KR101080379B1 - 3상 υ형 고온 가열기 - Google Patents

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    • F24H2250/02—Resistances

Abstract

본 발명은 3상 Y형 고온 가열기에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 히터 다발을 구성하는 히터를 병렬 연결 및 직렬 연결로 히터를 배열하여 히터 다발의 저항을 증가시켜 낮은 전류밀도에 의해서도 높은 전력을 얻을 수 있는 3상 Y형 고온 가열기를 제공하는 데 있다.
이를 위해 본 발명에 따른 3상 Y형 고온 가열기는 중공 원통 형상으로 이루어지는 압력 용기와, 상기 압력 용기의 내부에 구비되어 고압의 기체를 가열하는 히터 다발과, 상기 히터 다발의 외부를 감싸며 상기 압력 용기의 내부에 구비되되 내부 공간에 고압의 기체가 흐르는 유동 채널을 형성하는 중공 원통 형상의 반사체와, 상기 압력 용기의 내주면에 부착되어 상기 히터 다발에서 발생된 열이 상기 압력 용기로 전달되는 것을 차단하는 단열재 및 상기 반사체 내에서 상기 히터 다발의 횡방향 간격을 유지시켜 히터를 전기적으로 절연시키는 간격체를 포함하되, 상기 히터 다발의 전류 인가 방식은 3상 Y 결선 방식인 것을 특징으로 한다.
3상 Υ결선, 히터 다발, 커넥터, 단자대

Description

3상 Υ형 고온 가열기{THREE-PHASE STAR FORM HIGH TEMPERATURE HEATER}
본 발명은 3상 Y형 고온 가열기에 관한 것으로서, 히터 다발의 저항을 증가시켜 낮은 전류밀도에 의해서도 높은 전력을 얻을 수 있는 3상 Y형 고온 가열기에 관한 것이다
고압의 기체를 1000℃ 이상 가열하는 사용처는 흔하지 않다.
최근 청정 에너지원인 수소를 생산하기 위한 가장 경제적인 방법인 원자력을 이용한 수소생산법이 밝혀지면서 이에 대한 연구가 활성화 되고 있다.
원자력을 이용한 수소생산법은 수소를 대량생산할 수 있는 IS(Iodine-Sulfer)열화학법으로, 수소를 얻는 화학 공정은 아래와 같은 화학 반응을 거쳐 이루어진다.
제 1단계 : H2SO4 → H2O + SO2 + 1/2O2
제 2단계 : SO2 + xI2 + 2H2O → 2HIx + H2SO4
제 3단계 : 2HI → H2 + I2
위와 같은 화학 공정은 최고 920℃ 정도의 온도 조건하에서 이루어지며 초고온가스원자력발전소(VHTR)로 IS(Iodine-Sulfer)열화학 환경을 달성한다. 또한 수소생산모듈은 공정압력을 높힐수록 작게 만들수 있어 수소생산비용을 낮출 수 있다.
이에 따라, 수소생산용 초고온가스원자력발전소의 주요부품들을 검증하기 위해 건설하는 원자로모의용 가스루프는 원자로를 대신하여 전기에너지를 활용하여 920℃ 고온/고압의 기체를 연속적으로 공급하는 고온가열기가 요구된다.
도 13은 열화학법을 이용한 원자력수소 개발 및 실험을 위한 소형 가스루프를 나타낸 도이다.
도 13을 참조하면, 원자력수소 개발 및 실험을 위한 소형 가스루프(Small scale gas loop)는 IS열화학법을 이용한 원자력수소의 생산에 적용되는 것으로서, 앞서 설명한 제1단계의 화학반응을 위한 가스루프이다.
즉, 가스루프 상의 오른쪽의 이산화황 가스 순환계통(SO2 Gas Side; 10)에서 액체 황산(H2SO4)을 열교환기(14)를 통해 삼산화황(S03)과 수증기(H2O)로 분해하고, 다시 황산분해기(16)를 통해 삼산화황을 이산화황(SO2)과 산소(O2)로 분해하여, 제2단계에 필요한 이산화황을 획득하게 된다.
이 과정에서, 왼쪽의 고압 기체 순환계통(High Pressure Gas Side; 20)을 통 해 40∼60기압의 고압 기체를 제1예열기(24)와 고온가열기(26)를 통해 900℃∼950℃ 범위로 가열시켜 황산분해기(16) 및 열교환기(14)에서 이루어지는 분해과정에 필요한 반응 온도 환경을 제공해준다.
이에 따라 액체 황산으로부터 이산화황을 얻기 위해서는, 900℃ 이상의 반응 환경을 조성하기 위한 고온가열기가 가스루프 상에 필수적으로 구비되어야 한다.
고압 기체 순환계통(20)에 사용될 수 있는 고압 기체로는 고압 및 고온의 환경에서도 화학 반응이 잘 일어나지 않는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤 등의 비활성 기체가 적합하다.
표 1은 현재 상용화되어 사용되고 있는 고온가열기의 종류와 특성을 정리하여 나타낸 것이다.

