KR920006816B1 - 유체의 유도가열 장치와 유도가열 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

유체의 유도가열 장치와 유도가열 방법

제1도는, 본 발명에 따른 유체유도 가열장치에 사용되는 가열파이프의 사시도.

제2도는, 본 발명에 따른 유체유도 가열장치에 사용되는 절연체의 사시도.

제3도는, 본 발명에 따른 유체유도 가열장치에 사용되는 연결캡의 사시도.

제4도는, 제3도의 A-A선 단면도.

제5도는, 본 발명에 따른 유체유도 가열장치의 조립사시도.

제6도는, 제5도의 B-B선 단면도.

제7도는, 제6도의 C-C선 단면도로서, 브라켓의 구성을 나타내는 단면도.

제8도는, 제7도의 브라켓과 다른 실시예의 브라켓.

제9도는, 본 발명에 따른 유체유도 가열장치에 사용하는 전원회로의 하나의 실시예를 나타내는 전원회로의 개요도.

제10도는, 본 발명에 따른 유체유도 가열장치에 페라이트코아 하우징을 장착한 조립사시도.

제11도는, 제10도의 D-D선 단면도.

제12도는, 제11도의 페라이트코아의 사시도.

제13도는, 코일에 전류의 흐름 방향에 따라 원통 내부에 자장이 형성되는 것을 나타내는 개요도.

제14도는, 본 발명에 따른 유체유도 가열장치의 원리를 설명하는 유도 가열의 원리도.

제15도는, 제14도의 평면도.

제16도는, 전류 및 전력의 표면 분포를 나타내는 분포도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 가열파이프 2 : 절연체

3 : 코일 5 : 연결캡

7 : 하우징 8 : 페라이트코아

L, L : 주변기기

본 발명은 유체의 유도가열 장치와 유도가열 방법에 관한 것이다. 지금까지 열원(熱源)으로써 많이 사용되고 있는 석유와 가스, 석탄과 같은 연료는 연소를 하는 과정에서 발생하는 연소가스로 인한 대기오염과 실내의 공기오염을 유발하며 항상 폭발이나 화재의 위험성을 내재하고 있어왔다. 또한, 전력을 이용하여 발열하는 기구와 발열방법은 니크롬선과 같은 발열체(發熱體)에 전력을 공급하므로서 발열체에 흐르는 전류의 세기와 저항의 크기에 의하여 발생하는 열을 얻는 방법으로서 발열체와 같은 중간 발열매체를 별도로 만들고 화재와 안전사고 방지를 위하여 발열체를 안전하게 수용하는 보조 구성을 부수적으로 만들어야 하므로 발열기구 제작비가 높아지며 한편, 요구되는 열을 얻어내기 위하여는 강한 전류와 큰 저항값을 필요로 하기 때문에 발열체와 같은 중간 매체에 의한 간접열 발생 방법으로는 고열(高熱)을 계속적으로 요구하는 온수가 열 장치나 온수 난방장치의 열원으로서는 부적합한 것이었다.

