KR100914212B1 - 오리피스를 이용한 방진용 에어스프링댐퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진동제어기술에 관한 것으로서, 좀더 자세하게는 스프링상수가 아주 낮아 특히 저주파수의 진동에 높은 방진효과를 가지고, 자체적으로 댐핑기능이 있는 방진장치에 관한 것이다.

본 발명인 에어스프링댐퍼는 상기와 같은 기술적 과제를 해결한 방잔장치로서, 벨로우즈와 상하 고정브래킷을 구비한 통상의 에어스프링을 밀폐된 공기탱크 위에 장착하고, 공기탱크와 에어스프링 사이에 오리피스를 설치하였다. 또한 자동레벨링을 위하여 에어마운트의 상면에 고정된 고정판 또는 장비 몸체에 접촉할 수 있는 위치감지기와 이 위치감지기와 연동되어 작동하는 제어밸브를 공기공급관에 구비하였으며, 필요에 따라 오리피스로 가변오리피스를 사용하여 에어스프링댐퍼의 댐핑계수를 조절할 수 있게 하였다.

본 발명인 에어스프링댐퍼는 항상 일정한 힘으로 장비를 지지하고, 댐핑계수를 임의로 조절할 수 있고, 자동레벨조정이 가능한 방진장치이다.

진동, 스프링상수 댐핑계수, 방진, 오리피스, 진동주파수

Description

오리피스를 이용한 방진용 에어스프링댐퍼{Air Spring Damper for Vibration Isolation Using Orifice}

본 발명은 진동제어기술에 관한 것으로서, 좀더 자세하게는 스프링상수가 아주 낮아 특히 저주파수의 진동에 높은 방진효과를 가지고, 자체적으로 댐핑계수를 임의로 조절할 수 있는 방진장치에 관한 것이다.

반도체 제조 장비, 정밀 검사 장비 등은 아주 정숙한 진동 환경에서 운용되는데, 이들 장비의 주변에 설치된 모터, 팬, 펌프 등의 진동유발 기계에서 발생한 진동, 심지어 주변 지역으로 사람 보행시 발생하는 진동 등 미세한 진동도 장비가 설치된 건물의 바닥 구조체를 통하여 장비에 전달되어, 이들 정밀 장비의 운용에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서 이러한 정밀 장비들은 주변의 진동 환경으로부터 분리해 주는 방진 장치를 이용하여 설치되는 것이 일반적이다.

기계의 방진은 기계를 고무 패드, 고무 마운트, 스프링 마운트, 에어 마운트 등의 탄성체와 진동에너지를 열에너지로 변환시켜 소산시키는 댐퍼로 지지하여 기계 작동시 발생하는 가진력이 구조체로 전달되는 것을 차단하거나, 또는 그 역으로 주변 진동이 보호대상인 기계로 전달되는 것을 차단하고 있다.

초정밀 장비들은 진동에 대하여 아주 민감하므로, 높은 수준으로 진동을 차단할 수 있는 방진 마운트를 이용하여 건물의 바닥에 설치된다. 금속스프링, 에어스프링, 고무 등의 모든 탄성 재료는 방진 재료로 사용될 수 있는데, 그중에서 에어마운트는 스프링상수가 낮아 고유진동수가 아주 낮은 방진시스템을 구성할 수가 있어서 방진효율을 높게 할 수 있으므로 정밀 장비의 방진에 많이 사용된다.

통상의 에어마운트는 일정 체적을 가진 고무막으로 제조된 벨로우즈의 상, 하부에 고정판을 부착하여 제작되는데, 상기한 바와 같이 스프링상수를 상당히 낮게 할 수 있어서 큰 방진효을 낼 수 있고, 벨로우즈 내부의 공기압을 조절하여 스프링상수를 임의로 조절할 수 있는 장점이 있다. 그러나 에어마운트는 벨로우즈의 체적이 제한되어 있어서 스프링상수를 낮추는데도 일정한 한계가 있고, 에어마운트가 하중을 받아 벨로우즈가 압착되는 변형을 하면 벨로우즈의 체적이 변하여 스프링 상수도 변하는 비선형 특성을 나타내므로 정확한 방진설계가 어렵다. 그리고 횡하중 또는 편심 하중을 받을 경우 안전성이 결여되어 지지하고 있는 장비가 전복될 위험이 있다.

