WO2016159729A1 - 저항조절식 탄소섬유 발열선 - Google Patents

저항조절식 탄소섬유 발열선 Download PDF

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김상구
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Definitions

  • the present invention relates to a resistance-controlled carbon fiber heating wire, and more specifically, to a conductor having a relatively lower electrical resistance than carbon fiber and the carbon fiber, the intrinsic resistance of the carbon fiber has a heat generating function and Low-resistance conductors have electric conduction function, and can design resistance values close to existing metal heating wires such as enameled copper wire or nichrome wire as plywood heating wires to avoid parallel connection or multi-contact connection, which is the weakest point of carbon fiber.
  • the present invention relates to a resistance-controlled carbon fiber heating wire that can be applied without changing the existing heating mat or heating element product production process.
  • Carbon fiber is made of artificial synthetic fiber such as rayon and acrylic made of inorganic synthetic fiber made by carbonization with heating firing while maintaining organic fiber shape (PAN type), and fibrous yarn made from pitch of lignin or petroleum ( There is a thing (PITCH type) which used as a raw material.
  • Carbon fiber refers to a fiber with a carbon content of 90% or more. It is 1/5 lighter than steel, but has 10 times higher strength and 7 times higher modulus of elasticity and higher calorific value than nichrome heating elements.
  • Carbon fiber heating wire is that it generates about 30 ⁇ 40% more heat generation performance than metal heating wire, and generates far-infrared and anion radiant heat which is beneficial to human body.
  • Carbon fiber heating wire is characterized by light and high tensile strength and soft ductility. Has been increasing in many cases.
  • carbon fiber heating wire has a much higher electrical resistance compared to the general metal heating wire, and requires a lot of parallel connection to meet the similar heating value of metal due to the sharp difference in product price.
  • the increase has the disadvantage of limiting the widespread use of carbon fiber heating wire.
  • Conventional utility registration No. 418965 relates to a planar heating element, and weaving the power supply unit integrally on both ends of the sheet and then connecting the carbon fiber heating wire in parallel between the power supply units of both ends, the problems caused by the parallel connection as it is. It was.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 2013-0026275 uses a pyrogenic fiber coated with a conductive coating solution by incorporating a fiber yarn and a carbon yarn as a weft yarn, while utilizing a carbon yarn having an excellent heat generating function, but by incorporating the fiber yarn in strength. It is possible to solve the disadvantage of easily broken when handling the carbon yarn by increasing the, further increase the strength with the conductive coating liquid, stabilize the current value even in direct current power source and a planar heating element having a predetermined resistance value sufficient for heat generation and its manufacturing method Has been proposed.
  • the prior art has a problem in that the production facility is increased because the process of coating and drying the surface with a conductive coating liquid after the carbon yarn and the fiber yarn.
  • the coating liquid is not uniform, there is a problem in that the resistance characteristics are changed, and the conductive coating liquid is coated on the outer circumferential surface of the carbon yarn, so there is a problem that the heat generation property is lowered.
  • the present invention was developed in view of the conventional problems, and an object of the present invention is to solve the weaknesses of the carbon fiber while maintaining most of the advantages of the carbon fiber heating wire, and the inherent resistance of the carbon fiber is dedicated to the heating part.
  • the low-resistance metal heating wires or conductors are arranged to be in charge of the electric conductive part, the conductor takes charge of the overall resistance, and the resistance value close to that of the existing metal heating wires such as enameled copper wire or nichrome wire can be designed.
  • the existing metal heating wires such as enameled copper wire or nichrome wire can be designed.
  • it provides a resistance-controlled carbon fiber heating wire that can be applied without any changes to the existing production process.
  • the present invention is provided with a carbon fiber heating wire having a heating function; A conductor having an electrical conductivity function with a resistance lower than that of the carbon fiber heating wire; The carbon fiber heating wire and the conductor are spliced together, and the outer peripheral surface thereof is coated with an insulating tape and then heat-sealed.
