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KR100347211B1 - 예열과 전기저항 발열을 결합한 세라믹 재료의 가열장치및 그 가열방법 - Google Patents

예열과 전기저항 발열을 결합한 세라믹 재료의 가열장치및 그 가열방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세라믹 재료가 상온에서는 부도체이지만 온도가 높아지면 전도체로 변하는 원리를 응용하여, 세라믹 재료의 전기저항에 의한 자체발열을 이용하여 재료의 중심부는 고온으로 외부는 상대적 저온으로 가열하는 장치를 제공한다. 가열장치는 챔버, 예열용 전기로, 전극, 예열용 전기로의 전원 공급 및 제어기, 전극용 전원 공급 및 제어기, 진공 펌프, 개스 공급기, 계측용 센서 및 관측용 창으로 구성되며, 상기 챔버 안에 예열용 전기로를 설치하고 다시 그 내부에 전극을 설치하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 가열장치를 사용하여, 전극 사이에 세라믹 재료를 장착하고 상기 재료를 예열하여 재료를 부도체에서 전도체로 변화시키고, 상기 전극 사이에 전압을 걸어서 이때 상기 재료에서 발생하는 전기저항에 의한 자체 발열을 이용하여 상기 재료의 중심부는 고온으로 외부는 상대적 저온으로 온도편차를 갖고 가열하는 방법을 제공한다.

Description

예열과 전기저항 발열을 결합한 세라믹 재료의 가열장치 및 그 가열방법{Apparatus for heating ceramic materials through preheating and heat generation by means of the electric resistance of materials and thereof method}
본 발명의 목적은 세라믹 재료의 가열장치에 있어서 전기로를 이용하여 세라믹 재료를 예열한 후 세라믹 재료에 전기를 흘려서 전기저항에 의한 자체 발열을 이용하여 세라믹 재료를 가열하는 장치를 제공하고 동시에 그 가열방법을 제공하는데 있다.
세라믹 재료는 금속재료에 비하여 용융점이 매우 높고 고온에서 산화에 안정하기 때문에 고온 재료로서 널리 이용되고 있다. 세라믹 재료의 가열장치로서 전기로가 널리 사용되고 있는데, 이 방법은 전기로의 발열체를 발열시켜 전기로 내부에 있는 재료를 균일하게 가열하는 것을 특징으로 하고 있다. 전기로는 약 2000℃이하에서는 재료의 열처리 및 소결 등에 광범위하게 이용되고 있다. 그러나 더 높은 온도를 필요로 하는 용도에는 사용하기가 곤란하다.
예를 들어, 세라믹 재료를 가열하여 용융하고자 할 경우, 재료를 용기에 담아서 용융점 이상으로 가열해야만 한다. 전기로를 사용하여 세라믹 재료를 가열하는 방식으로는 2000℃ 이상의 고온에 도달하기 매우 어렵고, 또한 세라믹 재료의 용융이 발생하더라도 세라믹 재료를 담는 용기와 용융물이 서로 반응하여 용융물이 불순해지는 단점이 있다. 따라서 재료의 용융점을 측정할 때 온도 측정이 부정확해진다. 또한 세라믹 재료를 담는 용기는 고융점 재료, 예를 들어, 텅스텐을 사용해야만 한다. 따라서 세라믹 재료를 초고온으로 가열하는 종래기술은 전력소모가 크고 사용되는 용기의 가격이 비싼 단점이 있다.
세라믹 재료 중에는 재료의 중심부 온도가 외부 온도보다 매우 높은 조건에서 특수하게 사용되는 것들이 있다. 이러한 조건에서 재료의 성능을 시험하기 위해서는 이것과 동일한 온도조건을 조성해야 하는데, 외부에서 열을 공급하는 종래의 가열장치는 세라믹 재료의 내부를 외부보다 훨씬 더 높은 온도로 가열할 수 없다는 단점이 있다.
예를 들어, 원자력 발전소에 사용되는 세라믹 이산화 우라늄(UO2) 핵연료는 봉 형상으로 가공되어 원자로에서 사용되며, 우라늄 핵분열에 의해서 재료 내부에서 열이 발생하고 그 열은 봉 주위를 흐르는 냉각수에 의해서 제거되어 증기발생기로 전달된다. 따라서 핵연료 재료의 중심부는 고온 상태이고 외부는 저온 상태로서, 그 온도 구배는 약 200℃/mm 정도이다.
