KR100686328B1 - 카본사램프 히터 및 이를 위한 탄소끈관 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 진공유리관(밀폐용기)에 발열체로 탄소체(카본사 필라멘트)를 내장시켜 전원을 외부단자로 공급토록 이루어진 전기스토브용 가열램프에서, 탄소체는 탄소사를 포함하여 편직한 중공의 관체형 탄소끈관을 포함하는 카본사램프 히터를 제공하며, 탄소끈관의 표면에 코팅되어 편직된 탄소사를 상호 고정시키는 코팅층을 부가한다.

본 발명은 또한 탄소사와 섬유사로 편직한 중공의 관체형을 이루도록 편직하는 탄소끈관 제조과정;

탄소끈관 표면에 내열성 코팅층을 코팅 및 건조하는 코팅과정; 및

코팅한 탄소끈관을 섭씨1000~3500도로 가열하여 일반 섬유사를 소성하고 탄소끈관 표면이 망체형을 이루도록 하는 소성과정을 포함하여 수행하는 카본사램프 히터용 탄소끈관 제조방법을 제공하려는 것이다.

카본사,코팅,탄소끈관

Description

카본사램프 히터 및 이를 위한 탄소끈관 제조방법{Lamp heater with pipe typed form of woven carbon fibers and method thereof}

도 1 은 일반적인 탄소계 발열체의 구성도,

도 2 는 도 1 에 사용되는 탄소체의 요부 확대도,

도 3 은 일반적인 스프링형 카본사램프히터의 평면도,

도 4 는 일반적인 스프링형 카본사램프히터의 다른 예를 보인 도면,

도 5 는 도 4 에 보인 카본사 탄소체 제조장치의 예를 나타낸 사시도,

도 6a 는 본 발명의 히터 평면도,
도 6b 는 본 발명의 고정단자의 단면도,

도 7 은 도 6a 의 A-A선 확대 단면도,

도 8 은 탄소사를 탄소속체로 사용한 확대 단면도,

도 9 는 도 7 의 단면을 보다 구체적으로 예시한 도면,

도 10 은 도 9 에 보인 탄소끈관에 코팅을 이룬 것을 함께보인 부분 단면도,

도 11 은 도 9 에 보인 탄소끈관을 가열시켜 카본사가 아닌 섬유사를 연소시킨 경우를 보인 단면도,

도 12 는 도 7 내지 도 9 및 도11 에 보인 관체형 탄소끈관과 같이 코팅층을 생략한 상태로 탄소사의 개수를 줄여 도시한 평면도이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

6;탄소사 6-1~6-n;탄소사 30;탄소끈관 31;중공부 32;망공 40;코팅층

본 발명은 카본사램프 히터 및 이를 위한 탄소끈관 제조방법에 관한 것으로, 카본사램프를 이루는 탄소체를 중공의 관체형끈 형태로 편직한 탄소끈관으로 사용한 카본사램프이며, 또한 탄소끈관의 제조시 카본사와 섬유사를 편직사로 사용하여 편직하고, 코팅후 가열하여 섬유사를 연소시켜 그물망 형태를 이루도록 하는 탄소끈관 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 램프는 전구라고도 하는데 진공관의 내부에 설치한 필라멘트에 전류를 흐르게 하여 고온으로 가열함으로써 생기는 빛(Light)을 이용하기도 하고, 필요에 따라서는 발열하는 열을 이용하는 히터용 램프로 사용하기도 한다. 이는 진공 상태에서 내부에 필라멘트를 설치하고 유리관의 양단에 필라멘트와 연결하는 단자를 설치한 구성을 예시할 수 있다. 또한, 유리관의 축을 따라서 텅스턴 필라멘트를 설치하고 관 내에 요오드 가스를 봉입하여 필라멘트에 전류를 보내면(전원을 인가하면) 필라멘트에서 발생한 텅스텐 원자가 관벽에서 요오드와 결합하여 요오드화텅스텐으로 되어 필라멘트로 되돌아가고, 여기서 또 분해되어 텅스텐을 필라멘트에 남기는 이른바 요오드 사이클에 의하여 장시간 사용 가능한 고 효율의 램프로 사용 한다.

