KR101532630B1 - 플럭스 보상기로 솔레노이드 코일에서 전도성 워크피스를 제어 전기 유도 가열하는 방법 및 장치 - Google Patents

플럭스 보상기로 솔레노이드 코일에서 전도성 워크피스를 제어 전기 유도 가열하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

하나 이상의 플럭스 보상기가 유도가열될 워크피스와 함께 유도코일로 삽입되고, 각각의 워크피스의 유도가열 온도 분포 프로파일을 선택적으로 제어하는 동시에 동일한 유도 코일에서 특성을 변화시키면서 워크피스를 유도가열시키기 위한 장치 및 방법이 제공된다.

Description

플럭스 보상기로 솔레노이드 코일에서 전도성 워크피스를 제어 전기 유도 가열하는 방법 및 장치{CONTROLLED ELECTRIC INDUCTION HEATING OF AN ELECTRICALLY CONDUCTIVE WORKPIECE IN A SOLENOIDAL COIL WITH FLUX COMPENSATORS}
본 발명은 솔레노이드 유도 코일내에 배치된 전도성 워크피스의 전기 유도 가열에 관한 것이다.
전기 유도 가열은 전도성 재료 가열에 사용될 수 있다. 예를 들면, 단조, 압출, 롤링 및 기타 금속 가열 성형 동작 이전에, 유도 가열이 사용될 수 있다. 다른 애플리케이션에서, 전도성 워크피스의 유도 가열은 경화, 어닐링, 노말라이징(normalizing), 응력 제거(stress relieving), 및 단련(tempering)과 같은 열처리 공정에 대해 사용될 수 있다. 일부 애플리케이션은 전체 워크피스의 균일한 가열을 필요로하지만, 다른 애플리케이션은 워크피스의 특정지역을 가열하거나 또는 압출 공정 이전에 알루미늄 빌릿과 같은 워크피스를 통과하는 그래디언트 온도로 가열하는 것을 필요로한다
도 1(a)에 도시된 바와 같이, 원통형상인 워크피스(90)는 솔레노이드 유도 코일(30)내의 적절한 위치에 유지된다. 워크피스를 코일내에 유지시키기 위한 지지 구조체는 도 1(a)에 도시되지 않는다. 적절한 ac 전력이 코일에 공급될 때, 전도성 워크피스는 코일을 통과하는 ac 전류 흐름에 의해 구축된 전체적으로 종축의 플럭스 필드와의 자기 커플링에 의해 유도가열된다. 워크피스의 길이 방향을 따라서 균일한 가열이 요구될 때, 코일의 대향하는 단부가 코일의 워크피스의 반대측 단부에 오버행(overhang)되도록 워크피스가 코일에 배치된다. 코일과 워크피스의 종축 방향의 중심 축(도 1(a)에서 X'로 지정된)은 도면에 도시된 바와 같이 일치하고, 코일은 전체적으로 워크피스의 종축방향의 표면과 일치하거나 또는 워크피스의 길이방향을 따라서 유도 가열의 정도를 변화시키는 것을 달성하기 위한 형상을 가진다. 본 예시에서 요구되는 바와 같이, 워크피스의 반대측 단부내에 형성된 플럭스 필드 강도가, 워크피스의 반대측 단부를 포함하는, 워크피스의 길이방향을 따라서 균일한 가열을 제공하도록, 코일의 각각의 단부에서 코일의 오버행 거리(xoh)가 코일의 내부의 오버행 영역에 구축된 플럭스 필드의 형상을 제어한다. 예를 들면, 균일한 종축 온도(T1)(도 1(b)에서 그래픽으로 도시된)는 도 1(c)에서 근접한 이상적인 등온 점선 사이에 형성된 등온선 단면 영역(Riso)에서 워크피스의 전체 길이(L1)을 따라서 달성될 수 있다. 이러한 워크피스 가열 프로파일을 달성하기 위해 필요한 오버행 거리는 워크피스의 외부직경(OD); 워크피스의 전체길이; 워크피스의 물리적 및 금속 특성; 코일의 지오메트리 및 코일에 공급되는 ac 전력의 주파수를 포함하는 다수의 파라미터에 의해 영향을 받는다. "워크피스 특징"이라는 용어는 워크피스의 물리적 크기 및 야금 특성을 집합적으로 기술하기 위해 사용된다. 따라서, 각각 고유한 특징과 또한 가능한 상이한 전원을 가질수 있는 상이한 코일은 이상적으로는 상이한 크기 또는 상이한 물리적 특성의 워크피스를 균일하게 가열하도록 사용된다. 그러나, 상이한 특징을 가진 워크피스를 수용하기 위해 산업 환경에서 코일을 교체하는 것은 시간 및 비용에 있어서 비효율적이다. 따라서, 대개 연속하여 그 정도가 변하면서 하나의 ac 전원에 연결되는 동일한 유도 코일에서의 다양한 크기의 워크피스를 가열하기 위한 설비가 이루어진다.
