KR200452815Y1 - 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전극 구조 - Google Patents

Abstract

본 고안은 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전극 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발열관체에 내재된 탄소발열체가 최적의 조건에서 원활하게 발열할 수 있도록 함으로써, 발열효율을 극대화하고 에너지소비를 최소화할 수 있도록 하고자 본 고안은, 발열관체의 내부에 탄소발열체가 길이방향으로 설치되고 상기 탄소발열체의 양단부가 리드선을 통해 외부의 전선과 전기적으로 접속되어 있는 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전극 구조에 있어서, 상기 탄소발열체의 단부가 일측 모서리부의 요홈에 끼워지면서 축방향과 교차하는 통공에 직각으로 삽입되며, 외측면의 중심에 형성된 나사홈이 상기 통공과 연결된 전극과; 상기 전극의 나사홈에 조립되는 일측의 수나사부가 탄소발열체를 가압하여 나사홈의 내측면에 밀착시키며, 상기의 리드선이 축방향의 구멍에 결합된 플러그와; 상기 수나사부와 탄소발열체의 사이에 구비된 전기전도성 도전판으로 구성됨을 특징으로 하는 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전극 구조를 제안하는 것이다.

탄소발열체, 전극, 플러그, 도전판, 발열장치.

Description

탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전극 구조{carbon heating element}

본 고안은 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전극 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발열관체에 내재된 탄소발열체가 최적의 조건에서 원활하게 발열할 수 있도록 함으로써, 발열효율을 극대화하고 에너지소비를 최소화할 수 있도록 된 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전극 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 탄소발열체는 탄소(카본)를 이용한 발열수단으로서, 저전력으로도 발열효율이 우수할 뿐만 아니라 전력의 소모가 적어 매우 경제적인 반면, 탄소발열체와 전원의 전기적인 접속이 까다로워 전원의 공급이 원활하지 이루어지지 못할 뿐만 아니라 발열효율이 저하되는 결점을 내포하고 있다.

이에 관한 종래의 기술로는 도 1에서 나타내고 있는 국내실용신안출원 제:1403-2703호의 '탄소발열체를 이용한 히터' 또는, 도 2에서의 국내실용신안출원 제:1405-24252호의 '전기전도성 탄소섬유 발열체'가 있으며, 상기의 종래기술들은 외부의 관체 내장된 탄소발열체에 전원을 인가함에 따라 상기의 탄소발열체가 발열 하도록 된 구조로 이루어져 있으며, 이미 공지된 바에 따라 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

즉 상기와 같은 종래의 기술들은 상기 탄소발열체와 전원의 연결부위가 매우 취약할 뿐만 아니라, 전원의 접속불량 내지 스파크, 누전, 단선 등의 전기적인 결함이 빈번하게 발생하였고, 내구성이 저하는 물론 장치의 수명이 단축되는 등의 문제점들이 있었다. 이러한 불량의 주원인은 탄소사는 머리카락보다도 가는 실로 구성되어 니크롬이나 텅스텐과 같은 경질성이 없어 전극연결이 어렵고 탄소사와 전극용 금속과의 압착 시 압력에 의해 단락되거나 손상이 되기 때문에 전원인가 후 가열시 접점불량에 의한 스파크 또는 단락이 발생하는 문제점이 있었다. 또한 탄소사와 전극의 금속 간 팽창률이 달라 압착이 잘 되었다 하더라도 가열에 의한 열적신율에 의해 느슨해져 종국에는 접점 불량에 의한 국부발열, 단락 등의 원인이 되었다. 이러한 원인들로 인하여 탄소발열체의 용량을 고용량, 고열발생장치로 만들고자 하여도 많은 어려움이 있었다.

본 고안은 발열관체 내부의 탄소발열체가 양측 전극 및 플러그에 의해 견고하게 전원과 접속시킴으로써, 종래의 기술이 가지는 문제점들을 일소에 해소함은 물론, 전기전도율 및 발열효율이 월등히 향상되도록 하는데 목적이 있다.

또한 본 고안의 다른 목적은 탄소발열체가 양측의 전극과 결합된 중심관체에 코일식으로 감겨 있어 더욱더 견고한 구조를 가짐은 물론, 발열면적의 확장 및 발열효율을 한층더 증가시킬 수 있도록 하는데 있다.

