KR20060072907A - 히터를 이용한 수직형 가열 시험장치 - Google Patents

히터를 이용한 수직형 가열 시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시편을 가열시험하기 위한 수직형 가열 시험장치에 있어서, 상기 시편을 가열하기 위한 히터; 상기 히터를 상측에서 고정수단에 의해 장착하기 위한 히터 지지대; 상기 시편을 상부측에 장착하며 상기 히터와 대응하는 단열재; 상기 단열재를 지지하기 위한 시편 지지대; 상기 시편으로부터 발생되는 오염물질로부터 상기 히터를 보호하기 위해 상기 히터와 상기 시편사이에 설치된 투과창; 상기 히터 지지대와 상기 가열시험 장치의 바닥에 해당하는 기저판 사이에 설치되어 상기 히터로부터 상기 시편 지지대의 거리이동을 유도하기 위한 시편지지대 수평가이드축; 상기 시편 지지대의 수평을 유지시킬 수 있도록, 상기 시편지지대의 외측에 장착되고 상기 시편지지대 수평가이드축이 관통하는 이동 가이드 부재; 및 상기 시편 지지대를 상기 히터로부터 거리 조절할 수 있는 거리조절수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 수직형 가열 시험장치에 관한 것이다.
가열거리조절, 투과창, 히터, 복사열

Description

히터를 이용한 수직형 가열 시험장치{Vertical heating test apparatus using heater}
도 1은 본 발명에 따른 수직형 가열 시험장치의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 수직형 가열 시험장치의 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1: 히터 2: 히터 지지대
3: 투과창 4: 시편
5: 시편 지지대 6: 단열재
7: 온도센서 8: 가이드부재
9: 시편지지대 수평가이드축 10: 시편지지대 상하 이동축
11: 전자동 모터 12: 바퀴
13: 기저판 14: 이동축 지지부
본 발명은 히터를 이용한 가열 시험장치에 관한 것으로, 특히 시편과 히터사이의 거리를 변화시켜 시편에 가해지는 가열량을 조절할 수 있는 수직형 가열 시험 장치에 관한 것이다.
일반적으로 로켓이나 고속 비행기의 외부는 발사시부터 비행하는 동안 소정 부분, 예를 들어 로켓의 선두부 또는 고속 비행기의 기수부분은 공기와의 마찰에 의해 지속적으로 가열되므로 그 가열온도에 따라 열변형 및 반복적인 가열과 냉각에 따른 열피로 등을 받고 있어서, 이런 열변형에 의한 뒤틀림과 열피로에 의한 크랙 등의 결함을 극복하는 재질로 제작되어야 한다.
이런 공기와의 마찰열에 대해서 우주로켓 또는 고속 비행기를 보호하기 위한 재질들 중에 예컨대, 우주로켓 또는 고속 비행기의 외부에 이용되는 내열 타일이 있다. 공기와의 마찰에 의해 로켓의 날개끝 부분 온도가 1000℃ 이상, 기수 앞부분은 1500℃이상으로 가열되기 때문에, 이런 가열온도로 인한 우주로켓 또는 고속 비행기를 보호하기 위하여 이 내열타일은 창문을 제외한 나머지 부분에 모두 틈없이 로켓의 외부에 부착된다.
우주로켓이나 고속 비행기의 외부에는 최고 내열 온도가 1500℃가 넘는 특수 내열 타일(도자기 성분의 시리카 타일)을 쓰는 것이며, 이 내열타일에 흠결이 있다면 2003년에 일어났던 콜롬비이호 사건에서처럼 공기 마찰로 인한 마찰열로 내열타일이 떨어져 나가면서 치명적인 결과를 가져올 수 있다.
그러므로, 이런 공기 마찰열과 같은 고온에서 이용되는 재질의 열적 영향을 시험하기 위하여 짧은 시간동안 재질을 집중가열하는 장치가 필요하고, 종래에는 항온 챔버에서 일정온도를 유지하여 시편의 온도를 측정하였으나 이런 설비에서는 짧은 시간동안의 집중적인 가열시험을 할 수 없었으며 가열량의 변화에 따른 시편 의 열적 변화를 시험할 수 없었다.
