KR20140125669A

KR20140125669A - 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물, 이를 포함하는 마이크로파에 의해 발열되는 균일 발열 장치 및 그 시공 방법

Info

Publication number: KR20140125669A
Application number: KR1020130043786A
Authority: KR
Inventors: 유정훈
Original assignee: 유정훈
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2014-10-29
Also published as: KR101524637B1

Abstract

본 발명은 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물 및 이를 이용한 발열장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열발생 효율이 우수할 뿐만 아니라 발생된 열을 주변으로 전달하는 열전달 효율도 우수하므로 전체적으로 균일 발열이 가능한 발열체 조성물과, 균일 발열 효과를 극대화하기 위해 상기 발열체 조성물 설계뿐만 아니라 발열 장치의 설계도 특별히 고안하여 균일 발열 효과를 더욱 증대시킬 수 있는 발열 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면 발열 효율이 높은 재료와 에너지 전달 효율이 우수한 재료를 최적 비율로 조합하여 사용함으로써 단시간에 높은 열 발생 효율을 달성하고 이를 통해 발생한 열을 주변으로 신속하게 전달할 수 있으므로 균일 발열이 가능하고, 또한, 마이크로파가 국부적으로만 조사되는 것을 방지하기 위하여 발열 장치의 내부 구조가 마이크로파를 전체적으로 효율적으로 배분될 수 있도록 설계함으로써 상기 재료 설계와 더불어 균일 발열 효과를 더욱 증대시킬 수 있다. 따라서 국부적 과열 발생으로 인한 균열 발생의 문제와 압축 강도 등 물성 불균일의 문제를 해결하여 가열 대상물에의 적용 가능성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

Description

마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물, 이를 포함하는 마이크로파에 의해 발열되는 균일 발열 장치 및 그 시공 방법{Heat composition irradiated by microwave, uniformly-heated device by microwave comprising the same and construction method of the device}

본 발명은 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물, 이를 포함하는 마이크로파에 의해 발열되는 균일 발열 장치 및 그 시공 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열에너지 방출 속도와 열에너지 전달 속도가 뛰어난 재료의 최적 조합으로 인해 소량으로도 최대의 발열 효과를 얻을 수 있는 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물, 이를 포함하는 마이크로파에 의해 발열되는 균일 발열 장치 및 그 시공 방법에 관한 것이다.

일반적으로 철산화물과 같은 금속산화물은 마이크로파를 흡수하여 열이 발생하는 것으로 알려져 있으며, 이러한 성질을 이용하여 전자레인지에 활용하고자 하는 시도가 있어 왔고(일본 특허출원 2001-397441, 2002-18973 등), 내열성 및 내후성을 강화시킨 발열체 재료를 얻고자 하는 연구 등 그 특성을 향상시키고자 하는 연구가 다양하게 진행된 바 있다(일본 특허출원 2004-89191 등).

본 발명자들은 기 출원된 특허를 통해 산업 현장에서 생성되는 부산물을 특별한 선별 작업에 의해 정제하여 마이크로파에 의해 발열되는 재료로 이용함으로써 환경 오염을 줄이는 동시에 부가가치 높은 재료로 이용할 수 있는 기술을 제안한 바 있다.(대한민국 특허출원 10-2011-32313, 10-2011-59011, 10-2011-58947) 본 발명자들은 상기 특허를 통해 산업 현장에서 폐기되는 재료를 이용하여 마이크로파에 의해 발열될 수 있는 발열체를 제조함으로써 기존 고가의 재료(탄소, 흑연 등)를 사용하지 않고도 고효율의 발열 효과를 얻을 수 있는 기술을 제안한 바 있으며, 이러한 재료를 이용할 수 있는 특별한 발열 장치를 제안한 바 있다.

그러나, 기존에 본 발명자들이 제안한 기술에서는 발열 효율은 매우 우수하나 이를 주변으로 전달하는 열전달 효율이 좋지 않아 국부적으로만 발열 효율이 좋고 전체적으로는 발열 효율이 좋지 않은 문제점이 발견되었다. 이에 따라 국부적으로는 과도하게 과열되고 그 주변에는 열전달이 효율적으로 진행되지 않아 불균일 가열에 의해 가열 대상물에 균열이 발생하거나 압축 강도 등 물성의 불균형이 발생하는 등 문제점이 발견되어 이에 대한 보완의 필요성이 큰 상황이었다.

본 발명은 상기와 같이 기존 기술에서 발견된 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 제1과제는 열발생 효율이 우수할 뿐만 아니라 발생된 열을 주변으로 전달하는 에너지 방출 속도, 다른 말로 열전달 효율도 우수하므로 전체적으로 균일 발열이 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 발열체 조성물을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 제2과제는 균일 발열을 더욱 효과적으로 하기 위하여 상기 발열체 조성물 설계뿐만 아니라 발열 장치의 설계도 특별히 고안하여 균일 발열 효과를 더욱 증대시킬 수 있는 발열 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 제3과제는 상기 발열 장치를 시공하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 제1과제를 달성하기 위하여 본 발명은

입자크기 5.0 mm 이하이고 구형률이 0.5 이상인 급냉 제강슬래그 및 입자크기 5.0 mm 이하인 탄화규소 입자를 100:0.1~100 중량비로 포함하는 세라믹 조성물인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물을 제공한다.

