JP2019537204A - 炭素フェルト発熱装置及びその製造方法 - Google Patents

炭素フェルト発熱装置及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】多様な応用分野に適用可能であり、広い面積で均一な熱分布を示すことができ、少ない電力量でも発熱体の目的を達成することができる面状発熱体を提供する。【解決手段】本発明の実施例による炭素フェルト発明装置は、電力の供給時に熱を放出する炭素フェルト部と、前記炭素フェルト部の両端に備えられ、電源と電気的に連結可能な電源連結部とを含み、前記炭素フェルト部の空隙の少なくとも一部が樹脂又はポリマーで満たされる。【選択図】 図2

Description

本発明は炭素フェルト発熱装置及びその製造方法に関する。
一般に、発熱体は大別して線状発熱体と面状発熱体に区分される。
前記線状発熱体は主にニクロム線から製造されるコイルのような発熱手段の電気抵抗熱を用いるもので、発熱手段に電流が供給されれば熱が発生するものであり、マットレス、発熱チョッキなど、多様に適用されているものである。
このような線状発熱体は熱線間の間隔が比較的大きくて発熱面で部分的な温度偏差が大きいし、過電流が印加されると過熱して火事が発生する危険性が高い。また、コイルの連結部が易しく断線される問題点も同時に発生する。
面状発熱体は、ニクロム、銅ニッケル合金、アルミニウムなどの金属を用いる金属発熱体と炭素材料を用いた非金属発熱体に区分される。
前記金属発熱体は発熱手段としてニクロム線、鉄線、ニッケル線、銀メッキ銅線などの金属発熱体が使われるが、過電流が印加されると、過熱して火事発生の危険性があり、曲げ応力が繰り返し作用すると易しく断線される問題点があり、相対的に電気消耗量が大きい。
前記非金属発熱体は炭素繊維を用いる発熱体であり、前述した線状発熱体、金属発熱体からなった面状発熱体の問題点を解消するために、発熱手段を成す発熱体を炭素で構成したものであり、繊維やフィルムの表面に沈澱又は印刷方式で炭素をコーティングするか、炭素糸を一定の間隔の緯糸とし、導電糸を一定の間隔の経斜として製織したものである。
一方、炭素はセラミックの成分で、電気伝導度にとても優れ、高温に耐えることができる性質によって発熱体として多く使われている。
炭素繊維を用いた発熱体は、多数の炭素繊維を特定のパターンで配列し、炭素繊維の両側端に電源線を配置し、電源線と炭素繊維が接触するように連結することにより、電源線に印加される電力によって炭素繊維が発熱するように構成される。
炭素繊維糸は有機繊維を不活性気体内で加熱、炭化して作った繊維で、通電時に発熱するものである。これを製造するための多様な方式の製造方法が公知となっている。例えば、各種の無機鉱物質が含まれた炭素粉末をペーストにし、これを一般のマルチフィラメント繊維糸に塗布して製造する方法、炭素、タングステン、マンガン及びステンレスなどを高温で溶融した状態で紡糸する方法、ポリアクリロニトリル繊維を炭化して製造する方法などがある。
前記炭素繊維又は炭素繊維糸からなる炭素繊維発熱体は、金属発熱体に比べて消費電力が低く、面状発熱による温熱安楽感が高く、昇温速度が速い利点がある。このような炭素繊維からなった発熱体の場合、炭素繊維の両側端に配置された電源線の耐久性及び接着安全性によって全体的な発熱体の寿命が決定される。
このような炭素を発熱源とする発熱体は空気汚染及び騷音がなく、衛生的であり、人体に有益な遠赤外線を放出するので、温熱治療、健康サウナ、衣類、寝具類、建設暖房材、結氷及び積雪防止の道路用、農水産物乾燥用、養豚及び養鶏のための畜舎用、化学工場又はガス運搬船のパイプ保温用テープなどと次世代住居用暖房材として広く用いられている。
前述した発熱体の複雑な製造工程のため、発熱体の構造が複雑になり、発熱体の製造コストが上昇し、発熱体の設置空間が大きくなる問題点がある。
一方、黒鉛又は炭素複合素材は素材が同一であるが物理的性質が違う素材であり、炭素が含まれたセラミック、例えば炭化ケイ素(SiC)などが発熱体として使われている。
このような炭素発熱体は、産業現場で高温真空熱処理炉(heat treating furnace)、インゴットグローイング炉(ingot growing furnace)の発熱体として使われている。高熱量を出すための方法として、形状を複雑にして電気抵抗を高めることになる。
