KR20170130651A - 내충격 부재를 구비한 압력 용기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내충격 부재를 구비한 압력용기에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 압력용기는 가스가 유출입되는 노즐보스; 상기 노즐보스의 플랜지부와 결합하고, 내측에 유체 충진공간이 제공되는 라이너; 상기 라이너의 외측에 권취 또는 적층되는 복합재; 및 상기 라이너의 노즐보스 측으로부터 측면 사이의 곡률반경이 최소화되는 최소 곡률반경부에 인접하도록 구비되는 충격흡수부;를 포함하고, 상기 충격흡수부는 형상의 변경이 가능하도록 내측으로 변형 공간부가 형성된다.
본 발명에 따른 압력용기는 충격흡수 부재가 내측으로 형상 변형이 가능한 공간부를 구비함으로써 외부 충격이 가해지는 경우 형상 변경과 더 나아가서는 충격흡수 부재가 파단되는 데에 충격에너지가 소모되도록 함으로써 가해진 외부 충격 에너지가 라이너 측으로 전달되지 못하도록 최소화시키게 된다.

Description

내충격 부재를 구비한 압력 용기{Pressure vessel impact resistant member}

본 발명은 내충격 부재를 구비한 압력용기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사선 충격에 대응하여 내충격성을 향상시키는 내충격 부재를 구비한 압력 용기에 관한 것이다.

압력 용기는 산소, 천연가스, 질소, 수소 등의 각종 유체를 보관하기 위해 사용되는 용기로서, 종래에는 금속성 재료로 노즐보스 및 라이너를 제조하고 노즐보스 및 라이너의 외부에 카본 섬유나 유리 섬유를 감거나 적층하여 제조하였다. 그러나, 종래의 금속성 라이너로 제조되는 압력 용기는 금속의 특성상 중량이 무거우며 부식에 매우 약한 동시에 제조원가도 높다는 문제가 발생되었다.

이를 해결하기 위해 합성수지를 사용한 플라스틱 라이너를 제조하게 되었으며, 플라스틱이라는 특성상 금속재에 비해 중량을 가볍게 하고 내부식성을 향상시킬 수 있었다.

한편, 이와 같이 플라스틱 재질의 라이너를 이용하는 경우 외부의 충격으로부터 압력용기가 파손되는 것을 방지하기 위한 기준이 다양하게 적용되고 있으며, 이 중 일정 크기의 사선 충격에 대한 내충격성 성능이 주요한 지표가 된다. 사선 충격이라 함은 압력용기의 어깨부분 즉, 노즐 보스에 인접하는 둘레에 형성되는 최소 곡률반경 지점에 가해지는 충격을 의미한다. 사선 충격의 경우 앞서 설명한 압력용기의 어깨부분에 집중되며, 동일 크기의 충격량이라도 단일 면적당 가해지는 충격이 타 부분에 비하여 커지기 때문에 충격에 대한 취약지점이 된다.

본 발명은 사선 충격에 대한 내충격성을 향상시킬 수 있는 구조를 구비하는 압력용기를 제공한다.

본 발명에 따른 압력용기는 가스가 유출입되는 노즐보스; 상기 노즐보스의 플랜지부와 결합하고, 내측에 유체 충진공간이 제공되는 라이너; 상기 라이너의 외측에 권취 또는 적층되는 복합재; 및 상기 라이너의 노즐보스 측으로부터 측면 사이의 곡률반경이 최소화되는 최소 곡률반경부에 인접하도록 구비되는 충격흡수부;를 포함하고, 상기 충격흡수부는 형상의 변경이 가능하도록 내측으로 변형 공간부가 형성된다.

또한 상기 충격흡수부는 상기 복합재를 형성하는 복수의 층구조들 사이에 구비될 수 있다.

또한 상기 충격흡수부는 상기 복합재의 외측에 형성될 수 있다.

또한 상기 충격흡수부의 변형 공간부는 상기 라이너측으로 개구될 수 있다.

또한 상기 변형 공간부는 복수개로 형성될 수 있다.

또한 상기 변형 공간부는 종단면 형상이 호형으로 형성될 수 있다.

또한 상기 충격흡수부의 변형 공간부에는 충격흡수를 위한 충전물이 충전될 수 있다.

ㄸㅗ한 상기 충격흡수부의 변형 공간부에는 상기 충격흡수부에 비하여 크기가 축소된 제2 충격흡수부가 삽입될 수 있다.

