WO2010082731A2 - 적외선램프의 필라멘트 및 그 제조방법 - Google Patents

적외선램프의 필라멘트 및 그 제조방법 Download PDF

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WO2010082731A2
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infrared ray
quartz tube
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김용선
김영남
박경훈
윤정엽
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    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V33/00—Structural combinations of lighting devices with other articles, not otherwise provided for
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • C09D183/00—Coating compositions based on macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon, with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • C09D183/04—Polysiloxanes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/0033—Heating devices using lamps
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a filament of an infrared lamp used as a heating device, such as an industrial drying furnace, and a method for manufacturing the same. More specifically, the filament of the infrared lamp having significantly improved infrared radiation efficiency, electrical performance, and durability by using a graphite thin plate. And to a method for producing the same.
  • FIG. 1 is an exemplary view of such a conventional infrared lamp.
  • the inner lead wires 3 at both ends of the filament 2 are connected to the relay piece 4, which is a metal foil, and then the other end of the relay piece 4 is connected to the outer lead wire 5.
  • the filament 2 is inserted into the quartz tube 1 in which the filaments 2 are transparent, both ends are pinch sealed, and inert gas is injected therein.
  • infrared rays are radiated from the filament 2 in the quartz tube 1 in all directions.
  • the filament of the infrared lamp is usually made of a carbon material, and the carbon filament is formed into a strip shape by twisting a rod-shaped carbon sponge filament, a strip-shaped carbon sintered filament, and a plurality of strands of carbon yarn, and then spirally forming it.
  • the formed spiral carbon strip filament There are several types, such as the formed spiral carbon strip filament.
  • the filament of the conventional carbon material as described above has the following problems.
  • the rod-shaped carbon sponge filament is very difficult to match the desired resistance value according to the resistance characteristics of the carbon itself, the density of the sponge is not uniform, there is a problem that the infrared rays are not evenly radiated due to the portion where the current does not flow, Since there is a problem that the life is shortened due to the temperature difference between the surface and the center.
  • the strip-shaped carbon sintered filaments have an increased filament upon light emission, and warpage or deformation occurs due to a thin and wide width.
  • the width is 10mm or more, the plastic working is difficult and the strength is weak, there is a problem that is difficult to manufacture a filament having a length of 500mm or more.
  • long lamps are manufactured by connecting two or more short filaments with an intermediate medium, but a special adhesive for bonding the intermediate medium and the filament is easy to break the filament, and the intermediate medium does not emit light, so infrared radiation is uniform. There is a problem that can not be.
  • the helical carbon strip filaments are stretched and bent when the filaments emit light, and as a result, the filaments come into contact with the walls of the quartz tube, which contaminates the quartz tube and, in severe cases, also causes the quartz tube to break.
  • the inside of the filament is a cavity (cavity), there is a gap between the filament and the filament to concentrate the energy can not be used efficiently, low luminous efficiency compared to the surface area of the filament is high power consumption.
  • the filament of the carbon material of the related art has a problem of low radiation efficiency and uneven radiation, high power consumption, short lifespan, and difficulty in manufacturing due to low productivity.
  • the present invention has a uniform infrared radiation, high radiation efficiency, high heat resistance and durability, low power consumption, and is not difficult to manufacture. Its purpose is to provide.
  • the present invention to manufacture the filament of the infrared lamp by coating a thin graphite (Graphite) with a special coating solution of silicon (silicon) series to achieve the above object.
  • the present invention is to install a centering coil for supporting the filament, improve the structure of the insulator so that the external lead wire can be drawn in the horizontal or vertical direction as necessary, and quartz to reflect the infrared radiation emitted upward Install a reflective film on the surface of the pipe.
  • the filament of the present invention and the infrared lamp using the same are uniform radiation of infrared rays, high radiation efficiency, high heat resistance and durability, low power consumption, it is not difficult to manufacture, there is an effect of high productivity.
  • the filament of the present invention has a high heat resistance and strength and is easy to manufacture has the effect of producing a relatively long filament and infrared lamp without using an intermediate medium.
  • the present invention is fixed to the filament is not detached even when the centering coil is applied to impact the quartz tube, and there is an effect that the filament does not sag down or adhere to the inner wall of the quartz tube even when thermal expansion occurs during light emission.
  • the present invention has the effect of improving the structure of the insulator so that the outer lead line can be drawn in the horizontal or vertical direction as needed.
  • the present invention can install a reflecting film on the surface of the quartz tube to reflect the infrared radiation emitted to the upper portion has the effect of increasing the radiation efficiency of the infrared ray.
  • FIG 2 is an overall structural diagram of an infrared lamp of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view of the infrared lamp of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a structural diagram of insulators.
  • FIG. 8 is a shape diagram of a filament to which a reflective film is applied
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a radiation angle of an infrared lamp employing the filament of FIG. 8.
  • fixing clip 350 spring
  • the present invention is formed by cutting the graphite thin plate into a graphite thin strip of the size to be used, the two graphite thin strips are integrally bonded by applying heat, and the integrally bonded graphite thin strip in an inert gas After the first heat firing, the coating solution of the silicon-based coating is naturally dried, then heat-fired in the same process as the first firing and then naturally cooled to prepare a filament of the infrared lamp.
  • the present invention is to manufacture a filament of the infrared lamp by coating the thin graphite with a special coating solution of silicon series.
  • Graphite has a variety of uses due to its unique properties, and unlike other materials, its strength increases even when heated to 2500 degrees Celsius, and does not change in size even when the temperature change is very large.
