KR100562993B1 - 적외선 접합부 모니터링 및 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적외선 접합장치의 접합부를 모니터링하면서 제어하는 것으로, 폴리에틸렌 파이프를 가스배관으로 적용시 접합에 사용되는 적외선 접합장치의 모니터링 및 제어장치에 관한 것이다. 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 접합부 모니터링 및 제어장치는, 서로 분리된 플라스틱 파이프(pipe)의 끝단 연결부에 내부 장력 조절링과 램프, 렌즈를 위치시키고 양끝단부를 인접시킨 다음 외곽 둘레에 흑색 필름을 두르고 커플링(coupling)을 끼워 접속한 상태에서 적외선을 조사(照射)하여 접합시 모니터링과 제어하는 장치로서, 상기 커플링으로부터 소정의 거리만큼 이격되어 상기 커플링이 접속된 플라스틱 파이프의 둘레를 따라 복수개가 배치되면서 상기 커플링을 향해 적외선을 조사하는 적외선 램프와; 상기 적외선 램프의 바깥쪽에서 상기 플라스틱 파이프와 적외선 램프를 둘러싸도록 배치되어 외측면에 연결된 가스 공급라인으로부터 냉각가스를 공급받아 내측면에 형성된 노즐을 통해 냉각가스를 주입시키는 냉각가스 챔버를 포함한다.  이 때, 적외선 램프는 상기 커플링으로부터 이 커플링 직경의 2배 내지 4배의 거리만큼 이격되어 배치되는 것을 특징으로 한다. 그리고 내부면의 돌출부(burr) 형성을 제어하기 위하여 플라스틱 파이프의 연결부 내부에 박판(두께 1mm 이하)의 링을 사용하여 완벽한 접합부를 형성하고 내부 접합부를 램프와 렌즈로 모니터링할 수 있는 것을 특징으로 한다.

적외선, 모니터링

Description

적외선 접합부 모니터링 및 제어장치{INFRARED JOINING MONITORING APPARATUS}

도 1은 종래의 적외선 접합장치를 도시한 부분 단면도.

도 2은 일반적인 적외선 접합방법을 개략적으로 도시한 개념도.

도 3은 전체적인 접합부 가열장치의 개념도.

도 4는 노즐 단면형상을 개략적으로 도시한 개념도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 접합부 모니터링 및 제어장치를 도시한 개념도로서, 도 5의 (A) 부분은 접합부 모니터링 장치의 모식도를 개념적으로 표시한 것이고, 도 5의 (B)부분은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 접합부 내부면 제어장치의 개념을 나타내는 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10:적외선 용접기 100; 파이프 110;블랙필름

120;커플링 130;랩(lap)이음부

11;내부 공기 및 불활성 개스 저장파이프 12;공기 및 불활성 개스 분출구

121;노즐 형상 14;실링(seal ring)15;내부관찰장치

17;경면 가공 혹은 코팅 20;적외선 램프 23;온도측정장치

25;온도조절 및 프로그램장치 30;내부장력 조절링

31;조절링 연결관 32;모니터링 내부장치 33;외부모니터링 장치

312;내부냉각 노즐 313;냉각노즐지지대 314;내부장력 제어 스프링

321;렌즈보호뚜껑 322;모니터링용 램프 323;렌즈

54;공기파이프 라인 56;압력계

본 발명은 적외선 접합부 모니터링 및 제어장치에 관한 것으로, 더욱상세하게는 가스배관으로 널리 사용되고 있는 폴리에틸렌 파이프 등과 같은 플라스틱 파이프의 접합에 사용되는 적외선 접합부 모니터링 장치에 관한 것이다.

일반적으로 폴리에틸렌 파이프는 내식성이 뛰어나며 가볍고 유연성이 우수한 동시에 내구성뿐만 아니라, 시공상 작업성이 뛰어나 1960년대부터 땅속에 묻히는 가스 파이프 배관용으로 광범위하게 사용되어 왔다.

현재 대부분의 폴리에틸렌 가스 파이프의 용접은 일렉트로 퓨전과 열판용접의 방법을 채택하고 있으며, 75mm 이하의 작은 파이프는 일렉트로 퓨전방법이 사용되며 75mm 이상의 큰 파이프는 열판용접을 사용하여 시공되고 있다. 

