KR20090129139A - 탄소 섬유를 이용한 발열체 및 이를 적용한 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소 다발을 무기질 내열 세라믹 접착제로 내열 코팅하여 일체로 고정하는 탄소 섬유를 이용한 발열체와 이러한 발열체를 보일러에 적용하는 탄소 섬유를 이용한 발열체 및 이를 적용한 보일러에 관한 것으로서, 본 발명에 대해 대략 설명하면, 탄소 섬유를 다수개의 탄소 섬유 다발로 형성하고, 그 외면으로는 무기질 내열 세라믹 접착제로 코팅하여 바인딩하며, 탄소 섬유 다발의 양단으로는 전기를 인가하는 연결단자를 연결한 봉체로 고정된 발열체를 구성함으로써, 탄소 섬유의 산화를 방지하는 동시에 이웃하는 탄소 섬유에 의해 열분열을 일으켜 효율적으로 고온으로 발열하고, 열을 직접적으로 전달하는 발열체를 구성한다.

그리고 나선형태의 순환파이프가 내부로 구비된 보일러에, 상기와 같이 봉체 또는 세라믹 체의 외주면을 감싼 형태의 발열체를 순환파이프 내측면을 따라 구비해 순환파이프를 직접적으로 가열하도록 적용한다.

탄소 섬유, 무기질 내열 세라믹 접착제, 세라믹 체, 보일러, 순환파이프

Description

탄소 섬유를 이용한 발열체 및 이를 적용한 보일러 { carbon fiber heating bar and boiler using the same }

본 발명은 탄소 다발을 무기질 내열 세라믹 접착제로 내열 코팅하여 일체로 고정하는 탄소 섬유를 이용한 발열체와 이러한 발열체를 보일러에 적용해 물을 효율적으로 가열하는 탄소 섬유를 이용한 발열체 및 이를 적용한 보일러에 관한 것이다.

일반적으로 보일러나 온풍기나 난로 등 고온을 필요로 하는 각종 장치에는 고온으로 발열하는 발열체가 구비되어 이러한 발열체에서 방출 또는 복사되는 고온의 열을 이용하여 물이나 공기 등을 가열하여 온수 및 온풍 등을 생산하며, 이는 통상 석탄 또는 석유 등의 연소를 통한 연소열을 이용하거나, 전기를 이용한 발열체의 저항열을 이용하여 고온을 얻는 것이 주로 사용되고 있다.

그러나 근래에 들어 대기오염 등의 환경오염 문제 및 원료 고갈에 따른 원료 비 상승 등으로 인해 석탄 또는 석유 등을 원료로 하는 보일러나 온풍기 등의 사용이 점점 감소하는 추세이고, 그 대안으로 전기를 이용한 전기보일러나 전기온풍기 등의 사용이 점점 늘고 있는 실정인데, 상기 전기를 이용하는 방법은 니크롬선 등의 전기 저항이 높은 금속을 코일형태로 형성한 발열체에 전류를 인가하여 발생하는 저항 열을 이용하여 보일러 내부를 순환하는 냉수를 가열하거나, 온풍기 내부를 통과하는 공기를 가열하는 방법이 주로 사용되지만, 이때, 코일형태의 발열체에는 강한 전류를 흐르게 하여야 일정온도 이상으로 발열하게 되고, 이렇게 발열하는데 장시간이 소요되어 사용하는데에 전력소모가 많으며, 코일의 특성상 강한 전류가 흐르게 되면 인체에 유해한 전자파(EMI)가 발생할 뿐만 아니라, 장시간 사용 시에는 발열체가 단선, 누전, 감전, 과열로 인한 화재 등의 전기사고가 발생하는 등 많은 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점들을 해결하기 위해 유리섬유에 탄소액이 발포·코팅된 탄소 섬유를 소정 형태를 가지는 진공관에 삽입되어 진공상태로 밀폐되고, 그 양단부로는 전원을 공급하는 탄소 섬유 발열체를 보일러 등에 적용하여 순환하는 냉수를 직접가열하는 방법이 제시되었는데, 이는 종래의 니크롬선 발열체에 비해 전력소모를 줄이고, 인체에 유해한 전자파(EMI)의 발생은 막을 수 있지만, 진공관에 의해 탄소 섬유의 온도가 외부로 효과적으로 전달되지 못하고, 제조에 장시간이 소요되고 복잡하여 제조단가가 높으며, 충격에 약해 쉽게 파손되는 등의 많은 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 탄소 섬유 다발의 외면을 무기질 내열 세라믹 접착제로 코팅하여 바인딩한 탄소 섬유를 이용한 발열체 및 이러한 발열체를 적용한 보일러를 구성함으로써, 탄소 섬유의 산화를 방지하고, 직접적으로 열을 전달하는 발열체와, 상기 발열체를 적용해 적은 소비전력으로 안정적으로 고온수를 생산하는 보일러를 그 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 다수개의 탄소 섬유를 다발로 형성하고, 그 외면으로는 무기질 내열 세라믹 접착제로 코팅하여 바인딩해 봉체로 고정하며, 상기 봉체로 고정된 탄소 섬유 다발의 양단으로는 전기를 인가하는 연결단자를 연결한 발열체를 구성한다.

