JP2013508639A - ハイドロフォーミングを用いたウォーターパイプ及びその製造方法 - Google Patents

ハイドロフォーミングを用いたウォーターパイプ及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

ハイドロフォーミングを用いた二重ウォーターパイプ及びその製造方法を開示する。本発明に係るハイドロフォーミングを用いた二重ウォーターパイプ及びその製造方法は、（ａ）鋼材で形成された外部管に、ステンレススチール、チタン及びアルミニウムから選ばれる耐食用材質で形成され、外径が前記外部管の内径より小さい内部管を挿入する段階；（ｂ）金型に前記外部管を載置した後、前記内部管に流体を供給するための流体供給装置と連結される貫通ホールを備える密封手段で前記金型の両端を密封する段階；（ｃ）前記内部管に流体を供給し、前記内部管の塑性膨張及び前記外部管の弾性膨張を可能にする段階；及び（ｄ）前記流体を前記内部管から排出し、前記外部管の弾性回復によって前記内部管と前記外部管との間の摩擦結合を可能にする段階；を含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、上水道用管、排水用管、消防用管などの用途で利用可能なウォーターパイプに関し、より詳細には、外部管と内部管を二重管の形態で結合するハイドロフォーミング（ｈｙｄｒｏ ｆｏｒｍｉｎｇ）方式を用いたウォーターパイプ及びその製造方法に関する。
ウォーターパイプとは、上水道用管、消防用管、及び排水用管のような水が移送される管をいう。
通常のウォーターパイプとしては鋼管が主に用いられる。しかし、ウォーターパイプには水が流れるので、鋼管を用いたウォーターパイプの内側が容易に腐食するという問題がある。
これを補完するために、アルミニウム、ステンレススチールなどの耐食性の強い材質で形成された管が利用されることもあるが、これら材質は、高価であるか、強度が弱いため、容易に利用できないという問題を有する。また、内部面に耐食性の強い物質がコーティングされた管が利用されることも可能であるが、この場合、管の使用環境によってコーティング物質が容易に剥離するおそれがある。
したがって、製造費用、耐食性、外部強度などを考慮して、ウォーターパイプの内側はアルミニウム、ステンレススチールなどの耐食性材質で形成し、ウォーターパイプの外側は一般的な鋼材で形成する二重管形態のウォーターパイプが要求される。
前記二重管の製造時には、一般的に接着剤充填法や焼きばめ法を用いることができる。
このうち、接着剤充填法は、内部管と外部管との間に接着剤又は合成樹脂を充填し、内部管と外部管を結合する方法をいう。このような接着剤充填法は、温度又は環境に応じて用いられた接着剤や合成樹脂などが化学的に変化することから、内部管と外部管の結合性能が低下するという問題を有する。
また、焼きばめ法は、内部管又は外部管を加熱又は冷却する方法をいう。このような焼きばめ法を用いた二重管製造方法の場合、高価の熱処理装備が要求され、製造しようとする二重管が長い場合、熱処理のみでは全ての接合面が均一に接合されないという問題がある。
したがって、ウォーターパイプを二重管の形態で製造し、製作時の結合性能に優れ、全ての接合面を均一に接合できる工法が要求される。
本発明の目的は、パイプ内部の耐食性とパイプ外部の衝撃強度を同時に確保できるハイドロフォーミングを用いた二重ウォーターパイプの製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、ハイドロフォーミングによって製造された二重ウォーターパイプを提供することにある。
前記一つの目的を達成するための本発明に係るハイドロフォーミングを用いた二重ウォーターパイプの製造方法は、（ａ）鋼材で形成された外部管に、ステンレススチール、チタン、アルミニウムから選ばれる耐食用材質で形成されており、外径が前記外部管の内径より小さい内部管を挿入する段階；（ｂ）金型に前記外部管を載置した後、前記内部管に流体を供給するための流体供給装置と連結される貫通ホールを備える密封手段で前記金型の両端を密封する段階；（ｃ）前記内部管に流体を供給し、前記内部管の塑性膨張及び前記外部管の弾性膨張を可能にする段階；及び（ｄ）前記流体を前記内部管から排出し、前記外部管の弾性回復によって前記内部管と前記外部管との間の摩擦結合を可能にする段階；を含むことを特徴とする。
