KR20220096026A - High-pressure tank and making method thereof - Google Patents

High-pressure tank and making method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR20220096026A
KR20220096026A KR1020200188133A KR20200188133A KR20220096026A KR 20220096026 A KR20220096026 A KR 20220096026A KR 1020200188133 A KR1020200188133 A KR 1020200188133A KR 20200188133 A KR20200188133 A KR 20200188133A KR 20220096026 A KR20220096026 A KR 20220096026A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
liner
shear stress
absorbing layer
stress absorbing
pressure vessel
Prior art date
Application number
KR1020200188133A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102500657B1 (en
Inventor
김기영
이현규
김규년
Original Assignee
한화솔루션 주식회사
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 한화솔루션 주식회사 filed Critical 한화솔루션 주식회사
Priority to KR1020200188133A priority Critical patent/KR102500657B1/en
Publication of KR20220096026A publication Critical patent/KR20220096026A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102500657B1 publication Critical patent/KR102500657B1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS 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
    • F17C1/00Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge
    • F17C1/16Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge constructed of plastics materials
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS 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
    • F17C13/00Details of vessels or of the filling or discharging of vessels
    • F17C13/002Details of vessels or of the filling or discharging of vessels for vessels under pressure
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS 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
    • F17C2201/00Vessel construction, in particular geometry, arrangement or size
    • F17C2201/01Shape
    • F17C2201/0104Shape cylindrical
    • F17C2201/0109Shape cylindrical with exteriorly curved end-piece
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS 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
    • F17C2203/00Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/0602Wall structures; Special features thereof
    • F17C2203/0604Liners
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS 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
    • F17C2203/00Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/0602Wall structures; Special features thereof
    • F17C2203/0612Wall structures
    • F17C2203/0614Single wall
    • F17C2203/0621Single wall with three layers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS 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
    • F17C2203/00Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/0634Materials for walls or layers thereof
    • F17C2203/0658Synthetics
    • F17C2203/066Plastics
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS 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
    • F17C2209/00Vessel construction, in particular methods of manufacturing
    • F17C2209/22Assembling processes
    • F17C2209/225Spraying
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS 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
    • F17C2209/00Vessel construction, in particular methods of manufacturing
    • F17C2209/23Manufacturing of particular parts or at special locations
    • F17C2209/232Manufacturing of particular parts or at special locations of walls
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS 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
    • F17C2260/00Purposes of gas storage and gas handling
    • F17C2260/03Dealing with losses
    • F17C2260/035Dealing with losses of fluid
    • F17C2260/036Avoiding leaks
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/32Hydrogen storage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Abstract

Provided is a pressure vessel, comprising: a liner accommodating a gas; a composite material layer formed outside the liner; and a shear stress absorbing layer having viscoelasticity between the liner and the composite material layer. An objective of the present invention is to provide the pressure vessel capable of imparting additional durability to the liner.

Description

압력용기 및 이의 제조방법{HIGH-PRESSURE TANK AND MAKING METHOD THEREOF}Pressure vessel and its manufacturing method {HIGH-PRESSURE TANK AND MAKING METHOD THEREOF}

본 발명은 압력용기에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 라이너와 복합재층 사이 계면에서 발생되는 전단 피로 하중에 의한 라이너의 파단을 방지할 수 있는 압력용기 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a pressure vessel. More specifically, the present invention relates to a pressure vessel capable of preventing breakage of a liner due to a shear fatigue load generated at an interface between a liner and a composite layer, and a method for manufacturing the same.

압력용기는 내부에 산소, 천연가스, 수소 등 다양한 가스가 가압된 상태로 보관 및 이송되며, 내부 보관 중인 가스가 누출되지 않도록 하는 기밀 구조가 요구된다. A pressure vessel is stored and transported in a pressurized state in which various gases such as oxygen, natural gas, and hydrogen are inside, and an airtight structure is required to prevent leakage of the stored gas.

압력용기는 금속재로 이루어진 타입 I, 금속 라이너에 복합재가 추가되어 경량화된 타입 II, 금속 라이너에 복합재가 풀랩으로 보강된 타입 III이 주로 사용되나 최근 경량화를 위해 금속 라이너를 대체하여 플라스틱 소재 라이너에 복합재가 보강된 타입 IV의 압력용기가 주로 개발되고 있다. For pressure vessels, Type I made of metal, Type II, which is lighter by adding a composite material to the metal liner, and Type III, in which the composite material is reinforced with a full wrap on the metal liner are mainly used. Type IV pressure vessels with reinforcement are mainly being developed.

복합재가 보강된 압력용기는 통상 라이너와 라이너 외부에 필라멘트 와인딩 공법으로 형성되는 복합재층을 포함하는데 고압 가스를 반복적으로 충·방전 하는 경우 라이너와 복합재층 사이에 전단 하중이 발생하게 된다. Composite-reinforced pressure vessels usually include a liner and a composite layer formed by a filament winding method on the outside of the liner. When high-pressure gas is repeatedly charged and discharged, a shear load is generated between the liner and the composite layer.

상기 전단 하중이 발생하는 경우 라이너와 복합재층의 마찰에 의해 균열이 발생될 수 있으며 압력용기가 파단되어 수명이 감소되는 문제가 발생한다. When the shear load occurs, cracks may occur due to friction between the liner and the composite material layer, and the pressure vessel is ruptured, thereby reducing the lifespan.

라이너와 라이너를 보강하는 복합재층 사이에 고착을 억제하기 위하여 이형제 처리하거나, 윤활제를 도포하여 응력을 분산시키는 방법이 개시되나, 라이너 외주면 전체와 라이너와 이종재질로 선택되는 금속재 보스와의 계면에서 발생하는 응력까지 고려한 압력용기는 아직 개시된 바가 없다. A method of dispersing stress by treating a release agent or applying a lubricant to suppress adhesion between the liner and the composite layer reinforcing the liner is disclosed, but occurs at the entire outer peripheral surface of the liner and the interface between the liner and a metal boss selected from a different material A pressure vessel in consideration of the stress required has not yet been disclosed.

따라서 이종소재 보스를 구비하는 압력용기에서의 충방전시 피로응력을 보다 효과적으로 분산시켜, 압력용기의 수명을 효과적으로 증가시킨 압력용기의 개발이 시급한 실정이다. Therefore, there is an urgent need to develop a pressure vessel that effectively increases the lifespan of the pressure vessel by more effectively dispersing fatigue stress during charging and discharging in a pressure vessel having a different material boss.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0090455호에 기재되어 있다.Background art of the present invention is described in Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2020-0090455.

본 발명의 압력용기의 라이너가 고압가스의 충방전시 팽창과 수축으로 인한 버클링(Buckling) 변형에 대한 저항을 부여하여 라이너의 내구성을 증가시키고, 전단응력흡수층의 두께를 조절하여 라이너에 추가적인 내구성을 부여할 수 있는 압력용기를 제공하기 위한 것이다. The liner of the pressure vessel of the present invention increases the durability of the liner by giving resistance to buckling deformation due to expansion and contraction during charging and discharging of high-pressure gas, and additional durability to the liner by adjusting the thickness of the shear stress absorbing layer This is to provide a pressure vessel that can give

본 발명의 다른 목적은 라이너 형성 후 표면처리와 스프레이 도포를 통한 직접 전단응력흡수층을 형성하여 효과적으로 응력을 분산시킬 수 있는 압력용기의 제조방법을 제공하기 위한 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a pressure vessel capable of effectively dispersing stress by forming a direct shear stress absorbing layer through surface treatment and spray application after forming a liner.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.The above and other objects of the present invention can all be achieved by the present invention described below.

