KR20230041869A - 압력용기용 인서트 보강 라이너 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중공이 형성된 실린더부; 및 상기 실린더부의 적어도 어느 하나의 단부에 배치되는 인서트부;를 포함하고, 상기 실린더부와 상기 인서트부는 회전성형으로 결합된 것을 특징으로 하는 인서트 보강 라이너를 제공한다.

Description

압력용기용 인서트 보강 라이너 및 이의 제조방법{INSERT REINFORCED LINER FOR HIGH PRESSURE VESSEL AND MAKING METHOD THE SAME}

본 발명은 인서트 보강 라이너 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 회전성형으로 제조되는 라이너의 단부가 보강된 압력용기용 인서트 보강 라이너 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 타입IV 압력용기를 제작할 때 플라스틱 재질의 라이너와 메탈재질의 보스가 접합되어 있는 원통형 구조에 탄소섬유에 에폭시가 함침되어 있는 섬유를 와인딩하여 용기를 제작한다.

상기 라이너는 가볍고 강한 고분자 수지(폴리에틸렌, 폴리아미드 등)를 이용하여 제조되며 이때 라이너는 사출공정, 블로우 몰딩, 회전성형(Rotational Moding) 등으로 형성된 이후에 금속 재질 보스 결합되고, 라이너 성형 시 보스가 함께 인서트 되어 형성될 수 있다.

한편 라이너 제조 과정 중 회전성형은 성형과정이 단순하고 고용량 압력용기용 라이너를 제조하기 용이하나, 회전성형 시 종횡비가 큰 라이너의 경우 끝단부에 복잡한 형상이 요구되는 경우에 성형용 파우더가 회전성형용 금형의 끝단부에 잘 채워지지 않아서 불량품이 제조되거나 라이너의 두께가 균일하지 않아서 제품의 강도를 감소시킬 수 있으며, 이를 해결하기 위해서는 과도한 라이너 제조용 수지가 요구되어 경량화에 문제가 있으며 제조비용도 증가되는 문제가 있다.

한국 등록특허공보 제10-1888368호에서 폴리에틸렌 라이너에 복합재료를 와인딩한 가스용기의 체결구조와 그 제조방법을 개시하며, 라이너의 하측 홈부에 돌출부를 추가하는 구성을 개시하나, 회전성형 돌출부를 추가하는 구성으로 회전성형으로 라이너의 종단부의 복잡한 형상을 부여하여 라이너의 기계적 강도를 증가시킬 수 있는 구성은 개시되지 않는다.

본 발명의 목적은 회전성형 시 라이너 형성용 파우더가 용융된 후 용융액이 금형 끝단부에 도달하지 못하여 라이너 단부의 형상이 제한되고 불량이 발생되어 라이너의 강도가 감소되는 것을 개선하기 위하여 복잡한 형상을 가지는 인서트부를 라이너 단부에 배치하고 회전성형하여 라이너 전체의 기계적 강도가 개선되고, 보스체결 편의성의 증가되며, 고압 가스 충·방전 시 라이너의 급격한 변형에 따른 파손을 방지할 수 있는 라이너를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 적어도 하나의 단부에 복잡한 형태의 인서트를 미리 형성하고 금형에 인서트를 배치하여 회전 성형하여 보다 복잡한 형태의 단부의 형상 가지는 라이너의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

1. 본 발명의 하나의 관점은 압력용기용 인서트 보강 라이너에 관한 것이다.

상기 인서트 보강 라이너는 중공이 형성된 실린더부; 및 상기 실린더부의 적어도 어느 하나의 단부에 배치되는 인서트부;를 포함하고, 상기 실린더부와 상기 인서트부는 회전성형으로 결합된 것을 특징을 할 수 있다.

2. 상기 1구체예에서, 상기 실린더부의 직경에 대한 길이의 비는 1 : 1~ 5일 수 있다.

3. 상기 1 또는 2 구체예에서, 상기 실린더부는 폴리올레핀계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리아미드계 수지 및 이들의 중공합체 중 어느 1종 이상일 수 있다.

