KR102301312B1 - 급속 발열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 내부가 비어 있는 보호관과, 상기 보호관 내에 설치되는 전도성 세라믹 발열체와, 상기 보호관의 외부로 노출되도록 상기 전도성 세라믹 발열체의 양단에 설치되는 전극과, 상기 전도성 세라믹 발열체와 상기 보호관 사이를 절연시키기 위하여 상기 보호관 내에 충진되는 SiC 절연분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 발열장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 합선의 위험이 적고 내구성이 우수하며 발열 효율이 높고 제품 소형화에 유리하다.

Description

급속 발열장치{Apparatus for rapidly heating}

본 발명은 급속 발열장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래의 시즈히터(sheath heater)에 비하여 합선의 위험이 적고 내구성이 우수하며 발열 효율이 높고 제품 소형화에 유리한 급속 발열장치에 관한 것이다.

가열용 발열체로서 시즈히터(sheath heater)가 주로 사용되고 있다.

도 1은 종래의 일반적인 시즈히터(1)를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 시즈히터(1)는 금속 보호관(10)에 코일 모양의 니크롬선으로 이루어진 전열선(20)을 내장시킨 후 금속 보호관(10)과 전열선(20) 사이의 절연을 위하여 금속 보호관(10)의 내부를 MgO 분말(40)로 충진하여 얻어진다. 외부전원 인가를 위하여 전열선(20)의 양단에는 금속 보호관(10)의 외부로 노출되도록 터미널핀(30)이 설치된다.

그러나 상술한 종래의 시즈히터(1)는 다음과 같은 문제점을 갖는다.

첫째, 전열선(20)으로 사용되는 코일 모양의 니크롬선이 합선되지 않도록 구성되어야 하기 때문에 제품 소형화에 불리하다.

둘째, MgO 분말(40)이 45∼60W/m·k의 낮은 열전도도를 가지기 때문에 액체를 급속 가열시키가 어렵다.

셋째, MgO 분말(40)이 617J/kg·k의 높은 비열을 가지기 때문에 액체가열에 사용되어야 할 열 에너지의 많은 부분이 MgO 분말(40)의 온도를 올리는데 사용되어 열효율이 떨어진다.

대한민국 공개특허공보 제10-2019-0027029호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 합선의 위험이 적고 내구성이 우수하며 발열 효율이 높고 제품 소형화에 유리한 급속 발열장치를 제공함에 있다.

본 발명은, 내부가 비어 있는 보호관과, 상기 보호관 내에 설치되는 전도성 세라믹 발열체와, 상기 보호관의 외부로 노출되도록 상기 전도성 세라믹 발열체의 양단에 설치되는 전극과, 상기 전도성 세라믹 발열체와 상기 보호관 사이를 절연시키기 위하여 상기 보호관 내에 충진되는 SiC 절연분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 발열장치를 제공한다.

상기 전도성 세라믹 발열체는 전도성 SiC 소결체 재질로 이루어질 수 있다.

상기 전도성 세라믹 발열체는 반응소결 SiC로 이루어질 수 있다.

상기 전극은 전도성의 금속 또는 금속합금 재질로 이루어질 수 있다.

상기 전극은 전도성 SiC 소결체 재질에 전도성의 금속 또는 금속합금이 코팅되어 이루어질 수 있다.

상기 전극은 반응소결 SiC에 전도성의 금속 또는 금속합금이 코팅되어 이루어질 수 있다.

상기 SiC 절연분말로 입자 크기 별로 분급되어 서로 다른 평균입경을 갖는 적어도 2종의 분말을 혼합 사용하는 것이 바람직하다.

상기 SiC 절연분말로 20∼60㎛의 SiC 입자 50∼70wt%, 5∼20㎛의 SiC 입자 10∼30wt%, 0.5∼5㎛ SiC 입자 5∼20wt%를 혼합 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 급속 발열장치에 의하면, 합선의 위험이 적고 내구성이 우수하며 발열 효율이 높고 제품 소형화에 유리하다. 기존의 코일형 전열선(예컨대, 니크롬선) 대신에 막대 모양의 전도성 세라믹 발열체를 사용하기 때문에 제품 소형화에 유리하며, 기존의 MgO 분말 대신에 SiC 절연분말을 사용하기 때문에 열전도도 및 열효율이 향상되어 액체의 급속가열에 유리하다.

