KR20220068012A - 압력 용기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압력 용기에 관한 것으로서, 일측으로 주입구가 형성된 라이너; 상기 라이너의 상기 주입구의 내측에 결합되는 내측 보스와, 상기 내측 보스의 외측으로 결합되고 적어도 하부에서 상기 내측 보스와의 사이에 상기 주입구를 개재하여 결합되는 외측 보스를 포함하는 보스; 상기 라이너의 외주면을 감싸도록 배치되고 상기 보스의 외주면까지 연장되는 복합재층; 및 상기 보스의 외측면을 감싸도록 배치된 완충폼을 포함하는 압력 용기를 제공한다.

Description

압력 용기{PRESSURE VESSEL}
본 발명은 압력 용기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부 충격으로부터 보스를 보호하기 위해 비드가 함유된 완충폼을 보스의 외측면에 감싸도록 배치함으로써, 보스의 급격한 열전도도 조건 및 외부 충격에 의해 발생되는 구조적 취약성을 개선할 수 있는 압력 용기에 관한 것이다.
일반적으로, 압력 용기는, 액화 석유가스(LPG), 압축 천연가스(CNG), 경질 탄화수소(메탄, 프로판, 부탄) 및 수소가스를 포함하는 기체 상태의 연료를 고압으로 압축하여 저장할 수 있다.
압력 용기는 경량화를 위해 플라스틱으로 이루어진 라이너(liner)와, 라이너의 외피 위에 둘러싸는 열경화성 섬유복합재료로 이루어진 복합재층과, 연료의 유입과 유출을 위한 금속성 노즐인 보스(boss)를 포함한다.
라이너의 경량화를 위한 소재는 폴리올레핀계 수지, 폴리아미드계 수지와 같은 플라스틱 재질로 제작되고, 복합재층은 강도유지를 위해 카본섬유 또는 유리섬유로 구성된 복합재료를 이용하여 라이너의 표면을 감는 필라멘트 와인딩(filament winding) 공정으로 제작되며, 보스는 금속재질로 제작된 레귤레이터 또는 밸브와의 견고한 결합을 위해 금속성 재질로 제작된다.
이러한 종래의 압력 용기에는 LPG, CNG, 수소가스 등으로 이루어진 기체 연료의 출입이 가능한 주입구가 형성되며, 이러한 주입구에 금속성 보스를 삽입하게 되는데, 플라스틱 라이너와 금속성 보스는 이종 재질이어서 결합성에 문제가 있으며, 연료의 지속적인 충전 시 반복적인 피로 하중에 의해 내부 가스의 누출 위험이 항상 존재하게 된다.
따라서, 플라스틱 라이너와 금속성 보스 사이에서 가스가 누출되지 않도록 보스에는 고강도의 금속 재질을 적용해야 하며, 플라스틱 라이너와 금속성 보스의 계면 결합의 개선이 제품의 성능을 좌우하게 된다. 종래에는 플라스틱 라이너와 금속성 보스의 계면에 단순 구조 결합만이 적용되고 있어 장시간 충/방전 시 해당 계면을 통한 누출의 위험성이 상존하는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 압력 용기는 금속성 재질의 보스와 복합재료의 복합재층이 단순 구조 결합만으로 이루어져 있어 계면 접합 성능이 상호 재질 차이로 인하여 취약하고 연료 충전과 같은 반복적인 피로하중에 취약한 구조를 가지는 문제점이 있었다. 이로 인해, 드롭 테스트(DROP TEST)와 같이 보스 등에 직접 충격이 가해지는 테스트 시 보스에 심각한 변형 및 손상이 유발되는 문제점이 있었다.
그리고, 화염 시험을 실시할 경우, 고온(~800℃) 환경에서 열전도도에 따른 압력 용기의 구조적 취약성이 드러나게 된다. 즉, 안전 밸브의 작동 전에, 금속 재질로서 열전도도가 높은 보스로부터 플라스틱 라이너로의 열전달이 급격히 이루어지게 됨에 따라 압력 용기의 라이너가 변형되거나 손상되는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제1944438호(2019.01.25)
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 급격한 열전도도 조건 및 외부 충격에 의해 발생되는 보스의 구조적 취약성을 개선할 수 있는 압력 용기를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 일측으로 주입구가 형성된 라이너; 상기 라이너의 상기 주입구의 내측에 결합되는 내측 보스와, 상기 내측 보스의 외측으로 결합되고 적어도 하부에서 상기 내측 보스와의 사이에 상기 주입구를 개재하여 결합되는 외측 보스를 포함하는 보스; 상기 라이너의 외주면을 감싸도록 배치되고 상기 보스의 외주면까지 연장되는 복합재층; 및 상기 보스의 외측면을 감싸도록 배치된 완충폼을 포함하는 압력 용기를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 완충폼은 상기 보스의 외주면 및 상단 일부에 결합되고, 상기 복합재층의 표면에 하단이 접촉하여 결합된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 완충폼은 EPP(Expanded polypropylene) 소재로 이루어진다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 완충폼의 내부에는 열전달율을 조절하기 위한 다수의 비드가 포함된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 완충폼의 두께는 15 ~ 40mm이다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 완충폼의 열전도도는 0.036 ~ 0.044W/(m·K)이다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 비드는 카본 블랙 소재이다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 완충폼의 내부에 함유되는 상기 비드의 함량은 5 ~ 10wt%이다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 복합재층의 상면을 감싸면서 상기 완충폼의 하단을 감싸는 유리섬유층을 구비하여 상기 완충폼을 지지할 수 있다.
