KR20220036546A - 고압 탱크 및 고압 탱크 제조 방법 - Google Patents

고압 탱크 및 고압 탱크 제조 방법 Download PDF

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Abstract

고압 탱크가 개시된다. 고압 탱크는 라이너; 상기 라이너에 탄소 섬유가 와인딩된 탄소 섬유층; 및 상기 탄소 섬유층에 현무암 섬유가 와인딩된 현무암 섬유층을 포함한다.

Description

고압 탱크 및 고압 탱크 제조 방법{High pressure tank and method for manufacturing the high pressure tank}
본 발명은 고압 탱크 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소 섬유층과 현무암 섬유층을 갖는 고압 탱크 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
연비, 온실가스 배출규제 기준 적용 등으로 국내외 자동차산업 차원에서 수소전기차 개발, 생산, 판매를 위한 노력이 가속화되고 있다. 복합재료 고압 탱크는 연료탱크로써 장시간 주행 및 빠른 연료충전의 장점 때문에 자동차 산업에서 천연가스와 수소용기를 담기 위해 응용되어 사용되고 있으며 점차 친환경 자동차 시장의 점유율이 증가하면서 수소용기의 양산화에 대한 재료비 절감과 공정속도의 중요성 또한 커지고 있다.
수소용기에 주로 탄소섬유가 사용되는데, 탄소섬유가 사용되는 가장 큰 이유는 탄소섬유의 높은 강성(120GPa)과 강도, 파손 변형률(평균 1.7%) 때문이다. 그러나 탄소섬유의 수요가 늘어나고 있음에도 불구하고, 탄소섬유의 가격이 아직도 $20/kg을 유지하고 있으며, 이는 수소용기의 가격을 높이는 주된 요인이 되고 있다. 현재 판매되고 있는 수소 자동차의 경우, 수소 용기가 수소자동차 가격의 10%를 차지하고 있는 실정이다.
수소용기는 안정성이 요구된다. 구체적으로 자동차 추돌 사고를 대비하여 700bar를 견딜 수 있어야 하고, 안전계수 2.25 확보를 필요로 한다. 그리고 자동차 화재 시 화염에 12분 이상 유지될 수 있어야 한다.
수소 경제시대의 도래로 인한 폭발적 수소용기 수요를 예상할 때, 제조 비용을 절감하면서, 동시에 안정성을 확보할 수 있는 새로운 수소 용기 개발이 요구된다.
본 발명은 제조 비용을 절감하면서, 동시에 안정성을 확보할 수 있는 고압 탱크 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 고압 탱크는 라이너; 상기 라이너에 탄소 섬유가 와인딩된 탄소 섬유층; 및 상기 탄소 섬유층에 현무암 섬유가 와인딩된 현무암 섬유층을 포함한다.
또한, 상기 탄소 섬유층은, 상기 라이너의 실린더부에 상기 탄소 섬유가 후프 와인딩된 후프 와인딩층; 및 상기 라이너의 돔부와 상기 후프 와인딩층에 상기 탄소 섬유가 헬리컬 와인딩된 헬리컬 와인딩층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소 섬유층은, 상기 라이너의 실린더부에 상기 탄소 섬유가 제1 턴수로 후프 와인딩된 제1후프 와인딩층; 상기 라이너의 돔부와 상기 제1후프 와인딩층에 상기 탄소 섬유가 헬리컬 와인딩된 제1 헬리컬 와인딩층; 상기 제1후프 와인딩층과 중첩되는 영역에서 상기 탄소 섬유가 상기 제1헬리컬 와인딩층에 제2턴수로 와인딩된 제2후프 와인딩층; 및 상기 제1 헬리컬 와인딩층과 중첩되는 영역에서 상기 제1헬리컬 와인딩층과 상기 제2후프 와인딩층에 상기 탄소 섬유가 헬리컬 와인딩된 제2헬리컬 와인딩층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 턴수는 상기 제2 턴수와 상이할 수 있다.
또한, 상기 현무암 섬유는 상기 탄소 섬유층에 헬리컬 와인딩될 수 있다.
