KR20240007611A - 구역-기반 가열 요소 - Google Patents

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KR20240007611A
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위르겐 뢰쉬
베네딕트 엥게써
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게오르그 피셔 로라이퉁스지스테메 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 바람직하게는 장치에 클램핑된 파이프들 또는 피팅들의 단부-면 용접을 위한, 플라스틱 프로파일 단부들을 비접촉으로 가열하기 위한 IR 열 빔을 생성하기 위한 가열 요소에 관한 것으로, 이는 적어도 부분적으로 전도성 재료로 제조되고 2개의 가열가능 면들을 갖는 가열 플레이트, 및 열 빔을 생성하기 위한 가열 와이어를 포함하고, 상기 가열 와이어는 상기 가열 플레이트의 상기 면들 상에 배열되고, 상기 가열 플레이트는 서로 반경방향으로 이격된 복수의 가열 구역들을 갖는다.

Description

구역-기반 가열 요소 {Zone-based heating element}
본 발명은 바람직하게는 장치에 클램핑된 파이프들 또는 피팅들의 단부-면 용접을 위한, 플라스틱 프로파일 단부들을 비접촉으로 가열하기 위한 IR 열 빔을 생성하기 위한 가열 요소에 관한 것으로, 이는 적어도 부분적으로 전도성 재료로 제조되고 2개의 가열가능 면들을 갖는 가열 플레이트, 및 열 빔을 생성하기 위한 가열 와이어를 포함하고, 상기 가열 와이어는 상기 가열 플레이트의 상기 면들 상에 배열된다.
플라스틱 프로파일 단부들의 가열이 비접촉으로 일어나는 플라스틱 프로파일들의 용접을 위한 가열 요소들은 종래 기술로부터 알려져 있으며, 파이프들 사이의 연결의 청결성에 대한 높은 요건이 있기 때문에 고순도 섹터들뿐만 아니라 화학물질에도 종종 사용된다. 그러한 가열 요소들은 일반적으로 가열 플레이트의 중심 내로 원주에 걸쳐 돌출하는 보어들에 배열되는 가열 카트리지들을 갖는다. 그 다음, 전체 가열 플레이트는 이러한 가열 카트리지들을 통해 가열된다. 한편으로는, 이는 가열 플레이트가 균일한 온도를 갖지 않지만 가열 카트리지들의 영역에서 더 따뜻하고 더 먼 영역들에서 더 낮은 온도들을 갖는다는 단점을 갖는다. 한편, 특정 영역들에서 개별적으로 온도를 제어할 수는 없다. 또한, 파이프 단부의 가열시, 파이프의 상부 내부 영역에서 열 축적이 발생하여 불균일한 가열을 초래하고, 그 결과 일정하고 균일한 용접 시임이 달성되지 않는 것으로 밝혀졌다. 이 열 축적은 또한 무엇보다도 가열 플레이트의 가열이 필요하지 않을 파이프의 내부 영역에서, 가열 카트리지들의 배열로 인해 강한 가열이 있다는 사실에 의해 생성된다.
US 2007/0262075 A1은 이중벽 파이프를 위한 가열 플레이트를 개시하고, 여기서 파이프의 각각의 단부는 홈 내에 배열되고, 가열 와이어는 홈 바로 아래의 가열 플레이트 내에서 또는 파이프 또는 홈의 윤곽을 따라 가열 플레이트 내에서 연장하고, 그럼으로써 열원이 또한 파이프 벽 두께에 바로 배열되는 것을 보장한다. 여기서 단점은, 상이한 파이프 직경들에 대해서, 또한 상이한 가열 플레이트들을 사용할 필요가 있다는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상이한 파이프 직경들에 적합하고 균일한 가열을 가능하게 가능하고 에너지를 절약할 수 있는 무접촉 가열을 위한 IR 열빔을 발생시키는 가열 요소를 제안하는 것이다.
이 과제는 본 발명에 따르면 가열 플레이트가 서로 방사상으로 이격된 복수의 가열 구역들을 가진다는 사실에 의해 해결된다.
