KR101922688B1 - 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치 - Google Patents

초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가열 대상 제품을 중심으로 서로 대칭되게 위치하여 회전하며 자기장을 발생시켜 상기 가열 대상 제품을 가열하는 한 쌍의 초전도 자석; 상기 초전도 자석 사이에 위치한 상기 가열 대상 제품을 중심으로 서로 대칭되게 위치하면서 일부분이 상기 초전도 자석의 절개부 내를 관통하도록 구비되는 한 쌍의 회전형 철심; 상기 가열 대상 제품을 고정시키는 고정부; 및 상기 초전도 자석을 회전시키는 회전 구동부를 포함한다.

Description

초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치{DC INDUCTION HEATING APPARATUS CAPABLE OF ROTATING THE SUPERCONDCTING MAGNET}
본 발명은 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치에 관한 것으로서, 구체적으로 금속의 형상에 관계없이 초전도 자석을 회전시켜 가열 대상 제품을 가열하도록 하는 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치에 관한 것이다.
초전도체는 극저온에서 전기적 저항이 '0'(zero)이 되는 소자이다. 이는 기존의 구리(cu) 도체와 비교했을 때 고자장, 저손실, 그리고 소형화라는 이점을 제공하기 때문에, 이미 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.
초전도 자석은 이러한 초전도체를 이용하여 만든 자석이다. 초전도 자석은 MRI, NMR, 입자가속기, 자기분리장치 등에 사용되어 효율과 성능을 향상시킨다. 또한 전력 케이블과 초전도 변압기, 초전도 모터 등과 같이 산업 전반에 걸쳐 그 응용기술이 지속적으로 연구되고 있다. 응용분야 중의 하나로서 철강 산업분야에 적용되기도 한다. 철강 산업분야에서는 대용량 유도가열장치에 대한 연구 개발이 활발하다.
유도가열장치를 위한 가열방식은 교류(Alternating Current, AC) 유도 가열과 직류(Direct Current, DC) 유도 가열로 구분할 수 있다.
교류 유도 가열은 시변 자기장을 생성하기 위해 구리 자석에 교류 전류를 인가하는 방식이다. 하지만, 교류 유도 가열은 구리 자석을 사용하기 때문에 그 구리 자석의 저항에 의한 발열로 시스템 전체 에너지 효율이 50~60% 정도밖에 되지 않는다. 따라서 구리 자석 대신 초전도 자석을 사용하기도 한다. 이는 에너지 변환 효율을 향상시키기 위함이다.
그렇지만 통상 초전도 자석의 재료가 되는 초전도 선재는 교류 전류의 통전 하에서 자화 손실이 발생하는 단점이 있다. 이는 극저온 운전환경에서 초전도 상태를 유지하기 위한 냉각이 반드시 필요함을 의미하고, 그렇기 때문에 냉각장치의 설비 비용과 함께 운전비용이 증대되는 문제점을 안고 있다.
반면 직류 유도 가열은 초전도 자석에 직류 전류를 인가하여 균일한 자기장을 발생시키고 상기 자기장 내에서 제품을 모터로 강제 회전시켜 가열하는 방식이다. 이러한 직류 유도 가열은 직류 전류를 사용하여 초전도 자석의 열 손실을 발생시키지 않으면서도 유도 가열 장치의 전체 시스템 효율을 90% 이상 향상시킬 수 있다는 이점을 가진다. 또한 초전도 자석에서 발생하는 자기장의 제곱에 비례하여 에너지가 전달되기 때문에 가열 대상 제품에 대한 가열 시간을 단축할 수 있어 생산성이 더욱 향상되는 이점이 있다.
이에 유도 가열 장치는 직류 유도 가열 방식이 많이 적용되고 있으며, 아울러 직류 유도 가열 방식을 위한 초전도 자석으로서 레이스 트랙 타입의 초전도 자석이 많이 사용되고 있다.
이 초전도 자석의 재료로 사용되는 초전도 선재는 그 가격이 매우 비싸다. 그렇기 때문에 동일한 조건에서 초전도 선재를 더 적게 사용하더라도 원하는 용량을 제공할 수 있는 유도 가열 장치에 대한 수요가 증가하고 있다.
따라서, 가열 대상 제품의 외형 및 사이즈에 상관없이 그 가열 대상 제품을 가열할 수 있는 직류 유도 가열 장치를 제안하고자 한다.
