KR20220070119A - 압력 용기 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 압력 용기 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 일측으로 주입구가 형성된 라이너; 상기 라이너의 주입구에 결합되는 보스; 상기 라이너의 외주면을 감싸도록 배치되고 상기 보스의 외주면까지 연장되는 복합재층; 및 상기 보스의 외주면과 상기 복합재층의 측면 단부 사이에 형성된 이격 공간에 삽입되어 상기 이격 공간을 메우도록 상기 보스의 외주면에 삽입 결합되는 적어도 하나의 링부재를 포함하는 압력 용기를 제공한다.

Description

압력 용기 및 이의 제조방법{PRESSURE VESSEL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 압력 용기 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고압 가스의 저장 등에 사용되는 압력 용기의 보스와 복합재층 사이의 계면 접합 성능 및 보스의 구조적 견고성을 향상시킬 수 있도록 한 압력 용기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 천연가스 차량이나 수소 연료전지 차량에는 기체 상태의 연료를 고압으로 압축하여 저장하는 압력 용기가 설치된다.
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 복합재층의 계면 접착력이 상호 재질 차이로 인하여 취약하였으며, 이로 인해, 드롭 테스트(DROP TEST)와 같이 보스 등에 직접 충격이 가해지는 테스트 시 보스에 심각한 변형 및 손상이 유발되는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제1987595호(2019.06.03)
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 보스와 복합재층 사이의 계면 접합 성능 및 보스의 구조적 견고성이 개선된 압력 용기 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 일측으로 주입구가 형성된 라이너; 상기 라이너의 주입구에 결합되는 보스; 상기 라이너의 외주면을 감싸도록 배치되고 상기 보스의 외주면까지 연장되는 복합재층; 및 상기 보스의 외주면과 상기 복합재층의 측면 단부 사이에 형성된 이격 공간에 삽입되어 상기 이격 공간을 메우도록 상기 보스의 외주면에 삽입 결합되는 적어도 하나의 링부재를 포함하는 압력 용기를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 링부재의 내측면에는 나사산이 형성되고, 상기 보스의 외측 보스의 외주면에는 대응 나사산이 형성된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 링부재의 내측면에는 둘레를 따라 복수의 돌기가 돌출 형성되고, 상기 보스의 외측 보스의 외주면에는 상기 돌기와의 결합력을 발휘하는 고정홈이 형성된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 링부재는 상부로 갈수록 외경이 확대되는 테이퍼진 원통형으로 형성된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 복합재층에는 복수의 층을 가지며, 상기 복합재층의 측면 단부의 높이에 대응하여 상기 링부재는 복수개가 삽입되되, 상기 이격 공간의 형성에 대응하여 상기 보스의 외주면에 순차적으로 삽입된다.
본 발명은, 라이너, 상기 라이너의 주입구에 결합된 보스 및 상기 라이너의 외주면을 감싸도록 배치되고 상기 보스의 외주면까지 연장되는 복합재층을 포함하는 압력 용기의 제조방법에 있어서, 상기 라이너의 외주면에 복합재료를 와인딩하여 복합재층을 형성하는 단계; 상기 복합재층의 와인딩 공정을 진행하면서 상기 보스의 외주면과 상기 복합재층의 측면 단부의 사이에 형성된 이격 공간을 메우기 위해, 상기 보스의 외주면에 적어도 하나의 링부재를 결합하는 단계; 및 최종적인 와인딩 공정에서는, 상기 링부재의 상단부를 복합재층이 압착하여 덮도록 하는 단계;를 포함하는 압력 용기의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 복합재층은 복수의 층으로 형성되고 상기 링부재는 복수개가 삽입되되, 상기 복합재층의 순차적 형성에 따른 상기 복합재층의 측면 높이에 대응하여 상기 복수개의 링부재가 순차적으로 삽입된다.