고온가열기의 종류		 기체
최대온도
(℃)		 압력
(Bar)		 유량
(Kg/min)

Furnace		 가열로 1700 대기압 ∼0
진공로 1500 대기압 ∼0
가스압소결로 1700 110 ∼0
Autoclave 오토클레이브 650 250 ∼0
스팀개질 고온간접가열로 800 대기압 유량있음
표 1을 살펴보면, 기존 고온가열기 중에서 오토클레이브와 고온간접가열로는 기체의 최대온도가 각각 650℃와 800℃이기 때문에 도 13에서와 같이 900℃이상의 고온가열기의 온도 조건에 미치지 못하며, 가열로, 진공로, 고온간접가열로 등은 대기압 조건에서 운전되도록 설계되어 도 13에서와 같이 40∼60기압의 고압에서 사용되는 고온가열기의 압력 조건에 적합하지 않다.
또한, 가스압소결로는 유량이 거의 없는 정적인 상태에서 가열이 이루어지기 때문에 도 13에서와 같이 기체유동이 존재하는 기체순환계통용 고온가열기로 사용하는데 부적합하다.
다시 말해서, 기존 고온가열기들은 도 13에 도시된 바와 같이 40∼60기압의 고압 기체를 950℃이상으로 가열하여 기체순환계통을 통해 지속적으로 순환 공급하는데 있어서, 고온가열기의 압력, 온도 및 유량 조건을 동시에 만족시키기 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 기존 고온가열기들은 용량 증대를 위해 금속 혹은 세라믹 히터를 복수로 배열하여 구성할 수 있는데, 일반 코일 히터 방식과 달리 복수의 히터를 배열하는 방식은 고압 기체를 고온으로 가열할 때 매우 유리하나 저항이 매우 작아 히터에 대전류를 흘려보내야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 히터 다발을 구성하는 히터를 병렬 연결 및 직렬 연결로 히터를 배열하여 히터 다발의 저항을 증가시켜 낮은 전류밀도에 의해서도 높은 전력을 얻을 수 있는 3상 Y형 고온 가열기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 3상 Y형 고온 가열기는 중공 원통 형상으로 이루어지는 압력 용기와, 상기 압력 용기의 내부에 구비되어 고압의 기체를 가열하는 히터 다발과, 상기 히터 다발의 외부를 감싸며 상기 압력 용기의 내부에 구비되되 내부 공간에 고압의 기체가 흐르는 유동 채널을 형성하는 중공 원통 형상의 반사체와, 상기 압력 용기의 내주면에 부착되어 상기 히터 다발에서 발생된 열이 상기 압력 용기로 전달되는 것을 차단하는 단열재 및 상기 반사체 내에서 상기 히터 다발의 횡방향 간격을 유지시켜 히터를 전기적으로 절연시키는 간격체를 포함하되, 상기 히터 다발의 전류 인가 방식은 3상 Y 결선 방식인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히터 다발은 복수개의 히터로 이루어지되, 각 상마다 균일한 갯수로 배분되어 각 상마다 인가되는 전류에 의해 개별적으로 가열될 수 있다.
또한, 상기 히터 다발은 각 상마다 히터 2개를 한 조로 병렬 연결하여 각 상으로 유입되는 전기를 상기 2개의 히터에 동시에 전달하는 커넥터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 커넥터는 상기 히터 2개를 상부에서 전기적으로 연결하는 상부 커넥터 및 상기 히터 2개를 하부에서 전기적으로 연결하는 하부 커넥터를 포함하되, 상기 히터 다발이 상부 접지형인 경우, 제 1조의 상부 커넥터는 제 2조의 상부 커넥터와 직렬로 연결되고, 제 2조의 하부 커넥터는 제 3조의 하부 커넥터와 직렬로 연결되며, 제 3조의 상부 커넥터는 상부 접지봉에 직렬로 연결되어 상기 제 1조 의 하부 커넥터를 통해 유입된 전류가 상기 상부 접지봉에 접지되거나, 상기 히터 다발이 하부 접지형인 경우, 제 1조의 상부 커넥터는 제 2조의 상부 커넥터와 직렬로 연결되고, 제 2조의 하부 커넥터는 제 3조의 하부 커넥터와 직렬로 연결되고, 제 3조의 상부 커넥터는 제 4조의 상부 커넥터와 직렬로 연결되며, 상기 제 4조의 하부 커텍터는 하부 접지봉에 직렬로 연결되어 상기 제 1조의 하부 커넥터를 통해 유입된 전류가 상기 하부 접지봉에 접지될 수 있다.
또한, 상기 상부 커넥터는 상기 히터 다발이 상부 접지형인 경우 상기 히터 내부로 삽입되어 용접되는 상부 단자대와, 상기 히터 2개를 연결하는 금속막대 및 상기 상부 단자대와 금속막대를 결합시키는 연결나사를 포함할 수 있다.
또한, 상기 상부 단자대 및 연결나사는 상기 히터와 동일한 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 히터는 인코넬(Inconel) 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 상부 커넥터는 상기 히터 다발이 하부 접지형인 경우 상기 히터 2개를 연결하는 상부 단자대 및 상기 상부 단자대와 히터를 결합시키는 연결나사를 포함할 수 있다.
또한, 상기 상부 단자대 및 연결나사는 상기 히터와 동일한 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 히터는 C/C 복합체(Carbon/Ceramic Fiber composite) 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 상부 단자대는 다른 조의 상부 단자대와 BNP 절연체에 의해 전기 적으로 분리될 수 있다.
