(19)대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(51) 。Int. Cl.
B01D 39/16 (2006.01)
B01D 35/00 (2006.01)
B01D 27/00 (2006.01)
(45) 공고일자
(11) 등록번호
(24) 등록일자
2006년08월25일
10-0614913
2006년08월16일
(21) 출원번호 10-2004-0107685 (65) 공개번호 10-2006-0068810
(22) 출원일자 2004년12월17일 (43) 공개일자 2006년06월21일
(73) 특허권자 (주)넥스컴스
대전 대덕구 문평동 77-2
(72) 발명자 주치홍
대전 서구 둔산1동 한마루아파트 101동 1501호
(74) 대리인 진용석
(56) 선행기술조사문헌
KR1019990071704 A
US4021342 B
US4836931 B
KR1020020034167 A
US4746430 B
US5304312 B
* 심사관에 의하여 인용된 문헌
심사관 : 김영민
(54) 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브 및 그 제조방법
요약
본 발명은 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 정수튜브는 원
통형 금형의 외주연상에 에폭시수지가 표면에 점착되어 일정 두께로 와인딩되어 튜브본체를 형성하는 복수가닥의 유리섬
유(50)와, 상기 복수가닥의 유리섬유(50)가 일정두께로 와인딩된 튜브본체의 원주상에 포트가 형성될 위치에 복수개의 섬
유가닥이 와인딩되어 도넛형상의 환형구조를 갖도록 제작되어 상기 유리섬유의 와인딩 방향과 서로 다른 각도로 섬유방향
이 형성되도록 적층되는 섬유보강재(20)와, 상기 섬유보강재(20)가 적층된 상면을 포함한 튜브본체의 전체 외주연상에 다
시 일정두께로 와인딩되는 에폭시수지가 함침된 유리섬유(50)와, 최종 성형된 튜브본체의 원주상에 유리섬유 와인딩시에
적층된 상기 섬유보강재(50)의 중심부에 섬유보강재의 섬유가 손상되지 않도록 포트설치공(5)이 드릴가공되고, 상기 포트
설치공(5)에 플랜지(7)가 구비된 포트(12)가 끼움 결합된 구조로 이루어지는 섬유 혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브
와 이의 제조방법을 제공한다.
대표도
도 3
색인어
등록특허 10-0614913
- 1 -
포트, 정수튜브, 섬유혼성구조, 고내압형, 섬유보강재
명세서
도면의 간단한 설명
도 1은 종래 방법으로 제작된 고내압형 정수튜브의 일실시예에 대한 포트(port)부의 개략적인 단면도,
도 2는 종래 방법으로 제작된 고내압형 정수튜브의 다른실시예에 대한 포트(port)부의 개략적인 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 고내압형 정수튜브의 포트부에 대한 단면도,
도 4 및 도 5a, 도 5b는 본 발명에 따른 고내압형 정수튜브에 적용되는 섬유보강재를 제작하기 위해 금형치구에 섬유가닥
이 와인딩된 상태와, 금형치구에서 탈리되어 필요한 크기로 절단되어진 프리프레그 상태의 섬유보강재 상태도,
도 6은 본 발명에 따른 고내압형 정수튜브를 제작하기 위한 제조공정도,
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 고내압형 정수튜브 제작을 위해 금형이 설치된 모식도와, 설치된 금형에 유리섬유 원사가
와인딩되는 작업모식도,
도 9는 본 발명에 따른 고내압형 정수튜브에 대한 튜브본체 성형후 인써트 탈리전의 단면상태도,
도 10은 본 발명에 따른 고내압형 정수튜브의 안전성평가를 위해 제작된 튜브본체의 포트부위에 센서를 장착한 모식도이
다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명
5 : 포트설치공 7 : 포트플랜지
7′:플랜지장착홈 10 : 튜브본체
12 : 포트(port) 20 : 섬유보강재
30 : 금형치구 35 : 섬유테이프
36 : 내경 38 : 외경
40 : 금형 42 : 인써트
50 : 유리섬유 52 : 보빈
54 : 수지저장통 60 : 센서
발명의 상세한 설명
발명의 목적
발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술
본 발명은 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 섬유복합재료를 이
용하여 해수담수화장치 등에 사용되는 대구경, 고내압 성능을 만족시킬 수 있는 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜
브와 그 제조방법에 관한 것이다.
등록특허 10-0614913
- 2 -
산업이 발전함에 따라 각종 환경 오염의 증대로 수질정화, 해수의 담수화를 위한 플랜트, 제독 및 폐수처리의 요구 증대로
정수용 고압튜브(membrane housing)에 대한 수요가 계속 증가되고 있는 추세에 있으며, 특히, 국내에서 사용되고 있는정
수용 고압튜브는 전량 수입에 의존하고 있는 실정이다.
종래에 외국에서 제작되어 수입되고 있는 고내압 정수용 튜브의 경우에도 그 제작공정이 복잡하고 중량이 무거워 그 제작
단가가 비싸고 원자재의 소모가 많아 고가의 비용이 소요되는 단점이 있었다.
특히, 해수담수화 플랜트에 사용되는 대구경, 고내압을 필요로 하는 정수용 튜브의 경우, 포트가 형성된 연결부위의 파단
항복강도가 가장 취약한 부분에 속하여 이 부분에 대한 강도를 보강하기 위한 방법으로 종래부터 다수의 방법들이 안출되
어 사용되고 있다. 즉, 정수용 튜브관에 관통 형성된 포트에는 드레인 연결부의 플랜지부위가 튜브관의 내주연에 위치되어
관 내부를 통과하는 유체의 흐름을 방해하지 않도록 포트가 형성된 위치가 다른 부분의 튜브관 내경보다 확관된 형상으로
이루어져 관의 내주면에 돌출된 플랜지에 의해 유체의 흐름이 방해받지 않는 구조로 이루어져 있었다.
이와 같은 구조로 이루어진 종래의 정수튜브에 대한 포트부위의 단면들이 도 1 및 도 2에 도시되어 있다.
