KR20210050516A - 다면체 나선형 튜브 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단면체 나선형 튜브를 제조하는 방법, 다면체 나선형 튜브 및 그 사용에 관한 것이다.

Description

다면체 나선형 튜브 및 그 제조 방법

본 발명은 튜브를 제조하는 방법, 이 방법에 의해 제조된 튜브 및 그 사용에 관한 것이다.

튜브의 가장 간단한 형태는 원통형이다. 그러나 원통형 튜브는 그 벽이 얇은 경우 치수적으로 가장 안정적인 튜브는 아니다. 자신의 무게로 무너지는 것 외에도 좌굴도 문제이다. 좌굴은 구조의 안정성 손실을 말하며, 가장 단순한 형태에서, 재료의 탄성 범위 내에서 이러한 안정성 손실이 발생한다고 가정하는 경우 재료 강도와 무관하다. 압축 하중을 받는 가늘거나 얇은 벽 구조는 좌굴에 취약하다.

이는 추가 지지를 통해 또는 튜브의 벽 두께를 증가시켜서 튜브를 강화해야 함을 의미하다. 두 방법 모두 추가 비용이 포함되기 때문에 바람직하지 않다.

JP2010007801은 원통형 나선형 다면체의 수학적 구조를 개시하고 매우 일반적인 의미에서 항공기 동체 또는 음료 용기에 대한 이러한 기하학적 구조의 응용을 언급한다. 1966년 렌조 피아노(Renzo Piano)는 유황 추출 시설에 유사한 구조의 사용을 개척했다. 테트라헬릭스(tetrahelix) 구조에 대한 버크미니스터 풀러(Buckminster Fuller)의 연구는 1990년 미트 아트 타워(Mito Art Tower)JP)에서 큰 무대 효과(theatrical effect)로 구현되었다.

본 발명의 목적은 좌굴에 취약하지 않은, 종래에 제조된 튜브보다 가벼운 튜브를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

이 목적은 다면체 나선형 튜브를 제조하는 방법으로 달성되며, 이 경우 인접한 동일한 삼각형(a, b) 쌍을 형성하도록 편평한 금속 스트립(1)에 스트립의 전체 폭에 걸쳐 비틀림(kinks)(i, ⅱ, ⅲ, iv, ...)이 제공되며, 여기서 각각의 인접한 삼각형 쌍은 평행사변형을 형성하고, 평행사변형의 평행한 에지들 중 2개가 스트립의 에지와 일치하고 평행사변형의 다른 두 평행한 에지들과 평행사변형의 대각선 각각은 각각 각도 α와 각도 β로 연속적으로 비틀리며, 이어서 스트립을 나선형 용접하여 다면체 나선형 튜브를 형성하고, 여기서 금속 스트립의 에지를 형성하는 삼각형(a)의 에지는 선행하는 루프의 삼각형(b)의 에지에 용접되며, 여기서 금속 스트립의 에지를 형성하는 삼각형(b)의 에지는 선행하는 루프의 삼각형(a)에 용접된다. 바람직한 실시 예가 종속항에 제공된다.

