KR100720729B1 - 금속 원형 파이프에 일중 또는 다중으로 외부는 압입, 내부는 돌출 나선 부위가 형성되도록 성형하는 나선 파이프의 제조 장치 및 그 제조 장치로 제조된 나선 파이프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 원형 파이프에 일중 또는 다중으로 외부는 압입, 내부는 돌출 나선 부위가 형성되도록 성형하는 나선 파이프의 제조 장치 및 그 제조 장치로 제조된 나선 파이프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 금속 원형 파이프의 길이 방향으로 중심선과 약 30°전후의 각도를 이루면서 외부는 내부쪽으로 압입된 나선 형성하며, 그 내부는 중심쪽으로 돌출된 나선부위를 회전 전진 피치가 일정하도록 성형하여 나선 파이프를 제조할 수 있는 것이다.

이를 위하여 본 발명은 금속 원형 파이프 외경 부분을 전면 접촉하여 회전 전진 시키는 롤과 금속 원형 파이프의 외경 부위에서 일정한 폭으로 압입 할 수 있는 디스크형상금형이 결합된 스탠드를 수개(4개 이상) 구동, 금속 원형 파이프를 통과시켜 회전 전진 피치가 일정하도록 성형하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

나선 파이프, 압입, 돌출, 나선부위, 회전전진피치, 롤, 디스크형상금형, 스탠드중심거리

Description

금속 원형 파이프에 일중 또는 다중으로 외부는 압입, 내부는 돌출 나선 부위가 형성되도록 성형하는 나선 파이프의 제조 장치 및 그 제조 장치로 제조된 나선 파이프 {The manufactureing machine of spiral pipe forming the projected screw in inside, the hollow screw 1and multiple on outside by pressure in metal pipe and the spiral pipe thereofmachine.}

도 1은 본 발명의 제조 장치에 따른 평면도.

도 2는 본 발명의 제조 장치에 따른 정면도.

도 3은 본 발명에 따른 롤의 외면 라인의 수학식을 토출하기 위한 평면도와 정면도.

도 4는 본 발명의 제조 장치에 따른 인입롤의 정면도.

도 5는 본 발명의 따른 제조에 따른 롤의 정면도.
도 6 본 발명에 따라 제조된 다중 나선 파이프의 사시도.
도 7은 본 발명에 따라 제조된 1중 나선 파이프의 사시도.

본 발명은 금속 원형 파이프에 일중 또는 다중으로 외부는 압입, 내부는 돌출 나선 부위가 형성되도록 성형하는 나선 파이프의 제조 장치 및 그 제조 장치로 제조된 나선 파이프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 원형 파이프의 길이 방향으로 중심선과 약 30°전후의 각도를 이루면서 외부는 내부쪽으로 압입된 나선 형성하며, 그 내부는 중심쪽으로 돌출된 나선부위를 회전 전진 피치가 일정하도록 성형하여 나선 파이프를 제조할 수 있는 것이다.
우선, 본 발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래 기술은 없는 것으로 사료되지만, 파이프류의 제조업에 종사하는 많은 기술자가 본 발명으로 생산될 제품의 효용성 때문에 이것을 개발하기 위하여 혼신의 힘을 다하고 있다.

또한, 파이프 제조업에 종사하는 기술자들 외의 일반인들이 볼 때, 최종적으로 생산된 나선 파이프의 외형이나 그 구조를 보았을 때 본 발명과 유사하다고 유추될 것은 있지만 그 제조 방법이나 제조 장치를 볼 때 기술 내용이 다름을 알 수 있다.

통상, 시중에 보일러 연통용이나 열교환기의 발열체로 쓰이고 있는 나선형 파이프가 있는데, 그것은 파이프면에 요철은 발생시키지만 나선의 각도를 길이 방향으로 30°전후로 또는 더 작은 각도로 실효성 있게 만들려면 기계의 길이가 기차만큼 길어지고, 기계의 크기도 건물과 같이 커져야 가능하거나 아예 불가능하여서 각도를 45°이상으로 성형하여 용수철과 유사한 형태를 가지고 있다.

