KR100482386B1 - 다층식유체도관시스템및그제조방법 - Google Patents

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엘. 에반스 토마스
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Abstract

다층식 유체 도관은 금속 관의 관형 외측면에 열가소성 외층을 접착함으로써 형성된다. 상기 외층은 도관의 단부와 적당한 열가소성 끼움쇠들의 접착에 의하여 상기 다층식 도관의 단부들이 누출 방지 유체 도관 시스템내에 함께 결합될 수 있도록 한다. 소방 시스템을 위해, 바람직한 금속은 강(steel)이고, 바람직한 열가소성 재료는 CPVC이며, 바람직한 접착제는 열에 의해 활성화되는 재료이다. 접착제가 도포된 금속 관은 예열되고 상기 CPVC는 가열된 금속 관의 외측면상으로 압출된다. 내화성 CPVC를 사용함으로써, 본 발명의 다층식 도관 시스템은 모든 CPVC배관시스템을 포함하여 기존의 모든 플라스틱 배관 보다 더욱 심각한 화재 예상 지역에 설치될 수 있다. 상기 도관은 절단후 솔벤트계 접착제와 같은 적당한 접착제를 사용하여 모든 통상의 플라스틱 끼움쇠와 직접 접착함으로써 시스템상의 정위치에 간단하게 조립될 수 있다.

Description

다층식 유체 도관 시스템 및 그 제조 방법
본 발명은 다층식 부품을 이용하는 유체 도관에 관한 것으로, 특히 소방용 스프링클러 및 노즐 시스템에 사용되는 유체 도관에 관한 것이다.
스프링클러 시스템 설비공은 통상적으로 금속재 도관을 사용하며, 자동 스프링클러 시스템의 공급관로로서 구리관이나 또는 보다 일반적으로 철재 관 혹은 강관을 사용한다. 이들 금속재 관로는 다른 사용가능한 재료에 비해서 화재 등의 온도로 인한 손상에 대한 확실한 저항성이 있다. 각각의 금속은 상대적으로 비용면에서 장점과 단점이 있다. 통상적으로, 관은 일정한 길이로 제공되지만, 설치에 앞서 소정의 크기로 절단되어야만 한다. 그 후, 철재 관의 경우에는 통상적으로 설치 현장에서 나사산이 성형되어 나사형 커플링과 결합된다. 철재 관에서 이와 같은 나사형 커플링의 사용은 스프링클러 시스템의 설치에 있어서 노동 비용을 상당히 증가시킨다. 구리관을 소정의 길이로 절단하는 작업은 적절한 끼움쇠(fittings)를 사용하여 구리관과 미끄럼식으로 간단히 결합시킨 후에 용접을 수행하면 되기 때문에, 구리관의 설치는 철재 관에 비해서 보다 신속하게 이루어질 수가 있다. 그러나, 구리관은 철재 관에 비해서 재료비가 훨씬 고가이다.
금속재 도관, 특히 강관에 대해서 나사식의 결합 시스템을 사용하지 않는 다른 방식의 시스템이 개발되었다. 예를 들면, 주름관 시스템(crimping systems)이 공지되어 있는데, 이 시스템에서는 주름지게 가공될 수 있는 끼움쇠가 작은 직경의 경강관 스케쥴 5(lightest Schedule 5 steel piping)을 연결시키는데 사용될 수 있다. 그루브가 형성된 관의 외측 단부들과 밀봉 결합되는 다른 유형의 기계적 압축식 끼움쇠도 공지되어 있다. 또 다른 유형의 기계식 연결 시스템은, 서로 인접한 한쌍의 관 부재들의 각각의 개방단부에 설치되는 관형의 삽입체(insert), 및 상기 삽입체에 대하여 개방단부를 압축시켜서 삽입체와 개방단부 상에 덮히게 되는 외부 압축식 끼움쇠를 사용하고 있다. 이 시스템들은 그루브나 플랜지 등을 추가하여 관의 매끄러운 원통형 단부를 기계적으로 성형하거나 붕괴시켜야 하며, 및/또는 특수하고 통상적으로 비용이 고가인 압축식 끼움쇠를 사용해야 할 필요가 있다.
어떤 플라스틱 재료들은 주거용 또는 어느 정도는 가벼운 화재용 스프링클러 시스템에 사용될 수 있다. 염소화 폴리염화비닐(CPVC) 플라스틱 관로 및 끼움쇠가 미국 보험협회안전시험소(Underwriters Laboratories)에 의해 목록화되어 있다. 그 목록중 하나의 CPVC 화합물이 미국 오하이오주 클리블랜드에 소재하는 본 출원인 '더 비. 에프. 굳리치 컴패니(The B. F. Goodrich Co.)'의 상표명 '블라즈마스터(BLAZEMASTER)' CPVC이다. 이 상표명 '블라즈마스터'는 '더 비. 에프. 굳리치 컴패니'의 등록상표이다. 또한, 미국 보험협회안전시험소는 미국 캘리포니아주 비버리힐즈에 소재하는 '플레임어웨이 플라스틱스 인코포레이티드(Flameaway Plastics, Inc.)'에 의해서 미국에서 시판되고 있는 상표명 '플레임어웨이 ' CPVC관 및 끼움쇠도 게재하였다. 또한, 미국 보험협회안전시험소는 주거용 및 가벼운 화재용 스프링클러 시스템에 사용되는 폴리부틸렌 스프링클러 관 및 끼움쇠도 게재하였다.
플라스틱으로 제조된 관은 구리에 비해서 재료비가 저렴할 뿐만 아니라 설치비용도 구리관에 상응하는 정도임이 밝혀졌다. 플라스틱 관과 구리관은 연결작업이 유사한 단계들로 이루어진다. 그러나, 플라스틱 관은 금속관에 비해서 더 유연하다. 플라스틱 관에는 금속재 관에 비해서 더 많은 지지부가 제공되어야 하며, 폴리부틸렌은 CPVC에 비해서 더 많은 지지부가 제공되어야 한다. 이는, 플라스틱관로 시스템의 재료비 및 설치에 따른 노동비를 증가시키기에 충분하며, 실제로 이러한 플라스틱 시스템의 전체 비용이 금속재 시스템에 비해서 고가인 경우가 있다. 스프링클러 시스템용 플라스틱 관로는 주로 주거용으로 설치되는데, 금속재 관에 비해서 플라스틱 관은 서로 정렬되지 않는 구멍이나 서까래 또는 들보 등을 관통하거나 그 둘레를 따라서 보다 용이하게 설치될 수가 있다.
최근의 산업계 동향에 따르면, 주거용 스프링클러 헤드가 전체 스프링클러 헤드의 판매량 중에서 약 15%를 차지하고 있다. 그러나, 통상적으로 가벼운 또는 일반적인 화재용 설비로는 관로의 크기가 크거나 보다 비용이 고가인 스프링클러가 사용되고 있기 때문에, 주거용 스프링클러의 수요금액은 주거용이나 가벼운 혹은 일반적인 화재용 스프링클러 설비의 전체 시장의 약 10% 미만에 불과하다.
플라스틱과 금속이 혼합된 관로나 커플링이 유체 도관 시스템으로서 수 년간 제안되고 있다.
예를 들면, '코케(Cokeh)'의 미국 특허 제5,143,407호에서는 손상을 방지하기 위하여 폴리염화비닐(PVC)로 코팅된 구리관의 사용을 제안하였으며, 또한 소정의 길이를 갖는 다층식 도관의 양단부간에 연결부를 형성하기 위해 PVC로 부분적으로 코팅된 여러 가지 구리재 끼움쇠를 개시하고 있다. 그러나, 상기 미국 특허에는 그러한 혼합식 관로가 어떤 방법으로 제조되는 지에 대해서 또는 어떤 방법으로 제조될 수 있는 지에 대해서 전혀 언급되어 있지 않다. 상기 관로는 도관의 플라스틱 외측면에 도포되는 적당한 플라스틱 접착제에 의해서 끼움쇠와 연결되며, 커플링의 금속재 관부분의 둘레에 형성된 PVC 슬리브에 접합된다. 또한, 관의 단부들을 커플링에 고정시키기 위한 압축식 끼움이 개시되어 있다. 그러나, 각각의 경우에서, 유체의 누설 방지를 위한 밀봉부를 제공하도록 탄성 와셔를 사용하고 있다. 이는 PVC가 구리에 접착되지 않기 때문에 필수적인 것이다.
