KR102317216B1 - 결빙접합특성 측정장치 및 이를 이용한 결빙접합특성 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시편과 액체 간의 결빙접합특성을 측정하는 장치 및 이를 이용한 결빙접합특성 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시편을 전체적으로 균일하게 냉각시키고, 바람, 습도 및 오염 등의 외부 요인으로부터 냉각된 시편을 보호함으로써, 시편의 온도가 장시간 동안 일정하게 유지되는 결빙접합특성 측정장치 및 이를 이용한 결빙접합특성 측정방법에 관한 것이다.

Description

결빙접합특성 측정장치 및 이를 이용한 결빙접합특성 측정방법{MEASUREMENT APPARATUS OF ICE ADHESION PROPERTIES AND MEASUREMENT METHOD ICE ADHESION PROPERTIES USING THE SAME}

본 발명은 결빙접합특성에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시편과 액체 간의 결빙접합특성을 측정하는 장치 및 이를 이용한 결빙접합특성 측정방법에 관한 것이다.

국내를 포함하는 러시아, 시베리아, 캐나다 등 혹한 지역에 설치된 철탑, ACSR(Aluminum Conductor Steel Reinforced) 가공전선, 폴리머 및 세라믹 애자, 개폐기 등의 전력구조물에서 결빙, 착빙에 의한 손상 또는 단전사고 등이 지속적으로 발생하고 있다.

도 1은 국내외 결빙으로 인해 발생한 사례들의 사진으로, 도 1-(a)는 결빙에 의해 철탑 ARM이 설계하중을 초과하여 결손된 모습의 사진이고, 도 1-(b)는 ACSR 가공전선이 결빙된 모습의 사진이며, 도 1-(c)는 도 1-(b)의 결빙된 얼음의 크기를 측정하는 모습의 사진이고, 도 1-(d)는 풍력발전기 블레이드가 결빙되어 가동을 멈춘 모습의 사진이다.

이와 같은 결빙문제를 해결하기 위해서는 결빙특성을 이해해야 하며, 이를 위해 다양한 연구가 진행되어 왔다. 이의 실 예로, 선행문헌 한국공개특허 10-2006-0129961호는 봉상 형태의 시편에서 결빙된 얼음과 시편의 접합강도를 정밀하게 측정하는 기술을 개시하고 있고, 미국공개특허 2008-0286473호는 시편 전체를 쉽게 얼리고, 바로 결빙접합특성을 측정하는 기술을 개시하고 있다.

그러나 선행 기술들은 굴곡 등이 있는 시편은 결빙접합특성을 정확하게 측정할 수 없거나 시편을 균일하게 냉각시키기 어렵고, 또한, 외부 요인에 의해 시편의 온도를 일정하게 유지시키기 어려운 한계가 있었다.

나아가 EPRI, NASA, MIT, 미시간 대학교 등에서 다양한 연구가 진행되고 있지만, 현재까지 그 기술수준이 TRL-5 수준에 지나지 않는 실정이다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국공개특허공보 제10-2006-0129961호

이에 상기와 같은 문제를 해결하고자, 본 발명은 시편을 전체적으로 균일하게 냉각시키고, 바람, 습도 및 오염 등의 외부 요인으로부터 냉각된 시편을 보호함으로써, 시편의 온도가 장시간 동안 일정하게 유지되는 결빙접합특성 측정장치 및 이를 이용한 결빙접합특성 측정방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 결빙접합특성 측정장치는 시편이 상단에 고정되고, 내부에 유로가 형성된 시편 고정부, 상하측이 개방되고, 시편의 상단에 위치되며, 액체가 담기는 몰드, 시편이 냉각되도록 유로에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부, 시편이 냉각됨에 의해 액체가 결빙됨으로써, 시편과 결빙된 액체가 접합되어 접합부를 형성하는 경우, 몰드에 하중을 제공하는 하중 제공부 및 접합부의 접합강도 및 파단에너지를 측정하기 위한 하중 및 변위 측정부를 포함하고, 하중 제공부의 작동에 의해 접합부가 파단되는 것을 특징으로 한다.

또한, 시편 고정부는 시편이 고정되는 스테인리스 재질의 제1 시편 고정부 및 유로의 유로입구와 유로출구가 형성된 제2 시편 고정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 냉각수 공급부는 냉각수가 저장되고, 유로입구 및 유로출구와 연결되는 냉각탱크 및 냉각수를 유로입구로 공급하기 위한 압력을 제공하는 압력펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 냉각수 공급부는 냉각탱크에 저장된 냉각수의 온도를 조절하는 냉각수 온도 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 냉각수 온도 조절부는 냉각팬의 작동에 의해 냉각된 기체를 냉각탱크로 공급하는 냉각기체 공급부 및 냉각탱크에 설치되어 냉각수가 기설정된 온도로 냉각된 경우 냉각수의 온도를 유지시키는 발열부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 유로는 지그재그형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 하중 및 변위 측정부는 몰드에 제공되는 하중을 실시간으로 측정하는 로드셀 및 몰드가 이동하는 경우, 몰드의 변위를 측정하는 변위계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 하중 제공부는 로드셀이 장착되는 로드셀 장착부 및 모터의 작동에 의해 로드셀 장착부를 전진 및 후진시키는 전후 위치 이동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 로드셀에 구비된 측정 프로브가 몰드와 수직한 방향으로 위치하도록, 로드셀이 로드셀 장착부에 장착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 로드셀 장착부가 전진하는 경우, 측정 프로브가 몰드의 외측면에 접촉됨으로써, 몰드에 하중이 제공되는 것을 특징으로 한다.

