KR20160034189A - 유체 가열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 도체관(1)의 파손 전에 이것을 검출하고, 가열 유체가 누설된다고 한 사태를 미연에 방지하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로 본 발명은, 나선 모양으로 권회한 도체관(1)을 유도 가열하는 것에 의해서 해당 도체관(1) 내에 통류한 유체를 가열하는 유체 가열 장치(100)에 있어서, 상기 도체관(1)의 소요 개소끼리를 전기적으로 접속하여 단락 회로를 구성하는 전기 접속 부재(2)와, 상기 도체관(1)의 전위를 측정하는 전위 측정기(4)를 마련했다.

Description

유체 가열 장치{Fluid Heating Device}

본 발명은, 나선 모양으로 권회(卷回)한 도체관을 유도(誘導) 가열하는 것에 의해서 해당 도체관 내에 통류(通流)한 유체를 가열하는 유체 가열 장치에 관한 것이다.

종래, 이런 종류의 유체 가열 장치에서, 특허 문헌 1에 나타내는 바와 같이, 2차 코일을 형성하는 나선 모양으로 권회(卷回)한 도체관에 있어서 이웃하는 도체관끼리를, 나선의 축방향으로 연장하는 전기 접속 부재로 용접 등에 의해 전기 접속하고, 단락(短絡) 회로를 구성하여 전기적 리액턴스(reactance)를 저감시켜 역률을 개선하여, 가열 효율을 향상시킨 것이 알려져 있다.

그런데, 나선 도체관을 유도 가열하면, 외주측에 비해 길이가 짧고 전기 저항값이 낮은 도체관의 내주측으로, 외주측에 비해 큰 전류가 흐르게 되기 때문에, 내주측은 외주측보다 고온이 된다. 이 때문에 도체관의 내주측은 외주측에 비해 열팽창이 크게 되어, 나선관은 풀리는 방향으로 관의 상호 배치가 변화하게 된다.

또, 유체의 출구측은 입구측에 비해 고온이 되므로, 출구측의 권선 직경이 크게 되고, 나선관의 정면에서 볼 때 형상은 사다리꼴 모양으로 변형한다.

그렇지만, 종래와 같이, 전기 접속 부재가 도체관의 소요 개소 사이에 고정되어 있으면, 전술한 도체관이 변형하려고 했을 때에 큰 응력이 발생하고, 경년(經年) 사용에 의해서, 전기 접속 부재나 도체관과 전기 접속 부재와의 고정 개소에 피로가 축적되어, 이들이 파손되는 경우가 있다.

그러면 가열 효율이 저하할 뿐만 아니라, 접속부 사이에 전위(電位)가 발생하여 방전(放電)이 생겨, 도체관 자체가 파손되어 내부의 가열 유체가 누설될 우려조차 있다.

특허 문헌 1 : 일본특허공개 제2010－71624호 공보

본 발명은, 상술한 도체관의 파손 전에 이것을 검출하고, 가열 유체가 누설된다고 한 사태를 미연에 방지할 수 있도록 이루어진 것이다.

즉, 본 발명에 관한 유체 가열 장치는, 나선 모양으로 권회(卷回)한 도체관을 유도(誘導) 가열하는 것에 의해서 해당 도체관 내에 통류(通流)한 유체를 가열하는 것으로서, 상기 도체관의 소요 개소끼리를 전기적으로 접속하여 단락(短絡) 회로를 구성하는 전기 접속 부재와, 상기 도체관의 전위(電位)를 측정하는 전위 측정기를 구비한 것인 것을 특징으로 한다.

이와 같은 것이면, 전위 측정기에 의한 검출 전위가 소정의 값을 넘었을 때, 전기 접속 부재에 어떤 이변(異變)이 생기고 있는 것을 알 수 있으므로, 메인터넌스를 하거나, 장치를 교환하거나 하는 등에 의해, 도체관의 파손에 이르기 전에, 미연에 이것을 방지하는 처치를 실시할 수 있다.

상기 메인터넌스 등을 보다 확실히 행하기 위해서는, 상기 전위 측정기에 의한 측정 전위가 소정의 값을 넘었을 때에, 이것을 알리는 알림부 또는 운전 정지 신호를 출력하는 운전 정지부를 더 마련해 두는 것이 바람직하다.

파손의 애초의 원인이 되는 응력 발생을 저감시키고, 장치의 장기 수명화를 도모하려면, 상기 전기 접속 부재는, 상기 도체관의 온도 변화에 따른 변형에 따라서 변형 가능한 것인 것이 바람직하다.

