KR20190057482A - 곡면 형상 라이너를 포함하는 고압용기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압용기에 관한 것으로서, 라이너와 상기 라이너 외주면을 보강하기 위한 복합재층을 포함하는 고압용기에 있어서, 상기 고압용기는 상기 고압용기의 축 방향을 따라 형성되는 실린더부; 및 상기 실린더부의 양단에 체결되어 상기 고압용기를 형성하는 돔부;를 포함하고, 상기 실린더부에 구비된 상기 라이너의 직경이 상기 축 방향을 따라 상이하게 형성된 고압용기에 관한 발명이다.

Description

곡면 형상 라이너를 포함하는 고압용기 {High-pressure tank having curved-shaped liner}

본 발명은 연료전지 시스템에 탑재될 수 있는 고압용기, 상세하게는 고압용기를 형성하는 라이너 및 라이너 외주면에 와인딩될 수 있는 복합재층 중 라이너의 형상과 상기 라이너의 영역에 따라 와인딩될 수 있는 복합재 층의 종류에 관한 것이다.

일반적으로, 연료 전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급 시스템, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급 시스템, 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.

상기 연료 공급 시스템, 즉 수소 공급계에 구비되는 수소 탱크에는 700bar 정도의 고압 압축 수소가 저장되어 있으며, 이 저장된 압축 수소는 수소 탱크 입구부에 장착된 고압 조절기의 온/오프(on/off)에 따라 고압 라인으로 방출된 후, 시동 밸브와 수소 공급 밸브를 거치면서 감압되어 연료전지 스택으로 공급된다.

이 때, 고압의 가스가 연료(수소)로서 사용되며, 따라서 가스를 필요에 따라 저장, 배출하기 위하여 가스의 저장 용기가 필요하다. 특히 가스는 용기 내 저장 밀도가 낮기 때문에 고압으로 저장하는 것이 효율적이며 다만 고압으로 인한 폭발의 위험에 노출된다는 단점을 가진다. 특히 대체연료가스 차량은 그 저장 용기의 탑재 공간이 한정되어 있기 때문에 저장 압력을 고압으로 유지하면서도 안전성을 확보하는 것이 기술의 핵심이다.

따라서 이러한 연료가스 저장용기 중 복합재 용기의 경우, 수소 가스의 높은 내압을 견디기 위해 비강도 및 비강성이 높은 섬유강화 복합재료로 외피가 보강되어야 하며, 내부에는 가스의 기밀성을 유지하는 라이너가 삽입된다. 상세하게는 양 단에 2개의 반구 형태를 가지는 라이너가 접합 되어 하나의 저장 용기를 구성할 수 있다.

또한, 가스, 특히 수소의 저장 용기는 라이너의 재질에 따라 형태가 나뉘며, 알루미늄과 같은 금속재질의 라이너가 삽입된 용기를 타입 3, 고밀도 폴리머가 삽입된 용기를 타입 4라 구분한다. 타입 3는 상대적으로 안정적이지만 고가이며 내피로특성이 떨어지는 단점이 있으나, 타입 4 용기는 상대적으로 저렴하고 내피로특성이 우수하지만 수소의 누출 및 내투과성능이 떨어지는 등 안정성의 문제가 있다.

특히, 고압용기의 중앙에 형성되는 원통 형상의 실린더부에는 원주 방향을 따라 높은 응력(stress)가 발생하므로, 고압용기의 실린더부를 와인딩하여 응력을 견디는 복합재층의 구조와, 응력을 견디면서도 무게를 경량화시키는 것에 대한 기술 필요성이 존재하고 있다.

