KR20160141312A - 소일 히팅 케이블 및 이를 이용한 면상의 소일 히터 - Google Patents
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Abstract
소일 히팅 케이블 및 이를 이용한 면상의 소일 히터가 개시된다. 본 발명의 소일 히팅 케이블 및 이를 이용한 면상의 소일 히터는 PTC(Positive temperature coefficient) 특성을 갖고 케이블 형태로 연장된 고분자 복합체, 탄소 섬유 다발로 연장되어 고분자 복합체의 적어도 한 외부면이나 내부에 접촉되도록 형성됨으로써 고분자 복합체로 전력을 공급하는 적어도 하나의 탄소 전극, 및 고분자 복합체와 상기 적어도 하나의 탄소 전극을 속박하여 방습, 방진, 절연시키는 절연 피복시키는 내부 피복체를 포함하는바, 전력 소비량을 줄이고 지중 가온 관리 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 소일 히터(Soil Heater)에 관한 것으로, 상세하게는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 특성을 이용하여 전력 이용 효율을 높일 수 있는 소일 히팅 케이블을 활용함과 아울러 PCM(Phase Change Material) 특성을 갖는 물질들을 소일 히터에 적용함으로써, 전력 소비량을 줄이고 지중 가온 관리 효율을 향상시킬 수 있는 소일 히팅 케이블 및 이를 이용한 면상의 소일 히터에 관한 것이다.
근래에는 농경지의 시설 재배 면적이 증가하고, 도로망 또한 확장됨에 따라 농경지나 도로 등의 지중 온도를 유지 또는 상승시키기 위한 지중 가온 기술이 확대 적용되고 있다. 지중 가온 기술을 적용하면 시설 재배시 작물의 재배 효율을 높일 수 있으면서도 도로의 결빙을 방지할 수 있게 된다.
지중 가온 방식으로는 파이프를 매설하여 온수를 순환시키는 온수 순환 방식과 금속성 발열체로 이루어진 히팅 케이블을 매설하여 히팅 케이블을 발열시키는 방식 등이 주로 이용되고 있다.
공개특허공보 제2010-0025141호(2010.03.09. 공개)에서는 금속성 발열체가 아닌 탄소 섬유를 발열체로 이용하는 탄소 발열체 적용의 기술을 제시하고 있다. 제시된 탄소 발열체는 석영 전열 면적 확장튜브와 석영 전열 면적 확장튜브 내에 나선형 구조로 길게 배열된 탄소 필라멘트 및 탄소 필라멘트의 양단을 연결하는 금속 와이어 구조로 이루어진다.
하지만, 종래 기술에 따른 탄소 발열체는 석영 전열 면적 확장튜브의 내부 공간을 전부 가열하여야 하기 때문에 가열에 많은 시간이 걸리고 초기 히팅 효율이 낮다는 문제점이 있다.
또한, 지중 온도와 상관없이 일정한 전력을 계속 공급하여 연속적으로 히팅 시켜야하기 때문에 지중 온도를 일정하게 유지시키거나 관리하기 어려운 문제들이 있었다. 즉, 종래 기술에 따른 탄소 발열체는 변화되는 지중 온도와는 상관없이 일정한 전력을 공급하여 연속적으로 히팅 시켜야하기 때문에 유효 발열량에 대한 전기 소비량이 크고, 지중 온도를 일정하게 유지시키기 어려워 관리 효율이 저하되는 문제가 있었다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 PTC(Positive Temperature Coefficient) 특성을 이용하여 온도 유지 및 전력 이용 효율을 높일 수 있도록 함으로써, 유효 발열량에 대한 전기 소비량을 줄이고 지중 가온 관리 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 소일 히팅 케이블을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 PCM(Phase Change Material) 특성을 갖는 물질들을 효율적으로 구성하여 자체적으로 주위의 열을 저장하였다가 필요할 때 방출할 수 있도록 함으로써, 유효 발열량에 대한 전기 소비량을 줄이고 지중 가온 관리 효율을 향상시킬 수 있는 소일 히팅 케이블을 이용한 면상의 소일 히터를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 소일 히팅 케이블은 PTC(Positive temperature coefficient) 특성을 갖고 케이블 형태로 연장된 고분자 복합체, 탄소 섬유 다발로 연장되어 상기 고분자 복합체의 적어도 한 외부면이나 내부에 접촉되도록 형성됨으로써 상기 고분자 복합체로 전력을 공급하는 적어도 하나의 탄소 전극, 및 상기 고분자 복합체와 상기 적어도 하나의 탄소 전극을 속박하여 방습, 방진, 절연시키는 절연 피복시키는 내부 피복체를 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 면상의 소일 히터는 상기에서 상술한 고분자 복합체 및 적어도 하나의 탄소 전극을 포함하는 적어도 하나의 소일 히팅 케이블, 상기 적어도 하나의 소일 히팅 케이블이 내장되어 미리 설정된 특정 형태로 배열된 면상 히터 외장재, 및 상기 면상 히터 외장재의 내부에 충진되어 상기 배열된 적어도 하나의 소일 히팅 케이블이 상기 면상 히터 외장재의 내부 두께 폭의 중심부에 위치되도록 하는 PCM(Phase Change Material) 특성을 갖는 내부 충진부재를 포함한다.
