KR20230065486A - 외부 충격 방지 기능을 갖는 가스탱크 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부 충격 방지 기능을 갖는 가스탱크에 관한 것이다. 상기 가스탱크는, 실린더부 및 상기 실린더부의 양단에 형성된 돔부를 갖는 용기 본체로서, 상기 돔부에는 보스(boss)부 또는 놉(knob)부가 형성된 용기 본체; 및 상기 보스부 및 상기 놉부 중 적어도 하나 이상의 외주면에 결합되는 외부 충격 보호부재를 포함한다.

Description

외부 충격 방지 기능을 갖는 가스탱크{GAS TANK WITH EXTERNAL IMPACT PROTECTION}
본 발명은 외부 충격 보호부재를 이용하여 외부 충격을 방지하는 기능을 갖는, 외부 충격 방지 기능을 갖는 가스탱크에 관한 것이다.
일반적으로 가스탱크는 액화 석유가스(LPG), 압축 천연가스(CNG), 경질 탄화수소(메탄, 프로판, 또는 부탄), 및 수소가스를 저장하고 외부로 공급할 수 있도록 설계된다. 압력용기의 주요 구성요소 중 특히 보스부는 가스 충전이나 배출을 위한 일종의 통로 역할을 하는 것으로서, 외부 충격으로부터 안정적으로 유지할 수 있는 구조 설계가 요구된다.
보스부의 재질은 금속재 중에서 가볍고 내구성이 우수한 재질을 선정하여 사용하고, 이와 부합되는 재질로는 알루미늄이 있다. 또한, 복합재층이 라이너의 외주면에 권취되어 용기 본체를 보강하는 역할을 수행한다. 복합재층은 예를 들어, 다발 모양을 갖는 필라멘트 타입의 유리섬유, 탄소 섬유, 및 아라미드 섬유 중에서 적어도 한 가지 이상의 복합소재 섬유보강재를 선정하여 통상의 와인딩 공법(헬리컬 와인딩 및 후프 와인딩)을 통해 형성된다.
종래의 Type Ⅳ 압력용기는 라이너와 보스부 간 단순 구조 결합으로 설계되어 있다. 따라서, 도 1의 (a), (b)에 도시된 바와 같은 제품 인증 목적의 외부 충격(낙하) 시험 후에, 가스 충전 및 배출 테스트 상황에서 외부 충격으로 취약해진 부위에 가스 누설이 발생할 가능성이 있다. 상기 외부 충격 시험은 통상 지면으로부터 1.8m 높이에서 수직, 수평, 및 경사 낙하를 통해 내구성 평가를 수행하는데, 이때 보스부가 충격으로 파손되거나 변형되어 제품으로서 부적합한 것으로 평가될 수 있다.
대한민국 공개특허 제10-2021-0065403호(2021.06.06 공개)
본 발명의 목적은 외부 충격으로부터 안정성 확보, 구조 변경 억제, 및 기밀성 확보를 구현할 수 있는 가스탱크로서, 외부 충격 시험 과정에서 보스부가 안쪽으로 눌려 들어가는 상태로 변형되는 것을 억제하여 가스 누설의 위험성을 방지할 수 있도록 하는, 외부 충격 방지 기능을 갖는 가스탱크를 제공함에 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 외부 충격 방지 기능을 갖는 가스탱크에 관한 것이다. 상기 가스탱크는, 실린더부 및 상기 실린더부의 양단에 형성된 돔부를 갖는 용기 본체로서, 상기 돔부에는 보스(boss)부 또는 놉(knob)부가 형성된 용기 본체; 및 상기 보스부 및 상기 놉부 중 적어도 하나 이상의 외주면에 결합되는 외부 충격 보호부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 외부 충격 보호부재는 상기 보스부 또는 상기 놉부에 탈착 가능하게 나사 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 용기 본체의 표면에 제공된 복합재층; 및 상기 외부 충격 보호부재의 하단면과 상기 복합재층 사이에서, 상기 보스부 및 상기 놉부 중 적어도 하나 이상에 결합되는 외부 충격 보호부재 패드를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 외부 충격 보호부재는 상기 보스부 또는 상기 놉부보다 부피팽창계수가 낮은 소재로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 외부 충격 보호부재는 스테인레스 스틸(STS)로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 외부 충격 보호부재 패드는 실리콘 소재로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 외부 충격 보호부재 패드는 상기 외부 충격 보호부재의 하단면과 상기 복합재층 사이의 갭을 탄성적으로 메우도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 외부 충격으로부터 안정성 확보, 구조 변경 억제, 및 기밀성 확보를 구현하며, 외부 충격 시험 과정에서 보스부가 안쪽으로 눌려 들어가는 상태로 변형되는 것을 억제하여 가스 누설의 위험성을 방지할 수 있다.
