KR20170127888A - 다층 구조 파이프의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중간에 다기능용 파이프가 구비된 3개 이상의 파이프를 인발공정을 통해 합관하는 방법에 관한 것으로, 중간에 배치되는 다기능용 파이프의 형상 변형이 없을 뿐 아니라, 인발공정에 변형되는 각 파이프의 변형률을 최소화하여 후속 열처리 공정을 생략함으로써, 다층 구조 파이프의 기능성 향상과 함께 공정비용을 현저하게 절감할 수 있는 다층 구조 파이프의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다층 구조 파이프의 제조방법은, 최외부에 배치되는 외부 파이프, 최내부에 배치되는 내부 파이프, 상기 외부 파이프와 내부 파이프 사이에 배치되는 중간 파이프를 구비한 다층 구조 파이프의 제조방법으로, 상기 외부 파이프에 중간 파이프와 내부 파이프를 삽입하는 단계와, 인발 공정을 사용하여 상기 중간 파이프를 중심으로 상기 외부 파이프는 축관하고, 상기 내부 파이프는 확관하여 기계적으로 접합하는 단계를 포함하고, 상기 인발 공정에서 상기 중간 파이프의 소성 변형이 발생하지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

다층 구조 파이프의 제조방법 {METHOD FOR MANUFACTURING MULTI-LAYERED PIPE}

본 발명은 중간에 다기능용 파이프가 구비된 3개 이상의 파이프를 인발공정을 통해 합관하는 방법에 관한 것으로, 인발공정 중에 중간에 배치되는 다기능용 파이프의 형상 변형이 없을 뿐 아니라, 인발공정에 변형되는 각 파이프의 변형률을 최소화하여 후속 열처리 공정을 생략함으로써, 다층 구조 파이프의 기능성과 치수 정밀도의 향상과 함께 공정비용을 현저하게 절감할 수 있는 다층 구조 파이프의 제조방법에 관한 것이다.

히트 파이프는 대형 선박, 해양 플랜트, 중공업 분야, 우주항공 분야 등 다양한 산업분야에서 사용되고 있다.

도 1에 도시된 것과 같은 3중 히트 파이프의 경우, 내부와 외부의 공간을 부여하는 용기(container, 파이프 A 및 파이프 C)와 용기의 내부에서 작동유체가 이동할 수 있는 공간을 형성하는 윅(wick, 파이프 B)으로 구성된다.

이러한 3중 히트 파이프는 열원으로부터 열을 흡수하여 작동유체가 기체 상태로 증발하는 과정에서 열이 증발부에서 응축부의 방향으로 이동하거나, 온도가 낮은 외부에 열을 빼앗기면서 기체 상태로 된 작동유체로 응축되는 과정에서 열교환이 이루어진다.

이러한 3중 히트 파이프는, 상변화를 이용하고 외부의 에너지를 사용하지 않는 장점으로 인해 지속가능한 방열 또는 냉난방 장치로써, 최근, 건물의 제습 및 공조, 자동차, 항공, 전차를 포함한 수송 수단에서의 냉각장치, 태양열, 지열, 폐열 등을 이용한 냉난방 장치의 보조 수단으로서 히트 파이프에 대한 수요가 증가하는 추세이다.

인발(drawing) 공정에 의한 다층 구조 파이프의 제조는 다른 방식에 비해 저비용으로 긴 치수의 파이프를 제조할 수 있는 점에서 바람직하다.

종래, 인발 공정을 사용하여 3중 히트 파이프를 제조하는 방법은, 도 2에 도시된 바와 같이, 인발 공정을 통해 용기(container)를 형성하는 외부 파이프(파이프 A)와 내부 파이프(파이프 C)를 제조한 후, 압출을 통해 냉각에 최적화된 다기능 구조가 형성된 중간 파이프(파이프 B)를 제조한 후, 1차 인발공정을 통해 외부 파이프와 중간 파이프를 합관한 후, 2차 인발공정을 통해 1차 합관된 파이프의 내부에 내부 파이프를 합관하는 방법으로 제조된다.

