KR101398658B1

KR101398658B1 - 전류계

Info

Publication number: KR101398658B1
Application number: KR1020097005919A
Authority: KR
Inventors: 마틴 라운; 주어겐 피스터; 렌 로흐트만; 구엔터 외터; 클라우스 가브리엘
Original assignee: 바스프 에스이
Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2007-08-16
Publication date: 2014-05-27
Also published as: KR20090073115A; EP2057457A1; CN101506640A; JP2010501838A; WO2008022960A1; CN101506640B; US8132445B2; US20110030454A1

Abstract

본 발명은 로터 플레이트(2)가 고정되는 회전 가능한 샤프트(1)와, 이 샤프트(1)의 회전 중에 연구 대상 물질(6)에 의해 로터 플레이트(2)에 가해지는 토크를 측정하는 측정 기구(10)를 구비하는 전류계에 관한 것으로서, 상기 로터 플레이트(2)의 제1면(3)과 제1 전단면(4) 사이에 연구 대상 물질(6)을 유지하는 제1 측정 간극(5)이 형성되고, 상기 제1면의 반대측인 로터 플레이트(2)의 제2면(7)과 제2 전단면(8) 사이에 연구 대상 물질(6)을 유지하는 제2 측정 간극(9)이 형성된다. 전류계는 제1 측정 간극(5)과 제2 측정 간극(9)에 자기장을 발생시키는 자석을 포함한다.

Description

전류계{RHEOMETER}

본 발명은 회전 가능한 샤프트 상에 고정되는 로터 플레이트를 갖는 전류계와, 전류계를 이용하여 연구 대상 물질의 유동학적 특성을 결정하는 방법에 관한 것이다.

유동학(rheology)은 유동 공정, 즉 외력이 작용하는 상태에서 물질의 점진적인 변형을 다루는 과학이다. 유동의 경우에 있어서의 변형(점성 변형)은 유한의 비율로 발생한다. 실제 물질에 있어서, 소성 및 탄성 거동이 점성 거동에 겹쳐진다. 종래 기술에 따르면 유동학적 양을 측정하기 위하여 여러 전류계가 사용된다. 회전 전류계, 모세관 전류계, 신장 전류계 및 수축 전류계로 구별된다.

회전 전류계는 실험실에 가장 널리 보급되어 있다. 이 경우에 다양한 기하학적 형태를 갖는 3개의 상이한 측정 시스템이 일반적으로 사용된다. 이들 상이한 측정 시스템은 콘/플레이트 측정 시스템, 플레이트/플레이트 측정 시스템 및 실린더 측정 시스템을 포함한다.

독일 특허 제199 11 441 A1호는 실린더 측정 시스템을 갖는 회전 점도계에 관한 것인데, 여기서 측정 실린더는 연구 대상 시료가 충전된 원통형 측정 비이커 내에서 회전된다. 이어서, 시료가 측정 실린더에 가하는 힘이 측정 및 평가되고, 시료는 측정 실린더와 측정 비이커 사이의 간극을 충전한다.

독일 특허 제3423873 A1호, 오스트리아 특허 제404192 B호, 오스트리아 특허 제409304 B호, 오스트리아 특허 제409422 B호 및 오스트리아 특허 제500358 A1호는 플레이트-플레이트 또는 콘-플레이트 측정 시스템에 관한 것으로서, 여기서 시료는 상호 평행하게 정렬된 2개의 플레이트들 사이에서 전단되며, 2개의 플레이트들 중 하나는 회전한다.