본 발명에 따른 고압 탱크 제조 방법은 라이너에 탄소 섬유를 와인딩하여 탄소 섬유층을 형성하는 단계; 및 상기 탄소 섬유층에 현무암 섬유를 와인딩하여 현무암 섬유층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소 섬유층을 형성하는 단계는 상기 라이너의 실린더부에 상기 탄소 섬유를 후프 와인딩하여 후프 와인딩층을 형성하는 단계; 및 상기 라이너의 양측 돔부와 상기 후프 와인딩측에 상기 탄소 섬유를 헬리컬 와인딩하여 헬리컬 와인딩층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소 섬유층을 형성하는 단계는 상기 라이너의 실린더부에 상기 탄소 섬유를 제1 턴수로 후프 와인딩하여 제1후프 와인딩층을 형성하는 단계; 상기 라이너의 돔부와 상기 제1후프 와인딩층에 상기 탄소 섬유를 헬리컬 와인딩하여 제1 헬리컬 와인딩층을 형성하는 단계; 상기 제1 후프 와인딩층과 중첩되는 영역에서 상기 제1 턴수와 상이한 제2 턴수로 상기 탄소 섬유를 제1 헬리컬 와인딩층에 후프 와인딩하여 제2후프 와인딩층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 헬리컬 와인딩층과 중첩되는 영역에서 상기 제1헬리컬 와인딩층과 상기 제2후프 와인딩층에 상기 탄소 섬유를 헬리컬 와인딩하여 제2헬리컬 와인딩층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 탄소 섬유와 현무암 섬유의 혼합 사용으로 고압 탱크의 안정성을 유지하면서, 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 현무암 섬유층이 고압 탱크의 외곽에 형성됨에 따라 화염에 오래 견딜 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고압 탱크를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고압 탱크를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 고압 탱크를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고압 탱크에서 섬유층을 나타내는 도면이다.
도 5는 비교 예에 따른 고압 탱크에서 섬유층을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4의 고압 탱크에서 각각의 섬유층에서 나타나는 변형율을 측정한 그래프이다.
도 7은 도 5의 고압 탱크의 섬유층에서 나타나는 변형율을 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 고압 탱크 제조 장치를 간략하게 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8의 고압 탱크 제조 장치를 정면에서 바라본 모습을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고압 탱크 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 고압 탱크 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 고압 탱크 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고압 탱크를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 고압 탱크(1000)는 수소를 저장하는 수소 저장 탱크로 사용될 수 있다. 고압 탱크(1000)는 라이너(1010), 탄소 섬유층(1020), 그리고 현무암 섬유층(1030)을 포함한다.
라이너(1010)는 실린더부의 양측에 돔부가 연결된 구조로, 금속 또는 비금속 재질로 제공된다. 일 예에 의하면, 라이너(1010)는 가스 투과도가 낮은 HDPE (High Density Polyethylene) 재질로 제공될 수 있다.
탄소 섬유층(1020)은 탄소 섬유가 라이너(1010)에 와인딩되어 형성된다. 탄소 섬유는 헬리컬 와인딩 또는 후프 와인딩과 헬리컬 와인딩의 조합으로 라이너(1010)에 와인딩될 수 있다. 실시 예에 의하면, 후프 와인딩은 탄소 섬유가 라이너(1010)의 중심축에 대해 90° 방향으로 라이너(1010)의 실린더부에 와인딩되고, 헬리컬 와인딩은 라이너(1010)의 중심축에 대해 10° 내지 80° 방향으로 탄소 섬유가 라이너(1010)의 양측 돔부를 가로질러 와인딩 될 수 있다.
현무암 섬유층(1030)은 현무암 섬유가 탄소 섬유층(1020)에 와인딩되어 형성된다. 현무암 섬유는 헬리컬 와인딩법으로 탄소 섬유층(1020)에 와인딩될 수 있다. 현무암 섬유층(1030)은 탄소 섬유층(1020)의 전체 영역에 와인딩되며, 이에 의해 탄소 섬유층(1020)의 외부 노출이 차단될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고압 탱크를 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 탄소 섬유층(1020)은 후프 와인딩층(1021)과 헬리컬 와인딩층(1022)을 포함한다. 후프 와인딩층(1021)은 탄소 섬유가 라이너(1010)의 실린더부(1011)에 후프 와인딩되어 형성되고, 헬리컬 와인딩층(1022)은 탄소 섬유가 라이너(1010)의 양측 돔부(1012, 1013)와 후프 와인딩층(1021)에 걸쳐 헬리컬 와인딩되어 형성된다. 실시 예에 의하면, 후프 와인딩층(1021)과 헬리컬 와인딩층(1022)은 동일한 두께로 와인딩 될 수 있다. 다른 실시 예에 의하면, 후프 와인딩층(1021)은 헬리컬 와인딩층(1022)보다 두꺼운 두께로 와인딩 될 수 있다.