상기에서 설명한 본 발명의 소일 히팅 케이블에 의하면 PTC 특성을 이용하여 온도 유지 및 전력 이용 효율을 높일 수 있도록 함으로써 유효 발열량에 대한 전기 소비량을 줄이고 지중 가온 관리 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기에서 설명한 본 발명에 따른 면상의 소일 히터에 의하면 PCM 특성을 갖는 물질들을 효율적으로 구성하여 자체적으로 주위의 열을 저장하였다가 필요할 때 방출할 수 있도록 함으로써, 유효 발열량에 대한 전기 소비량을 줄이고 지중 가온 관리 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 소일 히팅 케이블의 일 측면 및 표면을 일부 절개하여 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 소일 히팅 케이블의 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 탄소 전극과 고분자 복합체의 폴리머 스위치 제어 특성을 각각 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 소일 히팅 케이블을 이용한 면상의 소일 히터를 나타낸 구성도이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4에 도시된 I - I' 단면을 서로 다른 예로 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 소일 히팅 케이블의 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 탄소 전극과 고분자 복합체의 폴리머 스위치 제어 특성을 각각 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 소일 히팅 케이블을 이용한 면상의 소일 히터를 나타낸 구성도이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4에 도시된 I - I' 단면을 서로 다른 예로 나타낸 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 소일 히팅 케이블의 일 측면 및 표면을 일부 절개하여 나타낸 구성도이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 소일 히팅 케이블의 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 소일 히팅 케이블(100)은 PTC(Positive temperature coefficient) 특성을 갖고 케이블 형태로 연장된 고분자 복합체(120), 탄소 섬유 다발로 연장되어 고분자 복합체(120)의 적어도 한 외부면이나 내부에 접촉되도록 형성됨으로써 고분자 복합체(120)로 열(또는 전력)을 공급하는 적어도 하나의 탄소 전극(110), 고분자 복합체(120)와 적어도 하나의 탄소 전극(110)을 속박하여 절연 피복시키는 내부 피복체(140), 내부 피복체(140)의 외부면을 모두 감싸 방습, 방진, 절연시키는 외부 피복체(150), 및 고분자 복합체(120)와 내부 피복체(140) 및 외부 피복체(150)의 양 측면 단부를 모두 덮도록 구성된 외부 케이스(130)를 포함한다.
본 발명에서 케이블 형태로 연장된 고분자 복합체(120)는 PTC(Positive temperature coefficient) 특성을 이용할 수 있도록 PTC 특성의 소재들로 구성된다. 이러한 고분자 복합체(120)는 열가소성 고분자 물질(120a)들과 열가소성 고분자 물질(120a)들에 포함된 전도성 필러(120b)들로 구성될 수 있다. 예를 들어, 고분자 복합체(120)는 열가소성 고분자 물질(120a)인 고밀도 폴리 에틸렌이나 저밀도 폴리에틸렌에 전도성 필러(120b)로 분말 형태의 카본 블랙(carbon black)이나 밀드 카본 파이버(Milled-carbon fibers)가 함유된 형태로 구성될 수 있다.
