KR100857387B1 - Ceramic flat-typed heater - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 세라믹 면상 발열체에 관한 것으로서, 구체적으로는 ATO(Antimony TinOxide) 분말을 이용하여 ATO발열페이스트를 조성한 후 이를 무균열 내열세라믹과 같은 판 형태의 세라믹 기재에 인쇄한 후 소성하여 제작되는 정온도계수(PTC) 특성을 가지는 ATO발열페이스트를 이용한 세라믹 면상 발열체에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
수중히터로 사용되는 기존의 면상발열체는 금속니크롬선을 발열체로 사용한 시즈히터가 대부분이며, 일부 소형 가열기기에서는 대한민국 특허등록 제0276021호나 제0244807호에서 제안한 방법으로 제조된 PTC(Positive Temperature Coefficient)세라믹이 채택되었다. The conventional planar heating element used as a submersible heater is mostly a siege heater using a metal nichrome wire as a heating element, and in some small heaters, PTC (Positive Temperature Coefficient) ceramic manufactured by the method proposed in Korean Patent Registration No. 0276021 or 0244807 is proposed. This was adopted.
상기 시즈히터의 발열체는 주로 니크롬을 재료로 사용하였으나 그 주성분인 니켈의 특성상 전류 변동 등으로 인한 단락이 쉽게 발생하여 히터의 기능을 상실하는 경우가 많고, 발열면적이 작아 액체를 가열하는 속도가 늦다는 문제점이 있었으며, 이러한 문제점을 보완하기 위하여 히터의 소비전력량을 크게 하면 발열체의 제어장치가 복잡해지고 부피 또한 커질 수밖에 없다는 문제점이 여전히 남아 있었다.The heating element of the sheath heater mainly uses nichrome as a material, but due to the characteristic of nickel, the short-circuit easily occurs due to current fluctuations, and thus often loses the function of the heater. In order to compensate for this problem, a large amount of power consumption of the heater still has a problem that the control unit of the heating element becomes complicated and the volume also becomes large.
한편, PTC세라믹히터는 PTC세라믹소자로 만들어진 부품을 절연판 위에 삽입 고정한 후에 그 외부에 파이프를 용접한 후 이를 상하로 압착하여 만들어지는데, 개별의 PTC세라믹소자를 직접 절연판 위에 하나씩 붙여야 하였으므로 그 제조공정이 복잡하고 특히 소자 자체의 저항값 변경이 제한적일 수밖에 없었다. 아울러 발열온도도 소자의 특성상 100~300℃에 한정됨으로써 많은 부피의 액체를 가열하기 위해서는 그만큼 많은 수의 PTC세라믹 소자가 필요로 하게 되어 제품의 부피가 커질 수밖에 없을 뿐만 아니라 제품당 생산비용도 높아 결국에는 국소적인 범위만을 가열할 수 있는 소형 가열기기에만 사용이 가능하다는 단점이 있었다. 아울러 외부 절연소재의 열적 팽창과 수축 및 가열대상인 액체에 의한 부식 등으로 인해 절연층이 쉽게 파괴되어 제품수명이 짧아지게 되는 문제점도 있었다. On the other hand, PTC ceramic heater is made by inserting and fixing the parts made of PTC ceramic elements on the insulating plate, welding the pipe to the outside and pressing them up and down.The individual PTC ceramic elements had to be attached one by one directly on the insulating plate. It was complicated and limited in particular the resistance change of the device itself. In addition, the heat generation temperature is limited to 100 ~ 300 ℃ due to the characteristics of the device, so that a large number of PTC ceramic elements are required to heat a large volume of liquid, which inevitably increases the volume of the product and also increases the production cost per product. There is a disadvantage in that it can be used only in a small heater that can only heat the local range. In addition, due to thermal expansion and contraction of the external insulating material and corrosion by the liquid to be heated, the insulating layer is easily broken, thereby shortening the product life.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,The present invention has been made to solve the above problems,
본 발명은 기존의 면상 발열체와는 달리 저항부의 저항값을 상하로 조정할 수 있으며, 발열온도를 최고 800℃로 하여도 열적· 화학적으로 안정적이어서 고온 및 수중환경에서도 안정적으로 사용할 수 있는 세라믹 면상 발열체를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention, unlike the conventional planar heating element can be adjusted up and down the resistance value of the resistance portion, even if the heating temperature up to 800 ℃ thermal and chemically stable ceramic planar heating element that can be used stably in high temperature and underwater environment The purpose is to provide.
또한, 본 발명은 발열부를 판형의 세라믹 기재의 표면에 인쇄한 후 소성하여 구성함으로써 세라믹 기재 단위면적당 발열 및 방열면적을 최대로 할 수 있어 기존의 면상 발열체보다 에너지 효율이 높은 세라믹 면상 발열체를 제공함에 다른 목적이 있다.In addition, the present invention can maximize the heat generation and heat dissipation area per unit area of the ceramic substrate by printing and heating the heating portion on the surface of the plate-shaped ceramic substrate to provide a ceramic planar heating element that is more energy-efficient than conventional planar heating element. There is another purpose.
