KR100638568B1 - 공압식 맨드릴을 이용한 열교환기용 튜브의 용접장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공압식 맨드릴을 이용한 열교환기용 튜브의 용접장치에 관한 것으로, 그 목적은 공압식 맨드릴을 이용하여 튜브와 용접장치를 견고히 고정함으로써 용접 중 튜브의 흔들림에 의한 용접결함 및 작업중단을 방지할 수 있는 공압식 맨드릴을 이용한 열교환기용 튜브의 용접장치를 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 튜브에 삽입되어 튜브를 고정하는 공압식 맨드릴과, 용접토치가 구비되어 용접토치를 공압식 맨드릴을 중심으로 회전시키는 본체로 구성되며, 상기 공압식 맨드릴은, 상기 본체에 설치된 중공형의 고정성 하우징; 상기 고정성 하우징의 하단부에 설치된 고정성 콘; 상기 본체의 상부에 설치된 에어 실린더; 상기 에어 실린더에 장착되어 이동되며, 상기 고정성 하우징 및 상기 고정성 콘의 내부를 통해 고정성 콘의 하부로 돌출되도록 설치된 피스톤 로드; 상기 피스톤 로드의 하단부에 설치되어 피스톤 로드와 함께 이동되는 이동성 콘; 및 상기 고정성 콘과 상기 이동성 콘의 사이에 위치하도록 피스톤 로드에 설치되어 튜브를 고정하는 이동성 하우징;을 포함하는 공압식 맨드릴을 이용한 열교환기용 튜브 용접장치를 특징으로 한다.

공압식 맨드릴, 고정성 콘, 이동성 캡, 이동성 하우징, 볼

Description

공압식 맨드릴을 이용한 열교환기용 튜브의 용접장치{Tube-to-tubesheet welding instrument for a heat exchanger by using a pneumatic mandrel}

도 1 은 쉘 앤 튜브 열교환기의 구조를 나타낸 단면도,

도 2 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 용접장치를 나타낸 구성도,

도 3 은 도 2의 평면도,

도 4 는 도 1에 도시된 공압식 맨드릴의 구조를 나타낸 단면도,

도 5a 는 튜브를 고정하기 위한 공압식 맨드릴의 작동상태를 나타낸 단면도,

도 5b 는 튜브의 고정을 해제하기 위한 공압식 맨드릴의 작동상태를 나타낸 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(100) : 공압식 맨드릴 (110) : 고정성 하우징

(120) : 고정성 콘 (130) : 에어 실린더

(140) : 피스톤 로드 (150) : 이동성 콘

(160) : 이동성 하우징 (164)(165) : 볼

(171)(172) : 스프링 (200) : 본체

(210) : 고정성 본체 (220) : 회전성 본체

(230) : 용접토치 (240) : 지지대

(250) : 구동모터

본 발명은 열교환기의 내부에 설치되는 튜브를 용접하는 장치에 관한 것으로, 특히 용접 대상인 튜브를 공압식 맨드릴을 이용해 튜브시트에 고정한 상태에서 회전하여 용접을 수행하도록 구성된 공압식 맨드릴을 이용한 열교환기용 튜브의 용접장치에 관한 것이다.

통상적으로 열교환기는 온도가 높은 유체로부터 전열벽(傳熱壁)을 통해 온도가 낮은 유체에 열을 전달하는 장치를 말하는 것이며, 가장 일반적으로 사용되는 방식은 금속튜브를 전열벽으로 하여 유체간의 열전달 이루어지도록 하는 쉘 앤 튜브 열교환기이다.

도 1은 상기 쉘 앤 튜브 열교환기의 구조를 나타내고 있다. 도 1을 참조하면, 상기 쉘 앤 튜브 열교환기는 소정의 거리를 유지한 채로 대면하는 한쌍의 튜브시트(tubesheet)(10,10`)와, 상기 각 튜브시트(10,10`)에 구비된 채널(20,20`)과, 상기 한쌍의 튜브시트(10,10`)를 연결하여 일측 채널(20)로부터 유입된 어느 하나의 유체가 타측 채널(20`)로 유동하도록 하는 유로를 제공하는 다수개의 튜브(30) 들과, 상기 한쌍의 튜브시트(10,10`)를 연결하는 원통형 구조로 다수개의 튜브(30)들을 외부환경으로부터 차단시킴과 더불어 다른 하나의 유체가 유입되어 유출되는 공간을 제공하는 쉘(40)로 구성된다. 이에 따라 상기 채널(20,20`)을 통해 유입되어 튜브(30)를 통해 흐르는 유체는 쉘(40)을 통해 유입되는 또 다른 유체로 열을 전달하거나 전달받음으로써 열교환이 이루어지도록 구성되어 있다.

