KR20050106437A - 전기 히트 트레이싱 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

긴 단열 기판의 히트 트레이싱은 단열체 하에서 단열체와 열접촉되게 장착된 하나 이상의 긴 정출력 전기 히터에 의해 이루어진다. 금속 도관은 기판에 장착되어 단열체를 통하여 기판과 이격되어 연장된다. 이러한 전기 히터 또는 각각의 전기 히터는 도관을 통하여 기판으로부터 연장되어 외부 접속함 내의 전원에 연결된다. 이러한 장치에 의해, 히터가 기판의 단열체를 지날 때 정출력 전기 히터의 길이를 따라 발생된 열이 전도성 도관의 본체를 통하여 안전하게 발산될 수 있다.

Description

전기 히트 트레이싱 장치 및 방법 {ELECTRIC HEAT TRACING}

본 발명은 전기 히터를 갖는 기판 히트 트레이싱 장치 및 방법에 관한 것이다.

자동조절 히터 또는 정출력 히터(constant wattage heaters)로 기판에 열을 공급하는 것이 공지되어 있다. 기판(substrate)은 예를 들면 가열 패드(heating pads) 또는 빙판이 없도록 유지되어야 하는 도로 구역, 차도, 항공기 활주로 또는 헬리콥터 발착장으로 사용하기 적합한 평면과 같이, 필요한 어떤 형태라도 될 수 있다. 그러나 상당한 종류의 히트 트레이싱 기판은 예를 들면 물, 석유 제품, 또는 예를 들면 미리 결정된 온도 이상으로 유지될 필요가 있는 가공산업용 식료품을 이송하기 위한 파이프와 같은, 관 형상이다. 연장 파이프 기구(pipework)의 히트 트레이싱은 일반적으로 선형 또는 파이프 기구 주위에 감겨 파이프 기구를 따라 트레이스 될 수 있는 긴 테이프 히터(elongate, tape heaters)에 의해 이루어진다. 대기 온도 이상으로 온도를 유지하기 위해 히트 트레이스 되어야 하는 기판은, 절연체 하에서 기판과 접촉하는 가열 소자(heating element)로 단열체 내에서 둘러싸일 것이다.

자동 조절 히터에 의해 기판이 히트 트레이스 될 때, 히터의 중요한 특징, 즉 실질적으로 일정한 온도를 유지하기 위해, 자동적이며 국부적으로 히터의 열 출력(thermal output)을 조절할 수 있는 능력은, 히터가 스스로 바뀔 수 있게 할 뿐 아니라, 환경이 변할 때 히터가 불타지 않도록 히터로부터 발산되는 열에 관하여 특별히 주의할 필요가 없게 한다. 자동 조절 히터는 따라서 절연 기판을 따라 및/또는 절연 기판 주위에 안전하게 장착될 수 있으며, 절연체를 통과하여 전원과 직접 연결될 수 있는 접속함(junction box)까지 나아갈 수 있다. 반면에 정출력 히터는 자동조절 능력을 갖지 않아, 기판에 장착될 때 이러한 히터가 과열되어 타버리지 않도록 하기 위해 열 발산에 특별히 주의해야 하는데, 이는 유닛 길이에 대한 열 출력 양을 자동적으로 또는 국부적으로 제어할 수 없기 때문이다. 실제로, 이는 설치를 결정할 때, 자동 조절 히터의 경우보다 정출력 히터의 환경이 더욱 세부적으로 고려되어야 하는 것을 의미한다. 따라서 정출력 히터의 파워 레이팅(power rating)은 유지되어야 할 필요 온도, 가열될 기판, 및 정출력 히터 주위에 제공되는 단열체에 따라 선택된다. 그러나 저전력 히터, 즉 약 5W/m 이하의 전력을 공급하는 히터를 제외하면, 히터 자체의 온도가 허용될 수 없을 정도로 상승하여 히터에 손상을 일으킬 것이므로, 이는 불가피하게 정출력 히터가 히트 싱크로 작용하는 기판과 이격되어, 일반적으로 단열체를 통하여 외부로 지향되어야 하는 것을 의미할 것이다. 이를 피하기 위해, 일반적으로 정출력 전기 히터가 기판의 단열체 내의 전력 케이블에 연결되어, 히터 케이블(heater cable)이 아닌 전력 케이블(power cable)을 단열체에서 전원까지 지향되도록 한다. 그러나 이러한 소위 "저온 도선(cold leads)"을 정출력 전열선에 연결시키는 것은 기능이 매우 불안정하여 결과적으로 가열 시스템의 취약점이 되는 것으로 알려져 있다. 대안적 장치에서, 둘 이상의 비교적 낮은 전력의 히터를 이용하여 과열을 막을 수 있는데, 둘 이상의 히터는 모두 지나치게 과열되지 않고, 조합하여 기판에 필요한 열을 공급할 수 있다. 그러나 이러한 장치는 보다 복잡한 장치이다.

