KR20230164262A - 밀봉재 및 캡을 이용한 보스와 라이너의 체결 구조 및 이의 성형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 밀봉재 및 캡을 이용한 보스와 라이너의 체결 구조는 중공 형상을 갖는 수소 탱크 용기 본체(10); 상기 수소 탱크 용기 본체(10)의 내면 상에 배치되는 라이너(20); 및 상기 수소 탱크 용기 본체(10)의 개방된 상부단 상에 설치되되, 상기 라이너(20)와 직접적인 결합을 하는 보스(30); 상기 보스의 표면 상에 형성된 밀폐홈 상에 삽입되는 밀봉재(40); 및 상기 밀봉재를 덮는 동시에 노즐 및 라이너에 걸쳐 결합되는 캡(50);을 포함하고, 상기 캡의 고정을 위해 상기 보스에 대한 소성변형을 통해 상기 캡을 가압하는 코킹구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

밀봉재 및 캡을 이용한 보스와 라이너의 체결 구조 및 이의 성형 방법{Fastening structure of boss and liner using sealing material and cap and molding method thereof}

본 발명은 보스와 라이너 간의 인서트 성형 구조물 상에 러버 재질을 갖는 밀봉재와 플러그 기능을 하는 캡을 삽입하여 기밀성을 향상시키고 코킹으로 밀봉하는 결합하는 방안에 관한 것이다.

최근 친환경차로 주목받는 수소전기차는 수소연료를 동력원으로 사용하는 것으로써, 수소가스를 고압으로 압축하여 수소탱크에 저장하여 에너지원으로 사용한다. 수소를 연소시켜 동력을 얻거나 연료전지를 이용하여 동력을 얻는 자동차에는 수소저장탱크가 장착된다. 수소저장용기는 type4(라이너 : 플라스틱)까지 상용화되었으며, type4는 경량재질을 사용하므로 스틸대비 동등압력에 견디며, 가격과 중량, 품질면에서 우수한 것으로 완성차업계에서는 보편화되고 있는 추세이다.

일반적으로 700바까지 압력에 견딜 수 있도록 설계되어진 type.4 고압수소탱크의 구조는 플라스틱 재질의 원통형 라이너와 압력조절밸브, 압력밸브가 조립되면서, 라이너와 사출로써 결합된 알루미늄재질의 보수부, 고압에 견딜수 있도록 라이너를 감싸고 있는 탄소섬유로 구성되어 있다.

천연가스 자동차의 연료 저장 용기나 연료전지 자동차의 수소탱크와 같은 고압용기는 경량화를 위해 PA(나일론 계열) 내지 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 같은 고분자 수지를 이용하여 라이너를 만들고 그 위에 에폭시 수지와 같은 경화성 고분자 수지에 적신 카본섬유나 유리섬유를 감아(winding) 제작된다. 이때 플라스틱 라이너의 끝단에는 레귤레이터(regulator)나 밸브 등을 연결하기 위한 금속성 노즐보스가 삽입되게 된다.

수소저장탱크는 고압에 견디기 위해 금속재질로 제작하였으나, 수소저장탱크를 금속재질로 제작하게 되면 중량이 무거울 뿐 아니라 부식에 매우 약하며 매우 높은 제조원가가 투입되는 단점이 있었다. 이를 위해, 가벼우면서도 내부식성이 뛰어나고 반복적으로 수소 충전이 이루어지더라도 피로에 의해 강도가 저하되지 않도록, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 같은 합성수지를 이용하여 라이너를 만든 다음, 라이너 외면에 합성 수지 및 합성섬유로 이루어지는 복합재료로 테이핑하여 아우터를 제작하는 방식을 주로 사용하고 있다.

한편, 라이너를 합성수지 재질로 구성한다 할지라도 레귤레이터나 밸브와 연결되는 부위인 보스는 금속재질로 이루어져야 하는데, 장시간 수소저장탱크를 사용하다보면 합성수지 재질의 라이너와 금속재질의 보스 결합 부위에는 미세한 틈이 생성됨에 따라 가스가 누출되는 문제가 있다. 특히, 보스와 라이너 간의 결합력 저하로 인해 압력가스 누설의 문제가 발생하고 있다.

