KR100683125B1 - 무인자동화 ｃｉｃｃ 누설 검사장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무인자동화 CICC 누설(Leak) 검사장치 및 그 방법에 관한 것으로, CICC에 헬륨을 주입한 후 리크를 점검하여 CICC를 제작하기 위한 용접 중 용접부위에 결함이 있는지 여부를 검사하는 데 목적이 있다. 이를 위해 CICC 내에 헬륨을 주입한 후 CICC의 결함을 검사하는 누설검사장치에 있어서, 상기 CICC 주위를 이송하며 CICC의 리크를 감지하는 헬륨디텍터;와 상기 헬륨디텍터를 CICC의 주위를 따라 자동으로 이송시키는 이송수단;과 상기 헬륨디텍터와 일체 형성되어 헬륨디텍터가 감지한 CICC의 리크 부위를 표시하는 표시부;와 상기 헬륨디텍터, 이송수단 및 표시부와 연결되는 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

무인자동화 ＣＩＣＣ 누설 검사장치 및 그 방법 {AUTOMATIC LEAK CHECK DEVICE FOR CABLE-IN-CONDUIT-CONDUCTOR AND ITS METHOD}
도 1a 및 도 1b는 토카막장치의 각 구조물을 나타내는 구성상태도.
도 2는 본 발명에 따른 무인자동화 CICC 누설 검사장치의 개괄적인 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 무인자동화 CICC 누설 검사장치가 스풀에 설치된 상태도.
도 4는 본 발명에 따른 무인자동화 CICC 누설 검사장치의 전체적인 구성상태도.
도 5는 본 발명에 따른 헬륨디텍터, 이동롤러 및 표시부의 개념적인 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 헬륨디텍터, 표시부 및 이동판의 구성상태도.
도 7은 본 발명에 따른 이동롤러의 구성상태도.
도 8은 본 발명에 따른 수직대의 구성상태도.
도 9는 본 발명에 따른 수평대의 구성상태도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10. 헬륨디텍터 20. 이송수단
30. 표시부 40. 제어부
본 발명은 토카막장치의 구조물인 TF 코일 및 PF 코일을 이루는 관내연선도체에서 헬륨이 누설되는지 여부를 무인자동으로 검사하는 무인자동화 CICC 누설 검사장치 및 그 방법에 관한 것이다.
현재까지 개발된 초전도자석은 지구자장의 26만배에 달하는 13테슬라의 자장을 얻을 수 있으며, 이러한 자장은 핵융합 반응에서 요구되는 플라즈마를 만들고 가두기 위해 필요한 것이다. 따라서 초전도자석의 핵심 기술은 '관내연선도체'(CICC ; Cable-in Conduit-Conductor)라고 알려진 각각의 전선을 감아 코일을 형성하여 초전도자석을 제조함에 있다. 관내연선도체(CICC)는 35kA급의 대전류 운전을 위해서 360 또는 486가닥의 선재를 사각형의 금속관으로 둘러싸인 방식의 도체를 사용하여 자석을 제작하는 것으로, 초전도자석의 운전시 발생하는 열을 4.5K로 냉각하기 위해 약 5기압의 초임계 헬륨을 관내연선도체로 강제 순환시킨다.
도 1a 및 도 1b는 국내에서 제작되는 초전도자석을 일예로 나타낸 도면이다. 도 1a에 도시된 바와 같이 초전도자석(100:SC Magnet)은 고온의 플라즈마를 진공용기 벽에 닿지 않고 가두어두기 위한 것으로, 그 주요장치인 토카막장치(101)를 보유하고 있다. 상기 토카막장치(101)는 TF(Toroidal Field) 및 PF(Poloidal Field) 코일을 사용하여 플라즈마의 생성, 구속, 제어를 담당한다. 도 1b는 도 1a의 토카 막장치(101)를 나타내며, TF(Toroidal Field)코일로 구성된 TF 구조물(107)과, CS(Central Solenoid)코일로 구성된 CS 구조물(109)과, PF(Poroidal Field)코일로 구성된 PF 구조물(103) 및 각 구조물을 연결하는 연결구조물(105)로 이루어진다.
