KR100893221B1

KR100893221B1 - 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100893221B1
Application number: KR1020080105105A
Authority: KR
Inventors: 고정호
Original assignee: 주식회사 시노코파이프
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2009-04-16
Also published as: WO2010050645A1; US20110197986A1

Abstract

본 발명은 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래 공조기 파이프로 사용되던 동파이프의 단점인 고가인 점, 커넥터에 의한 가스 보존성이 떨어지고 장시간 사용시 스케일이 생성되는 점을 해결함과 동시에 동파이프의 대체 파이프로 개발되어온 기존 마그네슘/알루미늄 혼합 재질의 파이프의 단점인 일정압력 조건 이상을 견디지 못하는 점, 전체를 교체하지 않고 가격을 줄이기 위하여 일부분만을 중간에 용접을 시도하여 대체함으로써 두 이종 금속간 전이차에 대한 스케일이 생성되는 점, 용접부위에 의한 유체흐름이 방해되는 점, 그리고 에어컨 시설 시에 현장에서 용접을 하기 어려운 환경과 가격 역시 10 ~ 20% 정도의 절감 효과 밖에 가져 오지 못하는 점을 해결하기 위해, 수지를 가교한 후 극성기를 부여한 제1수지층과, 제1수지층과 하기의 금속층의 라디칼기 양쪽을 공유하여 결합을 유도하는 제1결합층과, 금속층과, 상기 금속층과 하기의 제2수지층의 라디칼기 양쪽을 공유하여 결합을 유도하는 제2결합층과, 제2수지층으로 구성되어 물리적, 화학적으로 일체(一體)의 거동 특성을 갖는 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프 및 그 제조방법에 관한 것이다.

공조기, 동파이프, 극성, 라디칼, 금속, 가스, 보존성, 스케일

Description

일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프 및 그 제조방법{SINOKOR HIGH PRESSURE GAS PIPE AND MANUFACTURING METHOD OF IT}

본 발명은 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프에 사용되는 고가의 동을 소재로 한 동파이프를 대체하기 위한 플라스틱 및 금속의 복합파이프에 관한 것이다.

종래 공조기에 사용되던 파이프는 주로 고가의 동을 사용하였으며, 이는 동재질의 파이프가 갖는 압력, 내구성, 굽힘 반경(Bending Radius)의 특성에 따른 것이다.

그러나, 종래에 많이 사용되던 동파이프는 고가라는 단점 외에 커넥터 부분을 통한 수축과 팽창율이 커 가스 보존성이 떨어지고, 장시간 사용 시 내부에 스케일이 형성되어 일정시점에서 교체를 해주어야 하는 문제가 있었다.

그리고, 기존 동파이프를 대체하기 위해 제시된 기존의 마그네슘/알루미늄의 혼합재질의 대체파이프의 경우에는 5 ~ 10kgf/㎠의 압력조건을 초과하게 되는 경우 파이프가 압력에 견디지 못하였으며, 또한 하자가 발생된 파이프는 가격을 줄이기 위해 전체를 교체하기 보다는 해당 부분만을 중간에 용접을 시도하여 대체함으로써 두 이종 금속간 전이차에 대한 스케일이 생성되게 되었으며, 또한 그 용접된 부위는 유체흐름을 방해하게 되는 새로운 문제를 일으켰다. 그리고 에어컨 시설 시에 현장에서 용접을 하기 어려운 환경과 그 가격 역시 10 ~ 20% 정도의 절감 효과 밖에 가져 오지 못하는 문제를 갖고 있었다.

또한, 종래 공조기 분야에서의 플라스틱 재질의 사용 사례는 없었으며, 공조기 분야 외의 타분야인 온수관, 압력관으로 유사한 형태로 개발되어 오던 파이프의 경우에는 파이프의 구성을 위한 각층간의 결합을 위해 접착제를 사용함으로써 온도 변화에 따른 팽창·수축에 의한 층간분리가 일어나 온도 변화에 상당히 약하다는 문제가 있었다.

상기의 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 기존에 공조기 분야에서 사용되지 않던 플라스틱 재질을 이용하여 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프의 구성층인 수지층과 금속층을 접착제를 일체 사용하지 않고 결합층의 반응에 의한 화학결합을 유도함으로써 파이프 자체를 구성하고 있는 제1수지층, 제1결합층, 금속층, 제2결합층, 제2수지층의 화학적, 물리적 성질이 일체(一體)화되어 화학적, 물리적 변화, 특히, 온도변화에 따른 수축, 팽창시 층간분리현상이 전혀 일어나지 않고, 화학 결합에 의한 내부결합력(층간 라디칼 결합력)도 40kgf/㎠ 이상으로 끌어올릴 수 있으며, 압력에 대한 파괴강도압도 10kgf/㎠ 에서 250kgf/㎠ 이상으로 끌어올릴 수 있으며, ±300℃의 온도조건에서도 박리되지 않고 유지되어 어떠한 악성조건하에서도 50년 이상(스웨덴“바디코티” test기준으로 100년 이상 P-100조건) 각층의 화학결합이 유지될 수 있는 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프 제공을 발명의 목적으로 한다.

