KR20220077276A

KR20220077276A - 압력용기 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20220077276A
Application number: KR1020200165630A
Authority: KR
Inventors: 이동선
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2022-06-09
Also published as: DE102021120541A1; US20220170593A1; CN114576547A

Abstract

본 발명의 실시예는 압력용기에 관한 것으로, 실린더부, 및 실린더부의 양단에 형성되는 돔 형상의 사이드부를 포함하는 라이너; 및 실린더부의 외주면 일부를 감싸도록 마련되는 제1후프층(first hoop layer), 및 실린더부의 외주면 다른 일부를 감싸도록 마련되며 실린더부에서 사이드부로 갈수록 점진적으로 축소된 두께를 갖는 제2후프층(second hoop layer)을 포함하는 탄소섬유층;을 포함하는 것에 의하여, 구조적 강성을 보장할 수 있으며, 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

압력용기 및 그 제조방법{PRESSURE VESSEL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 압력용기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 구조적 강성을 보장할 수 있으며, 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 압력용기 및 그 제조방법에 관한 것이다.

수소차는 수소와 산소의 화학반응을 통해 자체 전기를 생산하고 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다. 보다 구체적으로, 수소차는 수소(H₂)가 저장되는 수소탱크(H₂ Tank), 수소와 산소(O₂)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지 스택, 생성된 물을 배수하기 위한 각종 장치, 연료전지 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러, 구동력을 발생시키는 모터 등을 포함한다.

수소차의 수소탱크로서는 TYPE 4의 압력용기가 사용될 수 있다. TYPE 4의 압력용기는 라이너(예를 들어, 비금속 재질), 및 라이너의 외표면에 탄소섬유 복합재료를 와인딩하여 형성되는 탄소섬유층을 포함한다.

한편, 탄소섬유 복합재료는 경량이면서 강도 및 탄성이 우수한 특성을 가지나, 매우 고가(예를 들어, 동일 중량의 일반 탄소강에 대비하여 약 20배 이상 비싼 원가)인 관계로, 압력용기의 제조 원가를 낮추기 위해서는 탄소섬유 복합재료의 사용량을 최소화할 수 있어야 한다.

그런데, 압력용기의 탄소섬유층을 형성하는데 사용되는 탄소섬유 복합재료의 사용량을 일정 이상 줄이게 되면(예를 들어, 탄소섬유층의 두께를 얇게 형성하게 되면), 압력용기의 구조적 강성(특히, 압력용기의 실린더부에 원주 방향을 따라 작용하는 후프 응력에 대항하는 구조적 강성)을 충분하게 확보하기 어렵고, 안정성 및 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

이에 따라 최근에는 구조적 강성을 보장하면서 탄소섬유 복합재료의 사용량을 최소화하기 위한 다양한 검토가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 실시예는 구조적 강성을 보장할 수 있으며, 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 압력용기 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명의 실시예는 압력용기의 구조적 강성을 보장하면서 탄소섬유 복합재료의 사용량을 최소화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 압력용기의 효율을 향상시키고, 경량화에 기여할 수 있으며, 제조 원가를 절감할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 제조 공정을 간소화하고, 제조 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

실시예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.

상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압력용기는, 실린더부, 및 실린더부의 양단에 형성되는 돔 형상의 사이드부를 포함하는 라이너; 및 실린더부의 외주면 일부를 감싸도록 마련되는 제1후프층(first hoop layer), 및 실린더부의 외주면 다른 일부를 감싸도록 마련되며 실린더부에서 사이드부로 갈수록 점진적으로 축소된 두께를 갖는 제2후프층(second hoop layer)을 포함하는 탄소섬유층;을 포함한다.

이는, 압력용기의 구조적 강성을 보장하면서 탄소섬유 복합재료의 사용량을 최소화하기 위함이다.

즉, 탄소섬유 복합재료는 경량이면서 강도 및 탄성이 우수한 특성을 가지나, 매우 고가인 관계로, 압력용기의 제조 원가를 낮추기 위해서는 탄소섬유 복합재료의 사용량을 최소화할 수 있어야 한다.

그러나, 압력용기의 탄소섬유층을 형성하는데 사용되는 탄소섬유 복합재료의 사용량을 일정 이상 줄이면(예를 들어, 탄소섬유층의 두께를 얇게 형성하면), 압력용기의 구조적 강성(특히, 압력용기의 실린더부에 원주 방향을 따라 작용하는 후프 응력에 대항하는 구조적 강성)을 충분하게 확보하기 어렵고, 안정성 및 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

하지만, 본 발명의 실시예는 탄소섬유층을 구성하는 제2후프층의 두께가 점진적으로 축소되도록 하는 것에 의하여, 압력용기의 구조적 강성을 보장하면서 탄소섬유 복합재료의 사용량을 저감시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도 본 발명의 실시예는, 실린더부에서 사이드부로 갈수록 점진적으로 축소된 두께를 갖는 제2후프층과 제1후프층을 이용하여 탄소섬유층을 구성하는 것에 의하여, 압력용기의 실린더부에 원주 방향을 따라 작용하는 후프 응력에 대항하는 구조적 강성을 충분하게 보장하면서, 탄소섬유 복합재료의 사용량을 저감시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압력용기는, 라이너의 외표면을 감싸도록 마련되는 제1헬리컬층(first helical layer)을 포함할 수 있다.

바람직하게, 제1헬리컬층에 의한 구조적 강성은 보장하면서, 압력용기의 두께 및 중량 증가를 최소화할 수 있도록, 제1헬리컬층은 탄소섬유층의 총 두께의 5% 이하의 두께를 갖도록 제공될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1후프층은 실린더부의 중앙부 영역의 둘레를 감싸도록 마련되고, 제2후프층은 제1후프층을 사이에 두고 실린더부의 양측 가장자리 영역의 둘레를 각각 감싸도록 마련될 수 있다.

바람직하게, 제1후프층의 중심은 실린더부의 중심에 대응하되, 제1후프층의 길이는 실린더부의 길이의 40%~60%로 정의되고, 제2후프층의 길이는 실린더부의 길이의 20%~30%로 정의된다.

더욱 바람직하게, 제2후프층의 두께는 실린더부에서 사이드부로 갈수록 선형적으로 감소할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2후프층은 제1후프층의 두께에 대응하는 높이를 갖는 직각삼각형 단면을 갖도록 제공되되, 직각삼각형 단면의 빗변과 밑변 사이의 각도는 하기 수학식[3]을 만족할 수 있다.