즉, 도 1의 종래 정수튜브의 경우에는 금형에 의해 일정한 구경으로 제작된 튜브본체(10)의 일측에 필요한 크기의 포트설
치공(5)을 관통형성시키고, 이 포트설치공(5)에 플랜지(7)가 구비된 포트(12)를 끼움 고정설치하여 사용하였었다.
그러나, 이와 같은 구조를 갖는 정수튜브의 경우, 포트(12)의 플랜지(7) 상면, 즉 정수튜브의 내주연과 접촉하는 면이 정수
뷰브와 긴밀히 밀착되도록 정수용 튜브관의 내경에 알맞는 라운딩부를 형성시켜야 하므로, 포트 플랜지(7)의 3차원적 가
공이 필요하여 포트(12)의 가공비와 단가를 상승시키는 요인으로 작용하였으며, 가공비의 절감을 위해 포트(12)를 주물로
도 제작이 가능하였으나 이러한 경우 정밀제품의 제작이 어려운 단점이 있었으며, 특히 정수튜브 내부를 흐르는 유체의 흐
름을 원활하게 할 수 있도록 하기 위해 포트가 장착되는 위치가 확관구조로 정수튜브를 제작하여야 하는 불편함이 있었다.
도 1에 도시된 종래의 포트, 즉 플랜지(7)의 상면을 3차원적인 곡면가공을 하여야 함으로 인해서 포트가공비의 상승을 방
지하기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이 포트플랜지(7)가 장착되는 플랜지 장착홈(7′)을 튜브 내주연에 일정깊이로 오목하
게 가공하되, 플랜지장착홈(7′)의 내면을 평면가공하여 여기에 장착되는 포트플랜지(7)의 상면을 가공비가 작은 평면가공
으로 제작되도록 하는 실시예가 있었다. 그러나, 이러한 종래 실시예의 경우 튜브본체(10)의 두께가 가공된 플랜지장착홈
의 깊이만큼 줄어들게 되어 고내압성이 현저히 떨어지는 문제점이 있어, 이를 극복하기 위해 포트가 장착될 포트설치공(5)
의 주변을 포함한 튜브본체 외주연 전체에 추가로 FRP적층(8)이 이루어짐으로 인해서 정수튜브의 무게가 증가하고, 중량
의 증가에 따라 이의 취급과 관리가 불편함 문제점이 발생되었으며, 또한 원자재의 증가에 따른 제품단가가 상승되는 또
다른 문제점이 있었다.
발명이 이루고자 하는 기술적 과제
본 발명은 종래의 고내압, 대구경의 정수튜브가 갖는 단점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 포트가 설치될 포트
설치공의 주변에 특정 구조의 섬유보강재를 적층시켜 튜브본체와 일체로 성형되도록 함으로써, 포트설치공 부위에 추가보
강작업이 필요치 않도록 하여 제품의 생산성을 향상시키고, 두께 보강작업이 추가로 시행되지 않도록 하여 중량증가에 따
른 작업 및 취급의 불편을 없애고, 원자재의 추가소모에 따른 원가상승이 방생되지않도록 하는 섬유혼성구조를 이용한 고
내압형 정수튜브 및 그 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 포트설치공의 보강수단이 구비된 정수튜브의 제작방법이 복잡하지 않고, 별도의 기계가공이나 정밀가공
과정이 없이 포트설치공이 형성된 고내압형 정수튜브의 제작이 가능하도록 하여 작업공수의 증가에 따른 생산원가의 상승
과 생산성의 저하를 방지할 수 있는 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는데 그
목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브는 정수된 물을 배출시키기 위한
포트가 원주상의 일측에 한개 이상 구비되고, 그 내부에는 고압으로 유입된 물이 통과되어 배출될 수 있도록 정수용 필터
가 구비된 중공형 타입의 고내압형 정수튜브로 구성된 것으로, 원통형 금형의 외주연상에 에폭시수지가 표면에 점착되어
일정 두께로 와인딩되어 튜브본체를 형성하는 복수가닥의 유리섬유와, 상기 복수가닥의 유리섬유가 일정두께로 와인딩된
튜브본체의 원주상에 포트가 형성될 위치에 복수개의 섬유가닥이 와인딩되어 도넛형상의 환형구조를 갖도록 별도로 제작
되어 상기 유리섬유의 와인딩 방향과 서로 다른 각도로 섬유방향이 형성되도록 적층되는 섬유보강재와, 상기 섬유보강재
등록특허 10-0614913
- 3 -
가 적층된 상면을 포함한 튜브본체의 전체 외주연상에 다시 일정두께로 와인딩되는 에폭시수지가 함침된 유리섬유와, 최
종 성형된 튜브본체의 원주상에 유리섬유 사이에 적층된 상기 섬유보강재의 중심축에 일치되게 소정의 포트설치공이 드릴
가공되고, 상기 포트설치공에 플랜지가 구비된 포트가 끼움 결합된 구조로 이루어진다.
특히, 상기 섬유보강재는 원형으로 이루어진 보강재 제작용 금형치구의 테두리부에 에폭시 수지가 점착된 프리프레그
(prepreg)상태의 섬유테이프를 수렴시킨 후에 수렴된 섬유가닥과 소정의 각도로 이격되면서 대향측 테두리부로 연속 발
산시키고, 발산되어 타측 테두리부위에 수렴된 섬유테이프는 다시 수렴된 섬유테이프와 소정의 각도로 이격되어 금형치구
의 타측 테두리부로 수렴과 발산 과정이 연속적으로 수회 반복되면서 금형치구의 중심부에 정수튜브에 설치될 포트 직경
과 유사한 크기의 내경이 형성되도록 와인딩되어 하나의 섬유집합체로 성형된 접선보강형 직물로 구성되어 이루어지는 특
징을 갖는다.
