KR20030004227A - 나노미터크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치 - Google Patents
나노미터크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 나노미터 크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치로서, 전체 구조물에 작용하는 충격이나 진동으로 발생되는 외부의 외란을 전달시키는 피스톤과; 상기 피스톤을 수용하고 밀폐된 공간을 가지며, 상기 피스톤으로부터 외란이 전달되는 실린더와; 상기 실린더에 전달된 외란에 의해 압력이 가해지는 이질성 유체와; 상기 이질성 유체에 둘러싸이며 신축성 탄성재질로 형성된 탄성주머니와; 상기 탄성주머니의 내부에 수용된 물; 및 상기 탄성주머니의 내부에 수용되며 상기 물에 의해 둘러싸이는 나노미터 크기의 다공질 입자들;을 포함하여 구성되어, 중공구조 또는 미로구조를 가지는 나노미터크기 입자의 압축 및 압축해제시 이력 곡선에서 발생되는 에너지 소산작용에 의하여 기존의 유압 및 공압 감쇄장치에서 발생되는 다량의 발열 반응이 현저히 줄어들어 높은 에너지 소산 효율을 보이며, 감쇄장치 자체적으로 가역성을 가지고, 기존의 유압 또는 공압을 이용한 감쇄장치에 비해 경량화가 가능하고, 산업장치의 필요한 위치에 크기의 제한없이 장착이 가능한 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 에너지 감쇄장치로서, 전체 구조물에 작용하는 충격이나 진동으로 발생되는 외부의 외란을 전달시키는 피스톤과; 상기 피스톤을 수용하고 밀폐된 공간을 가지며, 상기 피스톤으로부터 외란이 전달되는 실린더와; 상기 실린더에 전달된 외란에 의해 압력이 가해지는 이질성 유체와; 상기 이질성 유체에 둘러싸이며 신축성 탄성재질로 형성된 탄성주머니와; 상기 탄성주머니의 내부에 수용된 물; 및 상기 탄성주머니의 내부에 수용되며 상기 물에 의해 둘러싸이는 나노미터 크기의 다공질 입자들;을 포함하여 구성되어, 다공질 입자들의 다공에 물이 진출입하면서 외란 에너지를 소산시키는 것을 특징으로 하는 나노미터크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치에 관한 것이다.
종래의 감쇄장치인 미국 특허등록번호 제6052992호에 의하면, 다공성 고체매트릭스에 유체가 드나들면서 외부로부터의 외란을 흡수하는 방식을 나타내고 있다.
또 다른 국내의 종래 감쇄장치는, 구조물에 작용하는 외란에 의한 에너지 감쇄를 위하여, 로드로부터 전달된 외란을 실린더를 통해 이동시키고, 이 때 감쇄장치 내부의 유체가 실린더의 오리피스를 통해 흘러가게 되어, 흘러가는 유체와 오리피스 내부와의 마찰 원리를 이용하여 작용하는 외란의 에너지를 감쇄시키는 것이다.
그러나, 종래의 감쇄장치는 유체와 오리피스 벽면과의 마찰로 인해 상당한 정도의 열에너지가 발생하여, 이 때 발생된 열에너지로 인하여 감쇄되는 에너지량이 상대적으로 줄어들게 되어 낮은 에너지 감쇄 효율을 보이는 문제점이 있다.