또한, 시편을 높은 온도로 가열하기 위해서는 시편과 적외선 히터사이의 거리가 가까워야 하기 때문에, 시편의 열적 반응에 의해 발생되는 오염물질로 인해 히터에 손실이 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 가열실험을 할 경우 시편과 히터사이의 거리를 조절하여 가열량을 변화시키는 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 시편과 히터사이에 시편의 열반응에 의한 오염물질로부터 히터를 보호할 수 있는 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적은 시편과 히터사이의 수직거리를 손쉽게 조절함으로써 가열시험장치의 공간활용의 효율을 높이는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 시편을 가열시험하기 위한 수직형 가열 시험장치에 있어서, 상기 시편을 가열하기 위한 히터; 상기 히터를 상측에서 고정수단에 의해 장착하기 위한 히터 지지대; 상기 시편을 상부측에 장착하며 상기 히터와 대응하는 단열재; 상기 단열재를 지지하기 위한 시편 지지대; 상기 시편으로부터 발생되는 오염물질로부터 상기 히터를 보호하기 위해 상기 히터와 상기 시편사이에 설치된 투과창; 상기 히터 지지대와 상기 가열시험 장치의 바닥에 해당하는 기저판 사이에 설치되어 상기 히터로부터 상기 시편 지지대의 거리이동을 유 도하기 위한 시편지지대 수평가이드축; 상기 시편 지지대의 수평을 유지시킬 수 있도록, 상기 시편지지대의 외측에 장착되고 상기 시편지지대 수평가이드축이 관통하는 이동 가이드 부재; 및 상기 시편 지지대를 상기 히터로부터 거리 조절할 수 있는 거리조절수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 수직형 가열 시험장치에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 실시예와 첨부 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 수직형 가열 시험장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 수직형 가열 시험장치의 단면도로서, 본 발명에 따른 수직형 가열 시험장치는 니크롬선, 적외선 가열램프, 할로겐 램프들과 같은 다양한 가열수단들중 선택된 어느 하나인 히터(1), 히터(1)를 지지하기 위한 히터 지지대(2), 시편(4)으로부터 발생되는 오염물질로부터 히터(1)를 보호하는 투과창(3), 시편(4)을 장착한 단열재(6)를 지지하기 위한 시편 지지대(5), 시편(4)으로부터 시편 지지대(5)로 열전달을 차단하는 단열재(6), 시편(4)의 온도를 측정하는 온도센서(7), 시편 지지대(5)의 수평을 유지시킬 수 있는 가이드 부재(8)를 관통하는 시편지지대 수평가이드축(9), 시편 지지대(5)를 상하로 이동시킬 수 있는 시편지지대 상하 이동축(10), 시편 지지대(5)를 상하로 이동시키기 위해 시편지지대 상하 이동축(10)과 맞물리는 기어와 연결된 전자동 모터(11), 수직형 가열 시험장치를 이동시키기 위한 바퀴(12), 및 하측에 바퀴(12)를 구비하고 상측에 전자동 모터(11)를 장착하는 기저판(13)으로 구성된 수직형 가열 시험장치이다.
히터(1)는 니크롬선, 적외선 가열램프를 포함하는 가열히터이고 히터 지지대 (2)의 하부에서 고정수단, 예를 들어 볼트에 의해 부착되며, 시편의 형태에 따라 원형, 사각형 또는 직선형중의 어느 일형태의 적합한 형태를 채용할 수 있다. 이 실시예에서 히터(1)는 적외선 가열히터로서 원형형태를 채용한다.
히터 지지대(2)는 금속으로 이루어지고 사각형 판의 형태를 가지며 히터 지지대(2)의 일측에 히터(21)로부터 전선을 도출하는 홈을 구비하여 외부의 제어부(도시되지 않음)로 전선이 연결되며, 도출된 전선을 통해 히터에 전력이 공급된다.
