KR20190034804A - 열박음 부재가 구비된 압력용기 - Google Patents

Abstract

열박음 부재가 구비된 압력용기가 개시된다. 개시된 열박음 부재가 구비된 압력용기는 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 한다.

Description

열박음 부재가 구비된 압력용기{Pressure vessel with a shrinkage fitting member}

본 발명은 열박음 부재가 구비된 압력용기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열박음 부재를 압력용기 몸체부의 외측 표면에 열박음하여 압력용기 내부의 압력을 지탱하도록 하는 한편, 열박음 부재의 폭이 내경보다 짧도록 하여 긴 압력용기 몸체에 용이하게 결합가능하도록 함과 동시에 열박음 부재 내측면의 가공 오차 또한 줄여 표면 밀착도를 높인 열박음 부재가 구비된 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 여러 형태의 압력용기가 사용된다.

수소를 저장하는 압력용기의 내부 압력은 1000 bar 정도의 매우 높은 고압 상태를 유지한다. 이러한 내부 압력을 지탱하기 위해 압력용기의 외측 표면에 와이어를 권취하는 방식이 사용되고 있다.

압력용기의 보강재로 사용되는 금속 와이어는 권취되는 와이어 사이의 공극을 줄여 압력용기에 균일한 압축응력을 제공하고자 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.

이 뿐 아니라 와이어는 부식에 취약하여 압력용기의 설치환경에 크게 영향을 받는 경향이 있다.

한편, 와이어를 압력용기에 권취하기 위해 용접 또는 납땜을 하게 되는데, 용접 부위와 납땜 부위의 강도가 약하여 와이어 권취를 위한 충분한 장력을 인가할 수 없다.

따라서 압력용기의 외측 표면에 균일한 압축응력을 제공하는 한편, 와이어 부식 문제와 와이어 단선으로 인한 안전문제를 해결할 수 있는 새로운 압력용기의 개발이 절실히 요청된다.

한국공개특허공보 2014-0141839호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하고자 제안된 것으로서, 압력용기의 외측 표면에 균일한 압축응력을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 압력용기의 와이어 부식문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 압력용기의 와이어 단선 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 내부에는 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 외경 보다 작은 내경으로 형성되며, 외측 표면을 둘러싸도록 결합되는 열박음 부재;를 포함하고, 상기 열박음 부재는 가열된 상태에서 상기 몸체부에 결합된 후 냉각되어, 상기 몸체부의 외측 표면을 압축함으로써 상기 몸체부의 내압을 지탱하는 것을 특징으로 하는, 열박음 부재가 구비된 압력용기를 제공한다.

또한 본 발명의 열박음 부재는 파이프(pipe) 형상으로 일체로 형성될 수 있다.

또한 본 발명의 열박음 부재는, 반원 형상으로 형성되고 양단에는 수평방향으로 절곡된 체결부가 구비된 제1 및 제2 열박음 부재; 및 상기 제1 열박음 부재의 체결부와 제2 열박음 부재의 체결부를 체결하는 체결수단;을 포함할 수 있다.

또한 본 발명은 상기 몸체부의 양단에 결합되며, 중앙에 중공부가 형성된 플랜지;를 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 상기 열박음 부재의 재질은 상기 몸체부의 재질 보다 강도가 높은 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 상기 몸체부의 재질은 니켈을 함유하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 상기 열박음 부재는 하나 이상 상기 몸체부의 외측 표면에 결합되며, 상기 열박음 부재의 폭은 열박음 부재의 내경 보다 짧은 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 압력용기는 압력용기의 외측 표면에 균일한 압축응력을 제공하는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 압력용기는 와이어 부식 및 단선으로 인한 안전문제를 해결하는 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 압력용기의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압력용기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압력용기의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열박음 부재의 분해도이다.

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 발명의 제1 실시예에 따른 압력용기의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압력용기의 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 열박음 부재(400)가 구비된 압력용기를 설명한다.

본 발명에 따른 압력용기는 몸체부(100), 한 쌍의 캡(200), 열박음 부재(400)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 열박음 부재(400)가 몸체부(100) 외부 표면 상에 결합된다.

몸체부(100)는 스틸(steel) 재질로 형성된다.

