KR102031815B1 - 소오크 시간 자동보정 및 가열이상 자가진단 기능을 구비한 산업용 온도제어장치 및 그 방법 - Google Patents

소오크 시간 자동보정 및 가열이상 자가진단 기능을 구비한 산업용 온도제어장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

산업용 온도제어장치 및 그 방법이 개시된다. 본 산업용 온도제어 장치는 피가열체가 수용되도록 마련되는 챔버; 상기 챔버의 내부가 가열되도록 열에너지를 투입하는 히터; 상기 챔버의 내부 온도를 측정하도록 마련되는 온도센서; 및 상기 투입되는 열에너지의 변화를 감지하며, 상기 열에너지의 변화량를 기반으로 소오크 시간을 조절하도록 마련되는 제어부;를 포함한다. 이에 의해, 챔버 내 허용온도차를 반영하여 중심부의 열평형시점 이전의 균열시점을 판단하고 소오크(soak) 시간이 보정될 수 있고, 허용온도 한계 도달 시점에서 단위 시간당 투입 열에너지 변화량이 가장 작은 Full load 상태를 기준으로 균열시점을 설정함으로써, partial load 상태에 적용하더라도 내부 온도가 허용 상/하한 범위 내 들어오게 되므로 피가열체 수용량에 관계없이 적용 가능한 산업용 온도제어장치 및 그 방법을 제공할 수 있게 된다.

Description

소오크 시간 자동보정 및 가열이상 자가진단 기능을 구비한 산업용 온도제어장치 및 그 방법{Temperature control apparatus and method for the industrial heater having auto-correction of soak time and self-diagnosis of abnormal heating function}
본 발명은 소오크 시간 자동보정 및 가열이상 자가진단 기능을 구비한 산업용 온도제어장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산업용 가열장치의 소오크 시간을 줄여, 사이클 타임을 단축함으로써 생산성을 향상시키고 낭비되는 열에너지를 감소시키며, 가열장치의 동작으로 발생하는 이산화탄소 배출을 감소시키는 산업용 온도제어장치 및 그 방법에 관한 것이다.
각종 산업용 로, 표면처리설비, 식품가공설비 및 조리 기구 등(이하에서 '가열장치'라 함)을 이용한 가열 처리 공정에는 피가열체를 승온 또는 강온하여 피가열체가 일정한 온도에 도달하게 하는 램프(ramp) 단계와, 일정한 온도에서 어느 시간 동안 유지하는 소오크(soak) 단계의 조합으로 이루어진다. 현대에 상용화된 각종 가열장치는 그 제어 기술이 크게 발전되어 조절되는 온도 정도가 매우 우수한 편이다.
다만, 산업용 온도제어장치는, 챔버 내 공간의 제약으로 인해 가열장치인 히터가 외곽에 설치되고, 따라서 챔버 중심부는 주변부에 비하여 열평형 도달 시간이 더 소요된다.
또한, 필요에 의해 피가열체가 일부만 수용되는 경우, 예를 들어 1톤 용량에 300kg 또는 500kg 만 수용하게 되는 경우, 1톤 기준으로 소오크 시간을 설정하면 낭비되는 시간이 발생하게 되며, 에너지와 배출 가스도 증가하게 될 수 있다.
여기서 상기 소오크 시간은, 다시 말하자면, 제어 온도센서(control temperature sensor)의 지시값이 설정값에 도달된 후 피가열체가 그 온도에서 유지되는 시간은 열전달이 가장 늦은 중심부 등이 설정온도에 이르는데 필요한 균열(temperature equalization) 시간과 필요시 균열 이후 반응을 위한 추가 시간의 합을 의미한다. 더불어 소오크 단계에서의 낭비는 피가열체의 수용량에 따라 달라지는 균열시간(시점)을 실시간으로 편리하게 측정할 수 없어서, 통상 가열장치의 공칭용량 기준으로 과다한 시간이 설정되기 때문에 발생된다.
이를 해결하기 위해, 종래에는 중심부에서 감지되는 온도에 따른 열에너지 공급량을 모니터링하여 열평형 시점을 측정하고 소오크 시간(soak time)을 단축할 수 있는 기술이 개발되었다.
이와 관련하여, 한국등록특허공보 제10-0931783호 (발명의 명칭: 균열소요시간 측정기능을 구비하는 가열장치 및 그 제어 방법)에서는, 균열 소요시간을 투입되는 에너지에 의하여 결정할 수 있으므로 장입 조건에 관계없이 정확하게 균열소요시간을 결정하는 것이 가능하여 에너지의 낭비를 방지할 수 있으며, 가열 시간이 단축되어 생산성이 향상되며, 일부 피가열체가 필요 이상으로 장시간 가열되는 것을 방지할 수 있는 균열시점 측정기능을 구비하는 가열장치 및 그 제어방법을 개시하고 있다.
