KR20220028745A - 발열유닛 및 그 제작방법 - Google Patents

Abstract

발열 유닛은, 알루미나(Al₂O₃)와 실리카(SiO₂)를 주성분으로 하는 세라믹 보드로 이루어지고 개구부(開口部)가 형성되어 있는 단열부재, 단열부재의 내부에 배치되는 가열요소, 단열부재의 개구부를 막도록 결합되는 방열판, 및 가열 요소에서 방사된 에너지가 방열판 쪽으로 반사되도록 단열부재의 내부 표면에 형성된 반사피막을 구비한다. 반사피막은 세라믹 보드의 공극에 침투하여 채우는 규조토가 액상 실리카에 혼합된 혼합물로 형성된다. 단열 반사면의 평활도가 높아 장기간 사용 시에도 원적외선 빛과 열 파장의 방사효율이 높아져 에너지 손실이 발생하지 않는다.

Description

발열유닛 및 그 제작방법 {Heat Insulation Unit and Method for Manufacturing the same}

본 발명은 발열유닛 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 할로겐 램프와 같은 가열 요소(heating element)로부터 방사되는 열을 가열 대상물 측으로 반사시켜 가열의 효율을 향상시키도록 한 발열유닛에 관한 것이다.

각종 생활소비재 및 산업소비재를 사용한 후 발생되는 쓰레기들은 하수종말처리장, 음식물 처리장, 분뇨 처리장 등에서 기계적·화학적으로 처리되어 슬러지 형태로 만들어진다. 과거에는 이와 같이 만들어진 슬러지를 화석연료를 사용하여 소각시키거나 땅속에 매설하였으나, 이 경우 대기, 토양 및 해양오염의 문제가 발생하게 된다.

위와 같은 문제를 해결하기 위하여, 최근에는 슬러지에 직접 또는 간접적으로 열을 가하여 건조한 후 이를 재사용하고 있으며, 이를 위한 다양한 장치들이 개발/사용되고 있다.

슬러지는 고밀도와 높은 수분함량의 특성을 가지므로 슬러지의 겉과 속까지 효과적으로 균일하게 건조시키려면 효율이 높은 열원이 필요하다. 하지만, 현재 사용되고 있는 열원은 내열 및 단열성이 떨어지는 소재로 이루어져 있을 뿐만 아니라, 슬러지에서 건조, 탄화시 발생되는 수분, 가스, 각종 광물질, 화합물 등에 쉽게 노출된 구조를 가져 물리적, 화학적으로 부식되고 변형되는 등 내구성이 저하되어 잦은 교체가 필요하다는 문제가 있다. 특히 기존의 열원은 슬러지의 반대편으로 방사되는 열을 효과적으로 차단하거나 반사시킬 수 없어 슬러지의 겉과 속까지 효과적으로 열을 집중시키기 어렵다. 이와 같이 기존의 열원은 열 손실이 많아 가열의 효율성이 떨어지는 한계로 인해 에너지 소비가 많아서 경제성과 효율성이 떨어지는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 발명자에 의해 새로운 구조의 발열유닛이 발명되어 한국특허등록 제10-1088378호로 등록된 바 있다. 도 1 및 도 2 는 본 발명의 종래기술로서 상기한 특허 제10-1088378호의 명세서에 첨부된 도 1 및 도 2 를 도시한 것이다.

도 1 과 도 2 를 참조하면, 발열유닛(30)은 미세하고 고밀도로 치밀하게 구성되고 수분함량이 높은 슬러지 등을 효과적으로 건조 및 탄화시키기 위한 것으로, 하우징(31)과, 단열부재(32)와, 가열 요소(34)와, 방열판(35)을 포함한다. 하우징(31)은 일면이 개구된 형태인 'ㄷ'자 모양으로 형성되며 단열부재(32) 등을 수용하여 보호하는 외부 케이스의 역할을 한다. 단열부재(32)는 하우징(31) 쪽으로의 열 전달을 방지하며, 알루미나와 실리카를 주성분으로 하는 세라믹 보드로 이루어지는데 예컨대 40% 내외의 알루미나(Al₂O₃), 50% 내외의 실리카(SiO₂), 소량의 산화칼슘, 그리고 가열시 감량될 10% 내외의 기타 물질로 이루어진 것일 수 있다. 단열부재(32)는 일측에 개구부(開口部)가 형성된 'ㄷ'자 형태, 즉 일면이 뚫려진 형태로 형성되며, 하우징(31)의 내부에 예컨대 스프링(38) 위로 배치된다. 이러한 단열부재(32)는 단열부재(32)에 긴밀하게 접촉하는 자체의 하우징(37) 안에 수용되어 있다.