본 발명은 원통형의 절연체에 많은 코일을 감고 그 내부 중간에 금속 파이프를 넣은 다음에 코일에 교번(交番) 전류를 통하면 파이프에 유도 기전력이 생기고 교번하는 자속에 따라 금속 파이프에는 와전류가 형성되어 이것에 따른 와전류손실(EDDY CURRENT LOSS)이 줄(JOUL)열로 나타나므로서 가열되는 것으로 금속 파이프와 같은 부하 자체가 직접 파이프 안으로 설치되어 이 파이프 내부로 물과 같은 유체(열매체)를 통과시켜 금속 파이프에 의해 직접적으로 유도 가열을 하는 장치 및 유도 가열 방법에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 부하 자체가 직접 발열하므로서 열효율이 매우 높고 가열속도가 빠른 유도 가열장치와 유도가열 방법을 제공하므로서 직접 발열체인 파이프와 파이프를 흐르는 유체를 열원(熱源)으로 하여 가열기구나 난방기구에 활용하고자 하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 부하자체가 직접 발열함으로서 가스, 석유, 석탄등과 같이 공기오염을 일으키지 않고 화기가 직접 노출되지 않아 화재 및 안전사고의 위험이 없는 안전성과 편리성을 갖추고 에너지의 성력화를 기하는데 있다. 제14도 및 제15도는, 본 발명에 따른 유도가열장치와 유도 가열방법에 이용되고 있는 가열 원리를 설명하기 위한 유도기 전력발생 실험도이다. 금속체(101)에 코일(102)를 수회감고 코일(102)에 화살표 방향의 전류(I1)를 통하면 금속체(101)에는 금속체 자체에 기전력이 생겨 전류(I1)의 전류방향에 반대하는 전류의 방향이 되는 유도전류를 발생하게 된다. 다시 위의 전류방향과 반대방향의 전류(I2)를 통하면 금속체(101)에도 그 반대방향의 유도 전류를 발생하게 되여 코일(102)에 교번 전류를 통하면 금속체(101)에도 전류의 방향이 교번으로 바뀌는 유도전류(와전류 : EDDY CURRENT)가 흐른다. 이와같은 원리를 잘 응용하고 있는 것이 변압기이다. 그런데, 변압기의 1차측에 전압이 걸리면 2차측에는 무부하 상태인데도 변압기의 온도가 상승하는 것을 알 수 있다. 이것은 변압기의 철심에서 발생되는 자속이 1차측 공급전압의 주파수에 따라 변화되고 그 결과 철심중에 히스테리시스 손실(Hysteresis loss)에 의한 열발생이 생기는 것이다.

본 발명은 위와같은 유도전류의 발생원리를 이용하여 유체를 가열하는 장치를 만들고자 하는 것이다. 제5도에서는 본 발명에 따른 유체의 유도 가열장치를 도시하고 있는 것으로 유체의 유도 가열장치는 크게 나누어 가열파이프(1)와 가열파이프(1)를 그 내부에 수용하는 절연체(2)와, 절연체(2)에 감고 있는 코일(3)과 절연체(2)의 양단에 연결하고 있는 연결캡(5, 5)으로 구성되고 있다. 제1도에서는 본 발명에 따른 유체의 유도 가열장치에서 사용하는 가열파이프(1)를 도시하고 있다. 가열파이프(1)는 금속체와 같은 전도체 재질의 것으로 중공관 형태로 하여 요구되는 발열용량에 알맞게 설계되는 직경과 길이로 만들고 있으며 가열파이프(1)에 발생하는 와전류손실(EDDY CURRENT loss)은 금속자체의 단면 각 부분에 똑같이 흐르지 않고 다음식에서와 같이 표면에 집중적으로 흐르기 때문에 이 표피효과를 최대한의 효율로 이용하기 위하여 가열파이프(1)의 두께(T)를 적당히 조절할 필요가 있다. 표피효과에 관한식을 보면 IX=Ioe-(X/P)εi(X/P)로서, 여기서 IX는 표면에서 중심으로 향해서 X[m]점의 전류치[A], Io는 파이프의 표면 전류치[A], P는 전류치가 표면에로 감소하는 깊이[m]이다. 이 관계를 표로서 나타낸 것이 제16도의 도표이다.