그러나 이러한 방식의 램프는 필라멘트의 손상이 외부 충격에 약하고, 가열에 의한 형태변형 등으로 내구성이 약한 문제점이 있으며, 코일을 설치하는데 따른 원가 상승 등의 부담이 있다.

한편, 면상 발열체 등에 사용하는 카본사는 미세한 굵기의 카본섬유 다발을 하나의 군으로 하여 사용한다. 예를 들어 카본섬유가 26400개로 이루어진 경우 길이가 1미터, 직경이 0.3 밀리미터인 경우 약 60 옴의 저항치를 이룬다. 때문에 이를 기초로 원하는 출력(와트)을 설계하여 면상 발열체 등을 제조한다. 물론 이 경우 저항치는 저항식

(식에서 R;저항, rho ;저항률, l;길이, s;단위면적이다)에 따라 결정한다. 그러나 이들은 면상 발열체의 발열원으로 사용하는 것이어서 주로 약 50도 내지 70도의 온도를 발산토록 설계하며, 그 이상이 되면 화재의 위험이 있고, 공기와 산화되어 내구성이 현격히 저하된다.

한편, 이러한 카본사를 열원으로 하여 진공튜브에 내장시킨 히터가 개발되었는데, 카본사를 일정한 묶음으로 저항치를 설정하여 원하는 출력을 제공토록 하는 것이나 카본사를 단자에 고정하는 기술과 카본사를 집속하는 기술이 미비하여 산업화에 어려움을 겪고 있다. 이러한 기술의 일 예로는 일본 공개특허 2000-123960호로 공개된 탄소계 발열체가 알려져 있는바, 이는 도 1 과 같이 탄소계 발열체(1)의 양단에 캡형 전극부(2)를 두고 탄소계 발열체(1)와 캡형 전극부(2)가 진공밀폐용기(3) 내에 내장되고, 캡형 전극부(2)는 리드선(4)을 접속시켜 전원을 인가하도록 이 루어진다. 상기 리드선(4)은 도 2 와 같이 다수의 다발로 이루어진 탄소계 탄소사(6)의 다발 외주연을 탄소실(7)로 감아 묶어 탄소속체(5)를 이루도록 하는 고정 형태를 이룬다.

적어도 하나의 탄소속체(5)로 된 발열체(1)를 구비하고, 그 양단을 캡 형태의 전극부(2)로 결합시켜 진공밀페용기(3)를 씌우도록 성형한다.

그러나 이러한 방식은 원하는 탄소사(6)를 원하는 다발의 수를 사용하여 원하는 저항치를 만들어 원하는 출력(W)을 출력토록 사용하나, 탄소사(6)를 탄소실(7)로 묶어야 하는 번거러움과, 필요시 묶은 탄소실(7)이 벗겨지지 않도록 필요에 따라 액상수지를 함침 시켜야 하는 등의 문제가 있다.

한편, 출력을 높이기 위한 방식으로 가닥수를 증가시키는 방식 대신 길이를 늘려 출력을 높이는 방식이 제안되었는바, 이는 일본국 공개특허 제 2002-63870호(미국특허 공개 2001/0055478A1 호)로 알려져 있다. 이는 도 3과 같이 예시할 수 있는바, 진공밀폐용기(3)의 양단은 리드선(4)을, 진공밀폐용기(3)의 양단을 누름 고정하는 평면단자부(3-1)에는 상기 리드선(4)과 도통토록 안치되는 전극편(4-1)을 안치시키고, 코일밴드형의 카본사필라멘트(10)는 진공밀페용기(3)의 내벽에 지지되도록 일정 길이마다 스페이스 홀더(11)를 설치한다. 상기 카본사필라멘트(10)의 양단은 전원 인가용 슬리브(20-1)를 가지는 고정단자(20)를 설치하고, 고정단자(20)는 슬리브(20-1)와, 슬리브(20-1)에 일체로 되어 중간단자(20-3)와 결합하는 접속편(20-2)을 포함하여 구성한다.

