KR200201243Y1 - 영구자석을 이용한 배관내 유체충격 흡수 장치 - Google Patents

Abstract

가스 혹은 액체 등의 유체가 배관 속을 흐르고 있을 때, 유체의 흐름을 급속히 차단 할 경우 생기는 쾅 하는 소리와 함께 파괴력과 충격 및 진동 문제를 본 고안에서는 동일 극끼리 서로 마주보게 배열시킨 두 개 이상의 영구자석의 반발력을 이용해 해결하였다. 본 고안에 근거한 유체 충격방지기(ping-free fluid hammer arrester using permanent magnets)는 소음제거 및 충격흡수를 효과적으로 할 수 있을 뿐만 아니라, 수명이 반영구적이고 구조와 시공이 간단하며, 기능을 구현하는데 있어 성능의 온도 의존성이 매우 작아 안정적 성능 구현이 가능하다.

Description

영구자석을 이용한 배관내 유체충격 흡수 장치{Ping-free fluid hammer arrester using permanent magnets}

물과 같은 비압축성 유체(non-compressible liquid)가 배관(pipeline) 속을 흐르고 있을 때, 유체의 흐름을 단속할 목적으로 전기나 혹은 공압(pneumatic)에 의해 작동되는 밸브나 기계장치(devices)를 갑자기 닫을 것 같으면, 쾅 하는 소리와 함께 파괴력과 충격 및 진동이 발생한다. 이 같은 현상을 유체에 의한 방망이질 (hammering) 이라고 한다. 이는 일상 생활 주변에서는 물론, 산업현장에서 빈번히 관찰되는 현상이며, 손 조작, 전기 혹은 공압에 의한 조작 혹은 힘이 걸려있는 스프링에 의한 조작 등 유체의 단속방법에 상관없이 발생하는 것이 특징이다. 가령, 가정용 수도에서 물을 사용한 다음, 수도꼭지를 갑자기 잠글 것 같으면, 잠시 후 꽝하는 소리(ping)와 함께 충격과 진동이 전해짐을 느낄 수 있는데, 이를 수격 (water hammering, 이하 수격) 현상이라고 한다.

일상 생활용품이나 기기 및 산업현장에서 사용되는 기계류 (machinery)나 각종 기계장치에는 배관 속을 흐르는 유체를 필요에 따라 단속하고, 특히 장치의 정교한 기능수행을 위하여 유체의 흐름을 빨리 단속하는 것이 빈번히 요구된다. 이 경우, 밸브를 여닫는 속도가 빨라질수록 관 속의 유체에 치미는 압력 (surge pressure, 이하 써지압력)은 증가하는 것이 특징이다. 이 압력 증가로 인하여 심각한 소음공해를 일으키는 것은 물론, 각종 기계장치에 손상을 입힘으로써 오동작 (malfunction)을 일으키거나, 장치의 수명을 단축시키는 원인이 된다. 이로 인한 또 다른 피해로는 수격에 의해 발생된 소음, 진동 및 충격이 지나치게 크거나, 설계시 충분한 안전인자(safety factor)를 고려하지 않고 설계될 경우, 배관을 포함한 기계장치가 파손되어 작업자의 안전이 크게 위협 받거나, 공정에 차질을 초래하는 원인이 되기도 한다. 대개의 경우는 안전인자를 충분히 고려해 설계하므로, 배관이나 연결부 (pipeline joint)가 한번에 파손되지는 않는다 하더라도, 괴음 발생에 의한 소음공해 외에도 수격 (water hammering)의 반복된 인가에 의한 누적효과로 인해 기계장치가 손상을 입는 사례가 빈번히 발생한다. 또한 수격의 정도가 클 경우에는 곧바로 기계장치의 고장으로 이어져 더 이상 그 고유기능을 할 수 없게 되는 경우도 있다.

결국, 관속을 흐르는 비압축성 유체의 단속은 다양한 분야에서 필수적으로 요구되는데, 이 요구에 따라 유체를 급속히 단속시킬 것 같으면, 이로 인해 발생한 괴음과 충격, 그리고 진동에 의해 위에서 언급한 여러가지 문제가 발생되어 기술적 모순(contradiction)에 빠진다. 본 고안의 목적은 배관 속을 흐르는 유체의 단속으로 야기된 괴음의 발생과 충격 및 진동에 의해 발생되는 제반 문제를 해결할 수 있는 기구(mechanism)를 제안하고, 이 기구에 근거한 배관내 유체충격 방지 기계장치 (ping-free fluid hammer arrester)를 제공하는데 있다.