플레이트-콘 또는 플레이트-플레이트 원리에 따라 종래 기술에 공지되어 있고 2개의 상호 회전하는 측정면을 갖는 회전 전류계는 플레이트가 배치되는 스트랜드 또는 프레임을 포함하는 것이 일반적이다. 모터에 의해 구동되는 회전 가능한 샤프트는 측정체로서 로터 플레이트를 지지하고, 로터 플레이트는 샤프트를 매개로 하여 모터에 의해 회전하게 설정될 수 있다. 예컨대, 전기 모터로서 구성된 모터의 전기 소비를 간접적으로 측정함으로써 샤프트 상의 토크 또는 연구 대상 물질에 의해 로터 플레이트에 가해지는 모멘트를 측정하는 측정 기구가 마련된다. 측정 기구는 또한 (예컨대, 각도 인코더에 의해) 샤프트의 회전 위치 및 회전 속도를 측정할 수 있다. 샤프트용 가이드 베어링이 스트랜드 상에 일반적으로 형성되고, 이를 위해 공기 베어링, 자기 베어링 또는 다른 저마찰 베어링 구조가 사용된다. 공기 베어링의 경우에, 수직력에 의해 샤프트가 축방향 하중을 받는 상태에서, 공기 쿠션이 스프링과 유사하게 이 축방향 하중에 대항한다. 측정 중에 가열이나 다른 영향 동안, 예컨대 연구 대상 물질의 팽창에 의해 발생되는 그러한 수직력은 로터 플레이트 및 이에 따라 샤프트 상에 작용한다. 그러나, 종래 기술의 전류계에 있 어서, 베어링, 예컨대 공기 베어링의 구성에 의해 허용 가능한 수직력에 관하여 상한을 두기 때문에, 이에 의해 전류계의 측정 범위가 제한된다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 피하는 것으로서, 구체적으로는 연구 대상 물질의 유동학적 특성을 결정하는 방법 및 전류계를 제공하여, 큰 측정 범위를 포함할 수 있게 하는 것이다.

이 목적은 로터 플레이트가 고정되는 회전 가능한 샤프트를 갖고, 샤프트의 회전 중에 연구 대상 물질에 의해 로터 플레이트에 가해지는 토크를 측정하는 측정 기구와, 로터 플레이트의 제1면과 제1 전단면 상에 형성되는 연구 대상 물질을 유지하기 위한 제1 측정 간극과, 상기 제1면의 반대측인 로터 플레이트의 제2면과 제2 전단면 사이에 형성되는 연구 대상 물질을 유지하기 위한 제2 측정 간극을 구비하는 전류계에 의해 달성되고, 상기 전류계는 제1 측정 간극과 제2 측정 간극에 자기장을 발생시키는 자석을 포함한다.

전류계는 연구 대상 물질의 유동학적 특성, 구체적으로 연구 대상 물질의 점성을 결정하는 장치이다. 본 발명에 따른 전류계는 플레이트-플레이트 및/또는 콘-플레이트 원리와 유사하게 작동하는 회전 전류계이다. 로터 플레이트는 회전 가능한 샤프트 상에 고정되고 모터, 예컨대 실험실 교반기에 의해 구동된다.

연구 대상 물질의 유동학적 특성을 결정하기 위하여, 본 발명에 따른 전류계는 적어도 하나의 측정 기구, 구체적으로 샤프트의 회전 중에 연구 대상 물질에 의해 로터 플레이트에 가해지는 토크를 측정하는 측정 기구를 구비한다. 연구 대상 물질(구체적으로, 시료 액체)의 유동학적 특성을 결정하기 위하여, 샤프트를 일정한 회전 속도로 회전시키고 이에 필요한 토크를 측정하는 것이 가능하다. 그럼에도 불구하고, 또한 모터를 이용하여 샤프트에 일정한 토크를 가하고, 로터 플레이트에 가해지는 토크로부터 생기는 회전 속도 또는 회전 위치를 측정하는 것이 가능하다. 샤프트는 또한 사인꼴 회전 운동 또는 다른 파형(진동 실험)에 대응하는 회전 운동을 수행할 수 있고, 이 경우에 점성부 외에 연구 대상 물질의 탄성 성분이 또한 결정될 수 있다. 매경우에, 로터 플레이트의 운동 중에 연구 대상 물질이 로터 플레이트에 가하는 토크는 측정 기구에 의해 (필요에 따라 간접적으로) 측정된다.

측정 중에, 로터 플레이트는 연구 대상 물질과 양면이 접촉한다. 물질은 로터 플레이트의 일면과 고정 전단면에 의해 각각 경계가 정해지는 2개의 측정 간극 내에 놓인다. 측정 간극은 실질적으로 대칭적으로 구성되고/구성되거나 양 측정 간극이 동일한 높이를 갖는 것이 바람직한데, 이는 로터 플레이트의 표면과 각각의 전단면 사이의 거리에 의해 결정된다.

또한, 본 발명은 연구 대상 물질, 바람직하게는 자기 유변 유체(magnetorheological fluid)의 유동학적 특성을 결정하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 샤프트 상에 고정된 로터 플레이트의 회전을 포함하고, 로터 플레이트는 제1 측정 간극 내에 수용된 연구 대상인 자기 유변 유체와 제1면이 접촉되고, 제1면의 반대측에 있는 제2면이 제2 측정 간극 내에 수용된 연구 대상인 자기 유변 유체와 접촉된다. 상기 방법은 또한 제1 및 제2 측정 간극 내에서 자기장의 발생과, 로터 플레이트의 회전 중에 자기 유변 유체에 의해 로터 플레이트에 가해지는 토크의 측정을 포함한다.

