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2.1 전열의 기초

열전도 → 물체를 통하여 열이 전달대류 → 열을 가진 물체가 직접 이동복사 → 전자파의 형태

액화, 기화, 승화, 고화, 용융, 융해

(1) 전기 가열의 특징

① 고온(3000℃ 가능, 전자 Beam, Plasma 인 경우는 수만 ℃도 가능)② 내부 가열 가능 ③ 열효율 大④ 로기(爐氣) 제어(금속의 고온가열시 산화 등 나쁜 영향, C의 흡수나 배제), 진공 용해(산화, 탈황, ...)⑤ 온도 조작 간편 ⑥ 방사열 이용(열원을 임의 방향에 배치 가능)⑦ 균일 품질

(2) 전기 가열 방식

직접식과 간접식의 차이

① 저항 가열 : (직․간)② 아크 가열 : (직․간)③ 유도 가열 : 도전성 물체, hysteresis 損, 전류손 (직․간)④ 유전 가열 : 절연성 물체(자유전자 없고 전계에 의한 전자의 변위만 생김) (직)⑤ 전자 beam⑥ 적외선 가열

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(3) 전열 계산

▶ 열량의 단위

▶ 1[] : 1기압에서 1[]의 물을 14.5℃ → 15.5℃로 상승하는데 필요한 에너지 1[] = 4.18605[], 1[]=4186.05[]

▶

× × ×

× ×

* 1[BTU](British thermal unit) : 물 1를 ℉→℉로 1℉ 올리는데 필요한 에너지

, ℃ ℉

1[] = 3.968[BTU], 1BTU =0.252

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I1[oC]

l[m]

A[m2]

2[oC]

열저항률

그림 4 물체의 열전도

(4) 전기와 열의 유사성

▶ ① 전기의 전도와 열의 전도온도차 → 전압 열류 → 전류

열저항 → 저항 열용량 → 정전용량

열량 → 전기량

▶ 전기회로에서의 오옴의 법칙 :

▶ 열전도에서 오옴의 법칙 :

: 열류 [], [], [] : 상수(열전도율 : thermal conductivity)

1[kcal/(h․m․℃)]=∙℃×

℃

: 열저항률 ℃

℃

열∙ : 단면적 [], : 온도차 [℃], : 열저항 [열] = ℃

② 방열

: 열류[], : 온도차[℃], : 방열면적[], : 열전달계수℃

▶ 열전도율 ℃공기 0.02070 ~ 0.0234, 0.0125, 산소 0.0197, 수소 0.144

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I

i1 i2

C Rv

I

i1

Cv

(a) (b)

그림 5 가열의 등가회로 (a) 이상적인 경우 (b) 열의 누설이 있는 경우

I

C R

그림 6 냉각의 등가회로

(5) 물체의 가열 & 냉각

① 비열(specific heat) : 1[]의 물체 온도를 ℃ 상승하는데 필요한 열량[]단위 : [℃], 온도 15℃에서 물의 비열은 1[℃]비열 인 의 물체를 ℃ 상승하는데 필요한 열량(에너지) 은

▶ 열용량(thermal capacity) ℃ : 물체를 ℃ 상승하는데 필요한 열량→ (condenser의 farad와 같은 의미)

밀도 , 부피 , ∴ , ℃ : 체적 비열

② 가열 ,

열용량

열량

, ,

⇒

③ 냉각

,

,

∴ ,

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2.2 전열 기구의 용량 계산××× × 기화열융해열 : 전열기의 용량[], : 가열시간[hour], : 전열기의 효율기화열 : 540, 융해열 : 80, c : 비열, : 물체의 무게, : 온도차[℃]

▶ 잠열 : 온도 상승으로서 나타나지 않는 열물 ↔ 수증기 539.12[]얼음 ↔ 물 79.71[]

2.3 발열 재료* 발열체 - 간접식 저항 가열 방식① 내열성 大② 내식성 大③ 적당한 고유 저항 값④ 가공용이, 저가 * 합금 발열체보다는 순금속 발열체가 사용 온도 높음

(1) 합금 발열체 1종 1000℃ 부식에 강함, 고온에서 강도가 큼 2종 900℃ 1종 보다 저성능 1종 1200℃ 고온, 공업용 전기로, 산화에 강함, 가공 약간 곤란 2종 1100℃ 고온 연화 가능성

▶ , 길이 1[], 단면적 1[]인 경우 동선

, 경동선

니크롬선의 열저항은 구리선( ∙ )의 60배 정도로 약 101∙

(2) 순금속 발열체(용융온도)백금(1768℃) : 대기 중에서도 용융온도까지 안정적임.몰리브덴(2610℃), 텅스텐(3380℃), 탄탈(, Tantalum, 2996℃) : 보호 가스