바람직한 전기 접속 부재의 형태로서는, 이것을 금속망을 이용하여 형성한 것을 들 수 있다. 이와 같은 것이면, 세로 방향 뿐만 아니라 가로 방향으로도 용이하게 변형하므로, 도체관의 불측의 변형에도 충분히 대응할 수 있다.

바람직한 전기 접속 부재의 다른 형태로서는, 상기 전기 접속 부재는, 그 중간 영역에 절곡 가공을 실시한 금속판을 이용하여 형성된 것을 들 수 있다. 이와 같은 것이면, 가동성을 갖게 함과 아울러 큰 도전 단면적을 확보하는 것을 용이하게 할 수 있다.

상기 도체관이 유체를 가열하여 과열 증기를 발생시키는 것의 경우, 유체 가열 장치 중에서도, 온도 상승이 크고, 도체관의 변형도 크게 되기 때문에, 본 발명의 효과가 특히 현저하게 된다.

이와 같이 구성한 본 발명에 의하면, 전위 측정기에 의한 검출 전위가 소정의 값을 넘었을 때, 전기 접속 부재에 어떤 이변이 생기고 있는 것을 알 수 있으므로, 메인터넌스를 하거나, 장치를 교환하거나 하는 등에 의해, 도체관의 파손에 이르기 전에, 미연에 이것을 방지하는 처치를 실시할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에서의 유체 가열 장치의 도체관을 주로 나타내는 정면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태의 도체관을 주로 나타내는 측면도.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태의 전기 접속 부재를 나타내는 정면도, 저면도 및 측면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에서의 전기 접속 부재를 나타내는 정면도, 저면도 및 측면도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 형태에서의 유체 가열 장치를 나타내는 정면도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 형태에서의 유체 가열 장치를 나타내는 정면도.

이하에 본 발명에 관한 유체 가열 장치(100)의 일 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

이 유체 가열 장치(100)는, 철심(鐵心)을 따라서 권회(卷回)된(감겨진) 1차 코일(도시하지 않음)과, 상기 1차 코일의 외주 또는 내주 또는 1차 코일 사이에, 해당 1차 코일을 따라서 권회(卷回)된 나선 모양의 도체관(1)으로 이루어지는 2차 코일(도 1, 도 2 참조)을 가지며, 상기 2차 코일을 구성하는 상기 도체관(1)의 내부를 통류(通流)하는 유체를, 해당 도체관(1)의 유도(誘導) 발열에 의해 가열하도록 한 것이다. 또, 2차 코일을 구성하는 도체관(1)의 일방의 단부에는, 유체를 2차 코일로 공급하기 위한 외부 배관이 접속되는 도입(導入) 포트가 형성되고, 상기 도체관의 타방의 단부에는, 가열된 유체를 외부로 도출하기 위한 외부 배관이 접속되는 도출(導出) 포트가 형성되어 있다.

또, 여기서의 유체 가열 장치(100)는, 유체로서 물을 가열하는 것이며, 해당 물을 도체관(1)에서 가열하여, 100℃초과(200℃~2000℃)의 과열 증기를 발생시키는 과열 증기 발생 장치로서 이용되지만, 가열 온도나 가열 대상 유체가 이것으로 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 외부에서 생성된 포화 수증기를 도체관(1)에서 가열하여, 과열 증기를 발생시키는 것이라도 좋다.

그런데, 이 실시 형태에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 도체관(1)의 소요 개소끼리를 전기적으로 접속하여 단락 회로를 구성하는 전기 접속 부재(2)를 마련하고 있다.

이 전기 접속 부재(2)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 금속제의 장척(長尺) 모양을 이루는 것으로, 도체관(1)에 용접 또는 납땜 등에 의해 전기적 또한 기계적으로 고착되는 한 쌍의 접속용 단자판(21)과, 이들 접속용 단자판(21) 사이에 걸쳐 놓여진 금속망(22)으로 이루어진다. 한 쌍의 접속용 단자판(21)은, 도체관(1)에서의 2차 코일의 외주측 부분에 용접 등에 의해 전기적 또한 기계적으로 고착된다. 또, 금속망(22)은, 한 쌍의 접속용 단자판(21)의 거리의 확장 수축에 따라 신축하는 것이며, 본 실시 형태에서는, 도중(途中)에서 굴곡시킨 띠 모양을 이루는 것이며, 접속용 단자판(21) 사이에 복수개(도 3에서는 3개)가 걸쳐 놓여져 있다.