그러나 이러한 기술은 카본사필라멘트(10)를 단순히 중간단자(20)에 고정하 는 기능을 수행하는 것이어서, 진공밀페용기(3)의 중앙에 위치토록 하는 기능이 약하여 별도의 스페이스홀더(11)를 설치하여야 하는 문제점이 있다. 그리고 카본사필라멘트(10)는 카본사 속을 일정 폭으로 배열하여 띠 형상으로 만든 구조이므로 카본사 상호 간의 결속력이 약하여 충격시나 장기간 사용시 카본사속을 이루는 카본사가 상호 분리되어 내구성이 약화되는 문제점이 있다.

한편 카본사를 띠 형태로 꼬아서 만든 카본사속을 탄소체로 하는 히터의 예로는 미국특허 제 6534904호로 알려진 것을 예시할 수 있는바, 이는 도 4 와 같이 나선형으로 감은 카본리본형의 탄소체(2a)를 진공밀폐용기(3) 내에 안치시키고, 탄소체(2a)의 양단은 고정단자(20) 및 콘넥터(1a)를 통하여 외부 전원을 공급받도록 구성한다. 이 경우 탄소체(2a)는 진공밀폐용기의 길이(B)의 1.5배 이상의 길이를 가지도록 구성하여 원하는 출력을 제공토록 한다. 이는 원하는 저항치를 맞추기 위하여 일정한 길이로 연장하기 위하여 나선형을 이루도록 한다. 그러나 이러한 기술은 탄소체(2a)를 지지하는 구성요소가 없어 탄소체(2a)가 늘어져서 밀폐용기(3)의 내벽에 닿고, 이로 인한 과열로 내구성이 약해져 실질적으로는 산업상 사용이 어려운 문제점이 있다.

이러한 카본리본형 탄소체를 제조하는 장치는 미국특허6464918호에 나타나 있는바, 도 5 를 참조하여 나타내면, 감기를 원하는 직경의 탄소체와 같은 직경의 나선축(4b)과, 카본리본(3b)을 나선축(4b)에 공급하는 공급수단(10b), 공급수단(10b)의 구동력을 제공하는 모터(12b), 상기 공급수단(10b)을 통하여 공급되는 카본리본(3b)을 가열하는 열기팬(5b)과, 열기팬(5b)을 통한 열기를 카본리본(3b)으로 배출하는 노즐(6b)과, 열기팬(5b)을 나선축(4b)의 축방향을 따라 나란하게 설치한 레일(7b)을 따라 화살표(9b)방향으로 이동하며 상기 열기팬(5b)을 결합한 구동모터(11b)로 이루어진다. (13b)는 동시에 모터(11b)(12b)를 구동하는 제어선이나 이동에 필요한 이둥수단을 나타낸다. 또한 카본리본(3b)은 나선축(4b)에 일정하게 감기도록 텐션력(8b)을 갖도록 하는 것이 좋다. 이어 열기팬(5b)에서는 약 300도의 열기를 공급하여 감기는 카본리본을 연화시키고, 공급수단(10b)은 카본리본(3b)을 열기팬(5b)의 이송 속도와 일치하게 공급하면서, 나선축(4b)에 나선형으로 감기는 카본리본(3b)을 연화시키고, 다 감기면, 질소가스환경에서 약 1000도로 가열한 후 냉각하면 단순한 카본리본에서 나선형을 이루어, 도 4 와 같은 탄소체를 얻게 된다. 이는 단순히 감긴 카본리본을 복원력을 가지는 나선체로 물성을 변화시킨다. 이는 카본리본을 이루는 카본사/수지로된 탄소체에서 수지가 고열(1000도)에서 기화되면서 순수한 탄소로만 이루어져 탄소체의 물성이 단단하게 변하고(그러나 얇기에 탄성력을 갖게된다) 나선형의 탄소체를 얻게 된다.

그러나 이러한 방식의 탄소체는 띠상의 탄소체를 기반으로 하는 것이어서, 탄성력의 유지에 한계가 있어 제품화에 어렵거나, 도 3 과 같이 일정 간격마다 스페이스홀더를 설치하여야 하므로 상품성이 떨어진다.

