KR20230094749A - 수직형 소성로의 히터 - Google Patents

수직형 소성로의 히터 Download PDF

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Abstract

수직형 소성로의 히터를 제공한다. 본 발명에 따른 히터는, 흑연화 원료를 소성화시킬 수 있는 온도를 발생하기 위한 히터부, 히터부의 상부에 접속되고 전기 통전을 위한 상부 전극이 설치되는 상부 접속부, 및 히터부의 하부에 접속되고 전기 통전을 위한 하부 전극이 설치되는 하부 접속부를 포함한다.

Description

수직형 소성로의 히터{HEATER FOR VERTICL SINTERING FURNACE}
본 발명은 소성로의 히터에 관한 것으로서 보다 상세하게는 수직형 소성로의 히터에 관한 것이다.
일반적으로, 인조 흑연 소성로는 히터를 이용하여 예컨대, 2900℃~3000℃ 초고온으로 가열하고, 히터 내부로 흑연화 원료인 하소 코크스를 일정 시간 체류시켜 인조 흑연을 제조한다.
이때, 흑연화 원료를 가열하기 위한 가열 수단으로 흑연 소재의 히터를 사용한다. 또한, 인조 흑연 소성로는 연속적인 흑연 제조를 위하여 수직형 타입을 주로 사용하고 있다.
이러한 수직형 인조 흑연 소성로의 히터는 단열재로 둘러싸인 로 중심부에 수직으로 설치된다.
동일한 재질 및 동일한 크기의 일체형 히터를 소성로에 설치하고 통전을 실시하면, 전체 히터에 동일한 온도로 발열된다.
이때, 발생되는 열을 강제 냉각시키기 위해서는 막대한 양의 에너지 손실이 발생된다.
본 발명은 수직형 흑연 소성로의 히터 상, 하부에 설치된 전극부 주위에서 발생되는 열을 최소화하고 히터 중앙부에서 흑연화 원료의 소성에 필요한 최적 온도를 발생할 수 있도록 한 수직형 소성로의 히터를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 수직형 소성로의 히터는, 지면 또는 설치면에 수직 방향으로 설치되는 수직형 소성로의 히터로서, 흑연화 원료를 소성화시킬 수 있는 온도를 발생하기 위한 히터부와, 히터부의 상부에 접속되고 적어도 일부가 히터의 외부로 돌출되며 전기 통전을 위한 상부 전극이 설치되는 상부 접속부를 포함할 수 있다. 또한, 히터는 히터부의 하부에 접속되고 적어도 일부가 히터의 외부로 돌출되며 전기 통전을 위한 하부 전극이 설치되는 하부 접속부를 포함할 수 있다.
상부 접속부 및 하부 접속부는 히터부와 동일한 재질로 이루어지거나, 다른 재질로 이루어질 수 있다.
히터는 사각관 형태 또는 원형관 형태로 이루어질 수 있다.
히터가 사각관 형태로 이루어지는 경우, 히터부, 상부 접속부, 및 하부 접속부의 내부 벽면에는 모두 동일한 크기의 사각 단면을 가진 유로가 배치될 수 있다.
상부 접속부의 외측면에는 히터부의 외측면이 이루는 직선으로부터 상기 상부 접속부의 폭 방향으로 확장되는 제1 상부 확장부가 구비될 수 있다.
제1 상부 확장부의 외측면 폭 방향의 길이는, 히터부의 외측면의 폭 방향의 길이 대비 1,5배 내지 5배 범위로 설정될 수 있다.
하부 접속부의 외측면에는 히터부의 외측면이 이루는 직선으로부터 하부 접속부의 폭 방향으로 확장되는 제1 하부 확장부가 구비될 수 있다.
제1 하부 확장부의 외측면 폭 방향의 길이는, 히터부의 외측면의 폭 방향의 길이 대비 1,5배 내지 5배 범위로 설정될 수 있다.
히터가 원형관 형태로 이루어지는 경우, 히터부, 상부 접속부, 및 하부 접속부의 내주면에는 모두 동일한 크기의 원형 단면을 가진 유로가 배치될 수 있다.
