KR100893102B1 - 스테인레스 맨드릴 권선형 온도감지 저항소자와 저항온도계및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석유·화학 플랜트나 화력발전소의 냉각재 계통과 같이 유체의 이동 속도가 빠르고, 유체의 압력이 높은 환경에서 온도변화에 대한 빠른 응답속도 및 측정치의 높은 정확도가 요구되는 온도측정 환경에 효과적인 저항온도계와 그 저항온도계에 사용되는 온도감지 저항소자와 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 온도감지 저항소자는 고순도 알루미나로 용사된 스테인레스 맨드릴 표면에 백금선을 이중 나선형으로 권선하여 열전도도 및 절연저항이 우수한 고순도 알루미나로 코팅한 후 고온에서 열처리되고, 이 온도감지 저항소자를 장착한 저항온도계는 냉각재의 미세한 온도 변화도 고속으로 측정가능하며, 진동 및 충격에 의한 온도측정 저항선의 단락 및 단선 등의 고장도 거의 발생하지 않아서 원자력, 미사일 및 항공기 같은 분야와 연계된 산업공정에 적용할 수 있다.

저항온도계, 저항소자, 백금저항선, 응답속도, 공칭저항, 저항비

Description

스테인레스 맨드릴 권선형 온도감지 저항소자와 저항온도계 및 그 제조방법{Stainless steel mandrel type Resistance Temperature Detector and its fabrication method}

본 발명은 석유?화학 플랜트나 화력발전소의 냉각재 계통과 같이 유체의 이동 속도가 빠르고, 유체의 압력이 높은 환경에서 온도변화에 대한 빠른 응답속도 및 높은 정밀정확도가 요구되는 온도측정 환경에 효과적이며, 진동 및 충격에 잘 견디며 수명이 연장된 저항온도계(Resistance Temperature Detector)의 온도 감지 저항소자와 그 제조방법에 관한 것이다.

종래, 석유·화학 플랜트나 화력발전소의 운전효율과 제어의 안정성은 냉각 계통의 냉각재의 온도를 얼마나 신속하고 정밀 정확하게 측정할 수 있는가에 의하여 좌우된다. 이러한 이유로 온도를 측정하기 위하여 특수한 구조의 저항온도계가 널리 사용되고 있으나, 기존의 저항온도계는 온도변화에 대한 응답속도가 늦거나, 진동 및 충격에 의한 온도측정 저항선의 단선 및 단락 등의 고장이 발생하여 계통 운전효율 향상 및 제어 안전성을 유지하는 것이 매우 어려웠다.

도 5는 종래의 온도감지 저항소자의 상세도이다. 기존의 온도감지 저항소자는 코일 형태로 알파 백금 저항선(43)을 권선한 후, 양쪽 선단에 백금 리드선(41)을 용접하여, 2홀 세라믹소결형 절연관(42)의 홀(46) 내부로 삽입하고, 선단부에서 0 ℃에서 저항소자의 공칭저항을 (100 ± 0.06) Ω 또는 (100 ± 0.12) Ω 으로 조정한다. 조정이 완료되면 고순도 무기접착제(45)로 선단부를 접착하여 알파 백금 저항선 용접부(44)를 보호하고 백금 리드선부(41)를 2홀 세라믹소결형 절연관(42)에 고정하게 된다.

종래의 온도 감지 저항소자는 2홀 세라믹소결형 절연관(42)의 홀(46) 내부에 알파 백금 저항선이 코일 형태로 감겨 있기 때문에 냉각재의 미세한 온도 변화를 고속으로 감지하여 운전효율 향상 및 제어 안정성을 확보하는 것이 불가능하며, 진동 및 충격에 의한 온도측정 저항선의 단락 및 단선 등의 고장이 빈번히 발생하였다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 냉각재 배관 내부의 온도 변화에 대한 응답 속도가 빠르고, 운전 효율 향상 및 제어 안정성의 확보가 가능하며, 진동 및 충격에 의한 온도 측정 저항선의 단락 및 단선 등의 고장이 거의 발생하지 않는 온도감지 저항소자 및 그를 장착한 저항온도계를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에서는 상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 외면에는 양측 선단에 플랜지부가 형성되고, 플랜지부의 사이에는 플랜지부보다 외경이 작은 외경부와 상기 외경부의 일측 선단과 일측 플랜지부의 사이에 오목부가 형성된 원통형의 본체부와 상기 일측 플랜지부의 외측에 연결부로 구성된 스테인레스 맨드릴과 상기 외경부에 알루미나 용사층이 형성되고, 상기 용사층 위에 백금선이 이중 나선형으로 권선되고, 백금선의 일단은 리드선에 용접되고, 용사층과 백금선의 위에 다시 알루미나 코팅층이 형성되되 그 코팅층의 높이는 양측 선단 플랜지부의 외경과 동일하도록 형성된 것을 특징으로 하는 온도감지 저항소자를 제공한다.