이 방법에 의하면, 합관에 적어도 2회의 인발공정이 사용될 뿐 아니라, 합관 과정에서 중간 파이프의 성형이 이루어지기 때문에, 중간 파이프의 변형이 불가피하다.

한편, 히트 파이프의 고기능화 및 다기능화에 대한 요구가 증대되고 있기 때문에, 현재의 단순한 구조의 중간 파이프 구조에서, 점차적으로 현재보다 복잡한 구조의 디자인이 될 가능성 높은데, 인발 공정에서 중간 파이프에 변형이 가해질 경우, 원래 디자인된 기능의 훼손될 수 있으므로, 디자인 자유도가 낮은 문제점이 있다.

또한, 인발 공정에서 중간 파이프의 변형이나, 용기를 구성하는 파이프에 심한 변형이 가해질 경우 그에 따른 가공경화로 인해 어닐링 처리와 같은 열처리가 필요할 수 있으며, 추가적인 열처리는 생산비용의 증가로 이어지는 문제점도 있다.

한편, 하기 특허문헌에는, CO₂ 가스가 순환되는 내부 동파이프와, 상기 내부 동파이프보다 작은 직경으로 형성된 복수의 중간 동파이프들을 상기한 내부 동파이프의 외주 전체를 감싸면서 서로 이웃하는 것끼리 밀착된 상태가 되도록 배열 설치하는 내부 동파이프 및 중간 동파이프 조립단계와, 상기 내부 동파이프 및 중간 동파이프 배열 설치단계에서 내부 동파이프의 외주를 감싸도록 설치된 복수의 중간 동파이프들 전체의 외주를 감쌀 수 있는 내경을 가진 외부 동파이프 속으로 상기 내부 동파이프 및 복수의 중간 동파이프들을 삽입 조립하는 외부 동파이프 조립단계와, 상기 외부 동파이프 조립단계에서 내부 동파이프 및 복수의 중간 동파이프들이 삽입 조립되어 있는 상기 외부 동파이프를 파이프 인발기에 투입하여 외부 동파이프의 외경을 축소 압축시키는 인발작동으로 상기 복수의 중간 동파이프들을 압축 변형시킴과 동시 복수의 중간 동파이프 및 내부 동파이프가 외부 동파이프 속에 결합된 상태로 고정되게 하는 외부 동파이프 인발단계로 이루어지는 열교환기용 다층 구조 파이프의 제조방법이 개시되어 있다.

이 방법은 복수의 중간 동파이프를 이용하여 인발과정의 변형을 통해 열교환 구조가 만들어지도록 하는데, 사용되는 중간 파이프 수가 많고, 일반적인 윅(wick) 구조에 비해 디자인 자유도가 떨어지는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0109004호

본 발명은, 중간에 다기능용 파이프가 구비된 3개 이상의 파이프를 인발공정을 통해 합관함에 있어서, 다기능용 파이프의 형상 변형이 없을 뿐 아니라, 인발공정에 변형되는 각 파이프의 변형률을 최소화할 수 있는 다층 구조 파이프의 제조방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 최외부에 배치되는 외부 파이프, 최내부에 배치되는 내부 파이프, 상기 외부 파이프와 내부 파이프 사이에 배치되는 중간 파이프를 구비한 다층 구조 파이프의 제조방법으로, 상기 외부 파이프에 중간 파이프와 내부 파이프를 삽입하는 단계와, 인발 공정을 사용하여 상기 중간 파이프를 중심으로 상기 외부 파이프는 축관하고, 상기 내부 파이프는 확관하여 기계적으로 접합하는 단계를 포함하고, 상기 인발 공정에서 상기 중간 파이프의 소성 변형이 발생하지 않도록 하는 다층 구조 파이프의 제조방법을 제공한다.

이상과 같이, 중간 파이프를 중심으로 하여 외부 파이프는 축관을 하고 내부 파이프는 확관을 하게 되면, 중간 파이프에 실질적인 변형 없이 합관이 가능하게 된다. 이에 따라 다기능을 위해 중간 파이프의 형상이 복잡해지더라도 그 형상을 그대로 유지할 수 있게 되어, 고성능의 다층 구조 파이프의 제조가 가능하게 된다.