  • all kinds of conductors having low electrical conductivity for example, copper wires, tin-plated copper wires, copper-coated steel wires, oxygen-free copper wires, and iron wires, which have a low electrical conductivity in a method capable of changing the high resistance of carbon fiber. It is possible to manufacture a heating wire having a low resistance value by appropriately cooperating with carbon fibers or by molding a material having electrical conductivity with carbon fibers using such as. Therefore, it is not necessary to install carbon fibers in parallel when producing a heating area mat having a desired large area, and even though the carbon fiber is arranged in a zigzag array and spread over a large area, electric current flows to the conductor having a low electric resistance while the electric current flows to the conductor. Since the uniform heat generation from the carbon fiber having a relatively higher heat generation characteristics than the conductor is provided, there are advantages in that various problems caused by parallel connection of conventional carbon fibers are solved at once.
  • connection part which is the biggest disadvantage of the carbon fiber, it is connected with the plywood conductor, so that it is easier to connect and the defects due to the connection can be significantly reduced.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a process of incorporating a conductor and a carbon island of an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view of the heating element of one embodiment of the present invention.
  • Carbon fiber heating wire 10 of an embodiment of the present invention is composed of carbon fiber 3000 strands (240 ⁇ ⁇ 10%), 6000 strands (120 ⁇ ⁇ 10%) and 12000 strands (60 ⁇ ⁇ 10%) and the like.
  • the present invention can use a standardized capacity for the calorific value or use more carbon fiber strands.
  • two, six, or twelve strands made in a coarse form than the yarn may be combined to form the carbon fiber heating wire 10.
  • Conductors 20 having low electrical conductivity and electrical conductivity are twisted in a spiral manner to the carbon fiber heating wire 10.
  • the conductor 20 may be any kind of conductor, for example, a copper wire, a tin-plated copper wire, a copper-coated steel wire, an oxygen-free copper wire, an iron wire, or the like used as a metal heating wire.
  • the carbon fiber heating wire 10 in which the conductor 20 is spliced is provided with an insulating layer coated with an insulating tape 30 of fluorine resin.
  • fluorocarbon resin is polytetrafluoroethylene (PTFE) developed by DuPont, which is widely known under the trade name Teflon. Teflon has low air permeability, excellent electrical insulation, heat resistance, non-wetting and non-sticking, and is inexpensive and easily available in the form of a thin tape.
  • the technique of winding the insulating tape 30 on the carbon fiber heating wire 10 is not particularly limited, but preferably, the insulating tape is spirally wound around the outer circumferential surface while pulling the carbon fiber heating wire 10 to one side.
  • the insulation tape is wound at regular pitch intervals so as to overlap the double or triple. Since the insulating tape is thin and stretches well and stretches well, the insulating tape is not easily loosened if it is wound tightly on the carbon fiber heating wire 10.
  • the insulation tape is instantaneously melted by passing the carbon fiber heating wire 10 wound around the insulation tape into a high temperature heating furnace. Since Teflon has a melting point of about 327 ° C, it is better to maintain a temperature higher than that of the furnace.
  • the furnace is manufactured in the form of a pipe tube, and a heating means such as an electric heater or a gas burner is provided on the outer circumferential surface of the pipe tube to maintain the inside of the pipe tube at 500 ° C to 700 ° C. Allow the carbon fiber heating wire 10 to pass through the heated pipe tube at a speed of about 4 to 8 m / ses.
  • the insulating tape 30 is instantaneously melted and fused to the outer circumferential surface of the carbon fiber heating wire 10 to form an insulating layer. Since the insulating tape 30 is to be instantaneously melted while the carbon fiber heating wire 10 passes through the heating furnace, the temperature condition and the passing speed of the carbon fiber heating wire 10 need to be adjusted to optimum conditions through repeated experiments. When the insulating tape 30 melts instantaneously while passing through the heating furnace, the thickness of the insulating layer is made very thin. In addition, the carbon fiber heating wire 10 and the outer peripheral surface of the conductor 20 do not come in close contact with each other, and bending deformation is improved.
  • Resistance of the tin-plated wire in the carbon fiber heating wire 10 and the conductor 20 was measured as follows. 99.9% carbon fiber heating wire diameter 0.30mm, resistance 2416 ⁇ / 10m and tin-plated copper wire diameter 0.12mm, resistance 16 ⁇ / 10m,
  • the measured total resistance can be designed as follows.
  • the modified total resistance formula can be calculated as 1 ⁇ (1 / resistance 1 + 1 / resistance 2 + 1 / resistance 3 ...) equal to the sum of the resistances of each strand.
  • the high resistance value of the carbon fiber heating wire can be mixed and designed using a low-resistance conductor, and the required resistance can be selected from 0.05mm to 1.2mm to design the required resistance.
  • the biggest disadvantages of the heating wire can be eliminated.