한편, 상기 튜브시트와 튜브의 연결부는 유체간의 혼합을 방지하기 위해 높은 수밀성이 요구되므로, 튜브시트와 튜브의 연결부 전체, 즉 튜브시트의 원주둘레 전체에 대해 용접이 이루어져야만 하였으며, 이러한 용접작업이 작업자에 의해 수작업에 의존하므로 생산성이 저하되고, 작업자의 숙련도에 따라 용접품질의 차이가 크게 발생되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점으로 인해 국내 공개특허공보 제2001-0086416호에서는 열교환기용 튜브의 용접장치를 개시하고 있다. 개시된 용접장치는 외주면과 후면은 봉해지고 전면부는 개방된 통형상으로 되며, 중심에는 축공이 수평으로 관통하게 형성되고, 상기 후면에는 아르곤가스의 공급관이 부설된 본체와, 용접 대상인 튜브내에 삽입 장착되게 원봉형상으로 되며, 후단에는 상기 축공에 관통 결합되는 지지축이 연장된 지지체와, 상기 본체의 외주면에 부설되는 용접기를 포함한 것으로 구성되어 있다. 이러한 용접장치는 지지체를 튜브의 내측으로 삽입하여 장착한 다음 용접기를 작동시킨 상태에서 본체를 회전시켜주는 것으로 튜브와 튜브시트의 용접이 이루어지게 된다.

한편, 상기 지지체는 튜브의 내측에 끼움결합되어 튜브를 고정하는 구조이므 로 튜브를 견고히 고정하기 위해서는 튜브의 내경과 지지체의 외경이 적절한 끼움결합상태를 유지할 수 있는 치수를 갖도록 정밀하게 가공되어만 하였다. 그러나 상기와 같이 정밀한 치수로 가공되기 위해서는 가공상의 많은 어려움이 따르며, 지지체의 마모 또는 튜브 내경의 오차로 인해 튜브와 지지체가 헐겁게 결합되면, 용접중 튜브가 흔들리게 되므로 용접결함의 발생과 함께 계속적인 작업이 어렵게 되는 문제점이 발생되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 공압식 맨드릴을 이용하여 튜브와 용접장치를 견고히 고정함으로써 용접 중 튜브의 흔들림에 의한 용접결함 및 작업중단을 방지할 수 있는 공압식 맨드릴을 이용한 열교환기용 튜브의 용접장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 열교환기의 튜브시트에 결합되는 튜브의 내측으로 삽입됨과 더불어 외부기기로부터 고압의 공기를 공급받아 튜브를 고정하는 공압식 맨드릴과, 상기 튜브와 상기 튜브시트의 용접을 위한 용접토치가 구비됨과 더불어 상기 용접토치를 공압식 맨드릴을 중심으로 회전시키는 본체로 구성되며,

상기 공압식 맨드릴은, 상기 본체를 수직하게 관통하도록 설치된 중공형의 고정성 하우징;

상기 고정성 하우징의 하단부에 설치되며, 그의 하단부가 하부로 갈수록 직경이 감소하는 원추형으로 형성된 고정성 콘;

상기 본체의 상부에 설치된 에어 실린더;

상기 에어 실린더에 장착되어 이동되며, 상기 고정성 하우징 및 상기 고정성 콘의 내부를 통해 고정성 콘의 하부로 돌출되도록 설치된 피스톤 로드;

상기 피스톤 로드의 하단부에 설치되어 피스톤 로드와 함께 이동되며, 그의 상단부가 상부로 갈수록 직경이 감소하는 원추형으로 형성된 이동성 콘; 및