플라스틱재의 라이너와 금속재질을 갖는 보스는 이종재질의 특성상 견고한 접합과 기밀성을 도모하기 어려운바, 플라스틱재 라이너와 금속재 보스 간의 접합성 및 기밀성 유지는 가스 저장탱크의 성능 및 안전성 등을 좌우하는 중요한 인자이다. 플라스틱재 라이너와 금속재 보스 사이에서 접합성 및 기밀성이 떨어지는 경우, 저장된 가스가 외부로 누출되고, 특히 고압가스에 의해 보스가 라이너로부터 분리되면서 사고가 발생될 우려가 있다.

(특허문헌 1) 대한민국 공개특허공보 제2003-0041002호

본 발명의 목적은 알루미늄 합금 재질을 갖는 보스와 라이너의 결합방법에 있어서, 보스와 라이너 간의 인서트 성형 구조물 상에 러버 재질을 갖는 밀봉재와 플러그 기능을 하는 캡을 삽입하여 기밀성을 향상시키고 코킹으로 밀봉하는 결합하는 방안으로서 나사결합방법과 대비하여 간편하며 기밀성을 높일 수 있다는 것을 기술적 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 밀봉재 및 캡을 이용한 보스와 라이너의 체결 구조는 중공 형상을 갖는 수소 탱크 용기 본체(10); 상기 수소 탱크 용기 본체(10)의 내면 상에 배치되는 라이너(20); 및 상기 수소 탱크 용기 본체(10)의 개방된 상부단 상에 설치되되, 상기 라이너(20)와 직접적인 결합을 하는 보스(30); 상기 보스의 표면 상에 형성된 밀폐홈 상에 삽입되는 밀봉재(40); 및 상기 밀봉재를 덮는 동시에 노즐 및 라이너에 걸쳐 결합되는 캡(50);을 포함하고, 상기 캡의 고정을 위해 상기 보스에 대한 소성변형을 통해 상기 캡을 가압하는 코킹구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 밀폐홈은 보스(30)의 표면 상에서 요철을 갖도록 교번적으로 형성되어진다.

캡(50)이 안착되는 라이너(20)의 표면은 알루미늄 보스(30)의 표면 높이보다 같거나 큰 것이 바람직하다.

보스와 라이너의 체결 구조를 이용한 체결방법은 보스(30)를 주조 및 가공하는 단계; 상기 보스(30)를 인서트 금형에 장착한 상태에서, 복합재 수지를 공급하여 보스(30)에 라이너(20)를 일체적으로 성형하는 단계; 상기 보스(30)의 표면 상에 형성된 밀폐홈 상에 밀봉재(40)를 삽입하는 단계; 상기 밀봉재(40)를 덮는 동시에 상기 보스 및 라이너에 걸쳐 캡(50)을 로딩하는 단계; 및 상기 캡(50)의 고정을 가능하게 하도록, 보스(30)의 일부 구간을 소성변형하여 캡(50)을 가압하도록 하는 코킹 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 보스(30)를 주조 및 가공하는 단계 상에서, 보스와 라이너 간의 접합면에 대한 결속을 강화하기 위하여 상기 보스 상에 표면처리를 실시하는 단계를 더 포함한다.

본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다.

본 발명은 기존에 알루미늄 보스를 수소탱크에 결합하는 과정에서, 금형에 안착시키고 회전성형, 블로우성형 및 사출성형하는 공정 상에서 기밀에 대한 해결이 어려운 점 및 현장 불량이 많다는 점을 극복하기 위하여, 보스와 라이너 간의 인서트 성형 구조물 상에 러버 재질을 갖는 밀봉재와 플러그 기능을 하는 캡을 삽입하여 기밀성을 향상시키고 코킹으로 밀봉하는 결합하는 방안으로서 나사결합방법 대비하여 간편하며 기밀성을 높일 수 있는 일체화된 형태를 제공한다.

본 발명은 알루미늄 합금 재질을 갖는 보스와 복합재 재질을 갖는 라이너 간의 결합력을 높이기 위해 표면처리 부식 방법으로 보스 표면의 미세요철을 생성하여 복합재 수지인 라이너 와의 결합력을 높인다.

본 발명은 알루미늄 보스와 수지 사출물 간의 결합력을 높이도록 알루미늄 보스 상에 다수의 요철을 형성한다.

본 발명은 알루미늄 보스의 하단면인 라이너 부착면 상에는 별도의 융착 공정에 최적 접합력을 갖도록 교번 면적을 갖도록 설계한다.

알루미늄 보스 노즐과 라이너 접촉면의 재질을 플라스틱 동일성과 접촉면적 및 형상 최적화로 화학적 접착을 가능하게 함으로써, 현재 가지고 있는 문제점인 내압 변화에 따른 접촉면 누기 품질을 확보한다.

