KR20190046408A

KR20190046408A - 다양한 가스수소 환경하에서 재료 취화거동의 정량적 평가가 가능한 소형펀치 시험장치

Info

Publication number: KR20190046408A
Application number: KR1020170140180A
Authority: KR
Inventors: 신형섭; 배경오
Original assignee: 안동대학교 산학협력단
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2019-05-07
Also published as: US20200182761A1; WO2019083163A1; KR102044375B1; JP2020534544A; US11156535B2; JP6948467B2

Abstract

본 발명은 다양한 가스수소 환경(온도,압력)하에서 재료 취화거동의 정량적 평가가 가능한 기술이다.
본 발명은 상·하부다이로 이루어진 지그 내부로 시험편이 고정되고, 시험편 하부로 가스가 충진되고 상부에 힘을 가하는 펀치가 포함되어 유입된 가스의 환경하에서 시험편을 수직하방으로 굽힘변형 시켜 측정하는 소형펀치 시험기; 상기 지그를 내부로 감싸도록 설치되는 단열용기; 상기 단열용기 내부에 연결되어 상기 단열용기 내부의 온도와 상기 시험편의 온도를 측정되는 온도측정기; 상기 지그 외주면에 설치되고 외부의 열전달수단에 의해 상기 시험편에 가열 또는 냉각되게 열전달되게 하는 열전달기; 상기 시험편의 기설정된 온도에 맞게 상기 연전달기를 제어하는 제어기;가 포함된 것을 특징으로 한다.

Description

다양한 가스수소 환경하에서 재료 취화거동의 정량적 평가가 가능한 소형펀치 시험장치{Small Punch Test Apparatus Capable of Quantitatively Evaluating Materials Embrittlement Behaviors under Various Gas Hydrogen Environments}

본 발명은 다양한 가스수소 환경(온도,압력)하에서 재료 취화거동의 정량적 평가가 가능한 소형펀치 시험장치에 관한 기술이다.

온실가스 효과와 지구온난화 방지를 위한 CO₂ 배출 규제 및 자동차에서 배출되는 미세입자 저감을 위해 세계적으로 신재생에너지, 특히 수소에너지 개발이 활발하게 이루어져 오고 있다. 수소 연료전지(fuel cell, FC) 연료전지차(fuel cell vehicle, FCV)의 상용화 및 보급 확대에 따라 수소충전소 확충 및 보급에 전력을 기울이고 있다. 이러한 신재생에너지 개발의 일환으로 수소의 생산/저장/수송에 따른 재료의 안전성 확보를 위한 관련 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 대부분은 고압 압력용기의 안전설계에 중점이 두어져 있고, 그 중에서는 특히 수소에너지 기기 재료의 수소취화(hydrogen embrittlement: HE)에 따른 역학적 특성 평가기술의 확립에 역점을 두어 연구개발이 진행되고 있다.

