KR100197183B1 - 파이프내 유체 유동 제어용 전자기 밸브 - Google Patents

Abstract

압력을 받고 있는 파이프(13,15) 내에서 액상의 금속 또는 합금의 유동을 제어하기 위한 전자기 밸브는, 자기장을 투과할 수 있는 재료로 만들어진 관형 동체(1) 및 상기 관형 동체를 따라 길이방향으로 형성하는 자기장을 발생시키기 위하여 상기 관형 동체 둘레에 설치된 폴리페이즈 필드 코일(2)을 포함한다. 코어(5)는 관형 동체(1)를 통하여 축방향 위치에 고정되고, 코어와 관형 동체의 내벽 사이에는 실질적인 환상의 통로가 있어서 액상의 금속 또는 합금의 유동성을 제어하게 된다.

Description

파이프내 유체 유동 제어용 전자기 밸브

본 발명은 부하(load)를 받고 있는 파이프 내에서 액상의 금속 또는 합금의 유동(the flow of a metal or metal alloy in a liquid phase)을 제어하기 위한 전자기 밸브에 관한 것으로써, 상기 전자기 밸브는 자기장을 투과할 수 있는 재료로 만들어진 관형의 동체 및 상기 관형 동체를 따라 길이 방향으로 형성되는 자기장을 발생시키기 위하여 관형의 동체 주위에 배치된 최소한 하나의 폴리페이즈 필드 코일(polyphase field coil)을 포함한다.

야금술의 분야에서, 예를들면 산업용 주조장치 또는 열간도금장치(hot galvanization equipment)와 같이 철이나 강 제품을 금속 또는 합금으로 피복하는 장치, 또는 다른 응용예에서는 액상의 금속 또는 합금의 유동을 제어할 수 있어야 한다. 이러한 점에서, 금속 또는 합금은 온도의 증가가 제어되는 용융 상태이거나, 예컨데 수은의 경우와 같이 금속 또는 합금은 대기 온도에서 통상적으로 액체 상태가 된다. 액상 금속 또는 합금의 유동을 제어하기 위하여, 일반적으로, 슬라이드 밸브(slide valve), 스토퍼 로드(stopper rod) 등을 지닌 노즐과 같은, 전자역학적 또는 유체역학적 시스템을 사용한다. 이러한 시스템은 가동적 기계 요소가 시스템내에 존재하기 때문에 상당한 설비 투자 및 상대적으로 높은 유지비용을 갖게 된다.

이러한 이유 때문에, 소위 특허 DE-B-1 037 789호에는, 부하를 받는 파이프 내에서 액상의 금속 또는 합금의 유동을 제어하기 위한 아무런 가동적 기계 요소를 포함하지 않는 전자기 밸브가 개시되어 있다. 이러한 형태의 전자기 밸브는 선형 모터(linear motor)의 작동 원리와 유사한 원리에 따라 작동하고, 가동 아마튜어(mobile amature)의 역할은 그 유동이 제어되어야 하는 금속 또는 합금에 의해 수행된다. 이러한 전자기 밸브에서, 폴리페이즈 필드 코일은, 부하를 받고 있는 파이프내 액상 금속 또는 합금의 통상적인 유동 방향에 대해 반대 방향으로 전파하는 자기장을 발생시키도록 배치되고 전기적으로 접속된다. 다시 말하면, 폴리페이즈 필드 코일에 의해 발생하여 파이프 내의 액상 금속에 가해지는 자기력(magnetomotive force)은, 파이프내 액상 금속의 유체정역학적 압력(hydrostatic pressure)에 기인하는 힘과 대항한다. 폴리페이즈 코일이 전류 강도를 조절함으로써, 파이프 내 액상 금속 또는 합금의 유동율을 조절할 수 있다. 폴리페이즈 코일내 전류 강도가 커질수록 전자기 밸브를 통해 흐르는 액상 금속 또는 합금의 유동율은 낮아진다. 이론상으로는, 충분히 센 전류를 사용함으로써, 밸브에 도달하는 액상 금속 또는 합금의 유동을 정지시킬 수 있다. 그러나, 액상 금속 또는 합금의 유동을 정지시키는데 필요한 전류의 강도는 상대적으로 크기 때문에, 전자기 밸브를 패쇄 상태로 유지시키는데 필요한 전기력도 커야만 하며, 사실상 액상 금속 또는 합금의 유동을 완벽하게 믿을 수 있을 만큼 정지시키는 것은 어렵다는 것이 증명되었다.