또한, 상기 하부 커넥터는 상기 히터 다발이 상부 접지형인 경우 상기 히터 내부로 삽입되어 용접되는 하부 단자대와, 상기 히터 2개를 연결하는 금속막대 및 상기 하부 단자대와 금속막대를 결합시키는 연결나사를 포함할 수 있다.
또한, 상기 하부 커넥터는 상기 히터 다발이 하부 접지형인 경우 상기 히터 2개를 연결하는 하부 단자대 및 상기 상부 단자대와 히터를 결합시키는 연결나사를 포함할 수 있다.
또한, 상기 하부 단자대는 상기 히터의 재질이 금속 계열인 경우 니켈 재질로 이루어지고, 상기 히터의 재질이 카본 계열인 경우 몰리브데늄으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 하부 커넥터는 각 상의 외부연결부와 후렉시블로 연결될 수 있다.
또한, 상기 하부 단자대는 다른 조의 하부 단자대와 BNP 절연체에 의해 전기적으로 분리될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 3상 Y형 고온 가열기에 의하면, 히터 다발을 구성하는 히터를 병렬 연결 및 직렬 연결로 히터를 배열하여 히터 다발의 저항을 증가시켜 낮은 전류밀도에 의해서도 높은 전력을 얻을 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 Y형 고온 가열기의 일 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3상 Y형 고온 가열기는 도 1에 도시된 바와 같이, 압력 용기(100)와, 히터 다발(200)과, 반사체(300)와, 단열재(400) 및 간격체(500)를 포함한다.
상기 압력 용기(100)는 중공 원통 형상으로 이루어지며, 몸체 내부로 고압의 기체를 순환시킨다.
상기 압력 용기(100)는 몸체의 외주 표면에 고압의 기체가 유입되는 입구 노즐(110)과, 상기 고압의 기체가 배출되는 출구 노즐(120)이 구비되며, 외부 전원과 연결되는 전극부(600)가 상기 압력 용기(100)의 내부로 삽입된다.
상기 압력 용기(100)는 고압·고온의 기체가 몸체 내부로 순환하기 때문에 내식성과 내열성이 뛰어나며 고압에도 잘 견디는 스테인리스강(stainless steel) 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 Y형 고온 가열기 중 히터 다발의 일 단면도이고, 도 3b는 도 3a의 히터 다발의 회로도이다. 또한, 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 Y형 고온 가열기 중 히터 다발의 다른 단면도이고, 도 4b는 도 4a의 히터 다발의 회로도이다.
상기 히터 다발기(200)은 도 3a 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 압력 용기(100)의 내부에 구비되어 상기 입구 노즐(110)로 유입된 고압의 기체를 가열한다.
상기 히터 다발(200)은 외부 전원과 연결되어 자체 온도가 올라가는 물질이며, 이와 같은 자체 발열 성질을 이용하여 상기 압력 용기(100) 내부로 공급되는 고압의 기체를 가열하여 온도를 높여준다.
한편, 상기 히터 다발(200)의 전류 인가 방식은 3상 Y 결선 방식으로 이루어진다.
상기 3상 Y 결선은 단상 직류 전원 또는 3상 델타 결선 방식에 비해 상대적으로 히터의 저항을 크게 해주어 적은 전류로도 큰 전력을 얻어낼 수 있다.
상기 히터 다발(200)은 용량 증대를 위해 복수개의 히터로 이루어지며, 각 상마다 균일한 갯수로 배분되어 각 상마다 인가되는 전류에 의해 개별적으로 가열될 수 있다.
구체적으로, 상기 히터 다발(200)은 각 상마다 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 6개 또는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 8개의 히터로 구성될 수 있다.
즉, 상기 히터 다발(200)은 도 3b 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 히터들(도 3b 및 도 4b에 도시된 회로도에서 저항 1개는 히터 1개에 해당한다)을 전기적으로 병렬 연결과 직렬 연결을 혼합한 회로도를 따르도록 배열하여 상기 히터 다발(200)의 전기 저항을 높여 전류밀도를 낮출 수 있다.
상기 히터 다발(200)은 각 상마다 히터 2개를 한 조로 병렬 연결하여 각 상으로 유입되는 전기를 상기 2개의 히터에 동시에 전달하는 커넥터를 포함한다.
상기 커넥터는 상기 히터 2개를 상부에서 전기적으로 연결하는 상부 커넥터 및 상기 히터 2개를 하부에서 전기적으로 연결하는 하부 커넥터를 포함한다.
상기 히터 다발(200)이 상부 접지형인 경우, 제 1조의 상부 커넥터는 제 2조의 상부 커넥터와 직렬로 연결되고, 제 2조의 하부 커넥터는 제 3조의 하부 커넥터와 직렬로 연결되며, 제 3조의 상부 커넥터는 상부 접지봉에 직렬로 연결되어 상기 제 1조의 하부 커넥터를 통해 유입된 전류가 상기 상부 접지봉에 접지된다.
