KR100786626B1 - 수소 동위원소 제거장치 및 이를 이용하여 제작된 저온교정장치 - Google Patents

수소 동위원소 제거장치 및 이를 이용하여 제작된 저온교정장치 Download PDF

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김용규
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Abstract

본 발명은 수소 동위원소 제거장치 및 이를 이용하여 제작된 저온 교정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소셀에 저장되는 수소의 동위원소 함량을 줄여 온도계 보정의 정확도를 높일 수 있도록 한 수소 동위원소 제거장치 및 이를 이용하여 제작된 저온 교정장치에 관한 것이다.
본 발명의 수소 동위원소 제거장치는 수소를 공급하는 수소공급부; 유리관과 상기 유리관 내에 구비되고 상기 수소공급부로부터 공급된 수소의 이동 경로 상에 설치된 1 이상의 수소 동위원소제거막으로 이루어진 동위원소제거부; 상기 동위원소제거부를 통과한 수소 기체를 수집하는 수소수집부; 가 순차적으로 연결되고, 상기 동위원소제거부는 가열장치를 구비하며, 상기 수소공급부, 동위원소제거부 및 수소수집부를 연결하는 연결관; 과 상기 연결관에 구비되는 다수개의 조절밸브; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 저온 교정장치는 온도계가 삽입 접촉되고, 상기 온도계에 대해 열적 상관관계를 갖으며 3상이 공존하는 상변화에 기초하여 기준온도를 나타내는 수소가 충진되는 수소셀; 상기 상변화를 유도하도록 상기 수소셀이 인입되어 온도를 조절하는 온도조절장치; 상기 수소셀에 대한 상기 온도계의 측정온도를 표시하도록 상기 온도계의 리드선에 접지되는 온도지시계; 및 상기 온도지시계와 전기적으로 연결되는 컴퓨터를 포함하여 구성되는 저온 교정장치에 있어서, 상기 수소셀의 수소는 동위원소(D)가 제거된 수소인 것을 특징으로 한다.
수소셀, 온도 보정, 삼중점, 고정점

Description

수소 동위원소 제거장치 및 이를 이용하여 제작된 저온 교정장치{Hydrogen isotopic pump and its application on the low temperature calibration system}
도 1은 일반적인 온도계 교정장치의 전체 시스템 개략도.
도 2는 상기 도 1의 부분확대단면도.
도 3은 본 발명에 따른 수소 동위원소 제거장치의 시스템 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 산화물 이온 전도체의 작용을 나타내는 개념도.
도 5는 본 발명에 따른 수소와 수소 동위원소의 이동률 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 산화물 이온 전도체의 다른 예를 나타낸 개념도.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
10 : 온도계
20 : 수소셀
30 : 온도조절장치
40 : 온도지시계
50 : 컴퓨터
100 : 수소 동위원소 제거장치
110 : 수소공급부
120 : 수소저장부 121 : 냉각장치
130 : 동위원소제거부 131 : 유리관
132 : 산화물 이온 전도체 133 : 고정부
140 : 가열장치
150 : 연결관 151 : 조절밸브
160 : 진공펌프
본 발명은 수소 동위원소 제거장치 및 이를 이용하여 제작된 저온 교정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소셀에 저장되는 수소의 동위원소의 함량을 줄여 온도계 보정의 정확도를 높일 수 있도록 한 수소 동위원소 제거장치 및 이를 이용하여 제작된 저온 교정장치에 관한 것이다.
상기 온도계는 물체의 열역학적 성질, 특히 열팽창이나 온도에 따른 저항변화를 측정하거나 온도에 따라 변화되는 열기전력 양을 측정하여 온도를 측정하는 장치로 상기 온도계 중 특히 산업용 온도계는 고도의 정밀성이 요구된다. 상기 온도계가 이용되는 산업분야는 코크스공장, 도금공장 등과 같은 철강업계, 발전소, 대형 보관시설 등으로 상기 온도계는 산업의 다양한 분야에서 이용되고 있다.
