KR101551285B1 - 펌프용 구조복합재 임펠러 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펌프용 구조복합재 임펠러 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 제1 원판 상에 다수의 블레이드가 방사형으로 배치되고, 그 반대측으로 제2 원판이 일체로 결합된 형상으로 구성되며, 제1 원판의 중앙부에는 유체 유입을 위한 개구부가 형성되고, 제2 원판의 중앙부에는 구동축과 결합되기 위한 구동부가 형성된 펌프용 임펠러의 제조방법으로서, 섬유 또는 원단으로 이뤄진 구조재를 상기 제1 원판 또는 블레이드, 제2 원판의 단면을 이루는 형상을 가지도록 절단하여 구조재 요소를 준비하는 단계; 금속제의 중공형 결합축을 준비하는 단계; 결합 상태를 기준으로 상기 임펠러의 외형과 동일한 형태의 캐비티를 갖는 제1 금형 및 제2 금형 내에, 블레이드 금형을 개재하여 상기 각 구조재 요소를 임펠러 형상을 이루도록 적층하되, 금속제의 중공형 결합축이 상기 제2 원판을 이루는 구조재 요소의 중앙부에 삽입된 형태로 적층하여 상기 구동부를 이루도록 하며, 각 구조재 요소에 결합용 액상 수지가 함침되도록 하는 단계; 및 상기 제1 금형과 제2 금형 내에 적층된 구조재 요소가 상호 결합 및 경화되도록 자연 또는 강제 냉각시킨 후, 각 금형을 분리하여 상기 구조재 요소가 경화되어 이루어진 임펠러를 탈거하는 단계;를 포함하여 구성된 펌프용 구조복합재 임펠러 제조방법이 개시된다.

Description

펌프용 구조복합재 임펠러 및 그 제조방법 {Impeller for pump using composite structural material, and manufacturing method therefor}

본 발명은 펌프용 구조복합재 임펠러 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 섬유, 원단 등의 소재로 이뤄진 구조재가 임펠러의 단면을 이루는 형상을 가지도록 미리 절단되어 형성된 구조재 요소를 금형 내에 다수 겹으로 적층시키고, 적층된 구조재 요소에 수지를 주입 또는 도포하여 건조한 구조복합재 형성 방식으로 임펠러를 제조하되, 금속제의 중공형 결합축이 구동부 측 구조재 요소의 중앙부에 삽입된 형태로 적층되도록 함으로써, 균일한 조직을 이루면서도 임펠러의 구동시 구동축 부근의 내구성을 강화하도록 한 펌프용 구조복합재 임펠러 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 원심펌프 내부에서 회전하는 날개를 임펠러(impeller)라고 한다. 회전날개의 원심력에 의하여 액체에 운동에너지를 부여하고, 이 운동에너지가 압력으로 변환하여 액체를 수송하게 된다. 다른 관점에서 화학공업에서 혼합기에 사용하는 교반날개를 임펠러라고 하는 경우도 있다.

종래에는 원심펌프의 임펠러를 금속 소재를 이용한 주조 가공을 통해 제작하였으나, 무게, 임펠러 지지부 내에서의 쏠림 현상에 의한 마모, 진동 발생 등의 문제를 해결하기 위해 FRP(Fiber Reinforced Plastics) 프리프레그 시트를 이용하여 임펠러를 성형 제작하는 기술이 제안된 바 있다.

그러나, 상기 FRP 프리프레그 시트를 이용하는 방식은 시트가 캐비티에 메워지는 과정에서 균일하게 메워지지 않고, 시트가 접혀진 구조가 균일하지 않으므로 미세한 기공이 존재하는 등의 한계가 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 출원인은 구조복합재를 이용하여 펌프용 임펠러를 제작하는 것에 관한 대한민국 등록특허 제10-1336906호(2013년11월28일 등록)의 선행 기술을 제안한 바 있다.

상기 선행 기술은 잔류 공기에 의한 기공을 방지하고 전체적으로 균일한 조직을 이루며, 금속 소재로 이뤄진 임펠러에 비해 무게가 가벼우므로 장기간 사용에 의한 임펠러 지지부의 마모 및 진동 발생 등을 근본적으로 방지한다는 장점이 있다.

그런데, 상기 구조복합재를 이용한 펌프용 임펠러의 경우, 임펠러 전체가 구조복합재로 이뤄지므로, 강한 수압 및 회전력으로 인하여 국부적 균열 또는 파괴의 위험성이 높은 부위(예, 임펠러의 구동축 부위) 등에 대한 개선이 요망되었다.