상기 TF 구조물(107)로 내설되는 코일은 약 35kA의 직류전류로 운전되며, 상기 CS 구조물(109)의 코일과 PF 구조물(103)의 코일은 펄스운전을 하여 상호 자장변화에 의한 기전력을 진공용기 내부에 발생시켜 플라즈마를 생성하고 플라즈마 전류 및 TF 자장과 함께 플라즈마를 구속시키는 역할을 수행한다.
한편 과거 KSTAR CS 모델 코일 개발에서 관내연선도체는 선재를 3ㅧ 3ㅧ 4ㅧ 4의 순서로 케이블링(Cabling)한 케이블을 Stainless Steel 316 LN Tube로 자케팅(Jacketing)하면서 Butt Orbital GTAW(GAS Tungsten Inert Gas Arc Welding)법으로 용접하여 400m 길이로 만든 다음, 144 가닥의 초전도 선재를 풀링(Pulling) 방식으로 삽입하고, 사각단면형태로 롤링(Rolling)하여 만든다.
그러나 상기와 같은 관내연선도체의 제조공정 중 자케팅 후 튜브의 길이방향 단부와, 튜브의 소모로 인한 튜브의 폭방향 단부를 용접하는 과정에서 구멍이 발생한다.
상기와 같이 관내연선도체의 튜브에 구멍이 발생하면 플라즈마를 구성하는 헬륨이 구멍을 통해 새어나감으로써, 플라즈마를 생성, 구속, 제어해야하는 토카막장치의 구조물이 제 기능을 발휘하지 못하는 문제점이 있다.
따라서 본 발명에서 이루고자하는 기술적 과제는, CICC에 헬륨을 주입한 후 리크를 점검하여 CICC를 제작하기 위한 용접 중 용접부위에 결함이 있는지 여부를 검사하는 무인자동화 CICC 누설 검사장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 무인자동화 CICC 누설(Leak) 검사장치는, CICC 내에 헬륨을 주입한 후 CICC의 결함을 검사하는 누설검사장치에 있어서, 상기 CICC 주위를 이송하며 CICC의 리크를 감지하는 헬륨디텍터;와 상기 헬륨디텍터를 CICC의 주위를 따라 자동으로 이송시키는 이송수단;과 상기 헬륨디텍터와 일체 형성되어 헬륨디텍터가 감지한 CICC의 리크 부위를 표시하는 표시부;와 상기 헬륨디텍터, 이송수단 및 표시부와 연결되는 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
헬륨디텍터의 헬륨감지부위에는 형성되는 밀폐부와, 밀폐부 일측에 연결되는 퍼지가스관을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무인자동화 CICC 누설 검사장치를 제공한다.
이송수단은 상기 헬륨디텍터와 표시부가 장착되며 CICC의 측면을 따라 이동하는 이동롤러가 설치되는 이동판;과 이동판은 와이어의 일단에 연결되고 와이어는 지지롤러에 권취되며 와이어의 타단에 카운터웨이가 연결되어 이동판을 지지하되, 상기 지지롤러가 상단에 설치되는 수직대;와 상기 수직대의 일측에 수평으로 연결되고, CICC가 권취되는 스플의 상단 중앙에 설치되어 회전하는 수평대를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무인자동화 CICC 누설 검사장치를 제공한다.
이동판은 상판, 하판으로 나누어지고, 상판의 하부에 샤프트가 내설된 스프링의 일단이 설치되고, 하판의 상부에 샤프트가 내설된 스프링의 타단이 설치되어 상하판이 연결되는 것을 특징으로 하는 무인자동화 CICC 누설 검사장치를 제공한다.
표시부는 스프레이와, 스프레이가 분사되도록 가압하는 가압부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무인자동화 CICC 누설 검사장치를 제공한다.