다만, 공정실제에서는 설정온도 대비 상/하한 범위의 온도차를 허용하며, 주변부와 중심부의 허용온도차가 큰 철강 가열로 같은 경우, 중심부 온도가 Lower spec. limit에만 도달하면 되기 때문에, 소오크 시간을 열평형 상태, 즉 완전균열(perfect temperature equalization)에 도달되는 시간으로 하면 기존 공정의 소오크 시간보다도 길어질 수 있다. 따라서, 가열 공정에서 소오크 시간을 보다 효율적으로 단축시키기 위해, 허용온도차를 반영한 균열시점 판단을 위한 승온(ramp-up) 후 소오크 단계에서 Lower spec. limit 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량의 연산또는 강온(ramp-down) 후 소오크 단계에서 Upper spec. limit 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량의 연산이 요구된다. 또한, 히터나 가열실의 단열, 온도센서에 이상이 발생한 경우, 이를 자동 진단할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
대한민국등록특허 제10-0931783호 (발명의 명칭: 균열소요시간 측정기능을 구비하는 가열장치 및 그 제어 방법)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 피가열체의 Full Load 상태에서, 소오크 단계의 허용온도 한계(lower spec. limit 또는 upper spec. limit)에 도달한 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 기준으로 균열시점을 판정하고 소오크 시간을 보정함으로써, 소오크 시간을 보다 더 단축시키는 산업용 온도제어장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 온도제어장치는, 피가열체가 수용되도록 마련되는 챔버; 상기 챔버의 내부가 가열되도록 열에너지를 투입하는 히터; 상기 챔버의 내부 온도를 측정하도록 마련되는 온도센서; 및 상기 투입되는 열에너지의 변화를 감지하며, 상기 열에너지의 변화량을 기반으로 소오크 시간을 조절하도록 마련되는 제어부;를 포함한다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 내부 온도를 감지하여 상기 투입되는 열에너지을 조절하되, 상기 챔버 내 중심부와 주변부의 허용온도차가 존재하는 경우, 상기 중심부의 온도가 최소허용온도에 도달하는 도달 시점을 감지하고, 상기 도달 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 기준으로 상기 소오크 시간을 설정할 수 있다.
그리고 상기 제어부는, 상기 챔버 내에 수용가능한 최대량의 상기 피가열체가 수용된 상태를 기준으로 상기 소오크 시간을 설정하고, 상기 피가열체가 상기 챔버 내에 적어도 일부 수용되면, 투입되는 열에너지의 변화를 감지하여 상기 기준이 되는 단위 시간당 투입 열에너지 변화량에 도달하는 경우, 상기 소오크 시간에 도달한 것으로 판단하고, 상기 소오크 시간 이후에는 상기 챔버 내 온도가 일정하게 유지되도록 상기 히터를 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 피가열체의 일부 수용 상태에서 상기 피가열체의 수용량과 최소허용온도 도달 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 저장하고, 기저장되는 수용량과 동일한 용량의 가열체가 상기 챔버에 수용되는 경우, 상기 저장되는 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 기준으로 소오크 시간을 설정할 수 있다.
그리고 상기 제어부는, 시간별 열에너지 공급량의 허용범위가 설정되도록 마련되고, 상기 시간별 열에너지 공급량이 기설정되는 허용범위를 벗어나는 경우, 관리자가 인지하도록 경고 메시지를 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 투입되는 열에너지를 데이터베이스화하여 저장하고, 저장되는 데이터를 기반으로 시간별 열에너지 공급량의 허용범위를 설정할 수 있다.