본 발명은 이를 해결하고자 하는 것으로, 본 발명의 목적은 발열용 탄소체를탄소사를 이용하여 끈을 이루도록 편직하되, 중앙은 빈 관체형을 이루도록 하여 제조가 용이하고, 저항치를 맞추는데 길이가 길 필요가 없어 다양한 용량의 히터를 제공할 수 있도록 하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 관체형 탄소체를 사용하므로 중공의 내부 공간으로 공기의 순환을 가능토록 하고, 이에 따라 내부공간이 변형을 흡수하도록 기능하여 외부 형태 유지가 용이하도록 하는 카본사 램프히터를 제공하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 카본사를 단위 다발 원사로 편직하여 저항의 크기를 조절하기가 쉽도록 하는 카본사 램프히터를 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 탄소체를 원통형의 탄소끈 관으로 구성하였기에 편직시 편직기의 헤드를 교체하면 직경을 조절할 수 있어, 직경으로 저항치를 쉽게 맞출 수 있도록 하는 카본사 램프히터를 제공하려는 것이다.

이를 위하여 본원 발명은 탄소사를 끈 형태로 편직하되 길이방향의 중앙은 빈 원통형을 이루도록 편직한 니트지 형식의 편직 탄소끈관을 탄소체로 구성한 카본사램프히터를 제공한다.

즉, 본 발명은 진공유리관(밀폐용기)에 발열체로 탄소체(카본사 필라멘트)를 내장시켜 전원을 외부단자로 공급토록 이루어진 전기스토브용 가열램프에서,

탄소체는 탄소사를 포함하여 편직한 중공의 관체형 탄소끈관을 포함하는 카본사램프 히터를 제공하려는 것이다.

상기 탄소끈관의 표면에 코팅되어 편직된 탄소사를 상호 고정시키는 코팅층을 부가한 것이 좋다.

상기 코팅층은 카본코팅이나 세라믹 코팅 중의 일 종 인 것을 예시할 수 있으나 이에 한정하지는 않는다.

본 발명은 또한 탄소사와 섬유사로 편직한 중공의 관체형을 이루도록 편직하는 탄소끈관 제조과정;

탄소끈관 표면에 내열성 코팅층을 코팅 및 건조하는 코팅과정; 및

코팅한 탄소끈관을 섭씨1000~3500도로 가열하여 일반 섬유사를 소성하고 탄소끈관 표면이 망체형을 이루도록 하는 소성과정을 포함하여 수행하는 카본사램프 히터용 탄소끈관 제조방법을 제공하려는 것이다.

이하 본원 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 6a 는 본 발명의 평면도, 도 6 b 는 고정단자의 단면도, 도 7 은 도 6a 의 A-A 선 확대 단면도, 도 8 은 도 6a 의 다른 예를 나타낸 확대 단면도로, 탄소체는 카본사인 탄소사(6)를 수개의 다발로 상호 꼬아 원통형을 이룬 탄소끈관(30)으로 구성한다. 탄소끈관(30)의 양단은 전기 전도용 고정단자(20)를, 고정단자(20)는 내열성 중간단자(20-3)를 통하여 외부리드선(4)을 도통 가능토록 고정하는 전극편(4-1)에 고정시킨다. 이 경우 바람직한 중간단자(20-3)와 전극편(4-1)은 내열성이 좋은 몰리브덴을 사용하는 것을 예시할 수 있다. (3-1)은 전극편(4-1)이 안치되는 평면단자부이다. 고정단자(20)의 일 에로는 도 6 b 와 같이 탄소끈관(30)의 단부 외경이 고정탄소링(20-5) 내경에 안치되고, 고정탄소링(20-5)의 내경에는 결합스프링(20-4)이 내경을 외측으로 밀치므로 끼움 고정되고, 결합스프링(20-4)의 외단은 중간단자(20-3)가 일체로 형성된다.

도 7 은 도 6의 A-A선 단면도로, 탄소사(6)를 이용하여 원통형으로 끈을 만드는 방식으로 직조한 탄소끈관(30)을 나타낸다. 물론 직경의 크기는 직조용 바늘 등의 크기와 간격을 조절하면 필요에 맞도록 직조 가능하다. (31)은 탄소끈관(30)의 중공부 이다.

