KR102640757B1 - 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 경화 공정에서 고온 및 고압 환경에서 운영할 수 있으며, 맨드릴 내,외부에 온도 편차를 최소화하고, 맨드릴 내부로 공급되는 유체의 유량 내지 유속을 챔버와 동등한 수준으로 유지하면서도 챔버 내부에서 운용되는 고온, 고압의 유체와 맨드릴에서 배출되는 고온, 고압의 공기를 송풍기로 회수하여 재사용함으로써 적은 에너지로 맨드릴 내부에 공급함으로써 열효율을 극대화할 수 있는 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템은 표면에 복합소재가 와인딩된 맨드릴과; 상기 맨드릴을 수용하며 고온 및 고압 환경을 제공하는 챔버와; 상기 챔버 내부를 가열하는 가열수단과; 상기 챔버 내부를 가압하는 가압수단과; 상기 가열수단 및 가압수단에 의해 가열 및 가압된 상기 챔버 내부의 유체를 상기 맨드릴 내부로 순환시키는 유체 순환수단 또는 유체 순환 송풍기;를 포함하며, 상기 맨드릴의 내부와, 외부의 온도 분포를 균일하게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템은 표면에 복합소재가 와인딩된 맨드릴과; 상기 맨드릴을 수용하며 고온 및 고압 환경을 제공하는 챔버와; 상기 챔버 내부를 가열하는 가열수단과; 상기 챔버 내부를 가압하는 가압수단과; 상기 가열수단 및 가압수단에 의해 가열 및 가압된 상기 챔버 내부의 유체를 상기 맨드릴 내부로 순환시키는 유체 순환수단 또는 유체 순환 송풍기;를 포함하며, 상기 맨드릴의 내부와, 외부의 온도 분포를 균일하게 하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 경화 공정에서 고온 및 고압 환경에서 운영할 수 있으며, 맨드릴 내,외부에 온도 편차를 최소화하고, 맨드릴 내부로 공급되는 유체의 유량 내지 유속을 챔버와 동등한 수준으로 유지하면서도 챔버 내부에서 운용되는 고온, 고압의 유체와 맨드릴에서 배출되는 고온, 고압의 공기를 송풍기로 회수하여 재사용함으로써 적은 에너지로 맨드릴 내부에 공급함으로써 열효율을 극대화할 수 있는 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 필라멘트 와인딩 기술은 금형의 외주면을 따라 가열경화 성능을 가지고 있는 섬유소재를 와인딩 후, 가열을 실시하여 내부에 수용공간이 형성되는 성형품을 제조하는 방식이다.
하지만, 대형 성형품을 제조 시에는 외부로부터 가해지는 열풍을 통한 가열경화 시, 매우 넓은 공간에 단열이 요구되어 효율이 극히 낮아 공정효율이 크게 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 양단의 직경이 점차적으로 줄어드는 형태의 압력용기(탱크) 등을 제조 시에는, 필라멘트 와인딩 기술을 통해 제조 시, 성형품의 구조 상 경화시킨 이후, 금형을 해체하기가 용이하지 않아 제조의 어려움이 있었다.
따라서, 양단의 직경이 점차적으로 줄어드는 형태의 압력용기(탱크) 등을 필라멘트 와인딩 기법으로 제조시, 금형의 해체를 용이하게 실시할 수 있고, 예열(가열) 효율을 극대화시킬 수 있는 방법의 제안이 필요한 실정이다.
이와 관련하여, 종래의 기술을 살펴보면, '필라멘트 와인딩 성형장치 및 이 장치를 이용한 필라멘트 와인딩 성형방법'이 대한민국 등록특허 제10-0629959호에 개시되고 있으나, 이는 상기 제기된 어려움을 해결하지 못하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 종래 기술로는 도 7에 도시된 바와 같이 대한민국 등록특허 제10-2226423호에 개시된 지면에 평행한 회전축이 형성되는 원기둥 형태로, 양단이 반구형으로 마련되는 바디부; 상기 바디부 단부의 일측방향으로부터 내측방향으로 일단부가 삽입 가능하게 마련되는 제 1 샤프트부; 상기 바디부 단부의 타측방향으로부터 내측방향으로 일단부가 삽입 가능하게 마련되고, 타단부가 상기 제 1 샤프트의 일단부와 결합 가능하게 마련되는 제 2 샤프트부;를 포함하고, 상기 바디부, 제 1 샤프트부, 제 2 샤프트부는 서로 연통되는 순환로가 형성되어, 내부로 유입되는 열풍의 순환이 용이하게 마련되고, 상기 바디부는 지면에 평행한 회전축이 형성되는 원기둥 형태로 마련되는 제 1 구간부; 상기 제 1 구간부의 일단부에 반구형으로 마련되고 상기 제 1 샤프트부가 삽입 가능한 제 1 삽입홀;이 형성되는 제 2 구간부; 상기 제 1 구간부의 타단부에 반구형으로 마련되고 상기 제 2 샤프트부가 삽입 가능한 제 2 삽입홀;이 형성되는 제 3 구간부;를 포함하고, 상기 제 1 구간부 내지 제 3 구간부는 결합 및 해제가 용이하게 마련되는 것을 특징으로 하는 예열 효율이 높은 금형이 개시되어 있다.
