KR20040051536A - 적외선 방사원 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기적 절연재로 구성된 방사 투과성 기밀 튜브를 구비하는 적외선 방사원으로서, 내부에 몰리브덴 및/또는 텅스텐 및/또는 탄탈로 이루어진 부싱에 전기적, 기계적으로 각각 연결된 두 개의 단부를 구비한 탄소 스트립으로 이루어진 열도체가 배치되고, 상기 부싱은 전류 피드스루 리드(current feed-through lead)를 매개로 튜브로부터 돌출하는 전기 접속부에 각각 연결되며, 상기 열도체의 두 단부는 각각 티타늄, 지르코늄 또는 하프늄 중 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 솔더로 하나의 부싱에 연결되는 것인 방사원에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전기적 절연재로 이루어진 방사 투과성 기밀 튜브를 구비하는 적외선 방사원(라디에이터)으로서, 내부에 탄소 스트립(carbon strip)으로 구성된 열도체가 배치되어 있고, 상기 열도체는 몰리브덴 및/또는 텅스텐 및/또는 탄탈로 이루어진 부싱에 각각 전기적, 기계적으로 연결된 두 개의 단부를 구비하고, 상기 부싱은 전류 피드스루 리드(current feed-through lead)를 매개로 튜브로부터 돌출하는 전기 접속부에 각각 연결되는 것인 방사원에 관한 것이다.
이러한 적외선 방사원은 DE 100 29 437 A1호로부터 공지되어 있다. 특히, DE 100 29 437 A1호의 도 14 및 도 15는 탄소 스트립과 몰리브덴으로 이루어진 부싱 사이의 접속을 보여주는데, 상기 탄소 스트립은 코일 형태를 취하고 상기 부싱이 이 탄소 코일을 내외측에서 감싸고 있다. 상기 부싱과 탄소 코일 사이에는 흑연 종이가 배치된다. 탄소 스트립의 단부에 도포되는, 예를 들어 니켈 또는 귀금속(noble metal)으로 이루어진 귀금속 페이스트 또는 금속 피막이 흑연 종이와 탄소 스트립 사이에 배치될 수 있다. 탄소 스트립의 단부상의 금속 피막은 탄소 스트립과 흑연 사이의 전이부에서의 탄소 재료의 변성을 방지한다. 그러나, 탄소 스트립 작동시의 고온에서는, 이러한 종류의 접촉 때문에 흑연 종이로부터 부싱의 몰리브덴으로의 탄소의 확산이 발생한다. 이는 몰리브덴 카바이드의 형성을 초래하고, 결과적으로는 1300℃ 보다 실질적으로 높은 탄소 스트립의 작동 온도에서 부싱의 취성화 및 파손을 초래하는데, 그 이유는 몰리브덴 카바이드는 몰리브덴에 비해 더 높은 전기 저항, 다른 비체적, 그리고 또한 현저히 더 낮은 강도를 지니기 때문이다. 탄소 스트립의 온도가 얼마나 높은가에 따라 수시간 내지 수주 후에 전체적인 접촉이 분리된다.
EP 0 881 858 A2호는 탄소 섬유로 구성된 열도체를 구비한 적외선 방사원을 개시하고 있다. 열도체의 단부들은 금속 접속부에 의해 전기적으로 접촉되는데, 특히 몰리브덴으로 제조된 접촉 스트립이 열도체와 직접 접촉하는 상태로 사용된다. 열도체는 그 단부에 예를 들어 금과 같은 금속 피막을 구비한다. 또한, 접촉 스트립과 열도체 사이에 흑연 종이가 배치될 수 있는데, 이 흑연 종이가 접촉 스트립과 직접 접촉하고 이에 따라 재차 흑연 종이로부터 몰리브덴으로의 탄소 확산을 초래하고, 결과적으로는 몰리브덴 카바이드의 형성을 초래하여, 위에서 이미 설명된 문제가 있다. 전술한 접촉 스트립과 열도체 사이에 예시된 접속부의 경우, 개별적으로 접촉 스트립의 포인트 또는 스트립 형태의 프레싱(strip form pressing)만이 이루어진다는 것을 알 수 있다. 적외선 방사원 작동시에, 이 영역에는 매우 높은 전류 플럭스(current flux)가 존재하여, 그곳에 1100℃ 이상의 온도를 발생시키고 몰리브덴 내로의 탄소의 확산을 가속한다. 열도체에서 탄소의 궁핍화는 저항의 급격한 상승과 추가적인 온도 상승을 초래하며, 그 결과로서 열도체의 연소가 일어난다.
