KR101107113B1 - 수직형 열전도도 시험기용 시편 추락 방지를 위한 투명 시편 지지대 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 섬광법에서 사용되는 가열로 내에서 시험시편을 거치하고 상기 시험시편이 낙하하지 않도록 구성되는 수직형 열전도도 시험기용 시편 추락 방지를 위한 투명 시편 지지대에 관한 것이다. 상기 캐리어튜브(100)는 몸체를 이루는 캐리어튜브본체(130)와, 상기 캐리어튜브본체(130)의 상단부에 삽입되는 시편장착치구(120)와, 상기 캐리어튜브본체(130)의 상부를 덮는 캡(110)을 포함하고, 상기 캐리어튜브(100)에는 투명한 지지대(150,160)가 설치되고, 상기 지지대(150,160)의 상부에 시편(10)이 장착되는 것을 특징으로 한다.

레이저 섬광법, 열전도도, 캐리어튜브

Description

수직형 열전도도 시험기용 시편 추락 방지를 위한 투명 시편 지지대{Transparent specimen holder for vertical heat conduction measuring tester}

본 발명은 수직형 열전도도 시험기용 시편 추락 방지를 위한 투명 시편 지지대에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 섬광법에서 사용되는 가열로 내에서 시험시편을 거치하고 상기 시험시편이 낙하하지 않도록 구성되는 시편지지대에 관한 것이다.

열전도도 측정방법은 레이저 섬광법(Laser flash method), 열선법(Hot wire method), 열유속법(Heat flow method), 및 열평판법(Guarded hot plate method)와 같은 여러 가지 방법이 있다.

특히, 레이저 섬광법은 1961년 파커(Parker)에 의해 처음 제안되었으며, 이 방법은 재료의 열확산도(thermal diffusivity)를 측정하여 그 재료의 밀도와 비열을 곱하여 열전도도(thermal conductivity)를 구하는 방식이다.

시험편 전면에 레이저빔(laser beam) 또는 섬광을 조사시키고, 이때 흡수된 열 에너지가 시험편의 후면으로 전달된다. 시간이 흐른 뒤 시편의 후면은 최대온도에 도달 후 포화상태를 이룬다.

이러한 후면 온도상승을 시간에 따라 측정하여 파커가 제안한 다음과 같은 관계식에 따라 계산한다.

여기서, α는 열전도도, , L은 시편의 두께, t_1/2는 시편의 온도가 최대가 될 때까지 걸리는 시간의 1/2이다.

이러한 레이저 섬광법은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 가열로전원(80)과 연결된 히터(32)가 장착된 가열로(30) 내에 시편(10)을 설치하고, 상기 시편(10)에 레이저빔발진기(40)를 통해 발생된 레이저빔을 광학렌즈(42)를 통해 조사하고, 상기 시편(10)의 열전도도를 상기 광학렌즈(42)의 반대측에 위치하는 적외선센서(20)에 의해 측정한다.

상기 적외선센서(20)에 의해 측정된 데이터는 신호증폭기(90)를 통해 컴퓨터(60)로 제공되고, 상기 컴퓨터(60)에 설치된 소프트웨어(50)에 의해 연산되어 표시장치(70)에 표시된다. 또, 상기 컴퓨터(60)는 상기 가열로전원(80) 및 상기 레이저빔발진기(40)와 전기적으로 연결되서 이들을 제어한다.

이러한, 종래의 레이저 섬광법은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 가열로(30) 내의 시편(10)을 거치하기 위하여 시편장착치구(specimen holder)(120)를 가지는 캐리어튜브(100)를 사용한다.

이때, 종래의 시편장착치구(120)는 열 입사를 위하여 레이저빔의 통로를 마 련하도록 관통형 시편장착치구를 사용한다. 그러나, 일반적으로 사용되는 시편의 두께는 약 2mm, 직경 12 mm 정도의 작은 시편을 사용한다. 특히, 시편이 위험물질이나 방사성물질인 경우에는 시험자가 직접 시편을 취급할 수 없으므로 글로브박스(glove box)나 핫셀(hot-cell)에서 원격조정기(manipulator)를 사용하여 시험시편을 취급하여야 한다.