다만, 상기 등록특허의 경우 금형의 중심에 마련된 중공 형태의 열풍공급부를 통해 외곽의 제1구간부와, 제2구간부를 통해 가열 내지 예열이 이루어지는 방식을 채택하고 있기 때문에 샤프트를 통해 공급되는 열풍이 성형품과 접하는 바디부의 외면으로 직접 공급되지 않고 열풍공급부를 경유하여 전달되기 때문에 열효율이 저하되는 문제가 있다.
한편, 대한민국 등록특허 제10-0629959호에는 다수개의 보빈과 수지함침조를 통해 보강섬유가 공급되는 섬유공급장치와; 상기 섬유공급장치에서 공급되는 보강섬유가 권선되는 멘드릴과; 상기 멘드릴과 별도로 마련되어 상기 멘드릴에 보강섬유가 권선되어 제작된 성형품을 경화시키기 위한 온도 또는 압력이 제어되는 경화조로 이루어지는 필라멘트 와인딩 성형장치에 있어서, 상기 멘드릴의 내측은 양단이 연통되도록 중공부가 형성되고, 상기 중공부를 통하여 상기 성형품이 열경화될 때 필요한 열을 제공하는 열원이 통과되어 상기 멘드릴의 내부에서 성형품의 경화열이 공급되며, 상기 경화조의 외부에는 열원공급장치가 마련되고, 상기 열원공급장치의 출구에는 주제어부가 구비되어 상기 열원공급장치에서 발생된 열원이 상기 주제어부의 제어를 받아 상기 멘드릴의 중공부로 유입되고, 릴의 구조를 변경하여 멘드릴의 내부에서 성형품의 경화시 필요한 열원을 공급하여 줌으로서, 성형품의 경화진행 방향 및 수축방향을 개선하여 성형품에 결함이 일어나는 것을 방지할 수 있으며, 성형품의 경화진행 방향 및 수축방향을 개선하여 성형품의 내외측 표면이 고르게 성형됨으로서 탈형 공정이 손쉬워지는 효과가 있는 필라멘트 와인딩 성형장치 및 이 장치를 이용한 필라멘트 와인딩 성형방법이 개시되어 있다.
그러나, 상기 등록특허의 경우 맨드릴 내부로 공급되는 유체의 유량 내지 유속이 작을 뿐만 아니라, 맨드릴 내부 전체를 가열 내지 예열하기 때문에 열효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 경화 공정에서 고온 및 고압 환경에서 운영할 수 있으며, 맨드릴 내,외부에 온도 편차를 최소화하고, 맨드릴 내부로 공급되는 유체의 유량 내지 유속을 챔버와 동등한 수준으로 유지하면서도 적은 에너지로 맨드릴 내부에 공급함으로써 열효율을 극대화할 수 있는 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템은 표면에 복합소재가 와인딩되는 것으로서, 외부 케이싱과, 내부 케이싱으로 이루어지는 본체와, 상기 본체 양단에 설치되는 한 쌍의 제1, 2샤프트를 포함하며, 상기 외부 케이싱과 내부 케이싱 사이에는 외곽 유로가 마련되는 맨드릴과;
상기 맨드릴을 수용하며 고온 및 고압 환경을 제공하는 챔버와;
상기 챔버 내부를 가열하는 가열수단과;
상기 챔버 내부를 가압하는 가압수단과;
상기 가열수단 및 가압수단에 의해 가열 및 가압된 상기 챔버 내부의 유체를 상기 맨드릴 내부로 순환시키는 유체 순환수단;을 포함하며,
상기 유체 순환수단은,
일측에서 상기 챔버 내부에 수용된 유체를 공급받아 타측으로 배출하는 유체 순환 송풍기와;
일단은 상기 유체 순환 송풍기에 연결되고 타단은 상기 맨드릴의 일단에 마련된 제1샤프트에 연결되어 상기 유체 순환 송풍기에서 배출된 유체를 상기 맨드릴 내부로 공급하는 유체 공급 파이프와;
상기 맨드릴 내부로 공급되는 유체의 유량을 조절하도록 상기 유체 순환 송풍기를 제어하는 컨트롤러;를 포함하며,
상기 맨드릴 내부로 공급된 유체는 상기 맨드릴의 타단에 마련된 제2샤프트를 통해 배출되고,
상기 챔버 내부에 수용된 고온 및 고압의 유체와, 상기 맨드릴에서 배출되는 고온 및 고압의 유체를 상기 유체 순환 송풍기에서 회수하며,
상기 내부 케이싱은 양단에 개구부가 마련되고, 상기 개구부에는 상기 내부 케이싱의 내부 공간에 유체가 유입되지 않도록 밀폐커버가 착탈가능하게 설치되며,
상기 제1, 2샤프트는 각각 상기 외부 케이싱을 관통하여 상기 밀폐커버와 맞닿도록 상기 본체에 삽입되고,
상기 제1샤프트의 일단부에는 원주 방향을 따라 형성되는 복수의 공급홀이 구비되고, 상기 제2샤프트의 일단부에는 원주 방향을 따라 형성되는 복수의 배출홀이 구비되며,
상기 제1샤프트로 공급되는 유체는 상기 내부 케이싱의 내부 공간으로 유입되지 않고 상기 공급홀을 통해 상기 외곽 유로로 이동한 다음, 상기 공급홀을 통해 상기 챔버로 배출되고,