1. 본 발명의 하나의 관점은 압력용기에 관한 것이다.1. One aspect of the present invention relates to a pressure vessel.

상기 압력용기는 가스를 수용하는 라이너; 및 상기 라이너 외부에 형성되는 복합재층을 구비하는 압력용기며, 상기 라이너 및 상기 복합재층 사이에 점탄성을 가지는 전단응력흡수층을 구비한다. The pressure vessel may include a liner for accommodating a gas; and a composite material layer formed outside the liner, and a shear stress absorbing layer having viscoelasticity between the liner and the composite material layer.

2. 상기 1구체예에서, 상기 전단응력흡수층은 하기 수학식을 만족할 수 있다:2. In the first embodiment, the shear stress absorbing layer may satisfy the following equation:

[수학식 1][Equation 1]

M2 < M1, M3 M 2 < M 1 , M 3

상기 수학식 1에서 M2는 전단응력흡수층의 탄성률이고, M1은 라이너의 탄성률이고, M3은 복합재층의 탄성률이다. In Equation 1, M 2 is the modulus of elasticity of the shear stress absorbing layer, M 1 is the modulus of elasticity of the liner, and M 3 is the modulus of elasticity of the composite layer.

[수학식 2][Equation 2]

E2 > E1, E3 E 2 > E 1 , E 3

상기 수학식 2에서 E2는 전단응력흡수층의 신율이고, E1은 라이너의 신율이고, E3은 복합재층의 신율이다.In Equation 2, E 2 is the elongation of the shear stress absorbing layer, E 1 is the elongation of the liner, and E 3 is the elongation of the composite layer.

3. 상기 1 또는 2 구체예에서, 상기 라이너는 표면에 반응성 작용기가 형성되거나, 요철이 형성될 수 있다. 3. In embodiments 1 or 2, the liner may have a reactive functional group formed on its surface, or irregularities may be formed on its surface.

4. 상기 1 내지 3중 어느 하나의 구체예에서, 상기 전단응력흡수층은 실리콘, 폴리우레탄, 폴리우레아, 스티렌-부타디엔-러버(SBR), 니트릴-부타디엔-러버(NBR), 및 에틸렌-프로필렌-러버(EPDM) 중 1 종 이상일 수 있다. 4. In any one of 1 to 3, the shear stress absorbing layer is silicone, polyurethane, polyurea, styrene-butadiene-rubber (SBR), nitrile-butadiene-rubber (NBR), and ethylene-propylene- It may be one or more types of rubber (EPDM).

5. 상기 1 내지 4 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 전단응력흡수층은 두께가 1 mm 내지 5mm 일 수 있다. 5. In any one of embodiments 1 to 4, the shear stress absorbing layer may have a thickness of 1 mm to 5 mm.

6. 상기 1 내지 5중 어느 하나의 구체예에서, 상기 전단응력흡수층은 ASTM D638에 따른 인장강도가 10Mpa 이하이고, 신율이 150% 이상일 수 있다. 6. In any one of the embodiments 1 to 5, the shear stress absorbing layer may have a tensile strength of 10 Mpa or less according to ASTM D638, and an elongation of 150% or more.

7. 본 발명의 다른 관점은 압력용기 제조방법에 관한 것이다.7. Another aspect of the present invention relates to a method for manufacturing a pressure vessel.

상기 압력용기 제조방법은 (a) 라이너를 표면처리하는 단계; (b) 상기 라이너 상부에 전단응력흡수층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 전단응력흡수층 상부에 복합재층을 형성하는 단계;를 포함한다. The pressure vessel manufacturing method comprises the steps of (a) surface-treating a liner; (b) forming a shear stress absorbing layer on the liner; and (c) forming a composite layer on the shear stress absorbing layer.

8. 상기 7 구체예에서, 상기 라이너의 표면처리는 플라즈마, 코로나, 화염, 샌딩, 그라인딩, 및 폴리싱 중 1종의 방법으로 처리될 수 있다.8. In the seventh embodiment, the surface treatment of the liner may be performed by one of plasma, corona, flame, sanding, grinding, and polishing.

9. 상기 7 또는 8 구체예에서, 상기 전단응력흡수층은 상기 보스부와 라이너의 연결 계면 상부, 보스부, 및 라이너부 외주면 전체에 균일한 두께로 형성될 수 있다. 9. In the 7th or 8th embodiment, the shear stress absorbing layer may be formed to have a uniform thickness over the upper portion of the connection interface between the boss and the liner, the boss, and the entire outer circumferential surface of the liner.

10. 상기 7 내지 9 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 (b) 단계는 상기 전단응력흡수층을 두께가 1 mm 내지 5mm 가 되도록 스프레이 도포되어 형성될 수 있다. 10. In any one of the embodiments 7 to 9, step (b) may be formed by spraying the shear stress absorbing layer to a thickness of 1 mm to 5 mm.

본 발명은 압력용기의 충방전시 발생할 수 있는 라이너의 버클링 현상을 완화하여 라이너의 내구성을 크게 증가시킬 수 있다. The present invention can greatly increase the durability of the liner by alleviating the buckling phenomenon of the liner that may occur during charging and discharging of the pressure vessel.

특히 물성이 상이한 복합재층과 라이너의 계면에서 열팽창율 차이에 따른 라이너의 버클링 현상 및 파손을 방지하여 압력용기의 내구성을 증가시킬 수 있으며, 전단응력흡수층을 형성하여 가스배리어성을 유지하면서 라이너의 두께를 조절하여 압력용기 제조효율을 증가시킬 수 있다. In particular, it is possible to increase the durability of the pressure vessel by preventing the buckling phenomenon and damage of the liner due to the difference in thermal expansion coefficient at the interface between the composite layer and the liner with different physical properties. By adjusting the thickness, it is possible to increase the manufacturing efficiency of the pressure vessel.

또한 라이너 제조 후 스프레이 코팅 방법으로 직접 전단응력흡수층을 형성하고 필라멘트 와인딩을 통하여 복합재층을 형성하는 간소한 공정으로 압력용기 제조 공정의 효율이 증가된 압력용기 제조방법을 제공한다. In addition, it provides a pressure vessel manufacturing method with increased efficiency of the pressure vessel manufacturing process through a simple process of forming a shear stress absorbing layer directly by a spray coating method after manufacturing a liner and forming a composite material layer through filament winding.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 압력용기의 부분 절개면을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 압력용기의 단면도이다.
도 3은 도 1의 라이너와 복합재에 각각 작용하는 전단력의 크기와 방향을 나타내는 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 구체예에 따른 압력용기 제조방법의 공정순서도이다.
1 is a perspective view showing a partially cut-away surface of a pressure vessel according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the pressure vessel according to FIG. 1 .
3 is a view showing the magnitude and direction of the shear force acting on the liner and the composite material of FIG. 1, respectively.
4 is a process flow diagram of a method for manufacturing a pressure vessel according to another embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 도면은 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the following drawings are provided only to help the understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the drawings. In addition, since the shape, size, ratio, angle, number, etc. disclosed in the drawings are exemplary, the present invention is not limited to the illustrated matters.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. Like reference numerals refer to like elements throughout. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.When 'including', 'having', 'consisting', etc. mentioned in this specification are used, other parts may be added unless 'only' is used. When a component is expressed in the singular, cases including the plural are included unless otherwise explicitly stated.

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.In interpreting the components, it is construed as including an error range even if there is no separate explicit description.

