KR101680452B1

KR101680452B1 - 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템 및 이를 이용한 충격 변형 시험방법

Info

Publication number: KR101680452B1
Application number: KR1020150030529A
Authority: KR
Inventors: 안동현; 김형섭; 김우열; 박이주
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2016-11-28
Also published as: KR20160107595A

Abstract

본 발명은 가스 총 시스템을 이용하여 시편을 충격 및 변형시키기 이전에 시편의 온도를 상온 이하의 원하는 온도로 낮출 수 있도록 하여 상기 시편이 소정 온도로 냉각된 상태에서 상기 시편을 충격 및 변형시킬수 있는 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템 및 이를 이용한 충격 변형 시험방법에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 가스 총 시스템은, 압축 발사력을 제공하는 압축탱크부; 내부에 발사체가 구비되고 상기 압축탱크부의 압축 발사력에 의해 상기 발사체를 발사시키는 총열부; 상기 발사체의 타격에 의해 압축변형되는 시편이 장착되는 시편장착대가 내장된 실험탱크부; 및 상기 시편을 소정 온도로 냉각시키기 위한 시편냉각부;를 포함하여 구성되고, 상술한 가스 총 시스템을 이용한 충격 변형 시험 방법은, 시편을 상온 이하의 저온으로 냉각한 상태에서 상기 가스 총 시스템을 이용하여 상기 시편에 충격력을 가하도록 이뤄진다.

Description

극저온 시험을 위한 가스 총 시스템 및 이를 이용한 충격 변형 시험방법{GAS GUN SYSTEM FOR CRYOGENIC TESTING AND METHOD FOR TESTING SHOCK DEFORMATION USING THE SAME}

본 발명은 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템 및 이를 이용한 충격 변형 시험방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템을 이용하여 시편을 충격 및 변형시키기 이전에 시편의 온도를 상온 이하의 원하는 온도로 낮출 수 있도록 하여 상기 시편이 소정 온도로 냉각된 상태에서 상기 시편을 충격 및 변형시킬수 있는 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템 및 이를 이용한 충격 변형 시험방법에 관한 것이다.

고속 변형과 그에 따른 재료의 거동에 대한 연구는, 극한 환경(extreme environment)이 중요시 되는 국방, 차량, 해양, 우주산업 등의 응용 분야뿐만 아니라 재료의 특성에 대한 순수 학문적 및 공학적 관점에서도 많은 관심을 받고 있는 분야이다.

특히, 음속에 가까운 매우 높은 변형률 속도를 가지는 변형에 대한 연구는 실험실적 한계 및 분석의 어려움에 의해서 다양한 연구를 실시함에 있어 한계를 보여주고 있다.

음속 이상의 높은 변형을 재료에 가하기 위한 방법으로서, 폭발 법(explosive method)과 가스 총 시스템(gas gun system)이 사용되고 있다.

하지만, 국내의 규제 및 안전 그리고 실험실적 한계와 분석의 용의함에 있어 국내는 주로 가스 총 시스템에 대한 설치 및 관련 연구가 진행되고 있다.

단일 가스 총 시스템(single gas gun system)은 추진제로써 압축가스를 사용하여 원통형 발사체를 음속으로 단일 압축 추진을 통해 가속시킬 수 있다.

일반적으로, 상기 시스템은 높은 변형률 속도 하의 재료의 물성을 측정하거나, 변형을 가하여 재료의 미세조직 변화를 얻거나, 고속으로 분말 치밀화를 통해 벌크 형상을 얻는데 사용되는 등 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다.

이런 다양한 응용 가능성에도 불구하고, 단일 가스 총 시스템은 정형화된 규격이 존재하지 않고, 그 사용 목적에 따라 다양한 형태의 변형 및 구조를 가지고 있다.

이런 이유에 따라 목표로 하는 실험 환경을 설정하기 위해 추가적인 설계 및 구성 설치를 필요로 한다.

한편, 고속 및 극저온 하에서 발생하는 변형은 재료의 미세조직을 극도로 미세화하거나 일반적인 환경에서 발생하는 변형 기구 외에 새로운 변형 기구가 발현된다고 알려져 있다.

이런 극한 변형 환경의 영향은 초미세/나노결정소재를 제조하거나 근본적인 재료의 변형 연구에 중요한 과제로 고려되고 있으며, 이를 실행하기 위한 다양한 노력이 진행되고 있다.

단일 가스 총 시스템은 고속의 변형을 재료에 가하기에 매우 용이하여, 극한 변형 조건의 일부분을 만족시키는 실험을 실시할 수 있는 환경을 제공한다.

하지만, 정확한 속도 조절 및 충격 면들 간의 평면성을 위해 충격 시 진공의 유지가 매우 중요하여, 이에 따라 시편의 냉각에 어려움이 존재한다.

따라서, 극한 환경하의 실험을 실시하기 위해서는 이런 제한 사항을 극복하면서 시편의 온도를 낮출 수 있는 방법의 개발이 요구되고 있다.

