KR100650988B1 - 챔버 내에 열전도성 장벽이 구비된 저온 전기로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저온 전기로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 800℃ 이하의 저온에서 챔버 내부에 균일한 열전달을 보장할 수 있는 전기로에 관한 것이다. 본 발명은 열처리 공간을 둘러싸는 단열벽, 상기 열처리 공간과 접하는 상기 단열벽 표면에서 상기 단열벽의 주위를 따라 주기적으로 배열되는 선형 히터 및 상기 단열벽 표면과 상기 선형 히터 표면을 덮는 열전도층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기로를 제공한다. 본 발명에 따르면, 챔버 내부의 온도 분포가 균일하고 공간 활용성이 높은 전기로를 제공할 수 있다.

전기로, 챔버, 세라믹 파이버 히터, 온도 균일성, 열전도층, 금속 장벽, 전도, 대류

Description

챔버 내에 열전도성 장벽이 구비된 저온 전기로{LOW TEMPERATURE FURNACE COMPRISING THERMAL CONDUCTIVE BARRIER WITHIN CHAMBER}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기로의 챔버 구조를 도시한 사시도이다.

도 2는 도 1의 챔버 구조에 대한 A-A' 방향의 단면도이다.

도 3 도 2의 챔버 구조보다 균일한 온도 분포를 나타내는 챔버 구조를 도시한 사시도이다.

도 4는 도 3의 챔버 구조를 B-B'을 따라 절단한 단면을 도시한 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따라 금속 장벽 구조를 갖는 챔버의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.

도 6은 본 발명의 실험예에서의 구체적인 온도 계측 지점을 도시한 평면도이다.

<도면의 부호에 대한 간략한 설명>

100, 200, 300 : 챔버 110 : 단열벽

120 : 열전도층 130 : 세라믹 파이버 히터

140 : 금속 장벽

본 발명은 저온 전기로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1000 ℃ 이하의 저온에서 챔버 내부에 균일한 열전달을 보장할 수 있는 전기로에 관한 것이다.

저온, 특히 800 ℃ 이하의 저온 영역은 로 내부의 열전달 기구로 대류에 의한 열전달이 지배하는 영역이다. 이와 같은 저온에서는 일정한 부피의 내부 공간의 온도를 균일하게 유지하는 것이 매우 곤란하다고 알려져 있다.

종래에는 저온에서 열처리 대상물을 가열하기 위해 강제 대류 방식의 로를 사용하였다. 강제 대류 방식이란 가열된 공기를 로 내부로 강제로 불어 넣어 열처리 대상물의 온도를 상승시키는 방식을 말한다. 그러나, 이 방식은 두 가지 점에서 한계를 가지고 있다. 먼저, 이 방식에 의하면 국부적인 온도 불균일이 매우 심하게 발생하며, 온도 분포가 균일한 작은 공간을 얻기 위해 매우 큰 챔버를 사용하여야 한다. 다음으로, 이 방식에는 열처리 온도의 한계가 따른다. 강제 대류 방식에서 500 ℃ 이상의 온도를 얻는 것은 사실상 불가능하다.

한편, 발열체를 사용하는 전기로의 경우에도 저온에서 균일한 온도 분포를 얻는 것은 매우 어렵다. 먼저, 전기로는 주기적으로 배열된 선형 발열체를 채용함으로써, 발열체와의 근접 여부에 따라 챔버 내에 국부적인 온도 불균일이 초래된다. 또한, 전기로는 통상 자연 대류 방식을 채용하여 열전달이 상대적으로 느리기 때문에, 챔버 내부의 온도 불균일을 해소하는 것이 사실상 곤란하다.

그러나, 전기로 방식은 강제 대류 방식에 비해 챔버를 소형으로 제작할 수 있고, 보다 고온으로 유지할 수 있으며 보다 빨리 고온에 도달할 수 있다는 장점을 갖기 때문에, 강제 대류 방식에 비해 저온로의 제작에 효율적이라는 장점을 갖는다.

