KR870001420B1 - 제진 이중강관(除振 二重鋼管) - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

제진 이중강관(除振 二重鋼管)

제1도, 제2도, 제3도는 종래의 배기관을 이중강관의 단면도.

제4도, 제5도, 제6도는 본발명 실시예에 따르는 제진 이중강관의 단면도.

제7도는 제진 이중강관을 제조하기 위한 과정을 도시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 내관 16 : 스페이서재

17 : 내열충전재 18 : 스페이서재

20 : 외관 20a : 돌조

22 : 갭 24 : 내열 충전재

본 발명은 강관(steel tubing)에 관한 것으로, 더 상세히는 자동차의 배기관으로부터 방산되는 소음(noise)을 효과적으로 감소시키는데 적합한 배기관용 제진 이중강관에 관한 것이다.

자동차에서 배기용 매니폴드(manifold)와 머플러(muffler)와 연결시키는 배기관의 내부에는 고온 및 맥동압을 가진 배기가스가 통과하게 된다. 배기관은 내연기관의 기계적 진동으로 발생되어 플렌지등을 통해 전파되는 소음과, 맥동배기로 인하여 배기관 자체의 진동에 의해 발생되는 소음을 주위에 방산시킨다. 이 자동차 소음은 동력원 소음과 주행음의 두가지로 나눌수 있다.

전자는 엔진, 레디에이터 팬(radiator fan), 배기 가스등에 의한 것이고, 후자는 노면(road)과 타이어의 회전접촉과 차체가 가르는 바람소리등에 의한 소음이다.

그런데 배기관으로부터 방산되는 소음은 동력원소음의 약 14%에 달한다고 한다. 다라서 배기관으로 부터의 소음발생을 감소시켜 자동차에서 소음을 더 줄이기 위하여 배기관을 강관에 대한 연구개발이 진행되어 왔다.

그런데 지금까지 배기관의 재료로서 연구 개발된 것중 배기관용 퍼라이트 계(系) 스테인레스 강관은 탄소강 배기관을 사용할 경우의 방산소음에 비하여 소음이 다소 감소되긴 했으나 아직 방산소음감소효과는 만족할만한 것이 못될 뿐더러 스테인레스 강관은 고가(高價)인 결점이 있다.

종래의 대부분의 배기관은 강단관(鋼單管)으로된 것으로 이들이 소음방지효과는 있다하더라도 미미하다. 따라서 배기관의 방사소음을 감소시키기 위하여 이러한 배기관의 구조를 개량하는 연구가 계속되어 왔는데, 그러한 연구와 개발에 의한 배기관의 예로서 이중관을 들 수 있다.

종래기술을 제 1도에서 제 2도를 참조하여 이하에서 설명한다.

제 1도와 제2도에서는 흡음재(吸音材) 및 단열재로된 복합물을 가진 소음감소용 이중관의 일예를 도시한 것으로, 부호 1,18,20도는 각각 내관, 석면 및 유리 섬유와 같은 흡음 및 단열성질을 가진 스페이서(spacer)재, 외관을 가리킨다. 제1도와 제2도에서 도시된 복합 이중관에 의하여 소음을 만족하게 감소시키기 위하여, 흡음 및 단열재(12)는 매우 두꺼워야 하는데 그렇게되면 관전체가 바람직하지 않게 부피가 커져 버린다.

더구나 배기관은 굴곡되어 있기 때문에 내관(10) 주위에 흡음 및 단열재를 부착하는 것은 복잡하게 된다. 즉 흡음 및 단열재의 부착이 와인딩방법(winding method)에 의하여 수행될때, 이 재료는 내관에 수작업으로 감가져야 하므로, 복이중관의 대량생산에 이 방법은 바람직하지 못하다. 제2도에 도시한 복이중관은 내관(10)과 외관(20)이 A 부분에서 서로 직접 접촉되어, 지지되거나 용접되는 점이 제1도에 도시된 것과 다르다.

제3도에 도시된 관은 내관(10)이 외관(20)으로부터 분리된 갭(gap ; 22)을 형성한 이중관으로, 양관(10) (20)은 관의 단부에서 B와 C부분을 통해 서로 지지 되어 있다.

