KR20190006782A - 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치 - Google Patents

자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치에 있어서, 금속으로 이루어진 가열대상 빌렛이 내부에 삽입되는 본체와; N극 및 S극이 한 쌍으로 이루어져 상기 빌렛 주위를 둘러싸도록 상기 빌렛과 상기 본체 사이에 배치되는 복수 개의 영구자석을 포함하며, 복수 개의 상기 영구자석은 공극을 두고 동일한 극끼리 서로 마주보도록 배치된 영구자석모듈과; 상기 영구자석모듈을 회전축을 따라 회전구동시키는 회전모터를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 영구자석 배치를 통해 빠른 시간 내에 높은 온도로 빌렛을 유도가열할 수 있어 생산성이 증가하며, 효율 향상으로 전기료를 크게 절감할 수 있으며, 각각 별도의 영구자석모듈이 배치되어 장치의 유지 및 보수가 용이한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 위치센서 및 온도센서를 이용하여 빌렛의 위치 및 온도를 확인하며, 장치 구동을 위한 신호를 무선으로 전달하여 유선일 때 선의 꼬임 또는 손상과 같은 문제를 방지할 수 있다.

Description

자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치 {Permanent magnet metal billet induction heating system with self-generated wireless temperature and position diagnostics}
본 발명은 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 영구자석 배치를 통해 빠른 시간 내에 높은 온도로 빌렛을 유도가열할 수 있어 생산성이 증가하며, 효율 향상으로 전기료를 크게 절감할 수 있으며, 각각 별도의 영구자석모듈이 배치되어 장치의 유지 및 보수가 용이한 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치에 관한 것이다.
전기 전도성 재료로 이루어진 빌렛(billet)은 전기 유도에 의해 가열될 수 있는데, 종래의 빌렛 유도가열은 전기 코일의 안쪽에 빌렛을 놓고 코일에 공급된 교류 전류(AC)가 빌렛을 통과하는 자기장을 발생시킨다. 이 자기장은 빌렛 내부에 와전류(eddy current)를 유도하여 빌렛을 가열시키게 되는 원리로 이루어지게 된다. 코일 안쪽에 빌렛을 배치시키는 방법에는 대체로 3가지 방법이 있다. 첫 번째 방법은 코일 내에 배치되어 있는 컨테이너에 코일이 놓이는 것이다. 이 컨테이너는 스테인레스강과 같은 비자성 재료로 형성된 개방 보트형 구조로 이루어질 수 있다. 두 번째 방법은 적절한 기계적인 시스템에 의해 빌렛이 코일 속으로 밀어 넣어져서 빌렛 지지 부재 상에 놓이는 것이다. 세 번째 방법은 빌렛의 일부가 유도가열되는 동안 빌렛이 외측에서 지지되어 있는 것으로, 이 방법은 빌렛의 길이가 코일보다 더 짧은 경우에는 적용될 수 없다. 하지만 이와 같은 코일을 이용한 유도 가열의 경우 수Hz에 해당하는 고주파 유도가열이 이루어지게 되는데, 고주파 유도가열의 경우에는 빌렛의 표면과 내부의 온도차가 50℃ 이상이 되어 압출 과정에서 빌렛이 파괴된다는 문제점이 있다. 따라서 빌렛의 파괴를 방지하기 위해서는 빌렛의 표면과 내부의 온도차가 10℃ 이하가 되도록 해야 한다. 또한 고주파 유도가열의 경우에는 소비전력이 약 250kW/Ton으로 소비전력이 높으며, 이로 인해 시스템 효율이 45% 정도로 매우 낮다는 단점이 있다.