플라스틱으로 코팅된 다른 유형의 관이 다른 목적으로 제안되었다. 예를 들면, 미국 특허 제3,502,492호에는 금속재 관의 외측면과 같은 금속재 기판의 표면상에 에폭시 수지 분말을 살포하여 정전부착(electrostatic deposition)하고, 상기 표면상에 PVC 수지 입자를 더 두꺼운 층으로 정전부착하며, 그리고 상기 기판을 가열하여 PVC와 에폭시 수지를 유착(coalesce)시킴으로써 기판의 표면에 접착된 PVC층을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 여기에서도 관이나 관 연결부의 물리적 구조는 개시되어 있지 않다.
한편, 미국 특허 제4,481,239호에는 강관과 같은 금속재 기판을 코팅시키는 방법이 개시되어 있는데, 하나 이상의 가교수지(crosslinking resins)가 관의 표면에 도포되고 교차결합되도록 충분히 가열되며, 올레핀 중합체가 상기 가열되고 코팅된 기판에 외층으로서 도포된다. 그러나, 여기서도 관이나 관 연결부의 구조는 전혀 언급되어 있지 않다.
또한 미국 특허 제2,646,822호에는 금속재 관에 대한 부식방지용 외부 코팅재로서 폴리에틸렌(PE)이나 폴리스틸렌의 사용이 개시되어 있다. 미국 특허 제2,646,822호에서 단지 실시예로서 개시된 것이지만, 폴리에틸렌으로 코팅된 금속재관에는 플라스틱을 사용하지 않고 종래 방식으로 나사산이 형성된 단부들이 제공되었다. 이들 단부는 플라스틱을 사용하지 않은 내부의 금속재 나사산에 의해서 플라스틱이 코팅된 금속재 커플링 안으로 수용되며, 이에 따라서 연속적인 길이의 플라스틱으로 코팅된 금속재 관이 제공된다. 커플링의 금속재 관의 내측에 제공된 나사산과 관의 외측 단부상의 나사산 간의 기계적 결합에 의해서 연결부에서의 결합이 이루어진다. 그러나, 여기에서는 플라스틱 층이 관에 접착되는지의 여부에 대해서는 전혀 언급되어 있지 않다.
본 발명의 한 실시 양태에 따른 다층식 유체 도관 시스템은 완전히 폐쇄된 관형 외측면에 의해 한정되어 있고 중공형 도관의 개방 단부를 한정하고 있는 한쌍의 대향하는 개방 단부를 가진 긴 중공형 금속관, 상기 금속관의 관형 외측면을 완전히 덮고 있는 열가소성 층, 및 상기 도관의 개방단부에서 상기 열가소성 층과 상기 금속관 사이에 원주방향의 누설방지용 밀봉부를 제공하도록 상기 열가소성 층과 금속관 사이에 분포된 접착제층에 의해 형성된, 중공형 도관; 및 상기 도관의 하나의 개방 단부에 장착되는 끼움쇠로서, 상기 도관의 하나의 개방 단부를 수용하여 그 개방단부와 중첩되는 하나 이상의 개방 단부를 포함하고, 상기 끼움쇠의 하나의 개방 단부가 상기 도관의 하나의 개방 단부상의 열가소성 층에 직접 대면하며 결합되는 열가소성의 노출된 최내측 관형면을 갖는, 끼움쇠;를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 양태에 따른 다층식 유체 도관 시스템의 제조방법은 상기 도관의 하나의 개방 단부상에서 노출된 열가소성 재료층중 하나 이상의 층과 상기 끼움쇠의 노출된 최내측 관형면에 주위온도 활성 결합제를 도포하는 단계; 및 상기 결합제가 상기 도관과 상기 도관의 하나의 단부를 둘러싸는 누설방지 밀봉 결합부를 직접 형성할 때까지, 상기 끼움쇠의 관형 개방단부가 상기 도관의 하나의 단부를 수용하여 덮고 있는 상태에서 상기 도관 및 끼움쇠를 함께 유지하는 단계;를 포함한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기 위하여, 현재 바람직한 실시에가 도면에 개략적으로 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 도면에 도시되어 있는 특정 실시예, 수단, 요소 및 방법 등에 한정되지 않음을 이해할 수 있을 것이다.
먼저, 다음의 설명과 관련하여 몇가지 용어들에 대해서 정의를 하겠는데, 이러한 용어들의 정의는 단지 설명을 보다 간편하게 하기 위하여 정의된 것이지 결코 이러한 용어에 의해서 어떤 제한을 하려는 것은 아니다. "우측" , "좌측" , "하부" , 및 "상부" 라고 기재된 용어의 의미는 첨부된 도면과 관련된 방향을 지정하는 것이다. "반경방향" 과 "축선방향" 이라고 기재된 용어는 어떤 물체, 구성요소, 또는 구조물의 중심 축선에 대해 수직하거나 그러한 중심 축선을 따르는, 또는 그 밖의 다른 지정된 축선에 대해 수직하거나 다른 지정된 축선을 따르는 방향을 지정하는 것이다. "내측으로" 와 "외측으로" 라고 기재된 용어는 각각 어떤 물체, 구성요소 또는 구조물의 기하학적 중심을 향한 또는 그러한 기하학적 중심으로부터 멀어지는 방향을 의미한다. 전문적인 기술 용어에는 앞에서 특별히 규정한 용어들, 그로부터 파생된 용어들, 및 이와 유사한 의미의 용어가 포함된다. 또한, 전체 도면을 통해서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하여 표시하였다.
도 1은 본 발명에 따른 다층식 유체 도관(10)의 실시예를 개략적으로 도시한 것이다. 도관(10)은 소정의 길이를 갖는 중공의 금속관(12)으로 형성되어 있으며, 이러한 관(12)는 완전히 폐쇄된 관형 외측면(13) 및 이에 마주하여 폐쇄된 관형 내측면(14)을 갖추고 있다. 또한, 상기 다층식 유체 도관(10)은 바람직하게 균일한 두께의 두꺼운 열가소성 층(20)을 포함하며, 바람직하게 이러한 열가소성 층(20)은 도관(10) 및 관(12)의 일단부(15)로부터 타단부(16)까지 철재 금속관(12)의 완전히 폐쇄된 관형 외측면(13)을 적어도 거의 완전하게 덮고 있다. 상기 금속관(12)과 열가소성 층(20)의 사이에 제공되어 있는 접착제층(22)이 열가소성 층(20)과 금속관(12)의 관형 외측면(13)을 접착시킨다. 본 실시예에서, 상기 금속관(12)의 관형 내측면(14)과 외측면(13)은 일단부(15)로부터 타단부(16)까지 (제조공차 범위 이내에서) 균일하게 매끄러우며, 관의 일단부(15)로부터 타단부(16)까지 균일한 내경과 외경을 철재 금속관(12)에 제공한다.
도 2는 도 3에 도시된 시스템(40)과 같은 본 발명의 다층식 유체 도관 시스템을 조립하기 위하여 상기 다층식 유체 도관(10)과 함께 사용할 수 있는 여러가지 끼움쇠중 하나의 끼움쇠(30)를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 상기 끼움쇠(30)는 종래 방식의 티(tee)자 형상의 스프링 클러 헤드 어댑터이다. 상기 끼움쇠(30)는 서로 마주하는 관형의 제 1 및 제 2 개방단부(32, 33)를 가진 일체식 열가소성 몸체를 포함한다. 상기 관형의 제 1 및 제 2 개방단부(32, 33)는 관형의 제 3 개방단부(35)을 가진 중앙의 관형 분기부(34)에 의해서 서로 연결되어 있다. 소방용 스프링클러나 노즐의 나사형 단부 또는 기타 다른 나사형 부재를 수용할 수 있도록 그에 상응하는 나사산이 내부에 형성되어 있는 금속재 삽입체(36)가 바람직하게 끼움쇠(30)의 몸체속에 성형되어 상기 제 3 개방단부(35)의 내부에 나사형 개구부를 형성하고 있다. 상기 관형의 제 1 및 제 2 개방단부(32, 33)에서 가장 내측으로 노출된 관형 표면들은 열가소성이며, 바람직하게 일정한 내경으로 균일하고 매끄럽게 형성되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 다층식 유체 도관(10)을 사용한 소방 시스템(40)의 일부를 개략적으로 도시한 것이다. 도 3에 도시된 다층식 유체 도관 시스템(40)부분은 다수의 T자형 끼움쇠(30)에 의하여 단부끼리 함께 연결된 다수의 다층식 유체 도관(10)으로 구성된다. 소정의 길이를 갖는 서로 인접한 유체 도관(10)의 중공의 단부들이 각각의 T자형 끼움쇠(30)의 서로 마주하는 제 1 및 제 2 개방단부(32, 33) 내로 수용된다. 각각의 T자형 끼움쇠(30)의 관형의 제 3 개방단부(35)는 통상의 소방용 스프링클러(38) 또는 노즐(39)의 나사형 단부를 수용한다. 소방용 스프링클러(38)는 플러그(plug) 및 이러한 플러그를 방출될 때까지 유지하는 작동기구(triggering mechanism)를 갖추도록 구성될 수 있다. 소방용 노즐(39)도 스프링클러(38)와 유사하게 구성되지만, 플러그 및 작동기구를 갖추고 있지는 않다. 노즐(39)은 변류기(deflector)가 없이도 구성될 수 있으며, 오리피스의 형상을 특수하게 성형함으로써 물을 분배하는 패턴을 구현할 수 있다.