등록특허 제10-1119919호(등록일자 2012년02월17일)

상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템을 이용하여 시편을 충격 및 변형시키기 이전에 시편의 온도를 상온 이하의 원하는 온도로 낮출 수 있도록 하여 상기 시편이 소정 온도로 냉각된 상태에서 상기 시편을 충격 및 변형시킬수 있는 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템 및 이를 이용한 충격 변형 시험방법을 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템은, 압축 발사력을 제공하는 압축탱크부; 내부에 발사체가 구비되고 상기 압축탱크부의 압축 발사력에 의해 상기 발사체를 발사시키는 총열부; 상기 발사체의 타격에 의해 압축변형되는 시편이 장착되는 시편장착대가 내장된 실험탱크부; 및 상기 시편을 소정 온도로 냉각시키기 위한 시편냉각부;를 포함한다.

바람직하게, 상기 시편장착대는, 상기 총열부에서 발사된 발사체가 충돌하는 위치에 대응하여 설치된 충돌제한판을 포함하여 구성되고, 상기 시편냉각부는, 상기 충돌제한판의 전면부에 적층된 열전도판 및 상기 열전도판을 냉각시키는 냉각수단을 포함하여 구성되며, 상기 시편은 상기 열전도판의 전면부에 접촉되도록 장착될 수 있다.

바람직하게, 상기 냉각수단은, 상기 열전도판의 일부가 면접촉되고, 소정의 밀폐공간을 형성하되, 상기 밀폐공간으로 냉각 매질을 주입하기 위한 주입구가 구비된 냉각함;을 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 주입구는 복수개로 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 시편장착대는, 상기 총열부에서 발사된 발사체가 충돌하는 위치에 대응하여 설치된 충돌제한판; 상기 충돌제한판의 양측에 고정되어 상기 충돌제한판의 전면으로 연장된 한 쌍의 측판; 상기 한 쌍의 측판의 하부를 지지하는 하판; 및 상기 하판을 소정 높이로 지지하는 복수의 지지판;을 포함하여 구성되고, 상기 시편냉각부는, 상기 열전도판의 일부가 하면에 면접촉되고, 내부의 밀폐공간으로 냉각 매질을 주입하기 위한 주입구가 구비된 냉각함; 및 상기 시편장착대의 일측에 상기 냉각함을 장착시키기 위한 장착프레임;을 포함하여 구성되며, 상기 시편은 상기 열전도판의 전면부에 접촉되도록 장착될 수 있다.

바람직하게, 상기 냉각함은, 상부가 개방형성되고, 상기 개방된 상부의 둘레 외측으로 수평플렌지가 연장형성된 하부케이스; 및 상기 주입구가 형성되어 상기 하부케이스의 개방된 상부를 폐쇄하도록 형성되고, 상기 수평플렌지보다 외측으로 더욱 연장되도록 양측단에 형성된 한 쌍의 지지플렌지가 구비된 상부커버;를 포함하여 구성되고, 상기 장착프레임은, 상기 한 쌍의 지지플렌지를 각각 지지하는 한 쌍의 수직프레임; 상기 한 쌍의 수직프레임의 하부를 연결하고 상기 하부케이스의 하부를 지지하는 수평프레임; 및 상기 시편장착대를 구성하는 한 쌍의 측판에 걸려 고정되기 위하여 상기 수직프레임의 일면에 구비된 한 쌍의 걸림프레임;을 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 하부케이스의 하부에 면접촉된 열전도판과 상기 수평프레임의 사이에는 열차단패드가 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 시편 또는 상기 열전도판에 연결된 온도측정 케이블 및 상기 온도측정 케이블을 통해 온도를 측정하는 온도측정기를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템을 이용한 충격 변형 시험 방법은, 시편을 상온 이하의 저온으로 냉각한 상태에서 상기 가스 총 시스템을 이용하여 상기 시편에 충격력을 가하도록 이뤄진다.

바람직하게, 상기 시편과 열전도판을 밀착시키고, 상기 열전도판을 냉각 매질을 통해 냉각시킴에 따라 열전도 현상에 의해 상기 시편이 상온 이하의 저온으로 냉각되도록 할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템을 이용하여 시편을 충격 및 변형시키기 이전에 시편의 온도를 상온 이하의 원하는 온도로 낮출 수 있도록 하여 상기 시편이 소정 온도로 냉각된 상태에서 상기 시편을 충격 및 변형시킬수 있다는 이점이 있다.

구체적으로, 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템을 이용한 음속의 고속변형 시 진공 조건을 유지하는 동시에 시편의 초기 온도를 상온 이하의 극저온 상태로 만든 후 충격 및 변형이 가능하도록 하여 충격 및 변형된 시편의 초미세 결정립화 또는 나노 결정립화 등과 같은 기계적 물성을 높이는 시험뿐만 아니라 재료의 극저온 및 초고속 하의 극한 환경하의 거동을 분석할 수 있다는 이점이 있다.