また、素材の特性上、堅くて撓う性質がないから、使用目的に適した形状に製作するためにミリング(milling)加工あるいは研削工程を実施しなければならないため、大量生産が易しくなく、製造コストが上昇する原因となる問題点がある。
自然界の現象によって放出された電磁波が物体に吸収されてその物体を加熱するために放出エネルギーを輻射熱又は放射熱と言う。
放射熱は物体から放出される電磁波が物体に直接吸収されて熱に変わるときのエネルギーをいい、対流又は伝導のような現象なしに熱が直接伝達されるので、熱が瞬間的に伝達される。
したがって、電気抵抗によって発熱する発熱部を一直線状、ジグザグ状、螺旋(spiral)状の多様な形状に形成するか、一定の間隔で対置させれば、二つの対向体の間で一定の温度以上に発熱することになる。
本発明の目的は、このように放射熱が発生する原理及び構造を比較的軽量体である炭素フェルトで具現して、多様な形状及び模様に発熱体を製作することができるので、多様な応用分野に適用可能であり、広い面積で均一な熱分布を示すことができ、少ない電力量でも発熱体の目的を達成することができる面状発熱体を提供することである。
本発明の他の目的は、遠赤外線放出効果がある炭素フェルトを用いることにより、発熱部の上下左右への全方向に発熱する卓越した暖房効果とともに人体に有益な効果を提供することができる面状発熱体を提供することである。
本出願の課題は以上で言及した課題に制限されず、言及しなかった他の課題は下記の記載から当業者に明らかに理解可能であろう。
本発明の一側面によれば、本発明の炭素フェルト発熱装置は、電力の供給時に熱を放出する炭素フェルト部と、前記炭素フェルト部の両端に備えられ、電源と電気的に連結可能な電源連結部とを含み、前記炭素フェルト部の空隙の少なくとも一部が樹脂又はポリマーで満たされる。
前記樹脂又は前記ポリマーが前記空隙を多く満たすほど前記炭素フェルト部の壊れる程度が減少することができる。
本発明の炭素フェルト発熱装置は、前記炭素フェルト部が挿入できるように前記炭素フェルト部の形状に対応するホール又は溝を有するハウジングをさらに含むことができる。
前記ハウジングの外部に露出された前記炭素フェルト部の表面及び前記ハウジングの外側面には防水性絶縁層が形成されることができる。
本発明の炭素フェルト発熱装置は、前記防水性絶縁層上に配置された基材部をさらに含むことができる。
前記炭素フェルト部及び前記電源連結部は防水性絶縁物質で包まれることができる。
本発明の炭素フェルト発熱装置は、前記電源連結部に電気的に連結されて電力を供給するバッテリー部をさらに含むことができる。
本発明の炭素フェルト発熱装置は、前記バッテリー部を充電する無線充電モジュールをさらに含むことができる。
本発明の炭素フェルト発熱装置は、前記バッテリー部と電気的に連結された第1マグネットコネクターをさらに含むことができ、前記第1マグネットコネクターは、充電用電源を前記バッテリー部に供給するために、前記充電用電源と電気的に連結された第2マグネットコネクターに着脱可能であってもよい。
前記炭素フェルト部にホールが形成されることができる。
前記炭素フェルト部は複数の単位炭素フェルトを含むことができ、前記複数の単位炭素フェルトは前記電源に対して直列で又は並列で連結されることができる。
本発明の他の側面によれば、本発明の炭素フェルト発熱装置の製造方法は、炭素フェルトを樹脂分散溶液又はポリマー分散溶液に含浸する段階と、樹脂又はポリマーが空隙に満たされた前記炭素フェルトを乾燥させる段階と、前記樹脂又は前記ポリマーが充填された前記炭素フェルトの両端に電源連結部を取り付ける段階とを含む。
本発明の発熱体は軽量体である炭素フェルトを用いるので、加工性及び移動性が良好な効果がある。
また、電気抵抗熱と放射熱が発生する原理及び構造を比較的軽量体である炭素フェルトから具現して、広い面積で均一な熱分布を示すことができ、上下左右への全方向に熱が放射されるので、少ない電力量でも発熱体の目的を達成することができる。
