KR20180044093A - 삼층구조 고압 연료파이프 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 삼층구조를 갖는 고압 연료파이프 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외주면에 CFRP층이 형성된 SUS재질의 내부관이 알루미늄재질의 외부관의 내부에 압입된 삼층구조의 고압 연료파이프에 있어서 일방향 프리프레그 시트가 탄소섬유의 배열방향이 내부관의 길이방향에 수직하도록 적층된 것을 특징으로 하는 삼층구조 고압 연료파이프 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

삼층구조 고압 연료파이프 및 그 제조 방법{THREE-LAYER HIGH PRESSURE FUEL PIPE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 삼층구조를 갖는 고압 연료파이프 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외주면에 CFRP층이 형성된 SUS재질의 내부관이 알루미늄재질의 외부관의 내부에 압입된 삼층구조의 고압 연료파이프에 있어서 일방향 프리프레그 시트가 탄소섬유의 배열방향이 내부관의 길이방향에 수직하도록 적층된 것을 특징으로 하는 삼층구조 고압 연료파이프 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 가솔린 엔진의 연료 분사 방식에는 다양한 종류의 방식이 있는데, 그 중 가솔린 직접 분사식(Gasoline Direct Injection, GDI) 엔진의 경우에는 연료의 분사 압력이 대략 약 200bar 정도로 고압이어서, 연료를 고압으로 만들기 위한 고압펌프와 고압의 연료를 인젝터로 보내기위한 고압 연료파이프가 필수적이다.

상기 고압 연료레일은 연료 공급시 발생하는 맥동과 엔진에서 전달되는 진동으로부터 보호하기 위해 고정브라켓을 이용하여 엔진의 상단에 장착된다.

현재 고압 연료파이프는 SUS재질이 적용중이며, 사용 연료압은 최대 200bar 수준이다. 하지만 연소효율 증대를 위해 연료의 고압화가 진행중이며, 현재 350bar 수준까지 개발 검토가 되고 있기 때문에 기존 소재로는 내구성 확보가 어렵기 때문에 파이프의 두께를 증대하거나 특수한 고강도 재질의 적용이 검토중인 상황이다.

이렇듯 두께가 증대되고 고강도의 재질을 적용하게 됨으로써 원가가 상승할 가능성이 높으며, 특히 중량의 증가가 예상되기 때문에 350bar급의 고압 연료파이프의 경우 경량 재질 적용을 통한 중량 저감 필요성이 요구되고 있다.

기존 CFRP+금속관 파이프의 경우 CFRP를 금속 내부에 넣고 고온에서 팽창을 시켜 고정하는 방법으로써, 도 1에서와 같이 CFRP가 감겨진 심봉을 금속관의 내측에 삽입한 이후 CFRP수지가 연화하는 온도까지 승온시켜 심봉의 팽창에 의해 CFRP가 금속관 내측에 밀착이 되게 한다.

이후 CFRP수지의 경화가 이루어지는 과정에서 온도를 상온으로 낮춤으로써 심봉의 수축이 발생되고, 이때 이를 제거하는 공정으로 제작이 이루어진다.

그러나 이경우 심봉을 제거할 때 CFRP층이 길이방향으로 밀릴 수 있기

때문에 도 3에서와 같이 접촉면을 길이 방향으로 감는 층을 확보한 뒤에 내압 특성을 견디기 위해 수직 방향으로 감는 방식으로 제조가 된다.

이렇게 제작을 하게 될 경우 CFRP층이 고압의 연료에 직접 노출이 되는 구조이기 때문에 가장 내부의 길이방향으로 감겨진 층의 경우 두께방향 강도가 낮기 때문에 내압을 견디지 못하고 파손이 발생될 우려가 높은 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제 10-0407913 호 (2003.11.20)

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 SUS파이프가 연료파이프의 가장 내측에 위치하여 내식성 향상이 가능하고, CFRP층의 모든 프리프레그 시트를 탄소섬유의 배열방향이 길이방향에 수직하게 구성할 수 있어서 강도 향상이 가능한 삼층구조 고압 연료파이프 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 삼층구조 고압 연료파이프 제조방법은 금속 재질의 내부관의 외주면에 중간 수지층을 피복하는 단계; 상기 수지층이 피복된 내부관을 외부관의 내부에 압입하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 내부관은 SUS 재질인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 외부관은 Al 재질인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 중간 수지층은 탄소섬유 강화플라스틱(CFRP)을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 중간 수지층을 피복하는 단계는 복수개의 일방향 프리프레그 시트가 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 복수개의 일방향 프리프레그 시트 각각에 있어서, 탄소섬유의