본 발명에 따른 압력용기는 충격흡수 부재를 복합재 내 또는 외측에 구비함으로써 사선충격에 대한 내충격성을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명에 따른 압력용기는 충격흡수 부재가 내측으로 형상 변형이 가능한 공간부를 구비함으로써 외부 충격이 가해지는 경우 형상 변경과 더 나아가서는 충격흡수 부재가 파단되는 데에 충격에너지가 소모되도록 함으로써 가해진 외부 충격 에너지가 라이너 측으로 전달되지 못하도록 최소화시키게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력용기를 나타내는 부분 절개 사시도이다.
도 2는 도 1의 압력용기를 나타내는 종단면도이다.
도 3은 외측 복합재가 생략된 상태의 압력용기를 나타내는 부분 절개 사시도이다.
도 4 및 도 5는 외부 충격에 따른 충격흡수 부재의 작용을 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 비교예에 따른 압력용기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 7 내지 도 9는 각각 다른 실시예에 따른 충격흡수 부재를 중심으로 하는 압력용기를 나타내는 부분 확대도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다. 한편, 도면상에서 표시되는 각 구성은 설명의 편의를 위하여 그 두께나 치수가 과장될 수 있으며, 실제로 해당 치수나 구성간의 비율로 구성되어야 함을 의미하지는 않는다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압력용기를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력용기를 나타내는 부분 절개 사시도이고, 도 2는 도 1의 압력용기를 나타내는 종단면도이며, 도 3은 외측 복합재가 생략된 상태의 압력용기를 나타내는 부분 절개 사시도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 압력 용기(10)는 내부에 산소, 천연가스, 질소, 수소 등의 각종 유체를 보관하기 위해 사용되는 용기로, 반복적인 상기 유체의 충전 및 배출이 가능하도록 제공된다. 여기서, 압력 용기(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 유체의 충전 및 배출의 통로가 되는 노즐보스(100), 노즐보스(100)와 결합되어 내부에 유체의 충전 공간을 제공하는 라이너(200), 라이너(200)의 외측에 구비되는 복합재(400, 400a) 및 충격흡수 부재(300)를 포함한다.

도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 노즐보스(100)는 내부가 비어있는, 즉, 중공을 구비하는 네크부(110) 및 네크부(110)의 대략 하부 말단으로부터 반경 방향의 외측으로 연장되는 플랜지부(120)를 구비할 수 있다.

네크부(110)의 상부 내주면에는 나사산이 형성된다. 네크부(110)의 내주면에 형성된 나사산을 이용하여 압력 용기(10)로 유체를 충전하거나, 압력 용기(10)로부터 외부로 유체를 배출하는 경우 외부 장치와 나사 결합을 함으로써 유체의 임의로 유출 되는 것을 방지할 수 있다.

플랜지부(120)는 네크부(110)의 대략 하부 말단으로부터 반경 방향 외측으로 연장된다. 플랜지부(120)는 상술한 노즐보스(100)의 일 구성부분으로서 네크부(110)와 일체형으로 형성되거나 기계적 결합에 의하여 형성될 수 있다. 플랜지부(120)는 후술할 라이너(200)와 결합됨으로써 기밀구조를 형성한다. 노즐보스(100), 즉 네크부(110)와 플랜지부(120)는 스틸, 알루미늄 및 플라스틱 등을 가공하여 제조할 수 있다.

노즐보스(100)는 이외에도 기밀성을 향상시키고 내부 가스의 누출을 방지하거나 특정 목적하에 유출시키기 위한 구성부들을 더 구비할 수 있으나, 이하에서는 기타 노즐보스(100)의 상세 구성에 대한 설명은 생략한다.

본 실시예에 따른 라이너(200)는 소정의 내부공간을 구비하는 일종의 통으로, 양측 말단은 반구형을 이루게 되며, 중앙부분은 중공의 파이프 형상을 이룰 수 있다. 라이너(200)의 상단부는 앞서 설명한 바와 같이 노즐 보스(100)의 플랜지부(120)에 연결되어 기밀구조를 형성한다. 이 때 라이너(200) 중 노즐 보스(100)의 인접 둘레에는 도 2의 종단면을 기준으로 곡률반경이 최소화되는 어깨부(SH)가 형성된다. 어깨부(SH)는 압력용기(10)를 통 형상으로 형성하기 위하여 필수적으로 형성되는 부분으로서 사선방향의 충격에 대하여 취약성을 갖게된다.