또한 에어마운트 그 자체로는 댐핑계수가 낮아, 이것을 이용한 방진 시스템을 구성할 경우, 시스템의 안정성이 결여되어 과도응답시간이 길어 한번 진동이 발생할 경우 오랫동안 진동이 멈추지 않고, 비정상적으로 발생하는 큰 외력에 의하여 큰 진동이 발생하는 문제점이 있다. 정밀 장비의 경우 어떤 원인에 의하여 발생한 진동이 일정 수준 이하로 낮아져서 장비가 안정되어야 운용을 할 수 있는데, 과도응답시간이 길 경우 작업 재개에 많은 시간이 소요되어 문제가 된다.

정밀 장비를 높은 정도로 방진을 하기 위하여 주로 사용되는 에어마운트는 상기한 바와 같은 문제점이 있는바, 에어마운트가 하중을 받아 변형을 하더라도 항상 일정한 크기의 힘으로 장비를 지지할 수 있고, 큰 댐핑계수를 가져 과도응답시간을 줄여 안정된 방진시스템을 구성할 수 있고, 비정상적인 횡하중과 수직하중에 대하여 안전한 새로운 개념의 방진장치가 요구된다.

그리고 방진장치를 장비에 장착한 상태로 장비를 수송하는 경우도 있으므로 이와 같이 비정상적인 상황에서도 안전한 안전장치를 구비한 방진장치가 요구된다.

본 발명인 에어스프링댐퍼는 상기와 같은 기술적 과제를 해결한 방진장치로서, 벨로우즈와 상하 플랜지를 구비한 통상의 에어스프링을 밀폐된 공기탱크 위에 장착하고, 공기탱크와 에어스프링 사이에 오리피스를 설치하였다.

또한 자동레벨조정을 위하여 에어마운트의 상면에 고정된 고정판 또는 장비 몸체에 접촉할 수 있는 위치감지기 이 위치감지기와 연동되어 작동하는 제어밸브를 공기공급관에 구비하였다.

그리고 필요에 따라 오리피스로 가변오리피스를 사용하여 에어스프링댐퍼의 댐핑계수를 조절할 수 있게 하였다.

본 발명인 에어스프링댐퍼는외부 하중을 받아 압축될 수 있는 공기의 체적이 아주 커서, 에어스프링이 변형을 하더라도 전체 공기의 체적변화가 아주 적어 장치 내부의 공기압력이 거의 일정하게 유지되고, 따라서 본 장치는 항상 일정한 힘으로 그 위에 올려진 장비를 지지한다.

본 발명인 에어스프링댐퍼는 오리피스를 구비하여 자체적으로 진동 댐핑기능이 있으므로, 방진시스템의 과도응답시간이 짧고 동적으로 안정된 방진시스템을 구성할 수 있다.

본 발명인 에어스프링댐퍼는 수직과 수평으로 안전장치를 구비하여, 장비를 수송할 때와 같이 비정상적인 운용상황에서도 장비를 안전하게 지지한다.

본 발명인 에어스프링댐퍼에 가변 오리피스를 구비하면 댐핑계수를 임의로 조절할 수 있는 방진장치가 구현된다.

본 발명인 에어스프링댐퍼에 높이감지장치와 이와 연동되어 작동되는 제어밸브를 사용하면 자동레벨조정이 가능한 방진장치가 구현된다.

본 발명인 에어스프링댐퍼는 도 1에 도시한 바와 같이, 에어스프링(1), 상기 에어스프링(1)이 올려져서 고정되는 공기탱크(2), 그리고 상기 에어스프링(1)과 공기탱크(2) 사이에 설치되는 오리피스(3)로 구성된 것으로서, 스프링과 댐퍼의 기능을 모두 구비한 진동차단장치이다.

본 발명의 기능을 더욱 확장시키기 위하여, 상기 오리피스(3)로 우리피스의 개도를 조정할 수 있는 가변오리피스를 사용할 수 있고, 장치의 놀이를 자동으로 일정하게 유지하게 하는 자동레벨장치(4)를 추가로 구비할 수 있다.

에어스프링(1)은 통상의 에어스프링과 동일하게 유연한 고무막으로 제작되는 벨로우즈(11), 상기 벨로우즈(11)의 상부와 하부에 부착되는 것으로서 장비를 설치할 곳 및 장비에 부착할 수 있는 고정나사구멍이 형성된 플랜지(12, 13)로 구성된다. 하부플렌지(13)에는 오리피스(3)를 통하여 공기가 유입될 수 있도록 구멍이 형성된다.

