KR101142366B1 - A high heat load test device and its operation method based on a plasma torch - Google Patents

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Abstract

본 발명은 높은 내열성과 열전도성이 요구되는 소재의 개발 및 평가에 사용되는 고열부하 시험 장치와 그 운전방법에 관한 것으로, 전기에너지를 이용하여 대열용량을 집중하여 인가시킬 수 있는 플라즈마 토치와 피시험물을 장착하여 냉각시킬 수 있는 시편장착대를 기본 구성으로 하여 고안되었으며, 플라즈마 토치의 열출력과, 토치와 피시험물 간의 간격인 인가거리를 변화시켜 운전함으로서, 개발된 소재의 시험시에 선택적으로 요구되는 특정한 열부하가 인가될 수 있도록 하였다.The present invention relates to a high heat load test apparatus and its operation method used in the development and evaluation of a material requiring high heat resistance and thermal conductivity, and to a plasma torch and a test subject to which a large heat capacity can be applied by using electric energy. It is designed based on the specimen mount which can be cooled by installing water.It is operated by changing the heat output of the plasma torch and the distance applied between the torch and the test object. The specific heat load required by the system can be applied.

Description

플라즈마 토치 기반의 고열부하 시험 장치 및 운전법 {A HIGH HEAT LOAD TEST DEVICE AND ITS OPERATION METHOD BASED ON A PLASMA TORCH }Plasma torch-based high temperature load test device and operation method {A HIGH HEAT LOAD TEST DEVICE AND ITS OPERATION METHOD BASED ON A PLASMA TORCH}

본 발명은 극한의 열부하 환경에서 내구성을 검증하여 높은 내열성과 열전도성이 요구되는 소재의 개발 및 평가에 사용되는 고열부하 시험 장치와 그 운전방법에 관한 것이다The present invention relates to a high temperature load test apparatus and its operation method used in the development and evaluation of materials requiring high heat resistance and thermal conductivity by verifying durability in an extreme heat load environment.

본 발명은 극한의 열부하 환경에서 내구성을 검증하여 높은 내열성과 열전도성이 요구되는 소재의 개발 및 평가에 사용되는 고열부하 시험 장치와 그 운전방법에 관한 것이다. 각종 전기 및 기계장치 등에 사용되는 소재들은 그 목적에 따라 다양한 특성이 요구되는데, 이러한 특성을 만족시키기 위해서는 사용 환경을 고려한 신소재의 개발과 성능 평가가 원활히 이루어져야 한다. 특히 두 개의 원자핵이 결합하여 하나의 원자핵을 이루는 핵융합 반응으로부터 발생되는 막대한 에너지를 이용하여 인류의 에너지 문제를 근본적으로 해결해 줄 것으로 기대를 모으고 있는 핵융합로와 같은 첨단 장치에서는, 핵융합 플라즈마와 근접해 있는 소재들이 지속적이고 반복적으로 고열부하에 노출되어 있고, 기존의 소재로는 내구성이 담보되지 못하기 때문에 내열성과 열전도성이 우수한 소재의 개발이 요구되고 있다.The present invention relates to a high temperature load test apparatus and its operation method used in the development and evaluation of materials requiring high heat resistance and thermal conductivity by verifying durability in an extreme heat load environment. Materials used for various electric and mechanical devices require various characteristics according to their purpose, and in order to satisfy these characteristics, development and performance evaluation of new materials considering the use environment should be performed smoothly. Especially in advanced devices such as fusion reactors, which are expected to fundamentally solve the energy problem of mankind by utilizing the enormous energy generated from the fusion reaction in which two atomic nuclei combine to form one atomic nucleus. They are continuously and repeatedly exposed to high heat loads, and durability of the existing materials is not guaranteed, so development of materials having excellent heat resistance and thermal conductivity is required.

