KR-20260061669-A - Specimen Thermo-couple Attachment Device for High-Temperature Mechanical Test

Abstract

본 발명은 고온 환경의 기계시험을 위한 시편에 열전대를 부착하기 위한 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시편을 고정하는 지그를 지지대로 활용하여 시편에 열전대를 부착시킨 고온 기계시험을 위한 시편 열전대 부착 장치에 관한 것이다.

Inventors

• 김재한
• 김수호
• 오동석
• 이강희
• 김효찬

Assignees

• 한국원자력연구원

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241028

Claims (8)

1. 열전대를 시편에 부착하기 위한 열전대 부착 장치에 있어서, 상기 열전대 부착 장치는, 상기 열전대의 단부가 시편의 외면에 맞닿도록 상기 열전대를 고정하는 열전대 고정부를 포함하며, 상기 열전대 고정부는 탄성 부재를 통해 상기 열전대의 단부를 상기 시편 측으로 가압하는 열전대 부착 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 열전대 부착 장치는, 상기 시편을 고정하는 지그 상에 고정되는 지그 고정부를 더 포함하고, 상기 열전대 고정부는, 상기 지그 고정부에 결합되는 열전대 부착 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 지그는, 상기 시편의 길이 방향 양측에 배치되어 상기 시편을 고정하도록 구성되며, 상기 열전대 부착 장치는, 상기 열전대 고정부가, 지그 고정부에서 길이 방향으로 이격되어 상기 시편의 외면에 인접하여 배치되도록 상기 지그 고정부와 상기 열전대 고정부를 연결하는 연결부를 더 포함하는, 열전대 부착 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 열전대 고정부는, 상기 시편에 인접하여 고정되는 몸체; 상기 몸체에 결합되되, 상기 열전대가 고정되고, 상기 시편 방향으로 슬라이드 가능하도록 구비되는 고정 슬라이더; 및 상기 몸체와 상기 고정 슬라이더 사이에 구비되어 상기 고정 슬라이더를 상기 시편 측으로 탄성 가압하는 탄성부재; 를 포함하는, 열전대 부착 장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 몸체는, 상기 고정 슬라이더의 폭 방향 양측에 결합되는 한 쌍의 제1 몸체; 상기 제1 몸체의 반경 방향 내측 단부를 연결하는 제2 몸체; 및 상기 제2 몸체의 반경 방향 외측 단부를 연결하는 제3 몸체로 구성되고, 상기 제2 몸체 상에는 상기 고정 슬라이더의 시편 측 단부가 관통되는 유출 측 관통부가 형성되고, 상기 제3 몸체 상에는 상기 고정 슬라이더의 시편 외측 단부가 관통되는 유입측 관통부가 형성되는, 열전대 부착 장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 고정 슬라이더는, 내부에 열전대가 관통하는 열전대 관통홀이 형성되며, 중앙에 위치한 슬라이더 몸체; 상기 슬라이더 몸체의 시편 측으로 연장 형성되는 열전대 유출부; 및 상기 슬라이더 몸체의 시편 외측으로 연장 형성되는 열전대 유입부를 포함하고, 상기 열전대 유출부의 단부에는 상기 시편에 맞닿는 상기 열전대의 단부가 유출되도록 열전대 유출홀이 형성되며, 상기 열전대 유입부의 단부에는 상기 열전대가 유입되는 열전대 유입홀이 형성되는, 열전대 부착 장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 슬라이더 몸체는, 상기 열전대 관통홀을 경유하는 열전대의 일부가 노출되도록 형성된 열전대 노출부; 및 상기 슬라이더 몸체와 나사 결합에 의해 조임 되어 머리부가 상기 열전대 노출부를 통해 노출되는 열전대에 밀착되어 열전대를 슬라이더 몸체 상에 고정시키는 고정수단; 을 포함하는, 열전대 부착 장치.
8. 제 4항에 있어서, 상기 탄성부재는, 상기 제3 몸체의 시편 측 내면과, 상기 고정 슬라이더의 시편 외측 외면 사이에 구비되는, 열전대 부착 장치.

