프리즈매틱 코어 금속을 적용한 도시철도차량 전동차 출입문

프리즈매틱 코어 금속을 적용한 도시철도차량 전동차 출입문{Applications of metallic prismatic cores to entrance doors of electric cars}

본 발명은 프리즈매틱 코어 금속을 적용한 도시철도차량 전동차 출입문에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 다양한 형태의 규칙적 다공질 금속을 적용하여 하중 지지의 구조적인 역할을 충실히 수행하면서도 경량화 뿐만 아니라 그 응용 범위를 확대할 수 있는 프리즈매틱 코어 금속을 적용한 도시철도차량 전동차 출입문에 관한 것이다.

대도심의 대량 인적 수단인 도시철도차량은 도시간 이동을 목적으로 한 다른 형태의 수송 수단과 비교해 짧은 거리의 빈번한 승하차를 특징으로 한다. 또한, 도시철도차량은 출퇴근 시간 등의 러시아워에 많은 승객을 일시에 운송할 수 있어야 한다.

이와 관련하여 도시철도차량의 출입문은 개폐시 차체를 포함한 다른 구조체와 간섭이 일어나지 않도록 설계 및 제작되어야 하며, 포화 승객 수 탑승으로 인해 발생할 수 있는 구조적인 문제의 방지를 위해 일정량의 강도와 강성 역시 필요하다.

이와 같이 출입문의 강도와 강성을 확보하기 위하여 출입문 구조체는 보강 프레임과 샌드위치 구조를 채택하고 있다.

샌드위치 구조 개념이란 서로 다른 재료 혹은 구조를 층층이 쌓아 각 적층재료 혹은 각 적층구조가 개별적으로 지니고 있는 장점을 상보적으로 활용할 수 있도록 만든 구조체 개념이다. 일반적으로 내피-심재-외피 순서로 적층 및 구성되는데, 이러한 적층 개념은 높은 단위 무게 당 굽힘강성(비강성)의 확보가 가능하다. 이때, 내피와 외피는 두께가 얇은 판재로서 인장압축 및 굽힘을 주로 담당하며, 그 사이의 대부분의 부피를 차지하는 심재는 전단을 지지하며, 경량화를 위한 경량소재가 채택된다.

현재 도시철도 차량 전동차 출입문은 심재로서 허니콤 소재를 주로 사용하며, 그 사이를 접착제를 이용하여 접착한다. 좀 더 상세하게 설명하면 현재 도시철도차량 출입문의 구조는 일정량의 굽힘강성과 굽힘강도를 갖도록 설계 및 제작되고 있으며, 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이 박스 단면의 보강 프레임, 내피(1) 및 외피(2)와 그 사이를 채우고 있는 허니콤 심재(3)를 채택하고 있다.

이와 같은 허니콤은 단위 중량당 굽힘 강성이 매우 우수한 소재로 알려져 있으며 이를 활용하여 샌드위치 구조체의 심재로서 가장 보편적으로 사용된다. 이와 같은 허니콤 구조체의 일 예가 등록특허 제10-0561246호에 제안된 바 있다.

특히, 굽힘 하중을 받는 편편한 부재에 채용할 경우 허니콤은 다른 어떠한 심재 구조재보다 우수한 것으로 조사된다. 하지만, 허니콤은 조립 시에 오정렬(misalignment)에 취약하다는 단점과 이로 인해 실제 구현되는 강성 및 강도치는 이론적으로 획득할 수 있는 이론치와 많은 차이를 보일 뿐만 아니라 허니콤의 경우 닫힌 셀 구조로서 기공을 활용한 다기능성 역할을 기대할 수가 없다는 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래 전동차 출입문 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 내피와 외피 사이에 위치하는 샌드위치 심재로서 규칙성 프리즈매틱 코어 금속(metallic prismatic cores)을 적용하여 하중 지지의 구조적인 역할을 충실히 수행하면서도 경량화 뿐만 아니라 다기능성을 확보할 수 있는 프리즈매틱 코어 금속을 적용한 도시철도차량 전동차 출입문을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

외피와 내피 사이에 심재가 구비되어서 이루어지는 도시철도차량 전동차 출입문에 있어서, 상기 심재는 규칙적 다공질 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 프리즈매틱 코어 금속을 적용한 도시철도차량 전동차 출입문을 제공한다.