IR 열 빔을 생성하기 위한 본 발명에 따른 가열 요소는 단부면 용접을 위해 장치에 클램핑되는 플라스틱 프로파일 단부들, 바람직하게는 파이프 단부들 또는 피팅 단부들의 비접촉 가열을 위해 작용한다. 가열 요소는 바람직하게는 단부면 용접을 위한 장치 내에 배열되거나 또는 그러한 장치 내로 개장될 수 있고, 또한 종래의 용접 플레이트를 대체할 수 있다. 본 발명에 따른 가열 요소는, 적어도 부분적으로 전도성 재료로 제조되고 서로 멀어지게 향하는 2개의 대향하는 가열가능 면들을 갖는 가열 플레이트를 포함한다. 2개의 가열가능 면들은 가열 요소에 의한 가열 후에 함께 접합되는 대향하는 파이프 단부들의 동시 가열을 위한 역할을 한다. 가열 요소는 IR 열빔을 발생시키는 가열 와이어를 포함하고, 가열 와이어는 가열 플레이트의 표면에 배치된다. 최적의 열 분포를 달성하기 위해, 가열 플레이트는 서로 반경방향으로 이격된 복수의 가열 구역들을 갖는다. 가열 구역들은 선택적으로 또는 임의로 서로 독립적으로 가열될 수 있다. 이는, 예를 들어, 작은 파이프 직경이 용접되고 있기 때문에, 최내측 가열 구역이 가열되고 외측 가열 구역이 가열되지 않는다는 것을 의미한다.
가열 구역들 사이에는 바람직하게는 열 전도가 없다.
각각의 가열 구역은 바람직하게는 그에 가장 근접하게 배열된 가열 구역으로부터 절연된다. 이는 인접한 가열 구역들로의 원하지 않는 열 방출을 감소시키며, 이는 파이프 직경에 대응하는 가열 구역만이 가열되기 때문에 보통 가열되지 않는다.
가열 요소가 적어도 2개의 가열 구역을 갖는 경우에 유리하다. 파이프 직경의 범위로 인해, 하나의 가열 요소에 대해 3 내지 6개의 가열 구역이 선호되는 것으로 밝혀졌다.
가열 플레이트가 서로 방사상으로 이격된 복수의 가열 링들로부터 형성되는 경우에 유리한 실시예인 것으로 밝혀졌다. 그 결과, 가열 플레이트가 모듈 구조로 구성되어 개별 가열 링들을 개별적으로 제어할 수 있다.
절연 갭이 가열 링들 사이에 배열되는 경우에 유리한 실시예인 것으로 밝혀졌으며, 절연 갭은 개별 가열 링들 사이의 열 전달을 감소시킨다. 각각의 경우에 가열 링들 사이에 갭이 존재하고 가열 링들은 서로에 대해 기대지 않거나 또는 어느 곳에서도 서로 접촉하지 않는다는 사실 때문에, 개별 가열 링들의 열은 열 전도에 의해 가장 가까운 가열 링으로 전달되지 않고; 대신에, 갭은 그들 사이에 위치되고 열은 대류에 의해 배타적으로 전달되며, 따라서 매우 낮은 열 전달을 나타낸다.
가열 링들의 면들 상의 가열 와이어는 바람직하게는 가열 플레이트의 중심 주위에서 나선형으로 배열된다. 가열 플레이트의 구조는 바람직하게는 대응적으로 동심이거나 또는 가열 링들이 서로에 대해 동심으로 배열되고 가열 플레이트를 형성한다. 각각의 가열 링 상에서 나선형으로 연장되는 가열 와이어가 가열 구역을 형성하는 것이 유리한 실시예인 것으로 밝혀졌다.
가열 링들의 반경방향 이격을 위해 가열 링들 사이에 스페이서 요소가 배치되는 것이 유리하다. 이에 의해, 가열 링들 사이에 이격을 발생시킬 수 있으므로, 전도성 재료, 바람직하게는 알루미늄으로 제조된 개별 가열 링들이 열 전도에 의해 열을 전달하지 않도록 보장할 수 있다.
스페이서 요소가 절연 재료, 예를 들어 세라믹 재료로 구성되는 경우 바람직한 실시예인 것으로 밝혀졌다. 따라서, 각각의 가열 링들은 서로 절연된 상태로 배치된다.