~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수 있다.When the positional relationship between two parts is described with ‘on’, ‘on’, ‘on’, ‘beside’, etc., unless ‘directly’ or ‘directly’ is used, between the two parts One or more other portions may be located.

'상부', '상면', '하부', '하면' 등과 같은 위치 관계는 도면을 기준으로 기재된 것일 뿐, 절대적인 위치 관계를 나타내는 것은 아니다. 즉, 관찰하는 위치에 따라, '상부'와 '하부' 또는 '상면'과 '하면'의 위치가 서로 변경될 수 있다. Positional relationships such as 'upper', 'top', 'lower', and 'bottom' are only described based on the drawings, and do not represent absolute positional relationships. That is, the positions of 'upper' and 'lower' or 'upper surface' and 'lower surface' may be changed according to the observed position.

본 명세서에서, 수치범위를 나타내는 "a 내지 b"는 "≥a 이고 ≤b"으로 정의한다.In the present specification, "a to b" representing a numerical range is defined as "≥a and ≤b".

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체예에 따른 압력용기를 설명한다. Hereinafter, a pressure vessel according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 압력용기의 부분 절개면을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 압력용기의 단면도이다. 1 is a perspective view showing a partially cut-away surface of a pressure vessel according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the pressure vessel according to FIG. 1 .

도 1및 2를 참조하면, 본 발명에 따른 압력용기는 라이너(100), 전단응력흡수층(300) 및 복합재층(400)을 포함한다. 1 and 2 , the pressure vessel according to the present invention includes a liner 100 , a shear stress absorbing layer 300 , and a composite material layer 400 .

상기 라이너(100)는 수소, 산소, 천연가스, 질소 등의 가스를 수용한다. The liner 100 accommodates gases such as hydrogen, oxygen, natural gas, and nitrogen.

상기 라이너(100)는 상기 가스와 반응성이 없는 것으로 선택된다. The liner 100 is selected to be non-reactive with the gas.

상기 라이너(100)는 나일론 수지, 에틸렌비닐알콜 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리올레핀 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리페닐렌에테르 수지 및 폴리스티렌 수지 중 1종 이상을 포함하는 열가소성 수지일 수 있다. 상기 라이너(100)가 상기 종류의 재질로 이루어지는 경우 내부식성을 가지며, 가스 충전 시 발생된 압력으로 인한 압력용기의 변형 및 파손에 대해 저항성을 가질 수 있고, 우수한 기계적 강도를 구현할 수 있으며, 가공성이 좋아서 다양한 방법으로 라이너를 성형하여 제조할 수 있다. 구체예에서, 경량화에 유리하고 가스배리어성이 높은 나일론 수지(PA11)일 수 있다. The liner 100 may be a thermoplastic resin including at least one of nylon resin, ethylene vinyl alcohol resin, polyamide resin, polyester resin, polyolefin resin, polycarbonate resin, polyphenylene ether resin, and polystyrene resin. When the liner 100 is made of the above type of material, it has corrosion resistance, can have resistance to deformation and breakage of the pressure vessel due to pressure generated during gas filling, can implement excellent mechanical strength, and processability Because it is good, it can be manufactured by molding the liner in various ways. In a specific embodiment, it may be a nylon resin (PA11) which is advantageous for weight reduction and has high gas barrier properties.

상기 라이너(100)는 가스가 유입되어 저장될 수 있는 것이면, 형태에 제한받지 않는다. The liner 100 is not limited in shape as long as gas can be introduced and stored therein.

상기 라이너(100)는 양 단부에 돔 형상이 구비된 실린더 형태일 수 있으며, 공 또는 도넛 형태의 용기도 선택하는 것도 가능하다.The liner 100 may be in the form of a cylinder having a dome shape at both ends, and it is also possible to select a container in the form of a ball or a donut.

상시 라이너(100)는 응력을 고려하여 형상이 제한적이나, 상기 전단응력흡수층(300)이 구비되는 경우 라이너(100) 전체에서 응력을 효과적으로 분산시킬 수 있기 때문에 라이너(100)의 형상을 보다 자유롭게 결정할 수 있다. Although the shape of the liner 100 is limited in consideration of the stress, when the shear stress absorbing layer 300 is provided, the stress can be effectively dispersed throughout the liner 100, so the shape of the liner 100 can be determined more freely. can

구체예에서 상기 라이너의 두께는 1 mm 내지 30 mm이다. In an embodiment the thickness of the liner is between 1 mm and 30 mm.

상기 라이너(100)가 상기 범위 내의 두께로 구비되는 경우 압력용기를 경량화할 수 있으면서 일정한 가스배리어성을 유지할 수 있으며, 상기 범위에 미치지 못하는 경우 상기 전단응력흡수층(300)이 형성되어도 라이너의 버클링 현상을 방지하기 어려우며, 상기 범위를 초과하는 경우 전단응력흡수층(300) 형성효과가 감소되는 문제가 있다. When the liner 100 is provided with a thickness within the above range, it is possible to lighten the pressure vessel and maintain a constant gas barrier property. It is difficult to prevent the phenomenon, and when it exceeds the above range, there is a problem in that the effect of forming the shear stress absorbing layer 300 is reduced.

상기 라이너(100)는 표면에 반응성 작용기가 형성되거나, 요철이 형성될 수 있다. The liner 100 may have reactive functional groups or irregularities formed on its surface.

상기 라이너(100)는 성형 후 화학적 또는 물리적으로 표면처리된다. The liner 100 is chemically or physically surface-treated after molding.

구체예에서, 상기 라이너(100)가 상기 종류의 고분자 수지로 이루어지는 경우 플라즈마 처리하여 라이너 표면에 -OH, -COOH 등의 반응성 작용기가 형성될 수 있다. In an embodiment, when the liner 100 is made of the above type of polymer resin, reactive functional groups such as -OH and -COOH may be formed on the surface of the liner by plasma treatment.

구체예에서, 상기 표면처리된 라이너는 요철이 형성되며, 표면조도(Ra, roughness)가 1.5 ㎛ 내지 2.5㎛일 수 있다.In an embodiment, the surface-treated liner may have irregularities and a surface roughness (Ra, roughness) of 1.5 μm to 2.5 μm.

상기 범위 내로 요철이 형성되는 경우 라이너(100) 전단응력흡수층(300)이 효과적으로 점착될 수 있다. When the unevenness is formed within the above range, the shear stress absorbing layer 300 of the liner 100 may be effectively adhered.

구체예에서, 상기 라이너(100)가 비극성인 경우, 표면처리 되어 전단응력흡수층(300)과 점착력을 효과적으로 증가시킬 수 있다. 상기 라이너(100)가 표면처리 되는 경우 전단응력흡수층(300)과의 점착력이 증가하여 전단응력흡수층(300)이 상기 라이너(100)의 표면에서 분리되지 않는다.In an embodiment, when the liner 100 is non-polar, the surface treatment may be performed to effectively increase the adhesive force with the shear stress absorbing layer 300 . When the liner 100 is surface-treated, the adhesive force with the shear stress absorbing layer 300 increases, so that the shear stress absorbing layer 300 is not separated from the surface of the liner 100 .

일반적인 라이너는 고압의 가스가 충전되는 경우 급격하게 팽창되어 압력이 가해지는 힘의 접선 방향의 응력이 발생하게 되고, 라이너 재질이 가지는 한계 압축응력을 초과하는 경우 무질서한 버클링(Bucking) 현상이 발생하며, 상기 버클링 현상이 일어나는 경우 최외각의 복합재층과 마찰이 발생되어 라이너와 복합재층이 분리된다.When filled with high-pressure gas, a general liner expands rapidly and generates stress in the tangential direction of the force applied to the pressure. , when the buckling phenomenon occurs, friction occurs with the outermost composite layer, and the liner and the composite layer are separated.

