KR101444781B1 - 고주파 유도 가열 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서 제시한 고주파 유도 가열 모듈은 내부에 피 가열체를 수용하도록 형성되는 챔버, 상기 챔버의 외부에서 고주파 전류를 공급받아 상기 챔버 내부의 피 가열체를 가열하도록 상기 챔버의 외벽을 관통하는 관통부를 구비하는 유도코일, 및 상기 유도코일과 상기 챔버의 외벽 사이에 전기적 절연을 유지하도록 상기 관통부를 감싸고 상기 챔버의 외벽을 통해 외부로 열을 방출시켜 비수냉 방식으로 상기 유도코일을 냉각하도록 상기 유도코일에서 발생한 열을 상기 챔버의 외벽으로 전달하는 열전도성 절연튜브를 포함한다. 고주파 유도 가열 모듈은 유도코일을 비수냉 방식으로 냉각함에 따라 고주파 유도 가열로의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

고주파 유도 가열 모듈{HIGH FREQUENCY INDUCTION HEATING MODULE}
본 발명은 비수냉 방식으로 유도코일을 냉각할 수 있는 고주파 유도 가열 모듈에 관한 것이다.
고주파 유도 가열이란 피 가열체를 유도코일 내에 배치하고 고주파 전류를 유도코일에 흘려주면 와전류가 발생하여 이 손실의 열로 가열하는 방법이다.
고주파 유도 가열을 위한 고주파 유도 가열로는 일반적으로 전기전도도가 높은 구리(Cu)를 이용하여 유도코일을 구성하고, 유도코일은 지나치게 높은 온도까지 상승하는 것을 방지하도록 내부에 물을 통과시켜 유도코일을 냉각한다.
그러나 용융 중 산화를 일으킬 수 있는 합금들을 피 가열체로 사용하여 고온에서 용융시키는 경우, 유도코일의 냉각이 제대로 이루어지지 않으면 유도코일의 산화 또는 열화가 발생할 수 있다. 유도코일이 산화 또는 열화되면 유도코일의 내부를 흐르는 물이 누수되어 용융물과 반응하는 사고가 발생할 우려가 있다.
뿐만 아니라 우라늄과 같이 고가의 재료들은 물과 반응하여 산화되면 더 이상 우라늄 합금 핵연료의 제조에는 사용할 수 없게 되므로 경제적으로도 손실이 크다. 또한 많은 양의 우라늄을 용융하는 경우 물이 감속재가 되어 자발적 임계가 일어날 수도 있다.
따라서 안전성 및 경제성을 고려하여 비수냉 방식으로 유도코일을 냉각할 수 있는 고주파 유도 가열 모듈에 대해 생각할 수 있다.
기타 발명의 배경이 되는 기술은 하기의 선행 특허문헌들을 참조한다.
특허문헌1. 등록특허공보 제10-0948587호 (2010.03.18.)
특허문헌2. 일본 공표특허공보 특표2010-500737호 (2010.01.07.)
본 발명의 일 목적은 고주파 유도 가열로의 안전성과 경제성을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 유도코일을 효과적으로 냉각시켜 온도 상승에 의한 유도코일의 열화를 방지할 수 있는 고주파 유도 가열 모듈을 제안하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 고주파 유도 가열 모듈은, 내부에 피 가열체를 수용하도록 형성되는 챔버, 상기 챔버의 외부에서 고주파 전류를 공급받아 상기 챔버 내부의 피 가열체를 가열하도록 상기 챔버의 외벽을 관통하는 관통부를 구비하는 유도코일, 및 상기 유도코일과 상기 챔버의 외벽 사이에 전기적 절연을 유지하도록 상기 관통부를 감싸고 상기 챔버의 외벽을 통해 외부로 열을 방출시켜 비수냉 방식으로 상기 유도코일을 냉각하도록 상기 유도코일에서 발생한 열을 상기 챔버의 외벽으로 전달하는 열전도성 절연튜브를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 열전도성 절연튜브는 공유결합 세라믹 재료로 형성된다.
상기 공유결합 세라믹 재료는 질화알루미늄(AlN)일 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 고주파 유도 가열 모듈은 상기 챔버의 기밀성을 유지하도록 상기 챔버의 외벽과 상기 열전도성 절연튜브 사이에 배치되어 상기 열전도성 절연튜브를 감싸는 금속튜브를 더 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 유도코일은 상기 챔버의 외부에서 상기 고주파 전류를 발생시키는 발진기와 전기적으로 연결되고, 내부에 상기 발진기에서 상기 챔버의 외벽까지 연장되는 냉각수 유로를 구비한다.
