KR20000013972U - 열변형 및 열피로 측정용 실험장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 가열원으로 적외선 가열장치를 이용하고 실험장치내의 실험분위기를 제어할 수 있으며 실험 중에 있는 시편의 열변형과 열피로 현상을 실험장치 내에서 직접 측정할 수 있도록 설계된 고온재료의 열변형 및 열피로 측정용 모사 실험장치에 관한 것으로, 고온 열변형 및 열피로 시험을 행할 시편을 가열하기 위한 적외선 가열장치와; 상기 적외선 가열장치에서 조사되는 적외선이 투과되는 투과창과 실험장치내의 온도를 제어하기 위한 온도제어 장치와 실험장치내의 분위기를 제어하기 위한 분위기가스의 입구 및 출구와 시편을 장입하기 위한 장입구가 설치된 실험챔버와; 상기 실험챔버내에 배치되어 상기 시편을 지지하는 시편 지지대와; 실험챔버 내에 상기 시편의 실험 중에 또는 실험이 끝난 후에 일어난 열변형에 의한 변형량과 열피로에 의한 결함을 측정하기 위한 비접촉식 거리센서와; 상기 시편을 탑재한 시편 지지대를 상기 비접촉식 거리센서의 하부와 상기 적외선 가열장치의 하부 사이에서 왕복시킬 수 있는 시편 지지대 이동수단;으로 이루어진 열변형 및 열피로 측정용 실험장치를 제공한다.

Description

열변형 및 열피로 측정용 실험장치

본 고안은 재료의 고온 열변형 및 열피로 현상을 측정하기 위한 실험장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가열원으로 적외선 가열장치를 이용하고 실험장치내의 실험분위기를 제어할 수 있으며 실험 중에 있는 시편의 열변형과 열피로 현상을 실험장치 내에서 직접 측정할 수 있도록 설계된 적외선 가열장치를 이용한 열변형 및 열피로 측정용 실험장치에 관한 것이다.

일반적으로 산업현장에 사용되는 고온재료는 재료 내, 외부의 온도 차이에 의한 열변형 및 반복적인 가열 및 냉각에 따른 열피로 등을 받고 있어서 열변형에 의한 뒤틀림과 열피로에 의한 크랙 등의 결함이 자주 발생하여 주기적으로 교체해야만 하고 이로 인하여 유지 보수비용이 많이 소요된다.

사용하려고 하는 고온재료의 열변형 및 열피로 특성은 사용하고자 하는 설비나 기기의 사용 조건 즉 조업온도나 조업분위기 등에 따른 제한 요소로 작용하므로 기기의 효율성 측면에서 보면 고온재료의 열변형 및 열피로 특성을 사전에 파악하는 것은 매우 중요하다.

이러한 고온재료로는 대개 니켈 및 코발트를 기본조성으로 한 합금을 많이 사용하고 있어서 그 가격이 매우 비싸다.

따라서 기기 또는 설비의 가동비용이나 유지비용을 절감하기 위해서는 초기에 해당 고온재료의 사용 분위기나 작업온도를 고려하여 최적 고온특성을 갖는 재료를 선택하는 것이 기술적 측면이나 경제적인 측면에서 매우 필요한 작업이다.

이와 같은 필요에 의하여 지금까지 특정 조건하에서 고온재료의 고온특성을 측정하기 위한 열변형 및 열피로 시뮬레이터가 많이 사용되고 있다.

이러한 열특성 모사 실험장치로는 유도가열에 의한 실험장치와 화염에 의한 실험장치가 알려져 있다.

유도가열에 의한 실험장치는 가열원으로 고주파 유도가열장치를 사용한 것으로 이러한 장치로 시편을 유도가열 하면 측정하고자 하는 각 재료의 부분적 저항차이에 의하여 동일한 외부 자장을 걸어 주어도 재료의 위치에 따라 가열속도가 다르기 때문에 시편 전체에 걸쳐 온도구배가 발생할 수 있다. 이와 같이 측정용 시편에 온도 구배가 발생하면 이로 인한 열응력 구배를 발생하게 되어 재료의 정확한 열특성 데이터를 얻을 수 없다는 단점이 있다.

한편, 화염에 의한 실험장치는 가열원으로 화염을 사용하기 때문에 화염을 형성시키는 연료에 따라 정확한 측정 분위기를 모사할 수 없다는 문제점이 있다.