  • Graphite is one of the most chemically stable materials and has excellent resistance to most acid and alkali chemicals, except for strong oxidation catalysts such as mixtures of Phosphoric Acid and Potassium Dichromate.
  • strong oxidation catalysts such as mixtures of Phosphoric Acid and Potassium Dichromate.
  • the ratio of strength to weight is very high, precision processing is very easy, and impurities can be removed through high purity treatment.
  • inorganic materials are insulators and graphite is a good conductor of electricity.
  • graphite has suitable properties as a material of filament, but also has inappropriate properties. That is, graphite starts to oxidize when it is 350 degrees Celsius or higher in the atmosphere or in an activated atmosphere. Therefore, when used in high temperature process, the vacuum must be maintained to suppress oxidation. On the other hand, when the silicon-based material is coated on the surface of the graphite, physical properties such as oxidation resistance and wear resistance are greatly improved.
  • the present invention utilizes the characteristics of the graphite as described above to produce a filament having high productivity because the infrared radiation is uniform, radiation efficiency is high, heat resistance and durability, power consumption is low, and manufacturing is not difficult.
  • compound (A) of about 25wt% (4: 1) of the mixture (C) is added to the mixture (C) to produce a silicone-based special coating solution.
  • the silicone-based special coating solution produced is almost the same as the color of graphite, and when coated on the filament, the radiation efficiency is high due to the high transmittance of infrared rays during light emission, the durability of the filament is enhanced, and sagging due to thermal expansion The phenomenon is prevented.
  • the infrared radiation energy is most strongly emitted in the mid-infrared wavelength band (generally 2 ⁇ 5um) of the infrared region.
  • the mid-infrared energy has a wavelength band most suitable for drying a coated metal or non-metal based product, and in particular, exhibits excellent effects on drying of water-based paints, polymer resins, glass, paints, inks, and moisture.
  • the permeability is very excellent, and the lamp lighting speed is only about 1 to 2 seconds, so the response speed is fast, thereby providing an excellent effect in terms of drying time.
  • the graphite sheet is cut into 10 ⁇ 15mm width and the length is selected by considering the lamp output. For example, if the rated input voltage is 110VAC and the lamp output is 2.1KW, the graphite sheet is cut so that the width is about 13mm, the length is 720mm, and when the lamp output is 1KW, the width is about 13mm and the length is 370mm. .
  • the two sheets of graphite thin strip thus formed are bonded together by applying heat.
  • one sheet of graphite may be used, but in the case of one sheet, it is difficult to match the electrical characteristics, especially the desired resistance value, the size of the filament should be large, and the filament may be disconnected due to heat generation, and the elasticity of the filament is reduced due to the high durability. Since it may be deformed and it is difficult to maintain the horizontal state, it is preferable to produce a filament by joining two sheets of graphite thin strip.
  • the graphite sheet strip in which the two sheets are bonded is fired by raising it to about 1100 degrees Celsius in an inert gas atmosphere such as nitrogen and argon gas.
  • an inert gas atmosphere such as nitrogen and argon gas.
  • the silicon-based special coating solution is applied to the first calcined graphite sheet strip.
  • the coating liquid is preferably applied twice but may be once or several times.
  • the coated graphite thin strip is naturally dried and then subjected to secondary heating firing in the same process as the primary firing. In the same way, gradually cool by natural cooling.
  • the filament of the present invention is produced, which is uniform in the infrared radiation, high radiation efficiency, high heat resistance and durability, and low power consumption.
  • the use of the filament of the present invention facilitates the manufacture of the lamp.
  • FIG. 2 is an overall structural diagram of an infrared lamp of the embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a plan view of the infrared lamp of the embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a structural diagram of the centering coil
  • Figure 5 is a structural diagram of the fixing clip
  • Figure 6 is a spring 7 is a structural diagram
  • FIG. 7 is a structural diagram of insulator.
  • the filament 200 of the present invention manufactured as described above is positioned to protect the filament 200 and to radiate infrared rays as far as possible and to be transparent inside the quartz tube 100.
  • the filament 200 is positioned in the center of the quartz tube 100, and then the centering coil 370 is inserted into the center of the filament 200 to fix the filament 200.
  • the circular ring-shaped centering coil 370 has two rows of circumferential portions 371 formed therein to ensure stability, and a transverse insertion portion 372 is formed in the central portion of the filament.
  • the 200 may be inserted into a slot 373 of the insertion part 372 to be fixed.
  • the centering coil 370 Due to the structure of the centering coil 370, the filament 200 is fixed without being separated even if a physical impact such as shaking, laying, or standing the quartz tube from the outside or thermal expansion occurs during light emission. In addition, even when the filament 200 is stretched due to thermal expansion during light emission, the filament is not struck down, and thus the filament is prevented from adhering to the inner wall of the quartz tube 100.
  • the centering coil 370 uses a wire made of molybdenum material having excellent temperature characteristics.
  • the gasket 310 of the soft graphite thin plate is attached to the upper and lower ends of the filament 200, wrapped with the fixing clip 340, and then compressed.
  • the width of the gasket 310 is equal to the width of the filament 200, the length is about 10mm and the thickness is about 1 ⁇ 2mm.
  • the gasket 310 is also manufactured through a firing process at the same temperature as that of the filament 200 in order to prevent impurities from being emitted when the filament 200 emits light.
  • the fixing clip 340 is fixed so that the contact state between the filament 200 and the gasket 310 is good.