미국 공개 특허 US 2002-0088806호 일본 등록 특허 JP 2004-176898호

종래의 고압용기의 경우, 고압용기의 양단에 형성되는 보스부 주위의 라이너 외부로는 복합재가 저각으로 와인딩되어 헬리컬층이 형성되고, 고압용기의 중앙부에 형성되는 실린더부의 라이너 외부로는 복합재가 고각으로 와인딩되는 후프층이 형성되었었다. 그러나 이 경우, 후프층과 헬리컬층의 경계에서 기공이 발생할 수 있다. 나아가, 고압용기에 가해지는 다양한 방향의 응력에 대하여 고압용기의 내구성이 일정하게 보장되기 어려웠었다. 따라서, 본 발명에서는 고압용기의 실린더부에 형성되는 라이너의 직경을 상이하게 설정하여, 바람직하게는 실린더부의 중앙의 라이너 직경이 가장 작게 형성되어, 즉 실린더부가 땅콩 형상, 또는 모래 시계 형상과 같이 상기 실린더부의 중앙이 가장 오목하게 형성되고, 실린더부의 양 끝단을 연결한 가상의 직선과 오목하게 형성된 실린더부의 라이너 사이에 후프층이 와인딩되어 채워짐에 따라, 복합재층의 무게를 경량화 하면서도, 응력에 대한 내구성을 증가시킬수 있는 구조를 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일 실시예로서, 라이너와 상기 라이너 외주면을 보강하기 위한 복합재층을 포함하는 고압용기에 있어서, 상기 고압용기는 상기 고압용기의 축 방향을 따라 형성되는 실린더부; 및 상기 실린더부의 양단에 체결되어 상기 고압용기를 형성하는 돔부;를 포함하고, 상기 실린더부에 구비된 상기 라이너의 직경이 상기 축 방향을 따라 상이하게 형성된 고압용기를 제공한다.

또한, 상기 실린더부에 구비된 상기 라이너의 상이한 상기 직경 중 상기 실린더부 중앙의 상기 라이너 직경이 가장 작은 고압용기를 제공한다.

또한, 상기 라이너 외주면에 복합재층이 와인딩되는 고압용기를 제공한다.

또한, 상기 복합재층은 후프층과 헬리컬층을 포함하는 고압용기를 제공한다.

또한, 상기 실린더부에 형성되는 상기 라이너의 외주면에는 상기 후프층이 적층되고, 상기 후프층이 적층됨에 따라 상기 실린더부의 직경이 상기 축 방향을 따라 일정해지는 고압용기를 제공한다.

또한, 상기 라이너로부터 가장 가까이 형성되는 복합재층은 후프층인 고압용기를 제공한다.

또한, 상기 복합재층은 상기 후프층과 상기 헬리컬층이 번갈아 적층되어 형성되는 고압용기를 제공한다.

또한, 상기 후프층은 상기 실린더부에만 형성되는 고압용기를 제공한다.

또한, 상기 후프층의 두께는 상기 실린더부의 중앙에서 가장 두꺼운 고압용기를 제공한다.

또한, 상기 후프층의 두께는 상기 실린더부의 양 끝단에서 가장 얇은 고압용기를 제공한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 고압용기의 실린더부에 작용하는 응력이 감소할 수 있다. 따라서 동일 안전 기준에 대하여, 고압용기의 실린더부는 더 큰 안전 마진 값을 확보할 수 있으며, 응력에 대하여 더욱 견고해질 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 동일한 양의 복합재를 사용하더라도, 고압용기의 실린더부에서 견딜 수 있는 최대 응력이 증가하므로, 사용된 물량 대비 탱크의 성능 효율이 증가할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 후프층과 헬리컬층이 와인딩되는 경계면, 즉 후프층의 끝단에 단차가 생기지 않으므로, 와인딩시 발생할 수 있는 기공(틈새)의 형성을 원천적으로 방지할 수 있다.

도 1은 고압용기를 이루는 부품 및 결합관계를 나타낸 도면이다.
도 2는 실린더부, 돔부 및 변환점을 포함하는 고압용기를 도시한 도면이다.
도 3은 고압용기의 일반적인 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이너의 형상을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 곡면 형상을 포함하는 라이너 및 라이너 외주면의 복합재층을 포함한 고압용기를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 도 5에서 'A' 영역을 확대한 도면을 포함한 도면이다.
도 7은 일반적인 고압용기의 응력 분포를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 고압용기의 응력 분포를 나타낸 그래프이다.
도 9는 동일 지점에서 본 발명과 일반적인 고압용기의 효율을 비교하여 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

차량에 탑재되는 연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급 장치, 연료 전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기 공급 장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 냉각 시스템 등으로 구성된다.