前記他の目的を達成するための本発明に係る二重ウォーターパイプは、鋼材で形成される外部管；及びステンレススチール、チタン、アルミニウムから選ばれる耐食用材質で形成され、前記外部管に挿入されることによってハイドロフォーミングによって前記外部管との間で摩擦結合がなされる内部管；を含むことを特徴とする。
本発明に係るハイドロフォーミングを用いた二重ウォーターパイプの製造方法は、流体の圧力を用いて内部管と外部管の塑性及び弾性膨張を可能にするハイドロフォーミング方式でウォーターパイプを製造する。したがって、製造時の結合性能に優れ、接合面全体にわたって均一な接合を具現することができる。
また、本発明に係る二重ウォーターパイプは、パイプの内部が耐食性の強い材質で形成され、水が継続して流れる環境下でもパイプの寿命特性を向上させることができる。
また、本発明に係る二重ウォーターパイプは、パイプの外部が通常の鋼材で形成されるので、外部の衝撃によるパイプの毀損を防止できるという長所を有する。
本発明に係るハイドロフォーミングを用いた二重ウォーターパイプの完成品を示した斜視図である。 本発明に係るハイドロフォーミングを用いたウォーターパイプの製造方法の一実施例を示すフローチャートである。 本発明に係るハイドロフォーミングを用いた二重ウォーターパイプの製造方法の変形例を示す概略図である。 本発明に係るハイドロフォーミングを用いた二重ウォーターパイプの製造方法に利用可能な製造装置の概略的な断面図である。
以下、添付の各図面を参照して本発明に係るハイドロフォーミングを用いた二重ウォーターパイプ及びその製造方法について詳細に説明する。
この過程で図面に示した各線の太さや構成要素の大きさなどは、説明の明瞭性と便宜上誇張して図示する場合がある。
また、後述する各用語は、本発明での機能を考慮して定義された用語であって、これは、ユーザー及び運用者の意図又は慣例によって変わり得る。
そのため、これら用語は、本明細書全般にわたった内容に基づいて定義されなければならない。
図１は、本発明に係るハイドロフォーミングを用いた二重ウォーターパイプの完成品を示した斜視図である。
図１に示したように、二重ウォーターパイプは、内部管１０と外部管２０とが結合された二重管の形態を有する。
内部管１０の場合、水に対する耐食性を高められるようにステンレススチール、チタン、アルミニウムなどの耐食性の強い材質で形成される。
外部管２０の場合、ウォーターパイプの外観を形成し、外部衝撃に強い鋼材で形成される。外部管２０としては、亜鉛めっき鋼管、アルミニウムめっき鋼管などのめっき鋼管を用いることができ、非めっき鋼管も用いることができる。
内部管１０と外部管２０は、ハイドロフォーミング方式で結合される。ハイドロフォーミング方式は、流体の圧力を用いて内部管１０の塑性膨張と外部管１０の弾性膨張及び回復を可能にすることによって、内部管１０と外部管を結合する方式である。この方法によると、内部管１０と外部管２０が別途の接着剤や溶接を用いずに機械的に連結されるという特徴がある。
図２は、本発明に係るハイドロフォーミングを用いたウォーターパイプの製造方法の一実施例を示すフローチャートである。
図２を参照すると、二重ウォーターパイプの製造方法は、内部管の挿入段階（Ｓ２１０）、金型への載置段階（Ｓ２２０）、内部管の塑性膨張及び外部管の弾性膨張段階（Ｓ２３０）及び外部管の弾性回復段階（Ｓ２４０）を含む。
内部管の挿入段階（Ｓ２１０）では、特定の内径を有する外部管に、前記外部管の内径より相対的に小さい外径を有する内部管を挿入する。
内部管は、ウォーターパイプにおいて水と継続的に接触する部分であるので、耐食性の強いステンレススチール、チタン、アルミニウムなどの材質で形成することができる。
外部管は、ウォーターパイプの外観を形成し、めっき鋼管、非めっき鋼管などの衝撃に強い鋼材で形成することができる。