현무암 섬유층(1030)은 헬리컬 와인층(1022)에 현무암 섬유가 헬리컬 와인딩되어 형성된다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 고압 탱크를 나타내는 단면도이다.
탄소 섬유층(1020)은 후프 와인딩층(1021, 1023)과 헬리컬 와인딩층(1022, 1024)이 교대로 반복하여 형성될 수 있다. 본 실시 예에서는 후프 와인딩층(1021, 1023)과 헬리컬 와인딩층(1022, 1024)이 각각 두 개의 층을 형성하는 것으로 설명하나, 이에 한정되지 않고 층의 개수는 다양하게 변경될 수 있다.
제1 후프 와인딩층(1021)은 탄소 섬유가 라이너(1010)의 실린더부(1011)에 제1턴수로 후프 와인딩된다. 제1턴수는 탄소 섬유가 와인딩되어 실린더부(1011)의 전체 영역에 감기는 횟수를 의미한다. 탄소 섬유가 실린더부(1011)의 전체 영역에 1회 와인딩될 수 있는데, 이 경우 제1턴수는 1이 된다. 제1턴수는 다양한 수로 제공될 수 있다. 일 예에 의하면, 제1턴수는 3~4가 될 수 있다.
제1 헬리컬 와인딩층(1022)은 라이너(1010)의 돔부(1012, 1013)와 제1후프 와인딩층(1021)에 탄소 섬유가 제2턴수로 헬리컬 와인딩된다. 제2턴수는 탄소 섬유가 와인딩되어 돔부(1012, 1013)와 제1후프 와인딩층(1021)의 전체 영역에 감기는 횟수를 의미한다. 제2턴수는 다양한 수로 제공될 수 있다.
제2후프 와인딩층(1023)은 제1후프 와인딩층(1021)과 중첩되는 영역에서 탄소 섬유가 제1헬리컬 와인딩층(1022)에 제3 턴수로 와인딩된다. 제3턴수는 탄소 섬유가 와인딩되어 제1후프 와인딩층(1021)과 중첩되는 영역에 감기는 횟수를 의미한다. 제3 턴수는 제1 턴수와 동일할 수 있다. 이 경우, 제2후프 와인딩층(1023)은 제1후프 와인딩층(1021)과 동일한 두께를 갖는다. 이와 달리, 제3 턴수는 제1 턴수보다 작을 수 있다. 이 경우, 제2후프 와인딩층(1023)은 제1후프 와인딩(1021)층보다 얇은 두께를 갖는다.
제2헬리컬 와인딩층(1024)은 제1 헬리컬 와인딩층(1022)과 중첩되는 영역에서 탄소 섬유가 제1헬리컬 와인딩층(1022)과 제2후프 와인딩(1023)층에 제4 턴수로 헬리컬 와인딩된다. 제4턴수는 탄소 섬유가 와인딩되어 제1헬리컬 와인딩층(1022)과 제2후프 와인딩(1023)층 전체 영역에 감기는 횟수를 의미한다. 제4 턴수는 제2 턴수와 동일할 수 있다. 이 경우, 제2헬리컬 와인딩층(1024)은 제1헬리컬 와인딩층(1022)과 동일한 두께를 갖는다. 이와 달리, 제4 턴수는 제2 턴수보다 작을 수 있다. 이 경우, 제2헬리컬 와인딩층(1024)은 제1헬리컬 와인딩층(1022)보다 얇은 두께를 갖는다.
