KR20230097506A - 인덕션 튜브 히터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스사출성형시스템에 사용되는 인덕션 튜브 히터에 관한 것으로, 가열 대상의 가스를 통과시키기 위한 제1 관통홀이 내부에 형성된 가스관 발열체; 상기 가스관 발열체가 삽입되는 제2 관통홀이 내부에 형성된 단열 파이프; 상기 단열 파이프가 삽입되는 제3 관통홀이 내부에 형성된 와인딩 파이프; 상기 와인딩 파이프의 외주면을 따라 권취되는 워킹코일; 및 상기 워킹코일로 고주파 전류를 인가하는 전력변환장치를 포함한다.

Description

인덕션 튜브 히터 {INDUCTION TUBE HEATER}

본 발명은 가스사출성형시스템에 사용되는 인덕션 튜브 히터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사출 금형으로 유입되는 질소가스를 고온으로 가열하기 위한 인덕션 튜브 히터에 관한 것이다.

가스사출성형은 전기전자 외장품, 하우징류에서부터 자동차 부품에 이르기까지 다양하게 개발되어 주목을 받고 있는 기술이다. 이 기술의 시작은 발포성형의 단점을 보완하고자 하는 차원에서 출발하였으나 제품의 표면에 기포 층이 형성되지 않고 고등급의 매끈한 표면을 얻을 수 있으며, 저압성형 및 캐비티 내부 압력을 균일한 분 포를 유지하여 휨을 방지하고 싱크 마크를 없애는 등 제품의 특성에 따라 다양한 효과를 얻을 수 있는 기술이다.

해당 공정은 가스와 열가소성 수지의 이중구조를 갖는 사출성형공정으로 성형품 내부에 빈 공간을 형성시켜 줌으로써 기존의 사출공정에 비하여 구조적강도가 탁월하고 싱크 마크가 없으며 부품의 일체화가 가능하고 낮은 압 력으로 성형이 가능하기 때문에 작은 형체력으로 큰 제품을 성형할 수 있다는 장점이 있다. 해당 공정의 기본 개념은 용융된 플라스틱 수지 내부에 불활성 기체인 질소를 고온으로 가열한 후 미리 설정된 압력에 따라 사출하여 가스의 유체흐름을 만드는 것이다. 이때, 질소를 고온으로 가열하기 위한 튜브 히터가 사용된다.

도 1은 종래 기술에 따른 질소가스 가열장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 질소가스 가열장치(10)는 질소가 지나갈 수 있는 동관, 상기 동관을 고온으로 가열하기 위한 분리된 코일저항, 고온 및 단열을 유지하기 위하여 코일저항과 동관을 감싸는 이중 파이프로 구성된다. 이러한 질소가스 가열장치(10)의 동작 원리는 코일저항에 전류를 인가하면 열이 발생되고, 발생된 열을 간접적으로 동관에 전달한다. 이때, 질소를 투입하여 동관과 열 교환으로 고온의 질소가스를 공급하게 된다.

그런데, 기존의 가스 가열 방식은 50Hz 내지 60Hz의 상용 주파수를 갖는 전류를 코일저항에 인가하여 열을 발생시키고, 코일저항에서 발생된 열을 간접적으로 동관에 전달한다. 이러한 간접적인 열전달 방식의 히터는 동관과 코일저항 간의 결합 상태에 따라 열전달 효율이 달라질 수 있으며, 고온의 질소 온도를 일정하게 유지하기 힘들다는 문제가 있다. 또한, 고온의 질소가스를 유지하기 위하여 동관의 온도제어를 수행하게 되는데, 해당 온도제어 방식은 동관에 부착된 온도센서를 이용하여 일정온도에 도달하는지 여부에 따라 전원을 온/오프하는 방식으로 진행한다. 하지만, 전원 온/오프 방식은 정밀한 온도제어를 수행할 수 없다는 문제가 있다.

한국등록특허공보 제10-1819886호

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 유도가열 원리를 이용하여 금형으로 유입되는 질소가스를 고온으로 가열할 수 있는 인덕션 튜브 히터를 제공함에 있다.