또한, 봉 형태를 가지는 세라믹 체가 구비되고, 상기 세라믹 체의 외주면을 따라서 다수개의 탄소 섬유 다발이 일정한 간격을 가지는 나선형태로 감기며, 상기 탄소 섬유 다발의 외면을 무기질 내열 세라믹 접착제로 코팅하여 바인딩하고, 탄소 섬유 다발의 양단으로는 전기를 인가하는 연결단자를 연결해 세라믹 체에 탄소 섬유가 나선형태로 감겨 고정된 발열체를 더 구성한다.

그리고 나선형태의 순환파이프가 내부로 구비되어, 순환파이프 내부를 순환하는 물을 가열해 고온수를 생산하는 보일러에 있어서, 상기와 같이 봉체 또는 세라믹 체의 외주면을 감싼 형태의 발열체를 순환파이프 내측면을 따라 구비함으로써, 상기 발열체가 순환파이프를 직접적으로 가열해 고온수를 생산하도록 보일러에 적용해 사용한다.

이를 통해, 전기가 인가되면서 고온으로 발열하는 탄소 섬유 다발을 바인딩하여 고정해 봉체로 형성하거나, 세라믹 체의 외주면을 따라 감은 다음 바인딩하여 고정한 형태를 가지는 발열체를 구성함으로써, 탄소 섬유의 산화를 방지하는 동시에 이웃하는 탄소 섬유에 의해 열분열을 일으켜 효율적으로 고온으로 발열하고, 이러한 열을 직접적으로 전달하며, 이를 보일러에 적용하여, 전기사고를 방지하고, 안정적으로 작동하는 효과를 가진다.

본 발명은 탄소 다발을 무기질 내열 세라믹 접착제로 내열 코팅하여 일체로 고정하는 탄소 섬유를 이용한 발열체와 이러한 발열체를 보일러에 적용해 물을 효율적으로 가열하는 탄소 섬유를 이용한 발열체 및 이를 적용한 보일러에 관한 것이다.

본 발명에 대해 대략 설명하면, 전기가 인가되면서 고온으로 발열하는 탄소 섬유를 다수개의 탄소 섬유 다발로 형성하고, 그 외면으로는 무기질 내열 세라믹 접착제로 코팅하여 바인딩해 봉체로 고정하고, 상기 봉체로 고정된 탄소 섬유 다발의 양단으로는 전기를 인가하는 연결단자를 연결한 발열체를 구성하거나, 일정한 형태를 가지는 세라믹 체가 구비되고, 상기 세라믹 체의 외주면을 따라서 다수개의 탄소 섬유 다발이 일정한 간격으로 나선형태로 감기며, 상기 탄소 섬유 다발을 무기질 내열 세라믹 접착제로 코팅하여 바인딩하며, 탄소 섬유 다발의 양단으로는 전기를 인가하는 연결단자를 연결해 세라믹 체에 탄소 섬유가 나선형태로 감겨 고정된 발열체를 구성함으로써, 탄소 섬유의 산화를 방지하는 동시에 이웃하는 탄소 섬유에 의해 열분열을 일으켜 효율적으로 고온으로 발열하고, 열을 직접적으로 전달하는 발열체를 구성한다.

그리고 나선형태의 순환파이프가 내부로 구비된 보일러에, 상기와 같이 봉체 또는 세라믹 체의 외주면을 감싼 형태의 발열체를 순환파이프 내측면을 따라 구비해 순환파이프를 직접적으로 가열하도록 적용함으로써, 다수개의 발열체가 순환파이프 내부를 이동하는 순환수를 직접적으로 가열하고, 보일러의 전기사고를 방지하며, 안정적으로 작동하도록 한다.

이와 같은 특징을 가지는 본 발명인 탄소 섬유를 이용한 발열체 및 이를 적용한 보일러를 각 도면에 도시한 실시예를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명인 탄소 섬유(11)를 이용한 발열체(10)는, 도1에 도시한 바와 같이 전기가 인가되면 발열하는 탄소 섬유(11) 다수개를 동일한 길이로 구비한 탄소 섬유(11) 다발을 형성하고, 상기 탄소 섬유(11) 다발의 외면으로는 무기질 내열 세라믹 접착제(14)로 코팅하여 바인딩한다.