고분자 복합체(120)가 갖는 PTC 특성은 온도 상승시 고분자 용융 영역의 근처에서 전기 저항이 급격히 증가하는 성질이나 현상이다. 이에, 토양의 온도가 낮을 때는 고분자 복합체(120)의 자체 저항이 낮아지므로 전류가 공급되어 발열량에 따라 토양을 가열하고, 특정 온도 이상이 되면 PTC 특성에 의해 열가소성 고분자 물질(120a)들과 전도성 필러(120b)들의 저항값이 높아져 자체적으로 전류 공급을 차단하게 된다. 즉, 고밀도 폴리 에틸렌이나 저밀도 폴리에틸렌에 카본 블랙이나 밀드 카본 파이버 중 적어도 하나가 함유된 상태의 폴리머 스위치(PTC switch) 제어방식을 통해 고분자 복합체(120)의 발열량이 자체 발열온도 및 주변 지열에 따라 자동 조절되도록 한다.
본 발명의 탄소 전극(110)은 탄소 섬유 다발로 연장되어 고분자 복합체(120)의 적어도 한 외부면이나 내부에 접촉되도록 형성됨으로써, 고분자 복합체(120)로 전력을 공급한다. 이렇게, 적어도 하나의 탄소 전극(110)은 탄소 섬유 다발을 포함하여 구성됨으로써, 탄소 섬유 다발을 이루는 각각의 탄소 섬유(110a)는 전해 또는 무전해 금속(110b)이 도금되어 구성될 수 있다. 각각의 탄소 섬유(110a) 또는 탄소 섬유(110a) 다발의 금속도금을 통해 카본 섬유(110b)의 전도성을 높게 부여하면 카본 블랙, 밀드 카본 파이버가 함유된 상태로 폴리머 스위치(PTC switch) 제어 효과를 높일 수 있다.
탄소 섬유 다발을 이루는 각각의 탄소 섬유(110a)는 습/건식 표면처리 공정을 통해 전도성을 높일 수 있으며, 또한 습/건식 표면처리된 각각의 탄소 섬유(110a) 또는 탄소 섬유(110a) 다발에는 무전해 니켈(Ni, 110b) 금속이 도금되도록 함으로써, 전도성을 더욱 높여 구성할 수도 있다. 이렇게, 탄소 전극(110)의 전해 또는 무전해 금속 도금은 다양한 고전도성 금속(Ni 등)을 탄소 섬유(110a) 표면에 고르게 도입시킴으로써 금속 고유의 전기 전도성을 섬유에 그대로 전이해줄 수 있는데, 탄소 섬유(110a)의 경우 전기적 특성 때문에 금속도금이 다른 소재에 비해 비교적 용이하다.
적어도 하나의 탄소 전극(110)을 이루는 탄소(炭素, carbon)는 주로 무기질 또는 유기질의 흑연구조를 가진 것으로, 형태로는 실로 만들어진 탄소 섬유, 가루로 만들어진 파우더, 솜처럼 만들어진 탄소펠트 및 고형화시킨 탄소봉 등으로 대별할 수 있다. 탄소는 탄성과 강도가 크기 때문에 흔히 철보다 강하고 알루미늄보다 가볍다. 한편, 탄소의 한 형태인 탄소섬유는 그 원료에 따라 폴리아크릴로니트릴(PAN)계, 피치계 및 레이온계로 분류되며, 그 중 PAN계와 레이온계가 거의 대부분을 차지한다.
탄소 섬유 및 탄소 전극의 이용시 고효율성, 높은 열전도율을 통해 많은 전력을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 복사열을 이용하기에 공기오염, 소음, 전자파 등이 없어 건강에도 무해하므로 환경오염 문제를 미연에 방지할 수도 있다. 또한, 탄소 섬유 발열체는 전기코일에 의해 가열된 열이 아닌 원적외선에 의한 복사열을 발산해 인체에 해로운 전자파나 화재의 위험성을 줄일 수도 있다.
