KR101379224B1 - 오리피스 피스톤 구조를 이용한 실린더형 내진장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에서 강한 충격의 가진력과 약한 충격의 가진력을 동시에 흡수할 수 있는 오리피스 피스톤 구조를 이용한 실린더형 내진장치를 개시한다.
본 발명에 따른 내진장치는 수배전반의 하부에 설치되는 내진장치에 있어서, 중공형 원통 구조의 실린더 케이지의 전방에 피스톤 유동홈이 형성되고; 상기 유동홈으로 피스톤 축바디가 유동 가능하도록 피스톤을 수용하며; 상기 실린더 케이지의 하부에는 지면을 고정 지지하도록 체결홈이 마련된 체결바디를 형성하고; 상기 실린더 케이지 내부에는 실리콘 오일이 충진되며, 상기 피스톤은 직경이 상이한 오리피스 홀을 교번되게 균일 배치되고, 오리피스 홀은 직경이 상이한 오리피스 소홀과 오리스 대홀로 구성되며, 오리피스 소홀의 직경은 1.5mm 내지 2.5mm이고, 상기 오리피스 대홀의 직경은 2.5mm 내지 3.5mm인 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명은 내부의 유체 흐름을 제어하도록 직경이 상이한 오리피스 홀을 교번되게 균일 배치한 피스톤을 구현하고, 피스톤이 수용된 실린더 형태의 내진장치를 수배전반 외함의 하부에 장착함으로써, 외부로부터 전달되는 충격과 진동을 균일하게 저감시켜 수배전반의 안전성을 확보할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

오리피스 피스톤 구조를 이용한 실린더형 내진장치{EARTHQUAKE-PROOF INSTALLATION USING STRUCTURE OF ORIFICE PISTON}

본 발명은 수배전반용 실린더형 내진장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부의 유체 흐름을 제어하도록 직경이 상이한 오리피스 홀을 교번되게 균일 배치한 피스톤을 구현하고, 피스톤이 수용된 실린더 형태의 내진장치를 수배전반 외함의 하부에 장착함으로써, 외부로부터 전달되는 충격과 진동을 균일하게 저감시켜 수배전반의 안전성을 확보할 수 있는 오리피스 피스톤 구조를 이용한 실린더형 내진장치에 관한 것이다.

일반적으로, 수전반이나 배전반, 분전반, 전동기 제어반(MCC) 등은 전력회사가 공급하는 고압 또는 특고압 전기를 수전하여 이를 수용가에서 사용되는 전압으로 변환하여 부하설비로 배전하는 장치이다. 이러한 수.배.분전반은 표면상으로는 큐비클이라는 칸막이 구조물로 되어 있으며 제어반의 내부에는 고압 개폐기, 계기용 변류기, 고압차단기, 변압기, 저압배전용 차단기, 마그네트 등의 전력기기와 전력계통 보호 및 감시를 위한 계전기 및 계기 등의 전기 부품 등이 실장되어 있다.

상기의 큐비클 내부에는 전력기기 외에 전력 계통에 따라 전력기기 상호 간을 연결하는 부스바와 전력기기의 계측 및 감시를 위한 배선이 배치되어 있으며, 큐비클 외부는 바닥에 설치되어 있고, 그 바닥에는 전력기기 상호 간의 감시 배선 및 부하설비 배선을 위한 구멍이 형성되어 있다.

상기와 같은 제어반이 지면에 설치되는 이유로 지각 변동에 의한 외부의 진동이나 충격 등이 발생하면 제어반의 내부의 전력기기 및 이러한 전력기기를 상호 연결하는 배선 그리고 보호계 전기 등의 전기부품이 손상 또는 파손되기 쉬우며, 이에 따라 발생된 장애에 의해 전력공급의 중단 및 화재가 야기될 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는 지진 등에 의한 진동 또는 충격 등이 배전반에 영향을 미치지 않도록 이를 보호하기 위한 내부 완충 장치를 장착해야 하는데, 종래 수.배.분전반의 경우 대부분 큐비클에 완충 장치를 직접 설치하는 방식을 취하고 있음에 따라 고중량의 배전반에 의해 가해지는 하중이 완충 장치의 기능을 저하시키거나 쉽게 파손되도록 하는 원인으로 확인되고 있어 보다 효율적으로 배전반의 내진성을 확보하기 위한 기술개발이 요구되고 있는 실정이다.