[수학식 3]

tanθ = H/L2

(여기서, H는 직각삼각형 단면의 높이이고, L2는 직각삼각형 단면의 밑변에 대응하는 제2후프층의 길이이다.)

이는, 실린더부(110)의 중앙부 영역(제1후프층이 형성되는 구간)에 작용하는 후프 응력(hoop stress)이 가장 높고, 실린더부(110)의 양측 가장자리 영역(제2후프층이 형성되는 구간)에 작용하는 후프 응력은 사이드부에 가까워질수록 점진적으로 감소한다는 것에 기인한 것이다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는, 상대적으로 높은 후프 응력이 작용하는 구간(후프 응력이 집중되는 실린더부의 중앙부 영역)에 형성되는 제1후프층의 두께를 두껍게 형성하는 반면, 상대적으로 작은 후프 응력이 작용하는 구간(실린더부의 가장자리 영역)에 형성되는 제2후프층의 두께는 사이드부에 가까워질수록 점진적으로 얇게 형성하는 것에 의하여, 실린더부에 작용하는 후프 응력에 대항하는 구조적 강성은 충분하게 보장하면서, 제2후프층의 두께가 얇아진 만큼 제2후프층을 형성하는데 사용되는 탄소섬유 복합재료의 사용량을 낮출 수 있으므로, 압력용기의 경량화에 기여할 수 있고, 제조 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상대적으로 높은 후프 응력이 작용하는 구간에 형성되는 제1후프층의 두께를 두껍게 형성하는 반면, 상대적으로 작은 후프 응력이 작용하는 구간에 형성되는 제2후프층의 두께는 사이드부에 가까워질수록 점진적으로 얇게 형성하는 것에 의하여, 실린더부의 작용하는 응력의 편차를 저감(응력의 균질화)시킬 수 있으므로, 실린더부의 취약 구간(예를 들어, 중앙부 영역)에 인가되는 응력을 낮추고, 안전 마진(Margin of Safety)을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압력용기는, 제1후프층, 제2후프층 및 사이드부의 외표면을 감싸도록 형성되는 제2헬리컬층(second helical layer)을 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압력용기는, 제2헬리컬층의 외표면을 덮도록 형성되는 제3후프층(third hoop layer)을 포함할 수 있다.

바람직하게, 제3후프층은 제1후프층의 제1두께보다 얇은 제2두께를 갖도록 제공될 수 있다.

일 예로, 제1후프층은 기설정된 기준 후프층 두께의 90% 이상의 두께를 갖도록 제공될 수 있다.

다른 일 예로, 제3후프층은 기설정된 기준 후프층 두께의 10% 미만의 두께를 갖도록 제공될 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 분야에 따르면, 압력용기 제조방법은, 실린더부, 및 실린더부의 양단에 형성되는 돔 형상의 사이드부를 포함하는 라이너를 마련하는 준비단계; 실린더부의 외주면 일부를 감싸도록 제1후프층(first hoop layer)을 형성하는 제1후프층 형성단계; 및 실린더부의 외주면 다른 일부를 감싸며, 실린더부에서 사이드부로 갈수록 점진적으로 축소된 두께를 갖는 제2후프층(second hoop layer)을 형성하는 제2후프층 형성단계;를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1후프층 형성단계에서, 제1후프층은 실린더부의 중앙부 영역의 둘레를 감싸도록 마련되고, 제2후프층 형성단계에서, 제2후프층은 제1후프층을 사이에 두고 실린더부의 양측 가장자리 영역의 둘레를 각각 감싸도록 마련될 수 있다.

더욱 바람직하게, 제2후프층은 제1후프층의 두께에 대응하는 높이(H)를 갖는 직각삼각형 단면을 갖도록 제공되되,

직각삼각형 단면의 빗변과 밑변 사이의 각도(θ)는 하기 수학식[3]을 만족한다.

[수학식 3]

tanθ = H/L2

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압력용기 제조방법은, 라이너의 외표면을 감싸도록 제1헬리컬층(first helical layer)을 형성하는 제1헬리컬층 형성단계를 포함할 수 있으며, 제1후프층 및 제2후프층은 제1헬리컬층의 외표면에 마련된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압력용기 제조방법은, 제2후프층 및 사이드부의 외표면을 감싸도록 제2헬리컬층(second helical layer)을 형성하는 제2헬리컬층 형성단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압력용기 제조방법은, 제2헬리컬층의 외표면을 덮도록 제3후프층(third hoop layer)을 형성하는 제3후프층 형성단계를 포함할 수 있다.

바람직하게, 제3후프층은 제1후프층보다 얇은 두께를 갖도록 제공되되, 제1후프층은 기설정된 기준 후프층 두께의 90% 이상의 두께를 갖도록 제공되고, 제3후프층은 기설정된 기준 후프층 두께의 10% 이하의 두께를 갖도록 제공될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 구조적 강성을 보장할 수 있으며, 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 따르면 압력용기의 구조적 강성을 보장하면서 탄소섬유 복합재료의 사용량을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 압력용기의 효율을 향상시키고, 경량화에 기여할 수 있으며, 제조 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 제조 공정을 간소화하고, 제조 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기의 제조방법을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력용기 제조방법으로서, 제1후프층 및 제2후프층을 설명하기 위한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기 제조방법으로서, 제1후프층 및 제2후프층을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압력용기 제조방법으로서, 제2헬리컬층 및 제3후프층을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압력용기 제조방법으로서, 제1헬리컬층을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기 제조방법으로서, 제1후프층 및 제2후프층의 형성단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기의 실린더부에 작용하는 응력을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기의 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 압력용기로서, 탄소섬유층의 적층예를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

다만, 본 발명의 기술사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.

이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.

그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.

또한, 각 구성요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성요소가 두 개의 구성요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력용기 제조방법은, 실린더부(110), 및 실린더부(110)의 양단에 형성되는 돔 형상의 사이드부(120)를 포함하는 라이너(100)를 마련하는 준비단계(S10); 실린더부(110)의 외주면 일부를 감싸도록 제1후프층(first hoop layer)(300)을 형성하는 제1후프층 형성단계(S30); 및 실린더부(110)의 외주면 다른 일부를 감싸며, 실린더부(110)에서 사이드부(120)로 갈수록 점진적으로 축소된 두께를 갖는 제2후프층(second hoop layer)(400)을 형성하는 제2후프층 형성단계(S40);를 포함한다.

참고로, 본 발명의 실시예에 따른 압력용기(10)는 고압의 유체(액상 또는 기상)를 저장하기 위해 사용될 수 있으며, 압력용기(10)에 저장되는 유체의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 압력용기(10)가 수소차에 적용되는 수소 저장 시스템의 수소탱크로서 사용되는 예를 들어 설명하기로 한다.