일반적으로 단열부재로는 재료 자체의 열전도율이 낮은 것을 사용하는데 종래 단열부재는 규조토와 세라믹 벌크 화이버(ceramic bulk fiber) 등을 물반죽하고 형틀에 일정량 투입하고 가압하여 성형하는 분말 성형법에 의해 성형체를 제조한 후 건조, 소성 등의 과정을 거쳐 제조하기 때문에, 공정 수가 많고 시간이 오래 걸린다. 또한 소성 과정을 통하여 단열부재는 도자기화되어 무겁고 탄성이 없어 충격에 의해 쉽게 파손되고 다른 재료와 조합 시 내구성 확보가 어려워 관리가 매우 조심스럽기 때문에 비경제적이다.

상기 종래기술의 특허에서는 단열부재(32)의 재질로서 세라믹 보드를 이용함으로써 가공이 쉬우므로 분진을 흡입기 등으로 흡입하면서 절삭 가공 장치 등을 이용해 홈을 파 'ㄷ'자 형태로 가공하여 단열부재(32)를 쉽게 제작할 수 있다. 원료 배합, 반죽, 건조, 소성 등의 과정없이 자체를 일정한 형태로 간단히 가공할 수 있으므로 제조 공정이 간단하고 가공이 편리하다. 그리고 세라믹 보드는 무게가 매우 가볍고 탄성을 지니므로 이것을 단열부재(32)로 이용하면 관리(제작 및 설치과정)가 편리하고 충격에도 파손의 염려가 없어, 단열부재(32)의 내부에 가열 요소(34)를 배치할 때 충격에 의하여 가열 요소(34)가 파손되는 것을 방지할 수 있고 가열 요소(34) 등을 외부의 충격으로부터 효율적으로 보호해 발열유닛(30)의 내구성을 확보할 수 있다.

단열부재(32)의 내면에는 반사피막(33)이 형성되어 있다. 반사피막(33)은 단열부재(32) 내부에 배치되는 가열요소(34)에서 방사된 에너지가 방열판(35) 쪽으로 반사되도록 형성되어 발열유닛(30)의 효율을 높인다. 가공된 단열부재(32)의 내면에 반사피막 재료를 액상화하여 충분히 도포한다. 반사피막 재료는 실리카 또는 크롬(Cr)일 수 있다. 실리카를 얻기 위한 액상화된 원료는 예컨대 테트라에톡시실란(TEOS)이 에탄올 용매에 녹아 있는 용액에 가수분해를 일으키기 위하여 증류수와 염산을 첨가한 실리카졸일 수 있다. 대신에 실리카의 미립자를 적당한 용매에 분산시킨 슬러리일 수 있다. 크롬을 얻기 위해 액상화된 원료는 예컨대 크롬을 중심 금속으로 하는 유기 금속 소스(metal organic source)이거나 크롬 미립자를 적당한 용매에 분산시킨 슬러리일 수 있다. 이러한 액상화된 원료는 단열부재(32) 위에 스프레이 코팅기 등을 이용해 분무하거나, 피펫 등을 이용해 직접 떨어뜨리거나, 원료가 담긴 수조 내에 단열부재(32)를 담갔다 꺼내는 디핑 방법 등에 의해 단열부재(32) 표면에 층으로 형성할 수 있다. 바람직하게는 스프레이 방식으로 분무하여 층을 형성하며 단열부재(32) 표면과 일정 깊이 내부까지 접착, 침투되도록 필요하면 여러 번 분무하는 과정을 거칠 수 있다.

