KR20220146265A - 압력용기 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 압력용기 제조방법에 관한 것으로, 금속 재질의 보스(boss)를 마련하는 준비단계; 보스의 외표면에 요철 패턴(concave-convex pattern)을 가공하는 가공단계; 및 보스를 포함하는 라이너의 외표면에 요철 패턴을 경유하도록 보강재를 와인딩하는 와인딩단계;를 포함하는 것에 의하여, 품질 및 내구성을 향상시키고, 불량률을 낮추는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

압력용기 및 그 제조방법{PRESSURE VESSEL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 압력용기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 품질 및 내구성을 향상시키고, 불량률을 낮출 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.
한편, 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.
그런데, 기존에는 라이너의 외표면에 탄소섬유 복합재료를 와인딩할 시, 탄소섬유 복합재료의 미끄러짐(slip)이 발생함에 따라, 탄소섬유 복합재료를 요구되는 자세 및 위치에 정확하게 와인딩하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 탄소섬유 복합재료의 와인딩시 탄소섬유 복합재료의 미끄러짐이 발생하면, 탄소섬유 복합재료의 와인딩 공정을 중단하고, 잘못 와인딩된 부위를 제거한 후, 탄소섬유 복합재료를 다시 재설계된 와인딩 각도로 와인딩해야 하므로, 제조 효율이 저하되고 제조 원가가 상승하는 문제점이 있으며, 압력용기의 품질 및 내구성을 확보하기 어려운 문제점이 있다.
이에 따라 최근에는 압력용기의 품질 및 내구성을 향상시키고, 불량률을 낮추기 위한 다양한 검토가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 품질 및 내구성을 향상시키고, 불량률을 낮출 수 있는 압력용기 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명의 실시예는 보강재(예를 들어, 탄소섬유)의 와인딩 시 미끄러짐을 최소화하고, 보강재를 요구되는 자세 및 위치에 정확하게 와인딩할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 제조 공정을 간소화하고, 제작 시간을 단축할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 제조 효율을 향상시키고 원가를 절감할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 보스의 구조를 변경하지 않고도 보스의 강도를 보강할 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, 단부에 금속 재질의 보스(boss)가 마련된 라이너, 보스의 외표면에 형성되는 요철 패턴(concave-convex pattern), 및 요철 패턴을 경유하도록 라이너의 외표면에 와인딩되는 보강재를 포함한다.
이는, 압력용기의 품질 및 내구성을 향상시키고, 불량률을 낮추기 위함이다.
즉, 기존에는 라이너의 외표면에 탄소섬유 복합재료를 와인딩할 시, 탄소섬유 복합재료의 미끄러짐(slip)이 발생함에 따라, 탄소섬유 복합재료를 요구되는 자세 및 위치에 정확하게 와인딩하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 탄소섬유 복합재료의 와인딩시 탄소섬유 복합재료의 미끄러짐이 발생하면, 탄소섬유 복합재료의 와인딩 공정을 중단하고, 잘못 와인딩된 부위를 제거한 후, 탄소섬유 복합재료를 다시 재설계된 와인딩 각도로 와인딩해야 하므로, 제조 효율이 저하되고 제조 원가가 상승하는 문제점이 있으며, 압력용기의 품질 및 내구성을 확보하기 어려운 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 라이너에 마련되는 보스의 외표면에 요철 패턴을 형성하고, 보강재가 요철 패턴을 경유하여 와인딩되도록 하는 것에 의하여, 보강재의 미끄러짐을 최소화하고 와인딩 불량을 최소화할 수 있으며, 보강재를 요구되는 자세 및 위치에 정확하게 와인딩하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 요철 패턴은 보스의 표면 조도를 높일 수 있는 다양한 구조 및 형태를 갖도록 제공될 수 있다.
바람직하게, 요철 패턴은 보스의 외표면을 소성 변형시킴으로써 형성될 수 있다.
바람직하게, 보스는 알루미늄 합금(예를 들어, AL6060-T6) 재질로 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 보스의 외표면을 소성 변형시켜 보스의 외표면에 요철 패턴을 형성하는 것에 의하여, 보강재의 미끄러짐을 방지하면서, 보스의 외표면에 압축 잔류 응력(잔류 압축력)을 부여할 수 있으므로, 보스의 강도(피로 강도)를 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예는 알루미늄 합금 재질로 보스를 형성하고, 보스의 외표면을 소성 변형시켜 요철 패턴을 형성하는 것에 의하여, 보스의 표면 조직을 보다 조밀화(미세화)할 수 있으므로, 크랙 및 변형의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 보스의 표면 조직을 조밀화하는 것에 의하여, 수소 침투 경로를 보다 복잡하게 구현할 수 있으므로 수소의 확산(침투 이동)을 억제할 수 있고, 보스의 취성을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 요철 패턴은 연속적인 파형(waveform)을 이루도록 교호적(alternation)으로 배치되는 복수개의 산부(crest)와 복수개의 골부(trough)를 포함할 수 있다.