더욱이, 나선 파이프에 형성된 각도가 파이프 길이 방향 중심선과 45°이상이면, 나선 파이프 내부로 유체가 흐를 때 오히려 파이프 내부의 돌출면 때문에 유체가 저항을 받아서 파이프 본래의 가장 큰 효용인 유체이송부문 효용이 저하되고, 요철 부위는 굽힘 응력이 증가하여서 원형 유지력은 강해지지만(지름 방향의 강성이 커지지만), 길이 방향 굽힘에 대하여는 응력 저하로 인하여 구조용으로는 쓰지 못하는 단점이 있다.
또한, 본 발명이 현존 금속 원형 파이프의 완제품이나 금속 원형 파이프의 생산 공정중 용접이 끝난 상태의 것을 재가공하는 것인데 반하여, 기존의 나선형 파이프는 금속판을 성형기에 투입하여 요철면을 먼저 성형하고, 사선을 따라 겹치는 부분을 접어 누르거나 용접하여 원형으로 제조한다.

왜냐하면, 기존의 완제품 금속 원형 파이프나 금속 원형 파이프 제조 회사의 용접이 끝난 제품을 재료로 하여서는 본 발명으로 생산될 제품의 형태를 만들 수 없었기 때문이며, 또한 시중의 일반 금속 원형 파이프는 길이 방향으로 직선 용접인데 반하여 기존 나선형 파이프는 사선을 따르는 원형 용접으로 제조할 수밖에 없기 때문에 용접 양이 많아져서 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서, 상술한 사항에서 본 발명에 속하는 종래 기술이 없기 때문에 무엇을 극복하거나 개선할 사항이 현재로서는 없습니다.

다만, 본 발명에 의한 파이프를 통해, 용접이음으로 배관하는 방법에는 아무런 문제가 없고, 나사로 연결하는 방법에서는 구조용에서는 또한 문제가 없지만 유체배관일 때에 외경부 압입 사선 부위를 나사산 최저골지름 보다 작게 성형한 것을 사용할 경우 누수 발생이 예측되므로 크게 가공된 것을 선택하던지, 작게 가공된 것을 꼭 사용해야 할 경우 누수방지를 하는 방법으로 기존 파이프 제조 회사의 파이프 절단 후 파이프 양단의 쭈그러진 부분을 진원으로 만드는 공정의 기계(일명 디딤플러)가 있는데, 기존 파이프 제조 회사에서는 그 기계를 사용한 후 나사를 가공하면 문제가 해결되고, 배관공사를 하는 현장에서 파이프를 절단하여 나사를 가공하는 과정에서는 이동용 디딤플러의 제작 사용이 필요하다.

또한, 본 발명의 연장선상에서 압출로 성형되는 무용접(Seamless) 금속 원형 파이프나 사출 성형되는 PVC파이프의 생산 공정에 본 발명 원리 중 일부를 응용한 나선 파이프의 제조 장치를 만들어, 본 발명으로 생산되는 파이프와 같은 형상의 파이프를 생산할 기술 개발이 과제가 된다.