따라서 이러한 고주파 유도가열 장치의 문제점을 해결하기 위해 종래기술 '대한민국특허청 등록특허 제10-1658727호 이동형 철심을 이용한 초전도 자석 장치 및 그의 유도가열장치'와 같이 직류 전류(DC)를 이용한 저주파 초전도 유도가열 장치가 개발되었다. 이러한 저주파 초전도 유도가열장치의 경우 열 손실을 거의 발생시키지 않기 때문에 시스템 효율이 80% 이상이 된다는 장점이 있다. 하지만 초전도 유도가열 장치를 사용할 경우 가열대상인 빌렛을 회전시켜야 하는데, 빌렛의 형상이 균일하게 제조되지 않기 때문에 회전에 의해 편심이 생겨 회전시 사고 발생 우려가 있다. 뿐만 아니라 초전도 전자석을 사용하기 때문에 냉각을 위한 설비를 구비하여야 하기 때문에 설비를 위한 비용이 많이 소요되고 냉각효율이 나쁘며, 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다.
이러한 모든 유도가열 장치에 있어서 대체로 전기 유도에 의해 발생된 열을 유지하는데 도움을 주기 위해 단열재료가 자석 내의 빌렛을 둘러싸고 있다. 즉 유도가열 장치의 열적 안정성을 확보하기 위해서는 가열된 금속 빌렛의 고열로 인해 영구자석의 경우 감자(demagnetizing)가 발생하지 않도록 빌렛과 영구자석 사이에는 단열재료가 삽입되어야 한다. 또한 시스템의 고효율을 위해서는 빌렛과 영구자석 사이의 공극이 최소화되어야 한다. 따라서 실제 단열층과 빌렛 사이의 공극은 5mm 이하로 매우 작으므로 충돌 방지를 위하여 고속 회전시 빌렛과 단열층 사이는 항상 일정한 거리를 유지하여야 한다.
즉 종래기술의 단점들 해결하기 위해 주파수가 낮으면서 소비전력을 감소시켜 시스템 효율이 증가할 수 있는 유도가열 장치가 필요하며, 이러한 유도가열 장치를 산업에 적용하기 위해서 저렴한 가격과 빠른 유도가열을 통해 생산성이 증가하여야 한다.
대한민국특허청 등록특허 제10-1658727호 미국특허청 공개특허 US 2015/0083713
따라서 본 발명의 목적은, 영구자석 배치를 통해 빠른 시간 내에 높은 온도로 빌렛을 유도가열할 수 있어 생산성이 증가하며, 효율 향상으로 전기료를 크게 절감할 수 있으며, 각각 별도의 영구자석모듈이 배치되어 장치의 유지 및 보수가 용이한 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치를 제공하는 것이다.
또한, 위치센서 및 온도센서를 이용하여 빌렛의 위치 및 온도를 확인하며, 장치 구동을 위한 신호를 무선으로 전달하여 유선일 때 선의 꼬임 또는 손상과 같은 문제를 방지할 수 있는 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 금속으로 이루어진 가열대상 빌렛이 내부에 삽입되는 본체와; N극 및 S극이 한 쌍으로 이루어져 상기 빌렛 주위를 둘러싸도록 상기 빌렛과 상기 본체 사이에 배치되는 복수 개의 영구자석을 포함하며, 복수 개의 상기 영구자석은 공극을 두고 동일한 극끼리 서로 마주보도록 배치된 영구자석모듈과; 상기 영구자석모듈을 회전축을 따라 회전구동시키는 회전모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 빌렛과 상기 영구자석모듈이 일정 간격을 유지하도록 상기 빌렛과 대면하는 상기 영구자석모듈의 영역에는 위치센서가 설치되며, 상기 위치센서가 감지한 정보를 무선(wireless)으로 신호 전달받는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 빌렛을 지지하는 빌렛지지부에 신호를 전달하여 상기 빌렛의 위치를 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 영구자석모듈은 상기 빌렛의 길이방향을 따라 간격을 두고 복수 개가 배치되며, 상기 영구자석모듈 각각에 상기 회전모터를 포함하며, 유도가열에 의한 상기 빌렛의 온도를 측정하도록 상기 빌렛과 대면하는 상기 영구자석모듈의 영역에는 각각 온도센서가 설치되며, 각각의 상기 온도센서가 감지한 정보를 무선으로 신호 전달받는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 회전모터로 신호를 전달하여 상기 영구자석모듈의 회전속도를 제어하여 온도를 조절하는 것이 바람직하다.
