KR101370456B1 - 아크 방전을 방지하는 탄소발열체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소섬유 발열체에 전기적 신호를 전달하는 리드선 외부에 절연관을 결합하여 내구성을 높인 탄소 발열체에 관한 것으로서, 일단은 밀봉되어 있고 타단은 외부 전극에 연결되는 (+)전극 단자와 (-)전극 단자가 밀봉 접합되는 석영 유리관; 및 상기 외부 전극과 가까운 일단은 제1 리드선을 통해 상기 (+)전극 단자 및 (-)전극 단자 중 어느 하나(one)에 연결되고, 타단은 제2 리드선을 통해 다른(another) 전극 단자에 연결되며, 상기 석영 유리관 내부에 길이 방향으로 내장되는 탄소섬유 발열체를 포함하여 이루어지고, 상기 제1 리드선과 상기 제2 리드선에는 아크 발생 방지를 위한 제1 절연관 및 제2 절연관이 각각 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 내구성이 향상된 탄소발열체를 일 실시예로 제안한다. 본 발명에 의하면 탄소 발열체의 리드선 단락이나 반복적인 수축과 팽창으로 인한 아크방전 문제를 해결함으로써 내구성을 높이며 탄소 발열체의 수명을 연장시킬 수 있다. 또한 탄소 발열체의 발열 및/또는 냉각시 내부 리드선과 탄소섬유 발열체의 유동을 방지할 수 있으며, 분진을 제거할 수 있다.

Description

아크 방전을 방지하는 탄소발열체 {High durability carbon heater preventing arc discharge}

본 발명은 탄소발열체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소섬유 발열체에 전기적 신호를 전달하는 리드선 외부에 절연관을 결합하여 내구성을 높인 탄소발열체에 관한 것이다.

현재 에너지 절약 차원에서 유류를 대체할 수 있는 탄소, 이규화몰리브덴 등을 이용한 고온의 발열체 개발이 활발히 이루어지고 있다.

특히 탄소를 이용한 발열체는 기존의 전열제품에서 발생하는 전자파를 감소시키며 천연재료를 이용함으로써 인체에 유용한 원적외선이 방출시키며, 열 내구성과 열 전도성이 우수하며 무게가 가볍다는 장점으로 그 응용분야가 다양하게 활용되고 있다.

일반적으로 탄소 발열체는 절연체에 내입된 탄소섬유 양단에 전류를 인가하여 전류의 흐름에 따라 탄소가 발열하는 가열체를 의미하며, 발열속도가 빠르고, 일반 금속 발열체에서 기대할 수 없는 고온(1500℃이상)의 열을 발생시키는 점이 우수하다.

탄소 발열체는 소정의 두께를 가지는 면 형태의 필름에 탄소를 입혀서 구현한 면상발열체의 형태로 난방용 매트 등에 활용되고 있으나, 면상발열체는 곡면과 같은 형태에는 적용이 불가능하며, 단선이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

이러한 문제점으로 인하여 절연관 내부에 탄소섬유 발열체를 내입하여 구현하고 상기 탄소섬유 발열체를 전극과 연결하여 발열시키는 관상발열체가 개발되었으며, 농업용 난방, 대중목욕탕의 사우나, 공업용 고온 난방 및 실험실의 고온을 요구하는 장비 등에 활용되고 있다.

그러나 상기 관상발열체는 반복적으로 고온의 발열을 수행하는 경우 전극단자와 탄소섬유 발열체의 접합부가 약화되어 단락되는 문제와 탄소섬유 발열시 발생하는 탄소 분진에 의한 아크 방전으로 수명이 짧다는 문제가 있다.

한편 탄소 발열체와 관련하여 대한민국 공개특허공보 제2011-0022158호(선행기술1)는 리드선의 일측이 코일 형태로 감긴 후 카본발열체의 단부 내측에 삽입되어 연결하는 구조의 카본 튜브 전구 발열체를 제안하고 있으며, 대한민국 등록특허공보 제10-0997957호(선행기술2)는 수평 길이방향으로 장착시 고정하는 유닛의 일측에 카트리지 타입으로 장착되어 수평을 유지할 수 있는 플랜지 타입 구조의 탄소 발열체를 제안하고 있다.

