KR101325393B1 - 파이프 동흡진 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파이프 동흡진 장치에 관한 것으로, 이는 진동하는 파이프에 연결 고정되는 하우징, 이 하우징 내에 수용되는 질량체, 및 하우징과 질량체 사이를 연결하는 흡진체, 파이프를 보호하는 부싱을 포함하여서, X축과 Y축 및 Z축 방향에 대해 각각 다른 주파수 특성을 가지며, 소형으로 제작이 가능하고, 흡진체의 재질에 따라 매우 낮은 주파수에서 높은 주파수까지 내부 소재의 파손 없이 진동을 감쇠시킬 수 있다.

Description

파이프 동흡진 장치 {Pipe dynamic vibration absorber}

본 발명은 지지대 없이 설치된 파이프의 수직/수평 방향으로 발생하는 진동을 감쇠시킬 수 있는 파이프 동흡진 장치에 관한 것으로, 특히 단일 장치로 수직방향 파이프의 원주 방향에 대해 X축과 Y축에 대해, 수평방향 파이프의 Z축에 대해 각각 공진 주파수에 해당하는 진동을 동시에 흡수할 수 있도록 설계한 파이프 동흡진 장치에 관한 것이다.

일반적으로 파이프는 특별한 지지대가 없이 설치되어 내부의 유체 흐름이 진동 현상을 발생시키며, 이러한 진동은 파이프의 피로 현상을 유발하여 파손을 초래한다. 또, 파이프 고정부의 진동이 전달되어 공진 주파수에서 증폭 현상이 발생한다. 이러한 진동에 의한 피로 현상으로 파이프가 절단되어 내부의 물질이 외부로 유출되거나 제어용 압력 저하로 기계가 정지될 수 있다. 내부의 고온 물질은 주변의 사람에게 심각한 손상을 야기한다.

파이프의 진동을 제거하기 위해 종래에는 도1에 도시된 것과 같이 지지대를 설치하였다. 진동하는 파이프(40)를 고정하기 위한 지지대(20)를 고정 구조물(10)에 볼트(5)를 이용하여 체결하고, 파이프(40)를 "U"형 클램프(30)로 너트(60)를 이용하여 고정하였다. 이러한 방식은 설치상의 어려움이 있어 특정 위치에는 설치가 불가한 경우가 있으며, 소재가 과다하게 사용되고 중량이 증가하는 문제가 발생한다. 지지대를 설치하여 강성을 증가시키는 방법을 현장에서 가장 많이 활용하고 있으나 금속 지지대 제작 및 설치에 비용이 소요되고 유지보수 작업시에는 제거해야 하는 번거러움 및 미관이 좋지 않다.

진동을 저감하는 동흡진 장치는 구조물의 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지며, 운동의 방향은 반대로 동작하여 진동을 저감시킨다. 공진 주파수의 계산은 질량체의 질량(M)과 스프링 요소의 강성(K)에 의하여 아래의 식으로 될 수 있다.

ω_n = 공진주파수

β_n = 고정에 따른 변수

E = Young's Module

I = 2차 관성 모멘텀

ρ = 밀도

A = 단면적

l = 길이

도 2에는 종래에 사용되는 동흡진 장치의 한 예가 개략도로 나타나 있다. 도 2에 도시된 동흡진 장치(10)는 기계적인 공진 현상을 이용하는 것으로, 구조물(10)의 움직임과 반대방향으로 이동하도록 설계된 질량체(20)에 의해 구조물(10)이 움직이지 못하게 하는 힘이 작용하며, 진동 에너지는 고정용 로드(30)에 의해 흡수되는 구조로 되어 있다.

구조물(10)에는 로드(30)를 고정하기 위한 나사구멍(32)이 있고, 로드(30)의 고정부에도 나사산부(32)가 형성되어 있어, 로드(30)는 구조물(10)의 구멍(32)에 나사로 체결되면서 구조물(10)에 고정된다.