본 발명은 금속 원형 파이프에 일중 또는 다중으로 외부는 압입, 내부는 돌출 나선 부위가 형성되도록 성형하는 나선 파이프의 제조 장치 및 그 제조 장치로 제조된 나선 파이프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 원형 파이프(30)의 길이 방향으로 중심선과 약 30°전후의 각도를 이루면서 외부는 내부쪽으로 압입된 나선 형성하며, 그 내부는 중심쪽으로 돌출된 나선부위를 회전 전진 피치가 일정하도록 성형하여 나선 파이프를 제조할 수 있는 것이다.
이하 첨부된 도면에 의해 나선 파이프의 제조 장치 및 그 제조 장치에 의해 제조된 나선 파이프에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도3은 도 1의 1, 2, 3, 4, 5번 스탠드에 공통 적용되는 금속 원형 파이프(30) 외경 부분을 전면 접촉하여 회전 전진시키는 롤(10)의 설계를 유도하기 위한 것이다.
그리고 상기 도3의 상(上) 부에 도시된 것은 평면도, 즉, 금속 원형 파이프(30)가 롤(10)의 중심선과 θ의 각도로 기울여진 상태, 즉 롤(10)은 상·하 수직 방향으로 위치되어 질 때의 금속 원형 파이프(30)를 보여 주고 있으며, 이때 금속 원형 파이프(30)의 지름은 d로 표시되며, 이러한 평면도로 봤을 때, 어느 한 지점의 중심점(center point)과; 롤(10)이 회전하여 전면 밀착해 갔을 때 금속 원형 파이프(30)와 접촉하는 임의의 점에 대한 중심점 사이의 θ각도 대한 수직 거리 t로 표현하고 있다.
그리고 (下)부에 도시된 것은, 상기 도3의 상부에 보이는 평면도를 정면도로써 나타내어 이해를 돕기 위해 단면을 함께 나타낸 것으로, 단면 부위는 사선처리 대신 선분의 중요성 때문에 해치로 표시하여 판독에 더 도움이 되도록 하였다.
또한, 도3의 B부분에 표시한 롤(10)은 기계 제작시 상·하 2개가 1세트로 평면도상 X자 형태로 조립되어 역방향으로 회전(상·하의 롤이 각각 회전하여 투입된 방향으로 파이프를 밀어낼 수 있는 방향)하게 되는데, 이때 상·하의 롤(10)의 중간에서 A의 파이프가 중심선은 직선으로 외경 부분은 롤(10)과 전면 밀착 접촉하여 회전 전진 되기 위하여는 롤(10)의 중심점에서 표시된 단면까지의 임의의 거리가 t일 때 롤(10)의 중심선과 파이프의 중심선이 θ각도를 이루고 파이프의 타원형 단면의 1점과 롤(10)의 단면의 1점이 만나는 부분의 롤(10)의 반경 R을 구하여 롤(10)을 제작하면 된다. 파이프 외경이 같은 사이즈는 θ가 일정하게 주어진다.

t의 값에 따라 R의 값이 변화하므로

R을 구하는 공식을 만들어 보면

롤(10)의 중심 최저경을 D라고 할 때,

파이프의 외경을 d 라하면

따라서,

로 표현되며,

이어서,

로 나타내며,
위 식에서 I와 H를 각각 대입하면,

와 같은 수학식이 성립이 되며, 이렇게 D, d, θ, t의 수로 이루어지는 결과 R은 각 롤(10)의 외형 라인에 적용되며, 이는 도4에 도시한 바와 같이, 외경의 중심에서 길이 방향으로 임의 거리 t에서 R의 직경을 가지는 롤(10)로 표현이 된다.

참고로, 이러한 방법은 일반 파이프 제조 회사에서 금속 원형 파이프(30)의 진원도와 직진도를 높이기 위한 교정기의 롤(10)을 제작하는 과정에 적용하면 완벽한 교정 효과를 볼수 있다.

따라서, 상기 R을 계산하여 수치에 따라 외경 곡면 부위가 가공된 롤(10)은 도4의 인입롤(11)과 도5의 압입롤(12)로 구성되며, 먼저 인입롤(11)은 도4과 같은 형상으로, 도 1의 1번 스탠드(20)에 도2의 정면도와 같이 상·하로 조립 구동시켜 1차로 금속 원형 파이프(30)를 중심선이 직선되게 외경부분은 롤(10)과 전면 밀착 접촉하여 회전 전진시켜, 금속 원형 파이프(30)를 내측으로 직선되게 인입하여 주는 역할을 하게 된다.

