KR200258562Y1 - 세라믹 탄소섬유 면상발열체 - Google Patents

Abstract

본 고안은 세라믹 탄소섬유 면상발열체에 관한 것으로, 특히 면상발열체를 구성하는 탄소섬유 발열지에 대해 열전도도가 상기 제지용 펄프나 고분자 절연부재보다 우수한 세라믹섬유, 세라믹분말 또는 이들의 조합을 그 내부에 분산시킴으로써 온도 분포가 전면적에 걸쳐 균일하게 조성되도록 하고, 경우에 따라서는 옥과 같이 원적외선 방사특성이 우수한 물질을 함께 포함시킴으로써 사용자의 건강 유지에 기여할 수 있는 세라믹 탄소섬유 면상발열체를 제공하는 데 있다.

Description

세라믹 탄소섬유 면상발열체{Sheet heater of ceramic carbon fibers}

본 고안은 탄소섬유 발열지를 이용한 면상발열체에 관한 것으로, 특히 면상발열체를 구성하는 탄소섬유 발열지나 고분자 절연부재 또는 이들 모두에 대해 열전도도가 제지용 펄프나 고분자 절연부재보다 우수한 세라믹 섬유나 세라믹 분말 또는 이들의 조합을 그 내부에 분산시킴으로써 온도 균일성과 발열효율의 향상이 가능한 세라믹 탄소섬유 면상발열체를 제공하는 데 있다.

전기통전에 의한 면상발열체는 온도조절이 용이하고 공기가 오염되지 않아 위생적이며 소음이 없기 때문에 히팅 매트나 히팅 패드, 침대 매트리스, 보온 이불이나 담요, 아파트나 일반주택 등의 주거용 난방장치 등에 폭넓게 이용되고 있다. 또한, 사무실이나 상점 등 상업용 건물의 난방장치, 작업장이나 창고, 막사 등의 산업용 난방장치와 각종 산업용 가열장치, 비닐 하우스와 농산물 건조시스템과 같은 농업용 설비, 도로나 주차장의 눈을 녹이거나 결빙을 방지할 수 있는 각종 동결방지장치를 비롯하여 레저용, 방한용, 가전제품, 거울이나 유리의 김서림 방지장치, 건강보조용, 축산용 등에도 이용되고 있다.

상기 면상발열체의 발열원으로는 종래에는 니크롬 등의 발열선이 사용되고 있으나, 상기 니크롬 등의 발열선으로 만든 면상발열체에서는 전기가 한 선을 통해 흐르기 때문에 발열선의 어느 한 부분이라도 끊어지면 전기가 통하지 않게 되어 면상발열체가 작동을 하지 않게 되는 사용상의 문제점이 발생할 수 있다.

또한, 니크롬 등의 발열선을 이용하는 기존의 면상발열체에서는 발열선이 단락되는 경우에는 그 부분에서 전기저항이 크게 감소하여 심하게 발열되기 때문에 화재의 위험성이 있으므로, 발열선의 단락을 방지하기 위해서는 발열선의 표면 또는 발열선들의 사이를 충분한 두께의 전기부도체로 완전히 절연을 시켜야 하나, 전기부도체는 열 부도체이므로 열전도 특성이 나쁘기 때문에 면상발열체의 발열효율이 저하된다. 이와 함께 니크롬 등의 발열선을 이용한 면상발열체에서는 발열선 부위만의 부분발열이기 때문에 온도분포가 불균일한 문제점이 있었다.

본 고안의 목적은 니크롬 등의 발열선을 이용하는 기존의 면상발열체의 문제점을 해결하기 위하여 탄소섬유를 펄프부재 내에 분산시킨 탄소섬유 발열지를 이용한 면상발열체에 있어서 상기의 면상발열체를 구성하는 탄소섬유 발열지에 대해 열전도도가 제지용 펄프나 고분자 절연부재보다 훨씬 우수한 AlN, SiC, Si, BN 등의 세라믹 섬유나 세라믹 분말 또는 이들의 조합을 그 내부에 분산시킴으로써 온도 균일성과 함께 발열효율을 향상시킨 세라믹 탄소섬유 면상발열체를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 고안에 따른 세라믹 탄소섬유 면상발열체의 분해 사시도,

도 2는 도 1의 실시예에 대한 측단면도,

도 3은 본 고안의 요부에 해당되는 탄소섬유 발열지의 평면도로서 세라믹이 포함되지 않은 상태를 도시한 평면도,

도 4는 본 고안에 따른 세라믹 탄소섬유 면상발열체의 제 1실시예에 대한 평 면도로서 탄소섬유발열지의 내부에 세라믹섬유가 포함된 상태를 도시한 평면 도,

도 5는 본 고안에 따른 세라믹 탄소섬유 면상발열체의 제 2실시예에 대한 평 면도로서 탄소섬유발열지의 내부에 세라믹분말이 포함된 상태를 도시한 평면 도,

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

1 : 탄소섬유 2 : 펄프부재

3 : 전극부재 5 : 소밀부

6 : 조밀부 7 : 세라믹섬유

8 : 세라믹분말 9 : 탄소섬유발열지

10 : 고분자 절연부재

본 고안은 특히 상기예의 목적을 구현할 수 있도록 열전도 매체가 포함된 세라믹 탄소섬유 발열지에 종방향이나 횡방향으로 적어도 한 쌍 이상의 전극을 형성하고 윗면과 밑면에 각기 적어도 한 층 이상의 고분자 절연부재를 라미네이팅하여 이루어지는 면상발열체에 있다.

