KR100498825B1 - 적외선 복사 패널 - Google Patents

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Abstract

적외선 복사 패널은 전기 가열 요소(2)가 장착되는 세라믹 섬유재 벽(1)을 포함하며, 상기 전기 가열 요소는 전원에 접속되어, 적외선 복사열을 방출할 수 있는 고온으로 가열되며, 이 가열 요소는 스태플에 의하여 벽에 고정된다. 본 발명은 상기 가열 요소(2)가 벽(1)의 표면(6)과 간격을 두고 그 표면 상에 장착되는 것을 특징으로 한다.

Description

적외선 복사 패널{AN INFRARED RADIATION PANEL}
본 발명은 적외선 복사 패널에 관한 것이다.
적외선 복사 패널은 당해 기술 분야에 알려져 있으며, 특히 스웨덴의 칸탈 아베(Kanthal AB)에 의하여 공급되어 왔다.
이러한 적외선 복사 패널은 원리적으로 전기 저항 와이어를 세라믹 섬유재의 벽 상에 장착함으로써 구성된다. 저항 와이어는 전원에 접속되어, 고온, 예컨대 1500 내지 1600 ℃ 정도의 고온으로 가열될 수 있다. 그에 따라, 저항 와이어는 적외선 복사열을 방사한다.
이러한 알려진 패널의 한가지 문제점은 저항 와이어의 유효 수명이 패널의 원하는 유효 수명과 관련하여 충분히 길지 않다는 것이다. 예컨대, 종이와 종이 펄프를 건조하는 데에 적외선 복사 패널이 사용될 수 있는 제지 업계에서는, 수반되는 제조 공정의 연속성 때문에 유효 수명이 길 것이 요구된다. 예컨대, 제지 업계에서는 16000 시간의 유효 수명이 요구된다. 칸탈 수퍼 1800(Kanthal Super 1800)이라는 제품명으로 칸탈 아베가 판매하는 공지의 저항 요소를 포함하는 공지의 패널은 유효 수명이 6000 시간이다.
몰리브덴 규화물 타입의 전기 저항 요소가 오래 전부터 알려져 있다. 이들 저항 요소는 약 1700℃에 이르는 온도에서 작동하는 오븐과 같은 소위 고온 용례에서 주로 사용된다.
스웨덴 특허 제458 646호에는 칸탈 수퍼 1900이라는 저항 요소가 개시되어 있다. 사용된 재료는 화학식이 MoxW1-xSi2인 균질 재료이다. 상기 화학식에서, 몰리브덴과 텅스텐은 동형이므로, 동일 구조에서 서로 치환될 수 있다. 상기 재료는 MoSi2와 WSi2 재료의 혼합물을 포함하지 않는다.
고온에서 산소에 노출될 때 가열 요소의 표면에는 포물선 형태의 성장 속도로 SiO2가 성장하며, 이 성장 속도는 가열 요소의 단면 치수에 상관없이 동일하다. 1850℃의 온도에서 수 백 시간 동안 조작한 후에 층의 두께는 0.1 내지 0.2 ㎜일 수 있다. 실온으로 냉각되면, 이러한 유리층은 응고되며, 기재의 열 팽창 계수와 유리의 열팽창 계수의 현저한 차이로 인하여 가열 요소의 기재(基材)에 인장력이 가해진다. 유리의 열 팽창 계수는 0.5 ×10-6인 반면에, 기재의 열 팽창 계수는 7 ×10-6 내지 8 ×10-6이다.
물론, 이러한 인장력은 유리층의 두께가 증가함에 따라 증가한다. 인장력이 기재의 기계적 강도를 초과하는 경우에는 기재에 파단이 발생하는데, 이것은 유리가 특정 임계 두께 이상으로 성장한 경우에 발생한다.
