KR20230033600A - 보스 조립체, 기체저장용기, 및 보스 조립체를 제조하는 방법 - Google Patents

보스 조립체, 기체저장용기, 및 보스 조립체를 제조하는 방법 Download PDF

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KR20230033600A
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조형주
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최병석
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조현덕
최한호
김진현
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Abstract

기체저장용기의 라이너의 길이방향 축선을 따라서 라이너의 개구에 결합되도록 마련된 보스 조립체는, 축선을 따라서 연장된 제1기체출입구를 가진 금속 재질의 본체와; 본체에 결합되며, 제1기체출입구와 연통되도록 축선 상에 배치된 제2기체출입구 및 라이너에 결합되게 마련된 플랜지결합부를 가진 수지 재질의 플랜지부재를 포함하고, 본체에 원호상으로 형성된 물림그루브와, 플랜지부재에 형성되며 물림그루브 내에 삽입되어 맞물리는 물림리브를 포함하는 요철결합부가 마련된다.

Description

보스 조립체, 기체저장용기, 및 보스 조립체를 제조하는 방법 {BOSS ASSEMBLY, GAS STORAGE VESSEL, AND METHOD FOR MANUFACTURING BOSS ASSEMBLY}
본 발명은 라이너에 결합되는 보스 조립체, 이들을 포함하는 기체저장용기, 및 보스 조립체를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 라이너에 보스 조립체를 결합시켰을 때에 라이너 내부의 기체의 유출 방지 구조에 관련된 보스 조립체, 기체저장용기, 및 보스 조립체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
기체저장용기는 그 내부에 기체를 저장하는 실린더 형상의 컨테이너로서, 기체를 필요로 하는 다양한 분야에 적용되고 있는 바, 수소 자동차의 연료전지 시스템이 이러한 분야의 하나의 예시가 될 수 있다. 연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 연료공급 시스템, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 관리 시스템 등을 포함한다. 연료공급 시스템, 즉 수소 공급계에 구비되는 기체저장용기에는 700bar 이상의 고압 압축 수소가 저장되어 있으며, 이 저장된 압축 수소는 기체저장용기의 입구에 장착된 고압 조절기의 온/오프에 따라 고압 라인으로 방출된 후, 시동 밸브와 수소공급 밸브를 거치면서 감압되어 연료전지 스택으로 공급된다.
이 때, 수소 등의 가스는 저장 밀도가 낮기 때문에 기체저장용기에 고압으로 저장하는 것이 효율적이다. 특히, 수소 자동차는 기체저장용기의 탑재 공간이 한정되어 있기 때문에 저장 압력을 고압으로 유지하여 한다. 다만, 고압으로 인한 폭발의 위험을 고려해야 하므로, 기체저장용기의 안전성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 이 때문에, 기체저장용기의 몸체를 형성하는 라이너는 수소의 높은 내압을 견디기 위해 다양한 종료의 보강재료가 적용될 수 있다.
한편, 라이너의 수소 출입구를 형성하는 보스 조립체는 라이너와 별도로 제조하여 라이너에 결합시키게 되는데, 종래에는 O-링, 백업링 등의 실링용 부재를 보스 조립체 및 라이너 사이에 개재하는 방식으로 수소 기밀을 유지하였다. 그러나, 이러한 방식에 의하면, 주요 부품인 보스 조립체 이외에 실링용 부재를 별도 제작하여 이들 간을 조립하여야 하기 때문에 공정이 복잡해지고 그로 인한 인력 및 비용의 증가가 필수적이었다. 또한, 극한 조건에서 실링 부재는 사용 시간이 경과되면 실링 성능이 저하하게 될 수 밖에 없고 따라서, 주기적인 부품 교체가 요구되는 실정이었다.
본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 창안된 것으로서, 간단한 구조에 의해 라이너 내부의 고압 기체가 유출되는 것을 방지하는 구조의 보스 조립체 및 이를 포함하는 기체저장용기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 기체저장용기의 라이너의 길이방향 축선을 따라서 상기 라이너의 개구에 결합되도록 마련된 보스 조립체는, 상기 축선을 따라서 연장된 제1기체출입구를 가진 금속 재질의 본체와; 상기 본체에 결합되며, 상기 제1기체출입구와 연통되도록 상기 축선 상에 배치된 제2기체출입구 및 상기 라이너에 결합되게 마련된 플랜지결합부를 가진 수지 재질의 플랜지부재를 포함하고, 상기 본체에 원호상으로 형성된 물림그루브와, 상기 플랜지부재에 형성되며 상기 물림그루브 내에 삽입되어 맞물리는 물림리브를 포함하는 요철결합부가 마련된다. 이로써, 서로 재질이 상이한 본체 및 플랜지부재 사이의 이종 접합력이 향상된 보스 조립체를 제공하며, 기체 유출이 방지되는 기체저장용기를 제공할 수 있다.
