KR20090105591A - 두께가 변형된 압력용기 라이너 및 그 성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단조 금형을 통해 제작된 Pre-form을 Seamless tube 형태로 Flow forming하는 압력용기의 라이너 성형방법에서, 성형롤과 Mandrel의 중심축간 거리를 조절하여 특정부위에 따라 단면두께를 변화시키는 라이너의 성형방법 및 상기 방법을 통해 성형된 라이너에 관한 것이다.

성형롤은 Mandrel 평행방향으로의 수평이송거리에 따라 Mandrel과의 수직거리(성형깊이)가 조절 되고, 이는 상기 성형롤에 연결된 이송축과 이송모터로 수행되며 심레스 튜브의 설정된 형상을 저장하는 컴퓨터수치제어(CNC)장치가 성형롤의 수평이송거리에 따른 수직거리 조절신호를 상기 이송모터에 입력한다.

상기 성형롤은 상기 Mandrel과의 중심축간 수직거리(성형깊이)가 서로 다른 두 개 이상의 성형롤 들로 구성될 수 있고 상기 Mandrel에 대하여 상기 성형롤들을 각각 순차적으로 수직이동시키는 성형롤 다단 이송단계를 더 포함할 수 있다.

이에 따라 두께가 얇은 Seamless tube에서도 tube 끝부분의 스피닝가공에 충분한 단면두께와 라이너 입구의 보스부분의 태핑가공에 충분한 단면두께를 확보할 수 있다.

Seamless, Tube, 압력용기, Liner, Flow forming, 유동성형, CNC, Spinning

Description

두께가 변형된 압력용기 라이너 및 그 성형방법 {A Pressure container liner with transformed thickness and the forming method thereof}

본 발명은 초고압 천연가스나 특히 연료전지 자동차용 수소를 저장하는 초고압 복합체 저장용기의 제작에 사용되는, Seamless tube를 이용한 압력용기 라이너(특히 알루미늄 라이너) 및 그 성형방법에 관한 것이다.

본 발명의 파급효과가 가장 큰 분야는 수소에너지 저장 분야, 특히 연료전지를 이용한 미래 자동차산업 분야이다.

고압기체, 특히 수소와 같이 차세대 에너지원으로 각광받고 있는 기체를 저장하는 압력용기는 미래가치가 매우 높은 기술분야이다.

예를 들면 수소를 이용한 연료전지 자동차(Fuel Ce1l Vehicle, FCV)의 실용화 사업은 전 세계 자동차 제조업계에서 선택의 문제가 아닌 생존의 문제로서 진행하는 가장 중요한 과제이다.

수소 연료전지 자동차 개발 및 실용화를 위해서는 효과적인 수소저장기술이 요구되며, 이중 고압기체 수소저장 기술(경량, 고강성, 고강도 복합 소재의 압력용기에 수소가스를 고압으로 압축하여 저장하는 기술)은 가장 현실적인 대안으로서 현 재 가장 활발히 연구되고 있는 기술이다. 이 기술이 특히 주목받는 이유는 기존의 수소저장 기술 중 중량 효율 면에서 가장 월등하고, 시스템의 구성이 단순하기 때문에 자동차 등 수송기기용의 탑재 시스템으로 가장 효과적이기 때문이다. 이미 선진국의 자동차 업계는 이 기술을 적용한 연료전지자동차를 실용화하였으며, 국내자동차 업계도 시제차를 운용 중에 있다.

현재 수소저장 기술의 최대 관심사는 수소 저장량을 증대시켜 좀더 긴 운행거리를 확보하는 것이다. 이는 기존의 화석 연료 자동차와 대등한 성능을 갖게 하여 그 경쟁력을 제고시키기 위해서이다. 즉 현재 실용화되어 있는 350bar용 저장용기에 수소를 1회 충전하여 자동차를 운행할 경우, 200∼300km의 거리를 운행할 수 있지만, 같은 내용적 용기에 700bar로 충전할 시 500km 이상의 운행거리를 확보할 수 있어 기존 자동차 수준의 성능을 가질 수 있게 된다. 따라서 상대적으로 낮은 수소 에너지 밀도로 인해, 기존 가솔린 자동차에 준하는 주행거리를 갖기 위해서는, 700 bar 수준의 초고압 수소기체 저장기술이 요구된다.

현재로서는 경량, 고강성의 탄소섬유를 적용한 복합재 압력용기가 이를 위한 유일한 해답으로 인정되고 있다.