고열부하 조건에 있어서 현재까지 가장 극한의 환경으로 알려져 있는 장치인 핵융합로에서는 핵융합 플라즈마의 상태와 대면 부품의 위치에 따라 다양한 범위의 열부하 환경에 견딜 수 있는 소재가 필요한데, 이를 위해 사용될 신소재의 성능을 평가하고 검증하기 위해서는, 현재 직접적으로 핵융합로 내에서 수행할 수 있는 상황이 아니므로 대신 핵융합로 내부와 유사한 열부하 환경을 제공할 수 대체 장치가 필요하다. 핵융합로 운전 시 관련 부품들이 받는 열부하의 최대값은 플라즈마 붕괴가 일어났을 경우 최대 수 GW/m2 수준이며, 핵융합로가 정상상태로 운전되고 있는 상황에서도 개별 대면부품의 위치에 따라 수백 kW/m2 ~ 수십 MW/m2 정도의 높은 열부하가 인가된다.In the fusion reactor, a device known to be the most extreme environment under high heat load conditions, a material that can withstand a wide range of heat load environments is required depending on the state of the fusion plasma and the position of the facing components. To assess and verify, there is currently no alternative that can be done directly in a fusion reactor, so instead, an alternative device is needed that can provide a heat load environment similar to that inside the fusion reactor. The maximum value of the heat load received by the relevant components during the operation of the fusion reactor is the maximum number of GW / m 2 when the plasma collapse occurs. Hundreds of kW / m depending on the position of the individual facing parts even when the fusion reactor is operating normally High heat loads of 2 to several tens of MW / m 2 are applied.

새롭게 개발되는 소재를 실제 핵융합로에 적용하기에 앞서 시험과 평가가 진행되어야 하는데, 고열부하 시험장치에서 핵융합로와 유사한 고열부하 환경을 제공하기 위한 기존 기술 장치로는 전자빔 장치와 그라파이트 히터 장치 등이 있다. 전자빔 장치의 경우 고에너지를 마이크로미터 단위로 제한된 영역에 집중시켜 고열부하를 인가하는 방식으로, 빔의 세기와 크기를 조절하여 원하는 열부하량을 자유롭게 인가시킬 수 있는 장점이 있지만, 피시험물의 극히 일부 영역으로 평가가 제한되는 단점이 있다. 물론 빔 발생장치나 피시험물을 이송함으로서 전체 피시험물 영역에 대한 빔 조사가 가능하지만, 이러한 경우 특정 지점에 대하여 연속적인 열부하 인가가 불가능 하므로, 고열부하가 지속적으로 작용하는 환경에 대한 평가가 불가능해 진다. 반면, 그라파이트의 저항가열을 통해 발생된 복사열을 이용하는 그라파이트 히터 장치의 경우 대면적의 피시험물에 지속적으로 고열부하를 인가할 수 있으며, 그라파이트에 인가되는 전력을 제어하여 열부하 세기를 조절할 수 있는 장점이 있다. 그러나 그라파이트의 용융점이 3600 ℃ 정도이기 때문에 열부하량을 늘리기 위하여 무리하게 입력전력을 늘릴 경우 그라파이트의 증발로 인한 장치의 손상을 피할 수 없기 때문에, 피시험물에 인가시킬 수 있는 열부하량이 수 MW/m2 정도로 제한된다. 또한 급격한 온도상승으로 인한 열충격으로부터 그라파이트를 보호하기 위하여 히터에 인가되는 전력을 서서히 올리고 내려야 하기 때문에, 시험에 소요되는 시간이 늘어나게 되며, 특히 고열부하 인가를 반복적으로 수행해야 하는 경우 시험 평가에 있어서 상당한 비효율을 초래하게 된다.
Prior to applying the newly developed materials to the actual fusion reactor, tests and evaluations should be conducted. Existing technical devices for providing a high heat load environment similar to the fusion reactor in the high heat load test apparatus include an electron beam device and a graphite heater device. have. In the case of the electron beam device, high energy is applied by concentrating high energy in a limited area in micrometer units, and there is an advantage that a desired amount of heat load can be freely applied by adjusting the intensity and size of the beam, but only a small part of the test object There is a disadvantage that the evaluation is limited to the area. Of course, it is possible to carry out beam irradiation for the entire area of the test object by transferring the beam generator or the test object, but in this case, continuous heat load cannot be applied to a specific point. It becomes impossible. On the other hand, in the case of a graphite heater device using radiant heat generated through resistance heating of graphite, it is possible to continuously apply a high heat load to a large area of the test object, and to control the power applied to the graphite to control the heat load strength. There is this. However, since the melting point of graphite is about 3600 ℃, if the input power is excessively increased to increase the heat load, damage of the device due to the evaporation of graphite cannot be avoided, and thus the heat load that can be applied to the test object is several MW / m 2 is limited. In addition, since the power applied to the heater must be gradually raised and lowered in order to protect the graphite from the thermal shock due to the rapid temperature rise, the time required for the test is increased, particularly in the case of a high evaluation of the test when the application of the high heat load is repeatedly performed. Inefficiency will result.