아울러, 본 발명은 발열부의 저항값을 조정할 수 있으므로 고온 발열체로는 물론 저온 발열체로도 사용할 수 있도록 그 용도 및 목적에 따라 발열부의 온도를 조정할 수 있도록 함으로써 다양한 용도 및 목적에 적합한 발열체를 간편하고 저렴한 비용으로 제조할 수 있도록 하는 세라믹 면상 발열체를 제공함에 또 다른 목적이 있다. In addition, the present invention can adjust the resistance value of the heat generating unit, so that it can be used as a high temperature heating element as well as a low temperature heating element to adjust the temperature of the heat generating unit according to its use and purpose by simply and inexpensively Another object is to provide a ceramic planar heating element that can be manufactured at a cost.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 세라믹 면상 발열체는 세라믹 기재의 일 표면에 ATO분말, 유리프리트 분말 및 혼합폴리머를 혼합하여 제조된 ATO발열페이스트를 인쇄한 후 소성시켜 형성된 정온도계수를 가지는 발열부; 상기 발열부에 고르게 전류를 공급하기 위하여 은 분말, 유리프리트 분말 및 혼합폴리머를 혼합하여 제조된 전극페이스트를 상기 발열부가 서로 연결되도록 인쇄한 후 소성시켜 형성된 전극부; 상기 발열부에 전류를 공급하기 위한 전원과 연결되는 와이어 또는 전류인가단자가 상기 세라믹 기재의 일부분에 형성된 통공에 삽입설치된 후 상기 전극페이스트 또는 무연솔더페이스트에 의해 고정된 후 소성시켜 형성된 결속부; 및 상기 발열부, 전극부 및 결속부의 윗면에 변성실리콘 또는 무기안료 분말, 유리프리트 분말 및 혼합폴리머를 혼합하여 제조된 절연페이스트 중 어느 하나를 도포한 후 소성시켜 형성된 절연부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. In order to solve the above problems, the ceramic planar heating element according to the present invention is a constant temperature coefficient formed by printing and baking the ATO heat-generating paste prepared by mixing ATO powder, glass frit powder and mixed polymer on one surface of the ceramic substrate Heating unit having a; An electrode part formed by printing an electrode paste prepared by mixing silver powder, glass frit powder, and a mixed polymer so that the heat generating parts are connected to each other, and then firing the same to supply current to the heat generating part; A binding part formed by inserting a wire or a current applying terminal connected to a power source for supplying current to the heat generating part into a through hole formed in a portion of the ceramic substrate and then fixing the electrode paste or lead-free solder paste and then firing the same; And an insulating part formed by coating and firing any one of insulating pastes prepared by mixing modified silicone or inorganic pigment powder, glass frit powder, and a mixed polymer on the upper surface of the heating part, the electrode part, and the binding part. It is done.
ATO(Antimony TinOxide)분말이란 발열저항체인 안티몬 주석산화물의 분말을 말하는 것으로서, 정온도계수를 가지고 있으므로 발열하게 되어 발열온도가 일정한 온도까지 상승하면 온도상승에 대해 급격하게 저항값이 상승하여 전류의 소모를 줄이면서도 계속적으로 발열을 할 수 있도록 하는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 써미스터 재료로서의 특성을 가진다. 한편, 상기 ATO분말의 크기는 10~20㎛인 것이 바람직한데, 입자의 크기가 클수록 소성시 단위 면적당 밀도가 작아 저항값는 낮추는데 한계가 있기 때문이다. ATO (Antimony TinOxide) powder refers to the powder of antimony tin oxide, which is a heat generating resistor. Since it has a positive temperature coefficient, it generates heat and when the exothermic temperature rises to a certain temperature, the resistance value rises rapidly and the current is consumed. It has a characteristic as a PTC (Positive Temperature Coefficient) thermistor material that can continuously generate heat while reducing the temperature. On the other hand, the size of the ATO powder is preferably 10 ~ 20㎛, because the larger the particle size, the smaller the density per unit area during firing, there is a limit to lower the resistance value.
