KR20210048479A - Three-dimensional shell structure, pressure vessel provided with the same and fabrication method thereof - Google Patents

Three-dimensional shell structure, pressure vessel provided with the same and fabrication method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR20210048479A
KR20210048479A KR1020210053839A KR20210053839A KR20210048479A KR 20210048479 A KR20210048479 A KR 20210048479A KR 1020210053839 A KR1020210053839 A KR 1020210053839A KR 20210053839 A KR20210053839 A KR 20210053839A KR 20210048479 A KR20210048479 A KR 20210048479A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pressure vessel
sub
space
shell structure
shell
Prior art date
Application number
KR1020210053839A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
강기주
우정한
정윤창
Original Assignee
전남대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 전남대학교산학협력단 filed Critical 전남대학교산학협력단
Priority to KR1020210053839A priority Critical patent/KR20210048479A/en
Publication of KR20210048479A publication Critical patent/KR20210048479A/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J12/00—Pressure vessels in general
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21F—WORKING OR PROCESSING OF METAL WIRE
    • B21F27/00—Making wire network, i.e. wire nets
    • B21F27/12—Making special types or portions of network by methods or means specially adapted therefor
    • B21F27/128—Making special types or portions of network by methods or means specially adapted therefor of three-dimensional form by connecting wire networks, e.g. by projecting wires through an insulating layer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C1/00—Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge

Abstract

The present invention relates to a three-dimensional shell structure, which can be improved with functionality or appearance characteristics, and to a pressure vessel having the same, and a manufacturing method thereof. The three-dimensional shell structure is separated and divided into two sub-spaces including first and second sub-spaces, wherein at least one of the sub-spaces is provided as a storage space for accommodating a fluid.

Description

3차원 쉘 구조체, 이를 구비한 압력용기 및 그 제조방법{THREE-DIMENSIONAL SHELL STRUCTURE, PRESSURE VESSEL PROVIDED WITH THE SAME AND FABRICATION METHOD THEREOF}Three-dimensional shell structure, a pressure vessel equipped with the same, and a manufacturing method thereof {THREE-DIMENSIONAL SHELL STRUCTURE, PRESSURE VESSEL PROVIDED WITH THE SAME AND FABRICATION METHOD THEREOF}

본 발명은 유체의 저장 및 보관을 위한 압력용기(Pressure Vessel) 및 이에 이용되는 3차원 쉘 구조체에 관한 것이다.The present invention relates to a pressure vessel for storage and storage of fluid, and a three-dimensional shell structure used therein.

일반적으로 압력용기(Pressure Vessel)는 내부에 고압의 유체를 저장 및 보관하는데 이용된다. 예를 들면 액체 산소와 질소와 같은 유체를 산업용 가스통은 120 기압의 압력을 받는 압력용기이고, 원자력 발전소의 원자로는 315oC, 160 기압의 물을 보관하는 압력용기로서 최종적으로 발전용터빈을 돌리는 증기를 생산한다. 종래의 압력용기 형태는 낮은 무게를 가지면서 고압을 견딜 수 있도록 실린더형(cylinder) 또는 구형 (sphere)으로 제작되는 것이 일반적이다. 도1은 종래 일반적인 압력용기의 실린더형(cylinder) 또는 구형 (sphere) 쉘(shell) 형상과, 압력용기 내 내부 압력 P가 작용할 때 쉘 벽에 발생하는 최대 주응력의 관계를 나타낸다. In general, a pressure vessel is used to store and store high-pressure fluid inside. For example, fluids such as liquid oxygen and nitrogen, industrial gas cylinders are pressure vessels subjected to a pressure of 120 atm, and nuclear power plants are pressure vessels that store water at 315 o C and 160 atm. Produces steam. The conventional pressure vessel shape is generally manufactured in a cylindrical or spherical shape to withstand high pressure while having a low weight. FIG. 1 shows the relationship between the shape of a cylinder or spherical shell of a conventional pressure vessel and the maximum principal stress generated on the shell wall when an internal pressure P in the pressure vessel acts.

그러나 종래의 실린더형(cylinder) 또는 구형 (sphere) 쉘 형상의 압력용기(1')는 다음과 같은 여러 문제점이 있다. 많은 양의 고압의 유체를 보관하기 위해서는 그만큼 두꺼운 쉘로 만들어진 용기를 써야하므로 균열발생시 치명적인 폭발사고를 유발하는 경향이 있다. 또한 외형이 실린더형(cylinder) 또는 구형 (sphere) 쉘(shell) 형상에 국한되어 특정 위치에 고정하기에 불리하고 공간을 많이 차지한다. 또한 상기 원자로와 같이 내부에 직접 열을 발생하는 경우를 제외하고는 압력용기(1')를 구성하는 쉘(shell)의 외기와 접촉하는 표면이 쉘 외곽면에 국한되고 그 비표면이 적어 쉘(shell) 안팎으로의 열전달 특성이 나쁘기 때문에 압력용기(1')의 용도에 따라 압력용기(1') 내 유체를 가열 또는 냉각하기에 불리하다.However, the conventional pressure vessel 1'having a cylindrical or spherical shell shape has several problems as follows. In order to store a large amount of high-pressure fluid, it is necessary to use a container made of a thick shell, so it tends to cause a fatal explosion accident when a crack occurs. In addition, the outer shape is limited to a cylindrical or spherical shell shape, which is disadvantageous to fix in a specific position and takes up a lot of space. In addition, except for the case of generating heat directly inside the reactor, the surface of the shell constituting the pressure vessel 1'in contact with the outside air is limited to the outer surface of the shell, and the specific surface is small. shell) due to poor heat transfer characteristics in and out of the shell, it is disadvantageous to heat or cool the fluid in the pressure vessel 1'depending on the purpose of the pressure vessel 1'.

한편, 1865년 독일의 수학자 H.A. Schwarz는, 3차원 공간상에 스스로 교차하지 않고(non-self intersecting) 주기적으로 반복되는 곡면 구조체로서, 특히 영(zero)의 평균곡률(mean curverture)을 갖는 TPMS(Triply Periodic Minimal Surface: 3-주기적 최소곡면)를 발표하였다(Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer). 이 경우, 상기 평균곡률(mean curverture)은 3차원 면의 한 점에서 서로 수직한 두방향의 최대곡률과 최소곡률의 평균값을 의미하며, 3차원 면의 굴곡진 정도를 나타낸다. 1960년대 A. Schoen이 이를 정리하고 새로운 몇가지 TPMS를 추가하였다(S. Hyde et al., The Language of Shape, Elsevier, 1997, ISBN: 978-0-444-81538-5). 이러한 TPMS는 다양한 형태가 존재하며 이 중 도 2에 나타낸 바와 같이 P, D 및 G surface 가 화학 및 생물분야에서 가장 대표적으로 인용되고 있다. 자연계에서 TPMS는 물-유화제 혼합물, 세포박막, 성게 표피판, 실리케이트 중간상(meso-phase) 등에서 발견되는데, 대부분 두 개의 상(phase)을 분리하는 계면의 형태로 존재하며 경량 다공질 구조체의 형태로는 발견되지 않는다.Meanwhile, in 1865, the German mathematician H.A. Schwarz is a curved structure that is periodically repeated without intersecting itself in a three-dimensional space. In particular, TPMS (Triply Periodic Minimal Surface: 3-periodic) has a mean curverture of zero. Minimum curve) (Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer). In this case, the mean curverture means an average value of the maximum and minimum curvatures in two directions perpendicular to each other at a point on the 3D surface, and represents the degree of curvature of the 3D surface. In the 1960s, A. Schoen organized this and added several new TPMSs (S. Hyde et al., The Language of Shape, Elsevier, 1997, ISBN: 978-0-444-81538-5). Various types of TPMS exist, and among them, as shown in FIG. 2, P, D, and G surfaces are most representatively cited in the fields of chemistry and biology. In nature, TPMS is found in water-emulsifier mixtures, cell thin films, sea urchin skin, and silicate meso-phases. Most of them exist in the form of an interface separating the two phases, and in the form of a lightweight porous structure. Not found.

나아가, 상기한 영의 평균곡률(zero mean curverture)을 갖는 TPMS는 공간을각기 연속인 2개의 부공간(subvolume)으로 나누게 되는데 2개의 부공간의 체적비가 1:1로 동일하다. 체적비가 다른 경우에도 두 부공간을 나누는 평균곡률이 균일(constant)한 최소 표면적(minimal surface)의 곡면을 정의할 수 있는데 이 곡면 또한 TPMS라고 한다(참고문헌: M. Maldovan and E. L. Thomas, “Periodic Materials and Interference Lithography, 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2). Furthermore, the TPMS having a zero mean curverture described above divides the space into two subvolumes, each of which is continuous, and the volume ratio of the two sub-spaces is equal to 1:1. Even when the volume ratios are different, it is possible to define a surface with a minimum surface area with a constant average curvature dividing the two subspaces, which is also called TPMS (Reference: M. Maldovan and EL Thomas, “Periodic” Materials and Interference Lithography, 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2).

상기 TPMS형태의 곡면이 계면을 이루어 공간을 나누어 정의되는 2개의 부공간(subvolume)은 각각 연속이며 서로 꼬인 형태로 존재한다. 만일 TPMS형태로 쉘 (shell) 구조체를 제조한다면 계면에 어디에서나 균일한 평균곡률을 가지고 있어 외부하중이 작용할 때, 응력이 어느 한 부분에 집중 되지 아니하므로 조기 국부좌굴현상이 발생하지 않으며 무게 대비 높은 강도를 갖는 것으로 알려져 있다(S.C. Kapfer, S.T. Hyde, K. Mecke, C.H. Arns, G.E. Schr

Figure pat00001
oder-Turk, Minimal surface scaffold designs for tissue engineering, Biomaterials 32(2011) 6875-6882). 또한 부드러운 곡면으로 둘러싸인 각 부공간은 넓은 표면적을 가지며 내부에 유체가 흐를 때 투과성(permeability)이 높다. 따라서 두 부공간의 경계에 존재하는 박막은 두 부공간 사이의 열 및 물질이동 계면(heat and mass transfer interface)으로서 활용 가능성이 높다.The two subvolumes defined by dividing the space by forming an interface of the curved surface of the TPMS type are each continuous and exist in a twisted form. If a shell structure is manufactured in the form of TPMS, it has a uniform average curvature everywhere at the interface, so when an external load is applied, the stress is not concentrated in any one part, so there is no premature local buckling phenomenon and a high weight-to-weight ratio. It is known to have strength (SC Kapfer, ST Hyde, K. Mecke, CH Arns, GE Schr
Figure pat00001
oder-Turk, Minimal surface scaffold designs for tissue engineering, Biomaterials 32 (2011) 6875-6882). In addition, each sub-space surrounded by a soft curved surface has a large surface area and has high permeability when a fluid flows inside. Therefore, the thin film existing at the boundary between the two subspaces is highly likely to be utilized as a heat and mass transfer interface between the two subspaces.

최근, TPMS 형태의 박막구조체를 제조하는 실용적인 공정으로서 두 가지 주목할 만한 방법이 제시된 바 있다. 강기주 등은 대한민국 특허 제1341216호에서 제시된 광 리소그래피를 기반으로 박막의 다면 구조체를 제조하는 방법을 응용하여 도 2에 도시된 P surface 와 유사한 형태로 제조될 수 있다고 보고한 바 있다. 또한 강기주 등은 대한민국 특허 제1699943호에서 와이어 직조 구조체를 기반으로 P surface 및 D surface 형태를 갖는 박막구조체의 제조 기술을 제시한 바 있다. 또한 강기주 등은 대한민국 공개특허 제10-2018-0029454호에서 규칙적으로 배열된 복수의 구슬을 기반으로 P surface, F-RD surrface, IW-P surface 형태를 갖는 박막구조체의 제조 기술을 제시한 바 있다.Recently, two remarkable methods have been proposed as practical processes for manufacturing TPMS-type thin film structures. Kang Ki-joo et al. reported that it can be manufactured in a shape similar to the P surface shown in FIG. 2 by applying a method of manufacturing a multi-faceted structure of a thin film based on optical lithography presented in Korean Patent No. 1341216. Also, in Korean Patent No. 1699943, Kang Ki-joo and others have proposed a manufacturing technology of a thin film structure having a P surface and a D surface shape based on a wire woven structure. In addition, Ki-joo Kang and others have proposed a manufacturing technology of a thin film structure having the shape of a P surface, an F-RD surrface, and an IW-P surface based on a plurality of regularly arranged beads in Korean Patent Application Publication No. 10-2018-0029454. .

본 발명자들은, 계면에 의해 두 개의 부공간으로 구획된 쉘(shell) 구조체로서 특히 TPMS 형태의 쉘 구조체의 경우 균일한 평균곡률을 갖고 있기 때문에 높은 내부 압력을 견딜 수 있을 수 있다는 사실에 착안하여, 이러한 쉘 구조체를 압력용기로 적용하는 경우 상기한 종래의 실린더형(cylinder) 또는 구형 (sphere) 쉘 형상의 압력용기가 갖는 제반 문제점을 개선할 수 있을 것으로 예상하여 본 발명에 이르게 되었다.The present inventors focused on the fact that as a shell structure divided into two subspaces by an interface, in particular, the TPMS-type shell structure has a uniform average curvature and thus can withstand high internal pressure, When such a shell structure is applied as a pressure vessel, it is expected that the problems of the conventional cylindrical or spherical shell-shaped pressure vessel can be improved, resulting in the present invention.