수직대의 양측에는 슬립파이프(64)가 수직으로 부착되고, 이동판의 하판 내부 양측에는 상기 슬립파이프를 감싸도록 슬립지지구(57)가 형성되는 것을 특징으로 하는 무인자동화 CICC 누설 검사장치를 제공한다.
한편 무인자동화 CICC 누설(Leak) 검사방법은 CICC 내에 헬륨을 주입한 후 CICC의 결함을 검사하는 누설 검사방법에 있어서, 상기 CICC 양단을 밀봉하는 CICC 밀봉단계(S100);와 상기 CICC 하단에 기체헬륨을 주입하는 헬륨주입단계(S200);와 헬륨디텍터가 CICC 주위를 이송하며 CICC의 리크를 감지하는 리크감지단계(S300);와 표시부가 CICC의 리크 부위를 표시하는 리크표시단계(S400);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
리크감지단계에서는 밀폐부 내에 퍼지가스를 주입하여 대기 중의 헬륨으로 인한 헬륨디텍터의 오동작을 방지하는 것을 특징으로 하는 무인자동화 CICC 누설 검사방법을 제공한다.
리크감지단계에서는 CICC의 리크부위 발견시 좌표를 통해 위치를 확인하는 것을 특징으로 하는 무인자동화 CICC 누설 검사방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명에 따른 무인자동화 CICC 누설 검사장치의 개괄적인 개념도이다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 무인자동화 CICC 누설(Leak) 검사장치는 CICC 내에 헬륨을 주입한 후 CICC의 누설을 검사하는 장치로, 크게 헬륨디텍터(10), 이송수단(20), 표시부(30) 그리고 제어부(40)로 이루어진다.
도 3은 본 발명에 따른 무인자동화 CICC 누설 검사장치가 스풀에 설치된 상태도이다. 도 4는 본 발명에 따른 무인자동화 CICC 누설 검사장치의 전체적인 구성상태를 나타낸다.
도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이 헬륨디텍터(10)는 CICC(82) 주위를 이송하며 CICC의 리크를 감지한다.
도 5는 본 발명에 따른 헬륨디텍터, 이동롤러 및 표시부의 개념적인 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 헬륨디텍터, 표시부 및 이동판의 구성상태를 나타낸다.
헬륨디텍터의 헬륨감지부위(CICC를 향한 부위)에는 밀폐부(11)가 형성되어 CICC 표면에 밀착됨으로써 헬륨디텍터의 헬륨감지부위를 대기로부터 차폐시킨다. 밀폐부는 CICC의 측부 형상에 맞춰 상하부가 경사지면서 중앙부가 요홈 형성된다. 밀폐부의 CICC와 밀착되는 측 중앙에는 우레탄과 같은 신축성이 있는 재질의 밀착링(11a)이 형성된다.
밀폐부 일측에는 퍼지가스관(12)이 연결되어 헬륨디텍터가 흡입하는 비슷한 양의 퍼지가스가 주입된다. 헬륨디텍터가 대기 중의 헬륨을 감지하여 CICC의 리크로 잘못 인식하는 것을 방지하기 위함이다. 이때 밀폐부에 연결되는 퍼지가스관의 수는 제한을 두지 않으며, 주입되는 가스에 와류현상이 일어나지 않도록 밀폐부 내측의 사방에 하나 이상 연결되는 것이 바람직하다. 퍼지가스는 아르곤 가스나 질소 가스 등을 사용한다.
이송수단(20)은 헬륨디텍터를 CICC의 측부위를 따라 자동으로 이송시킨다. 이송수단은 이동판(50), 수직대(60) 그리고 수평대(70)로 이루어진다.
이동판은 도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이 헬륨디텍터(10)와 표시부(30)가 장착되며 CICC의 측면을 따라 이동하는 이동롤러(51)가 설치된다.