4. 상기 1 내지 3 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 인서트부는 포트와 돔을 포함하며, 고분자 수지에 강화섬유가 함침되어 사출성형으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

5. 상기 4 구체예에서, 상기 강화섬유는 상기 고분자 수지에 불규칙하게 비방향성으로 분산된 것일 수 있다.

6. 상기 4 구체예에서, 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 혼합물 중 1 종 이상을 5 내지 20wt%로 포함할 수 있다.

7. 상기 4 구체예에서, 상기 강화섬유는 평균 길이가 1 내지 4mm일 수 있다.

8. 상기 4 구체예에서, 상기 포트 외주면에 나사산을 구비할 수 있다.

9. 상기 1 내지 8 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 인서트부는 금속재질의 포트와 고분자 수지로 이루어진 돔을 포함하며, 인서트 사출 성형으로 형성될 수 있다.

10. 상기 9 구체예에서, 상기 금속재질은 스테인리스강 또는 알루미늄합금강 일 수 있다.

11. 상기 4 또는 9 구체예에서, 상기 돔의 직경은 실린더의 최대 직경 대비 50 내지 80%일 수 있다.

12. 본 발명의 다른 관점은 압력용기용 인서트 보강 라이너의 제조방법에 관한 것이다.

상기 인서트 보강 라이너 제조방법은 (a) 인서트부를 제조하는 단계;

(b) 상기 인서트부를 회전성형 금형 내에 배치하고, 수지 파우더를 충전한 후 가열하고 회전하여 라이너를 성형하는 단계; 및

(c) 상기 금형을 분리하여 인서트부를 포함하는 상기 라이너를 취출하는 단계;를 포함한다.

13. 상기 12 구체예에서, 상기 (a) 단계에서, 상기 인서트부는 고분자 수지에 강화섬유가 함침되어 사출 성형으로 형성될 수 있다.

14. 상기 13 구체예에서, 상기 (b) 단계에서, 상기 고분자 수지는 폴리올레핀계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리아미드계 수지 및 이들의 중공합체 중 어느 1종 이상이 80 내지 95wt%으로 포함되고, 상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 혼합물 중 어느 1 종 이상이 5 내지 20wt%로 포함될 수 있다.

15. 상기 12구체예에서, 상기 (a) 단계에서, 상기 인서트부는 금속재질의 포트와 고분자 수지로 이루어진 돔이 인서트 사출 성형될 수 있다.

16. 상기 12 내지 15 중 어느 한 구체예에서, 상기 (b)단계에서 상기 가열은 200 내지 280℃에서 20 내지 35 분간 수행될 수 잇다.

17. 상기 12 내지 16 중 어느 한 구체예에서, 상기 (b)단계에서 상기 금형의 회전은 중심선이 교차하는 메이저축과 마이너축의 회전에 의해 라이너의 두께가 조절되며, 상기 메이저축에 대한 마이너축의 회전 비율은 1 : 1 ~ 4 : 1 일 수 있다.

18. 본 발명의 또 다른 관점은 상기 인서트 보강 라이너를 포함하는 압력 용기에 관한 것이다.

상기 압력용기는 상기 인서트 보강 라이너; 상기 인서트 보강 라이너에 체결되는 보스부; 및

상기 보강 라이너 상부에 형성된 복합재층;을 포함한다.

본 발명에 따른 인서트 보강 라이너는 적어도 하나의 단부에 복잡한 형상을 가지는 인서트부를 배치하여 회전성형으로 성형하기 어려운 복잡하고 다양한 형태를 가지는 라이너를 회전성형으로 제조할 수 있다. 인서트부의 강도가 증가되어 전체 라이너의 기계적 물성이 증가되어 고압의 압력 가스의 충방전시 라이너의 파손을 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 관점에 따른 인서트 보강 라이너 제조방법은 종래 회전성형으로는 라이너의 종횡비가 큰 경우 양단부에 보다 복잡한 형상을 가지는 라이너를 제조할 수 없으나, 강도가 증가된 인서트부를 미리 제조하고, 인서트부를 회전성형의 금형에 배치하여 회전 성형하는 방법으로 인서트가 보강된 라이너를 한 번에 제조할 수 있기 때문에 종횡비가 증가되고 제조효율이 증가될 뿐만 아니라 라이너에 파팅라인(Parting Line)이 형성되지 않아서 라이너의 전체 두께를 균일하게 하여 물성을 증가시키면서 다양한 형태의 끝단부를 배치하여 보스와 체결 또한 용이한 라이너를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 인서트가 보강된 라이너의 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 인서트가 보강된 라이너의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 구체예에 따른 인서트의 사시도이다.
도 4는 도 3에 따른 인서트의 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 인서트가 보강된 라이너를 인서트 방향에서 바라본 정면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 관점에 따른 인서트 보강 라이너 제조방법의 공정순서도이다.
도 7은 본 발명의 다른 관점에 따른 인서트 보강 라이너 제조방법에 있어서, 메이저축과 마이너축을 나타낸 모식도이다.