상기 라이너(100)는 표면처리되어 라이너(100)에 점탄성을 가지는 전단응력흡수층(300)이 점착되어 있기 때문에 라이너(100)를 고정 지지하여 라이너(100)의 버클링 현상을 방지할 수 있다. Since the liner 100 is surface-treated and the shear stress absorbing layer 300 having viscoelasticity is adhered to the liner 100, the liner 100 can be fixedly supported to prevent buckling of the liner 100 .

구체예에서 상기 라이너(100)는 일측에 보스부(200)를 구비한다. In an embodiment, the liner 100 includes a boss 200 on one side.

상기 보스부(200)는 상기 라이너(100)와 이종소재인 금속으로 형성된다. 구체적으로 700 bar 내지 900 bar 압력을 지지할 수 있는 알루미늄 또는 스테인리스 스틸로 구비된다. The boss part 200 is formed of a metal, which is a material different from that of the liner 100 . Specifically, it is provided with aluminum or stainless steel capable of supporting a pressure of 700 bar to 900 bar.

상기 보스부(200)는 상기 라이너(100)를 블로우 성형으로 제조한 후 체결되거나, 회전성형으로 라이너를 형성한 이후에 접합으로 형성될 수 있으며, 보스부(200)를 금형에 삽입한 후 사출압축 방식 라이너(100) 한번에 형성되는 것도 가능하다. The boss part 200 may be formed by fastening after manufacturing the liner 100 by blow molding, or by bonding after forming the liner by rotational molding, and injection after inserting the boss part 200 into the mold. It is also possible that the compression type liner 100 is formed at one time.

상기 보스부(200)의 외주면은 상기 라이너(100)와 마찬가지로 상기 라이너(100)는 성형 후 화학적 또는 물리적으로 표면처리된다. Like the liner 100 , the outer peripheral surface of the boss 200 is chemically or physically surface-treated after molding.

상기 보스부(200)의 외주면 중 상기 전단응력흡수층(300)과 접하는 면접부위(210)만 표면처리 될 수 있다. Of the outer peripheral surface of the boss part 200, only the interface portion 210 in contact with the shear stress absorbing layer 300 may be surface-treated.

상기 보스부(200)가 스레인리스 또는 알루미늄인 경우에는 플라즈마 처리 보다 그라인딩이나 샌딩과 같은 물리적인 방법으로 표면을 처리하여 면접부위(210)를 표면처리하는 것이 바람직하다. When the boss part 200 is stainless steel or aluminum, it is preferable to surface-treat the surface area 210 by treating the surface by a physical method such as grinding or sanding rather than plasma treatment.

상기 전단응력흡수층(300)은 상기 보스부(200) 외부면 전체와 상기 라이너(100)와 보스부(200)가 결합되어 형성되는 계면 상부 및 라이너(100) 외주면 전체에 균일하게 형성된다. The shear stress absorbing layer 300 is uniformly formed on the entire outer surface of the boss part 200 , the upper interface formed by bonding the liner 100 and the boss part 200 , and the entire outer peripheral surface of the liner 100 .

상기 전단응력흡수층(300)은 상기 보스부(200)가 이종소재 재질로 구비되는 경우에도 라이너(100)와 보스부(200)의 계면 상부에서 점착되어 배치된다. The shear stress absorbing layer 300 is adhesively disposed on the interface between the liner 100 and the boss 200 even when the boss 200 is made of a different material.

상기 전단응력흡수층(300)은 상기 보스부(200) 및 상기 라이너(100) 외주면 전체에 형성되며 점탄성을 갖는다.The shear stress absorbing layer 300 is formed on the entire outer peripheral surface of the boss part 200 and the liner 100 and has viscoelasticity.

상기 전단응력흡수층(300)은 상기 라이너(100)와 복합재층(300) 사이에서 점탄성을 가지도록 구비되어 상기 라이너(100)와 복합재층(300)의 계면의 전단 피로하중을 흡수하고 에너지를 산일시켜 버클링 현상을 방지한다. The shear stress absorbing layer 300 is provided to have viscoelasticity between the liner 100 and the composite material layer 300 to absorb the shear fatigue load at the interface between the liner 100 and the composite material layer 300 and dissipate energy. to prevent buckling.

상기 전단응력흡수층(300)은 하기 수학식 1및 2 를 만족한다.The shear stress absorbing layer 300 satisfies Equations 1 and 2 below.

[수학식 1][Equation 1]

M2 < M1, M3 M 2 < M 1 , M 3

상기 수학식 1에서 M2는 전단응력흡수층의 탄성률이고, M1은 라이너의 탄성률이고, M3은 복합재층의 탄성률이다. In Equation 1, M 2 is the modulus of elasticity of the shear stress absorbing layer, M 1 is the modulus of elasticity of the liner, and M 3 is the modulus of elasticity of the composite layer.

[수학식 2][Equation 2]

E2 > E1, E3 E 2 > E 1 , E 3

상기 수학식 2에서 E2는 전단응력흡수층의 신율이고, E1은 라이너의 신율이고, E3은 복합재층의 신율이다.In Equation 2, E 2 is the elongation of the shear stress absorbing layer, E 1 is the elongation of the liner, and E 3 is the elongation of the composite layer.

상기 전단응력흡수층(300)은 상기 수학식 1 및 2를 만족하여, 상기 라이너(100) 및 복합재층(400) 보다 탄성률이 낮고, 신율이 높아서 라이너(100)와 복합재층(400) 사이에서 점착되면 전단 피로 하중을 흡수하여 산일시킬 수 있다. The shear stress absorbing layer 300 satisfies Equations 1 and 2, and has a lower elastic modulus and higher elongation than the liner 100 and the composite material layer 400. Adhesion between the liner 100 and the composite material layer 400 It can absorb and dissipate the shear fatigue load.

구체예에서, 상기 전단응력흡수층(300)은 실리콘, 폴리우레탄, 폴리우레아, 스티렌-부타디엔-러버(SBR), 니트릴-부타디엔-러버(NBR), 및 에틸렌-프로필렌-러버(EPDM) 중 1 종 이상일 수 있다. In an embodiment, the shear stress absorbing layer 300 is one of silicone, polyurethane, polyurea, styrene-butadiene-rubber (SBR), nitrile-butadiene-rubber (NBR), and ethylene-propylene-rubber (EPDM). may be more than

상기 전단응력흡수층(300)은 라이너(100)의 외주면뿐만 아니라 금속제인 상기 보스부(200)에 점착이 가능하고, 페인팅 또는 스프레이 도포에 의한 점착이 가능하다. The shear stress absorbing layer 300 can be adhered not only to the outer peripheral surface of the liner 100 but also to the metal boss 200, and can be adhered by painting or spray application.

상기 전단응력흡수층(300)은 두께가 1 mm 내지 5mm이다. The shear stress absorbing layer 300 has a thickness of 1 mm to 5 mm.

