KR100295466B1 - 수격방지기의 압력충전방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신규한 구성의 수격방지기에 압력을 충전하여 밀봉하는 신규한 방법 및 장치를 개시한다.

본 발명에서는 보디를 구성할 금속관을 제1스트로크만큼 진입시킨뒤 압력을 충전하여 피스톤을 수납하고 다시 금속관을 제2스트로크만큼 진입시켜 그 선단을 성형함으로써 피스톤의 이탈을 방지하여 밀봉하도록 하였다.

Description

수격방지기의 압력충전방법 및 장치 {Method and Apparatus for inducing pressure to a water hammer arrester}

본 발명은 배관 관로내의 수격(水擊) 현상에 의한 소음과 진동을 방지하는 수격방지기의 제조에 관한 것으로, 더 상세히는 그 내부에 압력을 주입하여 밀봉하는 방법과 그 장치에 관한 것이다.

유체의 흐름중에 유로저항이 변화되면 유체의 압력이 변화된다. 압축성유체인 기체의 경우 유로저항의 변화는 단순한 압력의 변화로 그치게 되지만, 비압축성 유체인 액체의 경우에는 수두(水頭) 자체가 변화하게 된다. 예를들어 넓은 유로로부터 좁은 유로로 진입되는 액체의 흐름은 그 수두, 즉 액위가 상승되는 바, 이를 일반적으로 '수력도약(hydrau1ic jump)' 현상으로 호칭한다.

배관등과 같이 제한된 단면내로 액체가 공급되는 경우에는 이러한 유로저항의 변화에 대한 문제는 더욱 심각해진다. 예를들어 수도관의 경우 물의 흐름중 밸브가 차단되면 유로저항의 급격한 변화를 비압축성 유체인 물이 흡수할 수 없으므로 큰 충격파가 형성됨으로써 높은 소음과 진동이 발생되는 것이다. 이러한 액체 배관내에서의 충격파의 발생현상을 특히 수격(water Hammer)현상으로 호칭한다. 이러한 수격현상의 문제는 밸브가 나사로 서서히 개방되는 회전식 밸브에서는 다소 덜하지만 최근 사용의 편의성을 위해 회전식의 밸브가 원터치(one touch)방식의 밸브로 전환되어 감에 따라 더욱 심각해지고 있어서, 소음과 진동뿐아니라 배관이나 밸브 또는 펌프등의 손상까지 야기하고 있다. 제한된 관로내에서의 액체의 흐름은 이외에도 밸브등이 급격히 개방되는 경우 액체가 압력강하에 의해 급격히 비등하게되어 액체내에 기포를 발생시키고 캐비테이션(cavitation)등을 유발하게 된다.

이와 같은 수동현상등의 방지를 위해 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같은 수격방지기가 사용되고 있다.

도 1에서, 배관(P)에 접속된 수격방지기(W')의 몸체(B)는 상,하부 몸체(B1,B2) 사이에 지지된 고무등 탄성재질의 다이어프램(D)을 구비하여, 몸체(B)의 상측에 설치된 니플(nipple;N)을 통해 상부몸체(B1)와 다이어프램(D)간의 공간에 공기나 불활성가스등 압축성 유체인 기체를 소정압력으로 주입하여 일종의 압력실(pressure chamber)을 형성하게 된다.

이와 같은 수격방지기(W')는 배관(P)내에 액체가 흐르는 도중 밸브(V)가 급격히 차단되어 발생되는 충격파를 다이어프램(D)이 점선상태로 압축되며 흡수하여 수격현상의 발생을 방지하게 된다.

즉 상부몸체(B1)와 다이어프램(D)간에 형성된 압력실의 압축기체가 배관(P)내의 압력 변화를 완충시켜 소음과 진동을 발생을 방지하고 배관(P)이나 밸브(V) 또는 도시되지 않은 펌프의 손상을 방지하는 것이다.

