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1. WO2020111842 - APPAREIL D'ÉTANCHÉITÉ POUR RÉSERVOIR HAUTE PRESSION ET RÉSERVOIR HAUTE PRESSION LE COMPRENANT

Document

명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

13  

과제 해결 수단

14   15   16   17   18   19  

발명의 효과

20   21  

도면의 간단한 설명

22   23   24  

발명의 실시를 위한 최선의 형태

25   26   27   28   29   30   31   32   33   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  

청구범위

1   2   3   4   5   6  

도면

1   2   3  

명세서

발명의 명칭 : 고압 탱크의 실링장치 및 이를 포함한 고압 탱크

기술분야

[1]
본 발명은 고압 탱크의 실링장치 및 이를 포함한 고압 탱크에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산업 분야 전반에 걸쳐 사용되는 복합재료 고압 탱크에 기체 연료가 누출되지 않고 안정적인 상태로 저장될 수 있도록 하는 고압 탱크의 실링장치 및 이를 포함한 고압 탱크에 관한 것이다.

배경기술

[2]
일반적으로 천연가스 차량이나 수소 연료전지 차량에는 기체 상태의 연료를 고압으로 압축하여 저장하는 고압 탱크가 설치된다.
[3]
고압 탱크는 경량화를 위해 플라스틱으로 이루어진 라이너(liner)와, 라이너의 외피 위에 둘러싸는 열경화성 섬유복합재와, 금속성의 연결보스를 포함하여 구성된다.
[4]
라이너의 경량화를 위한 소재는 폴리올레핀계 수지, 폴리아미드계 수지와 같은 플라스틱 재질로 제작되고, 복합 재료층은 강도유지를 위해 카본섬유 또는 유리섬유가 에폭시수지와 같은 고분자수지와 혼합되어서 라이너의 표면에 감싸여지도록 결합되며, 노즐 형태의 연결보스는 금속재질로 제작된 레귤레이터 또는 밸브(이하, 밸브로 통일해서 기재함)와의 견고한 결합을 위해 금속성 재질로 제작된다.
[5]
이러한 고압 탱크에는 수소 등으로 이루어진 기체 연료의 출입이 가능한 주입구가 형성되며, 이러한 주입구에 금속성 연결보스를 삽입하게 되는데, 플라스틱 라이너와 금속성 연결보스는 이종 재질이어서 결합성에 문제가 있으며, 연료의 지속적인 충전 시 반복적인 피로 하중에 의해 내부 가스의 누출 위험이 항상 존재하게 된다.
[6]
따라서, 플라스틱 라이너와 금속성 연결보스 사이에서 가스가 누출되지 않도록 제조사별로 고유한 연결보스를 고안하여 사용하고 있는데, 소재 특성상 라이너와 연결보스의 완벽한 결합이 어려워 고압 탱크 내부의 가스 누출을 완벽하게 방지할 수 없는 문제점이 있었다.
[7]
고압 탱크의 내부 가스에 대한 누출 방지책으로는 연결보스에 나사선을 도입하거나 조임 및 삽입부재를 활용하는 물리적인 결합 구조가 개시되어 있으며, 열 융착 및 접착제 등을 활용하는 화학적인 결합 구조가 개시되어 있다.
[8]
그런데, 종래의 라이너와 연결보스에 대한 물리적인 결합 구조는 연결보스의 형상을 복잡하게 하여 중량, 제조비용을 증가시키고 복잡한 작업 공수를 가지는 단점이 있을 뿐만 아니라 연료 충전과 같은 반복적인 피로하중에 취약한 구조를 가지는 문제점이 있었다.
[9]
[선행기술문헌]
[10]
[특허문헌]
[11]
(특허문헌 1) 일본공표특허공보 제2017-525902호(2017.09.07)
[12]
(특허문헌 2) 선행기술문헌은 라이너와 연결보스의 결합 구조가 연료 충전의 피로하중에 취약한 구조로 이루어져 본 발명과 차이가 있다.

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[13]
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 고압 탱크의 주입구에 연결보스형 실링장치를 설치함으로써, 기체 연료의 충전과 같은 반복적인 피로하중에도 충분한 기밀 성능을 유지할 수 있는 고압 탱크의 실링장치 및 이를 포함한 고압 탱크를 제공하는 데 있다.

과제 해결 수단

[14]
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 고압유체를 수용하기 위한 라이너; 상기 라이너의 주입구에 형성되는 금속성 연결체로, 주입구의 내측면에 결합되는 제1연결보스부와 주입구의 외측면에 결합되며 상부측이 좁고 하부측이 상대적으로 넓은 테이퍼 형상을 가지는 제2 연결보스부를 포함하는 연결보스; 및, 상기 제2연결보스부의 외측면과 면접촉하며, 상기 제2연결보스부의 형상에 대응되어 상부측보다 하부측의 내경이 커지는 경사면을 갖는 결합부재를 포함하는 고압 탱크의 실링장치를 제공한다.
[15]
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제1연결보스부와 상기 제2연결보스부는 상기 주입구의 내외측면에 나사 결합된다.
[16]
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제2연결보스부의 하부는 상기 라이너의 주입구 목부를 적어도 부분적으로 접촉하도록 형성된다.
[17]
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제1연결보스부와 제2연결보스부에는 상기 주입구의 내외측면에 접하여 적어도 하나의 오링을 포함한다.
[18]
본 발명의 다른 실시예는 고압 탱크의 실링장치를 포함하는 고압 탱크를 제공한다.
[19]
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 고압 탱크의 외부 둘레를 감싸는 보강층을 더 포함하며, 상기 보강층은 상기 라이너의 외피와 상기 제2연결보스부의 하부 표면을 감싸도록 결합된다.

발명의 효과

[20]
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 고압 탱크의 실링장치 및 이를 포함한 고압 탱크에 의하면, 고압 탱크의 주입구에 연결보스형 실링장치를 설치하고 연결보스 내부의 고압가스 팽창 압력으로 인한 밀폐력 향상으로 인해 기체 연료의 충전과 같은 반복적인 피로하중에도 충분한 기밀 성능을 유지할 수 있는 효과가 있다.
[21]
또한, 연결보스형 실링장치가 간단한 구조로 이루어짐으로써, 연결보스의 컴팩트한 설계가 가능하고, 더 나아가 연결보스의 부품수 및 제조 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 공수 단축을 통한 생산성 향상을 가능하게 하는 장점이 있다.

도면의 간단한 설명

[22]
도 1은 본 발명에 따른 고압 탱크를 나타내는 분해사시도이다.
[23]
도 2는 본 발명에 따른 실링장치가 장착된 고압 탱크가, 탱크 압력으로 인한 팽창으로 실링장치가 작동할 경우를 나타내는 구성도이다.
[24]
도 3은 도 2의 A부분 확대도이다.

발명의 실시를 위한 최선의 형태

[25]
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.
[26]
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 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.
[27]
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
[28]
도 1은 본 발명에 따른 고압 탱크를 나타내는 분해사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 실링장치가 장착된 고압 탱크가, 탱크 압력으로 인한 팽창으로 실링장치가 작동할 경우를 나타내는 구성도이며, 도 3은 도 2의 A부분 확대도이다.
[29]
도시한 바와 같이, 본 발명은 자동차의 기체 연료를 저장하기 위한 고압 탱크(100)에 관한 것으로, 고압 탱크(100)는, 내부가 빈 원통 형상의 실린더로 이루어지며 내부에 기체 연료의 기밀을 유지하는 라이너(110)가 형성된다.
[30]
라이너(110)의 내부 공간에는 고압의 기체 연료가 저장된다. 라이너(110)는 경량화를 위해 폴리올레핀계 수지, 폴리아미드계 수지와 같은 플라스틱 소재를 이용하고, 블로우 성형이나 회전 성형 등을 통해 제조된다.
[31]
또한, 고압 탱크(100)의 외부 둘레를 감싸며, 라이너(110)의 외피에는 기체 연료의 높은 내압을 견디기 위해 구조적인 강도 및 강성이 높은 섬유강화 복합재료로 이루어진 보강층(120)이 형성되어 있다.
[32]
보강층(120)은 강도 유지를 위해 탄소섬유가 에폭시 수지와 같은 고분자 수지와 혼합된 것으로 라이너(110)와 후술하는 연결보스(10)의 표면을 감싸도록 결합된다.
[33]
고압 탱크(100)는 저밀도의 기체를 압축하여 저장하기 때문에 연료를 저장하는 고압 탱크(100)의 부피가 증가하게 되어 적어도 한 개의 고압 탱크(100)를 자동차에 적용하고 있다.
[34]
또한, 고압 탱크(100)는 상하부 중 적어도 일측에 원통 형상의 주입구(11a)가 구비되며, 주입구(11a)의 내측면과 외측면에는 체결을 위한 나사산이 형성되어 있다.
[35]
고압 탱크(100)의 주입구(11a)에는 기체 연료의 유입과 유출을 위한 금속성 연결체인 연결보스(10)가 결합되고, 연결보스(10)에는 밸브 등이 결합 가능하게 구성된다.
[36]
밸브는 나사체결 방식, 기계적 조립 등의 결합 방식을 통해 연결보스(10)에 결합될 수 있다.
[37]
연결보스(10)는 플라스틱 라이너(110)와 이종 재질인 금속재질로서, 금속으로 제조되는 밸브 등과의 견고한 결합을 위해 동종 재질인 금속으로 제조될 수 있다.
[38]
연결보스(10)는 주입구(11a)의 내측면에 결합되는 제1연결보스부(11)와, 주입구(11a)의 외측에 결합되는 제2연결보스부(12)를 포함한다.
[39]
제1연결보스부(11)는 중공(11)의 실린더 형상으로, 외측면에 주입구(11a)의 내측 나사산과 체결되는 외측 나사산이 형성되고, 중공(11)을 통해 밸브 등이 결합되어 밀봉 가능하게 된다.
[40]
제2연결보스부(12)도 제1연결보스부(11)와 마찬가지로 중공의 실린더 형상으로 이루어져 있으며, 내측면에 주입구(11a)의 외측 나사산과 체결되는 내측 나사산이 형성되어 있다.
[41]
제2연결보스부(12)는 상부측이 좁고 하부측이 상대적으로 넓은 테이퍼 형상으로 이루어져 있다. 즉 상방으로 갈수록 점점 좁아지는 형상으로 이루어진다. 나사산이 형성되지 않은 제2연결보스부(12)의 하부는 라이너(110)의 주입구(11a) 목부를 적어도 부분적으로 접촉하도록 형성된다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 주입구(11a)의 목부 하부의 일부 구간이 완만하게 굴곡 형성되어 있어 제2연결보스부(12)의 하부도 이와 일치되도록 완만하게 굴곡 형성될 수 있다.
[42]
이와 같이 주입구(11a)의 목부 하부 형상대로 제2연결보스부(12)의 내측 하부가 일치되게 형성될 경우 주입구(11a)와 제2연결보스부(12) 간의 결합성이 더욱 향상될 수 있다.
[43]
이때, 보강층(120)은 구조적인 강도 및 강성을 유지할 수 있도록 라이너(110)의 외피와 제2연결보스부(12)의 하부 표면을 감싸도록 결합된다.
[44]
제1연결보스부(11)와 제2연결보스부(12)에는 주입구(11a)의 내외측면을 통해 기체 연료의 누출을 방지할 수 있도록 주입구(11a)의 내외측에 접하여 기밀을 유지하기 위한 적어도 하나의 오링(30)이 형성된다.
[45]
오링(30)을 설치하기 위해 제1연결보스부(11)와 제2연결보스부(12)에는 주입구(11a)와 밀착하는 측면에 반원 단면의 홈이 형성될 수 있다.
[46]
오링(30)은 고무재질로서 주입구(11a)와, 제1 및 제2연결보스부(11,12) 사이의 틈새를 통해서 내부의 고압 기체 연료가 누출되는 것을 방지할 수 있으며, 사용에 따른 내구 저하시 홈으로부터 오링(30)을 분리한 다음 오링(30)만을 새것으로 교체하면 된다.
[47]
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 연료를 고압으로 주입하여 저장한 상태에서 연결보스(10)를 이용하여 주입구(11a)를 실링한 고압 탱크(100)는, 자동차 차체에 고정되는 별도의 결합부재(20)에 결합하여 고정된다.
[48]
이와 같이 제1연결보스부(11)와 제2연결보스부(12)로 이루어진 연결보스(10)가 장착된 고압 탱크(100)를 자동차 차체의 결합부재(20)에 기밀 결합할 경우, 고압 탱크(100)가 파열되지 않는 것은 물론 충격을 받더라도 내압 성능을 지속적으로 유지할 수 있게 된다.
[49]
결합부재(20)는 고압 탱크(100)의 주입구(11a)에 결합되는 제2연결보스부(12)와 기밀성을 유지하면서 결합 가능하게 된다. 즉, 테이퍼 형상의 제2연결보스부(12)의 외측면은 결합부재(20)의 내측 결합면과 긴밀하게 맞닿아 면접촉이 가능하게 된다.
[50]
결합부재(20)에는 삽입 가능한 제2연결보스부(12)의 형상에 대응하기 위해 상부측보다 하부측의 내경이 커지는 경사면을 갖는 결합 공간부(21)가 형성된다.
[51]
결합부재(20)에 형성된 결합 공간부(21)의 내측 경사면과 제2연결보스부(12)의 외측 경사면은 서로 일치하도록 형성되므로 결합부재(20)와 제2연결보스부(12)가 서로 결합할 경우 기계적인 결합 없이 경사면을 따라 맞닿아 결합할 경우 긴밀한 접촉이 이루어지면서 밀폐성을 구현하게 된다.
[52]
여기서, 제2연결보스부(12)와 결합부재(20)의 경사면의 상부측은 고압 탱크(100)의 평행한 중심부를 기준으로 주입구(11a) 방향을 나타내고, 하부측은 고압 탱크(100)의 평행한 중심부를 기준으로 바닥면 방향을 나타낸다. 고압 탱크(100)가 반전되어 상하부가 바뀌더라도 제2연결보스부(12)와 결합부재(20)는 이러한 기준을 따르기로 한다.
[53]
한편, 주입구(11a)를 통해 기체 연료를 충전하게 될 경우 고압 탱크(100)의 내압에 의해 고압 탱크(100)가 길이방향 및 폭방향으로 팽창하게 되는데, 이때 고압 탱크(100)의 주입구(11a)도 동시에 폭방향으로 팽창하게 되므로 주입구(11a) 외측면에 나사 체결된 제2연결보스부(12)도 팽창하면서 벌어지게 된다.
[54]
제2연결보스부(12)가 외측방향으로 팽창하여 벌어지게 될 경우 제2연결보스부(12)에 결합된 결합부재(20)에 기체 연료에 의한 팽창 압력이 작용하게 되므로 제2연결보스부(12)와 결합부재(20) 간의 결합력이 더욱 증대된다. 따라서, 고압의 기체 연료의 외부 누출을 완벽하게 차단하게 되는 효과가 있다.
[55]
한편, 제2연결보스부(12)와 결합부재(20)가 서로 만나 접촉하는 내외측 경사면은 표면 조도가 충분히 작아서 미끄러짐이 용이하게 되므로 고압 탱크(100)가 내압에 의해 팽창 압력을 받을 경우 라이너(110)와 제1 및 제2연결보스부(11,12)의 결합력 및 밀폐력 향상을 증대시킬 수 있다.
[56]
본 발명은, 고압 탱크(100)의 주입구(11a)에 연결보스형 실링장치를 설치하여 연결보스(10)의 팽창 압력으로 인한 밀폐력 향상으로 인해 기체 연료의 충전과 같은 반복적인 피로하중에도 충분한 기밀 성능을 유지할 수 있음은 물론, 연결보스형 실링장치가 간단한 구조로 이루어짐으로써, 연결보스(10)의 컴팩트한 설계가 가능하고, 더 나아가 연결보스(10)의 부품수 및 제조 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 공수 단축을 통한 생산성 향상을 가능하게 된다.
[57]
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예의 기재에 한정되지 않으며, 본 발명의 특허청구범위의 기재를 벗어나지 않는 한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 실시 또한 본 발명의 보호범위 내에 있는 것으로 해석되어야 한다.
[58]
[부호의 설명]
[59]
10 : 연결보스 11 : 제1연결보스부
[60]
12 : 제2연결보스부 20 : 결합부재
[61]
30 : 오링 100 : 고압 탱크
[62]
110 : 라이너 120 : 보강층

