KR100935179B1 - 일방향 점성댐퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진동제어 분야에 관한 것으로서, 좀더 자세하게는 한쪽 방향의 운동에 대해서만 저항력을 갖는 댐퍼에 관한 것이다.

본 발명의 일방향 점성댐퍼는 피스톤에 체크밸브를 구비하여, 외력에 저항할 때는 점성유체가 오리피스를 통하여 흐르면서 저항력을 유발하여 진동운동을 억제하는 힘을 유발하게 하고, 진동체가 평형위치로 복귀할 때는 유체가 오리피스를 통하지 않고 직접 피스톤을 통과하게 하여 저항력을 유발하지 않게 하였다. 그리고 체크밸브는 중력 또는 스프링의 힘으로 작은 운동에는 체크밸브가 작동하지 않게 하였다. 또한 오리피스에는 개도를 조절할 수 있는 수단을 구비하여, 사용여건에 따라 댐퍼의 댐핑계수를 조절할 수 있게 하였다.

본 발명의 일방향 점성댐퍼는 이것이 사용된 방진 시스템이 정상적으로 작동할 때는 아무런 작용을 하지 않아, 댐퍼가 없는 방진시스템이 가지는 높은 방진효과를 가진다. 그러나 비정상적인 큰 진동이나 과도진동이 유발되면 운동에 저항하는 구속력을 발휘하여 비전성적인 운동을 신속히 정시시켜 운동시스템의 동적 안정성을 높힌다.

일방향, 체크밸브, 오리피스, 개도, 댐퍼, 진동, 점성, 운동저항력

Description

일방향 점성댐퍼{One Direction Viscos Damper}

본 발명은 진동제어 분야에 관한 것으로서, 좀더 자세하게는 한쪽 방향의 운동에 대해서만 저항력을 갖는 댐퍼에 관한 것이다.

기계의 방진은 기계를 고무 패드, 고무 마운트, 스프링 마운트, 에어 마운트 등으의 탄성체로 지지하여 기계 작동시 발생하는 가진력이 구조체로 전달되는 것을 차단하거나, 또는 그 역으로 주변 진동이 보호대상인 기계로 전달되는 것을 차단하는 방법으로서, 진동을 유발하는 장비 또는 진동환경으로부터 보호되어야 하는 장비를 지지할 때 적용되고 있다.

반도체 제조 장비, 정밀 검사 장비 등의 초정밀 장비들은 진동에 대하여 아주 민감하므로, 높은 수준으로 진동을 차단할 수 있는 방진 마운트를 이용하여 건물의 바닥에 설치한다. 금속스프링, 고무 등의 탄성 재료는 모두 방진 재료로 사용될 수 있는데, 탄성 재료 중에서 에어마운트는 스프링 상수가 아주 낮아 고유진동수가 아주 낮은 방진시스템을 구성할 수가 있어서 방진효율을 높게 할 수 있으므로 정밀 장비의 방진에 많이 사용된다.

그런데, 에어마운트는 진동의 차단에는 아주 효과적이나, 시스템의 동적 안정성이 나빠지게 되어, 아주 저주파수의 외부 진동이나 비정상적인 외력에 의하여 큰 변위의 운동이 발생하고, 또한 과도응답(Transient Response) 시간이 길어 진동이 오랫동안 지속 되는 문제점이 있다. 정밀 장비의 경우 어떤 원인에 의하여 발생한 진동 운동이 일정 수준 이하로 낮아져서 다시 장비가 안정되어야 사용을 다시 할 수 있는데, 과도응답시간이 길 경우 작업 재개에 많은 시간이 소요되어 운용에 큰 지장을 초래한다.

상기한 바와 같이 스프링상수가 아주 낮은 방진고무, 금속스프링 또는 에어스프링 등을 이용하여 구성된 고유진동수가 아주 낮은 방진시스템은 동적 안정성이 나쁜 문제점이 있는데, 이를 개선하기 위한 방법으로 댐퍼(Damper)를 사용하는 것이 일반적이다. 진동시스템에서 댐퍼(Damper)란 진동운동의 에너지를 열로 변환시켜 주변으로 소산시켜 결국 진동을 억제하는 요소인데, 자동차의 쇼크업서버, 출입문에 사용되는 도어체크 등이 대표적인 예이다.

