KR102193583B1

KR102193583B1 - 가스 ??칭 셀

Info

Publication number: KR102193583B1
Application number: KR1020157021111A
Authority: KR
Inventors: 제라드 티쏘; 프란시스 펠리시에
Original assignee: 이시엠 테크놀로지즈
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2020-12-21
Also published as: FR3001229B1; CA2898870C; US20150354898A1; MX368446B; JP2016508545A; KR20150108854A; WO2014114881A1; MX2015009456A; FR3001229A1; CA2898870A1; EP2948568B1; US10502488B2; EP2948568A1; JP6407891B2; CN105121671A

Abstract

??칭 가스를 0.4MPa 이상의 압력에서 교반할 수 있는 적어도 한 교반부재(17)와, 상기 교반부재를 회전시킬 수 있는 동기 전동 모터(42)를 포함하는 외함(11)을 구비하는 ??칭 셀(40).

Description

가스 ??칭 셀 {GAS QUENCHING CELL}

본 특허출원은 본원에 참고자료로 포함된 프랑스 특허출원 FR13/50575에 대한 우선권을 주장한다.

본 발명의 실시예들은 특히 강철로 제조된 부품의 가스 ??칭 셀(gas quenching cell)에 관한 것이다.

가스 ??칭법(gas quenching method)은 액체 ??칭법에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있는데, 특히 처리된 부품이 건조되고 청결한 상태로 산출된다.

(예를 들어 ??칭 전의 예열 등의) 열처리 또는 (침탄(cementation), 침탄질화(carbonitriding) 등의) 열화학적 처리가 선행된 강철 부품의 가스 ??칭은 일반적으로 4 내지 20bar로 가압된 가스로 수행된다. ??칭 가스는 예를 들어 질소, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소, 수소 또는 이들 가스의 혼합물이다.

??칭 공정은 일반적으로 750°C 내지 1,000°C, 스테인리스 강의 경우는 심지어 1,200°C 범위의 온도에 있는 강철 부품의 급냉 과정을 포함한다. 이러한 온도범위에서 강철은 고온에서만 안정되는 오스테나이트(austenite)의 형태를 가지게 된다. ??칭 공정은 급냉에 의해 오스테나이트 구조를 경도 특성이 더 높은 말텐사이트(martensite) 구조로 변화시킬 수 있게 한다.

??칭 셀(quenching cell)은 일반적으로 전기 방식인, 교반부재(stirring elemnt)를 회전시키는 적어도 한 모터를 포함하는데, 교반부재는 부품이 냉각되고 열교환기가 ??칭 가스를 냉각시킬 수 있을 만큼 ??칭 셀 내의 ??칭 가스를 순환시킬 수 있는, 예를 들어 프로펠러나 원심 터빈(centrifugal turbine)으로 구성된다. 통상적으로 ??칭 셀의 외함(enclosure) 외측에 설치된 비동기 전동 모터가 사용되고 있다. 각 비동기 전동 모터의 구동축은 외함 벽을 통해 교반부재에 연결된다.

교반부재를 구동할 전동 모터는 외함의 상부(top)에 설치될 수 있다. 이 경우, ??칭 셀이 차지하는 바닥면적은 ??칭 셀의 외함의 크기로 설정될 수밖에 없다.

그러나 어떤 조건에서는, 특히 처리될 부품의 높이(level)에서의 바람직한 가스 흐름 방향을 따라, ??칭 셀 외함 외측의 교반부재 구동 전동 모터를 외함의 평균 수평면(horizontal median plane) 상의 외함 양측에 배치할 필요가 있다.

비동기 전동 모터를 외함 양측에 배치하면 ??칭 셀이 차지하는 바닥 면적이 증가된다. ??칭 셀의 전체 크기(total bulk)는 바닥 점유 면적에 더하여, 예를 들어 전동 모터들의 제거와 설치 등의 유지보수 작업을 위해 ??칭 셀로의 접근을 위해 열린 공간으로 남겨둬야 할 ??칭 셀 주위의 면적을 포함한다. 이에 따라 ??칭 셀의 외함 양측에 전동 모터가 횡방향으로 설치된 ??칭 셀의 전체 크기는 전동 모터가 ??칭 셀 외함의 상부에 배치된 같은 ??칭 셀에 비해 커진다.

그러므로 교반부재를 구동하는 적어도 한 전동 모터가 ??칭 셀 외함의 측부에 배치된 가스 ??칭 셀의 전체 크기를 줄여야 할 필요가 있다.

본 발명의 목적은 상술한 종래의 ??칭 셀의 문제를 적어도 부분적으로 해결하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전체 크기가 줄어든, 특히 바닥 점유면적이 작아진 ??칭 셀을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 교반부재를 구동하는 전동 모터의 유지보수가 용이한 ??칭 셀을 제공하는 것이다.

이에 따라 ??칭 가스를 0.4MPa 이상의 압력으로 교반하는 적어도 한 부재와 이 교반부재를 회전시킬 수 있는 동기 전동 모터를 포함하는 외함을 구비하는 ??칭 셀이 제공된다.

본 발명의 한 실시예에 의하면, 동기 전동 모터는 동기 전동 모터 내의 압력이 10Pa 내지 2,500,000Pa의 범위에서 ??칭 셀의 외측에 대해 기밀(氣密; tight)을 유지한다.

