KR20210006922A - 멀티섕크형 히터 - Google Patents
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Abstract
지지 기체에 설치되는 멀티섕크형 히터이며, 상기 히터측으로부터 상기 지지 기체측을 향하는 지지 기체에 대한 법선 방향을 기준으로 하여, 상기 히터측으로부터 상기 지지 기체측을 향하는 U자 피스의 평면 방향의 각도 θ가 ±10° 이상 ±60° 이하인 U자 피스가 존재하는 것을 특징으로 하는 멀티섕크형 히터. 본 발명은, U자 피스를 고밀도로 배치하여 동일 피치이더라도 에너지 출력을 대폭 향상시킬 수 있는 멀티섕크형 히터를 제공하는 것을 과제로 하는 것이다.
Description
본 발명은 멀티섕크형 히터에 관한 것이다.
이규화몰리브덴(MoSi2)을 주성분으로 하는 히터는 우수한 내산화 특성을 갖는 점에서, 대기 또는 산화성 분위기 하에서 사용하는 초고온 히터로서 오래전부터 사용되었고, 현재까지 폭넓은 용도로 사용되고 있다. 이 이규화몰리브덴 히터는 주성분으로서 MoSi2를 70wt% 이상 함유하며, 전기 저항을 증가시키기 위하여 SiO2 등의 절연성 산화물 등이 첨가되는 경우가 있다.
현재, 유리 공업이나 세라믹스 소성 등의 많은 분야에서 사용되고 있는 이규화몰리브덴을 주성분으로 하는 히터는, 환봉형 MoSi2재를 고온 하에서 연화시키고 이를 굽혀 하나의 U자를 이루는 형상(2섕크형)으로 가공하고, 이를 U자의 배향이 교대로 반대 방향으로 용접하여 연결시킨 멀티섕크형으로 이루어지는 것이다. 이것이 노의 천장이나 측벽 등의 지지 기체에 설치되어 사용된다.
현재, 시판되고 있는 멀티섕크형 히터의 규격은, 발열부와 단자부의 선 직경이 각각 φ3㎜/φ6㎜, φ4㎜/φ9㎜, φ6㎜/φ12㎜, φ9㎜/φ18㎜, φ12㎜/φ24㎜ 등으로 된다. 히터에 통전하면, 직경이 가는 고저항의 부분이 고온으로 되어 발열부로서의 역할을 담당하고, 직경이 굵은 저저항의 부분은 발열을 억제하여, 급전하는 부분을 저온으로 유지하기 위한 단자부의 역할을 담당한다.
이와 같은 멀티섕크형 히터에 관하여 특허문헌 1에는, 다존의 멀티섕크 히터에 있어서, 각 존 사이가 데드 스페이스(온도가 높아지지 않는 영역)로 되기 때문에, 이를 해소하는 방법으로서 존 사이에서의 구부림부끼리가 맞물리는 상태로 배열하는 것이 개시되어 있다. 또한 특허문헌 2에는, 멀티섕크 히터에서는 미묘한 온도 조정에 문제가 있기 때문에 U자 혹은 W자 히터로 하는 것이 기재되어 있다.
멀티섕크형 히터의 에너지 출력을 높이기 위해서는 U자 간격(피치)을 좁게 하는 것을 생각할 수 있지만, 상기 피치에는 하한이 존재하고 그것은 U자 피스의 직경에 의존한다. 하한보다도 좁은 간격으로 구부린 경우에는, U자의 만곡부에 크랙이 발생하여 굽힘 가공 중에 단선되는 경우가 있을 수 있다. 이와 같은 피치의 제한은 멀티섕크형 히터에 있어서 에너지 출력의 제한으로 되어 있었다.
또한 출력을 높이기 위하여 히터에 대한 전류를 증가시킨다는 수단도 있지만 과잉 전류는 히터의 수명을 단축하게 되어서, 특히 히터 자체의 가격이 높으며 교환 작업도 번잡하고 시간도 걸리는 MoSi2의 멀티섕크형 히터에 있어서 그와 같은 행위는 득책이 아니다. 이와 같이 종래에는, 히터의 설치 스페이스(노내 표면적)가 정해지면 필연적으로 출력의 상한이 정해져 버린다는 문제가 있었다.