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.

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.

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.

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.

~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.

'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.

본 명세서에서, 수치범위를 나타내는 "a 내지 b"는 "≥a 이고 ≤b"으로 정의한다.

이하, 도면을 참조하면, 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 인서트가 보강된 라이너의 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 인서트가 보강된 라이너의 측단면도이며, 도 3은 본 발명의 다른 구체예에 따른 인서트의 사시도이고, 도 4는 도 3에 따른 인서트의 측단면도이며, 도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 인서트가 보강된 라이너를 인서트 방향에서 바라본 정면도이다.

도 1 내지 5을 참조하면, 본 발명의 하나의 관점은 인서트 보강 라이너에 관한 것이다.

상기 라이너(1000)는 실린더부(100) 및 인서트부(200)를 포함하다.

상기 실린더부(100)는 중공(110)이 형성된다. 구체적으로 상기 실린더부(100)는 튜브 형태의 외주로 형성될 수 있으며, 내측에 수소와 같은 고압가스를 보관하는 공간을 제공한다.

한 구체예에서, 상기 라이너(1000)는 회전성형으로 형성되어 중공(110)을 구비한다.

상기 라이너(1000)가 회전성형으로 형성되는 경우 금형 제조비용이 낮고, 전체 라이너가 하나의 몸체를 형성하여 파팅 라인(Parting Line)이 형성되지 않으며, 빠르게 대량 생산할 수 있는 장점이 있으나, 라이너의 형상에 따라 종단비가 증가되는 경우, 구체적으로 라이너의 직경(D) 대비 길이(L)가 과도하게 증가된 경우에는 회전성형 조건, 즉 축회전 RPM, 가열온도, 성형시간 등을 조절하여도 양단부에 원료 수지가 균일하게 전달되지 못하는 경우가 발생되며, 이때 라이너 끝단부 부위의 두께가 일정하지 않아서 내부 압력에 대한 취약점이 형성된다. 또한 나사산과 같이 2개 이상의 다각면을 가지는 기하학적 형태로 복잡한 형상을 가지는 단부를 형성하기 어렵다.

한 구체예에서, 상기 실린더부(100)의 직경에 대한 길이의 비는 1 : 1 ~ 5일 수 있다.

상기 직경(D)에 대한 길이의 비(L)가 1 미만인 경우 따른 회전성형 시 양단부에 형상이 복잡해지는 경우에 원료인 고분자 수지 분포 문제가 발생될 가능성이 낮으며, 상기 길이의 비가 5를 초과하는 경우에는 메이저축과 마이너축을 이용하는 2축 회전성형에 있어서 축의 회전 비율을 조절하기 용이하지 않다.

상기 라이너(1000) 전체가 회전성형으로 형성되는 경우 회전성형의 특징 상 라이너의 끝단부에 2개 이상의 다각면을 가지는 복잡한 형상을 형성하기 어려울 뿐만 아니라 단부가 형성된 부위, 즉 2개 이상의 선이 만나는 모서리에 회전성형 원료인 수지가 집중되어 라이너가 일정한 두께로 형성되지 못하는 문제가 발생될 수 있기 때문에 회전성형 시 라이너의 끝단부의 형태를 개선하는 방법이 필요하다.

상기 인서트부(200)는 상기 실린더부(100)의 적어도 어느 하나의 단부에 배치된다. 구체적으로 상기 인서트부(200)는 상기 실린더부(100)의 어느 일단에 배치될 수 있고, 상기 실린더부(100)의 양단에 배치되는 것도 가능하다.