그러면, 종래 수배전반의 내진장치를 첨부된 특허문헌을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 1은 종래 내진 설계 수배전반의 내진장치를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 하부플레이트(2) 내부에 스프링(7), 받침판(8)을 적층 한 후 볼(6)을 올려놓고 상부플레이트(1)를 덮어 하부플레이트 내 전자석을 포함하는 공동(空洞)부(5)내 전자석 전원부(4)에서 하부플레이트 내 전자석(3)에 전원을 공급하여 금속의 상부플레이트(1)와 하부플레이트(2)가 전기장(電氣場)에 의해 고정된다.

즉, 하부플레이트에 고정된 전자석(3)에 전원이 공급되면 전기장(電氣場)이 발생하며 전기장은 금속을 끌어당기는 힘인 인력(引力)이 발생하여 전자석(3)에 전원이 공급되는 동안 상부플레이트와 하부플레이트가 고정된다.

전자석은 통상의 전자석(코일에 전류가 통전됨에 따라 전기장이 발생하는 전자석)으로 전자석 전원부 역시 코일에 전류를 인가하기 위한 전원공급장치이다. 상부플레이트에 변압기를 고정하여 지진에 대응한다. 마이크로프로세서란 TTL이나 CMOS IC들은 정해진 특성대로만 움직이는 데 비해 마이크로프로세서는 프로세서 내에 프로그램을 주입해서 자신이 원하는 동작 특성을 구현할 수 있는 것으로, 컴퓨터의 CPU(Central Processing Unit)처럼 명령을 내릴 수 있기도 하고 특정 명령을 받을 수 있는 것으로 입력된 제어명령(프로그램)에 따라 제어를 하는 주요 구성요소로써, 제어프로그램이 입력되는 연산장치, 데이터 등이 저장되는 메모리를 포함하여 입출력 핀에 제어선이 배선되어 제어명령의 입출력 및 제어가 가능하다.

마이크로프로세서로 구성된 제어부는 마이크로프로세서의 입출력 핀에 제어선을 배선하여 제어선은 지진감지센서, 전원부(전원부의 전원공급 선택 스위치)에 배선된다. 제어부는 제어선으로 배선된 지진감지센서를 통해 지진이 감지된다.

이후, 제어선으로 배선된 전자석 전원부(4)를 통해 전자석에 전원공급을 차단하여 전기장이 사라지면 상부플레이트(1)와 하부플레이트(2) 사이 스프링(7)의 탄성 반발력에 의해 상부플레이트와 하부플레이트가 떨어지게 되어 지진에 따른 진동에 대해 상하진동을 스프링(7)이 진동을 흡수하며, 좌우진동을 볼(6)에 의해 진동을 흡수하여 상부플레이트(1)와 하부플레이트(2) 사이에서 진동을 완충하는 것으로 지진의 발생 유/무에 따라 내진 대응을 달리한다.

그러나, 전술된 바와 같이 종래 수배전반 내진장치는 상하 진동 시 단순히 스프링에 의존하기 때문에, 진동 흡수량에 한계가 발생하여 효율성이 매우 낮다는 지적이 있다. 또한, 종래 내진장치는 전기 에너지를 이용하여 평상 시에 좌우 진동이 없도록 고정하고, 외부로부터 좌우 진동이 발생할 경우, 전기 에너지를 차단하여 볼에 의한 좌우 진동을 흡수하도록 함에 따라, 평상 시에는 전력 낭비가 크다는 문제점이 있다.

