KR20240047439A - 올세라믹 발열체 - Google Patents
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Abstract
본 출원은 전기 발열체의 기술 분야에 관한 것으로, 올세라믹 발열체를 개시한다. 올세라믹 발열체는 외부 발열층, 내부 절연층(3) 및 내부 발열층을 포함하되, 상기 내부 발열층, 상기 내부 절연층 및 상기 외부 발열층은 내부에서 외부로 순차적으로 배열되고, 상기 외부 발열층은 상기 내부 발열층과 전기적으로 연결되고, 외부 저항층(4) 및 내부 저항층(2)의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 탄화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 산화란타넘 : 이규화몰리브덴 = (500-700) : (100-300) : (40-80) : (50-90) : (0-30) : (500-800) 이되, 상기 외부 저항층(4)과 상기 내부 저항층(2)의 세라믹 재료 성분비율은 서로 다르다. 올세라믹 발열체는 통합된 발열과 온도 감지 기능을 갖고, 외부 환경에 영향을 받지 않고, 신뢰성 있는 발열 또는 점화를 실현할 수 있고, 신뢰성 있는 제품 수명을 갖는다.
Description
본 발명은 전기 발열체(electric heating element)의 기술 분야에 관한 것으로, 특히 올세라믹 발열체(all-ceramic heating element)에 관한 것이다.
전기 발열체(electric heating elements)는 즉각 발열 듀얼 모드 온수기(instant-heating dual-mode water heaters), 자동차 배기가스 산화 센서(automotive exhaust gas oxidation sensors), 산업 장비 발열 장치(industrial equipment heating devices), 초음파 전기 발열체(ultrasonic electric heating elements), 금형 발열 및 보온 장치(mold heating and heat preservation devices), 의료기구 히터(medical instrument heaters), 공기 히터(air heaters), 소형 발열 기기(small heating appliances) 등 발열(heating) 또는 점화(ignition) 장비에 널리 적용된다. 그러나 종래의 세라믹 발열체는 대부분 열전도율이 높은 알루미나 세라믹(alumina ceramics)을 매트릭스(matrix)로 하고, 전도성 내열 및 내화 재료(conductive heat-resistant and refractory material)를 내부 전극으로 사용하여 발열 회로를 형성하고, 일련의 특수 과정을 거쳐 공동 소성(co-firing)하여, 새로운 고 열에너지 절약 발열체(high-heat-energy-saving heating element)를 형성하여 내식성, 내열성, 균일한 온도, 긴 수명 등의 장점을 가지고 있다.
현재 전통적인 세라믹 발열체는 자체적으로 열을 발생시켜 온도를 형성하기 위하여 전기가 통하고, 온도와 전압의 보정값 또는 열전 저항값(thermoelectric resistance value)을 사용하여 발열 온도를 반영한다. 그러나 실제 발열 과정에서는 여러 요인의 영향으로 인해 발열체의 정확한 온도를 얻을 수 없다. 만약, 세라믹 발열체의 온도가 너무 낮아지면 발열 또는 점화가 불안정해진다. 만약, 온도가 상한을 초과하면 제품의 번아웃(burnout)이 쉽게 발생될 수 있다.
본 발명의 목적은 온도 제어의 정밀도가 떨어지는 문제를 해결하기 위해 올세라믹 발열체(all-ceramic heating element)를 제공하는 것이다.
본 발명은 목적을 달성하기 위하여, 외부 발열층, 내부 절연층 및 내부 발열층을 포함하되, 상기 내부 발열층, 상기 내부 절연층 및 상기 외부 발열층은 내부에서 외부로 순차적으로 배열되고, 상기 외부 발열층은 상기 내부 발열층과 전기적으로 연결되고, 상기 외부 발열층 및 상기 내부 발열층은 성분비율이 서로 다른 세라믹 재료로 제작되는 것을 특징으로 하는 올세라믹 발열체를 제공한다.