적어도 하나의 탄소 전극(110)은 실리콘 또는 PVC 단자 커버를 결합하여 접점부위를 방수, 절연할 수 있도록 안전하게 연결할 수 있다. 특히, 적어도 하나의 탄소 전극(110)은 고분자 복합체(120)의 양 측면 또는 전 후면 등을 따라 서로 평행하게 일정 길이로 배치되어 고분자 복합체(120)의 전기 전도 효율 및 열 전도 효율을 높일 수 있다. 서로 평행하게 일정 길이로 배치된 탄소 전극(110)들의 길이가 길수록 전기 전도 효율 및 열 전도 효율은 더욱 높아질 수 있다. 도면으로는 도시되지 않았지만, 적어도 하나의 탄소 전극(110)은 고분자 복합체(120)의 내부에 포함된 형태로 구성될 수도 있다.
내부 피복체(140)는 고분자 복합체(120)와 적어도 하나의 탄소 전극(110)을 속박하여 고분자 복합체(120)와 적어도 하나의 탄소 전극(110)들이 상호 밀착되도록 함으로써, 고분자 복합체(120)와 적어도 하나의 탄소 전극(110)의 전기 및 열 전도 효율을 높인다. 이러한, 내부 피복체(140)는 실리콘이나 PET 필름 등의 피복제로 구성되어, 방습, 방진, 절연효과를 이룰 수도 있다.
외부 피복체(150)는 고분자 복합체(120)와 적어도 하나의 탄소 전극(110)을 속박한 내부 피복체(140)의 외부면을 모두 감싸 방습, 방진, 절연시킨다. 이러한, 외부 피복체(150)는 실리콘이나 PET 필름 외에 고무 튜브나 아크릴 등으로 구성될 수 있다.
외부 케이스(130)의 경우는 고분자 복합체(120)와 내부 피복체(140) 및 외부 피복체(150)의 양 측면 단부를 모두 덮도록 각각 구성되는데, 이러한 외부 케이스(130)에는 전기가 도통 되도록 하는 적어도 하나의 탄소 전극(110)이 관통되도록 구성될 수 있다.
이하, 폴리머 스위치 제어방식을 통해 적어도 하나의 탄소 전극(110) 및 탄소 섬유 발열체(120)의 발열량이 자동 조절되도록 한 기술 특징을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3c는 탄소 전극과 고분자 복합체의 폴리머 스위치 제어 특성을 각각 나타낸 도면이다.
도 3a는 주변 온도가 낮은 상태에서 고분자 복합체(120)의 전류 흐름 정도를 나타내는데, 주변 온도 및 열가소성 고분자 물질(120a)에 전도성 필러(120b)가 함유된 고분자 복합체(120)의 온도가 적어도 하나의 탄소 전극(110)의 자체 특성에 따른 특정 온도보다 낮은 상태이면 그 자체 저항값이 낮게 유지된다. 이에, 전도성 필러(120b)로 카본 블랙이나 밀드 카본 파이버 중 적어도 하나가 함유된 상태의 고분자 복합체(120)와 적어도 하나의 탄소 전극(110)에는 원활하게 전류가 흐르게 되어 발열 상태를 유지하게 된다.
도 3b는 고분자 물질(120a)에 전도성 필러(120b)가 함유된 고분자 복합체(120)의 온도 및 주변의 온도가 특정 온도에 가까워졌을 때의 전류 흐름 정도를 나타내는데, 주변 온도와 고분자 복합체(120)의 온도가 탄소 전극(110)의 자체 특성에 따른 특정 온도와 가까워지면 고분자 복합체(120) 및 탄소 전극(110)의 저항값이 점점 높아지게 된다. 이에, 카본 블랙이나 밀드 카본 파이버 중 적어도 하나가 함유된 상태의 고분자 복합체(120) 및 탄소 전극(110)에는 전류 흐름이 점점 저하되어 발열 정도가 점점 줄어들거나 낮아지게 된다.
한편, 도 3c는 고분자 복합체(120)와 탄소 전극(120) 및 주변 온도가 특정 온도와 같거나 높아졌을 때의 전류 흐름 정도를 나타내는데, 주변 온도와 카본 블랙이나 밀드 카본 파이버 중 적어도 하나가 함유된 상태의 고분자 복합체(120) 온도가 탄소 전극(120)의 자체 특성에 따른 특정 온도와 같거나 높아지면 그 자체 저항값이 높아진 상태를 유지하게 된다. 이에, 고분자 복합체(120) 및 탄소 전극(110)에는 전류 흐름이 저하되거나 멈추게 되어 발열을 멈추게 된다.