상부 접속부의 외측면에는 히터부의 외측면이 이루는 직선으로부터 상부 접속부의 직경 방향으로 확장되는 제2 상부 확장부가 구비될 수 있다.
제2 상부 확장부의 외경의 크기는, 히터부의 외경의 크기 대비 1,5배 내지 5배 범위로 설정될 수 있다.
하부 접속부의 외측면에는 히터부의 외측면이 이루는 직선으로부터 하부 접속부의 직경 방향으로 확장되는 제2 하부 확장부가 구비될 수 있다.
제2 하부 확장부의 외경의 크기는, 히터부의 외경의 크기 대비 1,5배 내지 5배 범위로 설정될 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 수직형 흑연 소성로의 히터 상, 하부에 설치된 전극부 주위에서 발생되는 열을 최소화하고 히터 중앙부에서 흑연화 원료의 소성에 필요한 최적 온도를 발생할 수 있다.
이에 따라, 히터의 전기 통전 시 사각관 형태 및 원형관 형태의 히터의 상부 접속부 및 하부 접속부의 저항 값을 수직형 소성로 상황에 맞게 적절히 설계 및 제작하여 고효율화를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 소성로의 히터의 장착 상태를 나타낸 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 소성로의 히터의 제1 실시예의 개략적인 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 소성로의 히터의 제1 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 소성로의 히터의 제2 실시예의 개략적인 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 소성로의 히터의 제2 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 수직형 소성로의 히터 등가 저항 구조 및 전기 통전 회로도를 도시한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 소성로의 히터의 장착 상태를 나타낸 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 소성로(미도시)의 히터의 제1 실시예의 개략적인 구성도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 소성로의 히터(100)는 지면 또는 설치면 등에 수직 방향(도 1의 Y 방향)으로 설치된다.
이러한 히터(100)는, 히터부(110), 상부 접속부(120), 및 하부 접속부(140)를 포함할 수 있다.
히터부(110)는 히터(100)의 수직 방향 중앙부에 배치되고, 흑연화 원료를 소성화시킬 수 있는 온도를 발생할 수 있다.
또한, 상부 접속부(120)는 히터부(110)의 상부에 접속되고, 적어도 일부가 히터(100)의 외부로 돌출되며, 그 상단부에 전기 통전을 위한 상부 전극(130)이 설치될 수 있다.
하부 접속부(140)는 히터부(110)의 하부에 접속되고, 적어도 일부가 히터(100)의 외부로 돌출되며, 그 하단부에 전기 통전을 위한 하부 전극(150)이 설치될 수 있다.
히터(100)의 외측에는 히터(100)를 단열하기 위한 단열재(200)가 설치될 수 있다.
상부 접속부(120) 및 하부 접속부(140)는 히터부(110)와 동일한 재질로 이루어지거나, 다른 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상부 접속부(120) 및 하부 접속부(140)는, 히터(100)에 전기 통전 시 히터부(110)에 비해 발열량이 적도록 히터부(110)의 재질이 갖는 비저항보다 더 작은 비저항을 갖는 재질로 이루어질 수 있다.
히터부(110), 상부 접속부(120), 및 하부 접속부(140)는 사각관 형태 또는 원형관 형태 등으로 이루어질 수 있다.
먼저, 히터(100)의 제1 실시예로서, 히터(100)의 히터부(110), 상부 접속부(120), 및 하부 접속부(140)가 사각관 형태인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
히터부(110), 상부 접속부(120), 및 하부 접속부(140)의 내부 벽면은 흑연화 원료가 장입 및 가열될 수 있도록 모두 동일한 크기의 사각 단면을 가진 유로(101)가 배치될 수 있다.
상부 접속부(120)의 외측면에는 히터부(110)의 외측면이 이루는 직선(X1-X1 선)으로부터 상부 접속부(120)의 폭 방향(도 2에서 X 방향)으로 설정 길이 확장되는 제1 상부 확장부(121)가 일체로 구비될 수 있다.
제1 상부 확장부(121)의 외측면 폭 방향의 길이(W12)는, 히터(100)에 전기 통정 시 히터부(110) 대비 저항이 설정 비율만큼 작아지도록 히터부(110)의 외측면의 폭 방향(도 2에서 X 방향)의 길이(W11) 대비 1,5배 내지 5배 범위로 설정될 수 있다.