즉, 시편냉각부를 통한 극한의 조건에서 가스 총 시스템을 통해 다양한 시험을 할 수 있으며, 특히, 극한 환경에서의 변형에 따른 재료의 미세조직 변화를 확인할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 고속의 충돌에 의해 발생할 수 있는 실험 장비의 파괴 및 손실을 최소화하여 고비용인 가스 총 시스템의 시험을 저온까지 확대함에도 비용의 증가를 최소화하는 이점이 있다.

또한, 제한된 실험 규격을 적용하지 않고 실험 방법의 자유도를 높이는 구조를 적용하여 다양한 충돌 저온 시험을 할 수 있는 확장이 용이하다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템의 사진과 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템을 구성하는 시편장착대와 시편냉각부를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템을 구성하는 시편장착대와 시편냉각부의 설치 상태를 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템을 구성하는 시편냉각부의 냉각 매질의 투입 및 배출 형태와 이를 통해 얻어진 냉각 가능 온도의 결과를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템을 통해 실시한 구리 시편의 변형 결과를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템을 통해 실시한 구리 시편의 단면에서 측정한 미세 경도 분포를 나타내는 도면이다.

본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.

제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다.

및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 진공 내에서도 온도의 전달을 이루고 변형을 가할 수 있는 구조 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로, 진공을 유지하며 가스 총 시스템을 구성하는 실험탱크부의 외부에서 내부로 고무관을 통해 시편 주변에 위치한 냉각함으로 냉각 매질을 주입하여 상기 냉각함을 냉각시키고, 상기 냉각함과 면접촉된 연전도도가 우수한 열전도판을 사용하여 상기 시편과 냉각함을 연결하여 열전도를 통해 시편의 온도를 조절하는 구조 및 방법과 충격 변형 시 그리고 후 시편의 변형 조절 및 회수를 위한 지지대의 형상 및 그 유용 방법을 제공한다.

본 발명의 실시에 있어서, 냉각 매질은 상온에서 매우 불안정한 상태일 경우가 많으며 사용된 액체 질소 또한 상온에서 기화되려는 성향이 강하여 열이 전달되면 빠르게 기화되어 액체 매질의 흐름을 막을 수 있기 때문에, 복수의 주입구를 냉각함에 형성하였고, 이를 통해 냉각 매질의 흐름을 원활하게 할 수 있도록 하였다.

또한, 본 발명의 실시에 있어서, 상기 시편의 온도 조절은 냉각함으로 흘러 들어가는 냉각 매질의 양을 조절하여 시편의 냉각 온도를 조절할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시에 있어서, 상기 냉각함은 진공을 통해 대류에 의한 열전달을 최소화하고 있으며, 열전도판과의 접촉 외의 지지대 등과의 외부 접촉을 최소화하여 전도에 의한 열손실 역시 최소화 하고 있다.

또한, 본 발명의 실시에 있어서, 상기 열전도판 역시 냉각함과 시편외의 접촉을 최소화여 열 손실을 최소화 하였으며, 열전도판의 지지를 위한 부득이한 접촉 시에는 열전도도가 낮은 다공성 스티로폼 등의 열차단패드를 사용하여 열 손실을 최소화 하고 있다.

또한, 본 발명의 실시에 있어서, 시스탬의 외부와 냉각함을 연결하는 관은 진공과 극저온의 환경에서 사용할 수 있는 재질로 만들어지고 최대한 넓은 내경을 가지는 관을 사용하는 것이 바람직하다. 이를 통해 내부 진공 유지와 원활한 냉각 매질의 투입과 기화 가스의 배출을 통한 온도 조절의 용이함을 확보할 수 있다. 또한, 일 회의 실험 후 관 및 냉각함의 수분을 제거해주어야 결로 현상을 막을 수 있으며 고무 재질의 관은 각 실험 마다 교체가 용이하여 이런 제거 작업을 단순화 할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시에 있어서, 고속의 충돌 시 발생할 수 있는 추가적인 2차 충돌을 억제하고 냉각함을 고정시키기 위해 높은 무게를 가지고 분리가 가능한 지지대를 사용하였다. 본 지지대는 발사체에 비해 상대적인 무게가 매우 크고, 이에 따라 충돌 시 시편 및 발사체의 움직임을 제어할 수 있는 틀을 제공하고, 냉각함을 고정시키고 보호하는 역할도 수행한다. 또한, 분리가 가능하여 지지대 자체의 이동 이 용이할 뿐만 아니라 충돌에 의해 상처 및 손상 시에도 일부 부분만 교체하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시에 있어서, 시편의 위치는 발사체와의 충돌 부위에 존재해야하며 이는 레이저를 통해 확인된 탄착점에 시편을 접착제를 통한 단순 부착하여 정할 수 있다. 또한, 시편의 온도 측정을 위해서 시편에 접촉식 열 측정 장치를 단순 접착제를 사용하여 측정할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축탱크부(100), 총열부(200), 실험탱크부(300) 및 시편냉각부(400)를 포함하여 구성된다.

