KR20060125477A - 워크피스의 그래디언트 유도 가열 - Google Patents

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Abstract

유도 코일의 각각이, 인버터의 입력에 연결된 튜닝 커패시터를 갖는 전원공급장치에 연결된, 복수 개의 유도 코일로, 워크피스의 유도 가열 또는 용융을 제공하기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 복수 개의 유도 코일은 워크피스 둘레에 순차로 배치된다. 인버터는 모든 전원공급장치의 컨트롤러사이의 제어 라인을 통해 전원공급장치의 펄스 폭 변조된 ac 전력 출력과 동기 제어될 수 있는 펄스 폭 변조된 ac 전력 출력을 갖는다.
Figure 112006036999310-PAT00001
유도 코일, 유도 가열, 인버터, 튜닝 커패시터, 워크피스

Description

워크피스의 그래디언트 유도 가열{GRADIENT INDUCTION HEATING OF A WORKPIECE}
도 1은 본 발명의 그래디언트 유도 가열 또는 용융 장치의 한 예에 대한 간략화된 개략도.
도 2는 본 발명의 그래디언트 유도 가열 또는 용융 장치에 사용되는 복수 개의 전력공급장치 중 하나에 대한 간략화된 개략도.
도 3은 본 발명의 그래디언트 유도 가열 또는 용융 장치의 한 예에서 인버터 출력 전압에서의 변동에 대한 로드 코일 전류로 되는 전형적인 결과를 예시하는 그래프.
본 발명은 워크피스에 대해 제어된 그래디언트 유도 가열에 관한 것이다.
워크피스를 워크피스의 치수에 따라 온도 그래디언트로 가열하는 것은 유익한 것이다. 예를 들어 압출 공정을 겪는 실린더형 알루미늄 워크피스 또는 빌렛은 일반적으로 빌렛의 대향 단부에서 단면 보다 압출기 전체를 통해 먼저 압출되는 빌렛의 단부에서 그 단면 전체에 더욱 고온으로 가열된다. 이것은 압출 공정 자체가 방열적이고 빌렛이 압출기를 통과함에 따라 빌렛을 가열시키기 때문에 행해지게 된다. 빌렛이 그 전체 세로축을 따른 그 단면을 통해 불균일하게 가열되었으면, 빌렛의 대향 단부는 압출 이전에 지나치게 가열되어지고 압출이 불가능하게 되도록하는 열 변형을 겪게 된다.
그 세로축을 따라 알루미늄 합금 빌렛과 같은 전기적으로 도전성인 빌렛의 그래디언트 유도 가열을 달성하는 한 방법은 빌렛을 개별적인 순차 솔레노이달 유도 코일로 감는 것이다. 각각의 코일은 공급 라인 주파수(즉, 50 또는 60 헤르쯔)의 전류원에 연결된다. 각각의 솔레노이달 코일을 통하는 전류 흐름은 빌렛을 관통하고 그것을 유도적으로 가열하는 코일 둘레에 세로방향 자계를 수립한다. 빌렛의 세로방향 축을 따라 그래디언트 가열을 달성하기 위해, 각각의 코일은 빌렛의 한 단부로부터 다른 단부로 순차적으로 코일에 더욱 작은 크기의 전류(전력)을 공급한다. 실리콘 제어된 정류자는 코일의 시퀀스에서 조정가능한 전류를 달성하기 위해 유도 코일과 직렬로 사용될 수 있다.
