KR20200095484A - 열 관리 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20200095484A
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conduit
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KR1020207015755A
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로랑 마크 필리프
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에드워즈 리미티드
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Abstract

본 개시는 금속으로 이루어진 도관(4)을 가열하도록 구성된 열 관리 시스템(2)에 관한 것이다. 열 관리 시스템(2)은 고주파의 교류 전류를 발생시키기 위한 발전기(16)를 포함한다. 발전기(16)를 도관(4)에 연결하기 위해 제 1 및 제 2 전기 커넥터(19, 20)가 제공된다. 사용시, 발전기(16)는 고주파의 교류 전류를 제 1 및 제 2 전기 커넥터(19, 20)에 출력하며, 교류 전류는 도관(4) 내에 도입되어 도관(4)의 직접적인 가열을 야기한다. 본 개시는 또한 열 관리 시스템(2)을 포함하는 배기 시스템(1), 및 도관(4)을 가열하는 관련 방법에 관한 것이다.

Description

열 관리 방법 및 장치
본 개시는 열 관리 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 배타적이지는 않지만, 본 개시는 도관을 위한 열 관리 시스템, 열 관리 시스템을 포함하는 배기 시스템, 및 도관을 가열하는 방법에 관한 것이다.
공지된 열 관리 시스템(thermal management system; TMS)(102)을 포함하는 배기 시스템(101)이 도 1에 도시되어 있다. TMS(102)는 산업 공정을 위한 공정 가스를 전달하기 위한 도관(104)의 온도를 제어하도록 작동 가능하다. 배기 시스템(101)은 예컨대 화학 기상 증착(chemical vapour deposition; CVD) 공정으로부터 배출된 증착 가스 및 관련 분말을 이송하기 위해 제공될 수도 있다. TMS(102)는 제어기(115) 및 복수의 저항성 히터 패드(resistive heater pad)(123)를 포함한다. 제어기(115)는 각각의 저항성 히터 패드(123)에 전류를 공급하도록 구성된다. 저항성 히터 패드(123)들은 서로 분리되어 있고 도관(104)의 길이를 따라 배치되어 있다. 저항성 히터 패드(123)는 각각 길이가 1 미터일 수 있으므로, 길이가 10m인 도관(104)에 대해 상기 저항성 히터 패드(123)를 10개 제공하는 것이 필요할 수도 있다. 도관(104)이 예컨대 하나 이상의 굴곡부(bend) 또는 밸브를 포함하는 복잡한 기하학적 구조를 갖는 경우, 추가 저항성 히터 패드(123)를 제공하는 것이 필요할 수도 있다. 사용시, 저항성 히터 패드(123)는 가열되고 도관(104)은 열전도를 통해 가열된다. 그러나, 특히 열악한 열전도체인 스테인리스강에서는 저항성 히터 패드(123)로부터 도관(104)으로의 열전달이 열악할 수도 있다. 저항성 히터 패드(123)는 특히 도관(104)이 복잡한 기하학적 구조를 갖는 경우 설치하기 어려울 수도 있다. 나아가, 저항성 히터 패드(123)로부터의 열전달은 작업자에 의존하는 도관(104)에의 피팅(fitting)의 품질에 의존한다. 저항성 히터 패드(123)는 또한 고장 및 결함이 발생하기 쉬울 수도 있다.
본 발명은 종래 기술의 시스템과 관련된 문제들 중 적어도 일부를 극복하거나 개선하는 것을 추구한다.
본 발명의 태양은 첨부된 청구범위에 청구된 바와 같은 열 관리 시스템, 열 관리 시스템을 포함하는 배기 시스템, 도관을 가열하는 방법, 및 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 관한 것이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 금속으로 구성된 도관을 가열하기 위한 열 관리 시스템이 제공되는데, 열 관리 시스템은,
고주파의 교류 전류를 발생시키기 위한 발전기, 및
발전기를 도관에 연결하기 위한 제 1 및 제 2 전기 커넥터를 포함하고,
사용시, 발전기는 고주파의 교류 전류를 제 1 및 제 2 전기 커넥터에 출력하며, 교류 전류는 도관 내에 도입되어 도관의 직접 가열을 야기한다. 사용시, 교류 전류는 도관 내에 직접 도입된다. 교류 전류의 공급은 줄 효과에 의해 도관을 직접 가열한다. 따라서, 도관의 코어에서 열이 발생한다. (도관의 외부 표면에 접하여 위치된 저항성 히터 패드 대신에) 도관 자체를 가열함으로써 열전달이 향상될 수도 있다. 고주파의 교류 전류를 공급함으로써 전도체의 유효 저항이 증가한다. 그 결과, 적어도 특정 실시예에서는 종래 기술의 시스템에 비해 증가된 가열을 야기할 수 있는 도관으로의 더 큰 전력 소모(I2R손(I2R loss)이라고도 함)가 있을 수도 있다. 적어도 특정 실시예에서, 교류 전류의 크기는 등가의 가열을 제공하기 위해 필요한 직류 전류보다 낮다.