특히, 천연색 폴리에틸렌 수지 파이프의 내부표면과 폴리에틸렌 수지 파이프 의 외부표면 사이에 겹침접합을 생성하고 또한, 끼워진 검은색필름의 관통열 흡수에 의하여 맞대기 접합을 생성시키게 하는 적외선 용접은 겹침/맞대기 접합이 동시에 일어나기 때문에 강력한 접합부를 형성할 뿐만 아니라 공정시간을 50%정도 감소시켜 기존의 접합방법에 비하여 비용을 획기적으로 절감시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다.

그러나 적외선 접합 시 외부형상은 접합여부를 확인할 수 있으나 내부 비드(bead)는 작업후 즉시 확인할 수 있는 방법이 없기 때문에 일일이 비파괴 검사를 하지 않으면 안 되었다.

각종 가스 배관에 사용되는 폴리에틸렌 파이프는 지하에 매설하거나 고압으로 가스를 수송하는 라인에 적용하고 있기 때문에 접합부에서 가스 등의 기체가 새지 않도록 완전하게 접합할 필요가 있으며, 특히, 파이프의 시공은 현장에서 이루어져야 하기 때문에 휴대하기 용이하면서도 완전한 접합부가 형성될 수 있도록 안정화된 온도 제어장치로 항상 일정한 품질을 확보할 필요가 있다.

일반적으로 사용되고 있는 적외선 접합방식은 도 2에서 보는 바와 같이, 폴리에틸렌 파이프(100)의 연결부에 흑색필름(110)을 고정하고 그 위에 커플링(120)을 설치한 다음, 외부에서 적외선 램프(20)로 가열하여 커플링(120)이 투명하게 되면 이 투명한 커플링(120)을 투과한 열선이 흑색필름(110) 표면에 열을 집중시키면서 폴리에틸렌 파이프(100)를 용융시켜 접합하는 방식이다.  이 때 커플링(120)이 과도하게 용융되지 않도록 외부에서 냉각가스를 불어주어 커플링(120)의 외관이 미려하게 유지되도록 하는 것이 필요하다.

종래의 적외선 접합장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 상하로 분리되는 공기냉각 파이프(10)의 내부에 폴리에틸렌 파이프(100)를 고정시키고 적외선을 조사하여 가열하는데, 이 때 공기냉각 파이프(10)는 내부온도를 온도측정장치(23)를 통하여 단순히 측정만 하고 외관을 고려하여 적당히 냉각하는 구조로 되어 있다. 

따라서 냉각이 미비할 경우 커플링(120) 표면 과열로 인해 불균일한 커플링 표면이 야기될 뿐만 아니라 폴리에틸렌 파이프(100)의 접합불량을 발생시키며 표면 미관을 해치게 되는 문제점이 있다. 또한, 적외선 램프(20)의 배치가 불규칙하고 폴리에틸렌 파이프(100)와 적외선 램프(20)의 거리가 너무 가까움에도 불구하고 공기로 냉각하기 때문에 분위기 온도를 일정하게 제어할 수 없어 커플링(120) 표면온도의 제어가 거의 불가능하였다.

그리고 공기 및 불활성 개스 저장장치(11)의 내측면에 원형의 노즐(12)이 형성되어 이를 통하여 냉각가스를 분출시킴으로써 축방향을 따라가면서 냉각이 불균일하게 이루어진다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 접합대상 파이프가 장착되는 장치의 내부구조를 최적화하고 파이프 내부에 내부 장력 조절링과 내면을 모니터링 할 수 있는 렌즈를 구비함으로써, 내부온도 제어 및 분위기 온도 불균일화 문제를 극복하여 정밀도를 향상시키고 커플링의 내,외관을 미려하게 유지시킬 수 있는 적외선 접합부 모니터링 및 제어장치를 제공하 는 것을 목적으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 전체적인 접합부 가열장치의 개념도이고, 도 4 (A), (B)는 노즐 단면형상을 개략적으로 도시한 개념도로서, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 접합부 모니터링 및 제어장치는, 도 5와 같이 서로 분리된 플라스틱 파이프(pipe)의 한쪽 끝단 연결부의 내부에 2장으로 분리된 스프링 내장형 내부장력 조절링(311)을 설치하고 접합하고자 하는 또 다른 플라스틱 파이프의 끝단부를 인접시킨 다음 그 외부둘레에 흑색 필름을 두르고 커플링(coupling)을 끼워 접속한 상태에서 적외선을 조사(照射)하여 접합시키는 장치로서, 도 3과 같이 상기 커플링으로부터 소정의 거리만큼 이격되어 상기 커플링이 접속된 플라스틱 파이프의 둘레를 따라 복수개가 배치되면서 상기 커플링을 향해 적외선을 조사하는 적외선 램프와; 상기 적외선 램프의 바깥쪽에서 상기 플라스틱 파이프와 적외선 램프를 둘러싸도록 배치되어 외측면에 연결된 가스 공급라인으로부터 냉각가스를 내,외부에서 공급받아 내측면에 형성된 노즐을 통해 냉각가스를 주입시키는 냉각가스 챔버를 포함한다.  이 때, 적외선 램프는 상기 커플링으로부터 이 커플링 직경의 2배 내지 4배의 거리만큼 이격되어 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각가스 챔버는 내측면과 외측면의 사이에 공간을 확보하여 냉각가스를 일시 저장하는 가스 저장층을 가지며, 이 가스 저장층은 상기 냉각가스 챔버의 내측면에 형성되는 노즐로부터 토출되는 냉각가스량의 5배 내지 10배의 가스 저장량을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각가스 챔버의 내측면에 형성되는 노즐은 종횡비(세로/가로)가 2 내지 10의 범위에 속하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각가스 챔버는 축중심을 포함하는 평면을 기준으로 서로 분리되는 하프파이프(half pipe)형 챔버가 서로 맞붙어 파이프형으로 이루어지고, 이들 하프파이프형 챔버의 서로 인접한 부분이 실링재로 밀봉되는 것을 특징으로 한다.  또한 상기 하프 파이프형 챔버의 서로 인접한 부분 중 적어도 하나에는 내부 관찰창이 형성될 수 있다.

