KR100767851B1 - 발열체의 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발열체에 관한 것으로서, 더욱 상세히는, 소정 에너지를 열 에너지로 전환시켜 발열할 수 있는 발열체의 구조에 관한 것이다.

본 발명에 따른 발열체의 구조에 의하면, 튜브의 사용 조건에 그 수명이 최적화될 수 있는 장점이 있다.

발열 부재, 튜브, 석영관, 반경, 전산유체역학

Description

발열체의 구조{Structure of heating body}

도 1은 본 발명에 따른 발열체의 구조를 보이는 사시도.

도 2는 도 1에 도시된 I-I'선에 따른 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 발열체에 대한 전산유체역학의 해석 결과를 보이는 도면.

도 4는 도 3에 도시된 해석 결과를 도식화한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 발열체 110 : 튜브

120 : 봉지부 130 : 절연부

140 : 금속편 150 : 리드 로드

160 : 연결부 200 : 발열 부재

본 발명은 발열체에 관한 것으로서, 더욱 상세히는, 소정 에너지를 열 에너지로 전환시켜 발열할 수 있는 발열체의 구조에 관한 것이다.

일반적으로 발열체는 발열부인 필라멘트와, 상기 필라멘트가 삽입되는 석영 관과, 상기 필라멘트를 외부 전원과 연결하는 연결부 등으로 구성되어, 전기 에너지를 열 에너지로 전환시켜 발열하는 물품이다.

상세히, 상기 석영관의 중앙부에는 탄소로 이루어진 필라멘트가 봉입되고, 상기 필라멘트는 상기 연결부 등에 의해 외부 전원과 연결된다. 그리고, 상기 석영관의 내부는 진공 또는 할로겐 가스 등의 불활성 기체로 채워져, 상기 탄소 필라멘트가 고온으로 발열 시에 그의 산화 현상이 억제됨으로써, 상기 발열체의 수명이 증대된다.

한편, 상기 탄소 필라멘트는 나선형, 판형, 직선형 등의 형상을 이룬다. 그리고, 상기 탄소 필라멘트와 전극과의 연결은 단순히 클립이 이용되는 방식과, 인장력을 유지시키기 위한 스프링이 채용된 방식 등이 있다. 상기와 같은 방식에 의해, 상기 탄소 필라멘트는 상기 석영관과 접촉되지 않으면서 상기 석영관 내부에 배치된다. 상기 석영관은 대략 800℃ 이상에서 녹거나 파손되므로, 발열 중인 탄소 필라멘트와 석영관이 접촉되면, 상기 석영관이 손상되어, 상기 발열체의 수명이 현저히 단축된다. 따라서, 상기와 같이 클립 또는 스프링을 이용하여 상기 탄소 필라멘트와 상기 석영관의 접촉을 방지한다.

그러나, 종래의 발열체는 탄소 필라멘트가 그 외부의 힘에 의해 인장되어 상기 석영관과의 접촉이 방지되는 구조를 이룬다. 상기와 같은 구조에서는, 상기 탄소 필라멘트가 고온으로 발열 시에, 상기 탄소 필라멘트는 그 열팽창계수에 따라 팽창된다. 그러면, 상기 탄소 필라멘트는 늘어져서, 상기 석영관과 물리적으로 접촉하게 되어, 상기 석영관의 손상으로 인한 발열체의 수명 단축이 초래된다.

