KR100813083B1 - 유도 가열 장치용 단열 가스 밀봉 및 진공 밀봉 챔버 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자기 유도에 의해 보호 분위기 또는 진공에서 연속적으로 진행하는 금속 제품을 가열하는 것에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 가스 밀봉 및 진공 밀봉 챔버는, 이 챔버 내부에서 진행하는 제품을 전자기 유도에 의해 가열하기 위한 장치에 사용되고, 전기 절연되는 가스 밀봉 및 진공 밀봉 재료로 제조되는 외장(1)을 포함하며, 상기 외장의 내부면은 단열 재료로 제조되는 타일(5)의 매트릭스와, 유체 유동에 의해 냉각되는 복수의 튜브(4)로 구성되는 열 차폐부(2)에 의해 보호되고, 상기 복수의 튜브는 타일의 매트릭스에 포획된다.

Description

유도 가열 장치용 단열 가스 밀봉 및 진공 밀봉 챔버{Thermally insulating gastight and vacuum-tight chamber intended for an induction heating device}

본 발명은 전자기 유도에 의해 보호 분위기(a protective atmosphere) 또는 진공에서 연속적으로 진행하는 금속 제품을 가열하는 것에 관한 것이다.

고온 코팅 라인(아연 도금, 알루미늄 도금 등) 또는 연속적인 열처리 라인(예를 들면, 어닐링 라인)에서 실시되는 바와 같은 보호 분위기에서 열처리를 위해 전자기 유도 가열 장치를 사용하는 것은 오래전부터 공지되어 있다.

일반적으로, 2가지 형태의 유도 가열 장치가 이러한 설비용으로 사용되는데, 즉 하나는 종방향 플럭스(이 유도기는 전류가 통과하는 다수의 권선부로 구성되고, 이 권선부는 제품의 진행방향에서 자기 플럭스를 발생시킬 수 있도록 진행하는 제품을 둘러싸고 있다)이고, 다른 하나는 횡방향 플럭스(이 유도기의 권선부는 제품의 표면에 평행한 평면에 위치됨으로써, 자기 플럭스는 제품의 표면에 수직이 된다)이다.

이러한 장치중의 하나 또는 다른 것을 사용하는 것은 처리될 제품의 형태에 따라서 선택된다. 그래서, 종방향 플럭스의 유도는 그 온도가 750℃(큐리점) 근방에 있도록 요구되는 자기 제품에 일반적으로 적절한 반면에, 횡방향 플럭스의 유도는 보다 높은 온도, 특히 비자기 제품을 가열하는데 보다 적절하다.

또한, 제품이 산화되는 위험성이 있는 온도에서 처리되어야만 하는 코팅되지 않는 제품의 경우에는, 유도 가열은 수소와 질소의 혼합물과 같은 보호 분위기에서 실행되어야만 한다. 그 결과, 상기 가열 장치는 특히 챔버를 포함하며, 상기 챔버를 통해 처리될 제품이 통과하며, 상기 챔버는 제품의 산화를 방지하기 위하여 완전히 공기 밀봉되어야만 한다.

이러한 형태의 유도 가열 방식의 공지된 적용에서, 유도 가열 장치는 보호 분위기에서 사용되고, 여기에서 가열 장치는 밀봉된 챔버의 내부에 직접 위치된다. 따라서, 유도 수단의 전체 둘레에 밀봉이 형성되며, 이는 챔버를 분해해야 하는 상기 유도기의 유지 보수 작업 중에, 또는 유도기에 전류를 유입하고 복귀시키기 위한 통로를 밀봉하는 동안 및 유도기를 냉각하는 냉각수 회로의 밀봉에 있어서 많은 단점을 제공한다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 유럽 특허 출원 제 0 822 733 호에 기재된 바와 같은 적용이 공지되어 있는데, 이는 유도 수단과 진행하는 제품 주위에 배치된 가스 밀봉 챔버를 포함하며, 상기 챔버와 유도기 사이에서 상기 챔버는 유도기의 상류측 및 하류측에서 제품의 진행 방향에 위치되어 있다.

상기 유럽 특허 출원에서, 실질적인 유도 수단에 의해 포위되는 중심부에서, 밀봉된 챔버는, 하나 이상의 단열 및 전기 절연 섬유의 층을 포함하며 적어도 100℃의 그러나 750℃를 초과하지 않는 온도를 견딜 수 있는(종방향 플럭스를 가진 유도에 의해 작동되는 장치) 가스 밀봉 필름으로 코팅된 슬리브로 구성된다.