상기 압축탱크부(100)는 압축 발사력을 제공하며, 상기 총열부(200)는 내부에 발사체(210)가 구비되고 상기 압축탱크부(100)의 압축 발사력에 의해 상기 발사체(210)를 발사시키며, 상기 실험탱크부(300)는 상기 발사체(210)의 타격에 의해 압축변형되는 시편(S)이 장착되는 시편장착대(310)가 내장되고, 상기 시편냉각부(400)는 상기 시편(S)을 소정 온도로 냉각시키도록 구성된다.

먼저, 상기 압축탱크부(100)는 가스를 압축하기 위한 소정의 밀폐공간을 형성하고, 내부에는 가스공급부(미도시)를 통해 공급되는 가스가 압축되어 저장되며, 압축된 가스가 상기 총렬부를 향하여 일시에 분사되어 상기 발사체(210)를 실험탱크부(300)의 내부로 발사시키게 된다.

구체적으로, 상기 압축탱크부(100)는 가스공급부(미도시)로부터 가스를 공급받아 압축시키도록 구성되고, 제어컴퓨터(미도시)에 의해 그 동작이 제어되며, 예를 들어 상기 제어컴퓨터에 의해 상기 압축탱크부(100)에 공급되는 가스의 양과 상기 총렬부(200)를 향한 가스의 분사 등이 제어될 수 있다.

다음으로, 상기 총열부(200)는 중공의 원통형 구조로 형성되고, 일단이 상기 압축탱크부(100)와 연결되고, 타단이 상기 실험탱크부(300)와 연결되도록 구성된다.

상기 총열부(200)의 일측 내부에는 발사체(210)가 내장 가능하도록 구성되고, 상기 압축탱크부(100)의 압축 발사력에 의해 상기 발사체(210)가 상기 총열부(200)의 타측 개구부인 발사홀을 통해 상기 실험탱크부(300)의 시편장착대(310) 측으로 발사되도록 한다.

상기 총열부(200)는 내측의 발사체(210)가 직진성을 가지며 이동할 수 있도록 일정한 길이로 형성되며, 일정 강도와 내열성을 가지도록 합금으로 형성될 수 있다.

다음으로, 상기 실험탱크부(300)는 소정의 밀폐된 공간을 제공하며, 내부에는 시편장착대(310)가 구비된다.

상술한 바와 같이, 상기 압축탱크부(100), 총열부(200), 실험탱크부(300) 및 시편냉각부(400)를 포함하여 구성된 가스 총 시스템은 별도의 진공형성수단을 통해 적어도 상기 총열부(200) 및 실험탱크부(300)의 내부를 진공으로 형성할 수 있도록 구성된다.

이하에서는, 상기 실험탱크부(300) 내에 구비된 시편장착대(310)와 상기 시편장착대(310)에 장착된 시편(S)을 냉각시키기 위한 시편냉각부(400)에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 시편장착대(310)는, 상기 총열부(200)에서 발사된 발사체(210)가 충돌하는 위치에 대응하여 설치된 충돌제한판(311), 상기 충돌제한판(311)의 양측에 고정되어 상기 충돌제한판(311)의 전면으로 연장된 한 쌍의 측판(313), 상기 한 쌍의 측판(313)의 하부를 지지하는 하판(315) 및 상기 하판(315)을 소정 높이로 지지하는 복수의 지지판(317a, 317b)을 포함하여 구성된다.

상기 충돌제한판(311), 측판(313), 하판(315) 및 지지판(317a, 317b)은 블록의 형태로 형성된 판으로서, 그 크기나 두께를 사용하고자 하는 목적에 따라 선택적으로 변경하여 적용할 수 있고, 상기 충돌제한판(311), 측판(313), 하판(315) 및 지지판(317a, 317b)은 볼트 등의 결합 수단을 통해 상호 체결되어 고정될 수 있다.

한편, 상기 충돌제한판(311)의 후면에는 복수의 보조 충돌제한판(311-1, 311-2)이 구비될 수 있으며, 이를 통해 발사체(210)가 시편(S)에 부딪힐 경우 상기 충돌제한판(311)이 밀리는 것을 방지할 수 있다.

상기 시편냉각부(400)는, 상기 충돌제한판(311)의 전면부에 적층된 열전도판(410) 및 상기 열전도판(410)을 냉각시키는 냉각수단(420)을 포함하여 구성되며, 상기 시편(S)은 상기 열전도판(410)의 전면부에 접촉되도록 장착된다.

구체적으로, 상기 냉각수단(420)은 상기 열전도판(410)의 일부가 하면에 면접촉되고, 밀폐공간을 형성하되, 상기 밀폐공간으로 냉각 매질을 주입하기 위한 주입구(421h)가 구비된 냉각함(421)을 포함하여 구성되며, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부케이스(421a)와 상부커버(421b)를 포함하여 구성된다.