그리고, 고가인 종래의 동파이프를 사용할 때 보다 내부 유체속도가 빠르고, 동파이프 내부에 생성되던 스케일 발생문제를 해결하며 보온재를 필요치 않는 열전도성(기존 동 전도율의 1000분의 1 동전도율 332Kcal/mhr℃, 대체파이프 0.37 Kcal/mhr℃ 로 전기료 절감 및 보온재 추가 가격 절감), 휨성, 내구성, 파괴 및 항복강도를 국제규격에 맞는 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프의 제공을 발명의 목적으로 한다.

또한, 상기 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프의 제작을 위한 공정의 제공을 발명의 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해,

본 발명은 파이프의 최내부에 위치하는 것으로, 수지를 가교한 후 극성기를 부여한 제1수지층과,

상기 제1수지층과 하기 금속층 사이에 위치하여 제1수지층의 라디칼기와 금속층의 라디칼기 양쪽을 공유하여 결합하는 제1결합층과,

상기 제1결합층과 하기 제2결합층 사이에 위치하여 금속의 라디칼기를 각각 공유시켜 결합하는 금속층과,

상기 금속층과 하기 제2수지층 사이에 위치하여 금속층의 라디칼기와 제2수지층의 라디칼기 양쪽을 공유하여 결합하는 제2결합층과,

파이프의 최외부에 위치하는 것으로, 수지를 가교한 후 극성기를 부여한 제2수지층으로 이루어져 물질 자체의 결합강도보다 결합층의 결합강도가 높아, 최고 파괴치에 도달하여 파괴될 때까지도, 결합층은 분리되지 않고, 하나의 물질이 같은 수축/팽창력을 지속할 수 있도록, 물리적, 화학적으로 일체(一體)화된 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프를 주요 기술적 구성으로 한다.

그리고, 상기 공조기 동파이프 대체용 복합파이프의 제작을 위한 공정으로는 수지를 주압출기의 호퍼에 투입한 후,

수지가 투입되는 지점과 압출되는 지점의 온도를 달리하여 수지 투입지점에서 부터 압출되는 지점까지 점차 온도가 상승되도록 온도 조절이 된 실린더 내부로 수지를 투입시켜 스크류 회전을 통해 수지를 이동시킨다.

이동된 수지는 노즐에 의해 압출되어 금형으로 이동되는 제1수지층과, 그 제1수지층의 외둘레로, 제1결합층, 금속층, 제2결합층, 제2수지층이 순차적으로 환상으로 합류되어 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프가 압출되고, 이어 냉각조를 거친 후에 와인딩(winding)함으로써 제조과정이 완성된다.

상기 금속층은 얇은 금속판막으로서, 따로 압출과정을 거치는 것이 아니라 금속판막을 제1결합층 외둘레로 환상으로 합류하게 된다.

그리고, 상기 제1결합층, 제2결합층, 제2수지층의 압출은 상기 제1수지층과 동일한 조건에서 이루어지게 된다.

이하, 상기의 기술적 구성에 대해 상세히 살펴보고자 한다.

제 1수지층

복합파이프의 가장 내측에 위치하는 층으로서, 가스와 직접 접촉하기 때문에 가스 차단성 특성을 고려하여 수지를 선택하여야 한다.

상기 제1수지층은 내열도를 증가시키기 위해 압력관용 수지를 가교한 후에 후술하는 제1결합층과의 결합을 용이하게 하기 위하여 무극성(non-polar) 상태에서 극성을 부여하게 된다. 그리고, 분자 구조는 냉매에 대한 어떠한 화학반응을 방지하기 위하여, 강산에도 반응하지 않는 포화상태의 고분자 결합구조를 유지한다.

수지의 극성 부여는, 구체적인 예로서 올레핀계 수지의 경우, 성형성, 내열성, 기계적 특성이 우수하여 압출·사출 성형품으로 널리 사용되고 있으나, 분자 내에 극성기가 없어 금속과의 결합력이 떨어져 극성수지 또는 금속과의 결합력이 낮은 문제를 가지고 있기 때문에 올레핀계 수지에 극성을 부여하여 금속 또는 극성 수지와의 결합력이 높고 또한 상용성이 우수하도록 하기 위함이다.

상기 수지로는 스티렌이소프렌수지(SIS), 스티렌부타디엔스티렌수지(SBS), 스티렌에틸렌부틸렌스티렌수지(SEBS), 스티렌에칠렌프로필렌스티렌수지(SEPS), 알파 메틸 스티렌, 비닐 톨루엔, 4-클로로 스티렌, 3,4-디클로로 스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리메틸펜텐, EPDM 삼원중합체, 에틸렌/프로필렌 공중합체, 에틸렌/부텐공중합체, 에틸렌/초산비닐 공중합체, 에틸렌/에틸아크릴레이트 공중합체, 올레핀계 고무 중 선택되는 어느 2종 이상인 것을 사용한다.

그리고 상기 구체적인 예로 제시된 올레핀계 수지의 극성부여는 다음의 과정에 의해 진행된다.

과산화물 분열과정(Cleavage of Peroxides)

R-O-O-R' → R-O· + R'-O· ----------------------- (1)

과산화물은 분자 내에 －2가의 O₂기를 가지고 있는 산화물로서, 과산화디알킬 R－O－O－R－, 과산화아실 RCO－O－O－OCR이 있다.