그리고 상기 제어부는, 상기 피가열체가 동일한 용량이 수용되는 경우들의 상기 시간별 열에너지 공급량 데이터의 평균값을 기준으로 하여, 상기 평균값으로부터 기설정된 오차를 벗어나는 경우, 상기 경고 메시지를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 온도제어방법은, 챔버 내에 수용가능한 최대량의 피가열체가 수용되는 단계; 히터가 상기 챔버의 내부가 가열되도록 열에너지를 투입하는 단계; 제어부가 온도 센서를 통해 내부 온도를 감지하여 투입되는 열에너지를 조절하되, 상기 챔버의 중심부 온도가 최소허용온도에 도달하면, 상기 제어부가 상기 최소허용온도 도달 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 저장하여 소오크 시간의 기준이 되도록 하는 단계; 기준 설정을 위한 가열이 종료되고, 상기 챔버가 상온의 초기 상태로 되돌아가는 단계; 상기 피가열체가 상기 챔버 내 적어도 일부 수용되는 단계; 상기 히터가 상기 챔버의 내부가 가열되도록 열에너지를 재투입하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 재투입되는 열에너지의 변화량을 감지하여 상기 기준이 되는 단위 시간당 투입 열에너지 변화량에 도달하는 경우, 상기 소오크 시간에 도달한 것으로 판단하고, 상기 소오크 시간 이후에는 상기 챔버 내 온도가 일정하게 유지되도록 상기 히터를 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
이에 의해, 중심부의 열평형시점 이전의 허용온도차를 반영한 균열시점을 기준으로 소오크(soak) 시간이 보정될 수 있고, 최소허용온도 시점에서 단위 시간당 투입 열에너지 변화량이 가장 작은 Full load 상태를 기준으로 균열시점을 판정하고 소오크 시간을 보정함으로써, partial load 상태에 적용하더라도 판정된 균열시점에서의 내부 온도가 lower spec. limit을 초과하게 되므로 피가열체 수용량에 관계없이 적용 가능한 산업용 온도제어장치 및 그 방법을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 온도제어장치를 설명하기 위해 제공되는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 온도제어장치 승온(ramp-up) 이 후 소오크 단계의 균열시점 측정을 설명하기 위해 제공되는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 온도제어장치 강온(ramp-down) 이후 소오크 단계의 균열시점 측정을 설명하기 위해 제공되는 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 온도제어장치의 열에너지 공급량의 허용범위를 설명하기 위해 제공되는 도면, 그리고
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 온도제어방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다. 이하에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 본 발명의 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 온도제어장치를 설명하기 위해 제공되는 도면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 온도제어장치 승온(ramp-up) 이후 소오크 단계의 균열시점 측정을 설명하기 위해 제공되는 도면, 그리고 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 산업용 온도제어장치 강온(ramp-down) 이후 소오크 단계의 균열시점 측정을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
본 산업용 온도제어장치는, 피가열체의 최대량 수용(Full load) 상태에서, 최소허용온도(lower spec. limit)에 도달한 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 기준으로 균열시점을 설정함으로써, 소오크 시간을 보다 더 단축시키기 위해 마련된다.
이를 위해 산업용 온도제어장치는, 챔버(100), 히터(200), 온도센서(300) 및 제어부(400)를 포함하도록 구성된다.
챔버(100)는 피가열체(p)가 수용되도록 하기 위해 마련되며, 산업용 열처리를 위해 부품 등을 가열할 수 있도록 밀폐되어 있는 로를 말한다. 챔버(100) 내에는 필요에 따라 피가열체(p)가 최대량 수용 상태(Full load)가 될 수 있으며, 또는 일부 수용 상태(Partial load)가 될 수도 있다. 첨언하면, 챔버(100) 내부에는 피가열체(p)를 적재하기 위한 적재대(S)가 구비될 수 있다.
히터(200)는 챔버(100)의 내부에 열에너지를 투입하여 챔버(100)의 내부 온도를 증가시키기 위해 마련된다. 히터(200)를 통해, 챔버(100)의 내부온도가 설정온도(SV, set value)에 도달할 때까지 상승할 수 있다.
설정온도는 피가열체(p)의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 사용자에 의해 입력되어 설정될 수 있다. 히터(200)를 통해, 피가열체(p)의 온도가 설정온도까지 상승할 수 있고, 설정온도에서 피가열체(p)는 열처리 될 수 있다.
설정온도에 도달하면, 히터(200)는 내부온도가 일정하게 유지되도록 제어부(400)에 의해 제어될 수 있다. 그리고 열처리를 위해 피가열체(p)에 요구되는 가열 유지시간, 즉, 소오크 시간이 종료되면 가열을 종료하고, 피가열체가 인출되거나 다음 단계의 승온 또는 강온 단계로 이행되는 것이 바람직하다. 제어부(400)와 관련하여서는 보다 구체적으로 후술하기로 한다.
그리고 히터(200)는, 챔버(100) 내 피가열체(p)의 수용공간의 확보를 위해, 챔버(100) 내 측면 또는 외곽에 위치할 수 있다. 따라서, 챔버(100)의 주변부에 위치하는 피가열체(p)는 설정온도에 먼저 도달할 수 있고, 중앙부의 피가열체(p)는 열에너지 전달 지연에 따라 설정온도에 뒤늦게 도달하게 된다.