한편, 상기 히터 다발(200)이 하부 접지형인 경우, 제 1조의 상부 커넥터는 제 2조의 상부 커넥터와 직렬로 연결되고, 제 2조의 하부 커넥터는 제 3조의 하부 커넥터와 직렬로 연결된다. 또한, 제 3조의 상부 커넥터는 제 4조의 상부 커넥터와 직렬로 연결되고, 상기 제 4조의 하부 커텍터는 하부 접지봉에 직렬로 연결되어 상기 제 1조의 하부 커넥터를 통해 유입된 전류가 상기 하부 접지봉에 접지된다.
도 5a는 본 발명에 따른 히터 다발이 상부 접지형인 경우, 상부 커넥터를 나타내는 도이고, 도 5b는 도 5a에 따른 상부 커넥터에서의 전류 흐름을 나타내는 도이다.
상기 히터 다발(200)이 상부 접지형인 경우, 상기 상부 커넥터(210)는 도 5a에 도시된 바와 같이, 상부 단자대(211)와, 금속막대(212) 및 연결나사(213)를 포함한다.
상기 상부 단자대(211)는 상기 히터 다발(200)이 상부 접지형인 경우 상기 히터가 전기적으로 2개가 한조로 병렬 연결되도록 상기 히터 내부로 삽입되어 용접된다.
상기 상부 단자대(211)는 열팽창 차이로 접촉부분에서 문제가 발생하지 않도록 상기 히터와 동일한 재질로 이루어질 수 있고, 이때, 상기 히터는 인코넬(Inconel) 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 상부 단자대(211)는 다른 조의 상부 단자대와 접촉하여 쇼트가 발생하지 않도록 BNP 절연체에 의해 전기적으로 분리될 수 있다.
상기 금속막대(212)는 직육면체 형상으로 이루어지며 상기 상부 단자대(211) 상에 위치하여 2개의 히터를 병렬 연결한다.
상기 연결나사(213)는 상기 금속막대(212)를 관통하여 상기 상부 단자대(211)와 금속막대(212)를 결합시키며, 이때, 상기 연결나사(213)는 상기 히터와 동일한 재질로 이루어질 수 있다.
한편, 각 상에 대한 상부 커넥터(210)에서의 전류 흐름은 도 5b에 도시된 바와 같다.
구체적으로, 제 1조의 하부 커넥터로 유입된 전류는 히터 2개에 동시에 전달된 후 제 1조의 상부 커넥터로 이동하고, 이후, 상기 전류는 제 1조의 상부 커넥터로부터 직렬로 연결된 제 2조의 상부 커넥터로 이동하여 제 2조의 히터 2개에 동시에 전달된 후 제 2조의 하부 커넥터로 이동한다.
이후, 상기 전류는 제 2조의 하부 커넥터로부터 직렬로 연결된 제 3조의 하부 커넥터로 이동하여 제 3조의 히터 2개에 동시에 전달된 후 제 3조의 상부 커넥터로 이동하고, 이후, 상기 전류는 제 3조의 상부 커넥터로부터 직렬로 연결된 상부 접지봉으로 이동한 후 접지된다.
도 5b에서, 실선 화살표는 상부 커넥터 사이를 흐르는 전류를 의미하고, 점선 화살표는 하부 커넥터 사이를 흐르는 전류를 의미한다.
도 6a는 본 발명에 따른 히터 다발이 하부 접지형인 경우, 상부 커넥터를 나타내는 도이고, 도 6b는 도 6a에 따른 상부 커넥터에서의 전류 흐름을 나타내는 도이다.
한편, 상기 히터 다발(200)이 하부 접지형인 경우, 상기 상부 커넥터(210)는 도 6a에 도시된 바와 같이, 상부 단자대(211) 및 연결나사(213)를 포함한다.
상기 상부 단자대(211)는 상기 히터 다발(200)이 하부 접지형인 경우 상기 히터가 전기적으로 2개가 한조로 병렬 연결되도록 2개의 히터 상에 위치하여 2개의 히터를 병렬 연결한다.
상기 상부 단자대(211)는 열팽창 차이로 접촉부분에서 문제가 발생하지 않도록 상기 히터와 동일한 재질로 이루어질 수 있고, 이때, 상기 히터는 C/C 복합체(Carbon/Ceramic Fiber composite) 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 상부 단자대(211)는 다른 조의 상부 단자대와 접촉하여 쇼트가 발생하지 않도록 BNP 절연체에 의해 전기적으로 분리될 수 있다.
상기 연결나사(213)는 상기 상부 단자대(211)를 관통하여 상기 상부 단자대(211)와 히터를 결합시키며, 이때, 상기 연결나사(213)는 상기 히터와 동일한 재질로 이루어질 수 있다.
한편, 각 상에 대한 상부 커넥터(210)에서의 전류 흐름은 도 6b에 도시된 바 와 같다.
구체적으로, 제 1조의 하부 커넥터로 유입된 전류는 히터 2개에 동시에 전달된 후 제 1조의 상부 커넥터로 이동하고, 이후, 상기 전류는 제 1조의 상부 커넥터로부터 직렬로 연결된 제 2조의 상부 커넥터로 이동하여 제 2조의 히터 2개에 동시에 전달된 후 제 2조의 하부 커넥터로 이동한다.
