KR200326759Y1 - 다공성 무기재료를 이용한 콜로이드 감쇄기 - Google Patents

다공성 무기재료를 이용한 콜로이드 감쇄기 Download PDF

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KR200326759Y1
KR200326759Y1 KR20-2003-0018188U KR20030018188U KR200326759Y1 KR 200326759 Y1 KR200326759 Y1 KR 200326759Y1 KR 20030018188 U KR20030018188 U KR 20030018188U KR 200326759 Y1 KR200326759 Y1 KR 200326759Y1
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문병영
김흥섭
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주식회사 나노피크
김학철
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Abstract

본 고안은 다공성 무기재료를 이용한 콜로이드 감쇄기를 게시한다. 본 고안에 따른 콜로이드 감쇄기는 소수화 코팅 처리된 미세 기공이 있는 다공성 무기재료 입자가 분산유체에 콜로이드 상으로 분산되어 있는 콜로이드 유체를 실장하고 있는 실린더; 및 상기 실린더의 내면을 따라 가이딩되며 외란에 의한 기계적 에너지를 상기 콜로이드 유체에 전달하는 피스톤을 포함하되, 상기 콜로이드 유체는 상기 기계적 에너지를 상기 다공성 무기재료 입자의 미세 기공을 통한 분산유체의 유입과 방출로 소산시키는 것을 특징으로 한다. 고안에 따른 콜로이드 감쇄기는 포이젤 클리핑 유동 모델에 따라 외란에 의한 기계적 에너지를 높은 효율로 소산시킬 뿐만 아니라 발생되는 열량도 매우 작다. 따라서 각종 산업용 충격 흡수용 감쇄기나 내진용 감쇄기 등에 널리 적용할 수 있다.

Description

다공성 무기재료를 이용한 콜로이드 감쇄기{Colloidal Damper Using Mesoporous Inorganic Material}
본 고안은 감쇄기에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 외란에 의한 기계적 에너지의 소산 메카니즘을 제공하는 미세 기공을 구비한 무기재료를 이용한 콜로이드 감쇄기에 대한 것이다.
산업시설의 기계 중 외부에 대한 충격흡수 장치는 여러 가지가 있다. 이러한 장치 중에서 널리 사용되고 있는 것이 피스톤, 실린더, 점성유체 및 좁은 관인 오리피스 구조로 이루어진 유압 감쇄기이다. 도1은 종래의 유압 감쇄기에서 작동유체가 좁은 오리피스를 통해 유입되면서 외란에 의한 기계적 에너지를 소산시키는 원리를 간략하게 보여준다.
도1을 참조하면, 종래의 유압 감쇄기(10)는 피스톤(20), 체크 밸브(30), 어큐뮬레이터(40), 내부 실린더(50), 외부 실린더(60), 복수개의 오리피스(70), 복귀 스프팅(80) 및 내부 실린더(50)에 주입된 점성유체(90)를 포함한다. 상기 유압 감쇄기(10)에 있어서, 외란에 의한 기계적 에너지 인가로 야기되는 피스톤(20)의 운동은 내부 실린더(50)의 내면을 따라 가이딩되고, 상기 내부 실린더(50)의 내부 공간은 피스톤(20)을 경계로 우실과 좌실로 구획된다. 그리고 상기 피스톤(20)과 체크 밸브(30)는 피스톤 로드(100)와 일체형으로 구성된다.
상기 유압 감쇄기(10)에 질량을 가진 운동 물체의 충돌로 힘이 가해지면 피스톤(20)이 내부 실린더(50)의 좌측으로 이동하면서 점진적으로 오리피스(70)를 막아 내부 실린더(50)의 압력을 증가시킨다. 그러면, 내부 실린더(50)의 좌실에 있던 점성유체(90)가 오리피스(70)를 통해 외부 실린더(60)로 분출하여 회유구(110)를 통해 내부 실린더(50)의 우실로 유입 저장되고 그래도 초과되는 점성유체(90)는 어큐뮬레이터(40)에 임시 저장된다. 이 때 피스톤(20)에 구비된 체크 밸브(30)는 폐쇄됨으로써 점성유체(90)가 피스톤(20)을 통하여 좌실에서 우실로 직접 유동하는 것을 방지한다. 이는 오리피스(70)를 통한 점성유체(90)의 유동이 유압 감쇄기(10)에 가해지는 기계적 에너지의 소산에 더욱 효과적인 점을 감안한 것이다.
상기 유압 감쇄기(10)에 가해졌던 외부 충격이 제거되면 내부 실린더(50)의좌실에 실장된 복귀 스프링(80)의 탄성력에 의해 피스톤(20)은 원래의 위치로 복귀된다. 이 때 내부 실린더(50)의 우실에 있던 점성유체(90)는 회유구(110)와 오리피스(70)를 통하여 내부 실린더(50)의 좌실로 유입된다. 그리고 피스톤(20)의 복귀 시에는 체크 밸브(30)가 개방되어 우실에 있던 점성유체(90)가 빠르게 좌실로 유입되는 것을 도움으로써 짧은 시간 안에 유압 감쇄기(10)를 외부 충격이 인가되기 전의 상태로 복원시킨다.
상술한 유압 감쇄기(10)는 좁은 영역의 오리피스(70)를 지나는 점성유체(90)의 흐름을 통한 에너지 소산 원리를 이용하여 임의의 구조물에 작용하는 충격이나 진동을 억제하는 원리를 이용한 기계장치로써 기계 구조물 등에서 사용되고 있다. 그러나 종래의 유압 감쇄기(10)는 외부에서 가해진 충격을 흡수할 때 감쇄기의 유체 내부에서 열이 발생하여 점성유체(90)의 성질이 바뀔 수 있다. 또한 가해진 충격에 의해 내부 실린더(50)의 좌측으로 이동한 피스톤(20)은 자력으로 복원하지 못하므로 피스톤(20)의 복원력을 제공하는 스프링(80)을 실린더 내부에 추가로 설치해야 하기 때문에 장치의 구조가 복잡하다. 또한 종래의 유압 감쇄기(10)는 외부 충격이 제거되었어도 피스톤이 복원하는데 걸리는 시간이 길어서 다음에 오는 외부 충격에 적절하게 대응하지 못할 뿐만 아니라 대응 주파수 대역이 좁은 한계가 있다.
본 고안은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 분산 유체에 콜로이드 상으로 분산되어 외란에 의한 기계적 에너지를 높은 효율과적은 발열로 소산시킬 수 있는 새로운 메카니즘을 가진 무기재료를 이용한 콜로이드 감쇄기를 제공함으로써, 각종 용도로 쓰이는 충격 감쇄기의 기계적 구조의 단순화와 충격 에너지 소산의 고 효율화를 가능하게 하고 에너지 소산 과정에서 발열량을 최소화시키는데 그 목적이 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 고안의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 고안의 상세한 설명과 함께 본 고안의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 고안은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도1은 종래의 유압 감쇄기의 구성을 도시한 단면도.
도2는 본 고안의 실시예에 따른 콜로이드 감쇄기의 구조를 도시한 단면도.
도3은 콜로이드 감쇄기에 이용된 다공성 무기재료 입자의 구조를 도시한 입자 구조도.
도4는 콜로이드 감쇄기에 이용되는 다공성 무기재료 입자 중 중공구조를 가지는 실리카 겔 입자의 각종 현미경 사진.
도5는 상기 실리카 겔 입자의 미세 기공에 형성된 소수화 코팅층의 화학 결합 태양을 도시한 화학 결합도.
도6은 상기 실리카 겔 입자의 미세 기공에 형성되는 유체유입 반항력을 설명하기 위한 도면.
도7은 상기 콜로이드 감쇄기를 병과 병목 이론으로 모델링하고 피스톤의 압축과 복원 과정을 열역학적으로 설명하기 위한 도면.
도8은 상기 콜로이드 감쇄기에 외란이 인가될 때 실리카 겔 입자의 미세 기공으로 분산 유체인 물이 유입되는 과정을 도시한 도면.
도9는 상기 콜로이드 감쇄기의 압축과 복원 과정을 열역학적으로 해석하기 위한 PV 상태도.
도10은 실험을 통하여 얻은 상기 콜로이드 감쇄기의 에너지 이력 곡선.
도11은 포이젤 유동 모델에 의한 유체 유동 개념을 설명하기 위한 도면.
도12는 포이젤 클리핑 모델에 의한 유체 유동 개념을 설명하기 위한 도면.
도13은 실리콘 오일과 실리카 겔 입자와, 물과 실리카 겔 입자를 이용한 콜로이드 감쇄기에 외란이 작용했을 때의 압력변화 사이클을 보여 주는 그래프.
도14 및 도15는 본 출원인이 실험을 수행할 때 사용한 장치의 구성도.
도16 내지 도33은 상기 실험을 통하여 얻은 각종 그래프.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 고안에 따른 콜로이드 감쇄기는 소수화 코팅 처리된 미세 기공이 있는 다공성 무기재료 입자가 분산유체에 콜로이드 상으로 분산되어 있는 콜로이드 유체를 실장하고 있는 실린더; 및 상기 실린더의 내면을 따라 가이딩되며 외란에 의한 기계적 에너지를 상기 콜로이드 유체에 전달하는 피스톤을 포함하되, 상기 콜로이드 유체는 상기 기계적 에너지를 상기 다공성 무기재료 입자의 미세 기공을 통한 분산유체의 유입과 방출로 소산시키는 것을 특징으로 한다.
본 고안에 있어서, 상기 다공성 무기재료 입자는 소정 질량으로 소액성(lyophobic) 유체에 콜로이드 상으로 분산되어 있는 것이 바람직하다.
