KR101261803B1 - 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 세라믹 디스크를 사용할 수 있는 테스트 모듈을 구성하고 수도 밸브의 레버를 구동시커서 가속 조건하에서 카트리지에 안치된 세라믹 디스크의 정량적인 수명 시험을 실행하는 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치를 개시하며, 상기 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치는, 베이스; 상기 베이스 상에 설치되는 지그, 상기 지그 상에 고정되고 온수가 공급되는 관통공과 냉수가 공급되는 관통공이 형성된 시험용 세라믹 디스크를 이용하며 상기 냉수와 상기 온수가 공급되는 카트리지, 상기 카트리지에 조립되어서 단부의 상하 구동에 의하여 냉수와 온수의 배출을 개폐하고 상기 단부의 좌우 구동에 의하여 상기 세라믹 디스크를 구동하여서 온수 및 냉수의 양을 조절하는 레버를 포함하는 테스트 모듈; 상기 테스트 모듈 상부에 배치되며 상기 레버의 상기 단부가 결합되는 레버 플레이트를 구비하고 상기 세라믹 디스크의 가속 시험을 위하여 정해진 알고리즘에 의하여 상기 레버 플레이트를 구동시킴으로써 상기 레버의 상기 단부를 잠금, 회전, 온수 공급 및 냉수 공급을 위한 위치의 순으로 미리 정해진 사이클만큼 반복적으로 순환시키는 레버 구동 모듈; 및 상기 레버 구동 모듈을 탑재하여 테스트 위치로 상기 레버 구동 모듈의 세팅을 조절할 수 있는 스탠드를 포함한다.

Description

수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치{Lifetime testing apparatus of a ceramic disk for water valve}
본 발명은 세라믹 디스크의 수명 시험 장치에 관한 것으로, 특히 세라믹 디스크를 사용할 수 있는 테스트 모듈을 구성하고 수도 밸브의 레버를 구동시커서 가속 조건하에서 카트리지에 안치된 세라믹 디스크의 정량적인 수명 시험을 실행하는 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치에 관한 것이다.
일반적으로 건물이나 가옥의 싱크대나 화장실 등에서 수도물을 편리하게 배출하여 사용하기 위해서는 통상 수도 밸브를 사용하게 된다.
예컨대, 이러한 수도 밸브는 도 1에 도시된 바와 같은 통상의 나선 승강형 수도 밸브를 널리 사용하다가 최근에는 도 2에 도시된 바와 같은 싱글 레버형 수도 밸브를 사용하고 있다.
일반적으로 도 2의 싱글 레버형 수도 밸브에는 통상 물의 공급과 배수를 조절하는 카트리지가 사용된다.
도 2의 싱글 레버형 수도 밸브의 일례를 도 3을 참고로 살펴보면, 싱글 레버형 수도 밸브는 하부에 천공된 구멍이 형성되고 그 내부에 물이 흐를 수 있는 통로가 형성된 몸체부와 상기 몸체부 내에 물의 유출입을 제어하는 카트리지를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 카트리지의 내부에는 도 4에 도시된 바와 같이 몸체 중심에 복수 개의 관통공을 갖는 세라믹 재질의 세라믹 디스크가 구비된다.
도 4의 세라믹 디스크는 수도 밸브에 들어가는 카트리지의 핵심 부품으로 수도 밸브 성능의 대부분을 좌우하는 중요한 부품이며, 통상적으로 500,000 사이클(Cycle) 이상의 수명이 요구된다.
세라믹 디스크는 통상 상판과 하판이 접촉하여 회전 및 왕복 운동을 하기 때문에 마찰마모가 발생할 우려가 있어 이를 최소화 하기 위하여 윤활 작용을 하는 그리스를 내부에 충전한다. 그리스는 세라믹 디스크의 미세한 기공에 스며들어서 윤활작용을 하며 세라믹 디스크의 마찰면 사이에서 계속 유지될 수 있도록 하고 있다.
