KR20230167198A - 복합재 압력 용기의 제조 방법 - Google Patents

복합재 압력 용기의 제조 방법 Download PDF

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윤만석
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Abstract

본 발명은 보이드(void)가 저감된 압력용기의 제조방법으로서, 수지와 경화제를 진공 상태에서 교반한 후 섬유에 함침시켜 복합재를 제조하는 단계, 진공 밀폐용기 내 중공의 라이너를 위치시키고, 라이너 외주면에 상기 복합재를 피복하는 단계 및 복합재로 피복된 라이너를 진공백으로 감싸고 가열 경화시키는 단계를 포함하는 복합재 압력용기의 제조방법이 제공된다.

Description

복합재 압력 용기의 제조 방법 {Method of manufacturing composite pressure vessel}
본 발명은 유체를 저장하는 압력 용기의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 보이드(void)가 저감된 복합재 압력 용기의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 천연가스나 수소연료전지를 이용하는 차량의 수요가 증가함에 따라천연가스 차량의 연료인 천연가스와 수소전기차의 연료인 수소가스를 저장하기 위한 연료탱크에 관한 기술이 개발되고 있다. 이러한 연료탱크는 차량에 탑재되어 연료를 저장하고 장기간 연료를 공급해야 하는 특성을 가진다. 특히, 수소는 탄화수소 연료에 비해 부피당 에너지 저장 밀도가 낮기 때문에 고압으로 저장될 필요가 있으며, 이러한 고압 환경에서 이용하기 위해서는 압력 용기가 필수적이다.
연료가스 저장탱크 중 복합재 압력용기의 경우, 압축가스로 인한 내압을 감당하기 위해 비강도 및 비강성이 높은 섬유강화 복합재료로 외피를 보강하며, 내부에는 가스의 기밀성을 유지하는 라이너(Liner)가 삽입된다. 섬유강화 복합재료는 섬유와 수지로 형성되는데, 복합재 압력용기 제작시 오픈 몰딩 공법으로 인해 보이드(void) 결함이 발생하고 이는 복합재 물성을 약화시킨다. 그로 인해 더 많은 섬유를 소비하여 경량화 효과를 저감시키고 원가 증가 등의 문제를 발생시킨다. 또한, 설계 단계에서 구조해석 결과가 맞지 않아 개발비, 개발 기간을 증가시킨다.
일본등록특허 제7040425호
본 발명은, 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유체를 저장하기 위한 압력용기를 제작함에 있어 수분 및 휘발성분에 의한 보이드(void) 및 기포 발생 등의 결함을 최소화시키는 방법을 제공하는데 목적이 있다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 복합재 압력용기의 제조방법이 제공된다.
일 실시예에 있어서, 상기 복합재 압력용기의 제조방법은 수지와 경화제를 진공 상태에서 교반한 후 섬유에 함침시켜 복합재를 제조하는 단계, 진공 밀폐용기 내 중공의 라이너를 위치시키고, 라이너 외주면에 상기 복합재를 피복하는 단계 및 복합재로 피복된 라이너를 진공백 내에 배치하고 가열 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 교반은 교반과 탈포를 동시에 수행하거나, 교반이 완료된 후 탈포하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수지는 열경화성 수지를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 및 금속 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 가열 경화 단계는, 상기 라이너가 외부의 진공모터와 연결되어 축 길이방향으로 회전하면서 압력구배가 발생할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 진공백은 내부에 진공상태를 유지시켜 수지에서 발생되는 휘발성분을 제거할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 진공 밀폐용기는, 내부를 진공화하고 내부에 발생한 유체를 외부로 배기하는 진공펌프와 연결된 것일 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 복합재 압력용기 제작에 사용되는 섬유강화 복합재료 내부에 수분 및 휘발성분에 의한 보이드(void) 및 기포가 발생하는 것을 억제하는 효과가 있다. 