1. 대한민국 등록특허 10-1030565, 등록일자 2011년 04월 14일, 발명의 명칭 '내진 설계 수배전반'.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 내부의 유체 흐름을 제어하도록 직경이 상이한 오리피스 홀을 교번되게 균일 배치한 피스톤을 구현하고, 피스톤이 수용된 실린더 형태의 내진장치를 수배전반 외함의 하부에 장착함으로써, 외부로부터 전달되는 충격과 진동을 균일하게 저감시켜 수배전반의 안전성을 확보할 수 있는 오리피스 피스톤 구조를 이용한 실린더형 내진장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 수배전반과 같은 구조물의 경우 상시하중 작용 시에는 구조물의 유동을 허용하고 가진력을 완충하여 감쇄시키며, 고강도 지진에 의한 가진력이 구조물에 작용하는 경우에는 강체와 같은 역할을 수행하여 가진력이 고정단 등 한 곳에 집중되는 것을 방지함으로써, 내부 구성기기들을 안전하게 보호할 수 있는 오리피스 피스톤 구조를 이용한 실린더형 내진장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 관점에 따른 오리피스 피스톤 구조를 이용한 실린더형 내진장치는, 수배전반의 하부에 설치되는 내진장치에 있어서, 중공형 원통 구조의 실린더 케이지의 전방에 피스톤 유동홈이 형성되고; 상기 유동홈으로 피스톤 축바디가 유동 가능하도록 피스톤을 수용하며; 상기 실린더 케이지의 하부에는 지면을 고정 지지하도록 체결홈이 마련된 체결바디를 형성하고; 상기 실린더 케이지 내부에는 실리콘 오일이 충진되며, 상기 피스톤은 직경이 상이한 오리피스 홀을 교번되게 균일 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 피스톤은, 상기 피스톤 유동홈으로부터 안내되는 피스톤 축바디; 상기 피스톤 축바디의 하부에서 연장되고 실린더의 내주면으로 밀착되며 교번되게 균일 배치된 적어도 3개 이상의 오리피스 홀을 갖는 피스톤 패널; 상기 피스톤의 저면과 실린더의 안측 저면 사이에 설치되는 스프링; 및 상기 피스톤 패널의 측부에 설치되어 상기 실린더의 내부 공간을 기밀하게 구획하는 고무링;으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 오리피스 홀은 4개이고, 직경이 상이한 오리피스 소홀과 오리피스 대홀로 구성되며, 오리피스 소홀의 직경은 1.5mm 내지 2.5mm이고, 상기 오리피스 대홀의 직경은 2.5mm 내지 3.5mm인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제시하는 오리피스 피스톤 구조를 이용한 실린더형 내진장치는, 내부의 유체 흐름을 제어하도록 직경이 상이한 오리피스 홀을 교번되게 균일 배치한 피스톤을 구현하고, 피스톤이 수용된 실린더 형태의 내진장치를 수배전반 외함의 하부에 장착함으로써, 외부로부터 전달되는 충격과 진동을 균일하게 저감시켜 수배전반의 안전성을 확보할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 수배전반과 같은 구조물의 경우 상시하중 작용 시에는 구조물의 유동을 허용하고 가진력을 완충하여 감쇄시키며, 고강도 지진에 의한 가진력이 구조물에 작용하는 경우에는 강체와 같은 역할을 수행하여 가진력이 고정단 등 한 곳에 집중되는 것을 방지함으로써, 내부 구성기기들을 안전하게 보호할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 수배전반용 내진장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 내진장치를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 분해 사시도이다.
도 4는 도 2의 피스톤 구조를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 내진장치에 대한 충격흡수력을 실험한 데이터이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 내진장치를 나타낸 사시도이다. 도시된 바와 같이, 내진장치(250)는 중공형 원통 구조의 실린더 케이지(210)의 전방에 피스톤 유동홈(217)이 형성되고, 상기 유동홈(217)으로 피스톤 축바디(201)가 유동 가능하도록 피스톤(200)을 수용하며, 상기 실린더 케이지(210)의 하부에는 지면을 고정 지지하도록 체결홈(215)이 마련된 체결바디(213)를 형성하고, 상기 실린더 케이지(210) 내부에는 실리콘 오일이 충진되며, 상기 피스톤(200)은 직경이 상이한 오리피스 홀을 교번되게 균일 배치함으로써, 외부로부터 발생하는 가진력의 크기에 따라 강성체 또는 약성체로 작용한다.

