KR19990028880A - 가요성 단열 히터 - Google Patents

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KR19990028880A
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데이나 에스. 하우슐츠
데니얼 이. 힐튼
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와틀로 일렉트릭 매뉴팩츄어링 컴파니
블랙브로우 폴
에이치피에스 디비전, 엠케이에스 인스트루먼츠, 인코퍼레이티드
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Abstract

가요성 단열 히터는 단열 재킷에 의하여 둘러싸여진 히터 매트로 이루어진다. 히터 매트는 적층 시트 사이에 끼워지는 저항성 히터 와이어와 함께 적층되는 고무 시트를 강화시키는 2개의 유리섬유 층으로 바람직하게 만들어진다. 히터 매트는 가열될 파이프의 주변표면 주위에서 가지런히 끼워맞춤되기 위한 곡률 및 크기를 가지고 형성된다. 폴리머 폼과 같은 단열되는 재료의 재킷은 히터 매트의 외부 표면상에 몰딩된다. 단열된 재킷은 히터 매트에 의하여 발생되는 열을 방사상 외측으로 빠져나가지 않게 유지시키며, 히터를 건드리는 사람이 화상을 입지 않도록 한다. 매트와 재킷은 히터가 마주하는 대향 에지를 가지도록 또한 히터가 파이프상에 장착될 때 서로 만나 바람직하게 접촉되도록 하는 형상이지만, 매트와 재킷의 조합은 파이프상에서서 히터를 미끄럼시키기에 충분하게 에지를 분리시킴으로써 히터를 개방시키도록 충분히 탄력적인 가요성을 가지며, 히터는 해제될 때 원래의 고유한 원통형상을 되찾는다. 필요하다면, 형성된 형상에 대하여 히터의 가압된 탄성이 제 위치에 히터를 유지시키기 위해서 충분하다고 하더라도, 스냅, 벨크로 스트랩, 또는 다른 적절한 파스너는 파이프 주위에 히터를 고정시키기 위해서 이용될 수 있다. 동력 코드, 제어 공동, 및 선택적인 초과몰드는 가열 매트에서 가열 와이어 또는 요소에 전력을 제공한다. 가요성 단열 히터의 시스템은 파이프 네트워크를 가열 및 단열시키기 위해서 함께 이어지거나 한벌로 갖춰진다.

Description

가요성 단열 히터
특히 공정 또는 제조가 파이프, 튜브, 밸브 몸체, 및 다른 콘딧의 내부 표면상에 그러한 재료의 결과적인 침전 및 기상의 재료의 고화를 막기 위해서 또는 제한된 가열 또는 냉각으로 특정 온도에서 수송되는 액체나 기체를 요구한다면, 히터는 2차원 또는 3차원 곡률을 가지는 파이프, 튜브, 밸브 몸체, 및 다른 콘딧을 가열시키거나 단열시키기 위해서 반도체 장치 제조, 화학 공정, 플라스틱 생산, 상업적인 음식물 가공, 장비 제조, 및 다른 제조산업에서 종종 이용된다. 히터는 필요한 동력의 양을 감소시키고 노출되는 히터의 외부 온도를 최소화시키기 위해서 주위 대기로부터 단열될 수 있어서 히터를 만지는 사람이 비의도적인 화상을 입지 않게 한다.
예를 들어, 저압 화학 증기 침전 및 알루미늄 에칭과 같은 반도체 제조 공정은, 반응 공정 챔버에서 야기되고 반응 공정 챔버로부터 배출되는 방출가스중에, 암모니아 클로라이드 가스(NH4Cl) 또는 알루미늄 클로라이드 가스(AlCl3)와 같은 반응 부산물을 발생시킨다. 암모니아 클로라이드 가스는 고화, 침전될 수 있으며, 이에 따라 배기 또는 처리 구역, 진공 펌프, 및 다른 장비로 가스를 운반하는 비가열된 파이프의 내부 표면과 같은 차가운 표면상에 고체 빌드업을 야기시킨다.
반응 공정 챔버로부터 하류의 파이프, 펌프, 및 다른 장비내의 이러한 고체 빌드업은 파이프를 부분적으로 또는 심지어 완전히 막을 수 있고, 펌프 및 다른 장비를 손상시키고, 진공 컨덕턴스를 감소시키고, 제조 공정에 이용되는 파이프, 펌프, 및 다른 장비를 기능상 손상되거나 작동되지 않게 한다. 고체 빌드업은 또한 파이프 표면을 얇은 조각으로 벗겨낼 수 있어 제조 공정에서 오염원이 될 수 있다. 예를 들어 반도체 칩을 형성하기 위해서 이용되는 기판 웨이퍼상에 실리콘 질화물의 코팅을 침전시키는 저압 화학 증기 침전(LPCVD) 프로세스는 실리콘 질화물 침전이 야기되는 반응 챔버내에서 부산물로서 대량의 암모니아 클로라이드 가스를 발생시킴으로써 이러한 타입의 고체 빌드업을 야기시킨다. 암모니아 클로라이드 가스는 전형적으로 300 밀리토르에서 100℃ 이하의 온도에서 승화된다. 일단 암모니아 클로라이드 가스가 반응 챔버를 떠나 냉각되면, 암모니아 클로라이드의 승화는 백결정체를 제조 시스템에서 이용되는 파이프 및 펌프의 내부에서와 같은 모든 비가열된 표면상에 형성 및 빌드업되도록 야기시킨다. 승화된 암모니아 클로라이드는 반응 챔버에서 반도체 기판 웨이퍼를 오염시킬 수 있는, 반응 챔버내로 얇은 조각으로 벗겨지고, 부서지고, 유동될 수 있다. 그러한 오염이 발생된다면, 제조 시스템은 결정체가 시스템으로부터 소제되는 동안 중단되어야만 하고, 막힌 파이프 및 펌프는 소제 또는 교환되어야 한다. 게다가, 기판 웨이퍼 또는 반도체 칩은 오염되어서 쓸모 없이 된다. 암모니아 클로라이드 가스가 제조 시스템을 오염시키거나 고화되어 막히지 않도록 하기 위해서, 히터는 효과적으로 및 효율적으로 집전될 수 있는 영역에 도달되기 전까지 암모니아 클로라이드 가스가 냉각, 승화, 고화, 또는 응축되지 않도록 파이프 주위에 위치될 수 있다.
상기된 예의 세팅에서 파이프를 포함하는, 대상물을 가열 및/또는 단열시키기 위한 히터 및 다른 장치의 사용은 종래 기술에 잘 공지된다. 예를 들어, 마티우(Mathieu)에게 허여된 미국 특허 제 4,429,213호에는 전기 가열되는 유체 콘딧이 개시되는데, 여기에서 히터는 단열된 전기 전도체 및 폼 단열층에 의하여 둘러싸인 얇은 층을 포함한다. 그렇지만, 본 발명은 비금속, 비전기 전도성 파이프상에서만 이용될 수 있고, 비관형 또는 비원통형 형상이나 모양을 가지는 히터를 만들어 내기에 적합하지 않은 압출공정을 이용하며, 제 위치에 몰딩된 후에 제거될 수 없다.
페트론코(Petronko)에게 허여된 미국 특허 제 4,025,605호에는 파이프 장비를 단열시키기 위한 제거가능하고 재사용가능한 재킷이 개시된다. 그렇지만, 이러한 재킷은 히터가 아니며, 적용 프로세스시 강성의 외부층을 필요로 한다. 나아가서, 그 결과의 내부 및 중간층은 용이하게 제거될 수 없으며 파이프 또는 장비에 재부착될 수 없다.
노마(Noma)등에게 허여된 미국 특허 제 4,281,238호에는 전등 스위치가 켜질 때 동시적인 시작을 보증하기 위해서 사진 복사기내에 관형 형광 또는 요오드 램프를 예열시키는 제거가능한 관형 재킷이 개시된다. 이것은 가열될 전구보다 동일하거나 약간 작은 직경을 가지는 만곡된 표면으로 맨드릴상에서 열-경화되는 실리콘 고무의 2개의 층 사이에 끼워지는 전기 저항성 가열 와이어를 가진다. 그러므로, 가열될 전구의 표면에 매칭되는 성형된 탄성 형상을 가지는 장점을 가진다. 몰딩된 형상 또는 모양을 유지하기에 충분한 기계적인 강도를 제공하기 위해서, 실리콘 고무층은 꽤 두꺼워야 하며, 적어도 실리콘 고무의 외부층만큼은 꽤 단단해야만 한다. 2개의 층을 이용한 노마(Noma)등의 실시예에서는 적어도 2㎜(0.0787in.)의 총 두께에 대하여 각각 1㎜ 두께이다. 물론, 보다 얇은 실리콘 고무 시트는 소정의 형상 또는 모양을 유지하기 위한 동일한 강성 또는 기계적인 강도를 제공할 수 없다. 그러므로, 실리콘 고무층이 예를 들어 보다 양호한 열 전도성을 위하여 보다 얇게 만들어진다면, 노마(Noma)등은 주변표면 주위에 플라스틱 수지의 선택적인 강성 강화층을 조건으로 하였다. 내부 및 외부 실리콘 고무층 양쪽 모두가 동일한 두께이며 열이 방사상 외측으로 효율적으로 또한 전도된다고 하더라도, 노마(Noma)등은 내부 실리콘 고무층상에 보다 탄력적인 탄성압력을 제공하기 위해서 외부 실리콘 고무층이 내부 실리콘 고무층보다 단단할 것을 또한 조건으로 하였다. 일단 전구가 켜지고 히터를 통하여 방사상 외부로 방산되어야만 하는 열을 발생시키거나 그렇지않으면 전구가 과열되어 파괴되기 때문에, 단열 특성보다는 오히려 이러한 열 전도성은 형광 및 요오드 전구를 예열시키는 적용에 대하여 노마(Noma)등에 의하여 요구된다. 그러므로, 단열체는 그러한 전구 예열 적용에 대하여 바람직하지 않으며 노마(Noma)등에 의하여 이용되는 열 전도성 실리콘 고무는 그러한 적용에 대하여 만족된다. 큰 개구가 전구에 의하여 야기되는 빛에 대하여 외측으로 방사되도록 놓여져야 하기 때문에, 노마(Noma)등은 전구의 단지 일부만이 히터에 의하여 피복될 수 있다는 사실로 도움을 받았다. 그러므로, 노마(Noma)등은 가열될 전구보다 직경에 있어서 작은 맨드릴상에서 2개의 실리콘 고무 시트를 경화시키는 것을 조건으로 하였다. 결과적으로, 전구에 장착될 때 히터는 장착되는 전구의 표면상 히터내에서 방사상 내측으로 클램핑된 탄성 바이어스를 유지시키기 위해서 보다 용이하게 되는, 몰딩되거나 경화된 직경보다 넓은 고유의 탄성 바이어스에 방사상으로 대항하여 펼쳐진다. 갭이 전구로부터의 빛의 방사를 위하여 필요하기 때문에, 보다 넓은 갭의 개구는 이치에 맞지 않는다.
본 특허의 출원인인 에이치피에스 디비전 오브 엠케이에스 인스트루먼츠 인코퍼레이티드(HPS Division of MKS Instruments, Inc.), 및 와틀로 일렉트릭 인코퍼레이티드(Watlow Electric, Inc.)는 반도체 공정 산업을 위하여 파이프 구성요소, 밸브 몸체등을 가열시키는 상이한 히터 구조물을 발전시켜왔다. VacuCompTM시리즈 43 밸브 히터 재킷, 가요성부분 히터 재킷, 직선부분 히터 재킷, 및 굽힘부분 히터 재킷은, 끌어당겨져 3차원 곡률로 가압될 때, 모방되는 파이프 구성요소의 3차원 형상으로 합치되는 플랫 패턴으로 절단되고 평편하게 놓여지는 얇은 유리섬유 강화 실리콘 히터 매트를 이용하는, 이들 파이프 구성요소 히터의 예이다. 실리콘 폼 고무의 평편한 시트는 형성되는 동일물을 어느 정도로 보다 작은 패턴으로 또한 절단되지만, 단열을 위하여 히터 매트의 노출된 평편한 표면에 부착되며, 실리콘 폼 고무 단열 시트로부터 측방향 외측으로 연장되는 히터 매트의 피복되지 않은 에지 부분을 남겨둔다. 레이스 후크 및 레이스는 밸브 몸체, 가요성의 만곡된 또한 직선의 파이프 부분, 및 모방되는 또 다른 파이프 구성요소 주위에서 만곡된, 3차원 형상으로 파이프 히터 구조물을 끌어당기고 고정시키는 히터의 피복되지 않은 에지 부분에 부착된다. 그렇지만, 이러한 종류의 히터 구조물에 있어서는 중요한 제한 및 단점이 있다. 예를 들어 본질적으로 평편한 피스로 만들어지는 이러한 파이프 히터에 있어서, 파이프 히터가 파이프 구성요소의 만곡된 표면 주위에서 감싸지고 그 만곡된 표면에 합치되도록 변형될 수 있는 곡률의 양은 제한된다. 4 인치 직경 및 보다 큰 파이프와 같은 보다 큰 만곡된 표면의 직경은 꽤 잘 피복될 수 있다. 그렇지만, 원래의 평편한 형상으로 되돌아가는 고유한 경향 또는 "스프링 백"의 추가적인 문제점을 야기시킬 수 있는 탄력적인 평편한 형상 메모리가 있다. 그러한 형상 메모리 또는 "스프링 백"은 보다 작은 직경의 대상물 주위에서 히터의 설치를 극히 어렵게 한다. 이러한 문제점은 가열될 대상물의 만곡된 표면에 정확하게 히터를 합치시키는 것을 거의 불가능하게 하는 2 인치 이하의 직경에 대하여 필연적이며, 따라서 가열되는 대상물과 히터 사이에 갭을 남기게 된다. 그러한 공기 갭은 히터로부터 대상물로 전도에 의한 열이동을 방해한다. "스프링 백" 문제점은 가열되는 대상물이 복잡한 곡률을 가진다면 보다 악화된다. 또한 실리콘 폼 고무 단열층이 열손실을 감소시키는 한편, 이익은 제한된다. 첫째로 실리콘 폼 고무 단열층에 의하여 피복되지 않은 강화된 실리콘 고무 히터 매트의 노출된 에지 부위는 주위 대기에 대하여 상당한 열이 손실되게 한다. 둘째로 레이스 후크 부착 구조물은 파이프 구성요소 표면으로부터 떨어져서 레이스 후크에 인접되어 히터 매트의 노출된 에지 부위를 물리적으로 유지시켜, 이에 따라 히터 매트와 파이프 구성요소 표면 사이에 공기 갭을 야기시킨다. 금속 레이스 후크는 또한 뜨거운 파이프에 접촉되어 내우 뜨거워지게 되며, 불필요하게 열을 방산시킬 뿐만 아니라 그것에 접촉되는 사람에게 화상을 입히게 된다. 또, 층이 약 0.045 in. 두께의 유리섬유 강화 실리콘 고무 히터 매트 및 약 1/8 내지 1/4 in. 두께의 실리콘 폼 고무 단열층과 같은, 상기된 곡률 합치 및 스프링 백 문제점을 최소화시키기 위해서 충분히 굽혀질 수 있도록 얇을 때, 단열 효과는 상기된 표면 온도에 대하여 산업기준을 만족시키기에 불충분하다.