이때, 상기 세라믹 기재는 LTCC 또는 무균열 내열성 세라믹인 것이 바람직한데, LTCC세라믹스(Low Temperature Cofired Ceramics)는 저온동시소성세라믹이라고 하며, 1000℃이하의 온도에서 은(Ag) 혹은 구리(Cu)와 동시에 소결되는 세라믹을 의미한다. 이때 함께 소결되는 은이나 구리는 2μΩ·㎝ 이하의 낮은 전기저항 때문에 회로기판 특히 고주파 회로기판의 도체로 유용하게 사용되는 것이다. 무균열 내열성 세라믹이란 대한민국특허등록 제0512648호에 의해 등록된 것으로서 내열자기의 소지로는 아프리카 짐바브웨산 엽장석(PETALITE) 65중량%, 활석 5중량% , 회색점토 30중량%로 조성해 성형과 정형 후 850℃로 초벌구운과정을 거쳐, 엽장석 73중량%, 활석 16중량%, 흑색점토 5중량%, 석회석 6중량%로 혼합조성한 유약으로 시유후 화공 한 다음 1250℃로 본 소성을 거쳐 제조된다. 본 발명에 의한 세라믹 면상 발열체에 사용되는 세라믹 기재는 최종적인 사용 형태에 따라 두께를 결정할 수 있으며, 모양은 적용기기의 목적 및 제원에 따라 다양하게 공급하여 사용할 수 있다.In this case, the ceramic substrate is preferably LTCC or a crack-free heat-resistant ceramic, LTCC ceramics (Low Temperature Cofired Ceramics) is called a low-temperature co-fired ceramic, at the same time at a temperature below 1000 ℃ silver (Ag) or copper (Cu) It means a ceramic to be sintered. At this time, silver or copper sintered together is useful as a conductor of a circuit board, especially a high frequency circuit board, because of low electrical resistance of 2 μΩ · cm or less. The crack-free heat-resistant ceramic is registered under Korean Patent Registration No. 0512648. The heat-resistant magnetic material is formed of 65% by weight of Zimbabwean feldspar (PETALITE) in Africa, 5% by weight of talc, and 30% by weight of gray clay. After the initial roasting at ℃, mixed with glaze of 73% by weight of feldspar, 16% by weight of talc, 5% by weight of black clay, and 6% by weight of limestone. The ceramic substrate used for the ceramic planar heating element according to the present invention can determine the thickness according to the final use form, the shape can be supplied and used in various ways according to the purpose and specifications of the application device.
한편, 본 발명에서 이용되는 상기 유리프리트는 산화규소 60~70 중량%, 산화칼슘 7~9 중량%, 산화칼륨 8~11 중량%, 산화나트륨 7~12 중량%, 산화아연 2~5 중량%, 산화바륨 1~3 중량%로 조성되는 것을 특징으로 하는데, 상기 유리프리트를 조성하고 있는 성분원소 특히 산화규소와 산화아연의 중량비에 따라 소성 및 소결시의 소결온도가 450~950℃까지 범위 내에서 결정된다. 산화규소 대비 산화아연의 함유량이 크면 클수록 소성온도가 상승하며, 두 원소간의 조성비가 상기 범위를 벗어나게 되면 소성 후 서냉시킬 때 경시 변화가 발생한다. On the other hand, the glass frit used in the present invention is 60 to 70 wt% of silicon oxide, 7 to 9 wt% of calcium oxide, 8 to 11 wt% of potassium oxide, 7 to 12 wt% of sodium oxide, 2 to 5 wt% of zinc oxide , Characterized in that the composition is composed of 1 to 3% by weight of barium oxide, the sintering temperature at the time of firing and sintering in the range up to 450 ~ 950 ℃ according to the weight ratio of the component element, in particular, silicon oxide and zinc oxide Is determined. The greater the content of zinc oxide relative to silicon oxide, the higher the firing temperature, and when the composition ratio between the two elements is out of the above range, a change over time occurs when slow cooling after firing.
상기 유리프리트는 ATO발열페이스트 이외에 전극페이스트 및 절연페이스트의 조성에도 사용된다. 이때, 사용되는 유리프리트 분말의 크기는 45㎛ 이하인 것이 바람직한데, 이는 유리프리트의 분말 크기가 45㎛를 초과하게 되면 ATO분말과 잘 혼합되지도 않고 고온에서 소성시 세라믹 기재에 잘 융착되지 않아 제품에 하자가 생기기 때문이다.The glass frit is also used in the composition of electrode paste and insulating paste in addition to ATO heating paste. At this time, the size of the glass frit powder used is preferably 45㎛ or less, which is not mixed well with the ATO powder when the powder size of the glass frit exceeds 45㎛, the product is not fused to the ceramic substrate during baking at high temperature This is because there is a defect.
