KR20180009026A - 와이어 감은 압력 용기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내압 성능이 우수하며, 최적의 와이어 감기 설계를 통해 압력용기에 큰 압력이 작용하더라도 내 인장력이 우수한 와이어가 단순 인장으로서 특히 축 방향 압력의 경우 매우 작은 나선각으로 단순 인장 응력만으로 하중을 견디고 모든 와이어 층이 동일한 응력이 발생하도록 설계가 가능하여 재료의 허용 강도와 강성을 최대한 이용 가능하고 각 부재에 단순 응력이 발생함으로서 최적 재료의 선택이나 설계가 용이하도록 한 압력용기에 관한 것으로, 양단 덮개가 중실 반원통형이고 중앙부 실린더가 중공 원통형으로 이루어지며, 상기 실린더는 다층의 와이어를 원주방향으로 감고, 상기 덮개는 다층의 와이어를 축 방향으로 감으며 실린더와 덮개 사이에 실링재를 포함하여 내부를 외부와 차단하여 격리시키는 것을 특징으로 한다.

Description

와이어 감은 압력 용기{wire wound pressure vessel}

본 발명은 일체형 내압용기(耐壓容器)에 관한 것으로 액체 또는/및 기체를 매체로 하는 고압용기에 적합하며 소형 경량과 저가로 고압을 견디도록 제작 할수 있다. 더욱 상세하게는, 새로운 구조의 채택을 통해 우수한 내압(耐壓) 특성을 구비하면서도 작업응력(應力)을 높이고 제작 방법이 용이하도록 한 압력용기에 관한 것이다.

내압을 받는 용기는 일반적으로 양단이 반구형이고 중앙부가 원통형 직관형태로 제작되는데, 고압을 받는 용기는 외부에 카본 복합체 또는 금속재의 와이어를 사용하여 용기의 내압 성능을 향상시킨다. 일반적인 예로 다이버, 소방용원 호흡기, 자동차용 연료탱크, 미사일 등의 냉각제 및 자세제어용 유체용기 등에 적용 중이거나 적용가능하다.

이와 같이 용기가 일체형인 경우는 용기를 제작하는 전용 설비가 필요하고 와이어로 보강 시 실린더의 반경방향 압력은 내압을 부담할 수 있도록 와이어가 용이하게 감을 수 있지만 축 방향 압력은 와이어를 감기가 용이하지 않다.

한편, 보다 더 높은 내압을 받는 산업용 고압 장치의 경우 반경 방향 압력을 부담하는 구성품은 양단 또는 일단이 개폐형 덮개로 구성된 실린더에 와이어를 감아 사용하고 축방향 압력은 덮개를 외부에서 지지하는 요크를 역시 와이어로 제작하고 요크가 이 덮개를 외부에서 지지함으로서 축방향 압력을 견디도록 한다. 이것은 이 압력 내부에 작업물을 넣고 작업 완료 후 빼내어야 하는 필요성에 의하여 형성된 구조이다.

이러한 분리형 고압장치의 경우는 실린더의 양단에 강성을 부가하기 위한 플랜지 부분을 남기고 가공하여야 하고 이에 따라 비용이 증가하는 단점이 있다. 본 발명은 고압 유체의 경우에 있어서 실린더와 덮개를 분리함으로서 실린더의 양단에 필요한 강성을 덮개와의 결합에 의해서 보강하고 더불어 일체화함으로서 실린더 양단에 플랜지를 만들기 위한 재료의 낭비가 없고 실린더의 가공이 불필요하다.

우유나 커피, 주스, 인삼 추출물 같은 고체가 아닌 유체를 고압 처리하는 경우에는 일체형으로 만들고 외부로 입출이 되는 작은 관을 연결하여 작업이 가능하지만 유지보수 차원이거나 그 대상물이 통상 유통을 위한 포장된 채로 작업하는 경우가 있기 때문에 산업용은 개방이 가능한 구조가 대부분이다.