라디칼 도입제(Radical Initiator)로 과산화물(Peroxide)이 사용 되는데, 과산화물(R-O-O-R)의 두 산소 원자 사이의 분자 결합이 끊어져 R-O·와 R'-O·와 같이 O-O 결합의 두개의 전자가 동등하게 양쪽으로 떨어져 라디칼을 형성하게 된다.(반응식 1)

수소 분리과정(Hydrogen Abstraction)

R-O· + H-PO → R-O-H + PO· --------------------- (2)

상기 과산화물에서 끊어져 나온 R-O· 는 폴리올레핀(PO)의 H와 결합하게 되어 폴리올레핀에서 수소를 분리하여 폴리올레핀이 PO·로 극성을 갖게 된다.

더하여, 상기 극성을 갖는 변성(Modified) 폴리올레핀과 관련하여 극성공유결합에 대해 간단히 살펴보면, 두 개의 원자사이에 화학결합이 이루어지기 위해서는 반응계내의 에너지 감소가 아래의 식(3)에서와 같이 에너지 감소를 수반하게 된다.

A + B → AB + 에너지 -------------------------------- (3)

상기 AB는 두개의 원자 A와 B사이의 하나의 결합이 이루어져 있는 것으로, 이는 두 원자들 간에 한쌍의 전자를 공유하고 있다는 것을 뜻하게 된다. 만일 A와 B가 동일한 원자라고 한다면 공유전자는 동등하게 분포되어 있을 것이며 이와 같은 결합을 무극성 결합(nonpolar bond)이라고 하고, A와 B가 서로 다른 원자로 이루어졌다면 두 원자간의 공유전자는 두 원자 중 전자를 잡아끄는 성질이 큰 쪽으로 치우쳐서 비대칭이 될 것이며 이런 것을 극성공유결합(polar covalent bond)이라고 한다.

제1결합층

제1수지층과 하기 금속층 사이에 위치하여 제1수지층의 라디칼기와 금속층의 라디칼기 양쪽을 공유하여 결합하는 층으로서, 파이프 생산시에만 활성화되고 냉각하면서 안정화되도록 한다.

따라서 상기 결합층은 제1결합층과 금속층과의 반응시 결합을 극대화시키기 위해 아래의 식(4)에서와 같이 산처리하여 라디칼이 파이프 생산시에만 활성화 되도록 한다.

PO· + A-H → PO-A + H· ----------------------------- (4)

상기 A-H의 단량체는 활성화 전위차가 큰 산계열의 수지를 사용하여 변성(Modified) 시킨다. 상기 산계열은 카르복실기를 가진 산계열로서 구체적인 예로는 초산(CH₃COOH)이 있다.

금속층

상기 제1결합층과 제2결합층 사이에 위치하는 층으로서, Fe, Al, Cu, Mg, Zn Ti 중 선택되는 어느 1종의 금속판막을 사용한다.

제2결합층

제2결합층은 제1결합층과 동일 특성을 갖는 층으로서, 상기 금속층과 제2수지층의 기를 공유하는 층이다.
그리고, 상기 제1결합층 또는 제2결합층은 금속과 유기이온을 무정형(Amorphous)상태로 그라프팅(Grafting)시킨 것이다.

제2수지층

외부 수지 압력층으로서 라디칼 기를 코팅하여 극성으로 전환하는 것으로 자외선 차단, 난연성을 고려하여 관련 성분의 추가가 가능하다.

상기 자외선 차단을 위한 사용가능한 성분으로는 2,2-디히드록시-4-메톡시벤조페논, 2-히드록시-4-메톡시벤조페논, 2-히드록시-4-옥토시 벤조페논의 벤조페논 유도체가 있으며, 상기 난연성 부여를 위한 난연제로는 브롬계 난연제, 염소계 난연제의 할로겐계 난연제와, 적인(Red Phosphorus), 암모늄 포스페이트계, 지방족 포스페이트, 방향족 포스페이트와 할로겐 원소를 일부 포함하는 알킬 포스페이트의 인계 난연제 중 선택되는 어느 1종 이상을 사용할 수 있다.

이상의 구성을 갖는 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프는 그 재질 특성상 타분야에 다양하게 적용이 가능하며, 그 구체적인 예로서, 반도체 tray, 군사용 방탄조끼, 방탄모 및 기타 충격흡수재, 비철금속 칼라 강관 대체용, 에어컨 동파이프 대체용, 마그네슘·알루미늄 혼합 파이프의 청소기 흡입관 호수, 기타 산업·기계·건축 자재용 고압력 가스관으로 사용할 수 있다.

상기의 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프는 제1수지층, 제1결합층, 금속층, 제2결합층, 제2수지층이 순차적으로 환상으로 합류되어 제조된다.

상기 금속층을 제외한 모든 층은 압출과정을 거치게 되며, 제1수지층이 먼저 압출되고 이어 제1결합층, 제2결합층, 제2수지층이 각각의 압출기를 통해 순차적으로 압출되어 제1수지층의 외둘레로 환상으로 합류하게 된다.