온도 변화 감지(sensing)의 민감도(sensitivity) 및 정확도를 향상시키고, 실시간으로 올세라믹 발열체의 온도를 정확하게 측정하기 위하여 상기 외부 발열층은 외부 저항층을 포함하고, 상기 내부 발열층은 내부 저항층을 포함하고, 상기 외부 저항층과 상기 내부 저항층의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 탄화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 산화란타넘 : 이규화몰리브덴 = (500-700) : (100-300) : (40-80) : (50-90) : (0-30) : (500-800) 이되, 상기 외부 저항층과 상기 내부 저항층의 세라믹 재료의 성분비율은 서로 다를 수 있다.
발열체의 전도성을 향상시키기 위하여, 상기 외부 발열층은 외부 전도층을 더 포함하고, 상기 내부 발열층은 내부 전도층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 외부 전도층의 전도성(conductivity)을 향상시키기 위하여 상기 외부 전도층의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 이규화몰리브덴 = (500-700) : (40-80) : (50-90) : (700-3000) 일 수 있다.
또한, 상기 내부 전도층의 전도성을 향상시키기 위하여 상기 내부 전도층의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 산화란타넘 : 이규화몰리브덴 = (500-700) : (40-80) : (50-90) : (0-30) : (700-3000) 일 수 있다.
상기 내부 발열층과 상기 외부 발열층을 분리하기 위하여, 상기 내부 절연층의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 산화란타넘 : 이규화몰리브덴 = (500-700) : (40-80) : (50-90) : (0-30) : (10-800) 일 수 있다.
전극 연결을 용이하게 하기 위하여, 상기 내부 전도층에는 중앙 전극 용접부가 형성되고, 상기 외부 전도층에는 측부 전극 연결부가 형성될 수 있다.
특수한 응용 시나리오의 요구 사항을 충족시키기 위해, 예를 들어 탄소 축적을 방지하고 전도성 입자 및 전도성 와이어 메쉬(conductive wire mesh)와의 접촉을 피하기 위해, 외부 절연층을 더 포함하되, 상기 외부 절연층은 상기 외부 전도층을 둘러쌀 수 있다.
바람직하게는, 상기 내부 전도층, 상기 내부 저항층, 상기 내부 절연층, 상기 외부 저항층, 상기 외부 전도층 및 상기 외부 절연층은 내부에서 외부로 순차적으로 배열되고, 발열체는 전체적으로 동심 환형구조(concentric spiral structure)일 수 있다.
또한, 상기 외부 절연층의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 이규화몰리브덴 = (500-700) : (40-80) : (50-90) : (10-800) 일 수 있다.
유익한 효과(beneficial effects): 본 발명은 통합된 발열 및 온도 감지 기능을 갖추고 있으며, 외부 환경에 영향을 받지 않는다. 예를 들어, 연소실의 열전달이나 차가운 공기와 뜨거운 공기는 발열체 자체의 온도값에 영향을 줄 수 있어, 온도값이 공칭 전압 및 온도값(nominal voltage and temperature value)과 일치하지 않아, 점화 신뢰성에 영향을 줄 수 있다. 본 발명에 따르면, 내부 및 외부 발열 구조에 의해, 두 저항층 간의 재료 차이가 클수록 재료/온도 차이 전위(material/temperature difference electric potential)가 더 정확해진다. 재료/온도 차이 전위의 원리에 따르면 다음과 같다: 온도 차이로 인해 하나의 전도체(single conductor)의 두 끝단에 발생하는 전위(electric potential)는 온도 차이 전위(temperature difference electric potential)이며, 서로 다른 두 개의 전도체가 서로 접촉한 경우, 두 접촉 부위 간에 일정한 온도 차이가 있으면, 재료 전위(material electric potential)가 발생한다. 발열 또는 점화는 복잡하고 다양한 작동 환경에서 수행되며, 온도는 정확하고 신뢰할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 발열체의 두 끝단의 온도 차이(temperature difference between cold and hot ends of heating element) 및 열전위(thermal electric potential)는 선형 관계(linear relationship)를 나타내며, 여기서 온도 차이는 실제 온도 차이이다. 본 발명에 따르면, 고온 영역의 온도값들이 반복적으로 제공될 수 있으며, 이는 제어 회로가 전압을 조절하여 이상적인 목표 온도값을 달성하는 것을 용이하게 한다. 이에 따라 올세라믹 발열체의 온도가 실시간으로 제어되며, 신뢰성 있는 발열 또는 점화 및 신뢰성 있는 수명이라는 목적을 달성할 수 있다. 올세라믹 발열체는 낮은 분산도(dispersity)와 낮은 히스테리시스(hysteresis)를 갖는다. 발명자는 올세라믹 발열체의 외부에 물을 분사하는 온도 실험을 수행하였고, 측정된 온도값들은 실시간으로 급격하게 변화하였다.
