KR101375570B1 - 복사전열 히터 - Google Patents

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KR101375570B1
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Abstract

본 발명의 복사전열 히터는 박스 형태로서 내부 공간을 구비하며 지지벽과 지지벽 양편의 개방단부를 갖는 히터 본체를 포함하여 구성된다. 본체는 세라믹 재료로 성형된다. 또한, 본체는 본체의 길이에 상당하게 연장되어 에너지가 본체의 개방단부로 향하도록 위치하는 가열부재를 포함한다.
복사전열 히터, 가열부재

Description

복사전열 히터{RADIANT HEATER}
본 출원은 이노크 에이. 젠테노(Enoch A. Zenteno) 및 퍼민 애담스 에스알.(Fermin Adames Sr.)에 의해 2006. 6. 16.자 "복사전열 히터"라는 명칭으로 미국특허청에 임시출원된 제60/814,268호에 대한 우선권 주장 출원이다.
본 발명은 가열부재에 관한 것으로, 보다 자세하게는 세라믹 재질의 적외선-복사전열 히터에 관한 것이다.
열전달은 대류, 전도 및 복사에 의해서 이루어진다. 알려진 바와 같이, 대류는 공기나 물과 같은 매체의 질량 이동에 의한 열전달로서, 가열된 매체가 열원으로부터 이동할 때 가열된 매체와 함께 에너지를 전달하는 것이고; 전도는 물질 자체의 이동이 없는 가운데 물질 내부의 분자진동에 의한 열전달이며; 복사는 방사물체로부터 에너지를 운반하는 전자기파의 방사에 의한 열전달이다. 이들 셋 중에서 복사가 가장 효율적이고 열전달 수단으로서 광범위하게 적용될 수 있다.
산업적으로 이용되는 적외선 히터는 통상적으로 스펙트럼 복사능력 분포의 최대 방사위치나 피크 파장에 근거한 형태(예를 들면, 단파장, 중간파장 및 장파장)로 분류된다. 이와 같은 분류는 빈의 복사법칙(Wien's displacement law)을 적용한 가열부재 자체의 온도에 전적으로 기초한다. 다시 말하면, 단파장 히터는 그 코일이 2148℉(2㎛) 와 6060℉(0.8㎛) 사이의 온도에서 안정한 상태의 온도에 도달할 수 있기 때문이고, 이와 유사하게 중간파장 히터의 코일은 845℉(4㎛) 와 2148℉(0.8㎛) 사이의 온도에 도달할 수 있기 때문이며, 마지막으로 장파장 히터는 845℉(또는 λmax〉4㎛) 미만의 코일온도를 지니고 있기 때문이다.
복사가열 부재는 방향성이나 집중가열이 요구되는 곳에 주로 사용된다. 이에 따라, 알려진 바와 같이 석영 히터는 길다란 튜브와 금속 반사판을 포함하여 구성되고, 세라믹 히터는 곡면 또는 평탄면의 패널로 성형된다. 일부의 히터 제조방식에서는 히터 형태에 대한 제한이 뒤따르게 된다. 기존의 정형화된 히터 형태를 벗어나기 위한 제조방법에 대한 개발이 수행되어 왔으나, 그와 같은 방법 하에서는 히터의 내부 구조상의 제약이 뒤따르고 있다. 이와 같은 내부 구조상의 제약에 기인하여 최고의 잠재적 효율성을 지닌 히터를 제공하지 못하고 있다. 한편, 다른 제조방법에 의하면 단일 히터 형태만을 제작하는 것은 가능하다.(즉, 이 방법으로는 단지 180°범위 또는 360°범위에서 복사하는 히터를 제조하는 것이 가능하다.)
적외선 복사는 유기분자에 의해 흡수되어 분자진동 에너지로 전환된다. 복사 에너지가 특정한 분자진동의 에너지를 만나게 되면 흡수가 일어난다. 일예로, 효율적인 적외선 가열시스템은 가열과정의 다양한 단계에서 주어진 용도에 따라 정밀하게 상기 흡수파장에 매치되도록 변환된 방사성 파장을 갖는 일련의 적외선 히터로 구성된다. 즉, 건조과정이 진행되고 재료의 파장이 변화됨에 따라, 도1에서와 같이 방사성 파장이 변화된다.
도1에서, 컨베이어 시스템이나 처리경로상의 입구측에 위치한 A영역은 물에 대한 흡수 스펙트럼의 제1 피크에 부합되는 2㎛ 부근에서 작동하는 단파장 히터를 포함하고 있다(약 95%). 히팅 영역의 중앙(즉, B영역)에서는, 두번째 최대 흡수피크에 부합되는 중간파장 히터가 장착된다(약 94%). 마지막으로 출구측의 영역C에는 피가열물의 강한 열쇼크를 방지하기 위하여 최종 고흡수 피크에 부합하는 장파장 히터가 놓여지게 된다(약 78%).
그러나, 현실적으로는 단일 장치로서 단파장, 중간파장 및 장파장을 전달할 수 있는 적외선 히터가 개발되어 있지 않기 때문에 상기와 같은 시스템을 구성해서 동작시키는 데는 매우 어렵다. 개개의 히터 형태는 독특한 설계, 구조 및 동작 조건을 지니고 있기 때문에 여러 종류의 히터를 결합하는 데는 상당한 어려움이 따른다. 예를 들면, 단파장 방사체의 열출력은 매우 높기 때문에 히터 하우징을 일정한 온도 수준으로 유지시키기 위한 냉각시스템이 종종 요구된다.
현재 산업용으로 사용되고 있는 복사전열 히터는 공통적으로 반사면과 하우징이라는 두 구성부재를 구비하고 있다. 엘스테인 베르크 엠. 스타인메르츠 게엠바하 앤 코. 케이지(Elstein-Werk M. Steinmetz GmbH & CO. KG, 독일)와 헤레노스 노블라이트 인크.(Heraeus Nobleight Inc.)(Duluth, 조지아)에서 제작된 히터는 모두 하우징 및 석영 재료 각각에 직접 금 재질의 반사 재료가 도포되어 있다. 이와 같이 금을 직접 도포하게 되면 반사체를 필요로 하지 않음에 따라 히터의 전체적인 크기를 축소할 수 있음과 더불어 조작의 편의를 도모할 수 있다. 그러나 가열된 부재로부터 발생되는 파워는 금의 증발(820℃ 이상)을 초래할 수 있기 때문에 특정 한계값을 초과할 수 없다. 이에 더하여, 반사체가 상당한 양의 열을 흡수해서 히터 뒤편으로 전도되어 히터를 지지하는 구조물들을 가열함에 따라 실용화가 불가능하다는 문제점이 여전히 존재하고 있다. 포스토리아 인더스트리스(Fostoria Industries)(Fostroia, 오하이오) 및 더 리서치 인크.(the Research Inc.)(Eden Prairie, 미네소타)에서 제작된 히터는 히터의 적절한 동작을 위해서 반사체가 강철 하우징에 매입되어 있다.
산업용 복사전열 히터의 다른 예에서는 솔리드(solid) 또는 중공(hollow) 형태의 세라믹 적외선 히터를 포함한다. 고성능 중공형 히터는 매입된 코일층과 외부 셀(outer shell) 사이의 열팽창 불일치의 결과로 외부 셀에서 크랙이 생성되는 경향을 보여준다. 단순한 열전달 관점에서 볼 때, 코일에서 발생된 주울열은 전도에 의해서 주위의 세라믹층으로 전달된다. 세라믹의 낮은 열전도성에 기인하여 외부 셀에 비해서 코일층에 상당히 빠르게 충격이 가해져서 두 층 사이에는 커다란 온도구배가 발생하게 됨으로써 상당한 열팽창 불일치가 초래된다. 경우에 따라서는 인장 변형력(tensile strain)이 본체의 강도를 초과함으로써 눈에 띄는 크랙이 발생하여 변형력을 해제시키게 된다. 이와 같은 크랙의 결과로 헤드를 구비하거나 구비하지 않는 유리화된(glazed) 또는 유리화되지 않은(unglazed) 세라믹 바디가 형성된다. 그와 같은 크랙 발생은 유리질의 냉각에 따른 잔류응력에 의해서 야기되기 보다는 가열중에 코일층에 의해서 초래된 심한 팽창의 결과임을 의미한다.