단일 유도 코일에서 가열된 워크피스의 길이 변화는 직접 코일의 각각의 단부에서의 코일의 오버행 거리와, 그리고 결과적으로 유도 가열된 워크피스의 전체 길이를 따라서 이루어진 온도 분포에 영향을 준다. 예를 들면, 상대적으로 전체 길이가 더 긴 원통형 워크피스의 종축방향의 균일한 가열을 위해 지정된 유도 코일에서 상대적으로 전체 길이가 짧은 원통형 워크피스의 유도가열시, 더 긴 워크피스에 대한 오버행 영역보다 더 큰 코일 오버행 영역에 노출된 더 짧은 워크피스의 단부 영역은 과도한 열원을 가지고, 결과적으로 더 짧은 워크피스의 중심 영역에 비해 과열될 것이다. 예를 들면, 도 2(a), 2(b), 및 2(c)는 각각 상이한 크기를 가지는 3개의 워크피스를 유도가열하기 위해 사용되는 동일한 유도 코일(30)을 도시한다. 도 2(a)에서의 워크피스(90a)는 OD1과 동일한 OD, L1과 동일한 전체 길이를 가지고; 도 2(b)에서 워크피스(90b)는 OD2와 동일한 OD, L1보다 작은 L2와 동일한 길이를 가지며; 도 2(c)에서의 워크피스(90c)는 외부직경(OD1) 보다 작은 OD2와 같은 OD, 및 L1과 동일한 전체 길이를 가진다. 각각 도 2(a), 2(b), 및 2(c)에서의 배치에 대한, 도 2(a)', 2(b)', 및 2(c)'에서의 가열된 워크피스 온도 분포 프로파일에 의해 도시된 바와 같이, 코일 오버행 거리(Xoh1)는 도 2(a)에 도시된 특정한 지오메트리의 워크피스의 전체 길이를 따라 원하는 균일한 온도 분포를 제공하지만, 동일한 코일이 도 2(b) 및 2(c)에서는 상이한 지오메트리의 워크피스를 따라 온도 균일성을 제공하지는 못한다. 하나의 단부에서의 코일 오버행 거리가 최적(Xoh1)이 되도록 더 짧은 워크피스를 코일에서 비대칭적으로 배치하는 것은(도 2(b)) 워크피스의 대향하는 단부에서의 과열 집중을 희생하면서도 워크피스의 하나의 단부에서 원하는 온도 균일성을 제공한다. 균일하게 가열하기 위해 유도 코일이 설계되도록 워크피스의 OD 미만의 OD를 가진 워크피스를 가열하는 것은 도 2(c)의 배치에 대해 도 2(c)'에서 도시된 바와 같은 전자기 엔드 효과에 의한 열원의 감소에 기인하여 더 작은 OD 워크피스의 단부의 언더히팅(underheat)을 가져온다.
2개의 워크피스가, 동일한 형상을 가지지만 예를 들면 상이한 전기 저항(
Figure 112010039595220-pct00001
)을 가진 금속 합금과 같은, 상이한 물리적 또는 야금 특성을 가진 물질로 제조된다면, 균일한 종축 방향 온도 분포 프로파일에 대해 전기 저항(
Figure 112010039595220-pct00002
1)을 가진 2개의 워크피스 중 첫번째 것을 유도가열하도록 설계된 유도코일 및 전원을 이용하면 전자기 엔드 효과에 기인하여
Figure 112010039595220-pct00003
1 보다 작은 전기 저항(
Figure 112010039595220-pct00004
2)을 가진 제 2 워크피스의 단부의 과열을 가져온다. 역으로, 제 2 워크피스가
Figure 112010039595220-pct00005
1 보다 더 큰 전기저항(
Figure 112010039595220-pct00006
3)을 가진다면, 제 2 워크피스의 단부의 언더히팅이 야기된다.
코일의 대향하는 단부에서 전원연결을 하는 단일 솔레노이드 코일에 대한 대안의 접근방식은 도 3(a) 및 도 3(b)에 다이어그램으로 도시된 바와 같은 코일의 하나의 단부에서의 길이 방향을 따라 다중 전원탭 연결(80)을 가지는 코일이다. 코일에서 가열될 워크피스의 특성에 기초하여 전원 엔드 탭(80)을 선택함으로써, 전류가 통한 코일의 길이, 그리고 그에 따른 오버행 거리가 도 3(a)에서의 워크피스(90a)(엔드탭(80a)을 활용)보다 전체 길이가 더 짧은 도 3(b)에서의 워크피스(90a')(엔드탭(80b)을 활용)와 같은, 상이한 특성을 가진 워크피스의 균일한 가열을 제공하도록 변화될 수 있다. 이러한 멀티탭 구성에 대해서는 다수의 단점이 있다. 예를 들면, 탭들이 수동으로 변화될 때 워크피스 가열 산출 시간이 소비된다. 이러한 그리고 기타 팩터들은 상이한 특성을 가진 매우 다양한 워크피스를 유도가열하는 데에 있어서 다중 탭 코일 배치에 단점을 가져온다.
