KR102342046B1 - 난방 커튼의 내구성 시험방법 및, 이를 이용한 난방 커튼의 제조방법 - Google Patents

난방 커튼의 내구성 시험방법 및, 이를 이용한 난방 커튼의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 난방 커튼의 내구성 시험방법은 열선에 허용되는 곡률과, 제품 사용 수명을 시험할 수 있으며, 이에 따라 제품 불량을 방지하고 화재를 예방할 수 있다. 아울러, 본 발명은 이러한 시험방법을 활용한 난방 커튼의 제조방법도 제공한다.

Description

난방 커튼의 내구성 시험방법 및, 이를 이용한 난방 커튼의 제조방법{Durability test methods for heating curtain and, manufacturing methods for the heating curtain using the same}
본 발명은 난방 커튼의 내구성 시험방법에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 커튼 본체에 배열된 열선에 허용되는 곡률을 알 수 있고, 제품 사용 수명을 시험할 수 있으며, 이에 따라 제품 불량을 방지하고 화재를 예방할 수 있는, 난방 커튼의 내구성 시험방법에 대한 것이다.
아울러, 본 발명은 이러한 시험방법을 이용한 난방 커튼의 제조방법도 포함한다.
일반적으로, 난방 커튼은 직물 등으로 이루어진 커튼 본체에 열선이 배열된 것으로서, 전원이 열선에 공급되면 열선이 열을 발생하기 때문에 실내를 난방할 수 있다.
도 1~2에 나타난 바와 같이, 난방 커튼(1)은 접힘선(4, 점선으로 도시됨)을 기준으로 커튼 본체(2)와 열선(10)이 접히고 펴지는 동작을 반복하게 된다. 예를 들어, 커튼 본체(2)의 상단에 형성된 체결공(5)에는 봉(도면에 미도시)이 삽입되는데, 커튼 본체(2)는 봉을 따라 슬라이딩되면서 접히고 펴지게 된다.
열선(10)은 커튼 본체(2)에 수직으로 배열(도 1)되거나 수평으로 배열(도 2)되는데, 커튼 본체(2)가 접히고 펴질 때마다 벤딩된다. 이러한 벤딩은 열선(10)에 인장 응력을 유발하게 되는데, 이러한 벤딩이 반복되면 열선이 피로 파괴될 수도 있고 이 경우에는 화재의 위험이 있다.
따라서, 열선(10)의 피로 파괴와 사용 수명을 시험 및 예측하는 시험방법이 필요한 실정이지만 현재까지 적합한 방법이 제안된 적이 없다. 아울러, 난방 커튼(1)을 제조할 때 적합한 물성의 열선(10)을 사용하는 것이 중요한데, 이를 위해서도 열선(10)의 시험방법이 필요하다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 커튼 본체에 배열된 열선에 허용되는 곡률과 가열 가능한 최고 온도를 알 수 있는, 난방 커튼의 내구성 시험방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 난방 커튼의 사용 수명을 알 수 있는, 난방 커튼의 내구성 시험방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 제품 불량을 방지하고 화재를 예방할 수 있는, 난방 커튼의 내구성 시험방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 이 시험방법을 이용한 난방 커튼의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 난방 커튼 내구성 시험방법은, (a) 열선(10)에 소정 곡률을 인가할 때 발생하는 인장 응력을 구하는 단계; (b) 상기 인장 응력이 열선의 인장 강도 이상이면 상기 곡률을 감소시켜서 상기 (a) 단계를 다시 수행하는 단계; (c) 상기 인장 응력이 열선의 인장 강도 미만이면 상기 곡률이 발생되도록 열선을 반복적으로 벤딩하여 피로내구 시험을 하는 단계; 및, (d) 상기 (c) 단계에서 열선이 피로파괴될 때의 벤딩 횟수가 기준 횟수 이하이면 상기 곡률을 감소시켜서 상기 (c) 단계를 다시 수행하고, 상기 (c) 단계에서 열선이 피로파괴될 때의 벤딩 횟수가 기준 횟수를 초과하면 합격으로 판정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계 이전에, 가열에 의한 열응력을 고려하기 위해서, 난방 커튼이 사용되는 최고 온도를 구하는 단계;가 더 포함될 수 있다. 그리고, 이 경우, 상기 (a), (b), (c), (d) 단계는 상기 최고 온도 상태에서 이루어진다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 난방 커튼 내구성 시험방법은 열선의 최대 곡률이 주어진 경우 가열 가능한 최고 온도를 결정할 수 있다. 