KR20180014069A - 고온의 비-무한인 표면의 균일한 비접촉 냉각방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

고온의 비-무한인 표면의 균일한 비접촉 냉각방법 및 이를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온의 제품을 냉각하는 장치, 특히 고온의 주로 비-무한인 표면을 균일하고 비접촉으로 냉각하는 장치에 관한 것이다. 냉각 장치는 하나 이상의 냉각 블레이드 또는 냉각 실린더를 포함하고, 냉각 블레이드 또는 냉각 실린더는 중공(hollow)에 구현되고, 냉각 블레이드 노즐 에지 또는 일렬로 배치된 다수의 냉각 실린더를 갖는다. 노즐 에지에서 하나 이상의 노즐이 제공되는데, 상기 노즐은 냉각되는 제품으로 지향된다. 7개 이상의 냉각 블레이드는 냉각되는 표면 상의 흐름 패턴이 벌집모양 구조를 형성하도록 배치된다. 또한 본 발명은 이를 위한 방법에 관한 것이다.

Description

고온의 비-무한인 표면의 균일한 비접촉 냉각방법 및 이를 위한 장치
본 발명은 고온의, 주로 비-무한인(non-endless) 표면을 균일하고 비접촉으로 냉각하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.
기술 현장에서, 예를 들어 평판을 냉각해야 하는 경우와 같이, 많은 분야에서 냉각 공정이 필요한데, 예를 들어 유리 생산에서 유리 표면을 냉각하거나, 또는 가공 장치를 냉각하는 경우 등에서도 필요하다.
종래의 냉각 시스템은 매우 비싸거나, 또는, 예를 들어, 공기 또는 물이나 오일과 같은 유체를 부는 방법에 의한 것으로 비교적 간단하지만, 이는 바람직하지 않고 제어되지 않은 유동 조건이 항상 표면에서 발생하는 단점을 수반하며, 각별히 제어된 냉각이 필요한 경우에 문제가 된다.
종래 기술에서, 소위 십자류(cross flow)로 불리는 불리한 유체 조건이 냉각될 평평한 표면 위에 존재하고 이것이 불균일한 표면 온도를 야기한다고 일반적으로 추정되어야 한다. 이는 균일한 물성을 얻기 위하여 표면 지역에 균일한 온도가 요구되는 경우에 특히 불리하다. 특히 불균일한 표면 온도는 또한 뒤틀림을 유발한다.
통상적인 냉각 방법은 미리 정한 목표 온도의 제어된 달성을 허용하지 않으며, 사실상 냉각 속도를 달성 가능한 최대 냉각 속도로 시스템적으로 설정할 수도 없다.
균일한 온도 조건으로 냉각되어야 하는 냉각 표면에 다른 물질 두께가 있으면 특히 어렵다.
본 발명의 목적은 주로 비-무한인 고온의 표면을 몇 초 내에 특정의 표면 온도로 재현가능하고 시스템적이며 균일하고 비접촉적으로 냉각하는 것을 달성하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 장치로 달성된다.
유익한 변형이 그 종속 청구항에 개시되어 있다.
본 발명의 다른 목적은 주로 비-무한인 고온의 표면을 몇 초 내에 특정의 표면 온도로 재현가능하고 시스템적이며 균일하고 비접촉적으로 냉각하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 9의 특징을 갖는 장치로 달성된다.
유익한 변형이 그 종속 청구항에 개시되어 있다.
본 발명에 따르면, 제곱미터 내에서 최대 30℃의 온도 편차를 허용하는 냉각을 20 내지 900℃에서 보장할 수 있어야 한다. 사용되는 냉각 매질은 바람직하게는 대기 가스, 혼합 가스, 불활성 가스 등과 같은 흔한 가스이지만, 물이나 다른 유체일 수도 있다.
본 발명은 적은 투자비용과 적은 운영비용으로 높은 시스템 이용성, 높은 적응성, 및 기존 제조공정으로의 간단한 통합을 달성할 수 있어야 한다.