가열 파이프의 목적을 위하여 실리콘 고무 구조물상에 형성되는 히터에서의 결함은 2 인치 이하의 보다 작은 직경상에 히터 적용을 위하여, 본 특허 출원인인 에이치피에스 디비전 오브 엠케이에스 인스트루먼츠 인코퍼레이티드(HPS Division of MKS Instruments, Inc.), 및 와틀로 일렉트릭 인코퍼레이티드(Watlow Electric, Inc.)에 의하여 개발된 VacuCompTM시리즈 43 엘보 히터 재킷 및 T자형 히터 재킷에서 명백해진다. 그러한 히터들에서, 2개의 얇은 유리섬유 강화 실리콘 고무 시트 사이에 끼워진 저항성 와이어 가열 요소로 이루어지는 매우 얇은 히터 매트는 가열될 파이프 구성요소로서 동일한 크기와 형상의 맨드릴 주위에 둘러싸이며, 두꺼운 실리콘 고무 재킷은 그 형상 및 크기에서 히터를 유지시키기 위한 구조물을 제공하도록 파이프 구성요소의 형상에 있어서 얇은 히터 매트상에 몰딩되고 경화된다. 히터 매트는 약 1.2㎜(0.045in.)로 얇게 유지되어 열 저항성 와이어가 와이어와 파이프 사이에서 실리콘 고무 및 유리섬유의 단지 약 0.6㎜(0.023in.)의 층으로 파이프 표면에 매우 인접되도록 한다. 히터의 형상을 유지시키기 위해 약 5㎜(0.2in.)인, 히터 매트 주위의 실리콘 고무 재킷은 가열될 파이프 구성요소의 가장 넓은 부위에 걸쳐서 미끄러지기에 충분한 스플릿에서 개방되도록 가압되는 수용되기 위한 하나의 측부를 따라서 세로로 스플릿된다. 실리콘 고무는 히터를 몰딩된 형상 및 크기로 되돌아가도록 가압시키기 위해서 재료 구조물에 있어서 충분히 탄력적인 메모리를 가진다. 정도에 대해서도 마찬가지이지만, 충분히 만족스러운 정도는 아니다. 사실상, 본질적으로 매우 조밀하고 약간만 변형되는 고체재료인 실리콘 고무는 몰딩된 형상으로부터 떨어져서 구조물을 약간 변형시키도록 하며 가볍게 개방된 형상에 대하여 바이어스를 야기시키는 경화 공정에서 충분한 내부 분자압력을 전개시키는 것처럼 보인다. 노마(Noma)등이 보다 작은 맨드릴 주위에서 실리콘 고무를 몰딩시킴으로써 램프 예열 적용에 대한 문제점을 극복할 수 있는 경우에, 그 해결책은 파이프 히터에 대하여 유용하지 않아 재킷 및 히터 매트에서의 갭 또는 개구가 가열 효율의 손실을 야기시켜 바람직하지 않은 열손실을 야기시킨다. 히터 재킷의 외주 주위에서 고정되는 스트랩은 가열되는 파이프 구성요소의 표면상에서 히터 매트를 가압 및 유지시키도록 도움을 주지만, 히터 매트로부터 가열되는 파이프 구성요소로 열전도를 막는, 특히 스트랩 사이의, 히터 매트와 파이프 구성요소 표면 사이에 여전히 갭이 남아 있다. 노마(Noma)등의 히터에 대하여 상기된 바와 같이, 매우 조밀한 고체 재료의 실리콘 고무가 약 0.28 내지 0.30 Watt/meter-k 의 범위에서 전도율의 계수를 가지는 양호한 열 전도체이기 때문에, 열 손실은 또한 VacuCompTM시리즈 43 실리콘 고무 히터가 가지는 매우 중요한 문제점이다. 따라서, 실리콘 고무 재킷은 히터 매트로부터 멀리 열을 방사상 외측으로 주변 표면에 대하여 전도된다. 이러한 특성은 실리콘 고무 재킷의 주변 표면으로부터 대기에 대한 열의 바람직하지 않은 손실을 야기시킬 뿐만 아니라, 히터의 작동시 실리콘 고무 재킷의 주변 표면을 상당히 뜨겁게 한다. 140℃ 내지 160℃의 범위에서 히터 매트/파이프 구성요소 접촉영역에서의 온도에 대하여, 약 20-22℃(68-72℉)의 실내온도에서의 VacuCompTM시리즈 43 실리콘 고무 엘보 히터 재킷 및 T자형 히터 재킷의 주변 표면은 접촉되는 사람에게 화상을 입힐 정도로 뜨거운 약 120℃ 내지 160℃의 범위에 있다. 몇몇의 산업에서는 안전을 위하여 화상을 예방하기 위해서 파이프 히터상의 최대 표면온도를 강제한다. 예를 들어, 아이비엠 코퍼레이션(IBM Corporation)은 플라스틱 및 반도체 공정 시설에서 이용되는 다른 낮은 열전도성 장비의 표면에서 최대 75℃(167℉)를 조건으로 한다. 상기된 VacuCompTM시리즈 43 실리콘 고무 엘보 히터 재킷 및 T자형 히터 재킷은 그러한 기준을 만족시키지 못한다.
결과적으로, 발달된 상태의 히터 기술에도 불구하고, 제 위치에 체류되는 파이프 구성요소가 외관상 미적으로 만족스럽고, 파이프 구성요소에 효율적으로 열을 운반하여 효율적으로 열을 그곳에 유지시키는, 파이프상에 빠르고 용이하게 설치될 수 있는 사용하기에 보다 나은, 사용하기에 용이한, 또한 보다 효율적인 히터/단열체 생산물에 대한 요구는 여전하다.
본 발명은 일반적으로 가열될 필요가 있는 파이프 또는 다른 기이한 형상의 구성요소를 에워싸는 가요성 단열 히터에 관한 것이며, 보다 상세하게는 주위에 몰딩되고 접착되는 상대적으로 두꺼운 신축성 폴리머 폼 단열체에 관한 것이고, 파이프 및 다른 콘딧과 같은 2차원 곡률이나 구, 새들, 밸브 몸체, 엘보 부착물, 또는 T-부착물과 같은 3차원 곡률중 어느 하나를 가지는 가열 대상물에 대하여 복합 구조물을 형성시키기 위한 상대적으로 얇은 비신축성 히터 매트에 관한 것이다.
도 1은 파이프 부분을 둘러싸며 리테이너 스트랩과 전기 플러그 및 소켓 연결을 포함하는 본 발명의 가요성 원통형 히터를 도시하는 도면,
도 2는 도 1에 도시된 히터의 측면도,
도 3은 도 2의 선 3-3을 따라 취해진, 파이프상에 장착된 본 발명의 가요성 원통형 히터의 단면도,
도 4는 파이프로 삽입되기 위하여 개방된 본 발명의 히터를 도시하는 것을 제외하고는 도 3과 유사한 단면도,
도 5는 제어 공동 및 도 1의 가요성 원통형 히터를 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 가요성 엘보 형상 히터를 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 가요성 T자형 히터를 도시하는 도면,
도 8은 본 발명의 가요성 밸브 히터를 도시하는 도면,
도 9는 도 1의 가요성 단열 히터의 전기 회로를 도시하는 도면,
도 10은 도 1의 가요성 히터의 히터 매트를 형성하는 구조물을 예시하도록 조립 이전의 와이어 가열 요소 및 히터 매트의 2개의 기판 시트를 도시하는 도면,
도 11은 마일라 랩 및 베이크 방법에 의한 가황의 준비로 맨드릴 주위에 감싸지는 와이어 가열 요소를 나타내도록 일부를 잘라낸 히터 매트를 도시하는 도면,
도 12는 플래튼 프레스에서 가황의 준비로 맨드릴 주위에서 감싸지는 와이어 가열 요소를 나타내도록 일부를 잘라낸 히터 매트를 도시하는 도면,
도 13은 도 6의 엘보 형상의 히터에서 이용되는 사전 가황된 히터 매트의 평면도,
도 14는 도 7의 T형상 히터에서 이용되는 사전 가황된 히터 매트의 평면도,
도 15는 도 8의 밸브 히터에서 이용되는 사전 가황된 히터 매트의 평면도,
도 16은 원뿔형상의 히터에서 이용되는 사전 가황된 히터 매트의 평면도,
도 17은 본 발명에 따르는 도 1의 바람직한 실시예의 가요성 단열 히터에서 이용되는 와이어 가열 요소에 대한 전형적인 패턴을 도시하는 도면,
도 18은 히터의 대향 단부에서 집중되는 가열 와이어의 보다 높은 밀도를 가지는 것을 제외하고는 도 15와 유사한 와이어 가열 요소에 대한 변경 패턴의 또 다른 도면,
도 19는 도 1의 가요성 단열 히터를 형성하기 위해서 히터 매트 주위에 단열재료의 몰딩을 운반하기 위한 준비로 맨드릴 주위에 감싸지는 가황된 히터 매트를 도시하는 도면,
도 20은 도 1의 가요성 히터를 형성하기 위해서 히터 매트 주위에 단열재료의 몰딩을 사출시키기 위한 준비로 맨드릴 주위에 감싸지는 가황된 히터 매트를 도시하는 도면,
도 21은 도 1의 가요성 단열 히터 및 선택적인 스트랩 하네스를 도시하는 도면,
도 22는 도 1의 원통형 히터 및 도 6의 엘보 히터를 포함하는, 히터의 시스템의 정면도,
도 23은 도 22에 도시된 히터의 전기 회로를 도시하는 도면,
도 24는 강성 포뮬레이션, 중간 포뮬레이션, 및 연성 포뮬레이션에 대한 제곱 인치당 파운드(lbs./in.2)로 압축된 퍼센트(%) 대 힘을 표시한 바람직한 실리콘 스폰지 고무의 실온에서의 압축 계수를 도시하는 도면,
도 25는 보다 부드러운 실리콘 폼 고무 포뮬레이션에 대한 도 24와 유사한 압축 계수 그래프,
도 26은 종래기술의 실리콘 고체 고무 히터 재킷을 이용하는 500 포뮬레이션을 포함하는, 비교를 위한 실리콘 고체(비다공성) 고무의 복수의 포뮬레이션에 대한 도 24 및 도 25와 유사한 압축 계수 그래프.
본 발명의 일반적인 목적은 2차원 곡률 또는 3차원 곡률을 가지는 대상물을 가열시키는 가요성 히터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일반적인 목적은 가열될 대상물의 형상 및 크기를 끼워맞추기 위해서 사전 형성되는 히터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일반적인 목적은 2차원 곡률 또는 3차원 곡률을 가지는 대상물의 네트워크를 가열시키는 히터의 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일반적인 목적은 가열될 대상물로부터 빠르고 용이하게 제거가능하고 재부착가능한 히터를 제공하는 것이다.
본 발명의 보다 특징적인 목적은 가열될 대상물에 직접 인접되는 가열 요소를 가지는 2차원 또는 3차원의 만곡된 표면용의 히터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 특징적인 목적은 히터의 외부 표면 온도를 최소화시켜 히터를 건드리는 사람을 화상으로부터 보호하기 위해서 방사상 외측으로 열의 이동에 대항되어 단열되는 한편 가열되는 파이프 구성요소에 대하여 방사상 내측으로 열을 이동시키는 2차원 또는 3차원의 만곡된 표면용의 히터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 2차원 또는 3차원의 대상물을 가열하는 미적으로 만족스럽고, 파이프 네트워크를 위한 히터의 시스템을 형성하기 위해서 파이프 네트워크를 따라서 유사한 특징을 가지는 다른 히터와 함께 연결 또는 한벌로 될 수 있는 히터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적, 장점, 및 신규한 특징은 이어지는 설명에서 부분적으로 개시되며, 부분적으로 종래기술의 숙련자에게 명백해 지거나 본 발명의 실행에 의하여 숙지될 수 있다. 그러한 목적 및 장점은 방편에 의하여 인식되고 성취되며 첨부된 청구항에 특별히 지적된다.