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 압력 용기에 의하면, 보스를 감싸는 완충폼을 적용한 압력 용기를 제공함으로써, 외부 충격으로부터 보스의 파손을 방지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 완충폼의 내부에 열전달을 지연시키는 알갱이 형태로 이루어진 다수의 비드(bead)를 포함시켜, 보스로부터 라이너로의 급격한 열전달을 막아 라이너의 변형이나 손상을 방지할 수 있다.
특히, 차량 내 압력 용기를 탑재할 경우, 자동차 사고 발생시에 보스에 전달될 수 있는 외부 충격을 방지하여 보스의 구조적 취약성을 개선할 수 있으며, 더 큰 사고로 이어지는 것을 예방할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력 용기를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력 용기의 포트의 구성을 나타내는 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력 용기를 나타내는 단면도로서, 복합재층이 제외된 상태로 도시되어 있다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력 용기의 포트의 구성을 나타내는 단면도이다.
첨부도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력 용기(100)는, 액화 석유가스(LPG), 압축 천연가스(CNG), 경질 탄화수소(메탄, 프로판, 부탄) 및 수소가스를 포함하는 각종 유체들을 압축하여 안전하게 저장할 수 있는 용기로서, 라이너(110), 보스(120) 및 복합재층(130)을 포함한다.
라이너(110)는 내부가 빈 원통 형상의 실린더로 이루어지며 기체 연료의 기밀을 유지할 수 있게 된다.
라이너(110)의 내부 공간에는 고압의 기체 연료가 저장되며, 경량화를 위해 폴리아미드계 수지와 같은 플라스틱 소재를 적용하고, 블로우 성형이나 회전 성형 등을 통해 제조된다.
복합재층(130)은, 라이너(110)의 외부 둘레를 와인딩하며, 기체 연료의 높은 내압을 견디기 위해 구조적인 강도 및 강성이 높은 카본섬유 또는 유리섬유로 구성된 섬유강화 복합재료로 이루어진다.
복합재층(130)은 라이너(110)의 외주면과 후술하는 보스(120)의 하부를 감싸 보강하도록 형성된다.
복합재층(130)의 복합재료는 필라멘트 와인딩 공법으로 권취된다. 필라멘트 와인딩 공법은 수지에 기함침된 섬유를 라이너(110)에 장력을 가한 상태로 감아서 압착하는 공정이다.
또한, 압력 용기(100)는 상하부 중 적어도 일측에 원통 형상의 주입구(111)를 포함한다. 주입구(111) 측의 외주면에는 후술하는 외측 보스(122)가 결합 가능하게 된다. 여기서 주입구(111)는 플라스틱 라이너(110) 일 수 있다.
주입구(111)에는 기체 연료의 유입과 유출을 단속하기 위한 금속성 노즐인 보스(120)가 결합된다. 즉, 보스(120)는 라이너(110)의 주입구(111)에 배치되어 포트를 형성한다.
보스(120)에는 자동차 측에 위치한 밸브 등이 결합 가능하게 되는데, 밸브는 보스(120)에 결합될 수 있다.
보스(120)는, 라이너(110)와 이종 재질인 금속 재질로서, 금속으로 제조되는 밸브 등과의 견고한 결합을 위해 밸브 소재와 동종 재질인 금속으로 제조될 수 있다.
보스(120)는 라이너(110)의 주입구(111)의 내측에 결합되는 내측 보스(121)와, 내측 보스(121)의 외측으로 결합되고 적어도 하부에서 내측 보스(121)와의 사이에 주입구(111)를 개재하여 결합되는 외측 보스(122)를 포함한다.
구체적으로, 보스(120)는 원통형으로 돌출된 주입구(111)의 내주면을 따라 삽입 고정되는 제1 영역과, 제1 영역의 길이방향으로 연장되는 제2 영역을 구비한 중공의 내측 보스(121)를 포함한다.