본 발명의 한 실시예에 의하면, 비동기 전동 모터는 적어도 한 스테이터(stator)를 포함하는 공간을 둘러싸는 적어도 두 강철 플랜지(flange)를 구비하고, 이 플랜지는 동기 전동 모터 내의 압력을 지탱한다.

본 발명의 한 실시예에 의하면, ??칭 셀은 외함과 동기 전동 모터에 ??칭 가스를 공급하는 회로를 구비한다.

본 발명의 한 실시예에 의하면, 이 공급 회로는 ??칭 공정 동안, 외함 내의 압력보다 높은 동기 전동 모터 내의 압력을 유지할 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 의하면, 동기 전동 모터 내의 압력은 외함 내의 압력보다 적어도 500Pa만큼 높다.

본 발명의 한 실시예에 의하면, 공급회로는 ??칭 공정 동안, 동기 전동 모터 내의 압력을 외함 내의 압력과 동일하게 유지할 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 의하면, ??칭 셀은 동기 전동 모터 내의 압력을 측정하는 센서 및/또는 동기 전동 모터 내의 압력과 외함 내의 압력 간의 차이를 측정하는 센서를 구비한다.

본 발명의 한 실시예에 의하면, 공급회로는 동기 전동 모터 내의 압력을 외함 내의 압력과 함께 제어할 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 의하면, 동기 전동 모터는 외함 외측에 설치되고, 외함을 통해 교반부재에 연결되는 구동축을 구비한다.

본 발명의 한 실시예에 의하면, 동기 전동 모터는 방사류(radial flow) 동기 전동 모터이다.

본 발명의 한 실시예에 의하면, 동기 전동 모터는 한 로터(rotor)와 로터의 양측에 위치하는 두 스테이터(stator)를 구비한다.

본 발명의 한 실시예에 의하면, 동기 전동 모터는 두 플랜지와 두 플랜지 사이에 위치하며 구동축에 연결되는 한 로터를 구비하며, 각 플랜지는 구동축의 통과를 위한 제1 관통 개구부(opening)와 제1 개구부 주위의 제2 관통 개구부를 포함한다.

본 발명의 한 실시예에 의하면, 제2 개구부 중의 적어도 어느 하나가 ??칭 셀이 작동할 때 동기 전동 모터에 가스를 공급하는 배관에 연결된다.

이상에서 설명된 것 및 다른 특성과 이점들은 첨부된 도면을 참조한 특정한 실시예들에 대한 이하의 비제한적인 기술들을 통해 상세히 설명할 것이다.
도 1은 부분 단면을 포함한 ??칭 셀의 측면도,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 대한 도 1과 유사한 도면,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 의한 ??칭 셀의 부분 측단면도,
도 4 및 5는 도 3의 실시예에 대한 단면도 및 사시도이다.
설명의 편의를 위해, 같은 부재들은 다른 도면들에서도 같은 번호로 지시되었다.

이하의 설명에서, "거의(substantially)", "약(approximately)", "약(about)", "대략(in the order of)"들은 "10% 이내"를 의미한다. 또한 본 발명의 이해에 필요한 부재들만이 도시되었다. 특히 ??칭 셀의 ??칭 가스 냉각 시스템은 상세히 도시되지 않았다.

도 1은 가스 ??칭 셀(10)의 일례를 도시하고 있다. ??칭 셀(10)은 ??칭 셀(10)의 내부 공간(internal volume; 12)을 둘러싸는 외함(enclosure; 11)을 구비한다. 외함(11)은 수평축을 가지는 원통형 외함으로 구성될 수 있다. 이와는 달리, 외함(11)의 축이 수직이 될 수도 있다. 외함(11)은 지지부(13) 상에 안착된다. 처리될 부품을 포함하는 부하(load; 14)는 도 1에 개략적으로 도시되어 있는데, 레일(15) 상에서 외함(11)으로 투입된다.

??칭 가스는 개구부(16)을 통해 외함(11)으로 유입되어 교반부재(17)에 의해 외함(11) 내를 순환한다. ??칭 가스는 예를 들어 질소, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소, 수소 또는 이 가스들의 혼합물이 될 수 있다. ??칭 공정 중에, ??칭 셀(10) 내의 압력은 4바(0.4MPa) 내지 25바(2.5MPa)로 유지되는데, 바람직하기로 10바(1Mpa) 이상으로 유지되고, 더 바람직하기로는 15바(1.5MPa)보다 크게 유지된다. 교반부재(17)는 예를 들어 원심형 또는 나선 원심형 프로펠러를 포함한다. 도 1에는 일례로서 두 교반부재(17)가 외함(11) 내의 부하(14) 양측에 도시되어 있다. 교반부재(17)는 ??칭 가스를 운동시켜 ??칭 가스가 수직축을 따라 부하(14)를 통해 흐르도록 할 수 있다.

