KR101187439B1 - 멀티형 열전대 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보호관 내부에 다수의 열전대를 삽입하여 특정 환경의 여러 지점의 온도를 측정하는 데 이용되는 멀티형 열전대 어셈블리에 관한 것이다. 상세하게는, 보호관 (50) 및 상기 보호관 (50) 의 내부에 배치된 측온점이 다른 복수의 열전대 (30) 를 구비한 멀티형 열전대 어셈블리 (1) 로서, 상기 열전대 (30) 의 측온접점부 (87) 과 상기 보호관 (50) 사이에는 열전달판 (80) 이 구비되고, 상기 열전달판 (80) 은 브레이징 접합에 의해 상기 열전대 (30) 와 상기 보호관 (50) 과 접합되는 것을 특징으로 하는 멀티형 열전대 어셈블리 (1) 에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 열전달판을 사용하여 종래의 멀티형 열전대 어셈블리의 열전대와 보호관 사이의 공극에 의해 발생한 지연된 응답속도를 획기적으로 개선함으로써 빠른 응답속도를 갖는 효과를 발휘할 수 있다.

Description

멀티형 열전대 어셈블리 {MULTI-TYPE THERMOCOUPLE ASSEMBLY}

본 발명은 보호관 내부에 다수의 열전대를 삽입하여 특정 환경의 여러 지점의 온도를 측정하는 데 이용되는 멀티형 열전대 어셈블리에 관한 것이다.

온도를 측정하는 센서에는 여러 가지 종류가 있으나 그 정확도와 활용도 측면에서 상업적으로 널리 사용되는 것은 열전대 (TC : Thermocouple) 와 측온저항체 (RTD : Resistance Temperature Detector) 가 있다. 열전대는 상대적으로 그 응답속도가 빠르며 높은 대역의 온도를 측정하는데 사용되나, 정확도가 측온저항체에 비해 낮은 편이다. 한편, 측온저항체는 응답속도가 느리고 사용되는 소자의 특성상 열전대에 비해 낮은 대역의 온도를 측정하는데 사용되나, 정확도가 열전대에 비해 높은 편이다.

이러한 온도 측정용 센서는 온화한 환경조건에서는 보호관 없이 직접 사용될 수 있지만, 고온, 고압, 내식성, 유체의 유입, 마모가 발생할 수 있는 열악한 환경에서는 온도를 측정하는 센서를 보호하기 위해 보호관을 사용하여, 그 수명을 연장시킬 수 있다.

도 1 에는 종래의 멀티형 열전대 어셈블리가 도시되어 있다. 상기 도 1 에 도시된 바와 같이 종래의 멀티형 열전대 어셈블리는 보호관 (50) 및 다수의 열전대 (30) 로 구성되어 있다. 보호관 (50) 은 온도를 측정하는 센서인 상기 열전대 (30) 를 외부 환경에 기인한 유체의 유입, 산화, 부식, 혹은 마모 등으로부터 보호하는 역할을 한다. 이러한 보호관 (50) 내부에는 측온 지점에 상응하는 복수의 열전대 (30) 가 각 위치에 배치되어 있다.

그러나, 이러한 종래의 보호관을 사용하는 열전대 어셈블리에서는 온도를 측정하는 열전대와 측정하고자 하는 환경 사이가 보호관 (50) 으로 차단되어 있어, 열전대는 측정하고자 하는 환경에 직접적으로 노출되어 있지 않고, 간접적으로 노출되어 있어, 응답속도가 매우 느리다는 문제를 가지고 있었다. 종래에는 하나의 열전대를 사용하는 어셈블리에 있어서 이러한 문제점을 극복하기 위하여, 열전대와 보호관 사이의 간격 (gap) 을 줄이거나 온도를 측정하려는 부위를 보호관과 밀착시켜 응답속도를 높이고자 하였다.