이때, 복수 개의 상기 영구자석모듈은 짝수 개로 배치되며, 상기 영구자석모듈은 근접하는 다른 영구자석모듈과 서로 반대방향으로 회전하는 것이 바람직하며, 유도가열에 의한 상기 빌렛의 길이방향 영역 간 온도차가 100℃ 이하가 되도록 각각의 상기 회전모터의 속도를 조절하는 것이 바람직하다.
상기 영구자석은 N극 및 S극이 서로 접촉된 일체형이며, 유도가열에 의한 상기 빌렛의 단면 영역 간 온도차가 10℃ 이하가 되도록 상기 회전모터의 속도를 조절하는 것이 바람직하다.
상기 영구자석모듈과 상기 본체 사이에는 베어링이 설치되며, 상기 빌렛과 상기 영구자석 사이에는 단열재가 설치되는 것이 바람직하며, 상기 영구자석모듈의 회전으로 발생하는 자장을 통한 유도가열을 에너지 하베스팅(energy harvesting)하여 전원 공급하며, 에너지 하베스팅을 위해 상기 영구자석모듈 또는 상기 본체에는 펠티어 소자(peltier element)가 설치되는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 영구자석 배치를 통해 빠른 시간 내에 높은 온도로 빌렛을 유도가열할 수 있어 생산성이 증가하며, 효율 향상으로 전기료를 크게 절감할 수 있으며, 각각 별도의 영구자석모듈이 배치되어 장치의 유지 및 보수가 용이한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 위치센서 및 온도센서를 이용하여 빌렛의 위치 및 온도를 확인하며, 장치 구동을 위한 신호를 무선으로 전달하여 유선일 때 선의 꼬임 또는 손상과 같은 문제를 방지할 수 있다.
도 1 및 도 2는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치의 정면도 및 측면도이고,
도 3은 영구자석모듈의 회전 방향에 따른 로렌츠의 힘 방향을 나타낸 도면이고,
도 4는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치의 신호전달 시스템을 나타낸 도면이고,
도 5는 종래기술 및 본 발명에 따른 유도가열 장치의 단면도이고,
도 6은 빌렛의 원주 방향으로 영구자석의 배열에 따른 빌렛에서 발생되는 자속밀도 변화를 나타낸 그래프이고,
도 7은 빌렛의 원주 방향으로 영구자석의 배열에 따른 빌렛에서 발생되는 발열량 변화를 나타낸 그래프이고,
도 8은 종래기술에 따른 유도가열 장치를 통해 가열된 빌렛의 시간에 따른 단면적 온도 변화 및 열 분포를 나타낸 그래프이고,
도 9는 본 발명에 따른 유도가열 장치를 통해 가열된 빌렛의 시간에 따른 단면적 온도 변화 및 열 분포를 나타낸 그래프이고,
도 10은 빌렛의 길이방향을 따라 복수 개의 영구자석모듈이 배치된 상태에서의 종래기술 및 본 발명의 자속밀도 변화를 나타낸 그래프이고,
도 11은 영구자석모듈의 회전속도를 조절에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치를 도면을 통해 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 빌렛 유도가열 장치(100)는, 본체(110), 영구자석모듈(130), 회전모터(150)를 포함한다.
본체(110)는 금속으로 이루어진 가열대상 빌렛(billet, 10)이 내부에 삽입되며, 영구자석모듈(130) 및 회전모터(150)를 지지하는 역할을 한다. 이러한 본체(110)는 유도가열에 의해 손상을 입지 않도록 고온을 견디는 금속으로 형성되는 것이 바람직하다. 가열대상 빌렛(10)은 자장에 의해 유도가열되도록 금속 소재로 이루어지며, 길이방향을 따라 긴 원통형상으로 이루어질 수 있으나 이러한 형상에 특별하게 한정되지는 않는다.