본 발명에 따르면, 이는 냉각될 표면이 X, Y 또는 Z 평면에서 로봇 또는 선형 드라이브에 의해 움직일 수 있다는 점에서 성공적으로 달성되는데, 냉각될 표면의 임의의 움직임 궤적 및 속도를 미리 설정할 수 있다. 이때, 진동은 X 및 Y 평면에서 정지 위치의 주위가 바람직하다. Z 평면(즉, 수직 방향)에서의 진동이 선택적으로 가능하다.
또한 일면 또는 양면에서의 냉각이 손쉽게 가능하다.
본 발명에 따른 냉각 유닛은 서로 일정 간격으로 떨어진 노즐로 구성된다. 노즐, 즉 배출 개구부의 기하학적 구조는 단순한 실린더형 기하학적 구조에서부터 복잡하게 기하학적으로 정의된 디자인이다. 이때 냉각 유닛은 고온 플레이트로부터 흘러나가는 매질이 충분한 공간을 찾고, 그 결과로 십자류가 냉각되는 표면에서 생성되지 않도록 구현된다. 노즐 및/또는 노즐 열(row) 사이의 공간에는, 냉각속도를 증가시키고 이에 따라 고온 플레이트로부터 흘러나가는 냉각 매질을 빨아들이기 위하여, 추가의 십자류가 작용할 수 있다. 그러나, 이 십자류는 노즐에서 플레이트로의 매질 흐름, 즉 자유 흐름을 방해해서는 안 된다.
본 발명에 따르면, 냉각되는 표면에서 바람직한 흐름 패턴은 벌집모양 구조를 가져야 한다.
이때, 냉각은 바람직하게는 하나 이상의 냉각 블레이드에 의해 일어난다; 냉각 블레이드는 플레이트형 또는 실린더형 구성인데, 베이스로부터 배출 스트립 쪽으로 점점 가늘어질 수도 있다; 하나 이상의 노즐이 배출 스트립에 배치된다. 이때, 블레이드는 중공(hollow)으로 구현되어, 노즐이 중공 블레이드로부터 냉각 유체와 함께 제공될 수 있다. 노즐은 웨지형(wedge-like) 구성요소와 함께 서로 떨어져 있을 수 있다; 또한 웨지형 구성요소는 노즐 방향으로의 흐름 유체를 위한 공간을 좁게 할 수 있다.
특히, 이는 유체의 유출 제트에서의 회전을 일으킨다.
바람직하게는, 다수의 블레이드가 서로 나란하게 위치하고, 서로 오프셋(offset) 되도록 제공된다.
이러한 오프셋 배치는 서로에게 오프셋 된 지점에서 냉각을 일으키고, 서로에게 섞이는 지점에서 균일한 냉각을 일으키며, 유출되는 유체가 두 블레이드 사이의 위치에서 빨아들여져 이동된다.
이때, 바람직하게는, 냉각되는 구성, 예를 들어, 냉각되는 플레이트는 한편으로는 플레이트의 이동과 다른 한편으로는 노즐의 오프셋 배치로 냉각 유체가 플레이트 전역을 흘러가도록 하여, 균일한 냉각이 달성되도록 움직인다.
본 발명은 도면에 기초한 예를 통해 설명될 것이다. 도면은 다음과 같다:
도 1은 서로 평행하게 배치된 다수의 노즐 블레이드에 대한 평면도를 보여준다.
도 2는 도 1의 A-A 단면에 따른 노즐 블레이드의 배치를 보여준다.
도 3은 도 2의 C-C 단면에 따른 노즐 블레이드의 종단면을 보여준다.
도 4는 노즐을 보여주는 도 3을 자세히 확대한 것이다.
도 5는 노즐 블레이드의 배치에 대한 도식적인 투시도이다.
도 6은 블레이드의 배치 내에서 오프셋 되어 있는 노즐 블레이드의 에지(edge)를 확대한 상세도이다.