??칭 동작 중에, 각 교반부재(17)는 전동 모터(18)에 의해 축(Δ) 주위로 회전한다. 이 축(Δ)은 두 교반부재(17)에 공통일 수 있다. 예를 들어, 축(Δ)은 수평이고 외함(11)의 평균 수평면(horizontal median plane) 내에 위치할 수 있다. 전동 모터(18)는 일반적으로 비동기 모터이다. 도 1에 도시된 각 비동기 전동 모터(18)에는 대략 축(Δ)에 대한 원통형을 가지며 전동 모터의 스테이터와 로터를 포함하는 카터(carter; 19)와, 외함(11) 반대측 단부에 축(Δ)와 거의 직교하는 방향으로 연장되며 비동기 전동 모터를 제어하는 전력 전자회로를 수납하는 대략 원통형의 카터(20)가 도시되어 있다. 각 비동기 전동 모터에서, 카터(19)는 예를 들어 용접에 의해 외함(11)에 부착된 커플링 장치(21)에 부착된다.

??칭 셀(10)은 또한 ??칭 가스를 냉각시키기 위한 냉각 시스템(22, 24)을 더 구비한다. 예를 들어, 부하(14) 위의 외함(11)에 냉각 시스템(22)이 설치되고, 부하(14) 아래의 외함(11)에 냉각 시스템(24)이 설치된다. 도시되지는 않았지만 담금짐 셀(10)은 부하(14)에 대한 가스 흐름의 방향을 예를 들어 바닥으로부터 꼭재기로 또는 꼭대기로부터 바닥으로 imposing하는 시스템을 구비할 수 있다.

??칭 가스 공급 회로(25)는 배관(27)을 통해 개구부(16)에 연결된 가스 공급원(26)을 구비한다. 적어도 한 제어가능한 밸브(28)가 배관(27)에 구비된다. 밸브(28)가 개방되면 ??칭 가스가 ??칭 셀(11)의 내부 공간(12)으로 공급된다. 밸브(28)가 폐쇄되면 내부 공간(12)으로의 ??칭 가스의 공급이 중단된다. ??칭 가스의 공급원(26)은 배관(29)에 의해 모터(18)들에도 연결된다. 적어도 한 제어가능한 밸브(30)가 이 배관(29)에 구비된다. 밸브(30)가 개방되면 ??칭 가스가 모터(18) 내부 공간으로 공급된다. 밸브(30)가 차단되면 모터(18)의 내부 공간으로의 ??칭 가스의 공급이 중단된다.

공급 회로(25)는 제어 밸브(32)에 의해 배관(27)에 연결된 ??칭 가스 배출 시스템(31)을 구비한다. 공급 회로(25)는 또한 제어 밸브(34)를 통해 배관(27)에 연결된 진공 시스템(33)을 더 구비한다. 모터의 가스 공급을 위한 배관(29)이 제어 밸브(35)를 통해 ??칭 셀의 내부 공간(12)의 가스 공급을 위한 배관(27)에 연결된다. 공급 회로(25)는 또한 ??칭 셀(10)의 내부 공간(12)의 압력을 측정하는 센서(36)를 구비한다.

??칭 셀의 작동 사이클 동안, 셀 내에 잔류하는 ??칭 가스를 배출시스템(31)으로 배출시킨 뒤, 진공 시스템(33)에 의해 ??칭 셀(10) 내에 진공이 형성된다. 그 다음 ??칭 가스가 비동기 모터(18)와 ??칭 셀 내부로 도입된다. 그러면 비동기 모터(18) 내의 압력이 ??칭 셀(10)의 내부 공간(12)의 압력과 거의 동일한 상태로 ??칭 공정이 수행된다.

??칭 셀(10)이 차지하는 최대 횡방향 바닥 크기(D)는 외함(11)의 직경과 각 커플링 장치(21)의 축방향 길이와, 각 비동기 전동 모터(18)의 축방향 길이의 합에 대응한다.

예를 들어, 1.8m 직경과 3 내지 4　m³의 내부 공간(12)을 가지는 ??칭 셀에 대해서는, 특히 ??칭 가스가 질소인 경우 모터(18)가 200KW 이상의 동력을 전달해야 한다. 각 비동기 전동 모터(18)는 일반적으로 방사류(radial flow) 모터이다. 각 비동기 전동 모터(18)의 축방향 길이는 대략 1m이다. 그러면 ??칭 셀(10) 바닥의 최대 횡방향 크기(maximum lateral bulk; D)는 각 모터(18)에 근접하기 위한 50cm의 통로를 감안하여 약 5m에 달한다.

일반적으로 각 모터에는 예를 들어 각 전동 모터(18)의 분리와 교체 등 유지보수 작업을 위한 약 50cm의 추가적 공간의 제공이 더 필요하다. 그러므로 ??칭 셀(10)의 전체 최대 횡방향 크기는 근접 공간을 포함하여 6m에 달할 수 있다. ??칭 셀(10)이 배치되는 부지의 크기는 ??칭 셀(10)의 전체 횡방향 크기에 맞춰야 하는데, 크기가 커지면 ??칭 셀(10)의 운용에 관련된 경비도 증가된다.

도 2는 본 발명에 의한 ??칭 셀(40)의 한 실시예를 도시하고 있다.

??칭 셀(40)은 도 1에 도시된 종래의 ??칭 셀(10)의 모든 부재들을 구비하는데, 차이는 각 비동기 전동 모터(18)가 동기(synchronous) 전동 모터(42), 바람직하기로는 축류(axial flow) 전동 모터로 대체된 점이다.

