KR20180126699A

KR20180126699A - 고압 가스 저장용 압력용기

Info

Publication number: KR20180126699A
Application number: KR1020170061415A
Authority: KR
Inventors: 김기영
Original assignee: 일성기계공업 주식회사
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2018-11-28
Also published as: JP6574508B2; US20180335179A1; JP2018194172A; KR102019225B1; US10436387B2; EP3404310A1; EP3404310B1

Abstract

가스 저장용 압력용기가 개시된다. 개시된 가스 저장용 압력용기 는 내부에는 중공부가 형성되며, 길이 방향을 따라 동일한 두께로 형성된 실린더 형상의 몸체부; 길이 방향을 따라 주입공이 관통하여 형성되고 측면에는 나사산이 형성되며, 상기 몸체부의 양단에 결합되어 몸체부를 밀폐시키는 한 쌍의 캡; 및 상기 몸체부의 외측 표면에 감겨져 상기 몸체부의 강도를 보강하는 금속 와이어;를 포함하고, 상기 캡의 일단에는 반경방향으로 플랜지가 형성되며, 상기 와이어의 일단은 상기 몸체부 외측 표면상에 납땜하여 고정되고, 상기 금속 와이어의 타단은 상기 몸체부에 감겨진 와이어에 납땜에 의해 고정되는 것을 특징으로 한다.

Description

고압 가스 저장용 압력용기{High Pressure vessel for storage of gas}

본 발명은 가스 저장용 압력용기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강도 보강용 와이어와 압력용기 몸체부를 스틸재로 형성하여 열응력 발생을 최소화하는 한편, 강도 보강용 와이어를 압력용기 몸체부 또는 플랜지에 납땜으로 고정하여 압력용기의 열화를 방지하고, 플랜지 일체형 캡을 몸체부 양단에 체결하여 금속 와이어 손상을 방지하는 가스 저장용 압력용기에 관한 것이다.

고압가스 저장용 압력용기의 개발은 지속적으로 발전하였으나, 산업화 이후 화석연료 이용 가속화에 따른 지구온난화 및 석유자원 고갈로 인해 신재생 에너지와 함께 환경문제를 해결하는 미래의 에너지 자원으로 수소가 주목 받고 있다.

수소를 에너지 자원으로 상용화하기 위해서는 수소충전소의 구축이 우선되어야 한다. 이를 위해 고압 압축기와 수소 저장용 압력용기의 개발이 요구된다.

수소 가스를 저장하는 압력용기에는 4가지 형태가 있으며, 일반적으로 지상에 저장하는 방법으로는 Type I, II를 사용하고 자동차용으로는 Type III, IV가 사용된다.

특히, Type II방식은 압력용기 몸체에 보강재로 유리섬유 또는 카본 섬유를 수지에 함침시켜 와인딩 하여 저장 압력을 높일 수 있어, 지상 설치용 압력용기로 선호되고 있다.

그리고 종래의 Type II방식의 압력용기는 금속 와이어를 압력용기 몸체부에 고정할 때 용접을 하는 관계로, 용접 중 압력용기에 가해지는 고온의 가열로 인해 압력용기를 열화시킨다. 이는 가스 유출 위험을 높이고 있다.

한편 고온 가열로 인한 압력용기의 열적 손상을 방지하기 위해 와이어를 압력용기 몸체부에 테이프로 고정하는 방법이 시도되었다. 그러나 이러한 방법은 테이프에 의한 고정력이 약하여 초기 와인딩 공정에서 충분한 장력을 부여할 수 없어, 신속한 와인딩 작업이 이뤄질 수 없는 단점이 있다.

이뿐 아니라, 압력용기의 보강재로 사용되는 금속 와이어는 권취되는 와이어 사이의 공극을 줄이기 위해 통상적으로 매우 가는 직경의 극세 금속 와이어가 사용된다.

그러나 압력용기에 권취된 극세 금속 와이어는 작업과정에서 손상을 입어 단선이 되는 경우가 종종 발생한다. 이는 결국 압력용기의 위험도를 높이는 결과를 가져온다.

따라서 제작공정 중 압력용기의 열적 손상을 방지하는 한편, 원활한 와이어의 권취를 보장하고, 권선된 와이어의 손상 또한 방지하는 압력용기의 개발이 절실히 요청된다.