구체적으로, 상기 시험방법은, (가) 난방 커튼이 걷힐 때 열선의 최대 곡률을 구하는 단계; (나) 소정 온도 상태에서 열선을 최대 곡률로 벤딩시킬 때 발생하는 인장 응력이 열선의 인장 강도 이상이면 상기 온도를 점차적으로 낮춘 후 벤딩시험을 다시 수행하는 단계; (다) 상기 인장 응력이 열선의 인장 강도 미만이면 상기 온도에서 최대 곡률이 발생되도록 열선을 반복적으로 벤딩하여 피로내구 시험을 하는 단계; 및, (라) 상기 (다) 단계에서 열선이 피로파괴될 때의 벤딩 횟수가 기준 횟수 이하이면 상기 온도를 감소시켜서 (다) 단계를 다시 수행하고, (다) 단계에서 열선이 피로파괴될 때의 벤딩 횟수가 기준 횟수를 초과하면 합격으로 판정하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 난방 커튼 내구성 시험방법은 난방 커튼이 사용될 때 발생하는 열선의 최대 곡률이 정해진 경우, 이 난방커튼에 사용될 수 있는 열선의 적합 여부를 시험할 수 있다. 구체적으로, 이 시험방법은, (ㄱ) 난방 커튼이 걷힐 때 열선의 최대 곡률을 구하는 단계; (ㄴ) 열선을 최대 곡률로 벤딩시킬 때 발생하는 인장 응력이 열선의 인장 강도 이상이면 불합격으로 판정하는 단계; (ㄷ) 상기 인장 응력이 열선의 인장 강도 미만이면 상기 최대 곡률이 발생되도록 열선을 반복적으로 벤딩하여 피로내구 시험을 하는 단계; 및, (ㄹ) 상기 (ㄷ) 단계에서 열선이 피로파괴될 때의 벤딩 횟수가 기준 횟수 이하이면 불합격으로 판정하고, (ㄷ) 단계에서 열선이 피로파괴될 때의 벤딩 횟수가 기준 횟수를 초과하면 합격으로 판정하는 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 시험방법은 난방커튼이 사용되는 최고 온도를 구하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 그리고, 상기 (ㄴ), (ㄷ), (ㄹ) 단계는 상기 최고 온도에서 이루어질 수 있다.
상기 열선은, 열선의 길이방향으로 길게 연장된 탄소섬유; 및, 탄소섬유의 외부면을 감싸는 실리콘 고무;를 포함할 수 있다. 탄소섬유는 온도가 상승하면 그 길이가 수축하고 실리콘 고무는 온도가 상승하면 그 길이가 증가한다.
본 발명의 또 다른 측면인 난방 커튼 제조방법은, (i) 커튼 본체(2)를 준비하는 단계; 및, (ii) 커튼 본체(2)에 열선(10)을 배열하는 단계;를 포함할 수 있다.
커튼 본체(2)가 걷히고 펼쳐질 때 열선(10)이 벤딩되되 커튼 본체(2)가 완전히 걷힐 때 열선(10)에 최대 곡률이 발생된다.
상기 (ii) 단계 이전에 상기 열선(10)은 상기 시험방법을 거치되, 상기 (ㄹ) 단계의 시험에서 합격한 열선이다.
바람직하게, 커튼 본체(2)가 완전히 걷힐 때 최대 곡률을 초과하는 곡률이 열선(10)에 발생하지 않도록 커튼 본체(2)가 걷힐 때 커튼 본체(2)의 슬라이딩을 제한하는 수단을 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 수단은 커튼 본체(2)를 이동시키는 전동모터의 작동 범위를 제한하는 수단이다.
본 발명의 또 다른 측면인 난방 커튼 제조방법은, (A) 커튼 본체(2)를 준비하는 단계; 및, (B) 커튼 본체(2)에 열선(10)을 배열하는 단계;를 포함할 수 있다. 상기 (B) 단계 이전에 열선(10)은 상기 시험을 거치되, 상기 (d) 단계에서 합격한 곡률 보다 작은 곡률이 발생된다.
본 발명의 또 다른 측면인 난방 커튼 제조방법은, (I) 커튼 본체(2)를 준비하는 단계; 및, (II) 커튼 본체(2)에 열선(10)을 배열하는 단계;를 포함할 수 있다. 커튼 본체(2)가 걷히고 펼쳐질 때 열선(10)이 벤딩되고 열선(10)에 전원이 공급되면 가열되되, 상기 (II) 단계 이전에 열선은 상기 시험을 거치고 상기 (다) 단계에서 합격한 온도 보다 낮은 온도로만 가열된다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 커튼 본체에 배열된 열선에 허용되는 곡률과 가열 가능한 최고 온도를 알 수 있다.
둘째, 난방 커튼의 사용 수명을 알 수 있다.
셋째, 제품 불량을 방지하고 화재를 예방할 수 있다.
넷째, 이러한 시험방법을 이용한 난방 커튼의 제조방법을 제공한다.
도 1은 일반적인 난방 커튼을 보여주는 정면도.
도 2는 또 다른 일반적인 난방 커튼을 보여주는 정면도.