또한, 상기 섬유보강재는 원형으로 이루어진 보강재 제작용 금형치구의 중심부에 정수튜브에 설치될 포트직경과 유사한
크기의 내경 외측으로 에폭시 수지가 점착된 프리프레그(prepreg) 상태의 섬유테이프가 일정한 장력을 유지하면서 일정
두께만큼 나선형으로 와인딩되어 하나의 섬유집합체로 성형된 원주보강형 직물로 구성되어 이루어진 특징을 갖는 섬유 혼
성구조를 이용한 고내압형 정수튜브를 제공한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브의 제조방법은 일정 길이와
외경을 갖는 원통형 금형을 회전 가능하게 양단을 고정설치하는 금형 준비단계; 설치된 상기 금형의 타측에 유리섬유의 원
사가 소정의 장력이 유지되면서 풀리도록 다수개의 보빈을 지지대에 고정설치하고, 상기 보빈에서 풀려진 유리섬유의 원
사가 통과되면서 그 표면에 수지가 점착되도록 보빈과 금형 사이에 에폭시수지를 준비 배치하는 단계; 상기 유리섬유의 원
사에 에폭시수지가 점착되어 상기 금형에 감기도록 복수개의 원사의 일단을 금형 외주연에 고정시킨 후에 상기 금형을 회
전시킴과 동시에 보빈이 설치된 지지대를 상기 금형의 회전방향과 직각방향으로 왕복운동시켜 수지가 함침된 원사를 금형
외주연에 나선형으로 권취시키는 유리섬유 와인딩단계; 금형의 외주연에 일정두께로 유리섬유의 원사가 와인딩된 후에 포
트가 장착될 부위에 별도의 성형과정을 통해 도넛형상의 환형구조를 갖는 섬유집합체로 와인딩되어 유리섬유와 섬유방향
이 다른 방향을 갖도록 섬유보강재를 적층시키는 섬유보강재 적층단계; 포트가 장착될 부위에 필요한 갯수의 섬유보강재
를 적층시킨 후에 다시 필요한 두께의 정수튜브를 형성하기 위해 반복 실시하는 유리섬유 와인딩단계; 유리섬유 와인딩 작
업이 완료된 뷰브본체를 경화 사이클에 따라 오븐에서 일정시간 경화시킨 후에 금형을 탈리시키는 경화 및 탈형단계; 금형
이 탈리된 튜브본체에 포트가 설치될 위치인 상기 섬유보강재의 중심부에 소정크기의 포트설치공을 형성시키고, 가공된
포트설치공에 튜브본체의 내측으로부터 튜브를 삽입 고정설치하는 튜브설치공 가공 및 설치단계; 를 포함하여 이루어진
다.
발명의 구성 및 작용
이하, 명세서에 첨부된 도면을 참고하면서 본 발명에 따른 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브 및 그 제조방법에 대
하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브는 해수담화설비 에서 막여과(Membrane) 타입인 역삼투압(42
∼ 60bar 정도의 압력 필요)방식의 정수처리시설용 정수튜브에 사용될 수 있는 대구경, 고내압형에 적합하도록 구성되는
것으로, 특히 드레인연결부를 구성하는 포트부위에서 1,000psi 이상의 고내압에 견딜 수 있는 정수튜브를 제공할 수 있도
록 구성된다.
즉, 본 발명에 따른 정수튜브는 8인치 정도의 대구경을 갖는 원통형을 유지하면서 일정길이로 제작되며, 유리섬유(필라멘
트)와인딩 공법과, 여기에 유리섬유 가 와인딩된 섬유방향과 다른 방향으로 섬유재가 집적되어 이루어진 섬유보강재가 포
트 설치부위에 적층되어 제작되는 복합재료형 고압튜브 및 이를 제작하기 방법을 제공한다.
상술한 본 발명에 따른 고내압형 정수튜브를 더욱 상세하게 설명하면, 정수된 물을 배출시키는 드레인연결부를 형성하기
위한 포트가 원주상의 일측에 한개 이상 설치되고, 그 내부에는 유입된 물이 고압의 삼투압에 의해 통과된 물만 배출될 수
있도록 하는 정수용 필터가 구비된 중공형 타입으로 이루어지며, 그 재질은 유리섬유와 수지 및 탄소섬유재가 혼합된 섬유
혼성구조의 수지제로 성형되어 이루어진다.
본 발명은 특히, 이러한 중공형 정수튜브에서 정수된 물이 외부로 배출되도록 설치되는 포트 주변이 고압에 가장 취약한점
을 감안하여 고압에 가장 취약한 포트 주변에 정수튜브를 성형하기 위해 유리섬유를 와인딩(winding)하는 공정중에 특별
히 제작된 섬유보강재를 적층시켜 튜브본체를 성형하는 섬유혼성구조의 정수튜브를 제공한다.
등록특허 10-0614913
- 4 -
도 3에는 상술한 본 발명에 따른 정수튜브의 포트부위에 대한 단면이 도시되어 있는 것으로, 도면에 도시된 바와 같이 본
발명에 따른 정수튜브는 원통형 금형의 외주연상에 에폭시수지가 표면에 점착되어 일정 두께로 와인딩되어 튜브본체를 형
성하는 복수가닥의 유리섬유(50)와, 상기 복수가닥의 유리섬유(50)가 일정두께로 와인딩된 튜브본체(10)의 원주상에 포
트가 장착될 위치에 복수개의 섬유가닥이 와인딩되어 도넛형상의 환형구조를 갖도록 별도로 제작되어 상기 유리섬유의 와
인딩 방향과 서로 다른 각도로 섬유방향이 형성되도록 적층되는 섬유보강재(20)와, 상기 섬유보강재(20)가 적층된 상면을
포함한 튜브본체(10)의 전체 외주연상에 다시 일정두께로 와인딩되는 에폭시수지가 함침된 유리섬유(50)와, 최종 성형된
튜브본체의 원주상에 유리섬유 사이에 적층된 상기 섬유보강재의 중심축에 일치되게 튜브설치공(5)이 관통형성되고, 상기
튜브설치공(5)에 플랜지(7)가 구비된 포트(12)가 끼움 결합되어 이루어지는 특징적인 구조로 형성된다.
