KR20010013473A - 열적 손상에 대한 보호용 가요성 그라파이트 복합 물품 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 국부 고온 광원(30)의 열손상 효과가 배제된 열차폐 열전도성 비그라파이트 물질(20)과 전도성 열 관계에 있는 가요성 그라파이트의 시이트를 포함하는 복합 물품에 관한 것이다.
Description
그라파이트는 탄소 원자의 육방 배열 또는 망상구조의 층면으로 이루어진다. 이러한 육방 배열 탄소 원자의 층면은 사실상 평평하며, 서로 거의 평행이 되거나 등거리가 되도록 배향되거나 규칙적으로 배열된다. 보통 밑면으로서 언급되는 탄소 원자의 사실상 평평한, 평행한 등거리의 시이트 또는 층은 함께 연결되거나 결합되며, 그 그룹은 미소결정으로 배열된다. 고도로 규칙적으로 배열된 그라파이트는 상당한 크기의 미소 결정으로 이루어진다. 이러한 미소 결정은 서로에 대해 매우 잘 정렬되거나 배향되어 있으며 매우 규칙적으로 배열된 탄소를 갖는다. 환원하면, 고도로 규칙적으로 배열된 그라파이트는 매우 바람직한 미소 결정 배향을 갖는다. 그라파이트는 이방성 구조를 가지며, 이에 따라 매우 지향성인 많은 특성을 보이거나 갖는 것으로 주지되어야 한다. 요약하면, 그라파이트는 탄소의 적층 구조, 즉, 약한 반 데르 발스힘(van der Waals forces)에 의해 서로 결합된 탄소 원자의 중첩된 층 또는 막으로 이루어진 구조로 특징될 수 있다. 그라파이트 구조를 살펴보면, 두개의 축 또는 방향이 보통 "c"축 또는 방향과 "a "축 또는 방향인 것으로 이해해야 한다. 단순화를 목적으로, "c"축 또는 방향은 탄소 층에 수직인 방향으로서 간주될 수 있다. "a" 축 또는 방향은 탄소층에 평행인 방향 또는 "c" 방향에 수직인 방향으로서 간주될 수 있다. 천연 그라파이트는 고도의 정향성을 갖는다.
상기 기재된 바와 같이 탄소 원자의 평행 층을 함께 지지하는 결합력은 오로지 약한 반데르 발스 힘이다. 천연 그라파이트는 중첩된 탄소 층 또는 막 간의 공간이 상당히 개구되어 있어 상기 층의 수직 방향으로, 즉, "c" 방향으로 크게 확장되도록 하여 막 특성이 실질적으로 보유되는 팽창된 또는 부풀어 오른 구조를 형성하도록 할 수 있다.
매우 팽창된, 보다 특히, 원래 "c" 방향 치수보다 80배 이상인 "c" 방향 치수 또는 최종 두께를 가지도록 팽창된 천연 그라파이트 박편은 결합력이 있거나 통합 시이트, 예를 들어 웹(web), 페이퍼, 스트립, 테이프 등에 결합제를 사용하지 않고 형성될 수 있다. 어떠한 결합 물질을 사용하지 않고 통합 시이트로 원래 "c" 방향 치수의 80배 이상인 "c" 치수 또는 최종 두께를 가지도록 팽창된 그라파이트 입자의 형성은 우수한 기계적 연동, 또는 부피 팽창된 그라파이트 입자들 간에 달성되는 응집에 의한 것으로 여겨진다.