도 3은 열선의 일 예인 탄소섬유 열선을 보여주는 단면도.
도 4a는 난방 커튼이 펼쳐진 상태를 보여주는 평면도.
도 4b는 난방 커튼이 접혀진(걷힌) 상태를 보여주는 평면도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 시험방법을 보여주는 플로우 차트.
도 6은 열선을 벤딩하기 위한 펀치와 다이를 보여주는 단면도.
도 7은 펀치가 열선을 다이에 대해 벤딩시킨 것을 보여주는 단면도.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 시험방법을 보여주는 플로우 차트.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 시험방법을 보여주는 플로우 차트.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 시험방법을 보여주는 플로우 차트.
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 시험방법을 보여주는 플로우 차트.
도 12는 본 발명의 제6 실시예에 따른 시험방법을 보여주는 플로우 차트.
이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
한편, 난방 커튼의 열선으로 구리선, 니크롬선 등과 같은 금속 열선이 사용될 수 있다. 하지만, 이러한 금속 열선은 전자기파를 많이 발생시키므로 건강에 해롭다는 문제점이 있다.
최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 탄소섬유 열선이 제안된 바 있다. 탄소섬유 열선은 대한민국 특허등록 제907802호 등에 그 구성이 개시되어 있다. 탄소섬유 열선은 전자기파를 줄일 뿐만 아니라 원적외선을 발생시키므로 세균, 악취, 습기 제거 등의 효과도 갖는다. 아래에서는 난방 커튼의 열선으로서 탄소섬유 열선이 사용된 경우를 예로 들어서 설명하기로 한다. 하지만, 본 발명의 권리범위가 탄소섬유 열선에 한정되는 것은 아니다.
도 3에 나타난 바와 같이, 탄소섬유 열선(10)은 중앙 부분의 탄소 섬유(12)와, 이를 둘러싸도록 형성된 실리콘 고무(14)를 포함한다. 탄소 섬유(12)는 열선의 길이방향으로 길게 연장되도록 형성되고, 실리콘 고무(14)는 탄소 섬유(12)의 외부면을 감싸도록 형성된다.
탄소 섬유(12)는 전기적 도체이고 가열되면 그 길이가 줄어든다. 이에 비해, 실리콘 고무(14)는 전기적 부도체로서, 가열되면 그 길이가 늘어난다. 따라서, 탄소 섬유(12)와 실리콘 고무(14)로 이루어진 탄소섬유 열선(10)은 가열될 경우 열응력이 발생하게 된다.
도 4a는 난방커튼(1)이 펼쳐진 상태를 보여주고 도 4b는 난방커튼(1)이 접혀진 상태를 보여준다. 난방커튼(1)이 접힐 때에는 접힘선(4)을 기준으로 곡률반경 R을 이루면서 접힌다.
제1 실시예
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 시험방법을 보여주는 플로우 차트이다. 이 시험방법은 주어진 열선(10) 또는 탄소섬유(12)가 내구 수명(피로내구 시험)에 합격할 수 있는 곡률을 구하기 위해 실시될 수 있다.
커튼 본체(2)와 실리콘 고무(14, 피복층)는 탄소섬유(12)의 구조적 응력분포 및 내구성에 영향을 미치지 않으므로, 시험을 단순화하기 위해 탄소섬유(12)만을 대상으로 시험이 이루어질 수 있다. 그리고, 아래에서는 탄소섬유(12)만을 대상으로 시험이 이루어지는 경우를 설명하기로 한다. 하지만, 탄소섬유 열선(10)을 대상으로 시험이 이루어질 수도 있는데, 탄소섬유 열선(10)을 대상으로 하는 시험방법은 아래 설명을 참조하면 쉽게 알 수 있을 것이므로 여기서는 설명을 생략하기로 한다.
도면에 나타난 바와 같이, 상기 시험방법은, 탄소섬유(12)를 벤딩시켜 소정 곡률을 형성할 때 발생하는 인장 응력을 구하는 단계(S120), 인장 응력을 탄소섬유(10)의 인장 강도와 비교하는 단계(S130), 인장 응력이 인장 강도 보다 크거나 같으면 곡률을 조금씩 감소시킨 후 S120 단계를 반복하는 단계(S140), 인장 응력이 인장 강도 보다 작으면 피로내구 시험을 실시하는 단계(S150), 피로내구 시험 결과 탄소섬유(12)가 피로파괴될 때의 벤딩 횟수(N)가 기준 횟수(Ns) 이하이면 곡률을 감소시킨 후 S150 단계를 반복하는 단계(S160)(S170) 및, 벤딩 횟수(N)가 기준 횟수(Ns)를 초과하면 합격으로 판정하는 단계(S160)(S180)를 포함한다.