연료 전지 시스템의 연료 공급계에는 연료가 탑재된 고압용기가 연료 저장 탱크로서 존재할 수 있다. 고압용기에서는 바람직하게는 수소를 연료로써 탑재 및 사용하며 700bar 정도의 고압 수소 가스가 용기 내부에 저장될 수 있다.

따라서 고압용기의 내부에서는 연료 또는 수소에 의한 고압 상태가 지속될 수 있으며 상기 가스가 고압용기를 가압할 수 있다. 특히, 고압용기의 일 지점에 리크가 발생하거나 파단이 생기는 경우 내부의 고압이 일 지점에 집중되어 고압용기의 파손 및 그에 따른 폭발 등을 유발할 수 있으므로 고압용기의 내구성 및 안정성은 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템이 탑재될 수 있는 차량에 있어 매우 중요한 요소이다.

이와 관련하여, 고압용기 내부에서 고압의 연료, 바람직하게는 수소를 안정적으로 저장하기 위하여, 라이너, 상세하게는 플라스틱 재질의 라이너와 상기 라이너의 일단에 연료가 주입되거나 배출될 수 있는 노즐을 포함하는 보스부(30)를 포함하여 고압용기가 형성될 수 있다. 나아가, 상기 라이너와 보스부(30)가 결합된 구조체 외부를 탄소 섬유 복합재로 와인딩하여 복합재층을 형성하는 타입 4 형태의 고압용기를 사용하는 것이 근래의 추세이다.

이하 본 명세서에서는, 도 1에 'X'로 표시된 점선을 '고압용기의 축' 또는 '고압용기의 중심축'이라고 명명하여 본 발명의 일 실시예들을 설명한다. 즉, 도면 상의 'X'선은 고압용기의 축 방향을 따라 도시된 선이며, 이하에서 고압용기의 축은 'X'로 표시된 선을 의미할 수 있다.

도 1 및 도 2는 일반적인 고압용기의 구조에 대하여 도시하고 있다. 도 1에 따르면, 고압용기는 최내측에 구비되는 라이너(10) 및 라이너(10) 일단에 체결될 수 있는 보스부(30) 및 라이너(10) 외주면에 와인딩될 수 있는 복합재층(20)을 포함하여 구성될 수 있다. 고압용기의 라이너(10) 외주면에 와인딩되는 복합재층(20)을 이루는 구성을 상세히 살펴보면, 복합재층(20)은 헬리컬층(23), 튜브 헬리컬층 및 후프층(21)을 포함하여 구성될 수 있다. 라이너(10) 외주면에 와인딩되는 이러한 복합재층(20)은 리본 형태의 복합재를 여러번 권취함으로써 형성될 수 있다.

복합재는 리본 형태로 형성될 수 있는 일정 폭을 가지는 연속적인 섬유로써, 와인딩 이전에 미리 준비될 수 있으며, 권취 장치에 의해 정해진 각도로 라이너(10) 외주면에 와인딩될 수 있다. 상세하게는, 미리 사출된 라이너를 고정시킨 상태에서, 권취 장치가 이동하여, 라이너에 대하여 일정각도를 형성한 후, 일정 폭을 가지는 연속적인 복합재 섬유가 라이너(10) 외주면에 일정 장력을 가지면서 와인딩되어 복합재층(20)을 형성할 수 있다. 즉, 복합재가 여러겹 와인딩되어 적층됨에 따라 복합재층(20)을 형성할 수 있으며, 라이너(10) 외주면에 와인딩되는 첫 층은 라이너(10) 외주면에 맞닿아 형성될 수 있다.

이 때, 와인딩되는 각도에 의해 헬리컬층(23), 튜브 헬리컬층 및 후프층(21)이 구별될 수 있다. 상세하게는 헬리컬층(23), 튜브 헬리컬층 및 후프층(21)은 고압용기의 중심축(X선)에 대하여 저각(바람직하게는 5도 내지 44도)으로 감기는 헬리컬층(23), 중각(바람직하게는 45도 내지 87도)으로 감기는 튜브 헬리컬층 및 고각으로 감기는 후프층(21)을 의미하는 것으로서, 고압용기, 상세하게는 라이너(10) 외주면에서 고압용기 축(X)을 기준으로 리본 형태의 복합재가 감기는 각도에 따라 구별될 수 있다.

