KR102370214B1

KR102370214B1 - 감소된 시편 온도 구배를 위한 공기 흐름 다이버터

Info

Publication number: KR102370214B1
Application number: KR1020167035882A
Authority: KR
Inventors: 바이런 존 사리; 폴 에릭 메이바움
Original assignee: 엠티에스 시스템즈 코포레이숀
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2015-06-08
Publication date: 2022-03-04
Anticipated expiration: 2035-06-08
Also published as: US20150355057A1; EP3152544B1; JP6650887B2; AU2015269095A1; WO2015188184A1; CN106461521B; CN106461521A; US10180379B2; AU2015269095B2; CA2951378A1; JP2017518499A; EP3152544A1; KR20170015932A; CA2951378C

Abstract

환경 챔버(104)는 마주보는 벽(106)들을 갖는 엔클로저를 포함하되, 각 벽(106)은 통과하는 테스트 시편 지지체(111)를 수용하기 위한 치수의 개구(108)를 갖는다. 개구(108)들은 기준 축(107)을 따라서 서로 정렬된다. 강제 공기 공급원(1204)은 엔클로저 내에서 기준 축(104)과 교차하기 위한 방향으로 공기를 강제 공급하도록 구성된다. 다이버터(300; 400; 700)는 강제 공기 공급원(1204)과 기준 축(107) 사이에 위치된다. 다이버터(300; 400; 700)는 강제 공기를 수용하도록 그리고 기준 축(107)의 다른 부분들을 지난 공기 흐름을 제어하도록 구성된다. 환경 챔버(104)는 마주보는 개구(108)들 내로 연장된 테스트 시편 지지체(111; 1020; 1021)를 갖는 로드 프레임(104)과 함께 사용된다. 테스트 시편(102; 1011) 내의 선택된 온도 구배를 유지하기 위하여 테스트 시편(102; 1011)의 적어도 한 부분에서보다 테스트 시편 지지체(111; 1020; 1021)의 부분들 각각에서 더 많은 공기를 향하게 하는 방법이 또한 제공된다.

Description

감소된 시편 온도 구배를 위한 공기 흐름 다이버터{AIRFLOW DIVERTER FOR REDUCED SPECIMEN TEMPERATURE GRADIENT}

하기의 설명은 단지 일반적인 배경 기술 정보를 위하여 제공되며 그리고 청구된 본 발명의 범위를 결정하는 것을 돕는 것으로 사용되는 것은 아니다.

폴리머 그리고 금속 재료 상에서 수행되는 일반적인 테스트는 주기적인 또는 단조로운 적용 응력을 수반한다. 이 테스트는 흔히 시편에 인장력 및/또는 압축력을 가한다. 제한이 아닌 단지 한 예로서, 시편은 개뼈(dog bone) 또는 원통형 형상 등의 인장 및 압축 시편을 포함한다. 시편을 유지하기 위한 그립핑(gripping) 메커니즘은, 제한이 아닌 단지 한 예로서, 인장 그립(tensile grips), 압축 플랜턴(compression platens), 지 작용 그립(wedge action grips), 이중 랩 전단 그립과 같은 전단 그립(shear grips), 테어링 에너지 그립(tearing energy grips), 굽힘 픽스쳐(bend fixtures) 등을 포함할 수 있다. 테스트는 흔히 로드 프레임(load frame) 내에서 수행되며, 여기서 로드 프레임은 테스트 하의 시편을 특별한 열 환경에 노출시기 위하여 사용된 환경 챔버(environmental chamber)를 갖는다. 온도는 보통 제어되며 그리고 일반적으로 테스트 동안에 달라진다. 시편 상에 여기 움직임(또는 가진력)을 부여함에 의하여 그리고 시편의 합성력(또는 움직임) 응답을 측정함에 의하여 재료의 기계적인 특성이 평가된다.

여기 입력에 대한 응답 출력의 관계로부터 시편 재료의 특징이 유도될 수 있다. 폴리머를 위한 대부분의 이론적인 모델은 주파수, 온도 그리고 진폭에 의존하는 응답을 예견한다. 대부분의 실험적 테스트는 달라지는 주파수, 온도 그리고 진폭의 함수로서의 응답을 보여준다. 하나의 이러한 예가 폴리머 재료의 동적 탄성 계수, 예를 들어 동적 기계적 분석(DMA)을 위한 저장 탄성률 및 손실 탄성률의 측정이다. 특별한 폴리머 테스트의 경우, 기계적 특성(동적 탄성 계수)이 매우 온도 의존적이기 때문에 기계적 측정 동안에 테스트 하의 시편이 균질적인 그리고 안정적인 온도에 있는 것이 중요하다. 이 열적 환경이 반복 가능한 그리고 일관된 실험적 데이터를 얻는데 있어 필수적이다.

이 요점 및 요약서는 본 상세한 설명에서 이하에서 더 설명되는 간단한 형태의 개념의 선택을 소개하기 위해 제공된다. 이 요점 및 요약은 청구된 본 발명의 주요 특징 또는 필수 기능을 식별하도록 의도된 것이 아니며, 또한 청구된 본 발명의 범위를 결정하는 데 도움을 주는 것으로 사용되지 않는다. 청구된 본 발명은 배경 설명에서 언급된 어떠한 또는 모든 단점을 해결하는 실행에 제한되지 않는다.

본 발명의 양태는 마주보는 벽들을 갖는 엔클로저를 갖는 환경 챔버를 포함하며, 여기서 각 벽은 벽을 통과하는 테스트 시편 지지체를 수용하기 위한 치수의 개구를 갖는다. 개구들은 기준 축을 따라서 서로 정렬된다. 강제 공기 공급원은 엔클로저 내에서 기준 축과 교차하기 위한 방향으로 공기를 강제 공급하도록 구성된다. 다이버터는 강제 공기 공급원과 기준 축 사이에 위치된다. 다이버터는 강제 공기를 수용하도록 그리고 기준 축의 다른 부분들을 지난 공기 흐름을 제어하도록 구성된다. 환경 챔버는 마주보는 개구 내로 연장된 테스트 시편 지지체를 갖는 로드 프레임과 함께 사용된다.

