KR100370661B1 - 열처리용 발열체 - Google Patents

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박성수
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Abstract

마이크로웨이브를 흡수하여 열을 발생하고 발생된 열을 피가열체로 전도하여 피가열체를 열처리하는 열처리용 발열체가 개시된다. 상기 발열체는 마이크로웨이브를 흡수하여 열을 발생하며, 탑재된 피가열체로 열을 전도하여 상기 피가열체를 열처리하는 발열체에 있어서, 상기 발열체는 발열물질과 상기 발열물질을 바인딩하는 바인더를 가지고, 상기 발열물질은 손실각이 2 ×10-4~ 7.3 × 10-1이고, 바인더/발열물질의 무게 구성비는 0.7이하이다. 상기 발열체는 종래의 열풍방식에 비하여 에너지효율을 훨씬 개선된다. 또, 종래의 열풍방식에 비하여 피가열체의 부위별 온도차이가 개선되므로 품질이 좋아지고, 분진발생을 억제되어 공정불량률이 감소된다.

Description

열처리용 발열체 {HEATING ELEMENT FOR HEAT TREATMENT}
본 발명은 열처리용 발열체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로웨이브를 흡수하여 열을 발생하고 발생된 열을 피가열체로 전도하여 피가열체를 열처리하는 열처리용 발열체에 관한 것이다.
피가열체를 성형한 후 열처리하는 종래의 방식은 전기저항에 의해 생기는 열로 공기를 데우고 이것을 열풍화하여 피가열체를 가열한다. 이러한 종래의 열풍가열로를 설명한다.
열풍가열로는 열풍발생에 필요한 공기를 투입하기 위한 공기투입부와 공기의 필터링을 위한 공기필터링부를 가지는 공기공급장치와, 열풍을 만들기 위한 팬과 팬이 과열되는 것을 막기 위한 팬냉각부와 전기저항에 의해 열을 발생시키는 히터를 가지는 열풍발생장치를 포함한다. 또, 열풍가열로는 발생한 열풍을 가열 공간 내부로 유도하는 연결장치와, 전체 가열로를 기계적으로 지지하는 가열로 외벽부와 발생한 열풍을 단열 시키기 위한 단열부를 가지는 가열본체를 더 포함한다. 또, 열풍가열로는 단열부의 온도를 측정하는 센서부와 온도 제어를 위한 제어부를 가지는 제어장치와, 피가열체를 열처리하고 난 뒤 단열부를 냉각시키기 위한 냉각가스공급장치와, 피가열체를 열처리 할 때 발생하는 반응물을 배기시키는 배기 장치와, 피가열체를 반입, 반출 및 이송시키기 위한 이송장치를 더 포함한다.
상기와 같이 구성된 종래의 열풍가열로의 동작을 설명한다.
먼저 피가열체를 성형하여 상기 반입부에 위치시키고, 상기 이송부를 통하여 상기 열풍가열로의 내부로 피가열체를 투입시킨다. 그러면, 상기 공기투입부로부터 유입된 공기가 상기 공기필터링부을 거치면서 이물이 제거된 후 상기 열풍발생장치로 보내지고, 상기 히터에 의해 발생한 열을 팬으로 불어 열풍을 만든다. 열풍은상기 열풍가열로의 단열부의 좌에서 우로 또는 우에서 좌로 또는 뒤에서 앞으로로 송풍되어 원하는 온도로 피가열체를 열처리를 하게 된다. 상기 열처리된 피가열체는 상기 냉각장치에서 발생하는 냉각가스에 의해 냉각되고 냉각이 완료되면 원하는 온도로 처리된 성형체를 얻을 수 있다.
상기와 같은 종래의 열풍가열로는 다음과 같은 단점이 있다.