그러나 선행기술1 및 선행기술2에 의하더라도 전극단자와 탄소섬유 발열체의 단락이나 탄소 분진에 의한 아크 방전은 여전히 존재한다는 점에서 탄소발열체의 내구성과 안전성을 향상하는 문제는 해결해야 할 과제로 남아 있다.

본 발명의 실시예가 해결하려는 과제는 탄소섬유 발열체는 직립하여 연속하여 사용할 경우, 석영 유리관 내부에 결선된 (+)리드선과 (-)리드선이 나선으로 연결된 상태에서 탄소섬유 등의 발열체에 인가된 것에 의하여 발열이 되면, 탄소섬유등의 발열체에서 미세한 분진과 이물질이 비산되거나 낙하되어 석영유리관 하단에 누적되어 쌓이면 나선으로 결선된 리드선은 합선, 방전 및 단락이 발생하여 취급에 어려움이 있고 주변환경에도 악영향을 미쳐 안전성이 낮아 활용도가 낮으며, 발열체의 수명도 대폭 짧아지는 것을 개선하기 위한 탄소 발열체의 구조를 제시한 것이다.

본 발명의 다른 실시예가 해결하려는 과제는 탄소섬유 발열체가 석영 유리관 내벽에 부딪히지 않도록 하며, 열의 분산도를 균일하게 유지할 수 있도록 하고, 상기 탄소섬유 발열체 리드선의 유동을 방지하고, 탄소섬유 발열체의 발열시 발생하는 분진을 제거하는 구조를 제시하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 일단은 밀봉되어 있고 타단은 외부 전극에 연결되는 (+)전극 단자와 (-)전극 단자가 밀봉 접합되는 석영 유리관; 및 상기 외부 전극과 가까운 일단은 제1 리드선을 통해 상기 (+)전극 단자 및 (-)전극 단자 중 어느 하나(one)에 연결되고, 타단은 제2 리드선을 통해 다른(another) 전극 단자에 연결되며, 상기 석영 유리관 내부에 길이 방향으로 내장되는 탄소섬유 발열체를 포함하여 이루어지고, 상기 제1 리드선과 상기 제2 리드선에는 아크 발생 방지를 위한 제1 절연관 및 제2 절연관이 각각 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 내구성이 향상된 탄소발열체를 일 실시예로 제안한다.

상기 제2 리드선의 전극 단자 방향 끝단 부근에는 상기 제2 절연관과 전극 단자 간에 소정의 거리를 유지하도록 상기 제2 절연관을 고정하기 위한 돌기부가 더 형성될 수 있다.

삭제

상기 석영 유리관의 길이방향으로 주름부(미도시)를 형성하여 유리관 내부 온도를 냉각시켜 탄소발열체의 수명과 발산도를 향상하기 위한 것이다.

상기 제2 절연관은 상기 돌기부를 기준으로 전극 단자와 반대 방향의 제2 리드선 부위를 감싸고, 상기 제1 절연관은 상기 돌기부를 기준으로 전극 단자 방향의 제1 리드선 부위를 감싸도록 형성될 수 있다.

여기서 상기 제2 리드선의 전극 단자 반대 방향의 끝단에는 상기 제2 리드선의 유동을 방지하고 열의 균일한 분산도를 유지할 수 있도록 하는 고리 형상의 유동방지 지지체가 더 형성될 수 있다.

지지체는 다양한 형상으로 상단, 하단, 중간을 지지할 수 있도록 하고, 필요에 따라 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

또한 상기 제1 리드선 및 상기 제2 리드선 중 적어도 하나의 전극 단자 방향 끝단 부위에는 아크 방전에 의한 분진을 흡착하기 위한 자석이 더 장착될 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면 탄소 발열체의 리드선의 주변에 부유하거나 낙하된 분진 및 이물질이 접촉에 의하여 합선, 방전 및 단락을 일으키는 것을 방지하여 탄소 발열체의 취급에 어려움을 해소하여 활용도를 증가하였고, 주변환경에 미치는 영향을 완화시켜 안전성을 향상한 것이며, 발열체의 수명을 대폭 연장한 것이다.