본 발명의 다른 양태는 지지 구조체; 지지 구조체에 연결된 액추에이터; 및 지지 구조체와 액추에이터에 연결되며 그리고 지지 구조체와 액추에이터 사이에서 테스트 시편을 유지하도록 구성되되, 각각은 테스트 시편의 부분을 유지하도록 구성된 테스트 시편 지지체를 포함하는 1쌍의 테스트 시편 지지체를 갖는 로드 프레임이다. 로드 프레임은 위에서 설명된 바와 같은 환경 챔버를 포함하며, 각 개구는 벽을 통과하는 테스트 시편 지지체 중 하나를 수용하는 칫수로 이루어진다.

환경 챔버, 로드 프레임 그리고 위의 방법은 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

다이버터는 각 개구로부터 이격된 기준 축의 안쪽 부분에서 공기 흐름을 감소시키도록 그리고 기준 축의 이격된 부분에서 공기 흐름을 증가시키도록 구성될 수 있으며, 각각의 이격된 부분은 안쪽 부분과 한 개구 사이에 위치된다. 다이버터는 기준 축의 이격된 부분 각각을 향하여 공기 흐름 방향을 바꾸게 하기 위한 표면들을 포함할 수 있으며, 이 표면 각각은 공기 흐름에 대하여 경사지게 향할 수 있다.

공기 흐름을 기준 축의 각 원격 부분을 향하도록 다이버터는 관통하는 제1의 하나 이상의 개구 그리고 필요하다면 공기 흐름을 기준 축의 안쪽 부분을 향하도록 구성된 관통하는 제2의 하나 이상의 개구를 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 제2의 하나 이상의 개구는 한 쌍의 제1 개구 사이에 배치된다. 제1의 하나 이상의 개구 및/또는 제2의 하나 이상의 개구 각각은 하나 이상의 평평한 부재 상에 배치될 수 있으며, 여기서 평평한 부재(들)은 기준 축에 경사지게 또는 기준 축에 평행하게 향한다.

다른 실시예에서, 다이버터는 기준 축으로부터 선택된 거리를 두고 다이버터를 조정 가능하게 고정하도록 구성된 장착부를 포함한다. 다이버터는 엔클로저 내로 강제 공기를 제공하는 제3 개구 또는 유입구(즉, 강제 공기 지지체를 위한 배출구)와 이격된 관계에 있는 엔클로저 내에 장착될 수 있다. 다른 실시예에서, 제3 개구의 적어도 부분을 덮기 위하여 다이버터는 장착될 수 있으며, 여기서 제3 개구는 길이 조정 가능한 도관 상에 배치될 수 있으며 그리고 강제 공기를 운반하도록 구성될 수 있다.

또 다른 양태는 지지 구조체 및 액추에이터를 갖는 로드 프레임을 이용한 부하 또는 변위의 적용 동안에 테스트 시편의 선택된 온도 구배를 유지하는 방법이며, 이 방법은 기준 축 상에 테스트 시편을 유지하기 위하여 액추에이터와 지지 구조체에 작동적으로 연결된, 대응하는 개구를 통하여 환경 챔버 내로 연장된 부분을 각각 갖는 한 쌍의 테스트 시편 지지체로 환경 챔버 내에서 테스트 시편을 지지하고; 챔버 내로 강제 공기를 공급하며; 그리고 테스트 중에 테스트 시편을 가로지르는 온도 구비를 제어하기 위하여 테스트 시편의 적어도 부분에서보다 테스트 시편 지지체의 각 부분에서 더 많은 공기를 향하게 하는 것을 포함한다.

한 실시예에서, 테스트 시편의 적어도 한 부분에서보다 테스트 시편 지지체의 각 부분에서 더 많은 공기를 향하게 하는 것은 공기 흐름을 제어하기 위하여 다이버터를 이용하는 것을 포함한다. 본 방법은 환경 챔버 내에서 다이버터의 위치를 조절하는 것을 또한 포함할 수 있으며 그리고/또는 위에 설명된 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

도 1은 가열된 공기 흐름을 갖는 로드 프레임의 블록도.
도 2는 냉각된 공기 흐름을 갖는 로드 프레임의 블록도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다이버터의 사시도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이버터의 사시도.
도 5는 본 발명의 다이버터가 사용 가능한 실시예의 블록도.
도 6은 본 발명의 다른 다이버터가 가용 가능한 실시예의 블록도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다이버터의 평면도.
도 8은 본 발명의 다이버터가 사용 가능한 실시예의 블록도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이트된 최대 및 최소 시편 온도의 그래프.
도 10은 환경 챔버를 갖는 로드 프레임의 사시도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 환경 챔버의 부분의 사시도.
도 12는 도 11의 선 12-12를 따라 절취한 상태의 도 11의 평면도.
도 13은 도 11의 선 13-13을 따라 절취한 상태의 도 11의 평면도.
도 14는 환경 챔버의 사시도.

도 1에서 도면 부호 "100"으로 개략적으로 지시된 로드 프레임(load frame)이 도 10에 더욱 상세하게 도시된다. 로드 프레임(100)은 일반적으로 도면 부호 "102"로 개략적으로 도시된 테스트 시편을 로딩하기 위하여 사용된다. 시편(102)은 한 쌍의 종단 벽(106)을 갖는 엔클로저(enclosure)를 형성하는 환경 챔버(104)의 내부에 위치된다. 여기서 종단 벽은 개구(108)를 가지며 연장 지지 조립체(110)는 이 개구를 통하여 연장된다. 챔버(104)는 어떠한 원하는 방식으로 로드 프레임(100)에 관하여 지지된다. 여기서 챔버가 지지되는 상세한 구성은 본 발명에 관련되지 않는다. 연장 조립체(110)들은 여기 운동 입력부(112; excitation motion input)와 힘 변환기(114; force transducer) 사이의 부하 경로 내에서 시편(102)을 지지하며, 각 연장 조립체는 전형적으로 위에서 설명된 바와 같은 그리고 개략적으로 도시된 그립핑 메커니즘(113)에 연결된 테스트 시편 지지체(111)를 포함한다. 이러한 여기 움직임 입력부, 힘 변환기 그리고 테스트 시스템(100) 내에서의 그들의 상대적인 위치는 사용된 특정 테스트 시스템에 따라서 달라질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 모든 양태는 공지되어 있으며, 그의 세부 사항은 본 발명과 관련되지 않는다.

