KR102440652B1 - 홀 패턴을 포함하는 플레이트를 이용한 공기 담금질 장치 - Google Patents

홀 패턴을 포함하는 플레이트를 이용한 공기 담금질 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기체가 유입되는 유입구, 유입된 상기 기체를 배출하는 배출구 및 상기 기체가 통과하며 제품을 냉각시키는 내부공간을 포함하는 챔버; 및 상기 챔버의 유입구에 위치하고, 상기 기체가 통과하는 단수 또는 복수의 홀 패턴(hole pattern)을 포함하는 플레이트(plate);를 포함하는 공기 담금질 장치에 관한 것이다. 본 발명의 공기 담금질 장치는 홀 패턴을 포함하는 플레이트를 추가하여 강한 난류 흐름을 유도함으로써, 냉각효율을 향상시키고, 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

홀 패턴을 포함하는 플레이트를 이용한 공기 담금질 장치{AIR QUENCHING APPARATUS USING THE PLATE COMPRISING HOLE PATTERNS}
본 발명은 홀 패턴을 포함하는 플레이트를 이용한 공기 담금질 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기체 유입구에 홀 패턴을 포함하는 플레이트를 추가함으로써 냉각효율이 향상된 홀 패턴을 포함하는 플레이트를 이용한 공기 담금질 장치에 관한 것이다.
담금질은 금속 열처리 공정중 하나로 금속의 강도 및 경도와 같은 성질을 결정짓는 중요한 공정이다. 일반적으로 담금질용 열전달 매체로 물이나 기름을 사용하는데 이는 냉각 속도가 빨라 더욱 센 강도의 금속을 만들 수 있지만 담금질 되는 금속의 표면에 큰 잔류 스트레스를 유도하여 크랙을 발생시킨다. 또한 액체 열전달 매체를 사용 할 경우 담금질이 끝난 후 별도로 매체를 제거해야 하기 때문에 폐기물 처리 문제를 동반한다.
따라서 최근에는 담금질용 열전달 매체로 균일한 냉각이 가능하고, 별도로 제거가 필요 없는 공기가 각광받고 있다. 그러나 공기(기체)를 이용하여 급랭시키는 방식의 경우는 물을 이용하여 급랭시키는 방식에 비해 냉각 시간이 상대적으로 느려서 강도의 향상을 극대화하기가 어려운 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기체 유입구에 홀 패턴을 포함하는 플레이트를 추가함으로써, 강한 난류 흐름을 유도할 수 있는 공기 담금질 장치를 제공하는데 있다.
또한 강한 난류 흐름을 유도함으로써, 냉각효율을 향상시키고, 에너지를 절감할 수 있는 홀 패턴을 포함하는 플레이트를 이용한 공기 담금질 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기체가 유입되는 유입구(110), 유입된 상기 기체를 배출하는 배출구(120), 및 상기 기체가 통과하며 제품을 냉각시키는 내부공간(130)을 포함하는 챔버(100); 및 상기 챔버(100)의 유입구에 위치하고, 상기 기체가 통과하는 단수 또는 복수의 홀 패턴(hole pattern)을 포함하는 플레이트(plate, 200);를 포함하는 공기 담금질 장치(10)를 제공한다.
상기 기체는 상기 내부공간(130)에서 난류흐름(turbulent flow)을 가질 수 있다.
상기 공기 담금질 장치가 상기 챔버(100)의 외부에 위치하고, 상기 기체를 상기 플레이트(200)의 홀 패턴으로 통과시켜 상기 내부공간(130)으로 유입시키는 블로어(300);를 추가로 포함할 수 있다.
상기 홀 패턴이 단수 또는 복수의 홀을 포함하고, 상기 홀의 형상이 원, 반원, 타원 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 형상을 포함할 수 있다.
상기 홀의 형상이 원의 형상을 포함할 수 있다.
상기 홀 패턴이 제1 홀; 및 상기 제1 홀의 주위를 둘러싸는 복수의 제2 홀;을 포함할 수 있다.