또한 본 발명의 실시예에 의하면 탄소 발열체의 발열 및/또는 냉각시 탄소섬유 발열체와 탄소섬유 발열체에 연결된 리드선의 유동을 방지할 수 있으며, 열의 분산도를 균일하게 유지할 수 있도록 하고, 분진을 제거할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 발열체의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 탄소 발열체의 구조를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 유동 방지를 위한 지지체를 정면에서 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 탄소 발열체의 구조를 도시한 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

그리고 도면에서는 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하도록 하였다.

또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

<실시예 1>

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 발열체의 구조를 도시한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 발열체는 도 1과 같이, 일단은 소정의 형태로 마감되며, 타단은 외부 전극에 연결되는 (+)전극 단자(41)와 (-)전극 단자(42)가 밀봉 접합하는 원통형 석영 유리관(10)과 석영 유리관(10) 내부에 길이 방향으로 내장되는 탄소섬유 발열체(20)와 탄소섬유 발열체(20)의 일단에 석영 유리관(10)의 (+)전극단자(41)를 연결하는 (+)리드선(31)과 (+)리드선(31)을 감싸는 제1 절연관(51) 및 탄소섬유 발열체(20)의 타단에 석영 유리관(10)의 (-)전극단자(42)를 연결하는 (-)리드선(32)과 (-)리드선(32)을 감싸는 제2 절연관(52)을 포함하여 이루어진다.

제1 절연관(51) 및 제2 절연관(52)은 석영 유리로 구현될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니고 절연 특성을 가지는 어떠한 재료라도 사용될 수 있다.

석영 유리관(10)은 원통형으로 구현되어 내부에는 탄소섬유 발열체(20)가 내장된다.

또한, 석영 유리관(10)의 일단은 캡 형태로 마감되며, 타단은 외부 전극에 연결할 수 있는 (+)전극 단자(41)와 (-)전극 단자(42)를 접합하여 발열에 의해 밀봉되는 형태의 직립형으로 구현된다.

이때 석영 유리관(10)의 마감 형태는 캡 형태에 한정되지 않으며, 석영 유리관(10)의 일단을 폐쇄할 수 있는 어떠한 형태로도 가능하다.

석영 유리관(10)은 순도가 좋은 천연석영을 용융하여 유리로 만든 관으로 열 충격저항이 우수하여 열선보호관, 이화학기구 및 특수 조명용관과 같은 고온의 환경에서 사용된다.

여기서 (+)전극 단자(41)와 (-)전극 단자(42)는 각각 (+) 접합부(43)와 (-) 접합부(44)를 통해 (+)리드선(31)과 (-)리드선(32)와 연결되거나 각각 (+) 접합부(43)와 (-) 접합부(44)를 관통하여 외부 전극와 석영 유리관 내부의 탄소섬유 발열체 양끝단을 전기적으로 연결시킬 수 있다.

이때 (+)전극 단자(41)와 (-)전극 단자(42)를 접합한 후 석영 유리관(10)의 일단을 밀봉하지 않으면 석영 유리관(10) 내부로 공기가 유입되어 탄소섬유 발열체 (20)및 리드선(31, 32)이 산화되어 불량이 발생할 수 있다.

탄소섬유 발열체(20)는 탄소섬유 다발을 나선형으로 권선한 형태로 구현되며, 석영 유리관(10) 내부에 길이방향으로 내장된다.

탄소섬유 발열체(20)는 비금속 재질로 외부 전력을 인가하기 위하여 양 끝단에 이음부(21, 22)를 구현하고, 이음부(21, 22)를 통해 각각 (+)리드선(31)과 (-)리드선(32)에 연결된다.

이때 (+)리드선(31)과 (-)리드선(32)의 둘 중 어느 하나는 나선형으로 권선된 탄소섬유 발열체(20) 내부 공간에 위치하도록 구현하고 나머지 하나는 그 일측에 평행하도록 구현함으로써 (+)리드선(31)과 (-)리드선(32)의 전기적인 상호 간섭을 방지할 수 있다.

