KR100971543B1

KR100971543B1 - 프레임용 고압 튜브

Info

Publication number: KR100971543B1
Application number: KR1020080122413A
Authority: KR
Inventors: 한정은
Original assignee: 한정은
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2008-12-04
Publication date: 2010-07-21
Also published as: KR20100064012A

Abstract

본 발명은 프레임으로 사용할 수 있는 장형의 고압 튜브로서, 단면이 원형 또는 다각형으로 이루어지고, 외피는 금속 또는 플라스틱으로 구성되며, 내부에 발포체, 기체, 또는 액체가 대기압 이상의 고압 상태로 밀봉되어 있는 고압 튜브에 관한 것이다. 이와 같이 구성되는 본 발명의 고압 튜브는 내부에 고압의 액체 등이 밀봉되어 있어 강성과 강도가 우수할 뿐만 아니라, 외피의 두께가 얇게 구성되므로 종래의 프레임보다 중량이 작아 차량 등에 적용할 경우 연비를 향상시킬 수 있다.

프레임, 발포체, 고압력, 비틀림 강성

Description

프레임용 고압 튜브{HIGH PRESSURE TUBE USED FOR A FRAME}

본 발명은 프레임으로 사용할 수 있는 고압 튜브에 관한 것으로, 더 상세하게는 튜브 내부가 고압 상태로 이루어져 종래의 프레임보다 가볍고 강성 및 강도가 우수한 고압 튜브에 관한 것이다.

일반적으로 "프레임(frame)"이란 자동차, 건물, 운반구 등의 구조체에서 하중을 지지하는 구조용 부재를 의미한다. 이러한 프레임은 상당량의 집중하중, 분포하중, 또는 충격하중을 지탱하게 되므로, 일반적으로 기계적 강도가 우수한 강철 등으로 제조되고, 외피 두께가 3 내지 15mm로 이루어진다. 따라서, 이와 같이 두껍고 무거운 프레임을 사용하여 구조체를 제작하게 되면, 강성과 강도가 증가하고 형상이 쉽게 변형되지 않는 장점이 있지만, 구조체의 중량이 증가되어 이동성이 저하되는 문제점이 있다. 예컨대 이러한 프레임을 이용하여 사다리를 제작하게 되면, 사다리에 상당량의 하중이 가해지는 경우에도 좌굴(buckling)을 방지할 수 있지만, 사다리를 이동시키기가 쉽지 않아 결국 작업시간이 길어진다. 반면, 프레임의 두께 를 줄이고 경량 소재로 대체하여 구조체를 제작하게 되면, 구조체를 편리하게 이동시킬 수는 있지만, 좌굴이나 심한 스트레인 등이 발생할 수 있어 안정적이지 못하다.

특히, 이와 같이 두껍고 무거운 프레임은 자동차 분야와 관련하여 여러 문제점을 갖는다. 종래에는 자동차 제조시 먼저 다수의 프레임을 제작하고 이들 프레임을 용접한 후 여기에 엔진 등을 조립하는 방식이 사용되었다. 이러한 생산 방식에 따르면, 두꺼운 강철로 이루어진 프레임을 사용하므로 차량의 강도를 향상시킬 수 있지만, 차체 무게가 증가하는 단점이 있다.

따라서 현재에는 화물용 차량과 같이 높은 강도가 요구되는 차량을 제외하고는 모노코크(monocoque) 방식, 즉 프레임을 제거하고 차체를 금속 박판으로 일체화하여 제조하는 방식이 사용되고 있다. 이러한 모노코크 방식은 프레임 방식을 사용할 때보다 차체를 경량화할 수 있고, 프레임을 개별적으로 용접하는 공정이 필요 없어 대량 생산이 용이하다는 장점이 있다.

그러나, 이러한 방식에 따르면 하중을 지지하는 프레임 대신 강성이 약한 모노코크 바디가 하중을 직접 지탱하게 되어, 과도한 충격이 가해지면 차체가 쉽게 변형되는 문제점이 있다. 특히, 차량이 고속 주행중에 충돌하는 경우 모노코크 바디(monocoque body)는 엔진룸은 물론 운전석까지 함몰되므로 운전자의 생명에 큰 위협이 된다.

