명의 일 실시예에 따른 고압가스용기 제조방법은 산화피막을 제거하기 위한 추가적 공정이 불필요할 수 있으며, 추후 산화피막을 제거하려 하여도 어려움 없이 산화피막을 완벽하게 제거할 수가 있다.
가스주입장치(240)는 산화피막 생성방지용 가스를 용기 몸체(110) 내로 공 급하며, 성형 진행에 따라 이동하면서 산화피막 생성방지용 가스를 효과적으로 공급할 수 있다. 상기 가스주입장치(240)는 가스 주입 노즐(242), 가스 공급용 파이프, 혼합가스 주입량 조절밸브, 개별 가스 주입량 조절 밸브, 가스 혼합부(244)를 포함한다. 개별 가스 주입량 조절 밸브는 혼합가스를 구성하는 각각의 개별 가스들의 주입량을 조절할 수 있으며, 가스 혼합부(244)는 각각의 개별 가스들을 고르게 혼합할 수 있다. 또한 혼합가스 주입량 조절밸브는 용기 몸체(110) 내부로 공급되는 혼합가스의 주입량을 조절할 수 있으며, 혼합가스는 가스 공급용 파이프를 통하여 가스 주입 노즐(242)로부터 용기 몸체(110)내부로 공급될 수 있다.
산화피막 생성방지용 가스를 공급하는 과정은 용기 입구를 성형하는 과정 전체에서 수행될 수 있다. 즉, 가스는 히터(220) 가열 및 성형 롤러(230) 가공에 앞서 최소 10초 전부터 공급될 수 있으며, 가공이 완료될 때까지 제공될 수 있다. 또한 산화피막 생성방지용 가스의 주입량은 가열에 의한 공기 팽창시를 기준으로 상기 고압가스용기 내부 용적의 50% 이상일 수 있다.
바람직하게는 고압가스용기(100)의 용기 입구(130)를 성형하는 경우에는 산화피막 생성방지용 가스를 고압가스용기(100) 내부 용적과 같은 부피의 산화피막 생성방지용 가스를 5분 이내에 공급할 수 있는 속도로 공급하는 것이 좋다. 예를 들어, 용기의 용적이 50리터인 경우, 최소 10 liter /min의 속도로 공급할 수 있다. 상기 속도 이하로 공급되는 경우 산화피막의 생성억제가 효과적이지 않을 수 있다.
용기 몸체(110)의 입구를 성형하는 과정에서 가열에 의해서 연성이 확보될 수 있으며, 연성이 확보된 상태에서 성형 롤러(230)는 용기 몸체(110)의 단부를 좁은 입구 형상으로 성형할 수 있다. 이 외에도 홀 가공, 나사부 형성 등을 수행할 수 있으며, 산화피막 생성을 억제하거나 효과적으로 제거하여 도금층으로 산화피막이 침투하는 것을 효과적으로 차단할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압가스용기 제조방법을 설명하기 위한 구성도이다. 참고로, 도 3은 용기 몸체(110)는 양단이 개방되어 있으며, 도 3의 과정을 거친 용기 몸체는 도 1의 입구를 성형에 사용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 용기 몸체(110)는 양단이 개방된 상태로 제공되며, 열간 스피닝을 통해 봉합된 바닥(120)을 가질 수 있다. 바닥(120)을 성형하기 위해서, 용기 몸체(110)를 고정 및 회전하기 위한 회전 지그(210)가 사용되며, 용기 몸체(110) 주변으로 히터(220) 및 성형 롤러(230)가 제공된다. 또한, 고정된 용기 몸체(110)의 내부로 가스주입장치(240)가 제공되어 불활성 가스나 환원성 가스 등을 용기 몸체(110) 내부로 공급할 수 있다.
용기 몸체(110)에 바닥(120)을 성형하기 위해서, 도 2를 통해 설명된 과정이 거의 동일하게 진행될 수 있다. 용기 몸체(110)의 바닥(120)을 성형하는 경우에도 산화피막 생성방지용 가스를 고압가스용기 내부 용적과 같은 부피의 가스를 5분 이내에 공급할 수 있는 속도로 공급하되, 용기 몸체(110)표면의 온도가 250℃로 냉각될 때까지 지속적으로 공급할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압가스용기의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 용기 몸체의 바닥과 입구가 모두 열간 스피닝에 의해서 형성될 수 있으며, 열간 스피닝에 의해서라도 산화피막 생성방지용 가스를 이용하기 때문에 산화피막이 용기 몸체 내벽이나 도금층 상에 형성되는 것을 억제할 수 있다.
