KR100863189B1 - 발열직물용 탄소사 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발열직물용 탄소섬유사의 제조장치 및 이를 이용한 제조방법에 관한 것으로, 일반섬유 원사에 액체 상태의 탄소(이하 액상탄소)를 일정한 양만큼 균일하게 흡착시킨 후에 반영구적으로 결합되도록 다단계로 고온 건조함으로써 전압인가 시에 발열특성이 우수하고 원적외선 방사율이 높으면서, 내구성이 우수한 탄소사 를 만들어내는 제조시스템을 고안한 것이다.

본 고안이 제시하는 발열직물용 탄소섬유사 제조시스템은 폴리에스테르와 같은 고강도의 일반섬유 원사를 공급하는 일반섬유 원사 공급부, 상기 원사가 액상탄소를 담고 있는 액상탄소용기 내부를 통과하도록 함으로써 일반섬유사에 액상탄소가 충분히 흡착되도록 하는 액상탄소흡착부, 섬유사에 흡착되는 액상탄소의 함유량을 일정하게 조절하고, 동시에 액상탄소가 균일하게 흡착되도록 제어하는 액상탄소함유량제어부, 균일한 상태로 흡착된 후에 내구성이 강한 발열직물용 탄소사를 만들기 위한 다단계의 구조의 건조부로 구성되어 진다.

고품질의 발열직물용 탄소섬유사는 일정한 액상탄소량이 섬유사 전체에 걸쳐 균일하게 합착되도록 하여 설계 목적에 부합하는 저항특성의 탄소사가 되게 함으로써, 전압 인가시에 직물발열체에 요구되는 정확한 온도의 발열 특성을 갖게 하는 부분과 일반섬유사와 결합되는 액상탄소의 흡착도가 반영구적으로 이루어지도록 어떻게 건조하느냐 하는 부분과 밀접하게 연관되어 있다.

따라서 본 발명은 액상탄소가 섬유사에 정확한 양이 균일하게 흡착 함유가 이루어질 수 있도록 제어하는 회전 노즐을 이용한 액상탄소함유량제어부와 흡착된 탄소가 시간의 경과 및 고온발열과 같은 환경 변화에도 불구하고 파손되거나 발열특성이 저하되지 않도록 함으로써 발열효율 및 내구성이 강한 제품이 되도록 만들기 위한 다단계 건조부를 특징으로 하는 제조시스템 및 이를 이용한 탄소사의 제조방법을 고안한 것이다.

발열직물, 탄소사, 회전노즐, 액상탄소, 친환경에너지

Description

발열직물용 탄소사 제조장치{Manufacturing Machine for Woven Heat Carbon-fiber }

도 1은 본 고안에서의 탄소사 제조장치

도 2는 완성된 탄소사를 이용한 발열직물

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

11 : 일반 섬유원사 공급부

12 : 원사의 액상탄소용기내 인입안내부

21 : 액상탄소용기

22 : 액상탄소

31 : 탄소함유량 조절 노즐

32 : 노즐 회전을 위한 모터

41 : 1단계 탄소발열체 고온건조부

42 : 2단계 탄소발열체 고온건조부

43 : 탄소사 냉각부

52 : 완성 탄소사 인출부

실용신안 등록 제0350509호 탄소섬유사를 이용한 저밀도 면상 발열체

특허공개 제2005-0081314호 도전성 탄소코팅섬유를 이용한 발열체 원단의 제조방법

실용신안등록 제0389288호 면사직조발열체

특허공개 10-2005-0072656 발열성 직물 및 그 제조방법

기존에 일반적인 발열시스템 혹은 난방시스템으로 사용되던 방식은 온돌식, 온수 순환식, 전기 히터식을 들 수 있지만 설치 방식의 어려움, 유지보수 비용의 증가, 전자파 발생 및 실내 산소 연소, 에너지 효율 등의 다양한 문제로 인해 새로운 개념의 난방 방식에 대한 요구가 증대되어 왔다.