본 발명의 하나의 목적은 동일한 유도 코일 또는 유도 코일의 조합에서 상이한 특성을 가지는 전도성 워크피스의 유도 가열 온도 분포 프로파일을 선택적으로 제어하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 단일 유도 코일 또는 유도 코일의 조합에서 상이한 특성을 가지는 전도성 워크피스의 전체 길이를 따른 균일한 온도 분포 프로파일을 달성하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 단일 유도 코일에서 상이한 특성을 가진 전도성 워크피스의 유도 온도 프로파일을 선택적으로 제어함으로써 단일 유도 코일 및 전원을 구비하는 다용성을 가지는 유도 가열 시스템을 개선하는 것이다.
하나의 측면에서, 본 발명은, 적어도 하나의 플럭스 보상기가 워크피스에 대한 유도 가열 온도 프로파일에 영향을 주도록 코일에서의 워크피스의 적어도 하나의 단부에 인접하게 배치되는 동안, 하나의 ac 전원으로부터 전력을 수신하는 적어도 하나의 솔레노이드 코일에서의 전도성 워크피스의 전기 유도 가열을 위한 장치 및 방법이다.
또다른 측면에서, 본 발명은, 플럭스 보상기 없이 전도성 워크피스에서의 유도된 종축 방향의 단면 가열 프로파일을 제어하는 장치 및 방법이다. 워크피스는 코일 오버행 영역이 워크피스의 단부에 인접하여 있도록 솔레노이드 형 유도 코일에 배치된다. 플럭스 보상기는, 워크피스의 단부에서의 유도된 종축 방향의 단면 가열 프로파일을 변화시키기 위해 상기 플럭스 보상기의 하나의 단부가 워크피스의 단부에 인접하도록 코일 오버행 영역에 배치된다. 본 발명의 다른 예시에서, 전자기 갭이 플럭스 보상기와 워크피스의 대향하는 단부 사이에 설치된다. 교류가 유도 코일에 공급되어 전도성 워크피스에서의 유도된 종축 방향의 단면 가열 프로파일을 생성한다.
본 발명의 상기 및 기타 측면은 본 명세서와 첨부된 청구범위에서 설명된다.
본 발명에 따르면, 동일한 유도 코일 또는 유도 코일의 조합에서 상이한 특성을 가지는 전도성 워크피스의 유도 가열 온도 분포 프로파일을 선택적으로 제어하고, 단일 유도 코일 또는 유도 코일의 조합에서 상이한 특성을 가지는 전도성 워크피스의 전체 길이를 따르는 균일한 온도 분포 프로파일을 달성하며, 단일 유도 코일에서 상이한 특성을 가진 전도성 워크피스의 유도 온도 프로파일을 선택적으로 제어함으로써 단일 유도 코일 및 전원을 구비하는 다용성을 가지는 유도 가열 시스템을 개선한다.
하기에 간략하게 요약된 첨부된 도면들은 본 발명을 예시하여 이해할 목적으로 제공되었으며, 본 명세서와 첨부된 청구범위에서 더 설명된 바와 같이 본 발명을 한정하지 않는다.
도 1(a)는 단면 다이어그램으로, 코일 오버행 거리가 코일의 양 단부에서 동일하도록 전도성 워크피스가 코일에 배치된 솔레노이드 코일을 도시하고; 도 1(b)는 도 1(c)에 도시된 이상적인 단면 등온선 영역(Riso)에서의 도 1(a)에 도시된 코일 및 워크피스 배치로 워크피스의 길이방향을 따라서 달성될 수 있는 균일한 온도 분포를 그래픽으로 도시한다.
도 2(a)', 2(b)', 2(c)'는 각각 도 2(a), 2(b), 2(c)에 도시된 배치에서 도시된 바와 같은 동일한 유도 코일에서 유도가열될 때 상이한 특성을 가진 워크피스의 전체 길이를 따라서 있는 온도 분포 프로파일에서의 변화를 도시한다.
도 3(a) 및 3(b)는 다양한 워크피스의 불규칙한 단부 가열의 영향을 최소화하기 위해 상이한 특성을 가진 다양한 워크피스의 유도 가열을 보상하도록 사용될 수 있는 다중 탭 코일을 단면 다이어그램으로 도시한다.
도 4(a), 4(b), 및 4(c)는 본 발명의 전기 유도 가열 장치의 하나의 예를 단면 다이어그램으로 도시한다.
도 5(a)는 코일 오버행 거리가 코일의 양 단부에서 동일하도록 유도 코일로 삽입되는 전도성 워크피스를 단면 다이어그램으로 도시하고, 도 5(b)는 도 5(a)에서 도시된 코일 및 워크피스 배치로 워크피스의 길이방향을 따라 달성될 수 있는 균일한 온도 프로파일을 그래픽으로 도시한다.
도 6(a)는 본 발명의 전기 유도 가열 장치의 또다른 예를 단면 다이어그램으로 도시하고, 도 6(b)는 도 6(a)에 도시된 코일, 워크피스, 및 플럭스 보상기 배치로 워크피스의 길이방향을 따라 달성될 수 있는 균일한 온도 프로파일을 그래픽으로 도시한다.
도 7(a)는 본 발명의 전기 유도 가열 장치의 또다른 예를 단면 다이어그램으로 도시하고, 도 7(b)는 도 7(a)에 도시된 코일, 워크피스, 및 플럭스 보상기 배치로 워크피스의 길이방향을 따라 달성될 수 있는 균일한 온도 프로파일을 그래픽으로 도시한다.