도 1은 본 개시의 제1 실시예 및 제2 실시예의 개략적인 구조도이다.
도 2는 발열체의 양끝의 온도 차이와 열기전력(thermal electric potential) 간의 관계를 나타내는 선형 그래프이다.
도 2는 발열체의 양끝의 온도 차이와 열기전력(thermal electric potential) 간의 관계를 나타내는 선형 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 이들 실시예에 제한되지 않는다. 본 발명의 원리를 벗어나지 않고 본 발명에 이루어진 개선 역시 본 발명의 청구범위의 보호 범위에 속한다.
올세라믹 발열체는 외부 발열층, 내부 절연층(3) 및 내부 발열층을 포함하되, 상기 내부 발열층, 상기 내부 절연층(3) 및 상기 외부 발열층은 내부에서 외부로 순차적으로 배열되고, 상기 외부 발열층은 상기 내부 발열층과 전기적으로 연결되고, 상기 외부 발열층은 외부 저항층(4)을 포함하고, 상기 내부 발열층은 내부 저항층(2)을 포함하고, 상기 외부 저항층(4)과 상기 내부 저항층(2)의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소(silicon nitride) : 탄화규소(silicon carbide) : 산화알루미늄(aluminum oxide) : 산화이트륨(yttrium oxide) : 산화란타넘(lanthanum oxide) : 이규화몰리브덴(molybdenum disilicide) = (500-700) : (100-300) : (40-80) : (50-90) : (0-30) : (500-800) 이되, 상기 외부 저항층(4)과 상기 내부 저항층(2)의 세라믹 재료의 성분비율은 서로 다를 수 있다.
[제1 실시예]
도 1을 참조하면, 올세라믹 발열체는 내부에서 외부로 순차적으로 배열되는 내부 전도층(inner conductive layer, 1), 내부 저항층(inner resistive layer, 2), 내부 절연층(inner insulating layer, 3), 외부 저항층(outer resistive layer, 4), 외부 전도층(outer conductive layer, 5) 및 외부 절연층(outer insulating layer, 6)을 포함하되, 내부 전도층(1)은 전기 발열체의 가장 안쪽에 위치하고, 내부 전도층(1)의 하단의 중앙은 중앙 전극 용접부(central electrode welding part, 8)일 수 있다.
내부 저항층(2)은 두 부분(상단, 하단)으로 나누어지고, 내부 저항층은 하단의 직경이 내부 저항층의 상단의 직경보다 크고, 내부 저항층(2)의 하단은 내부 전도층(1)의 외측을 둘러쌀 수 있다.
내부 절연층(3)은 세 부분(상부, 중간부, 하부)으로 나누어지되, 내부 절연층의 중간부의 직경은 내부 절연층의 상부의 직경보다 크고, 내부 절연층의 하부의 직경은 내부 절연층의 중간부의 직경보다 크고, 내부 절연층의 상부는 내부 저항층(2)의 상부 외측를 둘러싸고, 내부 절연층의 중간부 및 하부는 내부 저항층(2)의 하부 외측을 둘러쌀 수 있다.