최근 수소에너지 사용 확대에 따라, 고압 수소가스 차량탑재 및 수소저장소 탱크, 컨테이너 및 용기에 대한 안전성 및 신뢰성을 확보하는 것은 매우 중요하다. 수소 원자는 크기가 매우 작고 고압 환경하에서 금속재료의 내부로 침투 및 확산되어 취화 현상을 일으키게 한다. 수소에너지 기기 및 부품 소재로 사용 가능한 재료 선정 시, 재료의 화학성분 및 미세조직과 사용 환경 특성(가해진 압력 및 온도 조건)이 다르기 때문에 취화거동의 파악을 위해 짧은 시간 내에 많은 데이터를 확보하여 장시간 사용에 따른 재료의 신뢰성을 선별 확인할 수 있는 간편시험법을 사용한 평가 기술의 개발 및 보급이 필요한 실정이다. 이와 관련하여 본 연구팀은 앞서 상온에서 수소취화 거동 평가를 위한 간편 시험장치로 '침식성가스 환경하 소형펀치 시험장치' 를 고안하여 특허 등록하였다. 한편 연료전지차(FCV)용 수소충전소의 경우, 35 MPa 혹은 70 MPa의 고압수소를 공급하고 있으며, 이들 수소의 생산, 저장 및 운송에는 다양한 구조용 및 부품 재료가 사용되고 있어서, 이들 재료의 수소취화 거동 평가가 매우 중요하다고 할 수 있다. 이에 따라 금속의 수소취화는 상온뿐만 아니라 저온 또는 고온과 같은 온도 환경에서 보다 현저하게 발생하여, 기 출원등록된 상온용 소형펀치 시험장치로는 이런 취약한 온도 및 압력 환경하에서 대응이 곤란하여, 저온 및 고온 환경에서 수소취화 거동을 평가할 수 있는 간편 시험장치의 개발이 필요하게 되었다. 따라서 연료전지차(FCV) 차량탑재 저장 탱크, 수소충전소 수소탱크 등 수소의 생산, 저장, 운송시 발생하는 취약 온도환경을 고려한 간편시험법으로서 소형펀치 시험장치의 개발 구축 및 시험법 확립이 필요하다.

등록특허 10-1177429 ‘침식성 가스 환경하 소형 펀치 시험장치'

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 다양한 수소가스 환경에서 소형펀치 시험 시, 현저한 취화 특성을 나타내는 온도환경을 조성하여 빠른 시간 내에 쉽게 시험편이 설정온도에 도달할 수 있도록 하고 설정온도를 유지하면서 굽힘변형으로 인한 금속재료의 취화거동에 미치는 온도 영향을 용이하게 평가할 수 있는 다양한 가스수소 환경하에서 재료 취화거동의 정량적 평가가 가능한 소형펀치 시험장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

또한, 발명한 시험장치는 필요 시 금속의 결정구조 및 미세조직에 따라 고온에서 소정의 장시간 가압수소 상태로 시험편을 유지시켜 시험편 내부에 수소장입(hydrogen charging) 시킨 시험편의 제작을 가능케 하는 취화조(hydrogen exposure chamber)의 역할이 가능하고, 또한 수소장입한 시험편에 대하여 소정 온도에서 소형펀치시험을 수행하는 것을 가능하게 한다. 이를 통해 금속재료의 결정구조에 따라서 요구되는 내부수소(internal hydrogen)와 외부수소(external hydrogen) 시험조건에 맞는 다양한 가스수소 환경(온도, 압력)하 소형펀치 시험장치를 발명하는 것이 목적의 하나이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상·하부다이로 이루어진 지그 내부로 시험편이 고정되고, 시험편 하부로 가스가 충진되고 상부에 힘을 가하는 펀치가 포함되어 유입된 가스의 환경하에서 시험편을 수직하방으로 굽힘변형 시켜 측정하는 소형펀치 시험기; 상기 지그를 내부로 감싸도록 설치되는 단열용기; 상기 단열용기 내부에 연결되어 상기 단열용기 내부의 온도와 상기 시험편의 온도를 측정되는 온도측정기; 상기 지그 외주면에 설치되고 외부의 열전달수단에 의해 상기 시험편을 가열 또는 냉각시켜 열전달되게 하는 열전달기; 상기 시험편의 기설정된 온도에 맞게 상기 연전달기를 제어하는 제어기;가 포함된 것을 특징으로 한다.

상기 열전달기는 상기 지그 외주면에 권취되고 내부에 냉매 또는 열 매체를 순환되는 관을 포함되는 것을 특징으로 한다.

상기 열전달기는 상기 지그 외주면에 설치되는 열선으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 단열용기 및 상기 하부다이를 관통하여 외부의 가스수소를 상기 하부다이에 공급되게 하는 튜브커넥터가 연결되고, 상기 튜브커넥터는 단부가 나사부로 형성되어 상기 단열용기 외부로 가스 공급측에는 유량조절밸브, 원터치커넥터가 체결가능하고, 배출측에는 압력게이지가 연결가능한 것을 특징으로 한다.