도 4 및 도 5에 잘 도시된 바와 같이, 각 도관(10)의 외측 열가소성 층(20)은 참조부호(46)로 표시된 지점에서 열가소성 끼움쇠(30)(또는 적절한 다른 끼움쇠)의 관형의 개방단부(32, 33)중 하나에서 가장 내측으로 노출된 관형 표면에 연결되어 도관(10)과 끼움쇠(30) 사이에 밀봉된 연결부를 형성하고 있다. 여기서 중요한 점은, 중앙의 분기부(34)가 상기 도관 시스템(40)의 내측으로 노출된 열가소성 관형 표면을 형성한다는 것이다.
상기 끼움쇠(30)와 같은 열가소성 끼움쇠에 의해서 연결되는 것 외에도, 본 발명에 따르면, 상기 다층식 도관(10)은 소방 시스템용의 모든 CPVC 관 및 그 밖의 다른 용도로 사용되고 있는 다른 플라스틱재 도관 시스템과 함께 현재 사용되는 표준형태의 여러 가지 다른 끼움쇠에 의해서도 연결되거나 결합될 수 있음을 알 수 있다. 이러한 끼움쇠에는 다른 형태의 스프링클러 어댑터, 직선형 커플링, 곡선형 관(elbow), 부싱, 십자형 관(crosses), 마개(caps), 플러그, 플랜지, 그루브가 형성된 커플링 어댑터, 및 연결부재(union)가 포함되지만, 이에 한정되지는 않으며, 각각의 부재들은 슬립(slip), 스피곳(spigot), 또는 슬립과 스피곳을 갖춘 단부들, 및 내경 감소부나 균일한 내경을 갖는다.
소방용으로 구성된 도관 시스템(40)의 바람직한 실시예에서, 도관(10)의 금속관(12)는 철재의 금속, 바람직하게는 강으로 구성된다. 바람직하게, 상기 열가소성 층(20)은 '더 비. 에프. 굳리치' 의 상표명 '블라즈마스터' 로 시판되고 있는 CPVC와 같은 소방용 염소화 폴리염화비닐(CPVC)로 이루어져 있다. 상기 접착제층(22)은 철재 금속관(12)의 외측면(13)에 CPVC 층(20)을 영구적으로 접착시키는 것으로서, 서로 다른 열팽창계수를 가진 강철과 CPVC의 접착을 유지시킬 수 있는 것이다. 상기 끼움쇠(30) 및 이와 유사한 소방 시스템용 끼움쇠로서는, 황동재 나사형 삽입체(36)을 갖추고 상표명 '블라즈마스터' 로 시판되는 소방용 CPVC가 바람직하며, 미국 필라델피아 렌스데일에 소재하는 '쎈트럴 스프링클러 컴패니' 를 포함한 여러 제조업체에서 최근 시판하고 있다.
특히, 이러한 CPVC의 사용은 여러 가지 측면에서 본 발명의 바람직한 실시예의 중요한 실시 양태가 된다. 소방 시스템이라는 측면에서 볼 때, 오직 CPVC와 폴리부틸렌만이 화재 안전을 위한 산업 기준을 통과하였으며, 따라서 소방 시스템에서 플라스틱의 사용이 허용되는 사실상의 모든 지역에서 소방용 도관 시스템용으로 현재 사용될 수 있는 유일한 플라스틱이다. 그러나, 폴리부틸렌 시스템은 최대 작동온도가 더 낮을 뿐만 아니라[CPVC의 경우에는 최대 작동온도가 1500F(65.560C)인 반면에 폴리부틸렌의 경우에는 1200F(48.890C)이다], CPVC에 비해서 더 유연하며, 가열접착식 기계가공된 연결부(heat bonded mechanically crimped joints)를 위한 설비가 필요하다. 이와 같은 폴리부틸렌의 가열접착식 연결부는 오랜 열 싸이클이 지난 후에 파열되기 쉽다는 사실이 입증되었다. 반면에, CPVC는 직접 CPVC에 접합되어 약 00F(-17.780C) 내지 1000F(55.560C) 또는 그 이상의 주위 온도에서 공지의 술벤트 기반 접착제에 의해 누설방지용 연결부를 형성할 수 있다. 또한, CPVC는 폴리부틸렌에 비하여 다소 적은 지지부에 의해서도 설치될 수가 있고, 보다 높은 온도의 장소에서도 설치될 수 있을 뿐만 아니라, 구조적으로 덜 보호되어도 된다. 통상적으로 성형 또는 압출되는 플라스틱 중에서도, CPVC는 가장 작업이 어려운 것 중 하나이다. CPVC 중합체의 압출온도의 범위는 약 4000F(2050C) 내지 약 4500F(2320C) 정도이다. 그러나, 특수한 압출 설비 및 CPVC 조성(formulations)의 압출온도 범위는 훨씬 더 좁은 범위, 즉 단지 약 100F(-12.220C) 내지 200F(-6.670C) 정도 더 좁은 범위일 수 있다. 예를 들어, 상표명 '블라즈마스터' 로 시판되는 CPVC 화합물은 다음에 설명되는 압출공정에서 단지 약 4150F(2130C) 내지 4300F(2210C) 정도의 바람직한 압출온도 범위를 갖는다.
도관 외층(22)으로서 바람직한 압출용 CPVC는 비.에프. 굳리치 컴패니의 브라제마스터 No. 88745이다. 이 CPVC 화합물의 물리적 및 열적 특성은 다음과 같다.
브라제마스터 No. 88745 CPVC 화합물에 사용된 CPVC 수지에 관한 추가 정보가 미국 특허 제4,412,898호에 개시되어 있으며, 그 전체가 본 발명에 참조되었다.
매우 얇은 냉간 압연강, 예를 들면 SAE C1010 20 게이지 강(gauge steel)은 다른 금속에서 발견할 수 없는 비용면에서의 이점때문에 현재 본 발명의 다층식 도관(10)의 철재 금속관(12)에 바람직하다. 사용될 수 있는 다른 철금속으로는 갈바나이즈 강, 스테인레스 강 또는 강도를 증가시킴으로써 벽 두께를 최소화하기 위하여 C 1010보다 높은 탄소값을 가진 강이 포함된다.
CPVC는 금속에 대하여 용융된 형태로 압출되는 경우에도 금속에 직접 결합되지 않기 때문에, 상기 금속관(12)과 바람직한 CPVC 재료의 접착이 필요하다. 상기 도관(10)들이 유체 도관 시스템으로 함께 연결될 때, 상기 금속관(12)과 그 금속관(12)을 덮고 있는 CPVC 외층(20) 사이에서 발생할 수 있는 물의 위킹(wicking)를 방지하기 위하여 접착제층(22)이 제공된다. 또한, 상기 CPVC와 철재 금속관간의 접합이 사용중에 파괴되지 않도록 하기 위하여, 상기 접착제층(22)은 금속관(12)(약 6 내지 7×10-5/℉)과 CPVC 외층(20)(약 3.4×10-5/℉)의 서로 다른 열팽창 계수에 적응하기에 충분할 정도로 탄성적이다. 만약 도관(10)이 임의의 길이로 절단하여 사용하된다면, 상기 접착제층은 관(12)의 단부로부터 단부까지 전체길이를 따라 전체 둘레에 도포되어야만 한다. 상기 관을 따라 별도의 개별적인 일련의 접착링이 제공될수 있으나, 관 주위를 완전히 둘러싸며 상기 관의 전체 길이에 연속적으로 도포된 접착제층이 다용도면에서 더 바람직하다. 상기 도관이 더 이상 절단하지 않고 사용된다면, 상기 관(12)의 각 단부 부근에서 상기 관(12)과 PCVC 층(20)간에 영구적인 방수 실을 생성하기에 충분한 거리만큼 상기 관의 단부로부터 연장하여 관(12)의 단부 부근에 접착제층을 제공하기만 하면 된다.