도 8(a)는 본 발명의 전기 유도 가열 장치의 또다른 예를 단면 다이어그램으로 도시하고, 도 8(b)는 도 8(a)에 도시된 코일, 워크피스, 및 플럭스 보상기 배치로 워크피스의 길이방향을 따라 달성될 수 있는 균일하지 않은 온도 프로파일을 그래픽으로 도시한다.
도 9(a)는 본 발명의 전기 유도 가열 장치의 또다른 예를 단면 다이어그램으로 도시하고, 도 9(b)는 도 9(a)에 도시된 코일, 워크피스, 및 플럭스 보상기 배치로 워크피스의 길이방향을 따라 달성될 수 있는 균일하지 않은 온도 프로파일을 그래픽으로 도시한다.
도 10(a)는 본 발명의 전도성 워크피스의 전기 유도 가열 장치의 또다른 예를 단면 다이어그램으로 도시하고, 도 10(b)는 도 10(a)에 도시된 코일, 워크피스, 및 플럭스 보상기 배치로 워크피스의 길이방향을 따라 달성될 수 있는 균일하지 않은 온도 프로파일을 그래픽으로 도시한다.
전도성 워크피스의 가열을 위한 본 발명의 전기 유도 가열 장치의 비제한적인 하나의 예가 도 4(a), 4(b) 및 4(c)에 다이어그램으로 도시된다. 상기 장치는 ac 전류를 코일에 공급하기 위해 코일의 대향하는 단부에 연결된 ac 전원(도시되지 않음)을 가지는 단일한 다중 턴 솔레노이드 유도 코일(30)을 구비하고, 이는 코일을 유도가열하기 위해 코일에서 워크피스와 커플링하는 코일 주위에서 플럭스 필드를 생성한다. 플럭스 보상기는 하기에 더 기술되는 바와 같이, 다양한 특징을 가진 워크피스의 유도가열동안에 선택적으로 사용된다. 플럭스 보상기는 실질적으로 솔리드 또는 속이 빈 디스크가 될 수 있다. 보상기는 보상기에 적절한 통로를 제공하여 물과 같은 냉각매체의 공급 및 배출로에 상기 통로를 연결하는 수냉식이 될 수 있다. 적절한 워크피스 이송 장치가 코일로 워크피스를 삽입하고 가열후 그것을 코일 내부에서 제거하기 위해 제공될 수 있다. 적절한 보상기 이송 장치가 보상기를 코일로 삽입하고 가열후 그것을 코일 내부로부터 제거하기 위해 제공될 수 있다. 대안으로, 워크피스 및 보상기 이송 장치의 조합이 제공될 수 있다.
도 4(a)에서의 워크피스(90d)는 전체 길이(L1)를 가지고; 도 4(b)에서의 워크피스(90e)는 길이(L1)보다 더 작은 전체 길이(L3)를 가지고; 도 4(c)에서의 워크피스(90f)는 길이(L3)보다 더 작은 전체 길이(L4)를 가진다. 도 4(a)에서의 워크피스(90d)는 코일 오버행 거리(Xoh1)가 도 4(a)에 도시된 바와 같이 코일의 양 단부에서 동일할 때 자신의 전체 길이를 따라서 균일한 온도 분포로 유도 가열하기에 최적인 길이이다. 도 4(b)에서, 보상기(40a)의 단부 표면(40a')은 워크피스의 제 2 단부의 과열이 완화되도록 상기 워크피스의 더 짧은 전체 길이를 보상하기 위해 워크피스(90e)의 단부 표면(90e")("제 2 단부"라고 지정된)에 근접하게 배치된다. 예를 들면 워크피스(90e)가 비자성 스테인레스 강 빌릿이라면, 워크피스와 보상기의 대향하는 단부 표면 사이에 약 0.03인치 내지 약 1.8인치의 거리는 충분히 작은 갭이고 따라서 근접한 것으로 간주될 수 있다. 플럭스 보상기가, 예를 들면 워크피스로서 전자기 특성(주로 전기 저항 및 자기 투자율)에서 약 10 내지 15% 이내의 편차인, 거의 동일한 특성을 가지는 재료 조성물로 형성되고, 보상기(40a)와 워크피스(90e)의 직경 차이가 워크피스로의 와전류 침투의 약 1/4 이하이고, 보상기(40a)와 워크피스(90e) 사이의 전자기 갭이 전원의 중파(medium frequency)(즉, 약 1kHz 내지 약 10kHz)를 활용하는 동안 충분히 작다면, 충분히 긴 플럭스 보상기를 가정하는 도 4(b) 및 도 6(a)에서 도시된 바와 같은 워크피스(90e)의 제 2 단부에서의 전자기 필드의 현저한 요동은 나타나지 않을 것이다. 도 6(a)에서의 워크피스(90e)의 전체 길이를 따라서 있는 유도 가열 온도 분포(도 6(b)에서의 라인(Twp))는, 워크피스의 제 2 단부로부터의 실제 코일 오버행 거리가 Xoh1(도 4(a) 및 도 5(a)에서)로부터 Xoh3(도 4(b) 및 도 6(a)에서)으로 증가되었다는 사실을 고려하지 않는다면 도 4(a) 및 도 5(a)에 도시된 최적의 코일 오버행(Xoh1)의 경우에서와 같이 균일할 것이다. 코일의 제 2 단부 영역에서의 자기 필드 요동은 플럭스 보상기(40a)를 사용하여 보상되고, 보상기 내에 국부화되며, 이는 도 6(b)에 그래픽으로 도시된 바와 같이 워크피스의 제 2 단부로부터 보상기(40a)로의 잉여 온도 변화(Tfc)(shifting temperature surplus)를 야기한다.
