KR100349798B1 - 히팅롤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 섬유류 등의 제작시 원단을 열처리하는데 사용되는 히팅롤에 관해 제시한다. 가열원을 내장하며 원단과 접촉하는 외통내에 다수의 히트 파이프를 갖는 히팅롤에 있어서, 히트 파이프의 내부에 삽입되어 응축된 작동유체를 증발부로 귀환시키는 다공질의 윅이 판상으로 형성되어 외통의 중심을 향하는 지름 방향으로 배치된다. 윅은 다공질의 몸체와 이의 상·하면에 부착되는 두 커버판으로 이루어지고, 히트 파이프의 바깥쪽 단부에서는 회전방향을 기준으로 후방쪽의 커버판이 파이프에 접합되고 전방쪽의 커버판은 파이프와 일정간격 작동유체 유입구를 형성하며, 히트 파이프의 안쪽 단부에서는 회전방향을 기준으로 전방쪽의 커버판이 파이프에 접합되고 후방쪽의 커버판은 파이프와 이격되어 작동유체 유출구를 형성하는 대략 S자형으로 형성된다. 히트 파이프는 외통의 양쪽 단부에 각각 배치되도록 분리 설치된다. 본 발명은 히팅롤의 회전에 따른 원심력 작용방향과 반대 방향으로 윅에 의한 모세관력이 작용하여 히트 파이프가 외부의 회전중심을 축으로 회전하더라도 작동유체의 순환작용이 원활하게 이루어지게 됨은 물론 그 유동저항도 최소화되어 히팅롤의 표면온도분포를 거의 균일하게 유지시킬 수 있게 된다.

Description

히팅롤{a heating roll}

본 발명은 각종 원단의 가공제작에 사용되는 히팅롤(heating roll)에 관한 것으로서, 특히 균일한 표면온도분포를 위해 외통내에 열전달 효율이 우수한 히트 파이프(heat pipe)를 장착한 히팅롤에 관한 것이다.

연포장이나 섬유류 또는 철판코일 등의 산업분야에서 각종 원단의 가공제작시 많은 실린더 롤이 사용되고 있는데, 그 중에서 라미네이팅(laminating), 시즈닝(seasoning), 코팅(coating) 등 원단의 표면가공이나 열처리를 위한 공정에서는 실린더 롤에 적당한 열을 가함으로써 원단에 열을 전도하는 이른 바 히팅롤 가공방법이 사용되고 있다. 이러한 히팅롤에는 실린더 내부에 히터를 삽입하는 히터방식과, 오일을 보일러로 가열하여 실린더 내부에 순환시키는 오일순환방식 및 유도전류에 의해 자체 발열하는 유도가열방식 등이 있다.

한편, 이와 같은 히팅롤 가공방법에 있어서는, 히팅롤에 닿는 원단의 좌우와 중앙부의 전면에 걸쳐 온도가 균일하게 전달될 수 있도록 히팅롤의 표면이 전체적으로 균일한 온도분포를 갖는 것이 매우 중요하다. 이는 원단이 닿는 히팅롤의 중앙부위와 가장자리부에 온도편차가 있으면, 원단의 열처리가 불균일해져 품질에 중대한 문제를 발생시키기 때문이다. 그러나, 히팅롤의 표면온도분포는 그 구조상 히팅롤의 중앙부위에 열이 집중되고, 가장자리에서는 지지브래킷 등에 적잖은 열을 빼앗기기 때문에 불균일하게 나타날 수밖에 없다. 예컨대, 히터방식과 오일순환방식의 히팅롤의 온도편차는 약 10℃정도로 매우 큰 편이며, 유도가열방식 히팅롤도 이론적으로 유도전류의 밀도가 가장자리보다 중앙부위가 높기 때문에 중앙부위의온도가 높게 나타나 온도편차가 비교적 크게 나타나고 있다.

이에 따라 근래에는 히팅롤의 외통내에 열전도 효율이 매우 우수한 히트 파이프를 축방향으로 관통 삽입하여 중앙부위의 높은 열을 주변부로 급속도로 퍼지게 함으로써 전체의 온도편차를 약 1~2℃ 이내로 줄이고 있다.