본 고안의 또 다른 특징은 상기 세라믹 탄소섬유 발열지의 종방향이나 횡방향으로 적어도 한 쌍 이상의 전극을 형성하고 평판상의 윗면과 밑면에 각기 적어도 한 층 이상의 고분자 절연부재를 라미네이팅하여 이루어지는 면상발열체의 고분자 절연부재에 열전도도가 우수한 열전도 매체를 포함시킨 면상발열체에 있다.

이하에서 이를 첨부된 도면과 함께 좀더 구체적으로 설명하여 봄으로서 본 고안의 보다 상세한 특징들이 이해될 수 있을 것이다.

도 1 및 도 2는 본 고안에 의한 세라믹 탄소섬유 면상발열체를 나타내었다.

상기 면상발열체는 열전도도가 우수한 열전도 매체가 구비된 탄소섬유 발열지(9)의 종방향이나 횡방향으로 적어도 한 쌍 이상의 전극부재(3)를 형성하고 고분자 절연부재(10)가 상기 세라믹 탄소섬유 발열지(9)의 상/하 표층에 라미네이팅 되어져 있다.

상기 면상발열체는 세라믹 탄소섬유 발열지(9)의 윗면과 밑면에 각기 한 층의 고분자 절연부재(10)가 구비되어져 있으나, 용도에 따라서는 서로 다른 재질의 고분자 절연부재들을 두 개 이상 적층하여 라미네이팅할 수도 있다.

상기 면상발열체의 고분자 절연부재(10)는 폴리에스터, 아크릴, ABS, 셀루로우즈, 불화탄소, 폴리에칠렌, 폴리프로필렌, 폴리스타일렌, 고무, 폴리염화비닐 (PVC), 폴리비닐플루오라이드, 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리우레탄, 에폭시, 에폭시 수지함침 유리직물 등을 사용할 수 있다.

도 3과 같이 탄소섬유 발열지(9)는 직경 5∼50 μm, 길이 0.5∼20 mm로 직경에 비해 길이가 훨씬 긴 탄소섬유(1)가 발열지의 펄프부재(2) 내에 균일하게 분산되어 있어 발열체의 전체 면에서 균일 발열이 가능하여, 니크롬 등의 발열선을 이용한 면상발열체의 문제점인 발열선 부위만의 부분발열에 의한 불균일한 온도분포를 해결할 수 있다. 또, 발열시트의 전도성 필러는 탄소섬유로 되어 있고, 탄소섬유는 분산시 입자 형상의 카본블랙 분말에 비해 서로간의 접촉이 훨씬 용이하게 발생하기 때문에 분산시키는 탄소섬유의 함량을 훨씬 넓은 범위에서 변화시킬 수 있어 다양한 발열특성을 갖는 면상발열체의 제조가 가능하다.

그러나, 상기와 같은 탄소섬유 발열지(9) 내에는 탄소섬유(1)가 펄프부재(2)의 기재층 내에 배열되어져 있을 때에 국부적으로 탄소섬유가 성기게 배열되어 있는 소밀부(5)와 탄소섬유가 조밀하게 배열되어 있는 조밀부(6)가 발생할 수 있으며, 소밀부(5)에 비해 조밀부(6)에서 발열이 많이 되기 때문에 소밀부(5)에 비해 조밀부(6)의 온도가 더 높이 올라가게 된다.

그리고, 탄소섬유 발열지(9)를 이용한 면상발열체를 제조시 기본적으로 전기절연을 위해 탄소섬유 발열지(9)의 표면에 고분자 절연부재(10)를 라미네이팅하고 있고, 이러한 면상발열체의 절연층으로 사용되는 고분자들은 온도가 올라가면 팽창을 한다.

따라서, 탄소섬유(1)가 조밀하게 분산되어 있어 온도가 더 높은 조밀부(6)에 라미네이팅이 된 고분자 절연부재(10) 부위는 옆으로 더 많이 팽창을 하려 하나 온도가 낮은 소밀부(5)에 라미네이팅이 된 고분자 절연부재(10)에 의해 옆으로의 팽창이 억제된다. 이에 따라 조밀부(6)에 라미네이팅 된 고분자 절연부재(10) 부위 내에 압축응력이 발생하여 고분자 절연부재(10)와 탄소섬유 발열지(9)가 국부적으로 박리될 수 있으며 이 부위에서 절연파괴 등이 발생하여 면상발열체의 발열특성의 저하가 유발될 수 있다.