이후, 상기 전류는 제 2조의 하부 커넥터로부터 직렬로 연결된 제 3조의 하부 커넥터로 이동하여 제 3조의 히터 2개에 동시에 전달된 후 제 3조의 상부 커넥터로 이동하고, 이후, 상기 전류는 제 3조의 상부 커넥터로부터 직렬로 연결된 제 4조의 상부 커넥터로 이동하여 제 4조의 히터 2개에 동시에 전달된 후 제 4조의 하부 커넥터로 이동한다.
이후, 상기 전류는 제 4조의 하부 커넥터로부터 직렬로 연결된 하부 접지봉으로 이동한 후 접지된다.
도 6b에 도시된 실선 화살표와 점선 화살표는 도 5와 동일하게, 실선 화살표는 상부 커넥터 사이를 흐르는 전류를 의미하고, 점선 화살표는 하부 커넥터 사이를 흐르는 전류를 의미한다.
도 7a는 본 발명에 따른 히터 다발이 상부 접지형인 경우, 하부 커넥터를 나타내는 도이고, 도 7b는 도 7a에 따른 하부 커넥터에서의 전류 흐름을 나타내는 도이다.
상기 히터 다발(200)이 상부 접지형인 경우, 상기 하부 커넥터(220)는 도 7a에 도시된 바와 같이, 하부 단자대(221)와, 금속막대(222) 및 연결나사(223)를 포함하며, 열팽창으로 인한 접촉이탈 또는 기계적인 파손을 방지하기 위해 각 상의 외부연결부와 후렉시블로 연결될 수 있다.
상기 하부 단자대(221)는 상기 히터 다발(200)이 상부 접지형인 경우 상기 히터가 전기적으로 2개가 한조로 병렬 연결되도록 상기 히터 내부로 삽입되어 용접된다.
상기 하부 단자대(221)는 상기 히터의 재질이 금속 계열인 경우 니켈 재질로 이루어질 수 있고, 상기 히터의 재질이 카본 계열인 경우 몰리브데늄 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 하부 단자대(221)는 다른 조의 하부 단자대와 접촉하여 쇼트가 발생하지 않도록 BNP 절연체에 의해 전기적으로 분리될 수 있다.
상기 금속막대(222)는 직육면체 형상으로 이루어지며 상기 하부 단자대(221) 상에 위치하여 2개의 히터를 병렬 연결한다.
상기 연결나사(223)는 상기 금속막대(222)를 관통하여 상기 하부 단자대(221)와 금속막대(222)를 결합시킨다.
한편, 각 상에 대한 하부 커넥터(220)에서의 전류 흐름은 도 7b에 도시된 바와 같으며, 구체적인 전류 흐름은 도 5b에서의 전류 흐름과 동일하다.
도 7b에서, 실선 화살표는 하부 커넥터 사이를 흐르는 전류를 의미하고, 점선 화살표는 상부 커넥터 사이를 흐르는 전류를 의미한다.
도 8a는 본 발명에 따른 히터 다발이 하부 접지형인 경우, 하부 커넥터를 나타내는 도이고, 도 8b는 도 8a에 따른 하부 커넥터에서의 전류 흐름을 나타내는 도이다.
상기 히터 다발(200)이 하부 접지형인 경우, 상기 하부 커넥터(220)는 도 8a에 도시된 바와 같이, 하부 단자대(221) 및 연결나사(223)를 포함하며, 열팽창으로 인한 접촉이탈 또는 기계적인 파손을 방지하기 위해 각 상의 외부연결부와 후렉시블로 연결될 수 있다.
상기 하부 단자대(221)는 상기 히터 다발(200)이 하부 접지형인 경우 상기 히터가 전기적으로 2개가 한조로 병렬 연결되도록 2개의 히터 상에 위치하여 2개의 히터를 병렬 연결한다.
상기 하부 단자대(221)는 상기 히터의 재질이 금속 계열인 경우 니켈 재질로 이루어질 수 있고, 상기 히터의 재질이 카본 계열인 경우 몰리브데늄 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 하부 단자대(221)는 다른 조의 하부 단자대와 접촉하여 쇼트가 발생하지 않도록 BNP 절연체에 의해 전기적으로 분리될 수 있다.
상기 연결나사(223)는 상기 하부 단자대(221)를 관통하여 상기 하부 단자대(221)와 히터를 결합시킨다.
한편, 각 상에 대한 하부 커넥터(220)에서의 전류 흐름은 도 8b에 도시된 바와 같으며, 구체적인 전류 흐름은 도 6b에서의 전류 흐름과 동일하다.
도 8b에서, 실선 화살표는 하부 커넥터 사이를 흐르는 전류를 의미하고, 점선 화살표는 상부 커넥터 사이를 흐르는 전류를 의미한다.
상기 반사체(300)는 중공 원통 형상으로 이루어지며, 상기 히터 다발(200)의 외부를 감싸며 상기 압력 용기(100)의 내부에 구비되되, 내부 공간에 고압의 기체가 흐르는 유동 채널을 형성한다.
상기 반사체(300)는 상기 히터 다발(200)로부터 직접 열전달을 받아 온도가 상승하기 때문에 고온에서도 잘 견디는 HPM(High Performance Molybdenum) 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 반사체(300)는 일정한 폭을 가진 판 형태의 HPM재질을 리벳이음(riveted joint) 방법을 통해 중공 원통 형상의 관으로 만든 후, 이와 같이 만들어진 반사체를 연속적으로 포개어 연결한다.