전술한 강관과 상표명 블라즈마스터 CPVC 화합물을 위한 바람직한 접합물질은 비.에프. 굳리치 컴패니의 접착제 No. A1718B 및 펜실바니아 에리에에 소재한 로드 코퍼레이션, 엘라스토머 프로덕츠의 2성분 시스템, 쳄록(Chemlok) 485 및 큐레이티브(Curative) 44이다.
상기 비.에프. 굳리치 컴패니의 A1718B는 솔벤트 기반 선처리제로 간주된다. 이는 메틸 에틸 케톤, 톨루엔, 부틸 알콜, 에타놀 및 이소프로필 알콜의 특허 혼합물과 프로필렌 옥사이드를 포함하는 액체이다. 상기 쳄록 485/큐레이티브 44 성분은 2성분 탄성중합 접착제를 구성한다. 상기 쳄록 485는 특허 조합된 실렌, 메틸 에틸 케톤 및 에틸 벤젠을 포함한다. 상기 쳄록 큐레이티브 44는 특허 조합된 실렌, 방향족 폴리소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 에틸 벤젠 및 디페닐메탄 디이소시아네이트를 포함한다. 이들은 6 내지 10 중량부의 큐레이티브 44와 100 중량부의 쳄록 485의 비율로 혼합된다.
바람직하게, 이들은 건조시 약 2 내지 3mils의 두께가 될 수 있는 충분한 양으로 희석되지 않은 상태로 상기 관(12)의 외측면상에 각각 분사된다. 바람직하게, 상기 다층식 도관(10)은 일반적인 크기의 끼움쇠와 함께 사용하기 위하여 공칭관 또는 튜브 외경, 예를 들어 스케쥴 40 및/또는 80(ASTM F438)과 일치하는 외경을 갖는다. 상기 다층식 도관(10)의 금속관(12), 열가소성 층(20) 및 접착제층(22)의 모든 두께는 상기 도관 시스템이 적용되어 사용되는 안전한 누설방지 도관 시스템을 위해 요구되는 강성과 강도를 제공하기에 충분할 정도로만 두껍다.
바람직하게, 상기 다층식 도관(10)의 외경은 일반적인 크기의 끼움쇠와 함께 사용하기 위하여 공칭경(NPS; nominal pipe size) 관 또는 튜브의 외경, 예를 들어 3/4인치 내지 적어도 4인치의 직경에 상응한다. ASTM 스케쥴 40 및 스케쥴 80 끼움쇠가 소방용 도관 시스템에 사용되는 플라스틱의 표준 크기이다. 더 무거운 벽을 가진 스케쥴 80 규격(ASTM F439)도 사용될 수 있지만, 약 2인치 또는 그 이하의 공칭경을 가진 플라스틱 관 또는 튜브와 함께 사용하기 위한 플라스틱 끼움쇠가 스케쥴 40 규격(ASTM F438)를 가진 소방용 시스템에서 사용될 수 있다. 2인치 이상의 공칭경을 가진 플라스틱 관 또는 튜브와 함께 사용하기 위한 플라스틱 끼움쇠는 소방 시스템용으로 사용하기 위하여 스케쥴 80 규격에 일치하여야 한다. 상기 도관 시스템의 다른 용도를 위하여 관 및 끼움쇠의 다른 표준 규격이 사용될 수 있다. 예를 들어, 표준 ASTM 관 및 끼움쇠 스케쥴 범위는 크기면에서 스케쥴 5 내지 스케쥴 100이 된다.
적어도 소방용 도관 시스템에 있어서, 본 실시예에서는 CPVC 층에 대하여 약 0.020 정도로 얇은 두께와 0.075인치 정도로 두꺼운 두께가 고려되었으나, 바람직한 CPVC 층(20)의 벽 두께는 0.1인치 이하이며, 제안적으로는 0.08인치 이하, 바람직하게는 단지 약 0.04인치이다.
소방 스프링클러 시스템에 있어서, 철재관에 대하여 적어도 최대 3인치의 공칭경( "NPS" )와 함께 약 0.035 내지 0.065인치의 두께가 고려되었으나, 상기 다층식 유체 도관(10)의 철재관(12)은 0.1인치 이하, 제안적으로는 0.08인치 이하 및 심지어 0.06인치, 바람직하게는 단지 약 0.04인치(예를 들어 0.042 인치)의 벽 두께를 가진 매우 얇은 냉간압연 강인 것이 바람직하다. 소방용 스프링클러 시스템과 관련하여 표준 ASTM 스케쥴에 의해 허용된 가장 얇은 나사형 강관의 벽 두께는 0.087인치인 것으로 여겨진다. 소방용 스프링클러와 관련하여 허용된 가장 얇은 CPVC의 벽 두께는 3/4인치 공칭경에 대하여 0.085인치이다. 1인치 또는 그 이상의 공칭경에 있어서, CPVC 벽 두께는 0.100인치 이상이어야만 한다.
일반적으로, 관과 튜브의 크기는 특정된 외경에 의하여 결정된다. 이들과 함께 사용되는 끼움쇠의 크기는 그 끼움쇠에 수용되는 관과 튜브의 특정된 표준 외경과 관련하여 내경으로 결정된다. 표준 끼움쇠 크기에 대하여, 본 시스템의 도관(10)은 모든 플라스틱 관 및 심지어 표준 강관보다 적어도 더 큰 내경을 갖게 된다. 예를 들어, 소방용 스프링클러 시스템에 널리 사용되고 있는 1인치(NPS) 스케쥴 10 강관은 1.097인치의 실제 내경과 0.109인치의 벽 두께를 갖는다. 이 관은 전조 가공(roll grooving)용으로 설계되었으나, 나사산이 형성될 정도로 충분히 두껍다. 소방용 시스템에 사용되는 가장 얇은 강관은 스케쥴 5이다. 이는 1 내지 2인치의 공칭경에서 상업적으로 이용가능하다. 모두 0.065인치의 공칭 두께를 갖는다. 이와 같이 벽이 얇은 관은 나사산의 형성이 불가능하다. ASTM 지정: A795-93 "소방용 강관..의 표준 규격"에는 하기된 바와 같이 나사산 형성이 가능한 스케쥴 10 및 40 강관에 대한 공칭경, 실제 외경 및 공칭 두께의 스케쥴이 개시되어 있다.
상기 CPVC 관의 벽 두께는 1/2인치 (NPS) 강관 및 CPVC 튜브에 대하여 각각 0.087인치 및 0.085인치인 가장 작은 공칭경에서의 나사산 형성가능한 강관과 유사하다. 모든 경우에 있어서, 본 발명의 다층식 도관의 강재 금속관은 소방용 시스템에서 이전에 사용가능하였던 동일한 공칭 직경의 가장 얇은 관에 대하여 규정된 가장 얇은 공칭두께보다 더 얇다.
1인치 직경(NPS) 관의 0.107인치로부터 3인치 직경(NPS) 관의 0.300인치까지의 CPVC의 벽 두께 조건은 더 급격하게 증가한다. 표준 CPVC 끼움쇠와 함께 본 발명의 다층식 도관(10)을 사용함으로써 제공될 수 있는 증가된 내경은 (스케쥴 10 이하인) 종래의 얇은 벽의 강관 시스템보다 약 4% 더 많은 유량과, 공칭경이 거의 동일한 전형적인 스케쥴 10 및 40 강관 시스템보다 8% 더 많은 유량을 제공할 것으로 예상된다. 증대된 용량은 특히 크기가 1인치 이상인 모든 CPVC 시스템과 비교할 때 더 크다. 이러한 내경의 효과적인 증가는, 일부의 경우에서, 건설업자가 스프링클러 시스템의 관 크기를 줄일 수 있도록 함으로써, 추가적인 노동 및 재료를 절감할 수 있도록 한다.
상기 다층식 도관(10)의 외경이 함께 사용되는 종래의 끼움쇠의 내경에 의해 정해진다면, 상기 금속관(12)의 외경은 열가소성 층(20) 및 접착제층(22)의 두께에 따라 좌우된다. 그 결과, 본 발명의 금속관은 비표준의 외경 및 내경을 갖는다.