우선, 용기 몸체 내벽에 형성된 산화피막을 제거할 수 있다(S20). 상술한 바와 같이, 만네스만(Mannesmann) 공법에 의해 제조된 파이프형 원소재는 절단된 후 파이프의 내측 벽면에 산화피막이 형성될 수 있으며, 이러한 산화피막은 화학 약품을 사용하거나 기계 연마를 통해서 제거될 수 있다.
용기 몸체에 남아 있는 산화피막은 도금 공정 수행 시 도금층에 악영향을 미칠 수 있으며, 고압가스용기의 신뢰성을 저하시킬 수 있으므로 사전에 화학적 또는 기계적 방법에 의하여 제거되는 것이 바람직하다.
산화피막을 제거한 후, 양단이 개방된 용기 몸체를 회전 지그에 장착한다(S21). 용기 몸체는 하부 즉, 바닥은 열간 스피닝을 통해 봉합될 수 있으며, 바닥을 성형하기 위해서 회전 지그는 용기 몸체를 고정하는 한편 회전을 시킬 수도 있다.
용기 몸체는 회전 지그에 의해 회전하면서, 산화피막 생성방지용 가스가 공급되고 성형 롤러에 의해서 하단이 봉합될 수 있다(S22). 용기 몸체에 바닥을 봉합하기 위해서, 용기 몸체 주변으로 히터, 성형 롤러 및 가스주입장치가 제공된다. 산화피막 생성방지용 가스로는 질소가스, 아르곤가스와 같은 불활성 가스, 수소가스, 천연가스 등의 탄화수소 가스, 암모니아 분해가스 등의 환원성을 가진 가스가 사용될 수 있으며, 이들 가스의 혼합가스도 사용될 수 있다.
산화피막은 도금층의 밀착력을 약화시킬 수 있으며, 핀홀(Pin Hole)을 발생시키는 등 도금층의 결함을 유발할 수 있다. 또한 상기 도금층의 결함으로 인하여 충전된 부식성 가스 또는 고순도 가스가 고압가스용기 내벽과 직접적으로 접촉할 수 있어, 양자 사이에 화학적 반응이 일어나는 경우 충전된 가스의 특성이 현저히 저하될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 가스주입장치의 노즐로부터 가스가 분출되며, 가스는 용기 몸체 내부에 위치하여 용기 몸체 내부에서 산화피막이 형성되는 것을 억제할 수 있다. 산화피막 생성방지용 가스를 공급하는 과정은 바닥을 형성하는 과정 전체에서 수행될 수 있다. 즉, 가스는 히터 가열 및 성형 롤러 가공에 앞서 최소 10초 전부터 공급될 수 있으며, 가공이 완료될 때까지 제공될 수 있다. 또한 산화피막 생성방지용 가스의 주입량은 가열에 의한 공기 팽창시를 기준으로 상기 고압가스용기 내부 용적의 50% 이상일 수 있다.
바람직하게는 용기 몸체를 봉합하여 바닥을 형성하는 과정에서 용기 몸체 내부 용적과 같은 부피의 산화피막 생성방지용 가스를 5분 이내에 공급할 수 있는 속도로 공급하는 것이 좋다. 예를 들어, 용기의 용적이 50리터인 경우, 최소 10 liter /min의 속도로 공급할 수 있다. 상기 속도 이하로 공급되는 경우 산화피막의 생성억제가 효과적이지 않을 수 있다. 이때 용기 몸체표면의 온도가 약 250℃로 냉각될 때까지 지속적으로 공급할 수 있다. 이 외에도 24리터의 실린더에서 약 30 liter/min의 질소 및 수소 혼합가스를 공급하여 산화피막의 생성을 억제할 수도 있 다.