상기 전단응력흡수층(300)의 두께가 1mm에 미치지 못하는 경우 라이너(100)에서 발생하는 응력 및 라이너와 복합재층(400) 사이에 전달되는 전단 피로하중을 충분하게 흡수하여 에너지를 산일시키기 어렵고, 점착력이 감소되어 상기 라이너(100)에서 분리되는 문제가 발생될 수 있다. 5mm를 초과하는 경우에는 균일한 두께로 형성하기 어려울 뿐만 아니라 압력용기의 경량화에 불리하고, 제조비용이 증가되는 문제가 있다. When the thickness of the shear stress absorbing layer 300 is less than 1 mm, it is difficult to dissipate energy by sufficiently absorbing the stress generated in the liner 100 and the shear fatigue load transmitted between the liner and the composite layer 400, and the adhesive force As this is reduced, a problem of separation from the liner 100 may occur. When it exceeds 5 mm, it is difficult to form a uniform thickness, and it is disadvantageous to weight reduction of the pressure vessel, and there is a problem in that the manufacturing cost is increased.

상기 전단응력흡수층(300)은 ASTM D638에 따른 1mm 내지 5mm인 시편두께에서 인장강도가 10Mpa 이하이고, 신율이 150% 이상이다. 구체예에서는 인장강도가 1MPa 내지 10 Mpa, 보다 바람직하게는 7 내지 8MPa이다.The shear stress absorbing layer 300 has a tensile strength of 10 Mpa or less and an elongation of 150% or more at a specimen thickness of 1 mm to 5 mm according to ASTM D638. In a specific embodiment, the tensile strength is 1 MPa to 10 Mpa, more preferably 7 to 8 MPa.

상기 전단응력흡수층(300)의 인장강도가 상기 10MPa를 초과하는 경우 상기 라이너(100) 및 상기 보스부(200)에서 발생되는 응력을 효과적으로 흡수하지 못하여 전단 피로 하중을 분산시키기 어렵다. When the tensile strength of the shear stress absorbing layer 300 exceeds 10 MPa, the stress generated in the liner 100 and the boss 200 cannot be effectively absorbed, and it is difficult to distribute the shear fatigue load.

구체예에서 상기 전단응력흡수층(300)은 ASTM D638에 따른 신율이 150% 이상이다. 구체예에서 150% 내지 500%이다. 신율이 150% 미만인 경우에는 라이너(100)의 팽창에 대응하여 전단응력흡수층(300)이 변화하지 못하여 피로 하중 분산 능력이 떨어진다. In an embodiment, the shear stress absorbing layer 300 has an elongation of 150% or more according to ASTM D638. in an embodiment from 150% to 500%. When the elongation is less than 150%, the shear stress absorbing layer 300 does not change in response to the expansion of the liner 100, so that the fatigue load dispersing ability is deteriorated.

도 3은 도 1의 라이너와 복합재에 각각 작용하는 전단력의 크기와 방향을 나타내는 것이다.3 is a view showing the magnitude and direction of the shear force acting on the liner and the composite material of FIG. 1, respectively.

도 3을 참조하면, 압력용기(1000)의 충전 시 라이너(100)의 급속한 팽창으로 응력(S)이 발생하나, 복합재층(400)은 상대적으로 작은 응력(s)을 받게 되며, 방전 시에도 라이너(100)에서 형성되는 응력(S)보다 복합재층(400)이 작은 응력(s)을 받게 되어 전단 피로 하중이 발생되나, 상기 전단응력흡수층(300)이 상기 범위 내에서 형성되는 경우 라이너(100)와 복합재층(400)에 점착된 상태로 전단 피로 하중을 흡수하여 산일시킬 수 있다. Referring to FIG. 3 , when the pressure vessel 1000 is charged, a stress S is generated due to the rapid expansion of the liner 100 , but the composite layer 400 receives a relatively small stress s, and even during discharge. Although the composite material layer 400 is subjected to a smaller stress (s) than the stress (S) formed in the liner 100, a shear fatigue load is generated, but when the shear stress absorbing layer 300 is formed within the above range, the liner ( 100) and the composite material layer 400 can absorb and dissipate the shear fatigue load in a state of being adhered to it.

구체예에서, 상기 라이너(100)가 양 단부에 돔 형상이 구비된 실린더 형태인 경우 상기 실린더에서 발생되는 응력이 돔 보다 훨씬 크다. 상기 라이너(100)의 실린더 부분의 외주면에 전체에서 응력을 흡수하여야 하므로 응력이 집중되는 부분에 보강재층, 이형층을 배치하는 경우 압력용기 제조효율을 매우 감소시키나, 점탄성을 가지는 전단응력흡수층(300)을 라이너 외부에 직접 도포하여 균일하게 형성하는 경우 작업공수를 감소시키면서도 라이너(100)의 응력발생에 따른 버클링 현상을 효과적으로 방지하여 전단 피로 하중의 발생을 방지할 수 있다. In an embodiment, when the liner 100 is in the form of a cylinder having a dome shape at both ends, the stress generated in the cylinder is much greater than that of the dome. Since stress must be absorbed from the entire outer circumferential surface of the cylinder portion of the liner 100, when the reinforcing material layer and the release layer are disposed in the portion where the stress is concentrated, the manufacturing efficiency of the pressure vessel is greatly reduced, but the shear stress absorbing layer 300 having viscoelasticity ) is applied directly to the outside of the liner to form uniformly, it is possible to effectively prevent the buckling phenomenon caused by the stress generation of the liner 100 while reducing the work man-hours, thereby preventing the occurrence of shear fatigue load.

상기 복합재층(400)은 상기 전단응력흡수층(300)의 상부에 배치된다. The composite layer 400 is disposed on the shear stress absorbing layer 300 .

구체예에서, 상기 복합재층(400)은 탄소섬유, 유리섬유 또는 합성 폴리아미드 섬유 등을 에폭시 수지 등에 함침한 후, 상기 전단응력흡수층(300)에 와인딩하여 형성한다. In a specific embodiment, the composite layer 400 is formed by impregnating carbon fiber, glass fiber, or synthetic polyamide fiber with an epoxy resin, etc., and then winding it on the shear stress absorbing layer 300 .

상기 복합재층(400)은 상기 라이너(100)와 신율, 열팽창계수가 상이하여, 압력용기에 고압의 가스를 충방전하는 경우 라이너의 팽창에 의한 전단 응력이 발생한다. 상기 복합재층(400)과 상기 라이너(100) 사이에 상기 전단응력흡수층(300)이 배치되는 경우 라이너(100)와 복합재층(400)의 물성 차이에 의한 계면에서 전단 피로 하중을 산일시킬 수 있다.Since the composite layer 400 has a different elongation and a coefficient of thermal expansion from the liner 100 , shear stress occurs due to the expansion of the liner when the pressure vessel is charged and discharged with a high-pressure gas. When the shear stress absorbing layer 300 is disposed between the composite material layer 400 and the liner 100, the shear fatigue load can be dissipated at the interface due to the difference in physical properties between the liner 100 and the composite material layer 400. .

본 발명의 다른 관점은 압력용기 제조방법에 관한 것이다. Another aspect of the present invention relates to a method for manufacturing a pressure vessel.

도 4는 본 발명의 다른 구체예에 따른 압력용기 제조방법의 공정순서도이다.4 is a process flowchart of a method for manufacturing a pressure vessel according to another embodiment of the present invention.

상기 압력용기 제조방법은 (a) 라이너를 표면처리하는 단계; (b) 상기 라이너 상부에 전단응력흡수층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 전단응력흡수층 상부에 복합재층을 형성하는 단계;를 포함한다. The pressure vessel manufacturing method comprises the steps of (a) surface-treating a liner; (b) forming a shear stress absorbing layer on the liner; and (c) forming a composite layer on the shear stress absorbing layer.