이러한 경우 소형시편의 취급 난이성 때문에 시편이 시편장착치구(120)의 하부로 빈번히 추락하게 된다. 만약 방사성물질인 시편이 추락할 경우에는 방사선 차폐와 같은 방사선 장애 방어 문제와 핵물질 누출 및 분실 이라는 중대한 문제가 발생될 수 있다.

따라서, 조사핵연료 및 재료의 열확산도 시험시 이러한 문제를 제거하기 위한 기술적 방안이 요구된다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 레이저 섬광법에서 사용되는 가열로 내에서 시험시편을 거치하고 상기 시험시편이 낙하하지 않도록 구성되는 캐리어튜브를 제공하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 레이저 섬광법에 의해 열전도도를 측정하기 위하여 가열로에 설치되고, 몸체를 이루는 캐리어튜브본체와, 상기 캐리어튜브본체의 상단부에 삽입되는 시편장착치구와, 상기 캐리어튜브본체의 상부를 덮는 캡을 포함하는 열전도도 측정용 캐리어튜브에 있어서, 상기 캐리어튜브에는 투명한 지지대가 설치되고, 상기 지지대의 상부에 시편이 장착되는 것을 특징으로 하는 열전도도 측정용 캐리어튜브이다.

상기 지지대는 사파이어로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 지지대의 저면에는 상기 캐리어튜브의 중심부의 레이저통로에 형성된 시편장착돌기과 대응되는 삽입홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 지지대는 상부면에 오목하게 형성된 오목부를 가지는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 지지대는 상부면에 돌출형성된 복수의 지지돌기를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 통하여, 종래의 시편 장착치구의 관통구를 통해 시편이 추락하는 것을 방지하고, 열전도에 의한 시편 열손실 효과를 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 지지대를 기존의 시편 장착기구에 삽입하여 사용시, 상기 지지대는 광투명성, 낮은 열전도도, 고용융점, 내고온성, 내구성, 내방사선 내구성 등을 고려한 재질로 이루어질 뿐 아니라, 시편과의 접촉면적을 최소화한 형상을 가지는 것에 의해서, 열전도도 측정값에 영향을 주지 않으면서도 시편의 추락을 방지할 수 있다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 도 1의 레이저 플래시 측정장치에 사용되는 캐리어튜브(100)의 분해사시도이고, 도 4는 상기 캐리어튜브(100)의 시편장착치구(120)의 평면도이며, 도 5는 상기 캐리어튜브(100)의 결합된 모습의 부분단면도이다.

상기 캐리어튜브(100)는 크게, 몸체를 이루는 캐리어튜브본체(130)와, 상기 캐리어튜브본체(130)의 상단부에 삽입되는 시편장착치구(120)와, 상기 캐리어튜브본체(130)의 상부를 덮는 캡(110)을 포함하여 이루어진다.

상기 캐리어튜브본체(130)는 내부에 중심홀(136)이 형성된 튜브체의 벽체(132)로 이루어지며, 상기 중심홀(136)의 상부측은 도 3에 도시된 바와 같이 테이퍼진 장착부(134)가 형성된다.

상기 캐리어튜브본체(130)의 외측에는 열전쌍(140)이 설치되서, 상기 캐리어튜브(100) 내의 온도를 측정할 수 있도록 한다.

그리고, 상기 장착부(134)에는 상기 시편장착치구(120)가 안착된다. 따라서, 상기 시편장착치구(120)의 시편장착치구몸체(122)의 하부에는 상기 장착부(134)에 대응되는 테이퍼형상을 가진다.

상기 시편장착치구몸체(122)는 레이점빔이 관통할 수 있는 레이저통로(124)가 형성되는 튜브체이며, 도 5에 도시된 바와 같이, 시편(10)이 장착될 수 있는 시편장착돌기(126)가 상기 레이저통로(124)의 내측으로 돌출되도록 형성된다.