와이어로 보강된 일체형 압력 용기에서 기존 고안들은 모두 축방향 감기에 있어서 나선각이 커지므로 축방향 압력을 보완해주기 위한 보강 구조를 가지고 있으며 이를 개선하려는 고안들이 이루어지고 있다.

그러나 내부 실린더 부분 용기가 두꺼워지거나 와이어 층수가 많아져야 하며 이로 인해 무게가 늘어나거나 와이어 개수가 증가로 인한 제작 시간이 증가하는 문제가 있고 그럼에도 불구하고 양단의 반구형과 원통형 실린더가 만나는 경계면의 내압 강도의 불연속을 해결하기가 어렵다.

국내 특허 10-2010-0017993 : 밀폐 구조의 고압 용기 ­국내 고압 Vessel 설계는 밀폐성 유지에 초점을 두고 있으며 고압 내압성이나 수명예측이나 향상부분에 미진하다.

2)특허 10-2011-0107917 : 딥드로잉을 이용한 가정용 고압용기 제조방법 ­용기 외벽에 탄소섬유 또는 유리섬유 와이어로 외부를 감싸고 그 위를 에폭시 수지 층으로 덮는다. 공정이 복잡하고 생산성이 떨어지며 축방향 와인딩의 문제를 적시하지 못하며 산업용으로 확산이 낮으며 압력을 높이거나 용기의 수명을 제어하기 어렵다.

이를 보완하기 위한 방안으로 용기를 허니콤(Honey comb)으로 형상 설계하여 무게당 강도를 높이려는 고안이 있으나 고압 용기의 경우 역시 와인딩 어렵고 복잡한 제작공정이 필요하여 생산성 저하 및 생산원가 상승의 문제점이 있고 제작 후 내부공간이 협소하여 압력용기의 체적당 용량이 떨어지는 문제점이 있다.

3)특허 10-2013-0046665 고압용기 및 그 제조방법 4)특허 20-2007-0005425 공기호흡기용 고압용기 두 특허는 고압 용기의 피로수명 및 허용 내압을 증가시키는 방법으로 와이어 감기 외에 보강 층을 설치하는 방법을 사용한다. 이 경우 보강 층을 만큼 무게가 증가하고 역시 체적당 용량이 감소하는 단점이 있으며 특히, 요구되는 피로수명을 제어하기가(예측하기가) 매우 어렵다

국외 200910149113(US 8,038,029 B2) 미국의 GM사는 와이어 감기(Wire-wound) 기술을 통한 고압 용기의 피로수명 및 허용압력 상승 기술을 보유하나 그림에서 보는 바와 같이 고압 용기의 길이 방향 및 사선 방향으로 이루어지고 있으며 공정상 대형 용기에 적용하기 어려워 차량용 소형 용기에 적용되어진다.

6)특허 PCT/JP2012/066714 고압 용기 외벽에 보강 층을 설치하는 방법으로 국내 특허 기술과 유사한 기술이며 보강 층이 Vessel의 모서리까지 일체형으로 적용되고 피로수명 및 허용내압을 상승가능하다.

7)특허 PCT/JP2004/012709

-와이어 감기 기술에 탄소섬유를 효율적으로 적용하여 고압 용기의 피로수명 및 허용압력을 상승 시키는 기술이다. 탄소섬유의 특성상 유지보수가 어렵고 생산원가가 높아 산업에 확대 적용하기 어려운 단점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 내압 성능이 우수한 와이어로 감아 보강된 내압용기를 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

또한 일반적인 산업용 초고압 장치와 같이 축방향 및 반경 방향 용기 구조를 별도로 만들어 실린더 및 덮개로 분리해 만들되 제작과정에서는 조립하여 와이어를 감음으로서 제작이 용이하도록 하면서 일체형 압력용기가 되도록 하는데 목적이 있다.