이 실시예에서 각 동기 모터(42)의 진공과 압력 거동은 모터(42)의 플랜지에 의해 보장된다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 각 동기 모터(42)는 방사류(radial flow) 동기 모터, 바람직하기로 두 스테이터 사이에 한 로터를 가지는 동기 전동 모터이다.

??칭 셀(40)은 동기 모터(42)의 내부 공간의 압력을 측정하는 센서(43)를 더 구비한다. 압력 센서(43)는 동기 모터(42)에 가스를 공급하는 배관 상에 설치될 수 있다.

각 동기 모터(42)는 각 모터(42) 내의 압력이 25바(2.5MPa)까지의 산업 진공(industrial vacuum), 즉 저진공(soft vacuum)에 대응하는, 최소한 0.1밀리바(10Pa)일 때, ??칭 셀(40)의 외부 환경에 대해 기밀(氣密; tight)을 유지한다.

??칭 공정 동안, 동기 모터(42)의 내부 공간의 압력은 압력 센서(43)에 의해 측정되고 ??칭 셀(40)의 내부 공간(12)의 압력은 압력 센서(36)에 의해 측정되며, 밸브들(28, 30)은 ??칭 셀(40) 내부 공간(12)의 압력과 각 동기 전동 모터(42) 내의 압력을 조절하기 위해 개폐된다.

본 발명의 한 실시예에 의하면, ??칭 공정 동안, 모터(42) 내부 공간의 압력은 ??칭 셀(40) 내부 공간(12)의 압력보다 확실히 더 높게 유지된다. 동기 모터(42) 내부 공간의 압력과 ??칭 셀(40) 내부 공간(12)의 압력의 차이는 예를 들어 5밀리바(500Pa), 바람직하기로 100밀리바(0.01MPa), 더욱 바람직하기로 500밀리바(0.05MPa) 이상이다. 예를 들어, 동기 모터(42)의 내부 공간의 압력과 ??칭 셀(40) 내부 공간(12)의 압력 간의 차이는 거의 일정하다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, ??칭 공정 동안, 모터(42) 내부 공간의 압력은 ??칭 셀(40) 내부 공간(12)의 압력과 거의 동일하게 유지된다.

동기 모터(42) 내부 공간의 압력은 ??칭 셀(40) 내부 공간(12)의 압력으로 제어되어, ??칭 공정 동안 모터(42) 내부 공간의 압력은 ??칭 셀(40) 내부 공간(12)의 압력과 거의 동일하게 유지되거나 동기 모터(42) 내부 공간의 압력이 ??칭 셀(40) 내부 공간(12)의 압력보다 확실히 더 높게 유지된다.

??칭 셀(40)의 작동 사이클은 예를 들어 다음과 같은 연속적인 단계들을 포함하는데, 즉

??칭 셀(40)의 내부 공간(12)과 동기 모터(42)의 내부 공간에 저진공이 초기 존재하는 단계와,

예를 들어 동기 모터가 1바의 압력에 도달하도록 동기 모터(42)에만 ??칭 가스를 주입하고 동기 모터(42)를 시동하는 단계와,

외함(11)의 도어를 열어 부하(14)를 외함(11)에 투입하고 외함(11)의 도어를 닫는 단계와,

동기 모터(42)의 내부 공간과 ??칭 셀(40)의 내부 공간(12) 내의 압력이 원하는 압력에 도달할 때까지 ??칭 가스를 동기 모터(42)의 내부 공간과 ??칭 셀(40)의 내부 공간(12) 내에 주입하는 단계와,

공정 동안 교반부재(17)가 ??칭 가스를 부하(14)의 높이까지 순환시키면서 ??칭 공정을 수행하는 단계와,

??칭 셀(40)의 내부 공간(12)과 동기 모터(42)의 내부 공간에 존재하는 ??칭 가스를, ??칭 셀(40)의 내부 공간(12)과 동기 모터(42)의 내부 공간에 저진공이 될 때까지 배출시키는 단계와,

외함(11)의 도어를 열어 부하(14)를 외함 밖으로 반출하고 도어를 닫는 단계를 포함한다.

??칭 셀의 내부 공간(12)과 동기 모터(42)의 내부 공간으로부터 ??칭 가스를 배출시키는 단계는 예를 들어, 밸브(32, 35), 밸브(28, 30, 34)를 압력이 약 1바(10⁵Pa)에 도달할 때까지 폐쇄시킨 다음, 밸브(28, 30, 34)가 폐쇄된 상태에서 밸브(32, 35)를 개방하여 저진공을 형성함으로써 수행된다.

동기 모터(42)에만 ??칭 가스를 주입하는 단계는 예를 들어, 밸브(28, 32, 34, 35)가 폐쇄된 상태로 밸브(30)을 개방함으로써 수행된다.

이와는 달리, 동기 모터(42) 내의 저진공이 매사이클마다 설정되지 않고 일부 사이클에만 설정될 수 있다. 이 경우, ??칭 셀의 내부 공간(12)에는 진공이 형성되는 반면, 동기 모터 내에는 ??칭 가스가 예를 들어 4바 이상의 압력으로 잔류할 수 있다.