- 대한민국 특허 제1341216호-Korean Patent No. 1341216 - 대한민국 특허 제1699943호-Korean Patent No. 1699943 - 대한민국 공개특허 제10-2018-0029454호-Korean Patent Application Publication No. 10-2018-0029454

- Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer - S. Hyde et al. The Language of Shape. Elsevier, 1997, ISBN: 978-0-444-81538-5 - M. Maldovan and E. L. Thomas. Periodic Materials and Interference Lithography. 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2

Figure pat00002
- S.C. Kapfer, S.T. Hyde, K. Mecke, C.H. Arns, G.E. Schroder-Turk. Minimal surface scaffold designs for tissue engineering, Biomaterials. Vol. 32, pp. 6875-6882, 2011. - Ban Dang Nguyen, Yoon Chang Jeong, Kiju Kang, “Design of the P-Surfaced Shellular, an Ultra-Low Density Material with Micro-Architecture”, Computational Materials Science, Vol. 139, pp. 162-178, 2017. - S.C. Han, J.W. Lee, K. Kang. A new type of low density material; Shellular. Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015. - N.E. Dowling 저, Mechanical Behavior of Materials, 3rd Editon, Pearson Prentice Hall, 2007, p. 347. - Applicability of the leak before break concept, IAEA Technical Report, IAEA-TECDOC-710, 1993. -Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer -S. Hyde et al. The Language of Shape. Elsevier, 1997, ISBN: 978-0-444-81538-5 -M. Maldovan and EL Thomas. Periodic Materials and Interference Lithography. 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2
Figure pat00002
-SC Kapfer, ST Hyde, K. Mecke, CH Arns, GE Schroder-Turk. Minimal surface scaffold designs for tissue engineering, Biomaterials. Vol. 32, pp. 6875-6882, 2011. -Ban Dang Nguyen, Yoon Chang Jeong, Kiju Kang, “Design of the P-Surfaced Shellular, an Ultra-Low Density Material with Micro-Architecture”, Computational Materials Science, Vol. 139, pp. 162-178, 2017. -SC Han, JW Lee, K. Kang. A new type of low density material; Shellular. Advanced Materials, Vol. 27, pp. 5506-5511, 2015. -NE Dowling, Mechanical Behavior of Materials, 3rd Editon, Pearson Prentice Hall, 2007, p. 347. -Applicability of the leak before break concept, IAEA Technical Report, IAEA-TECDOC-710, 1993.

본 발명의 목적은, 무게 대비 저장체적이 크면서도 우수한 내압 특성을 갖고, 우수한 비표면적, 유체 투과성 및 열전달 특성을 가지며, 내부 공간을 분할하여 용도별로 분리 활용할 수 있고, 용기 외관에 대한 설계 자유도가 우수한 압력용기 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to have excellent pressure resistance characteristics while having a large storage volume to weight, excellent specific surface area, fluid permeability and heat transfer characteristics, and can be used separately for each purpose by dividing the internal space, and design freedom for the appearance of the container It is to provide an excellent pressure vessel and its manufacturing method.

본 발명자들은, 상기 과제해결을 위해 내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 2 개의 부공간(subvolume)으로 분리 구획될 수 있고 각각의 부공간이 연속된 형태의 쉘(shell) 구조체의 기하학적 구조에 주목하여 2 개의 부공간을 고압 유체의 저장공간 또는 열교환매체의 수용이나 이동을 위한 공간으로 활용하는 방안을 지견하고, 이러한 쉘 구조체가 특히 TPMS로 이루어진 경우 무게 대비 저장체적이 크면서도 우수한 내압 특성, 비표면적, 유체 투과성 및 열전달 특성을 갖는 압력용기가 구현될 수 있음을 확인하여 본 발명에 이르게 되었다. 상기한 해결과제에 대한 인식 및 지견에 기초한 본 발명의 요지는 아래와 같다.The present inventors pay attention to the geometric structure of the shell structure in which the interior can be separated into two subvolumes twisted by an interface and each sub-space is continuous to solve the above problem. Therefore, we discover a method of using two sub-spaces as a storage space for high-pressure fluid or a space for accommodating or moving a heat exchange medium. In particular, when such a shell structure is made of TPMS, the storage volume to weight is large and excellent pressure resistance characteristics, ratio It was confirmed that a pressure vessel having surface area, fluid permeability, and heat transfer characteristics can be implemented, leading to the present invention. The gist of the present invention based on the recognition and knowledge of the above-described problem is as follows.

(1) 내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 제1 부공간 및 제2 부공간으로 이루어진 2개의 부공간으로 분리 구획되는 압력용기용 3차원 쉘 구조체로서, 상기 2개의 부공간 중 적어도 하나가 유체를 수용하기 위한 저장공간으로 제공되되, 상기 저장공간으로 제공되는 부공간의 외부로 노출되는 부분 중 상기 유체의 반출입을 위한 부분을 제외하고 차폐판으로 밀봉된 것을 특징으로 하는 압력용기용 3차원 쉘 구조체.(1) A three-dimensional shell structure for a pressure vessel that is divided into two sub-spaces consisting of a first sub-space and a second sub-space whose interior is twisted by an interface, wherein at least one of the two sub-spaces is a fluid A three-dimensional shell for a pressure vessel, which is provided as a storage space for accommodating the storage space, and is sealed with a shielding plate except for a part for carrying in/out of the fluid among the parts exposed to the outside of the sub-space provided as the storage space. Structure.

(2) 상기 계면은 3주기적 최소곡면(TPMS; Triply Periodic Minimal Surface)인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 압력용기용 3차원 쉘 구조체.(2) The three-dimensional shell structure for the pressure vessel of (1), characterized in that the interface is a triply periodic minimal surface (TPMS).

(3) 상기 저장공간 외 다른 부공간은 열교환매체의 수용 또는 이동을 위한 공간으로 제공되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 압력용기용 3차원 쉘 구조체.(3) The three-dimensional shell structure for the pressure vessel of (1), wherein the sub-space other than the storage space is provided as a space for receiving or moving the heat exchange medium.

(4) 상기 차폐판은 평면 또는 곡면 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 압력용기용 3차원 쉘 구조체.(4) The three-dimensional shell structure for the pressure vessel of (1), wherein the shielding plate has a flat or curved profile.

(5) 상기 차폐판은 상기 저장공간 외부 방향으로 볼록하거나 또는 상기 저장공간 내부 방향으로 오목한 것을 특징으로 하는 상기 (4)의 압력용기용 3차원 쉘 구조체.(5) The three-dimensional shell structure for the pressure vessel of (4), wherein the shielding plate is convex in a direction outside the storage space or concave in a direction inside the storage space.

(6) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 따른 3차원 쉘 구조체; 및 상기 저장공간에 연통되어 유체의 반출입 통로를 제공하는 입구 및 출구;를 포함하는 압력용기.(6) the three-dimensional shell structure according to any one of (1) to (5) above; And an inlet and an outlet communicating with the storage space to provide a passage for carrying in and out of the fluid.

(7) 내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 제1 부공간 및 제2 부공간으로 이루어진 2개의 부공간으로 분리 구획되는 쉘 구조체로 이루어지고, 상기 제1 부공간 및 제2 부공간 중 어느 하나가 유체를 수용하기 위한 저장공간으로 제공되는 구조의 압력용기를 제조하는 방법으로서, (A) 상기 제1 부공간 또는 제2 부공간 중 어느 하나가 템플릿 재료로 충진된 형태의 템플릿을 제작하는 단계; (B) 상기 템플릿의 전체 표면에 제1 코팅막을 형성하는 단계; 및 (C) 상기 제1 코팅막의 일부를 제거하여 템플릿 재료를 노출시킨 후 제거하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 코팅막이 상기 계면과 상기 쉘 구조체의 외곽면을 형성하는 것을 특징으로 하는 압력용기 제조방법.(7) It is composed of a shell structure divided into two sub-spaces consisting of a first sub-space and a second sub-space in which the interior is twisted by an interface, and any one of the first sub-space and the second sub-space A method of manufacturing a pressure vessel having a structure provided as a storage space for accommodating a fluid, comprising: (A) manufacturing a template in which either the first subspace or the second subspace is filled with a template material. ; (B) forming a first coating film on the entire surface of the template; And (C) removing a portion of the first coating film to expose the template material, and then removing the template material, wherein the first coating film forms the interface and the outer surface of the shell structure. Manufacturing method.

(8) 상기 (A) 단계는 노출된 템플릿 재료에 입출구 형성용 봉재를 연결시키는 단계를 더 포함하고, 상기 (B) 단계에서 상기 템플릿 재료 및 입출구 형성용 봉재의 노출된 표면 전체에 제1 코팅막을 형성하고, 상기 (C) 단계에서 제1 코팅막의 일부를 제거하여 봉재를 노출시킨 후 상기 봉재와 템플릿 재료를 순차적으로 제거함으로써, 상기 봉재가 제거된 영역이 유체의 반출입을 위한 입구 및 출구로 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 (7)의 압력용기 제조방법.(8) The step (A) further comprises the step of connecting the bar material for forming the inlet and outlet to the exposed template material, and in the step (B), a first coating film is formed on the entire exposed surface of the template material and the bar material for forming the inlet and outlet. And, in the step (C), a portion of the first coating film is removed to expose the bar, and then the bar and the template material are sequentially removed, so that the area from which the bar is removed becomes an inlet and an outlet for carrying in and out of the fluid. The pressure vessel manufacturing method of the above (7), characterized in that formed.

(9) 내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 제1 부공간 및 제2 부공간으로 이루어진 2개의 부공간으로 분리 구획되는 쉘 구조체로 이루어지고, 상기 제1 부공간 및 제2 부공간 모두가 유체를 수용하기 위한 저장공간으로 제공되는 구조를 갖는 압력용기 제조방법으로서, (A) 상기 제1 부공간 또는 제2 부공간 중 어느 하나가 제1 템플릿 재료로 충진된 형태의 템플릿을 제작하는 단계; (B) 상기 템플릿의 전체 표면에 제1 코팅막을 형성하는 단계; (C) 상기 제1 부공간 또는 제2 부공간 중 나머지 빈 공간에 제2 템플릿 재료를 충진하는 단계; (D) 상기 제1 코팅막의 단면이 노출되도록 상기 템플릿의 전체 외곽면을 연삭한 후 제2 코팅막을 형성하는 단계; (E) 상기 제2 코팅막의 일부를 제거하여 성가 재1 템플릿 재료 및 제2 템플릿 재료를 노출시킨 후 제거하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 코팅막은 상기 계면을 형성하고 상기 제2 코팅막은 상기 쉘 구조체의 외곽면을 형성하되, 상기 (D) 단계에서 제1 코팅막의 단부측은 제2 코팅막의 면에 접촉하여 결합되는 것을 특징으로 하는 하는 압력용기 제조방법.(9) It is composed of a shell structure divided into two sub-spaces consisting of a first sub-space and a second sub-space in which the interior is twisted by an interface, and both the first and second sub-spaces are fluid. A method for manufacturing a pressure vessel having a structure provided as a storage space for receiving, comprising: (A) manufacturing a template in which any one of the first subspace or the second subspace is filled with a first template material; (B) forming a first coating film on the entire surface of the template; (C) filling a second template material in the remaining empty space of the first sub-space or the second sub-space; (D) grinding the entire outer surface of the template so that the cross section of the first coating layer is exposed, and then forming a second coating layer; (E) removing a portion of the second coating film to expose and remove the first template material and the second template material, wherein the first coating film forms the interface, and the second coating film comprises the Forming the outer surface of the shell structure, wherein in step (D), the end side of the first coating film is in contact with the surface of the second coating film and coupled to the pressure vessel manufacturing method.

(10) 상기 (D) 단계는 (D-1) 상기 제1 코팅막의 단면, 제1 템플릿 재료 및 제2 템플릿 재료가 노출되도록 상기 템플릿의 전체 외곽면을 연삭하는 단계; (D-2) 상기 노출된 제1 템플릿 재료 및 제2 템플릿 재료 각각에 입출구 형성용 봉재를 연결시키는 단계; (D-3) 상기 봉재 및 상기 템플릿의 노출된 외곽면에 제2 코팅막을 형성하는 단계;룰 포함하고, 상기 (E) 단계는 상기 제2 코팅막의 일부를 제거하여 상기 봉재를 노출시킨 후, 상기 봉재, 제1 템플릿 재료 및 제2 템플릿 재료를 순차적으로 제거하는 방식으로 수행되고, 상기 봉재가 제거된 영역이 유체의 반출입을 위한 입구 및 출구로 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 (9)의 압력용기 제조방법.(10) The step (D) may include: (D-1) grinding the entire outer surface of the template so that the end face of the first coating layer, the first template material, and the second template material are exposed; (D-2) connecting a bar for forming an inlet and an outlet to each of the exposed first and second template materials; (D-3) forming a second coating film on the exposed outer surface of the bar and the template; including a rule, and in step (E), a part of the second coating film is removed to expose the bar, The pressure of (9), characterized in that the bar material, the first template material, and the second template material are sequentially removed, and the region from which the bar material is removed is formed as an inlet and an outlet for carrying in/out of the fluid. Container manufacturing method.

(11) 내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 제1 부공간 및 제2 부공간으로 이루어진 2개의 부공간으로 분리 구획되는 쉘 구조체로 이루어지고, 상기 제1 부공간 및 제2 부공간 중 적어도 어느 하나가 유체를 수용하기 위한 저장공간으로 제공되는 구조의 압력용기를 제조하는 방법으로서, 상기 계면 및 상기 쉘 구조체의 외곽면에 대응하는 면요소를 복수로 분할 가공하여 상호 결합시켜 제조하는 것을 특징으로 하는 압력용기 제조방법.(11) Consists of a shell structure divided into two sub-spaces consisting of a first sub-space and a second sub-space whose interior is twisted by an interface, and at least one of the first sub-space and the second sub-space A method of manufacturing a pressure vessel having a structure in which one is provided as a storage space for receiving a fluid, characterized in that it is manufactured by dividing and combining a plurality of surface elements corresponding to the interface and the outer surface of the shell structure. How to manufacture a pressure vessel.