본 발명에서 제안하는 고압 탱크는 종래의 후프 와인딩과 헬리컬 와인딩이 대응되게 형성되는 일반적인 고압 탱크 형태에 비하여, 탄소 섬유층(1020)에서 후프 와인딩이 모두 형성되고, 현무암 섬유층(1030)에서 헬리컬 와인딩만 형성되도록 구성하여 이종의 섬유층을 최소한의 섬유 교체 작업을 통해 형성할 수 있는 이점이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 고압 탱크(1000)는 라이너(1010)에 탄소 섬유층(1020)과 현무암 섬유층(1030)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고압 탱크에서 섬유층을 나타내는 도면이고, 도 5는 비교 예에 따른 고압 탱크에서 섬유층을 나타내는 도면이고, 도 6은 도 4의 고압 탱크에서 각각의 섬유층에서 나타나는 변형율을 측정한 그래프이고, 도 7은 도 5의 고압 탱크의 섬유층에서 나타나는 변형율을 측정한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 고압 탱크는 도 3에서 설명한 바와 같이, 탄소 섬유로 와인딩된 후프 와인딩층과 헬리컬 와인딩층을 포함하고, 현무암 섬유로 와인딩된 최외곽 헬리컬 와인딩층을 포함한다. 반면, 도 5를 참조하면, 비교예에 따른 고압 탱크는 최외곽 헬리컬 와인딩층이 현무암 섬유가 아닌 탄소 섬유로 와인딩된다. 이에 의해 비교예에 따른 고압 탱크는 단일의 탄소 섬유로 제조된다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 헬리컬 와인딩층에서 발생하는 섬유의 변형율은 후프 와인딩층에서 발생하는 섬유의 변형율보다 작은 것을 알 수 있다. 비교예의 경우, 본 발명의 실시 예보다 헬리컬 와인딩층에서 발생하는 섬유의 변형율이 작다. 그러나 헬리컬 와인딩층에서 발생하는 변형율은 탄소 섬유와 현무암 섬유의 파손 변형율 보다 낮은 크기로, 탄소 섬유와 현무암 섬유의 혼합 와인딩으로도 고압 탱크의 안정성이 유지될 수 있음을 확인할 수 있다. 비교예에 따른 고압 탱크는 헬리컬 와인딩층에서 발생하는 변형율이 탄소 섬유의 파손 변형률보다 현저히 낮은 수준으로, 헬리컬 와인딩층에 탄소 섬유를 사용하는 것은 과대 성능에 해당한다 할 것이다.
한편, 현무암 섬유의 가격은 탄소 섬유의 1/10 수준으로, 본 발명과 같이 현무암 섬유와 탄소 섬유를 혼합하여 고압 탱크를 제조할 경우, 탄소 섬유만으로 고압 탱크를 제조하는 경우에 비해 제조 단가를 현저히 절감할 수 있다.
그리고 현무암 섬유는 용융점이 약 1200 °C로 화염 저항성이 크다. 때문에, 현무암 섬유층이 최외곽에 제공되는 본 발명의 고압 탱크는 비교예의 고압 탱크보다 화염에 오래 유지될 수 있다.
이하, 상술한 본 발명에 따른 고압 탱크를 제조하는 장치 및 방법에 대해 설명한다. 본 발명에 따른 고압 탱크는 일반적인 열경화성 수지를 이용한 와인딩 공정과 후처리 열경화 공정을 통해 제작될 수 있다. 다른 실시 예에 따라, 후술하는 공정에 의해 와인딩 공정과 동시에 경화 공정이 이뤄져 후처리 공정이 생략될 수 있는 간단한 제작 공정에 따라 제작될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 고압 탱크 제조 장치를 간략하게 나타내는 도면이고, 도 9는 도 8의 고압 탱크 제조 장치를 정면에서 바라본 모습을 나타내는 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 고압 탱크 제조 장치(10)는 라이너(1010)에 섬유(30)를 와인딩하여 고압 탱크를 제조한다. 섬유(30)는 탄소 섬유와 현무암 섬유가 사용된다.
고압 탱크 제조 장치(10)는 보빈(110), 이송 롤러(120, 130), 수지 용기(140), 섬유 방향 조절부(150), 제1자외선 조사부(160), 라이너 지지부(170), 그리고 히터부(180)를 포함한다.
보빈(110)은 복수 개 제공되며, 섬유(30)가 감겨 제공된다. 보빈(110)은 지지 선반(111)에 회전 가능하도록 위치한다. 실시 예에 의하면, 보빈(110)은 두 개의 그룹으로 구분되며, 각 그룹에는 복수 개의 보빈(110)이 포함된다. 제1그룹에 포함된 보빈(110)에는 탄소 섬유가 감겨 제공되고, 제2그룹에 포함된 보빈(110)에는 현무암 섬유가 감겨 제공된다.
이송 롤러(120, 130)는 보빈(110)과 라이너 지지부(170) 사이 구간에서 복수의 지점에 제공된다. 이송 롤러(120, 130)는 한 쌍씩 서로 마주 위치하며, 한 쌍의 이송 롤러(120, 130) 사이로 섬유(30)가 이송된다. 이송 롤러(120, 130)는 보빈(110)으로부터 라이너 지지부(170)로 이송되는 섬유(30)를 지지하고, 섬유(30)의 이송 방향을 변경한다.
