KR20120020258A - 마이크로파와 고주파 발열체(發熱體)를 이용한 단열재 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펄라이트(Perlite) 단열재의 가열 성형에 관한 것으로 더욱 상세하게는 펄라이트 단열재를 소결 성형함에 있어서 거기에 사용되는 열원(熱源)으로 마이크로웨이브(microwave) 극초단파를 사용하였으며 또한 그 에너지의 효율을 극대화하기 위하여 고주파 발열체(發熱體)의 유도 반응열을 이용함으로서 연료비의 절감과 성형시간의 단축 효과로 생산성이 크게 향상된 것이다.
이는 종전의 생산 방법에 있어서 주요 난제로 알려진 연료비, 생산성(시간), 생산설비의 삼대 난제를 일시에 해소 할 수 있는 수단이며 이것이 본 발명의 중축(中軸)이며 특징인 것이다.
진주암 발포체인 펄라이트가 규산나트륨을 결합제로 한 단열재가 알려진 것은 근 일세기가 되었고, 작금에 와서 질석, 석면, 유리섬유, 우레탄폼, 스티로폼의 많은 문제점이 야기되면서 펄라이트 단열재에 관한 많은 특허와 생산기법이 널리 알려져 있으나 실상은 상기와 같이 연료, 생산시간, 생산설비 등의 제문제점으로 인하여 활성화 되지 못하고 있는 실정이다.
이는 규산나트륨 3호의 조성이 50 중량％의 물로 채워져 있으며 함유된 나트륨의 제거 문제가 보다 큰 난제인 것이다. 또한 거기에다 열전도가 불량한 펄라이트와 결합한 것을 가열, 경화, 성형함에는 이에 소요되는 연료비와 성형시간, 거대한 설비 등이 상품화의 길을 막고 있는 것이다.
이를 위하여 본 발명은 마그네트론(magnetron) 전파 발진기가 장착된 반사형(反射型) 소결장치를 설계함에 있어서 극성분자의 공진, 공명(共鳴)에 의한 파장 효과가 십분 발휘되도록 효율적 공간으로 설정되었으며 방사되는 전파가 금속 벽에서 연속적으로 반사되고 펄라이트와 결합된 규산나트륨 모두가 세라믹으로 이루어진 물성임으로 아무런 장애도 방해받지 않고 방사되어 물 분자를 진동시키고 그 마찰열이 성형물 내, 외를 동시에 확산되어서 순식간에 수분을 제거하며 소결되도록 구조화 된 것이 특징이다.

Description

마이크로파와 고주파 발열체(發熱體)를 이용한 단열재 제조방법{The process of manufacture of heat insulator panel formed by microwave and heating element}

본 발명은 펄라이트 단열재 성형 방법에 관한 것이며 펄라이트와 규산나트륨 3호의 혼합물을 가압, 가열, 소결함에 있어서 거기에 소용되는 열원(熱源)을 마이크로웨이브(microwave) 극초단파로 대체 사용하고 또한 고주파 발열체(發熱體)의 상승효과로 300℃ 이상의 고열이 몇 분 내에 여기(勵起) 됨으로서 연료비의 대폭 절감과 성형 소요시간의 대폭 단축으로 저렴한 제품을 대량생산 할 수 있는 기틀이 구축된 것이다.

이는 전자레인지의 원리를 원용하였으나 턴테이블이 없이도 마이크로웨이브가 고루 단열재에 방사(放射)되도록 이동 반사판(3)을 도5에서와 같이 장착한 것이 특징이며 또한 마그네트론(magnetron)의 과열 방지를 위한 수냉식 냉각장치가 특설된 것 또한 본 발명의 특징이다.