대한민국 등록특허 제10-1336906호(2013년11월28일 등록)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 섬유, 원단 등의 소재로 이뤄진 구조재가 임펠러의 단면을 이루는 형상을 가지도록 미리 절단되어 형성된 구조재 요소를 금형 내에 다수 겹으로 적층시키고, 적층된 구조재 요소에 수지를 주입 또는 도포하여 건조한 구조복합재 형성 방식으로 임펠러를 제조하되, 금속제의 중공형 결합축이 구동부 측 구조재 요소의 중앙부에 삽입된 형태로 적층되도록 함으로써, 균일한 조직을 이루면서도 임펠러의 구동시 구동축 부근의 내구성을 강화하도록 한 펌프용 구조복합재 임펠러 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 제1 원판 상에 다수의 블레이드가 방사형으로 배치되고, 그 반대측으로 제2 원판이 일체로 결합된 형상으로 구성되며, 제1 원판의 중앙부에는 유체 유입을 위한 개구부가 형성되고, 제2 원판의 중앙부에는 구동축과 결합되기 위한 구동부가 형성된 펌프용 임펠러의 제조방법으로서, 섬유 또는 원단으로 이뤄진 구조재를 상기 제1 원판 또는 블레이드, 제2 원판의 단면을 이루는 형상을 가지도록 절단하여 구조재 요소를 준비하는 단계; 금속제의 중공형 결합축을 준비하는 단계; 결합 상태를 기준으로 상기 임펠러의 외형과 동일한 형태의 캐비티를 갖는 제1 금형 및 제2 금형 내에, 블레이드 금형을 개재하여 상기 각 구조재 요소를 임펠러 형상을 이루도록 적층하되, 금속제의 중공형 결합축이 상기 제2 원판을 이루는 구조재 요소의 중앙부에 삽입된 형태로 적층하여 상기 구동부를 이루도록 하며, 각 구조재 요소에 결합용 액상 수지가 함침되도록 하는 단계; 및 상기 제1 금형과 제2 금형 내에 적층된 구조재 요소가 상호 결합 및 경화되도록 자연 또는 강제 냉각시킨 후, 각 금형을 분리하여 상기 구조재 요소가 경화되어 이루어진 임펠러를 탈거하는 단계;를 포함하여 구성된 펌프용 구조복합재 임펠러 제조방법이 개시된다.

바람직하게, 상기 금속제의 중공형 결합축의 외측면에는 적어도 하나 이상의 결합 보강용 홈이 형성되고, 상기 제2 원판을 이루는 구조재 요소 중 일부는 상기 결합 보강용 홈에 삽입가능하도록 돌출 형성된 돌출부를 더 포함하여, 상기 금속제의 중공형 결합축이 제2 원판을 이루는 구조재 요소의 중앙부에 삽입된 형태로 적층시 상기 돌출부가 상기 결합 보강용 홈에 삽입되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 결합용 액상 수지는 각 구조재 요소의 적층 시마다 도포가 이뤄지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 제1 금형 또는 제2 금형 중 어느 하나에는 상기 임펠러의 개구부를 형성하기 위한 봉 형상의 금형이 일체로 또는 조립 가능한 형태로 더욱 구비된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 구조재는 면, 마, 카본 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 중의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 구조재 요소를 순차적으로 적층시, 인접 적층되는 구조재 요소의 섬유 직조 방향이 상호 동일하지 않은 방향이 되도록 적층하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일측면에 따르면, 중앙부에 유체 유입을 위한 개구부가 형성된 제1 원판; 중앙부에 구동축과 결합되기 위한 구동부가 형성되며, 제1 원판과 간극을 두고 마주보는 형태로 배치된 제2 원판; 및 제1 원판(201)과 제2 원판(401) 간의 간극 내부에 방사상으로 배치되는 다수의 블레이드(301);를 포함하여 구성되며, 상기 제1 원판 또는 블레이드, 제2 원판의 단면을 이루는 형상을 가지며 섬유 또는 원단으로 이뤄진 각각의 구조재 요소가 결합용 액상 수지가 함침된 상태로 적층되어 임펠러 형상을 이루고, 금속제의 중공형 결합축이 중앙부에 삽입된 형태로 상기 제2 원판을 이루는 구조재 요소가 적층되어 상기 구동부를 이루도록 구성된 것을 특징으로 하는 펌프용 구조복합재 임펠러가 개시된다.