도 8 은 도 7의 방식을 기초로 직조한 탄소끈관(30)의 다른 예시도면으로, 단위 카본사(6)가 아닌 다발상의 탄소속체(5)를 이용하여 직조한 것을 나타낸다.

본 발명에서 사용하는 편직기의 예로는 국내실용신안공고 제 1994-8522호(끈제조용 니트지 편직장치), 실용신안공고 제 1994-8523호(관형끈 편직기), 실용신안등록 제 20-0194506호(매듭용 편성 특세사)등에 나타낸 편직기등을 이용하여 편직하는 것이며, 이는 이미 알려진 기술어어서 니트지용 편직 자체의 기술과 구성에 대한 기술설명은 생략한다.

이와 같이 직조한 탄소끈관(30)을 이용하여 도 5 와 같이 히터를 제조하여 사용한다. 이 경우 히터를 만드는 방식 자체는 일반적인 기술로 제조하므로 이의 설명은 생략하고 탄소끈관(30)과 관련한 부분 위주로 설명한다.

본 발명은 도 7 및 도 8 과 같이 탄소사(6)나 탄소속체(5)를 이용하여 관체형 끈 형상으로 직조하되, 단순한 끈이 아니라 중앙에 중공부(31)를 가지는 탄소끈관(30)을 이루도록 직조하므로, 중공부(31)에 의한 충격 흡수 기능과 형태 변형시 완충 작용을 하여 이를 사용하여 제조한 램프히터는 자연스럽게 내구성을 갖게 되고, 많은 탄소사(6)나 탄소속체(5)를 원형을 이루도록 직조하므로, 많은 양의 카본사를 이용하여 저항값을 맞추기가 용이하고, 기존에는 카본사속만을 늘리려고 하다 보니 직조가 용이하지 않고 결합이 해지되어 불량이 높던 것을, 중공을 두고 원통형을 이룬 방식으로 제조하다 보니 제조도 용이하고 카본사의 길이를 자연스럽게 연장한 효과를 이루어 짧은 길이라도 높은 저항값을 가져 높은 출력의 히터 제조를 가능토록 하고, 길이가 짧을 경우에도 단순히 탄소끈관(30)의 직경을 늘리면 높은 출력의 저항치를 제공 가능하여 설계 변경과 다양한 디자인의 히터를 만들 수 있도록 한다.

아울러 중공부(31)를 통하여 발열시 탄소끈관(30)의 내외부면이 균일한 온도를 유지하여 형태변형의 감소를 없애 내구성을 향상시킨다.

본 발명의 다른 예로는 도 9 내지 도 12과 같이 관체형 탄소끈관을 예시할 수 있다.

탄소끈관 제조(편직)공정 및 코팅공정

탄소사(예를들어 탄소사(6-1,6-3, ... 6-n-1)와 화학(또는 면)섬유사(6-2,6-4,...6-n))를 교대로 편직하여 직조하고, 직조한 탄소끈관의 표면에 내열성 코팅층(도 9 및 도 11 에는 도시하지 않았으나, 확대하면 도 10과 같이 코팅층(40)을 표현할 수 있다)(40)을 이루도록 코팅한다(코팅의 방식은 스프레이로 뿌리는 방식이 있고, 디핑 방식을 사용할 수도 있다). 이 경우 코팅층(40)은 세라믹층이나 카본코팅층을 예시할 수 있다. 이 경우 세라믹층은 세라믹 분말을 희석시켜 유약 형태로, 편직 탄소끈관(30)의 표면에 발라 도 10과 같이 각 탄소사(6) 표면에 코팅층(40)을 이루도록 건조하고 이어 설명하는 별도의 소성 공정으로 각 탄소사(6)표면에 소결토록 한다. 이 경우 세라믹층의 재료는 세라믹(Al₂O₃+ZrO₂+Y₂O₃)를 들 수 있다. 한편 본 발명은 카본코팅을 사용할 수도 있는바, 면상 발열체 등에 사용하는 카본코팅재 (Carbon Carbon Composite;일본 etec사 제품, 제품명(카본블럭))를 들 수 있다.