도 1은 종래의 일반적인 시즈히터(1)를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 급속 발열장치(100)를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 SiC 절연분말의 충진 밀도를 비교 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 급속 발열장치는, 내부가 비어 있는 보호관과, 상기 보호관 내에 설치되는 전도성 세라믹 발열체와, 상기 보호관의 외부로 노출되도록 상기 전도성 세라믹 발열체의 양단에 설치되는 전극과, 상기 전도성 세라믹 발열체와 상기 보호관 사이를 절연시키기 위하여 상기 보호관 내에 충진되는 SiC 절연분말을 포함한다.

상기 전도성 세라믹 발열체는 전도성 SiC 소결체 재질로 이루어질 수 있다.

상기 전도성 세라믹 발열체는 반응소결 SiC로 이루어질 수 있다.

상기 전극은 전도성의 금속 또는 금속합금 재질로 이루어질 수 있다.

상기 전극은 전도성 SiC 소결체 재질에 전도성의 금속 또는 금속합금이 코팅되어 이루어질 수 있다.

상기 전극은 반응소결 SiC에 전도성의 금속 또는 금속합금이 코팅되어 이루어질 수 있다.

상기 SiC 절연분말로 입자 크기 별로 분급되어 서로 다른 평균입경을 갖는 적어도 2종의 분말을 혼합 사용하는 것이 바람직하다.

상기 SiC 절연분말로 20∼60㎛의 SiC 입자 50∼70wt%, 5∼20㎛의 SiC 입자 10∼30wt%, 0.5∼5㎛ SiC 입자 5∼20wt%를 혼합 사용하는 것이 바람직하다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 급속 발열장치를 더욱 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 급속 발열장치(100)를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 급속 발열장치(100)는 내부가 비어 있는 보호관(110)과, 보호관(110)의 길이 방향으로 보호관(110) 내에 설치되는 전도성 세라믹 발열체(120)와, 보호관(110)의 외부로 노출되도록 전도성 세라믹 발열체(120)의 양단에 설치되는 전극(130)과, 전도성 세라믹 발열체(120)와 보호관(110) 사이를 절연시키기 위하여 보호관(110) 내에 충진되는 SiC 절연분말(140)을 포함한다.

보호관(110)은 내부가 비어 있는 파이프 모양의 관 형태로 이루어질 수 있다. 보호관(110)은 전도성 세라믹 발열체(120)와 SiC 절연분말(40)을 수용하는 공간을 제공한다. 보호관(110)은 내장되는 전도성 세라믹 발열체(120)를 보호하면서 전도성 세라믹 발열체(120)의 발열온도에 견딜 수 있는 물질로서 금속, 금속합금 등의 재질로 이루어질 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

전도성 세라믹 발열체(120)는 전도성 SiC 소결체, 바람직하게는 반응소결 SiC(Reaction bonded SiC)로 이루어지는 것이 바람직하다. 전도성 세라믹 발열체(120)는 두께보다 길이가 큰 형상으로서 막대 모양 등을 그 예로 들 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 종래에는 코일 모양의 전열선을 사용하였으나, 이러한 코일 모양의 전열선은 합선의 위험이 있고 코일 모양으로 인하여 제품의 소형화에 한계가 있는 단점이 있다. 그러나, 본 발명에서는 전도성 SiC 소결체 재질, 바람직하게는 반응소결 SiC 재질의 전도성 세라믹 발열체(120)를 사용하기 때문에 합선의 염려가 없고, 제품 소형화에도 유리한 장점이 있다. 특히, 전도성 세라믹 발열체(120)로 사용되는 반응소결 SiC는 경도, 기계적강도 및 고온강도가 우수하고, 내산화성이 우수하며, 높은 열전도도, 낮은 열팽창계수, 우수한 내열충격성을 나타내고, 발열 특성이 우수한 장점이 있다.

상기 반응소결 SiC는 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있다.

SiC 분말, 탄소(C) 분말 및 바인더를 혼합한다. 상기 SiC 분말은 α-SiC 분말일 수 있다. Si 원소 1 몰을 기준으로 한 탄소(C) 원소의 몰비(C/Si)가 10∼50 범위, 바람직하기로는 20∼30 범위가 되도록 상기 SiC 분말과 탄소(C) 분말의 함량을 조절하는 것이 바람직하다. 상기 바인더는 SiC 분말과 탄소(C) 분말을 결합시키는 역할을 하며, 폴리비닐알콜(PVA), 파라핀왁스와 같은 유기물로 이루어질 수 있다. 상기 바인더는 SiC 분말 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 SiC 분말, 상기 탄소(C) 분말 및 상기 바인더의 혼합물을 성형한다. 상기 성형은 압축 성형, 정수압 성형 등의 다양한 방법을 이용할 수 있다.

