KR102503554B1 - 시편 냉각장치 - Google Patents

Abstract

시편 냉각장치가 개시된다. 본 실시 예에 의한 시편 냉각장치는 내측에 시편을 수용하는 냉각챔버를 구비하는 하우징; 냉각챔버에 마련되고 복수 개의 층으로 구획되며 각각의 층에는 시편에 냉각기체를 토출하는 개구부가 마련되는 냉각유닛; 및 저장탱크로부터 냉각매체를 공급받아 저온의 냉각기체와 고온의 가열기체로 분류하여 저온의 냉각기체를 냉각유닛으로 공급하는 볼텍스 튜브를 포함하여 제공될 수 있다.

Description

시편 냉각장치{SPECIMEN COOLING DEVICE}

본 발명은 시편 냉각장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 볼텍스 튜브를 이용하여 냉각 성능이 향상된 시편 냉각장치이다.

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.

이 중에서 균열정지 온도 시험(CAT 시험)의 경우 시편 전체가 동일한 온도로 유지되어야 하며, 시편 전체를 일정한 온도로 냉각시켜 시험 조건을 설정한 후에 취성균열을 발생시켜 강재가 파단되는지 확인하는 시험법이다. 예를 들어 -35℃에서 강재가 완전 파단되고 -30℃에서 강재가 파단되지 않으면 해당 강재의 CAT는 -30℃로 판단한다.

도 1은 CAT 시험을 설명하기 위한 개략도가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, CAT 시험 시 시편의 전체 온도를 약 -10℃ 내지 -40℃로 설정한 후에 시편의 노치부를 -100℃ 내지 -120℃까지 급냉하여 인위적인 취성 영역을 만든 후 노치부에 충격을 가하여 취성 균열을 발생시켜 CAT 값을 측정한다.

이 때, CAT 시험 온도는 IACS 규격에 만족하기 위해 목적 온도까지 도달 이후 일정시간을 유지해야 한다.

그러나, 일정시간이 지나면 시편의 상단부는 온도가 상승하고 하단부는 온도가 하강하여 시편의 온도가 균일하지 못하게 되므로 CAT를 측정하기 위한 시험 조건이 유지되지 못하며, 이러한 시험 조건을 유지하기 위해 많은 어려움과 시간이 소요된다.

대한민국 등록특허공보 제10-1585717호(2016. 01. 08. 등록)

본 실시 예는 시편을 균일하게 냉각시키고 유지시킬 수 있는 시편 냉각장치를 제공하고자 한다.

본 실시 예는 볼텍스 튜브를 이용하여 냉각 성능이 향상된 시편 냉각장치를 제공하고자 한다.

본 실시 예는 외부 열을 차단하여 냉각기체를 효율적으로 사용하고 냉각 시간을 단축시키는 시편 냉각장치를 제공하고자 한다.

본 실시 예의 일 측면에 의하면, 내측에 시편을 수용하는 냉각챔버를 구비하는 하우징; 상기 냉각챔버에 마련되고 복수 개의 층으로 구획되며 각각의 층에는 시편에 냉각기체를 토출하는 개구부가 마련되는 냉각유닛; 및 저장탱크로부터 냉각매체를 공급받아 저온의 냉각기체와 고온의 가열기체로 분류하여 저온의 냉각기체를 상기 냉각유닛으로 공급하는 볼텍스 튜브를 포함하는 시편 냉각장치가 제공될 수 있다.

상기 냉각유닛은 일측이 상기 볼텍스 튜브와 연결되고 타측이 상기 복수의 개구부와 연결되어 냉각기체가 유동하는 연결라인와, 상기 연결라인에 마련되어 냉각기체의 유동량을 조절하는 밸브부를 포함하는 시편 냉각장치가 제공될 수 있다.

상기 연결라인은 상기 볼텍스 튜브와 연결되는 메인 연결라인과, 상기 메인 연결라인에서 분기되어 상기 복수의 개구부에 각각 연결되는 복수의 분기 연결라인을 포함하고, 상기 밸브부는 상기 복수의 분기 연결라인에 각각 마련되는 시편 냉각장치가 제공될 수 있다.

상기 복수의 분기 연결라인은 각각 지그재그 형태로 마련되는 시편 냉각장치가 제공될 수 있다.

상기 밸브부의 개폐를 조절하여 각각의 층에서 토출되는 냉각기체의 유량을 조절하는 제어부를 더 포함하는 시편 냉각장치가 제공될 수 있다.

상기 개구부는 시편과 대향하는 방향으로 소정의 간격을 두고 배치되고, 상기 냉각챔버는 냉각기체 토출 시 주변에 외부 열을 차단하는 에어커튼이 형성되는 시편 냉각장치가 제공될 수 있다.