상기와 같이 온도계가 산업설비에 이용될 경우, 상기 산업설비는 상시로 온 도표시가 요구되며 미세한 오차에도 불량제품이 생산될 수 있으므로 온도계의 정확한 성능이 요구된다.
상기 온도계의 교정작업을 위한 교정장치는 크게 기준온도계를 이용하는 방법과 고정점을 이용하는 방법이 있으며 본 발명은 고정점을 이용하는 방법에 관한 발명으로 상기 고정점을 이용한 온도계 교정장치의 일예로, 도 1은 일반적인 온도계 교정장치의 전체 시스템 개략도이고, 도 2는 상기 도 1의 부분확대단면도이다. 도시된 바와 같이 종래의 교정장치는 온도계가 삽입 접촉되고, 상기 온도계에 대해 열적 상관관계를 갖으며 2상 또는 3상이 공존하는 상변화에 기초하여 기준온도를 나타내는 기준온도 물질층(20)이 함입되는 고정점셀(10); 상기 상변화를 유도하도록 상기 고정점셀(10)이 인입되어 가열되거나 냉각되는 온도조절장치(30); 상기 기준온도 물질층(20)에 대한 상기 온도계의 측정온도를 표시하도록 상기 온도계의 리드선에 접지되는 온도지시계(40); 및 상기 상변화에 따라 형성되는 항온구단의 당해 기준온도 및 상기 측정온도의 차이를 기준편차와 비교하고 상기 기준편차 범위 이상에 따라 상기 온도계의 불량을 판별하도록 상기 항온구간별 기준온도 및 상기 기준편차가 저장되고, 상기 온도지시계(40)와 전기적으로 연결되는 컴퓨터(50)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 고정점셀에 다양한 기준온도에 해당되는 기준온도물질이 함입되며, 특히 삼중점(평형 수소, e-H2) 온도가 13.8033 K인 수소를 이용한 교정은 저온 보정에 이용되며, 상기 수소의 삼중점은 온도 보정의 출발점으로 그 중요성이 매우 크다.
그러나 상기 수소는 자연 상태에서 여러 가지 동위원소가 존재하므로 수소기체는 상기 동위원소의 구성비에 따라 삼중점 온도에도 변화가 유발된다. 상기 수소의 삼중점 온도변화 매우 미세하다 할지라도 산업이 고도화됨에 따라 정확도가 더욱 요구되며 상기 삼중점 온도의 미세한 오차에도 제품 불량이 일어날 수 있으므로 수소의 삼중점 온도의 불확실성은 많은 문제점을 가지고 올 수 있다.
이에 따라 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 첫 번째 방법으로, 수소의 삼중점 셀을 제작할 때 마다 상기 수소의 동위원소 구성을 측정하여 그 측정결과를 삼중점 보정식에 적용하는 방법이 제안된 바 있으나 상기 방법은 번거로울 뿐만 아니라 보정작업에 소요되는 시간을 증대시키는 문제점이 있다.
또한, 상기 수소의 삼중점 셀을 제작할 때 마다 상기 수소의 동위원소 구성을 측정하는 것은 상기 수소의 삼중점 셀 제작방법 및 삼중점 실현 단계에 따라 변화될 수 있어 이 역시 정확한 수소의 삼중점 온도를 유지할 수 없는 단점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위한 두 번째 방법으로, 최근 국제온도눈금-90(ITS, International Temperature Scale)은 수소의 저온 고정점을 평형 수소(e-H2)의 삼중점으로 13.8033 K로 정하고 D의 구성비(D/H)를 0.00008902로 고정할 것이 제안하였고, 상기 제안이 23차 CCT 회의에서 받아들여졌다.
그러나 상기 수소의 저온 고정점 및 수소의 동위원소 구성비를 고정하는 것은 첫 번째 방법과 마찬가지로 수소의 동위원소(D)의 함유량을 측정해야하며 고체-액체 구성비 변화에 따라 삼중점 온도가 변화하는 문제는 여전히 존재하였다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 온도계 교정장치의 수소셀에 저장되는 수소의 순도를 높이고 동위원소(D)의 함유량을 줄임으로써 별도의 동위원소 함유율 측정이 불필요하므로 작업에 소요되는 시간을 획기적으로 감축할 수 있고 비용을 절약할 수 있는 수소 동위원소 제거장치를 제공함에 있다.
