Processing

Please wait...

Settings

Settings

Goto Application

1. WO2020111840 - PRESSURE VESSEL BOSS AND PRESSURE VESSEL HAVING SAME

Document

명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4   5  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

6   7   8  

과제 해결 수단

9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22  

발명의 효과

23   24   25  

도면의 간단한 설명

26   27   28   29   30   31   32   33  

발명의 실시를 위한 최선의 형태

34   35   36   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50   51   52   53   54   55   56   57   58   59   60   61   62   63   64   65   66   67   68   69   70   71   72   73   74   75   76   77  

청구범위

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19  

도면

1   2   3   4   5   6   7   8  

명세서

발명의 명칭 : 압력용기용 보스 및 이를 구비한 압력용기

기술분야

[1]
본 발명은 압력용기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고압가스 저장 등에 사용되는 압력용기에서 포트를 형성하는 압력용기용 보스 및 이를 구비한 압력용기에 관한 것이다.

배경기술

[2]
압력 용기는, 내부에 산소, 천연 가스, 질소, 수소, 프로판 및 기타 연료의 가압 유체를 저장하기 위해 일반적으로 사용된다.
[3]
압력용기는 사용재료와 복합재료의 강화 방식에 따라 일반적으로 4가지 TYPE 으로 분류된다. 이 중 TYPE-4의 압력용기는 플라스틱 소재의 라이너에 수지를 함침시킨 탄소섬유나 유리섬유를 원주방향과 길이방향으로 감아서 만든 복합재 압력용기로서, 플라스틱 소재의 라이너는 하중의 거의 부담하지 않고, 가스가 새는 것을 방지하는 역할을 한다. 이러한 TYPE-4의 압력용기는 경량화. 안정성, 및 성능 면에서 우수하여, 압축천연가스 자동차용 연료 저장 탱크로 이미 널리 사용되고 있으며, 근래에는 수로 연료전지 자동차의 연료탱크로 개발되면서 크게 주목을 받고 있다.
[4]
이러한 압력용기에서 내부와 연통되는 부분인 포트는 연료주입구를 이루는 데, 포트는 금속 소재로 제작되는 레귤레이터 또는 밸브와의 견고한 결합 및 나사산 손상 방지가 가능하도록, 종래에는 금속재 보스(boss)를 플라스틱 소재의 라이너와 결착하여 포트를 형성하였다.
[5]
그런데, 플라스틱 소재의 라이너와 금속재 보스는 서로 이종 재질이므로 접착제를 사용하여 결합이 어렵다. 이러한 이유로, 예컨대, 200~700 bar 의 고압의 기체 연료를 압력용기에 저장하는 경우에 높은 압력으로 인하여 플라스틱 소재의 라이너와 금속재 보스의 결합 부분에서 가스가 새거나(leak), 보스가 라이너로부터 이탈할 우려가 있었다.

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[6]
본 발명은, 라이너와 계면 접합력이 향상된 구조의 압력용기용 보스 및 이를 구비한 압력용기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
[7]
또한, 본 발명은 플라스틱 소재로 형성된 라이너와 접합하는 부분이 플라스틱 또는 섬유 강화 플라스틱으로 형성되어 라이너와의 계면 접합력이 향상된 압력용기 보스 및 이를 구비한 압력용기를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
[8]
또한, 본 발명은 금속재의 보스 바디와 플라스틱 또는 섬유 강화 플라스틱으로 형성된 보스 접합부가 일체형으로 형성된 압력용기 보스 및 이를 구비한 압력용기를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