압력용기에 주입되는 수소 가스로 인해 압력용기 몸체부(100)에는 수소 취성이 나타난다. 이에 본 발명에서는 수소 취성을 완화하고자 몸체부(100)에 니켈(Ni)을 함유하도록 한다.

니켈(Ni)은 망간(Mn)과 유사하게 열처리과정에서 경화능을 향상시키고 인성을 높이는 효과가 있다. 니켈이 함유된 압력용기 몸체부(100)는 수소 취성을 완화하여 압력용기의 내구성을 향상시킬 수 있는 것이다.

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(210)이 형성된다.

캡(200)의 측면에는 나사산(220)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(300)는 캡(200)과 독립적으로 제작되어 몸체부(100)에 결합될 수도 있으나, 캡(200)에 일체형으로 제작됨으로써 체결편의성을 높일 수 있다.

플랜지(300)의 단면 형상은 원형 또는 다각형일 수 있다.

플랜지(300) 단면이 다각형으로 형성되는 경우에는 바닥에 배치될 경우 의도하지 않은 구름이동을 방지할 수 있다.

종래에는 압력용기 몸체부(100)의 외측 표면에 와이어를 권취함으로 인해 부식 및 단선 등이 문제가 되었다.

이에 본 발명에서는 압력용기 몸체부(100) 외측 표면에 열박음 부재(400)를 결합함으로써 종래의 문제를 해결하였다.

도 1 및 도 2에 도시된 제1 실시예에서는 열박음 부재(400)가 파이프(pipe) 형상으로 일체로 형성된다.

열박음 부재(400)의 내경은 몸체부(100)의 외경부다 작게 형성된다. 열박음 부재(400)를 몸체부(100)에 결합하기 위해, 우선 열박음 부재(400)를 소정 온도로 가열한 상태에서 몸체부(100)에 결합한 후 냉각하게 된다.

결과적으로 열박음 부재(400)는 몸체부(100)의 외측 표면을 압축하여 몸체부(100)의 내압을 지탱할 수 있고, 와이어와 달리 부식이나 단선의 문제 또한 발생하지 않게 된다.

열박음 부재(400)의 재질은 상기 몸체부(100)의 재질 보다 강도가 높은 재질로 선택된다. 몸체부(100) 내부에 고압 수소로 인해 몸체부(100)가 변형되더라도 몸체부(100) 보다 더 높은 강도의 열박음 부재(400)가 몸체부(100) 외측 표면을 안정적으로 지지함으로써 압력용기는 안정적으로 내압을 견딜 수 있는 것이다.

수소를 저장하는 압력용기는 통상적으로 3 내지 10 m 정도로 길이가 상당히 긴 편이다. 따라서 압력용기 몸체부(100)의 외측 표면을 충분히 감쌀 수 있도록 열박음 부재(400)를 상기 몸체부(100)의 길이에 상당하는 길이로 제작할 경우, 내경의 치수 정밀도가 문제될 수 있다. 부연 설명하면, 열박음 부재(400)의 길이가 길어짐에 따라 열박음 부재(400) 내경의 치수가 국부적으로 소정 공차를 벗어나게 가공될 수 있다. 이는 열박음으로 열박음 부재(400)를 압력용기 몸체부(100)에 체결할 때 체결 불량을 초래할 수 있는 것이다.

이에 본 발명에서는 열박음 부재(400)의 폭을 열박음 부재(400)의 내경 보다 짧은 길이로 제작하여 이러한 문제를 해결하였다. 이와 같이 짧은 길이의 열박음 부재(400)를 압력용기 몸체부(100)의 길이방향을 따라 연이어 결합한다.

열박음 부재(400)의 폭을 짧게 형성함으로써 내경의 치수 정밀도 문제가 해결될 뿐 아니라, 열박음 부재(400)를 압력용기 몸체부(100)에 삽입할 때 보다 용이하게 삽입이 가능하여 제작시간을 단축할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압력용기의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열박음 부재(400)의 분해도이다.

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

본 발명의 제2 실시예에서는 제1 실시예와는 달리, 열박음 부재(400)가 제1 및 제2 열박음 부재(400a, 400b), 체결수단(420)을 포함한다.

