KR20170002863A - 중공원통형 탄소섬유 단열재 - Google Patents

중공원통형 탄소섬유 단열재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중공원통형 탄소섬유 단열재에 관한 것이며, 보다 구체적으로 본 발명은 탄소섬유 단열재를 구성하는 탄소섬유 펠트의 부피 밀도가 적층 방향을 따라 점진적으로 변화함으로써 다양한 형태의 열 전달을 효과적으로 감소시키기 위한 중공원통형 탄소섬유 단열재에 관한 것이다.

Description

중공원통형 탄소섬유 단열재{HOLLOW CYLINDER TYPE CARBON FIBER INSULATOR}
본 발명은 중공원통형 탄소섬유 단열재에 관한 것이며, 보다 구체적으로 본 발명은 탄소섬유 단열재를 구성하는 탄소섬유 펠트의 부피 밀도가 적층 방향을 따라 점진적으로 변화함으로써 다양한 형태의 열 전달을 효과적으로 감소시키기 위한 중공원통형 탄소섬유 단열재에 관한 것이다.
탄소 기반 소재는 인류와 밀접한 관계를 갖고 오래 전부터 이용되어 오다가 1950년대 미국과 구소련의 우주 개발 경쟁에 힘입어 본격적으로 개발되기 시작하였다.
이러한 탄소 기반 소재 중 탄소섬유는 무게가 철과 같은 금속에 비해 가벼움에도 불구하고 강도와 탄성은 월등히 높기 때문에 항공, 우주, 무기 등과 같은 첨단소재로 이용될 뿐만 아니라 3,000 ℃ 이상에서도 견디는 우수한 내열성을 가지고 있기 때문에 초고온로의 유일한 단열재로 사용되고 있다.
특히, 태양전지 및 반도체 시장의 증가에 따라 고온에서 사용되는 단열재의 수요는 급속하게 증가하고 있으며, 이에 따라 탄소섬유를 이용한 단열재(이하 '탄소섬유 단열재'라 함)의 수요도 급증하고 있는 것이 현실이다.
한편, 종래 탄소섬유 단열재는 일반적으로 탄소섬유 펠트에 탄화 가능한 수지를 함침시킨 후 이들을 적층 및 가압하여 원하는 두께와 부피 밀도를 가지도록 제조되고 있다.
고온에서 사용되는 특성상 고온에서도 열전도도를 보다 낮게 유지하면서 강도 등을 향상시키기 위해 탄소섬유 펠트 내 탄소섬유 배치 등 단열재의 구조적 특징으로 접근하여 문제를 해결하려는 시도가 행해지고 있으나, 탄소섬유 자체가 분산성이 낮기 때문에 효과적인 해결책을 내놓지 못하고 있는 실정이다.
또한, 동일한 부피 밀도를 가지는 복수의 탄소섬유 펠트를 적층시켜 가압할 경우, 단열재 내 탄소섬유 펠트들의 부피 밀도 역시 일정하게 형성된다.
서로 다른 부피 밀도를 가지는 두 개의 단열재의 온도에 따른 열 전도도의 변화를 나타낸 도 1을 참조하면, 약 1,000 ℃ 부근에서 상대적으로 고밀도(0.16 g/cm3)의 단열재와 상대적으로 저밀도(0.13 g/cm3)의 단열재의 열전도도가 역전되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 고밀도의 단열재는 열 복사를 효과적으로 막아줄 수 있기 때문에 초고온에서 주로 사용되며, 저밀도의 단열재는 열 전도를 효과적으로 막아줄 수 있기 때문에 고온에서 주로 사용된다.
종래 방식에 따라 일정한 부피 밀도를 가지는 단열재를 사용할 경우, 열 복사 방지를 타겟으로 할지 또는 열 전도 방지를 타겟으로 할지에 따라 부피 밀도의 범위를 결정할 필요가 있다.
이 때, 2,000 ℃ 이상의 초고온로에서 단열재의 내부 온도 분포는 내부에서 외부로 갈수록, 즉 두께 방향으로 점진적으로 감소하게 되는데 열 복사 방지를 타겟으로 하기 위해 고밀도의 단열재를 사용할 경우, 단열재의 바깥쪽으로 갈수록 증가하는 열 전도를 효과적으로 억제하기 어렵다.
반면, 열 전도 방지를 타겟으로 하기 위해 저밀도의 단열재를 사용할 경우, 단열재의 안쪽에서의 열 복사의 억제가 어렵게 되는 문제가 있다.
이에 따라, 최근에는 서로 다른 부피 밀도를 가지는 탄소섬유 펠트를 3 ~ 5겹 정도로 적층하여 성형된 평판형 단열재가 사용되기도 하였다.
다만, 서로 다른 부피 밀도를 가지는 탄소섬유 펠트는 열팽창계수 역시 상이하며, 이들을 적층하여 사용할 경우, 부피 밀도가 급격하게 변하는 적층면에서 상이한 열팽창 정도에 따라 단열재에 균열이 발생하는 등의 문제가 발생하였다.
또한, 평판형 단열재와 같이 서로 다른 부피 밀도를 가지는 탄소섬유 펠트를 3 ~ 5겹 정도로 적층하여 중공원통형 단열재를 제조할 경우, 접착면 또는 적층면에서의 균열은 더욱 심해지게 된다.
