KR100766870B1 - 초고온 급속가열용 일체형 그래파이트 가열기 - Google Patents

초고온 급속가열용 일체형 그래파이트 가열기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 및 내열재료에 대하여 열응력 실험을 하기 위한 초고온 급속가열용 일체형 그래파이트 가열기에 관한 것이다. 종래 상용적으로 사용되는 금속 발열체나 석영램프 등의 가열기로는 시험물 표면에 대해 높은 온도와 급속가열환경을 모사할 수 없었다. 본 발명은 임의형상 구조물에 대하여 현장에서 기존 상용품보다 높은 고온을 부가할 수 있는 능력을 가진 일체형 그래파이트 가열기로서, 발열체 형상은 소형 또는 중형의 임의형상 구조물을 가열하기 쉽도록 배열할 수 있고, 부품교환이 용이하며, 발열시 처짐을 방지하면서 사용환경에 따라 저항을 변화시킬 수 있다. 가열기 전기공급계통에서 동과 그래파이트를 조합하여 전기전도성과 조립성을 높였으며, 가열기의 열효율 증대 및 열차단을 위한 반사경과 내열성 및 절연성을 고려한 세라믹 가열기 지지판을 제시하였다.　전기공급부와 반사경의 과열방지를 위해 이들을 동시에 냉각할 수 있는 냉각수 공급 일체형 구조를 제시하였다.
초고온 급속가열, 그래파이트 가열기

Description

초고온 급속가열용 일체형 그래파이트 가열기 {Graphite Heater Assembly Having High Temperature and　Rapidly Heating Capability}
도 1은 본 발명인 초고온 급속가열용 일체형 그래파이트 가열기의 사시도이고,
도 2는 도 1의 그래파이트 가열기의 정면도(a), 평면도(b), 좌측면도(c), 우측면도(d) 및 저면도(e)이고,
도 3은 도 1의 그래파이트 가열기를 구성품별로 분해하여 도시한 분해 사시도이며,
도 4는 도 1에서 도시된 가열기를 실제로 제작한 초고온 급속가열용 일체형 그래파이트 가열기의 사진이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명이다.
10: 그래파이트 발열부
20: 전원공급부
30: 반사경
40: 냉각수 분배기
50: 발열체 지지부
60: 냉각호스
70: 가열기 지지판
80: 가열기 고정용 브라켓
본 발명은 금속 및 내열재료에 대해 열응력 실험을 하기 위한 초고온 급속가열용 일체형 그래파이트 가열기에 관한 것이다.
구체적으로 본 발명은 금속 및 내열재료를 개발함에 있어서 다양한 사용환경을 현장에서 구현하기 위한 초고온 급속가열용 일체형 그래파이트 가열기에 관한 것으로, 소형 시편에서부터 다양한 임의형상의 구조물에 대하여 급속하게 초고온에 이르게 하는 능력을 가진 일체형 그래파이트 가열기로서, 소요기술로는 고온발열에 따른 가열기의 내열성 설계 및 열차단 기술, 가열효율 증대를 위한 반사경 설계, 동합금 소재적용을 통한 냉각효과 증대, 내열성 및 전기적 절연성을 고려한 분리형 부품설계, 가열기 열적 차단용 냉각시스템 설계 등이 있다.
종래 상용적으로 사용되는 금속 발열체나 석영램프 등을 사용한 가열기로는 시험물에 대해 고온과 급속가열환경을 모사할 수 없었다. 또한 본 발명에 사용되는 발열체를 사용하여 일부 상용적으로 제작되는 그래파이트 가열기는 주로 밀폐된 챔버 내에서 온도를 부가하는 경우가 대부분이며, 소형 시편이나 주어진 형상에 대해서만 적용가능 하도록 제한되어 있다.　즉, 종래 기술로는 밀폐공간인 챔버내의 시편에서만 모사가 가능할 뿐이며, 실제 현장에서 임의 형상의 구조물에 대해서 손쉽 게 운용 온도 환경을 모사할 수는 없는 단점이 있다.
