KR20190068243A - 탄소섬유강화 복합재료로 이루어진 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템 - Google Patents

Abstract

본원 발명은 초고층 및 고속이동을 위한 엘리베이터에 사용되는 탄소섬유 강화 복합재료(carbon fiber reinforced plastic: CRFP)로 이루어진 로프(rope)의 실시간 손상감지 시스템에 대한 것으로 보다 구체적으로는 탄소섬유 강화 복합재료(carbon fiber reinforced plastic: CRFP)로 이루어진 로프(rope)가 보유하고 있는 전도성 특성을 이용하거나 일체형 구리선을 이용하여 구간별 또는 CFRP 로프에 구간별 하중이 전달되거나, 미세손상, 균열, 파괴가 발생할 때의 문제 사항을 파악하며, 실시간으로 CFRP 로프의 상태를 감지할 수 있는 방법 및 엘리베이터 구동 시스템에 대한 것이다. 본원 발명에 따르면 CFRP의 전도성을 이용한 멀티미터, 데이터로거, DAQ 등 전기적 특성감지를 통해 엘리베이터 로프가 받는 실시간 하중, 균열에 대한 감지가 가능하여 엘리베이터의 안정성 향상에 도움이 된다.

Description

탄소섬유강화 복합재료로 이루어진 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템{Damage sensing system of elevator rope comprising carbon fiber reinforced plastic}

본원 발명은 초고층 및 고속이동을 위한 엘리베이터에 사용되는 탄소섬유 강화 복합재료(carbon fiber reinforced plastic: CRFP)로 이루어진 로프(rope)의 실시간 손상감지 시스템에 대한 것이다.

보다 구체적으로는 탄소섬유 강화 복합재료(carbon fiber reinforced plastic: CRFP)로 이루어진 로프(rope)가 보유하고 있는 전도성 특성을 이용하거나 일체형 구리선을 이용하여 구간별 또는 CFRP 로프에 구간별 하중이 전달되거나, 미세손상, 균열, 파괴가 발생할 때의 문제 사항을 파악하며, 실시간으로 CFRP 로프의 상태를 감지할 수 있는 방법 및 엘리베이터 구동 시스템에 대한 것이다.

초고층 및 고속이동을 위하여 건물에 설치되는 엘리베이터는 엘리베이터용 로프에 엘리베이터 케이지가 매달린 상태에서 승강 및 하강한다. 즉 엘리베이터 케이지에는 엘리베이터용 로프의 일단이 설치되어 있고, 이 로프를 감아 올리거나 풀어 내림을 반복적으로 함으로써, 엘리베이터 케이지는 상하이동을 하게 되므로 엘리베이터용 로프의 파단은 중대사고로 연결될 우려가 있다.

따라서 엘리베이터용 로프에 손상이 발생한 경우에 이 손상을 조기에 발견할 수 있도록 로프의 상태를 감시하고 로프가 파단하기 전에 로프의 교환 등의 안전 대책을 실시하는 것이 필요하다. 예를 들면 일본에서는 엘리베이터 로프의 총단면적의 10%가 손상되기 전에 로프를 교환하는 것이 법규상 요구되어 있다.

일반적으로 엘리베이터용 로프의 손상 감지는 로프를 육안에 의해 확인하거나 일본 공개특허공보 특개2009-012903호에 기재된 로프의 촬영 화상을 이용하여 소선의 파단 수를 자동으로 확인해 로프의 손상을 감시하는 방법 또는 엘리베이터용 로프에 절연 피복을 실시해 두어 이 절연 피복이 손상되었을 때 발생하는 신호에 의해 로프의 손상을 감시하는 것도 알려져 있다.

그렇지만 엘리베이터 로프 표면의 촬영 화상을 육안에 의해 확인하는 방법으로는 로프 내부의 중대한 손상을 간과할 우려가 있을 뿐만 아니라 로프의 파단을 화상적을 이용하여 자동적으로 확인할 수 있는 시스템은 고신뢰성이 요구되어 고가이고, 절연 피복을 이용하는 방법으로는 엘리베이터 로프 그 자체의 손상을 검출하고 있는 것은 아니기 때문에 정밀도가 높은 엘리베이터 로프의 손상을 감시 할 수 없는 등의 문제가 있는 것이 현실이다.