세라믹 디스크의 고장 메커니즘을 보면, 예컨대, Al2O3와 Al2O3의 마찰마모에서 화학적 상호작용을 배제한 소성변형에 뒤이은 취성 파괴가 주된 마모 메커니즘이다. 즉, 반복된 마찰마모는 Al2O3 세라믹스의 스트레스 필드(Stress Field)에 피로(fatigue)를 발생시켜 전위(dislocation), 슬립(slip), 투윈 밴드(twin band)를 발생시키고 그것이 소성 변형을 유도하여 파괴까지 진전되는 것으로 해석된다. 이러한 것은 실질적으로 Al2O3 세라믹스의 국부적인 소성변형은 X선회절(X-ray diffraction), 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope; TEM)을 이용한 관찰에 의해 발견되고 있다. 이에 더하여, 세라믹 디스크가 슬라이딩이 안되는 고착(Sticking) 현상이나 크랙(Crack)에 의한 고장도 자주 발생한다.
상술한 바와 같은 고장 메커니즘에 의한 세라믹 디스크의 고장은 수도 밸브의 수명에 막대한 영향을 미친다.
그러므로, 세라믹 디스크의 신뢰성을 확보하기 위한 수명 시험 장치가 필요하며, 세라믹 디스크의 수명 시험을 위한 장치는 가속 환경에서 세라믹 디스크가 결합된 수도 밸브를 정량적인 분석을 하여 예컨대, 500,000 사이클(Cycle) 정도 이상의 사이클로 수명 시험을 할 수 있도록 제공될 필요성이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 출고 전의 세라믹 디스크에 대한 수명을 정확히 예측하기 위하여 세라믹 디스크에 대한 정량적인 수명 평가 시험을 수행할 수 있는 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치를 제공함에 목적이 있다.
본 발명에 따른 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치는, 베이스; 상기 베이스 상에 설치되는 지그, 상기 지그 상에 고정되고 온수가 공급되는 관통공과 냉수가 공급되는 관통공이 형성된 시험용 세라믹 디스크를 이용하며 상기 냉수와 상기 온수가 공급되는 카트리지, 상기 카트리지에 조립되어서 단부의 상하 구동에 의하여 냉수와 온수의 배출을 개폐하고 상기 단부의 좌우 구동에 의하여 상기 세라믹 디스크를 구동하여서 온수 및 냉수의 양을 조절하는 레버를 포함하는 테스트 모듈; 상기 테스트 모듈 상부에 배치되며 상기 레버의 상기 단부가 결합되는 레버 플레이트를 구비하고 상기 세라믹 디스크의 가속 시험을 위하여 정해진 알고리즘에 의하여 상기 레버 플레이트를 구동시킴으로써 상기 레버의 상기 단부를 잠금, 회전, 온수 공급 및 냉수 공급을 위한 위치의 순으로 미리 정해진 사이클만큼 반복적으로 순환시키는 레버 구동 모듈; 및 상기 레버 구동 모듈을 탑재하여 테스트 위치로 상기 레버 구동 모듈의 세팅을 조절할 수 있는 스탠드를 포함한다.
여기에서, 상기 레버 구동 모듈은, 회전 구동 에어 실린더; 상기 회전 구동 에어 실린더에 의하여 좌우 회전하는 회전암; 상기 회전 구동 에어 실린더와 상기 회전암을 지지하면서 상기 스탠드에 결합되어서 테스트를 위치로 세팅되는 하우징; 상기 회전암의 단부의 상부에 설치되는 수직 구동 에어 실린더; 및 상기 회전암의 하부의 상부에 설치되며 상기 레버의 상기 단부와 결합하여 상기 수직 구동 에어 실린더에 의하여 승하강하는 상기 레버 플레이트를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 회전 구동 에어 실린더는 상기 레버를 상기 온수 공급을 위한 위치와 상기 냉수 공급을 위한 위치 간을 왕복하도록 구동됨이 바람직하다.