세계의 자동차 업계는 각국의 환경 및 에너지 정책에 대응하여 FCV(연료전지차량) 개발에 주력하고 있다. 특히 고효율 수소 저장 기술은 FCV의 실용화 여부를 결정짓는 가장 핵심적인 기술로 인식되고 있으며, 앞서 밝힌 바와 같이 현재로는 초고압 복합용기를 채택하는 것이가장 현실적인 방법으로 받아들여지고 있다. 초고압용 복합용기의 실용화 수준은 향후 FCV의 실용화 여부 및 성능수준을 결정 짓는 중 대한 기준이 될 것으로 예상된다.

고압기체 수소저장기술의 발전은 수소저장분야뿐 아니라 일반 고압력용기 산업분야에도 큰 영향을 미칠 것으로 기대되는데, 특히 NGV(압축천연가스차량)용 압축천연가스 용기의 기술 발전에도 직접적인 영향을 미칠 것으로 예상된다. 즉, 현재의 NGV용 압력용기는 250 bar 급으로 보급되고 있으나, 초고압 기체 저장 기술이 발전하면 300 bar 이상의 고압축 천연가스 용기의 적용이 가속화될 것이며, 이는 NGV의 주행거리 증가, 차량 경량화에 따른 연비 향상 등의 효과로 이어질 것으로 예상된다.

탄소섬유를 적용한 복합재 압력용기의 경우 비교적 저압인 200bar 급은 압축천연가스(Compressed Natural Gas, CNG) 자동차용으로 이미 널리 상용화 되어 있으며, 국내에도 천연가스 차량(NGV)의 보급사업이 진행중에 있다. 그러나 이에 소요되는 압축천연가스 용기는 스틸 실린더에 유리섬유를 부분적으로 보강한 가장 초보적인 수준의 Type II 압력용기이며, 이마저도 외국산을 수입하고 있을 만큼 국내의 관련 기술 및 산업은 낮은 수준에 머물고 있었다. 그러나 지난 2004년 알루미늄 라이너에 탄소섬유를 전체에 대하여 보강한 Type III 모델이 국내에서 개발되어 이에 대한 인증획득 및 상용화에 성공하였고 이는 기존 Type II 용기에 비해 보다 진보된 모델로서 수소저장 용기의 국내개발 가능성을 더욱 높여주는 계기가 되었다.

Type III 복합재 압력용기 제조를 위해서는 용기의 기밀유지 및 형상을 유지시켜 주는 알루미늄 라이너와 이를 보강해 주는 탄소섬유 복합재료가 필요하다.

기존 스틸용기의 경우, 국내에서도 개발 성공하여 압축천연가스 자동차(NGV)용 으로 이미 상용화하였다. 알루미늄 라이너의 경우, 알루미늄 6061-T6가 주류를 이루며, 이에 대한 생산 및 가공은 국내에서도 일부 이뤄지고 있으나 알루미늄 6061-T6을 이용한 seamless 라이너 제조는 개발 경험이 없으며, 실용화된 상품은 아직 없다.

한편 알루미늄 라이너를 내장한 복합재 압력 용기의 설계 및 해석은 1980년대 연구소와 대학을 중심으로 수행되어 왔으며, 기술적 수준도 이제 초고압 천연가스/수소 저장용기를 설계하고 이를 활용할 수 있을 만큼 성숙되어 있다.

이로서 기존 기술을 더욱 보완하여 초고압 천연가스/수소 저장용기에 활용 가능할 것으로 판단되며, 이를 위해서는 전문적인 이론적 배경과 전산관련 지식이 요구된다.

일본의 21세기 신기술, 신시장 조사에 따르면 연료전지 자동차 시장은 실용화 초기인2010년에는 9400억원 규모의 시장이 창출되고 2020년 까지 연 10조원 규모로 성장할 것으로 예상하고 있다. 우리나라는 자동차 산업은 2012년 까지 세계 4위, 시장 점유율 10%를 목표로 하고 있다.

고압가스 저장용 압력용기 연구, 개발은 1963년 미국에서 세계 최초로 filament winding 공법이 개발되었으며, 그 이후로 항공, 우주 등 첨단 방위산업부터 민수산업에 이르기까지 광범위하게 응용되고 있다.

미국은 2001년 발표된 국가 에너지 정책의 일환으로 수소 및 연료전지 관련 기술이 체계적 이고 종합적인 개발을 추진하고 있다. DOE개발 계획에서는 수소 저장기술과 연료전지 기술 개발을 위한 2015년까지의 중장기 개발 계획을 수립하고, 개 발 목표는 연료전지 차량의 탑재 시스템에 중점을 두어 설정되었으며 탑재 시스템의 공간, 중량, 비용 등을 구체적으로 제시하고 있다.

현재 세계적으로 자동차용 압력 용기는 크게 압축 천연가스를 저장하기 위한 NGV용 압력용기와 연료전지를 이용하는 FCV용 수소저장 압력 용기로 양분된다.

