KR100981228B1 - 면상발열체 및 고주파 발진기를 이용한 면상발열체 가열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹 합성물로 이루어진 면상발열체 및 고주파 발진기를 이용한 면상발열체 가열장치에 관한 것으로서, 상기 면상발열체는, 세라믹 재질로 성형되며 그 표면에 1~3㎜의 두께로 발열 코팅막을 도포하여 구성되고, 상기 발열 코팅막은 세라믹합성물 50~74중량%, 접착제 25~45중량% 및 물 1~5중량%로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 세라믹 분체를 원료 그대로 사용하여 마이크로 전자파 방사시 세라믹 재질로 성형된 단열용 내열보드 표면에 도포된 발열 코팅막이 사용자가 원하는 온도로 빠르고 정확하게 가열될 수 있어 고도의 기술/설비와 에너지를 사용하여 제작한 기존의 발열선을 사용한 가열장치에 비해 제품의 성능 및 부가가치를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래의 선발열이 아닌 면상발열 방식을 채택하고 있어 급속가열 등 방사에 의한 승온 효율이 매우 뛰어나고 발열공간 내의 온도편차가 적으며, 고주파의 출력 조절을 통해 온도조절을 ±1℃ 정도로 정밀하게 할 수 있다.

면상발열체, 세라믹, 내열보드, 고주파 발진기

Description

면상발열체 및 고주파 발진기를 이용한 면상발열체 가열장치{Face heater and heating apparatus using that}

본 발명은 세라믹 합성물로 이루어진 면상발열체에 마이크로 전자파를 방사시켜 발열을 유도하는 고주파 발진기를 이용한 가열장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로 고주파 방사시 수백도~2000도의 온도 범위 내에서 빠르고 정확하게 가열되도록 한 면상발열체 및 고주파 발진기를 이용한 면상발열체 가열장치에 관한 것이다.

일반적으로 제한된 공간 내에서 고온을 얻기 위해선 벽면이나 바닥면에 전열선을 깔고 전류를 흘려주어 그 전열선의 전기저항을 통한 발열을 이용하여 고온을 얻을 수 있었다.

예를 들어, 전기로의 경우 벽면에 니켈-크롬선을 배치하고 전류를 공급함으로써 최대 800도의 온도까지 가열이 가능하며, 탄화규소 발열선을 사용하게 되면 이보다는 높은 1200도의 온도, 최근에 개발된 규소화 몰리브덴 발열선의 경우 최대 1700도까지의 온도를 얻을 수 있었다.

그러나, 상기한 발열체는 모두 선형성형품으로서 특히 탄화규소나 규소화 몰리브덴의 경우 소결하여 제작하는 과정이 매우 까다로워 내충격성, 내산화성, 내구 성 등 제품의 규격을 만족시키기 위해선 많은 기술이 요구되고 제작원가 또한 상승되는 문제점이 있었다.

특히, 상기한 제품은 고밀도의 선형체가 발열하는 구조로서 공간 전체의 온도분포가 균일하지 못해 일정한 온도까지 상승시키는데 많은 시간이 소요됨은 물론 정확한 온도조절이 곤란한 한계를 갖는 것이었다.

이는 상기 예시한 전기로 뿐만 아니라 이와 관련된 모든 산업분야에서 발생되는 문제점이다.

본 발명은 이와 같은 사항을 감안하여 안출된 것으로서, 마이크로 전자파를 통해 사용자가 원하는 온도로 빠르고 정확하게 가열될 수 있도록 구성되는 면상발열체 및 이를 이용한 발열장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 효과적으로 달성하기 위한 본 발명의 면상발열체는, 세라믹 재질로 성형되며 그 표면에 1~3㎜의 두께로 발열 코팅막을 도포하여 구성되고, 상기 발열 코팅막은 세라믹합성물 50~74중량%, 접착제 25~45중량% 및 물 1~5중량%로 이루어진 것을 특징으로 한다.

다른 일면에 따라, 상기 세라믹합성물은 흑색산화철, 산화마그네슘, 탄화규소, 산화구리, 흑연, 산화티탄, 규소화 몰리브덴, 질화 실리콘 중에서 1종 또는 그 이상을 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 한다.

다른 일면에 따라, 상기 세라믹합성물은 티탄산 바리움 또는 티탄·지르콘산납 중에서 어느 하나 또는 2종 복합물이 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 한다.