가요성 이외에, 상기 기재된 바와 같은 시이트 물질은 또한 고도의 이방성을 가지는 것으로 밝혀졌다. 제조된 시이트 물질은 우수한 가요성, 우수한 강도 및 고도의 정향성을 가질 수 있다. 요약하면, 가요성의 무접착제 시이트 물질, 예를 들어, 웹, 페이퍼, 스트립, 테이프, 호일, 매트 등을 제조하는 방법은 소정의 부하하에 및 결합제의 부재하에 원래 입자의 80배 이상의 "c" 방향 치수를 가지는 팽창된 그라파이트 입자를 압착 또는 압축하여 사실상 평평한, 가요성의 통합 그라파이트 시이트를 형성하는 것을 포함한다. 일반적으로 외형상 워엄 또는 연충 모양인 팽창된 그라파이트 입자는 일단 압축되면 압축 상태를 유지할 것이다. 시이트 물질의 밀도 및 두께는 압축도를 조절하므로써 변화될 수 있다. 시이트 물질의 밀도는 평방 피이트당 약 5파운드 내지 약 125 파운드의 범위내일 수 있다. 가요성 그라파이트 시이트 물질은 상당한 정도의 이방성을 보이며, 이러한 이방성은 그 정도가 시이트 물질을 롤 프레싱하여 밀도가 증가되는 경우에 증가한다. 롤 프레싱된 이방성 시이트 물질에 있어서, 두께, 즉, 시이트 표면에 수직인 방향은 "c" 방향을 포함하고, 길이 및 폭을 따르는 방향, 즉, 표면을 따르거나 평행인 방향은 "a" 방향을 포함한다.
본 발명은 비그라파이트(non-graphitic) 물질, 즉, 금속, 또는 몇몇 경우에 플라스틱, 및 가요성 그라파이트 시이트의 인접층을 포함하는 복합 물품에 관한 것이다. 복합 물품은 국부 고온 공급원, 예를 들어 화염 또는 고온 기체의 스트림에 의한 복합 물품 및 복합 물품의 가요성 그라파이트 시이트에 인접한 기판에 대해 손상 효과를 최소화시킨다.
도 1은 연속적인 금속 시이트와 전도열 관계에 있거나 이에 인접한 가요성 그라파이트의 연속적인 시이트를 도시한 것이다.
도 2는 국부 고온 열원이 결합되어 있는 도 1의 배열의 입면도이다.
도 3은 배열이 클램프에 의해 제자리에 고정되어 있는 금속 시이트에 인접하여 중간에 있는 가요성 그라파이트의 연속 시이트를 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 배열이 팬 형상의 구조로 기계적으로 변형된 상태를 도시한 것이다.
도 5는 중간 가요성 그라파이트의 시이트에 인접한 동심의 내부 및 외부 금속 튜브로 형성된 복합 물품을 도시한 것이다.
도 6은 가요성 그라파이트의 시이트에 인접한 연속적인 플라스틱 시이트로 형성된 복합 물품을 도시한 것이다.
그라파이트는 면들 사이에 약한 결합력을 갖는 평평한 층상 면에 결합되어 있는 원자를 포함하는 탄소의 결정질 형태이다. 예를 들어, 황산 및 질산 용액의 게재물로 천연 그라파이트 박편과 같은 그라파이트의 입자를 처리하므로써 그라파이트의 결정 구조는 반응하여 그라파이트의 화합물과 게재물을 형성한다. 처리된 그라파이트의 입자는 이후 "게재된 그라파이트의 입자"로 언급한다. 고온에 노출되는 경우, 게재된 그라파이트의 입자는 치수에 있어서 아코디온 형태로 "c" 방향으로, 즉 그라파이트의 결정질 면에 대해 수직인 방향으로, 원래 부피의 80배 이상 정도로 확대된다. 박락된 그라파이트 입자는 외형상 연충형태이며, 따라서, 보통 워엄으로서 언급된다. 이러한 워엄은 원래의 그라파이트 박편과는 달리 가요성 시이트로 함께 압축되어 여러 형상을 형성하거나 절삭될 수 있다.
가요성 그라파이트로부터 그라파이트 호일을 제조하는 통상의 방법은 본원에서 참고 문헌으로 인용되는 쉐인(Shane) 등의 미국 특허 제 3,404,061호에 기술되어 있다. 쉐인 등의 방법의 일반적인 실시에서, 천연 그라파이트 박편은 예를 들어 질산 및 황산의 혼합물의 산화제를 함유하는 용액 중에 그라파이트 박편을 분산시키므로써 게재된다. 게재 용액은 당해 공지된 산화제 및 기타 게재제를 함유한다. 이러한 용액의 예로는 산화제 및 산화 혼합물을 함유하는 용액, 예를 들어, 질산, 염소산칼륨, 크롬산, 과망간산칼륨, 크롬산칼륨, 이크롬산칼륨, 과염소산 등 또는 혼합물(예를 들어, 농축된 질산과 염소산염, 크롬산과 인산, 황산과 질산), 또는 강유기산의 혼합물(예를 들어, 트리플루오로아세트산), 및 유기산에 가용성인 강산화제가 포함된다.