에어스프링(1)은 그대로 사용할 수도 있으나, 그 위에 지지되는 장비를 안전하고 용이하게 고정하기 위하여 상부플랜지(12)에 고정판(14)을 결합하여 사용하는 것이 좋다.

공기탱크(2)는 일정두께의 금속판으로 제작된 밀폐된 원통 형상이며, 몸체(21)의 측면에 공기주입구(22)가 부착된다. 공기주입구(22)는 공압장치에서 일반적으로 사용하는 것을 사용한다. 공기탱크(2)의 상면에는 하기 오리피스(3)가 결합된다. 이 공기탱크가 클 경우 얇은 금속판을 이용하여 제작할 경우, 구조보강을 위하여 내부에 보강재(23)을 구비할 수 있다. 그리고 몸체(21)에 하판(24)을 나사로 결합하는 방식으로 하면 에어스프링(1)과 오리피스(3) 등을 조립하기가 편리하다.

공기탱크(2)의 형상은 원통형 또는 육면체상자형 등으로 제작할 수 있으나, 원통형 형상이 높은 내부압력을 견딜 수 있고, 부피를 최소화할 수 있어서 좋다. 그리고 공기탱크의 형상을 단순이 원통형 또는 육면체상자형으로 할 수도 있으나, 전체 제품의 높이를 낮게 하여 설치공간을 최소화하고 취급과 사용을 용이하게 하고 여기에 장착되는 에어스프링을 보호하기 위하여, 도 1에 도시한 바와 같이 탱크의 중심부에 에어스프링(1)이 안착하여 에어스프링(1)의 벨로우즈(11)가 절반 이상 잠길 수 있는 깊은 자리를 구비하는 것이 좋다.

상기와 같이 공기탱크(2)에 에어스프링(1)이 안착할 자리를 구비한 경우, 그 위에 설치된 장비에 큰 측 방향 힘이 작용하더라도 에어스프링이 측면으로 크게 밀리는 것을 방지하여 안전하다. 그리고 상부로 돌출된 공기탱크(2)의 상면에 안전볼트(25)를 2개 이상 구비하고, 이 안전볼트를 상기 에어스프링(1)의 고정판(14)에 형성된 구멍 또는 홈을 통과시켜 그 위에 안전너트(26)를 체결하여 두면 좋다. 이와 같이 안전장치를 구비하면, 장비에 본 발명의 에어스프링댐퍼를 부착한 채로 수송을 하거나 설치작업을 할 때는 에어스프링댐퍼 내의 공기를 빼고 고정판(14)이 공기탱크(2)의 상면에 밀착되어 일체를 이루도록 할 수 있어서 안전하다. 그리고 사용중에는 안전너트(26)를 고정판(14)과 일정 간격을 유지하도록 고정하면, 지진 등과 같은 비상사태가 발생할 때 장비가 전복되는 것을 막아준다.

오리피스(3)은 몸체(31)에 공기가 통과할 수 있는 좁은 구멍(32)을 가진 것으로서, 상기 공기탱크(2)의 상면에 에어스프링(1)과 접하는 부분에 결합된다. 오리피스의 몸체(31)를 결합하는 방법은 여러 가지가 있으나, 나사결합 방식으로 결합하는 것이 간편하다.

상기 에어스프링(1)과 공기탱크(2) 그리고 오리피스(3)를 결합한 후, 공기주입구(22)를 통하여 압축공기를 주입하면 공기가 공기탱크(2)의 내부에 충진되고 이 어서 오리피스(3)를 통하여 에어스프링의 내부에도 일정 압력으로 충진된다. 이와 같이 공기가 충진되면 에어스프링과 공기탱크는 기체가 충진된 하나의 밀폐된 용기가 되는 데, 에어스프링이 힘을 받아 수축을 하여 용기의 체적에 변동이 생기면 보일의 법칙(P1.V1 = P2.V2)에 따라 내부의 압력이 변하게 된다. 그러나 본 발명의 경우 공기탱크(2)의 체적이 아주 크므로 전체 체적에서 에어스프링이 수축하여 발생하는 체적의 변화는 무시할 수 있을 정도로 작아, 결국 용기 전체의 압력변화는 그의 없고, 따라서 어이스프링이 수축하여 변형이 발생하더라도 본 발명의 에어스프링댐퍼는 항상 일정한 힘으로 장비를 지지하게 된다. 따라서 본 발명은 이것이 설치되는 장비의 하중 등에 의하여 정적 변형이 크기 일어나더라도 에어마운트가 가지는 장점인 스프링상수가 아주 낮은 상태를 계속 유지한다.