본 발명의 다층식 도관(10)은 모든 플라스틱 관의 제조 잇점을 모두 가지고 있다. 본 발명의 다층식 도관(10)은 일반적인 휠 절단기를 사용하여 현장에서 소정의 길이로 절단될 수 있다. 절단된 단부는 디버링(deburred)되는 것이 바람직하고, CPVC 층은 조립이 용이하도록 모깍기 가공(chamfered)될 수 있다. 연결부 형성을 위하여, 도관 단부 또는 특히 금속관에 대한 나사산 형성 또는 홈 내기 또는 붕괴 등이 필요하지 않다. 주위온도 작용 결합제가 도관(10) 단부의 노출된 열가소성 층(20) 및/또는 상기 도관의 단부를 수용하며 상기 노출된 열가소성 층에 의해 형성되는 끼움쇠의 노출된 최내측면에 간단하게 도포된다. 상기 도관의 단부를 끼움쇠의 개방단부에 삽입하고 결합제가 분배되도록 회전시킴으로써 부품들이 결합된다. 결합된 연결부는 경화되고, 지정된 바람직한 결합제를 이용하여 수분내에 압력 지원적(pressure supportive)이 된다. 상기 열가소성 외층(20)은 부식으로부터 금속관(12)의 외부를 보호하는 장점을 더 갖는다.
캐나다의 가르데나에 소재한 IPS Corp.과 미국 오하이오주 클리브랜드 오아테이 컴파니에 의해 생산된 원스텝 솔벤트 시멘트(one step solvent cements)가 전술한 CPVC 코팅 도관(10)과 CPVC 끼움쇠(30)를 결합시키기 위한 바람직한 주위온도 작용 결합제이며, 적어도 875psi 또는 그 이상의 압력에서 누설 방지 및 완전하게 유지되는 결합부를 제공한다. 상기 IPS 조성은 중앙 스프링클러 CSC-300 솔벤트 시멘트로서 공지되어 있다. 또한, 이는 (블라즈마스터 CPVC 관용으로 변형된) 웰드(WELD)-온 723으로도 공지되어 있다. 상기 오아테이 조성은 "Oatey Medium Red 블라즈마스터 시멘트 CPVC-Low VOC" 로 불리운다. 이 결합제들은 희석되지 않고 직접 도포되며, 주위온도 즉, 약 0℉ 내지 120℉의 온도에서 사용하기에 적합하다. 이들은 테트라하이드로푸란, 메틸 에틸 케톤, 시클로헥산(cyclohexanane) 및 아세톤을 포함하는 유기 솔벤트와 CPVC 수지의 혼합물로서 각각 개시되어 있다. 이들은 각각 희석되지 않고 도포되며, 실온(예를 들어, 0℉ 내지 약 120℉)에서 경화된다.
도 6은 화재의 위험이 보다 높은 장소에서 개선된 열적 보호를 위해 사용될 수 있는 본 발명의 다층식 금속/플라스틱 나사형 스프링클러 어댑터식 T자형 끼움쇠(130)의 1/4을 개략적으로 도시한 단면도이다. 상기 개선된 끼움쇠(130)는 도 2의 끼움쇠(30)와 같은 내측의 통상의 열가소성, 바람직하게는 CPVC 끼움쇠(30)와, 도면번호 132로 표시된 주변 금속 쉘(shell)을 포함한다. 상기 금속 쉘(132)은 T자형 끼움쇠(30)의 주위에 부착, 성형 및 절첩될 수 있으며, 134로 표시된 바와 같은 납땜 또는 밴드(136)로 표시된 밴딩을 포함하되 이에 한정되지 않는 임의의 다양한 방법에 의하여 상기 끼움쇠(30)의 주위에 고정될 수 있다. 다른 형태의 고정구가 도 7 및 도 8에 도시되어 있다. 도 7에서, 리벳, 스크류 또는 볼트 너트 조합체의 볼트부일 수 있는 통상의 결착구(142)를 수용하는 개구부(150)를 구비한 페이싱 플랜지(그중 하나가 도면부호 138로 표시됨) 쌍이 또 다른 끼움쇠의 실시예(130')의 변형된 금속 쉘(132')에 제공된다. 도 8은 또 다른 끼움쇠의 실시예(130")를 도시한 단부도로서, 금속 셀(132")의 외측으로 구부러진 플랜지(138")와 내측으로 구부러진 대향 플랜지(139")가 끼움쇠(30)의 주위에서 서로 중첩되어 체결된다. 각각의 셀(132,132',132'')은 끼움쇠(30)의 외측면을 적어도 실질적으로 완전히 덮는 금속층을 제공하며, 이는 끼움쇠(30)의 내열성을 개선하기에 충분하다.
도 9는 다층식 도관(10)을 제조하기 위한 단계를 나타낸 블록 다이아그램이다. 바람직하게, 박벽(thin-walled) 강관(12)이 개별적인 표준 길이로 절단되어 제공된다. 단계 60에서, 상기 강관은 임의의 잔류 스케일(scale) 및 다른 오염원이 세정되고, 탈지되며, 그 다음 단계 62에서 예를 들면 강제적인 공기 배출에 의하여 탈지제(degreaser)가 세정된다. 그 후, 접착제 도포 단계 64에서, 적당한 접착제(24)가 임의의 적절한 수단에 의하여 완전히 폐쇄된 관형의 외측면(13)에 도포된다. 상기 금속관(12)의 전체 외측면에 분사하는 것이 바람직하지만, 상기 접착제(24)가 부러쉬 또는 롤러에 의해 관(12)에 도포되거나, 또는 상기 관(12)이 침지될수도 있다. 그 다음, 건조 단계 66에서, 상기 접착제(24)는 건조된다. 개시된 바람직한 접착제에 있어서, 접착성 피막 또는 층을 가진 관이 처리될 수 있도록 상기 접착제로부터 솔벤트 케리어를 충분히 제거하기 위하여, 활성온도 이하의 온도, 예를 들어, 약 150℉로 가열함으로써, 건조가 이루어지는 것이 바람직하다. 이하, 상기 접착제가 코팅된 관을 참조번호 12'로 표시한다. 상기 접착제층을 가진 관(12')은 접착제가 활성화되지 않을 정도의 고온으로 가열함으로써 건조될 수 있다. 이는 더 비.에프. 굳리치 접착제의 경우 약 340 내지 350℉이지만, 로드 코퍼레이션 시스템의 경우 단지 약 250℉이다.
상기 접착 코팅을 가진 관(12')은 도 10에 도시된 바와 같이 압출 헤드(88)를 통과하게 된다. 용융된 CPVC를 도포하기 직전에, 열활성 단계 68에서, 상기 바람직한 접착제층(24)은 일련의 예열기(85a,85b,85c)와 헤드(88)의 구성요소(tooling)에 의해 건조온도 이상, 바람직하게는 350℉ 이상의 활성온도로 예열된다. 상기 표시된 접착제는 활성화를 위해서 약 360℉ 또는 그 이상으로 가열된다. 상기 로드 코퍼레이션 시스템은, 원한다면, 350℉ 이하의 온도에서 열활성화될 수 있다. 상기 접착제(24)는 압출 헤드(88)에 물리적으로 유입되기 전에 활성화됨이 바람직하지만, 헤드내에서도 열활성화될 수 있다. 상기 헤드(88)의 입구에서 관(12')의 표면을 예열함으로서, 상기 관(12')은 상기 예열기 및 헤드를 통과하여 전진하도록 상기 헤드의 외부로부터 처리될 수 있다. 상기 관(12')의 예열은 압출된 플라스틱의 온도를 유지하는데 도움을 준다. 압출 단계 70에서, CPVC(21) 또는 다른 압출가능한 열가소성 수지가 관형의 층(20)에 도포된다.
상기 다층식 도관(10)은 압출, 인발 또는 예를 들어 핀치 휠(도시되지 않음)을 사용하여 바람직하게는 초기의 압출과 그에 후속하는 인발의 조합을 포함하는 다양한 방식에 의하여 압출성형 헤드(88)를 통과하게 된다.
상기 도관(10)은 치수 결정 단계(sizing step) 72에서 처리될 수 있으며, 이 단계에서 도관(10) 및 CPVC 층(20)의 외경의 크기가 더욱 정확하고 균일하게 되도록 상기 외측면이 마무리 가공된다. 상기 도관(10)의 외경은 도 12를 참조하여 설명한 바와 같이 양압의 공기에 의해서 뿐만 아니라 기계적 압연, 진공 사이징 또는 그 방법들의 조합을 포함하되 이에 한정되지 않는 다양한 방식으로 사이징될 수 있는 것으로 여겨진다.
