KR20040023765A - 세라믹 카아본히터 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

충분한 강도와 내후성, 내구성을 가지며, 온화하게 발열하는 보온 및 가열용 히터를 제공한다.

본 발명의 세라믹 카아본히터는 발열체층의 상면과 하면에 절연층을 가지며, 상기 발열체층은 석영섬록과암 50∼85중량%, 카아본 10∼30중량%, 및 점토 5∼15중량%로 구성되고, 도전성을 갖는 것을 특징으로 한다. 이것을 제조하기 위해서는 상기 조성을 갖는 혼합 분말에 적당량의 물을 첨가하여 과립상으로 조립하고, 이것을 소정의 형상으로 가압성형한 후, 가연성 카아본을 산화시키지 않고 1,100∼1,300℃에서 소성한다.

Description

세라믹 카아본히터 및 그 제조방법{Ceramic Carbon Heater and Manufacturing Method thereof}

본 발명은 통전에 의해 발열되는 내후성, 내구성이 높은 히터, 예를 들어 현관이나 홀 앞에 쌓인 눈을 녹이는 가열 및 보온용 타일에 적합한 세라믹 카아본히터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래에 한랭지에서의 도로나 보도상의 적설을 방지하는 융설(融雪) 시스템으로서 온수순환 발열방식, 발열케이블 매설방식 등을 들 수 있다. 그러나 이러한 방식은 부재의 조달단가와 시공비가 비싸기 때문에, 공공 시설이나 일반 가정에서는 좀처럼 보급이 곤란하였다. 그 외에 간이 방법으로서 살수방식이 있지만, 이 방식은 노면이 동결되지 않도록 살수를 계속하지 않으면 아니되고, 살수권 밖은 동결을 막을 수 없기 때문에 바람직한 방법이라고 할 수 없다.

그 외에 금속 저항선을 코일상으로 감은 발열체를 타일에 조립한 것을 노면에 부설하는 방식이 있다.

한편 본 발명자는 상기 종래의 방식에 대해서, 기재해야 할 선행기술의 문헌정보를 파악하고 있지 않다.

상기 금속 저항선을 발열체라고 한다. 예를 들어, 니크롬선 히터는 사용 중에 단선되는 경우가 있다. 게다가 니크롬선 히터는 주위를 단열재로 피복한 후 사용하는 경우가 많고, 또 축열성을 갖기 위해서는 그 주위를 다시 축열재로 피복할 필요가 있기 때문에 열효율이 저하되고 구조가 더욱 복잡하게 된다.

특히, 노면을 보온하는 히터로서 노상에 부설된 타일에 매입시킨 니크롬선 히터는 단선될 경우 노면을 절개하여 수리할 필요가 있기 때문에 교환작업이 번거롭다.

그 대책으로, 점토 또는 탄화규소 분말을 베이스로 하여, 여기에 카아본 분말을 혼합하고 면상으로 성형한 것을 카아본의 산화 방지를 위한 질소가스분위기하에서, 800℃ 이하에서 소성하여 면상 발열체로 하였다. 그러나, 이와 같이 하여 수득된 면상 발열체는 소성온도가 낮기 때문에, 기공율(氣孔率)이 비교적 크고 충분한 강도를 얻을 수 없었다.

본 발명은 상기의 사정을 감안하여 이루어 진 것으로, 충분한 강도와 내후성, 내구성을 가지며, 부드럽게 발열하는 보온 및 가열용 히터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 세라믹 카아본히터(이하, "세라믹히터"라 칭한다)는 발열체 층의 상면과 하면에 절연층을 가지며, 상기 발열체층은 석영섬록과암 50∼85중량%, 카아본 10∼30중량%, 및 점토 5∼15중량%로 이루어지고, 도전성을 갖는 것을 특징으로 한다. 또 상기 절연층 위에 다시 유약을 도포하고 소성하여 유리질 층을 형성함으로써, 또는 불소수지 피복층을 설치함으로써 절연성 및 방수성을 보다 향상시킬 수 있다.

석영섬록과암은 SiO₂를 주성분으로 하고, 산화환원 작용을 갖는다. 광물조성적으로는 주로 석영, 사장석 및 각섬석 등으로 되어있다.

과학조직적으로는 주로 SiO₂70∼80중량%, Al₂O₃10∼16중량%, Na₂O+K₂O 5∼9중량%, 및 FeO+Fe₂O₃0.2∼2중량%로 되어 있고, 그 외 미량성분으로 Mg, Ca, V, Mo, Ti 등을 함유하고 있다.

또, 본 발명의 세라믹히터의 제조방법은 발열체층의 상면과 하면에 절연층을 갖는 면상 세라믹히터의 제조방법으로, 상기 발열체층은 석영섬록과암 50∼85중량%, 가연성 카아본 10∼30중량%, 및 점결제로서 점토 5∼15중량%를 함유하는 혼합 분말에, 적당량의 물을 첨가하여 과립상으로 조립하고, 이것을 소정의 형상으로 가압성형한 후, 가연성 카아본을 산화시키지 않고 1,100∼1,300℃에서 소성하는 것을 특징으로 하고 있다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 세라믹 히터의 시공예를 나타낸 계략 단면도,

도 2는 본 발명의 세라믹 히터에 통전할 때의 승온상태를 나타낸 그래프.