또한, 상기 물림그루브는 그 단면 형상이 상기 본체의 깊이방향을 따라서 폭이 확장되는 도브테일(dove tail) 형상을 가질 수 있다. 이로써, 본체 및 플랜지부재 사이의 결합력을 높일 수 있다.
또한, 상기 물림그루브의 상기 단면 형상의 측방 모서리는 상기 깊이방향의 축선에 대해 20도 내지 40도 사이 범위의 각도로 연장될 수 있다. 이로써, 본체 및 플랜지부재 사이의 결합력을 높이면서도, 수지의 사출 성형 시에 수지가 확산되지 못하는 영역이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 기체저장용기는, 길이방향 축선을 따라서 일측에 개구가 마련된 라이너와; 상기 라이너의 상기 개구에 결합되도록 마련된 보스 조립체를 포함하고, 상기 보스 조립체는, 상기 축선을 따라서 연장된 제1기체출입구를 가진 금속 재질의 본체와; 상기 본체에 결합되며, 상기 제1기체출입구와 연통되도록 상기 축선 상에 배치된 제2기체출입구 및 상기 라이너에 결합되게 마련된 플랜지결합부를 가진 수지 재질의 플랜지부재를 포함하고, 상기 본체에 원호상으로 형성된 물림그루브와, 상기 플랜지부재에 형성되며 상기 물림그루브 내에 삽입되어 맞물리는 물림리브를 포함하는 요철결합부가 마련된다. 이로써, 서로 재질이 상이한 본체 및 플랜지부재 사이의 이종 접합력이 향상된 보스 조립체를 제공하며, 기체 유출이 방지되는 기체저장용기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 기체저장용기의 라이너의 길이방향 축선을 따라서 상기 라이너의 개구에 결합되도록 마련된 보스 조립체의 제조 방법은, 금속을 가공하여 상기 축선을 따라서 연장된 제1기체출입구를 가진 본체를 형성하는 단계와; 상기 본체를 섭씨 140도 내지 160도 사이의 온도 범위로 예열하여 금형 내 사출공간에 장입하는 단계와; 상기 금형의 상기 사출공간에 수지를 주입함으로써, 상기 본체에 결합되며, 상기 제1기체출입구와 연통되도록 상기 축선 상에 배치된 제2기체출입구를 가진 플랜지부재를 형성하는 단계를 포함한다. 이로써, 서로 재질이 상이한 본체 및 플랜지부재 사이의 이종 접합력이 향상된 보스 조립체를 제공하며, 기체 유출이 방지되는 기체저장용기를 제공할 수 있다.
또한, 상기 금속은 알루미늄을 포함하며, 상기 수지는 PA6(Polyamide 6)을 포함할 수 있다. 이로써, 물리적, 화학적 특성이 우수한 기체저장용기를 제공할 수 있다.
또한, 상기 본체가 예열되는 상기 온도 범위는, 상기 수지의 용융점으로부터 상기 용융점의 40 내지 30퍼센트 범위의 온도만큼 낮게 설정될 수 있다. 이로써, 수지를 사출 성형하여 플랜지부재를 형성할 때, 본체 및 플랜지부재 사이의 결합력을 높이고 기체의 유출을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 기체저장용기의 라이너의 길이방향 축선을 따라서 상기 라이너의 개구에 결합되도록 마련된 보스 조립체의 제조장치는, 사출공간을 가진 금형과; 히터와; 상기 축선을 따라서 연장된 제1기체출입구를 가진 금속 재질의 본체를 섭씨 140도 내지 160도 사이의 온도 범위로 예열하도록 상기 히터를 제어하고, 상기 예열된 본체를 상기 금형 내 상기 사출공간에 장입하고, 상기 금형의 상기 사출공간에 수지를 주입함으로써, 상기 본체에 결합되며, 상기 제1기체출입구와 연통되도록 상기 축선 상에 배치된 제2기체출입구를 가진 플랜지부재를 형성하도록 제어하는 제어부를 포함한다. 이로써, 서로 재질이 상이한 본체 및 플랜지부재 사이의 이종 접합력이 향상된 보스 조립체와, 기체 유출이 방지되는 기체저장용기를 제조할 수 있다.