이제 본 발명이 다음의 비 제한적인 도면에 의해 추가로 설명된다.
도 1은 좌굴에 굴복하는 원통형의 얇은 벽 튜브의 이미지를 보여준다.
도 2는 4-각형 나선형 튜브를 보여준다.
도 3a와 3b는 동일한 외접 평행사변형을 기반으로 한 서로 다른 삼각형 쌍들을 보여준다.
도 4a 및 4b는 도 3a 및 3b에 도시된 금속 스트립을 기반으로 제조된 다른 다면체 나선형 튜브를 보여준다.
도 4c는 겉보기 두께가 큰 다면체 나선형 튜브를 보여준다.
도 4d 및 4e는 튜브가 도 4d의 단일 금속 스트립으로부터 제조된 다면체 나선형 튜브를 보여준다. 도 4e에서 나선형 육각 튜브가 두 개의 비틀린 스트립을 동시에 나선형 용접하여 제조될 수 있음을 알 수 있다. 두 개의 비틀린 스트립은 먼저 개별 스트립에서 만들어지거나(도 4b에서 하나의 비틀린 스트립을 제조하기 위해 3개의 스트립을 함께 용접할 수 있음) 또는 위아래의 비틀림이 나선형 용접을 시작하기 전에 이미 스트립에 존재하도록 넓은 스트립이 적절한 굽힘(bending) 또는 롤 성형 장치에서 비틀릴 수 있다.
도 5에서 본 발명에 따른 다면체 나선형 튜브(즉, 삼각형 쌍에 기초한)를 생성하기 위한 개략적인 장치가 도시되어 있다. 다른 단계들은 다음과 같다.
1. 원료 검사하기;
2. 풀기;
3. 선택사항으로 대강 레벨링하기;
4. 단부 절단 및 선행 스트립에 맞대기 용접하기;
5. 선택사항으로 정밀 레벨링하기;
6. 스트립을 비틀고 및 용접에 전달하기;
7. 용접하기;
8. 선택사항으로 청소, 디버링 및 전체 검사하기;
9. 선택사항으로 세부 검사하기(예를 들면, X-ray 검사, 스캐닝);
11. 선택사항으로 진공 시험하기;
12. 선택사항으로 길이 및 무게 측정하기;
13. 선택사항으로 코팅 및 마킹하기;
14. 저장하기.
상기 단계 6 및 7은 본 발명에 따른 방법에서 중요하다. 이 2개의 공정 단계는 바람직하게는 연속 공정으로 연결된다. 비틀림 공정은 용접과 분리되어 있다고 생각할 수 있지만, 비틀린 금속 스트립의 형상으로 인해 비틀린 금속 스트립이 나선형 형태를 취하므로, 비틀림 및 용접 단계를 연결하고 비틀린 금속 스트립을 용접 장치에 바로 공급하는 것이 합리적이다.
도 6은 서로 다른 비틀림 선(i, ⅱ, ⅲ, iv, v)(ⅱ 및 iv는 파선, i, ⅲ 및 v는 일점쇄선, 두 개의 서로 다른 굽힘 각도를 나타냄), 두 개의 삼각형(a, b) 및 삼각형(a, b)을 둘러싸는 평행사변형을 보여준다.
도 7a 및 7b는 다면체 나선형 튜브와 증가된 유효 두께를 보여준다.
도 8a ~ 8d는 도 8a에 정의된 대로 다른 각도 a와 b를 가진 다른 다면체 나선형 튜브들과, 필요한 굽힘 각도 알파 및 베타를 보여준다.

본 발명에 따른 방법은 산업적 규모로 다면체 나선형 튜브를 제조하는 방법을 제공한다.

기하학에서, 다면체는 편평한 다각형 면들과, 직선 에지들과, 날카로운 모서리 또는 꼭지점을 가진 3차원 입방체(solid)이다. 용어 "다각형"은 "여러 각도"를 의미한다. 개별 다각형은 측면의 수에 따라, 그리스어에서 파생된 숫자 접두사와 접미사 -gon을 결합하여 이름이 지정된다(예를 들면, 오각형, 십각형). 그러나 수학자들은 일반적으로 숫자 표기법을 사용한다(예를 들어, 육각형은 6-각형, 십이면체는 12-각형).

이상적인 나선형 튜브는 세로축을 따라 비틀리고 매끄러운 면들을 가진 직선 튜브이다. 도 2는 정사각형(4-각형)을 기준으로 한 그러한 이상적인 나선형 튜브의 스케치를 보여준다. 정사각형 튜브는 도 2에서 긴 직사각형인 4개의 표면(위, 아래, 왼쪽 및 오른쪽)을 가진다. 4-각형 튜브를 비틀어 나선형 튜브가 형성된다. 도 2는 전면이 후면에 대해 360°이상 비틀린 그러한 나선형 튜브를 보여준다. 원래의 긴 직사각형은 이제 곡면이 되었으며, 이 곡면들은 매끄럽고 불연속성이 없다. 그러나 비틀린 긴 직사각형이 비틀리는 동안 변형되고 평평해질 때 더 이상 직선의 긴 직사각형이 아니고 정사각형 튜브의 에지가 표면의 중심선보다 훨씬 더 심한 변형을 겪기 때문에, 이러한 나선형 튜브를 산업적 및 경제적 규모로 제조하는 것은 실질적으로 불가능하다. 이것은 도 2에서 나선형 튜브에 부과된 격자의 크기와 모양의 차이로 명확하게 입증된다. 스트립 재료로부터 이러한 나선형 튜브를 생성하려면 스트립 재료를 비틀린 모양으로 형성하고 그것을 에지에서 접합해야 하다. 이러한 동일한 원칙이 더 높은 값(즉, 5 이상)의 x-각형에 적용된다.