주지하다시피 히트 파이프는 진공의 파이프내에 상태변화가 뛰어난 물 등의 작동유체를 소량 충전한 것으로, 한쪽의 증발부에서 흡열작용에 의해 증발한 작동유체 증기가 압력차에 의해 다른쪽의 응축부로 이동하여 방열작용에 의해 다시 액체로 응축된 뒤 다공질의 윅(wick)에 의한 모세관 효과(capillarity)에 의해 증발부로 귀환하는 동작을 반복 수행함으로써 작동유체의 증발잠열(蒸發潛熱)에 의해 열을 이송시키는 열전달 장치이다.

이러한 히트 파이프의 성능은 작동유체의 종류와 주입량 및 파이프 내부의 진공상태 등에 의해서도 영향을 받지만, 특히 작동유체의 신속하고 원활한 유동특성에 의해 결정된다. 이는 곧 응축부에서 액화된 작동유체를 증발부로 귀환시키는 윅의 특성에 따라 히트 파이프의 성능이 좌우됨을 의미하기도 한다. 그런데, 종래의 윅은 파이프의 내주면에 접촉하는 환형 단면으로 형성되었는 바, 히팅롤에서와 같이 히트 파이프가 외부에 있는 회전중심을 축으로 회전하는 경우에는 작동유체의 순환이 원활하지 못해 열전달 효율이 떨어지게 된다.

즉, 히트 파이프가 비회전형이거나 그 내부의 회전중심을 축으로 회전하는 경우에는 응축된 작동유체가 파이프의 내주면을 따라 증발부로 귀환하게 되므로 윅이 환형 단면을 가져도 별 문제 없으나, 히팅롤에서와 같이 외부의 회전중심을 축으로 회전하는 경우에는 작동유체가 원심력에 의해 바깥쪽으로 몰리게 되므로 증발부와 응축부간에 작동유체의 순환이 원활하게 이루어지지 않아 열전달 효율이 떨어지게 되는 것이다. 더욱이, 회전수가 작을 때는 작동유체가 부분적으로나마 파이프의 내주면을 따라 환상으로 유동하여 어느정도의 열전달을 이룰 수 있지만, 회전수가 클수록 작동유체는 큰 원심력 때문에 바깥쪽에만 몰려 있게 되므로 증발이 제한적으로 이루어져 열전달은 더욱 어렵게 된다. 그러므로 종래의 히팅롤은 그 중앙부위와 가장자리부간에 어느정도의 온도편차가 존재할 수밖에 없었다.

또한, 종래에는 히트 파이프가 히팅롤의 외통을 축방향으로 관통하여 설치되었는 바, 중앙부에서 발생한 높은 열이 양 단부쪽으로 확산되는데에 작동유체의 유동저항이 커 그 순환작용을 저해하였다. 뿐만 아니라 히트 파이프 삽입구멍이 길어 그 가공과 히트 파이프의 삽입도 어려웠다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점들을 감안하여 창출된 것으로서, 히트 파이프 방식 히팅롤에 있어, 외통에 삽입된 히트 파이프가 외부에 있는 회전중심을 축으로 고속으로 회전할 때에도 그 작동유체의 귀환작용이 원활하게 이루어짐으로써 균일한 표면온도분포를 유지할 수 있는 히팅롤을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 히트 파이프의 작동유체의 유동저항을 최소화시켜 보다 균일한 표면온도분포를 도모할 수 있음은 물론 히트 파이프를 외통에 간단하고 정밀하게 삽입할 수 있는 히팅롤을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 히팅롤을 개략적으로 나타낸 단면도,

도 2는 도 1의 Ⅱ를 따라 취한 측면도,

도 3은 도 1의 히트 파이프를 발췌하여 나타낸 단면도,

도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도,

도 5는 도 3의 윅의 삽입과정을 발췌하여 나타낸 분해 사시도,

도 6은 본 발명의 작동을 나타낸 개략도,

도 7은 히트 파이프의 장착유무에 따른 히팅롤의 축방향 온도분포를 나타낸 비교 그래프이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10: 외통 11: (외통의) 히트파이프 삽입구멍