상기 외곽 유로를 따라 이동하는 유체에 의해 공급되는 열이 상기 외부 케이싱쪽으로 전달되도록, 상기 내부 케이싱의 일면에는 단열 코팅층이 형성되고, 상기 외부 케이싱의 일면에는 방열 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 맨드릴을 수용하며 고온 및 고압 환경을 제공하는 챔버와;
상기 챔버 내부를 가열하는 가열수단과;
상기 챔버 내부를 가압하는 가압수단과;
상기 가열수단 및 가압수단에 의해 가열 및 가압된 상기 챔버 내부의 유체를 상기 맨드릴 내부로 순환시키는 유체 순환수단;을 포함하며,
상기 유체 순환수단은,
일측에서 상기 챔버 내부에 수용된 유체를 공급받아 타측으로 배출하는 유체 순환 송풍기와;
일단은 상기 유체 순환 송풍기에 연결되고 타단은 상기 맨드릴의 일단에 마련된 제1샤프트에 연결되어 상기 유체 순환 송풍기에서 배출된 유체를 상기 맨드릴 내부로 공급하는 유체 공급 파이프와;
상기 맨드릴 내부로 공급되는 유체의 유량을 조절하도록 상기 유체 순환 송풍기를 제어하는 컨트롤러;를 포함하며,
상기 맨드릴 내부로 공급된 유체는 상기 맨드릴의 타단에 마련된 제2샤프트를 통해 배출되고,
상기 챔버 내부에 수용된 고온 및 고압의 유체와, 상기 맨드릴에서 배출되는 고온 및 고압의 유체를 상기 유체 순환 송풍기에서 회수하며,
상기 내부 케이싱은 양단에 개구부가 마련되고, 상기 개구부에는 상기 내부 케이싱의 내부 공간에 유체가 유입되지 않도록 밀폐커버가 착탈가능하게 설치되며,
상기 제1, 2샤프트는 각각 상기 외부 케이싱을 관통하여 상기 밀폐커버와 맞닿도록 상기 본체에 삽입되고,
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상기 외곽 유로를 따라 이동하는 유체에 의해 공급되는 열이 상기 외부 케이싱쪽으로 전달되도록, 상기 내부 케이싱의 일면에는 단열 코팅층이 형성되고, 상기 외부 케이싱의 일면에는 방열 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
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또한, 본 발명에 따른 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템에 있어서, 유체 순환 송풍기는 유체 유입구와, 유체 배출구를 가진 유체 순환 송풍기 본체부와, 상기 유체 순환 송풍기 본체부 내부에 탑재되어 상기 유체 유입구를 통해 상기 챔버 내부의 유체를 가압하여 상기 유체 배출구로 배출하는 임펠러와, 상기 유체 순환 송풍기 본체부의 일측에 설치되며 회전축을 통해 상기 임펠러를 회전시키는 모터부와, 상기 유체 순환 송풍기 본체부와, 상기 모터부 사이에 배치되어 상기 유체의 열이 상기 모터부로 전달되지 않도록 차단하는 열차단판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템에 있어서, 일단은 상기 제2샤프트에 연결되고 타단은 상기 유체 순환 송풍기의 유체 유입구에 연결되는 유체 순환 파이프를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템에 있어서, 유체 유입구는 상기 챔버와 연통되되 상기 챔버 내부의 유체가 상기 유체 유입구 쪽으로 유입될 수 있도록 상기 챔버 내부에 설치되는 내부 순환팬을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
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본 발명에 따른 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템은 경화 공정에서 고온 및 고압 환경에서 운영할 수 있으며, 맨드릴 내,외부에 온도 편차를 최소화하고, 맨드릴 내부로 공급되는 유체의 유량 내지 유속을 챔버와 동등한 수준으로 유지하면서도 적은 에너지로 맨드릴 내부에 공급함으로써 열효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템의 전체 구조를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 1b는 본 발명의 유체 순환 송풍기 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 유체 순환수단인 유체 순환 송풍기와, 공기압축기를 적용하였을 때 성능 차이를 비교한 실험의 개념도이다.