원자로에 사고가 발생하는 경우에는 핵연료 재료의 온도가 과도하게 상승해서 중심부가 용융에 도달할 수 있고, 또한 핵연료 재료는 내부와 외부의 온도차이가 더욱 커지므로 변형되거나 재료 성능이 열화된다. 이러한 재료거동은 원자로를 안전하게 설계하기 위해서 필요한 데이터 이므로 소규모 시험 원자로에서 핵연료로부터 직접 상기 데이터를 얻어낸다. 그러나 이러한 시험은 엄청난 비용이 소모될 뿐만 아니라 계측장치를 장착할 수 없어서 얻을 수 있는 데이터도 매우 제한적이다.
원자로 핵연료 재료의 사용온도 조건과 유사한 온도조건을 원자로 밖에서 실현한다면 시험비용을 절약할 수 있고 또한 다양한 시험자료를 얻을 수 있지만, 지금까지 적합한 시험장치가 알려지지 않았다.
본 발명은 종래 기술의 단점들을 해결하기 위해서 세라믹 재료의 내부를 외부보다 훨씬 더 높은 온도로 가열함으로써 세라믹 재료의 용융점 측정이 용이한 가열장치를 제공하며 또한 사용조건에서 내부의 온도가 외부의 온도보다 높은 세라믹 재료의 성능시험에 적합한 가열장치 및 가열방법을 제공하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 세라믹 재료의 가열장치의 주요부를 나타내는 종단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
(1) : 진공 챔버(chamber)
(2) : 예열용 전기로
(3) : 전극
(4) : 예열용 전기로의 전원공급 및 제어장치
(5) : 전극용 전원 공급기 및 제어장치
(6) : 진공 펌프
(7) : 관측 및 계측용 창
(8) : 온도측정용 센서
(9) : 세라믹 재료
(10) : 기체공급기
(11) : 지지대
세라믹 재료는 일반적으로 상온에서 전기저항이 커서 전기 부도체이지만, 온도가 높아지면 전기저항이 급격히 감소해서 전기 전도체로 변한다. 본 발명에서 제공하는 장치는 이러한 원리를 이용한다. 세라믹 재료를 상온부터 특정온도까지 전기로를 사용해서 예열하여 세라믹 재료를 전도체로 변화시킨 후, 세라믹 재료에 전류를 흘려서 전기저항에 의한 자체 발열을 이용하여 재료를 가열한다.
본 발명에서 제공하는 "예열과 전기저항 발열을 결합한 세라믹 재료의 가열장치"를 도 1에 예시한다. 상기 가열장치는 진공 챔버(chamber)(1), 예열용 전기로(2), 전극(3), 예열용 전기로의 전원공급 및 제어장치(4), 전극용 전원 공급기 및 제어장치(5), 진공 펌프(6), 관측 및 계측용 창(7), 온도측정용 센서(8)로 구성되며, 챔버(1) 안에 전기로(2)를 설치하며 다시 그 내부에 전극(3)을 설치한 구조로 되어있다.
챔버(1) 안에서 전극(3)은 가로 방향 혹은 세로 방향으로 설치되고, 전극(3)과 전극(3) 사이에 세라믹 재료(9)를 장착한다. 전극(3) 사이에는 압축력이 작용해서 세라믹 재료(9)를 지탱할 수 있고, 또한 전극(3) 사이의 간격은 조정이 가능하다. 전극(3) 재료로서 고융점의 금속을 사용하며, 텅스텐 또는 흑연이 좋다. 세라믹 재료(9)는 봉 형상으로 가공하는 것이 좋고, 길이가 짧은 재료는 여러 개를 적층해서 전극(3) 사이에 장착한다.
상기 전기로(2)는 발열체와 단열재로 구성되며, 발열체의 온도를 측정하고 상기 전기로용 전원공급 및 제어장치(4)를 통해서 발열체의 온도를 제어한다. 전기로(2)의 온도는 프로그램을 통하여 제어된다.
상기 전극용 전원 공급 및 제어장치(4)는 저전압 및 고전류를 공급하는 것을 특징으로 하며 전압은 100 V 이하, 전류는 100A 이하이다. 또한 전압의 조정이 가능하며 펄스 형태로 전압을 부가하는 기능이 갖는다. 만약 세라믹 재료(9)를 예열하지 않고 상온부터 전기저항 발열을 이용해서 가열한다면, 고전압(수천 V) 및 저전류 전원 공급기가 추가로 필요하며 전압의 조정이 매우 어려워서 실용적이지 못하다.
