KR102322371B1 - 실린더부가 보강된 압력 용기 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 압력 용기에서 내압에 의한 파열에 취약한 부분에 대한 보강구조를 선택적으로 적용함으로써, 압력 용기 자체의 강도를 향상시키고, 용기의 중량을 저감시킬 수 있는 압력 용기의 구조를 제공한다.
이를 위해, 본 발명의 바람직한 구현예에서는 돔부와 실린더부를 가지는 압력 용기로써, 상기 실린더부에 두께가 상이한 영역을 가지는 단차 구조를 채용하는 한편, 해당 단차 구조 내에 섬유 복합재 보강층을 적층 형성하는 것을 특징으로 하는 실린더부가 보강된 압력 용기를 제공하는 것에 특징이 있다.

Description

실린더부가 보강된 압력 용기 {Pressure vessel including reinforced cylinder part}

본 발명은 압력 용기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고압의 가스를 저장하기 위한 압력 용기에 관한 것이다.

수소, 질소, 천연가스 등 다양한 종류의 가스를 저장하고, 필요에 따라 저장된 가스를 배출하기 위하여 가스의 저장 용기가 필요하다. 특히, 가스는 용기 내 저장 밀도가 낮기 때문에 고압으로 저장될 필요가 있으며, 이러한 고압 환경에서 이용하기 압력 용기가 필수적이다.

예를 들어, 대체연료가스 차량(연료전지자동차 또는 압축천연가스 자동차)은 연료 가스의 저장방식에 따라 저장시스템의 구조가 달라지며, 현재에는 저장시스템의 단가, 무게 및 단순함을 고려하여 압축가스 형태의 저장방식이 각광받고 있다. 그러나 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 보다 고압의 가스를 안전하게 저장하는 것이 탱크기술의 핵심이다.

연료가스 저장탱크 중 복합재 탱크의 경우, 압축가스로 인한 내압을 감당하기 위해 비강도 및 비강성이 높은 섬유강화 복합재료로 외피를 보강하며, 내부에는 가스의 기밀성을 유지하는 라이너(Liner)가 삽입된다. 연료가스저장 탱크는 라이너의 재질에 따라 형태가 나뉘며, 알루미늄과 같은 금속재질의 라이너가 삽입된 탱크를 타입 3(Type 3), 고밀도 폴리머 라이너가 삽입된 탱크를 타입 4(Type 4)라 구분한다. 타입 3의 경우, 안정성은 상대적으로 높으나, 고가이고, 내피로 특성이 떨어지는 단점이 있는 반면, 타입 4 탱크는 타입 3에 비해 저렴하고 내피로 특성은 우수하나, 수소의 누출(leakage) 및 내투과 성능이 떨어지는 등 안전성의 문제가 있다.

일반적으로 압력 용기에는 내압을 견디기 위하여 탄소섬유 복합재가 와인딩되면서 적층되는 방식으로 제작된다. 이 경우, 이방성을 가지는 복합재 특성 상 적층 두께 및 각도에 따라 재료의 강도가 달라진다.

한편, 수소탱크는 고가의 탄소섬유로 제작되며, 용기의 수소 중량효율 및 자동차 연비를 향상시키기 위해서는, 압력 용기 자체의 강도를 향상시키면서 중량을 줄일 수 있는 최적의 적층패턴이 필요하다. 특히, 고가의 탄소섬유 이용량을 줄이면서 고강도의 압력 용기를 제작할 수 있는 용기의 설계가 필요하다.

미국 공개특허 제2002-0088806호 (2002. 07. 11) 일본 공개특허 제2011-102614호 (2011. 05. 26)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 압력 용기에서 내압에 의한 파열에 취약한 부분을 선정하고, 선정된 부분에 대한 보강구조를 선택적으로 적용함으로써, 압력 용기 자체의 파열 강도를 상승시킴은 물론, 용기의 중량을 저감시키면서 용기 제작에 소모되는 재료의 양을 절감할 수 있는 압력 용기의 구조를 제공하는 것에 주안점이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 압력 용기 양단의 돔부들과; 상기 돔부들에 연결되어 형성되는 실린더부;로 이루어지는 라이너를 포함하며, 상기 실린더부는 상기 돔부들에 각각 인접한 제1영역 및 제2영역과 상기 제1영역과 상기 제2영역 사이의 제3영역을 포함하여 이루어지고, 상기 제3영역의 라이너 두께는 상기 제1영역 및 상기 제2영역의 라이너 두께에 비하여 얇게 형성되고, 제3영역에는 라이너 외측으로 섬유 복합재 보강층이 적층되는 것을 특징으로 하는 실린더부가 보강된 압력 용기를 제공한다.

