KR101585717B1 - 냉각챔버 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각챔버에 관한 것으로, 이는 중공의 본체, 이 본체 내에 체적이 서로 상이하게 적어도 하나의 구획벽에 의해 복수의 층으로 구획되면서 서로 연통되는 복수의 냉매수용실, 이들 냉매수용실마다 구비되어 냉매수용실로 냉매가 주입되게 하는 주입구, 및 복수의 냉매수용실 중 하나에 구비되어 냉매를 배출하는 배출구를 포함하여서, 시편에 균열이 진행되는 방향으로 정확한 온도 구배를 부가할 수 있어 시편에 대한 냉각효율을 높일 수 있고 냉각시 소요되는 시간을 절감할 수 있는 효과가 있게 된다.

Description

냉각챔버 {Cooling chamber}

본 발명은 냉각챔버에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시편에 밀착되게 접촉하여 시편에 균열이 진행되는 방향으로 정확한 온도 구배를 부가할 수 있게 됨으로써 시편에 대한 냉각효율을 높일 수 있고 냉각시 소요되는 시간을 절감할 수 있는 냉각챔버에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아님을 밝혀둔다.

강재가 점차 고강도화 및 극후물화가 진행됨에 따라 그 파괴 특성에 대한 관심이 높아지고 있는데, 파괴 특성은 크게 균열생성의 관점과 균열정지의 관점으로 구분될 수 있다. 지금까지 파괴 특성은 주로 균열생성의 측면에 초점을 맞추어 검토되어 왔으나, 최근에 균열정지의 관점에서 취성균열 정지특성에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

취성균열 정지는 응력이 집중된 부분이나 결함, 또는 국부적인 취화영역에서 취성균열이 발생한 경우, 균열이 일정 길이 이상으로 전파하여 소재 또는 구조물 전체의 안정성에 영향을 끼치기 전에 정지시키는 개념으로서, 취성균열 정지특성이 우수한 소재가 균열 발생부 주변을 둘러싸고 있어야 한다는 가정을 바탕으로 하고 있다. 이러한 취성균열의 정지는 균열이 전파하면서 균열첨단에서 방출되는 탄성에너지와 균열첨단에서 일어나는 소성변형에 흡수되는 에너지가 평형상태를 이룰 때 일어나게 되며, 균열정지 파괴인성(Crack arrest toughness, Kca) 또는 균열정지 온도(Crack arrest temperature, CAT) 등의 값으로 평가된다.

극후물 강재의 취성균열 정지특성에 관한 연구에서는 대부분 온도 구배 ESSO 시험을 채택하고 있는데, 도 1에 온도 구배 ESSO 시험법의 개략도가 도시되어 있다.

우선 시편(1)의 한쪽 표면에 노치(3)를 가공한 후 대형 인장시험기(미도시)에 장착을 한다. 시편(1)의 노치(3) 쪽 표면에 접하도록 냉각챔버(10)를 설치하는데, 노치(3) 부근은 저온으로 냉각하여 균열 생성 및 전파를 용이하게 하고, 균열 전파 방향을 따라 온도를 상승시켜 균열 정지가 발생하도록 한다. 예를 들어, 시편(1)의 노치(3) 쪽(도 1에서 위쪽)은 약 -120 ~ -160℃ 정도로 극저온으로 냉각하며, 시편(1)의 아래로 갈수록 1mm 당 0.25 ~ 0.35℃로 냉각하면서 온도 구배를 준다.

이러한 온도 구배의 조정을 마친 후 시편(1)에 인장 하중을 가하고, 목표 시험 하중에 도달하면 노치(3)에 충격 하중을 가하여 균열을 생성, 전파시키고 균열이 정지한 부분의 균열길이를 측정하여 Kca값을 계산한다. 시편(1)의 파단 없이 시편(1) 내에서 균열을 정지시키기 위해서는 온도 구배, 인장 하중 및 시편(1) 크기의 적절한 조합을 이루어야 한다.