도 3은 도 2의 실험에 적용된 맨드릴의 모델링 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에서 서로 다른 유체의 순환 흐름을 나타내는 도면들이다.
도 5a는 본 발명에 따른 맨드릴의 일실시예를 나타내는 종단면도이고, 도 5b는 본 발명의 맨드릴과 제1샤프트의 결합관계를 나타내는 확대 단면도이다.
도 6a는 종래 등록특허 제10-0629959호를 나타내는 도면이고, 도 6b는 등록특허 제10-0629959호와 본 발명을 대비한 도면이며, 도 6c는 종래 등록특허 제10-0629959호를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 유체 순환수단인 유체 순환 송풍기와, 공기압축기를 적용하였을 때 성능 차이를 비교한 실험의 개념도이다.
도 3은 도 2의 실험에 적용된 맨드릴의 모델링 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에서 서로 다른 유체의 순환 흐름을 나타내는 도면들이다.
도 5a는 본 발명에 따른 맨드릴의 일실시예를 나타내는 종단면도이고, 도 5b는 본 발명의 맨드릴과 제1샤프트의 결합관계를 나타내는 확대 단면도이다.
도 6a는 종래 등록특허 제10-0629959호를 나타내는 도면이고, 도 6b는 등록특허 제10-0629959호와 본 발명을 대비한 도면이며, 도 6c는 종래 등록특허 제10-0629959호를 나타내는 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에서 사용하는 용어 중 복합소재는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 등 유기/무기 섬유와 섬유에 수지를 함침시켜 제조한 프리프레그를 포함한다.
본 발명에서 사용하는 용어 중 '고무'는 천연고무는 물론 SBR, NBR, EPDM 등과 같은 내열고무를 말하며 내열 및 단열 성능 증진을 위하여 탄소섬유, 아라미드 섬유, 실리카 섬유가 필러로 첨가되거나 가류처리 된 고무를 포함한다. 고무는 미가류 상태의 고무를 말하며 프리폼 작업으로 인하여 일부 표면만 가류된 것을 포함한다.
도 1a는 본 발명에 따른 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템의 전체 구조를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 1b는 본 발명의 유체 순환 송풍기 구조를 도시한 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템은 크게 맨드릴(100)과, 상기 맨드릴(100)을 수용하며 고온 및 고압 환경을 제공하는 챔버(200)와, 상기 챔버(200) 내부를 가열하는 가열수단(210)과, 상기 챔버(200) 내부를 가압하는 가압수단(220)과, 상기 가열수단 및 가압수단에 의해 가열 및 가압된 상기 챔버 내부의 유체를 상기 맨드릴 내부로 순환시키는 유체 순환수단(230)을 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 맨드릴은 고무 스트립 및 복합소재 등을 와인딩하여 압력 용기를 성형할 때 금형 역할을 하는 것으로서, 크게 본체(110)와, 상기 본체(110)의 양단에 설치되는 한 쌍의 제1, 2샤프트(150a, 150b)로 구성될 수 있다.
여기서, 압력 용기는 민간 산업에서 사용하는 압력 용기는 물론, 미사일, 항공기 등의 연소관, 연료 탱크와 같은 군수 산업에서 사용되는 압력 용기 등도 포함될 수 있다.
상기 본체는 실린더부(110a)와, 상기 실린더부(110a)의 좌우에 배치되는 한 쌍의 제1, 2돔부(110b)와, 상기 제1, 2돔부(110b)에 마련되는 한 쌍의 제1, 2보스부(110c)를 포함하여 이루어지는 것을 예시할 수 있다.
상기 제1, 2샤프트(150a, 150b)는 내부가 중공된 관 형태로 이루어져 유체가 상기 맨드릴의 일단에 마련된 제1샤프트를 통해 유체가 유입되어 상기 본체를 통과하여 상기 맨드릴의 타단에 마련된 제2샤프트를 통해 배출되는 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명의 챔버(200)는 고온 및 고압 환경을 제공하여 내부에 수용된 맨드릴(100)의 표면에 와인딩된 고무 스트립 및 복합소재를 경화시키는 성형 공정이 이루어지도록 하는 것으로서, 오토클레이브(auto-clave)인 것을 예시할 수 있다.