본 발명에 따른 다면체 나선형 튜브는 면들이 동일한 형상의 삼각형으로 구성되는 다면형 튜브이다. 튜브의 나선형 특성은 상기 동일한 형상의 삼각형이 폭 w를 갖는 금속 스트립 형태로, 바람직하게는 연속 스트립 형태로 제공된다는 사실에 의해 제공된다. 이 스트립은 금속 스트립의 코일 형태로 제공될 수도 있다. 스트립의 삼각형은 굽힘 작업에 의해 생성된다. 본 발명에 따른 다면체 나선형 튜브는 이상적인 나선형 튜브의 근사체로서, 스트립의 폭에 걸쳐 재료를 다르게 변형할 필요없이 직선의 평평한 재료 스트립으로부터 제조될 수 있지만, 스트립 재료에 상향 및 하향 비틀림을 제공함으로써 평행사변형의 두 변이 스트립 재료의 에지들에 평행한 평행사변형을 형성하는 삼각형 쌍들을 형성하여 제조될 수 있다. 즉, 직선 스트립을 다면체 나선형 튜브로 형성하는 데 필요한 변형은 도 2의 4-각형에서와 같은 전체 스트립 너비에 걸친 퍼짐이 아니라 비틀림에 국한된다. 삼각형은 평평하게 유지되며, 유일한 변형은 상향 및 하향 비틀림에 있다.

다면체 나선형 튜브의 꼭지점들은 다면체 나선형 튜브의 표면에 규칙적인 패턴으로 정렬된다. 꼭지점들 사이의 직선(즉, 삼각형의 에지 a, b 및 c)은 다면체 나선형 튜브에 강도를 부여하는 상향 또는 하향 비틀림이다. 이것들은 또한 스트립 재료의 두께보다 큰 튜브의 겉보기 두께를 생성하다. 이는 두 개의 인접한 꼭지점 사이의 직선이 원칙적으로 튜브 내 절단되기 때문이다. 삼각형의 선택에 따라 겉보기 두께가 다소 감소하다. 튜브에 새겨진 원통은 인접한 두 꼭지점 사이의 직선이 튜브 내로 절단되는 깊이에 따라 달라진다. 도 4a와 도 4b를 비교할 때, 삼각형은 다르게 선택되지만, 삼각형 쌍으로 둘러싸인 평행사변형은 동일하다. 따라서 꼭지점은 두 경우 모두 동일한 위치에 있다. 그러나 도 4a의 평행사변형의 대각선은 도 4b의 평행사변형의 대각선보다 튜브에서 덜 깊게 절단된다. 이것은 튜브의 하향 비틀림인 대각선의 길이의 직접적인 결과이다. 대각선이 길수록 절단이 더 깊어지므로, 겉보기 두께가 더 커지고 결과적으로 튜브에 새겨진 원통의 직경이 작아진다. 본 발명에 따른 다면체 나선형 튜브의 또 다른 특징은 모든 꼭지점이 튜브의 중심축에 대해 동일한 거리(r)에 있고, 각 꼭지점 주변의 6개 삼각형의 모든 모서리의 합이 360°라는 것이다. 이것은 각 꼭지점이 두 쌍의 3개 삼각형으로 둘러싸여 있기 때문이다. 모든 삼각형이 동일하므로 합계는 360°이다. 이것은 원칙적으로 튜브가 항상 평평한 재료로 만들어질 수 있음을 의미하다. 표면에 대한 법선 벡터(종종 간단히 "법선"이라고 함)는 주어진 지점에서 표면에 수직인 벡터이다. 인접한 두 삼각형의 법선이 인접한 삼각형 사이의 연결을 형성하는 비틀림으로 변환되면 이등분 벡터는 튜브의 중심축을 통과하고 중심축에 직교하는 벡터이다. 이것은 모든 쌍의 인접한 삼각형들에 적용된다. 마지막 특징은 각 삼각형의 각 변의 중심이 중심축에 가장 가깝다는 것이다.

가장 간단한 형태로 다면체 나선형 튜브를 제조하는 방법은 너비 w를 갖는 금속 스트립, 바람직하게는 연속 스트립 형태에서 시작한다. 다면체 나선형 튜브의 원하는 겉보기 두께를 기준으로 평행사변형이 선택된다. 대각선이 길수록 다면체 나선형 튜브에서 더 멀리 꼭지점들을 연결하기 때문에 대각선이 다면체 나선형 튜브 내로 더 깊게 절단된다.

스트립은 도 3a에 도시된 바와 같이 측면에서 측면으로의 점선에서 전체 너비에 걸쳐 비틀려진다. 한쪽과 다른 쪽에서 볼 때 재료의 에지도 도시되어 있으며 한 비틀림은 위쪽으로 다음 비틀림은 아래쪽으로 향하는 것을 보여준다. 한 쌍의 삼각형(i, ⅱ)은 에지들 중 2개가 스트립의 에지들과 평행하고(및 이 경우 일치하는) 평행사변형을 형성한다. 따라서 삼각형 쌍으로 구성된 외접 평행사변형과 관련하여 삼각형(i)을 삼각형(ⅱ)에서 분리하는 평행사변형의 (짧은) 대각선도 비틀려진다(도 3a 참조). 삼각형(i, ⅱ)의 쌍은 정삼각형 쌍(a=b=c) 또는 이등변 삼각형 쌍(a=b≠c) 또는 세 변의 길이가 다른 삼각형(a≠b≠c)일 수 있다. 여기서 a, b 및 c는 각각 삼각형의 변의 길이이다. 도 3a에서 삼각형은 정삼각형이고 외접 평행사변형은 a와 a의 변을 가지고 있다. 도 3b에서 삼각형은 이등변 삼각형이고 외접 평행사변형에는 a와 a의 변이 있다(도 3a와 동일). 3개의 다른 변(a, b 및 c)을 갖는 불규칙한 삼각형의 경우, 외접 평행사변형은 삼각형의 어느 변이 평행사변형의 대각선 중 하나를 형성하는지에 따라 a와 b, 또는 b와 c 또는 a와 c의 변을 갖는다.