영구자석모듈(130)은 복수 개의 영구자석(131)이 도넛형상으로 배치된 구성을 나타낸다. 이와 같이 복수 개의 영구자석(131)이 빌렛(10)의 주위에서 회전하게 되면 자장이 발생하게 되고, 자장을 통해 금속 소재로 이루어진 빌렛(10)이 패러데이 법칙(Faraday's law)에 의해 유도가열 된다. 여기서 영구자석(131)은 N극 및 S극이 한 쌍으로 이루어지며, 빌렛(10) 주위를 둘러싸도록 빌렛(10)과 본체(110) 사이에 배치된다. 이때 영구자석(131)은 N극과 S극이 서로 접촉된 일체형으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 복수 개의 영구자석(131)은 공극(gap)을 두고 동일한 극끼리 서로 마주보도록 배치한다. 즉 N극 및 S극이 한 쌍으로 이루어진 영구자석(131)에서 N극과 근접하는 다른 영구자석(131)은 N극이 근접하도록 배치되고, S극과 근접하는 또 다른 영구자석(131)은 S극과 마주보도록 배치된다. 따라서 (S극-N극)-공극-(N극-S극)-공극-(S극-N극) 순으로 영구자석(131)이 배치되는 것이 바람직하다.
영구자석모듈(130)과 결합되는 회전모터(150)는, 도넛형상으로 이루어진 영구자석모듈(130)의 중심에 해당하는 회전축을 따라 회전구동시키는 역할을 한다. 이러한 회전모터(160)는 영구자석모듈(130)과 체인-풀리(chain-pulley) 또는 밴드-풀리(band-pulley)와 같은 구조로 연결되는 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.
영구자석모듈(130)에는 또한 위치센서(133)가 설치될 수 있다. 위치센서(133)는 빌렛(10)과 영구자석모듈(130)이 서로 접촉되지 않고 일정 간격을 유지하도록 위치를 감지하는 센서로, 위치센서(133)를 통해 감지된 정보를 제어부로 전송할 수 있다. 영구자석모듈(130)의 회전구동이 이루어지게 되면 빌렛(10)과 영구자석모듈(130) 간의 간격에 변동이 생길 수 있는데, 간격 변동으로 인해 영구자석모듈(130)과 빌렛(10)이 서로 접촉하는 문제가 발생할 수 있다. 영구자석모듈(130)과 빌렛(10)이 서로 접촉하게 되면 회전으로 인해 마찰이 생겨 손상이 발생할 수 있기 때문에, 서로 접촉하지 않고 일정 간격을 유지하는 것이 매우 중요하다. 따라서 영구자석모듈(130)에 위치센서(133)를 설치하여 위치센서(133)를 통한 정보를 제어부에 신호전달하고, 제어부는 다시 빌렛(10)을 지지하고 있는 빌렛지지부에 신호를 전달하여 빌렛(10)이 영구자석모듈(130)과 접촉하지 않도록 위치를 제어할 수 있다. 위치센서(133)는 도넛형상의 영구자석모듈(130)에 복수 개가 배치될 수 있는데, 가장 바람직한 배치는 4개의 위치센서(133)가 각각 90° 간격으로 배치되는 것이다. 이러한 구조로 위치센서(133)가 배치될 경우 빌렛(10)과 영구자석모듈(130)의 모든 간격을 확인 가능하여 신호를 제어부로 전달할 수 있다.
이때 위치센서(133)와 제어부는 무선(wireless)으로 신호를 전달받으며, 제어부로부터 빌렛지지부에 전달되는 신호도 무선으로 이루어진다. 위치센서(133)의 경우 복수 개가 설치되어 있으며 영구자석모듈(130)이 지속적으로 회전을 하기 때문에 위치센서(133), 제어부, 빌렛지지부가 유선으로 연결되어 신호 전달을 받게 되면 다수 개의 선이 꼬이거나 손상이 되는 문제가 발생하게 된다. 이러한 문제가 발생할 경우 제대로 신호를 전달받을 수 없게 되기 때문에 위치센서(133)와 제어부 간은 무선으로 신호를 전달받고 또한 제어부와 빌렛지지부 간에도 무선으로 신호를 전달받는 것이 바람직하다.