온도센서(300)는 챔버(100)의 내부온도를 감지하기 위해 마련되며, 피가열체(p)의 외곽 주변에 위치할 수 있다. 감지되는 내부온도를 통해, 제어부(400)가 열에너지 투입량을 조절할 수 있게 된다.
제어부(400)는 산업용 온도제어장치의 전반을 제어하기 위해 마련된다.
예를 들면, 제어부(400)는 온도센서(300)에 의해 감지되는 내부온도에 따라, 히터(200)를 제어하여 열에너지 투입량을 조절하게 된다. 이를 통해, 제어부(400)는 설정온도까지 챔버(100)의 내부온도를 상승시켜 피가열체(p)가 열처리되도록 할 수 있다.
그리고 제어부(400)는 투입되는 열에너지의 변화를 감지하며, 변화하는 열에너지를 기반으로 균열시점을 판단하고 소오크 시간을 조절할 수 있다.
소오크 시간(soak time)이란, 챔버(100) 내 제어 온도센서(300)의 온도가 설정온도에 도달된 후 총 유지되는 시간을 의미하며, 상기 설정온도에 도달 후 피가열체(p) 전체가 균열상태에 이르는 시간과 균열 이후 반응을 위해 추가로 머무는 시간의 합을 의미하는 것이 바람직하다. 제어부(400)는 소오크 과정의 열평형상태에서는 챔버(100) 외벽의 단열 상태 등으로 발생하는 열손실 만큼만 열에너지가 투입되도록 하여, 온도가 일정하게 유지하도록 할 수 있다.
즉, 히터(200)는 온도 센서에서 측정된 온도에 따라 제어되며, 단위 시간당 투입 에너지가 변화하도록 제어될 수 있다. 온도 센서(300)에서 측정된 온도가 설정온도에 가깝게 상승하면 투입되는 단위 시간당 에너지가 감소하며, 열평형, 즉, 완전 균형에 도달하면 단위 시간당 에너지 투입량이 일정하게 유지된다.
다시 말하면, 제어부(400)는 단위 시간당 투입 에너지를 연산하여 내부온도가 일정하게 도달되는 균열시점을 판단하고, 필요할 경우, 이에 더하여 챔버 내 내부온도를 설정 온도에서 더 유지하는 시간을 거쳐 소오크 단계를 완료하는 것이 바람직하다.
다만, 공정 실제에서는, 챔버(100) 내 중심부와 주변부의 허용온도차가 인정되며, 철강 가열로와 같은 경우, 약 30도 정도의 큰 하한 허용온도차가 존재하게 되고, 이 경우, 중심부의 내부온도가 최소허용온도에만 도달하면 되기 때문에, 중심부 또한 설정온도까지 가열하면 불필요한 에너지를 낭비하게 되는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해, 제어부(400)는 내부 온도를 감지하여 투입되는 열에너지를 조절하되, 챔버(100) 내 중심부와 주변부의 허용온도차를 반영하여, 중심부의 온도가 최소허용온도(LSL, lower spec. limit)에 도달하는 도달 시점을 감지하고, 도달 시점의 단위 시간당 투입 에너지 변화량을 기준으로 하여 소오크 시간을 설정할 수 있다.
도 2를 참조하면, 가로축은 시간을 나타내며, 좌측 세로축은 온도센서(300)에 의하여 감지되는 챔버(100) 내의 온도 변화를 나타내며, 우측 세로축은 투입 열에너지 또는 그 조절신호(RS)를 나타낸다. t21은 일부 수용 상태에서 내부온도의 최소허용온도 도달 시점, t22는 일부 수용 상태에서 기준이 되는 균열에 도달한 시점, t23은 일부 수용 상태에서 내부온도의 설정온도 도달 시점, t24는 최대량 수용 상태에서 내부온도의 최소허용온도 도달 시점, 그리고 t25는 최대량 수용 상태에서 내부온도의 설정온도 도달 시점을 말한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 최대량 수용 상태에서의 내부온도(Temperature at center with Full Load)는 t25 시점에서 설정온도(set value)에 도달하게 된다. 다만, 중심부의 내부온도가 최소허용온도(lower spec. limit)에만 도달하면 되기 때문에, 최소허용온도에 도달한 t24 시점의 단위 시간당 투입 에너지 변화량(α2)을 기준으로 균열시점을 설정할 수 있다. 그리고 필요할 경우, t24 시점부터는 제어부(400)가 챔버(100) 내 온도가 허용온도 범위 내로 더 유지되도록 히터(200)를 제어할 수도 있다.
따라서, 중심부와 주변부의 허용온도차가 큰 철강 가열로와 같은 경우, 허용 범위 내 온도로 가열에 필요한 소오크 완료 시점을 t25 시점에서 t24 시점으로 단축할 수 있게 된다.
