KR100411709B1 - 형상기억합금을 이용한 파이프 연결방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 파이프의 공차 때문에 생기는 형상기억성능의 손실을 없앨 수 있는 형상기억합금을 이용한 파이프의 연결방법을 제공하기 위하여, 형상기억합금 이음쇠를 이용하여 파이프를 연결하는 방법에 있어서, 파이프 연결부 바깥쪽 또는 안쪽에 각각 상기 파이프 외경보다 큰 내경을 갖는 형상기억합금 이음쇠 또는 상기 파이프 내경보다 작은 외경을 갖는 형상기억합금 이음쇠를 설치하고, 상기 파이프와 상기 형상기억합금 이음쇠를 동시에 각각 확관 또는 축관하는 형상기억합금 이음쇠를 이용한 파이프의 연결방법을 제공한다. 아울러, 형상기억합금 파이프 연결부 바깥쪽 또는 안쪽에 각각 상기 파이프 외경보다 큰 내경을 갖는 일반 금속 이음쇠 또는 상기 파이프 내경보다 작은 외경을 갖는 일반 금속 이음쇠를 설치하고, 상기 형상기억합금 파이프와 상기 일반 금속 이음쇠를 각각 동시에 축관 또는 확관하는 형상기억합금 파이프를 일반 금속 이음쇠를 이용하는 연결하는 방법을 제공한다.

Description

형상기억합금을 이용한 파이프 연결방법{METHOD FOR JOINING PIPES USING SHAPE MEMORY ALLOYS}

본 발명은 형상기억합금을 이용한 파이프의 연결방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 형상기억합금 이음쇠를 이용하여 파이프를 연결하는 방법과, 형상기억합금 파이프를 일반 금속 이음쇠를 이용하여 연결하는 방법에 관한 것이다.

지금까지 파이프의 연결에는 용접기술이 많이 이용되어 왔으나 용접결함 발생이 문제시되어 기계적인 연결 혹은 접합이 바람직한 것으로 알려져 있다. 최근 형상기억합금이 파이프 이음쇠로 주목을 받고 있는 것은 작업이 간단하고 결함이 발생하지 않기 때문이다.

형상기억합금 이음쇠를 이용한 종래의 파이프 연결방법을 도 1a 내지 1c에 나타내었다. 예를 들어, 외경이 100mm인 파이프(4)를 연결할 때 내경이 97mm인 형상기억합금 이음쇠(2)를 준비하고(도 1a), 상기 형상기억합금 이음쇠(2)를 변태온도 이하에서 100mm 이상으로 확관하고(도 1b), 확관된 형상기억합금 이음쇠(2)를 파이프(4)에 끼워서 형상기억합금의 변태온도 이상으로 가열하여 연결한다(도 1c). 형상기억효과에 의해서 형상기억합금 이음쇠(2)는 원래의 형상인 내경 97mm로 돌아가려고 하나 파이프들 때문에 돌아가지 못하고 엄청난 힘으로 파이프(4)를 접속한다. 이는 마치 내경 97mm의 이음쇠를 외경 100mm의 파이프에 강제로 끼워 넣은 것과 같아서 강한 접합력을 제공한다.

그러나, 파이프에는 공차가 있어 고려해야할 문제가 있다. 공차가 2%라면 외경이 공칭 100mm라 하더라도 실제는 98-102mm이므로 이음쇠의 내경을 102mm이상으로 확관해야 모든 파이프에 끼울 수 있고, 형상기억합금의 변태온도 이상으로 가열할 때에도 98mm 이하로 수축되어야만 모든 크기의 파이프에 접속이 되므로 형상기억성능이 최저 4%는 되어야 한다. 결과적으로 파이프의 공차 때문에 공차의 2배에 해당하는 형상기억성능이 손실된다고 할 수 있다(길이 100mm를 101mm로 변형한 다음 가열에 의해서 100mm로 되면 형상기억성능이 1%라 하고, 파이프의 원주는 지름에 비례하므로 지름으로 계산이 가능하다).