이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 피시험물에 고열부하를 인가하기 위한 열원으로써 플라즈마 토치를 이용하였다. 전기에너지를 이용하여 최고 썹시 수만도 정도의 초고온 열플라즈마 제트를 발생시킬 수 있는 플라즈마 토치는 인가 전원의 종류와 크기에 따라 출력의 조절이 수 kW에서 수 MW까지 광범위 하며, 전극 구성에 따라 발생되는 열플라즈마 제트의 크기를 조절할 수 있고, 다양한 설계 및 운전변수를 제어하여 온도, 속도, 열용량과 같은 특성을 변화시킬 수 있기 때문에, 피시험물에 인가되는 열부하량을 자유롭게 조절할 수 있는 장점이 있다. 또한 열원인 플라즈마 토치는 운전과 동시에 별도의 예열 과정 없이 목표 출력으로의 조절이 즉시 이루어지므로, 시간적인 측면에서 효율적인 시험 평가가 가능하다. 따라서 플라즈마 토치에 기반한 고열부하 장치는 다양한 장점을 가지고 있는데, 이러한 장점들이 실제 장치에서 구현이 가능한지 살펴보고, 피시험물에 대한 시험 평가를 진행할 시에 필요한 열부하 조건을 달성하기 위한 고열부하 시험 장치의 운전변수 설정을 제시하는 것이 필요하다.In order to solve this problem, the present invention uses a plasma torch as a heat source for applying a high heat load to an object under test. Plasma torch that can generate tens of degrees of ultra high temperature plasma jet using electric energy can range from several kW to several MW depending on the type and size of applied power. Since the size of the thermal plasma jet can be adjusted, and various characteristics such as temperature, speed, and heat capacity can be changed by controlling various design and operating variables, there is an advantage that the amount of heat load applied to the test object can be freely adjusted. In addition, the plasma torch, which is a heat source, can be adjusted to the target output immediately without any preheating process at the same time of operation, thereby enabling efficient test evaluation in terms of time. Therefore, the high temperature load device based on the plasma torch has various advantages, and the advantages of the high temperature load test device for achieving the heat load conditions required when performing the test evaluation on the test object are examined. It is necessary to present the operating variable settings.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 열원으로 사용되는 플라즈마 토치와 피시험물을 장착하고 냉각할 수 있는 시편장착대로 구성된 고열부하 장치를 제공하고, 개발된 소재의 시험시에 선택적으로 요구되는 특정한 열부하가 제어되어 인가될 수 있는지 전산모사를 통해 찾아낸 플라즈마 토치의 출력과 토치와 피시험물 간의 간격인 인가거리의 조절에 의한 운전방법을 제시한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a high temperature load device composed of a plasma torch used as a heat source and a specimen mounting unit capable of mounting and cooling an object under test, and optionally required when testing a developed material. We present a method of operation by adjusting the output distance of the plasma torch found by computer simulation and the application distance, which is the distance between the torch and the EUT, whether a specific heat load can be controlled and applied.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the object as described above, the present invention

음극(101) 및 양극 노즐(102)을 가지고 있는 직류방식 또는 전극 대신 유도코일 및 방전 튜브를 가지고 있는 고주파방식의 플라즈마 토치 부분(100)과;A plasma torch portion 100 of a high frequency type having an induction coil and a discharge tube instead of a direct current type or an electrode having a cathode 101 and an anode nozzle 102;

피시험물(201)과;The test object 201;

상기 피시험물을 지지하고 냉각을 해주는 시편장착대 부분(200)을 제공하며,Providing a specimen mounting portion 200 for supporting and cooling the test object,

전원공급기(104)로부터 토치에 공급되는 입력전력에서 토치의 음극과 양극을 관통하여 흐르는 냉각수(105, 106)에 의한 열손실을 제외한 열플라즈마 제트(120)의 열출력과;Heat output of the thermal plasma jet 120 excluding heat loss by the cooling water 105 and 106 flowing through the cathode and the anode of the torch at the input power supplied from the power supply 104 to the torch;

상기 플라즈마 토치(100)와 상기 시편장착대(200) 간의 거리인 인가거리( d )에 따른 상기 피시험물(201)로의 열부하량이 제어될 수 있음을 전산모사를 통해 보여준다.
Computer simulation shows that the heat load to the test object 201 according to the application distance d , which is the distance between the plasma torch 100 and the specimen mounting table 200, can be controlled.

