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1 한국산학기술학회논문지 Vol. 1, No. 4, pp , 29 설용태 1, 이의용 2, 권혁민 2* 1 호서대학교전기공학과, 2 ( 주 ) 에이티에스 Developmen of inducion heaing superheaer sysem using new hea exchanging mehod Sul, Yong Tae 1, Lee, Eui Yong 2 and Kwon, Hyuk Min 2* 1 Elecrical Engineering Hoseo Universiy, 2 ATS Co., Ld 요약본논문에서는공진형유도가열기를이용한 2단직렬부하형유도가열과열증기발생장치를제안하였다. 발열방식은외부의가열코일로부터특수합금발열체에비접촉상태로전자유도와전류를구조체에흐르게하였다. 인버터는풀-브리지고주파직렬부하공진형이며, LC 공진설계에서부하자체를인덕터로선정하여효율을최대화하였다. 개발된장치는전자유도가열발열체와유체이동에의한새로운열교환방식으로일체의연소과정없이기체, 액체및증발체등을상온에서고온에이르기까지고정도의가열이가능하다. Absrac Two sep serial load inducion superheaer has been proposed using resonance ype inducion hea mehod in his paper. Hea mehod is a ype of flowing he elecron inducion and curren o special alloy heaer in body from exernal hea coil wih non-conac mehod. Inverer was a full bridge serial load resonance ype and inducor was used as load in LC resonance design o maximize he efficiency. The developed sysem is a new hea exchanging mehod combined wih elecromagneic inducion heaer and fluid movemen, and very accurae o conrol of heaing he gas, liquid and evaporaed mass, so on wihou combusion process. Key Words : Inducion Heaing, Resonan, Inverer, Superheaer 1. 서론 최근섬유나제지의건조공정이나, 폐기물건조, 조리, 살균등여러산업분야에서 1[ ] 이상의증기인과열증기를활용하는신기술공정이다양해지고있다. 이러한과열증기를기존과같이화석연료를연소시켜발생할경우에는환경오염과고유가에따른비용등의문제가발생하여새로운방식의과열증기발생에대한연구가활발해지고있다 [1]. 그중에서온도제어신뢰성에뛰어난특성을보이는전자유도유체가열기술은 IGBT(Insulaed Gae Bipolar Transisor) 를이용한고주파인버터를사용하여고성능, 고효율의시스템화가가능한전력전자의새로운분야로주목받고있다. 이러한고주파인버터는상용교류 다이 오드정류비평활직류로부터수 [khz] 수[MHz] 의고주파교류를발생시킬수있다. 고주파인버터는모듈타입의 IGBT를사용한전압형직렬부하고주파공진형인버터를도입하여부하로서고주파자속을발생시키는유도자워크코일, 즉이동유체를가열시키기위해와전류를이용하는새로운방법의설계로넓은전열면적의적층형발열체를사용한다. 이러한전기에너지의열교환시스템은절연체의파이프내부에새롭게설계된유도발열체구조물을통과하는이동유체의난류를이용하여유체를내부로부터가열하는방식이다 [2,3]. 본논문에서는절연체용기내에전도성의특수합금발열체부하를수납하여용기외부의고주파공진형인버터접속의가열코일로부터비접촉상태로전자유도와전류를구조체에흘림으로서발열하게되는새로운유체가 본논문은호서대학교벤처산학컨소시엄연구과제로수행되었음. * 교신저자 : 권혁민 (hmkwon@a-s.co.kr) 접수일 9 년 3 월 4 일수정일 9 년 4 월 17 일게재확정일 9 년 4 년 22 일 74