상기 및 다른 목적을 이루기 위해서 또한 본 발명의 목적에 따라서, 구체화되고 대체로 설명되는 바와 같이, 히터 장치는, 외력 아래에서 압축적으로 변형되도록 히터 매트상에 몰딩되는 스폰지 또는 폼 고무 단열 재킷 및 가열될 대상물에 합치되지만 외력이 제거될 때 원래의 형상 및 크기로 되돌아가는 히터 매트를 탄성적으로 가압시키는 크기 및 형상에 있어서 유사한 품질을 가지는 2개의 시트의 유리섬유 강화 실리콘 고체 고무 또는 재료 사이에 끼워지는 전기 가열 요소를 가지는 얇고 휘어지지만, 사실상 비신축적인 히터 매트로 이루어진다. 전기 제어 회로는 열을 모니터링하여 손상을 막고, 복수의 히터는 통상의 온도 모니터링 접속과 함께 연결될 수 있다.
상기 및 또 다른 목적을 더 이루기 위해서, 본 발명은 2개의 시트 사이에서 매립되는 전기 가열로 가열될 대상물과 같은 크기 및 형상을 가지는 맨드릴상에 함께 2개의 히터 매트 시트를 가황 및 경화시키는 단계로 만들어 짐으로써, 가요성 단열 히터를 제조하는 방법을 더 포함한다. 그후에 실리콘 스폰지 또는 폼 고무(또는 유사한 품질을 가지는 다른 재료) 재킷은 히터 요소 주위에 몰딩되는 한편, 소정의 크기 및 형상을 유지하기 위해서 맨드릴 상에 여전히 존재된다. 전기 접속은 또한 싸여진다.
첨부된 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하며, 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하게 된다.
본 발명에 따른 단일 또는 복합 곡률을 가진 대상물에 사용하기 위하여 파이프(P)의 부분상에 장착된 탄성 가요성 절연 히터(30)는 도 1에 도시되어 있다. 히터는 바람직하게 가열된 파이프(P)와 같은 대상물의 만곡된 표면에 적합한 크기 및 형상으로 되어 있다. 도 1의 직선 파이프(P)는 단일 곡률 대상물의 실례이다. 엘보 피팅 및 밸브 몸체와 같은 복합 곡률을 가진 대상물을 장착하고 가열하기 위한 크기 및 형상으로 된 실시예는 이하에서 예시되고 설명된다.
본 발명에 따른 가요성 히터(30)는 본래의 탄성 및 방사상 내측을 향한 가압에서 야기되는 조합에서 서로 접착되는 단열재 또는 히터매트(4)에 의해서 발생된 열이 가열된 대상물을 향하여 방사상 내측으로 흐르는 것을 제어하고 열이 대상물로부터 멀리 방사상 외측으로 흐르는 것을 막는 동안에 가열될 대상물 또는 파이프(P)의 표면과 접촉하고 있는 히터 매트(34)를 클램프하여 유지하는 재료 메모리의 신축적인 재킷(36)과 비신축적인 히터 매치(34)를 포함하는 구조를 가지고 있다. 이 구조 및 그 기능적 이점은 이하에서 상세하게 설명된다.
먼저 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 히터(30)가 파이프(P)의 외부표면과 접촉하여 위치한 히터 매트(34)로 가열될 파이프(P) 또는 다른 대상물상에 장착되어, 히터매트(34)에 의해서 가열된 열이 파이프(P)로의 직접전도에 의해서 먼저 전달될 수 있다. 재킷은 히터매트(34)로 부터 방사상 외측으로 뻗어 있고 히터 매트를 실질적으로 둘러싸고 있는 대상물 또는 파이프(P) 및 히터 매트(34)보다 낮은 열전도성을 가진 단열재이다. 재킷(36)이 대상물 또는 파이프(P)보다 낮은 열전도성을 가지고 있으므로, 히터 매트(34)에 의해서 발생된 열은 대상물 또는 파이프(P)로부터 방사상 외측으로 이격된 것보다는 대상물 또는 파이프(P)를 향하여 방사상 내측으로 먼저 흐른다. 이러한 구조는 상술한 바와같이 히터 매트(34)로부터 대상물 또는 파이프(P)로의 열전압 효율을 향상시키고 열이 외주표면(114)에서 차단되므로 열이 분산 또는 손실되지 않고 히터(30)와 접촉하는 사람이 화상을 입지 않도록 표면(114)이 비교적 차거나 또는 따뜻하게 유지된다.
도 1 및 도 2와 조합하여 도 3 및 도 4를 참조하면, 히터(30)가 재킷(36)과 히터 매트(34)를 통하여 뻗어 있도록 깊이방향 슬릿(31)를 가져서, 슬릿(31)을 형성하는 히터(30)의 대향끝 또는 에지면(42,43)은 이하에서 설명될 바와같이, 장착중에 파이프(P)의 주위표면 위에서 삽입하기 위하여 분리될 수 있다. 한쌍의 선택 가요성 스트랩(46,47)은 히터(30)를 파이프상의 제 위치에서 체결하기 위하여 히터(30)의 주위표면(114)을 둘러싸고 슬릿(31)에 걸린다. VelcroTM또는 다른 종래의 파스너와 같은 훅 및 루프 파스너(35,37)는 각각의 스트랩(46,47)의 대향끝을 서로 고착시키는데 사용되며 이에 따라 에지면(42,43)이 펼쳐지는 것이 방지되고 히터(30)가 파이프(P) 또는 다른 대상물로부터 분리되지 않는다. 플러그(118)를 구비한 파워코드(48)는 히터(30)와 중첩되고 히터(30)와 재킷(36)으로부터 방사상 외측으로 돌출한 장식 오버몰드(50)내로 뻗어 있다. 예컨대 파워코드(48)는 유리섬유 슬리빙을 피복한 실리콘 고무내측에 있는 TeflonTM도선을 포함할 수 있다. 플러그 수용기(119)를 구비한 다른 선택 전기코드(49)는 이하에서 상세하게 설명될 바와 같이, 히터(30)와 함께 편성될 수 있는 인접한 다른 히터(도 1 내지 도 5에는 도시생략)에 전력을 공급하도록 오버몰드(50)로부터 뻗어 있다.
도 1 및 도 2와 조합하여 도 3을 참조하면, 히터 매트(34)는 바람직하게 서로 적층된 2개의 유리섬유 강화 고무 시트(38,39) 사이에 끼워진 저항 와이어 가열요소(40)로 제조된다. 저항 와이어 가열요소(40)는 통상 잘 알려져 있고 전기가 적용되면 실질적인 열을 발생시키도록 전기흐름에 대한 충분한 저항을 가지고 있고 저항 와이어 가열요소(40)에 발생된 열에 견디기에 충분한 고온 용해온도를 가진 니켈크롬, 니켈크롬철, 니켈동 또는 다른 재료로 제조될 수 있다. 도 1 내지 도 5에 도시된 파이프(P)와 같은 원통형 대상물에 대해, 히터 매트(34)는 가열될 대상물 또는 파이프(P)의 표면에 적합한 곡률과 크기로 되어 있다. 시트(38,39) 또는 적어도 하나의 시트(38)는 바람직하게 얇아서 저항 와이어 가열요소(40)는 히터(30)가 사용하기 위하여 장착될 때 대상물 또는 파이프(P)에 대단히 밀접하게 위치된다. 그러므로, 저항 와이어 가열요소(40)와 대상물 또는 파이프(P)의 표면 사이에 배치된 내부시트(38)는 저항 와이어 가열요소(40)로부터 대상물 또는 파이프(P)로의 방사상 내측으로의 열의 전도에 대해 현저한 장벽이 아니다. 폴리머 폼 또는 스폰지 고무와 같은 단열재의 재킷(36)은 가열될 대상물 또는 파이프(P)의 표면에 합치되는 상태로 히터 매트(34)에 만족한 형상 및 크기로 히터 매트(34)의 외부 표면에 성형되어 부착된다. 상술한 바와같이, 단열된 재킷(36)은 대상물 또는 파이프보다 낮은 열전도율을 가지고 있어서 얇은 시트(38)를 통한 파이프(P)로의 열흐름에 대한 약간의 저항이 있으면 저항 와이어 가열요소(40)에 의해서 히터 매트(34)내에서 발생된 열이 방사상 외측으로 도피되는 것을 막는다. 단열 재킷(36)은 히터(30)를 만지는 사람이 화상을 입는 것을 막는다.
도 1에 도시된 파이프(P)와 같은 파이프에 사용되면, 히터 매트(34) 및 재킷(36)은 병렬 에지면(42,43)이 만나고 바람직하게 접촉되거나 또는 히터(30)가 가열될 파이프(P)또는 대상물상에 장착될 때 적어도 서로 가깝게 접촉되도록 하는 크기 및 형상으로 되어 있다. 동시에 히터 매트(34)와 재킷(36)의 조합은 도 4에 도시된 바와 같이 히터(30)가 가열될 대상물 또는 파이프(P)위에서 충분히 슬립되도록 에지면(42,43)을 강제분리시킴으로써 히터(30)의 개방을 허용하기 위하여 충분한 탄성을 가지고 있다. 간단하게 상술한 바와같이, 히터 매트(34)는 유리섬유 강화 고무 시트(38,39)와 같은 실질적으로 비신축적인 재료로 바람직하게 제조될 수 있다. 가열될 대상물의 표면에 적합한 크기 및 구성으로 된 곡선으로 이루어진 히터 매트(34)에 있어서, 히터 매트(34) 재료보다 더 신축적이고 더 압축적인 폴리머 폼과 같은 탄성재료로 제조된 재킷(36)은 히터 매트(34)의 외부 시트(39)의 노출된 표면에 성형되고 부착된다. 그러므로, 히터 매트(34)와 히터 매트(34)에 인접한 재킷(36)의 재료의 내부 부분(51)은 서로 고정관계로 부착된다. 결과적으로, 히터 매트(34)가 실질적으로 비신축적이고 비압축적이고 폼 재킷(36) 재료가 압축적이고 신축적이기 때문에, 도 4의 힘(F,F')에 의해서 개략적으로 도시된 에지면(42,43)을 강제적으로 분리시킨 것은 압축력 화살표(45)로 도시된 바와같이 재킷(36) 재료의 외부 부분을 압축상태로 유지한다. 즉, 재킷(36)의 폼 재료가 압축적이더라도, 이것은 이러한 압축에 저항하고 압축력 화살표(45)의 방향으로 가압하는 고유의 탄성을 가지고 있다. 퍼짐력(F,F')이 재킷(36)의 폼 재료의 압축에 대한 고유의 저항을 오버파워 하기에 충분할때마다, 히터(30)는 도 4에 도시된 바와같이 고유의 형상으로부터 변형된다. 하지만, 퍼짐력(F,F')이 제거 또는 해제되면, 재킷(36) 폼 재료의 외부 부분에서의 압축력(45)은 히터(30)가 그 본래의 원통형 또는 다른 형상으로 복귀되도록 한다. 결과적으로, 탄성압축 가능한 재킷(36) 폼 재료에 고정관계로 접착되는 얇고 굽힘가능하고, 실질적으로 비신축적이고 비압축적인 히터 매트(34)의 조합은 그 형성된 형상으로 복귀시켜 저항 와이어 가열 요소로부터 파이프(P)로의 열의 효과적인 전도를 위하여 파이프(P) 근처의 폐쇄공간내에서 저항 와이어 가열요소(40)로 가열될 대상물 또는 파이프(P)의 표면과의 접촉으로 히터 매트(34)를 위치시키도록 근본적으로 가압되는 구조를 제공하고, 재킷(36)은 또한 단열되어 히터 매트(34)로부터 방사상 외측으로의 열전달을 막는다. 스트랩(46,47)은 필요하다면, 그 형성된 형상으로의 상술된 히터(30) 구조의 가압된 탄성이 통상 히터(30)를 히터 매트(34) 및 파이프(P) 사이에서 좋은 표면접촉으로 제 위치에서 충분하게 유지되더라도 가열될 파이프(P) 또는 다른 대상물 둘레에서 히터(30)를 적합하게 체결하는데 사용될 수 있다. 도 5를 참조하면, 히터(30)는 히터매트(34)로부터 히터(30)의 외측표면(114)으로 뻗어 있는 단열재로 이루어진 재킷내에 있는 제어공동(115)를 포함하고 있다. 이하에서 상술될 바와같이, 가상선으로 도시되어있고 히터 매트(34)내에 매설된 저항 와이어 가열요소(40)는 제어 공동(115)내의 파워 코드(48)(도 5에는 도시생략)와의 전기접속을 위한 접근지점을 제공하도록 아일릿(136)에 의해서 금속심내에서 종결되어 전류가 히터 매트(34)내의 열을 발생시키도록 저항 와이어 가열요소(40)를 통하여 흐를 수 있도록 한다. 저항 와이어 가열 요소(40)는 조정 휴즈, 제어 회로, 항온기, 및 다른 전기회로 구성요소에 접속될 수 있으며 이것의 모두는 제어 공동(115)내에 위치되며 이하에서 상세하게 설명된다. 또한, 히터(30)는 이하에서, 상세하게 설명될 바와 같이, 파워 코드(48) 또는 저항 와이어 가열요소(40)에 전기적으로 접속되지 않고 제어 코드(115)내에 위치되는 선택 모니터 항온기를 포함할 수 있다. 히터(30)를 제조하는 바람직한 방법은 히터매트(34)의 가황처리기술(특히 라운드에서의 가황처리)을 반영하고 최종가요성 히터(30)를 제조하기 위하여 가황처리된 히터매트(34) 둘레의 제 위치에서 폼 단열재를 성형한다. 성형과정은 폴리머 폼 단열, 실리콘 스폰지 고무, 실리콘 폼 고무 또는 재킷(36)의 다른 적합한 재료를 사용할 수 있다. 이 성형방법은 엘보 형상의 파이프 피팅을 둘러싸고 가열하기 위하여 도 6에 도시된 엘보 형상의 히터(52), T형상의 파이프 피팅(도시생략)을 둘러싸고 가열하기 위하여 도 7에 도시된 T형상의 히터(56) 및 밸브 몸체(도시생략)를 둘러싸고 가열하기 위하여 도 8에 도시된 밸브 히터(60)와 같은 복합 3차원 곡률 또는 도 1 내지 도 2에 도시된 파이프 히터(30)와 같은 단일축선 곡률을 가지는 히터가 제조되도록 한다.
