KR20040101918A - 베이킹 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공층이 형성되는 대상물(내관(1), 외관(2))을 가열하여 대상물에 흡장된 기체 분자를 제거하는 베이킹 방법으로, 대상물 자체를 발열체로 하여 가열한다. 베이킹 대상물을 직접 발열체로 하는 것으로, 직접 대상물의 가열을 행할 수 있고, 가열시의 에너지 효율을 높일 수 있다. 또, 별도 히터나 가스의 가열 수단을 필요로 하지 않아, 베이킹 장치의 구성을 간략화할 수 있다. 이것에 의해 에너지 효율이 높은 가열이 가능하고, 특히 길거나 혹은 대형의 대상물이어도 균일하게 가열할 수 있는 베이킹 방법을 얻을 수 있다.

Description

베이킹 방법{Baking method}

본 발명은 대상물에 흡장된 기체 분자를 가열하여 제거하는 베이킹 방법에 관한 것이다. 특히, 초전도 케이블, 냉수 배관, 급수 배관, LNG 배관, 냉매 배관, 온수 배관, 급탕 배관, 열매체 배관 등의 각종 배관, 또는 배관 이음매류, 또는 배관 기기류로서 사용하는 단열관 또는 단열 용기의 베이킹에 최적인 베이킹 방법에관한 것이다.

내관과 외관 사이에 진공층이 형성되는 진공 2중 단열관 등에 있어서는 이 단열관의 구성 재료에 흡장된 기체 분자를 제거하여 진공도의 향상을 도모하기 위해서, 단열관을 가열하는 베이킹이라고 불리는 열 처리가 행하여지고 있다. 이 베이킹에는 크게 나누어 2가지의 방법이 알려져 있다. 그 하나는 단열관의 근방에 히터 등의 가열 수단을 배치하여 대상물을 가열하는 방법(예를 들면 일본 특개평 9-296779호 공보 및 일본 특개평 11-125609호 공보)이고, 또 하나는 내열관의 진공층에 가열된 가스를 도입하고 나서 가스를 배기하는 방법(예를 들면 일본 특개평 9-27365호 공보)이다.

그러나, 상기의 종래 기술에서는 다음과 같은 문제가 있었다.

<히터 등의 가열 수단을 사용하는 방법>

(1) 가열 수단의 에너지 손실(LA)이 크다.

히터에 의한 가열에서는 주로 히터로부터의 전도열에 의해 베이킹 대상물을 진공층의 외측에서 가열한다. 그 때문에, 베이킹 대상물 중, 진공층에 면하는 구성 부재를 직접 가열할 수 없어, 열원의 에너지 손실(LA)이 커진다. 한편, 히터를 진공층 내에 배치하면 진공층에 면하는 구성 부재를 더욱 효율적으로 가열할 수 있지만, 히터나 그 배선이 진공도를 저하시키는 가스의 방출 원인이 되는 것 외에, 진공층 내로부터 대기측으로 배선을 집어내는 구성이 복잡해져, 현실적이지 않다.

(2) 베이킹 장치가 대형화 및 복잡화되어. 장치 스페이스가 제약된다.

히터를 설치하는 것 자체에 의해 베이킹 장치가 대형화되어, 설치 장소에 제약이 생긴다. 덧붙여, 진공층에 면하는 구성 부재의 표면적이 클 수록 히터나 그 전원도 대형화되고, 더욱이 히터에 대한 배선도 복잡해진다. 특히, 단열관과 같은 장척의 전체 길이에 히터를 감는 것은 용이하지 않다. 한편, 히터 등의 가열 수단을 대형화하지 않은 경우, 가열할 수 있는 베이킹 대상물의 치수에 제약이 생기게 된다.

(3) 베이킹 대상물 이외의 부분도 가열되기 때문에, 베이킹 장치에 사용하는 구성 부품의 선정에 있어서 제약이 생긴다.

베이킹 장치 중 히터에 근접하는 부분도 가열되기 때문에, 베이킹 대상물 이외의 불필요한 부분까지 고온(예를 들면 70℃ 이상)으로 가열하여 버린다. 그 결과, 가열되는 부분에 사용하는 부품도 소정의 내열성이 요구되어, 부품 선정에 있어서 제약이 생긴다.

(4) 베이킹 대상물 전체를 똑같이 가열하는 것이 어렵다.

히터를 사용하는 베이킹 방법에서는 베이킹 대상물에 대하여, 히터의 설치가 균등하게 행하여지고 있지 않으면 열의 불균일 분포가 생기고, 동일한 베이킹 효과를 기대할 수 없다. 특히, 베이킹 대상물이 대형이나 장척으로, 요철을 갖는 형상의 경우, 히터를 대상물에 균등하게 설치하는 것이 곤란하다.