이와 달리 프레임 방식에 의한 차체는 고속 주행중에 충돌하는 경우에도 쉽게 변형되지 않는다. 그러나, 모노코크 바디가 차량 충돌시 어느 정도 변형되어 충 격을 흡수하는 반면, 프레임 바디는 고속 주행 중 충돌시에도 쉽게 변형되지 않으므로 운전자에게 충격이 그대로 전달되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 강성과 강도가 우수하고 가벼울 뿐만 아니라 과도한 외부 충격이 가해질 때에도 이러한 충격을 흡수할 수 있는 고압 튜브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고압 튜브는,

프레임으로 사용할 수 있는 장형의 고압 튜브로서,

단면이 원형 또는 다각형으로 이루어지고, 외피는 금속 또는 플라스틱으로 구성되며, 내부에 발포체, 기체, 또는 액체가 대기압 이상의 고압 상태로 밀봉되어 있도록 구성된다. 또한, 상기 금속은 바람직하게는 알루미늄을 포함하는 경량 금속 또는 강철을 포함할 수 있고, 상기 외피의 두께는 0.5 내지 2mm로 구성될 수 있다. 이와 같이 구성되는 본 발명의 고압 튜브는 내부에 고압의 발포체, 기체, 액체 등이 밀봉되어 있어 강성(stiffness)과 강도(strength)가 우수할 뿐만 아니라, 외피의 두께가 얇아 중량을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

상기 고압 튜브는 바람직하게는 내부에 다수의 강선을 더 포함할 수 있어 전단력에 대한 강성을 증가시킬 수 있다. 또한, 내부에 하나 이상의 또 다른 고압 튜브를 더 포함할 수 있어 비틀림, 굽힘, 전단 등에 대한 강성을 더욱 증가시킬 수 있다. 이와 함께, 내부에 상기 고압 튜브의 길이방향을 따라 다수의 보강 재(stiffener)를 서로 이격하여 배치함으로써 좌굴에 대한 강성도 증가시킬 수 있다.

상기 고압 튜브는 내부에 폭발성 물질을 더 포함하고, 상기 고압 튜브에 충격이 가해지면 폭발성 물질이 폭발하여 내부에 순간적으로 고압력을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 고압 튜브에 과도한 충격이 가해질 때 외부 충격에 대한 순간적인 추가 반력을 형성할 수 있다.

상기 고압 튜브의 발포체는 발포 알루미늄, 발포 고분자를 포함하고, 상기 기체와 액체는 각각 내식성, 난연성, 및 불활성을 갖는 기체와 액체를 포함할 수 있다. 따라서, 가벼운 발포 알루미늄 등을 통해 발포체의 중량을 더 감소시킬 수 있고, 내식성 기체 등을 사용하여 외피의 부식을 방지할 수 있다.

이상과 같이 구성되는 본 발명의 고압 튜브는 외피가 튜브 형태로 이루어져 두께가 얇고 경량 금속 등을 사용하므로 종래의 프레임보다 무게가 작다. 반면, 내부가 고압 상태로 형성되어 있어 종래의 프레임보다 강성과 강도가 우수하다. 따라서, 이러한 고압 튜브를 이용하여 차량을 제작하면, 우수한 강성으로 인해 차체가 쉽게 변형되지 않을 뿐만 아니라, 차량 충돌시 외피가 파열되어 충격을 흡수할 수 있으며, 차체를 경량화하여 연비를 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 고압 튜브는 내부에 다수의 강선을 구비하고 있으므로, 프레임보다 전단력에 대한 강성이 뛰어나 과도한 충격으로 외피가 파열되는 경우에도 절단되지 않는다. 이에 따라, 상기 고압 튜브를 차량 등에 장착하면 고속 주행중에 충돌하는 경우에도 운전석을 보호할 수 있다. 특히, 상기 고압 튜브는 내부에 순간적인 고압을 형성할 수 있는 폭발성 물질을 포함할 수 있어, 충돌시 외부 충격에 대한 순간적인 반력을 형성할 수 있다.

또한, 상기 고압 튜브 내의 기체와 액체는 내식성, 난연성, 및 불활성을 가지므로, 외피의 부식을 방지하여 가용 수명을 연장할 수 있을 뿐만 아니라, 차량 사고시 추가적인 화재도 예방할 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조한 구체적인 실시예를 통하여 더 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 튜브(10)를 도시한 사시도이다. 도시된 바와 같이, 고압 튜브(10)는 전체적으로 중공의 파이프 형태로 이루어져 있다. 상기 고압 튜브의 외피(20)는 두께가 0.5 내지 2mm이며, 바람직하게는 경량화를 위해 0.5 내지 1mm로 구성될 수 있다. 이러한 두께는 일정량의 충격이 가해질 때 외피(20)가 파열될 수 있도록, 외피(20)를 구성하는 소재에 따라 적절히 조절될 수 있다. 또한, 상기 외피(20)의 소재로는 알루미늄과 같은 경량 금속, 플라스틱, 또는 강철이 사용될 수 있다. 바람직하게는 고압 튜브(10)의 경량화를 위해 알루미늄이나 플라스틱을 사용할 수 있지만, 강도가 우수한 강철을 사용하여 외피(20)의 두께를 더 얇게 구성할 수도 있다.