이용할 수 있는 모든 파장을 방사하는 적외선 히터를 설계함에 있어서는 기존 적외선 장치의 파라메타에 대한 고려가 요구된다. 페라이트 합금(FeCrAl)이 매 입된 기존의 세라믹 바디 히터는 높은 기계적 안정성을 지니고 있긴 하나, 최대 파워에서 한계를 지니고 있음으로 해서 미세크랙 낳게 되고, 그로 인해 높은 와트/볼트 장치에서 유전결함(dielectric failure)이 초래된다. 시트 프레임에 내장된 석영관을 구비한 적외선 히터는 관 내부에서 자유롭게 팽창하는 코일을 구비하고 있는바, 그러한 시트 메탈 구조는 부식, 왜곡 및 변형이 발생할 가능성이 매우 높다. 마지막으로, 텅스텐-할로겐 및 카본 적외선 램프는 빠른 응답시간을 가지고 있으며 방사체 파장의 제어 및 관리를 행할 수 있긴 하나, 그와 같은 램프는 다양한 형태로의 제작에는 한계가 따르고 있다.
일실시예에서, 본 발명은 박스 형상을 띠는 히터 본체를 포함하며, 그 본체는 내부 공간을 형성하며 지지벽과 지지벽 반대편의 개방단부를 포함한다. 상기 본체는 세라믹 재료로 성형된다. 또한 복사전열 히터는 본체의 길이에 상당하게 연장되고 본체의 개방 단부를 통해서 에너지가 향하도록 배치된 가열부재를 포함하고 있다.
다른 실시예에서, 복사전열 히터는 박스 형상을 띠는 히터 본체를 포함하며, 그 본체는 내부 공간을 형성하며 지지벽과 지지벽 반대편의 개방 단부를 포함한다. 상기 본체는 세라믹 재료로 성형된다. 가열부재는 본체의 길이에 상당하게 연장되고 본체의 개방단부를 통해서 에너지가 향하도록 배치되어 있다. 또한 복사전열 히터는 본체의 지지벽과 가열부재 사이에 위치하는 반사체를 포함하며, 이때 반사체의 반사표면은 가열부재로부터의 에너지 방향을 바꿔서 본체의 개방 단부를 향하도록 한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 건조 또는 가열 과정에서 사용되는 산업용 가열 시스템을 제공한다. 상기 가열 시스템은 피처리물의 처리경로에 위치시키기 위한 하우징을 포함하고, 복사전열 히터는 하우징에 의해 둘러싸여진 상태에서 처리경로를 향하게 된다. 복사전열 히터는 박스 형상을 띠는 히터 본체를 포함하며, 그 본체는 내부 공간을 형성하고 지지벽과 지지벽 반대편의 개방 단부를 포함하며, 개방 단부는 처리경로를 향한다. 상기 히터 본체는 세라믹 재료로 성형된다. 가열부재는 본체의 길이에 상당하게 연장되고 본체의 개방 단부를 통해서 에너지가 향하도록 배치되어 있다. 또한 복사전열 히터는 본체의 지지벽과 가열부재 사이에 위치하는 반사체를 포함하며, 이때 반사체의 반사표면은 가열부재로부터의 에너지를 반사시켜 본체의 개방단부를 향하도록 한다.
본 발명의 다른 기술적 특징은 도면을 참조한 아래의 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.
도1은 건조 처리용 적외선 가열 시스템의 일예를 보인 개략도.
도2A 및 2B는 본 발명의 일실시예에 따른 복사전열 히터의 구조도
도3A-3C는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복사전열 히터의 구조도.
도4A-4D는 본 발명의 일실시예에 따른 복사전열 히터의 하우징 구조도.
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 복사전열 히터의 하우징 구조도.
도6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복사전열 히터의 하우징 구조도.
도7A-7B는 복사전열 히터와 함께 사용될 평판형 반사체의 일실시예 구조도.
도8은 복사전열 히터의 장착헤드와 함께 사용될 스프링 클립의 일실시예 구조도.
도9는 도2A-2C에 도시된 복사전열 히터의 하우징에 대한 일실시예 구조도.
도10A 및 10B는 할로겐-텅스텐 램프를 포함하는 복사전열 히터의 일실시예 구조도.
도11A 및 11B는 한 쌍의 할로겐-텅스텐 램프를 포함하는 복사전열 히터의 일실시예 구조도.
도12는 도2A-2B, 3A-3C, 10A-10B 및 18A-18B에 도시된 복사전열 히터의 하우징에 대한 일실시예 구조도.
도13은 도10A에 도시된 대류 통공을 포함하는 복사전열 히터의 단부 구조도.
도14A-14C는 본 발명의 일실시예에 따른 홀더 부재에 대한 구조도.
도15는 도10A에 보인 엘리먼트 홀더를 포함하는 복사전열 히터의 개략 단면도.
도16A-16B는 복사전열 히터용 포물선형 반사체의 일실시예 구조도.
도17은 도11A-11B, 19A-19B 및 21A-21B에 도시된 복사전열 히터의 하우징에 대한 일실시예 구조도.
도18A 및 18B는 카본부재를 포함하는 복사전열 히터의 일실시예 구조도.
도19A 및 19B는 두개의 카본부재를 포함하는 복사전열 히터의 일실시예 구조도.
도20A 및 20B는 세개의 카본부재를 포함하는 복사전열 히터의 일실시예 구조도.
도21A 및 21B는 할로겐-텅스텐 부재 및 하나의 카본부재를 포함하는 복사전열 히터의 일실시예 구조도.
도22A 및 22B는 할로겐-텅스텐 부재 및 복수의 카본부재들을 포함하는 복사전열 히터의 일실시예 구조도.
본 발명에 관한 여러 실시예에 대하여 구체적을 설명하기에 앞서, 본 발명은 후술하는 설명 및 도면에 예시된 구조 및 배열 등에 관한 구체적인 적용예에 한정되는 것이 아니라는 것이 이해되어야 할 것이다. 본 발명은 다른 실시예로 구현될 수 있을 뿐 아니라 실시될 수 있으며 또한 다양하게 변화되어 수행되어질 수 있을 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용된 문구나 전문용어는 설명을 위한 차원인 것으로 이해되어야 하고, 한정적으로 인식되어져서는 아니될 것이다.
적외선 히터는 산업 및 의료용으로 건조 또는 가열과정에서 복사열을 제공하는데 다양하게 사용되고 있다. 산업용으로서의 적용례로는 직물 제조공정, 음식물 처리공정, 열성형, 필름 제조공정 및 액체 처리공정 등을 들 수 있다. 또한, 적외선 히터는 실외 가열 등과 같은 복사 열원으로 사용이 가능하다. 복사전열 히터는 일반적으로 도1의 종래기술에 대한 도면에 도시된 바와 같이 하우징 구조 내부에 설치되어 종종 처리경로를 따라 이동하는 피처리재를 향하게 된다. 하우징 구조의 예에서는 단일 히터에 적합한 하우징, 길이방향을 따라 배열된 다수의 히터에 적합 한 일련의 하우징, 특정한 배열형태를 띠는 다수의 히터에 적합한 일련의 패널 하우징 등을 포함한다. 하우징 구조는 사용자의 사양에 따라 맞춤 제작이 이루어지게 된다. 예를 들면, 히터는 개별적으로 사용되거나 후술되는 바의 복수 개의 히터 조합을 포함하는 대규모 조립체에 결합되어 진다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복사전열 히터는 기존의 적외선 기술에 결합되어 단일 장치로 형성된다. 복사전열 히터는 할로겐-텅스텐 램프(단파장), 카본 램프(중간파장, 급속가열), 한쌍 및 단일 석영관에 매입된 저항선(중간파장 및 장파장)에 적합할 뿐만 아니라 소정의 피가열물을 향하도록 하는 반사열(즉, 일방향으로 열을 제공하는)에도 적합하다. 복사전열 히터는 열충격에 견디는 한편 어떠한 온도에서도 높은 기계적 안정성을 제공한다. 마지막으로, 복사전열 히터는 광범위한 표준크기(standard-size) 적외선 히터에도 유용하게 사용될 수 있다.
도2A, 2B, 3A, 3B 및 3C는 본 발명에 따른 복사전열 히터(10)를 보여주고 있다. 복사전열 히터(10)는 제1 단부(14A)와 제2 단부(14B)를 갖는 세라믹 재질의 장방형 사각형태의 본체(14)(도4A-4D)를 포함하고 있다. 길이방향 축(A)(도2A, 3A 및 4A)은 본체(14)의 중앙으로부터 제1 단부(14A) 및 제2 단부(14B)측으로 연장된다. 히터(10)는 6개의 가열부재(18)[석영관(18B) 내부에 장입된 저항선 부재(18A)를 포함하여] 또는 제1 단부(14A)와 제2 단부(14B) 사이의 본체(14) 길이에 상당하게 연장된 램프, 본체(14) 내부에서 가열부재(18)로 하여금 제 위치에 지지되도록 하는 지지판(22), 가열부재(18)와 본체(14) 사이에 위치하는 반사판(26) 및 히터(10)를 하우징(도면 미도시)에 결합시키기 위한 장착헤드(30)를 포함하고 있다.
