KR101856323B1 - 투과가스 배출구조를 구비한 압력용기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 투과가스 배출구조를 구비한 압력용기에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명에 따른 압력용기는 가스가 유출입되는 노즐보스; 상기 노즐보스의 플랜지부와 결합하고, 내측에 유체 충진공간이 제공되는 라이너; 상기 노즐보스 측으로부터 상기 라이너의 외면을 따라 중심축 방향으로 가스 배출 경로를 형성하는 배출경로 형성부; 및 상기 라이너 및 상기 배출경로 형성부의 외측에 구비되는 복합재;를 포함하고, 상기 배출경로 형성부는, 상기 노즐보스 측으로부터 상기 라이너의 외면을 따라 중심축 방향으로 형성되고, 중심축을 기준으로 방사상으로 복수개가 배열되는 살부재; 및 상기 노즐보스의 외측 둘레에 링형상으로 구비되고, 상기 살부재의 상단부가 고정되는 링부재;를 포함한다.
본 발명은 투과가스를 신속히 배출 시켜 라이너 좌굴을 방지하고, 고압용기 사용시 투과가스가 누출로 오인되는 문제를 해결할 수 있다.

Description

투과가스 배출구조를 구비한 압력용기{Pressure vessel having degassing structure}
본 발명은 투과가스 배출구조를 구비한 압력용기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 라이너를 투과하는 가스의 외부 배출을 위한 구조를 구비한 압력용기에 관한 것이다.
압력 용기는 산소, 천연가스, 질소, 수소 등의 각종 유체를 보관하기 위해 사용되는 용기로서, 종래에는 금속성 재료로 노즐보스 및 라이너를 제조하고 노즐보스 및 라이너의 외부에 카본 섬유나 유리 섬유를 감거나 적층하여 제조하였다. 그러나, 종래의 금속성 라이너로 제조되는 압력 용기는 금속의 특성상 중량이 무거우며 부식에 매우 약한 동시에 제조원가도 높다는 문제가 발생되었다.
이를 해결하기 위해 합성수지를 사용한 플라스틱 라이너를 제조하게 되었으며, 플라스틱이라는 특성상 금속재에 비해 중량을 가볍게 하고 내부식성을 향상시킬 수 있었다.
특히 타입4(Type4) 고압용기는 플라스틱 라이너위에 탄소섬유 복합소재를 길이방향 및 원주방향으로 감아 만든다. 이렇게 제작된 고압용기에 천연가스나 수소가스와 같은 기체를 고압으로 압축하여 저장한다.
다만, 플라스틱 라이너는 열가소성 또는 열경화성 수지로 만들어 지는데 이 때 라이너 재료의 분자구조가 해당 플라스틱 라이너 내에 저장된 기체의 분자 크기보다 커서 분자구조 사이로 가스가 새어나올 수 있다. 이를 투과(permeation)라 하고 이러한 과정을 통하여 유출되는 가스를 투과가스라 한다. 이러한 투과는 연결부위나 조립부위를 형성하는 구성부들 사이 또는 소재의 크랙과 같은 결함에 의해 가스가 새어나오는 누출(leak)과 구별된다.
이와 같이 타입4 고압용기는 사용중에 플라스틱 라이너 벽을 통하여 가스의 투과가 발생한다. 투과된 가스가 복합재료 벽에 갖혀서 적절히 배출되지 않으면 복합재료층과 라이너 사이에 압력이 올라가서 탱크 내부의 가스를 배기시킬 때 복합재료 층과 라이너 사이의 압력차에 의해 라이너가 좌굴되는 문제가 발생할 수 있다. 또한 투과된 가스가 노즐 주변 또는 탱크 표면으로 갑작스럽게 배출되면서 누출로 오인되어 제품의 하자로 인식될 수 있는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 투과가스를 신속히 배출 시켜 라이너 좌굴을 방지하고, 고압용기 사용시 투과가스가 누출로 오인되는 문제를 해결할 수 있는 가스배출구조를 구비하는 압력용기를 제공한다.