또한, 반사체(300)끼리의 연결부에는 압력 용기(100) 내에서 가해지는 열팽창을 고려하여 히터 다발(200)의 길이방향을 따라 움직일 수 있는 슬라이딩부를 형성시킬 수 있다.
상기 반사체(300)는 상기 히터 다발(200)에서 발생된 열이 직접 상기 단열재(400)로 전달되는 것을 차단하는 동시에 상기 단열재(400)가 고압·고온의 기체에 직접 노출되는 것을 차단하여, 단열재(400)에서 이탈되는 미세한 입자들이 고압·고온의 기체에 포함되는 것을 방지할 수 있다.
상기 단열재(400)는 상기 압력 용기(100)의 내주면에 부착되어 상기 히터 다발(200)에서 발생된 열이 상기 압력 용기(100)로 전달되는 것을 차단한다.
상기 단열재(400)는 단열성이 우수한 세라믹파이버 재질로 이루어질 수 있고, 상기 반사체(300)를 통해 전달된 열이 상기 압력 용기(100)의 표면으로 직접 전달되는 것을 차단함으로써 압력 용기(100)의 열적 변형으로 인한 고온 가열기(1)의 파손을 방지할 수 있다.
상기 간격체(500)는 상기 반사체(300) 내에서 상기 히터 다발(200)의 횡방향 간격을 유지시켜 상기 히터 다발(200)을 구성하는 히터를 전기적으로 절연시킨다.
상기 간격체(500)는 전기절연성이 우수하고 고온에도 내열성이 강한 BN(Boron Nitride) 계열(BN-P 포함) 세라믹 재질로 이루어질 수 있고, 상기 히터 다발(500)의 온도가 500도 이하인 경우, 알루미나 재질로 이루어질 수 있다.
상기 BN(Boron Nitride) 계열(BN-P 포함) 세라믹은 고온에서 열전도율이 매우 우수하여 자체 내의 온도 분포가 곧바로 균일해지는 특성을 가지고 있으며 열충격에도 강한 성질을 가지고 있다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 Y형 고온 가열기 중 간격체의 일 단면도이고, 도 9b는 일 사시도이다. 또한, 도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 Y형 고온 가열기 중 간격체의 다른 단면도이고, 도 10b는 다른 사시도이다.
상기 간격체(500)는 도 9a 내지 도 10b에 도시된 바와 같이, 상기 반사체(300)의 내주면에 접하는 곡선부(510) 및 상기 곡선부(510)의 끝단을 연결하는 직선부(520)가 구비된 반원 형상으로 이루어지며, 내부에 히터 지지홀(530)을 포함할 수 있다.
상기 간격체(500)는 상기 반사체(300) 내부에 콤팩트(compact)하게 배치되어 고압 기체의 이동 통로가 되는 유동 채널의 면적을 최소화함으로써 난류(turbulence) 발생에 의해 열전달 효율을 극대화할 수 있고, 반원 형상으로 이루어져 가열하고자 하는 고압 기체의 유로를 차단하지 않는 장점이 있다.
도 11a는 본 발명에 따른 복수의 히터를 간격체가 지지하는 모습을 보여주는 일 개략도이고, 도 11b는 다른 개략도이다.
상기 히터 지지홀(530)은 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 상기 히터 다발(200)을 구성하는 복수개의 히터 중 적어도 반 이상을 삽입하여 지지할 수 있고, 이에 따라, 상기 유동 채널 내에서 상기 히터 다발(200)을 구성하는 히터들 간의 간격을 서로 일정하게 유지시킬 수 있다.
이때, 상기 히터 지지홀(530)은 그 직경을 상기 히터의 외경보다 크게 형성하여 상기 히터와 간격체(500) 자체의 열팽창을 흡수할 수 있는 공간을 확보함으로써 상기 간격체(500)의 기계적인 파손을 방지할 수 있다.
또한, 상기 간격체(500)는 상기 히터 지지홀(530) 사이에 복수의 기체 유동홀(540)이 형성될 수 있다.
상기 기체 유동홀(540)은 상기 유동 채널 내부를 통과하는 고압의 기체가 원활하게 흐를 수 있도록 유도하며, 이때, 상기 기체 유동홀(540)은 동일 크기로 형성되거나 서로 다른 크기로 형성될 수 있다.
또한, 상기 간격체(500)는 상기 곡선부(510)에 마찰 감소홀(550)이 형성될 수 있다.
상기 마찰 감소홀(550)은 상기 기체 유동홀(540)과 동일하게 고압의 기체를 유연하게 유동시키며 상기 히터 다발(200)의 조립시 상기 반사체(300)와의 마찰면을 감소시켜 상기 간격체(500)의 자체 손상을 방지할 수 있다.
더불어, 상기 간격체(500)는 측면에 형성된 나사홀에 삽입되어 상기 히터의 외주면을 눌러주는 복수개의 고정나사(560)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 나사홀은 상기 히터 지지홀(530)과 각각 연결되어 있어서, 상기 고정나사(560)가 끼워지면 히터 지지홀(530)에 삽입된 히터의 외주 표면을 눌러주어, 상기 간격체(500) 상에서 복수개의 히터(220)가 움직이는 것을 방지한다.
