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KR102719092B1 - 소직경 장축 압력용기 - Google Patents

소직경 장축 압력용기 Download PDF

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KR102719092B1
KR102719092B1 KR1020210185344A KR20210185344A KR102719092B1 KR 102719092 B1 KR102719092 B1 KR 102719092B1 KR 1020210185344 A KR1020210185344 A KR 1020210185344A KR 20210185344 A KR20210185344 A KR 20210185344A KR 102719092 B1 KR102719092 B1 KR 102719092B1
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Abstract

소직경 장축을 갖는 압력용기가 개시된다. 본 발명은 내부에 유체 충전 공간을 제공하기 위한 압력용기에 있어서, 축 방향으로 연장되는 중공 네크부, 상기 중공 네크부 끝단에서 연장되어 형성되는 돔부 및 상기 돔부 끝단에서 축 방향에 평행하게 연장하는 말단부를 구비하는 금속보스; 및 상기 금속보스의 말단부를 감싸면서 맞물림 결합되는 결합부를 구비하는 실린더형 플라스틱 라이너를 포함하는 압력용기을 제공한다.

Description

소직경 장축 압력용기 {Small Diameter Long Length High Pressure Vessel}
본 발명은 내부에 고압 유체의 충전 공간을 제공하는 압력용기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소직경 장축을 갖는 압력용기에 관한 것이다.
수소, 질소, 천연가스 등 다양한 종류의 가스를 저장하고, 필요에 따라 저장된 가스를 배출하기 위하여 가스 저장용기가 사용된다. 특히, 가스는 용기 내 저장밀도가 낮기 때문에 고압으로 저장될 필요가 있으며, 이러한 고압 환경에서는 압력용기가 필수적이다.
압력용기는 대체연료가스 차량(연료전지자동차 또는 압축천연가스 자동차)의 기체상태의 압축가스 연료의 저장용기 등에 사용되고 있다. 기체 상태의 연료는 에너지 저장밀도가 낮아 더 많은 운행거리를 확보하려면 저장량을 늘리거나, 저장압력을 높여야 한다. 자동차의 경우, 가스 저장시스템 탑재 공간이 한정되어 있어 저장탱크의 크기를 늘리는 것은 한계가 있으므로 가급적 보다 높은 압력의 가스를 안전하게 저장하는 것이 우선적으로 요구된다.
미래 자동차 산업에서 전동화는 대세가 될 것으로 보이므로 대체연료가스 차량은 전기차 플랫폼과의 공유할 가능성이 높아진다. 그런데, 전기차의 배터리 공간에 수소 저장시스템을 장착하기 위해서는 배터리 두께 정도의 소직경 압력용기가 필요하게 되며, 이를 위해 소직경 장축 압력용기가 사용되고 있다. 소직경 장축 압력용기란 통상 직경이 200mm 이하, 직경대 길이의 비가 4이상인 탱크를 말한다.
도 1은 종래의 통상적인 압력용기의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 압력용기(10)는 노즐보스(12)와 라이너(14)로 구성되고, 노즐보스(12) 및 라이너(14)의 외부는 카본 섬유나 유리 섬유 또는 복합재 섬유(도시하지 않음)가 와인딩되거나 적층되어 강화된다. 중공 네크부를 형성하는 노즐보스(12)는 일단의 플랜지 구조를 통해 라이너(14)에 결합되어 있다.
이 때, 라이너는 알루미늄, 스틸과 같은 금속만으로 제작하거나 플라스틱으로 제작할 수 있는데, 금속 라이너로 만들어진 복합재 압력용기를 Type3, 비금속라이너로 만들어진 복합재 압력용기를 Type4라고 부르고 있다.
플라스틱 라이너(14)는 노즐보스(12)의 플랜지에서 결합되어 돔부를 형성한 후 연장되어 실린더부를 구성한다. 이 때, 돔부 중앙에는 중공형 네크부를 갖는 금속보스(12)가 위치하는데, 이 구조는 금속보스를 돔 형상의 라이너에 인서트 사출을 하거나 조립하는 형태로 제작하여 왔다. 그러나, 직경이 작은 소직경 용기의 경우에는 금속보스를 가공해서 돔부에 인서트 사출하는 종래의 제조 방식을 적용하기에는 매우 어렵다는 문제가 있다.
한편, 압력용기는 노즐보스와 돔부 라이너를 포함하는 구조물을 인서트 사출 등에 의해 일체화시키고, 다시 이를 실린더 형상의 라이너의 실린더부에 조립하거나 접합한 후 라이너 외부를 따라 보강 섬유를 와인딩하여 제조된다. 이 때, 라이너는 보강 섬유의 와인딩을 위한 맨드렐 역할을 수행하는데, 소직경 장축 압력용기의 경우에는 종횡비가 커짐에 따라 저각 와인딩이 곤란하다는 문제점이 발생한다.
(1) 특허등록 제1437231호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 사출 성형 없이 소직경 장축 압력용기를 제작하기에 적합한 금속보스 및 라이너의 결합 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 소직경 장축 압력용기의 저각 와인딩에 적합한 압력용기 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 내부에 유체 충전 공간을 제공하기 위한 압력용기에 있어서, 축 방향으로 연장되는 중공 네크부, 상기 중공 네크부 끝단에서 연장되어 형성되는 돔부 및 상기 돔부 끝단에서 축 방향에 평행하게 연장하는 말단부를 구비하는 금속보스; 및 상기 금속보스의 말단부를 감싸면서 맞물림 결합되는 결합부를 구비하는 실린더형 플라스틱 라이너를 포함하는 압력용기를 제공한다.