상기 제1수지층, 제1결합층, 제2결합층, 제2수지층의 압출장치 및 압출조건을 동일하게 이루어지며, 그 구체적인 내용으로서 제1수지층을 살펴보면 다음과 같다.

먼저 수지를 70 ~ 80℃를 유지하는 호퍼에 투입하여 2 ~ 3시간에서 건조상태를 유지한다.

이와 같이 호퍼에서 70 ~ 80℃의 건조상태를 유지하는 이유는 활성화된 고분자 사슬의 라디칼이 수분과 결합되어 제1결합층과의 결합력을 떨어뜨릴 수 있기 때문에 이와 같은 문제를 방지하기 위한 것이다.

기존 플라스틱의 제조의 경우 수분의 함량이 1% 정도의 경우에도 반응에 별다른 영향을 받지 않지만, 본 발명에서는 층간/물질간 겹합력이 중요하기 때문에 1% 정도의 수분 함량의 경우 표면에서 금속과 유기이온 결합시, 유기이온 중에 있는 활성화된 고분자 사슬의 라디칼이 수분과 결합되어 층간/물질간 겹합력이 떨어지기 때문에 결합력 방해를 무시할 수준인 수분 함수율 0.1% 미만으로 유지한다.

그리고, 건조상태의 시간이 3시간을 초고하게 되는 경우에는 작업성에 문제가 발생할 수 있으므로, 생산속도에 맞춰 2 ~ 3시간 범위내에서 유지하는 것이 바람직하다.

다음으로, 수지가 투입되는 지점의 온도가 150 ~ 160℃이고, 노즐에 의해 압출되는 지점의 온도가 210 ~ 220℃로서 수지가 이동하는 구간을 따라 점차 온도가 상승되도록 온도가 조절된 실린더 내부로 상기 호퍼를 통해 수지를 투입하여, 그 실린더 내부의 스크류의 회전을 이용하여 수지를 노즐로 이동시킨다.

그리고, 노즐로 이동된 수지는 노즐을 통해 압출되어 내구경 금형으로 이동되고, 다음으로 제1결합층, 금속층, 제2결합층, 제2수지층이 순차적으로 환상으로 합류시켜 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프를 제조한 후 냉각조를 거친 후에 와인딩(winding)함으로써 제조과정이 완성된다.

상기 실린더 내의 스크류의 속도는 수지의 점도를 고려하여 40 ~ 70rpm을 유지하며, 상기 노즐의 온도는 200 ~ 210℃를 유지하도록 하고, 몰드의 온도는 30 ~ 60℃를 유지한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프는 종래 공조기 분야에서 사용되지 않던 플라스틱을 이용하여 고가의 동파이프를 대체할 수 있는 것으로, 접착제를 일체 사용하지 않고 대체용 복합파이프의 수지층과 금속층을 결합층과의 반응에 의한 제1수지층, 제1결합층, 금속층, 제2결합층, 제2수지층의 화학적, 물리적 성질이 일체(一體)화되어 화학적, 물리적 변화, 특히 온도변화에 따른 수축, 팽창시 층간분리현상이 전혀 일어나지 않고, 화학 결합에 의한 내부결합력(층간 라디칼 결합력)도 40kgf/㎠ 이상으로 끌어올릴 수 있으며, 압력에 대한 파괴강도압도 10kgf/㎠ 에서 250kgf/㎠ 이상으로 끌어올릴 수 있으며, ±300℃의 온도조건에서도 견딤으로써 어떠한 악성조건하에서도 50년 이상 각층의 화학결합이 유지될 수 있는 장점을 갖는다.

또한, 고가의 동파이프를 사용할때 보다 내부 유체속도가 빠르며, 동파이프 내부에 생성되던 스케일 발생문제를 해결하였으며 보온재를 따로 필요로 하지 않는다.

그리고, 살펴본 바와 같이 압력, 휨성, 내구성, 항복강도를 국제규격에 맞추었으며 접착제를 사용하지 않음으로써 친환경적이다.

상기 기술적 구성에 대해 더욱 구체적으로 살펴보고자 한다.

본 발명의 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프의 층구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 복합파이프(10)의 내측으로부터 제1수지층(1), 제1결합층(2), 금속층(3), 제2결합층(4), 제2수지층(5) 순차적으로 구성되어 있다.

동파이프를 대체하기 위한 제시되던 기존의 파이프는 다층구조의 파이프를 구성하기 위해 층간의 결합을 위해 접착제를 사용하였으며, 이와 같은 접착제의 사용은 파이프의 온도변화에 따라 수축·팽창을 반복하는 과정에서 층간 분리가 일어나게 되었으나, 본 발명에서는 상기 제1결합층(2), 제2결합층(4)을 구성함으로써 이와 같은 종래의 문제를 해결할 수 있는 것이다. 이는 제1결합층(2) 또는 제2결합층(4)은 금속과 유기이온을 무정형(Amorphous)상태로 그라프팅(Grafting)시킨 것으로, 제1결합층(2)은 제1수지층(1)과 금속층(3)의 양 층과의 화학결합이 이루어지며, 제2결합층(4)은 금속층(3)과 제2수지층(5)의 양 층과의 화학결합이 이루어져 복합파이프가 일체(一體)로 거동하도록 구성되기 때문이다.