또한, 도면에는 상기 고압 튜브(10)의 양 단부가 개방되어 있으나, 실제로는 도 6에 도시된 것과 같이 내부를 밀봉할 수 있도록 폐쇄되어 있다. 이와 같이 밀봉된 상기 고압 튜브(10)의 내부에는 기체, 액체, 또는 발포체가 고압 상태로 가압되어 있다. 이러한 고압력은 바람직하게는 대기압 이상으로 구성되며, 상기 외피(20)가 이러한 압력에 충분히 견딜 수 있을 정도로 상기 외피(20)의 두께와 소재에 따라 적절히 조절된다. 이러한 대기압 이상의 고압력은 상기 고압 튜브(10)의 강성을 증가시켜 상술한 것과 같이 외피(20)의 두께를 얇게 구성하여도 종래의 프레임에 상당하는 강성을 얻을 수 있다.

상기 기체 및 액체는 바람직하게는 불활성 및 내식성을 갖는 물질로 구성되므로, 외피(20)가 플라스틱이 아닌 알루미늄이나 강철로 제조되는 경우에도 부식을 최소화할 수 있다. 또한, 바람직하게는 불활성 및 난연성 기체 또는 액체로 구성될 수 있으므로, 상기 고압 튜브(10)가 과도한 충격으로 파열된 경우 추가적인 화재를 예방할 수 있다. 경량화를 위해서는 기체를 사용하는 것이 바람직하지만, 누출될 우려가 있으므로 액체, 특히 발포체(25)를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 발포체(25)는 바람직하게는 중공의 튜브 내에서 발포되므로, 상기 고압 튜브(10) 내부는 자동적으로 고압 상태를 이루게 된다. 발포체(25)로는 예컨대 발포 알루미늄 또는 발포 고분자를 사용할 수 있다. 이들 발포체(25)들은 강도가 우수하지만 종래의 프레임보다 단위 중량이 5 내지 10배 낮아 상기 액체을 사용할 때보다 더 가벼울 수도 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고압 튜브(10)를 도시한 횡단면도 이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제1 고압 튜브(10) 내에는 또 다른 제2 고압 튜브(40)가 형성될 수 있다. 고압 튜브는 외피(20)의 두께가 얇아 두꺼운 외피를 가진 종래의 프레임보다 비틀림 강성률(torsional stiffness)이 낮을 수 있다. 이들 제2 고압 튜브(40)는 발포체(25)를 통해 제1 고압 튜브의 외피(20)와 결합되어 비틀림 강성률을 증가시키는 역할을 한다. 상기 제2 고압 튜브(40)의 개수는 요구되는 비틀림 강성에 따라 적절히 조절될 수 있지만, 바람직하게는 제조 비용을 위해 9개 이하로 구성된다. 상기 제2 고압 튜브(40) 내에도 상술한 것과 같이 기체, 액체, 또는 발포체(25)가 대기압 이상의 압력으로 가압되어 있다.

또한, 상기 제1 고압 튜브(10)와 제2 고압 튜브(40) 사이에는 다수의 강선(30)이 배치된다. 이는 예컨대 강철 또는 탄소 섬유(carbon fiber) 등으로 제조될 수 있다. 이들 강선(30)은 상기 고압 튜브의 축방향 압축변형에 저항하는 역할도 하지만, 특히 고압 튜브의 전단변형에 저항하는 역할을 한다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고압 튜브(10)는, 외부에서 충격이 가해질 때 먼저 외피(20)가 외부 충격에 저항한다. 상술한 바와 같이, 상기 제1 고압 튜브(10)는 내부에 발포체(25)가 고압 상태를 이루고 있어 상기 외피(20)는 상당한 정도까지 변형에 저항할 수 있다. 그러나, 일정 범위를 넘어서는 과도한 충격이 가해지면 상기 외피(20)는 자체적으로 파열되어 상기 고압 튜브(10)가 어느 정도 변형된다. 이러한 변형은 일정량의 외부 충격을 흡수하는 기능을 한다. 상기 외피(20)가 파열된 이후에는 상기 제2 고압 튜브(40)가 변형에 저항한다. 외부에서 가해지는 충격이 이보다 더 강하다면 상기 제2 고압 튜브(40)도 파 열되어 변형하면서 충격을 흡수하게 된다. 그러나, 이후에는 상기 고압 튜브가 절단되는 현상을 방지하기 위해 상기 강선(30)이 변형에 저항한다. 상술한 바와 같이 강선(30)은 주로 전단변형에 저항하므로 과도한 충격이 가해지는 경우에도 고압 튜브는 절단되지 않는다.