바람직하게, 상기 금속제의 중공형 결합축의 외측면에는 적어도 하나 이상의 결합 보강용 홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 결합 보강용 홈은, 금속제의 중공형 결합축의 외주연을 따라 형성된 원주 방향 홈 및 금속제의 중공형 결합축의 길이 방향을 따라 형성된 길이 방향 홈 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 제2 원판을 이루는 구조재 요소 중 일부는 상기 결합 보강용 홈에 삽입가능하도록 돌출 형성된 돌출부를 포함하여 이뤄지는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명은, 잔류 공기에 의한 기공을 방지하고 전체적으로 균일한 조직을 이루며, 금속 소재로 이뤄진 임펠러에 비해 무게가 가벼우므로 장기간 사용에 의한 임펠러 지지부의 마모 및 진동 등의 발생을 근본적으로 방지하는 장점이 있다.

특히, 본 발명은, 구동축이 삽입되는 구동부에 금속제의 중공형 결합축을 이용함으로써 구동부 주변으로 발생될 수 있는 균열 또는 파괴를 방지할 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 발명은 결합 보강용 홈에 일부 구조재 요소의 돌출부가 삽입되어 금속제의 중공형 결합축과 구조재 요소가 견고히 결합될 수 있으므로, 중공형 결합축과 구조재 요소간의 결합이 잘 유지되고, 강한 회전력 등의 외부 압력에 의해 서로 분리되지 않는다는 장점이 있다.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러 제조방법에 사용되는 구조재 요소의 일예를 나타낸 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러 제조방법에 사용되는 구조재 요소의 다른 예를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러 제조방법에 사용되는 금형과 구조재 요소의 적층 상태의 일예를 나타낸 분리 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러 제조방법에서 상하부 금형을 가압하여 임펠러를 가압 형성하는 과정을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러 제조방법에서 상하부 금형이 가압한 상태에서의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 중공형 결합축의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러의 구동부의 횡단면도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러 제조방법에 의해 제조된 임펠러의 시제품 사진이다.

본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러 제조방법에 사용되는 구조재 요소의 일예를 나타낸 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 중공형 결합축의 사시도이다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러의 사시도이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러의 구동부의 횡단면도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 펌프용 구조복합재 임펠러는, 제1 원판(201) 상에 다수의 블레이드(301)가 방사형으로 배치되고, 그 반대측으로 제2 원판(401)이 일체로 결합된 형상으로 구성되며, 제1 원판(201)의 중앙부에는 유체 유입을 위한 개구부(2000)가 형성되고, 제2 원판(401)의 중앙부에는 모터 등의 구동축과 결합되기 위한 구동부(1000)가 형성된 구조를 갖는다.

본 실시예에서는 상기 제1 원판(201)이 중앙부에 유체 유입을 위한 개구부(2000)가 형성된 슈라우드(Shroud) 판이 되고, 제2 원판(401)이 중앙부에 구동축과 결합되기 위한 구동부(1000)가 형성된 몸체 판이 되는 경우를 예시 설명한다.

상기 제1 원판(201)은 중앙부에 유체 유입을 위한 개구부(2000)가 형성된다.

상기 제2 원판(401)은 중앙부에 구동축과 결합되기 위한 구동부(1000)가 형성되며, 제1 원판(201)과 간극을 두고 마주보는 형태로 배치된다.

상기 다수의 블레이드(301)는 상기 제1 원판(201)과 제2 원판(401) 간의 간극 내부에 방사상으로 배치된다. 블레이드(301)는 유체 가압 특성을 고려하여 적절한 곡률로 만곡 형성될 수 있다.

상기 제1 원판(201) 또는 블레이드(301), 제2 원판(401)의 형성 및 결합에 따른 펌프용 임펠러는 구조재 요소(10,20,30,40,50)의 적층 및 결합용 액상 수지의 함침 과정을 거쳐 형성될 수 있다.

상기 구조재 요소(10,20,30,40,50)는 일예로, 도 1a에 도시된 바와 같이, 섬유 또는 원단으로 이뤄진 구조재를 상기 제1 원판(201) 또는 블레이드(301), 제2 원판(401)의 단면을 이루는 형상을 가지도록 절단하여 형성될 수 있다.