그리고, 상기 회전 구동 에어 실린더는 토크 센서를 더 포함함으로써 왕복이 제어될 수 있다.
그리고, 상기 수직 구동 에어 실린더는 상기 레버를 온수 공급 또는 냉수 공급을 위한 위치와 상기 잠금을 위한 위치 간을 승하강하도록 구동됨이 바람직하다.
그리고, 상기 스탠드는, 상기 레버 구동 모듈을 테스트 위치로 세팅을 위하여 승하강하는 세팅 에어 실린더; 상기 레버 구동 모듈을 승하강을 가이드하기 위한 가이드 장치; 및 상기 베이스와 결합되면서 상기 세팅 에어 실린더를 탑재하고 상기 가이드 장치가 상기 테스트 모듈이 설치된 방향에 설치되는 프레임을 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 레버 구동 모듈은 상기 레버의 단부를 잠금, 회전, 온수 공급 및 냉수 공급 위치로 구동하는 것을 한 사이클로 정의하고 상기 온수 공급 위치 및 상기 냉수 공급 위치는 1초씩 유지하도록 상기 사이클을 수행할 수 있다.
또한, 상기 레버 구동 모듈은 상기 레버의 단부를 잠금, 회전, 온수 공급 및 냉수 공급 위치로 구동하는 것을 한 사이클로 정의하고 상기 한 사이클을 수행하는 시간은 상기 세라믹 디스크의 두께의 2㎜까지 열충격이 도달하는 시간으로 설정될 수 있다.
본 발명에 의하면, 세라믹 디스크를 가속 환경에서 미리 설정된 시험 단계에 따라 정량적인 수명 시험을 실행함으로써, 정량적인 분석을 통해 출고 전의 세라믹 디스크에 대한 수명 평가를 정확히 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 나선 승강형 수도 밸브의 일례를 보여주는 도면이다.
도 2는 싱글 레버형 수도 밸브의 일례를 보여주는 도면이다.
도 3은 싱글 레버형 수도 밸브에 적용되는 카트리지를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 3의 카트리지에 채용되는 세라믹 디스크의 일례를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치의 바람직한 실시예를 나타내는 측면도이다.
도 6은 도 5의 수명 시험 장치의 정면도이다.
도 7은 카트리지(24), 지그 결합 치구(32), 체결 치구(30), 및 레버(26)의 분해된 상태의 사진이다.
도 8은 수명 시험을 위하여 레버를 구동하는 사이클을 설명하는 테스트 모듈의 정면도이다.
도 9는 도 8의 사이클의 각 단계 별로 대응되는 레버 구동 상태도이다.
도 10a는 도 9의 a)에 대응되는 사진이다.
도 10b는 도 9의 b)에 대응되는 사진이다.
도 10c는 도 9의 c)에 대응되는 사진이다.
도 10d는 도 9의 d)에 대응되는 사진이다.
도 11은 세라믹 디스크의 깊이별/시간별 온도 감소 거동을 보여주는 그래프이다.
도 12는 세라믹 디스크의 시간에 따른 온도변화율을 보여주는 그래프이다.
도 13은 스트레스에 따른 세라믹 디스크의 수명 시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 가속 모델을 보여주는 도면이다.
도 15는 가속 시험 전에 양품을 AFM 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 16은 가속 시험 후 불량품을 AFM 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 17은 가속 시험 전에 양품을 AFM 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 18은 가속 시험 후 불량품을 AFM 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 19는 가속 시험 전의 양품 세라믹 디스크를 보여주는 사진이다.
도 20은 가속 시험 후의 세라믹 디스크를 보여주는 사진이다.
도 21은 SBA(surface bearing area)에 따른 빈도를 보여주는 그래프이다.
도 22는 표면 거칠기(surface roughness)에 따른 빈도를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치의 실시예는 도 5의 측면도와 도 6의 정면도와 같이 실시될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치는 베이스(10), 테스트 모듈(12), 레버 구동 모듈(14) 및 스탠드(16)를 포함한다.
