새로운 급속소결방법인 고주파유도가열 소결법과 펄스전류활성 소결법을 이용하여 습식 볼밀링으로 혼합한 WC-8wt.%Co분말에 60MPa의 압력과 90%의 고주파출력 또는 2800A의 필스전류를 가하여 상대밀도가 98.6% 이상인 초경재료를 2분이내의 짧은 시간에 제조하였다. 초기의 WC분말의 입도가 미세해짐에 따라 고주파유도가열 소결법과 펄스전류활성 소결법 모두 소결시간이 단축되는 경향을 보였으며 그 소결체의 결정립 크기도 감소하였다. 고주파유도가열 소결법으로 제조된 초경합금의 WC 결정립 크기는 초기입도가 증가함에 따라 가각 410, 540, 600, 700 및 850nm으로 측정되었으며. 그 결과를 Fig. 1.에 나타내었다. WC의 초기입도가 $0.5{\mu}m$일 경우 고주파유도가열 소결법과 펄스전류활성 소결법으로 제조된 WC-8wt.%Co 소결체의 경도와 파괴인성은 각각 $1923kg/mm^2$과 $10.5MPa{\cdot}m^{1/2}$ 및 $1947kg/mm^2$과 $10.8MPa{\cdot}m^{1/2}$ 이었다.
본 논문에서는 유도 가열(Induction Heating)의 원리와 부하특성 및 등가회로를 해석하였고, Pspice를 이용하여 시뮬레이션을 수행하여 회로의 타당성을 검증하였다. 실험에서는 2[kW]의 공진형 인버터를 환류 다이오드가 내장된 IGBT 모듈로 제작하였다. 인버터의 스위칭 주파수는 $20{\sim}50[kHz]$ 대역에서 사용하였으며, 인버터의 출력제어는 위상전이(Phase shift)방식을 이용하였다. 본 논문에서 설계 제작한 풀브리지 공진형 인버터의 동작 특성 및 성능을 검증하여, 유도 가열을 이용한 알루미늄 박판 가열의 활용 가능성을 실험을 통하여 확인하였다.
KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 핵융합 실험 장치의 진공용기 및 진공용기 내부의 플라즈마 대향 부품들은 초고진공 (5$\times$10-9 Torr)의 달성을 위해 진공용기 내부의 이물질(H2, H2O, CO, CO2, CH4 등) 제거를 목적으로 SS316LN인 진공용기는 25$0^{\circ}C$, 탄소 물질인 플라즈마 대향부품은 35$0^{\circ}C$ 정도까지 가열(이하 베이킹)할 필요성이 있다. 이 가열방법으로 고온 질소가스를 진공용기 이중벽 사이로 흘려주는 방식과 코일에 저주파 교류전류를 흘려 진공용기를 유도가열하는 방식이 고려되고 있는데, 유도가열방식은 최대 유도 전력이 70kW 정도로 실제 베이킹에 필요한 열량을 공급하는데 있어 적잖이 부족하며 또 국부적인 가열 특성으로 인하여 KSTSR의 베이킹 방식은 전자의 가열방식을 우선적으로 채택하고 있다. 본 논문에서는 0-차원 해석을 통하여 진공용기와 플라즈마 대향 부품들에 대한 베이킹 계획을 결정하고 이를 만족시키기 위해 투입해야 할 열량을 직선적으로 증가하는 온도 곡선에서 각 부분의 온도 상승률을 다르게 설정한 세 경우와 F-자 형태로 변화하는 온도 곡선의 경우에 대해 각각 적용하여 시간에 따른 필요열량을 비교.검토하였으며, 이를 근거로 안정적인 베이킹 계획을 선정하였고 이 베이킹 계획의 실현을 위해 투입해야 할 고온 질소가스의 유량과 온도 도달시간까지 매 시간에서의 가스온도를 산출하였다. 토러스 형상의 토카막 진공용기와 플라즈마 대향 부품 및 다층단열재에 대한 해석 모델은 길이가 유한한 0-차원 실린더 모델로 가정하였고, 이에 대한 기하학적 성질 및 열역학적 성질은 유효계수를 고려하여 산출하였다. 진공용기 이중 벽 내부로 흐르는 질소가스의 유량과 온도의 계산은 진공용기 내벽과 외벽을 각각 독립적인 열전달 요소로 가정하여 구성한 모델을 이용하였다. 전체 해석에서 각 열전달 요소의 비열 값은 온도에 따라 변화하는 비열의 특성을 반영하였으며. 진공용기와 플라즈마 대향 부품의 방사율(emissivity)은 앞서 가정했던 각 온도 상승 곡선에 대해서 각각 0.1, 0.2, 1.3의 경우를 가정하여 계산하였다. 직선적으로 증가하는 온도 상승 곡선중 2$0^{\circ}C$/hr의 온도상승율을 갖는 경우가 다른 베이킹 시나리오 모델에 비해 효과적이라 생각되며 초대 필요 공급열량은 200kW 정도로 산출되었다. 실질적인 수치를 얻기 위해 보다 고차원 모델로의 해석이 필요하리라 생각된다. 끝으로 장기적인 관점에서 KSTAR 장치의 베이킹 계획도 살펴본다.
