Search tools Text Classification Chemistry Measure Numbers Full documents Title Abstract Claims All Any Exact Not Add AND condition These CPCs and their children These exact CPCs Add AND condition
Exact Exact Batch Similar Substructure Substructure (SMARTS) Full documents Claims only Add AND condition
Add AND condition
Application Numbers Publication Numbers Either Add AND condition

저항조절식 탄소섬유 발열선

Abstract

본 발명은 탄소섬유 발열선의 장점을 대부분 유지하면서 탄소섬유의 약점을 해소 할 수 있는 방법으로 탄소섬유의 고유 저항은 발열부분을 전담하게하고 합사되는 낮은 저항의 금속발열선 또는 도전체는 전기 도전부분을 담당하도록 배치하면 전체적인 저항의 지배권을 도전체가 담당하게 되어 기존 금속 발열선인 에나멜동선이나 니크롬선과 근접한 저항치를 설계할수 있음으로서, 탄소섬유의 최대 약점인 병렬연결 또는 다 접점 연결을 피할 수 있을 뿐만 아니라 기존 제품 생산 공정을 변경 없이 그대로 적용할 수 있는 저항조절식 탄소섬유 발열선에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 발열기능을 하는 탄소섬유 발열선이 구비되고; 상기 탄소섬유 발열선보다 상대적으로 낮은 저항으로 전기도전 기능을 하는 도전체가 구비되며; 상기 탄소섬유 발열선과 상기 도전체는 합사되고, 이들의 외주면에 절연테이프를 피복한 뒤 열융착한 특징이 있다.

Classifications

H05B3/12 Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
View 6 more classifications

