KR101261902B1 - 외부에 다공성 무기물층이 형성된 고온 측정용 열전대 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온에서 사용 가능한 열전대에 관한 것으로서, 특히 직접적인 화염 또는 복사열에 노출되는 분위기에서 특정 지점의 온도를 측정하고자 할 때 측온 지점 이외의 부위가 고온에 노출되어 측정 오차가 발생하는 현상을 방지할 수 있는 열전대에 관한 것이다.
본 발명은 고온 분위기에서 온도를 측정하기 위한 시스형 열전대에 있어서, 열전대의 외부를 감싸는 외부 하우징과 상기 외부 하우징의 내부에 충전된 다공성 무기물층으로 이루어 진 것을 특징으로 하는 외부에 다공성 무기물층이 형성된 고온 측정용 열전대를 제공한다.
또한, 상기 다공성무기물층은 퍼라이트층일 수 있다.
본 발명에 의하면 고온에서 사용되는 열전대에서 흔히 발생되는 션트 에러를 방지하고, 장기간 고온에 노출되는 열전대를 효과적으로 보호하여 열전대 소선의 단선 현상 등을 효과적으로 억제하여 그 수명을 연장시킬 수 있다.

Description

외부에 다공성 무기물층이 형성된 고온 측정용 열전대{Thermocouple formed with the porous inorganic material outside layer for the high temperature condition}

본 발명은 고온에서 사용 가능한 열전대에 관한 것으로서, 특히 직접적인 화염 또는 복사열에 노출되는 분위기에서 특정 지점의 온도를 측정하고자 할 때 측온 지점 이외의 부위가 고온에 노출되어 측정 오차가 발생하는 현상을 방지할 수 있는 열전대에 관한 것이다.

종래, 정유공장 또는 화학공장의 증류공정, 가열공정 또는 반응로 공정에서와 같이 고온의 화염 또는 복사열을 동반하는 분위기에서 특정 지점의 온도를 측정하기 위해서는 특수한 열전대 조립체가 사용된다.

도 1은 종래의 열전대 조립체의 측정 설명도이다.

이러한 열전대 조립체는 기본적으로 온도를 측정하기 위해 측온점이 완성된 시스형 열전대(10)와 측온 지점(12)에 열전대(10)를 부착하는 패드(14)로 이루어진다.

측온 지점(12)은 배관이 될 수 있다.

패드(14)는 온도를 측정하고자 하는 측온 지점(12)에 용접 등의 방법으로 접합하여 측정 온도의 응답성 및 정확성을 높이는 역할을 한다.

그러나, 이러한 종래의 기술은 측온점이 포함된 패드(14) 이외의 열전대(10)의 다른 부위도 고온에 노출되어 이른바 션트 에러(Shunt Error)를 유발한다.

도 2는 션트 에러가 발생되는 메카니즘을 보여준다.

열전대는 2 개의 소선이 끝단에서 접점(T2)을 이루어서 그 지점의 온도를 측정하여 그 온도에 비례하는 낮은 전압대의 기전력(Electromotive Force)을 출력부에서 발생한다. 이 기전력을 정해진 온도 및 전압 환산표에 의하여 환산하여 측온점의 온도를 확인한다.

금속 시스형의 열전대는 2 개의 소선을 금속의 튜브 내부에 넣고 그 사이를 무기 절연체인 MgO, SiO₂ 또는 Al₂O₃ 등으로 충전하고 인발 또는 스웨이징으로 단면을 축소하는 공정을 수회 반복하여 제조한다. 외부 금속 시스와 내부 열전대 소선 사이에 형성된 절연체는 단면을 축소함에 따라 충전률이 점차 높아진다.

그러나, 열전대가 고온에 노출되면, 무기 절연체 내부의 수분 또는 불순물이 활성화되어 절연 저항이 급격히 나빠질 수 있고, 이로 인해 2 개의 소선 사이의 기전력 누설을 초래하여 측정값의 오차를 가져온다.

즉, 도 2의 T1에서 근접도선으로의 저항(RL)이 형성되면서 기전력 누설이 발생한다.

종래의 기술에서는 열전대의 설치 환경을 고려하지 아니하고, 측온 지점의 인터페이스만 고려하였다. 그러나, 시스 열전대는 그 구조상 측온부와 열전대 종단부 사이의 온도 구배에 의한 션트 에러가 발생하기 쉽다.

유사 출원으로서 공개특허공보 특2002-0052869호가 있다.

도 3에 공개특허공보 특2002-0052869호의 도 1을 나타내며 동일한 도면부호를 사용한다.