통상적인 댐퍼는 밀폐된 공간에 기체 또는 액체인 유체를 충진하고, 피스톤에 오리피스를 구비하여 피스톤이 유체에 잠겨서 운동을 할 때 오리피스로 유체가 고속으로 흐를 때 유체의 점성에 의한 마찰력으로 운동에 저항하는 힘을 유발하는 구조로 제작된다. 이러한 댐퍼를 점성댐퍼(Viscos Damper)라고 하고, 발생하는 저항력(Fc)은 보통 피스톤의 운동속도(v)에 비례(Fc = C·v, 여기서 C는 댐핑계수)한다. 이러한 통상의 점성댐퍼는 피스톤이 전후로 운동을 할 때마다 저항력을 유발한다. 방진 시스템에 이와 같은 점성댐퍼를 사용할 경우 정장 진동조건에서 방진시스 템의 방진효과를 현저하게 나쁘게 한다.

최근에는 자기유변유체(MR유체)를 사용한 MR댐퍼가 개발되고 있는데, 구조는 상기 점성댐퍼와 유사하고, 자기장이 형성되면 유체의 점성이 크게 증가하는 자기유변유체의 특징을 이용한 것이다. MR댐퍼는 진동체의 운동이 감지되면 자기유변유체의 주위에 전기를 공급하여 자기유변유체의 점성을 증가시킴으로써 진동운동을 강제로 멈추게 하는 댐퍼이다. 이 MR댐퍼는 방진대상 물체가 정상적인 진동조건에서는 댐퍼의 기능을 하지 않다가, 물체가 비정상적으로 큰 진동을 하면 강제로 운동을 구속하는 기능을 한다.

상기와 같이 높은 방진효과를 갖는 저주파수 고유진동수의 방진시스템에 있어서, 동적 안정성을 부여하기 위하여 댐퍼가 필요하다. 그러나 통상의 점성댐퍼는 운동의 방향과 크기에 관계없이 항상 저항력을 유발하고, 정상 진동상태에서 방진효과를 크게 나쁘게 하는 문제점이 있다.

그리고 최근에 개발된 MR댐퍼는 과도운동이나 비정상적인 운동에서 방진시스템을 안정시키는 효과는 있으나, 운동을 감지하는 센서, 컨트롤러, 전원공급장치 등을 구비하여야 하므로 시스템이 아주 복잡하고 또한 고가이다.

따라서 높은 방진효과를 가지는 저주파수 고유진동수의 방진시스템에 사용할 수 있는 것으로서, 정상적인 진동상태에서는 작동을 하지 않아 높은 방진효과를 낼 수 있고, 비정상적으로 큰 운동이 발생할 경우 운동을 구속하여 동적 안정성을 부여할 수 있는 댐퍼가 필요하다. 이러한 댐퍼는 구조가 간단하여 제작과 사용이 용이하고, 사용여건에 따라 댐핑계수를 임의로 조절할 수 있어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 통상의 댐퍼의 문제점을 해결하기 위하여, 외력에 의하여 발생하는 운동만을 구속하고, 방진스프링에 의하여 원래의 위치로 회복하는 운동은 구속하지 않는 일방향 점성댐퍼에 관한 것이다.

본 발명의 일방향 점성댐퍼는 피스톤에 체크밸브를 구비하여, 외력에 저항할 때는 점성유체가 오리피스를 통하여 흐르면서 저항력을 유발하여 진동운동을 억제하는 힘을 유발하게 하고, 진동체가 평형위치로 복귀할 때는 유체가 오리피스를 통하지 않고 직접 피스톤을 통과하게 하여 저항력을 유발하지 않게 하였다.

그리고 오리피스에는 오리피스의 개도를 조절할 수 있는 수단을 구비하여, 사용여건에 따라 댐퍼의 댐핑계수를 조절할 수 있게 하였다.

본 발명의 일방향 점성댐퍼는 이것이 사용된 방진 시스템이 정상적으로 작동할 때는 아무런 작용을 하지 않아, 댐퍼가 없는 방진시스템이 가지는 높은 방진효과를 가진다. 그러나 비정상적인 큰 진동이나 과도진동이 유발되면 운동에 저항하는 구속력을 발휘하여 비정상적인 운동을 신속히 정시시켜 운동시스템의 동적 안정성을 높힌다.

본 발명의 일방향 점성댐퍼는 댐핑계수를 조절할 수가 있어서, 사용되는 운동시스템의 특성에 따라 댐핑계수를 조절할 수 있다.

본 발명의 일방향 점성댐퍼는 구조가 간단하여 제작이 용이하고, 운동의 제에에 필요한 별도의 제어시스템이 필요하지 않아 설치와 운용비용이 저렴하다.

