KR20220116113A - 압력용기 - Google Patents

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Abstract

압력용기는, 유체 수용을 위한 내부 수용공간을 구비하는 플라스틱 소재의 라이너와, 라이너의 외부를 둘러싸는 섬유보강층과, 라이너와 섬유보강층 사이에 위치하는 접착제층을 포함한다. 라이너는, 표면 요철을 가지는 내부 라이너층과, 내부 라이너층의 표면 요철과 동일한 내측 표면 요철 및 접착제층과 접하는 외측 표면 요철을 가지는 외부 라이너층을 포함한다.

Description

압력용기 {PRESSURE VESSEL}
본 발명은 압력용기에 관한 것으로서, 구체적으로 표면 요철을 갖는 라이너가 구비된 압력용기에 관한 것이다.
일반적으로, 압력용기는 액화 석유가스(LPG), 압축 천연가스(CNG), 경질 탄화수소(메탄, 프로판, 부탄) 및 수소가스 등을 포함하는 각종 고압 유체들을 안전하게 저장할 수 있도록 제작된다.
이러한 압력용기는, 일반적으로 내압의 대부분을 지탱하는 외부 복합재층과 내부의 형틀을 제공하는 라이너(liner)로 구성되어 있고, 전통적으로 금속으로 제조되었다. 그러나, 종래의 금속성 라이너로 제조되는 압력용기는 금속의 특성상 중량이 무거우며 부식에 매우 약한 동시에 제조원가도 높다는 문제가 있다.
이에, 플라스틱 소재의 라이너 외부에 탄소섬유나 유리섬유 등의 보강섬유를 감거나 적층한 압력용기의 사용이 증가되고 있다.
예컨대, 특허문헌 1(국내 등록특허공보 제10-0738723호)에는 탄소섬유 또는 유리섬유와 같은 보강섬유가 와인딩(winding)된 고밀도폴리에틸텐(HDPE) 라이너로 이루어진 압력용기가 공지되어 있다. 상기 HDPE 라이너는 금속성 라이너에 비해 가볍고 내부식성이 우수한 장점을 가지고 있다. 그러나, 상기 와인딩에 의해 라이너에 보강섬유가 접착되는 것이 아니기 때문에 이들 사이에는 간극이 존재하고, 상기 간극에는 라이너를 투과한 유체가 유입될 수 있다. 이렇게 유입된 유체는 압력용기 변형의 원인이 될 수 있다. 그리고, 상기 간극 내의 유체가 외부로 확산될 경우 불쾌한 냄새를 유발하게 되며, 폭발 가능성도 내재된다.
더욱이, 상기 HDPE는 유체, 예컨대 LPG에 대해 투과성이 있는 고분자이므로, 특허문헌 1에 공지된 압력용기는 유체의 누설율을 허용치 이하로 유지하는데 한계가 있다. 통상, 압력용기의 허용 누설율은 LPG의 경우 0.5~1g/day(20bar 압력 및 50℃ 온도에서 24L LPG 실린더 조건), 질소(N2) 가스의 경우 6cc/l/hr, 메탄(CH4) 가스의 경우 0.25cc/l/hr, 수소(H2) 가스의 경우 46cc/l/hr 정도이며, 이러한 허용된 누설율 이상의 누설율은 디자인, 규제 및 소비 측면에서 허용되지 않는다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로서, 특허문헌 2(국내 등록특허공보 제10-1855874호)는 유체의 충전과 배출이 가능한 열가소성 수지의 라이너; 제1 합성수지에 함침된 보강섬유에 의해 상기 라이너의 외측에 형성되는 보강층; 및 제2 합성수지에 의해 상기 라이너와 상기 보강층 사이에 제공되는 접착층을 포함하는 압력용기에 대해 기재하고 있다. 그리고, 특허문헌 2은 접착력 향상을 위하여, 상기 라이너의 외주면을 표면처리하여 요철을 형성하였고, 상기 표면처리에는 플라즈마 처리 또는 샌드블라스트 처리 등을 통한 가공법을 사용하였다. 특허문헌 2에 따르면, 라이너와 보강층 사이의 접착력이 향상되고, 이들 사이에 간극이 거의 존재하지 않아, 유체 누설율이 허용치 이하로 유지될 수 있다. 그러나, 이와 같은 방법은 고가 장비가 필요하며 유틸리티 비용이 증가하기 때문에 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
KR 100738723 B1 KR 101855874 B1
본 발명은 라이너의 구조를 개선하여 기계적인 강도를 높임과 동시에 요철 손상을 최소화할 수 있는 압력용기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압력용기는, 유체 수용을 위한 내부 수용공간을 구비하는 플라스틱 소재의 라이너와, 라이너의 외부를 둘러싸는 섬유보강층과, 라이너와 섬유보강층 사이에 위치하는 접착제층을 포함한다. 라이너는, 표면 요철을 가지는 내부 라이너층과, 내부 라이너층의 표면 요철과 동일한 내측 표면 요철 및 접착제층과 접하는 외측 표면 요철을 가지는 외부 라이너층을 포함한다.
