KR100931783B1 - 균열소요시간 측정기능을 구비하는 가열장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피가열체가 장입되는 중공의 본체와, 에너지원에 연결되며 상기 본체에 구비되어 본체에 장입되는 피가열체를 가열하는 발열부(203)와, 상기 에너지원과 발열부(203) 사이로 연결되어 발열부(203)로 공급되는 에너지를 제어하는 제어부(202)와, 상기 제어부(202)에 연결되며 에너지원으로부터 발열부(203)로 공급되는 에너지를 연산하는 연산부(206)와, 상기 본체 내부의 온도를 측정하기 위하여 본체에 설치되며 상기 제어부(202)로 연결되는 온도센서(207)로 이루어지며, 상기 연산부(206)에 의하여 연산된 에너지로부터 피가열체의 균열온도 도달시점이 결정되는 균열시점 측정기능을 구비하는 가열장치(200)에 관한 것으로; 균열소요시간을 투입되는 에너지에 의하여 결정할 수 있으므로 피가열체의 종류, 장입량, 배열 등과 같은 장입 조건에 관계없이 정확하게 균열소요시간을 결정하는 것이 가능하여 에너지의 낭비를 방지할 수 있으며 가열 시간이 단축되어 생산성이 향상되며, 필요 이상의 시간 동안 가열됨으로써 피가열체의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

가열, 열처리, 균열소요시간

Description

균열소요시간 측정기능을 구비하는 가열장치 및 그 제어 방법{Thermal System Comprising The Function Of Determining The Point Of Time For Thermal Homogenization and The Control Method Thereof}

본 발명은 산업용 로, 표면처리설비 등과 같은 가열장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 균열소요시간을 투입되는 에너지에 의하여 결정할 수 있으므로 장입 조건에 관계없이 정확하게 균열소요시간을 결정하는 것이 가능하여 에너지의 낭비를 방지할 수 있으며, 가열 시간이 단축되어 생산성이 향상되며, 일부 피가열체가 필요 이상으로 장시간 가열되는 것을 방지할 수 있는 균열시점 측정기능을 구비하는 가열장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

각종 산업용 로, 표면처리설비, 식품가공설비 및 조리 기구 등(이하에서 '가열장치'라 함)을 이용한 가열 처리 공정에는 피가열체를 승온 또는 강온하여 피가열체가 일정한 온도에 도달하게 하거나, 일정한 온도에서 어느 시간 동안 유지하는 단계를 포함하는 경우가 많다. 현대에 상용화된 각종 가열장치는 그 제어 기술이 크게 발전되어 조절되는 온도 정도가 매우 우수한 편이다.

도 1은 종래 기술에 의한 가열장치를 도시한 것이며, 도 2는 종래 기술에 의 한 가열장치의 작동 예를 도시한 것이며, 도 3은 종래 기술에 의한 가열장치의 연결 상태를 설명하기 위하여 도시한 것이며, 도 4 및 도 5는 종래 기술에 의한 가열장치의 작동을 설명하기 위하여 도시한 그래프이다.

도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이 산업용 로와 같은 가열장치(100)는 피가열체(10)가 장입되는 중공의 본체(101)와, 상기 피가열체(10)를 가열하기 위하여 본체(101)에 설치되는 발열부(103)와, 상기 본체(101) 내측의 온도를 감지하기 위하여 본체(101)에 설치되는 온도센서(107)로 구성된다. 상기 본체(101) 내측으로는 피가열체(10)를 장입하기 위하여 적재대(105)를 구비할 수 있다. 상기 발열부(103)는 에너지원에 연결되는 코일로 구성될 수 있다. 상기 에너지원(109)과 발열부(103) 사이로 연결되는 제어부(102)를 포함하여, 에너지원(109)으로부터 발열부(103)로 전달되는 투입 에너지를 제어한다. 도 3에서 104는 가열장치(100)에 작동이나 멈춤 신호 또는 가열 온도 및 시간 등을 입력하기 위한 입력부를 도시한 것이다. 가열 시간의 입력은 제어부(102)에 연결된 타이머 등을 통하여도 이루어질 수 있다.