2 열방식을제안하였다. 제안한장치는전자유도가열발열체와유체이동에의한새로운열교환방식으로파이프라인시스템에있어서여러가지의기체, 액체및증발체등을상온에서 5[ ] 이상의고온에이르기까지고정도의가열이가능한방법으로일체의연소과정이없다는점에서작업환경의개선이가능하다. 설계한시스템인버터는스위칭주파수 2[kHz] 대역에서작동되는풀-브리지고주파직렬부하공진형이며수증기발생의 1단가열부와과열증기발생의 2단가열부로구성하였으며인덕터와커패시터공진설계에서부하자체를인덕터로설계하여효율을최대화하였다. 여기서, : Hyseresis 계수, : 주파수, : 최대자속밀도 [ ], : 철심의체적 [ ] 이다. 이도체내에는전자유도작용에의하여코일내에있는금속은변압기의 2차권선에기전력이발생하는것과같이유도전류가발생하여와전류가흐르게되며, 이와전류는금속의단면각부에균일하게흐르는것이아니고금속의표면에집중적으로흐르게되며내부로갈수록지수함수적으로감소하게된다. 이와전류가임의의저항을가진도체내를흐르면그도체내에주울열이발생하며이것을와전류손실 (Eddy Curren Loss) 라고하며다음식 (2) 와같다. 2. 유도가열의원리 유도가열 (Inducion Heaing) 은 1831년 Michael Faraday의전자유도현상을이용한것으로가열코일에고주파교류전류가흐를때발생하는고주파교류자계중에도전성의금속물질을위치시키면금속물질의표면에유도와전류 (Eddy Curren) 가발생하여금속의표피저항에의한주울 (Joule) 열이발생하게되는원리이다. (2) 여기서, : 철심의반지름 [ ], : 주파수 [ ], : 최대자속밀도 [ ], : 저항률 [ ], : 철심의체적 [ ] 이다. 와전류는금속의표면에집중하므로전류의침투깊이 (Skin Deph) 는주파수에반비례함으로써금속의표면가열을할수있으며, 식 (3) 과같다. (3) [ 그림 1] 유도가열의원리그림 1과같이가열하고자하는도체에코일을감고이코일에고주파교류전류를흘리면도체내에는고주파자속이발생한다. 이자속은전류의교번에의해히스테리루프를그리게되며, 이현상이발생하면자성체는발열하여온도를상승시키는데이것을히스테리시스손실 (Hyseresis Loss) 이라한다. 이손실의크기는자성체에따라다르지만면적이클수록손실이크며이손실은다음식 (1) 과같다. (1) 여기서, : 침투깊이 [ ], : 전도도 [ ], : 투자율 [ ] 이다. 원주금속내를흐르는유도전류는표면에가장강하게발생하고내부로갈수록지수함수적으로감소하는것이특징으로, 이러한경향은전원의주파수가높을수록현저하다. 이러한열의대부분은위의식으로표현되는 내에분포하게되며 는유도가열의여러응용분야에서인버터동작주파수를결정하는주요한요소가된다 [4,5]. 3. 고주파공진형인버터 그림 2는고주파인버터로서풀-브리지전압형직렬부하공진형인버터의전기회로모델이다. 이것은절연파이프의두께, 내부의공진발열체의소재그리고가열유체계에의해변화하는인덕턴스와저항분으로구성된다. 741