스페이서 요소는 바람직하게는 하프-쉘(half-shell)로서 설계된다. 이는 가열 플레이트의 간단한 조립을 허용한다. 가열 링들은 바람직하게는 단일-피스(one-piece) 설계이고, 파이프를 가열하기 위한 에너지가 가열 링의 재료에 의해 흡수되지 않고 가열될 파이프 내로 유동하는 것을 보장하기 위해 가능한한 얇은 벽으로 제조된다. 따라서, 가열 링들은 U자형 단면을 갖거나, 스페이서 요소가 배치되는 단면의 중심에 올-라운드 리세스를 갖는다. 거기에 삽입될 수 있도록, 스페이서 요소는 하프-쉘로서 설계된다.
가열 플레이트가 프레임으로 둘러싸이는 것이 유리하다. 프레임은 가열 플레이트를 위한 리셉터클 또는 홀더로서의 역할을 한다.
가열 플레이트의 구성으로 인해, 가열 링들 및 스페이서 요소들은 바람직하게는 서로에 대해 동심으로 배열된다. 게다가, 스페이서 요소들 및 가열 링들의 축방향 중심이 하나의 평면에 놓인 경우가 또한 유리하다.
가열 와이어는 가열 플레이트의 면 상에 배치되고 바람직하게는 홈 내에서 연장하기 때문에, 커버가 가열 와이어를 덮도록 면들 상에 배치되어 가열 와이어를 보호하는 것이 유리하다. 또한, 각각의 가열 링 또는 가열 링들의 면들이 별개의 커버를 갖는 경우, 가열 링들의 커버들 사이에 접촉 표면이 형성되지 않기 때문에 열 전도에 기인한 개별 가열 링들 사이의 열 전달이 그에 의해 회피될 수 있기 때문에 유리하다.
가열 링들 및 스페이서 요소들이 프레임 내에 함께 클램핑됨으로써 고정되는 것이 바람직하다는 것이 밝혀졌다. 이는 서로에 대해 개별 컴포넌트들의 정밀한 조정 및 센터링을 허용한다.
가열 플레이트를 고정 및 센터링하기 위해, 가열 플레이트의 외주를 가압하는 센터링 요소들이 프레임 내에 배치되는 것이 바람직하다.
모든 가능한 구성들은 서로 자유롭게 결합될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시형태가 도면을 참조하여 설명되지만, 본 발명은 예시적인 실시형태로 제한되지 않는다.
구체적으로, 다음과 같다:
도 1 은 커버가 없는 본 발명에 따른 가열 요소의 3차원 도면을 도시한다.
도 2 는 페이스 커버들을 갖는 본 발명에 따른 가열 요소를 통한 단면도를 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 가열 요소를 통한 종단면을 도시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 가열 요소가 내장된 플라스틱 파이프 단부들을 가열하기 위한 장치를 도시한다.
도 1 의 도면은 본 발명에 따른 가열 요소(1)의 3차원 도면을 도시한다. 가열 요소(1)는 적외선 가열 요소(1)로서 설계되고, 플라스틱 프로파일들, 바람직하게는 파이프 단부들뿐만 아니라 피팅 단부들의 비접촉 용접을 위해 작용한다. 가열 요소(1)는 바람직하게는 파이프 단부들을 용접하기 위한 장치(11) 내에 배열되고, 여기서 용접될 단부들은 클램핑 장치(13)에서 서로 대향하여 클램핑된다. 가열 요소(1)는 파이프 단부들 사이에서 슬라이딩되거나 피벗될 수 있으며, 장치(11) 내의 이러한 배열은 도 4 에 도시되어 있다. 본 발명에 따른 가열 요소(1)는 가열 플레이트(2)를 포함하며, 여기서 가열 플레이트(2)는 서로 반대로 향하는 2개의 가열가능한 대향 면들(5)을 갖는다. 가열 플레이트(2)의 면들(5) 상에는 바람직하게는 가열 플레이트(2)의 중심 주위로 나선형으로 이어지는 가열 와이어(3)가 배열된다. 본 발명에 따른 가열 플레이트(2)는 서로 방사상으로 이격된 복수의 가열 구역(12)을 가지며, 이는 개별 가열 구역(12) 사이의 올-라운드 절연 갭(15)으로부터 인식가능하다. 가열 요소(1)의 가열 플레이트(2)는 도 1 에 도시되어 있으며 3개의 가열 구역(12)을 가지며, 가열 플레이트(2)는 바람직하게는 적어도 2개의 가열 구역, 특히 바람직하게는 2개 내지 6개의 가열 구역(12)을 갖는다. 절연 갭(15)에 의한 서로에 대한 개별 가열 구역(12)들의 이격은 열이 다른 가열 구역(12)들로 소산되지 않는 것을 보장하기 위해 구현된다. 예를 들어, 용접이 중앙 가열 구역(12)에 의해 용접되는 직경을 갖는 파이프 단부 상에서 수행되면, 2개의 인접한 가열 구역(12)은 활성화되지 않는다. 이에 의해, 한편으로는, 파이프 직경에 할당되는 가열 구역(12)만이 가열되기 때문에 에너지를 절약하고 파이프의 내부에서의 열 축적을 회피하는 것이 가능하다.
