KR20150098151A

KR20150098151A - 노즐 보스

Info

Publication number: KR20150098151A
Application number: KR1020140019324A
Authority: KR
Inventors: 노인수
Original assignee: 주식회사 현대콤포지트앤케미칼
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2015-08-27

Abstract

본 발명의 노즐 보스는 유체가 수용되는 라이너에 설치되는 것으로 외부로부터 입력된 상기 유체를 상기 라이너의 내부로 출력하는 네크(neck) 유니트를 포함하고, 상기 네크 유니트는 상기 유체가 상기 라이너의 내부로 유입되는 제1 방향과 다른 제2 방향으로 상기 유체를 출력할 수 있다.

Description

노즐 보스{NOZZLE BOSS}

본 발명은 고압 용기에 사용되는 노즐 보스에 관한 것이다.

고압의 유체를 보관하기 위해서 종래의 압력 용기는 금속재로 제작되었다. 그러나 상기와 같은 금속재 압력 용기는 중량이 무거우며 부식에 약하고 제조원가도 높다는 단점이 있다.

이를 해결하기 위해 가벼우며 내부식성을 갖는 합성수지를 사용하여 플라스틱 라이너가 제작되고 있다. 그런데, 플라스틱 라이너의 경우 부도체인 관계로 대전 효과로 발생된 전하가 외부로 배출되지 못하므로 유체의 유입시 스파크가 발생될 염려가 있다.

이러한 스파크는 고압 용기의 폭발을 촉발하는 요인이 되므로 스파크의 발생을 방지할 수 있는 수단이 요구된다.

한국등록특허공보 제1221004호에는 다수의 실링 플레이트를 장착하여 노즐 보스와 라이너 간의 기밀성 및 결합력을 높이는 기술이 개시되고 있으나, 스파크의 발생을 방지하는 수단은 나타나지 않고 있다.

한국등록특허공보 제1221004호

본 발명은 라이너의 안전성을 개선시킬 수 있는 노즐 보스를 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 노즐 보스에 의하면 유체가 라이너의 내부로 유입되는 제1 방향과 다른 제2 방향으로 유체를 출력함으로써 유체가 라이너의 벽면을 타고 흘러내리도록 할 수 있다.

이 과정에서 라이너의 내부에 대전된 전하들이 벽면을 타고 흘러내리는 유체에 의해 상쇄됨으로써 라이너 내부의 스파크 현상을 방지할 수 있다. 결과적으로 본 발명에 따르면 스파크 현상에 의한 라이너의 폭발을 신뢰성 있지 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 노즐 보스를 용이하게 형성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 노즐 보스를 나타낸 개략도이다.
도 2는 금속성 라이너의 대전 현상을 나타낸 개략도이다.
도 3은 플라스틱 라이너의 대전 현상을 나타낸 개략도이다.
도 4는 일반적인 노즐 보스가 설치된 라이너로 유체가 공급되는 상태를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 노즐 보스가 설치된 라이너로 유체가 공급되는 상태를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 보스를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 노즐 보스를 구성하는 보스부를 나타낸 단면도이다.
도 8은 도 7의 평면도이다.
도 9는 본 발명의 노즐 보스를 구성하는 캡부를 나타낸 단면도이다.
도 10은 도 9의 저면도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

도 1은 본 발명의 노즐 보스를 나타낸 개략도이다.

도 1에 도시된 노즐 보스는 가스가 수용되는 라이너(50)에 설치되는 것으로 외부로부터 입력된 상기 가스를 상기 라이너(50)의 내부로 출력하는 네크(neck) 유니트(100)를 포함할 수 있다.

천연 가스 자동차의 연료 저장 용기나 연료 전지 자동차의 수소 탱크와 같은 고압 용기는 경량화를 위해 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 같은 고분자 수지를 이용하여 라이너를 만들고 그 위에 에폭시 수지와 같은 경화성 고분자 수지에 적신 카본 섬유나 유리 섬유를 감아(winding) 제작된다. 이때 플라스틱 라이너의 끝단에는 레귤레이터(regulator)나 밸브 등을 연결하기 위한 노즐 보스가 삽입된다.