그래서 본 발명은, 상술한 종래의 멀티섕크형 MoSi2 히터가 갖는 문제를 해결하기 위하여 제안된 것이며, U자 피스를 고밀도로 배치하여 동일 피치이더라도 에너지 출력을 대폭 향상시킬 수 있는 멀티섕크형 히터를 제공하는 것을 과제로 하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 제안된 것이며, 본 발명의 실시 형태에 따른 멀티섕크형 히터는, 상기 히터측으로부터 상기 지지 기체측을 향하는 지지 기체에 대한 법선 방향을 기준으로 하여, 상기 히터측으로부터 상기 지지 기체측을 향하는 U자 피스의 평면 방향의 각도 θ가 ±10° 이상 ±60° 이하인 U자 피스가 존재하는 것을 요지로 하는 것이다.
본 발명에 따르면, 각 U자 피스를 고밀도로 배치할 수 있으므로, 발열부의 총길이를 연장할 수 있어서 단위 설치 면적당 에너지 출력을 대폭 향상시킬 수 있다는 우수한 효과를 갖는다.
도 1은 종래의 멀티섕크형 히터의 단면도(상측 도면: 위에서 본 도면, 하측 도면: 정면에서 본 도면)이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 멀티섕크형 히터의 단면도(상측 도면: 위에서 본 도면, 하측 도면: 정면에서 본 도면)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 멀티섕크형 히터에 있어서의 히터 발열부의 설명도(상측 도면: 위에서 본 도면, 하측 도면: 정면에서 본 도면)이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 멀티섕크형 히터(위에서 본 도면)의 일부를 확대한 도면이다.
도 5는 실시예 2의 멀티섕크형 히터의 단면도(상측 도면: 위에서 본 도면, 하측 도면: 정면에서 본 도면)이다.
도 6은 실시예 3의 멀티섕크형 히터의 단면도(상측 도면: 위에서 본 도면, 하측 도면: 정면에서 본 도면)이다.
도 7은 실시예 4의 멀티섕크형 히터의 단면도(상측 도면: 위에서 본 도면, 하측 도면: 정면에서 본 도면)이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 멀티섕크형 히터의 단면도(상측 도면: 위에서 본 도면, 하측 도면: 정면에서 본 도면)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 멀티섕크형 히터에 있어서의 히터 발열부의 설명도(상측 도면: 위에서 본 도면, 하측 도면: 정면에서 본 도면)이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 멀티섕크형 히터(위에서 본 도면)의 일부를 확대한 도면이다.
도 5는 실시예 2의 멀티섕크형 히터의 단면도(상측 도면: 위에서 본 도면, 하측 도면: 정면에서 본 도면)이다.
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도 7은 실시예 4의 멀티섕크형 히터의 단면도(상측 도면: 위에서 본 도면, 하측 도면: 정면에서 본 도면)이다.
멀티섕크형 히터는 통상, 이하와 같이 하여 제작된다. 먼저, 히터 원료인 MoSi2 분말 등과 바인더를 혼합하고, 이 혼합물을 압출기 등에 의하여 환봉형으로 성형한다. 다음에, 건조나 탈지, 그리고 1차 소결을 행한 후, 통전 소결을 행하여 소정의 직경을 갖는 봉재를 제작한다. 그 후, 이 봉재를 U자 굽힘기에 세트하고 통전 가열하면서 소정의 피치로 U자 형상으로 구부려 U자형 환봉재(U자 피스라 칭함)를 제작한다. 이때 제작되는 U자 피스는 동일 평면에서 U자 형상으로 구부러지기 때문에, U자 형상을 구성하는 평행인 2개의 직선부와 만곡부는 하나의 평면(이후, U자 피스 평면이라 칭하는 경우가 있음)를 이룬다. 이와 같이 하여 제작한 복수의 U자 피스를 상향 U자와 하향 U자로 각각 교대로 용접하여 멀티섕크형 히터로 한다.