본 발명의 가열수단(210)은 챔버 내부에 설치되는 히터인 것을 예시할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 챔버 외부에서 가열된 공기를 챔버 내부로 공급하는 열풍 히터일 수도 있다.
본 발명의 가압수단(220)은 상기 챔버 내부에 공기를 주입하여 내부 압력을 조절하는 공기압축기 등을 예시할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 유체 순환수단(230)은 챔버 내부의 유체를 맨드릴 내부로 공급할 수 있는 것이라면, 유체 순환 송풍기 또는 공기압축기 등을 적용할 수 있다. 다만, 유체 순환 송풍기가 공기압축기에 비해 유체 순환시 열전달 효과나 에너지 효율 면에서 우수하며, 이에 대한 모델링 실험 결과는 후술하도록 하며, 이하에서는 유체 순환수단으로서 유체 순환 송풍기를 적용한 것을 중심으로 설명한다.
본 발명의 유체 순환수단(230)은 도 1b에 도시된 바와 같이, 일측에서 상기 챔버 내부에 수용된 유체를 공급받아 타측으로 배출하는 유체 순환 송풍기(231)와, 일단은 상기 유체 순환 송풍기(231)에 연결되고 타단은 상기 맨드릴(100)의 일단에 마련된 제1샤프트에 연결되어 상기 유체 순환 송풍기에서 배출된 유체를 상기 맨드릴 내부로 공급하는 유체 공급 파이프(251)와, 상기 맨드릴(100) 내부로 공급되는 유체의 유량을 조절하도록 상기 유체 순환 송풍기(231)를 제어하는 컨트롤러(260)를 포함할 수 있으며, 상기 맨드릴 내부로 공급된 유체는 상기 맨드릴의 타단에 마련된 제2샤프트를 통해 배출되는 것을 예시할 수 있다.
이러한 유체 순환 송풍기(231)는 유체 유입구(232a)와, 유체 배출구(232b)를 가진 유체 순환 송풍기 본체부(232)와, 상기 유체 순환 송풍기 본체부(232) 내부에 탑재되어 상기 유체 유입구(232a)를 통해 상기 챔버(200) 내부의 유체를 가압하여 상기 유체 배출구(232b)로 배출하는 임펠러(233)와, 상기 유체 순환 송풍기 본체부(232)의 일측에 설치되며 회전축(238)을 통해 상기 임펠러(233)를 회전시키는 모터부(235)와, 상기 유체 순환 송풍기 본체부(232)와, 상기 모터부(235) 사이에 배치되어 상기 유체의 열이 상기 모터부(235)로 전달되지 않도록 차단하는 열차단판(239)을 포함할 수 있다.
본 발명에서는 유체 순환수단인 유체 순환 송풍기를 이용하여 오토클레이브 내부의 유체를 맨드릴 내부로 직접 재순환시켜 열원을 공급하는 대류열전달 방식을 사용하며, 맨드릴 내부와 외부 온도 분포를 균일화하여 고무 스트립 및 복합소재의 밀접한 접착력을 제공함으로써, 맨드릴 내부와 외부 온도 분포의 불균일로 인한 제품 변형을 방지할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 유체 순환수단인 유체 순환 송풍기와, 공기압축기를 적용하였을 때 성능 차이를 비교한 실험 내용을 설명하도록 한다.
본 실험에서 유체를 순환하는 맨드릴의 모델링은 도 3에 도시된 바와 같이 일측에 마련된 inlet과, 타측에 마련된 outlet을 가지며 내부에 격벽이 형성되고 다수의 연통홀이 형성된 구조로 이루어진다.
본 발명의 유체 순환 송풍기의 경우 챔버 내부에서 이미 5~7bar, 150~170℃의 고온 및 고압 상태인 공기를 유체 순환 송풍기(blower)에서 유입하여 이를 맨드릴로 순환시키는 방식을 채택하였다.
도 2는 본 발명의 유체 순환수단인 유체 순환 송풍기와, 공기압축기를 적용하였을 때 성능 차이를 비교한 실험의 개념도이고, 도 3은 도 2의 실험에 적용된 맨드릴의 모델링 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 공기압축기 적용 방식의 경우 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 1bar, 25℃의 공기(ambient air)가 공기압축기(compressor)와 열교환기(heat exchanger)를 순차로 통과하여 6~9bar, 150~170℃의 고온 및 고압 상태로 챔버 내부의 배관을 통해 맨드릴로 공급된 다음, 외부로 배출된다.