Abstract

본 발명은 탄소섬유 발열선의 장점을 대부분 유지하면서 탄소섬유의 약점을 해소 할 수 있는 방법으로 탄소섬유의 고유 저항은 발열부분을 전담하게하고 합사되는 낮은 저항의 금속발열선 또는 도전체는 전기 도전부분을 담당하도록 배치하면 전체적인 저항의 지배권을 도전체가 담당하게 되어 기존 금속 발열선인 에나멜동선이나 니크롬선과 근접한 저항치를 설계할수 있음으로서, 탄소섬유의 최대 약점인 병렬연결 또는 다 접점 연결을 피할 수 있을 뿐만 아니라 기존 제품 생산 공정을 변경 없이 그대로 적용할 수 있는 저항조절식 탄소섬유 발열선에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 발열기능을 하는 탄소섬유 발열선이 구비되고; 상기탄소섬유 발열선보다 상대적으로 낮은 저항으로 전기도전 기능을 하는 도전체가 구비되며; 상기 탄소섬유 발열선과 상기 도전체는 합사되고, 이들의 외주면에 절연테이프를 피복한 뒤 열융착한 특징이 있다.

Description

저항조절식 탄소섬유 발열선
본 발명은 저항조절식 탄소섬유 발열선에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소섬유 보다 상대적으로 낮은 전기저항을 갖는 도전체를 상기 탄소섬유와 합사하되, 상기 탄소섬유의 고유 저항은 발열기능을 갖게 하고 합사되는 낮은 저항의 도전체는 전기 도전 기능을 갖도록 함으로써, 합사된 발열선으로 기존 금속 발열선인 에나멜동선이나 니크롬선과 근접한 저항치를 설계할수 있음으로 탄소섬유의 최대 약점인 병렬연결 또는 다 접점 연결을 피할 수 있으며, 기존 발열매트나 발열체 제품 생산 공정을 변경 없이 그대로 적용할 수 있는 저항조절식 탄소섬유 발열선에 관한 것이다.
탄소섬유는 유기질의 섬유를 그 모양은 유지하면서 가열소성과 탄화시켜 만든 무기질의 합성 섬유 레이온이나 아크릴 등의 인조 섬유를 원료로 한 것과(PAN계), 리그닌이나 석유의 피치에서 만든 섬유상의 원사(原絲)를 원료로 한 것(PITCH계)이 있다. 탄소섬유는 탄소함유율 90%이상인 섬유를 말하며 강철대비 1/5무게로 가볍지만 강도는 10배, 탄성률은 7배 높고 발열량이 니크롬 발열체보다 우수하며 화학 약품에 침해받지 않는다. 탄소섬유의 종류에는 상기에 언급한 고순도뿐만 아니라 많은 종류의 저순도 탄소섬유가 있으며 여러 종류의 전기발열선으로사용되고 있다.
탄소섬유의 발열선의 큰 장점은 금속발열선과 비교 약 약30 ~ 40%이상 발열성능이 우수할 뿐만 아니라 인체에 유익한 원적외선 및 음이온 복사열을 발생시키고, 가볍고 높은 인장 강도 및 부드러운 연성의 특성으로 탄소섬유 발열선 의 적용사례가 많이 증가하고 있다.
그러나 탄소섬유 발열선은 일반 금속 발열선에 비하여 단위면적 비교 전기저항이 대단히 크고 제품가격의 현격한 차이로 금속의 유사 발열량을 맞추기 위하여 많은 병렬연결을 필요로 하며 연결에 따른 하자발생가능성 및 관련 비용이 크게 증가함으로 탄소섬유 발열선의 확대 보급을 제한하는 단점을 가지고 있다.
종래 실용등록 제418965호는 면상발열체에 관한 것으로서, 시트의 양단에 전원공급부를 일체로 직조한 뒤 양단의 전원공급부 사이에 탄소섬유 발열선을 병렬로 연결한 것으로서, 상기 병렬연결에 따른 문제점들이 그대로 존재하였다.
이를 감안하여 공개특허 제2013-0026275호는 섬유사 및 탄소사를 합사하여 도전성 코팅액으로 코팅한 발열성 섬유를 위사로 사용하여, 우수한 발열 기능을 갖는 탄소사를 활용하면서도, 섬유사를 합사하여 강도를 증가시켜서 탄소사의 취급시 발생할 수 있는 쉽게 끊어지는 단점을 해결하고, 도전성 코팅액으로 강도를 더욱 증가시키고, 직류 전원에서도 전류값을 안정시키고 발열에 충분한 소정의 저항값을 갖는 면상 발열체 및 그 제조방법을 제안한 바 있다.