한국 등록특허공보 제10-1468312호(2014.11.26.) 한국 등록특허공보 제10-1658727호(2016.09.12.)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 초전도 선재를 더 적게 사용하더라도 원하는 용량을 제공할 수 있는 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 가열 대상 제품의 외형 및 사이즈에 상관없이 그 가열 대상 제품을 가열할 수 있도록 하는 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 가열 대상 제품의 외형 및 사이즈에 상관없이 그 가열 대상 제품을 가열함으로써 압출, 단조 등의 다양한 산업 분야에 활용 가능한 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치는 가열 대상 제품을 중심으로 서로 대칭되게 위치하여 회전하며 자기장을 발생시켜 상기 가열 대상 제품을 가열하는 한 쌍의 초전도 자석; 상기 초전도 자석 사이에 위치한 상기 가열 대상 제품을 중심으로 서로 대칭되게 위치하면서 일부분이 상기 초전도 자석의 절개부 내를 관통하도록 구비되는 한 쌍의 회전형 철심; 상기 가열 대상 제품을 고정시키는 고정부; 및 상기 초전도 자석을 회전시키는 회전 구동부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 초전도 선재를 더 적게 사용하더라도 원하는 용량을 제공하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 가열 대상 제품의 외형 및 사이즈에 상관없이 그 가열 대상 제품을 가열하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 가열 대상 제품의 외형 및 사이즈에 상관없이 그 가열 대상 제품을 가열함으로써 압출, 단조 등의 다양한 산업 분야에 활용 가능하도록 할 수 있다.
도 1은 종래의 직류 유도 가열 장치를 나타내는 평면도,
도 2는 본 발명에 따른 직류 유도 가열 장치의 단면을 개략적으로 나타내는 도면,
도 3a는 본 발명에 따른 직류 유도 가열 장치를 정면에서 바라본 구성을 나타내는 도면,
도 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 직류 유도 가열 장치의 측면에서 바라본 구성을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 직류 유도 가열 장치가 적용된 제1 실시예를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 직류 유도 가열 장치가 적용된 제2 실시예를 나타내는 도면.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 종래의 직류 유도 가열 장치를 나타내는 평면도이다. 여기서 직류 유도 가열 장치(100)는 균일한 자장 내에서 가열하고자 하는 금속 제품인 가열 대상 제품(120)을 회전시켜 원하는 온도까지 가열한다.
종래의 직류 유도 가열 장치(100)는 한 쌍의 초전도 자석(110, 110'), 한 쌍의 이동형 철심(130, 130') 및 한 쌍의 극저온 냉각부(140, 140')를 포함하여 구성되며, 가열 대상 제품(120)이 한 쌍의 초전도 자석(110, 110') 사이에서 이격 거리(d)를 갖고 위치될 수 있도록 구성된다.
즉, 가열 대상 제품(120)을 중심에 두고 일측에는 제1 초전도 자석(110), 제1 이동형 철심(130) 및 제1 극저온 냉각부(140)가 구비되고, 타측에는 제2 초전도 자석(110'), 제2 이동형 철심(130') 및 제2 극저온 냉각부(140')가 구비된다.
여기서, 가열 대상 제품(120)은 일 측이 모터(150)의 모터 축과 연결되고, 균일한 자장 내에서 이 가열 대상 제품(120)이 모터(150)의 구동에 의해 일정 속도로 회전하면서 원하는 온도까지 가열되도록 한다.
본 발명에 따른 직류 유도 가열 장치는 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치이며, 가열 대상 제품을 고정시킨 상태에서 초전도 자석을 회전시켜 가열 대상 제품을 가열시킴으로써 가열 대상 제품의 외형 및 사이즈에 상관없이 가열할 수 있도록 한다. 이하에서 실시 예 및 도면을 통해 본 발명에 대해 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 설명의 편의를 위하여 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치를 직류 유도 가열 장치로 지칭하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 직류 유도 가열 장치의 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 직류 유도 가열 장치(200)는 한 쌍의 초전도 자석(210, 210'), 가열 대상 제품(220), 한 쌍의 회전형 철심(230, 230') 및 극저온 냉각부(240)를 포함한다.