도 4를 참조하면, 우선 보스부를 구비하는 라이너 제조하고, 상기 라이너를 표면처리한다(S100).Referring to FIG. 4 , first, a liner having a boss is manufactured, and the liner is surface-treated (S100).

구체예에서, 금형에 라이너 소재를 투입하고 가열 회전하는 로터몰딩을 이용하여 라이너를 제조하고 스테인리스 재질의 보스부를 접합한다. In a specific embodiment, a liner material is put into a mold, and a liner is manufactured using a rotor molding that rotates by heating, and the boss part made of a stainless material is joined.

상기 라이너의 표면처리는 표면처리는 플라즈마, 코로나, 화염, 샌딩, 그라인딩, 및 폴리싱 중 1종의 방법으로 처리된다. 상기 종류의 표면처리로 상기 라이너의 외주면에 반응성 작용기를 형성하거나, 요철을 형성하여 전단응력흡수층을 효과적으로 점착시킬 수 있다. The surface treatment of the liner is performed by one of plasma, corona, flame, sanding, grinding, and polishing. With this type of surface treatment, reactive functional groups may be formed on the outer circumferential surface of the liner, or unevenness may be formed to effectively adhere the shear stress absorbing layer.

한 구체예에서는 라이너 표면을 플라즈마 처리하여 라이너 표면에 반응성 작용기를 형성하는 것이 바람직하다. In one embodiment, it is desirable to plasma treat the surface of the liner to form reactive functional groups on the surface of the liner.

상기 보스부의 외부면 중 일부 면접부위는 그라인딩 또는 샌딩 처리되어 표면조도가 증가되어 요철이 형성될 수 있다. A portion of the surface of the outer surface of the boss may be subjected to grinding or sanding to increase surface roughness, thereby forming irregularities.

상기 라이너 상부에 전단응력흡수층을 형성한다(S200).A shear stress absorbing layer is formed on the upper portion of the liner (S200).

구체예에서, 상기 S200에서, 상기 전단응력흡수층을 스프레이 도포되어 형성될 수 있다. 상기 전단응력흡수층을 직접 스프레이 도포로 형성하는 경우 작업 효율이 증가하고 균일한 두께로 전단응력흡수층을 형성할 수 있다. In an embodiment, in S200, the shear stress absorbing layer may be formed by spray coating. When the shear stress absorbing layer is directly formed by spray coating, the working efficiency can be increased and the shear stress absorbing layer can be formed with a uniform thickness.

상기 전단응력흡수층의 두께는 1 mm 내지 5mm 일 수 있다. 상기 범위 내로 전단응력흡수층을 형성하는 경우에는 라이너와 점착되어 복합재층을 지지하고, 가스배리어성을 증가시키면서도 복합재층 사이에서 발생하는 전단 피로 하중을 효과적으로 산일시켜 라이너의 버클링 현상을 방지하고, 압력용기의 내구성을 증가시킨다. The thickness of the shear stress absorbing layer may be 1 mm to 5 mm. In the case of forming the shear stress absorbing layer within the above range, it adheres to the liner to support the composite layer, and while increasing the gas barrier property, effectively dissipates the shear fatigue load occurring between the composite layers to prevent buckling of the liner, and pressure Increases the durability of the container.

상기 전단응력흡수층은 상기 보스부와 라이너의 연결 계면 상부, 보스부, 및 라이너부 외주면에 전체에 균일한 두께로 형성된다. The shear stress absorbing layer is formed on the upper portion of the connection interface between the boss portion and the liner, the boss portion, and the outer peripheral surface of the liner portion to a uniform thickness.

상기 전단응력흡수층 상부에 복합재층을 형성한다(S300).A composite layer is formed on the shear stress absorbing layer (S300).

상기 복합재층은 탄소섬유를 에폭시 수지에 함침시킨 후 라이너에 와인딩하는 필라멘트 와인딩 방법으로 형성된다. The composite layer is formed by a filament winding method in which carbon fibers are impregnated with an epoxy resin and then wound on a liner.

다른 구체예에서 상기 복합재층이 토우프레그 형대로 라이너에 와인딩되는 경우 플라즈마 처리와 같이 표면처리되어 상기 전단응력흡수층과의 점착력을 증가시킬 수 있다. In another embodiment, when the composite layer is wound on the liner in the form of a towpreg, it may be subjected to surface treatment such as plasma treatment to increase adhesion with the shear stress absorbing layer.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are presented to help the understanding of the present invention, but the following examples are only illustrative of the present invention and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

실시예 1. 압력용기 제조Example 1. Preparation of pressure vessel

나일론수지(PA11, 아케마)를 금형에 투입하고 로터 몰딩으로 라이너를 2 mm 두께로 제조하고 플라즈마 발생장치에서 플라즈마 처리(200 W, 3분)하여 표면처리하여 표면 조도가 2.5㎛되도록 조절하였다. Nylon resin (PA11, Arkema) was put into the mold, the liner was manufactured to a thickness of 2 mm by rotor molding, and the surface was treated by plasma treatment (200 W, 3 minutes) in a plasma generator to adjust the surface roughness to 2.5 μm.

SUS316L 재질 보스부를 준비하고, 플렌지와 넥 부분에 샌딩처리하여 중심선 평균거칠기(Ra)가 50 ㎛가 되도록 표면처리하였다. A boss part made of SUS316L was prepared, and the flange and neck parts were sanded and surface-treated so that the average roughness (Ra) of the center line was 50 µm.

700bar 용 라이너에 보스부를 결합하고, 폴리우레탄 수지를 스프레이로 도포하고, 90℃에서20분 동안 건조하고 이를 반복하여 전단응력흡수층의 두께가 5mm가 되도록 형성하였다. The boss part was bonded to the liner for 700 bar, polyurethane resin was sprayed on, dried at 90° C. for 20 minutes, and this was repeated to form a shear stress absorbing layer with a thickness of 5 mm.

탄소섬유에 에폭시를 함침하여 필라멘트 와인딩 공법으로 상기 라이너에 감았으며, 탄소섬유 필라멘트가 일정 방향으로 (후프0°, 헬리컬 ±45°), 약 100mm의 두께로 감아서 복합재층을 형성한 이후에 압력용기를 경화로에 넣어 110℃에 서 2시간 동안 경화시켜, 압력용기를 회수하였다. The carbon fiber was impregnated with epoxy and wound on the liner by the filament winding method, and the carbon fiber filament was wound in a certain direction (hoop 0°, helical ±45°) to a thickness of about 100 mm to form a composite material layer. The vessel was put into a curing furnace and cured at 110° C. for 2 hours, and the pressure vessel was recovered.

실시예 2.Example 2.

전단응력흡수층을 0.5mm가 되도록 형성하는 것 이외에 실시예 1과 동일하게 압력용기를 제조하였다. A pressure vessel was prepared in the same manner as in Example 1, except that the shear stress absorbing layer was formed to be 0.5 mm.

실시예 3.Example 3.

전단응력흡수층을 10mm가 되도록 형성하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 압력용기를 제조하였다A pressure vessel was prepared in the same manner as in Example 1, except that the shear stress absorbing layer was formed to be 10 mm.

비교예 1. Comparative Example 1.

전단응력흡수층을 형성하지 않는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 압력용기를 제조하였다. A pressure vessel was prepared in the same manner as in Example 1, except that the shear stress absorbing layer was not formed.

비교예 2. Comparative Example 2.

전단응력흡수층 대신에 불소계 이형제를 사용하여 실시예 1과 동일하게 압력용기를 제조하였다. A pressure vessel was prepared in the same manner as in Example 1 using a fluorine-based release agent instead of the shear stress absorbing layer.