그러나 종래 공개특허는 탄소사를 섬유사와 합사한 뒤 도전성 코팅액으로 표면을 코팅하고 건조시키는 공정이 추가되므로 생산설비가 증가되는 문제점이 있었다. 또한 코팅액이 균일하지 않을 경우 저항특성이 변화되는 문제가 있으며, 탄소사의 외주면에 도전성 코팅액이 피복되므로 발열특성이 떨어지는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 종래의 문제점을 감안하여 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 탄소섬유 발열선의 장점을 대부분 유지하면서 탄소섬유의 약점을 해소 할 수 있는 방법으로 탄소섬유의 고유 저항은 발열부분을 전담하게하고 합사되는 낮은 저항의 금속발열선 또는 도전체는 전기 도전부분을 담당하도록 배치하면 전체적인 저항의 지배권을 도전체가 담당하게 되어 기존 금속 발열선인 에나멜동선이나 니크롬선과 근접한 저항치를 설계할수 있음으로서, 탄소섬유의 최대 약점인 병렬연결 또는 다 접점 연결을 피할 수 있을 뿐만 아니라 기존 제품 생산 공정을 변경 없이 그대로 적용할 수 있는 저항조절식 탄소섬유 발열선을 제공함에 있다.
이를 위하여 본 발명은 발열기능을 하는 탄소섬유 발열선이 구비되고; 상기 탄소섬유 발열선보다 상대적으로 낮은 저항으로 전기 도전 기능을 하는 도전체가 구비되며; 상기 탄소섬유 발열선과 상기 도전체는 합사되고, 이들의 외주면에 절연테이프를 피복한 뒤 열융착한 특징이 있다.
본 발명에 따르면 탄소섬유의 높은 저항을 변화시킬 수 있는 방법으로 저항이 낮은 전기 도전성을 갖는 모든 종류의 도체, 예를 들면 금속 발열선으로 사용되는 연동선, 주석도금동선, 동복강선, 무산소동선, 철선 등을 사용하여 탄소섬유와 적절히 합사하거나 전기 도전성을 갖는 물질을 탄소섬유와 배합하여 성형함으로써, 낮은 저항 값을 가진 발열선을 제조할 수 있다. 따라서 원하는 넓은 면적의 발열매트를 제작할때 탄소섬유를 병렬로 설치할 필요가 없으며, 한 가닥의 탄소섬유를 지그재그로 배열하여 넓은 면적에 전개하더라도 전기저항이 낮은 상기 도전체로 전류가 흐르면서 탄소섬유에 전원이 공급되므로 상기 도전체 보다 상대적으로 높은 발열특성을 갖는 상기 탄소섬유에서 균일한 발열량이 나오므로 종래 탄소섬유를 병렬연결하는데 따른 여러가지 문제점들이 일시에 해소되는 이점이 있다.
또한 탄소섬유의 제일 큰 단점인 결선부위에 일반적인 연결의 전선이 배치되어 합사된 도전체와 결선됨으로 보다 쉽게 연결할 수 있으며 연결에 따른 하자를 현저하게 줄일 수 있는 등의 이점이 있다.
도 1은 본 발명 한 실시예의 도전체와 탄소섬의 합사과정을 나타낸 개념도
도 2는 본 발명 한 실시예의 발열체의 단면도
본 발명 한 실시예의 탄소섬유 발열선(10)은 탄소섬유가 3000가닥 (240Ω±10%), 6000가닥(120Ω±10%) 및 12000가닥(60Ω±10%) 등으로 구성된다.
본 발명은 발열량에 맞게 규격화된 용량을 사용하거나 또는 더 많은 탄소섬유 가닥을 사용할 수 있다. 탄소섬유의 다른 형태로는 실보다 굵은 형태로 만들어진 가닥이 2개, 6개 또는 12개가 뭉쳐져서 탄소섬유 발열선(10)을 구성할 수도 있다. 상기 탄소섬유 발열선(10)에 저항이 낮은 전기도전성을 갖는 도전체(20)가 나선형으로 꼬여서 합사된다. 상기 도전체(20)는 모든 종류의 도체, 예를 들면 금속 발열선으로 사용되는 연동선, 주석도금동선, 동복강선, 무산소동선, 철선 등이 사용된다.
도전체(20)가 합사된 탄소섬유 발열선(10)은 불소수지의 절연테이프(30)로 코팅된 절연층이 구비된다. 불소수지 중 대표적인 것으로서 뒤퐁사에서 개발한 폴리테트라플루오르에틸렌 (polytetrafluoroethylene; PTFE)가 있으며, 이는 상표명 테프론(Teflon)으로 널리 알려져 있다. 테플론은 공기 투과성이 낮고 전기 절연성, 내열성, 비유성(非濡性, non-wetting) 및 비점착성(non-sticking) 등이 우수하며, 가격이 저렴하고 얇은 테이프의 형태로 시중에서 쉽게 구할 수 있다.탄소섬유 발열선(10)에 절연테이프(30)를 감는 기술은 특별히 한정하지 않으나, 바람직하게는 탄소섬유 발열선(10)을 한쪽으로 당기면서 외주면으로 절연테이프를 나선형태로 연속 감는 것이 좋다. 이때 절연테이프가 이중 또는 삼중으로 포개지도록 일정 피치 간격으로 감는다. 절연테이프는 두께가 얇고 신축성이 좋아 잘 늘어나기 때문에 탄소섬유 발열선(10)에 팽팽하게 감기면 잘 풀리지 않는다.