도 1은 기판에 장착된 히트 트레이싱 장치의 일례를 개략적으로 나타낸 도면,

도 2는 도 1 장치의 클램핑 스페이서(clamping spacer)를 개략적으로 나타낸 평면도, 및

도 3은 도 1의 장치의 클램핑 스페이서의 변형예를 나타낸 도면이다.

본 발명의 목적은 정출력 전기 히터를 이용하여 전술한 문제점을 극복하거나 적어도 완화시키는, 기판 히트 트레이싱 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 바람직하게는 가늘고 긴 형태로, 무기물 절연(mineral insulated) 또는 고분자 절연 케이블로 형성되며, 예를 들면 기판을 가열하기 위해 기판과 열접촉되게 장착되기 적합한 정출력 전기 히터, 및 히터의 일단부를 둘러싸 기판과 이격되어 지향되도록 배열되어 정출력 히터를 전원에 직접 연결시키는 열전도성 도관을 포함하는, 기판 히트 트레이싱 장치가 제공된다.

가장 폭넓은 양태에서, 히트 싱크로 작용하는 본 발명의 기판은 단열되지 않을 수 있더라도, 일반적으로 단열체 내에 둘러싸일 것이다. 이 경우, 전도성 도관이 전기 히터의 단부를 둘러싸, 전기 히터가 기판과 이격되어 절연체로 지향되도록 배열될 것이다.

전원에 대한 전기 접속은 기판의 단열체 외부에서, 예를 들면 고분자 물질 또는 금속으로 제조된 접속함에서 편리하게 이루어질 수 있다.

이러한 장치로, 예를 들면 기판 절연체 내부에서와 같이, 기판에서 정출력 히터로 리드 케이블 연결을 제공할 필요가 없지만, 반면에 히터는 예를 들면 절연체 외부에 위치하는 접속함까지 안내될 수 있어, 예를 들면 단자를 거쳐 전력 케이블까지와 같이, 전원에 직접 연결될 수 있다. 히터의 상승된 온도는 따라서 기판의 히트 싱크와 이격된 위치에서 히터를 둘러싸는 전도성 도관에 의해 제공되는 열 발산에 의해 안전한 수준으로 제어될 수 있다. 히터로부터 도관까지의 열 이동은 히터와 도관 사이의 바람직한 열접촉을 보장함으로써 향상될 수 있다.

유리하게, 전도성 도관 및/또는 접속함은, 보다 상세하게, 비록 단독적으로는 아니지만, 정출력 히터로부터의 열발산을 더욱 향상시키도록, 전도성 도관이 기판의 단열체를 통과하는 곳에, 전도성 도관 및/또는 접속함으로부터 옆으로 연장되는 추가 면들을 구비할 수 있다.

이러한 장치는 둘 이상의 긴 정출력 히터를 포함할 수 있으며, 각각의 히터는 전도성 도관 내에 둘러싸이고 전도성 도관을 통해 단열기판과 이격되어 지향되고, 히터들은 하나 이상의 스페이서 브래킷(spacer brackets)에 의해 서로 간격을 두고 고정된다. 스페이서 브래킷은 금속, 세라믹 또는 고내열성, 고열전도성 고분자 물질로 제조될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 정출력 전기 히터가 기판을 가열하기 위해 기판과 열접촉되게 장착되고, 전도성 도관이 히터와 이격되어 연장되도록 기판에 장착되며, 히터의 일단부가 도관을 통해 지향되어 기판과 이격된 전원에 연결되는, 기판 히트 트레이싱 방법이 제공된다.

기판은, 절연체 하에서 기판에 장착된 히터와 단열될 수 있으며, 히터는 도관이 단열체를 통하여 나아갈 때 도관 내에서 기판과 이격되어 안내될 수 있다.