바람직한 구체예에서, 게재제는 황산, 또는 황산 및 인산, 및 산화제, 예를 들어, 질산, 과염소산, 크롬산, 과망간산칼륨, 과산화수소, 요오드산 또는 과요오드산 등의 혼합물 용액이다. 덜 바람직하기는 하지만, 게재 용액은 염화철, 황산과 혼합된 염화철과 같은 금속 할라이드, 또는 브롬과 황산의 용액 또는 유기 용매 중의 브롬으로서 브롬과 같은 할라이드를 함유할 수 있다.
그라파이트 박편이 게재된 후, 추가량의 용액은 박편으로부터 배출된다. 배출된 후 박편상에 보유되는 게재 용액의 양은 그라파이트 박편 100중량부에 대해 20 내지 150중량부(pph) 및 보다 일반적으로는 약 50 내지 120pph에 이를 수 있다. 다르게는, 게재 용액의 양은 본원에서 참고 문헌으로 인용되는 미국 특허 제 4,895,713에서 설명되고 기재된 바와 같이 세척 단계가 생략되도록 하여 그라파이트 100중량부에 대해 10 내지 50중량부(pph)로 제한될 수 있다. 게재된 그라파이트 박편은 단지 수초 동안 700℃ 초과, 보다 일반적으로는 1000℃ 이상의 온도에서 화염에 노출되므로써 박락된다. 박락된 그라파이트 입자 또는 워엄은 이후 압축되고, 목적하는 밀도 및 두께의 매우 압축된 가요성 그라파이트 호일 시이트로 롤 프레싱되어 열전도도 및 기타 물리적 특성과 관련하여 이방성이 상당히 증가한다. 적합한 박락 방법과 박락된 그라파이트 입자를 박막 호일로 압축시키는 방법은 상기 언급된 쉐인 등의 미국 특허 제 3,404,061호에 기술되어 있다. 박락된 워엄은 생성물의 제 1 또는 초기 단계의 압축이 당해 "가요성 그라파이트 매트"로 언급되는 여러 단계로 압축되는 것이 통상적이다. 따라서, 가요성 그라파이트 매트는 약 70lb/ft3의 밀도가 대부분의 적용에 허용되기는 하지만 이론적 밀도에 접근하는 밀도를 갖는 두께로 2 내지 70밀의 박막 시이트 또는 호일로 롤 프레싱하여 압축될 수 있다.
롤 프레싱된 가요성 그라파이트는 표면을 따라서 그리고 평행하여 열전도도에 대해 상당히 우수한 열적 장벽인 것으로 공지되어 있으며, 이는 두께를 통해서보다 약 20 이상 더 큰 것이다.
비박락 게재된 그라파이트의 특정 열적 특성은 벽 또는 마루 외피의 제조(미국 특허 제 5,176,863호) 및 개스켓(gasket) 적용(미국 특허 제 5,494,506호)에 사용되어 왔다. 본 발명에서, 롤 프레싱된 가요성 그라파이트의 고도의 이방성 열전도도 특성은 고온 차폐 적용을 다루는 데 사용된다. 도 1은 유사하게 홀 또는 개구 없이 연속적인 금속 시이트(20)에 인접하는, 홀 또는 개구가 전혀 없는 롤 프레싱된 가요성 그라파이트의 연속적인 시이트(10)을 보여준다. 롤 프레싱된 가요성 그라파이트 시이트(10)는, 입자(12) 및 시이트(10)의 "c" 축 방향이 연속 시이트(10)의 평면 평행면(14, 16)을 횡단하도록, 즉, 시이트(10)의 두께를 횡단하도록 배열된 압축되고, 게재되고 박락된 그라파이트 입자(12)로 형성된다. 상기 압축되고, 게재되고, 박락된 그라파이트 입자 및 시이트(10)은 시이트(12)의 평면(14, 16)을 따라 그 사이에 존재하며, 도 1에서 18로 표시된 바와 같이 평면(14, 16)에 평행한 시이트(12)를 따라 그안에 모든 방향으로 연장된다.