또한, 중간 파이프에 기계적인 변형이 전혀 없기 때문에, 중간 파이프의 기계적 변형에 따른 좋지 않은 물성 변화를 염려할 필요가 없게 된다.

또한, 기계적인 합관에 필요한 변형량을 외부 파이프와 내부 파이프로 적절하게 분담시킬 수 있으므로, 종래의 합관 공정과 달리 특정한 파이프에 변형량이 집중되는 것을 막아, 가공경화로 인한 물성 변화하는 것을 최소화할 수 있어 스펙 관리가 용이할 뿐 아니라, 이를 통해 풀림 열처리와 같은 열처리 공정을 생략할 수 있어, 제조된 다층 구조 파이프의 치수 정밀도도 높일 수 있게 된다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 중간 파이프는 1 이상의 파이프로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 중간 파이프는 1개의 파이프로 이루어질 수도 있으나, 인발 공정에서 전혀 변형이 가해지지 않기 때문에, 중간 파이프를 미리 합관 처리된 2중관, 3중관과 같은 다중관으로 배치할 수도 있다. 이를 통해, 보다 다양한 기능을 갖는 다층 구조 파이프의 제조가 가능하게 된다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 중간 파이프에는 열교환을 위한 매체를 수용하는 공간이 형성될 수 있다. 이때, 상기 공간은 중간 파이프의 내측에 배치되는 내부 파이프와의 합관을 통해 형성되도록 핀(fin)과 같은 형태의 구조물이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 축관과 확관은 하나의 인발 공정에서 동시에 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 확관은 상기 내부 파이프의 내부에 배치되는 확관용 맨드릴을 사용하여 행해질 수 있다.

본 발명에 따른 제조방법은 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

먼저, 중간에 배치되는 기능용 파이프를 중심으로 외부 파이프는 축관되고, 내부 파이프는 확관되는 공정을 사용하여 합관이 이루어지며, 이 과정에서 상기 기능용 파이프는 합관상태를 유지할 정도의 탄성 변형만이 가해져 실질적으로 형상의 변형이 이루어지지 않게 되어, 복잡하고 다양한 성능을 요구한 부품 형상에 맞추어 기능용 파이프의 제작이 가능하게 된다.

또한, 기능용 파이프의 소성변형은 기능용 파이프의 형상 변화는 물론 그 물성까지 변화되므로 기능 손실이 발생할 수 있으나, 본 발명에 의하면 소성 변형이 생기지 않으므로, 인발 공정 과정에서 기능용 파이프의 기능 저하가 발생하는 것을 막을 수 있다.

또한, 축관공정만으로 합관을 진행하는 종래의 방법에 비해, 본 발명은 외부 파이프는 축관되고 동시에 내부 파이프는 확관되기 때문에, 외부 파이프의 변형량을 최소화할 수 있어, 파이프 스펙 관리가 용이할 뿐아니라, 파이프 스펙 관리를 위하여 어닐링과 같은 열처리를 할 필요가 없어 치수 정밀도도 높일 수 있다.

또한, 외부에서의 축관과 내부에서의 확관이 동시에 이루어지므로, 외부 및 내부의 가공 후 표면 조도의 관리가 용이하다.

도 1은 일반적인 3중 히트 파이프의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 인발공정을 사용하여 3중 히트 파이프를 제조하는 종래의 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 인발공정을 사용하여 3중 히트 파이프를 제조하는 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인발공정에서 확관과 축관이 동시에 이루어지는 상태를 나타내는 개략도이다.

본 발명의 실시예들을 설명하기 위해 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 의미이다. 그리고 포함한다의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작. 요소 및/또는 성분을 구체화하며 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작. 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미이다. 또한, 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술 문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 갖는 것으로 추가 해석되고 정의되지 않는 한, 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지는 않는다.

본 발명에 따른 다층 구조 파이프의 제조방법에 대한 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 인발공정을 사용하여 3중 히트 파이프를 제조하는 인발 장치의 개략도이다.