외함(11)과 동기 전동 모터(42)로 ??칭 가스를 공급하는 회로(25)는 도 2에 도시된 것과 다른 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 동기 전동 모터(42)의 압력 센서(43)와 ??칭 셀(40)의 내부 공간(12)의 압력 센서(36)는 동기 전동 모터(42) 내의 압력과 ??칭 셀(40)의 내부 공간(12)의 압력 간의 차이를 측정하는 센서로 대체될 수 있다. 다른 실시예에 의하면, 동기 전동 모터(42)와 ??칭 셀(40)의 내부 공간(12)에는 두 다른 ??칭 가스 공급 회로에 의해 ??칭 가스가 공급된다.

도 3은 도 2의 ??칭 셀(40)의 일부에 대한 더 상세한 부분 단면도이다. 도 3은 외함(11)의 일부와, 교반부재(17) 중의 하나, 커플링 장치(21) 중의 하나, 그리고 동기 전동 모터(42) 중의 하나만을 도시하고 있다. 도 4 및 도 5는 각각 도 3의 동기 전동 모터(42)에 대한 단면도와 사시도이다. 커플링 장치(21)는 예를 들어 서로 용접된 두 부분(45, 46)으로 구성되는 패키지(package; 44)를 구비한다. 이 패키지(44)는 외함(11)에 용접이나 나사고정으로 부착된다. 교반부재(17)은 모터(42)의 구동축(48)의 일단에 조립된다.

도 4 및 5는 각각 전동 모터(42) 중 하나의 횡방향 단면도와 사시도이다.

모터(42)는 주로 두 플랜지(flange; 56A, 56B)로 구성되는 카터(carter; 54)를 구비한다. 각 플랜지(flange; 56A, 56B)는 전반적으로 축(Δ)에 대해 회전대칭의 구조를 가진다. 바람직하기로 플랜지(flange; 56A, 56B)는 동일하거나 거의 동일한 구조를 가진다. 그러면 플랜지(flange; 56A, 56B)의 제조 원가를 절감시키는 장점이 있다. 이하의 설명에서 플랜지(flange; 56A, 56B)와 동일하거나 유사한 부재번호에 대해, 플랜지(56A)에 관계되는 것은 같은 번호에 접미사 "A", 플랜지(56B)에 관계되는 것은 접미사 "B"를 부가하였다.

플랜지(56A, 56B)는 도 5에 도시된 바와 같이 카터(54) 외주에 등간격으로 배열된 나사(58A, 58B)에 의해 서로 결합된다. 각 플랜지(56A, 56B)는 축(Δ)에 평행하게 연장되는 축을 가져 축(Δ)의 원통 상에 배열된 나사구멍(60A, 60B)을 구비한다. 플랜지(56B)는 나사 개구부(60B)에 결합되는 나사(도시 안됨)를 통해 커플링 장치(21)에 부착된다.

구동축(48)은 카터(54)에 회전가능하게 조립된다. 이 구동축(48)은 예를 들어 강철로 구성된다. 바람직하기로 구동축(48)의 회전축은 축(Δ)와 동축이다.

각 플랜지(58A, 58B)는, 거의 일정한 두께를 가지며 주변 원통부(72A, 72B)로 연장되는 중앙 원통부(70A, 70B)를 구비한다. 중앙 원통부(70A, 70B)와 주변 원통부(72A, 72B)는 예를 들어 강철로 제작된다. 중앙 원통부(72A, 72B)는 플랜지(56A, 56B)를 교차하는 축(Δ)의 원통형 개구부(76A, 76B)를 둘러싸는 내측 원통형 에지(edge; 74A, 74B)을 구비한다. 주변 원통부(72A, 72B)는 고리(ring)형의 하우징(housing; 78A, 78B)을 구비한다.

전동 모터(42)의 스테이터(77A, 77B)는 도 3과 도 4에 개략적으로 도시한 바와 같이 하우징(78A, 78B) 내에 배치된다. 바람직하기로, 전동 모터(42)는 두 다은 스테이터(78A, 78B)를 구비하는데, 제1 스테이터(77A)는 하우징(78A)에, 제2 스테이터(77B)는 하우징(78B)에 배치된다. 스테이터에 전력을 공급하기 위해 주변부(72A, 72B)에 전기 단자가 구비되는데, 도 5에는 한 단자(79B)만이 도시되어 있다.

각 하우징(78A, 78B)은 배관(82A, 82B)이 그 안에 배치되는 홈(recess; 80A, 80B)을 구비한다. 배관(82A, 82B)은 예를 들어, 홈(80A, 80B) 내에 나선형으로 배치된 중공관(hollow tube)을 구비한다. 배관(82A, 82B)은 주변 원통부(72A, 72B)를 교차하여 카터(54) 외측으로 돌출하는 단부(84A, 84B, 86A, 86B)를 더 구비한다. 작동 중에 단부(84A, 84B, 86A, 86B)는 도시되지 않은 냉매 공급 시스템에 연결되어 배관(82A, 82B)에 냉매(cooling liquid)를 순환시킬 수 있다.