또한, 초고압(대략 700bar)의 가스 충전 상태일 때, 수지 라이너부와 보스부 측에 과다한 팽창력이 집중되면서 보스부가 비정상적으로 벌어질 수 있는 팽창 변형 현상을 안정적으로 억제하여 보스부의 파손 및 변형이 초래되지 않도록 한다.
도 1의 (a), (b)는 각각 제품 인증 목적의 외부 충격(낙하) 시험 전후 상태를 도시한 도면이다.
도 2의 (a), (b)는 가스탱크에 외부 충격 보호부재가 장착되기 전의 통상적인 보스(boss)부 및 놉(knob)부를 각각 부분적으로 도시한 도면이다.
도 3의 (a), (b)는 본 발명에 따른 외부 충격 방지 기능을 갖는 가스탱크의 보스부 및 놉부를 각각 부분적으로 도시한 도면이다.
도 4는 외부 충격 보호부재 및 외부 충격 보호부재 패드가 끼워진 상태의 가스탱크의 측면도이다.
도 5의 (a)는 보스부에 결합되는 외부 충격 보호부재를 도시하며, 도 5의 (b)는 놉부에 결합되는 외부 충격 보호부재를 도시한 도면이다.
도 6의 (a)는 보스부에 결합되는 외부 충격 보호부재 패드를 도시하며, 도 6의 (b)는 놉부에 결합되는 외부 충격 보호부재 패드를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2의 (a), (b)는 가스탱크에 외부 충격 보호부재가 장착되기 전의 통상적인 보스(boss)부 및 놉(knob)부를 각각 부분적으로 도시한 도면이다. 도 3의 (a), (b)는 본 발명에 따른 외부 충격 방지 기능을 갖는 가스탱크의 보스(boss)부 및 놉(knob)부를 각각 부분적으로 도시한 도면이다. 도 4는 외부 충격 보호부재 및 외부 충격 보호부재 패드가 끼워진 상태의 가스탱크의 측면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 외부 충격 방지 기능을 갖는 가스탱크는, 용기 본체(10), 외부 충격 보호부재(20), 및 외부 충격 보호부재 패드(30)를 포함할 수 있다.
용기 본체(10)는 실린더부(11), 및 실린더부(11)의 양단에 형성된 돔부(12)를 갖는다. 돔부(12)에는 보스(boss)부(12a) 또는 놉(knob)부(12b)가 형성된다. 보스부(12a)는 기체 충전이나 배출을 위한 통로 역할을 수행하며, 보스부(12a)와 놉부(12b)는 모두 필라멘트 와인딩 샤프트를 장착하기 위한 역할을 수행한다. 용기 본체(10)의 표면에는 복합재층(40)이 제공되며, 복합재층(40)은 PA(폴리아마이드) 수지 재질로 형성되며 블로우 성형 또는 회전 성형으로 형성된다. 보스부(12a) 및 놉부(12b)의 외주면에는 외부 충격 보호부재(20)의 결합을 위한 나사산이 구비된다.