또한, 종래의 외란 감쇄장치는 주로 유압 및 공압을 이용한 유압 및 공압 완충장치가 사용되고 있지만, 유압 완충장치는 외란의 의한 에너지를 소산시키는 과정에서 다량의 열에너지가 발생하여 낮은 에너지 소산 효율을 나타내고, 유압 및 공압 완충장치의 특성상 완충설비 자체 크기의 소형화에 제한을 가지고 있으며, 외란 감쇄장치가 장착되는 전체구조물에는 외란의 작용 후 초기위치 회복장치인 탄성구조물을 동반하게 되어 경량화하기 어려운 믄제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 중공구조 또는 미로구조를 가지는 나노미터크기 입자의 압축 및 압축해제시 이력 곡선에서 발생되는 효과적인 에너지 소산작용으로 기존의 외란 완충장치보다 에너지 소산효율이 높으며, 감쇄장치 자체적으로 가역성을 가지며, 기존의 유압 및 공압을 이용한 감쇄장치에 비해 경량화가 가능하고, 산업장치의 필요한 위치에 크기의 제한없이 장착이 가능한 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 종래의 에너지 감쇄를 위한 유압 및 공압 장치를 나타낸 개략적인 구성도
도 2는 본 발명에 관한 나노미터크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치의 구성도
도 3은 본 발명에 사용되는 나노미터크기의 다공질 입자 내부구조도
도 4a는 본 발명에 따른 에너지 감쇄장치의 압축과 압축 해제시 다공질 나노 입자와 입자 외부의 물과의 체적 변화 과정에 대한 일실시예를 나타낸 개략도
도 4b는 본 발명에 따른 에너지 감쇄장치의 압축과 압축 해제시 다공질 나노 입자와 입자 외부의 물과의 체적 변화 과정에 대한 다른 실시예를 나타낸 개략도
도 5는 본 발명에 따른 에너지 감쇄장치의 압축과 압축 해제시의 이력곡선을 나타내는 그래프
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
10 : 피스톤 20 : 실린더
30 : 이질성 유체 40 : 탄성주머니
50 : 물 60 : 다공질 입자
62 : 중공구조 64 : 중공
66 : 미로구조 68 : 유로
110 : 외란에 의한 작용압력
120 : 작용압력에 의해 줄어든 전체 체적
130 : 유로에 유입된 체적
140 : 압축시 사이클 150 : 에너지 소산면적
160 : 압축 해제시 사이클
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 전체 구조물에 작용하는 충격이나 진동으로 발생되는 외부의 외란을 전달시키는 피스톤과; 상기 피스톤을 수용하고 밀폐된 공간을 가지며, 상기 피스톤으로부터 외란이 전달되는 실린더와; 상기 실린더에 전달된 외란에 의해 압력이 가해지는 이질성 유체와; 상기 이질성 유체에 둘러싸이며 신축성 탄성재질로 형성된 탄성주머니와; 상기 탄성주머니의 내부에 수용된 물; 및 상기 탄성주머니의 내부에 수용되며 상기 물에 의해 둘러싸이는 나노미터 크기의 다공질 입자들;을 포함하여 구성되어, 다공질 입자들의 다공에 물이 진출입하면서 외란 에너지를 소산시키는 것을 특징으로 하는 나노미터크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치를 기술적 요지로 한다.
본 발명은 또한 상기한 목적을 달성하기 위하여 상기 나노미터크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치는, 상기 다공질 입자들이 실리카(Sio2, sodium silicate), 실레인(silane), 감마 알루니늄 옥사이드 또는 그 혼합물로 제조되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 나노미터크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치는, 상기다공질 입자들이 중공구조나 미로구조를 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 나노미터크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치는, 상기 다공질 입자들이 입자의 중앙부 공간인 중공과 입자의 외부를 연결하는 통로인 유로를 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 나노미터크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치는, 상기 이질성 유체가 오일 또는 유기 유체등의 혼합물로 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노미터크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1은 종래의 에너지 감쇄를 위한 유압 및 공압 장치의 개략적인 구성도이며, 도 2는 본 발명에 관한 나노미터크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치의 구성도이며, 도 3은 본 발명에 사용되는 나노미터크기의 다공질 입자 내부구조도이며, 도 4a는 본 발명에 따른 에너지 감쇄장치의 압축과 압축 해제시 다공질 입자와 물과의 체적 변화과정에 대한 일실시예를 나타낸 개략도이며, 도 4b는 본 발명에 따른 에너지 감쇄장치의 압축과 압축 해제시 다공질 입자와 물과의 체적 변화과정에 대한 다른 실시예를 나타낸 개략도이며, 도 5는 본 발명에 따른 에너지 감쇄장치의 압축과 압축 해제시의 이력곡선을 나타내는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 구조물에 작용하는 외란 감쇄를 위한 종래의 감쇄장치는 도시된 바와 같은 구조를 가지고 있다.
종래의 감쇄장치는 외부로부터 전달된 외란이 피스톤(1)을 이동시키고, 이 때 감쇄장치 내부의 유체(2)가 상기 피스톤(1)의 오리피스(3)를 통해 흘러가게 된다.
즉, 종래의 감쇄장치는 흘러가는 유체(2)와 상기 오리피스(3) 내부와의 마찰 원리를 이용하여 작용하는 외란의 에너지를 감쇄시키는 것이다.
그러나, 유체(2)와 오리피스(3) 벽면과의 마찰로 인해 상당한 정도의 열에너지가 발생하게 되고, 발생된 열에너지로 인해 감쇄되는 에너지량이 상대적으로 줄어들게 되어 낮은 에너지 감쇄효율을 보인다.
도 2를 참조하면, 상기 나노미터크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치는 피스톤(10)과, 실린더(20)와, 이질성 유체(30)와, 탄성주머니(40)와, 물(50)과, 다공질 입자(60)를 포함하여 구성된다.
상기 피스톤(10)은 전체 구조물에 작용하는 충격이나 진동으로 발생되는 외부의 외란을 상기 에너지 감쇄장치의 실린더(20)로 전달하는 것이다.