난방 커튼(1)은 펼쳐진 상태와 걷어진 상태가 반복되면서 사용되는데, 펼쳐지고 걷어질 때 열선(10)이 벤딩되므로 인장응력이 발생된다. 이 인장응력이 탄소섬유(10)의 인장 강도 보다 크거나 같으면 인장파괴가 발생하므로 불합격이 된다. 이 경우에는 인장응력이 인장강도 보다 작아질 때까지 곡률을 조금씩 감소시키면서 탄소섬유(10)를 벤딩시키는 단계(S140)를 반복한다.
상기 벤딩은 펀치와 다이에 의해서 이루어질 수 있다. 도 6~7에 나타난 바와 같이, 펀치(30)와 다이(32)는 서로 협력하여 탄소섬유(12)를 소정 곡률 반경(R)으로 벤딩시킬 수 있다. 구체적으로, 펀치(30)와 다이(32) 사이에 탄소섬유(12)가 위치한 후 펀치(30)가 다이(32)를 향해 하강하면 탄소섬유(12)가 곡률 반경 R로 벤딩된다.
펀치(30)의 하강 이동은 변위 조건에 의한 이동으로서, 펀치(30)의 하사점은 탄소섬유(12)의 직경만큼 다이(32)의 상측에 위치하고 이에 따라 펀치(30)와 다이(32)는 탄소섬유(12)를 벤딩시키기만 하고 하중을 인가하지는 않는다. 이 때, 벤딩에 의해 탄소섬유(12)에 발생하는 인장 응력 중에서 최대 인장 응력이 탄소섬유(12)의 인장강도 보다 크거나 같으면 인장파괴가 발생하므로 곡률이 조금 더 작은 펀치(30)와 다이(32)를 이용해서 탄소섬유(12)를 벤딩시킨다(S140).
상기 인장 응력이 인장강도 보다 작으면, 피로내구 시험(피로파괴 시험)을 한다(S150). 이 피로내구 시험은 펀치(30)와 다이(32)를 이용하여 탄소섬유(12)에 상기 곡률(S130을 통과한 곡률)이 발생되도록 반복적으로 벤딩시킨다. 피로파괴가 발생할 때의 벤딩횟수(N)가 미리 정해진 기준횟수(Ns) 보다 크면 합격으로 판정하고(S180), 벤딩횟수(N)가 기준횟수(Ns) 이하이면 상기 곡률을 감소시킨 펀치(30)와 다이(32)를 이용하여 피로파괴 시험을 한다(S170).
기준횟수(Ns)는 난방커튼(1)의 사용 수명과 관련되어 결정될 수 있다. 예를 들어, 난방커튼을 하루 4회 개폐하는 조건으로 10년 사용할 수 있어야 합격품으로 판정하는 경우, 총 4회/day × 365일/년 × 10년 = 14,600회이므로, 약 15,000회를 개폐할 수 있어야 합격품이 될 수 있다.
[수치 해석]
상기 시험은 수치해석으로 이루어질 수도 있다. 본 출원인은 유한요소해석으로 열선의 벤딩을 모델링하였는데, 이를 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
우선, 커튼 본체(2)와 실리콘 고무(14, 피복층)는 탄소섬유(12)의 구조적 응력분포 및 내구성에 영향을 미치지 않으므로 수치해석에서 생략하였다. 그리고, 탄소섬유(12)는 하나의 가닥이라고 가정하고 그 형태는 실린더 형상으로 가정하였으며, 탄소섬유(12)의 지름은 1.2mm로 하였다.
탄소섬유(12)의 피로내구해석은 구조해석(굽힘해석)을 먼저 수행하고 그 결과를 바탕으로 피로 내구 해석을 수행하였다. 구조해석은 4가지 곡률반경(R10/25/50/75, 단위: mm)에 대해서 수행하였으며, 구조해석 결과를 바탕으로 인장강도를 초과하지 않는 경우에 대해서 피로파괴 해석을 수행하였다.
수치해석에 이용된 탄소섬유(12)는 HTA-3K (Toho Tenax社의 고강도 타입 탄소섬유)로서 그 물성은 아래의 표 1과 같다.
[표 1]
Figure 112020010742314-pat00001
그리고, 탄소섬유(12)는 방향에 따라 물성이 다르므로 ANSYS에서 제공하는 물성(아래 표 2 참조)를 사용하였다.
[표 2]
Figure 112020010742314-pat00002
구조해석 모델은 1/4 대칭조건을 설정하여 3차원 솔리드 메쉬로 모델링하였다(아래 표 3 참조).
[표 3]
Figure 112020010742314-pat00003
펀치(30)와 다이(32)의 곡률 부분과 탄소섬유는 접촉조건을 설정하였으며, 접촉부의 마찰계수는 0.12로 하였고, 1/4 대칭조건에 대한 경계조건을 설정하였으며 펀치(30)를 이동하여 탄소섬유(12)가 펀치(30) 및 다이(32)에 완전히 접촉되는 시점까지 강제이동 조건을 부여하였다. 아래의 표 4는 탄소 섬유(12)가 벤딩되는 것을 모델링한 도면이다.