본 발명에 따르면, 라이너 및 보스 결합체 사이에서 기체가 유출되는 것을 간단한 구조에 의해 방지하는 보스 조립체 및 이를 포함하는 기체저장용기를 제공할 수 있다.
도 1은 기체저장용기의 사시도이다.
도 2는 기체저장용기를 축선방향을 따라서 자른 모습의 단면도이다.
도 3은 보스 조립체의 본체의 하측면을 나타내는 평면도이다.
도 4는 요철결합부를 나타내는 요부 단면도이다.
도 5는 보스 조립체의 제조장치의 구성 블록도이다.
도 6은 제조장치가 보스 조립체를 제조하는 방법을 나타내는 플로우차트이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들에 관해 상세히 설명한다. 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 상호 배타적인 구성이 아니며, 하나의 장치 내에서 복수 개의 실시예가 선택적으로 조합되어 구현될 수 있다. 이러한 복수의 실시예의 조합은 본 발명의 기술분야에서 숙련된 기술자가 본 발명의 사상을 구현함에 있어서 임의로 선택되어 적용될 수 있다.
만일, 실시예에서 제1구성요소, 제2구성요소 등과 같이 서수를 포함하는 용어가 있다면, 이러한 용어는 다양한 구성요소들을 설명하기 위해 사용되는 것이며, 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용되는 바, 이들 구성요소는 용어에 의해 그 의미가 한정되지 않는다. 실시예에서 사용하는 용어는 해당 실시예를 설명하기 위해 적용되는 것으로서, 본 발명의 사상을 한정하지 않는다.
또한, 본 명세서에서의 복수의 구성요소 중 "적어도 하나(at least one)"라는 표현이 나오는 경우에, 본 표현은 복수의 구성요소 전체 뿐만 아니라, 복수의 구성요소 중 나머지를 배제한 각 하나 혹은 이들의 조합 모두를 지칭한다.
도 1은 기체저장용기의 사시도이다.
도 2는 기체저장용기를 축선방향을 따라서 자른 모습의 단면도이다.
도 3은 보스 조립체의 본체의 하측면을 나타내는 평면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 기체저장용기(1)는 소정의 길이방향 축선을 중심으로 하는 긴 원통 형상을 가진다. 기체저장용기(1)는 그 내부에 기체를 저장할 수 있는 저장공간을 가지며, 저장공간에 연통되는 개구(1100)가 일측에 형성된다. 본 실시예에서 기체저장용기(1)에서 개구(1100)의 위치는 길이방향 축선 상에 위치하지만, 반드시 개구(1100)가 해당 축선 상에 배치되어야만 하는 것은 아니다. 상기한 개구(1100)를 통해 저장공간으로 기체가 장입될 수 있으며 또는 저장공간으로부터 기체가 배출될 수 있다. 기체저장용기(1)가 적용되는 분야 및 기체저장용기(1)에 저장되는 기체의 종류는 한정되지 않는다. 한 가지 예시로서, 기체저장용기(1)는 수소 자동차에 적용되며 적어도 700bar 이상의 고압 수소가 저장되도록 마련될 수 있다.
기체저장용기(1)는 라이너(1000)를 포함한다. 라이너(1000)는 기체저장용기(1)의 몸체 또는 본체를 이루며, 앞서 언급한 기체저장용기(1)의 저장공간 및 개구(1100)는 라이너(1000)에 마련된다. 라이너(1000)는 내구성, 내충격성, 내화성 등의 다양한 특성이 요구되는 바, 이를 충족하기 위해 라이너(1000)는 다양한 재질의 소재로 마련될 수 있다. 예를 들어, 라이너(1000)는 알루미늄, 스틸 등의 금속 재질로 제조될 수 있다. 또는, 라이너(1000)는 금속 재질로 제조되며, 그 외주면이 유리섬유 복합재료에 의해 보강될 수 있다. 또는, 본 실시예와 같이 라이너(1000)는 고밀도 플라스틱 등의 비금속 재질로 제조될 수 있다. 비금속 재질의 라이너(1000)는 무게가 상대적으로 가볍기 때문에, 수소 자동차에 설치되는 기체저장용기(1)에 적용된다.
기체저장용기(1)는 보스 조립체(2000)를 포함한다. 보스 조립체(2000)는 기체저장용기(1)의 기체출입구를 형성하며, 라이너(1000)의 길이방향 축선 상에 마련된 개구(1100)와 연통되도록 라이너(1000)에 결합된다. 기체저장용기(1)는 보스 조립체(2000)가 라이너(1000)에 열융착된 이후, 보스 조립체(2000) 및 라이너(1000)의 외주면이 함께 탄소섬유(3000) 복합재료에 의해 둘러쌓이게 보강됨으로써 제조된다. 보스 조립체(2000)는 라이너(1000)와 별도의 부품으로 제조된 이후에 결합되는 구성으로서, 라이너(1000) 내의 고압 수소가 새어나가지 않도록 하기 위한 실링 구조가 요구된다.