이에 따라, 본 발명은 실리콘 잉곳 또는 사파이어 잉곳과 같이 2000 ℃ 이상의 온도가 유지되는 초고온로에서 우수한 단열 성능을 나타낼 수 있는 중공원통형 탄소섬유 단열재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 권취롤에 의해 권취되는 탄소섬유 펠트의 부피 밀도를 적층 방향을 따라 점진적으로 변화함으로써 열 복사 및 열 전도와 같은 다양한 형태의 열 전달을 효과적으로 감소시키기 위한 중공원통형 탄소섬유 단열재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 하나의 적층면을 형성하는 두 탄소섬유 펠트 사이의 열팽창계수의 차이를 최소화함으로써 적층면에서의 열팽창에 따른 단열재의 손상을 방지하기 위한 중공원통형 탄소섬유 단열재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상술한 중공원통형 탄소섬유 단열재를 연속식으로 간편하고 용이하게 제조할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 하나의 탄소섬유 펠트가 복수회 권취되어 복수의 층을 형성한 중공원통형 탄소섬유 단열재로서, 권취롤에 의해 권취되는 탄소섬유 펠트의 부피 밀도를 적층 방향을 따라 점진적으로 변화함으로써 열 복사 및 열 전도와 같은 다양한 형태의 열 전달을 효과적으로 감소시키기 위해 탄소섬유 단열재 내에서 탄소섬유 펠트의 부피 밀도가 점진적으로 변화하는 중공원통형 탄소섬유 단열재가 제공될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상대적으로 외경이 작은 층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 상대적으로 외경이 큰 층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도보다 클 수 있다.
일 실시예에 있어서, 최내층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 상기 단열재의 평균 부피 밀도의 1 내지 1.3배이며, 최외층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 상기 단열재의 평균 부피 밀도의 0.7 내지 1배일 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 최내층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 0.145 ~ 0.170 g/cm3이며, 최외층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 0.115 ~ 0.145 g/cm3일 수 있다.
추가적으로, 하나의 적층면을 형성하는 두 탄소섬유 펠트 사이의 열팽창계수의 차이를 최소화함으로써 적층면에서의 열팽창에 따른 단열재의 손상을 방지하기 위해 서로 접하는 탄소섬유 펠트의 부피 밀도 차이는 0.01 g/cm3 이하일 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 탄소섬유 펠트는 서로 동일 또는 상이한 탄화율을 가지는 탄소섬유 매트가 두께 방향으로의 니들 펀칭에 의해 결속된 탄소섬유 펠트이며, 탄소섬유 단열재 내에서 상기 탄소섬유 펠트 사이의 접합면에 수직인 방향과 탄소섬유 펠트의 니들 펀칭 방향은 서로 엇갈리도록 존재할 수 있다.
상기 탄소섬유 단열재 내에서 상기 탄소섬유 펠트 사이의 접합면에 수직인 방향에 대하여 상기 탄소섬유 펠트의 니들 펀칭 방향이 사선으로 존재할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 단열재는 그 두께가 100 mm일 때, 2000 ℃에서 상기 탄소섬유 단열재의 열전도도는 0.5 W/m.K 이하일 수 있다.
추가적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 단열재의 단열 성능을 향상시키기 위해 탄소섬유 단열재의 내주면 및 외주면 중 적어도 하나의 면에 흑연 코팅층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 중공원통형 탄소섬유 단열재는 실리콘 잉곳 또는 사파이어 잉곳과 같이 2000 ℃ 이상의 온도가 유지되는 초고온로에서 부파 밀도가 일정한 단열재보다 우수한 단열 성능을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명은 권취롤에 의해 권취되는 탄소섬유 펠트의 부피 밀도를 적층 방향을 따라 점진적으로 변화시킴로써 단열재 내에서의 온도 변화에 대응하여 열 복사 및 열 전도와 같은 다양한 형태의 열 전달을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 단순히 서로 다른 부피 밀도를 가지는 탄소섬유 펠트가 적층된 단열재와는 달리 하나의 적층면을 형성하는 두 탄소섬유 펠트 사이의 열팽창계수의 차이를 최소화함으로써 적층면에서의 열팽창에 따른 단열재의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 하나의 탄소섬유 펠트만을 가지고 적층 방향을 따라 부피 밀도가 점진적으로 변화하도록 제조된 탄소섬유 단열재이기 때문에 계면 접합력이 다른 단열재 구조보다 뛰어나며, 제조 공정의 난이도 및 비용 역시 획기적으로 저감된다는 장점이 있다.
도 1은 서로 다른 부피 밀도를 가지는 두 개의 단열재의 온도에 따른 열 전도도의 변화를 나타낸 것이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공원통형 단열재를 구성하기 위해 사용되는 탄소섬유 펠트의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 탄소섬유 펠트로 제조된 중공원통형 탄소섬유 단열재의 사시도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2c는 도 2b에 도시된 중공원통형 탄소섬유 단열재의 평면도를 나타낸 것이다.
도 3a 및 도 3b는 흑연 코팅층이 적용된 중공원통형 탄소섬유 단열재의 사시도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공원통형 단열재를 제조하기 위한 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명을 더 쉽게 이해하기 위해 편의상 특정 용어를 본원에 정의한다. 본원에서 달리 정의하지 않는 한, 본 발명에 사용된 과학 용어 및 기술 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 가질 수 있다.
또한, 문맥상 특별히 지정하지 않는 한, 단수 형태의 용어는 그것의 복수 형태도 포함하는 것이며, 복수 형태의 용어는 그것의 단수 형태도 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 중공원통형 탄소섬유 단열재와 이를 제조하기 위한 장치에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 하나의 탄소섬유 펠트가 복수회 권취되어 복수의 층을 형성한 중공원통형 탄소섬유 단열재가 제공될 수 있다.
여기서, 탄소섬유 펠트는 탄소섬유 매트가 두께 방향(탄소섬유 매트의 적층면에 대하여 수직 방향)으로의 니들 펀칭에 의해 결속된 상태인 적층체 형태의 소재를 의미하며, 탄소섬유 매트는 일반적으로 니들 펀칭에 의해 결속되지 않은 시트(sheet) 형태의 탄소섬유 소재를 의미한다.