또한 본 고안의 또 다른 목적은 탄소발열체와 플러그의 접촉부에 전기전도성 도전판을 구비하여 전기적인 저항을 최소화함은 물론 전원 공급이 한층더 원활하게 이루어지도록 하는데 있다.

본 고안은, 발열관체의 내부에 탄소발열체가 길이방향으로 설치되고 상기 탄소발열체의 양단부가 리드선을 통해 외부의 전선과 전기적으로 접속되어 있는 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전극 구조에 있어서, 상기 탄소발열체의 단부가 일측 모서리부의 요홈에 끼워지면서 축방향과 교차하는 통공에 직각으로 삽입되며, 외측면의 중심에 형성된 나사홈이 상기 통공과 연결된 전극과; 상기 전극의 나사홈에 조립되는 일측의 수나사부가 탄소발열체를 가압하여 나사홈의 내측면에 밀착시키며, 상기의 리드선이 축방향의 구멍에 결합된 플러그와; 상기 수나사부와 탄소발열체의 사이에 구비된 전기전도성 도전판으로 구성됨을 특징으로 하는 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전극 구조를 제안한다.

또한 본 고안에 따른 상기 리드선은 상기 리드선은 플러그를 관통하여 상기 수나사부의 전면으로 노출되고 단부의 절곡부가 상기 도전판과 접촉하며, 중간부에 밴딩부가 형성된 구성임을 특징으로 한다.

또한 본 고안은 상기 발열관체의 내부에 설치되는 중심관체의 양단부에 상기 전극의 일측 돌출부가 각각 결합되며, 상기 중심관체의 외측에 탄소발열체가 코일식으로 감겨 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 고안은 상기 전극과 플러그는 탄소분말을 고온으로 가압 성형한 것임을 특징으로 한다.

또한 본 고안의 상기 도전판은 니켈합금으로 구성됨을 특징으로 한다.

본 고안에 따른 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전극 구조에 의해 전기적인 저항을 최소화하고 전기전도율을 한층 더 향상시킴에 따라 제품의 수명을 연장하여 장기간 동안 오래도록 사용할 수 있도록 하고 제품의 품질향상에 기여하는 등 경제적인 효과가 수반된다.

또한 본 고안은 탄소발열체의 전원공급이 원활하게 이루어짐으로써 누전 및 스파크와 같은 전기적인 결함을 방지함은 물론 탁월한 안정성을 제공하는 장점이 있다.

이하에서는 본 고안을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 하기에서 설명되는 본 고안의 바람직한 실시 예는 본 고안의 기술적 범위를 한정하려는 것은 아니며, 본 고안이 속한 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 본 고안을 보다 명확하고 용이하게 설명하려는 것이다. 도면상에서 동일한 도면부 호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한 본 고안을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3은 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 구성을 부분적으로 절개하여 도시한 사시도이고, 도 4와 도 5는 본 고안에 따른 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 주요부를 나타낸 분리 사시도와 내부 단면도이다.

상기의 도면들에 따른 본 고안의 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전극 구조는, 발열관체(10)의 내부에 탄소발열체(20)가 길이방향으로 설치되고 상기 탄소발열체(20)의 양단부가 리드선(50)을 통해 외부의 전선(56)과 전기적으로 접속되어 있는 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전극 구조에 있어서, 상기 탄소발열체(20)의 단부가 일측 모서리부의 요홈(35)에 끼워지면서 축방향과 교차하는 통공(34)에 직각으로 삽입되며, 외측면의 중심에 형성된 나사홈(32)이 상기 통공(34)과 연결된 전극(30)과; 상기 전극(30)의 나사홈(32)에 조립되는 일측의 수나사부(42)가 탄소발열체(20)를 가압하여 나사홈(32)의 내측면에 밀착시키며, 상기의 리드선(50)이 축방향의 구멍(44)에 결합된 플러그(40)와; 상기 수나사부(42)와 탄소발열체(20)의 사이에 구비된 전기전도성 도전판(46)으로 구성됨을 특징으로 한다.