상기 고정나사(560)는 상기 간격체(500)가 히터의 상하로 이동하지 않도록 머리가 없는 몰리브덴 나사로 이루어져 상기 히터를 고정할 수 있고, 이때, 상기 고정 나사(560)는 상기 간격체(500) 속으로 삽입되도록 하여 상기 고정나사(560)를 통하여 상기 히터와 반사체(300) 간에 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
도 12a는 본 발명에 따른 히터 다발에 간격체가 축방향을 중심으로 좌·우로 설치된 모습을 보여주는 도이고, 도 12b는 본 발명에 따른 히터 다발에 간격체가 축방향을 중심으로 상·하·좌·우로 설치된 모습을 보여주는 도이다.
한편, 상기 간격체(500)는 상기 히터 다발(200)의 축방향으로 일정 간격, 예를 들어, 500mm 이격되어 복수개가 설치될 수 있다.
구체적으로, 상기 간격체(500)는 도 12a에 도시된 바와 같이, 상기 히터 다발(200)의 축방향을 기준으로 좌·우로 연속적으로 설치되어 상기 히터 다발(200)의 형상을 안정적으로 지지할 수 있고, 고압의 기체를 지그재그로 흘러가게 하여 기체를 효과적으로 가열할 수 있다.
또한, 상기 간격체(500)는 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 히터 다발(200)의 축방향을 기준으로, 상·하·좌·우로 연속적으로 설치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 Y형 고온 가열기의 다른 구성도이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 Y형 고온 가열기는 상기 압력 용기를 지지하는 지지부(700)를 포함할 수 있다.
상기 지지부(700)는 도 2에 도시된 바와 같이, 압력 용기(100)에 수직으로 연결되는 복수개의 지지대(710)와, 상기 지지대(710)의 하부에 부착되는 사각판 형태의 지지판(720)과, 상기 지지판(720)의 하면에 각각 한 쌍씩 부착되는 복수개의 바퀴(730) 및 고온 가열기(1)의 설치 장소의 지면에 견고하게 부착되며 복수개의 바퀴(730)의 이동을 안내하는 레일(740)을 포함한다.
상기와 같이, 복수개의 바퀴(730) 및 레일(740)이 포함된 지지부(700)의 구성을 통해 압력 용기(100)가 미세하게 변형하거나 진동하는 경우에 레일(740)을 따라 움직일 수 있게 함으로써, 고온 가열기(1)의 열적 변형 및 기체의 순환으로 유발되는 진동 등의 문제를 우수하게 해결할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 3상 Y형 고온 가열기를 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 Y형 고온 가열기의 일 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 Y형 고온 가열기의 다른 구성도.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 Y형 고온 가열기 중 히터 다발의 일 단면도.
도 3b는 도 3a의 히터 다발의 회로도.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 Y형 고온 가열기 중 히터 다발의 다른 단면도.
도 4b는 도 4a의 히터 다발의 회로도.
도 5a는 본 발명에 따른 히터 다발이 상부 접지형인 경우, 상부 커넥터를 나타내는 도.
도 5b는 도 5a에 따른 상부 커넥터에서의 전류 흐름을 나타내는 도.
도 6a는 본 발명에 따른 히터 다발이 하부 접지형인 경우, 상부 커넥터를 나타내는 도.
도 6b는 도 6a에 따른 상부 커넥터에서의 전류 흐름을 나타내는 도.
도 7a는 본 발명에 따른 히터 다발이 상부 접지형인 경우, 하부 커넥터를 나타내는 도.
도 7b는 도 7a에 따른 하부 커넥터에서의 전류 흐름을 나타내는 도.
도 8a는 본 발명에 따른 히터 다발이 하부 접지형인 경우, 하부 커넥터를 나타내는 도.
도 8b는 도 8a에 따른 하부 커넥터에서의 전류 흐름을 나타내는 도.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 Y형 고온 가열기 중 간격체의 일 단면도.
도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 Y형 고온 가열기 중 간격체의 일 사시도.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 Y형 고온 가열기 중 간격체의 다른 단면도.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 Y형 고온 가열기 중 간격체의 다른 사시도.
도 11a는 본 발명에 따른 복수의 히터를 간격체가 지지하는 모습을 보여주는 일 개략도.
도 11b는 본 발명에 따른 복수의 히터를 간격체가 지지하는 모습을 보여주는 다른 개략도.
도 12a는 본 발명에 따른 히터 다발에 간격체가 축방향을 중심으로 좌·우로 설치된 모습을 보여주는 도.
도 12b는 본 발명에 따른 히터 다발에 간격체가 축방향을 중심으로 상·하·좌·우로 설치된 모습을 보여주는 도.