상기 혼합폴리머는 입자크기가 1㎛ 이하인 은 용액이 혼합된 열가소성 폴리머인 것을 특징으로 하는데, 상기 혼합폴리머는 소성시 인쇄한 부분에 변형이 없어야 하고 인쇄 제판에 대한 빠짐성이 좋아야 한다. 특히 혼합폴리머에 크기가 1㎛ 이하인 은을 함유하고 있는 순도 90% 이상의 은 용액을 열가소성 폴리머에 혼합하게 되는데 이렇게 은 용액을 첨가하는 이유는 소성시 ATO분말간의 저항밀도를 낮춰 줌으로써 높은 전력밀도를 구현하기 위함이다. 이때 혼합되는 은 용액의 양은 열가소성 플라스틱의 중량 100 대비 0.5~20인 것이 바람직하다. The mixed polymer may be a thermoplastic polymer in which a silver solution having a particle size of 1 μm or less is mixed. The mixed polymer should be free from deformation in the printed portion during firing and have good omission of printing. Particularly, a solution of 90% purity or higher containing silver having a size of 1 μm or less in a mixed polymer is mixed with a thermoplastic polymer. The reason for adding the silver solution is to lower the resistivity density between ATO powders during firing, thereby realizing high power density. To do this. In this case, the amount of the silver solution to be mixed is preferably 0.5 to 20 relative to the
한편, 본 발명에 있어서, 상기 ATO발열페이스트의 조성은 ATO분말 10~60 중량%, 유리프리트 분말 7~15 중량% 및 혼합폴리머 33~75 중량%인 것을 특징으로 하는데, 이때, ATO분말의 중량비를 조절하여 ATO저항페이스트가 가지는 저항밀도를 조정하게 된다. 구체적으로는 ATO분말의 조성비가 10~30 중량%인 경우에는 저항밀도가 1㏀/㎟ wt가 되나, ATO분말의 조성비를 31 중량% 이상으로 하게 되면 저항밀도는 1Ω/㎟ wt가 되어 고온으로 발열할 수 있는 세라믹 면상 발열체를 제조할 수 있다. 이와 같이 상기 조성비에서 ATO분말의 혼합양을 조절하는 것은 발열체의 형상 및 크기와 이에 대한 전력밀도를 원활하게 구현하는데 필요하기 때문이며, 통상적으로는 발열 한계온도가 유리프리트의 융점보다 100℃ 정도 낮게 저항밀도를 조정하는 것이 좋다.On the other hand, in the present invention, the composition of the ATO heating paste is characterized in that 10 to 60% by weight of the ATO powder, 7 to 15% by weight of glass frit powder and 33 to 75% by weight of the mixed polymer, wherein the weight ratio of the ATO powder Adjust the resistance density of the ATO resist paste. Specifically, when the composition ratio of the ATO powder is 10 to 30% by weight, the resistivity density is 1 mW / mm2 wt. However, when the composition ratio of the ATO powder is 31% by weight or more, the resistance density becomes 1Ω / mm2 wt. A ceramic planar heating element capable of generating heat can be produced. As such, controlling the mixing amount of the ATO powder at the composition ratio is necessary to smoothly implement the shape and size of the heating element and the power density thereof. In general, the heating limit temperature is lowered by about 100 ° C. below the melting point of the glass frit. It is good to adjust the density.
한편, 상기와 같은 조성비로 혼합된 ATO발열페이스트는 혼합폴리머의 혼합비를 조정하여 점도가 상온인 25℃를 기준으로 30000~40000cps(centipoise)가 되도록 하는 것이 바람직한데, 이는 ATO발열페이스트를 세라믹 기재에 인쇄할 때 얇게 인 쇄할 수 있도록 하기 위함이며, 이때 인쇄되는 상기 ATO발열페이스트의 두께는 20~100㎛인 것이 바람직하다. ATO발열페이스트의 인쇄두께를 20~100㎛로 하는 것은 두께가 100㎛를 초과하는 경우에는 소성과정에서 변경될 수 있으며 소결시에는 크랙 및 박리현상이 발생할 수 있기 때문이며, 20㎛가 안되는 경우에는 발열부로서의 기능을 발휘할 수 없기 때문이다.On the other hand, the ATO heating paste mixed in the above composition ratio is preferably adjusted to 30000 ~ 40000cps (centipoise) based on the viscosity of the room temperature 25 ℃ by adjusting the mixing ratio of the mixed polymer, which is the ATO heating paste on the ceramic substrate In order to be able to print thin when printing, the thickness of the ATO heating paste to be printed is preferably 20 ~ 100㎛. The printing thickness of the ATO heating paste is 20 to 100 μm because the thickness may be changed during the firing process when the thickness exceeds 100 μm, and cracks and peeling may occur during sintering. This is because they cannot exert their functions as wealth.
이와 같이 조성된 ATO발열페이스트를 세라믹 기재에 인쇄한 후에 소성을 하게 되면 PTC써미스터로서 기능을 하게 되어 유리프리트의 융점온도에 근접할 정도로 발열하게 되면 저항값이 급격히 상승하게 되어 전류 소모가 작게 되며, 발열온도가 낮아지면 다시 소결된 유리프리트의 분자구조가 원 상태로 복귀하는 과정을 거쳐 반복됨으로써 스위칭하게 되어 PTC기능을 가진 세라믹 면상 발열체로서 기능을 담당하게 된다. When the ATO heating paste prepared in this way is fired after printing on the ceramic substrate, it functions as a PTC thermistor, and when it generates heat close to the melting point temperature of the glass frit, the resistance increases rapidly and current consumption is reduced. When the exothermic temperature is lowered, the molecular structure of the sintered glass frit is repeated through the process of returning to the original state, thereby switching, thereby serving as a ceramic planar heating element having a PTC function.