도 7은 냉각 블록과 통합된 본 발명에 따른 냉각 블레이드의 배치에 대한 투시도이다.
도 8은 도 7에 따른 배치의 투시적 배면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 냉각 블레이드의 내부에 대한 도면이다.
도 10은 냉각되는 플레이트, 온도 분배 및 유체 온도 분배를 보여주는, 노즐을 갖는 냉각 블레이드를 묘사한다.
도 11은 속도 분배를 보여주는, 도 10에 따른 배치에 대한 도면이다.
도 12는 서로 오프셋 되어 배치된 본 발명에 따른 다수의 냉각 블레이드와 냉각될 대상을 갖고서 이를 이동시키는 이동 운반대로 구성되는 두 개의 마주보는 냉각 상자의 배치를 도식적으로 묘사한다.
한 가능한 구현예가 다음에 설명될 것이다.
본 발명에 따른 냉각 장치(1)는 하나 이상의 냉각 블레이드(2)를 갖는다. 냉각 블레이드(2)는 길쭉한 플랩(flap) 형태로 구현되고, 냉각 블레이드 베이스(3), 냉각 블레이드 베이스로부터 뻗어 나온 2개의 냉각 블레이드의 넓은 면(4), 냉각 블레이드의 넓은 면을 연결시키는 2개의 냉각 블레이드의 좁은 면(5), 및 자유 노즐 에지(6)를 갖는다.
냉각 블레이드(2)는 냉각 블레이드 공동(cavity)(7)과 함께 중공(hollow)으로 구현되고, 공동은 냉각 블레이드의 넓은 면(4), 냉각 블레이드의 좁은 면(5) 및 노즐 에지(6)에 의해 둘레가 이루어지고, 냉각 블레이드는 베이스(3)에서 개방된다. 냉각 블레이드 베이스(3)와 함께, 냉각 블레이드는 냉각 블레이트 틀(8)에 삽입되고, 냉각 블레이드 틀(8)은 중공의 유체 공급 박스에 위치할 수 있다.
노즐 에지(6)의 위치에 다수의 노즐 또는 개구부가 제공되고, 이들은 공동(7)으로 이어져, 유체가 공동으로부터 노즐(10)을 통해 외부로 흘러나가도록 한다.
노즐로부터 노즐 도관(conduit)(11)이 공동(7)으로 연장되어, 적어도 노즐 에지(6) 위치에서 노즐을 서로 공간적으로 분리시킨다. 이때 노즐 도관은 바람직하게는 웨지(wedge)형으로 구현되어, 노즐 도관 또는 노즐이 웨지형 버팀대(strut)(12)에 의해 서로 분리되도록 한다. 바람직하게는, 노즐 도관은 공동(7) 방향으로 넓어지도록 구현되어, 유입되는 유체가 노즐 도관이 좁아짐에 따라 가속되도록 한다.
냉각 블레이드의 넓은 면(4)은 냉각 블레이드 베이스(3)로부터 노즐 에지(6)로 수렴하도록 구현되어, 공동이 노즐 에지(6) 방향으로 좁아지도록 할 수 있다.
덧붙여, 냉각 블레이드의 좁은 면(5)은 수렴하거나 또는 분기하도록 구현될 수 있다.
바람직하게는, 2개 이상의 냉각 블레이드(2)가 제공되는데, 이들은 넓은 면에 대해 서로 평행하도록 배치된다. 노즐(10)의 간격과 관련하여, 냉각 블레이드(2)는 노즐 사이 거리의 절반으로 서로 오프셋 되어 있다.
또한 2개 이상의 냉각 블레이드(2)가 있을 수 있다.
노즐 에지의 전장과 관련하여, 노즐(10)은 노즐 에지와 함께 길이방향의 흐름으로 구현될 수 있다; 그러나, 노즐은 또한 원형이거나, 타원형으로 노즐 에지와 일직선이거나 또는 타원형으로 노즐 에지를 가로지르거나, 육각형, 팔각형 또는 다각형으로 구현될 수 있다.
