KR100897005B1 - 수축변형 유발을 위한 고주파 유도 가열기 - Google Patents

Abstract

수축변형 유발을 위한 고주파 유도 가열기에 관한 것으로서, 유도 가열기 몸체를 이루는 절연체(BMC;벌크몰딩컴파운드)로 이루어지는 케이스(10)와; 상기 케이스(10)의 바닥면에 면 가열이 가능하도록 소정의 형태로 배열 설치되어 고주파 전원공급에 의해 케이스(10) 하부에 위치되는 가공 대상물인 철판을 유도가열 하기 위한 유도가열 코일부(20) 및 유도가열기의 높이를 조절하기 위한 높이조절수단(30)을 포함하여 구성되고, 상기 유도가열 코일부(20)는 "ㄹ"자 형태를 이루도록 배열되되, 각 각 코일 사이의 간격은 구조해석을 통하여 간격이 최적화 되도록 설계되어 설치되며, 상기 유도가열 코일부(20)는, 하면으로 자기장을 집속시켜 유도하기 위하여 캡 형상을 이루는 코어(22)와, 상기 코어(22)의 내측에 배열 설치되는 유도가열 코일(21)과, 상기 유도가열 코일(21)의 내측부에 삽입 설치되는 냉각수관(23)을 포함하여 구성된다.

곡가공, 선체외판, 유도가열기, 높이조절, 삼각가열

Description

수축변형 유발을 위한 고주파 유도 가열기{An induction heating coil for shrinkage of the steel plate}

본 발명은 선체의 외판 곡면 가공을 위한 고주파 유도가열기에 관한 것으로서, 특히 곡면 가공의 대상이 되는 판의 두께 방향으로 열원이 관통하도록 함으로써, 판의 두께 방향으로의 온도편차를 작게 하여 굽힘 변형 유발을 억제하고 열원이 수축 변형 유발에 집중할 수 있도록 한 수축변형 유발을 위한 고주파 유도 가열기에 관한 것이다.

선체의 외판은 많은 곡면으로 이루어져 있다. 이런 곡면들은 1차 곡면은 프레스를 이용하여 가공하지만, 2차 곡면의 경우는 선사가열이라는 방법을 통하여 가공하게 된다. 이 방법은 판의 두께 방향으로 온도의 편차를 주어 가열과 냉각 과정에서 팽창과 수축의 과정을 거치면서 결과적으로 굽힘 변형과 수축 변형이 발생 되어 원하는 곡면을 만들어 낼 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 선체 외판의 곡면 가공 설명도이다. 이에 도시된 바와 같이, 선상가열은 토치를 이용하여 판의 외판을 가열하면, 판의 두께 방향으로 윗부분은 온도가 상대적으로 올라가고 아랫부분은 상대적으로 낮은 온도가 된다. 그러면 판의 윗부분은 팽창을 하고 아랫부분은 수축을 하게 된다.

이후, 윗부분을 냉각하게 되면 팽창부위(윗부분)에서 더 많은 수축을 하게 되어 최종적으로 굽힘이 발생하게 되는 것이다.

현재 조선소에서는 가스 토치를 이용하여 곡가공을 하고 있는데, 이 부분은 작업자의 경험에 의존하고 있고, 숙련되기까지 오련 시간이 걸리게 되어 숙련된 작업자의 수가 부족한 상황이며, 지나친 소음으로 작업환경마저도 나쁜 상황이다. 그래서 이 부분을 자동화하고자 많은 노력을 기울이고 있지만 많은 기술적인 어려움이 있었다.

이와 같이 종래의 곡가공을 위한 가열방법은 가스 토치에 의한 방법이 주를 이루고 있다. 하지만 이 방법은 입열량의 제어가 어려워 작업의 재현성이 떨어져서 자동화에 적합하지 않다. 이를 대체하고자 하는 방법으로 고주파 유도 가열을 이용한 방법이 많이 연구되고 있는 중이다.