중앙 원통부(70A, 70B)는 그 축이 축(Δ)에 평행한 세 원통형 개구부(88A, 88B)를 구비한다. 도 3과 4에는 한 개구부(88A, 88B)만이 도시되어 있다. 바람직하기로는 도 5에 도시된 바와 같이 개구부(88A, 88B)의 축들이 축(Δ)의 원통 상에 거의 등간격으로 분포된다. 이후 더 상세히 설명할 바와 같이, 개구부(88A)는 작동중에 가스 공급 배관에 연결될 수 있다. 개구부(88A, 88B)는 또한 유지보수 작동에도 사용될 수 있다. 각 개구부(88A, 88B)는 복수의, 예를 들어 3개의 나사구멍(90A, 90B)에 둘러싸여 있다. ??칭 셀(40)의 작동 동안, 나사구멍(90A)은 개구부(88A)에 가스 공급 배관을 연결하는데 사용되고 나사구멍(90B)은 도시되지 않은 캡(cap)을 나사 고정하는데 사용될 수 있다.

구동축(48)은 구동축(48)이 카터(54)에 대해 축(Δ) 주위로 회전할 수 있게 하는 베어링 유닛(bearing unit; 92A, 92B)에 의해 각 플랜지(56A, 56B)에 연결된다. 베어링 유닛(92A)은 예를 들어 나사고정 등으로 에지(74A)에 부착되는 베어링 받이(94A)와, 구동축(48)과 베어링 받이(94A) 사이에 위치하는 두 인접 롤러 베어링(96A)을 구비한다. 한편 베어링 유닛(92B)은 예를 들어 나사고정 등으로 에지(74B)에 부착되는 베어링 받이(94B)와, 구동축(48)과 베어링 받이(94B) 사이에 위치하는 두 인접 롤러 베어링(96B)을 구비한다. 링(ring; 95)이 베어링 받이(94A)와 에지(74A) 사이에 위치한다. 롤러 베어링(96A, 96B)의 축방향 고정은 일측에서 구동축(48)에 형성된 정지턱(stop; 98A, 98B)과, 타측에서 구동축(48)에 나사 고정된 링(100A, 100B)에 의해 보장된다.

플랜지(56A)의 측부에는 커버(104)가 개구부(76A)를 기밀로 폐쇄한다. 한편 플랜지(56B)의 측부에는 폐쇄부(105)가 개구부(76B)를 폐쇄하며, 구동축(48)의 축부(50)의 관통을 위해 개구부(106)가 구비된다.

롤러 베어링(96A, 96B)의 윤활에 사용된 물질이 모터(42)의 나머지 부분에 침투하지 않도록 하는데 립실(lip seal; 108A, 108B)이 구비된다. 커버(104)는 도시되지 않은 나사에 의해 베어링 받이(94A)에 부착되고, 폐쇄부(105)는 에지(74B)에 도시되지 않은 나사로 부착될 수 있다.

동기 전동 모터(42)는 두 중간부(1140에 의해 구동축(48)에 연결되는 로터(112)를 구비한다. 이 로터(112)는 영구자석 로터이다. 동기 전동 모터의 로터(112)와 스테이터의 구조는 황과 리포(M. Aydin, S. Huang, and T.A. Lipo)의 "축방향 자속 영구자석 디스크 기계: 리뷰(Axial Flux Permanent Magnet Disc Machines: A Review)"에 기재된 구조를 따를 수 있다. (2004년 6월 16일-18일 이탈리아 카프리에서 개최된 '전력 전자, 전기 구동, 자동화와 운동' 심포지엄(SPEEDAM 2004)에서 발표).

로터(112)는 외측 링부(external ring-shaped part; 116)를 구비한다. 이 외측 링부(116)는 예를 들어 복합재료로 제조된다. 외측 링부(116)는 관통 개구부(118)를 구비한다. 영구자석(120)은 각 개구부(118) 내에 배치된다. 영구자석은 특히 희토류 금속을 포함하는 합금으로 구성될 수 있다. 각 자석의 자극은 축(Δ)에 평행한 방향을 가진다. 축(Δ)을 따라 측정한 자석(120)의 두께는 외부 원통부(116)의 두께보다 약간 작다. 축(Δ)에 직교하는 평면에서 각 영구자석은 링(ring)형의 조각(sector) 형상을 가진다.

각 중간부(114)는 링 형이다. 중간부(114)는 예를 들어 알루미늄으로 제조된다. 구동축(48)은 정지단(98A, 98B) 사이에 플랜지(122)를 구비한다. 두 중간부(114)는 플랜지(122)를 끼워잡아(sandwich) 예를 들어 나사고정 등으로 거기에 부착된다. 이와는 달리, 중간부(114)는 플랜지(122)에 용접될 수 있다. 중간부(144)는 로터(112)의 외측 링부(116)의 내측 에지를 끼워잡아 예를 들어, 나사고정 등으로 거기에 부착된다. 이와는 달리, 중간부는 로터(112)의 외측 링부(116)에 용접될 수도 있다.

관통 개구부(128)가 중간부(114)에 제공될 수 있다. 이 개구부(128)의 갯수는 개구부(88A, 88B)의 갯수와 동일하다. 바람직하기로, 구동축(48)의 카터(54)에 대한 소정의 각 위치(angular position)에서 관통 개구부(128)는 각각 개구부(88A, 88B)에 동시에 정렬되도록 분포된다.

