KR100736948B1 - 카본사 제조방법과, 이를 이용한 카본사 및 카본사를구비하는 차량용 프리히터 - Google Patents

카본사 제조방법과, 이를 이용한 카본사 및 카본사를구비하는 차량용 프리히터 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 도전성 카본원료를 챔버에 넣고 5~15기압, 섭씨 1500~3000도의 조건으로 도전성 카본원료를 용융시키는 단계; 용융된 도전성 카본원료를 챔버의 구멍을 통해 진공공간으로 유출시키면서 냉각시켜 최외곽 전자의 배열각을 변경시키는 단계; 냉각된 도전성 카본원료를 냉각장치에 넣어 응고시키는 단계를 포함하여 발열 온도가 높은 카본사 제조방법 및 이를 이용한 카본사를 제공한다. 또한 본 발명은, 열전달이 가능한 전열관, 전열관 내부에 인입되는 카본사, 전열관과 카본사 사이를 절연시키기 위한 절연수단, 카본사의 양단에 연결되는 양극단자 및 음극단자를 포함하도록 구성되어, 과열로 인한 화재의 위험이 없고 열효율 및 가열성능이 좋으며 내부 구성이 단순해져 조립공정이 간단해지고 제조원가가 절감되는 차량용 프리히터를 제공한다.
프리히터, 카본사, 발열, 돌입전류, 저항

Description

카본사 제조방법과, 이를 이용한 카본사 및 카본사를 구비하는 차량용 프리히터{Manufacturing process of carbon fiber, carbon fiber thereof and pre-Heater for vehicle having carbon fiber}
도 1은 본 발명에 의한 카본사 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명에 의한 차량용 프리히터의 내부 구성을 도시하는 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 A-A 선을 따라 절단된 단면도이다.
도 4는 제 2 실시예에 따른 본 발명에 의한 차량용 프리히터의 전열관 단면도이다.
도 5는 제 3 실시예에 따른 본 발명에 의한 차량용 프리히터의 전열관 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 전열관 200 : 카본사
210 : 절연재 220 : 절연물질
310 : 양극단자 320 : 음극단자
400 : 절연케이스 500 : 방열핀
본 발명은 카본사 제조방법 및 이를 이용한 카본사, 난방 또는 겨울철 성에 및 서리를 제거하기 위한 차량용 프리히터에 관한 것으로, 더 상세하게는 발열온도가 높아지는 카본사의 제조방법 및 이와 같은 방법으로 제조되는 카본사를 발열수단으로 이용함으로써 열효율이 증대되고 돌입전류 발생이 방지되며 제조비용이 감소되는 차량용 프리히터에 관한 것이다.
종래의 차량용 프리히터는 냉각수를 가열하는 냉각수 가열식과 공기를 가열하는 공기 가열식 프리히터로 분류되는데, 이와 같은 종래의 차량용 프리히터는 발열을 위한 수단으로 전기저항 발열와이어를 이용하거나 또는 피티씨 소자를 이용하도록 구성되어 있다.
이때 전기저항 발열와이어를 이용하는 경우에는 열손실이 많아 가열속도가 느리며 화재의 우려가 있다는 단점이 있어, 최근에는 피티씨 소자를 이용한 차량용 프리히터가 주로 사용되고 있다.
피티씨 소자를 이용한 냉각수 가열식 프리히터는 일정 온도 이상 가열되면 피티씨의 특성상 저항이 급격히 증가하고 전류가 낮아지므로 과열이 방지되지만, 물을 가열해야하기 때문에 열손실이 커서 가열속도가 느리다는 단점이 있다.