상기 튜브커넥터는 상기 하부다이에 하단부 양측면에 용접처리로 결합되어 저온 환경에서 고압가스 누설을 방지하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.

상기한 구성에 의한 본 발명은 상온 시험용으로 기 발안된 “침식성 가스 환경하 소형 펀치 시험장치(등록특허 10-1177429)”를 개선 사용함으로써 오토클레이브(autoclave)와 같은 고가의 대형 장비를 사용하지 않고, 40 MPa의 고압가스 환경에서도 소량의 수소가스를 취급하는 관계로 고압가스 규제 대상에 저촉되지 않고, 소형시험편을 사용함으로써 빠른 시간 내에 시험편 온도를 설정온도로 냉각 또는 가열하는 것이 가능하고, 이를 통해 고압수소가스 환경에서 시험편의 설정온도에 따른 소형펀치 시험시 시험편의 수직하방 굽힘변형에 의해 시험편 파단까지의 하중-변위 선도를 도출하고, 수소취화에 따른 재료의 파괴양상 및 파단 시 흡수에너지와 파단부의 상대 두께감소율을 정량적으로 도출하여 수소에너지용 기기 및 부품 소재의 적용 환경에 적합한 수소취화 내성을 갖는 재료 선별(screening)을 가능하게 한다.

시험 완료 후 회수한 시험편으로부터 파단양상과 파단면을 관찰함으로써 하중-변위 선도와 연계하여 정성적으로 내(耐)수소취화 정도의 확인이 가능하고 시험온도에 따른 수소 에너지용 금속 및 합금재료의 취화에 따른 연성-취성 천이 거동을 단계별로 구분하는 것이 가능하다.

또한 소형펀치 시험 후 시험편으로부터 압입 파단부의 두께를 측정하여 질소가스 또는 아르곤, 헬륨 등 비활성가스 환경하에서 시험한 경우의 시험편에 대하여 측정한 두께와 비교하여 수소취화에 따른 시험편의 두께감소율(reduction of thickness: RT) 및 상대 두께감소율(relative reduction of thickness: RRT)을 도출하여 상대 두께감소율(RRT) 값을 내수소취화 재료 선별시 기준으로 설정하는 것을 가능하게 하는 큰 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 소형펀치 시험기의 사시도.
도 2는 도 1의 내부 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 저온 시험환경을 조성하기 위한 다양한 가스수소 환경에서 재료의 취화거동에 미치는 온도 및 압력의 영향 평가가 가능한 소형펀치 시험장치를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온 시험환경을 조성하기 위한 다양한 가스수소 환경에서 재료의 취화거동에 미치는 온도 및 압력의 영향 평가가 가능한 소형펀치 시험장치를 도시한 사시도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순환식 냉매 또는 고온 열매질을 순환시켜 설정 온도환경을 조성하기 위한 다양한 가스수소 환경에서 재료의 취화거동에 미치는 온도 및 압력의 영향 평가가 가능한 소형펀치 시험장치를 도시한 사시도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고압 수소가스 환경에서 재료의 취화거동에 미치는 온도영향 평가 시 큰 온도차에도 수소가스 누설 방지가 가능한 소형펀치 시험장치의 상·하부다이 하단부와 튜브커넥터의 용접구조를 도시한 확대도.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 수소가스 환경에서 재료의 취화거동에 미치는 온도영향 평가가 가능한 소형펀치 시험장치의 특히 고온 환경에서 장시간 유지를 통해 오스테나이트상 조직을 갖는 시험편에 대하여 수소장입 처리가 가능한 복수개의 카트리지로 구성된 취화조를 도시한 사시도.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다양한 가스수소 환경에서 재료의 취화거동에 미치는 온도 및 압력의 영향 평가가 가능한 소형펀치 시험장치에 의해 도출된 각 설정온도에서 얻어진 하중-변위 선도를 도시한 그래프.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 10 MPa의 고압 수소가스 환경에서 재료의 취화거동에 미치는 온도영향 평가가 가능한 소형펀치 시험장치에 의해 도출된 하중-변위 선도의 아래 면적을 적분하여 얻은 파단 시 흡수에너지 값(SP에너지)을 고압 N₂ 가스 및 H₂ 가스하에서 시험온도에 대하여 도시한 그래프.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고압 수소가스 환경에서 재료의 취화거동에 미치는 온도영향 평가가 가능한 소형펀치 시험장치에 의해 파단된 시험편의 손상 및 파괴 파단양상을 보여주고 있는 이미지.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고압 비활성가스 및 수소가스 환경에서 재료의 취화거동에 미치는 온도영향 평가가 가능한 소형펀치 시험장치에 의해 파단된 각각 시험편의 파단부 단면양상을 보여주고 있는 이미지.