[표 4]
Figure 112020010742314-pat00004
아래의 표 5는 상술한 조건으로 4가지 곡률반경(R10/25/50/75, 단위: mm)에 대해 모델링한 결과를 보여준다.
[표 5]
Figure 112020010742314-pat00005
표 5에 나타난 바와 같이, 곡률 반경이 10mm(R10), 25mm(R25)인 경우에는 인장 응력이 탄소섬유(12)의 인장강도(3,920MPa)을 초과하였으며, 이에 따라 탄소섬유가 인장파괴된 것으로 분석할 수 있다. 이에 비해, 곡률 반경이 50mm(R50), 75mm(R75)인 경우에는 인장 응력이 탄소섬유의 인장강도(3,920MPa) 보다 작았다. 따라서, 곡률 반경이 50mm(R50), 75mm(R75)인 경우에 대해 피로파괴 해석(피로 내구 해석)을 수행하였다.
피로파괴 해석(피로 내구 해석)은 널리 알려진 수치해석 상용 프로그램인 FEMFAT BASIC(Finite Element Method Fatigue BASIC)을 이용하여 이루어졌다.
피로반복하중 조건은 난방커튼의 운용조건에 따라 목표수명(기준 횟수, Ns) 15,000회를 기준으로 평가하였으며, 난방커튼의 개폐조건인 응력비(R) = 0을 적용하였다. 피로물성은 FEMFAT에서 제공하는 피로물성 생성기를 이용하여 탄소섬유의 인장강도(3,920MPa)를 기준으로 생성하였는데, 그 구체적인 내용은 아래 표 6과 같다.
[표 6]
Figure 112020010742314-pat00006
피로영향인자(응력구배, 평균응력 및 하중조건 등)를 고려한 제품의 S-N 선도(Local S-N curve) 및 등가의 응력진폭을 이용하여 Miner's Rule을 기반으로 피로손상치를 산출하였다(아래 수식 참조).
Figure 112020010742314-pat00007
피로내구해석 결과, 곡률 반경이 50mm(R50)인 경우에는 최대 피로손상치는 목표수명 15,000회 기준으로 9.758이며, 이는 피로수명 약 1,536회로 난방커튼의 개폐조건에 대한 목표수명을 만족하지 못하였다.
이에 비해, 곡률 반경이 75mm(R75)인 경우에는 최대 피로손상치는 목표수명 15,000회 기준으로 0.7398이며, 이는 피로수명 약 20,275회로 난방커튼의 개폐조건에 대한 목표수명을 만족하는 결과를 얻었다.
제2 실시예
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 시험방법을 보여주는 플로우 차트이다.
상기 시험방법은 탄소섬유 열선(10)이 가열되었을 때 발생하는 인장응력(열응력)을 인장 강도와 비교하여 합격 여부를 판정한다.
열선(10)은 직경 1.2mm의 탄소섬유(12)와, 탄소섬유(12)를 둘러싸고 있는 직경 3mm의 실리콘 고무(14)로 이루어진 것으로 가정하였다. 그리고, 탄소섬유(12)와 실리콘 고무(14)는 완전 접합된 것으로 가정하였다. 상술한 바와 같이, 탄소섬유(12)가 가열되면 그 길이가 줄어들지만 실리콘 고무(14)는 가열되면 그 길이가 증가하므로 열응력이 발생될 수 있으므로 해석이 필요하다. 따라서, 이 시험방법에서는 탄소섬유(12)와 실리콘 고무(14)의 물성이 모두 반영되어야 하므로, 탄소섬유(12)에 대해서만 이루어진 것이 아니라, 탄소섬유(12)와 실리콘 고무(14)로 이루어진 탄소섬유 열선(10)에 대해 이루어진다. 이 시험방법은 수치해석으로 이루어질 수 있는데, 이를 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
상기 열선(10)은 커튼 본체(2)에 수직으로 설치되고 1m의 길이를 갖는 것으로 가정하였다. 아래 도면에 나타난 바와 같이, 열선(10)은 중심을 기준으로 서로 대칭되고 온도 분포도 대칭될 것이므로 1/4 분원에 대해서만 해석을 실시하였다.
Figure 112020010742314-pat00008
탄소섬유(12)의 물성은 "Park SY, Choi HS, Choi WJ, Kwon H (2012). Effect of vacuum thermal cyclic exposures on unidirectional carbon fiber/epoxy composites for low earth orbit space applications. Composites: Part B 43:726-738"에 기재된 물성을 이용하였다.