첫째, 피가열체를 열처리하기 위하여 전기저항체의 발열로부터 열 에너지를 공급받아 승온시킨 열풍을 사용하므로 상온의 공기뿐만 아니라 주변의 공정 장치까지 가열하여야하므로 열처리 공정의 열 효율이 매우 낮다. 둘째, 발열체의 산화 및 열풍 공급에 따라 분진 발생이 심하여 피가열체의 제품 불량이 야기된다. 셋째, 피가열체의 열처리후 급속냉각을 시키는 경우 인장응력이 발생하여 제품에 균열이 발생된다. 넷째, 열풍 방식의 경우 피가열체의 열처리 면적이 크지면 크질수록 열처리시의 온도균일성이 떨어져 제품의 건조 또는 소성처리 과정상 얼룩, 두께 불균일 및 내부구조 불량등의 각종 문제가 유발된다. 다섯째, 피가열체의 열처리 면적을 크게하거나 또는 처리 두께를 두껍게 하거나 또는 피가열체의 처리량이 증가 할 경우 열처리로의 길이가 길어야 하므로 투자비가 증가하여 생산성이 저하된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 간접가열방식으로 피가열체를 열처리할 때 에너지 효율을 최대화 할 수 있는 열처리용 발열체를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 열처리에 필요한 열 발생원으로써의 기능과 피가열체를 지지할 수 있는 기능을 동시에 구비하는 열처리용 발열체를 제공함에 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체가 채택된 열처리장치의 구성을 보인 도.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체의 발열원리를 설명하기 위한 것으로, 발열체 내부구조의 도식도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열물질별 발열특성을 보인 그래프.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100 : 단위열처리장치 111 : 발열체
115 : 피가열체 120 : 이송부
131 : 마이크로웨이브 상측발생부 135 : 마이크로웨이브 하측발생부
140 : 캐비티 150 : 애플리케이터
160 : 마이크로웨이브 차단부 170 : 냉각가스 공급부
180 : 반응물 처리부 190 : 메인제어부
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열처리용 발열체는, 마이크로웨이브를 흡수하여 열을 발생하며, 탑재된 피가열체로 열을 전도하여 상기 피가열체를 열처리하는 발열체에 있어서,
상기 발열체는 발열물질과 상기 발열물질을 바인딩하는 바인더를 가지고, 상기 발열물질은 손실각이 2 ×10-4~ 7.3 × 10-1이고, 바인더/발열물질의 무게 구성비는 0.7이하이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리용 발열체를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체가 채택된 열처리장치의 구성을 보인 도로써, 이를 설명한다.
도시된 바와 같이, 시트형의 발열체(111)와 시트형의 피가열체(115)가 놓이는 단위열처리장치(100)가 마련된다. 단위열처리장치(100)의 내부, 더 구체적으로는 피가열체(115)의 아래 및 위 쪽에서 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 상측발생부(131) 및 마이크로웨이브 하측발생부(135)가 설치되고, 마이크로웨이브 상ㆍ하측발생부(131,135)에서 발생한 마이크로웨이브를 흡수하여 발열체(111)에서 열이 발생된다. 또, 단위열처리장치(100)의 내부에는 발열체(111)에서 발생한 열을 1차 단열시키기 위한 캐비티(140)가 설치되고, 캐비티(140)의 내부에발열체(111) 및 피가열체(115)가 위치되어 열발생 및 가열된다. 그리고, 캐비티(140)를 감싸는 형태로 애플리케이터(150)가 단위열처리장치(100)의 내부에 설치된다. 애플리케이터(150)는 캐비티(140)를 지지하면서 2차 단열 및 마이크로웨이브의 누설을 방지하는 단열부(151) 및 외벽부(155)를 가진다.
단위열처리장치(100)의 내ㆍ외측에는 단위열처리장치(100)로 발열체(111) 또는 피가열체(115)를 반입, 이송 및 반출시키기 위한 반입부(121), 단위이송부(125) 및 반출부(129)로 이루어진 이송부(120)가 마련된다. 이때, 반입부(121)와 반출부(129)를 통하여 단위열처리장치(100) 내부의 마이크로웨이브가 누설되는 것을 방지하기 위하여 마이크로웨이브차단부(160)가 이송부(120)에 설치된다. 더 구체적으로는 반입부(121) 및 반출부(129)에 마이크로웨이브차단부(160)가 각각 설치된다.
그리고, 단위열처리장치(100)의 외측에는 소정 온도로 데워진 캐비티(140) 공간의 온도조절을 위한 냉각가스공급부(170)가 마련되어, 캐비티(140)의 공간으로 냉각가스를 공급한다. 또, 피가열체(115)가 가열되면서 발생하는 반응물을 캐비티(140)로부터 유출시켜 처리하는 반응물처리부(180)가 단위열처리장치(100)의 외측에 마련된다. 또, 피가열체(115)의 온도, 발열체(111)의 온도 및 캐비티(140)의 온도를 검출하는 센서부(191)와, 냉각가스공급부(170)와 반응물처리부(180)의 동작을 제어하는 서브제어부(195)를 가지는 메인제어부(190)가 설치된다.