과제 해결 수단

[9]
본 발명의 일 측면에 의하면, 압력용기의 내외부를 연결하는 통공이 형성된 보스 바디; 및 상기 보스 바디의 외면을 둘러싸고 반경방향 외측으로 연장되고 외측면이 라이너의 개구 면에 면접하여 접합되는 보스 접합부로서, 상기 외측면이, 보스 접합부의 상면과 하면을 연결하는 3개 이상의 선분으로 구성되고 볼록한 코너와 오목한 코너가 각각 적어도 1개 이상 포함하는 단면 형상을 갖는 보스접합부;를 포함하는 압력용기용 보스를 제공한다.
[10]
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 외측면은 서로 이격된 측면 부분들과 상기 측면 부분들 사이를 잇는 단차면으로 구성된 계단식 단면을 구비한다.
[11]
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 측면 부분들 각각은 테이퍼지게 형성된다.
[12]
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 보스 접합부의 하면 측의 제1 측면 부분은 상면 측의 제2 측면 부분보다 중심선으로부터 더 큰 이격거리를 가진다.
[13]
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 측면 부분과과 상기 제2 측면 부분은 서로 반대방향으로 테이퍼지는 데, 상기 제1 측면 부분은 상기 보스 접합부의 하면 측으로 갈수록 중심선으로부터의 반경방향 거리가 감소되는 형태로 테이퍼진다.
[14]
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 라이너의 개구면과 상기 보스 접합부의 외측면이 접합된 계면 중 적어도 일부는 레이저 융착되며, 제2 측면과 단차면 이 레이저 융착될 수 있다.
[15]
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 보스 바디는 금속재로 형성되고, 상기 보스 접합부는 플라스틱 소재 또는 플라스틱 복합재를 사출하여 상기 보스 바디와 일체로 성형되며, 상기 복합재는 플라스틱 소재에 탄소 섬유 또는 유리 섬유가 보강된 섬유 강화 복합재로 형성될 수 있으며, 상기 보스 접합부의 플라스틱 소재는, 폴리올레핀계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리올레핀계 수지 또는 폴리아미드계 수지 중 적어도 하나를 포함하는 복합 수지로 형성될 수 있다.
[16]
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 보스 접합부 및 상기 보스 바디는 고정홈과 고정돌기 방식의 물리적 결합부를 통해 추가로 고정되도록 일체로 사출되며, 이를 위해 상기 보스 바디는 하면 측에서 상기 보스 접합부의 하면을 따라 반경방향으로 확장 형성되며, 복수의 상기 고정홈이 형성된 플랜지부를 구비하고, 상기 보스 접합부는 상기 고정홈을 통해 돌출되고 단부가 반경방향으로 확장되어 상기 플랜지부에 걸림되는 고정돌기가 구비되도록 사출된다.
[17]
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 보스 바디의 외주면을 둘러싸고 상기 보스 접합부 내부로 연장된 금속 링이 구비된다.
[18]
본 발명의 다른 측면에 의하면, 플라스틱 소재의 라이너; 통공이 형성된 금속재의 보스 바디와; 플라스틱 소재 또는 플라스틱 복합재로 형성되고, 상기 보스 바디의 외면을 둘러싸고 반경방향 외측으로 연장 형성되며, 외측면이 상기 라이너의 개구면에 면접하여 접합되며, 상기 외측면은 하면 측의 제1 측면 부분과 상면 측의 제2 측면 부분과 상기 제1 및 제2 측면 부분 사이를 연결하는 단차면을 구비한 단면을 가지되, 상기 제1 측면 부분은 하면 측으로 갈수록 통공의 중심선으로부터의 반경방향으로의 거리가 감소되게 테이퍼지며, 상기 제2 측면 부분 상기 제1 측면 부분과 반대방향으로 테이퍼지며, 상기 보스 바디와의 물리적 고정을 위한 물리적 결합부를 구비하며, 상기 보스 바디와 일체로 성형되는, 보스 접합부;를 포함하는 보스; 및 상기 라이너의 외주면을 둘러싸는 복합재 쉘을 포함하는 압력용기를 제공한다.
[19]
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 라이너는, 상기 보스의 외측면과 상기 라이너의 개구 면이 면접하여 접합하게 블로우 몰딩을 통해 상기 보스와 일체로 성형된다.
[20]
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 제2 측면 부분과 상기 제1 측면부분과 상기 제2 측면 사이에 위치하는 단차면 중 적어도 어느 한 곳에는 레이저 융착이 수행되어 레이저 융착 계면이 형성된다.
[21]
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 물리적 결합부는 상기 보스 바디의 하면에서 상기 보스 접합부의 하면을 따라 반경방향으로 연장 형성된 플랜지부에 형성된 복수의 고정홈과; 상기 보스 접합부를 상기 보스 바디와 일체로 성형할 때 형성되고, 상기 고정홈을 통해 돌출되고 단부가 반경방향으로 확장되어 상기 플랜지부에 걸림되는 고정돌기로 형성된다.
[22]
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 플랜지부는 적어도 상기 보스 접합부의 하면과 동일하거나 더 크게 형성되어 상기 보스 접합부의 하면을 덮도록 형성될 수 있다. 또한 유리하게는, 상기 플랜지부가 외측 단부가 상기 라이너와 접하여 상기 라이너와의 사이에 단차가 형성되지 않도록 연장 형성될 수 있다.

발명의 효과

[23]
본 발명에 의하면, 압력용기에서 라이너와 보스의 계면 접합력이 향상되어 라이너와 압력용기 보스의 계면에서의 가스 누출(leak) 차단 효과가 우수한 압력용기를 제공할 수 있다.
[24]
본 발명의 의하면, 플라스틱 소재로 형성된 라이너와 접합하는 보스가 플라스틱 또는 섬유 강화 플라스틱으로 형성된 보스 접합부를 구비하여, 라이너와 보스 접합부 사이의 동종 소재 접합이 이루어지므로, 계면 접합력이 향상되고, 레이저 융착을 통해 추가적인 계면 접합력 향상 효과를 가질 수 있다.
[25]
본 발명에 의하면 보스가 물리적 결합부를 갖는 이종 소재 사출로 형성되므로, 보스가 이종 소재 사출로 형성되더라도 구조적으로 안정성을 확보할 수 있다.

