KR20100011057A - 원적외선 방사 세라믹 코팅 히트파이프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원적외선 방사용 세라믹 도료를 이용한 히트파이프의 코팅 방법을 제공한다.

이 방법은 종래의 히트파이프(1)에 비해 보다 제조 공정이 용이하면서도 경제적인 방법으로 발열 효율을 높일 수 있고 동시에 원적외선을 방사 하는 특성을 히트파이프의 외면에 바로 구현할 수 있다.

본 발명은 난방 제품의 제조나 건축물의 난방 공사 현장에서 히팅 수단에 체결되는 열 전달 요소로 그 응용이 가능하고, 고열 환경에 대해 코팅막(2)의 수축이나 팽창 등의 변형 없어 뛰어난 온도 안정성 및 보온성을 가진다.

세라믹, 코팅, 히트파이프, 원적외선, 난방

Description

원적외선 방사 세라믹 코팅 히트파이프 {CERAMIC COATED HEAT PIPE FOR FAR INFRARED RAY RADIATION}

본 발명은 세라믹 도료를 히트파이프에 코팅하는 기술을 이용하여 난방 에너지 소비량을 절감할 수 있는 원적외선 방사 세라믹 코팅 히트파이프의 제조 공정에 관한 것이다.

히트파이프는 유체를 포함하되 그 내부를 배기한 파이프로, 우주선 방열용 소재로 개발(1942년)되었으며, 금속파이프의 내부에 휘발성 액체(메탄올, 아세톤, 수은 등)인 작동 유체를 주입한 후, 진공 배기 후 파이프의 양단을 밀폐한 구조를 가진다.

히트파이프의 한쪽 끝에 온수 또는 히팅 수단을 이용하여 열 에너지를 인가하면 히트파이프의 내부에 있는 작동 유체가 증발시 발생하는 열 에너지가 다른 끝으로 이동 후 응축에 의해 다시 원래 위치로 순환하는 구조를 가지는 열전도체의 일종으로서, 그 종류는 윅(wick) 구조 유무에 따라 크게 분류되며, 신속한 열전도 특성이 있다.

특히, 그 내부에 별도의 윅 구조를 설치하지 않고 중력의 차이를 이용하여 액체를 증발부로 이동시키는 구조인 서모사이폰(thermosyphon)식 히트파이프는 그 구조가 간단하고 생산이 용이하여 산업 전반에 널리 사용중이다.

종래 히트파이프를 이용한 연구는 주로 윅의 구조를 개선하여 열 효율을 개선하거나, 히트파이프 내외부 충진재나 다른 매체 간 접속 기술에 대한 연구가 주로 진행되었으며, 현재 히트파이프는 열 제어, 대체에너지의 이동수단, 소형 전자부품의 냉각장치, 고효율 에너지 변환 및 이송 및 열전달 요소 및 열 회수 소자로 실용화되어 현재 에너지 산업의 각종 열교환기, 컴퓨터, 항공 및 인공위성 등에 사용중이다.

세라믹 코팅은 미국에서 우주 왕복선의 초고온 단열재로 사용할 목적으로 개발되었으며, 이 기술은 고온(500∼2000℃)의 열처리 과정이 필요치 않고, 상대적으로 낮은 온도(50∼500℃)에서 세라믹 도막을 형성하는 기술이므로 고온 처리로는 곤란한 소재에도 그 적용이 가능하며, 알코올 및 물을 용제로 사용하기 때문에 인체에 무해하고 환경 보호적 차원에서도 유익한 환경 친화성을 가진다.

한편, 태양이 방출하는 빛을 프리즘으로 분산시켜 보았을 때 적색선의 끝보다 더 바깥쪽에 있는 전자기파를 적외선이라 한다. 파장의 길이에 따라 분류하면 파장 0.75∼3㎛의 적외선을 근적외선, 3∼25㎛의 것을 적외선, 25㎛ 이상의 것을 원적외선이라 한다. 가시광선이나 자외선에 비해 강한 열작용을 가지고 있는 것이 특징이며, 이 때문에 열선(熱線)이라고도 한다. 태양이나 발열체로부터 공간으로 전달되는 복사열은 주로 적외선에 의한 것이다.

적외선이 강한 열효과를 가지고 있는 이유는 적외선의 주파수가 물질을 구성하고 있는 분자의 고유진동수와 거의 비슷하기 때문이다. 이는 물질에 적외선이 전달되면 전자기적 공진 현상(共振 現象)을 일으켜 적외광파의 에너지가 효과적으로 물질에 흡수되기 때문이다.

특히, 원적외선은 전자파의 일종으로 진동파이며, 원적외선은 모든 재료에서 0K 이상의 온도에서 방사되지만, 특정 세라믹의 경우 방사량이 매우 높아지는데, 이를 원적외선 방사체라 한다. 원적외선의 측정은 분광계(FT-IR Spectrometer)를 이용하며, 모든 파장의 복사를 흡수하는 흑체(Black body) 대비 측정값을 수치로 표시한 것이다.

원적외선은 방사에 의해 에너지가 전달되므로 에너지 효율이 높고, 인체에 대한 효능이 알려지면서 원적외선 사우나로부터 가전제품 및 일반 건축소재에 이르기까지 다양한 용도로 활용되고 있다.

난방 또는 열전달 수단용 히트파이프와 히트파이프에 열 에너지를 전달하는 히팅 수단을 이용하여 난방 용품을 제작할 때, 종래의 히트파이프에 비해 경제적이고 용이한 방법으로 가열시간, 열 분포 및 보온성이 향상되면서도 동시에 에너지 사용량을 경감할 수 있는 히트파이프를 제조하는 공정을 통해 난방비를 절감하는 기술을 제공하는 것이다.