본 발명에 따른 플라즈마 토치에 기반한 고열부하 시험 장치는 토치의 열출력과 인가거리의 운전방법을 제어하여 광범위한 범위의 열부하를 소재의 특성 및 응용 목적에 따라 정확한 크기로 피시험물에 인가시킬 수 있어서, 피시험물이 직접적으로 장착되거나 사용될 대형 고가의 장치나 설비가 없어도 가능하며, 별도의 예열과정이 불필요하므로 높은 내열성과 열도성을 가지는 소재의 개발 및 반복적인 시험 평가에 있어서 시간을 단축 할 수 있다.The high temperature load test apparatus based on the plasma torch according to the present invention can control the operation method of the heat output and the application distance of the torch so that a wide range of heat load can be applied to the specimen under the correct size according to the characteristics of the material and the application purpose. It is possible to eliminate the need for a large expensive device or equipment to be directly installed or used for the test object, and it is possible to shorten the time for the development and repetitive test evaluation of materials having high heat resistance and heat resistance since no preheating process is required. have.

도 1은 본 발명에 따른 고열부하 시험 장치의 구성을 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 고열부하 시험 장치에서 막대-노즐형 직류 플라즈마 토치를 이용한 열부하 시험 실시 예 사진.
도 3은 본 발명에 사용된 막대-노즐형 플라즈마 토치에서 전원공급기에 의한 전류량 변화에 따른 열플라즈마 제트의 온도변화를 보여주는 자료.
도 4는 본 발명에 사용된 막대-노즐형 플라즈마 토치에서 전원공급기에 의한 전류량 변화에 따른 토치 출구에서의 열플라즈마 제트 속도와 열출력을 보여주는 자료.
도 5는 본 발명에 따른 고열부하 시험 장치의 운전에서 인가거리를 다르게 하였을 경우 열유동 현상의 변화를 보여주는 온도분포 자료.
도 6은 본 발명에서 운전방법인 열플라즈마 제트의 열출력과 인가거리 변화에 따른 피시험물로의 열부하량 변화 자료.1 is a cross-sectional view showing the configuration of a high temperature load test apparatus according to the present invention.
Figure 2 is a heat load test example photograph using a rod-nozzle type DC plasma torch in the high temperature load test apparatus according to the present invention.
Figure 3 is a data showing the temperature change of the thermal plasma jet according to the current amount change by the power supply in the rod-nozzle type plasma torch used in the present invention.
Figure 4 is a data showing the thermal plasma jet velocity and heat output at the torch outlet in accordance with the current amount change by the power supply in the rod-nozzle type plasma torch used in the present invention.
5 is a temperature distribution data showing a change in heat flow phenomenon when the application distance is different in the operation of the high temperature load test apparatus according to the present invention.
Figure 6 is a heat load change data to the test object according to the change in the heat output and the application distance of the thermal plasma jet which is the operating method in the present invention.

이하 본 발명을 첨부된 예시 도면에 의거 열원으로서 직류 아크 플라즈마 토치를 사용한 실시 예에 기반하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the embodiment using a direct current arc plasma torch as a heat source according to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 토치(100)와 시편장착대(200)로 구성된 고열부하 시험 장치의 개략적인 단면도이다. 고열부하를 인가하기 위한 열원으로 사용되는 플라즈마 토치(100)는 시험하고자 하는 시편의 크기나 인가하고자 하는 열부하량에 따라 다양한 종류 중 하나를 선택적으로 사용할 수 있는데, 도 1에서와 같은 직류 열플라즈마 토치는 음극(101)과 양극 노즐(102) 사이에 방전기체(103)를 주입하고 직류 전원공급기(104)로부터 제어되어 공급되는 전기에너지에 의해 아크(110) 방전을 개시하고 유지하며, 이로부터 피시험물(201)에 고열량을 전달하는 열플라즈마 제트(120)를 발생시킨다. 이때 초고온의 아크(110) 및 열플라즈마 제트(120)로부터 토치 부품을 보호하기 위한 냉각수(105, 106)가 음극(101)과 양극(102) 및 토치 몸체를 관통하여 흐르면서 열손실을 발생시키게 되는데, 이에 따라 토치(100) 외부로 분출되는 열플라즈마 제트(120)의 열출력은 토치(100) 운전조건에 따라 전원공급기(104)에 의한 전기에너지의 30 ~ 70 % 정도에 이르게 된다. 1 is a schematic cross-sectional view of a high temperature load test apparatus composed of a plasma torch 100 and a specimen mounting table 200 according to the present invention. The plasma torch 100 used as a heat source for applying a high heat load may selectively use one of various types according to the size of the specimen to be tested or the amount of heat load to be applied, and the DC thermal plasma torch as shown in FIG. 1. Injects the discharge gas 103 between the cathode 101 and the anode nozzle 102 and initiates and maintains the arc 110 discharge by electrical energy supplied controlled and controlled by the DC power supply 104, Generate a thermal plasma jet 120 to deliver a high amount of heat to the test object 201. At this time, the cooling water 105, 106 for protecting the torch parts from the arc 110 and the thermal plasma jet 120 of the ultra-high temperature flows through the cathode 101, the anode 102 and the torch body to generate heat loss. Accordingly, the heat output of the thermal plasma jet 120 ejected to the outside of the torch 100 reaches about 30 to 70% of the electrical energy by the power supply 104 according to the torch 100 operating conditions.