도 4(c) 및 도 7(a)는 워크피스(90f)의 전체 길이(L4)가 도 4(b) 및 도 6(a)에 도시된 워크피스(90e)의 전체 길이 보다 작은 본 발명의 배치를 도시하고, 이는 도 7(b)에 도시된 균일한 유도 가열 온도 분포 프로파일(라인 (Twp))을 달성하기 위해 플럭스 보상기(40b)를 사용하여 보상되는 워크피스(90f)의 제 2 단부에서의 Xoh4까지의 코일 오버행 거리의 추가적인 증가를 가져온다. 활용된 플럭스 보상기의 전체 길이는 워크피스의 전체 길이에 대해 필요한 유도 가열 온도 분포 프로파일에 따른다. 예를 들면, 균일한 분포의 온도가 요구되면, 활용된 플럭스 보상기는 단부의 유효 영역(자기 필드 요동이 발생하는)이 도 7(b)에서의 보상기(40b)에 대해 균일하지 않은 온도 분포 프로파일(곡선(Tfc))에 의해 표시되는 바와 같이 인접한 플럭스 보상기의 길이 내에 배치되는 것을 보장하기 위해 충분한 길이가 되어야 한다. 균일하지 않은 온도 분포, 예를 들면, 워크 피스의 제 2 단부의 길이를 따라 그래디언트된 온도가 요구되면, 워크피스의 그 단부는 상기 워크피스의 전체 길이중 잔여부 보다 더 큰 온도로 유도 가열되어야한다. 이러한 배치에 대해, 플럭스 보상기의 길이는 단부의 유효 영역이 플럭스 보상기 내에 배치되지 않지만, 더 높은 온도를 필요로하는 워크피스의 단부에서 발생하도록 보장하기 위해 균일한 온도 분포에 필요한 것 보다 플럭스 보상기의 길이가 더 짧아질 것이다.
본 발명의 유도 가열 장치 및 방법에 사용되는 플럭스 보상기는 플럭스 분류가감기(diverter), 플럭스 컨트롤러, 자기 션트 또는 자기 코어로 알려진 플럭스 집중기(concentrator)가 아니고, 일반적으로 플럭스 집중기를 제조하는 데에 사용되는 재료로 만들어져서는 안된다. 플럭스 집중기의 물리적 특성은 상기 집중기가 유도 가열 애플리케이션에 사용되는 워크피스의 특성과 현저하게 상이하다. 워크피스의 물리적 특성을 고려하지 않더라도, 자기 플럭스 집중기로서 사용되는 재료는 연질 자성이고, 이는 그것들이 외부 자기 필드가 인가되자 마자 자성을 나타낸다는 것을 의미한다. 플럭스 집중기용 유도 가열에 가장 일반적으로 사용되는 유형의 재료는 적층, 전해철 기반 분말형 재료, 카르보닐철 기반 분말형 재료, 순수 페라이트, 및 페라이트 기반 재료가 있다. 자기 플럭스 집중기는 초고전기저항(이상적으로는 무한한 전기 저항)과 매우 작은 와전류 손실을 가지는 방식으로 제조된다. 반대로, 상술한 바와 같이, 플럭스 보상기는 유도 가열되는 워크피스에 대해 유사한 전자기 특성을 가지는 재료로 형성된다. 따라서, 비자성 워크피스가 예를 들면 오스테나이틱(austenitic) 스테인레스 강 또는 티타늄 합금 조성물과 같은 상대적으로 고 전기 저항 재료로 형성된다면, 플럭스 보상기는 또한 상대적으로 고 전기저항성 비자성 재료로 형성되어야 한다. 워크피스가 예를 들면 금, 알루미늄, 은, 또는 구리 합금 조성물과 같은 상대적으로 저 전기 저항값을 가지는 재료로 형성된다면, 플럭스 보상기는 또한 저 전기 저항성 재료로 이루어져야 한다.
본 발명의 유도 가열 장치 및 방법에 사용되는 플럭스 보상기는 전도성 실드, 구리 링, 구리 캡 또는 "로버(robber)" 링으로 알려진 패러데이 유도 링이 아니다. 패러데이 링은 기본적으로 실드 성능을 개선시키기 위해 소스 유도 코일의 자기 필드를 상쇄 또는 현저하게 감소시키는 단일-턴의 단락(shorted)된 인덕터를 나타내는 패시브 실드이다. 소스 유도 코일은 패러데이 링 내에서의 와전류를 유도하고 와전류는 소스 필드에 대향하고 그를 상쇄시키는 자신의 자기 필드를 생성한다. 고 전기 저항성 재료가 자신들의 제조에 사용된다면, 패러데이 링의 효과와 그의 실드 특성은 현저하게 감소된다. 이는 패러데이 링이 일반적으로 예를 들면, 구리, 알루미늄, 또는 은 조성물과 같은 저 전기 저항을 가진 재료로 만들어지는 이유이다.