이에 본 발명은 상기 문제점을 개선하기 위하여 소정 길이의 히트파이프의 형상을 이루는 외면에 세라믹을 도포하여 안착시키는 공정을 통해 피코팅재인 히트파이프의 표면을 세라믹화 한다.

종래의 세라믹 분말을 소정 비율로 용제와 혼합한 코팅용 용액을 히트파이프의 외면에 도포, 가열 및 소성 처리 등 일련의 공정에 의해 히트파이프의 외부에 세라믹 코팅 막을 형성시킨다.

종래의 히트파이프는 더욱 고효율로 열을 외부 매체로 전달하기 위해 그 내부에 별도의 원적외선을 방사 하는 소재를 삽입하거나, 히트파이프의 외부에 별도로 원적외선 방사재를 단일 또는 여러 개의 층으로 적층 하였으나, 본 기술은 다른 파장대인 가시광선이나 자외선에 비해 강한 발열 작용을 하는 원적외선 방사 기능을 히트파이프 자체에 추가하므로 보다 히트파이프의 열전도 특성을 개선할 수 있 어 전력소모를 줄일 수 있고, 세라믹 코팅층의 표면 특성이 균일하고 열팽창이 적어 고열에 대해 열적 안정도 및 보온을 유지할 수 있고, 피코팅재의 부식 등을 방지할 수 있어 히트파이프의 사용 수명의 연장이 가능하다.

금속 파이프 내부에 작동 유체를 주입 후, 진공 배기후 그 양단을 밀봉하여 제조된 히트파이프에 있어서;

상기 히트파이프의 표면 상태 및 이물질 유무 등의 상태를 육안으로 검수하여 이물질과 기름을 제거하고;

상기 소재의 외면부 전체를 10~30㎛ 두께로 샌딩(sanding) 하고;

샌딩시 발생 된 오염 물질을 세척하여 제거한 다음;

세라믹 코팅시 흐름 방지와 접착력 향상을 위해 80∼120℃의 온도로 0.1~0.5시간 동안 예비 가열하고;

상기 가열된 소재의 외면에 미리 제조된 도포용 세라믹 용액을 스프레이건(Spray gun)을 사용하여 5∼30㎛ 두께로 1차 도포하고;

100∼150℃의 온도로 0.1~0.5시간 내외로 소성 처리 후, 약 30분 동안 냉각하고;

이를 다시 스프레이건을 사용하여 표면 조도 처리 및 두께 증대를 위해 20∼30㎛ 두께로 2차 도포하고;

갑작스러운 온도 상승 등의 원인으로 소재 및 코팅막의 변형 방지 및 접착력 향상을 위해 100∼150℃의 온도로 건조한 후;

최종 열처리를 위해 상기 소재를 200∼220℃의 온도로 1시간 동안 소성 처리하는;

상기 일련의 공정을 특징으로 한다.

한편, 상기 제조 공정에 사용되는 세라믹 용액은 종래의 시중 제품을 사용할 수 있으나, 본 발명에서 제공하는 공정에서는 이소프로필 알콜과 물을 혼합한 용제 및 SiO₂ 45~65 중량분, Al₂O₃ 10~30 중량분, ZnO 5~20 중량분, B₂O₃ 5~15 중량분, TiO₂ 1~10 중량분, MgO 1~5 중량분, Fe₂O₃ 1~10 중량분 등이 혼합되어 용융상태의 입자들로 형성된 용액 상태의 도료를 사용하는 것이 히트파이프의 발열 특성을 개선 시키는데 바람직하며 도포 공정이 용이한 특징이 있다.

원적외선 방사 벽체, 온열 기능이 있는 침대, 매트리스, 보료, 온실 난방, 온풍기, 사우나용 방열기, 양식장 및 비닐하우스 난방 등에 고효율 방열 기능을 가지는 열 전달 자재로 사용 가능하다.

도 1은 본 발명 원적외선 방사 코팅 히트파이프의 제작 공정도

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 원적외선 방사 코팅 히트파이프의 사시도

<도면에 사용된 주요 부호에 대한 설명>

1. 히트파이프

2. 코팅막

Claims (1)

1. 소정 길이의 금속 파이프 내부에 작동 유체를 주입 후, 진공 배기 후 양단을 밀봉하여 제조된 종래의 히트파이프(1)에 있어;

   상기 히트파이프의 외면부 전체를 10~30㎛ 두께로 샌딩 후, 이물질을 제거하고;

   80∼120℃의 온도로 0.1~0.5시간 동안 예비 가열하고;

   상기 가열된 히트 파이프의 외면부에 미리 제조된 도포용 원적외선 방사 기능이 있는 세라믹 용액을 스프레이건(Spray gun)을 사용하여 5∼30㎛ 두께로 도포하고;

   상기 히트파이프에 대해 0.1~0.5시간 동안 100∼150℃의 온도로 도막 경화용 열처리를 실시하고;

   상기 히트파이프를 0.5시간 내외로 냉각 후, 표면 조도 처리 및 두께 증대를 위해 20∼30㎛ 두께로 2차 도포하여 코팅막(2)를 형성하고;

   상기 코팅막(2)의 변형 방지 및 접착력 향상을 위해 100∼150℃의 온도로 0.5시간 내외로 건조한 후, 1시간 동안 200∼220℃의 온도로 최종 열처리를 통해 마감하는;

   상기 일련의 공정을 포함하는 원적외선 방사 세라믹 코팅 히트파이프.

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