액상의 금속 또는 합금의 유동을 완전히 정지시키기 위하여, 전자기 밸브의 관형 동체 출구 단부를, 상기 관형 동체의 길이방향 축에 대하여 출구 오리피스 오프셋(outet orifice offset) 또는 오프-센터(off-center)인 횡단벽에 의해, 부분적으로 폐쇄시키는 것이 제안되어 왔다. 그와 같이 배치한 것이 비록 액상의 금속 또는 합금의 유동을 완전히 정지시키는 것을 효과적으로 보장한다고 할 수 있으나, 상기 목적을 달성하는데 필요한 전류의 강도가 상대적으로 높은데다가, 더군다나 전자기 밸브가 개방 상태에 있을 때, 오프-센터 출구 오리피스를 지닌 횡단 벽은 난류(disturbances or turbulence)의 원인이 되고, 어떤 경우에는 액상 금속 또는 합금 유동에서 기준을 벗어나는 압력 강하가 일어나기도 한다.

따라서 본 발명의 목적은, 부하를 받고 있는 파이프 내에서 액상 금속 또는 합금의유동을 제어 및 정지시키기 위하여 기존의 전자기 밸브보다 전기 동력이 적게 소요되고, 밸브가 개방되었을 때 상기 유동 내에 작은 난류만이 발생하는 전자기 밸브를 제공하는 것이다.

상기 목적을 위하여, 본 발명에 따르면, 부하를 받고 있는 파이프내에서 액상의 금속 또는 합금의 유동을 제어하기 위한 전자기 밸브는, 자기장을 투과할 수 있는 재료로 만들어진 관형 동체 및 상기 관형 동체의 길이방향 축을 따라 형성하는 자기장을 발생시키도록 상기 관형 동체 둘레에 배치된 최소한 하나의 폴리페이즈 필드 코일을 포함하고, 상기 밸브는, 폴리 페이즈 필드 코일에 의해 발생한 자기장의 루핑(looping)을 확보하기 위하여, 관형 동체 내에 축상으로 연장하여 보유되는 자기적 재료로 구성된 코어(core)를 포함하는 것을 특징으로하며, 상기 코어는, 그것과 상기 관형 동체의 내벽 사이에 실질적인 환상의 통로(annular passage)를 형성하여 액상의 금속 또는 합금의 유동이 제어될 수 있게 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 코어는 자기장을 투과할 수 있는 재료와 일체로 되어 그 안에 내장된 자기 바(magnetic bar)에 의해 형성되고, 상기 코어는 동일한 재료로 만들어진 반경방향 아암(arm)에 의해 밸브의 관형 동체에 연결된다.

본 발명이 전자기 밸브가 공지의 전자기 밸브보다 더욱 효과적이라는 이유가 충분히 설명되어 있지 않을지라도, 그럼에도 불구하고, 한편으로는 필드 코일(field coil)에 의해 발생하는 자속(magnetic flux)이 관형 동체내에 구비된 코어에 의해 집중된다는 것과, 다른 한편으로는 액상 금속 또는 합금의 유동이 코어와 관형 동체의 내벽 사이에 형성된 환상 영역, 즉 자기장이 당연히 더 강한 영역 내로 제한됨으로써, 관형 도관(conduit) 중심에서보다 효율적이 되고, 상기 환상 영역은 관형 동체를 둘러싸는 필드 코일에 더 가까이 존재한다는 사실 때문에 본 발명은 선행 기술에 대하여 한층 진보된 기술이라는 것을 알 수 있다.

첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대한 비제한적인 의미로써 제시된 실시예를 설명하기로 한다.

제1도는 본 발명에 따른 전지가 밸브의 개략적인 단면도이다.

제2도는 제1도의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 절취한 단면도의 반쪽면을 도시한다.

제1도 및 제2도에 도시된 전자기 밸브는, 공지의 방법으로, 자기장이 투과할 수 있는 재료로 만들어진 관형의 동체(1)를 포함하고, 상기 자기장은 폴리페이즈 필드 코일(2)에 의해 발생하는데, 상기 코일은 관형동체(1)를 둘러싸고 있고 가변의 강도를 지닌 폴리페이즈 전류원(3)에 의해 공급될 수 있다.

만약 전자기 밸브의 목적이 용융 금속 도는 합금의 유동을 제어하기 위한 것이라면, 동체(1)는 용융 금속 또는 합금과 접촉할 때에 녹지 않는 내화성 재료(refractory material), 예를 들면 세라믹 재료로 제조되는 것이 바람직하다.

더욱이, 상기의 경우에, 관형 동체는, 용융 금속 또는 합금을 그 용융 온도보다 높은 예정 온도를 유지하기 위해 동체(1)를 충분히 가열할 수 있는 가열장치(4)에 의해, 전체 길이에 걸쳐서 빽빽이 둘러싸여져 있는 것이 바람직하다. 가열장치(4)는, 예를 들어 전자기유도 가열장치 또는 전기 가열저항과 같은 공지의 방법으로 구성될 수 있다.

다른 한편, 금속 또는 합금이 저온 또는 대기 온도에서 액체상태일 경우, 동체(1)는 내화성 재료일 필요는 없는데, 단순히 자기장을 투과할 수 있고 밸브 동체의 기계적 강도를 보장할 수 있을 정도로 충분히 딱딱하며 상기 밸브를 통과하는 금속 또는 합금과 공존할 수 있는 재료로 제조될 수 있다.

폴리페이즈 필드 코일(2)은, 폴리페이즈 필드 코일(2)에 의해 발생한 자기력(F)을, 관형 동체(1)를 통하여 흐르는 액상의 금속 또는 합금에, 도면에 도시된 바와 같이 유체정역학적 압력의 효과로 인하여 액상 금속 또는 합금이 흐르는 화살표(G)의 방향과 반대의 방향으로 작용하도록, 관형 동체91)를 길이방향 축을 따라 형성하는 필드를 발생하도록 배치되고 전기적으로 접속된다. 폴리페이즈 필드 코일(2)은, 예를 들어 프랑스 Saint-Martin-d'Heres에 소재하는 MADYLAM 실험팀에 의해 제조된 형태의 코일로 구성될 수 있다. 필요하다면, 이러한 필드는 상기 코일 내에 설치된 채널 내를 순환하는 냉각액에 의해 공지된 방법으로 냉각될 수 있다. 전류원(3)에 의해 제공되는 폴리페이즈 코일(2) 가동에 필요한 전류는, 예컨데 3-상 네트워크 380V-50Hz를, 전압을 17V로 강하시킬 수 있는 전압 강하 트랜스포머(voltage lowering transformer)에 접속시키고, 그것을 강도 조절 장치(intensity regulating device)에 의해 필드 코일(2)에 접속시킴으로써 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 코어(5)는 관형 동체(1) 내에서 축방향으로 연장하고, 수개의 반경방향 아암 또는 플랜지(6)에 의해 그 내부에 고정된다. 코어(5)는 대략 관형 동체(1)와 동일한 길이일 수 있고, 아암 또는 플렌지(6)는 코아(5)와 동일한 길이를 지니거나, 또는 코어의 부분적 길이를 너머서 연장한다. 코어(5) 및 플랜지(6)는 액상의 금속 또는 합금이 관형 동체(1) 내를 흐를 때 발생할 수 있는 난류를 가능한한 최소화하도록 설계하는 것이 바람직하다. 마찬가지 이유로, 관형 동체(1)의 내측 직경 및 코어(5)의 외측 직경은, 코어(5)와 동체(1) 사이에 환상으로 형성된 통로의 면적이 통로 상류측에 원형으로 형성된 면적과 같고, 가능하다면 전자기 밸브의 하류측과도 같게끔 선택된다. 코어(5)는, 자기장을 투과할 수 있는 재료(8)와 일체로 되어 그 내부에 내장된 자기 바(magnetic bar, 7)로 구성되는 것이 바람직하고, 이러한 재료는, 예를 들면 액상의 금속 또는 합금과 접촉했을 때 녹지 않는 내화성 재료로써, 아암 또는 피랜지(6) 및 관형의 동체(1)를 형성하는 것과 동일한 재료인 것이 바람직하다. 자기 바(7)는 폴리페이즈 필드 코일(2)에 의해 발생하는 자기장의 루핑(looping)을 보장한다.