종래의 지지 기체에 설치된 멀티섕크형 히터의 모식도를 도 1에 도시한다. 각 U자 피스를 연결시킨 히터(10)는 지지 기체(단열재를 포함함)(20)에 고정 핀(30)에 의하여 설치된다. 히터의 단자부는 노벽을 관통하여 외부의 단자(40)를 통하여 전원에 접속된다. 종래에는, 도 1의 상측 도면에 도시한 바와 같이, 하나하나의 U자 피스 평면 모두가 지지 기체에 대하여 평행으로 직선 배열로 연결되어 동일한 면(평면)으로 되도록 배치하고 있었지만, 이와 같이 2차원적으로 배치하는 경우에는 설치 가능한 U자 피스(히터)의 수에 제약이 있었다. 또한 특허문헌 1의 도 2에 도시된 바와 같이 지지 기체가 원통 형상인 경우에도, 각 U자 피스의 용접에는 각각 각도가 부여되어 있기는 하지만 하나하나의 U자 피스 평면은 모두 지지 기체에 대하여 평행으로 배열되어 있어서 실질적으로 동일한 면(곡면)으로 되도록 배치하고 있었다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시 형태에 따른 멀티섕크형 히터에서는, 도 2의 상측 도면에 도시한 바와 같이, 각 U자 피스 평면을, 지지 기체에 대하여 각도를 부여하여 연결하고 있다. 이와 같은 구조로 함으로써, 예를 들어 도 2의 하측 도면에 도시한 바와 같은 형상의 멀티섕크형 히터에서는, 상기 종래의 멀티섕크형 히터에 비해 U자 수가 13개에서 15개로 증가하여 히터 발열부(U자 피스)의 총길이가 신장되며, 이것에 의하여 에너지 출력을 대폭 향상시킬 수 있는 것이다.
도 3은, 본 발명의 실시 형태에 따른 멀티섕크형 히터에 있어서의 히터 발열부의 설명도이며, 도 3의 상측 도면은, 멀티섕크형 히터를 위에서 본 도면이고, 도 3의 하측 도면은, 멀티섕크형 히터를 정면에서 본 도면이다. 도 3에 도시한 바와 같이 상향 U자(흑색으로 나타냄)의 U자 피스(11)와 하향 U자(백색으로 나타냄)의 U자 피스를 교대로 용접하여 연결함으로써 멀티섕크형 히터가 구성된다. 또한 도 4는, 도 3의 히터 발열부의 일부를 발췌한(3개의 U자 피스를 연결한) 것이며, 설명의 편의상 지지 기체를 추가하고 있다.
본 실시 형태의 멀티섕크형 히터는, 도 4에 나타내는, 지지 기체에 대한 법선 방향(히터측으로부터 지지 기체측을 향하는 배향)을 기준으로 하여, U자 피스의 평면 방향(히터측으로부터 지지 기체측을 향하는 배향)이 각도 ±θ를 가진 U자 피스가 존재하는 것을 특징으로 하는 것이다. 여기서 +θ란, 도 4에 나타내는, 지지 기체에 대한 법선 방향(화살표의 배향: 히터측으로부터 지지 기체측을 향하는 배향)을 기준으로, U자 피스의 평면 방향(화살표의 배향: 히터측으로부터 지지 기체측을 향하는 배향)으로 시계 방향으로 각도 θ 회전시킨 경우를 의미하고, 한편, -θ란, 동 도면에 있어서, 지지 기체에 대한 법선 방향(화살표의 배향: 히터측으로부터 지지 기체측을 향하는 배향)을 기준으로, U자 피스의 평면 방향(화살표의 배향: 히터측으로부터 지지 기체측을 향하는 배향)으로 반시계 방향으로 각도 θ 회전시킨 경우를 의미한다. 또한 종래형의 멀티섕크형 히터는, U자 피스 평면 모두가 상기 각도 θ=0°였다.
본 발명의 실시 형태에 따른 멀티섕크형 히터는, 상기 히터측으로부터 상기 지지 기체측을 향하는 지지 기체에 대한 법선 방향을 기준으로 하여, 상기 히터측으로부터 상기 지지 기체측을 향하는 U자 피스의 평면 방향의 각도 θ를 ±10° 이상 ±60° 이하로 하는 것이 바람직하다. 상기 각도 θ가 ±10° 미만이면 U자 피스의 고밀도화가 불충분하며, 한편, 상기 각도 θ가 ±60°을 초과하면 히터가 워크(피가열 부재)측으로 크게 튀어나오기 때문에 실용적이지 않고, 또한 U자 피스의 설치도 곤란해진다. 보다 바람직하게는 상기 각도 θ가 ±45° 이하이다. 또한 상기 각도 θ가 ±10° 이상 ±60° 이하인 U자 피스는, 멀티섕크형 히터의 전부 또는 일부에 있어서 그와 같이 배치되어 있으면 되므로, 예를 들어 일부에 있어서 상기 각도 θ=0°이더라도 상관없다.