도 10을 참고하면, 전체적으로 도면 부호 100으로 지시된 로드 프레임이 개략적으로 도시되며 그리고 도면 부호 1011로 개략적으로 도시된 테스트 시편을 로딩하기 위하여 사용된다. 시편(1011)은 한 쌍의 마주보는 종단 벽(1013)을 갖는 엔클로저를 형성하는 환경 챔버(1012)의 내부에 위치한다. 챔버(1012)는 다른 엔클로저(1017) 내에 배치될 수 있다. 챔버(1012)는 어떠한 원하는 방식으로 로드 프레임(100)에 관하여 지지된다. 여기서 챔버가 지지되는 상세한 구성은 본 발명에 관련되지 않는다. 도시된 바와 같이, 로드 프레임(100)은 베이스(1014), 한 쌍의 수직 컬럼(1015) 그리고 크로스 헤드(1016)를 갖는 지지 구조를 갖는다. 크로스 헤드(1016)는 본 발명의 양태를 갖는 테스트 시편 지지체(1012)를 지지한다. 동일하지 않을 경우, 유사한 테스트 시편 지지체(1021)가 환경 챔버(1012)의 하단에 도시된다. 도시된 실시예에서, 테스트 시편 지지체(1021)는 베이스(1014) 내에 위치된 액츄에이터(도면 부호 1019로 개략적으로 지시됨)에 결합한다. 이러한 액추에이터는 공지된 요소이며, 그의 세부 사항은 본 발명과 관련되지 않는다. 일반적으로, 액추에이터(1019) 그리고 지지 구조체는 테스트 시편 지지체(1020, 1021)를 이용하여 테스트 시편(1011)에 부하 또는 변위를 인가하도록 구성된다. 인가된 부하를 측정하기 위하여 로드 셀(1018)이 보통 제공된다.

이 시점에서, 이러한 부하가 테스트 시편 지지체(1020 및 1021)를 통하여 가해지기 때문에 부하가 가해질 때 본 발명의 양태가 특별하게 유리할지라도 본 발명의 양태는 예시적인 실시예의 로드 프레임(100)에 제한되는 것이 아니며 또한 본 발명의 양태는 테스트 시편(1011)에 단지 부하를 인가하는 것에 제한되지 않는다는 점이 주목되어야 한다.

테스트 시편(1011)의 특성을 나타내는 측정값을 얻기 위하여 환경 챔버가 일반적으로 사용되어 테스트 시편(1011)이 고온 또는 저온 환경을 받도록 한다. 테스트 시편 지지체(1020 및 1021)의 적어도 부분이 또한 테스트 시편과 동일한 또는 유사한 환경을 겪기 때문에 고온 또는 저온 환경을 겪을 때 테스트 시편 지지체(1020 및 1021; 예를 들어, 개략적으로 도시된 조립체(110)와 같은 연장 조립체)는 만족스럽게 수행하여야 한다. 로드 프레임(100)과 같은 로드 프레임의 경우, 테스트 시편 지지체(1020 및 1021)는 테스트 시편(1011)에 부하를 전달하거나 부하를 가하며, 따라서 테스트 시편 지지체(1020 및 1021)가 또한 고온 또는 저온 환경에서 작동하는 중에도 시편 지지체는 이 부하를 가해야 한다.

연장 조립체(110) 또는 지지체(111)는 재료 테스트 분야에서 잘 알려진 테스트 시편 그립(grip)의 부분이다. 테스트 시편의 종단을 유지하기 위하여 사용된 메커니즘은 많은 공지된 형태를 취할 수 있으나, 변위 가능한 웨지(wedge) 및 클램핑 콜릿(collet)에 제한되지는 않는다. 다른 형태의 테스트 시편 지지체는 미국특허 제5,095,757호 및 제5,945,607호에 도시되어 있으며, 이는 본 명세서에서 그 전체가 참고 문헌으로 포함된다. 이 형태 그리고 다른 형태의 테스트 시편 수용기(receiver)는 본 명세서에서 설명 및/또는 도시된 본 발명의 양태와 함께 사용될 수 있다.

테스트 시편(102)의 특성을 나타내는 측정값을 얻기 위하여 환경 챔버가 일반적으로 사용되어 테스트 시편(102)이 고온 또는 저온 환경을 받도록 한다. 연장 조립체(110)의 적어도 부분이 또한 테스트 시편(102)과 동일한 또는 유사한 환경을 겪음에 따라, 연장 조립체(110)의 열적 특성이 또한 측정값을 얻는 요인이다.

시편(102)과 같은 시편의 온도를 변경하기 위해서, 챔버(104)와 같은 열 챔버는 전형적으로 시편(102) 및 시편 부착 영역을 가로질러 향하는 챔버(104) 내에서의 가열 또는 냉각 공기의 강제 공기 흐름을 이용하였다. 전형적인 폴리머를 위한 온도 범위가 -150 내지 350℃ 범위(그러나, 이 범위에 제한되지는 않음) 내에 있기 때문에 그리고 테스트 동안에 많은 다른 온도가 사용될 수 있음에 따라 신속한 온도 변화가 바람직할 수 있다. 강제 대류는 일반적으로 자연 대류 동안에 이용되며 그리고 강제 대류 환경 챔버는 시편 온도를 신속하게 제어하기에 가장 적용 가능한 가열/냉각 장치이다.

연장 조립체(110)는 기준 축(107)을 한정하고, 연장 조립체(110)의 적어도 부분, 예를 들어 테스트 시편 지지체(111)를 포함하며 환경 챔버(104) 내에 있는 부하 경로의 부분이며, 그리고 연장 조립체(110)를 위하여 높은 강성 및 낮은 질량이 바람직하다. 높은 강성, 낮은 질량 설계 제약은 흔히 특히 테스트 하에서 시편(102)에 관하여 높은 열 전도율과 비교적 낮은 열 대류 속도를 갖는 연장 조립체(110)를 위한 재료 및 기하학적 구조 선택으로 이어진다. 연장 조립체(110)는 환경 챔버(104) 내부에서 환경 챔버(104) 밖의 부품으로의 전도성 열 전달 경로가 되며, 이는 원하는 시편 온도 및 환경 챔버 공기 온도와 다른 일부 온도에서 가장 빈번하게 발생한다. 반대로, 시편은 보통 연장 조립체(110)에 대하여 높은 열 대류율 그리고 비교적 낮은 열 전도율을 갖는 폴리머 재료이다. 더욱이, 시편 직경은 또한 일반적으로 연장 조립체(110)의 직경보다 작으며, 이는 시편 부분을 위하여 더 높은 대류 열전달을 야기한다.