DE 199 17 270 C2호는 양면상에 접촉 패드가 접촉하는 긴 탄소 스트립을 개시하고 있다.
EP 0 464 916 B1호는 적어도 일부는 몰리브덴 또는 몰리브덴 합금으로 구성되고 적어도 일부는 흑연으로 구성되어 이들 부분이 지르코늄 솔더로 함께 접속된 항고온성 복합 부재(high temperature-resistant composite member)를 개시하고 있다. 몰리브덴 또는 몰리브덴 합금으로 구성된 부분과 지르코늄 솔더 사이에는 2층의 중간층이 배치되는데, 이 중간층은 바나듐층, 텅스텐, 탄탈 또는 니오븀 중 하나로 구성된 층으로 형성되어 있다.
본 발명의 목적은 실질적으로 1400℃ 보다 높은 탄소 스트립의 온도에서 장기적인 내구성과 뛰어난 전기 전도율 및 기계적 강도를 가지고 탄소 스트립의 접촉을 보장하는 적외선 방사원을 제공하는데 있다.
상기 목적은 열도체의 두 단부가 탄탈, 지르코늄 또는 하프늄 중 적어도 하나를 포함하는 금속 솔더(metallic solder)에 의해 하나씩의 부싱과 개별적으로 접속되는 것으로 달성된다. 부싱과 탄소 스트립 사이의 솔더 접합(solder joint)은 전기를 매우 잘 흐르게 하고 장기간 동안 작동중에 탄소 스트립의 고온을 견디는 기계적으로 견고한 결합부를 형성한다.
도 1은 본 발명에 따른 적외선 방사원의 단순화된 선도.
도 2는 부싱과 탄소 스트립 사이의 접속 영역의 종단면도.
도 3은 부싱과 탄소 스트립 사이의 접속 영역의 종단면도.
도 4는 도 3에 따른 부싱과 탄소 스트립 사이에 접속 영역의 횡단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 적외선 방사원
2 : 방사 투과성 기밀 튜브
3 : 열도체
4a, 4b : 부싱
6 : 금속 솔더
8a, 8b : 전류 리드 스루(current lead-through)
10a, 10b : 전기 접속부
"탄소 스트립"이라 함은 다음과 같이 형성되는 열도체를 의미한다. 탄소 섬유로 이루어진 스트립 형태의 기본 구조체는 수지가 합침되고 온도 처리를 받아 섬유와 수지를 순수 탄소로 전환한다. 이와 같이 처리된 기본 구조체에 적외선 방사원 내에서의 탄소 스트립 작동 온도 이상의 온도에서 추가의 온도 처리가 이루어진다. 그에 따라, 예비 처리된 기본 구조체의 결정 구조는 흑연형 결정 구조임에도 불구하고 거시적으로 가장 무질서한 상태로 나타나는 흑연과는 달리, 섬유 전체에 걸쳐 공유 결합을 지닌 정렬된 섬유 구조를 갖춘 탄소 스트립으로 전환된다. 따라서, 흑연에 비해 현저히 더 높은 인장 강도가 생기는데, 이 인장 강도는 적외선 방사원 내의 긴 가열 요소에 사용하는 데에는 필수적인 것으로 확인되었다. 이와 같이 형성된 탄소 스트립의 열팽창 계수는 또한 그 층에 평행한 흑연의 열팽창 계수보다 더 작으며, 따라서 적외선 방사원용의 열도체에 유리하다. 기존에 알려진 부싱에 의한 접촉 방법과는 달리, 본 발명에 따른 적외선 방사원에서는 부싱 재료와 탄소 스트립 사이의 직접적인 접촉이 없어서, 탄소 합금에 의한 부싱의 취성화를 피할 수 있다.
상기 탄소 스트립과 튜브는 다른 열팽창 계수를 갖고, 따라서 실온과 작동 온도 사이의 넓은 온도 범위에 걸쳐 현저히 다르게 팽창하기 때문에, 탄소 스트립은 대개 스프링 요소에 의해 예인장되어 방사원이 작동하는 동안 인장된 상태로 유지된다. 특히 적외선 방사원의 구조적 길이가 긴 경우, 접촉 영역이 기계적으로 견뎌야 하는 큰 인장력이 발생한다. 이는 본원에서 사용되는 탄소 스트립과 부싱 사이를 솔더링하는 최상의 방법의 경우이다.
