KR101572913B1 - 탄소-탄소 복합재 라이너 링이 장착된 펌프 - Google Patents

탄소-탄소 복합재 라이너 링이 장착된 펌프 Download PDF

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백대준
김보옥
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(유)한성산기
백대준
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Abstract

본 발명에 따른 탄소-탄소 복합재 라이너 링이 장착된 펌프는,
펌프의 케이싱의 내주면에 삽입되거나 펌프의 임펠러의 외주면에 삽입되도록 링 형상으로 가공하여 형성된 섬유층; 및 상기 섬유층의 기공이 탄소로 메워져 형성된 탄소매트릭스;로 구성되며,
상기 섬유층은,
탄소섬유직물들과 그 사이에 탄소섬유웹을 적층하고, 적층 방향(수직 방향)으로 니들펀칭(Needle Punching)한 후, 펌프의 케이싱의 내주면에 삽입되거나 펌프의 임펠러의 외주면에 삽입되도록 링 형상으로 가공하여 형성된 탄소-탄소 복합재 라이너 링이 장착된다.

Description

탄소-탄소 복합재 라이너 링이 장착된 펌프{PUMP EQUIPPED WITH LINER RING FORMED BY CARBON-CARBON COMPOSITE}
본 발명은 라이너 링이 장착된 펌프에 관한 것으로, 횡축 원심 펌프, 횡축 사류 펌프, 횡축 축류 펌프, 입축 원심 펌프, 입축 사류 펌프, 입축 축류 펌프, 수중 원심 펌프, 수중 사류 펌프, 수중 축류 펌프, 수중 프로펠러 펌프, 게이트 펌프 (이하, "펌프"라 약칭한다)에 적용되어 액체누설을 줄여, 펌프의 효율 저하를 방지하는 탄소-탄소 복합재 라이너 링이 장착된 펌프에 관한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 편 흡입 펌프는, 제1케이싱(1a), 제2케이싱(1b), 임펠러(2), 제1-1 라이너 링(4a), 제1-2 라이너 링(4b), 제2-1 라이너 링(5a), 제2-2 라이너 링(5b), 모터축(3), 모터(미도시)로 구성된다.
임펠러(2)는 제1케이싱(1a)와 제2케이싱(1b)가 형성하는 내부공간에 위치된다.
임펠러(2)는 모터(미도시)의 축(3)에 연결된다.
임펠러(2)가 회전하면, A 방향(축방향)으로 액체가 흡입되어, 원심력에 의해 B 방향(원주방향)으로 액체가 토출된다.
제1-1 라이너 링(4a)은 제1케이싱(1a)의 내주면에 삽입된다.
제1-2 라이너 링(4b)은 제2케이싱(1b)의 내주면에 삽입된다.
제2-1 라이너 링(5a)은 제1-1 라이너 링(4a)과 일정 간격(D) 떨어져 마주보며, 임펠러(2)의 좌측 외주면에 삽입된다.
제2-2 라이너 링(5b)은 제1-2 라이너 링(4b)과 일정 간격(D) 떨어져 마주보며, 임펠러(2)의 우측 외주면에 삽입된다.
이하, 제1케이싱(1a)와 제2케이싱(1b)를 "케이싱"라 통칭하고, 제1-1 라이너 링(4a)과 제1-2 라이너 링(4b)을 "케이싱 라이너 링"이라 통칭하고, 제2-1 라이너 링(5a)과 제2-2 라이너 링(5b)을 "임펠러 라이너 링"이라 통칭한다.
일반적으로, 케이싱 라이너 링과 임펠러 라이너 링 사이 틈새에서 누설손실이 발생한다. 누설손실을 최대한 줄이기 위해서, 청동으로 라이너 링을 정밀하게 가공하여, 케이싱의 내주면과 임펠러의 각각 삽입하여, 케이싱 라이너 링과 임펠러 라이너 링 사이 간격(D)을 펌프 구경에 따라 0.23~1.65 mm 로 유지시킨다.
이러한 케이싱 라이너 링(4)과 임펠러 라이너 링(5)은, 도 2에 도시된 양쪽 흡입 펌프, 도 3에 도시된 입축 펌프, 도 4에 도시된 수중 축류 펌프, 도 5에 도시된 수중 사류 펌프에도 적용되어, 케이싱 라이너 링(4)과 임펠러 라이너(5) 링 사이 간격(D)을 펌프 구경에 따라 0.23~1.65 mm 로 유지시킨다.