또한, 상기 제2과제를 달성하기 위하여 본 발명은

마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기;

상기 마이크로파 발생기와 일단이 연결되어 있으며 마이크로파 발생기로부터 발생되는 마이크로파를 전달받아 반사부로 전달하는 파이프 형상으로 구비된 도파관;

상기 도파관과 내부 공간을 공유하며 도파관으로부터 전달되는 마이크로파를 난반사시키기 위한 밀폐된 내부 공간을 구비한 반사부;

상기 도파관과 상기 밀폐된 내부 공간을 사이에 두고 반대편에 구비되며 반사부에서 난반사되는 마이크로파를 통과시키기 위한 분배공을 구비한 분배판;

상기 반사부의 반대편에 상기 분배판과 밀착 구비되며 분배공을 통해 통과되는 마이크로파를 흡수하여 열을 발생시키는 발열체; 및

상기 발열체 외부에 발열체와 밀착 구비되는 바닥판, 상기 바닥판과 수직으로 일체형으로 양측단에 연결되는 측판 및 상기 측판의 상부에 연결되며 상기 측판과 함께 내부에 밀폐된 반사부를 형성하는 캐비티 커버로 구성되며, 발열체에서 발생되는 열을 외부로 전달하는 캐비티

를 포함하여 구성되며,

상기 발열체는 입자크기 5.0 mm 이하이고 구형률이 0.5 이상인 급냉 제강슬래그 및 입자크기 5.0 mm 이하인 탄화규소 입자를 100:0.1~100 중량비로 포함하는 세라믹 조성물인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열 장치를 제공한다.

또한, 상기 제3과제를 달성하기 위하여 본 발명은

상기 본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치를 대상물의 시공 표면에 부착하거나 매립 설치하는 단계; 및

상기 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치에 전극을 연결하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치의 시공방법을 제공한다.

본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물, 이를 포함하는 마이크로파에 의해 발열되는 균일 발열 장치 및 그 시공 방법의 특징 및 장점을 설명하면 다음과 같다.

1. 마이크로파에 의해 발열되는 발열 재료를 열발생 효율, 즉 에너지 효율이 우수한 재료와 에너지 전달 효율, 즉 에너지 방출 속도가 우수한 재료를 최적 비율로 조합하여 사용함으로써 단시간에 높은 열 발생 효율을 달성하고 이를 통해 발생한 열을 주변으로 신속하게 전달할 수 있으므로 기존 재료에 비해 발열의 균일성이 획기적으로 개선된다.

2. 또한, 마이크로파가 국부적으로만 조사되는 것을 방지하기 위하여 발열 장치의 내부 구조가 마이크로파를 전체적으로 효율적으로 배분될 수 있도록 설계됨으로써 상기 재료 설계와 더불어 균일 발열 효과를 더욱 증대시킬 수 있다.

3. 이에 따라 국부적 과열 발생으로 인한 균열 발생의 문제와 압축 강도 등 물성 불균일의 문제를 해결하여 가열 대상물에의 적용 가능성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물의 외부 형상을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 MIP, SiC 및 그 혼합물의 내부 에너지 및 방출 에너지 결과낸 결과 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 장치의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 장치의 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 장치에 적용되는 분배판의 몇가지 예를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 장치를 이용하여 기둥이나 교각 등의 기주형 콘크리트를 양생하는 예를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 장치를 이용하여 벽체나 슬래브 등의 평면 콘크리트를 양생하는 예를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 장치를 이용하여 도로, 하수관 등의 융설 및 융빙에 적용한 예를 나타낸다.

이하, 본 발명을 첨부도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물의 외부 형상을 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물은 입자크기 5.0 mm 이하이고 구형률이 0.5 이상인 급냉 제강슬래그 및 입자크기 5.0 mm 이하인 탄화규소 입자를 100:0.1~100 중량비로 포함하는 세라믹 조성물인 것이 바람직하다. 본 발명에서 상기 급냉 제강 슬래그는 그 입자크기가 3.0mm 이하인 것이 더 바람직하고, 더더욱 바람직하게는 1.0mm 이하이다. 또한, 본 발명에서 상기 탄화규소 입자는 또한, 그 입자크기가 3.0mm 이하인 것이 더 바람직하고, 더더욱 바람직하게는 1.0mm 이하이다. 또한, 상기 급냉 제강 슬래그와 탄화규조 입자의 혼합 중량비율은 100:0.1~50이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 100:0.5~20이다. 상기 발열체 조성물은 상기 세라믹 조성물 그 자체로 사용되어도 좋으나, 상기 세라믹 조성물 100 중량부에 시멘트를 0.1~50의 중량비율로 혼합하고 적당량의 물을 가하여 반죽한 상태로 수화에 의해 경화시켜 얻어진 경화체(10)로 사용되는 것이 더욱 바람직하다. 이 경우, 상기 세라믹 조성물의 함량이 많고 소량의 시멘트가 포함되므로 외부에서 보면 진한 회색이나 옅은 검은색에 가까운 색을 나타낸다. 도 1에는 이러한 경화체의 외부 형상이 도시되었는데, 이러한 경화체는 도 1의 형상대로 그대로 사용되고 되고, 표면을 평평하게 가공한 상태로 사용되고 좋다.