용기 몸체의 바닥을 성형하는 과정에서 히터는 용기 몸체를 가열하게 되며, 가열에 의해서 연성이 확보된 상태에서 성형 롤러는 용기 몸체의 단부를 변형시켜 봉합할 수가 있다.
도금을 수행하기 전에 용기 몸체 내벽에 있는 이물질 및 산화피막을 제거하는 단계, 즉 도금용 전처리 공정을 수행할 수 있다(S23). 용기 몸체 내벽에 있는 이물질 및 산화피막을 제거하는 단계는 다음의 두 가지 방법이 사용될 수 있다.
첫 번째 방법은 산처리와 같은 화학적 공정을 사용하는 것이며, 두 번째 방법은 그릿 블러스트와 같은 기계적 공정을 사용하는 것이다. 그릿 블러스트(Grit Blast)는 도금이 수행될 용기 몸체의 내벽에 유리, 고분자, 모래, 철계 소재 등과 같은 입자를 약 3~35 Kgf/㎠ 정도의 고압으로 분사하여 이물질 등을 제거한다. 상기 공정은 용기 몸체 내벽의 이물질 및 산화피막을 제거하고 표면을 거칠게 하여 용기 몸체 내벽 소재와 도금층 사이의 밀착력을 향상시킬 수 있다.
이 외에도 화학적 또는 전기화학적 방법으로 도금용 전처리 공정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 도금층의 밀착성능을 보장하기 위하여 염기성 용액을 이용한 탈지(Degreasing) 또는 산성 용액을 이용한 산처리(Pickling) 등의 공정을 수행할 수 있다.
도금 전처리 공정을 수행한 후, 용기 몸체의 내벽을 도금한다(S24). 도금을 수행하는 방법은 전기 도금 또는 무전해 도금이 있지만, 본 실시예에서는 전기 도금이 사용된다. 또한 상기 도금 공정은 부식성 가스 또는 고순도 가스 등에 대하 여 화학적으로 안정한 소재를 이용하여 수행될 수 있으며, 대표적으로 사용되는 소재는 니켈이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압가스용기 제조방법은 산화피막 생성방지용 가스를 제공하며 열간 스피닝을 수행하기 때문에 용기 몸체의 내벽에 산화피막이 형성되지 않는다. 따라서 도금 전에 화학적 또는 기계적 방법으로 산화피막을 제거하는 공정을 추가적으로 수행하지 아니 하여도 충분한 양질의 도금층을 형성할 수 있지만, 경우에 따라서는 산화피막 제거 공정이 적용될 수도 있다.
전기 도금 공정은 가스용기 몸체 전체를 도금용 탱크 내부에 담그고 가스용기와 양극의 중심이 일치하도록 양극을 설치하여 수행될 수 있다. 원주방향을 따라 가스용기 내벽의 도금층 두께 분포가 일정하게 유지되기 위해서는 용기 하부 및 개방부에서 가스용기의 원주면과 양극의 외곽면 사이의 거리가 일정하게 유지되어야 한다. 이는 가스용기와 양극 사이의 중심이 일치하고 두 물체의 수직방향 벡터가 일정한 정도의 유사성을 가져야 함을 의미한다.
특정 위치에서 양극이 가스용기 내벽의 중심에 위치하더라도, 수직방향 벡터가 일정한 정도의 유사성을 가지지 않는다면, 전기 도금 시스템의 음극 역할을 수행하는 가스용기가 양극의 상부 또는 하부에서 양극과 서로 닿거나 상대적인 고전류 및 저전류 부위가 발생하여 필요로 하는 특성을 가지는 도금층이 얻어질 수 없다.
또한, 금속분의 지속적인 공급을 위해 상기 양극은 약 99％ 이상의 순도를 가질 수 있다. 양극은 도금 두께가 고압가스용기 내벽 전체에 걸쳐 균일할 수 있 도록 고압가스용기 내벽의 크기 및 형상에 따라 고압가스용기 내벽으로부터 적절한 거리를 유지하도록 설계될 수 있다. 바람직하게는 약 10~100㎝의 거리가 적당하다.