고압 용기는 금속성 재료로 라이너를 만들고 경화성 고분자 수지에 적신 카본 섬유나 유리 섬유로 감아서 제작하여도 무방하다. 다만, 경량화와 가스의 충전시간 단축을 위해 금속성 재료의 라이너 대신 고분자 수지로 이루어진 라이너가 활용될 수 있다.

금속성 라이너를 사용한 고압 용기는 무게가 무겁고 부식에 매우 약하며, 제조 원가가 비싸다. 반면에 플라스틱 라이너를 사용한 고압 용기는 가볍고 내부식성을 지니며 반복적인 충전 피로에 강하고, 가스 충전 시간이 짧다. 이러한 이유로 현재 플라스틱 라이너를 사용한 다양한 복합재료 용기의 개발이 활발하게 진행되고 있다.

하지만 플라스틱 라이너를 사용할 경우 플라스틱 라이너와 금속성 노즐 보스 사이의 접착성이 문제가 되고 있다. 또한, 부도체인 플라스틱 라이너의 특성상 대전 현상 등으로 라이너 내부에 전하가 존재하는 경우 해당 전하는 외부로 유출되지 못하고 내부에 머물게 된다. 이러한 전하의 존재는 추후 노즐 보스를 통한 유체의 유입시 스파크를 발생시키는 원인이 된다. 이때의 스파크는 라이너를 폭발시키게 되므로 라이너 내부의 전하 소거 또는 상쇄는 대단히 중요한 사안에 해당한다.

도 2는 금속성 라이너의 대전 현상을 나타낸 개략도이고, 도 3은 플라스틱 라이너의 대전 현상을 나타낸 개략도이다.

금속성 라이너(50')의 경우 유체의 수용 공간에 대전 현상이 발생하더라도 전도체의 특성상 대전된 전하가 외부(지표면 등)로 배출된다. 따라서, 금속성 라이너의 경우에는 스파크로 인한 라이너의 폭발 가능성이 낮다.

그러나, 플라스틱 라이너(50)는 부도체인 관계로 유체의 수용 공간이 대전되더라도 전하가 외부로 배출되지 못한다.

도 4는 일반적인 노즐 보스가 설치된 라이너로 유체가 공급되는 상태를 나타낸 개략도이다.

수용 공간 내의 대전된 전하량은 위치에 따라 다르다. 수용 공간 내에 임의의 2개 위치 ⓐ, ⓑ를 선정할 때, 2개 위치 간의 거리가 클수록 대체로 전하량의 차이가 크다.

라이너에 설치된 노즐 보스를 통해 유체가 라이너로 유입될 때 노즐 보스로부터 출력되는 유체는 라이너에서 노즐 보스가 설치된 부위 ⓐ에 대면하는 반대 부위 ⓑ를 향해 분출된다. 이때 양 부위 ⓐ와 ⓑ 간의 거리는 수용 공간 내에서 상당히 큰 거리에 해당한다. 이때, 양 부위 ⓐ와 ⓑ 간의 전하 차가 유체를 매개로 하여 반응하여 스파크가 일어나게 된다. 만약 라이너로 유입되는 유체가 액화 석유 가스 등인 경우 해당 스파크는 유체와 반응하여 라이너의 폭발을 유발하게 된다.

이러한 스파크 현상을 방지하기 위해 라이너로 일 지점 ⓐ로 유입되는 유체가 노즐 보스가 설치된 부위 ⓐ에 근접한 부위로 분출되도록 할 필요가 있다.

이를 위해 네크 유니트(100)는 도 1과 같이 유체가 라이너의 내부로 유입되는 제1 방향 ①과 다른 제2 방향 ②로 유체를 출력할 수 있다.