본 발명에서 '이상'의 의미는 해당 수치 이상으로서 일반적으로 본 기술이 속하는 분야에서 상식적, 합리적으로 이해될 수 있는 만큼의 상한치를 갖는다는 의미이며, '이하'의 의미는 해당 수치 이하로서 일반적으로 본 기술이 속하는 분야에서 상식적, 합리적으로 이해될 수 있는 만큼의 하한치를 갖는다는 의미로서, 이는 발명을 간단하고 명료하게 나타내기 위한 표현으로 이해되어야 한다.

종래 제강 공장에서 배출되는 슬래그는 전로 또는 전기로 하부에 배치된 슬래그 포트에 슬래그를 수용한 후 처리장에 배출시켜 처리하였는데, 종래의 처리법으로는 배출된 슬래그에 다량의 물을 살포하여 슬래그를 냉각시켜 고화시키며 이후 파쇄 과정을 거쳐 슬래그에 존재하는 철 성분은 자력 선별기를 통해 선별하여 다시 철원으로 사용하고 나머지 슬래그는 특별한 용도가 없어 매립하거나 도로 포장 등의 골재로서 사용되는 것이 대부분이었다. 그러나 이와 같이 폐 슬래그를 단순 매립할 경우 매립 비용이 부수적으로 발생하고 매립양이 많을 경우 그 비용이 상당히 부담이 되며 더불어 환경적인 문제가 발생하므로 별도의 용도로 활용할 수 있는 용처의 개발이 절실한 상황이었다.

상기 냉각(서냉)에 의해 냉각된 제강 슬래그는 서냉 제강 슬래그로 불리는데, 내부에 다량의 프리 라임(유리된 CaO)를 포함하고 있고 이러한 프리 라임은 도로 포장시 물과 반응하여 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 형성한다. 상기 형성된 수산화칼슘은 프리 라임에 비하여 부피가 크고 분화되기 쉬운 성질을 가지기 때문에 도로 노반재료로 이용될 경우 도로가 들뜨는 문제가 있고 분화된 수산화칼슘이 대기 및 수질을 오염시키는 원인이 되기도 한다. 또한, 수산화칼슘이 알칼리성이므로 토양 오염의 원인이 되기도 하므로 도로 포장용 골재로의 사용도 매우 제한적이었다.

이러한 서냉 제강 슬래그의 문제를 해결하기 위하여 급냉 제강 슬래그가 도입되었다. 급냉 제강 슬래그는 고온의 용융슬래그를 낙하시키며 고속기류를 분사하여 고온의 용융슬래그를 풍쇄함으로써 고속기류에 의해 급속하게 냉각시키고 미세 분말 형태로 제조하는 방법에 의해 제조될 수 있다. 이러한 방법을 사용할 경우 벌크 상태의 슬래그가 아닌 미세 분말 상태의 슬래그가 제조되어 별도의 파쇄 과정이 필요없고 프리 라임의 양도 줄어드는 효과가 있다. 그러나 종래의 급냉 제강 슬래그는 프리 라임의 양을 줄여 건설용 골재로서 사용하는 데만 주안점을 두었기 때문에 새로운 용처의 개발이 지지 부진한 상황이었다.

본 발명은 이러한 급냉 제강 슬래그의 새로운 용처를 개발한 것으로서 급냉 제강 슬래그가 마이크로파를 흡수하여 발열이 이루어지는 성질을 발견하여 이를 발열 재료로서 이용하고자 한다.

본 발명에서 사용되는 급냉 제강 슬래그는 종래부터 사용되던 일반적인 급냉 제강 슬래그를 그대로 사용하는 것이 아니라 특별한 선별 및 정제 방법을 이용하여 정제된 형태로 제조하여 사용하는 것이다.

이하에서는 이러한 상기 선별/정제 방법에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 급냉 제강슬래그의 제조방법의 일 예는 하기와 같다. 즉, 제1단계로 시빙(sieving) 과정을 거쳐 5.0 mm 이하의 입경을 갖는 급냉 제강 슬래그를 선별하고, 제2단계로 자력 세기 500가우스 이상, 바람직하게는 700~5,000 가우스의 자력 선별기를 사용하여 선별하여 본 발명에서 요구되는 마이크로파 흡수 효율을 갖는 입자만을 선별해 낸 후, 구형 선별기를 통하여 구형률 0.5 이상인 것만을 선별해 낸다. 이 때 상기 시빙과정과 구형선별 과정 및 자력선별 과정은 순서가 바뀌어도 되고 동시에 진행해도 되며, 이 모두 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명에서는 이러한 특별한 선별 및 정제 작업을 거쳐 얻어진 급냉 제강 슬래그를 간단히 “MIP(Microwave-irradiated pyrogen)"로 명명한다.