내측 보스(121)의 상단에는 외측 보스(122)의 상단에 외측 방향으로 지지되는 플랜지(121b)가 구비되어 있다. 내측 보스(121)의 상단 플랜지(121b)는 후술하는 실링부재(200)의 노후화로 인한 교체를 위해 외측 보스(122)로부터 내측 보스(121)를 쉽게 분리할 수 있는 역할을 하게 된다.
내측 보스(121)의 제1 영역의 외주면에는 복수의 단차면(121a)이 구비된다. 단차면(121a)은 상부로 갈수록 확대되고, 주입구(111)의 내주면의 단차면(111a)에 대응된다. 주입구(111)의 내주면의 단차면(111a)과 내측 보스(121)의 제1 영역의 외주면의 단차면(121a)은 적어도 하나 이상이 형성될 수 있다.
또한, 내측 보스(121)의 제2 영역은 후술하는 외측 보스(122)의 제4 영역과 결합 가능하게 된다.
보스(120)는 주입구(111)의 외주면에 결합되는 내주면이 형성되는 제3 영역과, 내측 보스(121)의 제2 영역의 외주면에 내주면이 결합되는 제4 영역을 구비한 원통형의 외측 보스(122)를 포함한다.
여기서, 내측 보스(121)와 외측 보스(122)는 나사체결 방식 등의 결합 방식을 통해 서로 결합될 수 있다.
또한, 외측 보스(122)의 하부는 라이너(110)의 주입구(111)의 하부에 적어도 부분적으로 접촉하도록 형성된다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 주입구(111)와 연결되는 라이너(110)의 일부 구간이 하방으로 완만하게 굴곡 형성되어 있으며, 외측 보스(122)의 하부가 이와 긴밀하게 맞닿아 일치하도록 형성되어 있다.
이와 같이 라이너(110)의 주입구(111)의 하부 형상대로 외측 보스(122)의 하부가 일치하게 될 경우 라이너(110)의 주입구(111)와 외측 보스(122) 간의 결합성이 향상된다.
한편, 라이너(110)의 주입구(111)의 내주면의 단차면(111a) 및 내측 보스(121)의 제1 영역의 외주면의 단차면(121a) 사이에는 복수의 실링부재(200)가 설치된다.
실링부재(200)는 고무 재질로서, 내측 보스(121)와 외측 보스(122) 사이의 틈새를 통해서 내부의 고압 기체 연료가 누출되는 것을 방지할 수 있으며, 내측 보스(121)의 제1 영역의 외주면의 단차면(121a)에 형성된 내측홈(123)에 환형의 링 형태로 끼워져 밀착된 상태를 유지하며 위치에 따라 적어도 하나의 실링부재(200)가 형성될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 제1 실링부재(201)와, 제2 실링부재(202)를 포함한다. 제1 실링부재(201)는 라이너(110)의 주입구(111)의 상측의 내측홈(123)에 설치되고, 제2 실링부재(202)는 라이너(110)의 주입구(111)의 하측의 내측홈(123)에 설치된다.
또한, 본 발명에 따른 실시예에 따른 압력 용기(100)는, 보스(120)의 외주면 및 상단 일부에 결합되고, 복합재층(130)의 표면에 하단이 접촉하여 결합됨으로써, 외부 충격에 대한 보스(120)의 안정성을 확보할 수 있도록 하는 완충폼(10)을 포함한다.
완충폼(10)은 보스(120)에 대한 충격 에너지를 흡수할 수 있고, 경량성, 복원성 및 재활용성이 우수한 고탄성의 EPP(Expanded polypropylene) 소재로 이루어지며, 두께는 15 ~ 40mm 이다. 이때, 완충폼(10)의 두께가 15mm 미만일 경우에는 내충격성이 저하되는 문제가 있으며, 40mm를 초과할 경우에는 용기 총중량이 증가하여 가스 저장 효율이 감소하는 문제가 있어 바람직하지 않다.
특히, 완충폼(10)의 내부에는, 열전달율을 조절하기 위한 카본 블랙(carbon black) 소재로 이루어진 다수의 비드(11, bead)가 포함되어 있다. 특히 비드(11)는 완충폼(10) 내부에 함유되어, 안전 밸브가 작동하기 전에, 열전도도가 높은 금속의 보스(120)로부터 플라스틱 라이너(110)로의 급격한 열전달을 지연시킬 수 있도록 한다. 이때, 비드(11)는 완충폼(10) 내에 5 ~ 10wt%가 함유된다.
비드(11)는 금속의 보스(120)로부터 압력 용기(100)의 라이너(110)로의 급격한 열전달을 막아 라이너(110)의 변형이나 손상을 방지할 수 있게 된다.