또 다른 목적은 워킹코일에서 발생하는 자속을 이용하여 미리 결정된 형상의 관통홀이 형성된 가스관 발열체를 직접적으로 가열할 수 있는 인덕션 튜브 히터를 제공함에 있다.

또 다른 목적은 전력변환장치에서 워킹코일로 인가되는 고주파 전류의 주파수를 제어하여 가스관 발열체의 발열 온도를 제어할 수 있는 인덕션 튜브 히터를 제공함에 있다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 가열 대상의 가스를 통과시키기 위한 제1 관통홀이 내부에 형성된 가스관 발열체; 상기 가스관 발열체가 삽입되는 제2 관통홀이 내부에 형성된 단열 파이프; 상기 단열 파이프가 삽입되는 제3 관통홀이 내부에 형성된 와인딩 파이프; 상기 와인딩 파이프의 외주면을 따라 권취되는 워킹코일; 및 상기 워킹코일로 고주파 전류를 인가하는 전력변환장치를 포함하는 인덕션 튜브 히터를 제공한다.

좀 더 바람직하게는, 상기 가스관 발열체는 자성체 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 가스관 발열체는 워킹코일에서 발생하는 자속에 의해 와전류가 발생하고, 상기 와전류에 의해 발생된 열을 상기 제1 관통홀을 통과하는 가스로 전달하는 것을 특징으로 한다.

좀 더 바람직하게는, 상기 단열 파이프는 가스관 발열체를 보호하고, 상기 가스관 발열체의 온도를 유지하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 단열 파이프는 내구성 및 단열성이 우수한 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

좀 더 바람직하게는, 상기 와인딩 파이프의 외주면에는 상기 워킹코일을 일정 간격으로 와인딩하기 위한 가이드 홈이 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 기 와인딩 파이프는 내구성 및 절연성이 우수한 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

좀 더 바람직하게는, 상기 인덕션 튜브 히터는 가스관 발열체의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 전력변환장치는 온도 센서로부터 수신된 센싱 데이터를 기반으로 고주파 전류의 주파수를 제어하여 가스관 발열체의 발열 온도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예들에 따른 인덕션 튜브 히터의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 유도가열 원리를 이용하여 금형으로 유입되는 질소가스를 고온으로 가열할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 워킹코일에서 발생하는 자속을 이용하여 미리 결정된 형상의 관통홀이 형성된 가스관 발열체를 직접적으로 가열할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 전력변환장치에서 워킹코일로 인가되는 고주파 전류의 주파수를 제어하여 가스관 발열체의 발열 온도를 조절할 수 있고, 상기 발열 온도의 조절을 통해 금형으로 유입되는 질소가스의 온도를 조절할 수 있다는 장점이 있다.

다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 인덕션 튜브 히터가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 질소가스 가열장치의 구성을 나타내는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스사출성형시스템의 구성을 나타내는 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인덕션 튜브 히터의 구성을 나타내는 도면;
도 4는 도 3에 도시된 가스관 발열체의 구성을 나타내는 도면;
도 5는 도 3에 도시된 단열 파이프의 구성을 나타내는 도면;
도 6은 도 3에 도시된 와인딩 파이프의 구성을 나타내는 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 유도가열 원리를 이용하여 금형으로 유입되는 질소가스를 고온으로 가열할 수 있는 인덕션 튜브 히터를 제안한다. 또한, 본 발명은 워킹코일에서 발생하는 자속을 이용하여 미리 결정된 형상의 관통홀이 형성된 가스관 발열체를 직접적으로 가열할 수 있는 인덕션 튜브 히터를 제안한다. 또한, 본 발명은 전력변환장치에서 워킹코일로 인가되는 고주파 전류의 주파수를 제어하여 가스관 발열체의 발열 온도를 제어할 수 있는 인덕션 튜브 히터를 제안한다.

이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스사출성형시스템의 구성을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스사출성형시스템(100)은 사출기(110), 가스 공급부(120), 인덕션 튜브 히터(130) 및 금형(140)을 포함할 수 있다.