(부호의 설명)

1: 히터블록2: 콘크리트블록

3: 단열재4: 알루미늄판

본 발명의 세라믹 히터는 상기 구성으로 된 것이지만, 석영섬록과암이 50중량% 미만에서는 전기저항 값이 너무 높아져서 히터로서 부적합하게 된다. 한편 85중량%를 초과하는 경우도 그 증가량에 알맞는 효과가 얻어지지 않으며, 원료단가가 증가하기 때문에, 50∼85중량%가 바람직한 범위가 된다. 카아본인 경우, 10중량% 미만에서는 전기저항값이 너무 커지고, 30중량%를 초과하면 전기저항값이 너무 작아지기 때문에 10∼30중량%이 바람직한 범위가 된다. 점토는 5중량% 미만에서는 점착제로서의 기능이 약하고, 30중량%를 초과하면 점토량이 너무 많아짐에 따라 1,100∼1,300℃에서의 고온소성에 의해 물러지기 때문에, 10∼30중량%가 바람직한 범위가 된다.

석염섬록과암, 카아본 및 점토를 각각 소정량 혼합한 혼합 분말에, 적당량의 물을 첨가하여 과립상으로 조립하고, 성형형틀에 넣어 압력 100∼1,000㎏/㎠ 로 가압 성형한 후, 1,100∼1,300℃에서 소성한다. 이 때, 가연성 카아본 입자는 석영섬록과암에 둘러 싸여 석영섬록과암이 갖는 환원력에 의해 표면층 이외에는 산화되지 않고 성형체 내에 잔류하게 된다. 또한 소성온도가 1,100℃ 미만에서는 얻어지는 강도값이 낮아 바람직하지 않다. 한편 1,300℃를 초과하면 너무 수축되어 변형되기때문에 소정의 치수 및 형상을 얻을 수 없게 된다.

본 발명의 세라믹 히터의 전기저항값은 혼합하는 카아본의 양을 적당량 선택함으로써 조정할 수 있다.

표층부에는 소성시에 표층의 카아본이 산화되어 두께 1㎜ 정도의 절연피막이 형성된다. 이 절연피막의 두께는 고온영역에서의 소성시간을 선택하는 것으로 용도에 따라 적당하게 조정할 수 있다.

형상은 평판면상, 봉상(예를 들어, 원주상, 각재장) 등 임의의 형상으로 성형가공할 수 있다. 또 규격사이즈 제품을 현장의 공간에 맞추어 절단가공하여 시공할 수도 있다.

사용 형태로는 융설을 원하는 영역에 세라믹 히터를 늘어 놓고 인접하는 간격에 절연재를 배치하거나, 콘크리트에 매설하여 사용할 수도 있다.

시공할 때에는 세라믹 히터의 측단면에 구멍을 뚫어 전극을 세트한 후, 도전성 접착제로 접착·고정해도 된다.

도 1은 본 발명에 의한 평판상 히터블록을 보도에 부설한 예이다. 이 시공 예 (a)는 적당한 방법으로 히터블록(1)을 콘크리트 블록(2) 내에 매설하고, 이것을 발포 제올라이트나 규조토 등의 단열재(3)에 부설한 것이다. 또한 그 위에 포장재로서 타일을 깔아 놓아도 된다.

시공예 (b)는 히터블록(1)을 콘크리트블록(2)의 표층에 배치하고, 그 위에 알루미늄판(4)을 배치하여 콘크리트블록(2)의 전체 면에 열이 전해지도록 한 것이다.

히터블록에의 전극 접속은 굴삭하여 뚫은 구멍에 도전성 접착제를 주입하고, 전극단자를 삽입하여 고정한다. 히터블록을 복수개 사용한 경우, 각 히터블록의 전기접속은 병렬로 하는 것이 좋고, 그만큼의 전압을 내릴 수 있기 때문에 30V 이하의 저전압으로도 눈을 녹일 수 있어 안전성이 높아진다.

예를 들어, 본 발명의 세라믹 히터는 도 2에 도시된 바와 같이, 5V, 3.8A 정도에서 서서히 발열하여 대략 20분 후에는 90℃에 이른다. 그 후 곧 100℃의 평형 온도에 도달하고, 그 이상은 과열되지 않는다.

본 발명의 세라믹 히터는 단지 소성만으로 표면두께가 1mm 전후인 절연층이 형성되지만, 이 표면에 다시 유약을 도포하여 소성함으로써 절연체 층으로서 표면두께가 2∼3mm인 유리질 층을 형성할 수 있으며, 절연성이나 내후성(산성비)에 특히 우수하고 거의 300℃까지의 가열에 견딜 수 있다. 유약으로 표면에 유리질 층을 형성시키는 것은, 형상을 자유롭게 함과 동시에 여러 가지 용도에 대응할 수 있기 때문에, 예를 들어 수중히터, 전기탕비기, 온침치료기 등에 이용될 수 있다.