한편, 종래의 기술에서 수축이 많이 필요한 부분에는 삼각가열이라는 방법을 쓰기도 한다.

도 2는 종래 기술에 의한 수축변형을 유발하기 위한 삼각가열 설명도이다. 이에 도시된 같이 판(1)의 끝 부분부터 가열을 시작하여 가열폭을 점점 좁게 하면서 판(1)의 중앙부로 가열을 하고 또 중앙부에서 다시 끝쪽으로 가열을 하는 방법이다. 즉, 토치를 이용하여 가열하는 가열선(2)을 판(1)의 끝 부분에서 가열을 시 작하여 좌우로 이동하는 가열선(2)의 폭을 점점 줄이는 방법이다. 이 방법을 통에 판의 끝 부분에 변형이 많아지고 판의 중앙부는 상대적으로 변형이 작아지게 된다.

선체의 외판 가공시 판의 변형은 굽힘 변형과 수축변형으로 크게 나눌 수 있는데, 일반적인 곡가공의 경우 굽힘 변형도의 중요도가 크지만, 기하학적으로 수축변형을 유발해야하는 경우도 반드시 필요하게 된다.

그렇지만 종래의 토치를 이용한 곡면 가공방식에 의하면 수축변형을 유발하는데에는 매우 어려움이 있으며, 특히나 자동으로 원하는 형상으로 수축변형을 제어할 수 있는 장비는 아직 알려져 있지 않다.

도 3은 본래 기술에 의한 팬케이크형 유도가열기의 외형도이다.

한편, 종래의 선체 외판 가공을 위한 유도가열기로는 도 3에 도시된 바와 같이 원형 모양의 팬케이크형 유도가열기가 알려져 있다. 상기와 같은 팬케이크형인 경우 유도가열기를 이동시키면서 가열하는 방식으로서 넓은 면적을 한번에 가공하거나 하지 못하고 작업자가 원하는 위치로 팬케이크형 유도가열기를 이동시켜 가면서 작업을 해야 하는데 입열량 조절은 단순히 가열시간만으로 조절할 수밖에 없어서 가공 정도의 조절이 쉽지 않고 가열면적이 좁아 가열시간이 오래 걸리는 문제점이 있었다.

선상가열 방법인 가열토치에 의한 방법은 열원이 판의 외부에서 판으로 들어가기 때문에 두께방향으로 온도편차가 생길 수밖에 없지만, 유도가열의 경우는 판의 내부에서 열원이 발생하므로 주파수를 잘 조절하면(고주파일수록 열원이 집중되어 관통이 어렵다.) 판 두께에 따른 온도차이를 줄일 수 있어 열원이 판의 수축에 집중되어 작용할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 선체의 외판 곡면 가공을 위한 고주파 유도가열기를 제공하기 위한 것으로서, 굽힘변형을 최소화하고 수축변형을 크게 유도하여 판의 수축변형을 전문적으로 유발시키고자하는 고주파 유도가열기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 유도가열 코일을 장형의 평면으로 배열하여 가열면적을 넓일 수 있도록 하고, 복수의 유도가열기를 하나의 콘트롤러에서 제어하여 넓은 면적을 빠른 시간 내에 가공할 수 있도록 하기 위한 것이다.

또한 본 발명은 유도가열기의 높이를 조절할 수 있는 수단을 구비하여 각 유도가열기의 입열량을 조절함으로써 곡면 가공의 정도를 손쉽게 조절할 수 있게 하고, 복수의 유도가열기의 높이를 다르게 조절하여 삼각 가열을 구현시킬 수 있도록 하기 위한 것이다.

본 발명에 의한 수축변형을 유발하기 위한 고주파 유도가열기는,

유도 가열기 몸체를 이루는 절연체(BMC;벌크몰딩컴파운드)로 이루어지는 케이스와; 상기 케이스의 바닥면에 면 가열이 가능하도록 소정의 형태로 배열 설치되어 고주파 전원공급에 의해 케이스 외측의 철판을 유도가열 하기 위한 유도가열코일과; 상기 케이스 내측에서 상기 유도가열 코일의 내측으로 냉각수가 흐르도록 배열 설치되는 냉각수관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 고주파 유도가열기는, 하나의 콘트롤박스에 복수의 유도가열기가 연결되어 상기 하나의 콘트롤 박스내의 콘트롤러가 복수의 고주파 유도가열기를 동시에 제어할 수 있도록 구성됨에 특징이 있다.