환경 챔버 내로 연장된 연장 조립체(110)는 테스트될 시편(102)과 동일한 환경 조건을 겪는다. 연장 조립체의 온도를 제어하는 전형적인 방법은, 연장 조립체를 통하여 냉각된 또는 가열된 물 또는 공기를 나아가게 하는 것과 같은, 유체를 냉각 또는 유체를 가열하는 것을 포함한다. 유체 냉각/가열로부터의/유체 냉각/가열로의 열 추출(heat draw)은 매우 큰 온도 구배로 이어질 수 있다. 또한 환경 챔버의 내에서의 유체 냉각 또는 가열은 실행하기 매우 어려울 수 있다. 유리한 실시예에서, 챔버 내의 대류 공기 흐름 또는 내부 전도 열 흐름에 의한 것을 제외하고는 본 명세서에서 설명된 연장 조립체(110)는 냉각 또는 가열되지 않는다. 즉, 환경 챔버 내로 연장하는 연장 조립체(110) 또는 지지체(111)는 어떠한 추가적인 가열 또는 냉각 시스템 또는 특징을 포함하지 않으며, 그로 인하여 더욱 간단한 지지체가 이용될 수 있기 때문에 현저한 비용 절감을 제공한다.

환경 챔버(104) 내의 높은 열 환경의 경우에, 공기 온도는 시편의 온도보다 항상 높다. 따라서 도 1에 도시된 바와 같이 공기 흐름으로부터의 모든 대류 열전달은 시편(102)으로 그리고 연장 조립체(110)로 이루어진다. 도 1에서 더 긴 길이의 화살표는 더 높은 열 전달률을 나타낸다. 구체적으로, 수평 화살표는 대류 열전달을 나타내며, 그리고 수직 화살표는 전도 열전달을 표현한다. 화살표 116에 의하여 지시된 강제 고온 공기는 화살표 118로 지시된 바와 같은 시편(102)으로의 대류 열전달을 야기하며, 그리고 화살표 120에 의하여 지시된 바와 같은 연장 조립체(110) 내로의 대류 열전달을 야기한다. 시편(102)으로의 전도 열전달은 화살표 122에 의하여 지시되며, 그리고 연장 조립체(110) 내에서의 도전 열전달은 화살표 124에 의하여 지시된다. 모든 전도성 열전달은 연장 조립체(110)를 통하여 챔버(104) 밖으로 이어진다. 이 실시예를 위한 열 흐름은 강제 고온 공기로부터 시편(102)과 연장 조립체(110)로, 그리고 시편(102) 에서 연장 조립체로, 그리고 그후 챔버(104) 밖으로이다.

환경 챔버(104) 내의 차가운 온도 환경의 경우에, 공기 온도는 항상 시편 온도보다 낮다. 따라서 공기 흐름으로부터의 모든 대류 열전달은 도 2에 도시된 바와 같이 시편 밖으로 그리고 연장 조립체 밖으로이다. 도 2에서 더 긴 길이의 화살표는 더 큰 열 전달률을 지시한다. 구체적으로, 수평 화살표는 대류 열전달을 지시하며, 그리고 수직 화살표는 전도 열전달을 나타낸다. 화살표 116에 의하여 지시된 강제 저온 공기는 화살표 218로 지시된 바와 같은 시편(102)으로부터의 대류 열전달을 야기하며, 그리고 화살표 220에 의하여 지시된 바와 같은 연장 조립체(110)로부터의 대류 열전달을 야기한다. 시편(102) 내의 전도 열전달은 화살표 222에 의하여 지시되며, 그리고 연장 조립체(110) 내의 도전 열전달은 화살표 224에 의하여 지시된다. 모든 전도성 열전달은 연장 조립체(110)를 통하여 챔버(104) 내로 이어진다. 이 실시예를 위한 열 흐름은 챔버(104)의 외부로부터 연장 조립체(110)로, 연장 조립체(110)로부터 시편(102) 내로 그리고 시편(102)과 연장 조립체(110) 밖에서 챔버(104)이다.

연장 조립체(110)와 시편(102)의 전형적인 다른 열적 특성(thermal quality) 그리고 연장 조립체(110)와의 접촉으로부터 시편(102)으로 또는 시편 밖으로의 전도 열전달 때문에, 대류 공기 흐름장(airflow field)의 존재 하에서 시편 내에서의 균일한 온도 구배를 얻는데 어려움이 있을 수 있다. 시편(102) 내의 높은 대류 열전달과 조합된 비교적 낮은 열 전도성으로 인하여 시편(102)의 중앙 부분은 가열된 환경에서 핫 스폿(hot spot)을 형성할 수 있다 (도 1). 가열된 환경에서 연장 조립체(110)의 높은 열 전도성은 조립체(110)를 (적어도 시편(102)에 대하여) 상대적으로 차갑게 유지시키며 그리고 시편(102)에서 조립체(110)로 흐르는 열 에너지를 위한 히트 싱크(heat sink)를 생성한다. 공기에서 연장 조립체(110)로의 대류 열의 부족이 또한 조립체(110)를 시편(102)에 대하여 더 낮게 유지시키기 때문에 전형적인 금속 조립체(110)의 비교적 낮은 대류 열전달 계수는 시편(102) 내의 열 구배 문제를 더 악화시킬 수 있다. 차가운 환경에서 시편 내에서 균일한 온도 구배를 얻는데 유사한 어려움이 있다는 것이 발견되었다 (도 2).