이와 같이 하여 반사피막 재료가 도포된 단열부재(32)는 300℃ 이상의 온도에서 열처리한다. 열처리 온도의 범위는 반사피막을 적절히 유리 결정화할 수 있는 정도의 범위로 정한다. 그러면, 열처리 과정에서 세라믹 보드에 포함되어 있던 수분이 증발되고, 세라믹 보드에 포함된 유기물과 불순물이 소각되어 없어지므로, 단열부재(32)는 수많은 공극이 생겨나 초다공체가 된다. 공극 안에 있는 기체 성분 또는 공기는 아주 좋은 단열재이므로 이것이 열의 전달을 더욱 효과적으로 차단하여 단열효과를 극대화화게 된다. 또한 이 과정에서 반사피막 재료, 본 실시예에서는 액상의 실리카(또는 크롬)가 유리 결정화되면서 단열부재(32) 표면에 침투 및 점착되어 단열부재(32)의 내면에 반사피막(33)을 형성하게 된다. 유리 결정화된 실리카, 금속인 크롬 등은 고온에서도 변형, 퇴색 등이 없어 화학적, 열적, 기계적으로 안정된 상태를 항상 유지한다.

가열 요소(34)는 할로겐 램프, 텅스텐 와이어 히터, 니크롬 발열 전선 혹은 씨즈 히터이며, 단열부재(32)의 내부에 배치된다. 가열 요소(34)는 전원 인가시 사방으로 열과 빛의 형태로 에너지를 방출하는데, 이때 도 2 에 도시된 바와 같이 방출된 에너지는 직접 또는 반사피막(33)에 반사된 후 방열판(35)으로 전달된다.

방열판(35)은 판 형상으로 형성되며, 세라믹 유리와 같은 세라믹 재질로 이루어진다. 세라믹은 내열성, 내식성, 내마모성, 절연성 등이 매우 우수한 구조 재료이며 세라믹 유리는 그러한 세라믹의 투광성을 이용하는 재료이므로 본 실시예에서도 방열판(35)으로서 우수한 기능을 발현한다. 세라믹 유리는 주성분이 실리카로 이루어지며 첨가물의 조성을 조절해 빛의 투과율을 조절할 수 있고 예컨대 원하는 파장대의 투과율을 높여 원하는 파장대만 방사되도록 할 수도 있으며 특히 광파 혹은 적외선 영역에서 손실이 가장 적다. 방열판(35)은 적어도 한면에 엠보싱(36) 처리가 되어 있는 것이 바람직한데, 도 2 와 같이 방열판(35)의 출사면(가열 대상물 측) 쪽에만 엠보싱(36)이 형성되도록 할 수도 있고 입사면(가열요소(34) 측)에만 앰보싱(36)이 형성되도록 할 수도 있다. 입사면 쪽 엠보싱은 가열 요소(34)로부터의 열을 집중시키는 역할을 하며, 출사면 쪽 엠보싱은 열을 가열 대상물 쪽으로 분산시키는 역할을 하게 된다. 입사면 쪽 엠보싱과 출사면 쪽 엠보싱은 방열판(35)을 기준으로 서로 겹쳐지지 않는 위치에 형성됨이 바람직하다.

가열 요소(34)에서 방출된 에너지는 방열판(35)에 흡수되어 원적외선의 빛과 열 에너지로 변환되며, 방열판(35) 전체에서 고르게 방사된다. 또한 방열판(35)은 가열 대상물인 슬러지가 건조와 탄화하는 과정에서 발생되는 수분, 분진(연기), 각종 광물질, 화합물 등이 가열 요소(34) 등에 접촉, 점착되어지는 것을 차단하여, 가열 요소(34)의 발열, 발광부를 항상 깨끗하게 유지시키므로 가열 요소(34)의 효율을 높게 지속시키며 가열 요소(34)가 부식, 변색, 변형 등으로 인해 내구성 및 효율성이 나빠지는 것을 방지한다.

그런데, 상기한 특허의 기술은 다음과 같은 문제가 있다.