한편, 피가열체의 일부 수용 상태(Partial load)에서는 최대량 수용 상태(Full load)와 비교하여 내부온도가 설정온도에 보다 빠르게 도달할 수 있고, 그에 따른 열에너지 투입량은 보다 빠르게 낮아지게 되며, 소오크 과정을 유지하는데 필요한 열에너지도 감소할 수 있다.
일부 수용 상태에 대비하여, 피가열체의 수용량에 따라 기준이 되는 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 각각 설정하는 것은 번거로운 일이므로, 기준값을 설정하여 최대량 수용 상태(Full load)와 일부 수용 상태(Partial load) 모두에 적용하게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 최소허용온도에서의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량의 절대값은 최대량이 수용된 상태에서 가장 작은 값이 되므로, 일부 수용되는 경우에도 최대량 수용 상태의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 기준으로 균열시점을 판정하며, 해당 시점에서 최소허용온도를 초과하게 된다. 첨언하면, 단위 시간당 투입 열에너지 변화량의 절대값은 ㅣdQ/dtㅣ또는 ㅣdQ/Qdtㅣ로 계산할 수 있다.
여기서, α2는 최대량 수용 상태의 최소허용온도 도달 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량의 기울기, β2는 일부 수용 상태에서 단위 시간당 투입 열에너지 변화량의 기울기가 α2와 같아지는 시점의 기울기, 그리고 γ2는 일부 수용 상태의 최소허용온도 도달 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량의 기울기를 나타낸다.
산업용 온도제어장치의 특성상, 가열될수록 단위 시간당 투입 열에너지 변화량의 절대값이 감소하게 되고, 수학적으로 일부 수용 상태 최소허용온도 도달 시점의 γ2 기울기의 절대값은 최대량 수용 상태 최소허용온도 도달 시점의 α2 기울기의 절대값보다 큰 값을 가지게 된다.
따라서, α2의 기울기 기준으로 소오크 시간을 적용하면, 일부 수용 상태에서도 내부온도가 최소허용온도를 초과하게 될 수 있다. 즉, 일부 수용 상태에서 α2과 기울기가 같은 β2의 기울기에 도달하는 t22 시점에는 챔버(100)의 내부온도가 최소허용온도를 초과하게 된다.
이를 통해, 일부 수용 상태의 경우 온도 허용차를 반영하여 균열시점을 t23 시점으로부터 t22시점으로 단축할 수 있게 된다.
첨언하면, 수용량에 따라 기준이 되는 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 설정하는 것은 번거로운 일이라고 전술하였으나, 피가열체(p)의 일부 수용 상태에서 소오크 시간을 보다 더 단축시키기 위해, 피가열체(p)의 수용량과 최소허용온도 도달 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 저장할 수 있음은 물론이다. 이를 통해, 기저장되는 수용량과 동일한 용량의 가열체가 상기 챔버에 수용되는 경우, 수용량에 따른 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 기준으로 소오크 시간을 설정할 수 있다. 이를 통해, 일부 수용 상태에서 균열시점을 t21 시점으로 보다 더 단축할 수 있게 된다.
이를 통해, 중심부의 열평형시점, 즉, 완전균열(perfect temperature equalization) 이전에 온도허용차를 반영한 균열시점이 판정될 수 있고, 미리 저장된 피가열체(p)의 수용량과 최소허용온도 도달 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 기준하면 그 이하의 피가열체 수용량에 모두 적용 가능할 수 있게 된다. 이에 따라, 보다 정확한 균열시점의 판정을 위해서는, 기준 수용상태를 최대량 수용상태(Full Load: 100%) 외에 70%, 40% 등과 같이 추가하여 적용 구간을 분화할 수도 있다.
한편, 피가열체(p)의 강온(ramp-down) 후 소오크 단계에서는, 최대허용온도(USL, upper spec. limit)에 도달하는 도달 시점을 감지하고, 도달 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 기준으로 균열시점을 판정하고 이를 기준으로 소오크 시간을 보정할 수 있다.
구체적으로, 챔버(100) 내에 수용가능한 최대량의 피가열체(p)가 수용된 상태를 기준으로 하여, 최대허용온도에 도달하는 도달 시점을 감지하고, 도달 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 기준으로 균열시점을 판정하고 이를 기준으로 소오크 시간을 보정할 수 있다.
