KR20150039995A - 무냉매 방식 극저온 시험장치 - Google Patents

무냉매 방식 극저온 시험장치 Download PDF

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정인현
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백운봉
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Abstract

본 발명은 무 냉매 방식의 극저온 시험장치를 개시한다. 그의 장치는, 챔버와, 상기 챔버 내의 일측에 배치된 하부 실린더 베셀과, 상기 하부 실린더 베셀과 상기 챔버의 상부 내벽 사이의 상부 실린더 베셀을 구비한 실린더 베셀와, 상기 실린더 베셀 내에 배치된 시편 압축 고정부와, 상기 챔버의 타측 외부에서 내부로 연장된 냉동기(cryocooler)와, 상기 냉동기, 상기 하부 실린더를 둘러싸는 복사 쉴드와, 상기 복사 쉴드 내에 배치되고, 상기 챔버 내에서 극저온 냉각으로 상기 시편을 시험하기 위해 상기 냉동기와 상기 실린더 베셀 사이에 연결되어 상기 냉동기에서 상기 실린더 베셀에 냉각(cooling)을 전달하는 냉각 전달 부를 포함한다.

Description

무냉매 방식 극저온 시험장치{Cryogen-free cryogenic testing system}
본 발명은 시험장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무냉매 방식의 극저온 시험장치에 관한 것이다.
일반적으로, 금속 또는 고분자 재료는 극저온에서 연성을 상실하여 무르고 약해질 수 있다. 이에 따라 저온에서 사용되는 금속 또는 고분자 재료는 저온 취화 특성을 기준으로 채택하고 있다. 저온 취화 특성은 주로 액체 냉매의 비등점온도에서 평가되고 있다. 예를 들어, 액체 수소 환경에서 사용되는 금속 또는 고분자 재료는 액체 수소 내에 침지된 후 역학적 특성 평가가 수행되고 있다. 그러나, 액체 수소는 안전성이 낮아 고가의 부대설비에 의해 관리되고 있다. 이와 같은 액체 수소 사용에 따른 안전성 및 생산성 저하 때문에, 저온 취화 특성 평가에서는 액체 수소를 대신하여 액체 헬륨을 사용하기도 한다. 액체 헬륨은 액체 수소보다 낮은 기화 온도를 갖고, 높은 안전성을 갖는다. 따라서 액체 수소 온도인 20K에서의 저온 취화 특성 평가가 필요할 경우, 기화된 헬륨 가스 분위기에서 시험을 수행하기도 한다.
그런데 최근 국제적으로 헬륨 가격이 급등함에 따라 액체 헬륨은 말할 것도 없고, 헬륨 가스를 얻는 것 조차 매우 어려워졌다. 때문에 의료 목적 등을 제외하고 액체 헬륨을 이용한 생산 활동과 연구가 매우 심각하게 위축되고 있는 실정이다. 따라서, 액체 헬륨 또는 액체 수소를 다량으로 사용하지 않고도 액체 수소 온도에서 사용되는 소재의 역학적 특성을 평가할 수 있는 대안이 필요하다.
본 발명의 목적은 무 냉매 방식의 극저온 시험장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 극저온 시험장치를 개시한다. 그의 장치는, 챔버; 상기 챔버 내의 일측에 배치된 하부 실린더 베셀과, 상기 하부 실린더 베셀과 상기 챔버의 상부 내벽 사이의 상부 실린더 베셀을 구비한 실린더 베셀; 상기 실린더 베셀 내에 배치된 시편 압축 고정부; 상기 챔버의 타측 외부에서 내부로 연장된 냉동기(cryocooler); 상기 냉동기, 상기 하부 실린더를 둘러싸는 복사 쉴드; 및 상기 복사 쉴드 내에 배치되고, 상기 챔버 내에서 극저온 냉각으로 상기 시편을 시험하기 위해 상기 냉동기와 상기 실린더 베셀 사이에 연결되어 상기 냉동기에서 상기 실린더 베셀에 냉각(cooling)을 전달하는 냉각 전달 부를 포함한다.
상기 냉각 열 전달 부는 열전도 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 열전도 플레이트와 상기 하부 실린더 베셀은 구리를 포함할 수 있다.