본 발명에 따른 전류계 및 본 발명에 따른 방법의 이중 간극 측정 구성의 이점은 로터 플레이트 상의 수직력을 보상하여, 특히 이방성으로 인해 자기장 내에서 자기 유변 유체에 의해 발생된 수직력을 보상하여, 종래의 단일의 간극의 경우에서처럼 전류계의 측정 범위를 더 이상 제한하지 않는다는 것이다. 본 발명에 따른 전류계에서는 또한 전류계의 샤프트 상의 이중 간극 구성의 수직력을 측정함으로써 로터 플레이트의 정확한 피팅이 검사될 수 있어, 수직력이 (실질적으로) 정확한 피팅에 의해 보상된다.

본 발명에 따른 전류계 또는 본 발명에 따른 방법을 위해 의도된 전류계는 또한 제1 및 제2 측정 간극 내에서 전단 평면에 대해 수직으로 연장되는 자기장을 발생시키는 적어도 하나의 자석을 수용한다. 이 구성은 특히 자기 유변 유체의 유동학적 특성을 결정하는 데에 사용된다.

자기 유변 유체(약어: MRF)는 일반적으로 자기장의 영향 하에 유동학적 특성이 변하는 액체를 말한다. 이 자기 유변 유체는 일반적으로 캐리어 액체(흔히 기저유라고 함) 내에 강자성, 초상자성 또는 상자성 입자의 현탁액이다.

그러한 현탁액이 자기장에 노출되면, 그 유동 저항이 증가한다. 이는 분산된 자성 입자, 예컨대 철 분말이 자기 유도 때문에 자기장 라인에 평행한 체인형 구조를 형성한다는 데에서 기인한다. 이 구조는 부분적으로 MRF의 변형 중에 파괴되지만, 재구성된다. 자기장에서 자기 유변 유체의 유동학적 특성은 항복점을 갖는 소성체의 특성과 유사하다. 즉, 자기 유변 유체를 흐르게 하기 위해서는 최소의 전단 응력이 인가되어야 한다.

자기 유변 유체는 비뉴튼 유체(non-Newtonian fluid)의 군에 속한다. 점성은 가해지는 전단 속도에 따라 크게 좌우된다. 자기장을 가하여 역전 가능한 점성 변화는 밀리초 내에 발생할 수 있다.

자기 유변 유체의 유동학적 거동은 항복점이 자기장 강도의 증가에 따라 상승하는 빙함(Bingham) 모델에 의해 대략 설명될 수 있다. 예컨대, 수만 N/m²의 전단 응력값이 1 테슬라 미만의 자속 밀도에 의해 달성될 수 있다. 쇽 업소버, 클러치, 브레이크 및 다른 제어 가능한 장비(예컨대, 햅틱 장치, 충돌 업소버, 전자식 조향(steer-by-wire) 안내 시스템, 전자식 기어 및 브레이크(gear- and brake-by-wire) 시스템, 시일, 홀딩 시스템, 보철, 피트니스 장비 또는 베어링)과 같은 장치에 자기 유변 유체를 사용하기 위해서는 전달 가능한 큰 전단 응력을 필요로 한다.

자기 유변 유체의 기지의 용례는, 예컨대 미국 특허 제5,547,049호, 유럽 특허 제1 016 806 B1호 또는 유럽 특허 제1 025 373 B1호에 설명되어 있다. 측정을 수행하면서 측정 간극 내에 자기장을 발생시키는 가능한 단계를 갖는 본 발명에 따른 방법과 같이 자석을 갖는 본 발명에 따른 전류계는 자기 유변 유체의 유동학적 특성을 결정하는 데에 사용될 수 있다. 자기 유변 유체가 측정 간극을 갖는 회전 전류계에서 연구될 때에, 자기장 내의 자기 유변 유체는 그 이방성으로 인해 (전류계의 샤프트에 평행한) 길이 방향으로 수직력을 발생시킨다. 따라서, 본 발명의 이중 간극 구성은 로터 플레이트의 양면에 배치되고 자기 유변 유체가 충전된 측정 간극에 의해 수직력 보상이 달성되기 때문에, 자기 유변 유체의 유동학적 특성을 연구하는 데에 특히 유리하다.

