KR100741701B1 - 탄화규소 전기가열소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기저항 세라믹 가열소자에 관한 것으로, 적어도 대부분의 전기적인 가열이 이루어지는 소자의 영역으로 구성되고 적어도 하나가 전체적으로 고온영역이며 적어도 둘은 고온영역과 저온영역으로 구성되는 3개 이상의 레그, 저온영역에 배치되고 레그 수 보다 적으며 전원을 연결하기 위한 다수의 레그 단자부분과, 레그사이의 전기적인 전도가 이루어질 수 있도록 하는 세라믹 브릿지부분으로 구성됨을 특징으로 한다.

탄화규소, 가열소자, 전기저항가열.

Description

탄화규소 전기가열소자 {ELECTRICAL HEATING ELEMENTS FOR EXAMPLE MADE OF SILICON CARBIDE}

본 발명은 전기저항 세라믹 가열소자에 관한 것으로, 특히 탄화규소 전기가열소자에 관한 것이다.

전기저항가열은 잘 알려진 방법이다. 전기가 저항소자를 통과할 때 저항소자는 잘 알려진 전기법칙에 따라서 열을 발생한다. 전기저항 가열소자의 한 그룹은 길이를 따라서 전기저항이 변화하는 탄화규소 롯드로 구성되는 것이 있다. 이들 소자에 있어서, 열의 대부분은 "고온영역"으로 불리는 저항이 높은 부분에서 발생되며, "저온단부"라 불리는 저항이 낮은 부분에서는 열이 적게 발생된다. 통상적으로 이러한 롯드는 단일체 롯드, 관상 롯드 또는 나선절삭형의 관상 롯드이다.관상 롯드를 나선절삭하는 목적은 고온영역을 통하여 전기가 흐르는 경로의 길이를 증가시키고 전기가 흐르는 경로의 단면적을 감소시켜 전기저항을 높이기 위한 것이다. 이러한 전형적인 롯드로서는 Crusilite^TM Type X 소자와 Globar^TM SG 롯드가 있다. 이러한 특성의 나선절삭형 관상 롯드는 적어도 40 여년전부터 알려져 왔다.

이러한 관상 롯드에 있어서, 전기적인 연결은 고온영역의 양측에 있는 저온단부에서 이루어진다. 어떠한 목적을 위하여 일측단부에 전기단자를 갖는 것이 바 람직하다. 적어도 30여년 동안은 관상 롯드에 이중 나선이 형성되고 롯드의 일측단부에 저온단부인 전기단자가 형성되고 타측단부에는 우 나선부사이의 접속부가 형성되는 것이 알려져 왔다. 이러한 형태의 전형적인 소자로서는 Crusilite^TM DS 소자와 Globar^TM SGR 또는 SR 소자가 있다.

현재, 실제로 Crusilite^TM 소자(X, MF, DS 및 DM)는 다이아몬드 휠을 이용하여 탄화규소 튜브에 나선요구를 절삭하고 있다. 나선의 피치는 탄화규소 튜브의 저항과 Crusilite^TM 소자의 요구된 저항에 따라 달라진다. 피치가 좁으면 좁을 수록 이러한 튜브의 저항은 높아진다. 이중나선형의 소자(DS 또는 DM)의 경우, 두개의 나선은 서로 180°간격을 둔 위치로부터 시작하여 제2의 나선이 제1의 나선이 감긴 중간에 놓이도록 절삭형성된다. 그리고 나선은 일측단부에서 다이아몬드 톱으로 분할되어 연장되며, 분할단부는 전기적인 연결이 이루어질 수 있도록 하는 단자단부가 된다.

Globar^TM 나선형 소자(SG, SGR)를 제조하는 경우, 나선은 소성전에 다이아몬드 드릴을 이용하여 튜브에 절삭된다. 이중나선형 소자(SGR)의 경우 서로 180°간격을 둔 위치에서 형성되는 두개의 절삭나선이 이용된다. 나선을 절삭한 후에, 튜브재료가 2-단계 처리과정에서 소성되며 이 과정중에 최종저항이 조절된다.

이들 모든 소자(Crusilite^TM X, MF, DS, DM, Globar^TM SG, SGR)는 단상소자이 며, 예를 들어 1000℃~1600℃의 온도에서 작동되는 광범위한 산업용 또는 실험용 노(爐)에서 사용된다.