베이스(10)는 상부에 탑재되는 장치들을 이용하여 쉽게 수명 시험을 수행할 수 있도록 공지의 테이블 타입으로 구성될 수 있다.
테스트 모듈(12)은 베이스(10)와 지지대들(20)로 결합된 지그(22), 지그(22) 상부에 설치되는 카트리지(24) 및 레버(26)를 포함한다. 카트리지(24) 하부에는 시험용 세라믹 디스크(28)가 배치된다.
지그(22)는 상부의 장치들을 설치하기 위한 플레이트로 구성되며 지지대들(20)과 통상적인 볼트(도시되지 않으) 결합으로 고정된다.
그리고, 지그(22) 상부에는 지그 결합 치구(32)가 나사 결합으로 설치되고 지그 결합 치구(32) 상부에는 체결 치구(30)에 결합된 카트리지(24)가 수용된다. 카트리지(24)는 체결 치구(30)내에 수용되며, 체결 치구(30)와 지그 결합 치구(32) 간의 나사 결합에 의하여 카트리지(24)가 지그(22) 상에 고정된다. 이때 지그 결합 치구(32) 상에는 카트리지(24)를 수용한 체결 치구(30)가 장치될 수용 공간이 암나사를 갖도록 형성됨이 바람직하다.
그리고, 카트리지(24)의 상부에는 탭이 형성되어서 레버(26)와 결합을 이룬다. 탭은 레버(26)의 회전에 연동하여 세라믹 디스크(28)를 회전시키거나 레버(26)의 올리고 내림에 연동하여 세라믹 디스크(28)에 형성된 온수가 공급되는 관통공과 냉수가 공급되는 관통공을 개폐하는 통상적인 수도 밸브의 구조를 가지므로 이에 대한 구체적인 도시는 생략한다.
한편, 레버(26)는 싱글 레버이며 상하로 올리고 내려지거나 회전될 수 있으며 후술하는 바와 같이 레버 플레이트(70)와 결합되어서 수명 시험을 위하여 구동된다.
상술한 바에서 카트리지(24), 지그 결합 치구(32), 체결 치구(30), 및 레버(26)는 도 7의 분해된 상태의 사진을 통하여 상세한 구성을 확인할 수 있으며, 도 7을 참조하면 탭이 레버(26)와 체결 치구(30) 사이에 노출된 것을 확인할 수 있다.
한편, 레버 구동 모듈(14)은 스탠드(16)에 의하여 탑재되며 레버 구동 모듈(14)을 테스트 위치로 세팅을 조절하는 스탠드(16)의 구성에 대하여 먼저 살펴본다.
스탠드(16)는 베이스(10)와 결합되면서 세팅 에어 실린더(40)를 탑재하고 가이드 장치(42)를 구비한다.
세팅 에어 실린더(40)는 스탠드(16)의 상부에 탑재되고 하부로 연장된 액츄에이터에 결합된 레버 구동 모듈(14)을 승하강시켜서 테스트 위치로 레버 구동 모듈(14)를 세팅한다. 이때 승하강되는 레버 구동 모듈(14)은 스탠드(16)의 테스트 모듈(12)이 설치된 방향으로 수직으로 설치된 한 쌍의 가이드 장치(42)와 결합함으로써 승하강이 가이드될 수 있다. 이때 레버 구동 모듈(14)은 결합 블록(60)을 구비하여 가이드 장치(42)와 슬라이딩 가능하게 결합된다.
한편, 레버 구동 모듈(14)은 회전 구동 에어 실린더(62), 회전암(64), 하우징(66), 수직 구동 에어 실린더(68) 및 레버 플레이트(70)를 포함한다.
먼저, 하우징(66)은 상술한 결합 블록(50)이 후면에 구성되고 상부에 세팅 에어 실린더(40)의 액츄에이터 단부가 결합된다.
