KR20180099464A - 과열 수증기 생성 장치 및 당해 장치에 이용되는 도체관의 제조 방법 - Google Patents

과열 수증기 생성 장치 및 당해 장치에 이용되는 도체관의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 도체관에 단락 회로를 구성하여 전기적 리액턴스를 저감시키면서, 접합부 및 도체관에서의 파손의 가능성을 작게 하는 것이며, 나선 모양으로 권회된 원관 모양의 도체관을, 상기 도체관의 권회 부분의 내측 또는 외측에 마련된 자속 발생 기구에 의해 유도 가열하고, 도체관 내를 흐르는 수증기를 가열하여 과열 수증기를 생성하는 과열 수증기 생성 장치로서, 도체관의 권회 부분의 대략 전체에서, 서로 이웃하는 인접부의 서로 대향하는 면이 접합 요소에 의해서 접합되어 있으며, 접합 요소의 두께는, 도체관의 관 두께 이상이다.

Description

과열 수증기 생성 장치 및 당해 장치에 이용되는 도체관의 제조 방법{SUPERHEATED STEAM GENERATOR AND METHOD MANUFACTURING CONDUCTIVE PIPE USED TO THE SUPERHEATED STEAM GENERATOR}
본 발명은, 나선 모양으로 권회(卷回)된 도체관을 유도(誘導) 가열하는 것에 의해서 상기 도체관 내를 흐르는 수증기를 가열하여 과열 수증기를 생성하는 과열 수증기 생성 장치에 관한 것이다.
종래, 이런 종류의 유체 가열 장치에서는, 특허 문헌 1에 나타내는 바와 같이, 2차 코일을 형성하는 나선 모양으로 권회된 도체관에서, 권회 부분의 서로 인접하는 도체관끼리를 단락시켜 단락 회로를 구성하여, 전기적 리액턴스(reactance)를 저감시켜 가열 효율을 향상시킨 것이 알려져 있다.
여기서, 상기의 단락 회로는, 권회 부분의 둘레 방향의 일부에 나선의 축방향으로 연장되는 전기 접속 부재를 용접 등에 의해 접속하는 것에 의해, 혹은, 권회 부분의 서로 인접하는 도체관끼리를 부분적으로 용접 접합하는 것에 의해 구성되어 있다.
그렇지만, 접합부인 전기 접속 부재나 용접 부분에는, 단락 전류가 집중되기 때문에 고온이 되거나, 도체관의 권회 부분의 열팽창에 의한 변형에 의해서 응력이 발생하거나 하여, 접합부나 도체관이 파손될 우려가 생긴다.
특허 문헌 1 : 일본특허공개 제2010－71624호 공보
그래서 본 발명은, 상기 문제점을 해결할 수 있도록 이루어진 것이며, 도체관에 단락 회로를 구성하여 전기적 리액턴스를 저감시키면서, 접합부 및 도체관에서의 파손의 가능성을 작게 하는 것을 그 주된 과제로 하는 것이다.
즉 본 발명에 관한 과열 수증기 생성 장치는, 나선 모양으로 권회(卷回)된 원관(圓管) 모양의 도체관을, 상기 도체관의 권회 부분의 내측 또는 외측에 마련된 자속(磁束) 발생 기구에 의해 유도(誘導) 가열하고, 상기 도체관 내를 흐르는 수증기를 가열하여 과열 수증기를 생성하는 과열 수증기 생성 장치로서, 상기 도체관의 권회 부분에서, 서로 이웃하는 인접부의 서로 대향하는 면(面)이, 둘레 방향 대략 전체에 걸쳐서, 도전성을 가지는 접합 요소에 의해서 접합되어 있으며, 상기 접합 요소의 두께는, 상기 도체관의 관 두께 이상인 것을 특징으로 한다.
