KR200318659Y1 - 카본사 램프 히터 - Google Patents

Abstract

본 고안은 진공 유리관(밀폐용기)에 발열체로 탄소체를 내장시켜 전원을 외부 단자로 공급토록 이루어진 전기스토브용 가열램프에서,

카본사인 탄소사(6)를 수개의 다발로 상호 꼬아 접속시킨 일정 길이의 탄소체(10),

상기 탄소체(10)의 양단에서 내열단자 일단과 결합시키도록 흑연과 구리의 혼합파우더로 압착시킨 압착 성형부(20),

내열단자(22)의 타단에서 진공 및 밀폐용기(3)의 양단을 누름 실링하는 평면단자부(3-1) 일단에 오도록 결합하고 노출 리드선을 타단에 결합시키는 연결편(21)을 포함하여 구성한 카본사 램프 히터 이다.

Description

카본사 램프 히터{Carbon fibers lamp heater}

본 고안은 카본사 램프 히터에 관한 것으로, 카본사(탄소사)속을 상호 엮어 딴 탄소체의 양단에 별도의 내열단자를 안치시켜 흑연과 구리의 혼합파우더로 압착시킨 압착 성형부를 두고, 내열단자와 리드선은 상호 열결편을 매개로 연결시켜 진공밀폐용기의 양단 실링을 가능토록 한 카본사 램프 히터에 관한 것이다.

일반적으로 램프는 전구라고도 하는데 진공관의 내부에 설치한 필라멘트에 전류를 흐르게 하여 고온으로 가열함으로써 생기는 빛을 이용하기도 하고, 필요에 따라서는 발열하는 열을 이용하는 히터용 램프로 사용하기도 한다. 이는 진공 상태에서 내부에 필라멘트를 설치하고 유리관의 양단에 필라멘트와 연결하는 단자를 설치한 구성을 예시할 수 있다. 또한 유리관의 축을 따라서 텅스턴 플라멘트를 설치하고 관내에 요오드 가스를 봉입하여 필라멘트에 전류를 보내면(전원을 인가하면) 필라멘트에서 발생한 텅스텐 원자가 관벽에서 요오드와 결합하여 요오드화텅스텐으로 되어 필라멘트로 되돌아가고, 여기서 또 분해되어 텅스텐을 필라멘트에 남기는 이른바 요오드 사이클에 의하여 장시간 사용 가능한 고 효율의 램프로 사용한다.

그러나 이러한 방식의 램프는 필라멘트의 손상이 외부 충격에 약하고, 가열에 의한 형태변형 등으로 내구성이 약한 문제점이 있으며, 코일을 설치하는데 따른 원가 상승 등의 부담이 있다.

한편 면상 발열체 등에 사용하는 카본사는 미세한 굵기의 카본섬유다발을 하나의 군으로 하여 사용한다. 예를 들어 카본섬유가 26400개로 이루어진 경우 길이가 1 미터, 직경이 0.3 미리미터 인 경우 약 60옴의 저항치를 이룬다. 때문에 이를기초로 원하는 출력(와트)을 설계하여 면상발열체 등을 제조한다. 물론 이 경우 저항치는 저항식(식에서 R;저항, rho ;저항률, l;길이, s;단위면적 이다)에 따라 결정한다. 그러나 이들은 면상발열체의 발열원으로 사용하는 것이어서 주로 약 50도 내지 70도의 온도를 발산토록 설계하며, 그 이상이 되면 화재의 위험이 있고, 공기와 산화되어 내구성이 현격히 저하된다.

한편 이러한 카본사를 열원으로 하여 진공튜브에 내장시킨 히터가 개발되었는데, 카본사를 일정한 묶음으로 저항치를 설정하여 원하는 출력을 제공토록 하는 것이나 카본사를 단자에 고정하는 기술과 카본사를 집속하는 기술이 미비하여 산업화에 어려움을 겪고 있다. 이러한 기술의 일 예로는 일본 공개특허 2000-123960호로 공개된 탄소계 발열체가 알려져 있는바, 이는 도 1 과 같이 탄소계 발열체(1)의 양단에 캡형 전극부(2)를 두고 탄소계 발열체(1)와 캡형 전극부(2)가 진공밀폐용기(3)내에 내장되고, 캡형 전극부(2)는 리드선(4)을 접속시켜 전원을 인가하도록 이루어진다. 상기 리드선(4)은 도 2 와 같이 다수의 다발로 이루어진 탄소계 탄소사(6)의 다발 외주연을 탄소실(7)로 감아 묶어 고정 형태를 이룬다.