  • the fixing clip 340 has a plate-shaped support plate 341 and side plates such that the contact between the filament 200 and the gasket 310 is high without damaging the soft gasket 310. It is preferable to comprise the 342 and the upper plate 343.
  • the connection plate 344 for connecting the spring 350 or the connection pin 360 to one side of the support plate 341 is formed, and the connection portion 344 forms a connection hole 345.
  • the connecting pin 360 is connected to the connecting portion 344 of the fixing clip 340 of one side of the filament 200, and the end of the opposite side of the connecting pin 360 is connected to the relay piece 320.
  • the relay piece 320 is a small thin plate and its size and material are selected in consideration of the current, voltage, and power flowing through the lamp. In the embodiment of the present invention, a molybdenum thin plate having a width of 7 mm, a length of 12 mm, and a thickness of 0.03 mm was used.
  • connection portion 344 of the fixing clip 340 of the opposite side is connected to the spring 350, and the end of the opposite side of the spring 350 is connected to the relay piece 320.
  • the hairpins 330 made of molybdenum are respectively connected to the outer ends of the relay pieces 320, and the outer lead wires 700 are connected to the outer ends of the hairpins 330, respectively.
  • the connecting pin 360, the spring 350, the hairpin 330 is connected to the relay piece 320 by spot welding.
  • the spring 350 is for absorbing finely stretched filament 200 due to thermal expansion during light emission, and should be sufficiently able to withstand high currents. Therefore, twisted several strands of wire made of molybdenum material having excellent temperature characteristics are formed into spirals again.
  • the diameter of the helix should be about the same size as the inner diameter of the quartz tube 100 so that the change of the filament 200 during thermal expansion is small.
  • the spring 350 is generally a spiral structure such as a coil spring (FIG. 6A), but a plate spring such as FIG. 6B or 6C is possible, and the thickness and width of the plate may be determined in consideration of the amount of current flowing through the filament 200. Select. In the case where the filament 200 has a length of 300 mm or less, the spring 350 may not be provided because of less thermal expansion.
  • the spring 350 should be designed with sufficient consideration of thermal expansion elasticity, and the number of turns of the spring 350 should be 2.5 or more times.
  • the spring 350 is preferably used only on one side. When installed on both sides has a disadvantage that the length of the quartz tube 100 is longer, the lamp is larger, and if the thermal expansion occurs in different directions may cause deformation of the filament 200.
  • the relay piece 320, the hairpin 330, the fixing clip 340, the spring 350, the connecting pin 360 and the centering coil 370 is selected in consideration of the internal temperature.
  • a molybdenum material is used, but a material such as tungsten or tantalum may be used.
  • an inlet gas such as nitrogen, argon gas or a mixed gas of nitrogen and argon is injected through the injection hole 500 in the center of the quartz tube 100, and then the injection hole is sealed. This inert gas is injected to prevent oxidation of components inside the quartz tube 100 and to increase infrared radiation efficiency.
  • the insulator 600 shown in FIG. 7 is inserted into the pinch portion 400 at both ends of the quartz tube 100 to be insulated so as to prevent a safety accident, and then fixed with a joint such as gypsum or back cement.
  • the pinch portion 400 of the quartz tube 100 is inserted into the insertion groove portion 601 of the insulator 600 to be fixed with an adhesive, and the external lead wire 700 is drawn out to the lead portion 602.
  • the insulator 600 of FIG. 7A may draw out the outer lead line 700 in the horizontal direction but may not be drawn out in the vertical direction, which may be inconvenient in some cases, and the overall volume becomes large. ) Is more preferable because the external lead wire 700 can be drawn out in a horizontal or vertical direction as needed.
  • FIG. 8 is a shape diagram of a filament coated with a reflective film
  • FIG. 9 illustrates a radiation angle of an infrared lamp employing the filament of FIG. 8.
  • a reflector 800 on the top of the surface of the quartz tube 100, the infrared rays emitted upward may be reflected downward, thereby increasing the radiation efficiency of the infrared rays.
  • the reflective film 800 is usually installed at half of the circumferential surface of the quartz tube 100, in which case the radiation angle is about 60 to 75 degrees as shown in FIG.
  • the material of the reflective film 800 gold having the highest reflection efficiency is most used.
  • a high brightness reflector may be installed to increase the reflection efficiency. In the absence of the reflective film 800, since about 40% of infrared rays are emitted above the lamp, the radiation efficiency is low and may adversely affect the structure in which the lamp is installed.
  • the following table shows the result of measuring power consumption by filament.
  • the maximum temperature is the temperature at the irradiation distance of 130mm.
  • W / ° C is the amount of power consumed to raise the surface temperature of the building by 1 ° C.
  • the use of the filament of the present invention is significantly less power consumption than when using the conventional filament. That is, when the filament of the present invention is used (921.2 W), it can be seen that only 50% of the power is consumed compared to the case of using the conventional spiral carbon strip filament (1,826 W).
  • the filament of the present invention and the infrared lamp using the same are uniform radiation of infrared rays, high radiation efficiency, high heat resistance and durability, low power consumption, high productivity because it is not difficult to manufacture, heating device such as industrial drying furnace It can be used extensively.

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Abstract

본 발명은 산업용 건조로 등의 가열장치로 사용되는 적외선램프의 필라멘트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 그라파이트 박판에 실리콘 계열의 코팅용액을 코팅하여 적외선램프의 필라멘트를 제조한다. 이렇게 제조한 필라멘트와 이를 이용한 적외선램프는 적외선의 방사가 균일하고, 방사효율이 높으며, 내열성과 내구성이 높고, 전력소모가 적으며, 제조가 어렵지 아니하여 생산성이 높은 효과가 있다. 또, 본 발명은 적외선램프에 필라멘트를 지지 고정하는 센터링 코일을 설치하고 절연을 위한 애자의 구조를 개선하며 상부에 반사막을 설치하여 적외선램프의 성능을 크게 향상시킨 효과가 있다.