동일한 전류가 상기 제 1 및 제 2 커넥터에 의해 확립된 연결부들 사이에서 도관을 통해 흐른다. 따라서, 온도는 도관의 길이를 따라 적어도 실질적으로 균일할 수도 있다. 도관을 따른 어느 곳에 위치한 단일 온도 측정(예컨대 열전쌍 또는 기타 온도 센서에 의함)은 해당 섹션 내의 온도를 모니터링하기에 충분할 수도 있다. 제 1 전기 커넥터는 도관의 제 1 단부에 또는 그에 근접하여 연결될 수 있으며, 제 2 전기 커넥터는 도관의 제 2 단부에 또는 그에 근접하여 연결될 수도 있다. 이러한 배열에서, 도관은 그 길이를 따라 가열될 수도 있다.
열 관리 시스템은 예컨대 체크 밸브, 굴곡부 등을 포함하는 복잡한 형상을 갖는 도관의 가열을 제공하는 데 사용될 수도 있다. 별도의 저항성 히터 패드를 제공할 필요성이 줄어들거나 제거된다.
발전기는 교류 전류가 발생되는 주파수 및/또는 크기를 제어하기 위한 전기 제어 유닛(electrical control unit; ECU)을 포함할 수도 있다. ECU는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수도 있다.
적어도 특정 실시예에서, 도관 내에 도입된 교류 전류는 전류가 전도체의 "표피(skin)"로 통칭되는 전도체의 외부 영역에서 주로 흐르게 하기에 충분히 높은 주파수를 갖는다. 표피는 전도체의 두께 이하의 깊이를 가질 수도 있다. 본 명세서에 사용된 용어 "고주파(high frequency)"는 100 헤르츠 이상의 주파수를 지칭하는 것으로 이해될 수도 있다.
발전기는 주파수가 100 헤르츠(㎐) 이상인 교류 전류를 출력하도록 구성될 수도 있다.
발전기는 주파수가 1 킬로헤르츠(㎑) 이상인 교류 전류를 출력하도록 구성될 수도 있다.
발전기는 주파수가 10 킬로헤르츠(㎑) 이상인 교류 전류를 출력하도록 구성될 수도 있다.
발전기는 주파수가 50 킬로헤르츠(㎑) 이상인 교류 전류를 출력하도록 구성될 수도 있다.
발전기는 주파수가 100 킬로헤르츠(㎑) 이상인 교류 전류를 출력하도록 구성될 수도 있다.
발전기는 주파수가 500 킬로헤르츠(㎑) 이하인 교류 전류를 출력하도록 구성될 수도 있다. 특정 실시예에서, 발전기는 주파수가 500 킬로헤르츠(㎑)보다 큰 교류 전류를 출력하도록 구성될 수도 있다.
발전기는 상이한 주파수들의 교류 전류를 출력하도록 재구성 가능할 수도 있다.
발전기는 50 암페어 또는 20 암페어 중 하나보다 작거나 같은 크기를 갖는 교류 전류를 출력하도록 구성될 수도 있다.
사용시, 도관의 전압은 60 볼트 이하 또는 48V 이하일 수도 있다.
제 1 및 제 2 전기 커넥터 각각은 다수의 개별 절연된 와이어 가닥을 포함한 케이블을 포함할 수도 있다. 제 1 및 제 2 전기 커넥터는 예컨대 각각 리츠 와이어(Litz wire)를 포함할 수도 있다.
적어도 특정 실시예에서, 도관을 통해 흐르는 전류 세기를 모니터링하는 것은 결함이 존재하는지 여부를 표시할 것이다. 도관을 통해 흐르는 전류의 존재는 연속성을 보장하고 따라서 도관이 잘 가열되는 것을 확신시킨다.