특히, 본 발명에 따른 정수튜브의 특징부로서 와인딩되는 유리섬유 사이에 복수개의 포트가 설치될 위치에 각각 적층되는
상기 섬유보강재(20)는 원판형으로 이루어진 보강재 제작용 금형치구에 에폭시 수지가 점착된 프리프레그(prepreg) 상태
의 섬유테이프가 일측 원주 테두리부위의 한곳을 기점(수렴)으로 하여 소정의 각도로 이격되면서 다시 대향측 원주 테두리
부로 발산되고, 발산되어 타측 원주 테두리부위에 수렴된 섬유테이프는 또다시 수렴된 섬유테이프와 소정의 각도로 이격
되어 금형치구의 타측 테두리부로 발산되는 과정이 연속적으로 수회 반복되면서 금형치구의 중심부에 포트 직경 크기의
내경이 형성되도록 섬유테이프를 와인딩하여 접선보강형 직물을 성형하는 원판형 섬유집합체로 구성되며, 상기 섬유보강
재 제작용 금형치구에 복수가닥의 섬유테이프(35)가 와인딩되어 제작되는 상태가 도 4에 도시되어 있고, 와인딩이 완료된
프리프레그(prepreg)상태의 섬유보강재를 필요한 크기의 원형으로 절단한 상태의 평면도가 도 5a에 도시되어 있다.
상기 금형치구(30)에 의해 제작되는 섬유보강재(20)는 그 중심부에 포트 직경에 해당되는 내경(36)이 복수개의 섬유가닥
(35)이 직선으로 왕복 와인딩되면서 상기 내경(36)의 외주연에 섬유테이프가 외접되면서 형성되도록 하여 설치될 포트설
치공(5) 주변의 와인딩된 유리섬유 방향과 교차되도록 구성되며, 와인딩되는 섬유테이프를 구성하는 섬유원사의 가닥수는
섬유원사의 인장강도 등을 고려하여 적절하게 조절할 수 있다.
또한, 상기 섬유보강재(20)는 원형으로 이루어진 보강재 제작용 금형치구(30)의 중심부에 정수튜브에 형성될 포트설치공
(5)의 크기에 해당되는 소구경의 내경(36)을 중심으로, 내경(36)의 외측으로 에폭시 수지가 점착된 섬유테이프(35)가 일
정한 장력이 유지되면서 나선형으로 일정 두께(폭)만큼 와인딩되어 원주보강형 직물을 형성하는 원판형 섬유집합체로 성
형되어 구성될 수 있는 것으로, 이와 같이 제작된 섬유보강재(20)의 단면이 도 5b에 도시되어 있으며, 금형치구(30)에 의
해 제작되는 상기 섬유보강재(20)는 나선형으로 와인딩되는 섬유원사의 밀도나 와인딩수, 섬유자체의 강도 등에 의해 그
보강강도를 조절할 수 있다.
또한, 상기 섬유보강재(20)는 와인딩되는 유리섬유(50)의 내측에서 포트(12)가 장착될 위치에 한개만 적층되어 이루어지
기 보다는 복수개가 일체로 구성되어 적층될 수 있으며, 특히 유리섬유(50)가 와인딩되는 중간중간에 수회 반복적으로 적
층이 이루어져 포트(12)가 장착될 포트설치공(5) 주변의 강성을 더욱 향상시킬 수 있도록 구성된다.
또한, 상기 섬유보강재(20)가 적층되는 하단부인 포트설치공(5) 내주연 테두리부는 포트플랜지(7)가 삽입되어 장착되도록
내주연 선단부에서 튜브본체의 지름방향으로 오목하게 일정깊이로 가공된 플랜지장착홈(7′)이 형성되어 있으며, 상기 플
랜지장착홈(7′)은 유리섬유(50)의 와인딩공정으로 튜브본체(10)의 형성과 동시 에 성형되어 이루어지며, 비록 오목하게
함몰되어 플랜지장착홈(7′)이 형성되더라도 플랜지장착홈(7′)이 형성된 상단의 튜브본체(10) 내측에는 튜브본체(10)를 형
성하기 위해 와인딩된 섬유방향과 서로 다른 방향으로 섬유보강재(20)가 집적되어 있으므로 추가로 유리섬유를 와인딩처
리하여 튜브본체(20)의 두께를 보강하기 위한 별도의 보강작업이 필요없고, 유리섬유의 추가 와인딩에 따른 보강작업의
생략으로 원자재가 추가로 소요되지 않으면서 고내압에 견딜 수 있는 정수튜브를 제공하게 된다.
한편, 튜브본체(10)의 성형과 동시에 형성되는 상기 플랜지장착홈(7′)의 내면은 이곳에 장착될 포트플랜지(7)의 기계가공
이 용이하도록 평면가공되어 포트(12)의 고정밀 가공비용을 절감시킬 수 있도록 형성된 특징을 갖는다.
즉, 종래의 경우 포트 장착을 위한 플랜지장착홈이 튜브본체 내주연과 같이 일정한 곡면으로 형성된 경우, 이 곡면부에 플
랜지의 상면이 긴밀히 밀착되도록 하기 위해서는 튜브 내경과 동일한 곡면기울기를 갖도록 플랜지 상면을 3차원 정밀가공
을 하여야 하고, 이러한 곡면기울기를 갖는 표면을 정밀가공하기 위해서는 고정밀 가공설비를 이용하여 가공이 수행되어
야 하므로, 이의 가공에 고가의 비용이 소요되어 단가를 상승시키는 요인으로 작용하지만, 본 발명에 따른 플랜지장착홈
(7′)은 최초 튜브본체(10) 성형시 금형(40)의 외주연에 플랜지용인써트(42, 도 7참조)를 결합시켜 튜브본체(10)의 성형과
동시에 평면상태의 내면을 갖는 플랜지장착홈(7′)을 형성시키게 되어 포트플랜지(7)의 3차원적 가공을 하지 않아도 되므
로, 포트의 가공비용의 손실을 한층 절감시킬 수 있는 정수튜브 제작이 가능하다.
