KR100523805B1 - 작동온도 400℃ 이하의 민수용 및 산업용 금속발열체 밀봉소재 - Google Patents

작동온도 400℃ 이하의 민수용 및 산업용 금속발열체 밀봉소재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 작동온도가 400℃ 이하인 금속 발열체의 밀봉소재를 제공하기 위한 것으로, 이 밀봉소재는 6.7±0.2의 비중, 320±10℃의 유리전이온도, 390±10℃의 연화점 및 108×10-7/℃의 열팽창 계수 등의 물리적인 특성을 갖는다.
본 발명의 밀봉소재를 성형하여 히터밀봉작업에 적용할 경우 감열감량(1g loss)은 0.05％ 이하이며, 발열체 내부 충진용 파우더에 밀봉유리가 흡수되어 금속 발열체의 고정역할과 외부공기 및 수분의 유입을 차단하는 기능을 보이게 된다.

Description

작동온도 400℃ 이하의 민수용 및 산업용 금속발열체 밀봉소재{Sealing material of civilian and industrial metal heat sinks having operation temperature under 400℃}
본 발명은 작동온도 400℃ 이하의 산업 및 민수용 금속 금속발열체 밀봉소재에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 600 내지 700℃의 온도로 10초 정도 가열하였을 때 충진 파우더와 이루는 젖음각, θ=0°가 되며, 이로 인해서 금속 발열체의 고정 역할과 외부 공기 및 수분의 유입을 차단할 수 있는 400℃ 이하의 산업 및 민수용 금속 발열체의 밀봉소재에 관한 것이다.
작동온도 400℃ 이하의 금속발열체 밀봉소재의 조성과 산업화 기술 등은 전무한 실정이다. 또한, 전기 및 전자 산업의 급속한 발달은 기존의 기능 외에 전기를 에너지원으로 발열이 가능한 다기능화, 고성능화 등의 신기능이 부여된 가전 및 산업 기기의 요구가 증대하는 실정이다.
현재 산업 및 민수용 400℃ 이하의 작동온도를 가지는 금속 발열체는 히터 모듈을 수입하거나 혹은 밀봉용 소재만을 수입하여 단순 조립 과정을 가지는 정도의 수준이다.
한편, 기존의 알칼리 실리케이트(alkali silicate)계의 소재를 밀봉재로 적용할 경우 높은 열처리 온도와 소요되는 시간은 인코넬 금속관의 산화를 촉진하며, 이에 따른 외관 손상과 내구성 감소 등 피하기 어려운 문제점에 봉착하고 있다.
즉, 알칼리 실리케이트 혹은 물 유리등을 작동온도 400℃ 이하의 밀봉 소재로 적용할 경우 열처리 온도와 시간에 따른 히터 외관의 손상, 금속산화에 따른 내구성 감소 및 누전 등의 피하기 어려운 문제점뿐만 아니라 물성 제어가 용이하지 않다. 또한, 노출형의 경우 사용 부주의에 따른 합선 등과 같은 안전사고에 무방비로 노출될 수도 있다는 것이다.
이러한 관점에서 본 발명은 저온과 짧은 열처리 시간으로 히터 내부 충진 파우더에 밀봉 물질이 용이하게 흡수되고, 이로 인해서 발열체의 고정 및 외부의 수분과 공기 유입을 차단하는 밀봉소재를 개발함으로써 히터 모듈의 산화 억제와 외관 손상 방지 및 내구성 향상 등을 극복하고자 하는 것을 목적으로 하는 것이다.
즉, 본 발명은 6.7±0.2의 비중, 320±10℃의 유리전이온도, 390±10℃의 연화점 및 108×10-7/℃의 열팽창 계수 등을 가지는 소재를 개발하고자 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 400℃ 이하의 민수 및 산업용 금속발열체의 밀봉소재를 제공하기 위한 것으로 그 밀봉소재는 PbO 73 내지 81중량％, ZnO 10.0 내지 11.9중량％, SiO2 1.0 내지 3.0중량％, BaO 1.0 내지 2.1중량％, B2O3 7.0 내지 10.0중량％로 구성되어 있고, 6.7±0.2의 비중, 320±10℃의 유리전이온도, 390±10℃의 연화점 및 108×10-7/℃의 열팽창 계수의 물성을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 밀봉소재를 외경×내경×높이(5.40×3.00×6.00mm)의 원통형으로 성형하여 히터밀봉작업에 적용할 경우 감열감량(lg loss)은 최대 0.05％이하이고, 500 내지 550℃의 토치 램프로 발열체 모듈에 간접 가열시 최대 10초 이내에 내부 충진 파우더에 밀봉유리가 흡수되어 금속발열체의 고정역할과 동시에 외부공기 및 수분의 유입을 차단하는 기능을 하게 된다.
이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
실시예
다음 표 1의 모물질 조성을 혼합하여 산업용 연속로 혹은 기타 전기로에서 650℃로 용융시킨 다음 용융물을 고화시켜 유리를 제조한다. 밀링기를 이용하여 평균입자 사이즈가 200㎛ 이하가 되도록 분쇄를 한다. 분쇄된 입자를 원통형 비드로 성형하기 위하여 폴리에틸렌 글리콜을 첨가하여 성형한다. 성형된 초기비드를 450 내지 390℃ 부근에서 열처리하여 도 1a와 1b에 나타낸 바와 같이 최종크기가 5.40×3.00×6.00mm(외경×내경×높이)를 가지는 원통형으로 제조한다.