상기 고주파 유도가열기와 상기 콘트롤박스 사이에는, 상기 유도가열 코일과 연결되는 전원라인 및 상기 냉각수관과 연결되는 냉각수 공급관을 플렉시블한 연결케이블로 구성함에 특징이 있다.

상기 고주파 유도가열기는, 상기 케이스의 바닥면과 작업 대상물과의 간격을 조절하는 높이조절수단을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명은 유도가열에 의해 작업 대상물인 판의 내부에서 열원이 발생하게 하여 곡가공이 가능해지므로 입열량 제어가 용이하여 원하는 변형을 발생시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 판의두께 방향으로 관통가열을 실시하여 판 두께에 따른 온도차이를 줄일 수 있고, 열원이 판의 수축에 크게 작용할 수 있도록 함으로써 수축변형을 유발하는 곡가공에 이용될 수 있는 효과가 있다.

또한, 유도 가열기의 이동이 용이하여 원하는 부분을 쉽게 가열할 수 있고, 여러대의 유도가열기를 배열설치하여 동시에 가열 제어가 가능하여 한번에 넓은 면적을 가열할 수 있어서 작업 시간 단축 및 생산성 향상을 꾀할 수 있다.

또한, 유도 가열 방식으로서 가열시간이 토치에 의한 가열보다 훨신 빠르게 할 수 있으며, 열손실이 적어 에너지 절약에도 기여할 수 있다.

또한, 높이조절수단을 이용하여 판과 유도가열기 사이의 간격을 조절 할 수 있어서 위치 이동과 함께 높이 편차를 조절하여 삼각가열 효과를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 의한 수축변형을 유발하기 위한 고주파 유도가열기 시스템의 개요도이며. 도 5는 본 발명에 의한 수축변형을 유발하기 위한 고주파 유도 가열기의 구성을 보인 개요도이다.

이에 도시된 바와 같이, 유도 가열기 몸체를 이루는 절연체(BMC;벌크몰딩컴파운드)로 이루어지는 케이스(10)와; 상기 케이스(10)의 바닥면에 면 가열이 가능하도록 소정의 형태로 배열 설치되어 고주파 전원공급에 의해 케이스(10) 하부에 위치되는 가공 대상물인 철판을 유도가열 하기 위한 유도가열코일부(20)로 구성되 고, 상기 유도가열 코일부(20)는 "ㄹ"자 형태를 이루도록 배열되되, 각 각 코일 사이의 간격은 구조해석을 통하여 간격이 최적화 되도록 설계되어 설치되며, 상기 유도가열 코일부(20)는, 하면으로 자기장을 집속시켜 유도하기 위하여 캡 형상을 이루는 코어(22)와, 상기 코어(22)의 내측에 배열 설치되는 유도가열 코일(21)과, 상기 유도가열 코일(21)의 내측부에 삽입 설치되는 냉각수관(23)을 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명은, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 고주파 유도가열기(100)는, 하나의 콘트롤박스(200)에 복수의 유도가열기(100)가 연결되어 상기 하나의 콘트롤 박스(200)내의 콘트롤러가 복수의 고주파 유도가열기(100)를 동시에 제어할 수 있도록 구성되며, 상기 콘트롤박스(200)에는 하나의 전원블럭(300)이 연결되어 각 유도가열기의 구동전원을 공급하여 상기 콘트롤박스(200)에서 제어할 수 있도록 구성된다.

또한, 상기 고주파 유도가열기(100)와 상기 콘트롤박스(200) 사이에는, 상기 유도가열 코일(21)과 연결되는 전원라인 및 상기 냉각수관(23)과 연결되는 냉각수 공급관을 플렉시블한 연결케이블(110)로 구성함에 특징이 있다.

