KR20050055018A - 자기 유동학적 조성물 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 좁은 디자인 갭을 이용하며 감소된 오프-스테이트 힘 및 우수한 성능을 나타내는 자기 반응성 조성물을 함유하는 자기 유동학적 장치를 제공한다. 특히 본 발명은 6-100 미크론의 평균 수 직경 분포(d50)의 비구형 자기 반응성 입자 및 자기 반응성 입자 사이의 입자간 마찰을 감소시키는 최소한 하나의 마찰 감소 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 반응성 조성물을 이용하며, 정해진 갭을 갖는 자기 유동학적 장치에 관한 것이다.
Description
본원은 미국특허출원 제09/564129호(현재 미국특허 제6395193호)의 일부계속출원인 함께 계류중에 있는 미국특허 제10/154706호의 일부계속출원으로서, 본 발명은 자장에 노출되면 향상된 성능을 갖는 자기 유동학적 조성물에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 향상된 조절성을 갖는 대형 입자 자기 유동학적 조성물에 관한 것이다.
자기 유동학적 유체는 장의 극성을 부여하는 입자성분 및 액체 캐리어 성분을 함유하는 자장 반응성 유체이다. 자기 유동학적 유체는 진동 및/또는 소음을 조절하기 위한 장치 또는 시스템에 유용하다. 자기 유동학적 유체는 제동기, 충격 흡수기, 및 탄성중합체 설치대 같은 여러가지 장치에서 제동을 조절하기 위해 제안되어 왔다. 또한 자기 유동학적 유체는 브레이크, 클러치, 및 밸브에서 압력 및/또는 토오크를 조절하는데 사용하기 위해 제안되어 왔다. 자기 유동학적 유체는 높은 항복 강도를 나타내며 큰 제동력을 발생할 수 있기 때문에 많은 적용에 있어서 전기 유동학적 유체보다 우수하다고 여겨진다.
전형적으로 입자 성분 조성물은 미크론 크기의 자기 반응성 입자를 포함한다. 자장의 존재하에, 자기 반응성 입자는 극성이 부여되게 되며, 이에 의하여 입자들 또는 입자 피브릴의 체인으로 조직된다. 입자 체인은 유체의 겉보기 점성(유동저항)을 증가시켜, 자기 유동학적 유체의 유동의 개시를 유도하는데 성공하였음에 틀림이 없는 항복 응력을 갖는 고체질량으로 전개된다. 입자는 자장이 제거되면 조직되지 않은 상태로 복귀되는데, 이는 유체의 점성을 저하시킨다.
자기 유동학적 유체에서 많은 자기 반응성 입자는 캐리어 유체내에 분산되는 전형적으로 1-10 미크론 직경의 구형 강자성 입자 또는 상자성 입자로 구성되어 있다. 소형 크기의 자기 입자는 소형 갭을 갖는 장치의 용이한 부유 및 디자인을 가능하게 한다. 그러나, 소형 크기의 입자를 사용하는데는 많은 단점이 있다. 예컨대, 자기 유동학적 기술이 이용될 수 있는 적용분야에 대하여 미세 자기 반응성 입자의 공급이 불충분하다. 더욱이, 미립자 철의 사용은 그와같은 입자를 얻는데 사용되는 방법으로 인하여 사용될 수 있는 금속학의 범위를 제한한다. 가장 일반적으로 사용되는 철인 카르보닐 철은 철 펜타카르보닐염으로부터 유도된다. 입자는 석출에 의하여 성장되어 매우 낮은 탄소함량을 갖는 구형의 미감소 입자가 된다. 이와는 달리, 소형 입자 대신에 대형 입자가 사용되는 경우, 여러가지 금속의 혼합물이 만들어 질 수 있으며, 그 다음 입자 감소 방법에 의하여 크기가 감소될 수 있다. 더욱이, 소형 금속 분말은 미크론 크기에 접근하게 되면 먼지 폭발 위험이 될 수 있기 때문에 가공에 어려움을 줄 수 있다. 부가적으로, 소형 직경의 자기 반응성 입자는 대형 입자보다 훨씬 비싸다.
레빈과 그의 동료의 "Some Features of Magnetorheological Effect", J. Engin Physics and Thermophysics, 70(5) : 769-772(1997)에 의하면, 카르보닐 철의 가장 널리 사용되며 저렴한 분말은 미크론 크기의 구형 입자를 함유한다. 레빈과 그의 동료는 자장의 존재하에 분산 강자성상의 입자의 넓은 농도 범위로 자기 유동학적 현탁액의 유동특성을 조사하였다. 조사결과를 요약해보면 자기 유동학적 현탁액에서 점성 응력 증분의 조절범위는 비자기 입자를 분산매체에 도입하여 강자성 입자의 크기 및 형상을 변경시킨다음, 상기 매체를 퀴리온도까지 가열함으로서 확장될 수 있다는 것이다.
저렴한 대형크기의 비구형 자기 반응성 입자를 이용하며 자기 유동학적 유체에 사용시 우수한 자기 유동학적 특성을 나타내는 자기 유동학적 조성물이 본 기술분야에서 요구되고 있다. 본 발명은 그와같은 조성물을 제공하여 준다.
도1은 자기 유동학적으로 조절되는 유체에 의하여 발생되는 힘과 디자인 갭 사이의 역관계를 보여주는 그래프이고, 도1a는 속도에 대한 힘으로 측정하여 실시예1에 기술된 본 발명의 실시예로 얻어진 성능 곡선을 보여주는 그래프이며, 도1b는 상대위치에 대한 힘으로 측정하여 실시예1에 기술된 본 발명의 실시예로 얻어진 성능곡선을 보여주는 그래프이고, 도2a는 속도에 대한 힘으로 측정하여 실시예2에 기술된 본 발명의 실시예로 얻어진 성능 곡선을 보여주는 그래프이며, 도2b는 상대 위치에 대한 힘으로 측정하여 실시예2에 기술된 본 발명의 실시예로 얻어진 성능 곡선을 보여주는 그래프이고, 도3a는 속도에 대한 힘으로 측정하여 실시예3에 기술된 본 발명의 실시예로 얻어진 성능곡선을 보여주는 그래프이며, 도3b는 상대위치에 대한 힘으로 측정하여 실시예3에 기술된 본 발명의 실시예로 얻어진 성능곡선을 보여주는 그래프이고, 도4a는 속도에 대한 힘으로 측정하여 비교 실시예A로 얻어진 성능곡선을 보여주는 비교 그래프이며, 도4b는 상대 위치에 대한 힘으로 측정하여 비교 실시예 A로 얻어진 성능곡선을 보여주는 비교 그래프이고, 도5a는 속도에 대한 힘으로 측정하여 비교 실시예 B로 얻어진 성능곡선을 보여주는 비교 그래프이며, 도5b는 상대 위치에 대한 힘으로 측정하여 비교 실시예 B로 얻어진 성능 곡선을 보여주는 비교 그래프이고, 도 5는 구형의 감소된 카르보닐 철 자기 반응성 입자의 주사 전자 마이크로그래프로부터의 디지탈 이미지를 나타낸 것이며, 도6은 물 분무에 의하여 생성되는 비구형 철입자의 주사전자 마이크로그래프로부터의 디지탈 이미지를 나타낸 것이고, 도7은 MR 제동기 장치의 피스톤 부분의 개략적인 측단면도를 나타낸 것이다.
본 발명은 6-100 미크론의 평균수 직경 분포(d50)를 갖는 비구형 자기 반응성 입자 및 상기 자기 반응성 입자 사이의 입자간 마찰을 감소시키는 최소한 하나의 첨가제로 구성되는 자기 유동학적 조성물에 관한 것이다. 조성물의 유체 실시예는 캐리어 유체를 추가적으로 함유한다. 특히 본 발명은 물 분무에 의하여 생성되는 비구형 자기 반응성 입자, 상기 자기 반응성 입자사이의 입자간 마찰을 감소시키는 최소한 하나의 첨가제, 및 캐리어 유체로 구성되는 자기 유동학적 유체에 관한 것이다.
또한 본 발명은 상기 자기 유동학적 유체를 함유하는 자기 유동학적 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 제동이 장치는 자기 유동학적 조성물이 존재하는 지정된 디자인 갭을 포함한다.
여기에서 사용되는 "힘 출력(force output)"이라함은 장치에 의존하는 제동력, 토오크 또는 이와 유사한 힘을 의미한다. "항복강도"는 항복응력을 초과하는데 요구되는 힘이다. "항복응력"은 자장의 존재에 직면하는 경우 또는 "온-스테이트(on-state)"에 있을때 자기 유동학적 조성물의 유동의 개시를 유도하는데 성공하였음에 틀림이 없는 응력이다. 자장의 부재는 여기에서 "오프-스테이트(off-state)"로서 언급된다. 여기에서 사용되는 "온-스테이트 힘(on-state force)"은 자장을 가한 결과로서 장치의 얻어지는 힘이다. "오프-스테이트 힘(off-state force)"은 자장이 가해지지 않았을 때 장치에 의하여 발생되는 힘을 의미한다.
본 발명은 좁은 디자인 갭을 이용하는 자기 유동학적 장치에 사용될 수 있으며 자장에 노출되면 향상된 성능을 제공할 수 있는 자기 유동학적 조성물을 제공하여 준다. 특히 자기 유동학적 조성물은 자장에 노출되면 향상된 온-스테이트 및 오프-스테이트 성능을 제공한다. 더욱이 본 발명은 자기 유동학적 유체로서 또는 자기 유동학적 유체에 사용될 때 감소된 온-스테이트 및 오프-스테이트 힘을 전달하는 자기 유동학적 조성물을 제공하여 준다. 자기 유동학적 유체 조성물을 위하여 현재 입수가능한 구형의 소형 크기의 자기 반응성 입자의 비경제적인 특성으로 인하여 자기 유동학적 유체 조성물에 대하여 대형의 비구형 입자를 장기간 바람직하게 사용하여 왔다. 그러나, 좁은 디자인 갭을 갖는 장치에서 자기 유동학적 유체에 불규칙 형상 및 대형 직경 크기를 갖는 자기 반응성 입자의 사용은 일단 자기 반응성 입자가 일정 레벨까지 증가하면 변덕스러운 출력힘 및 작용의 비예측성이 생길 수 있다는 것을 알게되었다. 게다가, 대형크기의 비구형 자기 반응성 입자가 좁은 디자인 갭 장치에 사용되는 경우, 입자간 마찰이 일어나 자기 유동학적 조성물의 성능 특성을 감소시킨다. 저비용 대형 직경의 자기반응성 입자는 본 발명에 따른 마찰 감소첨가제가 조성물에 포함되는 경우 향상된 성능으로 자기 유동학적 조성물에 사용될 수도 있다는 것을 알게되었다. 또한, 심지어 형상이 불규칙하거나 비구형인 자기 반응성 입자는 그와같은 첨가제가 제공되는 경우 좁은 디자인 갭을 갖는 자기 유동학적 장치에 우수한 결과로 이용될 수 있다는 것을 알게되었다. 따라서, 본 발명은 특정 크기의 자기 반응성 입자 및 입자 사이의 입자간 마찰을 감소시키는 첨가제로 구성되는 조성물을 이용하는 자기 유동학적 장치를 제공하여 준다.
자기 유동학적 유체 조절가능한 제동기는 정지 하우징, 가동 피스톤 및 장 발생기의 필수 부품을 갖고 있다. 하우징은 일정량의 자기 유동학적(MR)유체를 함유한다. MR제동기는 두가지 주요 운전방식, 즉 활주판 방식 및 유동(또는 밸브)방식을 갖고 있다. 상기 두 방식의 부품은 모든 MR제동기에 존재하게 되며, 유동 또는 밸브 방식의 힘 성분이 우세하다.
제동기는 쿨롱 또는 빙햄식 제동기로서 작용하는데, 이 경우 발생되는 힘은 바람직하게도 피스톤 속도에 영향을 받지 않으며, 큰 힘이 저속 또는 제로 속도로 발생될 수 있다. 이와같은 무영향은 제동기의 조절성을 향상시켜준다.
도7은 본 기술분야에서 널리 공지되고 1994년 1월 11일에 공고된 미국특허 제5277281호에 보다 충분히 기재되어 있는 MR장치의 피스톤 부분의 개략적인 측단면도를 나타낸 것이다. 피스톤은 하우징(도시되지 않음)내에 위치되어 있다. 피스톤 봉(32)에서 피스톤 헤드(30)는 하우징의 내측 직경보다 작은 최대직경으로 형성되어 있다. 도7에서, 도시된 피스톤은 코어 부재(43)에 권취되고 컵 부재(53)에 위치되는 코일(40)을 함유하고 있다. 도시되지 않은 것은 도선에 의하여 피스톤 봉을 통하여 코일에 연결되는 전기 연결부이며, 하나가 피스톤 봉(32)을 통하여 연장되는 전기 전도성 봉의 제1단부, 코일 권선의 제1단부에 연결되는 도선 및 코일 권선의 타측 단부로부터 접지도선에 연결된다. 도시되지 않은 피스톤 봉(32)의 상측 단부는 제동기에 부착가능하게 형성된 나사를 갖고 있다. 12-24 볼트의 전압에서 0-4 amp의 범위로 전류를 공급하는 외부 전원장치가 도선에 연결되어 있다.
컵 부재(53)는 다수의 통로(56)를 갖고 있고, 각각의 통로는 그 속에 예정된 갭을 갖고 있다. 다른 전형적인 실시예에서, 갭은 환상으로 제공된다. 부호(54)로 도시한 하나 이상의 시일이 컵 부재(53)의 주위로 연장되어 있다. 컵 부재(53)는 나사 훼스너(도시하지 않음)같은 고정수단에 의하여 코어 부재(43)에 부착되어 있다. 이와는 달리, 코일은 필요하다면 많은 정지 코일의 가능성을 제공하는 하우징과 결합될 수도 있다. 본 발명의 장치는 0.1-0.75mm, 바람직하기로는 0.4-0.6mm의 예정된 환상 유동 갭을 이용한다. 갭은 비교적 높은 온-스테이트 힘을 발생하는 치밀한 MR 유체장치를 제공하도록 소형이 바람직하다. 카르보닐 철 같은 입자 성분은 이들 갭 크기로 MR장치에서 용이하게 이용할 수 있으며, 정지 마찰을 생성하지 않는다. 그러나, 대형 평균 입자 직경(d50)의 불규칙 형상의 입자는 0.08-0.75mm, 특히 0.08-0.4mm의 갭 크기를 갖는 장치에서 정지마찰을 나타낸다. 정지마찰은 피스톤의 힘 스파이크 또는 불규칙 출력힘에 의하여 명백하며, 낮은 피스톤 속도에서 특별한 문제가 있다.
본 발명에 이용되는 자기 반응성 입자는 자기 유동학적 활동을 나타내는 것으로 알려진 어떠한 고체일 수 있다. 본 발명에 유용한 전형적인 입자 성분은 예컨대 상자성, 초상자성 또는 강자성 화합물로 구성되어 있다. 사용될 수 있는 자기 반응성 입자의 특정예로서는, 철, 철합금, 산화철, 철 나이트라이드, 철 카바이드, 카르보닐 철, 이산화크롬, 저탄소강, 실리콘강, 니켈, 코발트, 및 이들의 혼합물 같은 물질로 구성된 입자가 있다. 산화철은 Fe2O3 및 Fe3O4 같은 공지의 모든 순수 산화철, 및 망간, 아연 또는 바륨 같은 기타 원소를 소량 함유하는 것들을 포함한다. 산화철의 특정예로서는 페라이트 및 자철광이 있다. 이외에, 자기 반응성 입자 성분은 알루미늄, 실리콘, 코발트, 니켈, 바나듐, 몰리브덴, 크롬, 텅스텐, 망간 및/또는 동을 함유하는 것들과 같은 철의 공지 합금으로 구성될 수 있다.
본 발명에서 자기 반응성 입자로서 사용될 수 있는 철 합금에는 철-코발트 및 철-니켈 합금이 있다. 자기 유동학적 조성물에 사용하기에 바람직한 철-코발트 합금은 약 30:70-95:5의 철:코발트 비율, 바람직하기로는 약 50:50-85:15의 철:코발트 비율을 갖는 반면에, 철-니켈 합금은 약 90:10-99:1, 바람직하기로는 약 94:6-97:3의 철 : 니켈 비율을 갖는다. 철 합금은 합금의 연성 및 기계적 특성을 향상시키기 위하여 바나듐, 크롬 등과 같은 기타 원소를 소량 함유할 수도 있다. 전형적으로 이들 기타 원소는 약 3.0 중량%이하의 양으로 존재한다.
본 발명에 사용하기에 가장 바람직한 자기 반응성 입자는 높은 철 함량, 일반적으로 약95% 철 함량이상 또는 최소한 약95% 철 함량이상을 갖는 입장이다. 바람직하기로는, 사용되는 자기 반응성 입자는 약1중량%이하, 바람직하기로는 0.05중량%이하의 탄소를 갖게된다. 특히 바람직한 실시예에서, 자기 반응성 입자는 약98-99%의 철, 및 약1%이하의 산소 및 질소를 함유하게 된다. 그와같은 입자는 예컨대 용융철의 물 분무 또는 가스 분무에 의하여 얻어질 수도 있다. 이들 특성을 갖는 철 입자는 상업적으로 입수가능하다. 본 발명에서 유용한 자기 반응성 입자의 예로서는, Hoeagances®FPR, 1001 HP 및 ATW 230 이 있다. 기타 바람직한 입자로서는, 430 L 및 410 L 같은 스테인레스강 분말이 있다.
전형적으로 본 발명에 따른 입자 성분은 금속 분말의 형태이다. 자기 반응성 입자의 입자 크기는 자장을 받았을 때 다자구 특성을 나타내도록 선택되어야만 한다. 자기 반응성 입자에 대한 평균 수 입자 직경 분포는 일반적으로 약 6-100 미크론 사이, 바람직하기로는 약10-60 미크론 사이이다. 가장 바람직한 실시예에서, 자기 반응성 분말의 평균수 입자 직경 분포는 약 15-30 미크론 사이이다. 입자 성분은 평균수 입자 직경 분포가 상술한 바와 같은한 다양한 크기의 자기 반응성 입자를 함유할 수도 있다. 입자 성분은 직경이 최소한 16 미크론인 입자를 최소한 약 60% 갖게하는 것이 바람직하다. 입자 성분은 직경이 최소한 10 미크론인 입자를 최소한 약 70% 갖게 되는 것이 가장 바람직하다. 자기 반응성 입자의 크기는 주사 전자 현미경 검사, 레이저광 산란기술에 의하여 측정될 수 있거나 또는 특정 메쉬 크기를 제공하는 다양한 체를 사용함으로서 측정될 수도 있다.
본 발명의 자기 반응성 입자는 형상이 구형일 수 있지만, 불규칙 또는 비구형 형상을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 비구형 자기 반응성 입자의 입자 분포는 입자 분포내에 거의 약간의 구형 입자를 포함할 수도 있다. 그러나. 바람직한 실시예에서 입자의 약 50-70%이상은 불규칙 형상을 갖게된다. 도5는 펜타카르보닐 염으로부터 유도되는 구형 카르보닐 철 입자의 주사 전자 마이크로 그래프(현미경 사진)이다. 도6은 물 분무에 의하여 얻어진 비구형 철 입자의 주사 전자 마이크로그래프이다. 철 입자의 함량은 도5 및 6에 대하여 대략 동일하며, 약99%의 철, 약1%이하의 질소, 약1%이하의 산소 및 약0.05%이하의 탄소를 갖는다. 본 발명에 유용한 가장 바람직한 자기 반응성 입자는 최소한 99%의 철을 함유하며, 물분무에 의하여 얻어지는 크기 및 형상을 갖는 철 입자이다.
자기 반응성 입자는 전체 자기 유동학적 조성물의 약60-90중량%의 양으로, 바람직하기로는 약65-80중량%의 양으로 존재한다.
본 발명의 자기 유동학적 조성물은 자기 반응성 입자 사이의 입자간 마찰을 감소시키는 하나이상의 첨가제를 포함한다. 이와같이 얻어진 자기 유동학적 조성물은 자기 유동학적 유체 조성물에 사용되면 향상된 성능을 제공하여 준다. 특히, 오일과 같은 캐리어유체 및 불규칙한 형상의 대형 철 입자로 구성되는 자기 유동학적 유체는 제동기 같은 장치에 사용되면 높은 온-스테이트 힘 및 높은 오프-스테이트 힘을 갖는 것으로 나타났다. 또한 이들 유체는 제동기에서 방향의 변경시 주로 일어나는 성능곡선에 돌발성 피크를 발생한다. 이상적인 시스템에서, 불규칙 형상의 입자를 갖는 첨가제의 사용은 오프-스테이트 힘을 감소시키게 되고, 온-스테이트 힘을 증가시키게 된다. 본 발명에 따른 첨가제의 사용은 온- 및 오프-스테이트 힘을 저하시키고, 입자간 마찰을 감소시키는 첨가제없이 비구형 자기 반응성 입자를 함유하는 자기 유동학적 유체와 비교하여 자기 유동학적 유체의 성능을 향상시킨다. 비록 온-스테이트 힘을 감소시키는 것이 보다 덜 바람직하기는 하지만, 그와같은 감소는 오프-스테이트 힘의 감소시의 이점에 비추어 극미였다. 특히, 오프-스테이트 힘의 감소는 약2-20%였고, 온-스테이트 힘은 약3-20%까지 감소되었다. 이론에 의하여 한계를 정하고자 하는 것은 아니지만, 첨가제는 금속 입자를 코팅하거나 또는 마찰 감소 매체로서 작용토록 자기 반응성 입자 사이를 혼합하는 작용을 하는 것으로 생각된다. 또한 첨가제는 유체와 장치 사이에 발생되는 마찰의 감소를 제공하기 위하여 장치의 표면과 상호작용 할수도 있다고 생각된다.
입자간 마찰의 감소에 유용한 본 발명의 첨가제는 무기 몰리브덴 화합물 또는 플루오로카본 중합체를 포함한다. 마찰 감소 첨가제는 미국특허 제5354488호에 기재된 것과 같은 간접 마찰 감소 특징을 갖는 유리질 분산제 입자를 제외한다. 부가적으로, 무기 몰리브덴 화합물의 혼합물이 사용될 수도 있고, 플루오로카본 중합체의 혼합물이 사용될 수도 있다. 적당한 경우, 이들 화합물의 혼합물이 본 발명의 첨가제로서 또한 사용될 수도 있다. 무기 몰리브덴 화합물은 몰리브덴 설파이드 또는 몰리브덴 포스페이트가 바람직하다. 가장 바람직한 실시예에서, 첨가제는 몰리브덴 디설파이드이다. 바람직한 플루오로카본 중합체는 테트라플루오로에틸렌, 불화 에틸렌-프로필렌 중합체 또는 헥사플루오로프로필렌 에폭사이드 중합체이다. 플루오로카본 중합체를 이용하는 가장 바람직한 실시예에서, 첨가제는 폴리테트라 플루오로에틸렌이다. 마찰 감소 첨가제는 자기 반응성 입자의 전체 중량을 기준으로 하여 약0.1-10중량%의 양으로 존재할 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 마찰감소 첨가제 화합물은 자기 반응성 입자의 전체 중량을 기준으로 하여 약1-50중량%, 바람직하기로는 2-4중량%의 양으로 존재한다.
자기 반응성 입자 및 마찰 감소 첨가제는 적당한 경우 사실상 건조 분말 혼합물로서 제공될 수도 있다. "사실상 건조"라는 용어는 일반적으로 분말이 약1%이하의 물 또는 수분을 갖게된다는 것을 의미한다. 바람직한 실시예에서, 분말은 약 0.5%이하의 수분을 갖게된다. 건조 분말 혼합물은 적당한 적용을 위하여 건조 형태로 사용될 수 있다. 이와는 달리, 캐리어 유체가 자기 유동학적 유체를 제공하기 위하여 자기 반응성 입자 및 마찰 감소 첨가제의 분말 혼합물에 첨가될수도 있다.
본 발명의 자기 유동학적 조성물은 캐리어 유체 없는 건조 사전 혼합물로서 제공되거나 또는 초기에 통상적인 바와같이 혼합되어 자기 유동학적 유체 조성물을 제공할 수도 있다. 자기 유동학적 유체에서 자기 유동학적 조성물의 양은 유체의 소망하는 자기 활동 및 점성에 달려있다. 일반적으로, 자기 유동학적 유체에서 자기 유동학적 조성물의 양은 자기 유동학적 유체의 전체 용량을 기준으로 하여 약5-50중량%, 바람직하기로는 약10-30용량%이다.
캐리어 성분은 자기 유동학적 유체의 연속상을 형성하는 유체이다. 본 발명의 자기 유동학적 조성물로부터 자기 유동학적 유체를 형성하는데 사용되는 캐리어 유체는 자기 유동학적 유체와 함께 사용하기 위하여 알려진 부형제 또는 캐리어 유체일 수 있다. 자기 유동학적 유체를 수성 유체가 되게 하고자 하는 경우, 본 기술 분야에 숙련된 자는 여기에 발표된 첨가제의 자기 유동학적 유체가 그와같은 시스템에 적당하다는 것을 알게 될 것이다. 수성 시스템은 예컨대 미국특허 제5670077호에 전체로서 기재되어 있다. 물 기재 시스템이 사용되는 경우 형성되는 자기 유동학적 유체는 특히 하나이상의 적당한 요변성제, 부동성 성분 또는 녹 억제제를 선택적으로 함유할 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 캐리어 유체는 유기 유체, 또는 오일 기재 유체이다. 사용될 수도 있는 적당한 캐리어 유체는 천연 지방 오일, 미네랄 오일, 폴리페닐에테르, 이염기성산 에스테르, 네오펜틸 폴리올 에스테르, 포스페이트 에스테르, 합성 사이클로파라핀 및 합성 파라핀, 불포화 탄화수소 오일, 일 염기성산 에스테르, 글리콜 에스테르 및 에테르, 실리케이트 에스테르, 실리콘 오일, 실리콘 공중합체, 합성 탄화수소, 과불화 폴리에테르 및 에스테르 및 할로겐화 탄화수소, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 미네랄 오일, 파라핀, 사이클로파라핀(또한 나프텐 오일로 공지)및 합성 탄화수소 같은 탄화수소가 바람직한 캐리어 유체이다. 합성 탄화수소 오일은 폴리부텐 같은 올레핀의 올리고머화로부터 유도되는 오일 및 산 접촉 이량체화에 의하여 그리고 촉매로서 트리암모늄 알킬을 사용하는 올리고머화에 의하여탄소원자 8-20개의 고급 알파 올레핀으로부터 유도되는 오일을 포함한다. 그와같은 폴리 알파 올레핀 오일은 특히 바람직한 캐리어 유체이다. 본 발명에 적당한 캐리어 유체는 본 기술분야에 잘 알려진 방법에 의하여 제조될 수 있으며, Duresyn®PAO 및 Chevron Synfluid®PAO 같은 이름으로 상업적으로 입수가능하다.
전형적으로 본 발명의 캐리어 유체는 전체 자기 유동학적 유체를 기준으로 하여 약50-95용량%의 양으로 이용된다.
자기 유동학적 유체는 특히 요변성제, 카르복실레이트 비누, 항산화제, 윤활제 및 점성 개질제 같은 기타 성분을 선택적으로 함유할 수도 있다. 그와같은 선택적 성분은 본 기술분야에 숙련된 자에게 공지되어 있다. 예컨대, 가능한 카르복실레이트 비누는 리튬 스테아레이트, 리튬 하이드록시 스테아레이트, 칼슘 스테아레이트, 알루미늄 스테아레이트, 페로스 올레이트, 페로스 나프테네이트, 아연 스테아레이트, 나트륨 스테아레이트, 스트론튬 스테아레이트 및 이들의 혼합물을 포함한다. 항산화제의 예로서는, 아연 디티오포스페이트, 장해 페놀, 방향족 아민, 및 황으로 처리된 페놀이 있다. 윤활제의 예로서는, 유기 지방산 및 아미드, 라드 오일, 및 고분자량의 유기 포스포러스 및 포스포린산 에스테르가 있다. 점성 개질제의 예로서는, 올레핀, 메타크릴레이트, 디엔 또는 알킬화 스티렌의 중합체 및 공중합체가 있다. 본 기술분야에 숙련된 자는 이들 성분이 특정 적용에 유용하리하는 것을 알 수 있을 것이다. 존재한다면, 이들 선택적 성분의 양은 전형적으로 자기 유동학적 유체의 전체 용량을 기준으로 하여 약 0.25-10용량%이다. 바람직하기로는, 선택적 성분은 자기 유동학적 유체의 전체 용량을 기준으로 하여 약 0.5-7.5용량%로 존재하게 된다.
선택적 요변성제는 요변성 유동학을 제공하는 제제이다. 요변성제는 요망되는 캐리어 유체에 기준하여 선택된다. 자기 유동학적 유체가 유기 유체인 캐리어 유체와 함께 형성되는 경우, 그와같은 시스템과 상용성인 요변성제가 선택될 수도 있다. 그와같은 유기 유체 시스템에 유용한 요변성제는 미국 특허 제5645752호에 전체로서 기재되어 있다. 상술한 카르복실레이트 비누같은 오일 가용성 금속 비누가 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 자기 유동학적 조성물을 함유하는 자기 유동학적 유체의 점성은 자기 유동학적 유체의 특정 용도에 달려있다. 본 기술분야에 숙련된 자는 자기 유동학적 유체에 대한 소망 용도에 따라 필요한 점성을 결정하게 된다.
본 발명의 자기 유동학적 조성물로부터 제조되는 자기 유동학적 유체는 브레이크, 피스톤, 클러치, 제동기, 운동기구, 조절가능한 복합 구조물 및 구조 부재를 포함하여 다수의 장치에 사용될 수도 있다. 본 발명의 자기 유동학적 조성물로 형성된 자기 유동학적 유체는 제동기와 같은 특별한 내구성을 요하는 장치에 사용하기에 특히 적당하다. 여기에서 "제동기(damper)"라 함은 두개의 상대적으로 이동가능한 부재 사이의 운동을 제동하기 위한 장치를 의미한다. 제동기는 자동차 흡수기 같은 충격 흡수기를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 미국특허 제5277281호 및 미국특허 제5284330호에 기술되어 있는 자기 유동학적 제동기는 본 발명의 자기 유동학적 조성물의 사용에 의하여 얻어지는 자기 유동학적 유체를 사용할 수 있는 자기 유동학적 제동기를 예증하여 준다.
본 발명의 자기 반응성 입자는 다수의 방법으로 얻어질 수도 있다. 일예로서, 본 발명의 자기 반응성 입자로서 사용될 금속 분말은 물 분무 방법에 의하여 얻어진다. 이 방법은 본 발명에 따른 자기 유동학적 조성물의 전체 비용을 감소시키는데 기여한다. 물 분무 방법은 약 1600℃ 이하에서 용융되는 금속으로부터 원소 및 합금 분말을 제조하는 가장 일반적인 기술로서 란달 엠ㆍ저맨의 Powder Metallurgy Science[2판, 3장, "Powder Febrication", 107-110 페이지( ⓒ 1984, 1999)]에 기술되어 있다. 이 방법은 용융 스트림에 대하여 고압 물분사를 향하게 하고, 강제 붕괴 및 신속히 고화시키는 것을 포함한다. 신속한 냉각으로 인하여, 분말 형상은 불규칙적이고 거칠다. 도6은 물 분무에 의하여 얻어질 수 있는 입자크기 및 형상의 일예를 나타낸 것이다.