また、炭素フェルトが製造された状態、すなわちソフトフェルト又はリジッドフェルトのうち、フレキシブルな変形が必要な場合にはソフトフェルトを使い、変形が不要な場合にはリジッドフェルトを使うことによって意図する多様な形状及び模様に発熱体を製作することができるので、多様な応用分野に適用可能な効果がある。
また、炭素フェルトから多量で放射される遠赤外線の効果によって卓越した暖房効果とともに人体の細胞組職を活性化し、新陳代謝を促進させることができる効果がある。
本出願の効果は以上で言及した効果に制限されず、言及しなかった他の効果は下記の記載から当業者に明らかに理解可能であろう。
本発明の実施例による炭素フェルト発熱装置を示す図である。 本発明の実施例による炭素フェルト発熱装置を示す図である。 本発明の実施例による炭素フェルト発熱装置を示す図である。 電源が供給されるとき、樹脂又はポリマーの有無による炭素フェルト部の温度変化を示す図である。 本発明の実施例による炭素フェルト発熱装置の炭素フェルト部及びハウジングの一例を示す図である。 本発明の実施例による炭素フェルト発熱装置の炭素フェルト部及びハウジングの一例を示す図である。 防水性絶縁層及び基材部を備えたハウジング及び炭素フェルト部を示す断面図である。 防水性絶縁物質によって取り囲まれたハウジング及び炭素フェルト部を示す断面図である。 本発明の実施例による炭素フェルト発熱装置の変形例を示す図である。 本発明の実施例による炭素フェルト発熱装置の変形例を示す図である。
以下、本発明の実施例について添付図面を参照して詳細に説明する。ただ、添付図面は本発明の内容をより易しく開示するために提示するものであるだけ、本発明の範囲が添付図面の範囲に限定されるものではないのは当該技術分野の通常の知識を有する者であれば容易に理解可能であろう。
また、本出願で使用した用語はただ特定の実施例を説明するために使用したもので、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明白に他に指示しない限り、複数の表現も含む。
本出願で、“含む”又は“有する”などの用語は明細書上に記載した特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品又はこれらの組合せが存在することを指示しようとするものであり、一つ又はそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品又はこれらの組合せなどの存在又は付加の可能性を予め排除しないものと理解されなければならない。
図1〜図3は本発明の実施例による炭素フェルト(felt)発熱装置を示す。図1〜図3に示したように、本発明の実施例による炭素フェルト発熱装置は、炭素フェルト部110及び電源連結部130を含む。
炭素フェルト部110は電力供給時に熱を放出する。炭素フェルト部110は、炭素繊維(carbon fiber)を適正の長さに切断し、切断された炭素繊維をカーディング(carding)工程及びニードリング(needling)工程によって形成することができる。
電源連結部130は炭素フェルト部110の両端に備えられ、電源と電気的に連結可能である。電源連結部130は銅又はアルミニウムのように炭素フェルト部110に取り付けることができ、導電性を有する素材からなることができる。図1に示したように、電源連結部130には電源の供給のための導線131が連結されることができる。
電源連結部130は基板(図示せず)を介して電源と電気的に連結されることができる。ここで、基板は、PCB(Printed Circuit Board)又はFPCB(Flexible Printed Circuit Board)であってもよいが、これに限定されるものではない。
電力供給端子(図示せず)が導線131又は基板に連結されることができる。電力供給端子はバッテリー部230と連結されるためのもので、USB用接続端子であってもよいが、これに限定されるものではない。
このような炭素フェルト部110には空隙が存在するので、炭素フェルト部110の特性上、炭素フェルト部110は小さな力によっても壊れやすい性質を有する。これを防止するために、本発明の実施例による炭素フェルト発熱装置は、炭素フェルト部110の空隙の少なくとも一部が樹脂又はポリマーで満たされることができる。