상기 피스톤(10)에는 실링(12)이 포함되어 있어, 상기 피스톤(10)과 실린더(20) 사이의 간극을 방지하여 실린더(20) 내부를 밀폐시켜 준다.
상기 실린더(20)는 상기 피스톤(10)을 수용하고 밀폐된 공간을 가지며, 상기 피스톤(10)으로부터 외부의 외란이 전달되며, 전체구조물에 고정되는 부분이다.
상기 이질성 유체(30)는 상기 실린더(20)에 전달된 외란에 의해 압력이 가해지면, 상기 실린더(20) 내부의 밀폐된 공간에 의해 후술하는 탄성주머니(40)를 압축시키는 것으로서, 오일 또는 유기 유체등의 혼합물로 형성된다.
상기 탄성주머니(40)는 상기 이질성 유체(30)에 둘러싸여 있으며, 외란에 의해 압축된 상기 이질성 유체(30)에 의해 수축하게 되며, 후술하는 물(50)과 다공질입자(60)를 밀봉하는 것으로서 신축성 탄성재질인 고무 등으로 형성된다.
상기 탄성주머니(40)는 상기 실린더(20) 내부에 한개 또는 다수개가 들어갈 수 있다.
상기 물(50)은 상기 다공질 입자(60)를 둘러싸고 있는 것으로서, 상기 다공질 입자(60)의 표면은 코팅처리가 되어 있어 물(50)에 녹지 않는다.
상기 다공질 입자(60)는 무기염 물질인 실리카(Sio2, sodium silicate), 실레인(silane), 감마 알루니늄 옥사이드 또는 그 혼합물로 만들어지며, 직경 수백 나노미터(nm:10억분의 1 m) 내지 수 마이크로미터(㎛:100만분의 1 ｍ)의 크기로 만들어진 아주 미세한 초미립자로 구형의 형상을 하고 있다.
일반적으로 실리카(Sio2)는 모래와 같은 성분의 산화규소로서, 중공성 및 다공성을 띄며, 입도분포가 균일하고, 자유로운 크기조절이 가능하다.
상기 다공질 입자들(60)은 나노 입자의 형상과 비중을 계산한 뒤 무기염에 촉매제를 넣고 반응시켜 공모양의 입자를 만들어 내고, 이 입자들을 다시 고온으로 가열, 이물질을 태우고 물을 증발시키는 방식으로 만들어진 다공성 실리카(Sio2)를 사용한 것이다.
상기 다공질 입자들(60)은 상기 탄성주머니(40)에 내부에 수용되며, 상기 물(50)에 의해 둘러싸인다.
본 발명의 일실시예에서는 상기 다공성 실리카(Si02)를 사용한 나노미터 크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치를 설명한다.
도 3은 본 발명에 사용되는 나노미터 크기의 다공질 입자를 개략적으로 도시한 것이다.
상기 나노미터 크기의 다공질 입자들(60)은 분말제조공정에 따라 중공 구조(62)와 미로 구조(66)를 가질 수 있다.
상기 중공 구조(62)의 나노입자는 입자의 중앙부 공간인 중공(64)과 입자 외부와의 연결 통로인 유로(68)가 형성되어 있다.
상기 중공(64)의 직경은 수 나노미터(nm)내지 수백 나노미터(nm)의 크기를 가진다.
한편, 상기 미로 구조(66)의 나노입자는 입자 외부와의 연결통로인 유로(68)가 형성되어 있다.
상기 유로(68)는 외란에 의해 상기 탄성주머니(40)가 압축될 때 물 분자 클러스터 단위 집합체가 상기 다공성 입자들(60)의 유로(68)로 유입하고, 압축이 해제될 때 상기 물(50)이 다시 상기 유로(68)를 따라 유출되면서 발생되는 에너지 소산기능에 의해 외란 감쇄에 활용되어지는 것이다.
즉, 본 발명은 외부의 외란에 의해 상기 탄성주머니(40)가 압축 또는 압축 해제될 때 나노입자의 미세 구멍 내에 물분자의 작은 클러스터 단위의 작은 집합체의 흐름상태에서 발생되는 감쇄 기능을 이용하는 것이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 에너지 감쇄장치에 외부의 외란에 의해 압축이 가해지고 그 압축이 해제될 때, 두 가지 종류의 다공질 입자와 물과의 체적 변화과정에 대한 개략적인 그림을 도시한 것이다.
도 4a는 중공 구조를 가지는 다공질 입자가 외부의 외란에 의해 압축이 가해졌을 때를 순차적으로 나타낸 것이다.