그러나 이와 같은 종래의 수격방지기(W')는 압력의 변화가 전달되는 면적이 몸체(B)의 직경에 제한되는 다이어프램(D)의 면적에 국한되므로 큰 충격파의 신속한 흡수가 불가능하여 수격방지 효과가 그다지 크지 못한 문제가 있었다. 뿐만아니라 에어백의 형성과 충격파의 흡수가 모두 다이어프램(D)만에 의존하게 되며, 다이어프램의 외단이 항시 고인장 상태로 상하부 몸체(B1,B2) 사이에 지지되고 있으므로 상,하부 몸체(Bl,B2)간의 결합이 매우 어렵고 다이어프램(D)이 피로등에 의해 쉽게 노화및 열화되어 파손됨으로써 제 기능을 달성할 수 없게 되는 등 사용수명도 길지 못한 문제가 있었다.

한편 종래의 수격방지기(W')에 있어서 배관(P)내에서 발생된 이물이 몸체(B)내에 그대로 유입되어 그 내부에 침전됨으로써 수격방지기(W')의 작동을 방해하여 그 사용수명을 더욱 단축시키는 문제도 있었다.

이에 따라 본원인은 도 2에 도시된 바와 같은 수격방지기를 고안하여 실용신안등록출원 제94-29737호로 출원한 바 있다.

도 2에서 배관(P)의 일측에 접속된 수격방지기(W)의 몸체(B)내에는 구(구(球)또는 부레(bladder) 형태의 폐곡면으로 된 에어백(A)이 구비되어 그 상측의 니플(N)에 지지되는 동시에 이를 통해 소정 압력의 기체가 충전된다.

이러한 구성의 수격방지기(W)는 도 1의 수격방지기에 비교할때 압력전달면적이 훨씬크고 에어백(A) 재질자체의 탄성력뿐아니라 자체적인 형상이 변화하며 배관(P)으로부터의 충격파를 흡수하므로 신속하고 효율적인 수격방지효과를 나타낸다.

그런데 이러한 구성의 수격방지기(W)는 에어백(A)이 니플(N)만으로 지지되므로 니플(N)과의 결합부의 밀봉이 중요한 바, 이 결합부가 열화(劣化)되기 쉬워 장기간 사용시 압축기체가 누설될 우려가 있다.

또한 도 1및 도 2의 수격방지기(W,W')는 그 다이어프램(D) 또는 에어백(A)에 압축기체에 의해 일정한 배압(背壓)이 걸리도록 되어 있다. 그런데 이 압축기체가 제공하는 충격흡수력은 보일샤를의 법칙에 의해 압축기체의 전체용적, 즉 압력실의 용적에 반비례하게 된다. 이에 따라 압력실의 용적이 클 경우에는 충격흡수력이 높지만 그 용적이 작은 경우에는 충격흡수력이 작아지게 된다. 그러므로 배관(P)내의 흐름이 맥동(脈動)이나 빈번한 관로의 개폐등으로 압력변화가 심한 경우에는 충격흡수효과가 일정하지 못하고, 고층에 물탱크가 있는 건물의 저층배관등 배관(P)내의 유체의 수두가 높은 경우에는 다이어프램(D) 또는 에어백(A)이 과도하게 눌려 압력실의 수축된 상태가 되므로 적절한 수격방지기능을 발휘할 수 없게 된다.

뿐만아니라 종래의 수격방지기(W,W')에 있어서는 유체와 압측기체간의 경계면, 즉 압력실의 경계면의 표면적이 충격흡수에 따라 확대및 축소된다. 즉 다이어프램(D) 또는 에어백(A) 자체가 팽창및 수축을 반복하게 되므로 그 자체의 재질이 탄성과 내구성, 그리고 인성이 매우 크고 안정된 고가의 재질로 구성되지 않으면 안되고, 그럼에도 불구하고 재질의 열화등을 감안하여 주기적인 점검과 교체가 요구된다.

또한 종래의 수격방지기(W,W')는 충격파를 주고 흡수하고 유체를 배관(P)으로 되돌리는 기능이 부족하여, 큰 충격파가 발생되는 경우 비압축성유체의 배관(P)내에서의 연속성이 깨어져 국부적인 비등이나 변형력등을 유발함으로써 배관(P)에 무리한 응력이나 부식등을 야기하는 문제도 있었다.