자기 유변 유체의 유동학적 특성을 결정하기 위해서는 대칭적이고 균일한 자기장이 2개의 측정 간극에서 발생되는 것이 바람직하다. 그러한 대칭적인 자기장은 대칭축과 같이 전류계의 회전 가능한 샤프트에 대해 대칭적이고 대칭면과 같이 로터 플레이트에 대해 대칭적인 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 자석은 코일과, 제1 측정 간극 위에 배치되는 제1 자석 요크와, 제2 측정 간극 아래에 배치되는 제2 자석 요크를 갖는 전자석이고, 제1 자석 요크와 제2 자석 요크는 로터 플레이트 및 샤프트에 대해 대칭적으로 구성된다. 이중 간극에서 로터 플레이트에 대해 위아래에서 요크의 대칭적인 구조는 심지어는 간극 높이 또는 연구 대상인 자기 유변 유체의 특성이 변동되는 경우라도 양 측정 간극 내에 균일한 자속 밀도를 설정하는 것을 가능하게 한다. 그럼에도 불구하고, 영구 자석이 본 발명에 사용될 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 로터 플레이트는 적어도 부분적으로 자성 재료로 이루어진다. 비자성 재료로 제조된 샤프트 상의 자성 로터 플레이트(예컨대, 재료 번호 1.0037을 갖는 강 타입으로 제조됨)는 측정 간극 내의 자속 밀도를 증폭시키고 액티브 측정 간극 위에서 자기장의 방사상 균일성을 향상시킨다. 그럼에도 불구하고, 본 발명에 따른 전류계에 비자성 재료로 제조된 로터 플레이트를 사용하는 것이 또한 가능하다.

측정 간극들에 인접한 2개의 전단면은 바람직하게는 제1 또는 제2 측정 간극에 각각 인접한 제1 및 제2 플레이트에 의해 형성되거나, 제1 또는 제2 측정 간극에 인접한 자석의(예컨대, 자석 요크의) 표면에 의해 각각 형성된다.

본 발명에 따른 전류계에 있어서, 홀 프로브 또는 온도 센서의 군에서 선택되는 적어도 하나의 측정 센서를 유지하기 위한 적어도 하나의 채널이 측정 간극에 인접한 구성요소 내에 포함되는 것이 바람직하다. 홀 프로브에 의해, 측정 간극 내의 효과적인 자속 밀도가 온라인으로 측정될 수 있다. 예컨대, 홀 프로브는 측정 간극들 중 하나의 아래 또는 위의 비자성 플레이트 내측의 평탄한 채널 내에 놓인다. 또한, 측정 간극들 내에서 연구 대상 물질의 전단 중에 홀 프로브를 이용하여 측정을 수행할 수 있어, 전단으로 인한 물질의 자성 변화를 기록할 수 있다. (회전 가능한 샤프트에 수직하게) 채널 내의 홀 프로브의 방사상 위치를 변동시키면 방사상 자속 밀도의 프로파일을 측정하는 것이 가능하다.

측정 간극들 중 하나에 가능한 한 가깝게 끼워지는 온도 센서, 특히 열전쌍에 의해, 측정 간극 내에서 연구 대상 물질의 온도를 온라인으로 측정할 수 있다. 예컨대, 온도 센서는 측정 간극들 중 하나의 아래 또는 위의 열전도성 플레이트 내측의 평탄한 채널 내에 놓인다. 또한, 측정 간극들 내에서 연구 대상 물질의 전단 중에 온도 센서를 이용하여 측정을 수행하는 것이 가능함으로써, 전단 중에 물질의 온도 변화를 기록할 수 있고, 이 목적을 위해 제공되는 온도 제어기를 이용하여 온도를 선택적으로 조절할 수 있다.