본 발명에서 상기 금속보스는 말단부 외주 표면에 나사부를 구비하고, 상기 라이너의 결합부는 내주 표면에 나사부를 구비하여 서로 나사 결합하는 것일 수 있다.
또한, 상기 금속보스는 상기 나사홈 내측에 오링 홈을 더 구비하며, 상기 금속보스와 상기 라이너 사이의 오링에 의해 실링되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 라이너의 결합부는 외주를 따라 상기 플라스틱 라이너를 상기 금속보스측으로 압착하는 강성 링을 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 강성 링은 상기 오링 홈 상에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 금속보스의 돔부에 형성된 와인딩 걸림턱을 더 포함할 수 있다. 상기 와인딩 걸림턱은 상향 단차일 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 와인딩 걸림턱은 상기 돔부 둘레를 따라 연속되는 링 형상일 수 있다.
본 발명에서 상기 압력용기는 상기 라이너와 금속보스의 결합을 보강하기 위한 보강 섬유의 와인딩에 의해 형성되는 피복층을 더 포함하고, 상기 피복층은 상기 와인딩 걸림턱 부분을 덮도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 피복층은 상기 와인딩 걸림턱에 걸쳐지는 저각 와인딩 패턴을 포함할 수 있다. 이 때, 저각 타원형 와인딩은 축과 이루는 각도가 55도 이하의 각도, 예컨대 54~55도의 각도를 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 소직경 장축 압력용기에 적합한 금속보스 및 라이너의 결합 구조를 제공할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 따르면, 소직경 장축 압력용기의 저각 와인딩 패턴의 적용이 가능한 압력용기 구조를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 통상적인 압력용기의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력용기의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 각각 도 2의 압력용기의 일부분을 확대 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 와인딩 패턴을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력용기의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 터치 패널 및 이의 제조방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력용기의 일부분에 대한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 압력용기(100)는 유체의 충전 및 배출의 통로가 되는 금속보스(120), 상기 금속보스(120)와 결합되어 내부에 상기 유체의 충전 공간을 제공하는 플라스틱 라이너(140)를 포함하고 있다.
또한, 상기 압력용기(100)는 상기 금속보스(120)와 상기 라이너(140)를 결합한 후 내압성을 향상시키기 위해 상기 금속보스(120)와 상기 라이너(140)의 바깥을 보강 섬유에 의해 와인딩함으로써 형성되는 피복층을 포함할 수 있는데, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
상기 금속보스(120)는 압력용기의 길이 방향축(Z축)으로 연장되는 중공 네크부(122)와 상기 네크부(122)의 끝단에서 직경 방향(X축)으로 확장하면서 길이 방향으로 연장되는 돔부(124)와 상기 돔부(124) 끝단에서 축 방향으로 평행하게 연장되는 말단부(126)를 구비하고 있다.
본 발명에서 상기 돔부(124)는 예컨대 반구형 형상일 수 있다. 본 발명에서 상기 금속보스(120) 말단부(126)에는 합성수지 재질의 라이너(140)가 결합되어 있다. 도시된 바와 같이, 상기 라이너(140)는 Z축 방향에 평행하게 연장되고 있다.
도면에는 압력용기(100)의 일측에 노즐보스가 구비된 것을 도시하고 있으나, 필요한 경우 상기 금속보스(120) 또는 이와 유사한 구조가 압력용기의 타측에 구비될 수 있음은 물론이다. 이와 달리, 상기 압력용기는 타측에 중공형 네크부가 없는 폐쇄 구조의 금속보스가 구비될 수 있음은 물론이다.
본 발명에서 상기 금속보스(120)의 외주면과 플라스틱 라이너(140) 내주면은 끼워 맞춤 또는 맞물림 결합할 수 있다. 이를 위하여 상기 금속보스(120)의 말단부와 플라스틱 라이너(140)의 결합부에는 결합 기구가 구비될 수 있다.
도 3의 (a)는 상기 금속보스(120) 말단부의 결합 기구 부분을 확대 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 금속보스(120) 말단부(126)의 외주면에는 제1 나사부(127)가 구비되어 있고, 상기 라이너에는 상기 제1 나사부(127) 형성 위치에 대응하는 위치의 내주면에 제2 나사부(142)가 구비되어 있다. 이에 따라, 상기 라이너(140)는 상기 금속보스 말단부(126)를 감싸면서 상기 금속보스와 나사 결합한다.
한편, 본 발명에서 상기 금속보스(120)와 상기 라이너(140)의 결합 부위에는 내부 유체가 상기 금속보스와 라이너 사이로 유출되지 않도록 하기 위한 실링 수단이 부가될 수 있다. 예시적으로, 금속보스(120)의 외주면 내측에는 오링 홈(129)이 구비되어 있으며, 상기 오링 홈(129)에 오링을 안착시킴으로써 상기 금속보스와 라이너 사이를 실링할 수 있다.