이와 같은 기존 방식의 난방시스템이 갖는 문제점을 크게 개선하고, 30% 내외의 에너지 절감 효과가 있으며, 살균작용 혹은 항균작용, 탈취작용을 통해 친환경에너지원이라는 평가를 듣고, 아울러 90% 이상의 원적외선의 방사를 통해 발열기능뿐만 아니라 인체에 유익하다는 평가를 받는 탄소를 이용한 발열직물체에 대한 연구와 적용이 최근 활발히 이루어지고 있다. 현재까지 탄소를 이용한 발열체 제조의 대표적인 접근으로는 필름방식, 종이방식 그리고 망 형태의 섬유사 방식 등이 있다. 본 고안은 가장 최근의 접근에 속하며 유연성과 내구성 면에서 좋은 효과를 보이는 망 형태의 탄소섬유사 제조에 관한 것이다.

탄소를 이용한 발열체는 복사열을 이용하기 때문에 열효율이 좋아 에너지 절감효과 가 있고, 항균 및 탈취 작용을 하므로 친환경 에너지 소재로 이용될 수 있다는 점과 전자파 대신 인체에 유익한 원적외선의 복사열을 이용한다는 점에서 많은 기대와 장점이 있었지만 현재까지는 섬유사에 흡착되는 액상탄소의 양에 대한 정확한 조절이 어렵고, 또한 계속적인 발열과 냉각의 반복이 이루어지면서 섬유 원사에 흡착된 탄소사 파손 혹은 특성변화로 인해 발열특성이 저하되는 이른바 내구성 측면에서의 취약점이라는 기술적인 어려움이 있었다.

본 발명은 액상탄소가 섬유사에 정확한 양이 균일하게 흡착 함유가 이루어질 수 있도록 제어하는 회전 노즐을 이용한 액상탄소함유량제어부를 통해 일반 섬유 원사에 흡착되는 액체상태의 탄소량을 일정하고, 균일하게 이루어지도록 조절하면서 동시에 흡착된 탄소사의 건조과정에서 다단계 고온건조 및 냉각기능의 건조부를 거치게 함으로써 완성된 탄소사가 정확한 저항치의 내구성이 강한 고품질 탄소사가 되게 하는 탄소사 제조장치 및 이를 이용한 탄소사 제조방법을 제시하는 것이다.

본 고안이 제시하는 발열직물용 탄소섬유사 제조시스템은 폴리에스테르와 같은 고강도의 일반섬유 원사를 공급하는 일반섬유사 공급부, 액상탄소를 담는 액상탄소용기를 포함해서 일반섬유사에 액상탄소가 충분히 흡착되도록 하기 위한 액상탄소흡착부, 섬유사에 흡착된 액상탄소의 함유량을 일정하게 하고, 동시에 균일하게 흡착되도록 제어하는 액상탄소함유량제어부, 균일한 상태로 흡착된 후에 내구성이 강한 발열직물용 탄소사를 만들기 위한 다단계 고온건조 및 냉각 구조의 탄소사건조부로 구성되어진다.

제조 장치의 전체적인 동작은 먼저 일반섬유 원사가 감겨있는 릴(reel)로 부터 일반섬유 원사가 일정한 속도로 액상탄소용기내로 인입된다.

액상탄소가 충분히 담겨있는 용기 안으로 인입된 일반섬유사에 충분히 액상탄소가 흡착되도록 액상탄소용기내로 저속으로 이동시킨다.

본 발명에 따른 액상탄소용액은 도전성 카본 블랙(carbon black)을 주원료로 하여 상용으로 판매되는 가소제를 20~30중량%;를 혼합하여 이루어진다. 카본블랙의 도전성 조정, 혹은 가소제 배율의 조정을 통해 농도를 조정하고 이를 통해 저항치의 조절이 가능하므로 원하는 값으로의 저항치 조정 즉, 발열량의 조절이 가능하다.

발열직물용 탄소사의 품질은 섬유사에 액상탄소 일정한 양이 균일하게 흡착 함유되도록 하는 것이 가장 중요하다.