바람직하게, 보스의 외표면에 평행한 기준선으로부터 복수개의 골부의 바닥부까지의 거리는 서로 동일하게 정의될 수 있다.
이와 같이, 기준선으로부터 골부의 바닥부까지의 거리가 각 골부별로 서로 동일하게 형성되도록 하는 것에 의하여, 소성 변형에 의한 특성(예를 들어, 강도 증가)을 요철 패턴에 전체적으로 균일하게 부여하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 보스의 외표면에 평행한 기준선으로부터 복수개의 산부의 정상부까지의 거리는 서로 동일하게 정의될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 보스의 외표면에 평행한 기준선으로부터 복수개의 산부 중 적어도 일부의 정상부까지의 거리는 서로 다르게 정의될 수 있다. 이와 같이, 각 산부 중 적어도 일부의 정상부가 서로 다른 높이에 위치하도록 하는 것에 의하여, 보스의 표면 조도를 보다 높일 수 있으므로, 보강재의 미끌림을 보다 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 보스의 외표면으로부터 골부의 바닥부까지의 깊이(h)는 0.04㎜~0.15㎜로 정의될 수 있다.
이와 같이, 보스의 외표면으로부터 골부의 바닥부까지의 깊이(h)가 0.04㎜~0.15㎜로 하는 것에 의하여, 보스의 충분한 강도 및 표면 조도를 보장(보강재의 미끌림을 방지)하면서, 보스의 변형 및 손상을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 분야에 따르면, 압력용기의 제조방법은, 금속 재질의 보스(boss)를 마련하는 준비단계; 보스의 외표면에 요철 패턴(concave-convex pattern)을 가공하는 가공단계; 및 보스를 포함하는 라이너의 외표면에 요철 패턴을 경유하도록 보강재를 와인딩하는 와인딩단계;를 포함한다.
바람직하게, 보스는 알루미늄 합금(예를 들어, AL6060-T6) 재질로 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 요철 패턴은 연속적인 파형을 이루도록 교호적으로 배치되는 복수개의 산부와 복수개의 골부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 보스의 외표면에 평행한 기준선으로부터 복수개의 골부의 바닥부까지의 거리는 서로 동일하게 정의될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 보스의 외표면에 평행한 기준선으로부터 복수개의 산부의 정상부까지의 거리는 서로 동일하게 정의될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 보스의 외표면에 평행한 기준선으로부터 복수개의 산부 중 적어도 일부의 정상부까지의 거리는 서로 다르게 정의하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가공단계에서, 요철 패턴은 보스의 외표면을 소성 변형시킴으로써 형성될 수 있다.
일 예로, 가공단계에서 요철 패턴은 압입지그의 둘레면에 마련된 압입돌기로 보스의 외표면을 가압하여 형성될 수 있다.
바람직하게, 압입돌기가 보스의 외표면을 가압하는 중에, 보스의 외표면을 따른 압입지그의 구름 이동, 라이너의 축선을 중심으로 하는 보스의 회전 중 적어도 어느 하나가 행해질 수 있다.
다른 일 예로, 가공단계에서 요철 패턴은 보스의 외표면에 쇼트 볼(shot ball)를 투사하여 형성될 수 있다.
바람직하게, 보스의 외표면에 쇼트 볼을 투사하는 중에, 보스는 라이너의 축선을 중심으로 회전할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 보스의 외표면으로부터 골부의 바닥부까지의 깊이(h)는 0.04㎜~0.15㎜로 정의될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 품질 및 내구성을 향상시키고, 불량률을 낮추는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면 보강재의 와인딩 시 미끄러짐을 최소화하고, 보강재를 요구되는 자세 및 위치에 정확하게 와인딩하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 제조 공정을 간소화하고, 제작 시간을 단축하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 제조 효율을 향상시키고 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 보스의 구조를 변경하지 않고도 보스의 강도를 보강하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기의 제조방법을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력용기를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 'A'부위의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압력용기로서, 요철 패턴을 설명하기 위한 평면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기로서, 요철 패턴의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기로서, 요철 패턴의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기로서, 요철 패턴을 가공하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 압력용기로서, 요철 패턴을 가공하는 공정의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기로서, 요철 패턴이 형성된 보스의 외표면을 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 압력용기로서, 절삭 가공에 의해 요철 패턴이 형성된 보스의 표면 조직 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 압력용기로서, 압입 가공에 의해 요철 패턴이 형성된 보스의 표면 조직 구조를 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 15를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력용기(100)는, 단부에 금속 재질의 보스(boss)(120)가 마련된 라이너(110), 보스(120)의 외표면에 형성되는 요철 패턴(concave-convex pattern)(122), 및 요철 패턴(122)을 경유하도록 라이너(110)의 외표면에 와인딩되는 보강재(130)를 포함한다.