배열방향은 상기 내부관의 길이방향에 수직인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 압입하는 단계는 열간 압입 공정에 의해 이루어 지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 내부관, 중간 수지층, 외부관을 연통하여 연료를 유동시키기 위한 유동홀을 형성하는 단계를 더 포함 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 삼층구조 고압 연료파이프는 차량용 고압 연료파이프에 있어서, 내부로부터 SUS재질의 내부관, CFRP층, Al재질의 외부관으로 이루어지고, 상기 CFRP층은 복수개의 일방향 프리프레그 시트가 탄소섬유 배열방향이 상기 내부관의 길이방향에 수직하도록 적층되어 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 외부관의 외주면에는 인젝터 또는 체결볼트 장착을 위한 적어도 1개 이상의 브라켓부가 상기 외부관과 일체로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 차량용 삼층구조 고압 연료파이프는 한계 내압이 350 bar 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 연료파이프는 상기 브라켓부, 내부관, CFRP층 및 외부관을 연통하여 상기 인젝터로 연료를 유동시키기 위한 유동홀을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 내부관, CFRP층 및 외부관은 비접합 방식으로 조립된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 본 발명은 SUS파이프가 연료파이프의 가장 내측에 위치하여 내식성 향상의 효과가 있다.

또한 본 발명은 CFRP층의 모든 프리프레그 시트를 탄소섬유의 배열방향이 길이방향에 수직하게 구성함으로써 강도 향상의 효과가 있다.

또한, 본 발명은 SUS소재 대비 밀도가 낮은 CFRP층 및 알루미늄소재의 외부관을 채용하여 내구성 확보하면서도 경령화가 가능한 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 고압 연료파이프 제조 방법을 설명하는 도면
도 2는 본 발명에 따른 삼층구조 고압 연료파이프 제조 방법을 설명하는 도면
도 3은 종래기술에 따른 고압 연료파이프 제조 방법에 있어서, CFRP층을 형성하는 방법을 설명하는 도면
도 4는 본 발명에 따른 삼층구조 고압 연료파이프 제조 방법에 있어서, CFRP층을 형성하는 방법을 설명하는 도면

본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 삼층구조 고압 연료파이프 제조 방법을 설명하는 도면이다.

도 2를 참고하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 삼층구조 고압 연료파이프 제조 방법은 금속 재질의 내부관의 외주면에 중간 수지층을 피복하는 단계(S100); 기 수지층이 피복된 내부관을 외부관의 내부에 압입하는 단계(S200);를 포함할 수 있다.

이때 상기 내부관의 재질은 내식성 확보하기 위해 스테인레스강(이하 SUS) 재질이 바람직하고, 상기 외부관은 SUS재질만으로 구성되는 경우에 비해 일정강도를 유지하면서 경량화의 효과를 얻을 수 있도록 이보다 밀도가 낮은 알루미늄(Al)재질을 사용할 수 있다.

또한, 상기 중간 수지층은 상기 내부관의 내압 한계를 보완하기 위한 것이므로, SUS재질보다 밀도가 낮으면서도 고강도를 확보할 수 있도록 섬유강화플라스틱(FRP)재질이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 SUS재질 대비 약 3배 이상의 고강도를 확보할 수 있는 탄소섬유 강화플라스틱(CFRP)재질을 사용할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 삼층구조 고압 연료파이프의 제조방법에 있어서는

탄소섬유와 플라스틱을 일정한 비율로 혼합한 뒤 사용하기 편한 형태의 중간재인 프리프레그(prepreg)라는 중간재를 이용한 성형법을 사용할 수 있다. 프리프레그란 'Pre-impregnated material'의 줄임말로, 수지와 탄소섬유를 미리 일정한 비율로 함침시켜 놓은 시트 형태의 탄소섬유복합소재용 중간재를 말한다. 또한, 강화섬유인 탄소섬유가 일방향으로 배열된 일방향 프리프레그 시트를 사용할 수 있고, 이는 고압의 연료에 의한 반경방향으로의 압력에 효율적으로 대응하기 위함이다.

본 발명의 실시예에 따른 삼층구조 고압 연료파이프의 제조방법에 있어서는

내부관의 외주면에 CFRP층을 형성하기 때문에 종래와 달리 심봉을 제거할 필요가 없으므로, 심봉제거 단계에서 심봉과 직접 접촉된 일방향 프리프레그가 밀릴 우려가 없다. 따라서, 내부관의 외주면에 일방향 프리프레그 시트를 적층키길때 모든 시트를 탄소섬유의 배열방향이 내부관의 길이방향에 수직하게 위치되도록 적층시킬 수 있고, 반경방향으로 가해지는 내부 유체의 압력에 대해 강도가 약 50% 정도 증대가 가능하므로 가장 효율적으로 강도를 확보할 수 있게 되었다.

상술한 바와 같이 모든 프리프레그 시트를 적층한 후, 오토클레이브(Autoclave) 성형 방법에 의해 상기 CFRP층을 성형할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 열과 압력을 주는 방식에 따라 오토클레이브 성형, 진공백 성형, 시트 롤링공정, 프레스 성형 등 다양한 방법이 사용될 수 있다. 다만 이러한 성형 방법은 통상적인 공지기술이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

이렇게 SUS재질의 내부관 위에 고강도 CFRP층을 형성한 후, 이를 알루미늄재질의 외부관의 내부로 압입하여 삼층구조의 고압 연료파이프를 제조할 수 있다. 다만, 압입하는 과정에서 상기 CFRP 층에 가장 바깥에 적층된 프리프레그 시트의 밀림을 방지하기 위해 열간압입 공정에 의하는 것이 바람직하다.