공급 라인 주파수의 사용은 간단한 전류원을 만들지만 그러한 배열장치에서 상용으로 가열될 수 있는 빌렛 사이즈의 범위를 제한한다. 유도 전류의 관통깊이(미터단위)는 수식인, 503(ρ/μF)1/2에 의해 정의되고, 여기서 ρ는 Ω.m단위인 빌렛의 전기 저항이고; μ는 빌렛의 상대적(치수없는) 자기 투과율이고; F는 인가된 필드의 주파수이다. 알루미늄과 같은 비자성 빌렛의 자기 투과율은 1이다. 알루미늄은 500℃에서 0.087μΩ*미터인 전기 저항성을 갖는다. 그러므로, F가 60헤르 쯔인, 상기 수식으로부터 관통깊이는 대약 19.2mm, 또는 대략 0.8-인치인 것으로서 계산될 수 있다. 빌렛의 유도 가열은 실제적으로 한번에 빌렛의 전체 단면을 유도적으로 가열하려고 하기 보단 "흡수(soaking)" 공정에 의해 달성된다. 즉 유도된 필드는 빌렛의 단면의 일부를 관통하고, 유도된 열은 빌렛의 중심내부이 까지 방사되어질 수(흡수되어질 수) 있다. 빌렛의 단면 반경의 5분의 1의 유도된 필드 관통 깊이는 효과적인 관통 깊이로서 인식되어진다. 그러므로 4인치인 반경을 갖춘 알루미늄 빌렛은 60헤르쯔 전류를 갖춘 0.8-인치의 최적 관통 깊이로 되는 결과로 된다. 결과적으로 단일 주파수에 의한 유도에 의해 효과적으로 가열될 수 있는 빌렛 사이즈의 범위는 제한된다.
본 발명의 목적은 워크피스의 다양한 사이즈에 대해 용이하게 변경될 수 있는 전류의 주파수로 빌렛을 그래디언트 유도 가열하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
한 태양에서, 본 발명은 복수개의 유도 코일로 워크피스를 그래디언트 유도 가열 또는 용융하는 방법 및 장치이다. 복수개의 유도 코일의 각각은 인버터의 입력에 걸친 튜닝 커패시터를 가질 수 있는 전원공급장치에 연결된다. 각각의 인버터는 모든 전원공급장치사이의 제어 라인을 통해 어떤 전원공급장치의 펄스 폭 변조된 ac 출력과 동기 제어된 펄스 폭 변조된 ac 출력을 갖는다.
본 발명의 기타 태양은 발명의 상세한 설명 첨부된 특허청구범위에 개시된 다.
도면은 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위와 연계하여 본 발명의 실시에 있어서 하나이상의 비제한적인 모드를 예시한다. 본 발명은 도면에 예시된 설계구조 및 내용에 제한되지 않는다.
도 1에 본 발명의 그래디언트 유도 가열 장치(10)의 한 예가 도시도어 있다. 이 특정한 비제한적 예에서의 워크피스는 빌렛(12)이다. 도 1에서 빌렛(12)의 치수는 워크피스 둘레의 순차적인 유도 코일(14a 내지 14f)를 나타내기 위해 크게 도시되어 있다. 워크피스는 그 치수중의 하나를 따라 그래디언트 가열을 필요로 하는 임의 유형의 전기적 도전성인 워크피스일 수 있지만, 편의를 위해, 본 특정예에선, 워크피스는 빌렛으로 참조되고 그래디언트 가열은 빌렛의 세로방향 축을 따라 달성된다. 본 발명의 다른 한 예에서, 워크피스는 열을 다른 재료에 전도하도록 가열되는 서셉터 또는 크루서블내에 위치된 전기적 도전재일 수 있다. 본 발명의 이들 예에서, 유도 코일은 서셉터 또는 크루서블에 위치된 재료를 유도 가열하기 위해 서셉터 또는 크루서블에 배치된다.
유도 코일(14a 내지 14f)은 도 1에서 다이어그램으로 도시되어 있다. 실제적으로 유도 코일은 촘촘하게 감긴 솔레노이달 코일이고, 코일간의 유전체 재료를 둠으로써 달성될 수 있는, 코일간의 단락을 방지하는 데에 필요로 되는 바와 같은 일정 간격으로 서로 이격되어 있다. 그 밖의 코일 구성이 본 발명의 범위내에서 고려된다.