본 발명은 액상탄소가 충분히 흡착되어 있지만 그 양이 일정하지 않은 상태로 배출된 섬유사를 일정한 양을 함유하고 동시에 균일하게 흡착되도록 하기 위해 일정한 반경을 갖는 회전 노즐(nozzle)을 통과하도록 한다. 노즐의 반경은 탄소함유량을 조절하는 가장 중요한 요소가 되며, 통과 노즐의 길이가 길고 모터에 의해 노즐이 회전하도록 함으로써 액상탄소가 일정하면서도 고르게 탄소섬유사에 흡착 함유되도록 정교하게 제어하는 것이 가능하다. 이와 같은 과정을 거침으로써 일정한 저항치를 갖도록 하는 것이 가능하고, 이를 통해 고품질의 탄소사를 제조할 수 있게 된다.

액상탄소가 흡착, 함유된 상태에서 탄소사가 내층으로부터 고르게 건조되는 것은 내구성을 위해 매우 중요하다. 이를 위해 본 고안에서는 내층으로부터의 고속 건조 를 위해 탄소발열체와 같은 원적외선을 방사하는 발열체를 이용한 건조시스템을 이용해서 온도를 높여가며 고온건조를 수행하는 다단계 고온건조부와, 고온건조 후에 완성된 탄소사 인출 릴(reel)에 감기기 전에 탄소사를 서냉시키기 위한 냉각부를 통과하도록 해서 특성을 안정화시키는 건조시스템부로 구성된다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 핵심 기술과 공정순서의 제조방법을 위주로 설명하였으나, 본 발명에 따른 탄소사 제조장치는 대량 생산을 위한 구조로 쉽게 확장이 가능하고, 동시에 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하며, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 발열직물용 탄소사 제조장치 및 이를 이용한 제조방법을 상세히 설명하도록 한다.

도 1에서 본 발명에 따른 탄소사 제조장치에서 액상탄소용기(21)에 담긴 탄소용액(20)은 카본블랙과 20-30중량%;의 가소제를 혼합한 액상탄소 또는 다른 공지된 액상탄소일 수 있다.

상기 액상탄소용기(21) 내에는 일반섬유사의 용기내 인입이 원활히 이루어지도록 하는 안내부(12)가 구비되어 있어 일반섬유 원사 공급릴(reel)(11)에서 나오는 원사(原絲)가 탄소용액(22)에 충분히 잠겨서 흡착되도록 한다.

상기 액상탄소용기(22)내에서 액상탄소가 흡착된 상태의 원사는 흡착상태가 균일하지 않고, 함유된 양도 정확하지 않기 때문에 발열특성이 균일하지 않고, 저항치가 가변적이 될 수밖에 없기 때문에 발열체로서 사용하기에는 부적합하게 된다. 따라서 함유량을 정확히 유지하고, 흡착이 균일하게 이루어지도록 하는 것이 가장 중요 하다. 본 고안에서는 이를 위해 회전 노즐을 핵심으로 하는 액상탄소함유량제어부를 구현한다.

액상탄소함유량제어부는 함유량을 일정하게 하기 위해 일정한 반경(31a)의 노즐(31)을 통과하도록 한다. 상기 액상탄소가 흡착된 상태의 섬유사가 일정 반경의 노즐(31)을 통과하면서 균일하게 흡착 분포될 수 있도록 하기 위해 본 고안은 노즐이 회전하도록 한다. 회전 노즐을 구현하기 위해서 모터로 이루어진 회전수단(32)을 사용한다. 이와 같이 모터(32)를 이용한 회전노즐(31)을 통과하게 하여 노즐 내부에서 흡착이 균일하게 이루어지게 하면서 동시에 일정한 반경(31a)의 노즐을 통과하게 됨으로써 그 함유량이 고정되도록 하는 방식으로 액상탄소함유량을 조절하고 균일성을 보장할 수 있게 된다.

앞서 설명한 바와 같이 본 발명에서 제조되는 탄소사의 발열량을 결정하는 저항치는 액상탄소의 농도 혹은 노즐의 반경 조절을 통해 이루어지는 액상탄소의 함유량제어부를 통해 조정이 이루어지게 된다.