위를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 고안은 발열관체(10)에 내재된 탄소발열체(20)와, 상기 탄소발열체 의 양단부에 결합되는 전극(30)과, 상기 전극의 외측으로 결합되는 플러그(40)와, 상기 플러그와 결합되는 양측의 리드선(50)과, 상기의 구성요소들을 수용하는 발열관체(10)와, 상기 리드선과 연결되고 발열관체의 외부로 연장된 전선(56) 등으로 구성된다.

상기 발열관체(10)는 투명하면서도 내열성이 우수한 통상의 석영 또는 강화유리 등으로 이루어지는 것이 바람직하며, 양측의 단부는 고온으로 가압 성형하여서 된 압관부(12)로 밀폐된다.

여기서 상기 발열관체(10)는 내부의 공기를 강제 배출시키는 일반적인 진공화 공정을 통해 진공상태로 유지된다. 또는, 상기 발열관체(10)의 양측 단부를 밀폐하되, 소정의 공기 유출통로를 마련하여 내부를 비진공 상태로 하게 되는데, 이는 본 고안의 출원인과 동일인에 의해 선 제안된 국내특허출원 제:10-2008-0022307호의 '탄소발열체를 이용한 관상 발열장치'에 의해 구현이 가능하며, 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단됨으로 그 상세한 설명을 생략한다.

상기 탄소발열체(20)는 외부로부터 공급되는 전기에너지에 의해 열에너지를 발생시키는 것으로, 상기 중심관체(14)의 내부 중심에 길이방향으로 설치되며, 양측 단부에 전극(30)이 결합된다.

여기서 상기의 탄소발열체(20)는 2개 이상의 탄소섬유 원사와 불연소재 사를 원통형 혹은 선상으로 구성시킨 탄소합사로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기의 탄소합사는 편조 또는 직조에 의해 제조된다.

상기 전극(30)은 발열관체의 내부에 미끄럼 접촉하면서 삽입되도록 원기둥으 로 형성되고, 안쪽의 모서리부 일측에 형성된 요홈(35)이 길이방향으로 연장되어 축방향과 교차하는 통공(34)과 연결된다. 그리고 외측면의 중심에는 나사홈(32)이 일정한 깊이로 형성되고 상기 나사홈(32)은 내측 단부에 상기의 통공(34)이 직각으로 교차하면서 연결된다.

즉 상기 탄소발열체(20)는 양측의 단부가 상기 요홈(35)에 끼워지면서 통공(34)에 삽입되고, 상기 나사홈(32)에 조립되는 플러그(40)에 의해 긴밀하게 고정된다. 역시 상기 탄소발열체가 요홈(35)에 끼워져 전극과의 접촉면적이 넓어짐은 물론 상기 전극의 외측으로 돌출되지 않아 발열관체의 내측으로 조립이 용이하다.

상기 플러그(40)는 일측에 단을 두고 직경이 축소된 수나사부(42)가 상기의 나사홈(32)에 조립되면서 통공(34)에 직각으로 삽입된 탄소발열체(20)를 가압하여 나사홈의 내측면과 밀착시킨다.

이때 상기의 나사홈 안쪽에 도전판(46)을 삽입함에 따라 상기 탄소발열체(20)에 전원을 원활하게 공급하게 된다.

여기서 본 고안의 상기 도전판(46)은 전기 도전성(導電性)이 우수한 전도(傳導)부재로써, 전기저항이 0.3(Ω) 이내에 해당하는 금속으로 구성됨이 바람직하며, 이는 전기적인 저항을 최소화하여 전류의 흐름을 원활하게 한다. 특히, 상기 도전판(46)은 니켈(Ni) 또는 니켈합금으로 구성되는 것이 가장 바람직하다. 즉 상기의 도전판(46)은 1500℃이상의 고온에서 우수한 내열성 및 내구성을 가지는 니켈(Ni)합금판 또는 니켈 도금판으로 구성된다. 또는 상기 도전판(46)은 전기저항이 0.3(Ω) 이내에 해당하는 비금속으로 이루어질 수도 있다.

상기의 플러그(40)에는 축방향의 중심에 구멍(44)을 형성하고, 상기 구멍(44)의 외측에서 리드선(50)이 결합된다.