본 발명에 사용된 인발장치(10)는 크게, 푸싱 유닛(100)과, 인발 유닛(200)을 포함하여 이루어진다.

이중, 상기 푸싱 유닛(100)은, 유압 시스템을 이용하여 인발 유닛(200)이 끌어당기는 방향으로 모관(300)을 소정의 압축력으로 압입하는 유닛이다.

또한, 상기 인발 유닛(200)은 압입용 푸싱 유닛(100)에 의해 압입되는 모관(300)의 외주부에 배치되어 상기 모관(300)을 소정의 외경으로 축소시키는 다이스(210)와, 상기 모관(300)을 파지하여 끌어당길 수 있도록 하는 클램프(220)와, 상기 모관의 내측에 배치되어 모관을 구성하는 내부 파이프를 확관시키는 맨드릴(230)과, 상기 클램프(220)와 맨드릴(230)에 구동력을 제공하는 유압시스템(미도시)를 포함하여 이루어진다.

상기 다이스(210)의 내경은 인발되는 방향으로 테이퍼지게 되어 있어 인발과정에 모관(300)을 구성하는 외부 파이프가 축관 변형되도록 하고, 상기 맨드릴(230)의 외경은 상기 모관(300)을 구성하는 내부 파이프의 직경보다 크게 되어 있어 인발 과정에 내부 파이프가 확관 변형될 수 있도록 구성되어 있다.

상기 모관(300)은 3중 구조로 되어 있으며, 외부 파이프(310)와 내부 파이프(330)은 중간 파이프(320)를 수용하는 용기 역할을 한다. 중간 파이프(320)는 상기 내부 파이프(330)와 함께 열 매체를 흐르게 하는 공간을 형성하기 위한 예를 들어 핀(fin)과 같은 구조물이 내측 방향으로 형성되어 있다.

한편, 상기 중간 파이프(320)는 반드시 1개의 파이프로 이루어지지 않고, 중간 파이프(320) 자체가 2중관, 3중관 등 다층 구조로 이루어져, 결과적으로 모관(300)의 구조가 4중관 이상의 구조로 이루어질 수도 있다.

상기 용기 역할을 하는 외부 파이프(310)와 내부 파이프(330)의 재질은, 일반적인 탄소강, 스테인리스강, 알루미늄, 구리, 니켈 또는 이들의 합금과 같은 다양한 재질로 제조될 수 있다.

상기 중간 파이프(320)는 냉각 및 열효율을 고려해야 하므로, 열전달 특성이 우수한 재질이 바람직한데, 예를 들어 알루미늄, 구리, 티타늄, 또는 이들의 합금이 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

다음으로, 본 발명의 인발 장치를 사용하여 다층 구조 파이프의 제조방법에 대해 설명한다.

<다층 구조 파이프를 구성하는 파이프들의 제조>

먼저, 모관(300)을 구성하는 외부 파이프(310)는, 제조될 다층 구조 파이프의 외경에 비해 큰 외경을 가지면서 중간 파이프(320)의 외경에 비해 큰 내경을 갖는 파이프를 준비하거나, 이러한 파이프가 없을 경우, 인발 장치를 이용하여 튜브 싱킹(tube sinking) 공정을 수행하여, 요구되는 외경을 갖도록 가공한다.

모관(300)을 구성하는 중간 파이프(310)는, 열 매체가 수용되는 공간을 형성하기 위한 핀(fin) 구조물을 생성된 것을 사용하며, 만약 핀(fin) 구조물의 형성에는 핀(fin)이 형성된 금형을 사용하여, 공지의 열간압출공정이나, 인발공정을 사용하여 제조한다. 이때, 중간 파이프(310)의 외경과 내경은 최종적으로 제조될 다층 구조 파이프에 있어서 외경 및 내경과 동일하게 제조하여 준비한다.