또한, 상기 제3영역의 외표면에는 두께 차에 의한 공간이 형성되고, 상기 섬유 복합재 보강층은 상기 공간에 적층되는 것을 특징으로 하는 실린더부가 보강된 압력 용기를 제공한다.

또한, 상기 제3영역은 상기 제1영역 및 상기 제2영역과의 경계에서 단차진 구조를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 실린더부가 보강된 압력 용기를 제공한다.

또한, 상기 제3영역은 상기 제1영역 및 상기 제2영역과의 경계에서 라운드된 굴곡구조를 가지는 것을 특징으로 하는 실린더부가 보강된 압력 용기를 제공한다.

또한, 상기 라이너 및 상기 섬유 복합재 보강층의 외측으로 섬유 복합재층이 더 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 실린더부가 보강된 압력 용기를 제공한다.

또한, 상기 제2영역의 라이너 두께는 제1영역 또는 제3영역 라이너 두께의 20% 이상 50% 미만의 두께로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실린더부가 보강된 압력 용기를 제공한다.

또한, 상기 제2영역의 섬유 복합재 보강층은 섬유 복합재가 와인딩되면서 적층 형성된 것임을 특징으로 하는 실린더부가 보강된 압력 용기를 제공한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 압력 용기의 실린더부의 보강 구조를 채용함으로써, 취약부인 압력 용기의 실린더부의 강도(파열압)를 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 압력 용기 자체의 강도가 개선되는 효과를 가진다.

또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 압력 용기 자체의 파열 강도가 증가됨으로 인해, 고가의 복합재 사용을 줄일 수 있으며, 이에 따라 용기 자체의 중량 저감이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 압력 용기가 수소 저장을 목적으로 차량에 탑재되는 경우, 용기의 중량 저감으로 인해 차량 자체의 연비를 개선할 수 있으며, 파열 강도 증가로 인하여 차량 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 압력 용기의 구조를 설명하기 위한 압력 용기의 단면도이고,
도 2는 돔부와 실린더부에서의 와인딩 각도를 예시한 것이고,
도 3은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 실린더부가 보강된 압력 용기에 사용되는 내부 라이너의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 실린더부가 보강된 압력 용기의 단면도이고,
도 5는 도 4의 압력 용기의 일부에서 응력 표시 구간을 도시한 것이고,
도 6a는 도 5의 응력 표시 구간 내에서의 후프층 응력 및 응력 저하를 도시한 것이고,
도 6b는 5의 응력 표시 구간 내에서의 후프층 응력 및 응력 저하율을 도시한 것이다.

본 발명은 고압의 가스를 저장하는 압력 용기에 관한 것으로서, 용기 내에 저장된 고압 가스가 누출되지 않도록 기밀성을 확보하는 용기로서, 용기 내부에 저장되는 고압 가스로 인한 파열압 강도를 향상시킬 수 있는 새로운 구조의 압력 용기에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 차량의 연료 가스를 저장하기 위한 압력 용기에 관한 것이며, 예를 들어, 타입 4와 같이 복합재가 사용되는 압력 용기가 그 대상이 될 수 있다.

현재 사용 중인 타입 4 라이너의 경우, 금속 보스와 플라스틱 몸통간의 결합은 크게 일체 사출형 및 조립형 구조로 나뉘며, 금속 보스와 플라스틱 몸통의 기밀을 유지할 수 있는 구조로 제작된다.

다만, 본 발명의 바람직한 구현예로 설명되는 압력 용기는 이러한 용기의 타입에 제한받지는 않으며, 단지 복합재가 라이너 외측에 보강된 구조라면 제한 없이 적용될 수 있음에 유의하여야 한다.

특히, 본 명세서에서 섬유 복합재는 섬유 공급부에서 공급되는 섬유 복합재가 라이너 외측으로 와인딩되는 구조로 설명되고 있으나, 특허청구범위에 기재된 발명은 이러한 예에 한정되는 것은 아니며, 다른 방식을 통해 라이너 외측에 복합재가 적층되는 구조를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 복합재 내측에 위치하는 라이너는, 본 명세서에서 금속 보스와 결합되는 플라스틱 라이너로 설명되고 있으나, 이러한 예에 한정되는 것은 아니며, 보스부와 라이너가 일체화된 형태의 라이너 단품 구조로 구성될 수 있으며, 다른 재질의 보스부와 결합되거나, 또는 다른 결합 구조의 라이너로 이루어질 수 있다. 아울러, 본 발명의 바람직한 구현예에서는 타입 4에서와 같이, 플라스틱 라이너를 포함하는 압력 용기로 설명되고 있으나, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위에서 라이너의 재질 또한 변경될 수 있다.

따라서, 본 발명은 바람직한 구현예로 제시된 도면 및 실시예만으로 한정되는 것은 아니며, 위에서 언급된 것과 같은 다양한 변형예를 포섭하는 것으로 해석되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 실린더부가 보강된 압력 용기를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 압력 용기의 기본적인 구조를 설명하기 위한 압력 용기의 단면도이다. 도 1에서와 같이, 타입 4의 압력용기는 내측에는 금속 보스와 플라스틱 라이너가 결합된 용기 몸체가 형성되고, 그 외측으로 섬유 복합재층(30)이 적층되어 있는 구조로 이루어진다.

압력용기는 중심축을 기준으로 대칭인 구조로, 돔 형상의 구조와 실린더 형상의 구조가 일체로 형성된 구조를 갖는다. 구체적으로, 도 1에서와 같이, 압력용기는 중심축 상의 보스부(10)로부터 돔형상을 이루는 돔부, 그리고 압력 용기 중간 영역에 위치하는 실린더부 및 돔부와 실린더부 사이에 위치하는 변환부로 이루어진다.

특히, 돔부와 실린더부의 경우, 섬유 복합재가 와인딩되면서 적층됨에 있어서, 서로 다른 각도로 와인딩이 이루어지게 된다.

구체적으로, 도 2는 돔부와 실린더부에서의 와인딩 각도를 예시한 것으로, 돔부에서는 중심축에 대하여 작은 각도로 와인딩되면서, 헬리컬층을 형성하게 된다. 반면, 실린더부에서는 중심축에 대하여 대체로 수직에 가까운 각도로 와인딩되면서, 후프층을 형성하게 된다.

따라서, 돔부에서는 섬유 복합재의 헬리컬층이 쌓이게 되며, 이러한 헬리컬층은 금속 보스부(10) 인근을 보강하기 위하여 두껍게 적층되어야 한다. 또한, 실린더부의 경우, 복합재 헬리컬층과 후프층이 함께 쌓이게 되며, 압력용기의 직선구간을 형성하게 된다.

한편, 변환부의 경우, 복합재 후프층이 끝나는 구간으로, 압력용기의 직선구간이 곡선구간으로 변화하는 구간이며, 바람직하게는 헬리컬층의 와인딩 각도가 변화하기 시작하는 구간이다.

본 발명의 바람직한 구현예에서는, 압력 용기의 실린더부를 파열에 취약한 부분으로 하고, 해당 부분에 대한 응력 해석을 실시함으로써 취약부를 선정하였으며, 실린더부에서 선정된 취약부를 보강하기 위한 보강 구조를 제시한다.

이와 관련, 도 5에서는 압력 용기의 실린더부에서의 응력 표시 구간을 도시한 것이고, 도 6a 및 도 6b에서는 해당 응력 표시 구간에서의 응력 해석 결과를 제시하고 있다.