상기 시편장착돌기(126)는 시편(10)의 두께를 고려하여, 상기 시편장착치구(120)의 상단보다 하측에 배치되도록 한다.

상기 캡(110)는 상기 시편장착치구(120) 및 상기 캐리어튜브본체(130)의 상부를 덮도록 하부가 개방된 튜브형상으로 형성되며, 중심부에 상기 시편(10)의 후면의 온도를 측정하기 위한 관통홀(112)이 형성된다.

그러나, 종래의 캐리어튜브(100)는 상기 시편장착돌기(126)에 의해서 시편(10)이 지지되므로, 상기 시편(10)이 상기 레이저통로(124)를 통해 밑으로 떨어 질 가능성이 높다.

따라서, 본 발명은 판 형상의 지지대(150,160)를 이용하여 시편(10)을 지지하고자 한다.

먼저, 실시예1에 따른 지지대(150)는 도 6에 도시된 바와 같이, 단면으로 원형이면서 상부에 오목한 오목부(152)가 형성된다.

상기 지지대(150)의 직경의 크기는 상기 시편장착돌기(126)에 장착되서, 상기 시편장착치구(110)에 고정될 수 있도록 결정된다.

또, 좀 더 지지대(150)의 장착능력을 향상시키기 위해서, 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 시편장착돌기(126)에 대응되는 오목한 삽입홈이 상기 지지대(150)의 하부에 형성될 수 있다.

따라서, 상기 지지대(150)에 의해 시편(10)의 원주만이 지지되므로, 접촉면적을 최소화할 수 있다.

또, 상기 지지대(150)는 상기 시편장착치구(120)에 삽입하여 사용 시 열전도도 측정값에 영향을 주지 않게 하기 위해서 다음과 같은 재료 선정 요건이 필요하다.

먼저, 상기 지지대(150)는 충분한 열입사를 위해 광투명성이 우수한 재질이 어야 한다. 이 때, 광투명성은 레이저빔의 특성에 따라 다른 재질을 선택하여야 한다. 예를 들어, Nd-YAG 레이저를 사용시에는 1046 ㎛ 파장이 발생되므로 이 영역대에서 광 투과율(transmittance)이 양호한 재료를 선정하여야 한다.

그리고, 상기 지지대(150)는 낮은 열전도 재료로 이루어져야 한다. 레이저 섬광법에 의한 열전도도도 측정시 측정결과에 영향을 미치는 중요 요인은 시편의 후면 온도 상승시 복사(radiation), 대류(convection) 및 전도(conduction) 에 의한 열손실 효과(heat loss effects)이다. 따라서, 상기 시편(10)에 밀착되는 상기 지지대(150)는 열전도(conduction)에 의한 시편의 열 손실을 최소로 하기 위해 접촉면을 최소화 하는 형태로 제작되고, 또한 낮은 열전도도 재료를 선정하여야 한다.

또, 상기 지지대(150)는 핵연료 또는 고온 핵 재료와 같이 고온 시험이 요구될 시에는 고온에서도 녹지않는 고융점 재료를 선정하여야 하며, 또한 이 온도에서도 상술한 바와 같이, 우수한 광투명성 및 낮은 열전도성을 갖추어야 한다. 통상적으로 고온 시험은 1500 ℃ 이상에서 수행되므로 이를 만족할 수 있는 재료는 사파이어(sapphire) 정도이다.

그리고, 상기 지지대(150)는 반복적인 고온 시험에서 성능이 저하되지 않고 장시간 사용할 수 있는 내고온성 재료가 선택되어야 하며, 시편을 시편 장착기구에 장전 시 장착치구에 원격조정기나 또는 트위저(tweezer)에 의해 상기 지지대(150)를 원격 취급하므로 높은 강도를 갖는 재료를 사용하여야 한다.

또한, 상기 지지대(150)는 핵연료 펠렛(pellet) 과 같은 고방사성 재료를 시험시에는 방사선 흡수에 의한 재료의 성능저하 영향이 없는 재료를 선정하여야 한다.