상기 냉각 조절 부는 상기 하부 실린더 베셀에 연결될 수 있다.
상기 챔버 내부의 온도를 감지하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 온도 센서는, 상기 하부 실린더 베셀에 인접하는 상기 냉각 전달 부 상에 배치되어 상기 복사 쉴드 내부의 온도를 감지하는 제 1 온도 센서; 및 상기 복사 쉴드의 외부 표면에 배치되어, 상기 복사 쉴드 바깥의 상기 챔버 내부의 온도를 감지하는 제 2 온도 센서를 포함할 수 있다.
상기 제 1 온도 센서에 인접하여 상기 열전도 플레이트에 배치되고 상기 하부 실린더 베셀 및 상기 열전도 플레이트를 가열하는 히터를 더 포함할 수 있다.
상기 냉동기는, 상기 챔버 외부의 압축기; 상기 챔버 외부에서 상기 압축기에 연결된 재생기; 상기 재생기와 연통되고, 상기 챔버 내부에 배치된 제 1 디스플레이서; 상기 제 1 디스플레이서에 연결된 제 1 스테이지; 상기 제 1 스테이지에 연결된 제 2 디스플레이서; 및 상기 제 2 디스플레이서 및 상기 열전도 플레이트에 연결되는 제 2 스테이지를 포함할 수 있다. 상기 제 2 디스플레이서와 상기 제 2 스테이지는 상기 복사 쉴드 내에 배치될 수 있다.
상기 냉동기는 지엠(G-M) 극저온 냉동기를 포함할 수 있다.
상기 챔버의 외부에서 상기 하부 실린더 베셀 내부까지 연장되고, 상기 시편 압축 고정부에 고정된 시편에 연결되는 풀 로드를 더 포함할 수 있다.
상기 챔버 일측 외부 상에 배치된 프레임; 상기 프레임 상에 고정되고, 상기 풀 로드를 승하강시키는 엑추에이터; 및 상기 챔버 일측 상에 배치되고, 상기 챔버 내부와 외부의 압력을 분리하기 위해 상기 풀 로드가 챔버의 외부에서 내부로 통과되는 피드스루(feedthrough)를 더 포함할 수 있다.
상기 시편 압축 고정 부는, 상기 피드 스루와 연결되는 압축 실린더; 상기 압축 실린더 아래에 연결된 상기 압축 기둥들; 상기 압축 기둥들 사이를 일정 간격으로 연결하는 배플들; 및 상기 압축 컬럼들의 말단에 연결된 바닥판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 극저온 역학특성 시험 장치는 시료를 무 냉매 방식으로 간접 냉각할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 역학특성 시험장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 실린더 베셀, 및 열전도 플레이트를 나타내는 사시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 역학특성 시험장치를 나타내는 단면도이다. 도 2는 도 1의 실린더 베셀(20), 열전도 플레이트(60)를 나타내는 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 역학특성 시험장치는, 챔버(10), 실린더 베셀(20), 시편 압축 고정부(30),풀 로드(40), 극저온 냉동기(50), 및 열전도 플레이트(60)를 포함할 수 있다.
챔버(10)는 외부로부터 밀폐되어 독립된 공간을 제공할 수 있다. 진공 펌프(48)는 챔버(10) 내의 공기를 진공 상태로 펌핑할 수 있다. 예를 들어, 진공 펌프(48)은 드라이 펌프, 로터리 펌프, 크라이오 펌프(cryopump), 디퓨젼 펌프(diffusion pump), 또는 터보 펌프(turbo pump)를 포함할 수 있다. 진공 펌프(48)와 챔버(10)는 진공 라인(47) 및 피드 스루(feedthrough, 46)에 의해 연통될 수 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양하게 실시 변경 가능하다. 예를 들어, 진공 펌프(48)과 챔버(10)는 직접 연결될 수 있다.