열 관리 시스템은 결함 탐지 모듈을 포함할 수도 있다. 결함 탐지 모듈은 전기 저항이 사전결정된 임계값을 초과하거나 사전결정된 작동 범위를 벗어난 경우를 식별하도록 구성될 수도 있다. 결함 탐지 모듈은 발전기에 의해 출력된 전류 및 전압에 따라 전기 저항을 계산할 수도 있다. 전기 저항이 사전결정된 임계값을 초과하면, 결함 탐지 모듈은 예컨대 도관의 서브섹션(subsection)들 사이 및/또는 제 1 및 제 2 전기 커넥터와 도관 사이의 전기적 연결이 불량하거나 결함이 있다고 결정할 수도 있다. 결함 탐지 모듈은 연속적으로 작동할 수도 있다. 대안으로서, 결함 탐지 모듈은 예컨대 결함 탐지 모드에서 주기적으로 작동할 수도 있다.
제 1 전기 커넥터는 도관의 입구에서 또는 그에 근접하여 도관에 연결될 수도 있다. 제 2 전기 커넥터는 도관의 출구에서 또는 그에 근접하여 도관에 연결될 수도 있다.
제 1 및 제 2 전기 커넥터는 도관 상에 제공된 제 1 및 제 2 전기 지점(electrical point)에 연결되도록 구성될 수도 있다. 전기 지점은 예컨대 기계식 패스너(fastener)에 의해 도관에 체결될 수도 있다. 전기 지점은 예컨대 용접에 의해 도관에 영구적으로 부착될 수도 있다.
도관은 배기 도관일 수도 있다. 배기 도관은 예컨대 화학 기상 증착(CVD) 공정으로부터의 공정 가스를 전달하는 데 적합할 수도 있다. 배기 도관은 예컨대 산업 공정에서 배기 시스템의 일부를 형성할 수도 있다.
대안으로서, 도관은 포어라인(foreline)일 수도 있다. 도관은 산업 공정을 위해 가스를 공급하도록 구성될 수도 있다.
대안으로서 또는 추가로, 열 관리 시스템은 밸브를 가열하기에 적합할 수도 있다. 밸브는 예컨대 도관에 연결될 수도 있다. 열 관리 시스템은 도관 및 밸브 모두를 가열하기에 적합할 수도 있다. 예로서, 열 관리 시스템은 배기 도관 또는 포어라인 중 어느 하나에 존재하는 격리 밸브를 가열하기에 적합할 수도 있다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 배기 시스템이 제공되는데, 배기 시스템은 본 명세서에 기술된 바와 같은 열 관리 시스템 및 적어도 하나의 도관을 포함하고, 제 1 및 제 2 전기 커넥터는 상기 적어도 하나의 도관에 연결된다.
배기 시스템은 선택적으로 격리 밸브와 같은 적어도 하나의 밸브를 포함할 수도 있다. 사용시, 열 관리 시스템은 적어도 하나의 도관 및 적어도 하나의 밸브를 가열할 수도 있다.
적어도 하나의 도관은 전기적으로 절연될 수도 있다. 적어도 하나의 도관은 각각 도관을 전기적으로 절연시키기 위한 전기 절연체를 포함한 하나 이상의 지지체에 의해 지지될 수도 있다. 전기 절연체는 테프론(RTM) 코팅과 같은 전기 절연 코팅을 포함할 수도 있다. 대안으로서 또는 추가로, 전기 절연체는 도관과 접촉하기 위한 전기 절연 부재를 포함할 수도 있다. 대안으로서 또는 추가로, 각각의 지지체는 전기 절연 재료로 구성될 수도 있다.
배기 시스템은 적어도 하나의 도관의 각 단부에 배치된 제 1 및 제 2 커플링(coupling)을 포함할 수도 있다. 제 1 및 제 2 커플링은 예컨대 도관의 입구 및 출구를 밀봉하기 위해 유밀 시일(fluid-tight seal)을 형성하도록 배열될 수도 있다. 제 1 및 제 2 커플링은 각각 예컨대 엘라스토머 재료 또는 고무로 구성된 O-링을 포함할 수도 있다. 제 1 및 제 2 커플링은 각각 전기 절연 커플링을 포함할 수도 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 커플링은 도관을 전기적으로 절연시키기에 적합할 수도 있다.
배기 시스템은 도관을 단열하기 위한 단열재를 포함할 수도 있다. 예컨대, 배기 시스템은 도관 둘레에 배치된 피복재(lagging)를 포함할 수도 있다.
적어도 하나의 도관은 스테인리스강으로 구성될 수도 있다. 적어도 하나의 도관은 예컨대 더 높은 저항률을 갖는 다른 금속으로 구성될 수도 있다.