본원에서 탄소섬유 펠트는 서로 동일 또는 상이한 탄화율을 가지는 탄소섬유 매트가 두께 방향으로 적층되어 니들 펀칭에 의해 결속된 상태로 제공될 수 있으며, 예를 들어, 탄화 과정을 통해 탄소 이외의 원소(예를 들어, 산소 또는 수소)가 제거되어 탄소 이외의 원소가 실질적으로 존재하지 않는 고탄화율의 탄소섬유 매트 또는 탄소 이외의 원소가 존재하는 저탄화율의 탄소섬유 매트가 혼용될 수 있다.
예를 들어, 탄소섬유 매트는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 또는 생분해성 수지 펠트 등이 사용될 수 있으며, 석유 피치, 석탄 피치, 액정 피치 등과 같은 피치계 탄소섬유로 이루어진 펠트 등이 사용될 수 있다.
니들 펀칭(needle punching)은 복수의 층으로 이루어진 탄소섬유 매트를 하나의 적층체 형태로 결속 또는 교락하기 위한 성형 방법으로, 복수의 층으로 이루어진 탄소섬유 매트 중 상부 및/또는 하부에 위치한 탄소섬유 매트를 구성하는 섬유 중 일부가 니들 펀칭에 의해 탄소섬유 매트 적층체의 두께 방향(적층면에 대하여 수직 방향)으로 내려가거나 올라옴으로써 상부 및/또는 하부에 위치한 탄소섬유 매트와 그 사이에 치한 탄소섬유 매트를 결속시키게 된다.
이 때, 복수의 층으로 구성된 탄소섬유 펠트는 니들 펀칭에 의해 형성된 탄소섬유에 의해 복수의 층 사이의 계면 결합이 이루어지는데, 이 때 탄소섬유는 적층체의 두께방향(적층면에 대한 수직 방향)으로 형성된다.
여기서, 니들 펀칭에 의해 적층체의 두께방향(적층면에 대한 수직 방향)으로 형성된 탄소섬유는 열 전도의 매질로서 작용할 수 있기 때문에 탄소섬유 단열재의 열전도도를 증가시킬 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공원통형 단열재를 구성하기 위해 사용되는 탄소섬유 펠트(10)의 단면을 개략적으로 나타낸 것으로서, 도 2a에는 탄소섬유 펠트(10)가 하나의 층으로서 표현되어 있으나, 상술한 바와 같이 서로 동일 또는 상이한 탄화율을 가지는 탄소섬유 매트가 두께 방향으로 적층되어 니들 펀칭에 의해 결속된 상태인 탄소섬유 펠트(10)가 사용될 수 있다.
이 때, 니들 펀칭에 의해 두께 방향으로 형성된 탄소섬유(10a)는 열 전도의 매질로서 작용할 수 있기 때문에 800 ~ 2,300 ℃의 범위에서 선택되는 온도에서의 열처리를 통해 제거된 상태로 사용될 수도 있다. 탄소섬유(10a)가 열처리에 의해 제거될 경우, 탄소섬유(10a)가 차지하는 공간은 관통홀로 잔류하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중공원통형 탄소섬유 단열재는 상술한 탄소섬유 펠트(10) 한 장으로 구성되며, 시트 형태의 탄소섬유 펠트(10)가 맨드렐과 같은 권취롤에 의해 복수회 권취되어 복수의 층을 형성할 수 있다.
이 때, 권취되는 횟수 및 탄소섬유 단열재 내 탄소섬유 펠트(10)의 적층수는 제조하고자 하는 단열재의 두께 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있으며, 일반적으로 탄소섬유 펠트(10)가 3 ~ 7개의 층을 형성하도록 권취될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 하나의 탄소섬유 펠트(10)가 복수회 권취되어 복수의 층을 형성한 중공원통형 탄소섬유 단열재는 탄소섬유 단열재 내에서 탄소섬유 펠트(10)의 부피 밀도가 점진적으로 변화하도록 구성된다.
즉, 탄소섬유 단열재 내에서 탄소섬유 펠트의 부피 밀도가 점진적으로 변화하도록 구성될 때, 바람직하게는 탄소섬유 단열재 내에서 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 안쪽에서 바깥쪽으로 갈수록 점진적으로 감소하도록 구성될 수 있다.
도 2a에 도시된 탄소섬유 펠트로 제조된 중공원통형 탄소섬유 단열재의 사시도를 개략적으로 나타낸 도 2b를 참조하면, 중공원통형 탄소섬유 단열재 내에서 최내층(a)의 부피 밀도는 그 다음에 형성된 층(b)의 부피 밀도보다 크며, 층(b)의 부피 밀도는 최외층(c)의 부피 밀도보다 크도록 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 최내층이란 외경이 가장 작은 층을 의미한다. 즉, 최내층은 탄소섬유 펠트가 최초 권취되는 지점으로부터 한바퀴 권취되어 다시 동일한 지점에 도달할 때, 하나의 원주 길이를 형성하는 층을 의미한다.
이 때, 최내층 내에서도 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 점진적으로 변화할 수 있으며, 보다 구체적으로 탄소섬유 펠트에 가해지는 장력을 조절함으로써 권취되는 동안 탄소섬유 펠트의 부피 밀도가 점진적으로 감소할 수 있다.
또한, 최외층이란 외경이 가장 큰 층을 의미한다. 즉, 최외층은 탄소섬유 펠트의 권취가 종료되는 지점으로부터 역방향으로 하나의 원주 길이를 형성하는 층을 의미한다.
최내층과 마찬가지로 최외층 내에서도 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 점진적으로 변화할 수 있다.
층(b)는 복수의 층을 이루도록 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 상대적으로 외경이 작은 층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 상대적으로 외경이 큰 층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도보다 크다.
이 때, 각 층(a, b, c)의 부피 밀도는 각 층을 형성하는 탄소섬유 펠트의 두께를 조절함으로써 다르게 하는 것이 가능하다.