(, ) 또는 진공에서 사용

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(3) 비금속 발열체① 규화 몰리브덴() 발열체 1700℃

Kanthal선, 내식성 大, 충격에 약하고 고온에서 연화② 탄소질 발열체(Kryptol) → 탄소입자③ 탄화규소 발열체() : Carborundum, 1500℃ , 금속보다 고온, 내식성 大, 공기 중 산

화 심함, 균일 저항 값 얻기 곤란④ 산화물 발열체( 등에 여러 합금 섞음) : 1300℃정도, 금속 산화물 저항의 온도 계

수 大 ↔ 상온에서 大저항(통전 곤란), 보통 등으로 가열한 다음 1300℃정도로 가 통전 가능해지면 전압 인가

⑤ 염욕 발열체 : 액체 발열체, 금속의 열처리, , , , , , , 또는 이들의 혼합물 사용, 녹여서 금속표면 균일, 급속 가열 , 염류가 피열물과 용기 부식, 저항 온도계수가 부특성, 전류를 공급할 경우 미리 녹인 다음 직렬 리액터 사용

(4) 밀폐형 발열체 : 합금 발열체를 운모로 절연하여 금속 곽에 넣는 것

* 열절연물 : 내화물, cermet(ceramics+metal)

* 인조 흑연 전극 : 석유 Corkes, pitch corkes + tor pitch → 형조 → 1000℃ 이상 소성 → 흑연화로(2000 ~ 3000℃)

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2.4 전기로가열방식 : 저항로, 유도로, 아크로

(1) 저항로

직접식 저항로

단상

흑연화로(전극 제조)Carborundum로 → 지로(Girod)식 전기로미게식

3상

carbide로 → aferroalloy로유리 용해로제철로(electro metal furnace)인 제조로(비료)

간접식 저항로 , , , Kryptol, 흑연, 염욕로(역률 70 ~ 80%)

(2) 아크로

직접식

저압 에르(Hèroult)식 제강로(3상)

고압Schönherr

공중질소 고정질소 비료 제조Pauling

Birkeland - Eyde간접식 rocking(요동식) arc로, , 용해

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R1

R2V1. I1

.I

2

.

L1 L2

M

그림 7 유도가열의 등가회로

(3) 유도 가열 → 도전성 물체

高周波 磁界 내의 도체 → 전자(電磁) 유도 현상 - 도체에 와전류 → 와류손 : 피열물이 자성체일 때 히스테리시스 손

, ∣∣

∣∣

1차 측에서 본 임피던스

회로의 소모전력 ∣∣ × 의 실수부 ∣∣

∣∣ ∣∣

∣∣

∣∣ ∣∣

i) 표면 또는 전체를 마음대로 가열ii) 피열물과 전기적 접속 불필요 - 진공 가열 가능iii) 급속, 균등 가열

저주파 유도 가열 - 60[], cable에 납을 씌울 경우 200℃ 정도 납이 녹는 온도 유지저주파 유도로 : 비철금속의 용해, 구리합금, 알미늄 합금 용해, 역률70~80%, 50~60고주파 유도 가열 - 고주파 전동 발전기(1 ~ 10), 불꽃 간극식 고주파 발생장치(공

기 100 ~ 200 , 수은 20 ~ 80), 진공관발진기(0.5~1.5) 등의 전원 사용, 극히 짧은 시간에 가열, 연속 처리 가능, 대량 생산에 적당, 국부 선택 가열 가능(전력, 시간, 노력 등이 절약됨), , 등의 단결정 제조, 금속의 표면 담금질, 용해. 통조림통의 땜 등

고주파 유도로 : 신속․내부동시 가열, C 병렬 연결해서 역률 90~100%로 구성, 진공용해(기공(氣孔)이 없는 고품위 제품, 용해금속의 산화 또는 질화 방지), 1~10 , 고가설비이므로 고품위 금속(특수강 합금의 제조 및 용해, 비철금속 용해, 귀금속 용해)

핀치효과 - 전류가 흐르는 도체 주위에 자계가 생겨서 힘이 작용하고 도체가 액체인 경우는 이 힘으로 단면적이 작아져서 전류가 흐르지 않게 되고 이렇게 되면 자계가 적어져서 다시 넓어지고, 이러한 현상을 반복하면서 결국 효율이 떨어지게 됨.

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tan

jV.

V.

I.

G C

90o-

(a) (b) (c)

V.

I.

IC

.IR

.

IC

.

IR

.

