KR101314038B1 - 유체가열장치 및 그 장치를 사용한 열매체통류 롤러장치 - Google Patents

Abstract

발열체의 발열온도와 그 발열체로 가열되는 유체의 온도와의 차이를 작게 하고, 소정의 열량을 유체에 효율좋게 전달할 수 있도록 하는 것이다.

열매체통류 롤러장치 등의 유체순환로에 배치하고, 상기 유체순환로로 흐르는 유체를 가열하는 유체가열장치로서, 폐자로철심(1)에 감은 1차코일(2)과 2차코일(3)로 이루어진 변압기구성에서의 2차코일(3)을 순환하는 유체를 통류하는 관통공이 형성된 SUS 등으로 이루어진 도전체를 감아서 구성하고, 그 2차코일(3)의 양단끼리를 전기적으로 단락(短絡)하여 그 단락에 의해 발열하는 2차코일(3)의 열을 2차코일의 관통공을 흐르는 유체에 전달한다. 이에 따라 유체와 접촉하는 발열면적을 크게 할 수 있고, 2차코일의 발열온도와 그 2차코일로 가열되는 유체의 온도와의 차이를 작게 하여도 소정의 발열을 유체에 전달할 수 있다.

열매체통류 롤러장치, 유체순환로, 유체가열장치, 폐자로철심

Description

유체가열장치 및 그 장치를 사용한 열매체통류 롤러장치{FLUID HEATING DEVICE AND HEATING MEDIUM PASSING ROLLER DEVICE USING THE SAME}

도 1은, 본 발명의 실시예에 관한 유체가열장치의 구성을 도시한 구성도이고, 도 1(A)는 상면도, 도 1(B)는 측면도이다.

도 2는, 도 1에 도시한 유체가열장치의 코일의 단면도이다.

도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 관한 유체가열장치의 구성을 도시한 구성도이고, 도 3(A)는 상면도, 도 3(B)는 측면도이다.

도 4는, 도 3에 도시한 유체가열장치의 코일의 단면도이다.

도 5는, 본 발명의 실시예에 관한 열매체 통류롤러장치 전체의 구성을 도시한 구성도이다.

※ 부호의 설명※

1…폐자로철심 2…1차코일

3, 3-1, 3-2…관형상의 2차코일 3a, 3b…플랜지

4…헤더튜브(Header tube) 4a…플랜지

11…롤 쉘(Roll shell) 11a…밀폐실

12…회전구동축 13…코어

14…로터리 조인트 15…저장탱크

16…열매체 17…펌프

18…전력제어회로

본 발명은 유체가열장치 및 그 장치를 사용한 열매체통류 롤러장치에 관한 것이다.

수지필름 등의 처리물을 롤러에 올려놓고, 롤러에 접촉하여 통과하는 동안에 처리물을 소정의 온도로 가열하거나 고온의 처리물을 소정의 온도에까지 탈열(奪熱)처리하는 일이 행해지고 있다. 가열처리하는 경우, 롤러는 가열처리에 필요한 온도를 높일 수 있으며, 탈열처리 하는 경우, 처리물로부터의 탈열작용에 의해 롤러자체의 온도가 상승하므로 처리물의 냉각에 적당한 온도까지 롤러를 냉각한다. 어느 경우라도 롤러에 이송하는 열매체를 필요로 하고, 그 열매체로서의 유체, 예컨데 오일이 사용되고 있는 경우가 있다.