제1 방향 ①은 유체가 라이너의 내부로 유입되는 방향으로, 네크 유니트(100)가 연결된 라이너의 내벽면의 수직 방향일 수 있다.

유체가 제1 방향 ①로 라이너의 내부로 유입되면 도 4와 같은 상태가 유발되므로 이를 방지하기 위해 네크 유니트(100)는 제1 방향 ①과 다른 제2 방향 ②로 유체를 출력할 수 있다. 제2 방향 ②는 라이너의 내부 공간을 향하는 모든 방향 중 제1 방향 ①을 제외한 방향일 수 있다.

측면상으로 제1 방향 ①과 제2 방향 ②의 각도 α가 작아질수록 라이너의 수용 공간에서 유체가 유입되는 지점 ⓐ와 유입된 유체가 향하는 지점 ⓑ 간의 거리가 작아지므로 스파크의 발생을 최소화시킬 수 있다. 그러나, α가 작아질수록 제1 방향 ①로 흐르던 유체의 흐름을 방해하는 정도가 증가되므로, 유체의 유입에 필요한 압력이 높아질 수 있다. 이와 반대로 α가 커질수록 유체의 유입에 필요한 압력은 줄어들게 되나 지점 ⓐ와 지점 ⓑ 간의 거리가 멀어짐으로써 도 4에서와 같은 스파크 현상이 유발될 수 있다.

도 4와 같이 유체가 직분사될 때와 비교하여 심각한 압력의 증가 없이 유체를 라이너로 유입시키는 동시에 지점 ⓐ와 지점 ⓑ 간의 거리를 스파크가 발생하지 않을 정도로 충분하게 가깝게 할 수 있도록 제2 방향은 제1 방향의 수직 방향인 것이 바람직하다.

네크 유니트(100)는 제1 방향으로 연장되어 유체를 제1 방향으로 가이드하는 보스부(110)를 포함할 수 있다. 보스부(110)는 일종의 유체가 흐르는 제1 유로(111)가 구비된 관을 형성하는 것으로 볼 수도 있다. 이때, 보스부(110)의 단부에는 유체를 제2 방향으로 가이드하는 캡부(130)가 마련될 수 있다.

보스부(110)에서 적어도 일부는 라이너의 내벽면으로부터 제1 방향으로 돌출될 수 있다. 이에 따르면 캡부(130)를 이용하여 용이하게 유체의 방향을 제2 방향으로 변경시킬 수 있다.

다시 말해 보스부(110)는 유체를 제1 방향으로 가이드하고, 캡부(130)는 보스부(110)로부터 출력되는 유체를 제2 방향으로 가이드할 수 있다.

도 7은 본 발명의 노즐 보스를 구성하는 보스부(110)를 나타낸 단면도이고, 도 8은 도 7의 평면도이다. 도 9는 본 발명의 노즐 보스를 구성하는 캡부(130)를 나타낸 단면도이고, 도 10은 도 9의 저면도이다.

캡부(130)에는 보스부(110)로부터 제1 방향으로 출력되는 유체의 방향을 제2 방향으로 변경시키는 머리부(132), 머리부(132)로부터 제1 방향으로 연장되며 보스부(110)에 끼워지는 몸체부(134)가 마련될 수 있다. 머리부(132)에는 제2 방향을 따라 형성된 제2 유로(135)가 마련되며, 몸체부(134)에는 제1 방향으로 형성된 통공이 마련될 수 있다. 이때, 몸체부(134)에 형성된 통공의 단부는 제2 유로(135)에 연결될 수 있다. 그리고, 몸체부(134)의 외면에는 보스부(110)에 체결되는 수나사(133)가 형성될 수 있다.

캡부(130)는 전체적으로 볼트와 같은 형상을 취할 수 있으며, 볼트와 마찬가지로 평면상으로 머리부(132)는 다각형으로 형성될 수 있다. 이에 따르면 조임 공구를 이용하여 용이하게 캡부(130)를 보스부(110)에 체결시킬 수 있다.