그림 8 유전가열의 등가회로

(4) 유전가열 - 절연체 가열에 사용

교번 전계 중의 절연성 피열물 내부의 열손실 및 유전체손 이용

전극면적 , 전극간격

, : 비유전율,교번전계 E[V/m],

, ∴

단위 체적당 소비 전력 ′

* 피열물 자신이 발열체 이므로 가열 균등, 온도상승이 빠르고 그 속도 제어도 용이. 전원

의 open과 동시에 가열 중지됨, 고주파 발진기의 효율 나쁨(50 ~ 60%), 통신장애 가능성, 설비비 비싸고, 피열물의 모양이 전극 때문에 제한, 소손, 균열이 적음

(1) 합성수지 : 열경화성 수지의 예열 및 성형(10 ~ 50 , 베이크라이트 등), 비닐 박막 접착(100 ~ 200 , 고주파 재봉틀), 페니실린 등의 약품건조

(2) 목재의 접착(베니어 합판 제작) : 5 ~ 10(3) 목재 건조 : 2 ~ 5

* 마이크로파 가열 : 마그네트론(magnetron) 300 ~ 3전자렌지(microwave oven) 2450

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압력 압력 압력 압력

(a) (b)

그림 9 (a) upset 용접 (b) flash 용접

(a)

전극

전극

전극

전극

압력

압력

압력

압력

(b) (c)

그림 10 (a) 점용접 (b) projection 용접 (c) roller seam 용접

2.5 전기 용접* 용접의 종류용접 : 금속 접합부를 가열․용융 → 냉각 고화 → 접합(1) 단접 : 용접 금속을 융점 이하로 가열한 다음 용접 부위에 압력 또는 타격을 가해서 접

합(2) thermit 용접 : 알루미늄과 산화철의 혼합분말인 테르밋을 점화해서 3000℃ 정도의

용철 발생, ⇔ , 레일, 철골 등의 야외 용접에 사용(3) gas 용접 : 보통 산소아세틸렌 불꽃 이용(4) 전기용접 : 압접(저항 용접, 유도 용접). 융접(아크 용접), 납땜

* 전기 용접

(1) 저항용접맞대기 용접

upset butt welding : 구리선 접속, Al 접속flash butt welding : rail, 돌출부percussion : 경금속(C, L의 축적에너지 이용), 단시간 대전류 발생

겹치기 용접점용접 : 뾰족한 전극Projection : 미리 접합부에 돌기물 설치Roller seam : 구리 & 구리 합금의 회전 전극

(2) 교류저항 용접기전자에너지식 (고속도개폐기)정전에너지식 (C 이용)3상 저주파식3상 정류식

용접부의 온도가 낮고, 설비비 大

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* 아크(Arc) 용접 : (-)전극, 충전봉, 모재(+)(직류 사용시, 정극성, 모재가 (-)면 역극성 이라 함)

용접식 : 용접용 전극이 녹음비용접식 : 모재만 녹음(충전봉 필요)용접봉 지름 3.2mm 80 ~ 120A, 4mm 120~140A

6mm 이하 ; 직류식 용접기6mm 이상 ; 교류식 용접기

▶ 교류 arc 용접기 : 직류에 비해서 불안정, arc 끊어지기 쉽다. 무부하 時 직류보다 높게 설정. reactor로 전류 변동시 역기전력 이용해서 전류 일정유지 - arc 단전 방지 무부하시 70 ~ 100V, 작업시 20 ~ 35V, 역률 40%▶ 직류 arc 용접기 : 무부하시 50 ~ 70V, 작업시 20 ~ 35V, 수하특성(직렬저항 삽입), 용접용 발전기 이용(타여자 차동 복권 발전기, 제3브러시 발전기), 수동용접용은 400[A] 이하로 전류 제한

▶ 탄소 아크 용접 : 탄소 전극(-), 모재(+)▶ Union melt : 용재, 특수강 용접 : 항공, 조선, 철도, 원자력 등, 분말 용재를 용접부에 뿌리고 용재 속에서 아크 용접. 용접 내용이 눈에 안보임. 자동 용접도 많고, 발명회사가 유니온 어쩌구 회사임.▶ 불활성 가스 용접 : 아크 주위에 , 등의 불활성 가스 불어 넣어 용접부의 산화나 질화를 방지(arc부근의 산소차단), , , 스테인레스강, 기타 특수강 용접, flux전혀 없이 용접▶ 원자수소용접 : 수소 원자의 결합열 이용, 수소가스()가 원자()로 변화하면서 열방출(6000℃), 경금속, 구리 합금, 특수강, stainless강 등의 용접