이어서, 압입롤(12)은, 도1의 2 번 스탠드(20)에는 도5과 같이 가공된 롤(10)의 곡면 외경 부위에 돌출된 디스크형상금형(12′)을 적어도 하나 이상 일체로 형성하여 구성하며, 이러한 압입롤(12)은 상기 인입롤(11)과 연속으로 일정 간격으로 형성되너, 도1의 정면도와 같이 상·하로 조립 구동시켜 금속 원형 파이프(30)를 중심선이 직선이 되면서도, 외경부분은 롤(10)과 전면 밀착 접촉하여 회전 전진 시키면서, 돌출된 디스크형상금형(12′), 즉, 압입롤(12) 곡면에서의 돌출 부위(디스크형상금형)가 금속 원형 파이프(30) 외경 부위에 나선을 그리며 압입하여, 이로 인해 금속 원형 파이프(30)의 외면을 따라 나선을 그리면서 내부로는 돌출되게 형성한다.
이에 덧붙여, 스탠드(20)를 도2를 참고하여 설명하면, 이는 상기 각 롤(10)을 상·하로 한 쌍씩 자유 회전되도록 고정한 것으로, 이들 스탠드(20)가 적절한 공식에 의해 일정 간격으로 띄워져 배치되며, 각 스탠드(20)에 롤(10)이 각각 회전력을 전달받아 각 롤(10)이 회전되도록 하여 나선 파이프의 제조 장치를 구성한다.

이러한 나선 파이프의 제조 장치에 있어서, 도1의 3번 스탠드(20)는 도1의 2번 스탠드(20)와 모든 것이 같이 구성되나. 중요한 것은 도1의 2번 스탠드(20)를 금속 원형 파이프(30)가 통과하면서 도 1의 압입된 나선 부위를 정확히 찾아서 그 부위를 재차 압입하기 위해서는 롤(10)이 고정된 스탠드(20) 간격을 정확하게 계산하여 맞추어야 한다.

따라서, 금속 원형 파이프(30)가 재차 압입을 받기 위한 조건은 일차 압입된 부분이 180°회전되어 상·하가 바뀐 상태가 되어야 하며, 이로 인해서, 하부 쪽의 각 롤(10)에서 압입된 나선이 다시 상부 쪽의 각 롤(10)에서 압입되어야, 엇갈린 외경부의 압입부위 및 내부 돌출 부위가 금속 원형 파이프(30) 중심쪽으로 향하여 상술한 발명의 효과를 만족시키게 된다.

마찬가지로, 상부 쪽의 각 롤(10)에서 압입된 나선 부위는 하부 쪽의 각 롤(10)에서 한번 더 압입된다.
다시 말하면, 도1의 1번 스탠드(20)의 인입롤(11)은 도1의 2번 스탠드(20)에서 압입 가공될 금속 원형 파이프(30)를 같은 회전 전진 피치를 맞추어 주는 역할을 하기 때문에, 도1의 1번 스탠드(20)와 도 1의 2번 스탠드(20)는 스탠드(20) 중심거리 K가 짧을수록 효능이 더 좋아진다.
하지만, 상술한 이유로 인해 도 1의 2번 스탠드(20)와 도 1의 3번 스탠드(20)의 중심거리 K1은 정확히 계산하여 스탠드(20) 중심거리를 맞추어야 하는데, 이것을 계산하는 방법은 금속 원형 파이프(30) 1 회전시 압입된 사선 길이를 L로 표시하면,

가 된다.

이것을 기초로하여 금속 원형 파이프(30) 길이 방향 사선 회전 전진 피치를 P라 표시하면,

가 되며

K1은 ,

또는,

, 또는

, 또는

등과 같은 수열이 성립된다.

도 1의 3번 스탠드(20)에서 도 1의 4번 스탠드(20) 중심거리를 K2로 표시하면,

K2는,

또는,

, 또는

, 또는

등과 같은 수열이 성립되도록 조정하여 도 1의 2번 스탠드(20)에서 최초 압입된 나선 부위를 정확하게 찾아서 도 1의 4번 스탠드(20)의 압입롤(11)의 디스크형상금형(12′)에 의해, 즉, 압입면에서의 돌출 부위(디스크형상금형)가 압입을 하는데, 이때는 디스크형상금형(12′)의 외경을 도 1의 3번 스탠드(20) 압입롤(12)의 디스크형상금형(12′)보다 조금 크게 하여 좀 더 깊게 압입하도록 하며, 도 1의 4번 스탠드(20)와 도 1의 5번 스탠드(20) 중심거리를 K3이라 할 때,