NGV용 고압용기의 경우, 충전압이 207∼250bar로 현재 실용화 되어 있으며, 금속제 라이너에 전체적으로 보강섬유를 와인딩한 Type III형이 주를 이룬다. 이러한 NGV용 복합재 압력용기는 미국과 유럽의 일부 업체가 설계/해석, 제작, 시험평가 관련 기술을 보유하고 있으며, 항공, 우주 및 방산 분야는 미국이 독보적 기술을 보유하고 있다. 현재 전세계적으로 260만대 정도가 보급된 것으로 추산되고, 휘발유 및 디젤 차량의 약 20%을 대체할 목표이다.

미국에서는 2002년 업체 최초로 700bar급 수소저장용 복합재 압력 용기가 등장하였는데, 이는 중량효율 6wt%(전체 시스템에 4~8wt%), 체적 효율 31. 5kg/m³을 달성 한 것으로 보고되고 있다. 기존 350bar용 압력 용기에 비해 주행거리가 70% 이상 증대되어 1회 충전시 480? 560km를 주행할 수 있다. GM사는 2002년 1월 북미자동차 쇼에서 FCV 컨셉카 AUTOnomy를 발표하였으며, 이어 8월 에는 AUTOnomy 베이스로 실제 주행할 수 있는 Hyㅡwire를 발표했는데 이는 상기 700bar급 수소저장용 복합재 압력 용기를 장착한 모델이다.

캐나다는 수소 연료전지 버스에 350bar용량의 복합재 압력용기를 2년간 공급하여 10만km 이상의 주행과 20만 이상의 승객을 운송하는 실증 프로그램을 통해 그 내구성을 입증한 바 있다. 최근에는 700bar급의 탑재용 시스템을 개발 중에 있으며, 이와 함께 사용될 825bar급 의 지상 저장 시스템은 이미 개발 하였다고 보고하고 있다. Dynetek의 압력용기는 Type III인데, 수소에 대한 침투성과 누출이 없다는 점, 가장 빠른 충전 속도 등을 장점으로 내세우고 있다.

한편 미국의 ATK란 업체에서는 차량 탑재용으로 고압 기체 저장방식의 가장 큰 문제점으로 인식되고 있는 부피 문제에 대한 해결방안으로 Conformable Tank를 개발하고 있다. 이는 기존의 실린더 형에서 탈피하여 탑재공간의 활용성을 높이기 위한 개념으로, 이론적으로는 주어진 공간에 실린더 형보다 최고 50%까지의 저장용적 증대를 기대할 수 있다. 내압용기로서 이상적인 구조인 실린더 형을 벗어나 구조효율 면에서 단점을 갖기 때문에 이에 대한 보완이 더 필요할 것으로 보이지만 향후 기술 개발의 한 방향으로 주목받고 있다.

유럽 국가들의 경우, 고압 압력용기에 대해서는 미국보다 먼저 1996년부터 European Intergrated Hydrogen Project (EIHP)를 진행하여 수소 저장 고압용기의 평가 및 인증규정을 보유하고 있으며, 유럽의 각 자동차 회사 연구소에서는 중량과 부피를 최적화한 700bar의 고압수소 용기를 장착한 30Kw PEM FCV 에너지 시스템을 개발하여 전기 자동차에 탑재하였다.

초고압을 견뎌내는 압력용기는 용기 전체의 비강도(specific strength)는 물론 기밀유지를 위한 탄성강도가 커야 한다. 동일한 무게에서 일시적으로 과도한 충전압력이나 용기의 일부분에 가해지는 외부충격을 견뎌내는 지표인 비강도도 중요하지만 반복사용 과정에서 고압가스의 충진과 방진에 따른 용기의 변형 횟수가 누적됨에도 불구하고 내부의 고압기체가 누설되지 않아야 하기 때문이다.

이러한 복합적인 재료특성은 어느 한 재료만으로서는 현실적으로 달성하기 어렵고 둘 이상의 재료를 결합하여 달성할 수 있다.

수소 저장용 복합체 용기의 경우, 용기 전체의 강도는 가볍고 강한 강화고분자수지(예를 들어 유리섬유나 탄소섬유를 교차배열한 형태를 생각해 볼 수 있다.)로 해결하고 용기의 변형에 따른 내부기체의 누설은 전연성과 탄성이 뛰어난 금속재질(본 발명에서와 같이 알루미늄이 대표적인 재질이다)의 라이너(Liner = 실린더 형상의 원관)로 막는 방식이 현재 도입되고 있다.

특히 종래의 대부분의 고압기체저장용 압력용기에 사용되는 알루미늄 라이너는 아직까지 고전적인 초고압 압출 방식으로 성형되고 있다. 그 이유는 아직까지 압출공정은 단조와 금속유동성형을 결합한 복합공정에 비해서 제품강도는 떨어지나 대량생산의 경우에 있어서 제품당 제조시간이나 제조단가 측면에서 유리하기 때문이다.