このように、炭素フェルト部110の空隙が樹脂又はポリマーで満たされることにより、炭素フェルト部110の壊れる程度が減少し、取扱性が良くなり、多様な形状及び厚さの炭素フェルト部110が製造されることができる。
例えば、図1に示したように、炭素フェルト部110は多数の屈曲部111を含んで波状になることができる。図2のように一側が凹んでいる形状を有するか図3のように閉曲線形状を有してもよい。ここで、図3は炭素フェルト部110がリジッド(Rigid)フェルトからなったものを示すもので、リジッドフェルトはソフトフェルトより高温に適用可能である。
ソフトフェルトがメタンガスの満たされた高温真空炉内に配置されれば、メタンガスの水素(H)成分は燃えてなくなり、炭素(C)成分がソフトフェルトに含浸されることによってリジッドフェルトが製造されることができる。
炭素フェルト部110の形状は図1〜図3に示した形状に限定されない。
このように、炭素フェルト部110の形状が多様に形成されることができるので、炭素フェルト部110の側面113が向き合うように曲がることができる。
図4は電源の供給時、樹脂又はポリマーの有無による炭素フェルト部110の温度変化を示す。炭素フェルト部110をa〜g区域に区分し、電力供給による炭素フェルト部110の温度を各区域で測定した。炭素フェルト部110には5Vの電圧を印加し、電圧印加による炭素フェルト部110の電流を測定した。このような条件で炭素フェルト部110の各区域別温度及び電流を4回測定した。
図4に示したように、一般的な炭素フェルト部110に比べ、本発明の炭素フェルト部110の温度がもっと高く、消耗電流はもっと少ないことが分かる。このような実験結果によって、本発明の炭素フェルト部110は樹脂又はポリマーの充填されていない一般的な炭素フェルト部110より少ない消費電力でより多い熱を放出することが分かる。
一方、樹脂又はポリマーが空隙を多く満たすほど、炭素フェルト部110の壊れる程度が低くなることができる。したがって、炭素フェルト部110が設置される製品及び装置の特性又は設計条件によって樹脂又はポリマーの量を調節することによって所望水準の耐久性を有する炭素フェルト部110を提供することができる。
これだけでなく、樹脂又はポリマーの量によって炭素フェルト部110の柔軟性程度が変わることができるので、製品及び装置の特性又は設計条件などに合う柔軟性を有する炭素フェルト部110を提供することができる。
図5a及び図5bは本発明の実施例による炭素フェルト発熱装置の炭素フェルト部110及びハウジングの一例を示す。図5a及び図5bに示したように、本発明の実施例による炭素フェルト発熱装置は、炭素フェルト部110が挿入できるように、炭素フェルト部110の形状に対応するホール又は溝を有するハウジング150をさらに含むことができる。ここで、ハウジング150の素材はEVA(Ethylene Vinyl Acetate)、ウレタンフォーム(urethane form)、不織布、スポンジなどであってもよいが、これに限定されない。
ハウジング150は炭素フェルト部110を周辺環境から電気的に絶縁させることができる。前述したように、樹脂又はポリマーが充填された炭素フェルト部110は壊れることが少なくて柔軟性を有するので、多様な形態に製作されることができる。したがって、炭素フェルト部110の側面113が向き合うように曲がっている場合、側面113に絶縁物質を塗布することが難しくなることがある。
ハウジング150は多様な形状の炭素フェルト部110の形状に対応するホール又は溝を有し、ハウジング150の内側面が炭素フェルト部110の側面113と接触することになるので、炭素フェルト部110を絶縁させることができる。
一方、図5bに示したように、炭素フェルト部110がハウジング150に挿入されても炭素フェルト部110の一部表面とハウジング150の外側面は外部に露出されることができ、これによって絶縁性及び防水性が悪くなることがある。
これを防止するために、図6に示したように、ハウジング150の外部に露出された炭素フェルト部110の表面とハウジング150の外側面には防水性絶縁層170が形成されることができる。防水性絶縁層170は外部からの圧力又は外部環境に弱いことがあるので、防水性絶縁層170上に基材部190が配置されることもできる。防水性絶縁層170は絶縁テープであってもよいが、これに限定されるものではない。防水性絶縁層170は温度上昇による火事を防止するために難燃性物質からなることができる。