일본 공개특허공보 특개2009-012903호

본원 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 개발된 것으로, 실시간 손상감지가 가능한 탄소섬유강화 복합재료로 이루어진 엘리베이터 로프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본원 발명에서는 탄소섬유강화 복합재료로 이루어진 엘리베이터 로프에 대한 균열감지, 파괴감지, 하중감지에 따른 안정성이 우수한 엘리베이터를 구축하는 방법을 제공하고자 한다.

본원 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여 CFRP의 전도성을 이용한 멀티미터, 데이터로거, DAQ 등 전기적 특성감지를 통해 실시간으로 소재가 받는 하중, 균열에 대한 감지가 가능한 탄소섬유강화 복합재료로 이루어진 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본원 발명에 따른 탄소섬유강화 복합재료로 이루어진 엘리베이터 로프는 실시간 손상의 감지가 가능한 장점이 있다.

본원 발명에 따르면 CFRP의 전도성을 이용한 멀티미터, 데이터로거, DAQ 등 전기적 특성감지를 통해 엘리베이터 로프가 받는 실시간 하중, 균열에 대한 감지가 가능하다.

본원 발명에 따른 하중, 손상에 대한 감지가 가능한 탄소섬유강화 복합재료로 이루어진 엘리베이터 로프를 이용함으로써 엘리베이터의 안정성 향상에 도움이 된다.

도 1은 일반적인 CFRP 로프의 형상(a)과 본원 발명의 일 구현예에 따른 CRFP 로프의 형상(b) 및 또 다른 일 구현예에 따른 CRFP 로프의 형상(c)을 개념적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본원 발명의 일 구현예에 따른 엘리베이터 시스템에 적용 가능한 실시간 CFRP 로프의 손상감시 시스템의 구현 모습을 나타낸 것이다.
도 3은 본원 발명의 일 구현예에 따른 CFRP 로프에 가해진 굴곡응력에 따른 실시산 감지능 평가 및 시편의 손상 종류별 정도를 나타낸 것이다.
도 4는 본원 발명의 일 구현예에 따른 실시간 굴곡 하중에 따른 4 본 타입의 CFRP 로프의 손상감지 시편을 나타낸 것이다.
도 5는 본원 발명의 일 구현예에 따른 실시간 굴곡 하중에 따른 4 본 타입의 CFRP 로프의 손상감지 시험의 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본원 발명의 일 구현예에 따른 실시간 굴곡 하중에 따른 4 본 타입의 CFRP 로프의 손상감지 시험의 결과에 따른 시편의 상태를 나타낸 것이다.

이하, 본원 발명에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본원 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본원 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여 섬유강화 복합재료로 이루어진 엘리베이터 로프; 상기 엘리베이터 로프의 양단에 연결되는 통전 수단; 및 상기 통전 수단과 연결되는 로프의 전기적 특성 감지장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템을 제공한다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템에 있어서, 상기 엘리베이터 로프는 탄소섬유를 보강섬유로 하여 열가소성 폴리우레탄(TPU)이 코팅된 복합재료일 수 있다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템에 있어서, 상기 엘리베이터 로프는 4개의 로프의 집합체로 구성될 수 있다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템에 있어서, 상기 엘리베이터 로프는 일단은 지상에 고정되고 타단은 권상기에 연결될 수 있다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템에 있어서, 상기 통전수단은 섬유강화 복합재료의 인발 성형시 통전수단이 내부에 매립되거나, 섬유강화 복합재료의 양 말단에 고정 및 연결될 수 있다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템에 있어서, 상기 전기적 특성 감지장치는 통전수단을 통하여 섬유강화 복합재료의 전기저항, 전류, 및 전압 중 어느 하나의 변화량을 측정하는 것일 수 있다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템에 있어서, 상기 전기적 특성 감지장치는 멀티미터, 데이터 로거 또는 DAQ 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템에 있어서, 상기 전기적 특성 감지장치는 4개의 로프에 개별적으로 연결될 수 있다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템에 있어서, 상기 전기적 특성 감지장치는 엘리베이터 로프의 굴곡하중에 대한 저항의 변화를 측정하는 것일 수 있다.