상기 제2 홀의 개수가 2 내지 100 중 어느 하나의 정수일 수 있다.
상기 제1 홀 및 제2 홀이 각각 독립적으로 원이고, 상기 제2 홀의 직경(D2)과 상기 제1 홀의 직경(D1)의 비(D2/D1)가 0.1 내지 1일 수 있다.
상기 제2 홀의 직경(D2)과 상기 제1 홀의 직경(D1)의 비(D2/D1)가 0.2 내지 0.7일 수 있다.
상기 플레이트는 상기 홀의 면적(A1)과 홀을 제외한 플레이트의 면적(A2)의 합(A1+A2)과 상기 홀의 면적(A1)과의 비((A1+A2)/A1)가 1.5 내지 15일 수 있다.
상기 플레이트는 상기 홀의 면적(A1)과 홀을 제외한 플레이트의 면적(A2)의 합(A1+A2)과 상기 홀의 면적(A1)과의 비((A1+A2)/A1)가 2 내지 10일 수 있다.
상기 플레이트(200)를 통과한 후의 상기 기체의 평균속도(Averaged velocity)가 상기 플레이트(200)를 통과하기 전의 상기 기체의 평균속도보다 빠를 수 있다.
상기 플레이트(200)의 소재가 스틸, 스테인레스스틸, 철, 알루미늄, 주석 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 챔버(100)의 외벽이 단열벽(adiabatic wall)일 수 있다.
상기 공기 담금질 장치가 상기 제품을 운반하기 위한 컨베이어(conveyor, 400)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 컨베이어(conveyor, 400)가 상기 내부공간(130)에 위치할 수 있다.
상기 공기 담금질 장치가 상기 컨베이어(conveyor) 상에 위치하고, 상기 제품을 적재하기 위한 팔레트(pallet, 500)를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 홀 페턴을 포함하는 플레이트를 이용한 공기 담금질 장치는 기체 유입구에 홀 패턴을 포함하는 플레이트를 추가함으로써, 강한 난류 흐름을 유도할 수 있다.
또한 본 발명은 홀 패턴을 포함하는 플레이트를 추가하여 강한 난류 흐름을 유도함으로써, 냉각효율을 향상시키고, 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 간단한 설계변경만으로 고효율이면서 저비용의 공기 담금질 장치를 자동차, 철강, 기계 산업 등 금속의 열처리를 이용하는 전 제조업에 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공기 담금질 장치의 구조도이다.
도 2는 본 발명에 따른 공기 담금질 장치를 3D로 나타낸 구조도이다.
도 3은 본 발명에 따른 서로 다른 플레이트의 구조도이다.
도 4는 본 발명에 따른 공기 담금질 장치를 이용하여 공기 담금질을 수행한 시뮬레이션 결과를 실제실험과 비교한 결과이다.
도 5는 홀의 총면적과 홀의 개수에 따른 600초 후 제품의 평균온도를 비교한 그래프이다.
도 6은 비교예 1 및 실시예 1 내지 5에 따른 장치 내부의 기체흐름을 모사한 도면이다.
도 7은 제조예 16에 따른 플레이트의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 제조예 17에 따른 플레이트의 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 제조예 18에 따른 플레이트의 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 제조예 19에 따른 플레이트의 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 로 명명될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 "형성되어" 있다거나 "적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 공기 담금질 장치의 구조도이고, 도 2는 본 발명에 따른 공기 담금질 장치를 3D로 나타낸 구조도이다. 또한 도 3은 본 발명에 따른 서로 다른 플레이트의 구조도이다.
이하, 도 1 내지 3을 참조하여 홀 패턴을 포함하는 플레이트가 적용된 공기 담금질 장치에 대해 상세히 설명하도록 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명은 기체가 유입되는 유입구(110), 유입된 상기 기체를 배출하는 배출구(120), 및 상기 기체가 통과하며 제품을 냉각시키는 내부공간(130)을 포함하는 챔버(100); 및 상기 챔버(100)의 유입구에 위치하고, 상기 기체가 통과하는 단수 또는 복수의 홀 패턴(hole pattern)을 포함하는 플레이트(plate, 200);를 포함하는 공기 담금질 장치(10)를 제공한다.