이와 같이 작동하는 본 발명의 고압 튜브(10)는 프레임이 사용되는 여러 분야에 활용될 수 있지만, 특히 자동차 분야에 적용함으로써 유용하게 이용될 수 있다. 즉, 모노코크 바디로 이루어진 차량에 상기 고압 튜브(10)를 장착하면, 저속 주행(예컨대, 70 내지 80km/hr)중에 충돌하는 경우 종래의 프레임과 같은 역할을 하여 엔진룸이 함몰되는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 고속 주행(예컨대, 100km/hr 이상)중에 충돌하는 경우에는 상술한 것과 같이 제1 고압 튜브(10)와 제2 고압 튜브(40)가 차례로 파열되어 충격을 흡수하고, 이후 상기 강선(30)이 고압 튜브의 절단을 막아 운전석까지 함몰되는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 상기 고압 튜브(10)는 프레임보다 가벼워 차체를 경량화하는데 도움이 된다. 따라서, 프레임 방식으로 생산되는 화물차량에서 프레임을 본 발명의 고압 튜브(10)로 대체하면 차량의 중량을 줄일 수 있음은 물론, 상술한 것과 같이 운전자를 보호할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고압 튜브(10)를 도시한 횡단면도이다. 상기 고압 튜브(10)는 원형 이외에도 다각형 단면을 가질 수 있다. 특히 사각형 단면을 갖는 고압 튜브(10)의 경우에는 차량 장착시 차량 내부 공간을 덜 차지할 수 있다. 이러한 사각형 고압 튜브(10)는 상대적으로 비틀림 관성률이 더 뛰어나다.

도시된 바와 같이, 이 사각형 단면의 제1 고압 튜브(10) 내에도 제2 고압 튜브(40)가 포함될 수 있다. 사각형 단면의 제2 고압 튜브(40)도 상술한 것과 같이 비틀림 변형에 저항하는 역할을 한다. 특히, 제1 고압 튜브의 외피(20)가 사출성형을 통해 일체형으로 제작되지 않고 강판을 접어 용접식으로 제작되는 경우, 상기 제2 고압 튜브(40)는 비틀림 변형으로 제1 고압 튜브의 외피(20)에서 용접부위가 분리될 때 부차적으로 비틀림 변형에 저항하는 역할을 한다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고압 튜브를 도시한 횡단면도이다. 본 실시예에 따르면, 두 개의 고압 튜브가 연결 부재(45)를 통해 서로 결합되어 있다. 상기 연결 부재(45)는 도시된 바와 같이 고압 튜브의 중심이 아닌 일 측면에 연결된다. 따라서, 본 발명의 고압 튜브를 구조체 등의 보강이 요구되는 부분에 볼트나 용접 등을 이용하여 용이하게 장착할 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고압 튜브를 도시한 종단면도이다. 보통 장형으로 이루어진 프레임에 하중을 가하게 되면 좌굴 현상이 발생할 수 있다. 이러한 좌굴 현상이 발생하게 되면, 프레임이 설계 하중보다 작은 하중에서도 쉽게 파괴될 수 있어, 종래에는 프레임(부재)의 단면 이차 모멘트(moment of inertia)를 증가시켜 좌굴을 방지하였다. 그러나, 이러한 방식에 따르면 프레임의 외피가 두꺼워져 무게가 증가하게 된다.

본 실시예에 따르면, 도 5a에 도시된 바와 같이 상기 고압 튜브(10)의 내부에 길이방향을 따라 다수의 보강재(60)가 서로 이격되도록 배치된다. 이들 보강재(60)는 상기 외피(20)에 접착제 등으로 고정되어 있어, 상기 고압 튜브(10)에 하 중이 가해지면 상기 보강재(60)가 외피(20)와 함께 방사방향 변형에 저항하게 되고, 이에 의해 좌굴에 따른 변형을 방지하게 된다. 이와 같이, 상기 보강재(60)는 사실상 상기 고압 튜브(10)의 세장비(slenderness ratio)를 감소시키는 역할을 한다.