이동판은 상하판(50a,50b)으로 나누어지고, 상하판의 양측은 샤프트(55a)가 내설된 스프링(55)에 의해 연결된다. 상판의 하부에 샤프트가 내설된 스프링의 일단이 설치되고, 하판의 상부에 샤프트가 내설된 스프링의 타단이 설치된다.
상판 일측에 헬륨디텍터(10)와 표시부(30)가 장착된다. 표시부는 이동판에 의해 헬륨디텍터와 일체 형성되어 헬륨디텍터가 감지한 CICC의 리크 부위를 표시한다. 표시부는 스프레이(31)와, 스프레이가 분사되도록 가압하는 가압부(32)를 포함하여 이루어진다. 가압부는 스프레이를 분사시키는 누름부에 누름대가 위치되고, 누름대에는 실린더와 같은 일반적인 가압수단이 연결되어 이루어진다. 가압부는 스 프레이를 분사시킬 수 있는 요소이라면 가능하다. 스프레이는 내용물이 잘 분사되도록 수직으로 설치하는 것이 바람직하다.
수직대의 양측에는 슬립파이프(64)가 수직으로 부착되고, 이동판의 하판 내부 양측에는 슬립파이프를 감싸도록 슬립지지구(57)가 형성된다. 슬립지지구는 슬립파이프를 따라 상하이동하여 이동판이 상하이동하는 경로를 정해준다. 이는 헬륨디텍터 및 밀폐부가 CICC 측부에서 이탈하지 않고 최대한 밀착되어 CICC의 리크를 잘 감지하도록 하기 위함이다.
도 7은 본 발명에 따른 이동롤러의 구성상태를 나타낸다.
상판의 양측에 이동롤러가 설치된다. 이동롤러는 도 7에서 보는 바와 같이 이동롤러는 CICC의 측부 형상에 맞춰 상하부가 경사지면서 중앙부가 요홈 형성된다. 이동롤러의 회전축에는 브라켓(52)이 회전가능하게 연결된다. 브라켓은 이동판의 상판에 고정된 지지구(53)에 의해 지지된다. 브라켓은 지지구의 봉(53a)에 유동가능하게 관통된다. 브라켓의 상하측이면서 지지구 봉의 외측에는 스프링(54)이 설치되어 이동롤러가 CICC의 측부를 따라 이동할 때 경로의 차이에 상관없이 이동하도록 한다.
이동롤러는 헬륨디텍터가 CICC 측부를 이동하면서 밀착되어 헬륨의 리크를 감지하는 수단이다. 이동롤러는 헬륨디텍터가 CICC의 측부를 이탈하지 않고 경사이동에 보조적 역할을 하며, 더불어 헬륨디텍터에 신축성이 있는 연마봉(도시 생략)을 수직으로 설치하여 헬륨디텍터가 CICC의 측부를 이탈하지 않도록 한다.
이동판의 하판에 수직대의 와이어가 연결되어 이동판 전체가 지탱되고, 스프 링의 탄성력에 의해 하판은 상판을 밀게 되어 이동롤러가 CICC의 측부에 밀착된다.
도 8은 본 발명에 따른 수직대의 구성상태를 나타낸다.
도 8에서 보는 바와 같이 수직대의 상단 양측에는 지지롤러(61)가 설치된다. 이동판의 하판은 와이어연결부(56;도 6)를 통해 와이어(62)의 일단이 연결된다. 이동판의 하판 양측에 와이어가 연결된다. 와이어는 지지롤러에 걸려 수직대의 내측으로 이동방향이 바뀐다. 와이어의 타단은 카운터웨이(63)의 양측에 연결된다. 카운터웨이는 수직대에 내장된다.
결과적으로 이동판의 양측과 카운터웨이의 양측이 연결된다. 이동판과 카운터웨이는 와이어와 지지롤러에 의해 걸려 지지롤러의 양측으로 동일한 하중이 작용함으로써 힘의 균형을 이룬다.
도 9는 본 발명에 따른 수평대의 구성상태를 나타낸다.