또한, 상기 고주파 유도가열기(100)는, 상기 케이스(10)의 바닥면과 작업 대상물과의 간격을 조절하는 높이조절수단(30)을 더 포함하여 구성된다.

도 6은 본 발명에 의한 높이 조절수단의 구성을 보인 예시도이고, 도 7은 도 6의 놀이조절수단을 이용하여 높이를 조절한 사용상태 설명도이다.

이에 도시된 바와 같이, 유도가열기의 케이스(10) 외측면에 부착 설치되고 내부에 나사산이 형성된 관통 나사공이 구비된 고정 브라켓(302)과, 볼트형 나사산이 형성되고 상기 고정 브라켓(302)의 나사공에 결합되며, 상기 고정 브라켓(302)에 대해서 업다운 되는 길이를 눈금으로 표시하는 눈금부(306)를 포함하는 볼스크류(301)와, 상기 볼스크류(301)의 상단부에 고정결합되어 사용자가 볼스크류(301)를 돌려서 상기 고정 브라켓(302)에 대해 업다운 시키기 위한 손잡이(303)와, 상기 볼스크류(301)의 하단부에 회동핀(305)에 의해 회동가능하게 결합되어 바닥면의 작업대상물에 접촉되는 조인트인 받침부(304)를 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성되는 높이 조절 수단(30)은, 상기 손잡이(303)를 돌려서 볼스크류(301)를 돌리면, 고정브라켓(302)의 너트형 나사공을 타고 볼스크류(301)가 업다운된다. 업 상태는 받침부(304)의 바닥면과 유도가열기 케이스(10)의 바닥면이 일치되는 높이로 고정되는 것이 바람직하며, 볼스크류(301)를 돌려서 다운 시키면, 고정 브라켓(302)에 대해서 볼스크류(301)가 하부로 다운되면서 받침부(304)를 아래로 밀어내린다. 이때 볼스크류(301)에 형성된 눈금부(306)의 눈금을 보고서 높이를 조절할 수 있으며, 볼스크류(301)가 다운되면 도 7과 같이 유도가열기 케이스(10)가 한쪽 부분이 들려져서 높이가 조절된다. 즉, 유도가열기 케이스(10) 내부 바닥면에 설치되는 유도가열코일부(20)가 높이조절수단(30)이 설치된 부분이 뜨게되어 작업대상물과의 높이가 조절되는 것이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 유도 가열기의 높이조절수단의 예시도이다.

높이 조절수단(30)은, 유도가열기(100)의 앞뒤 또는 양측중 어느 한쪽에만 설치될 수도 있고, 각각 쌍으로 설치될 수도 있으며, 4 모서리에 각각 하나씩 4개가 설치될 수도 있다.

유도 가열기 케이스(10)의 외측에 설치되어 승하강되는 받침부(31)와, 상기 받침부(31)의 상면에 고정 설치되는 승하강 볼트부(32)와, 상기 볼트부(32)가 관통결합되고, 유도가열기 케이스(10)에 고정설치되는 브라켓(35)과, 상기 브라켓(35)의 내부에 설치되는 모터(33)와; 상기 볼트부(32)에 너트 형태로 나사결합되고 외주면에 기어가 형성되어 상기 모터(33)의 감속기어(33a)에 의해 회전되는 너트기어부(34)와; 상기 브라켓(35)의 상판 하면에 고정형성되어 상기 너트기어부(34)가 이탈되지 않고 회전가능하게 지지하는 너트 기어 지지부(36)를 포함하여 구성된다. 상기 모터(36)는 스텝모터를 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성되는 본 발명은, 가열폭을 넓히고자 'ㄹ'자 모양으로 유도가열 코일부(20)를 배열하여 작업대상물과 접하는 면적을 확장시킨 것이다. 또한, 본 발명은 높이 조절수단(30)을 이용하여 유도가열기(100)와 작업대상물 사이의 간격을 조절하여 입열량을 조절할 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 콘트롤 박스(200)에 복수의 유도가열기(100)들을 플렉시블 케이블(110)을 통해 연결하여 작업 대상물의 작업 위치에 손쉽게 배열 설치할 수 있다. 이와 같이 복수의 유도가열기(100)들을 하나의 콘트롤박스(200)에서 일괄 제어할 수 있도록 설치하여 넓은 면적을 한 번의 공정으로 원하는 곡가공 작업이 가능해지므로 작업 시간을 단축시킬 수 있게 된다.