상기 탄소 섬유(11)는 높은 열전도도와 높은 강도 및 낮은 열팽창 거동 등 많은 장점을 가지지만, 고온에서의 산화 안정성 문제로 인해 사용상의 제약을 받고 있는데, 즉, 탄소 섬유는 재료의 제조 방법이나 내부 원자 배열에 의해 차이가 있지만 보통 500℃ 이상의 온도에서 산화가 시작되며, 비교적 저온 영역에서는 탄소의 반응성이 작아서 산소가 탄소의 기공 사이로 깊숙이 침투하며 확산이 일어나게 되어 내부가 전체적인 산화가 일어나게 되고, 고온 영역에서는 산소의 반응성보다 탄소의 반응성이 높아져서 산소가 내부로 확산하지 못하며, 탄소재의 표면에 존재하는 산화막으로부터 산소를 공급받으며 표면부터 확산이 발생하게 되고, 그 중간의 영역에서는 두 가지 반응이 모두 일어나며, 이러한 산화 반응이 진행됨에 따라 탄소의 표면에 기공이 형성되고 내부로 확산해 들어가며 산화가 진행하게 된다.

이렇게 고온으로 발열 시 산소에 의해 탄소 섬유(11)의 산화가 빠르게 진행되기 때문에, 탄소 섬유(11)를 장시간 사용할 수 없어 수명이 짧아지고, 발열량이 낮아지는 등 그 효율성이 떨어지기 때문에, 이러한 산화를 방지하는 동시에 일정한 형태로 고정하기 위해서 무기질 내열 세라믹 접착제(14)로 코팅하여 바인딩해, 산소와 반응을 일으키지 않아 산화를 방지하고, 일정한 형태의 봉체로 유지하도록 한다.

상기 무기질 내열 세라믹 접착제(14)는 산화 저항성이 있는 화합물을 낮은 온도에서 용융시켜 이 화합물이 탄소 섬유(11) 내의 산소의 통로가 되는 곳을 채우거나, 혹은 막아주는 형태로 존재하도록 하는 동시에, 유연한 탄소 섬유(11) 다발이 봉체로 고정되도록 바인딩하는 것으로서, 이산화규소(silicon dioxide: SiO₂)와 지르코니아(zirconia: ZrO₂) 및 세라믹의 성분을 가지는 무기질 내열 세라믹 접착제(14)를 다수개의 탄소 섬유(11)로 구비된 탄소 섬유(11) 다발에 0.3mm ∼ 0.5mm의 두께로 도포해 건조함으로써, 탄소 섬유(11)의 산화를 방지하는 동시에 이산화규소와 지르코니아 및 세라믹 성분으로 인해 약 1,700℃에서도 견딜 수 있는 내열성을 가지고, 환경오염물질의 배출이 없으며, 바인딩하여 일정형태의 봉체로 고정한다.

그리고 상기 봉체로 형성된 탄소 섬유(11) 다발의 각 양단으로는 각각 전기를 공급하는 금속재질의 연결단자(12)로 동시에 연결하여, 상기 연결단자(12)를 통해 각 탄소 섬유(12)에 전기를 인가할 수 있도록 함으로써, 발열체(10)를 구성한다.

이를 통해 탄소 섬유(11) 다발을 고정하는 별도의 고정기구 없이 무기질 내열 세라믹 접착제(14)로 코팅되어 봉체로 고정해 발열체(10)의 사용을 용이하게 하고, 산화작용을 방지하여 그 수명을 연장하며, 탄소 섬유(11)에서 직접적으로 열을 전달함으로써, 적은 전력을 인가하면 고온으로 발열하는 효율적인 발열체(10)를 구성한다.

또한, 상기 발열체(10)의 또 다른 실시예로써, 도2에 도시한 바와 같이 봉 형태 또는 패널 형태 등 다양한 형태를 가지는 세라믹 체(13)에 상기 내열 코팅되는 탄소 섬유(11)를 나선형태로 감아 일정형태로 구성할 수 있는데, 이는, 봉 형태를 가지는 세라믹 체(13)가 구비되고, 상기 세라믹 체(13)의 외주면을 따라 다수개의 탄소 섬유(11) 다발을 일정한 간격을 가지는 나선형태로 감은 다음, 상기 탄소 섬유(11) 다발의 외면으로 무기질 내열 세라믹 접착제(14)를 코팅하여 바인딩해, 탄소 섬유(11)가 세라믹 체(13) 외측으로 감겨 고정되도록 하며, 이러한 탄소 섬유(11) 다발의 양단으로는 역시, 각각 전기를 공급하는 금속재질의 연결단자(12)로 동시에 연결하여, 상기 연결단자(12)를 통해 각 탄소 섬유(12)에 전기를 인가할 수 있도록 함으로써, 상기 제 1 실시예에서 보이는 봉체의 발열체(10) 뿐만 아니라, 다양한 부피 및 두께를 가지는 세라믹 체(13) 형태의 발열체(10)로 형성함으로써, 더욱 넓은 범위로 발열할 수 있도록 한다.