그리고, 이러한 전기 접속 부재(2)는, 그 연신 방향을 나선의 축방향과 평행하게 한 자세로, 도체관(1)의 표면에 복수(여기에서는 3개 이상) 장착되어 있다. 또, 복수의 전기 접속 부재(2)는, 2차 코일의 외주 전체에 걸쳐서 서로 간격을 두고 이산적(離散的)으로 장착되는 것이 바람직하다. 도 2에서는, 나선의 축방향을 따라서, 2개 또는 3개의 전기 접속 부재(2)가 직선 모양으로 장착되어 있다. 또, 각 전기 접속 부재(2)의 접속용 단자판(21)은, 인접하는 도체관 요소(도체관(1)에서 나선의 일주분(一周分)을 구성하는 부분)가 아니라, 1개 간격 이상으로 떨어진 도체관 요소의 소요 개소에 장착되어 이들을 전기적으로 접속하도록 하고 있다. 이것은, 실시예에서의 나선관 지름이 작아서, 서로 인접하는 도체관 요소에 접속하려면 스페이스상(上) 곤란했던 것에 의한다. 이와 같이 인접한 또는 떨어진 도체관 요소에 접속하는 것에 의해서, 소망의 전기적 접속을 할 수 있도록 전기 접속 부재(2)를 장착하게 된다.

접속용 단자판(21)이나 금속망(22)의 소재로서는, 내열성이 있고 산화하기 어려운 SUS304나 SUS316L 등의 오스테나이트계 스테인리스 및 INCONEL－alloy(JIS 합금 번호 NCF601 등) 등이 적합하다.

또 이 실시 형태에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 도체관(1)의 입구와 출구와의 사이의 전위(電位)(보다 정확하게는, 상기 도체관(1)에서, 전기 접속 부재(2)가 마련되어 있는 영역보다 단부측의 임의 개소 사이의 전위)를 측정하는 전위 측정기(전압계)(4)와, 이 전위 측정기(4)에 의해서 측정된 전위가 소정의 값을 넘었을 때에 경보를 발(發)하는 알림부 및/또는 운전 정지 신호를 출력하는 운전 정지부를 가진 감시 장치(5)를 마련하고 있다. 또, 본 실시 형태의 전위 측정기(4)는, 도체관(1)의 도입 포트 또는 그 근방과 도체관(1)의 도출 포트 또는 그 근방과의 사이의 전위를 측정하도록 접속되어 있다.

예를 들면 유도 가열용 입력 권선의 권수(卷數)를 N, 입력 권선으로의 인가 전압을 E로 하면, 도체관(1)을 전단락(全短絡)한 상태에서는, 해당 도체관(1)의 최초와 최후인 유체 출입구 사이 전위는 E/N이다. 여기서 전기 접속 부재(2)가 1개소 파손하여 떨어진 경우를 고려하면, 도체관(1)의 출입구 사이에는 2E/N의 전위가 발생한다.

그러나, 이 실시 형태에서는, 이 전위의 변화를 경보 또는 운전 정지 신호를 출력하여, 수리의 필요성을 알릴 수 있으므로, 도체관(1) 자체의 파손이 일어나기 전에, 이것을 미연에 방지할 수 있다.

게다가, 이 실시 형태에서는, 전기 접속 부재(2)가 상기 도체관(1)의 온도 변화에 따른 변형에 따라서 변형하는 충분한 변형성을 가지고 있기 때문에, 도체관(1)이나 전기 접속 부재(2) 자신, 혹은 도체관(1)과 전기 접속 부재(2)와의 고정 개소 등에 큰 응력이 애초에 발생하지는 않아, 피로가 축적되거나, 그 결과, 파손되거나 하는 것을 가급적 방지할 수 있어, 수리 간격이나 장치 수명을 늘리는 것이 가능하게 된다.

또, 전기 접속 부재(2)로서, 세로 방향 뿐만 아니라 가로 방향으로도 용이하게 변형 가능한 금속망(22)을 이용하고 있으므로, 도체관(1)의 불측의 변형에도 충분히 대응하는 것이 가능하게 된다.

특히, 이 실시 형태에서는, 과열 증기를 발생시키기 때문에 가열 온도가 높고, 도체관(1)의 변형도 크게 되기 때문에, 상술한 효과가 특히 현저하게 된다.

또, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않는다.

예를 들면, 상기 전기 접속 부재(2)로서, 도 4에 나타내는 바와 같이, 접속용 단자판(21) 사이에 절곡 가공을 실시한 금속판(23)을 이용하여 형성한 것이라도 상관없다. 또, 절곡 가공을 실시한 금속판으로서는, 굴곡 가공을 실시한 금속판이나 만곡(灣曲) 가공을 실시한 금속판 등이 고려되어진다. 이와 같은 것이면, 변형성을 갖게 함과 아울러 큰 도전 단면적을 확보할 수 있게 된다. 그 소재로서는, 상기 금속망과 동일한 것이 바람직하다.