이렇게 케이싱 라이너 링과 임펠러 라이너 링은, 둘 사이 간격(D)을 최소로 유지시킴으로써, 액체누설을 줄여 펌프의 효율 저하를 방지한다.
그러나, 펌프를 이물질(모래, 흙 등)이 포함된 탁수(濁水)(관개용수, 배수, 빗물, 오수 등)를 펌핑하는 데 사용할 경우, 청동으로 만든 케이싱 라이너 링 및 임펠러 라이너 링은 이물질과 마찰되어, 빠른 속도로 마모된다. 이로 인해, 케이싱 라이너 링과 임펠러 라이너 링 사이 간격이 점점 벌어져, 누설손실이 커져 펌프의 효율이 급격히 저하된다.
한편, 한국공개특허(10-2004-0089076)에는, 라이너 링을 청동이 아닌 탄소 섬유 강화플라스틱으로 만드는 기술을 개시하고 있다. 탄소강화플라스틱 라이너 링은 이물질이 없는 석유류, 물, 알칼리 수용액에서 좋은 성능을 보였다. 하지만, 이물질이 포함된 탁수를 펌핑한 결과, 수지매트릭스 부분이 떨어져 나가고, 그 떨어진 부분에서 탄소섬유가 보푸라기처럼 날리는 현상이 발생하였다. 이로 인해, 케이싱 라이너 링과 임펠러 라이너 링 사이 간격이 점점 벌어져, 누설손실이 커져 펌프의 효율이 급격히 저하되었다.
대한민국 공개특허 10-2004-0089076
본 발명의 목적은, 이물질(모래, 진흙 등)이 많은 들어 있는 탁수(濁水)를 펌핑하여도, 그 마모도가 청동이나 탄소 섬유 강화플라스틱으로 만든 라이너 링보다 현저히 작은 탄소-탄소 복합재 라이너 링이 장착된 펌프를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 탄소-탄소 복합재 라이너 링이 장착된 펌프는,
펌프의 케이싱의 내주면에 삽입되거나 펌프의 임펠러의 외주면에 삽입되도록 링 형상으로 가공하여 형성된 섬유층; 및
상기 섬유층의 기공을 탄소로 메워 형성된 탄소매트릭스;로 구성된 탄소-탄소 복합재 라이너 링을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에는, 이물질(모래, 진흙 등)이 많은 들어있는 탁수(濁水)를 펌핑하여도, 그 마모도가 청동이나 탄소 섬유 강화플라스틱으로 만든 라이너 링보다 현저히 작은 탄소-탄소 복합재 라이너 링이 장착된다.
따라서, 펌프가 이물질이 들어 있는 탁수를 오랜 시간 펌핑 하여도, 케이싱 라이너 링과 임펠러 라이너 링 사이 간격이, 펌프 구경에 따라 최소 간격 0.381~1.787 mm로 유지되어, 액체누설로 인한 펌프의 효율 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 편 흡입 펌프를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 양쪽 흡입 펌프를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 입축 펌프를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 수중 축류 펌프를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 수중 사류 펌프를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 펌프에 장착된 탄소-탄소 복합재 라이너 링을 나타낸 도면으로, 도 6(a)은 케이싱 내주면에 삽입된 탄소-탄소 복합재 라이너 링을 나타낸 도면이고, 도 6(b)은 임펠러 외주면에 삽입된 탄소-탄소 복합재 라이너 링을 나타낸 도면이고, 도 6(c)은 도 6(a),(b)에 도시된 탄소-탄소 복합재 라이너 링 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 펌프에 장착된 탄소-탄소 복합재 라이너 링을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 펌프에 장착된 탄소-탄소 복합재 라이너 링을 나타낸 도면이다.
도 9는 탄소-탄소 복합재 디스크와 청동 디스크에 대한 마모시험을 하기 위한 준비 상태를 찍은 사진으로, 도 9(a)는 청동 디스크를 탁수에 담근 상태를 찍은 사진이고, 도 9(b)는 탄소-탄소 복합재 디스크를 탁수에 담근 상태를 찍은 사진이다.
도 10은 탄소-탄소 복합재 디스크 및 청동 디스크의 마모시험 조건을 나타낸 표이다.
도 11은 탄소-탄소 복합재 디스크 및 청동 디스크의 마찰계수 변화를 비교한 그래프이다.
도 12는 탄소-탄소 복합재 디스크 및 청동 디스크의 마찰계수 변화를 비교한 표이다.
도 13은 탄소-탄소 복합재 디스크 및 청동 디스크의 마모 흔적을 비교한 사진이다.