로드(30)의 자유단부에는 질량체(30)가 장착되는데, 구조물(10)에 전달되는 진동과 동일한 주파수로 일치시키기 위해 로드(30)의 길이방향으로 질량체(20)가 이동할 수 있도록 되어 있다. 즉, 로드(30)의 자유단에는 나사산부(31)가 구비되어 있고, 질량체(20)에는 그 중심을 관통하는 관통 나사산부가 형성되어 있어, 로드(30)의 길이방향으로 질량체(20)의 위치가 조절가능하다. 구조물(10)에 대해 질량체(20)가 멀어질수록 공진점은 낮아지고, 구조물(10)에 대해 질량체(20)가 가까워질수록 공진점이 올라가는 현상을 이용한다. 공진점을 계산하는 식은 로드(30)의 형상과 고정하는 방식에 따라 달라진다.

파이프는 10Hz 이하의 낮은 공진 주파수를 가지는 것이 일반적이며, 수평 또는 수직 방향으로 설치되어 있다. 특히, 수직방향으로 설치된 파이프에서는 좌,우,전,후 방향으로 진동이 발생하므로 단일 장치로 X-Y 평면 방향의 진동을 동시에 저감하여야 한다. 반면, 수평방향으로 설치된 파이프는 상,하 방향으로 진동이 발생하므로 Z 방향의 진동을 저감시켜야 한다.

또, 파이프는 질량이 작으며, 완전 고정 방식으로 지지되고 있지 않으므로 중량이 무거운 동흡진장치는 설치가 불가능하다. 2개 또는 3개의 파이프가 병렬로 설치되어 있는 경우 부피가 공간을 초과하는 경우에도 설치가 불가능하다.

양단이 체결된 파이프에 장치를 설치하기 위해서는 분리형 구조로 제작되어야 파이프의 분해없이 설치할 수 있으며, 파이프에 발생하는 진동을 흡수할 때 발생하는 힘을 충분히 견딜 수 있는 강성을 가져야 한다. 다양한 크기의 파이프에 설치가 가능하도록 고정부는 변형 가능하여야 하고 파이프의 손상을 발생시키지 않도록 부드러운 재질로 제작되어야 한다.

이에 본 발명은 중량이 가볍고 부피가 작으면서 수직 설치용은 X-Y 평면의 진동을 흡수하며, 수직 설치용은 Z 방향의 진동을 흡수할 수 있는 무지지형 장치로써 중량이 가볍고 부피가 작으며, 분리형으로 구성되며, 흡진 주파수가 10Hz 이하의 가변적인 저주파용 동흡진장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 다차원 동흡진 장치는, 파이프에 설치하기 용이한 고정장치, 진동을 X-Y 평면 방향으로 흡수하며 파이프의 길이에 따른 주파수 변동이 가능한 흡진장치 및 보호용 하우징을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 동흡진 장치는, 수평방향으로 설치되는 경우 진동 흡수 방향이 Z축으로 변경되며, 구성 요소는 동일하나 흡진장치의 구조가 변경된 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 파이프의 설치 방향에 구애받지 않고 부가적인 지지물이 없이 진동을 저감할 수 있으며, 질량의 증감을 통해 가변적인 주파수 범위를 제공한다.

또한, 본 발명에 의한 동흡진 장치는 움직이는 양을 최소화할 수 있고 설치 방향에 영향을 받지 않아, 설치에 따른 제약이 없다.

도 1은 종래의 진동 저감 장치의 한 예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 종래의 동흡진 장치의 한 예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 X-Y 방향 동흡진 장치를 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 X-Y 방향 동흡진 장치를 도시한 구성도로써 강성을 조절할 수 있는 홀을 흡진체(11)에 실시한 예이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 Z축 방향 동흡진 장치를 도시한 구성도이다.
도 6는 본 발명의 제1, 2, 3실시예에 따른 Z축 방향 동흡진 장치의 고정부에 대한 정단면도이다.

이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 파이프 동흡진 장치를 도시한 구성도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 파이프 동흡진 장치(100)는, 진동하는 파이프(1)에 고정되는 하우징(10), 이 하우징(10)과 파이프 면을 보호하는 부싱(20), 하우징(10)과 질량체(40)를 연결하는 흡진체(11), 흡진체와 다수의 질량체를 적층할 수 있는 적층체(12), 2개로 분리된 하우징(10)을 체결하는 결합체(30), 및 결합체를 고정하는 나사(31), 질량체를 고정하는 나사(41)를 포함하고 있다.