제1도에 도시된 실시 형태에서, 전자기 밸브는 폴리페이즈 필드 코일(2)과 같은 역할을 수행하기 위하여 설치되고 전기적으로 접속된 제2폴리페이즈 필드 코일(9)을 포함할 수 있다. 폴리페이즈 필드 코일(9)은, 예를들어 스위치(10)에 의해 전류원(3)에 연결될 수 있거나, 또는 제1도에 점선으로 도시된 바와같이 자체 조절 가능한 폴리페이즈 전류원(11)에 접속될 수 있다. 우선, 폴리페이즈 필드 코일(9)은 폴리페이즈 필드 코일(2)과 동일한 기능을 이중으로 보장하고, 코일(2)의 고장시에 비상 코일로써 사용될 수 있다. 두 번째로는, 폴리페이즈 필드 코일(2)의 수준에서 소규모의 누출 유동(small leakage flow)이 발생할 가능성이 있는데, 이때 이러한 소규모의 유동은 폴리페이즈 필드 코일(9)에 의해 발생하는 자기장에 의해 용이하게 정지시킬 수 있다. 이러한 제2배치의 효과는 액상 금속 또는 합금의 흐름을 완전히 정지시키는데 필요한 에너지 소모량을 감소시키고, 필드 코일(2,9)에 전류를 공급하는데 필요한 장치의 크기를 제한한다는 것이다.

입구 단부에서는, 관형 동체(1)에 플렌지 도는 다른 연결 수단(12)이 설치되고, 이것에 의해 전자기 밸브는 액상이 금속 또는 합금을 운송하기 위한 파이프(13)의 단부 또는 액상의 금속 또는 합금을 저장하는 용기에 고정될 수 있다. 동일한 방법으로, 출구 단부에서는, 관형 동체(1)에 플렌지 또는 다른 적당한 연결 수단(14)을 포함할 수 있고, 이것에 의해 전자기 밸브는 필요하다면 액상 금속 또는 합금을 이동시키는 다른 파이프(15)에 연결될 수 있다.

전자기 밸브가 용융 금속 또는 합금의 유동을 제어하기 위한 목적을 갖는다고 했을 때, 관형 동체(1) 또는 파이프(15)에는 인젝터(16)가 설치되는 것이 효과적인데, 인젝터(injector)는 전자기 밸브 내에 있는 액상 금속 또는 합금의 산화를 방지하기 위하여 중성 또는 불활성 가스의 분사를 제어할 수 있다.