内部管が外部管に挿入されるので、内部管の外径は外部管の内径より小さい。外部管の内径に対する内部管の外径の比率は、内部管の弾性膨張と塑性膨張との境界になる膨張率などによって決定することができる。
内部管の外径は、外部管の内径の約９５〜９８％であることが望ましい。内部管の外径が外部管の内径の９５％より小さい場合、内部管が過度に膨張し、破裂や破損などの不良が発生するおそれがある。一方、内部管の外径が外部管の内径の９８％より大きい場合、油圧を除去したとき、外部管の収縮量が多いため適切な結合強度が確保されないこともある。
また、ハイドロフォーミングによる内部管と外部管との高い結合強度を維持するために、直接摩擦するようになる外部管の内部面と内部管の外部面に表面粗さを与えることが望ましい。
一方、ハイドロフォーミングによる内部管と外部管との摩擦結合の前に、内部管の外部面と外部管の内部面をきれいに表面処理することが望ましい。外部管の内部面の場合、ショットブラスト（ｓｈｏｔ ｂｌａｓｔｉｎｇ）による表面処理法を提示することができ、内部管の外部面の場合、ピクリング（ｐｉｃｋｌｉｎｇ）による表面処理法を提示することができるが、これら方法に限定されることはない。
金型への載置段階（Ｓ２２０）では、金型に外部管を載置した後、密封手段で金型の両端を密封する。内部管は、金型に載置する前に外部管に挿入することができ、また、外部管を金型に載置した状態で内部管を外部管に挿入してもよい。
本段階で、内部管は外部管の中心に整列される。これは、連続する内部管の塑性膨張及び外部管の弾性膨張段階（Ｓ２３０）で内部管及び外部管を全て厚さ方向に均一に膨張させるためである。
密封手段は、内部管に流体を供給するための流体供給装置と連結される貫通ホールを備える。貫通ホールを介して、流体供給装置から供給される流体が内部管に供給される。
内部管の塑性膨張及び外部管の弾性膨張段階（Ｓ２３０）では、前記密封手段に形成された貫通ホールを介して流体供給装置から内部管に水などの流体を供給し、内部管を膨張させる。このとき、膨張は、弾性膨張と塑性膨張とに区分できるが、弾性膨張の場合、圧力が解除されると再び元の状態に復帰するが、塑性膨張の場合、圧力が解除されるとしても再び元の状態に復帰しない。
内部管の場合、初期には油圧によって弾性膨張がなされるが、一定の膨張率を超えると、油圧が解除されるとしても膨張状態を維持する塑性膨張に変わる。
内部管が膨張しながら外部管と接触すると、外部管も共に膨張するようになる。このとき、内部管は、塑性変形がなされるまで膨張し、外部管は、金型による膨張率の制限によって弾性膨張をする。
このとき、内部管内にダミー手段を挿入した状態で流体を内部管に供給することができる。
ダミー手段は、内部管で一定の体積を占めることによって内部管の内部空間を実質的に減少させ、その結果、ハイドロフォーミング時に流体の供給量と供給時間を減少させるという効果を提供する。ダミー手段が挿入されない場合、内部管の元の空間を十分に充填した時点から内部管の膨張が開始され得るが、ダミー手段が挿入された場合、内部管の内部空間が実質的に減少する。したがって、ダミー手段が占める体積だけ流体の供給量が減少するようになる。これは、製造されるウォーターパイプの口径が４００mm以上の大口径であるときにより効果的であり得る。
このとき、ダミー手段としては、金属棒、プラスチック棒、発泡樹脂（スタイロフォーム）などを利用可能であるが、これに制限されることはなく、いずれのものを用いてもよい。
外部管の弾性回復段階（Ｓ２４０）では、内部管内に供給されている流体を内部管から排出して圧力を解除する。
流体の圧力が解除されると、内部管の場合、塑性膨張がなされた状態であるのでサイズに変化がない。しかし、外部管の場合、流体の圧力が解除されることによって弾性回復がなされ、元の大きさに復帰する。このとき、外部管の内部面と内部管の外部面との摩擦によって機械的な結合がなされる。
図３は、本発明に係るハイドロフォーミングを用いた二重ウォーターパイプの製造方法の変形例を示す概略図である。図３に提示した例は、具体的に、図２の内部管の塑性膨張及び外部管の弾性膨張段階（Ｓ２３０）以前に内部管を別途に外部管の中心に整列しなくてもよい例を示す。
図３を参照すると、図示した例では、内部管の両端部拡管段階（Ｓ３１０）及び溶接固定段階（Ｓ３２０）を含む。
