KR20230151113A - 수소탱크를 이루는 보스와 라이너의 체결 구조 및 이의 성형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 하이브리드 보스를 갖는 수소 저장 탱크는, 중공 형상을 갖는 수소 탱크 용기 본체(10); 상기 수소 탱크 용기 본체(10)의 내면 상에 배치되는 라이너(20); 및 상기 수소 탱크 용기 본체(10)의 개방된 상부단 상에 설치되되, 상기 라이너와 직접적인 결합을 하는 하이브리드 보스(30);를 포함하고, 상기 하이브리드 보스는 금속 재질을 갖는 보스 몸체 상에 상기 라이너와 동일한 재질을 갖는 보스 표면 부재가 인서트 공정을 통해 사전 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

수소탱크를 이루는 보스와 라이너의 체결 구조 및 이의 성형 방법{Structure of coupling between boss and liner constituting hydrogen tank and molding method thereof}

본 발명은 인서트 성형을 통해 알루미늄 보스 상에 수지를 일체화하여 형성한 하이브리드 알루미늄 보스에 라이너를 결합하여 제조하는 방안에 관한 것이다.

수소를 연소시켜 동력을 얻거나 연료전지를 이용하여 동력을 얻는 자동차에는 수소저장탱크가 장착된다.

천연가스 자동차의 연료 저장 용기나 연료전지 자동차의 수소탱크와 같은 고압용기는 경량화를 위해 PA(나일론 계열) 내지 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 같은 고분자 수지를 이용하여 라이너를 만들고 그 위에 에폭시 수지와 같은 경화성 고분자 수지에 적신 카본섬유나 유리섬유를 감아(winding) 제작된다. 구체적으로는, 700bar 정도의 수소탱크 라이너 주재료는 PA(나일론), PA11, PA66 등을 사용하는 한편, 저압용 일부에서는 HDPE를 사용하기도 한다. 이때 플라스틱 라이너의 끝단에는 레귤레이터(regulator)나 밸브 등을 연결하기 위한 금속성 노즐보스가 삽입되게 된다.

수소저장탱크는 고압에 견디기 위해 금속재질로 제작하였으나, 수소저장탱크를 금속재질로 제작하게 되면 중량이 무거울 뿐 아니라 부식에 매우 약하며 매우 높은 제조원가가 투입되는 단점이 있었다. 이를 위해, 가벼우면서도 내부식성이 뛰어나고 반복적으로 수소 충전이 이루어지더라도 피로에 의해 강도가 저하되지 않도록, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 같은 합성수지를 이용하여 라이너를 만든 다음, 라이너 외면에 합성 수지 및 합성섬유로 이루어지는 복합재료로 테이핑하여 아우터를 제작하는 방식을 주로 사용하고 있다. 한편, 라이너를 합성수지 재질로 구성한다 할지라도 레귤레이터나 밸브와 연결되는 부위인 보스는 금속재질로 이루어져야 하는데, 장시간 수소저장탱크를 사용하다보면 합성수지 재질의 라이너와 금속재질의 보스 결합 부위에는 미세한 틈이 생성됨에 따라 가스가 누출되는 문제가 있다.

플라스틱재의 라이너와 금속재질을 갖는 보스는 이종재질의 특성상 견고한 접합과 기밀성을 도모하기 어려운바, 플라스틱재 라이너와 금속재 보스 간의 접합성 및 기밀성 유지는 가스 저장탱크의 성능 및 안전성 등을 좌우하는 중요한 인자이다. 플라스틱재 라이너와 금속재 보스 사이에서 접합성 및 기밀성이 떨어지는 경우, 저장된 가스가 외부로 누출되고, 특히 고압가스에 의해 보스가 라이너로부터 분리되면서 사고가 발생될 우려가 있다.

현재 플라스틱 라이너를 사용한 다양한 복합재료 용기의 개발이 활발하게 진행되고 있지만 플라스틱 라이너를 사용할 경우 플라스틱 라이너와 금속성 노즐보스 사이의 접착성이 문제가 되고 있는바, 대한민국 공개 특허공보 제2003-0041002호(공개일 2003. 5. 23)에서는 금속성 노즐보스의 표면에 미세 요철을 형성시키고 프라즈마 처리를 한 후 열경화성 접착제를 도포하고 가온한 금속성 노즐보스를 인서트로하는 인서트 사출 성형을 하여 노즐보스를 라이너에 강하게 결착시키는 방법을 사용하고 있다.