이하, 본원 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면과 같이 본원이 속하는 기술 분야에서 일반적인 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있도록 본원의 구현 예 및 실시 예를 상세히 설명한다. 특히 이것에 의해 본원 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한을 받지 않는다. 또한, 본원 발명의 내용은 여러 가지 다른 형태의 장비로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구현 예 및 실시 예에 한정되지 않는다.

도 1은 일반적인 CFRP 로프의 형상(a)과 본원 발명의 일 구현예에 따른 CRFP 로프의 형상(b) 및 또 다른 일 구현예에 따른 CRFP 로프의 형상(c)을 개념적으로 나타낸 것이다.

일반적인 초고층, 고속이동을 위한 엘리베이터에 삽입되는 CFRP 로프의 형상은 도 1의 (a)와 같은 모습으로, 통상 4개가 하나의 세트로 구성되고, CFRP 로프의 폭은 5 mm, 두께는 2mm 가량이다. 또한, CFRP 로프의 내부는 탄소섬유 다발로 구성되고, 마찰계수가 높은 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane: TPU) 소재로 1~2mm 코팅되어 내부의 탄소섬유 다발을 보호할 수 있도록 구성된다.

반면에, 본원 발명의 일 구현예에 따른 CFRP 로프는 도 1의 (b) 또는 (c)와 같이 CFRP 로프에 대한 실시간 손상감지를 위해 CFRP 로프에 직접적인 전기적 특성 감지를 위한 통전 수단(예: 전기가 통할 수 있는 구리선 등)이 연결된 CFRP 로프의 형상을 모식화한 것이다. 도 1의 (b)와 같은 형태의 통전수단의 연결은 대표적으로 CFRP rope를 인발 성형(pultrusion)할 때 0.1~1mm 굵기의 구리선을 동시에 성형함으로써 제조할 수 있다. 한편, CFRP 로프의 성형단계에서 이러한 통전수단을 연결하기 곤란한 경우에는 도 1의 (c)와 같이 CFRP 끝단부에 통전수단을 고정 및 연결하여도 CFRP 로프의 실시간 손상감지가 가능하다.

도 2는 본원 발명의 일 구현예에 따른 엘리베이터 시스템에 적용 가능한 실시간 CFRP 로프의 손상감시 시스템의 구현 모습을 나타낸 것이다.

먼저, CFRP 로프를 통상적으로 엘리베이터의 상부에 설치되는 권상기에 걸쳐 지상과 연결시켜 엘리베이터를 구현하는데 이 과정에서 굴곡응력이 가장 많이 발생되는 권상기 부분에 CFRP 로프에 구리선을 연결하여 실시간으로 전기저항을 감지하도록 하거나, 지상에 연결된 CFRP 로프 에 전기적 특성 평가 장치 (전기저항, 전류, 전압; 멀티미터, DAQ, 데이터로고)를 설치하여 CFRP 로프의 상태를 감지할 수있도록 할 수 있다.

이때, 통전 수단과 연결되는 전기적 특성 감지장치는 실시간 손상감지가 가능하도록 CFRP 로프의 경우 멀티미터, 데이터 로고, 또는 DAQ와 같은 데이터 수집 장치가 필요하다. 데이터 수집의 종류는 전기저항, 전류, 전압으로 일반적인 전기계측 단위를 사용하면 되며, 수집 속도는 0.5s 단위로 감지하면 실시간 감지가 가능하며, 최대 5s 당 하나의 데이터를 받아 CFRP 로프의 변형, 응력, 하중, 손상을 감지할 수 있다.