실린더 베셀(20)은 챔버(10) 내의 일측에 배치될 수 있다. 실린더 베셀(20)은 하부 실린더 베셀(22)과 상부 실린더 베셀(24)을 포함할 수 있다. 하부 실린더 베셀(22) 내에는 시편(12)이 장입(loading)될 수 있다. 상부 실린더 베셀(24)은 챔버(10)의 내벽과 하부 실린더 베셀(22)을 연결할 수 있다. 실린더 베셀(20)과 챔버(10)는 서로 다른 압력을 갖도록 제공될 수 있다.
시편 압축 고정부(30)는 실린더 베셀(20) 내에 배치될 수 있다. 시편 압축 고정부(30)는 압축 실린더(32), 압축 기둥들(34), 배플들(36), 및 바닥판(38)을 포함할 수 있다. 압축 실린더(32)는 상부 실린더 베셀(24) 내에 배치되고, 피드 스루(46)와 연결될 수 있다. 압축 기둥들(34)은 압축 실린더(32)와 바닥판(38) 사이에 배치될 수 있다. 바닥판(38)은 압축 기둥들(34)의 말단에 연결될 수 있다. 시편(12)는 바닥판(38)과풀 로드(40) 사이에 연결될 수 있다. 신율계(extensometer, 14)는 시편(12)에 인접하여 배치되고, 상기 시편(12)의 인장 길이 또는 절단 길이(cutting length)를 계측할 수 있다.
풀 로드(40)은 챔버(10)의 외부에서 실린더 베셀(20) 내부까지 연장될 수 있다. 압축 기둥들(34)과풀 로드(40)은 서로 평행할 수 있다. 풀 로드(40)은 바닥판(38)에 대해 가까워지거나 멀어질 수 있다. 풀 로드(40)은 챔버(10) 외부의 엑츄에이터(44)에 의해 승하강될 수 있다. 프레임(42)는 챔버(10)의 일측 상에서 엑츄에이터(44)를 고정할 수 있다. 풀 로드(40)은 피드 스루(46)를 관통하여 챔버(10)의 외부에서 내부로 삽입될 수 있다. 피드 스루(46)는 챔버(10)의 외부와 내부의 압력을 분리시킬 수 있다. 풀 로드(40)은 피드 스루(46)을 관통하여 챔버(10)의 외부에서 내부로 연장될 수 있다. 시편(12)는 풀 로드(40)과 바닥판(38)에 연결될 수 있다. 시편(12)의 역학 특성 시험은 풀 로드(40)의 승하강 동작에 의해 수행될 수 있다.
극저온 냉동기(50)는 챔버(10) 타측의 외부에서 내부로 연결될 수 있다. 극저온 냉동기(50)는 G-M 냉각기(Gifford-McMahon refrigerators)를 포함할 수 있다. 극저온 냉동기(50)는 압축기(51), 재생기(52), 제 1 디스플레이서(54), 제 1 스테이지(56), 제 2 디스플레이서(58), 및 제 2 스테이지(59)를 포함할 수 있다. 압축기(51)는 기체 상태의 냉매를 액체 상태로 압축할 수 있다. 재생기(52)는 액체 상태의 냉매를 냉각 또는 가열할 수 있다. 제 1 디스플레이서(54) 및 제 2 디스플레이서(58)는 냉매를 각각 제 1 스테이지(56) 및 제 2 스테이지(59)까지 전달할 수 있다. 제 1 디스플레이서(54)는 챔버(10) 내의 제 1 스테이지(56)와 상기 챔버(10) 외부의 재생기(52) 사이에 배치될 수 있다. 제 2 디스플레이서(58)는 제 1 스테이지(56)와 제 2 스테이지(59) 사이에 배치될 수 있다. 제 1 스테이지(56) 및 제 2 스테이지(59)는 액체 상태의 냉매를 기체 상태로 팽창시켜 극저온 상태까지 낮은 온도를 제공할 수 있다. 예를 들어, 제 1 스테이지(56)은 약 10K 이상으로 냉각되고, 제 2 스테이지(59)은 약 4K 정도로 냉각될 수 있다.