보스부(110)에는 제1 방향을 따라 연장되는 제1 유로(111)가 마련될 수 있다. 제1 유로(111)의 연장선에는 체결 홀(112)이 마련될 수 있다. 체결 홀(112)에는 캡부(130)의 몸체부(134)가 끼워질 수 있으며, 내주면에 암나사(113)가 형성될 수 있다. 암나사(113)는 몸체부(134)에 마련된 수나사(133)에 체결될 수 있다.

그리고, 보스부(110)에서 캡부(130)의 머리부(132)에 대면하는 면에는 턱부(119)가 마련될 수 있다. 보스부(110)와 캡부(130)의 결합시 턱부(119)로 인하여 보스부(110)와 캡부(130)의 사이에 공간이 마련되는데 이 공간에 오링(O-ring)과 같은 실링부(150)가 설치될 수 있다.

도 5는 본 발명의 노즐 보스가 설치된 라이너로 유체가 공급되는 상태를 나타낸 개략도이다.

살펴보면, 제1 방향으로 유입된 유체는 캡부(130)에 의해 제2 방향으로 출력된다. 따라서, 라이너의 내면 중 유체가 유입되는 지점 ⓐ와, 라이너 내부로 유입된 유체가 향하는 지점 ⓑ 간의 거리는 도 4의 경우와 비교하여 매우 작다. 이는 곧 지점 ⓐ와 지점 ⓑ 간의 전위차가 낮음을 의미하므로 스파크가 발생될 여지가 적다. 또한, 라이너의 수용 공간에서 지점 ⓑ에 부딪힌 유체는 라이너의 내벽면을 타고 흘러 바닥면으로 흘러내린다. 이 과정에서 라이너 내벽에 존재하는 전하를 액화된 가스(유체)가 상쇄함으로써 유체가 바닥면에 흘러내리는 동안 전하량 차이로 인한 스파크의 발생 또한 방지할 수 있다.

이상의 실시예는 플라스틱 라이너를 목적물로 하여 설명되고 있으나, 금속성 라이너에 적용해도 그 효과가 그대로 적용됨은 당연하다.

한편, 캡부(130)는 다양하게 형성될 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 보스를 나타낸 개략도이다.

도 1에 개시된 캡부(130)는 전체적으로 평면상 중앙에 중공이 형성된 통형으로 형성되고 있다. 그리고 통형의 바닥 부근에 제2 방향으로 하나 이상의 통공(제2 유로)이 형성되고 있다.

이와 달리 도 6의 실시예에서 캡부(130)는 유체의 입력 부위부터 출력 부위까지 단면적이 점진적으로 감소하는 노즐의 형태를 취하고 있다. 이때의 캡부(130)는 보스부(110)와 일체로 형성되어도 무방하다.

한편, 앞에서 설명된 보스부(110)는 적절한 강도를 제공하기 위하여 금속으로 제작될 수 있다. 이에 따르면 금속성의 보스부(110)를 플라스틱 라이너에 접합시키기 어렵다.

이러한 문제를 해소하기 위해 네크 유니트(100)는 유체를 라이너의 내부로 가이드하는 보스부(110)의 외면에 일체로 형성되며 라이너에 직접 접촉되는 결합부(170)를 포함할 수 있다. 이때, 보스부(110)와 결합부(170)는 인서트 사출 또는 열융착을 통해 일체로 형성될 수 있다. 이러한 구성에 따르면 외면적으로 보스부(110)의 외면 일부는 결합부(170)에 의해 감싸지게 된다. 결합부(170)의 재질을 라이너와 동일하게 하거나 유사하게 구성할 경우 결합부(170)와 라이너 간의 친화적 성격으로 인해 용이한 접합이 가능하다. 라이너와 결합부(170)의 접합 후에는 각종 섬유를 감아 접합 강도를 증가시킬 수 있다. 이러한 구성에 의하면 라이너와 결합부(170)는 신뢰성 있게 결합되고, 추가로 결합부(170)와 보스부(110) 간의 신뢰성 있는 결합이 이루어진다면 보스부(110)와 라이너 간의 견고한 체결이 가능하다.