도4A-4D에 도시된 바와 같이, 본체(14)는 지지벽(34)과, 제1 단부(14A)측에 위치하는 제1 단부벽(38), 제2 단부(14B)측에 위치하는 제2 단부벽(42), 제1 및 제2 단부벽(38)(42) 사이에 연장형성된 제1 및 제2 측벽(46)(50)을 포함하고 있다. 상기 벽들(34-50)은 본체(14)의 내부 공간(54)을 형성하여 그 내부에 가열부재(18) 및 히터(10)의 지지판(22)이 수용되도록 한다. 도시된 실시예에서, 본체(14)의 지지벽(34)은 내부 공간(54)의 크기 증대를 위한 두개의 원호상 영역(56)이나 만곡영역을 포함한다.
지지벽(34)은 장착헤드(30)의 수용을 위한 슬롯(slot)(58)을 포함하고 있다. 도시된 실시예에서, 장착헤드(30)는 본체(14)의 길이방향 축(A)을 따라 형성되는 바(도2B 및 도3B), 다른 실시예에서는 장착헤드(30)가 길이방향축(A)에 수직으로 형성될 수도 있을 것이다.
도시된 실시예에서, 히터 본체(14)는 고온 가열부재(14)가 사용될 때 본체(14)에서 크랙이 발생되는 것을 방지하기 위해서 극저 열팽창 세라믹 재료로부터 성형된다. 현재 사용되고 있는 세라믹 히터는 가열부재와 외부 셀 사이에서 열팽창의 불일치 결과로 크랙이나 미세 크랙이 발생된다. 일부 가열부재는 6100℉에 이르기까지는 안정적인 상태에 도달할 수 있거나, 급속하게 활성화되어 본체에 열충격을 가함으로써 크랙을 발생시키게 된다.
세라믹 본체의 열충격에 의한 크랙발생은 벽체 단면을 가로질러 큰 온도구배가 생성될 때 발생하게 되는 바, 이를 테면 본체의 한쪽면은 반대편에서 생성된 인장강도가 세라믹 본체의 강도를 초과할 때까지 인접하는 측면에 비해서 훨씬 빠르 게 팽창된다. 도시된 실시예에서 히터 본체(14)는 극저 열팽창 세라믹 재료로 성형되어 길이방향이나 폭방향 어느 쪽으로도 열팽창을 거의 하지 않는다. 세라믹 본체는 급속 냉각공정에서 중요시되는 높은 기계적, 열적 안정성 및 우수한 성능을 발휘한다. 급속 승온 가열부재나 고온 가열부재가 사용되는 때에 본체(14)의 크랙 발생이 방지되며, 세라믹 본체(14)의 구조적인 원형은 급속한 열적 하중하에서도 보존된다. 이에 더하여, 본체(14)의 세라믹 재료는 본체(14)를 통한 열손실이 상대적으로 낮게 유지되도록 한다. 도시된 실시예에서, 본체(14) 성형용 세라믹 재료는 아래의 표와 같은 성분 배합으로 이루어져 있다.
성 분 비율(중량%) 비 고
페탈라이트(Petalite) 65% 리튬-알루미늄 실리케이트
차이나 클레이(China Clay) 17.5% 트레비스코 챠이나 클레이
볼 클레이(Ball Clay) 17.5% 하이모드 볼 클레이
Darvan® No.7 0.40% 소듐 폴리메타아크릴레이트 및 물
물 40%
페탈라이트, 차이나 클레이 및 볼 클레이는 함밀 앤 길레스피에(Hammill & Gillespie)(Livingston, 뉴저지) 제품이고, Darvan® No.7은 알.티. 반더빌트 컴퍼니, 인크(R.T. Vanderbilt Company, Inc.)(Norwalk, 코네티컷) 제품이다.
본체(14) 성형용으로 사용된 상기 표에 나타나 있는 화학조성 이외의 종래 저 및 극저 열팽창 세라믹 재료가 있을 수 있음은 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 기술자에 의해 자명한 것으로 이해되어야 할 것이다. 본체 성형용으로 사용될 수 있는 다른 재료의 예로는 알바이트(albite), 코디어라이트, 카이나이트, 레피돌라이트(lepidolite), 뮬라이트, 스포두메인(spodumene) 또는 용융 실리카 등을 들 수 있다. 예를 들면, 세라믹 재료의 한 실시예에서는 히터 본체(14)의 밀도를 증 가시키고 기공을 감소시키기 위해서 아크릴을 포함한다. 이러한 실시예에서 본체(14) 성형용 세라믹 재료는 아래의 표와 같은 조성식을 갖는다.
성 분 비율(중량%) 비 고
페탈라이트(Petalite) 39.78% 리튬-알루미늄 실리케이트
차이나 클레이(Chi na Clay) 10.71% 트레비스코 챠이나 클레이
볼 클레이(Ball Clay) 10.71% 하이모드 볼 클레이
Darvan? No.7 0.40% 소듐 폴리메타아크릴레이트 및 물
물 24.48% 순수(De-ionized water)
온글레이즈 칼라(Onglaze color) 7.96% 씨리즈 94 무연 온글레이즈 칼라
Duramax B-1022 4.89% 스티렌/아크릴 공중합체
Rhoplex HA-8 1.07% 아크릴 중합체
온글레이즈 칼라는 티.더블유.에스. 인크.(T.W.S., Inc.)(Greeley, 콜로라도)의 로슈 앤 코(Reushe & Co.) 제품이고, Duramax®B-1022 및 Rhoplex®HA-8은 롬 앤 하스 컴퍼니(Rohm & Hass Company)(Philadelphia, 필라델피아) 제품이다.
중파장 및 장파장 세라믹 적외선 히터(즉, 히터 본체)의 범용적인 크기는 약60mm x 약120mm 및 약60mm x 약245mm이다. 이들 두개의 실시예에서, 본체는 약18mm의 깊이를 지니며, 두께는 약3mm 이다. 다른 실시예에서, 히터는 두 개의 크기를 조합한 형태, 즉 약60mm x 약367mm(245mm + 122mm) 크기로 제작될 수 있다. 본체의 크기는 수요자의 요구에 따라 설계된 복사전열 히터에 부합되도록 다양하게 변화가 가능함은 일반적인 사실이라 할 것이다. 예를 들면, 본체는 가열부재의 숫자에 따라서, 가열부재 규격에 대한 수요자 요구에 따라서 또는 전기적인 회로구성에 따라서 보다 넓게, 보다 깊게 또는 보다 길게 형성될 수 있을 것이다. 또한, 본체는 설계특성, 가열부재 특성 및 본체에 사용되는 세라믹 특성에 따라서 보다 두껍게 또는 보다 얇게 형성될 수 있다.
일실시예에서, 본체(14)는 박스부(62) 및 본체(14)의 상단부(66)나 립(도4D 참조)으로 이루어지는 두 개의 몰드 피스로 제작되어 진다. 두 개의 피스(62)(66)는 서로 결합되어 단일체의 구조를 갖는 본체(14)로서의 단일 피스로 형성된다. 본체(14) 성형을 위해서, 제1 몰드를 이용하여 세라믹 재료로 박스부(62)를 성형하고, 제2 몰드를 이용하여 세라믹 재료로 상단부(66)를 성형한다. 박스부(62)나 상단부(66)의 노출된 모서리 어느 한 쪽에 세라믹 세멘트나 접착제가 도포된다. 세라믹 세멘트의 일예로는 약45% 뮬라이트 기지의 접착제를 들 수 있다. 다음, 제2 몰드는 제1 몰드 위에 놓여져서 박스부(62)와 상단부(66)가 접촉하게 된다. 경화 시간의 경과 후에, 제2 몰드가 제거되어 상단부(66)가 박스부(62)에 연결되어 진다. 본체(14) 성형 공정은 상기 방식 이외에 여러 방식으로 수행될 수 있음은 물론이다.