또한 실재 압력용기가 받는 응력은 축방향 및 반경 방향 압력을 모두 각 방향의 와이어의 인장응력으로만 부담하도록 함으로써 인장과 굽힘의 특성에 특화된 재료를 사용하는 재료의 선택이나 허용응력설계가 용이하도록 한 내압용기를 제공하고자 하는 데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 용기를 이루는 반경 방향 및 축방향 요소에 최적의 부품 배치 및 단조 압연 등을 통한 특성부여를 현재의 전용 용기 제작 설비 없이 일반 설비로 가능하도록 한데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 하중을 견디기 위한 내력 구성과 용기 내외부를 차단하는 실링 구성이 분리 형성됨으로써 내력 구성과 실링 구성 각각의 기능에 충실한 재료의 선택이 가능한 등의 재료 선택의 유연성을 확보할 수 있도록 한 내압용기를 제공하고자 하는 데 목적이 있다.

또한 용기를 이루는 직관 실린더 및 양단 덮개 및 실링 부품은 각각 제작하기 용이한 형태인 분리된 채로 제작하고 조립 전에 모두 내외, 전후 어느 방향에서도 용이하게 접근 가능하여 당해 재료의 압연, 단조, 표면 처리, 가공 등 일반적인 제작 작업이나 특성 강화가 용이하며 용도에 따른 실링 구조를 만들거나 다양한 목적의 입구 및/또는 출구를 덮개에 구성하기 용이하도록 한데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 기존의 일체형 압력용기에 반경방향 및 축방향 복합응력이 작용하며 이를 감소시키기 위한 와이어의 활용이 특히 축 방향에 있어 높은 나선각과 용기의 급격한 경사면에 의해 그 경계면에 응력의 구분이 분명하지 않고 나선각이 큼으로서 와이어 재료의 허용응력에 비해 와이어 효율이 떨어지는 구조이며 문제를 해결하기 어려운데 반해 설계와 제작에 용이함을 제공하는데 목적이 있다.

또한 실린더 및 덮개, 와이어 , 가스켓 등 부재들을 단순 기능 소재로 제작할 수 있고, 부재들의 결합에 용접이 이용되지 않음으로써 분리 제작 및 결합, 이동 및 해체 보관이 가능하고 필요 시 재사용하거나 필요한 부재만 교체가 가능하여 제작, 정비, 유지, 보수가 용이하고 제작 및 관리 비용을 절감할 수 있도록 한 내압용기를 제공하고자 하는 데 목적이 있다.

또한 용기 연결부 실링은 산업용 분리형 고압장치 및 진공 장치처럼 인듐, 동 ,납, 고무 및/또는 실리콘 탄성체 등의 가스켓을 그대로 활용가능하여 현존 기술의 적용에 어려움이 없도록 하는데 목적이 있다.

또한 본 발명으로 인해 와이어 감긴 일체형 압력용기는 어느 특정 부위도 동일한 응력을 받도록 설계가 가능하도록 하는데 목적이 있다.

또한 본 발명으로 인해 와이어 감긴 일체형 압력용기는 폭발하기 전에 리크됨으로서 폭발되지 않는 특성을 제공하는데 목적이 있다.

상기한 문제점을 해결하고자 본 발명에서는 양단이 반구형인 기존의 압력용기 구조와 달리 양단을 반원통형으로 분리된 구조로 각각 제작하여 실린더와 같이 조립함으로서 축방향 와이어를 감는 면이 마주보는 각각의 반 원통형을 감는 것으로 축방향 와이어가 기존의 압력용기에서의 곡선 구간이 아닌 직선 구간에 감기도록 한다.

상기한 바와 같은 과제해결수단을 통해, 본 발명인 압력용기는,

첫째, 기존의 압력용기에 비해 내압 성능이 현저히 우수하고,

둘째, 각 부재는 와이어와 실린더의 경우 인장이 덮개의 경우 굽힘의 단순 응력만 작용함으로서 설계가 용이하여 각 부재에 있어 재료의 선택이나 허용응력설계가 용이하며,

셋째, 하중을 견디기 위한 내력 구성과 용기 내 외부를 차단하는 실링재 구성이 분리 형성됨으로써 내력 구성과 실링 구성 각각의 기능에 충실한 재료의 선택이 가능한 등의 재료 선택의 유연성을 확보할 수 있으며,