제1도와 제2도에 도시된 이중관은 방사소음의 감소가 때때로 효과적으로 이루어진다는 것이 분출원인의 실험에 의하여 판명되었지만, 그러나 그러한 효과는 이중관을 고온으로 가열할 때에는 심하게 감소되었다.

제3도에 도시된 이중관의 방산소음의 감소효과는 열적으로 약간 영향을 받고 있으나, 이 감소효과는 그리 현저하지 못하다.

뿐만 아니라 관작업동안 내관이 외관으로부터 떨어지는 것을 방지하기 위하여 내외관은 그들의 단부 또는 단부간의 적절한 중간지점에서 서로 고정되어야 하므로, 이 관작업은 복잡하여 바람직하지 못하다.

더우기 이중관을 벤딩가공하려할 경우 내외관은 찌그러져서 갭(22)이 얻어지지 않는다. 그러한 문제를 제거하기 위하여, 보통 갭에는 모래등이 채워지고, 관작업후에 갭으로부터 제거되는데, 이것도 매우 복잡한 방법이다.

이리하여 본 발명의 목적은 정상온도 및 특히 고온에서 복이중관에서의 방산소음이 저레벨을 유지할 수 있도록 한 것으로 본 발명에 의한 제진 이중강관는 간단하고 신뢰할 수 있는 방법에 의해 제조되어짐이 틀림없다.

본 발명의 목적에 따라 내외관이 한점에서 서로 접촉하거나 용접되고 적어도 한 내관의 외면과 외관의 내면에 적어도 한 돌조의 스트립(strip)이 형성되고, 이 적어도 한 돌조의 스트립은 내외관간에 공간으로서 작용하는 것을 특징으로 하는 내외관을 포함하는 제진 이중강관을 제공하는 것이다.

또한 제진 이중강관은 내관, 외관 및 이들 관사이에 삽입된 중간층을 포함하며, 상기 중간층은 좁은 공간부재와 넓은 내열충전부재로 구성되고, 상기 공간부재는 대략 0.2-0.5mm의 두께로서 관의 길이방향으로된 스트립의 형태이고, 상기 내일 충전부재는 대략 0.1-0.5mm의 두께를 갖고 내외관 사이에 충전된 재료로구성되는데, 이러한 본 발명의 실시예를 제4도에서 제6도를 참조하여 이하에서 설명한다.

제4도에서는 본 발명에 따르는 돌조를 가진 제진 이중 강관의 실시예를 도시하였는데, 세개의 돌조(20a)는 외관(20)의 내면에 형성되고, 내관(10)과 외관(20)의 길이방향으로 각각 연장되고, 내관(10)과 외관(20)은 기호 A가 가리키는 부분에서 서로 접촉되거나 용접되어 있으므로 돌조(20a)는 관이 접촉되거나 용접된 반부에 반대되는 이중관의 반부에 형성된다.

이돌조(20a)로 내외관간에 갭(22)으로 이루어지는 공간이 형성되고 이 돌조(20a)들은 뾰족한 단면을 갖는다.

제5도에서는 갭(22)에 내열충전재(24)가 채워지고 이 내열충전재는 갭(22)에 완전히 채워진다 하여도, 이 갭(22)에서 예로서 3개의 돌조(20a) 사이에만 적어도 부분적으로 배치된다.

이 돌조(20a)(제4도와 제5도)는 약 0.1-0.5mm의 높이가 바람직하며, 그 수는 3줄에 한정되지 않고 선택적으로 할 수 있고, 많은 줄의 돌조를 원주 주위에 배열할 수 있다.

이 돌조(20a)(제4도와 제5도)는 내관(10)의 외면이나 또는 내관(10)과 외관(20)의 내외면 양쪽에 각각 설치하여도 좋고, 내열충전재(24)로서는 유리직물, 석면, 세라믹면(ceramic wool) 및 압면(rock wool)과 같은 무기 내열재(無機耐熱材)를 사용할 수 있다. 이중관의 직경은 선택적이다.