도2B 및 3B에서 도시되고 있듯이, 본체(14)의 내부 공간(54)은 세라믹 화이버(68)로 채워져 있다. 세라믹 화이버(68)는 반사판(26)과 본체(14)의 지지벽(34) 사이에 위치하고 있으며, 히터(10)에 대하여 추가적인 절연을 제공하는 역할을 한다. 다른 실시예에서는 상기 내부 공간(54)이 세라믹 화이버로 채워지지 않을 수 있거나 여타의 절연재로 채워질 수 있을 것이다.
도3A-3C에서, 히터(10)는 제1 및 제2 단부(14A)(14B) 사이에서 본체(14)의 길이에 대응되게 연장된 6개의 가열부재(18)를 포함하고 있다. 각각의 가열부재(18)는 투명 또는 반투명의 석영관(18B)에 장입된 저항선 부재(18A)를 포함한다. 도3C는 석영관(18B)을 보다 자세하게 보여주기 위하여 저항선 부재와 반사판(26)을 제거한 상태이다. 도2A-2B에 도시된 실시예에서, 복사전열 히터(10)는 세 개의 쌍 공 석영관(18)에 장입된 6개의 저항선 부재(18A)를 포함한다.
각각의 와이어 부재는 관체의 한 구멍씩에 장입되어 있다. 히터 본체의 크기는 쌍공 석영관에 적합하도록 수정되어질 수 있다. 저항선 부재는 중파장 내지 장파장 적외선 가열을 제공함과 아울러 약10W/in2으로부터 75W/in2(12W/cm2)까지 와트 밀도의 변화가 가능하다. 와이어 부재는 에너지충전 또는 가열 시간이 약 1분 미만이다. 일 실시예에서, 와이어 부재는 페라이트 합금(FeCrAl)으로 성형되는 바, 다른 실시예에서는 니켈크롬이나 니켈크롬 합금으로 이루어질 수도 있을 것이다.
도2A, 3A 및 3C에서, 지지판(22)은 본체(14)의 내부 공간(54) 안에서 가열부재(18)를 지지 및 유지한다. 지지판(22)은 본체(14)의 양 단부 각각에 위치하며, 지지판(22)의 일부분이 가열부재(18)의 각 단부와 겹쳐진다. 도시된 실시에에서, 각 지지판(22)은 대체로 사각형 형태로서 본체(14)의 폭에 맞는 크기로 형성된다. 지지판(22)은 한 개 이상의 히터를 포함하는 본 발명에 따른 히터에 일반적으로 사용된다. 다른 실시예에서, 지지판(22)은 가열부재(18)의 수용을 위한 만곡홈이나 구멍(aperture)을 포함한다.
지지판(22)은 또한 낮은 열팽창 계수를 갖는 견고한 절연세라믹 재료로 성형된다. 도시된 실시예에서, 세라믹 재료는 스테아타이트(동석, steatite)이다. 지지판(22)을 제작함에 있어서는 상기 화학조성 이외의 저팽창 또는 극저팽창 세라믹 재료가 사용되어질 수 있음은 본 발명이 속한 기술분야의 전문가에게 당연하게 인 식될 것이다.
지지판(22)은 고온에서 견딜 수 있는 고온 세멘트나 접착제를 이용해서 본체(14)에 결합되어 진다. 가열부재(18)가 고온에서 작동될 때 본체(14)로부터 지지판(22)이 분리되는 것을 방지하기 위해서 고온 세멘트를 필요로 한다. 도시된 실시예에서, 지지판(22)을 본체(14)에 접착시키기 위한 세멘트의 화학조성은 아래의 표와 같다.
성 분 비율(전체 중량) 비 고
Ceramabind 642 65% 수용성 무기 결합제 시스템
Glaze frit 17.5% 비스무스 보로실리케이트 및 세륨 산화물 프릿(예,94T1001)
Ceramabind 642는 아렘코 프로덕츠, 인크(Aremco Products, Inc.)(Valley Cottage, 뉴욕)에서 제조된 제품이고, Glaze frit는 티.더블유.에스. 인크.(T.W.S., Inc.)(Greeley, 콜로라도)의 로슈 앤 코(Reushe & Co.) 제품이다. 지지판(22)을 본체(14)에 접착시킴에 있어서는 상기의 화학조성 이외의 고온 시멘트가 사용될 수 있을 것이다.
도2A-2B 및 도3A-3C에서, 반사체(26)는 가열부재(18)와 본체(14)의 지지벽(34) 사이의 히터(14) 내부에 위치한다. 도7A-7B는 일반적으로 평면상이거나 평탄한 실시예를 보인 복사전열 히터에서 사용되는 반사체(26)의 일실시예를 보여주고 있다. 반사체(26)는 본체(14)의 가열부재(18)로부터 발생된 열의 방향을 바꿔서 피처리재(도면 미도시)로 향하도록 한다. 피처리재로 열이 반사되도록 함으로써 지지벽(34)으로 전도되는 열과 세라믹 본체(14)에 흡수되는 열이 줄어들기 때문에 히터(18)의 열손실이 상대적으로 줄어들게 된다. 평탄형 반사체(26)와 관련하여, 반사체의 표면(70)으로 입사되는 에너지에 대한 반사 표면(70)으로부터 반사되는 전자기적 복사열 에너지의 분율은 복사에너지 파장과 표면(70) 특성 및 입사각에 의존한다. 반사율은 키르히호프의 법칙에 따라 1-e 로 표현되며, 이때 e 는 표면(70)의 방사율이다. 본체(14)와 반사체(14)는 개별적으로 또는 함께 히터(10)로부터의 열손실을 감소시킬 수 있을 것이다.
반사체(16)는 히터 본체(14)의 내부 공간(54)에 장착되기에 적합한 크기의 대략 장방형의 사각형 구조를 갖는다. 도시된 실시예에서, 반사체(26)는 지지판(22) 사이에 놓여져서 본체(14) 내부에서 떠받쳐진 상태로 팽창가능하게 된다. 적어도 반사체(26)의 반사 표면(70)은 돔 형태의 패턴이나 요홈 패턴 또는 돌조를 포함함으로써 복사에너지의 반사율을 향상시키게 된다. 일실시예에서, 돌조는 한층 높은 반사체(26)의 반사율을 제공한다.
일실시예에서, 반사체(26)는 피처리재로 약 75%의 복사에너지를 반사시키는 백색 반사표면을 포함한다. 다른 실시예에서, 반사체(26)는 피처리재로 약 95%의 복사에너지를 반사시키는 백금 반사표면을 포함한다.
반사체(26)는 알루미나 분말 등과 같은 세라믹 화합물 베이스의 재료로 성형된다. 반사체(26)를 제조하기 위하여, 일정한 길이로 알루미나 파우더 테이프를 재단하여 소정의 패턴으로 돌조가 형성되도록 한다. 다른 실시예에서, 상기 패턴은 스템핑이나 스코어링(scoring)에 의해서 테이프에 형성되도록 한다. 반사체(26)는 패턴이 없는 상태로 제작되거나 반사체에서 사용되는 기존의 패턴이 형성되도록 할 수 있을 것이다.
다음, 상기 테이프는 가열 또는 소결(예를 들면, 1200℃에서)되어 반사체(26)의 경화가 이루어지게 된다. 예시된 실시예에서, 테이프는 평평한 몰드에서 소결되어 평탄면을 띠게 된다. 다른 실시예에서, 반사체(26)는 포물선 형태를 포함하며, 이때 테이프는 포물선 형상의 몰드에서 소결되어 포물선 형상으로 성형된다.
반사체(26)의 형태가 완성되면, 반사체(26)의 전체 표면에 유약을 도포하여 가열 또는 소결(예를 들면, 1120℃)함으로써 유약이 반사체 본체에 결합되도록 한다. 예시된 실시예에서, 유약은 반사표면(70)으로 작용하는 바, 다른 실시예에서는 유약이 금, 백금 또는 다른 반사물질에 대한 결합제로 작용하게 된다. 가열부재(18)에 의해서 발생되는 높은 양의 열에 기인하여, 상기 유약은 반사재료로 하여금 고온에서 반사체 본체에 견고한 결합상태가 유지되도록 한다. 예시된 실시예에서, 반사체(26)에 사용된 유약은 아래의 표에서와 같은 조성을 갖는다.