본 발명에 의한 세라믹 면상 발열체를 구성하는 구성요소 중 전극부를 이루는 물질인 전극페이스트는 세라믹 기재에 골고루 인쇄된 ATO발열페이스트의 양측을 따라 서로 연결되도록 인쇄되어야 하며, 상기 전극페이스트를 통해 상기 세라믹 기재에 인쇄된 ATO발열페이스트에 골고루 전류를 공급할 수 있다. 이때 상기 전극페이스트에 은 분말을 함유시키는 것은 은 분말이 전류에 대해 저항계수가 작기 때문에 전류의 손실이 없어 전극으로서의 기능을 충실히 담당할 수 있기 때문이다.Among the components constituting the ceramic planar heating element according to the present invention, the electrode paste, which is a material constituting the electrode portion, should be printed to be connected to each other along both sides of the ATO heating paste evenly printed on the ceramic substrate, and to the ceramic substrate through the electrode paste. Current can be supplied evenly to the printed ATO heating paste. At this time, the silver powder is contained in the electrode paste because the silver powder has a small resistance coefficient with respect to the current, and thus, there is no loss of current, and thus the silver powder can faithfully serve as an electrode.
이때, 상기 전극페이스트의 조성은 은 분말 60~80 중량%, 유리프리트 분말 1~5 중량% 및 혼합폴리며 19~39 중량%인 것을 특징으로 한다. 은 분말의 조성비가 낮아 60 중량%에 가까우면 전력밀도가 낮은 제품에 사용되는 세라믹 면상 발열체의 제조에 사용되고, 은 분말의 조성비가 높아 80 중량%에 가까울수록 단자의 결속 및 전력밀도가 높은 제품에 이용된다. 단, 이때 은 분말의 조성비는 전력밀도에 대해 인쇄되는 두께의 폭에 따라서도 변경이 될 수 있다. 한편, 상기 은 분말의 크기는 2~20㎛인 것이 바람직하다.. In this case, the composition of the electrode paste is characterized in that the
한편, 상기 전극페이스트의 저항밀도는 0.02Ω/㎟ 이하인 것이 바람직한데, 이는 인쇄할 때 전극페이스트의 인쇄되는 폭을 가감하여 조정함으로서 안정적으로 저항체에 전류가 흐르도록 할 수 있다. 따라서 전극페이스트를 인쇄하여 사용하는 경우에는 통상적인 면상 발열체에서 사용되어 오던 전선이나 동판을 추가로 사용하지 않아도 된다. On the other hand, it is preferable that the resistive density of the electrode paste is 0.02Ω /
본 발명에 의한 세라믹 면상 발열체를 구성하는 구성요소 중 결속부는 LTTC나 무균열 내열 세라믹이나 이와 동등한 성능을 가지는 세라믹 기재의 일정한 부분에 통공을 형성시켜 전류인가단자(하우징 커넥터)또는 와이어를 삽입설치한 후에 그 통공의 남은 부분에 전극페이스트나 무연솔더페이스트(non-lead solder paste)를 삽입시켜 상기 전류인가단자 또는 와이어를 세라믹 기재에 단단히 고정시킨 후에 이를 소성시켜야 한다. 이는 발열부에 전류를 인가할 때 결속부에서 별도의 저항을 일으키지 않도록 하기 위함이며, 외부에서 가해지는 충격에 그 결속이 이완되지 않도록 하기 위함이다. 한편, 상기 전류인가단자의 종류는 필요할 때는 쉽게 탈착 및 분리가 가능하도록 본 발명에 의한 세라믹 면상 발열체의 사용용도에 따라 다양하게 이용할 수 있다.Among the components constituting the ceramic planar heating element according to the present invention, the binding portion forms a through hole in a predetermined portion of the LTTC, the uncracked heat-resistant ceramic, or the ceramic substrate having the equivalent performance, thereby inserting and installing a current applying terminal (housing connector) or wire. Afterwards, an electrode paste or a lead-free solder paste is inserted into the remaining portion of the through hole to firmly fix the current-applying terminal or wire to the ceramic substrate and then fire it. This is to prevent a separate resistance from the binding unit when applying a current to the heat generating unit, and to prevent the binding from being relaxed by an impact applied from the outside. On the other hand, the type of the current application terminal can be used in various ways depending on the use of the ceramic planar heating element according to the present invention so that it can be easily removable and separated when necessary.
본 발명에 의한 세라믹 면상 발열체의 구성요소 중 절연부는 상기 인쇄된 발 열부 및 전극부가 고온에 의해 손상되거나 액체 등에 의해 부식되지 않도록 하는 역할을 담당하게 되며, 상기 발열부 및 전극부의 윗면에 변성실리콘 또는 무기안료 분말, 유리프리트 분말 및 혼합폴리머를 혼합하여 제조된 절연페이스트 중 어느 하나를 도포한 후 소성하여 구성되는데, 발열되는 온도의 특성에 따라 상기 두 재료 중 어느 하나를 선택적으로 사용하게 된다. Among the components of the ceramic planar heating element according to the present invention, the insulating portion plays a role of preventing the printed heat generating portion and the electrode portion from being damaged by high temperature or corroded by a liquid, and the like. Inorganic pigment powder, glass frit powder, and mixed by coating any one of the insulating paste prepared by mixing the polymer and then is configured to be fired, depending on the characteristics of the heat generated temperature to use any one of the above two materials.