먼저, 한 쌍의 초전도 자석(210, 210')는 회전하며 자기장을 발생시켜 가열 대상 제품을 가열한다. 제1 초전도 자석(210) 및 제2 초전도 자석(210')은 일정 이격 거리를 갖도록 위치된다. 이때, 초전도 자석(210)의 형상은 레이스 트랙 형상인 경우를 일 예로 도시한 것일 뿐, 이에 한정되지 않는다.
가열 대상 제품(220)은 제1 초전도 자석(210) 및 제2 초전도 자석(210') 사이에 위치한다. 가열 대상 제품(220)은 비 자성체로서 알루미늄, 구리 등이 될 수 있다. 이때, 가열 대상 제품(220)의 형상은 원통 형상인 경우를 일 예로 도시한 것일 뿐, 이에 한정되지 않는다.
한 쌍의 회전형 철심(230, 230')은 가열 대상 제품(220)을 중심으로 서로 대칭되도록 위치한다. 예를 들어, 제1 초전도 자석(210) 측에 제1 회전형 철심(230)이 위치하고, 제2 초전도 자석(210') 측에 제2 회전형 철심(230')이 위치할 수 있다. 이때, 제1 회전형 철심(230) 및 제2 회전형 철심(230')의 일부는 각각 제1 초전도 자석(210) 및 제2 초전도 자석(210')의 절개부(미도시)를 관통하여 위치된다.
극저온 냉각부(240)는 내부에는 한 쌍의 초전도 자석(210, 210')이 위치되며, 한 쌍의 초전도 자석(210, 210')의 초전도 성질을 유지하도록 하기 위해 극저온 냉동기 또는 냉매를 이용하여 극저온 환경을 유지시킨다. 이때, 외부의 열침입을 방지하기 위해 그 내부를 진공으로 유지한다. 또한, 극저온 냉각부(240)는 회전 가능하도록 설계되어 한 쌍의 초전도 자석(210, 210')과 함께 회전된다.
도 3a는 본 발명에 따른 직류 유도 가열 장치를 정면에서 바라본 구성을 나타내는 도면이고, 도 3b는 본 발명에 따른 직류 유도 가열 장치를 측면에서 바라본 구성을 나타내는 도면이다.
극저온 냉각부(350) 내부에 제1 초전도 자석(310) 및 제2 초전도 자석(310')가 위치하며, 제1 초전도 자석(310) 및 제2 초전도 자석(310')의 중심에는 가열 대상 제품(320)이 위치 될 수 있다.
제1 내부 회전형 철심(330) 및 제2 내부 회전형 철심(330')의 일부는 각각 제1 초전도 자석(310) 및 제2 초전도 자석(310')의 절개부(미도시)를 관통하여 위치된다. 이때, 제1 내부 회전형 철심(330) 및 제2 내부 회전형 철심(330')은 외부 회전형 철심(340) 내주면에 서로 대칭되도록 구비된다.
제1 초전도 자석(310), 제2 초전도 자석(310'), 제1 내부 회전형 철심(330), 제2 내부 회전형 철심(330') 및 외부 회전형 철심(340)이 동시에 회전하게 되고, 그 회전하는 자속에 의해 가열 대상 제품(320)의 내부에 유도 전류가 발생하게 됨에 따라 가열 대상 제품(320)이 가열된다.
여기서, 극저온 냉각부(350)는 극저온 냉동기 또는 냉매를 사용하여 회전 시에도 극저온 환경을 유지하도록 하며, 외부의 열 침입을 방지하기 위해 그 내부는 진공으로 유지한다.
한편, 가열 대상 제품(320)은 고정부(미도시)에 의해 고정된다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 직류 유도 가열 장치가 적용된 두 가지 실시예를 설명한다. 이때, 앞서 설명한 도면과 중복되는 구성요소에 대해서는 그 설명을 생략한다.
도 4는 본 발명에 따른 직류 유도 가열 장치가 적용된 제1 실시예를 나타내는 도면으로, 직류 유도 가열 장치가 모터에 의해 회전하는 경우를 도시한 것이다.
직류 유도 가열 장치와 모터(420)는 커플링(410)에 의해 결합되며, 직류 유도 가열 장치를 구성하는 제1 초전도 자석(310), 제2 초전도 자석(310'), 제1 내부 회전형 철심(330), 제2 내부 회전형 철심(330') 및 외부 회전형 철심(340)은 모터(420)에 의해 회전한다. 그 회전 속도는 모터의 구동 속도에 의해 결정되며, 목표하는 회전 토크를 얻기 위해서 자기장의 세기가 제어된다.