기계적으로 절단된 강관(12)이 압출 헤드(88)속으로 연속 공급된다면, 상기 관의 단부는 약간 내측으로 압착되거나 또는 절단 공정으로부터 "압흔(dimpled)" 이 형성된다. 관의 단부에서 이와 같은 관 직경의 미세한 감소는 그 관의 정상 제조 공차 내에 포함된다. 미세하기는 하지만, 치수의 변경은 근접 검출기 또는 관(12)과 단부끼리 접촉된 등가물에 의하여 검출가능하여야 한다. 또한, 관의 단부 및 시점을 검출할 수 있는 센서 또는 센서들을 상기 압출 헤드를 통하여 관을 공급하는 하나 또는 그 이상의 서보 제어 휠상의 엔코더 또는 엔코더들에 제공함으로써, 상기 관 단부의 위치를 추적할 수 있다. 선택적으로, 상기 관은 각각의 판 사이에 간격을 두고 상기 압출 헤드속으로 공급될 수 있다. 공급 방식에 따라, 1/32 " 또는 그 이상의 공간이 인접한 관의 인접한 단부 사이에서 형성될 수 있다. 상기 공간에는 CPVC 재료로 이루어진 연속관이 배치되며, 상기 연속관은 관 단부를 식별할 수 있도록 내부 지지체가 없기 때문에 관 사이에서 붕괴된다. 이러한 변화는 압착된 관 단부보다 더 명백하기 때문에, 압출 헤드(88)에 존재하는 관 단부의 위치를 검출하기 위하여 다른 센서(예를 들어, 초음파, 자기, 전기 및/또는 광학 검출수단)도 사용될 수 있을 것으로 여겨진다. 따라서, 예비절단된 상기 금속관(12)의 길이가 식별되고, 서로로부터 분리될 수 있으며, 마무리 단계 74에서, 완성된 다층식 도관(10)의 단부에서 과도한 CPVC가 세정될 수 있다.
도 10은 접착제가 코팅된 금속관(12')에 CPVC재를 도포하는데 있어서 바람직한 압출 헤드(88)의 주요한 구성 요소를 개략적으로 도시한 도면이다. 통상의 압출기가 부분적으로 도시되어 있으며, 참조번호 80으로 표시되어 있다. 상기 압출기(80)는 CPVC 저장용기를 포함하며, 상기 CPVC는 가열되어 커플링(82)을 통하여 통상의 방식으로 압력하에 헤드의 공급도관(86) 및 압출 헤드(88) 자체로 공급된다. 상기 CPVC는, 헤드(88)의 부싱(87)의 개구부(87a)를 통하여, 압출 핀(90)의 외측면과 부싱(87)의 관형 내측면 사이에 형성된 압축 챔버(96)속으로 공급된다. 상기 압출 핀(90)은 접착제가 코팅된 금속관(12')을 수용하여 통과시키는 중심 보어(91)(가상선으로 표시됨)와, 상기 공급 도관(86)으로부터 CPVC를 수용하는 공급 채널(92)을 그 외측면에 갖고 있다. 상기 압출 헤드(88)는 상기 핀(90)을 그 상단부로부터 지지하는 멘드럴(94)을 더 포함한다. 필요하다면, 핀(90)의 하단부는 핀(90)과 부싱(87)사이 또는 부싱(87)에 부착된 다이(98)와 핀(90)사이로 연장된 칼날 스파이더(knife edge spider)에 의해 지지될 수 있다. 상기 부싱(87)은 핀(90)의 근위단부를 둘러싸며, 상기 다이(98)는 핀(90)의 원위단부를 둘러싼다.
상기 공급 채널(92)은 2개의 대칭 하프(halves)를 가지며, 그 중 하나가 도 10에 도면부호 92a로 표시되어 있다. 숨겨진 하프는 상기 핀(90)의 타측에서 경면대칭이다. 2개의 하프(92a,92b)가 핀(90)의 단부도인 도 11에 가상선으로 도시되어 있다. 각각의 공급 채널부(92a,92b)는, 개구부(87a)로부터 핀(90)의 둘레를 따라 180°로, 개구부(87a)부터 핀(90)의 반대쪽까지 나선형으로 선회한다. 바람직하게, 상기 압출기(80)의 공급축선 및 상기 커플링(82)과 공급 도관(86)의 중심축선은 스태그네이션과 전단을 최소화하도록 공급 채널(92a,92b) 및 서로에 대해 동일평면상에 위치한다. 각각의 공급 채널부(92a,92b)는 개구부(87a)에 바로 인접한 본질적으로 진반원으로부터 단면적이 없는 구역으로 단면적이 완만하고 점진적으로 감소되며, 상기 공급 채널(92a)과 그의 경면 대칭부(92b)는 개구부(87a)로부터 핀(90)의 대향 측부에서 만난다. 상기 핀(90)은 채널(92)을 지지하는 원통부(90a)를 포함한다. 상기 핀(90)은 원뿔형 부분(90b)에서 내측으로 테이퍼진 다음, 더 작은 직경의 제 2 원통부(90c)를 포함하며, 상기 강관(12)의 외경보다 단지 약 60mils 더 큰 내경과 0.1인치 이하의 벽 두께를 갖는다. 필요하다면, 복수의 내측 반경방향으로 그리고 종방향으로 연장된 칼날이 핀(90)의 보어내에 제공될 수 있으며, 이는 관이 핀(90)의 단부로부터 공급될 때 관(12')의 중심을 유지하는데 도움이 된다. 상기 채널(92) 아래에 있는 부싱(87)의 내경은 상기 채널(92) 바로 아래에 있는 핀(90)의 직경보다 약 0.3인치 더 크다. 이러한 차이는 환형의 압축 챔버(96)의 반경방향의 크기를 한정한다. 상기 다이(98)는 핀(90)의 테이퍼부(90b)와 대향하는 테이퍼부(98a), 및 상기 핀(90)의 균일 직경의 원위단부(90c)를 수용하는 균일한 직경의 보어(98b)를 갖는다. 상기 다이(98)에서 균일한 내경의 보어(98b)는 약 40mil 두께의 CPVC 또는 다른 열가소성 수지를 관(12')에 도포하기 위하여 약 45 내지 60mil 두께의 벽을 갖는 CPVC 관을 압출하도록 핀(90)의 최말단부(90c)의 외경보다 예를들어, 약 0.09 내지 0.12인치 더 클 수 있다. 상기 관(12')은 CPVC 화합물이 압출되는 속도보다 빠른 속도로 압출헤드를 통과한다. 바람직하게, 상기 속도는 본래 압출된 두께보다 조금 더 작은 약 40mil로 CPVC 화합물을 신장시키도록 제어된다.
상기 CPVC 화합물의 온도를 제어하기 위하여, 상기 압출 헤드 요소의 내부 또는 그 상부 또는 그 이외의 위치에 가열구역이 유지된다. 바람직하게, 상기 커플링(82), 공급도관(86), 상기 부싱(87) 상부의 헤드 하우징(84) 및, 공급 도관(86) 하부의 부싱(87)에 별도의 독립적으로 제어되는 가열구역이 유지된다. 또한, 압출헤드(88)를 통과하기 바로 직전에 접착 코팅(22)을 활성화하고 관(12')를 예열시키기 위하여, 각각의 예열기(85a,85b,85c)는 헤드(88)로부터 상류에서 별도로 제어됨이 바람직하다. 상기 압출헤드 가열구역은 CPVC 화합물이 압출기(80)로부터 헤드(88)를 통과할 때 상기 CPVC 화합물의 전단 가열이 가능하도록 약 365℉로 유지됨이 바람직하다.
상기 채널부(92b,92a)의 단면적의 점진적인 감소와 방위는 상기 CPVC 압출단계의 성공에 매우 중요하다. 상기 채널부(92a)와 그의 경면 대칭인 채널부(92b)는 핀(90)의 주위에서 수지가 불균일하게 냉각되는 것을 방지하기 위하여 채널이 없는 곳에 도착하는 수지보다 핀(90)의 반대측으로 수지를 더 빨리 이동시킨다. 상기 채널 하프(92a,92b)는 상기 부싱 개구부(87a) 및 공급 도관(86)의 중심선과 공동 평면상에 놓인다. 각 채널 하프(92a,92b)의 깊이는, 각 채널 하프가 부싱 개구부(87a)로부터[핀(90)상의 0°위치] 핀(90)의 반대측(180°위치)으로 연장함에 따라, 선형으로 감소한다. 또한, 상기 그루브의 하류측에 있는 핀의 원통부는 각 채널 하프(92a,92b)를 따라 약 1/2 지점(즉, 약 90° 및 270°위치)으로부터 핀(90)의 원위측으로 더 축소되며, 또한, 약 1/2 지점(즉, 90° 및 270°위치)에서 다시 선형적으로 시작하여 핀(90)의 반대측(즉, 180˚)에서 0.090인치의 깊이로 감소된다. 용융된 CPVC의 균일한 냉각은 개구부(88a)와 대향하는 핀(90)의 측면에 형성될 수 있는 현저한 용접선 또는 니트선 또는 과응력 집중을 방지하기 때문에 매우 중요하다.