▶ 기타 : 고주파(400), 금속관의 용접식 제작

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2.6 전기 건조- 전열건조 : 니크롬선 등의 발열체 이용- 적외선 건조 : 적외선 전구 이용, 2200 ~ 2500(2800~3200인 백열전구보다 저온)

도장, 섬유, 도자기, 인쇄물, 탈수- 고주파 건조 : 유전가열 등

* 초음파 : 1 ~ 200 , 강력한 동력이 필요한 곳에서는 수 - 매질 : 공기, 액체, 기체, 고체 등 다양- 압력차에 의한 진공의 공동 발생 : 기계적 교란(cavitation), 세정, 기체를 거품으로 제거,

고체 표면의 더러움 제거, 액체를 유화․분산, 탈기, 산화, 화학반응 촉진 작용 등- 초음파의 금속 용접 : 이종금속 가능, 가느다란 선이나 박막, 고체상태의 용접이므로 열

의 영향이나 주조조직 등 부작용 적음, 가열 불필요, 간단- plastic 류의 용착 가공 : 불순물이 다소 있어도 상관없음, 제품의 변형이나 내용물의 변

질 없음, 1초 정도면 되기 때문에 건조나 냉각 필요 없음, 14 ~ 45 , 30 ~ 3

* 전자 Beam 가열 : 전자 비임(방향성이 있는 전자의 흐름)을 국부적으로 제어 가능, 섬세, 다른 부분에 열 영향 적음, 고융점 재료 및 박막 재료의 용접이 용이, 진공 중 가열 가능- 진공 중 : 활성 금속, 실리콘, 티탄이나 몰리브덴 용접 가능- 베릴륨, 우라늄 등 유해 가스를 배출하는 특수 금속 용접 가능- 전자 비임 가공 : 금속, 반도체의 섬세한 가공, 절삭, 미소용접. 전자 현미경용 백금조리

개, 인조루비, 방사용 노즐 등 가공- 텅스텐 합금(음극) : 진공 중 가열 10000 ~ 150000[], 10 ~ 1000

* 레이저 가열 : 구멍 뚫기, 절단, 명판․공구 등에 marking, 전자회로 리드선의 용접, 열전대의 용접, 표면 담금질 등

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고온 저온

냉접점열접점

금속 A

금속 B

i

그림 11 제벡 효과

2.7 측온(접촉식, 비접촉식)

(1) 접촉식

▶ 수은 온도계 : -35 ~ 150℃▶ 알코올 온도계 : -100 ~ 120℃(고온측정은 부적당)

▶ 열전 온도계(thermoelectric thermometer) : 제벡 효과를 거꾸로 응용, 기전력으로부터 온도차를 알아냄

* Seebeck 효과 : 서로 다른 두 금속의 양 끝을 연결하고(이렇게 만들어진 금속선 쌍을 열전대(thermocouple이라 함)) 두 점 사이에 온도차를 두면 기전력 발생

백금 - 백금로듐 : 1400℃, 100℃당 기전력 차이 0.8 ~ 1 , 0 ~ 1600℃크로멜 - 알로멜 : 1000℃, 100℃당 기전력 차이 4 , -50 ~ 1200℃철 - 콘스탄탄 : 600℃, 100℃당 기전력 차이 5.5 , -100 ~ 800℃구리 - 콘스탄탄 : 400℃, 100℃당 기전력 차이 4.5 , -200 ~ 400℃

- 냉접점을 0℃로 유지하거나 또는 실온으로 유지하는 대신 적당한 보상 방법 적용함. 고온부는 보호관속에 넣음

▶ 저항 온도계 - 순수 금속의 온도에 따른 저항 변화 이용, 저온 측정브리지식, 전위차계식, 교차 코일식백금 : -183 ~ 630.5℃니켈 : -50 ~ 300℃구리 : 0 ~ 120℃thermistor : -30 ~ 150℃

- Thermally Sensitive Resistor() ; 일종의 온도 센서, (-) 저항온도계수, 상온에서 저항이 큰 편이고, 과전류 보호용 PTC,

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(2) 비접촉식

▶ 광 고온계(optical pyrometer) : 고속 이동 물체, 고온 측정에 적합, 가시광선(단색광)만 집중 분석. 비접촉식, 휘도비교, 700 ~ 2000℃, 피측정 대상 물체의 휘도와 광고온계 내부 전구의 휘도를 같게 만들 경우 흐르는 전류를 참고로 하여 온도를 측정, 휘도온도 < 진온도

▶ 방사고온계(radiation pyrometer) : 광고온계보다 저온, 500℃ 정도 측정 가능, 복사에너지를 수열면(그을음, 백금흑)에 lens로 받아서 온도 상승 값을 열전대 또는 저항 온도계 등으로 측정