KR20130061358A - High frequency induction heating method for using water-exclusive coil and high frequency induction furnace - Google Patents
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Abstract
본 발명은 흑연 재질의 비수냉 코일을 고주파 유도 코일로 사용함으로써 저항 가열 열과 유도 가열 열을 모두 사용하여 열 사용 효율을 높이고, 코일 내에 냉각수를 사용하지 않음으로써 반응성이 큰 피가열체와 혼재되어 발생되는 폭발사고를 방지할 수 있는 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도가열방법 및 이를 이용한 고주파 유도로에 관한 것이다.
본 발명에 따른 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로는, 진공챔버 내에 배치되어 재료를 용융 또는 주조시키는 도가니; 상기 도가니의 외측에 나선형으로 형성되고, 고주파 유도 전류를 제공하여 상기 도가니를 유도열로 가열시키는 고주파 유도 코일; 및 상기 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 공급하는 고주파 발생장치;를 포함하되, 상기 고주파 유도 코일은 흑연 재질로 이루어진 흑연 코일인 것을 특징으로 한다.The present invention uses a non-cooling coil made of graphite as a high frequency induction coil to increase heat use efficiency by using both resistance heating heat and induction heating heat, and does not use cooling water in the coil, resulting in mixing with a highly reactive heating element. The present invention relates to a high frequency induction heating method using a non-water-cooled coil that can prevent an explosion accident and a high frequency induction furnace using the same.
A high frequency induction furnace using a non-water cooling coil according to the present invention includes a crucible disposed in a vacuum chamber to melt or cast a material; A high frequency induction coil spirally formed on the outside of the crucible and providing a high frequency induction current to heat the crucible with induction heat; And a high frequency generator supplying a high frequency current to the high frequency induction coil, wherein the high frequency induction coil is a graphite coil made of a graphite material.
Description
본 발명은 고주파 유도 코일에 의해 가열되는 유도가열방법 및 고주파 유도로에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 흑연 재질의 비수냉 코일을 고주파 유도 코일로 사용함으로써 저항 가열 열과 유도 가열 열을 모두 사용하여 열 사용 효율을 높이고, 코일 내에 냉각수를 사용하지 않음으로써, 냉각수의 누출 시 반응성이 큰 피가열체와 냉각수가 혼재되어 발생되는 폭발사고를 방지할 수 있는 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도가열방법 및 이를 이용한 고주파 유도로에 관한 것이다.
The present invention relates to an induction heating method and a high frequency induction furnace heated by a high frequency induction coil, and more particularly, by using a non-cooling coil made of graphite as a high frequency induction coil to heat using both resistance heating heat and induction heating heat. High frequency induction heating method using a non-water cooling coil that improves the use efficiency and prevents an explosion accident caused by a mixture of a highly reactive heating element and a cooling water when the cooling water leaks by using no cooling water in the coil, and using the same It relates to a high frequency induction furnace.
일반적으로, 고주파 유도 가열에서 유도 코일은 전기 전도도가 높고 가공성이 우수한 금속으로 제조되며, 특히 구리 합금이 주로 사용된다. 이러한 고주파 유도 가열을 위한 유도 코일은 고주파 전류로 유도 가열하여 용해 및 주조 작업을 수행한다.
In general, in high frequency induction heating, the induction coil is made of a metal having high electrical conductivity and excellent workability, in particular copper alloy. The induction coil for high frequency induction heating is induction heating by high frequency current to perform melting and casting operations.
또한, 유도 가열 효율과 유도 코일의 내구성 향상을 위해 가열 중 유도 코일은 낮은 온도로 유지되어야 하며, 이를 위해 관 형태의 유도 코일 내부 또는 외부로 냉각수를 흘려 온도 상승을 방지하고 있다. 이때, 냉각재로 대부분의 경우 물을 사용한다.
In addition, the induction coil should be kept at a low temperature during heating in order to improve the induction heating efficiency and durability of the induction coil, and for this purpose, the coolant is prevented from rising by flowing coolant into or out of the tubular induction coil. In this case, water is used in most cases as a coolant.
이와 관련하여, 대한민국 공개특허공보 제2003-0018978호에는 고주파 유도 가열방식에 의한 턴디쉬 예열장치에 관한 것으로, 턴디쉬의 외주면을 나선형으로 감싸는 고주파 유도코일과 고주파 유도코일에 전원을 공급하는 전원공급기 및 고주파 유도코일의 외주면을 감싸고 냉각수가 순환되어 고주파 유도코일을 냉각시키는 수냉 케이블의 구성이 개시되어 있다.In this regard, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2003-0018978 relates to a tundish preheating apparatus using a high frequency induction heating method, and a power supply for supplying power to a high frequency induction coil and a high frequency induction coil spirally surrounding the outer peripheral surface of the tundish. And a configuration of a water cooling cable surrounding the outer circumferential surface of the high frequency induction coil and cooling water is circulated to cool the high frequency induction coil.
이 공개특허공보 제2003-0018978호에서는 턴디쉬 주변을 감싸고 있는 고주파 유도코일에 전원 공급기로부터 전원이 공급되어 유도가열 방식에 의해 턴디쉬를 가열하여 예열시키는 방법이 개시되고 있다. 특히, 고주파 유도코일의 냉각을 위하여 항시 유도코일의 외주면으로 냉각수가 순환되도록 수냉 케이블 내부에 유도코일이 삽입되고 있다.