단계 1:

먼저, 실린더부(110) 및 사이드부(120)를 포함하는 라이너(100)를 마련한다.(S10)

준비단계(S10)에서는 실린더부(110)의 양단에 돔 형상의 사이드부(120)가 일체로 형성된 라이너(100)를 마련한다.

라이너(100)는 내부에 저장 공간을 갖는 중공의 구조체로 형성되며, 저장 공간에는 고압의 압축수소가 저장될 수 있다.

라이너(100)의 일단에는 수소가 유입되는 입구 포트(미도시)가 형성될 수 있고, 라이너(100)의 다른 일단에는 수소가 배출되는 출구 포트(미도시)가 형성될 수 있다.

라이너(100)의 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 라이너(100)의 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 바람직하게, 라이너(100)는 복원력이 뛰어나며 피로도가 우수한 고밀도 플라스틱과 같은 비금속 재질로 형성될 수 있다.

보다 구체적으로, 라이너(100)는 중공의 실린더 형상(원통 형상)을 갖는 실린더부(110), 및 실린더부(110)의 양단에 일체로 형성되는 돔(dome) 형상의 사이드부(120)를 포함한다.

단계 2:

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압력용기 제조방법은, 라이너(100)의 외표면을 감싸도록 제1헬리컬층(first helical layer)(600)을 형성하는 제1헬리컬층 형성단계(S20)를 포함할 수 있다.

제1헬리컬층 형성단계(S20)에서는, 통상의 와인딩 장치를 이용하여 탄소섬유에 에폭시와 열경화성 수지 등을 함침시킨 탄소섬유 복합재료를 라이너(100)의 외표면(실린더부의 외표면 및 사이드부의 외표면)에 와인딩함으로써 제1헬리컬층(600)을 형성할 수 있다.

참고로, 본 발명의 실시예에서 제1헬리컬층(600)이라 함은, 라이너에 작용하는 응력 중에서, 주로 길이 방향(실린더부의 길이 방향)을 따라 작용하는 응력 및 뒤틀림에 저항하는 구조적인 강성을 보강하기 위한 층으로 정의될 수 있으며, 후술할 제2헬리컬층(700)과 함께 라이너(100)의 길이 방향을 따라 작용하는 응력 및 뒤틀림에 저항하기 위해 마련될 수 있다.

일 예로, 제1헬리컬층(600)은, 실린더부(110)의 축선을 기준으로 탄소섬유 복합재료를 45°~ 88°의 와인딩 각도로 실린더부(110)의 외표면에 와인딩함으로써 형성될 수 있으며, 제1헬리컬층(600)을 형성하기 위한 탄소섬유 복합재료의 와인딩 패턴(예를 들어, 시계 방향 와인딩, 반시계 방향 와인딩, 사선 방향 와인딩 등) 및 와인딩 각도에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

바람직하게, 제1헬리컬층(600)에 의한 구조적 강성은 보장하면서, 압력용기(10)의 두께 및 중량 증가를 최소화할 수 있도록, 제1헬리컬층(600)은 탄소섬유층(200)의 총 두께(WT)의 5% 이하의 두께(TH1)를 갖도록 제공될 수 있다.

여기서, 탄소섬유층(200)의 총 두께(WT)라 함은, 실린더부(110)의 반경 방향을 따른 탄소섬유층(200)의 최대 두께로 이해될 수 있다.

가령, 탄소섬유층(200)을 구성하는 각 층(예를 들어, 제1헬리컬층, 제1후프층, 제2헬리컬층, 제3후프층)의 총 두께(WT)가 20mm라 가정하면, 제1헬리컬층(600)은 1mm 이하의 두께(TH)를 갖도록 형성될 수 있다.

단계 3:

다음, 실린더부(110)의 외주면 일부를 감싸도록 제1후프층(first hoop layer)(300)을 형성한다.(S30)

제1후프층 형성단계(S30)에서는, 통상의 와인딩 장치를 이용하여 탄소섬유에 에폭시와 열경화성 수지 등을 함침시킨 탄소섬유 복합재료를 실린더부(110)의 외표면(외주면)에 와인딩함으로써 제1후프층(300)을 형성할 수 있다.

일 예로, 라이너(100)의 외표면에 제1헬리컬층(600)이 마련된 경우, 제1후프층(300)은 실린더부(110)의 외주면 일부를 감싸도록 제1헬리컬층(600)의 외표면에 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 라이너의 외표면에 별도의 제1헬리컬층을 마련하지 않고, 라이너의 외표면에 직접 제1후프층을 형성하는 것도 가능하다.

참고로, 본 발명의 실시예에서 제1후프층(300)이라 함은, 실린더부(110)에 작용하는 응력 중에서, 주로 원주 방향을 따라 작용하는 응력(예를 들어, 최대 후프 응력)에 저항(구조적인 강성을 확보)하기 위한 층으로 정의될 수 있다.

일 예로, 제1후프층(300)은, 실린더부(110)의 축선을 기준으로 탄소섬유 복합재료를 89°~ 91°의 와인딩 각도로 실린더부(110)의 외표면(제1헬리컬층의 외표면)에 와인딩함으로써 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 실린더부의 축선을 기준으로 탄소섬유 복합재료를 85°~ 89°의 와인딩 각도로 와인딩하여 제1후프층을 형성하는 것도 가능하다.

예를 들어, 탄소섬유 복합재료는 와인딩 지그(도 6의 20 참조)를 매개로 실린더부(110)의 외표면에 와인딩될 수 있으며, 실린더부(110)에 대한 와인딩 지그(도 6의 20 참조)의 배치 각도(자세)를 조절함으로써, 실린더부(110)에 대한 탄소섬유 복합재료의 와인딩 각도를 변경할 수 있다.

바람직하게, 제1후프층 형성단계(S30)에서, 제1후프층(300)은 실린더부(110)에 작용되는 최대 후프 응력에 저항할 수 있는 제1두께(T1)를 갖도록 형성될 수 있으며, 제1후프층(300)의 제1두께(T1)는 요구되는 조건 및 설계 사양(예를 들어, 압력용기의 구조 및 사이즈)에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

단계 4:

다음, 실린더부(110)의 외주면 다른 일부를 감싸도록 제2후프층(second hoop layer)(400)을 형성한다.(S40)

제2후프층 형성단계(S40)에서는, 통상의 와인딩 장치를 이용하여 탄소섬유에 에폭시와 열경화성 수지 등을 함침시킨 탄소섬유 복합재료를 실린더부(110)의 외표면(외주면)에 와인딩함으로써, 제2후프층(400)을 형성할 수 있다.