상기 실리콘 오일은 무색 투명한 액체로써, 내열성, 내한성, 내수성, 내화학 약품성이 우수하며, 이형성 발수성, 소포성, 윤활성 등의 특성을 갖는다. 본 발명에서 적용되는 실리콘 오일은 점도(℃-CS)가 0.65 내지 5이고, 비중이 25℃ 기준 0.755 내지 0.920인 오일이 적절하다. 점도가 5CS를 넘을 경우 실리콘 오일이 이하에서 설명될 오리피스 홀을 관통하는데 많은 부하가 발생하기 때문에, 탄성체로서의 기능 구현이 어려운 문제가 있다. 반면, 점도가 0.65CS 미만일 경우에는 실리콘 오일 자체의 응집력이 낮아 가진력에 대응하는 충격 흡수력이 저하되는 문제가 있다.

본 발명에서 제시하는 내진장치(250)는 수배전반 즉, 1.5TON 내지 2TON의 하중을 갖는 장치의 내진 설계용으로 적용되기 때문에, 전술한 실리콘 오일의 제한적 특성을 요구하게 된다.

도 3은 상기한 내진장치(250)의 분해 사시도이다. 도시한 바와 같이, 상기 피스톤(200)은 피스톤 유동홈(217)으로부터 안내되는 피스톤 축바디(201)와, 상기 피스톤 축바디(201)의 하부에서 연장되고 실린더(211)의 내주면으로 밀착되며 교번되게 균일 배치된 적어도 3개 이상의 오리피스 홀(205)을 갖는 피스톤 패널(203)로 구성되고, 상기 피스톤(200)의 저면과 실린더(211)의 안측 저면 사이에 스프링(209)이 내설된다. 그리고, 상기 피스톤 패널(203)은 실린더(211)의 내부 공간을 기밀하게 구획하도록 측부에 고무링(207)이 다수 개 고정 설치된다.

상기 스프링(209)은 수배전반의 하중에 따라 탄성계수를 달리하기 때문에, 본 발명의 실시 예에서는 스프링의 탄성계수를 설정하지 아니한다.

한편, 상기 오리피스 홀(205)은 피스톤 패널(203) 상에서 적어도 3개 이상 형성됨이 바람직한데, 각 오리피스 홀(205)의 간격은 균일하도록 한다. 이는 1.5ton 내지 2ton의 수배전반 하중을 분산 수용하기 위해서는 각 내진장치(250)가 400kg 내지 600kg의 하중을 지지해야 하기 때문에, 피스톤의 수직 유동 과정에서 좌우 오차를 최소화해야 한다.

예컨대, 피스톤 패널(203) 상으로 오리피스 홀(205)이 하나 또는 두 개로 형성될 경우, 오리피스 홀(205)을 통해 유체가 배출되는 과정에서 많은 부하가 발생하고, 이로부터 피스톤 패널(203)의 유동 균형이 깨지게 된다. 따라서, 이를 최소화하기 위해 피스톤 패널(203) 상의 오리피스 홀(205)은 3개 이상 형성함으로써, 피스톤 패널(203)의 균형 즉, 피스톤 축바디(201)의 유동 균형을 유도하는 것이다.

여기서, 상기 오리피스 홀(205)은 50msec 동안의 강한 충력(대략 400kg 내지 600kg)이 발생할 경우, 일반적으로 실린더 내의 유체 흐름은 13.5cc/sec 정도가 적절하다. 따라서, 본 발명에서는 직경이 2mm 내지 3mm의 오리피스 홀(205)을 형성하는데, 오리피스 홀(205)의 갯 수에 따라 1.5mm 내지 3.5mm의 직경을 갖도록 한다.