도 3 은 이 경우 필요한 탄소사(6)의 다발을 제공 가능토록 구성한 예시도면으로, 일정 다발의 탄소사(6)를 각각 탄소실(7)로 감고, 탄소실(7)로 감은 이들 3가닥을 함께 탄소실(7')로 감아 일체로 만드는 구성을 나타낸다.

즉, 도 2 와 같은 단위 탄소속체(5)나, 도 3 과 같은 3가닥의 탄소속체(5)를 탄소실(7')로 감은 복수 탄소속체(5)로 된 탄소체(1)를 이용하여 그 양단을 캡 형태의 전극부(2)로 결합시켜 진공밀페용기(3)를 씌우도록 성형한다.

그러나 이러한 방식은 원하는 탄소사(6)를 원하는 다발의 수를 사용하여 원하는 저항치를 만들어 원하는 출력(W)을 출력토록 사용하나, 탄소사(6)를 탄소실(7)로 묶어야 하는 번거러움 등의 문제가 있다.

아울러 탄소체(1)의 특성상 리드선(4)과의 용접이 불가능하기에 접속을 위한 별도의 전극부(2)를 구비하여야 하고, 전극부(2)를 탄소체(1)의 양단과 접속시키기 위한 복잡한 공정을 요하는 문제점이 있다.

본 고안은 이를 해결코자 하는 것으로, 본 고안의 목적은 면상발열체로 사용하는 탄소사(카본사)를 발열원으로 하고 탄소사의 양단을 리드선 접속용 내열단자와 탄소와 흑연의 분발로 압착시켜 상호 도통토록 함으로써 리드선과의 접속 불량으로 인한 내구성 저하를 막아주고 생산성을 향상시킨 카본사 램프 히터를 제공하려는 것이다.

본 고안의 다른 목적은 카본사의 표면을 세라믹으로 코팅하여 표면을 매끄럽게하여 카본사속의 내구성을 향상시킨 카본사램프를 제공하려는 것이다.

본 고안의 또 다른 목적은 카본사의 표면에 일정 길이마다 일정두께의 내열띠를 설치하여 진공밀폐용기 내벽과의 충격을 감소시켜 역시 내구성을 향상시킨 카본사램프를 제공하려는 것이다.

이를 위하여 본 고안은 유리관의 내부에 일정 다발의 카본사로 이루어진 탄소사속으로 따서 탄소체를 만들고, 탄소체의 양단에는 내열단자를 안치시켜 흑연과구리의 혼합파우더로 압착 성형하여 접촉 불량을 해소토록 하고, 탄소체의 일정 길이마다 진공밀폐용기의 내벽과의 충격을 감소시키도록 내열띠를 설치한다.

도 1 은 일반적인 탄소계발열체의 구성도,

도 2 는 도 1 에 사용되는 탄소체의 요부 확대도,

도 3 은 도 2 의 탄소속체를 3개 사용하여 결속한 상태의 도면,

도 4 는 본 고안에 사용하는 탄소체의 구성도,

도 5 는 본 고안의 요부 단면도,

도 6 은 본 고안의 단면도,

도 7 은 도 6 의 A-A 선 확대 단면도,

도 8 은 도 5 의 등가회로도 이다.

도 9 는 본 고안에 사용하는 카본사(탄소사) 집합체의 가닥수에 따른 저항치의 예시도 이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

3;진공밀폐용기 3-1;평면단자부 6;탄소사 10;탄소체 11;제 1 탄소사속 12;제 2 탄소사속 13;제 3 탄소사속 20;압착 성형부 21;연결편 22;내열단자 30;내열띠

즉, 본 고안은 진공 유리관(밀폐용기)에 발열체로 탄소체를 내장시켜 전원을 외부 단자로 공급토록 이루어진 전기스토브용 가열램프에서,

카본사인 탄소사를 수개의 다발로 상호 꼬아 접속시킨 일정 길이의 탄소체,

상기 탄소체의 양단에서 내열단자 일단과 결합시키도록 흑연과 구리의 혼합파우더로 압착시킨 압착 성형부,

내열단자의 타단에서 진공 및 밀폐용기의 양단을 누름 실링하는 평면단자부 일단에 오도록 결합하고 노출 리드선을 타단에 결합시키는 연결편을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 카본사 램프 히터를 제공하려는 것이다.