이러한 것이면, 도체관의 권회 부분에서 서로 이웃하는 인접부가, 둘레 방향 대략 전체에 걸쳐서 접합 요소에 의해 접합(전(全)둘레 접합)되어 있으므로, 부분적으로 접합한 경우의 열팽창에 의한 접합부로의 응력 집중을 피할 수 있어, 접합부 및 도체관에서의 파손의 가능성을 작게 할 수 있다. 또, 도체관은 원관 모양을 이루는 것이며, 서로 이웃하는 인접부의 사이에는 오목부가 형성되기 때문에, 상기 오목부에 접합 요소를 마련하는 것에 의해, 접합 요소와 도체관의 외측 둘레면과의 접촉 면적을 늘릴 수 있다. 이 구성에 의해서도, 접합부로의 응력을 집중시킬 수 있다.
여기서, 자속 발생 기구의 유도 코일로부터의 도체관과 접합 요소와의 거리가 동일하면, 접합 요소의 두께는, 도체관의 관 두께와 동일 값인 것이 이상적이다.
그러나, 도체관은 원관 모양을 이루는 것이며, 서로 이웃하는 인접부의 사이에 접합 요소를 마련하는 구성에서는, 유도 코일로부터의 접합 요소의 거리는, 도체관에 비해 크게 된다. 유도 코일로부터의 거리가 크면 자기(磁氣) 결합이 약해져, 유도 기전압(起電壓)이 낮아지기 때문에, 이 부분의 발열량은 저하된다.
이와 같이 도체관과 접합 요소에 온도차가 발생하면, 열팽창 차이에 의해 기계 응력이 걸려, 균열 등의 파손 원인이 되기 때문에, 가능한 한 발열량의 균일화를 도모하는 것이 중요하다.
접합 요소의 두께를 도체관의 관 두께 이상으로 함으로써, 접합 요소의 저항값을 저하시킬 수 있어, 전류가 증가함으로써 접합 요소의 발열량을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 도체관과 접합 요소와의 발열량의 균일화를 도모할 수 있다.
상기 접합 요소로서는, 용접 접합에 의해 형성된 것인 것이 고려되어진다. 용접 접합의 경우에는, 서로 이웃하는 인접부의 사이의 오목부에 용융 금속 재료를 담기 구조이기 때문에, 그 용접 작업을 용이하게 할 수 있다.
두께의 대소(大小)에 의한 조정에 의해서 발열량을 균일화하기 쉽게 하기 위해서는, 상기 접합 요소의 재질의 비저항(比抵抗)이, 상기 도체관의 재질의 비저항과 대략 동일인 것이 바람직하다.
도체관의 권회 부분으로의 전(全)둘레 접합의 작업성을 고려한 경우에는, 상기 접합 요소는, 상기 권회 부분의 외면측에 마련되어 있는 것이 바람직하다. 또, 전자 유도의 자기 결합을 좋게 하기 위해서는, 상기 자속 발생 기구는, 상기 도체관의 권회 부분의 내측 및 외측 양쪽 모두에 마련되어 있는 것이 바람직하다.
상기 접합 요소는, 상기 서로 이웃하는 인접부에 의해 형성되는 오목부 내에 들어가 있는 것이 바람직하다. 이 구성이면, 도체관의 권회 부분의 외측 또는 내측에 배치되는 자속 발생 기구의 지름 방향의 사이즈가 커져 버리는 것을 막을 수 있다.
또, 본 발명에 관한 도체관의 제조 방법은, 과열 수증기 생성 장치에 이용되는 것으로서, 유도 가열되는 것에 의해 내부를 흐르는 수증기를 가열하여 과열 수증기를 생성하기 위한 도체관의 제조 방법이며, 나선 모양으로 권회된 원관 모양의 도체관의 권회 부분의 대략 전체에서, 서로 이웃하는 인접부의 서로 대향하는 면을 용접 접합함과 아울러, 상기 용접 접합의 용접 두께는, 상기 도체관의 관 두께 이상으로 하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성한 본 발명에 의하면, 도체관의 권회 부분에서 서로 이웃하는 인접부가, 둘레 방향 전체에 걸쳐서 접합 요소에 의해 접합되어 있으므로, 도체관에 단락 회로를 구성하여 전기적 리액턴스를 저감시키면서, 접합부 및 도체관에서의 파손의 가능성을 작게 할 수 있다.