도면의 간단한 설명

[26]
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기의 부분 단면도이다
[27]
도 2 는 본 발명에 따른 압력용기의 부분 단면 사시도이다.
[28]
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기에서 라이너와 보스의 융착 계면을 설명하기 위한 도면이다.
[29]
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 보스에서 플랜지부의 일 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
[30]
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 보스에서 플랜지부의 다른 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
[31]
도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기에서 보스 접합부의 외측면 형상에 따른, 라이너와 보스의 접합 계면에서의 결합력을 대비한 구조해석 결과를 보여주는 도면이다.
[32]
도 7 은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기에서 복합재 쉘이 적용된 상태에서의 구조 해석결과를 설명하기 위한 도면이다.
[33]
도 8 은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기용 보스에서 레이저 융착 계면의 효과를 확인하기 위한 구조해석 결과를 보여주기 위한 도면이다.

발명의 실시를 위한 최선의 형태

[34]
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명에서 구성요소를 지칭하는 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
[35]
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
[36]
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기의 부분 단면도이고, 도 2 는 본 발명에 따른 압력용기의 부분 단면 사시도이다.
[37]
본 발명의 실시예에 따른 압력용기(1)는, 중공의 라이너(10)와, 상기 라이너(10)의 개구(12)에 제공되어 압력용기의 포트를 형성하는 보스(20)를 포함한다. 또한 압력용기(1)는 라이너(10)의 외주면에 유리섬유층 또는 탄소섬유층으로 형성된 복합재 쉘(30)(도 1 에서 복합재 쉘의 일부만을 도시함)을 포함한다.
[38]
본 발명의 실시예에 따르면 라이너(10)는 플라스틱 소재로 형성될 수 있고, 압력용기(1) 내부에 수용된 고압의 가스가 새는 것을 방지한다.
[39]
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 보스(20)는 라이너(10)의 개구(12)에 배치되어 포트를 형성한다. 본 발명의 실시예에 따른 압력용기의 제조방법에 의하면, 보스(20)가 제공되고, 블로우 몰딩(blow molding) 등을 통해 라이너(10)가 형성되면서 보스(20)와 라이너(10)는 일체로 성형될 수 있다.
[40]
보스(20)는 보스 바디(210)와 보스 접합부(260)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 보스 바디(210)는 금속재로 형성되며, 보스 접합부(260)는 플라스틱 소재 또는 플라스틱 소재를 포함하는 섬유 강화 복합재로 형성될 수 있으며, 이종 소재 사출을 통해 보스 바디와 일체로 성형될 수 있다. 즉, 금속재의 보스 바디(210)를 인서트 금형 내에 배치하고 보스 접합부(260)의 형성하는 소재를 사출하는 인서트 사출을 통해 일체로 성형될 수 있다.
[41]
보스 바디(210)는 압력용기(1)의 외측으로 위치하는 상면(211)와 압력용기(1) 내측으로 위치하는 하면(212) 사이에서 중심부에 길이방향으로 통공(230)이 형성된 원통 형상을 구비한다. 본 명세서에서 상부 및 하부는, 도 1 에 도시된 압력용기(1)를, 보스(20)가 위쪽으로 위치하도록 세운 상태를 전제하는 것으로 도 1 을 기준으로 우측이 압력용기(1)의 상부 측이 되며, 좌측이 압력용기(1)의 하부 측이 된다.
[42]
통공(230)은 압력용기(1)의 내외부를 연결하여 압력용기(1) 내부에 저장되는 가스의 유동경로가 된다, 수소 연료전지 자동차의 경우에는 보스 바디(210)에 레귤레이터 또는 밸브 등이 결합되어 연료전지에 수소 연료가 공급될 수 있다.
[43]
보스 접합부(260)는 보스 바디(210)의 하부에서 보스 바디(210)의 외주면을 둘러싸고 반경방향 외측으로 연장되어 형성된다. 보스 접합부(260)는 라이너(10)의 개구(12) 면에 면접하는 외측면(270)을 갖는 원형 플레이트 형태 또는 다각형 플레이트 형태로 형성된다.
[44]