상기 인서트부(200)는 상기 실린더부(100)를 개방하거나 폐쇄할 수 있으며, 상기 인서트부(200)는 상기 실린더부(100) 내부로 압력 가스를 유입시키거나 배출시킬 수 있는 통로를 제공한다.

상기 인서트부(200)가 구비되어 상기 인서트 보강 라이너(1000)는 가스 저장용 압력용기에 사용이 가능하다.

한 구체예에서, 상기 실린더부(100)는 폴리올레핀계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리아미드계 수지 및 이들의 중공합체 중 어느 1종 이상일 수 있다. 예를 들면 PA 또는 HDPE인 것이 바람직하다.

상기 종류의 수지는 열가소성 수지로 회전성형을 위한 금형 내에서 파우더를 유입시킨 후 가열만으로 액상으로 변화될 수 있으며, 금형의 회전으로 금형 내부면에 분산되어 변화시켜 금형 형상에 따라 라이너를 형성할 수 있다.

상기 종류의 열가소성 수지로 라이너를 제조하는 것이 바람직하나, 압력용기 용으로 사용이 가능하며, 특히 수소 저장용으로 수소 배리어성 고분자인 경우에는 특별하게 제한되지 않는다.

한 구체예에서, 상기 인서트부(200)는 포트(210)와 돔(220)을 포함한다.

회전성형으로 종단비가 증가된 라이너를 성형하는 경우 끝단부의 형태가 제한적이나, 상기 인서트부(200)는 회전성형으로 형성되는 상기 실린더부(100)와 별도로 형성되기 때문에 2 이상의 다각면을 가지는 기하학면을 포함할 수 있다.

구체적으로 상기 인서트부(200)는 고분자 수지에 강화섬유가 함침되어 사출성형으로 형성될 수 있다.

한 구체예에서 상기 인서트부(200)는 상기 고분자 수지가 매트릭스를 형성하고 상기 강화섬유가 불규칙하게 비방향성으로 분산된 것일 수 있다.

상기 강화섬유가 불규칙하게 방향성 없이 분산되어 상기 인서트부(200)의 형태를 제한하지 않고 다양한 형태 구체적으로 2 이상의 다각면을 가지는 기하학면을 가지는 복잡한 형태를 인서트부(200)에 구현할 수 있으며, 사출성형 시 상기 강화섬유가 상기 매트릭스에 비방향성으로 분산되어 상기 인서트부(200)의 전체적인 강도를 효과적으로 증가시킬 수 있다.

상기 인서트부(200)는 사출성형으로 형성되어 다양하게 형태로 형성될 수 있기 때문에 예를 들면 인서트(200)의 외주면에 나사산(211)이 구비되어 보스와 체결을 용이하게 하고 보스와 라이너 간의 압력 가스의 유출을 방지하는 것도 가능하다.

구체적으로 상기 인서트부(200)의 외륜에 금속보스를 체결하기 위한 가이드 홈 또는 래크 등을 형성할 수 있으며, 상기 가이드 홈을 통하여 금속보스와 체결을 용이하게 하고 체결강도를 효과적으로 증가시키는 것도 가능하다.

보다 구체적으로 상기 인서트부(200)의 상면에 리브(미도시)가 형성될 수 있으며, 상기 리브는 2 이상의 다각면을 가지기 때문에 라이너의 회전성형 과정을 통하여 형성되기 어려우나, 인서트부(200)가 회전성형 과정이 아니라 별도로 제조되어 구비되는 경우 리브와 같은 기하학면을 가지는 복잡한 형태를 자유롭게 형성할 수 있다. 상기 인서트부(200)의 형태를 변경하여 인서트부(200)의 기계적 강도의 보강이 용이하고, 상기 리브와 같은 보강구조가 구비되어 복합재를 이용한 외각층 형성 시 헬리컬 랩(Helical wrap)의 와인딩 각도를 변화시키고 와인딩 시 장력을 증가시켜 압력용기의 제조 효율을 증가시킬 수 있다.