또한, 상기 금속보스와 라이너 사이의 기밀성을 보조하기 위하여, 상기 오링 홈(129) 형성 위치에 대응하는 위치에 상기 플라스틱 라이너를 상기 금속보스측으로 압착하는 강성 링(150)이 구비될 수 있다. 상기 강성 링은 라이너의 결합부 외주 둘레를 따라 라이너를 금속보스로 압착할 수 있다.
본 발명에서 상기 강성 링은 금속보스와 동일 재질이거나 다른 재질로 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 강성 링은 스틸, 알루미늄 합금 또는 스테인레스 스틸과 같은 금속 재질로 구성될 수 있다.
한편, 도 3에서는 상기 금속보스(120)의 말단부(126) 외주면에서 상기 오링 홈(129)은 제1 나사부(127)의 내측에 위치하는 것으로 도시하고 있으나, 본 발명에서는 그 반대의 경우도 가능함은 물론이다.
도 3의 (b)는 도 2의 금속보스(120) 돔부 일부를 확대 도시한 단면도이다.
도 3의 (b)를 참조하면, 상기 금속보스(120)의 돔부의 외면은 전체적으로매끈한 표면을 갖지만, 돔부(124) 중앙부에 해당하는 소정 영역에는 걸림턱(125)이 구비될 수 있다. 상기 걸림턱(125)은 압력용기에서 금속보스와 라이너의 결합력을 보강하기 위해 돔부 곡면에 와인딩되는 보강 섬유를 지지한다. 특히 상기 걸림턱(125)은 저각 와인딩 패턴을 형성하는 보강 섬유의 지지에 유리하다.
압력용기의 외표면을 보강하는 보강 섬유는 다양한 방식으로 와인딩되고 있다. 도 4는 압력용기(100)의 외표면을 보강하는 보강 섬유의 와인딩 패턴을 예시적으로 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 와인딩 패턴은 압력용기의 실린더 부위를 감는 X축 방향의 압력에 대응하기 위한 후프 와인딩(Hoop winding), 압력용기의 길이 방향 즉 Z축 방향의 압력에 대응하기 위한 헬리컬 와인딩(Helical winding)이 있다. 한편, 헬리컬 와인딩에는 와인딩 각도에 따라 고각 와인딩(High angle winding)과 저각 와인딩(low angle winding)을 포함한다.
본 발명의 명세서에서 와인딩 각도는 보강 섬유(w)가 형성하는 와인딩 패턴을 압력용기의 Z축을 포함하는 2차원면(예컨대 XZ면)에 투영한 와인딩 패턴이 Z축과 이루는 각도(θ)를 말한다. 본 발명의 명세서에서 저각 와인딩이란 와인딩 각도가 55도 이하 또는 50도 이하인 것을 말하는데, 길이 방향의 압력에 의한 용기 팽창을 억제하는 역할을 한다.
돔부와 길이방향 보강을 위한 헬리컬 패턴의 와인딩 각도는 노즐보스의 네크부 직경과 용기 직경, 그리고 용기의 종횡비에 따라 결정된다. 특히 소직경 장축 압력용기의 경우, 종횡비가 커짐에 따라 헬리컬 패턴의 와인딩 각도가 더 작아지게 되므로 돔부의 중앙부는 와인딩을 지지하기 어려운 구조가 되며, 소직경 장축 압력용기에서 54~55도 근처 특히 54.75도 근처의 각도는 길이 방향 및 직경 방향을 동시에 보강할 수 있는 와인딩 각도로 이 각도의 와인딩 패턴을 형성할 수 있는지 여부는 매우 중요한 요소가 된다.
따라서, 본 발명의 금속보스(120)의 걸림턱(125)은 보강 섬유를 지지하여 저각 와인딩을 가능하게 한다. 본 발명에서 상기 걸림턱(125)은 저각 와인딩을 지지하기 위한 다양한 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 걸림턱(125)은 돔부 표면에서의 단차 구조, 그루브 구조 또는 돌기 구조에 구현될 수 있다. 도 2에서 걸림턱(125)은 단차 구조에 기반한 것이다.
본 발명에서 상기 걸림턱(125)은 돔부 둘레를 따라 연속되는 구조물일 수 있다. 예컨대, 단차 구조가 돔부 둘레를 따라 연속되는 경우 링 형태를 이룰 수 있다. 그러나, 이와 달리 본 발명에서 상기 걸림턱(125)은 불연속적인 구조물 예컨대 돔부 둘레를 따라 불연속적인 단차에 의해 구현될 수 있음은 물론이다.
본 발명에서 상기 걸림턱(125)은 보강 섬유를 지지하기 위한 적절한 크기를 가져야 한다. 예컨대, 상기 걸림턱(125)이 단차인 경우 단차의 높이는 바람직하게는 2 mm 이상이어야 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력용기의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 금속보스(120) 및 라이너(140) 상에 피복층(160)이 형성되어 있다. 상기 피복층(160)은 전술한 보강 섬유의 와인딩 패턴에 의한 적층 구조를 포함한다.
상기 피복층(160)은 경화성 수지에 함침된 보강 섬유를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 보강 섬유로는 카본섬유, 유리섬유 또는 합성 폴리아미드 섬유 등일 수 있다. 상기 경화성 수지는 에폭시 수지 등일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 피복층은 돔부 중앙부의 걸림턱을 덮고 있으며, 걸림턱 구조를 갖는 금속 보스는 걸림턱 및 걸림턱 내측의 저각 영역을 와인딩 가능하게 한다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 압력용기
120 금속보스
122 네크부
124 돔부
125 걸림턱
126 말단부
127 제1 나사부
129 오링 홈
140 플라스틱 라이너
142 제2 나사부
150 강성 링