한 실시예에서, 다이버터(diverter)가 강제 공기 흐름 경로 내에 위치되어 가열된 또는 냉각된 공기의 적어도 일부를 시편(102)의 (기준 축(107)의 안쪽 부분과 일치하는) 중앙 영역에서 (기준 축(107)의 안쪽 부분에서 이격된 기준 축(107)의 원격 부분에 각각 위치된) 연장 조립체(110)로 방향을 전환시킨다. 다이버터의 다양한 실시예가 시편 영역 내에서 대류 열전달 계수를 감소시키며, 이는 예를 들어 시편(102)의 중심에서의 핫 스폿을 감소시킨다. 이 감소된 핫 스폿은 시편 수직 부분에 걸친 보다 적은 극단적인 온도 구배를 허용한다.

다이버터(300 및 400)의 예시적인 실시예들이 도 3 및 도 4에 각각 도시된다. 다이버터(300)가 도 3에서 사시도로 도시된다. 다이버터(300)는 분기되는 방식으로 지 정점(304)에서 연장된 지 벽 또는 표면(302)을 갖는 지 형상을 갖는다. 다이버터(300)는 정점(304)에서 멀리 떨어진 지 벽(302)의 종단(308)에서 실질적으로 서로 평행하게 연장된 레그(306)들을 가질 수 있다. 한 실시예에서의 레그(306)는 반원형 컷아웃(310)을 가져 시편을 향하는 공기 흐름을 줄이거나 방지한다. 필요하다면, 컷아웃(310)의 형상은 시편(102)의 외부 표면의 형상과 유사할 수 있다. 도 5에서는 다이버터(300)가 공기 흐름 경로 내에 위치되어 있음을 도시하며, 여기서 표면(302)은 공기 흐름 또는 기준 축(107)에 비스듬하게 향한다.

도 5를 참고하면, 공기 흐름(116)의 흐름 경로 내에 위치된 다이버터(300)는 시편(102)에서의 국부적인 공기 흐름의 양을 줄임에 의하여 시편 영역 내, 특히 그의 중심에서의 열전달을 감소시킨다. 대류 열전달 계수가 공기 흐름의 양에 비례하기 때문에, 보다 적은 양의 공기 흐름은 더 낮은 열전달 계수를 야기한다. 강제 공기 흐름(116)은 시편(102)의 중심에서 떨어진 지점(502)에서 그리고 연장 조립체(110)를 향하여 방향이 바뀌어진다. 이는 실질적으로 시편(102)의 대류 가열의 양을 감소시키며 그리고 연장 조립체(110), 특히 시편(102)에 가장 가까운 연장 조립체(110)의 영역(504)에서의 대류 가열을 증가시킨다. 다이버터(300)를 갖지 않은 테스트 환경과 비교할 때 연장 조립체(110)의 온도를 증가시키기 위하여 이 부가적인 공기 흐름은 시편(102)에 관하여 조립체(110)의 비교적 더 높은 열전도성을 보상하며, 그리고 연장 조립체(110)를 시편(102)의 온도에 더 가까운 온도로 만들고 그리고/또는 유지하여 시편(102)과 연장 조립체(110) 간의 온도 구배를 줄임에 의하여 시편(102)에서 연장 조립체(110)로의 전도 열 흐름을 감소시키며, 그리고 그 결과 시편 내에서의 온도 구배를 감소시킨다.

다이버터(400)가 도 4에서 사시도로 도시된다. 다이버터(400)는 다이버터(300)의 지 형상과 유사한, 지 정점(404)에서 연장된 분기되는 지 벽(402)을 갖는 지 형상을 갖는다. 한 실시예에서, 다이버터(400)는 각 벽(402) 내에 다수의 개구를 갖는다. 개구는 웨지 정점(404)에 가장 가까운 영역(406)에서 가장 작으며 그리고 개구가 웨지 정점(404)에서 더 멀수록 개구(408, 410 및 412)는 더 넓도록 (예를 들어, 점차적으로) 증가한다. 4개의 개구 열이 도시된 반면에, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 더 큰 또는 더 많은 수의 개구 열(또는 다른 개구의 패턴)이 이용될 수 있다. 또한, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예에서의 개구는 동일한 치수의 개구의 다수 열을 가질 수 있다. 도 6에서 다이버터(400)가 공기 흐름 경로 내에 위치되어 있음을 도시한다.

도 6을 참고하면, 공기 흐름(116)의 흐름 경로 내에 위치된 다이버터(400)는 다이버터(300)와 관련하여 위에서 설명된 방식과 유사한 방식으로 시편(102)에서의 국부적인 공기 흐름 속도를 줄임에 의하여 시편 영역 내에서의 열전달을 감소시킨다. 대류 열전달 계수가 공기 흐름의 속도에 비례하기 때문에, 보다 낮은 공기 속도는 더 낮은 열전달 계수를 야기한다. 강제 공기 흐름(116)은 시편(102)의 중심에서 떨어진 지점(502)에서 그리고 연장 조립체(110)를 향하여 방향이 바뀌어진다. 지 정점(404)으로부터 레그(402)를 더 아래로 내림으로서 도면 부호 602에서 지시된 바와 같이 개구(406, 408, 410, 및 412)는 강제 공기 흐름(116)에서 시편(102)까지 증가하는 공기 흐름의 양을 허용하며, 도면 부호 606에서 지시된 바와 같이 연장 조립체(110)에 가장 가까운 시편(102)의 종단 근처에서 대류열은 더 커진다. 다이버터(400)가 없는 테스트 환경과 비교할 때 이 부가적인 공기 흐름은 시편(102)의 중심(604)에서 시편의 대류열의 양을 줄이기 위하여 시편(102)에 대한 조립체(110)의 상대적으로 더 높은 열전도성을 보상하며 그리고 연장 조립체(110), 특히 시편(102)에 가장 가까운 연장 조립체(110)의 영역(608)에서의 대류열의 양을 증가시킨다. 공기 흐름의 이 부분적인 방향 전환은 연장 조립체의 온도를 증가시키며 그리고 연장 조립체(110)의 온도를 시편(102)의 온도에 더 가깝게 하고 그리고/또는 더 가깝게 유지시켜 시편(102)과 연장 조립체(110) 간의 온도 구배를 감소시킴에 의하여 시편(102)에서 연장 조립체(110)로의 전도 열 흐름을 감소시키며 그리고 그 결과 시편 내의 온도 구배를 감소시킨다.