In this Patent Publication No. 2003-0018978, a method is disclosed in which power is supplied from a power supply to a high frequency induction coil wrapped around a tundish, thereby preheating the tundish by an induction heating method. In particular, the induction coil is inserted into the water cooling cable so that the cooling water is circulated to the outer circumferential surface of the induction coil at all times for cooling the high frequency induction coil.
그러나, 종래 기술과 같이 물 등 액체의 냉각수를 이용하는 경우, 유도 코일 또는 수냉 케이블에 크랙이 발생하여 냉각수가 유출된다면 가열 공정을 진행할 수 없는 문제가 있다. 특히, 물 등의 냉각수와 반응성이 매우 큰 금속의 피가열체로서 우라늄, 티타늄 등을 용해하거나 가열하는 경우, 유출된 냉각수와 피가열체가 반응하여 폭발하는 등 대형 사고를 유발할 수 있는 문제점이 있다.
However, when using the cooling water of the liquid such as water, as in the prior art, if a crack occurs in the induction coil or water cooling cable, there is a problem that the heating process can not proceed. In particular, in the case of dissolving or heating uranium, titanium, or the like as a heating element of a metal having a very high reactivity with cooling water such as water, there is a problem that may cause a large accident, such as the leakage of the cooling water and the heating element to react and explode.
또한, 등록실용신안공보 제20-0409896호는 로커암 샤프트의 고주파 유도가열방식 열처리 장치에 관한 것으로, 로커암 샤프트가 관통하여 배치된 본체부의 일측에 고주파 코일부가 설치되고, 고주파 코일부에서 발생된 고주파 전류에 의해 로커암 샤프트에 유도전류가 흘러 고주파 가열되는 구성이 개시되고 있다.In addition, Korean Utility Model Registration No. 20-0409896 relates to a high frequency induction heating type heat treatment apparatus of a rocker arm shaft, wherein a high frequency coil portion is installed on one side of the main body portion through which the rocker arm shaft penetrates. Disclosed is a configuration in which an induction current flows to the rocker arm shaft by a high frequency current so that high frequency heating occurs.
특히, 고주파 코일부의 내부에는 코일 냉각부가 설치되고, 이 코일 냉각부를 통해 냉각수가 흘러 고주파 코일부를 냉각시키도록 구성되어 있다.In particular, a coil cooling unit is provided inside the high frequency coil unit, and cooling water flows through the coil cooling unit to cool the high frequency coil unit.
그러나, 이러한 구성에 의하더라도 고주파 유도가열방식 열처리 장치를 이용하여 반응성이 매우 큰 금속의 피가열체 등을 용해하는 경우에는, 냉각수의 유출로 인하여 피가열체와 반응하여 폭발사고 등이 발생할 수 있는 문제점이 여전히 존재하고 있다.
However, even with such a configuration, when dissolving a heated material such as highly reactive metal using a high frequency induction heating type heat treatment device, an explosion accident may occur due to the reaction of the heated material due to the leakage of cooling water. The problem still exists.
상기의 관점에서, 유도 가열을 위해 고주파 유도 코일을 사용하는 경우, 유도 코일의 냉각을 위해 사용되는 냉각수로 인하여 발생될 수 있는 문제점을 해결해야할 필요성이 있다.
In view of the above, when using a high frequency induction coil for induction heating, there is a need to solve the problem that may occur due to the cooling water used for cooling the induction coil.
본 발명의 기술적 과제는 냉각수의 유출로 인한 폭발사고를 방지하기 위하여, 고주파 유도코일을 냉각시키는 냉각수를 사용하지 않는 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로를 제공하는데 있다.
The technical problem of the present invention is to provide a high frequency induction furnace using a non-water cooling coil that does not use the cooling water for cooling the high frequency induction coil in order to prevent the explosion accident due to the leakage of the cooling water.
또한, 본 발명의 기술적 과제는 열전도도와 전기 전도도가 높은 흑연 재질의 고주파 유도 가열 코일을 사용함으로써 유도 가열 효과가 크고 종래에 냉각시켰던 유도 코일의 가열열도 함께 사용함으로써 열 이용률을 높인 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로를 제공하는데 있다.
In addition, the technical problem of the present invention is to use a high frequency induction heating coil made of graphite, which has high thermal conductivity and electrical conductivity, and also uses a non-cooling coil having a high heat utilization rate by using a heating heat of an induction coil that has a large induction heating effect and has been conventionally cooled. To provide a high frequency induction furnace.
또한, 본 발명의 기술적 과제는 흑연 코일의 외측에 단열체를 설치함으로써, 열 이용률을 높임과 동시에 도가니의 외면과 흑연 코일의 내측의 거리를 가까이하여 유도 효율을 향상시킬 수 있는 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로를 제공하는데 있다.
In addition, the technical problem of the present invention is to use a non-water-cooled coil that can improve the induction efficiency by providing a heat insulator on the outside of the graphite coil, while increasing the heat utilization rate and near the distance between the outer surface of the crucible and the inside of the graphite coil. To provide a high frequency induction furnace.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the object of the present invention is not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로는, 진공챔버 내에 배치되어 재료를 용융 또는 주조시키는 도가니; 상기 도가니의 외측에 나선형으로 형성되고, 고주파 유도 전류를 제공하여 상기 도가니를 유도열로 가열시키는 고주파 유도 코일; 및 상기 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 공급하는 고주파 발생장치;를 포함하되, 상기 고주파 유도 코일은 흑연 재질로 이루어진 흑연 코일인 것을 특징으로 한다.