보스 접합부(260)는, 외측면(270)이 상면과 하면을 연결하는 3개 이상의 선분으로 구성되고 볼록한 코너(274a)와 오목한 코너(274b)를 적어도 1개 이상 포함하는 단면 형상을 갖는다. 외측면(270)은 서로 이격된 적어도 2개의 측면 부분들(272, 276)과 상기 적어도 2개의 측면 부분들(272, 276) 사이를 잇는 단차면(274)을 포함할 수 있으며, 이에 의해 외측면(270)은 측면 부분들(272, 276)과 단차면(274)으로 형성되는 계단식 단면을 가진다.
[45]
측면 부분(272, 276)들은 테이퍼지게 형성될 수 있다. 따라서, 측면 부분(272, 276)들은 어느 일측에서 반대편 타측으로 중심선으로부터 반경방향 거리가 변경되게 경사지게 형성된다. 또한 측면 부분(272, 276)들은 통공(230)을 관통하는 중심선으로부터 반경방향으로의 이격거리가 서로 상이하게 형성될 수 있다. 본 명세서에서 테이퍼진 측면 부분(272, 276)의 이격거리는, 단면 상에서 중심선으로부터 반경방향으로의 거리가 가장 먼 지점까지의 거리로 정의된다. 도 1을 참조하면, 제1 측면 부분(272)의 이격거리는 중심선으로부터 볼록한 코너(274a)까지의 거리이며, 제2 측면 부분(274)의 이격거리는 중심선으로부터 오목한 코너(274b)까지의 거리이다. 단차면(272)은 단면에서 볼록한 코너(274a)와 오목한 코너(274b)를 잇는 선분으로 정의된다. 보스 접합부(260)는 각 측면(272, 276)의 반경방향으로의 이격거리 및 측면 부분의 테이퍼진 방향을 달리하여 다양한 형태의 외측면을 가질 수 있다.
[46]
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 외측면(270)은 하면 측으로 위치한 제1 측면 부분(272)과 하면 측으로 위치하는 제2측면 부분(276)을 포함한다. 제1 측면 부분(272)이 제2 측면 부분(276) 보다 중심선으로부터 더 큰 이격거리를 가지며 배치되고, 제1 측면 부분(272)과 제2 측면 부분(274) 사이의 단차면(274)을 통해 이어진다. 또한, 제1 측면 부분(272)과 제2 측면 부분(276)은 서로 반대방향으로 테이퍼진다. 이때 제1 측면 부분(272)은 하면 측을 향해 중심선으로부터의 거리가 감소되도록 테이퍼지며, 제2 측면 부분(276)은 상면 측을 향해 중심선으로부터의 거리가 감소되도록 테이퍼지는 것이 유리하다. 이로 인해 제1 측면 부분(272)과 제2 측면 부분(276)은 서로 반대되는 경사를 지닌 원뿔 또는 다각형 뿔의 외주면을 이룰 수 있다. 이로 인해 도 1 의 단면도에서 볼 때, 제1 측면 부분(272)과 제2 측면 부분(276)은 서로 반대되는 경사를 지닌 경사면을 형성한다. 그러나 본 발명은 제1 측면 부분(272) 및 제2 측면 부분(276)의 중심선으로부터의 거리가 점차적으로 계단식으로 감소되게 테이퍼지는 것을 배제하지 않는다. 이 경우 제1 및 제2 측면 부분(276)의 계단 형태의 윤곽을 갖는다.
[47]
본 발명의 실시예에 의하면, 압력용기(1)에서 보스 바디(210)의 상면(211) 측에서 하면(212) 측으로 보스(20)를 투시적으로 관찰할 때, 보스 접합부(260)의 제2 측면 부분(276)과 단차면(274)이 관찰될 수 있다.
[48]
압력용기(1)의 제조 시에 라이너(10)는 보스(20)와, 예컨대, 블로우 몰딩(blow molding)을 통해, 일체로 성형될 수 있다. 라이너(10)와 일체로 보스(20)를 성형하는 과정에서, 라이너(10)의 개구(12) 면과, 여기에서 면접하는 보스 접합부(260)의 외측면(270)은 일체로 접합된다. 또한, 보스 접합부(260)의 하면은 라이너(10)의 내부 단부측 표면과 나란하며, 보스 접합부(260)의 상면은 라이너(10)의 외부 단부측 표면과 나란하게 형성된다.
[49]
본 발명의 실시예에 따른 압력용기에서 서로 접합되는 라이너(10)의 개구(12) 면과 보스 접합부(260)의 외측면(270)은 모두 플라스틱 소재이므로, 일체로 성형하는 공정에서, 계면 사이에서 견고한 접합을 형성하는 것이 가능하게 된다.
[50]
도 3 의 (a)와 (b) 는 본 발명의 실시예에 따른 압력용기의 포트에서 라이너와 보스 접합부 사이의 레이저 융착 계면을 설명하기 위한 도면이다.
[51]
본 발명의 실시예에 의하면, 보스 접합부(260)와 라이너(10)의 접합 계면에 접착력을 향상시키기 위하여, 융착 계면을 형성한다. 이를 위해 레이저 융착, 열융착, 압착 융착 등이 수행될 수 있다. 도 3 은 라이너(10)와 보스 접합부(260)의 접합 계면 중에서 제2 측면 부분(276)과 단차면(274)에 레이저를 이용하여 레이저 융착 계면이 형성된 실시예를 보여준다.
[52]
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 제2 측면 부분(276) 및 단차면(274)이, 보스 바디(210)의 상면 측을 향하는 표면을 갖게 되므로, 레이저 침투가 용이하다. 따라서, 보스 바디(210)의 상면 측에서 레이저를 이용하여, 제2 측면 부분(276) 및 단차면(274)에서의 접합 계면에 융착 계면(279)을 용이하게 형성할 수 있다. 이로 인해 라이너(10)와 보스(20)의 접합력을 향상시킨다. 레이저 융착 계면(279)은 제2 측면 부분(276), 단차면(274)을 포함하여 라이너(10)와 보스 접합부(260)가 접하는 모든 계면에 형성할 수 있으며, 제2 측면 부분(276) 및 단차면(274)에 한정되지 않으나, 적어도 제2 측면 부분(276) 및 단차면(274) 중 어느 하나, 보다 유리하게는 적어도 제2 측면 부분(276) 및 단차면(274)에 레이저 융착 계면을 형성한다.
