KR20190111667A - 비금속 열전도성 패드 층을 이용하여 온도분포 균일성을 개선한 전기히터자켓 - Google Patents

Abstract

본원 발명은 전기히터자켓의 발열부에서 생성된 열들을 가열 대상 물질의 내부로 고르게 전달되게 하기 위하여 전기히터자켓의 발열부와 내피 사이에 열전도성이 우수한 방열층을 추가한 전기히터자켓에 관한 것이다.

Description

비금속 열전도성 패드 층을 이용하여 온도분포 균일성을 개선한 전기히터자켓{The electrical heater jacket with a layer of the thermally conductive non metallic pad to improve temperature homogeneity}

본원 발명은 전기히터자켓의 발열부와 내피 사이에 열전도성이 우수한 비금속 방열층을 추가한 전기히터자켓에 관한 것이다.

반도체 제조, 화학제품 제조, 발전, 플라스틱 사출, 식품 처리 등의 다양한 산업 공정에서 유체를 이송 또는 저장하면서 제조 공정이 필요로 하는 특정 온도를 유지하고 온도 저하로 인한 이들 유체의 액화, 고화와 공정 내 침적을 방지하기 위하여 히터자켓이 사용된다. 이들 히터자켓은 산업 공정 내 기기 및 배관의 이차원 또는 삼차원의 곡면이나 평면을 덮어서 열을 전달하는 가열 기능과 히터의 열이 외부로 낭비되고 작업자가 화상을 입는 것을 방지하기 위한 단열 기능을 지닌다.

특히, 반도체, 평판디스플레이, LED, 태양광발전소자 제조 공정에서는 수율 증진 관점에서 공정 온도 유지가 매우 중요하며, 공정 온도 유지를 위해서 전기식 히터자켓이 보편적으로 사용되고 있다.

이들 히터자켓은 저장용기, 파이프, 필터, 이음쇠, 밸브 등의 내부에서 유동하는 액체나 기체의 온도를 특정 온도로 올리거나 특정 온도를 유지하기 위하여 전술한 설치요구자재의 외형을 직접 감싸 덮도록 설치되는 제품이다.

종래의 기술을 살펴보면, 이러한 히터자켓은 글라스울, 폴리아미드, 에어로젤 등 다양한 종류의 단열재 내면에 발열체를 부착시키고, 발열부는 내피로 둘러싸고, 단열재는 외피로 둘러싸는 형태로 제조되고 있다.

상기 내피와 외피의 소재로 종래에는 실리콘고무가 주로 사용되었으나 반도체 공정의 온도가 200℃ 이상으로 상승하는 추세로 폴리테트라플루오로에틸렌 (polytetrafluoroethylene; PTFE) 등 불소수지의 사용이 늘어나고 있다. PTFE의 융점은 327℃ 이며 250℃가 넘으면 열화가 시작된다.

상기 히터자켓은 니크롬선을 열선으로 사용하여 공정온도 유지에 요구되는 열출력을 달성하고 있는데 반도체, 평판디스플레이, LED, 태양광발전소자 제조 공정에서는 150℃~ 250℃의 고온이 요구되며 이러한 고온을 유지하려면 히터자켓의 단위면적당 열출력이 저온 공정용보다 매우 높아야 한다.

특히 강관, 튜브, 배관이음쇠, 밸브 등이 소구경일 경우에는 기존의 히터자켓은 소구경이라는 공간적 제약으로 인하여 니크롬선을 촘촘하게 배열할 수가 없는바, 가열대상물의 온도 분포가 불균일해지고 국부적으로 공정 유체의 액화, 고화와 공정 내 침적이 일어날 수가 있다.

이런 문제점을 해결하기 위해서는 열선의 출력을 보다 높게 하여 외피 전체가 일정 온도 이상이 되도록 하는 방법이 있으나, 이 경우에도 온도분포의 불균일은 계속되어 250℃ 이상의 과열 부위에서 PTFE로 만든 내피의 국부적 열화가 개시되고 소비 전력이 늘어나는 문제점이 있다.