수지 용기(140)는 섬유(30)의 이송 경로 상에 위치하며, 상면이 개방되고, 내부에 수지가 제공된다. 수지 용기(140)의 내부에는 함침 롤러(141)가 회전가능하도록 제공된다. 섬유(30)는 함침 롤러(141)에 의해 수지에 함침된 후 이송된다.
본 발명의 실시 예에 사용되는 수지는 베이스 수지와 광 개시제, 그리고 유기과산화물이 혼합된 용액이다.
일 예에 의하면, 베이스 수지는 열가소성 수지가 사용된다. 열가소성 수지는 아크릴계 수지가 사용되며, 아크릴계 수지는 아크릴 단량체 또는 아크릴 단량체의 혼합물, 또는 아크릴 중합체에서 선택될 수 있다. 아크릴 단량체는 아크릴산, 메타크릴산, 알킬 아크릴 단량체, 알킬 메타크릴 단량체, 히드록시알킬 아크릴 단량체 및 히드록시알킬 메타크릴 단량체에서 선택될 수 있다. 아크릴 단량체의 혼합물은 상기 아크릴 단량체에서 선택된 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 아크릴 중합체는 폴리알킬 메타크릴레이트 또는 폴리알킬 아크릴레이트에서 선택될 수 있다.
다른 예에 의하면, 베이스 수지는 열경화성 수지가 사용된다. 열경화성 수지는 에폭시 수지가 사용될 수 있다. 열경화성 수지는 테트라페닐포스포늄 테트라페닐보레이트, 트리에틸 암모늄 테트라페닐보레이트 등의 테트라페닐 붕소류를 유효성분으로 하는 에폭시 수지가 사용될 수 있다.
광 개시제는 빛과 반응하여 베이스 수지를 경화시킨다. 광 개시제는 활성종의 생성 메커니즘에 따라 Type I과 Type II로 구분된다. Type I 광 개시제는 빛을 흡수하여 α또는 β-탄소 위치에서 직접적인 광분해(photo-cleavage) 과정을 겪으며 중합을 일으키는 개시 라디칼을 형성한다. Type II 광 개시제는 단량체 또는 용매 등의 주위 환경으로부터 수소 탈환(hydrogen-abstraction)에 의해 라디칼을 생성시킨다. Type I 광 개시제는 Alkyl aryl ketone계열과 α-hydroxy alkylphenone 계열을 포함한다. 광 개시제는 Type I과 Type II에서 선택될 수 있다.
유기과산화물은 분자구조에 매우 불안정한 과산화결합을 갖고 있는 (-O-O-) 유기화합물로서 반응성과 연소성이 매우 크고 자기촉진분해(Selfaccelerating decomposition)가 일어날 수 있는 열적으로 불안정한 물질이다. 열경화를 발생시키며 경화가 시작되면 점도가 급격히 상승하게 된다. 실시 예에 의하면, 유기과산물로 di-(4-tert-butylcyclohexyl)-peroxydicarbonate(BCHPC)가 사용될 수 있다. BCHPC는 백색의 유동성의 가루 형태이며, 약 40~110℃에서 반응하여 경화될 수 있다.
실시 예에 의하면, 광 개시제는 0.1 내지 10중량%로 함유되고, 상기 유기과산화물은 0.1 내지 10중량%로 함유될 수 있다. 바람직하게는 광 개시제는 2중량%로 함유되고, 상기 유기과산화물은 2중량%로 함유될 수 있다.
섬유 방향 조절부(150)는 수지 용기(140)와 라이너 지지부(170) 사이 구간에 위치하며, 섬유(30)가 관통하는 홀(151)이 형성된다. 섬유 방향 조절부(150)는 가이드 샤프트(152)를 따라 직선 이동하며, 섬유 방향 조절부(150)의 위치에 따라 라이너(1010)에 와인딩되는 수지(30)의 방향이 조절될 수 있다. 섬유 방향 조절부(150)의 조절로, 섬유(30)가 라이너(1010)의 원주 방향에 대해 90°에 가깝게 와인딩되는 후프(hoop) 와인딩과, 10~82°로 와인딩되는 헬리컬(helical) 와인딩이 가능하다.