まず、内部管の両端部拡管段階（Ｓ３１０）では、ジグなどを用いて内部管１０の両端部を拡管して外部管に密着させる。
内部管１０の両端部を拡管して外部管に密着させることによって、内部管１０と外部管２０との軸心が一致するようになり、外部管２０のみを金型に固定した状態で後続工程を進行できるようになる。
次に、溶接固定段階（Ｓ３２０）では、拡管された内部管１０の両端部１２を外部管２０の端部に溶接し、内部管１０を外部管２０に対してより堅固に固定する。
このとき、溶接部１５を端部全体でない部分的に形成し、引き続くハイドロフォーミング段階（Ｓ３３０）では、内部管の膨張時に空気や異物を溶接されていない部分を通して外部に排出することができる。
本段階（Ｓ３２０）の結果、内部管１０の両端が拡管されて外部管２０に溶接で堅固に固定されるので、内部管１０と外部管２０との整列状態を維持するようになる。したがって、金型３０を用いて二重管形態のウォーターパイプを製造する場合、外部管２０と内部管１０の別途の整列過程を省略することができる。
次に、ハイドロフォーミング段階（Ｓ３３０）は、図２の内部管の塑性膨張及び外部管の弾性膨張段階（Ｓ２３０）及び外部管の弾性回復段階（Ｓ２４０）を含む過程である。具体的には、内部管１０に流体を注入して内部管１０と外部管２０とを密着させて成形し、また、外部管２０と金型３０も全て密着させて成形する。
内部管１０に流体が注入されると、内部管１０が膨張して外部管２０に密着するようになる。流体による圧力、すなわち、油圧が持続的に加えられると、外部管２０も内部管１０と共に膨張し、内部管１０と外部管２０、そして、外部管２０と金型３０が全て密着するようになる。
成形後に内部管１０と外部管２０の溶接部分１５を除去するためには、製造された二重ウォーターパイプの両端部を切断するエンドカッティング段階（Ｓ３４０）をさらに含むことができる。
また、本発明に係る二重ウォーターパイプの製造方法の他の変形例として、外部管に排出孔を形成する例を提示することができる。
排出孔は、外部管に一つ又は二つ以上を穿孔して形成されるものであって、油圧による内部管の膨張時に空気及び異物が排出される通路になり得る。
排出孔は、二重ウォーターパイプの製造後、溶接などによって再び密封することができる。
このとき、排出孔は、５〜１０mm範囲の直径を有することが望ましい。排出孔の直径が５mmより小さいと異物の排出が円滑でなく、排出孔の直径が１０mmより大きいと、排出孔を再び密封しにくいためである。
図４は、本発明に係るハイドロフォーミングを用いた二重ウォーターパイプの製造方法に利用可能な製造装置の概略的な断面図である。
図４を参照すると、図示したハイドロフォーミングを用いた二重ウォーターパイプ製造装置は、金型４１０、ダミー手段４４０及び流体供給手段４３０を含む。
金型４１０は、成形溝を備えており、前記成形溝には外部管４０１が載置される。外部管４０１には内部管４０２が挿入される。内部管４０２は、金型４１０に外部管４０１が載置される前に予め挿入することができ、また、内部管４０２は、金型４１０に外部管４０１が載置された後で挿入することができる。
密封手段４２０は金型４１０の両端部を密封し、密封手段４２０に貫通ホールが形成されることによって、流体供給手段４３０から供給される流体が金型４１０の内部に流入する。
流体供給手段４３０は、いずれか一側、又は、図４に示した例のように、両端部の密封手段４２０を貫通して流体を内部管４０２に供給する。流体供給手段４３０によって流体が内部管４０２に継続して供給されると、内部管４０２に流体が一杯に充填される時点から油圧によって内部管４０２が膨張し始め、結局、内部管４０２が塑性膨張を通して外部管４０１と結合するようになる。
このとき、二重ウォーターパイプを製造するための装置は、図４に示したように、ダミー手段４４０をさらに含むことができる。
ダミー手段４４０は、内部管４０２の内部に配置され、内部管４０２の内部空間を実質的に減少させる。ダミー手段４４０としては、金属棒、プラスチック棒、スタイロフォームなどのように、ある程度の体積を有するものを用いることができる。ダミー手段４４０は、流体供給手段４３０から供給される流体の量及び流体供給時間を減少させる役割をする。