본 발명에서 상기 급냉 제강 슬래그의 입자크기 5.0 mm 이하인 것이 바람직하고 구형률은 0.5 이상인 것이 요구된다. 상기 입자크기가 5.0 mm를 넘어서 너무 크게 되면 전체 단면적이 크지 않아 발열 효율 및 열 전달 효율이 떨어지므로 바람직하지 않다. 상기 구형률은 다른 말로 형상계수로서 입자의 가장 긴 쪽 지름에 대한 가장 작은 쪽 지름의 비율을 의미하는데, 만약 구형률이 0.5가 안 되는 급냉 제강 슬래그의 경우 찌그러진 모양을 갖게 되어 마이크로파가 뾰족한 부분으로 수렴할 수 있으며 이 경우에는 스파크가 발생할 수 있고 에너지가 뾰족한 부분이나 각진 부분으로만 집중되어 에너지 손실이 발생하기 때문에 입자 전체에서의 발열 효율이 떨어지는 문제가 발생하므로 구형률은 0.5 이상인 것을 선별해서 사용해야 한다. 이러한 급냉 제강 슬래그는 도체와 부도체의 중간적인 반 부도체의 성격을 가지기 때문에 흡수 가열과 유도 가열이 이뤄지며, 충전 상태에 따라 내부 마이크로파의 전달이 이루어진다. 즉, 연속되어 있는 구형의 급냉 제강 슬래그에 마이크로파가 인가될 경우 표면 효과에 의해 급냉 제강 슬래그를 따라 마이크로파가 전달되면서 인접한 급냉 제강 슬래그에도 이전과 마찬가지로 흡수 가열과 유도 가열이 이루어지는 것이다.

본 발명자들은 앞선 특허(대한민국 특허출원 제10-2011-0032313호)를 통해 급냉 제강 슬래그 조성물을 마이크로파에 의해 발열되는 발열체로 활용하는 기술에 관하여 제안한 바 있다.

그러나, 상기 특허에 기재된 급냉 제강 슬래그 조성물은 비열과 마이크로파에 의해 발생되는 에너지는 매우 높지만 이를 주변으로 전달시키는 전달 속도, 즉 에너지 방출 속도 면에서는 빠르지 않아 전체 발열체에 걸쳐 균일한 발열이 이루어지도록 하기까지 많은 시간이 소요되고 또한 국부적으로 발열이 진행되는 문제점이 있는 것을 발견하였다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 연구 노력을 거듭한 결과, 급냉 제강 슬래그와 탄화 규소(SiC)를 조합하여 사용할 경우 해결될 수 있음을 발견하였다. 즉, 기존에 마이크로파에 의해 발열될 수 있는 소재로 알려졌었던 탄화 규소의 경우 아래 표 1에 나타난 바와 같이 비열과 마이크로파에 의해 발생되는 에너지는 급냉 제강 슬래그에 비하여 낮지만, 에너지를 방출하는 속도(에너지 전달 속도)는 급냉 제강 슬래그에 비하여 훨씬 높다는 것을 실험을 통해 확인하였다. 따라서 에너지 전달 속도가 큰 탄화 규소를 혼합 사용할 경우 기존 급냉 제강 슬래그를 단독으로 사용했을 때의 문제점이었던 낮은 에너지 전달의 문제, 불균일 발열의 문제를 해결할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

탄화규소와 MIP 및 물을 이용하여 마이크로파에 의한 열 효율을 측정한 결과를 아래 표 2에 나타내었다. 수식 1을 이용하여 온도를 올리는데 사용된 열에너지를 사용 전력으로 표시하였고, 수식 2를 이용하여 유입 전력에 따른 사용 전력의 비율을 근거로 에너지 효율을 계산하였다.

위 표 2에서 보는 바와 같이, 동일 유입 전력에 대한 마이크로파에 의해 발열되는 효율은 MIP의 경우가 탄화수소의 경우에 비하여 2배 이상 우수함을 알 수 있다.

또한, 위와 같은 실험을 통하여 얻어진 MIP, SiC 및 그 혼합물의 내부 에너지 및 방출 에너지 결과는 도 2와 같다. 도 2에서 보는 바와 같이 MIP 발열체는 에너지 발생은 크나 이를 전달하는 속도는 낮고, 반대로 SiC는 에너지 발생은 상대적으로 작으나 이를 전달하는 속도는 높으므로 이를 최적 비율로 혼합할 경우 높은 에너지 발생과 빠른 에너지 전달이라는 두 가지 효과를 모두 얻을 수 있다. (본 실험은 국제공인시험기관인 한국고분자시험연구소에 의뢰하여 진행하였으며, 비열 분석은 KS M 3049 방법에 의하여 Perkin-Elmer DSC 4000을 이용하여 실험하였고, 열전도도는 ASTM C 518의 방법에 의해 Mathis TC-30을 이용하여 실험하였다. 본 발명에서 혼합물의 경우는 MIP:SiC를 100:0.5의 중량비율로 혼합하였다.)

도 2의 실험 결과에서 알 수 있는 바와 같이, MIP 단독의 경우 마이크로파 조사에 의해 내부 에너지는 높게 올라가지만, 방출 에너지는 낮고, SiC 단독의 경우 마이크로파 조사에 의해 올라가는 내부 에너지가 MIP만 못하지만 방출 에너지는 매우 높다.

따라서 이와 같은 특성을 이용하여 MIP와 SiC를 혼합 사용했을 때는 내부 에너지도 비교적 높고 에너지 방출성도 높게 유지됨을 알 수 있으며, 이를 이용하여 기존 MIP를 단독으로 사용할 때의 문제점을 해결할 수 있다.