본 발명에서는 표피효과에 의한 효율을 보다 좋게하여 침투 깊이에 따른 발열(가열)의 손실을 줄이기 위하여 적당한 두께의 파이프로 설계하고 있으며 가열에 따른 열산화 현상(熱酸化現象)을 방지하기 위하여 가열파이프(1)의 원통체(11)의 내부와 외부에 적당한 피막처리(12)를 하므로서 가열효과에 영향을 주지않고 산화현상을 해결할 수 있으며 또 코일에서 가해지는 교번 전류에 의해 가열파이프 내부와 외부에는 강자장이 형성되어 유체는 이 자장속을 통과하게 된다. 제2도에는 본 발명에 따른 유체의 유도 가열장치에 사용되고 있는 절연체(2)를 도시하고 있다. 절연체(2)는 세라믹(Ceramic)이나 플래스틱(Plastic)과 같은 비전도체 재질의 것으로 가열파이프(1)보다 직경을 크게하여 중공관 형상으로 성형하므로서 나중에 절연체(2)안에 가열파이프(1)를 설치하였을때에 절연체(2)와 가열파이프(1) 사이로 유체의 흐름이 원활하게 하도록 하는 간격(H1)을 갖도록 하여야 한다. 절연체(2)의 외원통체(21)의 양쪽 끝단에는 연결캡(5) 또는 다른 연결부재를 연결 고정할 수 있는 연결부(22, 22)를 형성하고 있다. 이 연결부(22)는 한쪽은 유체의 공급라인과 연결하는 부위가 되는 것이며 다른 한쪽은 공급된 유체가 가열되어 나오는 가열유체를 난방 기구 또는 가열기구와 같은 열기구와 연결하는 부위가 되는 것으로서 연결부의 연결구성은 본 발명에서는 나사가공(22B)을 하여 나사 이음식으로 하고 있는 것을 하나의 실시예로 도시하고 있지만 나사 이음식외에도 여러가지 관이음 구성(예를들면 플렌지식관 이음, 유니온식 관이음, 물림식관이음)으로 가공할 수 있다. 절연체(2)의 외원통체(21)에는 전류를 통하는 코일(3)을 많이 감아 사용하게 된다. 권선하는 코일의 종류나 직경 그리고 권선 회수등은 가열파이프(1)의 설계와 함께 요구하고 있는 발열용량에 따라 설계되어 정하도록 한다.

제3도와 제4도에는 연결캡(5)을 도시하고 있다. 연결캡(5)은 절연체(2)의 연결부(22)에 끼워 사용하므로서 본 발명에 따른 유체의 유도 가열장치를 보호하는 기능을 함과 동시에 유체의 유도 가열장치의 한쪽과 다른 한쪽에 연결되어 유체를 공급하거나 가열 유체를 공급받는 주변기기의 연결부와 연결할 수 있는 기능과 구성을 갖는 것이다. 연결캡(5)의 원통몸체(51)의 한쪽은 절연체(2)의 한쪽 연결부(22)에 결합할 수 있도록 나사(52N) 가공이 된 연결부(52)로 형성하고 다른쪽은 주변기기(L, L)의 연결부에 결합할 수 있도록 암나사(53N) 또는 숫나사(53B)를 가공하여 연결부(53)를 만들고 있다. 연결캡(5)의 연결부(52와 53)는 절연체(2)와 주변기기(L, L)의 연결부(22)와 연결 결합하는 부재임으로 이를 연결부(22)의 연결구성과 대응되는 이음구성을 하여야 하며 나사이음식을 포함하여 모든 이음방법이 적응될 수 있는 것이다. 제7도와 제8도에는 가열파이프(1)를 절연체(2)안에 설치하여 고정하는 브라켓(6)을 각각 다른 실시예로 도시하고 있는 것이다. 제7도에 도시된 브라켓(6)은 브라켓판(61)을 절연체(2)의 내벽과 가열파이프(1)의 외벽 사이에 끼이도록 형성하여 브라켓판(61)에 여러개의 구멍(62)을 뚫어 이 구멍(62)으로 유체가 원활히 유통하도록 하고 있다. 제8도의 브라켓(6)은 절연체(2)의 내력과 가열파이프(1)의 외벽 사이에 여러개의 브라켓편(63)으로 고정 지지하고 있는 것을 나타내고 있는 것이다.