Description

고온 기계시험을 위한 시편 열전대 부착 장치{Specimen Thermo-couple Attachment Device for High-Temperature Mechanical Test} 본 발명은 고온 환경의 기계시험을 위한 시편에 열전대를 부착하기 위한 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시편을 고정하는 지그를 지지대로 활용하여 시편에 열전대를 부착시킨 고온 기계시험을 위한 시편 열전대 부착 장치에 관한 것이다. 재료의 기계적 특성을 평가하는 다양한 기계시험 방법 중 인장시험은 재료의 항복강도, 인장강도, 탄성계수, 연신율 등을 파악하기 위한 시험 방법으로 시편을 지그에 고정한 후 축 방향 변형을 가하여 재료의 고유 물성을 평가하는 시험이다. 이때, 시편의 온도별 특성을 평가하기 위해서는 해당 시편을 가열로 내부에 거치하여 가열로를 통해 시편에 고온 환경을 제공한 상태에서 인장시험을 수행하게 된다. 이때 시편의 온도는 가열로 내 복사 및 대류 등으로 인하여 열로 설정 온도와 다르게 나타나기 때문에 반드시 시편에 열전대를 부착하여 시편의 정확한 온도를 측정하는 것이 중요하다. 열전대는 서로 다른 금속을 접속한 형태로 이루어지며 열전효과를 통해 정확한 온도를 측정하는 센서의 일종이다. 열전대는 형태, 금속 종류, 측정 범위, 허용오차 등에 따라 적용할 수 있는 다양한 종류가 제시된 바 있으며, 위와 같은 기계 시험에서는 와이어(wire) 타입 또는 쉬스(sheath) 타입 열전대를 주로 활용한다. 와이어 타입의 경우 시험 전 두 금속과 각각 연결된 한 쌍의 와이어 끝단을 시편에 용접해서 활용하며, 쉬스 타입의 경우 두 금속 와이어와 각각 연결된 한 쌍의 와이어가 튜브에 내장되며, 튜브의 끝단에 형성된 쉬스를 시편에 맞닿도록 고정하여 활용한다. 이러한 열전대를 시편에 부착하는 방법으로 금속 시편의 경우 와이어 타입의 열전대 끝단을 시편 표면에 점용접(spot welding)으로 녹여 접합시키는 방법이 공지된 바 있으나, 두 금속 와이어의 끝단을 용접시키기 위한 별도의 용접 장치가 필요하며, 용접 조건에 따라 시편에 손상을 줄 수 있으므로 용접 조건 설정에 주의가 필요하고, 또한 용접이 가능한 금속류의 시편에만 적용이 가능하여 적용이 제한적이고, 시험이 끝난 후 다음 사용 시 열전대 끝단(tip)을 잘라내서 새로 용접해야 하므로 열전대 와이어를 지속적으로 소모하게 되는 문제가 있다. 다른 예로 가열로 자체에 구비된 열전대 고정 장치(금속 튜브)를 활용하여 시편에 열전대를 접촉식으로 부착하는 방법이 공지된 바 있으나, 열전대 측정 장치가 설치된 별도의 가열로를 구매 또는 제작해야 하므로 기존 가열로 대비 고가이고, 시험하고자 하는 시편의 치수에 따라 적용이 불가한 문제가 있다. 또 다른 예로 와이어 타입 또는 쉬스 타입의 열전대를 시편 표면에 부착하기 위해 열전대 끝단을 단순히 철사와 같은 금속 고정 수단을 활용하여 시편에 권취하는 방법을 고려할 수 있으나, 열전대 자체가 금속이므로 자체 강성으로 인하여 철사 등으로 쉽게 고정시키거나 시편의 정확한 위치 및 표면에 닿도록 설치하기가 어렵고, 열전대를 고정하기 위한 재료(철사 등)도 시험 온도 등에 따라 사용이 제한되는 문제가 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대 부착장치의 전체사시도 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대 부착장치의 평면도 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대 부착장치의 측면도 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대 부탁장치(1000)의 후면도 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대 고정부의 평면도 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 슬라이더의 단면도 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대 부착장치의 지그 설치예를 나타낸 사시도 및 단면사시도 이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1에는, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대 부착장치(1000)의 전체사시도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 열전대 부착장치(1000)는, 시편(2000, 도 5 참조)을 고정하는 지그(3000, 도 5 참조) 중 시편(2000)의 일측을 고정하는 제1 지그(3100) 또는 시편(2000)의 타측을 고정하는 제2 지그(3200)에 고정되는 지그 고정부(100)와, 지그 고정부(100)에 결합되어 열전대(T)를 시편(2000)에 고정시키기 위한 열전대 고정부(200)와, 열전대 고정부(200)를 지그 고정부(100)로부터 시편의 길이 방향으로 일정거리 이격하여 결합시키기 위한 연결부(300)를 포함하여 구성될 수 있다. 위와 같은 구성을 통해 지그 고정부(100)를 제1 지그(3100) 또는 제2 지그(3200) 또는 제1 지그(3100)와 제2 지그(3200)에 각각 고정시킨 상태에서 열전대 고정부(200)를 통해 열전대(T)를 반경 방향 외측에서 유입 받아 반경 방향 내측으로 돌출되도록 고정하고, 열전대(T)의 단부를 반경 방향 내측으로 탄성 가압하여 열전대(T)의 단부가 시편(2000)의 외면에 맞닿아 고정된 상태를 유지할 수 있도록 구성된다. 