このような基材部190は不織布、PU(Polyurethane)又はTPU(Thermoplastic PolyUrethane)などの絶縁フィルムの形態であるが、これに限定されるものではない。基材部190の不織布は熱伝導率が高く、薄いものであるほど発熱された熱を円滑に伝達することができる。
防水性絶縁層170と基材部190は別途の工程で形成することもできるが、基材部190上に防水性絶縁層170を予め形成し、基材部190をハウジング150及び炭素フェルト部110に付着することによって防水性絶縁層170をハウジング150及び炭素フェルト部110上に形成することもできる。
図6では両側に基材部190が形成されているが、一側に基材部190が形成され、他側には基材部190の代わりに断熱材(図示せず)が形成されることができる。断熱材は炭素フェルト部110の熱放出を遮断するので、炭素フェルト部110の熱が一側に形成された基材部190を通して外部に放出されることができる。これにより、炭素フェルト部110の熱が放出される方向を断熱材によって設定することができる。また、断熱材に銀箔紙のような熱反射部(図示せず)を付着することによって炭素フェルト部110の熱を前記一側に反射させることができる。
これとは違い、図7に示したように、炭素フェルト部110及び電源連結部130は防水性絶縁物質210で包まれることができる。防水性絶縁物質210はシリコン、PU(PolyUrethane)などであってもよいが、これに限定されるものではない。
炭素フェルト部110が挿入されたハウジング150とハウジング150の両側に備えられた多くの部材は保護袋(図示せず)の内部に収容されることができる。ここで、多くの部材は前述した防水性絶縁層170、基材部190、断熱材、熱反射部、防水性絶縁物質210などであってもよい。
保護袋は外部の湿気、水又は衝撃から保護袋の内部の内容物を保護するためのものである。保護袋の素材はTPUであってもよいが、これに限定されるものではない。
保護袋の内部空間は二つ以上の空間に区画されることができる。それぞれの内部空間には炭素フェルト部110が挿入されたハウジング150とハウジング150の両側に備えられた多くの部材が収容されることができる。保護袋の区画領域を中心に保護袋が折り畳まれることができるので、衣類のように日常的に折り畳まれる製品に適用することができる。
一方、図1に示したように、本発明の実施例による炭素フェルト発熱装置は、電源連結部130に電気的に連結されて電力を供給するバッテリー部230をさらに含むことができる。バッテリー部230は必要時に充電が可能であり、過充電保護装置(図示せず)又は電源の供給及び中止のためのスイッチング部(図示せず)を含むことができる。
また、図1に示したように、本発明の実施例による炭素フェルト発熱装置は、バッテリー部230を充電する無線充電モジュール250をさらに含むことができる。無線充電モジュール250は電力を無線で送信する無線充電パッド270から電力を受けてバッテリー部230を充電させることができる。
バッテリー部230の他にも、導線131に商用交流電源が直接炭素フェルト部110に供給されるか、あるいは交流/直流コンバータ(図示せず)が連結され、商用交流電源が直流に変換されて炭素フェルト部110に供給されることもできる。
一方、本発明の実施例による炭素フェルト発熱装置は、バッテリー部230と電気的に連結された第1マグネットコネクター290をさらに含むことができる。第1マグネットコネクター290は、充電用電源をバッテリー部230に供給するために、充電用電源と電気的に連結された第2マグネットコネクター310に着脱可能である。第1マグネットコネクター290と第2マグネットコネクター310は磁性物質を含むので、磁力によって互いに付着することができる。
一方、図1及び図8に示したように、炭素フェルト部110にホール140が形成されることができる。
図9に示したように、炭素フェルト部110は複数の単位炭素フェルト111を含み、複数の単位炭素フェルト111は電源に直列で又は並列で連結されることができる。