펄라이트 단열재를 종래의 방식으로 성형제조 하려면 거대한 다단식 유압 프레스와 상하에 열판이 필요하다(1200mm×4000mm) 이 거대한 열판을 250℃이상으로 가열하는데 필요한 전열은 수백kw가 요구하며 Gas류를 사용해도 연료비의 차가 거의 없다. 패널의 두께가 100mm이상 되는 것을 250℃이상의 고열을 전달 소결하는데 소요되는 연료와 시간이 생산성 저하로 이어져 시장 유통의 활성화를 막고 있는 실정이다.

상기와 같은 여러 문제점을 해소하기 위한 최선의 방법이 마이크로웨이브(microwave) 극초단파를 사용한 급소결 방법이며 이렇게 함으로서 소요되는 연료비와 성형시간이 종래의 제조 방법에 대비하면 연료비에서 20분의 1, 소요시간에서 10분의1 정도에도 미달하는 성과를 올리게 된 것이다.

일반적으로 마이크로파라고 하면 파장이 1m이하의 극초단파에서부터 서브밀리파까지를 넓은 의미에서 지칭하며 이러한 전파는 유한한 자원이기 때문에 제각기 용도에 따라서 주파수가 정해져있다.

본 발명에서는 규산나트륨 3호에 함유된 물 분자를 대상으로 고유 진동수와 조화된 마이크로파인 2450MHz를 사용하고 있으며 이는 가정용 전자레인지와 동일한 것이다. 이미 알려진 봐와 같이 이 주파수는 ＋/－가 1초 동안에 24억 5천만번이나 교체되면서 물 분자를 격하게 부딪치게 하고 이 마찰열이 수분제거와 펄라이트 입자간의 소결이 진행되도록 구조되어 있다.

그러나 가정용 전자레인지의 발열은 100℃ 이상을 초과하지 못한다. 이를 300℃ 이상으로 상승되도록 하여야 함에는 고주파 발열체가 필연적인 것이다.

그리고 전자레인지의 사용시간은 몇 초에서 길어야 10분 정도이며 계속하는 경우가 드물다. 그래서 그의 냉각장치가 소형 팬으로 충분하지만 본란에서 사용되는 마그네트론(magnetron)은 공장용이며 장시간을 멈춤 없이 사용됨으로서 즉 마그네트론 스팟타 총(magnetron sputter gun)에서와 같이 수냉식 냉각 장치로 구조화 하였다.

또한 전자레인지는 턴테이블이 회전하면서 피사체를 고루 가열하지만 불연 패널을 회전시킬 수는 없다. 본 발명에서는 반사실(4) 하부에 설치된 이동 편광반사판(3)은 간단없이 좌, 우로 왕복하게 함으로서 마이크로파의 방사(放射) 안테나 소자(素子)를 대신하여서 고루 가열되게 설계된 것이 특징이다.

KR 10-0926180 건축용 보드의 제조방법 2009. 11. 03

スパッタリング現象 (東京大學出版社) 1984. 03. 01 DM Mattox Electrochem Techn 1980. 06 .10 入門物理學實驗 (株)コロナ社 2003. 10. 10

펄라이트의 물성이 불연성과 친환경성에 있어서 현재로서는 유일무이한 단열재이며 결합제인 규산나트륨 3호 또한 그 탁월한 불연성과 저렴한 가격으로 그것과 견줄 수 있는 접착제는 전무하다. 그러나 50중량％가 물로 채워진 규산나트륨 3호를 탈수 소결함에는 많은 연료비가 소비되며 여기에다 펄라이트의 단열성은 열전도성의 불량으로 그 가공비용이 가중되며 생산 소요시간도 증가되는 것이다. 통상 펄라이트 패널은 100mm이상의 두께에 1.2m×4m의 거대한 성형물이며 이것을 4등분한 것으로 성형한다고 해도 그 비용은 줄어들지 않는 것으로 계산되었다. 제 아무리 좋은 단열재라 하여도 높은 생산비와 생산성이 없으면 사업성도 시장유통도 요원한 것이다.

또한 결합된 나트륨은 중화 또는 제거하기가 난해한 물질이며 이것을 제거하지 못하면 흡습과 재용해로 이어지게 된다.