종래 회전성형으로 제조된 라이너는 끝단부에 나사산(211) 또는 리브와 같은 기하학면을 가지는 복잡한 형태를 형성하기 매우 어려우나, 상기 인서트부(200)를 별도로 사출성형 또는 인서트 사출성형을 이용하여 미리 제조하는 경우에는 인서트 보강 라이너의 제조효율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 라이너 끝단부에 복잡한 형상의 부여가 가능하다.

한 구체예에서, 상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 혼합물 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.

상기 종류의 강화섬유는 상기 인서트부(200)의 기계적 강도를 증가시킬 수 있다. 특히 인장강도, 내충격성을 증가시켜 고강도 인서트부(200)를 제조할 수 있을 뿐만 아니라 인서트부(200)가 보강된 라이너에 복합재를 와인딩하여 압력용기를 제조하는 경우에는 인서트부(200)의 기계적 강도가 증가되어 라이너의 외주면에 복합재 와인딩 시 더 높은 장력으로 복합재층 형성이 가능하여 압력용기 제조 효율이 증가될 수 있다.

한 구체예에서, 상기 인서트부(200)는 고분자 수지80내지 95wt%, 및 강화섬유 5 내지 20wt%를 포함할 수 있다.

여기서 상기 고분자 수지는 상기 실린더부(100)의 수지와 동일한 수지인 것이 바람직하다.

상기 인서트부(200)가 상기 범위 내에서 강화섬유를 포함하는 경우에 인서트부(200)의 기계적 강도가 증가될 수 있다. 상기 범위에 미치지 못하는 경우 강도 증가 효과가 떨어지며, 상기 범위를 초과하는 경우 상기 인서트부(200)와 상기 실린더부(100)를 회전성형으로 형성하는 과정에서 상기 실린더부(100)와 융화되지 않기 때문에 결합 어렵고, 이 경우 상기 인서트부(200)와 실린더부(100)를 결합하기 위하여 레이져 웰딩 등의 추가 공정이 요구되어 바람직하지 않다.

한 구체예에서, 상기 강화섬유는 평균 길이가 1 내지 4mm일 수 있다.

상기 평균 길이가 상기 범위 내인 경우 상기 인서트부(200)의 강도를 효과적으로 증가시킬 수 있다. 상기 범위에 미치지 못하는 경우 인서트부(200)의 인장강도를 증가시키기 어려우며 상기 범위를 초과하는 경우에는 파우더 형태로 상기 고분자 수지와 혼합하여 사출성형으로 복잡한 형상의 인서트부(200)를 형성하기 어렵다.

한 구체예에서, 상기 인서트부(200)는 금속재질의 포트(210)와 고분자 수지로 이루어진 돔(220)을 포함하며, 인서트 사출 성형으로 형성될 수 있다.

상기 포트(210)는 금속재질은 스테인리스강 또는 알루미늄합금강일 수 있으며, 예를 들면 SUS계열의 스테인리스강인 것이 바람직하다.

상기 포트(210)를 금속재질로 구비하여 상기 인서트부(200)는 금속재질의 보스와 체결이 용이하며 압력용기 제조 효율을 증가시킬 수 있고, 보스와 체결 시 보스와 밀접되어 압력 가스 충방전 시 가스의 유출을 효과적으로 방지할 수 있다.

한 구체예에서, 상기 인서트부(200)는 돔을 형성하며, 상기 돔의 직경은 실린더의 최대 직경 대비 50 내지 80%일 수 있다.

도 5을 참조하면, 구체적으로 상기 인서트부(200)의 돔의 직경은 하기 수학식 1에 따라 결정될 수 있다.

[수학식 1]

0.5 × D1 ≤ D2 ≤ 0.8× D1

D1은 상기 실린더부(100)의 반지름이고, D2는 상기 인서트부(200)의 반지름이다.

상기 범위 내에서 상기 인서트부(200)의 직경이 결정되는 경우 실린더부(100)의 양단을 효과적으로 폐쇄하여 라이너의 내압성을 유지할 수 있으며, 상기 범위에 미치지 못하는 경우에는 인서트부(200)의 보강에 의한 라이너의 강도 증가 효과가 감소되고 돔 형상으로 제조되기 어려워서 내용적으로 증가시키는데 한계가 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우 인서트부(200)를 포함한 라이너 회전성형 시 상기 실린더부(100)와 융합되는 부위가 감소되어 회전성형 시 실린더부(100)와 인서트부(200)의 결합 용이하지 않다.

