KR20150053052A - 고출력 금속저항선 히팅케이블 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 히팅케이블에 관한 것으로서, 좀 더 자세히는 전기적으로 일정한 저항을 갖는 금속저항선 히팅케이블과 관련하여 일반적인 금속저항선 히팅케이블과 비교할 때 높은 출력이 가능하여 단위면적당 히팅케이블 소요량을 크게 줄일 수 있으며, 현장 포설시 별도의 연결용 리드선이 필요하지 않아 설치비용을 절감할 수 있는, 금속저항선을 사용한 히팅케이블에 관한 것이다.
Description
본 발명은 히팅케이블에 관한 것으로서, 좀 더 자세히는 전기적으로 일정한 저항을 갖는 금속저항선 히팅케이블과 관련하여 일반적인 금속저항선 히팅케이블과 비교할 때 높은 출력이 가능하여 단위면적당 히팅케이블 소요량을 크게 줄일 수 있으며, 현장 포설시 별도의 연결용 리드선이 필요하지 않아 설치비용을 절감할 수 있는, 금속저항선을 사용한 히팅케이블에 관한 것이다.
금속저항선을 이용한 직렬형 히팅케이블 (이후 직렬형 히팅케이블)은 저항선에 포함된 니켈-구리 등의 조성에 따른 합금도체의 전기저항을 이용해 전원 인가시 주울열 (Joule heat)을 발생시키는 전열선의 일종이라 할 수 있다. 이 경우 열을 발생시키는 금속저항선은 고분자재료 등의 절연재료를 사용하여 전기적으로 절연하며, 절연체 위에 사용목적에 따라 구리선 등을 편조하고 그 위에 외부 피복을 추가할 수 있다. 대부분의 경우 종래의 직렬형 히팅케이블은 단선 또는 집합선으로 이루어진 한 가닥의 저항선으로 구성되며, 저항선 위에 폴리에틸렌 또는 PVC 등으로 절연피복하고, 같은 재료 또는 고무 컴파운드 등의 외부피복을 갖는 케이블 구조로 구성된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2005-115001호는 '히팅케이블의 외장재료 및 절연공정의 단축'에 관한 것으로서, 폴리올레핀 재질로 히팅케이블의 외장을 압출하는 대신 비닐클로라이드 화합물로 히팅케이블 외장을 압출하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이 기술은 이중절연구조가 아니며, 절연체에 도전성 물질을 적당량 배합하여 반도체화한 것으로서, 출력을 높인 히팅케이블에 관한 기술과는 거리가 있다.
본 발명은 높은 출력에도 안전하게 사용할 수 있고, 경제성이 우수한 히팅케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 종래의 직렬형 히팅케이블에서 단선의 저항선으로 구성된 단순한 케이블 구조와 달리 2 가닥의 저항선 한 쌍으로 이루어진 복선의 구조로 구성되며, 높은 출력에 따라 발생하는 고온노출을 견디기 위해 저항선은 이중으로 절연된 구조로써 고내열성의 불소수지로 1차 절연되고 그 위에 내열성이 우수한 열경화성 수지로 절연되어 금속저항선으로부터 발생하는 높은 열에 견딜 수 있도록 설계된 것이 특징이다. 2 가닥의 저항선이 한 쌍으로 된 복선구조로 인해 설치시 단말 부위에서 저항선들을 바로 연결하여 회로를 구성할 수 있는 것을 특징으로 하고 있다.