또한 본 발병은 투과가스의 배출을 용이하게 할 수 있도록 투과가스 배출경로를 형성하는 플라스틱 라이너 전처리 방법이 적용된 압력용기를 제공한다.
본 발명에 따른 압력용기는 가스가 유출입되는 노즐보스; 상기 노즐보스의 플랜지부와 결합하고, 내측에 유체 충진공간이 제공되는 라이너; 상기 노즐보스 측으로부터 상기 라이너의 외면을 따라 중심축 방향으로 가스 배출 경로를 형성하는 배출경로 형성부; 및 상기 라이너 및 상기 배출경로 형성부의 외측에 구비되는 복합재;를 포함하고,
상기 배출경로 형성부는, 상기 노즐보스 측으로부터 상기 라이너의 외면을 따라 중심축 방향으로 형성되고, 중심축을 기준으로 방사상으로 복수개가 배열되는 살부재; 및 상기 노즐보스의 외측 둘레에 링형상으로 구비되고, 상기 살부재의 상단부가 고정되는 링부재;를 포함한다.
또한 상기 살부재는 우산살 형상으로 형성 및 배열될 수 있다.
또한 상기 살부재 각각은 상호 이격된 상태로 구비될 수 있다.
또한 상기 살부재는 상기 라이너의 측면의 적어도 일부에 이르도록 형성될 수 있다.
또한 상기 라이너의 외표면 중 적어도 일부 영역은 이형제 처리 및 플라즈마 처리 중 어느 하나의 전처리영역이 형성될 수 있다.
또한 상기 전처리 영역은 상기 라이너의 외면을 따라 중심축 방향으로 길이를 갖는 복수의 띠형상의 영역으로 형성되고, 상기 복수의 전처리 영역은 상호 이격되도록 형성될 수 있다.
또한 상기 전처리 영역은 격자형으로 형성될 수 있다.
또한 상기 라이너 및 상기 복합재는 적어도 일부가 분리되는 분리영역이 형성될 수 있다.
또한 상기 이형제 처리의 경우 상기 분리영역의 적어도 일부는 상기 전처리 영역과 대응하는 위치에 형성될 수 있다.
또한 상기 플라즈마 처리의 경우 상기 분리영역의 적어도 일부는 상기 전처리 영역을 제외한 영역에 대응하여 형성될 수 있다.
본 발명은 투과가스를 신속히 배출 시켜 라이너 좌굴을 방지하고, 고압용기 사용시 투과가스가 누출로 오인되는 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력용기를 나타내는 분해사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 배출경로 형성부의 모습을 나타내는 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 살부재의 모습 및 배열된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 2의 배출경로 형성부의 모습을 나타내는 평면도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력용기의 제조과정을 나타내는 도면들이다.
도 9 및 도 10은 각각 노즐보스 및 상부 곡면부를 잘라본 모습을 나타내는 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다. 한편, 도면상에서 표시되는 각 구성은 설명의 편의를 위하여 그 두께나 치수가 과장될 수 있으며, 실제로 해당 치수나 구성간의 비율로 구성되어야 함을 의미하지는 않는다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압력용기를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력용기를 나타내는 분해사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압력 용기(10)는 내부에 산소, 천연가스, 질소, 수소 등의 각종 유체를 보관하기 위해 사용되는 용기로, 반복적인 상기 유체의 충전 및 배출이 가능하도록 제공된다. 여기서, 압력 용기(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 유체의 충전 및 배출의 통로가 되는 노즐보스(100), 노즐보스(100)와 결합되어 내부에 유체의 충전 공간을 제공하는 라이너(200), 라이너(200)의 외측에 구비되는 복합재(400) 및 배출경로 형성부(300)를 포함한다.
도 1을 참조하여 설명하면, 노즐보스(100)는 네크부(110)와 플랜지부(120)를 포함한다. 네크부(110)는 내부가 비어있는, 즉, 중공 형상으로 형성된다. 플랜지부(120)는 네크부(110)의 대략 하부 말단으로부터 반경 방향의 외측으로 연장된다.