외부의 외란에 의해 상기 탄성주머니(40)가 압축되면, 압축된 체적만큼 물(50)이 다공성 입자들(60)의 유로를 따라서 유입되게 된다.
다시 압축이 해제되면, 상기 물(50)이 다시 상기 유로(68)를 따라서 유출되면서 상기 탄성주머니(40)는 원래의 크기로 회복되며, 이 때 발생되는 에너지 소산기능에 의해 외란 감쇄에 활용되어지는 것이다.
도 4b는 미로 구조를 가지는 다공질 입자가 외부의 외란에 의해 압축이 가해졌을 때를 순차적으로 나타낸 것이다.
즉, 외부의 외란에 의해 압축이 가해질 때 외부에서 가해지는 압력과, 압축이 해제될 때 나노입자 내부에서 가해지는 압력의 차이가 감쇄장치의 에너지 소산 기능을 발휘한다.
도 5는 본 발명에 따른 에너지 감쇄장치의 압축과 압축 해제시의 이력곡선을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 실선으로 나타낸 것이 압축 시의 곡선(140)이고, 일점쇄전으로 나타낸 것이 압축 해제시의 곡선(160)이다.
상기 두 곡선 사이의 면적이 압축과 압축해제시의 감쇄된 에너지량(150)을 나타낸다.
본 발명에 의한 나노미터크기의 다공성 입자를 이용한 에너지 감쇄장치는 압축 및 압축 해제시 다공질 입자들의 다공에 물이 진출입하면서 전체 구조물에 작용하는 충격이나 진동으로 발생되는 외란에 의한 에너지를 소산시키는 고도의 나노기술을 응용한 에너지 감쇄장치로써, 일반 차량용 완충장치, 건물 및 다리 건축시 설치되는 내진용 완충장치, 항공기 이착륙시 사용되는 랜딩 기어용 완충장치, 선박의 대형 엔진에 설치되는 엔진마운트, 그리고 발전소 발전설비에 장착되는 완충장치에 유용하게 사용될 수 있다.
도면과 명세서는 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
그러므로, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상 설명한 본 발명에 따른 수 내지 수백 나노미터 크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치는, 중공 구조 또는 미로 구조를 가지는 나노미터크기 입자의 압축 및 압축해제시 이력 곡선에서 발생되는 에너지 소산작용에 의하여 기존의 유압 및 공압 감쇄장치에서 발생되는 다량의 발열 반응이 현저히 줄어들어 높은 에너지 소산 효율을 보이며, 감쇄장치 자체적으로 가역성을 가지고, 기존의 유압 또는 공압을 이용한 감쇄장치에 비해 경량화가 가능하고, 산업장치의 필요한 위치에 크기의 제한없이 장착이 가능한 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치를 제공할 수 있는 이점이 있다.
Claims (7)
- 전체 구조물에 작용하는 충격이나 진동으로 발생되는 외부의 외란을 전달시키는 피스톤과;상기 피스톤을 수용하고 밀폐된 공간을 가지며, 상기 피스톤으로부터 외란이 전달되는 실린더와;상기 실린더에 전달된 외란에 의해 압력이 가해지는 이질성 유체와;상기 이질성 유체에 둘러싸이며 신축성 탄성재질로 형성된 탄성주머니와;상기 탄성주머니의 내부에 수용된 물; 및상기 탄성주머니의 내부에 수용되며 상기 물에 의해 둘러싸이는 나노미터 크기의 다공질 입자들;을 포함하여 구성되어,다공질 입자들의 다공에 물이 진출입하면서 외란 에너지를 소산시키는 것을 특징으로 하는 나노미터크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치.
- 제1항에 있어서, 상기 다공질 입자들은,실리카(Sio2, sodium silicate), 실레인(silane), 감마 알루니늄 옥사이드 또는 그 혼합물로 제조되는 것을 특징으로 하는 나노미터크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다공질 입자들은,중공구조를 가지는 것을 특징으로 하는 나노미터크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치.
- 제3항에 있어서, 상기 다공질 입자들은,입자의 중앙부 공간인 중공과 입자의 외부를 연결하는 통로인 유로를 가지는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다공질 입자들은,미로구조를 가지는 것을 특징으로 하는 나노미터크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치.
- 제5항에 있어서, 상기 다공질 입자들은,입자의 외부를 연결하는 통로인 유로를 가지는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치.
- 제1항에 있어서, 상기 이질성 유체는,오일 또는 유기 유체등의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 다공질 입자를 이용한 에너지 감쇄장치.
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Citations (3)
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2002
- 2002-12-04 KR KR1020020076510A patent/KR20030004227A/ko not_active Application Discontinuation
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |