KR20160129247A - 레오미터용 정밀 토션블럭 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레오미터용 정밀 토션블록에 관한 것으로, 상기 토션블록은 봉 형상의 로드(10)와; 상기 로드(10)의 상단에 일체로 형성되는 연결부(20)와; 상기 연결부(20)의 상단에 일체로 형성되는 베이스부(40)와; 상기 베이스부(40)의 상단에 일체로 형성되는 변위발생부(40) 및; 상기 변위발생부(40)의 상단에 일체로 형성되는 플랜지부(50)로 이루어지고, 상기 변위발생부(40)는 각각 수직으로 설치되며 사각으로 이루어진 복수 개의 탄성플레이트(41)와, 상기 탄성플레이트(41)의 상하단을 각각 지지하는 상부지지부(42) 및 하부지지부(43)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 토션블록을 구성하는 부품이 모두 일체로 이루어지기 때문에 절삭기계만을 이용하여 쉽게 제작할 수 있으며, 또한 측정 정밀도가 대폭 향상된다.

Description

레오미터용 정밀 토션블럭{Torsion Block of Rheometer}
본 발명은 레오미터용 토션블럭에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고분자 물질, 슬러리 등과 같은 피측정 대상물질(시료)이 가지는 점성, 점탄성 등의 유동학적 특성을 측정하는 데에 사용되는 레오미터용 토션블록에 관한 것이다.
고분자 물질을 제조하는 경우 또는 고분자 물질을 이용하여 또 다른 물질을 제조하는 경우 등에 있어서 고분자 물질의 이송과 제조공정 등의 처리과정이 원활하게 이루어지기 위해서는 먼저 고분자 물질 등과 같은 피측정 대상물질(시료)이 가지는 점성, 점탄성 등의 유동학적 특성을 파악하여야 하는데, 이때 일반적으로 레오미터가 사용되며, 이에 따라 다양한 구조의 레오미터가 개발되어 사용되고 있다.
여러 가지 구조의 레오미터 중 회전형 레오미터가 다른 구조의 레오미터에 비해 더 범용적으로 사용되고 있으며, 이러한 회전형 레오미터는 상하 한 쌍의 서로 평행하는 상하디스크 사이에 시료를 위치시킨 다음, 모터에 의해 상부디스크 또는 하부디스크를 회전 구동시킴으로써 시료에 외력이나 또는 작은 변형을 가하여 시료에 생기는 변형 또는 응력을 측정함으로써 점성 또는 점탄성 등을 산출한다.
이에 대해 더욱 상세히 설명하면, 도 1(a) 및 도 1(b)는 회전형 레오미터의 구조를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 이 도면에 도시된 바와 같이 회전형 레오미터는 본체(100)와, 본체(100)의 상부쪽에 설치되면서 로드(111), 변위발생부(112), 측정부(113) 및 플랜지부(114)로 이루어진 토션블록(110)과, 토션블록(110)의 로드(111) 하단에 설치되는 상부디스크(120)와, 본체(100)의 상부쪽에 설치되면서 회전력을 부여하는 회전모터(130), 회전모터(130)의 회전축 상단에 설치되는 하부디스크(140)로 이루어진다.
상기와 같은 구조로 이루어진 회전형 레오미터를 이용하여 시료의 점탄성을 측정할 때에는 먼저 상하부디스크(120, 140) 사이에 시료(200)를 위치시킨 다음 회전모터(130)를 동작시키면 회전모터(130)의 상단에 설치된 하부디스크(140)가 회전되면서 시료(200)에 외력(응력)을 가하게 되고, 이러한 시료에 가해진 응력(stress)은 하부디스크(140)의 상부에 설치된 상부디스크(120), 토션블록(110)의 로드(111)를 차례로 거쳐 변위발생부(112)에 전달되면서 변위(strain)로 변환되어 나타나며, 이때 시료(200)의 점성이나 점탄성 등의 물리적 특성에 따라 변위발생부(112)의 변위가 다르게 나타나게 되는데 이러한 변위발생부(112)의 변위를 위치 센서 등으로 이루어진 측정부로 측정하게 되면 시료의 유동학적 특성을 산출할 수 있다.
시료(200)에 가해진 응력에 의해 변위발생부(112)에서 변위가 발생되도록 하기 위해 토션블록(110)의 변위발생부(112)의 내부에는 도 1(c)에 도시된 바와 같은 대략 "H"자 형상의 판스프링(S)이 설치되는데, 이러한 판스프링(S)을 변위발생부(112)의 내부에 설치할 때에는 판스프링(S)이 이루는 당초의 평면을 그대로 유지한 채 변위됨으로써 측정의 정확성을 높일 수 있도록 도 1(b)에 도시된 바와 같이 양쪽 상하부에 각각 형성된 돌출 부분을 반원형상의 단면을 가지는 한 쌍의 스프링고정부(112A)에 용접에 의해 고정하는데, 이와 같이 변위발생부(112)의 내부에 "H"자 형상의 판스프링(S)을 설치하기 위해서는 변위발생부(112)가 여러 개의 부품으로 이루어져야 하고 또한 판스프링(S)을 스프링설치부(112A)에 고정하기 위한 용접작업도 쉽지 않다.
이에 더하여 상기와 같이 변위발생부(112)의 내부에 판스프링(S)을 용접에 의해 설치하는 경우 용접열에 의해 판스프링(S)에 변형이 일어날 수 있고, 또한 회전모터(130)에 의해 가해진 응력에 반응하여 변위되는 과정에서 판스프링(S)이 당초의 평면을 그대로 유지하지 못하고 미세하게 변형됨으로써 측정 정확도가 저하된다는 문제점이 있다.
따라서 제작이 용이하고, 물질의 유동학적 특성을 더욱 정확하고 정밀하게 게 측정할 수 있는 레오미터용 토션블록의 개발이 요구된다.
KR 10-2008-0070266 A KR 10-2011-0091860 A JP 2010-501838 A JP 2011-530063 A
본 발명은 상기와 같은 종래의 레오미터용 토션블록이 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 제작이 용이하며 구조가 간단하면서도 시료의 점탄성 등을 더욱 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 레오미터용 토션블록을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 레오미터용 토션블럭을, 봉 형상의 로드와; 로드의 상단에 일체로 형성되는 연결부와; 연결부의 상단에 일체로 형성되는 베이스부와; 베이스부의 상단에 일체로 형성되는 변위발생부 및; 변위발생부의 상단에 일체로 형성되는 플랜지부로 이루어지고, 변위발생부는 각각 수직으로 설치되며 사각으로 이루어진 복수 개의 탄성플레이트와, 탄성플레이트의 상하단을 각각 지지하는 상부지지부 및 하부지지부로 구성하는 것에 의해 달성된다.
그리고 본 발명의 탄성플레이트는 4개로 이루어지면서 90°의 등간격을 두고 형성됨으로써 서로 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상, 하부지지부와 연결되는 탄성플레이트의 상하 양단부에는 각각 동일한 곡률반경을 가지는 보강부가 형성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
이에 더하여 본 발명의 4개의 탄성플레이트는 와이어 가공기의 와이어가 서로 마주보는 2개의 탄성플레이트의 측면을 동시에 가공함으로써 형성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 탄성플레이트는 두께가 두꺼울수록 변위가 지수함수적으로 감소하도록 제작되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 토션블록이 로드, 연결부, 베이스부, 변위발생부 및 플랜지부가 일체로 이루어지기 때문에 절삭기계만을 이용하여 쉽게 제작할 수 있어 제작의 용이성이 대폭 향상되며, 또한 탄성플레이트가 토션블록에 전달된 응력에 정확하면서도 민감하게 반응하기 때문에 시료에 대한 측정 정밀도가 대폭 향상된다.
이에 더하여 본 발명은 종래의 판스프링에 비해 폭이 좁은 탄성플레이트를 복수 개 형성하여 사용하기 때문에 종래의 판스프링에서 발생될 수 있는 평면으로부터의 변형 가능성이 대폭 감소될 뿐만 아니라, 토션블록에 동일한 크기의 응력이 전달된 경우 종래의 판스프링에 의해 발생된 변위보다 더 큰 변위가 발생되며 이에 의해서도 측정 정밀도와 정확도가 더욱 향상된다.
도 1a는 일반적인 회전형 레오미터의 구조를 대략적으로 나타낸 구성도,
도 1b는 종래의 레오미터용 변위발생부의 구조를 나타낸 분리 사시도,
도 1c는 도 1b 변위발생부의 내부에 설치된 판스프링의 단면도,
도 2는 종래의 레오미터용 토션블록의 예를 보인 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 레오미터용 토션블록의 예를 보인 사시도,
도 4는 도 3의 정면도,
도 5는 도 3의 A-A선 단면도,
도 6은 도 4의 B-B선 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 레오미터용 토션블록이 변위된 상태를 보인 도면,
도 8은 본 발명에 따른 변위발생부의 탄성플레이트의 재질 및 두께와 변위의 관계를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 통해 본 발명의 구성과 작용을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 구조가 간단하면서도 물질의 유동학적 특성을 더욱 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 레오미터용 토션블록을 제공하고자 하는 것으로, 이를 위해 본 발명의 토션블록(1)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 로드(10), 연결부(20), 베이스부(30), 변위발생부(40) 및 플랜지부(50)로 이루어지고, 베이스부(30)의 외주면에는 측정부(도시되지 않음)가 설치된다.
로드(10)는 그 하단에는 상부디스크가 결합되어 이 상부디스크와 하부디스크 사이에 위치하는 시료의 유동학적 특성을 전달하는 부분으로서 그 구조는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 봉 형상으로 이루어지고, 그 하단에는 상부디스크(도시하지 않음)가 견고하게 결합될 수 있도록 일면이 면취된 평면부(11)가 형성되며, 이에 의해 로드(10)의 하단에 그 상부에 원통형의 취부구가 구비된 상부디스크를 끼우고, 나사 등으로 취부구와 로드를 견고하게 체결할 수 있다. 그리고 로드(10)는 내부가 중공(中空) 또는 중실(中實)의 봉 형상으로 이루어질 수 있으나, 토션블록(1)이 레오미터 본체에 설치될 때에는 토션블록(1)의 상단에 형성된 플랜지부를 통해 본체의 상부에 매달린 상태로 설치되는데, 로드를 중실의 구조로 하는 경우 중량이 무거워지므로 로드(1)는 중공의 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 로드(10)의 상단에는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 로드(10)에 비해 상대적으로 직경이 더 큰 원통 형상의 연결부(20)가 형성되며, 이 연결부(20)에는 서로 직교하는 방향으로 내부를 관통하여 한 쌍의 관통공(21)이 형성되고, 이들 관통공(21)을 통해 보정작업(calibration) 수행을 위한 부품 등이 취부(도시하지 않음)된다.
연결부(20)의 상단에는 도 4에 도시된 바와 같이 원통 형상의 베이스부(30)가 일체로 연결되는데, 이러한 베이스부(30)의 외주면에는 후술하는 변위발생부(40)의 변위를 측정하기 위한 포지션 센서 등으로 이루어진 측정부의 센서설치용 브래킷을 통해 설치된다(도시하지 않음).
또한 베이스부(30)의 상부에는 시료를 통해 전달된 회전모터의 응력에 의해 변위가 생성될 수 있도록 변위발생부(40)가 일체로 형성되는데, 본 발명의 변위발생부(40)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 각각 수직으로 설치되는 복수 개의 탄성플레이트(41)와, 이들 탄성플레이트(41)의 상하단을 각각 지지하는 상부지지부(42) 및 하부지지부(43)로 이루어지며, 이때 복수 개의 탄성플레이트(41)는 상, 하부지지부(42, 43)의 원주 방향을 따라 등간격을 두고 2개 내지 4개가 배치되는 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명에서는 탄성플레이트(41)를 형성할 때 제작 정확도와 정밀도를 높이기 위해 와이어 가공기를 사용하여 당초 원통 형상으로 이루어진 변위발생부(50)를 을 절삭하여 4각 수직빔 형상의 탄성플레이트(41)를 형성하는데, 실험결과 탄성플레이트(41)를 2개로 하여 서로 마주보도록 형성하는 경우 와이어 가공기의 와이어가 서로 마주보는 2개의 탄성플레이트의 측면을 동시에 가공할 수 있기 때문에 제작의 용이성은 확보되지만 변위발생 성능이 다소 미흡하고, 탄성플레이트(41)를 120°의 등간격을 두고 3개 형성하는 경우 2개 형성하였을 때보다 변위발생 성능은 개선되지만 와이어 가공기를 이용하여 3개의 탄성플레이트를 정확히 120° 간격을 두고 가공(형성)하기가 쉽지 않으며, 사각의 탄성플레이트(41)를 서로 90° 간격을 두고 4개 형성하여 이들이 서로 마주보도록 형성하는 경우 2개 또는 3개로 할 때보다 탄성플레이트(41)의 변위발생 성능이 향상되는 동시에 2개의 탄성플레이트(41)를 형성할 때와 마찬가지로 와이어 가공기가 2개의 탄성플레이트(41)의 측면을 동시에 가공할 수 있기 때문에 제작의 용이성도 동시에 확보된다는 것이 확인되었으며, 따라서 탄성플레이트(41)는 원주 방향을 따라 90°의 등간격을 두고 4개 형성됨으로써 서로 마주보는 배치되는 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 상, 하부지지부(42, 43)와 연결되는 탄성플레이트(41)의 상하 양단부에는 각각 동일한 곡률반경을 가지는 라운드에 의한 보강부(42A, 43A)가 형성되는데, 이 보강부(42A, 43A)에 의해 탄성플레이트(51)가 반복적으로 변위되는 경우에도 상, 하부지지부(52, 53)와 연결된 양단 부분이 쉽게 변형되거나 파손되지 않는 동시에 이들 보강부(42A, 43A)가 각각 동일한 곡률반경을 가지기 때문에 탄성플레이트(41)에 의해 발생된 변위발생부(40)의 변위가 측정부에 균일하게 전달된다.
