KR100498620B1 - 탄소섬유사 발열선을 이용한 원적외선 방사 면상발열체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소섬유사를 이용한 원적외선 방사 면상발열체에 관한 것으로, 면상발열체의 고분자 절연부재(13)의 내면에 일정 간격을 갖는 격자 형상 홈부(14)를 다수개 형성하고 상기 홈부를 따라 탄소섬유사 발열선(11)을 형상과 같이 원하는 형상으로 배열함으로써, 탄소섬유사 발열선(11)을 이용한 원적외선 방사 면상발열체의 제조를 가능케하므로 종전보다 훨씬 저렴한 비용으로 원적외선 방사 면상발열체를 제조할 수 있는 것이다. 즉, 본 발명에서는, 탄소섬유사를 고분자 절연부재 표면에 다수 구비되어진 격자 형상의 홈부(14)에 끼워 원하는 형태로 배치할 수 있게함으로써, 탄소섬유사가 탄성이 높고 소성이 낮을지라도 일단 일정형태로 변형되고나면 그 상태가 지속적으로 유지될 수 있도록 한다.

따라서, 탄소섬유사 발열선(11)의 상태에서 원적외선 방사 면상발열체의 구성이 가능하므로, 제지공정이나 직조공정등의 추가작업이 요하지않게되어 종전보다 훨씬 저렴한 비용으로 원적외선 방사 면상발열체를 제조할 수 있는 것이다.

Description

탄소섬유사 발열선을 이용한 원적외선 방사 면상발열체{Surface type heater which emits infrared rays}

본 발명은 탄소섬유사를 이용한 원적외선 방사 면상발열체에 관한 것으로, 특히 고분자 절연부재의 내면에 격자 형상의 일정한 간격을 갖는 홈들을 만들고 이 홈을 따라 탄소섬유사 발열선을 배열함으로써, 형상을 포함하여 원하는 형상의 탄소섬유사 발열선의 제조가 가능하게 되어, 원적외선 방사특성이 우수하고 생산비용이 저렴한 원적외선 방사 면상발열체를 제공하는 것이다.

일반적인 면상발열체는 전기 통전에 의해 발생하는 방사열을 이용하고 있어 온도조절이 용이하고 공기가 오염되지 않아 위생적이며 소음이 없기 때문에 히팅 매트나 히팅 패드, 침대 매트리스, 보온 이불이나 담요, 아파트나 일반주택 등의 주거용 난방장치 등에 폭넓게 이용되고 있다.

또한, 사무실이나 상점 등 상업용 건물의 난방장치, 작업장이나 창고, 막사 등의 산업용 난방장치와 각종 산업용 가열장치, 비닐 하우스와 농산물 건조시스템과 같은 농업용 설비, 도로나 주차장의 눈을 녹이거나 결빙을 방지할 수 있는 각종 동결방지장치를 비롯하여 레저용, 방한용, 가전제품, 거울이나 유리의 김서림 방지장치, 건강보조용, 축산용 등에도 이용되고 있다.

상기 면상발열체의 발열원으로는 니크롬, 동니켈 합금과 같은 금속 발열선이 주로 사용되고 있으나, 이와 같은 니크롬 등의 금속 발열선들은 전기가 한 선을 통해 흐르기 때문에 어느 한 부분이라도 끊어지면 전체 발열선에 전기가 통하지 않게 되므로 발열체로서의 기능을 상실하는 문제점이 있다.

뿐만 아니라, 위에 열거한 금속 발열선을 이용한 면상발열체는 발열선 부위만 발열되어지는 부분 발열방식이므로, 온도분포가 불균일하게 형성되는 문제점이 있다.

또한 니크롬 등의 금속들은 원적외선의 방사율이 낮아 대상물체의 가열이 대류에 의해 이루어지기 때문에 복사에 의한 가열에 비해 에너지 효율이 낮으며, 원적외선의 효과를 이용할 수 없다는 문제점이 있다.

이러한 금속 발열선을 이용하는 종래 면상발열체에서의 문제점을 해결하기 위해, 니크롬 등의 금속발열선을 이용하는 대신에 탄소섬유사로 직조한 탄소섬유사 발열직물을 이용하는 방법이 제안되었다.

탄소섬유사는 원적외선 방사율이 매우 우수하기 때문에 탄소섬유사 발열직물을 이용한 면상발열체에서는 복사에 의한 가열이 가능하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있으며, 부가적으로 원적외선의 여러가지 유용한 효과를 이용할 수 있다는 장점이 있다.

니크롬 등의 금속 발열선은 소성 변형이 용이하기 때문에 면상발열체의 균일가열을 위하여 형상으로 제조하고 있다.