압출된 CPVC의 온도에 가깝게 상기 접착제가 코팅된 관(12')를 예열하는 것(예를 들어, 적어도 약 50℉ 이내, 및 바람직하게는 도포되는 CPVC의 온도인 50℉ 보다 낮은 온도)은 압출 헤드(88)내에서 CPVC 화합물의 온도를 바람직한 온도 가공 범위로 유지하는데 도움을 준다. 상기 압출 헤드(88)에서, 상기 범위는 단지 약 15℉(약 415 내지 약 430℉)이다. 상기 바람직한 CPVC 화합물은 염소처리로 인한 점성 때문에 바람직한 얇은 두께로 되는 것에 저항한다. 상기 바람직한 화합물은 410℉ 또는 그 이하의 온도로 냉각되면 파열되는 경향이 있고, 약 410℉를 초과하면 연소 또는 박리되는 경향이 있다. 만일, 압형기를 통하여 너무 빨리 인발되면, 상기 CPVC는 마찰에 의해 과열되어 연소된다. 상기 CPVC를 방출하는 이상적인 온도는 약 450℉ 또는 그보다 약간 더 낮다. 전술한 장치는 상기 CPVC 화합물을 핀(90)에 약 430℉의 온도로 공급한다. 확인된 CPVC 화합물, 강관 및 열활성 접착제와 함께, 1인치 직경의 관이 전술한 압형기를 분당 약 30 내지 35 피트의 속도로 통과한다.
도 12는 치수를 결정하기(sizcmg) 위해 제안된 구성이다. 관형의 사이징 칼라(100)가 다이(98)의 노출 단부내에 장착된다. 상기 칼라는 내측 통로(102)를 포함하며, 그 통로를 플라스틱 코팅된 도관(10)이 다이(98)를 빠져나갈 때 통과한다. 상기 칼라 내에는 환형 매니폴드(104)가 제공되며, 이 매니폴드는 화살표(108)로 표시된 가압공기 또는 기타 적절한 가스가 공급될 수 있는 공급도관(106)과 연결된다. 상기 매니폴드(104)로부터 상기 내측 통로로 복수의 개별 보어(110)가 내측 반경방향으로 연장되며, 상기 압출헤드(88)를 통과하는 임의의 도관(10)을 둘러싸는 공기 제트 링을 형성한다. 상기 열가소성 층(22)의 두께는 관(10')의 공급율, CPVC 화합물 또는 다른 압출된 열가소성 수지의 공급율과 온도 및 상기 보어(110)를 통해 흡인되는 공기 또는 기타 가스의 압력을 포함하는 작동변수의 조합에 의해 제어된다.
본 발명의 다층식 도관 및 도관 시스템은 다른 공지의 금속, 플라스틱 또는 복합 금속/플라스틱 도관 시스템, 특히 소방 시스템보다 사용이 용이하고, 비용면에서 상당한 이점을 제공한다. 본 발명의 바람직한 다층식 도관은 모든 플라스틱 배관에 의해 제공될 수 있는 것보다 감소된 벽 두께로 보다 큰 강도와 경도를 제공한다. 본 발명에 따른 시스템의 다층식 도관은 화재 위험 또는 납땜 구리 시스템의 설치와 관련된 비용 또는 모든 강제 시스템의 설치와 관련된 비용없이도 모든 플라스틱 시스템들만큼 용이하게 시스템으로 구성될 수 있다. 본 발명의 다층식 도관 시스템은 나사산 성형 설비, 확장 설비, 토치, 열적 결합 또는 크림핑 설비 또는 다른 고가의 기계적 끼움쇠 결합 시스템과 관련된 비용없이도 덜 숙련된 노력으로 도관 시스템의 설치를 가능하게 한다.
본 발명의 시스템은 철재 금속관(12) 또는 다층식 도관(10) 또는 상기 관 또는 도관의 압축 단부의 내외측 관형 표면내에 나사산 또는 붕괴부 등을 제공할 필요가 없기 때문에, 상기 시스템에 이전에 사용되어 왔던 공지의 강재 배관보다 얇은 강재 배관으로도 875psi 이상의 압력에 저항할 수 있는 금속 경도를 제공하는 동시에, 경량 및 저비용으로 사용할 수 있게 한다. 본 발명의 도관은 국가화재방지협회(NFPA) 13에 의해 규정된 일반 위험 장소에 사용될 수 있도록 설계된 플라스틱을 채용한 제 1 도관 시스템이 될 것으로 예상된다. 그러나, 상기 바람직한 복합 시스템의 장점으로 인하여 현재 설치된 소방 시스템에서 모든 금속 배관이 우세한 경급 위험 시스템에서 허용도와 용도가 더 커지게 될 것으로 예상된다. 특히, 본 발명의 바람직한 복합 도관(10)의 행거 요건이 적어도 스틸만큼 유리해질 것으로 예상된다(지지체간의 15피트의 최대 간격). 현저히 감소된 중량으로 인하여, 본 발명의 도관은 상당한 설치 유연성을 제공하면서 설치비용도 더 감소시키기 위하여 지지체가 더 큰 거리(예를 들어, 16피트, 가능하면 최대 20피트까지)만큼 안전하게 이격되어야 한다.
본 발명의 다층식 도관 시스템은 다수의 기존 CPVC 끼움쇠와 함께 사용할 수 있으며, 그러한 끼움쇠를 통하여, 다른 구리, 강재, 통상의 플라스틱(예를 들어, PVC, ABS 등) 도관 시스템 및 배관에 연결될 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고 그 변형에 대해 제안하였으나, 당업자는 다른 변형 및 변경을 안출할 수 있을 것이다. 예를들어, 끼움쇠용으로 CPVC가 바람직하고, 접착 CPVC가 스프링클러 시스템용 도관으로서 바람직하지만, 다른 중합체도 사용될 수 있다. 사용가능한, 다른 압출가능하고 접착력이 있고 주위온도에서 접착성이 있는 중합체로는 CPVC 이외에도, 폴리염화비닐(PVC), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 폴리우레탄(폴리에스터 및 폴리에테르), 및 이들의 혼합물과 CPVC와의 혼합물등이 포함될 수 있다. 이들은 모두 압출가능하고, 금속에 접착가능하며, 솔벤트 접합가능하다. PVC 와 CPVC의 구분에 있어서, 중량비로 57%이상이 염화물을 갖는 PVC 중합체가 CPVC로 간주될 수 있다.
바람직한 CPVC 열가소성 층은 다른 방식으로 바람직한 강관을 보완한다. 상기 바람직한 CPVC는 그 자체가 매우 강하다. 상기 CPVC 외층(22)은 강관을 외부부식으로부터 보호한다. 그러한 배관은 건조하거나 활성화될 때까지 정체된(비유동) 물을 포함하므로, 그러한 시스템에서 내부의 부식은 통상적으로 거의 발생하지 않는다. 따라서, 훨씬 얇은 강이 더욱 활성화된(유체가 유동하는) 도관 시스템을 위해 소방용으로 사용될 수 있다. 소방 이외의 용도를 위해 나사가 미리 형성된 다른 금속관 또는 철재관과 함께 다른 중합체가 사용될 수 있다.
본 발명은 개시되어 있는 특정 바람직한 실시예 및 변형예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위내에 기술된 모든 실시예를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 다층식 유체 도관의 부분 종단면도.
도 2는 예시적인 플라스틱 배관 끼움쇠를 도시한 횡단면도.
도 3은 도 1 및 도 2에 각각 도시된 다층식 유체 도관 및 끼움쇠를 사용한 자동조립식 스프링클러 시스템의 부분 측면도.
도 4는 도 3의 선 4-4를 따라 취한 횡단면도.
도 5는 도 4의 선 5-5를 따라 취한 횡단면도.
도 6은 도 3에 도시된 것과 같은 다층식 도관 시스템에서 종래의 나사산이 형성된 소방용 스프링클러 또는 노즐과 결합되도록 설계된 본 발명에 따른 다층식 금속재 또는 플라스틱재의 T자형의 나사산이 형성된 어댑터 끼움쇠의 부분 단면을 도시한 측면도.
도 7은 도 6에 도시된 부재에 대한 다른 형태의 실시예로서 제시된 본 발명에 따른 끼움쇠의 부분 단면을 도시한 측면도.