<가열한 가스를 베이킹 대상물에 도입하는 방법>

(1) 베이킹 시간에 비례하여 사용하는 가스량이 증가한다.

가열 가스에는 질소가스 등이 사용되고 있고, 베이킹 장치에는 이 가스의 공급원이 되는 봄베나 가스의 가열 수단이 포함된다. 베이킹 시간이 길어지면, 사용하는 가스량이 증가하여, 대형의 봄베가 필요해져 장치의 대형화로 이어지는 한편, 가열된 가스에 의해 간접적으로 대상물을 가열하기 때문에, 가열시의 에너지 효율도 낮다.

(2) 베이킹 대상물 전체를 한결같이 가열하는 것이 어렵다.

가열한 가스는 통상, 단열관의 일단측으로부터 도입되어 타단측으로부터 배출된다. 그 때, 가열한 가스의 입구와 출구에서는 가스 온도가 다르기 때문에, 베이킹 대상물을 균일하게 가열하는 것이 어렵다. 특히, 진공층이 커 장척에 달하는 경우에는 이 영향이 현저해져, 대상물을 균일 온도로 베이킹하는 것이 곤란해진다. 또, 진공 단열관(용기)의 경우, 진공층의 진공도를 상승(압력을 저하)시킬 필요에 의해, 가열 가스 도입에 의한 대상물의 가열 후 일단 진공을 개시하면, 진공층 내의 온도가 저하되어도 다시 가열 가스를 보낼 수 없다. 그 때문에, 베이킹의 효과를 효율 좋게 발휘할 수 없다.

따라서, 본 발명의 주목적은 에너지 효율이 높은 가열이 가능한 베이킹 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 길거나 또는 대형의 대상물이어도 균일하게 가열할 수 있는 베이킹 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 대상물 자체를 발열체로 하는 것으로 상기의 목적을 달성한다.

즉, 본 발명 베이킹 방법은 진공층이 형성되는 대상물을 가열하여 대상물에 흡장된 기체 분자를 제거하는 베이킹 방법으로, 상기 대상물 자체를 발열체로 하여 가열하는 것을 특징으로 한다.

베이킹 대상물을 직접 발열체로 하는 것으로, 직접 대상물을 가열할 수 있고, 가열시의 에너지 효율을 높일 수 있다. 또한, 별도 히터나 가스의 가열 수단을 필요로 하지 않고, 베이킹 장치의 구성을 간략화할 수도 있다.

베이킹 대상물 자체를 발열체로 하는 구체적인 수단으로서는 대상물이 도전성 금속인 경우, 이 대상물에 통전함으로써 발열시키는 것을 들 수 있다. 일반적으로, 진공 2중 단열관은 금속제의 내관과 외관으로 구성되어 있고, 도전성을 갖는다. 이러한 대상물에 통전하면, 용이하게 대상물 자체를 발열시킬 수 있다.

이 도전성 대상물이 복수의 부재로 구성되는 경우, 각 부재간을 전기적으로 절연하여, 부재마다 개별로 통전을 하는 것이 바람직하다. 복수의 부재는 재질이나 형상·사이즈가 다른 것이 많아, 각 부재간에서 저항치가 다른 경우가 있다. 이 저항치의 차가 부재간에서 큰 경우, 통전 전류가 같더라도 도달 가열 온도나 도달 가열 온도에 도달하기까지의 시간에 차가 생겨, 불균일한 가열이 되는 것을 생각할 수 있다. 그래서, 베이킹 대상물이 복수의 부재로 구성되는 경우, 각 대상물마다 개별로 통전함으로써, 대상물 전체로서 실질적으로 균일하게 발열시킬 수 있다.

복수의 부재마다 개별로 통전을 하는 경우, 각 부재간을 전기적으로 절연한다. 그 절연 수단은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 베이킹 대상이 내관과 외관을 갖는 진공 2중 단열관의 경우, 이 내관과 외관의 전기적 절연을 양관의 사이에 개재되는 절연 플랜지로 행하면 좋다. 절연 플랜지는 내관과 외관의 개구단을 막도록 장착되는 것으로, 일반적으로 시판되고 있는 것을 이용할 수 있다.

본 발명의 베이킹 방법은 진공 단열 구조체의 베이킹에 적용할 수 있다. 예를 들면, 초전도 케이블, 냉수 배관, 급수 배관, LNG 배관, 냉매 배관, 온수 배관, 급탕 배관, 열매체 배관 등의 각종 배관, 또는 배관 이음매류, 또는 배관 기기류로서 사용하는 단열관 또는 단열 용기의 베이킹에 최적이다.

도 1a는 본 발명의 방법의 설명도,

도 1b는 베이킹 대상물인 단열관의 단면도,

도 1c 및, 도 1d는 본 발명의 방법에 사용하는 장치의 등가 회로도.