이때, 상기 내피 및 외피는 알루미늄, 스테인리스강, 파이버 강화 복합재 중에 어느 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 심재는 채널형태의 프리즈매틱 코어 구조인 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 채널형태의 프리즈매틱 코어 구조는 주름구조(Corrugated core), 다이아몬드 코어, Y-Frame, I-core 중에 어느 하나의 구조인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 심재는 스테인리스강 또는 풀림처리된 알루미늄 합금으로 이루어지는 3t 미만의 판재를 굽힘 또는 압출 공정으로 제조된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 심재는 소성 가공(굽힘)이 용이하도록 상온에서 항복강도가 250MPa보다 낮으며, 10%이상의 연성을 확보한 금속을 모재로 하여 제작되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 심재는 상기 내피 및 외피 사이에 접착제, 브레이징, 레이저 점용접, 다점 전기저항용접 중에 어느 하나의 방식으로 접합되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 도시철도차량 전동차 출입문에는 외부를 확인할 수 있는 유리창이 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 철도차량용 전동차 출입문은 평판(flat plates) 또는 곡면 형태의 판재(curved plates) 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 도시철도차량 전동차 출입문에는 LCD 패널이 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 철도차량 전동차의 출입문에 프리즈매틱 코어 금속으로 이루어지는 심재를 적용하여 기존 하니콤 구조의 심재를 채용한 출입문에 비해 경량화와 기능을 확장할 수 있는 장점이 있다.

특히, 본 발명은 철도차량 전동차의 출입문을 경량화할 수 있어 최근 철도차량의 개발 추세가 저연비, 고효율화를 달성하기 위하여 차량의 경량화와 공기저항을 감소시킬 수 있는 유선형의 차체형상을 설계 및 제작에 유용하게 적용할 수 있다.

아울러 본 발명에 따른 철도차량 전동차의 출입문은 평판형 뿐만 아니라 곡면 형태의 샌드위치 판재를 제작한다 하더라도 축력을 주로 전달하므로 구조적 특성 저하가 허니콤 소재보다 심각하지 않으며 더 적은 무게의 심재를 통해 경량화를 한층 더 꾀할 수 있다.

또한, 내피와 외피를 규칙적 다공질 금속에 접착하더라도 기공 부분이 열려있으므로 그 빈 공간을 활용하여 굽힘에 대한 강성을 유지함과 동시에 전선 배관의 역할 등의 다기능성에 대한 역할을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명은 경량 소재를 채용함으로써 철도차량의 경량화를 수 있으며, 다기능성 부품을 채용하여 부품수의 감소를 유도하여 이 역시 철도차량의 경량화를 이룰 수 있다.

도 1은 종래 일반적인 도시철도차량 전동차 출입문을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에서 구현하고자 하는 프리즈매틱 코어 금속을 적용한 도시철도차량 전동차 출입문의 예들을 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에서 심재로 채용한 규칙적 다공질 금속의 토폴로지(topology)를 도시한 도면들이다.
도 6은 본 발명에 따른 규칙적 다공질 금속을 이용한 철도차량 전동차 출입문의 다른 실시 예를 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 프리즈매틱 코어 금속을 적용한 도시철도차량 전동차 출입문을 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이에 앞서, 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 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도 2 내지 도 6를 참고로 본 발명에 따른 프리즈매틱 코어 금속을 적용한 도시철도차량 전동차 출입문을 설명한다.

본 발명은 도시철도차량의 전동차 출입문(100)을 제작시 하중 지지의 구조적인 역할을 충실히 수행하면서도 경량화 뿐만 아니라 그 응용 범위를 확대할 있도록 규칙적 다공질 금속을 적용한다.

특히, 본 발명에 따른 도시철도차량용 전동차 출입문(100)은 규칙적 다공질 금속의 완전 개방형 또는 채널형의 기공(porosity)을 활용이 가능하도록 제작된다.

이때, 규칙적 다공질 금속이란 금속을 모재로 한 트러스 요소 혹은 판 요소 등을 미시적으로 규칙적인 형태를 이루도록 연속하면서도 반복적인 패턴을 가지게 하도록 가공한 것을 일컫는다.

또한, 규칙적 다공질 금속의 토폴로지(topology) 구성에 따라 기공(porosity) 부분이 채널형태 혹은 완전개방형태로 제조가 가능하므로 구조기능 뿐 아니라 다기능성에 대한 활용도가 높다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

먼저, 도 2는 본 발명에서 구현하고자 하는 프리즈매틱 코어 금속을 적용한 도시철도차량 전동차 출입문(100)의 예를 도시한 도면들이다. 이에 의하면 본 발명에 따른 도시철도차량 전동차 출입문(100)은 외피(110)와 내피(120), 그리고 상기 외피(110)와 내피(120) 사이에 구비되는 심재(130)로 구성된다.

이때, 상기 내피(110)와 외피(120)는 알루미늄, 스테인리스강, 파이버 강화 복합재 등의 재질로 이루어지며 판재 형상으로 가공 제작된다.

이와 같은 도시철도차량 전동차 출입문(100)을 구성하는 외피(110)와 내피(120) 사이에 구비되는 심재(130)로서 하니콤 심재를 대신하여 상대밀도 5% 미만의 규칙적 다공질 금속을 채용한다.

한편, 도 3 내지 도 6은 도 2에 도시된 도시철도차량 전동차 출입문(100)의 심재(130)에 적용된 규칙적 다공질 금속의 토폴로지(topology)를 나타낸 도면들이다.