고압가스용기 표면에 발생할 수 있는 도금층의 결함을 보완하기 위하여 상기 전기 도금을 수행하는 단계에서 도금층은 고압가스용기 내벽으로부터 20㎛ 이상의 두께로 형성될 수 있다. 바람직하게는 200㎛ 이상의 두께로 형성될 수 있다. 다만, 도금에 사용되는 시간 및 비용 등을 고려할 때 2,000㎛ 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
전기 도금을 수행하는 단계에서 고압가스용기 내벽에 니켈 도금층을 구현하기 위해 니켈클로라이드 용액, 니켈설페이트 용액, 니켈설퍼메이트 용액 또는 니켈플루오보레이트 용액이 사용될 수 있다.
니켈클로라이드 용액을 사용하는 경우, 상기 용액 중 니켈클로라이드의 농도는 50~500g/L, 붕산의 농도는 5~50g/L가 되도록 하고, pH는 0.5~6.5, 사용온도는 20~95℃ 그리고 사용전압은 3~20V가 유지되도록 할 수 있다.
또한, 니켈설페이트 용액을 사용하는 경우, 상기 용액 중 니켈설페이트의 농도는 100~500g/L, 붕산의 농도는 5~50g/L, 니켈클로라이드의 농도는 2~80g/L가 되도록 하고, pH는 1~6.5, 사용온도는 20~95℃ 그리고 사용전압은 3∼20V가 유지되도록 할 수 있다.
또한, 니켈설퍼메이트 용액을 사용하는 경우, 상기 용액 중 니켈설퍼메이트의 농도는 100~500g/L, 붕산의 농도는 5~50g/L, 니켈클로라이드의 농도는 2~80g/L가 되도록 하고, pH는 1~6.5, 사용온도는 20~95℃ 그리고 사용전압은 3~20V 가 유지되도록 할 수 있다.
마지막으로, 니켈플루오보레이트 용액을 사용하는 경우, 상기 용액 중 니켈플루오보레이트의 농도는 40~500g/L, 붕산의 농도는 5~50g/L가 되도록 하고, pH는 1~6.5, 사용온도는 20~95℃ 그리고 사용전압은 3~20V가 유지되도록 할 수 있다.
바닥이 형성된 용기 몸체에 도금을 수행한 후, 개방된 상부가 노출되도록 용기 몸체를 다시 회전 지그에 장착하고(S25), 산화피막 생성방지용 가스를 이용하여 용기 몸체에 용기 입구를 성형한다(S26).
용기 몸체를 회전 지그에 장착하고 열간 스피닝으로 용기 입구를 성형하는 것은 이전에 설명된 과정들(S21, S22)를 참조할 수 있다. 다만, 산화피막 생성방지용 가스는 이전에 설명된 과정들과 동일한 조성 및 비율의 가스가 사용될 수 있지만, 경우에 따라서는 다른 조성 및 다른 비율의 가스가 사용될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 니켈 도금된 가스용기의 상부를 봉합한 후 도금층을 확대한 사진이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 내벽에 도금층이 형성되어 있는 가스용기의 상부를 성형하는 경우, 가스용기가 열간 스피닝에 의해 소성 변형을 하여도 산화피막이 도금층 사이로 침투하지 않는다.
열간 스피닝을 통해 용기 입구를 성형한 후, 열처리 및 후가공을 수행할 수 있다(S27, S28).
열처리를 위해서 약 800~1,000℃에서 30~200분간 가열한 후 급냉하는 담금질 단계 및 500~723℃에서 20~200분간 가열한 후 서냉하는 뜨임 처리 단계를 더 포 함할 수 있다. 담금질 단계에서는 고압가스용기 소재의 경도와 강도를 향상시킬 수 있으며, 뜨임 처리 단계에서는 담금질 과정에서 발생한 취성을 제거하고 소재의 인성을 향상시킬 수 있다. 상기 단계를 통하여 고압가스용기는 고압가스가 충전된 후에서도 안정적인 기계적 특성을 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압가스용기의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 용기 몸체의 바닥과 입구가 모두 열간 스피닝에 의해서 형성될 수 있으며, 열간 스피닝을 완료한 후 무전해 도금을 통해 용기 몸체의 내부에 도금층을 형성할 수 있다. 이 경우 상기 도금 공정은 부식성 가스 또는 고순도 가스 등에 대하여 화학적으로 안정한 소재를 이용하여 수행될 수 있으며, 대표적으로 사용되는 소재는 니켈이다.