도 1을 살펴보면 보스부(110)와 캡부(130)의 사이에 실링부(150)가 개재되고 있다. 이때의 실링부(150)로 인해 가스가 외부로 누설되는 것이 방지될 수 있으나 보다 확실하게 가스 누설을 방지하는 것이 좋다. 결합부(170)는 부가적으로 가스의 누설을 방지하는 밀폐 기능을 수행할 수 있다.

도 1을 살펴보면, 보스부(110)에서 실링부(150)가 설치되는 설치 공간(118)까지 결합부(170)가 덮여있는 것을 알 수 있다. 이러한 보스부(110)에 캡부(130)를 체결시키면 설치 공간(118)으로부터 보스부(110)의 외면까지의 틈을 결합부(170)가 폐쇄한 형태가 된다. 다시 말해서 결합부(170)는 보스부(110)와 캡부(130)의 결합시 실링부(150)의 개재 위치로부터 방사 방향으로 결합부(170)를 덮을 수 있다.

결합부(170)에 의한 실링 기능을 향상시키기 위해 설치 공간(118)으로부터 보스부(110)의 외면까지의 틈은 꺾여진 형태를 갖는 것이 좋다. 이를 위해 캡부(130)에서 보스부(110)에 대면하는 머리부(132)의 내면(136)은 단차를 가지도록 형성될 수 있다. 이때, 내면(136)에서 보스부(110)에 상대적으로 가까운 부위에 실링부(150)가 설치될 수 있다. 그리고 내면(136)에서 상대적으로 보스부(110)에 먼 부위는 결합부(150)에 맞닿을 수 있다.

그리고, 보스부(110)에는 보스부(110)의 내면(136)에서 상대적으로 보스부(110)에 먼 부위에 접촉되도록 돌기(116)가 형성될 수 있다. 이때의 돌기(116)는 결합부(150)에 의해 덮일 수 있다.

라이너 내부의 압력으로 인해 결합부(170)로부터 보스부(110)가 이탈되는 것을 방지하기 위해, 다시 말해 결합부(170)와 보스부(110) 간의 신뢰성 있는 결합을 위해 보스부(110)에는 날개부(115)가 마련될 수 있다.

날개부(115)는 측면상으로 제1 방향과 다른 제3 방향으로 연장될 수 있다. 이때의 제3 방향은 제1 방향의 수직 방향일 수 있다.

라이너와 보스부(110)의 신뢰성 있는 결합을 위해 날개부(115)는 결합부로 덮히는 것이 좋다. 이때, 결합부가 날개부(115) 간의 결합 신뢰성을 개선시키기 위해 날개부(115)에는 통공(117)이 마련될 수 있다. 결합부(170)가 날개부(115)를 덮을 때 통공(117)에도 충전되므로 결합부(170)와 날개부(115)의 결합력을 더욱 증대시킬 수 있다.

날개부(115)는 라이너 내부로부터 노즐 보스로 가해지는 압력 방향의 수직 방향으로 연장 또는 확장됨으로써, 위 압력에 의한 보스부(110)와 결합부(170)의 이탈을 신뢰성 있게 방지할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

100...네크 유니트 110...보스부
111...제1 유로 112...체결 홀
113...암나사 115...날개부
116...돌기 117...통공
118...설치 공간 119...턱부
130...캡부 132...머리부
133...수나사 134...몸체부
135...제2 유로 136...내면
150...실링부 170...결합부