직렬형 히팅케이블을 사용한 시스템 설계시 바닥 난방의 경우, 통상 단위면적당 200 ~ 250W/㎡의 출력을 기준으로, 도로의 스노우멜팅 (snow-melting, 융설용)의 경우 300 ~ 350W/㎡ 정도의 출력을 기준으로 한다. 설치되는 직렬형 히팅케이블간 거리 및 필요한 히팅케이블 소요량을 산출할 때 이러한 기준을 적용하는데, 이 경우 종래에 사용되는 한 가닥의 금속저항선으로 구성된 직렬형 히팅케이블에서는 히팅케이블의 단위길이당 25W 내지 30W 정도의 출력이 발생하도록 시스템을 설계하게 된다. 이와 같은 출력범위로 설계하는 이유는 높은 출력이 발생할 경우 히팅케이블의 온도가 케이블 절연에 사용된 절연재료의 임계사용온도 이상으로 상승할 수 있어 히팅케이블의 안전성에 심각한 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
본 발명은 금속합금으로 이루어진 금속저항선 위에 불소계 결정성 수지로 1차 절연한 후 폴리올레핀계 고분자 수지로 2차 절연하여 이중절연 구조를 갖는 금속저항선 2 가닥을 집합하여 이루어진 고출력 금속저항선 히팅케이블에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 금속저항선이 단선 또는 집합된 금속도체로서 도체의 정격저항이 0.10 Ω/m ~ 0.95 Ω/m인 금속저항선으로 구리-니켈 합금, 니켈-크롬 합금 중 1종 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 고출력 금속저항선 히팅케이블에 관한 것이다. 정격저항 범위 미만인 경우 열이 적게 발생하므로 단위 면적당 히팅케이블을 많이 설치하여야 하므로 비경제적이어서 히팅케이블 용도로 적절하지 않고, 정격저항 범위를 초과하는 경우에는 단위 길이당 너무 많은 열이 발생하여 과열현상이 일어날 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 불소계 결정성 수지로 폴리비닐리덴 플루오라이드, 에틸렌-테트라 플루오로 에틸렌 공중합체, 플루오네이티드 에틸렌-프로필렌 공중합체 및 테트라 플루오로 에틸렌-퍼플루오로 알킬 비닐 에테르 공중합체 중 선택된 1종 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 고출력 금속저항선 히팅케이블에 관한 것이다.
뿐만 아니라, 본 발명은 상기 2차 절연의 폴리올레핀계 고분자 수지로 폴리에틸렌, 에틸렌 비닐 아세테이트, 에틸렌 아크릴산 공중합체, 염화폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 중 1종 이상이 사용되며, 상기 고분자 수지에 적당량의 난연제 및 금속산화물이 첨가된 폴리올레핀계 고분자 수지 조성물을 2차 절연에 사용하는 것을 특징으로 하는 히팅케이블에 관한 것이다.
본 발명에서는 직렬형 히팅케이블 내의 금속저항선을 내열성이 뛰어난 불소수지와 열경화성 수지를 사용하여 이중으로 절연함으로써, 기존의 직렬형 히팅케이블보다 더 높은 출력에서도 히팅케이블의 열적 안정성을 향상시켰다. 이와 같이 크게 향상된 열적 안정성으로 인해 기존의 직렬형 히팅케이블보다 50% 이상 출력을 증가시킬 수 있으며 단위 길이당 출력증가는 시스템 설계시 필요한 히팅케이블의 소요량을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 종래의 직렬형 히팅케이블을 설치할 때 전원연결을 위한 회로구성에서 히팅케이블의 시단과 종단의 위치가 제한을 받거나 또는 이를 극복하기 위해 전원연결에 필요한 일정한 길이의 리드선을 사용해야 하는 단점들을, 금속저항선의 복선구조를 통해 종단에서 저항선들을 연결하는 방법으로 간단하게 해결할 수 있다. 이러한 간편한 설치방법은 설치하는 시간과 비용을 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.
금속저항선을 이용한 직렬형 히팅케이블은 구리-니켈 등으로 구성된 합금 도체와 이를 절연한 절연피복 그리고 사용목적에 따라 금속편조 및 외부피복 등의 케이블 구조를 갖는다. 합금 도체의 경우 기본적으로 도체의 성분과 구조를 조절하여 도체의 전기저항을 변화시키는 방법으로 직렬형 히팅케이블에서 발생하는 출력을 변화시킬 수 있다.