본 발명의 상기 '단면을 이루는 형상'은 일예로, 1) 그 자체로서 단면 형상을 나타내는 것으로 이해될 수 있으며, 다른 예로, 2) 단면의 일부를 구성하는 형상을 나타내는 것으로 이해될 수 있다. 즉, 일부 구조재 요소(예를 들어 최외곽층의 구조재 요소)는 금형 형상에 따라 약간의 굴곡, 절곡, 만곡된 형상을 가질 수 있으므로, 단면의 일부를 구성할 수도 있다. 또 다른 예로, 3) 단면 형상을 갖도록 절단된 구조재 요소를 일부 요소로 더욱 분할, 분리하고, 이를 교차 적층하여 원판 등을 형성하는 분할 형상 개념으로 이해될 수도 있다.

도 1a를 참조할 때, 하부측에서 상부측으로, 슈라우드 판 형성을 위한 구조재 요소(10,20)와, 블레이드(301) 형성을 위한 구조재 요소(30)와, 몸체 판 형성을 위한 구조재 요소(40,50)가 각 낱장 단위 형태로 순차적으로 예시되어 있다. 슈라우드 판 형성을 위한 구조재 요소(10,20)에는 유체 유입을 위한 개구부(2000) 형성을 위하여 중앙부에 각각의 관통홀(10a,20a)이 형성된다. 몸체 판 형성을 위한 구조재 요소(40,50)에는, 구동축과 결합되기 위한 구동부(1000)의 형성을 위해, 상기 중공형 결합축(1400)이 삽입될 수 있는 또 다른 관통홀(40a,50a)이 중앙부에 형성된다. 상기 중공형 결합축(1400)에는 구동축과의 결합을 위한 키홈(부호 미도시)이 포함되어 구성될 수 있다. 상기 구조재 요소(10,20,30,40,50)의 절단 형태는 제조하고자 하는 임펠러의 형상에 따라 적절하게 변형 구성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 상기 제2 원판(401)은 금속제의 중공형 결합축(1400)이 중앙부에 삽입된 형태로 상기 제2 원판(401)을 이루는 구조재 요소(40,50)가 적층되어 상기 구동부(1000)를 이루도록 구성된다.

일예로, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 금속제의 중공형 결합축(1400)의 외측면에는 적어도 하나 이상의 결합 보강용 홈(1402,1404)이 형성된다.

본 실시예의 상기 결합 보강용 홈(1402,1404)은, 금속제의 중공형 결합축(1400)의 외주연을 따라 형성된 원주 방향 홈(1402) 및 금속제의 중공형 결합축(1400)의 길이 방향을 따라 형성된 길이 방향 홈(1404) 중 적어도 어느 하나를 포함한다.

도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러 제조방법에 사용되는 구조재 요소의 다른 예를 나타낸 사시도이다.

본 실시예의 상기 제2 원판(401)을 이루는 구조재 요소(40,50) 중 일부는 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 결합 보강용 홈(1402,1404)에 삽입가능하도록 돌출 형성된 돌출부(42,52)를 포함하여 이뤄진다.

즉, 상기 제2 원판(401)을 이루는 구조재 요소(40,50)는 일예로, 중앙부의 관통홀의 중심으로 돌출 형성된 돌출부(42,52)를 포함하여 구성될 수 있고, 다른 예로, 돌출부 없이 원형의 관통홀만을 갖도록 구성될 수도 있다.

상기 돌출부(42,52)는 일예로, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 길이 방향 홈(1404)에 삽입되도록 형성될 수 있으며, 다른 예로, 상기 원주 방향 홈(1402)에 삽입되도록 형성될 수 있다.

상기 돌출부가 형성되지 않은 구조재 요소의 경우에도 상기 금속제의 중공형 결합축(1400)에 형성된 원주 방향 홈(1402)에 삽입될 수 있으며, 이러한 구조재 요소는 상기 금속제의 중공형 결합축(1400)에 약간의 탄성 변형을 통해 억지 삽입된 후, 원주 방향 홈(1402)과 금속제의 중공형 결합축(1400)의 몸체 사이의 단턱에 의해 걸림 결합된 상태를 갖게되므로, 적층을 견고하고 정확하게 이뤄질 수 있도록 한다.