피가열체(115)는 통상 페이스트(Paste) 또는 슬러리(Slurry)로 표현되는 것으로서, 세라믹 또는 세라믹-유리 또는 유리로 이루어진 고형분과, 성형체의 결합력 부여를 위한 비이클(Vehicle)로 이루어진 혼합물(이하 "요업물"이라 함)이다. 요업물은 일반적으로 닥터블레이딩, 스크린프린팅, 캐스팅, 딥핑, 프레싱 및 테이블코팅 등의 방법에 의해 시트상의 단일 또는 패턴 형상으로 구현된다.
피가열체(115)는 마이크로웨이브를 흡수하여 열을 발생하는 발열체(111)에 탑재되고, 발열체(111)로부터 전도된 열에 의하여 열처리된다. 즉, 간접가열방식에 의해 열처리된다. 그러므로, 피가열체(115)는 발열체(111)에 올려진 상태에서 발열체(111)에서 발생되는 열에 의해 열처리되므로, 발열체(111)는 발 열원으로써의 기능과 지지체의 기능을 동시에 구비하여야 한다.
따라서 본 실시예에 따른 발열체(111)는 마이크로웨이브를 흡수하여 열을 발생하는 발열물질(111a)과, 발열물질(111a)을 이용하여 발열체(111)를 가공할 때 가공성을 향상시키기 위한 바인더(111b)로 구성된다. 이로인해, 발열체(111)는 발열원 및 지지체 기능을 동시에 구비한다.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체의 발열원리를 설명하기 위한 것으로, 발열체 내부구조의 도식도로써, 이를 설명한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 발열물질(111a)은 일반적으로 +이온과 그 주변에 속박된 -전자가 쌍을 이루고 있고, 전체로서는 전계 영(제로)의 상태로 되어있다. 이와같은 상태에서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 발열체(111)에 강한 전계가 주어지면 발열물질(111a)의 이온과 전자의 쌍이 그림처럼 전계 방향으로 정열한다. 그리고, 이 전계가, 도 2c에 도시된 바와 같이, 반대로 되면 이온과 전자쌍의 방향도 반대의 배열로 변한다.
이렇게 해서 발열물질(111a)의 분자 내에서 쌍 극자의 회전이나 진동이 발생하고, 그 내부 마찰에 의해서 열이 발생한다. 이때 열로 변하는 전력 손실은 아래의 수학식 1과 같다.
이것을 매시, 단위 체적에 대해서 발생하는 열량으로 환산하면 아래의 수학식 2와 같다.
여기서 f는 마이크로웨이브의 주파수(㎐), υ는 마이크로파 전계의 크기(V/m), ε와 tanδ는 발열물질(111a)의 비유전율과 유전체 손실각을 표시한다.
수학식 2에서 분명하듯이 발생하는 열량은 마이크로파의 주파수에 비례하고,발열 물질(111a)의 손실계수(ε ×tan δ)에 비례한다. 상기와 같이 이론적으로는 물질의 손실각이 영(zero)이상이면 발열체(111)의 발열물질(111a)로 사용가능하고, 또한 물질의 손실각이 클수록 발열효율이 높아 발열체(111)의 발열물질(111a)로 적합한 것으로 해석된다.
하지만 실질적으로 손실각이 2 ×10-4보다 적을 경우에는 발열효율이 나빠 발열체(111)의 발열물질(111a)로 사용되기 어려우며, 손실각이 7.3 × 10-1보다 클 경우에는 발열효율은 좋지만 온도제어가 어려워 발열체(111)의 발열물질(111a)로 사용되기는 어렵다.
따라서, 본 실시예에서 사용되는 발열체(111)의 발열물질(111a)은 손실각이 2 ×10-4~ 7.3 × 10-1인 것을 사용한다.
그리고, 발열체(111)의 발열물질(111a)이 융점이 낮을 경우 발열체(111)의 가공을 위한 열처리 과정에서 발열물질(111a) 입자들간 소결이 용이하게 일어나기 때문에 발열물질(111a) 자체만으로도 발열체(111) 제작이 가능하지만, 융점이 높은 발열물질(111a)은 발열체(111)의 가공을 위한 열처리 과정에서 발열물질(111a) 입자들간 소결이 용이하게 일어나지 않기 때문에 발열물질(111a) 자체만으로는 발열체(111)제작이 어렵다.
따라서 융점이 높은 발열물질(111a)을 이용하여 발열체를(111) 제작할 때는 발열물질(111a) 입자들간 결합력을 부여하기 위해서 무기산화물, 유기물, 유리중 적어도 한가지 이상으로 구성된 바인더(111b)를 혼합하여 사용한다.