이 비틀린 스트립에 기초하여 본 발명에 따른 다면체 나선형 튜브가 제조될 수 있다.

도 4a는 전체적으로 비틀린 스트립 재료로 구성된 도 3a의 비틀린 스트립을 기초로 제조된 본 발명에 따른 튜브를 도시한다. 비틀린 재료를 나선형 용접 장치에 공급함으로써 비틀린 스트립은 비틀림을 사용하여 삼각형을 구부리는 것이 아니라 용접 전에 다면체 나선형 튜브의 곡률로 강제된다. 동시에 회전하고 용접함으로써, 각 삼각형(i)은 이전 루프의 삼각형(ⅱ)에 용접된다. 이 구조는 길이가 12.5개 삼각형 기준의 길이를 가진 루프로 귀결된다. 평면에서 보면, 이것은 불규칙한 12.5-각형으로 간주될 수 있다. 하나의 전체 루프를 완료하기 위해 12.5개의 어두운 삼각형이 있다. 비틀린 금속 스트립의 기하학적 구조로 인해 이전 루프에서 삼각형(i)와 삼각형(ⅱ) 사이의 용접은 또한 리브(rib)를 형성하고 삼각형(i, ⅱ)은 비틀림이 금속 스트립에서 만들 것처럼 서로 일정한 각도를 이룬다. 삼각형(i, ⅱ)의 법선은 평행하지 않다.

도 3b의 평행사변형은 도 3a와 동일하지만 삼각형 쌍이 다르다. 이제 삼각형은 정삼각형이 아니라 이등변 삼각형이다. 여기서 다시 삼각형(i, ⅱ)의 평행사변형의 평행한 에지들은 삼각형(i)과 삼각형(ⅱ)을 분리하는 평행사변형의 (긴) 대각선과 함께 비틀린다. 도 3a의 튜브와 같은 방식으로 다면체 나선형 튜브를 만들 때, 완전한 루프는 11.5개 삼각형 기준의 길이를 가질 것이다. 평평한 평면에서 볼 때 이것은 불규칙한 11.5-각형으로 간주될 수 있다. 도 4b의 삼각형의 연결이 다르기 때문에 한 루프와 다음 루프 사이의 연결을 따르는 하나의 루프는 11.5-각형이다.

따라서 도 4a 및 4b의 두 튜브는 비틀린 원래의 평평한 스트립을 나선형 용접하여 제조될 수 있으며, 여기서 비틀림은 동일한 삼각형 쌍을 형성하다. 도 4a 및 4b에서는 이러한 사항이 강조 표시되어 있다. 그러나, 도 4b의 삼각형 쌍의 모양은 도 4a의 모양과 다르기 때문에(그러나 삼각형 쌍의 외접 평행사변형은 동일하다!), 비틀림의 깊이도 4b의 경우 더 크며, 따라서 튜브의 겉보기 두께가 증가하여 좌굴에 대한 저항을 증가시킨다. 도 4c에서 이 겉보기 두께 효과는 나선의 십이면체 튜브에서 보다 비틀림이 튜브 내로 실질적으로 더 침투하는 나선의 육각형 튜브에 대해 시각화된다. 이것은 또한 튜브의 외부 표면에서도 분명하다(도 4a와 도 4c 비교). 도 4a 및 4b에서 분명히 알 수 있는 것은, 삼각형을 형성하는 비틀림과, 또한 선택적으로는 튜브를 형성하는 커브가, 미리 적절한 굽힘 또는 롤 성형 장치에 의해 제공되는 하나의 스트립을 나선형 용접하여 다면체 나선형 튜브가 제조될 수 있다는 것이다. 도 4e에서 나선의 육각형 튜브는 두 개의 비틀린 스트립을 동시에 나선형 용접하여 제조될 수 있음을 보여준다. 상기 두 개의 비틀린 스트립은 먼저 개별 스트립에서 만들어지거나(도 4b에서 3개의 스트립이 함께 용접되여 하나의 비틀린 스트립을 생성할 수 있음), 또는 나선형 용접을 시작하기 전에 이미 위아래로의 비틀림이 존재하도록 넓은 스트립이 적절한 굽힘 또는 롤 성형 장치에서 비틀어질 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 다면체 나선형 튜브는 튜브를 제조 한 후 비틀리지 않고, 스트립에 올바른 방향(안쪽 또는 바깥 쪽)으로 "튀어 나오는(pop)" 삼각형 패턴의 비틀림이 제공되는 동시에 스트립의 에지들이 함께 접합되는 사실의 결과로서 비틀려진다. 비틀림의 존재는 다면체 나선형 튜브의 좌굴 저항 증가에 기여하는 요소를 형성하다. 안쪽으로 튀어 나오는 비틀림은 좌굴에 대한 함몰 보강구조이고, 바깥쪽으로 튀어 나오는 비틀림은 좌굴에 대한 돌출 보강구조이다. 함몰 및 돌출 비틀림은 스트립의 겉보기 두께를 더 두껍게 하여 좌굴 저항에 기여한다. 도 4b의 11.5-각형의 함몰 비틀림은 도 4a의 12.5-각형의 함몰 비틀림보다 더 깊다. 결과적으로 11.5-각형의 겉보기 두께가 더 높으므로 좌굴에 대한 저항도 더 높다.