본 고안에 있어서, 상기 다공성 무기재료 입자는 외부에서 압력이 가해지면 미세 기공으로 분산 유체를 입자의 내부로 인입시켜 입자 내부에 공기압을 형성하였다가 압력이 해제되면 상기 미세 기공의 계면에 발생되는 표면장력과 상기 공기압의 작용으로 분산 유체를 외부로 방출하는 것이 바람직하다.
본 고안에 있어서, 상기 다공성 무기재료 입자의 미세 기공 크기는 1 ~ 10 nm 인 것이 바람직하다.
본 고안에 있어서, 상기 콜로이드 유체에는 다공성 실리카 겔 입자, 다공성 알루미늄 옥사이드 입자, 카본 나노 튜브 입자 또는 이들의 혼합물이 콜로이드 상으로 분산되어 있을 수 있다.
본 고안에 있어서, 상기 콜로이드 유체에는 다공성 세라믹인 Al-Si 입자, C-Si 입자, Cr-Si 입자 또는 이들의 혼합물이 콜로이드 상으로 분산되어 있을 수 있다.
본 고안에 있어서, 상기 분산유체는 소액성 유체인 물, 수성의 용매, 자성 액체, 액상 수은, 액상 납, 액상 플럭스 또는 소금물일 수 있다.
본 고안에 있어서, 상기 다공성 무기재료 입자는 단일 유로 구조, 미로 구조, 이중유로 구조 또는 중공 구조를 가질 수 있다.
본 고안에 있어서, 상기 다공성 무기재료 입자의 미세 기공에는 기공 표면에 화학 결합된 알킬실란(alkylesilane)의 선형 체인으로 이루어진 소수화 코팅층이 형성되어 있을 수 있다.
본 고안에 있어서, 상기 콜로이드 유체에는 서로 다른 미세 기공 구조를 가지는 2종 이상의 다공성 무기재료 입자가 분산되어 있을 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 고안자는 그 자신의 고안을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에입각하여 본 고안의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 고안의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 고안의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도2는 본 고안의 실시예에 따른 콜로이드 감쇄기(120)의 구성을 도시한다.
도2를 참조하면, 상기 콜로이드 감쇄기(120)는 종래의 유압 감쇄기(도1 참조)와 비교하였을 때 그 구조가 매우 간단하다는 것을 확인할 수 있다. 상기 콜로이드 감쇄기(120)는 실린더(130)와, 실린더 로드(150)에 결합되어 상기 로드(150)를 매개로 한 외란에 의한 기계적 에너지 인가 또는 제거시 상기 실린더(130)의 내면을 따라 왕복 운동하는 피스톤(140)과, 상기 실린더(130)의 내부에 실장되어 상기 피스톤(140)을 매개로 인가되는 외란에 의한 기계적 에너지를 소산시키는 콜로이드 유체(180)를 포함한다. 상기 피스톤(140)의 외주에는 상기 콜로이드 유체(180)가 상기 실린더(130)와 피스톤(140)의 미세한 간극으로 유출되는 것을 방지하는 환형 실링(150)이 구비될 수 있다.
상기 콜로이드 유체(180)는 분산유체(160)와, 이 분산유체(160)에 콜로이드 상으로 분산되어 있는, 소수화 코팅 처리된 미세 기공이 있는 다공성 무기재료 입자(170)를 포함한다.
상기 분산유체(160)는 다공성 무기재료 입자(170)가 콜로이드 상을 유지할 수 있도록 하는 소액성(lyophobic) 유체인 것이 바람직하다. 이러한 소액성 유체로는 물, 수성의 용매, 자성 액체, 액상 수은, 액상 납, 액상 플럭스 또는 소금물을 들 수 있는데, 본 고안에 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 콜로이드 유체(180)에는 다공성 무기재료 입자(170)로서 다공성 실리카 겔 입자, 다공성 알루미늄 옥사이드 입자, 카본 나노 튜브 입자, 다공성 세라믹인 Al-Si 입자/C-Si 입자/또는 Cr-Si 입자, 또는 이들의 혼합물이 분산되어 있을 수 있는데, 본 고안이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 콜로이드 유체(180)는 피스톤(140)의 압축으로 전달되는 외란에 의한 기계적 에너지를 소산시키는데, 특히 다공성 무기재료 입자(170)가 그 기능을 담당한다. 보다 구체적으로, 상기 다공성 무기재료 입자(170)는 외란 인가시 분산유체(160)가 입자의 내부로 유입되었다가 외란 제거시 분산유체(160)가 입자의 외부로 방출될 수 있는 유로의 기능을 하는 나노 사이즈 레벨의 미세 기공을 가진다.
미세 기공을 통한 분산유체(160)의 유동시 무기재료 입자에서는 공기(입자 내부에는 분산유체(160)의 증기도 포함되어 있으나 증기의 량이 적으므로 이하에서는 이를 무시하기로 한다)의 압축과 팽창이 일어남으로써 외란에 의한 기계적 에너지의 소산이 이루어진다. 이는 후술하겠지만 공기의 압축과 팽창 과정에서 에너지 소산이력 현상이 실험적으로 관찰된다는 점으로부터 뒷받침된다. 이러한 에너지 소산이력 현상은 상기 미세 기공에 형성되어 있는 소수화 코팅층에 의해 유발되는 큰 라플라스 모세관 압력과 입자 내 공기와 분산유체(160)의 경계를 기준으로 입자 내부에 형성되는 공기압(분산유체(160)의 증기압도 포함되나 그 크기가 작으므로 여기에서는 이를 무시하기로 한다)이 미세 기공을 통한 분산유체(160)의 유동 양상을 주로 결정한다는 것에 의해 발생된다.
상기 미세 기공은 후술할 포이젤 클리핑(Poiseuille clipping) 모델에 의한 유체의 슬립 유동에 의해 외란에 의한 기계적 에너지를 소산시킨다. 상기 슬립 유동은 분산유체(160)의 분자 또는 그 클러스터의 슬립 유동을 의미하는데, 이를 위해서는 상기 미세 기공의 크기는 나로 레벨, 보다 상세하게는 1~10nm 의 디멘션을 가지는 것이 바람직하다.
보다 구체적인 실시예에서, 상기 콜로이드 유체(180)는 소액성 유체인 물과 여기에 분산되고 소수화 코팅처리가 된 다공성 실리카 겔 입자로 이루어진다. 물론, 본 고안에 따른 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
도3은 본 고안에 따른 콜로이드 감쇄기에 이용되는 콜로이드 유체를 구성할 수 있는 다공성 실리카 겔 입자의 구조를 예시하여 보여준다. 상기 실리카 겔 입자는 그 제조 방법에 따라서 단일유로 구조(도3의 (a)), 이중유로 구조(도3의 (b)), 미로 구조(도3의 (c)) 또는 중공 구조(도3의 (d))를 가진다. 상기 각 구조에 따른 실리카 겔 입자는 후술할 에너지 소산 메카니즘을 제공하는 충격 감쇄용 물질로 사용되기에 적합한 1~10 나노(nm) 사이즈의 미세한 기공을 가진다. 상기 미세 기공은 소액성 유체인 물이 입자로 유입되거나 입자로부터 배출되는 유로의 기능을 수행한다. 상기 실리카 겔 입자의 내부에는 근본적으로 상기 미세 기공을 통하여 공기가 유입됨으로써 외부 대기압과 평행을 이루는 공기압이 형성되어 있다.
도4는 중공구조(도3의 (d))를 가지는 실리카 겔 입자를 확대하여 도시한 것이다. 도4의 (a)는 입자의 내부에 중공(190)이 형성되어 있고 입자에 다수의 미세 기공(200)이 형성되어 있는 구조를 명시적으로 보여주는 광학 현미경 사진이고, 도4의 (b)는 입자를 광학 현미경으로 관찰한 사진이고, 도4의 (c)는 입자를 전자기적으로 스캐닝하여 관찰한 사진이다. 도4의 (c)를 참조하면 상기 실리카 겔 입자는 입자 내부에 있는 중공(190)과 연통하는 미세 기공(200)을 가지고 있음을 확인할 수 있다.
상기 실리카 겔 입자는 하기 화학식 1 및 2에 의해 형성된다.
<화학식1>
<화학식2>
위 화학식1에 있어서, 규산은 규산나트륨과 황산의 화학반응으로 생성된다. 그리고 위 화학식2에 따른 규산의 화학적 분해로 생성되는 이산화 규소는 실리카 겔의 초기 입자 형태를 구성한다. 입자의 표면에서는 규산의 상이한 화학적 분해 작용으로 물에 강한 친화력을 띄는 수산화 이온(-OH) 그룹이 형성되고, 그 결과 최종 생성된 실리카 겔 입자들은 본질적으로 강한 친수성을 띄는 물질이 된다. 미세 기공을 가진 실리카 겔 입자의 삼차원 구조는 화학적 결합이 형성되는 동안 초기 입자들에 의해 형성된다. 즉, 초기 입자의 형성 조건을 조정함으로써 서로 다른 미세 기공의 직경과 다공성도를 가지는 다양한 구조의 실리카 겔을 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 실리카 겔 입자는 미세 기공으로 인해 큰 내부 표면적과 높은 다공성을 보유하게 된다. 예를 들어, 티스푼 하나의 실리카 겔은 일반적인 테니스 코트의 면적보다 더 큰 표면적을 가진다.