솔더 결합 작동 온도에서 금속 솔더중의 탄소 고용 한계(solubility limit) 이상으로 탄소가 금속 솔더 또는 부싱 내로 이동하는 것을 방지하기 위해서, 열도체의 양단부에는 백금 및/또는 루테늄 및/또는 로듐 및/또는 팔라듐 및/또는 오스뮴 및/또는 이리듐을 포함하는 피막을 형성하는 것이 효과적인 것으로 밝혀졌다.
특히, 피막이 백금, 팔라듐, 로듐 또는 이들 중 둘 이상의 금속의 합금으로 이루어지는 것이 효과적인 것으로 밝혀졌다.
귀금속을 선택함에 있어서, 귀금속 중의 탄소 고용 한계가 솔더 결합 작동 온도 이상이라는 것은 긴요하다. 따라서, 귀금속의 피막을 통한 탄소의 전달을 초래하는 일 없이, 팔라듐 피막의 경우는 1300℃의 솔더 결합이 작동 온도에, 그리고 백금 피막의 경우에는 1500℃의 솔더 결합의 작동 온도에 이를 수 있다.
부싱이 적어도 금속 솔더와 마주하는 표면상에 제1 접촉층을 갖는 것도 또한 효과적인 것으로 판명되었는데, 제1 접촉층은 바나듐, 니오븀, 또는 탄탈로 구성된 그룹 중 하나 이상의 금속으로 이루어진다. 본 발명의 경우, 탄탈로 이루어진 제1 접촉층을 형성하는 것이 특히 바람직하다. 그 후, 제1 접촉층은 도금된 탄탈 시트(plated-on tantalum sheet)에 의해서 또는 심지어 금속 페이스트를 도포함으로써 형성될 수 있다. 스퍼터링 또는 증발법과 같은 기존의 PVD(물리적 기상 증착법) 또는 CVD(화학적 기상 증착법)도 또한 제1 접촉층의 형성에 적합하다.
부싱이 제1 접촉층상에 도포된 제2 접촉층을 구비하면 효과적이라는 것도 판명되었는데, 제1 접촉층의 화학적 조성은 제1 접촉층의 화학 조성과는 다르다. 제2 접촉층에 대해서는, 이것이 바나듐, 니오븀, 탄탈 또는 텅스텐으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함하면 효과적인 것으로 판명되었다.
지르코늄 또는 지르코늄 합금은 높은 용윰점 때문에 금속 솔더로서 특히 효과적인 것으로 판명되었다.
전술한 금속 솔더 내로 탄소가 이동할 위험 외에도, 솔더 접합부의 작동 온도에 대한 또 다른 한계 인자는 금속 솔더와 부싱 재료 사이의 저융점 공융물(low-melting eutectics)이 형성된다는 것이다. 카바이드가 형성되면 솔더 접합부가 점진적으로 열화되어 적외선 방사원의 수명을 제한하는 한편, 솔더 접합부의 용융점을 초과하면 적외선 방사원 작동의 최초 몇 분 내에 이미 솔더 접합부가 용해되고,따라서 솔더 접합부의 기능성을 위태롭게 한다. 따라서, 몰리브덴으로 구성된 부싱이 지르코늄 솔더와 직접 접촉하여 사용되면, 예를 들어 1400℃ 이상의 솔더 접합부의 작동 온도에 도달할 수 없는데, 그 이유는 Zr-Mo 컴파운드가 약 1400℃에서 공융물을 생성하기 때문이다.
부싱이 탄탈로 구성되는 것이 보다 효과적인 것으로 판명되었다. 탄탈 부싱이 지르코늄 솔더와 직접 접촉하는 솔더 접합부는 1650℃ 미만의 작동 온도에서 문제없이 작동될 수 있다. 반대로, 텅스텐 부싱이 지르코늄 솔더와 직접 접촉하는 솔더 접합부는 1550℃ 미만의 작동 온도에서 문제없이 작동된다. 텅스텐의 높은 비중과 불리한 가공 특성 때문에 탄탈은 또한 텅스텐보다 더 바람직하다.
또한 부싱이 몰리브덴으로 이루어지고 탄소 스트립과 마주한 표면상에 탄탈 또는 텅스텐으로 이루어진 제1 접촉층으로 피막하는 것이 효과적인 것으로 판명되었다. 여기에서, 제1 접촉층의 층 두께는 적어도 0.1㎜인 것이 효과적인 것으로 판명되었다.