도 7b에서 이것은 도 7a의 다면체 나선형 튜브를 기반으로 설명된다. 중심 축까지의 거리는 회색 점들으로 표시된 점들에 대해 도시되어 있다. 중심 축까지의 거리가 내접원과 외접원 사이에서 달라지는 것을 도 7b에서 알 수 있다. 내접원과 외접원 사이의 거리는 튜브의 겉보기 두께에 대한 척도로 간주될 수 있으며, 이는 금속 스트립의 두께보다 훨씬 더 크기 때문에 좌굴에 대한 저항이나 튜브의 기계적 강도도 더 크다. 좌굴에 대한 보강구조는 다면체 나선형 튜브를 구성하는 삼각형의 리브이다.

도 4d는 이 예에서 세로 축을 따라 이동하면서 그 중심을 따라 회전하는 튜브의 세로 축에 수직인 육각형(6-각형)으로 구성된 다면체 나선형 튜브를 보여준다. 이상적인 나선형 튜브는 6개의 매끄럽게 구부러진 표면이 있고 육각형의 6개 코너 각각이 완벽한 나선을 형성한다(4각형에 대한 도 2에서와 같이). 본 발명에 따른 다면체 나선형 튜브에서, 각각의 이웃하는 나선 사이의 평면은 도 4d에 도시된 바와 같이 동일한 삼각형(i, ⅱ)으로 다시 채워지며, 여기서 동일한 삼각형의 한 세트가 강조 표시되어 있다. 도 4e는 나선이 6개의 스트립에 직교하는 동일한 다면체 나선형 튜브를 보여준다.

이것은 하나 이상의 나선형 용접기를 사용하여 기존의 나선형 용접을 사용하여 동일한 다면체 나선형 튜브가 만들어질 수 있음을 보여준다.

본 발명에 따른 다면체 나선형 튜브는 삼각형 쌍이 다면체 나선형 튜브의 좌굴에 대해 증가된 저항을 제공하는 한 임의의 특정 수의 측면으로 제한되지 않는다. 정다면체를 기반으로 한 다면체 나선형 튜브에 대한 가장 낮은 값은 3-각형(삼각형)이다. 그러나 3-각형(삼각형)과 4-각형(사각형)은 겉보기 두께가 너무 커서 튜브의 공간이, 이미 원형 단면에 더 가까이 접근하는 더 높은 값의 x-각형에 비해 작기 때문에 실용적이지 않다.

x-각형의 x에 대한 최대 값은 상당한 강화 효과가 얻어지지 않는 값이다. x 값이 클수록 튜브가 원통형 튜브와 더 비슷해지며, 삼각형이 제공하는 겉보기 두께의 증가는 더 이상 관련이 없는 값으로 감소한다. 다시, 바람직하게는 다면체 나선형 튜브는, 나선의 두 연속 루프 사이의 연결을 따라 볼 때, 적어도 6-각형, 더 바람직하게는 7-각형이다. 더욱더 바람직하게는, 다면체 나선형 튜브는 적어도 10-각형이다. 적절한 상한값은 20-각형, 바람직하게는 최대 15-각형이다. 이 경우 x-각형의 값 x는 자연수일 필요는 없으며 유리수일 수도 있다. x-각형의 x는 나선의 한 루프에 필요한 삼각형 베이스의 수를 나타낸다. 한 루프의 길이가 12.5 삼각형 베이스이면 x-각형은 12.5-각형이다.