또한, 하중 제공부는 로드셀 장착부를 좌측 및 우측으로 이동시키는 좌우 위치 조절 핸들을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 몰드의 하단면에 형성된 홈에 실링부재가 삽입되어 몰드에 담기는 액체가 유출되지 않는 것을 특징으로 한다.

또한, 시편의 온도가 일정하게 유지되도록 시편 고정부의 상측에 결합되는 단열재질의 하우징부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 냉각수는 에틸렌글리콜(ethylene glycol)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 결빙접합특성 측정장치를 이용한 시험시편의 결빙접합특성을 측정하는 방법에 있어서, 액체의 최소결빙안정화시간을 측정하는 단계 및 시험시편과 액체 간의 결빙접합특성을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 액체의 최소결빙안정화시간을 측정하는 단계는 시편 고정부에 고정된 표준시편을 기설정된 온도로 냉각시켜 표준시편에 위치한 복수 개의 몰드에 담긴 액체를 결빙시키는 단계, 각각 다르게 설정된 결빙유지시간에 맞춰 표준시편과 결빙된 액체의 접합부를 파단시키는 단계 및 액체를 결빙시키는 단계와 접합부를 파단시키는 단계를 복수차례 진행함으로써, 측정된 파단하중의 편차를 통해 최소결빙안정화시간을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 결빙유지시간은 표준시편이 기설정된 온도에 도달한 시점부터의 시간인 것을 특징으로 한다.

또한, 시험시편과 액체 간의 결빙접합특성을 측정하는 단계는 시편 고정부에 고정된 시험시편을 기설정된 온도로 냉각시켜 시험시편에 위치한 몰드에 담긴 액체를 결빙시키는 단계 및 최소결빙안정화시간 이상으로 설정된 결빙유지시간에 맞춰 시험시편과 결빙된 액체의 접합부를 파단시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 결빙유지시간은 시험시편이 기설정된 온도에 도달한 시점부터의 시간인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 결빙접합특성 측정장치는 액체와의 결빙접합특성을 측정하고자 하는 시편을 전체적으로 균일하게 냉각시킬 수 있고, 바람, 습도 및 오염 등의 외부 요인으로부터 냉각된 시편을 보호함으로써, 시편의 온도가 장시간 동안 일정하게 유지되는 효과가 있다.

또한, 이와 같은 결빙접합특성 측정장치를 이용한 본 발명의 결빙접합특성 측정방법은 액체의 최소결빙안정화시간을 측정하고, 이후 시험시편과 액체 간의 결빙접합특성 측정 시 상기 최소결빙안정화시간을 고려함으로써, 정확하고 신뢰도 높은 접합강도 및 파단에너지 등의 결빙접합특성을 측정할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 국내외 결빙으로 인해 발생한 사례들을 보여주는 사진이다.
도 2는 본 발명의 결빙접합특성 측정장치의 모식도이다.
도 3은 도 2를 구현한 실제 모습을 보여주는 사진이다.
도 4는 본 발명의 결빙접합특성 측정장치의 시편 고정부의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 결빙접합특성 측정장치의 하중 및 변위 측정부의 모식도이다.
도 6은 도 5를 구현한 실제 모습을 보여주는 사진이다.
도 7은 본 발명의 결빙접합특성 측정장치의 몰드의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 결빙접합특성 측정장치의 냉각수 공급부의 모식도이다.
도 9는 일반적인 결빙유지시간과 접합강도의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 액체의 최소결빙안정화시간을 측정하는 단계의 순서도이다.
도 11은 도 10의 실시 예에 따른 결과로, 결빙유지시간에 따른 접합강도를 보여주는 그래프이다.
도 12는 도 10의 실시 예에 따른 다른 결과로, 결빙유지시간에 따라 파단이 일어난 이후 표준시편의 표면을 보여주는 사진이다.
도 13은 본 발명의 시험시편과 액체 간의 결빙접합특성을 측정하는 단계의 순서도이다.
도 14는 일반적인 응력(접합강도)-변위곡선이다.
도 15는 도 13의 실시 예에 따른 결과로, 이종의 표면을 갖는 시험시편과 결빙된 증류수 간의 응력(접합강도)-변위곡선이다.

이하, 본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시 예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

본 발명은 액체의 결빙특성을 이해하기 위해 시편과 액체 간의 결빙접합특성을 측정하는 장치 및 이를 이용한 결빙접합특성 측정방법에 관한 것으로, 도 2는 본 발명의 결빙접합특성 측정장치의 모식도이고, 도 3은 도 2를 구현한 실제 모습을 보여주는 사진이다. 도 4는 본 발명의 결빙접합특성 측정장치의 시편 고정부의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 결빙접합특성 측정장치의 하중 및 변위 측정부의 모식도이다. 도 6은 도 5를 구현한 실제 모습을 보여주는 사진이고, 도 7은 본 발명의 결빙접합특성 측정장치의 몰드의 단면도이며, 도 8은 본 발명의 결빙접합특성 측정장치의 냉각수 공급부의 모식도이다. 이하, 도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명을 설명한다.