20: 히트 파이프 22: (히트파이프의) 작동유체

23: (히트파이프의) 윅 24: (윅의) 윅 몸체

25, 26: (윅의) 커버판 27: (윅의) 유입구

28: (윅의) 유출구 C: (히팅롤의) 회전중심

이와 같은 목적들을 달성하기 위해 본 발명에 의한 히팅롤은, 가열원을 내장하며, 원단과 접촉하는 외통내에 다수의 히트 파이프를 방사상으로 갖는 히팅롤에 있어서, 히트 파이프의 내부에 삽입되어 응축된 작동유체을 증발부로 귀환시키는 다공질의 윅이 판상으로 형성되어 외통의 중심을 향하는 지름 방향으로 배치된 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 한 바람직한 특징에 의하면, 윅이 다공질의 윅 몸체와 이의 상·하면에 각각 부착되는 두 금속재 커버판으로 이루어지는 한편, 히트 파이프의 바깥쪽 단부에서는 그 회전방향을 기준으로 후방에 위치한 커버판이 파이프에 접합되고 전방에 위치한 커버판은 파이프와 일정간격 이격되어 작동유체 유입구를 형성하며, 히트 파이프의 안쪽 단부에서는 그 회전방향을 기준으로 전방에 위치한 커버판이 파이프에 접합되고 후방에 위치한 커버판은 파이프와 일정간격 이격되어 작동유체 유출구를 형성하는 대략 S자형으로 형성된다.

본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 윅은 히트 파이프의 축방향을 따라 적정 간격으로 배열되어 각 윅들간에 윅에 의해 구획된 파이프의 두 공간을 서로 연통시키는 통로가 형성된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 특징에 의하면, 히트 파이프가 외통의 양쪽 단부에 각각 배치되도록 분리 설치된다.

이와 같은 구조적 특징에 따라 본 발명은, 히팅롤의 회전에 따른 원심력 작용방향과 반대 방향으로 윅에 의한 큰 모세관력이 작용하게 되는 바, 히트 파이프가 외부에 있는 회전중심을 축으로 고속으로 회전하여 작동유체가 바깥쪽으로 몰리더라도 작동유체의 순환작용이 매우 원활하게 이루어지게 됨은 물론 그 유동저항도 최소화 된다. 이에 따라 히팅롤의 표면온도분포를 거의 균일하게 유지시킬 수 있게 되므로 히팅롤의 신뢰성 향상과 수명 연장 및 제품의 품질향상 등에 큰 효과를 발휘하게 된다.

이와 같은 본 발명의 구체적 특징과 다른 이점들은 첨부된 도면을 참조한 이하의 바람직한 실시예의 설명으로 더욱 명확해질 것이다.

도 1 및 도 2에서, 본 발명에 의한 히팅롤(1)은 가열원을 내장하는 내통(도시하지 않음)과, 이 내통의 외주에 결합되어 섬유류 등의 원단에 접촉하는 외통(10) 및 이 외통(10)내에 설치되어 가열원에서 발생된 열을 외통(10)의 전 부분으로 확산시켜 표면온도를 균일화시키는 다수의 히트 파이프(20)들로 구성된다.

여기서, 가열원으로는 통상의 히터방식이나 오일순환방식 또는 유도가열방식 등의 모든 가열방식이 사용될 수 있고, 히트 파이프(20)의 수량은 히팅롤(1) 외통(10)의 지름과 두께 및 요구하는 온도정밀도에 따라 적절히 설정한다.

히트 파이프(20)는 도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이 진공의 파이프(21)내에 물과 같은 작동유체(22)를 소량 충진함과 동시에 작동유체(22)에 모세관 효과를 부여하는 다공질의 윅(23)을 삽입하여, 온도차에 따라 내부의 작동유체(22)가 상태변화(증기⇔액체)를 일으키면서 순환되는 작용에 의해 히팅롤(1) 중앙부의 높은 열을 양 단부의 저온부로 신속하게 전달하게 된다. 윅(23)은 본 발명의 특징에 따라 적정두께를 가지는 판상으로 형성되어 그 폭방향이 외통(10)의 중심을 향하는 지름방향으로 배치된다. 이는 히트 파이프(20)가 외부의 회전중심(C)을 축으로 회전하기 때문에 원심력에 의해 작동유체(22)가 바깥쪽으로 몰려 그 증발과 응축작용이 방해되는 것을 방지하기 위함이다.