피티씨 소자를 이용한 냉각수 가열식 프리히터는 히터코어에 흐르는 냉각수 라인에 피티씨 가열체를 설치하여 냉각수를 100% 가열하도록 구성되어 있는데, 가 열된 냉각수가 히터코어 열교환기로 열이 전달되어 전달된 열이 히터에 통과하는 에어를 가열하는 방법이나 열 손실이 커서 효과적인 열효율이 적다는 문제점이 있다. 또한 피티씨 소자를 이용한 냉각수 가열식 프리히터는 초기 돌입전류가 자동차의 배터리 용량을 훨씬 초과할 수 있으며, 부위별 온도분포가 불균일하고, 피티씨 발열체의 열을 전달하는 알루미늄 케이스를 다수 배열하고 조립하여야 하므로 제조비용이 많이 든다는 단점도 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 과열로 인한 화재의 위험이 없고, 열효율 및 가열성능이 좋으며, 내부 구성이 단순한 차량용 프리히터를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 카본사 제조방법은, 탄소가 함유된 도전성 카본원료를 챔버에 넣고 5~15기압, 섭씨 1500~3000도의 조건으로 도전성 카본원료를 용융시키는 단계; 용융된 도전성 카본원료를 챔버의 구멍을 통해 진공공간으로 유출시키면서 냉각시켜 탄소의 최외곽 전자의 배열각을 변경시키는 단계; 냉각된 도전성 카본원료를 냉각장치에 넣어 응고시키는 단계를 포함한다.
이때 도전성 카본원료는, 카본, 카본블랙 목탄분 및 흑연분말로 이루어진 군 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어진다.
또한 도전성 카본원료는 저항이 큰 금속 등의 저항체 물질, 절연체 화합물, 세라믹 바인더, 분산제 중 하나 이상의 물질이 첨가된 도전성 카본분말로 이루어질 수도 있다.
또한 본 발명에 의한 차량용 프리히터는, 열전달이 가능한 전열관, 전열관 내부에 인입되는 카본사, 전열관과 카본사 사이를 절연시키기 위한 절연수단, 카본사의 양단에 연결되는 양극단자 및 음극단자를 포함하여 구성된다.
카본사는 상기와 같은 방법으로 제조되며 다수 개가 다발로 묶여 전열관 내부에 인입된다.
또한 절연수단은, 전열관 내부에 인입되는 부위의 카본사 표면을 감싸도록 결합되는 절연코팅재, 절연테이프, 세라믹관 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한 절연수단은 전열관 내측면에 결합되는 절연코팅재, 절연테이프, 세라믹관 중 어느 하나로 적용될 수도 있으며, 전열관과 카본사 사이의 공간을 채우는 절연물질로 적용될 수도 있다.
전열관은 병렬로 다수 배열되며, 전열관 외측면에는 하나 이상의 방열핀이 마련된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 카본사 제조방법과, 이를 이용한 카본사 및 카본사를 구비하는 차량용 프리히터의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 카본사 제조방법의 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 카본사 제조방법은, 도전성 카본원료를 마련하여 챔버에 넣는 단계(S10), 챔버 내부를 5~15기압, 섭씨 1500~3000도의 고온 고압 상태로 조절하여 챔버 내부에 인입된 도전성 카본원료를 용융시키는 단계(S20), 용융된 도전성 카본원료를 챔버 저면에 형성된 구멍을 통해 유출시키는 단계(S30), 챔버의 구멍을 통해 유출되는 도전성 카본원료를 진공상태에서 냉각키는 단계(S40), 냉각장치를 이용하여 도전성 카본원료를 응고시킴으로써 도전성 카본원료를 실 형태의 카본사로 제조하는 단계(S50)를 포함하여 구성된다.
이때 카본사의 재료가 되는 도전성 카본원료는 도전성과 저항성을 갖는 물질로서, 카본, 카본블랙 목탄분 및 흑연분말 중 어느 하나로 선택될 수도 있고, 상기 세 종류의 물질 중 둘 이상이 혼합된 물질로 선택될 수도 있다. 또한 카본사의 재료가 되는 도전성 카본원료는 저항이 큰 금속 등의 저항체 물질, 절연체 화합물, 세라믹 바인더, 분산제 중 하나 이상의 물질이 첨가된 도전성 카본분말로 이루어질 수도 있다.
도전성 카본원료에는 탄소가 포함되어 있는데, 탄소는 원자번호 6번인 원소로서 기저상태에 있는 6개의 전자는 원자핵 가까이에 있는 K궤도에 2개, L궤도에 4개가 배열되어 있다. 이때 L궤도에 배열된 전자들의 각도가 변경됨에 따라 저항성이 변경된다는 특성이 있다. 즉, L궤도의 전자 각도가 크면 클수록 저항이 증가하고 이에 따라 발열량이 증대된다.
도전성 카본원료는, 챔버의 구멍을 통해 유출되면서 냉각되는 단계(S40)와 냉각장치에 의해 응고되어 실 형태로 제조되는 단계(S50)를 거치는 동안 탄소의 L궤도 전자 배열각도가 변경되어, 저항이 증가되고 이에 따라 보다 높은 열을 발산할 수 있게 된다.