본 발명의 히트 트레이싱 방법은 상기 양태들 중 하나에 따른 장치를 채용하는 것이 바람직하다.

용어 "정출력 히터(constant wattage heater)"는 단일 또는 다중 전도체 직렬 히터, 또는 존 히터(zone heater)와 같은 병렬 히터를 포함하는 것으로 이해될 것이다.

본 발명에 따른 히트 트레이싱 장치 및 방법은 각각 첨부 도면을 참조로 사례를 들어 설명될 것이다.

도 1을 참조하면, 긴 원형 파이프(2)는 대기 온도보다 높은 특정 온도로 유지되어야 하는 유체를 운반한다. 파이프(2)는, 예를 들면 암면(rockwool) 또는 유리섬유(fibreglass)일 수 있는 절연층(insulating layer;4) 내에 완전히 둘러싸여 있다. 정출력 전기 가열 케이블(constant wattage electric heating cable;6)은 파이프(2)의 외부 표면을 따라 트레이싱되고, 정출력 전기 가열 케이블의 파워 레이팅(power rating)은 환경을 고려한 필요 온도로 절연층(4)을 포함하여 파이프(2) 속의 내용물을 유지하도록 선택된다.

대체로 직사각형 형태인 금속 도관(8)은 파이프(2)의 짧은 길이를 따라 연장되어 스트랩(11)으로 파이프에 고정되는 3면 베이스부(10)를 갖는다. 도관(8)의 직립부(12)는 베이스부(10)에서 연장되어 파이프 절연체(4)를 통과한다. 직립부(12)는 절연체(4)를 통과하여, 직립부 위에 지지되는 고분자 접속함(14)에서 종결된다. 면적이 확대된 금속판(16)이 박스(14)의 일면에 용접된다.

도관(8)의 직립부(12)는 두 부분에 제공되며, 히터(6)가 정위치에 놓인 뒤, 적소에 고정될 수 있는 클립-온 커버(clip-on cover;15)로 폐쇄되는 3면 트렁크(13)를 포함한다.

히터(6)의 히트 트레이싱이 끝나 전원에 연결될 필요가 있는 위치에서, 히터는 도시된 바와 같이 베이스부(10)로 지향된 다음 도관(8)의 직립부(12)를 통과하여 접속함(14) 내부로 단부(18)가 돌출된다. 도시되지는 않았지만, 히터 케이블 단부(18)는 함(14) 내의 전원에 연결되어 정출력 입력이 히터에 공급된다.

도 1의 장치에서, 히터(6)는 길이의 대부분이 파이프(2)와 열접촉하며, 따라서 히터의 길이방향을 따라 일정한 수준으로 파이프에 필요한 열을 공급한다. 전원으로부터의 케이블(6)의 열은 케이블(6)이 파이프(2)로부터 출발하여, 파이프 절연층(4)을 통해 접속함(14)으로 연장되어 발생한다는 것을 알 수 있을 것이다. 열전도성 도관(8)은, 파이프(2)가 제공하는 히트 싱크 없이 케이블(6)의 이러한 부분으로부터 열을 발산시키는 기능을 하고, 따라서 케이블(6)의 이러한 부분이 과열 및 잠재적으로 해로운 연소를 피하도록 배열될 수 있으며, 케이블을 접속함(14) 내부의 전원에 직접 연결되게 한다.

접속함(14)으로부터의 열 발산은 접속함에 고정되는 면적이 확대된 금속판(16)에 의해 향상된다. 그러나 박스(14) 내의 히터(6)로부터 열 발산이 불충분한 경우, 접속함(14)에 고분자 물질 대신 금속을 이용할 수 있다. 이 경우 박스(14)에 추가 판(16)이 필요 없을 수 있다.

도관(8)을 지날 때 히터(6)로부터의 열 발산을 더욱 향상시키기 위해, 도관의 직립부(12)는, 보다 상세하게 도관부(12)가 파이프 절연층(4)을 통과하는 영역에 하나 이상의 측방향으로 연장된 열전도체, 바람직하게는 금속, 핀(20)을 구비할 수 있다. 그러나 핀(20)은 파이프(2)의 단열체 외부의 도관(8)에 제공될 수도 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 파이프(2)는 단일 정출력 히터(6)에 의해 가열된다. 그러나 다수의 히터가 필요하여 도관(8)을 통해 접속함(14)까지 다수의 히터를 지향되게 할 필요가 있을 것이다. 도관(8)을 지날 때, 다수의 히터(6)들 간의 접촉을 피하기 위해, 하나 이상의 스페이서 브래킷(22)이 히터를 고정시킬 수 있도록 직립부(12) 및 직립부의 베이스부(10)(미도시)에 장착될 수 있다. 도 1에 표시된 바와 같이, 각각의 히터(6)는 브래킷(22)의 각 리세스 안으로 압입 조립될 수 있고, 각각의 개구를 통해 접속함(14)으로 돌출될 수 있다.

