KR101908798B1

KR101908798B1 - 유도 가열 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101908798B1
Application number: KR1020160171349A
Authority: KR
Inventors: 배진수
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2018-10-16
Also published as: KR20180069291A

Abstract

본 발명은 유도 가열 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 유도 가열 장치는 대상물의 가열면에 구비되고, 상기 대상물의 폭방향으로 연장되는 코일;과, 상기 대상물의 폭방향으로의 너비가 서로 다르게 구비되며, 상기 코일에 대면하도록 상기 코일을 따라 배치되는 복수개의 코어; 및 상기 코어에 일대일 대응되게 구비되어 상기 코어에 연결되고, 상기 코어를 상기 코일에 대하여 개별적으로 이동시키는 코어조절유닛;을 포함하되, 상기 코어는, 상기 대상물의 가장자리에 대면하는 제1,2 상부코어; 및 상기 대상물의 중심에 대면하는 제3 상부코어;를 포함하고, 제1,2,3 상부코어 중, 상기 제3 상부코어의 너비가 가장 넓게 제공될 수 있다.

Description

유도 가열 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD TO INDUCTION HEATING}

본 발명은 유도 가열 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 유도가열은 유도 코일로 알려진 고주파 전류 운반 컨덕터로부터 변환되는 전기적 에너지에 의해 도체 부분의 온도를 올리는 방법이다.

이와 같은 유도가열 방법을 일반 강에 실시하는 경우에는 가열효율이 높으나 큐리온도(Curie Temperature, Curie point, 약 800℃) 이상의 강판 또는 알루미늄, 망간 등이 포함된 합금 강판은 자기 투과율이 낮아져 가열효율이 떨어지게 된다.

도 1은 솔레노이드형 유도가열 방식에 의해 일반 강으로 형성된 강판(1)의 주변을 코일(2)로 감아 가열하는 상태를 도시한 것이다. 이때, 강판(1)의 단면적에 자속(3)이 집중되는 것을 알 수 있고, 가열효율이 높아지게 된다.

반면, 도 2는 동일한 방식으로 고온(약 800℃ 이상) 혹은 비자성인 강판(1)의 주변을 코일(2)로 감아 가열하는 상태를 도시한 것이다. 이때, 강판(1)의 단면적에 자속(3)이 집중되지 못하고 분산되는 것을 알 수 있고, 가열효율이 낮아지게 된다.

이와 같이 강판의 단면적에 대한 자속 집적이 낮으면 유도가열 효율이 낮아질 뿐만 아니라, 강판 전체에 걸친 온도편차를 유발하기 때문에 전체적인 품질이 저하되는 문제가 있다.

KR 10-0933903 B1 (2009.12.17)

본 발명은 소재의 큐리온도 이상의 온도에서 소재를 균일하게 가열하는 것을 일 목적으로 한다.

또한, 자성이 없는 소재를 가열할 때 발생하는 온도편차를 억제하는 것을 일 목적으로 한다.

또한, 가열된 소재가 단면적 전체에 걸쳐 균일한 온도를 갖도록 하는 것을 일 목적으로 한다.

본 발명은 유도 가열 장치 및 방법에 관한 것이다.

먼저, 본 발명에 따른 유도 가열 장치는 대상물의 가열면에 구비되고, 상기 대상물의 폭방향으로 연장되는 코일;과, 상기 대상물의 폭방향으로의 너비가 서로 다르게 구비되며, 상기 코일에 대면하도록 상기 코일을 따라 배치되는 복수개의 코어; 및 상기 코어에 일대일 대응되게 구비되어 상기 코어에 연결되고, 상기 코어를 상기 코일에 대하여 개별적으로 이동시키는 코어조절유닛;을 포함하되, 상기 코어는, 상기 대상물의 가장자리에 대면하는 제1,2 상부코어; 및 상기 대상물의 중심에 대면하는 제3 상부코어;를 포함하고, 제1,2,3 상부코어 중, 상기 제3 상부코어의 너비가 가장 넓게 제공될 수 있다.

바람직하게, 상기 대상물의 가열면에 마주보게 구비되되, 상기 코일, 상기 코어 및 상기 코어조절유닛을 지지하는 지지프레임;을 더 포함할 수 있다.

보다 바람직하게, 상기 코어조절유닛은, 상기 지지프레임에 구비되는 구동부재; 및 상기 구동부재와 상기 코어에 연결되는 구동바;를 포함하되, 상기 구동부재는, 상기 코어를 이동시켜 상기 코어와 상기 대상물 간의 간격을 조절할 수 있다.

보다 바람직하게, 상기 코어는, 상기 코일을 수용하는 적어도 하나의 코일수용홈;을 포함할 수 있다.