상술한 바와 같이, 적어도 하나의 탄소 전극(110)과 고분자 복합체(120)의 PTC 특성을 이용한 폴리머 스위치 제어방식을 이용하면, 탄소 전극(110)과 고분자 복합체(120)를 통해 주변 온도 유지 및 전력 이용 효율을 높일 수 있게 되는데, 특히 카본 블랙이나 밀드 카본 파이버 중 적어도 하나가 함유된 상태의 고분자 복합체(120)을 이용하면서도 탄소 전극(110)를 이루는 탄소 섬유(110a)들이 습/건식 표면처리 되도록 하고, 더불어 무전해 금속의 도금(110b)처리까지 이루어지도록 하면, 유효 발열량에 대한 전기 소비량을 더욱 줄이면서도 지중 가온 관리 효율 또한 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
소일 히팅 케이블(100)은 지중으로 바로 삽입되어 지중 온도를 상승 또는 유지시킬 수도 있다. 하지만, 소일 히팅 케이블(100)을 직접 지중에 삽입하여 이용하면, 초기 온도 상승 및 소일 히팅 케이블(100)의 배치 간격에 따라 온도 편차가 발생하는 문제가 발생할 수 있다. 이에, 소일 히팅 케이블(100)과 면상 발열체가 결합되도록 구성, 즉 소일 히팅 케이블(100)이 면상 발열체 내부에 배치되도록 구성하면 온도 상승 효율을 높이고 지속적으로 열 에너지가 보존되도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 소일 히팅 케이블을 이용한 면상의 소일 히터를 나타낸 구성도이다.
도 4에 도시된 면상의 소일 히터(200)는 고분자 복합체(120)와 탄소 섬유 다발로 구성된 탄소 전극(110)을 포함하여 구성된 적어도 하나의 소일 히팅 케이블(100), 적어도 하나의 소일 히팅 케이블(100)이 내장되어 미리 설정된 특정 형태로 배열된 면상 히터 외장재(230), 면상 히터 외장재(230)의 내부에 충진되어 배열된 적어도 하나의 소일 히팅 케이블(100)이 면상 히터 외장재(230)의 내부 두께 폭의 중심부에 위치되도록 하는 PCM(Phase Change Material) 특성을 갖는 내부 충진부재(210,220)를 포함한다.
적어도 하나의 소일 히팅 케이블(100)은 도 1 내지 도 3c로 도시된 고분자 복합체(120)와 탄소 섬유 다발로 구성된 탄소 전극(110)을 포함한다. 이에, 소일 히팅 케이블(100)에 대한 설명은 도 1 내지 도 3c를 이용한 전술된 설명으로 대신하기로 한다.
적어도 하나의 소일 히팅 케이블(100)이 면상의 발열체 즉, 면상의 소일 히터(200)에 적용되는 경우, 적어도 하나의 소일 히팅 케이블(100)은 발열 및 온도 유지 효율을 높일 수 있는 형태(예를 들어, 지그재그 형태)로 면상 히터 외장재(230)의 내부에 배열될 수 있다. 이렇게 배치된 소일 히팅 케이블(100)의 어느 한 측 단부로는 전력이 공급된다.
면상 히터 외장재(230)의 내부에는 PCM(Phase Change Material) 특성을 갖는 내부 충진부재(210,220)가 충진되어 내부에 배열된 소일 히팅 케이블(100)이 면상 히터 외장재(230)의 내부 두께 폭의 중심부에 위치되도록 한다.
PCM 특성을 갖는 물질은 특정한 온도에서 온도의 변화 없이 고체에서 액체, 액체에서 기체로, 또는 그 반대 방향으로 상(狀,형태)가 변하면서 많은 열을 흡수 또는 방출할 수 있는 잠열재, 축열재 또는 열조절 기능을 하는 물질을 의미하는 것으로 자체적으로 주위의 열을 저장하였다가 필요할 때 방출하는 온도 조절 기능물질이다. 이와 같이, 상변화(狀變化) 물질이 상 변화시 동일한 온도를 유지하면서 흡수 또는 방출하는 열을 잠열이라고 하는데, 고체와 액체 간의 성변화와 관련된 열을 용융열이라 하기도 한다. 상 변화시 잠열은 에너지 저장에 중요한 역할을 하는데 현열에 비해 잠열은 상변화 온도에서 수 십배에서 수 백배의 에너지 저장 능력과 방출 능력을 가지기 때문에 기존 현열을 이용하는 에너지 절약 소재들보다 탁월하다.