하우징(10)은 원통의 형상을 갖고서 내부가 중공이며, 진동을 흡수하고자 하는 방향과 수직으로 질량체(40)를 취부할 수 있는 흡진체가 용접된 부재이다. 필요에 따라 질량체(40)를 취부할 수 있도록 흡진체(11)의 개수를 변경할 수 있다. 또, 이 하우징(10)은 플라스틱이나, 알루미늄, 스테인레스 스틸 등의 금속과 같이 내식성을 가진 재질로 만들어지는 것이 좋다.

도 3에 도시된 하우징(10)은 그 상,하부에 질량체(40) 및 흡진체(11)를 보호하고 미관을 아름답게하는 외형틀(50)이 설치될 수 있도록 나사구멍을 가진 돌출부가 형성되어 있다.

하우징(10)이 직접적으로 파이프(1)와 접촉하지 않도록 하우징(10)의 내부에는 부싱(20)이 설치된다. 부싱(20)은 다양한 크기의 파이프(1)에 대응할 수 있도록 내경이 조정될 수 있으며, 파이프(1)보다 연한 재질을 사용하여 파이프가 물리적으로 손상되는 것을 방지한다.

하우징(10)은 파이프(1)의 분리없이 조립할 수 있도록 2개로 분리되어 제작되며, 그 외부에 2개소의 고정부를 가진다. 고정부는 돌출형이며, 외측이 내측보다 두껍게 제작되어 결합체(30)에 의해 고정된다.

결합체(30)에는 나사체결을 위한 나사 구멍이 있으며, 외측이 내측보다 크기가 작게 제작된다. 파이프(1) 외부를 부싱(20)으로 감싸고 하우징(10)이 부싱을 감싼 후 결합체 돌출부에 결합체(30)를 끼우고 나사를 잠그면 경사면을 따라 결합체(30)가 후퇴하면서 강력하게 체결한다.

흡진체(11) 끝단의 하부에는 질량체(40)를 지지할 수 있는 지지대(12)를 갖추고 있으며, 이는 질량체(40)를 적층할 때 편리성을 제공한다. 흡진체 끝단의 상부에는 적층 완료된 질량체(40)를 고정할 수 있는 나사 구멍(41)을 가지고 있다.

하우징(10)에 결합된 흡진체(11)는 필요한 주파수 범위에 따라 다양한 재질로 구성될 수 있다. 바람직하게는 흡진체는 탄성 재질로 이루어지는 것이 적합하다.

질량체(40)는 원통형으로 내부에 하우징(10)의 지지대(12)에 끼울 수 있는 구멍과 흡진체(11)와 간섭이 일어나지 않도록 구멍이 뚫어져 있다. 질량체(40)의 재질은 요구되는 주파수 범위를 만족하기 위해 다양한 재질로 제작될 수 있는데 이를테면 알루미늄, 스테인레스 스틸, 철, 구리, 플라스틱 등이 있다. 이러한 재질들오 제작된 질량체(40)를 조합하여 필요한 무게로 조합된다.

외형틀(50)은 플라스틱 원통형으로 제작되며 내부는 비어 있다. 상부와 하부 중심에는 하우징(10)과 결합될 수 있는 구멍이 있으며 끼워맞춤 또는 나사를 이용하여 고정한다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 파이프 동흡진 장치(100)는 하우징(10)이 파이프(1) 상에 설치됨으로써 질량체(40)와 흡진체(11)의 고유 진동수가 파이프(1)의 고유 진동수에 동조한다. 설치된 파이프 동흡진 장치(100)에서는 파이프(1)가 설계된 공진 주파수로 진동하지 않으면 질량체(40)는 움직이지 않고 흡진체(11)에 의해 보유지지되게 된다.