참고로, 본 발명의 실시예에서 제2후프층(400)이라 함은, 실린더부(110)에 작용하는 응력 중에서, 주로 원주 방향을 따라 작용하는 응력(후프 응력)에 저항(구조적인 강성을 확보)하기 위한 층으로 정의될 수 있다.

일 예로, 제2후프층(400)은, 실린더부(110)의 축선을 기준으로 탄소섬유 복합재료를 89°~ 91°의 와인딩 각도로 실린더부(110)의 외표면에 와인딩함으로써 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 실린더부의 축선을 기준으로 탄소섬유 복합재료를 85°~ 89°의 와인딩 각도로 와인딩하여 제2후프층을 형성하는 것도 가능하다.

바람직하게, 제2후프층 형성단계(S40)에서, 제2후프층(400)은 실린더부(110)에서 사이드부(120)로 갈수록 점진적으로 축소된 두께로 형성된다. 더욱 바람직하게, 제2후프층(400)의 두께는 실린더부(110)에서 사이드부(120)로 갈수록 선형적으로 감소할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1후프층 형성단계(S30)에서, 제1후프층(300)은 실린더부(110)의 중앙부 영역의 둘레를 감싸도록 마련되고, 제2후프층 형성단계(S40)에서, 제2후프층(400)은 제1후프층(300)을 사이에 두고 실린더부(110)의 양측 가장자리 영역의 둘레를 각각 감싸도록 마련될 수 있다.

바람직하게, 제1후프층(300)의 중심은 실린더부의 중심(C)에 대응하되, 제1후프층(300)의 길이는 실린더부(110)의 길이(L)의 40%~60%로 정의되고, 제2후프층(400)의 길이는 실린더부(110)의 길이(L)의 20%~30%로 정의된다.

즉, 제1후프층(300)의 길이가 실린더부(110)의 길이(L)의 40% 미만이면, 압력용기의 파열 강도가 낮아지는 문제점이 있고, 제1후프층(300)의 길이가 실린더부(110)의 길이(L)의 70%를 초과하면, 탄소섬유 복합재료의 사용량이 증가하여 압력용기(10)의 수소중량 효율(wt%)이 저하되는 문제점이 있으므로, 제1후프층(300)의 길이는 실린더부(110)의 길이(L)의 40%~60%로 정의되고, 제2후프층(400)의 길이는 실린더부(110)의 길이(L)의 20%~30%로 정의되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1후프층 및 제2후프층의 총 길이(L2+L1+L2)를 실린더부의 전체 길이(L)보다 짧게 형성(L2+L1+L2＜L)하는 것도 가능하다. 다르게는, 제1후프층 및 제2후프층의 총 길이(L2+L1+L2)를 실린더부의 전체 길이(L)보다 길게 형성(L2+L1+L2＞L)하는 것도 가능하다. 바람직하게, 제1후프층 및 제2후프층의 총 길이(L2+L1+L2)는 실린더부의 전체 길이(L)의 ±10%(예를 들어, L의 90% 또는 L의 110%)로 정의될 수 있다.

더욱 바람직하게, 제1후프층(300)의 중심은 실린더부(110)의 중심(C)에 대응하고, 제1후프층(300)의 길이(L1)는 하기 수학식[1]에 의해 정의된다.

[수학식 1]

L1 = L/2

(여기서, L은 실린더부(110)의 길이이다.)

또한, 제2후프층(400)의 길이(L2)는 하기 수학식[2]에 의해 정의된다.

[수학식 2]

L2 = L/4

(여기서, L은 실린더부(110)의 길이이다.)

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2후프층(400)은 제1후프층(300)의 두께에 대응하는 높이(H)를 갖는 직각삼각형 단면을 갖도록 제공되되, 직각삼각형 단면의 빗변(HL)과 밑변 사이의 각도(θ)는 하기 수학식[3]을 만족할 수 있다.

[수학식 3]

tanθ = H/L2

이는, 실린더부(110)의 중앙부 영역(제1후프층이 형성되는 구간)에 작용하는 후프 응력(hoop stress)이 가장 높고, 실린더부(110)의 양측 가장자리 영역(제2후프층이 형성되는 구간)에 작용하는 후프 응력은 사이드부(120)에 가까워질수록 점진적으로 감소한다는 것에 기인한 것이다.

실린더부(110)에 작용하는 응력(후프 응력)은 실린더부(110)의 전체 구간에 걸쳐 일정하지 않게 나타난다.

즉, 도 7을 참조하면, 실린더부(110)에 작용하는 응력(후프 응력)은, 실린더부(110)의 중앙부 영역(실린더부의 중심(C)으로부터 거리가 0.00~0.50인 영역)에서는 높고, 실린더부(110)의 가장자리 영역(실린더부의 중심으로부터 거리가 0.50~1.00인 영역)에서는 사이드부(120)에 가까워질수록 점진적으로 낮아짐을 확인할 수 있다.

특히, 실린더부(110)의 중앙부 영역(실린더부의 중심으로부터 거리가 0.00~0.50인 영역)에서는 응력(최대 후프 응력)이 집중되고, 실린더부(110)의 가장자리 영역(실린더부의 중심으로부터 거리가 0.50~1.00인 영역)에서는 응력(후프 응력)이 급격하게 낮아짐을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는, 상대적으로 높은 후프 응력이 작용하는 구간(후프 응력이 집중되는 실린더부의 중앙부 영역)에 형성되는 제1후프층(300)의 두께를 두껍게 형성하는 반면, 상대적으로 작은 후프 응력이 작용하는 구간(실린더부의 가장자리 영역)에 형성되는 제2후프층(400)의 두께는 사이드부(120)에 가까워질수록 점진적으로 얇게 형성하는 것에 의하여, 실린더부(110)에 작용하는 후프 응력에 대항하는 구조적 강성은 충분하게 보장하면서, 제2후프층(400)의 두께가 얇아진 만큼 제2후프층(400)을 형성하는데 사용되는 탄소섬유 복합재료의 사용량을 낮출 수 있으므로, 압력용기(10)의 경량화에 기여할 수 있고, 제조 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상대적으로 높은 후프 응력이 작용하는 구간에 형성되는 제1후프층(300)의 두께를 두껍게 형성하는 반면, 상대적으로 작은 후프 응력이 작용하는 구간에 형성되는 제2후프층(400)의 두께는 사이드부(120)에 가까워질수록 점진적으로 얇게 형성하는 것에 의하여, 실린더부(110)의 작용하는 응력의 편차를 저감(응력의 균질화)시킬 수 있으므로, 실린더부(110)의 취약 구간(예를 들어, 중앙부 영역)에 인가되는 응력을 낮추고, 안전 마진(Margin of Safety)을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이와 같이, 실린더부(110)에 작용하는 응력을 전체적으로 균질화(편차 저감)하는 것에 의하여, 도 8과 같이, 압력용기(10)의 효율(Normalized efficiency)을 기존(전체적으로 일정한 두께를 갖는 후프층 및 헬리컬층이 적층된 압력용기) 대비 약 18% 정도 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