참고로, 본 발명의 실시예에 따른 압력용기(100)는 고압의 유체(액상 또는 기상)를 저장하기 위해 사용될 수 있으며, 압력용기(100)에 저장되는 유체의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 압력용기(100)가 연료전지 스택을 적용 가능한 다양한 연료전지 차량(예를 들어, 승용차 또는 상용차) 또는 선박, 항공 등의 모빌리티에 적용되는 수소 저장 시스템의 수소탱크로서 사용되는 예를 들어 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 라이너(110)는 내부에 저장 공간을 갖는 중공의 구조체로 형성되며, 저장 공간에는 고압의 압축수소가 저장될 수 있다.
라이너(110)의 단부에는 수소가 출입(유입 및 배출)되는 출입 포트(미도시)를 형성하는 금속 재질의 보스(120)가 마련된다.
이하에서는 라이너(110)의 양단부에 각각 보스(120)가 마련된 예를 들어 설명하기로 한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 라이너의 일단에만 보스를 마련하는 것도 가능하다.
라이너(110)의 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 라이너(110)의 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 바람직하게, 라이너(110)는 복원력이 뛰어나며 피로도가 우수한 고밀도 플라스틱과 같은 비금속 재질로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 라이너(110)는 중공의 실린더 형상(원통 형상)을 갖는 실린더부(112), 및 실린더부(112)의 양단에 일체로 형성되는 돔(dome) 형상의 사이드부(114)를 포함할 수 있으며, 보스(120)는 사이드부(114)의 최외각 부위를 이루도록 마련될 수 있다.
보스(120)는 일단에 플랜지부가 형성된 중공의 원통 형상으로 형성될 수 있으며, 보스의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
보스(120)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 금속으로 형성될 수 있으며, 보스(120)의 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 보스(120)는 알루미늄 합금(예를 들어, AL6060-T6) 재질로 형성될 수 있다.
보강재(130)는 라이너(110)의 외표면에 와인딩됨으로써 보강층(미도시)을 형성할 수 있다.
참고로, 보강재(130)는 압력용기(100)가 고압에서 잘 견딜 수 있도록 마련되며, 라이너(110)의 외면(외표면)을 전체적으로 감싸도록 형성(와인딩)된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 보강재(130)는 에폭시와 열경화성 수지 등을 함침시킨 탄소섬유 복합재료로 제공될 수 있으며, 보강재의 재질 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 유리섬유와
보강재(130)의 와인딩 구조 및 와인딩 방식은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 보강재(130)의 와인딩 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 보강층은 라이너(110)의 외표면에 보강재(130)를 다양한 패턴(예를 들어, 시계 방향 와인딩, 반시계 방향 와인딩, 사선 방향 와인딩 등)으로 여러겹 와인딩하여 형성될 수 있다.
보강재(130)는 후속 열처리 공정을 거쳐 경화됨으로써 보강층을 형성하게 된다. 일 예로, 라이너(110)의 외표면에 권선된 보강재(130)는 150도 이상의 온도로 기설정된 시간동안 열처리됨으로써 경화될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 요철 패턴(122)은 라이너(110)의 외표면에 보강재(130)를 와인딩할 시, 라이너(110)의 외표면에서 보강재(130)의 미끄러짐(slip)을 최소화하기 위해 마련된다.
이는, 구면으로 형성된 사이드부(114)의 외표면에 보강재(130)를 와인딩할 시 보강재(130)의 미끄러짐이 빈번하게 발생한다는 것에 기인한 것으로, 사이드부에 마련되는 보스(120)의 외표면에 요철 패턴(122)을 형성하는 것에 의하여, 보스(120)의 표면 조도(표면 거칠기)를 높일 수 있으므로, 보강재(130)의 미끄러짐을 최소화(와인딩 불량을 최소화)할 수 있으며, 보강재(130)를 요구되는 자세 및 위치에 정확하게 와인딩하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
요철 패턴(122)은 보스(120)의 표면 조도를 높일 수 있는 다양한 구조 및 형태를 갖도록 제공될 수 있으며, 요철 패턴(122)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 요철 패턴(122)은 보스(120)의 외표면을 소성 변형시킴으로써 형성될 수 있다.