기재에 대한 유리의 단면적의 비는 가열 요소가 굵은 경우에 비해서 가열 요소가 보다 얇은 경우에 크다. 그에 따라, 유리의 임계 두께는, 일반적으로 동일한 작동 온도와 동일한 작동 상태에서, 가열 요소가 굵은 경우보다 가열 요소가 얇은 경우에 훨씬 짧은 작동 시간 후에 도달된다.
이제까지는, 가열 요소의 두께가 적외선 복사 패널의 유효 수명에 중요한 요소인 것으로 믿어져 왔다.
그러나, 저항 와이어의 부착과 관련한 패널의 구조가 매우 중요한 것으로 판명되었다.
도 1은 적외선 복사 패널의 정면도.
도 2는 도 1의 선 A-A를 따라 취한 적외선 복사 패널의 단면도.
본 발명은 동일 저항 와이어를 사용하는 경우에 공지 패널의 유효 수명보다 훨씬 긴 유효 수명을 갖는 적외선 복사 패널을 제공한다.
그러므로, 본 발명은 전기 저항 요소가 장착되는 세라믹 섬유재의 벽을 포함하는 적외선 복사 패널에 관한 것으로, 상기 전기 저항 요소는 전원에 접속되어 적외선 복사열을 방출할 수 있는 고온으로 가열될 수 있으며, 상기 저항 요소는 스태플의 도움으로 벽에 부착되어 있으며, 상기 저항 요소는 벽의 표면과 간격을 둔 관계로 벽 표면 상에 장착되는 것을 특징으로 한다.
이제, 본 발명을 예시적인 실시예와 첨부 도면을 참고로 보다 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2에는 전기 저항 요소(2)가 장착되는 세라믹 섬유재의 벽(1)을 포함하는 적외선 복사 패널이 도시되어 있다. 상기 세라믹 섬유재는 약 50%의 Al2O3를 함유하는 알루미늄-규산염 타입의 재료일 수 있다. 저항 요소는 도전체(3, 4)를 통하여 전원에 접속되게 되어 있어서, 저항 요소는 저항 와이어가 적외선 복사열을 방출하는 고온으로 가열될 수 있다. 저항 와이어는 스태플(5)에 의하여 벽(1)에 부착된다. 벽(1)은 적절한 재료, 바람직하게는 산화 알루미늄 함량이 벽(1)의 산화 알루미늄 함량보다 작은 시트(7)에 의하여 지지된다.
본 발명에 따르면, 저항 요소는 벽(1)의 표면(6)과 간격을 둔 관계로 벽 표면 상에 장착된다. 이것은, 저항 요소가 벽(1)과 접촉하게 놓여 있는 경우에 사용될 수 있는 전력 세기(power concentration)보다 큰 전력 세기를 사용할 수 있게 하는 매우 중요한 특징이다. 저항 요소가 벽으로부터 간격을 두고 배치되어 있기 때문에, 저항 요소의 전체 외면은 자유로이 복사열을 방사할 수 있다. 또한, 저항 요소(2)가 벽(1)과 맞닿는 경우와 달리, 저항 요소가 과열될 위험도 없다.
이러한 실시예에서는 저항 요소(2) 또는 그것의 도전체(3, 4)를 냉각시킬 필요가 없다. 이러한 특징은 매우 바람직한 것이며, 복사 전력에 대한 공급 전력의 효율은 할로겐 램프를 이용하는 시스템에 비하여 20 내지 30% 만큼 증가될 수 있다.
적외선 복사에 있어서의 에너지 밀도는 종래의 가스 라디에이터에서 얻어지는 에너지 밀도보다 2배 내지 3배 높게 형성될 수 있다. 또한, 보다 효율적인 건조 작업을 수행하는 단파장 복사가 얻어진다. 통상적인 칸탈 저항 요소는 1.5 마이크로미터의 파장에서 메인 피크(main peak)를 2.2 마이크로미터의 파장에서 2차 피크를 갖는 적외선 복사를 수행한다.