본 발명은 상용적으로 사용되는 금속 발열체나 석영램프 등의 가열기보다 훨씬 높은 온도와 가열속도를 낼 수 있고, 소형시편에서부터 다양한 임의형상 구조물에 대하여 초고온 및 급속가열환경을 쉽게 구현할 수 있는 일체형 그래파이트 가열기를 구현하고자 한다. 본 발명을 이용하여 금속 및 내열재료의 극고온 환경을 현장에서 적절히 수행함으로써 내열재료 개발 및 내열 설계기술 개발을 선도하고자 하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 시편 및 구조물 가열에 필요한 발열을 담당하는 그래파이트 발열부, 가열효율을 높이기 위한 반사경, 전기인입을 담당하는 전원공급부, 가열기 발열체의 처짐방지를 위한 발열체 지지부, 반사경을 고온환경으로부터 보호하기 위한 냉각호스 및 냉각수 분배기로 구성된 냉각계통부, 가열기의 형상을 유지하는 가열기 지지판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초고온 급속가열용 일체형 그래파이트 가열기를 제공한다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 각 구성요소의 구조와 기능을 설명하면 다음과 같다.
그래파이트 발열부(10)는 그래파이트 발열체(10a)와 그래파이트 인입봉(10b)을 포함하고 있다. 그래파이트 발열체(10a)는 임의의 형상을 갖는 시편 및 구조물을 가열하기 용이하도록 직사각형 모양으로 되어 있고, 그럼으로써 사용환경에 따 라 저항변화 및 가열단면적 제어를 용이하게 한다. 그래파이트 인입봉(10b)은 전원공급부(20)와 그래파이트 발열체(10a)를 연결해주는 부분이다.
반사경(30)은 가열기의 발열효율을 높이기 위하여 고안된 것으로 그 표면은 매끄러운 동판 등 금속판으로 구성될 수 있다. 수백도 미만의 온도범위에서는 이 동판만으로도 그 기능을 발휘할 수 있으며, 그 이상의 온도에서는 추가로 그래파이트 판을 동판에 부착하여 고온에 의한 반사경의 파손을 방지하도록 되어 있다.
냉각수 분배기(40)는 반사경(30), 발열체 지지부(50), 전원공급부(20)를 고온환경으로부터 보호하기 위하여 냉각수를 분배하는 장치로서, 전기가 흐르는 전원공급부와 발열체 지지부를 실리콘 고무로 된 냉각호스(60)를 이용하여 연결함으로써 냉각효과와 전기적 절연을 동시에 제공한다.
가열기 지지판(70)은 전기가 흐르는 각 구성품과 전기적으로 절연되면서 가열기를 지지하는 고정판 역할을 한다.
가열기 고정용 브라켓(80)은 고정 치구에 가열기를 고정시키는 역할을 함으로써, 시편이나 구조물의 형상에 맞도록 여러 개의 가열기를 배열할 수 있게 한다.
도 2와 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 통하여 구성요소들 간의 결합관계를 자세히 살펴보도록 한다.
상기 그래파이트 발열부(10)는 그래파이트 발열체(10a)와 그래파이트 인입봉(10b), 발열체 제1연결부(10c), 인입봉 하우징(10d) 및 발열체 제2연결부(10e)로 구성되어 있다. 그래파이트 발열체(10a)는 임의의 형상을 갖는 시편 또는 구조물을 가열하기 용이하도록 직사각형 모양으로 된 평판 두 개가 평행하게 배치되어 있고, 그럼으로써 사용환경에 따라 저항변화 및 가열단면적 제어를 용이하게 한다. 그래파이트 인입봉(10b)은 전원공급부(20)와 그래파이트 발열체(10a)를 연결해주는 부분으로 전력손실을 줄이면서 고열에 견딜 수 있도록 하기 위해 발열체와 동종의 재질로 되어 있는 것이 바람직하다. 발열체 제1연결부(10c)는 그래파이트 발열체(10a)의 한쪽 끝단에서 부착되어 그래파이트 인입봉(10b)이 삽입될 수 있는 구멍을 가지는 구조이다. 인입봉 하우징(10d)은 발열체 제1연결부(10c)의 하부에 위치하여 그래파이트 인입봉(10b)이 삽입됨으로써 그래파이트 발열체(10a)를 고정한다. 발열체 제2연결부(10e)는 그래파이트 발열체(10a)의 다른 쪽 끝단의 하부에 부착되어, 발열체 지지부(50)와 그래파이트 발열체(10a)를 연결시키는 기능을 수행한다.