하우징(66)은 내부에 회전 구동 에어 실린더(62)와 회전암(64)을 포함하고, 회전 구동 에어 실린더(62)의 하부에 회전암(64)이 구성되며, 회전암(64)은 하부에 볼 베어링(72)으로 지지됨으로써 회전을 보장받는 구성을 가질 수 있다. 즉, 회전암(64)은 회전 구동 에어 실린더(62)에서 제공되는 회전력에 의하여 회전되며, 이때 회전 구동 에어 실린더(62)는 하부에 토크 센서(도시되지 않음)를 더 구비하여 회전되는 회전 각을 센싱하여 회전을 제어할 수 있다.
그리고, 회전암(64)는 길이 방향으로 연장되며 그의 연장된 단부의 상부에 수직 구동 에어 실린더(68)가 설치되고 그의 하부에 수직 구동 에어 실린더(68)의 액츄에이터 단부에 결합되어 승하강하는 레버 플레이트(70)가 구성된다.
상술한 도 5 내지 도 7과 같이 본 발명에 따른 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치의 실시예가 구성됨으로써 세라믹 디스크에 대한 정량적 분석이 가속 조건하에서 진행될 수 있다.
상술한 구성에서 지그(22)에 고정되는 카트리지(24)에는 냉수와 온수가 공급되며 혼합수를 배수하기 위한 튜브(도시되지 않음)가 구성될 수 있으며, 냉수와 온수가 카트리지(24) 내에 본 발명에 따른 구동에 따라 선택적으로 공급되면서 세라믹 디스크에 대한 분석이 실시될 수 있다.
세라믹 디스크의 분석을 위하여 도 8과 같이 레버(26)를 회전, 온수 공급, 냉수 공급 및 잠금 위치로 순차적인 사이클을 수행하면서 수명 시험이 실시될 수 있다.
레버(26)는 단부가 레버 플레이트(70)와 결합되며, 레버 플레이트(70)는 관통된 공간이 형성되고 이 공간에 레버(26)의 단부가 배치됨으로써 결합을 이룬다. 상술한 바와 같이 레버 플레이트(70)에 레버(26)의 단부가 결합됨으로써 레버(26)는 카트리지(24) 내에 온수, 냉수를 순차적으로 번갈아가면서 공급하여 분석을 실시하도록 구동될 수 있다.
즉, 레버 플레이트(70)는 수직 구동 에어 실린더(68)가 하강함에 연동하여 하강하고 회전 구동 에어 실린더(62)가 좌측으로 회전함에 연동하여 좌측으로 이동된다. 상술한 레버 플레이트(70)의 구동에 따라 레버 플레이트(70)에 결합된 레버(26)의 단부가 도 9의 a)와 같이 회전된다. 도 9의 a)는 레버(26)가 내려져서 좌측으로 회전된 상태로서 카트리지(24)에 온수나 냉수의 공급이 선택되지 않고 혼합수의 배수가 이루어지지 않는 상태이다.
그 후 레버 플레이트(70)는 수직 구동 에어 실린더(68)가 승강함에 연동하여 승강하고 이때 회전 구동 에어 실린더(62)는 좌측으로 회전된 상태를 유지한다. 상술한 레버 플레이트(70)의 구동에 따라 레버 플레이트(70)에 결합된 레버(26)의 단부가 도 9의 b)와 같이 승강한다. 도 9의 b)는 레버(26)가 좌측으로 젖혀진 상태에서 승강된 상태로 카트리지(24)에 온수가 공급되어 배수되는 상태이다. 이때 온수에 의한 열충격이 세라믹 디스크(28)에 가해진다.
그 후 레버 플레이트(70)는 수직 구동 에어 실린더(68)의 승강된 상태를 유지하고 회전 구동 에어 실린더(62)가 우측으로 회전함에 연동하여 우측으로 이동된다. 상술한 레버 플레이트(70)의 구동에 따라 레버 플레이트(70)에 결합된 레버(26)의 단부가 도 9의 c)와 같이 회전된다. 도 9의 c)는 레버(26)가 우측으로 젖혀진 상태에서 승강된 상태로 카트리지(24)에 냉수가 공급되어 배수되는 상태이다. 이때 냉수에 의한 열충격이 세라믹 디스크(28)에 가해진다.