보스 조립체(2000)는 본체(2100)와, 본체(2100)에 결합된 플랜지부재(2200)(flange member)를 포함한다. 본체(2100) 및 플랜지부재(2200)는 각각 상이한 재질로 마련되며, 이종 결합에 의해 보스 조립체(2000)를 이룬다. 본체(2100)는 금속 재질, 예를 들면 알루미늄을 포함한다. 플랜지부재(2200)는 수지 재질, 예를 들면 PA6(Polyamide 6)를 포함한다. PA6는 폴리아마이드의 특징적인 아마이드기(NHCO)를 분자쇄에 가지고 있는 물질로서, 카프로락탐(Caprolactam)을 이용하여 개환중합을 통해서 만들어진다. PA6는 기계적 강도, 내열성, 내약품성, 내오일성, 성형성, 내마모성이 우수한 특징을 가진다.
본 실시예에서 본체(2100) 및 플랜지부재(2200) 각각의 재질은, 적용 가능한 여러 금속 또는 수지 중에서 한 가지 예시일 뿐이며, 설계 방식에 따라서 본 실시예에서의 예시와 다른 종류의 금속 또는 수지가 적용될 수 있다. 보스 조립체(2000)에 관한 자세한 설명, 그리고 다른 종류의 재질을 적용하여 보스 조립체(2000)를 제조하는 경우의 관한 설명은 후술한다.
보스 조립체(2000)는 라이너(1000)의 상측에 라이너(1000)의 개구(1100)를 커버하도록 배치된다. 보스 조립체(2000)의 플랜지부재(2200)의 하측면이 라이너(1000)의 상측면의 일 영역(1200)에 열융착됨으로써 보스 조립체(2000)는 라이너(1000)에 결합된다. 본 실시예의 라이너(1000)는 플랜지부재(2200)와 동일한 PA6 재질을 포함하는 바, 플랜지부재(2200)와 열융착이 가능하다. 이와 같이 보스 조립체(2000) 및 라이너(1000)가 결합된 상태에서, 보스 조립체(2000) 및 라이너(1000)의 외주면이 탄소섬유(3000)로 둘러싸임으로써 기체저장용기(1)의 강도가 보강된다. 라이너(1000)의 재질은 PA6에 한정되지 않고 플랜지부재(2200)의 재질과 동일한 수지로 마련될 수도 있고, 상이한 경우에라도 플랜지부재(2200)와 물리적, 화학적 특성이 유사한 재질로 마련된다.
보스 조립체(2000)는 금속 재질의 본체(2100)와, 본체(2100)에 결합된 PA6 재질의 플랜지부재(2200)를 포함한다. 본체(2100) 및 플랜지부재(2200)는 라이너(1000)의 길이방향 축선(이하, '축선'으로 지칭)을 따라서 배치된다. 본체(2100) 및 플랜지부재(2200)는, 축선을 중심으로 회전하여 형성되는 회전체의 형상을 가진다.
본체(2100)는 축선을 따라서 연장된 제1기체출입구(2110)를 가진다. 제1기체출입구(2110)는 내측면의 일 영역에 나사 결합을 위한 나사산(2120)을 가지며, 제1기체출입구(2110)에 연결되는 외부 파이프 또는 마개 등이 나사결합되도록 마련된다. 본체(2100)의 하측면(도 4), 즉 본체(2100)에서 라이너(1000)를 향하는 방향의 판면이자, 플랜지부재(2200)의 상판면을 마주하는 판면은, 그 중앙에 제1기체출입구(2110)가 형성된 원판 형상을 가진다.
플랜지부재(2200)는 축선을 따라서 연장된 제2기체출입구(2210)를 가진다. 제2기체출입구(2210)는 제1기체출입구(2110) 및 라이너(1000)의 개구(1100)와 연통됨으로써, 기체저장용기(1)의 출입구를 형성한다. 플랜지부재(2200)의 상판면은 본체(2100)의 하측면에 접촉한다. 축선의 반경방향을 따른 플랜지부재(2200)의 외경(최외곽 둘레)은 본체(2100)의 외경보다 크다. 플랜지부재(2200)는 제2기체출입구(2210)를 중심으로 한 원판 형상을 가지며, 이 원판의 하측면에 형성된 플랜지결합부(2220)를 포함한다. 플랜지결합부(2220)는 개구(1100)를 형성하는 라이너(1000)의 상측에 열융착 결합됨으로써, 보스 조립체(2000)가 라이너(1000)에 결합되도록 한다.