또한, 상기 수소 동위원소 제거장치를 이용하여 수소의 순도를 높임으로써 수소 삼중점 온도의 불확실성을 낮출 수 있어 교정의 정확도를 높이고 교정작업의 효율을 높일 수 있는 저온 교정장치를 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수소 동위원소 제거장치는 수소를 공급하는 수소공급부; 유리관과 상기 유리관 내에 구비되고 상기 수소공급부로부터 공급된 수소의 이동 경로 상에 설치된 1 이상의 수소 동위원소제거막으로 이루어진 동위원소제거부; 상기 동위원소제거부를 통과한 수소 기체를 수집하는 수소수집부; 가 순차적으로 연결되고, 상기 동위원소제거부는 가열장치를 구비하며, 상기 수소공급부, 동위원소제거부 및 수소수집부를 연결하는 연결관; 과 상기 연결관에 구비되는 다수개의 조절밸브; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 동위원소제거부의 수소 동위원소제거막은 수소(H)와 동위원소(D) 의 이동률 차이를 이용한 산화물 이온 전도체로 이루어지는 것을 특징으로 하고, 상기 산화물 이온 전도체는 SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3 에서 선택되는 1종 이상의 산화물인 것을 특징으로 하는 수소 동위원소 제거장치.
아울러, 상기 동위원소제거부는 상기 수소 동위원소제거막을 고정하는 고정부가 더 구비되며, 상기 고정부는 파이렉스 관을 이용하여 제작되는 것을 특징으로 하는 수소 동위원소 제거장치.
또, 상기 연결관과 연결되는 진공펌프가 더 구비되는 것을 특징으로 하고, 상기 수소수집부는 수소를 냉각시키는 냉각장치가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가열장치는 800~1000℃로 가열하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 저온 교정장치는 온도계가 삽입 접촉되고, 상기 온도계에 대해 열적 상관관계를 갖으며 3상이 공존하는 상변화에 기초하여 기준온도를 나타내는 수소가 충진되는 수소셀; 상기 상변화를 유도하도록 상기 수소셀이 인입되어 온도를 조절하는 온도조절장치; 상기 수소셀에 대한 상기 온도계의 측정온도를 표시하도록 상기 온도계의 리드선에 접지되는 온도지시계; 및 상기 온도지시계와 전기적으로 연결되는 컴퓨터를 포함하여 구성되는 저온 교정장치에 있어서, 상기 수소셀의 수소는 동위원소(D)가 제거된 수소인 것을 특징으로 하며, 상기 동위원소(D)가 게거된 수소는 상술한 바와 같은 수소 동위원소 제거장치를 이용하는 것을 특징으로 한다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 수소 동위원소 제거장치 및 이를 이용한 저온 교정장치를 첨부된 도면을 참조로 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 수소 동위원소 제거장치(100)의 시스템 개략도로 본 발명의 수소 동위원소 제거장치(100)는 수소를 공급하는 수소공급부(110); 유리관(131)과 상기 유리관(131) 내에 구비되고 상기 수소공급부(110)로부터 공급되는 수소의 이동경로 상에 설치된 1 이상의 수소 동위원소제거막(132)으로 이루어진 동위원소제거부(130); 가열장치(140); 상기 동위원소제거부(130)를 통과한 수소 기체를 수집하는 수소수집부(120); 상기 수소공급부(110), 동위원소제거부(130) 및 수소수집부(120)를 연결하는 연결관(150) 및 상기 연결관(150)에 구비되는 다수개의 조절밸브(151); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 수소공급부(110)는 일반적인 수소기체를 저장하고 상기 동위원소제거부(130)로 수소 기체를 공급하는 공급원으로 상기 수소공급부(110)에 저장된 수소는 동위원소(D)의 함유량이 높은 상태이다.