본 발명에 따라 가열될 수 있는 많은 다른 피팅 형상 및 구성요소뿐만 아니라 엘보 피팅, T피팅 및 밸브 몸체로서의 이러한 파이프 피팅 및 구성요소는 본 발명의 설명 또는 이해의 목적으로 기술 또는 도시되어 있지 않지만 당해 기술분야의 통상의 기술자라면 잘 알 수 있다.
본 발명의 특정 히터(30,52,56,60) 및 히터(30,52,56,60) 제조 방법의 실례는 더욱 상세하게 설명될 것이다. 하지만, 본 발명은 이들 특정 형상 또는 히터 구성에 제한되지 않으며 마찬가지로 다른 형상 또는 구성요소로 형성 또는 구성될 수 있다. 특정 형상을 제외하고 바람직한 특징을 설명하기 위하여 본 발명의 모든 가능한 형상 및 구성에 공통으로 사용될 수 있는 도 1 내지 도 4의 원통형 히터(30)를 참조하면, 얇은 재료(0.014 내지 0.03 인치의 두께, 즉 0.5 내지 1.2mm)로 이루어진 2개의 시트(38,39)는 예컨대, 유리섬유 강화 실리콘 고무, 플라스틱 필름, 섬유 시트, 고무 또는 다른 적합한 재료일 수 있다. 바람직하게, 2개의 시트(38,39)는 얇으며 상술한 바와 같이 유리섬유 강화 실리콘 고무와 같은 매우 좋은 열전도성을 가진 실질적으로 비신축적이고 비압축적인 재료로 제조된다. 2개의 시트(38,39)는 열적으로 안정하고 가열성이 낮으며 저항 와이어 가열요소(40)에 의해서 발생된 열로부터 손상되지 않는다. 시트(38,39)는 이들 사이에 끼워진 히터 가열요소(40)가 그 자체에 전기절연재 코팅을 가지고 있지 않으면 절연체 재료(전기절연재)로 제조되어야 한다. 선택적으로, 시트(38)는 예컨대 퍼마셀(permacel) #P5012를 포함할 수 있고 시트(39)는 예컨대 퍼마셀 #P564를 포함할 수 있으며 양자는 뉴저지주 뉴브룬스윅에 위치한 퍼마셀 인코퍼레이티드(Permacel, Inc.)에서 제조되는 것이다. 퍼마셀 #P564와 퍼마셀 #P5012 모두는 유리섬유를 서로 접착하기 위하여 실리콘 고무의 코팅을 구비한 유리섬유 천을 포함하고 있다. 히터 매트(34)의 2개의 시트(38,39)는 이하에서 상세하게 설명되고 저항 와이어 가열요소(40)의 열적으로 안정한 전기절연 장벽을 제공하도록 저항 와이어 가열요소(40)의 어느 한쪽에서 서로 적층된다. 저항 와이어 가열요소(40)는 2개의 시트(38,39) 사이에 끼워지며 히터 매트(34)에 매립된다. 저항 와이어 가열요소(40)는 상술한 바와 같이 예컨대 니켈크롬, 니켈크롬철, 니켈동 또는 니켈철일 수 있으며 이하에서 설명될 바와 같이 가열될 파이프(P) 또는 다른 대상물내로의 좋은 열전도성을 얻도록 충분한 밀도로 된 히터 매트의 면적을 통하여 분포된다. 저항 와이어 가열요소(40)는 단일 또는 다중 스트랜드이며 유리섬유 코어상에서 지지되지 않거나 지지될 수 있다. 또한, 단지 저항 와이어 가열요소(40)가 예시되었지만, 다른 종래 타입의 가열요소는 열을 히터 매트(34)내에서 발생시키는데 사용될 수 있다. 예컨대, 다른 포일요소, 화학적으로 에칭된 포일요소, 침전될 필름, 전도성 폴리머 또는 두꺼운 필름 패스트는 열을 히터 매트(34)내측에서 발생시키는데 사용될 수 있다. 상술된 저항 와이어 가열요소 및 다른 가열요소는 당해 기술분야의 통상의 기술자라면 잘 알고 있어서 상세하게 설명되지 않는다. 상술한 바와 같이 가열 매트(34)에 접착된 재킷(36)의 단열재는 예컨대, 실리콘 스폰지 고무, 실리콘 폼 고무, 폴리머 폼, 에폭시 폼 또는 폴리우레탄 폼 일 수 있다. 바람직하게, 실리콘 스폰지 또는 폼 고무는 히터 매트(34)의 실리콘 고무표면에 잘 접착되기 때문에 또한 실리콘 스폰지 또는 폼 고무가 손상없이 상당한 열량에 저장할 수 있기 때문에 사용될 수 있다. 예컨대, 파이프를 약 200℃의 온도 이상으로 가열하는 것은 바람직하다. 실리콘 폼은 또한 큰 체적의 에어포켓을 수용할 수 있기 때문에 바람직하다. 예컨대, 단열재로 이루어진 재킷(36)에 사용되는 실리콘 스폰지 또는 폼 고무의 체적은 공기가 80% 이상일 수 있다. 다시, 실리콘 폼의 영계수(강도)는 대단히 낮은 3/4공기 및 1/4의 고체 고무이더라도 작용한다. 정해진 재료의 영계수가 높으면 재료는 더 단단해지고 강도가 높아진다.
본 발명의 목적을 위하여, 공기의 존재는 재킷(36)의 열전도성 및 영계수를 낮게 하고 동시에 양자는 크게 개량된 히터구조에 기여한다. 감소된 열전도성은 열손실을 감소시키고 주위 표면온도를 낮게 하며 감소된 영계수는 이하에서 상세하게 설명된 바와 같이 우수한 구조적 강도를 유지하기에 충분한 메모리를 가진 휨가능하고 비신축적인 히터 매트와 조합한 구조를 제공하는 추가된 이점과 함께 파이프위에 설치되는데 충분하게 휘어질 수 있고 효과적인 단열을 제공하는데 충분하게 두꺼운 재킷을 제조하게 한다. 폼내에 공기가 없으면, 히터(30)는 2인치의 두께를 가져야만 하고 이것은 다량의 값비싼 고무를 낭비하고 히터가 파이프위에 설치되는 것을 실제적으로 불가능하게 한다.
선택적으로, 뉴욕주 워터후드에 위치한 제너럴 일렉트릭 컴퍼니(General Electric Company)에 의해서 제조된 RTF 7000과 같은 실리콘 폼은 열안전성 및 부착의 바람직한 성질을 가지고 있기 때문에 사용될 수 있다. RTF 7000 실리콘 폼은 177℃의 연속작동 온도 능력자를 가진 다중 구성요소 실리콘 폼이다. 구성요소의 비율과 구성요소의 혼합의 변화는 상이한 물리적 성질을 가진 폼재료에서 발생한다. 예컨대, 비율의 변화는 각각 대응적으로 감소 또는 향상된 열전성을 가진 폼재료의 농도를 감소시키거나 증가시킨다.
재킷(36)에 사용된 실리콘 스폰지 또는 폼 고무는 시도될때까지 이점이 예측되지 않는 조합보다 다수의 이점을 가지고 있고 이전 상태의 종래 파이프 히터 및 사용된 구조보다 파이프 히터에 있어서 놀랄만한 효과증진을 제공하는 것으로 판명되었다. 예컨대 실리콘 스폰지 또는 폼 고무 재킷(36)은 그 자체에 있어서, 현저한 이점이 있는 고체 실리콘 고무보다 더 좋은 단열을 할 뿐만 아니라 얇고 가요성 있고 비신축적인 유리섬유 강화 실리콘 고무 가열 매트와의 조합에 있어서도 종래기술의 히터보다 형성된 파이프 구성요소(P)의 표면에 더 적합한 본래의 형상 및 크기로 복귀하는 더 좋은 메모리를 제공한다. 고체 실리콘 고무보다 실리콘 스폰지 또는 폼 고무의 이점의 이러한 특별 조합에 대한 이유는 쉽게 나타나지 않지만 본 발명의 이러한 구조를 관찰하고 연구한 후에 더 분명하게 된다. 첫째, 실리콘 스폰지 고무 또는 폼 고무를 얇은 시트 또는 슬랩으로 주조하는 것에 반대되어 본 발명자의 사상이 전에 실시되지 않은 실리콘 스폰지 또는 폼고무가 폐쇄된 몰드내의 제 위치에서 형성될 수 있는지를 알 수 없다. 두번째, 고체 실리콘 고무보다 더 작은 재료 및 농도를 가진 실리콘 스폰지 또는 폼 고무는 고체 실리콘 고무가 본래 형성된 형상 및 크기로부터 본래의 내부 바이어스를 방사상 외측으로 발생시키는 것을 가짐에 따라 가공중에 형성된 내부 분자 응력 만큼 내부응력을 거의 갖지 않는다. 셋째, 이 발명의 재킷(36)에 사용된 실리콘 스폰지 또는 폼 고무의 계수는 고체 실리콘 고무의 계수보다 더 작아서 더 많은 탄성을 가지고 있고 변형하기 쉽다. 그러므로, 실리콘 스폰지 또는 폼 고무와 약간의 방사상 외측 바이어스를 히터(30) 구조에 부여하도록 유리섬유 강화 고체 실리콘 고무 사이의 접착표면근처의 실리콘 스폰지 또는 폼 고무 재킷(36)내에서의 본래의 분자 바이어스는 쉽게 극복되고 이러한 방사상 외측 퍼짐에 저항하는 실리콘 스폰지 또는 폼 고무 재킷(36)내에 있는 압축력(45)에 의해서 비효율적으로 된다. 다섯째, 실리콘 스폰지 또는 폼 고무 재킷(36)의 열전도계수는 약 0.06 내지 0.12 Watt/meter-K의 범위내에 있을 수 있다. 그러므로, 재킷(36)의 표면을 75℃(167℉)가 넘지 않는 온도로 유지하기 위하여 충분한 단열을 제공하여야만 하는 실리콘 스폰지 또는 폼 고무의 두께는 구조적 관점에서 대단한 이점이 되도록 하는 범위내에 있다. 예컨대, 약 0.85 Watt/mete-K의 열전도계수에 있어서, 히터 매트(34)에서의 150℃의 온도는 재킷(36)에 의해서 약 반인치 두께의 실리콘 스폰지 또는 폼 고무 재킷(36)에 의한 75℃ 보다 작게 될 수 있다. 동시에, 실리콘 또는 폼 고무 재료는 재킷(36)과 히터 매트(34)를 본래 형성된 형상으로 바이어스하도록 효과적인 단열을 제공하는 동일한 두께범위내의 충분한 힘으로 압축휨에 저항하는데 효과적인 범위내에 있는 압축 분자(도 24, 도 25에 도시)를 가지고 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 외부힘(F-F')이 히터(30)를 방사상 외측으로 변형시키면, 도 4에 도시된 바와 같이, 재킷은 화살표(45)에 의해서 개략적으로 표시된 바와 같이 압축상태로 된다. 더 정확하게는 스트레스 윤곽(41)은 실리콘 스폰지 또는 폼 고무 재킷(36)의 단면에서 전개된다. 히터 매트(34)가 본 발명의 실제적인 목적을 위하여 비신축적이고 비압축적이므로, 히터 매트(34)는 압축 응력이 주위표면(114)에서의 최대에서 히터 매트(34)로부터 히터 매트(34)에서의 제로에 이르는 거리(d)의 범위에 있는 상태로 압축응력 윤곽(41)의 중심축선을 형성한다. 그러므로, 거리(d)의 모멘트 아암을 통하여 작용하는 주위표면(114)에서의 응력힘(f)은 히터 매트를 본래 형성된 형상 및 크기로 복귀시키도록 휘여진 히터 매트(34)상에 작용하는 f×d의 토크를 발생시킨다. 물론, 힘(f)의 크기는 도 24 및 도 25의 압축분자 챠트에 도시된 바와같이 실리콘 스폰지 또는 폼 고무가 그 거리(d)에서 얼마나 압축되는지에 좌우되어 변화한다. 물론, 압축응력 윤곽(41)이 히터매트(34)를 향하여 감소됨에 따라, 윤곽(41)에서의 각각의 증가 응력힘에 대한 거리 또는 모멘트 아암은 감소되고 합성증가 토크는 또한 작아진다. 윤곽(41)을 가로질러 집적하는 것은 어떤 정해진 재료에 대한 전체 토크 및 히터 매트(34)의 어떤 지점상에 작용하는 압축을 제공하며 이것은 외부힘(F-F')이 제거되면 히터(30)을 파이프(P)둘레에서의 그 본래 형성된 형상 및 크기로 복귀되고 유지된다.