토치(100)로부터 발생된 열플라즈마 제트(120)는 도 1의 개략도와 도 2의 사진에서와 같이 피시험물(201)이 놓여 있는 시편장착대(200)로 분사된다. 이때 피시험물(201)의 크기에 따라 플라즈마 토치(100)의 종류를 다양하게 적용할 수 있으며, 도 2의 실시 예에서는 막대-노즐형 전극을 가지는 직류 플라즈마 토치를 사용하였다. 피시험물(201)은 냉각수 유출을 방지하기 위해 고무 오링(204)이 설치된 지지대(203) 위에 놓여지며, 고정판(205)에 의해 눌려져서 고정되게 된다.The thermal plasma jet 120 generated from the torch 100 is injected into the specimen mounting table 200 on which the specimen 201 is placed, as shown in the schematic diagram of FIG. 1 and the photograph of FIG. 2. The type of plasma torch 100 may be variously applied according to the size of the test object 201. In the embodiment of FIG. 2, a DC plasma torch having a rod-nozzle type electrode is used. The test object 201 is placed on the support 203 on which the rubber O-ring 204 is installed to prevent the coolant from leaking out, and is pressed and fixed by the fixing plate 205.

피시험물(201)이 받는 열부하는 냉각수 분리대(202)로 공급되어 이 분리대(202)와 피시험물 지지대(203) 사이로 인출되는 냉각수에 의해 제거되는데, 피시험물 냉각수 입구(211)와 출구(212)에 각각 열전대가 설치되어 있고 공급되는 냉각수 유량을 측정하는 유량계도 장착되어 있으므로, 피시험물 냉각수의 온도 변화로부터 열플라즈마 제트(120)에서 피시험물(201)로 인가된 열량을 측정할 수 있다. 피시험물(201) 뿐만 아니라 고정판(205) 역시 열플라즈마 제트(120)에 의한 고열부하에 노출되어 있기 때문에 용융으로 인한 문제를 발생시킬 수 있으므로 고정판의 재질을 열전도도가 우수한 무산소동을 사용하고, 도 1에서 보는 바와 같이 속이 빈 형태로 하여 냉각수 입구(213)와 출구(214)를 통해 냉각수를 흘려줄 수 있도록 고안하였다. 이때 피시험물(201)로 인가되는 열부하량을 정확히 측정하기 위하여 시편 냉각수가 접하고 있는 지지대(203)가 고정판 냉각수가 접하고 있는 고정판(205) 및 고정판 지지대(206)에 직접 닿지 않고 소정의 간격을 유지하도록 제작하였다.The heat load received by the test object 201 is supplied to the coolant separator 202 and removed by the coolant drawn between the separator 202 and the test object support 203. The test object coolant inlet 211 and the outlet are removed. Since each of the thermocouples is installed at 212 and a flowmeter is used to measure the flow rate of the cooling water to be supplied, the amount of heat applied from the thermal plasma jet 120 to the test object 201 is measured from the temperature change of the test object cooling water. can do. Since not only the specimen 201 but also the fixed plate 205 is exposed to the high heat load by the thermal plasma jet 120, it may cause problems due to melting, and thus, the oxygen-free copper having excellent thermal conductivity is used for the material of the fixed plate. As shown in FIG. 1, a hollow form is designed to allow the coolant to flow through the coolant inlet 213 and the outlet 214. At this time, in order to accurately measure the heat load applied to the test object 201, the support 203 in contact with the specimen coolant does not directly contact the fixed plate 205 and the fixed plate support 206 in contact with the fixed plate coolant. Made to keep.