넷째, 기존의 복합응력이 작용하는 용기에 비해 부재들을 단순 기능 소재로 제작할 수 있고, 부재들의 결합에 용접이 이용되지 않음으로써 용접으로 인한 국부적인 열화, 변형 등의 결함이 없으며, 분리 제작에 있어 전용 장비 없이 일반 장비로 제작 가능하고 정비가 필요시 필요한 부재만 교체가 가능하여 제작, 검사, 정비, 유지, 보수가 용이하고 제작 및 관리 비용을 절감할 수 있으며,

다섯째, 기존의 압력용기와 같이 전체를 제작하는 전용 설비가 불필요하며,

여섯째 기존 용기의 반구형 부와 원통부의 경계에서 용기 설계나 내압력이 약해지는 단점이 없어 전체 구성품이 최적의 상황에서 사용가능하여 동일한 내압용기라면 중량이 감소되는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압력용기의 최종 조립된 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실린더 단면적의 예이다.
도 3는 본 발명에 따른 압력용기를 도시한 분해사시도이다.
도 4은 본 발명에 따른 압력용기의 중앙 출입구로 이용하는 경우의 응용 예와 축방향 와이어 나선각을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 압력용기의 편심 출입구로 이용하는 경우의 응용 례를 도시한 단면도이다.
도 6는 기존의 와이어 감긴 압력용기 축방향 와이어 나선각을 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명과 비교 가능한 두 개의 내압 요소로 분리된 일반적인 산업용 초고압 장비의 예이다.

본 발명에 따른 압력용기의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 압력용기(1)는 양단 덮개(2)부와 단면 형상이 길이방향을 따라 일정한 실린더(3)로 이루어진다.

여기서, 양단 덮개부(2)는 중실(中實) 반원통(半원통)형이고 상기 실린더(3)는 중공(中空) 원통(圓筒)형으로 통상의 내압용기(內壓容器) 중앙부와 같은 직관 형태이거나 도 2에 도시된 바와 같이 압출등의 방법으로 보강된 내부 형상이나, 내부 유체 충격적 이동 방지, 전기 화학적 반응을 위해 극성 분리를 위한 격자 구조 및/또는 내부부품을 가질 수 있다.

상기 축 방향 와이어(6)가 감기는 덮개(2)는 미리 필요한 가공을 끝내고 와이어의 감음에 의해 와이어에 굽힘 응력의 발생이 최소가 되도록 일정한 반경을 가지는 것이 바람직하다.

상기 덮개(2)는 와이어가 감기는 부분을 제외하고 두 개가 동일한 모양이 아니어도 되며 필요에 따라 출입구 및 핸들링을 위한 준비를 따로 부여할 수 있다.

상기 실링재(4)는 압력용기(1)의 내부에 들어가는 유체가 외부로 유출되는 것을 방지하는 부재로서, 내부의 유체와 접하여 반응하거나 변형 내지 변질되지 않는 특성이 있는 재료를 선택하여 사용함이 바람직하다. 이를 통해 내부 유체의 종류에 따라 최적의 실링재(4)의 선택이 가능하다.

상기 와이어(5,6)은 단면이 둥근 또는 납작한 띠 형태를 가진 피아노 강선, 탄소섬유 또는 유리섬유를 사용할 수 있다. 상기 와이어(5,6)는 항상 인장 상태로 존재하여야 하며 단순히 인장을 주어서 감을 뿐이며 최종적으로 용접이 아닌 볼트, 본딩, 몰딩 등의 기계적인 결합방식에 의해 실린더 및/또는 덮개에 고정됨으로서 자체의 물리적 특성을 변화시키지 않도록 함이 바람직하다.

상기한 바와 같은 구성을 통해, 본 발명에 따른 내압용기(1)는 내압이 작용 시에 내부 압력에 의해 발생한 힘이나 변형이 덮개(2) 및 실린더(3)를 통해 와이어(5,6)에 전달되며, 이때 상기 와이어(5,6)에서는 인장 응력이 발생되어 내압을 견디게 된다.