시편(102)으로부터 더 떨어져 원하는 만큼의 공기 흐름(1106)을 방향 전환시키기 위하여 한 실시예에서 다이버터(300 및 400)와 같은 다이버터는 시편(102)에 인접하게 위치되면서, 시편(102)을 향하는 적어도 대부분의 공기 흐름(116)은 다이버터(300)에 의하여 시편(102)으로부터 떨어져 방향이 전환되고, 다이버터(300)에 의하여 방향이 전환된 공기 흐름과 비교하여 다이버터(400)에 의하여 더 적은 공기 흐름(116)이 시편(102)으로부터 떨어져 방향이 전환되며, 다이버터(300 및 400) 각각은 시편(102)과 연장 조립체(110) 사이의 온도 구배를 감소시켜 그 결과 시편 내의 온도 구배를 감소시킨다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다수의 방식으로 다이버터(300 및 400)는 챔버(104) 내에 장착될 수 있다. 제한이 아닌 단지 한 예로서, 다이버터는 예를 들어 지지 플레이트 및/또는 지지 조립체와 함께 환경 챔버의 벽 또는 도어와 같은, 환경 챔버(106)의 내부에 장착될 수 있으며, 또는 다이버터(300 및 400)는 환경 챔버(106) 내에 배치된 하나의 연장 조립체 또는 양 연장 조립체(110) 등에 장착될 수 있다.

다이버터(300 및 400)와 같은 다이버터가 도시된 바와 같이 시편(102)에 매우 인접하게 위치된다. 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다이버터(300 및 400)의 정확한 위치는 시편(102)과 더 가까울 수도 또는 시편에서 더 멀 수도 있다는 점이 이해되어야 한다. 또한, 시편(102)으로부터 공기 흐름을 방향 전환시키는 또는 시편(102)보다는 연장 조립체(110)의 부분을 향하여 더 많은 공기 흐름을 방향 전환시키는 그리고 본 발명의 범위 내에 있는 다수의 다이버터 구조가 가능하다.

도 7은 시편(102)과 조립체 내에서의 온도 구배를 줄이기 위하여 다른 실시예에 사용될 수 있는 다이버터(700)를 도시한다. 시편(102)과 같은 시편 그리고 조립체(110)와 같은 연장 조립체 사이의 보다 작은 온도 구배가 시편 내의 온도 구배를 감소시키는데 도움을 줄 수 있다. 다이버터(700)가 채널 또는 통로를 덮거나 또는 그렇지 않으면 채널 또는 통로 내에 배치되기 때문에 또는 종단에서 공기 흐름(116)이 다이버터를 통과하여 시편 상으로 진입되기 때문에, 예시적인 실시예에서 다이버터(700)는 배플로 고려될 수 있다. 이 실시예에서, 공기 흐름 도관 개구는 원형이며, 그리고 따라서 다이버터(700)는 원형이다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 공기 흐름 도관 개구 형상이 도관 개구와 일치하는 형상의 다이버터와 함께 수용될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.

다이버터(700)는 다른 치수의 다수의 개구를 갖는다. 다이버터의 중심에서 개구(702)는 작다. 다이버터(700)의 상단 및 바닥 부분(704 및 706)에서, 개구(708 및 710)는 개구(702)보다 크다. 다이버터(700)의 측부(712 및 714)에서, 개구(716 및 718)는 개구(702, 708 및 710)보다 크다. 공기 흐름이 다이버터(700)를 통과함에 따라, 개구(708 및 710)를 통하는 것보다 많은 공기가 개구(716 및 718)를 통하여 이동하며, 그리고 개구(702)를 통하는 것보다 많은 공기가 개구(708 및 710)를 통하여 이동한다. 비록 그럴 필요는 없지만, 한 실시예에서, 개구(702)를 포함하는 다이버터(700)의 부분의 폭(720)과 높이(722)는 시편(102)의 높이 및 폭과 대략적으로 같은 치수이다.

도 8은 다이버터(700)를 이용한 환경 챔버(104)의 실시예를 개략적으로 도시한다. 채널 또는 통로(800)가 강제 공기 흐름(116)을 환경 챔버(104) 내로 제공한다. 이 실시예에서, 다이버터(700)는 출구 개구(801)를 덮는다. 환경 챔버(106)에 대한 통로(800)의 상대적인 치수는 필요에 따라 달라질 수 있다. 공기 흐름(116)은 다이버터(700) 내의 개구에 의하여 변경된다. 화살표 802는 다이버터(700)의 개구(702)를 통한 공기 흐름을 지시한다. 이 공기 흐름(802)은 실질적으로 시편(102)을 향한다. 화살표 808 및 810은 다이버터(700)의 개구(708 및 710)를 통한 공기 흐름을 지시한다. 화살표 816 및 818은 다이버터(700)의 개구(716 및 718)를 통한 공기 흐름을 지시한다. 화살표 816 및 818에 의하여 나타내어진 공기 흐름은 시편(102)을 지나가지만, 시편(102)을 직접적으로 향하지 않으며, 그로 인하여 실질적으로 시편(102)을 우회한다. 시편(102)에 영향을 미치는 것으로 지시된 그리고 화살표 802에 의하여 나타내어진 공기 흐름의 더 낮은 속도 및 체적은 화살표 820에서 지시된 바와 같이 시편(102)의 더 낮은 대류열을 야기하며 그리고 화살표 822로 지시된 바와 같이 연장 조립체(110)의 상대적으로 더 큰 대류 열을 야기한다. 시편(102) 내에서의 전도 열 흐름은 화살표 824로 지시되며, 그리고 연장 조립체(110) 내에서의 전도 열 흐름은 화살표 826로 지시된다. 다이버터(700)에 의하여 변형된 바와 같은 환경 챔버(104) 내에서의 공기 흐름 패턴은 시편(102)과의 결합부에 가장 가까운 연장 조립체(110)의 부분의 온도를 증가시키고, 그리고 시편(102)에 가장 가까운 연장 조립체(110)의 부분을 시편(102)의 온도에 더 가까운 온도로 만들고 그리고/또는 유지하여 시편(102)과 연장 조립체(110) 간의 온도 구배를 줄임에 의하여 시편(102)에서 연장 조립체(110)로의 전도 열 흐름(824)을 감소시키며, 그리고 그 결과 시편 내에서의 온도 구배를 감소시킨다.