따라서 종래의 열특성 모사 실험장치로는 사용조건에 따른 고온재료의 열특성을 예측하는데 한계가 있어서 측정하고자 하는 재료를 균일하게 가열할 수 있고 측정분위기를 정밀하게 제어할 수 있는 고온재료의 열변형 및 열피로 측정용 실험장치가 요구되고 있다.

따라서 본 고안은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 그 목적은 측정하고자 하는 재료를 균일하게 가열할 수 있고 측정분위기를 실제로 사용하고자 하는 작업조건과 동일하도록 정밀하게 제어할 수 있는 고온재료의 열변형 및 열피로 측정용 실험장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 고안에 따른 열변형 및 열피로 측정용 실험장치의 구성도이다.

도 2는 도 1의 실험챔버 내에 설치된 시편 지지대의 평면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 가열램프 3: 실험챔버 5: 제어 컴퓨터 7: 컨트롤 박스

9: 시편 11: 가스 유입구 13: 가스 배출구 15: 시편 장입문

17: 투과창 19: 지지대 21: 시편 지지대 23: 시편 고정수단

25: 단열재 27: 열전대 29: 시편 지지대 이동수단

31: 이송 레일 33: 에어 실린더 35: 실린더 로드 37: 솔레노이드 밸브

39: 비접촉식 거리센서

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 고안은 재료의 고온 열변형 및 열피로 현상을 측정하는 모사실험장치에 있어서, 고온 열변형 및 열피로 시험을 행할 시편을 가열하기 위한 적외선 가열장치와; 상기 적외선 가열장치에서 조사되는 적외선이 투과되는 투과창과 실험장치내의 온도를 제어하기 위한 온도제어 장치와 실험장치내의 분위기를 제어하기 위한 분위기가스의 입구 및 출구와 시편을 장입하기 위한 장입구가 설치된 실험챔버와; 상기 실험챔버내에 배치되어 상기 시편을 지지하는 시편 지지대로 이루어진 열변형 및 열피로 측정용 실험장치를 제공한다.

또한 본 고안은 이러한 실험장치에 더하여 실험챔버 내에 상기 시편의 실험 중에 또는 실험이 끝난 후에 일어난 열변형에 의한 변형량과 열피로에 의한 결함을 측정하기 위한 비접촉식 거리센서와; 상기 시편을 탑재한 시편 지지대를 상기 비접촉식 거리센서의 하부와 상기 적외선 가열장치의 하부 사이에서 왕복시킬 수 있는 시편 지지대 이동수단을 더욱 설치하여 재료의 고온 열특성 실험 중에도 실험을 중단하지 않고 자동으로 열특성을 측정 할 수 있는 열변형 및 열피로 측정용 실험장치를 제공한다.

본 고안의 특징은 측정 시편의 가열원으로 적외선 가열장치를 이용하여 측정시편을 균일하게 가열할 수 있고 밀폐된 실험챔버를 이용하여 실제 조업상태와 동일한 측정분위기를 형성할 수 있으며, 비접촉식 거리센서를 이용하여 실험 중에도 실험을 중단하지 않고 측정 시편의 열특성을 측정할 수 있다는 점에 있다.

이하 본 고안을 실시예와 첨부한 도면을 참고하여 보다 상세히 설명한다.

본 고안은 크게 시편을 가열하기 위한 적외선 가열램프와, 고온 열특성 실험의 분위기를 제어하는 실험챔버와, 실험챔버내에 설치되어 시편을 장착하는 시편 지지대와, 시편 지지대를 왕복시키는 시편 지지대 이동수단 그리고 시편의 열특성을 측정하기 위한 비접촉식 거리센서로 구성되어 있으며, 여기에 측정된 시편의 열특성 값을 나타내고 본 실험장치를 제어하기 위한 컴퓨터 제어장치가 설치되어 있다.

이렇게 구성된 본 고안에 의한 실험장치를 도 1과 도2에 나타내고 있다.

도 1은 본 고안에 따른 열변형 및 열피로 측정용 실험장치의 구성도를 나타내고 있고, 도 2는 도 1의 실험챔버 내에 설치된 시편 지지대의 평면도를 나타내고 있다.

본 실험장치에 적용된 적외선 가열램프(1)는 실험챔버(3)상부에 설치되며 제어 컴퓨터(5)의 제어신호를 받아 제어되는 컨트롤 박스(7)에 의하여 제어된다.