열전도 플레이트(60)는 하부 실린더 베셀(22)과 제 2 스테이지(59)를 연결할 수 있다. 열전도 플레이트(60)는 극저온 냉동기(50)에서 하부 실린더 베셀(22)에 냉각 열을 전달하는 냉각 열 전달 부가 될 수 있다. 하부 실린더 베셀(22)과 시편(12)은 극저온 냉동기(50)의 냉각 온도와 동일한 온도로 냉각될 수 있다. 하부 실린더 베셀(22)에 인접한 열전도 플레이트(60)의 아래에 차콜(Charcoal, 62)이 배치될 수 있다. 차콜(62)은 챔버(10) 내의 불순 분자들을 흡착하여 진공도를 높일 수 있다. 또한, 열전도 플레이트(60)와 하부 실린더 베셀(22)은 복수개의 볼트들(64)에 의해 연결될 수 있다.
복사 쉴드(70)는 열전도 플레이트(60)와, 하부 실린더 베셀(22)과, 제 2 디스플레이스(58)과, 제 2 스테이지(59)를 둘러쌀 수 있다. 복사 쉴드(70)는 상부 실린더 베셀(24)과, 극저온 냉동기(50)의 제 1 스테이지(56)에 연결될 수 있다. 상부 실린더 베셀(24)은 극저온 냉동기(50)의 제 1 스테이지(56)과 동일한 온도로 설정(set)될 수 있다. 복사 쉴드(70)는 그의 내부 온도를 극저온 냉동기(50)의 냉각 온도와 동일한 극저온 상태로 지속시킬 수 있다. 이때, 하부 실린더 베셀(22)과 시편(12)는 극저온 냉동기(50)의 제 2 스테이지(59)의 냉각 온도와 동일한 온도를 가질 수 있다. 복사 쉴드(70) 내부와, 하부 실린더 베셀(22)의 내부는 약 약 4K 의 온도로 설정될 수 있다. 시편(12)은 4K이상의 극저온에서 저온 취화 특성 시험이 수행될 수 있다.
시편(12)의 극저온 역학 특성 시험은 액체 냉매가 아닌 극저온 냉동기(50)의 간접 냉각에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 극저온 역학특성 시험 장치는 무 냉매 방식으로 시편(12)을 간접 냉각할 수 있다.
온도 센서(80)는 제 1 온도 센서(82)와 제 2 온도 센서(84)를 포함할 수 있다. 제 1 온도 센서(82)는 하부 실린더 베셀(22)에 인접한 열전도 플레이트(60)의 상부 면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 온도 센서(82)는 볼트들(64) 중 어느 하나에 체결될 수 있다. 제 1 온도 센서(82)는 하부 실린더 베셀(22)과 열전도 플레이트(60)의 온도를 검출할 수 있다. 제 1 온도 센서(82) 아래의 열전도 플레이트(60)의 하부 표면에 히터(90)가 배치될 있다. 히터(90)는 열전도 플레이트(60) 및 하부 실린더 베셀(22)을 가열할 수 있다. 예를 들어, 하부 실린더 베셀(22)은 극저온 냉동기(50)와 히터(90)에 의해 약 4K 이상의 온도로 조절될 수 있다. 따라서, 시편(12)의 저온 취화 특성 평가는 다양한 온도에서 수행될 수 있으며, 나아가 연속적으로 변화되는 온도에서 수행될 수 있다.