도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이 가열장치(100) 내에 하나 이상의 피가열체(10)를 장입하고 입력부(104)를 통하여 작동 신호를 입력하면, 본체(101)에 구비되는 상기 발열부(103)를 통하여 투입되는 에너지가 제어된다. 도 2에서 tv는 설정 온도(T0)까지 온도가 상승하는 가변시간을 도시한 것으로, 도 2에 도시한 바와 같이 발열부(103)를 통하여 투입되는 에너지(열량)에 의하여 본체(101) 내의 온도는 상승한다. 도 2에서 가로축은 시간을 나타내며, 세로축은 온도센서(107)에 의 하여 감지되는 본체(101) 내의 온도 변화를 나타낸다. 가변시간(tv)에 이르러 상기 본체(101) 내의 온도가 설정 온도(T0) 내에 도달하면 제어부(102)의 작용에 의하여 발열부(103)를 통하여 투입되는 에너지가 비례(PID) 제어 등과 같은 방법에 의하여 제어되면서 본체(101) 내의 온도를 일정한 값으로 유지한다. 여기서 가열 장치 내 피가열체 전체를 포함한 내부의 온도가 설정 온도(T0)에 이르면(이하에서 가열 장치 내 피가열체 전체를 포함한 내부의 온도가 설정 온도(T0)에 이른 시간을 '균열소요시간'이라 한다), 설정된 유지 시간(tH ; Holding Time) 동안 설정 온도(T0)로 유지하면서 피가열체(10)를 가열하게 된다.

도 4 및 도 5는 가열장치(100)에 장입되는 피가열체(10)의 수량에 따른 영향을 설명하기 위하여 도시한 것으로, 본체(101) 내에 피가열체(10)를 장입하고 발열부(103)를 통하여 에너지를 투입하면, 도 1에서 발열부(103)에 가까우며 발열체(103)에 직접 노출된 외측 피가열체(10-1)의 온도는 신속하게 상승할 것이며, 내측 피가열체(10-2)의 온도는 외측 피가열체(10-1)의 온도보다 느리게 상승할 것이다. 이하에서 '내측 피가열체'는 피가열체의 장입 수량에 관계없이 가장 온도 변화가 느린 위치에 장입된 피가열체를 의미하며, 내측 피가열체가 설정 온도(T0)에 도달한다는 것은 내측 피가열체 전체가 설정 온도(T0)에 도달한다는 것을 의미한다.

따라서 외측 피가열체(10-1)의 온도는 도 4에 실선으로 도시한 바와 같이 가변시간(tvo)이 경과하면 설정 온도(T0)에 도달하나, 내측 피가열체(10-2)의 온도는 도 4에 점선으로 도시한 바와 같이 가변시간(tvi)이 경과하여야 설정 온도(T0)에 도달한다. 상기 외측 피가열체(10-1)의 가변시간(tvo)과 내측 피가열체(10-2)의 가변시간(tvi) 사이에는 지연시간(td)이 발생하게 되며, 장입된 피가열체(10) 전체가 설정 온도(T0)에 도달하는 시간인 균열소요시간(tvi)은 (=tvo+td)가 된다. 열처리 작업에 있어서 전체 피가열체(10)가 설정 온도(T0)에서 유지시간(tH) 동안 가열되어야 하므로 상기 균열소요시간(tvi; tvo+td)이 경과한 후에 유지시간(tH) 동안 설정 온도(T0)로 유지한다.

상기에서 지연시간(td)은 피가열체의 장입 수량이나 장입 배열 등에 따라 달라지게 된다. 장입 수량이 최대일 때 상기 지연시간은 최대로 된다. 도 5에 도시한 바와 같이 피가열체(10)를 최대 수량 장입하고 발열부(103)를 통하여 에너지를 공급하면, 가장 늦게 설정 온도(T0)에 도달하는 내측 피가열체는 가변시간(tvim)이 경과한 때 설정 온도(T0)에 도달하게 되며, 외측 피가열체와 내측 피가열체 사이에 발생하는 지연시간은 tdm으로서 최대가 된다. 도 5에서 tvia는 최대 장입 수량보다 적은 수량의 피가열체가 장입된 상태에서 내측 피가열체의 가변시간을, tda는 외측 피가열체와 내측 피가열체 사이에서 발생하는 지연시간을 도시한 것이다.

실제에 있어서, 본체(101) 내에 최대 수량의 피가열체를 장입하고 열처리 작업을 하기도 하나, 최대 수량보다 작은 수량의 피가열체를 장입하여 열처리 작업을 하는 경우가 많다. 일반적으로 본체(101) 내에 장입되는 피가열체(10)는 최소와 최대의 장입 수량 사이에서 장입되고, 장입 배열도 일정하지 않게 된다. 따라서 피가열체(10)의 장입 조건은 각 가열 처리 작업마다 달라질 수 있으므로 각 장입 조건에 따른 외측 피가열체와 내측 피가열체 사이의 지연시간도 달라지게 되며, 본체(101) 내에 장입된 전체 피가열체의 온도가 설정 온도에 도달하는 균열소요시간도 달라지게 된다. 따라서 각 장입 조건마다 균열소요시간을 측정하고, 측정된 균열소요시간 동안 가열한 후, 다시 유지시간(tH) 동안 온도를 설정 온도(T0)로 유지하면서 가열하여야 한다.