다른 일면에 따라, 상기 접착제는 알루미나계 무기접착제 또는 규산나트륨 중에서 어느 하나를 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고주파 발진기를 이용한 면상발열체 가열장치는, 박스 형상으로 형성된 금속케이스와, 상기 금속케이스 내부에 설치되는 단열용 내열보드와, 상기 단열용 내열보드 외측면에 설치되는 고주파 발진기와, 상기 단열용 내열보드 내측면에 상기 고주파 발진기와 대응하도록 설치되는 보호필터와, 상기 단열용 내열보드 내측에 상기 보호필터로부터 1.5~2.5cm 이격하여 설치되는 고온로와, 상기 고주파 발진기에서 방사되는 고주파에 의해 상기 고온로가 발열되도록 상기 고온로의 내표면에 1~3㎜의 두께로 도포되는 세라믹 발열 코팅막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

다른 일면에 따라, 상기 가열장치의 단열용 내열보드에는 상기 고주파 발진기로부터 방사되는 고주파가 방해받지 않고 단열용 내열보드를 통과하여 고온로의 발열 코팅막에 닿을 수 있도록 상기 고주파 발진기와 보호필터를 연결하는 관통공이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 면상발열체는, 세라믹 분체를 원료 그대로 사용하여 마이크로 전자파 방사시 세라믹 재질로 성형된 단열용 내열보드 표면에 도포된 발열 코팅막이 사용자가 원하는 온도로 빠르고 정확하게 가열될 수 있어 고도의 기술/설비와 에너지를 사용하여 제작한 기존의 발열선을 사용한 가열장치에 비해 제품의 성능 및 부가가치를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래의 선발열이 아닌 면상발열 방식을 채택하고 있어 급속가열 등 방사에 의한 승온 효율이 매우 뛰어나고 발열공간 내의 온도편차가 적으며, 고주파의 출력 조절을 통해 온도조절을 ±1℃ 정도로 정밀하게 할 수 있다.

또한, 본 발명의 면상발열체는 가열해야할 공간이 복잡한 형태이거나 비정형인 경우에도 방사에 의한 가열방식으로 얼마든지 적용이 가능한 이점이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 면상발열체는 주성분이 알루미나 등의 세라믹 재질로 이루어진 고온로(4)의 내부 표면상에 일정 두께로 발열 코팅막(3)을 도포하며, 상기 발열 코팅막(3)은 고주파 방사시 약 100~2000℃에 이르는 열을 발생시킬 수 있도록 구성된다.

상기 고온로(4)의 내부 표면에 도포되는 상기 발열 코팅막(3)은 그 두께가 두꺼울수록 발열량이 증가하는 것이지만 두께가 두터워짐에 따라 그 동작시간이 또한 늦어지게 되는 것이므로 바람직하게 1~3㎜의 두께로 구성함이 좋다.

상기 발열 코팅막(3)은 산화물 계통, 비산화물 계통, 퍼로브스카이트 계통의 세라믹 또는 단체로 이루어진 무기질 중에서 1종 또는 그 이상을 선택적으로 사용한 합성물 50~74중량%와, 바인더 역할을 하기 위해 알루미나계 무기접착제 또는 규산나트륨 등의 물질 중 어느 하나를 선택하여 구성되는 접착제 20~45%중량%와, 물 1~5%를 상호 혼합하여 구성됨이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 바람직하게 적용되는 세라믹 물질로는, 산화물 계통 중에서는 알루미나(Al₂0₃), 실리카(SiO₂), 산화구리(CuO), 흑색산화철(Fe₃O₄), 산화티탄(TiO₂), 산화마그네슘(MgO) 등이 사용될 수 있고, 비산화물 계통 중에서는 질화실리콘(Si₃N₄), 탄화규소(SiC), 규소화 몰리브덴(MoSi₂) 등이 사용될 수 있으며, 퍼로브스카이트 계통 중에서는 티탄산 바리움(BaTiO₃), 티탄·지르콘산납(Pb(Zr·Ti)O₃) 등이 있고, 단체로는 흑연 등이 사용될 수 있다.

이와 같이 구성되는 면상발열체의 발열효과를 극대화할 수 있는 상기 세라믹 물질, 접착제 및 물의 바람직한 배합에 따른 코팅막(3)의 조성을 일예로 나타내면,

1) 흑색산화철 46~52중량%, 산화마그네슘 7~11중량%, 탄화규소 7~11중량%, 알루미나계 무기접착제 25~35중량%, 물 1~5중량%의 조성물,

2) 산화구리 36~42중량%, 흑연 7~11중량%, 산화마그네슘 12~16중량%, 규산나트륨 30~40중량%, 물 1~5중량%의 조성물,

3) 탄화규소 36~42중량%, 흑색산화철 7~11중량%, 산화티탄 7~11중량%, 알루미나계 무기접착제 35~45중량%, 물 1~5중량%의 조성물,

4) 탄화규소 26~31중량%, 규소화 몰리브덴 26~31중량%, 흑연 3~7%, 규산나트륨 30~40중량%, 물 1~5중량%의 조성물 등이 사용된다.

이상에서 예시된 배합의 조성물들은 모두 온도를 상승시키는 속도를 빠르게 하고 내산화성을 향상시키는데에 매우 유용함을 확인할 수 있었다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 면상발열체는 다양한 목적에 적용하여 사용이 가능하며, 일실시예로서 가열로에 적용된 구조를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 고주파 발진기를 이용한 면상발열체 가열장치의 일실시예를 도시한 것으로서, 도시된 바와 같이 본 실시예에 의한 가열로는, 주성분이 알루미나 등의 세라믹 재질로 성형되며 한 변의 길이가 30㎝인 육면체의 고온로(4)를 제작하고, 세라믹합성물 50~74중량%에 알루미나계 무기접착제 25~45중량%를 넣고 물 1~5중량%를 혼합한 후 점도가 약 2000cps가 될 때까지 교반하여 세라믹 코팅액을 조성한다.