예컨대, 측정 간극 내에 자기장을 발생시키도록 사용되는 자석의 상부 및 하부 요크의 중간 부분에 (액체) 온도 제어가 제공될 수 있다. 온도 제어기는 심지어는 높은 에너지(높은 토크/높은 회전 속도)가 입력되는 경우라도 양 측정 간극에서 최대로 일정한 온도를 보장하도록 가능한 한 멀리에서 측정 간극과 간접적으로 접촉되어야 한다. 변경예에 따르면, 온도 제어기는 로터 플레이트, 측정 간극, 샤프트의 적어도 일부 및 선택적으로 자석을 갖는 하우징을 구비하는 전류계의 전체 측정 셀이 측정 중에 및/또는 전단 중에 열적으로 조절된 액체 내에 침지되도록 구성된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1 및 제2 측정 간극은 한정 요소에 의해 외측을 향해 폐쇄된다. 이는 로터 플레이트의 회전 중에 원심력 때문에 연구 대상 물질이 측정 간극 밖으로 반경 방향으로 빠져나올 수 없다는 이점을 갖는다. 한정 요소는 하나의 부재로 또는 복수 개의 부재로 구성될 수 있다. 한정 요소는 (회전을 방해하는 일 없이) 로터 플레이트 원주에 직접적으로 인접하게 또는 로터 플레이트 원주로부터 특정한 거리에 배치될 수 있어, 연구 대상 물질이 양 측정 간극에서 로터 플레이트 원주를 따라 접촉한다. 한정 요소는, 예컨대 원형의 로터 플레이트를 동심으로 둘러싸는 환형 슬리브일 수 있다. 측정 간극 내에서 연구 대상 물질의 용적이 변동될 수 있기 때문에, 물질이 탈출할 수 있는 탈출 용적이 (예컨대, 샤프트를 따라) 제공되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전류계의 로터 플레이트는 원형으로 구성되고, 바람직하게는 3 mm 내지 10 cm, 특히 바람직하게는 5 mm 내지 25 mm 범위의 반경을 갖는 것이 바람직하다. 로터 플레이트는 2개의 평면, 하나의 평면과 하나의 원추형 표면, 또는 2개의 원추형 플레이트 표면을 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 전류계는 또한 2개의 평면, 하나의 평면과 하나의 원추형 표면, 또는 2개의 원추형 플레이트 표면에 의해 형성되는 2개의 전단면을 포함할 수 있다.

전류계의 2개의 평탄한 전단면과 함께 2개의 평탄한 로터 플레이트 표면은 이중 플레이트-플레이트 구조를 제공한다. 플레이트-플레이트 시스템에 있어서, 연구 대상 물질은 상호 평행하게 정렬되는 로터 플레이트 표면들과 전단면들 사이의 측정 간극 내에서 전단된다. 이 경우에 전단 속도는 각각의 측정 간극에 걸쳐서 동일하지 않다. 오히려, 반경과 함께 증가하여 로터 플레이트의 외측 에지에서 최대값에 도달한다.

전류계의 2개의 평탄한 전단면과 함께 2개의 원추형 로터 플레이트 표면은 전류계의 2개의 원추형 전단면과 함께 2개의 평탄한 로터 플레이트 표면을 제공하는 것과 같이 이중 콘-플레이트 구조를 제공한다. 콘-플레이트 시스템에서, 매경우에 각각의 콘(로터 플레이트 표면)은 플레이트(전단면) 위에서 회전한다. 연구 대상 물질은 콘과 플레이트 사이에 각각 배치된 측정 간극 내에 놓인다. 원주 속도는 콘 표면 상에서 외측을 향해 증가된다. 동시에, 간극 높이는 콘 형상으로 인해 증가된다. 이것의 효과는 전단 속도가 반경 방향으로 일정하게 유지된다는 것이다. 따라서, 본 발명에 있어서, 이중 콘 구조는 2개의 측정 간극 내에 균일한 전단 속도를 설정하는 것을 가능하게 한다.

본 발명에서 2개의 측정 간극의 높이는 각각 0.1 내지 1 mm, 특히 바람직하게는 각각 0.2 내지 0.4 mm의 범위 내에 놓이는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 전류계의 측정 간극 높이는 특정한 로터 플레이트 두께를 선택함으로써 조절될 수 있다. 따라서, 로터 플레이트는 본 발명에 따른 전류계에서 바람직하게는 교체될 수 있다. 간극 높이가 더 작은 경우에, 최대로 도달 가능한 전단 속도가 증가된다.

본 발명에 따른 방법은 본 발명에 따른 전류계에 의해 수행될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에 따르면, 샤프트 상의 회전 속도의 프로파일 또는 토크 프로파일이 로터 플레이트의 회전 및 이에 의해 발생되는 전단 중에 연속적으로 측정된다. 다른 실시예에 따르면, 로터 플레이트의 회전이 오로지 연구 대상 물질을 균질화하거나 조절하거나 연속적으로 로딩하도록 사용되는 단계와, 로터 플레이트의 운동(예컨대, 회전 또는 진동) 중에 토크 또는 회전 속도의 측정이 행해지는 단계가 번갈아 일어난다.