본 발명의 일 실시 예인 결빙접합특성 측정장치는 시편 고정부(100), 몰드(20), 냉각수 공급부(200), 하중 제공부(300), 하중 및 변위 측정부(400)를 포함하여 구성된다.

시편 고정부(100)는 도 2와 같이 시편(10)이 상단에 고정되는 곳으로, 상기 시편(10)은 시편 고정부(10)에 직접적으로 고정될 수도 있고, 또는, 도 2와 같이 시편(10)의 형상에 맞게 제작된 고정 플레이트(121)에 먼저 고정된 후 체결볼트(121a) 등의 고정수단에 의해 시편 고정부(100)에 결합됨으로써, 고정될 수도 있다.

상기 시편 고정부(100)의 내부에는 상기와 같이 고정되는 시편(10)의 온도가 조절될 수 있도록, 유체가 흐를 수 있는 유로(110)가 도 4와 같이 형성되어 있다. 그러므로 상기 유로(110)로 공급되는 유체의 온도에 따라 시편(10)이 냉각되거나 가열될 수 있으며, 본 발명에서는 도 8과 같은 냉각수 공급부(200)를 통해 상기 유로(110)로 냉각수를 공급함으로써, 시편(10)을 냉각시키게 된다.

한편, 상기 유로(110)는 시편(10)이 전체적으로 균일하게 냉각됨으로써 부분에 따른 냉각 편차가 발생하지 않도록, 도 4와 같이 반복된 ‘ㄹ’형 또는 지그재그 형상으로 형성되어 시편 고정부(100)의 내부에 전체적으로 균일하게 배치되어 있는 것이 바람직하다. 나아가 이와 같은 유로(110)의 구조는 장시간 동안 시편(10)의 냉각상태를 안정적으로 유지할 수 있도록 한다.

보다 구체적으로 상기 유로(110)는 시편 고정부(100)의 상부로 시편(10)이 상단에 고정된 제1 시편 고정부(120)와, 시편 고정부(100)의 하부로 상기 제1 시편 고정부(120)의 하부에 결합되는 제2 시편 고정부(130)의 내부에 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이때, 냉각수 공급부(200)에서 유로(110)로 냉각수가 유입되는 통로인 유로입구(111)와 유로(110)로부터 냉각수 공급부(200)로 냉각수가 다시 유출되는 통로인 유로출구(112)는 도 2와 같이 상기 제2 시편 고정부(130)에 형성되어 있는 것이 바람직하다.

한편, 상기 제1 시편 고정부(120)는 유로(110)에 흐르는 냉각수의 온도가 시편(10)으로 전달될 수 있도록 열전달 효율이 우수한 재질로 이루어지며, 실 예로 스테인리스 재질인 것이 바람직하다. 이와 동일한 이유로 시편(10)이 고정되는 고정 플레이트(121) 역시 열전달 효율이 우수한 재질로 이루어진다.

반면에, 상기 제2 시편 고정부(130)는 유로(110)에 흐르는 냉각수의 온도가 손실되지 않고 일정하게 유지되어 상기 제1 시편 고정부(120)의 유로(110)로 잘 전달될 수 있도록 열전달 효율이 비교적 낮은 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

몰드(20)는 도 5,6과 같이 시편(10)의 상단에 위치하고, 내부에 결빙되는 액체가 담기는 것으로, 도 6과 같이 상하측이 개방된 원통형상인 것이 바람직하다.

또한, 내부에 담기는 액체가 시편(10)과 틈새로 유출되지 못하도록 도 7과 같이 몰드(20)의 하단에는 둘레를 따라 음각으로 홈이 형성되어 있고, 상기 홈에 실링부재(30)가 삽입되어 있음으로써, 시편(10)과 기밀을 이루게 된다. 여기서 상기 실링부재(30)는 고무 또는 우레탄 재질로 이루어진 오링(o-ring)일 수 있다.

한편, 상기 액체는 시편(10)과의 결빙접합특성을 측정하고자 하는 액체로, 물 또는 증류수일 수 있으며, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.

냉각수 공급부(200)는 시편(10)이 냉각되도록 시편 고정부(100)에 형성된 유로(110)로 냉각수를 공급하기 위한 것으로, 도 8과 같이 냉각탱크(210), 압력펌프(230)을 포함하여 구성된다.

냉각탱크(210)는 냉각수가 저장되는 곳으로, 유로입구(111) 및 유로출구(112) 각각과 냉각수유로(211)에 의해, 도 8과 같이 연결되어 있다.

이를 통해 냉각탱크(210)에 저장된 냉각수가 유로입구(111)로 공급되어 유로(110)를 따라 흐르게 되고, 상기 유로(110)를 따라 흐르던 냉각수가 유로출구(112)로 빠져나와 냉각탱크(210)에 다시 저장되면서 순환하게 된다.