고안이 속하는 기술분야로는 수도, 세탁기, 냉장고, 보일러 등을 포함한 가정용 및 동력을 전달하고 단속하는 동력전달 체계 등을 포함하는 산업 전반이 포함된다. 광범위한 이들 기술분야에서는 공통적으로 비압축성 유체가 관 속을 흐르는데, 이 흐름이 의도적으로 혹은 비의도적으로 단속되는 경우가 발생한다. 즉, 배관 속을 흐르던 유체가 갑자기 밸브를 잠그는 것에 의해 발생되는 쾅 하는 괴음(ping)과 충격 및 진동을 줄일 목적으로 종래에는 스프링을 사용하거나 (선행 기술자료: 미국 특허번호 4616678, 5038823), 탄성을 가진 물질 혹은 한 끝이 밀봉된 관에 공기 혹은 가스와 같은 기체를 주입시켜 배관에 연결시키는 방법이 제안 (선행 기술자료: 미국 특허번호 4186775, 4819698) 되었다. 혹은 충격흡수 물질을 사용하지 않되, 배관의 설계를 변경하거나 기계적으로 밸브를 여닫게 함으로써 배관내의 써지(surge) 압력을 흡수코자 하였다. 배관 속의 유체이동을 급속히 차단함으로써 발생하는 소음, 충격 및 진동 자체 및 이로 인한 이차적인 문제점을 해결하기 위해 지금까지 제안된 종래의 기술로는 (1) 스프링 혹은 탄성체 이용, (2) 가스(기체) 주입 및 피스톤 방식, (3) 고무 주머니, (4) 기계식 개폐, 추가 배관식 등이 있다.

고안이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래 기술에서도 언급한 바와 같이, 비압축성 유체가 관 속을 흐르다가 갑자기 밸브를 잠그는 것에 의해 발생되는 쾅 하는 괴음(ping)과 충격 및 진동을 줄일 목적으로 지금까지 제안된 종래의 기술에서는 다음에 열거한 문제점이 있다.

스프링 혹은 탄성체를 사용하는 경우, 재료의 탄성한계(elastic limit) 이상으로 써지압력이 걸리면, 소성영역에 도달함으로써 수격 (water hammering) 흡수를 효과적으로 수행하기 어렵다. 또한 수격현상이 반복적으로 생김에 따라, 탄성체가 열화되어 파열됨으로써 수명이 짧게 되는 원인이 된다.

가스(공기포함) 충진식의 경우, 충진한 가스가 샐 (leaking) 염려가 있고, 이로 인해, 가스압력이 떨어져 효과적으로 충격을 흡수하지 못하게 된다. 따라서, 일정 간격으로 가스를 재충전해야 하는 번거로움이 있다. 또한, 가스가 액체에 용해되어 충진 가스량의 감소에 따른 성능저하와 함께, 오염 혹은 유체의 조성을 변화시킬 가능성이 있다. 가스 충진식의 경우, 압축율이 크므로 소형화가 곤란하여 응용에 제약을 받고, 성능의 온도 의존성이 크다. 또한, 가스의 내부압력이나 잔류 가스량을 사용 중에 용이하게 점검하기 쉽지 않고, 사후관리도 어렵다. 또한, 밀폐된 용기에 강압적으로 가스를 주입하는 경우는 설치 및 제조공정이 복잡한 단점이 있다.

이상에서 언급한 바와 같이, 배관 속을 흐르는 유체의 급속한 단속으로 야기된 괴음의 발생과 충격 및 진동에 의해 발생되는 제반 문제를 해결하기 위하여, 다양한 방법과 장치가 제안되었다. 그러나, 대표적인 선행 기술자료에서도 볼 수 있듯이 종래의 기술은 비압축성 유체의 급속한 단속에서 야기된 문제점을 부분적 혹은 일시적으로 해결하였으나, 기능구현, 경제성 및 유지비용 측면이 종합적으로 고려된 해결안을 제시하지는 못하였다. 또한, 문제 해결을 위해서 제안된 방법이 다른 문제를 일으키는 요인을 제공함으로써 문제에 내재한 기술적 모순이 근본적으로 해결되지는 못하였다.

도1. 본 고안에 따른 영구자석을 이용한 배관내 유체충격 흡수 장치의 외관도

도2. 영구자석을 이용한 배관내 유체충격 흡수 장치의 내부 부품을 보여주는 조립 단면도

도3. 영구자석을 이용한 배관내 유체의 충격 흡수장치의 부품 단면도

도1, 도2, 도3의 세부 부품명

(10): 주 배관 (main pipe-line)

(11): 주 배관 니플

(12): 슬라이딩 몸체1 (피스톤)

(13): 몸체와 주배관(11) 연결 볼트

(14): 영구자석을 이용한 배관내 유체충격 흡수장치의 본체 (챔버, chamber)

(15): 몸체 니플

(16): 영구자석을 삽입 성형한 (insert molding) 부품(16)을 몸체 쳄버(14)와 체결하기 위한 볼트

(17): 영구자석 (한 개 혹은 그 이상이 적층된 상태)