노즐보스(100)와 라이너(200)가 결합되고 난 후 내압성을 향상시키기 위해 노즐보스(100)와 라이너(200)의 외측에 복합재(400)를 형성할 수 있다. 복합재(400)는 카본섬유, 유리섬유 또는 합성 폴리아미드 섬유 등의 보강섬유를 에폭시 수지 등의 수지에 함침시키고, 이 수지를 필라멘트 권취하거나 적층하여 라이너(200)의 외측에 소정두께로 형성할 수 있다. 이때, 복합재(400)는 노즐보스(100)의 네크부(110)의 외측면으로부터 권취되거나 적층될 수 있다.

이 때 앞서 설명한 어깨부(SH)에 대응하는 위치에는 충격흡수부재(300)가 구비된다. 충격흡수부재(300)는 스티로폼 등과 같은 탄성을 갖는 발포 합성수지로 형성될 수 있다.

충격흡수부재(300)는 복수의 층으로 권취되거나 적층되는 복합재(400)의 층간 구조 사이에 구비될 수 있으며, 복합재(400)의 외측 등에 구비될 수도 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 충격흡수부재(300)의 내측에 구비되는 복합재를 내측 복합재(400)라 하고, 충격흡수부재(300)의 외측에 권취되거나 적층되는 복합재를 외측 복합재(400a)라 한다.

충격흡수부재(300)는 이와 같이 사선 방향의 충격, 즉 어깨부(SH)에 가해지는 충격 에너지를 흡수하여 라이너(200) 등의 타 구성부들에 변형이 가해지는 것을 최소화하기 위한 구성부이다. 본 발명에 따른 충격흡수부재(300)는 충격흡수부재(300) 자체의 내측으로의 형상의 변형이 허용될 수 있도록 일정한 공간부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 실시예에 따른 충격흡수부재(300)는 라이너(200)의 어깨부를 따라 노즐보스(100)의 주위를 일주하도록 구비된다. 충격흡수부재(300)는 종단면을 기준으로 호형으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한 충격흡수부재(300)는 라이너측(200)으로 개구된 변형 공간부(310)가 형성된다. 변형 공간부(310)는 종단면을 기준으로 호형의 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 또한 변형 공간부(310)는 충격흡수부재(300)를 따라 일주하는 연속적인 홈 형상으로 형성될 수도 있으며, 충격흡수부재(300)의 일부에만 불연속적으로 형성되는 것도 가능하다.

다만, 본 실시예에 따른 충격흡수부재(300)는 바람직한 실시예로서의 형상 및 구조를 나타내기 위한 것으로서, 본 실시예에 따른 구조 및 형상으로 한정되지 않으며, 자체의 내측으로의 변형을 위한 공간부가 형성되어 있는 한 다양한 구조를 갖는 충격흡수부재로서 응용이 가능하다. 예를 들면, 변형 공간부(310)는 충격흡수부재의 변형이 용이하도록 다른 단면 형상으로 형성되는 것도 가능하고, 충격흡수부재(300)의 내부에 형성되는 등 형성 위치 또한 바뀔 수 있다.

또한 도 3을 참조하여 설명하면, 앞서 설명한 바와 같이 라이너(200)의 외측에 복합재(400)를 권취 또는 적층한 후 복합재(400)의 어깨부에 충격흡수부재(300)를 부착하여 사용하는 것도 가능하고, 부착된 충격흡수부재(300)의 외측에 추가적인 복합재를 더 권취하여 압력용기를 형성하는 것도 가능하다.ㄸ

도 4 내지 도 6를 참조하여 외부 충격에 따른 충격흡수 부재의 작용을 설명한다. 도 4 및 도 5는 외부 충격에 따른 충격흡수 부재의 작용을 설명하기 위한 개략도이고, 도 6은 비교예에 따른 압력용기를 설명하기 위한 개략도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 외력(F), 즉 사선 충격이 어깨부에 위치한 충격흡수부재(300)에 대응하는 외측 복합재(400a)의 외부로부터 가해지면, 해당 지점의 외측 복합재(400a)로부터 충격흡수부재(300)를 향하여 충격에 따른 변형 에너지가 전달된다. 이에 따라 외측 복합재(400a)와 충격흡수부재(300)가 외력에 의하여 눌리게 되며, 충격흡수부재(300)는 변형 공간부(310)측으로 변형되기 시작한다. 또한 변형이 일정한 정도 이상으로 진행되면, 충격흡수부재(300)는 파단이 되는 것도 가능하다.