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소에너지 생산·운송·저장용 금속재료의 고압 수소가스 환경에서 상온보다 저온 또는 고온의 범위 내 설정온도에서 재료의 취화거동 평가 기능을 갖춘 소형펀치 시험장치의 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

본 발명인 다양한 가스수소 환경하에서 재료 취화거동의 정량적 평가가 가능한 소형펀치 시험장치는 크게, 소형펀치 시험기, 단열용기, 온도측정기, 열전달기 및 제어기를 포함하여 이루어지게 된다.

우선 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 소형펀치 시험기의 구성을 간단히 설명하기로 하며, 이는 종래의 특허 '침식성 가스 환경하 소형 펀치 시험장치'와 동일한 것으로 간단히 설명하기로 한다.

도 1과 2를 참조하면, 소형펀치 시험기(100)는 시험편(T)이 상,하부다이(120,140)로 이루어진 지그에 의해 삽입 고정되어 있으며 상부다이(120)에 펀치(160)가 설치되며 펀치(160)의 하부에 가압구(162)가 형성된다.

상세하게는 하부다이(140)에는 수소가스(또는 비활성 가스)와 접촉할 수 있는 공간과 내부에 가스가 충진되어 누출되지 않도록 밀폐공간이 형성되게 되고, 상기 하부다이(140)의 상부에 상기 시험편(T)을 삽입 위치시키고 그 하단에 가스누출 및 기밀성을 유지하기 위해 형성된 홈에 삽입되며 상기 시험편(T) 하부에 위치하는 고무재질의 오링(180)이 형성되며, 상기 하부다이(140)와 고정 체결되면서 시험편(T)이 고정되고 중앙에 관통홀이 형성되어 있는 상부다이(120)와, 상기 시험편(T) 상부에 위치하며 상기 상부다이(120)의 관통홀에 삽입되어 수직하방으로 수직력을 부가하기 위한 펀치(160)와 상기 펀치(160)에 의해 상기 시험편(T)에 직접 접촉하여 하중을 부가하는 가압구(162)와 상기 펀치 상단부 일측에 접촉하고 수직력을 가하는 펀처와, 상기 하부다이에 설치되어 유입된 가스를 조절 및 배출, 개폐를 위한 유량조절밸브(V)와 상기 유량조절밸브와 연결되어 가스를 유입하기 위한 원터치커넥터와, 상기 하부다이에 연결되어 충진된 가스 압력을 측정 및 확인하는 압력게이지(G)로 구성된다.

그리고, 도 3을 참조하면, 소형펀치 시험기(100)에 단열용기(200), 온도측정기(300), 열전달기(400) 및 제어기(미도시)가 포함되어 이루어진다.