본 발명에서는 이와 같은 MIP, 즉 입자크기 5.0 mm 이하이고 구형률이 0.5 이상인 급냉 제강슬래그를, 입자크기 5.0 mm 이하인 탄화 규소 입자와 최적 비율로 혼합하여 사용한다. 탄화 규소의 경우 단가 면에서 MIP 대비 약 30~50배 정도 고가이기 때문에 그 사용량을 많이 하면 경제적 면에서 유리하지 않으므로 최적 비율로 사용해야 하는데 본 발명에서는 상기 MIP 대비 사용되는 SiC를 100: 0.1~100 중량부로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 100:0.1~50 중량부이다. 상기 SiC가 MIP 100 중량부 대비 0.1 중량부 미만으로 너무 적게 사용되면 에너지 전달 효율이 떨어지므로 기존 MIP 단독 사용할 경우의 문제를 해결하기 어려우며, 100 중량부를 초과하여 너무 과량으로 사용하면 에너지 발생 효율이 떨어지고 단가가 너무 올라가 경제적 효과가 떨어질 수 있으므로 바람직하지 않다.

본 발명에서 상기 입자크기 5.0 mm 이하이고 구형률이 0.5 이상인 급냉 제강슬래그와 입자크기 5.0 mm 이하인 탄화규소 입자를 최적 비율로 포함하는 세라믹 조성물은 그대로 사용할 수도 있으나, 보다 바람직하게는 시멘트와 물을 혼합하여 경화된 형태로 사용한다. 이와 같이 경화된 형태로 사용하는 이유는 미경화된 입자(파티클) 형태를 사용할 경우 취급성이 좋지 않고 한쪽으로 쏠릴 우려도 있기 때문이며, 시멘트를 사용한 경화체의 경우 시멘트 자체의 특성으로 인해 잠열을 오랫동안 유지하는 효과도 있기 때문이다. 본 발명에서 상기 세라믹 조성물에 혼합되는 시멘트, 예를 들어 포틀랜드 시멘트는 상기 세라믹 조성물 100 중량부에 0.1~50의 중량비율로 혼합하는 것이 바람직하며, 적당량의 물을 가하여 수화시킴에 의해 수화에 의해 경화되어 경화체가 얻어진다. 이 때 상기 경화체의 두께는 용도에 따라 달라질 수 있으며 일반적인 용도의 경우 1~100 mm인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 세라믹 조성물에는 종래 마이크로파를 흡수하는 것으로 알려진 금속 산화물을 더 포함할 수 있으며, 그 포함되는 함량은 0.1~100 중량부의 범위에서 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.5~50 중량부이다. 또한, 상기 세라믹 조성물의 크기는 5.0 mm 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 3.0 mm 이하이며, 더더욱 바람직하게는 1.0 mm 이하이다. 이와 같은 금속 산화물의 예로는 철산화물이 바람직하며, 구체적 예로는 Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO 등을 들 수 있고, 기타 금속 산화물의 예로는 Al₂O₃, CaO, SiO₂, TiO₂, MgO 등을 들 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물을 사용하여 발열 장치를 제조한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 장치(20)의 평면도이고, 도 4는 그 측단면도이다.

도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 장치(20)는

마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(21);

상기 마이크로파 발생기(21)와 일단이 연결되어 있으며 마이크로파 발생기로부터 발생되는 마이크로파를 전달받아 반사부로 전달하는 파이프 형상으로 구비된 도파관(22);

상기 도파관과 내부 공간을 공유하며 도파관으로부터 전달되는 마이크로파를 난반사시키기 위한 밀폐된 내부 공간(23)을 구비한 반사부(24);

상기 도파관과 상기 밀폐된 내부 공간을 사이에 두고 반대편에 구비되며 반사부에서 난반사되는 마이크로파를 통과시키기 위한 분배공(26)을 구비한 분배판(25);

상기 반사부의 반대편에 상기 분배판과 밀착 구비되며 분배공을 통해 통과되는 마이크로파를 흡수하여 열을 발생시키는 발열체(27); 및

상기 발열체 외부에 발열체와 밀착 구비되는 바닥판(28-1), 상기 바닥판과 수직으로 일체형으로 양측단에 연결되는 측판(28-2) 및 상기 측판의 상부에 연결되며 상기 측판과 함께 내부에 밀폐된 반사부(24)를 형성하는 캐비티 커버(28-3)로 구성되며, 발열체에서 발생되는 열을 외부로 전달하는 캐비티(28)를 포함하여 구성되며,