예를 들어 본 발명에 의한 세라믹 면상 발열체가 수중히터로 이용되는 경우에는 가열대상인 액체를 담는 용기(탱크)의 재질에 따라 절연부를 구성하는 재료를 선택적으로 사용할 수 있다. 구체적으로는 용기가 금속이나 비철금속인 경우에는 내열온도 450℃와 경화 후 연필강도 7을 가지는 변성실리콘을 상기 발열부 및 전극부의 윗면에 인쇄 또는 도포함으로써 수중에서 히터에 전류를 인가할 경우에 전자의 외부이동을 방지하여 매우 안정적으로 발열체로서의 기능을 발휘할 수 있도록 할 수 있다. 한편, 도포 중에 기포가 발생되면 도포 후 소성 시에 제품의 열화를 가져오고 절연효과가 떨어지므로 변성실리콘을 절연부의 재료로 선택하여 사용할 경우에는 기포를 제거할 수 있는 장치를 반드시 함께 사용하여야 한다. 한편, 용기가 세라믹 소재인 경우에는 변성실리콘과 상기 절연페이스트 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있는데, 절연부의 재료로 상기의 변성실리콘이나 절연페이스트 둘 중에 어떤 것을 사용하던지 상기 절연부는 표면의 절연측정치가 RANGE 5㎸/TEST VOLTAGE 1000V일 때 10³Ω이상이 되도록 하여야 한다. For example, when the ceramic planar heating element according to the present invention is used as a submersible heater, the material constituting the insulating portion may be selectively used depending on the material of the container (tank) containing the liquid to be heated. Specifically, when the container is a metal or a non-ferrous metal, when a current is applied to the heater in water by printing or applying a modified silicone having a heat resistance temperature of 450 ° C. and a pencil strength of 7 after curing to the upper surface of the heating part and the electrode part, It can prevent the external movement to be able to exhibit the function as a heating element very stable. On the other hand, if bubbles are generated during the application, deterioration of the product during the firing after application and the insulation effect is reduced, when using modified silicone as the material of the insulating part, a device capable of removing bubbles must be used together. On the other hand, when the container is a ceramic material, one of the modified silicon and the insulating paste may be selected and used. The insulating part may have either a measured silicon or an insulating paste as the material of the insulating part. When the range is 5V / TEST VOLTAGE 1000V, it should be over 10³Ω.
한편, 상기 절연부의 재료로 사용되는 변성 실리콘 오일은 유기계 클로로실란으로부터 실리콘 오일을 만드는 과정에 다른 유기물의 반응을 행하여 제조되는 데, 규소원자에 결합하는 R기의 일부를 메틸기 이외의 유기기를 도입한 실리콘 오일을 변성 실리콘 오일이라고 말한다. 예로서는 클로로프로필기, 페닐에틸기, 장쇄알킬기, 트리클로로프로필기, 에폭시기, 시아노기등을 함유하는 유기기가 있다. 이것은 디메틸실리콘 오일보다 윤활성이 우수한 오일이 되며, 여러 가지 유기물과 친화성이 향상되기 때문에 도장성이 우수한 오일로 알려져 있다. 또한, 다른 유기물질, 수지, 섬유 등과 반응하여 실리콘의 특징인 이형성과 유연성을 영구적으로 부여하는 특성을 가지고 있기 때문에 주목을 받고 있다. 절연성을 위해서는 200~230℃에서 경화가 이루어지며, 상용온도는 380℃이상인 변성실리콘을 사용하는 것이 좋다. 왜냐하면 본 발명에 의한 세라믹 면상 발열체가 수중히터로 사용되는 경우에 방열이 빨리 이루어지기 때문에 수중에서의 발열부 표면온도가 300℃ 이상에서 경시 변화가 없이 절연성을 충분히 발휘할 수 있어야 하기 때문이다.On the other hand, the modified silicone oil used as the material of the insulating portion is produced by the reaction of other organic matter in the process of making the silicone oil from the organic chlorosilane, a part of the R group bonded to the silicon atom is introduced into an organic group other than the methyl group Silicone oil is called modified silicone oil. Examples include an organic group containing a chloropropyl group, a phenylethyl group, a long chain alkyl group, a trichloropropyl group, an epoxy group, a cyano group and the like. This is an oil having better lubricity than dimethylsilicone oil and is known as an oil having excellent paintability because of its improved affinity with various organic substances. In addition, the film has attracted attention because it reacts with other organic materials, resins, fibers, and the like to permanently impart releasability and flexibility characteristic of silicon. For insulation, curing is performed at 200 ~ 230 ℃, and commercial silicone is recommended to use modified silicone having more than 380 ℃. This is because the heat dissipation is quickly performed when the ceramic planar heating element according to the present invention is used as an underwater heater, so that the surface temperature of the heat generating part in the water should be able to sufficiently exhibit insulation without change over time.