본 고안에 있어서, 상기 실리카 겔 입자의 미세 기공의 내면을 포함하는 표면에는 소수화 코팅처리로 인해 소정 두께의 소수화 코팅층이 형성되어 있다. 본 고안의 구체적인 실시예에서, 상기 소수화 코팅층은 도5에 도시되어 있는 바와 같이 상기 실리카 겔 입자의 표면에 분포하는 OH 기와의 화학반응으로 생성된 n-알킬실레인(n-alkylsilane)의 선형 체인으로 이루어진다. 상기 선형 체인은 할로겐화된 알킬실레인이 입자 표면에 분포하는 OH 기와 반응하여 입자의 표면에 코팅된 것으로서, n-알킬실레인의 분자체''(n=18: 이하 C18)(도5의 A 참조) 또는''(n=1: 이하 C1)(도5의 B 참조)의 선형 체인으로 이루어질 수 있다. 상기 소수화 코팅층의 두께는 상기 선형 체인의 길이에 의존한다. 상기 소수화 코팅층이 C1인 경우 코팅층의 두께는 0.3 nm 정도가 되고, 상기 소수화 코팅층이 C18인 경우 코팅층의 두께는 1.2 nm 정도가 된다.
상기 실리카 겔 입자는 콜로이드 유체 내에 콜로이드 상으로 분산되어 있다. 상기 콜로이드 유체에 분산되어 있는 실리카 겔 입자는 유체에 외란이 가해졌을 때 충격 에너지를 소산하는 특이성을 가진다. 도6은 이러한 실리카 겔 입자의 특이성을 개념적으로 보여준다.
도6을 참조하면, 실리카 겔 입자는 콜로이드 유체에 분산되어 있을 때 유체에 아무런 외란이 가해지지 않으면 미세 기공을 통해 분산 유체인 물을 입자의 내부로 유입시키지 않는다. 이는 입자 내부에 있는 공기압과 분산 유체의 표면장력에 의해 미세 기공에 형성되는 큰 라플라스 모세관 압력이 분산 유체인 물의 유입을 저지하는 현상에 의해 설명될 수 있다. 실리카 겔 입자 내로의 분산 유체 유입을 저지하는 압력은 하기 식1에 의해 표현될 수 있다.
(1)
위 수학식1에서 σ는 분산 유체의 표면장력을, θ는 분산 유체의 접촉 각도를, a는 미세 기공의 반경을 나타낸다. 이하, 상기 압력 P는 유체유입 반항력이라 칭할 수 있다. 그리고 상기 입자의 내부에는 어느 정도의 수증기압이 있으나 이는 공기압과 비교할 때 그 크기가 작아 물리적 의미가 크지 않으므로 이하에서는 설명의 편의를 위해 상기 수증기압에 대한 언급은 생략하기로 한다.
한편, 상기 식1에 따른 유체유입 반항력보다 큰 압력을 콜로이드 유체에 인가하는 외란이 발생되면, 상기 실리카 겔 입자는 미세 기공을 통하여 분산 유체인 물을 입자의 내부로 유입시킨다. 이 때, 상기 미세 기공에는 소수화 코팅층이 형성되어 있어 물 분자 또는 물분자 클러스터의 점성 유착이 방해되기 때문에 미세 기공을 통한 분산 유체의 입자 내 유입은 용이하게 이루어진다. 그리고 콜로이드 유체에 인가되었던 외란이 제거되면 상기 식1에 따른 압력이 분산 유체인 물을 입자의 외부로 배출시키는 힘으로 주로 작용하여 입자 내로 유입되었던 분산 유체를 미세 기공을 통하여 외부로 배출시키게 된다. 이러한 외부 외란 인가 또는 제거에 따라 실리카 겔 입자의 미세 기공에서 발생되는 분산 유체의 유동은 실리카 겔 입자에 의한 외부 충격 에너지 소산 메카니즘을 제공한다. 외부 충격 에너지의 소산은 외란이 작용될 때 입자 내로 공기를 압축하는 과정에서 입자에 대해 행해진 일과 외란이 제거되었을 때 입자 밖으로 분산 유체를 배출하는 과정에서 입자가 한 일의 차이로 발생하게 된다. 이론적으로, 콜로이드 유체 내에서 소산된 에너지의 총 량은 전체 실리카 겔 입자에서 소산된 에너지의 총합으로 표현될 수 있다.
거시적인 관점에서 상술한 구체적인 실시예를 기초로 도2를 다시 참조하면, 상기 콜로이드 감쇄기(120)는 외란에 의한 기계적 에너지가 피스톤(140)을 매개로 인가되면, 피스톤(140)이 A 방향으로 이동함으로써 실린더(130)에 담긴 콜로이드 유체(180)를 압축한다. 실리카 겔 입자(170)가 분산된 유체인 물(160)은 비압축성을 가지므로 실리카 겔 입자(170)의 표면에 대한 법선 방향으로 압력이 작용된다. 이 때 압력이 상기 식1에 따른 유체유입 반항력보다 크면, 상기 콜로이드 유체(180)에 담긴 실리카 겔 입자(170)에 존재하는 미세 기공으로 물이 유입되므로써 입자 내부에 있는 공기를 압축시키게 된다. 반대로, 외란에 의한 기계적 에너지의 인가가 해제되면 실리카 겔 입자(170)의 소수화 처리를 통하여 미세 기공의 내벽에서 발생되는 표면장력에 의한 라플라스 모세관 압력과 입자 내부에 존재하는 공기압에 의한 유체유입 반항력이 입자 내부로 유입되었던 물을 입자의 미세 기공을 통하여 밖으로 밀어내게 된다. 이러한 과정은 공기 압축-공기 팽창 행정으로 모델링이 가능하며 1회 행정이 이루어지면 실리카 겔 입자에서 외란에 의한 기계적 에너지의 소산이 이루어지게 된다. 이러한 에너지 소산은 공기 압축 행정과 공기 팽창 공정에서 표면장력에 의해 행해진 일의 차이로 발생하게 된다. 콜로이드 유체(180)에 포함되어 있는 실리카 겔 입자(170) 레벨에서 발생되는 에너지 소산량을 모두 합하면 콜로이드 유체(180)에 의한 전체 에너지 소산량을 계산할 수 있다.
도7은 상기 콜로이드 감쇄기에서 외란에 의한 기계적 에너지를 실리카 겔 입자 레벨에서 소산시키는 메카니즘을 병과 병목 이론(Neck-Bottle Theory)을 이용하여 모델링하여 보여주는 개념도이다. 상기 병과 병목 이론에 의한 콜로이드 감쇄기의 모델링은 실리카 겔 입자에 포함되어 있는 미세 기공에 의한 유로를 제외한 내부 중공(입자 전체의 총합)과 상기 유로(입자 전체의 총합)의 체적을 각각 병( bottle)(220)과 병목(neck)(210)으로, 그리고 전체 실리카 겔 입자에 포함되어 있는 공기를 병속의 공기(230)로 매핑하는 것에 의해 달성된다. 물론, 실리카 겔 입자에 소수화 코팅층이 형성되어 있는 사실은 상기 병목(210)과 병(220)의 내면에 소수화 코팅층이 형성되어 있다는 것으로 매핑 가능하다.
이하에서는 도7을 참조하여 콜로이드 감쇄기의 피스톤 압축 복원 싸이클을 살펴보고, 열역학 이론을 적용하여 콜로이드 감쇄기의 효율과 에너지 소산 과정에서 발생되는 열량을 계산하여 보기로 한다.
도7을 참조하면, 콜로이드 감쇄기로 외부에서 충격 에너지가 인가되면 피스톤의 이동으로 압축력을 받는 물이 병목(210)을 통해 병(220) 내부로 공기(230)를압축하며 유입되는 것으로 볼 수 있다. 이는 콜로이드 감쇄기가 외란에 의해 압축(F)을 받으면 물은 다공성 입자인 실리카 겔 입자의 미세 기공으로 이루어진 유로를 통해 입자 내부로 유입되어 입자 내부의 공기를 압축하는 것과 동일하다. 한편, 콜로이드 감쇄기에 가해진 외란이 제거되어지면, 병목(210)을 통해 병(220) 내부로 유입된 물은 병목(210)에서 발생하는 표면 장력과 공기압에 의해 병 밖으로 밀려나게 되며 압축되었던 공기는 다시 팽창하게 된다. 이는 콜로이드 감쇄기에서 외란이 제거되면 다공성 입자인 실리카 겔 입자의 미세 기공으로 이루어진 유로를 통해 입자 내부로 유입되었던 물이 입자 밖으로 배출되는 것과 동일하다. 이 때, 병(220) 밖으로의 물 배출은 주요하게는 병목(210)에서 발생되는 표면장력에서 기인된다. 즉, 물이 밖으로 밀려나는 원리는 소수화 코팅처리를 한 다공성 입자의 미세 기공으로 이루어진 유로에서 큰 표면장력이 발생하였기 때문이다. 이러한 원리에 의해 다공성 입자가 분산된 콜로이드 유체가 외부 충격에 대한 완충 역할을 할 수 있게 되는 것이며 그 결과로 콜로이드 감쇄기의 기능이 구현되게 되는 것이다.
상술한 바와 같이, 외란에 대응한 콜로이드 감쇄기의 작동 과정은 병과 병목이론에 의해 이상화한 과정으로 표현될 수 있고, 이 과정은 압축 과정과 압축 해제후 복원 과정으로 나뉜다. 상기 압축 과정과 압축 해제 후 복원 과정은 도7의 (a)와 (b)에 각각 나타내었다.