외부 라이너층은 결정질 영역으로 구성될 수 있으며, 불규칙한 두께를 가질 수 있다. 내부 라이너층은 결정질 영역과 비결정질 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 압력용기는, 유체 수용을 위한 내부 수용공간을 구비하는 플라스틱 소재의 라이너와, 라이너의 외부를 둘러싸는 섬유보강층과, 라이너와 섬유보강층 사이에 위치하는 접착제층을 포함한다. 라이너는, 결정질 영역과 비결정질 영역을 포함하는 내부 라이너층과, 내부 라이너층의 외측에 위치하고 결정질 영역으로 구성된 외부 라이너층을 포함한다.
내부 라이너층은 표면 요철을 가질 수 있다. 외부 라이너층은 내부 라이너층의 표면 요철과 동일한 내측 표면 요철과, 접착제층과 접하는 외측 표면 요철을 가질 수 있다. 외부 라이너층은 불규칙한 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 압력용기에 따르면, 라이너의 표면부에는 결정질 영역으로 이루어진 플라스틱만 존재하는 층이 형성될 수 있고, 이에 따라 라이너 내부에 충진된 고압 유체가 결정질 플라스틱 만으로 구성된 층에 막혀 누설율이 저감될 수 있다.
또한, 접착제층에 의해 라이너와 섬유보강층이 기밀하게 부착될 수 있다. 이에 따라, 상기 라이너와 섬유보강층 사이에 간극이 발생하지 않아 상기 간극에 고압 유체가 유입되는 문제가 미연에 차단될 수 있다.
또한, 상기 라이너 내부에 충진된 고압 유체가 접착체층 및 섬유보강층에 의해 완전히 차단되어 가스의 누설이 원천적으로 제한될 수 있고, 이에 따라 안전성이 우수한 압력용기가 제공될 수 있다. 더욱이, 접착제층에 의해 라이너와 섬유보강층의 접착력이 향상되어 내구성이 우수한 압력용기가 제공될 수 있고, 제품 사용 수명이 연장되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 압력용기의 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 압력용기의 절개 사시도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 그 실시상태들을 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. 본 발명에서 구성요소를 지칭하는 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 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.
본 발명의 일 실시상태는, (1) 고압 유체가 수용되는 내부 수용공간을 구비하고, 결정질 영역과 비결정질 영역으로 이루어진 플라스틱을 포함하는 라이너를 제조하는 단계; (2) 상기 라이너의 표면에서 플라스틱의 비결정질 영역을 제거하여 표면요철을 형성하는 단계; 및 (3) 상기 표면요철이 형성된 라이너 외부에 섬유보강층을 형성하는 단계;를 포함하는, 압력용기의 제조방법을 제공한다.
본 명세서에서 압력용기는 내부에 대기압을 초과하는 압력의 기체 또는 액체를 저장하는 용기를 의미한다. 이러한 압력용기는 액화 석유가스(LPG), 압축 천연가스(CNG), 경질 탄화수소(메탄, 프로판, 부탄) 및 수소가스 등을 포함하는 각종 고압 유체들을 저장할 수 있고, 구체적으로 연료로서 수소를 저장하는 수소 저장 탱크일 수 있다. 상기 압력용기를 구성하는 라이너는 중공을 갖는 원통형 또는 비원통형일 수 있다. 구체적으로, 상기 라이너에는 고압유체가 수용되는 타원형의 단면을 갖는 내부 수용공간이 구비되고, 원통형으로 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시상태에 대하여 단계별로 상세히 설명한다.