[53]
도 3의 (b) 는, 본 발명의 실시예에 따라, 레이저 융착 계면(279)이, 보스(20)의 보스 접합부(260)와 라이너(10)의 계면을 따라 형성된 것으로 보여준다. 라이너(10)와 보스 접합부(260) 사이에 형성되는 레이저 융착 계면(279)은 라이너(10)의 외측 표면에서 10mm 이내의 깊이로 형성되는 것이 유리하다. 즉, 단차면(274)은 라이너(10)의 외측 표면에서 10mm 이내로 형성되는 것이 유리하다. 이를 통해 레이저의 침투 성능을 향상시켜 레이저 융착 계면(279)을 통해 더욱 견고하게 형성할 수 있다.
[54]
다시 도 1 및 도 2 를 참조하면, 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 보스 바디(210)와 보스 접합부(260)는 이종 소재로 형성되며, 인서트 사출을 통해 일체로 형성될 수 있다.
[55]
보스 바디(210)는 알루미늄 소재를 절삭 가공하여 형성될 수 있다.
[56]
보스 접합부(260)는 플라스틱 소재 또는 플라스틱 소재에 섬유가 보강된 섬유 강화 복합재로 형성된다. 여기서, 플라스틱 소재는, 폴리올레핀계 수지(예컨대, HDEP, PP 등), 폴리아미드계 수지(예컨대, PA6, PA66 등) 또는 이들을 포함하는 복합 플라스틱 소재일 수 있다.
[57]
섬유 강화 복합재는 상기와 같은 플라스틱 소재에 탄소 섬유(CF) 또는 유리 섬유(GF)가 포함된 단섬유 섬유 강화 복합재(SFT, Short-Fiber reinforced thermoplastic), 또는 장섬유 섬유 강화 복합재(LFT, Long-Fiber reinforced Thermoplastic)로 형성되는 것이 유리하다.
[58]
본 발명의 실시예에 의하면, 보스 접합부(260)가 섬유 강화 복합재로 형성되는 경우, 여기에 포함되는 탄소 섬유 또는 유리 섬유는 보스 접합부(260)의 전체 중량 대비 5 내지 60 wt%가 포함되는 것이 유리하다.
[59]
본 발명의 실시에 의하면, 라이너(10)는 플라스틱 소재로 형성되고, 라이너(10)의 개구 면에 면접하여 결합되는 보스(20)의 보스 접합부(260)가 동종의 소재인 플라스틱 소재 또는 플라스틱 소재를 포함하는 섬유 강화 복합재이므로, 라이너(10)와 보스(20) 사이의 계면접합은 동종 소재 간의 계면 접합을 형성한다. 따라서 이종 소재 접합 계면에서 발생할 수 있는 결합력 저하 및 가스 리크(leak)의 차단 성능을 향상시키는 데 보다 유리하다. 라이너(10)와 보스(20) 사이의 계면 파손 및 고압 기체의 리크를 억제할 수 있게 된다. 또한 상술한 바와 같이 레이저 융착 계면(279)이 더 구비되는 경우 보다 유리하다.
[60]
보스 바디(210)의 외주면을 둘러싸는 보스 접합부(260) 내부에는, 보스 바디(210)를 둘러싸고 금속 링(290)이 설치되어 보스 바디(210)와 보스 접합부(260) 사이의 실링 성능이 강화되도록 한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 금속 링(290)은 알루미늄 소재(Al6061)로 제작되었다.
[61]
본 발명의 실시예에 의하면, 보스 바디(210)와 보스 접합부(260)는 고정홈(222)과 고정돌기(262)에 의해 물리적 결합부를 가지는 형태로 일체로 사출된다. 따라서 보스(20)가 금속재와, 복합수지 또는 섬유 강화 복합재의 이종사출로 형성되더라고 결합력을 향상시킬 수 있다.
[62]
도 1 및 도 2 에 보이는 바와 같이, 보스 바디(210)는 하면에서 보스 접합부(260)의 하면을 따라 반경방향으로 확장된 원형 플레이트 형상의 플랜지부(220)를 포함한다. 플랜지부(220)는 압력용기의 길이방향 압력에 대한 저항력을 증대시킨다. 또한, 플랜지부(220)에는 복수개의 관통공 형태의 고정홈(222)이 형성되어 환형으로 배치된다. 그리고 각각의 고정홈(222)을 관통하여 보스 접합부(260)에서 연장된 고정돌기(262)가 돌출된다. 고정돌기(262)는 단부가 외측으로 확장되어 걸림부를 형성함으로써 고정돌기(262)가 고정홈(222)으로부터 이탈되는 것을 방지한다.
[63]
본 발명의 실시예에 의하면, 보스 제작시에, 인서트 사출을 통해 보스 바디(210)와 보스 접합부(260)가 일체로 성형되면서, 고정홈(222)과 고정돌기(262)를 형성시켜 물리적으로 서로 구속되도록 제조된다. 성형 과정에서 보스 바디(210)와 보스 접합부(260)의 접합과 물리적 결합이 동시에 형성되면서 일체로 성형되므로, 보스 바디(210)와 보스 접합부(260)는 견고하게 일체성을 유지할 수 있다.
[64]
도 4 및 도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 보스 바디(210)에서 플랜지부(220)의 변형예를 설명하기 위한 압력용기의 부분 단면도이다.
[65]