(18): O-링 (sealing을 위한 O-ring)

(19): O-링 (sealing을 위한 O-ring)

(20): 중간 슬라이딩 몸체2

(21): 영구자석 (한 개 혹은 그 이상이 적층된 상태)

(22): O-링 (sealing을 위한 O-ring)

(23): O-링 (sealing을 위한 O-ring)

(24): 영구자석 (한 개 혹은 그 이상이 적층된 상태)

(25) 주배관 (main pipe-line)으로부터 유입된 배관내의 유체

본 고안은 강자성(ferromagnetic)을 띤 영구자석의 자극(magnetic pole)이 서로 마주 보게 (N-S, S-N, N-S 등) 배열해 적층함으로써, 같은 극끼리 밀어내는 척력 (repulsive force)을 배관 내를 흐르는 유체의 급속한 단속에 의해 발생한 써지압력 (surge pressure)을 흡수하는데 사용할 수 있음을 기본 원리로 한다. 이는 영구자석의 경우, 스핀사이에 작용하는 힘이 스핀을 서로 평행하게 하도록 하여 한 방향으로 정렬된 성분이 강자성체 (ferromagnetic materials)에서 매우 큼으로써 외부로부터 자기장을 인가하지 않아도 자력선을 밖으로 계속해 내 놓을 수 있고, 같은 극 (magnetic pole) 끼리는 밀어내는 힘이 작용함에 착안한 것이다. 유체의 급속한 단속에 의해 생긴 써지압력 (surge pressure)을 유발하는 힘 (F)의 크기에 따라, 사용하는 영구자석의 형상과 크기 및 적층 배열을 결정할 수 있다. 1차원 배열의 경우, 다음 식을 참고로 하여 척력 (힘/면적=압력)과 유체의 급속한 단속에 의해 발생한 써지압력 간의 상관관계를 이해 할 수 있다. 자석의 질량을 m, 중력가속도를 g, 두 자석간에 작용하는 척력을 Fm , 유체 충격방지기 배관과 자석을 포함하는 슬라이딩 본체 표면간의 마찰계수를 μ, 두 자석간의 이격거리를 d, 힘F에 의해 디스크(자석)가 이동한 거리를 x라고 할 때, 다음 등식이 성립한다.

mx + μmg (lxl/x) = F + Fm(d)

이하, 본 고안에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 고안을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다. 도1과 도2는 본 고안에 따른 영구자석을 이용한 배관내 유체충격 흡수 장치의 외관도와 유체충격 흡수장치의 내부 부품을 보여주는 조립 단면도이다. 배관 속을 흐르는 유체를 급속히 단속 (closing)함으로써 괴음, 충격 및 진동에 의해 유체의 진행방향에 역으로 써지압력이 걸리고, 그 결과, 주 배관(10)에 연결된 충격 흡수장치의 챔버몸체(14, chamber body)로 유입된 충격파가 일차적으로 슬라이딩 몸체 (12, 피스톤 운동)에 전달된다. 이 충격파의 압력 (단면적으로 나눌 경우 충격력)으로 인해 슬라이딩 몸체(12)는 피스톤 운동을 하면서, 인입구(10)의 반대방향으로 미끄러진다. 그 결과, 슬라이딩 몸체1 (12)이 슬라이딩 몸체2 (20)에 접근해 간다. 이 때, 두 슬라이딩 몸체 내에 위치한 영구자석 (17, 21)과 고정체에 내재된 영구자석(24) 간의 거리가 짧아진다. 이 세 영구자석은 서로 같은 극 (magnetic pole) 끼리 마주보게 배열 (N-S, S-N, N-S)되어 있어서 두 슬라이딩 몸체와 고정체(16) 간에는 척력이 작용한다. 이 때 발생되는 척력의 크기는 세 몸체간의 이격거리에 반비례하여 증가하며, 충격파와 자력에 의한 반반력이 서로 상쇄되면서 충격을 흡수하게 된다. 본 고안에서 제안한 두 개 이상의 영구자석의 반발력을 이용해, 배관 속 기체 혹은 액체의 흐름을 의도적 혹은 비의도적으로 급속히 단속시킬 경우 발생하는 파괴력, 충격 및 진동 혹은 이들의 조합을 흡수하는 메카니즘 (mechanism, 기구)을 구현시킬 때, 써지압력의 크기에 따라 반발력의 크기를 계산하여 영구자석의 종류 혹은 크기와 숫자 (두 개 혹은 그 이상) 혹은 적층배열 등을 용도와 목적에 맞게 조합한다.