이하 본 고안의 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4 는 본 고안의 요부를 이루는 탄소체의 요부 확대 구성도로, 일정 다발로 이루어지는 카본사인 탄소사(6)를 제 1 내지 제 3 탄소속(11,12,13)으로 구분하고, 구분한 각 탄소속(11,12,13)을 댕기를 따듯이 상호 딴다. 그러면 각 탄소사(6)가 그룹을 지어 일정 길이로 상호 따지면서 결착 되어 탄소체(10)를 이룬다.

도 5 는 본 고안을 이루는 카본사 램프 히터의 일단을 보인 요부 단면도 이고, 도 6 은 본 고안의 카본사 램프 히터의 단면도로,

진공 유리관(밀폐용기)(3)에 발열체로 탄소체(10)를 내장시켜 전원을 외부 리드선(4)을 통하여 공급토록,

카본사인 탄소사(6)를 수개의 다발로 상호 꼬아 접속시킨 일정 길이의 탄소체(10),

상기 탄소체(10)의 양단에서 내열단자 일단과 결합시키도록 흑연과 구리의 혼합파우더로 압착시킨 압착 성형부(20),

내열단자(22)의 타단에서 진공 및 밀폐용기(3)의 양단을 누름 실링하는 평면 단자부(3-1) 일단에 오도록 결합하고 노출 리드선을 타단에 결합시키는 연결편(21)을 포함하여 구성한다.

상기 압착 성형부(20)는 단순히 흑연(Graphite)와 구리(Cupper)의 혼합 파우더(100-200메시)를 일정 공간의 성형 금형틀에 넣고 성형 금형틀의 공간 양측에는 탄소체(10)와 내열단자(22)가 안치되도록 하고, 압착(50-100T) 성형하여 탄소체(10)와 내열단자(22)를 상호 전도 가능토록 일체로 압착시킨다. 본 고안에서 흑연과 구리의 비율은 65~75 대 25~35의 비율을 이루도록 하는 것이 좋은바, 흑연은 금속광택과 활마재로 사용되는 특성상 금형틀에 넣고 압착 성형 후 분리를 쉽게하도록 하기 위함이며, 구리는 부드러워 접착성이 좋고 결착력이 좋지만 성형 후 쉽게 분리되지 않는 점을 감안하여 흑연과 구리의 비율을 65~75 대 25~35의 비율로 성형하였을 때 결착력과 분리 제조성을 안정적으로 얻게되었다. 아울러 본원 고안은 압착 성형부(20)부위는 순수 탄소 성분으로 이루어진 탄소체(10) 보다는 다른 이물질의 결합으로 이루어졌기에, 저항이 높아 발열량이 작아진다. 이는 실제로 도 8 과 같이 탄소체(10)의 발열량이 900도 정도를 이루었을 때, 탄소체(10)는 전류의 흐름이 상대적으로 낮아 섭씨 100-200도의 발열을 이루는 것을 등가적으로 나타낼수 있다. 즉, 이는 탄소체(10)의 발열이 압착 성형부(20)에 미치지 않고, 동시에 리드선(4)으로의 발열을 제한하는 효과를 제공하여 카본사 램프 히터의 내구성을 갖게한다.

상기 내열단자(22)와 연결편(21)은 몰리브덴을 사용한 것을 예시할 수 있다.본 고안에 사용하는 몰리브덴은 용융점이 2610℃ 로 전기회로의 접점용이나 내열재료 고온 부품용으로 사용되는 것을 이용한다.