본 발명에 따른 적외선 방사원용 튜브는 바람직하게는 석영 유리(silica glass)로 형성된다. 고온에서 가능한한 최장 시간 동안 탄소 스트립의 내구성을 보장하기 위해서, 튜브를 필러 가스로 채우는 것이 효과적인 것으로 판명되었다. 여기에서, 필러 가스의 압력은 650 - 850 mbar(650 - 850 hPa)인 것이 바람직하다. 특히, 탄소 스트립으로부터의 탄소 기화를 낮게 유지하기 위해서 제논 또는 크립톤 같이, 비중이 높은 영족 기체를 필러 가스로 사용하는 것이 바람직하다. 한 가지 이상의 영족 기체를 튜브에서 사용할 수 있다.
부싱의 경우, 적외선 방사원 작동중에 열적 복사와 대류에 의해 냉각될 수 있을 만큼 충분히 큰 표면을 갖는 것이 특히 유리하다. 특히, 매우 높은 열도체의 작동 온도에서, 솔더링된 지점(soldered spot)에서의 온도를 금속 솔더의 용융이 발생하지 않을 만큼 충분히 냉각시키는 것이 필요한데, 이는 접촉 분리 및 결과적으로는 적외선 방사원의 고장을 초래하게 된다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 적외선 방사원을 예를 들어 설명한 것이다.
도 1은 석영 유리로 이루어진 방사 투과성 기밀 튜브(2)를 구비한 적외선 방사원(1)을 보여주고 있다. 탄소 스트립으로 제조된 열도체(3)가 튜브(2) 내부에 배치되는데, 이 도체는 견고하게 부싱(4a, 4b)에 전기적, 기계적으로 각각 연결되는 두 개의 단부를 구비한다. 여기에서 상기 열도체(3)의 두 개의 단부는 귀금속으로 이루어진 개별적인 피막(5a, 5b)을 구비하고, 도 2에서 도시된 바와 같이, 금속 솔더(6)로 상기 부싱(4a, 4b)에 솔더링된다. 상기 부싱(4a)은 작동중에 열적으로 야기되는 상기 열도체의 길이 변화를 보상하기 위하여, 스프링 요소(7)에 의해 몰리브덴 호일로 이루어진 전류 리드 스루(current lead-through)(8a)에 전기적으로 연결된다. 상기 전류 리드 스루(8a)는 상기 튜브(2)(sic 2)의 핀치 부분(pinched portion)(9a) 내에 기밀융합되고 상기 튜브(2)에서 돌출되는 전기 접속부(10a)에 전기적으로 연결된다. 상기 부싱(4b)은 몰리브덴 호일로 제조된 전류 리드 스루(8b)에 직접 전기적으로 연결된다. 여기에서, 상기 전류 리드 스루(8b)는 상기 튜브(2)(sic 2)의 핀치 부분(9b) 내에 기밀융합되고 상기 튜브(2)에서 돌출된 전기 접속부(10b)에 전기적으로 연결된다.
도 2는 상기 부싱(4b)과 열도체(3) 사이의 접속 영역의 가능한 종단면도를 보여주고 있다. 여기에서, 상기 열도체(3)는 백금 피막(5b)을 구비하고, 지르코늄으로 제조된 금속 솔더(6)로 탄탈 부싱(4b)에 솔더링된다.
도 3은 상기 부싱(4b)과 열도체(3) 사이의 접속 영역의 또다른 상세한 가능한 종단면도를 보여주고 있다. 여기에서, 상기 열도체(3)는 루테늄 피막(5b)을 구비하고 지르코늄으로 제조된 금속 솔더(6)로 몰리브덴 부싱(4b)에 솔더링되는데, 상기 부싱(4b)은 탄탈 시트로 이루어진 제1 접촉층(11)을 구비한다.
도 4는 도 3에 따른 상기 부싱(4b)과 열도체(3) 사이의 접속 영역의 횡단면도를 보여주고 있다. 여기에서, 상기 부싱(4b)은 모든 측면에서 폐쇄된 것으로 구체화되어 있지만, 용융이 일어날 때 금속 솔더의 점착성과 표면 인장이 변형을 허용하는 한, 대신에 홈을 내거나 측면이 개방된 부싱 변형을 사용해도 좋다.
본 발명에 의하면, 장기적 사용에 대한 내구성과 전기 전도율 및 기계적 강도가 뛰어난 탄소 스트립 접속을 보장하는 적외선 방사원이 제공된다. 또한, 부싱과 탄소 스트립에서의 솔더 접합부(solder joint)는 전류를 매우 잘 흐르게 하고 장시간 작동중에 탄소 스트립의 고온에 견디는 기계적으로 견고한 결합부를 형성할 수 있다.