용기 몸체 내벽에 형성된 산화피막을 제거하고(S30), 양단이 개방된 용기 몸체를 회전 지그에 장착하며(S31), 산화피막 생성방지용 가스를 이용하여 용기 몸체의 바닥을 형성하고(S32), 다시 용기 몸체를 회전 지그에 장착한 후(S33) 용기 몸체의 용기 입구를 형성하고(S34), 도금 전처리를 하는 것(S35)은 거의 동일하게 적용될 수 있다.
열간 스피닝을 통해 용기 입구를 성형한 후, 열처리 및 후가공을 수행할 수 있다(S37, S38).
열처리를 위해서 약 800~1,000℃에서 30~200분간 가열한 후 급냉하는 담금질 단계 및 500~723℃에서 20~200분간 가열한 후 서냉하는 뜨임 처리 단계를 더 포 함할 수 있다. 담금질 단계에서는 고압가스용기 소재의 경도와 강도를 향상시킬 수 있으며, 뜨임 처리 단계에서는 담금질 과정에서 발생한 취성을 제거하고 소재의 인성을 향상시킬 수 있다. 상기 단계를 통하여 고압가스용기는 고압가스가 충전된 후에서도 안정적인 기계적 특성을 가질 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 고압가스용기 제조방법은 도금 등을 통하여 고압가스용기 내벽에 대한 우수한 표면처리가 가능하도록 하여 부식성 가스 또는 고순도 가스에 대하여도 우수한 신뢰성을 가지는 고압가스용기를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고압가스용기 제조방법은 산화피막 생성방지용 가스를 공급하여 고압가스용기 내면에 산화피막이 형성될 수 있는 환경을 근본적으로 차단함으로써, 도금층의 밀착력을 향상시키고 도금층의 결함을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고압가스용기 제조방법은 충전된 부식성 가스 또는 고순도 가스가 고압가스용기 내벽과 직접적으로 접촉하는 것을 차단하여, 양자 사이의 화학적 반응으로 인한 충전된 가스의 특성 저하를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고압가스용기 제조방법은 산화피막을 제거하기 위한 별도의 공정이 불필요하게 되어 고압가스용기의 제조 비용을 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고압가스용기 제조방법은 고압가스용기 내벽에 바렐(Barrel) 연마 등의 표면처리를 수행하는 경우 고압가스용기 내벽에 산화피막 이 형성되지 않아 청정하고 매끄러운 표면을 얻을 수 있다
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (17)

  1. 적어도 일단부가 개방된 용기 몸체를 제공하는 단계;
    상기 용기 몸체 내부에 산화피막 생성방지용 가스를 제공하는 단계;
    상기 용기 몸체의 개방된 단부를 가열하는 단계; 및
    상기 용기 몸체의 개방된 단부를 가압하여 상기 개방된 단부의 개방된 면적을 감소시키는 단계;
    를 구비하는 고압가스용기 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화피막 생성방지용 가스는 불활성 가스, 탄화수소 가스, 환원성 가스 또는 이들 가스의 조합을 이용하여 제공되는 것을 특징으로 하는 고압가스용기 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화피막 생성방지용 가스를 제공하는 단계에서 상기 산화피막 생성방지용 가스는 상기 개방된 단부를 가열하는 단계 이전부터 상기 개방된 단부의 개방된 면적을 감소시키는 단계가 완료될 때까지 지속적 또는 간헐적으로 제공되는 것을 특징으로 하는 고압가스용기 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산화피막 생성방지용 가스를 제공하는 단계에서 상기 산화피막 생성방지용 가스의 주입량은 가열에 의한 공기 팽창시를 기준으로 상기 고압가스용기 내부 용적의 50% 이상인 것을 특징으로 하는 고압가스용기 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 개방된 단부의 개방된 면적을 감소시키는 단계에서 상기 개방된 단부를 봉합하는 것을 특징으로 하는 고압가스용기 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 개방된 단부의 개방된 면적을 감소시키는 단계에서 상기 개방된 단부로부터 상기 고압가스용기의 입구를 형성하는 것을 특징으로 하는 고압가스용기 제조방법.