성형체를 탈지하여 바인더가 제거되게 한다. 상기 탈지는 400∼900℃ 정도의 온도에서 열처리하여 수행할 수 있다. 상기 열처리에 의해 유기물 성분인 바인더는 태워져 없어지게 된다.

SiC-C 성형체를 도가니 등의 용기에 담은 후, 1450∼1600℃ 정도의 온도로 유지하면서 용융 Si를 SiC-C 성형체에 침윤(또는 함침) 시키면서 소결하여 반응소결 SiC를 제조한다. 상기 침윤은 10^-1 torr 이하의 압력, 바람직하기로는 10^-2∼10^-1 torr 정도의 진공 상태에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 용융 Si는 고순도 Si 분말이나 잉곳(Ingot)이 용해된 것이다. 상기 용융 Si는 SiC-C 성형체 내에 탄소(C) 기준으로 10∼200 몰% 정도가 함유되게 하는 것이 바람직하다.

SiC-C 성형체에 임베딩(Embedding)된 Si가 C와의 반응으로 β-SiC를 형성, 입자 간 결합이 이루어지며, 잔류 기공을 용융 Si가 채워 치밀한 구조의 SiC가 형성된다. 반응소결에 의해 외부로부터 공급된 용융 Si가 C와 반응하여 탄화규소를 합성하면서 성형체 내부로 침윤(active infiltration)되어 기공이 없는 치밀한 미세구조를 갖는 반응소결 SiC가 제조되게 된다.

이렇게 제조된 반응소결 SiC는 경도, 기계적강도 및 고온강도가 우수하고, 내산화성이 우수하며, 높은 열전도도, 낮은 열팽창계수, 우수한 내열충격성을 나타내고, 발열 특성이 우수한 장점이 있다. 종래에는 금속으로 이루어진 코일 모양의 전열선을 사용하였으나, 급속 발열장치를 장기간 사용함에 따라 금속으로 이루어진 코일 모양의 전열선이 산화되거나 하여 내구성이 떨어지고 발열 성능이 떨어지는 단점이 있었으나, 반응소결 SiC는 내산화성이 우수하여 장기간 사용에도 내구성이 유지될 수 있고 발열 특성이 장기간 유지될 수 있는 장점이 있다.

외부전원 인가를 위한 전극(130)은 보호관(110)의 외부로 노출되도록 전도성 세라믹 발열체(120)의 양단에 설치된다. 전극(130)은 Ni 금속 등과 같은 전도성 물질로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 전도성 세라믹 발열체(120)를 구성하는 전도성 SiC 소결체 재질(바람직하게는 반응소결 SiC 재질)에 Ag, Ni 등과 같은 전도성 물질을 코팅하여 형성할 수도 있다.

전도성 세라믹 발열체(120)와 전극(130)은 일체형으로 제조하여 사용할 수도 있고, 전도성 세라믹 발열체(120)와 전극(130)을 각각 별도로 제조한 후 접합 등의 방법으로 결합하여 사용할 수도 있다. 전도성 세라믹 발열체(120)와 전극(130)을 일체형으로 제조하는 경우에는 전도성 세라믹 발열체(120)를 구성하는 부분과 전극(130)을 구성하는 부분을 SiC 소결체 재질로 함께 제작한 후, 전극(130)을 구성하는 부분에 해당하는 SiC 소결체 재질 위에 Ag, Ni 등과 같은 전도성 물질을 코팅함으로써, 전도성 세라믹 발열체(120)와 전극(130)을 일체형으로 제조할 수 있다.

보호관(110)과 전도성 세라믹 발열체(120) 사이의 절연을 위하여 보호관(110)의 내부를 SiC 절연분말(140)로 충진한다. 본 발명에서는 산화물인 MgO 분말(40) 대신에 비산화물인 SiC 절연분말(140)을 사용하는 것을 특징으로 하는데, SiC 절연분말은 열전도도가 175W/m·k로서 산화마그네슘(MgO)보다 크고 비열이 0.68J/kg·k로서 산화마그네슘(MgO)보다 작다. 따라서, SiC 절연분말(140)을 사용함으로써 MgO 분말을 사용한 경우에 비하여 순간적인 급속 가열에 유리한 장점이 있다.

SiC 절연분말(140)은 일반적으로 실리카(SiO₂) 분말과 탄소원을 혼합하여 탄소열환원법(Carbothermal reduction)을 이용하는 아케슨 방법(Acheson process)으로 합성될 수 있다.