도 2a는 본 발명의 방법의 설명도,

도 2b는 베이킹 대상물인 단열관의 단면도,

도 2c는 본 발명의 방법에 사용하는 장치의 등가 회로도,

도 2d는 본 발명의 방법에 사용하는 장치의 변형예의 등가 회로도.

이하, 본 발명의 실시의 형태를 설명한다.

(실시예 1)

초전도 케이블용 진공 2중 단열관을 베이킹 대상물로 한 본 발명의 베이킹 방법을 설명한다.

우선, 진공 2중 단열관을 구성하는 내관과 외관이 전기적으로 접속되어 있는 경우를 설명한다.

도 1a에 도시하는 바와 같이, 이 단열관은 내관(1)과 외관(2)의 간격을 두고 동축형으로 배치되어 있다. 이들 내관 및 외관(1, 2)은 직선형 관이어도 좋지만, 여기서는 굴곡 특성을 고려하여, 파형 가공된 금속관을 사용하고 있다. 양관(1, 2)의 개구단은 도 1b에 도시하는 바와 같이, 원환상의 도전 플랜지(3)로 밀봉하여 양관(1, 2)의 교통을 가능하게 하며 또한, 내외관(1, 2)의 사이에 진공층이 형성된다. 이 진공층 내에는 통상, 수퍼인슐레이션(상품명) 등의 전사열 반사재(도시하지 않음)가 수납된다. 진공층의 형성은 외관(2)에 돌출된 배기 포트(4)로부터 진공으로 하는 것으로 행하여진다. 그리고, 단열관의 양단부에 전극을 형성하고, 리드선을 통해 통전 장치(5)를 접속한다.

이와 같은 베이킹 장치에 있어서, 통전 장치(5)로부터 단열관에 통전하면, 내외관 자체가 발열체가 되어 가열되어, 단열관을 거의 균일하게 가열할 수 있다. 이 베이킹 장치의 등가 회로를 도 1c에 도시한다. 단열관의 단위 길이당 저항을 R(Ω/m), 통전 장치의 전압을 V(V), 전체 전류를 I₀(A)로 하면, 단위 길이당 발열량은 RI₀ ²(W/m)로 나타낼 수 있고, 전류치 I₀를 제어함으로써 전체 길이의 발열량을 균일하게 컨트롤할 수 있다. 내외관에 파형관을 사용한 경우에도, 그 구경·두께는 전체 길이에 따라 거의 균일하기 때문에, 단위 길이당 발열량은 거의 균일하다고 생각하여도 지장이 없다. 이러한 통전 가열을 하는 것으로, 진공층에 면하는 내외관 벽면을 동시에 거의 균일하게 가열할 수 있다. 특히, 내관을 가열하였을 때 단열층의 진공도가 좋은 경우에는 진공층 내에서의 열의 전도와 대류가 실질적으로 무시되기 때문에 내관 표면으로부터 외주로 빠지는 열량이 적어, 내관의 온도는 적은 통전량으로 경제적인 제어를 할 수 있다.

또, 실제는 내외관(1, 2)은 도전 플랜지(3)에 의해 끝부에서만 전기적으로 도통되어 있기 때문에, 도 1d에 도시하는 바와 같이 병렬 회로라고 생각할 수 있다. 여기서, 내관(1)의 단위 길이당 전기 저항을 R₁, 외관(2)의 그것을 R₂로 하면,각 관(1, 2)을 흐르는 전류 I₁(A), I₂(A)는 각각 다음과 같이 분류된다.

I₁=I₀R₂/(R₁+R₂)

I₂=I₀R₁/(R₁+R₂)

그리고, 단위 길이당 내관(1), 외관(2)의 각각에서 발생하는 열량(W₁, W₂)은 이하와 같이 표시된다.

W₁=R₁I₁ ²=R₁I₀ ²R₂ ²/(R₁+R₂)²(W/m)

W₂=R₂I₂ ²=R₂I₀ ²R₁ ²/(R₁+R₂)²(W/m)

그 때문에, 극단적으로 내외관의 저항치가 다른 경우에는 발열량의 차이가 크고, 베이킹 온도에 불균일 분포가 생길 가능성도 있다. 덧붙여 내관측은 외관으로 덮여 있기 때문에 구조적으로 열이 축적되기 쉽고, 가령 외관과 같은 발열량이더라도 도달 온도가 높아지거나, 도달 온도까지의 승온 시간이 빨라질 가능성이 높다. 그 결과, 본 예에 의한 베이킹 방법으로서는 내관, 외관 각각의 도달 온도를 T₁, T₂로 하면, 일반적으로 T₁>T₂가 되는 경향이 있다. 따라서, 베이킹 설정 온도 Ts는 T₁≤Ts≤T₂가 되는 적절한 값을 선택하는 것이 바람직하다. 물론, 내외관의 치수(단면적, 두께)나 소재의 조합에 의해, 균일한 가열을 할 수 있도록 베이킹 조건의 최적화를 도모하는 것도 가능하다.