본 발명에 따른 압력용기의 경우, 내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 2 개의 부공간(subvolume)으로 분리 구획되고 각각의 부공간이 연속된 형태의 쉘(shell) 구조체를 압력용기 본체로 구성하는 한편 2개의 부공간을 고압 유체의 저장공간 또는 열교환매체의 수용이나 이동을 위한 공간으로 독립적으로 활용함으로써, 벽 두께는 얇게 하고 무게 대비 저장체적은 크게 하면서도 우수한 내압 특성을 가지며, 이와 동시에 우수한 비표면적, 유체 투과성 및 열전달 특성을 갖는다. 또한 상기 계면을 TPMS로 구성하는 경우에는 고압용기의 안정성 측면에서 특히 유리하다. 또한 용기 외관 형상에 상관없이 TPMS와 같은 쉘 구조체의 기하학적 구조나 내부 공간에 대한 분리 활용에 의해 압력용기에 요구되는 특성이 만족 내지 개선될 있기 때문에 용기 외관에 대한 설계 제한이나 설치를 위한 장소적 제약이 현저히 완화될 수 있다. 또한 용기 형상을 자유롭게 설계할 수 있어 용기 형상과 관련된 기능성이나 외관 특성이 크게 개선될 수 있다. 예컨대, 잠수부용 공기탱크와 같은 이동형 압력용기를 휴대성 및 착용성이 개선될 수 있도록 인체 착용위치에 맞춰 제작될 수 있고, 자동차용 수소탱크 또는 천연가스탱크도 일반적인 실린더형 대신에 설치공간을 최소화할 수 있는 다양한 형태로 제작될 수 있다.In the case of the pressure vessel according to the present invention, a shell structure in which the interior is divided into two subvolumes in a twisted form by an interface and each sub-space is continuous is composed of the pressure vessel body. Meanwhile, by independently utilizing the two sub-spaces as a storage space for high-pressure fluid or a space for receiving or moving a heat exchange medium, the wall thickness is thin and the storage volume to weight is large, while having excellent pressure resistance characteristics, and at the same time, excellent specific surface area. , Fluid permeability and heat transfer properties. In addition, when the interface is composed of TPMS, it is particularly advantageous in terms of the stability of the high-pressure vessel. In addition, regardless of the shape of the container exterior, design restrictions on the exterior of the container or place restrictions for installation as the characteristics required for the pressure container can be satisfied or improved by the geometric structure of the shell structure such as TPMS or the separation of the internal space. This can be significantly alleviated. In addition, since the shape of the container can be freely designed, the functionality or appearance characteristics related to the shape of the container can be greatly improved. For example, a portable pressure vessel such as an air tank for divers can be manufactured according to the human body wearing position so that portability and wearability can be improved, and the installation space for automobile hydrogen tanks or natural gas tanks is also minimized instead of a general cylinder type. It can be manufactured in a variety of forms that can be done.

도 1은 종래기술에 따른 압력용기의 구조도.
도 2는 TPMS(Triply Periodic Minimal Surface: 3-주기적 최소곡면) 예의 구조도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기용 TPMS 쉘 구조체에서 2개의 부공간의 분리인식에 관한 모식도.
도 4는 도 3의 (a)의 P-surface 쉘 구조체에서 부공간의 분리인식에 관한 다른 모식도.
도 5는 도 3의 (a)의 P-surface 쉘 구조체에 대한 구조해석 결과도.
도 6 내지 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 쉘 구조체로 이루어진 압력용기의 구조도.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 압력용기의 제조 공정도.
도 13은 도 12의 변형 실시예에 따른 압력용기의 제조 공정도.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력용기의 제조 공정도.
도 15는 도 14의 변형 실시예에 따른 압력용기의 제조 공정도.
도 16은 유사한 외형 체적을 갖는 종래 압력용기와 본 발명에 따른 압력용기의 비교 도면.
도 17은 본 발명의 실시예에 따라 단위셀의 배열방법을 달리하여 외형이 변경된 압력용기의 예시 도면.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력용기의 제조 개념도.1 is a structural diagram of a pressure vessel according to the prior art.
2 is a structural diagram of an example of a triply periodic minimal surface (TPMS).
Figure 3 is a schematic view of the separation recognition of two sub-spaces in the TPMS shell structure for a pressure vessel according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is another schematic diagram of the recognition of separation of subspaces in the P-surface shell structure of Figure 3 (a).
Figure 5 is a structural analysis result of the P-surface shell structure of Figure 3 (a).
6 to 11 are structural diagrams of a pressure vessel made of a shell structure according to embodiments of the present invention.
12 is a manufacturing process diagram of a pressure vessel according to an embodiment of the present invention.
13 is a manufacturing process diagram of the pressure vessel according to the modified embodiment of FIG. 12.
14 is a manufacturing process diagram of a pressure vessel according to another embodiment of the present invention.
15 is a manufacturing process diagram of the pressure vessel according to the modified embodiment of FIG. 14.
16 is a comparative view of a conventional pressure vessel having a similar external volume and a pressure vessel according to the present invention.
17 is an exemplary view of a pressure vessel whose appearance is changed by varying the arrangement method of unit cells according to an embodiment of the present invention.
18 is a conceptual diagram of manufacturing a pressure vessel according to another embodiment of the present invention.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였으며, 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as being limited to their usual or dictionary meanings, and the inventors appropriately explain the concept of terms in order to explain their own invention in the best way. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the configuration of the embodiments described in the present specification is only one of the most preferred embodiments of the present invention, and does not represent all the technical spirit of the present invention, and various equivalents that can replace them at the time of filing of the present invention It should be understood that there may be variations and variations. On the other hand, in the drawings, the same or similar reference numbers are given to the same or equivalent material, and in the entire specification, when a certain part "includes" a certain component, this means that other components are not specifically stated to the contrary. It does not exclude excluding, but means that other components may be further included.

압력용기에 관한 역학적 근거Epidemiological basis for pressure vessels

본 발명은 내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 2 개의 부공간(subvolume)으로 분리 구획되고 각각의 부공간이 연속된 형태의 쉘(shell) 구조체를 압력용기 본체로 구성함으로써 우수한 내압 특성을 가지면서도 이와 동시에 쉘의 두께는 얇게 하고 무게 대비 저장 체적은 크게 하는 것을 기본적인 특징으로 하고 있기 때문에, 이하에서는 도 3 및 도 4을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 TPMS(Triply Periodic Minimal Surface: 3-주기적 최소곡면) 형태의 쉘 구조체(10, 10’, 10”)로 구성된 압력용기(1)와 종래 대표적인 실린더형 쉘 형상의 압력용기(1')를 예로 상호 비교하여 그 작용효과에 관한 역학적 근거에 대해 먼저 설명한다. The present invention is divided into two subvolumes in which the interior is twisted by an interface, and a shell structure in which each sub-space is continuous is composed of a pressure vessel body, thereby having excellent pressure resistance characteristics. At the same time, since the shell has a basic feature of thinning the thickness of the shell and increasing the storage volume relative to the weight, hereinafter, referring to FIGS. 3 and 4, Triply Periodic Minimal Surface (TPMS: 3) according to a preferred embodiment of the present invention. -Periodic minimum curve) type of shell structure (10, 10', 10") and the conventional typical cylindrical shell-shaped pressure vessel (1') is compared to each other as an example, The evidence will be explained first.

상기 계면(130)은 소정의 강성을 가지며, 이에 의해 제1 부공간(110, 110’, 110”)과 제2 부공간(120, 120’, 120”) 사이에서의 물질의 이동은 억제되는 것으로 예정한다. 또한 본 명세서에서, ‘쉘(shell)’은 역학적인 관점에서 면에 평행한 방향으로만 인장과 압축을 받는 면요소를 의미한다. 압력용기(1)로 적용되는 쉘 구조체(10, 10’, 10”)의 면요소는, 셀 구조체 특유의 기하학적 구조와 관련된 면요소로서 ‘내부 쉘(intrinsic shell)’과 셀 구조체의 특유의 기하학적 구조와는 무관한 면요소로서 이러한 내부 쉘로 둘러싸인 공간을 외부와 차폐하여 압력용기(1)로 적용하기 위해 별도로 부가되는 ‘외부 쉘(extrinsic shell)’로 구분될 수 있다.The interface 130 has a predetermined rigidity, thereby inhibiting the movement of substances between the first sub-spaces 110, 110', 110" and the second sub-spaces 120, 120', 120". To be expected. In addition, in this specification,'shell' refers to a surface element that receives tension and compression only in a direction parallel to the surface from a mechanical point of view. The surface element of the shell structure (10, 10', 10") applied to the pressure vessel (1) is a surface element related to the unique geometry of the cell structure, and the'intrinsic shell' and the unique geometry of the cell structure. As a surface element irrelevant to the structure, the space enclosed by the inner shell may be shielded from the outside and may be divided into an'extrinsic shell' that is separately added to apply to the pressure vessel 1.

도 3의 (a) ~ (c)는 대표적인 3 주기적 최소곡면 중 하나인 P, D, G surface에 의해 3차원 공간이 2개의 부공간으로 분리 구획되는 것을 나타내고 있다. 한편, 도 3의 (b)의 D및 도 3 (c)의 G surface의 경우에는 각 곡면으로 분리되는 2개의 부공간이 유사해 보이는 반면, 도 3 (a)의 P surface의 경우에는 2개의 부공간이 완전히 다른 것처럼 보인다. 하지만, P surface에서 이러한 차이점은 쉘 구조체(10, 10’, 10”)의 최외곽면의 선택 위치에 따라 나타나는 현상에 불과하다. 즉 P surface에서, 단위셀을 도 2에서와 같이 취하고 최외각면도 그 단위셀이 끝나는 경계에 취하게 되면 어느 2개의 부공간 중 어느 하나인 제1 부공간(110, 110’, 110”)은 단위셀의 온전한 형태가 드러나는 반면에 나머지 부공간인 제2 부공간(120, 120’, 120”)은 단위셀의 중간부분이 잘린 형태를 갖기 때문에 서로 다르게 보이지만, 도 4와 같이 최외각면의 위치를 1/2 주기만큼 변경하여 취하게 되면 제2 부공간(120, 120’, 120”)도 제 1 부공간과 유사한 형태가 된다. 이하에서, 쉘 구조체(10, 10’, 10”)로 구성된 압력용기(1)의 역학적 근거에 관해서는 편의상 P surface 형태의 쉘 구조체(10)를 예로 하여 설명하지만, 이러한 설명은 다른 TPMS 형태의 쉘 구조체(10’, 10”)를 갖는 압력용기(1)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.3A to 3C show that the three-dimensional space is divided into two subspaces by the P, D, and G surfaces, which are one of the representative three periodic minimum curves. On the other hand, in the case of the surface D of FIG. 3 (b) and the G surface of FIG. 3 (c), the two subspaces separated by each curved surface look similar, whereas in the case of the P surface of FIG. 3 (a), the two The subspace seems to be completely different. However, in the P surface, this difference is only a phenomenon that appears depending on the selected position of the outermost surface of the shell structures 10, 10', 10". That is, in the P surface, if the unit cell is taken as shown in Fig. 2 and the outermost surface is also taken at the boundary where the unit cell ends, the first subspace 110, 110', 110", which is one of the two subspaces, is While the complete shape of the unit cell is revealed, the second subspace 120, 120', 120”, which is the remaining subspace, looks different because the middle part of the unit cell has a cut shape. If the position is changed by 1/2 period and taken, the second sub-space 120, 120', 120” also has a similar shape to the first sub-space. Hereinafter, the mechanical basis of the pressure vessel 1 composed of the shell structures 10, 10', 10” will be described by using the P-surface-type shell structure 10 as an example, but this description is for other TPMS types. The same can be applied to the pressure vessel 1 having the shell structure (10', 10").

상기 압력용기(1)의 외관이 육면체 형태를 가지고 있고 이러한 육면체 내부에 아주 많은 수의 단위셀을 갖는 TMPS 쉘 구조체(10, 10’, 10”)가 배치된 것으로 가정할 때, Ban등의 논문(Ban Dang Nguyen, Yoon Chang Jeong, Kiju Kang, “Design of the P-Surfaced Shellular, an Ultra-Low Density Material with Micro-Architecture”, Computational Materials Science, Vol. 139, pp. 162-178, 2017)에 따르면 육면체에 형태의 최외측에서 내부 쉘과 접하는 외부 쉘의 영향을 무시하였을 때, 단위셀 내 쉘의 표면적은 아래의 수학식 (1)과 아래와 같다.Assuming that the outer appearance of the pressure vessel (1) has a hexahedral shape and TMPS shell structures (10, 10', 10") having a very large number of unit cells are arranged inside such a hexahedron, the paper of Ban et al. (Ban Dang Nguyen, Yoon Chang Jeong, Kiju Kang, “Design of the P-Surfaced Shellular, an Ultra-Low Density Material with Micro-Architecture”, Computational Materials Science, Vol. 139, pp. 162-178, 2017) According to this, when the influence of the outer shell in contact with the inner shell on the outermost side of the shape is neglected, the surface area of the shell in the unit cell is as shown in Equation (1) below.

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서 A와 D s 는 각각 단위셀 내 쉘의 표면적과 단위셀의 크기이고, f는 제1 부공간(110)과 제2 부공간(120)의 합에 해당하는 전체 부피 대비 제1 부공간(110)의 비율로 부피분율(volume fraction)로 칭한다. 본 발명자들은 상기 P surface 쉘의 제1 부공간(110) 내부에 압력이 작용하는 상황에 대한 구조해석을 수행하였다. 도 5는 그 결과 얻어진 Mises응력분포의 예를 나타내고 있다. 이와 같은 구조해석을 통하여 쉘에서 항복이 발생하는 임계 압력 P cr 은 아래의 수학식 (2)와 같이 표현된다.Here, A and D s are the surface area of the shell in the unit cell and the size of the unit cell, respectively, and f is the first sub-space compared to the total volume corresponding to the sum of the first sub-space 110 and the second sub-space 120 ( 110) and called the volume fraction. The present inventors have performed a structural analysis of a situation in which pressure acts inside the first sub-space 110 of the P surface shell. 5 shows an example of the resulting Mises stress distribution. Through this structural analysis, the critical pressure P cr at which yield occurs in the shell is expressed as Equation (2) below.