등록특허 10-0614913
- 5 -
한편, 도 6에는 본 발명에 따른 고내압형 정수튜브의 제조방법에 대한 제조공정이 도시되어 있다.
도면에 도시된 공정도를 참조하면서 본 발명에 따른 고내압형 정수튜브의 제조방법을 상세히 설명하면, 먼저 필요한 크기
의 정수튜브를 제작하기 위해 일정 길이와 외경을 갖는 원통형 금형(40)을 회전 가능하게 양단을 고정설치하는 금형 준비
단계(S1; 도 7참조); 설치된 상기 금형(40)의 타측에 유리섬유(50)의 원사가 소정의 장력이 유지되면서 풀리도록 다수개의
보빈(52)을 좌우 왕복이동가능한 지지대(56)에 고정설치하고, 상기 다수개의 보빈(52)에서 풀려진 유리섬유(50)의 원사가
통과되면서 그 표면에 수지가 점착되도록 보빈(52)과 금형(40) 사이에 에폭시수지가 저장된 수지저장통(54)을 준비 배치
하는 단계(S2); 상기 유리섬유(50)의 원사에 에폭시수지가 점착되어 상기 금형(40)에 감기도록 복수개의 유리섬유 원사의
일단을 금형(40)의 외주연에 고정시킨 후에 상기 금형(40)을 회전시킴과 동시에 보빈(52)이 설치된 지지대(56)를 상기 금
형(40)의 회전방향과 직각방향으로 왕복운동시켜 수지가 함침된 유리섬유 원사를 금형(40) 외주연에 나선형으로 권취시
키는 유리섬유 와인딩단계(S3; 도 8참조); 금형(40)의 외주연에 일정두께로 에폭시수지가 점착된 유리섬유(50)의 원사가
와인딩된 후에 포트가 장착될 부위에 별도의 섬유보강재 성형과정을 통해 도넛형상의 환형구조를 갖는 섬유집합체로 와인
딩되어 유리섬유와 섬유방향이 다른 방향을 갖도록 적층되는 섬유보강재 적층단계(S4); 포트가 장착될 부위에 필요한 갯
수의 섬유보강재를 적층시킨 후에 다시 필요한 두께의 정수튜브를 형성하기 위해 반복 실시하는 유리섬유 와인딩단계(S5)
; 유리섬유의 와인딩 작업이 완료된 뷰브본체를 경화 사이클에 따라 오븐에서 일정시간 경화시킨 후에 금형을 탈리시키는
경화 및 탈형단계(S6); 금형이 탈리된 튜브본체에 포트가 설치될 위치인 상기 섬유보강재의 중심부에 소정크기의 포트설
치공을 형성시키는 포트설치공 가공 및 가공된 포트설치공에 튜브본체의 내측으로부터 포트를 삽입 고정설치하는 포트설
치단계(S7); 를 포함하여 제조된다.
또한, 상기 금형준비단계(S1)에는 별도의 섬유보강재 성형을 위한 복수가닥의 섬유재와 일정한 형상의 금형 치구 및 에폭
시수지를 준비하는 공정(p1)과, 준비된 금형 치구에 에폭시수지가 점착된 프리프레그(prepreg) 상태의 섬유재를 일정한
장력이 유지된 상태에서 소정의 형상으로 집적시키는 섬유테이프 와인딩공정(p2)과, 와인딩된 섬유테이프를 탈형 및 일정
크기로 절단 가공하는 가공공정(p3)을 거쳐 제작된 섬유보강재 준비단계(S8);가 포함되어 이루어지며, 이와같은 공정으로
이루어지는 섬유보강재의 실시예가 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다.
또한, 상기 금형준비단계(S1)에는 튜브본체의 일측에 구비되는 포트의 결합을 위해 포트플랜지부가 장착될 플랜지장착홈
을 튜브 내주연에서 유리섬유로 성형되는 튜브본체와 동시에 성형시키기 위해 소정의 형상으로 가공된 플랜지용인써트
(42)를 금형의 외주연에 결합시키는 인써트 장착공정(p4)이 포함된다.
또한, 상기 섬유보강재 적층단계(S4)와 섬유보강재 적층단계(S4)후 실시되는 유리섬유 와인딩단계(S5)는 2회이상 반복
실시되는 추가보강단계(S9)가 포함되어 이루어짐으로써 다양한 규격의 강도를 갖는 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정
수튜브가 제조될 수 있는 방법을 제공하는 것으로, 이와 같이 복수개의 섬유보강재(20)가 적층된 상태 및 플랜지용 인써트
(42)가 성형된 튜브본체(10)에서 탈리되기 전의 단면상태가 도 9에 도시되어 있다.
이와 더불어, 상기 섬유테이프 와인딩공정(p2)은 원형으로 이루어진 금형치구를 준비하고, 준비된 금형치구의 테두리부위
한곳을 기점으로 하여 상기 프리프레그(prepreg) 상태의 섬유테이프를 타측 테두리부로 직선 이동하여 수렴시킨 후에 다
시 소정의 각도로 이격되면서 대향측 테두리부로 직선 이동시키고, 직선이동되어 타측 테두리부에 수렴된 섬유테이프는
다시 소정의 각도로 이격되어 대향측의 금형치구의 테두리부로 발산 및 수렴 상태가 정해진 간격으로 수회 반복되면서 상
기 기점에 최초의 상기 섬유테이프가 도착되어 섬유테이프 와인딩이 완료됨으로써 금형치구의 중심부에 정수튜브에 설치
될 포트 직경과 유사한 크기의 내경이 직선으로 반복되는 섬유테이프의 수렴과 발산에 의해 접섭보강형 직물이 형성되도
록 구성되는 특징으로 이루어진다.
또한, 상기 섬유테이프 와인딩공정(p2)은 원형으로 이루어진 금형치구를 준비하고, 준비된 금형치구의 중심부에 정수튜브
에 설치될 포트 크기의 내경 외측으로 상기 프리프레그(prepreg) 상태의 섬유테이프를 일정한 장력이 유지되면서 나선형
으로 일정두께 와인딩시켜 상기 접선보강형 직물 이외에도 원판형 섬유집합체로 성형된 원주보강형 직물이 형성되도록 구
성되는 특징으로 이루어진다.