Claims

유체가 수용되는 라이너에 설치되는 것으로 외부로부터 입력된 상기 유체를 상기 라이너의 내부로 출력하는 네크(neck) 유니트;를 포함하고,
상기 네크 유니트는 상기 유체가 상기 라이너의 내부로 유입되는 제1 방향과 다른 제2 방향으로 상기 유체를 출력하는 노즐 보스.
제1항에 있어서,
상기 제1 방향은 상기 네크 유니트가 연결된 상기 라이너의 내벽면의 수직 방향이고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향의 수직 방향인 노즐 보스.
제1항에 있어서,
상기 네크 유니트는 상기 제1 방향으로 연장되어 상기 유체를 상기 제1 방향으로 가이드하는 보스부를 포함하고,
상기 보스부의 단부에는 상기 유체를 상기 제2 방향으로 가이드하는 캡부가 마련되는 노즐 보스.
제1항에 있어서,
상기 네크 유니트는 상기 라이너의 내벽면으로부터 상기 제1 방향으로 돌출되고 상기 유체를 상기 제1 방향으로 가이드하는 보스부를 포함하고,
상기 보스부의 단부에는 상기 유체를 상기 제2 방향으로 가이드하는 캡부가 마련되는 노즐 보스.
제1항에 있어서,
상기 네크 유니트는 상기 유체를 상기 제1 방향으로 가이드하는 보스부, 상기 보스부로부터 출력되는 상기 유체를 상기 제2 방향으로 가이드하는 캡부를 포함하고,
상기 캡부에는 상기 보스부로부터 상기 제1 방향으로 출력되는 상기 유체의 방향을 상기 제2 방향으로 변경시키는 머리부, 상기 머리부로부터 상기 제1 방향으로 연장되며 상기 보스부에 끼워지는 몸체부가 마련되며,
상기 머리부에는 상기 제2 방향을 따라 형성된 제2 유로가 마련되며,
상기 몸체부에는 상기 제1 방향으로 형성된 통공이 마련되고,
상기 통공의 단부는 상기 제2 유로에 연결되며,
상기 몸체부의 외면에는 상기 보스부에 체결되는 수나사가 형성되는 노즐 보스.
제1항에 있어서,
상기 네크 유니트는 상기 유체를 상기 제1 방향으로 가이드하는 보스부, 상기 보스부로부터 출력되는 상기 유체를 상기 제2 방향으로 가이드하는 캡부를 포함하고,
상기 보스부와 상기 캡부의 체결시 상기 보스부와 상기 캡부의 사이에는 상기 유체의 유출을 방지하는 실링부가 개재되며,
상기 보스부에서 상기 캡부에 대면하는 면에는 턱부가 마련되고,
상기 실링부는 상기 보스부와 상기 캡부의 결합시 상기 턱부로 인하여 상기 보스부와 상기 캡부의 사이에 마련된 설치 공간에 설치되는 노즐 보스.
제1항에 있어서,
상기 네크 유니트는 상기 유체를 상기 제1 방향으로 가이드하는 보스부, 상기 보스부로부터 출력되는 상기 유체를 상기 제2 방향으로 가이드하는 캡부, 상기 보스부의 외면에 일체로 형성되며 상기 라이너에 직접 접촉되는 결합부를 포함하고,
상기 보스부와 상기 캡부의 체결시 상기 보스부와 상기 캡부의 사이에는 상기 유체의 유출을 방지하는 실링부가 개재되며,
상기 보스부와 상기 결합부는 인서트 사출 또는 열융착을 통해 일체로 형성되고,
상기 결합부는 상기 보스부와 상기 캡부의 결합시 상기 실링부의 개재 위치로부터 방사 방향으로 상기 결합부를 덮는 노즐 보스.
제1항에 있어서,
상기 네크 유니트는 상기 유체를 상기 라이너의 내부로 가이드하는 보스부, 상기 보스부의 외면에 일체로 형성되며 상기 라이너에 직접 접촉되는 결합부를 포함하고,
상기 보스부는 상기 제1 방향과 다른 제3 방향으로 연장되는 날개부를 포함하며,
상기 날개부에는 상기 결합부가 충전되는 통공이 마련되는 노즐 보스.