한편, 횡방향 또는 종방향 플럭스를 가진 유도 가열 장치를 사용하여 750℃ 이상의 온도로 제품을 가열하는 경우{예를 들면, 스테인레스 스틸의 광휘 열처리(bright annealing)}, 상기 문헌에 기재된 슬리브는 이러한 온도에서 더 이상 효과적으로 작동하지 않으며, 이는 통상 100℃ 이상에서 작동하지 않야야 하는 유도기를 손상시키는 위험이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 전자기 유도 가열 장치의 작동 방식(종방향 플럭스 또는 횡방향 플럭스)에 관계 없이 상기 전자기 유도 가열 장치의 임의의 자기 회로 및 유도 수단을 보호할 수 있게 하는 단열 차폐부에 연결된 전기적으로 절연된(즉, 자기 플럭스를 투과하는) 가스 밀봉 및 진공 밀봉 챔버를 제공함으로써 상기와 같은 단점을 극복하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 가스 밀봉 및 진공 밀봉 챔버는 진행하는 제품과 유도 가열 수단 사이에서, 가열될 진행하는 제품 주위에 위치된다.

이를 위하여, 전자기 유도에 의해 상기 챔버내에서 진행하는 제품을 가열하기 위한 장치에 사용되는 본 발명에 따른 가스 밀봉 및 진공 밀봉 챔버는, 상기 유도 가열 수단에 의해 둘러싸여 있는 적어도 중심부에서, 전기 절연 가스 밀봉 및 진공 밀봉 재료로 제조되는 외장을 포함하며, 상기 외장의 내부면은 단열 재료로 제조되는 타일의 매트릭스(a matrix of tiles)와, 유체 유동에 의해 냉각되는 복수의 튜브로 구성되는 열 차폐부에 의해 보호되며, 상기 복수의 튜브는 상기 타일의 매트릭스에 포획(trap)되는 것을 특징으로 한다.

상기 열 차폐부의 역할은 외장을 형성하는 재료에 대해서는 100℃ 정도의 온도가 되는 것을 보장하고, 가열될 제품은 약 1200℃의 온도가 되는 것을 보장한다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 설명되는 하기의 상세한 설명으로부터 더욱 잘 이해될 것이며, 상기 첨부된 도면은 특징을 제한하지 않는 실시예를 도시한다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 절연 가스 밀봉 및 진공 밀봉 챔버는 열 차폐부(2)에 연결된 세장형 외장(1) 형태로 형성된다.

상기 외장 내부에 형성된 공간(3)은 처리될 제품의 형상에 따라서 형성된다. 예를 들면, 도 1 내지 도 4에 도시된 팽행사변형 외장은 통상적으로 처리될 스트립에 상기 장치를 적용시키는 것을 도시한다.

물론, 이러한 형태의 챔버는 또한 제품의 진행 여부에 무관하게 어떠한 제품(철, 동, 알루미늄 등으로 제조된 와이어)에도 적용될 수 있다.

따라서, 상기 외장(1)은 처리될 진행하는 제품을 둘러싸게 되고, 상기 가열 장치의 유도 수단과 제품 사이에 위치된다. 상기 외장은 유도 수단의 전체 높이에 걸쳐서 연장될 수 있지만, 적합하게는 유도기의 상류측 및 하류측에서 상기 유도기를 지나 연장되는 외장은, 단부편(end piece)가 유도 플럭스의 복귀에 의해 가열되지 않도록 선택될 수 있다.

본 발명에 따르면, 통상적인 가스 밀봉 및 진공 밀봉 수단이 외장의 입구 및 출구에 각각 제공되며, 상기 외장의 단부들에서, 가열될 스트립이 연속적인 이동 방식으로 진입 및 진출한다. 이러한 종래의 디자인 수단은 도면에 도시되지 않는다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 외장(1)은 자기 플럭스를 투과하는, 따라서 전기적으로 절연되는 재료로 제조된다.

본 발명의 한정적이지 않은 실시예에 따르면, 상기 외장은 에폭시 수지 또는 이와 유사한 재료의 필라멘트 권선으로 제조된다.

그러나, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 다른 실시예가 가능하고, 자기 플럭스를 투과하는 한 다른 재료를 사용하여 외장을 제조하는 것도 가능하다. 따라서서, 예를 들면 세라믹 또는 글래스 외장이 본 발명에 따라서 제조될 수 있다.

상기 외장의 내부의 공간(3)은 제품의 처리 중에 제품의 산화를 방지할 수 있게 하는 보호 분위기(일반적으로 질소와 수소의 혼합물로 구성됨)로 충전되며, 따라서 상기 외장(1)은 가스 밀봉 및 진공 밀봉이 되는 것이 필요하다.

또한, 상기 외장은 또한 유도 플럭스에 의해 유도되는 전류원이 되지 않도록 전기적으로 비도전성이어야 한다.

더욱이, 상기 외장은, 하기에 설명되는 바와 같이 세라믹 또는 이와 유사한 재료로 제조되는 타일(5)의 매트릭스에 포획되는 복수의 튜브(4)로 구성되는 열 차폐부(2)를 지지하기 위해, 특히 양호한 강성과 같은 양호한 기계적 성질을 갖는다.

이는 상기 열차폐부가 외장(1)의 전체 내부면 상에 위치된 복수의 튜브(4)의 조립체로 구성되어, 상기 튜브를 통해 유체, 특히 물이 외장을 냉각하기 위해 유동하기 때문이다.

도 1 내지 도 4에 도시된 적합한 실시예에서, 상기 냉각 튜브는 외장(1)의 전체 내부면에 걸쳐서 균일하게 분포된다.

본 발명의 다른 양호한 특징에 따르면(도 3 참조), 튜브(4)는 작은 두께(약 0.5mm)의 스테인레스 스틸로 적합하게 구성되며, 복수의 헤어핀 벤드(hairpin bend)(권취 형태)를 형성하게 된다. 상기 튜브는 또한 전기 절연 재료, 따라서 자기 플럭스를 투과하는, 예를 들면 글래스 또는 에폭시-글래스와 같은 재료로 제조될 수 있다.

또한, 세라믹 또는 다른 유사한 절연 재료(콘크리트 등)로 제조되는 타일(5)의 매트릭스는 처리될 제품으로부터의 복사 열을 차단할 수 있도록 각각의 냉각 튜브(4) 사이에 위치된다.

상기 타일은 튜브(4) 상에 또는 튜브 사이에 결합될 수 있는 특정 형상을 가지며, 따라서 상기 튜브를 포획하는 매트릭스를 형성하며, 그래서 상기 튜브는 진행하는 제품에 직접 직면하지 않는다.

상기 타일(5)(세라믹, 콘트리트 등)을 형성하는 재료는 매우 양호한 단열체이기 때문에, 상기 타일은 가열된 제품에 의해 복사되는 열 플럭스를 차단할 수 있다.

또한, 상기 타일(5)에 포획되는 튜브(4)에 도달하는 상기 제품에 의해 복사되는 소량의 열은 상기 튜브내로 유동하는 냉각 유체와의 열교환에 의해 추출될 수 있다.

튜브(4)와 타일(5)의 조립체로 구성되는 열 차폐부(2)는 나사(6) 또는 이와 유사한 고정 수단에 의해 상기 외장(1)의 내부면에 기계적으로 고정된다.

양호하게는, 적층된 글래스 시트(7)(예를 들면, 약 3mm의 두께를 갖는)가 상기 열 차폐부와 외장(1) 사이에 삽입되고, 따라서 튜브(4)와 타일(5)의 상기 외장에 대한 위치 결정 및 고정을 용이하게 하며, 상기 적층된 시트(7) 자체는 세라믹 또는 이와 유사한 재료로 제조된 두 개의 얇은 섬유층(8, 9) 사이에 위치된다.

물론, 상기 열 차폐부의 최적의 효율을 얻기 위하여, 조립시에 외장(1)과 열 차폐부(2) 사이 및, 튜브(4)와 타일(5) 사이에 가능한 한 작은 간극이 존재하는 것이 보장되어야 한다.

하기에는, 진행하는 스트립의 열처리를 위한 설비에 본 발명에 따른 절연 및 밀봉 챔버를 적용시키는 예가 설명된다.

본 예에서, 상기 설비는 높은 수소 함량을 가지는 보호 분위기 하에서 진행하는 스테인레스 스틸 스트립을 가열하도록 설계된다. 이러한 형태의 열처리는 통상적으로 약 1150℃의 가열 온도를 필요로 한다. 이러한 온도에 도달하기 위해서, 도 5에 도시된 바와 같은 전자기 유도에 의한 가열 장치가 사용된다.

상기 가열 장치는 전류가 통과하는 적어도 하나의 코일(10)을 포함하며, 상기 코일은 횡방향 자기 플럭스가 스트립의 큰 표면에 수직이 되도록, 처리될 진행하는 스트립(11)의 표면에 평행한 평면에 위치된다. 또한, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 챔버(12)는 스트립과 코일(10) 사이에서 상기 스트립 주위에 위치되고, 적합하게는 상기 코일의 권선의 상류측 및 하류측에서 상기 스트립의 진행 방향에 수직인 평면에 위치하게 된다.

다음, 상기 챔버의 열 차폐부를 구성하는 튜브(13)는, 세라믹 또는 그와 유사한 재료로 제조되는 타일의 매트릭스(14)를 통과하는 스트립에 의해 복사되는 소량의 열을 제거하기 위해, 냉각 유체의 입구 및 출구용 집적기(collector)에 연결된다. 따라서, 상기 챔버는, 스트립을 처리하기 위하여 필요한 가스 밀봉(또는 진공 밀봉) 박스의 기능과, 또한 상기 외장을 효율적으로 보호하는 것을 가능하게 하는 기능의 2중 기능을 수행할 수 있게 된다.

또한, 상기 챔버는 이 챔버의 밀봉을 파괴하지 않고 유도 코일에 직접 접근(특히 유도 코일의 유지 보수 중에)할 수 있게 한다. 따라서, 본 발명에 따른 챔버는 보호 챔버를 사용하거나, 또는 진공에서 작동되는 임의의 설비에 완전하게 적합하게 된다.

물론, 본 발명은 상술되고 도시된 실시예에 한정되는 것이 아니며, 이것의 모든 변형예를 포함한다.

본 발명에 따르면, 전자기 유도 가열 장치의 작동 방식(종방향 플럭스 또는 횡방향 플럭스)에 관계 없이 상기 전자기 유도 가열 장치의 임의의 자기 회로 및 유도 수단을 보호할 수 있게 하는 단열 차폐부에 연결된 전기적으로 절연된(즉, 자기 플럭스를 투과하는) 가스 밀봉 및 진공 밀봉 챔버를 제공함으로써 종래의 단점을 극복할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 챔버의 단면도.

도 2는 도 1를 보다 상세하게 나타내는 부분 확대도.

도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 취한 단면도.

도 4는 도 3를 보다 상세하게 도시하는 것으로서 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 취한 부분 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 챔버를 포함하는 열처리 플랜트의 부분을 도시하는 개략도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: 외장 2: 열 차폐부

3: 공간 4: 튜브

5: 타일 6: 스크류

7: 글래스 시트 11: 스트립

Claims (7)

1. 챔버 내부에서 진행하는 제품을 전자기 유도에 의해 가열하기 위한 장치에 사용되는 가스 밀봉 및 진공 밀봉 챔버에 있어서,

   전기 절연성 가스 밀봉 및 진공 밀봉 재료로 제조되는 외장(1)을 포함하며, 상기 외장의 내부면은 단열 재료로 제조되는 타일(5)의 매트릭스와, 유체 유동에 의해 냉각되는 복수의 튜브(4)로 구성되는 열 차폐부(2)에 의해 보호되며, 상기 복수의 튜브는 타일의 매트릭스에 포획되는 것을 특징으로 하는 가스 밀봉 및 진공 밀봉 챔버.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 외장(1)은 에폭시 수지 또는 그와 유사한 재료의 필라멘트 권선으로 제조되는 것을 특징으로 하는 가스 밀봉 및 진공 밀봉 챔버.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 외장(1)은 세라믹 또는 글래스로 제조되는 것을 특징으로 하는 가스 밀봉 및 진공 밀봉 챔버.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브(4)는 상기 외장의 내부면 전체에 걸쳐서 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 가스 밀봉 및 진공 밀봉 챔버.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브(4)는 작은 두께의 스테인레스 스틸로 제조되는 복수의 헤어핀 벤드를 형성하는 것을 특징으로 하는 가스 밀봉 및 진공 밀봉 챔버.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브(4)는 전기적으로 절연되는, 따라서 자기 플럭스를 투과하한 글래스 또는 에폭시-글래스와 같은 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 가스 밀봉 및 진공 밀봉 챔버.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외장에 대한 상기 튜브 및 타일의 위치 결정 및 부착을 용이하게 하기 위해, 상기 외장(1)과 튜브(4) 및 타일(5) 사이에 적층된 글래스 시트가 위치되는 것을 특징으로 하는 가스 밀봉 및 진공 밀봉 챔버.