상기 보강재(60)에는 도시된 바와 같이 다수의 구멍(65)이 형성될 수 있다. 이들 구멍(65)은 발포 성형시 발포체(25)가 서로 연접되도록 하여 고압 튜브(10)의 강성을 증가시키는 역할을 한다.

이러한 보강재(60)는 도 5b에 도시된 것과 같이 외피(20)와 일체형으로 구성될 수도 있다. 이 경우, 상기 외피(20)는 보강재(60)가 또 다른 외피(20)의 내부로 삽입될 수 있도록, 보강재(60)가 형성된 영역에서 더 작은 직경을 갖는다. 또한, 삽입되는 외피(20) 면에 접착제를 도포함으로써 외피(20)를 서로 단단히 고정시킬 수 있다.

도 5a 및 도 5b에 도시된 보강재의 구멍(65)에는 다수의 강선이 삽입될 수 있다. 특히, 상기 다수의 강선에 인장력을 가하여 발포체(25)와 프리텐션(pretension)을 형성하도록 구성함으로써 상기 보강재(60)를 더욱 단단하게 고정시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고압 튜브(10)를 도시한 종단면도이다. 도시된 바와 같이, 고압 튜브(10)의 내부에는 폭발성 물질(50)(예컨대, 소량의 TNT)이 포함되어 있다. 이 폭발성 물질(50)은 예컨대 차량 충돌을 감지하는 센서를 통해 신호를 수신하면 폭발하게 된다. 이로 인해, 밀봉된 고압 튜브(10)의 내 부에는 순간적으로 평상시보다 더 높은 고압력이 형성되고, 이러한 고압력은 외부 충격에 대해 상당한 반력을 형성하게 된다. 즉, 이러한 고압 튜브(10)를 차량에 장착하면, 차량이 충돌하는 순간 상기 폭발성 물질(50)의 폭발로 인해 고압 튜브(10)의 저항력이 순간적으로 더 높아지게 된다. 따라서, 교통 사고에 따른 인명 피해를 더 감소시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능함은 물론이며, 그와 같은 변형은 청구범위의 기재 범위 내에 있게 된다. 예컨대, 상기 실시예에서는 차량 등에 적용되는 고압 튜브를 예로 들어 설명하고 있으나, 본 발명에 따른 고압 튜브는 이에 한정되지 않고 주거 및 상업용 건물과 같은 건축 공사에도 적용될 수 있으며, 또한 사다리와 같은 일반적인 구조체에도 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 튜브를 도시한 사시도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고압 튜브를 도시한 횡단면도이다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고압 튜브를 도시한 횡단면도이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고압 튜브를 도시한 횡단면도이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고압 튜브를 도시한 종단면도이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고압 튜브를 도시한 종단면도이다.

Claims

프레임으로 사용할 수 있는 장형의 고압 튜브(10)로서,

단면이 원형 또는 다각형으로 이루어지고, 외피(20)는 금속 또는 플라스틱으로 구성되며, 내부에 발포체, 기체, 또는 액체가 대기압 이상의 고압 상태로 밀봉되어 있는 고압 튜브.
제1항에 있어서,

상기 금속은 알루미늄을 포함하는 경량 금속 또는 강철을 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 튜브.
제1항에 있어서,

상기 외피(20)의 두께는 0.5 내지 2mm인 것을 특징으로 하는 고압 튜브.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고압 튜브(10)는 전단력에 대한 강성을 증가시킬 수 있도록, 내부에 다수의 강선(30)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 튜브.
제4항에 있어서,

상기 고압 튜브(10)는 내부에 하나 이상의 또 다른 고압 튜브(40)를 더 포함 하는 것을 특징을 하는 고압 튜브.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고압 튜브(10)는 좌굴에 대한 강성을 증가시킬 수 있도록, 내부에 다수의 보강재(60)가 상기 고압 튜브(10)의 길이방향을 따라 서로 이격하여 배치되는 것을 특징으로 하는 고압 튜브.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고압 튜브(10)는 내부에 폭발성 물질(50)을 더 포함하고, 상기 고압 튜브(10)에 충격이 가해지면 폭발성 물질(50)이 폭발하여 내부에 순간적으로 고압력이 형성되는 것을 특징으로 하는 고압 튜브.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 발포체는 발포 알루미늄, 발포 고분자를 포함하고, 상기 기체와 액체는 각각 내식성, 난연성, 및 불활성을 갖는 기체와 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 튜브.