한국공개특허공보 2014-0141839호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하고자 제안된 것으로서, 제작공정 중 불필요한 열적 손상을 방지하여 압력용기의 강도를 증가시키는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 압력용기의 몸체부에 권취된 금속 와이어의 손상을 방지하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 권취된 금속 와이어의 미끄럼을 방지하는 한편, 와이어를 안정적으로 지지하는 압력용기 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 내부에는 중공부가 형성되며, 길이 방향을 따라 동일한 두께로 형성된 실린더 형상의 몸체부; 길이 방향을 따라 주입공이 관통하여 형성되고 측면에는 나사산이 형성되며, 상기 몸체부의 양단에 결합되어 몸체부를 밀폐시키는 한 쌍의 캡; 상기 몸체부의 양단에 결합되며, 중앙에 중공부가 형성된 플랜지; 및 상기 몸체부의 외측 표면에 권취되어 상기 몸체부의 강도를 보강하는 금속 와이어;를 포함하고, 상기 금속 와이어의 일단은 상기 몸체부 외측 표면상에 납땜하여 고정되며, 상기 금속 와이어의 타단은 상기 몸체부에 권취된 금속 와이어에 납땜에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는, 가스 저장용 압력용기를 제공한다.

또한 본 발명은 내부에는 중공부가 형성되며, 길이 방향을 따라 동일한 두께로 형성된 실린더 형상의 몸체부; 길이 방향을 따라 주입공이 관통하여 형성되고 측면에는 나사산이 형성되며, 상기 몸체부의 양단에 결합되어 몸체부를 밀폐시키는 한 쌍의 캡; 상기 몸체부의 양단에 결합되며, 중앙에 중공부가 형성된 플랜지; 및 상기 몸체부의 외측 표면에 권취되어 상기 몸체부의 강도를 보강하는 금속 와이어;를 포함하고, 상기 캡의 일단에는 반경방향으로 플랜지가 형성되며, 상기 플랜지 상에는 복수의 관통공이 형성되고, 상기 금속 와이어의 일단은 상기 관통공을 경유하여 상기 플랜지의 외측면에 납땜하여 고정되며, 상기 금속 와이어의 타단은 상기 금속 와이어의 일단이 경유하지 않은 다른 관통공을 경유하여 상기 플랜지의 외측면에 납땜하여 고정되는 것을 특징으로 하는, 가스 저장용 압력용기를 제공한다.

또한 본 발명의 상기 몸체부와 상기 와이어는 스틸(Steel) 소재로 형성되어, 열응력 발생을 최소화하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 상기 와이어의 직경은 0.005mm ~ 2.5mm 범위인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 상기 플랜지의 중심으로부터 플랜지 최외곽까지의 거리는 권취되어 적층된 금속 와이어의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 상기 플랜지의 단면 형상은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 가스 저장용 압력용기는 제작공정 중 열적 손상을 방지하여 압력용기의 강도를 증가시키는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 가스 저장용 압력용기는 권취된 와이어의 손상을 방지하는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 가스 저장용 압력용기는 권취된 와이어의 미끄럼을 방지하는 한편, 와이어를 안정적으로 지지하는 효과가 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 저장용 압력용기의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 저장용 압력용기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 저장용 압력용기의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 저장용 압력용기의 단면도이다.

이하, 본 문서의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.

또한, 본 문서에서 사용된 "제1," "제2," 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, '제1 부분'과 '제2 부분'은 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 부분을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 문서에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.

또한, 본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.

도 1은 본 발명에 따른 가스 저장용 압력용기의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 저장용 압력용기의 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 저장용 압력용기를 설명한다.

본 발명에 따른 압력용기는 몸체부(100), 한 쌍의 캡(200), 와이어(300)를 포함한다.

몸체부(100)는 가스가 저장되는 공간을 형성한다.

몸체부(100) 내부에는 중공부(110)가 형성되고, 길이 방향을 따라 동일한 두께로 형성되어 실린더 형상을 이룬다.

몸체부(100)는 중공부(110)에 저장되는 고압 가스에 의해 압력을 받게 된다. 저장된 고압 수소에 의해 몸체부(100)에 가해지는 후프 스트레스(Hoop stress)를 지지하기 위해 후술하게 될 와이어(300)가 몸체부(100) 외부 표면 상에 권취된다.

몸체부(100)는 스틸(steel) 재질로 형성된다.

한 쌍의 캡(200)은 몸체부(100)를 밀폐시킨다.

캡(200)은 몸체부(100)의 양단에 결합된다.

캡(200)의 일단의 중앙에는 가스 주입을 위한 주입공(230)이 형성된다.

캡(200)의 측면에는 나사산(240)이 형성된다.

종래의 압력용기는 압력용기 양단의 개구부가 좁게 형성되어 있어 내부를 유지.보수하기가 곤란하였다.

특히, 압력용기에 수소가 주입되는 경우에는 수소가 몸체부(100)에 수소 취성을 일으켜 수소 누출의 위험이 상존하는 관계로 주기적인 검사가 요구된다.