비교예 3Comparative Example 3

복합재층에 점탄성소재를 함께 함침시켜 실시예 1과 동일하게 압력용기를 제조하였다. A pressure vessel was prepared in the same manner as in Example 1 by impregnating the composite layer with a viscoelastic material.

비교예 4. Comparative Example 4.

전단응력흡수층을 5 mm로 형성하되, 에폭시 수지 조성물을 이용하여 신율이 150% 달하지 않는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 압력용기를 제조하였다. A pressure vessel was prepared in the same manner as in Example 1, except that the shear stress absorbing layer was formed to have a thickness of 5 mm, and the elongation did not reach 150% using the epoxy resin composition.

실험예 1. 파열실험 및 압력반복 실험Experimental Example 1. Burst test and pressure repetition test

고압가스의 반복 충방전에 의한 라이너의 파손 여부를 확인하기 위하여 국토교통부고시 제2018-176호 자동차용 내압용기 안전에 관한 규정 검사 기준에 따른 파열검사 및 압력반복 실험을 수행하였다. 상온에서 물을 충전하여 서서히 압력을 가하여 실제 파열압력이 최소 파열압력 이상(최고충전압력의 2.25 배)기준인지 확인하였다. 압력반복실험은 2㎫ 이하의 압력에서부터 사용압력의 1.25배 이상의 압력까지 반복적으로 압력을 가하여 수행하였다. In order to check whether the liner is damaged due to repeated charging and discharging of high-pressure gas, a rupture test and repeated pressure test were performed in accordance with the Ministry of Land, Infrastructure and Transport Notice No. It was confirmed that the actual burst pressure was higher than the minimum burst pressure (2.25 times the maximum filling pressure) by filling water at room temperature and gradually applying pressure. The pressure repetition experiment was performed by repeatedly applying pressure from a pressure of 2 MPa or less to a pressure of 1.25 times or more of the working pressure.

종류 type 파열압력(기준 : 1,575bar)Bursting pressure (standard: 1,575 bar) 압력반복 실험(Cycle Test)
기준 : 45,000회
Cycle Test
Standard: 45,000 times
파열압(bar)Burst pressure (bar) 결과result 실시예 1Example 1 1,7501,750 만족satisfied 만족satisfied 실시예 2Example 2 1,7101,710 만족satisfied 누출leakage 실시예 3Example 3 1,8801,880 만족satisfied 만족satisfied 비교예 1Comparative Example 1 1,5101,510 기준미달below standard 누출leakage 비교예 2Comparative Example 2 1,6001,600 만족satisfied 누출leakage 비교예 3Comparative Example 3 1,7001,700 만족satisfied 누출leakage 비교예 4Comparative Example 4 1,5101,510 기준미달 below standard 누출leakage

표 1을 참조하면, 실시예 1에 따른 압력용기는 설계상 최소 파열압력 이상으로 가압 후에도 라이너의 내구성이 유지되어 크랙이 발생하지 않았으며, 전단응력흡수층이 구비되는 경우 라이너와 복합재층 사이에 발생되는 전단 응력 피로 하중을 효과적으로 분산시켜 파열압이 증가되어 압력용기의 내구성이 증가되는 것을 확인하였다. 다만 전단응력흡수 10mm 로 두껍게 형성되는 경우 700 bar기준 압력용기의 무게가 5 이상 % 증가되어 압력용기의 경량화에 불리한 것을 확인하였다.Referring to Table 1, in the pressure vessel according to Example 1, by design, the durability of the liner was maintained even after pressurization to a minimum bursting pressure or more, so that cracks did not occur. It was confirmed that the durability of the pressure vessel was increased by effectively distributing the shear stress fatigue load, which increased the burst pressure. However, when it is formed thickly with a shear stress absorption of 10 mm, the weight of the pressure vessel at 700 bar is increased by 5% or more, which is unfavorable for reducing the weight of the pressure vessel.

비교예에서 전단응력흡수층을 형성하지 않거나, 불소계 이형제를 사용하는 경우, 복합재층에 점탄성소재를 코팅하여 와인딩하는 경우 및 점탄성이 상이하여 신율이 150%에 미치지 못하는 경우에는 모두 반복 가압 후 압력용기의 누출이 확인되어 라이너의 변형이 있는 것으로 예측되었다. 특히 압력용기에 충전 유체를 전부 배출하는 것을 실험을 반복하는 경우 기준 반복횟수(10분 간격 45,000회 반복 가압)에 미치기 전에 압력용기의 수축현상이 관찰되었다. In Comparative Example, when a shear stress absorbing layer is not formed, when a fluorine-based release agent is used, when winding by coating a viscoelastic material on the composite layer, and when the elongation does not reach 150% due to different viscoelasticity, the pressure vessel after repeated pressurization A leak was confirmed and a deformation of the liner was predicted. In particular, when the experiment of discharging all the filling fluid into the pressure vessel was repeated, the contraction of the pressure vessel was observed before reaching the standard number of repetitions (45,000 repeated pressurization at 10-minute intervals).

따라서, 고점탄성을 가지는 전단응력흡수층을 보스부와 라이너 전체에 균일하게 도포하는 경우 보스부와 라이너 계면에서 계면분리에 의한 파손을 방지할 수 있고, 라이너의 실린더 부분에 집중되는 응력을 효과적으로 분산시켜, 버클링 현상 방지하며, 복합재층과의 전단 피로 하중 또한 효과적으로 분산시켜 압력용기의 내구성을 크게 증가시킨다. Therefore, when the shear stress absorbing layer having high viscoelasticity is uniformly applied to the boss portion and the entire liner, it is possible to prevent breakage due to interfacial separation at the interface between the boss portion and the liner, and to effectively disperse the stress concentrated in the cylinder portion of the liner. , it prevents buckling, and also effectively distributes the shear fatigue load with the composite layer, greatly increasing the durability of the pressure vessel.

이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Up to now, the present invention has been mainly examined in the examples. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in modified forms without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

1000 : 압력용기 100 : 라이너
200 : 보스부 210 : 면접부위
300 : 전단응력흡수층 310 : 계면
400 : 복합재층
1000: pressure vessel 100: liner
200: boss part 210: interview part
300: shear stress absorbing layer 310: interface
400: composite layer

Claims (10)