보스 조립체(2000)에는 고압의 기체가 유출되지 않도록 기밀을 유지하는 것이 요구된다. 따라서, 본체(2100) 및 플랜지부재(2200) 사이는, 단순히 상호 지지되는 정도가 아니라, 기밀을 유지할 수 있도록 견고하게 결합될 필요가 있다. 이를 위해, 보스 조립체(2000)는 본체(2100) 및 플랜지부재(2200)에 마련된 요철결합부(2300)를 포함한다. 또한, 보스 조립체(2000)의 제조 시에 본체(2100) 및 플랜지부재(2200) 사이의 결합력 향상을 위한 본체(2100)의 예열 방법이 적용될 수 있는데, 이에 관해서는 후술한다.
도 4는 요철결합부를 나타내는 요부 단면도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 요철결합부(2300)는, 본체(2100)의 하측면 상에 축선을 중심으로 원호상으로 형성된 복수의 물림그루브(2310)와, 플랜지부재(2200)의 상판면 상에 형성되며 복수의 물림그루브(2310) 각각에 삽입되어 맞물리는 복수의 물림리브(2320)를 포함한다. 본 실시예에서는 요철결합부(2300)가 네 개의 물림그루브(2310)와 이에 대응하는 네 개의 물림리브(2320)를 포함하는 경우를 나타내고 있지만, 물림그루브(2310) 및 물림리브(2320)의 개수, 간격, 상호 이격된 위치 등은 본 실시예만으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 물림그루브(2310) 및 물림리브(2320)는 하나씩만 마련될 수도 있다. 요철결합부(2300)가 복수의 물림그루브(2310)를 포함하는 경우, 복수의 물림그루브(2310)는 동심원 형태로 배치된다(도 4 참조).
물림그루브(2310)가 형성된 본체(2100)의 하측면은 평탄면이 아니며, 일부 영역이 곡면을 형성한다. 따라서, 복수의 물림그루브(2310) 중 적어도 일부의 함몰된 방향은 나머지의 함몰된 방향과 상이하게 마련된다. 이는 보스 조립체(2000)에 본체(2100) 및 플랜지부재(2200)를 분리시키고자 하는 외력이 작용하는 경우에, 이 외력을 분산시키는 역할을 한다.
물림그루브(2310)는 그 단면 형상이 본체(2100)의 깊이방향, 즉 함몰된 방향을 따라서 폭이 확장되는 도브테일(dove tail) 형상을 가진다. 축선을 따라서 보스 조립체(2000)를 자른 단면에서, 물림그루브(2310)의 단면은 사다리꼴을 뒤집어 놓은 형상을 나타낸다. 물림그루브(2310)의 단면은, 본체(2100)의 깊이방향에 있는 내측모서리(2311), 본체(2100)의 하측면에 의해 형성되는 입구(2312), 내측모서리(2311) 및 입구(2312)를 연결하는 두 측방모서리(2313)로 이루어진다. 여기서, 내측모서리(2311)의 폭은 입구(2312)의 폭보다 길게 마련된다. 이로써, 본체(2100) 및 플랜지부재(2200) 사이의 결합이 보다 견고해진다.
물림리브(2320)는 물림그루브(2310)에 맞물리도록 결합되는 구성이므로, 물림그루브(2310)의 형상, 각 부분의 수치, 배치되는 위치 등에 대응하게 마련된다.
물림그루브(2310)의 각 부분의 수치는 설계 변경이 가능한 사항이므로 특정한 수치로 한정되지는 않는다. 도 5에 도시된 바와 같이 한 가지 예시를 들면, 축선을 따른 보스 조립체(2000)의 최대길이가 10.8 (이후 단위는 cm), 축선의 반경방향을 따른 보스 조립체(2000)의 최대 직경이 20.9일 때, 내측모서리(2311)의 폭은 4.44, 입구(2312)의 폭은 2.66, 내측모서리(2311) 및 입구(2312) 사이의 간격은 1.54로 마련된다. 내측모서리(2311) 및 측방모서리(2313) 사이, 또는 입구(2312) 및 측방모서리(2313) 사이는 라운드지게 형성될 수 있는데, 예를 들어 직경 0.3의 곡률로 라운드지게 마련될 수 있다.
