제안한 유도가열 시스템은 증류탑 장치에 사용되는 특수충진체에 의한 열교환기술과 IH(Induction-Heating)전자유도가열용의 특수한 고주파 전력회로 기술을 응용한 차세대 가열방식이다. 특히 일체의 연소과정이 없다는 점에서 작업환경의 개선이 가능하며 본 기술은 IGBT대응의 고주파 인버터를 사용하여 상용교류로부터 수[kHz]의 고주파 교류를 발생시킬 수 있다. 본 논문에서는 절연체 용기 내에 특수 스텐레스 발열체부하를 수납하여 용기 외부의 고주파 공진형 인버터 접속의 워킹코일로부터 비접촉 상태로 전자유도 와전류를 구조체에 흘림으로서 발열하게 되는 새로운 유체가열방식을 제안한다. 그리고 5[kW]급 풀-브릿지 공진형 인버터 시스템과 공진부하의 동작해석, 특성분석 및 본 시스템을 이용한 고효율 스팀 발생장치의 개발과 시스템의 응용에 대해 논하였다.
본 연구에서는 고주파 유도가열을 위한 전원장치에 사용되는 인버터 시스템의 대용량, 고조파화를 실현하기 위한 고주파화 기술을 제안하였다. 부한 공진 인버터는 H형 전-브리지(Full-Bridge)로 구성하고 각 암당 IBGT를 2병렬로 조합하여 구성하고 부하는 직병열 공진회로로 구성한다. 스위칭 동작은 8개의 IGBT중 각 ARM당 2개씩 순차 제어하여 고속 대용량의 고주파 전력을 출력시킨다. 또한 스위칭은 스위치 턴온·오프시에 스위칭 손실을 줄이기 위해 ZVS(Zero-Voltage Switching) 기법을 도입한다. 제어는 고정주파수 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 하여 전력변환 효율을 극대화한다.
Ni-CeO2 및 Ni-MgO와 같이 Ni이 포함된 나노복합물질을 고주파 유도결합 플라즈마를 이용하여 합성하였다. 이를 위해, 먼저, 1~100 ${\mu}m$ 크기의 가상 Ni 입자와 고융점 세라믹 입자가 플라즈마 유동 내에서 겪는 열전달 과정을 수치해석을 통해 묘사하였다. 묘사 결과로부터, 완전 기화한 Ni 증기가, 채 기화하지 못하고 고체 형태로 남은 세라믹 입자 위에서 균일하게 응축된 형태를 갖는 Ni-세라믹 나노입자 합성을 예측하고, 실제 합성 실험을 25 kW 급 고주파 유도결합 플라즈마에 0.1~10 ${\mu}m$ 크기의 Ni, CeO2 및 MgO 분말을 주입하여 수행하였다. 마지막으로, 실험을 통해 합성된 Ni 계 복합나노물질에 대해, FE-SEM 및 TEM 사진 분석과 EDS 및 ICP-AES 성분 분석을 진행하고, 수치해석을 통해 예측된 결과와 비교 검토하였다.
최근 산업계에서 널리 사용되고 있는 유도전동기, 특히 단상 유도전동기는 고주파에 의한 영향으로 인하여 crawling 현상이 발생하기도 한다. 이러한 고주파에 의한 영향을 저감시키기 위하여 주로 skew를 적용시키고 있다. 본 논문에서는 crawling 현상 저감을 위하여 skew 값에 따른 각 차수별 고주파를 분석하고 양호한 토크 특성을 발생시키도록 연구되었다. 또한 2D 해석 및 샘플 제작을 통한 실험을 통하여 실제 모델에서의 skew에 의한 crawling 현상 저감을 확인하였다.
기존에 적용중인 유전가열 합성수지 접착기술의 경우 진공관 소자를 사용하여 10MHz 대역 이상의 스위칭 주파수를 사용하고, 유전손실이 비교적 높은 PVC 소재에 제한적으로 적용해 왔다. 다른 합성수지 소재에 비해서 유전손실이 낮은 친환경적인 소재에 대해서는 적용이 어려운 기술인 관계로 최근들어 부각되는 친환경적 소재의 적용 확대로 인하여 기존 유전가열 방식의 접착기술은 한계에 접하고 있다. 본 논문에서는 고주파 유도가열 관련 기술을 응용하여 친환경적인 합성소재의 직접가열의 문제점을 간접가열에 의한 온도제어를 적용하여 고주파 유도가열 접착기를 설계하였다.