그리고, 이 경우의 롤러장치로서 롤러본체를 구성하는 롤 쉘(Roll shell)의 표면 가까이의 벽내에 축심방향과 같은 방향에 밀폐실을 형성하고, 그 밀폐실에 기체·액체 2상(二相)의 열매체를 밀폐하는 동시에, 유체로 이루어진 열매체가 가열장치를 통하여 순환하는 순환로에 롤 쉘을 배치하고, 그 롤 쉘내에 가열된 열매체를 통류하여 롤 쉘을 소정의 온도로 유지하도록 한 열매체통류 롤러장치가 개발되어 있다. 이 롤러장치에서는, 밀폐실의 기체·액체 2상(二相)의 열매체에 의한 잠열(潛熱)이동이 서로 작용하여 롤 쉘내를 통류하는 열매체의 유량, 즉 순환로에 흐르는 유량을 저감할 수 있으며, 배관의 직경이나 펌프의 용량이 저감되는 에너지 절감을 할 수 있다.

[특허문헌 1] 특개 2004-195888호 공보

[특허문헌 2] 특개 2004-116538호 공보

그러나, 순환하는 열매체를 가열하는 가열원은 발열면적이 작은 저항발열선이 사용되고 있기 때문에, 많은 열을 유체로 전달하기 위해서는 저항발열선의 온도를 높게 설정하는, 즉 저항발열선의 발열온도와 이 저항발열선으로 가열되는 유체의 온도와의 차이를 크게 할 필요가 있다. 그러나, 유체의 내열온도 이상으로 저항발열선의 온도를 올릴 수 없고, 소정의 열량을 유체에 전달할 수 없는 경우가 있다는 문제점이 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 발열체의 발열온도와 그 발열체로 가열되는 유체의 온도와의 차이를 작게 하고, 유체의 내열온도 이하에서 소정의 열량을 유체로 전달할 수 있도록 하여 이러한 문제를 해소하고자 하는 점에 있다.

상기 목적을 실현하기 위해 본 발명은 유체순환로에 배치하고, 상기 유체순환로로 흐르는 유체를 가열하는 유체가열장치로서, 상기 유체가열장치는 폐자로철심과 상기 철심에 감겨진 1차코일과 순환하는 유체를 통류하는 관통공이 형성된 도전체를 감은 2차코일을 가지며, 상기 2차코일의 양단끼리를 전기적으로 단락(短絡)하여 구성되고, 단락한 2차코일에 흐르는 전류에 의해 발생하는 열을 상기 관통공을 흐르는 유체에 전달하여 이루어지는 것을 가장 주요한 특징으로 한다.

발열체의 발열온도와 그 발열체에서 가열되는 유체의 온도와의 차이를 작게 하고, 유체의 내열온도에 관계없이 소정의 열량을 유체로 전달할 수 있도록 하는 목적을, 폐자로철심과 그 철심에 감겨진 1차코일과 양단 끼리를 전기적으로 단락한 2차코일로 이루어진 변압기구성으로 2차코일을 구성하는 도전체를 관체로 하며, 그 관체의 중공내부에 유체를 흐르게 하고, 단락한 2차코일이 발생하는 열을 관체를 흐르는 유체에 전달함으로써 실현하였다.

( 실시예 1)

도 1은, 본 발명의 실시예에 관한 유체가열장치의 구성을 도시하는 구성도이고, 도 1(A)는 상면도, 도 2(B)는 측면도, 도 2는 코일단면도이다. 도 1 및 도 2에서, 1은 철심, 2는 1차코일, 3은 2차코일, 4는 순환하는 유체를 통류하는 헤더튜브(Header tube)이다. 철심(1)은 요크철심(Yoke iron core)의 양단에 철심다리(Iron core legs)를 구비한 폐자로를 이루고, 1차코일(2)은 철심(1)의 양단의 철심다리의 각각에 감겨 있다. 2차코일(3)은 관통공이 형성된 관형상의 SUS(스텐레 스스틸)등의 도전체로 이루어지고, 각 1차코일(2)의 외주에 따라 각각 감기며, 본 실시예에서는 도 2에 도시한 바와 같이, 각 2차코일(3)은 2개의 코일(3-1),(3-2)이 병렬로 감기고, 각 2차코일(3)의 양측 단부는 도시하지 않은 단락용의 도체에 의해 전기적으로 단락되어 있다.