이에 대한 탈수, 중화제로 금속산화물 또는 금속염류로 첨가 반응시키고 있으나 250℃이상의 고열이 필요하며 1시간 이상을 반응시켜도 흡습성을 막기에는 부족한 것이다. 이러한 성형방법은 이미 30여 년 전에 여러 문헌에서 공개된 기지의 사실이며 불용성염으로 상전이(相轉移) 하는 데는 실패한 작품인 것이다.

펄라이트는 원래 흡습성이 전혀 없는 물성이나 규산나트륨 3호와의 결합체를 이루면 흡습성을 가지게 된다. 이는 실리카겔(silicagel)을 닮은꼴이 되는 것이다. 그러함에도 이를 대체하는 수단이 없으며 고가인 알킬실리게이트(alkylsilicate)나 콜로이달실리카(colloidalsilica)를 건축재에 사용할 수도 없는 것이다.

본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 마이크로웨이브(microwave) 극초단파의 물 분자 마찰열을 원용한 급소결 방법이며 이는 종래의 성형방법 대비 연료비에서 20분의 1로 감소되었고 소요시간도 10분의 1로 단축됨으로서 일시에 여러 문제점이 해소된 것이다.

상기 공법은 단열재의 물성이 모두 세라믹으로 이루어짐으로서 마이크로파의 방사가 방해받지 않고, 입자를 통과하여 물 분자에 충격을 가함으로서 순식간에 고열이 확산되어 수분을 추방하고 급소결로 이어지게 되는 것이다.

또한 마이크로파 2450MHz를 가지고도 고주파 발열체(208)의 발열효과와 첨가 금속분의 상승효과로 300℃를 초과하는 시험에도 성공하였으며 이렇게 소결된 단열재는 비등수에 수 시간 침지하여도 분해되지 않는 특성을 가지게 되었다.

이상에서 보는 바와 같이 펄라이트 단열재의 생산에는 많은 문제점으로 중첩되어 있다, 그중에서도 규산나트륨 3호에 결합되어 있는 나트륨의 제거가 가장 어려운 난제이며 산중화(酸中和) 또는 이온 교환 방법 등이 알려져 있으나 생산 수단이 번거로워서 부적격하다.

본 발명에서는 나트륨의 중화제 및 경화제로 인산알루미늄, 인산아연, 인산마그네슘을 사용하는 것이 특징이며 이는 규산나트륨과의 겔화반응이 완만하게 진행됨으로서 혼련, 배합시간의 여유를 가질 수 있으며 이어서 점성(粘性)의 증진효과로 초기 접착력이 향상되는 등의 특이한 반응 특성을 가진 것이 본 약제의 특징이다. 또한 함유된 금속이 발열체(208)로 작용하여 소결시간이 단축되었으며 이는 많은 시험으로서 확인되었다. 이러한 결과의 원천은 마이크로웨이브(microwave) 극초단파를 열원(熱源)으로 사용함으로서만이 가능하였으며 거기에다 고주파 발열체(208)의 상승효과로 많은 연료비의 절감과 소결시간의 단축으로까지 이어진 것이다. 이상이 본 발명의 특징이며 여러 문제점의 해결 수단이다.

본 발명은 펄라이트 단열재를 생산함에 있어서 사용되는 열원(熱源)을 마이크로웨이브(microwave) 극초단파를 사용함으로서 연료비와 시간을 절약하고 그로인한 이익을 소비자, 생산자 모두에 돌아가는 효과를 가지게 된 것이다. 또한 이러한 공정으로 성형된 패널은 강하게 결합되고 유연성을 가진다. 즉 강유가 공존하는 질 좋은 단열재를 제공하게 되는 것이다. 이는 마이크로파가 펄라이트 입자를 거침없이 통과 방사됨으로서 내, 외가 동시에 소결되어서 불용성의 세라믹화가 가능하였으며 이로서 값이 싸고도 품격을 갖춘 단열재를 제공하게 된 것이다. 작금에 와서 스티로폼의 사용을 규제하고 소비자가 외면하는 공간을 메워주는 효과가 있다.