도 4 를 참조하면, 보스 바디(210)의 플랜지부(220)는 도 1 에 도시된 실시에와 대비하여, 보스 접합부(260)의 하면에 대응하는 크기로 확장 형성되어 보스 접합부(260)의 하면을 덮게 형성된다. 플랜지부(220)의 반경 방향 외측 단부가 보스 접합부(260)의 제1 측면부분과 나란하게 형성된다. 플랜지부(220)에 형성되는 고정홈(222)은 통공(230)을 중심으로 2열의 동심원을 따라 형성되어 고정돌기(262)가 결합된다. 플랜지부(220)가 보스 접합부(260)에 대응하여 확장 형성되므로 고정홈(222) 및 고정돌기(262)가 2열의 동심원 배치를 이루면서 물리적 결합부를 형성하는 데 유리하고, 보스(20) 자체의 내압 안정성을 향상시키는 것이 가능하다.
[66]
또한, 금속재의 플랜지부(220)가 이종 사출된 플라스틱 소재 또는 플라스틱 소재를 포함하는 복합재로 형성된 보스 접합부(260)를 덮어 형상을 받쳐주게 되므로, 압력용기 내부로 수소 가스의 충/방전시 압력차에 의한 보스 접합부(260)의 형상 변형을 억제할 수 있는 장점이 있다.
[67]
도 5 를 참조하면, 보스 바디(210)의 플랜지부(220)는 도 4 에 도시된 변형예와 대비하여 더 크게 확장 형성되어, 플랜지부(220)의 외측 단부가 라이너(10)와 맞닿아 접하게 형성된다. 플랜지부(220)가 반경방향으로 라이너(10)와 접하도록 확장 형성됨으로 인해 라이너(10)와 플랜지부(220) 단차가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 라이너(10)와 플랜지부(220) 사이에 단차가 있는 경우 해당 부분이 응력이 집중될 가능성이 있으나, 도 5 에 도시된 변형예에 의할 경우 이러한 가능성을 차단할 수 있다. 또한, 도 5 에 도시된 변형예에 의할 경우 높은 압력이 작용하더라도 보스 접합부(260)와 라이너(10) 사이의 벌어짐을 추가로 방지할 수 있다. 따라서 보스(20)의 내압 안정성이 더욱 향상된다.
[68]
도 6 는 압력용기에서 보스 접합부의 외측면 형상에 따른, 라이너와 보스 계면 사이의 결합력을 비교 실험한 구조해석 결과를 보여주는 도면이다.
[69]
도 6 의 (a) 내지 (c)에서 보스 바디는 Al6061 소재로 제작되었고, 보스 접합부는 유리 섬유가 20 wt%, 나머지 폴리프로필렌(PP)로 이루어진 장섬유 강화 플라스틱(LFT)로 제작되었다. 라이너는 PA6 수지를 이용하여 블로우 몰딩으로 성형 방식으로 제작되는 것을 예로 하였다. 실시예 1인 도 6 의 (a) 및 비교예 1 및 2 인 도 6의 (b) 및 (c)에서는 레이저 융착 계면을 형성되지 않은 상태로 실험되었다.
[70]
도 6 의 (a) 내지 (c)를 서로 대비하여 보면, 동일한 내압 조건(1, 925 bar) 하에서, 실시예 1 은 보스 접합부와 라이너 사이에서 일부 벌어짐이 발생하기는 했으나, 보스 이탈은 발생하지 않았음을 확인할 수 있다. 그러나, 보스 접합부의 외측면이 균일한 측면 형태의 비교예 1과, 보스 바디의 외측 방향으로 테이퍼진 단일면으로 형성된 비교예 2에서, 보스가 라이너로부터 이탈되는 결과를 확인하였다. 이로부터 본 발명의 실시예에 따른 외측면 형상이 라이너와의 결합 강도를 향상시킨다는 것을 확인할 수 있다.
[71]
도 6 의 (a)의 실시예 1에서도 보스 접합부와 라이너 사이의 계면에 일부 벌어짐이 발생하였으나, 도 6 의 테스트는 라이너의 외부에 보스와 라이너를 감싸는 복합재 쉘을 형성하지 않은 상태로 수행된 것으로서, 도 7 에서와 같이, 복합재 쉘을 형성하는 경우 라이너와 보스 사이의 계면 파괴를 방지할 수 있다.
[72]
도 7 은 도 6 의 (a)로 예시된 실시예 1에 복합재 쉘을 적용하여 구조 해석한 결과를 보여주는 도면이다. 도 7 의 구조해석에서는 라이너의 외면 및 라이너 외부로 도출된 보스 바디의 외주면을 복합재 쉘이 둘러싼다. 복합재 쉘은 탄소섬유 강화 복합재(Toray T770)로 형성된 것을 예로 하였다. 도 7의 테스트는 1,925 bar의 설계 파열압을 가하여 해석된 결과이다.
[73]
도 7 의 실시예 1 의 결과를 보면, 탄소섬유층으로 형성된 복합재 쉘 근방의 응력값은 최대 2,732 Mpa 도출되었으나, 설계 파열압까지 도달하는 조건에서도 실시예 1의 보스가 압력용기로부터 이탈되거나 파손되는 부분은 나타나지 않았다.
[74]
도 8 은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기용 보스에서 레이저 융착 계면의 효과를 확인하기 위한 구조해석 결과를 보여주기 위한 도면이다. 실시예 2에서는 도 3 에서 보이는 바와 같이 레이저 융착 계면을 형성하였다. 이 경우 라이너와 보스의 결합 상태에서도, 내부 압에 의해 보스 접합부와 라이너의 계면 사이에서 벌어짐이 억제되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 레이어 융착 계면의 형성은 라이너와 보스 사이의 접합 강도를 보다 향상시킬 수 있고, 이를 통해 가스 리크 방지 성능이 보다 향상될 수 있음을 확인할 수 있다.
[75]
아래의 [표 1]은 본 발명의 실시예에 따른 압력용기용 보스에서 경량화 효과를 보여준다.
[76]
[표1]
구분 실시예 3 실시예 4 실시예 5 비교예 3
무게(kg) 1.256 1.224 1.22 1.684
경량화율 25.4 27.3 27.5 -