상기 동위원소제거부(130)는 상기 수소공급부(110)와 연결관(150)으로 연결되는 유리관(131) 상기 유리관(131) 내에 구비되고 수소와 동위원소의 이동률 차이를 이용하여 상기 수소와 동위원소를 분리하는 산화물 이온 전도체; 로 구성된다.
상기 유리관(131) 및 연결관(150)은 수소 기체가 외부로 누출되지 않도록 밀봉처리되어야 하며 특히, 상기 유리관(131)은 상기 가열장치(140)에 의한 열에 강한 소재가 이용되어야 함은 당연하다.
상기 동위원소제거부(130)의 수소 동위원소제거막(132)은 수소와 동위원소의 이동률 차이를 이용하는 산화물 이온 전도체를 이용하는 것이 바람직하며 도 4에 도시된 바와 같이 수소와 동위원소의 분리효과가 발생된다.
도 5는 본 발명에 따른 수소와 수소 동위원소의 이동률 그래프로 상기 도 5에 도시된 그래프는 900℃에서 인가전압에 따른 수소와 동위원소의 이동률 그래프로 수소와 동위원소의 이동률 비 MH : MD ≒ 4 : 3 정도가 되므로 수소 내의 동위원소 함량을 줄일 수 있게 된다.
상기 산화물 이온 전도체는 SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3 에서 선택되는 1종 이상의 산화물인 것을 특징으로 하며, 상기 산화물 이온 전도체는 다수개 구비되는 것을 특징으로 한다.
도 6은 본 발명에 따른 산화물 이온 전도체의 다른 예를 나타낸 개념도로 상기 도 6에 도시된 바와 같이 상기 유리관(131) 내에 상기 수소 동위원소제거막(132)을 다수개 구비하여 상기 수소 기체를 상기 수소 동위원소제거막(132)에 여러 번 통과시키면 더욱 고순도의 수소를 얻을 수 있다.
상기 도 6에 도시된 개념도는 3개의 수소 동위원소제거막(132)이 구비된 일실시예로 필요로 하는 수소의 순도 및 상기 수소가 이용되는 분야에 따라 다양한 개수의 산화물 이온 전도체가 구비될 수 있는 것은 당연하다.
본 발명의 수소 동위원소 제거장치(100)는 특히, 900℃ 부근에서 산화물 전도체의 수소 이온의 전도도가 높으므로 상기 동위원소제거부(130) 근처에 가열장 치(140)가 더 구비되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 상기 동위원소제거부(130)는 온도가 높아짐에 따른 상기 산화물 이온 전도체의 변형을 방지하고 고정하는 고정부(133)가 더 구비되는 것이 바람직하며 상기 고정부(133)는 내열성이 높은 링형태의 파이렉스 관을 이용하여 상기 산화물 이온 전도체의 양단에 구비되어 상기 산화물 이온 전도체를 고정하는 것이 바람직하다.
상기 수소수집부(120)는 상기 동위원소제거부(130)와 연결관(150)으로 연결되어 상기 동위원소제거부(130)를 통과한 순도가 높은 수소를 저장하는 역할을 담당한다.
본 발명의 수소 동위원소 제거장치(100)는 상기 수소가 기체 상태로 존재하므로 상기 수소수집부(120)에 저장하기 위해 상기 수소수집부(120)는 상기 수소 기체를 냉각시키는 냉각장치(121)가 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명의 수소 동위원소 제거장치(100)은 상기 연결관(150)에 진공펌프(160) 및 조절밸브(151)이 구비되어 수소의 공급량을 조절하고 각 부분의 압력상태에 따라 상기 진공펌프(160) 및 조절밸브(151)가 작동되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 저온 교정장치는 온도계(10)가 삽입 접촉되고, 상기 온도계(10)에 대해 열적 상관관계를 갖으며 3상이 공존하는 상변화에 기초하여 기준온도를 나타내는 수소가 충진되는 수소셀(20); 상기 상변화를 유도하도록 상기 수소 셀(20)이 인입되어 온도를 조절하는 온도조절장치(30); 상기 수소셀(20)에 대한 상기 온도계(10)의 측정온도를 표시하도록 상기 온도계(10)의 리드선에 접지되는 온도지시계; 및 상기 온도지시계와 전기적으로 연결되는 컴퓨터를 포함하여 구성되는 저온 교정장치에 있어서, 상기 수소셀(20)의 수소는 동위원소(D)가 제거된 수소인 것을 특징으로 하며, 상기 동위원소(D)가 게거된 수소는 상술한 바와 같은 수소 동위원소 제거장치(100)를 이용하는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명의 수소셀(20)을 이용한 교정장치는 상기 수소셀(20)에 상기 수소 동위원소 제거장치(100)를 통과하여 동위원소의 함유량을 줄이고 상기 수소의 순도를 높인 수소가 저장됨으로써 상기 저온 교정장치를 이용함에 있어 작업에 소요되는 시간을 효과적으로 줄일 수 있고 정확한 온도계(10)의 보정이 가능한 장점이 있다.