한편 다른 측면으로서의 본 발명은 대상물의 가열면 상에 놓인 코일과, 상기 코일을 감싸는 코어를 이용하여 대상물을 가열하는 방법으로, 상기 대상물의 폭방향으로 서로 다른 너비를 가지는 복수개의 코어를 개별적으로 이동시켜 상기 코어와 상기 대상물 간의 간격을 조절하는 코어조절단계;를 포함하는 유도 가열 방법을 제공한다.

바람직하게, 상기 코어조절단계는, 상기 코어를 개별적으로 이동시키되, 상기 대상물의 가장 고온인 영역에 대면하는 코어를 상기 대상물로부터 가장 멀리 이격시킬 수 있다.

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본 발명에 따르면 소재의 큐리온도 이상의 온도에서 소재를 균일하게 가열할 수 있고, 자성이 없는 소재를 온도편차 없이 효율적으로 가열할 수 있다.

또한, 가열된 소재의 단면적이 균일한 온도를 가질 수 있다.

도 1은 일반 강으로 형성된 강판의 유도가열 개념을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 비자성인 강으로 형성된 강판의 유도가열 개념을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 유도 가열 장치의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 유도 가열 장치의 부분 단면을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 유도 가열 장치의 코어이동유닛의 부분 단면을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 유도 가열 장치의 작동상태도이다.
도 7은 본 발명에 따른 유도 가열 장치에 의해 가열된 소재의 폭방향 온도분포이다.
도 8은 본 발명에 따른 유도 가열 방법의 개념도이다.

본 발명의 실시예에 관한 설명의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 동일한 부호로 기재된 요소는 동일한 요소이고, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.

또한, 본 발명의 요지를 명확히 하기 위하여 종래의 기술에 의해 익히 알려진 요소와 기술에 대한 설명은 생략하며, 이하에서는, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하도록 한다.

다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 당업자에 의해 특정 구성요소가 추가, 변경, 삭제된 다른 형태로도 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명과 동일한 사상의 범위 내에 포함됨을 밝혀 둔다.

이하에서 설명하는 대상물은 큐리온도 이상의 소재, 자성이 없는 소재, 자성이 미미한 소재 중 적어도 하나에 해당하는 소재일 수 있고, 이러한 경우 소재의 더욱 효율적인 가열이 가능하다. 그러나, 이외의 소재도 본원발명에 의해 가열될 수 있음은 물론이다.

먼저, 도 3에서 보이듯이, 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 유도 가열 장치(100)는 대상물(10)의 가열면에 구비되는 코일(110) 및 상기 코일에 대응되도록 상기 대상물(10)의 폭방향으로 배치되고, 자속을 발생하는 적어도 하나의 코어(120)를 포함할 수 있다.

코일을 대상물의 폭방향으로 배치하여 가열하는 방법을 TFIH(Transverse Flux Induction Heater) 또는 TF(Transverse Flux, 횡방향 플럭스) 방법이라고 한다.

이 방법은 AC 전원(미도시)에 연결된 코일이 대상물의 상부와 하부에 배치되어 각각 상부코일(111)과 하부코일(112)로 형성되며, 각각의 코일에 대응되도록 상부코어(121)와 하부코어(122)를 구비한다. 바람직하게, 코일(110)은 코어(120)의 코일수용홈(123) 내부에 배치될 수 있다.

코일(110)에 대한 AC 전원이 켜지면 플러스가 코어(120) 사이에 배치된 대상물(10)을 두께방향으로 관통하여 유도 전류를 생성함으로써 대상물(10)을 가열할 수 있다.

그런데 이와 같은 방법은 유도 전류가 대상물(10)의 측면 단부 영역에 집중되며, 이와 동시에 단부 영역 근처의 전류 밀도가 저하됨으로써, 가열 후 대상물의 불균일한 온도 분포를 일으키기 쉽다.

따라서, 대상물(10)이 가열되는 정도가 다르게 되며, 대상물(10)의 에지(edge) 안쪽부분에서 파워드롭(Power-drop)이 나타나고, 에지부위가 지나치게 가열되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서는 코어(120)를 대상물(10)의 폭방향으로 분할함으로써, 대상물(10)의 폭방향 온도편차에 따라 적합한 가열을 수행할 수 있도록 한다. 보다 구체적으로는, 코어(120)와 코일(110) 사이에 형성되는 간격을 조절함으로써, 대상물(10)의 단면적에 대한 자속 집적을 조절하여 대상물(10)의 온도를 조절할 수 있도록 한다.

즉, 코일(110)과 코어(120)의 간격을 조절하여 자속 집적도 또는 자속밀도를 조절할 수 있도록 함으로써 대상물(10)의 가열온도를 조절하는 원리이다.