또한, 본 발명에서는 상기 본체부의 내부가 중공인 것을 특징으로 하는 온도감지 저항소자를 제공한다.

또한, 본 발명에서는 상기 일측 플랜지에는 오목부와 연통되는 통로가 형성 되어 리드선이 삽입되되, 상기 통로내에 리드선과 맨드릴의 절연을 위해 튜브형태의 알루미나 절연 튜브가 설치된 것을 특징으로 하는 온도 감지 저항소자를 제공한다.

또한, 본 발명에서는 온도감지 저항소자에 무기 접착제가 도포되어 저항온도계의 저항소자 보호관에 삽입되고, 상기 온도감지 저항소자의 백금 리드선과 시스부의 리드선이 용접된 것을 특징으로 하는 저항온도계를 제공한다.

또한, 본 발명에서는 양 선단에 플랜지를 가공형성하여 스테인레스 맨드릴을 준비하고, 상기 맨드릴의 외경부에 알루미나를 용사하여 용사층을 형성하고, 상기 맨드릴의 상기 용사층 표면 위에 권선기를 이용하여 백금 저항선을 일정한 피치로 권선하고, 0 ℃에서 저항소자의 공칭저항이 100 Ω으로 조정하고, 상기 백금저항선이 권선된 부위를 알루미나로 코팅하여 상온에서 건조하고, 500 ℃~800 ℃에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 온도 감지 저항소자의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명에서는 온도감지 저항소자에 무기 접착제를 도포하고, 가공한 금속 튜브형의 저항소자 장착부에 삽입한 후, 상기 온도감지 저항소자의 백금리드선과 시스부리드선을 용접하고, 400 ℃ 이상의 고온에서 건조하는 것을 특징으로 하는 저항온도계의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의해 제작된 저항온도계의 온도 감지 저항소자는 매우 높은 정밀도와 온도 변화에 대한 빠른 응답 속도를 가지는 것을 특징으로 하기 때문에 고온 및 고압력 상태에서 빠르고 다양하게 일어나는 온도 변화를 측정하여 제어 및 모니터링에 적용할 수 있고, 그 자체로서 풍동에서 고속으로 흐르는 공기 온도도 측정할 수 있기 때문에 원자력, 미사일 및 항공기 같은 분야와 연계된 산업공정에 적용할 수 있다.

본 발명의 저항온도계는 열전도도성이 우수하여 온도변화에 대한 응답속도가 매우 빠르며, 내습성, 내열성, 내충격성, 내진동성, 내방사성도 매우 우수하다.

이하, 본 발명의 기술적 구성을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 온도 감지 저항소자는 스테인레스 맨드릴 표면에 백금선이 나선형으로 권선됨으로써 기계적 충격에 강하고 응답효율이 뛰어난 효과를 발휘한다.

또한, 스테인레스 맨드릴의 상부에는 열전도저항 및 절연저항이 매우 우수한 고순도 알루미나로 용사층이 형성되고 백금선의 권선후 다시 고순도 알루미나 코팅층이 형성된다.

본 발명에서 스테인레스 맨드릴의 중심 내부에 빈 공간을 형성하여 온도 감지 저항소자의 열용량을 감소시켜 열의 흡입 및 방출을 빠르게 하여 온도변화에 대한 응답속도가 극대화되고, 저항온도계를 고온에서 장시간 사용함에 따라 발생하는 열화현상을 방지할 수도 있다.

또한, 맨드릴의 일측 선단의 플랜지부에 통로를 형성하여 리드선을 삽입하도록 하여 리드선과 백금선과의 용접부를 용이하게 고정할 수 있다.

본 발명에서 백금저항선은 저항비(R₁₀₀/R₀)가 1.3915~1.3920인 알파백금저항선(Alpha Platinum wire)을 사용할 수 있으며, 이 때 백금저항선의 직경은 Φ 0.02~0.03 mm가 바람직하고, 권선피치는 0.25~0.5 mm가 바람직하고, 0.35 mm가 가장 바람직하다.

스테인레스 맨드릴에 사용되는 소재는 백금선과 열팽창율이 유사한 재료가 소망되며, 한국공업규격 STS401이 바람직하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 표면에 고순도 알루미나가 용사피막된 스테인레스 맨드릴의 상세도이다.

스테인레스 맨드릴(10)의 외면을 가공하여 양측 선단에 플랜지부(2, 4)가 형성되고, 플랜지부(2, 4)의 사이에는 플랜지부보다 외경이 작은 외경부(6)가 형성된다. 상기 외경부(6)의 일측에는 일측 플랜지부(4)의 측면에 오목부(8)가 형성된 원통형의 본체부(11)가 구비된다.