현재까지 개발된 형상기억합금 중 NiTi 합금은 형상기억성능이 8% 정도나 되므로 파이프의 공차에 의한 문제를 충분히 극복할 수 있다. 그러나, NiTi 합금은 가격이 너무 비싸서 응용이 극히 제한되어 있다. Cu계 합금은 이론적으로 기억성능은 우수하나 결정립이 너무 커서 3% 정도의 변형에도 파괴가 일어나는 등 기계적 성질이 나빠서 별로 사용되지 않고 있다.

1980년대 초 단가가 낮고 기계적 성질이 우수한 Fe-Mn-Si 합금과 같은 철계 형상기억합금이 개발되어 많은 관심을 끌게 되었는데 형상기억성능이 2%정도밖에 되지 않는다. 형상기억성능을 향상시키기 위해서 확관 및 가열을 수 차례 반복하기도 하고 파이프의 허용 공차를 낮추어야 하는 등 실용화에 제약 사항이 있었다.

또 하나의 문제는 수송 및 보관에 따른 비용이다. 이음쇠는 변태온도 이상에서 강한 접합력을 보인다. NiTi 합금의 경우 보통 변태온도가 -50에서 -100도 정도로 대개 액체질소 온도에서 확관하여 액체질소에 넣어 현장으로 수송한 다음 파이프 사이에 끼우고 온도가 변태온도 이상으로 올라가면 접합되게 된다. 즉 확관된 이음쇠가 변태온도 이상으로 올라가지 않도록 변태온도 이하로 유지하기 위해 액체질소 등에 보관 및 수송해야 하는데 발생되는 비용이 크다.

이상과 같이 기존의 방법으로 형상기억합금을 이용해 파이프를 연결하는 방법은 파이프 공차에 의한 형상기억성능 손실, 이에 따른 적용가능한 형상기억합금 종류의 제한 및 확관된 이음쇠의 보관, 수송의 어려움에 따른 비용 발생의 문제가 있었다.

본 발명은 파이프의 공차 때문에 생기는 형상기억성능의 손실을 없앨 수 있는 형상기억합금을 이용한 파이프의 연결방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그 결과 형상기억성능이 작은 형상기억합금이 사용될 수 있고, 파이프의 공차가 커도 파이프의 강력한 연결이 가능해진다.

아울러, 종래와 달리 가공된 이음쇠의 보관 및 수송에 따라 발생하는 추가적인 비용을 없애는 것을 목적으로 한다.

도 1a 내지 1c는 종래 형상기억합금을 이용한 파이프 연결방법을 개략적으로 보여주는데, 우선 연결하고자 하는 파이프의 외경보다 작은 내경을 갖는 형상기억합금 이음쇠를 준비하고(도 1a), 상기 형상기억합금 이음쇠를 파이프에 끼울 수 있도록 확관하고(도 1b), 확관된 형상기억합금 이음쇠를 파이프에 끼워서 형상기억합금의 변태온도 이상으로 가열하여 파이프를 연결한다(도 1c).

도 2a 내지 2c는 본 발명의 일실시예에 따라 형상기억합금 이음쇠를 이용하여 파이프를 연결하는 방법을 개략적으로 보여주는데, 우선 연결하고자 하는 파이프의 외경보다 큰 내경을 갖는 형상기억합금 이음쇠를 파이프에 끼운 후(도 2a), 먼저 파이프만을 파이프의 외경이 형상기억합금 이음쇠의 내경으로 되도록 확관하고(도 2b), 그 후 파이프와 형상기억합금 이음쇠를 같이 확관한 뒤 형상기억합금의 변태온도 이상으로 가열하여 파이프를 연결한다(도 2c).

도 3a 내지 도 3는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 형상기억합금 이음쇠를 이용하여 파이프를 연결하는 방법을 개략적으로 보여주는데, 우선 연결하고자 하는 파이프의 내경보다 작은 외경을 갖는 형상기억합금 이음쇠를 파이프안에 끼운 후(도 3a), 먼저 파이프만을 파이프의 내경이 형상기억합금 이음쇠의 외경으로 되도록축관하고(도 3b), 그 후 파이프와 형상기억합금 이음쇠를 같이 축관한 뒤 형상기억합금의 변태온도 이상으로 가열하여 파이프를 연결한다(도 3c).