그런데 알루미늄으로 만든 라이너는 수소저장용기의 설정된 수소 충방진 횟수동 안 용기가 미세하게 늘어나고 줄어듬을 반복하므로 라이너의 두께가 두꺼울 경우 기밀성은 향상될 수 있으나 인장과 압축을 반복(예컨대 자동차용 수소저장용기는 수만 회 이상의 충방진을 견뎌야 한다)하면서 피로파괴가 일어날 가능성이 매우 커지게 된다.

따라서 허용한도 내에서 두께를 최대한 얇게 만들 필요가 있으며 이는 용기의 전체 무게에 있어서도 중요한 요소이다.

이 경우 압출방식으로 제조된 알루미늄 라이너는 원통의 표면방향으로는 그다지 압축가공되지 않기 때문에 단조된 성형반제품을 다시 한번 금속유동성형한 알루미늄 라이너에 비교해서 두께가 얇아질수록 내압강도나 피로강도의 차이는 더욱더 벌어진다.

한편 상기 압출가공의 단점을 극복하기 위해 금속유동성형(flow-forming)하여 최대한 얇은관(로켓 연소관과 같은 박관)으로 만들어진 알루미늄라이너의 마감 가공과정을 살펴보면, 금속유동성형에 의해 용기두께가 얇아지면서 스피닝등에 의한 용기 끝부분의 돔(dome)형 가공시 정밀한 가공이 어렵고, 또한 용기의 입구 부분에서 밸브와 같은 외부 장치와 연결하고자 할 때 알루미늄 라이너의 얇은 두께는 결합용 나사산을 성형하거나 요구조건에 맞는 나사산의 강도를 제공하기 어렵다는 점이 추가로 발견된다.

이를 극복하기 위하여 용기입구에 밸브를 결합하기 위해서 알루미늄 라이너에 별도의 보강재를 추가로 접합한다면 그 자체로 용기의 결합강도가 떨어지고 아울러 수많은 충방진 회수를 견뎌야 하는 용기의 피로강도를 크게 저하시키게 된다.

따라서 상기 알루미늄 라이너를 일반적인 압출공정이 아니라 flow-forming을 이용한 seamless tube 타입으로 성형하여 수소저장용 압력용기의 요구조건에 부합하도록 만들 필요가 있으며 이에 추가로 얇은 일체형 재질로 만들면서도 필요에 따라 원하는 부분의 두께를 변경할 수 있는 성형방법이 요구된다.

이에 본 발명은 금속유동성형(Flow forming)에서 맨드릴(Mandrel = 심축) 주위에 유성형으로 분포된 성형롤의 수평이송위치에 따라 맨드릴과 성형롤의 상대 수직거리를 조절하도록 함으로써 사용자가 원하는 위치에서 포밍재료가 원하는 두께를 가질 수 있도록 하고자 한다.

이를 위해 추가로 도입되는 기술수단은 금속유동성형시 (유동)성형롤이 최초 설정된 성형높이에서 고정되지 않고 맨드릴의 중심방향이자 성형방향과 수직인 방향으로 추가 이송운동을 할 수 있게 하는 성형롤 이송장치와 이를 제어하는 콘트롤장치가 도입된다.

본 발명에 의해서 용기의 끝부분 가공 시 정밀도와 가공여유가 크게 향상되며 용기 입구에서 외부 밸브장치와 결합 시 별도의 보강재나 보강구조 없이도 요구되는 결합강도와 설정된 체결/분리 회수 동안 충분한 내구성을 확보할 수 있다.

본 발명에 의한 알루미늄 라이너는 단조를 거친 알루미늄 빌렛을 냉간가공인 Flow forming 가공으로부터 이음매가 없고 두께 형상이 다른 튜브를 가공하여 제조하는 것으로서 단조과정을 거치지 않고 단순 압출에 의한 일정한 두께의 Seamless 튜브를 가공한 알루미늄 라이너 와는 그 제조방법 및 구조에서 차별적인 차이가 있으며 인장강도 330N/mm² 이상, 항복강도 300 N/mm² 이상, 연신율 15% 이상의 뛰어난 기계적 성질을 발휘할 수 있어 연료전지차량의 핵심부품인 내압용량 700bar 이상의 차세대 수소저장탱크 제조에 효과적으로 적용가능하다.

아울러 본 발명이 고압 수소기체 저장용기의 개발로 이어지고 고압수소저장용기가 압축수소 가스저장의 대용량화, 저비용화, 대량 생산화로 이어진다면 대체 에너지 산업분야의 기술 발전에 크게 기여할 것이며 나아가서 초고압 복합재 압력용기 기술의 발전은 우주발사체 및 미사일 등의 로켓모터 케이스 설계/제작 기술과, 기타 항공기용 경량 고압 용기의 성능 수준을 한 단계 높일 것으로 기대된다.