그리고, 상기 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프의 제조 과정은 제1수지층(1)이 압출되고, 그 제1수지층(1)의 외둘레로 제1결합층(2), 금속층(3), 제2결합층(4), 제2수지층(5)이 순차적으로 환상으로 합류시켜 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프를 제조하는 것으로, 도 2에 도시되어 있는 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프 제조장치(100)를 이용한다.

도 3에는 주압출기(20)의 구성을 보이고 있으며, 이와 같은 구성은 제1수지층압출기(30), 제1결합층압출기(50), 제2수지층압출기(60)에서도 동일하게 적용된다.

제1수지층(1), 제1결합층(2), 제2결합층(4), 제2수지층(5)의 압출 조건 및 과정은 동일하며, 제1수지층(1)의 압출과정을 살펴보면, 수지를 도 3에 도시된 주압출기(20)의 호퍼(21)에 투입하여 70 ~ 80℃에서 2 ~ 3시간에서 건조상태를 유지하고,

수지가 투입되는 지점의 온도를 150 ~ 160℃로 유지하고, 노즐에 의해 압출 되는 지점의 온도가 210 ~ 220℃로 유지되도록 하여 구간별로 점차 상승되는 온도 변화를 갖는 실린더(211) 내부로 수지를 투입하고, 그 투입된 수지는 그 실린더(211) 내부에 장착된 스크류(212)의 회전에 의해 노즐(213) 방향으로 이동하게 된다.

이동된 수지는 노즐(213)을 통해 압출되어 내구경 금형(22)으로 이동된다.

상기 압출된 제1수지층(1) 둘레로 제1결합층압출기(30)를 통해 압출되는 제1결합층(2), 금속판막(40)의 금속층(3)을 순차적으로 환상으로 합류시켜 고정시킨 후에 히팅존(Heating Zone)(23)에서 가열이 이루어져 내구경을 제조한다.

그리고, 제2결합층압출기(50)를 통해 압출되는 제2결합층(4), 제2수지층압출기(60)를 통해 압출되는 제2수지층(5)을 외구경금형(24)을 통해 순차적으로 내구경의 둘레로 환상으로 합류시켜 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프를 제조하여 이송로더(26)를 통해 이송하면서 냉각조(25)에 냉각과정을 거친 후에 와이더(70)를 이용하여 와인딩(winding)하여 제조과정을 마무리 한다.

이하, 상기의 구성을 갖는 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프의 물리적 특성에 대해 살펴보고자 한다.

시험 예 1

본 발명의 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프는 기존 공조기 배관에 사용되는 동재질의 파이프에 요구되어지는 압력, 내구성, 제반 물성과 특성을 고압 가스관의 국제 TEST방법인 ASTM 1335의 방식을 적용하여 비교분석한 후, 금속과 플라스틱의 혼합체인 고기능성 엔지니어링 플라스틱을 응용하여 공압출된 소재는 각층의 Chemical Radical결합 후에, 압력에 대한 미분 값이 전체 적분 값으로 작용하여 각 플라스틱 층의 파괴강도 압력에 대한 저항 값이 증폭되어 기존 공조기 동재질의 파이프에 파괴강도 압력을 견딜 수 있는 고압가스관을 제공할 수 있으며, 이로 인하여 기존 가격대비 평균 50%이상의 원가 절감을 할 수 있다.

먼저, 상기 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프의 원하는 해당 물성의 두께와 각층별 압력을 산정하기 위해 Hoop stress configuration을 적용하게 된다.

< Hoop stress configuration의 적용 >

Hoop의 방정식은 석유화학 고분자로 만들어진 파이프의 시간에 따른 고분자의 파괴강도압의 저하를 측정하는 식이다. 일정 온도, 일정 압력하에서, 시간이 경과함에 따른 고분자의 결합의 일정 압력하에서의 피로도를 계산하는 식으로, 플라스틱 파이프의 내구성을 측정하기 위한 방정식으로, 다음과 같은 사항이 검증되어 있다.

일정온도, 일정 두께에서, 동일한 플라스틱 파이프는 동일한 파괴강도와 항복강도를 가지며(물질의 고유 수치), 각 물질별로 파이프내의 파괴강도와 항복강도가 일반적으로 제시되어 있다.

그러므로, 각 파이프의 파괴강도압(Mpa)가 확정된 상황에서 Hoop의 식을 변형시키면, 원하는 파이프의 해당 물성의 두께와 각 층별의 압력을 산정할 수 있다.

식 1)

여기서, σ: The circumferential stress(Mpa)

Dav : The average external diameter of the pipe(mm)

Emin : The minimum wall thickness of the pipe(mm)

P : The internal water pressure in the pipe(bars)

상기 식 1을 일정온도, 파괴강압에서 시간을 고려치 않으므로 다음의 식 2로 변형이 가능하다.

식 2)

또는

식 3)

<금속의 선택과 두께의 산정>

Hoop의 방정식은 석유화학 고분자로 만들어진 파이프의 공조기 또는 동파이프를 대체하므로, 동과 같은 Bending Radius를 갖기 위해서는 알루미늄(Al)과 개발된 수지의 Bending Radius에는 다음과 같은 상관 식이 실험치를 통해 정해졌다.