도1은 본발명의 핵심부인 마그네트론(magnetron) 발진기가 장착된 반사형 소결함의 내부와 마이크로파의 전계(電界) 방향을 선으로 표시한 단면도.
도2는 주요부품인 마그네트론의 수냉식 냉각 챔버 장치를 보여주는 단면도.
도3은 본발명 기술이 적용된 단열재 생산 공정을 도시한 단면도.
도4는 본발명에 있어서 고주파의 극성 교체에 따른 물 분자의 거동 상태와 그 원리를 도시한 개념도.
* 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명
102 : 마그네트론(magnetron)
107 : 수냉식 냉각 챔버
201 : 소결함에 설치된 마그네트론
203 : 전파의 반사각
204 : 이동식 반사판과 파의 굴절현상
208 : 고주파 발열체의 타일판

본 발명 마이크로파와 고주파 발열체를 이용한 단열재 제조방법을 수행함에 있어서 첨부된 도면과 관련하여 그 기구의 구조와 작용을 상세히 설명하면 아래와 같다.

도1은 마이크로웨이브 방사형(放射型) 소결함(202)의 전체를 보여주는 단면도이며 이는 본발명의 기술이 집약된 것이다. 이것을 3칸으로 분할한 것은 마그네트론(201)의 파장효과와 조화를 이루게 한 것이며 마그네트론은 각 칸 상부중앙에 장착하였다. 하부에는 이동반사판(204)이 특설되었으며 이는 방사 전파가 펄라이트 패널 표면에 고루 분배되도록 한 것이며 2초에 1회씩 좌우로 왕복할 수 있도록 죄우회전 스크류 모터(206)가 장착되었으며 이러한 장치는 전자레인지의 턴테이블 역할을 대신하게 되는 것이다. 그리고 상기 이동반사판에서 전파가 반사 굴절되는 형상을(204)에서 선으로 표시하였다. 또한 마이크로파의 열효율을 극대화하기 위하여 고주파 발열체 타일(208)을 펄라이트 받침판(207)에 부착하였으며 이 고주파 발열체에는 표면에 페라이트 또는 탄소, 철분 등으로 코팅 된 것으로서 본발명에서는 자기 또는 유리로 제작하였다. (10mm두께, 100mm×100mm) 그리고 이송 롤러(205), 롤러구동보터(209)가 장착되었으며 전파가 소결함 벽 또는 이동반사판에 부딪치면 굴절되는 반사각(203)을 선으로 표시한 것이다.

도2는 고주파 발진기 마그네트론(101)의 단면도이며 2450MHz형이다. 전파 방사구(102), 자성체(103), 수냉식 챔버(107), 냉각수입구(105), 냉각수출구(104)와 220V 입력전선단자(108)를 도시한 것이다.

도3은 본발명의 기술이 적용된 펄라이트 패널의 제조 공정을 도시한 단면도이며 펄라이트와 규산나트륨 3호로 혼련된 재료를 공급하는 공급통(301)과 통 밑 부분에 장착된 압착날개(306), 압착롤러(303), 반사형 소결함(302), 2차 소성 후 압착롤러(304), 기계 대(305), 동력장치(309), 체인(310), 반사판 작동 모터(311), 기계다리(307), 연결 롤러(308)로 구성된 것으로 연속작업이 가능하도록 설계된 것이 특징이다.

도4는 본발명에 있어서 고주파의 극성교체에 따른 물 분자의 거동상태와 그 원리를 도시한 개념도이며 전계(電界)방향(111)과 ＋(112), －(113)가 교체되는 형상을 선으로 표시한 것이다.