외부 저항층(4)는 두 부분(상부, 하부)으로 나누어지고, 외부 저항층(4)의 상부는 내부 절연층(3)의 상부 외측을 둘러싸고, 외부 저항층(4)의 하부는 내부 절연층(3)의 중간부 외측을 둘러싸고, 외부 저항층(4)의 하부의 직경은 내부 절연층(3)의 하부의 직경보다 작을 수 있다.
연결구멍(communication hole, 7)은 내부 절연층(3)의 상부 상단에 구비되고, 외부 저항층(4)의 재료 일부는 내부 저항층(2)의 재료 일부와 연결구멍에서 연결될 수 있다.
외부 전도층(5)은 외부 저항층(4)의 하부 외측을 둘러쌀 수 있다.
외부 전도층(5)은 두 부분(상부, 하부)으로 나누어지고, 외부 전도층의 하부의 직경은 내부 절연층(3)의 하부의 직경과 동일하고, 외부 전도층(5)의 상부의 직경은 외부 전도층의 하부의 직경보다 작고, 외부 전도층(5)의 하부는 측부 전극 연결부(side electrode connecting part, 9)일 수 있다.
외부 절연층(6)은 외부 전도층(5)의 외측을 둘러쌀 수 있다.
각 층(each layer)의 재료는 세라믹 재료(ceramic material)일 수 있다.
외부 저항층(4)의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 탄화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 산화란타넘 : 이규화몰리브덴 = 510 : 120 : 50 : 62 : 8 : 580 일 수 있다.
내부 저항층(2)의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 탄화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 산화란타넘 : 이규화몰리브덴 = 680 : 260 : 75 : 80 : 27 : 780 일 수 있다.
외부 절연층(6) 및 외부 전도층(5)의 구성 성분은 4가지 성분인 질화규소, 산화알루미늄, 산화이트륨 및 이규화몰리브덴을 포함하고, 질화규소의 효과는 메쉬 구조(mesh structure)를 형성하는 것이고, 산화알루미늄 및 산화이트륨의 효과는 메쉬 구조를 조정하는 것이고, 이규화몰리브덴의 효과는 전도성 발열 재료(conductive heating material)를 형성하는 것이다.
외부 전열층(6)의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 이규화몰리브덴 = 600 : 50 : 60 : 200 일 수 있다.
내부 절연층(3)의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 산화란타넘 : 이규화몰리브덴 = 580 : 60 : 70 : 10 : 600 일 수 있다.
외부 전도층(5)의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 이규화몰리브덴 = 650 : 58 : 70 : 1500 일 수 있다.
내부 전도층(1)의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 산화란타넘 : 이규화몰리브덴 = 600 : 60 : 75 : 15 : 1500 일 수 있다.
[제2 실시예]
제1 실시예의 올세라믹 발열체를 참조하면, 제2 실시예와 제1 실시예는 다음과 같이 상이하다. 외부 저항층(4)의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 탄화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 산화란타넘 : 이규화몰리브덴 = 660 : 260 : 70 : 80 : 20 : 700 일 수 있다.
내부 저항층(2)의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 탄화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 산화란타넘 : 이규화몰리브덴 = 550 : 110 : 50 : 55 : 10 : 550 일 수 있다.
외부 절연층(6)의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 이규화몰리브덴 = 680 : 70 : 80 : 700 일 수 있다.
내부 절연층(3)의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 산화란타넘 : 이규화몰리브덴 = 680 : 45 : 80 : 20 : 50 일 수 있다.
외부 전도층(5)의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 이규화몰리브덴 = 550 : 45 : 55 : 900 일 수 있다.