이는 기존의 시스형 열전대(4)에 추가적으로 내열 단열재(5)와 자켓 금속 보호관(7)을 포함하는 이중 시스 형태의 열전대이다. 해당 기술은 인발 또는 스웨이징을 통한 공정을 통해서 제작되는 엠아이 케이블(MI Cable : Mineral Insulated cable) 형태이며 이러한 형태의 이중 구조의 시스형 엠아이 케이블은 상용화 판매되고 있는 기술이다.

여기서 1은 온도검지부, 2는 측온접점, 3은 열전대 소선, 6은 내열단열재이다.

시스 열전대는 내부에 열전대 소선이 위치하고, 그 빈 공간을 무기질인 MgO, Al₂O₃ 및 SiO₂ 등으로 충전하여 절연한다. 즉, 고온의 분위기에 위치하면서 상대적으로 낮은 온도역인 측온 지점의 온도를 측정할 경우, 열전대의 측온 지점과 종단부 사이에 더 높은 온도역이 존재하는데, 이러한 온도역에서 열전대 내부의 무기질 절연체의 절연 저항이 급격하게 떨어져 열전대의 출력신호인 기전력이 누설되거나, 가상 접점(Virtual Junction)이 발생하여 실제로 측정되는 온도값과 다른 출력신호가 나타날 수 있다.

이는 열전대의 설치환경을 고려하지 않을 때 나타날 수 있다.

예를 들면, 정유 및 화학 공장의 반응로에서 관 내부의 유체의 온도를 측정하고자 할 때, 유체가 흐르는 관 표면에 패드를 이용하여 열전대를 고정하고 온도를 측정한다. 그러나, 측온 지점인 관은 내부에 유체 등이 유동하여 빠른 열손실이 발생하므로 반응로 주위 분위기 온도와는 달리 낮은 온도를 유지한다. 그리고 이 지점 이외의 다른 부위에서는 화염 또는 복사열의 고온 환경에 그대로 노출되기 때문에 측온 지점에 비해 상당히 높은 온도를 형성한다.

이러한 현상을 보완하기 위하여 시스 열전대의 외경을 크게 하여 시스의 두께 또는 내부 무기질 절연체 층의 두께를 크게 하는 방법, 보호관을 덧대는 방법 등이 활용되지만, 어느 것도 열전대 소선, 절연체, 시스 및 보호관 사이의 전도, 대류 및 복사의 열전달에 의한 온도 상승을 근본적으로 막을 수는 없고 오히려 제작 비용을 높일 뿐이다.

또한, 이러한 방법은 열전대의 강성을 높여서 자유로운 변형을 어렵게 하기도 한다.

열전대는 그 설치 환경에 따라서, 굴곡을 포함하여 여러 가지 형태로 변형할 수 있어야 유리한데 열전대 외경이 커지거나, 외부 보호관이 추가되면 자유로운 변형이 어려워진다.

이런 경우에 과도하게 변형을 시도할 경우 열전대 또는 보호관이 파손될 수 있고, 내부 단열층이 왜곡될 수 있다.

따라서, 종래의 기술에서는 열전대의 션트 에러를 발생하여 온도 측정의 오차가 발생할 뿐만 아니라, 불필요한 추가 비용을 초래하며, 열전대의 자유로운 변형을 제한하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 설치 여건상 측온 접점부보다 고온에 노출되는 열전대 부위를 고온의 화염 또는 복사열로부터 효과적으로 단열하여 온도 상승을 억제함으로써 열전대의 수명을 향상하고 션트 에러를 방지하며 열전대의 자유로운 변형이 가능하도록 하는 열전대를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 고온 분위기에서 온도를 측정하기 위한 시스형 열전대에 있어서, 열전대의 외부를 감싸는 외부 하우징과 상기 외부 하우징의 내부에 충전된 다공성 무기물층으로 이루어 진 것을 특징으로 하는 외부에 다공성 무기물층이 형성된 고온 측정용 열전대를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 다공성 무기물층은 퍼라이트층인 것을 특징으로 하는 외부에 다공성 무기물층이 형성된 고온 측정용 열전대를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 외부 하우징 내부에 위치하고, 개방된 공간을 구비한 관통 지지부를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 외부에 다공성 무기물층이 형성된 고온 측정용 열전대를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 외부 하우징은 변형이 용이하고 다수의 구멍이 있는 그물망 구조인 것을 특징으로 하는 외부에 다공성 무기물층이 형성된 고온 측정용 열전대를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 외부 하우징과 상기 열전대의 접촉부에 세라믹 차단판을 더욱 설치하는 것을 특징으로 하는 외부에 다공성 무기물층이 형성된 고온 측정용 열전대를 제공한다.

본 발명에 따르면 고온에서 사용되는 열전대에서 흔히 발생되는 션트에러(shunt error)를 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면 장기간 고온에 노출되는 열전대를 효과적으로 보호하여 열전대 소선의 단선현상 등을 효과적으로 억제하여 그 수명을 연장시킬 수 있다.

본 발명에 따르면 설치 환경에 적합하도록 열전대 형상의 변형이 용이하다.

도 1은 종래의 열전대의 설치도
도 2는 열전대 신호 측정 에러의 개념도
도 3은 종래의 열전대의 설명도
도 4는 본 발명의 열전대의 개략도
도 5는 본 발명의 관통 지지부의 단면도
도 6은 본 발명의 열전대의 일실시예의 외형도
도 7은 본 발명의 열전대의 타실시예의 단면도

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

도 4는 본 발명의 열전대의 개략도이다.

열전대 (20)의 주위를 감싸도록 외부 하우징(30)이 설치되고, 외부 하우징(30)의 내부에 다공성 무기물층(40)이 형성된다.

이 다공성 무기물은 퍼라이트가 바람직하다.

퍼라이트(perlite)는 진주암 및 송지암 등의 광물을 가공하여 제조하는데, 주 성분은 SiO₂ 가 약 72~78 %, Al₂O₃가 10~15% 이고, 이외 Na₂O, Fe₂O₃, CaO, MgO 등이 포함되어 있다.

이러한 성분은 본 발명에 의해 한정되는 것은 아니며 광물에 특성에 차이를 보일 수 있다.

퍼라이트는 약 870℃ 이상의 온도로 가열하면 초기 부피의 10~20 배로 팽창하고, 내부의 수분 등의 휘발성 성분이 팽창 및 기화되면서 수많은 미세 기공이 형성되어 이로 인해 부피에 비해 매우 가벼운 특성을 가진다.

또한, 생성된 수많은 기공으로 인해 매우 뛰어난 단열효과를 가진다.

이는 내부에 기공이 존재하며 팽창된 퍼라이트 분말이 입자간 점 접촉으로 연결되어 있어 열전도율이 매우 낮기 때문이다. 일반적으로 팽창된 퍼라이트는 약 0.03~0.05 kcal/mh℃ 정도의 열전도율을 가지고 있다.

또한 그 입자는 백색을 띄어 주위 물체에 의한 또는 자체적인 복사에 의한 열전달을 차단하는 효과도 가지고 있으며 무기질 재료로 독성이 없고 고온에서도 산화되지 않는 불연성 특징을 가진다.

이러한 퍼라이트의 특성을 이용하여 본 발명에서는 고온에서도 정확한 온도 측정과 수명이 연장이 가능한 개선된 열전대의 구현이 가능하다.

열전대(20)는 보호관(21) 내의 2 개의 소선(22)과 소선(22)이 이루는 접점(24) 그리고 보호관(21) 내 충전된 절연체(26)로 이루어진다.

다공성 무기물층(40)은 단열 기능을 수행하고, 외부 하우징(30)은 다공성 무기물층(40)을 구속하여 형상을 유지하는 기능을 한다.

다공성 무기물층(40)은 초기 외부 하우징(30)의 내부에 장입된 다공성 무기물 입자가 팽창되면서 외부 하우징(30) 내에서 자유롭게 이동하면서 공간을 채워서 형성된 층이다.

다공성 무기물 입자가 팽창할 때 외부 하우징(30)의 변형이 일어날 수 있으므로 이를 보완하기 위해 관통지지부(35)가 설치될 수 있다.

외부 하우징(30)은 가열로 내부의 고온의 화염의 분위기에서도 쉽게 망실되지 아니하고, 다공성 무기물층(40)의 형상을 유지할 수 있는 소재가 적합하다.

외부 하우징(30)의 소재는 오스테나이트계 스테인레스강 또는 니켈계 합금 등이 바람직하나, 이 소재에 한정되는 것은 아니다.

외부 하우징(30)의 두께는 얇은 것이 바람직하며, 다수의 구멍을 구비하는 그물망 구조로 제조될 수도 있다.

상기 외부 하우징(30)의 구멍의 크기는 팽창전 다공성 무기물의 분말의 크기보다 작아야 하며, 장입된 분말이 유실되지 않는다.

퍼라이트 분말의 경우 장입전 1~5mm로 제조되므로 상기 외부 하우징(30)의 구멍은 1~5mm 보다 작아야 한다.

다공성 무기물층(40)의 형성 방법은 다음과 같이 할 수 있다.

다공성 무기물 중에서 퍼라이트의 경우는 다음과 같다.

퍼라이트를 1~5mm 크기의 분말 상태로 하여 외부 하우징(30) 내에 장입하고, 약 870℃ 이상의 온도로 가열하면 초기 부피의 10~20 배로 팽창하여 외부 하우징(30) 내부의 공간을 충전하게 된다.

퍼라이트 분말이 투입 가능하고 열전대(20)가 설치 가능하도록 외부 하우징(30)은 양단에 삽입 및 인출구가 있다. 하지만, 이는 외부 하우징(30) 내부로 퍼라이트 분말을 투입하기 위한 한 예일뿐 이 구성에 한정되는 것은 아니다.

이러한 과정은 열전대의 초기 제작 단계에서 실시될 수 있으며, 또는 이러한 초기 팽창 과정 없이 실제 사용되는 장소에서 그 사용 온도가 다공성 무기물층을 생성할 수 있는 온도라면 자연적으로 일어날 수도 있다.

도 5는 본 발명의 관통 지지부(35)의 단면도이다.

관통 지지부(35)는 다공성 무기물 분말이 충전되고 팽창될 때 하우징 내부로 자유롭게 이동하면서 균일하게 분포하도록 이동 공간을 확보해 주며 구조적으로 지지력이 약한 외부 하우징(30)을 지지하여 그 형상을 일정하게 유지시켜 준다.

관통 지지부(35)는 초기 다공성 무기물 분말 및 가열 팽창 시에 외부 하우징(30) 내부에 균일하게 분포하도록 개방된 공간이 있다.

개방된 공간으로 중앙관통부(36) 및 주위관통부(37)가 있으며 외부 하우징(30)의 형상을 지지 및 유지시켜 준다.

도 6은 본 발명의 열전대의 일실시예의 외형도를 보여준다.

외부 하우징(31)은 다수의 구멍이 있으며 유연성(flexibility)이 우수하도록 얇은 두께의 그물망 형태로 제작될 수 있기 때문에 그 형상의 변형이 매우 용이하다.

실제 열전대가 설치되는 환경은 매우 다양하고 때로는 복잡한 굴곡 형상을 필요로 한다. 외부 하우징(31)을 용이하게 변형 가능함으로써 전체적인 열전대 어셈블리의 형상이 다양하게 제작될 수 있다. 또한, 내부의 지지 관통부가 변형된 외부 하우징(31)을 효과적으로 지지하여 변형된 열전대의 길이방향 및 원주방향에 맞도록 균일한 퍼라이트 두께 즉, 절연체 공간을 유지하여 준다.

도 7은 본 발명의 열전대의 타실시예의 단면도를 보여준다.

외부 하우징(32)은 내부의 퍼라이트를 구속하기 위해 필연적으로 열전대(20) 표면과 접촉할 수 밖에 없다. 따라서, 가열된 외부 하우징(32)에 의해 열전대(20) 표면으로의 열전달이 발생할 수 있다.

외부 하우징(32)은 다수의 구멍과 매우 얇은 두께로 이루어져 있고, 그 열전달 효과가 미미하다. 따라서, 외부 하우징(32)이 측온 접점(24)보다 더 높은 온도 환경에 노출된다 하더라도 열전달로 인해 내부 열전대가 가열되지는 않을 것이다.

하지만, 이러한 효과를 최소화하고자 한다면 본 발명에 또 다른 실시예로 열전대(40)와 외부 하우징(32)의 선단 접촉부에 열전달율이 매우 낮은 세라믹 차단판(38)을 설치할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술 분야의 종사자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있을 것이다.

그러므로, 지금까지 전술한 예는 모든 면에서 예시적인 것으로서, 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니며, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 정해진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 균등한 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

20 : 열전대 30, 31, 32 : 외부 하우징
40 : 페라이트층 35 : 관통 지지부
38 : 세라믹 차단판

Claims (5)

1. 고온 분위기에서 온도를 측정하기 위한 시스형 열전대에 있어서,
   열전대의 외부를 감싸는 외부 하우징과
   상기 외부 하우징의 내부에 충전된 다공성 무기물층으로 이루어지며,
   상기 다공성 무기물층은 퍼라이트층인 것을 특징으로 하는 외부에 다공성 무기물층이 형성된 고온 측정용 열전대.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 외부 하우징 내부에 위치하고,
   개방된 공간을 구비한 관통 지지부를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 외부에 다공성 무기물층이 형성된 고온 측정용 열전대.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 외부 하우징은 변형이 용이하고 다수의 구멍이 있는 그물망 구조인 것을 특징으로 하는 외부에 다공성 무기물층이 형성된 고온 측정용 열전대.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 외부 하우징과 상기 열전대의 접촉부에 세라믹 차단판을 더욱 설치하는 것을 특징으로 하는 외부에 다공성 무기물층이 형성된 고온 측정용 열전대.

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