위와같이 형성되고 있는 각 부품들을 결합하여 본 발명에 따른 유체의 유도 가열장치를 구성하여 보면, 절연체(2)의 외원통체(21)에 코일(3)을 감고 절연체(2)의 원통체 안에는 가열파이프(1)를 끼워 설치한다. 이때에 가열파이프(1)와 절연체(2)의 사이에 브라켓(6)을 끼워 가열파이프(1)의 이동이나 진동을 방지할 수 있다. 절연체(2)의 연결부(22, 22)에는 연결캡(5, 5)을 연결 조립하여 둠으로서 나중에 주변기기(L, L)와 결합할 수 있도록 하고 있다. 만일 주변기기(L, L)를 절연체(2)에 직접 연결할 수 있도록 구성하고 있으면 연결캡(5, 5)은 필요없는 부재가 되며 절연체(2)의 연결부(22, 22)에 주변기기(L, L)의 연결부를 직접 연결하면 되는 것이다. 이렇게 하여 만들어진 본 발명에 따른 유체의 유도 가열 장치의 사용 상태와 방법을 설명하고자 한다. 유체의 유도 가열장치의 절연체(2)의 양쪽 연결부(22, 22)에 주변기기(L, L)의 연결부를 직접 연결하거나 또는 절연체(2)의 연결부(2,2 22)에 연결캡(5, 5)의 연결부(52, 52)를 결합하고 다시 연결캡(5, 5)의 연결부(53, 53)에 유체의 공급기와 유체의 배급기를 포함한 주변기기(L, L)의 연결부를 연결 결합한 후에 유체의 공급기를 통하여 유체를 공급하고 코일(3)의 양단에 전류를 통하면 코일(3)에서 만든 자계는 가열파이프(1)에 유도기 전력을 일으켜 이 유도기 전력에 따른 와전류가 발생하고 이 와전류가 열로 되어 가열파이프(1)가 열을 발생하여 절연체(2)와 가열파이프(1)의 사이, 그리고 가열파이프(1)의 안에 있는 유체를 가열시키게 되며 이 가열된 유체를 유체의 배급기를 통하여 모든 열기기를 가열하는 것이다.

이러한 유도가열의 방식에 있어서는 사용되는 주파수에 따라 저주파 방식과 고주파 방식으로 분류할 수 있으며 저주파 방식은 코일에 사용 주파수(60㎐)의 전류를 흘려주는 방법으로 비교적 구조나 회로가 간단하지만 진동이나 소음이 발생되는 문제가 있고 또 열효율을 개선시키기 위한 재질의 선택등에 신경을 써야 하지만 본 발명에서는 이러한 저주파 방식도 효율좋게 이용 가능하다. 또 소음이 발생하는 문제, 주파수에 따른 진동이 생기는 문제등이 있으나 본 발명은 부하의 재질이 고정되어 있고(가열파이프)부하 내면과 외면이 모두 유체에 잠겨 있음으로 진동을 흡수하고 또 부하의 모든 열을 효율좋게 유체중에 발열시키도록 되어 있기 때문이다. 또 고주파 방식은 20㎑ 이상의 고주파로 가열하는 방식으로 고주파 발생회로를 필요로 하기 때문에 회로가 복잡하지만 소음이나 진동등이 없고 효율이 좋은 잇점이 잇다. 그러므로, 본 발명은 저주파 혹은 고주파 양자 모두가 효율 좋게 이용가능한 구성원리를 가지고 있으며 이중에서 고주파를 이용한 일례를 도면에 의거 상세히 설명한다.

본 발명의 장치를 가열하는데 필요한 전원 공급회로는 주회로와 제어회로 및 보호회로로 구성되며 제9도에서는 전원 공급회로의 하나의 실시예를 도시하고 있다. 이 회로에서 상용의 교류 전원은 브릿지(BD) 정류회로를 거쳐 전파정류되어 주회로(E)에 직류전압을 공급한다. 또 게이트 턴오프 싸이리스타(THY, GATE TURN OFF Thyrister)에 의해 주회로의 전류를 단속하고 한편 가열코일의 인덱턴스(L)과 저항(R) 및 정전용량 C의 콘덴서에 의해 20-30㎑의 고주파 전류가 만들어진다. 즉 가열코일에 자기 결합한 부하에 제어회로(G)에서 싸이리스타의 단속적인 시간제어로 안정한 동작을 행한다.

제어회로(G)는 가열온도를 제어하기 위한 것으로 싸이리스타의 발진회로 기동에 따라서 트리거 펄스(PULSE)를 발생하고 오프펄스(OFF PULSE)발생회로는 기동한 주회로의 싸이리스타를 OFF하고 온펄스(ON PULSE) 발생회로는 OFF된 싸이리스타를 다시 ON되도록 펄스(PULSE)를 발생하는 회로이다. 보호회로(K)는 과은에 의한 부품의 파손을 방지하기 위한 것으로서 써미스타에 의해(온도센서 Th) 검지된 출력신고(저항치)에 따라 출력을 조절하도록 된 것이다. 미설명 부호 F는 전원 회로이다. 이처럼 제어된 출력신호는 도면 제5도의 코일 양단에 인가되어 유도 전류를 만든다. 이때 이 코일 내부에는 도면 제2도와 같은 절연체와 이 절연체속에 도면 제1도와 같은 가열파이프가 설치되며 코일에서 만든 자제는 이 가열파이프에 유도기 전력을 일으켜 이 유도기 전력에 따른 와전류가 발생하고 이 와전류가 열로 되는 것이다.

또 도면 제5도와 같이 가열용 파이프가 연결캡에 연결될때 가열용 파이프의 바깥 즉 절연체(세라믹, 플라스틱)와 가열파이프 사이에도 유체가 흘러감으로써 열손실을 줄이고, 진동 소음등의 문제를 해결하기 위하여 연결캡에 유체 통로를 설치함으로써 가열파이프 내부와 외부로 유체가 흐를수 있게 된다. 제10도에서는 절연체(2)에 감고 있는 코일(3)에 전류를 통할때 외부로 발생되는 전자력으로 인하여 주위의 물체에 야기시킬수 있는 유도가열의 위험을 배제하고 코일에서 발생하는 자기의 통로를 만들어 효율을 보다 높이고 주위로 방사되는 자속을 감소시키기 위하여 코일을 감고있는 절연체(2)의 외부에 페라이트코아(Ferrite core)를 설치하고 그 외부에 하우징(8)을 만들어 씌우므로서 외관을 좋게하고 취급에 어려움이 없도록 하고 있는 것을 도시하고 있는 것이다.

Claims (7)

1. 전도체 재료로 중공관 형상으로 가공된 가열파이프(1)와, 비전도체 재료로 그 안에 가열파이프를 일정한 간격으로 수납할 수 있도록 가공된 절연체(2)를 구비하고 절연체(2), 외부에는 코일(3)을 권선하며 절연체(2)안에는 가열파이프(1)를 일정한 간격을 갖도록 수납설치하여 절연체와 가열파이프 사이의 간격과 가열파이프의 중공관 안의 간격은 유체의 유통공간이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 유체의 유도 가열장치.
2. 제1항에 있어서 가열파이프(1)의 원통체(11)내, 외면에는 산화방지용 피막(12)을 형성하여 되는 것을 특징으로 하는 유체의 유도 가열장치.
3. 제1항에 있어서 절연체(2)의 양쪽 끝단부에는 주변기기와의 연결이 가능하도록 연결부(22)를 형성하여 되는 것을 특징으로 하는 유체의 유도 가열장치.
4. 제1항에 있어서 코일(3)을 감은 절연체(2)의 외원통체(21)의 외부에는 페라이트코아(8)를 설치한 하우징(7)을 덮어 씌어 되는 것을 특징으로 하는 유체의 유도가열 장치.
5. 절연체에 감은 코일에 교반 전류를 통하면 절연체 내부에 설치한 가열용 파이프에 유도 전류를 유기시켜 와전류에 의한 발열을 하고 이 발열로 가열파이프를 통과하는 유체를 가열하는 것을 특징으로 하는 유체의 유도 가열방법.
6. 절연체에 감은 코일에 교번 전류를 통하여 절연체 내부에서 유도 가열되는 가열파이프의 내, 외로 유체가 통과하도록 하므로서 가열파이프에서 발생하는 모든 열이 유체에 전부 전달되도록 하여 되는 것을 특징으로 하는 유체의 유도 가열방법.
7. 절연체에 감은 코일에 교번 전류를 통하여 절연체 내부에서 유도 가열되는 가열파이프의 내, 외로 유체가 통과하도록 하므로서 코일에 저주파를 인가할때 발생하는 소음, 진동등을 흡수하도록 하며 이 진동이 액체중에 전달되어 열적인 교반 작용 효과가 나타나게 하는 것을 특징으로하는 유체의 유도 가열방법.

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