또한 이러한 문제점을 해결하기 위하여 금속 방열층을 발열체와 내피 사이에 설치하는 시도가 있으나 금속 방열층의 두께가 너무 얇으면 파단될 우려가 있고, 너무 두꺼우면 가요성이 저하된다. 또한 발열체를 구성하는 열선과 금속 방열층 사이에 전기 절연성을 별도로 확보해야 한다.

한편 상기와 같은 문제점들에 대응하기 위한 다수의 공지된 문헌들을 살펴보면 아래와 같다.

한국등록특허 제0946218호(2010.03.02)에서는 본체부는 열을 발생시키는 발열체를 포함하고, 유동 라인 방향으로는 발열체로부터 전달되는 열의 양이 많으며, 외측 방향으로는 발열체로부터 전달되는 열의 양이 적은 구조를 갖고, 밀착부는 재킷 본체부보다 우수한 열전달율을 가지는 것으로서, 재킷 본체부와 유동 라인 사이에 밀착되도록 개재되어 유동 라인으로의 열전달이 균일하고, 열전달 효율이 높은 단열 히트 재킷을 개시하고 있다. 그러나, 열전달 면적이 협소한 공간에서 균일한 열 분포로 고온 가열이 가능한 전기식 히터자켓은 개시된 바 없다.

한국등록특허 제0978797호(2010.08.30)에서는 실리콘 재질의 환형의 부재로서 내부에 히팅 코일이 균일하게 이격되어 설치된 실리콘 자켓; 및 상기 배관을 둘러싸도록 내부가 환형으로 형성된 알루미늄 부재로서 상기 실리콘 자켓과 상기 배관사이에 위치하는 알루미늄 블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄블록에 의해 열전달의 균일도를 증가시켜 열전달효율이 증가된 히터자켓이 개시되어 있다. 그러나, 열전달 면적이 협소한 공간에서 균일한 열 분포로 고온 가열이 가능한 전기식 히터자켓은 개시된 바 없다.

한국등록특허 제0990157호(2010.10.20)에서는 가스배출관을 감싸는 절연시트; 절연시트의 외면에 일정 패턴으로 배열된 상태로 고정되는 열선; 열선이 고정된 절연시트의 외면에 합봉되는 단열재; 단열재의 외면에 코팅되는 보호막을 포함하는 히터자켓이 개시되어 있다. 그러나, 열전도층을 포함함으로써 열전달 면적이 협소한 공간에서 균일한 열 분포로 고온 가열이 가능한 전기식 히터자켓은 개시된 바 없다.

한국공개특허 제2016-0044804호(2016.04.26)에서는 내피와 열선 사이에 열선의 내측을 감싸는 구리시트가 내장된 히터자켓이 개시되어 있다. 그러나, 열전달 면적이 협소한 공간에서 균일한 열 분포로 고온 가열이 가능한 전기식 히터자켓은 개시된 바 없다.

한국등록특허 제0946218호(2010.3.2) 한국등록특허 제0978797호(2010.08.24) 한국등록특허 제0990157호(2010.10.20) 한국공개특허 제2016-0044804호(2016.04.26)

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 창출된 본원 발명은 강관, 튜브, 배관이음쇠, 밸브 등으로 이루어진 소구경 배관장치를 균일한 온도 분포로 고온 가열이 가능하도록 하고 전기히터자켓 내피의 국부적 과열로 인한 내피 열화를 방지할 수 있는 전기히터자켓을 제공하는데 목적을 두고 있다.

전술한 과제의 해결 수단으로서 본원 발명은, 전기히터자켓의 발열부에서 생성된 열들을 가열 대상 물질의 내부로 고르게 전달되게 하기 위하여 전기히터자켓의 발열부와 내피 사이에 열전도성이 우수한 비금속성 방열층을 추가한 전기히터자켓을 제공한다.

상기 방열층은 상기 내피의 외주면을 감싸는 시트 형태로 부착될 수 있다.

상기 방열층은 유리 섬유로 보강된 구조, 일면 또는 양면에 요철이 형성된 구조, 주름이 형성된 구조, 양면이 평평한 필름 형태구조, 또는 매쉬구조 중 어느 하나 이상의 구조로 형성될 수 있다.