먼저, 압축 과정에서, 외란에 의해 피스톤에 인가되는 기계적 에너지는 피스톤을 통해 콜로이드 유체에 압력으로 전달되어 분산 유체인 물의 유동을 야기한다. 물은 압축성의 거의 없으므로 정적 변화를 시작하며, 상기 식1에 따른 유체유입 반향력을 이기는 충격 에너지가 유입되면 병목(210)으로 물이 유입되기 시작한다. 이는 미시적인 관점에서 도8에 도시된 바와 같이 피스톤 압축 과정에서 실리카 겔 입자의 미세 기공으로 분산 유체인 물이 유입되는 것과 같다. 물이 유입되면 병목(210) 및 병(220)부 내에 있는 공기가 압축되어 압축 일이 발생되므로 공기와 물의 접촉 계면으로 한정되는 열역학적 시스템의 내부 에너지는 증가하게 된다. 병목으로 유입된 물은 공기를 병 중앙으로 압축해 들어가며 공기의 압축성은 이미 물유입 반항력을 누르기 위해 소모한 에너지 외에 잔류 에너지를 흡수하는 완충의 역할을 한다(도7의 (a)의 1→2→3→4).
상기한 피스톤 압축 과정과 달리 압축 해제 후 복원 과정에서는 공기의 압축성에 따른 팽창력으로 대기압 수준의 압력이 될 때까지 복원 과정을 거치고 병목(210) 부위의 공기는 공기압과 물의 표면장력에 의해 야기되는 라플라스 모세관 압력에 의해 밖으로 밀려 나가게 된다. 이러한 과정에서 병목(210)을 통해 유입되었던 분산 매체인 물은 다시 밖으로 배출되어 짐으로써 콜로이드 감쇄기는 외란이 인가되기 전의 상태로 복원된다(도7의 (b)의 5→6→7→8). 이 때 물과 공기의 접촉 계면으로 한정되는 열역학적 시스템의 내부 에너지는 이상적인 상태에서는 외란이 있기 전의 상태로 복원된다. 왜냐하면 피스톤 압축 과정에서 발생된 압축일로 증가된 내부 에너지는 피스톤 복원 과정에서 공기의 팽창일로 다시 소모되기 때문이다. 하지만 실제로는 병목을 통하여 분산 매체인 물이 배출되는 과정에서 발생되는 물분자 클러스터의 극소 점성 마찰력과 공기의 부피변화에 따른 열 발생으로 상기 열역학적 시스템의 내부 에너지는 외란이 있기 전의 상태로 완전히 복원되지는않는다. 후술할 실험예에서 볼 수 있듯이 인가된 기계적 에너지가 피스톤 압축 및 복원 행정에서 소산되는 과정에서 약 3%는 열로 변환되게 된다.
도7에 도시된 바와 같은 피스톤 압축 및 복원 과정은 도9에 도시된 바에 따라 열역학적 해석이 가능하다. 도9에서는 분산 유체인 물과 공기의 접촉 계면에 의해 한정되는 부피 유동 공간을 열역학 해석을 위한 열역학 시스템으로 간주하였다.
보다 구체적으로 도9를 참조하면, 본 고안이 적용된 상기 콜로이드 감쇄기는 전체적으로는 열역학 사이클 법칙을 따른다. 1-2 과정은 정적 과정으로써 압력은 증가하나 외란에 의한 기계적 에너지가 유체유입 반항력을 이기지 못하는 상태를 나타낸다. 이 때, 상기 열역학 시스템의 내부 에너지는 변화가 없고 압력만 상수적으로 비례 증가한다. 2-3 과정은 외란에 의한 충격 에너지가 유체유입 반항력을 이김으로써 정압 상태에서 물이 병목(210)을 통하여 유입되는 과정으로 엔탈피의 변화가 없이 내부 에너지의 변화만이 일어난다. 내부 에너지의 변화는 물 유입에 의해 공기에 대한 압축 일이 발생되었다는 사실에서 기인된다. 3-4 과정은 열역학적 시스템이 임계 상태를 벗어나 공기의 부피 변화 없이 압력이 계속 증가하는 과정으로, 이 때 시스템의 공기압은 극대값에 이르게 된다. 4-3' 과정은 외란의 제거로 피스톤이 복귀하는 초기 과정으로써 이 과정에서는 임계 상태를 벗어났던 열역학적 시스템이 정상 상태로 복귀된다. 3'-5 과정은 외란이 제거되었어도 공기 팽창일은 아직 발생되지 않는 과정으로써 이 과정에서는 공기의 체적은 일정한 상태에서 압력만이 상수적으로 감소한다. 3'-5 과정에서 공기 팽창일이 발생되지 않는 것은 외란이 제거되었어도 물과 공기의 계면에는 아직 유체유입 반항력을 이기는 힘이 존재하기 때문이다. 5-6 과정은 유체유입 반항력에 의해 물이 병목(210)을 통해 밖으로 배출되면서 공기가 팽창되고 그 결과로 공기 팽창일이 발생되는 과정으로써 이 과정에서는 압력이 일정하게 유지된 상태에서 열역학적 시스템의 부피만이 증가하게 된다. 이로써 외란에 의해 가해진 기계적 에너지의 소산을 위한 사이클이 종료되고 이러한 사이클은 기계적 에너지의 인가가 있을 때마다 반복되어진다. 외부열의 입출입이 없는 이상적인 경우에 피스톤 압축과 복원과정은 가역 과정을 따르는 사이클이 된다.
상술한 콜로이드 감쇄기의 압축, 압축해제 과정에서 발생한 에너지를 열역학적으로 해석하여 그 효과를 기존의 유압 감쇄기와 비교하면 다음과 같다. 콜로이드 감쇄기의 에너지 소산 사이클의 엔탈피는 하기 식2와 같이 계산할 수 있다.
(2)
여기서, T는 절대 온도, Q는 발생열량, α는 팽창계수(The expansion coefficient) 그리고 E는 소산된 에너지를 나타낸다. 따라서 에너지 소산 사이클 동안 콜로이드 감쇄기에서 외부로 전달되는 열량은 하기 식3과 같이 계산되어진다.
(3)
만일, 여기에T = 293.16K, E = 100J 그리고, αwater= 10-4K-1값을 적용하면, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.
(4)
다시 말하면, 콜로이드 감쇄기의 에너지 소산과정에서 발생되는 열량은 소산된 에너지의 대략 3%임을 알 수 있다. 이 에너지 소산과정을 실험적으로 검증하기위해 E = 100 J 일 때의 발생 열량을 계산하여 보았는데, 그 결과는 도10과 같다.
도10을 참조하면, 콜로이드 감쇄기의 기본 개념은 외란에 의해 피스톤에 가해지는 힘(Force)과 실린더의 변위(stroke) 선도의 압축과 압축 해제 곡선 상에서 이력현상(hysteresis)이 발생한다는 것으로 설명할 수 있다. 그리고 소산된 에너지는 이력곡선의 면적과 동일하므로 쉽게 계산할 수 있다. 결과적으로 분산 유체인 물이 콜로이드 유체에 있는 다공성 입자를 통과하면서 흡수되는 에너지 현상을 기초로 하는 이러한 원리를 충격이나 진동에 의한 에너지의 감쇄 장치에 적용할 수 있게 되는 것이다.
실험에 의하면 콜로이드 감쇄기에 1kW 파워의 진동기를 1시간동안 부하를 작용시켰을 때의 온도 상승량은 20℃이다. 하지만 동일한 작동 환경 하에서 기존의유압 감쇄기에서의 온도 상승량은 이론적으로 대략 2000℃가 된다. 이러한 결과는 앞서 언급한 열역학적 계산식을 이용하여 설명이 가능하다. 콜로이드 감쇄기의 경우에는 소산된 에너지량이 1kW 일 때, 에너지 소산 사이클 동안 열 발생량은 대략 30W가 된다. 발생된 열이 대류적으로 소산된다 하더라도, 온도 상승량은 거의 무시할 만하다. 콜로이드 감쇄기의 경우 이러한 현상이 가장 중요한 장점이라 할 수 있다.
한편, 일반적으로 관로 내에서의 유체 유동은 도11에 도시된 바와 같은 포이젤(poiseuille) 유동 모델을 따른다. 이 포이젤 유동 모델은 유체의 무한히 작은 요소가 충분히 많은 수의 입자를 가지고 유체 자체의 물성을 유지할 수 있는 상태로 유동하는 경우에 적용된다. 그런데 본 고안에 따른 입자의 미세 기공을 통한 분산 유체의 유동은 일반적인 유체의 유동과는 다르게 해석되어야 한다. 이는 상술한 콜로이드 감쇄기에서의 외란에 의한 기계적 에너지 소산 과정에서 열이 작게 발생된다는 사실에서 기인된다.
만약, 기존의 유압 감쇄기와 본 고안에 따른 다공성 입자를 이용한 콜로이드 감쇄기에서의 유체 유동이 포이젤 유동 모델을 따른다고 가정할 경우, 감쇄기에서의 기계적 에너지 소산은 유체 유동 내의 점성력에 의해 발생한다고 볼 수 있다. 이 때 유체 유동 내의 점성력에 의한 마찰력 Ff은 하기 식5에 의해 정의된다.
(5)
여기서, μ는 유체 동점성계수, νp, Dp는 각각 피스톤의 속도와 직경, 그리고 L, a 는 각각 좁은 유체 유로의 길이와 반경을 나타낸다. 유압 감쇄기와 콜로이드 감쇄기에 동일한 피스톤의 속도와 직경을 적용시키면, 마찰력의 비는 각각의 감쇄기 외부로 전달되는 발열량(Q)의 비로 하기 식6과 같이 표현할 수 있다(CD; 콜로이드 감쇄기, HD; 유압 감쇄기).