본 발명에 따른 패널의 에너지 밀도는 종이 건조 시에 60% 이상의 효율로 250 내지 340 kW/m2에 도달할 수 있다. 가스 라디에이터의 대응하는 에너지 밀도는 90 내지 150 kW/m2이며, 할로겐 적외선 라디에이터는 220 내지 300 kW/m2이다. 할로겐 적외선 라디에이터는 효율이 약 30 내지 40% 이다.
그러므로, 냉각이 필요 없고, 에너지 밀도가 높아져 결과로서 고효율을 얻을 수 있기 때문에, 본 발명은 필요한 설비 비용을 명백하게 감소시킨다. 본 발명에 따른 적외선 복사 패널이 가스 라디에이터 및 할로겐 라디에이터보다 성능이 훨씬 우수하다는 것도 명백하다.
저항 요소, 즉 가열 요소가 벽(1)과 접촉하는 경우에는, 저항 요소의 작동 중에 형성되는 유리가 벽에 부착된다. 가열 요소가 냉각될 때, 먼저 유리가 응고되어, 유리가 수축됨에 따라 저항 요소가 분리되어 버리는 심각한 위험이 존재하는데, 그 이유는 저항 요소의 인장 강도가 벽의 섬유재의 압축 강도 및 섬유재에 대한 유리의 접착력보다 작기 때문이다.
본 발명의 특히 바람직한 일실시예에 따르면, 벽의 표면(6)과 저항 요소(2) 사이에서 서로 간격을 둔 관계로 세라믹 로드(8, 10, 12, 14, 16)가 배치되어 있다. 또한, 저항 요소의 다른 측면에도 서로 간격을 두고 로드(9, 11, 13, 15)가 배치되어 있다.
세라믹 로드(8 내지 16)는 각각의 로드 둘레에 맞물리는 스태플(5)에 의하여 벽(1)에 고정된다. 이하에서, 로드와 스태플을 지지 세라믹(support ceramic)이라 지칭한다.
이에 따라, 저항 요소(2)는 전방 로드와 후방 로드 사이에서 적소에 유지되고, 로드는 스태플에 의하여 적소에 유지된다.
이러한 바람직한 구조의 결과로서, 저항 요소는 지지 세라믹과 단지 점 접촉만을 이루고, 유리가 지지 세라믹에 부착되는 표면적은 매우 작아서, 저항 요소는 그것이 수축 또는 압축될 때 응고된 유리를 분리시킬 수 없다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 가열 요소 또는 가열 저항체의 양측면 상의 각각의 세라믹 로드는 상기 벽의 표면과 평행한 위치에서 서로에 대하여 오프셋되어 있어서, 세라믹 로드(10, 12, 14, 16)가 가열 저항체(2)의 일측면에 존재하는 경우, 상기 가열 저항체의 타측면에는 세라믹 로드가 존재하지 않는다. 세라믹 로드(9, 11, 13, 15)에 대한 세라믹 로드(10, 12, 14, 16)의 이러한 평행한 배치 관계는 도면으로부터 명백하다.
이러한 배치 관계는 소위 과열점(hot spot), 즉 온도가 저항 요소 또는 가열 요소의 최대 허용 온도보다 높아져 파단을 야기할 수 있는 지점이 생기는 것을 방지한다. 복사가 가열 요소의 일측면에서만 방해받기 때문에, 이 위치에서의 온도는 로드가 서로에 대하여 평행하게 오프셋되지 않은 경우보다 낮다.
세라믹 로드(9 내지 16)는 세라믹 튜브로 구성되고, 이 튜브 내에서 저항 요소와 같은 재료로 구성된 로드가 연장되는 것이 바람직하다. 이것은 세라믹 로드의 파손으로 인한 고장에 대하여 안정성을 제공한다. 대안적으로, 세라믹 로드는 중실형 세라믹 재료로 구성될 수 있다.
로드를 수용하는 세라믹 튜브는 도 1에 로드(9)로 예시된 바와 같이 그 길이를 따라 두 개 이상의 튜브(17)로 분할되는 것도 바람직하다. 이것은 세라믹 튜브가 열 응력에 의하여 파손될 위험을 제거한다.