본 발명의 유도 가열 장치 및 방법의 일부 애플리케이션에서, 워크피스의 전체 길이를 따라 유도 가열 그래디언트 온도 프로파일을 달성하는 것이 바람직하다. 이러한 유형의 그래디언트 온도 프로파일을 달성하는 한가지 방법은 워크피스의 직경과 상이한 직경을 가지는 플럭스 보상기를 활용하는 것이다. 도 8(a) 및 도 9(a)는 각각, 보상기(40c)의 직경이 워크피스(90f)의 직경보다 더 작고, 보상기(40d)의 직경이 워크피스(90f)의 직경보다 더 큰 본 발명의 비제한적인 예시적인 배치를 다이어그램으로 도시한다. 도 8(b) 및 9(b)는 워크피스(90f) 내에서의 결과인 대응하는 균일하지 않은 온도 분포를 그래픽으로 도시한다. 플럭스 보상기의 직경이 도 8(a)에 도시된 바와 같이 유도가열된 워크피스의 직경보다 더 작으면, 워크피스의 단부는 여분의 열원을 가지고 제 2 단부의 워크피스 온도(곡선(T'wp))는 도 8(b)에 그래픽으로 도시된 워크피스의 다른 영역 전체의 온도(라인(Twp)) 보다 더 높게 된다. 플럭스 보상기의 직경이 도 9(a)에 도시된 바와 같이 유도가열되는 워크피스의 직경보다 더 크면, 워크피스의 단부는 열원이 부족하고, 제 2 단부 워크피스 온도(곡선(T"wp))는 도 9(b)에 그래픽으로 도시된 워크피스의 다른 영역 전체에서 온도(라인 (Twp))보다 더 낮게 된다.
플럭스 보상기 및 워크피스의 대향하는 단부들을 서로에 대해 근접시키는 것이 본 발명의 상기 예시에서 바람직하지만, 플럭스 보상기 및 워크피스의 대향하는 단부를 서로 접촉시키는 것이 본 발명의 다른 예시에서 가능하다. 이것이 수행되면, 플럭스 보상기와 접촉하는 동안 워크피스 단부 영역에서의 유도 전력(열원)은 워크피스 단부 영역으로부터 플럭스 보상기로의 열의 흐름이 워크피스에서의 균일 또는 균일하지 않은 단면 온도 분포 프로파일 중 어느 하나를 일으키도록 할 수 있다.
그래디언트 온도 프로파일을 달성하는 또다른 방법은 유도 가열처리될 보상기 및 워크피스의 마주하는 단부 사이의 전자기 갭을 구축하는 것이다. 도 10(a)는 워크피스(90f)의 제 2 단부에 근접한 종축 방향의 온도 분포(곡선(T'wp))가 보상기(40e)와 워크피스(90f) 사이의 전자기 갭(Lgap)에 의해 균일하지 않게 되는 본 발명의 비제한적인 예시를 다이어그램으로 도시한다. 전자기 갭은 본문에서 실질적으로 비전도성 및 비자성 재료에 의해 점유되는 영역으로 정의된다. 예를 들면, 플럭스 보상기는 전자기 갭(Lgap)에 배치된 단열 플레이트(내화성)를 가진다. 단열 플레이트는 보상기(40e)의 마주하는 단부에 물리적으로 부착되고 워크피스의 제 2 단부와 물리적으로 접촉한다. 단열 플레이트가 비전도성 및 비자성 재료로 만들어지면, 상기 플레이트는 전자기 필드에 대해 실질적으로 투명하게 되고, 전자기적으로, 자유 공간으로서(공기 또는 진공으로서) 동작한다. 따라서, 플럭스 보상기와 워크피스의 마주하는 단부 사이에 실질적인 자유 공간의 공기 갭이 없을지라도, 단열 플레이트가 존재하는 것으로부터 야기되는 전자기 갭이 존재한다. 비전도성 스페이서, 또는 방사상 및/또는 종축 슬롯과 같은 와전류 감소 피처를 통합한 전도성 재료로 제조된 스페이서가 또한 전자기 갭을 구축하기 위해 사용될 수 있다.