구체적으로, 도 4에서와 같이, 응력 표시구간은 압력 용기의 실린더부 중심을 기준으로 하여, 중심부를 응력 표시 시작점으로 설정하였으며, 이 시작점으로부터 돔부 측으로 이동함에 따라 압력 용기의 가압에 따른 응력의 변화를 해석하였다.

먼저, 도 6a에서는 응력 표시 구간 내에서의 후프층 응력 및 응력 저하를 도시한 것으로, 실린더부 중심, 즉, 응력 표시 시작점으로부터 돔부 측으로 이동함에 따라 응력이 점진적으로 저하되는데, 도 6a에 도시된 바와 같이, 응력 저하는 실린더부 중심으로부터 돔부 사이의 거리에서 50% 지점을 지나는 지점 부근에서 급격히 저하된다.

한편, 도 5b는 도 5a에서의 응력 저하가 이루어지는 가속률을 도시한 것으로, 즉, 도 5b의 그래프에서 확인할 수 있듯이, 응력 표시 구간 내에서의 응력 저하율은 실린더의 직선부의 약 50% 지점 부근을 지나면서 급격히 저하되게 된다.

이와 같은 해석 결과에 따르면, 아래와 같은 사항을 확인할 수 있다.

첫째, 돔부와 실린더부를 포함하는 압력 용기의 경우, 실린더부 후프층 응력은 전구간에 걸쳐 일정하지 않으며, 돔부에 가까워질수록 저하된다.

또한, 실린더부에서는 일정구간(실린더 직선부의 약 50%)이 지난 후 후프층 응력은 급격히 감소된다. 특히, 압력 용기 가압 시, 실린더 중심부를 기준으로 직선구간의 약 50% 구간에 하중이 집중된다.

이러한 점을 고려하여, 본 발명에서는 실린더부 중앙 영역에 살빼기된 공간, 즉, 플라스틱 라이너(20)의 외측 일부가 삭제되어 단차를 형성하는 구조를 제시하는 한편, 해당 공간 내에 섬유 복합재가 삽입 적층되는 구조를 함으로써, 하중이 집중되는 실린더부 영역을 보강할 수 있는 구조를 제공하는 것에 특징이 있다.

구체적으로, 도 3에서는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 실린더부가 보강된 압력 용기에 사용되는 내부 라이너의 단면을 도시하고 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 수소 탱크 내부 라이너(20)의 중심부에서는 라이너의 일부 두께만큼을 삭제하고, 삭제된 영역에 섬유 복합재층(30)을 형성하는 것을 특징으로 한다.

즉, 도 3에서와 같이, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 라이너(20)의 실린더부는 중심부를 기준으로 3개의 영역으로 구분으로, 양측 돔부 측의 제1영역 및 제2영역은 중심부 측의 제3영역에 비하여 상대적으로 두꺼운 두께를 가지도록 구성된다. 바람직하게는 도 3에서와 같이, 제3영역은 제1영역과 제2영역과의 경계부에서 단차를 가지도록 형성되며, 이에 따라, 라이너(20) 제3영역의 외표면은 제1영역과 제2영역의 외표면에 비하여 내측으로 위치하게 되며, 제3영역의 외표면 상에는 섬유 복합재를 추가로 적층할 수 있는 공간을 가지게 된다.

이러한 제3영역의 공간에는 섬유 복합재가 적층되는데, 바람직하게는 섬유 복합재는 와인딩 방식에 의하여 후프층을 형성하면서 섬유 복합재 보강층(21)을 형성하면서 적층될 수 있다. 다만, 섬유 복합재 보강층(21)을 형성하는 방식은 이러한 와인딩 방식으로 제한되는 것은 아니며, 해당 공간을 메우면서 섬유 복합재층(30)을 형성할 수 있는 다른 방식도 적용될 수 있다.

따라서, 라이너 실린더부의 중심부에 단차를 형성하여 공간을 창출하는 한편, 해당 공간 내에 섬유 복합재 보강층(21)이 적층된 구조를 채용함으로써, 실린더부의 취약부가 보강될 수 있으므로, 압력용기의 강도가 개선되는 효과를 얻을 수 있다.