전원공급부는(20) 그래파이트 발열체(10)에 전원을 공급하여 발열이 일어나도록 하는 발열 작용을 수행한다. 시편 또는 구조물 가열을 위해 전원이 전원공급부(20)에 가해지면 그래파이트 발열체(10)의 전기인입봉(10d)을 통하여 그래파이트 발열체(10a)에 전기가 통하여 그래파이트 발열체(10a)가 발열된다.
반사경(30)은 가열기의 발열효율을 높이기 위하여 고안된 것으로 표면은 매끄러운 동판으로 구성될 수 있다. 반사경(30)은 그래파이트 발열체(10a) 하부에 위치하여 그래파이트 발열체(10a)에서 발산되는 열이 하부로 누설되지 않고 그래파이트 발열체(10a) 위에 위치한 시편 또는 구조물 가열을 가열하는데 사용되도록 하는 작용을 한다. 수백도 미만의 온도범위에서는 이 동판만으로도 사용가능하며, 그 이상의 온도에서는 추가로 그래파이트 판을 부착하여 고온에 의한 반사경의 파손을 방지하도록 되어 있다.
냉각수 분배기(40)는 반사경의 하부에 부착되고 가열기 지지판(70)의 상부에 위치한다. 냉각수 분배기(40) 측면에 냉각호스(60)가 뻗어나와 반사경(30), 전원공급부(20), 발열체 지지부(50)와 연결된다. 냉각수 분배기의 하부에는 냉각수 공급관(40a)이 구비되고, 냉각수 공급관(40a)은 가열기 지지판(70)에 형성된 구멍에 삽입될 수 있다. 냉각수 분배기(40)를 구비함으로써 그래파이트 가열기는 고온환경에서 발열체를 제외하고 반사경 및 전원공급부를 동시에 냉각할 수 있는 냉각수 공급 일체형 구조를 가지게 된다. 이러한 구조로 인해 그래파이트 가열기는 고온에서 파손되지 않고 전원공급이 원활하게 된다.
발열체 지지부(50)는 그래파이트 발열체(10a)의 처짐을 방지하기 위한 장치이다. 발열체 지지부(50)는 지지대(50a), 지지부 인입봉(50b), 지지부 연결장치(50c) 및 와셔(50d)로 구성된다. 지지부 인입봉(50b)의 하부가 지지부 연결장치(50c) 및 와셔(50d)를 통해 지지대(50a)에 삽입됨으로써 그래파이트 발열체(10a)의 다른 쪽 끝단을 고정하고 지지하게 된다. 지지부 인입봉(50b)은 궁극적으로 발열체 제2연결부(10e) 및 지지부 연결장치(50c)와 서로 맞물려 있게 됨으로써 가열 시에 그래파이트 발열체가 고온에 의하여 처지는 현상(발열체가 길기 때문에 나타나는 현상)을 막는 역할을 하게 된다.
냉각호스(60)는 냉각수 분배기(40)의 측면에서 관 형태로 뻗어나온 구조물이다. 냉각수 공급관(40a)으로부터 냉각수 분배기(40)를 통하여 냉각수가 냉각호스(50)로 공급되면 반사경(30), 전원공급부(20), 발열체 지지부(50) 순으로 냉각수가 흘러나와 냉각 작용을 수행하게 된다. 특히 반사경을 고온환경에서 보호하게 되 는 작용을 한다.
가열기 지지판(70)은 그래파이트 발열기의 가장 하부에 위치하는 구성요소로서, 전기가 흐르는 각 구성품과 전기적으로 절연되면서 가열기를 지지하는 고정판 역할을 한다.