상기 발열체는 입자크기 5.0 mm 이하이고 구형률이 0.5 이상인 급냉 제강슬래그 및 입자크기 5.0 mm 이하인 탄화규소 입자를 100:0.1~100 중량비로 포함하는 세라믹 조성물인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 마이크로파 발생기, 다른 말로 마그네트론은 고전압변압기(29)에 의해 전원에 연결되고 그 주변에는 마이크로파 발생기에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 공랭식 냉각장치(예: 냉각팬(30))나 수냉식 냉각 장치가 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 마이크로파 발생기와 고전압변압기 및 냉각장치 등의 내부 장치를 보호하기 위한 보호커버(31)가 캐비티 커버(28-3)에 고정되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 캐비티(28)에는 캐비티의 온도를 검지하기 위한 온도센서(32)가 구비되며, 상기 온도센서는 온도 콘트롤러(33)에 연결되어 캐비티의 온도에 따라 마이크로파 발생기와 냉각장치의 운전을 제어하도록 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 마이크로파 발생기, 도파관 및 캐비티의 외부에는 내부 장치들을 보호하기 위한 케이스(34)가 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 내부에서 발생하는 열을 가열 대상물의 반대쪽으로 발산되지 않도록 하기 위해 캐비티 커버(28-3)에 단열재(35)가 부착되는 것이 바람직하다. 이러한 단열재의 재료로는 글래스 울(glass wool), 석고, 내열 플라스틱, 내열 세라믹, 내열지 또는 돌가루 등을 사용할 수 있다.

상기 발열체는 산화철 화합물을 포함하는 금속산화물을 포함하여 구성되고 300MHz ~ 300GHz의 마이크로파에 의해 발열되는 것을 특징으로 한다. 구체적으로 상기 발열체는 앞서 설명한 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물을 사용하며, 상세하게는 입자크기 5.0 mm 이하이고 구형률이 0.5 이상인 급냉 제강슬래그 및 입자크기 5.0 mm 이하인 탄화규소 입자를 100:0.1~100 중량비로 포함하는 세라믹 조성물을 그대로 사용하거나, 상기 세라믹 조성물 100 중량부에 시멘트를 0.1~50의 중량비율로 혼합하여 물을 적당량 가해 수화에 의해 경화시킨 경화체를 사용한다.

본 발명의 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치는 상기 마이크로 발생기에 전원을 인가하여 마이크로파를 발생시키기만 하면 발열체를 통해 가열 대상의 표면을 신속하게 가열할 수 있다.

상기 마이크로파 발생기, 도파관 및 발열체는 캐비티의 내부에 장착된 형태로 모듈화되어 가열 대상물에 설치되는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 설계 상의 변형이 가능하다.

특히, 상기 도파관은 그 일단이 마이크로파 발생기에 직접 연결되고 타단은 내부에 밀폐된 공간을 보유한 반사부로 연결된 관형 형태로 구비되는 것이 바람직하다.

마이크로파 발생기(마그네트론)는 고전압변압기와 연결되고 고전압변압기는 외부의 전원에 연결되는 것으로 구성된다. 고전압변압기는 외부로부터 입력되는 상용교류전압을 고주파 발생에 적합한 고전압(예를 들면, 2 킬로볼트[kV] 정도)으로 변압하여 마그네트론으로 인가하며, 마그네트론은 고전압변압기로부터 인가되는 고전압에 의하여 고주파발진을 하여 마이크로파를 발생시킨다.

마이크로파 주파수는 ISM(Industrial, Scientific and Medical)주파수(Frequency)를 사용하되, 부품수급의 원활성 등 장점을 살려 주로 2,450MHz대역을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니고, 용도에 따라 300MHz ~ 300GHz 영역의 주파수를 갖는 마이크로파를 다양하게 변형하여 사용할 수 있다.

상기 마그네트론이 구동될 때 마그네트론에서 발생되는 고열을 냉각시키기 위해 마그네트론의 주변에는 냉각장치(예, 냉각팬)이 설치되고, 냉각장치는 팬모터와 연결되며, 외부로부터 전압(상용교류전압)이 팬모터에 인가되면 팬모터가 가동되면서 팬모터에 의해 냉각장치의 팬이 구동되어 외부의 찬공기를 마그네트론에 송풍함으로써, 마그네트론에서 발생되는 고열을 냉각시킬 수 있다.

상기 마이크로파 발생기는 도파관의 일단부 측면에 고정브라켓에 의해 고정되고, 마이크로파 발생기의 배면에 돌출된 연결관에 의해 도파관의 일단부 측면에 연통가능하게 결합됨으로써, 마이크로파 발생기로부터 발생된 마이크로파를 도파관의 일단부로 전달할 수 있다.

이러한 마이크로파 발생기는 소모품으로서 일정 수명이 다하면 교체해 주어야 한다. 본 발명에 따른 발열장치에서 마이크로파 발생기는 마치 전구를 교체하는 것처럼 쉽게 교체가 가능하다. 따라서 본 발명에 따른 마이크로파 발생장치는 마이크로파 발생기만 주기적으로 또는 불량발생시 교체해 주기만 하면 영구적으로 사용할 수 있다.

본 발명에서 상기 발열체는 내열성을 가지며, 길이가 길고 세라믹 재질의 내열성 판 구조로 이루어지고(도 1 참조), 유전손실계수(dielectric loss factor)가 높은 세라믹 재질의 판에 마이크로파가 조사되면 + - 쌍극자회전에 의한 열을 발생시킨다.