이에 따라 본원인은 도 3에 도시된 바와 같은 수격방지기를 새로 고안하여 1995년 특허출원 제24948호로 출원하고 현재 특허등록 제164645호로 특허되어 있다.

도 3에서, 수격방지기(11) 내부는 니플(17)에 의해 압력 기체가 충전되는 압력실(C)을 구성하고, 이 압력실(C)은 오피리스구멍(15)을 가지는 제한판(14)에 의해 제1공간(C1)과 제2공간(C2)으로 구획되고, 제1공간(C1)에는 배관(P)으로부터 유체가 연통되는 에어백(13)이 구비된다(여타부호의 설명에 대해서는 해당 특허의 참조요함).

이와 같은 수격방지기(11)는 배관(P)내에 수력도약 현상의 발생시 벨로우즈 형태의 에어백(13)내로 유체가 주입되며 에어백(13)을 팽창시키며, 이에 따라 제1공간(C1)내의 압력유체가 제한판(14)의 좁은 오리피스구멍(15)을 통해 제2공간(C2)으로 이동하며 배관(P)내의 수력도약에 의한 충격을 완충시키게 된다.

이와 같은 도 3의 수격방지기는 그 효과는 매우 우수하지만 그 구조가 다소 복잡하여 제조원가상의 문제가 있다.

이에 따라 본원인은 다시 도 4와 같은 구성의 수격방지기를 고안하여 1995년 실용신안등록출원 제28002호로 출원하고 현재 등록사정 받은 상태에 있다.

도 4에서, 수격방지기(21)는 원통형의 본체(22)내에 스프링(25)에 의해 탄성바이어스(bias)되는 피스톤(24)을 수납하여 컵(27)에 의해 밀폐하고 있다. 피스톤(24)의 외주에는 0링(26)이 설치되어 배관내의 유체가 스프링(25)측으로 진입하지 못하고 압력이 전달되도록 밀봉된다.

이와 같은 도 4의 구성의 수격방지기(21)는 비교적 그 구성이 단순하고 제조도 용이하나 다음과 같은 몇가지 문제를 가지고 있다.

첫째로는 스프링(25)의 특성에 의한 문제인 바, 수격현상의 완충을 위해 필요한 것은 감쇠요소임에도 스프링(25)은 탄성요소이므로 효율적인 감쇠가 이루어지지 못하고 반작용이 커지게 된다. 이러한 문제의 해결을 위해서는 내부적 마찰에 의한 에너지 소산(消散)이 큰 대형 스프링을 사용해야 하므로, 결국 수격방지기(11)의 길이및 크기가 커져 설치공간상의 문제를 초래하게 된다.

둘째로는 스프링(25)의 재질에 의한 문제인 바, 수격현상은 밸브의 개폐시마다 발생되므로 스프링(25)에 피로현상이 발생되며, 또한 탄성이 큰 스프링 강(鋼)은 내식성이 약하므로 배관등 다습환경에 사용되는 경우에는 내구성이 보장 될 수 없게 된다.

이 스프링(25)을 사용하는 도 4의 수격방지기(21)의 문제는 도 3과 같이 압축기체를 사용하는 수격방지기(11)의 사용시에는 해결이 가능하지만, 전술한 바와같이 도 3의 수격방지기(11)는 그 구조가 복잡하여 제조상의 문제가 있다.

이에 따라 본 원인은 도 5에 도시된 바와 같은 구성의 수격방지기를 구상하여 동일자로 출원하고 있다.

도 5에서, 본 발명에 의한 수격방지기는 대략 원통형으로 형성되고 그 내부에 압축기체가 충전되어 압력실(C)을 형성하는 보디(1)와, 그 일단을 밀폐하는 바람직하기로 반구(半球)형의 헤드(2), 그리고 보디(1)보다 축경되어 배관(P;도 5에는 도시안됨)에 연결되는 네크(3)를 구비하며, 보디(1)의 단부와 네크(3)간에는 경사상태로 점차 축경되는 쇼율더(4)가 형성된다.