본 고안에서 적외선 가열램프(1)를 시편 가열원으로 채택한 것은 단위 시간당 시편(9)에 조사되는 열량을 임의로 일정하게 조절할 수 있어서 실제 사용되는 설비의 해당 고온재료의 열적 현상 즉 가열 및 냉각 현상을 그대로 재현 할 수 있기 때문이다. 또한 가열원으로 적외선을 사용하므로 화염으로 가열하였을 때 발생하는 실험챔버내의 분위기 오염 문제도 방지할 수 있다. 그리고 적외선 가열램프(1)의 가열 효율을 높여주기 위하여 반사판으로 만들어진 집열장치가 사용될 수 있다. 본 실시예에서 사용한 적외선 램프는 일본의 (주) Thermo-Richo사의 제작한 것을 사용하였다.

본 실시예에서 실험챔버(3)는 밀폐된 상자형으로 제작되어 진공장치(미도시)에 의하여 진공을 유지하거나 가열 분위기를 제어하기 위하여 분위기 가스를 공급하는 가스 유입구(11)와 가스 배출을 위한 가스 배출구(13)가 설치되어 있다.

실험챔버(3)의 상부에는 시편(9)을 장입하기 위한 시편 장입문(15)이 설치되어 있고, 이 시편 장입문(15)에는 적외선 가열램프(1)에서 조사되는 적외선 복사열이 시편(9)에 직접 투사되도록 석영으로 만들어진 투과창(17)이 장착되어 있다.

실험챔버(3)는 시편 가열 실험 중에 외부의 진동이나 발생 가능한 충격으로부터 보호 되도록 지지대(19)에 의하여 견고하게 유지된다.

시편 지지대(21)는 도 2에서와 같이 실험챔버(3)내에 이동 가능하게 설치되어 있다. 시편 지지대(21) 위에는 가열실험을 행할 시편(9)이 시편 고정수단(23)에 의하여 장착되어 진다.

본 실시예에서는 실험효율을 극대화시키기 위하여 장방형의 판상 시편(9)을 사용하였으나 필요에 따라 원형이나 띠상의 시편을 사용할 수도 있다.

본 실시예에서 사용한 판상의 시편(9)은 시편 지지대(21)의 네 모퉁이에 설치되어 있는 시편 고정수단(23)에 의하여 균일하게 고정된다. 시편 고정수단(23)은 볼트를 사용할 수 있으며 이때 볼트는 토크 랜치에 의하여 일정한 힘으로 시편(9)을 고정한다.

시편 지지대(21)는 금속으로 제작되어 있어서 시편(9)을 가열하게 되면 열을 흡수하는 싱크(sink)로 작용하게 되므로 시편(9)으로부터 시편 지지대(21)로 전달되는 열전달을 차단하기 위하여 시편(9)과 시편 지지대(21) 사이에는 단열재(25)가 삽입되어 있다. 여기서 사용한 단열재(25)는 시편(9)을 고정할 때 깨지지 않을 정도의 두께를 갖는 것을 사용하였으며 바람직하게는 두께가 3mm 이상인 석면 보드를 사용하는 것이 좋다.

한편 시편 지지대(21)에는 열전대(27)가 시편(9)의 직하에 이동 가능하게 설치되어 있어서 실험중인 시편(9)의 위치에 따라 그 온도를 측정하여 제어 컴퓨터(5)에 시편의 온도에 관한 정보를 입력한다.

시편 지지대 이동수단(29)은 시편 지지대(21)를 실험챔버(3)내에서 왕복시키기 위하여 설치되어 있으며, 이송 레일(31)과 에어 실린더(33)로 구성되어 있다.

이송 레일(31)은 실험챔버(3)의 바닥과 일정한 공간을 두고 고정 설치되어 있으며, 시편 지지대(21)가 왕복이동 할 수 있도록 안내한다.

에어 실린더(33)는 실험챔버(3) 외측에 장착되어 실린더 로드(35)에 의하여 시편 지지대(21)와 연결되어 있으며 제어 컴퓨터(5)의 제어를 받는 솔레노이드 밸브(37)에 의하여 작동된다.

비접촉식 거리센서(39)는 실험챔버(3) 일측 내면에 설치되어 있으며, 시편 지지대 이동수단(29)에 의하여 거리센서(39) 하부까지 이송된 시편(9)의 변형량과 열 균열 등을 광센서로 감지하여 감지된 신호를 전지적 신호로 변환한 후 제어 컴퓨터(5)로 전송한다.

이하 본 고안의 실험장치에 의한 고온재료의 열팽창 및 열피로 측정방법을 설명한다.