도 2는 종래기술에 따른 냉각챔버를 도시한 사시도로서, 이에 도시된 바와 같이 냉각챔버(10)는 전체가 대략 육면체의 박스 형상으로 형성되며, 공통되게 일측으로 하향 경사진 다층의 냉매수용실(12)을 가지고 있다. 이들 냉매수용실(12)은 경사의 아래쪽에 개구부가 구비되어 냉매가 직접 시편에 접촉하도록 되어 있다. 또, 각 냉매수용실(12)의 측방 일측으로는 해당 냉매수용실(12)에 냉매를 주입하기 위한 주입구(14)와, 냉매수용실(12)로부터 냉매를 배출하기 위한 배출구(16)가 함께 형성되어 있어, 각각 주입관(15) 및 배출관(17)이 설치될 수 있게 되어 있다.

냉각챔버(10)가 시편(1)의 노치(3) 쪽 표면에 긴밀하게 밀착된 상태에서 냉각챔버(10)와 시편(1) 사이의 접촉부분을 실리콘 등과 같은 접착제로 접착하여 밀봉시킨다. 이러한 밀봉은 냉각챔버(10)의 냉매수용실(12)에 냉매를 주입할 때 냉매의 유출을 방지하기 위함이다.

밀봉 후, 각 주입관(15)에 있는 밸브의 작동에 따라 주입구(14)를 통하여 각 냉매수용실(12) 내에 냉매를 주입하여 충전시키면, 충전된 냉매에 의해 시편(1)의 온도 구배가 시작되는데, 이때 원하는 온도 구배가 이루어지지 않으면 냉매를 더 주입하여, 원하는 설정온도로 냉각한 후 시험을 이행하게 된다.

그런데 냉각챔버(10)에 형성된 냉매수용실(12)과, 각 냉매수용실(12)에 연결된 주입구(14)의 크기가 모두 동일하게 되어 있어, 냉매수용실(12)마다 공급되는 냉매의 유량을 임의로 조정할 수 없다. 이 때문에, 작업자는 이러한 냉각챔버(10)의 냉매수용실(12)들이 각각 온도 구배를 갖도록 하기 위해서, 온도를 모니터링 하는 수단을 매개로 하여 온도 구배를 확인하면서 많은 냉매의 주입이 요구되는 해당 냉매수용실(12)과 냉매의 주입이 필요없는 해당 냉매수용실(12)에 각각 연결된 주입관(15)마다 있는 밸브의 온(On)-오프(Off) 스위치를 차등적으로 작동시켜야만 했다.

결국, 작업자가 시편의 온도 구배를 갖는 냉각을 위해 냉매수용실마다 개별적으로 냉매의 공급 또는 차단을 조작해야 하는 번거로움이 있고, 이에 따라 냉각시 소요되는 시간이 불필요하게 늘어나는 문제가 있다.

이에 본 발명은 냉각챔버의 형상과 각 냉매수용실에 연결된 주입구의 구조를 개선함으로써, 시편에 균열이 진행되는 방향으로 정확한 온도 구배를 부가할 수 있어 시편에 대한 냉각효율을 높일 수 있고 냉각시 소요되는 시간을 절감할 수 있는 시편용 냉각챔버를 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.

본 발명에 따른 냉각챔버는 중공(中空)의 본체, 상기 본체 내에 체적이 서로 상이하게 적어도 하나의 구획벽에 의해 복수의 층으로 구획되면서 상기 구획벽에 형성된 관통공에 의해 서로 연통되는 복수의 냉매수용실, 상기 냉매수용실마다 서로 차등적인 크기의 구경을 갖도록 구비되어 상기 냉매수용실로 냉매가 주입되게 하는 주입구, 및 상기 복수의 냉매수용실 중 하나에 구비되어 상기 냉매를 배출하는 배출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 냉각챔버에서, 상기 본체는 일측면의 단면적과 마주보는 타측면의 단면적이 서로 상이하거나, 상기 일측면과 상기 타측면 사이에서 단면적의 변화가 있는 형상을 가진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각챔버에서, 상기 본체는 일측면에서 타측면까지 단면적이 동일하고, 상기 복수의 냉매수용실은 서로 상이한 높이 또는 폭을 갖는 것을 특징으로 한다.

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이상과 같이 본 발명에 의하면, 개선된 구조의 냉각챔버에 의해 시편에 균열이 진행되는 방향으로 정확한 온도 구배를 부가할 수 있어 시편에 대한 냉각효율을 높일 수 있고 냉각시 소요되는 시간을 절감할 수 있는 효과가 있게 되는 것이다.

또한, 본 발명에 의하면, 작업자가 하나의 밸브만 작동시켜도 냉매수용실마다 온도 구배를 자동으로 부가할 수 있어, 작업자의 편의성이 증대되는 효과가 있게 된다.

도 1은 온도 구배 ESSO 시험법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 종래기술에 따른 냉각챔버를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각챔버를 도시한 일측면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 냉각챔버를 도시한 일측면도이다.

이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각챔버를 도시한 일측면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각챔버(100)는 일측면의 단면적과 마주보는 타측면의 단면적이 서로 상이하게 형성된 중공의 본체(110), 이 본체(110) 내에 체적이 서로 상이하게 구획벽(130)에 의해 복수의 층으로 구획되면서 서로 연통되는 복수의 냉매수용실(120), 이들 냉매수용실(120)마다 구비되어 냉매수용실(120)로 냉매가 주입되게 하는 주입구(140), 및 복수의 냉매수용실(120) 중 하나에 구비되어 냉매를 배출하는 배출구(160)를 포함하고 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본체(110)는 예를 들어 상광하협의 대략 사다리꼴 모양의 단면을 가진 육면체로 형성되어 있다. 이 본체(110)는 예컨대 목재나 플라스틱 등으로 된 내피와, 예컨대 철과 같은 금속으로 된 외피로 구성되어 있다. 본체(110)의 내피는 단열의 작용을 하게 된다.

본체(110) 내에는 전술한 내피로 이루어진 구획벽(130)에 의해 복수의 층으로 구획되면서 서로 연통되는 복수의 냉매수용실(120)이 구비되는데, 이들 냉매수용실(120)은 선택적으로 그 일측면, 예컨대 바닥면의 적어도 일부가 하향 경사지게 형성될 수 있으며, 경사의 아래쪽에 개구부가 구비되어 냉매가 직접 시편에 접촉하도록 되어 있다. 본체(110)의 형상이 상광하협이기 때문에, 즉 상측의 단면적이 하측의 단면적보다 넓게 형성되어 있기 때문에, 최상부의 냉매수용실(120)이 갖는 체적이 제일 크며, 아래로 갈수록 체적이 줄어들어 최하부의 냉매수용실(120)이 갖는 체적이 제일 작다.

하지만, 반드시 이러한 형상에만 본 발명이 적용되는 것으로 한정되지 않으며, 일측면과 타측면 사이에서 단면적의 변화가 있는 형상에도 본 발명이 적용될 수 있다.

각 냉매수용실(120)의 측방 일측으로는 해당 냉매수용실(120)에 냉매를 주입하기 위한 주입구(140)가 형성되어 있고, 각 주입구(140)에는 주입관(150)이 설치될 수 있다. 이들 주입관(150)은 메인 튜브(180)로부터 복수개로 분기될 수 있으며, 이 메인 튜브(180)에 단일 밸브(182)가 설치되어 이 밸브(182)의 온-오프 스위치를 조작함으로써 냉매의 공급 및 차단을 용이하고 편리하게 제어할 수 있다. 각 냉매수용실(120)에 형성된 주입구(140)의 구경은 서로 동일하지 않고 차등적인 크기를 갖도록 되어 있는데, 도 3을 참고로 하여 구체적으로 설명하면 최상부의 냉매수용실(120)이 갖는 주입구(140)의 구경이 제일 크며, 아래로 갈수록 구경이 줄어들어 최하부의 냉매수용실(120)이 갖는 주입구(140)의 구경이 제일 작다.

냉매로는 예컨대 액체질소가 사용될 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각챔버(100)의 개구부 쪽을 시편(1)의 노치(3; 도 1 참조) 쪽 표면에 긴밀하게 밀착한 상태에서 냉각챔버(100)와 시편(1) 사이의 접촉부분을 실리콘 등과 같은 접착제로 접착하여 밀봉시킨다.