이와 같이 사용하는 합금 도체의 전기저항에 따라 직렬형 히팅케이블의 출력을 변화시킬 수 있지만, 실제 사용되는 직렬형 히팅케이블의 출력은 금속저항선을 절연한 피복재질에 의해 영향을 받는다. 일반적으로 피복재질로 사용되는 절연재료의 내열온도를 고려하여 히팅케이블의 사용온도가 결정되므로 사용목적에 따른 절연재료의 선택은 매우 중요하다. 실제 직렬형 히팅케이블에는 절연재료로서 실리콘고무 또는 폴리에틸렌을 포함한 폴리올레핀류 및 염화비닐 (PVC) 등의 재료들이 사용되는데, 실리콘고무의 경우 상대적으로 내열성이 우수하여 고온에 노출되는 히팅케이블에 사용될 수 있다. 하지만 실리콘고무는 타 재료와 비교하여 고가이고, 인장강도나 신율 등 기계적 특성이 취약하여 사용범위가 제한되며, 또한 사용 환경 속에서 외부의 충격을 견디기 위한 기계적 특성을 보강하기 위해 외장과 같은 별도의 보강구조가 필요하게 된다.
반면, 폴리에틸렌 및 PVC는 절연성능과 함께 필요한 기계적 특성을 갖추고 있으며 가격 또한 상대적으로 저렴하여 히팅케이블의 절연재료로 많이 사용되고 있다. 특히 최근 국내에서 새롭게 제정된 보온 및 결빙 방지용 히팅케이블에 관련된 KS 규격인 KS C IEC 60800 : 2004 에 따르면 상기 재료를 절연재뿐 만 아니라 외부피복인 시스에도 사용할 수 있도록 규정하고 있다. 하지만 이 경우 히팅케이블의 도체 동작온도는 100℃ 이하의 온도로 규정하여 그 이상의 도체온도 범위에서는 사용을 피하고 있다. 따라서 이러한 절연재질로 구성된 직렬형 히팅케이블은 출력을 높일 경우 도체 동작온도의 상승에 따라 케이블의 안정성에 문제가 발생할 수 있으므로 상대적으로 낮은 출력의 직렬형 히팅케이블로 사용할 뿐, 히팅케이블의 출력을 높여 사용할 수 없는 단점을 나타낸다. 따라서, 높은 출력이 요구되는 지역, 예를 들어 교량 및 산간도로 등과 같이 열손실이 큰 지역과 같은 경우 단위면적당 설치되는 히팅케이블의 수량을 늘려 설치하여 낮은 출력에 의해 발생하는 열량부족을 보완하는 방법을 사용할 수 있다. 하지만 이러한 경우 설치되는 히팅케이블의 수량이 증가함에 따라 소요되는 히팅케이블 구입비용과 설치공사비가 증가할 수밖에 없다.
본 발명에서는 앞서 언급한 직렬형 히팅케이블에서 한 가닥의 금속저항선을 사용하는 것과는 달리 두 가닥의 금속저항선으로 히팅케이블을 구성하여 히팅케이블 단위길이당 발생하는 출력을 높이는 반면, 히팅케이블에서 발생하는 출력을 두 가닥의 금속저항선으로 분산시킴으로써 도체 동작온도를 떨어뜨려 높은 출력에서도 한 가닥의 금속저항선으로 구성된 히팅케이블에서 나타날 수 있는 절연체의 임계점 이상으로 도체 동작온도가 상승되는 문제점을 해결할 수 있다. 또한 각 금속저항선은 뛰어난 내열성을 갖는 불소수지의 일종으로 1차 절연한 후 다시 높은 내열성을 갖는 폴리올레핀 재료로 2차 절연하는 구조를 취하여 금속저항선이 겹쳐지는 부분에서 일어날 수 있는 과열현상 (overheat)을 극복하도록 하였다. 본 발명은 이와 같은 직렬형 히팅케이블 구조를 형성함으로써 도체 동작온도의 상승을 억제하여 한 가닥의 저항선으로 구성된 히팅케이블보다 상대적으로 낮은 도체 동작온도에서 히팅케이블 단위길이당 높은 출력을 실현할 수 있으며, 이를 통해 건물 및 도로설계시 설계된 출력대비 소요되는 히팅케이블 수량을 줄이는 효과를 가져 올 수 있다.