전도에 의한 열 흐름 또는 열 전달은 원자 또는 분자를 혼합하지 않고 각각의 원자 또는 분자의 운동 에너지가 전이하므로써 본체를 통해 열이 흐르게 되는 경우에 발생한다. 물질이 가열되는 경우, 원자 또는 분자는 보다 큰 진동 운동, 즉, 보다 큰 운동 에너지를 받게 되며, 일부 경우에서는 충돌에 의해, 이러한 원자 또는 분자가 이웃하는 것들과 이러한 증가된 에너지를 공유하여, 이로써 이러한 에너지를 이것들 너머로 제공한다. 전도에 의한 열 흐름을 측정하기 위해, 열 전달의 기본법칙이 속도 방정식의 형태로 작성될 수 있다:
상기 식에서, 구동력은 온도의 불균등이 있는 경우에만 열이 흐를 수 있는 것이 명백하므로써 고체 본체를 가로지르는 온도차이다.
푸리에의 법칙(Fourier' Law)으로 알려져 있는 상기 법칙은 본체를 통과하는 열 흐름의 속도는 온도 강하 및 면적에 비례하고, 본체의 두께에 반비례함을 시사하고 있다. 푸리에 법칙의 수학적 표현은 다음과 같다:
상기 식에서, "Q"는 시간 "t"의 경과시 전달된 열 에너지의 양이고, "A"는 열 흐름 방향에 수직인 본체의 면적이고, "(T1-T2)"는 본체의 마주하는 측부들 또는 단부들 간의 온도차이고, "L"은 열 흐름 방향으로의 본체의 두께이고, "k"는 상기 방정식에 의해 정의되는 상수이고, 본체를 구성하는 특정 물질의 열전도도로 불리운다. "Q"가 Btu로, "t"가 시간으로, "A"가 평방 피트로, "T2" 및 "T1"이 화씨로, "L"이 피트로 측정되는 경우, "k"는 Btu/h/f2/℉/f로 표현되고, "k"는 또한 W/M. 。K 로 과학적 단위로 표현될 수도 있다.
"k"를 정의하는 방정식에서 각각의 용어가 특정 하나에 대해 동일한 경우, "k"는 열전도도의 계수로서 정의된다. 열전도도의 계수의 수치적 값은 본체가 어떠한 물질로 이루어지느냐와 평균 온도에 의존한다. 본체의 두께가 매우 작은 경우, 작은 공기 포켓(pocket)의 경우 또는 박막 접착제 피복물 또는 층이 있는 경우, 주변 본체를 통한 전도에 의한 열 전달 효과는 이러한 포켓 또는 층 및 피복물에 의해 약간의 영향만 받을 뿐이다. 즉, 전도에 의한 열전달에 대한 열적 장벽이 거의 없다.
도 1의 복합체의 입면도인 도 2와 관련하면, 국부 고온 열원(30)이, 예를 들어 일반적으로 40으로 표시된 열 손상 물질을 차폐하도록 의도된 보통 탄소강 또는 합금강일 수 있는, 사실상 등방성, 즉 균일한 열전도도의 연속 금속 시이트(20)에 매우 인접하게 위치한다. 예를 들어, 알루미늄, 구리, 귀금속 및 이들의 합금과 같은 그 밖의 금속이 사용될 수 있다. 도 2와 관련하여, 화염일 수 있는 국부 열원(30), 고온 기체가 흐를 수 있는 자동 배기 파이프 등은 연속 강 시이트(20)의 인접면(19)에서 온도(T1)를 달성한다. 마주하는 면(21)에서 T2가 T1보다 낮은 경우, 열은 거의 균일하게 측정되는 속도로, 즉 강의 비이방성 열전도도, 예를 들어 모든 방향으로 10 내지 20W/M. 。K 로 T1에서 T2로 이동할 것이며, 인접하는 롤 프레싱된 가요성 연속 그라파이트 시이트(10)의 부재하에, 저온(T2)은 열 에너지의 전도로 인해 대략 T1의 높은 값으로 증가할 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이 인접하는 가요성 그라파이트 시이트(10)가 제 위치에 있는 경우, 강 시이트(20)와의 전도성 열 전달 관계에서는 전도에 의한 열 전달 장벽이 사실상 없으며, 상승 온도(T2)는 강 시이트(20)를 인접하고 있는 가요성 그라파이트 시이트(10)의 일부에서 상응하는 온도(T3)를 달성할 것이다. 