상기 발열부는 발열클로스(cloth) 상에 열선이 봉제선에 의해 일정간격으로 고정될 수 있다.

상기 봉제선은 발열부에서 발생된 열을 배관 내부로 균일하게 전달하도록 열전도성 소재를 포함할 수 있다.

상기 방열층은 열전도성 고분자 복합 소재, 그래핀, 액상 또는 젤 타입의 광물 오일, 글리콜(PAG), 실리콘 오일 및 서멀 그리스(thermal grease)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.

상기 고분자 복합 소재는 고분자 소재에 열전도체가 첨가되는 것이다.

상기 고분자 소재는 프탈산수지, 실리콘수지, 비닐 수지, 아크릴 수지, 스티롤 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지 등의 열가소성수지; 에폭시 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리우레탄 수지 등의 열경화성 수지; 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리설퍼나이트라이드(poly sulfur nitride) 등의 전도성 고분자 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 열전도체는 중공형 미립자, 침상, 구상, 또 필러 중 어느 하나 이상의 형태일 수 있다.

본원 발명에 따른 배관, 이음쇠, 밸브 등으로 이루어진 소구경 배관장치가열용 전기히터자켓은 발열부와 내피 사이에 열전도성이 우수한 시트 형태의 비금속성 방열층을 추가함으로써, 제한된 공간적 조건에서 전기히터자켓 열선배치 간격을 좁히기가 불가능하여 발열부의 온도 분포가 고르지 않은 상황에서도 발열부에서 발생되는 열이 방열층을 통해 고르게 가열 부위로 확산되므로 가열부위의 온도분포 균일도를 개선할 수가 있으며, 히터자켓 내피의 국부적 과열로 인한 내피 열화를 방지할 수 있다.

또한 본원 발명에서는 열선으로 발생되는 열이 방열층에 의해 균일하게 확산되기 때문에 히터자켓 열선 배치간격에 여유를 줄 수가 있고 열선 봉제의 난이도를 감소시킬 수가 있으며, 방열층이 비금속 재료로 이루어지면 금속 재료로 이루어진 방열층과는 달리 봉제가 가능하므로 상기 발열부와 상기 내피 사이에 고정이 용이하다.

도 1은 본원 발명 이전의 일반적인 PTFE 전기히터자켓의 구조를 개념적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본원 발명의 일실시예에 따른 PTFE 전기히터자켓의 구조를 개념적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본원 발명의 일실시예에 따른 PTFE 전기히터자켓의 온도분포와 종래 방식의 히터자켓의 온도분포를 비교해 보여주는 열화상 사진이다.

이하에서는, 본원 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본원 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본원 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 방열층이 없는 본원 발명 이전의 일반적인 PTFE 전기히터자켓의 구조가 개념적으로 도시되어 있다.

도 2에는 본원 발명의 하나의 실시예에 따른 전기히터자켓의 구조가 개념적으로 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 본발명은 도 1의 구조에 방열층이 추가되었다. 즉, 배관의 외주면과 접촉하여 감싸주면서 절연기능을 갖는 내피와, 상기 내피의 외측을 감싸는 발열부와, 상기 발열부의 외측을 감싸는 단열재와, 상기 단열재의 외측면을 감싸주면서 절연기능을 갖는 외피를 구비하고, 발열부와 내피 사이에 방열층을 포함하고 있다.

상기 방열층의 두께는 0.15밀리미터 이상 0.85밀리미터 이하일 수 있다.

상기 방열층의 소재는 열전도성 소재를 포함 할 수 있다.

상기 방열층의 소재는 비금속 열전도성 소재를 포함할 수 있다.

상기 발열부는 열선에 형성된 봉제선에 의해 발열클로스에 형성될 수 있다.

상기 발열부는 발열클로스 상에 열선이 봉제선에 의해 일정간격으로 고정될 수 있다.

상기 봉제선은 발열부에서 발생된 열을 배관 내부로 균일하게 전달하도록 비금속성 열전도성 소재를 포함할 수 있다.

상기 열선은 발열클로스의 외면에 일정 패턴, 예를 들어서 지그 재그로 배열된 상태로 구성될 수 있다.