스트립 재료는 바람직하게는 열간 압연, 선택적으로 아연 도금 및/또는 유기 코팅되거나, 또는 냉간 압연, 어닐링 및 선택적으로 아연 도금 및/또는 유기 코팅될 수 있는 압연된 강철 스트립으로 제공된다. 상기 압연된 또는 코팅된 강철 스트립은 일반적으로 감긴 강철 스트립의 형태로 제공된다.

다면체 나선형 튜브를 제조하는 공정은, 일반적으로 감긴 스트립 형태로 제공되고, 선택적으로 단부 절단되고 선행 스트립에 용접되며, 동일한 삼각형 쌍들을 형성하도록 비틀림이 제공되는 스트립을 레벨링(levelling)하는 단계와, 스트립을 나선형 용접하여 다면체 나선형 튜브를 형성하는 단계를 선택적으로 포함하며, 여기서 각각의 삼각형 쌍들은 평행사변형을 형성하고, 평행사변형의 평행한 에지들 중 2개는 스트립의 에지들에 평행하며, 여기서 평행사변형의 다른 두 평행 한 에지들과 평행사변형의 대각선 각각은 각각 연속적으로 위쪽 및 아래쪽으로 비틀려진다. 가장 간단한 절차는 동일한 삼각형 쌍들을 기반으로 다면체 나선형 튜브를 생성하는 것이며, 여기서 도 3a 및 3b에 도시한 바와 같이, 한 쌍의 삼각형이 스트립의 전체 너비를 차지하도록 비틀림이 스트립의 한 에지에서 다른 에지로 이어진다. 이론적으로는 두 줄 이상의 동일한 삼각형 쌍들을 갖는 비틀린 스트립을 생성하는 것도 가능하다. 그러나 한 장에 위아래로 비틀림이 있기 때문에, 구부리거나 용접하기가 더 어렵고 이것은 실용적이지 않다.

상기 비틀림 작업은 바람직하게는 공정을 복잡하게 하거나 부정적인 방식으로 금속 스트립의 특성에 영향을 주지 않도록 주변 온도에서 수행된다.

일 실시 예에서, 비틀림 각도 알파(α)는 음이고, 비틀림 각도 베타(β)는 양이다.

다른 실시 예에서, 비틀림 각도 알파 및 비틀림 각도 베타 둘 모두는 양이다.

일 실시 예에서, 편평한 금속 스트립은 압연된 스트립으로 또는 좁고 긴 슬릿처럼 압연된 스트립(as slit as-rolled strip)으로 제공된다. 스트립의 너비는 세심하게 제어될 수 있으며, 이는 함께 용접될 삼각형의 인접한 두 에지 사이의 간격을 제어하고 비틀림 및 용접 공정의 원활한 작동을 보호하는 데 중요하다. 바람직하게는 금속 스트립은 열간 압연 스트립이며, 바람직하게는 감긴 스트립 형태로 제공된다. 이것은 편평한 금속 스트립을 위한 경제적인 출발 재료이며, 다면체 나선형 튜브에 적합한 여러 적절한 두께로 제공될 수 있다. 금속 스트립에 어느 정도의 부식 방지 기능을 제공하기 위해 금속 스트립은 아연 도금 및/또는 유기 코팅된 열간 압연 스트립이다. 냉간 압연된, 어닐링된 및 선택적으로 아연 도금 및/또는 유기 코팅된, 바람직하게는 감긴 스트립 형태로 제공되는 것을 사용하는 것도 가능하다. 이것은 튜브의 두께가 작은 경우에 특히 유용하다. 금속 스트립의 금속은 강철 또는 강철 합금(스테인리스 강철 합금 포함), 또는 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것이 바람직하다.

용접 단계는 일반적인 용접 단계이며 레이저 용접, 하이브리드 용접, 가스 금속 아크 용접 등이 될 수 있다.

또한, 다면체 나선형 튜브의 특정 형상은, 특히 튜브 세그먼트가 시계 방향 및 반시계 방향의 나선형 튜브 세그먼트가 교대하는 경우, 확장 자체의 일부 또는 전부를 흡수할 수 있기 때문에 확장 조인트의 필요성을 줄일 수 있다고 믿어진다.

제조 가능한 튜브는 매우 작거나 매우 클 수 있다. 그 원리는 공조 덕트용 튜브 또는 하이퍼루프(hyperloop) 또는 ETT(evacuated tube transport) 시스템 응용을 위한 튜브에 대해 동일하다.

일 실시 예에서 금속 스트립은 다음 공정 단계 중 하나 이상을 거친다:

- 레벨링(levelling);

- 절단 및 선행 스트립에 용접.