또한 변위발생부(40)의 상단에는 도 2에 도시된 바와 같이 플랜지부(50)가 일체로 형성되며, 이 플랜지부(50)에는 원주 방향을 따라 복수 개의 체결공(51)이 형성되며 이들 체결공(51)에 의해 그 내부에 포스센서, 액추에이터, 제어기 등이 설치된 레오미터 본체의 상부에 견고하게 취부된다.
한편, 변위발생부(40)의 탄성플레이트(41)의 재질과 두께에 따라 변위 생성 특성이 다를 수 있는데, 본 발명자 등은 이러한 탄성플레이트(41)의 재질과 두께에 따른 변위 생성 특성을 파악하기 위해 실험을 행하였으며, 실험은 티타늄과 오스테나이트계 스테인리스스틸로 제작하면서 탄성플레이트(41)의 두께가 0.3, 0.6, 0.8, 1㎜되도록 각각 다르게 제작한 토션블록을 레오미터 본체에 설치한 상태에서 상하부디스크의 외주면에 밀폐형 가열챔버를 설치(도시하지 않음)하여 200℃의 온도 조건하에서 회전모터에 2047.08 gf/㎝의 회전 토크를 일정하게 부여하여 변위발생부(40)의 변위를 측정하였으며, 측정결과는 표 1, 도 6 및 도 7에 나타내었다.
도 7의 그래프에 있어서, 탄성플레이트(41)의 변위는 두께가 두꺼울수록 지수함수적으로 감소하고, 스테인리스스틸(SS)로 제작된 탄성플레이트(41)에 비해 티타늄(Ti)으로 제작된 탄성플레이트(41)가 응력에 더욱 민감하게 반응한다는 것을 확인할 수 있으며, 이 그래프는 향후의 토션블록에 대한 보정작업(calibration)에 이용될 수 있다.

Width(mm)		 변위(mm)
티타늄(Ti) 스테인리스스틸(SS)
0.3 0.0309 0.016829
0.6 0.0041 0.002206
0.8 0.0018 0.000961
1 0.0009 0.000509
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 토션블록(1)은 로드(10), 연결부(20), 베이스부(30), 변위발생부(40) 및 플랜지부(50)가 일체로 이루어지기 때문에 절삭기계만을 이용하여 쉽게 제작할 수 있으며, 또한 탄성플레이트(41)가 토션블록(1)에 전달된 응력에 정확하면서도 민감하게 반응하기 때문에 시료에 대한 측정 정밀도가 대폭 향상된다.
1: 토션 스프링 구조체 10: 로드
11: 평면부 20: 연결부
21: 관통공 30: 베이스
40: 변위발생부 41: 탄성플레이트
42: 상부지지부 43: 하부지지부
42A, 43A: 보강부 50: 플랜지부
51: 체결공

Claims (5)

  1. 물질의 유동학적 특성을 측정하기 위한 회전형 네오미터에 사용되는 토션블록에 있어서,
    상기 토션블록은 봉 형상의 로드(10)와;
    상기 로드(10)의 상단에 일체로 형성되는 연결부(20)와;
    상기 연결부(20)의 상단에 일체로 형성되는 베이스부(30)와;
    상기 베이스부(30)의 상단에 일체로 형성되는 변위발생부(40) 및;
    상기 변위발생부(40)의 상단에 일체로 형성되는 플랜지부(50)로 이루어지고,
    상기 변위발생부(40)는 각각 수직으로 설치되며 사각으로 이루어진 복수 개의 탄성플레이트(41)와, 상기 탄성플레이트(41)의 상하단을 각각 지지하는 상부지지부(42) 및 하부지지부(43)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레오미터용 정밀 토션블록.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성플레이트(41)는 4개로 이루어지면서 90°의 등간격을 두고 형성됨으로써 서로 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 레오미터용 정밀 토션블록.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 상, 하부지지부(42, 43)와 연결되는 탄성플레이트(41)의 상하 양단부에는 각각 동일한 곡률반경을 가지는 보강부(42A, 43A)가 형성되는 것을 특징으로 하는 레오미터용 정밀 토션블록.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 4개의 탄성플레이트(41)는 와이어 가공기의 와이어가 서로 마주보는 2개의 탄성플레이트의 측면을 동시에 가공함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 레오미터용 정밀 토션블록.
  5. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 탄성플레이트(41)는 두께가 두꺼울수록 변위가 지수함수적으로 감소하도록 제작되는 것을 특징으로 하는 레오미터용 정밀 토션블록.
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