그러나 각 장입 조건마다 균열소요시간을 측정하여 균열소요시간을 다르게 설정하는 것은 불가능하고 에너지와 시간의 낭비가 심하며, 충분한 검토 없이 균열소요시간을 설정하여 열처리 작업을 하는 경우 일부 피가열체(10)의 열처리 품질은 요구 수준에 도달할 수 없는 문제가 발생한다.

따라서 보통은 가열장치(100)의 최대 장입능력(최대 처리 장입 수량 등)에 대해 도 1에 106으로 예를 들어 도시한 바와 같이 내부 피가열체(10-2) 가까이 또 하나의 온도센서(106)를 설치하여 피가열체들의 온도가 균일하게 가열되는 시간인 최대균열소요시간(tvim)을 실험적으로 구하고 장입 조건에 무관하게 이를 균열소요시간의 기준으로 삼는다. 도 5에 도시한 바와 같이 최대 장입 수량보다 적은 수량의 피가열체가 장입되는 경우에도, 최대 장입 조건에서의 최대균열소요시간(tvim)이 경과한 후, 유지시간(tH) 동안 설정 온도(T0)에서 유지하여 열처리 작업을 한다.

도 5에 도시한 바와 같이 실제 장입 조건에서의 필요 균열소요시간(tvia)에 손실시간(tL)을 더한 만큼인 최대균열소요시간(tvim)인 경과한 후 유지시간(tH) 동안 설정 온도(T0)에서 유지하여 열처리 작업을 하게 되는 것으로, 필요 이상의 시간(tL) 동안 피가열체(10)를 가열하게 되어 에너지의 낭비가 발생하게 되며, 가열 시간이 길어지는 만큼 생산성은 떨어지게 되고, 일부 피가열체(10)는 필요 이상의 가열로 인하여 품질이 떨어지는 문제점이 발생하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 피가열체의 종류, 장입 수량, 배열 등과 같은 장입 조건에 관계없이 정확하게 균열소요시간을 결정하는 것이 가능하고 따라서 에너지의 낭비를 방지할 수 있으며 가열 시간이 단축되어 생산성이 향상되며, 일부 피가열체가 필요 이상의 시간 동안 가열됨으로써 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있는 균열소요시간 측정기능을 구비하는 가열장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 피가열체가 장입되는 중공의 본체와, 에너지원에 연결되며 상기 본체에 구비되어 본체에 장입되는 피가열체를 가열하는 발열부와, 상기 에너지원으로부터 발열부로 공급되는 투입 에너지를 제어하는 제어부와, 상기 제어부에 연결되며 에너지원으로부터 발열부로 공급되는 투입 에너지를 연산하는 연산부와, 상기 본체 내부의 온도를 측정하기 위하여 본체에 설치되며 상기 제어부로 연결되는 온도센서로 이루어지며; 상기 연산부에 의하여 연산된 투입 에너지의 변화로부터 균열소요시간이 결정되는 균열소요시간 측정기능을 구비하는 가열장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 균열소요시간은 연산부에서 연산된 단위 시간당 투입 에너지로부터 결정되는 균열소요시간 측정기능을 구비하는 가열장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 단위 시간당 투입되는 에너지가 일정하게 유지되는 시간을 균열소요시간으로 하는 균열소요시간 측정기능을 구비하는 가열장치를 제공한다.

한편, 본발명은 피가열체가 장입되는 본체와, 상기 본체에 구비되며 에너지원에 연결되어 피가열체를 가열하는 발열부와, 에너지원으로부터 상기 발열부로 공급되는 투입 에너지를 제어하는 제어부를 구비하는 가열장치의 가열부 제어방법으로, 에너지원으로부터 발열부로 공급되는 투입에너지의 변화 또는 투입에너지 제어신호의 변화로부터 피가열체의 균열소요시간을 결정하는 가열장치의 가열부 제어방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 에너지원으로부터 발열부로 공급되는 단위 시간당 투입에너지가 일정하게 유지되는 시간을 균열소요시간으로 하는 가열장치의 가열부 제어방법을 제공한다.