본 발명에 따른 방법은 또한 자기장 없이 수행될 수 있거나 측정 간극에서 (바람직하게는 균일하고 대칭적인) 자기장을 발생시키는 단계를 포함할 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 방법 및/또는 본 발명에 따른 전류계는 특정한 용례에 대한 자기 유변 유체의 적합성, 특히 MRF 클러치에 사용될 자기 유변 유체의 적합성을 연구하도록 사용된다. 본 발명은 특히 자기 유변 유체, 디스퍼션(dispersion) 또는 폴리머 용해물 또는 용액의 유동학적 특성화를 위한 본 발명에 따른 전류계의 용도에 관한 것이다. 자기 유변 유체 외에, 예컨대 본 발명에 따른 이중 간극 측정 구조는 또한 점탄성 폴리머 용해물(폴리스티렌, 폴리아미드, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리옥시메틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이소부틸렌, 폴리디메틸실록산 등) 뿐만 아니라 폴리머 용액 및 디스퍼션, 특히 폴리머 디스퍼션(스티렌 디스퍼션, 아크릴레이트 코폴리머 디스퍼션 등) 또는 높은 전단 속도의 현탁액에 대한 측정을 위해 사용될 수도 있다. 예컨대, 연구 대상 물질은 본 발명에 따른 전류계 또는 방법을 이용하여 0.01 내지 10⁴ 1/s의 전단 속도로 전단될 수 있다. 예컨대, 0.01 내지 200 kPa의 전단 응력이 달성된다. 한정 요소에 의해 측정 간극 에지를 폐쇄하면 종래의 단일 간극의 개방 에지에서와 같은 재료의 파손 공정을 피할 수 있다. 더욱이, 이와 같이 측정 간극 에지를 폐쇄하면 높은 원심력에 의해 연구 대상 물질이 측정 간극에서 유출되는 것을 방지한다. 열가소성을 연구하기 위하여, 측정 간극은 연구 대상 열가소성의 디스크 및/또는 링을 삽입함으로써 채워질 수 있다. 측정 간극은, 예컨대 이 목적을 위해 의도된 충전 채널을 통해 자기 유변 유체, 용액 또는 디스퍼션으로 채워질 수 있고, 배기 채널은 개방된다. 이어서, 양 채널은 연구 대상 물질의 유동학적 연구를 수행하도록 폐쇄된다.

액체의 연구 외에, 분말에 관한 측정을 수행하는 것도 가능하다. 따라서, 예컨대 자기 분말 클러치에 사용되는 재료를 연구할 수 있다. 적절한 재료로는 예컨대 카보닐 철 분말이 있다.

예

Anton Paar사(오스트리아)에서 시판 중인 피지카(Physica) MRD 180(1T) 측정 장치를 개량하여 Anton Paar사의 MCR 501(0.3 Nm의 최대 토크)에 사용하였다. 2개의 상이한 로터 플레이트를 사용하였다. 하나의 로터 플레이트의 반경은 8 mm이고, 다른 로터 플레이트의 반경은 9.7 mm이었다. 따라서, 직경이 20 mm이고 환형 간극이 각각 2 mm와 0.3 mm인 한정 요소와 조합하여 사용하였다. 반경이 9.7 mm인 더 큰 로터 플레이트에 의한 측정 중에 전류계의 토크 한계가 충족되는 경우에 반경이 8 mm인 로터 플레이트를 사용하였다. 2개의 측정 간극 각각에 대해 간극 높이가 0.3 mm인 경우, 모터의 회전 속도 증가에 의해 0.01 내지 10,000 1/s의 전단 속도 범위가 커버될 수 있고, 3 Pa 내지 150,000 Pa의 전단 응력이 측정될 수 있다. 본 발명의 측정 셋업과 조합하여 3,000 rpm의 가능한 최대 회전 속도에 의해 10,000 1/s의 전단 속도가 달성되었다. 2,055 rpm의 모터 회전 속도에서, 9.7 mm의 로터 플레이트의 반경, 0.3 mm의 측정 간극 높이, 7000 1/s의 전단 속도가 달성되었다. 강(재료 번호 1.0037)으로 제조된 자성 로터 플레이트를 사용함으로써, 시료(자기 유변 유체)의 자속 밀도는 0 T 내지 1.4 T이었다. -25℃ 내지 100℃의 온도 범위에서 측정을 수행하였다. 따라서, 본 발명에 따른 전류계는 공기 베어링의 허용 가능한 범위를 초과하는 수직력(60 N)이 없이 높은 전단 속도와 높은 자속 밀도의 자기장을 달성한다는 이점을 갖는다. 상기 측정 범위는 종래의 전류계에 의해 커버될 수 없다.