성 분 비율(중량%) 비 고
투명유약 35.6% 유약 프릿(일예로, ENQ9144E/P1)
크리스토발라이트(Cristobalite) 1.2% 실리카 분말 325 메쉬
VeeGum® 1.5% 현탁제
투명 유약은 존슨 매튀(Jonson Matthey)(Downington, 필라델피아) 제품이고, 크리스토발라이트는 시이디 프로세스 미네랄(CED Process Minerals)(Tallmage, 오하이오) 제품이며, VeeGum® 현탁제는 알.티. 반더빌트 컴퍼니, 인크(R.T. Vanderbilt Company, Inc.)(Norwalk, 코네티컷) 제품이다. 상기 유약 조성 이외의 화학조성을 갖는 유약이 사용되어질 수 있음은 본 발명이 속한 분야의 전문가에게 자명하다 할 것이다.
반사체(26)에 추가적인 반사재료가 적용되는 경우에, 그 재료는 유약의 소결이 이루어진 반사체상에 도포되어 진다. 일실시예에서, 반사재료는 기존에 알려진 바의 산업용 스프레이 시스템을 이용하여 반사체(26)상에 스프레이되어 진다. 금 반사재료는 24 캐럿의 금으로 이루어지고, 백금 반사재료는 약 90%의 24 캐럿 금과 약 10%의 백금으로 이루어진다. 일실시예에서, 반사체(26)이 반사표면을 코팅하는데 약 0.825g의 반사재료를 필요로 한다. 반사체(26)에 반사재료의 도포가 이루어진 후에는 반사체(26)를 가열 또는 소결(예를 들면, 850℃)하여 재차 모든 재료들이 서로 결합되도록 한다.
도2B 및 3B에서, 히터(10)는 히터(10)를 하우징(도면 미도시)에 결합시키기 위한 장착헤드(30)를 포함하고 있다. 장착헤드(30)는 본체(14)의 지지벽(34) 외표면(34A)에 결합된다. 장착헤드(30)는 무기공의 라바 세라믹(non-porous lava ceramic) 등과 같은 세라믹 재료로 성형된다. 가열부재(18)의 높은 동작온도에서 장착헤드(30)가 본체(14)로부터 분리되는 것을 방지하기 위해서는 고온 세멘트를 필요로 한다. 예시된 실시예에서, 장착헤드(30)를 본체(14)에 접착시키기 위한 세멘트는 아래의 표와 같은 조성을 갖는다.
성 분 비율(중량%) 비 고
Ceramabind 642 65% 무기 수용성 결합제 시스템
블랙 글래이즈 35% 글레이즈 프릿(일예로, ENQ10615E/P1)
Ceramabind 642는 아렘코 프로덕츠 인크.(Aremco Products, Inc.)(Valley Cottage, 뉴욕) 제품이고, 블랙 글레이즈는 존슨 매튀(Jonson Matthey)(Downington, 필라델피아) 제품이다. 본체(14)에 장착헤드(30)를 접착시 킴에 있어서는 상기 조성의 세멘트 이외의 다른 화학조성을 갖는 고온 세멘트가 사용되어질 수 있음은 자명하다 할 것이다.
히터(10)를 하우징에 결합시키기 위하여, 장착헤드(30)는 슬롯(58)에 의해서 하우징 내부에 수용되며, 장착 스프링 클립(74)이 장착헤드(30)의 자유단부(30A)에 결합되어 기존에 알려진 바와 같이 히터(10)가 제 위치에서 지지되도록 한다. 스프링 클립(74)의 일예가 도8에 도시되어 있다.
도5,6 및 9는 도2A-2B 및 3A-3C에 도시된 복사전열 히터용 본체의 다른 실시예들을 예시하고 있다. 도5는 아래에서 설명될 홀더 부재를 결합시키기 위한 통공(82)을 포함하는 복사전열 히터(10)용 본체(78)를 도시하고 있다. 도6은 아래에서 설명될 홀더 부재용 통공(82)과 히터(10)로부터 발생되는 열이나 에너지를 분산시키기 위한 대류 통공(90)을 포함하는 복사전열 히터(10)용 본체(86)를 도시하고 있다. 도9는 도2A-2B에 도시된 와이어 부재를 구비한 쌍공 가열관을 수용하기 위한 변형된 내부 공간(98)을 포함하는 복사전열 히터(10)의 본체(94)를 보여주고 있다.
도10A 및 도10B는 본 발명에 따른 다른 실시예의 복사전열 히터(110)를 보여주고 있다. 복사전열 히터(110)는 도2A-2C 및 도3A-3C에 도시된 복사전열 히터(10)와 유사하며, 동일한 구성부 재에 대하여는 동일한 도면 부호를 부여하고 있다. 복사전열 히터(110)는 세라믹 재질로 이루어진 장방형의 대략 사각형의 본체(14)와, 제1 및 제2 단부(14A)(14B) 사이에서 본체(14)의 길이에 상당하게 연장된 가열부재(114)와, 본체(140 내부에서 가열부재(114)로 하여금 제위치에서 지지 되도록 하는 홀더 부재(118) 및 히터(110)를 하우징(도면 미도시)에 결합시키기 위한 장착헤드(30)를 포함하여 구성된다.
도12 및 도13에서, 히터(110)는 본체(14)의 지지벽에 형성된 대류 통공(126)을 포함한다. 대류 통공(126)은 히터(110)가 일예로 단파장 가열부재(114)를 포함하는 복사전열 히터(110)의 사용중에 피처리재로부터 발생된 연기의 배출통로를 제공하게 된다. 대류 통공(126)은 그 통공을 통하여 연기가 빠져나가도록 함으로써 히터의 내부 공간에 연기가 축적되는 것을 최소화한다. 연기가 축적되게 되면 피처리재의 특성에 영향을 미치게 된다. 대류 통공(126)은 본체의 지지벽, 가열부재 및 피처리물의 위치를 고려하여 연기를 효율적으로 배출할 수 있도록 위치가 정해지도록 하는 것이 바람직하다.
예시된 실시예에서, 히터 본체(14)는 고온 가열부재(114)가 사용될 때 본체(14)에서 크랙이 생성되는 것을 방지하기 위하여 극저 열팽창 세라믹재료로 제작된다. 상기 세라믹 재료의 일예는 도2A 및 도3A에 도시된 복사전열 히터와 관련하여 이미 설명된 바 있다.
복사전열 히터(110)는 제1 및 제2 단부(14A)(14B) 사이에 본체(14)의 길이에 상당하게 연장된 한 개의 가열부재(114)를 포함한다. 가열부재(114)는 석영관(134) 내부에 장입된 할로겐-텅스텐 부재(130)를 포함한다. 할로겐-텅스텐 램프(114)는 할로겐 램프로도 불리워 진다. 할로겐-텅스텐 부재(130)는 단파장 적외선 가열을 제공하며, 약 190W/in2(29W/cm2)의 와트 밀도를 갖는다. 할로겐-텅스텐 부재(130)는 약 2초의 에너지 충만 또는 가열 시간을 갖는다. 일실시예에서, 할로겐-텅스텐 부재는 선명하고 투명한 고순도의 석영재료로 성형된다. 다른 실시예에서, 할로겐-텅스텐 부재(130)는 루비 석영관에 장입되어, 적외선 에너지의 대부분은 전달하면서 할로겐-텅스텐 부재로부터 방사되는 가시광은 흡수되도록 한다.
홀더 부재(118)는 가열부재(114)가 본체(14)의 내부 공간 안에서 지지 및 유지되도록 한다. 한 개의 홀더 부재(118)는 히터 본체(14)의 양 단부(14A)(14B)에 인접한 가열부재(114)의 각 단부를 지지한다. 홀더 부재(118)는 또한 저열팽창 계수를 갖는 경질의 절연세라믹 재료로 제작된다. 예시된 실시예에서, 세라믹 재료는 스테아타이트이다. 홀더 부재(118)를 제작함에 있어서는 다른 화학조성을 갖는 무팽창 세라믹 재료가 사용될 수도 있을 것이다.
도14A-14C 및 도15에서, 홀더 부재(118)는 한 쌍의 윗쪽으로 연장된 플랜지(142)(146)를 갖는 본체부(138)와, 한 쌍의 아래쪽으로 연장된 돌기(150)(154)를 포함하고 있다. 상기 플랜지(142)(146)는 가열부재(114)의 일단부를 수용하기 위한 채널(158)을 형성한다. 일실시예에서, 가열부재(114)는 마찰결합이나 압착결합을 통해서 채널(158) 내부에 유지되는바, 그 외의 다른 메커니즘을 통해서 가열부재(114)가 채널(158) 내부에 고정되도록 할 수도 있을 것이다. 다른 실시예에서, 가열부재(114)는 채널(158) 내부에 놓여지며, 가열부재로부터 와이어 부재가 연장되어 장착헤드(30)에 결합됨으로써 가열부재(114)로 하여금 원래 놓여진 위치에서 지지되도록 할 수도 있다. 본체부(138)는 외측으로 연장된 단턱부(162)를 포함하며, 이 단턱부는 반사체(122)가 본체(14) 내부에 지지되도록 하는 역할을 한다.