모터(42)의 나머지 부분으로부터 유래되는 오염물질에 의한 하우징(78A, 78B)의 오염 위험을 감소시키기 위해, 두 플랜지(56A, 56B)는 로터(112)의 외측 링부(116)의 통로(passage)로 스로트(throat; 130)를 형성한다. 이 스로트 영역(130)에서 두 플랜지(56A, 56B) 사이의 간극(clearance)은 바람직하기로 영점 몇 밀리미터 정도이다,

도 3 내지 5에는 도시되지 않았지만 동작시 모터(42)의 개구부(88A)는 가스 공급 배관에 연결되고 개구부(88B)는 커버로 폐쇄된다.

예를 들어 베어링 유닛(92A, 92B)의 교체 등 모터(42)에 유지보수 작업이 수행되어야 할 때, 로터(112)의 영구자석(120)과 각 스테이터(77A, 77B) 사이의 에어갭(air gap)이 유지되어야 한다. 만일 로터(112)의 영구자석(120)이 스테이터(77A, 77B) 중의 하나와 접촉하면 이 전동 모터는 사용할 수 없게 된다.

이를 위해 유지보수 작업 중에는 로터(112)와 스테이터(77A, 77B) 사이의 에어갭을 일정하게 유지하도록 홀딩툴(holding tool)이 사용될 수 있다. 이 홀딩툴은 각 플랜지(56A, 56B)에 부착될 수 있으며, 중간부(114)를 지탱하기 위해 개구부(88A, 88B)로 진입하는 핀(pin)들을 구비한다. 개구부(128)이 핀들의 중심잡기(centering)을 용이하게 해줄 수 있다. 이 경우 개구부(88A)는 개구부(88B) 중의 하나에 거의 정렬된다. 그러면 각 플랜지(56A, 56B)에 로터(112)의 중간부(114)의 표면을 지탱하는 세 핀들이 구비되어 핀들에 대한 로터의 안정된 지지가 가능해진다.

중간부(114)가 핀들 사이에 끼워졌을 때 핀들은 제 위치에 고정된다. 이에 따라 로터(112)의 영구자석(12)과 스테이터(77A, 77B) 사이의 에어갭이 변경될 우려 없이, 예를 들어 베어링(92A, 92B)의 분해 등 모터(42)의 유지보수 작업이 수행될 수 있다.

본 발명 ??칭 셀(40)은 몇 가지 이점을 가진다.

한 이점은 ??칭 셀(40)의 축(Δ)을 따라 측정한 횡방향 크기가 도 1에 도시된 ??칭 셀(10)에 비해 감소된다는 점이다. 예를 들어 약 200mm의 동기 모터(42)의 축방향 크기는 비동기 모터(18)의 축방향 크기보다 약 1m 작다.

다른 이점은 동기 모터(42)가 ??칭 셀의 나선 원심 교반 터빈의 회전에 맞춘 예를 들어 수rpm 내지 5,000rpm의 범위에 대해, 예를 들어 500Nm 내지 800Nm의 범위, 더 구체적인 예를 들어 600Nm의 거의 일정한 구동 토크를 제공한다는 점이다.

이에 따라, 종래의 비동기 모터(18)가 예를 들어 3,000 내지 3,600rpm의 정상 작동점(normal operating point)에서만 최적의 효율을 가지는 반면, 본 발명의 동기 모터(42)의 효율은 매우 넓은 회전속도 범위 내에서 일정하게 유지된다. 그 결과, ??칭 셀(400의 작동 사이클 동안의 소비전력 절감은 종래의 ??칭 셀(10)에 대해 20% 내지 50%에 달한다.

처리될 부품이 ??칭되는 실제적 조건을 달성하기 위해서는 ??칭 공정 동안의 교반부재(17)의 실제 가변적인 회전속도가 측정되어야 한다. 본 발명 ??칭 셀(40)의 다른 이점은 동기 모터(42)에 의해 회전하는 교반부재(17)의 회전속도가, 예를 들어 모터 공급 전류 및/또는 전압 등의 동기 모터 전력 공급 인수들에 의해 직접적으로 결정될 수 있다는 점이다. 종래의 ??칭 셀(10)에서는 비동기 모터(19)의 슬립(slip) 때문에 직접적 결정이 불가능하다. 종래의 ??칭 셀(10)에서 ??칭 공정 중의 교반부재(17)의 실제 회전속도를 정확히 측정하기 위해서는 부가적 수단이 구비되어야 한다.

본 발명의 또다른 이점은 각 동기 모터의 내부 용적이 15리터 이하, 바람직하기로 10리터 이하라는 점이다, 이는 압력 장치 규정에 따른 동기 모터(42)의 제작을 간단하게 할 수 있도록 해준다.

본 발명의 또다른 이점은 동기 모터(42) 내부공간이 외함(11)의 내부공간(12)에 대해 고압을 유지하므로, 이물질이 ??칭 셀(40)의 내부공간(12)으로부터 동기 모터(42)의 내부공간으로 침입할 위험이 감소되고, 심지어 방지될 수 있다.

본 발명의 또다른 이점은 모터(42)의 두꺼운 측벽과 함께 강철 플랜지(56A, 56B)가 사용되어 모터 내에 고압이 걸려도 사용할 수 있다는 점이다.