도 3은 본원 발명의 일 구현예에 따른 CFRP 로프에 가해진 굴곡응력에 따른 실시산 감지능 평가 및 시편의 손상 종류별 정도를 나타낸 것이으로, 실시간으로 감지한 CFRP 로프의 응력과 전기적 신호의 감지 그리고 실험 후 확인된 시편의 손상을 정리한 결과이다. CFRP 로프 하나에 대한 특성을 평가했으며, 굴곡응력에 따른 감지능을 평가하였다. 일반적으로 CFRP 로프에 굴곡응력에 의해 파괴가 발생되는 조건은 700~1000 N의 하중 범위이고, CFRP 로프는 연속공정으로 성형되어 나오기 때문에 특성이 다 동일한 것으로 보기 어렵다.

따라서 편차가 발생되는데 본원 발명의 일 구현예에 따르면 4가지의 경향으로 CFRP rope의 파손을 예측할 수 있다.

첫째 전기저항 변화도가 1 근처로 급격한 증가를 하는 경우 재료의 파단이 시편의 두께 방향으로 50% 정도 발생되었음을 확인할 수 있었다. 이 경우는 CFRP 로프의 안정성이 크게 떨어지는 상태이다.

둘째 전기저항 변화도가 0.8 정도일 경우 CFRP 로프의 균열이 크게 발생된 상황이며, 전반적으로 CFRP 로프의 시편 두께 방향으로 30% 정도 균열이 생성되었음을 의미한다.

셋째 전기저항 변화도가 0.5 이하로 발생되는 경우 CFRP 로프 자체의 표면에는 균열이 보이지 않는 단계이며, CFRP 로프의 표면에 굴곡이 형성되기 시작한다. 약 두께 방향으로 10% 이내의 균열이 형성된다고 설명할 수 있다.

넷째로 전기저항 변화도가 0.2 이상의 변화를 나타내었을 경우 육안으로 검사가 어려울 정도로 균열이 낮은 상태이며, 이러한 상태는 CFRP 로프 내부에 층간 분리가 발생된 경우라고 설명할 수 있다.

즉, 상기 본원 발명의 일 구현예로 설명한 바와 같이, 전기저항 변화도의 정도로 CFRP 로프의 손상을 감지할 수 있으며, 실시간으로 데이터를 받음으로써 CFRP 로프가 받은 하중에 대한 경향을 감지할 수 있다. 일반적으로 CFRP 로프에 전달되는 전반적인 하중은 굴곡하중이 큰 편인데, 굴곡하중이 높을 경우 시편에 가해지는 인장과 압축에 대한 하중이 고려되기 때문에 CFRP 로프 초기 상태에는 안정성을 나타낸다. 하지만, 도 3에서 나타낸 바와 같이 CFRP 로프에 균열이 발생됨에 따라 전기저항이 증가하게 되며, 이러한 경향을 바탕으로 CFRP 로프가 엘리베이터에 적용되어 작동하고 있을 때 CFRP 로프의 상태를 감지할 수 있는 점이 본원 발명의 특징이다.

도 4는 본원 발명의 일 구현예에 따른 실시간 굴곡 하중에 따른 4 본 타입의 CFRP 로프의 손상감지 시편을 나타낸 것이다. 도 4에 나타낸 것은 실제로 초고층, 고속 엘리베이터에 사용되는 CFRP 로프의 형상으로, 4본 타입의 CFRP 로프는 동일한 굴곡하중을 권상기를 통해 휘어짐에 따라 받는다고 설명할 수 있지만, 실제는 열가소성 폴리우레탄(TPU)과 같은 탄성이 높은 소재로 둘러 쌓여 CFRP 로프가 뭉쳐져 있기 때문에 권상기의 상태가 고른 표면이 아닐 경우 CFRP 로프는 휘어지게 된다.