일 예로, 요철 패턴(122)은 압입 가공으로 보스(120)의 외표면을 소성 변형시킴으로써 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 압입 가공으로 보스(120)의 외표면을 소성 변형시켜 보스(120)의 외표면에 요철 패턴(122)을 형성하는 것에 의하여, 보강재(130)의 미끄러짐을 방지하면서, 보스(120)의 외표면에 압축 잔류 응력(잔류 압축력)을 부여할 수 있으므로, 보스(120)의 강도(피로 강도)를 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예는 알루미늄 합금(예를 들어, AL6060-T6) 재질로 보스(120)를 형성하고, 보스(120)의 외표면을 소성 변형시켜 요철 패턴(122)을 형성하는 것에 의하여, 보스(120)의 표면 조직을 보다 조밀화(미세화)할 수 있으므로, 크랙 및 변형의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 보스(120)의 표면 조직을 조밀화하는 것에 의하여, 수소 침투 경로를 보다 복잡하게 구현할 수 있으므로 수소의 확산(침투 이동)을 억제할 수 있고, 수수에 의한 보스(120)의 취성을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 보스(120)의 외표면을 절삭 가공하여 보스(120)의 외표면에 요철 패턴(122)을 형성하는 것도 가능하다. 하지만, 절삭 가공에 의해 요철 패턴(122)이 형성된 보스(120)의 표면 조직은, 압입 가공에 의해 요철 패턴(122)이 형성된 보스(120)의 표면 조직보다 조밀함을 가지기 어렵다.
참고로, 절삭 가공에 의해 요철 패턴(122')이 형성된 보스(120)의 표면 조직 구조는 도 14를 통해 확인할 수 있고, 압입 가공에 의해 요철 패턴(122)이 형성된 보스(120)의 표면 조직 구조는 도 15를 통해 확인할 수 있다.
도 14 및 도 15의 비교를 통해 확인할 수 있듯이, 압입 가공에 의해 요철 패턴(122)이 형성된 보스(120)의 표면 조직은, 절삭 가공에 의해 요철 패턴(122)이 형성된 보스(120)의 표면 조직보다 조밀함을 가짐을 확인할 수 있다.
한편, 보스를 스틸 재질로 형성하고, 스틸 재질로 형성된 보스의 표면에 요철 패턴을 형성하는 것도 가능하다. 다만, 압입 가공에 의해 요철 패턴이 형성된 보스(스틸 재질)의 표면 조직은, 절삭 가공에 의해 요철 패턴이 형성된 보스(스틸 재질)의 표면 조직과 큰 차이가 발생하지 않으므로, 보스의 재질로서는 알루미늄 합금을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 요철 패턴(122)은 연속적인 파형(waveform)을 이루도록 교호적(alternation)으로 배치되는 복수개의 산부(crest)(122a)와 복수개의 골부(trough)(122b)를 포함할 수 있다.
산부(122a) 및 골부(122b)의 배열 형태는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 산부(122a) 및 골부(122b)의 배열 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 산부(122a) 및 골부(122b)는 규칙적인 배열 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 다르게는, 산부(122a) 및 골부(122b)를 불규칙(랜덤)적인 배열 형태로 형성하는 것도 가능하다.
바람직하게, 보스(120)의 외표면에 평행한 기준선(SL)으로부터 복수개의 골부(122b)의 바닥부까지의 거리(LB)는 서로 동일하게 정의될 수 있다.
이와 같이, 기준선(SL)으로부터 골부(122b)의 바닥부까지의 거리(LB)가 각 골부(122b)별로 서로 동일하게 형성되도록 하는 것에 의하여, 소성 변형에 의한 특성(예를 들어, 강도 증가)을 요철 패턴(122)에 전체적으로 균일하게 부여하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 보스(120)의 외표면에 평행한 기준선(SL)으로부터 복수개의 산부(122a)의 정상부까지의 거리는 서로 동일하게 정의될 수 있다.
여기서, 기준선(SL)으로부터 복수개의 산부(122a)의 정상부까지의 거리가 서로 동일하다 함은, 각 산부(122a)의 정상부가 서로 동일한 높이에 위치하도록 산부(122a) 및 골부(122b)가 규칙적인 배열 형태(패턴)로 형성되는 것으로 이해될 수 있다.