가열기 지지판(70)은 지지평판(70a), 지지판 제1연결부(70b), 지지판 제2연결부(70c) 및 지지판 제3연결부(70d)로 구성된다. 지지평판(70a) 위에는 한쪽 끝단에 전원공급부(20), 중앙에는 냉각수 분배기(40), 그리고 다른 쪽 끝단에 발열체 지지부(50)가 위치하게 된다. 지지판 제1연결부(70b), 지지판 제2연결부(70c), 지지판 제3연결부(70d)는 각각 전원공급부(20), 냉각수 분배기(40), 발열체 지지부(50)를 지지평판(70a)을 연결하여 고정시키는 기능을 수행한다. 가열기 지지판(70)은 가열기를 지지하면서 내열성 및 절연성을 갖도록 한 세라믹으로 구성되는 것이 바람직하다.
가열기 고정용 브라켓(80)은 가열기 지지판(70) 하부에 위치하여, 고정 치구에 가열기를 고정시키는 역할을 함으로써, 시편이나 구조물의 형상에 맞도록 여러 개의 가열기를 배열할 수 있게 한다.
금속 및 내열재료에 대한 열응력 실험이 필요한 경우, 현장에서 전기와 냉각수만 공급되면 본 발명인 일체형 그래파이트 가열기를 사용하여 실험을 수행할 수 있으며, 임의의 형상을 가지는 시편에 대하여 설치가 가능하도록 설계 변경 등의 응용이 가능하고, 그래파이트 가열기를 여러 개 배열함 으로써 쉽게 운용 온도 환경을 구현할 수 있다.
실제로 본 발명인 그래파이트 가열기를 사용하여 원통형 구조의 시편에 대하여 1500도 이상의 고온환경을 구현하는데 성공한 바 있다.
본 발명은 시험물에 대해 극고온 및 급속가열환경을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 임의형상 구조물에 대하여 현장에서 기존 상용품보다 높은 고온을 부가할 수 있는 능력을 가진 일체형 그래파이트 가열기로서, 발열체 형상은 소형 또는 중형의 임의형상 구조물을 가열하기 쉽도록 배열할 수 있고, 부품교환이 용이하며, 발열시 처짐을 방지하면서 사용환경에 따라 저항변화가 가능하다. 가열기 전기공급계통에서 동과 그래파이트를 조합하여 전기전도성과 조립성을 높였으며, 가열기의 열효율 증대 및 열차단을 위한 반사경과 내열성/절연성을 고려한 세라믹으로 구성된 가열기 지지판을 가지는 장점이 있다.　또한 전원공급부와 반사경의 과열방지를 위해 이들을 동시냉각할 수 있는 냉각수 공급 일체형 구조이다. 이상과 같이 본 발명은 기존의 금속 저항체 및 석영램프 가열기에 비해 더 높은 온도와 더 빠른 가열로서 가열 시간의 감소를 기대할 수 있는 소형의 일체형 그래파이트 가열기로서, 금속 및 내열재료 고온 물성특성 평가를 위한 가열장치뿐만 아니라 임의 형상 구조물에 대하여 극고온 환경을 현장에서 구현하여 열적 특성을 평가함으로써 내열재료 개발 및 내열구조설계에 기여할 수 있다.

Claims (3)

  1. 내열재료 및 임의형상 구조물에 대한 초고온 및 급속가열환경을 구현하는 초고온 급속가열용 그래파이트 가열기에 있어서,
    그래파이트 발열체를 구비하여 시편 또는 구조물을 가열하기 위해 열을 발산하는 그래파이트 발열부;
    그래파이트 발열부에 부착되어 그래파이트 발열부에 전원을 공급하는 전원공급부;
    그래파이트 발열체와 간격을 두고 위치하여 그래파이트 발열체에서 발산되는 열을 반대 방향으로 반사하는 반사경; 및
    그래파이트 발열부와 연결되어 그래파이트 발열부를 고정하는 발열체 지지부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고온 급속가열용 그래파이트 가열기.
  2. 제1항에 있어서,
    냉각수 분배기와 냉각호스를 더 포함하고,
    냉각호스는 냉각수 분배기의 측면에서 관 형태로 뻗어 나와 반사경, 전원공급부, 발열체 지지부 중 하나 이상과 연결되는 것을 특징으로 하는 그래파이트 가열기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    전원공급부와 발열체 지지부의 하부에 위치하여 이들을 지지하며 세라믹으로 구성되는 가열기 지지판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래파이트 가열기.
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