한편, 상기와 같이 마이크로파 발생기가 도파관의 일단부 측면에 설치되어 마이크로파를 공급하므로 반사부에서 도파관에 바로 연결된 부분은 마이크로파를 많이 받게 되고 멀어질수록 마이크로파의 영향을 적게 받게 된다. 따라서 마이크로파의 난반사가 원활하게 이루어지도록 반사판, 다른 말로 분배판을 두되, 상기 분배판에서 마이크로파가 거의 대부분 반사되므로 일정정도의 마이크로파를 흡수할 수 있도록 분배공을 상기 분배파의 중간 중간에 형성시켜야 한다.

본 발명에서 분배공을 구비한 분배판의 몇가지 형태는 도 5에 도시된 바와 같다.

도 5에서 보는 바와 같이 상기 분배판은 도파관의 바로 앞 부분에는 분배공이 형성되어 있지 않고 도파관을 중심으로 대칭형으로 구비되는 것이 바람직하다. 그러나, 반드시 대칭형으로 구비되어야 하는 것은 아니고 비대칭형으로 구비될 수도 있다. 이 때 상기 분배공의 형태는 원형, 타원형, 사각형 등 다양하게 설계될 수 있다.

또한, 도파관으로부터 멀어질수록 마이크로파의 밀도가 적어지므로 상기 분배공은 도파관으로부터 멀어질수록 그 크기가 커지도록 하여 도파관으로부터 먼 쪽이 발열이 조금 더 일어나도록 하여 전체적으로 균일하게 발열이 일어나도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 도파관은 분배판의 중심뿐만 아니라 일단으로 치우쳐 연결될 수 있으므로 도파관에서 멀어지는 지점으로도 마이크로파의 흡수가 원활하도록 분배공이 최적으로 설계되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 분배판으로 사용되는 재료는 마이크로파를 흡수하지 않고 반사하는 재료를 사용하는 것이 바람직하며, 예로서는 강재, 알루미늄재 또는 동재 등을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 분배판은 표면이 매끄러운 판형상이거나 표면에 요철된 판형상인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 상기 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치는 발열을 이용하는 부분에는 제한없이 활용될 수 있다. 구체적 예로는, 건축구조물의 벽체 또는 바닥에 매립되거나 비닐하우스나 온실의 바닥에 매립되어 내부 난방용으로 사용되거나, 교량의 상판, 도로, 철도 궤도, 철도 플랫폼, 터널 프레임 또는 배수관 하부에 매립되어 융설 또는 융빙을 위한 용도로 사용되거나, 콘크리트 양생용 거푸집으로 사용되거나, 보일러용 발열장치 또는 난로용 발열장치로도 사용될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 장치를 이용하여 기둥이나 교각 등의 기주형 콘크리트(40)를 양생하는 예를 나타내고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 장치를 이용하여 벽체나 슬래브 등의 평면 콘크리트(41)를 양생하는 예를 나타낸다.

또한, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 장치를 이용하여 도로, 하수관(42) 등의 융설 및 융빙에 적용한 예를 나타낸다. 도 8에서와 같이 도로의 하부 또는 하수관 하부(또는 상부)에 매립 설치시 마이크로파 발생기, 고전압변압기 및 냉각판 등의 장치는 매립하지 않고 도파관(22)을 길게 연결하여 외부(예를 들어 측벽)에 구비토록 하는 것이 바람직하다.

도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 장치를 가열 대상물의 시공 표면에 부착하거나 매립 설치한 상태에서 마이크로파 발생장치에 전극을 연결하기만 하면 시공이 완료되며 상기 마이크로파 발생장치에 전원을 공급하면 발열체에서 열이 발생하며 가열 대상 콘크리트의 표면을 가열하게 된다. 이 때 상기 전극을 연결하는 것은 직렬 또는 병렬 형태, 또는 그 혼합 형태 등으로 연결될 수 있으며 이는 현장 여건에 따라 선택될 수 있다.

특히, 본 발명 기술을 도로의 하부에 적용할 경우 겨울철 적설이나 결빙을 방지할 수 있으므로 환경에 해로운 염화칼슘의 사용을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

또한, 본 발명 기술을 콘크리트 구조물의 시공 과정에서 거푸집에 사용할 경우 겨울철이나 시베리아 지방과 같이 저온 조건에서도 콘크리트의 발열 양생이 가능하여 공사 기간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.

이상과 같이, 본 발명을 도면을 참조하여 그 특징에 관하여 구체적으로 설명하였으나, 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : MIP 경화체 20 : 마이크로파에 의해 발열되는 발열 장치
21 : 마이크로파 발생기 22 : 도파관
23 : 내부 공간 24 : 반사부
25 : 분배판 26 : 분배공
27 : 발열체 28 : 캐비티
28-1 : 바닥판 28-2 : 측판
28-3 : 캐비티 커버 29 : 고전압변압기
30 : 냉각팬 31 : 보호커버
32 : 온도센서 33 : 온도 콘트롤러
34 : 케이스 35 : 단열재
36 : 콘덴서 37 : 콘덴서 홀더
40 : 기주형 콘크리트 41 : 평면 콘크리트
42 : 도로 또는 하수관