Claims (12)

  1. 내부에 유체 충전 공간을 제공하기 위한 압력용기에 있어서,
    축 방향으로 연장되는 중공 네크부, 상기 중공 네크부 끝단에서 연장되어 형성되는 돔부 및 상기 돔부 끝단에서 축 방향에 평행하게 연장하는 말단부를 구비하는 금속보스;
    상기 금속보스의 말단부를 감싸면서 맞물림 결합되는 결합부를 구비하는 실린더형 플라스틱 라이너; 및
    상기 플라스틱 라이너와 금속보스의 결합을 보강하기 위한 보강 섬유의 와인딩에 의해 형성되는 피복층을 포함하고,
    상기 압력 용기는,
    상기 금속보스의 돔부에 형성된 와인딩 걸림턱을 더 포함하고,
    상기 피복층은 상기 와인딩 걸림턱에 걸쳐지는 저각 와인딩을 포함하고,
    상기 와인딩 걸림턱은 단차 구조를 갖는 것인,
    압력용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속보스는 말단부 외주 표면에 나사부를 구비하고,
    상기 라이너의 결합부는 내주 표면에 나사부를 구비하여 서로 나사 결합하는 것을 특징으로 하는 압력용기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속보스는 상기 나사부 내측에 오링 홈을 더 구비하며,
    상기 금속보스와 상기 라이너 사이의 오링에 의해 실링되는 것을 특징으로 하는 압력용기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 라이너의 결합부는 외주를 따라 상기 플라스틱 라이너를 상기 금속보스측으로 압착하는 강성 링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력용기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 강성 링은 상기 오링 홈 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 압력용기.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 와인딩 걸림턱은 상향 단차인 것을 특징으로 하는 압력용기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 와인딩 걸림턱은 상기 돔부 둘레를 따라 연속되는 링 형상인 것을 특징으로 하는 압력용기.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    저각 와인딩은 축과 이루는 각도가 55도 이하의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 압력용기.
  12. 제1항에 있어서,
    저각 와인딩은 축과 이루는 각도가 54~55도의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 압력용기.
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