고열이 요구되거나 히터 유니트가 3 배수인 경우는 주로 3상 전원이 사용되는 경우이다. 각 3상의 전원은 동일하고 이러한 이유로 통상 단상 소자가 3의 배수로 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 설치된 소자의 수가 3으로 나눌 수 없는 경우에 3상 부하의 평형이 이루어질 수 있도록 3상 탄화규소 소자가 사용될 수 있다. 통상적으로, 탄화규소 3상 전기소자는 공통의 브릿지에 결합되는 3개의 레그(leg)로 구성된다. 이들 레그는 통상 한 평면에 배열되거나(소자는 크리켓 기둥과 같은 모양을 한다), 삼각형(이러한 형태를 우유통받이형 또는 트리-유 'Tri-U' 형태라 한다)의 형태로 배열된다. 크리켓 기둥형 구조는 1957년 부터 알려져 있으며(영국특허 제845496호 참조) 트리-유형의 구조는 1969년부터 알려져 왔다. 통상적으로 이러한 소자의 제조에는 소자의 레그를 별도 제조하고 브릿지에 결합하는 별도의 공정을 필요로 한다. 종래에, 단일체로 성형하여 이러한 소자를 제조하는 것이 제안된 바 있으나, 이러한 단일체의 소자는 시장에서 찾아 볼 수 없다. 또한, 크리켓 기둥의 형태로서 공통의 브릿지에 3개의 나선절삭형 소지를 조합하는 것이 제안된 바 있다(영국특허 제1279478호 참조).

일반적으로 U-형의 구조를 갖도록 쌍으로 소자를 조합하여 일측단부가 소자의 단자가 되게 하는 것이 알려져 있다. 전형적인 이러한 소자로서는 Kanthal Type U 소자가 있다(다른 U-형의 소자는 예를 들어 영국특허 제838917호 및 미국특허 제3964943호를 참조바란다). 이들 소자의 여러 개가 주어진 가열조건에 맞추어 요 구될 수 있다. 공간이 제한된 경우에는 전원에 이들 소자를 연결하기 위한 적당한 구조를 제공하는 것이 매우 복잡할 수 있다. 더욱이, 이들 소자에 전원을 연결하기 위하여서는 많은 통공이 필요하게 된다. 이들 통공은 가열기구의 단열구조를 취약하게 하고 열이 통공 또는 도선을 통하여 노의 밖으로 빠져 나갈 수 있어 열효율을 떨어뜨린다. 역국특허 제1123606호에서 제안된 구조는 내화링에 일정한 간격을 두고 착설되며 도선을 연결하기 위하여 스크류연결부에 의하여 서로 연결되는 바아형 소자의 "다람쥐 쳇바퀴"형 구조를 보이고 있다. 이러한 구조는 복잡하고 많은 전기적인 연결부를 포함한다.

본 발명의 발명자들은 3개 이상의 레그, 레그 수 보다는 적은 다수의 단자부분과, 레그사이의 전기적인 전도가 이루어질 수 있도록 하는 브릿지부분으로 구성되는 가열소자를 제공함으로서 상기 언급된 종래기술의 결점을 해소할 수 있음을 알게 되었다. 본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 통상적인 U-형 소자를 보인 정면도.

도 2는 통상적인 3상 크리켓 기둥형 전기가열소자를 보인 정면도.

도 3은 통상적인 3상 우유통받침대형 전기가열소자를 보인 측면도.

도 4는 통상적인 단일 나선절삭형 전기가열소자를 보인 정면도.

도 5는 본 발명의 원리에 따른 4-레그형 평면상 전기가열소자의 측면도.

도 6은 본 발명의 원리에 따른 4-레그형의 정사각배열형 평면상 전기가열소 자의 측면도.

도 7은 도 6에서 보인 소자의 정면도.

도 8은 본 발명의 원리에 따른 4-레그형의 정사각배열형 평면상 전기가열소자의 평면도.

도 9는 도 5에서 보인 소자의 평면도.

도 10은 본 발명의 원리에 따른 4-레그형의 만곡형 평면상 전기가열소자의 평면도.

도 11은 본 발명의 원리에 따른 6-레그형의 3상 전기가열소자의 평면도.