본 고안에 따른 상기 리드선(50)은 플러그(40)를 관통하여 상기 수나사부(42)의 전면으로 노출되고 단부(54)의 절곡부(54')가 상기 도전판(46)과 접촉하며, 중간부에 밴딩부(52)가 형성된 구성임을 특징으로 한다.

즉 상기 리드선(50)은 구멍(44)을 관통하고 상기 수나사부(42)의 전면으로 노출된 단부(54)를 직각으로 절곡하여서 된 절곡부(54')의 측면이 상기 도전판(46)과의 접촉면적을 넓혀 전류의 흐름이 보다 원활하게 이루어지도록 하는 것이다.

그리고 상기 리드선(50)은 외측 단부가 접속단자(58)를 통해 외부의 전선(56)과 연결되며, 상기 접속단자(58)는 몰리브덴(Mo) 포일(foil)로 구성되는 것이 바람직하며, 손상되지 않도록 상기 발열관체(10)의 외측 단부에 형성된 압관부(12)에 의해 흔들리지 않도록 안정적으로 고정된다.

여기서 상기 리드선(50)은 중간부에 형성된 밴딩부(52)가 탄성적으로 신축 복원됨에 따라 상기 탄소발열체(20)의 고온 발열에 따른 열변형의 완충작용을 하게 된다. 상기 밴딩부(52)는 'V'자 내지는 'W'자, 지그재그, 코일 등의 형상으로 구성된다.

상기 전선(56)은 일정한 길이로 연장되고 끝단에는 전선단자(57)가 결합되어 있어서 전원의 연결을 보다 용이하게 구성되며, 상기 압관부(12)의 외측 단부에 상기 전선이 관통하는 캡(60)이 결합된다. 상기 캡(60)은 세라믹 등과 같은 절연성 부재로 이루어지는 것이 바람직하며, 누전 방지 및 전선의 손상을 방지한다.

한편 본 고안은, 상기 발열관체(10)의 내부에 설치되는 중심관체(14)의 양단부에 상기 전극(30)의 일측 돌출부(36)가 각각 결합되며, 상기 중심관체(14)의 외측에 탄소발열체(20)가 코일식으로 감겨 있는 것을 특징으로 한다.

즉 상기 발열관체(10)의 내부 중심에는 중심관체(14)가 구비되고, 상기 중심관체(14)의 양단부에 상기의 전극(30)이 결합되며, 상기 중심관체(14)의 외측에 탄소발열체(20)가 코일식으로 감겨 있어서, 상기 탄소발열체의 길이 및 발열면적이 확장된다. 이와 함께 상기 요홈(35)은 탄소발열체의 감김 방향으로 비스듬히 형성하여서 탄소발열체가 통공(34)에 자연스럽게 연결되도록 한다.

상기 중심관체(14)도 역시 상기의 발열관체와 동일한 석영관 또는 강화유리관으로 구성되는 것이 바람직하다.

상기의 전극(30)은 일측에 단을 두고 직경이 축소된 돌출부(36)가 중심관체(14)에 삽입되며, 상기 돌출부(36)의 외측에는 요철부(37)가 형성되어 있어서 상기 중심관체(14)가 견고하게 결합된다. 그리고 상기의 중심관체(14)의 단부를 고온으로 가열한 상태에서 상기의 돌출부(36)에 끼워 외측에서 가압하게 되면 상기 요철부(37)와 맞물리는 고정부(16)가 형성되면서 서로 견고하게 고정된다.

상기 전극(30)은 돌출부(36)의 중심에 나사홈(32)과 이어지는 구멍(38)이 형성되며, 상기 구멍(38)을 통해 온도변화에 따른 상기 중심관체(14)의 내부의 압력이 조절된다.

상기의 전극(30)과 플러그(40)는 탄소가 분말형태로 제조된 탄소분말을 일반적인 성형 방법에 따라 소정의 형틀에 투입하고 고온으로 가압 성형된 탄소 성형물 로 제조하는 것이 바람직하며, 이는 고온에서도 우수한 내구성을 가지게 된다.