참고로, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 제2후프층(400)의 두께가 실린더부(110)에서 사이드부(120)로 갈수록 선형적으로 감소하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2후프층의 두께가 실린더부에서 사이드부로 갈수록 비선형적으로 감소하도록 구성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 제2후프층의 상면(직각삼각형의 빗변에 대응하는 부위)을 곡선으로 형성하는 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에서, 제1후프층(300) 및 제2후프층(400)을 형성하는 순서 및 방식은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제1후프층(300) 및 제2후프층(400)을 형성하는 순서 및 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 제1후프층(300)과 제2후프층(400)은 각각 별도의 와인딩 공정에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1후프층(300)을 먼저 형성한 후 제2후프층(400)을 형성할 수 있다. 다르게는, 제2후프층(400)을 먼저 형성한 후 제1후프층(300)을 형성하는 것도 가능하다.

다른 일 예로, 제1후프층(300)과 제2후프층(400)은 동일한 와인딩 공정에 의해 연속적으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 6을 참조하면, 라이너(100)의 길이 방향(실린더부의 길이 방향)을 따라 와인딩 지그(20)를 직선 이동시키며, 실린더부의 외주면에 탄소섬유 복합재료를 와인딩함으로써, 제1후프층(300)의 일부와 제2후프층(400)의 일부를 포함하는 제1와인딩층(1_st layer)를 연속적으로 형성하고, 제1와인딩층의 외표면에 제1와인딩층보다 짧은 길이(실린더부의 길이 방향을 따른 길이)를 갖는 제2와인딩층(2_nd layer)를 적층하는 방식으로, 실린더부의 반경 방향을 따라 외측으로 갈수록 점진적으로 짧은 길이를 갖는 N개의 와인딩층을 적층(실린더의 최외각 외표면에는 N_th layer가 적층)함으로써, 제1후프층(300)과 제2후프층(400)을 형성할 수 있다.

단계 5:

도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압력용기 제조방법은, 제1후프층(300), 제2후프층(400) 및 사이드부(120)의 외표면을 감싸도록 제2헬리컬층(second helical layer)(700)을 형성하는 제2헬리컬층 형성단계(S50)를 포함할 수 있다.

제2헬리컬층 형성단계(S50)에서는, 통상의 와인딩 장치를 이용하여 탄소섬유에 에폭시와 열경화성 수지 등을 함침시킨 탄소섬유 복합재료를 제1후프층(300), 제2후프층(400) 및 사이드부(120)의 외표면에 와인딩함으로써 제2헬리컬층(700)을 형성할 수 있다.

참고로, 본 발명의 실시예에서 제2헬리컬층(700)이라 함은, 실린더부(110)에 작용하는 응력 중에서, 주로 길이 방향을 따라 작용하는 응력 및 뒤틀림에 저항하는 구조적인 강성을 확보하기 위한 층으로 정의될 수 있다.

일 예로, 제2헬리컬층(700)은, 실린더부(110)의 축선을 기준으로 탄소섬유 복합재료를 45°~ 88°의 와인딩 각도로 실린더부(110)의 외표면에 와인딩함으로써 형성될 수 있으며, 제2헬리컬층(700)을 형성하기 위한 탄소섬유 복합재료의 와인딩 패턴(예를 들어, 시계 방향 와인딩, 반시계 방향 와인딩, 사선 방향 와인딩 등)에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

단계 6:

도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압력용기 제조방법은, 제2헬리컬층(700)의 외표면을 덮도록 제3후프층(third hoop layer)(500)을 형성하는 제3후프층 형성단계(S60)를 포함할 수 있다.

여기서, 제3후프층(500)이 제2헬리컬층(700)의 외표면을 덮도록 형성된다 함은, 제3후프층(500)이 제1후프층(300)에 대응하는 길이(실린더부의 길이 방향을 따른 길이)로 형성되거나, 제3후프층(500)이 제1후프층(300)보다 긴 길이를 갖도록 형성되는 것을 모두 포함하는 개념으로 정의될 수 있다. 이하에서는 제3후프층(500)이 제1후프층(300)보다 긴 길이를 갖도록 형성되되, 제3후프층(500)이 제1후프층(300)의 영역을 전체적으로 덮으면서 제2후프층(400)의 영역 일부를 부분적으로 덮도록 형성된 예를 들어 설명하기로 한다.

제3후프층 형성단계(S60)에서는, 통상의 와인딩 장치를 이용하여 탄소섬유에 에폭시와 열경화성 수지 등을 함침시킨 탄소섬유 복합재료를 제2헬리컬층(700)의 외표면(외주면)에 와인딩함으로써 제3후프층(500)을 형성할 수 있다.

참고로, 본 발명의 실시예에서 제3후프층(500)이라 함은, 실린더부(110)에 작용하는 응력 중에서, 주로 원주 방향을 따라 작용하는 응력에 저항하는 구조적인 강성을 보강하기 위한 층으로 정의될 수 있다.

일 예로, 제3후프층(500)은, 실린더부(110)의 축선을 기준으로 탄소섬유 복합재료를 89°~ 91°의 와인딩 각도로 제2헬리컬층(700)의 외표면에 와인딩함으로써 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 실린더부의 축선을 기준으로 탄소섬유 복합재료를 85°~ 89°의 와인딩 각도로 와인딩하여 제3후프층을 형성하는 것도 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제3후프층 형성단계(S60)에서, 제3후프층(500)은 제1후프층(300)의 제1두께(T1)보다 얇은 제2두께(T2)를 갖도록 제공될 수 있다.

일 예로, 제1후프층(300)은 기설정된 기준 후프층 두께의 90% 이상의 두께를 갖도록 제공될 수 있다.

다른 일 예로, 제3후프층(500)은 기설정된 기준 후프층 두께의 10% 미만의 두께를 갖도록 제공될 수 있다.

여기서, 기준 후프층 두께라 함은, 라이너(100)에 작용하는 최대 후프 응력(예를 들어, 압력용기 파손기준)에 저항할 수 있는 실린더부(110)의 반경 방향을 따른 후프층 총 두께(제1후프층의 두께+제3후프층의 두께)로 정의될 수 있다.