도 14는 탄소-탄소 복합재 디스크 및 청동 디스크의 마모량을 비교한 표이다.
이하, 본 발명 제1실시예에 따른 탄소-탄소 복합재 라이너 링이 장착된 펌프를 자세히 설명한다. 본 발명의 요지는 탄소-탄소 복합재 라이너 링(10)에 있으므로, 탄소-탄소 복합재 라이너 링(10)에 대해서만 중점적으로 설명한다.
도 6(a)에 도시된 바와 같이, 탄소-탄소 복합재 라이너 링(10)은 케이싱(1)의 내주면에 삽입되거나, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 탄소-탄소 복합재 라이너 링(10)은 임펠러(2)의 외주면에 삽입된다.
도 6(c)에 도시된 바와 같이, 탄소-탄소 복합재 라이너 링(10)은, 섬유층(11), 탄소매트릭스(12)로 구성된다.
섬유층(11)은 탄소섬유직물들과 그 사이에 탄소섬유웹을 적층하고, 적층 방향(수직 방향)으로 니들펀칭(Needle Punching)한 후, 펌프의 케이싱(1)의 내주면에 삽입되거나 펌프의 임펠러(2)의 외주면에 삽입되도록 링 형상으로 가공되어 형성된다.
탄소섬유직물은 길이가 긴(30~100cm) 탄소섬유(Cf1)들이 일방향으로 배열되거나 교차되어 만들어진다.
탄소섬유웹은 길이가 짧은(3~10cm) 탄소섬유(Cf2)들이 서로 얽혀져 만들어진다.
니들펀칭은 니들판에 배열된 니들이 탄소섬유웹을 구성하는 섬유(Cf2)를 아래로 끌고 내려가, 탄소섬유직물들을 층간 결속시키는 작업을 말한다.
탄소매트릭스(12)는 섬유층(11)의 기공이 탄소로 메워져 형성된다. 탄소매트릭스(12)를 형성하기 위해서, 섬유층(11)에 탄화수소가스를 침투시키고 그 탄화수소 가스를 열분해하여 섬유층(11)의 기공을 탄소로 메운다. 탄소매트릭스(12) 형성 후, 다이아몬드 연마기로 탄소매트릭스(12)의 표면을 매끄럽게 연마한다.
이하, 본 발명 제2실시예에 따른 탄소-탄소 복합재 라이너 링이 장착된 펌프를 자세히 설명한다. 본 발명의 요지는 탄소-탄소 복합재 라이너 링(20)에 있으므로, 탄소-탄소 복합재 라이너 링(20)에 대해서만 중점적으로 설명한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 탄소-탄소 복합재 라이너 링(20)은, 섬유층(21), 탄소매트릭스(22)로 구성된다.
섬유층(21)은 탄소섬유직물들과 그 사이에 탄소섬유웹을 적층하고, 적층 방향(수직 방향)으로 니들펀칭(Needle Punching)한 후, 펌프의 케이싱(1)의 내주면에 삽입되거나 펌프의 임펠러(2)의 외주면에 삽입되도록 링 형상으로 가공한 후, 링 형상 몸체에 탄소섬유(Cf3)를 와인딩하여 형성된다. 이때, 탄소섬유(Cf3)가 와인딩 된 섬유층(21)이 펌프의 케이싱(1)의 내주면에 삽입되거나 펌프의 임펠러(2)의 외주면에 삽입되기 위해서는, 탄소섬유(Cf3)가 와인딩 되는 두께까지 고려하여, 섬유층(21)을 링 형상으로 가공해야 할 것이다.
탄소섬유(Cf3)가 링형 몸체에 와인딩되면, 제1실시예에 따른 탄소-탄소 복합재 라이너 링(10) 보다 강도가 증가하여 마모도를 더 낮출 수 있다.
탄소매트릭스(22)는 섬유층(21)의 기공이 탄소로 메워져 형성된다. 탄소매트릭스(22)를 형성하기 위해서, 섬유층(21)에 탄화수소가스를 침투시키고 그 탄화수소 가스를 열분해하여 섬유층(21)의 기공을 탄소로 메운다. 탄소매트릭스(22) 형성 후, 다이아몬드 연마기로 탄소매트릭스(22)의 표면을 매끄럽게 연마한다.