아래 표 1은 본 발명의 유체 순환수단인 유체 순환 송풍기와, 공기압축기를 적용하였을 때 성능 차이를 비교한 것이다.
| 구분 | 단위 | 공기압축기(A) | 유체 순환 송풍기(B) | 비고 | |
| 경계조건 | 작동유체 | - | Air | ||
| 입구압력 | bar | 1 | 7 | ||
| 입구온도 | ℃ | 25 | 170 | ||
| 출구압력 | bar | 7.7 | 7.7 | ||
| 회전기기효율 | % | 80 | 70 | ||
| 전기효율 | % | 75 | |||
| 기기손실 | % | 5 | |||
| 입/출구 차이 |
Ideal enthalpy rise (이상조건) |
kJ/kg | 237.1 | 12.3 | |
| Actural enthalpy (부품 효율 고려) |
kJ/kg | 415.9 | 24.7 | 약 16.8 배 | |
위 표 1을 참조하면, 입구측과 출구 측에서의 이상조건에서의 엔탈피 증가 차이와, 실제 엔탈피 차이를 고려하면 유체 순환 송풍기를 적용한 것이 공기압축기를 적용한 것에 비해 약 16.8배의 효율 개선 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 상술한 맨드릴의 모델링에 따라 맨드릴 입구측 유속 증가에 따라 열전달 계수 변화 및 내부 벽 온도 변화를 측정한 결과를 아래 표 2를 참조하여 살펴보면, 본 발명과 같이 유체 순환 송풍기를 적용한 경우 적용하지 않은 것에 비하여 열전달 효과가 약 6.1배로 현저히 증가한다는 것을 확인할 수 있었다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에서 서로 다른 유체의 순환 흐름을 나타내는 도면들이다.
먼저, 도 4a의 경우 유체 순환 송풍기의 압력으로 맨드릴 내부로 가압된 공기를 공급하는 것이다.
다음으로, 도 4b의 경우 유체 순환 파이프가 없는 도 4a의 실시예와 비교할 때 내부 순환팬(270)을 통해 유체 순환 송풍기로 유체 공급이 원활해 지도록 안내할 수 있는 특징이 있다.
마지막으로, 도 4c의 경우 유체 순환 파이프를 통해 상기 유체 순환 송풍기로 직접 가압된 공기가 공급되는 특징이 있다.
도 5a는 본 발명에 따른 맨드릴의 일실시예를 나타내는 종단면도이고, 도 5b는 본 발명의 맨드릴과 제1샤프트의 결합관계를 나타내는 확대 단면도이다.
도 5a의 실시예는 도 3에 도시된 맨드릴의 실시예와 달리 외부 케이싱(120)과, 내부 케이싱(130)과, 상기 외부 케이싱(120)과 내부 케이싱(130) 사이에 마련된 외곽 유로(127)와, 외부 케이싱과 내부 케이싱 사이의 외곽 유로를 구획하도록 상기 외부 케이싱(120)의 단부에서 절곡되는 구획부(125)를 포함하여 구성된다.
상기 내부 케이싱(130)은 일단 또는 타단에 개구부(131)가 마련되고, 그 내부 공간에 유체가 유입되지 않도록 밀폐된 구조로 이루어지되, 상기 제1돔부 또는 제2돔부(110b)에 해당하는 위치에는 밀폐커버(133)가 착탈가능하게 설치되는 것을 예시할 수 있다.
상기 구획부(125)에는 유체가 통과할 수 있도록 통기홀(125a)이 형성된다.
상기 외부 케이싱(120)과, 내부 케이싱(130)은 각각 분리 내지 탈착가능하도록 복수의 세그먼트의 조립체로 구성된다.
상기 제1샤프트(150a)는 상기 제1보스부(110c)에 삽입되며 고온, 고압의 유체를 상기 본체(110)의 외곽 유로로 공급하도록 내부가 빈 관 구조로 이루어진다.
상기 제1샤프트(150a)의 일단부에는 상기 제1보스부(110c)에 삽입되었을 때 제1샤프트(150a)를 통해 공급되는 유체가 외곽 유로로 공급되도록 원주 방향을 따라 형성되는 복수의 공급홀(151)과, 상기 제1보스부(110c)와 결합되는 플랜지부(155)가 형성된다.
상기 제2샤프트(150b)의 일단부에는 상기 제2보스부(110c)에 삽입되었을 때 외곽 유로를 통과한 유체가 제2샤프트(150b) 내부로 배출되도록 원주 방향을 따라 형성되는 복수의 배출홀(152)과, 상기 제2보스부(110c)와 결합되는 플랜지부(155)가 형성된다.