영구자석모듈(130)을 회전할 때 유도가열에 의한 빌렛(10)의 단면 영역 간 온도차가 10℃ 이하가 되도록 회전모터(150)의 속도를 조절해야 한다. 유도가열은 영구자석모듈(130)과 가까운 빌렛(10)의 표면에서 이루어지는데, 이로 인해 빌렛(10)의 표면은 높은 온도를 가지고 빌렛(10)의 중심으로 갈수록 점점 온도가 낮아지게 된다. 이때 빌렛(10)의 단면 영역 간 온도차가 10℃를 초과하게 되면 압출 과정에서 빌렛(10)이 깨져버리는 문제가 발생하기 때문에, 단면 영역 간 온도차가 10℃ 이하가 되도록 해야 한다. 이는 영구자석모듈(130)의 회전속도가 빨라질수록 유도가열의 온도가 높아지기 때문에 적당한 속도로 조절이 이루어져야 한다. 바람직한 회전 속도는 300 내지 2000rpm인데, 300rpm 미만일 경우 제한 시간 내에 빌렛(10)의 온도가 원하는 온도까지 가열되기 힘들며 2000rpm을 초과할 경우 빌렛(10)의 표면이 과하게 가열되어 중심과의 온도차로 인해 빌렛(10)이 깨질 수 있다.
영구자석모듈(130)의 경우 지속적으로 회전을 하기 때문에 마찰로 인한 손상을 방지하기 위해 영구자석모듈(130)과 본체(110) 사이에는 베어링(170)이 설치된다. 또한 빌렛(10)과 영구자석(131) 사이에는 단열재(190)가 설치되는데, 단열재(190)는 고열로 인해 영구자석(131)의 감자가 발생하기 않도록 존재한다. 이러한 단열재(190)는 5mm 이하의 두께를 가지는 것이 바람직한데, 5mm를 초과할 경우 영구자석모듈(130)과 빌렛(10) 간의 거리가 멀어져 고효율의 유도가열이 이루어지지 않을 수 있기 때문이다.
영구자석모듈(130)은 빌렛(10)의 길이방향을 따라 간격을 두고 복수 개가 배치될 수 있다. 빌렛(10)은 긴 막대형상으로 이루어지기 때문에 길이방향을 따라 유도가열이 이루어지기 위해서는 복수 개의 영구자석모듈(130)을 배치하여 각각 유도가열을 수행한다. 이때 영구자석모듈(130) 각각은 회전모터(150)를 포함하여 개별 구동이 이루어지게 된다.
각각의 영구자석모듈(130)에는 유도가열에 의한 빌렛(10)의 온도를 측정하도록 빌렛(10)과 대면하는 영구자석모듈(130)의 영역에는 각각 온도센서(135)가 설치된다. 유도가열에 의한 빌렛(10)의 길이방향 영역 간 온도 차는 100℃ 이하가 되어야 하는데, 온도 차가 100℃를 초과할 경우 빌렛(10)이 깨지는 문제가 발생하기 때문에 100℃ 이하의 온도 구배 가열이 필요하다. 따라서 빌렛(10)의 각 영역의 온도를 확인하기 위해 영구자석모듈(130)에는 각각 온도센서(135)가 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 온도센서(135)가 감지한 정보는 무선으로 신호를 전달받는 제어부로 전달되며, 제어부는 회전모터(150)로 신호를 전달하여 영구자석모듈(130)의 회전속도를 제어하여 온도를 조절하게 된다. 여기서 제어부와 영구자석모듈(130)의 신호도 무선으로 전달되는 것이 바람직하다. 이는 위치센서(133)와 마찬가지로 선을 통해서 신호를 전달받을 경우 선이 꼬이거나 손상되어 신호가 제대로 전달될 수 없는 경우가 발생하기 때문에 신호는 모두 무선으로 전달되는 것이 바람직하다.