적어도 하나의 도관은 자성 재료로 구성될 수도 있다. 예컨대, 적어도 하나의 도관은 자화된 스테인리스강을 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 도관은 1보다 큰 상대 투자율(relative magnetic permeability)(＞1)을 갖는 자성 재료로 구성될 수도 있다. 적어도 하나의 도관을 자성 재료로 형성함으로써, 재료의 유효 전기 저항률이 증가하여 열적 가열(thermal heating)이 촉진될 것이다. 적어도 하나의 도관은 강자성 재료로 구성될 수도 있다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 금속으로 구성된 도관을 가열하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은,
발전기를 사용하여 도관에 교류 전류를 도입하는 것― 교류 전류는 줄 효과에 의해 도관을 가열하기 위해 고주파로 도관 내에 직접 도입됨 ―을 포함한다.
교류 전류는 주파수가 100 헤르츠(㎐) 이상일 수도 있다.
교류 전류는 주파수가 1 킬로헤르츠(㎑) 이상일 수도 있다.
교류 전류는 주파수가 10 킬로헤르츠(㎑) 이상일 수도 있다.
교류 전류는 주파수가 50 킬로헤르츠(㎑) 이상일 수도 있다.
교류 전류는 주파수가 100 킬로헤르츠(㎑) 이상일 수도 있다.
교류 전류는 주파수가 500 킬로헤르츠(㎑) 이하일 수도 있다. 특정 실시예에서, 교류 전류는 주파수가 500 킬로헤르츠(㎑)보다 클 수도 있다.
교류 전류는 50 암페어 또는 20 암페어 중 하나보다 작거나 같은 크기를 가질 수도 있다.
도관의 전압은 60 볼트 이하 또는 48 볼트 이하이다.
본 방법은 도관의 하나 이상의 파라미터에 따라 교류 전류의 주파수를 변경하는 것을 포함할 수도 있다. 예컨대, 교류 전류의 주파수는 하기의 파라미터들 중 하나 이상에 따라 변경될 수도 있다: 도관의 길이; 도관의 직경; 도관의 벽 두께; 도관을 형성하는 재료의 전도율; 및 도관이 형성되는 재료.
본 방법은 결함을 탐지하기 위해 도관의 전기 저항을 모니터링하는 것을 포함할 수도 있다. 본 방법은 전기 저항이 사전결정된 임계값을 초과하거나 사전결정된 작동 범위를 벗어난 경우 결함을 탐지하는 것을 포함할 수도 있다. 전기 저항은 도관에 출력된 전류 및 전압에 따라 계산될 수도 있다. 전기 저항이 사전결정된 임계값을 초과하면, 결함 탐지 모듈은 예컨대 도관의 서브섹션들 사이 및/또는 도관과 하나 이상의 전기 커넥터 사이의 전기적 연결이 불량하거나 결함이 있다고 결정할 수도 있다. 본 방법은 전기 저항을 연속적으로 모니터링하는 것을 포함할 수도 있다. 대안으로서, 본 방법은 예컨대 결함 탐지 모드에서 전기 저항을 주기적으로 모니터링하는 것을 포함할 수도 있다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 실행시에 프로세서로 하여금 본 명세서에 기술된 방법을 수행하게 하는 일련의 명령이 내부에 저장되어 있는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체가 제공된다.
본 명세서에 기술된 임의의 제어 유닛 또는 제어기는 하나 이상의 전자 프로세서를 갖는 계산 장치를 적절하게 포함할 수도 있다. 시스템은 하나의 제어 유닛 또는 전자 제어기를 포함할 수 있으며, 또는 대안으로서 제어기의 상이한 기능들이 상이한 제어 유닛들 또는 제어기들에서 구현되거나 호스트될 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 용어 "제어기" 또는 "제어 유닛"은 하나의 제어 유닛 또는 제어기, 그리고 임의의 언급된 제어 기능을 제공하기 위해 함께 작동하는 복수의 제어 유닛 또는 제어기 양자 모두를 포함하는 것으로 이해될 것이다. 제어기 또는 제어 유닛을 구성하기 위해, 실행시에 상기 제어 유닛 또는 계산 장치로 하여금 본 명세서에 특정된 제어 기술을 구현하게 하는 적절한 일련의 명령이 제공될 수도 있다. 일련의 명령은 상기 하나 이상의 전자 프로세서 내에 적절하게 내장될 수도 있다. 대안으로서, 일련의 명령은 상기 계산 장치에서 실행되도록 상기 제어기와 관련된 하나 이상의 메모리에 저장된 소프트웨어로서 제공될 수도 있다. 제어 유닛 또는 제어기는 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 소프트웨어로 구현될 수도 있다. 하나 이상의 다른 제어 유닛 또는 제어기는 하나 이상의 프로세서, 선택적으로 제 1 제어기와 동일한 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 소프트웨어로 구현될 수도 있다. 또한, 다른 적절한 배열체들이 사용될 수도 있다.