도 5의 (a)는 보스부에 결합되는 외부 충격 보호부재를 도시하며, 도 5의 (b)는 놉부에 결합되는 외부 충격 보호부재를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 외부 충격 보호부재(20)는 보스부(12a) 또는 놉부(12b) 중 적어도 하나 이상의 외주면에 결합된다. 외부 충격 보호부재(20)는 보스부(12a)에 결합되는 제1 외부 충격 보호부재(20a) 및 놉부(12b)에 결합되는 제2 외부 충격 보호부재(20b)로 나뉜다. 외부 충격 보호부재(20)는 링 형태로 형성되며 탈착이 용이하도록 클램핑부를 포함한다. 외부 충격 보호부재(20)의 내주면에는 보스부(12a) 또는 놉부(12b)에 탈착 가능하게 나사 결합되기 위한 나사산이 형성된다. 보스부(12a) 외주면의 나사산의 길이는 23.5mm ~ 23.7mm로 형성되며, 보스부(12a)에 결합되는 제1 외부 충격 보호부재(20a)의 내주면의 나사산의 길이는 20.0mm로 형성될 수 있다. 놉부(12b)의 외주면의 나사산의 길이는 20.0mm로 형성되며, 놉부(12b)에 결합되는 제2 외부 충격 보호부재(20b)의 내주면의 나사산의 길이는 17.0mm로 형성될 수 있다.
외부 충격 보호부재(20)는 보스부(12a) 또는 놉부(12b)보다 부피팽창계수가 낮은 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 외부 충격 보호부재(20)는 부피팽창계수가 낮은 금속 재질인 스테인레스 스틸(STS)로 형성될 수 있다.
상기 구성에 의해, 외부 충격 보호부재(20)는 외부 충격 시험의 낙하 시험 중 가스탱크가 지면에 닿아 발생하는 외부 충격으로부터 보스부(12a)가 내측으로 눌려 들어가는 현상을 억제할 수 있도록 한다. 또한, 기체의 충방전 시, 가스탱크를 구성하는 재료의 팽창으로 인해 발생하는 구조적 틈새를 억제할 수 있다.
도 6의 (a)는 보스부에 결합되는 외부 충격 보호부재 패드를 도시하며, 도 6의 (b)는 놉부에 결합되는 외부 충격 보호부재 패드를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 외부 충격 보호부재 패드(30)는 외부 충격 보호부재(20)의 하단면과 복합재층(40) 사이에서, 보스부(12a) 및 놉부(12b) 중 적어도 하나 이상에 결합된다. 외부 충격 보호부재 패드(30)는 보스부(12a)에 결합되는 제1 외부 충격 보호부재 패드(30a) 및 놉부(12b)에 결합되는 제2 외부 충격 보호부재 패드(30b)로 나뉜다. 외부 충격 보호부재 패드(30)는 링 형태를 가지며, 가스탱크의 고온 경화를 대비하여 열적 특성이 우수한 실리콘 재질로 형성될 수 있다. 고압 용기의 용기 본체(10)에 권취되는 복합재층(40)의 필라멘트 와인딩 패턴에 따라 보스부(12a) 또는 놉부(12b)에 적층되는 복합재층의 두께가 달라진다. 외부 충격 보호부재 패드(30)는 외부 충격 보호부재(20)의 하단면과 복합재층(40) 사이의 갭을 탄성적으로 메우도록 형성된다. 외부 충격 보호부재 패드(30)는 상기 갭의 깊이에 맞는 두께로 선택될 수 있다.
외부 충격 보호부재(20)가 외부 충격 보호부재 패드(30)를 통해 복합재층(40)을 누르게 되므로, 가스탱크에 외부 충격이 가해지더라도 보스부(12a) 또는 놉부(12b)에 변형이 발생하지 않도록 한다. 즉, 복합재층(40)과 보스부(12a) 또는 놉부(12b) 간의 이격으로 이해 발생하는 갭을 제거하여 가스탱크의 기밀성이 취약해지는 문제를 방지할 수 있다.
제1 및 제2 외부 충격 보호부재(20a, 20b)와 제1 및 제2 외부 충격 보호부재 패드(30a, 30b)의 적용 여부에 따른 실험 결과는 다음과 같다. 실시예 1은 낙하시험을 실시하지 않고 압력 충전 및 배출 시험을 실시한 것이며, 실시예 2 내지 4, 및 비교예 1, 2는 낙하시험을 실시하면서 압력 충전 및 배출 시험을 실시한 것이다. 실시예 2 내지 4와 비교예 1, 2는 외부 충격 보호 부재(20), 및 외부 충격 보호 패드(30)의 적용 여부 외에는 동일한 조건 하에서 실험이 수행되었다.