내부 전도층(1)의 세라믹 재료의 성분비율은 중량부로, 질화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 산화란타넘 : 이규화몰리브덴 = 550 : 70 : 85 : 15 : 2500 일 수 있다.
1. 내부 전도층
2. 내부 저항층
3. 내부 절연층
4. 외부 저항층
5. 외부 전도층
6. 외부 절연층
7. 연결구멍
8. 중앙 전극 용접부
9. 측부 전극 연결부
2. 내부 저항층
3. 내부 절연층
4. 외부 저항층
5. 외부 전도층
6. 외부 절연층
7. 연결구멍
8. 중앙 전극 용접부
9. 측부 전극 연결부
Claims (10)
- 외부 발열층;
내부 절연층; 및
내부 발열층을 포함하되,
상기 내부 발열층, 상기 내부 절연층 및 상기 외부 발열층은, 내부에서 외부로 순차적으로 배열되고,
상기 외부 발열층은 상기 내부 발열층과 전기적으로 연결되고,
상기 외부 발열층 및 상기 내부 발열층은,
성분비율이 서로 다른 세라믹 재료로 제작되는 것을 특징으로 하는, 올세라믹 발열체. - 제1 항에 있어서,
상기 외부 발열층은, 외부 저항층을 포함하고,
상기 내부 발열층은, 내부 저항층을 포함하고,
상기 외부 저항층과 상기 내부 저항층의 세라믹 재료의 성분비율은,
중량부로, 질화규소 : 탄화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 산화란타넘 : 이규화몰리브덴 = (500-700) : (100-300) : (40-80) : (50-90) : (0-30) : (500-800) 이되,
상기 외부 저항층과 상기 내부 저항층의 세라믹 재료의 성분비율은,
서로 다른 것을 특징으로 하는, 올세라믹 발열체. - 제2 항에 있어서,
상기 외부 발열층은, 외부 전도층을 더 포함하고,
상기 내부 발열층은, 내부 전도층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 올세라믹 발열체. - 제3 항에 있어서,
상기 외부 전도층의 세라믹 재료의 성분비율은,
중량부로, 질화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 이규화몰리브덴 = (500-700) : (40-80) : (50-90) : (700-3000) 인 것을 특징으로 하는, 올세라믹 발열체. - 제3 항 또는 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 전도층의 세라믹 재료의 성분비율은,
중량부로, 질화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 산화란타넘 : 이규화몰리브덴 = (500-700) : (40-80) : (50-90) : (0-30) : (700-3000) 인 것을 특징으로 하는, 올세라믹 발열체. - 제5 항에 있어서,
상기 내부 절연층의 세라믹 재료의 성분비율은,
중량부로, 질화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 산화란타넘 : 이규화몰리브덴 = (500-700) : (40-80) : (50-90) : (0-30) : (10-800) 인 것을 특징으로 하는, 올세라믹 발열체. - 제6 항에 있어서,
상기 내부 전도층에는,
중앙 전극 용접부가 형성되고,
상기 외부 전도층에는,
측면 전극 연결부가 형성되는 것을 특징으로 하는, 올세라믹 발열체. - 제7 항에 있어서,
외부 절연층을 더 포함하되,
상기 외부 절연층은,
상기 외부 전도층을 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는, 올세라믹 발열체. - 제8 항에 있어서,
상기 내부 전도층, 상기 내부 저항층, 상기 내부 절연층, 상기 외부 저항층, 상기 외부 전도층 및 상기 외부 절연층은, 내부에서 외부로 순차적으로 배열되고,
상기 올세라믹 발열체는 전체적으로 동심 환형구조인 것을 특징으로 하는, 올세라믹 발열체. - 제8 항 또는 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외부 절연층의 세라믹 재료의 성분비율은,
중량부로, 질화규소 : 산화알루미늄 : 산화이트륨 : 이규화몰리브덴 = (500-700) : (40-80) : (50-90) : (10-800) 인 것을 특징으로 하는, 올세라믹 발열체.
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