일반적으로, 본 발명의 유도 가열 장치 및 방법은, 유도 가열을 위해 동일한 솔레노이드 코일로 삽입되는 상이한 특성을 가진 워크피스의 유도 가열 온도 분포를 변화시키기 위해, 본문에 개시된 바와 같은 배치, 크기, 조성 및 선택적인 전자기 갭으로 하나 이상의 플럭스 보상기를 활용한다. 플럭스 보상기는 마주하는 단부에서 함께 결합된 2개 이상의 플럭스 보상기를 포함할 수 있다. 플럭스 보상기 어셈블리가 설치될 수 있는데, 여기서 어셈블리는 플럭스 보상기(헤드 엘리먼트)를 코일로 집어넣고 빼도록 이동시키기 위해 보상기 이송 장치에 고정될 수 있는 보상기 홀더에 장착된 플럭스 보상기를 포함한다. 일련의 교환가능한 보상기 헤드 엘리먼트가 동일한 유도 코일에서 상이한 특성을 가지고 다양한 워크피스의 유도가열을 수용하기 위해 어셈블리에서 사용될 수 있고, 일반적으로 솔레노이드 형 코일로 기술될 수 있는 타원형 코일, 채널 인덕터, 및 유사한 코일/인덕터 사용으로 확장될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 "솔레노이드 유도 코일"이라는 용어는 ac 전류가 하나 이상의 유도 코일을 통해 흐르고, 자기 필드가 하나 이상의 유도 코일로 삽입된 전자기 도전성 재료와 커플링할 때, 자기 필드가 생성되는 하나 이상의 유도 코일의 조합으로서 그의 가장 광의로 이해된다. 본 발명은 솔레노이드 유도 코일의 특정한 기하학적 구성에 한정되지 않는다.
본 발명의 상기 예의 예시적인 워크피스는 전체적으로 원통형이지만, 본 발명의 유도 가열 장치는 예를 들면, 빌릿, 바, 튜브 및 파이프와 같은 거의 솔리드 또는 속이 빈 원통형 워크피스; 금속 슬래브, 플레이트 및 블룸과 같은 솔리드 또는 속이 빈 장방형 및 사다리꼴 워크피스; 또는 상술한 바와 같은 유도 가열용 유도 코일에 삽입될 수 있는 기타 형상의 전도성 워크피스로 사용될 수 있다. 활용된 플럭스 보상기의 구성 및 배치는 유도 가열되는 워크피스의 특정한 형상에 맞추기 위해 변경될 수 있다. 직경 및 (축) 길이가 본 발명에서 사용하는 원통형 워크피스에 대한 관심 파라미터이지만, 다른 파라미터가 상이한 형상의 워크피스에 대해 사용될 수 있다.
본 발명의 상기 예에서의 예시적인 플럭스 보상기는 전체적으로 디스크 형상이지만, 상이한 형상의 보상기가 본 발명의 장치 및 방법에 따라 다양한 형상의 워크피스를 수용하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 플럭스 보상기가 유체에 의해 냉각되고 및/또는 유도 가열 워크피스와 단열되기 때문에, 그것들은 현저한 열피로 없이 연속한 워크피스의 유도 가열동안 본 발명에서 반복하여 사용될 수 있다.
본 발명의 모든 예시에서, 각각이 유도 코일에서 워크피스의 대향하는 각각의 단부와 마주하는 단부를 가지는 2개의 개별 플럭스 보상기가 본 유도의 장치 및 방법으로 사용될 수 있다.
설명을 위해서만 본 발명의 상기 예들이 제공되고 어떠한 방식으로건 본 발명을 한정하는 것으로 이해되지 않는다. 본 발명이 다양한 실시예를 참조하여 기술되었지만, 본문에 사용되는 단어들은 제한의 단어가 아니라 설명과 예시의 단어들이다. 본 발명이 특정한 수단, 재료, 및 실시예를 참조하여 본문에 기술되었지만, 본 발명은 본문에 개시된 특정한 것들에 제한될 것을 의도하지 않고; 오히여, 본 발명은 모든 기능적으로 등가인 구조, 방법, 사용처에 확장된다. 본 명세서의 교안을 이용하는 당업자는 본 발명의 측면에서 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 그에 대한 다양한 변형 및 변경을 수행할 수 있다. 본 발명은 기술된 것들에 한정되지 않지만, 첨부된 청구범위에 인용된 발명들을 포함한다.