(6)
여기에,,
, LCD=r2-r3=500nm ,
aCD= r1= 10nm ,aHD=1mm ,LHD=5mm 값을 적용하면,
과 같은 결과를 얻을 수 있다. 다시 말하면, 포이젤 유동과 관련한 계산 방법을 이용하면, 기존의 유압 감쇄기보다 콜로이드 감쇄기에서 더 많은 양의 열이 발생하여야 한다. 그러나 실제로, 콜로이드 감쇄기의 실험적 고찰 결과는 거의 열이 발생하지 않는다. 결과적으로, 본 고안과 같이 나노 사이즈의 미세 기공을 통한 유체의 흐름에 대해서는 기존의 포이젤 유동의 가정이 적용될 수 없음을 보여 주고 있다. 따라서 본 고안에 따른 다공성 입자의 미세 기공을 통한 유체의 흐름은 분자 동력학을 고려한 유동 모델이 적용되어야 한다.
미세 기공을 통한 유체 흐름을 해석하는 모델의 선택은 유체 유동의 기본 특성 중 하나인 누센 수(Knudsen number)를 계산하는 것에 의해 이루어질 수 있다. 누센 수는 하식 식7과 같이 정의된다.
(7)
여기서,는 유동 유체간 분자간 자유 경로 거리(Molecular free path),은 유체가 유동되는 영역에서의 유체 특성 거리(Characteristic dimension)를 나타낸다.
인 경우, 유동은 연속체 유동으로 간주하여 포이젤 유동 모델을 적용할 수 있다. 그러나인 경우의 유체 유동은 연속체 유동의 특성을가지지만, 유체의 유동 내에서 슬립 현상이 발생된다. 이러한 높은 누센 수를 가지는 유체 유동은 크리핑(creeping) 유동 모델을 적용할 수 있다. 콜로이드 감쇄기의 콜로이드 유체에 분산되어 있는 실리카 겔 입자의 미세 기공의 경우, 분산 유체인 물의 분자간 자유 경로 거리는 0.1 nm 이고, 특성 거리은 r1= 1~10nm 이다. 따라서 콜로이드 감쇄기에서 입자의 미세 기공을 통한 분산 유체인 물의 유동은 누센 수가영역에 분포한다. 이러한 유동은 미세 기공으로 된 유로 벽면과 물분자 클러스터 층간의 경계층간에 슬립 현상을 수반하며 큰 누센 수를 가지는 클러스터(macro-molecular) 흐름으로 볼 수 있다. 그리고 이러한 포이젤 크리핑 유동에서는 유동의 유선 형성이 무점성 유동에서와 동일하게 나타난다. 유체의 유동 내에서 발생하는 슬립 현상은 유체가 유로 내 벽면에서 접착력을 잃어버리고 벽면을 따라 흐르며 표면을 따라 미끄러짐이 발생하는 현상을 말한다. 상기 콜로이드 유체 내의 다공성 입자의 나노 사이즈 미세 기공으로 된 유로에는 소수화 코팅층이 형성되어 있는데, 이 코팅층은 벽면에 고정되어 슬립이 발생되지 않는 경계층을 이룬다. 그러나 이 코팅층의 경계층은 유체 유동 내 유체를 이루는 분자 클러스터 상호간의 점성력으로 인해 벽면에서 윤활 역할을 하게 된다. 그래서, 상기 미세 기공으로 된 유로에서의 전체적인 흐름은 코팅층에서의 유체의 슬립으로 보여진다. 결과적으로, 유체의 유동에서의 마찰력과 이로 인한 열 발생량은 거의 무시될 수 있다.
도12는 본 고안의 실시예에서 실리카 겔 입자의 미세 기공을 통한 유체의 흐름을 포이젤 크리핑 유동 모델에 따라 모델링하여 도시한 것이다.
도12를 참조하여, 나노 레벨의 미세 기공을 통한 유체 유동에 있어서 유로의 직경을 10 nm, 유체의 분자로 이루어진 클러스터의 크기를 2 nm로 가정하면, 상기 유로 내에는 5층의 마크로 분자 유동 경계층이 형성된다. 유로 벽면의 소수화 코팅층은 유로의 벽면에 강하게 부착되어 있고 이것이 유로 내에 노출 표면을 형성한다. 포이젤 클리핑 유동에서는 각각의 분자층 유동이 서로 독립적으로 흘러가며, 각각의 분자층 유동의 속도 분포는 도12의 (b)와 같다. 이 때 각 층간에는 약한 상호 작용이 발생하여 마치 기차의 레일 위를 두개의 기차가 평행하게 서로 다른 속도로 달리고 있는 것처럼 미끄러짐이 발생한다. 그리고 각 분자층 내부의 속도 변화량이 거의 0에 가깝기 때문에 전단 응력은 거의 존재하지 않는다.
각각의 분자의 흐름으로 인한 경계층 유동 사이에서는 속도 변화량이 0이 아니다. 그러나 분자층 유동 사이의 점성에 의한 전단력이 거의 0에 가깝기 때문에 전단 응력 또는 무시할 만한 수준이 된다. 이에 따라 미세 기공을 통하여 유동하는 유체의 마찰과 콜로이드 감쇄기의 열발생은 거의 무시할 수 있는 것이다.
본 고안에 따른 무기재료를 이용한 콜로이드 감쇄기와 종래의 유압 감쇄기의 에너지 소산 효율을 비교하여 보는 것은 매우 중요하다. 감쇄기의 효율는 외란에 의한 압력 변화 사이클 동안 소산된 에너지 E 와 사이클 중 압축 공정에서 가해진 에너지의 비로 하기 식8과 같이 정의할 수 있다.
(8)
각 감쇄기의 최대 효율 값은 하기 식9 및 10과 같이 표현할 수 있다.
(9)
(10)
만일 피스톤 직경, 분말의 크기r1= 6.5 nm(미세 기공), r3=317 nm(중공) 로 가정하면, 각 감쇄기의 최대 효율은= 0.51,= 0.98과 같이 계산되어진다. 따라서 대략 콜로이드 감쇄기의 효율이 기존의 유압감쇄기의 2배 정도로 높은 것을 확인할 수 있다.
도13은 두 가지 경우, 즉 실리콘 오일과 실리카 겔 입자, 물과 실리카 겔 입자를 이용한 콜로이드 감쇄기에 외란이 작용했을 때의 압력변화 사이클을 보여 주고 있다. 각각의 경우 발생된 에너지 소산량의 비를 나타내면 하기 식11과 같다.
(11)
물과 실리콘 오일의 경우, 표면장력은 각각0.073 N/m 및0.015 N/m 이다. 표면장력에 의한 힘으로 인해서 발생한 에너지 손실을 고려하여 계산한 소산된 에너지의 이론적인 비는 하기 식12와 같이 나타낼 수 있다.
(12)
위와 같은 결과는 실험으로 얻어진 결과와 잘 일치함을 알 수 있다.
한편, 콜로이드 감쇄기의 나노 사이즈 레벨의 유로 내 유동을 기존의 포이젤 유동이라 가정한다면, 소산된 에너지의 비는 하기 식13과 같이 유체 동점성 계수의비로 나타낼 수 있다.
(13)
포이젤 유동에 대한 가정을 통해서 얻어진 계산 결과는 실험치와 서로 상이한 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과로부터, 기존의 포이젤 유동에 대한 가정 및 이론은 콜로이드 감쇄기의 유체 유동에는 적용될 수가 없음을 다시 한번 확인할 수 있다.
이상에서 설명된 본 고안의 구체적인 실시예에서는 콜로이드 유체가 물과 다공성 실리카 겔 입자로 이루어졌다. 하지만 본 고안에 따른 콜로이드 유체에 있어서 다공성 무기재료 입자는 미세 기공이 있는 실리카 겔로만 한정되지 않는다. 본 고안에 따른 콜로이드 감쇄기에 사용되는 다공성 무기재료는, 미세 기공을 가지는 입자로서 그 표면에 소수화 코팅층을 가지고 소액성 유체에 콜로이드 상으로 분산된 상태에서 외란의 인가시 포이젤 클리핑 유동 모델에 따른 미세 기공을 통한 유체의 유동으로 외란에 의한 기계적 에너지를 소산시킬 수 있는 입자라면 어느 것이라도 가능하다. 본 고안에 따른 콜로이드 유체에 분산될 수 있는 무기재료로는 다공성의 알루미늄 옥사이드, Al-Si, C-Si, Cr-Si와 같은 다공질 무기재료, 탄소 나노 튜브 또는 이들의 혼합물 등을 들 수 있는데, 여전히 본 고안이 이에 한정되는것은 아니다.
실 험 예 1
본 출원인은 정적 하중 상태에서 본 고안에 따른 콜로이드 감쇄기에 대한 실험을 수행하였다. 아래 표1은 본 실험에서 사용된 각종 다공성 무기재료 입자의 특성을 나타내고 있다.