라이너(20)의 제2영역은 도 3에서와 같이, 실린더부 표면으로부터 수직한 방향의 단차 구조로 이루어질 수 있다. 다만, 제2영역의 경계부 구조는 단차부에서의 응력 집중을 방지하기 위하여 라운드된 곡면 구조로 이루어질 수 있다.

또한, 제2영역에서 섬유 복합재 보강층(21)의 두께는 라이너(20)의 전체 두께에서 50% 이상으로 구성할 수 있으며, 바람직하게는 라이너(20)의 파손 위험을 고려하여, 섬유 복합재 보강층(21)의 두께는 80% 미만으로 구성할 수 있다. 즉, 제3영역의 라이너 두께는 제2영역의 라이너 두께의 20% 이상 ~ 50% 미만으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 경우, 라이너에 의하여 가스가 누출되는 것을 적절히 방지할 수 있으며, 섬유 복합재 보강층(21)에 의한 보강 효과를 극대화시킬 수 있다.

도 4는 도 3에서와 같이 중심부가 보강된 구조의 라이너(20) 외측에 섬유 복합재층(30)이 다시 적층된 압력 용기의 전체 단면도를 나타낸 것이다.

즉, 도 4에 도시되고 있듯이, 라이너(20) 외측에는 섬유 복합재 보강층(21) 외측으로 실린더부, 변환부 및 돔부 전체에 추가로 섬유 복합재층(30)이 적층되는 것으로, 이러한 섬유 복합재층(30)은 기존 타입 4의 섬유 복합재층과 동일하다. 따라서, 추가로 적층되는 섬유 복합재층은 기존 방식과 같이 와인딩 방식에 의하여 헬리컬층과 후프층을 형성하면서 용기 외측에 와인딩될 수 있다.

따라서, 본 발명의 구현예에 따르면, 실린더부의 중심부 측에는 외측의 섬유 복합재층(30) 내부로 섬유 복합재 강화층과 라이너층이 적층된 구조를 제공함으로써 취약부의 파열강도를 개선할 수 있으며, 이를 통해, 취약부를 제외한 나머지 부분에서의 복합재 두께를 상대적으로 얇게 적층하더라도 충분한 강도를 얻을 수 있으므로, 고가의 복합재료 사용을 줄일 수 있으며, 이를 통해 전체 용기의 중량을 줄일 수 있게 된다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.

10: 보스부
20: 라이너
21: 섬유 복합재 보강층
30: 섬유 복합재층

Claims (7)

1. 압력 용기 양단에서 돔부들과;
   상기 돔부들에 연결되어 형성되는 실린더부;로 이루어지는 라이너를 포함하며,
   상기 실린더부는 상기 돔부들에 각각 인접한 제1영역 및 제2영역과 상기 제1영역과 상기 제2영역 사이의 제3영역을 포함하여 이루어지고,
   상기 제3영역의 라이너 두께는 상기 제1영역 및 상기 제2영역의 라이너 두께에 비하여 얇게 형성되고, 제3영역에는 라이너 외측으로 섬유 복합재 보강층이 적층되며,
   상기 제3영역의 외표면에는 두께 차에 의한 공간이 형성되고, 상기 섬유 복합재 보강층은 상기 공간에 적층되고,
   상기 제3영역은 상기 제1영역 및 상기 제2영역과의 경계에서 단차진 구조를 갖도록 형성되며, 상기 제1영역 및 상기 제2영역과의 경계에서 라운드된 굴곡구조를 가지는 것을 특징으로 하는 실린더부가 보강된 압력 용기.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 라이너 및 상기 섬유 복합재 보강층의 외측으로 섬유 복합재층이 더 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 실린더부가 보강된 압력 용기.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제3영역의 라이너 두께는 제1영역 또는 제2영역 라이너 두께의 20% 이상 50% 미만의 두께로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실린더부가 보강된 압력 용기.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2영역의 섬유 복합재 보강층은 섬유 복합재가 와인딩되면서 적층 형성된 것임을 특징으로 하는 실린더부가 보강된 압력 용기.
   

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