일 예로, 평면 투영 기준으로(도 4 기준), 복수개의 골부(122b)는 서로 동일한 직경을 갖는 원형 형태로 형성되어, 일정한 간격을 두고 이격되게 형성될 수 있고, 산부(122a)는 서로 인접한 골부(122b)의 경계를 이루도록 형성될 수 있다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 보스(120)의 외표면에 평행한 기준선(SL)으로부터 복수개의 산부(122a) 중 적어도 일부의 정상부까지의 거리(예를 들어, LC1, LC2)는 서로 다르게 정의될 수 있다.
이와 같이, 각 산부(122a) 중 적어도 일부의 정상부가 서로 다른 높이에 위치하도록 하는 것에 의하여, 보스(120)의 표면 조도를 보다 높일 수 있으므로, 보강재(130)의 미끌림을 보다 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
일 예로, 도 5 및 도 6을 참조하면, 복수개의 산부(122a) 중 일부는 기준선(SL)으로부터 정상부까지 제1거리(LC1)를 갖고, 복수개의 산부(122a) 중 다른 일부는 기준선(SL)으로부터 정상부까지 제2거리(LC2)를 갖도록 형성되되, 제2거리(LC2)는 제1거리(LC1)보다 긴 길이(LC2 〉LC1)로 정의될 수 있다.
제1거리(LC1)를 갖는 산부(122a)와 제2거리(LC2)를 갖는 산부(122a)는 특정 방향(예를 들어, 도 6을 기준으로 좌우 방향)을 따라 교호적(규칙적)으로 배치될 수 있다.
예를 들어, 평면 투영 기준으로(도 6 기준), 복수개의 골부(122b)는 서로 다른 직경을 갖는 원형 형태로 형성되어, 서로 다른 간격을 두고 이격되게 형성될 수 있고, 산부(122a)는 서로 인접한 골부(122b)의 경계를 이루도록 형성될 수 있다.
다른 일 예로, 도 7 및 도 8을 참조하면, 복수개의 산부(122a)는 기준선(SL)으로부터 정상부까지의 거리(LC1,LC2,LC3,LC4)가 모두 다르게(LC1≠LC2≠LC3≠LC4) 정의될 수 있다.
예를 들어, 평면 투명 기준으로(도 8 기준), 복수개의 골부(122b)는 서로 동일한 직경을 갖는 원형 형태로 형성되어, 서로 일부가 랜덤하게 겹쳐지는 구조로 형성될 수 있고, 산부(122a)는 서로 인접한 골부(122b)의 경계를 이루도록 형성될 수 있다.
요철 패턴(122)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 형성(가공)될 수 있다.
일 예로, 도 9및 도 10을 참조하면, 요철 패턴(122)은 압입지그(200)의 둘레면에 마련된 압입돌기(210)(예를 들어, 반구 형태를 갖는 압입돌기)로 보스(120)의 외표면을 가압하여 형성될 수 있다.
바람직하게, 압입돌기(210)가 보스(120)의 외표면을 가압하는 중에, 보스(120)의 외표면을 따른 압입지그(200)의 구름 이동, 라이너(110)의 축선(C)을 중심으로 하는 보스(120)의 회전 중 적어도 어느 하나가 행해질 수 있다. 일 예로, 압입돌기(210)가 보스(120)의 외표면을 가압하는 중에, 보스(120)의 외표면을 따라 압입지그(200)가 구름 이동함과 동시에, 라이너(110)의 축선(C)을 중심으로 하는 보스(120)가 회전할 수 있다.
다른 일 예로, 도 11 및 도 12를 참조하면, 요철 패턴(122)은 보스(120)의 외표면에 강체로 이루어진 쇼트 볼(shot ball)(300)를 투사하여 형성하는 것도 가능하다.
쇼트 볼(300)의 직경은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 쇼트 볼(300)의 직경에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것을 아니다. 일 예로, 직경이 0.8㎜인 쇼트 볼(300) 또는 직경이 1㎜인 쇼트 볼(300)이 사용될 수 있다.
바람직하게, 보스(120)의 외표면에 쇼트 볼(300)을 투사하는 중에, 보스(120)는 라이너(110)의 축선(C)을 중심으로 회전할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 보스(120)의 외표면으로부터 골부(122b)의 바닥부까지의 깊이(h)는 0.04㎜~0.15㎜로 정의될 수 있다.