一方、本発明の実施例による炭素フェルト発熱装置の製造方法は、炭素フェルトを樹脂分散溶液又はポリマー分散溶液に含浸する段階、樹脂又はポリマーが空隙に満たされた炭素フェルトを乾燥させる段階、及び樹脂又はポリマーが充填された炭素フェルトの両端に電源連結部130を取り付ける段階を含む。
樹脂分散溶液は樹脂と樹脂を溶かすことができる溶媒の混合物であってもよく、ポリマー分散溶液はポリマーとポリマーを溶かすことができる溶媒の混合物であってもよい。このような混合物の安定化のための添加物がさらに加わることができる。
以上のように、本発明の実施例を説明したが、前述した実施例の他にも本発明がその趣旨や範疇から逸脱することなしに他の特定の形態に具体化されることができるというのは当該技術分野に通常の知識を有する者には明らかなものである。したがって、前述した実施例は制限的なものではなくて例示的なものと見なされなければならなく、よって本発明は前述した説明に限定されず、添付の請求範疇及びその同等な範囲内で変更されることもできる。
110 炭素フェルト部
130 電源連結部
140 ホール
150 ハウジング
170 放水性絶縁層
190 基材部
210 防水性絶縁物質
230 バッテリー部
250 無線充電モジュール
270 無線充電パッド
290 第1マグネットコネクター
310 第2マグネットコネクター

Claims (12)

  1. 電力の供給時に熱を放出する炭素フェルト部と、
    前記炭素フェルト部の両端に備えられ、電源と電気的に連結可能な電源連結部とを含み、
    前記炭素フェルト部の空隙の少なくとも一部が樹脂又はポリマーで満たされたことを特徴とする、炭素フェルト発熱装置。
  2. 前記樹脂又は前記ポリマーが前記空隙を多く満たすほど前記炭素フェルト部の壊れる程度が減少することを特徴とする、請求項1に記載の炭素フェルト発熱装置。
  3. 前記炭素フェルト部が挿入できるように前記炭素フェルト部の形状に対応するホール又は溝を有するハウジングをさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の炭素フェルト発熱装置。
  4. 前記ハウジングの外部に露出された前記炭素フェルト部の表面及び前記ハウジングの外側面には防水性絶縁層が形成されることを特徴とする、請求項3に記載の炭素フェルト発熱装置。
  5. 前記防水性絶縁層上に配置された基材部をさらに含むことを特徴とする、請求項4に記載の炭素フェルト発熱装置。
  6. 前記炭素フェルト部及び前記電源連結部は防水性絶縁物質で包まれることを特徴とする、請求項1に記載の炭素フェルト発熱装置。
  7. 前記電源連結部に電気的に連結されて電力を供給するバッテリー部をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の炭素フェルト発熱装置。
  8. 前記バッテリー部を充電する無線充電モジュールをさらに含むことを特徴とする、請求項7に記載の炭素フェルト発熱装置。
  9. 前記バッテリー部と電気的に連結された第1マグネットコネクターをさらに含み、
    前記第1マグネットコネクターは、充電用電源を前記バッテリー部に供給するために、前記充電用電源と電気的に連結された第2マグネットコネクターに着脱可能であることを特徴とする、請求項7に記載の炭素フェルト発熱装置。
  10. 前記炭素フェルト部にホールが形成されていることを特徴とする、請求項1に記載の炭素フェルト発熱装置。
  11. 前記炭素フェルト部は複数の単位炭素フェルトを含み、
    前記複数の単位炭素フェルトは前記電源に対して直列で又は並列で連結されることを特徴とする、請求項1に記載の炭素フェルト発熱装置。
  12. 炭素フェルトを樹脂分散溶液又はポリマー分散溶液に含浸する段階と、
    樹脂又はポリマーが空隙に満たされた前記炭素フェルトを乾燥させる段階と、
    前記樹脂又は前記ポリマーが充填された前記炭素フェルトの両端に電源連結部を取り付ける段階と、
    を含む、炭素フェルト発熱装置の製造方法。
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