펄스 폭 변조(PWM) 전원 공급장치(16a 내지 16f)는 각각 유도 코일(14a 내지 14f)에 상이한 rms 값 전류(파워)를 공급할 수 있다. 각각의 전원 공급장치는, 그 내용 전부가 본원에 참조문헌으로 통합된, 발명의 명칭이 "Induction Heating or Melting Power Supply Utilizing a Tuning Capacitor"인 미국특허 제 6,696,770호 및 도 2에 도시된 바와 같이, 인버터(62)의 입력에 걸쳐 연결된 튜닝 커패시터(CTF)와 정류기(60)의 출력에 걸쳐 연결된 저역 통과 필터 커패시터(CF)를 갖춘 정류기/인버터 전원공급장치를 포함할 수 있다. 도 2에서, Lfc는 선택적인 라인 필터이고 Lclr는 전류 제한 리액터이다. 각각의 전원 공급장치의 출력은 각각의 유도 코일로의 펄스 폭 변조된 전압이다.
도 2는 전형적인 전원공급장치를 예시하고 여기서 각각의 전원 공급장치로의비제한 전원(A,B,C로 지정된)은 400볼트, 30헤르쯔이다. 인버터(62)는 IGBT 스위칭 디바이스를 이용하는 풀 브리지 인버터를 포함한다. 본 발명의 기타예에서 인버터는 기타 유형의 스위칭 디바이스를 이용하는 인버터 또는 공진 인버터와 같은 것으로 구성된다. 마이크로제어기(MC)는 전원공급장치를 위한 제어 및 식별 기능을 위한 수단을 제공한다. 본 발명과 가장 관련 깊은, 마이크로제어기는 브리지 회로에서 4개 IGBT 스위칭 디바이스를 위한 게이팅 회로를 제어한다. 본 발명의 이러한 비제한 예에서, 게이팅 회로는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)에 의해 표현되고, 게이팅 신호는 (도 2에 점선 61에 의해 도시된) 광섬유 링크에 의해 게이트(G1 내지 G4)에 공급될 수 있다. 도 2에 도시된 전원공급장치의 출력에 연결된 유도 코일은 로드 코일(Lload)로서 표현된다. 코일(Lload)은 도 1의 유도 코 일(14a 내지 14f)중의 하나를 표현한다. 도 2의 저항 소자(R)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 빌렛에 삽입된 가열된 빌렛(12)의 저항 임피던스를 표현한다.
동작시 각각의 전원공급장치(16a 내지 16f)의 인버터의 펄스 폭 변조된 출력은 빌렛의 요구되는 그래디언트 유도 가열 정도를 달성하기 위해 지속시간, 위상 및/또는 크기가 변동될 수 있다. 도 3은 각각, 로드 코일 전류(I1, I2, 및 I3)로 되는 3개의 인접한 유도 코일을 위한 전원공급장치로부터 전압 출력(V1, V2, 및 V3 )에서의 변동을 그래픽으로 예시한다. 바람직한 가열 프로파일은 각각의 전원공급장치내의 마이크로제어기와 통신하는 마스터 컴퓨터에 의해 실행되는 하나이상의 컴퓨터 프로그램에 통합될 수 있다. 유도 코일은 모든 코일이 실질적으로 동일 주파수엣 동작되어야 하는 저 주파수 비트 발진을 방지하기 위해; 상호 인덕턴스를 갖는다. 펄스 폭 변조된 출력을 갖춘 인버터의 사용에 의해 제공된 유용성을 이용함에 있어서, 모든 인버터는 동기화된다. 즉, 모든 인버터의 출력 주파수 및 위상은 일반적으로 동기화된다.
에너지가 각각의 인버터의 출력으로부터 그 연관된 유도 코일로 흐르는 동안, 두 개의 대각선방향으로 배치된 스위칭 디바이스(예로서, 도 2의 S1 및 S3, 또는 S2 및 S4)는 통전하고 전압은 로드 코일에 걸쳐 인가된다. 다른 타임에서 코일은 단락되고 전류는 하나의 스위칭 디바이스 및 반병렬 다이오드(예로서, 도 2의 S1 및 D2; S2 및 D1;S3 및 D4; 또는 S4 및 D3)를 통해 흐른다. 이것은 인접 코일로부터 의 에너지의 픽업을 최소화한다.