본 발명의 실시 예에서는 도 4와 같이 4개의 오리피스 홀을 구비하며, 두 개의 소경을 갖는 오리피스 소홀(205a)과 두 개의 대경을 갖는 오리피스 대홀(205b)을 형성한다. 오리피스 소홀(205a)의 직경은 2mm이고, 오리피스 대홀(205b)의 직경은 3mm이고, 피스톤 패널(203)의 면적은 80㎠이다.

오리피스 홀의 직경을 달리하는 것은 강한 충격의 가진력은 강성체로서의 충격흡수를 유도하고, 약한 충격의 가진력이 발생할 경우에는 약성체로서의 충력 흡수를 유도하기 위함이다. 즉, 가진력의 크기에 관계없이 충격 흡수가 원활히 이루어지도록 하는 것이다.

전술한 바와 같이, 상기 피스톤 패널(203)은 실린더(211)의 내부를 기밀하게 구획하고, 피스톤 패널(203)에 마련된 오리피스 홀(205)은 피스톤(200)의 유동에 따라 충진된 실리콘 오일이 구획된 공간으로 이동한다. 이러한 과정에서, 약한 충격의 가진력이 발생할 경우에는 오리피스 소홀(205a)과 오리피스 대홀(205b)을 통해 실리콘 오일이 유동되어, 완충 기능을 수행한다.

그러나, 강한 충격의 가진력이 발생할 경에는 짧은 시간 동안(약 50msec) 오리피스 소홀(205a)에 의해 실리콘 오일의 유동이 억제되고, 짧은 시간이 경과한 후에는 오리피스 소홀(205a) 및 오리피스 대홀(205b)을 통해 실리콘 오일이 유동함으로써, 강한 충격을 완충하게 된다.

도 5는 본 발명에서 제시하는 오리피스 홀의 직경을 실험한 결과이며, 본 실험에서는 오리피스 소홀과 오리피스 대홀을 각 두 개씩 형성하고 균일하게 배치하였다. 시편은 매 실험마다 80개를 사용하여 실험의 신뢰성을 높였으며, 각 실험에서는 강한 충격과 약한 충격을 번갈아 가면서 실험하였다.

여기서, 강한 충격은 600N/㎡ 이고, 약한 충격은 200N/㎡ 이며, 충격 시간은 50msec 동안 이루어졌다. 본 실험에서 사용되는 피스톤의 면적은 80c㎡이다. 실험의 종류는 전체 9종에 걸쳐 이루어졌으며, 실험의 편의상 홀의 직경은 0.5mm 내지 5.5mm로 가공하였다. 또한, 소홀과 대홀과의 직경 차이는 1mm로 한정하였는데, 직경의 차이가 1mm가 넘을 경우 또는 1mm 미만일 경우에는 충격량의 차이에 관계없이 결과값이 도출되었다. 따라서, 본 실험에서는 소홀과 대홀의 직경 차이를 1mm로 설정하였다.

실험에서 인지되는 바와 같이, 소홀의 직경이 0.5mm이고 대홀의 직경이 1.5mm일 경우에는 작은 충격량(A) 패턴과 큰 충격량(B) 패턴에서 충격 흡수량이 낮아짐을 알 수 있었다. 그리고, 소홀의 직경을 1mm로 설정하고, 대홀의 직경을 2mm로 설정할 경우에는 소홀과 대홀에서 충력 흡수량이 각각 증가하였으나, 목표치에 도달하지 못하였다.