상기 챔버의 외부에서 서로 이격되게 배치되는 상기 유도코일의 적어도 두 부분을 연결하고, 상기 두 부분 사이에 냉각수를 순환시키도록 내부에 상기 냉각수 유로와 통하는 연결 유로를 구비하는 연결부를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 챔버는 상기 열전도성 절연튜브를 통해 전달되는 열에 의해 상기 챔버의 외벽 온도가 상승하는 것을 억제하도록 상기 외벽의 내부에 냉각수가 흐를 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 고열전도도와 전기적 절연성을 지닌 열전도성 절연튜브에 공유결합 세라믹 재료인 질화알루미늄(AlN)을 사용하고, 챔버의 외벽을 통해 유도코일에서 발생한 열을 방출시키므로 유도코일을 효과적으로 냉각할 수 있다.
또한 본 발명은, 챔버의 외부에서만 유도코일 내부로 냉각수가 흐르고 챔버의 내부는 비수냉 방식으로 유도코일을 냉각시키므로, 챔버 내부로 물의 유입이 원천적으로 차단되어 고주파 유도 가열 모듈의 안전성이 크게 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 고주파 유도 가열 모듈의 개념도.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따르는 고주파 유도 가열 모듈의 단면도.
도 3은 도 2의 고주파 유도 가열 모듈을 포함하는 고주파 유도 가열로의 단면도.
도 4는 피 가열체인 도가니와 유도코일의 온도를 시간에 따라 비교한 그래프.
이하, 본 발명에 관련된 고주파 유도 가열 모듈에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 고주파 유도 가열 모듈(100)의 개념도이다.
고주파 유도 가열로는 피 가열체의 주위로 고주파 전류를 흐르게 하여 와전류로부터 발생하는 손실의 열을 이용하여 상기 피 가열체를 가열하는 장치이다. 피 가열체를 가열하는 유도코일은 가열과정에서 가능한 낮은 온도를 유지하는 것이 바람직한데, 그 이유는 온도가 상승하면 저항이 증가하여 전기적 손실이 많아지므로 고주파 유도 가열의 기능이 떨어지기 때문이다.
고주파 유도 가열 모듈(100)은 고주파 유도 가열로에 설치되어 피 가열체를 가열하고 상기 피 가열체의 가열 과정동안 유도코일에서 발생 또는 축적된 열을 외부로 방출시킨다.
고주파 유도 가열 모듈(100)은 피 가열체를 수용하는 챔버(미도시), 피 가열체를 가열하는 유도코일(120), 유도코일(120)에서 발생한 열이 상기 챔버의 외벽(110)을 통해 외부로 방출되도록 상기 열을 상기 챔버의 외벽(110)으로 전달하는 열전도성 절연튜브(130)를 포함한다.
챔버는 내부에 피 가열체를 수용하고, 외벽(110)에 의해 챔버의 내부와 외부가 구별된다. 챔버는 수소, 질소, 불활성 기체 등 외부 공기와 다른 기체 분위기를 사용할 수 있으므로 챔버의 외벽(110)으로 대기와 분리된다. 또한 우라늄과 같은 피 가열체는 방사성원소이므로 챔버는 피 가열체가 외부로 새어 나가지 않도록 외벽(110)으로 기밀성을 유지해야 한다. 도 1은 고주파 유도 가열 모듈(100)을 설명하기 위한 개념도로써, 챔버의 외벽(110) 일부만을 링(ring)형태로 도시하였으나, 실제 챔버의 외벽(110) 전체는 박스(box)형태로 형성된다.
유도코일(120)은 챔버의 외부에서 고주파 전류를 공급받아 챔버 내부의 피 가열체를 가열하도록 챔버의 내부로부터 연장되어 챔버의 외벽(110)을 관통한다. 관통부(121)는 유도코일(120)이 챔버의 외벽(110)을 관통하는 부분을 가리킨다.