이하, 본 발명 제3실시예에 따른 탄소-탄소 복합재 라이너 링이 장착된 펌프를 자세히 설명한다. 본 발명의 요지는 탄소-탄소 복합재 라이너 링(30)에 있으므로, 탄소-탄소 복합재 라이너 링(30)에 대해서만 중점적으로 설명한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 탄소-탄소 복합재 라이너 링(30)은, 섬유층(31), 탄소매트릭스(32)로 구성된다.
섬유층(31)은 탄소섬유직물들과 그 사이에 탄소섬유웹을 적층하고, 적층 방향(수직 방향)으로 니들펀칭(Needle Punching)한 후, 펌프의 케이싱(1)의 내주면에 삽입되거나 펌프의 임펠러(2)의 외주면에 삽입되도록 링 형상으로 가공한 후, 링 형상 몸체를 탄소나노튜브(Cn)가 포함된 용액에 담그고 건조시켜 형성된다.
용액은 디메일 설폭사이드, 디메틸 포름아마이드, 디메틸 아세트아미드 용액 중 어느 하나가 사용된다. 탄소나노튜브(Cn)는 평균직경 1~수십nm, 평균길이가 100nm~수십㎛, 순도 140% 이상인 것이 사용된다.
탄소나노튜브(Cn)는, 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 물질로써, 그 강도가 철강보다 100배나 뛰어나다. 따라서, 섬유층(31)에 탄소나노튜브(Cn)가 포함되면, 제1실시예에 따른 탄소-탄소 복합재 라이너 링(10) 보다 강도가 증가하여 마모도를 더 낮출 수 있다.
탄소매트릭스(32)는 섬유층(31)의 기공이 탄소로 메워져 형성된다. 탄소매트릭스(32)를 형성하기 위해서, 섬유층(31)에 탄화수소가스를 침투시키고 그 탄화수소 가스를 열분해하여 섬유층(31)의 기공을 탄소로 메운다. 탄소매트릭스(32) 형성 후, 다이아몬드 연마기로 탄소매트릭스(32)의 표면을 매끄럽게 연마한다.
이하, 본 발명 펌프에 장착된 탄소-탄소 복합재 라이너 링에 대한 마모 시험 결과를 설명한다.
본 시험은, 자동차 부품 연구원에서, 2015년 7월 6일부터 2015년 7월 8일까지 진행되었다.
본 시험에서 사용된 탄소-탄소 복합재 디스크 및 청동 디스크는 판에 대고 문지르기 좋도록, 링 형상으로 가공되지 않았다. 탄소-탄소 복합재 디스크 및 청동 디스크가 링 형상으로 가공되지 않은 것을 제외하고는, 그 재질이 탄소-탄소 복합재 라이너 링 및 청동 라이너 링과 각각 동일하므로, 탄소-탄소 복합재 디스크 및 청동 디스크의 시험 결과를 탄소-탄소 복합재 라이너 링 및 청동 라이너 링의 시험 결과로 보아도 무방할 것이다.
도 9(a)에 도시된 바와 같이, 용기(B1)에 탁수(W)을 채우고, 청동으로 만든 판(41)을 넣고, 판(41) 위에 청동 디스크(40)를 올려놓고 문질렀다.
도 9(b)에 도시된 같이, 용기(B2)에 탁수(W)를 채우고, 탄소-탄소 복합재 판(10'')을 넣고, 탄소-탄소 복합재 판(10'') 위에 탄소-탄소 복합재 디스크(10')를 올려놓고 문질렀다.
탄소-탄소 복합재 디스크(10')를 탄소-탄소 복합재 판(10'') 위에 또는 청동 디스크(40)를 청동판(41) 위에 올려놓고, 문지르는 힘(하중), 속도, stroke, 시간, 윤활조건, 데이터 취득 조건은, 도 10에 도시된 바와 같다.
시험 결과, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 탄소-탄소 복합재 디스크(10')의 마찰계수 표준편차는 0.002~0.003인 반면, 청동 디스크(40)의 마찰계수 표준편차는 0.040~0.088 인 것으로 측정됐다. 이는 동일한 시험조건에서 청동 디스크(40)가 탄소-탄소 복합재 디스크(10') 보다 더 뻘리 마모되어, 마찰면이 고르지 않게 된 것을 의미한다.
도 12에서 CAC406-1, CAC406-2는 2개의 청동 디스크(40) 시편을 나타내고, CC-1, CC-2, CC-3는 3개의 탄소-탄소 복합재 디스크(10') 시편을 나타낸 것으로, 본 시험은, 2개의 청동 디스크(40) 시편과, 3개의 탄소-탄소 디스크(10') 각각에 대해 수행되었다.