따라서, 발열체를 이용한 저온 전기로의 제작에 있어서 챔버 내부의 온도 불균일을 해소하려는 요구가 절실한 실정이다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 발열체를 사용하여 챔버 내부 온도를 800 ℃이하로 유지하는 저온 전기로의 챔버 내부 온도를 균일하게 유지할 수 있는 전기로 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은 열처리 공간을 둘러싸는 단열벽, 상기 열처리 공간과 접하는 상기 단열벽 표면에서 상기 단열벽의 주위를 따라 주기적으로 배열된 선형 히터 및 상기 단열벽 표면과 상기 선형 히터 표면을 덮는 열전도층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기로를 제공한다.

본 발명에서 상기 선형 히터로는 세라믹 파이버 히터가 사용될 수 있으며, 상기 열전도층은 BN 또는 SiC 재질인 것이 바람직하다.

또한, 상기 전기로는 상기 단열벽의 내부의 열처리 공간에 장착되며, 상기 단열벽의 상기 열전도층으로부터 소정 간격 이격된 위치에 장착되는 열전도성 금속 장벽 구조를 포함할 수 있다. 이 때 상기 금속 장벽 구조로는 스테인레스 스틸 재질이 사용될 수 있다. 또한 본 발명에서 상기 금속 장벽 구조는 상기 열전도층으로부터 0.5 ~ 5 cm 이격되는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다. 후술하는 본 발명의 도면에서 동일한 참조 번호는 동일 또는 유사한 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기로의 챔버(100) 구조를 도시한 사시도이다. 도 1을 참조하면, 챔버(100)는 내부에 열처리 공간(S)을 형성하도록 단열벽(110)에 의해 둘러싸여져 있다. 상기 단열벽(110)으로는 단열성과 내열성이 우수한 통상의 세라믹 재질의 내화물이 사용될 수 있다.

본 발명에서 상기 단열벽(100)의 내부 표면은 열전도층(120)에 의해 덮혀져 있다. 상기 열전도층(120)은 높은 열전도성을 갖는 세라믹 재질, 바람직하게는 BN 또는 SiC 재질로 이루어진다. 상기 열전도층(120)은 BN 또는 SiC 분말과 같은 세라믹 페이스트를 도포하고 열처리함으로써 제작될 수 있으며, 기타 당업계에 알려진 다른 주지의 도포 방법에 의해 제작될 수도 있다.

상기 열전도층(120)과 상기 단열벽(100) 사이에는 세라믹 파이버 히터(도 2의 130)가 내장되어 있다. 도 2는 도 1의 챔버를 절단하여 A-A' 방향에서 바라볼 때 상기 단열벽(110) 및 열전도층(120)의 구조를 도시한 단면도이다. 도시된 바와 같이, 단열벽(110)의 표면에는 세라믹 히터의 장착을 위한 리세스가 형성되어 있으며, 상기 리세스에는 세라믹 파이버 히터(130)가 장착되어 있다. 그러나, 상기 리세스는 세라믹 파이버 히터(130)의 장착을 용이하게 하지만, 본 발명에서 상기 단열벽(110)의 표면에 반드시 리세스가 형성되어야 하는 것은 아니다.

상기 세라믹 파이버 히터(130)는 단면이 원형인 파이버 형태의 발열체로서, 열선(132) 및 상기 열선을 둘러싸는 세라믹 재질의 피복(134)으로 구성된다. 상기 열선(132)은 Fe-Cr-Al계 합금과 같은 합금 재질이며, 상기 피복(134)은 알루미나와 같은 내열성 및 열전도성을 갖는 적당한 세라믹 재질로 이루어진다. 상기 세라믹 파이버 히터(130)는 상기 단열벽(110)의 외주를 따라 연장되어 상기 열처리 공간(S)을 둘러싸며, 상기 단열벽(110)의 높이 및 열처리 공간의 크기에 따라 일정한 간격으로 주기적으로 배열되어 있다. 물론, 상기 세라믹 파이버 히터를 대신하여 통상적인 금속 열선이 사용되어도 무방하다. 또한, 상기 세라믹 파이버 히터는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 열전도벽의 외주 방향으로 장착될 수도 있으나, 상기 열전도벽의 높이 방향으로 장착되어도 무방하다.