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 압력 용기 및 이의 제조방법에 의하면, 압력 용기에서 보스와 복합재층의 계면 접합 성능이 향상되어 보스와 복합재층 사이에서의 보스의 손상 방지 및 가스 누출 차단 효과가 우수한 압력 용기를 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 복합재층의 필라멘트 와인딩 공정 시에 보스와 복합재층 사이에 물리적인 단차를 부여할 수 있는 구조물을 설치하여 고압 조건시 압력 용기의 팽창 및 외부 충격에 의해 발생되는 보스의 구조적 취약성을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 압력 용기를 나타내는 사시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 압력 용기의 링부재를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 압력 용기에 대해 하나의 링부재의 적용 상태를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 압력 용기에 대해 3개의 링부재의 적용 상태를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 압력 용기에서 링부재를 적용하는 과정을 순차적으로 도시한 도면이다.
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 발명에 따른 압력 용기를 나타내는 사시도로서, 복합재층이 제외된 상태로 도시되어 있다. 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 압력 용기의 링부재를 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 압력 용기에 대해 하나의 링부재의 적용 상태를 나타내는 사시도이고, 도 5는 도 4의 단면도이며, 도 6은 본 발명에 따른 압력 용기에 대해 3개의 링부재의 적용 상태를 나타내는 사시도이다.
첨부도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력 용기(100)는, 내부가 빈 원통 형상의 실린더로 이루어지며 기체 연료의 기밀을 유지하는 라이너(110)를 포함한다.
라이너(110)의 내부 공간에는 고압의 기체 연료가 저장된다. 라이너(110)는 경량화를 위해 폴리아미드계 수지와 같은 플라스틱 소재를 이용하고, 블로우 성형이나 회전 성형 등을 통해 제조된다.
또한, 라이너(110)의 외부 둘레를 와인딩하며, 기체 연료의 높은 내압을 견디기 위해 구조적인 강도 및 강성이 높은 카본섬유 또는 유리섬유로 구성된 섬유강화 복합재료로 이루어진 복합재층(130)을 포함한다.
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, 현재 자동차 등에 적용하고 있다.
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)는 상부로 갈수록 내경이 확대되는 테이퍼진 중공으로 이루어져 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 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 외주면 단차면(121a)은 적어도 하나 이상이 형성된다.
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.
복합재료를 이용하여 라이너(110)의 표면을 감는 상기 복합재층(130)은 필라멘트 와인딩 중 보스(120)의 인접 부위를 직접적으로 보강하는 헬리컬 패턴 등의 보강 패턴을 진행할 경우 패턴 순서에 따라 보스(120)의 인접 부위의 거리를 조절하여 와인딩을 진행하게 되며, 보스(120)와, 복합재층(130)의 복수의 층 사이에 임의의 이격 공간(g)을 갖도록 패턴을 설계하게 된다. 특히, 복합재료는 필라멘트 와인딩 공법 중, 드라이(dry) 와인딩 공법으로 권취된다. 드라이 와인딩 공법은 수지에 기함침된 섬유를 사용하여 권취하는 공정이다.
필라멘트 와인딩이 진행되는 과정에서 보스(120)와 복합재층(130) 사이, 즉 보스(120)의 외주면 인접 부위에 복합재료는 패턴을 형성하면서 와인딩되어 복합재층(130)을 형성하게 되는데, 복합재료의 와인딩 시에 보스(120)의 외주면과 복합재층(130)의 측면 단부(131)에 이격 공간(g)이 형성된다. 복합재층(130)의 측면 단부(131)는 보스 외주면 측을 향한 복합재층(130)의 단부이다.
이와 같이 복합재층(130)의 측면 단부(131)의 이격 공간(g)을 메우기 위해서 보스(120)의 외주면에 적어도 하나의 링부재(200)가 삽입된다. 링부재(200)는 보스(120)의 외주면과 복합재층(130)의 측면 단부(131) 사이에 압입 방식으로 삽입되어 보스(120)와 복합재층(130)의 계면 접합 성능을 향상시킨다.
링부재(200)는 원통의 링 형상으로, 보스(120)의 외주면에 삽입되어 외측으로 돌출된 단차면(210)을 가지게 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 링부재(200)는, 상부로 갈수록 외경이 확대되는 테이퍼진 원통의 링 형상으로 형성된다. 링부재(200)는 보스(120)의 외측 보스(122)와 서로 나사체결 방식 등의 기계적인 결합 방식으로 결합될 수 있다.