Description

적외선램프의 필라멘트 및 그 제조방법
본 발명은 산업용 건조로 등의 가열장치로 사용되는 적외선램프의 필라멘트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그라파이트 박판 을 이용하여 적외선 방사효율, 전기적 성능 및 내구성을 크게 향상시킨 적외선램프의 필라멘트 및 그 제조방법에 관한 것이다.
산업용 건조로, 가정용 난방기, 조리기구 등의 가열장치로 상용 전원으로 작동되는 적외선램프가 많이 사용되고 있으며, 도 1은 이러한 종래의 적외선램프의 예시도이다.
도시된 바와 같이, 필라멘트(2) 양단의 내부리드선(3)이 금속박판인 중계편(4)에 연결되고 이어서 중계편(4)의 타단이 외부리드선(5)에 연결되어 있다. 또, 이러한 필라멘트(2)가 투명하고 양단이 핀치실링(pinch sealing)되고 그 내부에 불활성가스가 주입되어 있는 석영관(1) 내에 삽입되어 있다. 외부리드선(5)에 전원이 인가되면 석영관(1) 내의 필라멘트(2)로부터 적외선이 전 방향으로 방사된다.
이러한 적외선램프의 필라멘트는 보통 카본 소재로 제조되며, 카본 소재의 필라멘트는 봉상의 카본 스폰지 필라멘트, 스트립 형상의 카본 소결체 필라멘트, 여러 가닥의 카본사를 꼬아서 스트립 형상으로 형성한 후 이를 다시 나선형상으로 형성시킨 나선형 카본 스트립 필라멘트 등 여러 종류가 있다.
한편, 위와 같은 종래의 카본 소재의 필라멘트는 다음과 같은 문제점이 있다. 먼저, 봉상의 카본 스폰지 필라멘트는 탄소 자체의 저항 특성에 따라 원하는 저항값을 맞추기가 매우 어렵고, 스폰지의 밀도가 균일하지 않아 전류가 흐르지 않는 부분이 발생하여 적외선이 고르게 방사되지 못하는 문제점이 있고, 봉상의 형태이어서 표면과 중심부의 온도 차이로 인하여 수명이 단축되는 문제점이 있다.
스트립 형상의 카본 소결체 필라멘트는 발광시 필라멘트가 늘어나고, 얇고 넓은 폭으로 인하여 휨이나 변형이 발생된다. 또, 폭이 10mm 이상인 경우에는 소성작업이 어렵고 강도가 약하여 길이가 500mm 이상인 필라멘트는 제조하기가 어려운 문제점이 있다. 이 때문에 2개 이상의 짧은 필라멘트를 중간매체로 연결하여 긴 램프를 제조하고 있으나, 필라멘트가 파손되기 쉽고 중간매체와 필라멘트와의 접착을 위한 특수 접착제가 사용되어야 하고 중간매체는 발광하지 않으므로 적외선 방사가 균일하지 못하는 문제점이 있다.
나선형 카본 스트립 필라멘트는 발광시 필라멘트의 길이가 늘어나고 휘어지며, 그 결과로 필라멘트가 석영관의 벽에 닿게 되어 석영관이 오염되고 심한 경우에는 석영관이 파손되는 경우도 발생한다. 또, 필라멘트 내부가 공동(空洞)으로 되어 있고 필라멘트와 필라멘트 사이에 간극이 있어 에너지를 집중하여 효율적으로 사용하지 못하게 되어 필라멘트의 표면적 대비 발광효율이 낮아 전력소모가 크다.
또, 필라멘트의 길이가 길어지면 성형시 가압이 불균일하게 되고 소결시 변형이 발생하기 쉽고, 필라멘트와 필라멘트 사이의 간극이 일정하지 않으면 필라멘트 위치에 따라 온도의 편차가 발생하고 에너지 효율이 저하되며, 필라멘트를 석영관 내부 중앙에 위치시키는 작업이 어려워서 정교하고 숙련된 작업이 필요하므로 생산성을 높이기 어려운 문제점이 있다.
위와 같이, 종래의 카본 소재의 필라멘트는 적외선의 방사 효율이 낮고 방사가 균일하지 못하며, 전력소모가 많고, 수명이 짧으며, 제조가 어려워서 생산성이 낮은 문제점이 있다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 적외선의 방사가 균일하고, 방사효율이 높으며, 내열성과 내구성이 높고, 전력소모가 적으며, 제조가 어렵지 아니하여 생산성이 높은 적외선램프의 필라멘트 및 그 제조방법을 제공하는 그 목적이 있다.
본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 박판 그라파이트(Graphite)를 실리콘(silicon) 계열의 특수코팅용액으로 코팅하여 적외선램프의 필라멘트를 제조한다.
또한, 본 발명은 필라멘트를 지지하는 센터링 코일을 설치하고, 외부리드선을 필요에 따라 수평 또는 수직방향으로 인출시킬 수 있도록 애자의 구조를 개선하며, 상부로 방사되는 적외선을 하부로 반사시킬 수 있도록 석영관의 표면에 반사막을 설치한다.