수평대(70)는 도 9에서 보는 바와 같이 그 일측이 수직대의 일측에 수평으로 연결되고 CICC가 권취되는 스플의 상단 중앙에 설치되어 회전한다. 수평대의 타측에는 수직대와 하중의 균형을 맞추기 위해 균형추(71a)가 부착된다. 수평대의 회전축(73) 외부에는 베어링부(74)가 설치된다. 베어링부의 일단 외측에는 동력전달기어(72)가 형성되어 구동모터(71)과 연결된다. 베어링부의 타단 외측은 스플(81)의 중앙에 고정된다.
제어부는 헬륨디텍터, 이송수단 및 표시부와 연결되어 각각 제어한다.
상기와 같이 이루어진 본 발명에 따른 무인자동화 CICC 누설(Leak) 검사방법을 살펴보면 다음과 같다.
무인자동화 CICC 누설(Leak) 검사방법은 CICC 내에 헬륨을 주입한 후 CICC의 결함을 검사하는 방법으로, CICC 밀봉단계, 헬륨주입단계, 리크감지단계 그리고 리크표시단계로 이루어진다.
CICC 밀봉단계(S100)는 CICC 양단을 밀봉하는 단계이다. CICC의 하단에 헬륨가스통을 연결하여 밀봉하고, CICC의 상단에 압력계을 연결하여 밀봉한다. 여기서 CICC가 권취된 스풀은 지면으로부터 블록 등을 이용하여 일정한 높이만큼 이격시킨다. 이는 스풀에 감긴 CICC의 하단부를 검사할 경우 이동판이 CICC의 하단부까지 이동하도록 하기 위함이다.
헬륨주입단계(S200)는 CICC 하단에 기체헬륨을 주입하는 단계이다. 이때 CICC 상단에 설치된 압력계의 압력을 확인하면서 헬륨을 주입한다.
리크감지단계(S300)는 헬륨디텍터가 CICC 주위를 이송하며 CICC의 리크를 감지하는 단계이다.
수평대가 구동모터에 의해 회전함에 따라 수직대가 회전한다. CICC는 스풀에 하향나선형으로 감겨있으므로 수직대에 형성된 이동판은 이동롤러에 의해 CICC 측부를 이동경로로 하여 하향나선형으로 회전한다. 이때 이동판은 수직대의 카운터웨이와 균형을 이루어 안정된 상태에서 이동롤러와 맞물리는 CICC의 측부위를 따라 이동한다. 이동판의 상하판 사이에 형성된 스프링에 의해 이동롤러는 CICC 측부위에 밀착된다.
리크감지단계에서는 누설되는 헬륨을 흡입하는 유사한 양의 퍼지가스를 밀폐 부에 주입하여 대기 중의 헬륨으로 인한 헬륨디텍터의 오동작을 방지한다. 퍼지가스는 아르곤 가스나 질소 가스 등을 사용한다.
제어부에서 수평대의 회전을 제어하면서 헬륨디텍터의 감지수행도 제어한다. 헬륨디텍터는 헬륨을 흡입하여 리크의 여부를 감지한다.
제어부에서는 CICC의 외측에 좌표를 미리 계산하여 누설부위의 위치를 파악한다. 좌표의 일예로 스플에 감긴 CICC의 층수에 따라 1,2,3, ..,n으로 표시하고, 한 층의 CICC 기준점으로부터 150mm 마다 A,B,C, ..,Z로 표시하여, (1,A)...(n,Z)로 명기함으로써 CICC의 모든 부분을 좌표화하여 표시할 수 있다. 상기와 같이 설명된 좌표 표기는 일실시예로써, 표기방법이 상기의 방법으로 국한되지 않음은 물론이다.
리크표시단계(S400)는 표시부가 CICC의 리크 부위를 표시하는 단계이다. CICC의 리크가 감지되면 제어부에서는 수평대의 회전을 정지시키고, 표시부의 스프레이를 분사하여 CICC의 리크부위를 표시한다. 표시부의 표시작업이 종료되면 제어부는 다시 수평대를 회전시키면서 헬륨디텍터를 수행시킨다.