상기 냉각가스 챔버의 내측면은 경면(鏡面)가공되는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각가스 챔버의 외부에는 온도 제어기가 설치되고 온도 측정기를 통해 냉각가스 챔버의 내부와 연결되어 상기 냉각가스 챔버의 내부 온도를 제어하는 것을 특징으로 한다. 그리고 플라스틱 파이프의 내부면에 배치된 스프링 내장형 내부장력 조절링(311)이 가열 및 냉각되는 동안에 플라스틱 연결부가 열팽창 차이에 의하여 밖으로 튀어나오거나 내부로 수축되어 말려 올라가는 현상을 방지할 뿐만아니라 파이프 외부면의 냉각에 따라 내부면에서도 냉각이 되도록 냉각개스를 외부에서 연동 제어함으로서 표면과 내면의 온도균형을 이루도록 하여 평탄한 내부 연결면이 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명하면 다 음과 같다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 접합부 모니터링 및 제어장치를 도시한 부분 단면도이다. 도 5(A) 참조하면, 본 실시예에 따른 적외선 접합부 모니터링 및 제어장치는 서로 분리된 폴리에틸렌 파이프(100)의 끝단 연결부 내부에 설치한 후 일정한 장력이 걸리도록 내부장력 조절링(311)을 조정하고 연결부끼리 인접시킨 다음 그 둘레에 흑색필름(110)을 두르고 다시 그 위에 커플링(120)을 끼워 접속한 상태에서 적외선 램프(20)로 적외선을 조사하여 접합시키게 된다. 

적외선 램프(20)의 바깥쪽에는 냉각가스 챔버(11)가 폴리에틸렌 파이프(100)와 적외선 램프(20)를 둘러싸도록 형성되어 내부를 향해 냉각가스를 불어넣는다.  이러한 적외선 접합부 모니터링 및 제어장치에서는 커플링(120)이 투명해지는 온도까지 일정하게 유지하면서 커플링(120)의 표면이 용융되지 않도록 냉각가스를 불어넣어 주는 것이 중요하다. 

연결부 플라스틱 파이프(100)가 적정온도에 도달하여 일정시간 유지되면 내,외부 노즐(12, 312)로부터 냉각개스가 분출되어 표면과 내면이 균형을 이루어 냉각이 되도록 작용하여 미려한 내외면이 형성되도록 하며 냉각가스로는 불활성 가스나 공기 등을 불어넣을 수 있다. 

특히 내부 장력 조절링의 두께는 두꺼우면 가열시간이 길어지기 때문에 2mm  이하로 제한하였다. 접합이 완료되면 내부장력 조절링을 이동시키고, 도 5(A)의 렌즈부(323)를 돌출시키고 램프(322)를 켜 렌즈를 회전함으로서 접합계면을 확대하여 외부모니터(33)를 통하여 정밀하게 관찰할 수 있도록하여 접합즉시 품질관리가 가 능하도록 고안하였다.

본 실시예에서는 폴리에틸렌 파이프(100)를 예로 들어 설명하고 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 접합부 모니터링 및 제어장치는 플리에틸렌 파이프(100) 외에 기타 플라스틱 파이프에도 적용 가능하다.

구체적으로, 적외선 램프(20)는 커플링(120)으로부터 소정의 거리만큼 이격되면서 이 커플링(120)이 접속된 폴리에틸렌 파이프(100)의 둘레를 따라 복수개가 배치된다. 즉 대략 원형을 이루도록 서로간에 균일한 간격을 두고 떨어져 있으면서 상기 커플링(120)을 향해 적외선을 조사하게 된다.

적외선 램프(20)는 상기 커플링(120)으로부터 이 커플링(120) 직경의 2배 내지 4배의 거리만큼 이격되어 배치되는 것이 바람직하다.  즉 커플링(120)으로부터 적외선 램프(20)까지의 거리를 d 라고 하고, 커플링(120)의 직경을 D 라고 할 때, 2D ≤ d ≤ 4D 의 범위를 갖는다.  이렇게 함으로서 충분한 열량을 적외선 램프(20)와 커플링(120) 사이의 공간 내에서 유지할 수 있는 최적의 공간을 확보할 수 있다.  거리 d가 커플링(120) 직경(D)의 2배 미만이 되면 커플링(120)을 투명하게 하는 온도까지 균일하게 가열하여 커플링(120) 온도를 일정하게 유지할 수 없고, 4배를 초과하면 커플링(120) 온도를 일정하게 유지하기 위하여 적외선 램프(20)의 출력이 과도하게 커질 우려가 있을 뿐만 아니라 온도를 올리는 데에도 너무 많은 시간이 걸릴 수 있다.

냉각가스 챔버(10)는 축중심을 포함하는 평면을 기준으로 서로 분리되는 하프파이프(half pipe)형 챔버가 서로 맞붙어 파이프형으로 이루어지고, 이들 하프파 이프형 챔버의 서로 인접한 부분은 적외선 램프(20)의 열 효율을 극대화하기 위하여 폴리에틸렌 파이프(100) 장착 시 실링재(14)로 밀봉된다.  냉각가스 챔버(10)는 내측면과 외측면의 사이에 공간을 확보하여 냉각가스를 일시 저장하는 가스 저장층(11)을 가지며, 외측면에는 공기 공급라인(54)이 연결되어 외부로부터 냉각공기를 공급받게 되고, 내측면에는 다수개의 노즐(12)이 형성되어 내부로 냉각가스를 불어넣을 수 있다.  가스 공급라인(54)에는 압력계(56)가 형성되어 공급압력을 제어할 수 있다.

가스 저장층(11)은 상기 냉각가스 챔버(10)의 내측면에 형성되는 노즐(12)로부터 토출되는 냉각 가스량의 5배 내지 10배의 가스 저장량을 갖도록 하여 냉각 시 충분한 냉각능을 확보할 수 있게 하는 것이 바람직하다.  가스 저장량이 토출되는 냉각 가스량의 5배 미만이면 충분한 압력으로 냉각시킬 수 없고, 10배를 초과하면 저장능력이 너무 커 비효율적이다.

냉각가스 챔버(10)의 외부에는 온도 제어기(25)가 마련되며, 이는 온도측정기(23)를 통해 냉각가스 챔버(10)의 내부와 연결되어 적외선 접합장치 내부의 온도와 커플링(120)의 온도를 모니터링하고 최적화 상태로 제어함으로써 균일한 품질의 파이프 접합이 가능하도록 할 수 있다.

한편, 도 4 (A)는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 접합장치의 냉각가스 챔버를 도시한 부분 절단 투시도이고, 도 4 (B)는 본 발명의 냉각가스 챔버의 내측면에 형성된 슬릿형 노즐을 도시한 개념도이다.

냉각가스 챔버(10)의 내측면에 형성되는 노즐(12)은 충분한 압력으로 공기 또는 가스를 토출할 수 있도록 하기 위해 종횡비(b/a)가 2 내지 10의 범위에 속하도록 형성되는 것이 바람직하다.  종횡비(b/a) 2 미만일 경우에는 토출압력이 너무 약하고, 10을 초과할 경우에는 토출량이 너무 적어 균일하게 냉각하거나 일정한 온도로 유지하는 것이 어렵다.  냉각가스 챔버(10)는 중심으로 갈수록 노즐(12)의 폭이 좁아지는 것처럼 도시되어 있으나 상기한 바와 같은 종횡비를 갖는 직사각 슬릿형으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 냉각가스 챔버(10)의 분리된 하프파이프형 챔버가 서로 인접하는 부분 중 적어도 하나에는 내부 관찰창(15)을 형성하여 작업 중 열원인 적외선 램프(20)가 손상되면 바로 확인하여 교체할 수 있다.