상기 본체부(11)의 일측 플랜지부(4)의 외측에는 연결부(12)가 있고, 이 연결부(12)는 상하로 구멍이 뚫린 형태로서 리드선들을 연결할 수 있도록 한다.

상기 스테인레스 맨드릴의 외경부(6)에 저온 프라즈마 용사법에 의하여 알루미나 용사층(14)이 형성된다.

스테인레스 맨드릴의 내부는 중공부(16)가 형성될 수 있으며, 상기 중공 부(16)는 온도감지 저항소자의 열용량을 감소시켜 열의 흡입 및 방출을 빠르게 하여 온도 변화에 대한 응답 속도를 극대화할 수 있다.

또한, 일측 플랜지부(4)에는 통로(18)가 형성되어 오목부(8)와 연통되고, 이 통로(18)에 리드선이 삽입되며, 리드선과 스테인레스 맨드릴과의 절연을 위해서 알루미나 절연 튜브가 쓰일 수 있다.

스테인레스 맨드릴의 열팽창계수는 백금선의 열팽창 계수와 유사해야 하며, 또한 열팽창 계수가 큰 경우에는 용사된 고순도 알루미나가 열팽창 및 수축에 의하여 박리되는 현상이 발생하므로 소재는 열팽창에 주의하여야 하며, STS 401계가 바람직하여, 맨드릴의 외부 표면에는 저온 프라즈마 용사법을 사용하여 고순도 알루미나의 용사피막(14)을 형성하였다.

도 2는 스테인레스 맨드릴 권선형 온도감지 저항소자의 상세도이다.

도 1의 스테인레스 맨드릴의 플랜지부(4)를 권선기에 장착하여 용사층(14) 위에 백금저항선(22)을 이중 나선형으로 권선하고, 백금저항선(22)의 일단은 오목부(8)에서 통로(18)에 삽입된 백금리드선(24)에 용접되고, 용사층(14)과 백금저항선(22)의 위에 다시 알루미나 코팅층(26)이 형성되되 그 코팅층(26)의 높이는 양측 선단 플랜지부(2, 4)의 외경과 동일하도록 형성된다.

온도감지 저항소자의 제조방법은 다음과 같다.

스테인레스 맨드릴(10)의 용사층 표면 위에 권선기를 이용하여 백금저항 선(22)을 일정한 피치로 권선한 후, 권선이 완료되면 600 ℃에서 1시간 열처리한 후, 0 ℃에서 저항소자의 공칭저항을 100 Ω으로 조정하면서, 알루미나 절연 튜브로 스테인레스 맨드릴과 절연된 Φ0.3 mm 백금 리드선(24)을 오목부(8)에서 90°로 굽혀서 알파 백금 저항선(22)과 용접한다.

0 ℃에서 저항소자(1)의 공칭저항 조정을 완료하고, 백금리드선(24)을 용접한 후, 권선된 백금저항선(22) 간의 접촉방지 및 단선을 방지하고, 백금저항선(22)과 백금 리드선(24)의 용접 부위를 보호하기 위하여 고순도 알루미나 코팅제로 코팅층을 형성하고, 상온에서 건조 후 600 ℃에 2시간 열처리하여 상온에서의 절연저항이 1000 MΩ 이상으로 유지하게 한다.

도 3은 스테인레스 맨드릴 권선형 저항소자가 내장된 금속 시스 저항온도계의 도면이다.

저항온도계(31)의 선단에 금속튜브 형태의 저항소자 장착부(32)에 상기 온도감지 저항소자(1)가 삽입되어 장착된다.

온도감지 저항소자(1)의 플랜지부(2, 4)는 용사피막이 형성되지 않아 저항소자장착부(32)와 용이하게 용접된다.

도 2에서 보면, 온도감지 저항소자(1)의 백금리드선(24)이 저항온도계의 시스부(34)의 시스리드선(28)에 연결부(12) 내에서 용접부(30)를 형성하고 열전도도 및 절연저항이 우수한 무기 접착제를 온도 감지 저항소자의 백금리드선(24)과 시스리드선(28) 간에 도포하여 절연한다. 시스부(34) 내의 공간은 산화마그네슘(MgO)으 로 충전되어 있다.

본 발명의 저항온도계(31)의 제조방법은 다음과 같다.

온도감지 저항소자(1)를 저항소자 장착부(32)에 장착한 후, 보호튜브를 시스부(34)까지 씌우고, 상온건조 후 400 ℃ 고온에서 건조하여 상온절연 저항이 1000 MΩ 이상이 되면, 레이저 용접기로 시스부(34)와 저항소자 장착부(32)를 용접한다. 그리고 400 ℃ 고온에서 건조하여 상온 절연저항이 1000 MΩ 이상인 상태에서 수분 침투에 의한 절연저항 감소를 방지하기 위하여 온도감지 저항소자(1) 부분을 가열기로 100 ℃ 이상으로 가열하면서 저항소자 장착부(32)와 온도감지 저항소자(1)의 선단을 용접한다.