압력펌프(230)는 상기 냉각탱크(210)에 저장된 냉각수가 유로입구(111)로 공급될 수 있도록 압력을 제공하는 것으로, 냉각수의 온도가 기설정된 온도로 낮아지면 작동하게 된다.

한편, 냉각수 공급부(200)는 도 8과 같이 냉각탱크(210)에 저장된 냉각수의 온도를 사용자가 기설정된 온도로 조절하기 위한 냉각수 온도 조절부(220)를 더 포함하며, 이러한 냉각수 온도 조절부(220)는 도 8과 같이 냉각기체 공급부(221)와 발열부(222)를 포함하여 구성된다.

상기 냉각기체 공급부(221)는 도 8과 같이 냉각팬(221a), 컴프레셔(221b) 및 냉각기체유로(221c)를 포함하여 구성되며, 냉각팬(221a)을 작동시켜 기체를 냉각시키고, 컴프레셔(221b)를 작동시켜 냉각팬(221a)에 의해 냉각된 기체를 냉각기체유로(221c)로 흐르게 함으로써, 상기 냉각기체를 냉각탱크(210)의 내부로 공급한다. 그러면 공급된 냉각기체에 의해 냉각탱크(210)에 저장되어 있는 냉각수의 온도가 낮아지게 된다.

그리고 상기 발열부(222)는 냉각기체에 의해 냉각수의 온도가 사용자가 기 설정한 온도로 낮아지면 작동함으로써, 냉각수의 온도가 더 낮아지지 않고, 상기 기설정된 온도로 유지되도록 한다. 이러한 상기 발열부(222)는 도 8과 같이 냉각탱크(210)의 내부에 설치된 코일형의 히터일 수 있다.

앞서 설명한 냉각수 공급부(200)는 냉각기체에 의한 직접냉각과 발열부(222)에 의한 온도유지 제어방식을 조합한 구조로, 기존에 냉각기만을 이용한 간접냉각방식 대비 95% 이상의 안정적이고 일정한 온도유지가 가능한 특징을 갖는다.

한편, 본 발명에서 사용하는 냉각수는 에틸렌글리콜(ethylene glycol)을 주성분으로 하여 0℃부터 최대 -52℃까지 얼지 않도록 할 수 있으나, 냉각수가 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.

하중 제공부(300)는 도 2와 같이 몰드(20)에 하중을 제공하기 위한 것으로, 냉각수 공급부(200)에 의해 시편 고정부(100)로 공급된 냉각수에 의해 시편(10)이 냉각되고, 이에 의해 몰드(20)의 내부에 담겨진 액체가 결빙됨으로써, 시편(10)과 결빙된 액체(S)가 접합되어 접합부를 형성하는 경우 작동하여 상기 접합부가 파단되도록 한다.

하중 및 변위 측정부(400)는 시편(10)과 결빙된 액체(S)의 접합부의 접합강도 및 파단에너지를 측정하기 위한 것으로, 도 5와 같이 하중 제공부(300)의 작동에 의해 상기 몰드(20)에 제공되는 하중의 크기를 실시간으로 측정하기 위한 로드셀(410)과 시편(10)과 결빙된 액체(S)의 접합부가 파단됨으로써 하중이 제공되는 방향으로 상기 몰드(20)가 이동하는 경우, 상기 몰드(20)의 변위를 측정하기 위한 변위계(도면에 미도시)를 포함하여 구성된다.

여기서 상기 변위계는 몰드(10)의 위치 변화를 감지하는 센서인 것이 바람직하며, 이를 위해 시편(10) 또는 시편 고정부(100)의 상단에 장착될 수 있으나, 장착위치가 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.

보다 구체적으로 상기 하중 제공부(300)는 도 5와 같이 로드셀(410)에 구비된 측정 프로브(411)가 몰드(20)와 수직한 방향으로 위치하도록 상기 로드셀(410)이 도 2와 같이 장착되는 로드셀 장착부(310), 모터(321)의 작동에 의해 상기 로드셀 장착부(310)를 전진 및 후진시키는 전후 위치 이동부(320)을 포함하여 구성된다.

여기서 상기 모터(321)와 상기 로드셀 장착부(310)의 사이에는 도 2와 같이 감속비를 제어하는 감속비 레버(322)가 설치될 수 있으며, 이를 통해 모터(321)가 한 번 회전하면 로드셀 장착부(310)가 4mm 전진 또는 후진하도록(감속비가 5000:1) 제어될 수 있으나, 이는 실 예로, 감속비가 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 모터(321)의 작동에 의해 전후 위치 이동부(320)가 작동하고, 이에 의해 로드셀 장착부(310)가 전진하면, 도 5와 같이 상기 측정 프로브(411)가 내부에 결빙된 액체(S)가 있는 몰드(20)의 외측면에 접촉됨으로써, 몰드(20)에 하중이 가해지게 된다.