금속발열체를 인코넬 금속관에 장착시킨 후, 절연성의 산화티탄 또는 산화 마그네슘 파우더를 충진한다. 파우더로 충진한 금속발열체 사이에 원통형 비드를 삽입한다. 인코넬 금속관 외부에서 500 내지 550℃의 토치 램프로 10초 정도 간접 가열하면 밀봉소재의 용융 점도와 열팽창계수에 의존하여 충진 파우더에 흡수된다.
이때 충진파우더에 흡수된 소재와의 젖음각, θ=0°이며, 금속발열체의 고정과 외부공기 및 수분의 유입을 차단하는 기능성이 부여된다. 잘 밀봉된 히터모듈의 일반적인 내압범위는 240V, 1050W이다. 한편, 상온에서의 절연성 테스트 기기로 1,000V를 가하였을 때 무한대의 절연성을 가진다.
도 1c 내지 도 1g는 성형비드를 충진물 위에 위치시켜 간이 액화 부탄(V:520㎖, W:96g)의 토치를 이용하여 시간의 함수로 변화하는 녹음성과 젖음각의 변화를 나타낸 것이다. 도 1c는 초기상태를 나타낸 것이고, 도 1d는 가열시작 단계를 나타낸 것이고, 도 1e는 가열 4초 후를 나타낸 것으로 충진물에 밀봉소재가 스며들기 시작하고 있으며, 도 1f는 가열 8초 후의 상태를 나타낸 것이며, 도 1g는 가열 10초 후의 상태를 나타낸 것으로 10초 이내에 완전히 스며들어 젖음각, θ=0°로 진행됨을 알 수 있다.
첨부 도면 중 도 2는 산업 및 민수용 금속발열모듈에 본 발명에 따른 밀봉소재를 적용하여 제조한 제품과 한 부분을 확대하여 나타낸 도면이다. 도 2에서 부호 21은 전력리드단자, 22는 세라믹 애자, 23은 유기본드, 24는 밀봉소재와 충진혼합층, 25는 파우더 충진층, 26은 인코넬 금속관, 27은 금속발열체이다.
다음 표 2는 본 발명의 실시예에 의거하여 제조된 밀봉소재를 온도와 함수로 대기 하에서 12시간 열처리한 후 무게와 감열감량을 나타낸 것으로, 400℃ 부근에서는 거의 감열감량이 일어나지 않음을 보여주고 있다.
조성성분 중량％
PbO 80.0
ZnO 11.0
SiO2 1.0
BaO 1.0
B2O3 7.0
합계 100
표 1의 조성에서 PbO와 B2O3의 공융점(eutectic point)은 87.5중량％, 12.5중량％이나, 이들 성분만으로 구성되는 소재는 밀봉 열처리 제조과정에서 왜곡현상(distortion)이 나타나기 때문에 기타의 산화물은 이 현상을 방지하기 위하여 첨가되었다.
유지온도(℃) 무게변화
최초무게(g) 열처리후(g) 감열감량(％)
350 0.465 0.465 -
400 0.468 0.468 -
420 0.462 0.462 -
450 0.459 0.459 -
500 0.457 0.454 0.65
본 발명의 금속발열체의 밀봉소재는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 400℃ 이하의 작동온도를 가지는 금속발열체 히터모듈의 밀봉소재의 원천기술확보가 가능하다.
둘째, 히터 내부충진물질에 밀봉소재가 용이하게 흡수되어 외부 공기 및 수분유입 등을 차단하는 기능성을 만족시키게 되며 수명연장과 안전사고를 예방할 수 있다.
셋째, 소재의 안정적인 국내 공급이 가능하다.
넷째, 열처리 온도와 시간에 따른 히터 외관의 손상, 금속산화에 따른 내구성 감소 등의 문제점을 방지하여 품질 경쟁력을 강화할 수 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 원통형으로 제조된 5.40×3.00×6.00mm(외경×내경×높이)의 크기를 가지는 비드의 측면도 이고,
도 1b는 도 1a의 평면도이며,
도 1c는 초기상태를 나타낸 도면이며,
도 1d는 가열시작 단계를 나타낸 도면이고,
도 1e는 가열 4초 후를 나타낸 도면이며,
도 1f는 가열 8초 후의 상태를 나타낸 도면이고,
도 1g는 가열 10초 후의 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 민수 및 산업용 금속발열모듈에 본 발명에 따른 밀봉소재를 적용한 제품 도면과 한 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.

Claims (1)

  1. PbO 73 내지 81중량％, ZnO 10.0 내지 11.9중량％, SiO2 1.0 내지 2.1중량％, BaO 1.0 내지 2.1중량％, B2O3 7.0 내지 10.0중량％로 구성되어 있고, 6.7±0.2의 비중, 320±10℃의 유리전이온도, 390±10℃의 연화점 및 108×10-7/℃의 열팽창 계수의 물성을 갖는 것을 특징으로 하는 400℃ 이하의 민수 및 산업용 금속발열체의 밀봉소재.
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