주위 표면(114) 온도를 75℃ 아래로 유지할 수 있는 실제적인 두께로 되어있는 실리콘 스폰지 또는 폼 고무 재킷(36)에 의해서 제공된 더 효과적인 단열은 본 발명의 히터(30)에서 요구되지만, 재킷(30)과 히터 매트(34)에서의 조합에 의해서 제공된 구조적 일체성은 기대하지 않았지만 크게 만족되었다. 히터(30,52,55,60)가 쉽고 신속하게 종종 파이프 구성요소로부터 제거되고 파이프 구성요소에 재설치되도록 한다. 이러한 능력은 매월 또는 매주 청소를 위하여 파이프 시스템을 정지 및 분리하는 것을 통상하는 반도체 산업에서는 중요하다.
실리콘 고체 고무에 대하여 도 26에 도시된 것에 대비하여 도 24 또는 도 25에 도시된 어떤 범위내에 있는 압축분자를 구비한 어떤 실리콘 스폰지 또는 폼 고무는 도 24내의 연한 범위에 대한 매체내의 실리콘 스폰지 고무가 바람직하지만 본 발명에 따라 가공된다.
재킷(38)의 이러한 재료의 약 0.5인치의 두께는 상술한 바와 같이 본 발명의 단열재와 메모리 바이어스 기능의 최적조합에 바람직하다. 상술한 바와같이 재킷(36)의 단열 실리콘 스폰지 또는 폼 고무 재료는 히터 매트(34)에 의해서 발생된 열이 방사상 외측으로 도피되는 것을 방지하고 이것은 상술한 바와 같이 파이프(P)에 전도되고 흡수되는 열량을 증가시키다. 이 특징은 파이프(P)와 단열재로 이루어진 재킷(36)를 가열하는데 필요한 동력량을 감소시키고 그 면적에서의 작업자가 우연하게 화상을 입지 않도록 히터(30)의 외측표면(114)온도를 최소화한다. 예컨대, 다수의 회사는 외측표면(114)의 온도가 75℃보다 작은 것을 좋아한다.
상기된 바와 같이, 각각 성형된 형상에 대하여 히터(32,52,56,60)의 가압된 탄성이 파이프(P) 또는 다른 대상물 주위에서 제위치에 히터(32,52,56,60)를 유지시키기에 충분하다고 하더라도, 도 1 및 도 2의 후크 및 루프 파스너(35,37) 또는 도 6 내지 도 8에 예시된 스냅(44)과 같은 또 다른 적절한 파스너를 가지는 선택 스트랩(46,47)은 가열될 파이프(P) 또는 다른 대상물 주위에서 적절하게 히터(30, 52,56,60)를 고정시키기 위해서 이용될 수 있다. 후크 및 루프 파스너(35,37), 스냅(44), 또는 다른 적절한 파스너는 히터(30,52,56,60)를 파이프(P) 주위에서 신속하고 용이하게 고정하고 제거하게 한다. 히터(30,52,56,60)의 신속하고 용이한 제거 및/또는 교체 능력은 예를 들어 히터(30,52,56,60)가 제거될 때 쓸모없는 파이프 네트워크에 있어서 특히 중요할 수 있다. 후크 및 루프 파스너(35,37) 또는 스냅(44)이 에지 표면(42,43) 사이에서 갭 또는 슬릿(31)상이 아니라 히터(30,52,56, 60)의 원활한 외부 표면상에 바람직하게 위치결정되도록 스트랩(46,47)은 배열되며, 파스너가 갭 또는 슬릿(31)상에 위치결정된다면 후크 및 루프 파스너(35,37) 또는 스냅(44)을 고정하기에 보다 용이하게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제어 공동(115)은 전기 접속 및 회로를 수용시키기 위해서 내부에 중공을 가진다. 이러한 제어 공동(115)은 공동(115)내의 회로 구성요소를 캡슐화시키기 위해서 예를 들어 미시간주 미들랜드에 위치한 듀 코닝(Dow Corning)에 의하여 제조되는 DC 3120 RTV와 같은 실리콘 고체 고무 인캡슐런트로 충전될 수 있다. 상기된 바와 같이, 아일릿(136)에서 종단되는 와이어 가열 요소(40)는 제어 공동(115)내의 파워 코드(48,49)(도 5에는 도시되지 않음)에 연결되어서 전기 전류가 히터 매트(34)내의 열을 발생시키기 위해서 와이어 가열 요소(40)를 통과할 수 있게 된다.
제어 공동(115)(도 5)내에 위치된 후에 캡슐화되는 히터 매트(34)용의 전기 제어 회로는 도 9에 도시되며, 여기에서 와이어 가열 요소(40)는 저항기 또는 저항 부하로서 도 9에 예시된다. 제어 회로는 예를 들어 50℃와 200℃ 사이의 범위에서 히터(30)에 대한 소정의 온도범위를 유지시키기 위하여 항온기(117)를 포함한다. 열퓨즈(116)는 항온기(117)의 고장의 경우에 히터(30) 제조시 이용되는 실리콘 고무 또는 다른 재료를 과열시켜 태우거나 녹이는 것을 막기 위해서 비-재설정 열 리미트로서 작용된다. 열퓨즈(116)는 오하이오주 맨스필드에 위치한 마이크로 디바이시스 프로덕트 그룹 오브 섬-오-디스크 인코퍼레이티드(Micro Devices Product Group of Therm-O-Disc,Inc.)에 의하여 제조되는 4377A1일 수 있다. 항온기(117)는 예를 들어 95℃ 또는 135℃의 특정 온도를 유지하기 위해서 히터(30)의 제조시 선택될 수 있는, 로드 아일랜드에 위치한 엠우드 오브 포터킷(Elmwood of Pawtucket)에 의하여 제조되는 3450RC일 수 있다.
파워 코드(48)의 숫 플러그 단부(118) 및 선택 파워 코드(49)의 암 플러그 단부(119)는 이하에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 일련의 히터(30)(또는 다른 히터 구성)을 함께 연결시키거나 한벌로 되도록 하는 와이어 가열 요소(40)(저항기로서 예시됨)를 가로질러 병렬로 연결되는 도 9의 회로에서 도시된다. 선택 모니터 항온기(121)는 제어 공동(115)에 위치결정되며 히터(30)가 고장났을 때를 검출하기 위하여 숫 플러그(123)에 연결될 수 있다. 보다 상세하게, 와이어 가열 요소(40)의 파워 불충분 또는 연소되는 경우에, 히터(30)는 냉각되기 시작된다. 제어 공동(115)내의 모니터 항온기(121)는 온도에 있어서의 그러한 변화를 검출하고 전기 회로내의 연속성을 파괴하거나 창출하여 이에 따라 플러그(123)가 연결되는 지역 또는 원격 감시 장치(도시생략)에 의하여 검출될 수 있는 히터(30)의 고장을 나타내는 신호를 야기시킨다. 육안 관찰용의 발광 다이오드(LED)와 같이 단순하거나 컴퓨터화된 산업 플랜트 관리 시스템과 같이 복잡한, 전기 회도 모니터 장치는 잘 공지되어 있으므로 본 발명의 고장 감시 특징을 이해하기 위하여 여기에 설명될 필요가 없다. 모니터 항온기(121)는 함께 연속적으로 연결될 일련의 모니터 항온기를 수용하기 위해서 선택 암 플러그 단부(125)에 또한 연결될 수 있다. 또 모니터 항온기(121)는 숫 플러그 단부(123) 및 암 플러그 단부(125)에 연결될 수 있어서 일련의 모니터 항온기가 병렬로 연결되도록 한다. 병렬구성에서, 예를 들어 발광 다이오드(LED)와 같은 육안 관찰 장치(도시생략)는 각각의 병렬 모니터 항온기(121)와 연속적으로 위치될 수 있어 발광 다이오드(LED)가 불완전한 특정 히터를 지적하기 위해서 모니터 항온기(121)의 상태에 의존되어 빛을 방출하거나 빛을 방출하지 않게 할 수 있다. 모니터 항온기(121)는 예를 들어 오하이오주 노스 캔톤에 위치한 포스티지 일렉트릭 프로턱츠, 인코퍼레이티드(Postage Electric Products, Inc.)에 의하여 제조되는 모델 C 서모스태트/서멀 프로텍터(Model C Thermostat/Thermal Protector)일 수 있다.
본 발명의 특징을 설명하고 이해시킬 목적으로, 도 6에 도시된 엘보 형상 히터(52)는 도 7에서의 히터(56) 및 도 8에서의 히터(60)와 같은 3차원 곡률을 가지는 다른 히터를 대표한다. 그러므로, 엘보 형상 히터(52)만이 더 상세히 설명된다. 형상 이외의 거의 모든 면에서, 엘보 형상 히터(52)는 도 1 내지 도 5의 히터(30)와 동일하다. 엘보 형상 히터(52)는 비신축적인 히터 매트(120) 및 히터 매트(120)에 접착되는 단열 재료의 신축가능하고 압축가능한 재킷(122)를 포함한다.
히터 매트(120)는 히터(30)의 와이어 가열 요소(40) 및 2개의 시트(38,39)와 동일한 2개의 시트 사이에 끼워지는 와이어 가열 요소(도시생략)와 함께 적층되는 유리섬유 강화 고무의 2개의 시트를 포함한다. 재킷(122)에서의 단열 재료는 예를 들어 실리콘 폼, 폴리머 폼, 에폭시 폼, 또는 폴리우레탄 폼일 수 있다. 바람직하게 예를 들어 뉴욕주 워터포드에 위치한 제너럴 일렉트릭 컴퍼니(General Electic Company)에 의하여 제조되는 RTF 7000과 같은 실리콘 폼은 히터(52)에 대한 단열 재료의 재킷(122)으로 이용될 수 있다.
히터(52)는 엘보 형상 파이프 피팅(도시생략)에 합치되는 곡률 및 크기로 형성된다. 단열 재료의 재킷(122) 및 히터 매트(120)는 히터(52)가 엘보 형상 파이프 피팅상에 장착될 때 히터(52)가 서로 만나 바람직하게 접촉되는 공유 대향 에지면(126,127)을 가지도록 구성된다. 에지면(126,127)은 바람직하게 엘보 형상 파이프 피팅의 가장 깊은 부분의 원호를 따라서 세로로 연장되어, 이에 따라 에지면(126,127) 사이에 야기된 슬릿을 통한 히터(52)로부터의 잠재적인 열 손실을 최소화한다. 도 6 내지 도 8이 보다 명확하게 구조물을 예시할 목적으로 병렬 에지면(126,127) 사이의 슬릿에서의 가느다란 갭을 도시하지만, 단열 재료의 재킷(122) 및 히터 매트(120)의 결합은 서로에 대항하여 에지면(126,127)을 폐쇄시키도록 히터(30)에 대하여 상기된 이유로 충분한 탄성 내부 바이어스를 가진다. 구조물은 또한 엘보 형상 파이프상에서 히터(52)를 미끄럼시키기에 충분하게 에지면(126, 127)을 분리시킴으로써 히터(52)의 개방을 허용하기 위해서 충분한 탄성 가요성을 가지며, 그 후에 히터(52)는 해제될 때 엘보 형상 파이프 주위에서 원래의 엘보 형상을 되찾는다. 파워 코드(128)는 도 1 내지 도 5 및 도9에 도시된 히터(30)에 대하여 상기된 것과 동일한 양식으로 히터 매트(120)내의 와이어 가열 요소(도시생략)에 대한 전력 및 제어를 제공한다.
히터(52)는 장착되는 엘보 형상 파이프(도시생략)를 완전하게 둘러싸는 크기 및 형상으로 바람직하게 형성되어서 엘보 형상 파이프의 어떠한 노출된 영역도, 단열 재킷(122)에 의하여 피복되지 않는 히터 매트(120)의 어떠한 노출된 영역도, 그리고 단열 재료의 재킷(122)내의 어떠한 갭도 없다. 또한 스냅(44) 또는 다른 파스너를 가지는 선택 스트랩(46,47)이 누군가가 스치듯 부딪히거나 두들기는 것에 의한 비의도적인 제거에 대항하여 히터(52)를 고정시키기 위해 제공되었지만, 히터(52)는 히터(52)가 설치 또는 제거될 때 상당한 시간을 절약할 수 있도록 엘보 형상 파이프에 히터(52)를 고정시키기 위해서 끈으로 묶는 것 또는 후크를 필요로 하지 않는다.
상기된 바와 같이, 본 발명의 중요한 특징은 상기된 히터(30,52,56,60)를 제조하기 위해서 이용되는 방법이다. 본 발명의 방법은, 상기된 바와 같이, 2차원 또는 3차원 곡률을 가지는 대상물을 둘러싸 가열시키기 위한 히터를 제조하기에 적합하며 소정의 형상으로 내부 마이어스를 가지는 히터를 형성시킴으로써 최종적인 히터의 "스프링 백" 특성을 감소 또는 제거시킨다.
여기에 사용된 "스프링 백"이라는 용어는 장착되는 파이프 또는 피팅의 만곡된 표면으로부터 떨어져서 곧게 펴지려고 하는 종래 기술의 히터의 경향을 언급한 것이다. 본 발명에 따라 "스프링 백"을 감소 또는 제거시키는 것은 가열될 대상물과 히터(30,52,56,60) 사이의, 가열 매트로부터 파이프 피팅에 이르는 전도에 의한 효율적인 열 유동을 방해하는 공기 갭에 대한 잠재력을 감소시킨다. 나아가서, 본 발명의 바람직한 방법은 히터가 단열 재료의 상대적으로 두꺼운 재킷을 가지도록 제조되게 하지만, 가열될 대상물의 전체 표면에 접촉되는 히터 매트(34)의 배치를 또한 강화시킨다.