Landscapes

Show more

KR20160118849A

South Korea

Other languages
English
Inventor
김민휘
김상구
이춘걸

Worldwide applications
2015 KR 2016 WO

Application KR1020150047653A events

Description

저항조절식 탄소섬유 발열선{Resistance adjustable carbon fiber heating element}
본 발명은 저항조절식 탄소섬유 발열선에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소섬유 보다 상대적으로 낮은 전기저항을 갖는 도전체를 상기 탄소섬유와 합사하되, 상기 탄소섬유의 고유 저항은 발열기능을 갖게 하고 합사되는 낮은 저항의 도전체는 전기 도전 기능을 갖도록 함으로써, 합사된 발열선으로 기존 금속 발열선인 에나멜동선이나 니크롬선과 근접한 저항치를 설계할수 있음으로 탄소섬유의 최대 약점인 병렬연결 또는 다 접점 연결을 피할 수 있으며, 기존 발열매트나 발열체 제품 생산 공정을 변경 없이 그대로 적용할 수 있는 저항조절식 탄소섬유 발열선에 관한 것이다.
탄소섬유는 유기질의 섬유를 그 모양은 유지하면서 가열소성과 탄화시켜 만든 무기질의 합성 섬유 레이온이나 아크릴 등의 인조 섬유를 원료로 한 것과(PAN계), 리그닌이나 석유의 피치에서 만든 섬유상의 원사(原絲)를 원료로 한 것(PITCH계)이 있다. 탄소섬유는 탄소함유율 90%이상인 섬유를 말하며 강철대비 1/5무게로 가볍지만 강도는 10배, 탄성률은 7배 높고 발열량이 니크롬 발열체보다 우수하며 화학 약품에 침해받지 않는다. 탄소섬유의 종류에는 상기에 언급한 고순도 뿐만 아니라 많은 종류의 저순도 탄소섬유가 있으며 여러 종류의 전기발열선으로 사용되고 있다.
탄소섬유의 발열선의 큰 장점은 금속발열선과 비교 약 약30 ~ 40% 이상 발열성능이 우수할 뿐만 아니라 인체에 유익한 원적외선 및 음이온 복사열을 발생시키고, 가볍고 높은 인장 강도 및 부드러운 연성의 특성으로 탄소섬유 발열선의 적용사례가 많이 증가하고 있다.
그러나 탄소섬유 발열선은 일반 금속 발열선에 비하여 단위면적 비교 전기저항이 대단히 크고 제품가격의 현격한 차이로 금속의 유사 발열량을 맞추기 위하여 많은 병렬연결을 필요로 하며 연결에 따른 하자발생가능성 및 관련 비용이 크게 증가함으로 탄소섬유 발열선의 확대 보급을 제한하는 단점을 가지고 있다.
종래 실용등록 제418965호는 면상발열체에 관한 것으로서, 시트의 양단에 전원공급부를 일체로 직조한 뒤 양단의 전원공급부 사이에 탄소섬유 발열선을 병렬로 연결한 것으로서, 상기 병렬연결에 따른 문제점들이 그대로 존재하였다.
이를 감안하여 공개특허 제2013-0026275호는 섬유사 및 탄소사를 합사하여 도전성 코팅액으로 코팅한 발열성 섬유를 위사로 사용하여, 우수한 발열 기능을 갖는 탄소사를 활용하면서도, 섬유사를 합사하여 강도를 증가시켜서 탄소사의 취급시 발생할 수 있는 쉽게 끊어지는 단점을 해결하고, 도전성 코팅액으로 강도를 더욱 증가시키고, 직류 전원에서도 전류값을 안정시키고 발열에 충분한 소정의 저항값을 갖는 면상 발열체 및 그 제조방법을 제안한 바 있다.
그러나 종래 공개특허는 탄소사를 섬유사와 합사한 뒤 도전성 코팅액으로 표면을 코팅하고 건조시키는 공정이 추가되므로 생산설비가 증가되는 문제점이 있었다. 또한 코팅액이 균일하지 않을 경우 저항특성이 변화되는 문제가 있으며, 탄소사의 외주면에 도전성 코팅액이 피복되므로 발열특성이 떨어지는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 종래의 문제점을 감안하여 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 탄소섬유 발열선의 장점을 대부분 유지하면서 탄소섬유의 약점을 해소 할 수 있는 방법으로 탄소섬유의 고유 저항은 발열부분을 전담하게하고 합사되는 낮은 저항의 금속발열선 또는 도전체는 전기 도전부분을 담당하도록 배치하면 전체적인 저항의 지배권을 도전체가 담당하게 되어 기존 금속 발열선인 에나멜동선이나 니크롬선과 근접한 저항치를 설계할수 있음으로서, 탄소섬유의 최대 약점인 병렬연결 또는 다 접점 연결을 피할 수 있을 뿐만 아니라 기존 제품 생산 공정을 변경 없이 그대로 적용할 수 있는 저항조절식 탄소섬유 발열선을 제공함에 있다.
이를 위하여 본 발명은 발열기능을 하는 탄소섬유 발열선이 구비되고; 상기 탄소섬유 발열선보다 상대적으로 낮은 저항으로 전기 도전 기능을 하는 도전체가 구비되며; 상기 탄소섬유 발열선과 상기 도전체는 합사되고, 이들의 외주면에 절연테이프를 피복한 뒤 열융착한 특징이 있다.
본 발명에 따르면 탄소섬유의 높은 저항을 변화시킬 수 있는 방법으로 저항이 낮은 전기 도전성을 갖는 모든 종류의 도체, 예를 들면 금속 발열선으로 사용되는 연동선, 주석도금동선, 동복강선, 무산소동선, 철선 등을 사용하여 탄소섬유와 적절히 합사하거나 전기 도전성을 갖는 물질을 탄소섬유와 배합하여 성형함으로써, 낮은 저항 값을 가진 발열선을 제조할 수 있다.
따라서 원하는 넓은 면적의 발열매트를 제작할때 탄소섬유를 병렬로 설치할 필요가 없으며, 한 가닥의 탄소섬유를 지그재그로 배열하여 넓은 면적에 전개하더라도 전기저항이 낮은 상기 도전체로 전류가 흐르면서 탄소섬유에 전원이 공급되므로 상기 도전체 보다 상대적으로 높은 발열특성을 갖는 상기 탄소섬유에서 균일한 발열량이 나오므로 종래 탄소섬유를 병렬연결하는데 따른 여러가지 문제점들이 일시에 해소되는 이점이 있다.
