KR100296540B1 - 고진공용초고온저항체히터와그제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고진공용 초고온 저항체 히터와 그 제조방법(High temperature resistive heater for ultra high vacuum and its manufacturing me thod thereof)에 관한 것으로 더 상세하게는, 고진공 장치에서 초고온으로 가열하는 히터로써, 가스등 불순물의 방출없이 1500℃ 내외까지 발열 가능하고, 고가인 장비와는 달리 매우 저렴하게 제작 가능하게 한 것이다.
일반적인 세라믹 박판을 가공하고 원형홀더에 부착하기 적합하게 구멍을 가공하며 인코넬 금속재료인 볼트너트 사이에 세라믹 박판의 구멍을 이용하여 끼우고 이 사이에 백금-로디움 합금선을 기계적 및 전기적인 연결이 되게 충분히 고정하며 고정된 합금선을 균일하게 감아서 다른 끝 부분을 동일한 방법으로 볼트 너트로 구멍에 고정하고 권선이 완료되면 고온용 세라믹 접착제를 발라 형상을 가다듬어 원하는 형태로 가공한 후 열처리하도록 하는 것이며 필요시에는 스텐레스 또는 인코넬의 케이스를 제작하여 이 히터를 넣고 고정하여 매몰형으로도 사용 가능하게 한 것이다.
Description
본 발명은 고진공용 초고온 저항체 히터와 그 제조방법(High temperature resistive heater for ultra high vacuum and its manufacturing me thod thereof)에 관한 것으로 더 상세하게는, 고진공 장치에서 초고온으로 가열하는 히터로써, 가스등 불순물의 방출없이 1500℃ 내외까지 발열 가능하고, 고가인 장비와는 달리 매우 저렴하게 제작 가능하게 한 것이다.
본 발명의 산업상 적용분야는 연구 또는 생산현장에서 진공장치를 이용한 고온가공 공정분야이다.
종래 진공용 가열 장치인 고온 발열체는 얇은 판 형태로 제작되는 히터로서 댑분 PBN/PG (Pyrolitic Boron Nitride/Pyrolytic Graphite), 또는 실리코니트(SiC)로 제작되고 있다.
상기 종래의 PBN/PG 히터는 1800℃까지 승온할 수 있는 좋은 발열체이지만, 매우 고가의 장치이며, 히터와 전력선의 연결 부분이 매우 취약하여 취급 부주의시 쉽게 파손되며, 산소가스와 같은 반응성 가스 분위기에서는 사용할 수 없는 단점이 있다. 또한 실리코니트 히터는 기계적으로 취약하여 얇은 판형으로 제작하기 어려우며, 전력선 연결부분이 진공중에서는 매우 취약한 결점이 있었다.
본 발명은 진공중에서 사용할 수 있는 고온히터가 첨단 부품이므로 매우 고가인 점을 해결하기 위해 매우 저렴하고 쉽게 구입할 수 있는 재료를 사용하여 이러한 성능을 대체하는 판형 히터를 발명하였다. 그리고 산소가스 뿐만 아니라 오존 가스, 이산화질소가스와 같은 초강력 산화성 가스분위기에서 사용할 수 있는 히터인바 이는 여러 연구분야 또는 산업환경에서 필요로하고 있으므로 이를 개발할 당위성으로서 본 발명이 완성되었다.
도 1은 본 발명에 사용되는 가공된 원료 부품도.
도 2는 본 발명으로 완성된 상태의 단면 구조도.
도 3은 본 발명의 제조방법 설명도로서 가공된 세라믹 박판(좌측) 및 권선이 완료된 상태의 사진.
도 4는 본 발명의 제조방법 설명도로서 권선후 알루미나 접착제로 고정한 완성품의 사진.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
(1): 세라믹 박판 (2)(2'): 인코넬(Inconel) 금속재료
(3): 백금-로디움 합금선 (4): 세라믹 접착제
도 1∼2는 본 발명의 제작방법을 나타내기 위해 판형으로 제작한 원료부품과 완성품의 단면을 나타내고 있다. 사진은 도면에 나타낸바와 같은 구조를 제작과정별로 촬영한 것을 나타내고 있다.
이러한 본 발명을 제작하기 위한 재료는 네 종류인데 세라믹 박판(1), 인코넬(Inconel) 금속재료(2)(2'), 백금-로디움 합금선(3), 알루미나 접착제(4)이다.