본원의 범위 내에서, 이전 단락들, 청구항들 및/또는 하기의 설명 및 도면들에 제시된 다양한 태양들, 실시예들, 예들 및 대안들과 특히 이들의 개별 특징은 독립적으로 또는 임의의 조합으로 취해질 수도 있음이 명확하게 의도된다. 즉, 모든 실시예 및/또는 임의의 실시예의 특징은 이러한 특징들이 양립 불가능한 것이 아닌 한 임의의 방식 및/또는 조합으로 결합될 수 있다. 출원인은, 최초 청구된 방식이 아니더라도 임의의 다른 청구항의 임의의 특징에 의존하거나 그것을 포함하도록 임의의 최초 출원된 청구항을 보정하는 권리를 포함하여, 임의의 최초 출원된 청구항을 변경하거나 그에 따라 임의의 새로운 청구항을 제출할 권리를 보유한다.
이제, 본 발명의 하나 이상의 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 기술할 것인데, 도면에서:
도 1은 배기 시스템을 위한 종래 기술의 열 관리 시스템의 개략도를 도시하고;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 관리 시스템의 개략도를 도시하고;
도 3은 소정의 도관 섹션에 대해 일정량의 전력을 소모하기 위한 전류와 주파수 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
이제, 본 발명의 일 실시예에 따른 열 관리 시스템(TMS)(2)을 포함한 배기 시스템(1)에 대해 첨부 도면을 참조하여 기술할 것이다. 배기 시스템(1)은 응축성 고체를 포함한 공정 가스를 배기 시스템(1)에 연결된 저감 장치(3)로 전달하기에 적합하다. 배기 시스템(1)은 예컨대 화학 기상 증착(CVD) 공정으로부터 방출된 증착 가스 및 관련 분말을 이송하기 위해 제공될 수도 있다. TMS(2)는 화합물이 휘발성으로 유지되도록 배기 시스템(1)의 온도를 제어하여 배기 시스템(2)을 부분적으로 또는 완전히 막을 수도 있는 고체의 축적을 방지하거나 억제하도록 구성된다. TMS(2) 및 배기 시스템(1)은 다른 산업 공정에서 활용될 수도 있음을 이해할 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배기 시스템(1)은 도관(4)을 포함한다. 도관(4)은 스테인리스강과 같은 금속으로 구성된 튜브의 형태이다. 도관(4)은 예컨대 내경이 40㎜인 DN40 파이프를 포함할 수도 있다. 도관(4)은 특정 실시예에서 대략 1㎜, 또는 최대 2㎜의 벽 두께를 가질 수도 있다. 도관(4)은 예컨대 길이가 10 미터 또는 그 이상일 수 있으며, 복잡한 경로를 따를 수도 있다. 도관(4)은 배기 가스를 저감 장치(3)로 전달하기 위한 실질적으로 연속적인 유체 경로를 형성한다. 도관(4)은 단일 길이의 파이프로 구성될 수도 있다. 그러나, 도관(4)은 통상적으로 유밀 방식으로 함께 연결된 복수의 서브섹션(5-1, 5-2)을 포함한다. 도관(4)은 저감 장치(3)에 필요한 연결을 제공하기 위해 하나 이상의 굴곡부를 포함할 수도 있다. 도관(4)은 그의 길이를 따라 복수의 지지체(6)에 의해 지지된다. 본 실시예에서의 지지체(6)는 도관(4)을 전기적으로 절연시키도록 구성된다. 본 실시예의 지지체(6)는 각각 도관(4)의 외부 표면과 접촉하기 위한, 테프론(RTM)과 같은 전기 절연 코팅(8)을 갖는 클램프(clamp)(7)를 포함한다. 변형예에서, 전기 절연 인서트(도시되지 않음)가 클램프(7)와 도관(4) 사이에 제공될 수도 있다. 변형예에서, 지지체(6)는 전기 절연 재료로 형성될 수도 있다.