이와 같이, 보스(120)의 외표면으로부터 골부(122b)의 바닥부까지의 깊이(h)가 0.04㎜~0.15㎜로 하는 것에 의하여, 보스(120)의 충분한 강도 및 표면 조도를 보장(보강재의 미끌림을 방지)하면서, 보스(120)의 변형 및 손상을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 보스(120)의 외표면으로부터 골부(122b)의 바닥부까지의 깊이(h)가 0.04㎜보다 작으면, 충분한 소성 변형을 유발하기 어려워 보스(120)의 충분한 강도를 보장하기 어렵고, 산부(122a)의 충분한 높이를 확보하기 어려워(기준선으로부터 산부(122a)의 정상부까지의 충분한 거리를 확보하기 어려워) 보스(120)의 표면 조도를 충분하게 확보하기 어려운 문제점이 있다. 반면, 보스(120)의 외표면으로부터 골부(122b)의 바닥부까지의 깊이(h)가 0.15㎜보다 크면, 보스(120)의 외표면에 크랙이 발생하여 보스(120)의 강도가 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 보스(120)의 외표면으로부터 골부(122b)의 바닥부까지의 깊이(h)는 0.04㎜~0.15㎜로 정해지는 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명에 따른 압력용기 제조방법을 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 압력용기 제조방법은, 금속 재질의 보스(120)를 마련하는 준비단계; 보스(120)의 외표면에 요철 패턴(122)을 가공하는 가공단계; 및 보스(120)를 포함하는 라이너(110)의 외표면에 요철 패턴(122)을 경유하도록 보강재(130)를 와인딩하는 와인딩단계;를 포함한다.
단계 1:
먼저, 금속 재질의 보스(120)를 마련한다.(S10)
일 예로, 준비단계(S10)에서는 금속 재질의 보스(120)가 라이너(도 2의 110 참조)와 분리된 상태로 마련될 수 있다.
보스(120)는 배관 및 밸브 등이 연결 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 보스(120)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 보스(120)는 알루미늄 합금(예를 들어, AL6060-T6) 재질로 형성될 수 있다.
단계 2:
다음, 보스(120)의 외표면에 요철 패턴(122)을 가공한다.
가공단계(S20)에서는 보스(120)의 외표면을 가공하여 보스(120)의 외표면에 요철 패턴(122)을 형성할 수 있다.
요철 패턴(122)은 보스(120)의 표면 조도를 높일 수 있는 다양한 구조 및 형태를 갖도록 제공될 수 있다.
일 예로, 요철 패턴(122)은 연속적인 파형을 이루도록 교호적으로 배치되는 복수개의 산부(122a)와 복수개의 골부(122b)를 포함할 수 있다.
산부(122a) 및 골부(122b)의 배열 형태는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 산부(122a) 및 골부(122b)의 배열 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 산부(122a) 및 골부(122b)는 규칙적인 배열 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 다르게는, 산부(122a) 및 골부(122b)를 불규칙(랜덤)적인 배열 형태로 형성하는 것도 가능하다.
바람직하게, 보스(120)의 외표면에 평행한 기준선(SL)으로부터 복수개의 골부(122b)의 바닥부까지의 거리(LB)는 서로 동일하게 정의될 수 있다.(도 3 참조)
이와 같이, 기준선(SL)으로부터 골부(122b)의 바닥부까지의 거리(LB)가 각 골부(122b)별로 서로 동일하게 형성되도록 하는 것에 의하여, 소성 변형에 의한 특성(예를 들어, 강도 증가)을 요철 패턴(122)에 전체적으로 균일하게 부여하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 보스(120)의 외표면에 평행한 기준선(SL)으로부터 복수개의 산부(122a)의 정상부까지의 거리는 서로 동일하게 정의될 수 있다.(도 3 참조)
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 보스(120)의 외표면에 평행한 기준선(SL)으로부터 복수개의 산부(122a) 중 적어도 일부의 정상부까지의 거리는 서로 다르게 정의될 수 있다.
일 예로, 도 5 및 도 6을 참조하면, 복수개의 산부(122a) 중 일부는 기준선(SL)으로부터 정상부까지 제1거리(LC1)를 갖고, 복수개의 산부(122a) 중 다른 일부는 기준선(SL)으로부터 정상부까지 제2거리(LC2)를 갖도록 형성되되, 제2거리(LC2)는 제1거리(LC1)보다 긴 길이(LC2 〉LC1)로 정의될 수 있다.
다른 일 예로, 도 7 및 도 8을 참조하면, 복수개의 산부(122a)는 기준선(SL)으로부터 정상부까지의 거리(LC1,LC2,LC3,LC4)가 모두 다르게(LC1≠LC2≠LC3≠LC4) 정의될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가공단계에서, 요철 패턴(122)은 압입 가공으로 보스(120)의 외표면을 소성 변형시킴으로써 형성될 수 있다.
일 예로, 가공단계(S20)에서 요철 패턴(122)은 압입지그(200)의 둘레면에 마련된 압입돌기(210)(예를 들어, 반구 형태를 갖는 압입돌기)로 보스(120)의 외표면을 가압하여 형성될 수 있다.
바람직하게, 압입돌기(210)가 보스(120)의 외표면을 가압하는 중에, 보스(120)의 외표면을 따른 압입지그(200)의 구름 이동, 라이너(110)의 축선(C)을 중심으로 하는 보스(120)의 회전 중 적어도 어느 하나가 행해질 수 있다.
다른 일 예로, 가공단계(S20)에서 요철 패턴(122)은 보스(120)의 외표면에 강체로 이루어진 쇼트 볼(300)을 투사하여 형성될 수 있다.
바람직하게, 보스(120)의 외표면에 쇼트 볼(300)을 투사하는 중에, 보스(120)는 라이너(110)의 축선(C)을 중심으로 회전할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 보스(120)의 외표면으로부터 골부(122b)의 바닥부까지의 깊이(h)는 0.04㎜~0.15㎜로 정의될 수 있다.
이와 같이, 보스(120)의 외표면으로부터 골부(122b)의 바닥부까지의 깊이(h)가 0.04㎜~0.15㎜로 하는 것에 의하여, 보스(120)의 충분한 강도 및 표면 조도를 보장(보강재의 미끌림을 방지)하면서, 보스(120)의 변형 및 손상을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 가공단계(S20)에서 압입 가공으로 보스(120)의 외표면에 요철 패턴(122)을 형성하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 절삭 가공으로 보스(120)의 외표면에 요철 패턴(122)을 형성하는 것도 가능하다.
한편, 보스(120)의 외표면에 요철 패턴(122)을 형성한 후, 요철 패턴(122)이 형성된 보스(120)는 라이너(110)의 단부에 일체로 결합(또는 라이너와 일체로 사출)될 수 있다.(도 2 참조)
일 예로, 라이너(110)는 복원력이 뛰어나며 피로도가 우수한 고밀도 플라스틱과 같은 비금속 재질로 형성될 수 있다.
단계 3:
다음, 보스(120)를 포함하는 라이너(110)의 외표면에 요철 패턴(122)을 경유하도록 보강재(130)를 와인딩한다.(S30)
와인딩단계(S30)에서는 통상의 와인딩장치(미도시)를 이용하여 요철 패턴(122)을 경유하도록 라이너(110)의 외표면에 보강재(130)를 와인딩할 수 있다.(도 2 참조)
여기서, 보강재(130)가 요철 패턴(122)을 경유한다 함은, 보강재(130)의 적어도 일부가 요철 패턴(122)을 덮도록 배치되는 것으로 정의될 수 있다.
와인딩단계(S30)에서는 라이너(110)의 외표면에 보강재(130)를 다양한 패턴(예를 들어, 시계 방향 와인딩, 반시계 방향 와인딩, 사선 방향 와인딩 등)으로 여러겹 와인딩할 수 있으며, 보강재(130)의 와인딩 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 보강재(130)는 실린더부(112)의 외표면에 먼저 와인딩된 후, 요철 패턴(122)을 경유하도록 사이드부(114)의 외표면에 와인딩될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 보강재를 사이드부의 외표면에 먼저 와인딩한 후, 실린더부의 외표면에 와인딩하는 것도 가능하다.
한편, 라이너(110)의 외표면에 보강재(130)가 와인딩된 압력용기(100)는 도 2를 통해 확인할 수 있으며, 보강재(130)는 후속 열처리 공정을 거쳐 경화될 수 있다.
한편, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 라이너와 개별적으로 마련되는 보스에 요철패턴을 형성한 후, 라이너에 보스를 결합하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 보스와 라이너가 일체로 결합된 상태에서 보스에 요철패턴을 형성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 압력용기 제조방법은, 단부에 금속 재질의 보스(boss)(120)를 갖는 라이너(110)를 마련하는 준비단계; 보스(120)의 외표면에 요철 패턴(concave-convex pattern)(122)을 가공하는 가공단계; 및 요철 패턴(122)을 경유하도록 라이너(110)의 외표면에 보강재(130)를 와인딩하는 와인딩단계;를 포함할 수 있다.