도 1은 본 실시 형태의 과열 수증기 생성 장치의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 실시 형태의 도체관의 권회 부분을 나타내는 부분 확대 단면도이다.
도 3은 본 실시 형태의 도체관의 외면측의 용접 부위를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 실시 형태의 도체관 및 유도 코일의 위치 관계를 나타내는 모식도이다.
이하에 본 발명에 관한 과열 수증기 생성 장치(100)의 일 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
이 과열 수증기 생성 장치(100)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 물 또는 수증기를 가열하여 100℃초과(200℃~2000℃)의 과열 증기를 생성하는 것이며, 나선 모양으로 권회(卷回)된 원관(圓管) 모양의 도체관(2)와, 상기 도체관(2)를 유도 가열하기 위한 자속(磁束) 발생 기구(3)를 가지고 있다.
도체관(2)은, 1개의 금속제의 관으로 형성되고, 나선 모양으로 권회된 권회 부분(2x)을 가지는 것이며, 일방의 단부에는, 물 또는 수증기가 도입되는 도입 포트(P1)가 형성되고, 타방의 단부에는, 생성된 과열 수증기를 도출하는 도출 포트(P2)가 형성되어 있다. 도입 포트(P1)에는, 물 또는 수증기를 도체관(2)에 공급하기 위한 외부 배관이 접속되고, 도출 포트(P2)에는, 생성된 과열 수증기를 이용측(예를 들면 열처리실)에 공급하기 위한 외부 배관이 접속된다.
자속 발생 기구(3)는, 철심(31)과, 상기 철심(31)을 따라서 권회된 유도 코일(32)을 구비하고 있다. 이 유도 코일(32)에는, 도시하지 않은 교류 전원이 접속되어 있고, 제어된 전력이 공급되는 것이다. 교류 전원에 의해 전력이 공급되는 유도 코일(32)이 1차 코일이 되고, 상기 1차 코일에 의해 급전(給電)된 결과, 도체관(2)에 유도 전류가 흘러, 도체관(2)이 2차 코일이 된다.
본 실시 형태의 유도 코일(32)은, 도체관(2)의 권회 부분(2x)과 동축 상에 배치되어 있으며, 권회 부분(2x)의 내측에 배치된 내측 유도 코일(32a)과, 권회 부분의 외측에 배치된 외측 유도 코일(32b)을 가진다. 이와 같이 권회 부분(2x)의 내외 양쪽 모두에 유도 코일(32a, 32b)을 배치하는 것에 의해서, 전자 유도의 자기 결합을 좋게 하여, 도체관(2)에 유도 전류가 흐르기 쉬워져, 수증기의 가열 효율(과열 수증기의 생성 효율)을 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 실시 형태에서는, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 도체관(2)의 권회 부분(2x)에서, 서로 이웃하는 인접부(20)의 서로 대향하는 면이, 둘레 방향 대략 전체에 걸쳐서, 도전성을 가지는 접합 요소(4)에 의해서 접합되어 있다. 즉, 접합 요소(4)는, 도체관(2)의 권회 부분(2x)의 나선 전(全)둘레에 걸쳐서 마련되어 있다.
구체적으로 접합 요소(4)는, 용접 접합에 의해 형성된 것(이하, '접합 용접부'라고도 함)이다. 즉, 도체관(2)의 권회 부분(2x)에서, 서로 이웃하는 인접부(20)의 서로 대향하는 면은, 나선 전체에 걸쳐서 전둘레 접합되어 있다(도 2 참조). 또, 접합 요소(4)의 재질의 비저항과 도체관(2)의 재질의 비저항은 대략 동일하게 하고 있다. 여기서, 접합 요소(4)의 재질과 도체관(2)의 재질은 동일인 것이 바람직하다. 이것에 의해, 비저항을 동일하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 열팽창률도 동일하고 온도 상승시에 발생하는 열응력을 저감할 수 있다. 또, 용접 접합은, 일정한 이송 속도로 토치와 용접 부위와의 거리를 일정하게 유지하는 것이 중요하기 때문에, 자동 용접기를 이용하여 행하는 것이 바람직하다. 또, 도체관(2)의 인접부(20)의 사이에는 처음부터 그루브(groove)가 존재하므로, 모서리 가공(edge preparation)이 필요는 없다.