Claims (19)
- 전기적 절연재로 이루어진 방사 투과성 기밀 튜브를 구비하고, 이 기밀 튜브 내에는 두 단부가 부싱에 전기적, 기계적으로 각각 연결된 탄소 스트립으로 구성된 열도체가 배치되어 있는 적외선 방사원으로서, 상기 부싱은 몰리브덴 및/또는 텅스텐 및/또는 탄탈으로 구성되고, 이들 부싱이 전류 피드스루 리드(current feed-through lead)를 매개로 튜브에서 돌출하는 전기 접속부에 각각 연결되고, 상기 열도체(6)의 두 단부는 티타늄, 지르코늄 또는 하프늄 중 한 가지 이상의 금속을 포함하는 금속 솔더(6)로 하나씩의 부싱(4a, 4b) 에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 적외선 방사원.
- 제1항에 있어서, 상기 열도체(3)는 그것의 두 단부에 각각 백금 및/또는 루테늄 및/또는 로듐 및/또는 팔라듐 및/또는 오스뮴 및/또는 이리듐을 포함하는 피막(5a, 5b)이 각각 마련되는 것을 특징으로 하는 적외선 방사원
- 제2항에 있어서, 상기 피막(5a, 5b)은 백금, 팔라듐, 로듐, 또는 이들 중 두 가지 이상의 금속의 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 적외선 방사원.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 부싱이 적어도 상기 금속 솔더(6)에 마주하는 표면상에 제1 접촉층(11)을 구비하고, 이 제1 접촉층(11)은바나듐, 니오븀 또는 탄탈로 구성된 그룹 중에서 선택된 한 가지 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 방사원.
- 제4항에 있어서, 상기 제1 접촉층(11)은 탄탈로 구성된 것을 특징으로 하는 적외선 방사원.
- 제4항에 있어서, 상기 부싱(4a, 4b)은 상기 제1 접촉층(11)에 도포된 제2 접촉층을 구비하고, 상기 제1 접촉층의 화학 조성은 상기 제2 접촉층의 화학 조성과는 다른 것을 특징으로 하는 적외선 방사원.
- 제5항에 있어서, 상기 부싱(4a, 4b)은 상기 제1 접촉층(11)에 도포된 제2 접촉층을 구비하고, 상기 제1 접촉층의 화학 조성은 상기 제2 접촉층의 화학 조성과는 다른 것을 특징으로 하는 적외선 방사원.
- 제6항에 있어서, 상기 제2 접촉층은 바나듐, 니오븀, 탈탈 또는 텅스텐으로 구성된 그룹 중에서 선택된 한 가지 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 방사원.
- 제7항에 있어서, 상기 제2 접촉층은 바나듐, 니오븀, 탄탈 또는 텅스텐으로 구성된 그룹 중에서 선택된 한 가지 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는적외선 방사원.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 금속 솔더(6)는 지르코늄 또는 지르코늄 합금으로 제조된 것을 특징으로 하는 적외선 방사원.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 부싱(4a, 4b)이 탄탈로 제조된 것을 특징으로 하는 적외선 방사원.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 부싱(4a, 4b)은 몰리브덴으로 형성되고 탄소 스트립과 마주하는 표면에는 탄탈 또는 텅스텐으로 제조된 제1 접촉층(11)이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 방사원.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 전류 피드스루 리드(8a, 8b)는 몰리브덴으로 제조되는 것을 특징으로 하는 적외선 방사원.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 튜브(2)는 석영 유리로 제조되는 것을 특징으로 하는 적외선 방사원.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 튜브(2)에는 필러 가스가 채워지는 것을 특징으로 하는 적외선 방사원.
- 제15항에 있어서, 상기 필러 가스의 압력은 650 - 850 mbar(650 - 850 hPa)인 것을 특징으로 하는 적외선 방사원.
- 제15항에 있어서, 상기 필러 가스는 한 가지 이상의 영족 기체로 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 방사원.
- 제16항에 있어서, 상기 필러 가스는 한 가지 이상의 영족 기체로 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 방사원.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 부싱(4a, 4b)이 적외선 방사원(1) 작동중에 열복사 또는 대류에 의해 냉각될 수 있을 만큼 충분히 넓은 외부 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 방사원.
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