아래 표 7에 나타난 바와 같이, 열선(10)에 공급된 전류를 기초로 줄열을 계산하고, 줄열과 열전달 수식 등을 이용하여 열선(10)의 온도를 계산하며, 열선(10)의 온도를 이용하여 열응력을 계산한다.
[표 7]
Figure 112020010742314-pat00009
실내 온도는 22℃이고 실리콘 고무의 외피 온도는 100℃라고 가정하였으며, 실리콘 고무(14)와 탄소섬유(12)는 완전히 접합되어 있다고 가정하였다.
해석 결과, 열선이 100℃일 때 탄소섬유(12)는 길이방향으로 수축하고 실리콘 고무(14)는 길이방향으로 팽창하였다. 구체적으로, 가열 전에 열선 길이가 1m일 때, 100℃로 가열되면 실리콘 고무는 0.01mm 팽창하고 탄소섬유는 0.025mm 수축하였다. 이와 같은 열팽창의 차이로 인해 응력이 발생하였는데, 탄소섬유(12)의 가장자리에서 최고 응력 0.9MPa이 발생하였고, 이는 인장강도에 비해 미미하므로 온도 단독으로는 영향을 주지 않는 것으로 판단되었다.
아래의 표 8은 구체적인 수치해석 결과를 보여준다.
[표 8]
Figure 112020010742314-pat00010
제3 실시예
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 시험방법을 보여주는 플로우 차트이다.
상기 시험방법은 난방커튼(1)이 사용될 때 열선(10)의 최고 온도가 정해진 경우, 열선(10)에 허용되는 곡률을 구하는 방법이다. 이 시험방법은 난방커튼(1)이 사용되는 최고 온도에서 허용 가능한 곡률을 구함으로써, 난방커튼(1)의 합격여부를 판정할 수 있을 뿐만 아니라, 실제 난방커튼(1)의 제조에 이용될 수도 있다.
예를 들어, 커튼 본체(2)가 완전히 걷힐 때 상기 허용 가능한 곡률을 초과하는 곡률이 열선(10)에 발생하지 않도록 커튼 본체(2)의 슬라이딩을 제한하는 수단을 구비할 수도 있다. 상기 수단의 일 예는 커튼 본체(2)를 이동시키는 전동 모터(도면에 미도시)의 작동 범위를 제한함으로써 커튼 본체(2)의 슬라이딩 범위를 제한하는 것이다.
상기 시험방법을 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
먼저, 난방커튼(1)이 사용될 때 열선(10)의 최고 온도를 결정한다(S310). 이어서, 상기 최고 온도에서 열선(10)을 소정 곡률로 벤딩시키고(S320), 이 때 열선(10)에 발생하는 최고 인장응력을 열선(10)의 인장강도와 비교한다(S330).
상기 인장응력이 인장강도 보다 크거나 같으면 인장파괴가 발생한 상태이므로, 인장응력이 인장강도 보다 작아질 때까지 상기 곡률을 조금씩 줄여가면서 벤딩시키는 과정을 반복하며(S340), 상기 인장응력이 인장강도 보다 작으면 피로내구 시험을 실시한다.
상기 피로내구 시험은 상기 곡률(S330 단계에서 합격된 곡률)이 반복적으로 발생되도록 열선(10)을 벤딩시킨다(S350). 피로내구 시험은 제1 실시예에서 설명된 것과 동일한 방법으로 이루어질 수 있다.
상기 피로내구 시험에서, 피로파괴가 발생할 때의 벤딩횟수(N)가 미리 정해진 기준횟수(Ns) 보다 크면 합격으로 판정하고(S360), 벤딩횟수(N)가 기준횟수(Ns) 이하이면 상기 곡률을 조금씩 감소시킨 펀치(30)와 다이(32)를 이용하여 피로파괴 시험을 반복한다(S370).
제4 실시예
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 시험방법을 보여주는 플로우 차트이다.
상기 시험방법은 열선의 최대 곡률이 정해진 경우, 난방커튼의 사용 가능한 온도범위를 결정함으로써 난방커튼의 합격 여부를 결정하는 데 이용될 수 있고, 아울러 난방커튼의 제조시 사용가능한 온도 범위를 결정하는 데에도 이용될 수 있다.
상기 시험방법을 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
먼저, 난방커튼(1)이 사용될 때 열선(10)의 최대 곡률을 결정한다(S410). 이어서, 소정 온도에서 탄소섬유 열선(10)을 최대 곡률로 벤딩하고(S420), 이 때 발생하는 최대 인장응력을 탄소섬유 열선(10)의 인장강도와 비교한다(S430).
상기 인장응력이 인장강도 보다 크거나 같으면 인장파괴가 발생한 상태이므로, 인장응력이 인장강도 보다 작아질 때까지 온도를 조금씩 낮춰가면서 벤딩시키는 과정을 반복하며(S440), 상기 인장응력이 인장강도 보다 작으면 피로내구 시험을 실시한다(S450).