상기 열선은 와트 밀도가 0.15 W/㎠ 이상이라면 특별히 제한은 없고, 예컨대, 통전에 의해 발열하는 니크롬선, 스테인리스 스틸, 구리, 카본, 아라미드, 화이바얀 등의 도전성 재질이며, 직경은 0.05mm 내지 1.5mm일 수 있다.

상기 발열클로스(cloth)는 유리 섬유나, 실리카 섬유, 알루미나 섬유, 실리카알루미나 섬유 등의 무기 섬유로 이루어진 무기 섬유제를 이용할 수 있다.

상기 방열층은 열전도성 비금속 소재로 이루어진 시트 형태로 부착될 수 있다. 이러한 구조에 의해, 발열부에서 발생된 열이 방열층을 통해 배관 내부로 균일하게 확산된다.

상기 방열층이 비금속 재료로 이루어지면 금속 재료로 이루어진 방열층과는 달리 봉제가 가능하므로 고정이 용이하다.

상기 발열층은 일면 또는 양면에 요철이 형성된 구조, 주름이 형성된 구조, 또는 매쉬구조 중 어느 하나 이상의 구조로 형성될 수 있다.

이 경우, 상기 방열층을 원관형의 형태로 구부릴 때 작업이 용이하게 이루어진다.

상기 방열층은 열전도성 고분자 복합소재, 금속 소재, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT), 그래파이트(graphite), 그래핀(graphene), 다이아몬드(diamond), 풀러린(fullerene), 카본블랙(carbon black), 액상 또는 젤 타입의 광물 오일, 글리콜(PAG), 실리콘 오일 및 서멀 그리스(thermal grease)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 또한 이에 한정되지 않고 상기 소재 외에 다른 첨가물을 포함할 수도 있다.

상기 금속 소재는 Al, Ag, Au, Cu, Ni, Sn, Pt, Si, Ge, In, Sb, Pb, Bi, Cd, Zn, Mo, W 및 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있고, 가장 바람직하게 상기 열전도성층은 Al, Ag, Au, Cu, Ni, Sn, In 및 이들의 조합으로 이루어진 것일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 다른 종류의 금속일 수도 있으며 상기 금속 외에 다른 첨가물을 포함할 수도 있다.

상기 열전도성 고분자 복합재는 고분자 소재에 열전도체를 첨가하여 분산시키고, 분산된 용액에 경화제 및 용매를 첨가하여 경화시킴으로써 제조된 것일 수 있다.

상기 고분자 수지는 실리콘수지, 프탈산수지, 비닐 수지, 아크릴 수지, 스티롤 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지 등의 열가소성수지; 에폭시 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리우레탄 수지 등의 열경화성 수지; 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리설퍼나이트라이드(poly sulfur nitride) 등의 전도성 고분자 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 고분자 수지는 침상, 구상, 또 필러 중 어느 하나 이상의 형태의 열전도체를 포함할 수 있다.

상기 열전도체는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화카본, 알루미늄, 니켈, 금, 은, 구리 분말 등의 금속 분말; 또는 1종의 금속위에 이종의 금속으로 coating된 core/shell 구조를 가지고 있는 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커(Whisker); 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 1종 또는 그 이상 혼합하여 사용할 수 있다.

또는, 상기 열전도성 고분자 복합재는 고분자 소재로 형성된 시트에 열전도체를 포함하는 열전도층을 형성함으로써 제조된 것일 수 있다.

상기 열전도층은 도금, 용사 코팅, 화학적증기증착법 (CVD), 원자층증착법 (ALD), 스퍼터링법, 증착법 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 방법으로 형성되는 것일 수 있다.

상기 열전도체는 중공형 미립자, 침상, 구상, 또는 필러 중 어느 하나 이상의 형태일 수 있다.

상기 고분자 소재는 프탈산수지, 비닐 수지, 실리콘 수지, 아크릴 수지, 스티롤 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지 등의 열가소성수지; 에폭시 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리우레탄 수지 등의 열경화성 수지; 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리설퍼나이트라이드(poly sulfur nitride) 등의 전도성 고분자 중 어느 하나 이상을 포함 할 수 있다.