이와 같이 구성한 유체가열장치는 유체순환로에 배치할 때 각 2차코일(3)의 단부에 설치한 플랜지(3a),(3b)와 헤더튜브(4)의 플랜지(4a)와 합쳐서 연결한다. 이 연결에 의해 순환하는 유체는 각 2차코일(3)의 관통공을 경유하여 순환한다. 본실시예에서는 각 1차코일(2)은 병렬로 접속되어 있고, 각 1차코일(2)에 단상(U-V)의 교류전압을 인가하면 단락용의 도체를 거쳐서 2차코일(3)에 단락전류가 흐르며, 그 전류로 2차코일(3)은 저항발열하고, 이 열은 관통공을 통과하는 유체에 전달되며, 그 유체는 관통공을 통과하는 동안 가열된다.

또한, 도 1에 도시한 실시예는 폐자로철심(1)에 2개의 1차코일(2)를 감고, 각 1차코일(2)의 각각에 양단을 단락한 2개의 2차코일(3), 즉 2개의 병렬유로를 배치하고 있지만 1차코일(2)의 수나 2차코일(3)의 수는 임의적이다. 또 1차코일의 일부를 단락하여 2차코일로 한다. 즉, 단일의 코일로 하여도 된다.

( 실시예 2)

도 3은 본발명의 다른 실시예에 관한 유체가열장치의 구성을 도시한 구성도이고, 도 3(A)는 상면도, 도 3(B)는 측면도, 도 4는 코일단면도이다. 이 실시예는 3상(三相)의 교류전압을 사용하는 경우의 유체가열장치이고, 도 1에 도시하는 실시예와 대응하는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 철심(1)은 요크철심의 양단 과 중앙부에 철심다리를 구비한 폐자로를 이루고, 각 철심다리의 각각에 1차코일(2)이 감겨 있다. 2차코일(3)은 관통공이 형성된 관형상의 SUS(스텐레스 스틸)등의 도전체로 이루어지고, 각 1차코일(2)의 외주에 따라 각각 감기며, 본실시예에서는 도 3에 도시한 바와 같이 각 2차코일(3)은 한개의 코일로 되며, 각 2차코일(3)의 양측 단부는 도시하지 않은 단락용의 도체에 의해 전기적으로 단락되어 있다.

이와 같이 구성한 유체가열장치는 유체순환로에 배치할 때 각 2차코일(3)의 단부에 설치한 플랜지(3a),(3b)와 헤더튜브(4)의 플랜지(4a)와 합쳐서 연결한다. 이 연결에 의해 순환하는 유체는 각 2차코일(3)의 관통공을 경유하여 순환한다. 이 실시예에서는 각 1차코일(2)은 △결선되어 있고, 각 1차코일(2)의 각각에 3상(三相)(U-V, V-W, W-U)의 교류전압을 인가하면 단락용의 도체를 거쳐서 2차코일(3)에 단락전류가 흐르고, 그 전류로 2차코일(3)은 저항발열하며, 이 열은 관통공을 통과하는 유체에 전달되고, 그 유체는 관통공을 통과하는 동안 가열된다.

또한, 도 3에 도시한 실시예는 폐자로철심(1)에 3개의 1차코일을 감아서 각 1차코일을 △결선하고 있지만, 각 1차코일을 Y결선으로 하고, 각 1차코일의 일부를 단락하여 2차코일로 하는 소위, 단권(單券)식으로 하여도 된다. 또, 1차코일을 2개로 하고, 1개의 1차코일의 일단을 다른 1개의 1차코일 중간에 접속하고, 타단 및 다른 1개의 1차코일의 양단을 각각에 3상의 교류전원의 각 상(相)(U, V, W)에 접속하도록 하여도 된다. 이 경우 2개의 폐자로철심에 각 1차코일과 2차코일을 감도록 구성할 수 있다.