이때, 도시철도차량 전동차 출입문(100)의 심재(130)로 채용되는 규칙적 다공질 금속은 트러스 또는 판재를 사용자의 목적에 맞도록 형상을 변경할 수 있다.

그리고, 상기 규칙적 다공질 금속 형태의 심재(130)를 제작하기 위한 모재(母材)는 소성 가공(굽힘)이 용이하도록 상온에서 항복강도가 250MPa보다 낮으며, 10%이상의 충분한 연성을 확보한 금속 재료 혹은 압출이 용이한 금속재료를 사용함이 바람직하다.

특히, 규칙적 다공질 금속을 이루고 있는 트러스 또는 판재의 두께는 3t미만을 사용하여 상대밀도 5% 이내로 심재(130)를 제작함이 바람직하다.

또한, 상기 도시철도차량 전동차 출입문(100)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 규칙적 다공질 금속 형태의 심재(130)로 주름구조(Corrugated core)와 같은 채널형태의 프리즈매틱 코어를 채용하거나, 도 5에 도시된 바와 같이 규칙적 다공질 금속 형태의 심재(130)로 다이아몬드 코어와 같은 채널형태의 프리즈매틱 코어 구조를 채용할 수 있다.

물론, 별도로 도시하지는 아니하였지만, 상기 도시철도차량 전동차 출입문(100)은 규칙적 다공질 금속 형태의 심재(130)로 Y-Frame, I-core 등의 채널형태의 프리즈매틱 코어로 채용할 수 있다.

이때, 상기 프리즈매틱 코어의 주름구조 심재(130)의 경우 3t 미만의 판재를 굽힘 공정을 통해 제조 가능하나 이는 인성이 충분하고 강도가 비교적 낮은 몇 개 강종의 스테인리스강과 풀림처리된 알루미늄 합금으로 제한된다.

물론, 상기 프리즈매틱 코어의 주름구조 심재(130)는 판재를 굽힘 공정 대신 압출을 이용하여 제조할 수도 있다.

이상의 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같은 내피(110) 및 외피(120) 사이에 심재(130)를 접합시 모재의 종류에 따라 접착제, 브레이징, 레이저 점용접, 다점 전기저항용접 등을 사용하여 접합한다. 이 경우 접착제로 FM73를 사용할 수 있으며, 이를 통해 심재(130)와 내피(110) 및 외피(120)의 인터페이스 간 요구되는 결합 강도가 충분히 구현할 수 있다.

이와 같이 제작되는 도시철도차량 전동차 출입문(100)의 두께가 25mm라고 가정하면 2t의 판재를 이용하여 피라미드 트러스 심재를 제조하였을 경우 상대 밀도는 1.8%, 1t의 판재를 이용하였을 경우는 0.45%의 상대밀도를 갖게 된다. 이는 허니콤 심재(상대밀도 2.5% 추정)로 이루어지는 출입문에 비해 출입문의 심재 부분에서 30%이상 경량화를 할 수 게 된다.

이와 같이 규칙적 다공질 금속을 채용한 철도차량용 전동차 출입문(100)은 전체적으로 평판(flat plates) 또는 곡면 형태의 판재(curved plates) 형상으로 제작될 수 있다.

그리고, 상기 철도차량용 전동차 출입문(100)은 심재(1)가 구조기능을 수행하면서도 규칙적 다공질 금속을 채용하여 다공질 부분을 전선 배관 통로로 활용이 가능하다.

도 6은 본 발명에 따른 규칙적 다공질 금속을 이용한 철도차량 전동차 출입문의 다른 실시 예를 도시한 도면이다. 이에 의하면 철도차량 전동차 출입문은 철도차량의 차체 실내와 마찬가지로 많은 수의 전기, 전자, 제어부품이 필요하며 이들의 전원 공급, 계측을 위해 많은 수의 배선들이 필요하다.

이를 위해 개방 구조인 규칙적 다공질 금속의 기공을 활용하여 배선 정리 등의 목적으로 사용할 수 있으며, 부품 수를 줄이기 위해 철도차량 내부에 설치되어 있는 안내용 LCD 패널(300)을 출입문(100)에 부착시켜 부품 수를 줄일 수 있다. 결론적으로, 추가 경량화가 가능함을 의미한다.

즉, 도시철도차량 전동차 출입문(100)은 차량창 부분에 LCD 패널(300)을 적용함으로써 철도차량 실내 천장 등에 부가적으로 설치하는 부품의 수를 더 줄일 수 있다.

이 경우 LCD 패널(300)은 규칙적 다공질 금속을 채용한 철도차량용 전동차 출입문의 프레임(미도시됨)에 패널을 위치시켜 볼팅으로 고정할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 전동차 출입문 110: 외피
120: 내피 130: 심재
200: 유리창 300: LCD 패널