본 고안에서는 도 4 및 도 5와 같이 탄소섬유 발열지(9) 내에 열전도도가 제지용 펄프보다 우수한 열전도 매체로서 AlN, SiC, Si, BN 등의 세라믹섬유(7)나 세라믹분말(8) 또는 이들을 조합한 형태를 탄소섬유(1)와 함께 분산시킴으로써 탄소섬유 발열지(9)의 조밀부(6)에서 더 많이 발생하는 열이 소밀부(5)로 빠르게 전달되도록 하여 온도편차를 감소시킴으로써 전면적에서 온도를 균일하게 할 수 있는 세라믹 탄소섬유 면상발열체를 제공할 수 있다.

상기 탄소섬유 발열지(9)의 펄프부재(2)의 열전도도는 1.0 W/m-K 이하로 매우 낮은데 비해 AlN은 230 W/m-K, SiC는 270 W/m-K, Si는 84 W/m-K, BN은 600 W/m-K의 매우 높은 열전도도를 갖고 있다.

본 고안에서 열전도 매체인 세라믹섬유(7)는 탄소섬유 발열지(9) 내에서의 분산성을 고려시 탄소섬유(1)와 유사한 크기인 직경 5∼50 μm, 길이 0.5∼20 mm가 적합하나, 이 범위에서 벗어나는 크기의 세라믹섬유(7)도 적용이 가능함은 물론이다. 본 고안에서 적용하고자 하는 세라믹분말(8)은 탄소섬유 발열지(9) 내에서의 분산성을 고려시 약 1 μm 이하의 직경을 갖는 것이 적합하나, 이보다 큰 세라믹분말의 적용도 가능하다.

본 고안에서는 열전도 매체로서 AlN, SiC, Si, BN 등의 세라믹 섬유(7)와 분말(8) 또는 이들을 조합한 형태를 예로 들었으나, 이외에도 여타의 세라믹 섬유(7)나 분말(8) 또는 이들의 조합한 형태의 열전도도가 제지용 펄프부재(2)의 열전도도보다 높으면 적용이 가능하다.

또한 탄소섬유(2) 및 열전도 매체로 작용하는 세라믹섬유(7)나 분말(8)과 함께 원적외선 방사특성이 우수한 옥 등과 같은 원적외선 세라믹을 분산시켜 탄소섬유 발열지(9)를 제조함으로써 이를 이용하여 구성한 세라믹 탄소섬유 원적외선 면상발열체의 원적외선 방사특성의 향상이 가능하다.

이상 설명한 바와 같이 본 고안은, 탄소섬유를 펄프부재 내에 분산시킨 탄소섬유 발열지를 이용한 면상발열체에 있어서 상기의 면상발열체를 구성하는 탄소섬유 발열지(9)에 대해 열전도도가 제지용 펄프부재(2)나 고분자 절연부재(10)보다 훨씬 우수한 AlN, SiC, Si, BN 등의 세라믹 섬유(7)나 세라믹 분말(8) 또는 이들의 조합을 그 내부에 분산시킴으로써 온도 균일성과 발열효율의 향상을 얻을 수 있다.

또한, 경우에 따라서는 옥과 같이 원적외선 방사특성이 우수한 물질을 함께 포함시킴으로써 사용자의 건강 유지에 기여할 수도 있다.

Claims (3)

1. 탄소섬유(1)가 펄프부재(2)안에 배치 성형되어져 있는 면상발열지(9)와; 상기 탄소섬유 면상발열지(9)의 종방향이나 횡방향에 형성되어져 있는 적어도 한 쌍 이상의 전극(3)과; 상기 탄소섬유 면상발열지(9)의 상, 하부 또는 각각에 대해 적어도 한층 이상 적층되어져 있는 고분자 절연부재(10)로 이뤄져 있는 탄성섬유 면상발열체에 있어서, 상기 탄소섬유 발열지(9) 내에는 탄소섬유 밀도가 높은 조밀부(6)와 밀도가 낮은 소밀부(5)와의 열적 불균일을 방지하기 위한 열전도 매체로서 세라믹섬유(7) 또는 세라믹분말(8), 또는 이들의 조합이 포함되어져 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 탄소섬유 면상발열체.
2. 제 1항에 있어서, 상기 탄소섬유 발열지(9) 내에는 옥과 같은 원적외선 방사특성이 우수한 물질이 함께 포함되어져 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 탄소섬유 면상 발열체.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 고분자 절연부재(10) 내에는 옥과 같은 원적외선 방사특성이 우수한 물질이 포함되어져 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 탄소섬유 면상 발열체.