청구범위

[청구항 1]
고압유체를 수용하기 위한 라이너; 상기 라이너의 주입구에 제공되는 금속성의 연결보스로서, 상기 주입구의 내측면에 결합되는 제1연결보스부와 상기 주입구의 외측면에 결합되며 상부측이 좁고 하부측이 상대적으로 넓은 테이퍼 형상을 가지는 제2 연결보스부를 포함하는 연결보스; 및, 상기 제2연결보스부의 외측면과 면접촉하며, 상기 제2연결보스부의 형상에 대응되어 상부측보다 하부측의 내경이 커지는 경사면을 갖는 결합부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 탱크의 실링장치.
[청구항 2]
제1항에 있어서, 상기 제1연결보스부와 상기 제2연결보스부는 상기 주입구의 내외측면에 나사 결합되는 것을 특징으로 하는 고압 탱크의 실링장치.
[청구항 3]
제1항에 있어서, 상기 제2연결보스부의 하부는 상기 라이너의 상기 주입구 목부를 적어도 부분적으로 접촉하도록 형성된 것을 특징으로 하는 고압 탱크의 실링장치.
[청구항 4]
제1항에 있어서, 상기 제1연결보스부와 상기 제2연결보스부에는 상기 주입구의 내외측면에 접하는 적어도 하나의 오링을 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 탱크의 실링장치.
[청구항 5]
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 고압 탱크의 실링장치를 포함하는 고압 탱크.
[청구항 6]
제5항에 있어서, 상기 고압 탱크의 외부 둘레를 감싸는 보강층을 더 포함하며, 상기 보강층은 상기 라이너의 외피와 상기 제2연결보스부의 하부 표면을 감싸도록 결합된 것을 특징으로 하는 고압 탱크.

도면

[도1]

[도2]

[도3]