유도코일(120)은 내부에 냉각수가 흐르지 않는 비수냉 유도코일(120)이다. 만일 유도코일(120)의 내부에 냉각수가 흐르면 유도코일(120)을 냉각할 수는 있으나, 냉각수에 의한 냉각한계를 넘어서면 챔버 내부의 유도코일(120)이 산화 또는 열화되어 냉각수의 누수 및 피 가열체와의 반응에 의한 안전성의 문제가 발생한다. 또한 냉각수로 상용되는 물이 중성자의 감속재 역할을 하여, 다량의 우라늄 용해시 자발적 핵분열 반응의 임계에 다다를 위험성이 존재한다. 따라서 본 발명에서 제시하는 유도코일(120)은 챔버 내부에 배치되는 유도코일(120)에는 냉각수가 흐르지 않도록 형성되어, 챔버 내부의 온도상승에 따른 냉각수의 누수 및 피 가열체와의 반응에 의한 안전성의 문제를 원천적으로 차단한다.
열전도성 절연튜브(130)는 유도코일(120)과 챔버의 외벽(110) 사이에 배치된다. 챔버의 외벽(110)은 금속이므로 전기전도도가 높아 유도코일(120)과 직접 접촉할 경우 유도코일(120)을 따라 흐르는 고주파 전류가 챔버의 외벽(110)을 따라 흐를 우려가 있다. 따라서 열전도성 절연튜브(130)는 유도코일(120)과 챔버의 외벽(110) 사이에 전기적 절연을 유지하도록 유도코일(120)의 관통부(121)를 감싼다.
열전도성 절연튜브(130)는 피 가열체를 가열함에 따라 유도코일(120)에 발생한 열을 챔버의 외벽(110)으로 전달한다. 이에 따라 챔버의 외벽(110)을 통해 열이 외부로 방출되므로, 열전도성 절연튜브(130)는 비수냉 방식으로 유도코일(120)을 냉각한다.
열전도성 절연튜브(130)는 전기적 절연성과 고열전도성을 갖는 재료인 공유결합 세라믹 재료로 형성된다. 열전도성 절연튜브(130)는, 예를 들어 질화알루미늄(AlN)으로 형성될 수 있다. 질화알루미늄과 같은 공유결합 세라믹 재료는 전기전도도는 낮고 열전도도는 높아, 유도코일(120)과 챔버의 외벽(110) 사이에 전기적 절연성을 유지하면서도 유도코일(120)에서 발생하는 열을 챔버의 외벽(110)으로 효과적으로 전달할 수 있다. 이에 따라 챔버의 외벽(110)은 유도코일(120)에서 발생한 열을 전달받아 챔버의 외부로 방출시키는 히트싱크(heat sink)의 기능을 하고, 열전도성 절연튜브(130)는 비수냉 방식의 유도코일(120)을 구현할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따르는 고주파 유도 가열 모듈(200)의 단면도이다.
유도코일(220)은 챔버의 외부로부터 고주파 전류를 공급받아 챔버의 내부에 배치되는 피 가열체를 가열하도록 챔버의 외벽(210)을 관통하는 관통부(221)를 구비한다.
열전도성 절연튜브(230)는 관통부(221)를 감싸도록 형성되어 유도코일(220)과 챔버의 외벽(210) 사이에 전기적 절연을 유지하고, 챔버의 외벽(210)으로 열을 전달한다. 챔버의 외벽(210)으로 전달된 열은 챔버의 외벽(210)을 통해 외부로 방출되고, 유도코일(220)은 비수냉 방식으로 냉각된다.
챔버의 외벽(210) 내부(211)에는 열전도성 절연튜브(230)를 통해 전달되는 열로 인한 온도 상승을 효과적으로 억제하도록 냉각수가 흐를 수 있다. 챔버의 외벽(210)은 금속재료로 형성되어 열전도도가 높으므로 열전도성 절연튜브(230)로부터 전달된 열을 외부로 방출할 수 있다. 그러나 챔버의 외부는 상온을 유지함에 비해 챔버의 내부는 매우 높은 온도까지 지속적으로 상승하므로, 챔버의 외벽(210) 온도가 지나치게 높아질 수 있으며 챔버의 외벽(210)에 온도 상승을 방지하기 위해 냉가수로를 통한 냉각시스템을 추가할 수 있다. 이를 위해 냉각수는 챔버의 외벽(210) 내부(211)에 형성된 유로를 따라 흘러 챔버의 외벽(210)을 냉각한다. 챔버의 내부에 배치되는 유도코일(220)과 달리 챔버의 외벽(210)은 피 가열체와 멀리 떨어져 있어 산화 또는 열화되는 온도까지 상승할 위험성이 적으므로 수냉방식으로 냉각하더라도 고주파 유도 가열로의 안전성을 저해하지 않는다.