만일, 파이프(1)가 임의의 외력 또는 충격에 의해 진동하게 되면, 이러한 파이프(1)의 진동 성분 중 설계된 공진 주파수에 대해서만 동조하여 질량체(40)가 파이프(1)의 진동방향과 반대방향으로 힘이 동작하게 되고, 이 질량체(40)의 힘은 흡진체(11)를 통해 파이프(1)에 전달되어 진동을 감쇠시키게 되는 것이다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 다차원 동흡진 장치를 도시한 평단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 다차원 동흡진 장치(200)는, 진동하는 파이프(1)에 고정되는 하우징(10), 이 하우징(10)과 파이프 면을 보호하는 부싱(20), 하우징(10)과 질량체(40)를 연결하는 흡진체(11), 흡진체와 다수의 질량체를 적층할 수 있는 적층체(12), 2개로 분리된 하우징(10)을 체결하는 결합체(30), 및 결합체를 고정하는 나사(31), 질량체를 고정하는 나사(41)를 포함하고 있다.

흡진체(11)에 다수의 관통홀(13)이 형성된 것을 제외하고, 본 발명의 제2실시예에 따른 파이프 동흡진 장치(200)의 나머지 구성은 전술한 제1실시예의 구성과 동일하다. 그러므로 이들 동일한 구성요소에 대한 상세한 설명은 생략한다.

흡진체(11)의 재질만으로 요구하는 강성을 만족시키기 어려운 경우 흡진체의 중간에 강성을 조절하기 위해 표면에 일정한 크기의 장공(13)이 다수 가공될 수 있다. 이는 재료 특성만으로는 정밀한 제어가 불가능할 경우 기계적인 가공법을 활용하므로 제작에 유리하다.

더구나, 흡진체(11)에는 간헐적으로 혹은 균일하게 분포된 다수의 관통홀(13)이 형성되어 있다. 이는 공진 주파수를 저주파로 할 경우에 전술한 수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이 2차관성모멘텀(I)을 낮추어야 하는데, 다수의 관통홀(13)을 형성함으로써 2차관성모멘텀(I)을 낮추는 효과를 얻게 되어 흡진체(11)가 갖는 고유 진동수를 파이프(1)의 공진점에 맞출 수 있게 된다.

관통홀(13)은 예컨대 원형이나 타원형 또는 다각형 등의 단면 형상을 갖고서 수직으로 또는 수평으로 형성되는 것이 좋다. 도 4에는 수평으로 형성되면서 타원형의 단면을 가진 관통홀(13)의 한 예가 나타나 있다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 제2실시예에 따른 다차원 동흡진 장치(200)는 하우징(10)이 파이프(1) 상에 설치됨으로써 질량체(40)의 고유 진동수가 파이프(1)의 고유 진동수에 동조한다. 설치된 파이프 동흡진 장치(200)에서는 파이프(1)가 진동하지 않으면 질량체(40)는 움직이지 않고 그 질량체(40)를 지지하는 흡진체(11)에 의해 보유지지되게 된다.

만일, 파이프(1)가 임의의 외력 또는 충격에 의해 진동하게 되면, 이러한 파이프(1)의 진동 성분 중 설계된 공진 주파수에 대해서만 동조하여 질량체(40)가 파이프(1)의 진동방향과 반대방향으로 힘이 동작하게 되고, 이 질량체(40)의 힘은 흡진체(11)를 통해 파이프(1)에 전달되어 진동을 감쇠시키게 되는 것이다.

도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 파이프 동흡진 장치를 도시한 평단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 파이프 동흡진 장치(300)는, 진동하는 파이프(1)에 고정되는 하우징(10), 이 하우징(10)과 파이프 면을 보호하는 부싱(20), 하우징(10)과 질량체(40)를 연결하는 흡진체(11), 흡진체와 다수의 질량체를 적층할 수 있는 적층체(12), 2개로 분리된 하우징(10)을 체결하는 결합체(30), 및 결합체를 고정하는 나사(31), 질량체를 고정하는 나사(41)를 포함하고 있다.

흡진체(11)가 2개만 설치되어 구성된 것을 제외하고, 본 발명의 제3실시예에 따른 파이프 동흡진 장치(300)의 나머지 구성은 전술한 제1실시예의 구성과 동일하다. 그러므로 이들 동일한 구성요소에 대한 상세한 설명은 생략한다.