단열부재(32)는 위에 기술한 바와 같이 세라믹 보드를 이용하여 가공하므로 원료의 배합, 반죽, 건조, 소성 등의 과정 없이 가공할 수 있어 제조 공정이 간단해지는 등의 장점이 있다. 단열부재(32)를 구성하는 세라믹 보드는 초다공화 물질로서 반사면이 요철 부분의 면으로 형성된다. 이러한 요철 부분에 의하여 열 반사 효율이 저하되므로, 이를 방지하여 반사피막(33)을 추가로 형성하는 것이다.

반사피막(33)을 형성하는 가장 일반적인 방법은 실리카(SiO₂)를 도포하는 것이다. 실리카가 도포된 면을 별도의 공정에 의해 가열하거나 또는 가열요소(34)에 의한 가열 동작을 수행함에 의하여 소성 과정을 거치며, 이러한 소성 과정에 의하여 실리카 재질이 유리결정화되어 반사피막(33)의 기능을 하게 된다.

그러나, 이와 같은 종래의 방식에 의해서도, 실리카 재질이 세라믹 보드의 공급에 침투하여 소성에 의해 유리결정화된 상태에서도 여전히 반사피막(33)의 반사면의 평활도가 낮아 매끄럽지 못한 상태가 된다. 이에 따라 반사피막(33)에서 열의 반사 시 산란 현상에 의해 반사 효율이 저하된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 단열부재의 표면의 요철을 없애고 반사면의 표면을 평활하게하여, 단열 및 원적외선의 빛과 열 파장 방사의 효율이 유지되도록 함으로써 제작 유지비용이 감소하고 장기간 사용 시에도 단열 반사면의 요철에 의한 문제가 발생하지 않는 발열유닛 및 그의 제작방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 알루미나(Al₂O₃)와 실리카(SiO₂)를 주성분으로 하는 세라믹 보드로 이루어지고 개구부(開口部)가 형성되어 있는 단열부재; 상기 단열부재의 내부에 배치되는 가열요소; 상기 단열부재의 개구부를 막도록 결합되는 방열판; 및 상기 가열 요소에서 방사된 에너지가 상기 방열판 쪽으로 반사되도록 상기 단열부재의 내부 표면에 형성된 반사피막;을 포함하는 발열 유닛을 제시한다.

여기에서 상기 반사피막은, 상기 세라믹 보드의 공극에 침투하여 채우는 채움재가 액상 실리카에 혼합된 혼합물로 형성된다.

상기 채움재는 규조토를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 액상 실리카와 상기 규조토가 1:1 의 중량비를 갖도록 구성된다.

상기 혼합물을 상기 단열부재에 도포한 후 소성함으로써 상기 반사피막이 형성되며, 상기 소성은 300℃ 이상의 온도에서 15분 이상 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 단열 반사면의 평활도가 높아 장기간 사용 시에도 원적외선 빛과 열 파장의 방사효율이 높아져 에너지 손실이 발생하지 않는다는 장점이 있다.

도 1 은 본 발명의 종래기술에 따른 발열유닛의 평면도.
도 2 는 도 1 에 도시한 발열유닛의 단면도.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명에 대한 설명에서, 도 1 및 도 2 를 참조하여 설명한 종래기술에 대한 구성은 그대로 본 발명의 구성으로서 원용되며, 이에 따라 본 발명에 대한 설명에서는 상기한 종래기술과 상이한 부분에 대해서만 기술하고 동일한 부분에 대해서는 중복 기재를 생략한다. 그러나, 도 1 및 도 2 를 참조하여 설명한 내용 중에서 본 발명의 구성에 포함되는 부분에 대해서는 그 기재 내용이 본 발명에 대한 설명에서 그대로 원용된다.

또한, 본 발명에서 '방열', '발열', '열의 반사' 등의 표현에서의 '열'이라는 용어는 열과 함께 원적외선의 빛을 포함하는 의미로서 사용된다. 따라서, 예컨대 '방열'은 열을 방사함과 함께 원적외선의 빛을 방사하는 것을 의미한다.

본 발명의 구성에서는 반사피막(33)의 구성만이 도 1 및 2 의 종래 기술과 상이하다.