이때, 바인더/발열물질의 무게 구성비는 처리하고자 하는 피가열체의 열처리 온도 및 구현하고자 하는 발열체(111)의 물성치에 의해 결정되지만 그 구성비가 0.7보다 클 경우에는 발열체(111)의 발열효율이 급격히 떨어지기 때문에 적용이 어렵다.
따라서, 본 실시예에서는 발열체(111)의 구성물질로 사용되는 바인더(111b)/발열물질(111a)의 무게 구성비가 0.7이하인 것을 사용한다.
그리고 상기와 같이 손실각이 2 ×10-4~ 7.3 × 10-1인 발열물질(111a)과 바인더(111b)/발열물질(111a)의 무게구성비가 0.7이하인 바인더(111b)로 구성 된 발열체(111)가 지지체의 기능을 수행하기 위해서는 열처리 과정 중 변형이나 파손이 일어나지 않아야 함으로 발열체(111)의 물성치가 열팽창계수 -5 × 10-6~ 5 × 10-6이고, 비이커스경도(Hv 0.2) 400 이상, 굽힘강도 140Mpa이상 이어야 한다
상기의 물성치중 열팽창 계수가 상기 규격을 만족하지 못할 경우 가열 및 냉각이 반복됨에 따라 발열체(111)가 파손될 수 있고, 상기 물성치중 비이커스경도를 만족시키지 못할 경우 상기 발열체(111)를 이송하기 위한 단위이송부(125)와의 마찰에 의해 발열체(111)가 파손될 수 있고, 상기 물성치중 굽힘강도를 만족 시키지 못할 경우 발열체(111)에 휨과 균열등이 발생할 수 있다.
따라서 본 실시예에 따른 발열체(111)의 물성치는 열팽창계수 -5 × 10-6~ 5 × 10-6이고, 비이커스 경도(Hv0.2) 400 이상, 곡 강도 140 Mpa이상이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열물질별 발열특성을 보인 그래프로써, 이를 설명한다.
사용가능한 발열물질(111a)들을 문헌조사를 통하여 선정한 이후 선정된 발열물질(111a)들을 300~900psi의 일축 성형압으로 펠렛 상으로 제작하고, 고온전기로를 이용하여 2000~2200℃에서 2~8Hr 동안 소성한 이후 2.45 GHz의 마이크로 웨이브를 이용하여 30분 동안 가열하면서 펠렛의 온도 변화를 측정한 결과를 도 3에 도시한다.
실험결과 이론과 같이 발열물질(111a)의 손실각이 클수록 발열온도가 높지만 손실각이 2×10-4보다 적을 경우에는 발열이 되지 않아 발열체(111)의 발열물질(111a)로 적합하지 않고, 손실각이 7.3× 10-1보다 클 경우에는 발열온도가 높지만 발열온도의 안정영역이 나타나지 않기 때문에 발열체(111)의 발열물질(111a)로 사용할 경우 열처리 온도 제어가 어려움으로 발열체(111)의 발열물질(111a)로 사용하기에 어려움이 많음을 알 수 있다.
따라서 발열체(111)의 구성물질로 사용되는 발열물질(111a)은 손실각이 2 ×10-4~ 7.3 × 10-1이어야 한다.
다음에는 바인더들의 특성을 알아본다.
사용가능한 바인더(111b)들을 문헌조사를 통하여 선정한 이후 손실각이 3.6 ×10-1인 발열물질(111a)과 일정 무게비율로 혼합한 이후로 300~900psi의 일축 성형압으로 500mm ×500mm ×30mm (폭 ×길이 ×두께)의 시트를 제작한 이후 고온전기로를 이용하여 1800℃에서 2~8Hr 동안 소성하여 발열체(111)를 제작하고, 발열체(111)들의 물성을 측정하였다.
물성치중 곡 강도는 만능시험기를 이용하여 측정하였고, 열팽창계수는 티.엠.에이(T.M.A)를 이용하여 분석하였으며, 비이커스경도(Hv0.2)는 비이커스경도계를 이용하여 분석하였다
또한 제작된 발열체(111)들을 2.45㎓ 마이크로웨이브로 30분 동안 가열 한 이후 발열체(111)의 표면온도를 측정하여 발열체(111)의 발열특성을 분석하였으며, 제작된 발열체(111)들을 이용하여 가열냉각을 반복하면서 가속 수명 시험을 실시하여 제작된 발열체(111)의 사용가능한 시간을 분석하였다.
상기의 실험내용을 표 1에 정리한다.