반면, 소홀의 직경을 1.5mm로 설정하고, 대홀의 직경을 2.5mm로 설정할 경우에는 큰 충격과 작은 충격이 발생할 경우, 충격 흡수량이 각각 증가하였으며, 목표치에 도달함을 알 수 있었다. 이후, 소홀의 직경과 대홀의 직경을 각각 0.5mm 증가하여 실험한 경우에도, 매우 만족스런 결과를 초래하였으며, 소홀의 직경을 2.5mm 대홀의 직경을 3.5mm로 설정한 후에도 동일한 결과를 초래하였다.

그러나, 도시된 바와 같이 소홀의 직경을 3.5mm로 증가시키고, 대홀의 직경을 4.5mm로 증가시킨 경우에는, 충격 흡수량이 각각 감소하였고, 소홀과 대홀의 직경을 0.5mm 증가한 경우도 충격 흡수량이 감소함을 알 수 있었다. 이는 오리피스 홀의 직경이 4mm 이상 될 경우에는 완충효과가 저하되는 것으로 판단된다.

이후의 실험에서도 인지되는 바와 같이, 소홀의 직경과 대홀의 직경을 각각 4.5mm, 5.5mm로 가공한 경우 충격 흡수량이 매우 저하됨을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 실험에서와 같이 피스톤 패널(203)에 구비된 오리피스 홀(205)은 오리피스 소홀(205a)과 오리피스 대홀(205b)로 분할 배치하되, 오리피스 소홀의 직경은 1.5mm 내지 2.5mm가 바람직하고, 오리피스 대홀의 직경은 2.5mm 내지 3.5mm로 구현함이 바람직하다. 이와 같이 구성된 오리피스 홀은 충격의 크기에 관계없이 충격흡수가 가능하여, 수배전반의 내진장치로 적용되어 수배전반의 안전성을 확보할 수 있을 것이다.

200 : 피스톤 201 : 피스톤 축바디
203 : 피스톤 패널 205 : 오리피스 홀
207 : 고무링 209 : 스프링
210 : 실린더 케이지 211 : 실린더
213 : 체결바디 215 : 체결홈
217 : 피스톤 유동홈

Claims (5)

1. 수배전반의 하부에 설치되는 내진장치에 있어서,
   중공형 원통 구조의 실린더 케이지의 전방에 피스톤 유동홈이 형성되고;
   상기 유동홈으로 피스톤 축바디가 유동 가능하도록 피스톤을 수용하며;
   상기 실린더 케이지의 하부에는 지면을 고정 지지하도록 체결홈이 마련된 체결바디를 형성하고;
   상기 실린더 케이지 내부에는 실리콘 오일이 충진되며, 상기 피스톤은 직경이 상이한 오리피스 홀을 교번되게 균일 배치되고,
   상기 실리콘 오일은 점도(℃-CS)가 0.65 내지 5이고, 비중이 25℃ 기준 0.755 내지 0.920인 오일인 것을 특징으로 하는 오리피스 피스톤 구조를 이용한 실린더형 내진장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서 상기 피스톤은,
   상기 피스톤 유동홈으로부터 안내되는 피스톤 축바디;
   상기 피스톤 축바디의 하부에서 연장되고 실린더의 내주면으로 밀착되며 교번되게 균일 배치된 적어도 3개 이상의 오리피스 홀을 갖는 피스톤 패널;
   상기 피스톤의 저면과 실린더의 안측 저면 사이에 설치되는 스프링; 및
   상기 피스톤 패널의 측부에 설치되어 상기 실린더의 내부 공간을 기밀하게 구획하는 고무링;으로 이루어진 것을 특징으로 하는 오리피스 피스톤 구조를 이용한 실린더형 내진장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 오리피스 홀은 4개이고, 직경이 상이한 오리피스 소홀과 오리피스 대홀로 구성되는 것을 특징으로 하는 오리피스 피스톤 구조를 이용한 실린더형 내진장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 오리피스 소홀의 직경은 1.5mm 내지 2.5mm이고, 상기 오리피스 대홀의 직경은 2.5mm 내지 3.5mm인 것을 특징으로 하는 오리피스 피스톤 구조를 이용한 실린더형 내진장치.

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