투과창(3)은 ZnS, ZnSe, 다이아몬드, 실리카(silica) 유리 및 사파이어 중 선택된 어느 하나로 이루어지는 부재로서 두께는 2 내지 5 mm이고 히터(1)로부터 조사되는 복사열을 통과시키며, 히터(1)로부터 소정 거리로 이격되어 탈착가능하도록 시편지지대 수평가이드축(9)에 장착되며 시편(4)으로부터 열반응으로 발생되는 오염물질로부터 히터(1)를 보호한다.
시편 지지대(5)는 또한 사각형 판의 형태를 가지며 금속으로 제작되어 있어서 시편(4)을 가열하게 되면 열을 흡수하게 되므로, 시편(4)과 시편 지지대(5)사이에는 열전달을 차단하는 단열재(6)를 구비한다. 또한, 시편 지지대(5)의 대칭되는 각 모퉁이에는 시편지지대 수평가이드축(9)이 관통하는 4개의 가이드 부재(8)를 장착하여 시편 지지대(5)의 수평을 유지시킨다.
단열재(6)는 규산칼슘, 크롬-마그네시아를 포함하는 내화벽돌의 성분으로 이루어져 10cm이상의 두께를 가지고, 시편(4)을 장착할 수 있는 홈을 가지며 이 홈은 시편(4)의 형태에 따라 그 모양이 변경될 수 있다. 여기서, 단열재(6)는 위에서 봤을 때 원형, 직사각형, 또는 다른 다양한 형태를 채용할 수 있다.
시편 지지대(5)와 단열재(6)에는 시편(4)의 온도를 측정할 수 있는 열전대(thermocouple)와 같은 온도센서(7)가 관통하여 설치되고, 이 온도센서로 시편의 중앙과 가장자리부분의 온도를 측정하여 외부로 측정된 온도에 관한 정보를 출력한다. 이때, 온도센서(7)에 연결된 전선은 시편 지지대(5)의 일측의 내부통로를 거쳐서 외부로 도출된다.
시편지지대 수평가이드축(9)은 금속봉 또는 금속막대 형태로 이루어지고 히터 지지대(2)의 하측과 기저판(13)의 상측에서 각 모서리부분으로부터 소정거리로 이격되어 히터 지지대(2)와 기저판(13)에 부착되며, 시편 지지대(5)에 장착된 가이드 부재(8)에 의해 시편 지지대(5)의 상하왕복운동을 유도한다.
시편지지대 상하 이동축(10)은 전자동 모터(11)로부터 전달된 회전운동을 직선운동으로 변환하는 기어(도시되지 않음)에 의해 상하왕복운동을 하게 되고, 따라서 이동축(10)의 외부면에는 기어와 맞물리는 요홈들을 구비한다. 여기서, 시편지지대 상하 이동축(10)의 하부의 소정부분은 이동축 지지부(14)에 위치하여 정확한 상하이동을 지지받고 이 이동축 지지부(14)내에는 기어가 구비된다.
전자동 모터(11)는 기저판(13)의 상측에 위치되고 외부에 연결된 제어장치(도시되지 않음), 예컨대 컴퓨터의 제어에 의해 전력을 공급받으며 전자동 모터(11)의 로드는 기어에 연결된다.
제어장치에 의해 공급된 전력량에 따라 전자동 모터(11)는 기어를 작동시키고, 이에 시편지지대 상하 이동축(10)은 상하왕복운동을 하여 시편 지지대(5)가 소정의 거리로 상하이동하게 되며 히터(1)로부터 시편(4)까지 최소 1cm 내지 최대 50cm로 거리조절이 될 수 있다. 여기서, 시편 지지대(5)는 장착된 가이드 부재(8)에 의해 수평이 유지될 수 있다.