가스를 수용하는 라이너; 및 상기 라이너 외부에 형성되는 복합재층을 구비하는 압력용기며,
상기 라이너 및 상기 복합재층 사이에 점탄성을 가지는 전단응력흡수층을 구비한 압력용기.
a liner containing gas; And a pressure vessel having a composite layer formed on the outside of the liner,
A pressure vessel having a shear stress absorbing layer having viscoelasticity between the liner and the composite layer.
제1항에 있어서, 상기 전단응력흡수층은 하기 수학식을 만족하는 압력용기:
[수학식 1]
M2 < M1, M3
(상기 수학식 1에서 M2은 전단응력흡수층의 탄성률이고, M1은 라이너의 탄성률이고, M3은 복합재층의 탄성율임)
[수학식 2]
E2 > E1, E3
(상기 수학식 2에서 E2은 전단응력흡수층의 신율이고, E1은 라이너의 신율이고, E3은 복합재층의 신율임)
The pressure vessel according to claim 1, wherein the shear stress absorbing layer satisfies the following equation:
[Equation 1]
M 2 < M 1 , M 3
(In Equation 1, M 2 is the modulus of elasticity of the shear stress absorbing layer, M 1 is the modulus of elasticity of the liner, and M 3 is the modulus of elasticity of the composite layer)
[Equation 2]
E 2 > E 1 , E 3
(In Equation 2, E 2 is the elongation of the shear stress absorbing layer, E 1 is the elongation of the liner, and E 3 is the elongation of the composite layer)
제1항에 있어서, 상기 라이너는 표면에 반응성 작용기가 형성되거나, 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 압력용기.
The pressure vessel according to claim 1, wherein the liner has reactive functional groups or irregularities formed on its surface.
제1항에 있어서, 상기 전단응력흡수층은 실리콘, 폴리우레탄, 폴리우레아, 스티렌-부타디엔-러버(SBR), 니트릴-부타디엔-러버(NBR), 및 에틸렌-프로필렌-러버(EPDM) 중 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 압력용기.
The method of claim 1, wherein the shear stress absorbing layer is at least one of silicone, polyurethane, polyurea, styrene-butadiene-rubber (SBR), nitrile-butadiene-rubber (NBR), and ethylene-propylene-rubber (EPDM). A pressure vessel, characterized in that.
제1항에 있어서, 상기 전단응력흡수층은 두께가 1 mm 내지 5mm 인 것을 특징으로 하는 압력용기.
The pressure vessel according to claim 1, wherein the shear stress absorbing layer has a thickness of 1 mm to 5 mm.
제1항에 있어서, 상기 전단응력흡수층은 ASTM D638에 따른 인장강도가 10Mpa이하이고, 신율이 150% 이상인 것을 특징으로 하는 압력용기.
The pressure vessel according to claim 1, wherein the shear stress absorbing layer has a tensile strength of 10 Mpa or less and an elongation of 150% or more according to ASTM D638.
(a) 라이너를 표면처리하는 단계;
(b) 상기 라이너 상부에 전단응력흡수층을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 전단응력흡수층 상부에 복합재층을 형성하는 단계;를 포함하는 압력용기 제조방법.
(a) surface treatment of the liner;
(b) forming a shear stress absorbing layer on the liner; and
(c) forming a composite layer on the shear stress absorbing layer; a pressure vessel manufacturing method comprising a.
제7항에 있어서, 상기 라이너의 표면처리는 플라즈마, 코로나, 화염, 샌딩, 그라인딩, 및 폴리싱 중 1종의 방법으로 처리되는 것을 특징으로 하는 압력용기 제조방법.
The method according to claim 7, wherein the surface treatment of the liner is performed by one of plasma, corona, flame, sanding, grinding, and polishing.
제7항에 있어서, 상기 전단응력흡수층은 상기 보스부와 라이너의 연결 계면 상부, 보스부, 및 라이너부 외주면에 전체에 균일한 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 압력용기 제조방법.
The method according to claim 7, wherein the shear stress absorbing layer is formed on the upper portion of the connection interface between the boss portion and the liner, the boss portion, and the outer peripheral surface of the liner portion with a uniform thickness.
제7항에 있어서, 상기(b) 단계는 상기 전단응력흡수층을 두께가 1 mm 내지 5mm 가 되도록 도포되어 형성되는 것을 특징으로 하는 압력용기 제조방법.
The method of claim 7, wherein in step (b), the shear stress absorbing layer is applied to have a thickness of 1 mm to 5 mm.
KR1020200188133A 2020-12-30 2020-12-30 High-pressure tank and making method thereof KR102500657B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200188133A KR102500657B1 (en) 2020-12-30 2020-12-30 High-pressure tank and making method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200188133A KR102500657B1 (en) 2020-12-30 2020-12-30 High-pressure tank and making method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220096026A true KR20220096026A (en) 2022-07-07
KR102500657B1 KR102500657B1 (en) 2023-02-16

Family

ID=82397579

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200188133A KR102500657B1 (en) 2020-12-30 2020-12-30 High-pressure tank and making method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102500657B1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101434013B1 (en) * 2009-02-18 2014-08-25 헥사곤 테크놀로지 에이에스 Pressure vessel shear resistant boss and shell interface element
JP2015102180A (en) * 2013-11-26 2015-06-04 トヨタ自動車株式会社 High-pressure gas tank
KR101793511B1 (en) * 2017-01-17 2017-11-03 김준형 A Study on the gas container and its manufacturing method with composite materials made of polyethylene liners
KR101922103B1 (en) * 2016-06-13 2019-02-13 회명산업 주식회사 Hydrogen stage vessel and method for manufacturing the same
KR20200051999A (en) * 2018-11-06 2020-05-14 손승희 High pressure tank
JP2020118230A (en) * 2019-01-24 2020-08-06 トヨタ自動車株式会社 High pressure tank

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101434013B1 (en) * 2009-02-18 2014-08-25 헥사곤 테크놀로지 에이에스 Pressure vessel shear resistant boss and shell interface element
JP2015102180A (en) * 2013-11-26 2015-06-04 トヨタ自動車株式会社 High-pressure gas tank
KR101922103B1 (en) * 2016-06-13 2019-02-13 회명산업 주식회사 Hydrogen stage vessel and method for manufacturing the same
KR101793511B1 (en) * 2017-01-17 2017-11-03 김준형 A Study on the gas container and its manufacturing method with composite materials made of polyethylene liners
KR20200051999A (en) * 2018-11-06 2020-05-14 손승희 High pressure tank
JP2020118230A (en) * 2019-01-24 2020-08-06 トヨタ自動車株式会社 High pressure tank

Also Published As

Publication number Publication date
KR102500657B1 (en) 2023-02-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0873488B1 (en) Gas containment apparatus
WO2007043689A9 (en) Gas tank and method for producing same
JP5048765B2 (en) Method of manufacturing a sealed bladder made of a thermosetting polymer for tanks containing pressurized fluid, such as composite tanks
RU2679689C1 (en) High-pressure composite vessel and method of manufacturing high-pressure composite vessel
KR102039001B1 (en) High-pressure tank
US20120138616A1 (en) Gas storage tank comprising a liquid sealant
CN100430640C (en) High pressure nitrogen storage bottle made of PBO fiber and carbon fiber composite material and its preparation method
US20120214088A1 (en) Hydrogen storage tank
JP2007039684A (en) Composite pressure vessel or composite tube, and composite intermediate
US10158130B2 (en) High-pressure tank
JPH04312237A (en) Laminated damping material, fiber reinforced composite material having the material in inner layer and its manufacture
CN100430641C (en) High pressure hydrogen storage bottle made of PBO fiber and carbon fiber mixed composite material and preparation method
KR101638574B1 (en) Low Viscosity Liquid Epoxy Resin Composition and Pressure Vessels Manufactured Using The Same
US6325108B1 (en) Prestressed composite cryogenic piping
KR20220096026A (en) High-pressure tank and making method thereof
JP5395156B2 (en) Gas tank and manufacturing method thereof
CN114013151A (en) Gradient multilayer damping material and preparation method thereof
KR20190103170A (en) Method of internal lining and lining pipes for pipe surfaces
US11186727B2 (en) Reinforced powder paint for composites
JP2005337394A (en) Fiber-reinforced pressure vessel, and its manufacturing method
CN116557750A (en) High-pressure hydrogen storage cylinder and preparation method thereof
KR20230137633A (en) Epoxy resin composition and carbon fiber composite materials and pressure vessels prepared therefrom
CN114571712A (en) Winding structure and method for plastic inner container of composite high-pressure hydrogen storage container
JP5671216B2 (en) Insulated polyolefin coated steel pipe
KR101867752B1 (en) Resin composition for pressure vessel and pressure vessel including the same

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant