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KR101856334B1 - 기밀한 노즐 구조를 갖는 복합재 용기 - Google Patents

기밀한 노즐 구조를 갖는 복합재 용기 Download PDF

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KR101856334B1
KR101856334B1 KR1020160081262A KR20160081262A KR101856334B1 KR 101856334 B1 KR101856334 B1 KR 101856334B1 KR 1020160081262 A KR1020160081262 A KR 1020160081262A KR 20160081262 A KR20160081262 A KR 20160081262A KR 101856334 B1 KR101856334 B1 KR 101856334B1
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황기호
최영민
정재한
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 기밀한 노즐 구조를 갖는 고압 복합재 용기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 노즐과 플라스틱 라이너층 간의 기밀을 확보하기 위한 고압 복합재 용기에 관한 것이다.
본 발명의 고압 복합재 용기는 구조적으로 금속 노즐과 플라스틱 라이너층 간의 기밀을 보장할 수 있고, 만약의 가스 누설 발생시 금속 노즐과 플라스틱 라이너층 사이 계면이 아닌 노즐인서트와 금속 노즐 사이 계면 측으로 가스 누설이 유도되며, 이에 의해 가스 누설 판단을 명확하게 내릴 수 있으며 플라스틱 라이너층의 파손을 방지할 수 있다.

Description

기밀한 노즐 구조를 갖는 복합재 용기 {vessel having airtight nozzle}
본 발명은 기밀한 노즐 구조를 갖는 고압 복합재 용기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 노즐과 플라스틱 라이너층 간의 기밀을 확보하기 위한 고압 복합재 용기에 관한 것이다.
일반적으로 천연가스 또는 수소를 연료로 하는 자동차의 경우 연료 가스는 고압의 가스 형태로 압축되어 용기 내에 저장되며, 그 저장밀도를 증대하기 위하여 복합재 용기를 적용하는 추세이다.
상기 복합재 용기는 가스의 투과를 차단하는 라이너층과 용기 내부 압력을 지지하는 복합재 섬유층으로 구성되며, 내부의 라이너층은 금속 또는 플라스틱이 사용되어지고 있다. 특히, 플라스틱 재질의 라이너층을 적용하는 경우 내구성이 우수하고 제조비용 또한 절감할 수 있어 적용이 많아지는 추세이다.
복합재 용기에 플라스틱 라이너층을 적용할 경우, 플라스틱 자체가 가스에 대한 충분한 내투과성이 있어야 하며, 용기 입구에 밸브를 결합하는 부분은 금속재 보스(혹은 금속 노즐)가 구성되어 충분한 밸브 결합강도 및 기밀을 유지할 수 있어야 한다.
상기 금속재 보스와 플라스틱 라이너층의 접합부를 통한 가스 누설이 발생할 경우, 사용조건에 따라서는 플라스틱 라이너층 소재의 심각한 변형을 초래하여 파손을 일으킬 수 있고, 이는 위험한 사고의 원인이 될 수도 있다.
한편, 도 9는 종래기술에 따른 고압 복합재 용기를 나타낸 예시도이다.
도 9에 보이듯, 종래의 고압 복합재 용기는 금속 노즐(1)을 인서트하여 플라스틱 라이너층(2)을 사출 성형한 후, 상기 플라스틱 라이너층(2)과 금속 노즐(1)의 접합부에 씰링패드(3)와 씰링플레이트(4)를 적층하고 락너트(5)로 고정하는 구조를 가진다.
이러한 종래의 고압 복합재 용기는 용기 내부 압력이 고압인 경우 락너트(5) 하부의 넓은 면적을 씰링패드(3)가 눌러주어 기밀 유지가 가능하나, 용기 내부 압력이 저압인 경우 씰링패드(3)의 누르는 힘이 약해져서 씰링패드(3)와 플라스틱 라이너층(2)의 접합부를 통해 미세하게 리크가 발생할 수 있고 이 리크 부분을 통해 새어나간 가스가 금속 노즐(1)과 플라스틱 라이너층(2)의 접합부에 갇힐 경우 용기 내부 압력 저하시 플라스틱 라이너층(2)이 변형되어 파손될 수 있는 문제가 있다.
또한, 상기의 고압 복합재 용기는 노즐부 크기가 크고 구조가 복잡하며, 용기의 중량 증가 및 내부용적 축소 등으로 인해 용기의 수소저장밀도가 낮아지는 단점이 있다.
한편, 이와 관련된 종래 기술로서 일본출원특허 2012-231928호가 개시된 바 있다.
상기 일본출원특허 2012-231928호에서는 플라스틱 라이너층이 용기 입구에 결합되는 밸브와 직접 결합되어 기밀을 유지하는 구조를 기술하고 있는데, 고압에서는 용기 내부압력의 힘으로 플라스틱 라이너층과 금속 보스의 기밀이 어느 정도 유지될 수는 있으나, 가스를 소모하여 용기 내부압력이 낮아지는 경우 라이너층과 보스의 밀착만으로 충분한 기밀 성능 확보가 어려우며, 밸브의 체결/분리를 반복시 플라스틱 라이너층의 형상 변형으로 기밀성능을 확보하기 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 금속 노즐과 플라스틱 라이너층 간의 기밀을 확보 및 보장할 수 있는 고압 복합재 용기를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 고압 복합재 용기의 내층을 형성하는 플라스틱 라이너층의 입구 측에 금속 노즐이 형성되고, 상기 플라스틱 라이너층의 내측에서 외측 방향으로 상기 금속 노즐에 밀착 삽입된 노즐인서트가 구성되고, 상기 노즐인서트의 상단부에 고정되는 너트부재가 구성된 것을 특징으로 하는 기밀한 노즐 구조를 갖는 고압 복합재 용기를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 노즐인서트와 플라스틱 라이너층 사이에는 기밀 유지를 위한 적어도 하나의 실링재가 구성된다.
일 실시예에 의하면, 상기 노즐인서트는 그 하단부에 플라스틱 라이너층의 내주면에 면접촉하는 하측평판부가 형성되고, 상기 하측평판부의 상단면에 형성된 홈부에는 노즐인서트와 플라스틱 라이너층 간에 면접촉하는 제1실링재가 조립된다.
다른 실시예에 의하면, 상기 노즐인서트의 외주면과 플라스틱 라이너층의 입구 내주면 사이에는, 노즐인서트와 플라스틱 라이너층 간에 면접촉하는 제2실링재가 조립된다.
또 다른 실시예에 의하면, 상기 하측평판부의 상단면 가장자리부에는 노즐인서트와 플라스틱 라이너층 간에 면접촉하는 제3실링재가 부착되며, 바람직하게는 상기 하측평판부의 상단면 가장자리부에 융기된 형태의 단차부가 형성되고, 상기 단차부에 노즐인서트와 플라스틱 라이너층 간에 면접촉하는 제3실링재가 부착된다.
또 다른 실시예에 의하면, 상기 하측평판부의 상단면과 플라스틱 라이너층의 내주면 사이에 면접촉하는 제4실링재가 상기 노즐인서트의 외주면과 금속 노즐의 내주면 사이까지 연장 형성되어 면접촉하게 된다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 하측평판부는 플라스틱 라이너층의 내주면에 형성된 홈부에 압입된 형태로 조립 가능하며, 상기 노즐인서트는 금속 노즐의 외측으로 노출된 나사산을 가지도록 형성되고, 상기 나사산에 너트부재가 체결됨으로써 금속 노즐의 상단면에 너트부재의 일면이 면접촉하게 되며, 아울러 상기 금속 노즐과 너트부재 사이에는 금속 노즐을 플라스틱 라이너층 측으로 탄력 지지하는 탄성부재가 삽입되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 고압 복합재 용기는 구조적으로 금속 노즐과 플라스틱 라이너층 간의 기밀을 보장할 수 있고, 만약의 가스 누설 발생시 금속 노즐과 플라스틱 라이너층 사이 계면이 아닌 노즐인서트와 금속 노즐 사이 계면 측으로 가스 누설이 유도되며, 이에 의해 가스 누설 판단을 명확하게 내릴 수 있으며 플라스틱 라이너층의 파손을 방지할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 고압 복합재 용기는 종래 대비 노즐부를 작고 간단한 구조로 구현 가능하므로, 용기의 중량 감소 및 내부용적 증대 등에 의해 용기의 수소저장밀도를 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 복합재 용기를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고압 복합재 용기를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고압 복합재 용기의 가스 누설 발생시 가스 흐름 경로를 나타낸 도면
도 4 내지 8은 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고압 복합재 용기를 나타낸 도면
도 9는 종래기술에 따른 고압 복합재 용기를 나타낸 예시도
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2에는 본 발명의 실시예에 따른 고압 복합재 용기가 도시되어 있고, 여기서는 플라스틱 라이너층(10)의 외측(혹은 외층)에 복합재 섬유층(100)이 형성되어 있음을 밝혀둔다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고압 복합재 용기는 고압 복합재 용기의 내층을 형성하는 플라스틱 라이너층(10)의 입구(12) 측에는 금속 노즐(20)이 일체로 형성되어 있다.
플라스틱 라이너층(10)의 사출 성형시 금속 노즐(20)을 삽입하여 성형함으로써 플라스틱 라이너층(10)의 입구(12) 외측에는 금속 노즐(20)이 일체로 형성된다.
상기 플라스틱 라이너층(10)의 내측에서 외측 방향으로 상기 금속 노즐(20)의 내주면에 밀착하여 삽입된 노즐인서트(30)가 구성되고, 금속 노즐(20)의 상측으로 돌출된 노즐인서트(30)의 상단부 외주면에 너트부재(40)가 고정되게 조립된다.
구체적으로, 노즐인서트(30)는 금속 노즐(20)의 외측으로 노출된 나사산(31)을 가지며, 상기 나사산(31)에 너트부재(40)가 체결됨으로써 금속 노즐(20)의 상단면에 너트부재(40)의 일면이 기밀하게 면접촉하게 된다. 즉, 너트부재(40)는 금속 노즐(20)의 상단면에 면접촉하여 밀착 적층된다.
그리고, 상기 노즐인서트(30)는 그 하단부에 플라스틱 라이너층(10)의 내주면에 면접촉하여 밀착되는 하측평판부(32)가 연장 형성되고, 상기 하측평판부(32)의 상단면에 형성된 홈부(34)에 제1실링재(50)가 조립된다.
상기 제1실링재(50)는 노즐인서트(30)의 하측평판부(32)와 플라스틱 라이너층(10) 사이에 면접촉하게 구성되어서 노즐인서트(30)와 플라스틱 라이너층(10) 간에 기밀을 안정적으로 유지한다.
상기 제1실링재(50)가 면접촉하는 플라스틱 라이너층(10)의 입구(12) 주변은 금속 노즐이 지지하고 있어 플라스틱 라이너층(10)과 제1실링재(50) 간에 충분한 압착이 이루어져 기밀을 유지할 수 있다.
또한, 고압 복합재 용기의 내부압력이 낮은 경우 기밀성능을 향상하기 위하여, 도 2에 보이듯 상기 금속 노즐(20)과 너트부재(40) 사이에 스프링 와셔나 판스프링 등의 탄성부재(60)를 삽입 구성할 수 있다.
상기 탄성부재(60)는 금속 노즐(20)을 플라스틱 라이너층(10) 측으로 탄력적으로 지지하는 역할을 하며, 이에 노즐인서트(30)와 플라스틱 라이너층(10) 간에 압착력을 증대시킬 수 있어 저압 상태에서의 기밀 성능을 향상할 수 있다.
만약 상기의 구조를 갖는 고압 복합재 용기에 가스 누설이 발생하는 경우, 금속 노즐(20)과 플라스틱 라이너층(10) 사이 계면이 아닌 노즐인서트(30)와 금속 노즐(20) 사이 계면 측으로 가스 누설이 유도된다(도 3 참조).
그리고, 도면으로 나타내지는 않았으나, 노즐인서트(30)의 외주면 또는 금속 노즐(20)의 외주면에 미세 유로 또는 표면 요철 등을 형성하여 누설 가스를 측정이 용이한 쪽으로 유도하는 것도 가능하다.
아울러, 상기와 같은 구조를 갖는 고압 복합재 용기는 연료전지차량의 연료탱크 등에 적용 가능하다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 상기와 같은 고압 복합재 용기와 동등 수준의 기밀 성능을 확보할 수 있는 구조의 고압 복합재 용기를 첨부한 도 4 내지 8을 참조하여 설명하도록 한다.
먼저, 도 4 및 도 5를 참조하면, 노즐인서트(30)의 외주면과 플라스틱 라이너층(10)의 입구(12) 내주면 사이에는, 플라스틱 라이너층(10)과 노즐인서트(30) 간에 기밀 유지를 위한 실링재로서 제2실링재(70)가 구성된다.
상기 제2실링재(70)는 노즐인서트(30)의 외주면에 형성된 홈부(36)에 조립된 형태로 노즐인서트(30)의 외주면과 플라스틱 라이너층(10)의 입구(12) 내주면 사이에 면접촉하여 밀착한 형태로 기밀을 유지한다.
이러한 제2실링재(70)는 노즐인서트(30)의 홈부(36)에 압입되는 플라스틱 재질의 오링으로 이루어지거나(도 4 참조), 또는 고무 재질의 오링으로 이루어져 노즐인서트(30)의 홈부(36)에 삽입되고(도 5 참조), 이때 상기 홈부(36)에는 고무 재질 오링의 이탈 방지를 위한 백업링(72)이 오링과 함께 삽입된 형태로 조립된다.
그리고, 도 6에 보듯이, 기밀 성능을 강화하기 위하여, 상기 제2실링재(70)는 앞서 설명한 제1실링재(50)와 동시 사용 가능하며, 아울러 이어서 설명하는 제3실링재(80) 역시 제1실링재(50)와 동시 사용 가능하다.
즉, 노즐인서트(30)의 외주면과 하측평판부(32)의 상단면에 기밀 유지를 위한 실링 구조를 동시 적용함으로써 노즐인서트(30)와 플라스틱 라이너층(10) 간에 기밀 성능을 더욱 강화할 수 있다.
다음, 도 7을 참조하면, 노즐인서트(30)와 플라스틱 라이너층(10) 사이에 기밀 유지를 위한 실링재로서, 하측평판부(32)의 상단면 가장자리부에는 고무 재질의 가스켓으로 형성된 제3실링재(80)가 구성된다.
상기 제3실링재(80)는 하측평판부(32)의 상단면과 플라스틱 라이너층(10)의 내주면 사이에 면접촉하여 밀착한 형태로 기밀을 유지한다.
이때 기밀 성능을 강화하기 위하여, 하측평판부(32)의 상단면 가장자리부에는 융기된 형태의 단차부(38)가 형성되고, 이 단차부(38)에 상기 제3실링재(80)가 기밀하게 부착된다.
그리고, 플라스틱 라이너층(10)의 내주면에는 하측평판부(32)가 기밀하게 삽입되는(혹은 압입되는) 홈부(14)가 형성되고, 이 홈부(14)에 조립된 하측평판부(32)의 가장자리부에 부착된 제3실링재(80)에 의해 노즐인서트(30)와 플라스틱 라이너층(10) 간에 기밀을 유지하게 된다.
이때, 상기 홈부(14)는 플라스틱 라이너층(10)의 입구(12)에 이웃하여 형성된다.
이어서, 도 8을 참조하면, 노즐인서트(30)와 플라스틱 라이너층(10) 사이에 기밀 유지를 위한 실링재로서, 하측평판부(32)의 상단면과 플라스틱 라이너층(10)의 내주면 사이에 면접촉하는 제4실링재(90)가 상기 노즐인서트(30)의 외주면과 금속 노즐(20)의 내주면 사이까지 연장 형성되어 면접촉하게 된다.
상기 제4실링재(90)는 고무 재질의 가스켓으로 형성되며, 하측평판부(32)의 상단면에서부터 노즐인서트(30)의 외주면까지 밀착 가능한 구조로 형성되어서 플라스틱 라이너층(10) 및 금속 노즐(20)에 동시 접촉한 형태로 기밀을 유지하게 된다.
이상으로 본 발명의 다양한 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 플라스틱 라이너층 12 : 입구
14 : 홈부 20 : 금속 노즐
30 : 노즐인서트 32 : 하측평판부
34,36 : 홈부 38 : 단차부
40 : 너트부재 50 : 제1실링재
60 : 탄성부재 70 : 제2실링재
72 : 백업링 80 : 제3실링재
90 : 제4실링재 100 : 복합재 섬유층

Claims (11)

  1. 복합재 용기의 내층을 형성하는 플라스틱 라이너층의 입구 측에 금속 노즐이 형성되고, 상기 플라스틱 라이너층의 내측에서 외측 방향으로 상기 금속 노즐에 밀착 삽입된 노즐인서트가 구성되고, 상기 노즐인서트의 상단부에 고정되는 너트부재가 구성되며,
    상기 노즐인서트는 그 하단부에 플라스틱 라이너층의 내주면에 면접촉하는 하측평판부가 형성되고, 상기 하측평판부의 상단면 가장자리부에는 노즐인서트와 플라스틱 라이너층 간에 면접촉하는 제3실링재가 부착된 것을 특징으로 하는 기밀한 노즐 구조를 갖는 복합재 용기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 하측평판부의 상단면 가장자리부에는 융기된 형태의 단차부가 형성되고, 상기 단차부에 제3실링재가 부착된 것을 특징으로 하는 기밀한 노즐 구조를 갖는 복합재 용기.
  7. 복합재 용기의 내층을 형성하는 플라스틱 라이너층의 입구 측에 금속 노즐이 형성되고, 상기 플라스틱 라이너층의 내측에서 외측 방향으로 상기 금속 노즐에 밀착 삽입된 노즐인서트가 구성되고, 상기 노즐인서트의 상단부에 고정되는 너트부재가 구성되며,
    상기 노즐인서트는 그 하단부에 플라스틱 라이너층의 내주면에 면접촉하는 하측평판부가 형성되고, 상기 하측평판부의 상단면과 플라스틱 라이너층의 내주면 사이에 면접촉하는 제4실링재가 상기 노즐인서트의 외주면과 금속 노즐의 내주면 사이까지 형성되어 면접촉하게 된 것을 특징으로 하는 기밀한 노즐 구조를 갖는 복합재 용기.
  8. 삭제
  9. 청구항 1 또는 7에 있어서,
    상기 노즐인서트는 금속 노즐의 외측으로 노출된 나사산을 가지며, 상기 나사산에 너트부재가 체결됨으로써 금속 노즐의 상단면에 너트부재의 일면이 면접촉하게 된 것을 특징으로 하는 기밀한 노즐 구조를 갖는 복합재 용기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 금속 노즐과 너트부재 사이에, 상기 금속 노즐을 플라스틱 라이너층 측으로 탄력 지지하는 탄성부재가 삽입된 것을 특징으로 하는 기밀한 노즐 구조를 갖는 복합재 용기.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 하측평판부는 플라스틱 라이너층의 내주면에 형성된 홈부에 압입되어 조립된 것을 특징으로 하는 기밀한 노즐 구조를 갖는 복합재 용기.
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