제1자외선 조사부(160)는 섬유 방향 조절부(150)와 라이너 지지부(170) 사이 구간에 위치하며, 라이너 지지부(170)로 이송되는 섬유(30)에 자외선을 조사한다. 실시 예에 의하면, 제1자외선 조사부(160)는 395nm 파장의 자외선을 조사하는 LED 장치가 사용될 수 있으며, 30X300nm의 조사면적과 최대 조사량 15W/cm2을 갖는다. 자외선의 조사로 섬유(30)에 함침된 수지는 겔 상태로 변한다.
라이너 지지부(170)는 라이너(1010)를 지지하고, 구동부(미도시)의 구동에 의해 라이너(1010)를 회전시킨다.
히터부(180)는 라이너(1010)로부터 소정 거리 이격하여 위치하며, 섬유가 라이너(1010)에 와인딩되는 동안 섬유층(1020, 1030)의 표면을 향해 열을 제공한다. 히터부(180)는 65℃ 내지 150℃ 온도로 열을 발생시킬 수 있다.
베이스 수지로 열가소성 수지가 사용되는 경우, 섬유(30)에 도포된 수지는 히터부(180)에서 전달된 열에 의해 유동성이 높아진다. 수지의 유동성 향상은 섬유층(1020, 1030)에서 섬유들 간에 수지가 혼재되어 섬유들의 결속력을 향상시킬 수 있다. 또한, 섬유층(1020, 1030)의 경화 후, 다시 열을 가하면 수지(30)의 유동성이 증대되어 섬유(30)의 재사용이 가능하다.
반면, 베이스 수지로 열경화성 수지가 사용되는 경우, 섬유층(1020, 1030)에 함유된 수지는 히터부(180)에서 전달된 열에 의해 신속히 경화될 수 있다. 이 경우, 섬유(30)의 와인딩과 함께 경화가 진행되므로, 섬유(30)의 와인딩 완료 후 별도의 열처리 공정이 필요하지 않아 공정 시간이 단축될 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고압 탱크 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 고압 탱크 제조 장치는 온도 측정부(190), 거리 측정부(210), 히터 이동부(220), 그리고 제어부(230)를 더 포함한다.
온도 측정부(190)는 라이너(1010)에 와인딩되는 섬유층(1020, 1030)의 표면 온도를 측정한다. 온도 측정부(190)는 비접촉식 온도 측정 장치가 사용될 수 있다.
거리 측정부(210)는 라이너(1010)에 와인딩되는 섬유층(1020, 1030)의 표면과의 사이 거리를 측정한다. 섬유(30)의 와인딩 횟수가 늘어날수록 섬유층(1020, 1030)의 두께가 두꺼워지는데, 거리 측정부(210)는 섬유층(1020, 1030)의 두께 변화에 따른 섬유층 표면과의 사이 거리를 측정한다.
히터 이동부(220)는 라이너(1010)에 와인딩된 섬유층(1020, 1030)과 히터부(180)의 사이 거리가 조절되도록 히터부(180)를 이동시킨다.
제어부(230)는 라이너(1010)에 와인딩되는 섬유(30)에 일정 온도의 열이 전달되도록 히터부(180)에서 발생되는 열을 제어하고, 히터부(180)와 섬유층(1020, 1030)과의 사이 거리를 조절한다. 구체적으로, 제어부(230)는 온도 측정부(190)에서 전송된 섬유층(1020, 1030)의 표면 온도가 기 설정된 온도 범위를 초과하는 경우, 전원(240)을 제어하여 히터부(180)에 인가되는 전력을 조절한다. 또한, 제어부(230)는 온도 측정부(190)에서 수신된 섬유층(1020, 1030)의 표면 온도가 기 설정된 온도 범위를 초과하는 경우, 히터 이동부(220)를 제어하여 히터부(180)와 섬유층(1020, 1030)과의 사이 거리를 조절한다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 고압 탱크 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 고압 제조 장치는 제2자외선 조사부(250)를 더 포함한다. 제2자외선 조사부(250)는 라이너(1010)에 와인딩되는 섬유층(1020, 1030)으로 자외선을 조사한다. 제2자외선 조사부(250)는 제1자외선 조사부(160)보다 높은 출력으로 자외선을 조사한다. 제2자외선 조사부(250)에서 조사된 자외선은 섬유(30)가 라이너(1010)에 와인딩되는 동안, 섬유층(1020, 1030)을 경화시킨다. 섬유층(1020, 1030)은 히터부(180)에서 전달된 열과 제2자외선 조사부(250)에서 전달된 자외선에 의해 높은 결속력으로 경화될 수 있다.