상기 돌출부(42,52)가 상기 결합 보강용 홈(1402,1404)에 삽입됨으로써, 결합용 액상 수지의 함침과정을 통해 구조재 요소가 임펠러를 형성할 때, 제2 원판(401)을 이루는 구조재 요소(40,50)가 중공형 결합축(1400)에 견고히 결합될 수 있으며, 임펠러의 강한 회전 및 유체의 흐름에 따른 압력에 의해 구동축에 외력이 가해지는 경우 상기 중공형 결합축(1400)과 구조재 요소(40,50) 간의 균열 및 분리가 발생되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 펌프용 구조복합재 임펠러는 각 구조재 요소(10,20,30,40,50)를 임펠러 형상을 이루도록 금형 내에 적층할 때, 결합용 액상 수지를 도포 방식으로 구조재 요소(10,20,30,40,50)에 함침하여 이뤄질 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러 제조방법에 사용되는 금형과 구조재 요소의 적층 상태의 일예를 나타낸 분리 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러 제조방법에서 상하부 금형을 가압하여 임펠러를 가압 형성하는 과정을 나타낸 사시도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러 제조방법에서 상하부 금형이 가압한 상태에서의 단면도이다.

우선, 섬유 또는 원단으로 이뤄진 구조재를 상기 제1 원판(201) 또는 블레이드(301), 제2 원판(401)의 단면을 이루는 형상을 가지도록 절단하여 구조재 요소(10,20,30,40,50)를 준비한다(S10).

구조재 요소(10,20,30,40,50)의 절단 상태는 도 1a를 참조하여 상술한 바 있으므로, 중복 설명을 생략한다.

상기 구조재는 결합용 액상 수지의 함침 및 경화 후의 최종 임펠러 제품 특성, 최종 임펠러 제품에 요구되는 내산성, 내해수성 등을 고려하여 선정될 수 있는데, 인장강도 및 인장탄성율, 내부식성, 경량성 등의 주요 특성을 고려할 때, 면, 마, 카본 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 중의 어느 하나인 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 이들 소재를 혼용하는 것도 배제하지 않는다.

예를 들어, 내산성 임펠러를 제조하는 경우에는, 산성에 강한 카본 섬유(단일), 유리 섬유(단일)를 사용하거나, 카본 섬유와 유리 섬유 혼용, 카본 섬유와 유리 섬유와 아라미드 섬유의 혼용 등, 2가지 이상의 복합 재료를 혼용할 수도 있다.

또 다른 예로서, 내해수성 임펠러를 제조하는 경우에는, 내해수성이 좋은 카본 섬유(단일), 유리 섬유(단일)를 사용하거나, 카본 섬유와 유리 섬유 혼용, 카본 섬유와 유리 섬유와 아라미드 섬유의 혼용 등, 2가지 이상의 복합 재료를 혼용할 수도 있다.

다음으로, 금속제의 중공형 결합축(1400)을 준비한다(S20).

일예로, 본 실시예에 따른 상기 금속제의 중공형 결합축(1400)은 봉형 또는 중공형 강재를 NC 머신 등에 의해 가공 제작하여 수득될 수 있다.

다음으로, 결합 상태를 기준으로 상기 임펠러의 외형과 동일한 형태의 캐비티를 갖는 제1 금형(100) 및 제2 금형(200) 내에, 블레이드 금형(300)을 개재하여 상기 각 구조재 요소(10,20,30,40,50)를 임펠러 형상을 이루도록 적층한다(S30).

본 실시예에 따른 적층 단계(S30)는 4 개의 소단계(S31, S32, S33, S34)로 구분될 수 있다.

우선 제1 원판(201)의 외형과 동일한 형태의 캐비티(120,130)를 갖는 제1 금형(100)에 제1 원판(201)의 단면을 이루는 형상을 가지도록 절단된 구조재 요소(10,20)를 제1 원판(201)의 두께를 이루도록 한 장씩 순차적으로 적층하고, 적층 시 결합용 액상 수지를 도포한다(S31). 도포는 다양한 공지의 도포 방식이 적용될 수 있으며, 예를 들어, 액상 수지를 구조재 요소의 각 면에 붓으로써 도포하거나, 스프레이로 도포할 수 있다.

상기 결합용 액상 수지는 구조재 요소에 대한 적절한 함침이 이뤄지도록 적절한 점도 특성 및 경화 후의 최종 임펠러 제품의 경도, 내산성 등의 특성을 고려하여 선정될 수 있는데, 이러한 특성들을 고려할 때, 에폭시, 비닐에스테르, 폴리에스테르, 페놀, 폴리우레아 중의 어느 하나인 것이 바람직하다. 상기 각 액상 수지는 점도 특성을 고려하여 희석재가 첨가되거나, 경화 특성 향상을 위해서 경화재가 첨가되는 등 수지 특성에 맞춘 적절한 공지의 첨가재가 필요에 따라 첨가될 수도 있다.