다음으로, 실시예2에 따른 지지대(160)에 대해 설명한다. 실시예2의 지지대(160)의 재료선정시 요구되는 사항은 실시예1의 지지대(150)와 동일하다. 상기 지지대(160)는 도 7에 도시된 바와 같이, 단면으로 디스크형상이면서 상부에 시편(10)을 지지할 수 있는 지지돌기(162)가 형성된다.

따라서, 실시예1의 지지대(150)가 상기 시편(10)의 원주에 선접촉하는 것에 비해, 실시예2의 지지대(160)는 상기 시편(10)의 저면에 수개의 점접촉하는 차이점이 있다.

또, 좀 더 지지대(160)의 장착능력을 향상시키기 위해서, 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 시편장착돌기(126)에 대응되는 오목한 삽입홈이 상기 지지대(160)의 하부에 형성될 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 열전도도를 측정하기 위한 레이저 섬광법을 개략적으로 설명한 도면이다.

도 2는 도 1의 레이저 섬광법을 구현하기 위한 측정장치의 개략도이다.

도 3은 도 1의 레이저 플래시 측정장치에 사용되는 캐리어튜브의 분해사시도이다.

도 4는 도 3의 캐리어튜브의 시편장착치구의 평면도이다.

도 5는 도 3의 캐리어튜브의 결합된 모습의 부분단면도이다.

도 6은 본 발명의 실시예1에서 사용되는 지지대의 단면도 및 평면도이다.

도 7은 본 발명의 실시예2에서 사용되는 지지대의 단면도 및 평면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 시편 20: 적외선센서

30: 가열로 32: 히터

40: 레이저빔발진기 42: 광학렌즈

50: 소프트웨어 60: 컴퓨터

70: 표시장치 80: 가열로전원

90: 신호증폭기 100: 캐리어튜브

110: 캡 112: 관통홀

120: 시편장착치구 122: 시편장착치구몸체

124: 레이저통로 126: 시편장착돌기

130: 캐리어튜브본체 132: 벽부

134: 장착부 136: 중심홀

140: 열전쌍 150,160: 지지대

152: 오목부 162: 지지돌기

Claims (5)

1. 레이저 섬광법에 의해 열전도도를 측정하기 위하여 가열로(30)에 설치되고, 몸체를 이루는 캐리어튜브본체(130)와, 상기 캐리어튜브본체(130)의 상단부에 삽입되는 시편장착치구(120)와, 상기 캐리어튜브본체(130)의 상부를 덮는 캡(110)을 포함하는 열전도도 측정용 캐리어튜브(100)에서,

   상기 캐리어튜브(100)의 중심부의 레이저통로(124)에 설치되고,

   그 상부에 시편(10)이 장착되며,

   상기 레이저통로(124)를 통해 조사되어 상기 시편(10)을 관통하는 레이저가 투과되도록 판형상의 투명한 재질로 이루어지는 것에 의해 상기 시편(10)의 낙하를 방지하도록 상기 레이저통로(124) 내에서 상기 시편(10)을 지지하는 수직형 열전도도 시험기용 시편 추락 방지를 위한 투명 시편 지지대.
2. 제1항에 있어서, 상기 지지대의 재질은 사파이어인 것을 특징으로 하는 수직형 열전도도 시험기용 시편 추락 방지를 위한 투명 시편 지지대.
3. 제1항에 있어서, 상기 지지대의 저면에는 상기 캐리어튜브(100)의 중심부의 레이저통로(124)에 형성된 시편장착돌기(126)과 대응되는 삽입홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 열전도도 시험기용 시편 추락 방지를 위한 투명 시편 지지대.
4. 제1항에 있어서, 상기 지지대는 상부면에 오목하게 형성된 오목부(152)를 가지는 것을 특징으로 하는 수직형 열전도도 시험기용 시편 추락 방지를 위한 투명 시편 지지대.
5. 제1항에 있어서, 상기 지지대는 상부면에 돌출형성된 복수의 지지돌기(162)를 가지는 것을 특징으로 하는 수직형 열전도도 시험기용 시편 추락 방지를 위한 투명 시편 지지대.

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