본 발명의 균열소요시간 측정기능을 구비하는 가열장치(200)에 의하면 균열소요시간을 투입되는 에너지의 변화, 보다 정확하게 말하면, 단위 시간당 투입되는 에너지의 변화에 의하여 결정할 수 있으므로 피가열체의 종류, 장입량, 배열 등과 같은 장입 조건에 관계없이 정확하게 균열소요시간을 결정하는 것이 가능하고 따라서 에너지의 낭비를 방지할 수 있으며 가열 시간이 단축되어 생산성이 향상되며, 일부 피가열체가 필요 이상의 시간 동안 가열됨으로써 품질이 저하되는 것을 방지 할 수 있는 효과가 있었다. 장입 조건에 따라 달라질 수 있으나, 실제 열처리 장치에 대하여 실험을 한 결과, 열처리 시간은 22% 정도 단축되었고, 투입되는 에너지는 15% 정도 감소하는 것을 확인하였다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르는 균열소요시간 측정기능을 구비하는 가열장치 및 가열부 제어방법에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 6은 본 발명에 따르는 균열소요시간 측정기능을 구비하는 가열장치를 이루는 구성의 연결 상태의 예를 설명하기 위하여 도시한 것이며, 도 7은 본 발명에 따르는 균열소요시간 측정기능을 구비하는 가열장치의 작동을 설명하기 위하여 도시한 그래프이다.

도 3을 참조하여 본 발명에 따르는 균열소요시간 측정기능을 구비하는 가열장치(200)를 설명하면, 도 3 및 도 6에 도시한 바와 같이 하나 이상의 피가열체가 장입되는 중공의 본체와, 에너지원(209)에 연결되며 상기 본체에 구비되어 장입되는 피가열체를 가열하는 발열부(203)와, 상기 에너지원(209)과 발열부(203) 사이에 연결되어 발열부(203)로 공급되는 투입 에너지를 제어하는 제어부(202)와, 상기 본체에 설치되어 본체 내부의 온도를 측정하는 온도센서(207)를 포함하며, 상기 제어부(202)에는 에너지원(209)으로부터 발열부(203)로 공급되는 투입 에너지를 연산하는 연산부(206)가 연결된다. 상기 연산부(206)는 제어부(202)의 일부로서 구비되는 것도 가능하다. 상기 온도센서(207)는 제어부(202)로 연결되어 측정된 본체 내 의 온도 정보를 전달한다.

본체 내에 피가열체를 장입하고, 제어부(202)에 연결된 입력부(204)를 통하여 설정 온도(T0)와 작동 신호를 입력하면, 에너지원(209)으로부터 발열부(203)로 투입 에너지가 공급되어 발열부(203)에서 발열이 이루어진다. 상기 발열부(203)는 일종의 저항인 코일체로 구성하는 것도 가능하며, 연소가 이루어지는 형태로 구성하는 것도 가능하며, 연소된 열량이 공급되는 형태로 구성하는 것도 가능하다. 발열부(203)를 코일체로 하는 경우에 대하여 상기 에너지원(209)으로부터 발열부(203)로 공급되는 투입 에너지를 연산하는 방법을 설명하면, 에너지원(209)으로부터 발열부(203)로 인가되는 전압과 전류로부터 투입 에너지가 연산된다.

작동 신호에 의하여 온도센서(207)에서 측정된 본체 내의 온도가 제어부(202)로 전달되며, 측정된 온도에 의하여 상기 제어부(202)는 발열부(203)로 투입되는 투입 에너지를 제어한다. 상기 제어부(202)에 연결된 연산부(206)에서는 에너지원으로부터 발열부(203)로 투입되는 에너지를 연산하게 된다.

도 7은 본체 내에 구비되는 온도센서(207)에서 측정된 온도와 연산부(206)에서 연산된 에너지원으로부터 발열부(203)로 투입되는 단위 시간당 에너지를 도시한 그래프이다. 가로축은 시간을 나타낸다.

도 7에 도시한 바와 같이 가열이 시작되면 본체 내의 온도를 설정 온도(T0)로 상승시키기 위하여 보통 에너지원으로부터 최대 에너지가 발열부(203)로 투입되어 일정시간 유지된 후, 온도 센서(207)에서 측정된 온도에 따라 제어부(202)를 통하여 제어되어 단위 시간당 투입 에너지가 제어 된다. 온도 센서(207)에서 측정된 온도가 설정 온도(T0)에 가깝게 상승하면 투입되는 단위 시간당 에너지가 감소하며, 외측 피가열체가 설정 온도(T0)에 도달하는 시간인 tvo가 경과한 후, 내측 피가열체도 설정 온도(T0)에 도달하는 균열소요시간(tvi)에 도달하면, 설정 온도(T0)로 유지하기 위하여 투입되는 단위 시간당 에너지는 일정하게 유지된다.