본 발명의 필라멘트 및 이를 이용한 적외선램프는 적외선의 방사가 균일하고, 방사효율이 높으며, 내열성과 내구성이 높고, 전력소모가 적으며, 제조가 어렵지 아니하여 생산성이 높은 효과가 있다.
또, 본 발명의 필라멘트는 내열성 및 강도가 높고 제조가 용이하여 중간매체를 사용하지 않고도 비교적 긴 필라멘트 및 적외선램프를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명은 센터링 코일을 설치하여 석영관에 충격을 가하여도 필라멘트가 이탈되지 않고 고정되어 있으며, 발광시 열팽창이 일어나도 필라멘트가 아래로 처지거나 석영관의 내벽에 붙지 않는 효과가 있다.
또, 본 발명은 애자의 구조를 개선하여 필요에 따라 외부리드선을 수평 또는 수직방향으로 인출시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 석영관의 표면에 반사막을 설치하여 상부로 방사되는 적외선을 하부로 반사시킬 수 있어 적외선의 방사효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 적외선램프의 예시도이고,
도 2는 본 발명 실시예의 적외선램프의 전체 구조도이다.
도 3은 본 발명 실시예의 적외선램프의 평면도이고,
도 4는 센터링 코일의 구조도이고,
도 5는 고정클립의 구조도이며,
도 6은 스프링의 구조도이고,
도 7은 애자의 구조도이다.
도 8은 반사막이 도포된 필라멘트의 형상도이고,
도 9는 도 8의 필라멘트를 채용한 적외선램프의 방사각도 도시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 석영관 2: 필라멘트
3: 내부리드선 4: 중계편
5: 외부리드선 100 : 석영관
200 : 필라멘트 310 : 가스켓
320 : 중계편 330 : 헤어핀
340 : 고정클립 350 : 스프링
360 : 연결핀 370 : 센터링 코일
400 : 핀치부 500 : 주입구
600 : 애자 700 : 외부리드선
800 : 반사막
본 발명은 그라파이트 박판을 절단하여 사용하고자 하는 크기의 그라파이트 박판 스트립으로 형성하고, 상기 그라파이트 박판 스트립 2매를 열을 가하여 일체로 접합시키고, 상기와 같이 일체로 접합된 그라파이트 박판 스트립을 불활성가스 속에서 1차 가열 소성시킨 다음, 실리콘 계열의 코팅용액을 도포하여 자연 건조시킨 후, 다시 상기 1차 소성과 동일한 과정으로 가열 소성시킨 다음 자연 냉각시켜서 적외선램프의 필라멘트를 제조한다.
본 발명은 박판 그라파이트를 실리콘 계열의 특수코팅용액으로 코팅하여 적외선램프의 필라멘트를 제조한다. 그라파이트는 독특한 물성을 가지고 있어 그 용도가 매우 다양하며, 다른 소재들과는 달리 섭씨 2500도 까지 가열하여도 그 강도가 증가하며, 온도변화가 아주 큰 경우에도 크기의 변함이 없다.
또, 그라파이트는 화학적으로도 가장 안정된 소재 중의 하나로, 인산(Phosphoric Acid)과 중크롬산칼륨(Potassium Dichromate)의 혼합물과 같은 강한 산화촉매를 제외한 대부분의 산과 알칼리 약품에 대하여 우수한 내성을 가지고 있다. 또한, 무게 대비 강도의 비율이 아주 높고, 정밀가공이 매우 용이하며, 고순도 처리를 통하여 불순물의 제거도 가능하다. 일반적으로 무기재료들은 절연체이나 그라파이트는 전기전도가 양호한 전도체이다.
위와 같이 그라파이트는 필라멘트의 소재로서 적합한 특성을 가지고 있는 반면, 부적합한 특성도 가지고 있다. 즉, 그라파이트는 대기중이나 활성화 분위기에서 섭씨 350도 이상이 되면 산화가 시작된다. 따라서 고온공정에 사용하는 경우에는 산화를 억제시키기 위해 진공상태를 유지시켜야 한다. 한편, 이와 같은 그라파이트의 표면에 실리콘계열의 물질을 코팅시키면 내산화성, 내마모성 등 물리적 특성이 크게 향상된다.
본 발명은 위와 같은 그라파이트의 특성을 잘 활용하여 적외선의 방사가 균일하고, 방사효율이 높으며, 내열성과 내구성이 높고, 전력소모가 적으며, 제조가 어렵지 아니하여 생산성이 높은 필라멘트를 제조한다.
이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 먼저, 필라멘트에 코팅(coating)할 실리콘 계열의 특수코팅용액의 제조에 대하여 설명한다.
(1) 메틸트리메톡시실란(CH3Si(OCH3)3)액 70wt%에 아세트산(CH3COOH) 2wt%, 물(H20) 28wt%를 혼합하여 가수분해반응이 일어나도록 한다. 이때 교반기 등을 이용하여 충분한 가수분해반응이 일어나도록 하며, 이 반응에 의하여 화합물(A)가 생성된다.
(2) 규산 알미늄과 그라파이트 분말을 각각 8:2 비율로 혼합하여 혼합물(B)를 생성시킨다.
(3) 생성된 혼합물(B)의 약 1.66배의 실리콘용액을 혼합물(B)에 섞어 새로운 혼합물(C)를 생성시킨다.
(4) 이어서 혼합물(C)에 혼합물(C)의 25wt%(4:1)정도의 화합물(A)를 배합하면 실리콘 계열의 특수코팅용액이 생성된다.