도 3을 참조하면, 가로축은 시간을 나타내며, 좌측 세로축은 온도센서(300)에 의하여 감지되는 챔버(100) 내의 온도 변화를 나타내며, 우측 세로축은 투입 열에너지 또는 그 조절신호(RS)를 나타낸다.
t31은 일부 수용 상태에서 내부온도의 최대허용온도 도달 시점, t32는 일부 수용 상태에서 기준이 되는 균열에 도달한 시점, t33은 일부 수용 상태에서 내부온도의 설정온도 도달 시점, t34는 최대량 수용 상태에서 내부온도의 최대허용온도 도달 시점, 그리고 t35는 최대량 수용 상태에서 내부온도의 설정온도 도달 시점을 말한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 가열된 피가열체(p)를 강온 후 소오크하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다. 최대량 수용 상태에서의 내부온도(Temperature at center with Full Load)는 t35 시점에서 설정온도(set value)에 도달하게 된다. 다만, 중심부의 내부온도가 최대허용온도(upper spec. limit)에만 도달하면 되기 때문에, 최대허용온도에 도달한 t34 시점의 단위 시간당 투입 에너지 변화량(α3)을 기준으로 균열시점을 판정할 수 있다. 그리고 t34 시점부터는 제어부(400)가 챔버(100) 내 온도가 허용범위 내에서 더 유지되도록 히터(200)를 제어할 수 있다.
따라서, 중심부와 주변부의 허용온도차를 반영하여 균열시점을 t35 시점에서 t34 시점에 판정하여 소오크 시간을 단출할 수 있게 된다.
가열의 경우와 마찬가지로, 냉각의 경우에서도, 최대허용온도에서의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량의 절대값은 최대량 수용 상태에서 가장 작은 값을 가지게 되므로, 일부 수용 상태태의 경우에도 최대량 수용 상태의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 기준으로 할 수 있다.
여기서, α3는 최대량 수용 상태의 최대허용온도 도달 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량의 기울기, β3는 일부 수용 상태에서 단위 시간당 투입 열에너지 변화량의 기울기가 α3과 같아지는 시점의 기울기, 그리고 γ3은 일부 수용 상태의 최대허용온도 도달 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량의 기울기를 나타낸다.
산업용 온도제어장치의 특성상, 냉각될수록 단위 시간당 투입 열에너지 변화량의 절대값이 감소하게 되고, 수학적으로 일부 수용 상태 최대허용온도 도달 시점의 γ3 기울기의 절대값은 최대량 수용 상태 최대허용온도 도달 시점의 α3 기울기의 절대값보다 큰 값을 가지게 된다.
따라서, α3의 기울기 기준으로 균열시점을 적용하면, 일부 수용 상태에서도 내부온도가 최대허용온도 이하로 될 수 있다. 즉, 일부 수용 상태에서 α3과 기울기가 같은 β3의 기울기에 도달하는 t32 시점에는 챔버(100)의 내부온도가 최대허용온도 이하가 된다.
이를 통해, 일부 수용 상태의 경우 균열시점을 t33 시점으로부터 t32 시점으로 단축할 수 있게 된다.
따라서, 제어부(400)는 피가열체(p)가 챔버(100) 내에 일부 수용되는 경우에도, 투입되는 열에너지의 변화를 감지하여 기준이 되는 단위 시간당 투입 열에너지 변화량에 도달하는 경우, 균열에 도달한 것으로 판단하고, 균열시점 이후에는 필요시, 챔버(100) 내 온도가 허용범위 내 더 유지되도록 히터(200)를 제어할 수 있다.
히트펌프나 냉매를 이용한 강제 냉각 후 소오크 단계가 이루어지는 경우에는, 냉각 조절신호의 변화가 도 2의 가열과정에서 투입 열에너지 변화 거동과 유사하며, 이 경우에도 동일한 원리로 최대량 수용상태의 냉각조절신호 변화율을 일부 수용상태에 적용하여 균열시점을 구하고 소오크 시간을 단축할 수 있다.
강온 후 소오크 단계에서도 승온 후 소오크 단계에서와 같이, 보다 정확한 균열시점의 판정을 위해 기준 수용상태를 최대량 수용상태(Full Load: 100%) 외에 70%. 40% 등과 같이 추가하여 수용량 적용 구간을 분화할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 온도제어장치의 열에너지 공급량의 허용범위를 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
한편, 제어부(400)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 시간별 열에너지 공급량 또는 그 조절신호(RS)의 허용범위(Normal Range)가 설정되도록 하고, 시간별 열에너지 공급량이 기설정되는 허용범위를 벗어나는 경우, 관리자가 인지하도록 경고 메시지(Over Alarm, Under Alarm)를 발생시킬 수 있다.