예를 들어, 기준 후프층 두께가 10mm라 가정하면, 제1후프층(300)은 9mm 이상의 두께를 갖도록 형성될 수 있고, 제3후프층(500)은 1mm 미만의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 압력용기 제조방법에 의해 제조된 압력용기(10)를 설명하기로 한다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력용기(10)는, 실린더부(110), 및 실린더부(110)의 양단에 형성되는 돔 형상의 사이드부(120)를 포함하는 라이너(100); 및 실린더부(110)의 외주면 일부를 감싸도록 마련되는 제1후프층(first hoop layer)(300), 및 실린더부(110)의 외주면 다른 일부를 감싸도록 마련되며 실린더부(110)에서 사이드부(120)로 갈수록 점진적으로 축소된 두께를 갖는 제2후프층(second hoop layer)(400)을 포함하는 탄소섬유층(200);을 포함한다.

라이너(100)는 중공의 실린더 형상(원통 형상)을 갖는 실린더부(110), 및 실린더부(110)의 양단에 일체로 형성되는 돔(dome) 형상의 사이드부(120)를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압력용기(10)는, 라이너(100)의 외표면을 감싸도록 마련되는 제1헬리컬층(first helical layer)(600)을 포함할 수 있다.

제1헬리컬층(600)은 통상의 와인딩 장치를 이용하여 탄소섬유에 에폭시와 열경화성 수지 등을 함침시킨 탄소섬유 복합재료를 라이너(100)의 외표면(실린더부의 외표면 및 사이드부의 외표면)에 와인딩함으로써 형성할 수 있다.

바람직하게, 제1헬리컬층(600)에 의한 구조적 강성은 보장하면서, 압력용기(10)의 두께 및 중량 증가를 최소화할 수 있도록, 제1헬리컬층(600)은 탄소섬유층(200)의 총 두께의 5% 이하의 두께(TH)를 갖도록 제공될 수 있다.

제1후프층(300)은 실린더부(110)의 외주면 일부를 감싸도록 마련된다.

일 예로, 라이너(100)의 외표면에 제1헬리컬층(600)이 마련된 경우, 제1후프층(300)은 실린더부(110)의 외주면 일부를 감싸도록 제1헬리컬층(600)의 외표면에 형성될 수 있다.

제1후프층(300)은 통상의 와인딩 장치를 이용하여 탄소섬유에 에폭시와 열경화성 수지 등을 함침시킨 탄소섬유 복합재료를 실린더부(110)의 외표면(외주면)에 와인딩함으로써 형성할 수 있다.

일 예로, 제1후프층(300)은, 실린더부(110)의 축선을 기준으로 탄소섬유 복합재료를 89°~ 91°의 와인딩 각도(제1와인딩 각도)로 실린더부(110)의 외표면에 와인딩함으로써 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 실린더부의 축선을 기준으로 탄소섬유 복합재료를 85°~ 89°의 와인딩 각도로 와인딩하여 제1후프층을 형성하는 것도 가능하다.

바람직하게, 제1후프층(300)은 실린더부(110)에 작용되는 최대 후프 응력에 저항할 수 있는 제1두께(T1)를 갖도록 형성될 수 있으며, 제1후프층(300)의 제1두께(T1)는 요구되는 조건 및 설계 사양(예를 들어, 압력용기의 구조 및 사이즈)에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

제2후프층(400)은 실린더부(110)의 외주면 다른 일부를 감싸도록 마련된다.

제2후프층(400)은, 통상의 와인딩 장치를 이용하여 탄소섬유에 에폭시와 열경화성 수지 등을 함침시킨 탄소섬유 복합재료를 실린더부(110)의 외표면(외주면)에 와인딩함으로써 형성할 수 있다.

일 예로, 제2후프층(400)은, 실린더부(110)의 축선을 기준으로 탄소섬유 복합재료를 89°~ 91°의 와인딩 각도(제2와인딩 각도)로 실린더부(110)의 외표면에 와인딩함으로써 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 실린더부의 축선을 기준으로 탄소섬유 복합재료를 85°~ 89°의 와인딩 각도로 와인딩하여 제2후프층을 형성하는 것도 가능하다.

바람직하게, 제2후프층(400)은 실린더부(110)에서 사이드부(120)로 갈수록 점진적으로 축소된 두께로 형성된다. 더욱 바람직하게, 제2후프층(400)의 두께는 실린더부(110)에서 사이드부(120)로 갈수록 선형적으로 감소할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1후프층(300)은 실린더부(110)의 중앙부 영역의 둘레를 감싸도록 마련되고, 제2후프층(400)은 제1후프층(300)을 사이에 두고 실린더부(110)의 양측 가장자리 영역의 둘레를 각각 감싸도록 마련된다.

[수학식 1]

L1 = L/2

(여기서, L은 실린더부(110)의 길이이다.)

[수학식 2]

L2 = L/4

(여기서, L은 실린더부(110)의 길이이다.)

[수학식 3]

tanθ = H/L2

이는, 실린더부(110)의 중앙부 영역(제1후프층이 형성되는 구간)에 작용하는 후프 응력(hoop stress)이 가장 높고, 실린더부(110)의 양측 가장자리 영역(제2후프층(400)이 형성되는 구간)에 작용하는 후프 응력은 사이드부(120)에 가까워질수록 점진적으로 감소한다는 것에 기인한 것이다.

참고로, 본 발명의 실시예에서, 제1후프층(300) 및 제2후프층(400)을 형성하는 순서 및 방식은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제1후프층(300) 및 제2후프층(400)을 형성하는 순서 및 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 제1후프층(300)과 제2후프층(400)은 동일한 와인딩 공정에 의해 연속적으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 6을 참조하면, 라이너(100)의 길이 방향(실린더부의 길이 방향)을 따라 와인딩 지그(20)를 직선 이동시키며, 실린더부의 외주면에 탄소섬유 복합재료를 와인딩함으로써, 제1후프층(300)의 일부와 제2후프층(400)의 일부를 포함하는 제1와인딩층(1_st layer)를 연속적으로 형성하고, 제1와인딩층의 외표면에 제1와인딩층보다 짧은 길이(실린더부의 길이 방향을 따른 길이)를 갖는 제2와인딩층(2_nd layer)를 적층하는 방식으로, 실린더부의 반경 방향을 따라 외측으로 갈수록 점진적으로 짧은 길이를 갖는 N개의 와인딩층을 적층(실린더의 최외각 외표면에는 N_th layer가 적층)함으로써, 제1후프층(300)과 제2후프층(400)을 형성할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압력용기(10)는, 제1후프층(300), 제2후프층(400) 및 사이드부(120)(또는 제1헬리컬층)의 외표면을 감싸도록 형성되는 제2헬리컬층(second helical layer)(700)을 포함할 수 있다.