온도(T3)는 두가지 매우 상이한 열전도도 경로(롤 프레싱된 가요성 그라파이트 시이트(10)의 이방성으로 인해, 예를 들어 열 전도도에 대해 적어도 20:1), 즉, 평면(10)에서 평면(14)에 이르는 가요성 그라파이트 시이트(10)의 두께를 가로지르는 "c" 방향 및 "a" 방향에 인가된다. "c" 방향 경로에서, 열전도도는 강 시이트(20)의 약 1/3로 비교적 낮다. 나머지 열전도도 경로, 즉, 가요성 그라파이트 시이트(10)의 평면(16, 14)에 평행한 "a" 방향은 비교적 매우 높은 열전도도를 갖는다. 이러한 "a" 경로에서, 열전도도는 강의 열전도도에 비해 10 이상인 것이 보통이다. 결론적으로, 열, 즉, 열에너지는 가요성 그라파이트 시이트(10)의 두께를 가로질러 전도에 의해 서서히 통과하나("c" 방향), 평면(16, 14)("a" 방향)에 평행한 방향으로는 시이트(10)을 매우 빠르게 통과한다. 이로써, 열은 T3에서 T4로 전도에 의해 빠르게 이동하면서, T2를 비교적 낮은 온도로 유지시키고, 온도 T4를 상승시키고, 열, 즉, 열에너지가 강 시이트(20)에서의 전도에 의해 T4에서 T5로 흐르게 하는데, 그 이유는 강 시이트(10)를 통해 T2에서 T5로의 열 전달이 가요성 그라파이트 시이트(10)의 "a" 방향으로의 T3에서 T4로의 열전달에 대해 약 1/10의 속도로 이동하기 때문이다. 상기 기술된 구성의 결과로 인접하는 사실상 열적 비이방성인 강(즉, 등방성) 시이트(20) 및 롤 프레싱된 열적 이방성 연속 가요성 그라파이트 시이트(10) 상에서의 열원(30)으로부터의 전도성 열에너지가 퍼지게 되는 것이다. 상기 기술된 열 현상의 결과로서, 강 시이트(20)과 전도성 열전달 관계에 있는 가요성 그라파이트 시이트(10)의 온도에서와 같이, T2에서의 고온의 편중된 핫 스폿(hot spot)이 피해지게 되고, 강 시이트(20)의 표면에서의 온도가 균일하게 되어 T1에서보다 훨씬 낮은 온도로 머물게 된다. 상기 언급된 열적 수행능을 달성하기 위해서, 각각의 시이트(10 및 12)는 연속적이어야 한다. 즉, 각각의 시이트내 및 이를 통한 열전도를 방해하지 않을 홀, 절삭부분 또는 기타 개구가 없어야 한다.
도 3은 가요성 그라파이트 시이트(10)에 겹쳐져 인접하고 있으며 전도성 열 전달 관계에 있는, 중간 강 시이트(20', 23)인 추가의 강 시이트(23)를 도시하고 있으며, 복합체는 클램프(26)에 의해 제 위치에 클램핑되어 있다. 도 4에서, 도 3의 복합체는, 외피 열손상 덮개 또는 매트의 첨가로 예를 들어, 스탬핑에 의해서 팬 형상 구조로 기계적으로 변형되었다. 도 5는 130으로 표시된 엔진 배기 기체가 매우 높은 온도, 예를 들어 1000℉ 이하에서 통과하고, 고온 열원을 구성하는 자동 머플러 파이프(15) 둘레를 싸고 있는 내부 강 시이트 튜브(120)으로 형성된 복합체를 도시한 것이다. 인접하는 외부 강 시이트 튜브(123)내에 싸여져 있는 중간 롤 프레싱된 가요성 그라파이트 시이트(110)는 내부 강 시이트(120)에 인접한다.