상기 열전도체는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화카본, 알루미늄, 니켈, 금, 은, 구리 분말 등의 금속 분말; 또는 1종의 금속위에 이종의 금속으로 coating된 core/shell 구조를 가지고 있는 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커(whisker); 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 1종 또는 그 이상 혼합물을 포함할 수 있다.

본원 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 발열클로스에 열선을 고정하는 봉제선은 열전도성 소재를 포함할 수 있다.

상기 봉제선은 열전도성소재를 포함하는 와이어 형태로 형성될 수 있다. 또는, 유리 섬유, 실리콘 유리섬유 및 실리카(Silica)가 함유된 합성수지 섬유 중 어느 하나에 열전도성 소재를 함침 또는 코팅하여 형성할 수 있다.

봉제선이 열전도성 소재를 포함하는 경우 발열부에서 발생된 열이 주변부에 더욱 효과적으로 전달되는 장점이 있다.

도 3은 본원 발명의 일 실시예에 따른 방열층이 추가된 전기식 히터자켓과 본원 발명 이전의 전기식 히터자켓 내피의 온도분포를 보여주는 열영상 사진이다. 도 3은 본원 발명 이전의 전기식 히터자켓은 열선 부근에서 고온이 형성되는 온도 비균일성을 지니지만 본원 발명의 일 실시예에 따른 방열층이 추가된 전기식 히터자켓의 온도분포는 자켓 전반에 걸쳐서 균일성이 향상되었음을 알 수가 있다.

이와 같이 다양한 실시예로 이루어지는 본원 발명이 제공하는 전기식히터자켓 및 그 제조방법에 따르면, 구조적으로 전기식히터자켓의 열전달효율과 온도분포 균일도를 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

이상, 본원 발명을 본원 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본원 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것은 아니다.

그밖에도, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본원 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본원 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 한다.

101: 외피
102: 단열재
103: 열선
104: 발열 클로스
105: 열전도 방열층
106: 내피

Claims (9)

1. 전기히터자켓의 발열부에서 생성된 열들을 가열 대상 물질의 내부로 고르게 전달되게 하기 위하여 전기히터자켓의 발열부와 내피 사이에 열전도성이 우수한 비금속성 방열층을 추가한 전기히터자켓.
2. 제1항에 있어서,
   상기 방열층은 상기 내피의 외주면을 감싸는 시트 형태로 부착되는 전기히터자켓.
3. 제1항에 있어서,
   상기 방열층은 유리 섬유로 보강된 구조, 일면 또는 양면에 요철이 형성된 구조, 주름이 형성된 구조, 양면이 평평한 필름 형태구조, 또는 매쉬구조 중 어느 하나 이상의 구조로 형성되는 전기히터자켓.
4. 제1항에 있어서,
   상기 발열부는 발열클로스 상에 열선이 봉제선에 의해 일정간격으로 고정되는 것을 특징으로 하는 전기히터자켓.
5. 제4항에 있어서,
   상기 봉제선은 발열부에서 발생된 열을 배관 내부로 균일하게 전달하도록 열전도성 소재를 포함하는 전기히터자켓.
6. 제1항에 있어서,
   상기 방열층은 열전도성 고분자 복합 소재, 그래핀, 액상 또는 젤 타입의 광물 오일, 글리콜(PAG), 실리콘 오일 및 서멀 그리스(thermal grease)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 전기히터자켓.
7. 제6항에 있어서,
   상기 고분자 복합 소재는 고분자 소재에 열전도체가 첨가된 전기히터자켓.
8. 제7항에 있어서,
   상기 고분자 소재는 프탈산수지, 실리콘수지, 비닐 수지, 아크릴 수지, 스티롤 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지 등의 열가소성수지; 에폭시 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리우레탄 수지 등의 열경화성 수지; 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리설퍼나이트라이드(poly sulfur nitride) 등의 전도성 고분자 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 전기히터자켓.
9. 제7항에 있어서,
   상기 열전도체는 중공형 미립자, 침상, 구상, 또 필러 중 어느 하나 이상의 형태인 것인 전기히터자켓.

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