나아가 이후 상기 하중이 몰드(20)에 더욱 지속적으로 가해짐으로써, 시편(10)과 결빙된 액체(S)의 접합부의 접합력을 넘어서는 경우 상기 접합부가 파단되며, 이때까지 몰드(20)에 가해진 하중의 크기는 로드셀(410)을 통해 측정되어 상기 로드셀(410)과 연동된 프로그램을 통해 사용자가 확인할 수 있다.

한편, 본 발명에서 사용하는 로드셀(410)은 kgf, N, 1b, oz 등의 단위로 측정할 수 있고, 대략 최소 0.1kgf부터 최대 100kgf까지 측정할 수 있는 로드셀인 것이 바람직하다.

또한, 한편 상기 하중 제공부(300)는 도 2,3과 같이 로드셀 장착부(310)를 좌측 및 우측으로 이동시키는 좌우 위치 조절 핸들(330)을 더 포함할 수 있으며, 이를 통해 시편(10)의 상단에, 도 5,6과 같이 복수 개의 몰드(20)를 위치시키고, 로드셀 장착부(310)의 좌우 위치를 조절함으로써, 결합접합특성을 효율적으로 측정할 수 있게 된다.

다시 말해, 하나의 시편(10)을 대상으로 결빙유지시간 등 시험조건이 다른 경우를 한 번에 측정할 수 있고, 또한, 동일한 조건을 갖는 경우에 대한 데이터 복수 개를 한 번에 획득할 수 있음으로써, 상기 데이터 간의 편차를 보다 신속하게 파악할 수 있게 된다.

이때, 복수 개의 몰드(20)는 도 5와 같이 서로 일정한 간격(D)을 두고 이격되어 시편(10)의 상단에 위치하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 결빙접합특성 측정장치는 장시간 시험이 진행되는 경우에도 냉각된 시편(10)의 온도가 일정하게 유지될 수 있도록, 도 3,6과 같이 시편 고정부(100)의 상측에 결합되어 바람, 습도, 오염 등의 외부 요인으로부터 시편(10)을 보호하는 단열재질의 하우징부(500)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

나아가 이와 같은 하우징부(500)는 도 3,6과 같이 사용자가 육안으로 내부의 결빙상태를 실시간으로 확인할 수 있도록 투명 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 실 예로, 투명 아크릴로 제작될 수 있다.

지금까지 설명한 본 발명의 결빙접합특성 측정장치를 이용하여 시험시편의 결빙접합특성을 측정하는 방법은, 액체의 최소결빙안정화시간(Tc)을 측정하는 단계(S100), 시험시편(10)과 상기 액체 간의 결빙접합특성을 측정하는 단계(S200)를 포함하여 진행된다.

도 9는 일반적으로 액체의 결빙유지시간과 접합강도의 관계 및 최소결빙안정화시간(Tc)을 보여주는 그래프이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 일반적인 액체는 결빙된 이후 일정시간 이상 결빙상태를 유지시키지 않으면, 액체 전체적으로 안정적인 상변태가 일어나지 못하게 되면서 결과적으로 결빙된 액체(S)의 접합강도 등의 결빙특성이 균일하지 못하고, 그 편차가 심하게 발생하여 결과에 대한 신뢰도가 떨어지게 된다.

그러므로 접합강도 등의 결빙특성을 정확하게 측정하기 위해서는 액체가 결빙된 이후 일정시간 이상 결빙상태를 유지시켜줌으로써, 액체 전체적으로 안정적인 상변태가 충분히 일어날 수 있도록 해야 한다. 그리고 이때, 상기 일정시간 즉, 액체 전체적으로 안정적인 상변태가 충분히 일어날 수 있는 최소시간이 도 9의 최소결빙안정화시간(Tc)이 된다.

상기 최소결빙안정화시간(Tc)은 액체의 종류, 액체의 양 등에 따라 달라질 수 있으며, 따라서 사용하고자 하는 액체 조건에 맞춰 최소결빙안정화시간(Tc)을 측정하는 단계(S100)가 필수적으로 요구된다.

도 10은 본 발명의 액체의 최소결빙안정화시간(Tc)을 측정하는 단계(S100)를 보여주는 순서도이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 상기 단계(S100)는 시편 고정부(100)에 고정된 표준시편(10)에 복수 개의 몰드(20)를 위치시킨 뒤, 상기 몰드(20)들에 액체를 담고, 냉각수를 공급하여, 상기 표준시편(10)을 기설정된 온도로 냉각시킴으로써, 상기 액체를 결빙시키는 단계(S110), 각각 다르게 설정된 결빙유지시간에 맞춰 몰드(20)에 하중을 제공함으로써, 표준시편(10)과 결빙된 액체(S)의 접합부를 파단시키는 단계(S120) 및 상기 단계(S120)와 상기 단계(S120)를 순서대로 복수차례 반복적으로 진행함으로써, 각각의 결빙유지시간에 따라 측정된 파단하중의 편차를 통해 최소결빙안정화시간(Tc)을 측정하는 단계(S130)를 포함하여 진행된다.

여기서 상기 결빙유지시간은 표준시편(10)이 기설정된 온도로 냉각된 시점부터의 시간인 것이 바람직하다.

이하, 실시 예를 이용하여 상기 단계(S100)를 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 하기의 실시 예는 본 발명의 예증을 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 국한되는 것은 아니다.