(실시예 2)

다음에, 진공 2중 단열관을 구성하는 내관과 외관을 전기적으로 절연한 경우를 예로 설명한다.

실시예 1에서 도시한 바와 같이, 내외관으로 저항치가 크게 다른 경우, 내외관의 가열이 불균일하게 되는 경우가 있다. 본 예에서는 내관(1)과 외관(2)을 절연하여, 각 관(1, 2)마다 독립하여 통전하는 것으로 균일한 가열을 가능하게 한다.

도 2a에 도시하는 바와 같이, 본 예에 있어서도 실시예 1과 거의 같은 단열관을 준비한다. 실시예 1에서 사용한 단열관과의 상위점은 양관의 끝부를 밀봉하는 플랜지를 절연 플랜지(6)로 한 것이다. 즉, 이 절연 플랜지는 도 2b에 도시하는 바와 같이, 원환상의 플랜지에 있어서의 내주 가장자리부와 외주 가장자리부를 금속제로 하고, 중간부를 절연 재료로 구성하고 있다. 이러한 절연 플랜지(6)는 양관(1, 2)을 절연할 수 있는 기능을 갖으면, 그 형상이나 재질은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면 진공 기밀 부품으로서 시판되고 있는 주식회사 코스모 테크사 제품의 절연 플랜지 등을 응용할 수 있다. 그리고, 절연 플랜지(6)로 전기적으로 절연된 내외관은 각각 독립한 통전 장치(5A, 5B)에 접속된다.

이와 같은 베이킹 장치에 있어서, 내외관(1, 2)이 각각 균등한 온도가 되도록 각 통전 장치(5A, 5B)의 전류를 제어하는 것으로, 단열관 전체적으로 균일한 베이킹을 할 수 있다.

또, 도 2a, 도 2c에 도시하는 베이킹 장치에서는 2대의 통전 장치를 사용하였지만, 도 2d의 등가 회로도에 도시하는 바와 같이, 1대의 통전 장치에서 접속 대상을 내관과 외관으로 바꿔 가열을 하도록 구성하여도 좋다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 베이킹 방법에 의하면 다음의 효과를 가질 수 있다.

(1) 발열체의 열을 베이킹 대상물에 전달시키는 구성이 아니라, 베이킹 대상물 자체를 발열체로 하는 것으로, 에너지 효율이 높은 베이킹을 할 수 있다.

(2) 베이킹용으로 전용 히터나 가열 가스 장치·배관 등을 준비할 필요가 없어, 베이킹 장치를 간이·소형화할 수 있다.

(3) 베이킹 대상물에 통전하여 가열하는 것으로, 대상물 전체를 균일하게 발열시킬 수 있다. 특히, 초전도 케이블용 단열관 등, 장척·대형의 대상물이어도 전체에 걸쳐 균일한 가열을 할 수 있다. 또한 대상물의 설계(단면적, 두께, 소재)를 최적화함으로써, 균일한 가열을 하는 것도 가능하다.

(4) 베이킹 대상물을 전기적으로 복수의 영역에 절연하고, 각 영역마다 독립으로 통전하는 것으로, 각 영역의 특성에 따른 가열을 할 수 있고, 설계자가 희망하는 베이킹 조건을 용이하게 얻을 수 있다.

Claims (5)

1. 진공층이 형성되는 대상물(1, 2)을 가열하여 상기 대상물(1, 2)에 흡장된 기체 분자를 제거하는 베이킹 방법에 있어서,

   상기 대상물(1, 2) 자체를 발열체로 하여 가열하는 것을 특징으로 하는 베이킹 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 대상물(1, 2)이 도전성 금속이며, 이 대상물(1, 2)에 통전함으로써 발열시키는 것을 특징으로 하는 베이킹 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 대상물(1, 2)이 복수의 부재로 구성되고,

   각 부재간을 전기적으로 절연하여, 부재마다 독립하여 통전을 하여 대상물을 실질적으로 균일하게 발열시키는 것을 특징으로 하는 베이킹 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 대상물(1, 2)을 구성하는 복수의 부재가 내관(1)과 외관(2)이며,

   이 내관(1)과 외관(2)의 전기적 절연을 내관의 사이에 개재되는 절연 플랜지로 행하는 것을 특징으로 하는 베이킹 방법.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 대상물(1, 2)이 초전도 케이블의 단열관인 것을 특징으로 하는 베이킹 방법.