[77]
실시예 3 은 보스 바디는 알루미늄 소재(Al6061)로 제작하고, PA수지에 유리 섬유가 강화된 GF LFT(20%)로 보스 접합부를 이종사출을 통해 일체로 제작한 경우이고, 실시예 4 는 실시예 3과 대비하여 탄소 섬유가 강화된 CF LFT(20%)로 보스 접합부를 이종사출을 통해 일체로 제작한 경우이고, 실시예 5는 실시예 3과 대비하여, PA 수지로 보스 접합부를 이종사출을 통해 일체로 제작한 경우이며, 비교예 3은 알루미늄 소재(Al6061)로 보스와 보스 접합부를 일체로 성형한 예에 관한 것이다. [표 1]에 의하면, 100% 알루미늄 소재로 형성된 보스(비교예 3)와 대비하여, 실시예 3 내지 실시예 5에서 25~27% 경량화 효과를 달성할 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서 보스 바디와 보스 접합부를 이종소재 사출로 일체로 성형한 실시예의 경우에 용기 제품의 중량 효율을 높이는 효과를 추가로 달성할 수 있다.

청구범위

[청구항 1]
압력용기의 내외부를 연결하는 통공이 형성된 보스 바디; 및 상기 보스 바디의 외면을 둘러싸고 반경방향 외측으로 연장되고 외측면이 라이너의 개구면에 면접하여 접합되는 보스 접합부로서, 상기 외측면이, 상기 보스 접합부의 상면과 하면을 연결하는 3개 이상의 선분으로 구성되고 볼록한 코너와 오목한 코너가 각각 적어도 1개 이상 포함하는 단면 형상을 갖는 보스접합부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력용기용 보스.
[청구항 2]
제1항에 있어서, 상기 외측면은 서로 이격된 측면 부분들과 상기 측면 부분들 사이를 잇는 단차면으로 구성된 계단식 단면을 구비하는 것을 특징으로 하는 압력용기용 보스.
[청구항 3]
제2항 있어서, 상기 측면 부분들 각각은 테이퍼지게 형성되는 것을 특징으로 하는 압력용기용 보스.
[청구항 4]
제3항에 있어서, 상기 제1 측면 부분과 상기 제2 측면 부분은 서로 반대방향으로 테이퍼지는 것을 특징으로 하는 압력용기용 보스.
[청구항 5]
제4항에 있어서, 상기 보스 접합부의 하면 측의 제1 측면 부분은 상면 측의 제2 측면보다 중심선으로부터 더 큰 이격거리를 갖는 것을 특징으로 하는 압력용기용 보스.
[청구항 6]
제5항에 있어서, 상기 제1 측면 부분은 상기 보스접합부의 하면 측으로 갈수록 중심선으로부터의 반경방향 거리가 감소되는 형태로 테이퍼지는 것을 특징으로 하는 압력용기용 보스.
[청구항 7]
제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 라이너의 개구면과 상기 보스 접합부의 외측면이 접합된 계면 중 적어도 일부는 레이저 융착되는 것을 특징으로 하는 압력용기용 보스.
[청구항 8]
제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 보스 바디는 금속재로 형성되고, 상기 보스 접합부는 플라스틱 소재 또는 플라스틱 복합재인 것을 특징으로 하는 압력용기용 보스.
[청구항 9]
제8항에 있어서, 상기 보스 접합부와 상기 보스 바디를 서로 고정하기 위한 고정홈과 고정돌기 방식의 물리적 결합부를 더 갖는 것을 특징으로 하는 압력용기용 보스.
[청구항 10]