바람직한 일실시예에 따르면, 세라믹 로드 내에서 연장되는 로드형 저항 요소는 벽(1)에 부착되는 두 개의 로드(18, 19)로 분할되고, 상기 로드의 각 자유단(20, 21)은 서로 접촉하지 않는다. 이것은 도 1의 로드(18)에 예시되어 있다. 이로 인하여, 크리프 전류(creep current), 스파크 오버(spark-overs) 또는 단락(短絡)의 발생 없이 각각의 로드에 보다 높은 최대 전압이 가해질 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 스태플(5)도 저항 요소와 같은 재료로 형성된 와이어로 이루어지며, 적어도 가열 요소, 즉 저항 요소(2)와 접촉하는 스태플(5)의 그 영역에서는 와이어 외부에 세라믹 튜브(22, 23)가 마련된다. 이것은 요소의 다리 사이에서 전기 단락이 발생하는 것을 방지한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 세라믹 로드의 표면과 스태플의 세라믹 표면은 많은 양의 Al2O3를 함유하는 재료로 구성된다. 재료는 약 99%의 Al2O3와 약 1%의 SiO2로 구성되는 것이 바람직하다. 유리(glaze)와 지지 세라믹 사이의 접착력은 사용되는 재료가 적은 양의 알루미늄 산화물을 함유하는 경우보다 많은 양의 알루미늄 산화물을 함유하는 경우에 훨씬 작은 것으로 판명되었다.
본 발명의 한가지 중요한 특징은 각각의 스태플(5)이 그에 의하여 유지되는 세라믹 로드(9 내지 16)로부터 간격을 두고 배치되어 있다는 것이다. 이로 인하여, 구조물이 온도 변화에 반응하여 이동할 때 로드는 스태플(5)과 가열 요소(2)에 대하여 이동할 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 일실시예에 따르면, 가열 요소(2), 즉 저항 요소는 몰리브덴과 텅스텐을 함유하는 균질의 규화물 재료로 구성되며, 이 규화물 재료는 화학식이 MoxW1-xSi2 이고, 이 화학식에서 x는 0.5 내지 0.75이며, 총 중량의 10% 내지 40%는 몰리브렌 붕소화물의 화합물 또는 텅스텐 붕소화물의 화합물 중 하나 이상으로 치환되며, 상기 화합물은 규화물 재료에 입자 형태로 존재한다.
이러한 재료는 고온을 견딜 수 있고, 종래의 요소보다 작은 양의 유리를 생성하는 것으로 판명되었다. 유리가 구조물에 부착되는 것으로 인한 저항 요소의 파단과 관련한 문제는, 전술한 가열 저항 요소를 사용하면 감소되는 동시에, 효율은 온도가 증가함에 따라 증가한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 가열 요소 도전체(3, 4)는 세라믹 시멘트(24)에 의하여 벽(1, 7)에 고착되며, 도전체는 벽에 대하여 그 축선을 중심으로 회전할 수 없게 벽을 통과한다. 그렇지 않으면, 가열 요소가 작동 온도에 도달할 때 전술한 바와 같은 회전이 일어난다. 도전체의 회전은 가열 요소 둘레에 발생되는 자기장에 의하여 일어나며, 여기서 가열 요소의 여러 다리는 서로에게 영향을 끼친다.
이상, 한가지 특정한 구조의 패널을 설명하였지만, 본 발명의 사상은 패널의 형상과 가열 요소가 굽혀지는 방식에 관계없이 모든 적외선 복사 패널에 적용될 수 있다는 것을 당업자는 알 것이다.
그러므로, 본 발명은 전술하고 도시한 본 발명의 실시예에 한정되지 않으며, 후술하는 청구 범위의 범주 내에서 변형예가 있을 수 있다.