이상에서 본 발명의 특정한 실시예들을 설명했다. 당업계에 통상의 전문가라면 이로부터 다양한 변형과 변경이 가능할 것이다. 특히 도 2에 도시된 ??칭 셀(40)은 두 동기 모터(42)를 구비하지만, ??칭 셀에는 단일한 동기 전동 모터나 두 개보다 많은 동기 전동 모터가 구비될 수 잇음은 자명하다.

10: (종래의) ??칭 셀(quenching cell)
11: 외함(enclosur)
17: 교반부재(stirring element)
18: (종래의) 비동기 전동 모터(asynchronous electric motor)
25: (??칭 가스) 공급 회로
40: (본 발명) ??칭 셀
42 (본 발명) 동기 전동 모터(synchronous electric motor)
43: (압력 측정) 센서(sensor)
48; (모터의) 구동축(drive shaft)
56A, 56B: 플랜지(flange)
77A, 77B: (모터의) 스테이터(stator)
88A, 88B: 개구부(opening)
112: (모터의) 로터(rotor)

Claims

??칭 가스를 교반할 수 있는 적어도 한 교반부재(17)와, 상기 교반부재(17)를 회전시킬 수 있는 동기 전동 모터(42)를 포함하는 외함(11)을 구비하고,
상기 동기 전동 모터(42)는,
상기 교반부재(17)에 연결되는 구동축(48)과,
상기 구동축(48)에 연결된 적어도 하나의 중간부(114)를 포함하는 공간을 한정하는 적어도 두 강철 플랜지(56A, 56B)
를 포함하고,
상기 중간부(114)에는 로터(112)가 연결되고, 상기 로터(112)의 양측에는 적어도 하나의 스테이터(77A, 77B)가 위치하고,
상기 각 플랜지는 제1 관통 개구부(88A, 88B)가 구비되고,
상기 중간부(114)는 제2 관통 개구부(128)가 구비되고,
상기 제1 관통 개구부(88A, 88B) 및 상기 제2 관통 개구부(128)는 일렬로 배열된 것을
특징으로 하는 ??칭 셀.
제1항에 있어서,
상기 동기 전동 모터(42)가, 상기 동기 전동 모터 내부의 압력이 10Pa 내지 2,500,000Pa 범위 내에 있을 때 ??칭 셀(40)의 외부에 대해 기밀인 것을
특징으로 하는 ??칭 셀.
제1항에 있어서,
상기 교반 부재(17)는 0.4 MPa 보다 큰 압력에서 ??칭 가스를 교반 가능한 것을
특징으로 하는 ??칭 셀.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 외함(11)과 상기 동기 전동 모터(42) 내에 ??칭 가스를 공급하는 회로(25)를 구비하는 것을
특징으로 하는 ??칭 셀.
제4항에 있어서,
상기 공급 회로(25)가 ??칭 공정 동안, 상기 동기 전동 모터(42) 내의 압력을 상기 외함(11) 내의 압력보다 더 높게 유지할 수 있는 것을
특징으로 하는 ??칭 셀.
제4항에 있어서,
상기 동기 전동 모터(42) 내의 압력이 상기 외함(11)의 압력보다 적어도 500Pa 만큼 더 높은 것을
특징으로 하는 ??칭 셀.
제4항에 있어서,
상기 공급 회로(25)가 ??칭 공정 동안, 상기 동기 전동 모터(42) 내의 압력을 상기 외함(11) 내의 압력과 동일하게 유지할 수 있는 것을
특징으로 하는 ??칭 셀.
제1항에 있어서,
상기 동기 전동 모터(42) 내의 압력을 측정하는 센서(43) 및/또는 상기 동기 전동 모터(42) 내의 압력과 상기 외함(11) 내의 압력 간의 차이를 측정하는 센서를 구비하는 것을
특징으로 하는 ??칭 셀.
제4항에 있어서,
상기 공급회로(25)가 상기 동기 전동 모터(42) 내의 압력을 상기 외함(11) 내의 압력과 함께 제어할 수 있는 것을
특징으로 하는 ??칭 셀.
제1항에 있어서,
상기 동기 전동 모터(42)가 상기 외함(11)의 외측에 위치하고, 상기 구동축(48)은 상기 외함을 통해 상기 교반부재(17)에 연결되는 것을
특징으로 하는 ?칭 셀.
제1항에 있어서,
상기 동기 전동 모터(42)가 방사류 동기 전동 모터인 것을
특징으로 하는 ??칭 셀.
제1항에 있어서,
상기 동기 전동 모터(42)가 상기 로터의 양측에 위치하는 두 개의 스테이터(77A, 77B)를 구비하는 것을
특징으로 하는 ??칭 셀.
제1항에 있어서,
상기 각 플랜지는 상기 구동축(48)의 통과를 위한 제3 관통 개구부를 구비하는 것을
특징으로 하는 ??칭 셀.
제1항에 있어서,
상기 제2 관통 개구부(88A, 88B)들 중의 적어도 어느 하나가 상기 ??칭 셀의 동작 중에 배관에 연결되어 상기 동기 전동 모터에 가스를 공급하는 것을
특징으로 하는 ??칭 셀.