여기서, 제1 상부 확장부(121)의 외측면 폭 방향 길이(W12)라 함은, 제1 상부 확장부(121)의 사각관의 대향하는 두변 사이의 거리, 특히 직사각관 형태일 경우에는 대향하는 단변 사이의 거리를 가리킬 수 있다.
또한, 하부 접속부(140)의 외측면에는 히터부(110)의 외측면이 이루는 직선(X1-X1 선)으로부터 하부 접속부(140)의 폭 방향(도 2에서 X 방향)으로 설정 길이 확장되는 제1 하부 확장부(141)가 일체로 구비될 수 있다.
제1 하부 확장부(141)의 외측면 폭 방향의 길이(W13)는, 히터(100)에 전기 통정 시 히터부(110) 대비 저항이 설정 비율만큼 작아지도록 히터부(110)의 외측면의 폭 방향(도 2에서 X 방향)의 길이(W11) 대비 1,5배 내지 5배 범위로 설정될 수 있다.
여기서, 제1 하부 확장부(141)의 외측면 폭 방향 길이(W13)라 함은, 제1 하부 확장부(141)의 사각관의 대향하는 두변 사이의 거리, 특히 직사각관 형태일 경우에는 대향하는 단변 사이의 거리를 가리킬 수 있다.
이하에서, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 소성로의 히터의 제1 실시예의 작동에 대해서 설명한다.
하기에서는 히터(100)의 제1 실시예로 예로 들어 설명하지만 히터(100)의 제2 실시예에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
히터(100)를 3구간 즉, 상부 접속부(120), 히터부(110), 하부 접속부(140)로 구분 제작하고 이를 연결하여 전체 히터(100)를 제작한다.
이에 따라, 상부 접속부(120) 및 하부 접속부(140)에 설치된 상부 전극(130)과 하부 전극(150) 부위에서 발생하는 열을 최소화하고 소성로 중앙부 즉, 히터(100)의 중간 부위인 히터부(110)에서는 소성에 필요한 충분한 온도를 발생시킬 수 있다.
또한, 상부 접속부(120) 및 하부 접속부(140)는 적어도 일부가 히터(100)의 외부로 돌출되어 있으므로, 히터(100)의 외부로 돌출된 부분에서 용이하게 냉각될 수 있다.
이때, 상부 접속부(120)와 하부 접속부(140)의 재질을 히터(100)의 중간부에 위치한 히터부(110) 대비 비저항이 작은 탄소 재질을 선정하고 동시에 물리적인 크기를 히터(100) 중앙부의 히터부(110) 대비 크게 제작한다.
즉, 제1 상부 확장부(121) 및 제1 하부 확장부(141)의 외측면 폭 방향의 길이(W12, W13)를, 히터부(110)의 외측면의 폭 방향(도 2에서 X 방향)의 길이(W11) 대비 1,5배 내지 5배 범위로 설정한다.
이에 따라, 히터(100)에 전기 통정 시 제1 상부 확장부(121) 및 제1 하부 확장부(141)의 등가저항은 히터부(110) 대비 설정 비율만큼 작은 값을 갖게 되며, 따라서 발열량도 그 만큼 작아지게 되므로, 상부 전극(130)과 하부 전극(150)의 냉각에 의한 열손실을 크게 줄일 수 있다.
또한, 히터(100)가 상부 접속부(120), 히터부(110), 하부 접속부(140)의 3개 부품으로 구성 시, 히터(100)의 유지보수 시 손상 부분만 교체하여 최적으로 히터(100)를 관리할 수 있다.
이와 같이 히터(100)를 구성하는 이유를 전기적인 관점에서 살펴보면 다음과 같이 설명될 수 있다.
전기적인 관점에서 보면 히터(100)는 3개 저항의 직렬 연결 구조로 볼 수 있다. 도 6에 본 발명에 따른 수직형 소성로의 히터 등가 저항 구조 및 전기 통전 회로도를 도시하였다.
즉, 히터(100) 등가 저항 구조는 상부 접속부(120) 저항, 히터부(110) 저항 및 하부 접속부(140) 저항으로 구성되어 있다.