종래의 카본사는 통상적으로 섭씨 70도 이상의 고온의 열을 발산할 수 없으므로 발열 수단으로 사용하기에 적합하지 아니하였지만, 본 발명에 따른 카본사 제조방법에 의해 제조되는 카본사는 섭씨 70~300도의 고온의 열을 발산할 수 있으므로 발열 수단으로 활용될 수 있다는 장점이 있다.
이때 본 발명에 의한 카본사는 사용자의 선택에 따라 0.00001㎜에서 수백 ㎜의 두께를 갖도록 제조될 수 있으며, 두께가 얇은 경우 수 십 내지 수 만개의 카본사를 다발로 묶어 사용함이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 의한 차량용 프리히터의 내부 구성을 도시하는 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 A-A 선을 따라 절단된 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 차량용 프리히터는, 동이나 알루미늄과 같이 열전달율이 높은 물질로 제조되어 병렬로 배열되는 다수의 전열관(100)과, 다발로 묶여 각 전열관(100) 내부에 인입되는 카본사(200)와, 카본사(200)로 흐르는 전류가 외부로 누출되지 아니하도록 카본사(200) 다발의 외측면을 감싸도록 결합되는 절연재(210)와, 카본사(200)의 양단에 각각 연결되어 카본사(200)에 전원을 인가하기 위한 양극단자(310) 및 음극단자(320)와, 플라스틱과 같이 절연재로 이루어져 각 단자(310, 320)와 카본사(200)가 외부로 노출되지 아니하도록 전열관 (100)의 양측단을 감싸도록 결합되는 한 쌍의 절연케이스(400)와, 각 전열관(100)의 외측면에 결합되는 다수의 방열핀(500)을 포함하여 구성된다.
양극단자(310)와 음극단자(320)를 통해 인가되는 전원에 의해 카본사(200)에 전류가 흐르게 되면, 카본사(200)는 고온의 열을 발산하게 되고 카본사(200)에서 발생되는 열은 전열관(100) 및 방열핀(500)을 통해 외부로 전달된다. 카본사(200)는 본 발명에 의한 차량용 프리히터에 적용되는 상기 언급된 카본사 제조방법에 의해 제조되어, 전기저항 발열와이어보다 가열 속도가 빠르고, 피티씨 소자와 같이 100 내지 120A의 돌입전류가 발생되지 아니하고 70A 이내의 전류가 지속적으로 유지되므로 화재의 우려가 없다는 장점이 있다. 또한, 발열수단으로 피티씨 소자가 이용되는 경우 피티씨 소자를 고정시키기 위한 부재와 각 피티씨 소자에 전원을 인가하기 위한 각종 부재 등이 요구되므로 차량용 프리히터의 내부 구성이 복잡해지지만, 상기와 같이 발열수단으로 카본사(200)가 이용되면 차량용 프리히터의 내부 구성이 단순해져 조립 공정이 간단해지고 제조원가가 절감된다는 장점이 있다.
본 실시예에서는 다수의 전열관(100)이 전기적으로 병렬 연결되도록 구성되어 있으나, 전열관(100)의 전기적 연결은 직렬 또는 직병렬 혼합형으로 변경될 수 있다.
이와 같이 구성되는 차량용 프리히터는, 겨울철과 같이 시동을 켜더라도 엔진이 바로 가열되지 아니하여 실내 난방이나 서리 및 성에 제거가 용이하지 아니한 경우 초기 난방이나 서리 및 성에 제거를 위한 것으로, 통상적으로 에어컨에 설치되어 팬에 의해 인입되는 찬 공기를 가열하도록 활용된다. 따라서 카본사(200)에 인가되는 전류는 차량 실내의 공기 가열과 서리 및 성에 제거에 적합하도록 차량용 프리히터의 전력이 900~1000W가 되도록 설정됨이 바람직하다.
카본사(200) 다발의 외측면을 감싸도록 결합되는 절연재(210)는 전열관(100)과 카본사(200) 사이를 절연시키기 위한 절연수단으로서, 특정 물질로 한정되지 아니하고 절연코팅재, 절연테이프, 세라믹관 등 전열관(100)과 카본사(200) 사이를 절연시킬 수 있는 물질이라면 어떠한 것으로도 변경될 수 있다.