즉, 로프가 실시간으로 굴곡 하중을 받는 경우 손상을 감지하기 위하여 도 5는 본원 발명의 일 구현예에 따른 실시간 굴곡 하중에 따른 4 본 타입의 CFRP 로프의 손상감지 시험의 결과를 도 6은 본원 발명의 일 구현예에 따른 실시간 굴곡 하중에 따른 4 본 타입의 CFRP 로프의 손상감지 시험의 결과에 따른 시편의 상태를 나타낸 것이다.

도 5와 같이 각 CFRP 로프의 번호별로 굴곡하중에 따른 전기저항 변화 상태를 감지해 볼 수 있었다. 실제 시편을 이용했을 경우 TPU가 코팅된 CFRP 로프를 이용하여 굴곡 실험을 할 경우 CFRP 로프의 손상감지 정도를 예측할 때 이용한 전기저항 변화도가 50% 저하되어 나타났다. 이는 CFRP 로프의 상하좌우 미세이동을 TPU가 막기 때문에 발생되는 것이며, TPU가 코팅된 CFRP 로프의 경우 불능 상태로 감지할 수 있는 조건은 전기저항 변화도 0.2 이상이면 불능이라고 생각할 수 있었다. 굴곡 초기에 CFRP 로프에 가장 하중을 많이 받는 위치는 1번 위치였고, 이는 전기저항 변화도의 정도로 감지할 수 있었으며, 손상이 발생된 뒤 전기 저항이 저하되기 때문에 전반적인 CFRP 로프의 굴곡에 의한 파괴 거동이 유사한 상태를 나타낸다고 설명할 수 있었다. 이후 나머지 3개의 CFRP 로프(2,3,4 위치)들이 굴곡을 지탱하였다고 설명할 수 있으며, 3번 부분에 하중을 많이 받고, 3번이 파단되고 난 다음 4번 CFRP 로프가 최종적으로 마지막에 파단이 이루어진 것을 확인할 수 있었다. 비교적 2번 CFRP 로프는 굴곡하중을 타 소재에 비해 적게 받고 있음을 알 수 있다.

단순히 하중결과만 가지고는 4가지의 조성은 같지만 내부 특성까지 동일할 수 없는 CFRP 로프의 상태를 감지할 수 없다. 하지만 본원 발명의 일 구현예에 따른 CFRP 로프의 실시간 손상감지 시스템을 이용할 경우 4가지의 CFRP 로프에 개별적으로 가해지는 하중을 감지할 수 있으며, 이러한 특성은 실제 엘리베이터에도 적용되어 어떤 위치의 CFRP 로프가 문제가 발생할 가능성이 있는지를 실시간으로 감지하여 보완이 필요 유무를 감지할 수 있는 점이 본원 발명의 장점이다.

Claims (10)

1. 섬유강화 복합재료로 이루어진 엘리베이터 로프;
   상기 엘리베이터 로프의 양단에 연결되는 통전 수단; 및
   상기 통전 수단과 연결되는 로프의 전기적 특성 감지장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 엘리베이터 로프는 탄소섬유를 보강섬유로 하여 열가소성 폴리우레탄(TPU)이 코팅된 복합재료인 것을 특징으로 하는 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 엘리베이터 로프는 4개의 로프의 집합체로 구성되는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 엘리베이터 로프는 일단은 지상에 고정되고 타단은 권상기에 연결되는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 통전수단은 섬유강화 복합재료의 인발 성형시 통전수단이 내부에 매립되어 성형되는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 통전수단은 섬유강화 복합재료의 양 말단에 고정 및 연결되는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 전기적 특성 감지장치는 통전수단을 통하여 섬유강화 복합재료의 전기저항, 전류, 및 전압 중 어느 하나의 변화량을 측정하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 전기적 특성 감지장치는 멀티미터, 데이터 로거 또는 DAQ 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템.
9. 청구항 3에 있어서,
   상기 전기적 특성 감지장치는 4개의 로프에 개별적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기적 특성 감지장치는 엘리베이터 로프의 굴곡하중에 대한 저항의 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 로프의 실시간 손상감지 시스템.

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