도 1을 참조하면, 인접한 코일간의 회로 간섭을 최소화하기 위해 사용되는 복수 개의 전원공급장치의 전력 출력에 대한 동기 제어를 도시한다. 직렬 제어 루프(40)는 복수 개의 전원공급장치의 전력 출력의 동기 제어를 위한 비제한적인 수단을 나타낸다. 본 발명의 비제한적인 예에서 직렬 제어 루프(40)는 모든 전원공급장치를 직렬로 연결하는 광섬유 케이블 링크(FOL)을 포함할 수 있다. 각각의 전원공급장치로의 제어 링크의 제어 입력(도 1의 제어 입력)은 광섬유 수신기(FOR)일 수 있고 각각의 전원공급장치로부터의 제어 링크의 제어 출력(도 1의 제어 출력)은 광섬유 수신기(FOT)일 수 있다. 복수 개의 전원공급장치의 컨트롤러중의 하나인 예를들어 전원공급장치(16a)의 제어기는 마스터 컨트롤러로서 프로그램가능하게 선택된다. 전원공급장치(16a)의 마스터 컨트롤러의 제어 출력은 전원공급장치(16f)의 슬레이브 컨트롤러의 제어 입에 정규 동기화 펄스(20)를 출력한다. 전원공급장치(16f)의 슬레이브 컨트롤러가 정규 동작 상태에 있으면, 그것은 정규 동기화 펄스를 전원공급장치(16e)의 슬레이브 컨트롤러에 전달하고, 정규 동기화 펄스가 전원공급장치(16a)의 마스터 컨트롤러의 제어입력에 복귀될 때 까지 계속 전달된다. 또한, 각각의 컨트롤러는 복수 개의 전원공급장치에서 각각의 인버터를 위한 독립적인 펄스 폭 변조된 ac 출력 전력을 발생시킨다. 복수 개의 전원공급장치중의 하나에서 비정상 상태가 발생하는 경우에, 유효화된 컨트롤러는 그 다음 전원공급장치의 컨트롤러에 비정상 동작 펄스를 출력할 수 있다. 예를들어, 정규 동기화 펄스가 2 마이크로초 정도인 반면에, 비정상 동작 펄스는 50 마이크로초 정도일 수 있다. 비정상 동작 펄스는 유도 가열 공정을 차단하거나 수정하기 위해 전원공급장치의 업스트림 컨트롤러에 의해 처리된다. 일반적으로 마스터 컨트롤러로 및 이로부터의 라운드트립 전송에서의 시간 지연은 무시할 수 있는 정도이다. 컨트롤러중 하나가 고장나는 경우, 동기화 신호는 마스터 컨트롤러로 복귀하지 않게되고, 그것은, 후속하는 정규 동기화 펄스 발생을 멈추는 것과 같은, 비정상 상태 루틴이 실행되는 결과로 된다.
본 발명의 상기와 같은 비제한예에서 6개의 전원공급장치 및 유도 코일이 사용된다. 본 발명의 또다른 예에선 6개가 아닌 전원공급장치 및 코일이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 사용될 수 있다.
본 발명의 예는 특정한 전기 컴포넌트에 대한 참조를 포함한다. 당업자는 반드시 동일 유형일 필요는 없는 컴포넌트를 대체함에 의해 실행될 수 있지만 본 발명의 소망하는 조건을 생성하거나 또는 소망하는 결과를 달성할 수 있다. 예를들어, 단일 컴포넌트는 복수개의 컴포넌트로 대체되거나 그와 반대로 대체될 수 있다.
상기한 예는 개시된 본 발명의 예를 제한하지 않는다. 개시된 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 더 개시되어 있다.