Claims

입자크기 5.0 mm 이하이고 구형률이 0.5 이상인 급냉 제강슬래그 및 입자크기 5.0 mm 이하인 탄화규소 입자를 100:0.1~100 중량비로 포함하는 세라믹 조성물인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 발열체 조성물은 상기 세라믹 조성물 100 중량부에 시멘트를 0.1~50 중량비율로 혼합하고 물을 가하여 수화에 의해 경화시킨 경화체인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 입자크기 5.0 mm 이하이고 구형률이 0.5 이상인 급냉 제강슬래그는 자력 세기 500가우스 이상의 자력 선별기를 사용하여 1차 선별한 후 시빙(sieving) 과정을 거쳐 5.0 mm 이하의 입경을 갖는 것을 선별하고, 구형 선별기를 통하여 구형률 0.5 이상인 것만 선별하는 방법에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물.
청구항 2에 있어서, 상기 경화체의 두께가 1~100 mm인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 세라믹 조성물에는 금속 산화물을 0.1~100 중량부의 범위에서 더 포함하며, 그 크기는 5.0 mm 이하인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물.
청구항 5에 있어서, 상기 금속 산화물은 Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO, Al₂O₃, CaO, SiO₂, TiO₂, MgO 중 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물.
마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기;
상기 마이크로파 발생기와 일단이 연결되어 있으며 마이크로파 발생기로부터 발생되는 마이크로파를 전달받아 반사부로 전달하는 파이프 형상으로 구비된 도파관;
상기 도파관과 내부 공간을 공유하며 도파관으로부터 전달되는 마이크로파를 난반사시키기 위한 밀폐된 내부 공간을 구비한 반사부;
상기 도파관과 상기 밀폐된 내부 공간을 사이에 두고 반대편에 구비되며 반사부에서 난반사되는 마이크로파를 통과시키기 위한 분배공을 구비한 분배판;
상기 반사부의 반대편에 상기 분배판과 밀착 구비되며 분배공을 통해 통과되는 마이크로파를 흡수하여 열을 발생시키는 발열체; 및
상기 발열체 외부에 발열체와 밀착 구비되는 바닥판, 상기 바닥판과 수직으로 일체형으로 양측단에 연결되는 측판 및 상기 측판의 상부에 연결되며 상기 측판과 함께 내부에 밀폐된 반사부를 형성하는 캐비티 커버로 구성되며, 발열체에서 발생되는 열을 외부로 전달하는 캐비티
를 포함하여 구성되며,
상기 발열체는 입자크기 5.0 mm 이하이고 구형률이 0.5 이상인 급냉 제강슬래그 및 입자크기 5.0 mm 이하인 탄화규소 입자를 100:0.1~100 중량비로 포함하는 세라믹 조성물인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열 장치.
청구항 7에 있어서, 상기 발열체는 상기 세라믹 조성물 100 중량부에 시멘트를 0.1~50 중량비율로 혼합하고 물을 가하여 수화에 의해 경화시킨 경화체인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열 장치.
청구항 7에 있어서, 상기 마이크로파 발생기는 고전압변압기에 의해 전원에 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치.
청구항 9에 있어서, 상기 마이크로파 발생기 주변에는 마이크로파 발생기에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각 장치가 구비되는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치.
청구항 10에 있어서, 상기 마이크로파 발생기와 고전압변압기 및 냉각 장치를 보호하기 위한 보호커버가 캐비티 커버에 고정되는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치.
청구항 7에 있어서, 상기 캐비티에는 캐비티의 온도를 검지하기 위한 온도센서가 구비되며, 상기 온도센서는 온도콘트롤러에 연결되어 캐비티의 온도에 따라 마이크로파 발생기의 운전을 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치.
청구항 7에 있어서, 상기 마이크로파 발생기, 도파관 및 캐비티의 외부에는 내부 장치들을 보호하기 위한 케이스가 구비되는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치.
청구항 7에 있어서, 상기 캐비티 커버에는 내부에서 발생하는 열을 가열 대상물의 반대쪽으로 발산되지 않도록 하기 위해 단열재가 부착되는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치.
청구항 7에 있어서, 상기 분배공은 도파관의 바로 앞 부분에는 형성되어 있지 않고 도파관을 중심으로 대칭형 또는 비대칭형으로 구비되는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치.
청구항 7에 있어서, 상기 분배공은 도파관으로부터 멀어질수록 그 크기가 커지는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치.
청구항 7에 있어서, 상기 분배공은 원형, 타원형 또는 사각형 형상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치.
청구항 7에 있어서, 상기 분배판은 강재, 알루미늄재 또는 동재인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치.
청구항 7에 있어서, 상기 분배판은 판형상 또는 요철된 판형상인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치.
청구항 7에 있어서, 상기 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치는 건축구조물의 벽체 또는 바닥에 매립되거나 비닐하우스나 온실의 바닥에 매립되어 내부 난방용으로 사용되거나, 교량의 상판, 도로, 철도 궤도, 철도 플랫폼, 터널 프레임 또는 배수관 하부에 매립되어 융설 또는 융빙을 위한 용도로 사용되거나, 콘크리트 양생용 거푸집으로 사용되거나, 보일러용 발열장치 또는 난로용 발열장치로 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치.
청구항 7의 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치를 대상물의 시공 표면에 부착하거나 매립 설치하는 단계; 및
상기 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치에 전극을 연결하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치의 시공방법.
청구항 21에 있어서, 상기 전극은 직렬 방식, 병렬 방식 또는 그 혼합 방식으로 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치에 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열장치의 시공방법.