그리고, 상기 플랜지장착홈(7′)을 형성하기 위해 금형의 외주연에 장착되는 인써트(42)는 그 상면부가 평면상태를 이루도
록 하여 튜브본체(10)의 성형후 튜브본체의 내주연에서 탈리되었을때, 플랜지장착홈(7′)의 내면이 평면상태가 유지되어
튜브본체(10)의 성형후 장착되는 포트(12) 및 포트플랜지(7)의 기계가공이 복잡한 정밀가공 없이 간단하게 이루어지도록
하여 가공비의 절감을 통해 원가절감에 기여할 수 있도록 구성된다.
시험예
등록특허 10-0614913
- 6 -
한편, 이와 같은 공정으로 제작된 본 발명에 따른 정수튜브의 고내압성능을 확인하고 안전성을 평가하기 위해 아래와 같은
시험을 실시하였으며, 본 시험에 적용된 섬유보강재는 접선형 섬유보강재(도 5참조)가 적용된 정수튜브를 사용하였다.
1) 제작이 완료된 정수튜브에 센서부착
제작 완료된 정수튜브의 안전성 및 고내압성능을 확인하기 위해 포트 주위와 원주방향에 복수개의 스트레인 게이지
(Koywa社 사용) 부착한다. 정수튜브 외주연에 설치되는 센서의 구체적인 위치와 갯수는 아래 [표 1]과 도 10에 도시되어
있다.
[표 1] 센서 설치 번호 및 목적
게이지번호 측정목적
1,9 포트주위의 원주방향 변형률 측정-->적당한 보강재 사용여부 확인
2,10 보강재의 원주방향 변형에 대한 내압성능 확인
3,7 보강재 투입에 따른 5번과 같은 변형 발생여부확인
4,8 보강재 투입에 따른 6번과 같은 변형 발생여부확인
5,6 보강재 효과가 작용하지 않은 영역에서의 축방향 및 원주방향 변형률측정
2) 시험에 사용될 주요 계측장비는
-Full bridge type tranducer,
-SCXI-1000 계측기(National Instrument社, 증폭기와 A/D변환기 일체형),
-SCXI-1520모듈, SCXI-1314터미널,
-Labview(분석용 S/W, National Instrument社),
-교정기(1550A, Micro Measurement社),
-입력게이지신호:1㎑,
-압력펌프(최대가압력: 5000psi), 밀폐용기 등이 준비된다.
3)준비된 계측장비와 정수튜브의 각 센서를 연결하고, 양단이 마개에 의해 밀폐된 일측에 압력펌프에 연결된 수압호스를
연결 설치한다.
4)압력펌프를 이용하여 정수튜브 내측으로 공급되는 공급수의 수압을 서서히 증가시킨다.
5)수압의 증가에 따른 정수튜브의 각부에 대한 변형률을 설치된 센서에 의해 계측, 계측된 데이터는 내부 프로그램에 의해
적정한 값으로 변환 표시되고 저장된다.
6)측정된 데이터로 각 센서별로 나타나는 변형률을 그래프등을 통해 분석하고 정수튜브의 안전성 등을 평가한다.
이와 같은 과정을 통해 시험이 완료된 본 발명의 실시예에 의한 정수튜브의 시험결과가 아래 [표 2]에 나타나 있다.
[표 2]각 센서별 파괴압력
센서번호 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
파단압력
(psi)
2,500 3200 3600 계측실패 3610 3630 3600 3650 2520 계측실패
등록특허 10-0614913
- 7 -
상기 [표 2]에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 고내압 정수튜브의 보강재 적층부의 평균 파괴압력은 3,600psi임
을 알 수 있었으며, 따라서 통상 해수담수화 설비에 사용되는 고내압형 정수튜브의 목표치인 1000psi를 충분히 당성하고
있는 것임을 확인할 수 있었다.
또한, 각 센서별 파단원인을 살펴보면, 센서 5의 경우 실린더부위 축방향 파괴가 있었고, 센서 3, 5, 6, 8이 모두 같은 크기
의 변형률 값을 보이는 것은 정수튜브의 축방향과 원주방향의 섬유배열 설계가 최적화로 이루어졌음을 판단할 수 있으며,
포트 원주방향 센서인 1, 9의 변형률이 다른부위의 70％정도 인것으로 보아 섬유보강재의 보강이 충분히 이루어지고 있음
을 알 수 있었으며, 포트 주위의 반경방향인 센서 2의 변형률 수치는 섬유보강재가 충분한 보강역할을 하고 있음을 나타내
고 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 의한 고내압형 정수튜브는 거의 최적설계가 이루어지고 있으며, 안전율이 1.8정도로 우수
하게 나타났다.
한편, 본 발명에 따른 고내압형 정수튜브를 포트부위에 나선형 구조의 섬유보강재를 적층하여 제작완료된 정수튜브를 가
지고 상술한 동일한 조건으로 시험을 실시해 보았으나, 상기 접선형섬유보강재를 적용한 정수튜브와는 다소 차이가 있었
으나 목표요구치보다 월등히 높은 2,200psi정도의 파과압력을 가진 정수튜브임을 확인할 수 있었다.
한편, 이하에서는 상술한 구성 및 구조로 이루어진 본 발명에 따른 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브 및 그 제조
방법에 의한 작용과 효과에 대해서 설명한다.