도 2 는 본 발명에 따른 가열 플레이트(2)의 구조를 나타낸다. 가열 플레이트(2)는 바람직하게는 서로 반경방향으로 이격된 가열 링들(4)을 갖는다. 가열 와이어(3)는 개별 가열 링들(4)의 면들(6) 상에 배열되고 바람직하게는 나선형으로, 바람직하게는 이러한 목적을 위해 제공된 홈 내에서 연장된다. 가열 링(4)의 단면은 바람직하게 U자 형상으로 설계되며, 그럼으로써 벽 두께를 감소시키고, 그 결과, 열은 가열 링(4)의 전도성 재료에 의해 약간만 흡수되고, 그 결과 가능한 많은 열이 용접될 파이프 단부에 전달된다. 스페이서 요소(9)는 가열 링(4)의 U자형 단면의 중심에 배치된다. 가열 링(4)은 스페이서 요소(10)를 통해 서로 연결된다. 스페이서 요소(10)는 절연 재료로 제조됨으로써, 개별 가열 링들(4) 사이의 열 전달을 회피하거나 감소시킨다. 가열 링들(4) 사이에서 스페이서 요소(10)를 가능한 간단하게 체결하기 위해, 스페이서 요소(10)는 하프-쉘로서 설계되며, 이는 도 3 에서 명확하게 볼 수 있다. 따라서, 하프-쉘 모양의 스페이서 링들(10)은 가열 링(4)의 더 작은 외경 주위에 쉽게 적용될 수 있다. 그 다음, 스페이서 요소(10)의 외경부에 추가 가열 링(4)이 배열되고, 그 다음 스페이서 요소가 더 작은 외경부에 다시 배열된다. 가열 플레이트(2)는 용접될 파이프들의 가능한한 많은 직경 크기들이 커버될 수 있을 정도로 많은 가열 링들 및 스페이서 요소들로부터 형성된다. 물론, 서로 반경방향으로 이격된 가열 구역들(12)을 구현하기 위해 일부 다른 가열 플레이트 구성이 또한 고려 가능하다. 또한, 가열 링들(4) 및 스페이서 요소들(10)이 서로에 대해 축방향으로 센터링되면 유리한 것으로 밝혀졌다. 이는 도 2 에서 가열 링(4) 상의 숄더 및 스페이서 요소(10) 내의 리세스에 의해 달성되지만, 이를 달성하기 위해, 스페이서 부싱 또는 다른 정지부와 같은 많은 다른 해결책들이 또한 존재한다. 가열 플레이트(2)의 폭이 모든 곳에서 가능한한 동일하게 되고 가열 링들(4)과 가열 플레이트(2)의 평탄 면들(5) 사이에 오프셋이 발생하지 않는 것을 보장하기 위해, 가열 링들 및 스페이서 요소들(10)의 축방향 중심은 모든 경우들에서 동일한 평면에 위치된다. 도 2 는 가열 링(4)의 면(6)의 커버(8)를 도시한다. 이들은 가열 와이어(3)를 보호하고 원치 않는 가열 와이어(3)의 돌출을 방지하는 역할을 한다. 각각의 가열 링(4)이 또한 다른 가열 링(4)으로의 열 전달을 가능한한 많이 감소시키기 위해 별도의 커버(8)를 갖는 것이 유리하다. 따라서, 개별 가열 링들(4) 사이에 절연 갭(15)이 존재하여, 어떠한 가열 링(4)도 다른 가열 링(4)과 직접 접촉하지 않는 것을 보장한다.