게다가, 도 3에 나타내는 바와 같이, 접합 요소(4)의 두께는, 도체관(2)의 관 두께 이상이다. 즉, 접합 요소(4)인 용접 접합에 의한 용접 두께가, 도체관(2)의 관 두께 이상이다. 접합 요소(4)는, 서로 이웃하는 인접부(20)에 의해 형성되는 오목부(20M) 내에 들어가 있다. 보다 구체적으로 접합 요소(4)는, 서로 이웃하는 인접부(20)의 접촉 개소(20c) 또는 그 근방으로부터, 오목부(20M) 내에 들어가는 범위에서 소정 두께로 형성되어 있다. 즉, 나선의 축방향(권회 부분(2x)의 중심축방향)에 직교하는 방향에서, 도체관(2)의 외측 단부 부분이, 접합 요소(4)의 외측 단부 부분보다도 외측에 위치하도록 구성되어 있다.
도 3 등에서는, 접합 요소(4)는, 도체관(2)의 권회 부분(2x)의 내면측 및 외면측 양쪽 모두에 마련되어 있지만, 도체관(2)의 권회 부분(2x)으로의 전둘레 접합의 작업성을 고려한 경우에는, 접합 요소(4)는, 권회 부분(2x)의 외면측에만 마련되어 있는 것이 바람직하다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 권회 부분(2x)의 인접부(20)에서의 접촉 개소와 용접부(접합 용접부(4))와의 사이에는, 작업상 조금의 간극이 생기는 경우가 있지만, 그 간극 치수를 Δ로 하면, 0＜Δ＜수(數)mm 정도가 된다. 예를 들면, 1시간에 1200℃에서 240kg의 과열 수증기를 발생시키기 위한 도체관(2)은, 직경이 48.3mm, 관 두께는 3.7mm이다. 이 도체관(2)의 권회 부분(2x)을 전둘레 용접하여, 용접 두께를 5mm로 한 경우에, Δ는 약 2.5mm로 되었다.
수증기를 통류(通流)시킬 정도의 치수인 도체관(2)이면, 관 두께와 용접 두께가 동일한 경우, 자속 발생 기구(3)의 유도 코일(32)로부터의 거리는 접합 용접부(4)의 쪽이 크게 된다. 도체관(2)의 두께를 t, 접합 용접부(4)의 용접 두께를 T로 하면, T＞t로 함으로써 접합 용접부(4)의 전류를 증가시켜 발열량을 증가시킬 수 있다.
T=t일 때에, 도체관(2)의 유기(誘起) 전압이, 접합 용접부(4)보다도 높게 되는 경우를 ○ 기호로서 이하의 표에 나타낸다.
[표 1]
Figure pat00001
발열량은 유기 전압 뿐만 아니라, 도체관(2) 및 접합 용접부(4)의 저항값에도 관계한다. 즉, 저항값이 낮으면 큰 전류가 흐름으로써 발열량은 증가한다.
유기 전압이 발생하는 접합 용접부(4)의 둘레 길이가, 도체관(2)의 권회 부분(2x) 보다도 길게 되는 경우를「○」, 짧게 되는 경우를「×」로서 정리한 표를 이하에 나타낸다.
[표 2]
Figure pat00002
표 2의「○」의 위치에서의 용접 두께 T의 최대치는, 도체관(2)의 직경을 Φ로 한 경우에, (T＋Δ)＜Φ／2의 범위가 된다.