(1) 라이너 제조 단계
이 단계는 고압 유체가 수용되는 내부 수용공간을 구비하고, 결정질 영역과 비결정질 영역으로 이루어진 플라스틱을 포함하는 라이너를 제조하는 단계이다.
상기 라이너를 제조하는 방법으로는 통상의 공지된 플라스틱 용기 성형 방법이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 블로우성형, 사출성형 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 구체적으로, 블로우 성형이 사용될 경우, 상기 (1) 단계는 용융상태의 플라스틱 소재로 라이너 성형물을 제조하는 단계; 및 상기 라이너 성형물을 냉각하는 단계;를 포함할 수 있다. 여기서, 블로우 성형이란, 중공의 플라스틱 성형품을 얻기 위한 성형기술로서, 압출이나 사출에 의해 튜브상으로 예비 성형을 하고, 이것을 금형에 끼워서 내부로 공기를 불어 넣어 부풀게 한 다음 냉각 고화시켜 특정한 형태의 고형물을 만드는 것이다.
상기 라이너 성형물의 냉각과정에서 냉각속도에 따라 상기 플라스틱 소재의 결정화(crystallinity) 정도가 달라질 수 있다. 구체적으로, 상기 냉각속도는 15℃/min 이상 25℃/min 이하일 수 있고, 이 경우 라이너 성형물을 구성하는 플라스틱 소재의 일부는 결정화되고 나머지는 결정화되지 않아 본 발명에서 원하는 결정화 정도를 가지는 플라스틱, 즉 결정질 영역과 비결정질 영역으로 이루어진 플라스틱을 포함하는 라이너가 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라스틱은 폴리올레핀계 수지, 폴리아미드계 수지 및 이들의 복합수지로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 예를 들어 고밀도폴리에틸렌((high density polyethylene, HDPE), 폴리아미드(PA6) 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이러한 플라스틱 소재의 라이너는 금속 소재의 라이너에 비해 가볍고 내부식성이 우수한 장점을 가지고 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라스틱은 고밀도폴리에틸렌(high density polyethylene, HDPE)일 수 있다. 상기 HDPE는 라이너 소재로 사용될 경우 강도가 강하며, 경제적이고, 성형이 매우 용이한 재료이다.
(2) 표면요철 형성 단계
이 단계는 상기 (1) 단계에 따라 제조된 라이너의 표면에서 플라스틱의 비결정질 영역을 제거하여 표면요철을 형성하는 단계이다. 도 1 및 2를 살펴보면, 본 발명의 일 실시상태에 따른 표면요철(113)을 갖는 라이너(110)를 포함하는 압력용기의 부분 단면도 및 개략 절개 사시도가 각각 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 (2) 단계는 산성 용액을 사용하여 상기 라이너 표면에서 플라스틱의 비결정질 영역을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 이 단계는 상기 라이너의 표면에 산성 용액을 도포하는 단계; 및 상기 산성 용액에 용해된 플라스틱의 비결정질 영역을 라이너로부터 제거하는 단계;를 포함할 수 있다. 상기 도포 방법으로서는 통상의 공지된 방법이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어 스프레이 분사방식, 브러쉬 방식 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 그리고, 상기 비결정질 영역의 제거에는 물, 에탄올 및 이들의 혼합액이 사용될 수 있으며, 비결정질 영역의 제거 이후 건조단계가 추가로 포함될 수 있다. 이러한 과정을 거쳐, 플라스틱의 비결정질 영역이 제거되면 라이너(110)의 표면에는 다수개의 홈이 생성될 수 있고, 라이너 외주면에 표면요철이 형성되어 표면이 거칠어진다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 산성 용액이 금속염계 산 용액일 수 있다. 구체적으로, 상기 금속염계 산 용액은 크롬산 용액일 수 있으며, 상기 크롬산 용액의 농도는 0.1 ~ 0.3M 일 수 있다. 이러한 산성 용액을 사용할 경우, 라이너 표면에서 플라스틱의 비결정질 영역 만을 효과적으로 제거할 수 있다.