내측모서리(2311) 및 측방모서리(2313) 사이의 각도는 50도 내지 70도 사이의 범위로 마련된다. 즉, 축선에 대한 측방모서리(2313)의 각도는 20도 내지 40도 사이의 범위로 마련된다. 축선에 대한 측방모서리(2313)의 각도가 20도보다 낮으면, 요철결합부(2300)의 의한 결합의 견고성이 저하된다. 반면에, 축선에 대한 측방모서리(2313)의 각도가 40도보다 크면, 후술하겠지만 보스 조립체(2000)의 제조를 위한 사출공정 시에 사출된 수지가 미치지 못하는 영역이 발생할 수 있다. 상기한 각도 범위는, 요철결합부(2300)에 의한 결합의 견고성 및 플랜지부재(2200)의 사출 성형의 정확성의 요건들을 모두 충족할 수 있는 범위이다.
이하, 본 실시예에 따른 보스 조립체(2000)를 제조하는 방법에 관해 설명한다.
도 5는 보스 조립체의 제조장치의 구성 블록도이다.
도 1 및 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 보스 조립체(2000)를 제조하기 위한 제조장치(100)는 단조장치(110), 열처리장치(120), 가공장치(130), 표면처리장치(140), 사출장치(150)를 포함한다. 제조장치(100)는 본 실시예에서 설명하는 장치들 이외에도, 공정에 필요한 다양한 여러 하위 장치 및 장비들을 포함할 수 있다.
단조장치(110)는 알루미늄 소재를 단조하여 본체(2100)를 형성한다. 단조장치(110)는 실린더 형상의 알루미늄 소재를 프레스를 사용하여 단조를 수행한다.
열처리장치(120)는 단조된 본체(2100)에 대해 열처리를 수행한다. 예를 들어, 열처리장치(120)는 섭씨 500도 내지 525도의 온도 범위에서 본체(2100)를 간고용체(solid solution) 상태로 유지하는 용체화 처리(solution treatment)와, 본체(2100)를 물을 이용하여 급냉하는 수냉처리(water quenching)와, 섭씨 150도 내지 180도 온도 범위서 3시간 내지 8.5시간 동안 방치하는 시효처리(aging treatment) 공정을 수행한다.
가공장치(130)는 연마장비, 3차원 측정기, 형상 및 조도 측정기 등을 포함하고, 본체(2100)의 요구되는 세부 수치 및 형상으로 본체(2100)의 표면을 미세 가공한다.
표면처리장치(140)는 가공된 본체(2100)의 표면 처리를 수행한다. 표면처리장치(140)는 예를 들어 양극산화 공정설비를 포함한다. 표면처리장치(140)는 예를 들어 본체(2100)를 염기성 용액 및 산성 용액에 번갈아서 담금질한 이후 수세하는 전치리 공정, 트리아진 티올 소듐(Triazine Thiol Sodium; TTN) 및 황산의 혼합용액에 본체(2100)를 담그고 전기분해하는 TTN 전해중합 공정, 본체(2100)를 세척 및 건조하는 건조 공정을 수행한다.
사출장치(150)는 PA6를 사용하여 본체(2100)에 결합된 플랜지부재(2200)를 생성함으로써 보스 조립체(2000)를 제조한다.
사출장치(150)는 금형(151)을 포함한다. 금형(151)은 보스 조립체(2000)의 외형에 대응하는 공간을 가진 금속 재질의 형틀로서, 해당 공간에 본체(2100)가 수용된 상태에서 액상의 PA6가 주입되어 퍼짐으로써 본체(2100)에 결합된 플랜지부재(2200)를 제조하도록 마련된다. 금형(151)의 형태 또는 방식은 한정되지 않으며, 예를 들면 금형(151)은 지면에 고정된 제1형틀과, 제1형틀에 대해 이동 가능한 제2형틀을 포함한다. 제1형틀 및 제2형틀이 접촉하여 공간을 형성한 상태에서 PA6가 주입된 후, PA6의 고형이 완료된 후 제2형틀이 이동하여 금형(151)으로부터 보스 조립체(2000)를 분리할 수 있도록 마련된다.
사출장치(150)는 사출부(152)를 포함한다. 사출부(152)는 액상의 PA6를 저장하는 저장탱크, 저장탱크 및 금형을 연결하는 유로관, 저장탱크 내의 PA6가 유로관을 통해 금형으로 이동하도록 펌핑하는 펌프 등을 포함한다. 사출부(152)는 제어부(154)의 제어에 따라서 금형(151) 내의 공간에 PA6를 필요한 양만큼 사출한다.