또한, (+)리드선(31)과 (-)리드선(32)의 외부에는 양측단이 개방된 제1 절연관(51)과 제2 절연관(52)이 더 포함되며, 서로 평행하게 구현된 제1 절연관(51)과 제2 절연관(52)은 제1 절연관(51)의 일 끝단과 제2 절연관(52)의 일 끝단이 서로 마주보는 형태로 중첩되지 않도록 구현된다.

이때, (+)리드선(31)에는 탄소 발열체의 직립 구현시 제1 절연관(51)이 지면방향으로 이탈되는 현상을 방지하기 위한 소정의 돌기부(33)를 포함한다.

돌기부(33)의 높이는 제1 절연관(51)의 반지름보다 크게 구현하여 제1절연관(51)이 돌기에 지지되지 못한 채 이탈되는 현상을 방지한다.

또한, 돌기부(33)는 탄소섬유 발열체(20)의 양 끝단에 연결되는 (+)리드선(31)과 (-)리드선(32) 중 더 길게 구현되는 리드선에 구현될 수 있다.

또한, 돌기부는 탄성력을 받을 수 있도록 코일형으로 하여 외부에서 전달되는 진동과 소음을 완화하기 위한 것이다.

삭제

또한, 탄성력을 받거나 지지 돌기부로 사용하는 형상은 상기에서 지적된 것에 한정하지 않고 다양한 형상으로 제작할 수 있다.

제1 절연관(51) 및/또는 제2 절연관(52)은 (+)리드선(31)과 (-)리드선(32)간의 접촉에 의한 합선, 단락 및 방전을 방지하여 탄소 발열체의 내구성을 높일 수 있으며 안전성을 향상할 수 있다.

또한, 제1 절연관(51) 및/또는 제2 절연관(52)은 탄소섬유 발열체(20)와 (+)리드선(31) 및/또는 (-)리드선(32)을 격리시킴으로써 발열에 의한 탄소 입자로 인해 발생할 수 있는 아크방전을 방지할 수 있다.

석영 유리관의 길이방향으로 주름부를 형성하여 유리관 내부 온도를 냉각시켜 탄소발열체의 수명을 연장하고, 발열된 열을 외부로 발산하는 발산도를 향상시키기 위한 것이다.

<실시예 2>

실시예 2는 실시예 1의 탄소 발열체에 유동 방지를 위한 지지체를 추가한 구조에 관한 것이다.

도 2 내지 도 3은 실시예 2에 따른 탄소 발열체의 구조를 도시한 것이다.

도 2에서 보듯, 유동 방지를 위한 지지체(260)는 탄소섬유 발열체의 일단에 고리 형상으로 구현된다.

이때 도 3과 같이 상기 물음표 형상의 머리부('о'형상)는 석영 유리관(10)의 직경과 탄소섬유 발열체(20)의 직경 사이에 존재하는 크기를 가지도록 구현함으로써 물음표 형상의 꼬리부("|"형상)에 연결된 탄소섬유 발열체(20)가 움직일 경우 석영 유리관(10) 내에 부딪히지 않도록 지지한다.

또한, 탄소섬유 발열체(20)에 연결된 (+)리드선(31) 및/또는 (-)리드선(32)의 유동시에도 일정 범위를 벗어나지 않도록 지지한다.

이때 유동 방지를 위한 유동방지 지지체(260)는 탄소섬유 발열체(20)의 일단에 연결되는 (+)리드선(31)을 연장하여 피복한 형태로 구현하거나, 절연성 도체를 추가하여 구현할 수 있다.

또한, 유동 방지를 위한 유동방지 지지체(260)는 고리 형상에 한정되지 않으며, 석영 유리관(10) 내부를 지지할 수 있으며 탄소섬유 발열체(20)의 일단에 연결 가능한 육각형상(

) 및/또는 팔각형상(

) 등으로 구현될 수 있다.