나아가, 본 발명에서는 설명의 편의를 위해, 후프층(21)과 헬리컬층(23) 사이의 계면, 즉 최외곽 후프층(21)과 최내측 헬리컬층(23)이 만나는 계면이 단면도에서 나타내는 선을 후프층 라인(22)이라 명명할 수 있으며, 최외곽 헬리컬층(23)이 단면도에서 나타내는 선을 헬리컬층 라인(24)이라 명명할 수 있다.

또한, 도 2를 참고하면, 고압용기는 돔부(100)와 실린더부(200)를 포함하여 이루어질 수 있으며, 돔부(100)와 실린더부(200)가 만나는 지점, 즉 전환되는 지점에 변환점(300)이 존재할 수 있다. 일반적으로 실린더부(200)는 고압용기의 중앙에서 원통형 형상으로 연장되는 영역을 지칭할 수 있고, 돔부(100)는 반구형 형상으로 실린더부(200) 양측 단부에 체결된 영역을 지칭할 수 있다. 즉, 축 방향(X)을 따라 연장되어 형성될 수 있는 부분이 실린더부(200)이며, 일정 곡률을 가지며 반구형으로 형성되어 실린더부(200) 양단에 체결될 수 있는 부분이 돔부(100)이다. 통상의 기술에 의하면, 고압용기의 실린더부(200)는 원통형으로 형성될 수 있으므로, 고압용기의 실린더부(200)는 실린더부(200)의 직경에 대하여만 곡률을 가질 뿐, 고압용기의 축 방향(X)을 따라서는 곡률을 가지지 않는 형태일 수 있다.

한편, 고압용기의 변환점(300)은 실린더부(200)와 돔부(100)가 접하는 지점으로서, 일반적으로 고압용기가 축 방향(X)을 따라서 곡률을 가지기 시작하는 지점일 수 있다. 상세하게는, 고압용기가 축 방향(X)을 따라서 한점으로 모이는 곡률을 가지기 시작하는 부분이 변환점(300)이 될 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예에서는 실린더부(200), 상세하게는 실린더부(200)의 라이너(10)가 고압용기의 축 방향(X)을 따라서 곡률을 가질 수 있으므로, 이하 본 발명에서의 '변환점(300)'은 '고압용기의 축 방향(X)을 따라서, 한점으로 모이는 곡률을 가지기 시작하는 지점'을 의미할 수 있다.

한편, 도 1과 도 2는 동일한 고압용기인 바, 고압용기는 조립되는 부품에 따라 보스부(30), 라이너(10) 및 복합재층(20)으로 구별하거나 그 형상에 의거하여 실린더부(200), 돔부(100) 및 변환점(300)으로 구별할 수 있다. 이하, 본 발명에서도 이와 동일한 개념에 입각하여 '라이너(10)', '복합재층(20)', '실린더부(200)' 및 '돔부(100)'의 용어를 채택하여 발명의 일 실시예들을 설명할 수 있다.

일반적으로, 고압용기에는 그 내부에 고압의 연료, 바람직하게는 가스가 채워지므로, 고압용기는 방사 방향으로 응력을 받게된다. 따라서, 라이너(10)의 각지점은 고압용기의 중심점으로부터 방사 방향으로 가해지는 힘을 받게되며, 고압용기의 돔부(100)에서는 복합재를 고압용기의 축 방향(X)에 대하여 저각으로 와인딩하는 것이 방사 방향의 힘에 가장 잘 견딜 수 있는 구조라는 것을 알 수 있다.

마찬가지로, 고압용기의 실린더부(200)에서는 고압용기 중심점으로부터 방사 방향 즉,실린더부(200)의 원주 방향을 따라 내부의 압력이 가해질 수 있다. 그러므로 고압용기의 축 방향(X)에 수직인 방향으로 일정 폭을 가지는 복합재를 와인딩하는 것이, 라이너(10) 및 고압용기에 가해지는 압력에 가장 잘 견딜 수 있는 구조라는 것을 알 수 있다.