상기 기술한 바와 같이 고열부하 시험 장치는 다양한 소재에 대한 평가가 가능해야 하므로 광범위한 열부하 범위를 가지면서도 개발된 개별 소재의 실사용 환경에 부합하는 정확한 열부하를 인가시켜야 한다. 따라서 본 발명에서 고안된 장치에서 열원으로 막대-노즐형 전극을 가지는 직류 플라즈마 토치를 사용할 경우, 전원공급기(104)에서의 전류변화 및 인가거리( d )와 같은 운전조건의 변화에 따른 열플라즈마 제트(120)의 특성과 피시험물(201)로의 열유동 현상의 변화를 전산모사하여 열부하량을 산출하였다.As described above, the high temperature load test apparatus must be able to evaluate various materials, and therefore, it is required to apply an accurate heat load corresponding to the actual use environment of the developed individual material while having a wide range of heat loads. Therefore, when using a DC plasma torch having a rod-nozzle type electrode as a heat source in the device designed in accordance with the present invention, the thermal plasma jet according to a change in operating conditions such as a current change and an application distance ( d ) in the power supply 104 ( The thermal load was calculated by computer simulation of the characteristics of 120) and the change of heat flow phenomenon to the test object 201.

플라즈마 토치(100)에서 뿜어져 나오는 열플라즈마 제트(120)의 열출력은 전원공급기(104)가 토치로 인가하는 전력에서 토치 냉각수에 의한 열손실에 의해 결정되는데, 도 3과 도 4에서 보는바와 같이 전류량을 늘리면 인가전력이 늘어나므로 보다 높은 온도와 속도의 열플라즈마 제트(120)를 발생시킬 수 있고, 이에 따라 피시험물(201)에 인가시킬 수 있는 열부하량도 늘어나게 된다. 그런데, 전원공급기(104)의 전류량을 변화시킴에 따라 열플라즈마 제트(120)의 특성이 달라짐과 동시에 냉각수로의 열손실량도 변하게 된다. 전산모사를 통해서는 이러한 열손실을 고려하여 토치 외부로 분출되는 열플라즈마 제트(120)의 열출력을 구할 수 있는데, 도 4에 나타낸 바와 같이 전류량을 150 ~ 500 A 까지 변화시킴에 따라 열출력과 인가 전력의 비인 토치 열효율은 약 40 ~ 50 %까지 변하며, 이는 실험적 측정과도 일치하였으며, 기존 플라즈마 토치에서 널리 알려진 값에도 잘 부합한다. 도 5는 열출력을 고정 시키고 인가거리( d )를 변화시켰을 경우 열플라즈마 제트(120)가 모재에 부딪히면서 변형된 열유동 형상을 전산모사한 결과를 나타내는데, 인가거리( d )가 짧을수록 보다 높은 온도의 열플라즈마 제트(120)가 피시험물(201)에 작용하여, 보다 큰 열부하가 인가됨을 알 수 있다.The heat output of the thermal plasma jet 120 emitted from the plasma torch 100 is determined by the heat loss by the torch coolant at the power applied by the power supply 104 to the torch, as shown in FIGS. 3 and 4. Increasing the current amount increases the applied power, thereby generating a thermal plasma jet 120 having a higher temperature and speed, thereby increasing the amount of heat load that can be applied to the test object 201. However, as the current amount of the power supply 104 is changed, the characteristics of the thermal plasma jet 120 are changed and the amount of heat loss to the cooling water is also changed. Through computer simulation, the heat output of the thermal plasma jet 120 ejected to the outside of the torch can be obtained in consideration of such heat loss. As shown in FIG. The torch thermal efficiency, which is the ratio of applied power, varies from about 40 to 50%, which is consistent with the experimental measurements, and also with the well-known values of conventional plasma torches. 5 shows the result of computer simulation of the deformed heat flow shape when the thermal plasma jet 120 hits the base material when the heat output is fixed and the application distance d is changed. The shorter the application distance d is, the higher It can be seen that the thermal plasma jet 120 of temperature acts on the object under test 201, so that a larger thermal load is applied.