이상, 실시예 1 및 실시예 2 중 어느 한 예에서도, 폐자로철심에 감은 1차코일과 2차코일로 이루어진 변압기구성에서의 2차코일을 순환하는 유체를 통류하는 관통공이 형성된 도전체를 감아서 구성하고, 그 2차코일의 양단끼리를 전기적으로 단락하여, 그 단락에 의해 발열하는 2차코일의 열을 2차코일의 관통공을 흐르는 유체에 전달하므로 유체와 접촉하는 발열면적을 크게할 수 있으며, 2차코일의 발열온도와 그 2차코일로 가열되는 유체온도와의 차이를 작게 하여도, 소정의 열량을 유체에 전달할 수 있다. 또 폐자로철심을 구비한 변압기구성이므로 누설자속(漏泄磁束)이 적어도 역률은 70~100%로 높아지고 적은 전원으로 효율성 좋게 유체를 가열할 수 있다.

( 실시예 3)

도 5는, 이상과 같이 구성한 유체가열장치를 열매체통류 롤러장치에 사용한 예를 도시한 것이고, 도 5에서 부호 2는 도시하지 않은 폐자로철심에 감겨진 1차코일, 부호 3은 관형상의 2차코일, 부호 11은 롤러본체를 구성하는 롤 쉘(Roll shell), 부호 12는 도시하지 않은 모터에 의해 회전하여 롤 쉘을 회전하는 회전구동축, 부호 13은 코어, 부호 14는 로터리 조인트, 부호 15는 저장탱크, 부호 16은 오일(열매체), 부호 17은 펌프, 부호 18은 사이리스터(Thyristor) 등으로 이루어진 전력제어회로이다.

롤 쉘(11)은 원통형상을 이루고, 이 예에서는 그 벽 내부에 롤 쉘(11)의 축방향과 같은 방향으로 뻗은 밀폐실(11a)과 온도센서 삽입공(11b)이 형성되고, 밀폐실(11a) 내에는 잠열이동에 의해 롤 쉘(1)의 표면의 온도를 균일화하는 물 등의 기 체·액체 2상(二相)의 열매체가 밀폐되며, 온도센서 삽입공(11b)에는 롤 쉘(11)의 표면온도를 검출하는 온도센서(19)가 배치되어 있다. 그리고, 롤 쉘(11)의 중공내부에 코어(13)가 배치되고, 코어(13)의 중앙부를 관통하여 열매체의 통유로(13a)가 형성되어 있다. 열매체의 통유로(Flow path)(13a)는 회전구동축(12) 내를 거쳐서 로터리 조인트(14)의 유입구에 연결되고, 롤러 쉘(11)의 내주벽과 코어(13)의 외주벽과의 사이에서 형성된 열매체의 통유로(11c)는 회전구동축(2) 내를 거쳐서 로터리 조인트(14)의 출구에 연결되어 있다. 또한 열매체는 롤 쉘(1)의 한쪽의 단부로부터 다른쪽의 단부로 통류하는 경우도 있다.

저장탱크(15)의 오일(열매체)(16)은 관형상의 2차코일(3)을 통과하고, 소정의 온도에 가열되며, 그 오일(16)이 펌프(17)에 의해 롤 쉘(11)내로 보내져서 열매체(16)의 통유로(13a) 및 (11c)를 통류하고, 저장탱크(15)로 배출된다. 21은 관형상의 2차코일(3)로부터 롤 쉘(11)로 공급하는 열매체(16)의 온도를 검출하는 온도센서이고, 이 온도센서(21)의 검출온도와 회전체의 롤에서 고정체의 외부로 꺼내는, 예컨데 로터리 변성기(20)를 통하여 꺼낸 온도센서(19)의 검출온도를 적정목표치(S1)와 (S2)를 비교하고, 그 편차에 따른 제어신호를 전력제어회로(18)에 송신하여 1차코일(2)에 흐르는 전류를 제어하며, 2차코일(3)내를 통류하는 열매체(16)의 온도를 제어한다.