가열 플레이트(2)가 프레임(7) 내에 배열되는 경우 바람직한 실시예인 것으로 밝혀졌으며, 이는 도 3 에서 명백하다. 가열 링(4) 및 스페이서 요소(10)의 동심 배열은 구성요소가 프레임(7) 내에서 서로에 대해 결속되는 것을 가능하게 한다. 가열 링들(4)은 바람직하게는 와이어 리드스루(16)를 위한 개구를 갖는다. 센터링 요소(9)에 의해, 가열 플레이트(2)는 프레임(7)에서 센터링되고, 가열 링(4) 및 스페이서 요소(10)는 동시에 함께 클램핑된다. 센터링 요소들(9)이 가열 플레이트의 외경 상의 3개의 지점에서 프레임(7)에 배열되고 연결된다면 유리하다. 센터링 요소들(9)은 바람직하게는 프레임(7) 내의 가열 플레이트(2)의 중심 배열을 보장하는 스프링 요소를 또한 갖는 핀들로서 설계된다.
1 가열 요소
2 가열 플레이트
3 가열 와이어
4 가열 링
5 가열 플레이트의 면
6 가열 링의 면
7 프레임
8 커버
9 센터링 요소
10 스페이서 요소
11 장치
12 가열 구역
13 클램핑 장치
14 축방향 센터링
15 절연 갭
16 와이어 리드스루

Claims (16)

  1. 플라스틱 프로파일 단부들을 비접촉으로 가열하기 위한 IR 열 빔을 생성하기 위한 가열 요소 (1) 로서, 적어도 부분적으로 전도성 재료로 제조되고 2개의 가열가능 면들 (5) 을 갖는 가열 플레이트 (2), 및 상기 열 빔을 생성하기 위한 가열 와이어 (3) 를 포함하고, 상기 가열 와이어 (3) 는 상기 가열 플레이트 (2) 의 상기 면들 (5) 상에 배열되고, 상기 가열 플레이트 (2) 는 서로 반경방향으로 이격된 복수의 가열 구역들 (12) 을 갖는, 가열 요소 (1).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 구역들 (12) 은 선택적으로 가열될 수 있는, 가열 요소 (1).
  3. 제 1 항에 있어서, 각 가열 구역 (12) 은 그에 가장 가까이 배치된 가열 구역 (12) 과 절연되어 있는, 가열 요소 (1).
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 요소 (1) 는 적어도 2개의 가열 구역들 (12) 을 갖는, 가열 요소 (1).
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 플레이트 (2) 는 서로 방사상으로 이격된 복수의 가열 링들 (4) 에 의해 형성되는, 가열 요소 (1).
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 가열 링들 (4) 사이에는 개별 가열 링들 (4) 간의 열전달을 감소시키는 절연 갭 (15) 이 배치되는, 가열 요소 (1).
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 가열 링들 (4) 의 면들 (6) 상의 상기 가열 와이어 (3) 는 상기 가열 플레이트 (2) 의 중심 주위에 나선형으로 배치되는, 가열 요소 (1).
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 가열 링들 (4) 사이에는 방사상 이격을 위해 스페이서 요소 (10) 가 배치되는, 가열 요소 (1).
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 스페이서 요소 (10) 는 절연 재료로 이루어지는, 가열 요소 (1).
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 스페이서 요소 (10) 가 하프-쉘 (half-shell) 로서 설계되는, 가열 요소 (1).
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 가열 플레이트 (2) 는 프레임 (7) 에 의해 둘러싸이는, 가열 요소 (1).
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 링들 (4) 과 스페이서 요소들 (10) 이 서로에 대해 동심으로 배치되는, 가열 요소 (1).
  13. 제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 링들의 면들 (6) 상에 커버들 (8) 이 배치되는, 가열 요소 (1).
  14. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 링들 (4) 과 스페이서 요소들 (10) 이 프레임 (7) 에 함께 클램핑되어 고정되는, 가열 요소 (1).
  15. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 플레이트 (2) 는 센터링 요소들 (9) 에 의해 프레임 (7) 에 고정되어 센터링되는, 가열 요소 (1).
  16. 제 1 항에 있어서, 플라스틱 프로파일 단부들을 비접촉으로 가열하기 위한 IR 열 빔을 생성하는 상기 가열 요소는 장치에 클램핑된 파이프들 또는 피팅들의 단부-면 용접을 위한 것인, 가열 요소 (1).
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