온도감지 저항소자(1)는 열전도도가 우수한 고순도 알루미나 용액으로 완전히 코팅되고 충전되어 저항소자 장착부(32)속에 삽입되었기 때문에 냉각재의 미세한 온도 변화도 고속으로 측정 가능하며, 진동 및 충격에 의한 온도 측정 저항선의 단락 및 단선 등의 고장도 거의 발생하지 않는 저항온도계이다.

도 4는 본 발명재와 종래재의 응답특성을 도시한 그래프이다.

종래의 저항온도계의 측정치는 점선으로 나타내고 본 발명에 따른 저항온도계의 측정치는 실선으로 나타낸다.

종래의 저항온도계에서는 약 10.3초 만에 응답하고 있던 것이 본 발명에 의한 저항온도계에서는 약 2.1 만에 응답하게 되어 초기가동 및 운전시 냉각수의 온도를 고속으로 정밀 정확하게 측정하여 계통의 운전효율 향상 및 제어 안정성을 유지할 수 있게 되었다.

또한, 본 발명에 의해 제작된 저항온도계는 절연저항이 상온에서 1000 MΩ 이상이며, ASTM 규격에 따르는 열충격 시험을 1000회 이상 시험하고, 열충격 시험 전후 0℃에서 온도변화가 ±0.01℃ 이내인 저항온도계이다.

도 1은 고순도 알루미나로 용사된 스테인레스 맨드릴

도 2는 온도 감지 저항소자의 상세도

도 3은 본 발명의 온도 감지 저항소자가 삽입된 금속 시스 저항온도계

도 4는 본 발명재와 종래재의 응답특성을 도시한 그래프

도 5는 종래 저항온도계의 온도감지 저항소자

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 온도감지 저항소자 10 : 스테인레스 맨드릴

14 : 알루미나 용사층 22 : 백금저항선

24 : 백금리드선 26 : 알루미나 코팅층

31 : 저항온도계 32 : 저항소자 장착부

34 : 시스부

Claims (6)

1. 외면에는 양측 선단에 플랜지부가 형성되고, 플랜지부의 사이에는 플랜지부보다 외경이 작은 외경부와 상기 외경부의 일측 선단과 일측 플랜지부의 사이에 오목부가 형성된 원통형의 본체부와 상기 일측 플랜지부의 외측에 연결부로 구성된 스테인레스 맨드릴과

   상기 외경부에 알루미나 용사층이 형성되고, 상기 용사층 위에 백금선이 이중 나선형으로 권선되고, 백금선의 일단은 리드선에 용접되고, 용사층과 백금선의 위에 다시 알루미나 코팅층이 형성되되 그 코팅층의 높이는 양측 선단 플랜지부의 외경과 동일하도록 형성된 것을 특징으로 하는 온도감지 저항소자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 본체부의 내부가 중공인 것을 특징으로 하는 온도감지 저항소자.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 일측 플랜지에는 오목부와 연통되는 통로가 형성되어 리드선이 삽입되되, 상기 통로내에 리드선과 맨드릴의 절연을 위해 튜브형태의 알루미나 절연 튜브가 설치된 것을 특징으로 하는 온도 감지 저항소자.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 온도감지 저항소자에 무기 접착 제가 도포되어 저항온도계의 저항소자 보호관에 삽입되고, 상기 온도감지 저항소자의 백금 리드선과 시스부의 리드선이 용접된 것을 특징으로 하는 저항온도계.
5. 양 선단에 플랜지를 가공형성하여 스테인레스 맨드릴을 준비하고,

   상기 맨드릴의 외경부에 알루미나를 용사하여 용사층을 형성하고,

   상기 맨드릴의 상기 용사층 표면 위에 권선기를 이용하여 백금 저항선을 일정한 피치로 권선하고,

   0 ℃에서 저항소자의 공칭저항이 100 Ω으로 조정하고,

   상기 백금저항선이 권선된 부위를 알루미나로 코팅하여 상온에서 건조하고,

   500℃~800℃에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 온도 감지 저항소자의 제조방법.
6. 제 5 항에 의해 제조된 온도감지 저항소자에 무기 접착제를 도포하고, 가공한 금속 튜브형의 저항소자 장착부에 삽입한 후, 상기 온도감지 저항소자의 백금리드선과 시스부리드선을 용접하고, 400 ℃ 이상의 고온에서 건조하는 것을 특징으로 하는 저항온도계의 제조방법.

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