<표 1>
물질 실리카 겔
Sylosphere BU SMB God-ball
심볼 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9
구조 미로구조 중공구조
코팅물질 C1 C18 C18 C18 C18 C18 C18 C18 C18
[] 12.8 8.9 7.0 7.0 10.0 20.0 30.0 8.7 8.7
[] 4 4 20 40 20 20 20 2.5 13
결합밀도[] 2.10 2.10 2.23 2.23 2.25 2.25 2.25 2.20 2.20
[J] 20 35 34 34 40 28 21 41 43
0.41 0.35 0.50 0.50 --- --- --- 0.25 0.35
[%] 97 91 76 76 70 63 55 87 86
[%] 81 80 54 54 --- --- --- 64 63
[MPa] 16.5 60 60 60 60 60 60 60 60
본 출원인은 도14 및 도15에 도시된 바와 같은 가역적 콜로이드 감쇄기의 정적 하중 실험 장치를 구축하였다. 본 실험에서는 상기 실험 장치를 이용하여 콜로이드 감쇄기 내에서 다공성 무기재료 입자와 혼합되어 사용되는 분산 유체의 적정량에 대한 평가를 수행하였다. 또한 콜로이드 감쇄기가 하중을 받아서 압축이 되고 하중이 제거 되어 피스톤이 원래의 위치로 되돌아오는 시간은 콜로이드 감쇄기의 성능 상 매우 중요하기 때문에 이를 조사하여 이력현상에 미치는 영향을 평가하였다.
도14 및 도15를 참조하여 실험장치의 구성을 상세하게 살펴보면, 콜로이드 유체의 감쇄 작용은 고압 실린더내의 실험 챔버에서 발생한다. 직경 D 가 20 mm 인 고압 실린더와 고압용 압력 게이지, 및 스레드 플러그(thread plug)가 챔버를 구성한다. 실험 챔버는 구리 가스킷과 O형 고리(ring), 및 V형 패킹으로 밀폐되어 있고, 최고 120MPa 정도의 고압이 발생된다. 직경 Dha가 80 mm 인 저압 실린더는 직경비 (Dha/ D )2= 16 을 유지하고 펌프 압력 Pp의 유압 증폭기 역할을 한다. 낮은 피스톤 속도 또는 주파수의 정적 실험은 수동 펌프(핸드 펌프)를 이용하여 수행하였다. 피스톤의 이동 최대 속도는 하기 식14로 구하였다.
(14)
상기 식14에 의할 때 수동 펌프에서 유체가 최대 유량가 5 ml/s 의 비율로 전달되었을 때, 피스톤의 최대속도는 1 mm/s 가 된다. 콜로이드 감쇄기의 피스톤이 5~200 mm/s 정도의 임계 속도 영역에 다다를 때까지는 콜로이드 감쇄기의 에너지 소산 사이클은 등온상태(isothermal)를 유지한다. 그리고 피스톤의 임계속도는 다공성 무기재료 입자의 특징에 따라 바뀐다. 피스톤이 임계 속도영역을 넘어선 상태에서는 콜로이드 감쇄기의 에너지 소산 사이클이 준 단열 상태(Quasi-adiabatic)가 된다. 본 실험예에서는 예상대로 주목할 만한 큰 발열 현상이 발생하지 않았다.
콜로이드 감쇄기에 대한 정적 실험에서 실린더의 변위(S), 콜로이드 감쇄기 챔버 내의 압력(p), 그리고 챔버 내의 온도(T)를 측정하였다. 이러한 실험 데이터는 측정시간 t 에 따라 고속 푸리에 변환장치(FFT Analyzer - Fast Fourier Transform Analyzer)에 하기 식15, 16 및 17과 같이 기록된다.
p = p (t) (15)
S = S (t) (16)
T = T (t) (17)
측정 압력과 이에 반응하여 피스톤이 변위되기까지의 시간은 무시하였기 때문에 가역적 콜로이드 감쇄기의 정적 이력곡선에서 압력은 하기 식18과 같은 변위의 함수로 나타내어진다.
p = p (S) (18)
이하 본 실험을 통하여 얻은 결과를 각 분석 인자별로 상세하게 설명한다.
1. 나노 유로와 다공성 무기재료 입자 크기의 영향
도16의 (a)는 평균 입자 직경이 20 ㎛로 동일하지만, 평균 나노 유로(미세 기공)의 직경은 10, 20 및 30 ㎛ 로 서로 다른 실리카 겔 S5, S6 및 S7에 대한 첫 번째 이력 곡선을 보여 주고 있다. 상기 식1에서 다공성 무기재료 입자내의 공기의 압력를 무시한다면 접촉 각도가 130˚인 경우, 실리카 겔 S5, S6 및 S7에 대한 평균 흡착압력은 각각 20 MPa, 9 MPa 및 6 MPa 로 계산된다. 이것은 도16의 (a)에 나타난 실험 결과와 잘 일치함을 알 수 있다. 이러한 실험결과는 식1과 도5에서 가정하였듯이, 흡착압력이 라플라스 모세관 압력과 동일하다는 것을 보여 준다.
도16의 (b)는 평균 나노 유로(미세 기공) 직경이 7 nm 로 동일하고 평균 입자 직경이 20 및 40 ㎛로 서로 다른 실리카 겔 S3 및 S4에 대한 첫 번째 이력곡선을 보여 주고 있다. 실리카 겔 S3 및 S4 에 대한 사이클 이력곡선은 거의 일치한다. 이것은 가역적 콜로이드 감쇄기의 이력 현상에 다공성 무기재료 입자의 평균 입자 직경과 입자내 평균 체적은 영향을 주지 못한다는 것을 보여 준다. 이러한 현상은 입자의 집중현상에 관한 이론(Theory of packed particles)으로 설명이 가능하다. 이 이론에 의하면, 반경 b 인 구형 입자에 대해, 유체가 통과하는 유로의 목 부분(throat)에 해당하는 부분의 연결된 원의 반경은 0.155b (hexagonal packing)에서 0.414b (cubic packing)로 변화하여 분포한다. 따라서 b = 10 ㎛인 경우에는 최소 유로 반경이 1.55 ㎛ 이며 이에 상응하는 흡착압력은 무시할만한 정도인 0.01MPa 정도의 크기이다.
2. 외부에서 작용하는 압력과 온도의 영향
도17의 (a) 및 (b)는 T=20 ℃ 에서 실리카 겔 S3(M=4g) 을 사용한 가역적 콜로이드 감쇄기의 최대 하중상태에 따른 첫 번째와 m 번째의 이력곡선을 각각 보여주고 있다. 가역적 콜로이드 감쇄기의 에너지 소산량을 나타내는 이력곡선의 면적은 압력이 증가함에 따라 같이 증가함을 알 수 있다. 첫 번째 이력곡선은 감쇄기의 특성을 나타내는 대표적 곡선으로써, 동일한 실험 조건에서 첫 번째 이상의 뒤따르는 다음 이력곡선에 비해 면적이 상당히 크다는 것을 알 수 있다.
도17의 (c)는 T=20 ℃ 에서 실리카 겔 S3(M=4g)을 사용한 가역적 콜로이드 감쇄기에 연속적인 하중을 가한 상태의 이력곡선을 보여 주고 있다. 이 실험에서 가해진 점진적인 압력을 수행하는 동안 가해지는 압력은 25, 30, 40, 51 및 60MPa 순으로 증가시켰다. 각각의 압력값을 가한 후 다음의 압력을 가하기 전에는 압력을 0으로 해제한 뒤 다시 증가시켰다. 가역적 콜로이드 감쇄기의 에너지 소산량을 나타내는 이력곡선의 면적은 압력이 증가함에 따라 같이 증가함을 알 수 있다. 첫 번째 이력곡선은 첫 번째 이상의 뒤따르는 다음 이력곡선에 비해 면적이 상당히 크다는 것을 알 수 있다.
도17의 (d)는 가해지는 하중 주파수가 0.1Hz일 때, 실리카 겔 S3(M=4g)을 이용한 가역적 콜로이드 감쇄기에서의 두 번째, 600 번째, 1200 번째의 이력곡선을 보여주고 있다. 이 실험에서는 사이클당 0.004 ℃/cycle 의 비율로 열을 가하여 온도는 20.4 ℃부터 25.2 ℃까지 증가시켰다. 이러한 조건에서 피스톤의 작은 속도(주파수) 영역에서는 이력 사이클이 등온과정이라 가정할 수 있다. 이러한 온도의 변화 영역에서의 물 표면장력의 변화량은 1% 정도밖에 되지 않기 때문에 m 번째 이력곡선의 형태는 다른 이력곡선과 비교할 때 그렇게 크게 변화하지 않았음을 확인할 수 있다.
한편, 가역적 콜로이드 감쇄기의 소산된 에너지량과 효율은 하기 식19 및 20에 의해 구할 수 있다.
(19)
(20)
여기서 PC, PR은 각각 압축 공정시 압력 및 압축 해제 공정시의 압력을 나타낸다.
상기 식 20과 도17의 (a), (b) 및 (c)를 이용하면 T= 20 ℃ 에서 실리카 겔 S3(M=4g)을 이용한 가역적 콜로이드 감쇄기에 대한 에너지 소산량과 효율을 가해진 압력에 대해 구하고, 도18에 그 결과를 도시하였다.
도18을 참조하면, 연속하중 상태에 대한 그래프는 첫 번째(1st hysteresis) 이력곡선을 시작으로 m 번째(Mthhysteresis) 사이클의 이력곡선으로 끝난다. m 번째 이력곡선 상에서 소산된 에너지 량은 첫 번째 이력곡선의 대략 50% 정도 이다. 그리고 첫 번째와 m 번째 이력곡선의 최대 효율은 각각 76% 및 54%이며, 각각 최적의 압력 30MPa 및 40MPa에서 발생한다는 것을 그래프에서 확인 할 수 있다.