실시 예

알루미늄 합금(Al6061)으로 이루어진 플레이트형의 표준시편(10)을 시편 고정부(100)의 상단에 고정하였다. 이후 세정제인 에탄올로 표준시편(10)의 표면을 세척하여 이물질을 제거하였다. 그리고 상기 표준시편(10)의 상단에 4개의 몰드(20)를 위치시키고, 몰드(20)의 내부에 각각 증류수 5ml를 담았다. 여기서 몰드(20)는 3.5cm의 내경을 갖는 몰드(20)를 사용하였다. 이후, 시편 고정부(100)의 내부에 형성된 유로(110)에 냉각수를 공급하여 표준시편(10)을 -20℃±0.2℃로 냉각시켰다. 상기 표준시편(10)이 -20℃±0.2℃로 냉각된 시점부터 1시간, 2시간, 4시간, 9시간 이후가 되는 시점에 맞춰 4개의 몰드(20) 각각에 0.12mm/min의 속도로 하중을 가하여 표준시편(10)과 냉각된 증류수(얼음)의 접합부를 파단시켰고, 이때의 측정된 파단하중을 프로그램을 통해 기록하였다. 이후, 이와 같은 과정을 9번 반복적으로 실시함으로써, 각 시간 당 9개의 파단하중을 측정하였다.

도 11은 앞서 결빙유지시간에 따라 측정된 파단하중을 이용하여 접합강도를 산출하여, 결빙유지시간에 따른 접합강도를 그래프화한 것으로, 여기서 접합강도는 파단하중을 몰드(20)의 내부면적 즉, 결빙된 증류수(S)의 단면적으로 나눈 값이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 결빙유지시간이 1,2시간인 경우에는 각각 9개의 접합강도가 약 200kPa 이상의 편차를 갖는 것을 볼 수 있었다. 이와 달리 4시간인 경우, 그리고 9시간인 경우에는 그 편차가 약 75% 이상 급격히 감소하여 9개의 접합강도가 비교적 유사한 범위 내에서 존재하는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 결과적으로 최소결빙안정화시간(Tc)이 4시간인 것으로 판단할 수 있었다.

도 12는 앞서 결빙유지시간에 맞춰 가해지는 하중에 의해 파단이 일어난 이후 표준시편(10)의 표면을 보여주는 사진으로, 결빙유지시간이 (a)는 1시간, (b)는 2시간, (c)는 4시간, (d)는 9시간의 모습이다.

도 12에서도 도시된 바와 같이, 결빙유지시간이 1,2시간인 경우에는 표준시편(10)의 표면에 잔류 얼음이 남아있는 것을 볼 수 있었으며, 이는 결빙유지시간이 충분하지 못해 증류수 전체적으로 안정적인 상변태가 일어나지 못하여 접합부가 아닌 결빙된 증류수(S) 내에서 불규칙한 파단이 일어났다는 것으로 해석할 수 있었다.

이와 달리 4시간인 경우, 그리고 9시간인 경우에는 표준시편(10)의 표면에 잔류 얼음이 전혀 남아있지 않는 것을 볼 수 있었으며, 이는 접합부에서 비교적 규칙적인 파단이 일어났다는 것으로 해석할 수 있으며, 접합강도의 편차가 감소한 이유로 판단할 수 있었다.

이와 같이 액체의 최소결빙유지시간(Tc)을 측정(S100)하였으면, 이후 시험시편(10)과 상기 최소결빙유지시간(Tc)이 측정된 액체 간의 결빙접합특성을 측정하는 단계(S200)가 진행된다.

도 13은 본 발명의 시험시편(10)과 상기 액체 간의 결빙접합특성을 측정하는 단계(S200)를 보여주는 순서도이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 상기 단계(S200)는 시편 고정부(100)에 고정된 시험시편(10)에 몰드(20)를 위치시킨 뒤, 상기 몰드(20)에 액체를 담고, 냉각수를 공급하여, 상기 시험시편(10)을 기설정된 온도로 냉각시킴으로써, 상기 액체를 결빙시키는 단계(S210), 상기 단계(S100)에서 측정된 최소결빙안정화시간(Tc) 이상으로 설정된 결빙유지시간에 맞춰 상기 몰드(20)에 하중을 제공함으로써, 시험시편(10)과 결빙된 액체(S)의 접합부를 파단시키는 단계(S220)를 포함하여 진행된다.

여기서 상기 시험시편(10)은 앞서 단계(S100)에서 사용한 표준시편과 동일한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 시험시편(10)은 적어도 일부분에 표면 처리되어 표면 처리된 부분과 표면 처리되지 않은 부분이 동시에 존재하는 시험시편(10)일 수 있다.

이러한 경우, 상기 단계(S210)에서 표면 처리된 부분과 표면 처리되지 않은 부분에 각각 몰드(20)를 위치시키고, 상기 단계(S220)에서 몰드(20) 각각에 하중을 제공하여 접합부를 파단시킴으로써, 한 번의 실험에 이종의 표면에 대한 결빙접합특성을 측정할 수 있게 된다.