예를 들어, 액상 수지의 종류에 따라, 1:1, 2:1, 100:1, 100:0.1 등의 배합 비율로 경화재를 혼합하여 사용할 수 있다. 액상 수지의 주재와 경화재가 따로 있을 때에는 안정적인 상태가 유지되지만, 주재와 경화재가 혼합되면 그때부터 온도, 습도, 시간 등에 영향을 받아 빠르게 경화가 진행되므로, 경화재 혼합 이후에는 작업을 신속하게 진행하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 내산성 임펠러를 제조하는 경우에는, 비닐에스테르 또는 폴리에스테르, 페놀 등의 액상 수지가 사용될 수 있다.

또 다른 예로서, 내해수성 임펠러를 제조하는 경우에는, 에폭시, 비닐에스테르, 폴리에스테르, 페놀, 폴리우레아 등의 액상 수지가 사용될 수 있다.

다음으로, 상기 제1 금형(100) 내에 적층된 구조재 요소(10,20) 상에 블레이드 금형(300)을 배열 설치하고, 각 블레이드 금형(300) 사이에 블레이드의 단면을 이루는 형상을 가지도록 절단된 상기 구조재 요소(30)를 블레이드의 두께를 이루도록 한 장씩 순차적으로 적층하되, 적층 시 결합용 액상 수지를 도포한다(S32).

한편, 상기 제1 금형(100) 또는 제2 금형(200) 내에는 상기 임펠러의 개구부(2000) 또는 구동부(1000)를 형성하기 위한 봉 형상의 금형(400)이 제1 금형(100) 또는 제2 금형(200) 내에 일체로 또는 조립 가능한 형태로 더욱 구비되는 것이 바람직하다. 본 실시예의 경우, 제1 금형(100)에 해당하는 하부 금형이 슈라우드 판 형성을 위한 금형이 되므로, 제1 금형(100)에 임펠러의 개구부(2000)를 형성하기 위한 봉 형상의 금형(400)이 삽입식으로 조립 가능한 형태로 구비된다.

본 실시예에서 미설명된 도면부호 110은 제1 금형(100)에 형성되어 상기 봉 형상의 금형(400)이 삽입 고정되는 캐비티를 나타낸다.

다음으로, 제2 원판(401)의 외형과 동일한 형태의 캐비티(230,220)를 갖는 제2 금형(200)에 제2 원판(401)의 단면 형상으로 절단한 상기 구조재 요소(40,50)를 제2 원판(401)의 두께를 이루도록 한 장씩 순차적으로 적층하되, 적층 시 결합용 액상 수지를 도포한다(S33).

이때, 금속제의 중공형 결합축(1400)이 상기 제2 원판(401)을 이루는 구조재 요소(40,50)의 중앙부에 삽입된 형태로 적층하여 상기 구동부(1000)를 이루도록 한다.

본 실시예의 상기 금속제의 중공형 결합축(1400)의 외측면에는 전술한 바와 같이, 적어도 하나 이상의 결합 보강용 홈(1402,1404)이 형성되고, 상기 제2 원판(401)을 이루는 구조재 요소(40,50) 중 일부는 상기 결합 보강용 홈(1402,1404)에 삽입가능하도록 돌출 형성된 돌출부(42,52)를 더 포함한다.

상기 중공형 결합축(1400)이 제2 원판(401)을 이루는 구조재 요소(40,50)의 중앙부에 삽입된 형태로 적층시, 상기 돌출부(42,52)가 상기 결합 보강용 홈(1402,1404)에 삽입되도록 함으로써 돌출부가 접히면서 적층되는 것을 방지한다.

상기 각 구조재 요소(10,20,30,40,50)의 적층 시, 각 구조재 요소에 결합용 액상 수지가 도포 등으로 인해 함침되도록 한다. 이때, 각 구조재 요소의 적층 시마다 상기 결합용 액상 수지의 도포가 이뤄지도록 구조재 요소를 한 장씩 적층하면서 도포하는 것이 바람직하나, 작업 시간 향상 등을 고려하여 도포에 의한 액상 수지의 함침이 적절하게 이뤄질 수 있다면, 2 장 이상의 소정 장수를 한번에 적층하는 것도 배제하지 않는다.