참고로, 본 발명의 실시예에서 제2헬리컬층(700)이라 함은, 실린더부(110)에 작용하는 응력 중에서, 주로 길이 방향을 따라 작용하는 응력 및 뒤틀림에 저항(구조적인 강성을 확보)하기 위한 층으로 정의될 수 있다.

제2헬리컬층(700)은, 통상의 와인딩 장치를 이용하여 탄소섬유에 에폭시와 열경화성 수지 등을 함침시킨 탄소섬유 복합재료를 제1후프층(300), 제2후프층(400) 및 사이드부(120)(또는 제1헬리컬층)의 외표면에 와인딩함으로써 형성할 수 있다.

일 예로, 제2헬리컬층(700)은, 실린더부(110)의 축선을 기준으로 탄소섬유 복합재료를 45°~ 88°의 와인딩 각도로 실린더부(110)의 외표면에 와인딩함으로써 형성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압력용기(10)는, 제2헬리컬층(700)의 외표면을 덮도록 형성되는 제3후프층(third hoop layer)(500)을 포함할 수 있다.

일 예로, 제3후프층(500)은 제1후프층(300)보다 긴 길이를 갖도록 형성되되, 제3후프층(500)은 제1후프층(300)의 영역을 전체적으로 덮으면서 제2후프층(400)의 영역 일부를 부분적으로 덮도록 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제3후프층을 제1후프층에 대응하는 길이(실린더부의 길이 방향을 따른 길이)로 형성하는 것도 가능하다.

제3후프층(500)은 통상의 와인딩 장치를 이용하여 탄소섬유에 에폭시와 열경화성 수지 등을 함침시킨 탄소섬유 복합재료를 제2헬리컬층(700)의 외표면(외주면)에 와인딩함으로써 형성될 수 있다.

바람직하게, 제3후프층(500)은 제1후프층(300)의 제1두께(T1)보다 얇은 제2두께(T2)를 갖도록 제공될 수 있다.

한편, 라이너(100)의 외표면에 와인딩된 탄소섬유층(200)(예를 들어, 제1헬리컬층, 제1후프층, 제2후프층, 제2헬리컬층)은 후속 열처리 공정을 거쳐 경화될 수 있다.

전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는, 압력용기가 제1후프층, 제2후프층 및 제2헬리컬층으로 이루어진 단 하나의 탄소섬유층을 포함하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 압력용기가 복수개의 탄소섬유층을 포함하는 것도 가능하다.

일 예로, 도 9를 참조하면, 압력용기(10)는, 실린더부(110), 및 실린더부(110)의 양단에 형성되는 돔 형상의 사이드부(120)를 포함하는 라이너(100); 실린더부(110)의 외주면 일부를 감싸도록 마련되는 제1후프층(300,300',300"), 실린더부(110)의 외주면 다른 일부를 감싸며 실린더부(110)에서 사이드부(120)로 갈수록 점진적으로 축소된 두께를 갖는 제2후프층(400,400',400"), 및 제1후프층(300,300',300"), 제2후프층(400,400',400") 및 사이드부(120)의 외표면을 감싸도록 제2헬리컬층(700,700',700")을 포함하는 탄소섬유층(200,200',200");을 구비하되, 탄소섬유층(200,200',200")은 복수개가 적층(라이너의 반경 방향을 따라 적층)되게 마련될 수 있다.

탄소섬유층(200,200',200")의 적층 개수는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 탄소섬유층(200,200',200")의 적층 개수에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

이하에서는 라이너(100)의 외표면의 3개의 탄소섬유층(200,200',200")이 적층된 예를 들어 설명하기로 한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 라이너의 외표면에 2개의 탄소섬유층을 적층하거나, 4개 이상의 탄소섬유층을 적층하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 복수개의 탄소섬유층(200,200',200")을 적층하는 경우에도, 각 탄소섬유층(200,200',200")이 제1헬리컬층(도 5의 600 참조) 및 제3후프층(도 5의 500 참조)을 포함하도록 구성하는 것도 가능하다. 다시 말해서, 제1후프층, 제2후프층, 제3후프층, 제1헬리컬층, 및 제2헬리컬층을 포함하는 복수개의 탄소섬유층을 적층하는 것도 가능하다.

바람직하게, 각 탄소섬유층(200,200',200")을 구성하는 제1후프층(300,300',300") 및 제2후프층(400,400',400")의 총 길이(LA1,LA2,LA3)는, 라이너(100)의 반경 방향을 따라 외측으로 갈수록 점진적으로 축소(LA1＞LA2＞LA3)될 수 있다.

즉, 제1와인딩 공정(1차 와인딩 공정)에 의해 형성되는 탄소섬유층(200)을 구성하는 제1후프층(300) 및 제2후프층(400)은 제1길이(LA1)로 형성될 수 있고, 그 다음 제2와인딩 공정(2차 와인딩 공정)에 의해 형성되는 탄소섬유층(200')을 구성하는 제1후프층(300') 및 제2후프층(400')은 제1길이(LA1)보다 짧은 제2길이(LA2)로 형성될 수 있으며, 마지막으로 제3와인딩 공정(3차 와인딩 공정)에 의해 형성되는 탄소섬유층(200")을 구성하는 제1후프층(300") 및 제2후프층(400")은 제2길이(LA2)보다 짧은 제3길이(LA3)로 형성될 수 있다.