Claims (12)

  1. 적외석 복사 패널에 있어서,
    세라믹 섬유재로 형성되는 벽(1)과,
    적외선을 복사열을 방출하는 고온으로 가열될 수 있도록 전원에 접속되게 맞추어지며, 상기 벽(1)의 표면(6)과 이격된 관계로 지지되는 가열 요소(2)와,
    상기 벽(1)의 표면(6)과 상기 가열 요소(2) 사이에서 서로 일정 간격을 두고 배치되는 하부 세라믹 로드(8,10,12,14,16)와,
    상기 가열 요소(2)에 기대어 상기 벽(1) 반대측의 상기 가열 요소(2)의 일측면 위에서 서로 일정 간격을 두고 배치되는 상부 세라믹 로드(9,11.13.15)를 포함하되,
    상기 상부 세라믹 로드(9,11,13,15)는 자신을 둘러싸며 벽(1)으로 연장되는 복수개의 스태플(5)에 의해 고정되어, 상기 가열 요소(2)가 상기 벽(1)과 일정 간격으로 이격된 채 상기 하부 세라믹 로드(8,10,12,14,16)와 상부 세라믹 로드(9,11,13,15)에 기대어 그 사이에서 유지되는 것을 특징으로 하는 적외선 복사 패널.
  2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 로드의 표면과 상기 스태플의 세라믹 표면의 재료는 약 99%의 Al2O3와 약 1%의 SiO2로 구성되는 것을 특징으로 하는 적외선 복사 패널.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열 요소(2)의 양 측면 상의 각각의 세라믹 로드(9 내지 16)는 상기 벽의 표면(6)과 평행한 평면에서 서로에 대하여 오프셋되어, 세라믹 로드가 가열 요소의 일측면에 존재하는 경우, 상기 가열 요소의 타측면에는 세라믹 로드가 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 적외선 복사 패널.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 세라믹 로드(8, 9 내지 16)는 가열 저항 재료로 구성되는 로드(25)를 에워싸는 세라믹 튜브(26)를 구비하는 것을 특징으로 하는 적외선 복사 패널.
  5. 제4항에 있어서, 상기 세라믹 튜브(26)는 그 길이를 따라 두개 이상의 튜브(17)로 분할되는 것을 특징으로 하는 적외선 복사 패널.
  6. 제4항에 있어서, 상기 가열 저항 재료로 구성된 로드는 상기 벽(1)에 장착되는 두 개의 로드(18, 19)로 분할되며, 상기 로드(18, 19)의 자유단(20, 21)은 서로 만나지 않는 것을 특징으로 하는 적외선 복사 패널.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스태플(5)은 가열 저항 재료로 구성된 와이어(27)를 구비하며, 적어도 가열 요소(2)와 접촉하는 스태플의 그 영역에서 와이어 외측에는 세라믹 튜브(22, 23)가 마련되는 것을 특징으로 하는 적외선 복사 패널.
  8. 제1항에 있어서, 각 세라믹 로드(8, 9 내지 16)의 표면과 각 스태플(5)의 세라믹 표면은 약 99%의 Al2O3를 함유하는 것을 특징으로 하는 적외선 복사 패널.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스태플(5)은 그 스태플에 의하여 유지되는 세라믹 로드(8, 9 내지 16)로부터 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 적외선 복사 패널.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열 요소(2)는 몰리브덴과 텅스텐을 포함하는 균질의 규화물 재료로 구성되며, 이 규화물 재료는 화학 조성식이 MoxW1-xSi2이고, x는 0.5 내지 0.75이며, 총 중량의 10% 내지 40%는 몰리브렌 붕소화물 화합물과 텅스텐 붕소화물 화합물 중 하나 이상으로 치환되며, 상기 화합물은 입자 형태로 상기 규화물 재료에 존재하는 것을 특징으로 하는 적외선 복사 패널.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가열 요소(2)의 도전체(3, 4)는 벽을 통과하는 위치에서 세라믹 시멘트(24)에 의해 벽(1, 7)에 고착되어, 도전체는 벽(1)에 대하여 축선을 중심으로 회전할 수 없는 것을 특징으로 하는 적외선 복사 패널.
  12. 삭제
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