상기 냉각함(421)의 하부케이스(421a)는 상부가 개방형성되고, 상기 개방된 상부의 둘레 외측으로 수평플렌지(421a-1)가 연장형성되도록 구성된다.

상기 냉각함(421)의 상부커버(421b)는 상기 주입구(421h)가 형성되어 상기 하부케이스(421a)의 개방된 상부를 폐쇄하도록 형성되고, 상기 수평플렌지(421a-1)보다 외측으로 더욱 연장되도록 양측단에 형성된 한 쌍의 지지플렌지(421b-1)가 구비된다.

한편, 상기 주입구(421h)는 복수개로 형성되는 것이 바람직하며, 이는 하나의 주입구(421h)로 냉각 매질을 주입하고, 다른 하나의 주입구(421h)로는 냉각 매질이 기화되면서 배출되는 기체가 배출되도록 하여 원활한 냉각 매질의 주입이 가능하도록 하기 위함이다.

상기 주입구(421h)에는 상기 냉각 매질을 주입하기 위한 고무 재질의 관(P)이 더욱 연결될 수 있으며, 상기 고무 재질의 관(P)은 상기 실험탱크부(300)의 외부로 연장될 수 있다.

한편, 상기 시편냉각부(400)는 상기 냉각함(421)이 상기 시편장착대(310)의 일측에 위치시켜 장착시키기 위한 장착프레임(423)을 포함하여 구성된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 장착프레임(423)은, 상기 냉각함(421)의 상부커버(421b)에 구비된 지지플렌지(421b-1)를 각각 지지하는 한 쌍의 수직프레임(423a), 상기 한 쌍의 수직프레임(423a)의 하부를 연결하고 상기 냉각함(421)의 하부케이스(421a)의 하부를 지지하는 수평프레임(423b) 및 상기 시편장착대(310)를 구성하는 한 쌍의 측판(313)에 걸려 고정되기 위하여 상기 수직프레임(423a)의 일면에 구비된 한 쌍의 걸림프레임(423c)을 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 상기 냉각함(421)의 하부케이스(421a)의 하부와 상기 수평프레임(423b)의 사이에는 열차단패드(425)가 구비되며, 이를 통해 상기 냉각함(421)과 상기 열전도판(410)의 밀착력을 높임과 함께 상기 냉각함(421)의 내부로 주입되는 냉각 매질의 냉기가 외부로 전달되는 것을 최대한 차단할 수 있고, 이를 통해 시편(S)의 냉각효율을 극대화할 수 있다.

한편, 상기 시편(S) 또는 상기 열전도판(410)에 연결된 온도측정 케이블(431) 및 상기 온도측정 케이블(431)을 통해 온도를 측정하는 온도측정기(433)를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 이를 통해 상기 시편(S)의 온도를 측정하면서 원하는 시편(S)의 온도로 저절할 수 있게 된다.

이하에서는, 상술한 바와 같은 가스 총 시스템을 이용한 충격 변형 시험 방법에 대하여 설명하도록 한다.

본 실시예의 충격 변형 시험 방법은 상술한 가스 총 시스템을 이용한 충격 변형 시험 방법으로서, 시편(S)을 상온 이하의 저온으로 냉각한 상태에서 상기 가스 총 시스템을 이용하여 상기 시편(S)에 충격력을 가하는 충격 변형 시험방법이다.

구체적으로, 시편(S)을 상온 이하의 저온으로 냉각한 상태에서 상기 가스 총 시스템을 이용하여 상기 시편(S)에 충격력을 가하는 충격 변형 시험방법으로서, 상기 시편(S)과 열전도판(410)을 밀착시키고, 상기 열전도판(410)을 냉각 매질을 통해 냉각시킴에 따라 열전도 현상에 의해 상기 시편(S)이 상온 이하의 저온으로 냉각되도록 하여 충격 변형 시험을 하게 된다.

더욱 구체적으로, 본 실시예의 충격 변형 시험 방법은, 먼저, 가스 총 시스템 내에 극저온 냉각 시스템인 시편냉각부(400)를 설치하고 발사체(210)를 준비하는 발사 준비 단계(제1단계), 실험탱크부(300)와 총열부(200) 내의 진공을 형성하고 냉각 매질인 액체 질소를 사용하여 시편(S)을 냉각시키는 냉각 단계(제2단계), 원하는 온도에 도달한 후 압축탱크부(100)에 가스를 주입하여 원하는 압력에 도달시킨 후 발사체(210)를 발사하는 단계(제3단계)로 구분할 수 있다.

상기 제1단계에서는, 도 1과 같이 제작된 단일 가스총 시스템의 작동 준비 단계로 실험탱크부(300) 내에 고정시킬 수 있도록 제작된 시편장착대(310)와 시편냉각부(400)를 설치하고, 시편(S) 및 열전도판(410)을 장착한 후 발사체(210)의 탄착 위치에 맞춰 시편(S)을 위치시기 위해 레이저를 이용하여 시편(S)의 위치 및 열전도판(410)의 위치를 결정하고 시편(S)을 장착한 후, 총열부(200)의 지름과 거의 동일한 지름을 가지도록 준비된 발사체(210)를 총열부(200) 내부에 장착하는 단계이다.