즉, 히팅롤(1)은 섬유류 등의 원단에 구름접촉하면서 회전하게 되므로 그 외통(10)에 장착된 히트 파이프(20)도 동시에 회전하게 되는데, 이 때 히트 파이프(20)는 그 내부의 회전중심이 아닌 외부에 있는 외통(10)의 회전중심(C)을 축으로 회전하게 되어 도 6에 도시한 바와 같이 히트 파이프(20)는 외통(10)에 위치고정된 상태에서 단지 외통(10)의 회전궤적을 따라 이동하는 것인 바, 내부의 작동유체(22)가 원심력에 의해 바깥쪽으로만 몰리게 된다. 이로 인해 액상의 작동유체(22)가 원심력에 의해 상대적으로 저압인 안쪽의 증발부로 이동하는데에 제약을 받게 되는데, 본 발명은 윅(23)이 히팅롤(1)의 중심(C)을 향하는 지름방향으로 배치되어 있어 도 6에 도시한 바와 같이 원심력 작용방향과 반대방향으로 강한 모세관력이 작용하게 되므로 작동유체(22)가 윅(23)을 타고 압력이 낮은 안쪽의 증발부로 신속히 이동하게 된다. 따라서 증발부가 항상 액상의 작동유체(22)로 젖어 있게 되어 증발작용이 매우 양호하게 이루어짐으로써 회전상태에서도 히트 파이프(20)의 열전달 작용이 원활하게 이루어지고, 이에 따라 히팅롤(1)의 표면온도분포를 거의 균일하게 유지시킬 수 있게 된다.

바람직하기로, 이러한 본 발명 히트 파이프(20)의 윅(23)은 파이프(21)의 바깥쪽에서 안쪽으로 보다 강한 모세관력이 작용할 수 있도록 다공질의 윅 몸체(24)와, 이 윅 몸체(24)의 상·하면에 각각 부착된 두 금속재 커버판(25)(26)으로 이루어져 그 폭방향의 양 단부가 파이프(10)의 내주면에 용접으로 접합된다. 이 때, 히팅롤(1)의 바깥쪽에 위치한 단부에서는 히팅롤(1)의 회전방향을 기준으로 후방에 위치한 커버판(25)만 파이프(21)에 접합되고 전방쪽에 위치한 커버판(26)은 파이프(21)와 일정간격 이격되어 작동유체 유입구(27)을 형성하며, 히팅롤(1)의 안쪽에 위치한 단부에서는 반대로 히팅롤(1)의 회전방향을 기준으로 전방에 위치한 커버판(26)만 파이프(21)에 접합되고 후방쪽에 위치한 커버판(25)은 파이프(21)와 일정간격 이격되어 작동유체 유출구(28)를 형성함으로써 히팅롤(1)의 회전시 작동유체(22)가 매우 용이하게 윅(23)을 따라 증발부로 이동하도록 구성된다.

이에 따라 파이프(21)의 내부가 윅(23)에 의해 회전방향을 기준으로 전·후방에 각각 위치하는 두 구역(21a)(21b)으로 나뉘어지는 바, 윅(23)은 파이프(21)의 축방향을 따라 적정간격을 두고 인라인상으로 배열되는 복수개로 구성되어 각 윅(23)들간에 그들에 의해 구획된 파이프(21)의 두 구역(21a)(21b)을 상호 연통시키는 통로(21c)를 형성한다. 따라서, 작동유체(22)는 파이프(21)의 전방쪽 구역(21b)에서 윅(23)의 유입구(27)로 빨려 들어간 뒤, 그 유출구(28)를 통해 파이프(21)의 후방쪽 구역(21a)으로 빠져 나와 윅(23)들간에 형성된 통로(21c)를 통해 다시 전방쪽 구역(21b)으로 이동하게 됨으로써 파이프(21)의 증발부와 응축부를 순환하게 된다.

또한, 윅(23)은 단순한 평판상으로 형성되어도 무방하나, 보다 바람직하기로는 도시된 바와 같이 대략 S자형으로 형성된다. 이에 따라 히트 파이프(20)가 회전됨에 있어, 윅(23)에 의해 구획된 파이프(21)내의 두 구역(21a)(21b) 사이에 압력차가 발생되어 작동유체(22)의 유동이 더욱 활발해짐으로써 액상의 작동유체(22)가보다 용이하게 증발부로 이동하게 된다. 이러한 윅(23)은 처음부터 S자형으로 제작하여 파이프(21)내에 삽입할 수도 있으나, 도 5에 잘 나타낸 바와 같이 판상으로 제작한 뒤 양쪽 측면부를 반대방향으로 뒤틀어서 파이프(21)내에 삽입함으로써 S자형으로 형성하는 것이 바람직하다. 이 경우, 윅(23)이 자체의 복원탄성에 의해 파이프(21)의 내주면에 강하게 밀착하게 됨으로써 안정된 배치상태를 유지할 수 있을 뿐 아니라 수명도 길어지게 된다.