본 발명에 따른 인서트 보강 라이너는 회전성형에 따라 몸체 전체가 하나의 파트로 이루어지기 때문에 금형에 따른 파팅라인(Parting line)이 형성되지 않으며, 라이너의 대량생산이 용이하고, 실린더부의 끝단부에 기하학면을 가지는 복잡한 형태의 형성이 가능하여 라이너의 설계 제약을 감소시키며, 나사산이 형성되어 보스와 체결을 용이하게 하고 결합력을 증가시켜 고압의 가스를 충·방전하는 경우에도 라이너의 급격한 변형으로 응력이 집중되는 부위를 인서트부가 보강하여 전체 라이너의 파손을 방지할 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 관점에 따른 인서트 보강 라이너 제조방법의 공정순서도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 관점은 인서트 보강 라이너의 제조방법을 제공한다.

상기 인서트 보강 라이너 (a) 인서트부를 제조하는 단계; (b) 상기 인서트부를 회전성형 금형 내에 배치하고, 수지 파우더를 충전한 후 가열하고 회전하여 라이너를 성형하는 단계; 및 (c) 상기 금형을 분리하여 인서트부를 포함하는 라이너를 취출하는 단계;를 포함한다.

우선 강도가 보강된 인서트부를 제조한다(S100).

상기 인서트부는 고분자 수지 매트릭스에 강화섬유를 분산시켜 제조하되, 사출 성형으로 일체로 형성할 수 있다.

한 구체예에서, 상기 고분자 수지는 폴리올레핀계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리아미드계 수지 및 이들의 중공합체 중 어느 1종 이상이 80 내지 95wt%으로 포함되고, 상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 혼합물 중 어느 1 종 이상이 5 내지 20wt%로 포함될 수 있다.

상기 범위 내로 강화섬유를 포함하여 회전성형 과정에서 상기 실린더부와 상기 인서트부를 가열하여 결합시킬 수 있으며, 인서트부의 기계적 강도를 증가시켜 라이너 전체의 강도를 향상시킬 수 있다.

또한 상기 범위 내로 매트릭스 수지를 포함하는 경우 양단부에 복잡한 형상을 부여하기 위하여 매트릭스 수지를 크게 감소시켜 전체 라이너의 경량화가 가능하고 제조 비용 감소가 가능하다.

한 구체예에서, 상기 인서트부는 금속재질이 포트를 준비하고 금형에서 고분자 수지를 유입하여 사출하는 인서트 사출방식으로 형성되는 것도 가능하다.

상기 인서트부가 별도로 미리 형성되어 2 이상의 다각면을 가지는 기하학적 형태를 나타낼 수 있으며, 라이너의 끝단부에 복잡한 형태의 형성이 가능하다. 구체적으로 인서트부에 포트가 구비되고 외주면에 나사산을 형성하거나 리브를 형성하여 인서트부를 보강하는 것도 가능하다.

상기 인서트부를 미리 준비하여 회전성형을 통한 라이너 제조 시 복잡한 형상으로 인하여 제조가 어려운 끝단부를 보다 효과적으로 형성하여 라이너 설계의 자유도가 증가하여 전체 제조 효율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 충·방전 시 응력이 집중되어 취약점이 형성되는 라이너의 포트와 돔 부위의 기계적 강도를 강화시켜 라이너의 파손을 효과적으로 방지할 수 있다.

상기 인서트부를 회전성형 금형 내에 배치하고, 수지 파우더를 충전한 후 가열하고 회전하여 라이너를 성형한다(S200).

상기 인서트부가 금형 내에 배치된 후 상기 금형에 수지 파우더를 유입시키고, 가열하여 회전성형으로 실린더부를 형성하여 상기 인서트부와 실린더부가 일체로 라이너를 형성하도록 한다.

이 때 상기 수지 파우더와 인서트부의 고분자 수지와 동일 재질로 준비되는 것이 바람직하여 상기 고분자 수지가 라이너 성형에 사용되는 수지 파우더와 동일한 재질인 경우에는 가열에 의한 용융으로 인서트부와 실린더부가 서로 결합될 수 있다.