상기 탄소체(10)는 표면을 매끄럽게 하는 세라믹층(40)으로 코팅된 것을 사용하는 것이 좋다. 본 고안에서 사용하는 세라믹층은 세라믹 분말을 희석시켜 유약형태로 탄소체(10) 표면에 바르고 소성시켜 세라믹층(40)을 이루도록 사용하는 형태를 예시할 수 있다. 본 고안에 사용되는 세라믹층의 재료는 세라믹( { Al}_{2 } { O}_{3 } +Zr { O}_{2 }+{ Y}_{2 } { O}_{3 } )을 들 수 있다.

탄소체(10)의 외주연에는 일정 길이 간격마다 진공밀폐용기(3) 내벽과의 충격 감소용 내열띠(30)를 일정 길이마다 반복 설치한다.

상기 내열띠(30)는 수산화 알루미늄 이다.

도 7 은 도 6 의 A-A 선 단면도이고, 도 8 은 본 고안의 카본사 램프 히터의 등가회로도로, 단위 탄소사(6)로 이루어진 제 1 내지 제 3 탄소사속(11,12,13)으로 꼬아서 결합시킨 탄소체(10)의 외주연에 세라믹층(40)으로 코팅하여 표면을 매끄럽게 하고, 세라믹층(40)외주연에는 탄소체(10)의 길이방향으로 일정 간격마다 탄소체(10)의 외주연을 링 상으로 감도록 내열띠(30)를 형성한다. 본 고안에 사용되는 내열띠(30)의 재질은 수산화알루미늄(Al { (OH)}_{3 } )을 들 수 있고, 물에녹은 겔상의 수산화알루미늄액을 탄소체(10)의 표면에 일정 두께로 바른 다음 건조시켜 내열띠를 이루도록 완성한다.

도 9 는 본 고안에 사용하는 카본사 집합체의 가닥수와 그에 대한 저항치의 예를 나타낸 표이다.

본 고안에 사용하는 카본사 집합체는 면상 발열체 등에 사용하던 것을 고열에도 견딜 수 있도록 진공 유리관(진공밀페용기) 내에 설치하여 전기 스토브용 카본사 램프 히터로 사용 가능토록 한 것으로, 이러한 카본사는 도 8 과 같이 가닥 수에 따른 저항치의 상이함과, 길이를 연장하면 저항치가 증가하고 탄소사의 다발수가 늘어나면 저항치가 줄어드는 등의 원리를 이용하여 필요한 출력(와트)를 설계 가능하다. 아울러 본원고안은 유리관의 진공밀폐용기(3)내에 탄소체(10)를 내장하였기에 탄소체(10)의 산화가 원천적으로 차단되어 내구성이 반 영구적이다.

아울러 설계 시에도 예를 들어 전원이 220볼트이고, 카본사집합체의 1미터당의 저항이 60옴이고, 길이가 1미터 일 때의 출력(와트)은 ()가 된다. 따라서 이러한 출력의 기초를 가지고 길이를 짧게 하거나 두께(카본사속의 개수)를 조정하면 램프의 유리관 길이를 조정하여 동일 출력의 다양한 램프를 제조 가능케 된다. 실제로 700-900도의 발열을 이루는 것을 확인하였는바, 히터로서의 사용하기에 충분한 조건을 만족시켰다. 이는 유리관(5)의 내부가 진공이어서 산화가 원천적으로 차단되고, 길이에 따라 저항치를 조절하여 원하는 출력을 제공 가능하기 때문인 것으로 판단된다.

아울러 본원 고안은 탄소사(6) 속(다발)으로 이루어진 제 1 내지 제 3 탄소사속(11-13)을 댕기를 따듯이 따면 일정다발의 탄소사(6)가 탄소체(10)를 이루게 되는바, 특히 본원고안은 도 4 과 같이 탄소체(10)를 댕기를 따듯이 따지는 형상을 할 수도 있고 로프를 꼬는 형태로 구현할 수도 있다.

본원 고안의 또 다른 특징은 내열단자(22)를 사용하는 구성인바, 이는 탄소체(10) 양단에 압착 성형부(20)를 이루고 탄소체(10)와 내열단자(22)와 탄소체(10)의 결착력을 유지토록 하여 탄소체(10)와 내열단자(22)간의 접촉 불량으로 인한 발열을 감소시켜 단자와의 접촉부에서 생기는 발열을 감소시키고, 단순히 압착하여 성형하므로 생산성을 향상시킨다.