또한, 보이드(void)의 혼입이 적은 고품질의 압력용기를 생산할 수 있고, 기계적 물성이 향상되며, 경량화, 원가절감의 효과가 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재 압력용기의 제조공정을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재 압력용기의 제조 공정을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재를 제조하기 위해 수지와 경화제를 교반하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재를 제조하기 위해 수지와 경화제를 교반하기 전후를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 와인딩 공정을 나타내는 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력용기의 가열 경화 공정을 나타내는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 성형 중인 압력용기를 나타내는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합재 압력용기를 제조하는 공정 순서도 및 흐름도이다. 도 1과 도 2를 참조하여 압력용기의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 수지와 경화제를 진공 상태에서 교반하여 얻어진 수지 조성물을 섬유에 함침시켜 복합재를 제조한다(S1). 복합재는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 또는 금속 섬유 등의 보강섬유를 수지에 함침시켜 제조한다. 상기 수지는 에폭시 수지, 페놀 수지 등의 열경화성 수지를 포함할 수 있다. 섬유 함침에 사용하는 수지 조성물은 2액형의 조성물로서 주제(base resin)와 경화제(hardner)로 구성된다. 에폭시 수지 조성물을 예로 들면, 주제로는 비스페놀 A형 에폭시 수지가 주로 사용되며, 점도를 낮추기 위해 반응성 희석제를 사용할 수 있다. 또한, 경화제는 폴리에테르아민(PEA)계 경화제와 사이클로알리파틱 아민(Cycloaliphatic Amine)을 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
도 3에 도시된 바와 같이, 주제 탱크(11)와 경화제 탱크(12)에 있는 주제와 경화제가 노즐을 통해 배출되어 교반기(13) 내에서 혼합이 이루어진다. 주제 및 경화제는 고압 믹싱헤드를 통해 혼합될 수 있다. 도 4는 수지와 경화제를 교반하기 전(a), 후(b)를 나타낸 사진이다. 기포 없는 수지 조성물을 만들기 위해서는 교반 과정에서 기포를 덜 발생시키는 것이 중요하다.
일 실시예에 있어서, 주제 탱크(11), 경화제 탱크(12) 및 교반기(13) 각각에 진공을 가하여 보이드(void) 발생을 최대한 억제시킬 수 있다. 예를 들어, 탱크(11, 12) 및 교반기(13)에 진공펌프를 연결하여 용액 내부의 기포를 빨아들인다. 교반기(13)에 수지를 넣고 교반 및 히팅을 하면서 탈포할 수도 있고, 또는 교반이 완료된 후 기포를 제거할 수도 있다. 교반기(13)를 밀폐 상태로 유지한 채 트위스트 형태의 임펠러를 저속으로 회전시켜 기포 제거 효율을 높일 수 있다. 필요에 따라, 교반기(13)를 가압하여 탈포 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 함침 공정은 공지된 방법에 따라 수행될 수 있다. 섬유는 몇천~몇만개의 필라멘트가 일방향으로 감겨있으며, 분리기(separator comb)에 의해 분리되어 수지로 함침된다. 함침 과정에서 발생할 수 있는 보이드(void)를 제거하기 위해 진공 상태를 유지하는 것이 바람직하다.
다음으로, 진공 밀폐용기 내 중공의 라이너를 위치시키고, 라이너 외주면에 상기 복합재를 피복한다(S2). 고압유체를 충전하는 압력용기는 용기의 내껍데기가 되는 라이너와, 라이너의 외부 표면을 덮는 복합재층으로 구성된다. 라이너는 원통형의 실린더와 실린더의 양단부에 설치된 한쌍의 돔부를 갖는다. 일 실시예에 있어서, 라이너는 금속재 또는 플라스틱과 같은 비금속 라이너가 사용될 수 있다.
라이너 외주면에 복합재를 덮어 라이너를 보강할 수 있다. 필라멘트 와인딩(Filament winding)은 연속섬유(filament)에 수지를 함침시켜 회전하는 맨드릴(mandrel) 위에 섬유를 감아서(winding) 제조하는 성형법이다. 도 5는 필라멘트 와인딩 공정을 나타내는 사진이다. 섬유를 둘러 감는 형태나 섬유간 거리, 감는 횟수는 필요에 따라 적절히 선택할 수 있다.