본 발명을 도면을 참조하여 이하에서 보다 상세히 설명한다.

도 1은 섹션에 이중 측정 간극을 갖는 본 발명에 따른 전류계의 개략도를 도시한다.

전류계는 비자성 재료(예컨대, 오스테나이트계 스테인리스강-예컨대 재료 번호 1.4571)로 제조된 회전 가능한 샤프트(1)를 구비한다. 회전 가능한 샤프트(1)는 샤프트(1)를 구동하는 모터(도시 생략)에 연결된다. 공기 베어링(도시 생략)을 이용하여 장착되는 것이 바람직하다. 샤프트(1)의 단부 상에는 자성 재료(예컨대, 강-예컨대 재료 번호 1.0037)로 제조된 로터 플레이트(2)가 고정된다. 도 1에서 연구 대상 물질(6)(예컨대, 자기 유변 유체)이 수용되는 제1 측정 간극(5)은 로터 플레이트(2)의 상측면(제1면; 3)과 제1 전단면(4) 사이에 배치된다. 마찬가지로 연구 대상 물질(6)을 수용하는 제2 측정 간극(9)은 로터 플레이트(2)의 하측면(제2면; 7)과 제2 전단면(8) 사이에 형성된다.

전류계는 또한 모터의 회전 속도 및 토크를 측정하여, 그 중에서도 샤프트(1)의 회전 중에 연구 대상 물질(6)에 의해 로터 플레이트(2)에 가해지는 토크를 간접적으로 기록하는 측정 기구(10)를 구비한다.

제1 전단면(4)과 제2 전단면(8)은 제1 측정 간극(5)에 인접한 제1 플레이트(11)와 제2 측정 간극(9)에 인접한 제2 플레이트(12)에 의해 각각 형성된다. 플레이트(11, 12)는 예컨대 전달 가능한 전단 응력에 관한 표면 구조 또는 재료의 영향을 시험하기 위하여 바꾸어 놓을 수 있다. 제2 플레이트(12) 내에는 예컨대 홀 프로브 또는 열전쌍을 유지할 수 있는 채널(13)이 형성된다. 2개의 플레이트(11, 12)는 추가의 채널(도시 생략)을 수용할 수 있다.

이 실시예에서, 로터 플레이트(2)는 그 2개의 면(3, 7)에 2개의 평탄한 플레 이트 표면을 구비한다. 따라서, 이중 플레이트-플레이트 구조이다.

2개의 측정 간극(5, 9)은 슬리브 형태의 공통의 한정 요소(14)에 의해 외측을 향해 폐쇄된다. 측정 간극(5, 9) 중 하나로부터 다른 하나로 연구 대상 물질을 통과시킬 수 있는 천이 구역(15)이 한정 요소(14)를 따라 연장된다. 용적이 증가하는 경우에 물질(6)이 탈출할 기회를 갖도록, 샤프트(1) 주위에 개방 탈출 구역(16)이 존재한다.

전류계는 또한 제1 측정 간극 및 제2 측정 간극에 자기장을 발생시키는 자석을 수용한다. 자석은 상부의 제1 자석 요크(17), 하부의 제2 자석 요크(18) 및 코일(19)을 구비한다. 제1 자석 요크(17)와 제2 자석 요크(18)는 로터 플레이트(2) 및 샤프트(1)에 대하여 실질적으로 대칭적으로 구성된다. 제1 자석 요크(17)는 2개의 절반 세그먼트(도시 생략)로 구성되고, 제2 자석 요크(18)는 하나의 부재로 형성된다. 제1 자석 요크(17)와 제2 자석 요크(18)에는 모두 중앙 보어(20)가 형성되어 있고, 제1 자석 요크(17)의 경우에는 샤프트(1)를 수용한다. 2개의 자석 요크(17, 18)는 라인(21)을 따라 조립된다. 제1 자석 요크(17)에는 통로(22)가 형성되고, 이 통로를 통해 채널(13) 내로 도입될 홀 프로브 또는 열전쌍이 외측으로부터 자석 요크 내부로 공급될 수 있다.