이와 같이 구성한 열매체통류 롤러장치에서는 순환하는 열매체(16)는 관형상의 2차코일(3) 내를 통류하는 동안에 그 내벽 전면에서 가열되므로 열매체(16)로의 전열면적이 커지며, 롤러내부로 보내는 열매체(16)의 온도제어가 쉬워지고 고효율 적인 가열이 가능해진다. 또 관형상의 2차코일(3)내의 열매체(16)의 유속을 상승시킬 수 있으며, 열매체가 오버 히트하기 어려운 구조로 할 수 있다.

또한, 이상의 열매체통류 롤러장치에서는 롤 쉘의 벽 내부에 기체·액체 2상(二相)의 열매체를 밀폐하는 밀폐실을 갖지만, 이러한 밀폐실을 구비하고 있지 않은 열매체통류 롤러장치에서도 같은 효과를 나타낼 수 있다.

본 발명에서는 폐자로철심에 감은 1차코일과 2차코일로 이루어지는 변압기구성에서의 2차코일을 순환하는 유체를 통류하는 관통공이 형성된 도전체를 감아서 구성하고, 그 2차코일의 양단 끼리를 전기적으로 단락하여 그 단락에 의해 발열하는 2차코일의 열을 2차코일의 관통공을 흐르는 유체에 전달하므로 유체와 접촉하는 발열면적을 크게 할 수 있으며, 2차코일의 발열온도와 그 2차코일에서 가열되는 유체의 온도와의 차이를 작게 하여도 소정의 열량을 유체로 전달할 수 있다. 또 폐자로철심을 구비한 변압기구성이므로, 역률은 70~100%로 높아지고 적은 전원으로 효율성 있게 유체를 가열할 수 있으며, 특히 소경(小經)의 배관내를 통류하는 가열된 열매체에 의해 가열하는 롤러장치에서의 열매체의 가열원으로서 최적이다.

Claims (5)

1. 유체순환로에 배치하고, 상기 유체순환로로 흐르는 유체를 가열하는 유체가열장치로서,

   상기 유체가열장치는 폐자로철심과 상기 철심에 감긴 1차코일과, 순환하는 유체를 통류하는 관통공이 형성된 도전체를 1차코일의 외주에 따라 감은 2차코일을 가지며,

   상기 2차코일의 양단끼리를 전기적으로 단락하여 구성되고, 1차코일에 교류전류를 인가함으로써 단락용의 도체로 단락한 2차코일로 흐르는 단락 전류에 의해 발생하는 열을 상기 관통공을 흐르는 유체에 전달하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체가열장치.
2. 순환하는 유체로에 가열장치를 배치하고, 상기 가열장치에서 가열된 유체를 롤러내부에 통류하여 상기 롤러를 가열하고, 상기 롤러의 표면에 접촉하는 처리물을 열처리하여 이루어지는 열매체통류 롤러장치에 있어서, 상기 가열장치를 제 1항에 기재된 유체가열장치로 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 제 1항에 기재된 유체가열장치를 사용하는 열매체통류 롤러장치.
3. 제 2항에 있어서,

   롤러의 벽내에 상기 롤러의 축방향과 같은 방향으로 뻗는 밀폐실을 형성하고, 상기 밀폐실에 기체·액체 2상(二相)의 열매체를 밀폐하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열매체통류 롤러장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 2차코일은, 병렬로 감은 2개의 코일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체가열장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 철심은, 양단과 중앙부에 각각 마련된 3개의 철심다리를 구비하고,

   각 철심다리의 각각에 1차코일이 감기고,

   각 1차코일의 각각의 외주에 따라 2차코일이 감기고,

   상기 1차코일은 Δ결선 또는 Y결선에 의해 서로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 유체가열장치.

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