소성공정

편직 및 코팅한 탄소끈관을 1000내지 3500도로 소성하여 코팅층(40)이 소결되면서, 도 9에 보인 섬유사(6-2,6-4,...6-n)가 타버려 도 11 및 도 12에 보인 망공(32)을 이루도록 성형된다(도면에는 섬유사가 있는 것으로 도시하였으나 소성시 타버리고 망공을 이루는 것이기에 망공(32)으로 표현하였음). 이는 섬유사가 타면서 생기는 망공(32)이 코팅층(400의 소결과 함께 각 남은 탄소사(6-1, 6-3,...6-n-1)의 접하는 부분을 결합하는 작용을 한다. 이어 냉각하면(냉각의 종류는 서냉, 급냉 등 다양하게 선택하여 사용 가능하다) 망공(32)이 일정하게 형성되는 탄소끈관의 제조를 완성한다.

이상과 같이 본원 발명은 끈 형상으로 직조하되, 단순한 끈이 아니라 중앙에 중공부를 가지는 탄소끈관을 이루도록 직조하므로, 중공부에 의한 충격 흡수 기능과 형태 변형시 완충 작용을 하여 이를 사용하여 제조한 램프히터는 자연스럽게 내구성을 갖게 되고, 많은 탄소사나 탄소속체를 원형을 이루도록 직조하므로, 많은 양의 카본사를 이용하여 저항값을 맞추기가 용이하고, 기존에는 카본사속만을 늘리려고 하다 보니 직조가 용이하지 않고 결합이 해지되어 불량이 높던 것을, 중공을 두고 원통형을 이룬 방식으로 제조하다 보니 제조도 용이하고 카본사의 길이를 자 연스럽게 연장한 효과를 이루어 짧은 길이라도 높은 저항값을 가져 높은 출력의 히터 제조를 가능토록 하고, 길이가 짧을 경우에도 단순히 탄소끈관의 직경을 늘리면 높은 출력의 저항치를 제공 가능하여 설계 변경과 다양한 디자인의 히터를 만들 수 있도록 한다.

아울러 중공부를 통하여 발열시 탄소끈관의 내외부면이 균일한 온도를 유지하여 형태변형의 감소를 없애 내구성을 향상시킨다.

또한 본원발명은 탄소끈관의 편직시 탄소사와 섬유사를 교대로 사용하여 편직하고, 편진된 탄소끈관에 내열 코팅을 한 다음 소성하면, 탄소사가 타버리고 소성시 코팅층이 탄소사 표면에 소결되어 형태 유지 및 복원력이 발생하여, 히터 사용시 내구성을 증진시킨다.

Claims (5)

1. 진공유리관(밀폐용기)에 발열체로 탄소체(카본사 필라멘트)를 내장시켜 전원을 외부단자로 공급토록 이루어진 전기스토브용 가열램프에서,

   탄소체는 탄소사를 포함하여 편직한 중공의 관체형 탄소끈관(30)을 포함하는 카본사램프 히터.
2. 제 1 항에 있어서,

   탄소끈관(30)의 표면에 코팅되어 편직된 탄소사를 상호 고정시키는 코팅층(40)을 부가한 것을 특징으로 하는 카본사램프 히터.
3. 제 1항에 있어서, 탄소사(6)대신 탄소사(6) 단위다발(탄소속체)을 사용하여 편직한 것을 특징으로 하는 카본사램프 히터.
4. 제 1 항에 있어서, 코팅층(40)은 카본 코팅이나 세라믹 코팅 중의 일 종 인 것을 특징으로 하는 카본사램프 히터.
5. 탄소사와 섬유사로 편직한 중공의 관체형을 이루도록 편직하는 탄소끈관 제조과정;

   탄소끈관 표면에 내열성 코팅층을 코팅 및 건조하는 코팅과정; 및

   코팅한 탄소끈관을 섭씨1000~3500도로 가열하여 일반 섬유사를 소성하고 탄소끈관 표면이 망체형을 이루도록 하는 소성과정을 포함하여 수행하여 제조함을 특징으로 하는 카본사램프 히터용 탄소끈관 제조방법.

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