상기 고정성 콘의 하부로 돌출된 상기 피스톤 로드를 감싸는 원통형으로 형성되어 고정성 콘과 상기 이동성 콘의 사이에 위치하도록 설치되며, 상기 피스톤 로드의 상승 시 외부로 돌출되어 튜브를 고정하는 다수개의 볼들이 구비된 이동성 하우징;을 포함하는 공압식 맨드릴을 이용한 열교환기용 튜브의 용접장치를 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 용접장치를 나타내고 있다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 용접장치는 튜 브(310)의 내부에 삽입되며, 미도시된 외부기기로부터 고압의 공기를 공급받아 튜브(310)를 고정하는 공압식 맨드릴(100)과, 상기 공압식 맨드릴(100)에 연결되며 튜브시트(320)와 튜브(310)의 용접을 위한 용접토치(230)가 구비된 본체(200)로 구성되어 있다. 상기 외부기기는 주지된 컴프레서가 사용될 수 있다. 상기 용접토치(230)는 도시되지 않은 전원공급장치를 통해 전원을 공급받으며, 또한 도시되지 않은 가스공급원으로부터 불활성가스를 공급받도록 구성되어 있다. 이러한 컴프레서와 전원공급장치 및 가스공급원은 주지된 것으로 그 상세한 설명 및 도시는 생략하였다.

도 4는 상기 공압식 맨드릴의 구조를 나타내고 있다. 도 4를 참조하면, 상기 공압식 맨드릴(100)은 튜브(310)의 내부로 삽입되며, 상기 컴프레서로부터 고압의 공기를 공급받아 튜브(310)를 고정하는 것으로, 고정성 하우징(110)과, 고정성 콘(120)과, 에어 실린더(130)와, 피스톤 로드(140)와, 이동성 콘(150)과, 이동성 하우징(160)으로 구성된다.

상기 고정성 하우징(110)은 중공형의 구조로서, 본체(200)를 수직하게 관통, 즉 본체(200)의 상하면을 관통하도록 설치되어 피스톤 로드(140)가 그의 내부에서 이동할 수 있도록 구성되어 있다.

상기 고정성 콘(120)은 고정성 하우징(110)의 하단부에 설치되며, 그의 하단부에는 하부로 갈수록 직경이 감소하는 원추형의 테이퍼부(121)가 형성되어 있다.

상기 에어 실린더(130)는 본체(200)의 상부에 설치되며, 컴프레서로부터 고압의 공기를 공급받아 피스톤 로드(140)를 본체(200)에 수직한 방향으로 이동시키 도록 구성되어 있다.

상기 피스톤 로드(140)는 에어 실린더(130)에 장착되며, 고정성 하우징(110)과 고정성 콘(120)을 길이방향으로 관통하여 고정성 콘(120)의 하부로 그의 하단부가 돌출되도록 구성되어 있다.

상기 이동성 콘(150)은 피스톤 로드(140)의 하단부에 설치되어 피스톤 로드(140)와 함께 이동하도록 구성되며, 그의 상단부에는 상부로 갈수록 직경이 감소하는 원추형의 테이퍼부(151)가 형성되어 있다.

상기 이동성 하우징(160)은 고정성 콘(120)과 이동성 콘(150)의 사이에 위치하도록 피스톤 로드(140)에 설치되며, 상기 피스톤 로드(140)의 상승 시 외부로 돌출되어 튜브(310)를 고정하는 다수개의 볼(164,165)들이 구비되어 있다. 이러한 이동성 하우징(160)은 상부 볼 하우징(161)과, 하부 볼 하우징(162)과, 연결 하우징(163)으로 구성된다. 상기 상부 볼 하우징(161)은 고정성 콘(120)의 외주면을 감싸는 원통형으로 형성되며, 상기 볼(164)들이 설치되는 다수개의 홈(161`)들이 그의 내주면에 형성되어 있다. 이때 상기 홈(161`)들은 상부 볼 하우징(161)의 내주면과 외주면이 연결되도록 관통된 구조로서, 상부 볼 하우징(161)의 내측으로부터 삽입된 볼(164)이 홈(161`)을 통해 상부 볼 하우징(161)의 외측으로 돌출되되, 완전히 이탈되지 못하도록 형성되어 있다. 또한 상기 홈(161`)들은 각각의 볼(164)이 고정성 콘(120)의 테이퍼부(121)에 대응하게 위치할 수 있도록 형성되어 있어 고정성 콘(120)의 테이퍼부(121)에 의해 볼(164)들이 밀려나 상부 볼 하우징(161)의 외측방향으로 돌출되도록 구성되어 있다. 상기 하부 볼 하우징(162)은 이동성 콘(150) 의 외주면을 감싸는 원통형으로 형성되며, 또 다른 볼(165)들이 설치되는 다수개의 홈(162`)들이 그의 내주면에 형성되어 있다. 이러한 홈(162`)들은 상기 상부 볼 하우징(161)에 형성된 홈(161`)들과 동일한 구조로서 각각의 볼(165)들이 이동성 콘(150)의 테이퍼부(151)에 대응하게 위치 할 수 있도록 형성되어 있다. 상기 연결 하우징(163)은 피스톤 로드(140)를 감싸는 원통형 구조로서 상부 볼 하우징(161)과 하부 볼 하우징(162)을 연결하도록 구성되어 있다.