In order to achieve the above object, a high frequency induction furnace using a non-water-cooled coil according to the present invention, a crucible disposed in a vacuum chamber for melting or casting a material; A high frequency induction coil spirally formed on the outside of the crucible and providing a high frequency induction current to heat the crucible with induction heat; And a high frequency generator supplying a high frequency current to the high frequency induction coil, wherein the high frequency induction coil is a graphite coil made of a graphite material.
본 발명에 따른 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로는, 상기 흑연 코일의 단면이 사각형 모양으로 형성된 것을 특징으로 한다.
The high frequency induction furnace using the non-water-cooled coil according to the present invention is characterized in that the cross section of the graphite coil is formed in a square shape.
본 발명에 따른 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로는, 상기 도가니가 상기 고주파 유도 전류에 의한 전기 저항으로 발생된 유도열에 의해 가열되는 것을 특징으로 한다.
The high frequency induction furnace using the non-water-cooled coil according to the present invention is characterized in that the crucible is heated by induction heat generated by electric resistance by the high frequency induction current.
본 발명에 따른 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로는, 상기 흑연 코일이 공급된 고주파 전류에 대한 전기저항으로 자체 발열하고, 상기 흑연 코일에서 발생된 저항열이 상기 도가니의 보조 가열 원으로 제공되는 것을 특징으로 한다.
The high frequency induction furnace using the non-water-cooled coil according to the present invention, the graphite coil is self-heated by the electrical resistance to the high frequency current supplied, the resistance heat generated from the graphite coil is provided to the auxiliary heating source of the crucible It features.
본 발명에 따른 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로는, 상기 도가니 및 상기 흑연 코일에서 발생된 열의 효율적인 활용을 위해 상기 흑연 코일의 외측에 설치되는 단열체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
The high frequency induction furnace using the non-water-cooled coil according to the present invention is characterized in that it comprises a heat insulator installed on the outside of the graphite coil for efficient utilization of the heat generated from the crucible and the graphite coil.
본 발명에 따른 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로는, 상기 도가니가 흑연 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
The high frequency induction furnace using the non-water-cooled coil according to the present invention is characterized in that the crucible is formed of graphite material.
본 발명에 따른 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도가열방법은, 진공챔버 내에 배치된 도가니에 용융 또는 주조시키기 위한 재료를 장입하는 단계; 상기 도가니 외측의 길이방향에 대해 나선형으로 고주파 유도 코일을 형성하고, 고주파 발생장치로부터 이 고주파 유도 코일에 고주파 유도 전류를 공급하는 단계; 상기 고주파 유도 코일에 공급된 상기 고주파 유도 전류에 의해 상기 도가니를 가열시키는 단계;를 포함하고, 상기 고주파 유도 코일은 흑연 재질로 이루어진 흑연 코일로 이루어진 것을 특징으로 한다.
A high frequency induction heating method using a non-water cooling coil according to the present invention includes charging a material for melting or casting into a crucible disposed in a vacuum chamber; Forming a high frequency induction coil spirally with respect to the longitudinal direction of the outside of the crucible, and supplying a high frequency induction current to the high frequency induction coil from the high frequency generator; And heating the crucible by the high frequency induction current supplied to the high frequency induction coil, wherein the high frequency induction coil is made of a graphite coil made of graphite material.
본 발명에 따른 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도가열방법은, 상기 고주파 유도 전류가 공급되는 상기 흑연 코일의 단면이 사각형 모양으로 형성된 것을 특징으로 한다.
The high frequency induction heating method using the non-water-cooled coil according to the present invention is characterized in that the cross section of the graphite coil to which the high frequency induction current is supplied has a rectangular shape.
본 발명에 따른 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도가열방법은, 상기 도가니를 가열시키는 단계에서, 상기 도가니에서 상기 고주파 유도 전류에 의한 전기저항으로 발생된 유도열과, 상기 흑연 코일을 통해 공급된 고주파 전류에 대한 전기저항으로 발생된 상기 흑연 코일의 저항열을 이용하는 것을 특징으로 한다.
In the high frequency induction heating method using a non-water-cooled coil according to the present invention, in the step of heating the crucible, the induction heat generated by the electrical resistance by the high frequency induction current in the crucible and the high frequency current supplied through the graphite coil It characterized in that to use the heat of resistance of the graphite coil generated by the electrical resistance for.
본 발명에 따른 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도가열방법은, 상기 도가니가 흑연 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
The high frequency induction heating method using the non-water cooling coil according to the present invention is characterized in that the crucible is formed of graphite material.
본 발명에 따른 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로는, 고주파 유도코일로서 흑연코일을 사용하고, 고주파 유도코일을 냉각시키는 냉각수를 사용하지 않기 때문에 냉각수의 유출로 인한 폭발사고를 방지할 수 있는 이점이 있다.
The high frequency induction furnace using the non-water-cooled coil according to the present invention uses graphite coil as a high frequency induction coil and does not use a cooling water for cooling the high frequency induction coil, thereby preventing an explosion accident due to leakage of the cooling water. have.