그 후 레버 플레이트(70)는 수직 구동 에어 실린더(68)가 하강함에 연동하여 하강하고 이때 회전 구동 에어 실린더(62)는 우측으로 회전된 상태를 유지한다. 상술한 레버 플레이트(70)의 구동에 따라 레버 플레이트(70)에 결합된 레버(26)의 단부가 도 9의 d)와 같이 하강한다. 도 9의 d)는 레버(26)가 우측으로 젖혀진 상태에서 하강된 상태로 카트리지(24)에 냉수가 공급되는 것이 중지된다.
도 9의 a)에 대응되는 사진이 도 10a이고, 도 9의 b)에 대응되는 사진이 도 10b이며, 도 9의 c)에 대응되는 사진이 도 10c이고, 도 9의 d)에 대응되는 사진이 도 10d이다.
이때 레버(26)의 단부를 잠금, 회전, 온수 공급 및 냉수 공급 위치로 구동하는 것을 한 사이클로 정의하고 온수 공급 위치 및 냉수 공급 위치는 각각 1초씩 유지하도록 사이클이 순환될 수 있다.
또한, 레버(26)가 온수 공급 및 냉수 공급 위치에서 유지되는 시간은 세라믹 디스크(28)의 두께에서 적어도 2㎜까지 열충격이 도달하는 시간으로 설정된 것으로 실험 결과에 따라서 1초로 설정될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 수명 시험은 레버(26)가 회전, 온수, 냉수, 닫힘의 순서로 순환되는 것을 1사이클로 하여 500,000번 이상의 사이클로 세라믹 디스크를 시험하도록 수행되도록 설정될 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 세라믹 디스크 수명 시험은 세라믹 디스크의 고장 메커니즘을 분석 및 해석한 후 세라믹 디스크의 신뢰도에 가장 영향을 미치는 수명 시험을 선택한 것이며, 그 시험 결과는 후술된 바와 같이 그래프로 도식화하여 가속 모델을 분석할 수 있다.
세라믹 디스크의 시험 분석 및 해석 과정에는 다음과 같은 단계들이 포함될 수 있다.
[세라믹 디스크의 열전달 거동-사이클 시간의 최적화]
도 11은 세라믹 디스크의 깊이별/시간별 온도 감소 거동을 보여주는 그래프이고, 도 12는 세라믹 디스크의 시간에 따른 온도변화율을 보여주는 그래프이다.
(1) 목적: 세라믹 디스크의 열전달 깊이별 시간별로 분석하기 위함이다.
(2) 내용분석: 약 2초 경과 시점에서 2㎜ 지점까지 포화된다. 초기에 온도 변화율이 급격히 줄어들어 0.5초 이후에는 열충격이 아닌 온도 사이클 거동을 보인다. 0.5초 이후에는 각 깊이당 열충격량(온도변화율)이 거의 비슷해져 깊이간 차이가 거의 없다.
(3) 결론: 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이 열충격 사이클을 온수 1초, 냉수 1초의 총 2초를 1사이클로 하는 것이 최적 시험 시간이다.
[세라믹 디스크의 열전달 거동- 두께에 대한 최적화 1]
열전도에 대한 아래의 모식도와 표 1에 나타낸 바와 같이 에너지는 두께가 L이고 열전도도가 k인 세라믹 판을 통해 고온 Th의 열저장고에서 저온 Tl의 열저장고로 열의 형태로 전달된다.