도 6에는 열플라즈마 제트(120)의 열출력과 인가거리( d )의 운전방법을 달리하였을 경우 피시험물(201)에 인가되는 열부하량을 정리하여 나타내었다. 열플라즈마 제트(120)의 실출력이 증가하거나 인가거리( d )가 가까워질수록 열부하량이 늘어나는 것을 확인할 수 있다. 인가거리( d )를 더 줄일 경우 보다 효과적으로 고열부하를 인가할 수 있지만, 플라즈마 토치(100)와 시편장착대(200)의 거리가 너무 가까워 질 경우 열플라즈마 제트(120)의 열유동 현상이 복잡해지고 고열부하 시험 장치의 손상이 우려되므로, 실험을 통해 안정성이 보장된 최소 인가거리인 2 cm 이상으로 본 발명에 따라 제공된 고열부하 시험 장치를 운전하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 전산모사에서 막대-노즐형 토치에서 열출력이 7.42 kW이고 인가거리가 2 cm인 경우 약 1.93 MW/m2의 열부하가 피시험물(201)에 인가되었으며, 열출력의 세기와 열부하량은 비례관계에 있으며 인가거리는 반비례 관계에 있는 것으로 나타났다. 일반적으로 플라즈마 토치(100)의 열출력은 전극 구성 및 인가 전원의 종류 및 크기에 따라 최대 수 MW 수준까지 늘릴 수 있으므로, 본 발명을 통하여 최대 GW/m2 수준의 고열부하를 인가시킬 수 있을 것으로 기대된다.
6 shows the heat load applied to the test object 201 when the heat output of the thermal plasma jet 120 and the operating method of the application distance d are different. It can be seen that the heat load increases as the actual output of the thermal plasma jet 120 increases or the application distance d approaches. When the application distance d is further reduced, the high heat load can be applied more effectively. However, when the distance between the plasma torch 100 and the specimen mounting table 200 is too close, the heat flow phenomenon of the thermal plasma jet 120 is complicated. Since the high heat load test apparatus is feared to be damaged, it is preferable to operate the high heat load test apparatus provided in accordance with the present invention at least 2 cm, which is the minimum application distance for which stability is ensured through experiments. In the computer simulation according to the present invention, in the rod-nozzle type torch, when the heat output is 7.42 kW and the application distance is 2 cm, a heat load of about 1.93 MW / m 2 is applied to the specimen 201, and the strength and The heat load is proportional and the applied distance is inversely related. In general, since the heat output of the plasma torch 100 can be increased to a maximum of several MW level according to the electrode configuration and the type and size of the applied power, the high heat load of the maximum GW / m 2 level can be applied through the present invention. It is expected.

(실시예)(Example)

본 발명은 다음의 실시예를 통해 더욱 상세하게 설명될 수 있다.
The invention can be explained in more detail by the following examples.

도 1에서의 기본 개념을 적용하여 막대-노즐형 플라즈마 토치와 시편장착대로 구성된 고열부하 실험장치를 구성하고 전산모사 및 실험을 진행하였다. 시편은 높은 용융온도와 우수한 열전도도를 가져서 고열부하에 잘 견딜수 있는 원판 형태의 텅스텐을 사용하였으며, 시편의 크기는 직경 1.25 cm로 하였다.By applying the basic concept in FIG. 1, a high-temperature load test apparatus composed of a rod-nozzle type plasma torch and a specimen mounting unit was constructed, and computer simulations and experiments were performed. The specimen was made of tungsten in the form of a disk which has high melting temperature and excellent thermal conductivity, and was able to withstand high heat load. The specimen size was 1.25 cm in diameter.