본 발명에 따라 제작된 고내압형 정수튜브는 종래와 같이 내압성이 떨어지는 포트부위를 보강하기 위해 정수튜브 제작후
에 별도의 기계가공 및 추가보강작업을 할 필요가 없어 튜브본체 성형과 동시에 섬유보강재 증착공정이 이루어지므로 정
수튜브 제작후 추가된 후공정으로 작업공수가 늘어나지 않아 생산성 및 작업성을 향상시킬 수 있으며, 튜브본체중 강도가
가장 취약한 부분에만 서로 다른 섬유방향을 갖는 섬유보강재의 증착작업이 이루어지므로, 정수튜브 전체에 대하여 추가
로 보강재를 부착시키거나 부착된 보강재의 탈리를 방지하기 위해 또다른 보강작업을 실시함으로 인해서 정수튜브의 두께
가 두꺼워져 중량이 증가됨으로 인해서 작업 및 관리가 어렵고, 자재의 추가 소요로 원가가 상승하는 문제점이 없도록 한
다.
또한, 본 발명에 따른 정수튜브의 경우, 사용환경에 따라 제작되는 정수튜브의 고내압강도를 튜브본체를 성형하기 위해 와
인딩되는 유리섬유의 중간 중간에 섬유보강재의 적층갯수를 조절하여 필요한 만큼 적층 가능하므로, 사용환경에 적합한
고내압강도를 갖는 정수튜브의 제작이 용이하도록 한다.
특히, 역삼투압방식으로 정수시스템이 구성되는 해수담수화설비 등에 본 발명에 따른 고내압형 정수튜브를 사용함으로써
지금까지 외국의 수입에만 의존하였던 제품 및 기술 의존으로부터 탈피하여 독자적인 제품설계 및 개발이 이루어질 수 있
도록 하여 기술자립 및 역수출의 효과를 기대할 수 있도록 한다.
또한, 섬유혼성구조물을 이용한 정수튜브의 보강기술을 적용함으로써 경량성과 내부식성, 고내압성이 향상된 정수용 튜브
를 제공할 수 있어 설비의 내구성 증대와 사후관리비용을 줄일 수 있는 장점 또한 제공할 수 있도록 한다.
발명의 효과
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브 및 이의 제조방법의 제공으로, 각종 환경오
염과 수자원 고갈에 따른 식수와 산업용수, 농수의 부족에 따라 설치되는 해수의 담수화 설비등에 본 발명이 적용되어 고
가의 외화손실을 줄이고, 기술자립도를 향상시켜 대외 경쟁력이 우수한 제품개발이 이루어질 수 있도록 하며, 고효율 저비
용으로 제품이용을 촉진하여 환경오염방지와 수원 부족을 해결할 수 있는 정수튜브를 제공할 수 있도록 한다.
(57) 청구의 범위
청구항 1.
등록특허 10-0614913
- 8 -
정수된 물을 배출시키기 위한 포트가 원주상의 일측에 한개 이상 구비되고, 그 내부에는 고압으로 유입된 물이 통과되어
배출될 수 있도록 정수용 필터가 구비된 중공형 타입의 고내압형 정수튜브에 있어서,
상기 정수튜브는 원통형 금형의 외주연상에 에폭시수지가 표면에 점착되어 일정 두께로 와인딩되어 튜브본체를 형성하는
복수가닥의 유리섬유와, 상기 복수가닥의 유리섬유가 일정두께로 와인딩된 튜브본체의 원주상에 포트가 형성될 위치에복
수개의 섬유가닥이 와인딩되어 도넛형상의 환형구조를 갖도록 별도로 제작되어 상기 유리섬유의 와인딩 방향과 서로 다른
각도로 섬유방향이 형성되도록 적층되는 섬유보강재와, 상기 섬유보강재가 적층된 상면을 포함한 튜브본체의 전체 외주연
상에 다시 일정두께로 와인딩되는 에폭시수지가 함침된 유리섬유와, 최종 성형된 튜브본체의 원주상에 유리섬유 와인딩시
에 적층된 상기 섬유보강재의 중심부에 섬유보강재의 섬유가 손상되지 않도록 소정의 포트설치공이 드릴가공되고, 상기
포트설치공에 플랜지가 구비된 포트가 끼움 결합된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유 혼성구조를 이용한 고내
압형 정수튜브.
청구항 2.
제 1항에 있어서,
상기 섬유보강재는 원형으로 이루어진 보강재 제작용 금형치구의 테두리부 한곳에 에폭시 수지가 점착된 프리프레그
(prepreg) 상태의 섬유테이프가 수렴된 후에 방향전환된어 수렴된 섬유테이프와 소정의 각도로 이격되면서 대향측 테두
리부로 발산되고, 발산되어 타측 테두리부에 수렴된 섬유테이프는 다시 소정의 각도로 이격되어 금형치구의 타측 테두리
부로 발산 및 수렴 상태가 반복적으로 수회 이루어지면서 금형치구의 중심부에 정수튜브에 설치될 포트 직경과 유사한 크
기의 내경이 형성되도록 와인딩되어 하나의 원판형 섬유집합체로 성형된 접선보강형 직물로 구성되어 이루어진 것임을 특
징으로 하는 섬유 혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브.
청구항 3.
제 1항에 있어서,
상기 섬유보강재는 원형으로 이루어진 보강재 제작용치구의 중심부에 정수튜브에 설치될 포트 직경 크기의 내경 외측으로
에폭시 수지가 점착된 프리프레그(prepreg) 상태의 섬유테이프가 일정한 장력이 유지되면서 나선형으로 일정 두께 와인
딩되어 하나의 원판형 섬유집합체로 성형된 원주보강형 직물로 구성되어 이루어진 것임을 특징으로 하는 섬유 혼성구조를
이용한 고내압형 정수튜브.
청구항 4.
제 1항 내지 제3항중 어느 한항에 있어서,
상기 섬유보강재는 튜브본체를 형성하기 위해 금형의 외주연에 와인딩되는 유리섬유의 중간 중간에 동일한 수직 방향에서
일정주기로 반복 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브.
청구항 5.
제 4항에 있어서,
상기 포트가 설치될 위치의 튜브본체의 내주연에는 튜브의 지름방향으로 일정깊이의 오목하게 포트플랜지장착홈이 형성
되어지되, 상기 포트플랜지장착홈은 금형의 외주연에 결합된 인써트에 의해 튜브본체 성형과 동시에 가공 형성되어 이루
어진 것을 특징으로 하는 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브.