Figure 112010082297766-pat00001
정의 세라믹에서의 수치

열전도도(k)
Figure 112010082297766-pat00002

비열(c)
Figure 112010082297766-pat00003

몰당 질량
Figure 112010082297766-pat00004

밀도
Figure 112010082297766-pat00005
A = 넓이, L = 두께, m = 질량
[세라믹 디스크의 열전달 거동-두께에 대한 최적화 2]
아래의 <수학식 1>에 세라믹 디스크의 열전도율을 나타내었고, 아래의 <수학식 2>에 세라믹 디스크의 열량을 나타내었으며, 열전도율과 열량으로부터 <수학식 3>에 나타낸 바와 같은 온도에 대한 값을 추출할 수 있으며, <수학식 4>에 나타낸 바와 같이 세라믹 디스크의 시정수를 나타낼 수 있다.
Figure 112010082297766-pat00006
Figure 112010082297766-pat00007
Figure 112010082297766-pat00008
Figure 112010082297766-pat00009
◀=====
Figure 112010082297766-pat00010
Figure 112010082297766-pat00011
Figure 112010082297766-pat00012
수학식 4에서 t=3τ일 경우 e-3≒0.05로 포화되었다고 할 수 있다.
2㎜ 깊이에서 포화되는 시간은 약 1초 이고, 5㎜ 깊이에서 포화되는 시간은 약 10초 이다.
상기 수학식 1 내지 수학식 4를 참고하여 볼 때, 1초에 2㎜에 열충격이 도달 가능하므로 2㎜까지의 세라믹 디스크는 1초 사이클로 시험하는 것이 최적화된 조건이라는 것을 알 수 있다.
[열충격 시험의 온도 수정]
앞서 설명한 세라믹 디스크의 열전달 거동에 대한 결과를 기초로, 열충격 시험의 온도는 아래의 표 2에 나타낸 바와 같이 수정하였다.
구분 시험방법
수명시험 2초/1사이클
냉수 5±2℃, 온수 80±2℃
[세라믹 디스크의 수명시험 결과]
도 13에 스트레스에 따른 세라믹 디스크의 수명 시험 결과를 나타내었다. 가속 수명 실험 결과 로그노말(Lognormal) 분포를 따르는 것으로 판명되었다.
세라믹 디스크의 수명은 아래의 <수학식 5>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010082297766-pat00013
상기 <수학식 5>에서 형상 계수 σ=0.609851274918935이다.
[가속 모델 수립]
도 14에 도시된 바와 같이 가속 모델을 수립하였다. 가속 모델에서 가속식은 아래의 <수학식 6>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010082297766-pat00014
위의 <수학식 6>에서 Lfield는 실사용 조건에서의 수명이고, Lacc는 가속 모델에서의 수명이며, △Tfield는 실사용 조건에서의 열충격이고, △Tacc는 가속 모델에서의 열충격이다.
[가속 시험 전/후의 AFM 측정 결과]
가속 시험 전에 양품을 AFM(Atomic Force Microscopy) 측정한 결과를 도 25에 나타내었고, 가속 시험 후 불량품을 AFM 측정한 결과를 도 16에 나타내었다. 또한, 가속 시험 전에 양품을 AFM 측정한 결과를 도 17에 나타내었고, 가속 시험 후 불량품을 AFM 측정한 결과를 도 18에 나타내었다.
[가속 시험 후 세라믹 특성]
도 19는 가속 시험 전의 양품 세라믹 디스크를 보여주는 사진이고, 도 20은 가속 시험 후의 세라믹 디스크를 보여주는 사진이다.