상기 냉각챔버와 연통되어 냉각기체를 회수하는 회수라인과, 상기 회수라인을 통해 회수된 냉각기체를 저장하는 회수탱크를 포함하는 배출부를 더 포함하는 시편 냉각장치가 제공될 수 있다.

상기 회수라인은 상기 하우징의 외측면을 따라 둘러싸도록 배치되는 시편 냉각장치가 제공될 수 있다.

본 실시 예에 의한 시편 냉각장치는 시편을 균일하게 냉각시키고 유지시킬 수 있는 효과를 가진다.

본 실시 예에 의한 시편 냉각장치는 볼텍스 튜브를 이용하여 냉각 성능이 향상되는 효과를 가진다.

본 실시 예에 의한 시편 냉각장치는 외부 열을 차단하여 냉각기체를 효율적으로 사용하고 냉각 시간을 단축시키는 효과를 가진다.

도 1은 CAT 시험법을 설명하기 위한 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 시편 냉각장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 시편 냉각장치를 위에서 바라보는 상면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 시편 냉각장치의 볼텍스 튜브를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 냉각유닛의 일부를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 연결관의 형상을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 의한 시편 냉각장치와 종래 실시 예에 의한 시편 냉각장치의 냉각 성능을 비교하기 위한 온도-시간 그래프이다.

이하에서는 본 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이며, 여기서 제시한 것으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략할 수 있고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 시편 냉각장치를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 시편 냉각장치를 위에서 바라보는 상면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 시편 냉각장치의 볼텍스 튜브를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 냉각유닛의 일부를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 연결관의 형상을 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 의한 시편 냉각장치(100)는 내측에 시편(10)을 수용하는 냉각챔버(111)를 구비하는 하우징(110)과, 냉각챔버(111)에 마련되고 다단의 층으로 구획되며 각각의 층에는 시편(10)에 냉각기체를 토출하는 개구부(123)가 마련되는 냉각유닛(120)과, 냉각매체를 저장하는 저장탱크(20)로부터 냉각매체를 공급받아 저온의 냉각기체와 고온의 가열기체로 분류하여 저온의 냉각기체를 냉각유닛(120)을 공급하는 볼텍스 튜브(130)를 포함할 수 있다.

하우징(110)은 내측에 시편(10)을 수용하는 냉각챔버(111)와, 시편(10)에 냉각기체를 토출하는 냉각유닛(120)을 구비할 수 있다. 이 때, 냉각유닛(120)은 시편(10)의 시험 부분을 국부적으로 냉각시키기 위해 시편(10)의 시험 부분과 인접한 부분에 복수 개로 마련될 수 있다. 예를 들어, 냉각유닛(120)은 시편(10)의 시험 부분을 중심으로 양측에 각각 마련되고, 시편(10)의 앞면과 뒷면에 각각 마련되어 4개로 마련될 수 있다. (도 2,3 참조)

도면에 도시되어 있지 않지만, 하우징(110) 내부에는 시편(10)의 양측 단부를 고정하는 시편고정부(미도시)가 마련될 수 있다.

하우징(110)의 일측에는 냉각챔버(111)와 연통되어 냉각기체를 회수하는 배출부(140)가 마련될 수 있다. (도 3 참조)

구체적으로, 배출부(140)는 냉각챔버(111)와 연통되어 냉각기체를 회수하는 회수라인(141)과, 회수라인(141)을 통해 회수된 냉각기체를 저장하는 회수탱크(142)를 포함할 수 있다. 이 때, 회수라인(141)은 일측이 냉각챔버(111)에 연결되고 타측이 회수탱크(142)에 연결되되, 하우징(110)의 외측면을 따라 둘러싸도록 배치될 수 있다. 회수라인(141)이 하우징(110)의 외측을 둘러쌈에 따라, 회수라인(141)을 통해 회수되는 냉각기체의 냉열을 이용하여 하우징(110) 외부의 열을 차단하여 냉각챔버(111)의 온도를 효율적으로 관리할 수 있다.

또한, 회수탱크(142)에서 회수된 냉각기체는 재냉각 및 재분류하여 재활용할 수 있다.

저장탱크(20)는 냉각매체를 수용하고 냉매 공급라인(133)을 통해 볼텍스 튜브(130)로 냉각매체를 공급할 수 있다. 여기서 냉각매체는 액체 질소로 마련될 수 있다.(도 2 참조)

도면에 도시되어 있지 않지만, 냉매 공급라인(133)은 냉각매체를 공급하기 위한 펌프(미도시)와, 액체 상태의 냉각매체를 기체 상태로 상변형 시키는 기화기(미도시)와, 냉각기체를 압축하기 위한 압축기(미도시)를 포함할 수 있다.