도 1은 통산적인 U-형 소자(1)를 보인 것이다. 통상 이러한 소자는 탄화규소로 만들어지며 평면상에 배열되고 브릿지(3)로 결합되는 두개의 레그(2)로 구성된다. 레그(2)는 소자의 고온영역(4)을 형성하는 부분과 저온단부(5)를 형성하는 부분을 갖는다. 전기적인 연결은 브릿지(3)로부터 원격한 단부(6)에서 이루어진다. 일반적으로 고온영역(4)과 저온단부(5)는 탄화규소 롯드의 전기적인 저항을 변화(예를 들어 저항을 낮추기 위하여 규소합금을 주입시킨다)시킴으로서 형성될 수 있다. 또한 전기적인 저항을 변화시키는 것에 부가하여 레그의 단면적을 변화시킴으로서 유사한 효과를 얻을 수 있다.

도 2는 도 1에서 보인 U-형 소자와 유사한 방법으로 만들어지는 통상적인 3상 크리켓 기둥형 3상 소자(7)를 보이고 있다.

도 3에서 보인 측면도는 통상적인 Tri-U 형 또는 우유통받침형의 3상 소자(8)를 보인 것이다. 이러한 소자는 통상적인 크리켓 기둥형의 소자와 같은 동일한 기술로 만들어지나, 3개의 레그(2)가 삼각형의 형태로 나란히 배열되고 브릿지(9)로 결합된다.

도 4에서 보인 정면도는 통상적인 단상의 단일나선절삭형 소자(10)를 보인 것이다. 이 소자(10)는 소자의 고온영역(11)을 형성하는 나선절삭부분과 저온단부(12)를 형성하는 절삭되지 않은 부분을 갖는 탄화규소의 튜브로 구성된다. 나선절삭함으로서 고온영역(11)이 절삭되지 않은 부분 보다 작은 단면적을 가지며 유효길이가 길어져 전기적인 저항이 절삭되지 않은 부분 보다 높도록 한다. 저온단부의 재질은 통상적으로 고온영역의 재질과 같으나 고온영역과 저온단부사이의 저항비율을 증가시키기 위하여 규소합금을 주입하거나 저항이 낮은 물질을 접합하여 저항이 낮도록 할 수 있다.

도 5와 도 9는 본 발명으ㅔ 따른 평면상 가열소자(13)를 보인 것이다. 레그(14)(15)는 4개이며, 레그(14)는 레그(15)보다 길고 고온영역(16)과 저온단부(17)로 구성되며, 저온단부(17)의 단부(18)은 전원에 연결하기 위한 단부이다. 레그(15)는 전체가 고온영역이다. 레그(14)(15)는 브릿지(19)를 통하여 직렬로 연결된다. 이러한 구조는 두개의 단자만을 이용하여 4개의 고온영역을 노 또는 기타 다른 가열장치에 설치할 수 있도록 한다. 브릿지(19)는 노 또는 기타 다른 가열장치의 단열부분내에 설치될 수 있다. 이는 두 저온단부(17)에 의하여서만 단열이 되지 않는 것을 의미하는 바, 이에 대조적으로 4개의 단일 롯드로 구성된 통상적인 노의 경우 8개의 저온단부에 의하여 이 부분에서는 단열이 이루어지지 않고 두개의 U-형 소자로 구성되는 노는 4개의 저온단부에 의하여 이 부분에서 단열이 이루어지지 않는다.

도 6과 도 7에서, 소자(20)는 수평으로 설치할 수 있는 구조로 설계된 것으로, 슬리이브(21)내에서 사용되는 것이다. 이 슬리이브(21)는 튜브의 형태일 수 있다. 소자(20)는 도 5 및 도 9와 유사하게 4개의 레그(14)(15)로 구성된다. 레그(14)(15)는 평행하고 정사각형 어레이의 형태로 배치된다. 브릿지(19)는 두개의 기다란 레그(14)가 정사각형 어레이의 일측변에 대하여 나란하게 놓이도록 배치된다. 이러한 배치구조는 다른 구조에 비하여 소자의 수평배치를 용이하게 한다. 블록(22)(23)은 슬리이브(21)내에서 브릿지(19)를 지지하며, 블록(23)은 또한 레그(14)를 지지한다. 비록 도면에는 정사각형 어레이가 도시되어 있으나 소자가 설치되는 상황에 따라서 직사각형 또는 사변형의 어레이가 사용될 수 있을 것이다. 소자의 4개 레그의 고정관계는 통상적인 소자의 상부셋트가 하측으로 전도되어 회로단락의 원인이 되는 위험성을 배제한다. 이러한 위험 때문에 이러한 수평배치구조에서는 단일의 U-형 소자만을 사용하였다.