또한, 고주파 유도로에서 고주파 유도코일로 사용된 흑연 재질이 용융되지 않고 불활성 분위기에서는 3000℃ 이상까지 올라가며, 챔버에 혼입된 산소에 의하여 산화되어 소실되더라도 단순히 단선이 되기 때문에 폭발사고를 방지할 수 있는 이점이 있다.
In addition, the graphite material used as the high-frequency induction coil in the high-frequency induction furnace does not melt and rises to 3000 ° C or higher in an inert atmosphere, and it is simply disconnected even when oxidized and lost by oxygen mixed in the chamber, thereby preventing explosion accidents. There is an advantage.
또한, 본 발명에 따른 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로는, 열전도도와 전기 전도도가 높은 흑연 재질을 사용함으로써 유도 가열 효과가 크고 종래에 냉각시켰던 유도 코일의 가열 열도 함께 사용함으로써 열 이용률을 높일 수 있는 이점이 있다.
In addition, the high-frequency induction furnace using the non-water-cooled coil according to the present invention, by using a graphite material having high thermal conductivity and electrical conductivity, can increase the heat utilization rate by using the heating heat of the induction coil, which has a large induction heating effect and has been conventionally cooled. There is an advantage.
또한, 본 발명에 따른 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로는, 흑연 코일의 외측에 단열체를 설치함으로써, 열 이용률을 높임과 동시에 도가니의 외면과 흑연 코일의 내측의 거리를 가까이하여 유도 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
In addition, the high-frequency induction furnace using the non-water-cooled coil according to the present invention improves the induction efficiency by providing a heat insulator outside the graphite coil to increase the heat utilization rate and close the distance between the outer surface of the crucible and the inside of the graphite coil. There is an advantage to this.
또한, 본 발명에 따른 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로는, 유도코일을 흑연 재질로 형성함으로써 가공이 용이하고, 값이 다른 금속재질에 비하여 저렴하기 때문에 경제적이 효과가 큰 이점이 있다.
In addition, the high-frequency induction furnace using the non-water-cooled coil according to the present invention has an advantage in that it is easy to process by forming the induction coil made of graphite material and is economically effective because it is cheaper than other metal materials having different values.
도 1은 본 발명에 따른 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 흑연 재질의 도가니를 나타내는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 흑연 코일 외측에 설치되는 단열체를 나타내는 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 흑연 코일과 도가니의 배치를 나타내는 예시도이다.
도 5는 흑연 코일의 내경 대한 길이의 비율과 도가니의 직경과 흑연 코일의 내경의 크기 비율에서 출력 효율을 계산하기 위해 필요한 상수 값인 C1 값을 구하는 예시도이다.
도 6은 흑연 코일과 도가니의 형상에 따라 구해진 C1 값과 C2 값으로부터 출력 효율을 구하는 표에 대한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실험예로서 각 구성에 대한 온도 측정 위치를 나타내는 예시도이다.
도 8은 도 7의 각 위치에서의 온도 분포를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실험예에 따른 흑연 재질의 도가니에 대한 온도 측정 위치를 나타내는 예시도이다.
도 10은 도 9의 각 위치에서의 온도 분포를 나타내는 도면이다.1 is a schematic diagram showing a high frequency induction furnace using a non-water-cooled coil according to the present invention.
2 is an exemplary view showing a crucible of a graphite material according to an embodiment of the present invention.
3 is an exemplary view showing a heat insulator installed outside the graphite coil according to an embodiment of the present invention.
4 is an exemplary view showing the arrangement of the graphite coil and the crucible according to the embodiment of the present invention.
5 is an exemplary diagram for obtaining a C 1 value which is a constant value necessary for calculating the output efficiency in the ratio of the length to the inner diameter of the graphite coil, the diameter ratio of the crucible and the inner diameter of the graphite coil.
6 is an exemplary diagram for a table for calculating output efficiency from C 1 and C 2 values obtained according to the shapes of the graphite coil and the crucible.
7 is an exemplary view showing a temperature measurement position for each configuration as an experimental example of the present invention.
8 is a diagram illustrating a temperature distribution at each position of FIG. 7.
9 is an exemplary view showing a temperature measurement position with respect to the crucible of the graphite material according to the experimental example of the present invention.
10 is a diagram illustrating a temperature distribution at each position of FIG. 9.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
Embodiments in accordance with the concepts of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. It is to be understood, however, that it is not intended to limit the embodiments according to the concepts of the present invention to the particular forms of disclosure, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
도 1은 본 발명에 따른 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로를 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 흑연 재질의 도가니를 나타내는 예시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 흑연 코일 외측에 설치되는 단열체를 나타내는 예시도이다.
1 is a schematic view showing a high frequency induction furnace using a non-water-cooled coil according to the present invention, Figure 2 is an exemplary view showing a crucible of a graphite material according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a graphite coil according to the present invention It is an exemplary figure which shows the heat insulation body provided in an outer side.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 고주파 유도로(1)는 진공챔버(10), 흑연 코일(11), 고주파 전류 접속부(12), 고주파 발생장치(13) 및 도가니(14)를 포함할 수 있다.
1 to 3, the high
도면에 나타낸 바와 같이, 반응성이 큰 금속 등의 재료를 용융 또는 주조시키는 도가니(14)가 진공챔버(10) 내에 배치되고, 이 도가니(14)의 외측에는 나선형으로 형성되고, 고주파 유도 전류를 제공하여 도가니(14)를 가열시키는 고주파 유도 코일로서, 흑연 코일(11)이 형성된다.