또, 장착되는 개소마다 전기 접속 부재에 흐르는 전류값에 근거하여, 각 전기 접속 부재의 단면적 및 그들의 접속수(接續數)가 설정되어 있는 것이 바람직하다. 각 전기 접속 부재에 흐르는 전류값은, 입력측 권선과의 자기(磁氣) 결합 상태나 임피던스의 차이에 따라, 값이 크게 다르다. 그 전류값에 따른 접속 부재의 단면적 및 접속수를 설정하면, 과도한 가열을 방지할 수 있음과 아울러, 과도한 단면적 및 접속수의 선택을 피할 수 있다.

게다가, 상기 실시 형태의 전기 접속 부재는, 그 연신 방향을 나선의 축방향과 평행하게 한 자세로, 즉, 나선의 축방향을 따라서 장착되는 것이었지만, 전기 접속 부재는, 그 연신 방향이 나선의 축방향으로부터 어긋난 자세로 장착되는 것이라도 좋다. 예를 들면, 전기 접속 부재는, 그 연신 방향이 나선의 축방향과 이루는 각도가 예를 들면 ±45도의 범위 내(보다 바람직하게는 ±10도의 범위 내)에서 기울여 장착되는 것이라도 좋다.

게다가, 전기 접속 부재(2)는 충분히 변형 가능한 것이 아니라, 도 5, 도 6에 나타내는 바와 같이, 금속판(2)이나, 도체관(1)끼리를 접속하는 용접 부분(2)이라도 상관없다.

도 5에 나타내는 전기 접속 부재(2)는, 나선 모양으로 권회한 도체관(1)의 외주에서, 나선의 축방향에 일단으로부터 타단에 걸쳐서 마련되어 있다. 또, 이 전기 접속 부재(2)는, 나선 모양으로 권회한 도체관(1)의 원주 방향에서 대략 등간격으로 4개소에 마련되어 있다. 각 전기 접속 부재(2)는, 나선의 축방향의 일단으로부터 타단에서 모든 도체관 요소에 용접 또는 납땜 등에 의해 고착된다. 이것에 의해, 나선 모양으로 권회한 도체관(1)은, 모든 도체관 요소가 단락한 전(全)턴(turn) 단락 상태가 된다.

도 6에 나타내는 전기 접속 부재(2)는, 서로 인접하는 도체관 요소끼리를 접속하는 용접 부분 또는 납땜 부분에 의해 구성되어 있다. 이 용접 부분 또는 납땜 부분은, 나선 모양으로 권회한 도체관(1)의 외주에서, 나선의 축방향을 따라서 형성되어 있다. 또, 이 용접 부분 또는 납땜 부분은, 나선 모양으로 권회한 도체관(1)의 원주 방향에서 대략 등간격으로 4개소에 마련되어 있다. 이 용접 부분 또는 납땜 부분은, 나선의 축방향의 일단으로부터 타단에서 모든 도체관 요소의 사이에 형성되어 있다. 이것에 의해, 나선 모양으로 권회한 도체관(1)은, 모든 도체관 요소가 단락한 전(全)턴(turn) 단락 상태가 된다.

그 외, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능한 것은 말할 필요도 없다.

100 - 유체 가열 장치 1 - 도체관
2 - 전기 접속 부재 5 - 경보 장치(알림부)
5 - 경보 장치(운전 정지부)

Claims (4)

1. 나선 모양으로 권회(卷回)한 도체관을 유도(誘導) 가열하는 것에 의해서 해당 도체관 내에 통류(通流)한 유체를 가열하는 유체 가열 장치로서,
   상기 도체관의 소요 개소끼리를 전기적으로 접속하여 단락(短絡) 회로를 구성하는 전기 접속 부재와,
   상기 도체관의 전위(電位)를 측정하는 전위 측정기를 구비한 것인 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전위 측정기에 의한 측정 전위가 소정의 값을 넘었을 때에, 이것을 알리는 알림부 또는 운전 정지 신호를 출력하는 운전 정지부를 더 구비한 것인 유체 가열 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 전기 접속 부재는, 상기 도체관의 온도 변화에 따른 변형에 따라서 변형 가능한 것인 유체 가열 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 도체관이 유체를 가열하여 과열 증기를 발생시키는 것인 유체 가열 장치.

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