상기 제1보스부(110c)와 제1샤프트(150a) 사이 및 상기 제2보스부(110c)와 제2샤프트(150b) 사이에는 각각 샤프트를 보호하고 견고하게 결합할 수 있도록 보호링(170)이 게재된다.
즉, 제1샤프트 및 제2샤프트는 제1보스부 및 제2보스부에 직접 결합하지 않고 그 사이에 게재된 보호링을 통해 결합하게 된다.
상기 보호링(170)은 상기 제1보스부 또는 제2보스부(110c)에 삽입되는 원통부(171)와, 상기 원통부(171)의 원주 방향을 따라 연장 형성되며 상기 플랜지부(155)와 맞닿아 결합되는 원반부(172)로 구성된다.
상기 보호링(170)을 상기 제1보스부 또는 제2보스부(110c)에 끼운 상태에서, 상기 제1샤프트(150a) 또는 제2샤프트(150b)를 상기 보호링(170)의 원통부(171)에 끼운 다음, 볼트나 나사와 같은 체결부재를 이용하여 상기 제1보스부(110c) 또는 제2보스부(110c)와, 보호링(170)과, 플랜지부(155)를 일체로 결합한다.
상기 제1샤프트(150a)를 통해 공급된 유체는 상기 외부 케이싱과, 내부 케이싱 사이에 마련된 외곽 유로를 이동한 다음 제2샤프트를 통해 외부로 배출된다.
한편, 열전달의 효율성을 위해 상기 외곽 유로를 따라 이동하는 유체에 의해 공급되는 열이 상기 외부 케이싱(120) 쪽으로 전달되도록, 상기 내부 케이싱(130)의 일면에는 단열 코팅층(132)이 형성되거나 내부 케이싱을 열전도성이 낮은 소재(금속 또는 플라스틱)으로 제작하고, 상기 외부 케이싱(120)의 일면에는 방열 코팅층(123)이 형성거나 또는 기계적 물성과 열전도성이 우수한 금속, 예를 들어 알루미늄 또는 복합소재로 제작할 수 있다. 상기 단열 코팅층(132)은 고온에서 안정한 내구성을 가지며 열전도율이 낮은 다공성 TiO2-SiO2 복합소재와, 물유리를 포함한 코팅재로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 방열 코팅층(123)은 외곽 유로의 열을 고무 스트립 및 복합소재 쪽으로 전달하는 역할을 하는 것으로서, 열전도율이 높은 세라믹 소재인 SiC 또는 탄소 소재인 그래핀 또는 CNT 분말과, 물유리를 포함한 코팅재로 이루어지는 것을 예시할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100 : 맨드릴 120 : 외부 케이싱
130 : 내부 케이싱 125 : 격벽
125a : 통기홀 127 : 외곽 유로
130 : 내부 케이싱 150a, 150b : 제1, 2샤프트
200 : 챔버 210 : 가열수단
220 : 가압수단 230 : 유체 순환수단
231 : 유체 순환 송풍기 232 : 본체부
232a : 유체 유입구 232b : 유체 배출구
233 : 임펠러 235 : 모터부
235a : 스테이터 235b : 로터
236 : 볼 베어링 237 : 씰링부재
238 : 회전축 239 : 열차단판
240 :맨드릴 회전수단(rotary union) 251 : 유체 공급 파이프
252 : 유체 순환 파이프 260 : 컨트롤러
261 : 쿨러 270 : 내부 순환팬
130 : 내부 케이싱 125 : 격벽
125a : 통기홀 127 : 외곽 유로
130 : 내부 케이싱 150a, 150b : 제1, 2샤프트
200 : 챔버 210 : 가열수단
220 : 가압수단 230 : 유체 순환수단
231 : 유체 순환 송풍기 232 : 본체부
232a : 유체 유입구 232b : 유체 배출구
233 : 임펠러 235 : 모터부
235a : 스테이터 235b : 로터
236 : 볼 베어링 237 : 씰링부재
238 : 회전축 239 : 열차단판
240 :맨드릴 회전수단(rotary union) 251 : 유체 공급 파이프
252 : 유체 순환 파이프 260 : 컨트롤러
261 : 쿨러 270 : 내부 순환팬
Claims (6)
- 표면에 복합소재가 와인딩되는 것으로서, 외부 케이싱과, 내부 케이싱으로 이루어지는 본체와, 상기 본체 양단에 설치되는 한 쌍의 제1, 2샤프트를 포함하며, 상기 외부 케이싱과 내부 케이싱 사이에는 외곽 유로가 마련되는 맨드릴과;
상기 맨드릴을 수용하며 고온 및 고압 환경을 제공하는 챔버와;
상기 챔버 내부를 가열하는 가열수단과;
상기 챔버 내부를 가압하는 가압수단과;
상기 가열수단 및 가압수단에 의해 가열 및 가압된 상기 챔버 내부의 유체를 상기 맨드릴 내부로 순환시키는 유체 순환수단;을 포함하며,
상기 유체 순환수단은,
일측에서 상기 챔버 내부에 수용된 유체를 공급받아 타측으로 배출하는 유체 순환 송풍기와;
일단은 상기 유체 순환 송풍기에 연결되고 타단은 상기 맨드릴의 일단에 마련된 제1샤프트에 연결되어 상기 유체 순환 송풍기에서 배출된 유체를 상기 맨드릴 내부로 공급하는 유체 공급 파이프와;
상기 맨드릴 내부로 공급되는 유체의 유량을 조절하도록 상기 유체 순환 송풍기를 제어하는 컨트롤러;를 포함하며,