특히, 만약 노즐 에지의 길이방향 전장과 관련하여 노즐이 길쭉하게, 특히 길쭉한 타원형이나 길쭉한 다각형으로 구현된다면, 이는 유체의 유출 제트에서의 회전을 일으킨다(도 10 및 11); 노즐 거리의 절반으로 오프셋 된 배치는 플레이트형의 대상 위에서 상응하여 오프셋 된 냉각 패턴을 만든다(도 10).
또한 상응하는 속도 프로파일은 상응하는 분포를 만든다(도 11).
본 발명에 따르면, 노즐(10)로부터 흘러나오는 유체는 냉각되는 대상의 표면을 타격하지만(도 10 및 11), 냉각 장치(1)의 2개 이상의 블레이드 사이로 돌진하면서 깨끗하게 흘러나가 냉각되는 대상의 표면에서 냉각 흐름이 방해 받지 않도록 한다는 것이 밝혀졌다.
바람직하게는, 다음의 조건이 존재한다:
노즐의 수력학적 직경 = DH (이때, DH = 4 x A / U임);
대상으로부터 노즐까지의 거리 = H;
두 냉각 블레이드/냉각 실린더 사이의 거리 = S;
노즐의 길이 = L;
L >= 6 x DH;
H <= 6 x DH, 특히 4~6 x DH;
S <= 6 x DH, 특히 4~6 x DH (엇갈린 배열);
진동 = X, Y(가능하게는 Z)에서 두 냉각 블레이드 사이 간격의 절반임.
예를 들어, 냉각 장치(도 12)는 냉각 블레이드 틀(8)에 냉각 블레이드(2)의 두개의 배치가 있다; 냉각 블레이드 틀(8)은 상응하는 유체 공급(14)으로 구현되고, 특히 냉각 블레이드(2)로부터 멀어지는 방향의 면에서 가압된 유체를 함유한 유체 박스와 함께, 특히 가압된 유체의 공급에 의하여 제공된다.
덧붙여, 이동 기구(16)가 제공된다; 이동기구는 냉각되는 대상의 양 측면에 냉각 작용이 이뤄질 수 있는 방식으로 마주보는 냉각 블레이드의 배치 사이에서 냉각되는 대상이 운반될 수 있도록 구현된다.
이때 냉각되는 대상으로부터 노즐 에지(6)의 거리는, 예를 들어, 5 내지 250mm이다.
냉각되는 대상에 대한 냉각 장치의 상대적 움직임이나 또는 그 역의 상대적 움직임을 통해, 특히 흔들리거나 진동하는 움직임을 통해, 도 10에 따른 냉각 패턴이 냉각되는 대상의 표면을 따라 움직인다; 고온의 대상으로부터 흘러나오는 매질은 냉각 블레이드(2) 사이에서 충분한 공간을 찾게 되고, 따라서 십자류가 냉각되는 표면 상에서 생성되지 않는다.
본 발명에 따르면, 사이의 공간에는 고온의 대상으로부터 흘러나오는 매질이 블레이드 사이에서 빨아들여질 수 있도록 추가의 십자류가 상응하는 흐름 매질과 함께 작용할 수 있다.
본 발명으로, 저렴하면서 대상 온도 및 가능한 처리시간에 있어서 높은 수준의 가변성을 갖고서 고온 물체의 균일한 냉각을 유리하게 달성할 수 있다.