이와 같이 코어(120)를 대상물(10)의 복방향으로 복수개로 분할하면 대상물(10)의 폭이 변하더라도 각각의 코어(120)를 개별적으로 제어할 수 있기 때문에 대상물(10)의 폭에 최적화된 유도가열을 수행할 수 있다.

이때, 도 4에서 보이듯이, 상,하부코일(111,112)에 대응되는 상,하부코어(121,122)는 대상물(10)의 폭방향으로 서로 다른 너비를 가지도록 구비될 수 있다.

즉, 상,하부코어(121,122)는 각각 제1,2,3 상부코어(121a,121b,121c)로 구비될 수 있고, 제1,2,3 하부코어(122a,122b,122c)로 구비될 수 있다. 이때, 제1,2,3 상부코어(121a,121b,121c)의 너비는 서로 다르게 구비될 수 있고, 제1,2,3 하부코어(122a,122b,122c)의 너비도 서로 다르게 구비될 수 있다.

바람직하게는, 대상물(10)의 중심(C) 부분은 상대적으로 온도편차가 잘 일어나지 않는 영역이기 때문에 중심(C) 부분에 대면하는 제3 상부코어(121c) 및 제3 하부코어(122c)의 너비를 가장 넓게 하고, 대상물(10)의 가장자리 영역에 존재하는 제1,2 상부코어(121a,121b) 및 제1,2 하부코어(122a,122b)의 너비를 가장 좁게할 수 있다.

코어의 너비가 좁아질수록 대상물(10)의 폭방향으로 더욱 미세한 제어가 가능하기 때문에 제3 상부코어(121c) 및 제3 하부코어(122c)에 비해 제1,2 상부코어(121a,121b) 및 제1,2 하부코어(122a,122b)의 너비를 좁게 하면 온도편차가 가장 심한 대상물(10)의 가장자리 부분을 더욱 세밀하게 제어할 수 있게 된다.

따라서, 대상물(10)의 가장자리 부분에 발생하는 온도편차를 억제할 수 있는 효과가 있다. 이에 따라, 대상물(10)을 폭방향 또는 단면적 전체에 걸쳐 균일한 온도를 가지도록 할 수 있다.

한편, 자속은 대상물(10)의 수직 방향으로 발생하기 때문에 본 발명에서는 코어(도 3의 120)를 대상물(10)의 가열면에 대하여 수직방향으로 이동할 수 있도록 한다.

즉, 본 발명의 바람직한 일 실시 예에서는 도 5에서 보이듯이, 상기 코어에 일대일 대응되게 구비되어 상기 코어를 상기 대상물에 대하여 수직방향으로 이동시키는 코어조절유닛(130)을 제공한다.

이때, 도 3에서 보이듯이, 대상물(10)의 상면과 하면에는 각각 상부지지프레임(141)과 하부지지프레임(142)으로 구비되는 지지프레임(140)이 제공될 수 있다.

지지프레임(140)은 각각 코일(110)과 코어(120)를 수용하며, 이들을 지지하는 역할을 한다.

다시, 도 5를 참조로하여 상부지지프레임(141)을 예로 들어 설명을 이어가면, 상기 코어조절유닛(130)은, 상부지지프레임(141)에 구비되는 구동부재(131) 및 상기 구동부재(131)와 상부코어(121)에 연결되는 구동바(132)를 포함할 수 있다.

이때 바람직하게, 구동부재(131)는 몸체(131a)가 상부지지프레임(141)에 구비되고, 피스톤로드(131b)가 구동바(132)에 연결되는 실린더부재일 수 있다. 이때, 실린더부재 이외에도 상기 구동부재는 다른 적절한 구동수단으로 대체될 수 있으며 이는 반드시 본 발명에 의해 한정되는 것이 아니다.

실린더부재는 유압에 의해 구동할 수 있으며, 피스톤로드(131b)는 대상물(10) 방향으로 그 길이가 신장되거나 또는 대상물(10) 반대방향으로 그 길이가 수축되도록 놓일 수 있다.

따라서, 구동부재(131)에 의하여 상부코어(121)가 대상물(10)의 상면으로부터 멀어져 상부코일(111)로부터 멀어지거나, 상부코어(121)가 대상물(10) 상면 방향으로 가까워져 상부코일(111)에 가까워질 수 있다.

그리고, 구동부재(131)는 제어수단(미도시)에 전기적으로 연결되어 제어수단(미도시)에 의해 그 동작이 제어될 수 있다.

이와 같은 사항은 하부코어(122)에도 동일하게 적용될 수 있다.

도 6에는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 유도 가열 장치(100)의 작동상태가 도시되어 있다.