또, 절연층 위에 불소수지 피복층을 형성해도 좋다.

이하에 본 발명의 세라믹 히터에 대해서 실시예에 근거하여 보다 상세하게 설명한다.

(실시예)

우선, 석영섬록과암 70kg, 가연성 카아본 20kg, 점결제로서 점토 10kg을 각각 500매시 이하로 분쇄하여 혼합하고, 여기에 5리터의 물을 첨가하여 혼련 조립하여 과립상 분말로 하였다. 이 분말 원료를 500kg/㎠의 압력에서 평판 형상으로 프레스성형하고, 다시 최고온도영역에서의 온도가 1,100∼1,300℃에 도달하는 터널형 소성로에 넣고, 2시간에 걸쳐 소성한 후, 가로세로 400 ×400mm, 두께 10mm의 판상 세라믹 히터를 얻었다.

여기에는 표면두께가 1mm인 절연층이 형성되어 있지만, 발열층이 되는 내부는 가연성 카아본이 산화되지 않고 소성되었다.

상기 판상 세라믹히터에서 가로세로 20 ×200mm의 직사각형으로 절단하여 긴 측의 양측 단부에 구멍을 뚫어 도전성 접착제를 주입하고, 전극단자를 삽입하여 고정하였다. 전극단자가 완전히 고정된 후, 20V의 전압을 인가한 바, 44W 9Ω을 나타내고 발열하기 시작하였다.

도 2는 이때의 승온상태를 나타낸 그래프이다. 상기 도면으로부터 낮은 전압에도 불구하고 시간경과와 함께 축열되어 점차 승온되는 것을 알 수 있다.

본 발명은 상기의 구성으로 되며, 원료가루를 성형하여 임의의 형상을 갖는 내열성, 내하중성, 내후성 및 내약품성을 갖춘 내구성이 높은 세라믹 히터가 얻어지고, 여러 가지 용도에 사용할 수 있다. 특히 융설하고 싶은 곳, 예를 들어 현관이나 홀 앞, 계단, 병원 등의 긴급출입구, 사람의 출입이 많은 보도 등에 부분적으로 부설함으로써, 미끄러지거나 넘어지지 않고 통행하는 사람이나 방문자를 상냥하게 맞이할 수 있다. 그 외, 가열 보온용 타일, 매입용 히터, 원적외선에 의한 치료 목적의 원적외선 방출 가열원 등으로 이용할 수 있다.

또, 형상은 임의로 할 수 있고, 원주상, 각재상으로 한 것을 콘크리트에 묻어 사용할 수 있다. 본 발명의 세라믹 히터의 주위에 있는 콘크리트에 축열재를 혼입시킴으로써 한층 열용량이 커지고, 축열성이 높아지며, 통전 시간이 적어 진다. 이 때문에, 요금의 싼 심야 전력을 이용할 수 있다.

본 발명의 세라믹 히터의 통전에 의해 생기는 열은 전도와 원적외선(열선)의 방사에 의해 모든 열에너지가 이용되기 때문에, 열효율이 매우 높아진다.

게다가 본 발명의 세라믹 히터는 시공현장에서 간단하게 절단 할 수 있기 때문에, 현장 상황에 맞추어 소정의 형상으로 용이하게 절단하여 시공할 수 있다. 또, 발열능력이 대용량이어도 히터 자체의 치수는 저용량인 것과 완전히 같기 때문에, 히터의 설계 및 시공을 간단하게 할 수 있어 효과적인 융설 및 동결방지가 가능하다.

Claims (5)

1. 발열체층의 상면과 하면에 절연층을 가지며, 상기 발열체층은 석영섬록과암 50∼80중량%, 카아본 10∼30중량%, 및 점토 5∼15중량%로 이루어 지고, 도전성을 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 카아본 히터.
2. 제1항에 있어서, 상기 석영섬록과암은 SiO₂를 주성분으로 하고, 산화환원 작용을 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 카아본 히터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절연층 위에, 유약을 도포하고 소성하여 형성된 유리질층을 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 카아본 히터.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절연층 위에, 불소수지 피복층을 형성한 것을 특징으로 하는 세라믹 카아본 히터.
5. 발열체층의 상면과 하면에 절연층을 갖는 면상 세라믹 히터의 제조방법에 있어, 상기 발열체층은 석영섬록과암 50∼80중량%, 가연성 카아본 10∼30중량%, 및 점결제로서 점토 5∼15중량%를 함유하는 혼합 분말에, 적당량의 물을 첨가하여 과립상으로 조립하고, 이것을 소정의 형상으로 가압형성한 후, 가연성 카아본을 산화시키지 않고 1,100∼1,300℃에서 소성하는 것을 특징으로 하는 세라믹 카아본 히터의 제조방법.