본 발명에서 상기 열전도층(120)이 수행하는 역할은 다음과 같다.

세라믹 파이버 히터(130)가 선형 열원이기 때문에 상기 세라믹 파이버 히터(130)는 상기 열처리 공간에 온도 구배를 형성할 수밖에 없다. 예컨대, 도 2와 같이 상기 세라믹 파이버 히터의 배열 간격에 의해 단열벽에는 주기적인 온도 구배가 존재한다. 본 발명의 열전도층(120)은 상기 세라믹 파이버 히터(130)와 같은 선형 열원을 면형 열원으로 모사하는 기능을 한다. 세라믹 파이버 히터(130)가 나타내는 주기적인 온도 구배는 상기 열전도층(120)의 열전도에 의해 상당히 감소된다. 따라서 상기 열전도층(120)은 상기 챔버(110)의 내부 열처리 공간(S)을 균일하게 가열할 수 있다.

도 3은 도 2에서 설명한 챔버 구조보다 균일한 온도 분포를 나타내는 챔버(200) 구조를 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 상기 챔버(200)는 상기 열전도층(120)과 열처리 공간(S) 사이에 열전도성 금속 장벽(140)을 더 구비하고 있다. 상기 열전도성 금속 장벽(140)은 전기로의 운전 온도인 800 ℃ 정도의 온도에서 용융되지 않을 뿐더러 기계적 특성의 열화가 적으며 높은 열전도성을 갖는 금속 재질로 제작된다. 이러한 금속 재질로는 스테인레스 스틸, 몰리브덴 또는 텅스텐을 들 수 있다.

도 4는 도 3의 챔버를 B-B' 방향을 따라 절단한 단면 구조를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 상기 금속 장벽(140)은 상기 열전도층(120)으로부터 소정 거리(d₁) 만큼 이격되어 있다. 상기 금속 장벽(140)과 상기 열전도층(120)과 일정한 거리(d₁)를 둠으로써 상기 열전도층(120)과 상기 금속 장벽(140)과의 열전달이 대류에 의해 일어나게 한다. 이와 같이, 상기 금속 장벽(140)과 상기 열전도층(120) 사이의 대류에 의해 상기 세라믹 파이버 히터가 갖는 국부적인 온도 불균일 또는 주기적인 온도 불균일이 해소되어 상기 금속 장벽(140)의 표면은 균일한 온도 분포를 나타내게 된다. 상기 열처리 공간(S)은 상기 금속 장벽(140)에 의해 간접적으로 가열된다.

본 발명에서 상기 금속 장벽(140)의 이격 거리(d₁)는 상기 세라믹 파이버 히터(130)와 상기 금속 장벽(140) 사이에 원활한 대류가 발생할 수 있는 최소한의 거리만큼 이격된다. 상기 이격 거리(d₁)가 클수록 대류에 의한 열전달은 원활해지지만 열처리 공간(S)이 협소해지는 만큼 적절한 절충점이 필요하다. 본 발명에서 상기 이격 거리(d₁)는 약 5 mm 내지 5 cm 범위에 있는 것이 바람직하다.

도 5는 도 3과 관련하여 설명한 챔버 구조의 다른 실시예를 도시한 단면도이다. 도 5를 참조하면, 챔버(300)는 단면이 삼각형인 절연벽(110), 열전도층(120)으로 구성된다. 상기 금속 장벽(140)은 상기 챔버의 열전도층(120)으로부터 일정한 거리(d₂)만큼 떨어져 있다. 본 발명에서 상기 열전도층(120)과 상기 금속 장벽의 이격 거리(d₂)는 전술한 바와 같이 대류에 의한 열전도를 보장하는 최소한의 거리로 설정된다. 또한, 상기 챔버(300)내에서 상기 열전도층(120)과 상기 금속 장벽(140) 사이의 이격 거리(d₂)는 상기 금속 장벽의 각 면에서 동일하게 유지되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 금속 장벽(140)의 형상은 상기 절연벽(110) 및 상기 열전도층(120)과 닮은 꼴의 형상을 갖는다.