도 4a 및 4b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 형상기억합금 파이프를 일반 금속 이음쇠를 이용하여 연결하는 방법을 개략적으로 보여주는데, 도 4a는 형상기억합금 파이프 바깥에 일반금속의 이음쇠를 끼우고 형상기억합금 파이프와 일반 금속 이음쇠를 축관시킨 후 가열하여 연결하는 방법이고, 도 4b는 형상기억합금 파이프 안에 일반 금속 이음쇠를 끼우고 형상기억합금 파이프와 일반 금속 이음쇠를 확관시킨 후 가열하여 연결하는 방법이다.

이에, 본 발명은, 형상기억합금 이음쇠를 이용하여 파이프를 연결하는 방법에 있어서, 파이프 연결부 바깥쪽 또는 안쪽에 각각 상기 파이프 외경보다 큰 내경을 갖는 형상기억합금 이음쇠 또는 상기 파이프 내경보다 작은 외경을 갖는 형상기억합금 이음쇠를 설치하고, 상기 파이프와 상기 형상기억합금 이음쇠를 동시에 각각 확관 또는 축관하는 형상기억합금 이음쇠를 이용한 파이프의 연결방법을 제공한다.

아울러, 형상기억합금 파이프 연결부 바깥쪽 또는 안쪽에 각각 상기 파이프 외경보다 큰 내경을 갖는 일반 금속 이음쇠 또는 상기 파이프 내경보다 작은 외경을 갖는 일반 금속 이음쇠를 설치하고, 상기 형상기억합금 파이프와 상기 일반 금속 이음쇠를 각각 동시에 축관 또는 확관하는 형상기억합금 파이프를 일반 금속 이음쇠를 이용하는 연결하는 방법을 제공한다.

여기서, 상기 확관 또는 축관은 형상기억합금의 변태온도 이하에서 행해질 수도 있고, 아울러 형상기억합금의 변태온도 이상에서 행해질 수도 있다.

또한, 상기 형상기억합금은 NiTi계, Cu계(Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni 등), Fe계(Fe-Mn-Si, Fe-Ni-Co-Ti 등) 합금 중 어느 하나일 수 있다.

이하에서, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

종래 방법은 형상기억합금 이음쇠만 확관하는 것임에 반해, 본 발명에서는 이음쇠를 파이프에 밖 또는 안에 끼운 상태에서 파이프와 이음쇠를 동시에 확관 또는 축관하는 것을 특징으로 한다.

도 2a 내지 2c는 본 발명의 일실시예에 따라 파이프(4) 바깥에 형상기억합금 이음쇠(2)를 끼우고 파이프(4)를 확관하는 방법을 나타낸다. 파이프(4)의 공차로 외경이 예를 들면 98mm이고 이음쇠(2)의 내경이 예를 들면 100mm라고 하면 도 2a에 보인 바와 같이 이음쇠(2)의 내경이 파이프(4)의 외경보다 크므로 파이프(4) 연결부 바깥에 이음쇠(2)가 쉽게 끼워질 수 있다(도 2a). 확관이 시작되면 초기에는 파이프(4)만 확관되나(도 2b), 파이프(4)가 100mm로 확관된 다음 파이프(4)와 이음쇠(2)가 같이 확관되는데 예를 들면 102mm까지 가공된 후, 변태온도 이상으로 가열하면 파이프(4)는 102mm로 그대로 있는데 이음쇠(2)는 100mm로 줄어들려는 힘에 의해서 강력히 접합 연결된다(도 2c).

도 3a 내지 3c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 파이프(4) 안쪽에 형상기억합금 이음쇠(2)를 끼우고 파이프(4)를 축관하는 방법을 보여주는데, 도 2a 내지 2c의 확관에 의한 방법보다 적용이 용이하다. 파이프(4)의 공차로 내경이 예를 들면 100mm이고 이음쇠의 외경이 예를 들면 98mm라고 하면 파이프(4) 연결부 안쪽에 이음쇠(2)가 쉽게 끼워질 수 있다(도 3a). 축관이 시작되면 초기에는 파이프(4)만 축관되나(도 3b), 파이프(4)가 98mm로 축관된 다음에는 파이프(4)와 이음쇠(2)가 같이 축관되는데 예들 들면 96mm까지 가공된 후, 변태온도 이상으로 가열하면 파이프(4)는 96mm로 그대로 있는데 이음쇠(2)는 98mm로 늘어나려는 힘에 의해서 강력히 접합, 연결된다(도 3c).