이하, 상술한 고압 탱크 장치를 이용하여 상기 고압 탱크를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 고압 탱크 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 12를 참조하면, 고압 탱크 제조 방법은 섬유 이송 단계(S10), 자외선 조사 단계(S20), 그리고 섬유 와인딩 단계(S30)를 포함한다.
섬유 이송 단계(S10)는 보빈(110)에 감긴 섬유(30)를 풀어 라이너(1010) 측으로 이송한다. 섬유(30)는 복수의 지점에 배치된 이송 롤러(120, 130)에 지지되고, 이송 방향이 변경되면서 라이너(1010) 측으로 이송된다. 이송 과정에서 섬유(30)는 수지 용기(140)에 담긴 수지에 함침된다.
자외선 조사 단계(S20)는 섬유(30)의 이송 과정에서 수지에 함침된 섬유(30)에 자외선을 조사한다. 자외선 조사는 섬유(30)가 라이너(1010)에 와인딩되기 전에 진행된다. 자외선의 조사로 섬유(30)에 함침된 수지는 겔 상태로 변한다.
섬유 와인딩 단계(S30)는 자외선이 조사된 섬유(40)를 라이너(1010)에 와인딩한다. 섬유 와인딩 단계(S30)는 후프 와인딩 공법과 헬리컬 와인딩 공법 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 섬유(30)가 와인딩될 수 있다.
일 예에 의하면, 섬유 와인딩 단계(S30)는 라이너(1010)에 탄소 섬유를 와인딩하여 탄소 섬유층(1020)을 형성하는 단계와 탄소 섬유층(1020)에 현무암 섬유를 헬리컬 와인딩하여 현무암 섬유층(1030)을 형성하는 단계를 포함한다.
다른 실시 예에 의하면, 상기 탄소 섬유층(1020)을 형성하는 단계는 라이너(1010)의 실린더부(1011)에 탄소 섬유를 후프 와인딩하여 후프 와인딩층(1021)을 형성하는 단계와, 라이너(1010)의 양측 돔부(1012, 1013)와 후프 와인딩층(1021)에 탄소 섬유를 헬리컬 와인딩하여 헬리컬 와인딩층(1021)을 형성하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시 예에 의하면, 상기 탄소 섬유층(1020)을 형성하는 단계는 라이너(1010)의 실린더부(1011)에 탄소 섬유를 제1 턴수로 후프 와인딩하여 제1후프 와인딩층(1021)을 형성하는 단계, 라이너(1010)의 돔부(1012, 1013)와 제1후프 와인딩층(1021)에 탄소 섬유를 헬리컬 와인딩하여 제1 헬리컬 와인딩층(1022)을 형성하는 단계, 제1 후프 와인딩층(1021)과 중첩되는 영역에서 제1 턴수와 상이한 제2 턴수로 탄소 섬유를 제1 헬리컬 와인딩층(1022)에 후프 와인딩하여 제2후프 와인딩층(1023)을 형성하는 단계, 그리고 제1 헬리컬 와인딩층(1022)과 중첩되는 영역에서 제1헬리컬 와인딩층(1022)과 제2후프 와인딩층(1023)에 상기 탄소 섬유를 헬리컬 와인딩하여 제2헬리컬 와인딩층(1024)을 형성하는 단계를 포함한다.
한편, 섬유 와인딩 단계(S30)는 섬유(30)가 라이너(1010)에 와인딩되는 동안 히터부(180)에서 고온의 열을 섬유층을 향해 조사한다. 히터부(180)는 65℃ 내지 150℃의 열을 발생시킬 수 있다. 바람직하게 히터부(180)는 85℃의 열을 발생시킬 수 있다.
섬유 와인딩 단계(S30)는, 온도 측정부(190)를 통해 라이너(1010)에 와인딩된 섬유층(1020, 1030)의 표면 온도를 측정하고, 상기 표면 온도가 기 설정된 온도 범위를 초과하는 경우, 제어부(230)가 전원(240)을 제어하여 히터부(180)에서 발생되는 온도를 조절할 수 있다.