그러나, 다수의 열전대를 사용하여 온도를 측정하는 멀티형 열전대 어셈블리에서는 상기와 같은 방법으로 응답속도를 높이려고 하더라도 각 열전대 (30) 의 측온 지점이 다르고 제조과정이 어렵기 때문에, 각 측온 지점에서의 열전대와 보호관의 간격이 하나의 열전대를 사용하는 어셈블리와 비교시 상대적으로 클 수 밖에 없고, 이로 인해 온도를 측정하는 응답속도가 느릴 수 밖에 없었다. 또한, 내부 공기와 같은 기체의 대류현상 또는 내부 표면의 열복사현상으로 인해 특정 위치에 배열된 측온 지점은 주변 온도에 영향을 받아 그 측온 정확도가 낮아지게 되었다.

일반적으로 모니터링을 위한 프로세스와 달리, 온도 데이터를 이용하여 즉시 프로세스를 제어하는 시스템에서는 응답속도와 측온 정확도가 매우 중요한 요소이다. 그러나, 종래의 멀티형 열전대 어셈블리는 응답속도 및 측온 정확도의 측면에서 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 종래의 멀티형 열전대 어셈블리의 상기와 같은 문제점들을 해결하는 것을 목적으로 하며, 구체적으로는 열전대의 센서와 보호관 사이의 공간에 의해 발생하는 열전달 문제를 해결하여, 온도 측정의 응답속도 및 각 측온점의 정확도를 개선시키는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서 본 발명은, 보호관 및 상기 보호관의 내부에 배치된 복수의 열전대를 구비한 멀티형 열전대 어셈블리로서, 상기 열전대의 측온점과 상기 보호관 사이에는 열전달판이 구비되고, 상기 열전달판은 브레이징 접합에 의해 상기 열전대와 상기 보호관에 접합되는 것을 특징으로 하는 멀티형 열전대 어셈블리를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 열전대의 측온점은 상기 열전대의 길이방향 전후에 배치된 두개의 차단판에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 멀티형 열전대 어셈블리를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 열전달판은 원형이며, 열전달 계수가 보호관의 열전달 계수 이상인 것을 특징으로 하는 멀티형 열전대 어셈블리를 제공한다.

구체적으로, 본 발명은 상술한 기술적 과제를 달성하기 위해, 보호관과 내부 열전대 사이의 빈 공간에 열전달판를 구비시킨다. 이러한 열전달판은 빈 공간에서 발생되는 열전달 메커니즘, 예를들어 공기나 기타 기체에 의한 전도 및 대류효과와 비교시 더 높은 열전달률을 가지기 때문에, 본 발명의 멀티형 열전대 어셈블리는 높은 응답속도를 가질 수 있다.

또한, 더욱 빠르고 원활한 열전달을 위하여 열전달판은 보호관과 열전대 사이에서 공극이 없는 높은 표면 접촉력이 필요하다. 이에 대해, 본 발명은 이상적인 접촉의 구현을 위해 브레이징(Brazing) 접합을 사용하여 열전달판의 재질을 폭 넓게 선택할 수 있고, 보호관과 열전대 사이의 상호 접촉력면에 공극을 제거하여 보호관과 열전대를 일체화함으로써 열전달을 최대화할 수 있다.

또한, 본 발명은 보호관 내부에 차단판을 설치하여 보호관 내부에서 발생하는 대류 현상 및 복사 현상에 의한 보호관 내부의 다른 지점으로부터 측온접점부 로의 열 전달 현상을 차단하여, 특정 위치에 배치된 각 열전대의 측온 접점부는 더욱 정확하게 각 특정 위치의 온도를 측정할 수 있다.

본 발명은 열전달판을 사용하여 종래의 멀티형 열전대 어셈블리의 열전대와 보호관 사이의 공극에 의해 발생한 지연된 응답속도를 획기적으로 개선하는 효과를 발휘한다. 종래의 멀티형 열전대 어셈블리에서는 외부 환경과 측온부위 사이의 공극을 채우고 있는 기체, 특히 공기가 열전달의 매질로 작용하였고, 이러한 공기의 열전달 계수는 약 0.0024 w/m℃ 임에 비해, 본 발명에서 외부 환경과 측온 부위사이에 열전달의 매질로서 열전달판이 구비되며, 이러한 열전달판의 재질이 열전달 계수가 401 w/m℃ 인 구리로 선택될 경우, 종래의 멀티형 열전대 어셈블리에 비해 열전도율에 있어서 10⁶ 배의 차이가 발생하게 된다.