3. 소수화 코팅처리로 인한 결합된 분자간 길이의 영향
코팅처리로 인한 분자 간 결합길이에 대한 영향을 알아보기 위하여 T=20 ℃ 에서 실리카 겔 S1(M=2.5g)과 실리카 겔 S2(M=2.5g)에 대해 실험을 수행하여 그 결과를 도19에 나타내었다. 이 실험에서 사용된 실리카 겔은 동일한 초기 구조와 결합밀도(2.1)를 가지고 있다(표1 참조). 단지, 두 가지 종류의 실리카 겔의 차이는 소수화 처리에 사용된 알킬실레인의 결합 길이가 실리카 겔 S1은 짧고(C1), 실리카 겔 S2는 길다(C18)는 것에 있다. 소산된 에너지에 대한 첫 번째(1st) 이력곡선을 보면 C1 과 C18 로 소수화 코팅처리를 한 실리카 겔은 유사한 변화 양상을 보임을 확인할 수 있다.
한편, 실리카 겔 S1에 대해서 m 번째 이력곡선은 압력이 증가함에 따라 에너지 소산량이 증가하다가 최적값인 16.5MPa 압력을 기점으로 압력이 증가함에 따라 서서히 감소한다. 그리고 25MPa 이상의 압력에서는 에너지 소산량이 거의 나타나지 않는다. 이것은 에너지 소산 사이클의 압축공정에서 유입된 물이 입자 내에 남아있음으로써 압축 해제 공정 시에 표면장력에 의한 작용으로 물을 밀어내는 역할이 원활하게 이루어지지 않고 있음을 보여 준다. 그러나 실리카 겔 S2의 경우 m 번째 이력곡선의 에너지 소산량에 대한 변화량 추이를 보면 첫 번째 이력곡선에서와 동일한 양상을 보이고 있다. 그리고 60MPa 에서의 m 번째 이력곡선의 에너지 소산량은 첫 번째 이력곡선에서의 에너지 소산량의 대략 30%정도이다(도19의 (c) 참조).
콜로이드 감쇄기의 에너지 소산효율 측면에서는 C1 및 C18에 의한 소수화 코팅처리 모델이 비슷한 경향을 보이고 있다. 실리카 겔 S1을 사용한 콜로이드 감쇄기의 첫 번째 이력곡선의 최대 효율 97%는 기존의 유압 감쇄기의 최대효율에 비해 대략 3배 보다 높은 값에 해당한다. 한편, 60MPa 의 압력에서는 C18 코팅 모델보다 C1 코팅 모델에서 에너지 소산효율이 떨어지는 것으로 확인되었다. 결과적으로 압력을 가하는 실험적 관점에서는 C18 소수화 처리 모델이 C1 소수화 처리 모델보다 더 안정적임을 보여 준다.
4. 다공질 입자의 혼합에 대한 영향
도20은 실리카 겔 S1, S2, 및 S1과 S2가 1:1로 혼합된 것을 사용한 가역적 콜로이드 감쇄기의 이력곡선을 보여주고 있다. 실리카 겔 S2 모델의 평균 압축 압력은 21MPa로써 실리카 겔 모델 S1의 평균압력 13MPa 보다 더 높게 나타난다. 이는 S1 모델의 평균 나노 유로 반경이 S2 모델보다 더 작기 때문이다(표1 참조). 혼합 실리카 겔을 사용한 콜로이드 감쇄기의 이력곡선은 각각의 이력곡선의 선형 조합과 같이 각 이력곡선 사이에서 발생하여 위치함을 알 수 있다. 결과적으로, 콜로이드감쇄기의 이력곡선은 서로 다른 소수화 코팅처리가 된 입자의 혼합과 소수화 코팅 처리시의 분자간 거리, 그리고 다공성 입자의 구조로써 조절이 가능함을 알 수 있고 이들의 혼합으로써 사용자가 원하는 감쇄기를 설계할 수 있음을 시사한다.
5. 작동유체인 물의 양에 의한 영향
도21은 온도 T=20 ℃ 및 압력 p=60 MPa 에서 실리카 겔 S1을 사용한 가역적 콜로이드 감쇄기의 첫 번째 이력곡선에 대해 무차원화된 체적비()에 대한 소산된 에너지 및 효율을 보여주고 있다. 여기서 Vs및 Vw는 각각 실리카 겔과 물의 체적을 나타낸다. 최대 에너지 감쇄량과 효율은 체적비= 3.1 일 경우에 발생한다. 이 때의 실리카 겔의 질량은 M=3g 이며 물의 체적은 Vw= 3.1ml 이므로, 물의 질량 대비 최적 체적은 Vw/ M = 1.033 ml/g 으로 계산된다. 이 값은 실험적으로 측정한 다공성 실리카 겔의 나노 유로 체적과 근사적으로 동일하다. 이러한 실험 결과는 실리카 겔의 양이 작으면 물이 실리카 겔의 다공을 다 체우고 난 후, 챔버 내에 물이 과다하게 남게 된다는 물리적 의미를 뜻한다. 반대로 실리카 겔의 양이 너무 많으면 챔버 내 물이 부족하여 다공성 입자에 물이 충분히 유입되지 못하는 현상이 발생하게 되는 물리적 의미를 가진다. 그러므로 최적 양의 물은 실리카 겔의 나노 유로 체적과 같아야 한다는 것을 알 수 있다.
6. 다공성 입자 구조에 의한 영향
다공성 입자가 중공구조인 S9의 경우에 대한 실험 결과(도22 참조)는 미로 구조에 대한 실험 결과(도17 참조)와 유사한 경향을 보인다. 따라서 소수화 코팅 처리과정과 실리카 겔의 다공질 미세 입자의 구조는 가역적 콜로이드 감쇄기의 이력특성에 중요한 역할을 하며 또한 필수적인 필요요소임을 알 수 있다.
7. 압축해제 시간에 의한 영향
도23은 T=20 ℃에서 실리카 겔 S3(M=4g)을 사용한 가역적 콜로이드 감쇄기에 대해 첫 번째 이력곡선과 m 번째 이력곡선에서의 압축 해제 시간 R의 영향을 보여주고 있다. 도23의 (a) 에서는 R=0 일 때의 첫 번째 이력곡선이 제일 큰 값을 나타내고 있다. m 번째까지의 이력곡선은 R과 상관없이 거의 동일함을 도23의 (b)에서 알 수 있다. 각각의 콜로이드 감쇄기에 대한 압력 해제시간 R에 대한 실험은 압력을 가하였다가 압력을 다시 해제한 후 임의의 시간동안 압력 인가를 정지(정지시간이 곧 R임)하는 방식으로 반복되었다. 각각의 압축 해제 후의 첫 번째 이력곡선은 m 번째 이력곡선보다 크다는 것을 도23의 (a)와 (b)를 통해 알 수 있다.
첫 번째 이력곡선의 면적은 압력해제시간 R= 17.1시간이 될 때까지 R이 증가함에 따라 증가한다. 17.1시간 이후의 R 에서는 이러한 영향이 더 이상 적용되지 않아 무시할 수 있다. 다시 말하면, 가역적 콜로이드 감쇄기의 이력곡선은 부분적으로 제때에 정해진 시간에 회복할 수 있는 성향을 보이고 있다. 기존의 유압 감쇄기에서는 나타나지 않는 이러한 특징은 콜로이드 감쇄기가 내진 감쇄기나 항공기랜딩 기어용으로 사용 가능하다는 사실을 입증한다. 이러한 종류의 시스템에 가역적 콜로이드 감쇄기가 채용되어 사용될 때 상기 시스템은 어떤 외부의 가진에 대해 회복할 수 있는 몇 시간 정도의 해제 기간을 항상 가지고 있으므로 설계시 이를 반영하면 산업시설에 경제적일 뿐만 아니라 유용한 구조가 될 것이다.
실 험 예 2
본 실험예에서는 콜로이드 감쇄기에 미로구조의 소수화 정도가 서로 상이한 다공성 실리카 겔 입자를 사용하였다(아래 표2). 소수화 처리를 위한 표면 코팅에는 짧은 분자 간 결합 거리를 가지는 알킬실레인()을 사용하였다.
< 표 2 >
실리카 겔 PCS[%] [nm] [nm] Density Pore volume
A 0 - - 0.187 -
B 20 9.1 1316 0.120 1.331
C 41 10.6 2103 0.294 1.093
D 94 12.8 1729 0.283 1.032
도24는 콜로이드 감쇄기의 에너지 소산 이력곡선에 대한 소수화(hydrophobicity) 처리 정도의 영향을 보여 주고 있다. 소수화 처리가 되지 않은 친수성의 실리카 겔 A는 에너지 소산현상이 전혀 발생하지 않는다. 왜냐하면, 실리카 겔은 친수성을 강하게 띄고 있기 때문에 대기압 상태 하에서 분산 유체인 물이 다공성 입자의 유로 내로 유입되어 그 안에 항상 내재되어 있기 때문이다. 결과적으로 콜로이드 감쇄기를 구성하기 위해서는 다공성 입자에 대한 소수화 처리가 반드시 요구되어진다.
도25는 T=25 ℃에서 실리카 겔 D(M=2.5g)에서 최대 가압 하중에 대한 콜로이드 감쇄기의 에너지 소산량에 대한 영향을 보여 주고 있다. 콜로이드 감쇄기의 소산된 에너지량을 나타내는 이력곡선의 면적이 가압 하중을 증가시킴에 따라 점차 증가함을 알 수 있다. 좀 더 정확하게 살펴보면, 콜로이드 감쇄기의 소산된 에너지 량은 하기 식21 및 22와 같이 표현할 수 있다.