고주파 유도 가열 모듈(200)은 금속튜브(240)를 더 포함한다. 금속튜브(240)는 챔버의 기밀성을 유지하도록 챔버의 외벽(210)과 열전도성 절연튜브(230) 사이에 배치되어 상기 열전도성 절연튜브(230)를 감싼다. 우라늄과 같은 방사성 원소를 가열하는 경우, 혹은 수소와 같이 위험한 분위기의 기체를 사용하는 경우 챔버의 기밀성을 유지하는 것은 안전성의 측면에서 매우 중요하다. 그러나 열전도성 절연튜브(230)는 고열전도도와 전기적 절연성을 갖는 질화알루미늄 등의 공유결합 세라믹 재료로 형성되므로 연성이 매우 작다. 이에 따라 열전도성 절연튜브(230)가 고파주 유도 가열로에 장착되었을 때 챔버의 기밀성이 완전하지 않을 수 있다. 금속튜브(240)는 높은 열전도성을 가지므로 열전도성 절연튜브(230)로부터 챔버의 외벽(240)으로 열을 잘 전달할 뿐만 아니라 연성을 지니므로 열전도성 절연튜브(230)와 챔버의 외벽(240) 사이에 배치되어 챔버의 기밀성을 유지할 수 있다.
냉각수 유로(222)는 유도코일(220)의 내부에 형성된다. 다만, 냉각수 유로(222)는 유도코일(220) 전체에 형성되는 것이 아니라 챔버의 외부에 배치되는 부분에만 형성된다. 챔버의 내부에 배치되는 부분까지 유도코일(220)의 내부를 따라 냉각수가 흐르면 온도 상승에 따라 유도코일(220)의 산화 또는 열화, 그로 인한 냉각수 누수와 피 가열체와의 반응 등 안전성에 문제가 있다. 따라서 냉각수 유로(222)는 챔버의 외부에 배치되는 유도코일(220)에 형성되되 챔버의 외벽(210)까지만 연장되어, 챔버의 내부로 냉각수가 유입되는 것을 원천적으로 차단한다. 이에 따라 챔버 외부의 유도코일(220)은 냉각수 유로(222)를 흐르는 냉각수에 의해 냉각될 수 있고, 챔버 외부의 유도코일(220)이 냉각됨에 따라 챔버 내부에도 냉각효과가 전해져 유도코일(220) 전체가 냉각될 수 있다.
도 3은 도 2의 고주파 유도 가열 모듈(200)이 장착된 고주파 유도 가열로(10)의 단면도이다.
고주파 유도 가열로(10)는 챔버(210)의 외부에 배치되는 발진기(12)에서 고주파 전류를 발생시켜 발진기(12)의 전극에 연결된 유도코일(220)을 따라 상기 고주파 전류를 흘려 줌으로써 챔버(210)의 내부에 배치된 피 가열체를 가열하도록 이루어진다.
유도코일(220)은 챔버(210)의 내부에 배치되어 파가열체를 수용하는 도가니(11)를 나선형태로 감싼다. 유도코일(220)은 챔버(210) 외부의 발진기(12)의 전극과 연결되도록 챔버의 외벽(210)을 관통하고, 발진기(12)에서 생성된 고주파 전류가 나선형태로 감싸는 부분을 흐르면서 와전류가 발생하여 그 손실의 열로 피 가열체를 가열한다.
유도코일(220)의 내부에 형성되는 냉각수 유로는 발진기(12)에서 챔버의 외벽(210)까지 연장되고, 챔버(210)의 내부로는 연장되지 않는다. 냉각수유로가 챔버(210)의 내부까지 연장되지 않는 이유는 도 2에서 설명한 바와 같다.
고주파 유도 가열 모듈(200)은 연결부(250)를 더 포함할 수 있다. 유도코일(220)은 고주파 전류가 흐르는 회로를 구성하도록 양단이 발진기(12)와 연결되고, 이를 위해 챔버의 외벽(210)을 적어도 2번 관통한다. 연결부(250)는 챔버(210)의 외부에서 서로 이격되게 배치되는 유도코일(220)의 적어도 두 부분을 연결한다. 연결부(250)의 내부에는 냉각수 유로를 통해 냉각수를 순환시키도록 연결 유로가 형성된다. 연결 유로는 상기 냉각수 유로와 통하므로 연결 유로에 의해 두 냉각수 유로 사이에 순환 유로가 형성된다.
