[논문]Mass Heating 고주파 유도가열 코일의 형상 설계에 관한 연구

이성형; 조윤현

Mass Heating 고주파 유도가열 코일의 형상 설계에 관한 연구
Study on the Design of Suitable Construction of High-Frequency Mass Heating Induction Coil 원문보기

이성형 (동아대) , 조윤현 (동아대)

본 논문에서는 mass heating에 적용되는 고주파 유도가열 코일의 형상설계에 대한 내용을 기술하였다. 고주파 전류가 흐르는 가운데, workpiece가 가장 고른 열분포 특성을 가질 수 있도록 가열시킬 수 있는 코일의 형태를 결정하는 과정을 나타내고 있다. 이를 설명하기 위해 유한요소법을 이용하여 와전류와 열전도 등의 결과를 데이터화하고 각 결과들의 순환적 재입력으로 수치들의 변화를 시각적으로 나타내어 제안된 코일 형상에 대한 효율성을 입증한다. 연구의 과정은 3차원 유한 요소 프로그램인 ANSYS로 이루어진다.

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문제 정의

유도가열의 여러 분야에서는 일반적으로 코일에 고전류가 흐르기 때문에 반드시 냉각에 대한 고려가 필요하다. 따라서 본 연구를 수행한 코일에 대해서도 가열의 과정동안 물로 인한 냉각이 이루어질 수 있도록 설계되었다. 솔레노이드형 가열코일에서 일반적으로 자속은 중심으로 집중되는 현상이 나타난다.

제안 방법

가능한 다른 모든 조건들의 변화는 배제하였으며, 오직 코일의 일정한 offset 영향만을 살펴보았다.
첫 번째는 여섯 코일의 강판을 위, 아래로 평범하게 배치한 채로 해석을 수행하였으며, 두 번째는 중심부의 열 집중을 생각하여 가운데 두 코일을 10[mm] 상승시켰다. 세 번째는 높이를 모두 10[mm]씩 모두 높이를 달리하여 좀 더 평탄한 온도 분포를 꾀하였다.
이러한 현상은 솔레노이드의 중심부가 말단 부분보다 열 현상이 더 뚜렷이 나타나게 하는 결과를 가져온다. 이러한 열의 불균형적인 분포에 대한 개선법의 하나로 가열 코일의 적절한 설계변경을 제시하였다.
2000[A]의 전류가 흐르며 주파수는 50kHz이다. 첫 번째는 여섯 코일의 강판을 위, 아래로 평범하게 배치한 채로 해석을 수행하였으며, 두 번째는 중심부의 열 집중을 생각하여 가운데 두 코일을 10[mm] 상승시켰다. 세 번째는 높이를 모두 10[mm]씩 모두 높이를 달리하여 좀 더 평탄한 온도 분포를 꾀하였다.
해석의 편의를 위하여 2차원 해석이 많이 이루어졌지만 이 논문에서는 좀 더 정확한 이해를 위해 3차원 해석을 수행하였다.

대상 데이터

코일은 가로, 세로 각각 5[mm], 3[mm]로 하였으며 그 두께는 1[mm]로 하였다. 2000[A]의 전류가 흐르며 주파수는 50kHz이다.

데이터처리

코일의 형태에 따른 강판 중심부의 열분포를 알아보기 위해 전자계 -열의 순차적 해석을 상용유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 3D로 수행하였다. 3D로 수행된 해석은 2D에서 수행되던 해석의 한계점을 많은 부분 보완할 수 있을 것이다.

이론/모형

유도가열에 있어 온도의 변화에 따른 물성의 변화는 불가피한 현상이기 때문에 이러한 복합적인 현상을 자계와 열계의 복합적인 문제로 풀어내는 데에는 많은 어려움이 있다. 이러한 과정에 의한 정확한 결론을 이끌어내기 위해 상용 유한요소 프로그램을 이용한다.

후속연구

이 연구에서 수행된 결과는 유도 가열의 과정에 있어서 과도 열전달의 문제나 전력 밀도의 문제의 예측을 하는 데 활용할 수 있을 것이다.
3D로 수행된 해석은 2D에서 수행되던 해석의 한계점을 많은 부분 보완할 수 있을 것이다. 제안된 형태의 코일은 좀 더 균일한 열분포의 양상을 보이고 있으며, 좀 더 최적적인 설계 및 해석이 수행되어진다면 실제의 문제에 있어서도 가열에 대한 적절한 예측이 가능할 것이라 생각된다.
유도가열은 가열하고자 하는 재료의 형상에 따라 많은 영향을 받는다고 하였다. 하지만 이러한 코일의 형상변화에 대한 연구가 계속 진행된다면 유도가열의 목적에 좀 더 부합하는 결과들을 도출할 수 있으리라는 추론을 내릴 수가 있다.

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