본 발명은 그 구조가 개선되어, 발열 부재와, 그 발열 부재를 감싼 튜브 사이의 접촉이 신뢰성있게 방지될 수 있는 발열체의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 발열체의 구조는 튜브(tube)와, 상기 튜브 내에 배치되는 발열 부재를 포함하는 발열체의 구조에 있어서,상기 발열체의 중심으로부터 상기 발열 부재의 외곽까지의 반경이 r로 정의되면, 상기 튜브의 반경은 1.6 이상 6r 이하로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 발열체의 구조에 의하면, 석영관의 열특성, 튜브 자체의 복사 열전달 특성 및 반사율, 튜브 표면의 실제적인 미세한 대류 열전달 등을 고려할 때, 튜브의 반경(R)이 1.6r 내지 1.7r의 범위이면, 튜브의 사용 조건에 그 수명이 최적화될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면과 함께 상세히 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 사상이 제시되는 실시예에 제한된다고 할 수 없으며, 또다른 구성요소의 추가, 변경, 삭제등에 의해서, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 발열체의 구조를 보이는 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 발열체(100)는 내부 물품들의 수용 공간을 형성하고, 그 내부 물품들을 보호하는 튜브(tube)(110)와, 상기 상기 튜브(110) 내에 배치되어, 발열할 수 있는 발열 부재(200)를 포함한다. 그리고, 상기 발열체 (100)는 상기 발열 부재(200)가 상기 튜브(110)에 접촉되지 않도록 지지하는 리드 로드(lead rod)(150)와, 상기 리드 로드(150)와 상기 발열 부재(200)를 연결하는 연결부(160)를 포함한다. 또한, 상기 발열체(100)는 상기 리드 로드(150)의 타측과 연결되어, 외부 전원과 상기 발열 부재(200)를 통전시키는 금속편(140)과, 상기 금속편(140)을 외부로부터 절연시키는 절연부(130)를 포함한다. 또한, 상기 발열체(100)는 상기 금속편(140)과, 상기 절연부(130)와, 상기 튜브(110)를 감싸고, 이를 지지하는 봉지부(120)를 포함한다.

상기 튜브(110)는 상기 발열 부재(200) 등의 물품들이 내부에 수용되는 부분으로, 그러한 수용 공간의 형성과 함께 상기 물품들을 보호하는 기능을 한다. 상기 발열체(100)는 수백 ℃의 온도로 발열하므로, 상기 튜브(110)는 소정의 강성과 내열성을 가진 물질로 이루어져야 한다. 그러한 예로, 상기 튜브(110)는 석영관(quartz tube)일 수 있다. 그리고, 상기 튜브(110)는 자체적으로 밀폐되어, 상기 발열 부재(200)를 외부와 격리시킨다. 상기와 같이 구성됨으로써, 상기 튜브(110) 내부에는 발열로 인한 상기 발열 부재(200)의 소모를 감소시킬 수 있는 불활성 기체 등을 충진시킬 수 있다.

상기 발열 부재(200)는 통전된 전기 에너지에 의해 발열하는 부분이다. 이러한 발열 부재(200)는 탄소, 텅스텐 및 니켈-크롬 베이스 합금(Ni-Cr base alloy) 중 적어도 하나의 계열의 물질로 이루어질 수 있다.

상기 연결부(160)는 복수 개가 구비되어, 상기 발열 부재(200)의 양 말단부와 각각 연결됨으로써, 상기 발열 부재(200)를 상기 리드 로드(150)와 연결시킨다. 그러면, 상기 발열 부재(200)는 인장되어, 상기 튜브(110)와 접촉되지 않는 상태를 유지할 수 있고, 외부 전원과 연결되어 발열할 수 있다.

상기 리드 로드(150)는 상기 연결부(160)에 의해 상기 발열 부재(200)와 연결되어, 상기 발열 부재(200)를 인장시킨 상태를 유지한다. 그러면, 상기 발열 부재(200)는 발열 시에도 상기 튜브(100)와 접촉되지 않고 안정적으로 발열할 수 있다. 그리고, 상기 리드 로드(150)의 일부는 상기 튜브(110)의 외부까지 연장된다. 상기와 같이 구성되면, 자체적으로 밀폐된 상기 튜브(110)의 밀폐 상태가 유지되면서, 그 내부에 배치된 상기 발열 부재(200)와 외부 전원이 연결될 수 있다.

상기 금속편(140)은 외부 전원과 연통되는 부분이다. 그리고, 상기 금속편(140)은 상기 튜브(110) 외부로 연장된 상기 리드 로드(150)의 말단부와 연결되어, 상기 외부 전원의 전기 에너지를 상기 리드 로드(150)를 통해 상기 발열 부재(200)로 전달한다. 그러면, 상기 발열 부재(200)는 상기 전기 에너지를 전달받아 발열하게 된다.

상기 절연부(130)는 상기 금속편(140) 중 외부로 노출된 부분을 절연시켜, 상기 금속편(140)에서 누전이 발생되는 것을 방지한다. 그리고, 상기 절연부(130)는 상기 발열체(100)가 체결되는 물품에 신뢰성있게 결합될 수 있도록, 상기 물품의 소정 부분에 끼워질 수 있는 형상을 이룬다.