도 1을 참조하면 상기 공기 담금질 장치(10)의 배출구(120)는 아무것도 설치되지 않은 빈 공간이다.
상기 기체는 상기 내부공간(130)에서 난류흐름(turbulent flow)을 가질 수 있다.
본 발명은 베르누이의 정리를 이용하여 설계한 것으로, 유체가 좁은 통로를 흐를 때는 속력이 증가하는데 이 때 국부적으로 빨라진 유속으로 인해 홀을 통과한 유체에 난류 흐름이 유도된다. 난류는 일반적으로 층류에 비해 열전달 효율이 매우 좋기 때문에 열전달 향상이 중요한 열교환기 같은 장치에 난류와 소용돌이 흐름을 발생시키는 것이 매우 중요하다.
상기 공기 담금질 장치가 상기 챔버(100)의 외부에 위치하고, 상기 기체를 상기 플레이트(200)의 홀 패턴으로 통과시켜 상기 내부공간(130)으로 유입시키는 블로어(300);를 추가로 포함할 수 있다.
상기 홀 패턴이 단수 또는 복수의 홀을 포함하고, 상기 홀의 형상이 원, 반원, 타원 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 형상을 포함할 수 있다. 다각형의 경우 모서리와 꼭지점에 적용하는 압력이 달라 플레이트의 변형 및 파손이 일어 날 수 있기 때문에 제외한다.
상기 홀의 형상이 원의 형상을 포함할 수 있다.
상기 홀 패턴이 제1 홀; 및 상기 제1 홀의 주위를 둘러싸는 복수의 제2 홀;을 포함할 수 있다.
상기 제2 홀의 개수는 1 이상의 정수이며, 상기 제2 홀의 개수는 설치된 공정의 형태에 따라 달라지지만 일반적으로 2 내지 100 중 어느 하나의 정수일 수 있다.
상기 제1 홀 및 제2 홀이 각각 원이고, 상기 제2 홀의 직경(D2)과 상기 제1 홀의 직경(D1)의 비(D2/D1)가 0.1 내지 1 일 수 있고, 바람직하게는 0.2 내지 0.7일 수 있다.
상기 제2 홀의 직경(D2)과 상기 제1 홀의 직경(D1)의 비(D2/D1)가 0.1 미만이면 상기 제2 홀의 직경(D2)이 작아 담금질 및 운반 과정에서 발생하는 미량의 금속 가루 등의 이물질이 쌓여 유지보수 측면에서 설계가 바람직하지 않고, 1 초과이면 상기 제1 홀의 직경(D1)을 통과한 유체가 장애물에 부딪혀 소멸되더라도 상기 제2 홀의 직경(D2)을 통과한 빠른 유속의 유체로 대체되는 현상이 발생하기 어렵기 때문에 설계가 바람직하지 않다
상기 플레이트는 상기 홀의 면적(A1)과 홀을 제외한 플레이트의 면적(A2)의 합(A1+A2)과 상기 홀의 면적(A1)과의 비((A1+A2)/A1)가 1.5 내지 15일 수 있고, 바람직하게는 2 내지 10일 수 있다.
상기 홀의 면적(A1)과 홀을 제외한 플레이트의 면적(A2)의 합(A1+A2)과 상기 홀의 면적(A1)과의 비((A1+A2)/A1)가 1.5 미만이면 넓은 홀의 면적으로 인해 상대적으로 느린 유속이 상기 홀을 통과하여 난류가 유도되기 어려워 바람직하지 않고, 15 초과이면 좁은 홀의 면적으로 인해 상기 홀에 이물질이 퇴적되어 유지보수가 필요하며 홀을 관통하지 않고 플레이트를 들어올리려는 부력이 작용하여 바람직하지 않다.
상기 플레이트를 통과한 후의 상기 기체의 평균속도(Averaged velocity)가 상기 플레이트를 통과하기 전의 상기 기체의 평균속도보다 빠를 수 있다.