상기 맨드릴 내부로 공급된 유체는 상기 맨드릴의 타단에 마련된 제2샤프트를 통해 배출되고,
상기 챔버 내부에 수용된 고온 및 고압의 유체와, 상기 맨드릴에서 배출되는 고온 및 고압의 유체를 상기 유체 순환 송풍기에서 회수하며,
상기 내부 케이싱은 양단에 개구부가 마련되고, 상기 개구부에는 상기 내부 케이싱의 내부 공간에 유체가 유입되지 않도록 밀폐커버가 착탈가능하게 설치되며,
상기 제1, 2샤프트는 각각 상기 외부 케이싱을 관통하여 상기 밀폐커버와 맞닿도록 상기 본체에 삽입되고,
상기 제1샤프트의 일단부에는 원주 방향을 따라 형성되는 복수의 공급홀이 구비되고, 상기 제2샤프트의 일단부에는 원주 방향을 따라 형성되는 복수의 배출홀이 구비되며,
상기 제1샤프트로 공급되는 유체는 상기 내부 케이싱의 내부 공간으로 유입되지 않고 상기 공급홀을 통해 상기 외곽 유로로 이동한 다음, 상기 공급홀을 통해 상기 챔버로 배출되고,
상기 외곽 유로를 따라 이동하는 유체에 의해 공급되는 열이 상기 외부 케이싱쪽으로 전달되도록, 상기 내부 케이싱의 일면에는 단열 코팅층이 형성되고, 상기 외부 케이싱의 일면에는 방열 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 유체 순환 송풍기는 유체 유입구와, 유체 배출구를 가진 유체 순환 송풍기 본체부와, 상기 유체 순환 송풍기 본체부 내부에 탑재되어 상기 유체 유입구를 통해 상기 챔버 내부의 유체를 가압하여 상기 유체 배출구로 배출하는 임펠러와, 상기 유체 순환 송풍기 본체부의 일측에 설치되며 회전축을 통해 상기 임펠러를 회전시키는 모터부와, 상기 유체 순환 송풍기 본체부와, 상기 모터부 사이에 배치되어 상기 유체의 열이 상기 모터부로 전달되지 않도록 차단하는 열차단판을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템.
- 제3항에 있어서,
일단은 상기 제2샤프트에 연결되고 타단은 상기 유체 순환 송풍기의 유체 유입구에 연결되는 유체 순환 파이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템.
- 제3항에 있어서,
상기 유체 유입구는 상기 챔버와 연통되되,
상기 챔버 내부의 유체가 상기 유체 유입구 쪽으로 유입될 수 있도록 상기 챔버 내부에 설치되는 내부 순환팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템.
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Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020210179840A KR102640757B1 (ko) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210179840A KR102640757B1 (ko) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템 |
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ID=86989094
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020210179840A KR102640757B1 (ko) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | 압력용기 성형용 맨드릴의 유체 순환 시스템 |
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| KR100629959B1 (ko) * | 2005-06-01 | 2006-09-28 | 오재옥 | 필라멘트 와인딩 성형장치 및 이 장치를 이용한 필라멘트와인딩 성형방법 |
| JP2009051074A (ja) * | 2007-08-27 | 2009-03-12 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | 複合材料の大型成形装置 |
| KR102226423B1 (ko) * | 2019-04-12 | 2021-03-11 | 케이피항공산업(주) | 예열 효율이 높은 금형 |
Family Cites Families (1)
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-
2021
- 2021-12-15 KR KR1020210179840A patent/KR102640757B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100629959B1 (ko) * | 2005-06-01 | 2006-09-28 | 오재옥 | 필라멘트 와인딩 성형장치 및 이 장치를 이용한 필라멘트와인딩 성형방법 |
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