As shown in the figure, a
이 흑연 코일(11)은 진공챔버(10) 내에서 코일의 온도를 냉각시키기 위한 냉각수를 사용하지 않는 비수냉 코일로서, 흑연 코일(11)은 단면이 사각형 모양으로 형성되어 있다.
This
흑연 코일(11)의 양단에는 고주파 전류 접속부(12)가 각각 연결되어 진공챔버(10) 외측의 고주파 전류를 발생하는 고주파 발생장치(13)와 접속된다. 따라서, 고주파 발생장치(13)에서 공급된 고주파 전류는 고주파 전류 접속부(12)를 통해 흑연 코일(11)로 전달된다.
Both ends of the
따라서, 고주파 전류가 공급된 흑연 코일(11)에서는, 흑연 코일(11) 내측에 배치된 도가니(14)에 고주파 유도 전류를 제공하여 도가니(14)를 전기저항으로 가열하고, 또한,흑연 코일(11)은 공급된 고주파 전류에 대한 전기저항으로 자체 발열함으로써, 흑연 코일(11)에서 발생된 저항열을 유도 전류에 의한 전기 저항으로 발생된 유도열로 가열되는 도가니(14)에 대해 보조 가열 원으로 제공할 수 있는 특징이 있다.
Therefore, in the
또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 흑연 코일(11) 내에 배치되는 도가니(14)에 대해서도 고주파 유도 코일과 같이 흑연 재질로 형성할 수 있다. 따라서, 비용절감으로 인한 경제적인 효과가 상승된다.
2, the
아울러, 흑연 코일(11)의 외측에는 도 3에 나타낸 바와 같이, 도가니(14) 및 흑연 코일(11)에서 발생되는 유도열과 저항열을 외부로 방출하지 않도록 단열체(15)를 설치할 수 있다.In addition, as illustrated in FIG. 3, the
단열체(15)를 설치함으로써, 흑연 코일(11) 내부 공간에 대해 높은 온도까지 거의 균질하게 가열하여 효과적으로 금속 재료를 용융하여 주조할 수 있다. 특히, 이러한 단열체(15)는 급격한 온도 변화에 따른 열 충격을 수용할 수 있는 재료로 제조되고 열을 외부로 방출하지 않는 다양한 재료로 형성될 수 있다.
By providing the
이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 고주파 유도로에서 사용되는 본 발명에 따른 비수냉 코일의 실시예를 설명한다.
Hereinafter, an embodiment of a non-water cooling coil according to the present invention used in a high frequency induction furnace will be described with reference to FIGS. 4 to 6.
일반적으로 종래의 고주파 유도 코일은 냉각수를 관 형태의 코일 내부 또는 외부를 흘려 냉각시키며, 고주파 전류로 유도 가열하여 용해 및 주조 작업을 한다. 그러나 이러한 방법은 우라늄, 티타늄과 같이 반응성이 매우 큰 금속을 용해할 경우, 냉각수 관의 파열에 의해 물이 새어나와 폭발할 경우 대형 사고가 발생할 수도 있으며, 또한 물은 중성자 감속효과가 커서 핵임계 사고를 유발할 수 있는 가능성을 높인다.In general, the high frequency induction coil of the related art cools the cooling water by flowing the inside or the outside of the coil in a tubular form, and induction heating by high frequency current causes melting and casting operations. However, in case of dissolving highly reactive metals such as uranium and titanium, a large accident may occur when water leaks and explodes due to the rupture of the cooling water pipe. Increase the likelihood of causing
특히 고주파 유도 코일에 고주파 전류가 흐르게 되면 표피효과(Skin Effect)와 근접효과(Proximity Effect)에 의해 직류전류가 흐를 때보다 저항이 증가하게 된다.In particular, when a high frequency current flows through the high frequency induction coil, the resistance increases than when the DC current flows due to the skin effect and proximity effect.
표피효과란 고주파 전류가 도체의 표면부근으로 집중해서 흐르는 현상으로, 표면전류의 1/e(36.8%)이 흐르는 깊이를 표피두께(Skin Depth) 또는 침투깊이(Penetration Depth)라고 한다.The skin effect is a phenomenon in which high frequency current flows concentrated near the surface of a conductor, and the depth at which 1 / e (36.8%) of the surface current flows is called skin depth or penetration depth.
표피두께(δ)는 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.
The skin thickness δ can be obtained by the following equation.
[식 1][Formula 1]
δ= 2ρ/μω = 503.3 ρ/μrf [m]δ = 2ρ / μω = 503.3 ρ / μ r f [m]
여기에서 ρ는 저항율[Ωm], μr은 비투자율(Relative Permeability), f는 주파수이다.
Where ρ is the resistivity [Ωm], μ r is the relative permeability, and f is the frequency.
20㎑에서 구리의 표피두께는 약 0.5㎜이므로 그보다 두꺼운 구리로 배선을 하여도 그 내부에는 전류가 전혀 흐르지 않는 것처럼 열이 발생한다.
Since the skin thickness of copper is about 0.5mm at 20㎑, even if wiring with thicker copper, heat is generated as if no current flows inside.
이때, 고주파 유도 코일에 흐르는 전류와 피가열체, 예를 들어 도가니에 흐르는 전류는 반대 방향이기 때문에, 양 전류의 통로간을 관통하는 자속이 적은 쪽이 전류가 흐르기 쉽다.At this time, the current flowing in the high frequency induction coil and the current flowing in the heated body, for example, the crucible, are in the opposite direction, so that the smaller the magnetic flux penetrating between the passages of both currents is more likely to flow.
따라서 전류는 서로 접근한 곳에서 많이 흐르게 되는데, 이러한 현상을 근접효과라고 한다.
Therefore, current flows a lot in close proximity to each other. This phenomenon is called proximity effect.
특히 솔레노이드(solenoid) 모양의 유도 코일에서 코일 간격이 좁으면, 도체 중의 전류통로는 피가열체와 근접한 부분에 집중하기 때문에, 기존의 단면이 원형인 구리 파이프 형태의 코일보다, 도 4에 나타낸 바와 같이, 코일(11)의 단면을 사각형으로 형성함으로써 본 발명에서는 전류통로의 유효 단면적을 크게 할 수 있다.
In particular, when the coil spacing is narrow in a solenoid induction coil, the current path in the conductor is concentrated in a portion close to the heating element, and thus, as shown in FIG. Similarly, by forming the cross section of the
상기와 같이, 고주파 전류는 표피효과와 근접효과에 의해 저항이 크게 증가하여, 기존의 유도 코일을 사용하는 경우 냉각수가 꼭 필요하고, 표피/근접 효과를 줄이기 위해 가느다란 절연 코팅을 꼬아서 사용하는 방법도 제안되고 있지만, 코팅 물질의 온도 한계가 낮고, 내열금속인 Mo이나 W 금속을 사용하기도 하지만 가공도 어렵고 고가이다.
As described above, the high frequency current has a large increase in resistance due to the skin effect and the proximity effect. When using an existing induction coil, a coolant is necessary, and a thin insulating coating is twisted to reduce the skin / proximity effect. Although a method has been proposed, the temperature limit of the coating material is low, and although a heat resistant metal such as Mo or W metal is used, processing is difficult and expensive.
그러나 본 발명에서는 도 1 내지 도 3을 통해 상술한 바와 같이, 냉각수를 사용을 배제할 수 있는 흑연재료의 흑연코일(11)을 사용함으로써, 저항 가열에 의하여 코일의 온도가 3000℃ 이상까지 올라가도 흑연코일(11)이 용융되지 않고 단순하게 단선이 되어 다른 폭발 사고 등을 유발하지 않는 특징이 있다.
However, in the present invention, as described above with reference to FIGS. 1 to 3, by using the
특히, 흑연은 전기 저항이 400 ∼ 800μΩm로 구리의 전기 저항 1.58 μΩm보다 약 300 배 크지만, [식 1]에 의하여 전류 침투깊이가 역으로 약 300배 커서 전류가 구리 보다 넓게 퍼져 흐르게 된다.Particularly, graphite has an electrical resistance of 400 to 800 µΩm, which is about 300 times larger than the electrical resistance of 1.58 µΩm of copper.
따라서, 유도 코일 전반에 걸쳐 전류 흐름에 대한 저항열 발생량 증가는 전기 저항값의 비율처럼 매우 크지는 않게 된다.
Therefore, the increase in the amount of resistance heat generation to the current flow over the induction coil is not very large as the ratio of the electric resistance value.
또한, [식 1]은 피가열체의 고주파 유도 전류의 전류 침투깊이에도 적용된다. 주파수가 매우 낮은 범위에서는 즉 피가열체의 크기에 비하여 전류 침투깊이가 비교적 큰 경우에는, 출력 효율이 주파수의 자승에 비례하고 어느 임계를 넘어가면 주파수의 평방근에 비례한다.
따라서, 본 발명에서와 같이, 유도 코일의 단면을 사각형으로 하고, 또한, 흑연에 대한 고주파 전류 침투깊이가 전 길이의 약 1/e (36.8%) 정도인 것이 적절하다.
Therefore, as in the present invention, it is appropriate that the cross section of the induction coil is square and the high frequency current penetration depth into the graphite is about 1 / e (36.8%) of the entire length.
한편, 유도 코일과 피가열체의 형상에 따라 출력 효율이 다르게 나타난다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 흑연 코일(11)과 피가열체로서 도가니(14)를 배치하면, 도 5에서 흑연 코일(11)의 내경(b1) 대한 길이(L)의 비율(b1/L)과 도가니(14)의 직경(a0)과 흑연 코일(11)의 내경(b1) 크기 비율(a0/b1)로부터 출력 효율을 계산하기 위해 필요한 상수 값인 C1 값을 얻는다.
On the other hand, the output efficiency is different depending on the shape of the induction coil and the object to be heated. As shown in FIG. 4, when the
C1값에 도가니(14)의 저항값과 비투자율 값을 곱한 값의 평방근 (
The square root of the value obtained by multiplying the C 1 value by the resistance of the
도가니(14)의 직경이 흑연 코일(11)의 내경과 약간 작을 정도까지 커지면 C1값이 커지고, 따라서 C2 값이 커져서 효율이 향상됨을 알 수 있다. 또한 a0/d2 값이 커져서 보다 높은 효율 영역에 있는 곡선에 해당되어 효율이 증대됨을 알 수 있다.
It can be seen that when the diameter of the
총체적으로 보면, 고주파 유도 코일을 냉각시킴으로써 저항열이 발생되지 않는 종래 기술에 비하여, 본 발명에서는 공급된 고주파 전류에 의한 유도열과 또는 공급 중에 발생되는 저항열을 모두 사용함으로써, 종래기술의 방식보다 열효율 면에서 오히려 효과적임을 알 수 있다. 무엇보다 흑연 코일(11)은 제작이 쉽고 가격도 다른 고온재료로 Mo나 W과 비교하여 저렴한 장점이 있다.
Overall, compared to the prior art in which resistance heat is not generated by cooling the high frequency induction coil, the present invention uses both induction heat generated by the supplied high frequency current and resistance heat generated during supply, thereby improving thermal efficiency. Rather effective in terms of. Above all, the
[실험예 1][Experimental Example 1]
도 7에 나타낸 바와 같이, 일반 형태의 고주파 가열장치에서 구리(Cu) 코일 대신에 흑연 코일로 대체하고, 흑연 코일(11), 흑연 펠트(felt) 단열체(30), 흑연 도가니(40)의 순으로 배치한 후, 각각의 구성에 대해 온도 센서(60, 61, 62)를 부착하여, 온도를 시간별로 측정하고, 그 변화 결과를 도 8에 나타냈다.
As shown in FIG. 7, the graphite coil is replaced with the graphite coil instead of the copper (Cu) coil in the general type of high frequency heating apparatus, and the
도 8에 나타낸 바와 같이, 온도 700℃ 이하에서는 흑연 코일(11)의 온도 상승이 가장 빠르고, 다음이 중간 흑연 펠트 단열체(30) 그리고 심부의 흑연 도가니(40)에서 온도가 가장 늦게 상승 되었다.
As shown in FIG. 8, at the temperature of 700 degrees C or less, the temperature rise of the
온도가 낮을 경우에는 대류 및 복사에 의한 열손실 효과가 적어 온도가 먼저 올라갔으나, 약 900℃ 이상에서는 흑연 펠트 단열체(30)가 보온 역할을 하여 심부의 흑연 도가니(40)가 계속하여 온도 상승되는 현상을 보였다. 이러한 결과로부터 흑연 코일(11)의 내부 공간 보다 훨씬 작은 흑연 도가니(40)에 전류가 유도되어 가열됨으로써 금속을 용융할 있는 온도까지 가열이 가능함을 알 수 있다.
When the temperature is low, the heat loss effect due to convection and radiation is small, but the temperature first rises, but at about 900 ° C. or more, the graphite felt
[실험예 2][Experimental Example 2]
도 9는, 흑연 코일(11) 내부에 실험예 1에서의 흑연 펠트 단열체(30) 대신 흑연 도가니(20)를 배치시킨 예를 도시하였다. 각 구성을 배치시킨 후, 각각의 구성에 대해 온도 센서(61, 62)를 부착하여, 실험예 1과 동일한 조건하에서 온도를 시간별로 측정하고, 그 변화 결과를 도 10에 나타냈다.
FIG. 9 shows an example in which the
도 10에 나타낸 바와 같이, 실험예 2와 실험예 1의 온도 측정 결과는 유사하게 나타난다. 다만, 흑연 도가니(20)의 온도 증가 속도는 실험예 1에 비하여 감소된 것을 알 수 있지만, 흑연 도가니(20)와 흑연 코일(11)의 온도가 역전되는 지점에서의 흑연 코일(11)의 온도는 실험예 1과 동일하였다.
As shown in FIG. 10, the temperature measurement results of Experimental Example 2 and Experimental Example 1 appear similarly. However, although it can be seen that the temperature increase rate of the
따라서, 흑연 도가니(20)를 실험예 1에서의 중간 흑연 펠트 단열체(30)의 직경 정도를 사용하면 보다 더 효율적으로 가열할 수 있는 것을 예측할 수 있고, 특히, 도 3에 나타낸 바와 같이, 흑연 코일(11)의 외부에 단열체(15)를 설치하면 흑연 코일(11)의 내부 공간에 거의 균질하게 높은 온도까지 가열하여 효과적으로 금속을 용융하여 주조를 할 수 있다.
Therefore, it can be predicted that the
상기와 같이, 본 발명에서는, 고주파 유도코일로서 비수냉 흑연코일을 사용하여 냉각수의 유출로 인한 폭발사고를 방지할 수 있고, 열전도도와 전기 전도도가 높은 흑연 재질을 사용함으로써 유도 가열 효과가 크고, 유도 코일의 가열열과 함께 저항열을 사용함으로써 열 이용률을 높일 수 있는 특징이 있다.
As described above, in the present invention, by using a non-water-cooled graphite coil as a high-frequency induction coil, it is possible to prevent the explosion accident due to the outflow of the cooling water, by using a graphite material having high thermal conductivity and electrical conductivity, induction heating effect is large, induction The use of resistance heat together with the heating heat of the coil has the characteristic of increasing the heat utilization rate.
상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. I will understand. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
1 : 고주파 유도로 10 : 진공챔버
11 : 흑연 코일 12 : 고주파 전류 접속부
13 : 고주파 발생장치 14 : 도가니
15 : 단열체1: high frequency induction furnace 10: vacuum chamber
11
13: high frequency generator 14: crucible
15: insulator
Claims (10)
상기 도가니의 외측에 나선형으로 형성되고, 고주파 유도 전류를 제공하여 상기 도가니를 유도열로 가열시키는 고주파 유도 코일; 및
상기 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 공급하는 고주파 발생장치;를 포함하되,
상기 고주파 유도 코일은 흑연 재질로 이루어진 흑연 코일인 것을 특징으로 하는 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로.
A crucible disposed in the vacuum chamber to melt or cast the material;
A high frequency induction coil spirally formed on the outside of the crucible and providing a high frequency induction current to heat the crucible with induction heat; And
Includes; a high frequency generator for supplying a high frequency current to the high frequency induction coil,
The high frequency induction coil is a high frequency induction furnace using a non-water-cooled coil, characterized in that the graphite coil made of a graphite material.
상기 흑연 코일은 단면이 사각형 모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로.
The method of claim 1,
The graphite coil is a high frequency induction furnace using a non-water-cooled coil, characterized in that the cross section is formed in a square shape.
상기 흑연 코일은 공급된 고주파 전류에 대한 전기저항으로 자체 발열하고, 상기 흑연 코일에서 발생된 저항열을 상기 도가니의 보조 가열 원으로 제공하는 것을 특징으로 하는 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로.
The method of claim 1,
The graphite coil is self-heating by the electrical resistance to the supplied high frequency current, the high frequency induction furnace using a non-water-cooled coil, characterized in that for providing the heat of resistance generated in the graphite coil to the auxiliary heating source of the crucible.
상기 도가니 및 상기 흑연 코일에서 발생된 열의 효율적인 활용을 위해 상기 흑연 코일의 외측에 설치되는 단열체를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로.
The method of claim 3, wherein
High frequency induction furnace using a non-water-cooled coil, characterized in that it may include a heat insulator installed on the outside of the graphite coil for efficient utilization of the heat generated in the crucible and the graphite coil.
상기 도가니는 흑연 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도로.
The method of claim 1,
The crucible is a high frequency induction furnace using a non-water cooled coil, characterized in that formed of a graphite material.
상기 도가니 외측의 길이방향에 대해 나선형으로 고주파 유도 코일을 형성하고, 고주파 발생장치로부터 이 고주파 유도 코일에 고주파 유도 전류를 공급하는 단계;
상기 고주파 유도 코일에 공급된 상기 고주파 유도 전류에 의해 상기 도가니를 가열시키는 단계;를 포함하고,
상기 고주파 유도 코일은 흑연 재질로 이루어진 흑연 코일로 이루어진 것을 특징으로 하는 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도가열방법.
Charging a material for melting or casting into a crucible disposed in a vacuum chamber;
Forming a high frequency induction coil spirally with respect to the longitudinal direction of the outside of the crucible, and supplying a high frequency induction current to the high frequency induction coil from the high frequency generator;
Heating the crucible by the high frequency induction current supplied to the high frequency induction coil;
The high frequency induction coil is a high frequency induction heating method using a non-water-cooled coil, characterized in that consisting of a graphite coil made of a graphite material.
상기 고주파 유도 전류가 공급되는 상기 흑연 코일은 단면이 사각형 모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도가열방법.
The method according to claim 6,
The graphite coil to which the high frequency induction current is supplied is a high frequency induction heating method using a non-water cooling coil, characterized in that the cross section is formed in a square shape.
상기 도가니를 가열시키는 단계는,
상기 도가니에서 상기 고주파 유도 전류에 의한 전기저항으로 발생된 유도열과, 상기 흑연 코일을 통해 공급된 고주파 전류에 대한 전기저항으로 발생된 상기 흑연 코일의 저항열을 이용하는 것을 특징으로 하는 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도가열방법.
The method according to claim 6,
The step of heating the crucible,
Using a non-cooling coil, characterized in that the induction heat generated by the electrical resistance of the high-frequency induction current in the crucible and the resistance heat of the graphite coil generated by the electrical resistance to the high frequency current supplied through the graphite coil High frequency induction heating method.
상기 도가니는 흑연 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 비수냉 코일을 이용한 고주파 유도가열방법.
The method according to claim 6,
The crucible is a high frequency induction heating method using a non-water-cooled coil, characterized in that formed of a graphite material.
상기 고주파 유도 코일은, 고주파 유도 가열시, 유도 전류에 의해 발생된 유도열 공급원 및 상기 고주파 유도 코일의 전기 저항에 따른 자체 발열에 의한 저항열을 보조 가열원으로서 역할하도록 구성되는 고주파 유도 코일.
A high frequency induction coil used for high frequency induction heating, wherein the high frequency induction coil is a graphite coil made of graphite material,
The high frequency induction coil, the high frequency induction coil is configured to serve as an auxiliary heating source, resistance heat generated by self-heating according to the electrical resistance of the induction heat source generated by the induced current and the high frequency induction coil during high frequency induction heating.
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| KR1020110127614A KR20130061358A (en) | 2011-12-01 | 2011-12-01 | High frequency induction heating method for using water-exclusive coil and high frequency induction furnace |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN104534874A (en) * | 2014-12-25 | 2015-04-22 | 合肥科晶材料技术有限公司 | Vacuum medium-frequency induction furnace |
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2011
- 2011-12-01 KR KR1020110127614A patent/KR20130061358A/en not_active Ceased
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104534874A (en) * | 2014-12-25 | 2015-04-22 | 合肥科晶材料技术有限公司 | Vacuum medium-frequency induction furnace |
| KR102754439B1 (en) * | 2024-08-19 | 2025-01-15 | 동서열처리 주식회사 | High-frequency heat treatment device for automobile gear transmission parts and heat treatment method thereof |
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