상기 플레이트(200)의 소재가 스틸, 스테인레스스틸, 철, 알루미늄, 주석 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 챔버(100)의 외벽이 단열벽(adiabatic wall)일 수 있다.
상기 공기 담금질 장치가 상기 제품을 운반하기 위한 컨베이어(conveyor, 400)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 컨베이어(conveyor, 400)가 상기 내부공간(130)에 위치할 수 있고, 기체의 흐름에 영향을 미치는 장애물 역할을 할 수 있다.
상기 공기 담금질 장치가 상기 컨베이어(conveyor) 상에 위치하고, 상기 제품을 적재하기 위한 팔레트(pallet, 500)를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명은 블로어(송풍기)로부터 유입된 기체가 홀 패턴을 포함하는 플레이트(냉풍입구)를 통과하면서 속도가 빨라지게 되고, 빨라진 속도로 인해 장치의 컨베이어, 팔레트 및 제품을 통과하는 기체(공기)의 흐름은 난류의 형태를 띄게 된다. 이때 층류보다 열전달 효율이 우수한 난류 흐름으로 인해 제품의 주요 열전달 방식인 강제 대류가 향상되고, 공기 담금질을 수행하는 경우 장치의 냉각 성능이 좋아지는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
[홀 패턴을 포함하는 플레이트]
제조예 1
2788mm (가로) × 1988mm (세로) 크기의 철판을 준비하고, 직경 939.2mm 크기의 원 모양으로 홀을 뚫어 홀 1개를 포함하는 플레이트를 제조하였다.
제조예 2 내지 15
홀의 개수, 총면적, 직경을 서로 다르게 하여 제조예 1과 같은 방법으로 제조예 2 내지 15를 제조하였고, 그 내용을 하기 표 1에 기재하였다. 또한 제조된 플레이트의 구조는 도 3을 통해 확인할 수 있으며, 어두운 직사각형 4개는 컨베이어를, 원은 홀을 의미한다.
또한 대조예 1(A)는 별도의 플레이트를 설치하는 않은 경우를 나타내며, 제조예 1(B) 내지 제조예 15(P)는 각각 홀의 개수, 직경 및 면적이 다르며, 홀에 특정 패턴을 적용하지 않고 크기에 비례한 균일한 간격으로 배치하였다.
플레이트 홀의 개수(개) 홀의 총면적 (m2) 홀의 직경(mm)
대조예 1(A) - 5.542(플레이트 전체면적) -
제조예 1(B) 1 2.771 939.2
제조예 2(C) 2 2.771 664.1
제조예 3(D) 4 2.771 469.6
제조예 4(E) 16 2.771 234.8
제조예 5(F) 64 2.771 117.4
제조예 6(G) 1 1.386 664.2
제조예 7(H) 2 1.386 469.7
제조예 8(I) 4 1.386 332.1
제조예 9(J) 16 1.386 166.1
제조예 10(K) 64 1.386 83.0
제조예 11(L) 1 0.693 469.7
제조예 12(M) 2 0.693 332.1
제조예 13(N) 4 0.693 234.8
제조예 14(O) 16 0.693 117.4
제조예 15(P) 64 0.693 58.7
제조예 16 내지 19
홀의 개수, 총면적, 직경을 서로 다르게 하여 제조예 1과 같은 방법으로 제조예 16 내지 19를 제조하였고, 그 내용을 하기 표 2에 기재하였다. 또한 제조된 플레이트의 구조는 도 7 내지 10을 통해 확인할 수 있다.