식 4)

여기서, R_AL;기타 합금이 섞이지 않은 순수 알루미늄 재질의 밴딩라디우스.

R_PL; 본 발명의 개발된 수지의 밴딩라디우스

R_CU; 공조기 및 재반 구리재질의 파이프의 밴딩라디우스

t; 원 구리파이프의 두께(평균오차 = t+/-0.15)

이러한 조건을 만족시키는 알루미늄 재질을 선택하면 다음의 표 1과 같다.

표 1)

재질	Mpa		kgf/㎠
	Tensile Strength	Yield Strength	Tensile Strength	Yield Strength
Al 재질*	Ultimate	Yield	Ultimate	Yield
Aluminum 1050-O	76	28	760	280
Aluminum 1060-O	70	30	700	300
Aluminum 1100-O	95	35	950	350
Aluminum 1145-O	75	35	750	350
Aluminum 1350-O	85	30	850	300
Aluminum 2014-O	185	95	1850	950
Aluminum 2017-O	180	70	1800	700
Aluminum 2024-O	185	75	1850	750
		Material Property Data

(* 상기 알루미늄 재질의 선택은 website: http://www.matweb.com/Search/MaterialGroupSearch.aspx?GroupID=178의 목록에서 선택된 것이다.)

알루미늄의 종류에는 수많은 합금(Alloy) 계열과 순수계열 등 종류가 수백 ~ 수천가지가 넘으며, 그 중에서 알루미늄 선택을 위해 3가지 변수를 고려해야 한다.

첫째, 파괴강도압을 유지하면서 항복값의 차이가 적어야 한다.

둘째, 파괴강도압이 연성을 유지하는 조건에서 700 ~ 2,000kgf/㎠의 일정 수준을 넘어야 한다. 이와 같은 수준을 유지해야 공조기파이프 대체 시에, 동과 같은 휨성(굴곡성)을 가질 수 있기 때문이다.

셋째, 순수 알루미늄(aluminum)이어야 한다. 상기 표 1의 Al 재질에 기재되어 있는 'O'는 순수한 알루미늄을 의미하는 것으로, 다른 이종 금속에 의한 결합 라디칼의 방해가 없으며, 또한 순도가 높을수록, 힘의 구배가 일정하게 분산되는(상대편 결합층의 분자메트릭스 내에서 일정한 힘의 구배를 갖는다. : 특정으로 힘의 불균형으로 급격한 압력 혹은 Stress를 받는 현상) 것을 최대로 유지하게 된다.즉, 상대편 결합 층과의 결합을 Homogeneus하게 결합시키게 된다.

< 파이프의 층간 두께와 압력의 상관 관계의 적용>

상기 식 3)에 의한, 선택된 재질 Al 1100-O의 재질의 파괴강도압을 적용하면, 동파이프의 요구압에 근접한 각층의 적정 두께를 확정지을 수 있다.(표 2)

표 2)

구리관 외경		대체관 외경	내경	Alumium	금속수지	inside	out	두께합
6.35	1	9.35	4.95	0.5	0.2	1	0.5	2.2
9.52	2	12.92	8.12	0.5	0.2	1	0.7	2.4
12.7	3	16.6	11.1	0.55	0.2	1	1	2.75
15.88	4	20.88	14.28	0.6	0.2	1.5	1	3.3
19.05	5	24.05	17.45	0.6	0.2	1.5	1	3.3

공조기의 요구압은 실기압의 5배이며 기존 공조기 5가지 규격의 요구되어지는 압력이 정해져 있으므로, 상기 식 3)을 이용하여 두께를 산정할 수 있다. 각 요구 규격의 압력이 걸리는 'D(The average external diameter of the pipe(mm))'도 정해져 있으며, 선택된 Al재질의 물질의 고유치인 파괴강도압도 정해져 있다.(SIGMA Value) 그 후, 근사치에 접근한 각 층의 두께에 각각의 재질의 SIGMA 값 을 이용하여 원하는 압력의 파이프를 만들 수 있다.

상기 식 4)에 의한, 선택된 재질의 Al 1100-O의 재질을 적용하여 공조기 파이프 각층의 파괴강도압을 계산하면 다음과 같다.(표 3)

표 3)

공조기 세계표준 규격	Al층		Inside 수지층		Outside 수지층		금속 수지층
	파괴강도	항복강도	파괴강도	항 복 강 도	파괴강도	항 복 강 도	파괴강도
1	101.604278	37.43315508	23.52941176		22.22222222		3.232323232
2	73.5294118	27.08978328	17.027863378		18.96551724		1.97044335
3	62.9518072	23.19277108	13.25301205		19.81981982		1.441441441
4	54.5977011	20.11494253	15.8045977		15.40616246		1.120448179
5	47.4012474	17.46361746	13.7214372		12.60744986		0.916905444

<파이프의 두께 적용 범위>

금속이온 수지와 금속층을 알루미늄으로 결정시, 공조기 동파이프와 동일 물성을 유지하는 대체용 압력관은 다음의 두께의 범위로 산출된다.(표4)

표 4)