사출기(110)는 용융수지를 생성하고, 상기 생성된 용융수지를 금형(140)에 주입하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 사출기(110)는 호퍼, 금형장착부, 가열실린더, 스크류, 체크링 및 노즐 등으로 구성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.

가스 공급부(120)는 사출성형을 위한 가스(가령, 질소가스)를 생성하고, 상기 생성된 가스를 사출기(110)에 의해 용융수지가 주입되는 금형(140)으로 공급하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 가스 공급부(120)는 가스 발생기, 가스 압축기, 가스 공급기 및 가스 사출 제어기 등으로 구성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 이하, 본 실시 예에서는, 상기 가스 공급부(120)에서 질소가스를 공급하는 것을 예시하여 설명하도록 한다.

인덕션 튜브 히터(130)는, 가스 공급부(120)와 금형(140) 사이에 배치되어, 상기 가스 공급부(120)로부터 유입되는 가스를 고온으로 가열하여 금형(140)으로 전달하는 역할을 수행할 수 있다.

인덕션 튜브 히터(130)는 유도가열 원리를 이용하여 가스를 가열하는 가스가열장치(131)와, 상기 가스가열장치(131)로 고주파 전류를 인가하는 전력변환장치(133)를 포함할 수 있다. 여기서, 가스가열장치(131)는 가스관 발열체, 단열 파이프, 와인딩 파이프, 워킹코일 및 온도센서 등을 포함할 수 있다. 상기 가스가열장치(131) 및 전력변환장치(133)에 대한 좀 더 자세한 설명은 도면을 참조하여 후술하도록 한다.

금형(140)은 규격이 동일한 제품을 대량 생산하기 위해 금속재료를 사용해 만든 틀이다. 상기 금형(140)에는 사출기(110)에 의해 용융수지가 주입되는 게이트(미도시)와, 가스 공급부(120)에 의해 가스가 주입되는 가스채널(미도시)이 형성될 수 있다.

금형(140)의 종류로는 프레스 금형, 사출 금형, 다이캐스팅 금형, 단조 금형이 있다. 이하, 본 실시 예에서, 상기 금형(140)으로 사출 금형이 사용되는 것을 예시하여 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인덕션 튜브 히터의 구성을 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 가스관 발열체의 구성을 나타내는 도면이고, 도 5는 도 3에 도시된 단열 파이프의 구성을 나타내는 도면이고, 도 6은 도 3에 도시된 와인딩 파이프의 구성을 나타내는 도면이다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 인덕션 튜브 히터(200)는 가스관 발열체(210), 단열 파이프(220), 와인딩 파이프(230), 워킹코일(240), 전력변환장치(250) 및 온도센서(미도시)를 포함할 수 있다. 도 3 내지 도 6에 도시된 구성요소들은 인덕션 튜브 히터를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 인덕션 튜브 히터는 위에서 열거된 구성요소들 보다 많거나, 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.

인덕션 튜브 히터(200)는 유도가열 원리를 이용하여 가스관 발열체(210)를 통과하는 질소가스를 고온으로 가열하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 인덕션 튜브 히터(200)에서 사용하는 유도가열 원리를 간단히 설명하면 다음과 같다. 먼저, 고주파 전류를 워킹코일(240)에 인가하면, 상기 워킹코일(240)의 주변에서는 자속(magnetic flux)이 발생하게 된다. 상기 자속으로 인해 가스관 발열체(210)에는 철손이 발생하게 되고, 상기 철손으로 인해 고온의 열이 발생하게 된다. 여기서, 상기 철손은 와전류 손실과 히스테리시스 손실로 구성된다. 상기 와전류 손실은 전자기 유도에 의해 발생하는 와전류가 도체의 저항 때문에 줄열(Joule's heat)이 발생하여 생기는 손실이고, 히스테리시스 손실은 교류 자기장의 자화로 인한 단위 체적당 에너지가 자성체의 온도를 상승시키는 열을 발생하여 생기는 손실이다.