각 냉매수용실(120) 내 냉매로부터의 열교환에 의한 시편(1)의 냉각속도는 냉매의 유량, 다시 말해 각 주입구(140)의 직경 또는 냉매의 공급속도에 의해 결정될 수 있는데, 이와 같이 각 냉매수용실(120)의 체적 크기가 차등적으로 상이하고, 해당 냉매수용실(120)의 체적에 적합하게 냉매를 주입하는 주입구(140)의 구경도 차등적으로 형성되어 있어, 각 냉매수용실(120)이 냉각시에 필요한 냉매의 유량을 충분히 확보할 수 있게 된다. 결국, 각 냉매수용실(120)이 차등적으로 필요한 냉매의 유량을 확보하게 됨으로써, 각 냉매수용실(120)이 갖는 시편(1)에 대한 냉각 목표온도에 신속히 도달할 수 있는 장점이 있게 되는 것이다.

또한, 작업자는, 종래와 같이 냉각챔버(10)의 냉매수용실(12)마다 냉매의 공급 또는 차단을 결정하고, 그 온도 구배를 확인하면서 해당 냉매수용실(12)에 연결된 주입관(15)의 밸브에 있는 온-오프 스위치를 차등적으로 작동시킬 필요가 없게 된다. 즉, 주입관(150)들이 메인 튜브(180)로부터 복수개로 분기되어 있고 각 주입구(140)의 구경이 차등적으로 형성되어 있기 때문에, 이 메인 튜브(180)에 설치된 단일 밸브(182)의 온-오프 스위치만 조작하여도 각 냉매수용실(120)에 요구되는 유량만큼의 냉매가 자동으로 공급될 수 있다. 이로써, 작업자가 하나의 밸브(182)만 작동시켜도 냉각챔버(100)의 냉매수용실(120)마다 온도 구배를 자동으로 부가할 수 있어, 작업자의 편의성이 증대되는 효과가 있게 되는 것이다.

한편, 냉매수용실(120)들 사이의 구획벽(130)에는 냉매가 냉매수용실(120)들 사이에서 연통되게 하기 위한 관통공(미도시)이 형성되어 있어서, 예를 들어 상부의 냉매수용실(120)에서 주입된 냉매가 하부의 냉매수용실(120)로 유동할 수 있게 되어 있다. 맨 아래의 냉매수용실(120)에는 바닥면에 배출구(160)가 형성되어 있으며, 이 배출구(160)에는 배출관(170)이 설치되게 된다. 이로써, 냉매는 냉각챔버(100)의 내부에서 관통공들을 통해 다층의 냉매수용실(120)들을 순차적으로 유동할 수 있고 이어서 냉각챔버(100)의 외부로 배출되도록 유도된다. 배출관(170)으로 배출되는 냉매는 대기 중으로 발산되거나 임의의 저장소로 보내어진다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 냉각챔버를 도시한 일측면도이다. 이에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 냉각챔버(200)는, 일측면에서 타측면까지 동일한 단면적으로 형성된 중공의 본체(210), 이 본체(210) 내에 체적이 서로 상이하게 구획벽(130)에 의해 복수의 층으로 구획되면서 서로 연통되는 복수의 냉매수용실(220), 이들 냉매수용실(220)마다 구비되어 냉매수용실(220)로 냉매가 주입되게 하는 주입구(140), 및 복수의 냉매수용실(220) 중 하나에 구비되어 냉매를 배출하는 배출구(160)를 포함하고 있다.

본 발명의 제2실시예에서는 본체(210) 및 냉매수용실(220)의 형상만 제외하고, 나머지 구성요소들은 전술한 제1실시예의 구성요소들과 동일하다. 이에, 본 발명의 제2실시예에 따른 냉각챔버(200)를 설명함에 있어, 제1실시예에 의한 냉각챔버(100)와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하면서 그 구성 및 기능의 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본체(210)는 대략 사각형 모양의 단면을 가진 육면체로 형성되어 있다. 이 본체(210)는 전술한 바와 같이 예컨대 목재나 플라스틱 등으로 된 내피와, 예컨대 철과 같은 금속으로 된 외피로 구성되어 있다. 본체(210)의 내피는 단열의 작용을 하게 된다.