보디(1)의 압력실(C) 내부에는 바람직하기로 U형 단면을 가지는 피스톤(5)이 수납되는데, 피스톤(5)의 압력실(C)내의 압축기체의 압력에 의해 헤드(2) 반대측으로 탄성바이어스되고 쇼울더(4)에 걸려 보디(1)로부터 이탈이 방지된다.

한편 피스톤(5)의 외주에는 바람직하기로 복수의 제한턱(5a)이 형성되어 하나 또는 복수의 0링(6)이 실치됨으로써 압력실(C)로부터 압축기체의 누설을 방지하게 된다.

한편 네크(3)측에는 배관(P)의 관로에 연결을 위해 나사관(7)등의 적절한 접속구가 브레이징(brazing) 접합등의 방법으로 결합된다.

그 결과 완성된 수격방지기는 내부에 스프링(도 3의 25)등이 수납되지 않고 캡(도 3의 27)등의 결합이 불필요하여 매우 단순한 구조가 되며, 특히 보디(1)를 내식성 금속으로 구성하고 피스톤(5)을 내식성 금속이나 합성수지로 구성하는 경우에는 피로나 부식등이 없어 반영구적인 사용이 가능하게 된다.

이와 같은 본 발명 수격방지기 제조의 핵심은 여하한 방법으로 이와 같이 간단한 구성의 보디(1)를 제조하여, 압축기체및 피스톤(5)을 수납하는가에 달려 있다고 할 수 있다.

이와 같은 보디(1)를 형성하는 방법 및 장치는 위 특허출원에 개시되며, 본 발명은 도 5와 같은 구성의 수격방지기에 압력을 충전하여 밀봉하는데 적합한 방법과 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 종래의 수격방지기의 구성을 보이는 단면도,

도 2 내지 도 4는 본원인의 선출원 수격방지기의 구성을 보이는 단면도,

도 5는 본 발명의 대상이 되는 본원과 동일자 출원 수격방지기의 구성을 보이는 단면도,

도 6(A) 내지 (F)는 본 발명 방법을 설명하는 순차적 단면도들,

도 7은 본 발명 방법을 구현하는 장치의 개략 정면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: (수격방지기의) 보디(body) 1': (보디를 형성하는) 금속관

2: 헤드(Head) 5: 피스톤(piston)

40: 제1다이(die) 41: 지지부

50: 제2다이 51: 밀폐실

52: 성형면 53: 압력통로

54: 푸시로드(push rod)

이와 같은 목적의 달성을 위해 본 발명에 의한 수격방지기의 압력주입방법은 그 내측 둘레에 금속관 선단의 축경(縮經)이 가능한 성형면이 형성되어 금속관의 사이에 밀봉이 가능한 밀폐실의 내부의 성형면 내측으로 피스톤을 수납하는 단계와,

밀폐실의 내부에 헤드가 형성된 금속관을 성형면 전방까지의 제1스트로크(stroke)까지 진입시키는 단계와,

밀폐실의 금속관 선단과 성형면 사이에 압력기체를 주입하여 금속관의 내부의 압력실에 압력을 충전하는 단계와,

피스톤을 금속관의 압력실 내부로 밀어넣는 단계와,

금속관을 성형면 내축의 제2스트로크까지 진입시킴으로써 그 선단을 성형하여 피스톤의 이탈을 방지하고 압력실을 밀봉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명 방법의 구체적 특징과 이점들은 첨부된 도면을 참조한 이하의 바람직한 실시예의 설명으로 더욱 명확해질 것이다.

(실시예)

도 6에서, 제1다이(40)에는 수격방지기의 보디(1)를 형성하도록 일측에 헤드(2)가 성형된 금속관(1')이 지지되는 지지부(41)가 형성된다. 지지부(41)의 후단에는 도시된 바와 같이 간격(d)이 형성되어 있는데, 이 간격(d)은 후술하는 제2스트로크보다 작은 양에 해당한다.