이후, 상기 조성된 세라믹 코팅액을 붓 등을 이용하여 상기 고온로(4)의 내벽에 두께가 1~3㎜가 되도록 도포한 후 상온에서 건조시켜 발열 코팅막(3)을 형성한다.

그리고, 박스 형상으로 된 철제 금속케이스(7)를 구비하고, 상기 금속케이스(7) 내부에는 단열용 내열보드(2)를 설치하며, 상기 발열 코팅막(3)이 형성된 고온로(4)를 상기 단열용 내열보드(2)의 좌우 측면으로부터의 간격이 약 2cm 가량, 더욱 바람직하게는 1.5~2.5cm를 유지하도록 이격되게 설치하고, 상기 단열용 내열보드(2)의 좌우측면에는 1GHz~10GHz의 고주파를 출력 조정 가능하게 발생시킬 수 있는 고주파 발진기(1)를 설치함으로써 상기 고주파 방사시 그 에너지에 의해 고온로(4)의 발열 코팅막(3)이 여기(勵起)되어 발열되는 것이다.

상기 금속케이스(7) 내부에 설치되는 상기 단열용 내열보드(2)는 필요에 따라 스테인레스 스틸판으로 대체 사용될 수도 있다.

상기 고온로(4)를 고주파 발진기(1)가 설치되어 있는 단열용 내열보드(2)의 좌우측면으로부터 약 2cm 가량을 유지하도록 이격시키는 이유는, 상기 고온로(4)가 상기 고주파 발진기(1)에 과도하게 근접해 있는 경우 고주파의 반사로 인한 동작 장애가 발생할 수 있으므로 이를 억제하기 위함이다.

한편, 상기 단열용 내열보드(2)의 측면에는 상기 고주파 발진기(1)로부터 방사되는 고주파가 방해받지 않고 직접 단열용 내열보드(2)를 통과하여 고온로(4)의 발열 코팅막(3)에 닿을 수 있도록 바람직하게는 관통공(2a)을 형성하며, 상기 관통공(2a)의 내측에는 보호필터(6)를 부가적으로 설치함이 바람직하다.

그리고, 상기 고온로(4)의 내부 중앙에는 내부 온도를 최대 2000℃까지 측정할 수 있도록 온도센서(5)를 장착함이 바람직하다.

이상에서 본 발명의 일실시예에 따른 면상발열체 및 고주파 발진기를 이용한 면상발열체 가열장치에 대해 설명하였으나 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

예를 들어, 본 발명의 면상발열체는 상기한 가열로 이외에 소성로, 대형 난방장치, 가스처리장치 등의 가열을 목적으로 하는 다양한 장치에 적용 가능하다.

도 1은 본 발명에 의한 가열장치의 구조를 도시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 ; 고주파 발진기

2 ; 단열용 내열보드

2a ; 관통공

3 ; 발열 코팅막

4 ; 고온로

5 ; 온도센서

6 ; 보호필터

7 ; 금속케이스

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 박스 형상으로 형성된 금속케이스와;

   상기 금속케이스 내부에 설치되는 단열용 내열보드와;

   상기 단열용 내열보드 외측면에 설치되는 고주파 발진기와;

   상기 단열용 내열보드 내측면에 상기 고주파 발진기와 대응하도록 설치되는 보호필터와;

   상기 단열용 내열보드 내측에 상기 보호필터로부터 1.5~2.5cm 이격하여 설치되는 고온로와;

   상기 고주파 발진기에서 방사되는 고주파에 의해 상기 고온로가 발열되도록 상기 고온로의 내표면에 1~3㎜의 두께로 도포되는 것으로서, 흑색산화철 혹은 산화마그네슘 또는 탄화규소 또는 산화구리 또는 흑연 또는 산화티탄 또는 규소화 몰리브덴 또는 질화 실리콘 및 티탄산 바리움 또는 티탄·지르콘산납 중에서 어느 하나 또는 2종 복합물이 선택적으로 사용하는 세라믹합성물 50~74중량%와, 알루미나계 무기접착제 또는 규산나트륨 중에서 어느 하나를 선택적으로 사용하는 접착제 25~45중량% 및 물 1~5중량%로 이루어지는 세라믹 발열 코팅막; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고주파 발진기를 이용한 면상발열체 가열장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 단열용 내열보드에는 상기 고주파 발진기로부터 방사되는 고주파가 방해받지 않고 단열용 내열보드를 통과하여 고온로의 코팅막에 닿을 수 있도록 상기 고주파 발진기와 보호필터를 연결하는 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 고주파 발진기를 이용한 면상발열체 가열장치.

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