냉각가스 챔버(10)의 내측면은 경면(鏡面)가공함으로써 열 손실을 최소화할 수 있고, 최소한의 에너지로 최대한의 열량을 커플링(120)에 전달함으로써 가능한 짧은 시간 내에 완전한 접합이 이루어지도록 할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 적외선 접합부 모니터링 및 제어장치에 의하면, 파이프의 내,외부구조를 최적화함으로써 적외선 램프에서 발생되는 열량을 최대한 커플링에 전달 할 수 있으며, 커플링의 온도를 최적으로 제어할 수 있을 뿐만아니라 파이프 내부의 온도를 외부와 균형을 이루어 냉각하고 모니터링함으로써 균일한 표면품질의 파이프 접합이 가능한 효과를 얻을 수 있다.

또한 내측면 노즐의 형상을 최적화하여 균일한 냉각이 이루어질 수 있도록 함으로써 내부 분위기 등의 제어가 용이하며, 반복적인 사용에 의한 경년열화가 없다.

아울러 외부에서 파이프 내, 외부를 관찰할 수 있는 모니터링 장치를 구성함으로써 미접합부나 손상부위를 항상 모니터링할 수 있고 결함부나 손상된 램프를 보수하거나 즉시 교체할 수 있다.

Claims (5)

1. 서로 분리된 플라스틱 파이프의 끝단 연결부에 온도측정장치가 내장된 내부장력 조절링(311)을 설치하고 내부를 조명(322)하고 모니터링할 수 있는 렌즈(323)를 구비한 구조를 설치하고 연결부끼리 인접시킨 다음 그 외부둘레에 흑색 필름을 두르고 커플링을 끼워 접속한 상태에서 적외선을 조사(照射)하여 접합시키는 적외선 접합부 모니터링 및 제어장치에 있어서,

   상기 내부장력 조절링의 두께를 2mm 이하로 제한하여 쉽게 플라스틱 파이프와 같은 온도로 가열 냉각할 수 있도록 하는 내부 냉각노즐과;

   상기 커플링으로 부터 소정의 거리만큼 이격되어 상기 커플링이 접속된 플라스틱 파이프의 둘레를 따라 복수개가 배치되면서 상기 커플링을 향해 적외선을 조사하는 적외선 램프와 파이프 내부를 조명하는 램프와;

   상기 적외선 램프의 바깥쪽에서 상기 플라스틱 파이프와 적외선 램프를 둘러싸도록 배치되어 외측면에 연결된 가스 공급라인으로부터 냉각가스를 공급받아 내측면에 형성된 노즐을 통해 냉각가스를 주입시키는 냉각가스 챔버와 파이프 내부 냉각을 위한 노즐을 포함하되, 상기 적외선 램프는 상기 커플링으로부터 이커플링 직경의 2배 ~ 4배의 거리만큼 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 적외선 접합부 모니터링 및 제어장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉각가스 챔버는 내측면과 외측면의 사이에 공간을 확보하여 냉각가스를 일시 저장하는 가스저장층을 가지며, 상기 가스저장층은 상기 냉각가스 챔버의 내측면에 형성되는 노즐로부터 토출되는 냉각가스량의 5배 ~ 10배의 가스 저장량을 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 접합부 모니터링 및 제어장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉각가스 챔버의 내측면에 형성되는 노즐은 종횡비(세로/가로)가 2 ~ 10의 범위에 속하도록 형성되되, 상기 냉각가스 챔버는 축중심을 포함하는 평면을 기준으로 서로 분리되는 하프파이프(halfpipe)형 챔버가 서로 맞붙어 이루어지고, 이들 하프파이프형 챔버의 서로 인접한 부분이 실링재로 밀봉되되, 상기 하프파이프형 챔버의 내부 커플링과 파이프 내부의 연결부 접합상태를 모니터링할 수 있는 것을 특징으로 하는 적외선 접합부 모니터링 및 제어장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉각가스 챔버의 내측면은 경면(鏡面)가공되고, 상기 플라스틱 파이프는 폴리에틸렌 파이프인 것을 특징으로 하는 적외선 접합부 모니터링 및 제어장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉각가스 챔버의 외부에는 온도제어기가 설치되고 온도측정기를 통해 냉각가스 챔버의 내부와 연결되어 상기 냉각가스 챔버의 내부온도와 냉각시 파이프 내부의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 적외선 접합부 모니터링 및 제어장치.

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