배기 시스템(1)의 입구(10)에는 입구 커플링(9)이 제공되고, 배기 시스템(1)의 출구(12)에는 출구 커플링(11)이 제공된다. 출구 커플링(11)은 본 실시예에서 배기 시스템(1)을 저감 장치(3)에 연결하기 위해 제공된다. 입구 및 출구 커플링(9, 11)은 각각 관련 구성요소들과 유밀 시일을 형성하기 위한 O-링을 포함한다. 나아가, 본 발명의 일 태양에 따른 입구 및 출구 커플링(9, 11)은 전기 절연체이다. 입구 및 출구 커플링(9, 11)은 적절한 전기 절연 재료로 형성될 수도 있고 전기 절연 부재를 포함할 수도 있다.
배기 시스템(1)의 출구(12)에는 게이트 밸브(13)가 제공된다. 게이트 밸브(13)는 출구(12)를 선택적으로 개폐하도록 작동 가능하다. 게이트 밸브(13)는 고체의 축적을 감소시키기 위해 가열될 수도 있다. 도관(4)을 단열시키기 위해 도관(4)의 외부 둘레에 피복재(14)가 제공된다.
TMS(2)는 전자 제어 유닛(ECU)(15) 및 발전기(16)를 포함한다. ECU(15)는 발전기(16)의 동작을 제어하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서(17)를 포함한다. TMS(2)의 동작을 제어하기 위해 휴먼 머신 인터페이스(human machine interface; HMI)(18)가 제공된다. 발전기(16)는 고주파의 교류 전류(AC)를 발생시키기 위한 것이다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 발전기(16)는 주파수가 100 헤르츠 이상인 AC를 발생시키도록 구성될 수도 있다. TMS(2)는 발전기(16)를 도관(4)에 연결하기 위한 제 1 및 제 2 전기 커넥터(19, 20)를 포함한다. 제 1 전기 커넥터(19)는 배기 시스템(1)의 입구(10)에 또는 그에 근접하여 연결되고, 제 2 전기 커넥터(20)는 배기 시스템(1)의 출구(12)에 또는 그에 근접하여 연결된다. 본 실시예에서의 제 1 및 제 2 전기 커넥터(19, 20) 각각은 함께 꼬이거나 직조될 수 있는 다수의 개별 절연된 와이어 가닥을 포함한 케이블(예컨대, 리츠 와이어)을 포함한다.
사용시, 발전기(16)는 제 1 및 제 2 전기 커넥터(19, 20)를 통해 도관(4) 내에 고주파 전류를 주입한다. 도관(4)으로의 교류 전류의 도입은 줄 효과로 인한 가열을 야기한다. AC가 도관(4)에 공급될 때, 전류가 주로 전도체의 "표피"에서 흐르기 때문에 전도체 표면 근처에서 전류 밀도가 가장 크다. 따라서, 증가된 전류 밀도로 인해 표면에서 또는 표면 근처에서 가열이 더욱 두드러질 수도 있다. 이것은 소위 "표피 효과(skin effect)"에 기인하며, 이로 인해 전류는 주로 전도체의 "표피"에서 흐른다. "표피 깊이"(δ)는 하기의 방정식에 의해 결정된다.
Figure pct00001
여기서, δ = 표피 깊이,
ρ = 저항률,
ω = 각속도, 및
μ = 투자율.
AC의 주파수가 증가함에 따라 표피 깊이가 감소한다. 표피 깊이의 감소(이는 전도체의 유효 단면적을 감소시킴)로 인해 주파수가 높아지면 전도체의 유효 저항이 증가한다. 따라서, 도관(4)의 가열은 발전기(16)에 의해 도입된 AC의 주파수를 증가시킴으로써 증가될 수도 있다. 적어도 특정 실시예에서, 주파수가 100㎐ 이상인 AC를 도입하면 도관(4)의 충분한 가열이 제공된다. 그러나, 발전기(16)는 예컨대 전류의 크기(진폭)를 감소시키기 위해 더 높은 주파수의 AC를 생성하도록 구성될 수도 있다.
본 발명의 일 태양에 따른 TMS(2)는 도관(4) 내부에 직접 열을 발생시킨다. 따라서, TMS(2)는 외부 가열 요소를 이용한 간접 가열을 수행하기보다는 도관(4)을 가열 요소로서 사용한다. 이제, TMS(2)의 작동에 대해 기술할 것이다. 소모 전력은 저항에 가해진 전류의 제곱에 비례한다. 이 관계는 하기의 방정식에 의해 정의된다.
P = I2R
여기서, P = 전력(와트)
I = 전류(암페어), 및
R = 저항(Ω).