제6도에서는 중간층이 형성된 상기 제진 이중강관의 실시예를 도시 하였는데, 내관(10)과 외관(20)사이에 내열충전재(17)와 스페이서재(16)가 삽입된다.

내열충전재는 내관(10)을 완전히 둘러싸고, 배기관이 가열되는 온도에 의해 연소되지 않는 내열재로 구성된다. 이러한 내열재는 예를들어 유리직물, 석면 또는 세라믹 섬유등이다. 내열충전재(17)은 내외관사이의 환상의 공간에 채워진다. 충전작업중 이 내열충전재는 내부의 공동이 없어지지 않을만큼 적당한 온도로 압축되어야 한다.

스페이서재(16)는 벤딩(bending)가공과 이중관 제작작업중 가해지는 압축력에 저항할 수 있어야 한다. 스페이서재(16)가 압축력에 저항할수만 있으면 그 재료는 유기물이건 무기물이건 상관없고, 배기관의 가열 온도에서 연소되는 가연재라도 좋다.

스페이서재(16)의 쪽은 내열충전재(17) 또는 내외관 사이의 환상공간의 원주길이보다 상당히 작다.

따라서 스페이서재(16)는 제진 이중강관의 길이방향으로 연장되는 스트립(strip) 형태가 된다.

도면에서 스페이서재(16)는 단일한 하나로 나타나 있다.

그러나 복수의 분리된 스페이서재를 배열할수도 있다. 스페이서재(16)는 내외관 사이에 삽입및 압착된 상태의 두께가 약 0.2-0.5mm이다.

내열 충전재(17)는 내외관 사이에 삽입 및 압착된 상태의 두께가 약 0.1-0.5mm이다. 제진 이중 강관의 직경은 이 재료(16,17)의 두께에는 영향을 주지 않는다.

내관(10)과 외관(20)(제4도 내지 제6도)의 두께는 동일하여도 좋다. 그러나 플랜지가 외관에 용접되므로 외관(20)의 두께가 내관(10)보다 두꺼운 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 제진 이중강관의 제작방법을 이하에 설명한다.

제7도에 제5도의 이중강관을 전기 용접법으로 제작하는 방법이 도시되어 있다.

제조설비는 외관 및 내관용 언코일러(uncoiler ; 30, 32), 유리직물등의 내열충전재용 언코일러(34,), 가이드로울(36), 성형로울(38), 고주파전원(40), 용접코일(42), 스퀴징로울(squeezing roll ; 44) 연속용접용 용접 어셈블리(46), 용접중에도 스트립을 공급하는 루우퍼(looper)등으로 구성된다.

다른 스트립이나 스트립들의 표면에 대향하는 표면에 하나 또는 복수의 돌조의 줄을 가진 하나 또는 복수의 스트립이 준비된다. 내관과 외관용의 스트립이 각각 언코일러(32,30)로부터 공급된다.

언코일러(34)로부터 풀려나온 유리직물이 이스트립들 사이의 공간으로 공급된다. 이 스트립들과 유리직물이 성형로울(38)에 의해 관모양으로 굴곡되어, 용접코일(42)에 의해 고주파 유도 가열된다.

스트립들의 고주파 유도 가열되는 모서리는 공통의 비드(bead)로서 접착되고, 스트립들은 스퀴징로울(44)에 의해 압착된다.

제4도에 도시한 이중강관도 제7도의 제조공정으로 만들 수 있는데 이때 언코일러(34)는 필요없다.

제6도에 보인 이중강관은 축관법(tube reduction method)에 의해 제작될 수 있다.

내열 충전재(17)가 내관(10)의 원주에 배치된다. 즉 내관(10)은 그 원주길이와 같은 폭의 내열충전재(17)로 둘러 싸인다(제 6도).

또 내열충전재(17)가 테이프(tape)형 일때는 내관(10) 주위에 감겨져도 좋다. 스페이서재(16)는 내열층전재(17)의 적절한 위치에 접착되고, 양부재(16)(17)를 부착한 내관(10)은 외관(20)(제6도)내로 삽입된다.