이 경우, 시편장착대(310)의 높이는 설계된 가스 총 시스템에 따라 달라질 수 있으며, 이는 시편장착대(310) 하부의 지지판(317a, 317b)들의 높이를 달리하여 이룰 수 있다.

또한, 발사체(210)의 경우 외경의 크기를 총열 내경과 거의 비슷하게 만들더라도 고압의 가스 발사체(210)를 제대로 가속시키게 하기 위해 오차가 크지 않도록 제작해야한다.

한편, 시편(S)의 온도를 측정하기 위해 열전도판(410)에서 가장 먼 시편(S)의 위치에 온도측정 케이블(431)을 연결해야 한다.

상기 제2단계에서는, 가스 총 시스템 내부를 진공으로 만들고 냉각 매질을 외부에서 내부의 냉각함(421)으로 흘러 보내 시편(S)의 온도를 내리는 단계이다.

먼저, 가스 총 시스템 내부를 외부로부터 밀폐시킨 후, 진공 펌프를 사용하여 내부 압력을 낮추어야 한다.

이때, 냉각함(421) 및 고무 관(P) 등에 결로 현상이 발생하지 않도록 충분한 진공이 잡힌 후 냉각 매질을 투입해야 한다.

냉각 매질은 주입구(421h)와 연결된 고무 재질의 관(P) 중 한 곳을 선택하여 투입해야 하며 초기 고무관(P) 및 냉각함(421) 등이 상온의 상태이기 때문에 냉각 매질의 빠른 기화로 인해 투입의 속도가 느리지만 시간이 지남에 따라 극저온 냉각 시스템의 온도가 낮아지면서 투입이 더 수월해 진다. 시편(S)이 원하는 온도에 도달하면, 냉각 매질의 투입 속도를 조절하여 그 값을 유지할 수 있다.

상기 제3단계에서는, 시편(S)의 온도를 유지하고, 가스 총 시스템의 진공을 유지하면서 가스를 압축 후 원하는 속도를 낼 수 있는 압력에서 발사체(210)를 발사하여 시편(S)을 변형시키는 단계이다.

이때, 발사체(210)의 속도는 압축가스의 종류, 발사체(210)의 무게, 그리고 압축 압력에 따라 결정되며, 이는 가스 총 시스템에 따라 이론적으로 계산하여 결정된다. 변형 후 시스템 내의 고압 상태를 제거하고 냉각 시스템 내에 잔류하는 변형 시편(S)을 회수한다.

이를 통해, 본 발명의 가스 총 시스템은, 제작된 가스 총 시스템의 음속의 변형 속도를 극저온 상태의 시편(S)에 가할 수 있도록 해주며, 제한된 시편(S) 규격이 없어 다양한 시편(S) 및 여러 형태의 변형 형상을 자유롭게 제작하는 것을 가능하게 해준다. 그리고, 단편적인 예로, 고속 그리고 극저온의 변형은 재료 미세조직의 미세화를 가속화 시켜 시편(S)의 초미세결정립화 또는 나노결정립화를 할 수 있게 한다. 또한, 시편(S)의 변형 시 시편(S)의 크기, 발사체(210)의 무게 및 재질, 그리고 압축 가스의 압력 등을 이용하여 시편(S)에 가해지는 변형 크기 및 이에 따른 미세조직의 형태를 조절할 수 있다.

이하에서는, 상술한 바와 같은 가스 총 시스템 및 충격 변형 시험 방법을 통해 실시한 실험예에 대하여 설명하도록 한다.

실험예1의 제1시편(S1)은 높이 20mm, 지름 10mm의 작은 시편이고, 실험예2의 제2시편(S2)은 높이 20mm, 지름 40mm의 큰 시편이다. 구체적으로, 40mm의 지름을 가지는 폴리카보네이트 본체와 강철 헤드로 구성된 약 150g의 원통과, 10mm 지름과 20mm의 높이 16mm 그리고 40mm의 지름을 가지는 순수 구리 원통들을 사용하였다.

서로 다른 형태의 시편은 동일한 발사체(210) 및 조건에서 시편의 변형 형태의 차이를 보여준다. 본 실험예에서 사용된 조건은 더 자세한 설명을 위한 예일 뿐이며, 다양한 변화를 수용할 수 있는 가능성을 가지고 있다.

한편, 본 실시예에서는, 압축가스로 질소를 사용하였고, 냉각 매질로는 액체 질소를 사용하였다.

열전도판(410)은 열전도도가 높은 구리 재질로, 냉각함(421) 하부케이스(421a)의 재료 역시 열전도도가 높은 구리 계열의 재료를 사용하였다. 발사체(210)의 가속을 위해 압축가스는 약 1300psi의 압력까지 압축되었으며, 이는, 발사체(210)를 충돌 전까지 약 350m/s 까지 가속시켜 준다.