도 10에 도시된 바와 같이, 히터 매트(34)는 시트(38,39) 사이에 와이어 가열 요소(40)를 위치결정 시킴으로써 최초로 형성된다. 그 후에 가황 프로세스가 시트(38,39) 사이에 끼워지는 와이어 가열 요소(40)와 적층내에서 함께 2개의 시트(38,39)를 접착시키기 위해서 이용된다. 가황은 바람직하게 "인-더-라운드", 즉 완료된 히터에 대하여 바람직한 만곡된 형상 및 크기로 되어 최종적인 히터 매트(34)가 휨가능하거나 굽힘가능하며, 가열될 대상물의 만곡된 형상에 자연스럽게 합치되는 고유의 구조를 가진다. 최적의 가황은 도 11에 예시된 마일라 "랩 앤드 베이크" 방식에 기초된다.
섬유유리 강화 고무의 시트(38,39)는 도 11에 설명되어 있는 바와 같이, 와이어 가열 요소(40)가 시트(38,39) 사이에 위치된 상태로 원통형의 굴대(132) 주위에 위치되어 있다. 실제로 히터 매트(34)의 전체에 걸쳐 가열 분배를 얻는 바람직한 목표를 바라는 바와 같이, 와이어 가열 요소(40)는 꾸불꾸불하거나 기하학적인 패턴으로 구성되어 있지만, 와이어 가열 요소(40)는 또한 세로 라인(134)을 가로질르지 않도록 구성되어 위치되어 있고, 이것은 가능하다. 그러나, 가능하지 않다면, 시트(38,39)에 의해 제한된다. 라인(134)은 결국은 도 1의 슬릿의 일부가 되고, 여기서 병렬된 에지면(42,43)(도 1 내지 도 4)은 분리가능하다. 그러므로, 라인(134)을 가로지르지 않도록 와이어 가열 요소(40)를 위치시킴으로써(도 11), 와이어 가열 요소(40)는 상기된 바와 같이, 에지면(42,43)(도 1 내지 도 4)을 강제적으로 분리시킴으로써 히터를 개방되는 것을 방해하지 않는다. 도 11의 원통형 맨드릴(132)은 도 1의 파이프(P)의 직경과 대략 같은 직경을 가지고 있다. 세로 라인(134)을 따라서 개방가능한 이음매는 상기된 바와 같이, 파이프(P)위에 삽입하기 위해 히터(30)가 개방되게 한다. 도 5 및 도 19에 도시된 와이어 가열 요소(40)의 아일릿은 전원 코드(48)(도 1 내지 도 2)와 상기되고 도 9에 개략적으로 도시된 간섭 퓨즈, 제어 회로, 온도 조절 장치, 및 다른 전기 회로 구성요소가 나중에 종래의 전기접속 기술 또는 납땜으로써 접속되는 전기 접점을 제공한다.
도 11에 설명된 마일라 랩 및 베이크 가황 방법에서, 마일라의 밴드(137) 또는 다른 적절한 신축성이고 수축가능한 물질이 실온에서 외부 시트(38) 주위와 맨드릴(132) 주위에 감싸져 있다. 마일라 물질의 밴드(137)는 예를 들어, 가열되면서 수축될 수 있는 델라웨어주 윌밍톤에 위치한 뒤퐁(DuPont)에 의하여 제조된 DuPont 65 열수축 마일라TM가 될 수 있다. 시트(38,39)가 마일라 물질의 밴드(137)로 타이트하게 감싼 다음에, 와이어 가열 요소(40)와 맨드릴(132)은 약 30분동안 약 325℉의 온도에서 오븐(도시생략)안에 놓여진다. 이 처리시, 마일라 물질은 제곱인치당(PSI) 10 내지 15파운드의 방사상 내측으로 향하는 압력을 맨드릴(132)상의 2개의 시트(38,39)에 가하고 수축하여 2개의 시트(38,39)는 와이어 가열 요소(40)가 안쪽에 위치된 인접 히터 매트 물질의 단일층을 형성하기 위해 서로 인터록되고 가황된다. 가황이 완료된 후에, 마일라 물질의 밴드(137)는 히터 매트(34)로부터 제거되고, 새롭게 형성된 히터 매트(34)는 원통형 맨드릴(132)로부터 제거된다. 마일라 랩 및 베이크 가황 방법의 사용과 작동은 당업자에게 공지되어 있어서 본 발명의 목적에 대해 상세히 논의될 필요가 없다.
2개의 시트(38,39)를 2개의 시트(38,39)사이에 위치된 와이어 가열 요소(40)와 함께 적층하여 밴드하는 상기 마일라 랩 및 베이크 가황 처리의 대안은 도 11의 마일라 물질의 수축 밴드(137) 대신에 도 12에 도시된 휘어진 판(138,140)에 의해 압력을 가하는 것이다. 이 처리에서, 도 12의 섬유유리 강화 고무의 두 개의 시트(38,39)는 와이어 가열 요소(40)가 시트(38,39)사이에 위치된 상태로 가열가능한 원통형 맨드릴(132) 주위에 위치되어 있다. 와이어 가열 요소(40)는 상기된 바와 같이, 세로 라인(134)을 가로지르지 않도록 위치되어 있다. 원통형 맨드릴(132)은 도 1의 파이프(P) 직경과 대략 같은 직경을 가지고 있다. 그러므로, 히터 매트(34)가 끝났을 때, 이것은 도 1에 도시된 에지면(42,43)을 맞물고 있는 이음매 또는 개방가능한 접합부를 만들기 위해 세로 라인(134)을 따라 분리하거나 절단될 수 있다. 그러면 방사상 내측으로 향하는 압력을 가하는 다른 적절한 가열 구조 또는 외부 가열가능한 플래튼(142)의 2부분(138,140)이 시트(38,39)를 원통형 맨드릴(132)와 플래튼(142) 사이에 샌드위치된 도 12에서의 파선 화살표에 의해 지시된 바와 같이, 외부 시트(39)의 외부 표면상에 위치되어 있다. 플래튼(142)의 2부분(138,140)이 제곱인치당(PSI) 약 25파운드의 압력으로 시트(38,39)상에 가압된 후에, 원통형 맨드릴(132)과 플래튼(142)은 히터 매트(34)를 형성하기 위해 시트사이에 위치된 와이어 가열 요소(40)와 섬유유리 강화 고무 시트(38,39)를 함께 가황하기 위해 약 10분동안 약 350℉의 온도에서 가열된다. 가황이 완료된 후에, 플래튼은 제거되고, 새롭게 형성된 히터 매트(34)는 원통형 맨드릴(132)로부터 제거된다.
히터 매트(34)를 가황하는 2가지 방법이 상기되어지만, 다른 방법이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 진공 배기지 기술, 압력 백 기술, 압력 브래더 기술, 고압솥법, 또는 다른 종래의 가황 기술이 히터 매트(34)를 가황하는데 사용될 수 있다. 상기된 방법은 또한 복잡한 곡선부을 가진 히터 매트를 제조하는데 사용될 수 있다. 복잡한 곡선부을 가진 물체를 가황하는 플래튼 및/또는 맨드릴을 사용하고 만드는 기술은 종래기술에 공지되어 있다. 전형적으로, 맨드릴은 히터가 둘러싸이고 가열하도록 만들어진 물체의 형태와 치수를 가지고 있다. 예를 들어, 도 6의 엘보형상 히터(52)에 대한 사전가황된 히터 매트(150)는 가황을 위해 맨드릴상에 감싸지기 전에 도 13에 도시된 초기 평편한 형태를 가지고 있다. 히터 매트(150)는 장착되는 엘보 파이프(도시생략)와 대략적으로 같은 형태와 구조를 가진 맨드릴(도시생략)상에서 가황된다. 유사하게, 도 7의 T자형의 히터(56)에 대한 히터 매트(152)는 가황을 위해 맨드릴상에 감싸지기 전에 도 14에 도시된 초기 평편한 형태를 가지고 있다. 히터 매트(152)는 장착되어 맞춤한 T자형의 파이프(도시 생략)와 대략적으로 같은 형태와 구조를 가진 맨드릴(도시생략)상에서 가황된다. 유사하게, 도 8의 밸브 히터(60)에 대한 히터 매트(154)는 가황을 위해 맨드릴에 감싸지기 전에 도 15에 도시된 초기 평편한 형상을 가지고 있다. 히터 매트(154)는 장착되어 있는 밸브 몸체(도시생략)와 대략적으로 같은 형상과 구조를 가진 맨드릴(도시생략)상에서 가황된다. 도 16에 도시된 히터 매트(156)는 또한 원뿔형 맨드릴(도시생략)을 사용함으로써 원뿔형 파이프(도시생략)를 가열하고 둘러싸기 위해 제조될 수 있다. 복잡한 곡선부를 가진 다른 히터 매트(도시생략)는 적합한 형태의 맨드릴을 사용하여 가황될 수 있다. 엘보 형태의 히터(52)에 대한 유사한 방식의 히터 매트(120)에서, Permacel #P5012는 각각 히터(56,60)에서의 히터 매트(152,154)에 사용될 수 있고, 복잡한 곡선부를 가진 다른 물체에 대한 히터 매트를 만드는데 사용될 수 있다.
와이어 가열 요소(40)는 도 10 내지 도 12, 도 17, 도 18에 도시된 패턴과 같은 선택 다양한 패턴을 가질 수 있다. 도 17에 도시된 기하학적인 와이어 패턴(300)은 표면적에 걸쳐서 약간 변하는 밀도로 배열된 와이어 가열 요소(40)를 가지고 있다. 도 18의 기하학적인 와이어 패턴(302)은 히터 매트(34)의 중심(110)에서 세로 끝부(112,113)로 향해 증가하는 와이어 밀도를 가지고 있고, 이것은 상이한 양의 열을 도 1의 파이프(P)의 상이한 부분에 가하는 능력의 예이다. 상이한 양의 열을 파이프(P)의 상이한 부분에 가하는 것은 일부 위치가 다른 위치보다 열 발산또는 손실을 가지는 곳에서 균일한 온도 윤곽부를 유지하거나 파이프의 상이한 지역에서 특정 온도 윤곽부를 생성시키는 것이 필요할 때 중요하다. 또한 이 기술은 예를 들어, 더 많은 열이 파이프(P)의 주어진 지역에서 밸브, 플랜지, 또는 보스와 같은 더 무거운 부속물을 가열하거나 더 많은 열 손실이 예상되는 곳에서, 예를 들어 파이프(P)의 끝부와 같은 파이프의 지역에서 또는 절연 재킷(36)의 에지 면(42,43)을 따라 더 많은 열을 제공하는데 필요할 때 사용될 수 있다.
히터 매트(34)의 가황이 끝난 후에, 열적으로 절연된 물질의 재킷(36)은 트랜스퍼 몰딩 공정 또는 사출 몰딩 공정을 사용하여 히터 매트(34)에 폼으로 놓여 있거나 결합되어 있고, 두 공정은 아래에 상세히 설명되어 있다.
도 19에 설명된 트랜스퍼 몰딩 공정은 원통형 히터에 사용될 수 있고 개방 몰드(159)의 하부반부(158)의 상단으로 절연 물질을 투여하여 하부반부(158)의 상단에 몰드(159)의 하부 반부(160)에 놓고 폼 절연을 몰드(159)에서 "성장"하게 하는 것을 특징으로 한다. 더 상세하게, 가황된 히터 매트(34)는 히터 매트(34)에의 열적 절연 물질의 재킷(36)의 결합과 몰딩시 형태를 유지하기 위해 적합한 크기와 형상으로 형성된 맨드릴(162) 주위에 위치되어 있다. 맨드릴(162)은 히터가 장착되는 다른 물체나 파이프(P)의 직경과 대략적으로 같은 직경을 가지고 있다. 몰드(159)와 맨드릴(162) 모두 예를 들어, 알루미늄으로 구성될 수 있다. 히터 매트(34)는 와이어 가열 요소(40)의 아일릿 전기 접점(136)이 도 19의 히터 매트(34)의 표면상의 은선으로 도시된 위치(164)아래의 히터 매트(34)에 위치되어 있을 정도로 맨드릴(162)상에 놓여 있다. 몰드(159)는 예를 들어, 인디아나주, 라파예트에 위치한 니메트 인더스트리스, 인코포레이티드(Nimet Industries, Inc.)에 의해 제공된 니튜프(Nituff)와 같은 TeflonTM함유 양극 산화 코팅으로 제조되고 몰딩 표면부의 세로, 맨드릴(162)과 몰드(159)로부터의 폼 부분의 릴리스, 맨드릴(162)과 몰드(159)의 정화를 향상시킨다. 몰드(159)의 내표면부는 예를 들어, 일리노이주, 휠링에 위치한 퍼시 함스 코포레이션(Percy Harms Corporation)에 의해 제조된 슬라이드 #42612 유니버셜 릴리스와 같은 몰드 릴리스 코팅으로 스프레이되고 몰드(159) 표면부로부터의 폼부분의 릴리스를 더 향상시킨다. 그러면, 형성 맨드릴(162)과 히터 매트(34)는 몰드(159)의 하부 하프(158)의 안쪽에 놓인다.