충격흡수부재(300)의 변형과 파단에는 에너지가 소모된다. 외부 충격에 따라 어깨부에 집중되는 충격 에너지는 이와 같이 충격흡수부재(300)의 형상을 변경시키고 파단시키는데에 상당량이 소모된다. 따라서 본 실시예에 따른 충격흡수부재(300)를 구비하는 압력용기(10)의 경우 내측의 라이너(200) 등에 전달되는 충격 에너지의 양을 최소화시킬 수 있다.

도 6에 도시된 압력용기의 경우 복합재(400)를 통하여 전달되는 충격이 그대로 라이너(200)에 전달됨으로써 사선 충격에 매우 취약한 특성을 보인다.

충격 흡수를 위하여 어깨부분에 단순히 스티로폼 등의 부재를 덧대는 경우에도 스티로폼 등의 재질의 특성에 따라 탄성 변형을 유발함으로써 일정한 충격을 흡수하는 것도 가능하다. 다만, 이와 같은 경우 본 발명의 실시예에서의 변형 공간부가 형성된 충격흡수 부재에 비하여 상쇄시킬 수 있는 충격량이 더 작게 된다.

도 7 내지 도 9를 참조하여 다양한 실시예에 따른 충격흡수 부재를 포함하는 압력용기를 설명한다. 도 7 내지 도 9는 각각 다른 실시예에 따른 충격흡수 부재를 중심으로 하는 압력용기를 나타내는 부분 확대도이다.

도 7을 참조하여 설명하면, 다른 실시예로서 충격흡수부재(300b)는 종단면을 기준으로 복수개의 변형 공간부(310b)가 형성되는 것도 가능하다. 변형 공간부(310b)의 위치 및 개수에 따라 충격흡수부재(300b)의 파단 시의 개수 및 파단의 위치를 높은 확률로 유도할 수 있게 된다.

또한 도 8에 도시된 바와 같이, 또 다른 실시예로서 충격흡수부재(300)의 변형 공간부 내에 수용가능한 크기의 제2 충격흡수부재(300)를 구비하는 것도 가능하다. 이 경우, 외부 충격이 라이너(200)에 전달되기 전 변형 및/또는 파단시켜야 하는 충격 흡수부재의 개수가 증가하게 됨으로써 라이너 측으로 전달되는 충격량과 충격 에너지를 줄일 수 있다.

또한 도 9에 도시된 바와 같이, 또 다른 실시예로서 충격흡수부재(300)의 변형 공간부(310) 내에는 별도의 충전재(330)를 수용시키는 것도 가능하다. 충전재(330)로는 충격흡수부재(300)와 동일 또는 유사한 재질을 이용할 수 있다. 예를 들어 충전재(330)는 충격흡수부재(300)를 제조한 뒤 잔존하는 폐자재 등을 이용하여 제조할 수 있다.

이 경우 앞서 설명한 실시예에 비하여 충전재(330)들의 변형과 파단을 시키는 데에 충격 에너지가 소모됨으로써 라이너 측으로 전달되는 충격량과 충격에너지를 더 감소시킬 수 있게 된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양하게 구현될 수 있다.

10: 압력용기
100: 노즐보스
200: 라이너
300, 300a, 300b: 충격흡수부재
310: 변형 공간부
330: 충전재
400, 400a: 복합재

Claims (8)

1. 가스가 유출입되는 노즐보스;
   상기 노즐보스의 플랜지부와 결합하고, 내측에 유체 충진공간이 제공되는 라이너;
   상기 라이너의 외측에 권취 또는 적층되는 복합재;
   상기 라이너의 노즐보스 측으로부터 측면 사이의 곡률반경이 최소화되는 최소 곡률반경부에 인접하도록 구비되는 충격흡수부;를 포함하고,
   상기 충격흡수부는 형상의 변경이 가능하도록 내측으로 변형 공간부가 형성되는 압력용기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 충격흡수부는 상기 복합재를 형성하는 복수의 층구조들 사이에 구비되는 압력용기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 충격흡수부는 상기 복합재의 외측에 형성되는 압력용기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 충격흡수부의 변형 공간부는 상기 라이너측으로 개구된 일정 공간으로 형성되는 압력용기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 변형 공간부는 복수개로 형성되는 압력용기.
6. 제4항에 있어서,
   상기 변형 공간부는 종단면 형상이 호형으로 형성되는 압력용기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 충격흡수부의 변형 공간부에는 충격흡수를 위한 충전물이 충전되는 압력용기.
8. 제1항에 있어서,
   상기 충격흡수부의 변형 공간부에는 상기 충격흡수부에 비하여 크기가 축소된 제2 충격흡수부가 삽입되는 압력용기.

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