그러므로, 시편(4)에 가해지는 가열량은 히터(1)로부터 방출되는 복사열이 시편에 도달하는 거리를 증가시킴에 따라 지수함수적으로 감소하는 성질을 이용하여 조절할 수 있다.
또한, 기저판(13)의 하측에 바퀴(12)를 구비하여 가열시험을 수행할 장소로 수직형 가열 시험장치를 이동시킬 수 있으며, 히터 지지대(2)와 기저판(13)의 외측에 4개의 막음판(도시되지 않음)으로 밀폐시킬 수도 있으며, 이런 4개의 막음판중 일부 막음판에는 시편을 넣거나 집어낼 수 있는 출입구를 구비할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 고속 비행체 또는 로켓의 외부표면중 집중적인 가열을 받는 표면에 관한 실제 가열 분위기를 정확히 재현할 수 있는 시험장치를 제공하여, 시편을 짧은 시간동안 폭넓은 가열량의 변화로 가열시험을 할 수 있는 장치를 제공할 수 있다.
본 발명은 시편과 히터사이의 거리를 손쉽게 조절함으로써 시편의 가열량을 인위적으로 변경할 수 있는 장치를 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 시편을 가열시험하기 위한 수직형 가열 시험장치에 있어서,
    상기 시편을 가열하기 위한 히터;
    상기 히터를 상측에서 고정수단에 의해 장착하기 위한 히터 지지대;
    상기 시편을 상부측에 장착하며 상기 히터와 대응하는 단열재;
    상기 단열재를 지지하기 위한 시편 지지대;
    상기 시편으로부터 발생되는 오염물질로부터 상기 히터를 보호하기 위해 상기 히터와 상기 시편사이에 설치된 투과창;
    상기 히터 지지대와 상기 가열시험 장치의 바닥에 해당하는 기저판 사이에 설치되어 상기 히터로부터 상기 시편 지지대의 거리이동을 유도하기 위한 시편지지대 수평가이드축;
    상기 시편 지지대의 수평을 유지시킬 수 있도록, 상기 시편지지대의 외측에 장착되고 상기 시편지지대 수평가이드축이 관통하는 이동 가이드 부재; 및
    상기 시편 지지대를 상기 히터로부터 거리 조절할 수 있는 거리조절수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 수직형 가열 시험장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 시편의 온도를 측정하기 위해 상기 시편 하측의 중앙부분과 가장자리부분에 접촉된 하나 이상의 열전대를 더 포함하고, 상기 열전대는 상기 단열재와 상기 시편 지지대를 거쳐서 측정된 온도정보를 출력하는 것을 특 징으로 하는 수직형 가열 시험장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 히터 지지대와 상기 기저판은 각각의 모서리 부분에서 둘러싸는 다수의 막음판으로 연결되고, 상기 막음판의 일측에는 상기 시편을 삽탈할 수 있는 개폐가능한 출입구를 구비할 수 있는 것을 특징으로 하는 수직형 가열 시험장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 거리조절수단은 상기 시편 지지대에 연결된 이동축, 상기 이동축과 맞물려 회전하는 기어, 상기 이동축의 소정 하부부분과 상기 기어를 내재하고 상기 기저판에 설치되어 상기 이동축을 지지하는 이동축 지지부, 및 상기 기어와 연결된 전자동 모터를 포함하되,
    상기 이동축의 외부면에는 상기 기어와 맞물리는 요홈들을 가지고 상기 기어의 회전운동에 의해 상기 이동축이 상하이동을 하는 것을 특징으로 하는 수직형 가열 시험장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 투과창은 ZnS, ZnSe, 다이아몬드, 실리카 유리 및 사파이어 중 선택된 어느 하나로 이루어지고, 상기 히터로부터 소정 거리로 이격되어 탈착가능하도록 상기 히터의 하측에 부착되는 것을 특징으로 하는 수직형 가열 시험장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 히터는 적외선 히터, 할로겐 램프, 니크롬선중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수직형 가열 시험장치.
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