한 실시예에서 다이버터(700)는 힌지(828)에 의하여 개구(801)에 연결되며, 따라서 다이버터(700)는 공기 흐름 경로(116)에서 제거될 수 있다. 개구(801)로의 다이버터(700)의 대안적인 장착은 제한이 아닌 단지 한 예로서 프레스 끼워맞춤, 스크류 결합, 리벳 결합 등을 포함하며, 그리고 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 장치 구조가 이용될 수 있다. 다이버터(700)의 용이한 제거를 허용하도록, 다이버터(700)의 주변 에지의 하나 이상의 부분에 결합하는, 환경 챔버(106) 내에 형성된 슬롯 또는 가이드(830)와 같은 장착 구조가 구성될 수 있다. 시편(102)에 아주 가까운 조립체(110)의 부분과 시편 간의 온도 구배를 적어도 부분적으로 감소시킴에 의하여 다이버터가 시편(102) 내의 원하는 또는 적어도 허용 가능한 온도 구배를 달성할 때까지, 용이한 제거를 허용하는 구조체는 다른 공기 방향 전환 특성을 갖는 다이버터가 사용되는 것을 허용한다.

냉온 응용이 동적 기계 분석 테스트에 가장 적합하다. 공기 온도가 시편 및 연장 조립체보다 항상 낮다는 점 그리고 도 2에 도시된 바와 같이 열 교환 경로가 역이라는 점을 제외하고는 냉온 경우는 본 명세서에 설명된 고온 경우와 유사하다. 냉온 테스트를 위하여, 열 에너지의 방향은 챔버(106)의 외부로부터 연장 조립체(110)를 통하여 시편(102)으로이며, 그리고 그후 시편(102) 밖으로 그리고 공기 흐름 내로이다. 냉온 경우에서의 위에서 설명된 공기 흐름 다이버터의 모든 이점은 고온 경우에서의 이점과 동일하다.

도 9는 2℃의 공기 흐름 온도 단계를 위한 시뮬레이션된 최대 및 최소 시편 온도를 도시한다(-125 내지 -123℃). 다이버터(700)와 같은 다이버터를 이용한 최대 온도 곡선이 도면 부호 902로 지시되며, 그리고 다이버터(700)와 같은 다이버터를 이용한 최소 온도 곡선이 도면 부호 904로 지시된다. 다이버터를 이용하지 않은 최대 및 최소 온도 곡선들이 도면 부호 906 및 908로 각각 지시된다. 다이버터로 안정 상태 온도 구배가 훨씬 작다. 다이버터를 이용한 구배는 일시적으로도 더 작다.

도 11은 환경 챔버(1101)의 한 부분(1100)의 사시도이며, 이 환경 챔버의 완전한 조립체의 실시예가 도 14에 도시된다. 환경 챔버(1101)는 도 10에 도시된 로드 프레임(100)에 또는 적절한 지지체 상에서 로드 프레임(100)에 인접하게 장착될 수 있어 이 부분(1100)은 도 10에 도시된 환경 챔버(1012)에 대응하며, 이 경우에 본 발명의 목적을 위하여 환경 챔버(1101)는 로드 프레임(100)의 부분으로 고려된다.

도 11에서, 도관(500)은 개구(801)에 걸쳐 위치된 다이버터(700)와 같은 다이버터와 함께 도시된다. 다이버터(700)는 스크류 또는 다른 적절한 체결 장치로 스탠드오프(1102)에서 도관(800)에 연결된다. 도관(800)은 가열된/냉각된 공기 흐름(116)의 발생원과 공기 흐름 연통된 연장 튜브(1108)의 종단을 둘러싼다. 도관(800)은 한 실시예에서 슬롯(1104)을 통하여 연장된 다른 적절한 체결 장치 또는 스크류에 의하여 연장 튜브(1108)에 연결된다. 도시된 실시예에서, 공기 통로(1110)는 도관(800) 및 연장 튜브(1108)를 포함한다. 한 실시예에서, 시편을 향하는 공기를 위한 공기 통로(1110)는 길이가 조절 가능하며, 이는 도시되지 않은 테스트 시편에 대한 다이버터(700)의 위치 조정에 도움이 될 수 있다. 스탠드오프(1102)는 또한 슬롯(1106)을 가지며, 이는 연장 튜브(1108)에 대하여 신축식(telescopic) 특성과 같은 방식으로 도관(800)의 이동 가능한 장착을 허용한다. 한 실시예에서, 챔버(104)의 내부로부터의 공기 복귀는 적절한 공기 복귀부(return) 등을 통하여 도관(800) 주위의 공간에서 이루어진다.

도 12는 도 11의 선 12-12를 따라 절취한 상태의 도 11의 평면도이다. 이 도면에서, 다이버터(700)는 도시되지 않는다. 공기 흐름(116)은 연장 튜브(1108)와 도관(800)을 통하여 그리고 개구(801)를 통하여 환경 챔버(104) 내로 향하며, 일부 실시예에서 이 개구는 다이버터(700)와 같이 다이버터로 덮여 있다. 위에서 설명된 공기 흐름(16)과 같은 공기 흐름은 한 실시예에서 모터(1204)에 위하여 구동되는 팬(1202)에 의하여 발생된다. 한 실시예에서 히터 요소(1206)는 팬(1202)에 의하여 불려질 공기를 따듯하게 한다. 냉각된 공기는 가열된 공기 대신에 진입될 수 있다. 여기서, 냉각된 공기의 제공은 본 기술 분야의 숙련된 자에게 공지되어 있으며, 따라서 본 명세서에서는 상세하게 설명되지 않는다.

도 13은 도 11의 선 13-13을 따라 절취한 상태의 도 11의 평면도이다. 이 도면에서, 다이버터(700)는 도시되지 않는다. 도시된 도관(800)은 스탠드오프(1102; standoff)에 장착되며, 이 스탠드오프는 한 실시예에서 (도시되지 않은) 다이버터(700)와 같은 다이버터를 위한 장착부의 역할을 수행한다.