상기 피로내구 시험은 상기 온도(S430을 통과한 온도)에서 최대 곡률이 반복적으로 발생되도록 탄소 섬유 열선(10)을 벤딩시킨다(S450). 피로내구 시험은 제1,3 실시예에서 설명된 것과 동일한 방법으로 이루어질 수 있다.
상기 피로내구 시험에서, 피로파괴가 발생할 때의 벤딩횟수(N)가 미리 정해진 기준횟수(Ns) 보다 크면 합격으로 판정하고(S460)(S480), 벤딩횟수(N)가 기준횟수(Ns) 이하이면 상기 온도를 조금씩 낮춘 후 피로파괴 시험을 반복한다(S470).
제5 실시예
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 시험방법을 보여주는 플로우 차트이다.
상기 시험방법은 난방커튼이 사용될 때 열선의 최대 곡률이 정해진 경우, 사용되는 열선이 적합한지 여부와, 난방커튼의 사용 수명을 결정하는 데 이용될 수 있다. 이 시험방법은 온도를 고려하지 않으므로, 아래에서는 실리콘 고무(14)를 제외한 열선(10) 즉, 탄소섬유(12)만을 대상으로 이루어지는 시험방법을 설명하기로 한다. 하지만, 상기 시험방법은 열선(10)을 대상으로 이루어질 수도 있다.
우선, 난방커튼(1)이 사용될 경우에 발생하는 탄소섬유(12)의 최대 곡률을 구하고(S510), 이 최대 곡률을 인가할 때 탄소섬유(12)에 발생하는 최대 인장응력을 구한다(S520). 이어서, 상기 최대 인장응력을 인장강도와 비교하여(S530), 인장응력이 인장강도 보다 크거나 같으면 인장파괴가 발생한 것이므로 불합격으로 판정하고 인장응력이 인장강도 보다 작으면 피로 내구시험을 실시한다(S550).
상기 피로내구 시험에서, 피로파괴가 발생할 때의 벤딩횟수(N)가 미리 정해진 기준횟수(Ns) 보다 크면 합격으로 판정하고(S560)(S580), 벤딩횟수(N)가 기준횟수(Ns) 이하이면 불합격으로 판정한다(S570).
제6 실시예
도 12는 본 발명의 제6 실시예에 따른 시험방법을 보여주는 플로우 차트이다.
상기 시험방법은 난방커튼이 사용될 때 열선(10)의 최대 곡률과 최고 온도가 정해진 경우, 열선(10)이 적합한지 여부와 난방커튼의 사용 수명을 결정하는 데 이용될 수 있다.
먼저, 난방커튼이 사용될 때 열선(10)의 최대 곡률과 최고 온도를 구한다(S610). 그리고, 최대 곡률과 최고 온도를 탄소섬유 열선(10)에 인가한 상태에서 탄소섬유 열선(10)의 최대 인장응력을 구한다(S620).
상기 최대 인장응력이 인장강도 보다 크거나 같으면 인장파괴가 발생한 상태이므로 불합격으로 판정하고(S640), 최대 인장응력이 인장강도 보다 작으면 최고 온도에서 상기 최대 곡률을 반복적으로 인가하여 피로내구 시험을 실시한다(S650).
피로내구 시험 결과, 피로파괴가 발생할 때의 벤딩횟수(N)가 미리 정해진 기준횟수(Ns) 보다 크면 합격으로 판정하고(S660)(S680), 벤딩횟수(N)가 기준횟수(Ns) 이하이면 불합격으로 판정한다(S670).
한편, 상술한 제1, 3~6 실시예에서는 탄소섬유 열선(10) 또는 탄소섬유(12)를 벤딩시켜 인장강도 이상의 인장응력이 발생하는지 여부를 먼저 시험한 후에 피로 내구시험을 하는 것을 설명하였으나, 인장응력 시험은 선택적인 것으로서 인장응력 시험을 하지 않고 곧바로 피로 내구시험을 할 수도 있다.