또한, 직렬형 히팅케이블의 전원연결을 위한 회로 구성에서, 한 가닥의 금속저항선으로 이루어진 히팅케이블이 시단과 종단을 같은 지점으로 하기 위해 특별히 설계하거나 또는 두 지점이 서로 다른 지점일 경우 전원과 연결하기 위해 필요한 리드선 (일명 콜드리드, Cold lead cable) 을 일정 길이 이상으로 사용해야하는 한계가 있었으나, 본 발명에서는 2개의 금속도체가 적용된 구조를 갖게 되므로 어디든지 종단 지점에서 2개의 합금도체를 연결하면 발열을 위한 전기회로가 구성되므로 시/종단의 제약이나 리드선을 길게 사용해야하는 단점을 해결할 수 있다. 뿐만 아니라 실제 케이블 포설시 상대적으로 적은 양의 히팅케이블만을 설치하면 되므로 히팅케이블 구입비용과 시공비가 절감되는 부수적인 효과를 거둘 수 있다.
본 발명은 이중 절연구조를 가진 금속저항선을 두 개 집합하여 직렬형 히팅케이블 구조를 형성함으로써 도체 동작온도의 상승을 억제하여 한 가닥의 저항선으로 구성된 히팅케이블보다 상대적으로 낮은 도체 동작온도에서 히팅케이블 단위길이당 높은 출력을 실현할 수 있으므로 설계된 출력대비 소요되는 히팅케이블 수량을 줄일 수 있어 매우 경제적이며, 시공비용도 절감할 수 있다.
또한, 본 발명은 금속도체 두 개를 묶은 구조이므로 어디든지 종단 지점에서 2개의 금속도체를 연결하면 발열을 위한 전기회로가 구성되므로 시/종단의 제약이 없고, 리드선을 길게 사용해야하는 단점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 고출력 금속저항선 히팅케이블을 구성하는 이중 절연된 금속저항선의 단면을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 고출력 금속저항선 히팅케이블 단면을 도시한 것이다.
도 3은 히팅케이블 출력에 따른 히팅케이블 절연체의 온도변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 고출력 금속저항선 히팅케이블 단면을 도시한 것이다.
도 3은 히팅케이블 출력에 따른 히팅케이블 절연체의 온도변화를 나타낸 그래프이다.
아래에서는 실시예를 들어 본 발명의 구성을 좀 더 자세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 실시예의 기재에 의하여 한정되는 것이 아님은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
본 발명에 의한 고출력이 가능하도록 설계된 금속저항선 히팅케이블은 다음의 공정을 거쳐 제조된다.
1) 적절한 전기저항을 갖는 합금도체가 권취된 보빈을 압출라인의 송출기 (Pay-off)에 장착하고 도 1과 같이 불소계 결정성 수지를 사용하여 1차 절연체를 압출성형한다. 이때 절연두께는 0.4 ㎜ 이상이 되도록 압출한다. 0.4 ㎜ 미만이면 절연효과가 저하된다.
2) 1차 절연 압츨된 선재 위에 폴리올레핀 수지로 도 1과 같이 2차 절연체를 압출성형한다. 이때 절연두께는 0.8 ㎜ 이상이 되도록 한다. 0.8 ㎜ 미만이면 절연효과가 저하된다.
3) 2차 절연 압출된 합금도체 두 가닥을 집합하여 그 위에 주석도금 구리도체로 편조한다.
4) 편조한 후 그 위에 적절히 처방된 고분자재료 컴파운드를 사용하여 외부 피복체를 압출성형하여 직렬형 히팅케이블을 제조한다.
<실시예 1>
구리-니켈로 구성되어 정격저항이 0.28 Ω/m인 합금도체를 상기 제조방법을 통해 불소수지의 일종인 ETFE (Ethylene Tetrafluoroethylene)를 사용하여 1차 절연하고, 폴리에틸렌-에틸렌비닐 아세테이트 공중합체가 혼합된 폴리올레핀 수지로 구성된 복합재료를 사용하여 2차 절연하였다. 절연된 2개의 합금선을 집합하고, 주석도금 구리도체로 편조한 후 폴리올레핀계 난연 컴파운드를 사용하여 시스 압출하여 직렬형 히팅케이블을 완성하였다.