상기 인서트부와 실린더부는 열융착이 아니라 회전성형 시 가열에 따른 용융으로 서로 결합되므로, 열융착시 필요한 융착면에 대한 후처리 공정이 필요하지 않다.

상기 금형은 라이너의 회전성형이 가능하도록 제조된 것이며, 양단부에 상기 인서트부가 배치될 수 있도록 인서트 공간이 형성된 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명의 다른 관점에 따른 인서트 보강 라이너 제조방법에 있어서, 메이저축과 마이너축을 나타낸 모식도이다.

도 7을 참조하면, 상기 금형의 길이방향에는 메이저축(A1)으로 하는 회전축이 구비되며, 상기 메이저축(A1)과 직교하는 마이너축(A2)이 구비되어 회전성형이 가능하다.

상기 금형 내에 상기 인서트부를 배치하고 상기 수지 파우더를 충전한 후 가열하고 회전하여 라이너를 성형한다(S300).

한 구체예에서, 상기 가열은 200 내지 280℃에서 20 내지 35 분간 수행될 수 있다.

상기 인서트부를 배치하고, 상기 범위 내에서 수지 파우더를 가열하여 액상으로 형성한 후 회전 성형으로 실린더부를 형성함과 동시에 상기 인서트부를 결합한다.

상기 범위 내에 미치지 못하는 경우 수지 파우더를 용융시켜 인서트부와 결합하기 어려우며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 에너지 손실이 크다.

한 구체예에서, 상기 금형의 회전은 중심선이 교차하는 메이저축과 마이너축의 회전에 의해 라이너의 두께가 조절되며, 상기 메이저축에 대한 마이너축의 회전 비율은 1 : 1 ~ 4 : 1 일 수 있다.

상기 금형이 메이저축과 마이너축이 구비되는 경우에는 금형을 가열하여 수지 파우더를 액상으로 형성한 이후에, 2축 회전으로 이를 고르게 분산시켜 라이너 두께를 조절할 수 있다.

한 구체예에서, 상기 메이저축에 대한 마이너축의 회전 비율이 상기 범위 내인 경우에 실린더부의 두께가 일정하게 형성될 수 있으며, 상기 인서트부와 결합되는 부위에서 결합이 원활하게 수행될 수 있다.

상기 인서트부가 미리 형성되어 마이너축에 대한 회전 비율을 감소시켜도 인서트부와 실린더부의 결합부위가 균일한 두께로 형성될 수 있으며, 재질에 따른 취약점을 효과적으로 감소시킬 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 인서트 보강 라이너 제조방법은 종횡비가 큰 라이너를 제조하는 경우에도 라이너의 끝단부 또는 양단부에 복잡한 형상을 부여할 수 있기 때문에 라이너 제조 및 설계의 자유도를 증가시키며, 보강된 인서트부로 인하여 라이너 형성에 필요한 매트릭스 수지의 사용량을 제한하여 경량화가 가능하면서도 기계적 강도가 증가되어 전체 라이너의 물성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 관점은 상기 인서트 보강 라이너를 포함하는 압력용기에 관한 것이다.

상기 압력용기는 인서트 보강 라이너, 보스부 및 복합재층을 포함한다.

상기 인서트 보강 라이너를 포함하여 양단부의 형태를 다양하게 형성할 수 있으며, 라이너의 기계적 강도가 증가되어 압력용기 제조 효율이 증가된다.

상기 라이너의 양단부 강도가 매우 증가되어 보스부의 체결이 용이하고, 금속재질의 보스부를 체결하는 경우에도 유격이 발생되지 않아서 압력 가스 유출 우려가 적으며, 보스부에 복합재층을 와인딩하여 보강층 형성시 헬리컬 랩의 장력을 증가시켜 빠르게 와인딩이 가능하기 때문에 복합재층 형성 효율이 매우 증가될 수 있다.

상기 복합재층이 형성된 압력용기는 고압 수소 저장 등 압력용기로 활용될 수 있다.

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.