링부재(200)의 내측면에는 나사산(201)이 형성되고, 이와 대응되는 보스(120)의 외측 보스(122)의 외주면에는 대응 나사산(미도시)이 형성되어 나사 체결 방식을 통해 결합 가능하게 된다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 나사 체결 방식 이외에, 링부재(200)의 내측면에는 둘레를 따라 복수의 돌기(202)가 간격을 두고 돌출 형성되어 있으며, 이와 대응되는 보스(120)의 외측 보스(122)의 외주면에는 링부재(200)의 돌기(202)와의 결합력을 발휘하는 고정홈(미도시)이 형성될 수 있다.
이와 같은 링부재(200)가 보스(120)에 결합될 경우 보스(120)에 물리적인 단차를 부여할 수 있는 구조물을 형성하게 되므로, 복합재료의 복합재층(130)을 필라멘트 와인딩하는 과정에서 복합재층(130)이 링부재(200)의 단차면(210)에 압착될 수 있게 된다.
필라멘트 와인딩 과정에서 복합재층(130)은 링부재(200)의 단차면(210)에 압착되면서 하나 또는 복수의 층으로 적층되어 형성하게 되는데, 복합재층(130)의 패턴의 형태, 두께 등에 따라 링부재(200)의 개수를 추가할 수 있다.
링부재(200)는 복합재층(130)의 측면 단부(131)의 높이에 대응하여 하나 또는 복수개가 삽입되는데, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 복합재층(130)이 하나의 층으로 이루어질 경우, 복합재층(130)의 이격 공간(g)의 형성에 대응하여 상기 보스(120)의 외주면에 하나의 링부재(200)가 삽입되고, 도 6에 도시한 바와 같이, 복합재층(130)이 복수의 층으로 이루어질 경우, 복합재층(130)의 이격 공간(g)의 형성에 대응하여 상기 보스(120)의 외주면에 복수의 링부재(200)가 삽입될 수 있다.
링부재(200)는 보스(120)와 동일한 소재를 적용할 수 있으며, 보스(120)의 구조적 특성을 개선하기 위해서 물성이 다른 소재를 적용할 수 있다.
또한, 링부재(200)는 복합재층(130)의 적층 형태에 따라 본 발명의 실시예에 따른 테이퍼진 원통의 링 형상과 함께 원형, 사각형, 마름모형 등의 다양한 형상을 채택하여 적용할 수 있다. 테이퍼진 원통의 링 형상의 링부재(200)는 외주면의 테이퍼진 형상에 의해 보스(120)의 외주면과 복합재층(130)의 측면 단부(131) 사이의 압입이 보다 용이하고 계면 접합 성능을 보다 향상시킬 수 있기 때문에 더 유리할 수 있다.
이와 같이 필라멘트 와인딩 과정에서, 복합재층(130)의 측면 단부(131)에 형성되는 이격 공간(g)을 메우기 위해 보스(120)의 외주면에 링 형상을 가지는 적어도 하나의 링부재(200)를 결합하여 이격 공간(g)에 링부재(200)가 압입 방식으로 삽입되고, 링부재(200)의 단차면(210)에 복합재층(130)을 압착하게 된다.
필라멘트 와인딩 공정을 연속적으로 진행하면서, 링부재(200)의 상단부를 복합재층(130)이 완전히 덮도록 하여 보스(120)와 복합재층(130) 사이의 계면 접합 성능을 개선하게 된다.
이하, 본 발명에 따른 압력 용기(100)의 제조 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명에 따른 압력 용기에서 링부재를 적용하는 과정을 순차적으로 도시한 도면이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 먼저 라이너(110)의 주입구(111)에 결합된 보스(120)를 제외한 라이너(110)의 외주면에 복합재료를 와인딩하여 복합재층(130)을 형성한다.
보스(120)의 외주면과 복합재층(130) 사이에 형성되는 이격 공간(g)을 메우기 위해, 보스(120)의 외주면에 적어도 하나의 링부재(200)를 결합한다.