길이가 1 미터인 DN40 파이프에서 280W의 전력을 소모하기 위한 전류와 주파수 간의 관계는 도 3에 도시된 그래프(21)로 표현된다. 그래프(21)는 AC의 주파수를 증가시키면 동일한 전력 소모를 달성하는 데 필요한 전류의 크기를 감소시킬 수 있음을 보여준다. 예로서, 500㎑의 공급 주파수를 고려하면, 단지 18A의 전류가 필요하다(DC에서의 300A에 상당함). 나아가, 전류 주입은 파이프 길이에 걸친 저 전압(48V 미만)을 수반하므로 안전성이 향상된다. 발전기(16)는 또한 선택적으로 TMS(2)가 SEMI 및 EN61010을 준수하게 하기 위해 작은 HF 변압기를 구현함으로써 이중 절연을 제공할 수도 있다.
비교에 의하면, 도관(4)에 직류 전류(DC)를 공급하는 것에 의한 등가 가열은 매우 높은 전류가 사용되어야 할 수도 있어서 실용적이지 않다는 것을 이해할 것이다. 스테인리스강으로 형성된 기존의 DN40 도관은 2.7 밀리옴/m의 일반적인 저항을 갖는다. 그 도관(4)을 따른 0.2W/㎠의 전력 밀도(도 3에 도시된 예에 따른 1 미터 길이의 파이프 DN40에 대한 280W에 해당)를 고려하면, 300A 초과의 전류가 공급되어야 할 수도 있다. 더 높은 저항률을 갖는 금속으로 도관(4)을 형성함으로써 필요한 전류가 감소될 수도 있지만, 이는 더 많은 비용을 초래할 가능성이 높고, 공정 가스 내의 화합물과의 화학적 상용성(compatibility)과 같은 추가적인 과제를 야기할 수도 있다.
TMS(2)는 선택적으로 하나 이상의 온도 센서(22)를 포함할 수도 있다. 도관(4)을 따라 실질적으로 균일한 온도가 생성되기 때문에, 특정 실시예에서 TMS(2)는 단일 온도 센서(22)로 구성될 수도 있다. 온도 센서(22)는 피드백을 제공하기 위해 온도 신호(S1)를 ECU(15)에 출력할 수도 있다. 이로써 ECU(15)는 발전기(16)에 의해 도관(4)에 공급되는 전류를 제어하여 도관(4)을 희망 작동 온도 또는 희망 온도 범위 내로 유지시킬 수 있다.
본 발명의 추가 태양에 따른 TMS(2)는 결함 탐지 모드를 구현하도록 구성될 수도 있다. 특히, TMS(2)는 도관(4)을 포함한 전기 회로의 무결성을 점검하도록 구성될 수도 있다. 사전결정된 전압(V)이 인가되고 전류(I)가 측정될 수도 있다. 도관(4)의 저항(R)은, 예컨대 도관(4)의 서브섹션들 사이, 또는 도관(4)과 제 1 및 제 2 전기 커넥터(19, 20) 각각 사이의 전기적 연결이 불량한지 여부를 결정하기 위해 계산될 수도 있다. 저항(R)이 사전결정된 임계값 이상이거나 사전결정된 작동 범위를 벗어난 경우, TMS(2)는 결함 상태를 표시할 수도 있다.
적어도 특정 실시예에서, 본 명세서에 기술된 TMS(2)는 그 수명 동안 도관(4)의 효율적인 가열을 제공할 수도 있다. TMS(2)를 교체하기 위해 도관(4)에 대한 접근이 더 이상 필요하지 않기 때문에 TMS(2)는 통합 시스템에서 하나의 특정 용도를 갖는다. 특정 실시예에서 TMS(2)는 유지보수가 필요 없는 것으로 여겨질 수도 있다.
TMS(2)는 특히 배기 시스템(1)과 관련하여 본 명세서에 기술되었다. 그러나, TMS(2)는 도관의 가열이 요구되는 다른 응용예에서 사용될 수도 있음을 이해할 것이다. 예컨대, TMS(2)는 포어라인 또는 격리 밸브와 같은 밸브의 제어된 가열을 제공하기 위해 사용될 수도 있다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 명세서에 기술된 TMS(2)에 대한 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수도 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 도관(4)은 자성 재료로 제조될 수도 있다. 도관(4)에 자성 재료(1보다 큰 상대 투자율을 가짐)를 사용함으로써, 표피 효과가 증폭될 수도 있으며, 이에 의해 도관(4)의 유효 저항이 증가하고 가열이 촉진된다.