(특허문헌 1) 대한민국 공개특허공보 제2003-0041002호

본 발명의 목적은 수소탱크에서 기존의 알루미늄 보스 밸브와 라이너의 체결 과정에서 알루미늄 보스와 라이너 사이에 형성된 홈 상에 플라스틱 용융수지를 공급하여 제조하는 방안의 문제점을 극복하기 위하여, 인서트 성형을 통해 알루미늄 보스 상에 수지를 일체화하여 형성한 하이브리드 알루미늄 보스에 라이너를 결합하여 제조하는 기술적 특징을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 보스를 갖는 수소 저장 탱크는, 중공 형상을 갖는 수소 탱크 용기 본체; 상기 수소 탱크 용기 본체의 내면 상에 배치되는 라이너; 및 상기 수소 탱크 용기 본체의 개방된 상부단 상에 설치되되, 상기 라이너와 직접적인 결합을 하는 하이브리드 보스;를 포함하고, 상기 하이브리드 보스는 금속 재질을 갖는 보스 몸체 상에 상기 라이너와 동일한 재질을 갖는 보스 표면 부재가 인서트 공정을 통해 사전 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 보스 표면 부재는 상기 하이브리드 보스의 표면 상에서 요철을 갖도록 교번적으로 형성되어진다.

상기 보스 표면 부재는 상기 하이브리드 보스를 이루는 노즐 주입구 방향으로 연장 형성되어진다.

상기 하이브리드 보스와 라이너는 진동, 열, 초음파 중 어느 하나의 방식으로 융착되어진다.

본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다.

본 발명은 기존에 알루미늄 보스를 수소탱크에 결합하는 과정에서, 금형에 안착(INSERT) 시키고 회전성형, 블로우성형 및 사출성형하는 공정 상에서 기밀에 대한 해결이 어려운 점 및 현장 불량이 많다는 점을 극복하기 위하여, 사전 인서트 성형을 통해 알루미늄 노즐 표면 상에 플라스틱 수지를 유입 형성하여 하이브리드 알루미늄 보스 표면 상에 수지가 유입되는 구체적인 일체화된 형태를 제공한다.

즉, 본 발명은 알루미늄 보스를 수지와의 결합체로 생성하여 하이브리드 알루미늄 보스 성형을 위한 최적화 형태로 만드는 것으로서, 가공 제작이 유리하도록 홈 깊이로 플라스틱 재질과의 한 몸체 된 하이브리드 보스를 제공한다.

본 발명에 따른 알루미늄 보스의 하단면인 라이너 부착면은 별도의 융착 공정에 최적 접합력을 갖도록 교번 면적을 갖도록 설계한다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 보스의 회전 내지 블로우 성형시에 알루미늄 보스의 표면 상에 수지가 유입 형성된 하이브리드 보스와 라이너 간의 결합면을 동일 재질을 갖게 함으로써 화학적 결합을 최적화 완성되도록 하기 위하여 요철 구조의 면적 및 깊이를 고안한 것을 특징으로 한다.

특히, 알루미늄 보스 노즐의 주입구 깊은 곳까지 수지를 채워 들어가도록 하여, 후속 성형시에 가장 우려되는 기밀성이 견고하게 보증될 수 있도록 한 하이브리드 보스 형성 방안을 제공한다.

결국, 알루미늄 보스 노즐과 라이너 접촉면의 재질을 플라스틱 동일성과 접촉면적 및 형상 최적화로 화학적 접착을 가능하게 함으로써, 현재 가지고 있는 문제점인 내압 변화에 따른 접촉면 누기 품질을 확보한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 따른 수소탱크를 이루는 보스와 라이너의 체결 과정을 보인다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소탱크를 이루는 보스와 라이너의 체결 과정을 보인다.
도 3은 인서트 방식으로 사전 성형된 하이브리드 알루미늄 보스를 수소탱크의 라이너 상단에 결합한 것을 보인다.
도 4는 하이브리드 알루미늄 보스를 이루는 보스 표면 부재의 다양한 형상을 보인다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

본 발명은 사전 인서트 성형을 통해 금속 성분을 갖는 알루미늄 보스의 표면 상에 플라스틱 수지를 유입 형성하여 하이브리드 알루미늄-수지 보스를 제공한다. 즉, 인서트 금형에 안착된 알루미늄 보스의 표면 상에 수지를 유입하여 일체화된 하이브리드 알루미늄-수지 보스 형태를 제공한다.

즉, 본 발명은 기존 수소탱크의 라이너에 결합되는 알루미늄 보스에 대하여 수지와의 결합체로 생성함으로써 하이브리드 알루미늄 보스 성형을 위한 최적화 형태로 만드는 것이다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명에 따라서 수소탱크를 이루는 보스와 라이너의 체결 과정을 설명한다.