1: 냉각 장치
2: 냉각 블레이드
3: 냉각 블레이드 베이스
4: 냉각 블레이드의 넓은 면
5: 냉각 블레이드의 좁은 면
6: 노즐 에지
7: 공동
8: 냉각 블레이드 틀
10: 노즐
11: 노즐 도관
12: 웨지형 버팀대
14: 유체 공급

Claims (9)

  1. 하나 이상의 냉각 블레이드(2) 또는 냉각 실린더를 갖고; 냉각 블레이드(2) 또는 냉각 실린더가 중공(hollow)에 구현되고 냉각 블레이드 노즐 에지(6) 또는 일렬로 배치된 다수의 냉각 실린더를 가지며; 냉각되는 제품으로 지향된 하나 이상의 노즐(10)이 노즐 에지(6)에 제공되고; 냉각되는 표면의 흐름 패턴이 벌집모양 구조를 형성하도록 7개 이상의 냉각 블레이드가 배치되는 것을 특징으로 하는, 고온 제품을 냉각하는, 특히 고온의 주로 비-무한인 표면을 균일하고 비접촉으로 냉각하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    다수의 냉각 블레이드(2)가 나란하고 서로 떨어져서 배치되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각 블레이드(2)가 노즐 에지(6)에서 노즐(10) 사이 거리의 절반으로 각각 서로 오프셋(offset) 되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각 블레이드(2)가 냉각 블레이드 베이스(3), 냉각 블레이드의 넓은 면(4), 냉각 블레이드의 좁은 면(5) 및 노즐 에지(6)를 가지고; 노즐 에지(6), 냉각 블레이드의 넓은 면(4) 및 냉각 블레이드의 좁은 면(5)이 공동(7)의 둘레를 이루고, 냉각 블레이드(2)가 냉각 블레이드 틀(8) 내 또는 위에 냉각 블레이드 베이스(3)와 함께 위치하고; 냉각 블레이드 틀(8)이 유체 공급을 위하여 유체 박스(15)에 위치할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    이동 기구(16)가 제공되고, 이동 기구에 의해 냉각 블레이드(2)가 냉각 블레이드 틀(8) 및 유체 공급 박스(15)와 함께 흔들리거나 또는 진동하는 방식으로 냉각되는 대상을 가로질러서 움직일 수 있고, 또는 이동 기구에 의해 냉각되는 대상이 흔들리거나 또는 진동하는 방식으로 냉각 블레이드(2)에 대해 상대적으로 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각 블레이드 및/또는 냉각 실린더 및/또는 냉각 장치는 장치가 구현되는 유닛을 가져서 특히 X, Y 또는 Z 축으로 흔들리거나 또는 진동하는 방식으로 움직일 수 있거나, 또는 장치가, 특히 냉각 블레이드 및/또는 냉각 장치에 대하여 상대적인 X, Y 또는 Z 축으로 흔들리거나 또는 진동하는 방식으로 냉각되는 제품을 움직일 수 있는 이동 기구를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음의 조건이 있는 것을 특징으로 하는 장치:
    노즐의 수력학적 직경 = DH (이때, DH = 4 x A / U임);
    대상으로부터 노즐까지의 거리 = H;
    두 냉각 블레이드/냉각 실린더 사이의 거리 = S;
    노즐의 길이 = L;
    L >= 6 x DH;
    H <= 6 x DH, 특히 4~6 x DH;
    S <= 6 x DH, 특히 4~6 x DH (엇갈린 배열);
    진동 = X, Y(가능하게는 Z)에서 두 냉각 블레이드 사이 간격의 절반임.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    장치를 이동시키는 기구는 사이클당 0.25초의 진동속도를 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 냉각 장치(1) 및 고온의 표면을 갖는 제품이 서로에 대해 상대적으로 움직이고; 냉각 장치(1)가 서로 평행하고 떨어져 있는 2개 이상의 냉각 블레이드(2)를 갖고; 냉각 블레이드(2)가 냉각되는 제품에 지향된 노즐(10)을 갖는 노즐 에지(6)를 갖고; 냉각 유체가 노즐(10)에 의해 냉각되는 제품의 표면으로 향하게 되고; 고온 표면과 접촉한 후에, 냉각 유체가 블레이드(2) 사이의 공간에서 흘러나가는 것을 특징으로 하는, 특히 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 장치를 사용하여, 고온 제품을 냉각하는, 특히 고온의 주로 비-무한인 표면을 균일하게 비접촉으로 냉각하는 방법.
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