그러나, 탄소섬유사는 탄성이 매우 높은 물질이므로 소성변형이 용이하지않고, 이에 따라 원적외선 면상발열체를 종래 금속발열체에서와 같이 형상으로 배열하는 것이 어렵게되는 문제점이 있다.

따라서, 탄소섬유사 발열선을 이용한 원적외선 방사 면상발열체보다는 탄소섬유를 펄프 내에 분산시킨 탄소섬유 발열지를 이용한 면상발열체와, 탄소섬유사로 직조한 탄소섬유사 직물을 이용한 면상발열체가 사용되고 있다.

그러나 탄소섬유 발열지와 탄소섬유사 직물을 얻기 위하여서는 각기 제지공정과 직조공정이 필요하기 때문에 이들을 이용한 면상발열체는 생산비용이 높다는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 면상발열체의 고분자 절연부재의 내면에 격자 형상의 일정한 간격을 갖는 홈들을 만들고 이 홈들을 따라 탄소섬유사 발열선을 형상과 같이 원하는 형상으로 배열함으로써, 탄소섬유사 발열선을 이용한 원적외선 방사 면상발열체를 가능하게 하며 생산비용이 저렴한 원적외선 방사 면상발열체를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

이를 위해 본 발명에서는, 탄소섬유사를 고분자 절연부재 표면에 다수 구비되어진 격자 형상의 홈부에 끼워 원하는 형태로 배치할 수 있게함으로써, 탄소섬유사가 탄성이 높고 소성이 낮을지라도 일단 일정형태로 변형되고나면 그 상태가 지속적으로 유지될 수 있도록 한다.

한편, 본 발명에서는 탄소섬유사 발열선의 상태에서 원적외선 방사 면상발열체의 구성이 가능하므로, 제지공정이나 직조공정등의 추가작업이 요하지않게되어 종전보다 훨씬 저렴한 비용으로 원적외선 방사 면상발열체를 제조할 수 있도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 원적외선 방사 면상발열체의 일 실시예를 도시한 분리사시도이며, 도 2는 도 1의 A-A 선에서 절단한 상태를 도시한 단면도이며, 도 3에 본 발명의 일 요부에 해당되는 고분자 절연부재만을 확대도시한 사시도이며, 도 4는 본 발명에서 탄소섬유사 발열선에 접착제를 도포하는 과정에서 사용되는 접착제 도포기구의 일 실시예를 도시한 사시도이며, 도 5는 본 발명에서 사용되는 접착제 도포기구의 또 다른 실시예를 도시한 사시도이며, 도 6은 도 4의 B-B선과, 도 5의 C-C선에서 절단한 상태를 도시한 단면도이다.

먼저, 도 1과 도 2에 상세히 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유사 발열선(11)을 이용한 원적외선 방사 면상발열체는 탄소섬유사 발열선(11)이 형상으로 배열되어 있는 하부 고분자 절연부재(12)와, 그 위에 라미네이팅한 상부 고분자 절연부재(13)로 이루어져 있어 원적외선 방사특성이 우수하며 생산비용이 저렴한 면상발열체의 구현이 가능하게 된다.

도 3에는 일정간격의 격자 형상 홈부(14)가 형성된 하부 고분자 절연부재(12)의 사시도를 나타내었다.

도 3에 도시한 고분자 절연부재(12)에 형성한 격자 형상 홈부(14)들은 여러 가닥의 탄소섬유사로 구성된 탄소섬유 발열선(11)을 형상으로 배열하기 위한 것으로 격자 형상으로 양각된 펀치를 가열하여 고분자 절연부재(12)에 프레스 함으로써 용이하게 형성할 수 있다.

이때, 고분자 절연부재(12) 표면에 형성되어진 격자 형상 홈부(14)의 격자 사이의 거리는 원하는 크기로 조절 가능하며, 또한 격자 형상은 정사각형뿐만 아니라 직사각형 등의 다양한 형태로도 적용 가능할 것이다.

또한 고분자 절연부재(12)에 형성하는 격자 형상 홈부(14)의 폭은 1∼5 mm, 깊이는 0.1∼5 mm가 적합하나 이들 홈의 폭과 깊이는 용도에 맞게 조절이 가능하다.

도 3에 도시한 상기 고분자 절연부재(12)에 형성된 격자 형상 홈부(14)가 서로 교차하는 모서리부에는 굴곡부(15)가 형성되어있으므로, 탄소섬유사 발열선(11)이 상기 모서리부에 닿아 손상되는 것을 방지할 수 있다.

상기 고분자 절연부재(12)의 격자 형상 홈부(14) 모서리의 굴곡부(15)은 격자 형상으로 양각된 프레스 펀치의 격자 교차점에 곡률반경을 주는 것으로 용이하게 해결할 수 있다.