이에 따라, PCM 특성을 갖는 물질을 열 에너지 저장장치와 연계시키면 생산된 열 에너지의 소실을 최소화하여 에너지 효율을 증가시키고 비용 효율성을 개선시킬 수 있게 된다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4에 도시된 I - I' 단면을 서로 다른 예로 나타낸 단면도이다.
먼저, 도 5a를 참조하면, 면상 히터 외장재(230)의 내부에 충진된 PCM(Phase Change Material) 특성을 갖는 내부 충진부재는 배열된 적어도 하나의 소일 히팅 케이블(100)이 면상 히터 외장재(230)의 내부 두께 폭의 중심부에 위치되도록 상기 면상 히터 외장재(230)의 내부면과 상기 적어도 하나의 소일 히팅 케이블(100) 사이에 각각 배치된 복수의 팽창흑연(Expanded Graphite, 210), 및 배열된 적어도 하나의 소일 히팅 케이블(100)과 복수의 팽창흑연(210)이 모두 내부에 포함되도록 면상 히터 외장재(230)의 내부에 충진된 에리스리톨(Erythritol, 220)를 포함한다.
상변환 축열제로 사용하는 에리스리톨(220)은 물 대비 약 3배 이상의 잠열량을 가지면서도 식품 첨가제로 사용되는 친환경 물질이다. 잠열은 현열보다 약 50~100배 이상 높은 저장밀도를 가지며, 열에너지 회수에 용이하며, 다양한 응용이 가능하고 용융 및 응고 과정 반복시 능력감소가 없는 특징이 있다.
PCM 특성을 갖는 내부 충진부재들은 되도록 열전도성이 높아야 그 이용 효율을 높일 수 있다. 따라서, PCM 특성을 갖는 내부 충진부재의 열전도성을 높이기 위해 소일 히팅 케이블(100)을 고정하는 필러로 복수의 팽창흑연(210)을 사용할 수 있다. 복수의 팽창흑연(210)은 열 전도도가 높아 소일 히터(200) 자체의 열 전도도를 높일 수 있으면서도, 배열된 소일 히팅 케이블(100)이 면상 히터 외장재(230)의 내부 두께 폭의 중심부에 고정되도록 할 수 있다. 즉, PCM 부재의 열전도성을 높이기 위해 팽창 흑연(210)의 다공성 특성을 활용하면, PCM 부재의 층간 삽입을 유도하고 이를 통해 층상 화합물을 생성하며 빠른 열처리를 통해 쉽게 제조가 가능하며, 소량 사용에도 불구하고 열전도도를 획기적으로 높일 수 있다. 팽창흑연(210)은 다공성 구조로써 그 밀도가 낮고, 다양한 원자, 분자, 이온 등의 흑연 층간 삽입 기능을 통해 층상 화합물 생성할 수도 있다. 이에, 높은 열전도도로 가지고 있어 PCM 물질의 열전도율을 높일 수 있다.
복수의 팽창흑연(210)은 소일 히팅 케이블(100)이 면상 히터 외장재(230)의 내부 두께 폭의 중심부에 위치되도록 구성되는바, 복수의 팽창흑연(210)은 충진된 에리스리톨(220)에 포함된 상태로 면상 히터 외장재(230)의 내부면과 소일 히팅 케이블(100) 사이에 각각 이격된 상태로 배치되거나, 면상 히터 외장재(230)의 내부면과 소일 히팅 케이블(100) 중 적어도 한 표면에 부착되도록 구성될 수 있다.