오리피스(3)로는 통상의 오리피스와 같이 일정 크기의 구멍(32)을 가진 단순한 오리피스를 사용할 수도 있으나, 도 1에 도시한 바와 같이 오리피스의 구멍(32)의 개도를 조절할 수 있는 가변 오리피스를 사용할 수도 있다. 이와 같은 가변 오리피스는 밸브와 유사한 것으로서 다양한 방법으로 제작할 수 있으나, 조정봉(34)에 의하여 구멍(32)에 개도를 조절할 수 있는 조정블록(33)을 구비하여 간단하게 제작할 수 있다.

상기와 같이 가변 오리피스를 사용할 경우, 공기탱크(2)의 측면 내부에 조정봉(34)이 관통할 수 있는 슬리브(27)가 부착되고, 슬리브의 내부에는 오링(35, O-Ring) 등의 밀봉재가 끼워져서 공기의 누설을 막아주어야 한다.

오리피스(3)는 좁은 구멍으로서, 에어스프링(1)과 공기탱크(2) 사이에서는 이 오리피스를 통하여 공기가 유입 또는 유출된다. 만약 외부에서 큰 힘이 작용하여 에어스프링(1)의 밸로우즈(11)가 크게 압축되면, 에어스프링(1) 내부의 공기가 일시에 오리피스(3)를 통하여 공기탱크(2)로 빠져나가려 하는데, 유로가 좁아 오리피스를 통과하는 공기의 속도가 아주 빨라지고, 그에 따라 마찰에 의한 발열이 일어나면서 에너지 손실이 일어나므로 결국 진동에너지가 열로 소산되어 진동이 멈추게 된다. 통상적인 진동시스템에서 이와 같이 진동에너지를 흡수하는 기능을 하는 요소가 바로 댐퍼(Damper)이고, 에너지를 흡수하는 정도는 댐핑계수(Damping Coefficient)로 나타내는데, 본 발명의 경우 오리피스(3)가 바로 댐퍼의 기능을 한다.

오리피스(3)로 상기한 가변 오리피스를 사용할 경우, 개도를 좁게 하면 오리피스를 통과하는 공기속도가 더욱 빨라져서 마찰열도 더 많이 발생하여 결국 댐핑계수가 커지고, 개도를 크게 하면 오리피스를 통과하는 공기의 속도가 느려 마찰열이 조금 발생하므로 결국 댐핑계수가 낮아진다. 본 장치는 이와 같은 방법으로 댐핑계수를 임의로 조절할 수 있는 방진장치가 된다.

진동을 차단하기 위하여 다수개의 통상의 에어마운트 또는 본 발명의 에어스프링댐퍼를 사용하여 장비를 지지할 경우, 일부 에어스프링에서 공기가 누설되면 당해 에어스프링의 스프링상수가 급격히 낮아져서 큰 변형이 발생하고, 따라서 지지하고 있는 장비가 한쪽으로 기울어 전복되는 수가 있다. 이러한 문제를 방지하기 위하여 에어스프링(1)이 일정 이상 변형을 하면, 이를 감지하여 에어스프링의 내부에 공기를 충진하여 항상 일정한 압력을 유지하여 장비의 수평을 유지할 수 있게 하는 것이 좋은데, 이를 자동레벨장치라고 하여 정밀 기계의 설치에 많이 사용하고 있다.

본 발명에 사용되는 자동레벨장치(4)는 통상의 공압식 자동레벨장치와 같이 위치감지기(41)와 제어밸브(42)로 구성된다.

위감지기(41)는 탐침 형태의 것, 리미트스위치 형태의 것, 또는 전자스케일 형태의 것이 모두 사용될 수 있고, 에어스프링(1)의 상부플랜지(12)에 고정된 고정판(14)에 접촉하여, 방진 대상인 장비의 몸체가 미리 설정된 위치 이하로 내려오거나 올라가면 이를 감지하여 신호를 제어밸브(42)로 송출한다.