한편, 상기 이동성 하우징(160)과 고정성 콘(120) 및 이동성 하우징(160)과 이동성 콘(150)의 사이에는 이동성 하우징(160)을 원위치로 복원시키기 위한 스프링(171,172)이 설치되어 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 상기 이동성 하우징(160)의 상부 볼 하우징(161)의 내부에 스프링(171)이 삽입되어 상부 볼 하우징(161)과 고정성 콘(120)의 사이에 스프링(171)이 위치하게 되며, 이처럼 설치된 스프링(171)은 피스톤 로드(140)를 감싸는 구조, 다시 말해, 스프링(171)의 중앙부로 피스톤 로드(140)가 관통된 구조로 설치되어 있다. 한편 상기 이동성 하우징(160)의 하부 볼 하우징(162)의 내부에는 또 다른 스프링(172)이 삽입되어 하부 볼 하우징(162)과 이동성 콘(150)의 사이에도 스프링(172)이 설치되어 있다.

다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 본체(200)는 고정성 본체(210)와 회전성 본체(220)로 구성되어 있다. 상기 고정성 본체(210)는 고정성 하우징(110)에 고정적으로 설치되어 있으며, 그의 상부에 에어 실린더(130)가 설치되고, 또한 용접토치(230)의 회전을 위한 구동모터(250)가 구비되어 있다. 상기 회전성 본체(220)는 고정성 하우징(110)과 베어링(221)에 의해 연결되어 회전가능하도록 설치되며, 상기 구동모터(250)로부터 발생된 동력을 미도시된 기어들을 통해 전달받아 고정성 하우징(110)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 이러한 회전성 본체(220)의 하단부에 상기 용접토치(230)가 설치되어 튜브(310)의 원주 둘레 전체에 대하여 용접작업을 수행하게 된다.

또한, 상기 고정성 본체(210)에는 튜브시트(320)에 접촉되어 본체(200)를 안정적으로 지지하는 다수개의 지지대(240)들이 구비되어 있다. 이러한 지지대(240)는 공압식 맨드릴(100)을 중심으로 원형 배치구조를 갖도록 본체(200)에 설치되어 있다.

상기와 같이 구성된 용접장치를 이용한 튜브(310)와 튜브시트(320)의 용접에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 5a는 튜브의 고정시 상기 공압식 맨드릴의 상태를 나타내고 있다. 도 5a를 참조하면, 튜브시트(320)에 형성된 구멍에 튜브(310)의 일단이 삽입되도록 위치시킨 상태에서 상기 공압식 맨드릴(100)을 구성하는 이동성 하우징(160)이 튜브(310)의 내부로 삽입되도록 용접장치를 위치시킨다.

상기와 같이 이동성 하우징(160)이 튜브(310)로 삽입된 후, 에어 실린더(130)로 고압의 공기를 공급하여 피스톤 로드(140)를 상향 이동시키게 되면, 피스톤 로드(140)의 하단부에 설치된 이동성 콘(150)이 이동하여 이동성 하우징(160)을 상향 이동시키게 되며, 이때 이동성 콘(150)의 테이퍼부(151)는 하부 볼 하우징(162)에 구비된 볼(165)들을 하부 볼 하우징(162)의 외측으로 밀어내게 되고, 상부 볼 하우징(161)에 구비된 볼(164)들은 고정성 콘(120)의 테이퍼부(121)에 의해 외 측으로 밀려나게 된다. 이처럼 상/하부 볼 하우징(161,162)에 구비된 볼(164,165)들이 테이퍼부(121,151)에 의해 밀려남에 따라 튜브(310)의 고정이 이루어지게 된다. 한편, 상기 피스톤 로드(140)의 상향 이동시 스프링(171,172)들은 압축되어 이동성 하우징(160)이 원위치로 복원되기 위한 복원력을 축적하게 된다.

상기와 같이 튜브(310)의 고정이 완료되면, 용접토치(230)에 용접을 위한 가스와 전류가 공급되어 용접이 개시되고, 이와 동시에 구동모터(250)가 작동하여 공압식 맨드릴(100)을 중심으로 용접토치(230)를 1회전시키는 것으로 용접작업을 완료하게 된다.