즉, 본 발명에서는 파이프의 공차를 가공에 의해서 없애버리기 때문에 공차에 의한 형상기억성능의 손실이 전혀 없게 된다. 따라서 형상기억성능이 낮은 합금을 공차가 큰 파이프 접속에 응용하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명의 장점은 변태온도 이하는 물론 변태온도 이상에서도 작업이 가능하다는 것이다. 도 1a 내지 1c의 종래 방법은 변태온도 이하에서 확관한 후 파이프 에 끼우기 전에 변태온도 이상으로 온도가 올라가면 수축되어 버리기 때문에 확관에서 설치까지 변태온도 이하로 유지해야만 한다. 그러나, 본 발명에서는 항상 파이프가 이음쇠의 형상기억효과에 의한 원상회복을 막을 수 있어 이러한 염려가 없다. 따라서 종래 방법처럼 수송, 저장에 별도의 비용이 요구되지 않는다.

본 발명에 따른 또 다른 실시예를 보여주는 도 4a 및 4b에서는 형상기억합금 파이프(6)를 일반 금속 이음쇠(8)로 접합, 연결하는 방법을 제공한다. 도4a는 형상기억합금 파이프(6) 바깥에 일반 금속 이음쇠(8)를 끼우고 파이프(6)와 이음쇠(8)를 축관시킨 다음 가열하여 접합, 연결시키는 예를 보여준다. 도4b는 형상기억합금 파이프(6) 안쪽에 일반 금속 이음쇠(8)를 끼우고 파이프(6)와 이음쇠(8)를 확관시킨 다음 가열하여 접합시키는 예를 보여준다.

본 발명은 파이프와 형상기억합금 이음쇠를 같이 가공함으로서 파이프 공차에 의한 형상기억성능의 손실이 없다. 따라서 형상기억성능이 작은 합금으로 만들어지는 이음쇠를 공차가 큰 파이프의 접합, 연결에 적용할 수 있다. 또한, 변태온도 이하는 물론 이상에서도 작업이 가능하여 추가적인 비용의 발생을 막는다.

Claims (7)

1. 형상기억합금 이음쇠를 이용하여 파이프를 연결하는 방법에 있어서,

   파이프 연결부 바깥쪽에 상기 파이프 외경보다 큰 내경을 갖는 형상기억합금 이음쇠를 설치하고, 상기 파이프와 상기 형상기억합금 이음쇠를 동시에 확관하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 파이프의 연결방법.
2. 형상기억합금 이음쇠를 이용하여 파이프를 연결하는 방법에 있어서,

   파이프 연결부 안쪽에 상기 파이프 내경보다 작은 외경을 갖는 형상기억합금 이음쇠를 설치하고, 상기 파이프와 상기 형상기억합금 이음쇠를 동시에 축관하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 파이프의 연결방법.
3. 형상기억합금 파이프 연결부 바깥쪽에 상기 파이프 외경보다 큰 내경을 갖는 일반 금속 이음쇠를 설치하고, 상기 형상기억합금 파이프와 상기 일반 금속 이음쇠를 동시에 축관하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 파이프의 연결방법.
4. 형상기억합금 파이프 연결부 안쪽에 상기 파이프 내경보다 작은 외경을 갖는 일반 금속 이음쇠를 설치하고, 상기 형상기억합금 파이프와 상기 일반 금속 이음쇠를 동시에 확관하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 파이프의 연결방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 확관 또는 축관은 형상기억합금의 변태온도 이하에서 행해지는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 파이프의 연결방법.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 확관 또는 축관은 형상기억합금의 변태온도 이상에서 행해지는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 파이프의 연결방법.
7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 형상기억합금은 NiTi계, Cu계(Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni 등), Fe계(Fe-Mn-Si, Fe-Ni-Co-Ti 등) 합금 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 파이프의 연결방법.