＜본 실시 형태의 효과＞
이와 같이 구성한 과열 수증기 생성 장치(100)에 의하면, 도체관(2)의 권회 부분(2x)에서 서로 이웃하는 인접부(20)가, 둘레 방향 대략 전체에 걸쳐서 접합 요소(4)에 의해 접합(전둘레 접합)되어 있으므로, 부분적으로 접합한 경우의 열팽창에 의한 접합부로의 응력 집중을 피할 수 있어, 접합부 및 도체관에서의 파손의 가능성을 작게 할 수 있다. 또, 도체관(2)은 원관 모양을 이루는 것이며, 서로 이웃하는 인접부(20)의 사이에는 오목부(20M)가 형성되기 때문에, 상기 오목부(20M)에 접합 요소(4)를 마련하는 것에 의해, 접합 요소(4)와 도체관(2)의 외측 둘레면과의 접촉 면적을 늘릴 수 있다. 이 구성에 의해서, 접합부로의 응력 집중을 시킬 수 있다.
접합 요소(4)의 두께 T를 도체관(2)의 관 두께 t 이상으로 하고 있으므로, 접합 요소(4)의 저항값을 저하시킬 수 있어, 전류가 증가함으로써 발열량을 증가시킬 수 있다.
또, 접합 요소(4)는, 용접 접합에 의해 형성된 것이므로, 서로 이웃하는 인접부(20)의 사이의 오목부(20M)에 용융 금속 재료를 담기 쉬운 구조이기 때문에, 그 용접 작업을 용이하게 할 수 있다.
＜그 외의 변형 실시 형태＞
또, 본 발명은 상기 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 상기 실시 형태에서는, 접합 요소(4)가 접합 용접에 의해 형성된 것이었지만, 납땜에 의해 형성된 것이라도 좋다. 또, 도체관은 별도로 마련된 접속용 부재를 권회 부분의 인접부를 따라서 감아 상기 접속용 부재를 도체관(2)에 용접 또는 납땜 등에 의해 접속하는 것에 의해서, 상기 접속용 부재를 접합 요소(4)로 해도 좋다.
그 외, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능함은 말할 필요도 없다.
100 - 과열 수증기 생성 장치 2 - 도체관
20 - 인접부 20M - 오목부
3 - 자속 발생 기구 4 - 접합 요소
t - 관 두께 T - 용접 두께

Claims (6)

  1. 나선 모양으로 권회(卷回)된 원관(圓管) 모양의 도체관을, 상기 도체관의 권회 부분의 내측 또는 외측에 마련된 자속(磁束) 발생 기구에 의해 유도(誘導) 가열하고, 상기 도체관 내를 흐르는 수증기를 가열하여 과열 수증기를 생성하는 과열 수증기 생성 장치로서,
    상기 도체관의 권회 부분에서, 서로 이웃하는 인접부의 서로 대향하는 면(面)이, 둘레 방향 전체에 걸쳐서, 도전성을 가지는 접합 요소에 의해서 접합되어 있고,
    상기 접합 요소의 두께는, 상기 도체관의 관 두께 이상인 과열 수증기 생성 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합 요소는, 용접 접합에 의해 형성된 것인 과열 수증기 생성 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합 요소의 재질의 비저항(比抵抗)이, 상기 도체관의 재질의 비저항과 동일인 과열 수증기 생성 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 자속 발생 기구는, 상기 도체관의 권회 부분의 내측 및 외측 양쪽 모두에 마련되어 있으며,
    상기 접합 요소는, 상기 권회 부분의 외면측에 마련되어 있는 과열 수증기 생성 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합 요소는, 상기 서로 이웃하는 인접부에 의해 형성되는 오목부 내에 들어가 있는 과열 수증기 생성 장치.
  6. 과열 수증기 생성 장치에 이용되는 것으로서, 유도 가열되는 것에 의해 내부를 흐르는 수증기를 가열하여 과열 수증기를 생성하기 위한 도체관의 제조 방법으로서,
    나선 모양으로 권회된 원관 모양의 도체관의 권회 부분의 전체에서, 서로 이웃하는 인접부의 서로 대향하는 면을 용접 접합함과 아울러,
    상기 용접 접합의 용접 두께는, 상기 도체관의 관 두께 이상으로 하는, 과열 수증기 생성 장치에 이용되는 도체관의 제조 방법.
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