또한, 자전고온합성법(Self-propagation high-temperature synthesis, SHS), 졸-겔(sol-gel)법 등의 방법으로도 제조할 수 있다.

자전고온합성법에 의한 SiC 합성은 실리콘(Si)과 탄소(C)의 직접반응에 의해 SiC 합성을 유도하는 것으로, 불순물의 함유가 적어 비산화물계 세라믹스의 합성에 유리한 이점을 가지고 있다.

졸-겔법은 액상의 실리콘(Si)원과 탄소(C)원을 균일하게 혼합하여 하이브리드 겔(hybrid gel)을 제조한 후, 고온 반응을 거쳐 고순도 SiC 절연분말을 합성하는 방법이다.

이외에도 특허등록공보 제10-1268875호에 제시된 방법으로도 SiC 절연분말을 합성할 수가 있다.

이러한 SiC 절연분말(140)은 입자 크기 별로 분급하여 입자 크기가 다른 2종, 더욱 바람직하게는 3종 이상의 분말을 혼합 사용하는 것이 바람직하다. 입자 크기가 큰 SiC 절연분말과 입자 크기가 상대적으로 작은 SiC 절연분말을 혼합하는 경우에 입자 크기가 큰 SiC 절연분말들끼리 혼합하는 경우에 비하여 충진 밀도를 높일 수가 있다. 충진밀도를 높이기 위한 바람직한 일 예로서, 20∼60㎛의 SiC 입자 50∼70wt%, 5∼20㎛의 SiC 입자 10∼30wt%, 0.5∼5㎛ SiC 입자 5∼20wt%를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

도 3a에서와 같이 SiC 절연분말이 모두 동일한 크기를 가지게 되면 치밀한 충진이 이루어지지 못하기 때문에, 도 3b에서와 같이 서로 다른 크기의 SiC 절연분말이 혼합되어 충진되는 것이 바람직하다. 효율적인 충진을 위하여 진동장치나 기타 적합한 장입기구를 사용할 수도 있다.

급속 발열장치(100)는 보호관(110)에 전도성 세라믹 발열체(120)와 전극(130)을 내장시킨 후 보호관(110)과 전도성 세라믹 발열체(120) 사이의 절연을 위하여 보호관(110)의 내부를 SiC 절연분말(140)로 충진하여 제조할 수 있다. 보호관(110)의 양단은 보호관 외부로 노출되는 전극(130)과 보호관(110)의 틈새를 유리질이나 에폭시 수지와 같은 밀봉제를 사용하여 밀봉한다.

본 발명에 의하면, 기존의 코일형 전열선(예컨대, 니크롬선) 대신에 전도성 세라믹 발열체(120)를 사용하기 때문에 녹슬지 않고 내구성이 우수할 뿐만 아니라 합선의 위험이 없고 제품 소형화에 유리하며, MgO 분말 대신에 SiC 절연분말(140)을 사용하기 때문에 열전도도 및 열효율이 향상되어 급속가열에 유리하다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

100: 급속 발열장치
110: 보호관
120: 전도성 세라믹 발열체
130: 전극
140: SiC 절연분말

Claims (8)

1. 내부가 비어 있는 보호관;
   상기 보호관 내에 설치되는 전도성 세라믹 발열체;
   상기 보호관의 외부로 노출되도록 상기 전도성 세라믹 발열체의 양단에 설치되는 전극; 및
   상기 전도성 세라믹 발열체와 상기 보호관 사이를 절연시키기 위하여 상기 보호관 내에 충진되는 SiC 절연분말을 포함하며,
   상기 전도성 세라믹 발열체는 반응소결 SiC로 이루어지고,
   상기 전극은 반응소결 SiC에 전도성의 금속 또는 금속합금이 코팅되어 이루어지며,
   상기 반응소결 SiC는 SiC-C 성형체 내에 용융 Si가 탄소(C) 기준으로 10∼200 몰% 침윤되면서 소결된 것이며,
   상기 SiC 절연분말로 입자 크기 별로 분급되어 서로 다른 평균입경을 갖는 적어도 2종의 분말을 혼합 사용하고,
   상기 SiC 절연분말로 20∼60㎛의 SiC 입자 50∼70wt%, 5∼20㎛의 SiC 입자 10∼30wt%, 0.5∼5㎛ SiC 입자 5∼20wt%를 혼합 사용하는 것을 특징으로 하는 급속 발열장치.
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