Claims (27)

  1. 금속으로 구성된 도관(4)을 가열하기 위한 열 관리 시스템(2)에 있어서,
    고주파의 교류 전류를 발생시키기 위한 발전기(16); 및
    상기 발전기(16)를 상기 도관(4)에 연결하기 위한 제 1 및 제 2 전기 커넥터(19, 20)를 포함하고,
    사용시, 상기 발전기(16)는 고주파의 교류 전류를 상기 제 1 및 제 2 전기 커넥터(19, 20)에 출력하며, 상기 교류 전류는 상기 도관(4) 내에 도입되어 상기 도관(4)의 직접 가열을 야기하는
    열 관리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기(16)는 주파수가 100 헤르츠(㎐) 이상인 교류 전류를 출력하도록 구성되는
    열 관리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기(16)는 주파수가 1 킬로헤르츠(㎑) 이상인 교류 전류를 출력하도록 구성되는
    열 관리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기(16)는 주파수가 10 킬로헤르츠(㎑) 이상인 교류 전류를 출력하도록 구성되는
    열 관리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기(16)는 주파수가 100 킬로헤르츠(㎑) 이상인 교류 전류를 출력하도록 구성되는
    열 관리 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전기(16)는 상이한 주파수들의 교류 전류를 출력하도록 재구성 가능한
    열 관리 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전기(16)는 50 암페어 또는 20 암페어 중 하나보다 작거나 같은 크기를 갖는 교류 전류를 출력하도록 구성되는
    열 관리 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    사용시, 상기 도관(4)의 전압은 60 볼트 이하 또는 48 볼트 이하인
    열 관리 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전기 커넥터(19, 20) 각각은 다수의 개별 절연된 와이어 가닥을 포함한 케이블을 포함하는
    열 관리 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기 저항이 사전결정된 임계값을 초과하거나 사전결정된 작동 범위를 벗어난 경우를 식별하기 위한 결함 탐지 모듈을 포함하는
    열 관리 시스템.
  11. 배기 시스템(1)에 있어서,
    제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 열 관리 시스템 및 적어도 하나의 도관(4)을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 전기 커넥터는 상기 적어도 하나의 도관에 연결되는
    배기 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도관(4)은 전기적으로 절연되는
    배기 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도관(4)은 상기 도관(4)을 전기적으로 절연시키기 위한 전기 절연체를 각각 포함하는 하나 이상의 지지체(6)에 의해 지지되는
    배기 시스템.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도관(4)의 각 단부에 배치된 제 1 및 제 2 커플링(9, 11)을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 커플링(9, 11) 각각은 전기 절연 커플링을 포함하는
    배기 시스템.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도관(4)은 스테인리스강으로 구성되는
    배기 시스템.
  16. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도관(4)은 자성 재료로 구성되는
    배기 시스템.
  17. 금속으로 구성된 도관을 가열하는 방법에 있어서,
    발전기(15)를 사용하여 도관(4)에 교류 전류를 도입하는 것― 상기 교류 전류는 줄 효과에 의해 상기 도관(4)을 가열하기 위해 고주파로 상기 도관(4) 내에 직접 도입됨 ―을 포함하는
    도관 가열 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 교류 전류는 주파수가 100 헤르츠(㎐) 이상인
    도관 가열 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 교류 전류는 주파수가 1 킬로헤르츠(㎑) 이상인
    도관 가열 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 교류 전류는 주파수가 10 킬로헤르츠(㎑) 이상인
    도관 가열 방법.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 교류 전류는 주파수가 100 킬로헤르츠(㎑) 이상인
    도관 가열 방법.
  22. 제 17 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교류 전류는 50 암페어 또는 20 암페어 중 하나보다 작거나 같은 크기를 갖는
    도관 가열 방법.
  23. 제 17 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도관의 전압은 60 볼트 이하 또는 48 볼트 이하인
    도관 가열 방법.
  24. 제 17 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도관(4)의 하나 이상의 파라미터에 의존하여 교류 전류의 주파수를 변경하는 것을 포함하는
    도관 가열 방법.
  25. 제 17 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    결함을 탐지하기 위해 상기 도관(4)의 전기 저항을 모니터링하는 것을 포함하는
    도관 가열 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 전기 저항이 사전결정된 임계값을 초과하거나 사전결정된 작동 범위를 벗어난 경우 결함을 탐지하는 것을 포함하는
    도관 가열 방법.
  27. 실행시에, 프로세서로 하여금 제 19 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 수행하게 하는 일련의 명령이 내부에 저장되어 있는
    비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체.
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