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서 σ o 와 t는 각각 쉘 재료의 항복응력과 쉘의 두께이다. 이 경우 쉘의 무게는 단순히 아래와 수학식 (3)과 같이 표현될 수 있다.Where σ o and t are the yield stress of the shell material and the thickness of the shell, respectively. In this case, the weight of the shell can be simply expressed as Equation (3) below.

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서 ρ 는 쉘 재료의 밀도이다. 따라서 임계 압력(P cr )과 단위셀의 크기(D s )가 주어졌을 때 쉘 재료의 항복이 발생하지 않을 최소 무게는 위의 식들로부터 아래의 수학식 (4)로 표현될 수 있다.Where ρ is the density of the shell material. Therefore, given the critical pressure ( P cr ) and the size of the unit cell ( D s ), the minimum weight at which the yield of the shell material will not occur can be expressed as Equation (4) below from the above equations.

Figure pat00006
Figure pat00006

결과적으로, 본 발명의 실시예에 따라 내부가 계면(130)에 의해 서로 꼬인 형태의 2 개의 부공간(subvolume)으로 분리 구획되고 각각의 부공간이 연속된 형태의 쉘(shell) 구조체로 이루어진 압력용기(1)에서 무게 대비 외형 체적과 내부 체적은 각각 아래의 수학식 (5) 및 (6)으로 표현될 수 있다. 이 경우, ‘외형 체적’이란 단위셀을 둘러싼 최소의 육면체 체적을 의미하고, ‘내부 체적’이란 내부압력을 받고 있는 부공간의 체적을 의미한다. 참고적으로, 본 발명에서 압력용기(1)는 다수의 단위셀을 갖는 3차원 쉘 구조체(10, 10’, 10”)로 이루어지기 때문에 이하의 단위셀을 대상으로 전개된 역학적 근거에 대한 식은 3차원 쉘 구조체(10, 10’, 10”) 내지 이를 포함하는 압력용기(1)에 동일하게 적용될 수 있다.As a result, according to an embodiment of the present invention, the interior is divided into two subvolumes twisted by the interface 130, and the pressure is made of a shell structure in which each sub-space is continuous. In the container 1, the external volume and the internal volume relative to the weight can be expressed by the following equations (5) and (6), respectively. In this case, the'outer volume' means the minimum hexahedral volume surrounding the unit cell, and the'inner volume' means the volume of a sub-space under internal pressure. For reference, since the pressure vessel 1 in the present invention is composed of a three-dimensional shell structure (10, 10', 10") having a plurality of unit cells, the equation for the mechanical basis developed for the following unit cells is It can be applied equally to the three-dimensional shell structure (10, 10', 10") to the pressure vessel (1) including the same.

Figure pat00007
Figure pat00007

Figure pat00008
Figure pat00008

한편 종래의 실린더형 쉘 형상의 압력용기(1')의 경우, 실린더 양쪽을 막는 차폐판의 영향을 무시하면 표면적과 임계응력은 아래의 수학식 (7) 및 (8)로 각각 표현된다.Meanwhile, in the case of the conventional cylindrical shell-shaped pressure vessel 1', the surface area and the critical stress are expressed by the following equations (7) and (8), respectively, if the influence of the shielding plate blocking both sides of the cylinder is ignored.

Figure pat00009
Figure pat00009

Figure pat00010
Figure pat00010

여기서 D와 l은 각각 실린더의 직경과 길이이다. 따라서 임계 압력(P cr )과 단위셀의 크기(D s )가 주어졌을 때 쉘 재료의 항복이 발생하지 않을 최소 무게는 위의 수학식 (7) 및 (8)로부터 아래의 수학식 (9)로 표현된다.Where D and l are the diameter and length of the cylinder, respectively. Therefore, given the critical pressure ( P cr ) and the size of the unit cell ( D s ), the minimum weight at which yield of the shell material will not occur is calculated from the above equations (7) and (8) to the following equation (9). It is expressed as

Figure pat00011
Figure pat00011

결과적으로, 종래의 실린더형 쉘 형상의 압력용기(1)에서 무게 대비 전체 외형의 체적과 내부 체적은 각각 아래 수학식 (10) 및 수학식 (11)로 표현될 수 있다.As a result, in the conventional cylindrical shell-shaped pressure vessel 1, the total external volume and the internal volume relative to the weight can be expressed by the following equations (10) and (11), respectively.

Figure pat00012
Figure pat00012

Figure pat00013
Figure pat00013

위의 결과를 비교 정리하면, 아래의 표 1과 같다.The above results are compared and summarized in Table 1 below.

Figure pat00014
Figure pat00014

여기서는 P surface 쉘 압력용기(1)에서 외측면을 차폐하기 위한 외부 쉘로서 차폐판(142, 143; 도 6 및 도 7 참조)과 실린더형 압력용기(1)의 양측면을 차폐하기 위한 외부 쉘로서 차폐판(142, 143)은 각각의 내부 쉘보다 충분히 높은 강도를 가짐으로써 모든 파손은 내부 쉘에서 먼저 발생한다고 가정하고 있다. 만일 밀도와 항복강도가 동일한 재료을 이용해 동일한 최고압력 즉 임계 압력(P cr )을 견딜 수 있는 P surface 쉘형과 실린더형 압력용기(1)를 제작한다면, 예컨대 P surface 쉘형 압력용기(1)의 부피분율이 f=0.7인 경우 무게 대비 외형 체적과 내부 체적이 실린더형 압력용기(1)보다 조금 크게 된다. 구체적으로, P surface 쉘형 압력용기(1)가 실린더형 압력용기(1')와 비교하여 무게 대비 저장 유체의 양은 9% 크고 외형 체적도 22% 크게 제작이 가능함을 의미한다. 그러나, 상기 P surface 쉘형 압력용기(1)의 부피분율이 f=0.7인 경우라도 P surface 쉘형 압력용기(1)에서는 2개의 부공간이 존재하기 때문에, 제1 부공간(110)을 포함하여 제2 부공간(120) 모두가 유체의 저장공간으로 사용되면 본 발명의 P surface 쉘형 압력용기(1)는 종래 실린더형 압력용기(1')보다도 유체 저장을 위한 내부 체적의 총량은 더 크면서도 외형 체적은 더 작게 구성될 수 있다. 요컨대, 본 발명의 압력용기(1)는 2개의 부공간 중 어느 하나만을 유체의 저장공간으로 활용하는 경우 해당 부공간의 부피분율(f)에 따라 저장유체의 양이 종래 대비 줄어들 수도 있지만, 기본적으로 무게 대비 외형 체적을 작게 구성하는 것이 가능하고, 다른 부공간도 유체의 저장공간으로 활용하여 저장용량 보완 및 극대화가 가능하며 또는 다른 부공간은 열교환매체를 수용 또는 이동시키기 위한 별도의 용도로 활용할 수 있는 잇점을 갖는다. 한편 상기 수학식 (2)에 따르면, 임계압력(Pcr)이 전체 외형의 크기가 아닌 단위셀(cell)의 크기에 대한 쉘 두께의 비(t/ D s )에 의존하기 때문에, 쉘 두께를 작게 하고 이와 동시에 단위셀의 크기를 동일 비율로 작게 하면 쉘 두께의 감소에도 불구하고 임계압력(P cr )이 감소되지 않는다. 이는, 후술하는 바와 같이 쉘의 계면(130; 도 3 참고)을 도금이나 코팅 등으로 제작하여 쉘 두께를 박막 형태로 매우 얇게 하는 경우라도 단위셀의 크기를 이에 비례하여 작게 구성하면 압력용기(1)에 대해 소망하는 충분한 내압 특성을 부여할 수 있음을 의미한다. 또한 단위셀의 크기를 작게 할수록 압력용기(1)의 외관 형상을 보다 자유롭게 구현할 수 있다. 이상의 상기한 P surface 쉘에 기초한 역학적 근거에 대한 설명은 다른 TPMS에서도 동일하게 적용될 수 있다.Here, as an outer shell for shielding the outer surface of the P surface shell pressure vessel 1, the shielding plates 142 and 143 (see FIGS. 6 and 7) and the outer shell for shielding both sides of the cylindrical pressure vessel 1 Since the shielding plates 142 and 143 have sufficiently high strength than each of the inner shells, it is assumed that all damage occurs first in the inner shell. If a P-surface shell-type and cylindrical pressure vessel (1) that can withstand the same maximum pressure, that is, the critical pressure (P cr ), is manufactured using a material having the same density and yield strength, for example, the volume fraction of the P-surface shell-type pressure vessel (1). In the case of f = 0.7, the outer volume and inner volume to the weight are slightly larger than that of the cylindrical pressure vessel (1). Specifically, it means that the P-surface shell-type pressure vessel 1 can be manufactured with a storage fluid volume of 9% and an external volume of 22% larger than that of the cylindrical pressure vessel 1'. However, even when the volume fraction of the P surface shell pressure vessel 1 is f = 0.7, since two subspaces exist in the P surface shell pressure vessel 1, the first subspace 110 is included. 2 If all of the sub-spaces 120 are used as fluid storage spaces, the P surface shell-type pressure vessel 1 of the present invention has a larger total internal volume for fluid storage than the conventional cylindrical pressure vessel 1 ′, but has an external appearance. The volume can be configured to be smaller. In short, in the pressure vessel 1 of the present invention, when only one of the two sub-spaces is used as a fluid storage space, the amount of storage fluid may be reduced compared to the prior art depending on the volume fraction (f) of the sub-space. It is possible to configure the external volume to be small compared to the weight, and it is possible to supplement and maximize the storage capacity by utilizing other sub-spaces as a storage space for fluids, or other sub-spaces to be used as separate purposes to accommodate or move the heat exchange medium. It has the advantage of being able to. Meanwhile, according to Equation (2), since the critical pressure (P cr ) depends on the ratio of the shell thickness to the size of the unit cell ( t/ D s ) , not the size of the entire outer shape, the shell thickness is At the same time, if the size of the unit cell is reduced by the same ratio, the critical pressure ( P cr ) does not decrease despite the decrease in the shell thickness. This is, as described later, even if the shell thickness is made very thin in the form of a thin film by making the interface 130 of the shell by plating or coating, etc., if the size of the unit cell is configured to be small in proportion to this, the pressure vessel 1 It means that it can give the desired sufficient internal pressure characteristics for ). In addition, the smaller the size of the unit cell, the more freely the external shape of the pressure vessel 1 can be realized. The above description of the mechanical basis based on the P surface shell can be equally applied to other TPMS.

압력용기의 실시예 및 그 제조방법Examples of pressure vessels and manufacturing method thereof

먼저, 도 6 내지 11을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 압력용기(1)의 구조에 대해 설명한다.First, a structure of a pressure vessel 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 11.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 쉘 구조체(10, 10’, 10”)로 이루어진 압력용기(1)의 구조도이다. 이러한 압력용기(1)는 내압용기 또는 진공용기를 포함한다. 상기 쉘 구조체(10, 10’, 10”)는 내부가 계면(130; 도 3 참고)에 의해 서로 꼬인 형태의 제1 부공간(110, 110’, 110”) 및 제2 부공간(120, 120’, 120”)으로 이루어진 2개의 부공간으로 분리 구획되며, 본 실시예에서는 이러한 쉘 구조체(10, 10’, 10”)의 계면(130)이 도 6의 (a) ~ (c) 각각에 따라 특히 P surface, D surface, G surface와 같은 TPMS로 구현된 예이다. 앞서 언급한 바와 같이, 계면(130)은 소정의 강성을 가지며, 이에 의해 제1 부공간(110, 110’, 110”)과 제2 부공간(120, 120’, 120”) 사이에서의 물질의 이동은 억제된다. 또한 이러한 계면(130)은 곡면 프로파일을 가지며, 역학적인 관점에서 앞서 언급한 바와 같이 면에 평행한 방향으로만 인장과 압축을 받은 '쉘(shell)'로 볼 수 있다.6 is a structural diagram of a pressure vessel 1 made of a shell structure 10, 10', 10" according to an embodiment of the present invention. This pressure vessel 1 includes an internal pressure vessel or a vacuum vessel. The shell structure (10, 10', 10") has a first subspace (110, 110', 110") and a second subspace (120,) in which the interior is twisted by an interface 130 (see FIG. 3). 120', 120”) is divided into two subspaces, and in this embodiment, the interface 130 of these shell structures 10, 10', 10” is shown in FIGS. 6A to 6C, respectively. In particular, it is an example implemented with TPMS such as P surface, D surface, and G surface. As mentioned above, the interface 130 has a predetermined rigidity, whereby the material between the first subspaces 110, 110', 110" and the second subspaces 120, 120', 120" Movement is suppressed. In addition, the interface 130 has a curved profile, and from a mechanical point of view, it can be viewed as a'shell' that is tensioned and compressed only in a direction parallel to the surface as mentioned above.