(21)
(22)
여기서, PL, PU는 각각 가압시 압력과 가압 해제시 압력을 나타내고 있다. 도25에 나타난 각 이력곡선의 결과에 위 식 21 및 22를 적용시키면, 도26에 나타난 바와 같이 압력에 따른 콜로이드 감쇄기의 소산된 에너지량과 에너지 소산 효율의 변화량을 구할 수 있다. 최대 효율 97%는 최적의 압력 16.5MPa에서 발생함을 알 수 있다. 기존의 유압 감쇄기의 효율이 51%인 것과 비교해 볼 때, 설계된 콜로이드 감쇄기는 유압 감쇄기의 대략 2배의 효율을 보여 주고 있다. 압력이 25MPa보다 큰 영역에서는 소산된 에너지 증가량이 상대적으로 적지만, 압력이 증가할수록 효율은 더 떨어지는 경향을 보여준다. 이러한 경향은 압력이 클 경우 실리카 겔 내에 유입되었던 물이 압축 해제후 복원 과정에서 완전히 외부로 배출되지 않음으로 인해 기인된다.
도27은 T=25 ℃ 에서 실리카 겔 D의 질량(M=1.0, 1.5, 2.0, 2.5 and 3.5g)에 따른 콜로이드 감쇄기의 이력곡선의 변화를 보여주고 있다. 최적의 실리카 겔 양까지는 질량이 증가함에 따라 이력곡선의 면적도 증가하지만, 임계 질량을 넘어선 영역에서는 에너지 소산량이 줄어드는 경향을 보인다. 실리카 겔의 체적은 밀도가 ρ= 0.283 g/㎤인 경우, 하기 식23을 이용하여 구해진다(표2 참조).
(23)
분산 유체인 물의 체적 Vw은 도28에 나타난 바와 같이 일정한 실험 챔버의 체적과 실리카 겔의 체적의 차이로 구해진다. 각각의 체적값을 이용하여 무차원화된 실리카 겔의 체적은 실리카 겔의 질량 M의 함수로 하기 식24와 같이 나타낼 수 있다.
(24)
도27의 이력곡선에 대하여 식21 및 22를 적용하면, 무차원화된 실리카 겔의 체적에 대한 콜로이드 감쇄기의 소산된 에너지와 에너지 소산 효율의 변화량을 도29에 나타난 바와 같이 알 수 있다.
도28 및 도29를 참조하면, 실리카 겔의 질량이 M=3g, 물의 체적이 Vw= 3.1㎤이고 체적비가= 3.1인 경우, 에너지 소산량과 에너지 소산 효율이 최대값을 가지는 것을 알 수 있다. 이것은 물의 질량에 대한 최적 체적비가= 1.033 ㎤/g 이고, 이 최적 체적비는 실리카 겔 다공 입자내 나노 유로가 차지하는 체적(1.032 ㎤/g)과 근사적으로 일치함을 확인할 수 있다(표2 참조).
도30은 실리카 겔 B, C, 및 각각의 혼합비가 1:1인 실리카 겔 혼합물의 경우의 콜로이드 감쇄기의 이력곡선을 나타내고 있다. 실리카 겔 B 및 C를 혼합한 경우의 이력곡선은 실리카 겔 B 및 C 각각의 이력곡선 선형 조합과 같이 그 사이에서 발생함을 알 수 있다. 이러한 실험의 결과는 각각 다른 정도의 소수화 정도와 서로 다른 다공구조의 입자들의 혼합으로 콜로이드 감쇄기의 이력 정도를 제어할 수 있다는 사실을 보여 준다.
도31은 최대압력이= 16MPa이고, 작동 온도가 T=25 ℃인 경우, 실리카 겔 D(M=2.5 g)에 대해 첫 번째와 n 번째 이력곡선을 보여 주고 있다. 첫 번째 이력곡선은 두 번째 이력곡선보다 더 큰 것을 확인할 수 있다. 그리고 이 이력곡선은 시간이 지남에 따라 반복해서 동일하게 나타나므로 가역적이라고 간주할 수 있다.
도32는 콜로이드 감쇄기에 대해 연속적인 하중 상태 하에서의 이력곡선을 나타낸다. 하중 상태는 5.5, 12, 17 및 20.5MPa 로 연속적으로 증가시켰다. 이 때, 각각의 하중 상태 이후에는 0 MPa로 하중을 해제한 후 다시 다음 단계의 하중을 가하였다. 콜로이드 감쇄기의 이력곡선 면적은 가한 하중이 최적의 값에 이를 때까지 하중이 증가함에 따라 증가하다가, 최적의 값 이후의 압력에서는 점차 감소한다는 사실을 알 수 있다. 이러한 거동은 도33에 잘 나타나 있다.
도33은 콜로이드 감쇄기의 소산에너지 변화량을 가해진 압력에 대해서 잘 보여주고 것으로서, 가해지는 연속적인 압력에 대해서 첫 번째 이력곡선과 가역성을 띄는 n번째 사이클 동안의 이력곡선을 나타내 주고 있다. 최적의 압력값은 연속 하중상태나 가역성을 띄는 사이클에서 거의 동일하게 대략 16.5MPa 인 것을 확인할 수 있다. 25MPa 이상의 높은 압력 조건하에서는 이력 사이클이 비가역성을 나타내며, 두 번째 사이클은 거의 사라져 버린다. 이러한 현상은 에너지 소산 사이클의 압축 및 압축 해제 공정이 끝난 후 다공성 나노 입자내에 분산 유체인 물이 남아 있고, 나노 유로 표면에서의 표면장력이 압축 해제 공정 동안 분산 유체를 입자 외부로 밀어 내지 못하기 때문이다.
콜로이드 감쇄기의 가역성(reversibility)은 사용된 나노 유로 입자의 구조가 이중 유로 또는 중공형 구조를 사용하여 감쇄기를 구성하였을 때에 나타날 수 있다. 이러한 입자 구조들은 입자내 큰 체적을 가질 수 있고 압축 해제 공정 시 유입된 작동 유체를 쉽게 배출할 수 있다. 그러나 작동 압력이 낮은 환경 하에서는 미로 구조의 다공성 입자를 이용하여도 콜로이드 감쇄기의 가역적 작동을 가능하게 한다는 사실을 도31 및 도33에서 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 고안은 비록 한정된 실시예 및 실험예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 고안은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 고안의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 고안에 따른 콜로이드 감쇄기는 콜로이드 유체의 포이젤 클리핑 유동 모델에 따라 외란에 의한 기계적 에너지를 높은 효율로 소산시킬 뿐만 아니라 발생되는 열량도 매우 작다. 따라서 각종 산업용 충격 흡수용 감쇄기나 내진용 감쇄기 등에도 널리 적용할 수 있다. 본 고안에 따른 콜로이드 감쇄기는 그 효율이 종래의 유압 감쇄기보다 2-3배 가량 높다. 또한, 콜로이드 감쇄기의 구조를 매우 간단하게 구현할 수 있기 때문에 감쇄기 제작 비용을 절감시킬 수 있다. 특히 분산 매체가 물이고 다공성 입자가 실리카 겔인 콜로이드 유체가 적용된 감쇄기의 경우는 환경오염 등의 문제도 발생시키지 않는다.

Claims (10)

  1. 소수화 코팅 처리된 미세 기공이 있는 다공성 무기재료 입자가 분산유체에 콜로이드 상으로 분산되어 있는 콜로이드 유체를 실장하고 있는 실린더; 및
    상기 실린더의 내면을 따라 가이딩되며 외란에 의한 기계적 에너지를 상기 콜로이드 유체에 전달하는 피스톤을 포함하되,
    상기 콜로이드 유체는 상기 기계적 에너지를 상기 다공성 무기재료 입자의 미세 기공을 통한 분산유체의 유입과 방출로 소산시키는 것을 특징으로 하는 콜로이드 감쇄기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 무기재료 입자는 소정 질량으로 소액성(lyophobic) 유체에 콜로이드 상으로 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 콜로이드 감쇄기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 무기재료 입자는 외부에서 압력이 가해지면 미세 기공으로 분산 유체를 입자의 내부로 인입시켜 입자 내부에 공기압을 형성하였다가 압력이 해제되면 상기 미세 기공의 계면에 발생되는 표면장력과 상기 공기압의 작용으로 분산 유체를 외부로 방출하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 감쇄기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 무기재료 입자의 미세 기공 크기는 1 ~ 10 nm 인 것을 특징으로 하는 콜로이드 감쇄기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 콜로이드 유체에는 다공성 실리카 겔 입자, 다공성 알루미늄 옥사이드 입자, 카본 나노 튜브 입자 또는 이들의 혼합물이 콜로이드 상으로 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 콜로이드 감쇄기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 콜로이드 유체에는 다공성 세라믹인 Al-Si 입자, C-Si 입자, Cr-Si 입자 또는 이들의 혼합물이 콜로이드 상으로 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 콜로이드 감쇄기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분산유체는 소액성 유체인 물, 수성의 용매, 자성 액체, 액상 수은, 액상 납, 액상 플럭스 또는 소금물인 것을 특징으로 하는 콜로이드 감쇄기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 무기재료 입자는 단일 유로 구조, 미로 구조, 이중유로 구조 또는 중공 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 콜로이드 감쇄기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 무기재료 입자의 미세 기공에는 기공 표면에 화학 결합된 알킬실란(alkylesilane)의 선형 체인으로 이루어진 소수화 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 콜로이드 감쇄기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 콜로이드 유체에는 서로 다른 미세 기공 구조를 가지는 2종 이상의 다공성 무기재료 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 콜로이드 감쇄기.
KR20-2003-0018188U 2003-06-10 2003-06-10 다공성 무기재료를 이용한 콜로이드 감쇄기 KR200326759Y1 (ko)

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