도 5b는 튜브의 고정해제 시 공압식 맨드릴의 상태를 나타내고 있다. 도 5b를 참조하면, 상기와 같이 용접작업이 완료되면, 에어 실린더(130)를 이용해 피스톤 로드(140)를 하향 이동시키게 되고, 이와 같은 피스톤 로드(140)의 하향 이동에 의해 이동성 콘(150)이 하향 이동하여 이동성 하우징(160)의 구속을 해제하게 되며, 이때 스프링(171,172)은 축적된 복원력을 이용하여 이동성 하우징(160)을 밀어내어 하향 이동시킴으로써, 상부 볼 하우징(161)과 하부 볼 하우징(162)에 구비된 볼(164,165)들이 테이퍼부(121,151)에 의해 더 이상 밀려나기 않게 함으로써 튜브(310)의 고정상태를 해제하게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그 와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같이 공압식 맨드릴을 이용해 튜브를 고정하도록 구성되어 용접작업 중 용접장치의 이탈 또는 튜브의 유동을 방지할 수 있게 되었으며, 이로 인해 용접품질을 더욱 향상시킬 수 있게 되었다.

Claims (4)

1. 열교환기의 튜브시트에 결합되는 튜브의 내측으로 삽입됨과 더불어 외부기기로부터 고압의 공기를 공급받아 튜브를 고정하는 공압식 맨드릴과, 상기 튜브와 상기 튜브시트의 용접을 위한 용접토치가 구비됨과 더불어 상기 용접토치를 공압식 맨드릴을 중심으로 회전시키는 본체로 구성되며,

   상기 공압식 맨드릴은, 상기 본체를 수직하게 관통하도록 설치된 중공형의 고정성 하우징;

   상기 고정성 하우징의 하단부에 설치되며, 그의 하단부가 하부로 갈수록 직경이 감소하는 원추형으로 형성된 고정성 콘;

   상기 본체의 상부에 설치된 에어 실린더;

   상기 에어 실린더에 장착되어 이동되며, 상기 고정성 하우징 및 상기 고정성 콘의 내부를 통해 고정성 콘의 하부로 돌출되도록 설치된 피스톤 로드;

   상기 피스톤 로드의 하단부에 설치되어 피스톤 로드와 함께 이동되며, 그의 상단부가 상부로 갈수록 직경이 감소하는 원추형으로 형성된 이동성 콘; 및

   상기 고정성 콘의 하부로 돌출된 상기 피스톤 로드를 감싸는 원통형으로 형성되어 고정성 콘과 상기 이동성 콘의 사이에 위치하도록 설치되며, 상기 피스톤 로드의 상승 시 외부로 돌출되어 튜브를 고정하는 다수개의 볼들이 구비된 이동성 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 하는 공압식 맨드릴을 이용한 열교환기용 튜브의 용접장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 이동성 하우징과 상기 고정성 콘의 사이 및 상기 이동성 하우징과 상기 고정성 콘의 사이에 스프링이 더 설치된 것을 특징으로 하는 공압식 맨드릴을 이용한 열교환기용 튜브의 용접장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 이동성 하우징은, 상기 고정성 콘의 외주면을 감싸는 원통형으로 형성되며, 상기 각 볼들이 고정성 콘의 테이퍼부에 대응하도록 위치하여 상기 피스톤 로드의 이동시 돌출될 수 있도록 그의 내주면에 각 볼이 삽입되는 다수개의 홈들이 구비된 상부 볼 하우징;

   상기 이동성 콘의 외주면을 감싸는 원통형으로 형성되며, 상기 각 볼들이 이동성 콘의 테이퍼부에 대응하도록 위치하여 상기 피스톤 로드의 이동시 돌출될 수 있도록 그의 내주면에 각 볼이 삽입되는 다수개의 홈들이 구비된 하부 볼 하우징; 및

   상기 상부 볼 하우징과 상기 하부 볼 하우징의 연결하는 연결 하우징;으로 구성된 것을 특징으로 하는 공압식 맨드릴을 이용한 열교환기용 튜브의 용접장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 본체는, 상기 튜브시트에 그의 끝단이 접촉되어 본체를 지지하는 적어도 3개 이상의 지지대들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공압식 맨드릴을 이용한 열교환기용 튜브의 용접장치.

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