상기 고분자 절연부재(12)에 형성한 격자 형상 홈부(14)를 따라 탄소섬유사 발열선(11)을 형상으로 배열시 상기 격자 형상 홈부(14)의 폭, 깊이 및 탄소섬유사 발열선(11)의 두께에 따라서는 탄소섬유사 발열선(11)에 접착제(61)를 도포하여 고분자 절연부재(12)에 접착시켜 형상을 유지시키는 것도 가능하다.

도 4는 탄소섬유사 발열선(11)에 접착제(61)를 균일하게 바르기 위한 접착제 도포기구(41)의 사시도, 도 5는 또 다른 접착제 도포기구의 사시도이며, 도 6은 도 4의 B-B선과, 도 5의 C-C선에서 절단한 상태를 도시한 단면도로서,

여러 가닥의 탄소섬유사로 구성된 탄소섬유사 발열선(11)에 접착제(61)를 균일하게 도포하기 위해 도 4, 도 5 및 도 6에 도시한 것과 같이 탄소섬유사 발열선(11)을 접착제(61)가 내장된 접착제 도포기구(41, 51)를 통과하게한 다음, 접착제(61)가 건조되지않은 상태에서 이를 상기 고분자 절연부재(12)(도 3 참조)의 격자 형상 홈부(14)에 원하는 형태로 배열해주게되면 그 내부에서 접착제(61)가 완전 건조되어 형태가 고정될 것이므로, 탄소섬유사 발열선(11)을 형상으로 형성할 수 있는 것이다.

이때 탄소섬유사 발열선(11)에 접착제(61)를 도포하기 위한 방법으로는 도 4, 도 5 및 도 6에 예시한 방법외에도 수작업이나 나머지 공지된 여러가지 방법으로 당연 적용될 수 있을것인 바, 본 발명의 권리범위가 상기 접착제 도포기구(41)(51)를 이용한 내용만으로 한정되는 것은 아니다.

또한 탄소섬유사 발열선(11)에 도포하는 접착제로는 고온에서도 안정한 접착력을 나타내는 폴리벤젠이미다졸, 실리콘이나 폴리우레탄계 고온접착제가 가장 적합하나, 다른 종류의 합성수지 접착제의 사용도 가능하다.

이와 같이 고분자 절연부재(하부)(12)에 형성된 격자 형상 홈부(14)를 따라 탄소섬유사 발열선(11)을 형상으로 배열한 것에 고분자 절연부재(상부)(13)를 열간프레스 또는 열간롤러 작업으로 라미네이팅 하면 도 1과 도 2에 도시한 것과 같은 원적외선 방사 면상발열체가 형성된다.

상기 면상발열체의 하부 및 상부 고분자 절연부재(13)(12)로는 폴리우레탄, 에폭시, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리스칠렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 아크릴, ABS, 셀루로우즈, 불화탄소, 고무, 폴리염화비닐 (PVC), 폴리비닐플루오라이드, 에폭시 수지함침 유리직물 등을 사용할 수 있다.

이때 상기 면상발열체의 고분자 절연부재(13)(12)로서 열전도성이 우수하거나 원적외선 방사율이 높은 AlN, SiC, 토르말린, 바이오세라믹, 맥반석, 게르마늄 등의 세라믹 분말을 합성수지와 혼합하여 제작한 고분자 절연부재의 사용도 가능하다.

도 1과 도 2에 도시한 본 발명의 실시예에서 탄소섬유사 발열선(11)을 이용한 원적외선 방사 면상발열체는 아래와 같은 방법으로 제작하였다.

하부 고분자 절연부재(12)로서 3 mm 두께의 에폭시 판을 사용하였으며, 그 내면에 폭 5 mm, 깊이 1 mm의 격자 형상 홈부(14)를 형성한 다음, 접착제(61)로서 실리콘을 균일하게 도포한 탄소섬유사 발열선(11)을 도 1에 도시한 것과 같이 형상으로 배열하고, 그 위에 상부 고분자 절연부재(13)로서 3 mm 두께의 에폭시 판을 위치시킨 후, 150∼300℃의 온도범위에서 열압프레스 작업으로 라미네이팅하여 면상발열체를 제작하였다.

또한 하부 고분자 절연부재(12)로서 3 mm 두께의 우레탄 판을 사용하였으며, 그 내면에 폭 5 mm, 깊이 1 mm의 격자 형상 홈부(14)를 형성한 다음 접착제(61)로서 실리콘을 균일하게 도포한 탄소섬유사 발열선(11)을 도 1에 도시한 것과 같이 형상으로 배열하고, 그 위에 상부 고분자 절연부재(13)로서 3 mm 두께의 우레탄 판을 위치시킨 후, 150∼300℃의 온도범위에서 열압롤러 작업으로 라미네이팅하여 면상발열체를 제작하였다.