3 한국산학기술학회논문지제 1 권제 4 호, 29 AC Cf S1 S4 High-Frequency Inverer D1 Lr Cr D4 S3 S2 D3 D2 로무효전력의양이가감된다. 부하를공진형으로구성하여공진주파수보다높은주파수로스위칭하면자동적으로턴-온시에영전압스위칭 (Zero Volage Swiching) 을구현할수있는장점이있다. 그러나스위칭주파수가높아질수록손실이증가하므로보조회로를사용하거나스위칭제어방식을조정하여손실을저감시킬수있다 [5]. [ 그림 2] 풀 - 브리지공진형인버터회로도 (a) Va S₁ S₄ S₁ 위그림 2와같이독립적으로동작할수있는 2개의레그로구성된단상풀-브리지인버터에서각레그의전압이구형파이면서서로 18 위상차가되도록제어하면출력전압도구형파가된다. 출력전압을구형파로제어할 (b) (c) Vb Vo io S₃ S₂ S₂ VDC S₁, S₂ 온 S₁, S₂ 온 S₃, S₄ 온 2 3 -VDC 전력공급회생모드모드 경우, 실제회로에서스위치 S 1, S 2 와 S 3, S 4 는동시에온 오프되는스위치쌍처럼동작하며각스위치쌍의통류율 (duy raio) D는 5[%] 가된다. 그림 3은스위칭주파수의출력파형을나타낸것이다. (d) (e) io ₁ ₃ ₂ D₁,D₂ S₁,S₂ D₃,D₄ S₃,S₄ ₄ io (f) [ 그림 4] 풀 - 브리지인버터의동작파형 [ 그림 3] 스위칭주파수출력파형대전력스위칭회로에서는상부 ( 위쪽 IGBT) 와하부 ( 아래쪽 IGBT) 의암쇼트에의해서관통전류가발생하게된다. 관통전류가발생하는원인은푸쉬-풀구동 (push-full driving) 시소자의턴오프지연 (urn off delay) 이발생하여위, 아래상이순간적으로동시에온되기때문이다. 따라서보통윗상과아래상의스위칭사이에수 [μs] 의불감시간대 (dead ime) 를고의로발생시키게된다. 대개 IGBT의경우에는 2~3[μs] 정도를사용하며, 스위칭속도가좀더빠른 MOSFET(Meal Oxide Semiconducor Field Effec Transisor) 의경우에는 1~1.5[μs] 정도를사용한다. 전압형인버터로구성된유도가열장치는출력을조절하기위해스위칭주파수보다높은주파수로스위칭하여인가전압에따른회로내의전류위상지연되어상대적으 그림 4는 RLC를부하로갖는단상풀-브리지공진형인버터의각부파형을나타낸다. 그림에서파형 (a) 와 (b) 는스위칭상태를나타내며, 파형 (c) 는출력전압을나타낸다. 그리고파형 (d), (e), (f) 는출력전류파형을나타낸것으로 (d) 는공진주파수와스위칭주파수를같게할경우, (e) 는스위칭주파수를공진주파수보다낮게할경우, (f) 는스위칭주파수를공진주파수보다높게할경우의파형이다 [6]. 본연구에서는영전압스위칭동작을얻고안정적인스위칭동작이이루어지도록공진점을약간상회하도록스위칭주파수를선정하였다. 인버터는영전압스위칭에의해인버터의스위칭손실을줄일수있었다. 그림 5는스위칭주파수에따른출력파형을나타낸것이다. 실험조건은입력전압 3상 2[V] 이고, 공진파라메타로커패시터와인덕터값을고정시킨상태이며스위칭주파수에따른전압과전류파형을나타낸것이다. 그림 6은주파수에따른출력값을그래프로나타낸것이다. 742

4 4. 과열증기발생시스템의구성 본논문에서제안된유도가열용인버터는그림 7과같이구성하였다. (a) 주파수 25[kHz] [ 그림 7] 제안한인버터시스템의블록도 전류 [A], 전력 [kw] (b) 주파수 31[kHz] (c) 주파수 4[kHz] [ 그림 5] 스위칭주파수에따른출력파형 주파수에따른출력 주파수 [khz] [ 그림 6] 주파수에따른출력값 전류 (A) 전력 (kw) 시스템구성은크게입력부, 전력변환부, 출력부로나눌수있다. 입력부는정류회로로구성되며주요소자는브리지다이오드와커패시터이다. 전력변환부는스위칭소자와스너버회로, 구동회로로구성된다. 스위칭소자는모듈타입으로된 IGBT이며구동회로는보호회로가내장된전용드라이버를사용하였고, 컨트롤러는 AVR amega 시리즈를사용하였다. 그리고출력부는공진회로로구성되며커패시터 (C) 와부하인덕터 (L) 가있다. 본논문에서공진파라메타로공진탱크의커패시턴스는용량이.1[μF] 인고내압커패시터 1~1개를병렬연결하여사용하였으며, 부하의인덕턴스는 5~15[μH] 로조정하였다. 공진커패시터는주파수특성이좋은폴리프로필렌계열을주로사용하지만리플전류를고려해서적절한용량의것을사용하였다. 또부하이자공진인덕터는 1차측엔자성스테인레스 ( 발열체 ), 테프론 ( 절연체 ), 리츠선 (Liz Wire-가열코일 ) 으로, 2차측엔카본세라믹 ( 발열체 ), 세라믹 ( 절연체 ), 리츠선 ( 가열코일 ) 으로특수하게설계하였다. 가열코일에는 2[kHZ] 이상의고주파전류가흐르기때문에고주파특성이뛰어난리츠선이사용되고있다. 리츠선은지름.1[mm] 정도의가는에나멜선또는폴리우레탄선등을수십가닥내지수백가닥을각각 1가닥씩특수한절연체로도포하거나견사 ( 絹絲 ) 로감은전선으로표면적을물리적으로크게하기위한것이며, 전기적으로는표피효과를작게하여주파수특성을개선함으로써노이즈나고주파전류에의한손실을저감할수있다. 743