각 홀더 부재(118)를 히터(110)의 본체(14)에 결합시키기 위하여, 제1 돌기(150)는 본체(14)의 지지벽(34)에 형성된 통공(166)(도12)에 끼워진다. 일실시예에서, 돌기(150)는 마찰력이나 압착력 또는 고온 세멘트에 의해 본체(14)에 고정된다. 이와 동일하게 제1 돌기(154) 역시도 지지벽(34)에 형성된 제2 통공에 끼워져서 동일한 방식으로 고정된다. 홀더 부재(118)를 보다 확실하게 본체(14)에 고정시키기 위해서는, 고온에서도 견딜 수 있는 고온 세멘트나 접착제를 사용하여 홀더 부재(118)와 본체(14)를 접착시키면 된다. 가열부재(118)의 고온 작동온도에서 홀더 부재(118)가 본체(14)로부터 분리되는 것을 방지하기 위해서는 고온 세멘트를 필요로 한다. 세멘트의 일예는 도2A 및 도3A에 도시된 복사전열 히터용 지지판(22)과 관련하여 이미 설명된 바 있다.
다른 실시예에서, 홀더 부재를 본체에 결합시키기 위하여 추가적인 기계적 수단이 사용될 수 있다. 예를 들면, 홀더 부재(118)는 한 쌍의 아랫쪽으로 연장된 돌기(150)(154)를 포함하며, 제1 돌기(150)는 그 내부로 기계적인 조임구(도면 미도시)를 수용하기 위한 슬롯을 포함한다. 그리고, 적어도 제1 돌기(150)는 부착의 편의를 위하여 상대적으로 큰 길이를 구비한다. 홀더 부재(118)를 히터(110)의 본체(14)에 결합시키기 위하여, 제1 돌기(150)는 본체(14)의 지지벽(34)에 형성된 통공(166)에 끼워지며, 와이어 조임구 클립(도면 미도시)이 제1 돌기(150)의 슬롯을 통하여 슬라이드되어 홀더 부재(118)가 히터 본체(14)로부터 떨어져 나가지 않도록 유지시킨다. 일실시예에서, 돌기(150)는 마찰력이나 압착력에 의해 본체(14)에 고정된다. 도14A-14C와 관련하여 이미 설명한 바와 같이, 홀더 부재(118)를 본 체(14)에 보다 강력하게 고정시키기 위해서는, 고온에서 견딜 수 있는 고온 세멘트나 접착제로 홀더 부재(118)와 본체(14)를 접착시키면 된다.
반사체(122)는 가열부재(114)와 본체(13)의 지지벽(34) 사이의 히터(110)에 위치하게 된다. 도16A 및 도16B에는 복사전열 히터(110)에 사용되는 포물선형 반사체(122)가 일실시예로 도시되어 있다. 포물선형 반사체(122)와 관련하여, 포물선은 y2=4px 의 관계식으로서, 이때 포물선의 촛점은 (0,p)에 있다. 거리 p는 반사표면(170)이 금으로 도포된 때에 중요하게 된다. 상기 포물선 관계식은 반사체(122)의 평균 두께를 고려하여야 한다. 포물선 반사체(122)를 형성하기 위하여, 반사체(122)는 도7A 및 7B와 관련하여 설명한 바와 같이 제작되어야 하는바, 알루미나 테이프는 포물선 형태를 달성하기 위해서 포물선 형상의 몰드상에서 소결되어야 한다. 반사체 몰드는 소정의 포물선 형태, 용도별 초점 및 반사체(122)와 가열부재(114) 사이의 소정거리 등을 고려하여 설계되어야 한다.
반사체(122)는 히터 본체(14)의 내부 공간(54)에 들어맞는 크기의 길다란 포물선형 본체를 구비한다. 예시된 실시예에서, 반사체(122)는 홀더 부재(118)에 의해 정착 지지되어 반사체(122)로 하여금 본체(14) 내부에서 유동 및 팽창이 이루어질 수 있도록 하고 있다. 도10A 및 도15와 관련하여, 반사체(122)는 내부 공간(54) 안에서 길이방향 및 폭방향으로 슬라이드가 가능한바, 반사체(122)의 단부는 홀더 부재(118)의 걸림턱(162)과 본체(14) 사이의 채널(174)(도15) 내부에서 슬라이드된다. 예시된 실시예에서, 반사체(122)의 각 단부는 한 쌍의 돌기(176)를 포함한다. 복사전열 히터(10)가 조립되었을 때, 반사체(122)의 돌기(176)들은 반사체(122)를 히터 본체(14)에 지지하기 위한 홀더 부재(118)에 의해서 마련된 채널(174)에 끼워진다. 그리고, 홀더 부재(118)는 반사체(122)와 본체(14)의 지지벽(34)이 서로 간격을 유지하도록 함으로써 히터(110)를 통한 에어 갭 절연재(air gap insulator)를 제공한다.
적어도 반사체(122)의 반사표면(170)은 돔형 패턴이나 요홈 패턴 또는 돌조를 포함함으로써 복사에너지에 대한 보다 증대된 반사가 이루어지도록 한다. 일실시예에서, 돌조는 반사체(122)에 대하여 보다 높은 반사율을 제공한다. 일실시예에서, 반사체(122)는 백금 반사표면을 포함한다. 다른 실시예에서, 복사전열 히터(110)는 반사체 유약(상술한 바의)에 의해 성형된 백색 반사표면을 갖는 반사체(122)를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 한 쌍의 돌기는 반사체(122)의 반사표면에 접착되어 반사체(122)로 하여금 본체(14)의 길이방향으로 이동가능하도록 하는 한편, 포물선형 반사판(122)이 본체(14) 내부에서 그 중심을 유지하도록 한다. 돌기들은 저열팽창 계수를 갖는 경질의 세라믹 재료로 제작된다. 예시된 실시예에서, 세라믹 재료는 스테아타이트이다. 돌기들을 반사체(122)의 반사표면에 고정시키기 위하여, 고온에서 견딜 수 있는 고온 세멘트나 접착제로 돌기들을 반사체(122)에 접착시킨다. 가열부재(114)의 고온 동작온도에서 돌기들이 본체(14)로부터 분리되는 것을 방지하기 위해서 고온 세멘트를 필요로 한다.
그와 같은 세멘트의 일예는 도2A 및 3A에 도시된 복사전열 히터(10)용 지지 판(22)과 관련하여 이미 설명된바 있다.
도11A 및 11B는 본 발명에 따른 다른 실시예의 복사전열 히터(210)를 도시하고 있다. 복사전열 히터(210)는 도10A-10B에 도시된 히터(110)와 유사하며, 그에 따라 동일한 구성 부재에 대하여는 동일한 도면 부호를 부여하였다. 복사전열 히터(210)는 제1 및 제2 단부(14A)(14B) 사이의 본체(14) 길이에 상당하게 연장된 한 쌍의 가열부재(114)를 포함하며, 이때 각 가열부재(114)는 한 쌍의 홀더 부재(118)에 의해서 지지된다. 각 가열부재(114)는 석영관(134)에 장입된 할로겐-텅스텐 부재(130)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 할로겐-텅스텐 가열부재(114)는 서로 떨어져 있다. 두 개의 할로겐-텅스텐 부재(114)를 사용함으로써 히터(210)의 파장과 최종적인 복사에너지에 대한 최적화가 가능해지게 된다. 다른 실시예에서, 할로겐-텅스텐 부재(114)는 루비 석영관에 장입되어 가열부재(114)로부터 방출되는 빛을 감소시킨다.
도17에서, 히터(210)는 본체(14)의 각 단부에 형성되어 각기 홀더 부재(118)를 수용하는 두 쌍의 통공(214)을 포함한다. 또한 본체(14)는 이미 설명된 바의 연기를 분산시키기 위하여 본체(14)의 지지벽(34)에 형성된 대류 통공(126)을 포함한다.
도11A 및 11B에 도시된 복사전열 히터(210)는 도7A-7B와 관련하여 설명한 바의 가열부재(114)로부터의 열을 피처리물(도면 미도시) 측으로 방향전환시키기 위한 평탄형 반사체(218)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 평탄형 반사체(218)는 본체(14) 내부에 장착되는 가열부재(114)의 숫자에 기인하여 오히려 포물선형 반사 체(122)보다 선호된다.