스페이서 브래킷(22)은 금속 또는 고내열성 고분자로 제조될 수 있다.

대안적 장치에서, 도관(8)은 하나 이상의 히터(6)를 유지하기 위해 도관의 전체 길이를 따라 오목하게 형성될 수 있다.

도 2는 도관에 고정된 세 개의 가열 케이블(6)을 갖는 도관(8)의 직립부(12)를 관통하는 단면을 나타낸다.

도 3은 클램핑 스페이서 브래킷 장치의 변형예를 나타내는데, 이 장치에서 압력판(24)은 히터(6)를 보다 확실히 유지할 수 있도록, 브래킷(22)의 전방을 가로질러 제공되어 나사(26)에 의해 브래킷에 고정된다.

Claims (14)

1. 기판을 가열하기 위해 상기 기판과 열접촉되게 장착되기 적합한 긴 정출력 전기 히터, 및

   상기 히터를 둘러싸며 상기 히터가 상기 기판으로부터 이격되어 지향되도록 배열되어 상기 히터로 전력을 공급하기 위해 상기 히터를 전기접속시키는 열전도성 도관을 포함하는,

   기판 히트 트레이싱 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판은 단열체 내에 둘러싸이고, 상기 히터는 상기 단열체 아래의 상기 기판에 장착되도록 배열되며, 상기 도관은 상기 히터를 둘러싸고 상기 단열체를 통하여 상기 히터가 상기 기판과 이격되어 지향되도록 배열되는,

   기판 히트 트레이싱 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 전기접속은 접속함 내에서 이루어지는,

   기판 히트 트레이싱 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 전도성 도관은 상기 기판에 고정되어 상기 단열체를 통해 상기 기판과 이격되어 연장되며 상기 단열체 외부의 접속함에 고정되는,

   기판 히트 트레이싱 장치.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 접속함은 고분자 물질로 제조되는,

   기판 히트 트레이싱 장치.
6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 접속함은 열전도성이며, 바람직하게는 금속으로 형성되는,

   기판 히트 트레이싱 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전도성 도관은, 바람직하게는 적어도 상기 도관이 상기 기판의 단열체를 통과하는 영역에서, 연장되는 하나 이상의 열전도성 표면들을 갖는,

   기판 히트 트레이싱 장치.
8. 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 접속함은 열전도성 판과 열접촉되게 장착되어 상기 접속함으로부터 열을 전달시키는,

   기판 히트 트레이싱 장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   두 개 이상의 상기 긴 정출력 히터를 더 포함며,

   각각의 상기 히터는 상기 전도성 도관 내에 둘러싸여 상기 전도성 도관을 통하여 지향되고, 상기 히터는 하나 이상의 스페이서 브래킷에 의해 상기 도관 내에 서로 간격을 두고 고정되는,

   기판 히트 트레이싱 장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 또는 각각의 스페이스 브래킷은 금속, 세라믹 또는 고내열성, 고열전도성 고분자 물질로 제조되는,

    기판 히트 트레이싱 장치.
11. 기판을 가열하기 위해 상기 기판과 열접촉하는 긴 정출력 전기 히터를 장착하는 단계,

    상기 히터에서 이격되어 연장되도록 상기 기판에 전도성 도관을 장착하는 단계,

    상기 도관을 통하여 상기 히터를 상기 기판과 이격되게 지향하는 단계, 및

    상기 히터를 전원에 연결하는 단계를 포함하는,

    기판 히트 트레이싱 방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 히터는 상기 도관을 통해 전원에 연결되는 접속함으로 안내되는,

    기판 히트 트레이싱 방법.
13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,

    두 개 이상의 정출력 전기 히터가 상기 기판에 채용되어 상기 전도성 도관을 통하여 상기 기판으로부터 안내되는,

    기판 히트 트레이싱 방법.
14. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 장치를 채용하는,

    기판 히트 트레이싱 방법.