상기 해결과제와 효과를 달성하기 위한 본 발명의 구성을 도면에 개시된 실시예를 참조하여 구체적으로 설명한다.

다만 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에서 사용되는 특정 기술용어나 특정 기술공정이 그 자체로 본 발명의 기술적 사상을 제한하는 것은 아니며 단지 실시예가 내포하는 본 발명의 청구범위 기재내용에서 본 발명의 기술적 사상을 특정할 수 있을 것이다.

도 1은 알루미늄 라이너(3)가 내측에 장착되고 외측에 글래스파이버 고분자수지층(2)과 카본파이버 고분자수지층(1) 재질의 복합체가 결합된 원통형 압력용기를 나타낸 그림이다.

상기 압력용기는 복합재료 고분자 수지가 용기 전체의 내압강도를 확보하고, 내부에 충진된 수소 등 고압가스의 기밀유지는 가스와 직접 맞닿는 알루미늄 라이너(3)가 담당한다.

일반적으로 복합재료는 무게 대비 매우 강한 인장강도를 가지고 있다. 따라서 전체가 금속재질로 이루어진 압력용기와 비교하여 훨씬 뛰어난 비강도(specific strength)를 달성할 수 있으며 초고압 충진과 방진을 반복하면서 생기는 용기의 지속적인 큰 탄성변형에도 뛰어난 내피로성을 보여준다.

다만 가스를 직접 밀봉하는 내부의 라이너는 알루미늄과 같은 가공이 용이하고 탄성이 뛰어난 금속재질로 만들어야 하는데 이때 알루미늄의 두께를 줄일수록 라이너 전체의 유연성이 향상되므로 결과적으로 압력용기의 사용수명이 늘어날 수 있다.

상기 라이너를 이루는 전 단계는 원형관(바람직하게는 이음매가 없는 Seamless tube)이며, 얇은 두께의 원관을 가공하는 방법으로써 대표적으로 금속유동성형(플로우포밍) 방법이 사용된다.

플로우포밍은 원판을 말아서 접합한 원통과는 달리 접합부분이 없는 Seamless tube를 만들어내는데 널리 사용되고 있는 방법이다. 특히 일반적인 압출이나 인발로 달성할 수 없는 얇고 정밀한 원형박관이 제조가능한 장점이 있다.

상기 압력용기 라이너(3)는 원통부분의 두께가 적어도 3mm 이하인 알루미늄 또는 알루미늄 주성분의 합금으로 이루어진 것이 바람직하다.

그러나, 용기의 입구부분(밸브 또는 레귤레이터가 연결되는 Boss 부분)(4)은 별 도의 보강재료 없이 상기 알루미늄 라이너가 그대로 연장되어 형성되어야 하므로 얇은 관 형태의 알루미늄으로는 상기 용기 입구부분에서 충분한 단면두께를 확보하기 어렵다.

따라서 이 부분의 두께를 충분히 증가시켜야만 입구부분의 결합강도와 체결분리 가능횟수를 늘릴 수 있을 것이다.

또한 일반적으로 초고압의 원통형의 용기는 별도의 원판형 접합부재 없이 입구쪽으로 갈수록 오무라드는 돔(dome)형태를 취해야 하며 상기 돔 형태와 입구부분의 오무리기 가공은 Spinnig 가공에 의해 달성되는데 이 때에도 돔부분을 이루게 될 원관의 단면이 지나치게 얇을 경우 스피닝 작업이 정밀하게 이뤄지지 않거나 내부에 주름이 생겨 강도가 약한 부분이 생길 수 있다.

도 2는 본 발명 알루미늄 라이너의 개괄적인 제조공정을 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이 단조과정을 거친 알루미늄 빌렛(원통형의 일차 단조품)을 후방압출하고 압출품을 다듬어서 라이너의 전단계 부품인 Pre-form을 제작한다.

이때 상기 알루미늄 빌렛은 최근의 알루미늄 라이너 대형화 경향에 따라 빌렛의 단면적도 증가되고 있으며 따라서 단조시 높은 압력이 발생되므로 단조 금형을 blank화(중공식 금형으로서 단조재료의 유동을 더욱 원활하게 함)하여 응력을 응력을 완화시키는 노력이 이뤄지고 있다.

이러한 단조 금형의 설계를 위해서 FEM(유한요소법)을 이용한 최적의 단면적과 빌렛의 길이를 연구하여 Size 대형화에 따른 최적의 단조공법을 찾아내고 있다.