본 발명은 또한 본 발명에 따라 제조된 다면체 나선형 튜브로 구현된다. 바람직하게는 다면체 나선형 튜브는 ETT 시스템용 튜브와 같은 압력을 받는 응용(즉, 거의 진공 응용)에 사용된다.

압력을 받는 응용은 튜브 세그먼트 내 압력이 튜브 세그먼트 외부보다 낮음을 의미한다. 따라서 튜브 세그먼트는 외부 압력을 받는다. 이러한 압력을 받는 응용 분야 중 하나는 ETT의 튜브이다. 하이퍼루프는 테슬라(Tesla)와 스페이스엑스(SpaceX)의 합동 팀이 공개한 오픈소스 진공튜브열차(vactrain) 디자인을 설명하는 데 처음 사용된, 승객 및/또는 화물 수송을 위해 제안된 ETT 모드이다. 로버트 고다드(Robert Goddard)의 진공튜브열차에서 크게 도출된 하이퍼 루프는 밀폐된 진공 튜브 또는 진공 튜브들의 시스템으로 구성되어 있으며, 이를 통해 포드(pod)는 공기 저항이나 마찰이 없이 사람이나 물체를 고속으로 및 가속하여 운반할 수 있다. 2012년에 처음 공개된 엘론 머스크(Elon Musk)의 개념 버전은 감압된 튜브들을 포함하고 있으며, 이 튜브들에서는 가압된 캡슐들이 선형 유도 모터 및 공기 압축기에 의해 구동되는 공기 베어링 위에 탑재된다. 상기 튜브들은 지상의 기둥 위에서 또는 지하의 터널에서 주행할 수 있다. 이 개념은 현재의 철도 또는 항공 여행 시간보다 상당히 빠른 여행을 허용할 것이다. 이상적인 하이퍼루프 시스템은 기존 대중 교통 모드보다 에너지 효율적이고 조용하며 자율적일 것이다.

압력은 받는 응용 또는 거의 진공 응용이 비워진 튜브 수송 시스템 튜브인 경우, 튜브의 내부 대기는 사용 중에 거의 진공 상태이다. 튜브 외부의 압력이 약 101 kPa(1 bar)의 대기압인 본 발명의 맥락에서, 거의 진공은 튜브 내부의 압력이 10 kPa(

0.1 bar) 미만, 바람직하게는 1 kPa (

0.01 bar 또는 10 mbar) 미만, 훨씬 더 바람직하게는 500 Pa (

5 mbar) 또는 심지어 200 Pa (

2 mbar), 또는 심지어 약 100 Pa (

1 mbar) 미만임을 의미한다.

튜브가 ETT 시스템 레일에 사용되는 경우 ETT가 작동하려면 기타 보조 설비가 설치되어야 한다. 레일 및 기타 보조 설비는, ETT 포드가 통과할 수 있고 추가 지지 구조물, 보조 설비 및 레일이 장착되는 (다각형) 링 형태를 가질 수 있는 지지 구조물의 도움으로 튜브들에 장착될 수 있다. 적절한 형태의 이러한 링형 지지 구조물은 추가의 보강 및 좌굴-방지 요소로 기능할 수 있다. 이상적으로는 본 발명에 따른 튜브는 예를 들어 30 미터의 제한된 간격으로만 지지될 필요가 있다. 그러나 필요한 경우, 튜브를 지지하기 위해 추가 지지 수단이 제공될 수 있다. 이러한 추가 지지 수단은 강철 빔 또는 구조물, 또는 콘크리트 빔 또는 구조물을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 튜브는 비워진 튜브 수송 시스템을 구성하는데 적합하다. 그러나 튜브의 특정 특성, 특히 이러한 튜브 세그먼트들에서 생성된 튜브 외부에서 가해지는 압력이 튜브 내의 압력보다 훨씬 높은 조건에서 수행할 수 있는 능력은 유사한 압력 조건에서 작동하는 튜브의 응용도 적합하게 한다. 이러한 응용의 예로는 자전거 터널, 자동차 터널, 기차 터널, 유지보수 터널 또는 갱도와 같은 교통을 위한 지하 또는 수중 터널, 수력 발전소, 저압이 발생하거나 발생할 수 있는 가스 저장 시스템의 튜브 등이 있다.

튜브의 강성과 기계적 강도로 인해 튜브 내부의 압력이 외부보다 높거나 외부와 동일한 조건에서도 탁월한 적용이 가능하다. 이러한 응용 분야의 예로는, 기후 제어 시스템, 굴뚝 등 또는 타워 구조물(예를 들면, 풍차, 통신 설비 등을 위한)에서의 가스 도관이 있다. 원칙적으로, 일반적인 원통형 튜브를 사용할 수 있는 각 응용 분야에서, 본 발명에 따른 튜브도 적용될 수 있으며, 고유한 강성과 강도로 인해, 재료 두께가 더 얇아져 무게가 더 낮아질 수 있다. 일반적인 나선형 용접 원통형 튜브와 비교할 때 ETT 시스템용 다면체 나선형 튜브는 무게가 약 절반이며 용접 길이의 양은 비슷하다.