구리관 외경	공조기 규격	대체관 외경(mm)	내경 (mm)	Al(mm)	금속수지 (mm)	INSIDE 변환수지 (mm)	OUTSIDE 변환수지 (mm)	두께 합 (mm)
6.35	1	9.35±1.4	4.95	0.5±0.15	0.2±0.1	1±0.3	0.5±0.15	2.2±0.7
9.52	2	12.92±1.4	8.12	0.5±0.15	0.2±0.1	1±0.3	0.7±0.15	2.4±0.7
12.7	3	16.6±1.7	11.1	0.55±0.15	0.2±0.1	1±0.3	1±0.3	2.75±0.85
15.88	4	20.88±1.7	14.28	0.6±0.15	0.2±0.1	1.5±0.3	1±0.3	3.3±0.85
19.05	5	24.05±1.7	17.45	0.6±0.15	0.2±0.1	1.5±0.3	1±0.3	3.3±0.85

<파이프 구조의 층간 결합력>

수지층과 금속층의 결합력이 25kgf/cm를 넘으면, 층간 결합력이 수지층의 결합력보다 높아진다. 즉, 수지층이 파괴될지언정, 결합된 부분은 박리되지 않는다. 다시 말해 각 층은 온도 및 외부 변화에 대하여 동일 물질과 같은 수축율과 shringkage를 갖는다.

또한, 전체의 수득율은 각층의 산술 평균과 같아져, 결국 전체 결합부분은 제일 안쪽의 가교화된 수지의 내열성보다 항상 위에 있다.(± 300℃의 온도 변화에도 박리되지 않고 유지된다.)(표 5)

그리고 층간 결합력을 올림과 동시에 gas의 차단 및 보유성도 수지 특성상 같이 부여한다.

표 5)

Nominal Pipe Size	Test Condition ASTM F1335 - 9.1.5	Test Result
All size	Tensile Speed: 25mm/min	>40 kgf/cm

< 파이프 구조의 층간 결합력을 이용한 전체 파괴 강도압 계산 >

층간 결합력이 25kgf/cm미만일 경우 급격한 온도 차이로 인한 수축율 변화로 인하여, 각 층이 분리될 경우 전체 압력의 합은 층을 구성하고 있는 제일 높은 파괴강도압만을 유지한다.

P(Ultimate Tensile Strength) = MAX [P₁, P₂, P₃, P₄.....]

그러나 층간 결합력이 25kgf/cm를 넘을 경우, 전체 파이프의 파괴강도압은 각층의 적분값의 합과 같다.

P(Ultimate Tensile Strength) = (P1*K1+K2) + (P2*K2+K3) + (P3*K3+K4) + (P4*K4+K5) + ... ⇒

P(Ultimate Tensile Strength) = ∫(P1 + P2 + P3 + ...) × R(2t/D)

위의 식에 근거하여 제작, 실험, 테스트 및 양사된 본 발명의 대체파이프의 파괴강도, 항복강도 값은 아래의 표 6과 같다.

표 6)

공조기 세계표준 규격	Al층	INSIDE 수지층	OUTSIDE 수지층	금속수지층	파괴강도 합
	파괴강도				KGF/CM2
1	101.604278	23.52941176	22.22222222	3.232323232	150.5882353
2	73.5294118	17.02786378	18.96551724	1.97044335	111.4932361
3	62.9518072	13.25301205	19.81981982	1.441441441	97.46608054
4	54.5977011	15.8045977	15.40616246	1.120448179	86.92890949
5	47.4012474	13.72141372	12.60744986	0.916905444	74.64701642

비교 예 1

먼저 기존 동파이프의 규격과 압력을 살펴보면 다음의 표 7(기존 동파이프의 규격과 압력)과 같다.

표 7)

	외경(mm)	내경(mm)	공조기 실기압(평형시)*	SPEC요구압(실기압×5)**
비교 예1	6.35	4.95	15 kgf/㎠	75 kgf/㎠
비교 예2	9.52	7.92	15 kgf/㎠	75 kgf/㎠
비교 예3	12.7	11.1	8 kgf/㎠	40 kgf/㎠
비교 예4	15.88	13.88	12 kgf/㎠	60 kgf/㎠
비교 예5	19.05	16.65	10 kgf/㎠	50 kgf/㎠

(* : 파괴강도(Ultimate Tensile strength)를 말함. ** : 제품적용에 요구되어지는 파괴강도 압력으로 국제표준 권장 테스트 조건이며, 실기압의 5배임.)

상기 표 7의 기존의 동파이프와 비교하기 위한 본 발명에 따른 대체파이프의 파괴강도와 항복강도의 측정값은 다음의 표 8과 같다.

표 8)

	외경(mm)	내경(mm)	파괴강도	항복강도*
실시 예1	9.35	4.95	255 kgf/㎠	157 kgf/㎠
실시 예2	12.72	7.92	161 kgf/㎠	100 kgf/㎠
실시 예3	16.6	11.1	165 kgf/㎠	115 kgf/㎠
실시 예4	20.48	13.88	155 kgf/㎠	105 kgf/㎠
실시 예5	23.25	16.65	145 kgf/㎠	110 kgf/㎠

(* : 항복강도(Yield Tensile strength)는 가압 후 원형으로 복귀되지 않는 변형이 오기 시작하는 시점을 말함.)