도 1은 알루미늄 보스를 수소 탱크의 라이너 상단에 결합한 것을 보인다.
도 2는 알루미늄 보스의 표면 상에 형성된 밀폐홈 상에 밀봉재인 오링을 삽입하고, 오링을 덮는 동시에 알루미늄 보스 및 라이너에 걸쳐 캡을 로딩하는 과정을 보인다.
도 3은 알루미늄 보스 및 라이너에 밀봉제 및 캡이 결합되어 코킹이 이루어진 확대 구조를 보인다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 따른 수소탱크를 이루는 보스와 라이너의 체결 과정을 보인다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

본 발명은 알루미늄 합금 재질을 갖는 보스와 라이너의 결합방법에 있어서, 보스와 라이너 간의 인서트 성형 구조물 상에 러버 재질을 갖는 밀봉재와 플러그 기능을 하는 캡을 삽입하여 기밀성을 향상시키고 코킹으로 밀봉하는 결합하는 방안을 통해 기존의 나사결합방법과 대비하여 간편하며 기밀성을 높일 수 있는 방안을 제공한다.

도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따라서 수소탱크를 이루는 보스와 라이너의 체결 구조를 설명한다.

본 발명에 따른 수소탱크를 이루는 보스와 라이너의 체결 구조는 중공 형상을 갖는 수소 탱크 용기 본체(10); 상기 수소 탱크 용기 본체(10)의 내면 상에 배치되는 라이너(20); 상기 수소 탱크 용기 본체(10)의 개방된 상부단 상에 설치되되, 상기 라이너(20)와 직접적인 결합을 하는 보스(30); 보스의 표면 상에 형성된 밀폐홈 상에 삽입되는 밀봉재(40) 및 밀봉재를 덮는 동시에 노즐 및 라이너에 걸쳐 결합되는 캡(50)을 포함한다.

상기 보스(30)는 금속 재질을 갖는 알루미늄 합금으로써 복합재 수지 재질을 갖는 라이너(20)와의 결합력을 높이기 위해 표면처리 부식 방법으로 표면의 미세요철을 사전 형성되어진다. 또한, 인서트 금형에 보스를 장착한 상태에서, 수지 사출물이 언더컷에 의한 접합력을 높이도록 보스의 표면 상에 다수의 요철을 형성한다.

예를 들어, 본 발명에 따른 알루미늄 보스(30)는 알루미늄 보스와 라이너 간의 부착면 간에 최적의 접합력을 갖도록 알루미늄 보스의 표면 상에서 요철을 갖도록 교번적으로 형성되게 한다.

보스의 표면 상에 형성된 밀폐홈 상에 삽입되는 밀봉재(40)는 O 링일 수 있다. 밀봉재(40)는 플러그 기능을 하는 캡을 조립하기 전에 삽입되는 것으로써, 가스가 누설되는 것을 방지하는 밀봉기능을 수행한다.

밀봉재(40)가 위치하는 보스 상에는 밀폐홈이 전둘레로 형성되어진다.

밀폐홈의 깊이는 밀봉재의 높이 대비하여 상대적으로 그 깊이를 작게 하여 코킹 시에 밀봉재를 압축하도록 함으로써 가스가 누출되지 않도록 한다.

밀봉재를 덮는 동시에 노즐 및 라이너에 걸쳐 결합되는 캡(50)은 수지사출물인 라이너와 보스를 동시에 덮을 수 있도록 함으로써 보스의 이탈력 방지 기능을 증대되도록 한다.

캡(50)이 안착되는 라이너의 표면은 알루미늄 보스의 표면 높이보다 같거나 커야 한다. 캡 재질은 압연강재인 SPCC 또는 SPHC를 사용한다.

밀봉재(40)의 내경은 보스(30)를 구성하는 돌출부의 외경(a)보다 작으며, 밀폐홈의 폭은 밀봉재(40)의 단면적보다 크다.

다음으로, 본 발명에 따라서 수소탱크를 이루는 보스와 라이너의 체결 과정을 설명한다.

먼저, 노즐 기능을 갖는 보스 본체를 주조 및 가공한다.

보스와 라이너 간의 접합면에 대한 결속을 강화하는 차원에서 상기 보스 상에 표면처리를 실시한다.