5 한국산학기술학회논문지제 1 권제 4 호, 29 [ 그림 9] 2 단가열시스템의구조 [ 그림 8] 2단가열과열증기발생장치유도가열방식과열증기발생장치는그림 8과같이 1 단가열부와 2단가열부구성의 2단으로설계하였다. 1단가열부는물을가열하여 1[ ] 수증기를발생시킨다. 다시이증기는단열처리가되어있는배관을통하여 2단가열부를통과하면서추가가열되면여기서습공기인과열증기로변하여출구로배출된다. 그림 9는작은비열의발열체를급속하게온도를올릴수있는새로운유체가열시스템의구조이다. 이장치의구조는절연파이프내의가열용기내부에특수하게설계된발열체부하를가열코일로부터전자유도에의해와전류로발열시켜, 절연파이프용기내의물이나공기등의이동유체를전자유도발열체인부하에접촉시킨다. 규칙충진물을이용한열교환기는기존의열교환기에비해단위체적당전열면적이매우크고, 규칙충진물내부에전열촉진제를설치하여유동의혼합및난류를생성함으로써높은열전달특성을얻을수있는장점을지니고있다. 이와같은장점으로인해규칙충진물을사용하는열교환기는피가열유체와발열체와의온도차를줄일수있고발열체의과도한온도상승으로인한파손을방지할수있으며, 작은열용량으로급속한가열이가능한장점이있다. 1차측절연체의재질은 1[ ] 의물과수증기에견디고가공성이우수한테프론을사용하였으며, 압력을고려하여 2차측과같이세라믹가공도가능하다. 2차측발열체는카본세라믹으로하였다. 일반금속의경우초고온가열시큐리점관계로사용불가능하나카본세라믹의경우 1,[ ] 이상에서사용가능하다. 그리고 2차측절연체의재질은세라믹 ( 알루미나 99.8%) 으로사용온도가 1,8 [ ] 까지이다. 2단가열부의출구에는온도센서가장착되어있어출구의과열증기온도를읽을수있으며, 온도제어기를통한 PID(Proporional-Inegral-Derivaive) 제어로공진인버터의출력을제어하여과열증기의온도를정밀하게제어할수가있다. 각각의가열부에는공진형인버터가연결되어있으며, 1차수증기를발생시키는가열부에는역시수위조절기가장착되어항상일정수위이상유지되도록하였다. (a) 1[%] 출력 (b) 5[%] 출력 744

(c) 1[%] 출력 [ 그림 1] PID제어기에의한주파수출력파형그림 1은 PID 온도컨트롤러의제어신호에따른주파수출력파형을나타낸다. 제어기의 4~2[mA] 전류신호는전압값으로환산되어 MCU(AVR amega) 의포텐셔메타를조정하여 1[%]~[%] 출력을제어한다. and Elecrical Drives, pp. 172-176, 24. [3] Y. J.

[4] 백주원, 고품위식품제조를위한초급속가열기기개발, 농림부과제, 최종보고서, pp.16-18, 24. [5] 김홍삼, 유도가열을위한새로운소프트스위칭고주파인버터에관한연구, 경남대학교산업대학원전기공학과석사학위논문, pp.1-1, 28. [6] 노의철, 정규범, 최남섭, 전력전자공학, 문운당, pp.313-415, 22.