H₂O의 수소원자인 －전자는 산소 좌측으로 치우쳐있다(115). 산소원자 쪽은 －극성(114)을 띤다. 전파는 전기장과 자기장이 사슬처럼 연결되어있고 ＋방향(112), －방향(113)이 서로 극성을 바꾸면서 이동한다. 이때 물 분자에다 전파의 ＋에너지를 가하면 －극성을 띤 산소원자는 전파 쪽으로 끌려가 방향을 돌린다. －에너지를 가하면 ＋극성을 가진 수소원자가 끌려가서 방향을 바꾼다. 이러한 원리를 간략하게 그림으로 표시한 것이다.

그리고 상기 [과제의 해결수단] 란에서 기술한 규산나트륨 3호에 함유된 나트륨의 중화 및 경화제로 인산알루미늄(aluminium phosphate), 인산아연(zinc phosphate), 인산마그네슘(magnesium phosphate)을 사용하였다.

이 약품의 특성은 상기한 바와 같이 규산나트륨 3호와의 상온반응이 완만하여서 즉시 겔화되지 않으며 펄라이트와의 혼합, 혼련의 시간에서 여유를 가질 수 있으며 또한 수 분후에 교질(膠質)이 발달하여 초기 접착력이 향상되는 특징이 있다.

이는 수성접착제에서 제일 큰 단점을 보완해주는 것이고 펄라이트 패널 생산에 지대한 도움이 되는 것이다.

또한 함유된 금속염이 고주파 발열체로 작용되는 것을 수많은 비교 실험을 통하여 확인 되었으며 전파를 소멸시킬 것이라는 선입관을 불식한 것이다.

본 발명 마이크로파와 고주파 발열체를 이용한 단열재

제조방법의 실시예를 다음과 같이 기술한다.

Claims (7)

1. 펄라이트 단열재 패널을 성형함에 있어서 사용되는 열원(熱源)으로 마이크로웨이브(microwave) 극초단파를 사용하고,
   상기 성형기의 구조가 마그네트론 발진기(201), 이동반사판(204), 고주파 발열제(208)로 구성된 것을 특징으로 하는 반사형 소결함으로
   펄라이트와 규산나트륨 3호로 결합된 재료를 상기 열원과 상기 소결함의 원리를 이용한 펄라이트 패널의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서
   실시예1 에서와 같이 펄라이트 35?40 중량％, 규산나트륨 3호 50?60 중량％, 인산알루미늄 7?10 중량％로 배합된 재료를 마이크로웨이브 극초단파를 사용하여 성형되는 단열재 제조방법.
3. 제 1항에 있어서
   실시예2 에서와 같이 펄라이트 35?40 중량％, 규산나트륨 3호 50?60 중량％, 인산아연 8?11 중량％ 배합된 재료를 마이크로웨이브 극초단파를 사용하여 성형되는 단열재 제조방법.
4. 제 1항에 있어서
   실시예3 에서와 같이 펄라이트 35?40 중량％, 규산나트륨 3호 50?60 중량％, 인산마그네슘 8?11 중량％ 배합된 재료를 마이크로웨이브 극초단파를 사용하여 성형되는 단열재 제조방법.
5. 제 1항에 있어서
   펄라이트와 규산나트륨 3호로 혼합된 재료에다 Al, Ca, Mg, Fe, Zn, Ti의 금속분말을 첨가한 재료를 마이크로웨이브 극초단파로 가열 성형하는 단열재 제조방법.
6. 제 1항에 있어서
   펄라이트와 규산나트륨 3호로 혼합된 재료에다 Al, Ca, Mg, Fe, Zn, Ti의 금속 산화물을 첨가한 재료를 마이크로웨이브 극초단파로 가열 성형하는 단열재 제조방법.
7. 제 1항에 있어서
   펄라이트와 규산나트륨 3호로 혼합된 재료에다 Al, Ca, Mg, Fe, Zn, Ti의 금속염을 첨가한 재료를 마이크로웨이브 극초단파로 가열 성형하는 단열재 제조방법.

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