한편, 히트 파이프(20)는 외통(10)의 원주방향을 따라 일정각도 간격으로 배열되어 외통(10)의 축방향으로 삽입 배치된다. 이 때, 종래와 달리 히트 파이프(20)가 외통(10)을 관통하지 않고 중간에서 적정간격으로 서로 분리되어 외통(10)의 양쪽 단부에 각각 배치된다. 이는 가열원에서 발생한 열이 히팅롤(1)의 중앙부위에 집중되고, 그 양쪽 단부에서 지지브래킷 등에 열을 빼앗김으로써 온도편차가 발생되는 바, 온도균일화를 위한 히트 파이프(20)의 열전달에 아무런 지장을 주지 않기 때문이다.

반면, 종래에 비해 히트 파이프(20)의 길이가 현저하게 짧아져 작동유체의 유동저항이 최소화되고, 이에 따라 작동유체(22)의 순환작용이 매우 신속하고 원활하게 이루어지게 됨으로써 히팅롤(1)의 온도분포를 보다 균일하게 할 수 있다. 또한, 외통(10)에 히트 파이프 삽입구멍(11)을 가공할 때에도 구멍(11)의 깊이가 얕기 때문에 드릴링(drilling) 작업이 용이할 뿐 아니라 정밀하게 가공할 수 있어 히트 파이프(20)의 삽입성과 접촉성도 좋아진다.

도 7에는 위와 같은 본 발명 히팅롤(1)에 있어서의 온도분포곡선을 나타내었다. 이로부터 알 수 있듯이 본 발명의 히팅롤(1)은 히트 파이프가 구비되지 않은 히팅롤에 비해 중앙부위의 열발생 효율이 낮은 반면, 양 단부의 구조체에 의해 열손실이 많은 가장자리부의 온도를 충분히 보상하게 되어 궁극적으로는 거의 평탄한 온도분포 특성을 보이고 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 히팅롤의 회전에 따른 원심력 작용방향과 반대 방향으로 윅에 의한 모세관력이 작용하게 되므로 원심력에 의해 바깥쪽으로 몰린 작동유체가 윅을 타고 저압의 증발부로 신속하게 이동할 수 있게 된다. 또한, 히트 파이프가 히팅롤의 양쪽 단부에 분리 설치되어 작동길이가 짧기 때문에 작동유체의 유동저항도 최소화 된다.

따라서, 본 발명은 히팅롤의 표면온도분포를 균일하게 유지시킬 수 있게 되므로 히팅롤의 신뢰성 향상과 수명 연장 및 가공제품의 품질향상 등에 크게 기여하는 매우 우수한 효과가 있다.

Claims (6)

1. 가열원을 내장하며, 원단과 접촉하는 외통내에 다수의 히트 파이프를 방사상으로 갖는 히팅롤에 있어서,

   상기 히트 파이프의 내부에 삽입되어 응축된 작동유체을 증발부로 귀환시키는 다공질의 윅이 판상으로 형성되어 상기 외통의 중심을 향하는 지름 방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 히팅롤.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 윅이 다공질의 윅 몸체와 이의 상·하면에 각각 부착되는 두 금속재 커버판으로 이루어지는 한편, 상기 히트 파이프의 바깥쪽 단부에서는 그 회전방향을 기준으로 후방에 위치한 커버판이 파이프에 접합되고 전방에 위치한 커버판은 파이프와 일정간격 이격되어 작동유체 유입구를 형성하며, 히트 파이프의 안쪽 단부에서는 그 회전방향을 기준으로 전방에 위치한 커버판이 파이프에 접합되고 후방에 위치한 커버판은 파이프와 일정간격 이격되어 작동유체 유출구를 형성하는 것을 특징으로 하는 히팅롤.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 윅은 히트 파이프의 축방향을 따라 적정 간격으로 배열되어 각 윅들간에 윅에 의해 구획된 파이프의 두 공간을 서로 연통시키는 통로가 형성된 것을 특징으로 하는 히팅롤.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 윅이 대략 S자형으로 형성된 것을 특징으로 하는 히팅롤.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 윅이 히트 파이프의 내경보다 큰 폭을 갖는 판상으로 형성된 후, 뒤틀린 상태로 삽입되어 히트 파이프의 내주면에 탄성적으로 접촉 지지된 것을 특징으로 하는 히팅롤.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 히트 파이프가 상기 외통의 양쪽 단부에 각각 배치되도록 분리 설치된 것을 특징으로 하는 히팅롤.