본 발명에 바람직한 자기 반응성 입자가 물 분무에 의하여 얻어짐에도 불구하고, 본 발명의 자기 반응성 입자는 그러한 입자의 제조에 대하여 본 기술분야에 공지된 방법에 의하여 얻어질 수도 있다. 이들 방법은 금속 산화물의 환원, 연마 또는 마멸, 전기분해 석출, 금속 카르보닐 분해, 신속한 고화, 또는 제련 과정을 포함한다. 상업적으로 입수가능한 여러가지 금속 분말로서는, 직선 철분말, 환원철 분말, 절연 환원철 분말, 코발트 분말, 및 울트라파인 파우더 테크놀러지스로부터 입수가능한 [48%] Fe/ [50%] Co / [2%] V 분말같은 여러가지 합금 분말이 있다.
하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것으로서, 이는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아님은 물론이다.
실시예 1
20%의 ATW-230 철(99%의 철, 1%이하의 산소, 1%이하의 질소, 및 0.01%의 탄소를 함유하는 물 분무되고 불규칙한 형상의 대형 입자 분말), 1%의 리튬 하이드록시 스테아레이트, 1%의 몰리브덴 이설파이드 및 나머지 부분(78%)의 합성 탄화수소 오일(Durasyn® 162라는 이름으로 판매되는 폴리-V-올레핀으로부터 유도된 것임)을 혼합하여 자기 유동학적 유체를 제조하였다. 얻어진 유체는 트럭 시트 제동기에서 시험하였으며, 그 결과는 속도(초)에 대한 힘(lb)의 성능 곡선을 보여주는 도1a, 및 상대 위치(볼트)에 대한 힘(lb)의 성능 곡선을 보여주는 도1b에 도시된 바와같다. 2 및 8 인치/초 및 0.1 및 2 amp에서 1인치 행정으로 시트 제동기에서 발생되는 힘을 측정하였다. 비교 실시예 (도4a 및 도4b)에서 명백한 힘 스파이크는 도1a 및 1b에 도시된 바와같이 자기 유동학적 유체 제제에 1%의 몰리브덴 디설파이드의 첨가후 현저하게 감소되었다. 오프-스테이트 힘은 160 lb에서 130 lb로 감소되었고, 온-스테이트 힘은 590 lb에서 480 lb로 감소되었다.
실시예 2
20%의 ATW-230 철, 1%의 리튬 하이드록시 스테아레이트, 2%의 몰리브덴 디설파이드 및 나머지 부분(77%)의 Durasyn®162 라는 이름으로 판매되는 폴리-V-올레핀으로부터 유도되는 합성 탄화수소 오일을 혼합하여 자기 유동학적 유체를 제조하였다. 얻어진 유체는 트럭 시트 제동기에서 시험하였으며, 그 결과는 속도에 대한 힘의 성능 곡선을 보여주는 도2a, 및 상대위치에 대한 힘의 성능 곡선을 보여주는 도2b에 도시된 바와같다. 2 및 8 인치/초 및 0.1 및 2 amp 에서 1인치 행정으로 시트 제동기에서 발생되는 힘을 측정하였다. 비교 실시예(도4a 및 4b)에서 명백한 힘 스파이크는 도2a 및 2b에 도시된 바와같이 자기 유동학적 유체 제제에 2%의 몰리브덴 디설파이드의 첨가후 현저하게 감소되었다. 오프-스테이트 힘은 160 lb에서 137 lb로 감소되었고, 온-스테이트 힘은 590 lb에서 470 lb로 감소되었다.
실시예 3
20%의 ATW-230 철, 1%의 리튬 하이드록시 스테아레이트, 4g(8%)의 테플론 및 나머지 부분(71%)의 합성 탄화수소 오일(Durasyn®162라는 이름으로 판매되는 폴리-V-올레핀으로부터 유도된 것임)을 혼합하여 자기 유동학적 유체를 제조하였다. 얻어진 유체는 트럭 시트 제동기에서 시험하였으며, 그 결과는 속도에 대한 힘의 성능 곡선을 보여주는 도3a, 및 상대 위치에 대한 힘의 성능 곡선을 보여주는 도3b에 도시된 바와같다. 2 및 8인치/초 및 0.1 및 2 amp에서 1인치 행정으로 시트 제동기에서 발생되는 힘을 측정하였다. 비교 실시예(도4a 및 4b)에서 명백한 힘 스파이크는 도3a 및 도3b에 도시된 바와같이 자기 유동학적 유체 제제에 폴리(테트라플루오로에틸렌)(플루오로중합체)의 첨가후 감소되었다.
비교 실시예 A
20%의 ATW-230 철, 1%의 리튬 하이드록시 스테아레이트 및 나머지 부분(79%)의 합성 탄화수소 오일(Durasyn®162라는 이름으로 판매되는 폴리-V-올레핀으로부터 유도된 것임)을 혼합하여 자기 유동학적 유체를 제조하였다. 얻어진 유체는 트럭 시트 제동기에서 시험하였으며, 그 결과는 속도에 대한 힘의 성능 곡선을 보여주는 도4a 및 상대위치에 대한 힘의 성능 곡선을 보여주는 도4a, 및 상대 위치에 대한 힘의 성능 곡선을 보여주는 도4b에 도시된 바와같다. 2 및 8인치/초(5 및 20 cm/s) 및 0.1 및 2 amp에서 1인치(2.54 cm)행정으로 시트 제동기에서 발생되는 힘을 측정하였다. 도4a 및 4b에 도시된 바와같이 힘 스파이크(실선상의 점)는 마찰 감소 첨가제가 존재하지 않을 때 명백하였다.