도 13은 열화학법을 이용한 원자력수소 개발 및 실험을 위한 소형 가스루프를 나타낸 도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1:고온 가열기
100:압력용기 110:입구 노즐
120:출구 노즐 200:히터 다발
210:상부 커넥터 211:상부 단자대
212,222:금속막대 213,223:연결나사
220:하부 커넥터 221:하부 단자대
300:반사체 400:단열재
500:간격체 510:곡선부
520:직선부 530:히터 지지홀
540:기체 유동홀 550:마찰 감소홀
560:고정나사 600:전극부
700:지지부 710:지지대
720:지지판 730:바퀴
740:레일

Claims (16)

  1. 중공 원통 형상으로 이루어지는 압력 용기;
    상기 압력 용기의 내부에 구비되어 고압의 기체를 가열하는 히터 다발;
    상기 히터 다발의 외부를 감싸며 상기 압력 용기의 내부에 구비되되, 내부 공간에 고압의 기체가 흐르는 유동 채널을 형성하는 중공 원통 형상의 반사체;
    상기 압력 용기의 내주면에 부착되어 상기 히터 다발에서 발생된 열이 상기 압력 용기로 전달되는 것을 차단하는 단열재; 및
    상기 반사체 내에서 상기 히터 다발의 횡방향 간격을 유지시켜 히터를 전기적으로 절연시키는 간격체를 포함하되,
    상기 히터 다발의 전류 인가 방식은 3상 Y 결선 방식인 것을 특징으로 하는 3상 Y형 고온 가열기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 히터 다발은 복수개의 히터로 이루어지되, 각 상마다 균일한 갯수로 배분되어 각 상마다 인가되는 전류에 의해 개별적으로 가열되는 것을 특징으로 하는 3상 Y형 고온 가열기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 히터 다발은,
    각 상마다 히터 2개를 한 조로 병렬 연결하여 각 상으로 유입되는 전기를 상기 2개의 히터에 동시에 전달하는 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 Y형 고온 가열기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 커넥터는,
    상기 히터 2개를 상부에서 전기적으로 연결하는 상부 커넥터; 및
    상기 히터 2개를 하부에서 전기적으로 연결하는 하부 커넥터를 포함하되,
    상기 히터 다발이 상부 접지형인 경우, 제 1조의 상부 커넥터는 제 2조의 상부 커넥터와 직렬로 연결되고, 제 2조의 하부 커넥터는 제 3조의 하부 커넥터와 직렬로 연결되며, 제 3조의 상부 커넥터는 상부 접지봉에 직렬로 연결되어 상기 제 1조의 하부 커넥터를 통해 유입된 전류가 상기 상부 접지봉에 접지되거나,
    상기 히터 다발이 하부 접지형인 경우, 제 1조의 상부 커넥터는 제 2조의 상부 커넥터와 직렬로 연결되고, 제 2조의 하부 커넥터는 제 3조의 하부 커넥터와 직렬로 연결되고, 제 3조의 상부 커넥터는 제 4조의 상부 커넥터와 직렬로 연결되며, 상기 제 4조의 하부 커텍터는 하부 접지봉에 직렬로 연결되어 상기 제 1조의 하부 커넥터를 통해 유입된 전류가 상기 하부 접지봉에 접지되는 것을 특징으로 하는 3 상 Y형 고온 가열기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 상부 커넥터는 상기 히터 다발이 상부 접지형인 경우 상기 히터 내부로 삽입되어 용접되는 상부 단자대;
    상기 히터 2개를 연결하는 금속막대; 및
    상기 상부 단자대와 금속막대를 결합시키는 연결나사를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 Y형 고온 가열기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 상부 단자대 및 연결나사는 상기 히터와 동일한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3상 Y형 고온 가열기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 히터는 인코넬(Inconel) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3상 Y형 고온 가열기.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 상부 커넥터는 상기 히터 다발이 하부 접지형인 경우 상기 히터 2개를 연결하는 상부 단자대; 및
    상기 상부 단자대와 히터를 결합시키는 연결나사를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 Y형 고온 가열기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 상부 단자대 및 연결나사는 상기 히터와 동일한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3상 Y형 고온 가열기.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 히터는 C/C 복합체(Carbon/Ceramic Fiber composite) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3상 Y형 고온 가열기.
  11. 제 5항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 상부 단자대는 다른 조의 상부 단자대와 BNP 절연체에 의해 전기적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 3상 Y형 고온 가열기.
  12. 제 4항에 있어서,
    상기 하부 커넥터는 상기 히터 다발이 상부 접지형인 경우 상기 히터 내부로 삽입되어 용접되는 하부 단자대;
    상기 히터 2개를 연결하는 금속막대; 및
    상기 하부 단자대와 금속막대를 결합시키는 연결나사를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 Y형 고온 가열기.
  13. 제 4항에 있어서,
    상기 하부 커넥터는 상기 히터 다발이 하부 접지형인 경우 상기 히터 2개를 연결하는 하부 단자대; 및
    상기 상부 단자대와 히터를 결합시키는 연결나사를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 Y형 고온 가열기.
  14. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 하부 단자대는 상기 히터의 재질이 금속 계열인 경우 니켈 재질로 이루 어지고, 상기 히터의 재질이 카본 계열인 경우 몰리브데늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3상 Y형 고온 가열기.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 하부 커넥터는 각 상의 외부연결부와 후렉시블로 연결되는 것을 특징으로 하는 3상 Y형 고온 가열기.
  16. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 하부 단자대는 다른 조의 하부 단자대와 BNP 절연체에 의해 전기적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 3상 Y형 고온 가열기.
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