한편, 도 5a에 도시된 바와 같이, 충진된 에리스리톨(220)에는 에리스리톨(220)의 열 전도성을 높이기 위해 미리 설정된 비율로 활성 탄소(Active Carbon)가 더 포함될 수 있다. 에리스리톨(220)에 포함된 팽창 흑연(210)과 마찬가지로, 에리스리톨(220)의 열 전도성을 높이기 위해 활성 탄소를 미리 설정된 소정 비율로 더 포함시키면 활성 탄소의 다공성 특성으로 에리스리톨(220)의 열전도율을 더욱 높일 수 있다. 여기서, 에리스리톨(220) 대비 활성 탄소의 포함 비율은 90:10, 80:20, 70:30, 60:40 등의 비율로 에리스리톨(220)에 활성 탄소가 포함되도록 구성할 수 있다.
다음으로, 도 5b를 참조하면 충진된 에리스리톨(220)에는 열 전도성을 높이기 위해 미리 설정된 비율로 복수의 탄소 나노튜브(Carbon nanotube)가 더 포함될 수 있다. 에리스리톨(220)에 포함된 팽창 흑연(210) 및 활성 탄소와 마찬가지로, 에리스리톨(220)의 열 전도성을 높이기 위해 탄소 나노튜브를 미리 설정된 소정 비율로 더 포함시키면 탄소 나노튜브의 다공성 특성으로 에리스리톨(220)의 열전도율을 더욱 높일 수 있다. 여기서, 에리스리톨(220) 대비 탄소 나노튜브의 포함 비율은 90:10, 80:20, 70:30, 60:40 등의 비율로 에리스리톨(220)에 탄소 나노튜브가 포함되도록 구성할 수 있다.
도 5c를 참조하면, 충진된 에리스리톨(220)에는 열 전도성을 높이기 위해 미리 설정된 비율로 활성 탄소와 복수의 탄소 나노튜브가 더 포함 및 혼합되어 구성될 수 있다. 에리스리톨(220)의 열 전도성을 높이기 위해 미리 설정된 비율로 활성 탄소와 복수의 탄소 나노튜브를 미리 설정된 소정 비율로 혼합하여 포함시키면 미리 설정된 비율로 활성 탄소와 복수의 탄소 나노튜브의 다공성 특성으로 에리스리톨(220)의 열전도율을 더더욱 높일 수 있다. 여기서, 에리스리톨(220) 대비 미리 설정된 비율로 활성 탄소와 복수의 탄소 나노튜브의 포함 비율은 80:10:10, 70:20:10, 60:20:20, 50:25:25 등의 비율로 에리스리톨(220)에 미리 설정된 비율로 활성 탄소와 복수의 탄소 나노튜브가 포함되도록 구성할 수 있다.
한편, 면상 히터 외장재(230)는 타공 PET 필름으로 구성할 수 있으며, 타공 PET 필름에 부직포를 합지하여 지중, 지표 습도를 함수, 배수할 수 있도록 함이 바람직하다. 또한, 가장자리는 단단한 천막지천으로 마감하여 재사용이 용이하고 찢어지지 않도록 마감 처리하여 이용할 수 있다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명의 소일 히팅 케이블(100)에 의하면 PTC 특성을 이용하여 온도 유지 및 전력 이용 효율을 높일 수 있도록 함으로써 유효 발열량에 대한 전기 소비량을 줄이고 지중 가온 관리 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 면상의 소일 히터(200)에 의하면 PCM 특성을 갖는 물질들을 효율적으로 구성하여 자체적으로 주위의 열을 저장하였다가 필요할 때 방출할 수 있도록 함으로써, 유효 발열량에 대한 전기 소비량을 줄이고 지중 가온 관리 효율을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 소일 히팅 케이블
110: 탄소섬유 발열체
110a: 탄소섬유 110b: 무전해 금속
120: 고분자 복합체 120a: 열가소성 고분자 물질
120b: 전도성 필러 130: 외부 케이스
140: 내부 피복체 150: 외부 피복체
200: 면상 소일 히터 210: 복수의 팽창흑연
220: 에리스리톨 230: 면상 히터 외장재
110a: 탄소섬유 110b: 무전해 금속
120: 고분자 복합체 120a: 열가소성 고분자 물질
120b: 전도성 필러 130: 외부 케이스
140: 내부 피복체 150: 외부 피복체
200: 면상 소일 히터 210: 복수의 팽창흑연
220: 에리스리톨 230: 면상 히터 외장재
Claims (9)
- PTC(Positive temperature coefficient) 특성을 갖고 케이블 형태로 연장된 고분자 복합체;
탄소 섬유 다발로 연장되어 상기 고분자 복합체의 적어도 한 외부면이나 내부에 접촉되도록 형성됨으로써 상기 고분자 복합체로 전력을 공급하는 적어도 하나의 탄소 전극; 및
상기 고분자 복합체와 상기 적어도 하나의 탄소 전극을 속박하여 방습, 방진, 절연시키는 절연 피복시키는 내부 피복체;
를 포함하는 소일 히팅 케이블. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 탄소 전극은
탄소 섬유 다발 및 분말 형태의 카본 블랙(carbon black)이나 밀드 카본 파이버(Milled-carbon fibers) 중 적어도 하나가 함유하여 구성되며, 상기 각 탄소 전극의 탄소 섬유 다발을 이루는 각각의 탄소 섬유는 전해 또는 무전해 금속이 도금되어 구성된 소일 히팅 케이블. - 제 2 항에 있어서,
상기 탄소 섬유 다발을 이루는 각각의 탄소 섬유는 습/건식 표면처리 공정을 통해 전도성이 높아지도록 처리된 소일 히팅 케이블.