모관(300)을 구성하는 내부 파이프(330)는, 제조될 다층 구조 파이프의 내경에 비해 작은 외경을 가지면서 상기 중간 파이프(310)의 외경보다 큰 내경을 갖는 파이프를 준비하거나, 이러한 파이프가 없을 경우, 인발 장치를 이용하여 튜브 싱킹(tube sinking) 공정을 수행하여, 요구되는 외경 및 내경을 갖도록 가공한다.

<인발에 의한 합관 단계>

이상과 같이 외부 파이프(310), 중간 파이프(320) 및 내부 파이프(330)이 준비되면, 외부 파이프(310)에 중간 파이프(320)와 내부 파이프(330)를 삽입하여 인발을 위한 모관(300)을 만든다.

이와 같이 만들어진 모관(300)을, 푸싱 유닛을 사용하여 다이스(210)에 압입하고, 압입된 선단부를 클램프(220)로 고정하고, 유압시스템을 사용하여 클램프(220)를 끌어당기고, 맨드릴(230)은 반대방향으로 이동하도록 한다.

그리고 푸싱 유닛(100)의 압입력과 인발유닛(200)의 인발력은 동일하게 유지하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인발공정에서 확관과 축관이 동시에 이루어지는 상태를 나타내는 개략도이다.

도 4에 나타난 바와 같이, 다이스(210)는 외부 파이프(310)과 축관되었을 때, 그 내경이 중간 파이프(320)의 외경과 실질적으로 동일하도록 되어 있고, 맨드릴(230)의 외주부는 다이스(210)에서 가장 내경이 작은 부분에서 가장 외주 지름이 크게 되도록 형성되어 있으며, 그 지름은 내부 파이프(330)이 맨드릴(230)에 의해 확관되었을 때, 내부 파이프(330)의 외경이 중간 파이프(330)의 내경과 실질적으로 동일하도록 되어 있다.

이와 같이, 다이스(210)와, 맨드릴(230)의 크기 및 외부 파이프(310), 중간 파이프(320) 및 내부 파이프(330)의 내경과 외경이 맞추어져 있기 때문에, 인발 공정을 수행할 경우, 중간 파이프(320)는 실질적으로 변형을 받지 않는 상태가 된다.

다만, 합관 시, 외부 파이프(31)와 중간 파이프(320), 그리고 중간 파이프(320)와 내부 파이프(330) 간의 마찰력에 의해 이들 파이프가 기계적으로 분리되지 않을 정도의 결합력이 부여되어야 하므로, 중간 파이프(320)의 탄성변형 범위 내에서 약간의 변형이 가해질 수 있으나, 중간 파이프(320)의 실질적인 변형이 발생하지는 않는다.

이러한 방법을 통해 치수 정밀도가 우수하고, 후속 열처리가 필요하지 않으며, 중간 파이프에 전혀 변형이 가해지지 않은 상태의 3중 구조의 파이프를 제조할 수 있다.

10: 인발장치
100: 푸싱 유닛
200: 인발 유닛
210: 다이스
220: 클램프
230: 맨드릴
300: 모관
310: 외부 파이프
320: 중간 파이프
330: 내부 파이프

Claims (5)

1. 최외부에 배치되는 외부 파이프, 최내부에 배치되는 내부 파이프, 상기 외부 파이프와 내부 파이프 사이에 배치되는 중간 파이프를 구비한 다층 구조 파이프의 제조방법으로,
   상기 외부 파이프에 중간 파이프와 내부 파이프를 삽입하는 단계와,
   인발 공정을 사용하여 상기 중간 파이프를 중심으로 상기 외부 파이프는 축관하고, 상기 내부 파이프는 확관하여 기계적으로 접합하는 단계를 포함하고,
   상기 인발 공정에서 상기 중간 파이프의 소성 변형이 발생하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 다층 구조 파이프의 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 중간 파이프는 1 이상의 파이프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층 구조 파이프의 제조방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 중간 파이프에는 열교환을 위한 매체를 수용하는 공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다층 구조 파이프의 제조방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 축관과 확관이 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층 구조 파이프의 제조방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 인발 공정에 있어서, 상기 확관은 상기 내부 파이프의 내부에 배치되는 확관용 맨드릴을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층 구조 파이프의 제조방법.
   

Images