도 5는 본 발명에 따른 직류 유도 가열 장치가 적용된 제2 실시예를 나타내는 도면으로, 직류 유도 가열 장치가 모터 없이 외부에 회전 자계를 발생시키는 전기자 코일에 의해 회전하는 경우를 도시한 것이다.
구체적으로, 직류 유도 가열 장치의 외부를 둘러싸도록 전기자 외함(510)이 구성되고, 그 전기자 외함(510)의 내주면에는 복수 개의 전기자 철심(520)이 일정 간격으로 구비된다. 이때, 복수 개의 전기자 철심(520)에는 전기자 코일(530)이 각각 권선된다.
전기자 코일(530)의 각 마주보는 상에 동일한 방향의 전류를 흘려주면, 권선 방향이 반대인 마주보는 두 상은 반대 방향의 극을 띄게 된다. 그러면 N극과 S극이 형성된 초전도 자석(210, 210')은 회전하여 두 극과 마주하게 된다. 이때, 전기자 코일(530)의 다른 마주보는 극에 순차적으로 전류를 흘려주면 초전도 자석이 회전하면서 중심에 고정되어 있는 가열 대상 제품(220)이 가열된다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다.
따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 직류 유도 가열 장치
110: 제1 초전도 자석
110': 제2 초전도 자석
120: 가열 대상 제품
130: 제1 이동형 철심
130': 제2 이동형 철심
140: 제1 극저온 냉각부
140': 제1 극저온 냉각부
150: 모터
200: 직류 유도 가열 장치
210: 제1 초전도 자석
210': 제2 초전도 자석
220: 가열 대상 제품
230: 제1 회전형 철심
230': 제2 회전형 철심
240: 극저온 냉각부
310: 제1 초전도 자석
310': 제2 초전도 자석
320: 가열 대상 제품
330: 제1 내부 회전형 철심
330': 제2 내부 회전형 철심
340: 외부 회전형 철심
350: 극저온 냉각부
410: 커플링
420: 모터
510: 전기자 외함
520: 전기자 철심
530: 전기자 코일

Claims (10)

  1. 가열 대상 제품을 중심으로 서로 대칭되게 위치하여 회전하며 자기장을 발생시켜 상기 가열 대상 제품을 가열하고, 각각이 레이스 트랙 형상인 한 쌍의 초전도 자석;
    상기 초전도 자석 사이에 위치한 상기 가열 대상 제품을 중심으로 서로 대칭되게 위치하면서 일부분이 상기 초전도 자석의 절개부 내를 관통하도록 구비되는 한 쌍의 회전형 철심;
    상기 한쌍의 초전도 자석과 상기 한쌍의 회전형 철심의 외부를 둘러싸는 외부 회전형 철심;
    상기 가열 대상 제품을 고정시키는 고정부; 및
    상기 한 쌍의 초전도 자석, 상기 한 쌍의 회전형 철심 및 상기 외부 회전형 철심을 동시에 회전시키는 회전 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 회전형 철심은,
    상기 외부 회전형 철심의 내주면에 상호 대칭되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 초전도 자석은,
    극저온 냉동기 또는 냉매를 사용하여 극저온 환경을 유지하도록 하는 극저온 냉각부의 내부에 위치되는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 극저온 냉각부는,
    내부가 진공으로 유지되는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 극저온 냉각부는,
    상기 초전도 자석과 함께 상기 회전 구동부에 의해 회전되는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 회전 구동부는,
    모터에 의해 상기 초전도 자석을 회전시키는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 회전 구동부는,
    상기 모터의 구동 속도를 조절하여 상기 초전도 자석의 회전 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 회전 구동부는,
    전기자 코일에 의해 발생되는 회전 자계를 이용하여 상기 초전도 자석을 회전시키는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 회전 구동부는,
    전기자 외함;
    상기 전기자 외함의 내주면에 일정 간격으로 구비되는 복수 개의 전기자 철심; 및
    상기 복수 개의 전기자 철심에 각각 권선되는 전기자 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 회전형 직류 유도 가열 장치.
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