예를 들어, 최초 권취되는 탄소섬유 펠트가 상대적으로 더 얇게 권취되도록 함으로써 부피 밀도를 증가시킬 수 있으며, 점진적으로 권취되는 탄소섬유 펠트의 두께를 증가시킴에 따라 부피 밀도 역시 점진적으로 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 최내층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 단열재의 평균 부피 밀도(즉, 전체 탄소섬유 펠트의 부피 밀도)의 1 내지 1.3배이며, 최외층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 단열재의 평균 부피 밀도의 0.7 내지 1배일 수 있다.
즉, 상대적으로 외경이 작은 층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도가 상대적으로 외경이 큰 층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도보다 큰 것을 전제로 하여, 단열재의 평균 부피 밀도 대비 최내층 또는 최외층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도가 결정될 것이다.
보다 구체적으로, 최내층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 0.145 ~ 0.170 g/cm3이며, 최외층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 0.115 ~ 0.145 g/cm3 일 수 있다.
필요에 따라, 상술한 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 적절히 조절될 수 있으나, 최내층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도가 0.145 g/cm3 미만인 경우, 2000 ℃ 이상의 초고온로에서 열 복사를 효과적으로 억제할 수 없다.
또한, 최내층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도가 0.170 g/cm3 을 초과할 경우, 비록 단열재의 두께 방향으로 부피 밀도가 점진적으로 감소하기는 하나 상대적으로 외경이 큰 층 내에서의 열 전도 억제에 효과적인 부피 밀도가 형성되기 위해서는 단열재를 불필요하게 두껍게 제조하거나 각 층간 부피 밀도의 차이가 크도록 제조하여야 한다.
다만, 각 층간 부피 밀도의 차이가 클 경우, 이에 따라 열팽창계수의 차이도 커지기 때문에 탄소섬유 펠트의 계면에서의 상이한 열팽창에 의해 단열재에 균열이 발생할 가능성이 높아진다.
반면, 최외층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도가 0.115 g/cm3 미만인 경우, 열 복사 및 열 전도를 포함하는 다양한 열 전달에 대한 억제능이 떨어지며, 0.145 g/cm3 을 초과할 경우, 상대적으로 외경이 큰 층 내에서의 열 전도 억제에 효과적인 부피 밀도가 형성되지 않는다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 중공원통형 탄소섬유 단열재의 부피 밀도는 안쪽부터 두께 방향을 따라 0.145 ~ 0.170 g/cm3에서 0.115 ~ 0.145 g/cm3 까지 점진적으로 감소하도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 중공원통형 탄소섬유 단열재의 부피 밀도는 안쪽부터 두께 방향을 따라 점진적으로 감소하되, 서로 접하여 하나의 계면을 형성하는 탄소섬유 펠트의 부피 밀도 차이는 0.01 g/cm3 이하인 것이 바람직하다.
서로 접하는 탄소섬유 펠트의 부피 밀도 차이가 0.01 g/cm3 보다 클 경우, 계면에서의 상이한 열팽창에 따라 단열재에 균열이 발생할 수 있으며, 단열재의 균열은 단열재가 적용된 로(furnace)에서 수행되는 모든 공정의 신뢰성 및 안정성을 저하시키는 원인으로 작용한다.
본 발명의 일 실시예에 따라 하나의 탄소섬유 펠트(10)가 복수회 권취되어 복수의 층을 형성한 중공원통형 탄소섬유 단열재는 최내층으로부터 최외층까지 탄소섬유 펠트의 부피 밀도가 점진적으로 감소할 뿐만 아니라, 하나의 층 내에서도 안쪽에서 바깥쪽을 향해 부피 밀도가 점진적으로 감소한다.
이에 따라, 서로 접하는 탄소섬유 펠트의 부피 밀도 차이 역시 최소화될 수 있으므로 초고온 조건에서도 탄소섬유 단열재의 단열 성능과 신뢰성을 유지하는 것이 가능하다.
추가적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 중공원통형 탄소섬유 단열재의 평면도를 나타낸 도 2c에 도시된 바와 같이, 탄소섬유 단열재 내에서 탄소섬유 펠트 사이의 접합면에 수직인 방향과 탄소섬유 펠트의 니들 펀칭 방향은 서로 엇갈리도록 존재할 수 있다.
상술한 바와 같이, 니들 펀칭에 의해 두께 방향으로 형성된 탄소섬유(10a)는 열 전도의 매질로서 작용할 수 있기 때문에 탄소섬유(10a)가 탄소섬유 펠트 사이의 접합면에 수직인 방향과 일치할 경우, 열 전도성이 저하될 우려가 있다.
다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 중공원통헌 탄소섬유 단열재의 경우, 탄소섬유 펠트 내에서 니들 펀칭 방향이 사선으로 존재함으로써 탄소섬유 펠트의 접합면에 수직인 방향으로의 열 전달의 가능성을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 하나의 탄소섬유 펠트가 복수회 권취되어 복수의 층을 형성하되, 탄소섬유 단열재 내에서 탄소섬유 펠트의 부피 밀도가 점진적으로 변화하도록 구성되며, 탄소섬유 단열재 내에서 탄소섬유 펠트 사이의 접합면에 수직인 방향과 탄소섬유 펠트의 니들 펀칭 방향이 엇갈리도록 구성된 탄소섬유 단열재는 두께가 100 mm일 때, 2000 ℃에서 0.5 W/m.K 이하의 열전도도를 나타낼 수 있다.
추가적으로, 단열 성능을 더욱 향상시키기 위해 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 하나의 탄소섬유 펠트(10)가 복수회 권취되어 복수의 층을 형성한 중공원통형 탄소섬유 단열재는 내주면 및 외주면 중 적어도 하나의 면에 흑연 코팅층(20)을 더 포함할 수 있다.