- 제 2 항에 있어서,
상기 탄소 섬유 다발을 이루는 각각의 탄소 섬유는 무전해 니켈(Ni) 금속이 도금되어 전도성이 높아지도록 처리된 소일 히팅 케이블.
- 상기 제 1 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 고분자 복합체 및 적어도 하나의 탄소 전극을 포함하는 적어도 하나의 소일 히팅 케이블;
상기 적어도 하나의 소일 히팅 케이블이 내장되어 미리 설정된 특정 형태로 배열된 면상 히터 외장재; 및
상기 면상 히터 외장재의 내부에 충진되어 상기 배열된 적어도 하나의 소일 히팅 케이블이 상기 면상 히터 외장재의 내부 두께 폭의 중심부에 위치되도록 하는 PCM(Phase Change Material) 특성을 갖는 내부 충진부재;
를 포함하는 면상의 소일 히터.
- 제 5 항에 있어서,
상기 PCM 특성을 갖는 내부 충진부재는
상기 배열된 적어도 하나의 소일 히팅 케이블이 상기 면상 히터 외장재의 내부 두께 폭의 중심부에 위치되도록 상기 면상 히터 외장재의 내부면과 상기 적어도 하나의 소일 히팅 케이블 사이에 각각 배치된 복수의 팽창흑연(Expanded Graphite); 및
상기 배열된 적어도 하나의 소일 히팅 케이블과 상기 복수의 팽창흑연이 모두 내부에 포함되도록 상기 면상 히터 외장재의 내부에 충진된 에리스리톨;
을 포함하는 면상의 소일 히터.
- 제 6 항에 있어서,
상기 충진된 에리스리톨에는
상기 에리스리톨의 열 전도성을 높이기 위해 미리 설정된 비율로 활성 탄소(Active Carbon)가 더 포함된 것을 특징으로 하는 면상의 소일 히터. - 제 6 항에 있어서,
상기 충진된 에리스리톨에는
상기 에리스리톨의 열 전도성을 높이기 위해 미리 설정된 비율로 복수의 탄소 나노튜브(Carbon nanotube)가 더 포함된 것을 특징으로 하는 면상의 소일 히터.
- 제 6 항에 있어서,
상기 충진된 에리스리톨에는
상기 에리스리톨의 열 전도성을 높이기 위해 미리 설정된 비율로 활성 탄소와 복수의 탄소 나노튜브가 더 포함된 것을 특징으로 하는 면상의 소일 히터.
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|---|---|---|---|---|
| CN107371284A (zh) * | 2017-09-07 | 2017-11-21 | 贵州固达电缆有限公司 | 一种带状碳纤维发热电缆 |
| KR102045302B1 (ko) | 2019-07-04 | 2019-12-02 | 주식회사 피치케이블 | 인장강도가 우수한 고전도 탄소 섬유를 이용한 도로용 히팅 케이블 |
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| KR20100025141A (ko) | 2008-08-27 | 2010-03-09 | 위성점 | 탄소 섬유 열선 및 그 제조 방법 |
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2015
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