본 실시예에서는 2개의 부공간 중 어느 하나만이 유체의 저장공간으로 제공되는 것으로 예시되어 있으며, 해당 부공간의 외측면을 차폐하기 위한 외부 쉘로서 차폐판(142)이 구비된다. 즉, 상기 저장공간으로 제공되는 부공간의 외부로 노출되는 부분이 상기 유체의 반출입을 위한 부분(도면 미도시)을 제외하고 차폐판(142)으로 밀봉된다. 본 실시예에서, 유체의 저장공간은 제1 부공간(110, 110’, 110”)으로 예시되어 있고, 차폐판(142)은 평면 프로파일을 갖는 것으로 예시되어 있다. 또한 상기 유체의 반출입을 위한 부분은 차폐판(142)의 임의의 위치에서 타공된 형태일 수 있고, 차폐판(142)과 별도로 구비되는 입구 및 출구용 관형 부재(도면 미도시)일 수 있다. 이러한 입구 및 출구는 쉘 구조체(10, 10’, 10”)의 적절한 위치에서 임의로 제공될 수 있다. 한편, 본 발명에서 압력용기(1)는 차폐판(142)과 함께 실용상의 목적으로 유체의 반출입을 위한 유형의 입구 및 출구가 별도로 구비된 경우는 물론, 유체의 반출입을 위한 부분을 제외하고 차폐판(142)이 구비된 쉘 구조체(10, 10’, 10”) 자체일 수 있다.In this embodiment, it is illustrated that only one of the two subspaces is provided as a fluid storage space, and a shielding plate 142 is provided as an outer shell for shielding the outer surface of the subspace. That is, the part exposed to the outside of the sub-space provided as the storage space is sealed with the shielding plate 142 except for a part for carrying in/out of the fluid (not shown). In this embodiment, the fluid storage space is illustrated as the first sub-spaces 110, 110', 110", and the shielding plate 142 is illustrated as having a planar profile. In addition, the portion for carrying in/out of the fluid may be a form perforated at an arbitrary position of the shielding plate 142, and may be tubular members for inlet and outlet (not shown) provided separately from the shielding plate 142. These inlets and outlets may be provided arbitrarily at appropriate positions of the shell structures 10, 10', 10". On the other hand, in the present invention, the pressure vessel 1 is shielded except for a part for carrying in and out of the fluid, as well as when the inlet and outlet of the type for carrying in and out of the fluid for practical purposes together with the shielding plate 142 are separately provided. It may be the shell structure (10, 10', 10") itself provided with the plate 142.

선택적으로, 유체의 저장공간으로 활용되지 않은 나머지 부공간(120)은 압력용기(1)의 용도에 따라 열교환매체의 수용 또는 이동을 위한 공간으로 제공될 수 있다. 예컨대 나머지 부공간을 통해 열교환매체가 이동되도록 하여 저장공간 내 유체와의 열교환을 통해 가열 또는 냉각할 수 있다. 본 실시예에서, 제2 부공간(120, 120’, 120”)이 이러한 열교환매체의 수용 또는 이동을 위한 공간으로 활용될 수 있다. 상기 열교환매체의 용도는 가열용 또는 냉각용일 수 있고, 그 종류는 가스 또는 액체를 불문한다. Optionally, the remaining subspace 120 that is not used as a storage space for fluid may be provided as a space for receiving or moving a heat exchange medium according to the purpose of the pressure vessel 1. For example, by allowing the heat exchange medium to move through the remaining subspaces, heating or cooling may be performed through heat exchange with the fluid in the storage space. In this embodiment, the second sub-spaces 120, 120' and 120' may be used as a space for accommodating or moving such a heat exchange medium. The heat exchange medium may be used for heating or cooling, and the type of the heat exchange medium may be gas or liquid.

상기 쉘 구조체(10, 10’, 10”)는 압력용기(1) 용도에 적합하도록 소정의 강성을 갖는 재질이면 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 상기 쉘 구조체(10, 10’, 10”)를 구성하는 계면(130)은 고강도 금속 또는 수지 재질로 이루어질 수 있다. 또한 유체의 저장공간으로 활용될 부공간(110, 110', 120')의 외측면을 차폐하기 위한 외부 쉘로서 차폐판(142)의 재질 또한 상기 계면(130)과 마찬가지로 소정의 강성을 가지면 특별히 제한되지 않으며, 상기 계면(130)과 동일 또는 이종 재질로 구성될 수 있다. 다만, 본 실시예에 따라 차폐판(142)이 평면 형태이고 차폐판(142)을 상기 계면(130)과 동일 재질로 하는 경우, 인가되는 압력에 의해 계면(130) 보다 먼저 항복되지 않도록 계면(130)의 두께보다 두껍게 할 필요가 있다. 후술하는 바와 같이, 압력용기(1)용 쉘 구조체(10, 10’, 10”)의 면요소로서 계면(130)과 차폐판(142)은 템플릿(20)에 기초해 코팅하는 방식으로 형성되거나 복수로 분할 가공한 분할 가공 요소를 상호 결합시키는 방식으로 형성될 수 있다.The shell structure (10, 10', 10") is not particularly limited as long as it is a material having a predetermined rigidity to be suitable for the use of the pressure vessel (1), for example, constituting the shell structure (10, 10', 10") The interface 130 may be made of a high-strength metal or resin material. In addition, as an outer shell for shielding the outer surfaces of the subspaces 110, 110', 120' to be used as fluid storage spaces, the material of the shielding plate 142 is also special if it has a predetermined rigidity like the interface 130. It is not limited, and may be made of the same or different material as the interface 130. However, according to the present embodiment, when the shielding plate 142 is in a flat shape and the shielding plate 142 is made of the same material as the interface 130, the interface ( It is necessary to make it thicker than the thickness of 130). As described later, the interface 130 and the shielding plate 142 as surface elements of the shell structures 10, 10', 10" for the pressure vessel 1 are formed in a manner of coating based on the template 20 or It may be formed in a manner that combines the divided processing elements processed in a plurality of pieces with each other.

상기 계면(130)을 특히 TPMS로 구성하여 쉘 구조체(10, 10’, 10”)를 구성하는 경우, 쉘 구조체(10, 10’, 10”) 자체에 대한 강성과, 유체 저장공간으로 활용되는 부공간(110, 110', 110””)에서의 내압특성과, 열교환매체의 저장 및 이동통로로 활용되는 부공간에서의 유체 투과성 모두가 종래 구형 또는 실린더형 압력용기(1')는 물론 단순히 2개의 부공간으로 구성된 쉘 구조체(10, 10’, 10”)로 이루어진 압력용기(1) 대비 월등히 개선될 수 있다.When the interface 130 is specifically composed of TPMS to form the shell structure (10, 10', 10"), the stiffness of the shell structure (10, 10', 10") itself and used as a fluid storage space Both the pressure resistance characteristics in the sub-spaces (110, 110', 110””) and the fluid permeability in the sub-spaces used as storage and movement passages of the heat exchange medium are simply as well as the conventional spherical or cylindrical pressure vessel (1'). It can be significantly improved compared to the pressure vessel (1) consisting of the shell structure (10, 10', 10") consisting of two sub-spaces.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 쉘 구조체(10, 10’, 10”)로 이루어진 압력용기(1)의 구조도이다. 본 실시예에 따른 쉘 구조체(10, 10’, 10”)의 계면(130)도 상기 도 6에서와 마찬가지로 도 7의 (a) ~ (c) 각각에 따라 P surface, D surface, G surface와 같은 TPMS로 구현된 예로 나타내었다. 본 실시예에 따른 압력용기(1)는 도 6의 실시예와는 달리 2개의 부공간 모두가 유체의 저장공간으로 제공되어 저장공간을 극대화한 예이며, 이해의 편의상 각각의 부공간이 분리 인식된 상태를 도면에 별도로 표시하였다. 본 실시예에서, 유체의 저장공간으로 제공되는 제1 부공간(110, 110’, 110”) 및 제2 부공간(120, 120’, 120”) 각각에 대해 외측면을 차폐하기 위한 외부 쉘로서 별도의 차폐판(142, 143)이 구비된다. 다만 제1 부공간(110, 110’, 110”)과 제2 부공간(120, 120’, 120”)은 분리 인식하여 도면을 표현한 것에 불구하고, 제1 부공간(110, 110’, 110”)과 제2 부공간(120, 120’, 120”)은 계면(130)을 공유하고 별개의 쉘로 이루어진 것은 아니기 때문에, 실제 압력용기(1)의 제작시 외부 쉘로서 차폐판(142, 143)만이 부가된다. 본 실시예에서, 계면(130) 및 차폐판(142, 143)의 재질, 차폐판(142, 143)의 형상이나 재질에 기초한 두께 설계, 유체의 반출입을 위한 유형의 입구 및 출구의 형성에 관한 사항은 상기 도 6의 실시예와 동일하다.7 is a structural diagram of a pressure vessel 1 made of shell structures 10, 10' and 10' according to another embodiment of the present invention. The interface 130 of the shell structures 10, 10 ′, 10 ″ according to the present embodiment is also the same as in FIG. 6, with the P surface, D surface, and G surface according to each of FIGS. 7A to 7C. It is shown as an example implemented with the same TPMS. The pressure vessel 1 according to this embodiment is an example in which the storage space is maximized because both of the two sub-spaces are provided as a storage space for fluid, unlike the embodiment of FIG. 6, and each sub-space is recognized separately for convenience of understanding. The condition is separately indicated in the drawing. In this embodiment, the outer shell for shielding the outer surface of each of the first sub-space (110, 110', 110") and the second sub-space (120, 120', 120") provided as a fluid storage space As a separate shielding plate (142, 143) is provided. However, although the first sub-space (110, 110', 110") and the second sub-space (120, 120', 120") are separately recognized and expressed in the drawings, the first sub-spaces 110, 110', 110 ”) and the second sub-spaces 120, 120', 120” share the interface 130 and are not made of separate shells, so when the actual pressure vessel 1 is manufactured, the shielding plates 142 and 143 are used as outer shells. ) Is added. In this embodiment, the material of the interface 130 and the shielding plates 142, 143, thickness design based on the shape or material of the shielding plates 142, 143, and the formation of a type of inlet and outlet for carrying in/out of fluid The details are the same as in the embodiment of FIG. 6.

도 8 은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쉘 구조체(10, 10’, 10”)로 이루어진 압력용기(1)의 구조도를 나타낸다. 본 실시예에 따른 쉘 구조체(10, 10’, 10”)의 계면(130)도 상기 도 6 및 도 7과 마찬가지로 도 8의 (a) ~ (c) 각각에 따라 P surface, D surface, G surface와 같은 TPMS로 구현된 예로 나타내었다. 본 실시예에 따른 압력용기(1)는 도 6과 마찬가지로 2개의 부공간 중 하나가 유체의 저장공간으로 제공되되, 도 6과는 달리 차폐판(142)이 저장공간 외부 방향으로 볼록한 곡면 프로파일을 갖는 것으로 예시되어 있다. 본 실시예에서 차폐판(142)이 볼록한 곡면 프로파일을 가짐으로써, 저장공간 내부에 압력이 증가되었을 때 차폐판(142)에 인가되는 압력을 완화할 수 있고 이에 따라 차폐판(142)의 두께를 ?緞? 형성할 수 있어 유리하다. 이러한 볼록한 곡면 프로파일은, 차폐판(142)이 신축성 재질로 구성된 경우를 가정하여 내부 압력 증가에 따라 팽창된 모습을 갖도록 설계하는 것이 바람직하다. 8 shows a structural diagram of a pressure vessel 1 made of a shell structure 10, 10', 10" according to another embodiment of the present invention. The interface 130 of the shell structures 10, 10 ′, 10 ″ according to the present embodiment is also P surface, D surface, and G according to FIGS. 8A to 8C, as in FIGS. 6 and 7. It is shown as an example implemented by TPMS such as a surface. In the pressure vessel 1 according to the present embodiment, one of the two sub-spaces is provided as a fluid storage space, as in FIG. 6, but unlike FIG. 6, the shielding plate 142 has a convex curved profile toward the outside of the storage space. It is illustrated as having. In this embodiment, since the shielding plate 142 has a convex curved profile, it is possible to alleviate the pressure applied to the shielding plate 142 when the pressure inside the storage space is increased, thereby reducing the thickness of the shielding plate 142 ?緞? It is advantageous to be able to form. It is preferable to design such a convex curved profile to have an expanded shape according to an increase in internal pressure, assuming that the shielding plate 142 is made of an elastic material.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쉘 구조체(10, 10’, 10”)로 이루어진 압력용기(1)의 구조도를 나타낸다. 본 실시예에 따른 쉘 구조체(10, 10’, 10”)의 계면(130)도 상기 도 8과 마찬가지로 도 9의 (a) ~ (c) 각각에 따라 P surface, D surface, G surface와 같은 TPMS로 구현된 예로 나타내었다. 본 실시예에 따른 압력용기(1)는 도 8과 마찬가지로 2개의 부공간 중 하나가 유체의 저장공간으로 제공되되, 도 8과는 달리 차폐판(142)이 저장공간 내부 방향으로 오목한 곡면 프로파일을 갖는 것으로 예시되어 있다. 본 실시예에서 차폐판(142)이 오목한 곡면 프로파일을 가짐으로써, 도 8과 유사하게 저장공간 내부에 압력이 감소되었을 때 차폐판(142)에 인가되는 압력을 완화하여 차폐판(142)의 두께를 ?緞? 형성할 수 있고 또한 압력 용기를 둘러싼 육면체 형상과 같은 외형 체적을 최소화할 수 있어 유리하다. 이러한 오목한 곡면 프로파일은, 차폐판(142)이 신축성 재질로 구성된 경우를 가정하여 내부 압력 감소에 따라 수축된 모습을 갖도록 설계하는 것이 바람직하다.9 shows a structural diagram of a pressure vessel 1 made of a shell structure 10, 10', 10" according to another embodiment of the present invention. The interface 130 of the shell structure 10, 10', 10" according to the present embodiment is also similar to that of FIG. 8, such as the P surface, the D surface, and the G surface according to each of (a) to (c) of FIG. 9. It is shown as an example implemented by TPMS. In the pressure vessel 1 according to the present embodiment, one of the two sub-spaces is provided as a fluid storage space, as in FIG. 8, but unlike FIG. 8, the shielding plate 142 has a curved profile concave in the storage space. It is illustrated as having. In this embodiment, as the shielding plate 142 has a concave curved profile, the thickness of the shielding plate 142 is relieved by reducing the pressure applied to the shielding plate 142 when the pressure inside the storage space is reduced, similar to FIG. 8. ?緞? It is advantageous in that it can be formed and the external volume such as a hexahedral shape surrounding the pressure vessel can be minimized. It is preferable to design such a concave curved profile to have a shape contracted according to a decrease in internal pressure on the assumption that the shielding plate 142 is made of an elastic material.

