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KR101846733B1 - 섬유강화 복합재 압력 용기 및 그 제조 방법 - Google Patents

섬유강화 복합재 압력 용기 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR101846733B1
KR101846733B1 KR1020160147243A KR20160147243A KR101846733B1 KR 101846733 B1 KR101846733 B1 KR 101846733B1 KR 1020160147243 A KR1020160147243 A KR 1020160147243A KR 20160147243 A KR20160147243 A KR 20160147243A KR 101846733 B1 KR101846733 B1 KR 101846733B1
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reinforced composite
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Abstract

본 발명은 섬유강화 복합재 압력 용기 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 우수한 충격 특성을 가지면서도 고가의 섬유강화 복합재의 사용량을 줄여 원가를 절감할 수 있는 섬유강화 복합재 압력 용기 및 그 제조 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 라이너 위에 섬유강화 복합재층이 적층 형성되고, 상기 섬유강화 복합재층이 라이너의 원통 부분을 덮고 있는 원통부와, 라이너의 양단 부분을 덮고 있는 돔부를 포함하여 구성되는 섬유강화 복합재 압력 용기에 있어서, 상기 섬유강화 복합재층의 원통부는 라이너의 원통 부분 위에 적층 형성된 후프층과, 상기 후프층 위에 적층 형성된 헬리컬층을 포함하여 구성되고, 상기 섬유강화 복합재층의 돔부는 라이너의 양단 부분 위에 적층 형성된 헬리컬층을 가지며, 상기 돔부의 헬리컬층은 제1 섬유강화 복합재로 형성되고, 상기 원통부의 헬리컬층은 제2 섬유강화 복합재로 형성된 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기, 및 그 제조 방법이 개시된다.

Description

섬유강화 복합재 압력 용기 및 그 제조 방법{Pressure vessel using fiber-reinforced composite and method manufacturing thereof}
본 발명은 섬유강화 복합재 압력 용기 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 우수한 충격 특성을 가지면서도 고가의 섬유강화 복합재의 사용량을 줄여 원가를 절감할 수 있는 섬유강화 복합재 압력 용기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차에서 LPG나 LNG, 수소와 같은 가스 연료를 저장하기 위한 용기로는, 저장 밀도 증대가 가능하도록 가스 연료를 고압으로 압축하여 저장할 수 있는 압력 용기(고압 용기)가 널리 이용되고 있다.
이러한 자동차용 압력 용기의 경우, 금속재로 이루어진 타입, 금속재 실린더 부위에 복합재를 적층한 타입, 금속재(예, 알루미늄 합금) 용기 위에 섬유강화 복합재를 와인딩하여 적층한 타입, 그리고 금속 보스(boss)(또는 금속 노즐) 및 라이너(liner) 위에 섬유강화 복합재를 와인딩(winding)하여 적층한 타입이 알려져 있다.
이 중에서 라이너 위에 섬유강화 복합재를 와인딩한 섬유강화 복합재 압력 용기는, 가스 투과를 차단하는 내측의 라이너와, 상기 라이너의 외측면에 적층되고 내부 압력 지지를 위한 지지층 역할을 하는 섬유강화 복합재층으로 구성된다.
여기서, 상기 내측의 라이너는 주로 금속이나 플라스틱을 사용하여 제작되고 있다.
특히, 무게가 가볍고 가스 취성을 갖지 않는 플라스틱 라이너를 사용하여 고압에 견딜 수 있고 고효율을 필요로 하는 압력 용기를 제작하고 있으며, 플라스틱 라이너를 사용한 압력 용기의 경우 가벼우면서도 내구성이 우수하고 원가 절감이 가능한 이점을 가진다.
또한, 상기 압력 용기는 비강성/비강도가 높은 섬유강화 복합재를 사용하여 제작하는데, 고강성 섬유의 경우 높은 내압을 견딜 수 있는 장점이 있지만 충격에 약한 단점을 가지고 있으므로, 이를 보강할 수 있는 구조가 필요하다.
한편, 도 1은 일반적인 섬유강화 복합재 압력 용기의 일부를 도시한 단면도로서, 용기 내측 부분을 이루고 있는 라이너(10)와, 라이너(10)의 양단 부분에 설치된 보스(20), 그리고 섬유강화 복합재층(30)의 양단 부분인 돔부(33)가 도시되어 있다.
상기 라이너(10)는 플라스틱으로 제작될 수 있고, 보스(20)는 금속으로 제작될 수 있으며, 돔부(33)는 섬유강화 복합재로 형성될 수 있다.
상기 돔부(33)는 플라스틱 라이너(10) 및 금속 보스(20)를 둘러싸고 있는 전체 섬유강화 복합재층(30)에서도 원통부(직선 부분)(도 2에서 도면부호 '32'임)의 양단에 연결되어 있는 돔 형상의 곡선 부분이다.
도 2는 종래의 압력 용기에서 섬유강화 복합재의 와인딩 상태를 예시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 플라스틱 라이너(도 1에서 도면부호 '10'임)와 금속 보스(20)를 덮을 수 있도록 섬유강화 복합재(31)를 와인딩하여 섬유강화 복합재층(30)을 형성하는데, 이 섬유강화 복합재층(30)은 라이너(10)의 원통 부분을 덮고 있는 직선의 원통부(32)와, 이 원통부(32)의 양단 부분에 연결되어 라이너(10)의 양단 부분(라이너의 돔 부분) 및 보스(20)를 덮고 있는 곡선의 돔부(33)를 포함하여 구성된다.
또한, 섬유강화 복합재 압력 용기의 제작 시, 라이너 외측에 소정 폭의 밴드(band) 형상을 가지는 섬유강화 복합재(31)를 용기 중심축(AX)을 기준으로 소정 각도(α)로 와인딩하여 섬유강화 복합재층(30)을 형성한다.
이때, 섬유강화 복합재를 저각(예, α: 5°~ 44°)으로 와인딩한 것을 헬리컬층(저각층)이라 하고, 중각(예, α: 45°~ 88°)으로 와인딩한 것을 튜브헬리컬층이라 하며, 고각(α: 88°~ 89°)으로 와인딩한 것을 후프층(고각층)이라 한다.
통상 섬유강화 복합재층(30)을 형성함에 있어서 플라스틱 라이너(10)와 금속 보스(20) 모두를 저각의 헬리컬 방식으로 와인딩하여 헬리컬층을 형성한다.
그러나, 플라스틱 라이너와 보스 전체를 모두 고가의 섬유강화 복합재를 사용하여 헬리컬층을 형성할 경우 충분한 강도 보강의 효과를 얻을 수 있지만, 이 헬리컬층은 원통부에서는 강도 보강의 효과가 미미하다.
좀더 설명하면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 플라스틱 라이너의 양단 부분에 금속(예, 알루미늄 합금) 재질의 보스(20)를 결합한 뒤, 플라스틱 라이너와 금속 보스의 외측면을 모두 덮을 수 있도록 섬유강화 복합재(31)를 와인딩하여 헬리컬층을 형성한다.
이때, 용기의 외부 지지층인 섬유강화 복합재층(30)의 원통부(32)와 이 원통부 양단에 연결된 돔부(33) 모두가 동일한 고가의 탄소섬유강화 복합재를 와인딩하여 구성한 헬리컬층으로 되어 있다.
그러나, 직선 부분인 원통부에서 헬리컬층은 탱크의 파열압에 영향을 미치지 않으며, 이 영역에 고강도 탄소섬유강화 복합재를 다량으로 사용할 경우 복합재 사용량 증가로 인한 원가 상승의 문제점이 있게 되며, 충격 특성 또한 낮아진다.
이에 고가의 섬유강화 복합재의 사용량을 절감할 수 있는 여지가 있으며, 동시에 고가의 섬유강화 복합재의 사용량을 줄여 제작비용을 절감하기 위한 노력이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 우수한 충격 특성을 가지면서도 고가의 섬유강화 복합재의 사용량을 줄여 원가를 절감할 수 있는 섬유강화 복합재 압력 용기 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따르면, 라이너 위에 섬유강화 복합재층이 적층 형성되고, 상기 섬유강화 복합재층이 라이너의 원통 부분을 덮고 있는 원통부와, 라이너의 양단 부분을 덮고 있는 돔부를 포함하여 구성되는 섬유강화 복합재 압력 용기에 있어서, 상기 섬유강화 복합재층의 원통부는 라이너의 원통 부분 위에 적층 형성된 후프층과, 상기 후프층 위에 적층 형성된 헬리컬층을 포함하여 구성되고, 상기 섬유강화 복합재층의 돔부는 라이너의 양단 부분 위에 적층 형성된 헬리컬층을 가지며, 상기 돔부의 헬리컬층은 제1 섬유강화 복합재로 형성되고, 상기 원통부의 헬리컬층은 제2 섬유강화 복합재로 형성된 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기를 제공한다.
여기서, 상기 제1 섬유강화 복합재는 탄소섬유강화 복합재이고, 상기 제2 섬유강화 복합재는 유리섬유강화 복합재인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 섬유강화 복합재는 제2 섬유강화 복합재에 비해 강도가 큰 섬유강화 복합재인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 섬유강화 복합재는 제1 섬유강화 복합재에 비해 내충격성이 큰 섬유강화 복합재인 것이 바람직하다.
또한, 상기 원통부의 헬리컬층은 돔부의 헬리컬층에 일체로 연결되어 있는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 라이너 위에 섬유강화 복합재층이 적층 형성되고, 상기 섬유강화 복합재층이 라이너의 원통 부분을 덮고 있는 원통부와, 라이너의 양단 부분을 덮고 있는 돔부를 포함하여 구성되는 섬유강화 복합재 압력 용기의 제조 방법에 있어서, 상기 라이너의 원통 부분 위에 섬유강화 복합재 밴드를 와인딩하여 상기 원통부의 후프층을 형성하는 단계; 및 상기 후프층 및 라이너의 양단 부분 위에 섬유강화 복합재 밴드를 와인딩하여 상기 원통부 및 돔부의 헬리컬층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 원통부 및 돔부의 헬리컬층을 형성하는 단계에서, 상기 돔부의 헬리컬층은 제1 섬유강화 복합재에 의해 형성하고, 상기 원통부의 헬리컬층은 제2 섬유강화 복합재에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기의 제조 방법을 제공한다.
여기서, 상기 제1 섬유강화 복합재는 탄소섬유강화 복합재이고, 상기 제2 섬유강화 복합재는 유리섬유강화 복합재인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 섬유강화 복합재는 제2 섬유강화 복합재에 비해 강도가 큰 섬유강화 복합재인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 섬유강화 복합재는 제1 섬유강화 복합재에 비해 내충격성이 큰 섬유강화 복합재인 것이 바람직하다.
이로써, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재 압력 용기 및 그 제조 방법에 의하면, 라이너 표면에 적층되는 섬유강화 복합재층의 원통부에서 강도 보강의 기여도가 낮은 헬리컬층을 경량이면서 충격 특성이 더 우수하고 가격이 상대적으로 저렴한 제2 섬유강화 복합재(예, 유리섬유강화 복합재)를 사용하여 형성함으로써, 제작된 압력 용기의 충격 특성이 개선될 수 있고, 요구치를 충족하는 충분한 강도가 확보되면서도 압력 용기의 경량화가 달성될 수 있으며, 압력 용기의 경량화에 따라 수소중량효율을 높일 수 있게 된다.
또한, 고가의 고강도 섬유강화 복합재의 사용량을 줄일 수 있어 원가 절감이 가능해지는 효과가 있게 된다.
도 1은 일반적인 섬유강화 복합재 압력 용기의 일부를 도시한 단면도이다.
도 2는 종래의 압력 용기에서 섬유강화 복합재의 와인딩 상태를 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압력 용기에서 섬유강화 복합재의 와인딩 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압력 용기에서 섬유강화 복합재층의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 5는 압력 용기에 대한 수치 해석 결과를 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 라이너와 보스를 덮을 수 있도록 소정 폭의 밴드 형상을 가지는 섬유강화 복합재를 용기 중심축을 기준으로 소정 각도로 와인딩하여 적층한 압력 용기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 우수한 충격 특성을 가지면서도 고가의 섬유강화 복합재의 사용량을 줄여 원가가 절감될 수 있는 섬유강화 복합재 압력 용기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 섬유강화 복합재 압력 용기는 연료전지 자동차에서 연료전지의 반응가스 중 연료가스인 수소를 고압으로 저장하기 위한 수소 탱크로 유용하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압력 용기에서 섬유강화 복합재의 와인딩 상태를 나타내는 도면이고, 도 4는 섬유강화 복합재층의 구성을 나타내는 단면도(도 3의 'R1' 영역을 취한 단면도)이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압력 용기는 가스 투과를 차단하는 내측의 라이너(10)와, 상기 라이너(10)의 외측면에 적층되고 내부 압력 지지를 위한 지지층 역할을 하는 섬유강화 복합재층(30)으로 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압력 용기는 라이너(10) 양단 부분에 설치된 보스(20)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 내측의 라이너(10)는 플라스틱을 사용하여 제작한 공지의 플라스틱 라이너가 될 수 있고, 보스(20)는 금속, 예를 들어 알루미늄 합금(예, Al6061)을 재질로 하여 제작될 수 있다.
상기 섬유강화 복합재층(30)은 라이너(10)와 보스(20)를 덮을 수 있도록 소정 폭의 밴드 형상을 가지는 섬유강화 복합재(이하 '복합재 밴드'라 칭함)(31)를 용기 중심축(AX)을 기준으로 소정 각도(α)로 와인딩하여 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압력 용기에서 라이너(10)에 적층되는 외부 지지층인 섬유강화 복합재층(30)은 라이너(10)의 원통 부분을 덮고 있는 직선의 원통부(32)와, 이 원통부(32)의 양단 부분에 연결되어 라이너(10)의 양단 부분(라이너의 돔부) 및 보스(20)를 덮고 있는 곡선의 돔부(33)를 포함하여 구성된다.
또한, 섬유강화 복합재층(30)은 헬리컬 방식으로 와인딩하여 적층 형성되는 헬리컬층(저각층)(32b,32d,33a,33b)을 포함하며, 이러한 헬리컬층(32b,32d,33a,33b)은 섬유강화 복합재층(30)의 원통부(32)와 돔부(33)에 압력 용기의 외부층으로서 적층 형성될 수 있다.
이러한 섬유강화 복합재층(30)의 외부층을 헬리컬층으로 형성할 경우 라이너(10)와 보스(20) 모두를 덮을 수 있도록 복합재 밴드(31)를 와인딩하여 헬리컬층을 형성할 수 있는데, 이때 종래와 같이 원통부와 돔부에서 모두 동일한 탄소섬유강화 복합재 밴드를 와인딩하여 헬리컬층을 형성한다면 고가인 탄소섬유강화 복합재의 사용량이 크게 늘면서 원가 상승의 요인이 된다.
이에 따라, 본 발명자는 상기한 문제점을 해결하기 위한 연구를 거듭한 결과, 압력 용기의 수치 해석 결과를 참조하였을 때, 직선 부분인 원통부(32)에서는 헬리컬층의 응력 수준이 높지 않음을 확인하였다.
또한, 원통부(32)에서 헬리컬층은 강도 보강의 효과가 미미하고, 탱크의 파열압에 영향을 미치지 않음을 확인하였다.
도 5는 압력 용기에 대한 수치 해석 결과를 나타내는 도면으로서, 붉은색은 응력 수준이 높은 영역을 나타내고, 초록색은 응력 수준이 낮은 영역을 나타낸다.
도 5는 돔부(33)에서 라이너 외측면 바로 위에 후프층이 적층되고 그 위에 헬리컬층과 후프층, 다시 헬리컬층이 교대로 반복 적층된 압력 용기에 대한 해석 결과를 나타낸다.
상기 후프층은 복합재 밴드를 용기 중심축(AX)을 기준으로 각도 88°~ 89°의 고각 범위로 와인딩한 섬유강화 복합재층이고, 상기 헬리컬층은 복합재 밴드를 용기 중심축을 기준으로 각도 5°~ 44°의 저각 범위로 와인딩한 섬유강화 복합재층이다.
도 5의 결과를 살펴보면, 응력 수준이 높은 붉은색 영역이 후프층이고, 응력 수준이 낮은 초록색 영역이 헬리컬층임을 알 수 있다.
이러한 결과는, 압력 용기의 라이너 외측면에 적층 형성되는 섬유강화 복합재층에서 직선 부분인 원통부(32)에서는 헬리컬층의 응력 수준이 높지 않고, 헬리컬층에 의한 강도 보강의 효과 또한 미미하며, 헬리컬층이 탱크의 파열압에 크게 영향을 미치지 않다는 것을 의미한다.
이러한 점에 착안하여, 본 발명에 따른 압력 용기는, 다른 부분에 비해 상대적으로 응력 수준이 높지 않은 직선 부분인 원통부(32)의 헬리컬층(저각층)(32b,32d)에 대해서는, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 돔부(33)의 헬리컬층(33a,33b)에 사용되는 섬유강화 복합재에 비해 강도가 낮으면서 충격 특성은 우수하고(내충격성이 큼) 가격이 상대적으로 저렴한 섬유강화 복합재를 사용하여 제작한다.
즉, 섬유강화 복합재층(30)을 구성하는 헬리컬층(32b,32d,33a,33b)에 이종의 섬유강화 복합재를 사용하여 압력 용기를 제작하는 것이다.
또한, 압력 용기에서 후프층(고각층)(32a,32c)은 압력 하중을 크게 분담하여 지지하는 복합재층으로서, 이를 안쪽으로 배치할수록 용기 효율이 좋아진다.
결국, 본 발명에 따른 압력 용기의 섬유강화 복합재층(30)은 라이너(10)의 원통 부분을 덮고 있는 직선의 원통부(32)가 라이너(10) 외측면 바로 위에 적층되는 후프층(32a)과, 이 후프층 외측면 위에 적층되는 헬리컬층(32b,32d)을 포함하여 구성된다.
또한, 라이너(10)의 양단 부분(라이너의 돔부) 및 보스(20)를 덮고 있는 곡선의 돔부(33)가 라이너 외측면 및 보스 표면 위에 적층되는 헬리컬층(33a,33b)을 가지며, 돔부(33)에서는, 고각으로 복합재 밴드를 와인딩하기 어려우므로, 후프층 없이 저각으로 복합재 밴드를 와인딩하여 적층한 헬리컬층만을 형성한다.
또한, 본 발명에 따른 압력 용기의 섬유강화 복합재층(30)은, 라이너(10)의 원통 부분을 덮고 있는 섬유강화 복합재층(30)의 원통부(32)가 후프층(32a,32c)과 헬리컬층(32b,32d)이 교대로 반복 적층된 구성을 가질 수 있다.
바람직한 실시예에서, 섬유강화 복합재층(30)의 원통부(32)는, 라이너(10)의 원통 부분(직선 부분) 외측면 바로 위에 복합재 밴드를 고각으로 와인딩하여 적층 형성한 제1 후프층(32a)과, 이 제1 후프층(32a) 위에 복합재 밴드를 저각으로 와인딩하여 적층 형성한 제1 헬리컬층(32b)과, 이 제1 헬리컬층(32b) 위에 적층 형성한 제2 후프층(32c)과, 이 제2 후프층(32c) 위에 적층 형성한 제2 헬리컬층(32d)을 포함하여 구성될 수 있다.
도시된 실시예에서는 헬리컬층(32b,32d)이 각각의 후프층(32a,32c) 위에 별도로 적층되는 두 개의 층으로 되어 있으나, 헬리컬층이 최외곽층으로 하나만 존재하더라도 충격 특성의 보강 효과를 나타낼 수 있다.
하지만, 도면에 예시한 바와 같이 헬리컬층(32b,32d)이 각각의 후프층(32a,32c) 위에 별도로 적층되는 두 개의 층일 경우 충격 특성의 보강 효과는 한 개 층일 경우에 비해 더 크게 나타난다.
또한, 본 발명에 따른 압력 용기의 섬유강화 복합재층(30)에서, 곡선 부분인 돔부(33)의 경우 헬리컬층(33a,33b)이 제1 섬유강화 복합재로 형성되고, 직선 부분인 원통부(32)의 경우 헬리컬층(32b,32d)이 제2 섬유강화 복합재로 형성된다.
이때, 제1 섬유강화 복합재와 제2 섬유강화 복합재는 섬유로 보강된 수지 복합재로서, 수지는 열경화성 수지가 될 수 있고, 더욱 상세하게는 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리아미드 수지 등이 될 수 있다.
또한, 제1 섬유강화 복합재는 강도 특성이 우수한 탄소섬유강화 복합재가 될 수 있고, 제2 섬유강화 복합재는 충격 특성이 우수한 유리섬유강화 복합재가 될 수 있다.
결국, 본 발명에서는 섬유강화 복합재층(30)의 원통부(32)에서는, 후프층(32a,32c)이 큰 지지 하중을 감당하도록 하면서, 헬리컬층(32b,32d)에 탄소섬유강화 복합재에 비해 상대적으로 충격 특성이 우수한 유리섬유강화 복합재, 즉 유리섬유로 보강된 복합재를 사용하여, 종래의 압력 용기에 비해 충격 특성이 보강될 수 있도록 한다.
이와 더불어, 본 발명에서는, 유리섬유강화 복합재가 탄소섬유강화 복합재에 비해 밀도가 낮고 상대적으로 가격이 저렴하므로, 원통부(32)의 헬리컬층(32b,32d)에 유리섬유강화 복합재를 사용함으로써, 종래의 압력 용기에 비해 경량화 및 원가 절감을 달성할 수 있는 이점이 있게 된다.
상기 후프층(32a,32c)의 경우 제1 섬유강화 복합재인 탄소섬유강화 복합재를 사용하여 형성할 수 있다.
반면, 돔부(33)에서는 후프층을 형성할 수 없기 때문에 헬리컬층(33a,33b)만으로 용기 내압 지지 및 하중을 감당하여야 하므로 강성 및 강도가 유리섬유강화 복합재에 비해 우수한 탄소섬유강화 복합재, 즉 탄소섬유로 보강된 복합재를 사용한다.
헬리컬층만으로 용기 내압 지지 및 하중을 감당하는 돔부에 유리섬유강화 복합재를 사용하여 보강하는 것은 강성 및 강도를 충족하지 못하므로 바람직하지 않으며, 돔부에서는 가압 시 응력이 균일하게 분포하여 강도 저하의 이유로 유리섬유강화 복합재가 아닌 탄소섬유강화 복합재를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 압력 용기의 제작 시 헬리컬층을 형성함에 있어서, 헬리컬층을 위한 복합재 밴드(31)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 전체 길이 구간 중 원통부(32)가 되는 일정 구간이 유리섬유로 보강된 제2 섬유강화 복합재(31b)로 되어 있고 그 나머지 구간이 탄소섬유로 보강된 제1 섬유강화 복합재(31a)로 되어 있는 것을 사용한다.
이때, 제1 섬유강화 복합재(31a)와 제2 섬유강화 복합재(31b)가 정해진 구간마다 반복되고 상기 두 종류의 섬유강화 복합재가 일체로 연속된 구성을 가지는 복합재 밴드(31)를 사용하며, 이러한 복합재 밴드를 도 3에 나타낸 바와 같이 저각으로 후프층(32a,32c) 위에 반복적으로 와인딩하여 헬리컬층(도 4에서 도면부호 32b,32d)을 형성한다.
이 경우, 복합재 밴드(31)의 전체 길이 구간 중 돔부(33) 위치에 해당하는 구간(즉, 라이너의 곡선 돔부 및 보스에 와인딩되는 구간)이 제1 섬유강화 복합재(31a), 예를 들어 탄소섬유강화 복합재로 되어 있고, 원통부(32) 위치에 해당하는 구간(라이너의 직선 원통부에 와인딩되는 구간)이 제2 섬유강화 복합재(31b), 예를 들어 유리섬유강화 복합재로 되어 있으며, 상기 제1 섬유강화 복합재(31a)와 제2 섬유강화 복합재(31b)가 밴드(31)의 전체 구간에서 반복 배치되어 있으므로, 결국, 도 3에 나타낸 바와 같이, 복합재 밴드(31)를 헬리컬 방식으로 그냥 와인딩 해주면, 돔부(33)의 헬리컬층(33a,33b)은 제1 섬유강화 복합재(31a)에 의해 형성되고, 원통부(32)의 헬리컬층(32b,32d)은 제2 섬유강화 복합재(31b)에 의해 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제2 섬유강화 복합재(31b)가 직선 부분인 원통부(32)에 와인딩됨을 보여주고 있으며, 이때 와인딩되는 복합재 밴드(31)의 제2 섬유강화 복합재(31b)는 도 4의 헬리컬층(32b,32d)을 형성하게 되는 것으로, 와인딩 시 원통부(32) 끝단을 기준으로 제2 섬유강화 복합재(31b)의 일부가 돔부(33) 쪽으로 넘어갈 수도 있다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 라이너 표면에 적층되는 섬유강화 복합재층의 원통부에서 강도 보강의 기여도가 낮은 헬리컬층을 경량이면서 충격 특성이 더 우수하고 가격이 상대적으로 저렴한 제2 섬유강화 복합재(예, 유리섬유강화 복합재)를 사용하여 형성함으로써, 제작된 압력 용기의 충격 특성이 개선될 수 있고, 요구치를 충족하는 충분한 강도가 확보되면서도 압력 용기의 경량화가 달성될 수 있으며, 압력 용기의 경량화에 따라 수소중량효율을 높일 수 있게 된다.
또한, 고가의 고강도 섬유강화 복합재의 사용량을 줄일 수 있어 원가 절감이 가능해지는 효과가 있게 된다.
참고로, 수소중량효율은 동일 중량의 용기에 상대적으로 얼마나 많은 양의 수소를 넣을 수 있느냐를 나타내는 지표로서, 수소가 완전 충전되어 있는 상태의 용기 전체 중량 대비 수소 중량으로 표기할 수 있고, 이때 단위는 wt%가 될 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 라이너
20 : 보스
30 : 섬유강화 복합재층
31 : 복합재 밴드
31a : 제1 섬유강화 복합재(탄소섬유강화 복합재)
31b : 제2 섬유강화 복합재(유리섬유강화 복합재)
32a : 원통부의 제1 후프층
32b : 원통부의 제1 헬리컬층
32c : 원통부의 제2 후프층
32d : 원통부의 제2 헬리컬층
33a, 33b : 돔부의 헬리컬층

Claims (15)

  1. 라이너 위에 섬유강화 복합재층이 적층 형성되고, 상기 섬유강화 복합재층이 라이너의 원통 부분을 덮고 있는 원통부와, 라이너의 양단 부분을 덮고 있는 돔부를 포함하여 구성되는 섬유강화 복합재 압력 용기에 있어서,
    상기 섬유강화 복합재층의 원통부는 라이너의 원통 부분 위에 적층 형성된 후프층과, 상기 후프층 위에 적층 형성된 헬리컬층을 포함하여 구성되고,
    상기 섬유강화 복합재층의 돔부는 라이너의 양단 부분 위에 적층 형성된 헬리컬층을 가지며,
    상기 돔부의 헬리컬층은 제1 섬유강화 복합재로 형성되고, 상기 원통부의 헬리컬층은 제2 섬유강화 복합재로 형성되며,
    상기 원통부의 헬리컬층은 돔부의 헬리컬층에 일체로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 섬유강화 복합재는 탄소섬유강화 복합재이고, 상기 제2 섬유강화 복합재는 유리섬유강화 복합재인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 섬유강화 복합재는 제2 섬유강화 복합재에 비해 강도가 큰 섬유강화 복합재인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 섬유강화 복합재는 제1 섬유강화 복합재에 비해 내충격성이 큰 섬유강화 복합재인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유강화 복합재층의 원통부는 라이너의 원통 부분 위에 적층 형성된 후프층과, 상기 후프층 위에 적층 형성된 헬리컬층을 포함하여 복수 개의 후프층과 헬리컬층이 교대로 반복 적층된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기.
  6. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 섬유강화 복합재층의 원통부는 라이너의 원통 부분 바로 위에 적층 형성된 제1 후프층과, 상기 제1 후프층 위에 적층 형성된 제1 헬리컬층과, 상기 제1 헬리컬층 위에 적층 형성된 제2 후프층과, 상기 제2 후프층 위에 적층 형성된 제2 헬리컬층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 헬리컬층과 제2 헬리컬층은 각각 돔부의 헬리컬층에 일체로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기.
  8. 삭제
  9. 라이너 위에 섬유강화 복합재층이 적층 형성되고, 상기 섬유강화 복합재층이 라이너의 원통 부분을 덮고 있는 원통부와, 라이너의 양단 부분을 덮고 있는 돔부를 포함하여 구성되는 섬유강화 복합재 압력 용기의 제조 방법에 있어서,
    상기 라이너의 원통 부분 위에 섬유강화 복합재 밴드를 와인딩하여 상기 원통부의 후프층을 형성하는 단계; 및
    상기 후프층 및 라이너의 양단 부분 위에 섬유강화 복합재 밴드를 와인딩하여 상기 원통부 및 돔부의 헬리컬층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 원통부 및 돔부의 헬리컬층을 형성하는 단계에서,
    상기 돔부의 헬리컬층은 제1 섬유강화 복합재에 의해 형성하고, 상기 원통부의 헬리컬층은 제2 섬유강화 복합재에 의해 형성하며,
    상기 헬리컬층을 형성하기 위한 섬유강화 복합재 밴드는,
    전체 길이 구간 중, 와인딩 시 돔부 위치에 해당하는 구간이 제1 섬유강화 복합재로 구성되고, 나머지 원통부 위치에 해당하는 구간이 제2 섬유강화 복합재로 구성되며, 상기 제1 섬유강화 복합재 구간과 제2 섬유강화 복합재 구간이 일체로 연속되어 교대로 반복 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 섬유강화 복합재는 탄소섬유강화 복합재이고, 상기 제2 섬유강화 복합재는 유리섬유강화 복합재인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기의 제조 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 섬유강화 복합재는 제2 섬유강화 복합재에 비해 강도가 큰 섬유강화 복합재인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기의 제조 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 섬유강화 복합재는 제1 섬유강화 복합재에 비해 내충격성이 큰 섬유강화 복합재인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기의 제조 방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 원통부의 후프층을 형성하는 단계; 및 상기 원통부 및 돔부의 헬리컬층을 형성하는 단계를 반복 실시하여,
    상기 섬유강화 복합재층의 원통부가 라이너의 원통 부분 위에 적층 형성된 후프층과, 상기 후프층 위에 적층 형성된 헬리컬층을 포함하여 복수 개의 후프층과 헬리컬층이 교대로 반복 적층된 구조를 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기의 제조 방법.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 원통부의 후프층을 형성하는 단계; 및 상기 원통부 및 돔부의 헬리컬층을 형성하는 단계를 반복 실시하여,
    상기 섬유강화 복합재층의 원통부가 라이너의 원통 부분 바로 위에 적층 형성된 제1 후프층과, 상기 제1 후프층 위에 적층 형성된 제1 헬리컬층과, 상기 제1 헬리컬층 위에 적층 형성된 제2 후프층과, 상기 제2 후프층 위에 적층 형성된 제2 헬리컬층으로 구성되도록 하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 압력 용기의 제조 방법.
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