시편장착대(310)는 여러 판들로 구성되어 있어, 분리 및 이동이 용이하며, 실험 환경의 변화가 발생해도 일부 판들의 디자인 및 크기를 변형하여 변화에 유연하게 대응할 수 있도록 제작되었다.

도 2에 도시된 바와 같이, 시편장착대(310)는 크게 상부 하부로 나뉘며, 상부는 경우 발사체(210)와 시편(S)간의 충돌이 발생할 때 충격 에너지를 흡수 및 추가 충돌을 제한하고, 냉각함(421)을 고정하는 역할을 주로 하며, 하부는 시편냉각부(400)를 실험탱크부(300)와 연결 및 고정하고 시편장착대(310)의 상부의 높이를 조절할 수 있게 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 시편장착대(310)를 구성하는 각 판들이 충돌로부터 손상을 입어도 교체할 수 있도록 제안된 것을 알 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 총 시스템을 구성하는 시편장착대(310)와 시편냉각부(400)의 설치 상태를 나타낸 사진으로서, 사용된 재질은 강철 합금이다.

도 3의 (a)는 시편장착대(310)의 하부가 실험탱크부(300) 내의 고정 철판에 볼트를 이용하여 고정된 사진이다.

도 3의 (b)는 시편냉각부(400)에 장착된 시편(S)의 사진으로서, 시편(S)은 발사체(210)의 탄착 위치를 레이저를 통해 확인 후, 열전도판(410)을 발사체(210)와 수직이 되도록 위치시킨 후 접착제를 통해 고정시켰다. 접착제는 시편(S)의 주변부에 사용되어 열전도판(410)과 시편(S)의 직접적인 접촉을 방해하지 않도록 했다. 그 후 온도측정 케이블(431) 역시 접착제를 사용하여 시편(S)에 부착하였다. 그 후, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 냉각함(421)과 외부를 고무재질의 관(P)을 이용하여 연결하였다.

압축탱크부(100), 총열부(200) 및 실험탱크부(300)를 외부로부터 밀폐시키고, 진공 펌프를 사용하여 총열부(200)의 내부와 실험탱크부(300)의 압력을 낮추어 진공을 형성하였다. 실험 탱크의 압력이 1 Torr 이하가 되면, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 외부로 연장된 고무재질의 관(P) 중 한 곳을 통해 액화 질소를 투입하였으며, 액화 질소의 기화로 인해 다른 하나의 고무재질의 관(P)을 통해 질소 가스가 배출되었다. 지속적인 액화 질소의 투입으로 시편(S)의 온도는 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 영하 100℃ 이하로 냉각되었다. 해당 온도는 질소 가스의 투입 속도를 통해 조절할 수 있다.

도 5는 시험 후 바로 회수된 시편(S)의 형상을 보여준다.

도 5의 (a)는 지름 10mm 높이 20mm의 원통형 제1시편(S1)의 변형 후 사진을 보여주고, 도 5의 (b)는 지름 40mm 높이 16mm의 원통형 제2시편(S2)의 변형 후 사진을 보여준다.

시편이 상대적으로 작은 경우 시편 전체가 큰 변형률을 가지고 변형된 것을 알 수 있고, 큰 시편의 경우 제한된 변형률을 가지고 일부분만 변형되었다. 이런 차이는 시편의 형상 등을 통해 변형 결과를 조절할 수 있는 하나의 예로 사용될 수 있다.

도 6은 상대적으로 크고 제한된 변형이 가해진 제2시편(S2)의 단면에 대해서 미세 경도를 측정하고 이를 통해 얻어진 경도 분포 측정 결과를 나타낸 것이다.

제2시편(S2)은 전체적으로 변형 저의 구리 경도(약 50Hv) 보다 높아진 것을 알 수 있다. 하지만 그 분포는 전체적으로 균일하지 않은 것을 알 수 있다. 이런 차이는 발사체(210) 헤드보다 변형 구리 시편의 크기가 상대적으로 큰 것과 변형이 동적으로 발생해 관성 효과가 포함되었기 때문이다.

이런 변형 분포를 통해 재료가 극저온 및 고속의 변형을 겪게 될 경우 재료의 내부 미세조직 변화 및 변형 거동에 대한 분석을 실시할 수 있도록 해준다. 단순한 예로 살펴본 경도 결과는 충돌 면 근처가 반대쪽 보다 더 높은 경도를 보이고 있는데, 이는 관성에 의해 충돌 면에 좀 더 많은 에너지가 변형에 사용되었기 때문이다. 또한, 본 발명의 실시 예에서는 언급되어 있지 않지만, 동일한 조건에서 상온 변형의 경우 더 많은 변형이 재료에 가해졌지만, 극저온 변형에 비해 낮은 경도를 보이는 것으로 부터도 저온 변형에 따른 재료의 거동 차이를 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명은 다양한 극저온 실험을 가능하게 해줄 수 있는 시스템으로 본 실시 예는 그 역할의 가능성을 보여주고 있다고 볼 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.