(3) 섬유보강층 형성단계
이 단계는 상기 (2) 단계에 따라 표면요철이 형성된 라이너 외부에 섬유보강층을 형성하는 단계이다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 섬유보강층은 유리섬유, 탄소섬유 및 아라미드 섬유로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 보강섬유를 포함할 수 있다. 상기 섬유보강층은 라이너를 보강하는 역할을 하는 것으로, 상기 보강섬유가 라이너의 외부를 둘러싸도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 섬유보강층은 열경화성 수지에 함침되거나 또는 함침되지 않은 필라멘트 형태의 보강섬유로부터 형성될 수 있다. 여기서, 필라멘트란, 연속된 섬유, 즉 단면 지름에 비해 길이가 무한히 긴 섬유를 의미한다. 그리고, 상기 섬유보강층 형성시 섬유 필라멘트의 권취 방향에는 제한이 없으며, 바람직하게 라이너의 길이 방향을 따라 권취될 수 있고, 다수개의 층을 이루도록 권취과정이 반복 실시될 수 있다. 도 1에는 본 발명의 일 실시상태에 따라 섬유보강층이 하나의 층으로 권취된 상태가 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 열경화성 수지는 에폭시 수지, 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 페놀성 화합물, 폴리우레탄 및 폴리디사이클로펜타디엔으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함할 수 있고, 구체적으로 에폭시 수지가 사용될 수 있다.
이 밖에, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 (2)단계에 따라 표면요철이 형성된 라이너의 외주면에 접착제를 도포하여 접착제층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 접착제는 에폭시 수지, 폴리에스테르, 비닐에스테르, 페놀성 화합물, 폴리우레탄 및 폴리디사이클로펜타디엔으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 에폭시 수지는 비스페놀 A형 에폭시, 비스페놀 F형 에폭시, 노볼락 에폭시, 난연성 에폭시, 환형지방족 에폭시 및 고무 변성 에폭시 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 접착제층은 라이너의 표면에서 플라스틱의 비결정질 영역을 제거함으로써 표면이 거칠어진 상태, 즉 표면요철이 형성된 라이너의 외주면에 도포되므로, 그 접착력이 증가될 수 있다. 구체적으로, 상기 도포과정에서 상기 요철의 음각부분에 접착제가 매립되면서 접착제층이 형성되므로, 라이너 외주면과 접착제층이 접하는 표면적이 증가되고, 이에 따라 접착력이 증가될 수 있다. 더욱이, 상기 도포과정에서 접착체층이 라이너 외주면에 공극없이 기밀하게 말착되기 때문에, 라이너를 투과해 나온 고압 유체가 머무를 공간이 없고, 상기 접착제층이 라이너의 외주면을 차단해주어 고압 유체가 압력용기 외부로 누설되는 것을 막아줄 수 있다.
본 발명의 다른 실시상태는, 상기 제조방법에 따라 제조된 압력용기를 제공한다. 구체적으로, 도 1에는 본 발명의 일 실시상태에 따른 압력용기의 부분 단면도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 일 실시상태에 따른 압력용기의 절개 사시도가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 압력용기(100)는, 고압 유체가 수용되는 내부 수용공간을 구비하는 플라스틱 소재의 라이너(110);및 상기 라이너의 외부를 둘러싸고 있는 섬유보강층(130);을 포함할 수 있고, 상기 라이너(110)는 결정질 영역과 비결정질 영역으로 이루어진 플라스틱을 포함할 수 있으며, 상기 라이너(110)의 표면에 존재하는 플라스틱의 비결정질 영역의 제거에 의해 상기 라이너(110)의 외주면이 요철(113) 형상을 가질 수 있다.
상기한 바와 같이, 상기 요철(113)은 라이너(110) 표면에 존재하는 비결정질 플라스틱의 제거에 의해 상기 라이너(110)의 외주면에 형성되는 것으로, 라이너(110)의 외곽 부분에는 결정질 영역으로만 구성된 플라스틱이 존재하는 층(112)(이하, "외부 라이너층"이라 함)이 존재할 수 있고, 상기 외부 라이너층(112)과 라이너(110)의 내피 사이에는 결정질 영역과 비결정질 영역으로 이루어진 플라스틱이 포함된 층(111)(이하, "내부 라이너층"이라 함)이 존재할 수 있다.