상기 단열용기(200)는 캡슐형으로 설정·고온 및 저온환경에서 충분히 견딜 수 있고 외부로 열손실 방지에 용이한 재질로 구성될 수 있으며 동일한 외주면 직경을 갖는 용기관, 상부캡, 하부캡 또는 용기관, 하부캡으로 나누어지고 그 외부는 추가적인 단열을 위해 단열시트를 감아서 부착한 상태로 설치하는 것이 바람직하다. 외부와의 열손실을 방지에 용이한 다양한 고분자, 세라믹, 복합재 재질로 구성할 수 있다.

여기서 단열용기(200)는 및 소형펀치 시험기(100)는 충분한 강성을 지닌 재질의 지지대에 의해 수평상태로 지지되어 상기 펀치(160)가 수직하방으로 하중을 가할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 단열용기(200) 상부캡 및 상기 하부캡은 상기 용기관 상단 및 하단에 삽입 고정될 수 있도록 용기관 내부의 직경과 동일하게 단을 형성하여 설치하는 것이 바람직하다.

여기서 상기 단열용기(200)는 상기 지지대에 안착시키고 상기 소형펀치 시험기(100)의 상·하부다이(120,140)를 상기 단열용기(200)의 용기 내부로 격리시킬 수 있도록 상기 소형펀치 시험기(100) 하단부 양 일측면에 각각 연결 삽입 후 용접된 튜브커넥터(P)를 제외한 유량조절밸브(V), 원터치커넥터, 압력게이지(G)는 상기 단열용기(200) 외부의 상온환경에 노출되고 상기 하부캡 상단부 양일측면과 상기 단열용기 하단 양일측면은 상기 튜브커넥터(P)의 상·하단부가 맞닿도록 외경과 동일한 직경을 갖는 반원형 홈을 형성하여 설치하는 것이 바람직하다.

상기 온도측정기(300)는 단열용기(200)의 내부와 시험편의 온도를 측정할 수 있도록 열전대(thermocouple)를 포함한다.

여기서 상기 단열용기(200) 내부에 설치된 상기 소형펀치 시험기(100)는 상기 소형펀치 시험기의 상부다이(120) 상단 일측면에 형성된 관통홀과 상기 단열용기(200) 내부에는 상기 시험편과 상기 단열용기(200) 내부의 온도변화량을 실시간으로 측정하기 위해 각각 한 쌍의 열전대를 삽입하게 된다.

그리고 상기 열전대는 본원발명의 구성인 상기 온도측정기(300)에 포함되는 것으로 상기 열전대에 의해 온도변화량을 관찰할 수 있으며 실시간으로 측정되어 검출된 온도 신호데이터는 저장매체에 연결하여 저장할 수 있게 된다.

상기 열전대는 상기 단열용기(200)에 삽입될 수 있도록 통과홀을 형성되는 것이 바람직하며 시험환경을 고려하여 용이한 위치에 홀을 형성할 수 있다.

상기 상부캡은 상기 시험장치 상부다이에 삽입된 펀치(160)를 수직하방 수직력을 부가하기 위한 펀처의 하단부는 상기 상부캡 중앙에 펀처의 직경과 동일한 관통홀에 삽입되는 것이 바람직하다.

상기 펀치와 펀처는 각각 분리되지 않고 상기 가압구를 사용하지 않고 펀처 하단부를 시험편 일측면 중앙부에 압입할 수 있도록 일체형으로써 사용 가능하다.

상기의 구성은 상기 시험장치의 상·하부다이(120,140)에 의해 고정 체결된 시험편의 온도를 변화시키기 위한 구조로 나타낼 수 있고 도면에 도시하지 않았으나 상기의 모든 구성을 갖춘 상태에서 하나의 설정 항온 챔버에 의해 외부와 격리시켜 설치되는 것이 가능하다.