가스관 발열체(210)는 가스 공급부(120)로부터 인가된 질소가스를 고온으로 가열하고, 상기 가열된 고온의 질소가스를 금형(140)으로 전달하는 역할을 수행할 수 있다. 이때, 상기 가스관 발열체(210)의 일 단은 가스 공급부(120)와 연결될 수 있고, 타 단은 금형(140)과 연결될 수 있다.

가스관 발열체(210)는 고주파 전류가 흐르는 워킹코일(240)에서 발생하는 자속에 의해 열이 발생하고, 상기 발생된 열을 자신의 내부를 통과하는 질소가스로 전달하는 역할을 수행할 수 있다.

가스관 발열체(210)는 자기장 내에서 쉽게 자화되는 성질을 갖는 자성체 재질로 형성될 수 있다. 상기 자성체 재질로는 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 마그네슘(Mg), 텅스텐(W) 등과 같은 금속 물질이 사용될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 철(Fe)이 사용될 수 있다.

가스관 발열체(210)의 내부에는 질소가스를 통과시키기 위한 관통홀(211)이 형성될 수 있다. 상기 가스관 발열체(210)의 전체적인 형상은 파이프(pipe) 모양으로 형성될 수 있다. 상기 가스관 발열체(210)의 단면 형상은 원, 삼각형 또는 사각형 등과 같은 다양한 모양으로 형성될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 원 모양으로 형성될 수 있다.

단열 파이프(220)는 가스관 발열체(210)를 보호하고, 상기 가스관 발열체(210)의 온도를 유지하는 역할을 수행할 수 있다. 이를 위해, 단열 파이프(220)는 가스관 발열체(210)를 수용하도록 형성될 수 있다. 즉, 단열 파이프(220)의 내부에는 가스관 발열체(210)를 삽입하기 위한 관통홀(221)이 형성될 수 있다.

단열 파이프(220)의 전체적인 형상은 파이프(pipe) 모양으로 형성될 수 있다. 상기 단열 파이프(220)의 단면 형상은 원, 삼각형 또는 사각형 등과 같은 다양한 모양으로 형성될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 원 모양으로 형성될 수 있다.

단열 파이프(220)는 내구성 및 단열성이 우수한 재질로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 단열 파이프(220)의 재질로는 지르코니아(zirconia)가 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.

와인딩 파이프(230)는 가스관 발열체(210)와 워킹코일(240) 사이를 절연하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 와인딩 파이프(230)는 워킹코일(240)을 안정적으로 지지하고, 상기 워킹코일(240)이 일정한 간격으로 감기도록 가이드하는 역할을 수행할 수 있다. 이를 위해, 상기 와인딩 파이프(230)의 외주면에는 워킹코일(240)을 일정 간격으로 일정 턴 수만큼 와인딩하기 위한 가이드 홈(231)이 형성될 수 있다.

와인딩 파이프(230)는 단열 파이프(220)를 수용하도록 형성될 수 있다. 즉, 와인딩 파인프(230)의 내부에는 단열 파이프(220)를 삽입하기 위한 관통홀(233)이 형성될 수 있다.

와인딩 파이프(230)의 전체적인 형상은 파이프(pipe) 모양으로 형성될 수 있다. 상기 와인딩 파이프(230)의 단면 형상은 원, 삼각형 또는 사각형 등과 같은 다양한 모양으로 형성될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 원 모양으로 형성될 수 있다.

와인딩 파이프(230)는 내구성 및 절연성이 우수한 재질로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 와인딩 파이프(230)의 재질로는 PVC(Polyvinyl Chloride)가 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.

워킹코일(240)은 와인딩 파이프(230)의 외주면에 배치되어, 상기 와인딩 파이프(230)의 내부로 자속을 발생시키는 역할을 수행할 수 있다. 이때, 상기 워킹코일(240)은 전력변환장치(250)로부터 인가된 고주파 전류를 기반으로 자기장을 발생할 수 있다.

전력변환장치(250)는 20kHz 이상의 고주파 전류를 생성하고, 상기 생성된 고주파 전류를 워킹코일(240)로 인가하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 고주파 전류는 워킹코일(240)에 흐르게 되고, 상기 고주파 전류에 따라 워킹코일(240) 주변에 자속(Magnetic flux)이 발생하게 되며, 상기 자속으로 인해 가스관 발열체(210)를 발열시키게 된다.