본 발명의 수소 동위원소 제거장치(100)는 상술한 바와 같은 저온 교정장치뿐만 아니라 높은 순도의 수소가 요구되는 다양한 분야에 이용될 수 있는 것은 당연하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
이에 따라, 본 발명은 산화물 이온 전도체를 이용하여 수소 동위원소의 함유량을 낮춤으로써 온도계 교정장치의 수소셀에 저장되는 수소의 순도를 높일 수 있어 동위원소의 함유량 차이에 따른 삼중점 온도의 불확실성을 낮출 수 있으며 기존의 동위원소 측정 및 온도 보정에 소요되는 작업을 줄여 온도 보정의 시간 및 예산을 감소할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 수소의 동위원소를 효율적으로 제거하여 교정작업의 정확성을 높일 수 있는 장점이 있다.

Claims (9)

  1. 수소를 공급하는 수소공급부;
    유리관과, 상기 유리관 내에 구비되고 상기 수소공급부로부터 공급된 수소의 이동 경로 상에 설치되며 수소(H)와 동위원소(D)의 이동률 차이를 이용한 산화물 이온 전도체로 이루어진 1 이상의 수소 동위원소제거막으로 이루어진 동위원소제거부;
    상기 동위원소제거부를 통과한 수소 기체를 수집하는 수소수집부; 가 순차적으로 연결되고,
    상기 동위원소제거부는 가열장치를 구비하며,
    상기 수소공급부, 동위원소제거부 및 수소수집부를 연결하는 연결관; 과
    상기 연결관에 구비되는 다수개의 조절밸브; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 동위원소 제거장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화물 이온 전도체는 SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3 에서 선택되는 1종 이상의 산화물인 것을 특징으로 하는 수소 동위원소 제거장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 동위원소제거부는 상기 수소 동위원소제거막을 고정하는 고정부가 더 구비되며,
    상기 고정부는 파이렉스 관을 이용하여 제작되는 것을 특징으로 하는 수소 동위원소 제거장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결관과 연결되는 진공펌프가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 수소 동위원소 제거장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소수집부는 수소를 액체상태로 냉각시키는 냉각장치가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 수소 동위원소 제거장치.
  7. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 6 항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열장치는 800~1000℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 수소 동위원소 제거장치.
  8. 온도계가 삽입 접촉되고, 상기 온도계에 대해 열적 상관관계를 갖으며 3상이 공존하는 상변화에 기초하여 기준온도를 나타내는 수소가 충진되는 수소셀; 상기 상변화를 유도하도록 상기 수소셀이 인입되어 온도를 조절하는 온도조절장치; 상기 수소셀에 대한 상기 온도계의 측정온도를 표시하도록 상기 온도계의 리드선에 접지되는 온도지시계; 및 상기 온도지시계와 전기적으로 연결되는 컴퓨터를 포함하여 구성되는 저온 교정장치에 있어서,
    상기 수소셀의 수소는 동위원소(D)가 제거된 수소인 것을 특징으로 하는 저온 교정장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 동위원소(D)가 게거된 수소는 상기 제 1 항 내지 제 7 항에서 선택되는 어느 한 항의 수소 동위원소 제거장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 저온 교정장치.
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