이 때, 탄소섬유 단열재의 외주면에는 흑연 시트를 부착함으로써 흑연 코팅층(20)을 형성하는 것이 가능하나, 탄소섬유 단열재의 내주면에는 중공원통형 탄소섬유 단열재가 제조된 후 흑연 시트를 부착하는 것이 어려울 수 있다.
따라서, 최초 탄소섬유 펠트를 권취하기 전 흑연 시트 상에 탄소섬유 펠트가 권취되도록 할 수 있으며, 다른 예의 경우, 바인더 수지 내에 흑연 분말을 분산시킨 후 이를 탄소섬유 단열재의 내주면 또는 외주면에 도포하여 흑연 코팅층(20)을 형성할 수도 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 중공원통형 탄소섬유 단열재를 제조하기 위한 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중공원통형 단열재를 제조하기 위한 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도 4를 참조하면, 중공원통형 탄소섬유 단열재의 제조 장치(100)는 크게 탄소섬유 펠트 공급부(101), 함침부(102), 건조부(104) 및 권취롤(105)를 포함하도록 구성된다.
여기서, 탄소섬유 펠트 공급부(101)는 탄소섬유 펠트(110)를 제조 장치(100)의 일 방향으로 공급하기 위한 구성으로, 도 4에는 하나의 탄소섬유 펠트 공급부(101)가 도시되어 있으나, 복수개의 공급부(101)로 구성될 수 있다.
또한, 하나의 탄소섬유 펠트 공급부(101)는 단층의 탄소섬유 펠트(110)를 공급하도록 도시되어 있으나, 적층된 형태의 탄소섬유 펠트를 제조 장치(100)의 일 방향으로 공급할 수 있다.
만약 탄소섬유 펠트 공급부(101)가 복수개인 경우, 각각의 탄소섬유 펠트 공급부(101)는 단층 또는 적층된 형태의 탄소섬유 펠트(110)를 공급할 수 있다.
또한, 복수개의 탄소섬유 펠트 공급부(101)에 의해 공급되는 탄소섬유 펠트(110)는 함침부(102)에서 함침되기 전 별도의 권취 수단에 의해 권취된 후 적층된 형태로서 함침부(102)로 이송될 수 있다.
이와 같이 탄소섬유 펠트 공급부(101)를 복수개로 구비할 경우, 1회의 공정으로 다수의 탄소섬유 펠트(110)가 적층된 형태의 탄소섬유 단열재를 곧바로 제조할 수 있다는 장점이 있다.
이어서 함침부(102)에 대하여 설명하기로 한다.
함침부(102)는 탄소섬유 펠트 공급부(101)에 의해 공급된 탄소섬유 펠트(110)에 바인더 수지를 함침시키도록 구성된다.
일 실시예에 있어서, 함침부(102)는 바인더 수지가 포함된 챔버를 포함하며, 탄소섬유 펠트 공급부(101)에 의해 공급된 탄소섬유 펠트(110)는 챔버 내 포함된 바인더 수지를 통과하면서 펠트(110) 내 바인더 수지가 함침되도록 구성된다.
다른 실시예에 있어서, 함침부(102)는 함침부(102)로 공급되는 탄소섬유 펠트(110)의 상부 및 하부로부터 선택되는 적어도 하나의 방향을 향해 바인더 수지를 공급하기 위한 펌프가 배치된 챔버를 포함하도록 구성된다. 또한, 챔버의 하부에 배치되며, 탄소섬유 펠트(110)에 함침되지 않은 바인더 수지를 회수하기 위한 드레인부를 포함하도록 구성된다.
여기서, 탄소섬유 펠트(110)의 상부 및 하부로부터 선택되는 적어도 하나의 방향을 향해 바인더 수지를 공급하기 위한 펌프는 복수의 분사 노즐 형태일 수 있다.
즉, 복수의 분사 노즐은 일 방향으로 이송되는 탄소섬유 펠트(110)의 상부 및/또는 하부에 바인더 수지를 분사하여 펠트(110) 내로 바인더 수지가 함침되도록 구성된다.
이 때, 분사 노즐에 의한 바인더 수지의 분사 각도는 탄소섬유 펠트(110)에 대하여 수직일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 펠트(110)의 이송 방향 또는 이의 역방향에 대하여 경사지게 분사될 수도 있다.
또한, 분사 노즐을 이용하여 탄소섬유 펠트(110)를 향해 바인더 수지를 분사할 경우, 함침되지 않은 바인더 수지가 생기며 이는 챔버의 하부에 모이게 된다. 이러한 바인더 수지는 드레인부를 통해 회수될 수 있으며, 회수된 바인더 수지는 다시 분사 노즐로 공급됨에 따라 바인더 수지의 낭비 없이 재사용될 수 있도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 함침부(102)에 사용되는 바인더 수지에 대하여 보다 상세히 설명하면, 사용 가능한 바인더 수지로는 페놀 수지, 퓨란(furan) 수지, 함침용 피치, 에폭시 수지, 바이닐에스테르 수지, 폴리이미드 수지 및 슈크로스(sucrose)로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 또한, 상기 바인더 수지의 용제로는 메탄올, 에탄올, 아이소프로필 알코올, 뷰틸 알코올 및 벤질 알코올로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 다만, 반드시 상기에 명시된 바인더 수지 및 용제의 종류에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 사용되는 바인더 수지는 탄소섬유 단열재의 기계적 강도를 결정하는 중요한 원료이므로, 일반적으로 중합도가 높고 탄화 수율이 높은 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 함침이 용이한 레졸형 페놀 수지가 바람직하게 사용될 수 있다.