이하 상기와 같은 구성을 갖는 열전대 부착장치(1000)의 세부 구성에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다. 도 2에는, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대 부착장치(1000)의 평면도가 도시되어 있고, 도 3에는, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대 부착장치(1000)의 측면도가 도시되어 있다. 또한 도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대 부탁장치(1000)의 후면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 지그 고정부(100)는, 내부에 지그(3000)가 삽입되도록 지그 삽입부(115)가 중공 형성된 링 형태의 제1 몸체(110)를 포함한다. 제1 몸체(110)의 둘레에는 제1 몸체(110)가 지그(3000)에 끼워진 상태에서 제1 몸체(110)를 고정시키기 위한 제1 고정수단(120)이 구비된다. 제1 고정수단(120)은 제1 몸체(110)의 측면에서 반경 방향 내측으로 나사 결합되는 고정볼트일 수 있다. 따라서 제1 고정수단(120)은 제1 몸체(110)와의 나사 결합을 통해 단부가 제1 몸체(110)의 내면에서 반경 방향 내측으로 돌출되도록 구성되며, 돌출 길이를 증가시켜 단부가 지그(3000)의 외면에 맞닿아 제1 몸체(110)를 지그(3000)에 고정시키도록 구성될 수 있다. 열전대 고정부(200)는 지그 고정부(100)의 둘레면에서 시편(2000)의 길이 방향 일측 또는 타측에 구비되되, 반경 방향을 따라 열전대가 끼워지도록 열전대 관통홀(225, 도 6 참조)이 형성될 수 있고, 반경 방향 외측에 형성된 열전대 유입홀(223a)에 열전대가 끼워져 반경 방향 내측에 형성된 열전대 유출홀(222a)을 통해 열전대의 단부가 열전대 고정부(200)의 반경 방향 내측으로 돌출되어 시편의 외면에 맞닿도록 구성된다. 이때 열전대 고정부(200)는 열전대를 고정시킨 상태에서 반경 방향 내측으로 열전대를 탄성 가압하여 열전대의 단부를 시편에 고정시킴에 그 특징이 있고, 이와 관련된 세부 구성은 도면을 참조하여 후술하기로 한다. 연결부(300)는 지그 고정부(100)로부터 열전대 고정부(200)를 길이 방향 일측 또는 타측에 일정거리 이격하여 고정시키기 위해 구성된다. 연결부(300)는 지그 고정부(100)의 일면에서 일측으로 돌출되며, 한 쌍이 지그 고정부(100)의 원주 방향을 따라 이격 배치되는 제1 연결부(310)와, 한 쌍의 제1 연결부(310)의 일측 단부를 연결하며, 일측에 열전대 고정부(200)가 거치되는 제2 연결부(320)를 포함하여 구성될 수 있다. 제2 연결부(320)와 열전대 고정부(200)는 체결볼트(290)를 통해 나사 결합될 수 있다. 도 5에는, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대 고정부(200)의 평면도가 도시되어 있고, 도 6에는, 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 슬라이더(220)의 단면도가 도시되어 있다. 이하 본 발명의 핵심 구성인 열전대 고정부(200)의 세부 구성에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 열전대 고정부(200)는 제2 몸체(210)와, 제2 몸체(210)에 결합되되 반경 방향을 따라 왕복운동 가능하도록 구비되는 고정 슬라이더(220)와, 고정 슬라이더(220)에 끼워져 고정 슬라이더(220)를 반경 방향 내측으로 가압하는 탄성부재(230)를 포함하여 구성될 수 있다. 제2 몸체(210)는 고정 슬라이더(220)의 폭 방향 양측에 결합되는 한 쌍의 제2-1 몸체(211)와, 제2-1 몸체(211)의 반경 방향 내측 단부를 연결하는 제2-2 몸체(212)와, 제2-1 몸체(211)의 반경 방향 외측 단부를 연결하는 제2-3 몸체(213)로 구성될 수 있다. 제2-2 몸체(212) 상에는 고정 슬라이더(220)의 반경 방향 내측에 형성된 열전대 유출부(221)의 단부가 관통되는 유출 측 관통부(212a)가 형성될 수 있고, 제2-3 몸체(213) 상에는 고정 슬라이더(220)의 반경 방향 외측에 형성된 열전대 유입부(222)의 단부가 관통되는 유입측 관통부(213a)가 형성될 수 있다. 고정 슬라이더(220)는 함체 상의 슬라이더 몸체(221)와, 슬라이더 몸체(221)의 반경 방향 내측에 돌출 형성되는 열전대 유출부(222)와, 슬라이더 몸체(221)의 반경 방향 외측에 돌출 형성되는 열전대 유입부(223)를 포함한다. 고정 슬라이더(220) 상에는 내부에 열전대가 관통하는 열전대 관통홀(225)이 형성되며, 열전대 유출부(222)의 단부에는 열전대의 단부가 유출되도록 열전대 유출홀(222a)이 형성되며, 열전대 유입부(223)의 단부에는 열전대의 유입되는 열전대 유입홀(223a)이 형성될 수 있다. 이때 슬라이더 몸체(221) 상에는 열전대가 관통된 상태에서 열전대를 고정 슬라이더(220)에 고정하기 위한 제2 고정수단(226)이 구비된다. 제2 고정수단(226)은 슬라이더 몸체(221)에 나사 결합되어 조임에 의해 열전대를 고정 슬라이더(220)에 고정시키는 통상의 고정볼트의 구성이 적용될 수 있다. 이를 위해 제2 고정수단(226)이 나사 결합되는 슬라이더 몸체(221) 상에는 열전대가 노출되도록 열전대 노출부(221a