한편, 도 8 및 도 9의 실시예에 유체 저장공간으로 활용되지 않는 나머지 부공간은 도 6에서와 마찬가지로 열교환매체의 저장 또는 이동을 위한 공간으로 제공될 수 있다. 또한 도 8 및 도 9의 실시예를 변형하여 도 7에서와 같이 나머지 부공간도 유체 저장공간으로 활용하는 것도 가능하며, 그 예를 도 10 및 도 11에 나타내었다. 도 10 및 도 11에서, 이해의 편의상 각각의 부공간이 분리 인식된 상태를 도 7과 마찬가지로 도면에 별도로 표시하였다. 이 경우, 제1 부공간(110, 110’, 110”)과 제2 부공간(120, 120’, 120”)은 분리 인식하여 도면을 표현한 것에 불구하고, 제1 부공간(110, 110’, 110”)과 제2 부공간(120, 120’, 120”)은 계면(130)을 공유하고 별개의 쉘로 이루어진 것은 아니기 때문에, 실제 압력용기(1)의 제작시 외부 쉘로서 차폐판(142, 143)만이 부가되는 점은 도 7에서와 동일하다. 도 10 및 도 11의 실시예에서는, 도 7의 실시예와 비교할 때, TPMS형태의 계면(130)에 의해 분리된 2개의 부공간 모두를 유체의 저장공간으로 하는 것은 동일하나, 각각의 부공간에 구비된 차폐판(142, 143)이 도 10의 경우 저장공간 외부 방향으로 볼록한 곡면 프로파일을 갖고 도 11의 경우 저장공간 내부 방향으로 오목한 곡면 프로파일을 갖는 점에서 각각 상이하다. 도 10 및 도 11의 실시예에서, 차폐판(142, 143)의 곡면 프로파일의 바람직한 형태나 그에 따른 장점은 상기 도 8 및 도 9에서 설명한 것과 동일하다.Meanwhile, the remaining subspaces that are not used as a fluid storage space in the embodiments of FIGS. 8 and 9 may be provided as a space for storage or movement of the heat exchange medium as in FIG. 6. In addition, it is possible to use the remaining subspace as a fluid storage space as shown in FIG. 7 by modifying the embodiments of FIGS. 8 and 9, and examples thereof are shown in FIGS. 10 and 11. In FIGS. 10 and 11, for convenience of understanding, a state in which each sub-space is recognized separately is separately indicated in the drawing as in FIG. 7. In this case, the first sub-spaces 110, 110', 110" and the second sub-spaces 120, 120', 120" are recognized separately and expressed in the drawings, but the first sub-spaces 110 and 110' , 110”) and the second subspaces 120, 120', 120” share the interface 130 and are not made of separate shells, so when the actual pressure vessel 1 is manufactured, the shielding plate 142 is used as an outer shell. , 143) is the same as in FIG. 7. In the embodiments of FIGS. 10 and 11, compared to the embodiment of FIG. 7, it is the same that both of the two sub-spaces separated by the interface 130 of the TPMS form are used as storage spaces for the fluid, but each sub-space The shielding plates 142 and 143 provided in FIG. 10 are different in that they have a convex curved profile toward the outside of the storage space in FIG. 10 and a concave curved profile toward the inside of the storage space in FIG. 11. In the embodiments of FIGS. 10 and 11, the preferred shape of the curved profile of the shielding plates 142 and 143 and advantages thereof are the same as those described in FIGS. 8 and 9.

다음으로, 도 12 내지 15를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 압력용기(1)의 제조방법에 대해 설명한다.Next, a method of manufacturing the pressure vessel 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 12 to 15.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 압력용기(1)의 제조 공정도를 나타내며, 도 6, 8 및 9의 실시예에 따라 TPMS 쉘 구조체(10, 10’, 10”)의 2개의 부공간 중 어느 하나만이 유체의 저장공간으로 제공되는 압력용기(1)를 제조하는 경우에 적용될 수 있다. 도면에서 TPMS는 설명의 편의상 P surface로 예시하였으며, 3차원 쉘 구조체(10)의 몰드(mold)로 기능하는 템플릿(20)은 2차원적으로 도식화하여 표현하였다.12 shows a manufacturing process diagram of the pressure vessel 1 according to the embodiment of the present invention, and in the two subspaces of the TPMS shell structure 10, 10', 10" according to the embodiment of FIGS. 6, 8 and 9 Any one can be applied in the case of manufacturing the pressure vessel 1 provided as a fluid storage space. In the drawings, TPMS is illustrated as a P surface for convenience of explanation, and the template 20 functioning as a mold of the three-dimensional shell structure 10 is represented in a two-dimensional diagram.

도 12를 참조할 때 압력용기(1) 제조방법은, 유체의 저장공간으로 제공될 부공간이 템플릿 재료(210)로 충진된 형태의 템플릿(20)을 제작하는 단계(S10); 상기 템플릿(20)의 전체 표면에 제1 코팅막(230a)을 형성하는 단계(S20); 및 상기 제1 코팅막(230a)의 일부를 제거하여 템플릿(20)을 노출시킨 후 제거하는 단계(S30);를 포함하여 수행된다. Referring to FIG. 12, the pressure vessel 1 manufacturing method includes the steps of manufacturing a template 20 in which a subspace to be provided as a fluid storage space is filled with a template material 210 (S10); Forming a first coating film 230a on the entire surface of the template 20 (S20); And removing a portion of the first coating layer 230a to expose and remove the template 20 (S30).

이러한 3차원 쉘 구조체(10)로 이루어진 압력용기(1)의 전체적인 주요 공정은, 예컨대 본 발명자 등이 선행 논문을 통해 개시한 광 리소그래피를 기반으로 한 제조방법을 응용하여 제조될 수 있으며(S.C. Han, J.W. Lee, K. Kang. A new type of low density material; Shellular. Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015.), 또한 아래의 제조공정 중 TPMS 템플릿(20) 제작은 본 발명자 등이 기출원한 대한민국 특허 제1341216호, 제1699943호 및 공개특허 제10-2018-0029454에 따라 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 논문과 선출원 특허출원들에 기재된 내용은 본 발명의 일부로서 일체로 참조될 수 있다.The overall main process of the pressure vessel 1 made of such a three-dimensional shell structure 10 can be manufactured by, for example, applying a manufacturing method based on optical lithography disclosed by the inventors through prior papers (SC Han , JW Lee, K. Kang. A new type of low density material; Shellular.Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015.) It may be made in accordance with Korean Patent Nos. 1341216, 1699943 and Korean Patent Publication No. 10-2018-0029454, which have been previously applied. Accordingly, the contents described in the thesis and earlier patent applications may be referred to as a part of the present invention.

구체적으로 상기 S10 단계에서, 템플릿(20)은 마스크를 통하여 조사된 자외선으로 경화된 수지(Thiolen) 구조체, 수지가 함침된 유연한 와이어 직조 구조체, 규칙적으로 배열된 후 부분적으로 식각된 폴리머 구슬 집합체 등이 사용될 수 있고, 따라서 템플릿 재료(210)는 수지, 금속 또는 그 복합재가 사용될 수 있다.Specifically, in the step S10, the template 20 includes a resin (Thiolen) structure cured with ultraviolet rays irradiated through a mask, a flexible wire woven structure impregnated with resin, a polymer bead assembly that is regularly arranged and then partially etched. Thus, the template material 210 may be a resin, a metal, or a composite material thereof.

상기 S20 단계에서, 제1 코팅막(230a)은 템플릿(20)의 전체 표면 즉, 쉘 구조체(10) 내부 표면 및 외부 표면 모두에 도포된다. 이러한 제1 코팅막(230a)은 쉘 구조체(10)의 계면(130) 및 외곽면을 구성하기 때문에 고강도 금속, 세라믹 또는 수지 재질일 수 있다. 제1 코팅막(230a)의 형성방법은 재질에 따라 선택될 수 있으며, 예컨대 금속의 경우 전해 도금, 무전해 도금, 원자막 증착, 화학증착 등으로, 세라믹의 경우 원자막 증착, 화학증착, 물리증착, 수지의 경우 침지 코팅 (dip coating), 화학증착 등으로 형성될 수 있다.In the step S20, the first coating film 230a is applied to the entire surface of the template 20, that is, both the inner surface and the outer surface of the shell structure 10. Since the first coating layer 230a constitutes the interface 130 and the outer surface of the shell structure 10, it may be made of high-strength metal, ceramic, or resin. The formation method of the first coating layer 230a may be selected according to the material, for example, for metal, electroplating, electroless plating, atomic film deposition, chemical deposition, etc., for ceramic, atomic film deposition, chemical deposition, physical deposition. , In the case of resin, it can be formed by dip coating or chemical vapor deposition.

상기 S30 단계에서, 상기 제1 코팅막(230a)의 제거는 예컨대 폴리싱 방식일 수 있다. 제1 코팅막(230a)의 제거는 템플릿(20) 중 돌출된 일부에 대해서 행해지며, 이에 따라 제1 코팅막(230a) 아래의 템플릿 재료(210)가 노출된다. 상기 템플릿 재료(210)는 제1 코팅막(230a)이 제거된 영역을 통해 침투되는 에칭액을 이용해 식각되어 배출되는 방식으로 제거될 수 있다. In the step S30, the removal of the first coating layer 230a may be, for example, a polishing method. The removal of the first coating layer 230a is performed on a portion of the template 20 that protrudes, thereby exposing the template material 210 under the first coating layer 230a. The template material 210 may be removed by being etched using an etching solution penetrating through the region from which the first coating layer 230a has been removed, and then discharged.

이에 따라 내부가 계면(130)에 의해 서로 꼬인 형태의 제1 부공간(110) 및 제2 부공간(120)을 갖는 3차원 쉘 구조체(10)로 이루어진 압력용기(1)가 제조될 수 있으며, 2개의 부공간 중 실시예에서와 같이 제1 부공간(110)만이 유체의 저장공간으로 제공된다. 이 경우, 상기 제1 코팅막(230a)은 쉘 구조체(10)의 계면(130) 및 외곽면을 형성하게 되며, 이러한 외곽면에는 유체 저장공간에 해당하는 제1 부공간(110)의 외측면을 차폐하기 위한 외부 쉘로서 차폐판(142) 면을 포함한다. 상기 제1 코팅막(230a)이 제거된 영역은 최종 결과물인 압력용기(1)에서 유체의 반출입을 위한 입출구(150)로 기능할 수 있다. 한편, 실시예에서 유체의 저장공간에 대한 차폐판(142) 면은 도 6에서와 같이 평면 프로파일을 예정하였고 이에 대응하는 템플릿(20) 면도 평면 프로파일을 갖는 것으로 예시하였으나, 도 8 및 도 9에서와 같이 곡면 프로파일을 갖는 차폐판(142) 면을 형성하는 경우 상기 S20 단계 이전에 해당 템플릿(20) 면을 차폐판(142) 면에 곡면 프로파일에 대응하도록 미리 가공할 수 있다(도면 미도시).Accordingly, a pressure vessel 1 made of a three-dimensional shell structure 10 having a first sub-space 110 and a second sub-space 120 in a form in which the interior is twisted with each other by the interface 130 can be manufactured. , Of the two sub-spaces, only the first sub-space 110 is provided as a fluid storage space as in the embodiment. In this case, the first coating layer 230a forms the interface 130 and the outer surface of the shell structure 10, and the outer surface of the first sub-space 110 corresponding to the fluid storage space is formed on the outer surface. It includes a shielding plate 142 surface as an outer shell for shielding. The region from which the first coating layer 230a is removed may function as an inlet/outlet 150 for carrying in/out of a fluid from the pressure vessel 1 as a final result. On the other hand, in the embodiment, the surface of the shielding plate 142 for the fluid storage space has a planar profile as shown in FIG. 6 and the template 20 corresponding thereto is illustrated as having a planar profile, but in FIGS. 8 and 9 In the case of forming the surface of the shielding plate 142 having a curved profile as described above, the surface of the template 20 may be processed in advance to correspond to the curved profile on the surface of the shielding plate 142 before step S20 (not shown). .

도 13은 도 12의 변형 실시예에 따른 압력용기(1)의 제조 공정도를 나타낸다. 도 13의 실시예에서는 유체의 저장공간으로 연통되는 입출구(150)를 관형 부재 형태로 쉘 구조체(10)와 일체로 구현한 또 다른 예이다. 구체적으로, 상기 도 12의 S10 단계는 템플릿(20) 제작 후(S10-1) 노출된 템플릿 재료(210)에 입출구(150) 형성용 봉재(240)를 연결시키는 단계(S10-2)를 더 포함하고, 상기 도 12의 S20 단계에서 상기 템플시 재료 및 입출구(150) 형성용 봉재(240)의 노출된 표면 전체에 제1 코팅막(230a)을 형성하고, 상기 도 12의 S30 단계에서 제1 코팅막(230a)의 일부를 제거하여 봉재(240)를 노출시킨 후 상기 봉재(240)와 템플릿 재료(210)를 순차적으로 제거하는 방식으로 수행되며, 상기 봉재(240)가 제거된 영역이 유체의 반출입을 위한 입출구(150)로 형성하게 된다. 도 13의 경우 코팅막 형성 전에 봉재(240)를 연결시키는 공정을 템플릿(20) 제조의 일부로 수행할 수 있어 전체적인 공정은 도 12와 크게 다르지 않다.13 shows a manufacturing process diagram of the pressure vessel 1 according to the modified embodiment of FIG. 12. In the embodiment of FIG. 13, it is another example in which the inlet and outlet 150 communicating with the fluid storage space is integrally implemented with the shell structure 10 in the form of a tubular member. Specifically, step S10 of FIG. 12 includes a step (S10-2) of connecting the entry/exit 150 to the exposed template material 210 after the template 20 is produced (S10-1). In the step S20 of FIG. 12, a first coating layer 230a is formed on the entire exposed surface of the temple material and the rod material for forming the entrance/exit 150, and the first coating layer 230a is formed in the step S30 of FIG. A portion of the coating layer 230a is removed to expose the bar material 240, and then the bar material 240 and the template material 210 are sequentially removed. It is formed as an entry and exit port 150 for carrying in and out. In the case of FIG. 13, the process of connecting the rods 240 before forming the coating film may be performed as a part of manufacturing the template 20, so the overall process is not much different from that of FIG. 12.