히터(100)에 공급되는 전력을 제어하기 위한 SCR 전력 소자를 이용하여 위상제어한다.
흑연 히터(100)의 저항은 통상 수 미리옴 정도의 아주 낮은 저항을 가지므로, 대전류 변환 변압기를 이용하여 저전압 대전류로 변환 후, 히터(100)에 전력을 공급한다.
저항에서 소모하는 전력은 저항을 통과하는 전류의 제곱에 저항 값을 곱한 값이다. 따라서, 히터 등가 저항구조에서 각 저항에서 소모하는 전력은 아래 식 (1-1), (1-2), (1-3)으로 나타낼 수 있다.
상부 접속부 소모전력 = (부하 전류)2 ⅹ 상부 접속부 저항 --- (1-1)
히터부 소모전력 = (부하 전류)2 ⅹ 히터부 저항 --- (1-2)
하부 접속부 소모전력 = (부하 전류)2 ⅹ 하부 접속부 저항 --- (1-3)
히터(100)의 각 부위에서 소모하는 전력은 직렬 연결이므로, 부하 전류는 동일하다. 실제 각 부위별 소모 전력을 좌우하는 값은 부위별 저항 값이다.
따라서, 소성로 전력 효율을 향상시키기 위해서는 상부 접속부(120) 및 하부 접속부(140)의 저항을 히터부(110) 대비하여 최소화하여야 한다.
또한, 흑연 히터의 저항은 아래 식2 로 구할 수 있다.
R(저항)=ρ(비저항)ⅹL(길이)/S(단면적) --- (2)
ρ(비저항)은 흑연 히터 재질의 비저항을 의미한다. 단위는 Ωm이다.
저항은 비저항과 길이에 비례하고, 단면적에 반비례한다. 따라서, 히터(100)의 비저항이 작거나 단면적이 커지면 저항은 작아지게 된다.
따라서, 히터(100)의 상부 접속부(120) 및 하부 접속부(140)의 흑연 재질을 비저항이 작은 재질로 선정하고 도 2 및 도 3에 나타난 것과 같이 폭 방향 길이를 확장하게 되면, 히터(100) 중앙부의 히터부(110) 대비하여 저항이 작아지게 된다.
이하에서는, 도 4 및 도 5를 참고하여 히터(100)의 제2 실시예로서, 히터(100)의 히터부(110A), 상부 접속부(120A), 및 하부 접속부(140A)가 원형관 형태인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
여기에서는, 히터부(110), 상부 접속부(120), 및 하부 접속부(140)가 사각관 형태인 경우와 구분하기 위하여 사각관 형태의 도면부호에 A를 부가하였다.
히터(100)의 히터부(110A), 상부 접속부(120A), 및 하부 접속부(140A)의 내주면에는 흑연화 원료가 장입 및 가열될 수 있도록 모두 동일한 직경의 원형 단면을 가진 유로(103)가 배치될 수 있다.
또한, 상부 접속부(120A)의 외측면에는 히터부(110A)의 외측면이 이루는 직선(X2-X2 선)으로부터 상부 접속부(120A)의 직경 방향(도 4에서 X 방향) 외측으로 설정 길이 확장되는 제2 상부 확장부(121A)가 일체로 구비될 수 있다.
제2 상부 확장부(121A)의 외경의 크기(D12)는, 히터(100)에 전기 통전 시 히터부(110A) 대비 저항이 설정 비율만큼 작아지도록 히터부(110A)의 외경의 크기(D11) 대비 1,5배 내지 5배 범위로 설정될 수 있다.
또한, 하부 접속부(140A)의 외측면에는 히터부(110A)의 외측면이 이루는 직선(X2-X2 선)으로부터 하부 접속부(140A)의 직경 방향(도 4에서 X 방향) 외측으로 설정 길이 확장되는 제2 하부 확장부(141A)가 일체로 구비될 수 있다.
제2 하부 확장부(141A)의 외경의 크기(D13)는, 히터(100)에 전기 통전 시 히터부(110A) 대비 저항이 설정 비율만큼 작아지도록 히터부(110A)의 외경의 크기(D11) 대비 1,5배 내지 5배 범위로 설정될 수 있다.
이하에서, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 소성로의 히터의 제2 실시예의 작동에 대해서 설명한다.