제작된 Pre-form은 본 발명의 핵심공정에 해당하는 비균일두께를 가지는 Seamless Tube 제조를 위한 Flow forming 과정을 거쳐서 원하는 부분에 따라 서로 다른 단면 두께를 확보하게 되며, 이후 Spinning 공정을 거쳐 알루미늄 라이너로 성형된다.

도 3은 전형적인 Flow forming(유동성형)의 성형부 단면에서의 피성형물 유동형태를 설명한 그림이다.

Flow Forming(유동성형) 공법은 비절삭 성형공법으로 Preform은 회전하는 Mandrel에 장착되어 Mandrel의 축 방향으로 이동하는 Forming roll(이하 성형롤이라 한다)의 힘에 의해 벽 두께가 감소되며 길이가 늘어난다. 이 공법은 재료의 유동(Metal flow)과 성형롤 이동방향의 상호관계에 의해 Forward Flow Forming 과 Backward Flow Forming으로 나누어지며, Forward는 재료의 유동이 성형롤 이동방향과 동일 방향일 경우를 말하며 Backward의 재료 유동은 성형롤 이동방향과 반대 방향을 말한다.

도면에서 보는 바와 같이 Pre-form이 성형롤과 맞닿는 부분은 금속의 유동이 일어나며 이를 유한요소법으로 분석해 보면 성형롤에 닿는 표면쪽 일수록 강한 압축과 강한 전단유동이 발생하며 이에 따른 잔류응력의 발생과 같은 단점도 있으나 전체적으로는 압축이나 전단유동 어느 하나에만 의존한 가공물보다 뛰어난 강도와 표면정밀도를 갖는 장점이 있다.

도 4는 본 발명의 Flow forming 공정을 촬영한 사진으로 Pre-form 및 이로부터 형성되는 Seamless tube의 표면에 분사되는 윤활 및 냉각수와 성형롤을 지지하는 이송축을 자세히 보여준다.

도 5는 본 발명의 Flow forming 공정을 측단면에서 설명하고 있는 그림이다.

전형적인 Flow forming 공정과 달리 성형롤(15)을 구동하는 성형롤 구동모터(16)을 위아래로 이송 운동시키는 이송축(18)과 이송모터(17)이 추가 구비되고, 이는 Control Unit(19)에 연결되어 있다.

상기 컨트롤 유닛은 컴퓨터수치제어(CNC)의 작동방식을 따르는 것으로서 완성품 알루미늄 라이너의 설정된 형상을 컴퓨터에 저장하고 성형롤(15)의 수평이동거리에 따라 그에 상당하는 수직이동거리를 산출하여 이송모터에 구동량을 부여한다.

다시 말하면, 단조 금형을 통해 제작된 Pre-form(10)을 Mandrel(12)에 장착하여 회전시키는 제1단계와, 상기 Pre-form(10)의 외주면에 적어도 하나의 성형롤(15)을 가압 밀착하여 상기 Pre-form(10)을 Seamless tube(11) 형태로 유동성형하는 제2단계로 압력용기의 성형과정을 나누어 볼때, 상기 제2단계 과정중에 상기 성형롤(15)과 상기 Mandrel(12)의 중심축간 수직거리를 조절하는 중간단계를 더 포함하는 것이다.

이때 상기 중간단계는 상기 성형롤(15)과 상기 Mandrel(12)간의 수평이동거리에 대한 함수로 조절되고, 상기 함수에 따른 상기 수직거리는 상기 성형롤(15)에 연결된 이송축과 이송모터로 조절되며 상기 이송모터는 CNC제어장치에 의해 상기 함수에 따른 수직거리 조절신호를 입력받게 된다.

도 6은 도 5에서의 성형롤(15)이 3개로 확장되고 이를 Mandrel(12) 정면에서 바라본 그림인데 컨트롤유닛(19)에 연결된 이송모터(17)와 이송모터에 연결된 이송축(18)의 회전구조를 직관적으로 알 수 있다. 상기 이송축의 회전에 따라 상기 성 형롤(15)은 Pre-form(10)의 성형두께를 변화시킬 수 있게 된다.

이때 앞서 설명한 바와 같이 초고압 수소저장용기에서 Pre-form을 적어도 두께 3mm이하인 초박관 형태의 Seamless tube(11)로 가공하려면 하나의 성형롤보다는 도면에서와 같이 Mandrel(12)과의 중심축간 수직거리가 서로 다른 적어도 3개의 성형롤을 서로 다른 초기 위치에 배치하고 상기 Mandrel(12)에 대하여 각각 순차적으로 수직 이동시키는 성형롤 다단 이송단계를 취할 경우이다.