도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력용기(1)의 제조 공정도를 나타내며, 도 7, 10 및 11의 실시예에 따라 TPMS 쉘 구조체(10)의 2개의 부공간 모두가 유체의 저장공간으로 제공되는 압력용기(1)를 제조하는 경우에 적용될 수 있다. 도 12와 마찬가지로, 도 14에서 TPMS는 설명의 편의상 P surface로 예시하였으며, 3차원 쉘 구조체(10)의 몰드(mold)로 기능하는 템플릿(20)은 2차원적으로 도식화하여 표현하였다.14 shows a manufacturing process diagram of the pressure vessel 1 according to another embodiment of the present invention, and according to the embodiments of FIGS. 7, 10 and 11, both subspaces of the TPMS shell structure 10 are storage spaces for fluids. It can be applied in the case of manufacturing the pressure vessel (1) provided as. Like FIG. 12, in FIG. 14, TPMS is illustrated as a P surface for convenience of explanation, and the template 20 functioning as a mold of the 3D shell structure 10 is schematically represented in two dimensions.

도 14를 참조할 때 압력용기(1) 제조방법은, 상기 제1 부공간(110) 또는 제2 부공간(120) 중 어느 하나가 제1 템플릿 재료(210)로 충진된 형태의 템플릿(20)을 제작하는 단계(S100); 상기 템플릿(20)의 전체 표면에 제1 코팅막(230a)을 형성하는 단계(S200); 상기 제1 부공간(110) 또는 제2 부공간(120) 중 나머지 빈 공간에 제2 템플릿 재료(220)를 충진하는 단계(S300); 상기 제1 코팅막(230a)의 단면이 노출되도록 상기 템플릿(20)의 전체 외곽면을 연삭한 후 제2 코팅막(230b)을 형성하는 단계(S400); 상기 제2 코팅막(230b)의 일부를 제거하여 성가 재1 템플릿 재료(210) 및 제2 템플릿 재료(220)를 노출시킨 후 제거하는 단계(S500);을 포함하여 수행된다. 이 경우, 상기 제1 템플릿 재료(210)와 제2 템플릿 재료(220)는 동일 또는 다른 재질로 할 수 있으나, 동일 재질로 함으로써 식각 공정을 단순화할 수 있다. 또한 제1 코팅막(230a)과 제2 코팅막(230b)도 동일 또는 다른 재질로 할 수 있으나, 동일 재질로 하므로써 제1 코팅막(230a)과 제2 코팅막(230b) 간 접합 품질은 향상될 수 있다.Referring to FIG. 14, the pressure vessel 1 manufacturing method includes a template 20 in which either the first sub-space 110 or the second sub-space 120 is filled with the first template material 210. ) Producing a step (S100); Forming a first coating film 230a on the entire surface of the template 20 (S200); Filling the second template material 220 in the remaining empty space of the first sub-space 110 or the second sub-space 120 (S300); Forming a second coating layer 230b after grinding the entire outer surface of the template 20 so that the cross section of the first coating layer 230a is exposed (S400); And removing a portion of the second coating layer 230b to expose and remove the first template material 210 and the second template material 220 (S500). In this case, the first template material 210 and the second template material 220 may be made of the same material or different materials, but the etching process may be simplified by using the same material. In addition, the first coating layer 230a and the second coating layer 230b may be made of the same or different material, but the bonding quality between the first coating layer 230a and the second coating layer 230b may be improved by using the same material.

이에 따라 내부가 계면(130)에 의해 서로 꼬인 형태의 제1 부공간(110) 및 제2 부공간(120)을 갖는 3차원 쉘 구조체(10)로 이루어진 압력용기(1)가 제조될 수 있으며, 실시예에서와 같이 제1 부공간(110) 및 제2 부공간(120) 모두가 유체의 저장공간으로 제공된다. 이 경우, 상기 S400단계에서 제1 코팅막(230a)의 단부측은 제2 코팅막(230b)의 면에 접촉하여 결합하게 된다. 결과적으로 상기 제1 코팅막(230a)은 쉘 구조체(10)의 계면(130)을 형성하고, 제2 코팅막(230b)은 쉘 구조체(10)의 외곽면을 형성하게 된다. 쉘 구조체(10)의 외곽면에는 유체 저장공간에 해당하는 제1 부공간(110) 및 제2 부공간(120)의 외측면을 차폐하기 위한 외부 쉘로서 차폐판(142, 143) 면을 포함한다. 상기 제2 코팅막(230b)이 제거된 영역은 최종 결과물인 압력용기(1)에서 유체의 반출입을 위한 입출구(150)로 기능할 수 있다. 한편, 실시예에서 유체의 저장공간에 대한 차폐판(142, 143) 면은 도 7에서와 같이 평면 프로파일을 예정하였고 이에 대응하는 템플릿(20) 면도 평면 프로파일을 갖는 것으로 예시하였으나, 도 10 및 도 11에서와 같이 곡면 프로파일을 갖는 차폐판(142, 143) 면을 형성하는 경우 상기 S20 단계 이전에 해당 템플릿(20) 면을 차폐판(142, 143) 면에 곡면 프로파일에 대응하도록 미리 가공할 수 있다(도면 미도시).Accordingly, a pressure vessel 1 made of a three-dimensional shell structure 10 having a first sub-space 110 and a second sub-space 120 in a form in which the interior is twisted with each other by the interface 130 can be manufactured. , As in the embodiment, both the first sub-space 110 and the second sub-space 120 are provided as a storage space for fluid. In this case, in the step S400, the end side of the first coating layer 230a contacts and couples with the surface of the second coating layer 230b. As a result, the first coating layer 230a forms the interface 130 of the shell structure 10, and the second coating layer 230b forms the outer surface of the shell structure 10. The outer shell of the shell structure 10 includes shielding plates 142 and 143 as an outer shell for shielding the outer surfaces of the first sub-space 110 and the second sub-space 120 corresponding to the fluid storage space. do. The area from which the second coating layer 230b is removed may function as an inlet/outlet 150 for carrying in/out of fluid from the pressure vessel 1 as a final result. On the other hand, in the embodiment, the surface of the shielding plates 142 and 143 for the fluid storage space has a planar profile as shown in FIG. 7 and the template 20 corresponding thereto is illustrated as having a planar profile. In the case of forming the surface of the shielding plate (142, 143) having a curved profile as in 11, the corresponding template (20) surface can be processed in advance to correspond to the curved profile on the surface of the shielding plate (142, 143) before step S20. Yes (not shown).

도 15는 도 14의 변형 실시예에 따른 압력용기(1)의 제조 공정도를 나타낸다. 도 14의 실시예에서는 유체의 저장공간으로 연통되는 입출구(150)를 관형 부재 형태로 쉘 구조체(10)와 일체로 구현한 예이다. 이를 위해, 상기 도 14의 S400단계 대신에, 상기 제1 코팅막(230a)의 단면, 제1 템플릿 재료(210) 및 제2 템플릿 재료(220)가 노출되도록 상기 템플릿(20)의 전체 외곽면을 연삭하는 단계(S400-1); 상기 노출된 제1 템플릿 재료(210) 및 제2 템플릿 재료(220) 각각에 입출구(150) 형성용 봉재(240)를 연결시키는 단계(S400-2); 상기 봉재(240) 및 상기 템플릿(20)의 노출된 외곽면에 제2 코팅막(230b)을 형성하는 단계(S400-3);룰 포함하여 수행한다. 또한 상기 도 14의 500 단계 대신에, 상기 제2 코팅막(230b)의 일부를 제거하여 상기 봉재(240)를 노출시킨 후, 상기 봉재(240), 제1 템플릿 재료(210) 및 제2 템플릿 재료(220)를 순차적으로 제거하는 방식으로 수행하게 된다(S500’). 이 경우, 상기 도 13에서와 유사하게, 상기 봉재(240)는 식각에 의해 제거될 수 있으면 특별히 제한되지 않으나, 상기 템플릿 재료(210)와 동일한 재질로 함으로써 식각 공정을 단순화하기에 유리하다. 이에 따라 쉘 구조체(10)로 이루어진 최종 압력용기(1)에서 제2 코팅막(230b)은 제1 코팅막(230a)과 일체를 이루고 상기한 관형 부재 형태의 입출구(150)를 형성하게 된다.15 shows a manufacturing process diagram of the pressure vessel 1 according to the modified embodiment of FIG. 14. In the embodiment of FIG. 14, an inlet and outlet port 150 communicating with a fluid storage space is implemented integrally with the shell structure 10 in the form of a tubular member. To this end, instead of step S400 of FIG. 14, the entire outer surface of the template 20 is made so that the cross section of the first coating layer 230a, the first template material 210, and the second template material 220 are exposed. Grinding (S400-1); Connecting the bar material for forming the entrance/exit 150 to each of the exposed first and second template materials 210 and 220 (S400-2); Forming a second coating film 230b on the exposed outer surface of the bar 240 and the template 20 (S400-3); including a rule. In addition, instead of step 500 of FIG. 14, after removing a part of the second coating layer 230b to expose the bar material 240, the bar material 240, the first template material 210, and the second template material It is performed in a manner of sequentially removing 220 (S500'). In this case, similar to FIG. 13, the bar material 240 is not particularly limited as long as it can be removed by etching, but it is advantageous to simplify the etching process by using the same material as the template material 210. Accordingly, in the final pressure vessel 1 made of the shell structure 10, the second coating layer 230b is integrally formed with the first coating layer 230a to form the inlet and outlet 150 in the form of a tubular member.

상기한 도 12 내지 도 15에 개시된 실시예들은 통상 크기가 수 밀리미터 이하인 많은 수의 단위셀로 구성된 압력용기(1)를 제작하는데 유용하다. 상기 수학식 (2)와 (8)에 의하면 본 발명에 따른 압력용기(1)의 임계응력 P cr 은 단위셀 크기 대비 쉘의 두께, t/ D s 에 비례하고, 종래의 압력용기(1)의 임계응력은 용기직경 대비 쉘의 두께, t/D에 비례하므로 본 발명에 따른 압력용기(1)를 크기가 작은 많은 수의 단위셀로 만든다면 쉘의 두께 t가 작아도 큰 직경의 종래의 압력 용기와 같은 임계압력을 갖도록 제조할 수 있다. 예를 들면, 압력용기(1)를 구성하는 재료가 동일하다는 전제 하에, 본 발명에 따른 압력용기(1)가 P surface 형태이고 부피분율, f=0.5, 단위셀 크기가 D s =10mm 인 경우 쉘의 두께가 t=0.1mm (t/ D s =0.01)라면 직경과 쉘의 두께가 각각 1m 와 10mm (t/D = 0.01)인 종래의 실린더형 압력 용기와 동일한 임계 압력을 갖는다. 따라서 본 발명에 따라 템플릿(20) 위에 코팅 후 식각하는 방법으로 제조된 TPMS 형태의 압력용기(1)도 종래의 압력용기(1)와 동등한 내압강도를 갖는 것이 가능하다.The embodiments disclosed in FIGS. 12 to 15 are useful for manufacturing a pressure vessel 1 composed of a large number of unit cells having a size of several millimeters or less. According to the above equations (2) and (8), the critical stress P cr of the pressure vessel 1 according to the present invention is proportional to the thickness of the shell, t/ D s relative to the unit cell size, and is in proportion to the conventional pressure vessel (1). The critical stress of is proportional to the thickness of the shell, t/D relative to the diameter of the vessel, so if the pressure vessel 1 according to the present invention is made of a large number of small unit cells, the conventional pressure of a large diameter even if the thickness t of the shell is small It can be manufactured to have the same critical pressure as the container. For example, under the premise that the materials constituting the pressure vessel 1 are the same, the pressure vessel 1 according to the present invention is in the form of a P surface, the volume fraction, f = 0.5, and the unit cell size is D s In the case of =10mm, if the shell thickness is t =0.1mm ( t/ D s =0.01), the same critical pressure as the conventional cylindrical pressure vessel with diameter and shell thickness of 1m and 10mm ( t/D = 0.01), respectively. Have. Accordingly, it is possible for the pressure vessel 1 in the form of TPMS manufactured by the method of etching after coating on the template 20 according to the present invention to have a pressure resistance equivalent to that of the conventional pressure vessel 1.

도 16은 종래의 실린더형 압력용기(1')와 본 발명에 따른 P surface 압력용기(1)가 유사한 외형 체적를 갖은 반면에 전자의 직경이 후자의 셀 크기의 10배인 경우 압력용기(1)의 형태를 비교하고 있다. 만일 부피분율(f)이 0.5이고 도 7, 10, 11과 같이 2개의 부공간을 유체 저장공간으로 사용한다면, 상기한 역학적 근거에서 설명한 것처럼 본 발명에 따른 압력용기(1)의 경우 셀 두께를 1/10로 하면서도 종래의 실린더형 압력용기(1)와 무게 대비 더 높은 내부 체적 및 임계압력을 구현할 수 있다. 또한 셀의 배열방법을 달리함으로써 압력용기(1)의 외형을 자유롭게 형성할 수 있으며, 그 예를 도 17에 나타내었다.Fig. 16 is a view of the pressure vessel 1 when the conventional cylindrical pressure vessel 1'and the P surface pressure vessel 1 according to the present invention have similar external volumes, whereas the former diameter is 10 times the cell size of the latter. Comparing forms. If the volume fraction ( f ) is 0.5 and two sub-spaces are used as fluid storage spaces as shown in Figs. 7, 10, 11, the cell thickness in the case of the pressure vessel 1 according to the present invention as described in the above mechanical basis It is possible to implement a higher internal volume and critical pressure compared to the weight of the conventional cylindrical pressure vessel (1) while being 1/10. In addition, by varying the cell arrangement method, the outer shape of the pressure vessel 1 can be freely formed, and an example is shown in FIG. 17.