대두유와 면실유를 $160^{\circ}C,\;180^{\circ}C,\;200^{\circ}C\;및\;220^{\circ}C$에서 60시간 연속 가열하면서 이 때 일어나는 물리화학적 특성변화를 살펴보고 이들 간의 상관관계를 조사하였다. 가열시간이 경과함에 따라 산가, 카르보닐가, 요오드가, 점도, 중합체 함량은 증가하였고, 요오드가는 감소하였으며, 가열온도 $180^{\circ}C$ 이하에서는 이들의 변화가 낮았고, $200^{\circ}C$ 이상에서는 전체적으로 높게 나타났다. 점도와 산가 변화의 상관도는 대두유 0.9843, 면실유 0.9819이었고, 점도와 카르보닐가의 변화에서는 대두유 0.9779, 면실유 0.9797이었다. 점도와 요오드가의 변화에서는 대두유 0.9852, 면실유 0.9948로 나타났다. 이상의 결과는 튀김유의 가열산화에 있어서 점도의 변화를 측정함으로써 산가, 카르보닐가 및 요오드가의 변화를 비교적 정확하고 빠르게 예측할 수 있음을 시사하고 있다고 사료된다.
티타늄과 그 합금은 경량성, 우수한 기계적 성질 그리고 우수한 내식성 때문에 주요한 안경테 소재로 사용되고 있다. 본 연구에서는 티타늄 합금 홈선에 대하여 안경테 브레이징용으로 사용되고 있는 고주파유도가열 장치를 이용한 열처리 시간의 변화에 따른 경도 및 미세조직의 변화에 대하여 조사하였다. ${\beta}-Ti$ 합금은 고주파유도가열처리 시간의 증가에 따라 경도값의 감소가 나타났으며, 이는 열처리 시간의 증가에 따른 결정립의 조대화 때문인 것으로 생각된다. Ti-325 합금의 고주파유도가열처리에서는 2초까지는 경도값이 감소하였으나, 3초에서는 급격히 증가하였다. 이는 2초까지는 결정립의 조대화에 의한 경도값의 감소가 일어나지만, 3초에서는 미세한 ${\alpha}+{\beta}$ 상의 층상조직이 발달하였기 때문으로 판단된다.
휘발성유기화합물을 제거하기 위한 기존 촉매 시스템의 문제를 해결하고자 유도가열 촉매 시스템에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 3종류의 Ni계 상용촉매를 적용하였으며, 촉매 부피, 조성, 열처리 분위기, 코일 내 위치를 포함한 유도가열 반응 특성을 조사하였다. 촉매의 조성 및 부피는 유도가열 시스템에 의한 발열 및 톨루엔 산화 성능에 영향을 미쳤다. 특히 철이 첨가된 촉매는 99% 이상의 Ni로 구성된 촉매에 비해 높은 발열을 나타내었으나 낮은 톨루엔 산화 성능을 나타내었다. 또한 Ni계 촉매의 열처리에 있어 공기 분위기는 촉매의 성능을 급격히 저하시킨다. 유도가열 시스템에서 촉매는 코일 내 중심에 위치하는 것이 최적 조건으로 나타났다. 연구를 통해 도출한 최적의 조건에서 촉매를 7회 반복 실험하였으며, 유사한 성능을 확인하였다.
본 연구에서는 전자기-열 연동 모사를 기반으로 한 고주파 유도경화 해석방법을 제안하였다. 고주파 유도가열 해석 시 온도에 따른 재료의 물성치 변화 및 냉각 요소를 고려한 유한요소해석 및 이를 S45C 시편을 이용한 고주파 유도경화 실험결과와 비교하였다. S45C 시편을 마이크로 비커스를 사용하여 경도를 측정하여 경화깊이를 확인하였고 이를 유한요소해석 결과와 비교하였다. 고주파 유도가열 해석결과 온도는 S45C의 A2변태점인 $750^{\circ}C$도 이상 가열되었으며, 급랭 시 $200^{\circ}C$이하였다. 유한요소해석결과와 실험에 의한 경화깊이 차이는 0.2mm 수준인 것을 확인할 수 있었다.
유도가열의 경우 고효율, 자동화, 에너지절약, 적정온도제어 등을 하기 때문에 작업환경의 개선 및 접근성에 대한 많은 이점이 있어 널리 이용되고 있다. 최근 공진특성을 이용한 고효율화를 이룬 전력변환기에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 공진을 이용한 유도가열의 경우 인덕턴스와 커패시턴스의 공진점을 추출해야하는데 작업자의 환경이나 코일의 재질 등이 균일하지 않으므로 매번 공진점을 추종해야하는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 자동으로 공진점을 추적하는 알고리즘을 제안하였고 실험을 통하여 이를 검증하였다.
고주파유도가열 연소합성법으로 60MPa의 기계적 압력과 고주파유도가열 장치의 총용량 (15KW)의 90%의 출력을 가해 75초의 짧은 시간에 97%이상의 상대밀도를 갖는 $TaSi_2-SiC$ 복합체를 제조하였으며, 제조된 시편의 미세조직 사진으로부터 선형분석법으로 측정한 $TaSi_2-SiC$ 의 평균 결정립크기는 각각 250nm 과 60nm 이었다. 또한 제조된 시편을 연마하여 비커스 경도계를 이용하여 기계적 특성평가를 한 결과 경도 와 파괴인성은 각각 $1366Kg/mm^2$ 와 $305MPam^{1/2}$ 이었다.
전력용 변압기에 아크나 코로나가 발생하여 국부가열이 존재하면 절연유나 절연지가 분해하여 저분자의 탄화수소, 수소, 탄화가스, 일산화탄소 둥이 발생하여 절연유에 용해된다. 절연유에 용해된 가스를 실시간 분석하여 변압기의 이상을 조기에 발견하여 운전의 효율성을 높이고 고장을 사전에 예방하기 위한 기술이 전개되고 있다. 경제적인 측면에서 단일 수소가스 검출센서가 널리 보급되어 실용화되고 있는 실증이다. 이 논문에서는 전력용 변압기의 국부적 고온인 경우의 가열온도, 가열시간 및 방전에 대하여 수소가스 주도형 센서의 응답특성에 관하여 고찰하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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