예열 중에는 세라믹 재료(9)가 균일하게 가열되며, 예열 온도는 세라믹 재료(9)에 따라서 달라질 수 있지만 300-1200℃ 정도면 가능하다. 전기저항에 의한 자체 발열이 시작되면 발생 열의 일부는 온도가 낮은 주위로 빠져나가는데, 특히 세라믹 재료(9)는 열전도도가 매우 낮기 때문에 세라믹 재료(9)의 중심부가 온도가 높고 외부의 온도가 낮게 된다. 따라서 세라믹 재료(9)는 중심부와 외부가 서로 온도편차를 갖고 가열된다.
상기 장치를 이용하여 세라믹 재료(9)를 가열하는 방법을 설명한다. 세라믹 재료(9)를 전극(3) 사이에 끼우고 세라믹 재료 지지대(11)로 지지한 후 진공펌프(6)를 작동하여 챔버(1) 내의 공기를 배출한 후 기체공급기(10)에서 불활성 기체를 챔버(1) 안에 채운다. 전기로(2)를 이용하여 세라믹 재료(9)를 예열하며, 예열온도는 세라믹 재료(9)의 전기저항이 적절히 감소할 수 있는 범위에서 결정되어야 하므로, 재료의 전기성질에 따라서 조금씩 달라질 수 있다. 세라믹 재료(9)는 상온에서는 저항이 수백-수천 kΩ 정도로 매우 커서 고전압에서도 전류의 흐름이 거의 없고, 온도가 상승하면 전기저항이 수Ω - 수십 Ω 정도로 감소하여 저전압에서도 상당한 전류가 흐른다. 예열온도가 300-1200℃에 도달하면 전극용 전원 공급기(5)를 이용하여 세라믹 재료(9)에 전류를 흘린다. 이때 세라믹 재료(9)는 전기저항에 의해서 자체적으로 발열하기 시작하며 온도가 높아진다.
세라믹 재료(9)의 내부 가열이 시작되면, 전기로(2)의 작동을 중지하거나 혹은 세라믹 재료(9)의 외부 온도를 원하는 온도로 유지하기 위해서 온도를 조절한다.
전기저항에 의한 발열은 세라믹 재료(9) 전체에서 발생하며, 발생 열의 일부는 온도가 낮은 주위로 빠져나간다. 따라서 세라믹 재료(9)의 중심부가 온도가 높고 표면의 온도가 낮게 되며, 특히 세라믹 재료(9)는 열전도도가 매우 낮기 때문에 온도차이가 커진다. 이에 따라서 세라믹 재료(9) 중심부의 저항이 재료 외부의 저항보다 더욱 감소하므로, 중심부에서 더 많은 발열이 발생하여 세라믹 재료(9)의 중심부는 온도가 급격히 상승한다. 중심부와 외부의 온도 차이는 수 100℃ - 1000℃에 이른다.
본 발명에서 제공하는 장치 및 가열방법을 응용하면 세라믹 재료의 용융점을 용이하게 측정할 수 있다. 세라믹 재료를 봉 형상으로 가공하고, 재료 중앙 부위까지 열전대를 삽입한다. 세라믹 재료를 가열하면 중심부에서만 용융이 되고 외부는 고체상태를 유지하므로 외부는 용융물을 담는 용기 역할을 한다. 따라서 별도의 고온 용기가 없어도 세라믹 재료의 용융점을 측정할 수 있다. 열전대로 온도의 측정이 불가능한 2200℃ 이상에서는 적외선 온도계(pyrometer)를 사용한다. 이 경우에는 미리 세라믹 재료의 중앙부까지 구멍을 뚫은 상태에서 재료를 가열하고 이 구멍을 통해서 중심부에 있는 용융물의 온도를 측정한다.