또는, 전극(30)과 플러그(40)는 상기의 방법으로 제조된 소정의 탄소막대(탄소봉)을 NC선반, 밀링 등과 같은 공작기계로 가공하여 제조할 수 있다. 또는, 내열성 및 전기전도성이 우수한 금속부재로 이루어지는 것이 바람직하다.

아울러 도면에 도시하지는 않았지만 상기 리드선(50), 보다 구체적으로 밴딩부(52)에는 정전기필터를 부착하여 정전기로 인한 오작동 및 손상 등을 방지할 수 있게 된다.

상기와 같이 구성된 본 고안의 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치는 상기 발열관체(10)의 외부로부터 전원을 연결하는 리드선(50)이 상기 전극(30) 및 플러그(40)에 의해 탄소발열체(20)와 전기적으로 긴밀하게 접속되어 있어서, 내구성이 우수하여 제품의 수명을 연장할 수 있을 뿐만 아니라 탁월한 안전성을 제공하며, 특히 상기의 탄소발열체(20)에 전원의 공급이 원활하며, 전력의 낭비를 줄여 전기 소모를 최소화하면서도 발열효율을 극대화할 수 있게 된다.

예컨대 기존의 탄소발열장치가 2kw의 전력으로 400℃~500℃ 이내의 범위로 발열이 이루어진대 반면, 본 고안의 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치는 2kw의 전력으로 700℃~800℃ 또는 그 이상의 온도로도 고온 발열이 가능하게 된다. 다시 말하면 전열면적을 밀집화할 수 있으므로 작은 용기에서 고열을 생산할 수 있으므로 발열장치의 소형화 및 경량화할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 기술에 따른 탄소발열체를 이용한 히터를 부분적인 나타낸 내부 단면도.

도 2는 종래의 기술에 따른 전기전도성 탄소섬유 발열체의 구성을 나타낸 내부 단면도.

도 3은 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 구성을 부분적으로 절개하여 도시한 사시도.

도 4는 본 고안에 따른 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 주요부를 나타낸 분리 사시도.

도 5는 본 고안에 따른 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 주요부를 나타낸 내부 단면도.

Claims (5)

1. 발열관체(10)의 내부에 탄소발열체(20)가 길이방향으로 설치되고 상기 탄소발열체(20)의 양단부가 리드선(50)을 통해 외부의 전선(56)과 전기적으로 접속되어 있는 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전극 구조에 있어서,

   상기 탄소발열체(20)의 단부가 일측 모서리부의 요홈(35)에 끼워지면서 축방향과 교차하는 통공(34)에 직각으로 삽입되며, 외측면의 중심에 형성된 나사홈(32)이 상기 통공(34)과 연결된 전극(30)과;

   상기 전극(30)의 나사홈(32)에 조립되는 일측의 수나사부(42)가 탄소발열체(20)를 가압하여 나사홈(32)의 내측면에 밀착시키며, 상기의 리드선(50)이 축방향의 구멍(44)에 결합된 플러그(40)와;

   상기 수나사부(42)와 탄소발열체(20)의 사이에 구비된 전기전도성 도전판(46)으로 구성됨을 특징으로 하는 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전극 구조.
2. 제1항에 있어서,

   상기 리드선(50)은 플러그(40)를 관통하여 상기 수나사부(42)의 전면으로 노출되고 단부(54)의 절곡부(54')가 상기 도전판(46)과 접촉하며, 중간부에 밴딩부(52)가 형성된 구성임을 특징으로 하는 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전 극 구조.
3. 제1항에 있어서,

   상기 발열관체(10)의 내부에 설치되는 중심관체(14)의 양단부에 상기 전극(30)의 일측 돌출부(36)가 각각 결합되며, 상기 중심관체(14)의 외측에 탄소발열체(20)가 코일식으로 감겨 있는 것을 특징으로 하는 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전극 구조.
4. 제1항 내지 제3항 중 선택된 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 전극(30)과 플러그(40)는 탄소분말을 고온으로 가압 성형한 것임을 특징으로 하는 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전극 구조.
5. 제1항에 있어서,

   상기 도전판(46)은 니켈(Ni)합금으로 구성됨을 특징으로 하는 탄소발열체를 이용한 관상 발열장치의 전극 구조.

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