한편 이에 대향하는 제2다이(50)에는 그 내측에 금속관(1')의 선단을 축경시킬 성형면(52)이 형성된 밀폐실(51)이 구비되고, 이 밀폐실(51)의 일측에는 압력기체가 공급될 압력통로(53)가 형성된다.

또한 밀폐실(51)의 성형면(52) 내측에는 금속관(1')에 수납될 피스톤(5)이 푸시로드(push rod;54)에 지지된 상태로 위치한다.

그러면 도 6(B)에서 제1다이(40)와 제2다이(50)가 제1스트로크만큼 상대이동하여 금속관(1')의 선단이 밀폐실(51) 내부로 진입하게 된다. 여기서 제1스트로크는 금속관(1')의 선단이 성형면(52)까지 도달하지 않는 정도의 거리이며, 도시되지는 않았으나 밀폐실(51)내에는 0링등 적절한 밀봉수단이 구비되어 금속관(1')의 외주 사이로 입력이 누출되지 않게 되어 있다.

이 상태에서 도 6(C)와 같이 압력통로(53)를 통해 압축기체가 공급되면 이 압축기체는 밀폐실(51)을 통해 금속관(1') 내부의 밀폐실(C)까지 공급된다.

다음 압력통로(53)를 차단한 상태로 도 6(D)와 같이 푸시로드(54)로 피스톤(5)을 밀어, 피스톤(5)을 금속관(1')의 압력실(C)내로 진입시킨 상태로 지지하게 된다. 그러면 압력실(C)내의 압력은 밀폐실(51)에 공급된 압력이 피스톤(5)의 이동용적에 의한 압력실(C)의 용적 감소에 반비례하는 양만큼 상승된 상태로 유지된다.

그러면 도 6(E)와 같이 제1다이(40)를 제2다이(50)측으로 더욱 밀어 주게되는데, 그러면 지지부(41)의 간격(d)이 없어져 금속관(1')의 후단이 지지부(41) 후단에 접촉된 상태로 밀리게 된다.

그러면 금속관(1')의 선단은 밀폐실(C) 내측의 성형면에 접촉하여 그 형상에 따라 내측으로 변형하게 된다.

이 상태에서 도 6(F)와 같이 푸시로드(54)를 이탈시키면 피스톤(5)의 후단은 내측으로 변형된 금속관(1')의 선단에 의해 이탈이 방지되어 일시 고정되고 이에 따라 압력실(C) 내부의 압력이 밀봉된다.

그 다음 이 금속관(1')은 본원과 동일자 출원되는 방법및 장치에 따라 네크(3)및 쇼울더(4)가 성형되어 수격방지기가 완성된다.

도 7에는 이와 같은 도 6의 방법을 구현하기 위한 장치가 도시되어 있다.

프레임(60)의 중앙에는 금속관(1')이 수납지지되는 지지부(41)를 가지는 제1다이(40)가 위치하여 그 상부의 승강실린더(42)에 의해 금속관(1')을 고정및 해제하게 된다.

한편 그 우측에 위치하여 성형면(52)및 압력통로(53)가 형성되어 피스톤(5)이 수납되는 밀폐실(51)을 가지는 제2다이(50)가 위치하게 된다.

제1다이(40)와 제2다이(50)는 각각 슬라이드(slide;61)상에 설치되는데, 바람직하기로 제2다이(50)는 고정, 제1다이(40)는 가동으로 설치된다.

제2다이(50) 우측의 브라켓(bracket;62)상에는 푸시로드(54)의 구동을 위한 실린더(55)가 구비된다.

한편 제1다이(40)는 제1스트로크및 제2스트로크의 2단의 동작이 필요하게 되며, 특히 제2스트로크의 이동시에는 금속관(1') 선단의 변형을 위해 순간적으로 강한 압력의 인가가 필요하게 된다.