도 8은 도 6 및 도 7에 각각 도시된 부재에 대한 또 다른 형태의 실시예로서 제시된 본 발명에 따른 끼움쇠의 부분 단면을 도시한 측면도.
도 9는 본 발명에 따른 다층식 도관을 제조하기 위한 공정을 도시한 개략도.
도 10은 접착제로 덮힌 철재 관의 외측면에 CPVC 수지층을 도포하기 위한 압출 헤드의 개략적인 횡단면도.
도 11은 도 10의 압출 헤드의 압출 핀을 개략적으로 도시한 단부도.
도 12는 압출 헤드의 공기 분류용 칼라의 내부를 개략적으로 도시한 도면.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
10 : (다층식 유체) 도관 12 : (금속재) 관
13 : (관의) 외측면 14 : (관의) 내측면
15 : (관의) 일단부 16 : (관의) 타단부
20 : 열가소성 층 22 : 접착제층
30 : 끼움쇠 32 : (끼움쇠의) 제 1 개방단부
33 : (끼움쇠의) 제 2 개방단부 34 : (끼움쇠의 관형) 분기부
35 : (끼움쇠의) 제 3 개방단부 36 : 삽입체
38 : 스프링클러 39 : 노즐
40 : (다층식 유체 도관) 시스템

Claims (33)

  1. 다층식 유체 도관 시스템으로서,
    완전히 폐쇄된 관형 외측면에 의해 한정되어 있고 중공형 도관의 개방 단부를 한정하고 있는 한 쌍의 대향하는 개방 단부를 가진 긴 중공형 금속관, 상기 금속관의 관형 외측면을 완전히 덮고 있는 열가소성 층, 및 상기 도관의 개방단부에서 상기 열가소성 층과 상기 금속관 사이에 원주방향의 누설방지용 밀봉부를 제공하도록 상기 열가소성 층과 금속관 사이에 분포된 접착제층에 의해 형성된, 중공형 도관: 및
    상기 도관의 하나의 개방 단부에 장착되는 끼움쇠로서, 상기 도관의 하나의 개방 단부를 수용하여 그 개방단부와 중첩되는 하나 이상의 개방 단부를 포함하고, 상기 끼움쇠의 하나의 개방 단부가 상기 도관의 하나의 개방 단부상의 열가소성 층에 직접 대면하며 결합되는 열가소성의 노출된 최내측 관형면을 가짐으로써, 상기 도관과 끼움쇠사이에 있는 도관의 단부에 누설방지용 밀봉 결합부를 직접 형성하는, 끼움쇠;를 포함하는, 다층식 유체 도관 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속관이 관형 내측면을 가지며, 상기 철재 금속관의 관형 내외측면이 관의 단부로부터 단부까지 균일하게 매끄러운, 다층식 유체 도관 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 철재 금속관의 재료가 강(steel)인, 다층식 유체 도관 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 철재 금속관이 나사산을 형성하기에 불충분한 벽 두께를 가진, 다층식 유체 도관 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 철재 금속관이 0.08인치 미만의 벽 두께를 가진, 다층식 유체 도관 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 철재 금속관이 약 0.06인치 이하의 벽 두께를 가진, 다층식 유체 도관 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 철재 금속관이 약 0.04인치의 벽 두께를 가진, 다층식 유체 도관 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 철재 금속관이 최대 3인치 도관의 공칭경에서 약 0.08인치 미만의 벽 두께를 가진, 다층식 유체 도관 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 도관의 열가소성 층이 0.08인치 미만의 벽두께를 가진, 다층식 유체 도관 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 도관의 열가소성 층이 약 0.04인치의 벽 두께를 가진, 다층식 유체 도관 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 도관의 열가소성 층이 약 0.02인치 내지 0.075인치의 벽 두께를 가진, 다층식 유체 도관 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 철재 금속관이 0.08인치 미만의 벽 두께를 가진, 다층식 유체 도관 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 철재 금속관이 약 0.06인치 이하의 벽 두께를 가진, 다층식 유체 도관 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 철재 금속관이 약 0.04인치의 벽 두께를 가진, 다층식 유체 도관 시스템.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 철재 금속관이 약 0.035인치 내지 약 0.065인치의 벽 두께를 가진, 다층식 유체 도관 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 도관의 단부에 있는 관의 관형 내외측면이 결합 끼움쇠와 간섭 결합이 가능한 표면 변형이 없는, 다층식 유체 도관 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 접착제 층이 300℉ 이상의 온도로 가열된 후에만 상기 금속관과 상기 열가소성 층을 결합시키는, 다층식 유체 도관 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 접착제 층은 상기 철재 금속관의 관형 표면을 완전히 둘러싸며, 상기 관과 CPVC 층 사이에 단절없는 환형의 방수 밀봉을 형성하도록 상기 관의 단부로부터 관을 따라 충분히 연장된, 다층식 유체 도관 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 도관의 열가소성 층이 CPVC를 포함하는, 다층식 유체 도관 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 도관의 열가소성 층이 CPVC로 구성된, 다층식 유체 도관 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 끼움쇠의 최내측면이 CPVC를 포함하는, 다층식 유체 도관 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 끼움쇠의 최내측면이 CPVC로 구성된, 다층식 유체 도관 시스템.
  23. 제 20 항에 있어서, 상기 끼움쇠의 최내측면이 CPVC로 구성된, 다층식 유체 도관 시스템.
  24. 제 20 항에 있어서, 상기 끼움쇠의 최내측면이 CPVC를 포함하는, 다층식 유체 도관 시스템.
  25. 제 23 항에 있어서, 상기 도관의 하나의 개방 단부와 상기 끼움쇠의 하나의 단부는 각각 상기 도관과 상기 끼움쇠간의 간섭 결합을 제공하는 구조가 없는, 다층식 유체 도관 시스템.
  26. 제 1 항에 있어서, 상기 끼움쇠가 당해 끼움쇠를 완전히 덮는 외부 금속층을 더 포함하는, 다층식 유체 도관 시스템.
  27. 제 1 항에 있어서, 상기 끼움쇠와 유체 결합된 자동 소방 스프링클러를 더 포함하는, 다층식 유체 도관 시스템.
  28. 제 1 항에 있어서, 상기 끼움쇠와 유체 결합된 소방 노즐을 더 포함하는, 다층식 유체 도관 시스템.
  29. 제 1 항에 있어서, 상기 금속관의 벽 두께와 상기 도관의 열가소성 층의 벽 두께가 각각 0.08인치 미만인, 다층식 유체 도관 시스템.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 도관의 열가소성 층과 상기 금속관의 조합된 벽의 두께가 약 0.10인치 이하인, 다층식 유체 도관 시스템.
  31. 제 1 항에 있어서, 상기 도관과 상기 끼움쇠 사이에서 상기 도관의 하나의 단부를 둘러싸는 누설방지 밀봉 결합부를 직접 형성하도록 상기 끼움쇠의 노출된 최내측 관형면과 상기 도관의 열가소성 재료층 사이에 배치되는 주위온도 활성 결합제를 더 포함하는, 다층식 유체 도관 시스템.
  32. 끼움쇠와 중공형 도관을 포함하는 제 1 항의 다층식 유체 도관 시스템의 제조방법으로서,
    상기 도관의 하나의 개방 단부상에서 노출된 열가소성 재료층중 하나 이상의 층과 상기 끼움쇠의 노출된 최내측 관형면에 주위온도 활성 결합제를 도포하는 단계; 및
    상기 결합제가 상기 도관과 상기 도관의 하나의 단부를 둘러싸는 누설방지 밀봉 결합부를 직접 형성할 때까지, 상기 끼움쇠의 관형 개방단부가 상기 도관의 하나의 단부를 수용하여 덮고 있는 상태에서 상기 도관 및 끼움쇠를 함께 유지하는 단계;를 포함하는, 다층식 유체 도관 시스템의 제조방법.
  33. 끼움쇠와 중공형 도관을 포함하는 제 31 항의 다층식 유체 도관 시스템을 제조하는 방법으로서,
    상기 도관의 하나의 개방 단부상에서 노출된 열가소성 재료층중 하나 이상의 층과 상기 끼움쇠의 노출된 최내측 관형면에 주위온도 활성 결합제를 도포하는 단계; 및
    상기 결합제가 상기 도관과 상기 도관의 하나의 단부를 둘러싸는 누설방지 밀봉 결합부를 직접 형성할 때까지, 상기 끼움쇠의 관형 개방단부가 상기 도관의 하나의 단부를 수용하여 덮고 있는 상태에서 상기 도관 및 끼움쇠를 함께 유지하는 단계;를 포함하는, 다층식 유체 도관 시스템의 제조방법.
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