이때, 완충폼(10)의 내부에 비드(11)의 함유량이 5% 미만일 경우에는 비드(11)의 열전달 지연 성능에 문제가 있어 바람직하지 않으며, 함유량이 10%를 초과할 경우에는 완충폼(10)의 내충격 성능이 저하되는 문제가 발생하여 바람직하지 않다.
따라서, 본 발명에 따른 완충폼(10) 내에 비드(11)를 포함함으로써, 외부 충격에 대한 보스(120)의 안정성을 확보할 수 있으면서 금속의 보스(120)로부터 플라스틱 라이너(110)로의 급격한 열전달을 지연시킬 수 있도록 설정하는 것이 매우 중요하다.
이때, 비드(11)가 포함된 완충폼(10)의 열전도도는 0.036 ~ 0.044W/(m·K)로 설정될 수 있다.
완충폼(10)의 열전도도가 0.036W/(m·K) 미만일 경우, 또는 현저히 열전도도가 낮을 경우 안전 밸브가 적시에 작동하지 못해 부적절하게 용기 사용 압력 이상으로 압력이 상승하게 되어 폭발 사고로 이어지는 문제가 발생할 수 있으며, 0.044W/(m·K)를 초과할 경우에는 안전 밸브가 작동하기 전에, 라이너(110)로의 열전달이 급격히 이루어지게 됨에 따라 압력 용기(100)의 라이너(110)가 변형되거나 손상되는 문제점이 있다.
복합재층(130)의 제조 시, 복합재층(130)의 일부로서, 완충폼(10)의 하단에 접촉하여 완충폼(10)을 지지하는 유리섬유층(20)이 구비된다. 유리섬유층(20)은 복합재층(130)의 상면을 감싸면서 완충폼(10)을 지지하게 된다. 즉, 유리섬유층(20)은 완충폼(10)이 보스(120)에 견고히 지지될 수 있도록 복합재층(130)의 상면에 유리섬유(glass fiber)를 적층하거나 감아서 제조하게 된다.
또한, 유리섬유층(20)은 보스(120)의 주변에 국소적으로 적층하는 것도 가능하나, 압력 용기(100)의 표면이 손상될 것을 고려하여 추가 보강하는 복합재층(130)의 일부이므로 압력 용기(100) 전체에 적층하여 제조하는 것이 바람직하다.
이와 같이 유리섬유층(20)이 복합재층(130) 상면과 완충폼(10)의 하단에 압착되어 적층될 경우 완충폼(10)과의 계면 접합 성능이 향상될 수 있다.
따라서, 본 발명은, 라이너(110)의 주입구(111)에 내측 보스(121)와 외측 보스(122)가 결합된 보스(120)를 외부 충격으로부터 보호하기 위해 열전달 지연용 비드(11)가 함유된 완충폼(10)을 보스(120)의 외측면에 감싸도록 배치함으로써, 보스(120)의 급격한 열전도도 조건 및 외부 충격에 의해 발생되는 압력 용기(100)의 구조적 취약성을 개선할 수 있게 된다.
상술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 완충폼 11 : 비드
20 : 유리섬유층 100 : 압력 용기
110 : 라이너 111 : 주입구
120 : 보스 121 : 내측 보스
122 : 외측 보스 130 : 복합재층

Claims (9)

  1. 일측으로 주입구가 형성된 라이너;
    상기 라이너의 상기 주입구의 내측에 결합되는 내측 보스와, 상기 내측 보스의 외측으로 결합되고 적어도 하부에서 상기 내측 보스와의 사이에 상기 주입구를 개재하여 결합되는 외측 보스를 포함하는 보스;
    상기 라이너의 외주면을 감싸도록 배치되고 상기 보스의 외주면까지 연장되는 복합재층; 및
    상기 보스의 외측면을 감싸도록 배치된 완충폼을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 완충폼은 상기 보스의 외주면 및 상단 일부에 결합되고, 상기 복합재층의 표면에 하단이 접촉하여 결합된 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 완충폼은 EPP(Expanded polypropylene) 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 완충폼의 내부에는 열전달율을 조절하기 위한 다수의 비드가 포함된 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 완충폼의 두께는 15 ~ 40mm인 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 완충폼의 열전도도는 0.036 ~ 0.044W/(m·K)인 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 비드는 카본 블랙 소재인 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 완충폼의 내부에 함유되는 상기 비드의 함량은 5 ~ 10wt%인 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복합재층의 상면을 감싸면서 상기 완충폼의 하단을 감싸는 유리섬유층을 구비하여 상기 완충폼을 지지하는 것을 특징으로 하는 압력 용기.


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