플레이트 홀 패턴 형상 홀의 개수 (개) 홀의 총 면적 (m2) 홀의 직경(mm)
제조예 16(도 7) 큰 직경의 홀을 8개의 직경이 감싸는 꽃 형상 108 0.693 제1 홀: 4.952 (큰 직경)
제2 홀: 2.476 (작은 직경)
제조예 17(도 8) 큰 직경의 홀과 작은 직경의 홀이 규칙적으로 나열된 형상 108 0.693 제1 홀: 4.952 (큰 직경)
제2 홀: 2.476 (작은 직경)
제조예 18
(도 9)		 큰 직경의 홀과 작은 직경의 홀이 무작위로 나열된 형상 108 0.693 제1 홀: 4.952 (큰 직경)
제2 홀: 2.476 (작은 직경)
제조예 19(도 10) 동일 크기 및 간격 분포의 홀 패턴 108 0.693 2.8584
[공기 담금질 장치]
실시예 1
공기 담금질 장치의 챔버는 2788mm (가로: x축) × 1988mm (세로: y축) × 1600mm (높이: z축)의 크기로 제조하고, 제조예 1에 따라 제조된 플레이트를 유입구와 인접한 위치에 설치하였다. 그리고 블로어(송풍기)를 이용하여 3500m3 / min의 유량으로 온도가 353.15K인 냉기를 공급하고, 상기 냉기는 공기이다. 이때 상기 공기의 밀도는 355.13K에서 0.9994kg / m3, 비열 용량은 1008J / kg·K, 열전도율은 0.02953W / m·K이다.
CFD 모델링은 상업용 소프트웨어인 Star CCM + 12.04를 사용하여 3차원으로 수행되었으며, 공기 담금질 장치를 이용하여 냉각시킬 대상 제품은 자동차 산업에서 사용되는 엔진의 실린더 블록의 형상을 단순화하여 모델링하였고, 제품의 물리적 특성과 질량은 실제 제품과 동일한 열용량을 생성하도록 모델링하였다. 상기 제품의 초기 온도는 808.15K이고, 표면은 거칠기가 없는 매끄러웠다. 또한 제품의 소재는 7075 알루미늄 합금으로, 밀도는 2,810kg / m3, 열용량은 960J / kg·K, 열전도율은 130W / m·K였다.
실시예 2 내지 19
실시예 1에서 제조예 1에 따라 제조된 플레이트를 설치하는 대신에 제조예 2 내지 19에 따라 제조된 플레이트를 각각 설치하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 공기 담금질 장치를 제조하였다.
비교예 1: 공기 담금질 장치
실시예 1에서 제조예 1에 따라 제조된 플레이트를 설치하는 대신에 별도의 플레이트를 설치하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 공기 담금질 장치를 제조하였다.
[시험예]
시험예 1: 시뮬레이션 결과
도 4는 본 발명에 따른 공기 담금질 장치를 이용하여 공기 담금질을 수행한 시뮬레이션 결과를 실제실험과 비교한 결과이다. 장치내부의 기류 시뮬레이션은 RANS 방정식을 사용하여 모델링되었고, 난류는 표준 k-ε 모델을 기반으로 한 커플링 시뮬레이션으로 모델링되었다.
시뮬레이션 및 실제실험은 앞서 기재한 실시예 1과 동일한 조건하에서 실험하였다.
도 4에 따르면, 본 발명에 따른 공기 담금질 장치에 적재된 36개의 제품 중 위치별로 12개의 제품을 선택하여 비교했을 때 도 4의 오른쪽 하단에 확대된 그래프를 보면, 실제실험(experiment)과 CFD 모델(simulation)은 유사한 경향성을 가지는 냉각 결과를 보였다.
따라서 실제 공기 담금질 장치의 냉각결과와 CFD 모델의 냉각결과를 비교 검증한 결과, 제품의 냉각 경향성이 동일하게 나타나 CFD 모델이 공기 담금질 장치를 잘 모사했음을 알 수 있다.
시험예 2: 서로 다른 플레이트에 따른 냉각효과 비교
도 5는 홀의 총면적과 홀의 개수에 따른 600초 후 제품의 평균온도를 비교한 그래프이고, 결과를 하기 표 3에 기재하였다.