제1 및 제2 열박음 부재(400b)는 반원 형상으로 형성되고 양단에는 수평방향으로 절곡된 체결부(410)가 구비된다.

제2 실시예는 열박음 부재(400)를 압력용기 몸체부(100)에 보다 용이하게 체결하기 위해, 두 개의 분리된 부재로 형성한다.

제2 실시예에 의한 열박음 부재(400)를 압력용기 몸체부(100)에 체결하기 위해서는 제1 및 제2 열박음 부재(400a, 400b)를 가열한 상태로 몸체부(100) 외측 표면을 둘러싸도록 배치한 후, 체결수단(420)이 제1 및 제2 열박음 부재(400a, 400b)의 체결부(410)를 체결하도록 하여 냉각시킨다.

결과적으로 제1 및 제2 열박음 부재(400a, 400b)는 몸체부(100) 외측 표면을 균일하게 압축하게 된다. 이와 같은 제2 실시예에 의하면 긴 압력용기 몸체부(100)의 길이 방향을 따라 열박음 부재(400)를 이동시킬 필요없이 체결하고자 하는 몸체부(100)의 위치에 바로 체결을 할 수 있어, 체결 공정을 한층 간소화할 수 있다.

이 뿐 아니라, 제2 실시예에 의할 경우 열박음 부재(400)는 열박음에 의한 압축응력과 체결수단(420)에 의한 체결력을 동시에 압력용기 몸체부(100)에 부가할 수 있어 보다 향상된 체결력을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 열박음 부재(400)가 구비된 압력용기는 와이어 권선방식을 탈피하여 부식 또는 단선 등의 문제를 유발하지 않으면서, 압력용기 몸체부(100)를 안정적으로 지지할 수 있는 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
주입공 210 나사산 220
플랜지 300
열박음 부재 400
제1 열박음 부재 400a 제2 열박음 부재 400b
체결부 410 체결수단 420

Claims (7)

1. 가스를 저장하는 압력용기에 있어서,
   내부에는 중공부(110)가 형성되며, 길이 방향을 따라 동일한 두께로 형성된 실린더 형상의 몸체부(100);
   길이 방향을 따라 주입공(210)이 관통하여 형성되고 측면에는 나사산(220)이 형성되며, 상기 몸체부(100)의 양단에 결합되어 몸체부(100)를 밀폐시키는 한 쌍의 캡(200); 및
   상기 몸체부(100)의 외경 보다 작은 내경으로 형성되며, 외측 표면을 둘러싸도록 결합되는 열박음 부재(400);를 포함하고,
   상기 열박음 부재(400)는 가열된 상태에서 상기 몸체부(100)에 결합된 후 냉각되어, 상기 몸체부(100)의 외측 표면을 압축함으로써 상기 몸체부(100)의 내압을 지탱하는 것을 특징으로 하는, 열박음 부재(400)가 구비된 압력용기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열박음 부재(400)는 파이프(pipe) 형상으로 일체로 형성된 것을 특징으로 하는, 열박음 부재(400)가 구비된 압력용기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 열박음 부재(400)는,
   반원 형상으로 형성되고 양단에는 수평방향으로 절곡된 체결부(410)가 구비된 제1 및 제2 열박음 부재(400b); 및
   상기 제1 열박음 부재(400a)의 체결부(410)와 제2 열박음 부재(400b)의 체결부(410)를 체결하는 체결수단(420);을 포함하는 것을 특징으로 하는, 열박음 부재(400)가 구비된 압력용기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 몸체부(100)의 양단에 결합되며, 중앙에 중공부(110)가 형성된 플랜지(300);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열박음 부재(400)가 구비된 압력용기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 열박음 부재(400)의 재질은 상기 몸체부(100)의 재질 보다 강도가 높은 것을 특징으로 하는, 열박음 부재(400)가 구비된 압력용기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 몸체부(100)의 재질은 니켈을 함유하는 것을 특징으로 하는, 열박음 부재(400)가 구비된 압력용기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 열박음 부재(400)는 하나 이상 상기 몸체부(100)의 외측 표면에 결합되며, 상기 열박음 부재(400)의 폭은 열박음 부재(400)의 내경 보다 짧은 것을 특징으로 하는, 열박음 부재(400)가 구비된 압력용기.

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