또한 탄소섬유의 제일 큰 단점인 결선부위에 일반적인 연결의 전선이 배치되어 합사된 도전체와 결선됨으로 보다 쉽게 연결할 수 있으며 연결에 따른 하자를 현저하게 줄일 수 있는 등의 이점이 있다.
도 1은 본 발명 한 실시예의 도전체와 탄소섬의 합사과정을 나타낸 개념도
도 2는 본 발명 한 실시예의 발열체의 단면도
본 발명 한 실시예의 탄소섬유 발열선(10)은 탄소섬유가 3000가닥(240Ω±10%), 6000가닥(120Ω±10%) 및 12000가닥(60Ω±10%) 등으로 구성된다. 본 발명은 발열량에 맞게 규격화된 용량을 사용하거나 또는 더 많은 탄소섬유 가닥을 사용할 수 있다. 탄소섬유의 다른 형태로는 실보다 굵은 형태로 만들어진 가닥이 2개, 6개 또는 12개가 뭉쳐져서 탄소섬유 발열선(10)을 구성할 수도 있다.
상기 탄소섬유 발열선(10)에 저항이 낮은 전기도전성을 갖는 도전체(20)가 나선형으로 꼬여서 합사된다. 상기 도전체(20)는 모든 종류의 도체, 예를 들면 금속 발열선으로 사용되는 연동선, 주석도금동선, 동복강선, 무산소동선, 철선 등이 사용된다.
도전체(20)가 합사된 탄소섬유 발열선(10)은 불소수지의 절연테이프(30)로 코팅된 절연층이 구비된다. 불소수지 중 대표적인 것으로서 뒤퐁사에서 개발한 폴리테트라플루오르에틸렌 (polytetrafluoroethylene; PTFE)가 있으며, 이는 상표명 테프론(Teflon)으로 널리 알려져 있다. 테플론은 공기 투과성이 낮고 전기 절연성, 내열성, 비유성(非濡性, non-wetting) 및 비점착성(non-sticking) 등이 우수하며, 가격이 저렴하고 얇은 테이프의 형태로 시중에서 쉽게 구할 수 있다.
탄소섬유 발열선(10)에 절연테이프(30)를 감는 기술은 특별히 한정하지 않으나, 바람직하게는 탄소섬유 발열선(10)을 한쪽으로 당기면서 외주면으로 절연테이프를 나선형태로 연속 감는 것이 좋다. 이때 절연테이프가 이중 또는 삼중으로 포개지도록 일정 피치 간격으로 감는다. 절연테이프는 두께가 얇고 신축성이 좋아 잘 늘어나기 때문에 탄소섬유 발열선(10)에 팽팽하게 감기면 잘 풀리지 않는다.
바람직하게는 절열테이프가 감긴 탄소섬유 발열선(10)을 고온의 가열로 내부로 통과시켜 절연테이프가 순간적으로 용융되도록 하는 것이 좋다. 테프론의 융점은 약 327℃이므로 가열로는 이보다 높은 온도를 유지하는 것이 좋다. 가열로는 파이프관의 형태로 제작하고, 파이프관의 외주면에 전기히터 또는 가스버너 같은 가열수단을 마련하여 파이프관 내부를 500℃ ∼ 700℃로 유지시킨다. 상기 가열된 파이프관 내부를 약 4 ∼ 8m/ses의 속도로 탄소섬유 발열선(10)이 통과되도록 한다.
이처럼 하면 절연테이프(30)가 순간적으로 용융되어 탄소섬유 발열선(10)의 외주면에 융착되어 절연층으로 형성된다. 탄소섬유 발열선(10)이 가열로를 통과하는 동안 절연테이프(30)가 순간적으로 용융되어야 하므로 그 온도조건 및 통과속도는 반복 실험을 통하여 최적의 조건으로 맞출 필요가 있다.
상기 절연테이프(30)가 가열로를 통과하면서 순간적으로 용융되면 절연층의 두께가 매우 얇게 만들어진다. 그리고 탄소섬유 발열선(10)과 도전체(20)의 외주면에 밀착되어 떨어지지 않으며 굽힘변형성이 향상된다.
상기 탄소섬유 발열선(10)과 상기 도전체(20) 중에서 주석도금선의 저항은 다음과 같이 측정되었다.
99.9% 탄소섬유 발열선 직경 0.30mm, 저항 2416Ω/10m와
도전체인 주석도금동선 직경 0.12mm, 저항 16Ω/10m 일때,
1) 탄소섬유 발열선 1가닥 + 도전체 2가닥 = 7.8Ω/10m
2) 탄소섬유 발열선 1가닥 + 도전체 3가닥 = 5.2Ω/10m
3) 탄소섬유 발열선 1가닥 + 도전체 4가닥 = 3.8Ω/10m
4) 탄소섬유 발열선 1가닥 + 도전체 5가닥 = 3.1Ω/10m
상기 측정된 합산 저항은 다음과 같이 설계할 수 있다.
변경된 전체 저항 공식은 한 가닥 각자 저항의 합산과 같음으로 1 ÷ (1/저항1 + 1/저항2 + 1/저항3...)으로 계산할 수 있다.
1)항의 전체 설계 저항 = 1 ÷ (1/16 + 1/16 + 1/2416) = 7.97Ω/10m
2)항의 전체 설계 저항 = 1 ÷ (1/6 + 1/16 + 1/16 + 1/2416) = 5.38Ω/10m
따라서 설계 저항값과 실제 측정 저항 값이 유사함을 알 수 있다.
결국 탄소섬유 발열선의 높은 저항값을 저항값이 낮은 도전체를 사용하여 혼합 설계하고 적용할 수 있으며, 저항이 낮은 도전체의 사용범위는 0.05mm ~ 1.2mm 중 선택해서 필요저항을 설계함으로 탄소섬유 발열선의 최대 단점들을 제거할 수 있다.
10 : 탄소섬유 발열선 20 : 도전체
30 : 절연테이프

Claims (3)
Hide Dependent

  1. 발열기능을 하는 탄소섬유 발열선이 구비되고;
    상기 탄소섬유 발열선보다 상대적으로 낮은 저항으로 전기도전 기능을 하는 도전체가 구비되며;
    상기 탄소섬유 발열선과 상기 도전체는 합사되거나 성형되고, 이들의 외주면에 절연테이프를 피복한 뒤 열융착한 것을 특징으로 하는 저항조절식 탄소섬유 발열선.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연테이프는 테프론임을 특징으로 하는 저항조절식 탄소섬유 발열선.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 도전체는 연동선, 주석도금동선, 동복강선, 무산소동선, 철선 및 기타 도전체 중 어느 하나임을 특징으로 하는 저항조절식 탄소섬유 발열선.