상기한 바와 같은 구성에 의해, 워크피스의 다양한 사이즈에 대해 용이하게 변경될 수 있는 전류의 주파수로 빌렛을 그래디언트 유도 가열할 수 있다.

Claims (16)

  1. 워크피스의 그래디언트 유도 가열 또는 용융 장치에 있어서,
    워크피스 둘레에 순차로 배치된 복수 개의 유도 코일;
    복수 개의 유도 코일의 각각을 위한 전원공급장치로서, 그 연관된 유도 코일에 연결된 조정가능한 펄스 폭 변조된 ac 출력을 갖는 인버터를 포함하는, 전원공급장치; 및
    전원공급장치의 펄스 폭 변조된 ac 출력을 동기적으로 제어하기 위해 전원공급장치들간에 연결된 제어 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 인버터는 인버터의 입력에 걸쳐 튜닝 커패시터를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 복수 개의 유도 코일은 촘촘하게 감긴 솔레노이드 유도 코일이고 인접한 코일들간에 단락을 방지하기 위해 유전 분리를 갖추어 서로에 대해 인접하게 배치된 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 워크피스는 크루서블내에 위치된 전기적 도전성 재료인 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 워크피스는 서셉터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 워크피스의 그래디언트 유도 가열 또는 용융 장치에 있어서,
    워크피스 둘레에 순차로 배치된 두 개 이상의 유도 코일;
    두 개 이상의 유도 코일의 각각을 위한 인버터로서, 인버터의 각각은 적어도 4개의 고체상태 스위칭 디바이스를 포함하고 그 연관된 유도 코일에 연결된 펄스 폭 변조된 ac 출력을 갖는 인버터;
    인버터의 스위칭 디바이스를 제어하기 위해 인버터의 각각과 연관된 컨트롤러; 및
    인버터의 출력을 동기적으로 제어하기 위해 인버터들사이에 연결된 제어라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제6항에 있어서, 적어도 하나의 인버터는 인버터의 입력에 걸쳐 튜닝 커패시터를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제6항에 있어서, 복수 개의 유도 코일은 촘촘하게 감긴 솔레노이드 유도 코일이고 인접한 코일들간에 단락을 방지하기 위해 유전 분리를 갖추어 서로에 대해 인접하게 배치된 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제6항에 있어서, 워크피스는 크루서블내에 위치된 전기적 도전성 재료인 것 을 특징으로 하는 장치.
  10. 제6항에 있어서, 워크피스는 서셉터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 유도에 의해 워크피스를 그래디언트 유도 가열 또는 용융하는 방법에 있어서,
    복수 개의 유도 코일의 각각에 자계를 유도하기 위해 복수 개의 인버터의 출력으로부터 복수 개의 유도 코일로 펄스 폭 변조된 ac 전력을 공급하는 단계로서, 복수 개의 유도 코일의 각각은 복수 개 인버터 중의 하나의 출력에 배타적으로 연결된, 단계;
    워크피스를 복수 개의 유도 코일의 각각에 발생된 자계 영역에 있게 되도록 하는 단계; 및
    복수 개의 인버터의 각각의 펄스 폭 변조된 ac 전력 출력을 변동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 복수 개의 인버터 중 적어도 하나의 인버터의 입력에 걸쳐 튜닝 커패시터를 삽입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 복수 개의 인버터의 출력으로부터의 펄스 폭 변조된 ac 출력을 동기화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 복수 개의 인버터의 출력으로부터의 펄스 폭 변조된 ac 출력을 동기화하기 위해 복수 개의 인버터들 사이에 제어신호를 직렬로 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 제어신호는 나머지 복수 개의 인버터들에 직렬전송하기 위해 복수 개의 인버터중 하나에서 발생된 마스터 제어신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 복수 개의 인버터중 하나가 비정상 제어 신호를 마스터 제어신호가 발생된 복수 개의 인버터중 하나에 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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