여기서 설명된 시스템은 모든 종류의 시편과 함께 사용하기 쉬운 반면에, 이 시스템은 특히 엘라스토머 또는 플라스틱인 시편과 함께 사용 가능하고 그리고 비용 면에서 효과적이다.

본 발명이 구조적 특징 및/또는 방법론적 행위에 대하여 특정한 언어로 기술되었지만, 법원에 의하여 유지되고 있는 바와 같이 첨부된 청구범위에서 한정된 발명이 반드시 위에서 설명된 특정 특징 또는 동작에 반드시 제한되는 것은 아니다. 오히려, 위에서 설명된 특정 특징 및 동작은 청구 범위를 구현하는 예시적인 형태로서 개시된다.

Claims

마주보는 벽들을 갖되, 각 벽은 개구를 가지며, 개구들은 기준 축을 따라서 서로 정렬된 엔클로저;
기준 축으로 향하는 공기를 제공하도록 배향된 길이 조절 가능한 도관;
기준 축으로부터 떨어진 도관의 단부에 연결된 강제 공기 공급원으로서, 인클로저 내에서 기준 축과 교차하는 방향으로 도관을 통해 인클로저 내로 강제 공기를 공급하도록 구성된 강제 공기 공급원; 및
강제 공기 공급원에서 멀리 떨어진 도관 단부에 장착된 다이버터로서, 강제 공기를 수용하도록 그리고 기준 축의 다른 부분들을 지난 공기 흐름을 제어하도록 구성되며, 상기 도관은 기준 축에 대한 다이버터의 위치를 조정하기 위해 길이가 조정 가능한 것인, 다이버터;
를 포함하는 환경 챔버.
제1항에 있어서, 다이버터는 각 개구로부터 이격된 기준 축의 안쪽 부분에서 공기 흐름을 감소시키도록 그리고 기준 축의 이격된 부분에서 공기 흐름을 증가시키도록 구성되되, 각각의 이격된 부분은 안쪽 부분과 한 개구 사이에 위치된 환경 챔버.
제1항 또는 제2항에 있어서, 다이버터는 기준 축의 이격된 부분 각각을 향하여 공기 흐름 방향을 바꾸게 하기 위한 표면들을 포함하는 환경 챔버.
제3항에 있어서, 각 표면은 공기 흐름에 대하여 경사지게 향하는 환경 챔버.
제3항에 있어서, 각 표면은 표면을 통하여 연장된 개구를 포함하는 환경 챔버.
제2항에 있어서, 공기 흐름을 기준 축의 각 원격 부분을 향하도록 다이버터는 관통하는 제1의 하나 이상의 개구를 포함하는 환경 챔버.
제6항에 있어서, 다이버터는 공기 흐름을 기준 축의 안쪽 부분을 향하도록 구성된 관통하는 제2의 하나 이상의 개구를 포함하는 환경 챔버.
제7항에 있어서, 제2의 하나 이상의 개구는 한 쌍의 제1 개구 사이에 배치된 환경 챔버.
제8항에 있어서, 제1의 하나 이상의 개구와 제2의 하나 이상의 개구는 평평한 부재 상에 배치된 환경 챔버.
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지지 구조체;
지지 구조체에 연결된 액추에이터;
지지 구조체와 액추에이터에 연결되고 지지 구조체와 액추에이터 사이 및 기준 축 상에서 테스트 시편을 유지하도록 구성된 1쌍의 테스트 시편 지지체로서, 각각의 테스트 시편 지지체는 테스트 시편의 부분을 유지하도록 구성된, 1쌍의 테스트 시편 지지체; 및
환경 챔버를 포함하되,
환경 챔버는
마주보는 벽들을 갖되, 각 벽은 개구를 갖으며, 개구들은 기준 축을 따라서 서로 정렬된 엔클로저;
기준 축으로 향하는 공기를 제공하도록 배향된 길이 조절 가능한 도관;
기준 축으로부터 멀리 떨어진 도관의 단부에 연결된 강제 공기 공급원으로서, 기준 축에 실질적으로 수직인 각도로 인클로저 내에서 기준 축과 교차하는 방향으로 강제 공기를 공급하도록 구성된 강제 공기 공급원; 및
강제 공기 공급원에서 멀리 떨어진 도관 단부에 장착된 다이버터로서, 도관을 통해 강제 공기 공급원으로부터 강제 공기를 수용하도록 그리고 기준 축의 다른 부분들을 지난 공기 흐름을 제어하도록 구성되며, 상기 도관은 기준 축에 대한 다이버터의 위치를 조정하기 위해 길이가 조정 가능한 것인, 다이버터;
를 포함하는 로드 프레임.
제13항에 있어서, 다이버터는 각 개구로부터 이격된 기준 축의 안쪽 부분에서 공기 흐름을 감소시키도록 그리고 기준 축의 이격된 부분에서 공기 흐름을 증가시키도록 구성되되, 이격된 부분은 안쪽 부분과 한 개구 사이에 위치된 로드 프레임.
제13항 또는 제14항에 있어서, 다이버터는 기준 축의 원격 부분 각각을 향하여 공기 흐름을 바꾸게 하기 위한 표면들을 포함하는 로드 프레임.
제14항에 있어서, 공기 흐름을 기준 축의 각 원격 부분을 향하도록 다이버터는 관통하는 제1의 하나 이상의 개구를 포함하는 로드 프레임.
제16항에 있어서, 다이버터는 공기 흐름을 기준 축의 안쪽 부분을 향하도록 구성된 관통하는 제2의 하나 이상의 개구를 포함하는 로드 프레임.
제17항에 있어서, 제2의 하나 이상의 개구는 한 쌍의 제1 개구 사이에 배치된 로드 프레임.
제18항에 있어서, 제1의 하나 이상의 개구와 제2의 하나 이상의 개구는 평평한 부재 상에 배치된 로드 프레임.
제13항 또는 제14항에 있어서, 다이버터는 기준 축으로부터 선택된 거리를 두고 다이버터를 조정 가능하게 고정하도록 구성된 장착부를 포함하는 로드 프레임.
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