노즐보스(100)는 압력용기 내측에 가스를 저장하거나 저장된 가스를 외부로 배출시키기 위한 통로로서 기능하는 구성부이다. 이 때 네크부(110)는 외부 장치와의 연결하기 위한 구성부이며, 플랜지부(120)는 가스를 저장하기 위한 공간을 형성하는 라이너와 결합하여 밀폐 공간을 형성하기 위한 구성부이다. 이후 상세히 설명한다.
네크부(110)의 상부 내주면에는 나사산이 형성된다. 네크부(110)의 내주면에 형성된 나사산을 이용하여 압력 용기(10)로 유체를 충전하거나, 압력 용기(10)로부터 외부로 유체를 배출하는 경우 외부 장치와 나사 결합을 함으로써 유체의 임의로 유출 되는 것을 방지할 수 있다.
플랜지부(120)는 네크부(110)의 하부 말단으로부터 반경 방향 외측으로 연장된다. 플랜지부(120)는 상술한 노즐보스(100)의 일 구성부분으로서 네크부(110)와 일체형으로 형성되거나 기계적 결합에 의하여 형성될 수 있다. 플랜지부(120)는 후술할 라이너(200)와 결합됨으로써 기밀구조를 형성한다. 노즐보스(100), 즉 네크부(110)와 플랜지부(120)는 스틸, 알루미늄 및 플라스틱 등을 가공하여 제조할 수 있다.
노즐보스(100)는 이외에도 기밀성을 향상시키고 내부 가스의 누출을 방지하거나 특정 목적하에 유출시키기 위한 구성부들을 더 구비할 수 있으나, 이하에서는 기타 노즐보스(100)의 상세 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 라이너(200)는 소정의 내부공간을 구비하는 일종의 통으로, 양측 말단은 반구형을 이루게 되며, 중앙부분은 중공의 파이프 형상을 이룰 수 있다. 라이너(200)의 상단부는 앞서 설명한 바와 같이 노즐 보스(100)의 플랜지부(120)에 연결되어 기밀구조를 형성한다.
노즐보스(100)와 라이너(200)가 결합되고 난 후 내압성을 향상시키기 위해 노즐보스(100)와 라이너(200)의 외측에 복합재(400)를 형성할 수 있다. 복합재(400)는 카본섬유, 유리섬유 또는 합성 폴리아미드 섬유 등의 보강섬유를 에폭시 수지 등의 수지에 함침시키고, 이 수지를 필라멘트 권취하거나 적층하여 라이너(200)의 외측에 소정두께로 형성할 수 있다. 이때, 복합재(400)는 노즐보스(100)의 네크부(110)의 외측면으로부터 권취되거나 적층될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 압력용기(10)는 라이너(200)와 복합재(400)의 사이에 배출경로 형성부(300)를 구비한다. 배출경로 형성부(300)는 네크부(110)의 외주면으로부터 플랜지부(120) 및 라이너(200)의 외측을 따라 구비된다. 배출경로 형성부(300)는 라이너(200)와 복합재(400) 사이에서 라이너(200)를 통하여 투과된 가스를 외측으로 배출하기 위한 경로를 형성하는 기능을 한다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 일 실시예에 따른 배출경로 형성부를 구체적으로 설명한다. 도 2는 일 실시예에 따른 배출경로 형성부의 모습을 나타내는 사시도이고, 도 3은 일 실시예에 따른 살부재의 모습 및 배열된 모습을 나타내는 사시도이며, 도 4는 도 2의 배출경로 형성부의 모습을 나타내는 평면도이다.
앞서 설명한 바와 같이 배출경로 형성부(300)는 노즐보스 측으로부터 라이너의 외면을 따라 중심축 방향으로 가스 배출 경로를 형성하는 구성부이다.