사출장치(150)는 히터(153)를 포함한다. 히터(153)는 금형(151)에 장입하기 이전 단계에서 본체(2100)를 기 설정된 온도 범위로 예열한다. 또한, 히터(153)는 사출부(152) 및 금형(151)에 마련되어, 제어된 온도로 금형(151)의 예열을 수행한다. 히터(153)에 의한 본체(2100)의 예열 온도 범위에 관해서는 후술한다.
사출장치(150)는 제어부(154)를 포함한다. 제어부(154)는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 칩셋 등의 하드웨어 회로로 구현되며, 히터(153) 및 사출부(152) 등의 구동을 비롯한 사출장치(150)의 제반 동작을 지시 및 제어한다.
이하, 제조장치(100)가 보스 조립체(2000)를 제조하는 구체적인 방법에 관해 설명한다.
도 6은 제조장치가 보스 조립체를 제조하는 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 210 단계에서 제조장치(100)는 금속, 예를 들면 알루미늄을 가공하여 본체(2100)를 형성한다. 210 단계는 제조장치(100)의 하위 장치들 중에서 단조장치(110), 열처리장치(120), 가공장치(130) 및 표면처리장치(140)에 의해 수행된다.
220 단계에서 제조장치(100)는 히터(153)를 제어하여 본체(2100)를 섭씨 140도 내지 160도 사이의 온도 범위로 예열한다. 220 단계 이하의 공정은 제조장치(100)의 하위 장치들 중에서 사출장치(150)에 의해 수행된다.
230 단계에서 제조장치(100)는 금형(151) 내 사출공간에 예열된 본체(2100)를 장입한다. 이 때, 제조장치(100)는 히터(153)를 제어하여 금형(151)을 예를 들어 섭씨 80도 내지 90도 사이의 온도 범위로 예열한다.
240 단계에서 제조장치(100)는 금형(151) 내 사출공간에 수지, 예를 들어 PA6를 사출하여 플랜지부재(2200)를 형성한다.
250 단계에서 제조장치(100)는 금형(151)으로부터 보스 조립체(2000)를 분리한다.
이로써, 제조장치(100)는 본체(2100) 및 플랜지부재(2200)가 이종 접합된 보스 조립체(2000)를 제조할 수 있다.
본체(2100)는 알루미늄 이외에 다양한 금속 재질로 마련될 수 있고, 플랜지부재(2200) 또한 PA6 이외에 다양한 수지, 예를 들면 PA66, PA12, PA13, PA63, PA6C 등의 다양한 종류의 엔지니어링 플라스틱 재질로 마련될 수 있다. 다만, 220 단계에서의 예열되는 온도 범위는, 본체(2100)에 결합될 플랜지부재(2200)의 재질인 수지의 용융점으로부터, 해당 용융점의 40 내지 30퍼센트 범위의 온도만큼 낮게 설정된다. 금형(151) 내 사출공간에 수지를 사출하였을 때, 장입되어 있던 본체(2100)는 그 금속 재질로 인해 사출공간에서의 수지가 고형되는 것에 영향을 주게 된다(특히, 알루미늄은 열전도율이 높음). 이는 결과적으로 본체(2100) 및 플랜지부재(2200) 사이의 결합의 견고함에 영향을 미친다. 이러한 점을 고려하여, 수지의 용융점을 고려한 온도 범위로 본체(2100)를 예열시킨 후에 금형(151)에 장입하고, 수지를 사출함으로써, 상기한 결합의 견고함이 보장될 수 있도록 한다.
예를 들어 수지가 PA6인 경우, PA6의 용융점은 섭씨 225도이다. 섭씨 225도의 40%는 90도, 30%는 68도이므로, 본체(2100)가 예열되는 온도 범위는 (225-90)=135도 내지 (225-68)=157도로서, 대략 140도 내지 160도 범위가 된다.
예를 들어 수지가 PA66인 경우, PA66의 용융점은 섭씨 260도이다. 섭씨 260도의 40%는 104도, 30%는 78도이므로, 본체(2100)가 예열되는 온도 범위는 (260-104)=156도 내지 (260-78)=182도로서, 대략 160도 내지 180도 범위가 된다.
예를 들어 수지가 PA12인 경우, PA12의 용융점은 섭씨 180도이다. 섭씨 180도의 40%는 72도, 30%는 54도이므로, 본체(2100)가 예열되는 온도 범위는 (180-72)=108도 내지 (180-54)=126도로서, 대략 110도 내지 130도 범위가 된다.
동일한 원리에 따라서, 다른 종류의 엔지니어링 플라스틱을 사용하는 경우에도 본체(2100)의 예열 온도 범위를 판단할 수 있다.