전력변환장치(250)는 온도센서로부터 수신된 센싱 데이터를 기반으로 워킹코일(240)로 인가되는 고주파 전류의 주파수를 제어할 수 있고, 상기 주파수 제어를 통해 가스관 발열체(210)의 발열 온도를 조절할 수 있다.

가스관 발열체(210)의 길이에 따라 워킹코일(240)의 턴 수(즉, 코일의 면적/길이)가 결정되고, 상기 워킹코일(240)의 턴 수에 따라 해당 코일의 인덕턴스가 결정된다. 그리고, 상기 인덕턴스와 제어하고자 하는 주파수 대역에 따라 공진 커패시터를 설계하면, 하드웨어적으로 공진주파수를 생성하기 위한 인덕턴스와 커패시턴스가 결정된다. 상기 공진주파수를 기준으로 고주파 전류의 주파수를 조절하여 출력을 제어할 수 있고, 상기 출력 제어를 통해 가스관 발열체(210)의 온도를 제어할 수 있다.

온도센서는 가스관 발열체(210)의 인접 영역에 설치되어, 상기 가스관 발열체(210)의 온도를 센싱할 수 있다. 온도센서는 온도 센싱 데이터를 전력변환장치(250)로 제공할 수 있다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 인덕션 튜브 히터는 유도가열 원리를 이용하여 금형으로 유입되는 질소가스를 고온으로 가열할 수 있다. 또한, 인덕션 튜브 히터는 워킹코일에서 발생하는 자속을 이용하여 미리 결정된 형상의 관통홀이 형성된 가스관 발열체를 직접적으로 가열할 수 있다. 또한, 인덕션 튜브 히터는 전력변환장치에서 워킹코일로 인가되는 고주파 전류의 주파수를 제어하여 가스관 발열체의 발열 온도를 효과적으로 제어할 수 있다.

이상에서 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 가스사출성형시스템 110: 사출기
120: 질소 공급부 130: 인덕션 튜브 히터
140: 금형 131: 가스가열장치
133: 전력변환장치

Claims (9)

1. 가열 대상의 가스를 통과시키기 위한 제1 관통홀이 내부에 형성된 가스관 발열체;
   상기 가스관 발열체가 삽입되는 제2 관통홀이 내부에 형성된 단열 파이프;
   상기 단열 파이프가 삽입되는 제3 관통홀이 내부에 형성된 와인딩 파이프;
   상기 와인딩 파이프의 외주면을 따라 권취되는 워킹코일; 및
   상기 워킹코일로 고주파 전류를 인가하는 전력변환장치를 포함하는 인덕션 튜브 히터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가스관 발열체는 자성체 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 인덕션 튜브 히터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 가스관 발열체는 상기 워킹코일에서 발생하는 자속에 의해 와전류가 발생하고, 상기 와전류에 의해 발생된 열을 상기 제1 관통홀을 통과하는 가스로 전달하는 것을 특징으로 하는 인덕션 튜브 히터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 단열 파이프는 상기 가스관 발열체를 보호하고, 상기 가스관 발열체의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 인덕션 튜브 히터.
5. 제1항에 있어서,
   상기 단열 파이프는 내구성 및 단열성이 우수한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 인덕션 튜브 히터.
6. 제1항에 있어서,
   상기 와인딩 파이프의 외주면에는 상기 워킹코일을 일정 간격으로 와인딩하기 위한 가이드 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 인덕션 튜브 히터.
7. 제1항에 있어서,
   상기 와인딩 파이프는 내구성 및 절연성이 우수한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 인덕션 튜브 히터.
8. 제1항에 있어서,
   상기 가스관 발열체의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하는 인덕션 튜브 히터.
9. 제8항에 있어서,
   상기 전력변환장치는 상기 온도 센서로부터 수신된 센싱 데이터를 기반으로 상기 고주파 전류의 주파수를 제어하여 상기 가스관 발열체의 발열 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 인덕션 튜브 히터.

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