배출경로 형성부(300)는 링부재(310)와 살부재(320)를 포함한다. 살부재(320)는 도 3에 도시된 바와 같이 압력용기의 종단면 상에서 노즐보스로부터 라이너의 외면의 형상에 부합된 형상으로 형성된다. 살부재(320)는 살 형상으로 형성되며 이러한 살부재(320)는 방사상으로 복수개가 배열된다. 살부재(320)는 각각 이격된 상태로 구비되는 것이 바람직하며, 각 살부재(320) 간의 이격된 공간(G)은 가스가 배출되는 경로로서 이용된다.
링부재(310)는 링형상으로 형성되며, 상술한 살부재(320)의 상단부(321)가 고정된다. 살부재(320)의 상단부는 링부재(310)의 내주면에 고정된다. 살부재(320)의 하부(323)는 앞서 설명한 바와 같이 일정한 곡면에 밀착되도록 형성된다. 즉, 링부재(310) 및 살부재(320)는 도 4에 도시된 바와 같이 우산살의 형상으로 형성 및 배열된다.
도 5 내지 도 8을 참조하여 일 실시예에 따른 압력용기의 제조과정을 설명한다. 도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력용기의 제조과정을 나타내는 도면들이다.
라이너(200)는 앞서 설명한 바와 같이 노즐보스(100)의 플랜지부(120)와 결합하여 내측에 일정한 공간부를 형성한다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 압력용기(10)를 길이방향을 기준으로 라이너측(P1), 어깨부(P2), 측면부(P3) 및 저면측 곡면부(P4)로 구분하여 설명한다.
먼저 라이너(200)의 외표면 중 적어도 일부 영역은 복합재를 이용하여 권취하기 이전에 이형제 처리 및 플라즈마 처리 중 어느 하나의 전처리를 할 수 있다.
전처리가 수행되는 전처리 영역(RA)는 측면부(P3)에 형성되는 것이 바람직하나, 전처리 영역(RA)은 어깨부(P2) 및/또는 저면측 곡면부(P4)에 형성되는 것도 가능하다.
전처리 영역(RA)은 라이너(200)의 외면을 따라 중심축 방향으로 길이를 갖는 복수의 띠형상의 영역으로 형성될 수 있다. 이 때 각 띠형상의 영역은 상호 이격되도록 형성하는 것이 바람직하다.
전처리로는 플라즈마 처리 또는 이형제 처리가 가능하다. 예를 들어 PE와 같이 복합소재와 잘 붙지 않는 소재로 형성된 라이너는 표면에 일정한 간격으로 플라즈마 처리를 하여 에폭시에 함침된 복합소재가 잘 붙을 수 있게 한다. 반면, PA와 같이 복합소재와 잘 붙는 소재로 형성된 라이너는 표면에 일정한 간격으로 이형제 처리를 하여 에폭시에 함침된 복합소재가 잘 붙지 않게 한다.
라이너(200)의 일부 영역에 이와 같은 전처리를 수행함으로써 복합재가 향후 권취되어 압력용기가 완성된 이후, 전처리 영역 또는 전처리 영역을 제외한 영역에서 라이너(200)와 라이너(200)의 외측에 권취 또는 적층된 복합재가 분리되는 현상이 발생한다. 이와 같이 전처리 영역에서는 라이너(200)와 복합재가 분리된 분리영역이 형성됨으로써 일정한 통로로서 기능한다. 이와 같은 분리영역은 앞서 설명한 배출경로 형성부재(300; 도 1 내지 도 4 참조)와 함께 라이너(200)와 복합재 사이에 누적되는 투과 가스를 외부로 용이하게 배출할 수 있는 경로를 제공한다.
또한 분리 영역은 격자 형상으로 형성될 수 있다.　분리 영역은 도 5에 도시된 전처리 영역(RA)을 상호 연결하여 격자형으로 형성하는 방식으로 형성하는 것도 가능하나, 라이너(200) 및 복합재의 형성과정에서 자연적인 접착부분의 미세한 균열 등으로 인하여 형성될 수도 있다.
다음으로 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 라이너(200)의 상부로부터 배출경로 형성부(300)를 씌운다. 이때 살부재(320)와 전처리 영역(RA)은 적어도 일부가 겹치도록 형성하는 것이 바람직하다.