  7. 원통 형상의 용기 몸체를 제공하는 단계;
    상기 용기 몸체에 산화피막 생성방지용 가스를 제공하며 상기 용기 몸체의 하부를 봉합하는 단계;
    상기 하부가 봉합된 상기 용기 몸체의 내면을 도금하는 단계; 및
    상기 용기 몸체에 산화피막 생성방지용 가스를 제공하며 상기 용기 몸체의 상부에 용기 입구를 형성하는 단계;
    를 구비하는 고압가스용기 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 용기 몸체의 하부를 봉합하는 단계 및 상기 용기 몸체의 상부에 용기 입구를 형성하는 단계는 동일 또는 다른 산화피막 생성방지용 가스를 사용하며, 상기 산화피막 생성방지용 가스는 불활성 가스, 탄화수소 가스, 환원성 가스 또는 이들 가스의 조합을 이용하여 제공되는 것을 특징으로 하는 고압가스용기 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 내면을 도금하는 단계에서 전기 도금을 수행하는 것을 특징으로 하는 고압가스용기 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전기 도금을 수행하는 단계에서 도금층은 상기 고압가스용기 내벽으로부터 20~2,000㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 고압가스용기 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전기 도금을 수행하는 단계에서 니켈 도금을 위해 니켈클로라이드 용액이 사용되며, 상기 용액 중 니켈클로라이드의 농도는 50~500g/L, 붕산의 농도는 5~50g/L가 되도록 하고, pH는 0.5~6.5, 사용온도는 20~95℃ 그리고 사용전압은 3~20V가 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 고압가스용기 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 전기 도금을 수행하는 단계에서 니켈 도금을 위해 니켈설페이트 용액이 사용되며, 상기 용액 중 니켈설페이트의 농도는 100~500g/L, 붕산의 농도는 5~50g/L, 니켈클로라이드의 농도는 2~80g/L가 되도록 하고, pH는 1~6.5, 사용온도는 20~95℃ 그리고 사용전압은 3∼20V가 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 고압가스용기 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 전기 도금을 수행하는 단계에서 니켈 도금을 위해 니켈설퍼메이트 용액이 사용되며, 상기 용액 중 니켈설퍼메이트의 농도는 100~500g/L, 붕산의 농도는 5~50g/L, 니켈클로라이드의 농도는 2~80g/L가 되도록 하고, pH는 1~6.5, 사용온도는 20~95℃ 그리고 사용전압은 3~20V가 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 고압가스용기 제조방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 전기 도금을 수행하는 단계에서 니켈 도금을 위해 니켈플루오보레이트 용액이 사용되며, 상기 용액 중 니켈플루오보레이트의 농도는 40~500g/L, 붕산의 농도는 5~50g/L가 되도록 하고, pH는 1~6.5, 사용온도는 20~95℃ 그리고 사용전 압은 3~20V가 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 고압가스용기 제조방법.
  15. 원통 형상의 용기 몸체를 제공하는 단계;
    상기 용기 몸체에 산화피막 생성방지용 가스를 제공하며 상기 용기 몸체의 하부를 봉합하는 단계;
    상기 용기 몸체에 산화피막 생성방지용 가스를 제공하며 상기 용기 몸체의 상부에 용기 입구를 형성하는 단계; 및
    상기 용기 입구가 형성된 상기 용기 몸체의 내면을 도금하는 단계;
    를 구비하는 고압가스용기 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 용기 몸체의 하부를 봉합하는 단계 및 상기 용기 몸체의 상부에 용기 입구를 형성하는 단계는 동일 또는 다른 산화피막 생성방지용 가스를 사용하며, 상기 산화피막 생성방지용 가스는 불활성 가스, 탄화수소 가스, 환원성 가스 또는 이들 가스의 조합을 이용하여 제공되는 것을 특징으로 하는 고압가스용기 제조방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 내면을 도금하는 단계에서 무전해 도금을 수행하는 것을 특징으로 하는 고압가스용기 제조방법.
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