도면에 나타나 있듯이, 내부 라이너층(111)은 표면 요철을 가지며, 내부 라이너층(111)을 덮는 외부 라이너층(112)은 내측 표면과 외측 표면 모두에 각자의 표면 요철을 가진다. 이때 외부 라이너층(112)의 내측 표면은 내부 라이너층(111)의 표면 요철과 동일하며, 외부 라이너층(112)은 내측 표면 요철에 의해 내부 라이너층(111)과의 접합력을 높일 수 있다.
이러한 구조를 갖는 라이너(110) 내부에 고압 유체가 충진될 경우, 결정질 영역으로 이루어진 플라스틱으로만 구성된 외부 라이너층(112)에 막혀 누설율이 저감될 수 있다. 이때, 상기 외부 라이너층(112)의 두께는 불균일할 수 있다.
한편, 상기 라이너(110)와 섬유보강층(130) 사이에는 접착제층(120)이 더 포함될 수 있다. 구체적으로, 도 1 및 도 2에는 본 발명의 일 실시상태에 따라 접착제층(120)이 포함된 압력용기(100)의 부분 단면도 및 개략 절개 사시도가 각각 도시되어 있다. 상기 접착제층(120)에 관한 구체적인 내용은 상기에서 상술한 내용을 포함한다.
상기 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시상태에 따른 압력용기(100)는, 고압유체와 접하고, 결정질 영역과 비결정질 영역으로 이루어진 플라스틱을 포함하는 내부 라이너층(111); 상기 내부 라이너층(111)의 외부에 존재하고, 결정질 영역으로 이루어진 플라스틱으로 구성되며 요철(113) 형상을 갖는 외부 라이너층(112); 상기 외부 라이너층(112) 외부에 도포된 접착제층(120); 및 상기 접착제층(120)의 외부에 형성된 섬유보강층(130);을 포함하는 압력용기(100)가 도시되어 있다.
요철에 의해 표면적인 증가된 라이너 구조는 섬유보강층의 와인딩 이후 진행되는 고온 경화공정에서 취약할 수 있으나, 일 실시예에 따른 압력용기(100)에서 외부 라이너층(112)은 결정질 영역으로 구성되어 있으므로 요철의 손상 없이 구조 유지가 가능하다. 따라서, 압력용기(100)는 라이너(110)의 기계적 강도를 높여 섬유보강층(130)의 무게를 더욱 잘 견딜 수 있도록 한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시상태와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
110: 라이너
111: 내부 라이너층
112: 외부 라이너층
113: 표면요철
120: 접착층
130: 섬유보강층

Claims (7)

  1. 유체 수용을 위한 내부 수용공간을 구비하는 플라스틱 소재의 라이너;
    상기 라이너의 외부를 둘러싸는 섬유보강층; 및
    상기 라이너와 상기 섬유보강층 사이에 위치하는 접착제층을 포함하고,
    상기 라이너는,
    표면 요철을 가지는 내부 라이너층;
    상기 내부 라이너층의 표면 요철과 동일한 내측 표면 요철 및 상기 접착제층과 접하는 외측 표면 요철을 가지는 외부 라이너층을 포함하는 압력용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 라이너층은 결정질 영역으로 구성되며, 불규칙한 두께를 가지는 압력용기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 내부 라이너층은 결정질 영역과 비결정질 영역을 포함하는 압력용기.
  4. 유체 수용을 위한 내부 수용공간을 구비하는 플라스틱 소재의 라이너;
    상기 라이너의 외부를 둘러싸는 섬유보강층; 및
    상기 라이너와 상기 섬유보강층 사이에 위치하는 접착제층을 포함하고,
    상기 라이너는,
    결정질 영역과 비결정질 영역을 포함하는 내부 라이너층;
    상기 내부 라이너층의 외측에 위치하고, 결정질 영역으로 구성된 외부 라이너층을 포함하는 압력용기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 내부 라이너층은 표면 요철을 가지는 압력용기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 외부 라이너층은 상기 내부 라이너층의 표면 요철과 동일한 내측 표면 요철과, 상기 접착제층과 접하는 외측 표면 요철을 가지는 압력용기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 외부 라이너층은 불규칙한 두께를 가지는 압력용기.
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