앞서 논의된 바와 같이, 재킷(36)내의 단열 재료는 예를 들어, 실리콘 스폰지 또는 폼 고무, 폴리머 폼, 에폭시 폼, 또는 폴리우레탄 폼이 될 수 있다. 바람직하게, 실리콘 스폰지 또는 폼 고무는 히터 매트(34) 표면부에서의 실리콘 고체 고무에 잘 결합하기 때문에 그리고 상기된 본 발명의 특징과 절연 품질과 형상 메모리를 얻는 광학 열적 전도성과 압축 계수, 전도 계수, 탄성율, 밀도등에 제공할 뿐만 아니라 손실없이 상당한 양의 열에 견딜 수 있기 때문에 사용된다. 광학적으로, 뉴욕주, 워터포드에 위치한 제너럴 일렉트릭 컴퍼니(General Electric Company)에 의해 제조된 RTF7000과 같은 실리콘 스폰지 또는 폼 고무는 양질에 사용된다. 폼 절연 물질은 색소 재료과 기제 재료로 메탄올을 혼합함으로써 준비된다. 바람직하게, 색소 재료는 예를 들어, 인디아나주, 플라이마우스에 위치한 페로 코포레이션(Ferro Corporation)에 의해 제조된 Ferro GV47000이고, 기제 재료는 상기된 RTF7000 실리콘 폼이다. 메탄올은 폼의 밀도를 낮추는데 사용된다. 색소 재료는 부식된 색에 폼을 색칠하고 색소를 넣는데 사용된다. 기제 재료는 폼 매트릭스의 고체 구조이다. 바람직하게, 메탄올, 색소 재료, 기제 재료는 1:1:100의 중량부로 서로 혼합되어 있다. 측정기(도시생략)는 준비된 기제, 색소, 및 메탄올 혼합물을 철저히 측정하는데 사용되고 기제 재료:촉매 재료를 10:1의 중량부로 혼합물에 혼합한다. 바람직하게, 촉매 재료는 예를 들어, 제너럴 일렉트릭 컴퍼니에 의해 제조된 RTF 7110이다. 촉매 재료는 기제 재료를 팽창시키고 동시에 폼 구조로 팽창된 기제 재료를 경화시키는 수소 가스를 생성하기 위해서 기제, 색소, 및 메탄올 혼합물과 반응하는데 사용된다. 소정된 상당량의 결과적으로 미혼합된 재료는 페이퍼 카트리지(도시생략)로 분배된다. 미혼합된 재료는 약 30초 동안 페이퍼 카트리지에서 함께 혼합된다. 그 재료가 혼합된 후에, 페이퍼 카트리지(도시생략)는 공압 코킹 총(도시생략) 안쪽에 놓이고, 그 재료는 코킹 총(도시생략)을 사용하여 몰드(159)의 하부 하프(158)의 중공 지역(166)에 그리고 맨드릴(162)과 히터 매트(34) 주위에 분배된다.
재료가 완전히 분배된 후, 공동부(168)가 구비된 몰드(159)의 상반부(160)는 몰드(159)의 하반부(158)위에 위치되어 고정되어서 몰드(159)의 상반부(160)상의 지점(A)이 몰드(159)의 하반부(158)상의 지점(A')에 인접하도록 하며 몰드(159)의 상반부(160)상의 지점(B)이 몰드(159)의 하반부(158)상의 지점(B')에 인접하도록 한다. 몰드(159)의 상반부(160)는 공동부(168) 내측에 위치된 제어블록아웃(170)을 포함한다.
몰드(159)의 상반부(160)가 몰드(159)의 하반부(158)상에 정확하게 위치되면, 제어블록아웃(170)의 상면(172)은 히터 매트(34)상의 가상선으로 도시된 밑줄친 위치(164)에 위치된다. 제어블록아웃(170)은 와이어 가열 요소(40)의 작은 구멍의 전기적 접근 지점(136) 바로 위의 가상선에 의해 윤곽이 그려진 히터 매트(34)의 표면의 부분 바로 위에서 폼재료가 경화하여 형성되는 것을 방지함으로써 제어공동(115)(도 5 참조)을 형성한다. 그 다음 폼재료는 대략 20분 동안 팽창하여 올라오도록 허용된다. 폼 재료가 올라옴에 따라, 히터 매트(34)의 둘레 주위로 성장하고 몰드(159)의 상반부(160)에 있는 공동(168)부를 채운다. 폼재료가 히터 매트의 둘레 주위로 팽창하여 올라올 때 이 폼 재료가 만나는 부위는 "용해선"으로서 언급된다. 이 몰드(159)는 공동부(166,168)로부터 폼재료가 누설하는 것을 방지하여 폼재료를 형상화시키는데 도움을 주어서 히터 매트(34)를 에워싸서 이 매트에 경계를 이루는 관형 재킷(36)을 형성하도록 한다. 바람직하게, 공동부(166,168)는 원형 단면을 형성하고 있어서 히터(30)가 원형단면을 갖도록 한다. 몰드 구조물(159)은 상당히 견고하여야 하고 상·하반부(A,A')는 공정시 함께 확실히 고정되어야 하는데, 그 이유는 폼의 팽창과 상승이 몰드 공동(159)에서의 큰 내압을 형성할 수 있기 때문이다.
상승 완료후, 전체 몰드(159)는 약 10분 동안 오븐(도시생략) 내측에 위치되어, 또는 그 시간 동안 몰드된 히터의 표면이 약 50℃의 온도에 도달한다. 그 다음 전체 몰드(159)는 맨드릴(162)과 몰드(159)로부터 히터(30)를 제공하기 전에 냉각되도록 방치된다. 이 몰드(159)는 냉각을 가속시키기 위해 냉동기(도시생략) 내측에 위치된다.
냉각후, 히터(30)는 몰드(159)로부터 제거된다. 처리공정의 결과로서 단열 재료의 재킷(36)은 도 1에 도시된 에지면(42,43)을 담고 있지 않는다. 따라서, 적절한 절삭 장치(도시생략)는 단열 재료의 재킷(36)을 절단하는데 사용되어 에지면(42,43)이 형성되도록 한다. 그 다음 히터(30)는 맨드릴(162)로부터 제거될 수 있다.
단열재료의 재킷(36)에 있는 처리된 실리콘 폼은 약 18 내지 20 pound/ft3의 밀도를 갖는다. 이 실리콘 스폰지 또는 고무의 밀도는 탄성, 압축성, 및 상기된 다른 바람직한 특성을 갖춘 약 1/2인치의 두께를 가진 단열 재료의 재킷(36)을 위해 70℃ 이하인 히터의 외면(114)상에 온도를 발생시키기 때문에 바람직하다. 단열 재료의 재킷(36)에 있는 실리콘 스폰지 또는 폼 고무의 밀도를 감소시키거나 또는 단열 재료의 재킷(36)의 두께의 감소는 히터(30)의 외면(114)온도를 감소시킨다.
단열 재료의 재킷(36)에 있는 실리콘 폼의 밀도는 메탄올의 가산 또는 감산에 의해 수정될 수 있다. 예를 들면, 메탄올 1중량부 대신에 상기된 혼합물에서 메탄올 0.5중량부를 이용함으로써 약 30 pound/ft3의 최종부 밀도를 가진 실리콘 폼 재킷(36)을 만든다.
도 20에 예시된 사출 몰딩 공정은 복잡한 만곡부를 가진 예를 들면 엘보형상의 히터와 같은 히터를 제조하는 데 사용될 수 있고, 몰드가 폐쇄되어 실리콘 폼 재료가 사출되는 하나의 사출 포트 또는 충전구멍을 가진 보다 고전적인 스타일의 몰딩에 의해 특징되어 진다. 보다 상세하게는, 사출 몰딩 공정의 초기단계는 상기도니 트랜스퍼 몰딩 공정의 초기 단계와 유사하다. 즉, 히터 매트는 맨드릴(162) 주위에 위치되어 도 20에 도시된 바와 같이 몰드(176)의 하반부(158)내로 위치된다. 몰드(176)의 하반부(158)내로 맨드릴(162)을 위치시키기에 앞서, 몰드(176)의 상,하반부(178,158)는 몰드 해제와 함께 스프레이된다. 그 다음 몰드(176)의 상반부(178)는 몰드(176)의 하반부(158)에 위치되어 고정된다. 그 다음 폼 혼합물은 트랜스퍼 몰딩 공정에 대해 상기된 공정을 이용하여 만들어진다.
트랜스퍼 및 사출 몰딩 공정 사이의 제1의 차이는 상기된 혼합된 재료가 몰드내로 분배되는 방법에 있다. 소정된 양의 혼합된 폼재료를 담고있는 종이 카트리지(도시되지 않음)가 진공 코킹 총(도시되지 않음)내측에 위치된 후 이 재료는 카트리지가 비어질 때 까지 몰드(176)의 상반부(178)에 있는 충전 포트(180)를 통하여 코킹 총(도시되지 않음)을 이용하여 분배된다. 몰드(176)는 사출 몰드 공정시 공동부(166,168)로부터 폼재료가 누설되는 것을 방지하여 몰드(176)내로 주입된 폼재료를 형상화시켜 히터 매트(34)를 에워싸서 경계를 이루는 관형재킷(36)을 형성한다. 사출후 폼재료의 상승과 처리는 트랜스퍼 몰딩 공정에 대해 상기된 것과 유사하다. 도 19내지 도 20에 도시된 바와 같이 공동부(166,168)는 원형 단면을 가지고 있어 히터(30)가 원형 단면을 갖도록 한다.
상기된 몰딩 및 포밍 방법을 이용하는 하나의 장점은 본래의 몰드되어 만곡된 형상으로 효과적인 메모리 바이어스를 유지하는 동안 히터(30)가 파이프 주위에 설치되기에 충분한 폭으로 개방되고 거의 원하는 두께의 재킷(36)을 가진 히터(30)가 형성될 수 있다는 점이다. 단열 재료의 재킷(36)이 거의 원하는 두께를 가지고 있는 한편 바람직하게 재킷(36)은 1/4인치 내지 1인치의 범위에서 두께를 가지고 있어 상기된 소정된 메모리 바이어스와 단열 특성 및 히터(30)의 외면(114)상의 소정된 온도를 가진다. 단열 재킷(36)의 소정된 두께는 히터(30)가 사용되는 적용에 따라 그리고 파이프(P)가 유지되어야 할 소정된 온도를 따라 변한다. 상기된 방법을 이용하는 다른 장점은 히터(30)가 외관과 색에 있어서 미학적으로 매력적이다는 것이다.
바람직한 방법에 의해 만들어진 최종 히터(30)는 충분한 탄성 가요성을 유지하고 있어, 파이프(P) 주위에 설치물을 수용하도록 에지면(42,43)에서 개방될 수 있지만 상기된 바와 같이 해제시 가황되어 몰드된 형상으로 회복 될 수 있다. 스트랩(46)상의 스냅(44), 후크 및 루프 파스너(35,37) 또는 다른 파스너는 히터(30)의 외면(114)에 추가되어 히터(30)가 파이프(P) 주위에 고정되고 비고의 적으로 문질러져서 털어 내어 질 수 없도록 한다.
보다 상세하게는 스냅(44)은 히터(30)의 외면(114)상에 위치될 사전 절삭되어 가황된 PERMACEL＃P5012로부터 만들어진 스트랩(46)내로 합체되는 플라스틱 스냅 파스너이다. 스트랩(46)은 스트랩(46)의 형상을 맞추도록 다이 절삭된 접착제로 단열 재료의 재킷(36)에 접착된다. 바람직하게 접착제는 BEAR DELAWARE의 ARLON에 의해 제조된 예를들면 ARLON ＃41400N030과 같은 플라티움 큐어 실리콘 이다. 단열 재료의 재킷(36)에 스트립(46)을 접촉시키는 것은 약 30분 동안 약 250℉에서 행하여진다. 도 21에서 도시된 다른 실시예에서 스트랩(46,47)은 히터(30)의 외면(114)상에 위치되도록 사전 절삭되어 가황된 PERMACEL＃5012로부터 만들어진 스트랩 재킷(190)의 부분이다. 스트랩 재킷(190)은 상기된 단열 재료의 재킷(36)에 접착된다. 스트랩 재킷(190)은 제어 공동(115)을 커버하여 열 퓨즈(116), 항온기(117), 선택 모니터 항온기(121) 및 다른 전기 요소가 노출되지 않도록 한다. 스트랩재킷(190)이 사용되지 않으면 제어 공동(115)은 제어 공동(115)위에 그리고 주위에 단열 재료의 재킷(36)에 사전 절삭되어 가황되어서 접착된 PERMACEL＃5012의 적절히 크기화된 부위에 의해 커버 될 수 있다. 스트랩 재킷(190)은 몰딩 공정시 만들어진 용해선의 모두 또는 일부를 덮는데 또한 사용되어 히터(30)의 미학적 외관을 향상시킨다. 또한 파워 코드(48,49)에 대한 스트레인 릴리프는 파워 코드(48,49)의 슬리빙을 스트랩 재킷(190)에 가황 시킴으로써 얻어 질 수 있다.
선택 장식 오버몰드(50)는 단열재료의 재킷(36)에 접착된 Permacel #4012 재료의 다른 편 또는 스트랩 재킷(190)에 부착될 수 있다. 오버몰드(50)는 파워코드(48, 49)가 오버몰드(50)를 관통하는 파워코드(48, 49)의 슬리빙에 또한 부착될 수 있다. 오버몰드(50)는 예를 들면 뉴욕주, 워터포드에 위치한 제너럴 일렉트릭에 의해 제조된 LSR950과 같은 액체 실리콘 고무재료로 구성될 수 있다. 오버몰드(50)가 단열재료의 재킷(36)으로부터 방사상 바깥방향으로 뻗어 있는 것으로 도 1 내지 도 4에 도시되어 있지만, 실제로 상당히 작아 스트랩 재킷(190) 또는 히터(30)의 외면(114)을 충분히 넘어 뻗을 수 없다.