여기서 상기 챔버는 고온 및 저온에 견딜 수 있고 온도조절 시 상기 챔버 내부에 있는 압력게이지(G)의 변화를 외부에서 관찰이 용이하도록 투명한 재질로 설치되는 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속재료의 다양한 가스수소 환경에서 재료의 취화거동에 미치는 온도 및 압력의 영향 평가가 가능한 소형펀치 시험장치는 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저온환경을 조성하기 위한 고압 수소가스 환경에서 재료의 취화거동에 미치는 온도영향 평가가 가능한 소형펀치 시험장치를 도시한 사시도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저온환경을 조성하기 위한 고압 가스수소 환경에서 재료의 취화거동에 미치는 온도영향 평가가 가능한 소형펀치 시험장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 소형펀치 시험기(100), 단열용기(200), 온도측정기(300) 및 열전달기(400)를 포함하여 이루어진다.

상기 열전달기(400)는 구리관, 공기펌프장치(미도시), 냉매/승온용 열매체 저장용기(미도시)와 펌핑장치(미도시)가 포함되어 이루어진다.

상기 단열용기(200) 외부에는 상기 구리관은 코일형으로 이루어지며 타측부가 상기 용기관 외부로 길게 빠져나와 있고 상기 구리관 타측 끝단부는 다시 상기 펌핑장치의 냉매공급호스 배출구 끝단과 연결되고 상기 펌핑장치는 상기 냉매저장용기에 삽입 및 고정 체결되며 상기 펌핑장치 상단에 공기주입호스를 연결하고 상기 공기주입호스 타측 끝단에 상기 공기펌프장치의 공기주입구와 연결되는 것이 바람직하다.

여기서, 구리관을 사용하는 이유는 열전달 효율을 높일 수 있다.

상기 단열용기(200)는 구리관이 소형펀치 시험기(100)의 상·하부다이(120,140)의 길이방향으로 감아서 기화된 냉매가 배출될 수 있도록 타측부가 상기 단열용기(200)의 외부에서 냉매가 공급되도록 충분한 길이로 구성되어 상기 단열용기(200)에 상기 튜브관 타측부가 통과할 수 있는 통과홀을 형성하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온환경을 조성하기 위한 고압 수소가스 환경에서 재료의 취화거동에 미치는 온도영향 평가가 가능한 소형펀치 시험장치를 도시한 사시도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온환경을 조성하여 고압 수소가스 환경에서 재료의 취화거동에 미치는 온도 평가가 가능한 소형펀치 시험장치는 도 4에 도시된 바와 같이, 소형펀치 시험기(100), 단열용기(200), 온도측정기(300), 열전달기(400)를 포함하여 이루어지며, 열전달기(400)는 열선패드로 이루어진다.

상기 열선패드는 상기 시험장치의 상·하부다이 길이방향으로 감겨져 있고 열선이 포함되어 있으며 상기 열선의 전력 인입선은 상기 단열용기(200)에 통과홀에 의해 외부로 노출되어 외부에서 제어기의 온도조절모듈에 연결되는 것이 바람직하며 전류량 세기를 조절하여 목표치 온도로 설정이 가능하다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉매 또는 고온 열 매질을 순환시켜 저온 또는 다양한 가스수소 환경에서 재료의 취화거동에 미치는 온도 및 압력의 영향 평가가 가능한 소형펀치 시험장치를 도시한 사시도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉매 또는 고온 열 매질을 구리관을 통해 순환시켜서 저온 또는 고온 환경을 조성하여 고압 수소가스 환경에서 재료의 취화거동 평가용 온도가변 소형펀치 시험장치는 도 5에 도시된 바와 같이, 소형펀치 시험기(100), 단열용기(200), 온도측정기(300), 열전달기(400), 제어기(미도시), 냉매 및 열매질 순환 가압 펌프(미도시), 냉매 및 열 매질 공급장치(미도시)가 포함되어 이루어진다.