따라서, 연산부(206)에서 연산되는 단위 시간당 투입 에너지가 일정하게 유지되는 시간을 그 장입 조건에서의 균열소요시간(tvi)으로 하고, 이에 더하여 설정 온도(T0)로 유지하면서 유지시간(tH) 동안 더 가열하여 열처리 작업을 완료할 수 있다.

상기에서는 균열소요시간 후 설정 온도(T0)로 유지하면서 유지시간 동안 더 가열하는 것이 대하여 설명하였으나, 본 발명은 장입 조건에 관계없이 균열소요시간을 단위 시간당 투입 에너지로부터 정확하게 결정하는 것에 특징이 있는 것으로, 균열소요시간 경과 후 온도를 설정 온도(T0)로 유지시간(tH) 동안 유지하는 것에 한정하는 것은 아니다.

본 발명에 의하지 않고, 장입 조건에 관계없이 최대균열소요시간(tvm)을 각 장입 조건에서 균열소요시간으로 하는 경우, 도 7에 도시한 바와 같이 tvi+tL 시간이 경과한 후부터 유지시간(tH) 동안 가열하게 되므로, 실제 투입되어야할 에너지(Ew)에 더하여 손실 에너지(EL) 만큼, 도 7에서 빗금친 면적 만큼의 에너지 낭비가 발생하게 되며, tL 시간 만큼 가열장치의 운전 시간도 증가하게 되어 생산 사이클도 늦어지게 된다.

본 발명에서 설정 온도(T0)에 대하여 설정 온도로 유지되는 것으로 기재하였 으나, 설정 온도에 대하여 편차를 가지는 범위로 유지되는 것을 의미하며, 편차는 제어부의 성능이나 제어 방법에 따라서 달라지게 된다.

이상에서는 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 보호 범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명으로부터 용이하게 변형할 수 있는 범위까지 본 발명의 권리에 속하는 것으로 해석하여야 할 것이다.

도 1은 종래 기술에 의한 가열장치를 도시한 것이다.

도 2는 종래 기술에 의한 가열장치의 작동 예를 도시한 것이다.

도 3은 종래 기술에 의한 가열장치의 연결 상태를 설명하기 위하여 도시한 것이다.

도 4 및 도 5는 가열장치에 장입되는 피가열체의 배열이나 수량에 따른 영향을 설명하기 위하여 도시한 그래프이다.

도 6은 본 발명에 따르는 가열장치를 이루는 구성의 연결 상태를 설명하기 위하여 도시한 것이다.

도 7은 본 발명에 따르는 가열장치의 작동을 설명하기 위하여 도시한 그래프이다.

Claims (5)

1. 피가열체가 장입되는 중공의 본체와, 에너지원에 연결되며 상기 본체에 구비되어 본체에 장입되는 피가열체를 가열하는 발열부(203)와, 상기 에너지원으로부터 발열부(203)로 공급되는 투입 에너지를 제어하는 제어부(202)와, 상기 제어부(202)에 연결되며 에너지원으로부터 발열부(203)로 공급되는 투입 에너지를 연산하는 연산부(206)와, 상기 본체 내부의 온도를 측정하기 위하여 본체에 설치되며 상기 제어부(202)로 연결되는 온도센서(207)로 이루어지며; 상기 연산부(206)에 의하여 연산된 단위 시간당 투입 에너지의 변화로부터 균열소요시간이 결정되는 것을 특징으로 하는 균열소요시간 측정기능을 구비하는 가열장치(200).
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서, 상기 단위 시간당 투입되는 에너지가 일정하게 유지되는 시간을 균열소요시간으로 하는 것을 특징으로 하는 균열소요시간 측정기능을 구비하는 가열장치(200).
4. 피가열체가 장입되는 본체와, 상기 본체에 구비되며 에너지원에 연결되어 피 가열체를 가열하는 발열부와, 에너지원으로부터 상기 발열부로 공급되는 투입 에너지를 제어하는 제어부를 구비하는 가열장치로 피가열체를 가열하는 방법에 있어서; 에너지원으로부터 발열부로 공급되는 투입에너지의 변화 또는 투입에너지 제어신호의 변화로부터 피가열체의 균열소요시간을 결정하는 것을 특징으로 하는 가열장치의 제어방법.
5. 제4 항에 있어서, 에너지원으로부터 발열부로 공급되는 단위 시간당 투입에너지가 일정하게 유지되는 시간을 균열소요시간으로 하는 것을 특징으로 하는 가열장치의 제어방법.

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