한편, 상기 제1 금형(100) 또는 제2 금형(200) 내에 구조재 요소(10,20,30,40,50)를 한 장씩 순차적으로 적층할 때, 인접 적층되는 구조재 요소의 섬유 직조 방향이 상호 동일하지 않은 방향이 되도록 적층하는 것이 바람직하다. 이러한 적층 구조를 갖는 경우, 임펠러를 이루는 복합 구조재의 섬유상 조직이 특정 방향성을 갖지 않게 되므로, 더욱 양호한 기계적 특성을 가질 수 있게 된다.

다음으로, 상기 제1 금형(100)과 제2 금형(200) 내에 적층된 구조재 요소(10,20,30,40,50)가 서로 마주하여 접하도록 상기 제1 금형(100)과 제2 금형(200)을 상호 맞대어 결합하고 가압한다(S34).

상기 제1 금형(100) 및/또는 제2 금형(200) 내에는 제1 금형(100) 및/또는 제2 금형(200)의 가압 체결 후, 액상 수지(가열 경화의 특성을 갖는 액상 수지의 경우)의 경화를 위해 가열하는 기능을 제공하는 열선(140)을 더 포함하여 이뤄질 수 있다.

또한 상기 제1 금형(100) 및/또는 제2 금형(200) 중 적어도 어느 하나에는, 상기 가압 시, 캐비티 공간을 초과하는 결합용 액상 수지가 가압 배출되도록 하는 수지 배출공(210)이 더 구비될 수 있다. 상기 금형의 가압 전에 제1 금형(100) 또는 제2 금형(200)에 적층된 구조재 요소의 전체 두께는 제1 금형(100) 또는 제2 금형(200)의 캐비티가 이루는 높이보다 크게 형성될 수 있으며, 상기 수지 배출공(210)을 통해 캐비티 공간을 초과하는 결합용 액상 수지를 가압 배출함으로써 액상 수지가 과도한 가압 상태가 되는 것을 방지할 수 있다.

상기 각 구조재 요소를 적층하는 단계가 끝나면, 상기 제1 금형(100)과 제2 금형(200) 내에 적층된 구조재 요소가 상호 결합 및 경화되도록 자연 또는 강제 냉각시킨다(S40). 자연 또는 강제 냉각 시간이나 온도는 액상 수지의 특성이나 가열 여부에 따라 적절한 조건을 적용한다.

이후, 각 금형(100,200,300)을 분리하여 상기 구조재 요소(10,20,30,40,50)가 경화되어 이루어진 임펠러를 탈거함으로써, 펌프용 구조복합재 임펠러의 제조를 완료한다(S50).

본 실시예에 따른 펌프용 임펠러 제조방법에 의해 제조된 임펠러는 도 5에 도시된 바와 같이, 중앙부에 유체 유입을 위한 개구부(2000)가 형성된 슈라우드 판(201)이 형성되고, 금속제 중공형 결합축(1400)에 의해 중앙부에 구동축과 결합되기 위한 구동부(1000)가 형성된 몸체 판(401)이 형성되며, 내부에 다수의 블레이드(301)가 형성된다. 미설명된 도면부호 3000은 블레이드(301)에 의해 가압된 유체가 배출되는 배출구를 나타낸다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 펌프용 임펠러 제조방법에 의해 제조된 임펠러의 시제품 사진이며, 금속제 중공형 결합축(1400)이 제2 원판(401)에 일체로 결합 형성되는 것을 확인할 수 있다. 도 5와 구조가 동일하므로 구성에 관한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 일실시예에 따른 펌프용 구조복합재 임펠러 제조방법에서는, 전술한 바와 같이, 결합용 액상 수지를 도포 방식으로 구조재 요소에 함침하고 상하부 금형을 가압하는 방식으로 설명하였으나, 진공압 방식으로 결합용 액상 수지를 구조재 요소에 함침하는 방식도 가능하다.

상기 진공압 방식에 의한 실시예 및 본 발명의 일실시예에 따른 펌프용 구조복합재 임펠러 제조방법에 관한 상세한 내용(중공형 결합축의 결합에 관한 부분 제외)에 관하여는 본 출원인에 의한 등록특허 제10-1336906호에 상술되어 있는 바 자세한 설명은 생략한다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.