도 8에서는 브릿지(19)의 다른 구조를 보인 것으로, 브릿지의 하나가 어레이를 가로질러 대각선 방향으로 배치되어 있다. 이는 전기적인 연결이 이루어지는 레그(14)가 대각선 방향으로 배치됨을 의미한다. 이러한 구조는 레그가 수직으로 배치되어야 하는 경우인 도 7의 구성에 적합하다.

도 10에서는 평행하게 배치된 4개의 레그가 만곡형의 어레이로 배치되어 구성된 것을 보이고 있다.다수의 이러한 만곡형 소자가 예를 들어 관상의 노의 곡률 에 맞추어 만곡형 가열조립체(일점쇄선 26으로 보임)의 구조에 이용될 수 있다.

도 11에서는 3상 소자(27)를 보이고 있다. 이 소자(27)는 6개의 레그(14)(15)로 구성되고, 레그(14)는 레그(15) 보다 길며, 이들 레그는 일반적으로 육각형 어레이로 배치된다. 브릿지(19)는 하나의 기다란 레그(14)와 하나의 짧은 레그(15)를 쌍으로 연결한다. 브릿지(28)는 이들 쌍을 함께 열결한다. 3상의 전원이 레그(14)의 단자부분에 연결되고 레그(14), 브릿지(19) 및 레그(15)를 통하여 브릿지(28)에 연결됨으로서 3상 구조를 위한 성형(星形)의 연결구조를 이룬다. 이러한 구조는 특히 고온영역이 짧거나 레그직경이 클 때 저전압 고전류를 요구하여 고가의 전원이 요구되는 통상적인 Tri-U 형의 구조(도 3)에 비하여 유리하다. 6개의 레그를 쌍으로 직렬연결함으로서 전압은 높아질 것인 바, 그 이유는 유사한 방법으로 전원인 인가되는 Tri-U 형 소자가 두배 직경의 3개 레그를 갖게 되기 때문이다. 예를 들어, 레그직경이 40mm이고 고온영역의 길이가 500mm인 Tri-U 형 소자는 상저항이 0.4Ω이며 정격 50V의 125A인 전원을 요구한다. 요약컨데, 동일조건의 Tri-U 소자에 비하여 약 두배의 전압과 반의 전류에서 작동한다.

도 5-도 11의 모든 구조는 요구된 단자의 수가 소자의 레그 수보다 적은 것이다. 이는 통상적인 구조에 비하여 연결부의 수가 적고 노의 라이닝 또는 단열부에 형성되어야 하는 통공의 수를 감소시킨다. 아울러, 소자배열 및 이에 따른 회로단락의 위험성 우려를 배제한 소자 레그의 고정구조를 제공함으로서 소자 레그를 통상적인 노의 경우보다 근접하게 배치할 수 있도록 한다. 이러한 근접배치는 통상적인 구조에 비하여 전압밀도가 높도록 한다. 레그와 브릿지 사이의 결합은 요구된 작동온도에서 견딜 수 있는 적당한 방법에 의하여 이루어질 수 있다.

도 5-도 11의 모든 구조에 있어서, 짝수의 소자 레그가 사용되었다. 이는 통상적으로 단자가 소자의 일측부에 놓이도록 하나, 본 발명에 있어서는 단자가 달리 배치되게 하여 홀수의 소자 레그가 사용될 수 있다.

레그의 열팽창특성은 소자의 가열시 브릿지부분의 이동을 최소화할 수 있도록 매칭시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 6에서, 레그(14)가 레그(15) 보다 더 팽창하는 경우 브릿지(19)는 블록(23)을 밀어낼 것이다. 레그(14)(15)의 열팽창특성을 매칭시킴으로서(예를 들어 고온영역 16의 길이를 선택하거나 상이한 열팽창계수를 갖는 재질을 이용하여) 이러한 위험이 줄어들 수 있다.