추가적으로 탄소섬유 단열재 바인더 수지로서 요구되는 특성은 금속 애쉬(ash)의 함량이다. 기본적으로 페놀 수지를 중합하기 위한 촉매로서 NaOH, KOH 등과 같은 알칼리 촉매를 사용하는 경우가 대부분인데, 페놀 수지를 함침한 후 탄소섬유 단열재를 고온에서 열처리할 경우 Na, K 등과 같은 알칼리 금속 또는 토금속 계열의 애쉬가 기화하여 고온형 로(furnace)에 결정 형태로 퇴적하게 된다.
특히, 고온형 로(furnace)의 폐가스가 배출되는 부분에서 결정화가 되기 쉬운데, 설비 유지 및 보수시 공기 중의 수분과 반응하여 폭발할 가능성이 높아 안정성이 문제된다.
따라서, 중합 촉매로서 암모니아류 혹은 아민류를 사용하여 제조한 페놀수지를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 바인더 수지를 용해시키기 위해 사용되는 용제로는 알코올 또는 필요에 따라 물과 알코올의 혼합 용액을 사용하는 것이 바람직하다. 건조 및 경화 공정에 따른 소요 시간을 고려할 경우, 끓는점이 낮은 메탄올을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
함침부(102)에 의해 함침이 이루어진 탄소섬유 펠트(110)는 스퀴징부(103)로 이송된다.
스퀴징부(103)는 탄소섬유 펠트(110)에 과함침된 바인더 수지(용제도 포함할 수 있음)를 제거함과 동시에 펠트(110) 내에 바인더 수지가 균일하게 함침되도록 하기 위한 구성이다.
일 실시예에 있어서, 스퀴징부(103)는 공급되는 탄소섬유 펠트(110)를 상부 및 하부 방향에서 가압하기 위한 상부 스퀴징롤 및 하부 스퀴징롤을 포함하는 것이 바람직하다.
여기서 상부 스퀴징롤과 하부 스퀴징롤에 의해 탄소섬유 펠트(110)의 상부 및 하부 방향으로 동일한 압력이 가해짐에 따라 펠트(110)의 전 면적에 걸쳐 바인더 수지가 균일하게 함침될 수 있게 된다.
또한, 스퀴징부(103)는 함침부(102)의 상부에 배치되는 것이 바람직하다.
따라서, 스퀴징부(103)에 의해 스퀴징되어 탄소섬유 펠트(110)로부터 제거되는 과함침된 바인더 수지가 함침부(102)로 회수되어 함침 공정에 재사용될 수 있다.
이 때, 스퀴징부(103)의 하부에 과함침되어 제거되는 바인더 수지를 회수하기 위한 별도의 회수부가 구비될 수 있다. 여기서 회수부는 함침부(102)의 드레인부와 동일한 역할을 수행하며, 즉 회수된 바인더 수지를 함침부(102)의 챔버 또는 분사 노즐로 공급하도록 구성된다.
추가적인 실시예에 있어서, 스퀴징부(103)의 상부 스퀴징롤 및 하부 스퀴징롤은 가열 수단(미도시)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 가열 수단은 탄소섬유 펠트(110)에 함침된 바인더 수지의 경화 온도 이하의 온도로 가열됨에 따라 용제의 일부만 증발되도록 한다. 예를 들어, 가열 수단은 약 100 ~ 200 ℃의 범위 내에서 선택되는 온도로 가열되며, 상기 온도 범위 내에서 선택되는 온도는 탄소섬유 펠트(110)에 함침된 바인더 수지의 경화 온도보다 낮도록 하는 것이 바람직하다.
스퀴징부(103)에 의해 탄소섬유 펠트(110)의 전 면적에 걸쳐 바인더 수지가 균일하게 함침되면, 이어서 탄소섬유 펠트(110)는 건조부(104)로 이송된다.
건조부(104)로 공급된 탄소섬유 펠트(110)는 송풍부에 의해 공급되는 온풍에 의해 용제의 일부만이 증발하게 된다.
여기서, 건조부(104)는 탄소섬유 펠트(110)에 함침된 바인더 수지의 경화 온도 이하의 온도로 가열됨에 따라 용제의 일부만 증발되도록 한다.
즉, 건조부(104)에 의한 건조는 용제의 상 변화를 수반하되, 바인더 수지의 상 변화는 수반하지 않는 온도 범위 내에서 송풍부에 의해 온풍이 공급되도록 하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 가열 수단은 약 100 ~ 200 ℃의 범위 내에서 선택되는 온도로 가열되며, 상기 온도 범위 내에서 선택되는 온도는 탄소섬유 펠트(110)에 함침된 바인더 수지의 경화 온도보다 낮도록 하는 것이 바람직하다.
건조부(104)에 의해 탄소섬유 펠트(110)에 함침된 바인더 수지는 경화되지 않고, 용제만 일부 제거됨으로써 추후 가압 공정시 탄소섬유 펠트(110)로부터 바인더 수지가 흘러나오는 것을 방지할 수 있게 된다.
이어서 탄소섬유 펠트(110)는 권취롤(105)로 이송된다.
이 때, 건조부(104)와 권취롤(105) 사이에는 건조된 탄소섬유 펠트(110)를 일정한 크기로 절단하기 위한 절단부(107)가 개재될 수도 있다.
절단부(107)에 의해 일정한 크기로 절단된 탄소섬유 펠트(110)는 권취롤(105)로 이송되어 적당한 크기의 중공원통형 단열재로 성형될 수 있으며, 중공원통형 탄소섬유 단열재의 두께를 고려하여 절단부(107)에 의해 절단되는 탄소섬유 펠트(110)의 길이가 절단되리 수 있다.
권취롤(105)은 탄소섬유 펠트(110)를 중공원통형으로 권취하도록 구성되며, 권취롤(105)의 외주면에는 원통형으로 권취되는 탄소섬유 펠트(110)에 일정한 압력을 가하기 위해 권취롤(105)과 반대 방향으로 회전하는 적어도 하나의 가압롤(106)이 구비된다.