볼텍스 튜브(130)는 저장탱크로부터 압축된 냉각매체(냉각기체)를 공급받아 볼텍스 회전실에서 와류를 발생시켜 저온의 냉각기체와 고온의 가열기체로 분류할 수 있다. 이에, 볼텍스 튜브(130)에서 배출되는 저온의 냉각기체는 냉각기체 배출구(133)를 통해 배출되어 메인 연결라인(121a)으로 공급되고, 고온의 가열기체는 가열기채 배출구(132)로 배출되어 벤트라인(134)을 통해 외부로 배출될 수 있다.(도 2 및 도 4 참조)

냉각유닛(120)은 볼텍스 튜브(130)에서 냉각기체를 공급받아 시편(10)에 냉각기체를 토출하도록 마련될 수 있다.

냉각유닛(120)은 다단의 층으로 구획되고 층별로 개구부(123)를 구비하며, 각각의 층에서 토출되는 냉각기체의 토출량은 각각 별도로 제어될 수 있다. 예컨대, 냉각유닛(120)은 세 개의 층으로 구획되어 상단, 중단, 하단에 각각 개구부(123)를 갖도록 마련될 수 있다.

냉각유닛(120)은 시편(10)과 인접하게 마련되어 냉각기체를 토출하는 개구부(123)와, 볼텍스 튜브(130)와 개구부(123)를 연결하는 연결라인(121)과, 연결라인(121)에 각각 마련되어 냉각기체의 유동량을 조절하는 밸브부(122)를 포함할 수 있다.

개구부(123)는 냉각유닛(120)의 각각의 층마다 마련되어 연결라인(121)의 출구 측과 연통되고, 복수 개로 구획되어 복수 개의 개구(123a)를 형성할 수 있다. 예컨대, 각각의 개구(123a)는 격자형으로 구획되어 단면이 사각형, 삼각형, 원형 등의 형상으로 마련될 수 있다. (도 5 참조)

또한, 각각의 개구(123a)의 면적은 냉각기체의 원활한 유동을 위해 연결라인(121)의 입구 측 면적보다 작게 형성될 수 있다.

개구부(123)는 시편(10)과 대향하도록 배치되며, 시편(10)과 소정의 간격을 두고 배치된다. 이에 따라, 개구부(123)에서 토출되는 냉각기체는 시편(10)에 냉열을 전달하고 냉각유닛(120)의 주변으로 유동하게 된다. 이 때, 시편(10)에 냉열을 전달하고 냉각유닛(120)의 주변으로 퍼진 냉각기체는 냉각유닛(120) 주변 외부 열을 차단하는 에어커튼(air curtain, A)을 형성할 수 있다. (도 3 참조)

다시 말해, 개구부(123)가 시편(10)과 일정 간격 이격되어 냉각기체를 토출함으로써, 냉각기체는 시편(10)에 냉열을 전달한 후에 냉각챔버(111) 내에서 개구부(123) 주변으로 퍼지게 되고, 이에 외부 열을 차단하는 에어커튼(A) 역할을 하여 시편(10)의 시험 온도 유지를 용이하게 한다.

연결라인(121)은 입구 측이 볼텍스 튜브(130)에 연결되고, 출구 측이 개구부(123)에 연결되어 냉각기체를 유동시키는 관 형태로 마련될 수 있다.

구체적으로, 연결라인(121)은 볼텍스 튜브(130)와 연결되는 메인 연결라인(121a)과, 메인 연결라인(121a)에서 분기되어 복수의 개구부(123)에 각각 연결되는 복수의 분기 연결라인(121b)을 포함할 수 있다.

분기 연결라인(121b)은 각각 냉각기체의 유동량을 조절하는 밸브부(122)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 밸브부(122)는 냉각기체의 유량을 선형적으로 조절 가능한 솔레노이드 밸브 등으로 마련될 수 있다.

밸브부(122)는 각각 별도로 제어되며 각각의 분기 연결라인(121b)의 냉각기체 유동량을 조절할 수 있다. 이로써, 냉각유닛(120)은 층마다 냉각기체의 토출량이 다르게 제어될 수 있고, 예를 들어 냉각유닛(120)은 상측의 개구부(123)에서 하측의 개구부(123)보다 더 많은 냉각기체가 토출되도록 제어될 수 있다.

분기 연결라인(121b)은 적어도 일부가 개구부(123)의 후방에 마련되는 몸체부(124)의 내부에 관 형태로 마련될 수 있다.

분기 연결라인(121b)의 관 형태는 냉각기체의 냉열 손실을 방지하기 위해 지그재그 형태로 마련될 수 있다. 예를 들어, 분기 연결라인(121b)의 유동 전환점은 'U'자, 'V'자, 'ㄷ'자로 마련될 수 있으며, 서로 인접한 관끼리의 냉열 교환에 의해 냉열 손실을 방지하여 열효율을 증대시킬 수 있다.(도 6 참조)

본 발명의 일 실시 예에 의한 시편 냉각장치(100)는 시편(10)의 부위별 온도를 측정하는 센서부(미도시)를 포함할 수 있다. 센서부(미도시)는 시편(10)의 노치부(11)에서부터 하단으로 취성 균열 전파 경로의 온도를 측정할 수 있다.