100: 제1 금형
200: 제2 금형
300: 블레이드 금형
1400: 중공형 결합축
10,20,30,40,50: 구조재 요소

Claims (10)

1. 제1 원판 상에 다수의 블레이드가 방사형으로 배치되고, 그 반대측으로 제2 원판이 일체로 결합된 형상으로 구성되며, 제1 원판의 중앙부에는 유체 유입을 위한 개구부가 형성되고, 제2 원판의 중앙부에는 구동축과 결합되기 위한 구동부가 형성된 펌프용 임펠러의 제조방법으로서,
   섬유 또는 원단으로 이뤄진 구조재를 상기 제1 원판 또는 블레이드, 제2 원판의 단면을 이루는 형상을 가지도록 절단하여 구조재 요소를 준비하는 단계;
   금속제의 중공형 결합축을 준비하는 단계;
   결합 상태를 기준으로 상기 임펠러의 외형과 동일한 형태의 캐비티를 갖는 제1 금형 및 제2 금형 내에, 블레이드 금형을 개재하여 상기 각 구조재 요소를 임펠러 형상을 이루도록 적층하되, 금속제의 중공형 결합축이 상기 제2 원판을 이루는 구조재 요소의 중앙부에 삽입된 형태로 적층하여 상기 구동부를 이루도록 하며, 각 구조재 요소에 결합용 액상 수지가 함침되도록 하는 단계; 및
   상기 제1 금형과 제2 금형 내에 적층된 구조재 요소가 상호 결합 및 경화되도록 자연 또는 강제 냉각시킨 후, 각 금형을 분리하여 상기 구조재 요소가 경화되어 이루어진 임펠러를 탈거하는 단계;를 포함하여 구성된 펌프용 구조복합재 임펠러 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 금속제의 중공형 결합축의 외측면에는 적어도 하나 이상의 결합 보강용 홈이 형성되고,
   상기 제2 원판을 이루는 구조재 요소 중 일부는 상기 결합 보강용 홈에 삽입가능하도록 돌출 형성된 돌출부를 더 포함하여,
   상기 중공형 결합축이 제2 원판을 이루는 구조재 요소의 중앙부에 삽입된 형태로 적층시 상기 돌출부가 상기 결합 보강용 홈에 삽입되는 것을 특징으로 하는 펌프용 구조복합재 임펠러 제조방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 결합용 액상 수지는 각 구조재 요소의 적층 시마다 도포가 이뤄지는 것을 특징으로 하는 펌프용 구조복합재 임펠러 제조방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   제1 금형 또는 제2 금형 중 어느 하나에는 상기 임펠러의 개구부를 형성하기 위한 봉 형상의 금형이 일체로 또는 조립 가능한 형태로 더욱 구비된 것을 특징으로 하는 펌프용 구조복합재 임펠러 제조방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 구조재는 면, 마, 카본 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 펌프용 구조복합재 임펠러 제조방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 구조재 요소를 순차적으로 적층시, 인접 적층되는 구조재 요소의 섬유 직조 방향이 상호 동일하지 않은 방향이 되도록 적층하는 것을 특징으로 하는 펌프용 구조복합재 임펠러 제조방법.
   
7. 중앙부에 유체 유입을 위한 개구부가 형성된 제1 원판;
   중앙부에 구동축과 결합되기 위한 구동부가 형성되며, 제1 원판과 간극을 두고 마주보는 형태로 배치된 제2 원판; 및
   제1 원판과 제2 원판 간의 간극 내부에 방사상으로 배치되는 다수의 블레이드;를 포함하여 구성되며,
   상기 제1 원판 또는 블레이드, 제2 원판의 단면을 이루는 형상을 가지며 섬유 또는 원단으로 이뤄진 각각의 구조재 요소가 결합용 액상 수지가 함침된 상태로 적층되어 임펠러 형상을 이루고,
   금속제의 중공형 결합축이 중앙부에 삽입된 형태로 상기 제2 원판을 이루는 구조재 요소가 적층되어 상기 구동부를 이루도록 구성된 것을 특징으로 하는 펌프용 구조복합재 임펠러.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 금속제의 중공형 결합축의 외측면에는 적어도 하나 이상의 결합 보강용 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 펌프용 구조복합재 임펠러.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 결합 보강용 홈은,
   금속제의 중공형 결합축의 외주연을 따라 형성된 원주 방향 홈 및
   금속제의 중공형 결합축의 길이 방향을 따라 형성된 길이 방향 홈 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프용 구조복합재 임펠러.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 원판을 이루는 구조재 요소 중 일부는 상기 결합 보강용 홈에 삽입가능하도록 돌출 형성된 돌출부를 포함하여 이뤄지는 것을 특징으로 하는 펌프용 구조복합재 임펠러.
    

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