비교 실시예 B
20%의 ATW-230 철, 1%의 리튬 하이드록시 스테아레이트, 0.1% 의 상업적으로 입수가능한 유기 몰리브덴 화합물 및 나머지 부분(77%)의 합성 탄화수소 오일(Durasyn®162라는 이름으로 판매되는 폴리-V-올레핀으로부터 유도된 것임)을 혼합하여 자기 유동학적 유체를 제조하였다. 얻어진 유체는 트럭 시트 제동기에서 시험하였으며, 그 결과는 속도에 대한 힘의 성능 곡선을 보여주는 도5a 및 상대위치에 대한 힘의 성능 곡선을 보여주는 도5b에 도시된 바와같다. 2 및 8인치/초 및 0.1 및 2 amp에서 1인치 행정으로 시트 제동기에서 발생되는 힘을 측정하였다. 비교 실시예(도4a 및 4b)에서 명백한 힘 스파이크는 도5a 및 5b에 도시된 바와같이 자기 유동학적 유체 제제에 유기 몰리브덴 화합물의 첨가후 현저하게 감소되지 않았다. 오프-스테이트 힘은 160 lb에서 140 lb로 감소되었고, 온-스테이트 힘은 5 Po lb에서 568 lb로 약간만 감소되었다. 도5a 및 5b에 도시된 바와같이, 힘 스파이크(실선상의 점)는 유기 몰리브덴 마찰 감소 첨가제가 존재하지 할 때 명백하였다.
본 발명을 특정 실시예와 관련하여 상세히 기술하였지만, 본 발명은 본 발명의 정신 및 범위를 일탈함이 없이 여러가지 변형이 가능함은 물론이다.
Claims (21)
- 약 6-100 미크론의 평균 수 직경 분포를 갖는 비구형 자기 반응성 입자 및 상기 자기 반응성 입자 사이의 입자간 마찰을 감소시키는 최소한 하나의 첨가제로 구성됨을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제1항에 있어서, 첨가제는 무기 몰리브덴 화합물, 플루오로카본 중합체, 또는 이들의 혼합물임을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제1항에 있어서, 첨가제는 자기 반응성 입자의 약 0.1-10%의 양으로 존재함을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제1항에 있어서, 자기 반응성 입자 및 최소한 하나의 첨가제는 사실상 건조분말로서 제공됨을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제1항에 있어서, 자기 반응성 입자는 전체 자기 유동학적 조성물의 약 60-90중량%의 양으로 제공됨을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제1항에 있어서, 자기 반응성 입자는 1%이하의 탄소를 함유하는 철 입자임을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제1항에 있어서, 첨가제는 몰리브덴 설파이드 또는 몰리브덴 포스페이트 임을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제7항에 있어서, 첨가제는 몰리브덴 디설파이드임을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제1항에 있어서, 첨가제는 폴리테트라플루오로에틸렌임을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제1항에 있어서, 천연 지방 오일, 미네랄 오일, 폴리페닐에테르, 이염기성산 에스테르, 네오펜틸폴리올 에스테르, 포스페이트 에스테르, 폴리에스테르, 사이클로파라핀 오일, 파라핀 오일, 불포화 탄화수소 오일, 합성 탄화수소 오일, 나트텐 오일, 일염기성산 에스테르, 글리콜 에스테르, 글리콜 에테르, 합성 탄화수소, 과불화 폴리에테르, 및 할로겐화 탄화수소로 구성되는 기로부터 선택되는 캐리어 유체를 또한 포함함을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제10항에 있어서, 하나 이상의 요변성제, 카르복실레이트 비누, 항산화제, 윤활제 또는 점성 개질제를 또한 포함함을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제1항에 있어서, 비구형 자기 반응성 입자는 물 분무에 의하여 얻어지는 최소한 약 95%의 철을 함유하는 철 입자로 구성됨을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제1항에 있어서, 비구형 자기 반응성 입자는 약 10-60 미크론의 평균 수 직경 분포를 가짐을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제13항에 있어서, 비구형 자기 반응성 입자는 약 15-30 미크론의 평균 수 직경 분포를 가짐을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 0.08-0.75mm의 디자인 갭을 가지며, 상기 디자인 갭에 청구항 10의 자기 유동학적 유체 조성물을 함유함을 특징으로 하는 자기 유동학적으로 조절 가능한 제동기.
- 제10항에 있어서, 비구형 자기 반응성 입자는 15-30 미크론의 평균 수 직경 분포를 가짐을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제10항에 있어서, 첨가제는 플루오로카본 중합체임을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제17항에 있어서, 첨가제는 폴리테트라플루오로에틸렌임을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제17항에 있어서, 캐리어 유체는 미네랄 오일, 파라핀 오일, 사이클로파라핀 오일, 나프텐 오일, 또는 합성 탄화수소 오일 임을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제17항에 있어서, 비구형 자기 반응성 입자는 약10-60 미크론의 평균 수 직경 분포를 가짐을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
- 제20항에 있어서, 비구형 자기 반응성 입자는 약15-30 미크론의 평균 수 직경 분포를 가짐을 특징으로 하는 자기 유동학적 조성물.
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