본 발명에서 제공하는 가열장치 및 가열방법을 이용하면 세라믹 재료의 재료의 중심부와 외부에 온도편차를 두고 가열할 수 있다. 예를 들어, 세라믹 핵연료의 원자로 온도조건과 유사한 온도조건에서 성능시험이 가능하다. 세라믹 핵연료 (UO2)는 직경과 길이가 모두 약 10 mm 인 원주형 형상을 갖고 있는데 이것들을 길이방향으로 쌓아서 세로방향의 전극 사이에 장착하고 전기로를 사용해서 400-1200℃로 예열한다. 전원 공급기를 이용해서 전극 사이에 전류를 흘리면 핵연료 재료가 발열된다. 이때 발생 열의 일부는 재료 밖으로 전달되므로, 열전도도가 낮은 핵연료 재료의 중심부는 온도가 높고 외부는 온도가 낮아진다. 전원 공급기의 전압의 증가속도를 조절하면 핵연료 재료의 가열온도 및 가열속도를 조절할 수 있다. 전압 또는 전류를 펄스 형태로 가하면 세라믹 재료를 급속하게 가열할 수 있다. 또한 챔버 안의 기체를 냉각하든지 또는 가열하는 방법으로 핵연료 재료 주위의 온도를 조절할 수 있다.
본 발명에서 제공하는 가열장치 및 가열방법을 이용하면 세라믹 재료의 열처리 또는 소결 이 가능하다.
(변형예, 응용예 및 법적해석)
본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시예와 변형예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 설계변경적 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.
본 발명에서 제공하는 가열장치 및 가열방법은 세라믹 재료의 중심부는 고온으로 외부는 상대적 저온으로 가열이 가능하여, 세라믹 재료의 용융점 측정시 고온 용기 없이도 재료의 용융점을 측정할 수 있다. 또한 원자로에 사용되는 핵연료 재료의 성능시험을 간단하면서 매우 적은 비용으로 가능하게 한다.

Claims (9)

  1. 세라믹 재료의 가열장치에 있어서, 진공챔버, 예열용 전기로, 전극, 예열용 전기로의 전원 및 온도 제어장치, 전극용 전원 공급 및 제어장치, 진공 펌프, 기체 공급기, 온도 계측용 센서, 관측 및 계측용 창으로 구성되며, 챔버 안에 예열용 전기로를 설치하고 다시 그 내부에 전극을 설치하되, 예열용 전기로 및 전극은 하나의 조합으로 세로 또는 가로 방향으로 설치되며, 전극 사이에 세라믹 재료를 장착하며, 전극과 전극 사이에는 탄력을 유지하여 통전시 접점을 유지하고 동시에 세라믹 재료의 팽창과 수축의 수용이 가능한 것을 특징으로 하는 예열과 전기저항 발열을 결합한 세라믹 재료의 가열장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 재료로서 텅스텐 또는 흑연과 같은 고융점의 금속을 사용하는 것을 특징으로 하는 예열과 전기저항 발열을 결합한 세라믹 재료의 가열장치.
  3. 제1항에 있어서,
    전극의 간격은 조정 가능한 것을 특징으로 하는 예열과 전기저항 발열을 결합한 세라믹 재료의 가열장치.
  4. 삭제
  5. 세라믹 재료의 가열방법에 있어서, 두 개의 전극 사이에 세라믹 재료를 장착하고, 상기 재료를 예열하여 재료를 부도체에서 전도체로 변화시키고, 상기 전극 사이에 전압을 걸어서 상기 재료에 전류를 흐르게 하고, 이때 발생하는 전기저항에 의한 자체 발열을 이용하여 상기 재료의 중심부는 고온으로 외부는 상대적 저온으로 가열하는 것을 특징으로 하는 예열과 전기저항 발열을 결합한 세라믹 재료의 가열방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 세라믹 재료는 1개 또는 여러 개를 적층하여 사용하는 것을 특징으로 하는 예열과 전기저항 발열을 결합한 세라믹 재료의 가열방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전극 사이의 전압의 제어를 통하여 상기 세라믹 재료의 온도를 제어 가능한 것을 특징으로 하는 예열과 전기저항 발열을 결합한 세라믹 재료의 가열방법.
  8. 제5에 있어서,
    상기 전극 사이에 전압 또는 전류를 펄스 형태로 가하여 세라믹 재료를 급속하게 가열하는 것을 특징으로 하는 예열과 전기저항 발열을 결합한 세라믹 재료의 가열방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 세라믹 재료의 가열분위기를 불활성 기체로 유지하는 것을 특징으로 하는 예열과 전기저항 발열을 결합한 세라믹 재료의 가열방법.
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