일실시예에서, 반사체(218)는 금 반사표면을 포함한다. 다른 실시예에서, 반사체(218)는 백금 반사표면을 포함하며, 또 다른 실시예에서 복사전열 히터(210)는 반사체 유약(기 설명된 바의)에 의해 성형된 백색 반사표면을 갖는 반사체(218)를 포함한다.
도18A 및 18B는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복사전열 히터(310)를 보여주고 있다. 복사전열 히터(310)는 도10A 및 10B에 도시된 복사전열 히터(110)과 유사하며, 이에 따라 동일 부재에 대하여는 동일한 도면부호를 부여하였다. 복사전열 히터(310)는 제1 및 제2 단부(14A)(14B) 사이에서 본체(14) 길이에 상당하게 연장된 가열부재(314)를 포함한다. 가열부재(314)는 석영관(322)에 장입된 카본부재(318)를 포함한다. 카본부재(318)는 중파장 적외선 가열을 제공하며, 약 75W/in2(12W/in2)의 와트 밀도를 갖는다. 카본부재(318)는 약 2초의 에너지충전 또는 달굼 시간을 갖는다.
가열부재(314)는 앞서 설명한 바와 같이 한 쌍의 홀더 부재(118)에 의해서 지지된다. 도12에서, 히터(310)는 각각의 홀더 부재(118) 수용을 위해서 본체(14)의 각 단부상에 형성된 통공(166)을 구비한다. 본체(14)는 또한 앞서 설명한 바와 같이 연기를 분산시키기 위하여 본체(14)의 지지벽(34)에 형성된 대류 통공(126)을 포함한다.
도18A 및 18B에 도시된 복사전열 히터(310)는 본체(14)의 가열부재(314)로부 터 발생된 열이 피가열물(도면 미도시)을 향해 방향을 전환하도록 하는 포물선형 반사체(326)를 포함하고 있다. 반사체(326)는 기설명된 바의 반사체 유약에 의해 형성된 금 반사표면, 백금 반사표면 또는 백색 반사표면을 포함한다.
도19A 및 19B는 본 발명에 따른 다른 실시예의 복사전열 히터(410)를 보여주고 있다. 복사전열 히터(410)는 도18A 및 18B에 도시된 복사전열 히터(310)와 유사하며, 이에 따라 동일 부재에 대하여는 동일한 도면부호를 부여하였다. 복사전열 히터(410)는 제1 및 제2 단부(14A)(14B) 사이에서 본체(14) 길이에 상당하게 연장된 가열부재(314)를 포함한다. 각 가열부재(314)는 한 쌍의 홀더 부재(118)에 의해서 지지된다. 각 가열부재(314)는 석영관(322)에 장입된 카본부재(318)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 카본 가열부재(314)는 서로 이격되어 있다. 두 개의 카본부재(318)를 사용함으로써 히터(410)의 파장과 최종적인 복사에너지를 용도에 맞춰서 최적화할 수 있다.
도17에서, 히터(410)는 각각의 홀더 부재(118) 수용을 위하여 본체(14)의 각 단부에 두 쌍의 통공(214)을 포함하고 있다. 본체(14)는 또한 지지벽(34) 내에 대류 통공(126)이 형성되어 전술한 바와 같이 연기를 분산시킨다.
도19A 및 19B에 도시된 복사전열 히터(410)는 본체(14)의 가열램프(314)에서 발생된 열의 방향을 전환시켜 피처리물(도면 미도시)로 향하도록 하는 평탄형 반사체(414)를 포함하고 있다. 예시된 실시예에서, 평탄형 반사체(414)는 본체(14) 내부에 설치되는 가열부재(314)의 숫자에 기인하여 포물선형 반사체에 비해 선호된다. 상기 반사체(414)는 기 설명된 바의 반사체 유약에 의해 형성된 금 반사표면, 백금 반사표면 또는 백색 반사표면을 포함한다.
도20A 및 20B는 본 발명에 따른 다른 실시예의 복사전열 히터를 보여주고 있다. 복사전열 히터(510)는 도18A 및 18B에 도시된 복사전열 히터(310)과 유사하며, 이에 따라 동일 부재에 대하여는 동일한 도면부호를 부여하였다. 복사전열 히터(510)는 제1 및 제2 단부(14A)(14B) 사이에서 본체(14) 길이에 상당하게 연장된 가열부재(314)를 포함한다. 각 가열부재(314)는 석영관(322)에 장입된 카본부재(318)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 카본 가열부재(318)는 서로 이격되어 있다. 두 개의 카본부재(318)를 사용함으로써 히터(510)의 파장과 최종적인 복사에너지를 용도에 맞춰서 최적화할 수 있다.
두 개의 가열부재(314)는 한 쌍의 홀더 부재(118)에 의해서 지지되며, 두 개의 지지판(22)은 가열부재(314)가 본체(14) 내부에 유지되도록 한다. 도17에서, 히터(510)는 각각의 홀더 부재(118)를 수용하기 위하여 본체(14)의 각 단부에 형성된 세 쌍의 통공(214)을 포함한다. 본체(14)는 지지벽(34)에 형성되어 연기를 분산시키는 대류 통공(126)을 포함한다. 한 개의 지지판(22)은 본체의 각 단부에 위치하며, 지지판(22)의 일부분이 가열부재(314)의 단부와 겹쳐지게 결합된다.
도20A 및 20B에 도시된 복사전열 히터(510)는 본체(14)의 가열램프(314)에서 발생된 열의 방향을 전환시켜 피처리물(도면 미도시)로 향하도록 하는 평탄형 반사체(518)를 포함하고 있다. 예시된 실시예에서, 평탄형 반사체(518)는 본체(14) 내부에 설치되는 가열부재(314)의 숫자에 기인하여 포물선형 반사체에 비해 선호된다. 상기 반사체(518)는 기 설명된 바의 반사체 유약에 의해 형성된 금 반사표면, 백금 반사표면 또는 백색 반사표면을 포함한다.
본 발명의 복사전열 히터는 단일 장치에서 가열부재로 하여금 상이한 파장으로 사용될 수 있도록 한다. 예를 들면, 일실시예에서 단일 히터는 두 개의 가열부재를 포함하는데, 그 중 하나는 단파장을 전달하며, 다른 하나는 중간파장을 전달한다. 따라서, 복사전열 히터는 상이한 가열 부재를 이용함으로써 단일 장치로서 단파장, 중간파장 또는 장파장을 전달할 수가 있다. 상이한 파장을 갖는 복수 부재의 사용을 통해서 히터의 파장과 최종적인 복사에너지를 용도에 맞춰서 최적화할 수 있게 된다.
도21A 및 21B는 본 발명에 따른 다른 실시예의 복사전열 히터(610)를 보여주고 있다. 복사전열 히터(610)는 도11A-11B 및 19A-19B에 도시된 복사전열 히터(210)(410)과 유사하며, 이에 따라 동일 부재에 대하여는 동일한 도면부호를 부여하였다. 복사전열 히터(610)는 제1 및 제2 단부(14A)(14B) 사이에서 본체(14) 길이에 상당하게 연장된 가열부재(614A)(614B)를 포함하며, 각각의 가열부재는 한 쌍의 홀더 부재(118)에 의해서 지지된다. 한 개의 가열부재(614A)는 석영관(622)에 장입된 할로겐-텅스텐 부재(618)를 포함하며, 다른 가열부재(614B)는 석영관(622) 내부에 장입된 카본부재(626)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 가열부재(614A)(614B)는 서로 이격되어 있다. 다른 실시에에서 할로겐-텅스텐 부재(618)는 루비 석영관에 장입되어 가열부재(614A)로부터 방사되는 빛을 감소시킨다.
도17에서, 히터(610)는 각각의 홀더 부재(118)를 수용하기 위하여 본체(14)의 각 단부에 형성된 두 쌍의 통공(214)을 포함한다. 본체(14)는 지지벽(34)상에 형성된 대류 통공(126)을 구비하여 연기를 분산시킨다.
도21A 및 21B에 도시된 복사전열 히터(610)는 본체(14)의 가열부재(614A)(614B)에서 발생된 열의 방향을 전환시켜 피처리물(도면 미도시)로 향하도록 하는 평탄형 반사체(630)를 포함하고 있다. 예시된 실시예에서, 평탄형 반사체(630)는 본체(14) 내부에 설치되는 가열부재의 숫자에 기인하여 포물선형 반사체에 비해 선호된다. 상기 반사체(630)는 기 설명된 바의 반사체 유약에 의해 형성된 금 반사표면, 백금 반사표면 또는 백색 반사표면을 포함한다.