구체적으로 도 4를 참조하면, 가로축은 시간을 나타내며, 좌측 세로축은 온도센서(300)에 의하여 감지되는 챔버(100) 내의 온도 변화를 나타내며, 우측 세로축은 시간별 열에너지 공급량 또는 그 조절신호(RS)를 나타낸다.
설정온도(Set Value)가 설정되면, 챔버(100) 중심부의 온도(Temperature at center)는 뒤늦게 설정온도에 도달하게 된다.
설정온도에 도달할 때까지, 열에너지 공급량(RS)이 조절될 수 있고, 열전달이 가장 늦은 중심부 등이 설정온도에 도달하면(t41), 열에너지 공급량 또는 그 조절신호(RS)는 외벽의 단열 상태 등으로 발생하는 열손실 만큼만 열에너지가 투입되도록 하여, 온도가 일정하게 유지하도록 할 수 있다.
다만, 이물질에 의해 챔버(100) 문이 완전히 닫히지 않은 상태에서 동작하는 등 단열 이상이나, 온도센서나 히터(200)에 이상이 생기면, 챔버 내부에 전체 또는 국부적인 가열 부족이나 과열이 야기되고 이로 인해 피처리재의 불량이 발생할 수 있다. 이러한 이상상태에서는 열에너지 투입량이 정상상태보다 높아지거나 낮아질 수 있으며, 이에 따라, 시간별 열에너지 공급량(RS)의 허용범위가 설정되도록 하여 이상경보 수단이 마련될 수 있다. 시간별 열에너지 공급량(RS)이 기설정되는 허용범위 보다 증가하는 경우, 관리자가 인지하도록 상승 경고 메시지(Over Alarm)를 발생시킬 수 있으며, 허용범위보다 낮아지는 경우, 하강 경고 메시지(Under Alarm)을 발생시킬 수 있다.
그리고 제어부(400)는 투입되는 열에너지를 데이터베이스화하여 저장할 수 있고, 저장되는 데이터를 기반으로 시간별 열에너지 공급량의 허용범위를 설정할 수 있다.
예를 들어, 피가열체(p)가 수용량 별로 시간별 열에너지 공급량 데이터를 저장하고, 데이터의 평균값을 기준으로 하여, 동일한 용량이 수용되는 경우들의 평균값으로부터 기설정된 오차를 벗어나는 경우, 또는 현재 수용량 내외의 유사한 량이 수용된 경우의 저장 값들로부터 추정된 평균 및 오차를 벗어나는 경우, 경고 메시지를 발생시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 온도제어방법을 설명하기 위해 제공되는 도면으로 하나의 승온 후 소오크 단계를 지난 열처리 공정의 예에 관한 것이다.
우선 전술한 바와 같이, 챔버(100) 내에 수용가능한 최대량의 피가열체가 수용될 수 있다(S510). 열처리를 위해, 최대량의 피가열체가 수용된 상태에서, 히터(200)가 챔버(100) 내부를 가열할 수 있다(S520).
소오크 단계에서 제어부(400)는 열전달이 가장 늦은 중심부에 별도 설치된 온도센서로부터의 온도가 최소허용온도에 도달하면(S530-Yes), 최소허용온도에 도달하는 도달 시점을 감지하여, 도달 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 저장할 수 있다(S540). 중심부의 온도가 최소허용온도에 도달하지 않는 경우(S530-No), 최소허용온도에 도달할 때까지 가열할 수 있다(S520).
제어부(400)는 최소허용온도 도달 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 기준으로 하여 허용온도차를 반영한 균열시점을 판정할 수 있다.
균열시점에 도달하면 소오크 과정에서 필요시, 챔버 내 온도가 허용범위 내 더 유지되도록 제어할 수 있다.
소오크 시간 기준 설정을 위한 가열이 종료되고, 열처리된 피가열체가 배출되고 챔버(100)가 초기 상태로 리셋될 수 있다.
그리고 챔버(100)에 적어도 일부의 피가열체가 수용될 수 있다. 즉, 일부 또는 최대량의 피가열체가 수용될 수 있다.
그러면, 히터(200)가 챔버 내부를 재가열할 수 있고(S570), 기준이 되는 단위 시간당 투입 열에너지 변화량에 도달하는 경우(S580-Yes), 균열시점에 도달한 것으로 판단할 수 있다.
이 후, 소오크 과정에서 챔버(100) 내 온도가 허용범위 내로 일정하게 더 유지되도록 제어할 수 있다(S590).
중심부의 온도가 최소허용온도에 도달하지 않는 경우(S580-No), 최소허용온도에 도달할 때까지 가열할 수 있다.