또한 본 발명의 실시 형태는, 멀티섕크형 히터를 구성하는 U자 피스 중, 상기 각도 θ가 ±10° 이상 ±60° 이하인 U자 피스가 3개소 이상 존재하는 것이 바람직하다. 적어도 3개소 이상이면, U자 피스의 고밀도화에 의한 에너지 출력의 향상이 전망된다. 또한, 멀티섕크형 히터의 단위 면적당 U자 수를 효율적으로 증가시키기 위하여 본 발명의 실시 형태에서는, 상기 각도 θ가 +10° 이상 +60° 이하인 U자 피스와, 상기 각도 θ가 -10° 이상 -60° 이하인 U자 피스가 각각 1개소 이상 존재하는 것이 바람직하다. 나아가, 상기 각도 θ가 +10° 이상 +60° 이하인 U자 피스와, 상기 각도 θ가 -10° 이상 -60° 이하인 U자 피스가 인접하여 연결된 것이 복수 존재하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 형태에 따른 멀티섕크형 히터는, 가열로 내부의 천장이나 노벽, 그 외 별개로 마련된 보드 등의 지지 기체에 설치되고, 지지 기체와 히터 사이에는 단열재가 배치된다. 지지 기체는, 내화 벽돌, 단열 벽돌, 세라믹 파이버 보드, 마이크로포러스 보드 등으로 이루어지며, 그 형상으로서 평면 형상, 슬로프(미끄럼대형) 형상, 곡면 형상, 원통 형상 등이 있지만, 어느 형상의 것이더라도 본 발명을 적용할 수 있다. 또한 단열재로서는, 800℃에서의 열전도도가 0.6W/mK 이하인 고온 단열재를 사용하는 것이 바람직하다.
본 실시 형태에 따른 멀티섕크형 히터는, 이규화몰리브덴(MoSi2)을 주성분으로 하는 것 외에 다른 재료 성분을 포함하는 멀티섕크형 히터에 대해서도 본 발명을 적용할 수 있다.
실시예
이하, 실시예 및 비교예에 기초하여 설명한다. 또한 본 실시예는 어디까지나 일례이며, 이 예에 의하여 하등 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명은 특허 청구의 범위에 의해서만 제한되는 것이며, 본 발명에 포함되는 실시예 이외의 다양한 변형을 포함하는 것이다.
(종래예)
종래의 멀티섕크형 히터의 단면도를 도 1에 도시한다. 각 U자 피스(선 직경: φ4㎜, 피치 16㎜, 섕크 높이 150㎜)를, 각도를 부여하지 않고(θ=0°) 용접하여 직선 배열한 멀티섕크형 히터이다. 이를 지지 기체(20)에 고정 핀(30)으로 설치한 후, 단자(40)를 용접하였다. 이때, 횡폭 280㎜의 지지 기체에 대하여 횡폭 208㎜의 멀티섕크형 히터를 배치하는 경우, U자 수는 13개가 상한이고 발열부의 전개 길이(총길이)는 2051㎜였다.
(실시예 1)
실시예 1의 멀티섕크형 히터의 단면도를 도 2에 도시한다. 종래예와 마찬가지로 횡폭 280㎜의 지지 기체에 대하여 횡폭 208㎜의 멀티섕크형 히터를 배치할 수 있도록, 각 U자 피스(선 직경: φ4㎜, 피치 16㎜, 섕크 높이 150㎜)를 각도 θ=±31.62°로 되도록 경사지게 용접하였다. 단, 히터의 좌우 양단의 하향 U자만 각도 θ=±15.20°로 바꾸어 용접하였다. 이 경우, U자 수는 15개로 되고 발열부의 전개 길이(총길이)는 2355㎜였다. 히터의 출력은 발열부의 총길이에 비례하기 때문에 참고예에 비해 15% 정도의 출력 향상이 전망된다.
(실시예 2)
실시예 2의 멀티섕크형 히터의 단면도를 도 5에 도시한다. 종래예와 마찬가지로 횡폭 280㎜의 지지 기체에 대하여 횡폭 208㎜의 멀티섕크형 히터를 배치할 수 있도록, 각 U자 피스(선 직경: φ4㎜, 피치 16㎜)를 각도 θ=±31°로 되도록 경사지게 하고, 또한 중앙에 1개소, 각도를 부여하지 않고(θ=0°) 수평 배치한 부분을 마련하여 용접하였다. 이 경우, 실시예 1과 마찬가지로 U자 수는 15개로 되고 발열부의 전개 길이(총길이)는 2355㎜여서 종래예에 비해 15% 정도의 출력 향상이 전망된다.