연구 대상 물질의 유동학적 특성을 결정하는 본 발명에 따른 방법은 도 1에 도시된 본 발명에 다른 전류계에 의해 수행될 수 있다.

참조 번호 리스트

1: 회전 가능한 샤프트 2: 로터 플레이트

3: 제1면 4: 제1 전단면

5: 제1 측정 간극 6: 연구 대상 물질

7: 제2면 8: 제2 전단면

9: 제2 측정 간극 10: 측정 기구

11: 제1 플레이트 12: 제2 플레이트

13: 채널 14: 한정 요소

15: 천이 구역 16: 탈출 구역

17: 제1 자석 요크 18: 제2 자석 요크

19: 코일 20: 중앙 보어

21: 요크들 사이의 라인 22: 통로

Claims

전류계로서,

로터 플레이트(2)가 고정되는 회전 가능한 샤프트(1); 및

상기 샤프트(1)의 회전 중에 연구 대상 물질(6)에 의해 로터 플레이트(2)에 가해지는 토크를 측정하는 측정 기구(10)

를 구비하고, 상기 로터 플레이트(2)의 제1면(3)과 제1 전단면(4) 사이에 연구 대상 물질(6)을 유지하는 제1 측정 간극(5)이 형성되고, 상기 제1면의 반대측인 로터 플레이트(2)의 제2면(7)과 제2 전단면(8) 사이에 연구 대상 물질(6)을 유지하는 제2 측정 간극(9)이 형성되며, 상기 전류계는 제1 측정 간극(5)과 제2 측정 간극(9)에 균일한 자기장을 발생시키는 자석을 포함하는 것인 전류계.
제1항에 있어서, 상기 자석은 전자석인 것인 전류계.
제1항에 있어서, 상기 로터 플레이트(2)는 적어도 부분적으로 자성 재료로 제조되는 것인 전류계.
제1항에 있어서, 상기 자석은, 코일(19), 제1 측정 간극(5) 위에 배치되는 제1 자석 요크(17), 제2 측정 간극(9) 아래에 배치되는 제2 자석 요크(18)를 갖는 전자석이고, 제1 자석 요크(17)와 제2 자석 요크(18)는 로터 플레이트(2) 및 샤프트(1)에 대해 대칭적으로 구성되는 것인 전류계.
제1항에 있어서, 상기 제1 전단면(4)과 제2 전단면(8)은, 제1 측정 간극(5) 또는 제2 측정 간극(9)에 각각 인접한 제1 플레이트(11) 및 제2 플레이트(12)에 의해 형성되거나, 제1 측정 간극(5) 또는 제2 측정 간극(9)에 인접한 자석의 표면에 의해 각각 형성되는 것인 전류계.
제1항에 있어서, 홀 프로브 또는 온도 센서의 군에서 선택되는 하나 이상의 측정 센서를 유지하기 위한 하나 이상의 채널(13)이 측정 간극(5, 9)에 인접한 구성요소 내에 포함되는 것인 전류계.
제1항에 있어서, 상기 제1 측정 간극(5)과 제2 측정 간극(9)은 한정 요소(14)에 의해 외측을 향해 폐쇄되는 것인 전류계.
제1항에 있어서, 상기 로터 플레이트(2)는 2개의 평면, 하나의 평면과 하나의 원추형 표면, 또는 2개의 원추형 플레이트 표면을 포함하는 것인 전류계.
연구 대상인 자기 유변 유체의 유동학적 특성을 결정하는 방법으로서,

샤프트 상에 고정된 로터 플레이트를 회전시키는 단계로서, 상기 로터 플레이트는 제1 측정 간극 내에 수용된 연구 대상인 자기 유변 유체와 제1면이 접촉되고, 제1면의 반대측에 있는 제2면이 제2 측정 간극 내에 수용된 연구 대상인 자기 유변 유체와 접촉되는 것인, 회전시키는 단계;

상기 제1 측정 간극 및 제2 측정 간극 내에서 균일한 자기장의 발생시키는 단계; 및

상기 로터 플레이트의 회전 중에 자기 유변 유체에 의해 로터 플레이트에 가해지는 토크를 측정하는 단계

를 포함하는 것인 자기 유변 유체의 유동학적 특성 결정 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전류계는 자기 유변 유체, 디스퍼션, 폴리머 용융물 또는 용액 또는 분말의 유동학적 특성화를 위해 사용되는 것인 전류계.