한편, PA6를 사용하여 플랜지부재(2200)를 생성하는 경우에, 예열 온도를 예를 들어 상호 비교를 위해 각각 130도, 150도, 180도, 200도로 하는 경우를 고려한다. 네 가지 경우 모두 제조가 끝난 시점에서는 외관상 차이가 나타나지 않는다. 그러나, 대략 24시간이 경과한 이후에는 각 예열 온도의 케이스 별로 차이가 발생한다. 예열 온도 조건이 130도인 케이스에서는 본체(2100)로부터 플랜지부재(2200)가 박리되는 현상이 발생한다. 예열 온도 조건이 180도인 케이스 및 200도인 케이스에서는 PA6의 수축으로 인해 본체(2100)에 대한 플랜지부재(2200)의 부착력이 저하됨으로써, 수소의 유출이 발생한다. 150도인 케이스에서는 정상적으로 본체(2100) 및 플랜지부재(2200)가 접착 상태를 유지하며 수소의 유출도 발생하지 않는다.
이와 같이, 제조장치(100)는 플랜지부재(2200)의 재질에 따라서 본체(2100)의 예열 온도 범위를 제어함으로써, 본체(2100) 및 플랜지부재(2200) 사이의 접착력이 강화된 보스 조립체(2000)를 제조할 수 있다.
1 : 기체저장용기
1000 : 라이너
2000 : 보스 조립체
2100 : 본체
2200 : 플랜지부재
2300 : 요철결합부
2310 : 물림그루브
2320 : 물림리브

Claims (7)

  1. 기체저장용기의 라이너의 길이방향 축선을 따라서 상기 라이너의 개구에 결합되도록 마련된 보스 조립체에 있어서,
    상기 축선을 따라서 연장된 제1기체출입구를 가진 금속 재질의 본체와;
    상기 본체에 결합되며, 상기 제1기체출입구와 연통되도록 상기 축선 상에 배치된 제2기체출입구 및 상기 라이너에 결합되게 마련된 플랜지결합부를 가진 수지 재질의 플랜지부재를 포함하고,
    상기 본체에 원호상으로 형성된 물림그루브와, 상기 플랜지부재에 형성되며 상기 물림그루브 내에 삽입되어 맞물리는 물림리브를 포함하는 요철결합부가 마련된 보스 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 물림그루브는 그 단면 형상이 상기 본체의 깊이방향을 따라서 폭이 확장되는 도브테일(dove tail) 형상을 가지는 보스 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 물림그루브의 상기 단면 형상의 측방 모서리는 상기 깊이방향의 축선에 대해 20도 내지 40도 사이 범위의 각도로 연장된 보스 조립체.
  4. 기체저장용기에 있어서,
    길이방향 축선을 따라서 일측에 개구가 마련된 라이너와;
    상기 라이너의 상기 개구에 결합되도록 마련된 보스 조립체를 포함하고,
    상기 보스 조립체는,
    상기 축선을 따라서 연장된 제1기체출입구를 가진 금속 재질의 본체와;
    상기 본체에 결합되며, 상기 제1기체출입구와 연통되도록 상기 축선 상에 배치된 제2기체출입구 및 상기 라이너에 결합되게 마련된 플랜지결합부를 가진 수지 재질의 플랜지부재를 포함하고,
    상기 본체에 원호상으로 형성된 물림그루브와, 상기 플랜지부재에 형성되며 상기 물림그루브 내에 삽입되어 맞물리는 물림리브를 포함하는 요철결합부가 마련된 기체저장용기.
  5. 기체저장용기의 라이너의 길이방향 축선을 따라서 상기 라이너의 개구에 결합되도록 마련된 보스 조립체의 제조 방법에 있어서,
    금속을 가공하여 상기 축선을 따라서 연장된 제1기체출입구를 가진 본체를 형성하는 단계와;
    상기 본체를 섭씨 140도 내지 160도 사이의 온도 범위로 예열하여 금형 내 사출공간에 장입하는 단계와;
    상기 금형의 상기 사출공간에 수지를 주입함으로써, 상기 본체에 결합되며, 상기 제1기체출입구와 연통되도록 상기 축선 상에 배치된 제2기체출입구를 가진 플랜지부재를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속은 알루미늄을 포함하며, 상기 수지는 PA6(Polyamide 6)을 포함하는 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 본체가 예열되는 상기 온도 범위는, 상기 수지의 용융점으로부터 상기 용융점의 40 내지 30퍼센트 범위의 온도만큼 낮게 설정되는 방법.
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