섬유 와인딩 단계(S30)는, 거리 측정부(210)에서 측정된 섬유층(1020, 1030)의 표면과의 사이 거리 신호가 제어부(230)에 전송되며, 제어부(230)는 수신된 신호를 통해 섬유층(1020, 1030)의 두께를 산출한다. 제어부(230)는 라이너(1010)에 와인딩된 섬유층(1020, 1030)의 표면 온도가 기 설정된 온도 범위를 초과하는 경우, 히터 이동부(220)를 제어하여 히터부(180)와 섬유층(1020, 1030)과의 사이 거리를 조절한다.
다른 실시 예에 의하면, 섬유 와인딩 단계(S30) 제2자외선 조사부(250)에서 라이너(1010)에 와인딩된 섬유층(1020, 1030)으로 자외선을 조사한다. 제2자외선 조사부(250)에서 조사되는 자외선을 세기는 제1자외선 조사부(160)에서 조사되는 자외선의 세기보다 크다. 제2자외선 조사부(250)에서 조사되는 자외선은 높은 출력으로 섬유층(1020, 1030)에 침투하여 섬유층(1020, 1030)을 신속하게 경화시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 고압 탱크
1010: 라이너
1020: 탄소 섬유층
1021, 1023: 후프 와인딩층
1022, 1024: 헬리컬 와인딩층
1030: 현무암 섬유층

Claims (8)

  1. 라이너;
    상기 라이너에 탄소 섬유가 와인딩된 탄소 섬유층; 및
    상기 탄소 섬유층에 현무암 섬유가 와인딩된 현무암 섬유층을 포함하는 고압 탱크.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유층은,
    상기 라이너의 실린더부에 상기 탄소 섬유가 후프 와인딩된 후프 와인딩층; 및
    상기 라이너의 돔부와 상기 후프 와인딩층에 상기 탄소 섬유가 헬리컬 와인딩된 헬리컬 와인딩층을 포함하는 고압 탱크.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유층은,
    상기 라이너의 실린더부에 상기 탄소 섬유가 제1 턴수로 후프 와인딩된 제1후프 와인딩층;
    상기 라이너의 돔부와 상기 제1후프 와인딩층에 상기 탄소 섬유가 헬리컬 와인딩된 제1 헬리컬 와인딩층;
    상기 제1후프 와인딩층과 중첩되는 영역에서 상기 탄소 섬유가 상기 제1헬리컬 와인딩층에 제2턴수로 와인딩된 제2후프 와인딩층; 및
    상기 제1 헬리컬 와인딩층과 중첩되는 영역에서 상기 제1헬리컬 와인딩층과 상기 제2후프 와인딩층에 상기 탄소 섬유가 헬리컬 와인딩된 제2헬리컬 와인딩층을 포함하는 포함하는 고압 탱크.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 턴수는 상기 제2 턴수와 상이한 고압 탱크.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 현무암 섬유는 상기 탄소 섬유층에 헬리컬 와인딩된 고압 탱크.
  6. 라이너에 탄소 섬유를 와인딩하여 탄소 섬유층을 형성하는 단계; 및
    상기 탄소 섬유층에 현무암 섬유를 와인딩하여 현무암 섬유층을 형성하는 단계를 포함하는 고압 탱크 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유층을 형성하는 단계는
    상기 라이너의 실린더부에 상기 탄소 섬유를 후프 와인딩하여 후프 와인딩층을 형성하는 단계;
    상기 라이너의 양측 돔부와 상기 후프 와인딩측에 상기 탄소 섬유를 헬리컬 와인딩하여 헬리컬 와인딩층을 형성하는 단계를 포함하는 고압 탱크 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유층을 형성하는 단계는
    상기 라이너의 실린더부에 상기 탄소 섬유를 제1 턴수로 후프 와인딩하여 제1후프 와인딩층을 형성하는 단계;
    상기 라이너의 돔부와 상기 제1후프 와인딩층에 상기 탄소 섬유를 헬리컬 와인딩하여 제1 헬리컬 와인딩층을 형성하는 단계;
    상기 제1 후프 와인딩층과 중첩되는 영역에서 상기 제1 턴수와 상이한 제2 턴수로 상기 탄소 섬유를 제1 헬리컬 와인딩층에 후프 와인딩하여 제2후프 와인딩층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 헬리컬 와인딩층과 중첩되는 영역에서 상기 제1헬리컬 와인딩층과 상기 제2후프 와인딩층에 상기 탄소 섬유를 헬리컬 와인딩하여 제2헬리컬 와인딩층을 형성하는 단계를 포함하는 고압 탱크 제조 방법.
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