K3는,

또는,

, 또는

, 또는

등과 같은 수열이 성립되게 조정하면 상술한 바와 같이 도 1의 5번 스탠드(20)에서는 도 1의 4번 스탠드(20)에서 도 1의 3번 스탠드(20)에서보다 좀 더 압입된 나선 부위를 정확히 찾아 그 부위를 재차 압입하게 된다.
즉, 상기 스탠드(20) 사이의 거리, 정확하게는 각 압입롤(12) 사이의 거리는, 전진 피치 P를 가지고, 임의의 자연수 N(N=1, 2, 3, 4,……)에 대하여, K1, K2, K3는 다음과 같은 수식으로 표현하면,

와 같이 나타내어진다.
상기 수식으로 인해, 금속 원형 파이프(30)가 각 압입롤(12)을 통과하면서, 상부에서 압입롤(12)에 의해 압입될 부분은 다시 하부의 압입롤(12)에 의해 압입되고, 다시 상부에서 압입롤(12)에 의해 재차 압입되어, 금속 원형 파이프(30)에서 내부로 돌출한 나선을 연속적으로 형성할 수 있는 것이다.

또한, 스탠드(20) 수를 더 많이 늘릴 경우, 도 1의 2번 스탠드(20)와 도 1의 5번 스탠드(20)에서의 공정을 반복하도록 조정하여 파이프의 직진도와 직원도, 압입부위를 더 정밀하게 가공할 수 있다.

단, 5개 이상의 스탠드(20)를 가질 경우, 그 압입롤(12)의 디스크형상금형(12′)의 롤(10) 면에서의 돌출 부위 외경은 더 이상 조정이 필요 없이 도 1의 4번 스탠드(20)의 그것과 같게 하던지 필요에 따라 조금씩 크게 하면 된다.

이에 덧붙여, 5개 이상의 스탠드(20)를 가질 경우에도, 상·하의 롤(10) 간격의 조정과 θ의 조정이 필요하며, 스탠드(20)의 간격도

에서

정도로 한다.

이렇게 다수개의 스탠드(20), 정확하게는 각 인입롤(11)과 압입롤(12)을 거치면서 나선 파이프를 제조하게 되는데, 도 6는 본 발명의 제조 장치에 의해 제조된 다중(4중) 나선 파이프를 도시하고 있고, 도7은 본 발명의 제조 장치에 의해 제조된 1중 나선 파이프를 도시하고 있다.
또한, 이러한 나선 파이프를 제조하는 제조 장치는, 상술한 설계 방식에 의해 설계 제작된 롤(10), 즉, 인입롤(11)과 다수개의 압입롤(12)이 구성되고, 이러한 롤(10)이 상·하로 조립되어 있는 각각의 스탠드(20)는 파이프 진행 방향으로 거리 조정을 할 수 있도록 하고, 각각의 롤(10)은 1대 1의 회전비로 상·하를 역방향으로 회전할 수 있는 메카니즘으로 보통의 기술인이 기계를 적절한 재료로 설계 제작 작동하도록 구성한 제작 장치로 구현된다.

이와 같이, 기존 금속 원형 파이프(30)는 유체가 흐를 때 중심부위는 속도가 빠르고 내부 표면에는 마찰로 인해 속도가 느려서 스케일이 많이 끼게 되는 문제가 있었는바, 본 발명에 의해 생산된 나선 파이프는 내부 돌출 나선을 따라 유체가 와류로 변하여 회전하면서 흐르기 때문에, 파이프 접촉 면에서의 유속이 빨라 져서 스케일 생성 부위에서 오히려 침전물을 깎아내는 역할을 하게 되므로, 스케일 생성으로 인한 부식을 늦추는 효과로 인해 지하 수도관 및 건물 내 배관의 수명을 늘이는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 나선 파이프는, 동일한 규격(재질, 직경, 두께)에서의 기존 금속 원형 파이프(30)보다 본 발명제품 파이프는 단면계수가 커져서 굽힘 강도가 커지므로, 구조용 파이프(비닐하우스용, 자전거등 스포츠용품용, 차량 배관용, 건축물용(예:올림픽축구장, KTX역사)의 경량화(일정 요구강도에서 두께가 얇은 것으로 대체됨)으로 사용될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 나선 파이프는 성형된 나선 부위가 스프링 역할이 있게 되어 비틀림이나 길이 방향의 팽창 수축을 주도하는 탄성이 커지므로 강력한 진동(지진등)이나 타격 등에서 외력 흡수 소멸 효과가 발생하므로 내진 구조용 파이프로 사용이 적합하며 본 발명제품 파이프로 배관이 내장된 항공기, 선박, 차량 등이 사고를 당했을 때 파손율을 낮출 수 있다.