본 발명의 일방향 점성댐퍼는 도 1에 도시한 바와 같이, 방진대상물에 부착되는 것으로서 방진대상물과 함께 운동하는 장비고정판(1), 상기 장비고정판(1)의 중심에 부착된 피스톤(2), 상기 피스톤(2)의 끝단에 구비되는 체크밸브(3), 상기 피스톤(3)을 수용하고 정비가 설치되는 곳의 바닥에 고정되는 몸체(4), 상기 몸체(4)에 설치되는 오리피스(5), 상기 피스톤(2)의 로드에 끼워져서 상기 장비고정판(1)을 항상 위로 밀고 있는 복원스프링(6), 그리고 상기 몸체(4)의 상단에 설치되는 고정장치(7)로 구성된다.

장비고정판(1)은 사각판 또는 원판 등의 판(11)으로 제작되며, 가장자리에는 장비에 볼트 등으로 결합할 수 있게 하는 장비고정구멍(12)이 형성되어 있고, 중앙에는 피스톤을 고정하는 피스톤고정구멍(13)이 형성되는데, 피스톤을 고정하는 고정볼트가 장비고정판 위로 돌출되지 않도록 자리파기를 하는 것이 좋다.

장비고정판(1)의 하면에는 하기 몸체(4)의 상단을 따라 수직으로 운동을 유도하는 가이드(14)가 구비되는데, 소형인 경우 하기 피스톤이 가이드를 겸하므로 이 가이드(14)는 사용되지 않을 수도 있다. 가이드(14)를 원통형으로 하고, 외면에 나사산을 형성하여 하기 고정장치(7)를 결합할 수 있게 하는 것이 좋은데, 단면이 원형인 파이프를 절단하여 제작하고, 용접, 나사결합 등의 방법으로 상기 판(11)의 하면에 부착한다. 만약 장비고정판(1)을 주조, 다이캐스팅 등의 방법으로 제작할 경우 가이드(14)를 판(11)과 일체로 제작할 수 있다.

피스톤(2)은 로드(21)의 끝단에 피스톤판(22)이 형성된 형태로 하고, 로드(21)의 상단에는 상기 장비고정판(1)에 고정할 수 있는 고정나사구멍(23)이 형성되어 있다. 피스톤(2)과 상기 장비고정판(1)의 결합은 고정볼트(24)로 고정하는 것이 편리하다.

피스톤(2)의 피스톤판(22)에는 하기 체크밸브(3)가 부착되는데, 피스톤판이 클 경우 통상의 체크밸브를 피스톤판(22)에 직접 부착할 수도 있으나, 피스톤판이 크지 않을 경우 피스톤 판의 중앙 하단에 체크밸브를 부착할 수 있는 밸브자리(25)와 유로(26)를 형성하여 체크밸브(3)를 장착할 수 있다. 본 발명인 댐퍼가 수평으로 누운 상태에서도 사용될 수 있게 하려면, 피스톤의 상단에도 가압판(27)과 가압스프링(28)을 설치하여 작동 유체가 항상 체크밸브 쪽으로 흐르게 하는 것이 좋다.

체크밸브(3)는 상기 피스톤(2)의 하단 끝단에 구비되는데, 유체의 역류를 방지하는 기능을 하는 통상적인 체크밸브이면 된다. 이런 용도의 체크밸브는 통상 유로를 막을 수 있는 플러그(31)와 이 플러그(31)가 접하는 플러그자리(32)로 구성되는데, 정상적인 흐름에서는 플러그(31)가 플러그자리(32)에서 빠져나와 그 틈새로 유체가 흐를 수 있고, 역류가 있을 경우 역류하는 유체의 압력이 플러그(31)의 후면을 밀어 플러그(31)가 플러그자리(32)로 밀려 들어가서 유로를 차단한다. 플러그로는 구형, 원뿔대형 등이 사용된다. 이 체크밸브(3)는 도 2에 도시한 바와 같이, 플러그자리(32)를 피스톤판(22)의 하면에 직접 형성하여, 피스톤판과 체크밸브를 일체로 구성할 수 있다.

본 발명인 댐퍼가 수직으로 세워진 자세로 사용되면 중력에 의하여 플러그(31)가 열린 상태를 유지하고, 물체가 정상적인 범위 내에서 진동을 하면 유체가 자유롭게 체크밸브를 통과하지만, 방진 대상물이 일정 이상으로 하방으로 크게 운동을 하면 피스톤 하부의 유체에 큰 압력이 작용하여 플러그(31)가 위로 밀려 유로를 차단한다.