상기와 같이 내열 코팅된 탄소 섬유(11) 다발은, 탄소 섬유(11)의 발열 시 서로 이웃하는 다수개의 탄소 섬유(11)끼리 열 분열을 일으켜 더욱 고온으로 단시간에 발열하기 때문에, 높은 열효율을 가지며, 세라믹 체(13)에 나선형태로 감을 시에도 약 2mm 내지 20mm 정도의 적절한 간격으로 감는 것이 바람직하다.

이상과 같이 구성된 발열체(10)는 보일러(20)에 다양한 방법으로 적용되어, 그 구성 및 작동을 단순하고 효율적으로 할 수 있는데, 본 발명인 발열체(10)를 적용한 보일러(20)를 살펴보면, 도3 또는 도4에 도시한 바와 같이 유입된 냉수를 고온수로 가열한 다음 외부로 배출하는 방식으로 물이 순환하는 순환파이프(21)가 나선형태로 형성되어 외부케이스(22) 내부로 구비되는데, 이러한 나선형태의 순환파이프(21) 내측면을 따라 다수개의 발열체(10)를 순환파이프(21)에 밀착하여 구비함으로써, 연결단자(12)에 전기를 인가하는 간단한 방식으로 순환파이프(21) 내부의 냉수를 효율적으로 가열하고, 종래의 니크롬선을 이용한 발열체에 비해 적은 소비전력만으로도 빠르게 고온발열을 할 수 있어 전력소비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 탄소 섬유(11)가 무기질 내열 세라믹 접착제(14)로 코팅되어 있어, 탄소 섬유(11)의 산화방지뿐만 아니라 단선, 누전, 감전, 과열 등의 전기사고를 방지하여 안정성을 향상시키고, 열효율을 향상시킨다.

이를 통해, 보일러(20)는 적은 소비전력만으로도 빠르게 고온 발열을 할 수 있어 전력소비를 줄일 수 있고, 각종 전기사고의 위험이 낮아 안정적이며, 열효율 이 높을 뿐만 아니라, 그 구조가 간단하고 소형화할 수 있어, 다양한 방면에 쉽게 적용 가능하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 복합적으로 다양한 변형·실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 발열체의 사시도.

도2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발열체의 사시도.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 보일러의 단면도.

도4는 본 발명의 실시예에 따른 보일러의 평면도.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

10: 발열체 11: 탄소 섬유

12: 연결단자 13: 세라믹 체

14: 무기질 내열 세라믹 접착제 20: 보일러

21: 순환파이프

Claims (3)

1. 전기가 인가되면 발열하는 탄소 섬유(11)를 적어도 하나동일한 길이로 구비한 탄소 섬유(11) 다발의 외면을 이산화규소와 지르코니아와 세라믹의 성분을 가지는 무기질 내열 세라믹 접착제(14)로 0.3mm 내지 0.5mm의 두께로 코팅하여 바인딩해 봉체로 형성하고;

   상기 봉체로 형성된 탄소 섬유(11) 다발의 양단으로는 각각 전기를 공급하는 연결단자(12)로 동시에 연결한 발열체(10)를 구성함으로써,

   탄소 섬유(11)의 산화를 방지하는 동시에 고온을 직접적으로 발열하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유를 이용한 발열체.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 발열체(10)는,

   봉 형태를 가지는 세라믹 체(13)에 탄소 섬유(11) 다발을 나선형태로 감고;

   상기 탄소 섬유(11) 다발의 외면으로 무기질 내열 세라믹 접착제(14)를 코팅하여 바인딩하며;

   상기 탄소 섬유(11) 다발의 양단으로는 각각 전기를 공급하는 연결단자(12)로 동시에 연결함으로써,

   세라믹 체(13)의 부피 및 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유를 이 용한 발열체.
3. 내부로 유입된 냉수를 고온수로 가열한 다음 외부로 배출하는 방식으로 물이 순환하는 순환파이프(21)가 나선형태로 구비되는 보일러(20)에 있어서,

   제 1항 내지 제 2항 중 어느 한 항의 형태로 형성된 발열체(10)를 적어도 하나 상기 순환파이프(21)의 내측면을 따라 밀착하여 구비함으로써,

   안정성 및 열전달의 효율성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유를 이용한 발열체를 적용한 보일러.

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