상기 파괴강도와 항복강도 값은 최종 max값이 아닌 생산원가에 맞춰 측정된 것으로서, 제품의 최종 선택된 층별구조 및 최적의 양산 재질에 맞출 경우 파괴강도의 압력은 최고 50%, 항복강도는 최고 65%이상의 상승을 가져온다.

물성비교

내구성 및 기존 동파이프에서 요구되어지는 내화학성, 내압성, 내열성, 유체유동성에 대한 비교 결과를 아래의 표에 나타내었다.

물성	단위	비교 예 (에어컨 동파이프)	실시 예 (본 발명의 대체파이프)
내구성(Duability)	-	부식성	우수 내부식성
내후성 (Weatherability)	-	보통	우수
Pressure of breaking point	내경(15mm) kg/㎟	우수	120
Minimum bending radius	내경 15mm	우수	100
Heat transfer rate	Kcal/mhr℃	332	0.37
Variation of flow	-	Rust and scale	No obstruction of flow And No scale

제 1도는 본 발명의 복합파이프의 층구조를 보이고 있는 단면도.

제 2도는 본 발명에 따른 복합파이프 제조장치를 보인 개략도.

제 3도는 본 발명의 복합파이프 제조장치의 압출기를 보인 개략도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

1 : 제1수지층

2 : 제1결합층

3 : 금속층

4 : 제2결합층

5 : 제2수지층

Claims

파이프의 최내부에 위치하는 것으로, 수지를 가교한 후 극성기를 부여한 제1수지층(1)과,

상기 제1수지층(1)과 하기 금속층(3) 사이에 위치하여 제1수지층(1)의 라디칼기와 금속층(3)의 라디칼기 양쪽을 공유하여 결합하는 제1결합층(2)과,

상기 제1결합층(2)과 하기 제2결합층(4) 사이에 위치하여 금속의 라디칼기를 각각 공유시켜 결합하는 금속층(3)과,

상기 금속층(3)과 하기 제2수지층(5) 사이에 위치하여 금속층(3)의 라디칼기와 제2수지층(5)의 라디칼기 양쪽을 공유하여 결합하는 제2결합층(4)과,

파이프의 최외부에 위치하는 것으로, 수지를 가교한 후 극성기를 부여한 제2수지층(5)으로 이루어져 화학적, 물리적 일체(一體)화된 것임을 특징으로 하는 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프.
청구항 1에 있어서,

제1수지층(1)의 수지는 스티렌이소프렌수지(SIS), 스티렌부타디엔스티렌수지(SBS), 스티렌에틸렌부틸렌스티렌수지(SEBS), 스티렌에칠렌프로필렌스티렌수지(SEPS), 알파 메틸 스티렌, 비닐 톨루엔, 4-클로로 스티렌, 3,4-디클로로 스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리메틸펜텐, EPDM 삼원중합체, 에틸렌/프로필렌 공중합체, 에틸렌/부텐공중합체, 에틸렌/초산비닐 공중합체, 에틸렌/에틸아크릴레이트 공중합체, 올레핀계 고무 중 선택되는 어느 2종 이상인 것을 특징으로 하는 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프.
청구항 1에 있어서,

제1결합층(2) 또는 제2결합층(4)은 금속과 유기이온을 무정형(Amorphous)상태로 그라프팅(Grafting)시킨 것임을 특징으로 하는 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프.
청구항 1에 있어서,

제1결합층(2) 또는 제2결합층(4)은 제1수지층(1)과 금속층(3)과의 표면 결합을 극대화시키기 위해 산처리하고, 라디칼이 파이프 생산시에만 활성화 될 수 있도록 라디칼기의 코팅이 이루어지는 것임을 특징으로 하는 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프.
청구항 1에 있어서,

금속층(3)은 Fe, Al, Cu, Mg, Zn, Ti 중 선택되는 어느 1종의 금속판막으로 이루어짐을 특징으로 하는 일반·압력배관용 탄소강관·공조기 동파이프 대체용 복합파이프.
수지를 주압출기(20)의 호퍼(21)에 투입하여 70 ~ 80℃에서 2 ~ 3시간에서 건조상태를 유지하는 단계와,

수지가 투입되는 지점의 온도를 150 ~ 160℃로 유지하고, 노즐에 의해 압출되는 지점의 온도가 210 ~ 220℃로 유지되도록 하여 구간별로 점차 상승되는 온도 변화를 갖는 실린더(211)와 그 실린더 내부에 장착된 스크류(212)의 회전에 의해 호퍼(21)를 통해 투입된 수지를 노즐(213) 방향으로 이동시키는 단계와,

노즐(213)을 통해 압출되어 내구경 금형(22)으로 이동되는 제1수지층(1)과 그 제1수지층(1)의 외둘레로 제1결합층압출기(30)를 통해 압출되는 제1결합층(2), 금속층(3), 제2결합층압출기(50)를 통해 압출되는 제2결합층(4), 제2수지층압출기(60)를 통한 제2수지층(5)을 순차적으로 환상으로 합류시켜 동파이프 대체용 복합파이프를 압출하여 냉각조(70)를 거친 후에 와인딩(winding)하는 단계를 거쳐 제조됨을 특징으로 하는 공조기 동파이프 대체용 복합파이프 제조방법.