대상물(10)의 가장자리부는 과하게 가열되기 쉬우므로, 과하게 가열되기 쉬운 대상물(10)의 가장자리 부분에 배치되는 제1,2 상부코어(121a,121b) 및 제1,2 하부코어(122a,122b)를 각각 상부코일(111)과 하부코일(112)로부터 가장 멀리 이격시켜 자속 집적을 낮게 하여 자속 밀도를 낮게함으로써, 중심(C) 부분에 비해 덜 가열되게 하여 온도편차를 방지할 수 있다.

이를 위해 대상물(10)의 온도를 측정하는 온도측정수단(미도시)이 별도로 구비될 수 있고, 이 온도측정수단(미도시)도 제어수단(미도시)에 전기적으로 연결될 수 있다. 그러면, 제어수단(미도시)을 통해 대상물(10)의 온도에 따라 구동부재(131)의 동작을 제어함으로써 대상물(10)을 전체적으로 균일하게 가열할 수 있다.

이와 같이 구비되는 본 발명에 따른 유도 가열 장치에 의해 가열된 대상물은 도 7에서 보이는 것과 같은 온도분포를 보이며, 대상물의 폭방향 전체에 걸쳐 편차가 크지 않고, 균일한 온도를 띄게 된다.

한편, 도 8에서 보이듯이, 다른 측면으로서의 본 발명은 대상물의 가열면 상에 놓인 코일과, 상기 코일을 감싸는 코어를 이용하여 대상물을 가열하는 방법으로, 상기 대상물의 폭방향으로 서로 다른 너비를 가지는 복수개의 코어를 개별적으로 이동시켜 상기 코어와 상기 대상물 간의 간격을 조절하는 코어조절단계(S210)를 포함하는 유도 가열 방법을 제공한다.

이때, 상기 코어조절단계(S210)는 상기 코어를 개별적으로 이동시키되, 상기 대상물의 가장 고온인 영역에 대면하는 코어를 상기 대상물로부터 가장 멀리 이격시킬 수 있다. 이와 같은 단계는 상기 제어수단(미도시)에 의해 수행될 수 있다.

이상에서 설명한 사항은 본 발명의 일 실시예에 관하여 설명한 것이며, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

1 : 강판 2 : 코일
3 : 자속 10 : 대상물
110 : 코일 111 : 상부코일
112 : 하부코일 120 : 코어
121 : 상부코어 122 : 하부코어
123 : 코일수용홈 130 : 코일조절유닛
131 : 구동부재 132 : 구동바
140 : 지지프레임

Claims

대상물의 가열면에 구비되고, 상기 대상물의 폭방향으로 연장되는 코일;
상기 대상물의 폭방향으로의 너비가 서로 다르게 구비되며, 상기 코일에 대면하도록 상기 코일을 따라 배치되는 복수개의 코어; 및
상기 코어에 일대일 대응되게 구비되어 상기 코어에 연결되고, 상기 코어를 상기 코일에 대하여 개별적으로 이동시키는 코어조절유닛;을 포함하되,
상기 코어는,
상기 대상물의 가장자리에 대면하는 제1,2 상부코어; 및
상기 대상물의 중심에 대면하는 제3 상부코어;를 포함하고,
제1,2,3 상부코어 중, 상기 제3 상부코어의 너비가 가장 넓게 제공되는 유도 가열 장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 대상물의 가열면에 마주보게 구비되되, 상기 코일, 상기 코어 및 상기 코어조절유닛을 지지하는 지지프레임;
을 더 포함하는 유도 가열 장치.
제4항에 있어서,
상기 코어조절유닛은,
상기 지지프레임에 구비되는 구동부재; 및
상기 구동부재와 상기 코어에 연결되는 구동바;를 포함하되,
상기 구동부재는, 상기 코어를 이동시켜 상기 코어와 상기 대상물 간의 간격을 조절하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
제5항에 있어서,
상기 코어는,
상기 코일을 수용하는 적어도 하나의 코일수용홈;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
대상물의 가열면 상에 놓인 코일과, 상기 코일을 감싸는 코어를 이용하여 대상물을 가열하는 방법으로,
상기 대상물의 폭방향으로 서로 다른 너비를 가지는 복수개의 코어를 개별적으로 이동시켜 상기 코어와 상기 대상물 간의 간격을 조절하는 코어조절단계;를 포함하되,
복수개의 상기 코어는 상기 대상물의 중심부에 대면하는 코어의 너비가 가장 넓은 유도 가열 방법.
제7항에 있어서,
상기 코어조절단계는,
상기 코어를 개별적으로 이동시키되, 상기 대상물의 가장 고온인 영역에 대면하는 코어를 상기 대상물로부터 가장 멀리 이격시키는 것을 특징으로 하는 유도 가열 방법.