<실시예 2>
구리-니켈로 구성되어 정격저항이 0.175 Ω/m인 합금도체를 상기 제조방법을 통해 불소수지의 일종인 FEP (Fluorinated ethylene propylene)를 사용하여 1차 절연하고, 염화폴리에틸렌 1종 또는 염화폴리에틸렌-에틸렌비닐 아세테이트 공중합체 등으로 구성된 복합재료를 사용하여 연속가류장치를 통해 가교과정을 거쳐 2차 절연하였다. 절연된 2개의 합금선을 집합하고, 주석도금 구리도체로 편조한 후 폴리올레핀계 난연 컴파운드를 사용하여 시스 압출하여 직렬형 히팅케이블을 완성하였다.
<비교예 1>
실시예 1에 적용한 동일한 합금도체 위에 불소수지의 일종인 ETFE (Ethylene Tetrafluoroethylene)를 사용하여 1차 절연하고, 고밀도 폴리에틸렌으로 2차 절연 후 편조 및 PVC 재료를 시스 압출하여 단선의 직렬형 히팅케이블 시료를 제조하였다.
<비교예 2>
실시예 2에 적용한 동일한 합금도체 위에 불소수지의 일종인 FEP (Fluorinated ethylene propylene)를 사용하여 1차 절연하고, 에틸렌-프로필렌 고무를 사용하여 연속가류장치를 통해 가교과정을 거쳐 2차 절연 후 편조 및 PVC 재료를 시스 압출하여 단선의 직렬형 히팅케이블 시료를 제조하였다.
위에 명시된 실시예 및 비교예에서 언급된 히팅케이블 시편을 가지고 일정한 온도 환경에서 출력에 따른 히팅케이블의 온도변화를 측정하였다. 실험에서 얻어진 결과는 도 3에 나타내어 비교하였다. 히팅케이블의 온도변화는 써머커플 (Thermocouple)을 이용하여 각 온도 환경에서 케이블의 온도가 안정된 상태를 나타내는 지점의 온도를 대표값으로 선택하였다.
Claims (4)
- 금속합금으로 이루어진 금속저항선 위에 불소계 결정성 수지로 1차 절연한 후 폴리올레핀계 고분자 수지 조성물로 2차 절연하여 이중절연 구조를 갖는 금속저항선 2 가닥을 집합하여 이루어진 고출력 금속저항선 히팅케이블.
- 청구항 1에 있어서,
상기 금속저항선은 단선 또는 집합된 금속도체로서 도체의 정격저항이 0.10 Ω/m ~ 0.95 Ω/m인 금속저항선으로 구리-니켈 합금, 니켈-크롬 합금 중 1종 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 고출력 금속저항선 히팅케이블.
- 청구항 1에 있어서,
상기 불소계 결정성 수지로는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 에틸렌-테트라 플루오로 에틸렌 공중합체, 플루오네이티드 에틸렌-프로필렌 공중합체 및 테트라 플루오로 에틸렌-퍼플루오로 알킬 비닐 에테르 공중합체 중 선택된 1종 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 고출력 금속저항선 히팅케이블.
- 청구항 1에 있어서,
2차 절연의 폴리올레핀계 고분자 수지 조성물로는 폴리에틸렌, 에틸렌 비닐 아세테이트, 에틸렌 아크릴산 공중합체, 염화폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 중 선택된 1종 이상의 폴리올레핀계 고분자 수지에 난연제 및 금속산화물이 첨가된 폴리올레핀계 고분자 수지 조성물을 사용하는 것을 특징으로 하는 고출력 금속저항선 히팅케이블.
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| KR1020130134743A KR20150053052A (ko) | 2013-11-07 | 2013-11-07 | 고출력 금속저항선 히팅케이블 |
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ID=53389741
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Country Status (1)
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018048191A1 (ko) * | 2016-09-07 | 2018-03-15 | 김세영 | 자동차 원적외선 난방장치 제조방법 및 그 난방장치 |
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| KR20190106359A (ko) * | 2018-03-09 | 2019-09-18 | 블루메탈(주) | 고차폐성을 갖는 동철 합금 케이블 |
| KR20210050072A (ko) * | 2019-10-28 | 2021-05-07 | 김병필 | 발열케이블 구조 |
-
2013
- 2013-11-07 KR KR1020130134743A patent/KR20150053052A/ko not_active Application Discontinuation
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