이렇게 생성된 실리콘 계열의 특수코팅용액은 그 색상이 그라파이트의 색상과 거의 같으며, 필라멘트에 이를 코팅하면 발광시 적외선의 투과율이 높아 방사효율이 높게 되고, 필라멘트의 내구성이 강화되며, 열팽창으로 인한 처짐현상이 방지된다.
또한, 실리콘계열의 성분을 필라멘트의 제조에 사용함으로써, 적외선 영역 중에서 중적외선파장대역(일반적으로 2~5um)에서 적외선 복사에너지가 가장 강하게 방출된다. 이러한 중적외선 에너지는 코팅된 금속이나 비금속 계열의 제품 건조에 가장 적합한 파장대역을 가지고 있으며, 특히, 수성도료, 고분자 수지, 유리, 페인트, 잉크, 수분 등의 건조에 우수한 효과를 나타낸다. 종래의 카본계열 또는 봉상의 히터/램프에 비해 침투성이 매우 우수하며, 램프 점등 속도도 1~2초 정도에 불과하므로 응답속도가 빨라서 건조시간의 측면에서 탁월한 효과가 있다.
다음에, 본 발명의 필라멘트의 제조에 대하여 설명한다.
그라파이트 박판을 10~15mm 정도의 폭으로 절단하고 램프의 출력을 고려하여 길이를 선정하여 절단한다. 예를 들어, 정격입력전압이 110VAC이고, 램프 출력이 2.1KW의 경우에는 폭이 약 13mm, 길이가 720mm, 램프 출력이 1KW의 경우에는 폭이 약 13mm, 길이가 370mm가 되도록 그라파이트 박판을 절단한다.
이렇게 형성된 그라파이트 박판 스트립(strip) 2매를 열을 가하여 일체로 접합시킨다. 물론 1매의 그라파이트 박판을 사용할 수도 있으나, 1매인 경우 전기적 특성치, 특히 원하는 저항값을 맞추기가 어렵고, 필라멘트의 크기가 커져야 하며, 내구성이 높지 않아 발열로 인하여 필라멘트가 단선될 수도 있고 필라멘트의 탄력성 저하로 변형이 될 수도 있으며 수평상태를 유지하기 어렵게 되는 등의 문제점이 있으므로 2매의 그라파이트 박판 스트립을 접합하여 필라멘트를 제조하는 것이 바람직하다.
위와 같이, 2매를 접합시킨 그라파이트 박판 스트립을 질소, 아르곤가스 등의 불활성가스 분위기에서 섭씨 1100도 정도까지 올려서 소성한다. 이러한 소성시의 급격한 온도상승과 소성 후의 냉각시의 급랭은 박판에 이상을 가져올 수 있으므로, 소성시에는 분당 섭씨 약 5~8도 정도씩 온도를 상승시켜야 하고 냉각시에는 자연 냉각시켜야 한다.
이렇게 1차 소성된 그라파이트 박판 스트립에 상기한 실리콘 계열의 특수코팅용액을 도포한다. 코팅액의 도포는 2회가 바람직하나 1회 또는 수회 할 수도 있다. 이와 같이 코팅된 그라파이트 박판 스트립을 자연건조 시킨 후, 1차 소성과 동일한 과정으로 2차 가열 소성을 한다. 냉각시에는 마찬가지로 자연냉각으로 서서히 냉각시킨다.
이렇게 하여 본 발명의 필라멘트가 제조되며, 이는 적외선의 방사가 균일하고, 방사효율이 높으며, 내열성과 내구성이 높고, 전력소모가 적다. 또, 본 발명의 필라멘트를 이용하면 램프의 제조가 용이하게 된다.
다음에 본 발명의 필라멘트를 이용한 적외선램프의 제조에 대하여 설명한다. 도 2는 본 발명 실시예의 적외선램프의 전체 구조도이고, 도 3은 본 발명 실시예의 적외선램프의 평면도이며, 도 4는 센터링 코일의 구조도이고, 도 5는 고정클립의 구조도이며, 도 6은 스프링의 구조도이고, 도 7은 애자의 구조도이다.
위와 같이 제조된 본 발명의 필라멘트(200)를 필라멘트(200)를 보호하고 방사되는 적외선이 최대한 투과되도록 구성되고 투명한 석영관(100)의 내부에 위치시킨다. 필라멘트(200)를 석영관(100) 내부의 중앙에 위치시킨 다음 센터링 코일(centering coil)(370)을 필라멘트(200)의 중앙에 끼워서 필라멘트(200)를 고정시킨다.
도 4에 도시된 바와 같이, 둥근 고리형상의 센터링 코일(370)은 2줄의 원주부(371)가 형성되어 있어 안정성이 확보되고, 중앙부에 횡방향의 삽입부(372)가 형성되어 있어 필라멘트(200)를 삽입부(372)의 슬롯(slot)(373)에 삽입시켜 고정시킬 수 있다.
센터링 코일(370)의 이와 같은 구조로 인하여 석영관을 외부에서 흔들거나, 눕히거나, 세우는 등의 물리적인 충격을 가하거나 발광시 열팽창이 일어나도 필라멘트(200)가 이탈되지 않고 고정되어 있게 된다. 또, 발광시 열팽창으로 필라멘트(200)가 늘어나도 필라멘트가 아래로 쳐지지 않으며, 따라서 필라멘트가 석영관(100)의 내벽에 붙는 것이 방지된다. 이와 같은 센터링 코일(370)은 온도특성이 우수한 몰리브덴(Molybdenum) 재질의 와이어(wire)를 사용한다.