이를 통해, 중심부의 열평형시점 이전 허용온도차를 반영한 균열시점을 기준으로 소오크(soak) 과정이 완료될 수 있고, 최소허용온도 도달 시점에서 단위 시간당 투입 열에너지 변화량의 절대값이 가장 작은 최대량 수용 상태를 기준으로 균열시점을 판단함으로써, 일부 수용 상태에 적용하더라도 내부 온도가 최소허용온도를 초과하게 되므로 피가열체 수용량에 관계없이 적용 가능할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100: 챔버 200: 히터
300: 온도센서 400: 제어부
P: 피가열체 S: 적재대

Claims (8)

  1. 피가열체가 수용되도록 마련되는 챔버;
    상기 챔버의 내부가 가열되도록 열에너지를 투입하는 히터;
    상기 챔버의 내부 온도를 측정하도록 마련되는 온도센서; 및
    상기 투입되는 열에너지 변화량 또는 열에너지 조절신호의 변화량을 감지하며, 상기 변화량을 기반으로 균열시점을 판단하고 소오크 시간을 조절하도록 마련되는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는
    상기 내부 온도를 감지하여 상기 투입되는 열에너지를 조절하되, 상기 챔버 내 중심부와 주변부의 허용온도차가 존재하는 경우, 열전달이 가장 늦은 부위인 상기 중심부의 온도가 허용온도 한계에 도달하는 도달 시점을 감지하고, 상기 도달 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 기준으로 상기 균열시점을 판단하고 소오크 시간을 보정하는 산업용 온도제어장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 챔버 내에 수용가능한 최대량의 상기 피가열체가 수용된 상태를 기준으로 상기 균열시점을 판정하여 소오크 시간을 보정하고,
    상기 피가열체가 상기 챔버 내에 적어도 일부 수용되면, 투입되는 열에너지의 변화를 감지하여 상기 기준이 되는 단위 시간당 투입 열에너지 변화량에 도달하는 경우, 상기 균열시점에 도달한 것으로 판단하고, 상기 균열시점 이후에는 상기 챔버 내 온도가 허용온도 이내에서 소정시간만큼 더 유지되도록 상기 히터를 제어하는 것을 특징으로 하는 산업용 온도제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 피가열체의 일부 수용 상태에서 상기 피가열체의 수용량과 최소허용온도 도달 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 저장하고, 기저장되는 수용량과 동일한 용량 이하의 피가열체가 상기 챔버에 수용되는 경우, 상기 저장되는 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 기준으로 소오크 시간을 설정하는 것을 특징으로 하는 산업용 온도제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    시간별 열에너지 공급량의 허용범위가 설정되도록 마련되고, 상기 시간별 열에너지 공급량이 기설정되는 허용범위를 벗어나는 경우, 관리자가 인지하도록 경고 메시지를 발생시키는 것을 특징으로 하는 산업용 온도제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 투입되는 열에너지를 데이터베이스화하여 저장하고, 저장되는 데이터를 기반으로 시간별 열에너지 공급량의 허용범위를 설정하는 것을 특징으로 하는 산업용 온도제어장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 피가열체가 동일한 용량이 수용되는 경우들의 상기 시간별 열에너지 공급량 데이터의 평균값을 기준으로 하여 상기 평균값으로부터 기설정된 오차를 벗어나는 경우, 상기 경고 메시지를 발생시키는 것을 특징으로 하는 산업용 온도제어장치.
  8. 챔버 내에 수용가능한 최대량의 피가열체가 수용되는 단계;
    히터가 상기 챔버의 내부가 가열되도록 열에너지를 투입하는 단계;
    제어부가 온도 센서를 통해 내부 온도를 감지하여 투입되는 열에너지를 조절하되, 상기 챔버의 중심부 온도가 최소허용온도에 도달하면, 상기 제어부가 상기 최소허용온도 도달 시점의 단위 시간당 투입 열에너지 변화량을 저장하여 소오크 시간의 기준이 되도록 하는 단계;
    기준 설정을 위한 가열이 종료되고, 상기 챔버가 상온의 초기 상태로 되돌아가는 단계;
    상기 피가열체가 상기 챔버 내 적어도 일부 수용되는 단계;
    상기 히터가 상기 챔버의 내부가 가열되도록 열에너지를 재투입하는 단계; 및
    상기 제어부가 상기 재투입되는 열에너지의 변화량을 감지하여 상기 기준이 되는 단위 시간당 투입 열에너지 변화량에 도달하는 경우, 균열시점에 도달한 것으로 판단하고, 상기 균열시점을 기준으로 상기 챔버 내 온도가 허용범위 내로 소정시간만큼 더 유지되도록 상기 히터를 제어하는 단계;를 포함하는 산업용 온도제어방법.
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