이와 같이 열압프레스 작업으로 제조한 에폭시/탄소섬유사 발열선/에폭시 구조의 면상발열체와 열압롤러 작업으로 제조한 우레탄/탄소섬유사 발열선/우레탄 구조의 면상발열체의 탄소섬유사 발열선에 전기단자를 연결하고 전기를 통전시 5∼20 μm 파장 범위의 원적외선 방사율이 94% 이상인 매우 우수한 원적외선 방사특성을 나타내었다.

도 1과 도 2에 도시한 본 발명의 실시예에서는 하부 고분자 절연부재(12)에 형성된 격자 형상 홈부(14)를 따라 탄소섬유사 발열선(11)을 형상으로 배열한 것에 상부 고분자 절연부재(13)를 라미네이팅한 원적외선 방사 면상발열체이었으나, 필요에 따라서는 상부 고분자 절연부재(13)를 라미네이팅 하지 않고 고분자 절연부재(12)에 형성된 격자 형상 홈부(14)를 따라 탄소섬유사 발열선(11)을 형상을 포함하여 원하는 형상으로 배열한 것만을 원적외선 방사 면상발열체로 사용하는 것도 물론 가능하다. 이와 같은 경우에는 탄소섬유사 발열선(11)의 형상이 사용시 흐트러지는 것을 방지하기 위하여 접착제(61)를 도포한 탄소섬유사 발열선(11)을 고분자 절연부재(12)의 격자 형상 홈부(14)를 따라 형상으로 배열하여야 한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은, 면상발열체의 고분자 절연부재(12)의 내면에 일정 간격을 갖는 격자 형상 홈부(14)를 다수개 형성하고 상기 홈부를 따라 탄소섬유사 발열선(11)을 형상과 같이 원하는 형상으로 배열함으로써, 탄소섬유사 발열선(11)을 이용한 원적외선 방사 면상발열체의 제조를 가능케하므로 종전보다 훨씬 저렴한 비용으로 원적외선 방사 면상발열체를 제조할 수 있는 것이다.

즉, 본 발명에서는, 탄소섬유사를 고분자 절연부재 표면에 다수 구비되어진 격자 형상의 홈부(14)에 끼워 원하는 형태로 배치할 수 있게함으로써, 탄소섬유사가 탄성이 높고 소성이 낮을지라도 일단 일정형태로 변형되고나면 그 상태가 지속적으로 유지될 수 있도록 한다.

따라서, 탄소섬유사 발열선(11)의 상태에서 원적외선 방사 면상발열체의 구성이 가능하므로, 제지공정이나 직조공정등의 추가작업이 요하지않게되어 종전보다 훨씬 저렴한 비용으로 원적외선 방사 면상발열체를 제조할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 원적외선 방사 면상발열체의 일 실시예를 도시한 분 리사시도,

도 2는 도 1의 A-A 선에서 절단한 상태를 도시한 단면도,

도 3에 본 발명의 일 요부에 해당되는 고분자 절연부재만을 확대도시한 사시 도,

도 4는 본 발명에서 탄소섬유사 발열선에 접착제를 도포하는 과정에서 사용 되는 접착제 도포기구의 일 실시예를 도시한 사시도,

도 5는 본 발명에서 사용되는 접착제 도포기구의 또 다른 실시예를 도시한 사시도,

도 6은 도 4의 B-B선과, 도 5의 C-C선에서 절단한 상태를 도시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

11 : 탄소섬유사 발열선 12 : 고분자 절연부재(하부)

13 : 고분자 절연부재(상부) 14 : 격자 형상 홈부

15 : 굴곡부 41, 51 : 접착제 도포기구

61 : 접착제

Claims (7)

1. 탄소섬유사 발열선을 이용한 원적외선 방사 면상발열체에 있어서, 상부면에 다수개의 격자 형상 홈부(14)가 규칙적인 형태로 형성되어진 하부 고분자 절연부재(12)와, 상기 격자 형상 홈부(14)에 다양한 형태로 끼워져 고정되며 양 단부에는 전극이 형성되어진 탄소섬유사 발열선(11) 및 상기 하부 고분자 절연부재(12)의 상면에 상부 고분자 절연부재(13)가 접합되어지되 상기 고분자 절연부재(12)에서 격자 형상 홈부(14)가 교차하는 모서리부에는 곡률반경을 주기위한 굴곡부(15)를 형성함으로써 탄소 섬유사 발열선(11)이 손상되지 않도록 구성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유사 발열선을 이용한 원적외선 방사 면상발열체.
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