그러므로 와이어(5,6)는 인장 응력에 대해 우수한 특성을 나타내는 재료를 선택하면 되며 상기 실린더(3)은 압축 응력에 대해 우수한 특성을 나타내는 재료를 선택하면 되며, 덮개(2)는 압축과 굽힘 특성이 우수한 재료를 선택하면 되므로 구성요소마다 요구되는 특성이 단순화되어 재료 선택이 용이하게 되는 등 재료 선택 자유도가 높아지는 이점이 있다.

이와 같은 이점을 활용하여, 상기 와이어(5,6)는 앞서 언급한 바와 같이 인장 응력에 대해 우수한 피아노용 강선이나, 탄소섬유 또는 유리섬유를 사용하고, 실린더(3)은 압축 응력에 대해 우수한 특성을 나타내는 세라믹, 강 또는 세라믹과 강의 복합 재료를 선택하여 사용할 수 있다.

이하, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 압력용기(1)의 제조방법에 대해 구체적으로 설명한다.

먼저, 양단 덮개(2)와 실린더(3)의 결합위치에는 실링재(4)를 결합한 후 각자 분리되지 않도록 체결 볼트나 축 방향으로 누르는 지그 등의 적절한 수단으로 결합을 유지하게 한 후 실린더(3)을 보강하기 위한 와이어(5)를 먼저 감는다.

실린더(3)를 필요한 사용 압력에 따라 적절히 설계된 와이어 인장력과 층수로 감은 후 양단 덮개(2)에 축 방향 와이어(6)를 필요한 인장력과 층수로 감아 압력용기를 완성한다.

실린더(3)는 양단에 1~2개의 실링재(4)를 면하고 덮개부(2)와 함께 결합된 채 실린더(3) 외부에 원주방향 와이어(5)를 감음으로서 와이어의 장력에 의해 압축응력이 형성되고 와이어(5)의 장력에 의한 실린더의 수축에 의해 덮개(2)와 끼임이 생기며 실린더와 덮개는 상호 이동이 없어지게 된다.

이 원주 방향 와이어(5)는 실린더(3)의 원주 방향 수축을 고려하여 각층의 와이어가 설계된 인장 변형 율(strain)이 되도록 감으며 최종적으로 내부에 압력이 주어질 때 각 층의 와이어는 모두 동일한 인장 응력(tensional stress)을 받도록 감는다.

상기 원주방향 와이어(5)를 감은 후 와이어 마지막 부분은 그 자리에 본드나 체결 수단을 통해 고정한다.

다음으로, 축 방향 와이어(6)는 실린더(3)의 양단 덮개(2) 간에 다층으로 감으며 인장력을 주어 감음으로서 실린더(3)의 압력경과 내부압력의 곱으로 생기는 축방향 힘을 견디며 와이어의 인장 변형에 의해 실린더(3)와 덮개(2)가 분리되지 않고 실링재(4)가 제 기능을 할 정도가 되도록 감아야 하며 감을 때 실린더(3)의 축 방향 수축을 고려하고 내부 압력이 작용 시 각층의 와이어가 설계된 인장 변형 율(strain)이 되도록 감으며 최종적으로 내부에 압력이 주어질 때 각 층의 와이어는 모두 동일한 인장 응력을 받도록 감는다.

상기 축 방향 와이어(6)를 감은 후 와이어 마지막 부분은 그 자리에 본드나 체결 수단을 통해 고정한다.

상기 와이어(5,6)는 그리스 등의 윤활 수단을 통해 각 층간의 변형율 차이를 흡수할 수 있도록 한다.

상기 와이어(5,6)를 감아 완성된 압력용기는 이를 외부와 차단하여 덮을 수 있는 덮개를 더 구비하여 와이어(5,6)를 보호할 수 있다.

상기한 방법으로 압력용기(1)의 기본 구성을 완성한 후 출입구는 덮개(2)의 미리 준비한 부분에 통상적인 나사 등의 수단에 의해 튜브를 연결할 수 있는 커넥터나 플랜지를 설치하여 사용이 가능한 상태로 준비한다.