한편, 상기 결빙유지시간은 시험시편(10)이 기설정된 온도로 냉각된 시점부터의 시간인 것이 바람직하다.

이하, 실시 예를 이용하여 상기 단계(S200)를 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 하기의 실시 예는 본 발명의 예증을 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 국한되는 것은 아니다.

실시 예

알루미늄 합금(Al6061)으로 이루어진 플레이트형의 시험시편(10)을 시편 고정부(100)의 상단에 고정하였다. 이후 세정제인 에탄올로 시험시편(10)의 표면을 세척하여 이물질을 제거하였다. 그리고 상기 시험시편(10)의 일부분을 슈퍼폭시 130(하도)와 슈퍼탄(우레탄 계열)이 혼합된 페인트를 사용하여 표면 처리해주었다. 이후, 상기 표면 처리된 부분과 표면 처리되지 않은 부분에 각각 몰드(20)를 위치시키고, 몰드(20)의 내부에 각각 증류수 5ml를 담았다. 여기서 몰드(20)는 3.5cm의 내경을 갖는 몰드(20)를 사용하였다. 이후, 시편 고정부(100)의 내부에 형성된 유로(110)에 냉각수를 공급하여 시험시편(10)을 -20℃±0.2℃로 냉각시켰다. 상기 시험시편(10)이 -20℃±0.2℃로 냉각된 시점부터 4시간 이후가 되는 시점에 맞춰 2개의 몰드(20) 각각에 0.12mm/min의 속도로 하중을 가하여 시험시편(10)과 냉각된 증류수(얼음)의 접합부를 파단시켰고, 이때의 측정되는 하중을 프로그램을 통해 기록하였다.

도 14는 일반적인 응력(접합강도)-변위곡선으로, 결빙접합특성 평가에서 중요한 기계적 요소는 접합강도(

), 변위(

), 탄젠트계수(

) 및 파단에너지(

)이며, 이에 대한 정의는 다음과 같다.

접합강도(

)=

/

변위(

)=

-

탄젠트계수(

)=

/

파단에너지(

)=

여기서

는 파단하중,

는 결빙면적,

는 초기 결빙위치,

는 변형된 결빙위치를 의미한다.

응력(접합강도)-변위의 관계가 직선형일 경우에는 탄성계수(Modulus of Elasticity)를 기울기로 쉽게 구할 수 있으나, 도 14와 같이 비선형 거동을 나타내는 경우에는 일부 구간의 주어진 응력에서의 기울기로 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로 응력(접합강도)-변위곡선의 상부구간에서 탄젠트계수(Tangent modulus)를 구할 수 있으며, 이는 시험시편과 결빙된 액체의 강성(stiffness)관계를 나타내는 지표가 된다. 한편, 파단에너지는 파단이 일어나기까지의 흡수한 에너지를 의미하며, 도 14에서 파단까지의 밑면적을 적분하여 구할 수 있다.

도 15는 앞서 본 발명의 실시 예에 따른 응력(접합강도)-변위곡선으로, (a)는 표면 처리되지 않은 부분이고, (b)는 표면 처리된 부분의 결과이다. 그리고 아래 표 1은 도 15를 통해 산출된 접합강도, 변위, 탄젠트계수, 파단에너지 및 파단이 일어난 시간을 비교하여 보여주고 있다.

항목	단위	(a)Al6061	(b)Al6061+페인트
접합강도	kPa	311.90	311.84
변위	mm	0.72	0.81
탄젠트계수	kPa/mm	571.42	554.64
파단에너지	N·m	0.095	0.116
파단시간	sec	38	42

본 발명인 결빙접합특성 측정장치 및 이를 이용한 결빙접합특성 측정방법의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.

10 : 시편
20 : 몰드
30 : 실링부재
100 : 시편 고정부
110 : 유로
111 : 유로입구
112 : 유로출구
120 : 제1 시편 고정부
121 : 고정 플레이트
121a : 볼트
130 : 제2 시편 고정부
200 : 냉각수 공급부
210 : 냉각탱크
211 : 냉각수유로
220 : 냉각수 온도 조절부
221 : 냉각기체 공급부
221a : 냉각팬
221b : 컴프레셔
221c : 냉각기체유로
222 : 발열부
230 : 압력펌프
300 : 하중 제공부
310 : 로드셀 장착부
320 : 전후 위치 이동부
321 : 모터
322 : 감속비 레버
330 : 좌우 위치 조절 밸브
400 : 하중 및 변위 측정부
410 : 로드셀
411 : 측정 프로브
500 : 하우징부

Claims (19)