このとき、ダミー手段４４０は、図４に示したように、棒状に形成することができ、密封手段４２０と一体に形成することができる。そして、ダミー手段４４０には、ハイドロフォーミング過程で開放され、ハイドロフォーミングの終了時に閉鎖される複数の開閉バルブ４４１を設けることができる。
上述したように、本発明に係るハイドロフォーミングを用いて製造された二重ウォーターパイプは、パイプの内部が耐食性の強い材質で形成されるので、水が継続して流れる環境下でもパイプの寿命特性を向上させることができる。また、パイプの外部がめっき又は非めっき鋼材で形成されるので、外部の衝撃によるパイプの毀損を防止できるという長所がある。
また、本発明は、ハイドロフォーミングを用いることによって、ウォーターパイプの製作時に耐食性の強い内部管と衝撃強度の高い外部管との結合性能を向上させることができる。また、本発明は、ハイドロフォーミングを用いることによって、接合面全体にわたって均一な接合が可能である。
本発明は、図面に示した実施例を参考にして説明したが、これは、例示的なものに過ぎなく、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であることを理解するだろう。
したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、下記の特許請求の範囲によって定めなければならない。

Claims (9)

  1. 鋼材で形成される外部管；及び
    ステンレススチール、チタン、及びアルミニウムから選ばれる耐食用材質で形成され、前記外部管に挿入されることによってハイドロフォーミングによって前記外部管との摩擦結合がなされる内部管；を含むことを特徴とする二重ウォーターパイプ。
  2. 前記外部管は、亜鉛めっき鋼材、アルミニウムめっき鋼材及び非めっき鋼材から選ばれる材質で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の二重ウォーターパイプ。
  3. （ａ）鋼材で形成された外部管に、ステンレススチール、チタン及びアルミニウムから選ばれる耐食用材質で形成され、外径が前記外部管の内径より小さい内部管を挿入する段階；
    （ｂ）金型に前記外部管を載置した後、前記内部管に流体を供給するための流体供給装置と連結される貫通ホールを備える密封手段で前記金型の両端を密封する段階；
    （ｃ）前記内部管に流体を供給し、前記内部管の塑性膨張及び前記外部管の弾性膨張を可能にする段階；及び
    （ｄ）前記流体を前記内部管から排出し、前記外部管の弾性回復によって前記内部管と前記外部管との摩擦結合を可能にする段階；を含むことを特徴とする二重ウォーターパイプの製造方法。
  4. 前記（ｃ）段階では、前記内部管にダミー手段が挿入された状態で前記流体が前記内部管に供給されることを特徴とする、請求項３に記載のウォーターパイプの製造方法。
  5. 前記ダミー手段は、複数の開閉バルブを備えており、前記密封手段と一体に形成され、前記複数の開閉バルブの開放を通して前記流体が前記内部管に供給されることを特徴とする、請求項４に記載のウォーターパイプの製造方法。
  6. 前記（ａ）段階では、前記内部管が前記外部管に挿入された状態で前記内部管の両端部を拡管した後、前記拡管された部分を前記外部管に溶接で固定する過程をさらに含むことを特徴とする、請求項３に記載のウォーターパイプの製造方法。
  7. 前記溶接は、前記内部管の両端部と前記外部管を部分的に溶接し、前記内部管の膨張時に非溶接部分を通して空気及び異物を排出することを特徴とする、請求項６に記載のウォーターパイプの製造方法。
  8. 前記外部管には排出孔が形成され、前記内部管の膨張時に前記排出孔を介して空気及び異物を排出することを特徴とする、請求項３に記載のウォーターパイプの製造方法。
  9. 前記外部管の膨張率は、前記金型によって弾性膨張の範囲に制限されることを特徴とする、請求項３に記載のウォーターパイプの製造方法。
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