바인더(111b) 종류에 상관없이 바인더(111b)/발열물질(111a)의 무게 구성비가 증가할수록 발열온도가 떨어지며 상기 무게비율이 0.7보다 클 경우에는 바인더(111b)의 종류에 상관없이 발열온도가 현저히 떨어짐을 알 수 있다. 그리고 바인더(111b)의 종류 및 무게 구성비가 변화함에 따라 발열체의 물성치가 현저하게 변화됨을 알 수 있다.
따라서 발열체(111)가 사용되어야 할 조건에 따라서 바인더(111b)의 종류와 무게 구성비를 변경하여 적절한 발열체(111)를 제작하여 사용할 수 있지만 바인더(111b)/발열물질(111a)의 무게 구성비가 0.7보가 클 경우에는 발열효율이 급격히 떨어짐으로 실질적으로 사용 가능한 바인더(111b)/발열물질(111a)의 무게 구성비는 0.7이상이어야 한다.
그리고 발열체(111)의 물성치와 사용 가능한 시간의 상관을 분석해 보면 곡 강도가 140Mpa보다 작거나, 열팽창계수가 -5×10-6~ +5×10-6가 아니거나, 비이커스 경도(Hv0.2)가 400보다 적을 경우에는 가속수명시험 결과 사용가능한 시간이 현저히 짧아짐을 알 수 있다.
따라서 간접가열방식에서 발열체(111)의 물성치는 곡 강도가 140Mpa 이상, 열팽창계수 5 ×10-6~ －5 ×10-6, 비이커스 경도(Hv0.2) 400 이상이어야 한다.
바인더 종류별 영향성
바인더종류 무게구성비(바인더/발열물질) 물성치 발열온도(℃ ) 가속수명시험결과
곡감도(Mpa) 열팽창 계수(10-6) 비이커스경도(Hv0.2)
가 0 220 5.4 1100 800 300hr
0.2 210 5.0 900 770 6000hr
0.4 200 4.6 760 721 8500hr
0.6 180 3.3 650 656 9000hr
0.7 140 2.1 600 600 6000hr
0.8 120 1.3 580 75 400hr
나 0 130 -3.2 420 812 600hr
0.2 140 -3.7 500 780 8500hr
0.4 154 -4.1 650 753 8000hr
0.6 165 -4.4 830 706 7000hr
0.7 170 -5.0 950 630 6500hr
0.8 179 -5.5 1000 69 500hr
다 0 190 3.1 350 792 500hr
0.4 170 2.8 400 718 6000hr
0.8 160 2.5 580 73 7000hr
〈발열체의 제작조건〉
1.발열체크기 -- 500 ×500 ×30 (폭 ×길이 ×두께)
2.발열체 가공조건 -- 성형압 300~900psi, 열처리 조건 1800℃, 2~8Hr
〈발열물질 종류〉 : 손실각 3.6× 10-1
다음에는 열처리 방법별 특성을 비교한다.
표 2에서와 같이 본 실시예에 따른 발열체(111)를 이용하여 간접가열방식으로 열처리를 한 경우가, 종래의 열풍방식에 의해 열처리한 것 보다 전력 소비량은약 40% 절감 가능하고, 부위별 온도차이는 종래대비 250% 개선되었다.
열처리 방법별 특성비교
본 발명에 의한 열처리 종래 기술에 의한 열처리
전력 소비량(KW) 23 38
피가열체의 부위별온도차이 ±2℃(at 600℃ setting) ±5℃(at 600℃ setting)
(피가열체 크기 500㎜ x 500㎜)
이상에서 설명하듯이 본 발명에 따른 열처리용 발열체는 종래의 열풍방식에 비하여 에너지효율을 훨씬 개선된다.
또, 종래의 열풍방식에 비하여 피가열체의 부위별 온도차이가 개선되므로 품질이 좋아지고, 분진발생이 억제되어 공정불량률이 감소된다.
이상에서는, 본 발명의 일 실시예에 따라 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명에 속함은 당연하다.

Claims (4)

  1. 마이크로웨이브를 흡수하여 열을 발생하며, 탑재된 피가열체로 열을 전도하여 상기 피가열체를 열처리하는 발열체에 있어서,
    상기 발열체는 발열물질과 상기 발열물질을 바인딩하는 바인더를 가지고,
    상기 발열물질은 손실각이 2 ×10-4~ 7.3 × 10-1이고, 바인더/발열물질의 무게 구성비는 0.7이하인 것을 특징으로 하는 발열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열체의 곡강도는 140Mpa 이상인 것을 특징으로 하는 발열체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열체의 열팽창계수는 5 ×10-6~ －5 ×10-6인 것을 특징으로 발열체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열체의 비이커스 경도(Hv0.2)는 400이상인 것을 특징으로 발열체.
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