일정한 함유량을 균일하게 흡착시킨 상기 섬유사는 탄소섬유사건조시스템부(40)로 인입된다. 상기 건조시스템부는 다단계의 탄소사 고온건조부(41,42) 및 냉각부(43)를 단계적으로 통과하도록 구성된다.

또 상기 다단계 탄소사 건조시스템부(40)에서 1차 고온건조부(41)의 건조온도는 120~150℃, 2차 고온건조부(42)의 건조온도는 170~180℃로 점차 증가한다. 200℃이상에서의 탄소사 발열특성이 요구되는 곳에서는 추가적인 고온건조부가 사용될 수 있다. 상기의 각 고온건조부는 원사의 손상을 방지하면서도 내층으로부터의 빠른 건조가 가능하도록 하기 위해 탄소발열체를 이용해서 만들어진다. 상기 고온에서의 건조가 이루어진 탄소사는 최종 완성탄소사 인출 릴(52)에 감기기 전에 온도에 따른 특성변화를 최소화하고 동시에 탄소사 간의 접합 등을 방지하기 위해 탄소사를 서냉시키기 위한 냉각부(43)를 통과하도록 한다.

이와 같이 본 발명에 따른 탄소사 제조장치와 제조방법을 통하여 얻어진 탄소사(61)를 이용한 발열직물체(90)는 도 2에 도시된 바와 같이, 일정 간격 떨어진 위사의 탄소사(61)를 배열하고, 전류도입선(70A)(70B)(예: 석동선 또는 구리선)을 양단에 배열한 다음, 일반 원사(62)를 위사와 경사로 하여 탄소사(61) 사이를 메우도록 하는 형태로 제조될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 일반섬유사에 액상탄소의 일정한 양이 균일하게 흡착되도록 하는 회전노즐과 내층으로부터 고온건조가 단계적으로 이루어지고 최종적으로 냉각되는 다단계 건조시스템을 이용해서 탄소사를 제조하게 되고, 상기 탄소사 제조장치를 통하여 최종적으로 제조된 발열직물용 탄소사는 내구성이 강하면서 동시에 정확한 저항 특성을 갖게 된다. 따라서 제조된 탄소사는 제조 시에 의도한 정확한 발열특성을 내면서 원적외선 방사가 우수하여 에너지 절감효과가 뚜렷하며 동시에 지속적인 고온 발열 동작에도 불구하고 내구성이 강한 탄소사가 됨으로써 이를 이용한 발열직물체는 난방시스템 등에 사용이 가능한 친환경 에너지 신소재로써 효과적으로 사용될 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 폴리에스테르와 같은 고강도의 일반섬유사를 공급하는 일반섬유사 공급부, 액상탄소를 담는 액상탄소용기를 포함해서 일반섬유사에 액상탄소를 충분히 흡착시키기 위한 액상탄소흡착부, 섬유사에 흡착된 액상탄소의 함유량을 일정하게 하고, 균일하게 흡착되도록 제어하는 액상탄소함유량제어부, 균일한 상태로 흡착된 후에 내구성이 강한 발열직물용 탄소사를 만들기 위한 다단계의 구조의 고온건조부 및 냉각부를 갖는 탄소사 건조시스템부로 구성되는 발열직물용 탄소섬유사 제조장치;
2. 제 1항에 있어서,

   상기 액상탄소함유량제어부는 소정의 반경을 갖는 노즐과, 상기 노즐을 회전시키는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열직물용 탄소섬유사 제조장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 탄소사 건조시스템부에 있어서,

   상기 다단계의 구조의 고온건조부는 원적외선을 방사하는 발열체를 이용하여 단계적으로 온도를 높여가며 고온건조를 수행하며,

   고온건조가 수행된 상기 탄소사가 인출 릴(reel)에 감기기 이전에 상기 냉각부를 통과하여 서냉되는 것을 특징으로 하는 발열직물용 탄소섬유사 제조장치.

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