상기 열전달기(400)는 코일형 구리관이 포함되며 상기 소형펀치 시험기(100)의 상·하부다이(120,140) 길이방향으로 감겨져 있고 관속으로 냉매 및 열매질을 순환시켜 상기 상·하부다이(120,140)를 통한 전열을 통해 상기 시험편 온도가 설정온도에 도달하도록 제어하고, 상기 단열용기(200)에 통과홀에 의해 외부로 노출되어 외부에서 제어기에 의해 온도조절모듈에 연결되는 것이 바람직하다.

도 6은 상기 소형펀치 시험기(100)의 하부다이(140) 하단부에 연결되는 상기 튜브커넥터(P)가 양단 일측면에 용접처리부를 나타낸 확대도를 보여주고 있으며 이를 통해 저온으로 냉각 시 구성재료가 열팽창계수의 차이에도 불구하고 배관 피팅부를 타고 고압가스의 누설에 따른 압력저하 및 장시간 시험에 따른 가스 누출이 발생하지 않는 것이 가능하다. 용접처리는(MIG, TIG, 아크, 브레이징, 레이저 등)로 처리 가능하다.

여기서, 상기 튜브커넥터(P)는 일측이 나사부로 형성되어 피팅 체결할 수 있을 뿐만 아니라 일정한 길이를 갖거나 길이조절 가능한 튜브 형태로 상기 하부다이(140) 하측 양단 일측면에 삽입 후 용접 처리하여 고정함으로써 저온 냉각 및 고온 승온 시 열팽창계수 차로 인한 나사체결 피팅부에서 충전된 가스 기밀성이 떨어지는 것을 막을 수 있다. 상기 단열용기(200)에 의해 상기 상,하부다이(120,140)가 외부와 격리되었을때 상기 유량조절밸브, 상기 원터치커넥터, 상기 압력계이지는 상온으로 노출되게 구성하여 각각의 체결부가 온도차를 겪지 않도록 한다.

상기의 구성으로 필요 시 도 7에 도시된 바와 같이 상온보다 고온 또는 저온의 설정온도에서 장시간 동안 가압 상태의 고압가스수소에 상기 시험편을 노출시켜 장시간 유지시켜 상기 시험편에 수소장입 처리를 하여 취화시키는 것이 가능한 취화조 역할도 가능하다. 또한 복수개의 카트리지 구성으로 연결 및 분리 가능하게 함으로써 간편하게 휴대하여 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 고압 수소가스 환경에서 재료의 취화거동에 미치는 온도영향 평가가 가능하다.

상기의 구성을 바탕으로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고압 수소가스 환경에서 재료의 취화거동 평가용 온도조절 기능을 갖춘 소형펀치 시험장치를 사용함으로써 도 8에 도시된 바와 같이 소형펀치(SP, Small Punch) 시험을 통해 시험에 사용한 재질에 대한 하중-변위 선도를 도출할 수 있고 상기 하중-변위 선도의 아래 면적을 적분하여 파단시 흡수에너지에 해당하는 소형펀치(SP, Small Punch)에너지 값을 얻을 수 있고, 그 값을 시험온도에 대하여 도 9과 같이 도시할 수 있다.

또한 소형펀치 시험 후 회수한 시험편의 파단양상을 광학 및 주사전자현미경 관찰을 통해 도 10과 같이 확인할 수 있을 뿐만 아니라 이에 따른 연성-취성 천이거동을 파악하는 것이 가능하다.

또한 소형펀치 시험 후 회수한 시험편으로부터 압입 파단부에서의 잔존 두께를 니들형상 마이크로미터로 측정하여 도 11(a)와 같이 질소가스 또는 아르곤, 헬륨 등 비활성가스 환경하에서 시험한 경우의 시험편에 대하여 측정한 두께와 도11 (b)와 같이 가스수소 환경하에서 시험한 경우를 비교하여 수소취화에 따른 시험편의 두께감소율(reduction of thickness)과 상대 두께감소율(relative reduction of thickness: RRT)을 도출하여 RRT값을 내수소취화 재료 선별시 정량적 기준으로 설정하는 것을 가능하게 한다. 여기서 t_o는 SP시험전 시험편의 두께, t_f는 SP시험후 측정한 시험편 파단부의 두께를 각각 나타낸다.