실시예에서는, 전자기 밸브의 동체(1)는 그 내측 직경이 14㎜이고, 코어(5)는 그 외측 직경이 8㎜이며, 또한 직경이 45㎜이고 페이즈(phase)당 10회전하는 단일 폴리페이즈 필드 코일을 포함하며, 용융된 아연합금의 유동을 완전히 정지시키는 것이 가능했을 때, 온도는 480℃를 유지하고 있었고, 전자기 밸브의 입구에서의 유체정역학적 압력은 2.5 X 10⁴Pa(0.25bar)이었다. 상기 목적을 위하여, 폴리페이즈 필드 코일에 2400A의 전류가 공급되었다. (실험이 수행된 장치는 최적의 것은 아니었고, 강도 조절용 장치를 포함하지 않았음을 주목하여야 한다. 따라서, 용융된 아연의 유동을 완전히 정지시키는데 충분한 전류의 강도는 2400A보다 낮아질 수 있다.) 비교를 위한 예로써, 중앙에 코어를 지니지 않은 전자기 밸브는, 용융 아연 합금의 유동을 거의 완전히 정지시키기 위하여, 최소한 4 내지 5배 정도 큰 강도를 지닌 폴리페이즈 전류를 필드 코일에 공급할 필요가 있었다.

Claims (17)

1. 부하를 받고 있는 파이프 내에서 액상의 금속 도는 합금의 유동을 제어하기 위한 전자기 밸브에 있어서, 상기 전자기 밸브는 : 자기장을 투과할 수 있는 재료로 구성되고, 길이방향 축 및 내벽을 지니는 관형 동체(tubular body) : 상기 관형 동체의 둘레에 배치되고 상기 길이방향 축을 따라 형성하는 자기장을 발생할 수 있는 적어도 하나의 폴리페이즈 필드코일(polyphase field coil) ; 및 자기 재료로 구성되는 코어로써, 상기 코어는 상기 적어도 하나의 폴리페이즈 필드 코일에 의해서 발생하는 자기장의 루핑을 보장하기 위하여 상기 관형 동체 내에서 축방향으로 연장하고, 액상의 금속 또는 합금의 유동을 위하여 상기 내벽과 함께 실질적인 환상의 통로(annular passage)를 한정하는 코어(core);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.
2. 제1항에 있어서, 상기 코어는 자기장을 투과할 수 있는 재료와 일체로 되어 그 안에 내장된 자기 바(magnetic bar)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.
3. 제2항에 있어서, 상기 전자기 밸브는 상기 내벽에 대하여 상기 코어를 배치시키기 위한 반경방향 아암을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.
4. 제3항에 있어서, 상기 반경방향 아암은 자기장을 투과할 수 있는 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.
5. 제4항에 있어서, 상기 반경 방향 아암 및 상기 일체로 된 재료는 동일한 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.
6. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 폴리페이즈 코일은 상기 관형 동체의 둘레에 배치된 2개의 폴리페이즈 필드 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.
7. 제6항에 있어서, 상기 2개의 폴리페이즈 필드 코일은 동일한 전류원에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.
8. 제6항에 있어서, 상기 2개의 폴리페이즈 필드 코일은 상이한 전류원에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.
9. 제1항에 있어서, 상기 관형 동체는 내화성 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.
10. 제9항에 있어서, 상기 내화성 재료는 세라믹 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.
11. 제1항에 있어서, 상기 코어 및 상기 관형 동체는 실질적으로 동일한 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.
12. 제11항에 있어서, 상기 코어는 자기장을 투과할 수 있는 재료와 일체로 되어 그 안에 내장된 자기 바를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.
13. 제12항에 있어서, 상기 전자기 밸브는 상기 내벽에 대하여 상기 코어를 배치시키기 위한 반경방향 아암을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.
14. 제1항에 있어서, 상기 관형 동체를 가열하기 위한 가열 요소를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.
15. 제1항에 있어서, 전자기 밸브 내에 불활성 가스의 분사를 제어하기 위한 인젝터 요소를 부가적으로 포함하고, 상기 인젝터 요소는 액상의 금속 또는 합금의 산화를 방지하는 기능이 있는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.
16. 제14항에 있어서, 상기 코어는 자기장을 투과할 수 있는 재료와 일체로 되어 그 안에 내장된 자기 바를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.
17. 제16항에 있어서, 상기 전자기 밸브는 상기 내벽에 대하여 상기 코어를 배치시키기 위한 반경방향 아암을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브.