다만, 재료 역학적으로 보면, 고압용기의 실린더부(200)의 원주 방향, 즉 고압용기 축 방향(X)의 수직 방향으로의 응력은, 고압용기의 축 방향(X)으로 가해지는 응력에 비해 두 배 이상의 크기일 수 있다. 따라서, 실린더부(200)에서는 고압용기의 축 방향(X)에 수직에 가깝게 와인딩되는 후프층(21)이 실린더부(200)에서의 고압용기 원주 방향으로의 응력 저감을 담당하게 된다. 즉, 돔부(100)보다는 실린더부(200)에 고압용기의 응력이 크게 작용하며, 특히 실린더부(200)의 원주 방향으로 응력이 집중적으로 작용하므로, 후프층(21)은 고압용기의 실린더부(200)에만 와인딩 될 수 있다. 다만, 원칙적으로는 후프층(21), 튜브 헬리컬층 및 헬리컬층(23)이 라이너(10) 전체에 걸쳐 와인딩 될 수 있으며, 서로 다른 종류의 층이 번갈아가며 적층될 수 도 있다.

도 3은 고압용기 분야에서 일반적으로 채택될 수 있는 라이너(10)의 구조 및 상기 라이너(10)에 와인딩된 복합재의 구조를 도시하고 있다. 도 3은 전술한대로, 후프층(21)이 고압용기의 실린더부(200)에만 와인딩된 상태를 도시한 도면이다. 도 3의 'A' 부분을 확대한 도면을 참고하면, 도 3의 'A' 부분에서는 실린더부(200)의 라이너(10) 직경이 일정하게 형성된 상태에서, 실린더부(200) 라이너(10)의 외주면에 후프층(21)이 적층되는 경우, 후프층(21)과 헬리컬층(23) 사이의 경계면, 즉 후프층 라인(22)에서 단차가 발생할 수 있다. 즉, 도 3의 단차 발생 영역(B)에서 후프층과 헬리컬층이 밀착되지 않을 수 있다.

이러한 현상은 후프층(21)이 실린더부(200)에만 와인딩되고, 후프층(21)과 헬리컬층(23)이 서로 다른 각도로 와인딩됨에 따라 나타날 수 있다. 다만, 단차가 발생하는 경우, 고압용기의 응력을 균등하게 견디기 부적합하며, 제작 시 불량률이 현저히 증가하는 바, 이러한 문제에 대한 해결 필요성이 꾸준히 제기되고있다.

따라서, 본 발명에서는 실린더부(200)에만 후프층(21)을 와인딩하면서도, 후프층(21)과 헬리컬층(23) 사이에서 단차가 발생하지 않도록 실린더부(200)에 구비된 라이너(10)의 직경이 축 방향(X)을 따라 상이하게 형성하고자 하며, 즉, 실린더부(200)의 라이너(10)가 축 방향(X)을 따라 곡률을 가지도록 형성하고자 하며, 이하에서는 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 일 실시예로서 곡면 형상 라이너(10)를 포함하는 고압용기의 구조에 대하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이너(10)의 형상을 도시한 도면이다. 본 발명에서의 라이너(10)는 땅콩 형상, 또는 모래 시계 형상을 가질 수 있다. 즉 반구형태의 양단 돔부(100)와 중앙에 내측으로 오목하게 형성된 절구 형태의 실린더부(200)를 포함하여 하나의 라이너(10)가 형성될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 라이너(10)는 실린더부(200)에 구비된 라이너(10)의 직경이 라이너(10)의 축 방향(X)을 따라 서로 상이하게 형성될 수 있다.

바람직한 일 실시예에 따르면, 본 발명에서의 실린더부(200) 라이너(10)의 직경은 고압용기의 중앙에서 가장 작을 수 있다. 즉, 고압용기의 중앙 부분에서 라이너(10) 내측으로 가장 오목해지도록 라이너(10)를 형성할 수 있다. 나아가, 라이너(10)는 고압용기의 축 방향(X) 또는 축 방향(X)에 수직한 축에 대하여 좌우 대칭의 형상을 가질 수 있다. 즉, 라이너(10)의 단면도에서 라이너(10) 형상은 X축 또는 X축에 수직한 축에 대하여 모두 대칭을 이룰 수 있다.