먼저 판상의 고온재료로 만들어진 시편(9)을 시편 장입문(15)을 열고 시편 지지대(21)에 장착한다.

시편(9)이 장착된 시편 지지대(21)는 제어 컴퓨터(5)를 제어하여 에어 실린더(33)에 의하여 적외선 가열램프(1) 직하에 위치시킨다.

그리고 가스 유입구(11)를 열어 실험하고자 하는 분위기 가스를 유입하여 실험챔버(3)내의 분위기를 조절한다.

한편 제어 컴퓨터(5)에는 시편(9)의 가열 및 냉각 패턴을 프로그램화하여 입력시키고 이러한 실험패턴을 몇 회에 걸쳐 실시할 것인지 결정한 후 실험을 시작한다. 실험이 시작되면 제어 컴퓨터의 제어를 받은 적외선 가열램프(1)가 켜지고 제어 프로그램에 따라 시편(9)을 가열한다. 적외선 램프(1)에서 조사된 복사열은 투과창(17)을 통과하여 시편을 가열하게 되고 시편 지지대(21)에 설치된 열전대(27)는 시편의 온도를 측정하여 제어 컴퓨터(5)에 입력한다.

실험 중에 또는 일정한 실험을 행한 후 에어 실린더(33)를 작동시켜 시편 지지대(21)를 비접촉식 거리센서(39) 직하까지 이동시킨 후 거리센서(39)에 의하여 시편(9)의 시험전 거리표시와 실험후 변형에 의한 변형된 거리표시에 의한 변형량 및 열피로에 의한 균열발생여부를 감지하여 제어 컴퓨터(5)에 입력한다.

한편 시편(9)의 온도는 열전대(27)에 의하여 측정되어 시편(9)의 최고 온도와 거리에 따른 온도구배를 측정하여 제어 컴퓨터(5)에 입력한다.

이와 같은 방법으로 해당 시편의 고온 특성을 측정한 후 적외선 램프(1)를 끄고 가스 유출구(13)를 개방하여 배기하고 냉각한 후 실험챔버(3)의 시편 장입구(15)를 열어 실험이 끝난 시편(9)을 제거한다.

본 고안은 시편 가열원으로 적외선 가열장치를 이용하고 실험챔버의 분위기를 정밀하게 제어할 수 있어서 실제 고온재료가 사용되는 분위기를 정확히 재현할 수 있고 비접촉식 광센서로 실험 도중에 실험을 방해하지 않으면서 시편의 열적특성을 측정할 수 있어서 고온재료의 열변형 및 열피로 현상을 정확하게 예측할 수 있는 실험장치를 제공하였다.

Claims (4)

1. 재료의 고온 열변형 및 열피로 현상을 측정하는 모사실험장치에 있어서,

   고온 열변형 및 열피로 시험을 행할 시편을 가열하기 위한 적외선 가열장치와;

   상기 적외선 가열장치에서 조사되는 적외선이 투과되는 투과창과 실험장치내의 온도를 제어하기 위한 온도제어 장치와 실험장치내의 분위기를 제어하기 위한 분위기가스의 입구 및 출구와 시편을 장입하기 위한 장입구가 설치된 실험챔버와;

   상기 실험챔버 내에 배치되어 상기 시편을 지지하는 시편 지지대로 이루어진 것을 특징으로 하는 열변형 및 열피로 측정용 실험장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 실험챔버 내에는

   상기 시편의 실험 중에 또는 실험이 끝난 후에 일어난 열변형에 의한 변형량과 열피로에 의한 결함을 측정하기 위하여 상기 실험챔버 내에 설치된 비접촉식 거리센서와;

   상기 시편을 탑재한 시편 지지대를 상기 비접촉식 거리센서의 하부와 상기 적외선 가열장치의 하부 사이에서 왕복할 수 있는 시편 지지대 이동수단이

   더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열변형 및 열피로 측정용 실험장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 시편 지지대에는 시편을 지지하기 위한 시편 고정수단과 시편과의 열전달을 방지하기 위해 시편 지지대와 시편 사이에 단열재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열변형 및 열피로 측정용 실험장치.
4. 청구항 2에 있어서, 상기 시편 지지대 이동수단은 시편 지지대를 실험챔버 내에서 왕복 이동시키기 위하여 실험챔버 바닥에 설치된 이송 레일과 실험챔버 외측에 장착되어 실린더 로드에 의하여 시편 지지대와 연결되어 있는 에어 실린더로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 열변형 및 열피로 측정용 실험장치.