(실시예 3)
실시예 3의 멀티섕크형 히터의 단면도를 도 6에 도시한다. 종래예와 마찬가지로 횡폭 280㎜의 지지 기체에 대하여 횡폭 208㎜의 멀티섕크형 히터를 배치할 수 있도록, 각 U자 피스(선 직경: φ4㎜, 피치 16㎜, 섕크 높이 150㎜)를 각도 θ=±29.93°로 되도록 경사지게 용접하였다. 이 경우, 실시예 1과 마찬가지로 U자 수는 15개로 되고 발열부의 전개 길이(총길이)는 2355㎜여서 종래예에 비해 15% 정도의 출력 향상이 전망된다. 또한 도 6의 상측 도면에 도시한 바와 같이 우측 단자부가 좌측 단자부보다도 돌출하게 되기 때문에, 좌우에서 다른 길이 단자를 준비할 필요가 있다.
(실시예 4)
실시예 4의 멀티섕크형 히터의 단면도를 도 2에 도시한다. 종래예와 마찬가지로 횡폭 280㎜의 지지 기체에 대하여 횡폭 208㎜의 멀티섕크형 히터를 배치할 수 있도록, 각 U자 피스(선 직경: φ4㎜, 피치 16㎜, 섕크 높이 150㎜)를 각도 θ=±35.66°로 되도록 경사지게 용접하였다. 이 경우, U자 수는 16개로 되고 발열부의 전개 길이(총길이)는 2516㎜여서 종래예에 비해 22.7% 정도의 출력 향상이 전망된다. 또한 우측의 단자부의 배향이 상향으로 되기 때문에 경우에 따라서는 단열재에 대한 접촉의 우려가 있지만, 이에 대해서는 필요에 따라 다른 접촉을 회피하는 수단을 이용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 멀티섕크형 히터에 있어서의 각 U자 피스(발열부)를 고밀도로 배치할 수 있으므로, 발열부의 총길이를 연장하는 것이 가능해져 에너지 출력을 대폭 향상시킬 수 있다는 우수한 효과를 갖는다. 본 발명에 따른 멀티섕크형 히터는 유리나 세라믹스 등의 소성용 히터로서 유용하다.
10: 히터 발열부
11: U자 피스(상향 U자: 흑색으로 나타냄)
12: U자 피스(하향 U자: 백색으로 나타냄)
20: 지지 기체
30: 고정 핀
40: 단자
50: 섕크 높이
11: U자 피스(상향 U자: 흑색으로 나타냄)
12: U자 피스(하향 U자: 백색으로 나타냄)
20: 지지 기체
30: 고정 핀
40: 단자
50: 섕크 높이
Claims (6)
- 지지 기체에 설치되는 멀티섕크형 히터이며, 상기 히터측으로부터 상기 지지 기체측을 향하는 지지 기체에 대한 법선 방향을 기준으로 하여, 상기 히터측으로부터 상기 지지 기체측을 향하는 U자 피스의 평면 방향의 각도 θ가 ±10° 이상 ±60° 이하인 U자 피스가 존재하는 것을 특징으로 하는 멀티섕크형 히터.
- 제1항에 있어서,
상기 히터를 구성하는 U자 피스 중, 상기 각도가 ±10° 이상 ±60° 이하인 U자 피스가 3개소 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 멀티섕크형 히터. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 각도 θ가 +10° 이상 +60° 이하인 U자 피스와, 상기 각도 θ가 -10° 이상 -60° 이하인 U자 피스가 각각 적어도 1개소 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 멀티섕크형 히터. - 제3항에 있어서,
상기 각도 θ가 +10° 이상 +60° 이하인 U자 피스와, 상기 각도 θ가 -10° 이상 -60° 이하인 U자 피스가 인접하여 연결된 것이 복수 존재하는 것을 특징으로 하는 멀티섕크형 히터. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지 기체가 평판 형상, 다면 형상, 슬로프(미끄럼대형) 형상, 곡면 형상, 또는 원통 형상인 것을 특징으로 하는 멀티섕크형 히터. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 히터가 MoSi2를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 멀티섕크형 히터.
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