수평방향으로 설치되는 파이프 동흡진 장치(300)는 Z축 방향에 대해서 흡진 특성을 가져야 하므로 2개의 흡진체(11)와 질량체(40)를 가진다. 이는 질량 증가에 따른 파이프(1)의 강성 저하를 방지하는데 유리하다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 제3실시예에 따른 다차원 동흡진 장치(300)는 하우징(10)이 파이프(1) 상에 설치됨으로써 질량체(40)의 고유 진동수가 파이프(1)의 고유 진동수에 동조한다. 설치된 파이프 동흡진 장치(300)에서는 파이프(1)가 진동하지 않으면 질량체(40)는 움직이지 않고 하우징과 질량체(40)를 지지하는 흡진체(11)에 의해 보유지지되게 된다.

만일, 파이프(1)가 임의의 외력 또는 충격에 의해 진동하게 되면, 이러한 파이프(1)의 진동에 동조하여 질량체(40)가 파이프(1)에 대해 상대적으로 진동하게 되고, 이 질량체(40)의 진동으로 흡진체(11)의 변형을 반복적으로 발생시켜 흡진체(11)의 변형에 의한 저항으로 질량체(40)의 상대적인 이동을 감쇠시키게 되며, 이러한 흡진체(11)의 진동에너지 흡수로 인해 파이프(1)의 진동을 감쇠시키게 되는 것이다.

도 6은 본 발명의 제1, 2, 3실시예에 따른 파이프 동흡진 장치를 도시한 정단면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1, 2, 3실시예에 따른 파이프 동흡진 장치(100, 200, 300)는, 파이프(1)에 고정하기 위해 고압, 고온, 유독 물질이 포함된 파이프를 분해하지 않고 고정할 수 있도록 한다.

하우징(10)에 부착된 고정용 돌출물은 하우징(10) 외측으로 두꺼워지는 형상이므로 고정체(30)가 조립되어 고정용나사(31)를 조일수록 단단히 고정되는 특징을 가진다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100, 200, 300 : 본 발명의 실시예에 따른 파이프 동흡진 장치
10 : 하우징
20 : 부싱
30 : 고정체
40 : 질량체
50 : 외형틀

Claims (9)

1. 진동하는 파이프의 원주면를 감싸도록 파이프에 연결된 하우징;
   하우징과 맞닿는 상기 파이프의 원주면을 보호하는 부싱;
   하우징의 외면으로부터 일정한 거리만큼 이격되어 가상의 원주 상에서 일정한 간격을 이루고 배치되어 있는 다수의 질량체;
   상기 하우징과 상기 다수의 질량체를 연결하는 흡진체; 및
   상기 다수의 질량체를 적층할 수 있는 적층체를 포함하는,
   파이프 동흡진 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징은 내식성을 가진 재질로 만들어지는,
   파이프 동흡진 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 흡진체는 탄성재질로 형성되는,
   파이프 동흡진 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 흡진체에는 다수의 관통홀이 형성되어 있는,
   파이프 동흡진 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징은 2개로 분리되어 있고,
   2개로 분리된 상기 하우징을 체결하는 결합체를 추가로 포함하는,
   파이프 동흡진 장치.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 관통홀은 상기 하우징으로부터 상기 질량체의 방향을 따라 긴 타원형 형상을 갖는,
   파이프 동흡진 장치.
7. 진동하는 파이프의 원주면를 감싸도록 파이프에 연결된 2개의 하우징;
   하우징과 맞닿는 상기 파이프의 원주면을 보호하는 부싱;
   하우징의 외면으로부터 일정한 거리만큼 이격되어 가상의 원주 상에서 일정한 간격을 이루고 배치되어 있는 다수의 질량체;
   상기 하우징과 상기 다수의 질량체를 연결하는 흡진체;
   상기 다수의 질량체를 적층할 수 있는 적층체; 및
   2개로 분리된 상기 하우징을 체결하는 결합체를 포함하는,
   파이프 동흡진 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 흡진체에는 다수의 관통홀이 형성되어 있는,
   파이프 동흡진 장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 관통홀은 상기 하우징으로부터 상기 질량체의 방향을 따라 긴 타원형 형상을 갖는,
   파이프 동흡진 장치.

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