상기한 바와 같은 구성과 제조방법을 통해, 본 발명인 압력용기(1)는 기존의 압력용기에 비해 특히 내압 성능이 현저히 우수하고, 최적의 감기 설계를 통해 압력용기(1)에 작용하는 하중이 와이어(5,6)의 인장 응력만으로 견딜 수 있도록 함으로써 재료의 선택이나 허용응력설계가 용이하며, 하중을 견디기 위한 내력 재와 용기 내외부를 차단하는 실링재가 분리 형성됨으로써 내력 용과 실링 용 각각의 기능에 충실한 재료의 선택이 가능한 등의 재료 선택의 유연성을 확보할 수 있으며, 각 부재들이 제작 시 내외, 전후 가 접근성 있는 구조가 됨으로서 부재에 대한 작업들이 용이하고, 부재들의 결합에 용접이 이용되지 않음으로써 분리 제작 및 결합, 이동 및 해체 보관이 가능하고 필요한 부재만 교체가 가능하여 제작, 정비, 유지, 보수가 용이하고 제작 및 관리 비용을 절감할 수 있게 되는 것이다.

원자로 압력용기, 가스 차량용 압력용기, 스쿠버 다이버 압력용기, 소방대원 호흡용 압력용기, 미사일 자세 제어용 유체용기, 인공위성용 위치제어용 압력용기, 적외선 센서 냉매용 압력 용기, 우주 발사체용 연료탱크, 헬륨등 저온 기화 운반 탱크 등

1: 압력용기 2: 실린더 3: 덮개 4: 실링재
5,6: 와이어 7: 나선각(Helix angle) 8 : 출입구

Claims (11)

1. 양단 덮개와 단면 형상이 길이방향을 따라 일정한 실린더로 이루어지는 압력용기에 있어서,
   원통형 실린더,
   실린더의 양단을 막아주는 덮개 및 실링재 및
   내압이 가해질 때 실린더의 원주방향 팽창력을 견디는 다층의 와이어 및
   내압이 가해질 때 양단부의 덮개에 축방향 작용력을 견디는 다층의 와이어로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력용기
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 와이어는 원형 또는 납작 스트립의 강선, 카본 파이버, 글라스 파이버 등으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력용기
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 덮개는,
   실린더,
   상기 실린더의 양단과 결합하고, 내측으로 실린더의 수축을 방지하는 결합부 턱 및 상기 축방향으로 와이어를 감을수 있는 반원형 자리와 내부와 외부를 연결하는 자리를 가지는 것을 특징으로 하는 압력용기
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 실린더는 내외경이 원형인 형 또는 내부 유체의 충격적 유동을 방지하는 격벽 또는 전기 화학적 반응을 위한 극성을 부여하기 위한 별도의 격벽형 내부 부품을 가지는 것을 특징으로 하는 압력용기
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 와이어는 장착 시 사전 인장력이 부여되는 것을 특징으로 하는 압력용기
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 와이어와 실린더 및 덮개 사이 및 와이어 사이에 윤활수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 압력용기
   
7. 청구항 1에 있어서,
   양단 덮개는 중실(中實) 반원통(半원통)형이고 실린더는 중공(中空) 원통(圓筒)형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력용기
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 실린더 및 덮개는 별도로 분리 제작된 후 결합되어 사용되는 것을 특징으로 하는 압력용기
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 실린더 및 덮개로 이루어진 압력용기는 축방향 와이어가 작은 나선각이 되는 것을 특징으로 하는 압력용기
   
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 실린더 및 덮개로 이루어진 압력용기는 기존의 내압용기와 달리 실린더부와 양단 반구형의 접점 부위의 내압 강도의 변화가 없거나 제작의 불확실성이 없도록 제작하기가 용이한 것을 특징으로 하는 압력용기
    
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 실린더에 와이어를 감을 때 양단 플랜지에 의한 변형 제어 기능을 양단의 덮개에 부여함으로서 분리형 고압장치에 비해 경제적인 제작이 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 압력용기
    

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