섬유를 와인딩하는 과정에서 다수의 보이드(void)가 발생할 수 있으므로 진공 공간에서 수행하는 것이 바람직하다. 진공 밀폐용기는 내부에 라이너를 수용할 수 있는 충분한 공간을 가져야 한다. 진공 밀폐용기는 내부를 진공화하고 내부에 발생한 유체를 외부로 배기하는 임의의 적절한 진공원과 연결될 수 있다. 예를 들어, 필라멘트 와인딩 공정이 진행되는 동안 진공펌프에 의한 진공이 압력용기의 내부 및 외부에 형성된다. 이러한 상태는, 복합재가 라이너 외주면에 피복되고 일체화될 때까지 계속될 수 있다. 진공의 밀폐된 공간에서 복합재 내부에 수분 및 휘발성분이 포획되고 제거되어 보이드(void)의 혼입이 적은 압력용기가 안정적으로 생산될 수 있다.
다음으로, 복합재로 피복된 라이너를 진공백 내에 배치하고 가열기로 가열 경화시킨다(S3). 가열기(35)는 전기 저항 가열기와 같은 임의의 적절한 유형일 수 있다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 압력용기(100)가 외부의 진공모터(32)와 호스(33)를 통해 연결되어 축 길이 방향으로 회전하면서 압력구배가 발생할 수 있다. 보이드는 압력 구배에 의해 제어된다.
압력용기를 둘러싸고 있는 진공백(31)은 내부에 진공상태를 유지시켜 수지의 경화 과정에서 발생되는 휘발성분을 제거할 수 있다. 진공백(31) 내부에 배치된 압력용기(100)는 가해지는 진공의 정도에 의거하여 대기압 이하의 압밀 압력을 겪는 효과를 갖는다. 이는 압력용기 내 보이드 생성을 억제함으로써 더 향상된 물성을 갖도록 한다. 도 7은 가열 경화 중인 압력용기를 나타내는 사진이다. 수지를 가열경화시킨 후, 라이너를 맨드릴로부터 빼내어 최종 압력용기를 얻는다.
상기 방법으로 제조되는 압력용기는 압력 하에서 유체, 예를 들어 액체, 액화 가스, 응축 가스 및 이들의 조합을 함유할 수 있는 구조체이다. 이러한 압력용기에는 저장용기(연료탱크, 휴대용 가스 저장탱크 등)뿐만 아니라 파이프 및 승압하여 유체를 전달하는데 사용될 수 있는 다른 도관(유압라인 등) 및 일시적인 승압에 노출되는 구조체(로켓 모터 케이싱, 런치 튜브(Launch tube) 등)가 포함될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 압력용기는 자동차에 탑재되는 것 외에 대형 유체저장 용기에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 수소 운반 탱크 및 수소 스테이션 저장 탱크에도 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 복합재 압력용기의 제조방법에 따르면, 성형 과정에서 발생할 수 있는 제품 내부의 보이드를 저감시켜 물성이 향상된 압력용기를 얻을 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
11: 주제 탱크
12: 경화제 탱크
13: 교반기
31: 진공백
32: 진공모터
33: 호스
35: 가열기
100: 압력용기

Claims (7)

  1. 수지와 경화제를 진공 상태에서 교반한 후 섬유에 함침시켜 복합재를 제조하는 단계;
    진공 밀폐용기 내 중공의 라이너를 위치시키고, 라이너 외주면에 상기 복합재를 피복하는 단계; 및
    복합재로 피복된 라이너를 진공백 내에 배치하고 가열 경화시키는 단계;를 포함하는,
    복합재 압력용기의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 교반하는 단계는,
    교반과 탈포를 동시에 수행하거나, 교반이 완료된 후 탈포하는 단계를 포함하는,
    이루어지는,
    복합재 압력용기의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수지는 열경화성 수지를 포함하는,
    복합재 압력용기의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 및 금속 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인,
    복합재 압력용기의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 경화 단계는,
    상기 라이너가 외부의 진공모터와 연결되어 축 길이방향으로 회전하면서 압력구배가 발생하는,
    복합재 압력용기의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공백은 내부에 진공상태를 유지시켜 수지에서 발생되는 휘발성분을 제거하는,
    복합재 압력용기의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공 밀폐용기는, 내부를 진공화하고 내부에 발생한 유체를 외부로 배기하는 진공펌프와 연결된,
    복합재 압력용기의 제조방법.
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