알루미늄(Al)관에 압입하는 공정은 열간 압입 공정에 의해 이루어지는 것이 바람직하다. 압입 과정에서 CFRP 프리프레그의 방향성으로 인해 밀림이 있을 수 있기 때문에 이를 방지 하기 위해 압입전 알루미늄관을 소정의 온도까지 가열하여 팽창시킨후 압입하고, 다시 냉각 수축시켜서 압입공정을 진행하게 되는 것이다.

또한, 본 제조방법에서는 각 층간 결합에 있어서 별도의 접합물을 사용하지 않는 비접합 방식으로 조립되는 것이므로, 냉각되어 수축됨으로써 상기 CFRP층이 피복된 내부관과 충분한 결합력을 가져야 하므로, 상기 CFRP층의 두께를 고려하여 외부관의 직경을 조정하는 것이 바람직하다.

또한, 알루미늄관의 외주면에는 인젝터 및 체결볼트가 장착되는 브라켓부가 알루미늄관과 일체형으로 형성될 수 있고, 상기 브라켓부의 내부에는 연료가 유동할 수 있도록 유동홀 형성될 수 있다. 이때 유동홀의 형성위치에 맞게 상기 내부관, 중간 수지층 및 외부관을 연통하여 연료가 인젝터로 유동할수 있도록 유동홀이 형성되는 공정을 더 포함할 수 있다(S300). 다만, 각 층이 서로 다른 재질이 사용된 삼층구조이므로 각 층의 강도에 맞게 적절한 타공 방법이 적용되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 SUS재질의 내부관과 강도보강을 위한 중간 CFRP층을 형성하고 인젝터를 연결하기 위한 브라켓부를 용접없이 일체로 형성하기 위해 경량의 Al재질의 외부관을 삼층구조로 구성함으로써, 중량을 증대시키지 않고 고압 연료파이프의 350bar 수준의 고압화에 대응이 가능하다.

또한, 연료와 직접 접촉하는 내부관을 SUS재질로 사용함으로써 350bar 수준의 내압한계를 가지면서도 내식성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 (이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예 일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.

Claims (13)

1. 금속 재질의 내부관의 외주면에 중간 수지층을 피복하는 단계;
   상기 수지층이 피복된 내부관을 외부관의 내부에 압입하는 단계;를
   포함하는 삼층구조 고압 연료파이프 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 내부관은 SUS 재질인 것을 특징으로 하는 삼층구조 고압 연료파이프 제조방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 외부관은 Al 재질인 것을 특징으로 하는 삼층구조 고압 연료파이프 제조방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 중간 수지층은 탄소섬유 강화플라스틱(CFRP)을 포함하는 것을 특징으로 하는 삼층구조 고압 연료파이프 제조방법.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 중간 수지층을 피복하는 단계는 복수개의 일방향 프리프레그 시트가 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 삼층구조 고압 연료파이프 제조방법.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 복수개의 일방향 프리프레그 시트 각각에 있어서, 탄소섬유의 배열방향은 상기 내부관의 길이방향에 수직인 것을 특징으로 하는 삼층구조 고압 연료파이프 제조방법.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 압입하는 단계는 열간 압입 공정에 의해 이루어 지는 것을 특징으로 하는 삼층구조 고압 연료파이프 제조방법.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 내부관, 중간 수지층, 외부관을 연통하여 연료를 유동시키기 위한 유동홀을 형성하는 단계를 더 포함하는 삼층구조 고압 연료파이프 제조방법.
   
9. 차량용 고압 연료파이프에 있어서,
   내부로부터 SUS재질의 내부관, CFRP층, Al재질의 외부관으로 이루어지고,
   상기 CFRP층은 복수개의 일방향 프리프레그 시트가 탄소섬유 배열방향이 상기 내부관의 길이방향에 수직하도록 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 삼층구조 고압 연료파이프.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 외부관의 외주면에는 인젝터 또는 체결볼트 장착을 위한 적어도 1개 이상의 브라켓부가 상기 외부관과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 삼층구조 고압 연료파이프.
    
11. 제 9항에 있어서,
    상기 차량용 삼층구조 고압 연료파이프는 한계 내압이 350 bar 이상인 것을 특징으로 하는 차량용 삼층구조 고압 연료파이프.
    
12. 제 10항에 있어서,
    상기 연료파이프는 상기 브라켓부, 내부관, CFRP층 및 외부관을 연통하여 상기 인젝터로 연료를 유동시키기 위한 유동홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 삼층구조 고압 연료파이프.
    
13. 제 10항에 있어서,
    상기 내부관, CFRP층 및 외부관은 비접합 방식으로 조립된 것을 특징으로 하는 차량용 삼층구조 고압 연료파이프.
    
    

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