이와 같이 구성한 본 고안은 탄소체(10)의 양단에 내열단자(22)를 각각 안치되도록 일조의 압착 성형부(20)의 크기를 가지는 금형에 안치시키고(물론 하나의 압착성형부에서 일단의 탄소체(10)에 내열단자를 압착시키고, 이어 탄소체(10)의 다른 단에 내열단자를 압착시키는 구성을 이룰 수도 있다), 통상의 프레스 기기를 사용하여 50-100T 의 압력으로 압착 성형한다. 이 때 압착성형부를 이루는 소재는 100-200매쉬의 흑연과 구리를 65-75 대 25-35의 중량비로 혼합한 것을 사용함이 좋다. 흑연이 65-75중량비를 초과하면 접착성이 떨어져 쉽게 부서지고, 이보다 낮으면 압착성형이 어렵다. 이는 구리의 함량이 25-35중량비를 초과하면 성형시의 압축 후 금형에서 분리되는 특성이 낮아서 제조 수율이 떨어지고 내열성도 떨어지고, 이보다 낮으면 구리의 바인더 특성이 낮아져 성형성이 떨어진다.

상기에서 내열단자(22)와 리드선(4)은 상호 일정크기의 연결편(21)을 통하여접속되는 구성을 이루는바, 내열단자(22)와 연결편(21)은 몰리브덴으로, 리드선(4)은 텅스텐으로 구성함이 좋은바, 이는 용융온도가 몰리브덴은 섭씨 2600도이고, 텅스텐은 3387도로 높기 때문이다.

이어 상기와 같이 먼저 탄소체(10)의 양단에 내열단자(22)를 압착성형부(20)에서 성형하고, 이전에 내열단자(22)의 다른단에는 몰리브덴의 연결편(21)을 통하여 리드선(4)과 접속(스포트 용접)시킨다(물론 탄소체(10)의 외주연에는 미리 수산화알루미늄의 내열띠(10)를 일정 길이마다 성형한다). 이와 같이 성형한 것을 양단이 뚫린 상태의 원형 파이프(진공용 흡입관을 물론 파이프이 길이 중간 부분에 구비한 것이다)안에 안치시키고, 양단을 1800-2000도로 가열시켜 프레싱하면 도 5 와 같이 양단이 밀착된 평면단자부(3-1)를 이루고 중앙은 공간을 그대로 유지토록 성형된다. 특히 본원고안은 내열단자(22)를 사용하는 방식을 채택하였기에 평면단자부(3-1)를 이루기 위한 압착후 냉각시켜 진공을 만들 때 리드선(4)으로 인한 공간면적이 넓어도 연결편(21)은 얇아서 접착성을 좋게 함으로써 진공을 이룰 때 외기와 차단되는 특성을 지속토록 기능 한다. 아울러 내열단자(22)를 사용하는 것은 평면단자부(3-1)를 이루기 위하여 유리관의 단부를 가열할 때 산소에 노출된 탄소체(10)가 산화되어 직접 가열되는 것을 막아주기 위함이다. 즉, 가열되는 열을 일단 내열단자(22)로 인가하여(몰리브덴으로 용융온도가 2600도이므로 유리관을 1800-2000도로 가열하여도 내열성을 가지게 된다) 탄소체(10)로 직접열이 전달되는 것을 막아주어 제조시 탄소체(10)가 손상되는 것을 막아주어 제조수율을 높인다. 물론 평면단자부(3-1)의 성형을 완료하면 도시하지 않은 진공 형성용 보조 파이프를 통하여 내부 공기를 흡입하여 진공을 만들고 이를 절단시켜 막아 진공밀폐용기(3)를 완성시킨다.