본 연구에서는 고주파 유도경화처리한 중탄소강의 회전접촉 피로거동을 0.44wt.%C강과 0.55wt.%C강을 사용하여 조사하였다. 회전접촉 피로시험은 Polymet RCF-1 시험기에서 탄성유체 윤활 조건으로 회전속도 8,000rpm, 최대 Hertz응력 492kg/m$m^2$을 가하면서 실시하였다. 미세한 lath마르텐사이트가 고주파 유도경화한 0.44wt.%C강과 0.55wt.%C강의 표면경화층에 형성되었고 소량의 페라이트가 일부 형성되었으며 0.44wt.%C강과 0.55wt.%C에 비해 비교적 큰 페라이트가 나타났다. 회전접촉 피로시험 후 표면경도가 거의 유지되는 표면경화층에서 회전접촉 피로시험전에 비해 경도가 상승하였다. 이 경도증가량의 최대치($\Delta$ Hv$_{max}$)와 피로수명과의 관계를 조사한 결과 0.55wt.%C강이 0.44wt.%C강에 비해 회전접촉 피로중에 일어나는 소변형에 대한 높은 저항성에 주로 기인하여 $\Delta$ Hv$_{max}$값은 낮게 나타나고 피로수명은 높게 나타났다.
신뢰성 및 반복성을 포함한 장점을 갖고 있는 고주파 유도 경화는 많은 산업분야에 사용된다. 고주파 유도 경화는 화염을 이용하지 않고 최소한의 시간에 에너지-효율적인 가열방법을 제공하는 비접촉식 방법이다. 최근, 유한요소법을 이용한 고주파 유도 경화가 적극적으로 연구되고 있지만, 이들 연구는 단지 분석의 정확도에 초점을 맞추고 있다. 본 논문에서는 코일 및 입력 전원을 동일한 형태의 조건에서 가변 주파수를 적용하여 해석하고 실험결과와 비교하였다. 해석과 실험 결과는 최적의 주파수인 3kHz를 사용하였을 때 경화 깊이가 거의 동일함을 보인다.
새로운 급속소결방법인 고주파유도가열 소결법과 펄스전류활성 소결법을 이용하여 습식 볼밀링으로 혼합한 WC-8wt.%Co분말에 60MPa의 압력과 90%의 고주파출력 또는 2800A의 필스전류를 가하여 상대밀도가 98.6% 이상인 초경재료를 2분이내의 짧은 시간에 제조하였다. 초기의 WC분말의 입도가 미세해짐에 따라 고주파유도가열 소결법과 펄스전류활성 소결법 모두 소결시간이 단축되는 경향을 보였으며 그 소결체의 결정립 크기도 감소하였다. 고주파유도가열 소결법으로 제조된 초경합금의 WC 결정립 크기는 초기입도가 증가함에 따라 가각 410, 540, 600, 700 및 850nm으로 측정되었으며. 그 결과를 Fig. 1.에 나타내었다. WC의 초기입도가 $0.5{\mu}m$일 경우 고주파유도가열 소결법과 펄스전류활성 소결법으로 제조된 WC-8wt.%Co 소결체의 경도와 파괴인성은 각각 $1923kg/mm^2$과 $10.5MPa{\cdot}m^{1/2}$ 및 $1947kg/mm^2$과 $10.8MPa{\cdot}m^{1/2}$ 이었다.
본 논문에서는 고주파에서 동작하는 공핍형 SOI MOSFET의 드레인 전류가 유도성 기생성분에 의해서 응답지연이 일어나는 것을 처음으로 확인하였다. 공핍형 SOI MOSFET는 드레인전압 변동에 따른 드레인전류의 응답지연이 발생하기 때문에 일반적인 MOSFET 고주파모델로는 해석할 수가 없다. 이러한 응답지연은 non-quasi-static 효과로 설명될 수 있으며 SOI MOSFET에서는 일반적인 MOSFET에 비해 유도성 기생성분에 의해 응답지연이 크게 발생하게 된다. 본 논문에서 제시한 고주파모델을 이용하여 공핍형 SOI MOSFET의 드레인 응답지연을 잘 표현하는지 확인한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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