이 공정을 설명하면, 먼저 일반적인 세라믹 박판(1)을 가공한다. 이 재질은 가격에 따라 마그네시아계, 알루미나계 또는 고순도 세라믹을 사용할 수 있으며 크기 및 형상은 발열면적을 고려하여 임의로 가공할 수 있다. 도면에서는 원형홀더(5)에 부착하기 적합하게 구멍(c-1)(c-2)을 가공하였다. 인코넬 금속재료(2)(2')를 볼트 너트로 가공하였다. 인코넬 금속재료 재질은 약 1200℃까지 내식성 내산화성이 극히 높은 재료이므로 이러한 히터제작에 매우 유용한 재질이다. 스텐레스로도 어느정도 까지는 사용이 가능하다. 너트에 해당되는 부분은 충분히 가늘고 길게 하여 발열체로 인한 열전달을 충분히 줄여서 다른 끝 부분에 가공한 나사에 일반적인 전력선의 연결이 가능하게 한다. 인코넬 재료(2)(2')인 볼트너트 사이에 세라믹 박판(1)의 구멍(c-1)을 이용하여 끼우고 이 사이에 백금-로디움 합금선(3)을 기계적 및 전기적인 연결이 되게 충분히 고정한다. 백금-로디움 합금(Pt80%-Rh20%)의 경우 합금 비율에 따라 2000℃이상까지 사용할 수 있다. 고정된 합금선을 촘촘히 균일하게 감아서 다른 끝 부분을 동일한 방법으로 볼트 너트로 구멍 (c-2)에 고정한다. 발열체의 면적 및 크기에 따라 합금선의 굵기와 길이를 조절하여 원하는 발열량을 얻는다. 직경 0.35mm를 4cm x 4cm에 감을 경우 약 150 W가 사용가능하다. 볼트너트를 백금합금으로 가공하면 2000℃까지 사용가능한 히터를 제작할 수 있으나 가격이 매우 높아진다. 구멍 (c-1)(c-2)의 우치를 합금선을 감기 시작하는 위치로부터 충분히 거리를 두어 발열부분과 인코넬 볼트사이에 온도차를 주게 제작하면 히터는 1200℃보다 매우 높은온도에서도 사용할 수 있다. 권선이 완료되면 고온용 세라믹 접착제(4)를 바른다. 다른 성분이 배제된 알루미나계 또는 마그네시아계 접착제를 사용하며, 기포발생이 없도록 매우 치밀하게 발라야 한다. 기포가 발생되면 이 부분에서 열방산이 이루어지지 않아 이상 과열이 발생하며 이 부분에서 합금선이 끊어지는 수가 있다. 세라믹 접착제로 형상을 가다듬어 원하는 형태로 가공한 후 열처리한다. 열처리를 마치게 되면 히터 전체는 세라믹의 강도를 유지하게 되며 합금히터선으로 인해 마치 철근콘크리트와 같이 매우 강한 구조물로 완성되어 기계적으로도 매우 견고하게 된다. 그리고 필요에 따라 스텐레스 또는 인코넬의 케이스를 제작하여 이 히터를 넣고 고정하여 매몰형으로도 사용가능하다.
위 장치를 이용하여 한국표준과학연구원에서 자체 개발한 최첨단 연구장비인 "레이저 MBE" 그리고 펄스레이저 증착장치등에 적용하였다. 레이저 MBE에서는 진공도 10-9torr에서 900℃까지 가열하여 보았으며, 이러한 초고진공도에서도 가스방출이 거의 없었으며 가열한 상태에서 산소가스 또는 오존가스를 불어 넣어도 히터장치에서는 전혀 이상없이 작동하고 있다.
다른 실시예(변형예, 응용예)
이렇게 제작한 히터를 스텐레스 케이스 또는 인코넬재질의 케이스에 넣고 세라믹 접착제로 고정하여 보다 더 완성도가 높은 제품으로 제작하였다.
상기한 본 발명품은 10-9torr의 초고진공에서 발열체로 사용할 수 있으며, 산소가스, 오존가스, 이산화질소가스등 초강력 반응성가스 분위기에서도 안정한 작동이 가능하다. 발열체 자체의 발열 능력은 1700℃ 이상도 가능하다.
PBN/PG히터는 전량 수입에 의존하며 매우 고가(직경 2.5cm 얇은판의 경우 약 300만원이상)이다. 본 발명은 순수재료비 약 10만원 정도이며 제품화할 경우 인건비 포함하여 약 20만원 이하로 생산할 수 있으므로 매우 경제적인 효과가 있는 것이다.
Claims (2)
- 일반적인 세라믹 박판(1)을 가공하고 원형홀더(5)에 부착하기 적합하게 구멍(c-1)(c-2)을 가공하며 인코넬 금속재료(2)(2')인 볼트너트 사이에 세라믹 박판(1)의 구멍 (c-1)을 이용하여 끼우고 이 사이에 백금-로디움 합금선(3)을 기계적 및 전기적인 연결이 되게 고정시키고 고정된 합금선을 균일하게 감아서 다른 끝 부분을 동일한 방법으로 볼트 너트로 구멍 (c-2)에 고정하고 권선이 완료되면 고온용 세라믹 접착제(4)를 발라 형상을 원하는 형태로 가공한 후 열처리하는 것으로 완성되는 것을 특징으로 하는 고진공용 초고온 저항체 히터의 제조방법.
- 몸체를 이루는 세라믹 박판(1)과 그 구멍(c-1)(c-2)에 끼워 고정되는 인코넬 금속(2)(2')와 몸체에 권선되는 백금-로디움 합금선(3)과 그 외부에 접착되어 형상을 이루는 접착제(4)로 구성된 것을 특징으로 하는 고진용 초고온 저항체 히터.
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