제어밸브(42)는 유입구는 압축공기 봄베 또는 압축공기관 등 압축공기 공급원과 연결되어 있고, 유출측은 상기 공기탱크의 공기주입구(22)에 연결어, 상기 위치감지기(41)로부터 방진 대상인 장비가 일정 이하로 내려오는 신호를 받으면 압축공기 공급원의 공기가 공기주입구(22)로 공급되도록 유로를 열어주고, 위감지기(41)로부터 방진 대상인 장비가 일정 이상으로 올라가는 신호를 받으면 압축공기 공급원의 공기가 공기주입구(22)로 공급되지 않도록 유로를 차단한다.

자동레벨장치는 상기와 같은 작동으로 일부 에어스프링(1)에서 공기가 누설되어 큰 변형이 발생하면 자동으로 압축공기를 공급하고, 공기가 충분히 충진이 되면 자동으로 압축공기의 공급을 차단하여 장비가 항상 수평을 유지하도록 한다.

본 발명의 에어스프링댐퍼는 정밀 가공장비 또는 정밀 검사장비 등의 진동제 어에 사용된다.

도 1은 본 발명인 에어스프링댐퍼의 종단면도이다.

※ 중요 구성품 번호

1 : 에어스프링,

11 : 벨로우즈, 12 : 상부플랜지, 13 : 하부플랜지, 14 : 고정판

2 : 공기탱크,

21 : 몸체, 22 : 공기주입구(22), 23 : 보강재, 24 : 하부판,

25 : 안전볼트, 26 : 안전너트, 27 : 슬리브,

3 : 오리피스

31 : 몸체, 32 : 구멍, 33 : 조정블록, 34 : 조정봉, 35 : 밀봉재,

4 : 자동레벨장치,

41 : 위치감지기(41), 42 : 제어밸브.

Claims (4)

1. 유연한 고무막으로 제작되는 벨로우즈(11), 그리고 상기 벨로우즈(11)의 상부와 하부에 부착되는 것으로서 장비를 설치할 곳 및 장비에 부착할 수 있는 고정나사구멍이 형성된 플랜지(12, 13)를 포함하여 구성되고, 하부플렌지(13)에는 하기 오리피스(3)를 통하여 공기가 유입될 수 있도록 구멍이 형성된, 에어스프링(1);

   상기 에어스프링(1)의 하부에 결합되는 것으로서, 밀폐된 용기 형상의 몸체(21), 그리고 상기 몸체(21)에 부착되는 공기주입기(22)를 포함하여 구성되고, 상기 몸체(21)의 상면에는 하기 오리피스(3)가 부착되는 구멍이 형성되어 있는, 공기탱크(2);

   그리고, 상기 공기탱크(2)의 상면에 결합되는 것으로서, 몸체(31)에 구멍(32)이 형성된 몸체(31), 상기 몸체(31)의 구멍(32)에 결합되어 구멍의 개도를 변경시키는 조정블록(33), 그리고 상기 조정블록(33)에 결합되어 구멍의 개도를 조절할 수 있게 하는 조정봉(34)으로 구성되어, 오리피스의 구멍(32)의 개도를 조절할 수 있는, 가변 오리피스(3);

   를 포함하여 구성되어, 댐핑계수가 조절되는 댐퍼와 스프링의 기능을 구비하여 진동을 차단하는 기능을 하는, 에어스프링댐퍼.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 공기탱크(2)는,

   공기탱크)2)의 중심부에 상기 에어스프링(1)이 안착하여 에어스프링(1)의 벨로우즈(11)가 일부 가려질 수 있는 것을 특징으로 하는, 에어스프링댐퍼.
4. 제1항에 있어서, 상기 에어스프링댐퍼는,

   에어스프링(2)의 상부플랜지(12) 또는 이 상부플랜지(12)에 고정된 고정판(14) 에 접촉하여, 방진 대상인 장비의 몸체가 미리 설정된 위치 이하로 내려가거나 올라가면 이를 감지하는, 위치감지기(41);

   그리고, 상기 위치감지기(41)의 위치감지신호에 따라 압축공기 공급원과 상기 공기탱크(2)의 공기주입구(22) 사이의 유로를 개폐하는, 제어밸브(42);

   로 구성되는 자동레벨장치(4)를 추가로 구비하여, 다수개의 에어스프링댐퍼로 지지되는 방진 대상인 장비의 레벨을 자동으로 조절하는 기능을 구비한, 에어스프링댐퍼.

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