빌렛(10)의 길이방향을 따라 배치되는 복수 개의 영구자석모듈(130)은 짝수 개로 배치되고, 근접하는 다른 영구자석모듈(130)과는 서로 반대방향으로 회전하는 것이 바람직하다. 예를 들어 짝수 번호에 해당하는 영구자석모듈(130)이 시계방향으로 회전할 경우, 홀수 번호에 해당하는 영구자석모듈(130)은 반시계방향으로 회전하도록 회전모터를 구동하는 것이 바람직하다. 도 3에 도시된 바와 같이 영구자석모듈(130)이 회전하게 되면 로렌츠의 힘(Lorentz force)이 특정 방향으로 발생하게 되는데, 이를 서로 반대 방향으로 생기도록 영구자석모듈(130)의 회전방향을 반대로 하여 백터(vector) 합이 0이 되도록 해야 한다. 따라서 영구자석모듈(130)의 회전방향을 서로 다르게 구동시켜 로렌츠의 힘에 의해 회전모터(150)의 용량을 별도로 더 키우지 않아도 된다.
본 발명과 같이 영구자석모듈(130)의 회전으로 발생하는 자장을 통한 유도가열은 빌렛(10) 뿐 아니라 외부로도 많이 방출되는데, 외부로 방출되는 열을 에너지 하베스팅(energy harvesting)하여 전원을 공급할 수 있다. 에너지 하베스팅을 위해 영구자석모듈(130) 또는 본체(110)에는 펠티어 소자(peltier element)가 설치되는데, 펠티어 소자는 열을 전기 에너지로 바꾸는 소자로 이를 통해 전원을 공급가능하다. 이와 같이 펠티어 소자를 적용할 경우 종래의 유도가열 장치보다 적은 전원을 사용하여 시스템 효율이 매우 증가할 수 있게 된다.
본 발명의 금속 빌렛 유도가열 장치(100)는 도 4와 같은 시스템을 통해 구동 및 제어가 가능하다. 먼저, 영구자석모듈(130)을 통해 유도가열이 이루어지게 되면 온도센서(133) 및 위치센서(135)를 통해 빌렛(10)의 온도와 위치를 감지하고, 감지된 온도와 위치는 필터와 레귤레이터를 통해 무선송신된다. 무선송신된 신호는 수신기를 지나 제어부로 전달되고, 제어부는 정보를 중앙모니터 또는 스마트폰으로 전송하여 작업자가 이를 확인할 수 있게 한다. 또한 유도가열에 의한 열이 일부 외부로 방출되는데 방출된 폐열은 펠티어 소자를 통해 열전발전되고, 이 정보는 다시 온도센서(133)가 감지하거나 또는 무선송신되어 수신기 및 제어부로 전달되고, 최종적으로 중앙모니터 또는 스마트폰으로 전송된다.
이와 같은 본 발명의 금속 빌렛 유도가열 장치(100)를 종래의 유도가열 장치와 비교한 결과를 다음을 통해 확인할 수 있다. 도 5a는 종래기술(US 2015/0083713)에 따른 유도가열 장치이고, 도 5b는 본 발명에 따른 유도가열 장치이다. 도 5a의 경우 영구자석을 N극-공극-S극-공극-N극 순으로 배열하며, 회전대상이 본 발명과 같이 영구자석이 아닌 빌렛을 회전한다는 점에서 차이가 있다. 이와 같이 종래기술 및 본 발명에 따른 유도가열 장치를 통해 다음과 같은 실험을 실시하였다.