알루미늄 보스를 인서트 금형에 장착한 상태에서, 복합재 수지를 공급하여 알루미늄 보스에 라이너를 일체적으로 성형한다. 알루미늄 보스와 라이너 간의 결합은 알루미늄 보스를 성형 금형 상에 삽입하고, 회전, 사출, 블로어 등의 라이너 성형을 통해서 라이너 조립체 제품을 성형하는 것일 수 있다.

한편, 알루미늄 보스를 수소탱크의 라이너 상단에 결합한 상태에서, 알루미늄 보스와 라이너 간을 진동, 초음파, 열을 이용하여 융착 결합을 진행하는 것이 가능하다.

알루미늄 보스의 표면 상에 형성된 밀폐홈 상에 밀봉재인 오링을 삽입한다.

상기 오링을 덮는 동시에 상기 알루미늄 보스 및 라이너에 걸쳐 캡을 로딩한다.

상기 캡의 안정적인 고정을 가능하게 하도록, 캡을 고정시키기 위해 보스의 일부 구간을 소성변형하여 캡을 덮도록 하는 코킹법을 사용한다.

본 발명은 기존에 알루미늄 보스를 수소탱크에 결합하는 과정에서, 금형에 안착시키고 회전성형, 블로우성형 및 사출성형하는 공정 상에서 기밀에 대한 해결이 어려운 점 및 현장 불량이 많다는 점을 극복하기 위하여, 알루미늄 보스와 라이너 간의 인서트 성형 구조물 상에 러버와 플러그를 삽입하여 기밀성을 향상시키고 코킹으로 밀봉하는 결합하는 방안으로서 나사결합방법대비 간편하며 기밀성을 높일 수 있는 일체화된 형태를 제공한다.

이를 통해서, 알루미늄 보스와 라이너 접촉면의 재질을 플라스틱 동일성과 접촉면적 및 형상 최적화로 화학적 접착을 가능하게 함으로써, 현재 가지고 있는 문제점인 내압 변화에 따른 접촉면 누기 품질을 확보한다.

이상 실시 예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

10 : 수소 탱크 용기 본체
20 : 라이너
30 : 보스
40 : 밀봉재
50 : 캡

Claims (5)

1. 중공 형상을 갖는 수소 탱크 용기 본체(10);
   상기 수소 탱크 용기 본체(10)의 내면 상에 배치되는 라이너(20); 및
   상기 수소 탱크 용기 본체(10)의 개방된 상부단 상에 설치되되, 상기 라이너(20)와 직접적인 결합을 하는 보스(30);
   상기 보스의 표면 상에 형성된 밀폐홈 상에 삽입되는 밀봉재(40); 및
   상기 밀봉재를 덮는 동시에 노즐 및 라이너에 걸쳐 결합되는 캡(50);을 포함하고,
   상기 캡의 고정을 위해 상기 보스에 대한 소성변형을 통해 상기 캡을 가압하는 코킹구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 밀봉재 및 캡을 이용한 보스와 라이너의 체결 구조.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 밀폐홈은 보스(30)의 표면 상에서 요철을 갖도록 교번적으로 형성되는, 밀봉재 및 캡을 이용한 보스와 라이너의 체결 구조.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   캡(50)이 안착되는 라이너(20)의 표면은 알루미늄 보스(30)의 표면 높이보다 같거나 큰 것을 특징으로 하는, 밀봉재 및 캡을 이용한 보스와 라이너의 체결 구조.
   
4. 제 1 항에 따라 보스와 라이너의 체결 구조를 이용한 체결방법에 있어서,
   보스(30)를 주조 및 가공하는 단계;
   상기 보스(30)를 인서트 금형에 장착한 상태에서, 복합재 수지를 공급하여 보스(30)에 라이너(20)를 일체적으로 성형하는 단계;
   상기 보스(30)의 표면 상에 형성된 밀폐홈 상에 밀봉재(40)를 삽입하는 단계;
   상기 밀봉재(40)를 덮는 동시에 상기 보스 및 라이너에 걸쳐 캡(50)을 로딩하는 단계; 및
   상기 캡(50)의 고정을 가능하게 하도록, 보스(30)의 일부 구간을 소성변형하여 캡(50)을 가압하도록 하는 코킹 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 보스와 라이너의 체결 구조를 이용한 체결방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 보스(30)를 주조 및 가공하는 단계 상에서,
   보스와 라이너 간의 접합면에 대한 결속을 강화하기 위하여 상기 보스 상에 표면처리를 실시하는 단계를 더 포함하는, 보스와 라이너의 체결 구조를 이용한 체결방법.