본 발명에서 챔버 구조는 도 3 및 도 5에 도시된 형상 외에 다른 다양한 형상으로 구현될 수 있다. 예컨대 상기 챔버 구조는 원기둥 형상으로 구현될 수도 있으며, 이 경우에 상기 금속 장벽의 형상 또한 원기둥 형상을 갖게 된다.

도 3과 관련하여 설명한 본 발명의 챔버 구조를 갖는 전기로를 제작하여 챔버 내부의 온도 분포를 측정하였다. 측정에 사용된 챔버의 열처리 공간(S)은 가로 세로가 700 mm × 400 mm 였으며, 금속 장벽과 열전도층과의 이격 거리는 1 cm 였다. 챔버 중심의 온도가 300 ℃로 유지될 때, 챔버 내부의 10개 지점에서 온도를 측정하였다. 도 6에 측정된 구체적인 온도 계측 지점의 위치를 도시하였다.

본 발명과의 비교를 위해 700 mm × 400 mm의 규격을 갖는 통상의 주물 히터 를 사용하여 동일한 조건에서 10개 지점의 온도를 계측하였다.

아래 표 1은 본 실험에서 계측된 각 지점의 온도와 중심 온도(300 ℃)와의 차이(℃)를 나타낸 그래프이다.

지점	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
실시예	0.8	0.9	0.1	0.5	0.9	0.7	0.8	0.5	0.2	0.8
비교예	6.2	5.5	1.2	-2.1	3.5	7.6	5.8	-1.2	2.3	7.1

상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 챔버 중심과 각 지점의 온도차가 1 ℃ 미만으로 유지된다. 그러나 통상의 주물 히터를 사용한 비교예의 경우에는 최대 약 7 ~ 8 ℃의 온도차를 나타냄을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 발열체를 사용하는 전기로의 내부 온도가 800 ℃ 미만의 저온에서 매우 균일한 온도 분포를 나타낸다. 또한, 본 발명의 전기로는 매우 높은 공간 활용성을 갖는다. 본 발명의 실시예에 따르면, 발열체로부터 수 cm의 이격 거리를 갖는 금속 장벽에 의해 금속 장벽 내부의 열처리 공간의 온도 편차를 1 ℃ 미만으로 유지할 수 있다.

Claims (6)

1. 열처리 공간을 둘러싸는 단열벽;

   상기 열처리 공간과 접하는 상기 단열벽 표면에서 상기 단열벽의 주위를 따라 주기적으로 배열되는 선형 히터; 및

   상기 선형 히터가 노출되지 않도록 상기 단열벽 표면과 상기 선형 히터를 덮는 열전도성 세라믹 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기로.
2. 제1항에 있어서,

   상기 열전도성 세라믹 코팅층은 BN 또는 SiC 재질인 것을 특징으로 하는 전기로.
3. 제1항에 있어서,

   상기 단열벽의 내부의 열처리 공간에 장착되며, 상기 단열벽의 상기 전도성 세라믹 코팅층으로부터 소정 간격 이격된 위치에 장착되는 열전도성 금속 장벽 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기로.
4. 제3항에 있어서,

   상기 금속 장벽 구조는 스테인레스 스틸 재질인 것을 특징으로 하는 전기로.
5. 제3항에 있어서,

   상기 금속 장벽 구조는 상기 코팅층으로부터 0.5 ~ 5 cm 이격된 것을 특징으로 하는 전기로.
6. 제1항에 있어서,

   상기 히터는 세라믹 파이버 히터인 것을 특징으로 하는 전기로.

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