이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 무인자동화 CICC 누설 검사장치 및 그 방법은 헬륨을 감지하는 헬륨디텍터가 CICC의 주위를 따라 이동하도록 하는 이송수단을 구비하고 별도의 표시부를 형성함으로써, CICC에 헬륨을 주입한 후 리크를 무인자동으로 점검하여 CICC를 제작하기 위한 용접 중 용접부위에 결함이 있는지 여부를 검사하고, 이로 인해 토카막장치의 구조물이 플라즈마를 생성, 구속, 제어하는 제 기능을 발휘할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

Claims (9)

  1. CICC 내에 헬륨을 주입한 후 CICC의 결함을 검사하는 누설검사장치에 있어서,
    상기 CICC 주위를 이송하며 CICC의 리크를 감지하는 헬륨디텍터;
    상기 헬륨디텍터를 CICC의 주위를 따라 자동으로 이송시키는 이송수단;
    상기 헬륨디텍터와 일체 형성되어 헬륨디텍터가 감지한 CICC의 리크 부위를 표시하는 표시부; 및
    상기 헬륨디텍터, 이송수단 및 표시부와 연결되는 제어부를 포함하고,
    상기 헬륨디텍터의 헬륨감지부위에는 밀폐부가 형성되고, 상기 밀폐부 일측에는 퍼지가스관을 연결시키는 것을 특징으로 하는 무인자동화 CICC 누설 검사장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 이송수단은 상기 헬륨디텍터와 표시부가 장착되며 CICC의 측면을 따라 이동하는 이동롤러가 설치되는 이동판;
    상기 이동판은 와이어의 일단에 연결되고 와이어는 지지롤러에 권취되며 와이어의 타단에 카운터웨이가 연결되어 이동판을 지지하되, 상기 지지롤러가 상단에 설치되는 수직대; 및
    상기 수직대의 일측에 수평으로 연결되고, CICC가 권취되는 스플의 상단 중앙에 설치되어 회전하는 수평대를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무인자동화 CICC 누설 검사장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 이동판은 상판, 하판으로 나누어지고, 상판의 하부에 샤프트가 내설된 스프링의 일단이 설치되고, 하판의 상부에 샤프트가 내설된 스프링의 타단이 설치되어 상하판이 연결되는 것을 특징으로 하는 무인자동화 CICC 누설 검사장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 표시부는 스프레이와, 스프레이가 분사되도록 가압하는 가압부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무인자동화 CICC 누설 검사장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 수직대의 양측에는 슬립파이프(64)가 수직으로 부착되고, 이동판의 하판 내부 양측에는 상기 슬립파이프를 감싸도록 슬립지지구(57)가 형성되는 것을 특징으로 하는 무인자동화 CICC 누설 검사장치.
  7. CICC 내에 헬륨을 주입한 후 CICC의 결함을 검사하는 누설 검사방법에 있어서,
    상기 CICC 양단을 밀봉하는 CICC 밀봉단계(S100);
    상기 CICC 하단에 기체헬륨을 주입하는 헬륨주입단계(S200);
    헬륨디텍터가 CICC 주위를 이송하며 CICC의 리크를 감지하는 리크감지단계(S300); 및
    표시부가 CICC의 리크 부위를 표시하는 리크표시단계(S400);를 포함하고,
    상기 리크감지단계에서는 밀폐부 내에 퍼지가스를 주입하여 대기 중의 헬륨으로 인한 헬륨디텍터의 오동작을 방지하는 것을 특징으로 하는 무인자동화 CICC 누설 검사방법.
  8. 삭제
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 리크감지단계에서는 CICC의 리크부위 발견시 좌표를 통해 위치를 확인하는 것을 특징으로 하는 무인자동화 CICC 누설 검사방법.
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