이 외관(20)의 직경을 관축소에 의해 감소시켜 외관(20)을 스페이서재(16) 및 내열충전재(17)에 견고하게 압착한다. 관축소동안 내열충전재(17)는 내관(10)과 스페이서재(16) 사이에서 강하게 눌려지는데, 스페이서재(16)가 없는 부분에는 이 재료(17)가 내관(10)과 외관(20)간에 비교적 느슨하게 채워진다.

제4도에서 제6도에 도시한 이중관은 굴곡된 배기관으로서 사용될 때는 벤딩(bending) 가공된다. 돌조(20a)(제4도 및 제5도)에 의해 벤딩가공되는 동안 내외 관간의 접촉을 방지하는 것이 가능하고, 분리된 돌조(20a)가 많이 제공될 때 갭(22)은 벤딩가공에 의해 감소되지 않는다.

뿐 아니라 내관(10)을 거의 다 둘러싼 내열충전재(17)는 (제6도)에 의하여 벤딩가공에 의한 내외관간의 접촉가능성을 방지한다.

이것이 저소음 방산성질을 가져온다.

이하에서 사용될 중간층이란 용어는 스페이서재(18) (제1도 및 제2도), 스페이서재(16), 내열충전재(17)(제6도) 및 내열충전재(24)(제5도)를 가르킨다.

전술한 방법뿐 아니라 다른 방법도 본 발명에 따르는 제진 이중강관을 제조하기 위해 이용된다.

본 발명을 실시예를 통하여 이하에서 더 상세히 설명한다.

[실시예 1]

제1표에 번호 5-10 이 부여된 본 발명에 따르는 강관과, 번호 1-4,11,12이 부여된 비교샘플인 다른 강관의 시험결과를 도시하였다.

이들 강관은 샘플번호 1의 강관이 65mm의 직경과, 2.4mm의 벽두께를 가진 단관인것을 제외하고는 이중관이었다.

샘플번호 2-7의 2중관의 직경은 65mm이고, 이들 2중관의 내외관의 벽두께는 1.2mm이었다.

샘플번호 8-12의 이중관의 직경은 89.1mm이고, 외관과 내관의 벽두께는 각각 1.6mm, 1.0mm이고, 제1표에서 기호 GC는 0.2mm두께의 유리직물이었다. 이들 관으로 부터의 방산소음을 측정하기 위한 시험은 다음과 같이 수행되었다. 1000mm의 길이로 된 관은 클램프와 피보트를 포함하는 이송부재에 의해 그 단부가 지지되고 몇개의 강철보올이 관의 내벽에 놓여, 관의 내벽에 대하여 충돌되고, 한편 관은 지지부재에 의하여 회전되어 진다.

이 방산소음은 관주위에 놓여진 음압측정기에 의하여 측정되는데 이 방법을 소위 내부 진동방법이라 한다. 이 시험은 "상온"이라 표시된 실내 온도와 500℃, 700℃, 800℃의 상승온도에서 각각 5시간씩 실험되었다.

상기 표에서부터 명확한 바와같이 샘플번호 1의 단관의 소음은 가장 높았다.

비교할 목적인 샘플 2는 돌조나 충전재를 가지지 않는데, 이 샘플 2의 상온에서의 소음은 95.5dB로서 허용될 수 있는 레벨 95dB보다 더 높은 것이며, 온도가 상승되면 소음은 더 높아졌다.

이것은 내외관이 그 어떤점에서 서로 접촉되기 때문이라 생각된다.

비교목적인 샘플번호 3은 돌조는 설치되지 않았으나, 내외관간에 0.2mm 두께의 유리직물을 조밀하게 채웠으며, 이 샘플번호 3에서의 소음은 실온에서는 낮았으나 온도가 상승되면 높았다.

본 발명에 따르는 샘플번호 5-10은 다른 샘플과 비교하여 볼 때 실온과 상승온도에서 낮은 방산소음의 특징을 가지고 있다.

비교목적인 샘플번호 4,11,12는 비록 돌조를 구비하고 있지만, 방산소음은 높았다.