도 4는 제 2 실시예에 따른 본 발명에 의한 차량용 프리히터의 전열관 단면도이고, 도 5는 제 3 실시예에 따른 본 발명에 의한 차량용 프리히터의 전열관 단면도이다.
전열관(100)과 카본사(200) 사이를 절연시키기 위한 절연수단은 도 4에 도시된 바와 같이 전열관(100) 내측면에 결합되는 절연재(210)로 적용될 수도 있으며, 이때 절연재(210)의 종류로는 도 2에 도시된 절연재(210)와 같이 절연코팅재, 절연테이프, 세라믹관 등 전열관(100)과 카본사(200) 사이를 절연시킬 수 있는 물질로 이루어진다.
또한 절연수단은, 도 5에 도시된 바와 같이 전열관(100)과 카본사(200) 사이의 공간을 채우는 절연물질(220)로 적용될 수도 있다. 이때 카본사(200)에서 발생되는 열이 보다 효율적으로 전열관(100)에 전달될 수 있도록, 절연물질(220)은 전열성이 높은 물질로 이루어짐이 바람직하다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
본 발명에 의한 카본사 제조방법에 의해 제조되는 카본사는, 단시간에 고온의 열을 발산할 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의한 차량용 프리히터는, 과열로 인한 화재의 위험이 없고, 열효율 및 가열성능이 좋으며, 내부 구성이 단순해져 조립공정이 간단해지고 제조원가가 절감된다는 장점이 있다.

Claims (11)

  1. 탄소가 함유된 도전성 카본원료를 챔버에 넣고 5~15기압, 섭씨 1500~3000도의 조건으로 도전성 카본원료를 용융시키는 단계;
    상기 용융된 도전성 카본원료를 챔버의 구멍을 통해 진공공간으로 유출시키면서 냉각시켜 탄소의 최외곽 전자의 배열각을 변경시키는 단계;
    상기 냉각된 도전성 카본원료를 냉각장치에 넣어 응고시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본사 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전성 카본원료는,
    카본, 카본블랙 목탄분 및 흑연분말로 이루어진 군 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 카본사 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전성 카본원료는,
    저항이 큰 금속 등의 저항체 물질, 절연체 화합물, 세라믹 바인더, 분산제 중 하나 이상의 물질이 첨가된 도전성 카본분말로 이루어지는 것을 특징으로 하는 카본사 제조방법.
  4. 탄소가 함유된 도전성 카본원료를 5~15기압 섭씨 1500~3000도의 조건으로 도전성 카본원료를 용융시키고, 상기 용융된 도전성 카본원료를 진공공간으로 유출시키면서 냉각시켜 탄소의 최외곽 전자의 배열각을 변경시키며, 상기 냉각된 도전성 카본원료를 냉각장치에 넣어 응고시킨 카본원료로 제조되는 카본사.
  5. 열전달이 가능한 전열관,
    상기 전열관 내부에 인입되는 카본사,
    상기 전열관과 카본사 사이를 절연시키기 위한 절연수단,
    상기 카본사의 양단에 연결되는 양극단자 및 음극단자
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 프리히터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 카본사는,
    다수 개가 다발로 묶여 전열관 내부에 인입되는 것을 특징으로 하는 차량용 프리히터.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 절연수단은,
    상기 전열관 내부에 인입되는 부위의 상기 카본사 표면을 감싸도록 결합되는 절연코팅재, 절연테이프, 세라믹관 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 차량용 프리히터.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 절연수단은,
    상기 전열관 내측면에 결합되는 절연코팅재, 절연테이프, 세라믹관 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 차량용 프리히터.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 절연수단은,
    상기 전열관과 카본사 사이의 공간을 채우는 절연물질인 것을 특징으로 하는 차량용 프리히터.
  10. 청구항 5 내지 청구항 9 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 전열관은 병렬로 다수 배열되는 것을 특징으로 하는 차량용 프리히터.
  11. 청구항 5 내지 청구항 9 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 전열관 외측면에는 하나 이상의 방열핀이 마련되는 것을 특징으로 하는 차량용 프리히터.
KR1020050086562A 2005-09-15 2005-09-15 카본사 제조방법과, 이를 이용한 카본사 및 카본사를구비하는 차량용 프리히터 KR100736948B1 (ko)

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