이에 본 발명에서는 압력용기의 몸체부(100)에 나사방식으로 체결되는 캡(200) 구조를 채택함으로써, 유지.보수를 위한 충분한 개구 공간을 확보함과 동시에 장탈착 또한 용이하도록 하여, 유지.보수의 편의성을 높였다.

이뿐 아니라, 종래의 압력용기는 단부가 돔(Dome) 형상으로 이루어져, 열간 인발을 위한 대형 전용 장비가 요구되었다.

그러나 본 발명에 따른 압력용기는 양단이 캡(200)으로 밀폐되는 구조로 형성되어, 일반적인 공작기계로도 가공이 가능하여 제작 편의성 또한 향상된다.

플랜지(210)는 캡(200)과 독립적으로 제작되어 몸체부(100)에 결합될 수도 있으나, 캡(200)에 일체형으로 제작됨으로써 체결편의성을 높이고, 와이어(300)의 권취면적을 증가시킬 수 있다.

플랜지(210)는 몸체부(100)의 외부 표면에 권취될 와이어(300)가 적층구조를 유지하도록 하기 위해 와이어(300)의 측면을 지지한다.

따라서 캡(200)의 중심으로부터 플랜지(210) 최외곽까지의 거리는 권취되어 적층된 와이어(300)의 두께보다 두껍게 형성된다.

이와 같이 플랜지(210)의 최외각은 권취되어 적층된 금속 와이어(300)의 두께보다 두껍게 형성됨으로써, 매우 가는 금속 와이어(300)가 지면과 접촉하거나 외부 물체와의 충돌로 인해 손상되는 것을 방지할 수 있는 것이다.

플랜지(210)의 단면 형상은 원형 또는 다각형일 수 있다.

플랜지(210) 단면이 다각형으로 형성되는 경우에는 바닥에 배치되더라도 의도하지 않은 구름이동을 방지할 수 있다.

도 2(a)는 몸체부(100)의 표면에 와이어(300)를 처음 한층을 감은 상태를 도시한 도면이고, 도 2(b)는 몸체부(100)의 표면에 와이어(300)의 권취가 완료된 상태를 도시한 도면이다.

종래에는 와이어를 몸체부에 용접하게 되면, 용접봉과 몸체부가 고온에 노출되면서 용접봉과 몸체부가 동시에 녹으면서 용접이 이뤄진다. 이 때 몸체부의 용접부위는 열적 손상을 받게 되어 강도상 취약해진다.

이에 본 발명에서는 와이어(300)를 몸체부(100)에 고정하기 위해 납땜(400)을 한다. 와이어(300)의 일단을 몸체부(100) 표면 상에 납땜(400)을 하게 되면, 납은 몸체부(100)의 재질보다 융점이 매우 낮아 몸체부(100)는 녹지 않고 납만이 용해되어 납땜(400)이 이뤄진다. 납땜에 사용되는 납땜용 납의 용융점은 섭씨400도 이하로 매우 낮아, 몸체부(100)에 가해지는 열적 손상을 최소화할 수 있다.

또한 금속 와이어(300)는 극세사이므로 납땜(400)으로 고정되는 경우 권취를 위한 충분한 장력의 제공이 가능하다. 따라서 초기부터 신속한 권취가 가능한 것이다.

와이어(300)의 타단은 몸체부(100)에 권취된 와이어(300)에 납땜(400)에 의해 고정된다. 즉 와이어(300)의 양단은 모두 납땜(400)에 위해 고정되는 것이다.

와이어(300)는 몸체부(100)의 외측 표면에 권취되어 몸체부(100)의 강도를 보강한다.

직경이 굵은 금속 와이어(300)를 몸체부(100)에 감게 되면 와이어(300) 사이의 공극이 커져 내압을 충분히 지지할 수 없다. 이뿐 아니라 굵은 금속 와이어(300)는 권취시에 상대적으로 큰 동력이 소요된다. 따라서 가는 직경의 금속 와이어(300)를 권취하는 것이 와이어(300) 사이의 공극을 감시소키는 측면과 권취 동력 측면에서 유리하다.

금속 와이어(300)의 직경은 0.005mm ~ 2.5mm 범위로 제작하는 것이 바람직하다.

와이어(300)의 재질은 스틸 소재로 형성된다. 와이어를 스틸 소재로 형성함으로써 카본 파이버로 제작하는 것에 비하여 제작비용을 절감할 수 있다.

압력용기에 저장되는 가스는 압축시 상당한 열이 발생하므로, 몸체부(100)와 와이어(300)의 재질을 상이한 재질로 형성할 경우 열팽창률의 차이로 인해 열응력(Thermal stress)이 발생한다. 따라서 열응력을 최소화하기 위해 몸체부(100)와 와이어(300)의 재질을 스틸재로 형성하는 것이다. 이는 결과적으로 압력용기의 수명향상에 기여하게 된다.