이러한 경우에 같은 두께의 Pre-form에서 더욱 얇고 정밀한 Seamless tube(11)가 성형 가능하며 이때 Flow forming의 초기위치에서는 3개의 롤러가 서로 다른 두께로 Seamless tube(11) 성형을 시작하게 되나 플로우포밍이 완료되는 말단부, 즉 두께를 증가시키고자 하는 용기 입구부분에 이르러서는 상기 3개의 롤러는 최종적으로 Mandrel(12)과의 중심축간 수직거리가 같은 상태에서 성형작업을 마무리하게 된다.

도 7은 도 5 내지 도 6의 플로우포밍 공정을 거쳐 생산된 알루미늄 Seamless tube의 완성품 사진으로서 Seamless tube의 좌우 끝부분의 두께가 두꺼운 상태로 남아있는 형상을 잘 보여준다.

도 8은 상기 도 7의 알루미늄 Seamless tube 끝부분을 돔 형으로 스피닝 가공하는 과정을 촬영한 사진이며 도 9는 이를 단면도로 나타낸 것인데 도 9의 윗부분은 두께가 균일한 일반적인 알루미늄 Seamless tube(11-1)를 스피닝가공 및 태핑가공한 경우이며 아랫부분은 본 발명의 플로우포밍 공정을 통해 제작된 두께가 변형된 알루미늄 Seamless tube(11-2)를 스피닝 가공 및 태핑 가공하는 경우의 tube 단면 상태를 설명하고 있다.

도면에서 보는 바와 같이 성형롤(15)이 수직방향 이송운동을 하지 않은 균일두께의 tube에 있어서는 스피닝휠(20)이 가공을 끝내고 나면 반구형 돔 내부에는 주름이 생길 수 있으며(tube 두께가 얇은 경우에 한한다.) 태핑나사(21)이 나사산을 내기에도 tube의 boss부분의 단면두께는 충분치 않은 것이 잘 나타난다. 그에 반해 성형롤의 다단 이송단계의 추가로 두께가 더 확보된 아랫부분 tube에 있어서는 내부주름 없는 원활한 스피닝을 가능케 하는 돔부의 단면두께와 태핑이후에도 충분한 강도가 확보되는 Boss부의 단면두께를 관찰할 수 있다.

상기 성형롤 다단 이송단계에서 그 수직이송량은 압력용기 라이너(3)의 돔부분 형성구역에서 Seamless tube(11-2)가 스피닝공정 도중 압력용기 원통부분 내면의 내압강도 보다 낮은 내압강도를 갖지 않는 단면두께, 혹은 스피닝 이후에도 돔 부분의 내면에 주름이 생기지 않는 정도의 단면 두께로 설정될 수 있다.

마찬가지로 압력용기 라이너(3)의 입구부분 형성구역에서도 태핑공정 이후에도 라이너 입구부분의 나사산 단면에 작용하는 인장력이 상기 압력용기 라이너(3)의 원통부분 단면에 작용하는 인장력 보다 높지 않은 정도의 단면 두께를 확보하도록 성형롤(15)의 수직이송량이 설정될 수 있다.

도 10은 도 9의 스피닝가공이 종료되고 태핑가공을 앞두고 있는 본 발명의 알루미늄 라이너를 촬영한 사진이며 상기 라이너는 단조 과정을 거쳐 압축 및 연신된 내부 조직과 유동성형롤(Flow forming roll)에 의하여 추가 압축된 표면 조직을 갖는 원통부분과 상기 원통부분의 어느 한쪽 또는 양쪽 끝에 위치하고, 스피닝휠에 의하여 압축 및 굽힘된 표면 및 내부조직을 가지며 상기 원통부분의 두께와 같지 않은 돔 부분 및 입구 부분으로 구성된다.

초고압 수소저장용기로 사용되는 라이너는 원통부분의 두께가 2~3mm 정도의 알루미늄 또는 알루미늄 주성분의 합금으로 이루어지며 원통부분보다 충분한 단면두께를 가지는 Boss부에 외부 밸브 또는 레귤레이터와 연결가능하도록 나사산이 형성될 수 있다.

또한 상기 라이너를 기반으로 수소저장용기의 기밀구조를 완성한 이후 외주면에 복합재료를 서로 다른 방향으로 촘촘히 감아서 전체 압력용기의 강도를 강화시키게 된다.

도 1은 본 발명의 알루미늄 라이너가 내측에 장착되고 외측에 글래스파이버 수지와 카본파이버수지 재질의 복합체가 결합된 원통형 압력용기를 나타낸 그림.

도 2는 본 발명 알루미늄 라이너의 개괄적인 제조공정을 나타낸 그림.

도 3은 전형적인 Flow forming(유동성형)의 성형부 단면에서의 피성형물 유동형태를 설명한 그림.

도 4는 본 발명의 Flow forming 공정을 촬영한 사진.

도 5는 본 발명의 Flow forming 공정을 측단면에서 설명하고 있는 그림.

도 6은 본 발명의 Flow forming 공정을 Mandrel 정면 쪽에서 설명하고 있는 그림.