한편, 도 5는 본 발명의 일 실시예를 도시한 도면으로서, 곡면 형상 라이너(10) 외주면에 복합재가 와인딩되어 복합재층(20)이 형성된 상태를 도시한 도면이다. 도 5에 따르면, 후프층(21)은 실린더부(200)의 라이너(10)에만 와인딩 될 수 있으며, 바람직하게는 실린더부(200)의 라이너(10)의 직경이 상이하게 형성되므로, 실린더부(200) 라이너(10)의 오목한 영역에 더 많은 양의 복합재가 적층되어 후프층(21)이 와인딩될 수 있다.

도 5의 일 실시예에 따르면, 고압용기의 중앙 부분에서 라이너(10) 내측으로 라이너(10)가 가장 오목하게 형성되므로, 라이너(10) 외주면에 와인딩되는 후프층(21)의 두께는 고압용기의 중앙부, 바람직하게는 실린더부(200)의 중앙에서 가장 두껍게 형성될 수 있다. 이와 동시에, 도 5의 일 실시예에 따르면, 라이너(10) 외주면에 와인딩되는 후프층(21)의 두께는 고압용기의 실린더부(200) 끝단, 즉 변환점(300)에서 적층된 후프층(21)의 두께가 가장 얇게 형성될 수 있다.

도 6은 도 5의 'A' 영역을 확대한 도면으로서, 라이너(10)와 후프층(21) 및 헬리컬 층간의 적층 관계를 도시하고 있다, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 라이너(10) 외주면의 일부인 실린더부(200)의 라이너(10)에만 후프층(21)이 적층될 수 있다. 더욱 바람직한 일 실시예에 따르면, 후프층(21)은 실린더부(200)의 라이너(10)의 오목한 영역에 더 많이 와인딩되어, 후프층(21)이 와인딩된 실린더부(200)는 일정한 직경의 원통형 형상을 이룰 수 있다. 즉, 실린더부(200)의 라이너(10) 외주면에 와인딩되는 후프층(21)은 라이너(10)가 라이너(10) 내측으로 오목하게 형성된 정도에 따라 와인딩되는 복합재의 양을 조절할 수 있으며, 그에 따라 후프층(21)이 와인딩 완료된 이후의 고압용기는 실린더부(200)의 외부 직경이 일정하게 형성될 수 있다.

다시 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 라이너(10) 외주면에 바로 맞닿아 와인딩되는 복합재층(20)의 종류는 바람직하게는 후프층(21)일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 라이너(10) 외주면에 후프층(21)이 형성되고 후프층(21) 외주면을 둘러쌓아 헬리컬층(23)이 와인딩될 수 있다.

나아가, 또 다른 일 실시예에 따르면, 라이너(10) 외주면에 와인딩되는 복합재층(20)은 후프층(21)과 헬리컬층(23)이 번갈아 적층될 수 있다. 바람직하게는, 후프층(21)과 헬리컬층(23)이 번갈아 적층되는 경우, 라이너(10)에 맞닿는 복합재층(20)의 최내층은 후프층(21), 외부와 맞닿는 복합재층(20)의 최외곽층은 헬리컬층(23)으로 형성될 수 있다.

한편, 도 7은 일반적인 구조의 고압용기에 있어서, 고압용기의 중앙부를 절단한 절반의 고압용기 구조와 그에 따른 규준화(Normalized stress)된 응력 분포를 나타낸 그래프이다. 실린더부(200)의 응력 분포 그래프를 살펴보면, 중심은 고압용기의 중심이자, 실린더부(200)의 중심을 의미하며, 중심으로부터 돔부(100)로 멀어질수록 후프층(21)에 인가되는 응력이 감소하는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 그래프에서는 고압용기 내부의 가스 압력에 의해 실린더부(200)와 돔부(100)에 인가되는 응력이 동일하지 않을 뿐아니라, 실린더부(200) 내에서도 중심으로부터의 거리에 따라 인가되는 응력의 크기가 다르다는 것을 알 수 있다. 상세하게는 고압용기의 중앙, 바람직하게는 실린더부(200)의 중앙에 가까워질수록 고압용기에 인가되는 응력이 크다는 것을 나타내고 있다. 이와 같은 해석 결과는 고압용기의 강도 증가를 위해서는 실린더부(200), 상세하게는 실린더부(200)의 중앙에 후프층(21)을 집중 보강하여야 함을 알 수 있다.