이와 같이, 복수개의 탄소섬유층(200,200',200")을 구성하는 제1후프층(300,300',300") 및 제2후프층(400,400',400")의 총 길이(LA1,LA2,LA3)가, 라이너(100)의 반경 방향을 따라 외측으로 갈수록 점진적으로 축소(LA1＞LA2＞LA3)되도록 하는 것에 의하여, 상대적으로 높은 후프 응력이 작용하는 구간에서는 후프 응력에 대항하는 구조적 강성을 충분하게 보장하면서, 상대적으로 작은 후프 응력이 작용하는 구간에서는 탄소섬유 복합재료의 사용량을 낮출 수 있으므로, 압력용기(10)의 수소중량 효율(wt%)을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1후프층 및 제2후프층을 포함하는 복수개의 탄소섬유층을 라이너의 반경 방향을 따라 적층하되, 각 탄소섬유층을 구성하는 제1후프층 및 제2후프층의 총 길이를 모두 동일(예를 들어, LA1=LA2=LA3)하게 형성하는 것도 가능하다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 압력용기
100 : 라이너
110 : 실린더부
120 : 사이드부
200 : 탄소섬유층
300 : 제1후프층
400 : 제2후프층
500 : 제3후프층
600 : 제1헬리컬층
700 : 제2헬리컬층

Claims

실린더부, 및 상기 실린더부의 양단에 형성되는 돔 형상의 사이드부를 포함하는 라이너; 및
상기 실린더부의 외주면 일부를 감싸도록 마련되는 제1후프층(first hoop layer), 및 상기 실린더부의 외주면 다른 일부를 감싸도록 마련되며 상기 실린더부에서 상기 사이드부로 갈수록 점진적으로 축소된 두께를 갖는 제2후프층(second hoop layer)을 포함하는 탄소섬유층;
을 포함하는 압력용기.
제1항에 있어서,
상기 제1후프층은 상기 실린더부의 중앙부 영역의 둘레를 감싸도록 마련되고,
상기 제2후프층은 상기 제1후프층을 사이에 두고 상기 실린더부의 양측 가장자리 영역의 둘레를 각각 감싸도록 마련되는 압력용기.
제2항에 있어서,
상기 제1후프층의 중심은 상기 실린더부의 중심에 대응하되,
상기 제1후프층의 길이는 상기 실린더부의 길이의 40%~60%로 정의되고,
상기 제2후프층의 길이는 상기 실린더부의 길이의 20%~30%로 정의되는 압력용기.
제3항에 있어서,
상기 제2후프층의 두께는 상기 실린더부에서 상기 사이드부로 갈수록 선형적으로 감소하는 압력용기.
제4항에 있어서,
상기 제2후프층은 상기 제1후프층의 두께에 대응하는 높이(H)를 갖는 직각삼각형 단면을 갖도록 제공되되,
상기 직각삼각형 단면의 빗변과 밑변 사이의 각도(θ)는 하기 수학식[3]을 만족하는 압력용기.
[수학식 3]
tanθ = H/L2
(여기서, H는 직각삼각형 단면의 높이이고, L2는 직각삼각형 단면의 밑변에 대응하는 제2후프층의 길이이다.)
제1항에 있어서,
상기 탄소섬유층은,
상기 라이너의 외표면을 감싸도록 마련되는 제1헬리컬층(first helical layer)을 포함하고,
상기 제1후프층 및 상기 제2후프층은 상기 제1헬리컬층의 외표면에 형성되는 압력용기.
제6항에 있어서,
상기 제1헬리컬층은 상기 탄소섬유층의 총 두께의 5% 이하의 두께를 갖도록 제공되는 압력용기.
제1항에 있어서,
상기 탄소섬유층은,
상기 제1후프층, 상기 제2후프층 및 상기 사이드부의 외표면을 감싸도록 마련되는 제2헬리컬층(second helical layer)를 포함하는 압력용기.
제8항에 있어서,
상기 탄소섬유층은,
상기 제2헬리컬층의 외표면을 덮도록 마련되는 제3후프층(third hoop layer)을 포함하는 압력용기.
제9항에 있어서,
상기 제3후프층은 상기 제1후프층보다 얇은 두께를 갖도록 제공되는 압력용기.
제10항에 있어서,
상기 제1후프층은 기설정된 기준 후프층 두께의 90% 이상의 두께를 갖도록 제공되는 압력용기.
제10항에 있어서,
상기 제3후프층은 기설정된 기준 후프층 두께의 10% 미만의 두께를 갖도록 제공되는 압력용기.
실린더부, 및 상기 실린더부의 양단에 형성되는 돔 형상의 사이드부를 포함하는 라이너를 마련하는 준비단계;
상기 실린더부의 외주면 일부를 감싸도록 제1후프층(first hoop layer)을 형성하는 제1후프층 형성단계; 및
상기 실린더부의 외주면 다른 일부를 감싸며, 상기 실린더부에서 상기 사이드부로 갈수록 점진적으로 축소된 두께를 갖는 제2후프층(second hoop layer)을 형성하는 제2후프층 형성단계;
를 포함하는 압력용기 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 제1후프층 형성단계에서, 상기 제1후프층은 상기 실린더부의 중앙부 영역의 둘레를 감싸도록 마련되고,
상기 제2후프층 형성단계에서, 상기 제2후프층은 상기 제1후프층을 사이에 두고 상기 실린더부의 양측 가장자리 영역의 둘레를 각각 감싸도록 마련되는 압력용기 제조방법.
제14항에 있어서,
상기 제1후프층의 중심은 상기 실린더부의 중심에 대응하되,
상기 제1후프층의 길이는 상기 실린더부의 길이의 40%~60%로 정의되고,
상기 제2후프층의 길이는 상기 실린더부의 길이의 20%~30%로 정의되는 압력용기 제조방법.
제15항에 있어서,
상기 제2후프층은 상기 제1후프층의 두께에 대응하는 높이(H)를 갖는 직각삼각형 단면을 갖도록 제공되되,
상기 직각삼각형 단면의 빗변과 밑변 사이의 각도(θ)는 하기 수학식[3]을 만족하는 압력용기.
[수학식 3]
tanθ = H/L2
(여기서, H는 직각삼각형 단면의 높이이고, L2는 직각삼각형 단면의 밑변에 대응하는 제2후프층의 길이이다.)
제13항에 있어서,
상기 라이너의 외표면을 감싸도록 제1헬리컬층(first helical layer)을 형성하는 제1헬리컬층 형성단계를 포함하고,
상기 제1후프층 및 상기 제2후프층은 상기 제1헬리컬층의 외표면에 마련되는 압력용기 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 제1후프층, 상기 제2후프층 및 상기 사이드부의 외표면을 감싸도록 제2헬리컬층(second helical layer)을 형성하는 제2헬리컬층 형성단계를 포함하는 압력용기 제조방법.
제18항에 있어서,
상기 제2헬리컬층의 외표면을 덮도록 제3후프층(third hoop layer)을 형성하는 제3후프층 형성단계를 포함하는 압력용기 제조방법.
제19항에 있어서,
상기 제3후프층은 상기 제1후프층보다 얇은 두께를 갖도록 제공되되,
상기 제1후프층은 기설정된 기준 후프층 두께의 90% 이상의 두께를 갖도록 제공되고,
상기 제3후프층은 기설정된 기준 후프층 두께의 10% 미만의 두께를 갖도록 제공되는 압력용기 제조방법.