이 때, 권취롤(105)의 회전 속도는 가압롤(106)의 회전 속도보다 작도록 구성되는 것이 바람직하며, 권취롤(105)과 가압롤(106)의 회전 속도를 서로 달리함으로써 하나의 탄소섬유 펠트가 복수회 권취되어 복수의 층을 형성할 때, 탄소섬유 단열재 내에서 탄소섬유 펠트의 부피 밀도가 점진적으로 변화하도록 할 수 있다.
즉, 권취롤(105)과 가압롤(106)의 회전 속도 조절을 통해 최초 권취롤(105)에 감기는 탄소섬유 펠트의 두께를 얇게 함으로써 상대적으로 외경이 작은 층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도를 높게 만들고, 탄소섬유 펠트의 외경이 커질수록 두께가 점진적으로 증가하고 이에 따라 부피 밀도 역시 점진적으로 증가하도록 만든다.
보다 구체적으로, 하기의 식 1에 의해 계산된 권취롤(105)과 가압롤(106)의 회전 속도비(Q)는 1 미만인 것이 바람직하다.
[식 1]
권취롤의 회전 속도(RPMM) = 1/((π * M);
가압롤의 회전 속도(RPMp) = 1 / (π * P * Q);
권취롤과 가압롤의 회전 속도비(Q) = RPMp * π * P / (1 m/min);
권취롤의 외경 = M;
가압롤의 외경 : P.
상기 식 1에 따른 권취롤(105)과 가압롤(106)의 회전 속도비(Q)를 1 미만으로 함으로써 상대적으로 외경이 작은 층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 상대적으로 외경이 큰 층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도보다 큰 중공원통형 탄소섬유 단열재를 제조하는 것이 가능하다.
이와 같이, 권취롤(105)과 가압롤(106)의 회전 속도비(Q)를 조절함으로써 중공원통형 탄소섬유 단열재 내 탄소섬유 펠트의 부피 밀도를 조절하는 것이 가능해짐에 따라, 계면 접합력이 다른 단열재 구조보다 뛰어난 중공원통형 탄소섬유 단열재를 제조하는 것이 가능하며, 제조 공정의 난이도 및 비용 역시 획기적으로 저감된다는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
실시예
실시예 1
권취롤과 가압롤의 간격 계산 : 롤 간격 = target 단열재 두께 - 5 mm
탄소섬유 펠트 길이 계산 : 탄소섬유 펠트 길이 L = π * (R2 - M2) / 2t
귄취 속도 기준 : 단열재 외경의 선속도 = 1 m/min 을 기준으로 함
(실험 편의상 1 m/min 으로 하였고, 다양한 속도로도 가능함)
권취롤의 회전 속도(RPMM) = 1/((π * M)
가압롤의 회전 속도(RPMp) = 1 / (π * P * Q)
권취롤과 가압롤의 회전 속도비(Q) = RPMp * π * P / (1 m/min)
단열재 외경 : R
권취롤 외경 : M
가압롤 외경 : P
탄소섬유 펠트 두께 : t
내경 150 mm, 외경 350 mm, 평균 부피밀도 0.145 g/㎤ 의 중공원통형 탄소섬유 단열재를 만들기 위하여, 두께 10T, 부피밀도 0.05 g/㎤, 길이 173 cm 의 탄소섬유 펠트에 페놀수지 바인더(강남화성, KC-4703)를 일정량 함침 시킨 후 건조하였다.
직경 140 mm의 권취롤에 이형필름을 감은 후 함침 후 건조된 탄소섬유 펠트를 고정한다. 직경 50 mm의 가압롤을 이동하여 권취롤과의 간격을 10.5cm 로 고정하고, 가압롤은 6.048 rpm, 권취롤은 0.884 rpm 으로 작동시켜 권취롤과 가압롤의 회전 속도비(Q)를 0.95로 설정하였다.
또한, 권취롤에 탄소섬유 펠트가 모두 감긴 후 이형지를 감아 고정하여 탄소섬유 펠트가 풀리지 않도록 하였다.
마지막으로, 150℃에서 경화, 1000℃에서 탄화 및 2000℃에서 흑연화를 순차적으로 진행하고, 내경 150 mm, 외경 350 mm로 가공하여 초고온로에서 사용이 가능한 중공원통형 탄소섬유 단열재를 완성하였다.
실시예 2
가압롤은 5.730 rpm, 권취롤은 0.884 rpm 으로 작동시켜 권취롤과 가압롤의 회전 속도비(Q)를 0.90로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 중공원통형 탄소섬유 단열재를 완성하였다.
실시예 3
가압롤은 5.411 rpm, 권취롤은 0.884 rpm 으로 작동시켜 권취롤과 가압롤의 회전 속도비(Q)를 0.85로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 중공원통형 탄소섬유 단열재를 완성하였다.
비교예 1
가압롤은 6.366 rpm, 권취롤은 0.884 rpm 으로 작동시켜 권취롤과 가압롤의 회전 속도비(Q)를 1로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 중공원통형 탄소섬유 단열재를 완성하였다.
비교예 2
탄소섬유 팰트에 바인더의 함침량을 약 33% 줄이고, 가압롤은 6.366 rpm, 권취롤은 0.884 rpm 으로 작동시켜 권취롤과 가압롤의 회전 속도비(Q)를 1로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 탄소섬유 단열재를 완성하였다.
비교예 3
탄소섬유 팰트에 바인더의 함침량을 약 33% 늘리고, 가압롤은 6.366 rpm, 권취롤은 0.884 rpm 으로 작동시켜 권취롤과 가압롤의 회전 속도비(Q)를 1로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 중공원통형 탄소섬유 단열재를 완성하였다.