이어서 필라멘트(200)의 양단의 상하부에 연질의 그라파이트 박판의 가스켓(310)을 부착하고 이를 고정클립(340)으로 감싼 후 압착한다. 가스켓(310)의 폭은 필라멘트(200)의 폭과 같게 하고 길이는 약 10mm 정도로 하며 두께는 약 1~2mm 정도로 한다. 이러한 가스켓(310)도 필라멘트(200)의 발광시 불순물이 표출되지 않도록 하기 위하여 필라멘트(200)의 경우와 같은 온도에서의 소성공정을 거쳐서 제조한다.
필라멘트(200)와 가스켓(310)과의 접촉상태가 좋지 못하면 접촉저항이 높아져 과전류로 인하여 필라멘트(200)가 소손될 수 있다. 따라서 필라멘트(200)와 가스켓(310)과의 접촉상태가 양호하도록 고정클립(340)으로 고정한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 고정클립(340)은 연질의 가스켓(310)에 상처를 입히지 않고 필라멘트(200)와 가스켓(310)과의 접촉도가 높도록 판상의 받침판(341), 측판(342) 및 상판(343)으로 구성시키는 것이 바람직하다. 또, 받침판(341)의 한편에 스프링(350) 또는 연결핀(360)과의 연결을 위한 연결부(344)를 구성시키고 이 연결부(344)에는 연결공(345)을 형성시킨다.
필라멘트(200)의 한편의 고정클립(340)의 연결부(344)에 연결핀(360)을 연결시키고, 이 연결핀(360)의 반대편의 단부를 중계편(320)에 연결시킨다. 중계편(320)은 소형의 박판으로 그 크기와 재질은 램프에 흐르는 전류, 전압 및 전력 등을 고려하여 선정한다. 본 발명의 실시예에서는 폭 7mm, 길이 12mm, 두께 0.03mm의 몰리브덴 박판을 사용하였다.
한편, 반대편의 고정클립(340)의 연결부(344)에는 스프링(350)을 연결시키고, 이 스프링(350)의 반대편의 단부를 중계편(320)에 연결시킨다. 또한, 양쪽 중계편(320)의 외단에는 몰리브덴 소재의 헤어핀(330)을 각각 연결하고, 이 헤어핀(330)의 외단에는 외부리드선(700)을 각각 연결한다. 상기한 연결핀(360), 스프링(350), 헤어핀(330)은 스폿트(spot) 용접으로 중계편(320)에 연결시킨다.
상기한 스프링(350)은 발광시 필라멘트(200)가 열팽창에 의해 미세하게 늘어나는 것을 흡수하기 위한 것으로, 높은 전류에서도 충분히 견딜 수 있는 것이어야 한다. 따라서 온도특성이 우수한 몰리브덴 재질의 와이어 여러 가닥을 한 가닥으로 꼬은 후 이를 다시 나선으로 형성시킨다. 나선의 직경은 석영관(100)의 내부직경과 거의 같은 크기로 하여야 열팽창시 필라멘트(200)의 변화가 적게 된다.
스프링(350)은 코일 스프링과 같은 나선형 구조(도 6A)가 일반적이나, 도 6B 또는 도 6C와 같은 판스프링의 구조도 가능하며, 필라멘트(200)에 흐르는 전류량을 고려하여 판의 두께 및 폭을 선정한다. 또한, 필라멘트(200) 길이가 300mm 이하인 경우에는 열팽창이 적기 때문에 스프링(350)을 설치하지 아니하여도 된다.
스프링(350)은 열팽창 탄성을 충분히 고려하여 설계되어야 하며, 스프링(350)의 감긴 회수가 2.5회 이상이어야 한다. 또한, 이러한 스프링(350)은 한 쪽에만 사용하는 것이 바람직하다. 양쪽에 설치할 경우에는 석영관(100) 길이가 길어져 램프가 커지는 단점이 있고, 서로 다른 방향으로 열팽창이 일어날 경우 필라멘트(200)의 변형을 초래할 수 있다.
상기한 중계편(320), 헤어핀(330), 고정클립(340), 스프링(350), 연결핀(360) 및 센터링 코일(370)은 내부온도 등을 고려하여 소재를 선정한다. 본 발명의 실시예에서는 몰리브덴 소재를 사용하고 있으나, 텅스텐(Tungsten), 탄탈 (Tantalum) 등의 소재를 사용할 수도 있다.
위와 같은 연결이 완료되면 석영관(100) 양단을 핀치실링기로 핀치실링하여 핀치부(400)를 형성시킨다. 이어서 석영관(100)의 중앙부의 주입구(500)를 통하여 질소, 아르곤가스 또는 질소 및 아르곤의 혼합가스와 같은 불활성가스를 주입한 후 주입구를 실링(sealing)한다. 이러한 불활성가스는 석영관(100) 내부의 부품의 산화를 막고 적외선 방사효율을 높이기 위하여 주입한다.
마지막으로, 안전사고가 방지되도록 절연시키기 위하여 석영관(100) 양단의 핀치부(400)에 도 7에 도시된 애자(600)를 끼우고 석고나 백시멘트와 같은 접합체로 고정시킨다. 애자(600)의 삽입홈부(601)에 석영관(100)의 핀치부(400)를 삽입시켜 접착제로 고정시키며, 외부리드선(700)을 인출부(602)로 인출시킨다.
도 7A의 애자(600)는 외부리드선(700)을 수평방향으로 인출시킬 수 있을 뿐 수직방향으로는 인출시킬 수 없어 경우에 따라서 불편할 수 있고 전체적인 부피가 커지는 단점이 있으나, 도 7B의 애자(600)는 필요에 따라 수평 또는 수직방향으로 외부리드선(700)을 인출시킬 수 있어 보다 바람직하다.