나아가, 도 8은 도 7의 응력분포 그래프와 비교하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 라이너(10)가 적용된 실린더부(200)의 응력분포를 나타낸 그래프이다. 도 8에서는 종래기술과 본 발명에 따른 실린더부(200)의 응력분포를 나타내고 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따르면 실린더부(200)에 작용하는 응력 수준이 낮아진다는 것을 알 수 있다. 따라서, 동일한 고압용기의 안전 기준에 대하여 본 발명의 일 실시예에 따르면 안전 마진의 값을 더 크게 확보할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예를 적용한 경우 고압용기의 효율을 나타낸 그래프이다. 제안구조 적용 전 1.0 정도의 응력을 가지던 지점에서 본 발명에 따른 일 실시예 적용 후, 약 0.86 정도의 응력을 가지는 바, 도 9에서는 상기 응력 값의 역수를 그래프로 나타내고 있다. 고압용기 효율의 수치로 비교하면, 본 발명에 따른 일 실시예를 채택하는 경우, 효율이 약 18% 정도 상승한다는 것을 알 수 있다.

정리하자면, 본 발명의 핵심 사상은 실린더부에 형성된 라이너의 직경이 서로 상이하게 형성되고, 후프층(21)이 와인딩된 이후 실린더부가 일정 직경을 가지도록 후프층이 와인딩되어, 라이너의 오목한 영역에 후프층이 더 많이 와인딩될 수 있으며 후프층과 헬리컬층(23) 사이에서 단차가 발생하는 것을 방지할 수 있다는 것을 특징으로 한다. 특히, 라이너의 직경이 고압용기의 중심, 즉 실린더부의 중앙에서 가장 작게 형성될 수 있으며, 이 경우, 응력이 가장 집중되는 포인트에 후프층이 가장 두껍게 형성되어 고압용기의 내구성이 가장 효율적으로 증대될 수 있다는 점에 본 발명의 특징이 있음에 유의하여야 한다.

또한, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명, 기술하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경하여 실시할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

나아가, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고 있다. 그리고 상기에서 사용된 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 라이너
20 : 복합재층
21 : 후프층
22 : 후프층 라인
23 : 헬리컬층
24 : 헬리컬층 라인
30 : 보스부
100 : 돔부
200 : 실린더부
300 : 변환점
B : 단차 발생 영역
X : 고압용기의 축 및 실린더부의 축

Claims (10)

1. 라이너와 상기 라이너 외주면을 보강하기 위한 복합재층을 포함하는 고압용기에 있어서, 상기 고압용기는
   상기 고압용기의 축 방향을 따라 형성되는 실린더부;
   및 상기 실린더부의 양단에 체결되어 상기 고압용기를 형성하는 돔부;
   를 포함하고,
   상기 실린더부에 구비된 상기 라이너의 직경이 상기 축 방향을 따라 상이하게 형성된 고압용기.
2. 제1항에 있어서, 상기 실린더부에 구비된 상기 라이너의 상이한 상기 직경 중 상기 실린더부 중앙의 상기 라이너 직경이 가장 작은 고압용기.
3. 제1항에 있어서, 상기 라이너 외주면에 복합재층이 와인딩되는 고압용기.
4. 제3항에 있어서, 상기 복합재층은 후프층과 헬리컬층을 포함하는 고압용기.
5. 제4항에 있어서, 상기 실린더부에 형성되는 상기 라이너의 외주면에는 상기 후프층이 적층되고,
   상기 후프층이 적층됨에 따라 상기 실린더부의 직경이 상기 축 방향을 따라 일정해지는 고압용기.
6. 제4항에 있어서, 상기 라이너로부터 가장 가까이 형성되는 복합재층은 후프층인 고압용기.
7. 제4항에 있어서, 상기 복합재층은 상기 후프층과 상기 헬리컬층이 번갈아 적층되어 형성되는 고압용기.
8. 제4항에 있어서, 상기 후프층은 상기 실린더부에만 형성되는 고압용기.
9. 제2항에 있어서, 상기 후프층의 두께는 상기 실린더부의 중앙에서 가장 두꺼운 고압용기.
10. 제2항에 있어서, 상기 후프층의 두께는 상기 실린더부의 양 끝단에서 가장 얇은 고압용기.

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