<표 1>
Figure pat00001
상기 표 1에서, 제1 및 제2 외부 충격 보호부재(20a, 20b)와 제1 및 제2 외부 충격 보호부재 패드(30a, 30b)를 모두 적용한 실시예 4에서는 시험 목표 횟수인 22,000회를 초과한 27,660번의 압력 충전 및 배출 시험 횟수에도 가스 누설이 발생하지 않았다. 반면, 외부 충격 보호부재(20) 및 외부 충격 보호부재 패드(30)를 모두 적용하지 않은 비교예 1, 2에서는 각각 600번 및 1,400번의 압력 충전 및 배출 시험 횟수에서 가스 누설이 발생하였다. 즉, 실시예 4가 비교예 1, 2에 비해 훨씬 높은 가스 기밀성을 나타내었다.
한편, 외부 충격 보호부재 패드(30)를 적용하지 않고 외부 충격 보호부재(20)만 적용한 실시예 1 내지 3에서는 각각 13,533번, 4,483번, 및 4,992번의 압력 충전 및 배출 시험 횟수에서 가스 누설이 발생하였다. 따라서, 외부 충격 보호부재 패드(30)를 적용하지 않고 외부 충격 보호부재(20)만을 적용한 경우, 이를 모두 적용한 경우에 비해 낮은 가스 기밀성을 나타내지만, 이를 모두 적용하지 않은 경우에 비해서는 현저하게 높은 가스 기밀성을 나타낸다.
이 분야의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명의 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.
10: 용기 본체 11: 실린더부
12: 돔부 12a: 보스부
12b: 놉부
20: 외부 충격 보호부재
20a: 제1 외부 충격 보호부재
20b: 제2 외부 충격 보호부재
30: 외부 충격 보호부재 패드
30a: 제1 외부 충격 보호부재 패드
30b: 제2 외부 충격 보호부재 패드
40: 복합재층

Claims (7)

  1. 실린더부 및 상기 실린더부의 양단에 형성된 돔부를 갖는 용기 본체로서, 상기 돔부에는 보스(boss)부 또는 놉(knob)부가 형성된 용기 본체; 및
    상기 보스부 및 상기 놉부 중 적어도 하나 이상의 외주면에 결합되는 외부 충격 보호부재를 포함하는, 외부 충격 방지 기능을 갖는 가스탱크.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 충격 보호부재는 상기 보스부 또는 상기 놉부에 탈착 가능하게 나사 결합되는 것을 특징으로 하는, 외부 충격 방지 기능을 갖는 가스탱크.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용기 본체의 표면에 제공된 복합재층; 및
    상기 외부 충격 보호부재의 하단면과 상기 복합재층 사이에서, 상기 보스부 및 상기 놉부 중 적어도 하나 이상에 결합되는 외부 충격 보호부재 패드를 포함하는 것을 특징으로 하는, 외부 충격 방지 기능을 갖는 가스탱크.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 외부 충격 보호부재는 상기 보스부 또는 상기 놉부보다 부피팽창계수가 낮은 소재로 형성된 것을 특징으로 하는, 외부 충격 방지 기능을 갖는 가스탱크.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 외부 충격 보호부재는 스테인레스 스틸(STS)로 형성된 것을 특징으로 하는, 외부 충격 방지 기능을 갖는 가스탱크.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 외부 충격 보호부재 패드는 실리콘 소재로 형성된 것을 특징으로 하는, 외부 충격 방지 기능을 갖는 가스탱크.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 외부 충격 보호부재 패드는 상기 외부 충격 보호부재의 하단면과 상기 복합재층 사이의 갭을 탄성적으로 메우도록 형성된 것을 특징으로 하는, 외부 충격 방지 기능을 갖는 가스탱크.
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