제9항에 있어서, 상기 보스 바디는 하면 측에서 상기 보스 접합부의 하면을 따라 반경방향으로 확장 형성되고, 복수의 상기 고정홈이 구비된 플랜지부가 형성되고, 상기 보스 접합부에는, 상기 고정홈을 통해 돌출되고 단부가 반경방향으로 확장되어 상기 플랜지부에 걸림되는 상기 고정돌기가 구비된 것을 특징으로 하는 압력용기용 보스.
[청구항 11]
제10항에 있어서, 상기 플랜지부는 적어도 상기 보스 접합부의 하면을 덮을 수 있는 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 압력용기용 보스.
[청구항 12]
제8항에 있어서, 상기 보스 접합부는 플라스틱 소재에 탄소 섬유 또는 유리 섬유가 보강된 섬유 강화 복합재로 형성되는 것을 특징으로 하는 압력용기용 보스.
[청구항 13]
제8항에 있어서, 상기 보스 접합부의 플라스틱 소재는, 폴리올레핀계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리올레핀계 수지 또는 폴리아미드계 수지 중 적어도 하나를 포함하는 복합 수지인 것을 특징으로 하는 압력용기용 보스.
[청구항 14]
제1항에 있어서, 상기 보스 바디의 외주면을 둘러싸고 상기 보스 접합부 내부로 연장된 금속 링이 구비되는 것을 특징으로 하는 압력용기용 보스.
[청구항 15]
플라스틱 소재의 라이너; 통공이 형성된 금속재의 보스 바디와; 플라스틱 소재 또는 플라스틱 복합재로 형성되고, 상기 보스 바디의 외면을 둘러싸고 반경방향 외측으로 연장 형성되며, 외측면이 상기 라이너의 개구면에 면접하여 접합되며, 상기 외측면은 하면 측의 제1 측면 부분과 상면 측의 제2 측면 부분과 상기 제1 및 제2 측면 부분 사이를 연결하는 단차면을 구비한 단면을 가지되, 상기 제1 측면 부분은 하면 측으로 갈수록 통공의 중심선으로부터의 반경방향으로의 거리가 감소되게 테이퍼지며, 상기 제2 측면 부분 상기 제1 측면 부분과 반대방향으로 테이퍼지며, 상기 보스 바디와의 물리적 고정을 위한 물리적 결합부를 구비하며, 상기 보스 바디와 일체로 성형되는, 보스 접합부;를 포함하는 보스; 및 상기 라이너의 외주면을 둘러싸는 복합재 쉘을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력용기.
[청구항 16]
제15항에 있어서, 상기 라이너는, 상기 보스 바디의 외측면과 상기 라이너의 개구면이 면접하여 접합되도록 블로우 몰딩을 통해 상기 보스와 일체로 성형된 것을 특징으로 하는 압력용기.
[청구항 17]
제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 제2 측면 부분과, 상기 제1 측면 부분과 상기 제2측면 사이에 위치하는 상기 단차면 중 적어도 어느 한 곳은 레이저 융착되는 것을 특징으로 하는 압력용기.
[청구항 18]
제15항에 있어서, 상기 보스 바디는 상기 보스 접합부의 하면을 따라 반경방향으로 연장 형성된 플랜지부를 구비하고, 상기 물리적 결합부는, 상기 플랜지부에 형성된 복수의 고정홈과; 상기 보스 접합부를 상기 보스 바디와 일체로 성형할 때 형성되고 상기 고정홈을 통해 돌출되고 단부가 반경방향으로 확장되어 상기 플랜지부에 걸림되는 고정돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력용기.
[청구항 19]
제18항에 있어서, 상기 플랜지부는 외측 단부가 상기 라이너와 접하게 연장 형성된 것을 특징으로 하는 압력용기.

도면

[도1]

[도2]

[도3]

[도4]

[도5]

[도6]

[도7]

[도8]