등록특허 10-0614913
- 9 -
청구항 6.
제 5항에 있어서,
상기 포트플렌지장착홈의 내면은 장착될 포트플랜지의 기계가공성을 향상시킬 수 있도록 평면가공되어 이루어진 것을 특
징으로 하는 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브.
청구항 7.
일정 길이와 외경을 갖는 원통형 금형을 회전 가능하게 양단을 고정설치하는 금형 준비단계(S1); 설치된 상기 금형의 타측
에 유리섬유의 원사가 소정의 장력이 유지되면서 풀리도록 다수개의 보빈을 지지대에 고정설치하고, 상기 보빈에서 풀려
진 유리섬유의 원사가 통과되면서 그 표면에 수지가 점착되도록 보빈과 금형 사이에 에폭시수지를 준비 배치하는 단계
(S2); 상기 유리섬유의 원사에 에폭시수지가 점착된 프리프레그(prepreg) 상태로 상기 금형에 감기도록 복수개의 원사의
일단을 금형 외주연에 고정시킨 후에 상기 금형을 회전시킴과 동시에 보빈이 설치된 지지대를 상기 금형의 회전방향과 직
각방향으로 왕복운동시켜 수지가 함침된 원사를 금형 외주연에 나선형으로 권취시키는 유리섬유 와인딩단계(S3); 금형의
외주연에 일정두께로 유리섬유의 원사가 와인딩된 후에 포트가 장착될 부위에 별도의 성형과정을 통해 도넛형상의 환형구
조를 갖도록 섬유집합체로 와인딩된 섬유보강재가 유리섬유와 섬유방향이 다른 방향을 갖도록 적층되는 섬유보강재 적층
단계(S4); 포트가 장착될 부위에 필요한 갯수의 섬유보강재를 적층시킨 후에 다시 필요한 두께의 정수튜브를 형성하기 위
해 반복 실시하는 유리섬유 와인딩단계(S5); 유리섬유 와인딩 작업이 완료된 뷰브본체를 경화 사이클에 따라 오븐에서 일
정시간 경화시킨 후에 금형을 탈리시키는 경화 및 탈형단계(S6); 금형이 탈리된 튜브본체에 포트가 설치될 위치인 상기 섬
유보강재의 중심부에 소정크기의 포트설치공을 드릴가공하고, 가공된 포트설치공에 튜브본체의 내측으로부터 튜브를 삽
입 고정설치하는 포트설치공 가공 및 설치단계(S7); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유혼성구조를 이용한
고내압형 정수튜브의 제조방법.
청구항 8.
제 7항에 있어서,
상기 금형준비단계(S1)에는 별도의 복수가닥의 섬유재와 일정한 형상의 금형 치구 및 에폭시수지를 준비하는 공정(p1)과,
준비된 금형치구에 에폭시수지가 점착된 프리프레그(prepreg) 상태의 섬유테이프를 일정한 장력이 유지된 상태에서 원판
형상으로 집적시키는 섬유테이프 와인딩공정(p2)과, 와인딩된 섬유테이프의 탈형 및 일정크기로 절단 가공하는 가공공정
(p3)이 포함된 섬유보강재 성형단계(S8);가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브
의 제조방법.
청구항 9.
제 8항에 있어서,
상기 섬유테이프 와인딩공정(p2)은 원형으로 이루어진 금형치구를 준비하고, 준비된 금형치구의 테두리부위 한곳을 기점
으로 하여 상기 프리프레그(prepreg) 상태의 섬유테이프를 타측 테두리부로 직선 이동하여 수렴시킨 후에 다시 소정의 각
도로 이격되면서 대향측 테두리부로 직선 이동시키고, 직선이동되어 타측 테두리부에 수렴된 섬유테이프는 다시 소정의
각도로 이격되어 금형치구의 타측 테두리부로 발산 및 수렴 상태가 정해진 간격으로 수회 반복되면서 상기 기점에 최초의
상기 섬유테이프가 도착되어 섬유테이프 와인딩이 완료됨으로써 금형치구의 중심부에 정수튜브에 설치될 포트 직경과 유
사한 크기의 내경이 직선으로 반복되는 섬유테이프의 수렴과 발산에 의해 접섭보강형 직물이 형성되도록 구성되는 것을
특징으로 하는 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브의 제조방법.
청구항 10.
제 8항에 있어서,
등록특허 10-0614913
- 10 -
상기 섬유테이프 와인딩공정(p2)은 원형으로 이루어진 금형치구를 준비하고, 준비된 금형치구의 중심부에 정수튜브에 설
치될 포트 크기의 내경 외측으로 상기 프리프레그(prepreg) 상태의 섬유테이프를 일정한 장력이 유지되면서 나선형으로
일정두께 와인딩시켜 하나의 원판형 섬유집합체로 성형된 원주보강형 직물이 형성되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 섬
유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브의 제조방법.
청구항 11.
제 9항 또는 제 10항에 있어서,
상기 금형준비단계에는 튜브본체의 일측에 구비되는 포트의 결합을 위해 포트플랜지부가 장착될 플랜지장착홈을 튜브 내
주연에 튜브본체 성형과 동시에 형성시키기 위해 소정의 형상으로 가공된 인써트를 금형의 외주연에 결합시키는 인써트
장착단계;가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브의 제조방법.
청구항 12.
제 11항에 있어서,
상기 섬유보강재 적층단계와, 섬유보강재 적층단계후 실시되는 유리섬유 와인딩단계는 2회이상 일정주기로 반복 실시되
는 추가보강단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유혼성구조를 이용한 고내압형 정수튜브의 제조방법.
도면
도면1
등록특허 10-0614913
- 11 -
도면2
도면3
도면4
등록특허 10-0614913
- 12 -
도면5a
도면5b
등록특허 10-0614913
- 13 -
도면6
도면7
등록특허 10-0614913
- 14 -
도면8
도면9
도면10
등록특허 10-0614913
- 15 -

+ Recent posts

티스토리툴바