더욱이, 상기 금속 원형 파이프를 사용함에 있어 원형 스테인리스 파이프나 원형 동 파이프 등을 이용하여 나선 파이프로 만들 경우, 압입 사선 부위의 외관도 신선(물이 부드럽게 흐르는 듯)미려하여 위 4개항의 효과 외에 장식, 인테리어용으로도 각광을 받을 수 있다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 금속 원형 파이프(30)의 외경 부분이 전면 밀착 접촉하여 회전 전진 될 수 있도록 형성한 롤(10)을 구비하되; 상기 롤(10)의 형상을 가진 인입롤(11)과; 상기 인입롤(11)과 같은 외형이되 그 외면에 돌출된 디스크형상금형(12′)을 하나 이상 일체로 형성한 압입롤(12)이 구비되어;

   상기 인입롤(11)을 상·하로 적정 높이를 두고 고정한 스탠드(20)를 첫 번째로 배치하고, 이어 압입롤(12)을 상·하로 적정 높이를 두고 고정한 스탠드(20)를 순차로 다수개 배치하여, 상기 각 스탠드(20)가 일직선상으로 배치하며,

   상기 각 인입롤(11)과 압입롤(12)에 대해 회전력을 부여한 나선 파이프의 제조 장치를 구성하여,

   상기 인입롤부터 금속 원형 파이프를 투입하여 나선 파이프를 제조함을 특징으로 하는 금속 원형 파이프에 일중 또는 다중으로 외부는 압입, 내부는 돌출 나선 부위가 형성되도록 성형하는 나선 파이프의 제조 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 지름 d인 금속 원형 파이프(30)가 롤(10)의 중심선과 θ의 각도를 형성하고,

   상기 위치에서 평면상의 롤(10) 중심점과; 롤(10)이 회전하여 전면 밀착해 갔을 때 금속 원형 파이프(30)와 접촉하는 임의의 점에 대한 중심점 사이의 θ각도 대한 수직 거리 t를 가지며, 롤(10)의 최소 직경 D가 주어져서 형성되는 각 롤(10)의 외형 라인 R은,

   

   의 수식으로 형성되어,

   상기 R에 대한 함수로 금속 원형 파이프가 롤에 전면 밀착되어 회전되어, 나선 파이프의 직진도를 향상함을 특징으로 하는 금속 원형 파이프에 일중 또는 다중으로 외부는 압입, 내부는 돌출 나선 부위가 형성되도록 성형하는 나선 파이프의 제조 장치.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 나선 파이프의 회전 전진 피치가 P이고, 임의의 자연수 N을 부가되어 형성하는 압입롤(12) 사이의 중심 거리는,

   

   로 형성되어, 압입된 부분이 재차 압입됨을 특징으로 하는 금속 원형 파이프에 일중 또는 다중으로 외부는 압입, 내부는 돌출 나선 부위가 형성되도록 성형하는 나선 파이프의 제조 장치.
5. 청구항 2 내지 청구항4의 제조 장치가 구비되어,

   상기 상·하의 각 롤(10) 사이로 금속 원형 파이프(30)를 통과 시켜 제조됨을 특징으로 하는 금속 원형 파이프에 일중 또는 다중으로 외부는 압입, 내부는 돌출 나선 부위가 형성되도록 성형하는 나선 파이프의 제조 장치로 제조된 나선 파이프.

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