장치 홀의 개수(개) 홀의 총면적 (m2) 홀을 지난 기체의 평균 유속 (m/s) 600초 후 제품의 평균 온도 (K)
비교예 1(A 적용) - 5.542(플레이트 전체면적) 10.524 612.414
실시예 1(B 포함) 1 2.771 21.049 552.410
실시예 2(C 포함) 2 2.771 42.099 557.745
실시예 3(D 포함) 4 2.771 84.197 577.233
실시예 4(E 포함) 16 2.771 21.049 574.465
실시예 5(F 포함) 64 2.771 42.099 582.686
실시예 6(G 포함) 1 1.386 84.197 543.285
실시예 7(H 포함) 2 1.386 21.049 503.421
실시예 8(I 포함) 4 1.386 42.099 529.298
실시예 9(J 포함) 16 1.386 84.197 508.633
실시예 10(K 포함) 64 1.386 21.049 499.916
실시예 11(L 포함) 1 0.693 42.099 538.142
실시예 12(M 포함) 2 0.693 84.197 405.882
실시예 13(N 포함) 4 0.693 21.049 439.869
실시예 14(O 포함) 16 0.693 42.099 441.477
실시예 15(P 포함) 64 0.693 84.197 456.856
표 3 및 도 5에 따르면, 비교예 1에 따른 장치는 별도의 플레이트를 포함하지 않아 유입구의 전체 영역을 통해 냉기가 유입되고, 제품의 평균온도가 약 612K로 가장 높게 나타난 것으로 보아 홀 패턴을 포함하는 플레이트를 설치하는 것은 냉각 효과를 상승시키는 것을 알 수 있었다.
또한 실시예 1 내지 15에 따른 장치를 이용했을 때, 실시예 12의 경우 냉각 효과가 가장 우수했으며, 제품의 평균온도가 비교예 1에 비하여 최대 206.532 K 정도의 차이가 나타나 홀 패턴을 포함하는 플레이트(냉풍 입구) 설치의 중요성을 알 수 있었다.
따라서 홀의 개수는 경향성을 띄지 않으며, 홀의 총 면적이 작을수록 냉각 효과가 좋음을 알 수 있었고, 본 발명에 따른 장치가 베르누이의 원리를 따르는 것을 알 수 있었다.
시험예 3: 서로 다른 플레이트에 따른 기체의 흐름 비교
도 6은 비교예 1 및 실시예 1 내지 5에 따른 장치 내부의 기체흐름을 모사한 도면이다. 세로축의 속도(m/s) 스케일 바에서 장치 내부의 유속을 유추할 수 있고, 가로축의 온도(K) 스케일 바에서 제품의 표면 온도를 유추할 수 있다.
도 6에 따르면, 홀의 총면적이 2.771m2 일 때, 홀의 개수에 따른 유량 분포를 알 수 있으며, 실시예 1(B 포함)의 냉각 효과가 가장 우수한 것으로 나타났으며, 제품을 둘러싼 기체의 흐름이 가장 불규칙하고 난류 (turbulent flow)가 충분히 유도된 것을 알 수 있었다. 또한 비교예 1(A 적용)은 제품의 평균온도가 612K이고, 기체의 흐름은 입구에서 출구까지 층류(laminar flow)로 나타났고, 실시예 5(F 포함) 제품의 평균온도가 612K로 나타났으며, 기체의 흐름은 층류인 것으로 나타났다. 이는 홀의 개수가 증가해도 홀의 균일한 분포로 인해 난류가 유도되지 않아 층류가 관찰된 것으로 분석된다.
따라서 본 발명에 따른 장치 내부의 기체흐름이 난류일 때 냉각 효과가 우수한 것을 알 수 있었고, 홀의 개수는 냉각 효과에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
시험예 4: 홀 패턴을 포함하는 플레이트의 최적화 설계
도 7 내지 10은 제조예 16 내지 19에 따른 플레이트의 구조를 나타낸 도면이다. 여기서 어두운 4개의 직사각형은 컨베이어를 의미한다. 또한 하기 표 4에는 서로 다른 플레이트 사용에 따른 냉각성능을 비교한 결과를 하기에 기재하였다.