이와 같이 제조한 본원고안은 도 6 과 같은 구성을 이루어 리드선(4)의 양단에 전원을 인가하면, 저항이 높은 리드선(4), 연결편(21), 내열단자(22) 및 압착성형부(20) 보다는 저항이 상대적으로 낮은 탄소체(10)에서 집중 발열되고 이를 이용하여 히터로 사용한다. 예를 들어 전원이 220볼트이고, 카본사집합체의 1 미터 당의 저항이 60옴이고, 길이가 1미터 일 때의 출력(와트)은 ()가 된다. 따라서 이러한 출력의 기초를 가지고 길이를 짧게 하거나 두께(카본사속의 개수)를 조정하고 램프의 유리관 길이를 조정하여 동일 출력의 다양한 램프를 제조 가능케 된다. 실제로 섭씨 700-900도의 발열을 이루는 것을 확인하였는바, 본원 고안에서는 압착성형부(20)에서는 발열이 섭씨 100-200도를 유지하여 상대적으로 현격하게 발열의 차이를 제공하고, 이는 내열단자(22), 연결편(21) 및 리드선(4)을 통하여 발열이 감소하여 사용시의 내열 설계의 고려를 줄여 제품의 사용상의 편리를 제공한다.

아울러 본원 고안은 사용시 탄소체(10)가 일부 늘어지게 제조되어도 유연한 내열띠(30)를 일정 길이마다 둘렀기에 진공밀폐용기(3)의 내벽과 탄소체(10)가 직접 닿는 것을 막아주어 내구성을 향상시킨다. 그리고 본원 고안에서 사용하는 탄소체(10)는 역시 내열성이 있는 세라믹으로 코팅을 하였기에 표면이 매끄러워 발열성과 내구성을 향상시킨다.

이상에서 설명한 본 고안은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 고안의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

이상과 같이 본원고안은 카본사집합체(탄소사)를 사용하여 램프를 제조하고 탄소사를 수개의 탄소사속으로 구분하여 이들을 상호 따면 일종의 댕기 형태로 탄소체를 이루게 되고, 이러한 탄소체를 사용하여 카본사램프의 발열체로 사용하므로 카본사속을 탄소체로 결합하기 위한 별도의 수단을 필요치 않아 제조공정이 단순해진다.

또한 본 고안은 카본사의 표면을 세라믹으로 코팅하여 표면을 매끄럽게 하여 카본사속의 내구성을 향상시킨다.

또한 본 고안은 카본사의 표면에 일정 길이마다 일정두께의 내열띠를 설치하여 진공밀폐용기 내벽과의 충격을 감소시켜 역시 내구성을 향상시킨다.

또한 본원 고안은 카본사의 양단에 내열단자와 탄소와 흑연으로 이루어지는 압착 성형부를 두어 압착 결합시키므로, 별도의 결합수단을 필요로 하지 않아 생산성이 좋아지고, 압착 성형부의 저항이 높아 발열이 낮아 탄소체의 열을 리드선으로 전달하는 것을 차단시켜 램프히터의 사용 안정성을 제공한다.

Claims (5)

1. 진공 유리관(밀폐용기)에 발열체로 탄소체를 내장시켜 전원을 외부 단자로 공급토록 이루어진 전기스토브용 가열램프에서,

   카본사인 탄소사(6)를 수개의 다발로 상호 꼬아 접속시킨 일정 길이의 탄소체(10), 및

   상기 탄소체(10)의 양단에서 내열단자 일단과 결합시키도록 흑연과 구리의 혼합파우더로 압착시킨 압착 성형부(20),

   내열단자(22)의 타단에서 진공 및 밀폐용기(3)의 양단을 누름 실링하는 평면단자부(3-1) 일단에 오도록 결합하고 노출 리드선을 타단에 결합시키는 연결편(21)을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 카본사 램프 히터.
2. 제 1 항에 있어서, 내열단자(22)와 연결편(21)은 몰리브덴을 사용한 것을 특징으로 하는 카본사 램프 히터.
3. 제 1 항에 있어서, 탄소체(10)는 표면을 매끄럽게 하는 세라믹층(40)으로 코팅된 것을 특징으로 하는 카본사 램프 히터.
4. 제 1 항에 있어서, 탄소체(10)의 외주연에는 일정 길이 간격마다 진공밀폐용기(3) 내벽과의 충격 감소용 내열띠(30)를 일정 길이마다 반복 설치한 것을 특징으로 하는 카본사 램프 히터.
5. 제 1 항에 있어서, 내열띠(30)는 수산화 알루미늄 인 것을 특징으로 하는 카본사 램프 히터.