한편, 특별히 고압을 받도록 설계된 압력용기에서 쉘에 발생한 균열이 불안정하게 파괴되는 경우 비극적인 재난을 유발한다. 이를 방지하기 위해서 균열이 불안정해지기 전에 쉘을 관통하여 고압의 내부 유체의 누설을 유도하는 ‘파괴전 누설’ (leak before break or leak before burst)의 설계개념이 압력용기에 적용된다(N.E. Dowling 저, Mechanical Behavior of Materials, 3rd Editon, Pearson Prentice Hall, 2007, p. 347.) (Applicability of the leak before break concept, IAEA Technical Report, IAEA-TECDOC-710, 1993.). 따라서 고압의 유체를 저장하는 압력용기에서 가능한 한 쉘의 두께를 얇게 하는 것이 ‘파괴전 누설’을 유도하여 안전성을 확보하는데 유리하다. 위에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 압력용기(1)에서와 같이 크기가 작은 다수의 단위셀로 구성하면 쉘 두께를 얇게 제작하여도 두께운 쉘로 구성된 종래의 압력용기(1)와 동등한 내압강도를 갖게 할 수 있으므로 ‘파괴전 누설’을 담보할 수 있다.On the other hand, in a pressure vessel specially designed to be subjected to high pressure, a catastrophic disaster is caused when a crack generated in the shell is unstablely destroyed. To prevent this, the design concept of'leak before break or leak before burst', which induces leakage of high pressure internal fluid through the shell before the crack becomes unstable, is applied to the pressure vessel (NE Dowling). , Mechanical Behavior of Materials, 3 rd Editon, Pearson Prentice Hall, 2007, p. 347.) (Applicability of the leak before break concept, IAEA Technical Report, IAEA-TECDOC-710, 1993.). Therefore, making the shell as thin as possible in a pressure vessel that stores high-pressure fluid is advantageous in inducing'leakage before destruction' and securing safety. As described above, as in the pressure vessel 1 according to the present invention, if the unit cell is composed of a plurality of small sized unit cells, even if the shell thickness is made thin, the pressure resistance strength equivalent to that of the conventional pressure vessel 1 composed of a thick shell is obtained. Because it can be kept, it is possible to secure a'leakage before destruction'.

한편, 상기한 본 발명에 따른 압력용기(1)의 단위셀의 크기가 수십 cm 내지 수 m로 큰 경우에는, 상기한 도 12 내지 도 15에 따른 제작 방법 대신에 종래 압력용기(1) 제조와 유사하게, 상기 계면(130) 및 상기 쉘 구조체(10, 10’, 10”)의 외곽면에 대응하는 면요소를 복수로 분할 가공하여 상호 결합시켜 제조할 수 있다. 결합방식은 면요소가 강재와 같은 금속인 경우 용접하는 방식일 수 있다. 이는 3주기적 최소곡면(TPMS; Triply Periodic Minimal Surface) 일정한 평균 곡률의 갖는 사각형태의 단위 곡면을 조합하여 구성된다는 사실에 기반한 것이다. 도 18은 P surface와 D surface의 단위셀이 각각 일정한 평균 곡률의 갖는 사각형태의 단위곡면으로 구성되는 것을 나타내고 있다. 즉, 일정한 평균곡률을 갖도록 미리 성형된 복수의 단위셀을 상호 결합시켜 압력용기(1)의 내부 쉘 구조체(10, 10’, 10”)를 제조할 수 있다.On the other hand, when the size of the unit cell of the pressure vessel 1 according to the present invention is as large as several tens of cm to several m, instead of the manufacturing method according to FIGS. 12 to 15 described above, the manufacturing of the conventional pressure vessel 1 and Similarly, surface elements corresponding to the interface 130 and the outer surface of the shell structures 10, 10', 10" may be divided into a plurality of parts, and then combined with each other to manufacture. The bonding method may be a method of welding when the surface element is a metal such as steel. This is based on the fact that the triply periodic minimal surface (TPMS) is constructed by combining unit surfaces of a rectangular shape with a constant average curvature. Fig. 18 shows that the unit cells of the P surface and the D surface are each composed of a rectangular unit curve having a constant average curvature. That is, the inner shell structures 10, 10', 10" of the pressure vessel 1 may be manufactured by combining a plurality of unit cells previously molded to have a constant average curvature.

이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항이나 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.The above description relates to specific embodiments of the present invention. The above embodiments according to the present invention are not understood as limiting the disclosed matters or the scope of the present invention for the purpose of explanation, and various changes and modifications without departing from the essence of the present invention are those of ordinary skill in the art. It should be understood that this is possible. Accordingly, all such modifications and changes may be understood to correspond to the scope of the invention disclosed in the claims or their equivalents.

1, 1’: 압력용기
10, 10’, 10”: 쉘 구조체
110, 110’, 110”: 제1 부공간
120, 120’, 120”: 제2 부공간
130: 계면
142, 143: 차폐판
20: 템플릿
210: 템플릿 재료, 제1 템플릿 재료
220: 제2 템플릿 재료
230a: 제1 코팅막
230b: 제2 코팅막
240: 봉재
150: 입출구 1, 1': pressure vessel
10, 10', 10”: shell structure
110, 110', 110”: the first subspace
120, 120', 120”: 2nd subspace
130: interface
142, 143: shield plate
20: template
210: template material, first template material
220: second template material
230a: first coating film
230b: second coating film
240: bar
150: entrance and exit

Claims (5)

내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 제1 부공간 및 제2 부공간으로 이루어진 2개의 부공간으로 분리 구획되는 압력용기용 3차원 쉘 구조체로서, 상기 2개의 부공간 중 적어도 하나가 유체를 수용하기 위한 저장공간으로 제공되되, 상기 저장공간으로 제공되는 부공간의 외부로 노출되는 부분 중 상기 유체의 반출입을 위한 부분을 제외하고 차폐판으로 밀봉되되, 상기 차폐판은 곡면 프로파일을 가지며 저장공간으로 활용되는 부공간 각각에 대해 고립(isolated)된 형태로 형성되며, 해당 부공간 내부 또는 외부로부터 인가되는 압력에 대해 면에 평행한 방향으로 작용하는 인장과 압축 응력 (co-planar stress) 만으로 지지되는 면요소로서 외부 쉘(shell)로 기능하게 되는 것을 특징으로 하는 압력용기용 3차원 쉘 구조체.A three-dimensional shell structure for a pressure vessel divided into two sub-spaces consisting of a first sub-space and a second sub-space whose interior is twisted by an interface, wherein at least one of the two sub-spaces accommodates a fluid. It is provided as a storage space for the storage space, but is sealed with a shielding plate except for the part for carrying in/out of the fluid among the parts exposed to the outside of the subspace provided as the storage space, and the shielding plate has a curved profile and is used as a storage space. A surface that is formed in an isolated form for each of the subspaces, and is supported only by tensile and co-planar stress acting in a direction parallel to the surface against the pressure applied from the inside or outside of the subspace. A three-dimensional shell structure for a pressure vessel, characterized in that it functions as an outer shell as an element. 제1항에 있어서, 상기 계면은 3주기적 최소곡면(TPMS; Triply Periodic Minimal Surface)인 것을 특징으로 하는 압력용기용 3차원 쉘 구조체.The three-dimensional shell structure for a pressure vessel according to claim 1, wherein the interface is a triply periodic minimal surface (TPMS). 제1항에 있어서, 상기 저장공간 외 다른 부공간은 열교환매체의 수용 또는 이동을 위한 공간으로 제공되는 것을 특징으로 하는 압력용기용 3차원 쉘 구조체.The three-dimensional shell structure for a pressure vessel according to claim 1, wherein the subspace other than the storage space is provided as a space for receiving or moving the heat exchange medium. 제1항에 있어서, 상기 차폐판은 상기 저장공간 외부 방향으로 볼록하거나 또는 상기 저장공간 내부 방향으로 오목한 것을 특징으로 하는 압력용기용 3차원 쉘 구조체.The three-dimensional shell structure for a pressure vessel according to claim 1, wherein the shielding plate is convex in a direction outside the storage space or concave in a direction inside the storage space. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나에 따른 3차원 쉘 구조체; 및 상기 저장공간에 연통되어 유체의 반출입 통로를 제공하는 입구 및 출구;를 포함하는 압력용기.
The three-dimensional shell structure according to any one of claims 1 to 4; And an inlet and an outlet communicating with the storage space to provide a passage for carrying in and out of the fluid.
KR1020210053839A 2021-04-26 2021-04-26 Three-dimensional shell structure, pressure vessel provided with the same and fabrication method thereof KR20210048479A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210053839A KR20210048479A (en) 2021-04-26 2021-04-26 Three-dimensional shell structure, pressure vessel provided with the same and fabrication method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210053839A KR20210048479A (en) 2021-04-26 2021-04-26 Three-dimensional shell structure, pressure vessel provided with the same and fabrication method thereof

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180041156A Division KR102264043B1 (en) 2018-04-09 2018-04-09 Three-dimensional shell structure, pressure vessel provided with the same and fabrication method thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210048479A true KR20210048479A (en) 2021-05-03

Family

ID=75910823

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210053839A KR20210048479A (en) 2021-04-26 2021-04-26 Three-dimensional shell structure, pressure vessel provided with the same and fabrication method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20210048479A (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101341216B1 (en) 2012-11-29 2014-01-07 전남대학교산학협력단 Fabriction method of ultra low density three-dimensional thin-film structure based on photo-lithography
KR101699943B1 (en) 2015-11-11 2017-01-25 전남대학교산학협력단 Fabrication method of three-dimension shell cellular structure based on wire-weaving
KR20180029454A (en) 2016-09-12 2018-03-21 전남대학교산학협력단 Three-dimension structure composed using beads and manufactuirng method thereof, and fabrication method of three-dimension shell cellular structure using the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101341216B1 (en) 2012-11-29 2014-01-07 전남대학교산학협력단 Fabriction method of ultra low density three-dimensional thin-film structure based on photo-lithography
KR101699943B1 (en) 2015-11-11 2017-01-25 전남대학교산학협력단 Fabrication method of three-dimension shell cellular structure based on wire-weaving
KR20180029454A (en) 2016-09-12 2018-03-21 전남대학교산학협력단 Three-dimension structure composed using beads and manufactuirng method thereof, and fabrication method of three-dimension shell cellular structure using the same

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
- Applicability of the leak before break concept, IAEA Technical Report, IAEA-TECDOC-710, 1993.
- Ban Dang Nguyen, Yoon Chang Jeong, Kiju Kang, "Design of the P-Surfaced Shellular, an Ultra-Low Density Material with Micro-Architecture", Computational Materials Science, Vol. 139, pp. 162-178, 2017.
- Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer
- M. Maldovan and E. L. Thomas. Periodic Materials and Interference Lithography. 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2
- N.E. Dowling 저, Mechanical Behavior of Materials, 3rd Editon, Pearson Prentice Hall, 2007, p. 347.
- S. Hyde et al. The Language of Shape. Elsevier, 1997, ISBN: 978-0-444-81538-5
- S.C. Han, J.W. Lee, K. Kang. A new type of low density material; Shellular. Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015.
- S.C. Kapfer, S.T. Hyde, K. Mecke, C.H. Arns, G.E. Schroder-Turk. Minimal surface scaffold designs for tissue engineering, Biomaterials. Vol. 32, pp. 6875-6882, 2011.

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102264043B1 (en) Three-dimensional shell structure, pressure vessel provided with the same and fabrication method thereof
EP3056792B1 (en) Pressure vessel with spheroidal shape
RU2393375C2 (en) High pressure vessel
CA2919385C (en) Core structured components and containers
Błachut et al. On buckling of toroidal shells under external pressure
KR20210048479A (en) Three-dimensional shell structure, pressure vessel provided with the same and fabrication method thereof
Zu Stability of fiber trajectories for winding toroidal pressure vessels
Liang et al. Optimum design of multiple intersecting spheres deep-submerged pressure hull
Elsayed et al. Optimal design analysis of composite submersible pressure hull
Błachut Buckling and first ply failure of composite toroidal pressure hull
SCHUERCH et al. Analytical design for optimum filamentary pressure vessels
US11629819B2 (en) Pressure vessel and method of manufacturing same
KR102440677B1 (en) High pressure tank
EP4211386A1 (en) Pressure vessel liner, pressure vessel and methods
Wan et al. Crashworthiness study of tubular lattice structures based on triply periodic minimal surfaces under quasi-static axial crushing
Fathallah et al. Optimum structural design of deep submarine pressure hull to achieve minimum weight
KR20220040137A (en) A heat exchanger with three dimensional structures composed of thin shells in minimal surfaces
Qu Reliability-based structural optimization using response surface approximations and probabilistic sufficiency factor
Enoma et al. On the feasibility of the parabolic ogival cross-section for liquid-filled toroidal vessels
Ashok et al. Design and analysis of CFRP composite multilayer high pressure vessels and burst pressure analysis for various fiber orientation angles
Tang et al. Buckling of Cassini oval pressure hulls subjected to external pressure
Ortega et al. Form finding of revolution shells by analysing mechanical behaviour by means of the finite element method
Błachut The use of composites in underwater pressure: hull components
Wu et al. Strength of shellular structures with triply periodic minimal surfaces under external hydrostatic pressure
Enoma et al. Buckling of Externally Pressurized Toroidal Vessels with Circular-Elliptical Cross-Section

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application