발진기(12)와 연결되는 유도코일(220)의 일단에서 공급된 냉각수는 챔버의 외벽(210)까지 이동하면서 유도코일(220)을 냉각한 뒤 바로 발진기(12)를 향해 되돌아 가는 것이 아니라 연결유로를 따라 이동하고, 유도코일(220)이 챔버(210)를 관통하는 또 다른 관통부까지 이동한다. 서로 이격되게 배치되는 유도코일(220)의 적어도 두 부분을 모두 순환한 냉각수는 유도코일(220)의 타단을 향해 이동하고, 순환이 종료된다. 냉각수의 순환은 모두 챔버(210)의 외부에서만 이루어진다.
이상에서 설명한 바에 따라 고주파 유도 가열 모듈(200)은 유도코일(220)을 냉각시키면서도 냉각수가 챔버의 내부로 유입되는 것을 원천적으로 방지하므로 안전사고의 발생 위험을 낮출 수 있다.
이하에서는 본 발명을 적용하여 실제 유도코일의 냉각효과를 검증한다.
도 4는 피 가열체인 도가니와 유도코일의 온도를 시간에 따라 비교한 그래프이다.
가열시간이 지남에 도가니의 온도는 1400℃까지 지속적으로 상승하나 유도코일의 온도는 500℃ 내외에서 온도 상승이 둔화되므로, 고주파 유도 가열 모듈에 의한 냉각효과를 확인할 수 있다. 본 발명의 고주파 유도 가열 모듈은 피 가열체의 온도가 약 1000~2000℃까지 상승하는 고온의 환경에서도 사용할 수 있다.
이상에서 설명된 고주파 유도 가열 모듈은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100, 200: 고주파 유도 가열 모듈 110, 210: 챔버 또는 챔버의 외벽
120, 220: 유도코일 130, 230: 열전도성 절연튜브
240: 금속튜브 250: 연결부

Claims (7)

  1. 내부에 피 가열체를 수용하도록 형성되는 챔버;
    상기 챔버의 외부에서 고주파 전류를 공급받아 상기 챔버 내부의 피 가열체를 가열하도록 상기 챔버의 외벽을 관통하는 관통부를 구비하는 유도코일; 및
    상기 유도코일과 상기 챔버의 외벽 사이에 전기적 절연을 유지하도록 상기 관통부를 감싸고, 상기 챔버의 외벽을 통해 외부로 열을 방출시켜 비수냉 방식으로 상기 유도코일을 냉각하도록 상기 유도코일에서 발생한 열을 상기 챔버의 외벽으로 전달하는 열전도성 절연튜브를 포함하며,
    상기 유도코일은 상기 챔버의 외부에 배치되는 부분의 내부에 냉각수 유로를 구비하는 것을 특징으로 하는 고주파 유도 가열 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전도성 절연튜브는 공유결합 세라믹 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 고주파 유도 가열 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공유결합 세라믹 재료는 질화알루미늄(AlN)인 것을 특징으로 하는 고주파 유도 가열 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 챔버의 기밀성을 유지하도록 상기 챔버의 외벽과 상기 열전도성 절연튜브 사이에 배치되어 상기 열전도성 절연튜브를 감싸는 금속튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 유도 가열 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유도코일은 상기 챔버의 외부에서 상기 고주파 전류를 발생시키는 발진기와 전기적으로 연결되고,
    상기 냉각수 유로는 상기 발진기에서 상기 챔버의 외벽까지 연장되는 것을 특징으로 하는 고주파 유도 가열 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 챔버의 외부에서 서로 이격되게 배치되는 상기 유도코일의 적어도 두 부분을 연결하고, 상기 두 부분 사이에 냉각수를 순환시키도록 내부에 상기 냉각수 유로와 통하는 연결 유로를 구비하는 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 유도 가열 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는 상기 열전도성 절연튜브를 통해 전달되는 열에 의해 상기 챔버의 외벽 온도가 상승하는 것을 억제하도록 상기 외벽의 내부에 냉각수가 흐르는 것을 특징으로 하는 고주파 유도 가열 모듈.
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