100:압축탱크부 200:총열부
210:발사체 300:실험탱크부
310:시편장착대 311:충돌제한판
313:측판 315:하판
317a, 317b:지지판 400:시편냉각부
410:열전도판 420:냉각수단
421:냉각함 421a:하부케이스
421a-1:수평플렌지 421b:상부커버
421b-1:지지플렌지 421h:주입구
423:장착프레임 423a:수직프레임
423b:수평프레임 423c:걸림프레임
425:열차단패드 431:온도측정 케이블
433:온도측정기 S:시편

Claims

압축 발사력을 제공하는 압축탱크부;
내부에 발사체가 구비되고 상기 압축탱크부의 압축 발사력에 의해 상기 발사체를 발사시키는 총열부;
상기 발사체의 타격에 의해 압축변형되는 시편이 장착되는 시편장착대가 내장된 실험탱크부; 및
상기 시편을 소정 온도로 냉각시키기 위한 시편냉각부;를 포함하며,
상기 시편장착대는, 상기 총열부에서 발사된 발사체가 충돌하는 위치에 대응하여 설치된 충돌제한판을 포함하여 구성되고,
상기 시편냉각부는, 상기 충돌제한판의 전면부에 적층된 열전도판 및 상기 열전도판을 냉각시키는 냉각수단을 포함하여 구성되며,
상기 시편은 상기 열전도판의 전면부에 접촉되도록 장착되는 것을 특징으로 하는 충격 변형 시험을 위한 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 냉각수단은,
상기 열전도판의 일부가 면접촉되고, 소정의 밀폐공간을 형성하되, 상기 밀폐공간으로 냉각 매질을 주입하기 위한 주입구가 구비된 냉각함;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 충격 변형 시험을 위한 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템.
제3항에 있어서,
상기 주입구는 복수개로 형성된 것을 특징으로 하는 충격 변형 시험을 위한 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템.
제1항에 있어서,
상기 시편장착대는,
상기 총열부에서 발사된 발사체가 충돌하는 위치에 대응하여 설치된 충돌제한판; 상기 충돌제한판의 양측에 고정되어 상기 충돌제한판의 전면으로 연장된 한 쌍의 측판; 상기 한 쌍의 측판의 하부를 지지하는 하판; 및 상기 하판을 소정 높이로 지지하는 복수의 지지판;을 포함하여 구성되고,
상기 시편냉각부는,
상기 열전도판의 일부가 하면에 면접촉되고, 내부의 밀폐공간으로 냉각 매질을 주입하기 위한 주입구가 구비된 냉각함; 및 상기 시편장착대의 일측에 상기 냉각함을 장착시키기 위한 장착프레임;을 포함하여 구성되며,
상기 시편은 상기 열전도판의 전면부에 접촉되도록 장착되는 것을 특징으로 하는 충격 변형 시험을 위한 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템.
제5항에 있어서,
상기 냉각함은,
상부가 개방형성되고, 상기 개방된 상부의 둘레 외측으로 수평플렌지가 연장형성된 하부케이스; 및 상기 주입구가 형성되어 상기 하부케이스의 개방된 상부를 폐쇄하도록 형성되고, 상기 수평플렌지보다 외측으로 더욱 연장되도록 양측단에 형성된 한 쌍의 지지플렌지가 구비된 상부커버;를 포함하여 구성되고,
상기 장착프레임은,
상기 한 쌍의 지지플렌지를 각각 지지하는 한 쌍의 수직프레임; 상기 한 쌍의 수직프레임의 하부를 연결하고 상기 하부케이스의 하부를 지지하는 수평프레임; 및 상기 시편장착대를 구성하는 한 쌍의 측판에 걸려 고정되기 위하여 상기 수직프레임의 일면에 구비된 한 쌍의 걸림프레임;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 충격 변형 시험을 위한 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템.
제6항에 있어서,
상기 하부케이스의 하부에 면접촉된 열전도판과 상기 수평프레임의 사이에는 열차단패드가 구비된 것을 특징으로 하는 충격 변형 시험을 위한 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템.
제1항에 있어서,
상기 시편 또는 상기 열전도판에 연결된 온도측정 케이블 및 상기 온도측정 케이블을 통해 온도를 측정하는 온도측정기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 충격 변형 시험을 위한 극저온 시험을 위한 가스 총 시스템.
극저온 시험을 위한 가스 총 시스템을 이용한 충격 변형 시험 방법으로서,
시편을 상온 이하의 저온으로 냉각한 상태에서 상기 가스 총 시스템을 이용하여 상기 시편에 충격력을 가하되, 상기 시편과 열전도판을 밀착시키고, 상기 열전도판을 냉각 매질을 통해 냉각시킴에 따라 열전도 현상에 의해 상기 시편이 상온 이하의 저온으로 냉각되도록 하는 것을 특징으로 하는 충격 변형 시험방법.
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