제2 상부 확장부(121A)의 외경의 크기(D12)를, 히터부(110A)의 외경의 크기(D11) 대비 1,5배 내지 5배 범위로 설정하며, 또한 제2 하부 확장부(141A)의 외경의 크기(D13)를 히터부(110A)의 외경의 크기(D11) 대비 1,5배 내지 5배 범위로 설정한다.
이에 따라, 히터(100)에 전기 통전 시 제2 상부 확장부(121A) 및 제2 하부 확장부(141A)의 등가저항은 히터부(110A) 대비 설정 비율만큼 작은 값을 갖게 되며, 따라서 발열량도 그 만큼 작아지게 되므로, 상부 전극(130)과 하부 전극(150)의 냉각에 의한 열손실을 크게 줄일 수 있다.
본 개시를 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
100: 히터
110: 히터부
120: 상부 접속부
121: 제1 상부 확장부
121A: 제2 상부 확장부
130: 하부 접속부
131: 제1 하부 확장부
131A: 제2 하부 확장부

Claims (13)

  1. 지면 또는 설치면에 수직 방향으로 설치되는 수직형 소성로의 히터로서,
    흑연화 원료를 소성화시킬 수 있는 온도를 발생하기 위한 히터부,
    상기 히터부의 상부에 접속되고, 적어도 일부가 상기 히터의 외부로 돌출되며 전기 통전을 위한 상부 전극이 설치되는 상부 접속부, 및
    상기 히터부의 하부에 접속되고, 적어도 일부가 상기 히터의 외부로 돌출되며 전기 통전을 위한 하부 전극이 설치되는 하부 접속부
    를 포함하는 수직형 소성로의 히터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 접속부 및 상기 하부 접속부는 상기 히터부와 동일한 재질로 이루어지거나, 다른 재질로 이루어지는, 수직형 소성로의 히터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 히터는 사각관 형태 또는 원형관 형태로 이루어지는, 수직형 소성로의 히터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 히터가 사각관 형태로 이루어지는 경우, 상기 히터부, 상기 상부 접속부, 및 상기 하부 접속부의 내부 벽면에는 모두 동일한 크기의 사각 단면을 가진 유로가 배치되는, 수직형 소성로의 히터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상부 접속부의 외측면에는 상기 히터부의 외측면이 이루는 직선으로부터 상기 상부 접속부의 폭 방향으로 확장되는 제1 상부 확장부가 구비되는, 수직형 소성로의 히터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 상부 확장부의 외측면 폭 방향의 길이는, 상기 히터부의 외측면의 폭 방향의 길이 대비 1,5배 내지 5배 범위로 설정되는, 수직형 소성로의 히터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하부 접속부의 외측면에는 상기 히터부의 외측면이 이루는 직선으로부터 상기 하부 접속부의 폭 방향으로 확장되는 제1 하부 확장부가 구비되는, 수직형 소성로의 히터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 하부 확장부의 외측면 폭 방향의 길이는, 상기 히터부의 외측면의 폭 방향의 길이 대비 1,5배 내지 5배 범위로 설정되는, 수직형 소성로의 히터.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 히터가 원형관 형태로 이루어지는 경우, 상기 히터부, 상기 상부 접속부, 및 상기 하부 접속부의 내주면에는 모두 동일한 크기의 원형 단면을 가진 유로가 배치되는, 수직형 소성로의 히터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 상부 접속부의 외측면에는 상기 히터부의 외측면이 이루는 직선으로부터 상기 상부 접속부의 직경 방향으로 확장되는 제2 상부 확장부가 구비되는, 수직형 소성로의 히터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 상부 확장부의 외경의 크기는, 상기 히터부의 외경의 크기 대비 1,5배 내지 5배 범위로 설정되는, 수직형 소성로의 히터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하부 접속부의 외측면에는 상기 히터부의 외측면이 이루는 직선으로부터 상기 하부 접속부의 직경 방향으로 확장되는 제2 하부 확장부가 구비되는, 수직형 소성로의 히터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 하부 확장부의 외경의 크기는, 상기 히터부의 외경의 크기 대비 1,5배 내지 5배 범위로 설정되는, 수직형 소성로의 히터.
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