바람직하게는 절열테이프가 감긴 탄소섬유 발열선(10)을 고온의 가열로 내부로 통과시켜 절연테이프가 순간적으로 용융되도록 하는 것이 좋다. 테프론의 융점은 약 327℃이므로 가열로는 이보다 높은 온도를 유지하는 것이 좋다. 가열로는 파이프관의 형태로 제작하고, 파이프관의 외주면에 전기히터 또는 가스버너 같은 가열수단을 마련하여 파이프관 내부를 500℃ ∼ 700℃로 유지시킨다. 상기 가열된 파이프관 내부를 약 4 ∼ 8m/ses의 속도로 탄소섬유 발열선(10)이 통과되도록 한다.
이처럼 하면 절연테이프(30)가 순간적으로 용융되어 탄소섬유 발열선(10)의 외주면에 융착되어 절연층으로 형성된다. 탄소섬유 발열선(10)이 가열로를 통과하는 동안 절연테이프(30)가 순간적으로 용융되어야 하므로 그 온도조건 및 통과속도는 반복 실험을 통하여 최적의 조건으로 맞출 필요가 있다. 상기 절연테이프(30)가 가열로를 통과하면서 순간적으로 용융되면 절연층의 두께가 매우 얇게 만들어진다. 그리고 탄소섬유 발열선(10)과 도전체(20)의 외주면에 밀착되어 떨어지지 않으며 굽힘변형성이 향상된다.
상기 탄소섬유 발열선(10)과 상기 도전체(20) 중에서 주석도금선의 저항은 다음과 같이 측정되었다. 99.9% 탄소섬유 발열선 직경 0.30mm, 저항 2416Ω/10m와 도전체인 주석도금동선 직경 0.12mm, 저항 16Ω/10m 일때,
1) 탄소섬유 발열선 1가닥 + 도전체 2가닥 = 7.8Ω/10m
2) 탄소섬유 발열선 1가닥 + 도전체 3가닥 = 5.2Ω/10m
3) 탄소섬유 발열선 1가닥 + 도전체 4가닥 = 3.8Ω/10m
4) 탄소섬유 발열선 1가닥 + 도전체 5가닥 = 3.1Ω/10m
상기 측정된 합산 저항은 다음과 같이 설계할 수 있다.
변경된 전체 저항 공식은 한 가닥 각자 저항의 합산과 같음으로 1÷ (1/저항1 + 1/저항2 + 1/저항3...)으로 계산할 수 있다.
1)항의 전체 설계 저항 = 1 ÷ (1/16 + 1/16 + 1/2416) = 7.97Ω/10m
2)항의 전체 설계 저항 = 1 ÷ (1/6 + 1/16 + 1/16 + 1/2416) =5.38Ω/10m
따라서 설계 저항값과 실제 측정 저항 값이 유사함을 알 수 있다.
결국 탄소섬유 발열선의 높은 저항값을 저항값이 낮은 도전체를 사용하여 혼합 설계하고 적용할 수 있으며, 저항이 낮은 도전체의 사용범위는 0.05mm~ 1.2mm 중 선택해서 필요저항을 설계함으로 탄소섬유 발열선의 최대 단점들을 제거할 수 있다.

Claims (3)

  1. 발열기능을 하는 탄소섬유 발열선이 구비되고; 상기 탄소섬유 발열선보다 상대적으로 낮은 저항으로 전기도전 기능을 하는 도전체가 구비되며; 상기 탄소섬유 발열선과 상기 도전체는 합사되거나 성형되고, 이들의 외주면에 절연테이프를 피복한 뒤 열융착한 것을 특징으로 하는 저항조절식 탄소섬유 발열선.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연테이프는 테프론임을 특징으로 하는 저항조절식 탄소섬유 발열선.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 도전체는 연동선, 주석도금동선, 동복강선, 무산소동선, 철선 및 기타 도전체 중 어느 하나임을 특징으로 하는 저항조절식 탄소섬유 발열선.
PCT/KR2016/003436 2015-04-03 2016-04-04 저항조절식 탄소섬유 발열선 WO2016159729A1 (ko)

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