6 (c) 1[%] 출력 [ 그림 1] PID제어기에의한주파수출력파형그림 1은 PID 온도컨트롤러의제어신호에따른주파수출력파형을나타낸다. 제어기의 4~2[mA] 전류신호는전압값으로환산되어 MCU(AVR amega) 의포텐셔메타를조정하여 1[%]~[%] 출력을제어한다. and Elecrical Drives, pp , 24. [3] Y. J. KIM, K. H. KIM, D. C. SHIN, Elecromagneic Indirec Inducion Fluid Heaing Sysem using Series Resonan PWM Inverer and Is Performance Evaluaions, The Transacions of KIPE, vol. 7, No. 1, pp.48-53, 22. [4] 백주원, 고품위식품제조를위한초급속가열기기개발, 농림부과제, 최종보고서, pp.16-18, 24. [5] 김홍삼, 유도가열을위한새로운소프트스위칭고주파인버터에관한연구, 경남대학교산업대학원전기공학과석사학위논문, pp.1-1, 28. [6] 노의철, 정규범, 최남섭, 전력전자공학, 문운당, pp , 22. 설용태 (Yong-Tae Sul) [ 정회원 ] 5. 결론 본연구에서는전자유도가열발열체와유체이동에의한새로운열교환방식으로여러가지기체, 액체및증발체를고온까지가열을할수있는장치를제안하였다. 개발된장치는일체의연소과정이없는파이프라인시스템을사용하였고, 고주파인버터는모듈타입의 IGBT 를사용한직렬공진형인버터를도입하였다. 그리고부하로서이동유체를가열시키기위해고주파자속을발생시키는유도자가열코일을사용하였다. 개발된장치는일체의압력을가하지않고 5[ ] 이상의과열증기를단시간에발생시킬수있는장점을가지고있으며, 인덕터와커패시터공진에있어서부하자체를인덕터로사용하여효율을높일수있었다. 따라서이론적고찰과실험을통하여고주파공진형인버터를이용한유체가열방식이유도가열에있어새로운가열방식으로서의가능성을확인할수있었다. 참고문헌 [1] 김옥신, 이동현, 전원표, 과열증기이용친환경건조기술, Korean Chem. Eng. Res., Vol. 46, No. 2, pp , 28. [2] D. C. Shin, H. M. Kwon, Y. J. Kim, H. D. Lee, K. H. Kim, Developmen a Heaer using Inducion Heaing Based on a High Frequency Resonan Inverer, German - Korean Symposium 24 on Power Elecronics < 관심분야 > 유도가열, 반도체 1979 년 2 월 : 한양대학교전기공학과 ( 공학사 ) 1981 년 2 월 : 한양대학교전기공학과 ( 공학석사 ) 1984 년 8 월 : 한양대학교전기공학과 ( 공학박사 ) 1985 년 3 월 ~ 현재 : 호서대학교전기공학과교수 이의용 (Eui-Yong Lee) [ 정회원 ] < 관심분야 > 유도가열, 반도체, RF 1991 년 2 월 : 순천향대학교전기공학과 ( 공학사 ) 1993 년 2 월 : 호서대학교전기공학과 ( 공학석사 ) 24 년 2 월 : 호서대학교전기공학과 ( 공학박사 ) 21 년 7 월 ~ 현재 : ( 주 ) 에이티에스대표이사 745

7 한국산학기술학회논문지제 1 권제 4 호, 29 권혁민 (Hyuk-Min Kwon) [ 정회원 ] 1999 년 2 월 : 호서대학교전기공학과 ( 공학사 ) 21 년 8 월 : 호서대학교전기공학과 ( 공학석사 ) 26 년 2 월 : 호서대학교전기공학과 ( 공학박사 ) 26 년 2 월 ~ 현재 : ( 주 ) 에이티에스부설연구소연구소장 < 관심분야 > 유도가열, 반도체 746

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