1000 : 인서트 보강 라이너
100 : 실린더부 110 : 중공
200 : 인서트부 210 : 보스
211 : 나사산 220 : 돔
D : 라이너 직경 D1 : 라이너 반지름
D2 : 인서트부 반지름 A1 : 메이저축
A2 : 마이너축 M : 회전성형 금형(Molding)
P : 고분자 수지 파우더

Claims (18)

1. 중공이 형성된 실린더부; 및 상기 실린더부의 적어도 어느 하나의 단부에 배치되는 인서트부;를 포함하고,
   상기 실린더부와 상기 인서트부는 회전성형으로 결합된 것을 특징으로 하는 인서트 보강 라이너.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 실린더부의 직경에 대한 길이의 비는 1 : 1~ 5인 것을 특징으로 하는 인서트 보강 라이너.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 실린더부는 폴리올레핀계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리아미드계 수지 및 이들의 조합 중 어느 1종 이상을 포함하는 것인 인서트 보강 라이너.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 인서트부는 포트와 돔을 포함하며, 고분자 수지에 강화섬유가 함침되어 사출성형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 인서트 보강 라이너.
5. 제4항에 있어서, 상기 강화섬유는 상기 고분자 수지에 불규칙하게 비방향성으로 분산된 것인 인서트 보강 라이너.
   
6. 제4항에 있어서, 상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 혼합물 중 1 종 이상을 5 내지 20wt%로 포함하는 것 인서트 보강 라이너.
   
7. 제4항에 있어서, 상기 강화섬유는 평균 길이가 1 내지 4mm인 것을 특징으로 하는 인서트 보강 라이너.
   
8. 제4항에 있어서, 상기 포트 외주면에 나사산을 구비하는 것을 특징으로 하는 인서트 보강 라이너.
   
9. 제1항에 있어서, 상기 인서트부는 금속재질의 포트와 고분자 수지로 이루어진 돔을 포함하며, 인서트 사출 성형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 인서트 보강 라이너.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 금속재질은 스테인리스강 또는 알루미늄합금강인 것을 특징으로 하는 인서트 보강 라이너.
    
11. 제4항 또는 9항에 있어서, 상기 돔의 직경은 실린더의 최대 직경 대비 50 내지 80%인 것을 특징으로 하는 인서트 보강 라이너.
    
12. (a) 인서트부를 제조하는 단계;
    (b) 상기 인서트부를 회전성형 금형 내에 배치하고, 수지 파우더를 충전한 후 가열하고 회전하여 라이너를 성형하는 단계; 및
    (c) 상기 금형을 분리하여 인서트부를 포함하는 상기 라이너를 취출하는 단계;를 포함하는 인서트 보강 라이너 제조방법.
    
13. 제12항에 있어서, 상기 (a) 단계에서, 상기 인서트부는 고분자 수지에 강화섬유가 함침되어 사출 성형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 인서트 보강 라이너 제조방법.
    
14. 제13항에 있어서, 상기 고분자 수지는 폴리올레핀계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리아미드계 수지 및 이들의 중공합체 중 어느 1종 이상이 80 내지 95wt%으로 포함되고,
    상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 혼합물 중 어느 1 종 이상이 5 내지 20wt%로 포함되는 것인 인서트 보강 라이너 제조방법.
    
15. 제12항에 있어서, 상기 (a) 단계에서, 상기 인서트부는 금속재질의 포트와 고분자 수지로 이루어진 돔이 인서트 사출 성형으로 형성된 것을 특징으로 하는 인서트 보강 라이너 제조방법.
    
16. 제12항에 있어서, 상기 (b)단계에서 상기 가열은 200 내지 280℃에서 20 내지 35 분간 수행되는 것을 특징으로 하는 인서트 보강 라이너 제조방법.
    
17. 제12항에 있어서, 상기 (b)단계에서 상기 금형의 회전은 중심선이 교차하는 메이저축과 마이너축의 회전에 의해 라이너의 두께가 조절되며, 상기 메이저축에 대한 마이너축의 회전 비율은 1 : 1 ~ 4 : 1 인 것을 특징으로 하는 인서트 보강 라이너 제조방법.
    
18. 제1항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 인서트 보강 라이너;
    상기 인서트 보강 라이너에 체결되는 보스부; 및
    상기 보강 라이너 상부에 형성된 복합재층;을 포함하는 압력 용기.
    

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