Claims (22)

  1. 플럭스 집중기 없이 전도성 워크피스에서의 유도된 종축 방향의 단면 가열 프로파일을 제어하는 방법에 있어서,
    코일 오버행 영역이 상기 전도성 워크피스의 적어도 하나의 단부에 인접하여 있도록 상기 전도성 워크피스를 솔레노이드 형 유도 코일에 배치시키는 단계;
    상기 전도성 워크피스의 적어도 하나의 단부에서의 유도된 종축 방향의 단면 가열 프로파일을 변경시키기 위해 적어도 하나의 플럭스 보상기의 하나의 단부가 상기 전도성 워크피스의 상기 적어도 하나의 단부에 인접하도록, 코일 오버행 영역에 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기를 배치시키는 단계; 및
    상기 전도성 워크피스 또는 적어도 하나의 플럭스 보상기 내에 전자기 단부의 유효 영역을 국부화하고(localize) 유도된 종축 방향 단면 가열 프로파일을 전도성 워크피스에 생성시키기 위해 교류 전류를 상기 솔레노이드 형 유도 코일에 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 워크피스의 적어도 하나의 단부에서의 유도된 종축 방향의 단면 가열 프로파일이 균일하게 되도록 종축 방향의 단면 크기를 가진 적어도 하나의 플럭스 보상기를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 워크피스의 적어도 하나의 단부에서의 유도된 종축 방향 단면 가열 프로파일이 상기 전도성 워크피스의 다른 영역들에서의 유도된 종축 방향 단면 가열 프로파일보다 더 작도록 상기 전도성 워크피스의 적어도 하나의 단부에서 상기 전도성 워크피스의 단면보다 더 큰 단면 영역을 가지는 적어도 하나의 플럭스 보상기를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 워크피스의 적어도 하나의 단부에서의 유도된 종축 방향 단면 가열 프로파일이 상기 전도성 워크피스의 다른 영역들에서의 유도된 종축 방향 단면 가열 프로파일보다 더 크도록 상기 전도성 워크피스의 적어도 하나의 단부에서 상기 전도성 워크피스의 단면 영역보다 더 작은 단면 영역을 가지는 적어도 하나의 플럭스 보상기를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 플럭스 보상기를 상기 전도성 워크피스의 적어도 하나의 단부에 인접한 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기의 하나의 단부로 코일 오버행 영역에 배치하는 단계는 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기의 하나의 단부를 상기 전도성 워크피스의 적어도 하나의 단부와 접촉하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 플럭스 보상기를 상기 전도성 워크피스의 적어도 하나의 단부에 인접한 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기의 하나의 단부로 코일 오버행 영역에 배치하는 단계는 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기의 하나의 단부와 상기 전도성 워크피스의 적어도 하나의 단부 사이에 전자기 갭을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 비전도성 및 비자성 재료로부터 상기 전자기 갭을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 워크피스가 삽입된 솔레노이드 형 유도 코일; 및 상기 유도 코일에 연결된 교류 전원을 구비하는, 플럭스 집중기 없이 전도성 워크피스에서의 유도된 종축 방향 단면 가열 프로파일을 제어하는 전기 유도 가열장치에 있어서, 상기 교류 전원이 상기 솔레노이드 형 유도 코일에 연결될 때 상기 전도성 워크피스의 코일 삽입된 단부가 상기 전도성 워크피스 또는 적어도 하나의 플럭스 내에 전자기 단부의 유효 영역을 국부화시키기 위해 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기의 하나의 단부에 인접하도록 상기 솔레노이드 형 유도 코일의 내부 오버행 영역으로 삽입된 적어도 하나의 플럭스 보상기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전도성 워크피스의 상기 코일 삽입된 단부는 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기의 단부로부터 0.03인치 내지 1.8인치 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기는 상기 전도성 워크피스와 동일한 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기는 상기 전도성 워크피스의 전기 저항 및 자기 투자율의 플러스 마이너스 15% 이내의 전기 저항 및 자기 투자율을 가지는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기는 상기 전도성 워크피스의 전기 저항 및 자기 투자율의 플러스 마이너스 15% 이내의 전기 저항 및 자기 투자율을 가지는 재료로 형성되고, 상기 전도성 워크피스의 상기 코일 삽입된 단부와 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기의 단부의 직경 사이의 차이는 상기 교류 전원이 상기 솔레노이드 형 유도코일에 연결될 때 상기 전도성 워크피스로의 와전류 투과 깊이의 1/4이내인 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기는 속이 빈 디스크를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기는 냉각 매체를 위한 유체 경로를 형성하는 적어도 하나의 내부 통로를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  15. 제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도성 워크피스의 상기 코일 삽입된 단부에 인접하는 적어도 하나의 플럭스 보상기의 단부에 배치되는 전자기 갭 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  16. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 플럭스 보상기를 상기 전도성 워크피스의 적어도 하나의 단부에 인접한 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기의 하나의 단부로 코일 오버행 영역에 배치하는 단계는 상기 전도성 원크피스의 적어도 하나의 단부로부터 0.03인치 내지 1.8인치 내에 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기의 하나의 단부를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도성 워크피스와 동일한 재료로 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도성 워크피스의 전기 저항의 플러스 마이너스 15% 이내의 전기 저항 및 상기 전도성 워크피스의 자기 투자율의 플러스 마이너스 15% 이내의 자기 투자율을 가지는 재료로 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도성 워크피스의 전기 저항의 전기 저항의 플러스 마이너스 15%의 전기 저항 및 상기 전도성 워크피스의 자기 투자율의 플러스 마이너스 15% 이내의 자기 투자율을 가지는 재료로 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기를 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 전도성 워크피스의 직경의 적어도 하나의 단부와 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기의 직경의 하나의 단부 사이의 차이는 상기 교류 전원을 상기 솔레노이드 형 유도코일에 공급하여 상기 유도된 종축 방향 단면 가열 프로파일을 상기 전도성 재료에서 생성할 때 상기 전도성 워크피스로의 와전류 투과 깊이의 1/4이내인 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 속이 빈 디스크 형태의 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 15 항에 있어서, 상기 전자기 갭 재료는 비전도성 및 비자성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  22. 제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기의 단부에 인접한 상기 전도성 워크피스의 코일 삽입된 단부가 상기 적어도 하나의 플럭스 보상기의 단부와 접촉하는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
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