도 21는 SBA(surface bearing area)에 따른 빈도(Population)를 보여주는 그래프로서, 도 21에서 (a)는 가속 시험 전의 양품에 대한 것을 보여주고 있고, (b) 및 (c)는 가속 시험 후에 대한 것을 보여주고 있다. 도 22는 표면 거칠기(surface roughness)에 따른 빈도(Population)를 보여주는 그래프로서, 도 22에서 (a)는 가속 시험 전의 양품에 대한 것을 보여주고 있고, (b) 및 (c)는 가속 시험 후에 대한 것을 보여주고 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10 : 베이스 12 : 테스트 모듈
14 : 레버 구동 모듈 16 : 스탠드
20 : 지지대 22 : 지그
24 : 카트리지 26 : 레버
28 : 세라믹 디스크 30 : 체결 치구
32 : 지그 결합 치구 40 : 세팅 에어 실린더
42 : 가이드 장치 60 : 결합 블록
62 : 회전 구동 에어 실린더 64 : 회전암
66 : 하우징 68 : 수직 구동 에어 실린더
70 : 레버 플레이트 72 : 볼 베어링

Claims (8)

  1. 베이스;
    상기 베이스 상에 설치되는 지그, 상기 지그 상에 고정되고 온수가 공급되는 관통공과 냉수가 공급되는 관통공이 형성된 시험용 세라믹 디스크를 이용하며 상기 냉수와 상기 온수가 공급되는 카트리지, 상기 카트리지에 조립되어서 단부의 상하 구동에 의하여 냉수와 온수의 배출을 개폐하고 상기 단부의 좌우 구동에 의하여 상기 세라믹 디스크를 구동하여서 온수 및 냉수의 양을 조절하는 레버를 포함하는 테스트 모듈;
    상기 테스트 모듈 상부에 배치되며 상기 레버의 상기 단부가 결합되는 레버 플레이트를 구비하고 상기 세라믹 디스크의 가속 시험을 위하여 정해진 알고리즘에 의하여 상기 레버 플레이트를 구동시킴으로써 상기 레버의 상기 단부를 잠금, 회전, 온수 공급 및 냉수 공급을 위한 위치의 순으로 미리 정해진 사이클만큼 반복적으로 순환시키는 레버 구동 모듈; 및
    상기 레버 구동 모듈을 탑재하여 테스트 위치로 상기 레버 구동 모듈의 세팅을 조절할 수 있는 스탠드를 포함하는 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레버 구동 모듈은,
    회전 구동 에어 실린더;
    상기 회전 구동 에어 실린더에 의하여 좌우 회전하는 회전암;
    상기 회전 구동 에어 실린더와 상기 회전암을 지지하면서 상기 스탠드에 결합되어서 테스트를 위치로 세팅되는 하우징;
    상기 회전암의 단부의 상부에 설치되는 수직 구동 에어 실린더; 및
    상기 회전암의 하부의 상부에 설치되며 상기 레버의 상기 단부와 결합하여 상기 수직 구동 에어 실린더에 의하여 승하강하는 상기 레버 플레이트를 포함하는 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회전 구동 에어 실린더는 상기 레버를 상기 온수 공급을 위한 위치와 상기 냉수 공급을 위한 위치 간을 왕복하도록 구동되는 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 회전 구동 에어 실린더는 토크 센서를 더 포함함으로써 왕복이 제어되는 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 수직 구동 에어 실린더는 상기 레버를 온수 공급 또는 냉수 공급을 위한 위치와 상기 잠금을 위한 위치 간을 승하강하도록 구동되는 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 스탠드는,
    상기 레버 구동 모듈을 테스트 위치로 세팅을 위하여 승하강하는 세팅 에어 실린더;
    상기 레버 구동 모듈을 승하강을 가이드하기 위한 가이드 장치; 및
    상기 베이스와 결합되면서 상기 세팅 에어 실린더를 탑재하고 상기 가이드 장치가 상기 테스트 모듈이 설치된 방향에 설치되는 프레임을 포함하는 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 레버 구동 모듈은 상기 레버의 단부를 잠금, 회전, 온수 공급 및 냉수 공급 위치로 구동하는 것을 한 사이클로 정의하고 상기 온수 공급 위치 및 상기 냉수 공급 위치는 1초씩 유지하도록 상기 사이클을 수행하는 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 레버 구동 모듈은 상기 레버의 단부를 잠금, 회전, 온수 공급 및 냉수 공급 위치로 구동하는 것을 한 사이클로 정의하고 상기 한 사이클을 수행하는 시간은 상기 세라믹 디스크의 두께의 2㎜까지 열충격이 도달하는 시간으로 설정되는 수도 밸브용 세라믹 디스크의 수명 시험 장치.
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