도 2 내지 5의 상기 구체예 모두에서, 열적 현상은 도 1 및 2에 관련하여 기술된 것에 상응한다. 즉, 편중된 고온 핫 스폿이 피해지고, 덮개 또는 매트(40')가 열로 손상되지 않는다.
도 6의 복합 물품은 연속 플라스틱 시이트(60)를 포함하며, 이는 예를 들어 펠트, 플라스틱, 고무와 같이 인접하는 열 손상가능한 기판(80) 상에 안치되어 있는 연속 가요성 그라파이트 시이트(70)에 인접한다. 플라스틱 시이트(60)는 거의 균일한, 즉 등방성인 열전도도를 가지며, 이 열전도도는 "c" 방향으로는 열적 이방성 가요성 그라파이트 시이트의 열전도도보다 크고, "a" 방향으로는 상기 그라파이트 시이트의 열전도도보다 상당히 적다. 국부 고온 열원(300)으로부터의 열은 보통 플라스틱 시이트(60)를 용융시킬 것이며, 기판(80)을 손상시킬 것이다.
그러나, 플라스틱 시이트(60)를 통과하는 열은 전도성 열전달 관계에 있는 롤 프레싱된 이방성 연속 가요성 그라파이트 시이트(70)으로 인해 "확산"되고, 이 결과 도 1 및 2와 관련하여 기술된 동일한 열적 현상이 나타나고, 기판(80)에 대한 열 손상이 피해진다.
본 발명의 복합 물품의 그라파이트 및 비그라파이트 성분은 상기 기재된 바와 같이 클램프에 의해, 전도성 열전달에 거의 영향을 미치지 않는 예를 들어 5 내지 10 미크론 두께의 매우 얇은 접착제 피복물 또는 층을 사용하여 전도성 열전달 관계로 함께 고정되거나 유지된다. 팬 형상 및 동심의 관형 구조 이외에, 열차폐 복합 물품은 포물선형 및 구형 반사기, 노(furnace) 덮개 및 봉입물, 핸들 그립, 시이트 커버, 커텐 및 차양으로서 형성될 수 있다.
Claims (6)
- 열전도도가 거의 균일한 열전도성 열 차폐 비그라파이트 물질을 포함하는 기판과 전도성 열전달 관계로 배열된 롤 프레싱된 열적 이방성 가요성 그라파이트의 연속 시이트 형태로 된 복합 물품 및 열 차폐 열전도성 비그라파이트 기판에 매우 인접하는 고온 열원의 결합체에 있어서, 연속 열 차폐 열전도성 비그라파이트 기판이 가요성 그라파이트의 연속 시이트와 고온 열원과의 중간에 존재함을 특징으로 하는 결합체.
- 열전도도가 거의 균일한 연속 금속 시이트에 인접하여 고정된 가요성 그라파이트의 롤 프레싱된 열적 이방성 연속 시이트의 형태로 된 복합 열 차폐 장치에 있어서, 연속 롤 프레싱된 가요성 그라파이트 시이트 및 연속 금속 시이트가 전도성 열교환 관계로 배열됨을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 및 제 2 연속 금속 시이트의 중간에 있으며 고정되어 있는 열적 이방성 롤 프레싱된 가요성 그라파이트의 연소 시이트로 된 복합 열 차폐 장치에 있어서, 가요성 그라파이트 시이트가 제 1 및 제 2 연속 금속 시이트와 전도성 열 전달 관계에 있음을 특징으로 하는 장치.
- 제 3 항에 있어서, 제 1 및 제 2 연속 금속 시이트가 기계적으로 변형되어 합쳐짐을 특징으로 하는 장치.
- 제 3 항에 있어서, 제 1 및 제 2 금속 시이트가 동심원으로 배열된 외부 튜브 및 내부 튜브의 형태로 되어 있음을 특징으로 하는 장치.
- 연속 플라스틱 시이트와 열손상가능한 기판의 중간에 있는 롤 프레싱된 열적 이방성 가요성 그라파이트의 연속 시이트의 형태로 된 복합 열 차폐 장치에 있어서, 가요성 그라파이트의 시이트가 전도성 열전달 관계로 플라스틱 시이트에 부착되어 있음을 특징으로 하는 장치.
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