도 8에 도시된 바와 같이 복합재(400)가 라이너(200) 및 배출경로 형성부(300)의 외측으로 권취 또는 적층되면, 앞서 설명한 바와 같이 라이너(200)와 복합재(400)의 사이의 전처리 영역 또는 전처리 영역을 제외한 영역에서 분리가 일어나 가스의 배출경로가 형성된다.
살부재(320)와 전처리 영역(RA)이 적어도 일부 겹치도록 형성함으로써 배출경로 형성부(300)가 형성하는 가스 배출경로와 전처리 영역(RA)에 의하여 라이너와 복합재 간에 형성되는 배출경로가 서로 소통될 수 있다.
즉, 이렇게 만들어진 경로를 통해 라이너(200)에서 투과된 가스가 외부로 용이하게 배출될 수 있는 경로를 제공한다. 기존에는 가스배출을 위해 망 등의 삽입물을 사용하였으나 본 발명에 따른 압력용기는 이와 같은 삽입물 없이도 배출경로를 제공한다.
도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압력용기의 가스 배출경로를 구체적으로 설명한다. 도 9 및 도 10은 각각 노즐보스 및 상부 곡면부를 잘라본 모습을 나타내는 단면도이다.
도 9를 참조하여 설명하면, 네크부(110)와 링부재(310) 사이에는 살부재의 상단부(321)가 개재된다. 살부재의 상단부(321)들은 앞서 설명한 바와 같이 각각 이격되도록 형성됨으로써 일정한 공간(G)을 형성한다. 이러한 공간은 가스 배출을 위한 통로로서 제공된다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양하게 구현될 수 있다.
10: 압력용기
100: 노즐보스
200: 라이너
300: 배출경로 형성부
310: 링부재
320: 살부재
400: 복합재
RA: 전처리부

Claims (10)

  1. 가스가 유출입되는 노즐보스;
    상기 노즐보스의 플랜지부와 결합하고, 내측에 유체 충진공간이 제공되는 라이너;
    상기 노즐보스 측으로부터 상기 라이너의 외면을 따라 중심축 방향으로 가스 배출 경로를 형성하는 배출경로 형성부; 및
    상기 라이너 및 상기 배출경로 형성부의 외측에 구비되는 복합재;를 포함하고,
    상기 배출경로 형성부는,
    상기 노즐보스 측으로부터 상기 라이너의 외면을 따라 중심축 방향으로 형성되고, 중심축을 기준으로 방사상으로 복수개가 배열되는 살부재; 및
    상기 노즐보스의 외측 둘레에 링형상으로 구비되고, 상기 살부재의 상단부가 고정되는 링부재;를 포함하며,
    상기 라이너의 외표면 중 적어도 일부 영역은 이형제 처리 및 플라즈마 처리 중 어느 하나의 전처리 영역이 형성되고,
    상기 전처리 영역은 상기 라이너의 외면을 따라 복수의 띠형상의 영역으로 형성되며, 상기 복수의 전처리 영역은 상호 이격되도록 형성되고,
    상기 배출경로 형성부의 살부재와 상기 전처리 영역은 적어도 일부가 겹치도록 형성되는 것을 특징으로 하는 압력용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 살부재는 우산살 형상으로 형성 및 배열되는 압력용기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 살부재 각각은 상호 이격된 상태로 구비되는 압력용기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 살부재는 상기 라이너의 측면의 적어도 일부에 이르도록 형성되는 압력용기.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전처리 영역은 격자형으로 형성되는 압력용기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 라이너 및 상기 복합재는 적어도 일부가 분리되는 분리영역이 형성되는 압력용기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이형제 처리의 경우 상기 분리영역의 적어도 일부는 상기 전처리 영역과 대응하는 위치에 형성되는 압력용기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리의 경우 상기 분리영역의 적어도 일부는 상기 전처리 영역을 제외한 영역에 대응하여 형성되는 압력용기.
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