본 발명인 댐퍼가 수평으로 누운 자세로 사용될 경우에 대비하여, 도 2의 상세도에 도시한 바와 같이, 플러그(31)의 상단에 일정 스프링상수의 플러그스프링(33)을 설치하여 정상 작동시에는 유로가 열려 있게 하는 것이 좋다.

몸체(4)는 하부가 바닥에 고정되고, 상부에는 상기 장비고정판(1)이 결합되는 것으로서, 짧은 기둥형상의 하우징(41), 하우징의 중심부에 형성된 것으로서 상기 피스톤(2)이 결합되는 실린더(42)가 있으며, 하우징의 하단에는 바닥에 고정할 수 있는 바닥고정구(43)가 형성되어 있고, 측면에는 작동유체주입구(44)가 형성되어 있고, 또 다른 측면에는 오리피스조정구(45)가 형성되어 있고, 내부에는 오리피스(5)가 있는 유로(46)가 형성되어 있고, 하우징의 상단에는 덮개(47)가 부착되어 있다. 하우징(41)의 상단에는 원기둥형 단부를 형성하여, 이 원기둥형 단부가 상기 장비고정판(1)의 가이드(14)의 원통에 삽입되어, 장비고정판(1)이 상하로 운동할 수 있게 하는 것이 좋다.

오리피스(5)는 통상적으로 작은 구멍을 뜻하는데, 유량이나 유압을 조절하기 위하여 사용된다. 통상적으로 오리피스에서는 유속이 아주 빠르고, 이와 같은 빠른 유속에서는 유체의 점성에 의한 마찰력에 의하여 유체의 운동에너지가 열로 변환하여 소산된다. 진동제어에 사용되는 점성댐퍼는 이와 같은 오리피스의 원리를 이용하여 진동에너지를 흡수하는 것이다.

통상적인 점성댐퍼의 경우, 사용하는 작동유체의 점성을 감안하여 사용목적에 부합하는 운동저항력을 발휘하는 단면적과 길이의 오리피스를 설계하는데, 이 오리피스의 단면적의 크기를 조절할 수 있는 가변오리피스를 사용할 수 있다. 이와 같은 가변 오리피스는 통상의 밸브와 같은 구성으로서, 오리피스 구멍의 크기인 개도(開度)를 조절할 수 있는 오리피스조정기(51)를 구비하면 된다.

복원스프링(6)은 하우징의 덮개(48)의 상단과 상기 장비고정판(1)의 하단 사이에 피스톤(2)의 로드에 끼워지는 압축코일 스프링으로서, 피스톤(2)을 항상 상부로 밀고 있는 역할을 한다.

고정장치(7)는 상기 장비고정판(1)의 가이드(14)에 끼워지는 너트 형상으로서, 장비고정판(1)의 운동을 일정 범위 이내로 제한할 때 사용한다. 이 고정장치(7)는 육각 너트형으로 하여 스페너 등의 공구를 이용하여 돌릴 수도 있으나, 크기가 클 경우 고정장치의 측면에 봉을 꽂을 수 있는 구멍을 형성하여 이 구멍에 봉을 꽂아 돌릴 수 있게 하는 것이 편리하다. 이 고정장치는 두 겹으로 하여야 사용중에 풀리지 않고 조정된 높이에 고정된다.

도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 만약 고정장치(7)를 돌려서 가이드(14)를 따라 올라가게 하여 고정장치(7)의 하면과 몸체(4)의 상단 단차의 사이에 일정 간격(d)을 유지하면, 장비의 최대 운동은 이 간격(d) 이내로 제한된다. 만약 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 고정장치(7)를 돌려서 가이드(14)를 따라 내려가게 하여 고정장치(7)의 하면과 몸체(4)의 상단 단차가 서로 접도록 조정하면, 장비는 전혀 운동을 하지 않고, 강체로 지지한 것과 동일한 효과를 갖는다.

상기와 같이 구성된 본 점성댐퍼의 작동은 다음과 같다.

만약 지지물체에 수직 하방으로 큰 외력이 작용하면, 지지물체에 부착된 장비고정판(1)과 장비고정판에 부착된 피스톤(2)이 하방으로 운동을 하게 된다. 그러면 몸체(4)의 실린더(42) 내부의 작동 유체에 압력이 형성되는데, 이와 같이 압력이 형성되면 체크밸브(3)의 플러그(31)가 위로 밀려 밸브의 유로를 차단하고, 작동 유체는 오리피스(5)를 통하여서만 흐르고, 이 과정에서 오리피스에서 유체의 점성 에 의한 마찰에 의한 저항력이 발생하는데, 이 압력이 물체의 운동을 방해하는 힘으로 작용한다. 오리피스를 통과한 유체는 피스톤판(22) 상부의 실린더(42)에 충진된다.