한편 종래에는 권취된 와이어 표면에 수지를 도포하여 와이어를 고정하였다. 그러나 수지는 시간에 경과에 따라 물성이 변하여 압력용기의 구조적 안정성을 떨어뜨리는 측면이 있다.

이에 본 발명에서는 스틸 소재의 와이어만을 권취하고 와이어 양단을 납땜하여 이러한 문제를 해소하였다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 저장용 압력용기의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 저장용 압력용기의 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다. 제2 실시예를 설명함에 있어서 모든 구성을 설명하지 않고, 제1 실시예와 상이한 부분을 주안점으로 하여 설명하도록 한다.

도 4(a)는 몸체부(100)의 표면에 와이어(300)를 처음 한층을 감은 상태를 도시한 도면이고, 도 4(b)는 몸체부(100)의 표면에 금속 와이어(300)의 권취가 완료된 상태를 도시한 도면이다.

본 발명의 제2 실시예에서는 제1 실시예와는 달리 와이어(300)의 일단을 몸체부(100) 표면 상에 납땜(400)을 하지 않고, 플랜지(210)에 형성된 관통공(220)을 경유하여 플랜지(210)의 외측면 상에 납땜을 한다.

이는 납땜으로 인해 몸체부가 받게될 열적 손상을 방지하고, 후프 스트레스와 무관한 플랜지(210)의 외측면에 납땜을 하도록 한 것이다.

와이어의 일단뿐만 아니라 와이어의 타단도 적층된 와이어 상에 납땜하지 않고, 플랜지(210)에 형성된 관통공(220)을 경유하여 납땜하였다.

결과적으로 플랜지(210)는 와이어를 고정하는 받침대역할과 함께 와이어 측면을 지지하는 지지대의 역할을 겸하는 것이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

가스 저장용 압력용기 10
몸체부 100
중공부 110
캡 200
플랜지 210
관통공 220
주입공 230
나사산 240
와이어 300
납땜 400

Claims

가스를 저장하는 압력용기에 있어서,
내부에는 중공부가 형성되며, 길이 방향을 따라 동일한 두께로 형성된 실린더 형상의 몸체부;
길이 방향을 따라 주입공이 관통하여 형성되고 측면에는 나사산이 형성되며, 상기 몸체부의 양단에 결합되어 몸체부를 밀폐시키는 한 쌍의 캡;
상기 몸체부의 양단에 결합되며, 중앙에 중공부가 형성된 플랜지; 및
상기 몸체부의 외측 표면에 권취되어 상기 몸체부의 강도를 보강하는 금속 와이어;를 포함하고,
상기 와이어의 일단은 상기 몸체부 외측 표면상에 납땜하여 고정되며, 상기 와이어의 타단은 상기 몸체부에 권취된 와이어에 납땜에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는, 가스 저장용 압력용기.
가스를 저장하는 압력용기에 있어서,
내부에는 중공부가 형성되며, 길이 방향을 따라 동일한 두께로 형성된 실린더 형상의 몸체부;
길이 방향을 따라 주입공이 관통하여 형성되고 측면에는 나사산이 형성되며, 상기 몸체부의 양단에 결합되어 몸체부를 밀폐시키는 한 쌍의 캡;
상기 몸체부의 양단에 결합되며, 중앙에 중공부가 형성된 플랜지; 및
상기 몸체부의 외측 표면에 권취되어 상기 몸체부의 강도를 보강하는 금속 와이어;를 포함하고,
상기 플랜지 상에는 복수의 관통공이 형성되고,
상기 와이어의 일단은 상기 관통공을 경유하여 상기 플랜지의 외측면에 납땜하여 고정되며, 상기 금속 와이어의 타단은 상기 금속 와이어의 일단이 경유하지 않은 다른 관통공을 경유하여 상기 플랜지의 외측면에 납땜하여 고정되는 것을 특징으로 하는, 가스 저장용 압력용기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 몸체부와 상기 와이어는 스틸(Steel) 소재로 형성되어, 열응력 발생을 최소화하는 것을 특징으로 하는, 가스 저장용 압력용기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 금속 와이어의 직경은 0.005mm ~ 2.5mm 범위인 것을 특징으로 하는, 가스 저장용 압력용기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 캡의 중심으로부터 플랜지 최외곽까지의 거리는 권취되어 적층된 와이어의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는, 가스 저장용 압력용기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 플랜지의 단면 형상은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는, 가스 저장용 압력용기.