장치 플레이트 홀 패턴 형상 홀의 개수 (개) 홀의 총 면적 (m2) 600초 후 제품의 평균 온도 (K)
실시예 16 제조예 16 큰 직경의 홀을 8개의 직경이 감싸는 꽃 형상 108 0.693 379.946
실시예 17 제조예 17 큰 직경의 홀과 작은 직경의 홀이 규칙적으로 나열된 형상 108 0.693 410.795
실시예 18 제조예 18 큰 직경의 홀과 작은 직경의 홀이 무작위로 나열된 형상 108 0.693 423.571
실시예 19 제조예 19 동일 크기 및 간격 분포의 홀 패턴 108 0.693 468.713
도 7 내지 10 및 표 4에 따르면, 플레이트의 설계를 수치화하는 것은 어렵지만 가장 우수한 냉각 성능을 보이는 경우는 도 7(실시예 16)과 같이 가운데에 위치한 큰 원을 기준으로, 지름이 1/2 이상 작은 원이 둘러싼 형태의 홀이 반복되는 패턴을 형성하는 경우인 것으로 나타났다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (17)

  1. 기체가 유입되는 유입구, 유입된 상기 기체를 배출하는 배출구, 및 상기 기체가 통과하며 제품을 냉각시키는 내부공간을 포함하는 챔버; 및
    상기 챔버의 유입구에 위치하고, 상기 기체가 통과하는 단수 또는 복수의 홀 패턴(hole pattern)을 포함하는 플레이트(plate);를 포함하고,
    상기 홀 패턴이
    제1 홀; 및
    상기 제1 홀의 주위를 둘러싸는 복수의 제2 홀;을 포함하고,
    상기 제1 홀 및 제2 홀이 각각 원이고,
    상기 제2 홀의 직경(D2)과 상기 제1 홀의 직경(D1)의 비(D2/D1)가 0.1 내지 1이고,
    상기 플레이트는 상기 홀의 면적(A1)과 홀을 제외한 플레이트의 면적(A2)의 합(A1+A2)과 상기 홀의 면적(A1)과의 비((A1+A2)/A1)가 1.5 내지 15인 것인, 공기 담금질 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기체는 상기 내부공간에서 난류흐름(turbulent flow)을 갖는 것을 특징으로 하는 공기 담금질 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공기 담금질 장치가
    상기 챔버의 외부에 위치하고, 상기 기체를 상기 플레이트의 홀 패턴으로 통과시켜 상기 내부공간으로 유입시키는 블로어;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 담금질 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 홀의 개수가 2 내지 100 중 어느 하나의 정수인 것을 특징으로 하는 공기 담금질 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 홀의 직경(D2)과 상기 제1 홀의 직경(D1)의 비(D2/D1)가 0.2 내지 0.7인 것을 특징으로 하는 공기 담금질 장치.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 홀의 면적(A1)과 홀을 제외한 플레이트의 면적(A2)의 합(A1+A2)과 상기 홀의 면적(A1)과의 비((A1+A2)/A1)가 2 내지 10인 것을 특징으로 하는 공기 담금질 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트를 통과한 후의 상기 기체의 평균속도(Averaged velocity)가 상기 플레이트를 통과하기 전의 상기 기체의 평균속도보다 빠른 것을 특징으로 하는 공기 담금질 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트의 소재가 스틸, 스테인레스스틸, 철, 알루미늄, 주석 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 공기 담금질 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 챔버의 외벽이 단열벽(adiabatic wall)인 것을 특징으로 하는 공기 담금질 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 공기 담금질 장치가
    상기 제품을 운반하기 위한 컨베이어(conveyor)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 담금질 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 컨베이어(conveyor)가 상기 내부공간에 위치하는 것을 특징으로 하는 공기 담금질 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 공기 담금질 장치가
    상기 컨베이어(conveyor) 상에 위치하고, 상기 제품을 적재하기 위한 팔레트(pallet)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 담금질 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2017020070A (ja) * 2015-07-09 2017-01-26 日産自動車株式会社 熱処理装置および熱処理方法

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