제 2 온도 센서(84)는 상부 실린더 베셀(24)에 인접한 복사 쉴드(70) 상에 배치될 수 있다. 제 2 온도 센서 (84)는 복사 쉴드(70)의 표면 온도와, 복사 쉴드(70) 바깥의 챔버(10) 내부 온도를 계측할 수 있다. 예를 들어, 제 2 온도 센서(84)는 상온에서 약 10K 내지 약 20K까지의 온도를 계측할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 챔버 12: 시편
14: 신율계 20: 실린더 베셀
22: 하부 실린더 베셀 24: 상부 실린더 베셀
30: 시편 압축 고정부 32: 압축 실린더
34: 압축 기둥들 36: 배플들
38: 바닥판 40: 풀 로드
42: 프레임 44: 엑츄에이터
46: 피드 스루 47: 진공 라인
48: 진공 펌프 50: 극저온 냉동기
51: 압축기 52: 재생기
54: 제 1 디스플레이서 56: 제 1 스테이지
58: 제 2 디스플레이서 59: 제 2 스테이지
60: 열전도 플레이트 62: 차콜
64: 볼트들 70: 복사 쉴드
80: 온도 센서 82: 제 1 온도 센서
84: 제 2 온도 센서 90: 히터

Claims (11)

  1. 챔버;
    상기 챔버 내의 일측에 배치된 하부 실린더 베셀과, 상기 하부 실린더 베셀과 상기 챔버의 상부 내벽 사이의 상부 실린더 베셀을 구비한 실린더 베셀;
    상기 실린더 베셀 내에 배치된 시편 압축 고정부;
    상기 챔버의 타측 외부에서 내부로 연장된 냉동기(cryocooler);
    상기 냉동기, 상기 하부 실린더를 둘러싸는 복사 쉴드; 및
    상기 복사 쉴드 내에 배치되고, 상기 챔버 내에서 극저온 냉각으로 상기 시편을 시험하기 위해 상기 냉동기와 상기 실린더 베셀 사이에 연결되어 상기 냉동기에서 상기 실린더 베셀에 냉각(cooling)을 전달하는 냉각 전달 부를 포함하는 극저온 시험장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 열 전달 부는 열전도 플레이트를 포함하는 극저온 시험장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열전도 플레이트와 상기 하부 실린더 베셀은 구리를 포함하는 극저온 시험장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 조절 부는 상기 하부 실린더 베셀에 연결된 극저온 시험장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버 내부의 온도를 감지하는 온도 센서를 더 포함하되,
    상기 온도 센서는,
    상기 하부 실린더 베셀에 인접하는 상기 냉각 전달 부 상에 배치되어 상기 복사 쉴드 내부의 온도를 감지하는 제 1 온도 센서; 및
    상기 복사 쉴드의 외부 표면에 배치되어, 상기 복사 쉴드 바깥의 상기 챔버 내부의 온도를 감지하는 제 2 온도 센서를 포함하는 극저온 시험장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 온도 센서에 인접하여 상기 열전도 플레이트에 배치되고 상기 하부 실린더 베셀 및 상기 열전도 플레이트를 가열하는 히터를 더 포함하는 극저온 시험장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉동기는
    상기 챔버 외부의 압축기;
    상기 챔버 외부에서 상기 압축기에 연결된 재생기;
    상기 재생기와 연통되고, 상기 챔버 내부에 배치된 제 1 디스플레이서;
    상기 제 1 디스플레이서에 연결된 제 1 스테이지;
    상기 제 1 스테이지에 연결된 제 2 디스플레이서; 및
    상기 제 2 디스플레이서 및 상기 열전도 플레이트에 연결되는 제 2 스테이지를 포함하되,
    상기 제 2 디스플레이서와 상기 제 2 스테이지는 상기 복사 쉴드 내에 배치되는 극저온 시험장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉동기는 지엠(G-M) 극저온 냉동기를 포함하는 역학특성 시험장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버의 외부에서 상기 하부 실린더 베셀 내부까지 연장되고, 상기 시편 압축 고정부에 고정된 시편에 연결되는 풀 로드를 더 포함하는 역학특성 시험장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 챔버 일측 외부 상에 배치된 프레임;
    상기 프레임 상에 고정되고, 상기 풀 로드를 승하강시키는 엑추에이터; 및
    상기 챔버 일측 상에 배치되고, 상기 챔버 내부와 외부의 압력을 분리하기 위해 상기 풀 로드가 챔버의 외부에서 내부로 통과되는 피드 스루(feedthrough)를 더 포함하는 극저온 시험장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 시편 압축 고정 부는,
    상기 피드 스루와 연결되는 압축 실린더;
    상기 압축 실린더 아래에 연결된 상기 압축 기둥들;
    상기 압축 기둥들 사이를 일정 간격으로 연결하는 배플들; 및
    상기 압축 컬럼들의 말단에 연결된 바닥판을 더 포함하는 극저온 시험장치.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20220032430A (ko) * 2020-09-07 2022-03-15 곽양규 극저온 시험용 챔버 구조를 포함한 냉각시스템
WO2023085494A1 (ko) * 2021-11-12 2023-05-19 한국전기연구원 피드스루 평가장치 및 피드스루 평가방법

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