실험방법
중공원통형 탄소섬유 단열재의 부피 밀도 측정
실시예 및 비교예에 따라 제조된 중공원통형 탄소섬유 단열재의 크기와 무게를 측정하여 전체 평균 부피 밀도를 확인하였다. 그 후, 중공원통형 탄소섬유 단열재를 두께 방향으로 자르고, 층간 분리 및 같은 크기로 잘라 각 층의 무게와 두께를 측정하여 층간 부피 밀도를 계산하고, 그 분포를 측정하였다.
하기의 표 1에는 최내층(안쪽) 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도와 최외층(바깥쪽) 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도를 기재하였다.
B.D. (g/㎤)
전체 안쪽 바깥쪽
실시예1 0.145 0.152 0.138
실시예2 0.145 0.159 0.131
실시예3 0.145 0.167 0.123
비교예1 0.145 0.145 0.145
비교예2 0.130 0.130 0.130
비교예3 0.160 0.160 0.160
상기 표 1을 참조하면, 실시예에 따라 권취롤과 가압롤의 회전 속도비(Q)를 1 미만으로 설정하여 제조된 중공원통형 탄소섬유 단열재의 경우, 최내층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 0.145 ~ 0.170 g/cm3 범위 내에 존재하며, 최외층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 0.115 ~ 0.145 g/cm3 범위 내에 존재하는 것을 확인하였다.
또한, 층간 부피 밀도를 계산한 결과, 실시예들에 따라 제조된 중공원통형 탄소섬유 단열재의 경우, 최내층(안쪽) 내의 탄소섬유 펠트에서 최외층(바깥쪽) 내의 탄소섬유 펠트로 갈수록 탄소섬유 펠트의 부피 밀도가 점진적으로 감소하는 것을 확인할 수 있는 반면, 비교예들에 따라 제조된 중공원통형 탄소섬유 단열재의 경우, 각 층간 두께 및 부피 밀도의 변화가 거의 확인되지 않았다.
또한, 실시예들에 따라 제조된 중공원통형 탄소섬유 단열재에서 서로 접하여 하나의 계면을 형성하는 두 탄소섬유 펠트의 부피 밀도 차이가 모두 0.01 g/cm3 이하인 것으로 확인되어, 탄소섬유 펠트의 부피 밀도가 안쪽부터 두께 방향을 따라 점진적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
중공원통형 탄소섬유 단열재의 외벽 온도 및 히터 출력 측정
실시예 및 비교예에 따라 제조된 중공원통형 탄소섬유 단열재의 열 전도성을 평가하기 위해 질소 분위기의 2000 ℃에서 3시간 동안 유지한 후 단열재의 외벽의 온도를 측정하였다.
히터 출력은 2000 ℃에서 3시간 동안의 평균 전력(kW)을 측정하였다.
측정 결과는 하기의 표 2에 기재되어 있다.
외벽온도(℃) 히터 출력(kW)
실시예 1 355 105.1
실시예 2 344 100.2
실시예 3 330 97.0
비교예 1 368 109.4
비교예 2 381 111.8
비교예 3 360 107.6
실시예 및 비교예에 따라 제조된 중공원통형 탄소섬유 단열재의 외벽에서의 온도를 측정한 결과, 실시예에 따라 제조된 중공원통형 탄소섬유 단열재의 외벽 온도는 비교예의 결과보다 월등히 낮은 것을 확인할 수 있었다.
즉, 상기 표 2의 결과를 통해 본 발명의 실시예에 따른 중공원통형 탄소섬유 단열재가 열 복사 및 열 전도와 같은 다양한 형태의 열 전달을 효과적으로 감소시킬 수 있는 것을 확인하였다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 하나의 탄소섬유 펠트가 복수회 권취되어 복수의 층을 형성한 중공원통형 탄소섬유 단열재로서,
    상대적으로 외경이 작은 층에서 상대적으로 외경이 큰 층으로 갈수록 탄소섬유 펠트의 부피 밀도가 점진적으로 감소하는,
    중공원통형 탄소섬유 단열재.
  2. 제1항에 있어서,
    최내층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 상기 단열재의 평균 부피 밀도의 1 내지 1.3배이며,
    최외층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 상기 단열재의 평균 부피 밀도의 0.7 내지 1배인,
    중공원통형 탄소섬유 단열재.
  3. 제2항에 있어서,
    최내층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 0.145 ~ 0.170 g/cm3이며,
    최외층 내의 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 0.115 ~ 0.145 g/cm3인,
    중공원통형 탄소섬유 단열재.
  4. 제3항에 있어서,
    서로 접하는 탄소섬유 펠트의 부피 밀도 차이는 0.01 g/cm3 이하인,
    중공원통형 탄소섬유 단열재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 펠트는 서로 동일 또는 상이한 탄화율을 가지는 탄소섬유 매트가 두께 방향으로의 니들 펀칭에 의해 결속된 탄소섬유 펠트이며,
    상기 탄소섬유 단열재 내에서 상기 탄소섬유 펠트 사이의 접합면에 수직인 방향과 상기 탄소섬유 펠트의 니들 펀칭 방향은 서로 엇갈리도록 존재하는,
    중공원통형 탄소섬유 단열재.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 탄소섬유 단열재 내에서 상기 탄소섬유 펠트 사이의 접합면에 수직인 방향에 대하여 상기 탄소섬유 펠트의 니들 펀칭 방향이 사선으로 존재하는,
    중공원통형 탄소섬유 단열재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 단열재의 두께가 100 mm일 때, 2000 ℃에서 상기 탄소섬유 단열재의 열전도도는 0.5 W/m.K 이하인,
    중공원통형 탄소섬유 단열재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 단열재의 내주면 및 외주면 중 적어도 하나의 면에 흑연 코팅층을 더 포함하는,
    중공원통형 탄소섬유 단열재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 펠트가 권취되는 방향을 따라 상기 탄소섬유 펠트의 부피 밀도는 점진적으로 감소하는,
    중공원통형 탄소섬유 단열재.
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