이 돌조(들)은 샘플번호 4에서 낮고, 샘플번호 11과 12에서 높았다.

본 발명의 특징에 따르는 상승온도의 저소음 방사은 배기가스가 흐르는 파이프가 600-800℃ 고온까지 가열되기 때문에 매우 중요하다.

[실시예 2]

실시예 1의 진행을 스페이서 부재를 가진 이중강관의 소음방산성질을 시험하기 위하여 반복한다.

샘플번호 13-16의 강관직경은 샘플번호 2-7에서와 같다.

샘플번호 17-21의 강관의 직경은 샘플 8-12에서와 같다.

이 시험결과 및 관의 구조는 제2표를 참조하여 설명한다.

제2표에서 샘플번호 1과 2의 결과는 스페이서부재를 가진 2중강관의 결과와 비교를 용이하게 하기 위하여 재현한다.

샘플번호 13에서 0.2mm 두께의 유리직물이 필수적으로 전주위 내외관간에 삽입되었는데, 샘플번호 13의 소음감소성질은 상온에서는 양호하나, 온도가 상승되면 방산소음이 높아진다.

본 발명의 샘플번호 14-18에서, 0.2mm 두께의 유리직물(샘플번호 14,15,18) 또는 0.5mm 두께의 세라믹 섬유(샘플번호 16,17)은 내열충전재로서의 내외관 전주위간에 삽입되고, 또 내열충전제와 외관사이에는 제2표에 주어진 직경을 갖고 유리직물(샘플번호 14), 금속망(샘플번호 15), 금속박(샘플번호 16), 삼선(샘플번호 17) 및 폴리에스터(샘플번호 18)를 삽입한다. 샘플번호 14-17의 소음방산은 상온과 상승오도 양자에서 양호하였고, 샘플번호 19-21의 소음감소성질은 약해지는데, 그 이유는 삽입부재의 두께가 샘플번호 19와 20에서 너무 크고, 샘플번호 21에서는 너무 작기 때문이다.

본 발명에 따르는 2중관의 저소음방산은 다음에서 설명된다.

본 발명에 따르는 돌조 또는 중간층은 진동감쇠(damping) 또는 진동댐퍼(damper) 기능을 가져서, 내외관의 진동을 감쇠시킨다. 주로 내외관이 진동할 때에 돌조 또는 중간층은 관의 진동이 감쇠되는 결과로서 관(들)에 대해 미끄러지거나 마찰을 갖고 변위한다. 돌조와 중간층은 제1도와 제2도에 도시된 종래의 관에서 중간층으로서 소음흡수와 절연기능을 가질뿐아니라, 고온에서 방사소음을 효과적으로 감소시키는 소음감쇠 효과를 갖는다.

덧붙여 관의 진동이 억제되므로 맥동하는 배기가스로 인한 잡음과 배기관에 전달되어 방사되는 엔진진동에 기인한 배기관의 진동으로 부터의 소음양자를 억제할 수 있다.

중간층에 의한 진동 감쇠는 중간층의 변형(deformability)에 의하여 실현되므로, 중간층이 변형되는 압력하에서 내외관간에 너무 조밀하게 삽입되어 진다면, 내외관은 서로 완전히 결합될 것이므로 진동의 관점에서 단관과 다르지 않다.

이것은 제1도와 제2도에 도시한 조밀하게 중간층을 충전한 이중관이 상온에서는 비교적 저소음 방산성질을 나타내지만 고온에서 고레벨의 소음을 방산하는 것으로 입증된다.

종래의 중간층은 상승된 온도에서 팽창하여, 내외간에 의해 강하게 압력 받고, 이와같이 조밀하게 결합된 이중관은 일체로 진동하게 된다. 이 경우에 중간층은 진동감쇠를 동반하지 않는다.

본 발명에 의한 연구에 따르면 중간층의 충전상태는 진동감쇠에 있어 중요하다. 이 중간층은 환상 갭에 비교적 느슨하게 채워서 내외관이 서로 독립적으로 진동하고, 이들의 진동이 감쇠된다.