도22A 및 22B는 본 발명에 따른 다른 실시예의 복사전열 히터(710)를 보여주고 있다. 복사전열 히터(710)는 도20A-20B 및 21A-21B에 도시된 복사전열 히터(310)(610)와 유사하며, 이에 따라 동일 부재에 대하여는 동일한 도면부호를 부여하였다. 복사전열 히터(710)는 제1 및 제2 단부(14A)(14B) 사이에서 본체(14) 길이에 상당하게 연장된 세 개의 가열부재(614A)(614B)(614C)를 포함한다. 중간 가열부재(614A)는 석영관(622)에 장입된 할로겐-텅스텐 부재(618)를 포함하며, 외측 가열부재(614B)(614C)는 석영관(622) 내부에 장입된 카본부재(626)를 포함한다. 다른 실시에에서 할로겐-텅스텐 부재(618)는 루비 석영관에 장입되어 가열부재(614A)로부터 방사되는 빛을 감소시킨다.
각 가열부재((614A-614C)는 한 쌍의 홀더 부재(118)에 의해서 지지되며, 두개의 지지판(22)이 본체(14) 내에서 가열부재가 유지될 수 있도록 한다. 도17에서, 히터(710)는 각각의 홀더 부재(118)를 수용하기 위하여 본체(14)의 각 단부에 형성된 세 쌍의 통공(214)을 포함한다. 또한, 본체(14)는 전술한 바와 같이 연기 분산을 위하여 본체(14)의 지지벽(34)에 형성된 대류 통공(126)을 포함한다. 하나의 지지판(22)은 본체(14)의 각 단부에 위치하며, 지지판(22)의 일부분이 가열부재(614A-614C)의 단부와 중첩되게 결합되어 있다.
도22A 및 22B에 도시된 복사전열 히터(710)는 본체(14)의 가열부재(614A-614C)에서 발생된 열의 방향을 전환시켜 피처리물(도면 미도시)로 향하도록 하는 평탄형 반사체(714)를 포함하고 있다. 예시된 실시예에서, 평탄형 반사체(714)는 본체(14) 내부에 설치되는 가열부재의 숫자에 기인하여 포물선형 반사체에 비해 선호된다. 상기 반사체(714)는 기 설명된 바의 반사체 유약에 의해 형성된 금 반사표면, 백금 반사표면 또는 백색 반사표면을 포함한다.
다수의 가열부재를 사용하는 복사전열 히터에 있어서, 가열부재는 히터의 파장과 최종적인 복사에너지를 요구되는 수중으로 맞추기 위하여 개별적으로 에너지 충진이 이루어질 수 있다는 점이 이해되어야 할 것이다. 일실시예에서, 가열부재(개별적으로 또는 조합해서)의 에너지 충전 및 에너지 방출은 콘트롤러의 제어에 의해서 이루어지게 된다.
상술된 복사전열 히터 구성부재들은 맞춤형 히터 제작에 이용되어질 수 있을 것이다. 예를 들면, 사용자는 필요로 하는 파장, 최종 복사에너지, 본체 크기, 하우징 구조 등을 지정할 수가 있으며, 복사전열 히터는 범용적인 크기의 본체, 홀더 부재, 지지판, 장착헤드, 반사체 및 가열부재를 사용한 소정의 사양으로 제작되어질 수 있다.
상술된 실시예 및 도면은 단순히 예시적인 것일 뿐으로 본 발명의 개념이나 원리를 제한하려는 것은 아니다. 그와 같은 맥락에서 본 발명이 속한 분야의 전문가라면 본 발명의 기술적 사상과 범위를 벗어나지 않고서 구성 부재와 형상 및 구조에 대한 에 대한 다양한 변화를 행할 수 있다는 점이 이해되어야 할 것이다.

Claims (33)

  1. 박스 형상을 구비하며, 내부 공간을 형성함과 아울러 지지벽과 지지벽 반대편의 개방단부를 포함하고, 적어도 부분적으로 페탈라이트(Petalite)를 포함하는 극저 열팽창(ultra-low thermal expansion) 세라믹 재료로 성형되는 히터본체;
    본체의 길이에 상당하게 연장되며, 본체의 개방 단부측으로 에너지가 향하도록 위치하는 가열부재; 와
    세라믹 재료로 형성되며 상기 본체에 결합되는 적어도 하나의 장착헤드;
    로 구성됨을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 본체의 지지벽은 내부 공간에 축적되는 연기를 분산시키기 위하여 적어도 하나의 통공을 포함하는 것을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  4. 제1항에 있어서, 본체의 지지벽과 가열부재 사이에 위치하는 반사체를 부가적으로 구비하며, 이때 반사체는 가열부재에서 발생된 열이 방향을 바꿔서 본체의 개방단부측을 향하도록 함을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  5. 제1항에 있어서, 가열부재는 석영관에 장입된 와이어 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 석영관은 투명인 것을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  7. 제5항에 있어서, 상기 석영관은 루비 석영관인 것을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  8. 제5항에 있어서, 상기 와이어 부재는 저항선 부재, 할로겐-텅스텐 부재 및 카본 부재로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  9. 제8항에 있어서, 상기 저항선 부재는 페라이트 합금을 성형됨을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  10. 제1항에 있어서, 상기 가열부재는 단파장 가열부재, 중파장 가열부재 및 장파장 가열부재로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  11. 제1항에 있어서, 상기 가열부재는 본체의 길이에 상당하게 연장되는 다수의 가열부재들을 포함하는 것을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  12. 제11항에 있어서, 각 가열부재는 석영관에 장입된 와이어 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  13. 제12항에 있어서, 상기 석영관은 쌍공 튜브이고, 각 구멍에는 하나의 와이어 부재가 포함되는 것을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  14. 제11항에 있어서, 적어도 하나의 가열부재는 단파장 가열부재이고, 적어도 하나의 가열부재는 중파장 가열부재인 것을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  15. 제1항에 있어서, 본체의 양 단부측에 위치하며 본체의 폭 길이에 상당하게 연장된 한 쌍의 지지판을 부가적으로 구비하며, 이때 상기 지지판은 가열부재가 제위치에서 유지되도록 지지하는 것을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  16. 제1항에 있어서, 히터 본체의 양 단부측에 위치하며, 본체의 지지벽에 결합되어 각기 가열부재의 일단부를 본체에 결합시키는 홀더 부재를 부가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  17. 삭제
  18. 제4항에 있어서, 상기 반사체는 실질적으로 평면인 것을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  19. 제4항에 있어서, 상기 반사체는 실질적으로 포물선형인 것을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  20. 제4항에 있어서, 상기 반사체의 반사표면은 돔형 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  21. 제4항에 있어서, 상기 반사체의 반사표면은 백색 반사코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  22. 제4항에 있어서, 상기 반사체의 반사표면은 금 반사코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 복사전열 히터.
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 건조나 가열공정에 사용되는 산업용 가열장치로서:
    피처리재의 처리경로에 인접하여 위치하는 하우징; 및
    상기 하우징 내부에 장입되며 처리경로를 향하는 복사전열 히터로 이루어지되, 상기 복사전열 히터는,
    박스 형상으로서 내부공간을 형성하며 지지벽과 지지벽 양편의 처리경로를 향하는 개방단부를 포함하고, 적어도 부분적으로 페탈라이트(Petalite)를 포함하는 극저 열팽창(ultra-low expansion) 세라믹 재료로 성형된 히터본체,
    본체의 길이에 상당하게 연장되고 에너지가 본체의 개방단부를 향하도록 위치하는 가열부재,
    본체의 지지벽과 가열부재 사이에 위치하여 그 표면을 통해서 가열부재로부터의 에너지가 본체의 개방단부로 방향이 전환되도록 하는 반사체, 및
    세라믹 재료로 형성되며 상기 본체에 결합되는 적어도 하나의 장착헤드로 이루어짐을 특징으로 하는 산업용 가열장치.
  30. 삭제
  31. 제29항에 있어서, 내부 공간에 축적되는 연기의 분산을 위한 적어도 한 개의 통공을 부가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 산업용 가열장치.
  32. 제29항에 있어서, 다수의 복사전열 히터는 하우징 내부에서 피처리재의 처리경로를 향하는 것을 특징으로 하는 산업용 가열장치.
  33. 제32항에 있어서, 적어도 두 개의 복사전열 히터의 가열부재는 서로 다른 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 산업용 가열장치.
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