이에 따라 제1다이(40)의 이동수단(70)은 2 스트로크 실린더(71)와 T형 링크(link)-레버(lever)기구(72)로 구성되는 것이 바람직하다. T형 링크-레버기구(72)는 액튜에이터(actuator)의 주행방향을 90℃ 전환하면서 특히 스트로크의 종단에서 매우 큰 압력을 발휘할 수 있어서 제2스트로크의 종단에서 금속관(1') 선단의 성형에 적합한 특성을 가진다.

이와 같은 장치의 동작은 도 6에서 설명한 본 발명 방법을 따라 수행되어, 헤드(2)가 형성된 금속관(1')내의 압력실(C)에 소요압력의 압력기체를 충전한 뒤 피스톤(5)을 수납하여 밀봉하게 된다.

이에 따라 본 발명은 동일자 출원되는 수격방지기의 효율적인 제조에 큰 효과가 있다.

Claims (3)

1. 보디 일측에 밀폐된 헤드를 가지며 그 내부에 압력기체가 충전되고 피스톤이 수납되며, 타측에 네크및 쇼울더가 형성되는 보디를 가지는 수격방지기의 제조과정에서 일측에 상기 헤드가 형성되어 상기 보디를 구성할 금속관내에 상기 압력기체를 충전하여 밀봉하는 방법에 있어서,

   그 내측 둘레에 금속관 선단의 축경이 가능한 성형면이 형성되어 금속관의 사이에 밀봉이 가능한 밀폐실의 내부의 성형면 내측으로 피스톤을 수납하는 단계와,

   상기 밀폐실의 내부에 헤드가 형성된 금속관을 성형면 전방까지의 제1스트로크까지 진입시키는 단계와,

   상기 밀폐실의 금속관 선단과 성형면 사이에 압력기체를 주입하여 금속관의 내부의 압력실에 압력을 충전하는 단계와,

   상기 피스톤을 금속관의 압력실 내부로 밀어넣는 단계와,

   상기 금속관을 성형면 내측의 제2스트로크까지 진입시킴으로써 그 선단을 성형하여 피스톤의 이탈을 방지하고 압력실을 밀봉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수격방지기의 압력충전방법.
2. 보디 일측에 밀폐된 헤드를 가지며 그 내부에 압력기체가 충전되고 피스톤이 수납되며. 타측에 네크및 쇼울더가 형성되는 보디를 가지는 수격방지기의 제조과정에서 일측에 상기 헤드가 형성되어 상기 보디를 구성할 금속관내에 상기 압력기체를 충전하여 밀봉하는 장치에 있어서,

   상기 금속관(1')을 그 후단에 간격(d)을 가진 상태로 지지하는 지지부(41)를 가지는 제1다이(40)와, 그 내측 둘레에 상기 금속관(1') 선단의 축경이 가능한 성형면(52)이 형성되며, 상기 성형면(52)의 내측에 상기 피스톤(5)의 수납이 가능하며, 상기 성형면(52)과 피스톤(5) 사이에 압력기체가 주입되는 압력통로(53)가 형성되는 밀폐실(51)올 가지는 제2다이(50)와,

   상기 제1다이(40) 또는 제2다이(50)를 상기 금속관(1')의 선단이 상기 밀폐실(51)내부의 성형면(52) 이전까지의 제1스트로크만큼 이동시키고, 다시 상기 금속관(1')의 선단이 상기 성형면(52)에 접촉하여 변형하는 제2스트로크만큼 이동시키는 이동수단(70)과,

   상기 금속관(1')의 선단이 상기 제1스트로크만큼 이동하여 상기 압력통로 (53)를 통해 압력이 충전되면 상기 피스톤(5)을 상기 금속관(1')의 압력실(C) 내부로 진입시키는 푸시로드(54)및 실린더(55)를 구비하는 것을 특징으로 하는 수격방지기의 압력충전장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 이동수단(70)이, 상기 제1다이(40)를 상기 제1및 제2스트로크만큼 순차적으로 이동시키는 2 스트로크 실린더(71)및 T형 링크-레버기구(72)로 구성되는 것을 특징으로 하는 수격방지기의 압력충전장치.