한편 상기 절연부의 재료로 절연페이스트를 사용하는 경우에는 절연페이스트의 조성을 무기안료 분말 1~5 중량%, 유리프리트 분말 40~60 중량% 및 혼합폴리며 39~55중량%로 하는 것이 바람직하다. 상기 절연페이스트의 조성물로서 무기안료를 포함하게 되는데, 상기 무기안료의 함유량이 상기 조성비의 범위는 넘어서게 되면 소성 후 세라믹 기재에 대해 융착력이 떨어지게 되기 때문이며, 이때 유리프리트의 함유량은 60%에 가까울수록 좋다. 이는 소성 후 표면에 밀도가 최적화로 퍼지면서 융착하게 되어 최고의 절연성을 발휘하게 되기 때문이다. 이때, 상기 무기안료는 입자의 크기를 10㎛ 이하로 분쇄한 후에 사용하는 것이 바람직하다. 이는 무기안료의 입자크기를 10㎛ 이하로 하여야만 소성시 분산력이 뛰어나 고르게 색상을 띄게 되며, 함유량을 적게 하면 회로의 불투명성을 부여하기 때문이다. 상기 절연페이스트를 절연부의 재료로 사용하는 경우에는 절연페이스트를 상기 발열부, 전극부 및 결속부의 윗면에 고르게 도포한 후에 이를 소성하여 절연부를 형성시키게 된다.On the other hand, when the insulating paste is used as the material of the insulating part, the composition of the insulating paste is preferably 1 to 5% by weight of inorganic pigment powder, 40 to 60% by weight of glass frit powder, and 39 to 55% by weight of mixed poly. An inorganic pigment may be included as the composition of the insulating paste, but if the content of the inorganic pigment exceeds the range of the composition ratio. This is because the adhesion strength to the ceramic substrate decreases after firing. The closer to 60%, the better. This is because the density spreads to the surface after firing with optimization This is because the fusion results in the best insulation. At this time, the inorganic pigment is preferably used after grinding the particle size to 10㎛ or less. This is because when the particle size of the inorganic pigment is set to 10 μm or less, the dispersing power during baking is excellent and the color becomes even. When the content is small, the opacity of the circuit is imparted. In the case where the insulating paste is used as a material of the insulating part, the insulating paste is evenly coated on the upper surfaces of the heating part, the electrode part, and the binding part, and then fired to form the insulating part.
상술한 것과 같은 ATO발열페이스트, 전극페이스트, 절연페이스트를 사용한 결과 이를 고온에서 소성한 후에 소결되는 과정을 거치게 되면 세라믹 기재는 세라믹 저항 전도체로서의 기능을 발휘하게 되며, 소성 소결과정을 거쳤기 때문에 경시 변화로 인한 저항값의 변동이 없고 안정적인 물성을 나타내게 된다. As a result of using the same ATO heating paste, electrode paste, and insulating paste as described above, after sintering at a high temperature and then sintering, the ceramic substrate functions as a ceramic resistive conductor, and has undergone plastic sintering. There is no change in resistance value and stable property is shown.
한편, 상기와 같이 제작된 세라믹 면상 발열체에 대해 전류를 공급하는 경우, 인가되는 전원은 DC 또는 AC 110~380V로서 단상 2선식 또는 3상 3~4선식으로 형성할 수 있다. On the other hand, when supplying a current to the ceramic planar heating element manufactured as described above, the applied power can be formed of DC or AC 110 ~ 380V single phase two wire type or three phase three to four wire type.
본 발명에 의한 세라믹 면상 발열체에 의하면,According to the ceramic planar heating element according to the present invention,
전기전도성 및 항균기능, 대전방지기능을 보유한 ATO분말을 조성물로 한 ATO발열페이스트로 발열부를 구성하고 있는 새로운 세라믹 저항체를 개발 사용함으로써 원료의 국산화를 이룸과 동시에 특히 인쇄 방식으로 발열부를 형성시키도록 함으로써 그 용도 및 목적에 따라 발열부의 온도를 조정할 수 있도록 하여 적은 비용으로도 대량생산이 가능하도록 함은 물론 다품종의 세라믹 면상 발열체를 생산할 수 있도록 하는 장점이 있다. By developing and using a new ceramic resistor composed of ATO heating paste composed of ATO powder which has electric conductivity, antibacterial function and antistatic function, it is possible to localize raw materials and to form heat generating part by printing method. It is possible to adjust the temperature of the heat generating unit according to the purpose and purpose of the mass production at a low cost, as well as the advantage of being able to produce a variety of ceramic plane heating element.
그리고, 본 발명에 의한 세라믹 면상 발열체는 기존의 면상 발열체와는 달리 발열부의 저항값을 상하로 조정할 수 있으며, 발열온도를 최고 800℃로 하여도 열 적·화학적으로 안정적이어서 고온 및 수중환경에서도 안정적으로 사용할 수 있다는 다른 장점이 있다. In addition, unlike the conventional planar heating element, the ceramic planar heating element according to the present invention can adjust the resistance value of the heating part up and down, and is stable thermally and chemically even when the heating temperature is up to 800 ° C. Another advantage is that it can be used.