상기 봉지부(120)는 상기 튜브(110) 외부로 연장된 상기 리드 로드(150)의 말단부와 상기 금속편(140)의 연결부를 외부로부터 보호한다. 그리고, 상기 봉지부(120)는 상기 절연부(130)와 상기 튜브(110)와 하나의 어셈블리(assembly)를 이루 어, 상기 발열체(100)가 소정의 형상을 유지하도록 지지한다.

도 2는 도 1에 도시된 I-I'선에 따른 단면도이다.

도 2를 참조하면, 튜브(110) 내부에는 발열 부재(200)가 배치된다. 여기서, 발열체(100)의 중심으로부터 상기 발열 부재(200)의 외곽까지의 반경이 r로 정의된다.

본 발명에 따르면, 상기 튜브(110)의 반경(R)은 상기 발열체(100)의 중심으로부터 상기 발열 부재(200)의 외곽까지의 반경 r보다 1.6배 이상으로 형성된다. 즉, 이러한 관계를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.

R ≥ 1.6 × r

상기와 같은 관계가 성립되면, 상기 튜브(110)의 수명이 그 사용 조건에 최적화될 수 있다. 이러한 점은 전산유체역학(Computational fluid dynamics, CFD)에 의해 해석될 수 있다. 이에 대하여 후술하기로 한다.

한편, 상기와 같은 튜브(110)의 수명이 그 사용 조건에 더욱 최적화될 수 있도록, 상기 튜브(110)의 반경은 상기 튜브(110)의 길이 방향의 전체에 대하여 1.6r 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명에 따른 발열체에 대한 전산유체역학의 해석 결과를 보이는 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 해석 결과를 도식화한 그래프이다. 상기 튜브(110) 주변의 대류가 상기 해석 결과에 미치는 영향이 미미하므로, 이러한 해석 결과는 상기 튜브(110)의 복사를 중점적으로 고려하여 해석한 것이다.

도 3 및 도 4를 함께 참조하면, 튜브(110)의 반경(R)이 1.5r인 경우 800℃ 이상, 1.6r 내지 6r인 경우 600℃±100℃를 보였다. 상기 튜브(110)로 석영관이 사용되는 경우, 상기 석영관의 열특성을 고려하면 상기 튜브(110)는 800℃ 미만에서 안정될 수 있다.
도 4에서 세로축은 석영관의 표면온도에 관한 것이며, 가로축은 발열부재(200)와 튜브(110)가 중심에서 멀어지는 비율에 관한 위치를 나타낸다. 튜브(100)가 중심으로부터 멀어지는 경우 온도가 단계적으로 감소한다.
여기서, 시뮬레이션 한 결과에 따르면 500℃ 부근에서 꺽이는 부분은 상기 튜브(110)의 반경(R)이 발열부재의 외곽까지의 반경 r이 라고 할 때, 약 6r 정도이다.
또한, 상기 튜브(110) 자체의 복사 열전달 특성 및 반사율, 상기 튜브(110) 표면의 실제적인 미세한 대류 열전달 등을 고려하면, 상기 튜브(110)의 반경(R)은 1.6r 내지 1.7r 범위인 것이 바람직하다. 그러면, 상기 튜브(110)의 사용 조건에 그 수명이 최적화될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 발열체의 구조에 의하면, 석영관의 열특성, 튜브 자체의 복사 열전달 특성 및 반사율, 튜브 표면의 실제적인 미세한 대류 열전달 등을 고려할 때, 튜브의 반경(R)이 1.6r 내지 6r의 범위이면, 튜브의 사용 조건에 그 수명이 최적화될 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 튜브(tube)와, 상기 튜브 내에 배치되는 발열 부재를 포함하는 발열체의 구조에 있어서,

   상기 발열체의 중심으로부터 상기 발열 부재의 외곽까지의 반경이 r로 정의되면, 상기 튜브의 반경은 1.6 이상 6r 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 발열체의 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 튜브의 반경은 상기 튜브의 길이 방향의 전체에 대하여 일정하게 형성되는 것을 특징으로 하는 발열체의 구조.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 튜브는 석영관인 발열체의 구조.

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