제어부(미도시)는 센서부(미도시)에서 측정된 시편(10)의 온도에 따라 밸브부(122)의 개폐를 조절하여 각각의 층의 개구부(123)에서 토출되는 냉각기체의 유량을 조절할 수 있다.

예를 들어, 제어부(미도시)는 시편(10)의 상단부의 온도가 일정 이하로 떨어진 경우 냉각유닛(120)의 상층의 밸브부(122)를 완전 개방하여 시편(10)의 상단부에 공급되는 냉각기체의 유량을 증대시킬 수 있다. 이에, 본 발명의 일 실시 예에 의한 시편 냉각장치(100)는 시편(10)의 온도를 지속적으로 균일하게 제어할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 예시적인 실시 예에 의한 제어부(미도시)는 다양한 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 알고리즘 또는 상기 알고리즘을 재생하는 소프트웨어 명령어에 관한 데이터를 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리(도시되지 않음) 및 해당 메모리에 저장된 데이터를 사용하여 이하에 설명되는 동작을 수행하도록 구성된 프로세서(도시되지 않음)를 통해 구현될 수 있다. 여기서, 메모리 및 프로세서는 개별 칩으로 구현될 수 있다. 대안적으로는, 메모리 및 프로세서는 서로 통합된 단일 칩으로 구현될 수 있다. 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 의한 시편 냉각장치와 종래 실시 예에 의한 시편 냉각장치의 냉각 성능을 비교하기 위한 온도-시간 그래프이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 의한 시편 냉각장치(100)는 상온에서 약 -120℃까지 냉각하는데 약 73분이 소요되는 반면, 종래 실시 예에 의한 시편 냉각장치는 약 -120℃까지 냉각하는데 약 82분이 소요된다.

즉, 본 발명의 일 실시 예에 의한 시편 냉각장치(100)는 CAT 시험을 위해 시편(10)을 냉각시키는데 소요되는 시간을 종래에 비해 약 11% 감소시킬 수 있는 장점이 존재한다.

지금까지 본 발명의 시편 냉각장치(100)에 관한 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.

그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시 예에 국한되어 전해져서는 안되며, 후술하는 특허등록 청구범위뿐만 아니라 이 특허등록 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

즉, 전술된 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허등록 청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허등록 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 시편 11: 노치부
100: 시편 냉각장치 110: 하우징
111: 냉각챔버 120: 냉각유닛
121: 연결라인 122: 밸브부
123: 개구부 124: 블록부
130: 볼텍스 튜브 140: 배출부
141: 회수라인 142: 회수탱크

Claims (8)

1. CAT(Crack arrest temperature) 측정용 시편을 냉각하는 장치로서,
   내측에 시편을 수용하는 냉각챔버를 구비하는 하우징;
   상기 냉각챔버에 마련되고 종방향으로 복수 개의 층으로 구획되며 상기 층에는 시편에 냉각기체를 토출하는 개구부가 각각 마련되는 냉각유닛; 및
   저장탱크로부터 냉각매체를 공급받아 저온의 냉각기체와 고온의 가열기체로 분류하여 저온의 냉각기체를 상기 냉각유닛으로 공급하는 볼텍스 튜브;
   상기 냉각챔버와 연통되어 냉각기체를 회수하는 회수라인과, 상기 회수라인을 통해 회수된 냉각기체를 저장하는 회수탱크를 포함하는 배출부;를 포함하고,
   상기 냉각유닛은 일측이 상기 볼텍스 튜브와 연결되고 타측이 상기 복수의 개구부와 연결되어 냉각기체가 유동하는 연결라인와, 상기 연결라인에 마련되어 냉각기체의 유동량을 조절하는 밸브부를 포함하고,
   상기 연결라인은 상기 볼텍스 튜브와 연결되는 메인 연결라인과, 상기 메인 연결라인에서 분기되어 상기 복수의 개구부에 각각 연결되며 각각 지그재그 형태로 마련되는 복수의 분기 연결라인을 포함하고,
   상기 밸브부는 상기 복수의 분기 연결라인에 각각 마련되고,
   상기 회수라인은 상기 하우징의 외측면을 따라 둘러싸도록 배치되는 시편 냉각장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 밸브부의 개폐를 조절하여 각각의 층에서 토출되는 냉각기체의 유량을 조절하는 제어부를 더 포함하는 시편 냉각장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 개구부는
   시편과 대향하는 방향으로 소정의 간격을 두고 배치되고,
   상기 냉각챔버는
   냉각기체 토출 시 주변에 외부 열을 차단하는 에어커튼이 형성되는 시편 냉각장치.
7. 삭제
8. 삭제

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