본 발명에 따르는 중간층은, 진동감쇠 기능은 없고 소음흡수 및 소음절연기능만을 갖는 종래관과 비교할 때 매우 얇게 할 수 있다. 본 발명에 따르는 중간층은 예로서 1mm 또는 그 미만이다.

그러므로 본 발명의 제진 이중강관은 단관과 거의 구별할 수 없다.

중간층의 바람직한 충전상태는 제5도에 도시한 이중관에서의 돌조(들)에 의하여 실현된다. 이 돌조(들)은 내외관간의 공간을 확실하게 유지하고, 관의 제조동안 중간층이 내외관에 의하여 강하게 눌리는 것으로부터 보호한다.

관제조 공정에 있어서 중간층에 압력이 작용되지만 돌조(들)가 중간층이 관들간에 밀접하게 충전되는 것을 막는다. 바람직한 내열충전재(17)의 충전상태는 제6도에 도시한 2중강관에서 스페이서부재(16)에 의하여 실현된다. 그러나 스페이서부재(16)가 지나치게 두껍다면 내열충전재(17)의 충전상태는 내외관의 독립적인 진동을 방지하기에는 너무 느슨하다.

따라서 내외관은 진동감쇠없이 진동된다.

이 스페이서재(16)가 지나치게 얇다면, 내열충전재(17)는 강하게 눌려져서 양관이 일체로 진동하게 된다. 이 스페이서 재는 연소 가능하여도 좋다.

이 경우에도 스페이서재는 관제조 및 관 벤딩가공중에는 연소되지 않고 남아 있어야 한다.

비록 연소가능한 스페이서 부재가 고온에서, 즉 배기관이 가열될때 연소된다 할지라도 내열충전재(17)는 제조동안에 관에 발생한 압력에 의해 강하게 압착 유지된다.

또한 중간층 없이 제4도에 도시한 돌조에 의하여서도 진동감쇠가 실현된다. 돌조가 너무 낮다면 내의관은 서로 매우 밀접하여, 양관은 일체로 진동하게 된다.

한편 돌조가 너무 높으면 내외관은 진동감쇠없이 상호 독립적으로 진동한다. 이 돌조(들)은 약 0.1-0.5mm의 높이를 가져야 한다.

[제 1 표]

중간층

주 : -w-폭, t-두께

Claims (6)

1. (정정) 내관 및 외관으로 구성되는 금속이중관에 있어서, 상기 내관과 외관이 그 일부에서 서로 접촉되거나 용접되고, 이 접촉부 또는 용접부의 반대쪽 부분에 상기 내관의 외면과 외관의 내면중 적어도 어느 한쪽에 관의 길이 방향에 따라 높이 0.1∼0.5mm의 돌조를 적어도 하나 가지는 것을 특징으로 하는 제진 이중강관.
2. (정정) 제1항에 있어서, 상기 내관과 외관 사이에 갭의 접어도 한 부분에 내열충 전재가 배치되는 것을 특징으로 하는 제진 이중강관.
3. (정정) 내관 및 외관과 상기 내관 및 외관 사이에 삽입되는 중간층으로 구성된 금속 이중관에 있어서, 상기 중간층이 스페이서 재와이보다 폭이 넓은 내열 충전재로 구성되고, 상기 스페이서 재가 0.2내지 0.5mm의 두께를 가지는 스트립의 형태로 관의 길이방향으로 연장되며, 상기 내열 충전재가 0.1내지 0.5mm의 두께로 내관과 외관사이를 충전하는 것을 특징으로 하는 제진 이중강관.
4. (정정) 제3항에 있어서, 상기 내열충전재가 내관을 완전히 둘러싸고 있는것을 특징으로 하는 제진 이중강관.
5. (정정) 제6항에 있어서, 상기 내열충전재가 유리직물, 석면 또는 세라믹섬유중의 어느하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로하는 제진 이중강관.
6. (정정) 제1항 내지 2항 또는 3항 내지 5항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속이중관이 자동차용 배기관에 사용되는 것을 특징으로 하는 제진 이중강관.

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