인서트 금형 내에 알루미늄 보스를 안착하고, 인서트 금형 내에 안착된 알루미늄 보스에 수지를 유입하여 하이브리드 알루미늄 보스를 성형한다.

하이브리드 알루미늄 보스를 수소탱크의 라이너 상단에 결합한 상태에서, 하이브리드 알루미늄 보스와 라이너 간을 진동, 초음파, 열을 이용하여 융착 결합을 진행한다.

한편, 도 2를 참조하면, 하이브리드 알루미늄 보스와 라이너 간의 결합은 하이브리드 알루미늄 보스를 성형 금형 상에 삽입하고, 회전, 사출, 블로어 등의 라이너 성형을 통해서 라이너 조립체 제품을 성형하는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 수소탱크를 이루는 보스와 라이너의 체결 구조는 중공 형상을 갖는 수소 탱크 용기 본체(10); 상기 수소 탱크 용기 본체(10)의 내면 상에 배치되는 라이너(20); 및 상기 수소 탱크 용기 본체(10)의 개방된 상부단 상에 설치되되, 상기 라이너(20)와 직접적인 결합을 하는 하이브리드 보스(30);를 포함한다.

상기 하이브리드 보스(30)는 금속 재질을 갖는 알루미늄 보스 몸체(40) 상에 상기 라이너(20)와 동일한 재질을 갖는 보스 표면 부재(50)가 인서트 공정을 통해 사전 형성되어진다.

본 발명에 따른 하이브리드 알루미늄 보스(30)는 알루미늄 보스와 라이너 간의 부착면 간에 최적의 접합력을 갖도록 알루미늄 보스 몸체(40)에 형성되는 보스 표면 부재(50)로서 플라스틱 수지를 알루미늄 보스 몸체(40)의 표면 상에서 요철을 갖도록 교번적으로 형성되게 한다.

보스 표면 부재(50)는 알루미늄 보스 몸체(40)의 하면 내지 외면 상에 노출되는 방식으로 형성되는 외측 코팅부(51), 외측 코팅부(51)에 연속 성형되어지되 상기 알루미늄 보스 몸체(40)의 표면에 형성된 홈 내에 형성되는 내측 코팅부(52) 및 알루미늄 보스 몸체의 주입구(42) 방향을 따라 형성되는 중심 코팅부(53)를 포함한다.

또한, 본 발명은 알루미늄 보스 몸체의 회전 내지 블로우 성형시에 알루미늄 보스 몸체의 표면 상에 유입되는 플라스틱 수지를 라이너의 재질과 동일 재질을 갖게 함으로써 화학적 결합을 최적화 완성되도록 한다.

한편, 본 발명은 알루미늄 보스 몸체의 주입구(42) 깊은 곳까지 수지를 채워 들어가도록 하여, 후속 성형시에 가장 우려되는 기밀성이 견고하게 보증될 수 있도록 한 하이브리드 보스 형성 방안을 제공한다.

이를 통해서, 알루미늄 보스 노즐과 라이너 접촉면의 재질을 플라스틱 동일성과 접촉면적 및 형상 최적화로 화학적 접착을 가능하게 함으로써, 현재 가지고 있는 문제점인 내압 변화에 따른 접촉면 누기 품질을 확보한다.

이상 실시 예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

10 : 수소 탱크 용기 본체
20 : 라이너
30 : 하이브리드 보스
40 : 알루미늄 보스 몸체
50 : 보스 표면 부재

Claims (4)

1. 중공 형상을 갖는 수소 탱크 용기 본체(10);
   상기 수소 탱크 용기 본체(10)의 내면 상에 배치되는 라이너(20); 및
   상기 수소 탱크 용기 본체(10)의 개방된 상부단 상에 설치되되, 상기 라이너(20)와 직접적인 결합을 하는 하이브리드 보스(30);를 포함하고,
   상기 하이브리드 보스(30)는 금속 재질을 갖는 보스 몸체(40) 상에 상기 라이너와 동일한 재질을 갖는 보스 표면 부재(50)가 인서트 공정을 통해 사전 형성된 것을 특징으로 하는, 하이브리드 보스를 갖는 수소 저장 탱크.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 보스 표면 부재(50)는 상기 하이브리드 보스(30)의 표면 상에서 요철을 갖도록 교번적으로 형성되는, 하이브리드 보스를 갖는 수소 저장 탱크.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 보스 표면 부재(50)는 상기 하이브리드 보스(30)를 이루는 노즐 주입구(42)를 향하여 연장 형성되는, 하이브리드 보스를 갖는 수소 저장 탱크.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 하이브리드 보스와 라이너는 진동, 열, 초음파 중 어느 하나의 방식으로 융착되는, 하이브리드 보스를 갖는 수소 저장 탱크.