1 : 난방 커튼
2 : 커튼 본체
4 : 접힘선
5 : 체결공
10 : 열선
12 : 탄소섬유
14 : 실리콘 고무
30 : 펀치
32 : 다이
R : 곡률 반경

Claims (10)

  1. 커튼 본체에 열선이 설치되어 실내를 가열하는 난방 커튼의 내구성을 시험하는 방법으로서 상기 열선은 커튼이 걷히고 펼쳐질 때 벤딩되며,
    (a) 상기 열선에 소정 곡률을 인가할 때 발생하는 인장 응력을 구하는 단계;
    (b) 상기 인장 응력이 열선의 인장 강도 이상이면 상기 곡률을 감소시켜서 상기 (a) 단계를 다시 수행하는 단계;
    (c) 상기 인장 응력이 열선의 인장 강도 미만이면 상기 곡률이 발생되도록 열선을 반복적으로 벤딩하여 피로내구 시험을 하는 단계; 및,
    (d) 상기 (c) 단계에서 열선이 피로파괴될 때의 벤딩 횟수가 기준 횟수 이하이면 상기 곡률을 감소시켜서 상기 (c) 단계를 다시 수행하고, 상기 (c) 단계에서 열선이 피로파괴될 때의 벤딩 횟수가 기준 횟수를 초과하면 합격으로 판정하는 단계;를 포함하고,
    상기 피로내구 시험은 펀치(30)와 다이(32) 사이에 열선을 배치한 후 펀치(30)를 다이(32)에 대해 하강시켜 열선을 벤딩하여 이루어지되, 펀치(30)의 하강 이동은 변위 조건에 의한 이동인 것을 특징으로 하는, 난방 커튼의 내구성 시험방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계 이전에,
    (a-1) 난방 커튼이 사용되는 최고 온도를 구하는 단계;가 포함되고,
    상기 (a), (b), (c), (d) 단계는 상기 최고 온도 상태에서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 난방 커튼의 내구성 시험방법.
  3. 커튼 본체에 열선이 구비되어 실내를 가열하는 난방 커튼의 내구성을 시험하는 방법으로서 상기 열선은 커튼이 걷히고 펼쳐질 때 벤딩되며,
    (가) 난방 커튼이 걷힐 때 열선의 최대 곡률을 구하는 단계;
    (나) 소정 온도 상태에서 열선을 최대 곡률로 벤딩시킬 때 발생하는 인장 응력이 열선의 인장 강도 이상이면 상기 온도를 점차적으로 낮춘 후 벤딩시험을 다시 수행하는 단계;
    (다) 상기 인장 응력이 열선의 인장 강도 미만이면 상기 온도에서 최대 곡률이 발생되도록 열선을 반복적으로 벤딩하여 피로내구 시험을 하는 단계; 및,
    (라) 상기 (다) 단계에서 열선이 피로파괴될 때의 벤딩 횟수가 기준 횟수 이하이면 상기 온도를 감소시켜서 (다) 단계를 다시 수행하고, (다) 단계에서 열선이 피로파괴될 때의 벤딩 횟수가 기준 횟수를 초과하면 합격으로 판정하는 단계;를 포함하고,
    상기 피로내구 시험은 펀치(30)와 다이(32) 사이에 열선을 배치한 후 펀치(30)를 다이(32)에 대해 하강시켜 열선을 벤딩하여 이루어지되, 펀치(30)의 하강 이동은 변위 조건에 의한 이동인 것을 특징으로 하는, 난방 커튼의 내구성 시험방법.
  4. 커튼 본체에 열선이 구비되어 실내를 가열하는 난방 커튼의 내구성을 시험하는 방법으로서 상기 열선은 커튼이 걷히고 펼쳐질 때 벤딩되며,
    (ㄱ) 난방 커튼이 걷힐 때 열선의 최대 곡률을 구하는 단계;
    (ㄴ) 열선을 최대 곡률로 벤딩시킬 때 발생하는 인장 응력이 열선의 인장 강도 이상이면 불합격으로 판정하는 단계;
    (ㄷ) 상기 인장 응력이 열선의 인장 강도 미만이면 상기 최대 곡률이 발생되도록 열선을 반복적으로 벤딩하여 피로내구 시험을 하는 단계; 및,
    (ㄹ) 상기 (ㄷ) 단계에서 열선이 피로파괴될 때의 벤딩 횟수가 기준 횟수 이하이면 불합격으로 판정하고, (ㄷ) 단계에서 열선이 피로파괴될 때의 벤딩 횟수가 기준 횟수를 초과하면 합격으로 판정하는 단계;를 포함하고,
    상기 피로내구 시험은 펀치(30)와 다이(32) 사이에 열선을 배치한 후 펀치(30)를 다이(32)에 대해 하강시켜 열선을 벤딩하여 이루어지되, 펀치(30)의 하강 이동은 변위 조건에 의한 이동인 것을 특징으로 하는, 난방 커튼의 내구성 시험방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (ㄱ) 단계는 난방커튼이 사용되는 최고 온도를 구하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 (ㄴ), (ㄷ), (ㄹ) 단계는 상기 최고 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 난방 커튼의 내구성 시험방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열선은,
    열선의 길이방향으로 길게 연장된 탄소섬유; 및,
    탄소섬유의 외부면을 감싸는 실리콘 고무;를 포함하고,
    탄소섬유의 길이는 온도가 상승하면 수축하고 실리콘 고무는 온도가 상승하면 그 길이가 증가하는 것을 특징으로 하는, 난방 커튼의 내구성 시험방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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