본 발명은 또한 다음 단계들을 실행할 수 있는 본 발명에 따른 다면체 나선형 튜브를 제조하기 위한 장치로 구현된다:

1. 원료를 검사하는 단계;

2. 금속 스트립을 푸는 단계;

3. 선택사항으로 대강 레벨링하는 단계;

4. 연속 제조가 가능하도록 금속 스트립을 단부 절단하고 선행 스트립에 맞대기 용접하는 단계;

5. 선택사항으로 풀기 후 금속 스트립의 잔여 곡률을 제거하기 위해 정밀 레벨링하는 단계;

6. 스트립을 비틀림(비틀림 각도 알파 및 베타 제공) 및 용접에 전달하는 단계;

7. 인접한 에지들을 정렬하고 에지들을 함께 (나선형) 용접하는 단계;

8. 선택사항으로 청소, 디버링(deburring) 및 전체 검사하는 단계;

9. 선택사항으로 세부 검사 단계(예를 들면, X-ray 검사, 스캐닝);

11. 선택사항으로 진공 시험 단계;

12. 선택사항으로 길이 및 무게 측정 단계;

13. 선택사항으로 코팅 및 마킹 단계;

14. 저장 단계.

다면체 나선형 튜브는 ETT 시스템용 튜브가 제작되는 현장으로 이동할 수 있는 더 짧은 섹션으로 제조하거나 (필요한 경우) 나눌 수 있다.

Claims (14)

1. 다면체 나선형 튜브의 제조 방법으로서,
   편평한 금속 스트립(1)에는 인접하고 동일한 삼각형(a, b) 쌍들을 형성하도록 스트립의 전체 폭에 걸쳐 비틀림(i, ⅱ, ⅲ, iv, ...)이 제공되며, 여기서 각각의 인접한 삼각형 쌍들은 평행사변형을 형성하고, 상기 평행 사변형의 평행한 에지들 중 2개는 상기 스트립의 에지들과 일치하며, 상기 평행사변형의 다른 두 평행한 에지들과 상기 평행사변형의 대각선 각각은 각도 알파 및 베타로 각각 연속적으로 비틀린 다음, 상기 스트립을 나선형 용접하여 다면체 나선형 튜브를 형성하며, 여기서 상기 금속 스트립의 에지를 형성하는 삼각형(a)의 에지는 선행하는 루프의 삼각형(b)의 에지에 용접되고, 상기 금속 스트립의 에지를 형성하는 삼각형(b)의 에지는 선행하는 루프의 삼각형(a)에 용접되는, 다면체 나선형 튜브 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   각도 알파는 음수이고 각도 베타는 양수인, 다면체 나선형 튜브 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 비틀림은 프레싱 또는 굽힘 작업에 의해 제공되는, 다면체 나선형 튜브 제조 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 금속 스트립은 압연된 스트립으로 또는 슬릿처럼 압연된 스트립으로 제공되는, 다면체 나선형 튜브 제조 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 금속 스트립은 열간 압연된 스트립인, 다면체 나선형 튜브 제조 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 금속 스트립은 아연 도금 및 유기 코팅 중 적어도 하나가 적용된 열간 압연 스트립인, 다면체 나선형 튜브 제조 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 금속 스트립은 냉간 압연, 어닐링, 및 선택적으로 아연 도금 및 유기 코팅 중 적어도 하나가 적용된, 다면체 나선형 튜브 제조 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 금속 스트립은 감긴 스트립의 형태로 제공되는, 다면체 나선형 튜브 제조 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 금속은 강철, 강철 합금, 알루미늄, 또는 알루미늄 합금인, 다면체 나선형 튜브 제조 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 스트립은 다음 공정 단계들 중 하나 이상을 받는 방법:
    - 레벨링;
    - 절단 및 선행 스트립에의 용접.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다면체 나선형 튜브의 단일 루프는 10개 이상의 세그먼트(10-각형)를 포함하는, 다면체 나선형 튜브 제조 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된, 다면체 나선형 튜브.
13. 제12항에 있어서,
    상기 다면체 나선형 튜브의 단일 루프는 10개 이상의 세그먼트(10-각형)를 포함하는, 다면체 나선형 튜브.
14. 비워진 튜브 수송 시스템(ETT)용 튜브와 같은 압력을 받는 응용을 위한 제12항 또는 제13항에 따른 다면체 나선형 튜브의 사용.

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