도 6은 빌렛의 원주 방향으로 영구자석의 배열에 따른 빌렛에서 발생되는 자속밀도 변화를 나타낸 그래프이고 도 7은 발열량 변화를 나타낸 그래프로, 점선은 종래기술(N_air_S_air_N-air_S)이며 실선은 본 발명(N_air_S_air_S_air_N)에 해당한다. 빌렛의 길이에 따른 자속밀도의 경우 종래의 경우보다 본 발명이 더 높은 자속밀도를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 짧은 시간에 빌렛을 빨리 가열할 수 있다는 것을 의미한다. 유도가열 시간에 따른 빌렛의 발열량 변화의 경우에는 종래에는 최대 발열파워가 약 450kW/m인 반면 본 발명의 경우에는 600kW/m으로 더 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 가열시간이 짧아진다는 것을 의미한다.
도 8은 종래기술에 따른 유도가열 장치를 통해 가열된 빌렛의 시간에 따른 단면적 온도 변화 및 열 분포를 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명에 따른 유도가열 장치를 통해 가열된 시간에 따른 빌렛의 단면적 온도 변화 및 열 분포를 나타낸 그래프이다. 도 8과 도 9를 비교할 경우 빌렛 전체가 450℃의 온도를 가지는 데 걸리는 시간이 종래기술은 80초인데 비해 본 발명은 70초 이하로 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 종래기술에 비해 본 발명이 동일한 에너지로 유도가열을 실시할 때 유도가열 시간이 단축되며, 이로 인해 생산속도가 증가한다는 장점이 있다.
또한 빌렛의 표면이 비교적 균일하게 유도가열되는 것을 알 수 있으며, 빌렛의 표면과 내부가 10℃ 이하의 차이로 온도가 증가하는 것을 알 수 있다. 이에 비해 도 9와 같이 본 발명은 종래에 비해 균일하지 않게 가열되는 것을 알 수 있으나, 빌렛은 빠른 열확산이 일어나 온도가 균일해지기 때문에 문제되지 않는다. 특히 영구자석 사이에 공극으로 인해 확산이 빠르게 일어나기 때문에 종래기술보다 본 발명이 확산 속도가 빠르다.
도 10은 빌렛의 길이방향을 따라 복수 개의 영구자석모듈이 배치된 상태에서의 종래기술 및 본 발명의 자속밀도 변화를 나타낸 그래프이며, 점선은 종래기술에 해당하며 실선은 본 발명에 해당한다. 그래프에서 확인되는 것과 같이 종래기술과 같이 N극과 S극이 규칙적으로 배열되는 경우보다 본 발명과 같이 S극과 S극이 서로 마주보고 N극과 N극이 서로 마주보는 영구자석모듈을 사용하는 경우가 빌렛 표면에 인가되는 자장의 세기가 증가하는 것을 알 수 있다. 빌렛 표면에 인가되는 자장의 세기가 증가할수록 빌렛이 고온으로 유도가열되고, 빌렛의 표면에 열이 빠르게 확산되기 때문에 생산 효율은 본 발명이 더 높은 것으로 확인된다.
표 1 및 도 11은 본 발명의 영구자석모듈의 회전속도를 조절에 따른 온도 변화를 나타낸 것이다. 빌렛의 길이방향을 따라 복수 개의 영구자석모듈이 배치될 경우 뒤로 갈수록 마찰열이 발생하기 때문에 영구자석모듈의 회전속도를 줄여 온도를 낮춰야 한다. 따라서 다음 표 1과 같이 회전방향 및 회전속도를 조절하여 빌렛이 일정한 온도로 가열되도록 할 수 있다.