도 8은 반사막이 도포된 필라멘트의 형상도이고, 도 9는 도 8의 필라멘트를 채용한 적외선램프의 방사각도를 도시한 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 석영관(100)의 표면의 상부에 반사막(Reflector)(800)을 설치하면 상부로 방사되는 적외선을 하부로 반사시킬 수 있어 적외선의 방사효율을 높일 수 있다. 반사막(800)은 보통 석영관(100) 원주 표면의 반에 설치하며, 이 경우 방사각도는 도 9에 도시된 바와 같이 60~75도 정도가 된다.
반사막(800)의 재료로는 반사효율이 가장 우수한 금(Gold)이 가장 많이 사용된다. 반사막(800)이 두꺼울수록 반사율이 높아지며, 보통 4~5um 정도의 두께의 금박(Gold Film)을 석영관(100)의 표면에 입힌다. 또한, 반사막(800) 대신에 고휘도 반사갓을 설치하여 반사효율을 높일 수도 있다. 반사막(800)이 없을 경우 램프 상부로 약 40% 정도의 적외선이 방사되기 때문에 방사효율이 낮을 뿐만 아니라 램프를 설치한 구조물에 악영향을 줄 수도 있다.
다음 표는 필라멘트별 전력 소모량을 측정한 결과이다.
표 1
필라멘트 램프전압(V) 램프전류(A) 램프 소비전력(W) 최대온도(°C) W/°C 반사막설치 여부
나선형카본 스트립 220 8.3 1,826 96 19.0 X
봉상카본스폰지 1 110 16.0 1,760 93 18.9 X
봉상카본스폰지 2 110 12.9 1,419 78 18.2 X
박판그라파이트 1 47 19.6 921.2 62 14.9 X
박판그라파이트 2 47 19.6 921.2 82 11.2 O
* 최대온도는 조사거리 130mm 지점에서의 온도이다.
* W/°C는 피 건조물의 표면온도를 1°C 상승시키는데 소모되는 전력량이다.
위의 표에서 보는 바와 같이, 본 발명의 필라멘트를 사용한 경우가 종래의 필라멘트를 사용한 경우보다 전력소모량이 현저히 적음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 필라멘트를 사용한 경우(921.2 W)에는 종래의 나선형 카본 스트립 필라멘트를 사용한 경우(1,826 W)에 비하여 50%의 전력밖에 소모되지 않음을 알 수 있다.
또, 피 건조물의 표면온도를 1°C 상승시키는데 소모되는 전력량을 살펴보면, 본 발명 박판 그라파이트 필라멘트를 사용한 경우(14.9 W)에는 종래의 나선형 카본 스트립 필라멘트를 사용한 경우(19.0W)에 비하여 78%의 전력밖에 소모되지 않는 것을 알 수 있다.
특히, 본 발명의 필라멘트를 사용하고 반사막을 설치한 경우(11.2 W)에는 종래의 나선형 카본 스트립 필라멘트를 사용한 경우(19.0 W)에 비하여 59%의 전력밖에 소모도지 않는 것을 알 수 있다.
이상에서 실시예를 토대로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능하다. 따라서 위의 기재 내용에 의하여 본 발명의 범위가 한정되지 아니한다.
본 발명의 필라멘트 및 이를 이용한 적외선램프는 적외선의 방사가 균일하고, 방사효율이 높으며, 내열성과 내구성이 높고, 전력소모가 적으며, 제조가 어렵지 아니하여 생산성이 높아서, 산업용 건조로 등의 가열장치에 광범위하게 사용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 적외선램프의 필라멘트 제조방법에 있어서,
    그라파이트 박판을 절단하여 사용하고자 하는 크기의 그라파이트 박판 스트립으로 형성하고,
    상기 그라파이트 박판 스트립 2매를 열을 가하여 일체로 접합시키고,
    상기와 같이 일체로 접합된 그라파이트 박판 스트립을 불활성가스 속에서 1차 가열 소성시킨 다음,
    실리콘 계열의 코팅용액을 도포하여 자연 건조시킨 후,
    다시 상기 1차 소성과 동일한 과정으로 가열 소성시킨 다음 자연 냉각시켜서 제조하는 것을 특징으로 하는 적외선램프의 필라멘트 제조방법
  2. 제1항의 방법에 의하여 제조된 적외선램프의 필라멘트
  3. 제2항의 필라멘트를 이용한 적외선램프
  4. 제3항에 있어서,
    상기 필라멘트를 보호하는 역할을 하는 석영관의 내부에 상기 필라멘트를 고정시키는 센터링 코일이 설치된 적외선램프
  5. 제3항에 있어서,
    상기 필라멘트의 단부에 가스켓과 고정클립이 설치된 적외선램프
  6. 제3항에 있어서,
    상기 필라멘트의 단부에 스프링이 설치된 적외선램프
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스프링이 코일스프링인 적외선램프
  8. 제6항에 있어서,
    상기 스프링이 판스프링인 적외선램프
  9. 제3항에 있어서,
    상기 필라멘트를 보호하는 역할을 하는 석영관의 핀치부에 절연을 위한 애자가 설치되고 상기 애자의 인출부가 수평방향과 수직방향으로 개방된 적외선램프
  10. 제3항에 있어서,
    상기 필라멘트를 보호하는 역할을 하는 석영관의 표면의 일부에 반사막이 설치된 적외선램프
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