본 발명은 유도가열 코일부(20)를 도면에 도시된 바와 같이, 'ㄹ'자 형태로 배열함으로써 넓은 면적을 고르게 가열할 수 있으며, 이는 유도 코일의 크기에 따른 영향을 줄이고자 하는 것으로서 가열폭을 넓게 하는 효과를 준다, 이렇게 하면 유도 코일과 유도 코일 사이의 간격을 최적화 하여야 하는데, 이를 MSC NASTRAN을 이용하여 구조해석을 수행하여 최적화된 코일 사이의 간격을 정하고, 코일 제작후 실험을 통하여 판이 고르게 발열되고, 변형 또한 발생 된다는 것을 확인하였다.

본 발명은 유도가열기(100)의 앞뒤에 각각 하나씩의 높이 조절수단(30)을 설치하여 가공 대상물과의 간격을 조절함으로써 입열량을 조절할 수 있게 된다. 즉, 유도가열의 특성상 유도가열 코일부(20)와 작업 대상물과의 간격의 변화에 의해 입열량 및 가열 시간이 달라질 수 있는데, 높이조절수단(30)은 이를 이용하기 위한 것이다.

높이조절수단(30)은, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 수동 조작에 의해 눈금을 보고 높이를 조절할 수 있도록 구성될 수도 있고, 도 8에 도시된 바와 같이, 전동 모터(33)를 이용하여 유도가열기(100)와 작업 대상물과의 간격을 가변시킬 수 있다. 모터(33)를 구동시켜 모터 기어(33a)에 의해 너트 기어부(34)를 회전시키면 볼트부(32)가 승하강 된다. 이에 따라 볼트부(32)의 하단부에 고정된 받침부(31)의 높이가 조절된다. 상기 모터(33)를 스텝모터로 설치하여 높이를 원하는 높이로 조절할 수 있다.

따라서 상기와 같은 수동높이조절수단 또는 전동 높이조절수단중 어느 하나를 설치하여 사용할 수도 있으며, 이와 같은 높이조절수단(30)을 이용하여 위치별로 높이를 다르게 조절하여 삼각 가열을 구현할 수 있게 되는 것이다.

도 1은 종래 기술에 의한 선체 외판의 곡면 가공 설명도

도 2는 종래 기술에 의한 수축변형을 유발하기 위한 삼각가열 설명도

도 3은 본래 기술에 의한 팬케이크형 유도가열기의 외형도이다.

도 4는 본 발명에 의한 수축변형을 유발하기 위한 고주파 유도가열기 시스템의 개요도.

도 5는 본 발명에 의한 수축변형을 유발하기 위한 고주파 유도 가열기의 구성을 보인 개요도.

도 6은 본 발명에 의한 유도 가열기의 높이조절수단의 예시도.

도 7은 도 6에 따른 높이조절수단의 사용상태 예시도.