탄소 발열체에 상기 유동 방지를 위한 유동방지 지지체를 추가함으로써 탄소섬유 발열체(20)와 리드선(31, 32)의 유동이나 이탈에 의해 야기될 수 있는 아크방전을 방지하여 탄소 발열체의 안전성을 높일 수 있다.

<실시예 3>

실시예 3은 실시예 1의 탄소 발열체에 탄소분진을 제거할 수 있는 구조에 관한 것이다.

도 4는 실시예 3에 따른 탄소 발열체의 구조를 도시한 것이다.

도 4에서 보듯, 탄소섬유 발열체(20) 일 끝단에 위치한 (-)리드선(32)에 자석(370)을 연결함으로써 자석(370)의 N극와 S극간에 발생되는 자기력을 이용하여 석영 유리관(10) 내부에 잔존하는 아크방전에 따른 분진을 흡착한다.

이때 상기 이물질은 (+)리드선(31) 및/또는 (-)리드선(32)에 전기가 연결되어 탄소섬유 발열체(20)가 발열될 때 발생되는 탄소 분진이나 먼지 등을 의미한다.

또한, 상기 자석(370)은 (+)리드선(331)의 돌기(33) 하단부분에 연결할 수도 있다.

자석(370)을 이용하여 탄소 분진을 제거함으로써 아크방전을 예방하여 탄소 발열체의 수명을 연장시킬 수 있다.

상기와 같은 탄소 발열체는 특히 발열에 의한 안전성을 요하는 보일러 및 열풍기와 같은 난방 기구, 비닐하우스의 난방용, 온열치료를 위한 의료기기, 요리 기구 및 살균 장치 등에 널리 활용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

10 : 석영 유리관 20 : 탄소섬유 발열체
31 : (+) 리드선 32 : (-) 리드선
33 : 돌기부
41 : (+) 전극단자 42 : (-) 전극단자
43 : (+) 접합부 44 : (-) 접합부
51 : 제1 절연관 52 : 제2 절연관
260 : 유동방지 지지체 370 : 자석

Claims (7)

1. 일단은 밀봉되어 있고 타단은 외부 전극에 연결되는 (+)전극 단자와 (-)전극 단자가 밀봉 접합되는 석영 유리관; 및
   상기 외부 전극과 가까운 일단은 제1 리드선을 통해 상기 (+)전극 단자 및 (-)전극 단자 중 어느 하나(one)에 연결되고, 타단은 제2 리드선을 통해 다른(another) 전극 단자에 연결되며, 상기 석영 유리관 내부에 길이 방향으로 내장되는 탄소섬유 발열체를 포함하여 이루어지고,
   상기 제1 리드선과 상기 제2 리드선은 아크 발생 방지를 위한 제1 절연관 및 제2 절연관이 각각 감싸고 있는 것이고,
   상기 제2 리드선의 전극 단자 방향 끝단 부근에는 상기 제2 절연관과 전극 단자 간에 소정의 거리를 유지하도록 상기 제2 절연관을 고정하기 위한 돌기부가 더 형성되는 것이고,
   상기 제1 리드선 및 상기 제2 리드선 중 적어도 하나의 전극 단자 방향 끝단 부위에는 아크 방전에 의한 분진을 흡착하기 위한 자석이 더 장착되는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 방지하는 탄소발열체
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제2 절연관은 상기 돌기부를 기준으로 전극 단자와 반대 방향의 제2 리드선 부위를 감싸고, 상기 제1 절연관은 상기 돌기부를 기준으로 전극 단자 방향의 제1 리드선 부위를 감싸는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 방지하는 탄소발열체
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2 리드선의 전극 단자 반대 방향의 끝단에는 상기 제2 리드선의 유동을 방지하는 고리 형상의 유동방지 지지체가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 방지하는 탄소발열체
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   석영 유리관의 길이방향으로 주름부를 형성하여 유리관 내부 온도를 냉각시켜 탄소발열체의 수명과 발산도를 향상하기 위한 것을 특징으로 하는 아크 방전을 방지하는 탄소발열체

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