또한, 바탕이 되는 가열레벨을 제공하기 위하여 레그의 일부에 긴 고온영역을 갖도록 하고, 다른 레그를 상기 고온영역의 길이 보다 짧게하여 부가적이고 국부적인 가열이 이루어질 수 있도록 하는 것도 바람직하다. 예를 들어, 도 5에서, 레그(14)의 고온영역(16)이 레그(15) 보다 긴 경우 발생된 열의 레벨은 고온영역(16)에 의하여 제공되고 부가적이고 국부적인 가열은 레그(15)에 의하여 이루어진다.

이와 같이 같지 않은 고온영역의 길이가 이용되는 경우, 보다 큰 온도균일성을 제공하기 위한 목적으로 실제의 세라믹 노에 베이스를 향하여 고압의 소자를 설치할 수 있다.

이러한 형태의 불균일 전원분포가 사용되는 다른 경우는 전기 레이들 히터를 포함하며, 전형적인 구조에 있어서는 하반부에 전원의 2/3를 배치하고 상반부에 1/3를 배치할 수 있다.

이상의 설명에서, 본 발명은 전기가열소자로서 탄화규소를 이용하는 것으로 되어 있다. 그러나, 본 발명은 다른 전도성 세라믹물질을 이용할 수 있다. 본 발명에서 "전도성 세라믹"이라 함은 충분히 전도성을 가지고 적당한 열특성을 가지며 전기가열소자로서 사용될 수 있는 비금속의 무기물질을 의미하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

Claims (12)

1. 탄화규소 전기가열소자에 있어서, 이 탄화규소 전기가열소자가 대부분의 전기적인 가열이 이루어지는 소자의 영역인 고온영역으로 구성되고 적어도 하나가 전체적으로 고온영역이며 적어도 둘은 고온영역과 저온영역으로 구성되는 3개 이상의 레그, 저온영역에 인접하여 배치되고 레그 수 보다 적으며 전원을 연결하기 위한 다수의 레그 단자부분과, 레그사이의 전기적인 전도가 이루어질 수 있도록 하는 세라믹 브릿지부분으로 구성됨을 특징으로 하는 탄화규소 전기가열소자.
2. 제1항에 있어서, 레그의 열팽창특성이 소자의 가열시 브릿지부분의 이동을 최소하할 수 있도록 매칭됨을 특징으로 하는 탄화규소 전기가열소자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 4개의 레그, 두개의 단자 및 3개의 브릿지로 구성됨을 특징으로 하는 탄화규소 전기가열소자.
4. 제3항에 있어서, 레그가 직사각배열구조에 직선상으로 평행하게 배치됨을 특징으로 하는 탄화규소 전기가열소자.
5. 제4항에 있어서, 단자가 대각선 방향으로 배치됨을 특징으로 하는 탄화규소 전기가열소자.
6. 제4항에 있어서, 단자가 직사각배열구조의 일측변에 나란히 배치됨을 특징으로 하는 탄화규소 전기가열소자.
7. 제4항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서, 레그가 정사각형배열구조로 배치됨을 특징으로 하는 탄화규소 전기가열소자.
8. 제1항에 있어서, 레그가 원호상에 직선상으로 평행하게 배치되어 다수의 소자가 만곡형을 이룸을 특징으로 하는 탄화규소 전기가열소자.
9. 제1항에 있어서, 적어도 3개의 레그를 연결하고 3상 이상의 전원이 연결될 수 있는 성형연결구로서 사용되는 브릿지를 포함함을 특징으로 하는 탄화규소 전기가열소자.
10. 제9항에 있어서, 레그가 6개 이고, 단자가 3개이며, 브릿지가 4개이고, 브릿지 중의 하나가 3상 전원용 성형연결구로서 사용됨을 특징으로 하는 탄화규소 전기가열소자.
11. 제1항에 있어서, 일부 레그의 고온영역이 다른 레그의 고온영역보다 길어 상기 일부 레그의 고온영역이 바탕이 되는 가열레벨을 제공하고 상기 다른 레그가 부가적이고 국부적인 가열이 이루어질 수 있도록 함을 특징으로 하는 탄화규소 전기가열소자.
12. 제3항에 있어서, 일부 레그의 고온영역이 다른 레그의 고온영역보다 길어 상기 일부 레그의 고온영역이 바탕이 되는 가열레벨을 제공하고 상기 다른 레그가 부가적이고 국부적인 가열이 이루어질 수 있도록 함을 특징으로 하는 탄화규소 전기가열소자.

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