도 7은 본 발명의 Flow forming 공정을 거쳐 생산된 두께가 변형된 알루미늄 Seamless tube의 완성품 사진.

도 8은 도 7의 알루미늄 Seamless tube 끝부분을 돔 형으로 스피닝 가공하는 과정을 촬영한 사진.

도 9의 윗부분은 일반적인 플로우포밍 공정을 통해 제작된 알루미늄 Seamless tube를 스피닝가공 및 태핑가공한 경우이며 아랫부분은 본 발명의 플로우포밍 공정을 통해 제작된 알루미늄 Seamless tube를 스피닝 가공 및 태핑 가공하는 경우의 tube 단면 상태를 설명하는 그림.

도 10은 스피닝가공과 태핑가공이 끝난 본 발명의 알루미늄 라이너를 촬영한 사진.

Claims (8)

1. 단조 금형을 통해 제작된 Pre-form(10)을 Mandrel(12)에 장착하여 회전시키는 제1단계와, 상기 Pre-form(10)의 외주면에 적어도 하나의 성형롤(15)을 가압 밀착하여 상기 Pre-form(10)을 Seamless tube(11) 형태로 유동성형(Flow forming)하는 제2단계를 포함하는 압력용기의 성형방법에 있어서,

   상기 제2단계는 상기 성형롤(15)과 상기 Mandrel(12)의 중심축간 수직거리를 조절하는 중간단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 두께가 변형된 압력용기 라이너의 성형방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 중간단계는 상기 성형롤(15)과 상기 Mandrel(12)간의 수평이동거리에 대한 함수로 조절되고, 상기 함수에 따른 상기 수직거리는 상기 성형롤(15)에 연결된 이송축과 이송모터로 조절되며 상기 이송모터는 컴퓨터수치제어(CNC)장치에 의해 상기 함수에 따른 수직거리 조절신호를 입력받는 성형롤(15) 이송단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 두께가 변형된 압력용기 라이너의 성형방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 성형롤(15) 이송단계는 상기 Mandrel(12)과의 중심축간 수직거리가 서로 다른 적어도 3개의 성형롤(15)을 상기 Mandrel(12)에 대하여 각각 순차적으로 수직 이동시키는 성형롤 다단이송단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 두께가 변형된 압력용기 라이너의 성형방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 성형롤 다단이송단계는 상기 압력용기 라이너(3)의 돔부분 형성구역에서 상기 Seamless tube(11)가 스피닝공정 도중 상기 압력용기 원통부분 내면의 내압강도 보다 낮은 내압강도를 갖지 않고, 스피닝 이후에도 돔 부분의 내면에 주름이 생기지 않는 정도의 단면 두께를 확보하는 수직이송량을 상기 이송축에 입력하는 것을 특징으로 하는 두께가 변형된 압력용기 라이너의 성형방법.
5. 제3항에 있어서,

   상기 성형롤(15) 다단 이송단계는 상기 압력용기 라이너(3)의 태핑공정 이후에도 라이너 입구부분의 나사산 단면에 작용하는 인장력이 상기 압력용기 라이너(3)의 원통부분 단면에 작용하는 인장력 보다 높지 않은 정도의 단면 두께를 확보하는 수직이송량을 상기 이송축에 입력하는 것을 특징으로 하는 두께가 변형된 압력용기 라이너의 성형방법.
6. 단조 과정을 거쳐 압축 및 연신된 내부 조직을 갖는 알루미늄 또는 알루미늄 주성분의 라이너에 있어서,

   유동성형롤(Flow forming roll)에 의하여 추가 압축된 표면 조직을 갖는 원통부 분과;

   상기 원통부분의 어느 한쪽 또는 양쪽 끝에 위치하고, 스피닝휠에 의하여 압축 및 굽힘된 표면 및 내부조직을 가지며 상기 원통부분의 두께와 같지 않은 돔 부분 및 입구 부분; 을 포함하여 구성되는 두께가 변형된 압력용기 라이너.
7. 제6항에 있어서,

   상기 압력용기 라이너는 원통부분의 두께가 3mm 이하인 알루미늄 또는 알루미늄 주성분의 합금으로 이루어지며 상기 입구부분 내주면에 나사산이 추가 형성된 것을 특징으로 하는 두께가 변형된 압력용기 라이너.
8. 제7항에 기재된 압력용기 라이너와;

   상기 압력용기 라이너 외면에 보강 형성되는 유리섬유 복합재료 고분자수지층과;

   상기 유리섬유 복합재료 고분자수지층 외면에 보강 형성되는 탄소섬유 복합재료 고분자수지층; 으로 구성되는 두께가 변형된 알루미늄 라이너를 포함하여 구성되는 압력용기.

Images