본 고안에서 성취하고자 하는 기능을 구현하는데 있어, 효과적인 한 방법으로 영구자석의 표면에 부식 저항성이 우수하고, 마찰계수가 매우 작을 뿐 아니라 (μ= 0.03～0.07), 물을 비롯한 각종 유체에 반응을 하지 않는 불활성인 물질(예: 태프론, Teflon)을 코팅하거나 표면을 개질 (surface modification) 시킨 재료를 사용함을 제안한다. 이 같이 함으로써, 배관 내에 흐르는 유체의 종류에 무관하게 성능의 극대화를 도모할 수 있다. 또한, 적층된 자석의 형상과 크기는 용도에 따라 다양하게 선택할 수 있으며, 우선적으로는 원형 디스크가 제조 및 원가 측면에서 바람직하다.

유체가 배관 속을 흐르고 있을 때, 유체의 흐름을 단속할 목적으로 전기나 혹은 공압 (pneumatic)에 의해 작동되는 밸브나 기계장치(devices)를 갑자기 닫을 것 같으면, 쾅 하는 소리와 함께 파괴력과 충격 및 진동이 발생한다. 본 고안에서는 두 개 이상의 영구자석의 반발력을 이용해, 배관 속 기체 혹은 액체의 흐름을 의도적 혹은 비의도적으로 급속히 단속시킬 경우 발생하는 파괴력, 충격 및 진동 혹은 이들의 조합을 흡수시켰다. 본 고안에서 언급된 유체 충격방지기 (ping-free fluid hammer arrester using permanent magnets)의 경우, 다음과 같은 장점이 있다.

(1) 수격의 흡수 원리로써 영구자력 (permanent magnetic field)을 이용하므로, 수명이 반영구적이고 구조가 간단하다.

(2) 시공이 간편하고, 필요에 따라 점검과 수리가 용이하다.

(3) 유체 충격 (즉, 써지압력)의 크기에 따른 대응이 용이하고, 정교한 제어가 가능하다.

(4) 기능을 구현하는데 있어 성능의 온도 의존성이 매우 작아 안정적이다.

Claims (3)

1. 길쭉한 원통형의 실린더 본체 (14)와

   그 상부에는 지름이 실린더 본체와 같고 영구자석이 내장된 피스톤을 상부로부터 삽입할 수 있도록 된 몸체 니플 (15)과

   영구자석을 삽입 성형한 (insert molding)한 캡 용도의 부품을 몸체쳄버 (14)에 체결하기 위한 볼트 (16)와

   이 니플을 통하여 원통형 실린더 몸체 속으로 서로 반발력이 작용하도록 같은 자극 끼리 마주보도록 배열하여 삽입 되도록한 슬라이딩 피스톤에 두개 혹은 그 이상의 영구자석과 양단에 O-링(23)을 장착하고 원통형 몸체 속으로 두개 혹은 그 이상의 슬라이딩 피스톤(12,20)을 같은 자극끼리 마주 보도록 삽입하여 대기중에서 넣어 봉합하고 원통형의 실린더 본체(14)의 하단부에는 지름이 실린더 몸체의 지름보다 작은 목 (neck, 주배관 니플, 11)을 돌려서 끼울 수 있게 된 것으로 목은 주배관에 체결 할 수 있게 연결볼트(13)로 구성됨을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 배관내 유체충격 흡수장치
2. 청구항 1 에 있어서 몸체와 주배관은 연결볼트(13)에 의해 체결되고 원통 형상을 한 슬라이딩 몸체인 피스톤(12.20)은 그 상단에 액상의 유체가 침투 하거나 세지 못하도록 O-링(23)이 위치하고 피스톤(12.20)에 내장된 영구자석은 서로 같은 극이 서로 마주보게 배열되어 피스톤 끼리 반발력을 발생시키고 유체의 단속에 의해 발생된 유체의 압력에 따라 방(chamber)에서 두 개의 피스톤이 종방향으로 움직일 수 있게 되어있어 피스톤을 사이에 두고 상부방과 중부방 그리고 하부방을 슬라이딩 몸체(피스톤)가 이동함으로써 단속에 의한 유체충격을 흡수할 수 있는 영구자석이 몸체에 내장되고 양단에 O-링이 장착된 슬라이딩 피스톤을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 배관내 유체충격 흡수장치
3. 청구항 1 에 있어서 같은 자극끼리 마주보게 두개 혹은 그 이상의 영구자석이 내장된 슬라이딩 피스톤(12.20)의 표면에 테프론 혹은 이와 혼합된 재료로 표면을 코팅하고 실린더 본체(14)의 내부표면도 테프론 혹은 이와 혼합된 재료로 코팅 된 것을 특징으로 하는 슬라이딩 피스톤(12.20)과 실린더 본체(14)를 특징으로 하는 영구자석을 이용한 배관내 유체충격 흡수장치