1. 시편이 상단에 고정되고, 내부에 유로가 형성된 시편 고정부;
   상하측이 개방되고, 상기 시편의 상단에 위치되며, 액체가 담기는 몰드;
   상기 시편이 냉각되도록 상기 유로에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부;
   상기 시편이 냉각됨에 의해 상기 액체가 결빙됨으로써, 상기 시편과 상기 결빙된 액체가 접합되어 접합부를 형성하는 경우, 상기 몰드에 하중을 제공하는 하중 제공부; 및
   상기 접합부의 접합강도 및 파단에너지를 측정하기 위한 하중 및 변위 측정부를 포함하고,
   상기 하중 제공부는,
   상기 몰드에 제공되는 상기 하중을 실시간으로 측정하는 로드셀이 장착되는 로드셀 장착부;
   모터의 작동에 의해 상기 로드셀 장착부를 전진 및 후진시키는 전후 위치 이동부; 및
   상기 시편 상단에 복수 개의 몰드를 위치시키도록 상기 로드셀 장착부를 좌측 및 우측으로 이동시키는 좌우 위치 조절 핸들;을 포함하며,
   상기 하중 제공부의 작동에 의해 상기 접합부가 파단되는 것을 특징으로 하는 결빙접합특성 측정장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 시편 고정부는,
   상기 시편이 고정되는 스테인리스 재질의 제1 시편 고정부; 및
   상기 유로의 유로입구와 유로출구가 형성된 제2 시편 고정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 결빙접합특성 측정장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 냉각수 공급부는,
   상기 냉각수가 저장되고, 상기 유로입구 및 상기 유로출구와 연결되는 냉각탱크; 및
   상기 냉각수를 상기 유로입구로 공급하기 위한 압력을 제공하는 압력펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 결빙접합특성 측정장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 냉각수 공급부는 상기 냉각탱크에 저장된 상기 냉각수의 온도를 조절하는 냉각수 온도 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결빙접합특성 측정장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 냉각수 온도 조절부는,
   냉각팬의 작동에 의해 냉각된 기체를 상기 냉각탱크로 공급하는 냉각기체 공급부; 및
   상기 냉각탱크에 설치되어 상기 냉각수가 기설정된 온도로 냉각된 경우 상기 냉각수의 온도를 유지시키는 발열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 결빙접합특성 측정장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 유로는 지그재그형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 결빙접합특성 측정장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 하중 및 변위 측정부는,
   상기 몰드에 제공되는 상기 하중을 실시간으로 측정하는 로드셀; 및
   상기 몰드가 이동하는 경우, 상기 몰드의 변위를 측정하는 변위계를 포함하는 것을 특징으로 하는 결빙접합특성 측정장치.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 로드셀에 구비된 측정 프로브가 상기 몰드와 수직한 방향으로 위치하도록, 상기 로드셀이 상기 로드셀 장착부에 장착되는 것을 특징으로 하는 결빙접합특성 측정장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 로드셀 장착부가 전진하는 경우, 상기 측정 프로브가 상기 몰드의 외측면에 접촉됨으로써, 상기 몰드에 상기 하중이 제공되는 것을 특징으로 하는 결빙접합특성 측정장치.
11. 삭제
12. 제1항에 있어서,
    상기 몰드의 하단면에 형성된 홈에 실링부재가 삽입되어 상기 몰드에 담기는 상기 액체가 유출되지 않는 것을 특징으로 하는 결빙접합특성 측정장치.
13. 제1항에 있어서,
    상기 시편의 온도가 일정하게 유지되도록 상기 시편 고정부의 상측에 결합되는 단열재질의 하우징부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결빙접합특성 측정장치.
14. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수는 에틸렌글리콜(ethylene glycol)을 포함하는 것을 특징으로 하는 결빙접합특성 측정장치.
15. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항, 제6항, 제7항, 제9항, 제10항, 제12항, 제13항 및 제14항 중 어느 한 항의 결빙접합특성 측정장치를 이용한 시험시편의 결빙접합특성을 측정하는 방법에 있어서,
    액체의 최소결빙안정화시간을 측정하는 단계; 및
    시험시편과 상기 액체 간의 결빙접합특성을 측정하는 단계를 포함하며,
    상기 액체의 최소결빙안정화시간을 측정하는 단계는,
    시편 고정부에 고정된 표준시편을 기설정된 온도로 냉각시켜 상기 표준시편에 위치한 복수 개의 몰드에 담긴 상기 액체를 결빙시키는 단계;
    상기 표준시편이 상기 기설정된 온도에 도달한 시점부터의 시간인 결빙유지시간으로 각각 다르게 설정된 상기 결빙유지시간에 맞춰 상기 표준시편과 상기 결빙된 액체의 접합부를 파단시키는 단계; 및
    상기 액체를 결빙시키는 단계와 상기 접합부를 파단시키는 단계를 복수차례 진행함으로써, 측정된 파단하중의 편차를 통해 상기 최소결빙안정화시간을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 결빙접합특성 측정방법.
16. 삭제
17. 삭제
18. 제15항에 있어서,
    상기 시험시편과 상기 액체 간의 결빙접합특성을 측정하는 단계는,
    시편 고정부에 고정된 시험시편을 기설정된 온도로 냉각시켜 상기 시험시편에 위치한 몰드에 담긴 상기 액체를 결빙시키는 단계; 및
    상기 최소결빙안정화시간 이상으로 설정된 결빙유지시간에 맞춰 상기 시험시편과 상기 결빙된 액체의 접합부를 파단시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 결빙접합특성 측정방법.
19. 제18항에 있어서,
    상기 결빙유지시간은 상기 시험시편이 상기 기설정된 온도에 도달한 시점부터의 시간인 것을 특징으로 하는 결빙접합특성 측정방법.

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