막대-노즐형 플라즈마 토치에 40 slpm의 일정한 유량의 알곤을 방전기체로 공급하고, 전원공급기의 전류를 150 A에서 500 A로 변화시켰을 경우, 전산모사에 의한 아크전압은 30 V 내외로 예측되었고 실험결과와 잘 일치하였다. 따라서 토치로 공급된 입력전력은 4.5 kW에서 15.0 kW 정도였으며, 토치 냉각수에 의한 열손실을 고려한 열플라즈마 제트의 실출력은 도 4에서 보는 바와 같이 2.0 kW에서 8.0 kW 정도였다. 이때 열부하 인가거리를 2 cm에서 5 cm로 조절하였을 경우 모재로 전달된 열부하량은 도 6과 같이 0.2 MW/m2에서 2.0 MW/m2였다.
In the case of supplying 40 slpm of argon with a constant flow rate to the rod-nozzle type plasma torch and changing the power supply current from 150 A to 500 A, the arc voltage by computer simulation was estimated to be around 30 V. Well matched Therefore, the input power supplied to the torch was about 4.5 kW to 15.0 kW, and the actual output of the thermal plasma jet considering the heat loss by the torch cooling water was about 2.0 kW to 8.0 kW as shown in FIG. 4. In this case, when the heat load application distance was adjusted from 2 cm to 5 cm, the heat load transferred to the base material was 0.2 MW / m 2 to 2.0 MW / m 2 as shown in FIG. 6.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 플라즈마 토치 부분
101: 음극 102: 양극 노즐
103: 방전 기체 104: 전원공급기
105: 냉각수 (음극) 106: 냉각수 (양극)
110: 아크 120: 열플라즈마 제트
200: 시편장착대 부분
201: 피시험물 202: 피시험물 냉각수 분리대
203: 피시험물 지지대 204: 고무 오링
205: 고정판 206: 고정판 지지대
211: 피시험물 냉각수 입구 212: 피시험물 냉각수 출구
213: 고정판 냉각수 입구 214: 고정판 냉각수 출구
d : 인가거리<Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100: plasma torch portion
101: cathode 102: anode nozzle
103: discharge gas 104: power supply
105: cooling water (cathode) 106: cooling water (anode)
110: arc 120: thermal plasma jet
200: specimen mounting portion
201: specimen 202: specimen coolant separator
203: specimen support 204: rubber o-ring
205: fixed plate 206: fixed plate support
211: specimen coolant inlet 212: specimen coolant outlet
213: fixed plate coolant inlet 214: fixed plate coolant outlet
d : authorization distance

Claims (6)

열부하 시험 장치로서,
피시험물에 광범위하면서도 정확한 크기의 열부하를 인가하며 열출력의 제어가 가능한 열원이 되는 플라즈마 토치와;
상기 플라즈마토치로부터의 인가거리( d )가 조절가능한 시편장착대;
를 포함하며
상기 시편장착대는 오링(203)이 설치된 지지대 위에 시편을 놓으며 지지대의 안쪽은 속이 빈 형태로서 분리대(203)가 형성이 되어 분리대의 안쪽은 냉각수의 입구로 분리대와 지지대(203) 사이의 내벽은 냉각수 출구로 사용이 되며 시편장착대의 하면은 냉각수와 접촉되는 것을 특징으로 하는, 열부하 시험 장치.As a heat load test device,
A plasma torch that applies a wide range of accurate loads to a test object and is a heat source capable of controlling heat output;
A specimen mounting table having an adjustable application distance d from the plasma torch;
And it includes a
The specimen mounting plate is placed on the support on which the O-ring 203 is installed, and the inside of the support is hollow and the separator 203 is formed so that the inside of the separator is the inlet of the coolant and the inner wall between the separator and the support 203 is the coolant. Thermal load test apparatus, characterized in that used as an outlet and the lower surface of the specimen mount is in contact with the cooling water. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마토치는 음극(101) 및 양극 노즐(102)을 가지고 있는 직류방식과 유도코일 및 방전 튜브를 가지고 있는 고주파방식 중 어느 하나의 방식인 것을 특징으로 하는, 열부하 시험 장치.The apparatus of claim 1, wherein the plasma torch is one of a direct current method having a cathode 101 and an anode nozzle 102, and a high frequency method having an induction coil and a discharge tube. . 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 피시험물은 고정판(205)에 의해 눌려서 고정이 되며 고정판(205)의 내부에는 냉각수 유로가 형성되어 있으며 상기 시편장착대 하면에 형성된 냉각수 유로와 분리되어 있으며 고정대 내부의 냉각수의 유량, 온도와 시편장착대 하면의 냉각수의 유량, 온도는 각각 계산됨으로써 피시험물에 인가되는 열부하량을 정확하게 계산하도록 하는, 열부하 시험 장치.According to claim 1, wherein the test object is pressed and fixed by the fixing plate 205, the cooling water flow path is formed in the interior of the fixing plate 205 and is separated from the cooling water flow path formed on the lower surface of the specimen mounting table, A heat load test apparatus, wherein the flow rate, temperature of the cooling water and the flow rate and temperature of the cooling water on the lower surface of the specimen mounting table are respectively calculated to accurately calculate the heat load applied to the test object. 제 4항에 있어서, 상기 고정판을 지지하는 고정판 지지대와 시편장착대 하면을 지나는 냉각수가 접하는 지지대(203)는 이격되어 열부하량을 정확히 측정하도록 하는, 열부하 시험 장치.The heat load test apparatus according to claim 4, wherein the support plate (203) contacting the fixed plate support for supporting the fixed plate and the coolant passing through the lower surface of the specimen mounting plate are spaced apart to accurately measure the heat load. 삭제delete
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