본 발명에서 반사피막(33)은 단열부재(32)의 표면에 액상 실리카(SiO₂)와 채움재를 혼합한 재질로 구성된다. 여기에서 채움재는 단열부재(32)의 재질인 세라믹 보드의 공극에 침투되어 이 공극을 채우는 재질을 의미한다. 채움재의 가장 바람직한 예로서 본 발명에서는 규조토를 사용한다. 즉, 반사피막(33)은 액상 실리카와 규조토를 혼합한 혼합물로 형성된다.

반사피막(33)을 형성하기 위하여, 단열부재(32)에 상기 혼합물을 도포한다. 혼합물의 도포는 분무 또는 딥핑의 방법에 의할 수 있다. 혼합물이 도포된 단열부재(32)에 열을 가하여 소성한다. 소성은 혼합물 도포 후 별도의 가열 공정에 의해 수행되도록 할 수도 있고, 본 발명의 발열 유닛을 사용함에 따라 가열요소(34)의 발열 동작에 의하여 자연스럽게 수행되도록 할 수도 있다.

한편, 반사피막(33)을 형성하기 위한 혼합물은 액상 실리카와 규조토의 혼합 비율이 1:1 의 중량비가 되도록 구성하는 것이 바람직하다. 규조토가 너무 적으면 세라믹 보드의 공극이 효과적으로 채워지지 못하며, 너무 많으면 액상 실리카가 소성된 후의 유리결정화가 적게 일어나 반사 효율이 저감된다.

또한, 반사피막(33)의 소성은 300℃ 이상의 온도에서 15분 이상 수행되는 것이 바람직하다. 이보다 낮은 온도 및 적은 시간에서는 반사피막(33)의 유리결정화가 충분하게 이루어지지 못할 수 있다. 소성의 온도의 상한은 크게 중요하지 않으며 예컨대 100℃ 이하의 온도일 수 있다. 소성은 본 발명의 발율 유닛의 사용 중에 가열 요소의 가열 동작에 의하여 지속적으로 이루어지므로 소성 시간은 상한이 크게 중요하지 않으며, 최초 사용 전에 요구되는 유리결정화의 정도를 얻기 위해서 15분 이상이기만 하면 충분하고, 예컨대 1시간 이하의 시간일 수 있다.

본 발명에 의하면 혼합물 내의 규조토가 세라믹 보드의 공극에 침투하여 메꿈으로써, 세라믹 보드로 구성된 단열부재(32)의 표면의 요철이 현저하게 소멸된다. 따라서 소성 과정에 의해 실리카 재질이 유리결정화될 때 요철이 현저하게 줄어든 표면상에서 유리결정화되므로, 반사피막(33)의 표면의 평활도가 매우 높아진다. 이에 따라 반사피막(33)에서의 빛과 열의 산란이 줄어들어 반사 효율이 극대화된다. 또한, 이와 같이 형성된 반사피막(33)은 내약품성, 내열성, 내마모성, 윤활성, 이형성, 내구성 등에서 강점을 갖는다.

이상에서는 본 개시의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 개시는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 개시에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 개시의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

Claims (5)

1. 알루미나(Al₂O₃)와 실리카(SiO₂)를 주성분으로 하는 세라믹 보드로 이루어지고 개구부(開口部)가 형성되어 있는 단열부재;
   상기 단열부재의 내부에 배치되는 가열요소;
   상기 단열부재의 개구부를 막도록 결합되는 방열판; 및
   상기 가열 요소에서 방사된 에너지가 상기 방열판 쪽으로 반사되도록 상기 단열부재의 내부 표면에 형성된 반사피막;
   을 포함하며,
   상기 반사피막은, 상기 세라믹 보드의 공극에 침투하여 채우는 채움재가 액상 실리카에 혼합된 혼합물로 형성되는 것을 특징으로 하는 발열 유닛.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 채움재는 규조토를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열 유닛.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 혼합물은 상기 액상 실리카와 상기 규조토가 1:1 의 중량비를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 발열 유닛.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 혼합물을 상기 단열부재에 도포한 후 소성함으로써 상기 반사피막이 형성되는 것을 특징으로 하는 발열 유닛.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 소성은 300℃ 이상의 온도에서 15분 이상 수행되는 것을 특징으로 하는 발열 유닛.

Images