도 13에 도시된 바와 같이, 탄소-탄소 복합재 판(10'')에는 마모 흔적이 보이지 않는 반면, 청동판(41)에는 마모 흔적(42)이 보인다. 이는 청동 디스크(40)가 탄소-탄소 복합재 디스크(10') 보다 더 잘 마모된다는 것을 의미한다.
시험 전후 초음파 세척 20분 진행 후, 50℃에서 1시간 건조 후 무게를 측정한 결과, 도 14에 도시된 바와 같이, 청동 디스크(40)의 마모량은 5~6 mg 인 반면, 탄소-탄소 복합재 디스크(10')의 마모량은 1~3 mg 으로 측정되었다.
이는 동일한 시험조건에서 청동 디스크(40)가 탄소-탄소 복합재 디스크(10') 보다 2~5배 더 잘 마모된다는 것을 의미한다.
따라서, 탄소-탄소 복합재 라이너 링(10)이 펌프에 장착되면, 펌프가 탁수를 오랜 시간 펌핑 하여도, 케이싱 라이너 링과 임펠러 라이너 링 사이 간격을 최소로 유지시킬 수 있다.
탄소-탄소 복합재 디스크(10')의 마모량이 청동 디스크(40) 보다 작으므로, 제2실시예에 따른 펌프에 장착된 탄소-탄소 복합재 라이너 링(20)의 마모량과, 제3실시예에 따른 펌프에 장착된 탄소-탄소 복합재 라이너 링(30)의 마모량도, 종래 청동 라이너 링 보다 작을 것은 당연하다.
1: 케이싱 2: 임펠러
10,20,30: 탄소-탄소 복합재 라이너 링 11,21,31: 섬유층
12,22,32: 탄소매트릭스 Cf1,Cf2,Cf3: 탄소섬유
Cn: 탄소나노튜브

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 펌프의 케이싱의 내주면에 삽입되거나 펌프의 임펠러의 외주면에 삽입되도록 링 형상으로 가공하여 형성된 섬유층; 및 상기 섬유층의 기공이 탄소로 메워져 형성된 탄소매트릭스;로 구성되며,
    상기 섬유층은,
    탄소섬유직물들과 그 사이에 탄소섬유웹을 적층하고, 적층 방향(수직 방향)으로 니들펀칭(Needle Punching)한 후, 펌프의 케이싱의 내주면에 삽입되거나 펌프의 임펠러의 외주면에 삽입되도록 링 형상으로 가공하여 형성된 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합재 라이너 링이 장착된 펌프.
  3. 펌프의 케이싱의 내주면에 삽입되거나 펌프의 임펠러의 외주면에 삽입되도록 링 형상으로 가공하여 형성된 섬유층; 및 상기 섬유층의 기공이 탄소로 메워져 형성된 탄소매트릭스;로 구성되며,
    상기 섬유층은,
    탄소섬유직물들과 그 사이에 탄소섬유웹을 적층하고, 적층 방향(수직 방향)으로 니들펀칭(Needle Punching)한 후, 펌프의 케이싱의 내주면에 삽입되거나 펌프의 임펠러의 외주면에 삽입되도록 링 형상으로 가공한 후 그 링 형상 몸체에 탄소섬유를 와인딩하여 형성된 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합재 라이너 링이 장착된 펌프.
  4. 펌프의 케이싱의 내주면에 삽입되거나 펌프의 임펠러의 외주면에 삽입되도록 링 형상으로 가공하여 형성된 섬유층; 및 상기 섬유층의 기공이 탄소로 메워져 형성된 탄소매트릭스;로 구성되며,
    상기 섬유층은,
    탄소섬유직물들과 그 사이에 탄소섬유웹을 적층하고, 적층 방향(수직 방향)으로 니들펀칭(Needle Punching)한 후, 펌프의 케이싱의 내주면에 삽입되거나 펌프의 임펠러의 외주면에 삽입되도록 링 형상으로 가공한 후 그 링 형상 몸체를 탄소나노튜브가 포함된 용액에 담그고 건조시켜 형성된 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합재 라이너 링이 장착된 펌프.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프는, 탁수(濁水)를 펌핑하는 데 사용되는,
    횡축 원심 펌프, 횡축 사류 펌프, 횡축 축류 펌프, 입축 원심 펌프, 입축 사류 펌프, 입축 축류 펌프, 수중 원심 펌프, 수중 사류 펌프, 수중 축류 펌프, 수중 프로펠러 펌프, 게이트 펌프 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합재 라이너 링이 장착된 펌프.
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