지지하고 있는 물체의 운동방향이 바뀌어 위로 운동을 하게 되면, 체크밸브(2)가 열려 피스톤판(22) 상부의 실린더(42)에 충진되어 있던 작동 유체가 체크밸브를 통하여 바로 피스톤판(22) 하부의 실린더(42)로 저항력 없이 흘러내린다.

만약 정상적인 작동상태에서 지지대상물의 진동운동이 그다지 크지 않으면, 작동 유체에 체크밸브(3)의 플러그(31)를 밀어올릴 만큼의 압력이 형성되지 않고, 체크밸브는 항상 열려 있으므로 작동유체가 오리피스(5)를 통하여 흐르지 않고 직접 이 체크밸브(3)를 통하여 흐르므로 아무런 운동구속력을 내지 않는다. 즉, 이 경우 마치 댐퍼가 없는 것과 같은 기능을 한다.

본 발명의 일방향 점성댐퍼는, 반도체 제조 장비, 정밀 검사 장비 등 높은 수준으로 진동을 차단하여야 하는 장비들의 진동을 차단하는 방진시스템에 동적안정성을 향상시키기 위하여 사용된다.

도 1은 본 발명인 일방향 점성댐퍼의 종단면도이다.

도 2는 체크밸브 부위의 상세도 이다.

도 3은 은 본 발명인 일방향 점성댐퍼의 운용 예이다.

※ 중요 구성품번호

1 : 장비고정판, 2 : 피스톤, 3 : 체크밸브, 4 : 몸체,

5 : 오리피스, 6 : 복원스프링, 7 : 고정장치.

Claims (4)

1. 방진대상물에 부착되는 것으로서 방진대상물과 함께 운동하는 장비고정판(1);

   상기 장비고정판(1)의 중심에 부착되는 것으로서, 로드(21)와 피스톤판(22)으로 구성되는 피스톤(2);

   상기 피스톤(2)의 하부에 구비되는 체크밸브(3);

   중심에 상기 피스톤(3)을 수용하는 실린더(42)가 형성되어 있고, 이 실린더(42) 내부에는 작동 유체가 충진되는 것으로서, 장비가 설치되는 곳의 바닥에 고정되는 몸체(4);

   상기 몸체(4)에 형성된 유로에 설치되는 오리피스(5);

   그리고, 상기 피스톤(2)의 로드에 끼워져서 상기 장비고정판(1)과 피스톤(2)을 항상 위로 밀고 있는 복원스프링(6);

   을 포함하여 구성되는, 일방향 점성댐퍼.
2. 제1항에 있어서,

   상기 피스톤(2)은 상단에도 가압판(27)과 가압스프링(28)을 추가로 구비한 피스톤이고;

   상기 체크밸브(3)은 플러그를 열어주는 플러그스프링(33)을 추가로 구비한 체크밸브로서;

   수평으로 눕혀 설치한 상태에서도 작동하는 것을 특징으로 하는, 일방향 점성댐퍼.
3. 제1항 또는 제2항에 있에서,

   상기 장비고정판(1)은 외면에 나사산이 형성된 원통형 가이드(14)를 하면에 부착한 장비고정판이고;

   상기 몸체(4)는 상단에 상기 장비고정판(1)의 가이드(14)의 원통에 삽입되는 원기둥형 단부가 형성되어 있는 몸체이고;

   그리고 상기 장비고정판(1)의 가이드(14)의 외부에 나사결합을 하는 것으로서, 상기 가이드(14)의 나사를 따라 올리거나 내릴 수 있는 너트 형태의 고정장치(7)가 추가로 구비되어;

   상기 장비고정판(1)의 운동범위를 고정장치(7)의 하면과 몸체(4) 단부의 단차면 사이의 간격(d) 범위 이내로 제한할 수 있는 것을 특징으로 하는, 일방향 점성댐퍼.
4. 제1항 또는 제2항에 있에서,

   상기 오리피스(5)는 오리피스조정기(51)를 추가로 구비하여, 오리피스 구멍의 크기인 개도를 조절할 수 있는 오리피스로서,

   감쇄계수를 임의로 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는, 일방향 점성댐퍼.

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