가열단계 영구자석모듈
번호		 회전방향 회전속도(rpm) 가열시간(초)
1 1 + 1500 41
2 - 1200 41
3 + 1000 41
4 - 800 41
2 1 + 800 12
2 - 600 12
3 0 12
4 0 12
3 1 0 26
2 0 26
3 0 26
4 0 26
도 11의 그래프는 붉은색 선이 빌렛 표면 온도(TE)를 나타내며, 파란색 선은 빌렛 내부 온도(TI)를 나타낸다. 가열단계가 1단계일때 시간이 지남에 따라 빌렛 표면의 온도는 급격하게 증가하는데 비해 빌렛 내부 온도는 천천히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그 다음 2단계에서는 일부 영구자석모듈만 구동시킬 경우 더 이상 빌렛 표면 온도는 증가하지 않고 유지하며, 3단계에서는 영구자석모듈이 구동되지 않으며 빌렛의 열 확산에 의해 표면의 온도는 감소하고 내부 온도는 그대로 증가하여 빌렛의 표면과 내부 온도가 동일해지는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 영구자석(131)이 서로 동일한 극이 마주보도록 배치되어 빠른 시간 내에 높은 온도로 빌렛(10)을 유도가열할 수 있어 생산성이 증가하며, 영구자석(131)이 포함된 각각 별도의 영구자석모듈(130)이 빌렛(10)의 길이방향으로 배치되어 하나의 영구자석모듈(130)이 고장났을 경우 다른 영구자석모듈(130)에 영향을 주지 않기 때문에 장치의 유지 및 보수가 용이한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 위치센서(133) 및 온도센서(135)를 이용하여 빌렛(10)의 위치 및 온도를 확인하며, 장치 구동을 위한 신호를 무선으로 전달하여 유선일 때 선의 꼬임 또는 손상과 같은 문제를 방지할 수 있다.
10: 가열대상 빌렛
100: 빌렛 유도가열 장치
110: 본체
130: 영구자석 모듈
131: 영구자석
133: 위치센서
135: 온도센서
150: 회전모터
170: 베어링
190: 단열재

Claims (11)

  1. 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치에 있어서,
    금속으로 이루어진 가열대상 빌렛이 내부에 삽입되는 본체와;
    N극 및 S극이 한 쌍으로 이루어져 상기 빌렛 주위를 둘러싸도록 상기 빌렛과 상기 본체 사이에 배치되는 복수 개의 영구자석을 포함하며, 복수 개의 상기 영구자석은 공극을 두고 동일한 극끼리 서로 마주보도록 배치된 영구자석모듈과;
    상기 영구자석모듈을 회전축을 따라 회전구동시키는 회전모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 빌렛과 상기 영구자석모듈이 일정 간격을 유지하도록 상기 빌렛과 대면하는 상기 영구자석모듈의 영역에는 위치센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 위치센서가 감지한 정보를 무선(wireless)으로 신호 전달받는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 빌렛을 지지하는 빌렛지지부에 신호를 전달하여 상기 빌렛의 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 영구자석모듈은 상기 빌렛의 길이방향을 따라 간격을 두고 복수 개가 배치되며, 상기 영구자석모듈 각각에 상기 회전모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    유도가열에 의한 상기 빌렛의 온도를 측정하도록 상기 빌렛과 대면하는 상기 영구자석모듈의 영역에는 각각 온도센서가 설치되며, 각각의 상기 온도센서가 감지한 정보를 무선으로 신호 전달받는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 회전모터로 신호를 전달하여 상기 영구자석모듈의 회전속도를 제어하여 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    복수 개의 상기 영구자석모듈은 짝수 개로 배치되며,
    상기 영구자석모듈은 근접하는 다른 영구자석모듈과 서로 반대방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치.
  7. 제 4항에 있어서,
    유도가열에 의한 상기 빌렛의 길이방향 영역 간 온도차가 100℃ 이하가 되도록 각각의 상기 회전모터의 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 영구자석은 N극 및 S극이 서로 접촉된 일체형인 것을 특징으로 하는 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    유도가열에 의한 상기 빌렛의 단면 영역 간 온도차가 10℃ 이하가 되도록 상기 회전모터의 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 영구자석모듈과 상기 본체 사이에는 베어링이 설치되며,
    상기 빌렛과 상기 영구자석 사이에는 단열재가 설치되는 것을 특징으로 하는 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 영구자석모듈의 회전으로 발생하는 자장을 통한 유도가열을 에너지 하베스팅(energy harvesting)하여 전원 공급하며, 에너지 하베스팅을 위해 상기 영구자석모듈 또는 상기 본체에는 펠티어 소자(peltier element)가 설치되는 것을 특징으로 하는 자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치.
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