도 8은 본 발명의 다른 실시예를 보인 유도 가열기의 높이조절수단의 예시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 케이스 20 : 유도가열코일부

21 : 유도가열 코일 22 : 코어

23 : 냉각수관 30 : 높이조절수단

31 : 받침부 32 : 볼트부

33 : 모터 34 : 너트기어부

35 : 브라켓 36 : 너트기어 지지부

100 : 유도가열기 110 : 플렉시블 케이블

200 : 콘트롤 박스 300 : 전원부

301 : 볼스크류 302 : 고정브라켓

303 : 손잡이 304 : 받침부

305 : 회동핀 306 : 눈금부

Claims (6)

1. 유도 가열기 몸체를 이루는 절연체로 이루어지는 케이스(10)와;

   상기 케이스(10)의 바닥면에 면 가열이 가능하도록 소정의 형태로 배열 설치되어 고주파 전원공급에 의해 케이스(10) 하부에 위치되는 가공 대상물인 철판을 유도가열 하기 위한 유도가열코일부(20)와;

   상기 케이스(10)의 바닥면과 작업 대상물과의 간격을 조절하는 높이조절수단(30)으로 구성되고,

   상기 유도가열 코일부(20)는,

   하면으로 자기장을 집속시켜 유도하기 위하여 캡 형상을 이루는 코어(22)와,

   상기 코어(22)의 내측에 배열 설치되는 유도가열 코일(21)과,

   상기 유도가열 코일(21)의 내측부에 삽입 설치되는 냉각수관(23)을 포함하여 이루어져, "ㄹ"자 형태를 이루도록 배열되되, 각 가로 라인끼리의 간격을 구조해석을 통하여 코일 사이 간격이 최적화되도록 설계되어 배열 설치된 것을 특징으로 하는 수축 변형을 유발하기 위한 고주파 유도 가열기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 고주파 유도가열기(100)는,

   고주파 유도가열기(100)와 고주파 유도가열기를 콘트롤하기 위한 콘트롤박스(200) 사이에는, 상기 유도가열 코일(21)과 연결되는 전원라인 및 상기 냉각수관(23)과 연결되는 냉각수 공급관을 플렉시블 한 연결케이블(110)로 구성된 것을 특징으로 하는 수축 변형을 유발하기 위한 고주파 유도 가열기.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 높이조절수단(30)은,

   상기 고주파유도가열기 케이스(10)의 앞/뒤 또는 양측 중 어느 하나의 위치에 설치되거나 각각 쌍으로 설치된 것을 특징으로 하는 수축 변형을 유발하기 위한 고주파 유도 가열기.
5. 제 1항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 높이 조절수단(30)은,

   유도가열기의 케이스(10) 외측면에 부착 설치되고 내부에 나사산이 형성된 관통 나사공이 구비된 고정 브라켓(302)과,

   볼트형 나사산이 형성되고 상기 고정 브라켓(302)의 나사공에 결합되며, 상기 고정 브라켓(302)에 대해서 업다운 되는 길이를 눈금으로 표시하는 눈금부(306)를 포함하는 볼스크류(301)와,

   상기 볼스크류(301)의 상단부에 고정결합되어 사용자가 볼스크류(301)를 돌려서 상기 고정 브라켓(302)에 대해 업다운 시키기 위한 손잡이(303)와,

   상기 볼스크류(301)의 하단부에 회동핀(305)에 의해 회동가능하게 결합되어 바닥면의 작업대상물에 접촉되는 받침부(304)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수축 변형을 유발하기 위한 고주파 유도 가열기.
6. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 높이조절수단(30)은,

   유도 가열기 케이스(10)의 외측에 설치되어 승하강되는 받침부(31)와, 상기 받침부(31)의 상면에 고정 설치되는 승하강 볼트부(32)와, 상기 볼트부(32)가 관통결합되고, 유도가열기 케이스(10)에 고정설치되는 브라켓(35)과, 상기 브라켓(35)의 내부에 설치되는 모터(33)와; 상기 볼트부(32)에 너트 형태로 나사결합되고 외주면에 기어가 형성되어 상기 모터(33)의 감속기어(33a)에 의해 회전되는 너트기어부(34)와; 상기 브라켓(35)의 상판 하면에 고정형성되어 상기 너트기어부(34)가 이탈되지 않고 회전가능하게 지지하는 너트 기어 지지부(36)를 포함하여 구성된 구성된 것을 특징으로 하는 수축 변형을 유발하기 위한 고주파 유도 가열기.

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