이때 얻어지는 상대 두께감소율(relative reduction of thickness: RRT)은 아래 공식으로 구할 수 있다.

상기 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 수소취화 거동 평가에 있어서 다른 실시예가 가능하다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재 된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.

이상과 같이 본 발명은 다양한 가스수소 환경하에서 재료 취화거동의 정량적 평가가 가능한 소형펀치 시험장치를 제공하는 것을 기본적인 기술적인 사상으로 하고 있음을 알 수 있으며, 이와 같은 본 발명의 기본적인 사상의 범주내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.

100: 소형펀치 시험기
120: 상부다이
140: 하부다이
160: 펀치
162: 가압구
200: 단열용기
300: 온도측정기
400: 열전달기
T: 시험편
V: 유량조절밸브
G: 압력게이지

Claims

상·하부다이로 이루어진 지그 내부로 시험편이 고정되고, 시험편 하부로 가스가 충진되고 상부에 힘을 가하는 펀치가 포함되어 유입된 가스의 환경하에서 시험편을 수직하방으로 굽힘변형 시켜 측정하는 소형펀치 시험기;
상기 지그를 내부로 감싸도록 설치되는 단열용기;
상기 단열용기 내부에 연결되어 상기 단열용기 내부의 온도와 상기 시험편의 온도를 측정되는 온도측정기;
상기 지그 외주면에 설치되고 외부의 열전달수단에 의해 상기 시험편을 가열 또는 냉각시켜 열전달되게 하는 열전달기;
상기 시험편의 기설정된 온도에 맞게 상기 연전달기를 제어하는 제어기;가 포함된 것을 특징으로 하는 다양한 가스수소 환경하에서 재료 취화거동의 정량적 평가가 가능한 소형펀치 시험장치.
제1항에 있어서,
상기 열전달기는,
상기 지그 외주면에 권취되고 내부에 냉매 또는 열 매체가 순환되는 관을 포함되어 열전도에 의해 상기 시험편에 열전달 하는 것을 특징으로 하는 다양한 가스수소 환경하에서 재료 취화거동의 정량적 평가가 가능한 소형펀치 시험장치.
제1항에 있어서,
상기 열전달기는,
상기 지그 외주면에 권취되고 내부에 기화된 저온 냉매가스가 공급되어 상기 단열용기 내부로 분사되는 것을 특징으로 하는 다양한 가스수소 환경하에서 재료 취화거동의 정량적 평가가 가능한 소형펀치 시험장치.
제1항에 있어서,
상기 열전달기는,
상기 지그 외주면에 설치되는 열선으로 구성되어 상기 제어기에 의해 온도조절되는 것을 특징으로 하는 다양한 가스수소 환경하에서 재료 취화거동의 정량적 평가가 가능한 소형펀치 시험장치.
제1항에 있어서,
상기 단열용기 및 상기 하부다이를 관통하여 외부의 가스수소를 상기 하부다이에 공급되게 하는 튜브커넥터가 연결되고,
상기 튜브커넥터는 단부가 나사부로 형성되어 상기 단열용기 외부로 가스 공급측에는 유량조절밸브, 원터치커넥터가 체결가능하고, 배출측에는 압력게이지가 연결가능한 것을 특징으로 하는 다양한 가스수소 환경하에서 재료 취화거동의 정량적 평가가 가능한 소형펀치 시험장치.
제1항에 있어서,
상기 튜브커넥터는,
상기 하부다이에 하단부 양측면에 용접처리로 결합되어 저온 환경에서 고압가스 누설을 방지하는 것을 특징으로 하는 다양한 가스수소 환경하에서 재료 취화거동의 정량적 평가가 가능한 소형펀치 시험장치.