또한, 용접과 같은 기존의 방법을 이용하여 열전달판을 접합시키는 경우 구조가 복잡해지고 접합부의 결함이 발생할 수 있는데 반해, 본원 발명에서는 열전대, 열전달판, 보호관을 브레이징 접합법으로 접합하기 때문에, 용접이 어려운 이종금속 및 합금간의 접합을 용이하게 할 수 있고, 결과적으로 열전대 재질, 열전달판 재질 및 보호관 재질에 있어서 측온 환경에 맞는 적합한 재질을 폭이 넓게 선택할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 본원 발명에서는 브레이징 접합법을 사용하기 때문에, 멀티형 열전대 어셈블리의 제작과정이 효율적이고 단순하게 이루어질 수 있는 효과를 발휘한다.

또한, 본 발명은 차단판을 사용하여 보호관 내부에서 발생하는 불필요한 열전달 현상 즉, 측온 지점 이외의 부위에서 발생하는 대류 및 복사에 의한 열전달에 기인한 측정오류를 감소시켜 측온 정확도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 보호관 내부에 열전달판 및 차단판을 구비함으로써, 보호관의 구조적 성능을 개선하는 효과를 발휘한다. 즉, 보호관 내부에 배치된 열전달판 및 차단판으로 인해 격자 구조가 형성되고, 따라서 보호관 외부에서 발생하는 압력, 힘에 대한 보호관의 기계적 특성이 개선된다.

도 1 은 종래의 멀티형 열전대 어셈블리의 단면도이다.
도 2 는 멀티형 열전대 어셈블리의 조립도이다.
도 3 은 본 발명의 멀티형 열전대 어셈블리의 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 멀티형 열전대 어셈블리의 내부 구성요소의 조립도이다.
도 5 는 본 발명의 멀티형 열전대 어셈블리의 측온부위의 단면도이다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.

도 2 는 멀티형 열전대 어셈블리의 일반적인 조립상태를 도시하고 있다. 센서부는 다수의 열전대(30) 및 보호관 (50) 으로 구성되어 있고, 이러한 센서부는 장치에 장착하기 위한 결합부인 커넥터 (40), 상호 연결을 위한 아답터 (20), 및 다수의 열전대 (30) 로부터의 신호를 전달하기 위한 보상 도선 (10) 으로 순차적으로 연결되어 있다.

도 3 및 도 5 는 본원 발명의 멀티형 열전대 어셈블리의 센서부를 도시하고 있다. 본원 발명에서 보호관 (50) 내부에 위치하는 열전대(30) 는 종래의 기술에서 구현하지 못했던 빠른 온도 응답을 이루기 위해 원형의 열전달판 (80) 에 연결되어 있다. 이 열전달판 (80) 은 보호관 (50) 과 결합하여 외부의 열이 열전대 (30) 의 측온 접점부 (87) 로 전달되는 매질 혹은 통로 역할을 하게 된다. 따라서, 본원 발명은 외부로부터 열이 보호관 (50) 의 내면과 열전대 (30) 사이의 공간에 존재하는 기체보다 열 전달률이 높은 고체 열전달판 (80), 바람직하게는 도체 열전달판 (80) 이 매질 혹은 통로의 역할을 하기 때문에, 보호관 (50) 내부의 열전대 (30) 는 외부로부터 빠르게 열을 전달받을 수 있고, 따라서 빠른 응답속도를 가질 수 있게 된다.

한편, 금속과 금속을 접합하는 방법은 모재를 녹이는 용접과 모재를 녹이지 않고 접합하는 브레이징 접합이 있는 데, 본 발명의 멀티형 열전대 어셈블리는 열전대 (30), 보호관 (50), 및 열전달판 (80) 을 브레이징 접합으로 서로 공극 없이 접합함으로써, 응답속도의 향상을 극대화시킬 수 있다. 또한, 이러한 브레이징 접합은 용접이 불가능하거나 어려운 이종 금속간의 결합을 용이하게 실시할 수 있기 때문에. 보호관 (50) 및 열전달판 (80) 의 재질을 금속, 비철금속 및 세라믹 계열 등의 다양한 금속에서 선택할 수 있다. 바람직하게는 열전달 계수가 높은 은 (415 w/m℃) 또는 구리(401 w/m℃) 와 같은 재질의 열전달판 (80) 을 열전대 (30) 와 보호관 (50) 에 접합할 수 있고, 열전달판 (80) 의 열전달 계수가 보호관 (50) 의 열전달 계수와 같거나 혹은 높을 수 있다.

도 4 는 이러한 브레이징 접합에 의해 접합된 열전대 다발을 도시한다. 도 4 에 도시된 바와 같이 특정 지점의 온도 측정을 위해 열전대 (30) 들이 각각 정해진 위치에 배치되고, 먼저 열전대 (30) 와 열전달판 (80) 이 일반 토치 브레이징 또는 유도 브레이징 방법에 의해 브레이징 접합되어 고정된다. 또한, 이렇게 완성된 열전대 다발은 도 5 에 도시된 바와 같이, 보호관 (50) 내부로 삽입되고, 다시 열전달판 (80) 과 보호관 (50) 이 브레이징 접합된다. 이 때는, 유도 브레이징을 사용하여 미리 삽입되어 있는 내부의 브레이징 금속을 녹여 접합하는 것이 바람직하다.

상기 브레이징 접합에 사용되는 금속은 사용환경과 온도 특성에 따라 선택된다. 일반적으로, 은 브레이징 합금(Silver brazing alloy), 구리 브레이징 합금(Copper brazing alloy), 니켈 브레이징 합금(Nickel brazing alloy) 및 특수 브레이징 합금 중에서 선택이 되는데, 브레이징 합금은 모재보다 녹는 점이 낮게 해야 하기 때문에 측온 하고자 하는 열전대의 사용온도를 고려하여 브레이징 합금을 선택하여야 한다. 이러한 브레이징 합금의 특성상 본 발명에서의 브레이징 접합은 두 가지 방법으로 실시될 수 있다. 첫째, 동일한 브레이징 합금을 열전대 (30) 와 열전달판 (80) 사이인 제1 브레이징부 (70) 및 열전달판 (80) 과 보호관 (30) 사이인 제2 브레이징부 (60) 에 사용하는 방법이다. 이러한 방법에서는, 제1 브레이징부 (70) 가 브레이징 접합되고 열전대 (30) 및 이에 접합된 열전달판 (80) 이 보호관 (50) 내로 삽입된 후, 제2 브레이징부 (60) 가 브레이징 접합될 때, 제1 브레이징부 (70) 의 브레이징 금속이 다시 용융될 수 있다. 이 때, 열전대 (30) 를 고정시킨다면, 제1 브레이징부 (70) 의 브레이징 합금이 재용융되더라도 제2 브레이징부 (60) 의 브레이징 작업이 완료될 때 다시 응고되어 1차 및 2차 브레이징부가 브레이징 접합될 수는 있다. 둘째, 제1 브레이징부 (70) 에는 상대적으로 높은 용융점을 갖는 브레이징 합금을 사용하고 제2 브레이징부 (60) 에는 상대적으로 낮은 용융점을 갖는 브레이징 합금을 사용하는 방법이다. 이 방법에서는 1차적으로 용융된 제1 브레이징부(70) 가 제2 브레이징부 (60) 의 브레이징 접합시 재용융되지 않기 때문에, 재용융으로 발생되는 문제를 방지할 수 있다.

또한, 도 3 및 도 5 에 도시된 바와 같이 측온 지점의 정확한 온도 측정을 위해 차단판 (65) 을 설치하여 보호관 (50) 내부에서 발생하는 열전달 교란 현상, 예를 들어 측온 지점 이외에서 발생하는 대류 현상에 의한 열전달 혹은 복사 현상에 의한 열전달에 의한 영향을 최소화시켜 온도 측정의 정확도를 높일 수 있다. 구체적으로, 보호관 (50) 내부의 빈 공간 내의 온도차이에 의한 기체, 일반적으로 공기의 대류 현상이 발생하게 되고, 이러한 공기는 온도가 높은 지점과 낮은 지점을 대류하면서 외부의 온도와는 별개로 온도를 측정하는 열전대 (30) 의 측온 접점부 (87) 에 영향을 주게 된다. 또한, 측온 분위기가 고온일 경우 보호관 (50) 내부의 표면 및 내부 구성물의 표면, 예를 들어 열전달판 (80) 의 표면의 온도가 상승하여, 복사열을 방출하게 된다. 이러한 열복사 현상 역시 측온 접점부 (87) 주위에 외부 온도와는 관계없는 열전달을 발생시켜 근접한 다른 열전대 (30) 의 측온 접점부 (87) 의 측온 정확도를 감소시킨다. 그러나, 본 발명의 멀티형 열전대 어셈블리는 특정위치의 측온 정확도를 높이기 위해, 차단판 (80) 을 설치함으로써 보호관 (50) 내부에서 발생하는 상기의 불필요한 열전달 효과 즉, 내부 대류 현상 및 복사 현상에 의한 열전달을 최소화시켜 측정 오류를 제거함으로써, 측온 정확도를 향상시킬 수 있다. 바람직하게는, 본원 발명에서는 열전대 (30) 의 측온접점부 (87) 를 상기 열전대 (30) 의 길이방향 전후에 배치된 열전도율이 낮은 두개의 차단판 (65) 에 의해 둘러싸이도록 하여, 이러한 대류열 및 복사열을 차단시켜, 측온 정확도의 감소를 방지할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 측온 접점부 (87) 에 위치한 열전달판 (80) 의 양단에 차단판 (65) 을 위치시켜, 차단판 (65) 이 측온 접점부 (87) 를 벗어나도록 설치된다. 이러한 차단판 (65) 은 열전대 (30) 에 용접 또는 압착과 같은 방법으로 고정될 수 있다.

도 5 는 열전대 (30) 의 측온 접전부 (87) 부위를 상세하게 도시한다. 도 5 에 도시된 바와 같이 열전대 (30) 의 내부 소선 (85) 의 접합부인 측온 접점부 (87) 는 열전대 (30) 의 단부에 위치하고 있다. 따라서, 열전달판 (80) 과 제1 브레이징부 (70) 는 측온 접점부 (87) 를 충분히 감싸도록 위치하여야 외부 온도 측정 대상 환경으로부터 열전달 효과를 극대화할 수 있다. 또한, 차단판 (80) 은 측온 접점부 (87) 가 위치한 열전달판 (80) 양단에 위치하여 양 방향에서 발생하는 대류 및 복사현상으로 인한 측정 오류를 제거하여 줄 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대해 전술한 내용은 설명 및 예시를 목적으로하는 것이다. 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하는 것은 아니다. 상기 기술의 관점에서 변형 또는 변경예가 가능하다.

Claims (3)

1. 보호관 (50) 및 상기 보호관 (50) 의 내부에 배치된 복수의 열전대 (30) 를 구비한 멀티형 열전대 어셈블리로서,
   측온접점부 (87) 가 있는 위치의 상기 열전대 (30) 외면과 상기 보호관 (50) 사이에는 열전달판 (80) 이 구비되고,
   상기 열전달판 (80) 은 브레이징 접합에 의해 상기 열전대 (30) 와 상기 보호관 (50) 에 접합되고,
   상기 열전대 (30) 의 측온접점부 (87) 는 상기 열전대 (30) 의 길이방향 전후에 배치된 두개의 차단판 (65) 에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 멀티형 열전대 어셈블리.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 열전달판 (80) 은 원형이며, 열전달 계수가 보호관의 열전달 계수 이상인 것을 특징으로 하는 멀티형 열전대 어셈블리.

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