본체(210) 내에는 전술한 내피로 이루어진 구획벽(130)에 의해 복수의 층으로 구획되면서 서로 연통되는 복수의 냉매수용실(220)이 구비되는데, 이들 냉매수용실(220)은 선택적으로 그 바닥면의 적어도 일부가 하향 경사지게 형성될 수 있으며, 경사의 아래쪽에 개구부가 구비되어 냉매가 직접 시편에 접촉하도록 되어 있다. 도 4에 도시된 본 발명의 제2실시예에 따른 냉각챔버(200)에서 본체(210) 내에 복수의 층으로 구획된 각 냉매수용실(220)은 그 수평면적은 동일하지만, 높이가 동일하지 않고 차등적인 높이를 갖도록 되어 있다. 예를 들면, 상측의 냉매수용실(220)의 높이가 하측의 냉매수용실(220)의 높이보다 높게 형성되어 있다. 이 때문에, 최상부의 냉매수용실(220)이 갖는 체적이 제일 크며, 아래로 갈수록 체적이 줄어들어 최하부의 냉매수용실(220)이 갖는 체적이 제일 작다.

또한, 각 냉매수용실(220)의 측방 일측으로는 해당 냉매수용실(220)에 냉매를 주입하기 위한 주입구(140)가 형성되어 있다. 이들 주입구(140)의 구경은 동일하지 않고 차등적으로 되어 있는데, 구체적으로 최상부의 냉매수용실(220)이 갖는 주입구(140)의 구경이 제일 크며, 아래로 갈수록 구경이 줄어들어 최하부의 냉매수용실(220)이 갖는 주입구(140)의 구경이 제일 작다.

이와 같이 구성된 본 발명의 제2실시예에 따른 냉각챔버(200)의 개구부 쪽을 시편(1)의 노치(3; 도 1 참조) 쪽 표면에 긴밀하게 밀착한 상태에서 냉각챔버(200)와 시편(1) 사이의 접촉부분을 실리콘 등과 같은 접착제로 접착하여 밀봉시킨다.

이와 같이 각 냉매수용실(220)의 체적 크기가 차등적으로 상이하고, 해당 냉매수용실(220)의 체적에 적합하게 냉매를 주입하는 주입구(140)의 구경도 차등적으로 형성되어 있어, 각 냉매수용실(220)이 냉각시에 필요한 냉매의 유량을 충분히 확보할 수 있게 된다. 결국, 각 냉매수용실(220)이 차등적으로 필요한 냉매의 유량을 확보하게 됨으로써, 각 냉매수용실(220)이 갖는 시편에 대한 냉각 목표온도에 신속히 도달할 수 있는 장점이 있게 되는 것이다.

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 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 시편 3: 노치
100, 200: 냉각챔버 110, 210: 본체
120, 220: 냉매수용실 130: 구획벽
140: 주입구 150: 주입관
160: 배출구 170: 배출관
180: 메인 튜브 182: 밸브

Claims (8)

1. 중공의 본체,
   상기 본체 내에 체적이 서로 상이하게 적어도 하나의 구획벽에 의해 복수의 층으로 구획되면서 상기 구획벽에 형성된 관통공에 의해 서로 연통되는 복수의 냉매수용실,
   상기 냉매수용실마다 서로 차등적인 크기의 구경을 갖도록 구비되어 상기 냉매수용실로 냉매가 주입되게 하는 주입구, 및
   상기 복수의 냉매수용실 중 하나에 구비되어 상기 냉매를 배출하는 배출구
   를 포함하는 냉각챔버.
2. 제1항에 있어서,
   상기 본체는 일측면의 단면적과 마주보는 타측면의 단면적이 서로 상이하거나, 상기 일측면과 상기 타측면 사이에서 단면적의 변화가 있는 형상을 가진 냉각챔버.
3. 제1항에 있어서,
   상기 본체는 일측면에서 타측면까지 단면적이 동일하고,
   상기 복수의 냉매수용실은 서로 상이한 높이 또는 폭을 갖는 냉각챔버.
4. 제1항에 있어서,
   상기 냉매수용실은 일측면의 적어도 일부가 경사져 있는 냉각챔버.
5. 제1항에 있어서,
   상기 냉매수용실의 일측에는 개구부가 있는 냉각챔버.
6. 제1항에 있어서,
   상기 주입구에는, 메인 튜브로부터 복수개로 분기된 주입관이 각각 연결될 수 있으며,
   상기 메인 튜브에 상기 냉매의 공급 및 차단을 제어하는 밸브가 설치되어 있는 냉각챔버.
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