와인딩 과정에서 복합재층(130)은 복수의 층을 형성하게 되며, 각각의 층을 와인딩하면서 복수의 복합재층(130)을 순차적으로 형성한다.
이와 같이 복수의 층을 가지는 복합재층(130)을 순차적으로 형성하면서 대응되는 이격 공간(g)에 대응하는 복수개의 링부재(200)를 보스(120)에 순차적으로 삽입하여 복합재층(130)의 측면 단부(131)의 이격 공간(g)에 링부재(200)를 압입 방식으로 삽입한다.
이어서, 링부재(200)의 단차면(210)에 복합재층(130)을 압착하게 된다.
최종적인 와인딩 공정에서는, 링부재(200)의 상단부를 복합재층(130)이 완전히 덮도록 한다.
이와 같이 본 발명은, 보스(120)에 적어도 하나의 링부재(200)를 삽입하여 보스(120)의 외주면과 복합재층(130)의 측면 단부(131)의 사이에 형성된 이격 공간(g)을 메운 상태에서, 링부재(200)의 단차면(210)에 복합재료를 와인딩하여 압착함으로써, 보스(120)와 복합재층(130)의 계면 접합 성능을 향상하여 보스(120)와 복합재층(130) 사이에서의 보스(120)의 손상을 방지하고 기밀을 가능하게 할 뿐만 아니라, 고압 조건시 압력 용기의 팽창 및 외부 충격에 의해 발생되는 보스(120)의 구조적 취약성을 개선할 수 있다.
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.
100 : 압력 용기 110 : 라이너
111 : 주입구 120 : 보스
121 : 내측 보스 122 : 외측 보스
130 : 복합재층 131 : 측면 단부
200 : 링부재 201 : 나사산
202 : 돌기 210 : 단차면

Claims (7)

  1. 일측으로 주입구가 형성된 라이너;
    상기 라이너의 주입구에 결합되는 보스;
    상기 라이너의 외주면을 감싸도록 배치되고 상기 보스의 외주면까지 연장되는 복합재층; 및
    상기 보스의 외주면과 상기 복합재층의 측면 단부 사이에 형성된 이격 공간에 삽입되어 상기 이격 공간을 메우도록 상기 보스의 외주면에 삽입 결합되는 적어도 하나의 링부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 링부재의 내측면에는 나사산이 형성되고, 상기 보스의 외측 보스의 외주면에는 대응 나사산이 형성된 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 링부재의 내측면에는 둘레를 따라 복수의 돌기가 돌출 형성되고, 상기 보스의 외측 보스의 외주면에는 상기 돌기와의 결합력을 발휘하는 고정홈이 형성된 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 링부재는 상부로 갈수록 외경이 확대되는 테이퍼진 원통형으로 형성된 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복합재층에는 복수의 층을 가지며,
    상기 복합재층의 측면 단부의 높이에 대응하여 상기 링부재는 복수개가 삽입되되, 상기 이격 공간의 형성에 대응하여 상기 보스의 외주면에 순차적으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
  6. 라이너, 상기 라이너의 주입구에 결합된 보스 및 상기 라이너의 외주면을 감싸도록 배치되고 상기 보스의 외주면까지 연장되는 복합재층을 포함하는 압력 용기의 제조방법에 있어서,
    상기 라이너의 외주면에 복합재료를 와인딩하여 복합재층을 형성하는 단계;
    상기 복합재층의 와인딩 공정을 진행하면서 상기 보스의 외주면과 상기 복합재층의 측면 단부의 사이에 형성된 이격 공간을 메우기 위해, 상기 보스의 외주면에 적어도 하나의 링부재를 결합하는 단계; 및
    최종적인 와인딩 공정에서는, 상기 링부재의 상단부를 복합재층이 압착하여 덮도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 용기의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복합재층은 복수의 층으로 형성되고 상기 링부재는 복수개가 삽입되되,
    상기 복합재층의 순차적 형성에 따른 상기 복합재층의 측면 높이에 대응하여 상기 복수개의 링부재가 순차적으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 압력 용기의 제조방법.





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