히터(30)의 이용 및 작동시, 히터(30)는 파이프(P) 주위에 설치되고 파워 코드(48)는 전기출구(도시생략) 또는 다른 동력공급(도시생략)내로 접속하여 전류를 와이어 가열요소(40)를 통하여 흐르게 하여 열을 발생시킨다. 파워 코드(48)는 이것을 통하여 흐르는 전류의 12앰프만큼 갖는 것은 가능하다. 히터 매트(34)에 의해 발생된 열은 파이프(P)에 전도되어 파이프(P)를 가열한다.
본 발명의 주특징은 도 22에 도시된 바와 같이 파이프의 네트워크를 함께 에워싸서 가열하도록 히터의 시스템이 최상으로 구속될 수 있다는 것이다. 5개의 파이프 단편(200,202,204,206,208)은 히터(210,212,214,216,218) 각각에 의해 에워싸여져서 가열된다. 파이프 단편(200,202)은 플랜지 인터페이스(220)에서 연결된다. 파이프 단편(202,204)은 플랜지 인터페이스(222)에서 연결된다. 파이프 단편(206, 208)은 플랜지 인터페이스(226)에서 연결된다. 플랜지 인터페이스(220,222,224, 226)에서의 파이프 단편(200,202,204,206,208) 사이의 연결은 산업배관분야 종사자에게 잘 공지되어 있는 용접, 볼팅, 또는 다른 적절한 방법에 의해 행하여진다.
히터(210,212,214,216,218)의 최상의 구속배열에 있어서, 히터(210)의 파워코드(229)상의 숫 플러그 단부(228)는 히터(212)의 파워 코드(231)상의 암 플러그 단부(230)내로 접속된다. 히터(212)의 파워 코드(233)상의 숫 플러그 단부(232)는 히터(214)의 파워 코드(235)상의 암 플러그 단부(234)내로 접속된다. 히터(214)의 파워 코드(237)상의 숫 플러그 단부(236)는 히터(216)의 파워 코드(239)상의 암 플러그 단부(238)내로 접속되고, 그리고 히터(216)의 파워 코드(241)상의 숫 플러그 단부(240)는 히터(218)의 파워 코드(243)상의 암 플러그 단부(242)내로 접속된다. 각각의 히터(210,212,214,216,218)는 열퓨즈(116)와 선택 항온기(117)를 포함하고 있는 상기된 히터(20)를 위한 도 9에 도시된 전기회로와 유사한 전기회로와 구조를 가진다. 또한 히터(210,212,214,216,218) 각각은 도 9에 도시된 선택 모니터 항온기(121)를 포함할 수 있고 선택 모니터 항온기(121)용 플러그(123,125)는 함께 최상으로 구속될 수 있다. 단순화 목적을 위해서, 플러그(123,125)와 선택 항온기(121)는 도 22 및 도 23에 예시되어 있지 않다.
도 22에 예시된 바와 같은 히터의 최상의 구속능력은 히터에 전류를 공급하는데 필요되는 전선의 수를 충분히 감소시키면서 히터의 긴 배열이 함께 연결되도록 한다. 전선의 수의 감소는 특히 배관 네트워크가 확장되어 많은 수의 히터를 필요로 하면 배관 네트워크 부근에서 작업하는 개인을 위한 다소의 장애물의 혜택을 제공할 수 있다. 또한, 도 23에서 함께 최상으로 구속된 복수의 유사회로에 연결된 것으로 예시된 도 9의 전기회로의 병렬연결 디자인은 나머지 히터에 공급된 전류를 유지하면서 하나 또는 그 이상의 히터가 오기능하는 것을 허용한다. 예를 들면, 히터(212)내의 도 23의 퓨즈(244) 끊어지거나 다른 방식으로 와이어 가열요소(246)용 전류경로를 단절하면, 전류는 히터(212)에 있는 와이어 가열요소(246)를 통한 흐름을 정지한다. 하지만, 전류는 히터(214)내의 와이어 가열요소(248)와 와이어 가열요소(216)내의 와이어 가열요소(250)를 통하여 계속 흐른다.
상기 설명은 본 발명의 원리만을 예시한 것으로서 간주된다. 더우기, 수많은 수정과 변경이 당해분야 종사자에게서 쉽게 발생할 수 있기 때문에 상기된 정확한 구조와 공정에 본 발명을 제한하는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 모든 적절한 수정과 그 등가물이 다음 청구범위에 의해 한정된 본 발명의 범주내에서 가능하다.

Claims (15)

  1. 2차원 또는 3차원으로 만곡된 표면을 가지는, 파이프 구성요소, 밸브몸체와 같은 대상물, 또는 또 다른 대상물을 가열하는 히터 장치에 있어서, 히터 장치는,
    내부 표면으로부터 공간적으로 외부 표면을 분리시키는 고체 재료 매트릭스로 내부 표면으로부터 방사상 외측으로 이격되는 외부 표면 및 대상물의 만곡된 표면을 둘러싸고 합치되기 위한 크기 및 형상으로 되는 내부 표면으로 가요성이지만 실질적으로 비신축성의 고체 재료 매트릭스에 있어서 열 생산 재료를 포함하는 히터 매트; 및
    히터 매트의 외부 표면에 비가동적인 관계로 주위에 형성되며 접착되는 재킷으로서, 상기 재킷은 고체 재료의 매트릭스 전체에 걸쳐 산재되는 공기 또는 가스 공간의 탄성적인 신축성 및 압축성 복합 재료로 이루어지며, 여기에서 상기 복합 재료는 저밀도, 고탄성, 고압축성, 저열전도성이고, 상기 히터보다 횡단면 크기에 있어서 더 두꺼우며, 또한 대상물의 상기 만곡된 표면으로부터 방사상 외측으로 히터 매트를 구부리거나 변형시키는 외력의 제거 또는 부재시 대상물의 만곡된 표면을 둘러싸고 합치되기 위한 상기 크기 및 형상으로 히터 매트의 상기 내부 표면을 되돌려 유지시키기 위한 고유의 메모리를 가지는 충분한 범위로 압축 및 압축 세트에 대하여 탄력적으로 저항되는 재킷;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 히터 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복합 재료는 15 내지 45% 압축될 때 10 내지 40 lbs/in.2로 정의되는 강성 내지 15 내지 70% 압축될 때 1 내지 30 lbs/in.2로 정의되는 연성의 범위에서 압축 계수를 가지는 것을 특징으로 하는 히터 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 복합 재료는 실리콘 스폰지 또는 폼 고무로 이루어지는 것을 특징으로 하는 히터 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 복합 재료는 0.06 내지 0.12 watt/meter-K 의 범위에서 열전도계수를 가지는 것을 특징으로 하는 히터 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 복합 재료로 이루어지는 상기 재킷은 두께에 있어서 1/4 인치보다 큰 것을 특징으로 하는 히터 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 복합 재료로 이루어지는 상기 재킷은 1/4 내지 1 인치 두께의 범위에서 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 히터 장치.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 복합 재료로 이루어지는 상기 재킷은 약 1/2 인치 두께인 것을 특징으로 하는 히터 장치.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 고체 재료 매트릭스는 유리섬유 강화 실리콘 고체 고무를 포함하는 것을 특징으로 하는 히터 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 열 생산 재료는 상기 유리섬유 강화 실리콘 고체 고무내에 매립되는 전기 저항 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 히터 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 히터 매트는 2 ㎜ 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 히터 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 복합 재료는 실리콘 스폰지 또는 폼 고무로 이루어지는 것을 특징으로 하는 히터 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 복합 재료는 0.06 내지 0.12 watt/meter-K 의 범위에서 열전도계수를 가지는 것을 특징으로 하는 히터 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 복합 재료는 상기 히터 매트의 외부 표면으로부터 방사상 외측으로 이격되는 노출된 주위 표면을 가지며, 상기 히터 매트의 내부 표면에서 200℃의 온도가 실온 주위 환경내의 상기 노출된 주위 표면에서 75℃보다 낮은 온도에 대하여 상기 복합 재료에 있어서 약화되는 것을 특징으로 하는 히터 장치.
  14. 2차원 또는 3차원으로 만곡된 표면을 가지는 대상물을 가열하는 히터 장치에 있어서, 히터 장치는,
    내부 표면 및 외부 표면을 가지고 유리섬유 강화 실리콘 고체 고무로 이루어지는 얇은 가요성 히터 매트로서, 상기 외부 표면은 상기 가요성 히터 매트의 두께에 의하여 상기 내부 표면으로부터 방사상 외측으로 이격되며 상기 내부 표면과 상기 외부 표면 사이에서 상기 유리섬유 강화 고체 고무내에 매립되는 전기 동력식 가열 요소를 포함하고, 상기 내부 표면은 상기 대상물의 만곡된 표면에 합치되는 크기 및 형상을 가지는 얇은 가요성 히터 매트; 및
    상기 실리콘 스폰지 또는 폼 고무가 탄력적인 세트 분자 구조를 가지는 구성을 갖추도록 상기 내부 표면이 대상물의 만곡된 표면에 합치되는 상기 크기 및 형상으로 될 때 가요성 히터 매트의 외부 표면에 몰딩, 경화, 및 접착되고, 대상물의 만곡된 표면으로부터 방사상 외측으로 히터 매트의 대부 표면을 변형시키는 히터상의 외력이 없을 때 히터 매트의 상기 내부 표면을 되돌려 유지시켜서 대상물의 만곡된 표면과 합치되는 메모리를 가지기에 충분하게 상기 형상에 가압되며, 가요성 히터 매트의 두께보다 두꺼운 두께를 가지는 실리콘 스폰지 또는 폼 고무로 이루어지는 단열 재킷으로서, 상기 실리콘 스폰지 또는 폼 고무는 실리콘 스폰지 또는 폼 고무의 두께와 같은 공간의 거리만큼 히터 매트의 외부 표면으로부터 방사상 외측으로 이격되는 노출된 주위 표면을 가지며, 상기 실리콘 스폰지 또는 폼 고무는 또한 상기 히터 매트의 상기 내부 표면에서의 200℃의 온도가 실온 주위 환경내에서의 상기 주위 표면에서 75℃ 보다 작게 약화되도록 충분한 두께를 가지며 상기 히터 매트보다 열전도에 대하여 보다 저항성을 가지는 단열 재킷;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 히터 장치.
  15. 2차원 또는 3차원으로 만곡된 표면을 가지는 대상물을 가열하는 히터 장치에 있어서, 히터 장치는,
    2개의 부분적으로 경화된, 유리섬유 강화 실리콘 고체 고무 시트 사이에서 가황제 및 전기 히터 요소를 위치결정시킴으로써 얇은, 가요성이지만 비신축적인 히터를 형성하는 단계; 전기 히터 요소가 대상물의 상기 만곡된 표면에 대한 크기 및 형상에 있어서 실질적으로 동일한 표면을 가지는 맨드릴 주위에 위치결정되는 상태로 2개의 시트를 감싸는 단계; 및 매립되는 전기 히터 요소로 유리섬유 강화 실리콘 고체 고무의 단일 히터 매트내에서 2개의 시트를 함께 경화 및 가황시키는 단계를 완료시키기에 충분한 시간동안 및 충분한 온도로 맨드릴 주위에 감싸지는 전기 가열 요소 및 2개의 시트에 대하여 방사상 내측으로 향하는 압력 및 열을 동시에 적용하는 단계;
    히터 매트로부터 열 및 압력을 제거하는 단계;
    맨드릴상에서의 히터 매트보다 넓은 주위 크기 및 형상을 가지는 몰드 공동내로 맨드릴상에서의 히터 매트를 위치결정시킴으로써 히터 매트 주위에서 단열, 구조-강화 재킷을 형성하는 단계; 기제 실리콘 고무 재료를 팽창시키고 스폰지 또는 폼 구조물내로 팽창되는 기제재료를 동시에 경화시키는, 수소가스를 발생시키기 위해 기제재료와 메탄올을 반응시키는 촉매 및 메탄올과 함께 기제 실리콘 고무 재료를 혼합하는 단계; 기제 실리콘 고무 재료, 메탄올, 및 촉매의 혼합을 가지고 히터 요소 및 맨드릴 주위에서 몰드 공동을 부분적으로 충전하는 단계; 몰드 공동이 팽창된 실리콘 스폰지 또는 폼 재료로 충전되기 전까지 몰드 공동내의 맨드릴상에서의 히터 매트의 외부 표면 주위에서 재료가 팽창, 경화, 및 접착되도록 하는 단계; 몰드 공동내에서 재료를 경화시키도록 가열하고 그 후에 재료를 냉각시키는 단계; 몰드 공동으로부터 실리콘 스폰지 또는 폼 고무의 경화된 구조물을 제거하는 단계; 맨드릴로부터 구조물을 제거시키기 위해서 히터 매트 및 재킷의 구조적인 결합의 고유한 탄성 바이어스에 대항하여 이격되어 방사상으로 가압될 수 있는 병렬의 에지면으로 재료에서 슬릿 또는 스플릿을 야기시키기 위해서 세로로 구조물을 슬리팅가공하는 단계;로 이루어지는 공정에 의하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 히터 장치.
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