먼저, 준비단계에서는, 금속 재질의 보스(120)가 단부에 일체로 구비된 라이너(110)를 마련한다.(도 2 참조)
다음, 가공단계에서는 라이너(110)의 단부에 일체로 마련되는 보스(120)의 외표면에 요철 패턴(122)을 형성할 수 있다.
그 후, 와인딩단계에서는 요철 패턴(122)을 경유하도록 라이너(110)의 외표면에 보강재(130)를 와인딩할 수 있다.
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.
100 : 압력용기
110 : 라이너
112 : 실린더부
114 : 사이드부
120 : 보스
122 : 요철 패턴
122a: 산부
122b : 골부
130 : 보강재
200 : 압입지그
210 : 압입돌기
300 : 쇼트 볼

Claims (20)

  1. 금속 재질의 보스(boss)를 마련하는 준비단계;
    상기 보스의 외표면에 요철 패턴(concave-convex pattern)을 가공하는 가공단계; 및
    상기 보스를 포함하는 라이너의 외표면에 상기 요철 패턴을 경유하도록 보강재를 와인딩하는 와인딩단계;
    를 포함하는 압력용기 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가공단계에서, 상기 요철 패턴은 상기 보스의 외표면을 소성 변형시켜 형성되는 압력용기 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 요철 패턴은 연속적인 파형(waveform)을 이루도록 교호적(alternation)으로 배치되는 복수개의 산부(crest)와 복수개의 골부(trough)를 포함하는 압력용기 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보스의 외표면에 평행한 기준선으로부터 복수개의 상기 골부의 바닥부까지의 거리는 서로 동일하게 정의되는 압력용기 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 보스의 외표면에 평행한 기준선으로부터 복수개의 상기 산부의 정상부까지의 거리는 서로 동일하게 정의되는 압력용기 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 보스의 외표면에 평행한 기준선으로부터 복수개의 상기 산부 중 적어도 일부의 정상부까지의 거리는 서로 다르게 정의되는 압력용기 제조방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 보스의 외표면으로부터 상기 골부의 바닥부까지의 깊이는 0.04㎜~0.15㎜로 정의되는 압력용기 제조방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 가공단계에서, 상기 요철 패턴은 압입지그의 둘레면에 마련된 압입돌기로 상기 보스의 외표면을 가압하여 형성되는 압력용기 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 압입돌기가 상기 보스의 외표면을 가압하는 중에,
    상기 보스의 외표면을 따른 상기 압입지그의 구름 이동, 상기 라이너의 축선을 중심으로 하는 상기 보스의 회전 중 적어도 어느 하나가 행해지는 압력용기 제조방법.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 가공단계에서, 상기 요철 패턴은 상기 보스의 외표면에 쇼트 볼(shot ball)를 투사하여 형성되는 압력용기 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 보스의 외표면에 상기 쇼트 볼을 투사하는 중에,
    상기 보스는 상기 라이너의 축선을 중심으로 회전하는 압력용기 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 보스는 알루미늄 합금으로 형성되는 압력용기 제조방법.
  13. 단부에 금속 재질의 보스(boss)가 마련된 라이너;
    상기 보스의 외표면에 형성되는 요철 패턴(concave-convex pattern); 및
    상기 요철 패턴을 경유하도록 상기 라이너의 외표면에 와인딩되는 보강재;
    를 포함하는 압력용기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 요철 패턴은 상기 보스의 외표면을 소성 변형시켜 형성되는 압력용기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 요철 패턴은 연속적인 파형(waveform)을 이루도록 교호적(alternation)으로 배치되는 복수개의 산부(crest)와 복수개의 골부(trough)를 포함하는 압력용기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 보스의 외표면에 평행한 기준선으로부터 복수개의 상기 골부의 바닥부까지의 거리는 서로 동일하게 정의되는 압력용기.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 보스의 외표면에 평행한 기준선으로부터 복수개의 상기 산부의 정상부까지의 거리는 서로 동일하게 정의되는 압력용기.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 보스의 외표면에 평행한 기준선으로부터 복수개의 상기 산부 중 적어도 일부의 정상부까지의 거리는 서로 다르게 정의되는 압력용기.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 보스의 외표면으로부터 상기 골부의 바닥부까지의 깊이는 0.04㎜~0.15㎜로 정의되는 압력용기.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 보스는 알루미늄 합금으로 형성되는 압력용기.
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