또한, 본 발명은 발열부를 판형의 세라믹 기재의 표면에 인쇄한 후 소성하여 구성함으로써 세라믹 기재 단위면적당 발열 및 방열면적을 최대로 할 수 있어 기존의 면상 발열체보다 에너지 효율이 높다는 또 다른 장점이 있다. In addition, the present invention is configured by printing and heating the heat generating portion on the surface of the plate-shaped ceramic substrate to maximize the heat generation and heat dissipation area per unit area of the ceramic substrate, there is another advantage that the energy efficiency is higher than the conventional planar heating element.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 의한 세라믹 면상 발열체의 기본적인 구성을 도시한 구성도이다.1 is a block diagram showing the basic configuration of a ceramic planar heating element according to the present invention.
LTTC나 무균열 내열 세라믹과 같은 세라믹 기재(100)위에는 PTC특성을 가지는 ATO발열페이스트로 이루어진 발열부(200)와 상기 발열부와 서로 고르게 연결되어 있으며 상기 발열부(100)에 전류를 인가하는 전극페이스트로 이루어진 전극부(300)가 인쇄되어 소성되며, 상기 세라믹 기재의 일 부분에 형성된 통공에는 와이어 또는 단자가 삽입설치된 후 상기 전극페이스트에 의해 고정되어 결속부(400)를 형성시키고 있으며, 상기 발열부(200), 전극부(300) 및 결속부(400)의 윗면에는 다시 층으로 형성된 절연부(500)가 도포 및 소성되어 형성되어 있다. On the
한편, 도면 중에 원형 형태로 표시한 부분은 도면 중간 부분에 확대되어 도시된 결속부(400)의 위치를 나타낸 것이며, 우측 하단부에 도시된 것은 본 발명에 의한 세라믹 발열체의 구성에 대한 단면을 상세히 도시한 것이다. On the other hand, the portion shown in a circular shape in the drawing shows the position of the
도 2는 떡찜기와 같은 스팀발생기기에 본 발명에 의한 세라믹 면상 발열체를 세라믹 면상 수중히터로 사용한 경우에 기존의 시즈히터와 비교한 온도상승에 대한 실험결과를 나타내는 그래프이다.Figure 2 is a graph showing the results of the experiment for the temperature rise compared to the conventional siege heater when using the ceramic planar heating element according to the present invention in a steam generator, such as a rice cake steamer.
실험조건은 양쪽 각각에 수조에 14℃의 물을 64㎥씩 담은 후 상부에 있는 스팀 유출구에 압력계를 설치하였고 스팀실과 수중에는 k-type 센서를 설치하여 밀폐시킨 후 일본제 요코가와 레코더 dr240으로 측정하였다.Experimental conditions were to put 64 ℃ of water at 14 ℃ in both tanks, install a pressure gauge at the steam outlet on the upper side, and seal it by installing a k-type sensor in the steam chamber and the water, and then to Japan's Yokogawa recorder dr240. Measured.
시즈 히터에는 3상 3와트 380V로 48A의 전류를 투입하였고, 본 발명에 의한 세라믹 면상 발열체를 이용한 수중히터에 대해서는 3상 3와트 380V로 25A의 전류를 투입하였다. 이때 전력은 일본제 요코가와 CW 40으로 측정하였다.A 48 A current was introduced into the sheath heater at 3 380 watts, and a 25 A current was introduced into the three
상기와 같은 조건으로 5시간씩 12회를 실시하였다.Twelve times were performed for 5 hours under the same conditions as described above.
실험결과 스팀 발생온도인 127℃/sec에 도달하는 시간은 시즈 히터보다 약 6분 정도 빨랐으므로, 동일 체적량의 스팀 발생압력을 형성하기까지의 시간은 시즈히터보다 약 6분 빨랐으며 전류는 약 23A 적게 소비되었다. 따라서 소비전력은 약 15㎾/h가 절감되는 효과를 가져왔다. 아울러 소비전력의 역률은 시즈히터 97%, 세라믹 면상 발열체로 만들어진 세라믹 면상 수중히터는 역률이 99%를 나타냈다. As a result of the experiment, the time to reach the steam generating temperature of 127 ° C / sec was about 6 minutes faster than that of the sheath heater, so the time required to form the same volume of steam generating pressure was about 6 minutes faster than the sheath heater and the current was about 23A less was consumed. Therefore, the power consumption has the effect of saving about 15 mA / h. In addition, the power factor of the power consumption was 97% of the sheath heater, and the ceramic power submersible heater made of the ceramic planar heating element had a power factor of 99%.
<실시예 1><Example 1>
본 발명에 의한 세라믹 면상 발열체는 단위 ㎟당 0.02~1012Ω의 저항밀도를 갖는 스크린 인쇄 및 전사 인쇄용 ATO발열페이스트가 인쇄되어 구성하는 발열부, 최고 소성온도 960℃와 표면발열온도 800℃에 견디며, 전류를 인가하는 단자 또는 와이어가 삽입될 수 있도록 다양한 모양으로 가공 제조된 무균열 내열 세라믹으로 구성되는 세라믹 기재, 상기 세라믹 기재에 통공을 형성시킨 후에 상기 통공에 삽입되어 설치되는 결속부, 450℃의 온도에 절연성능을 발휘하는 변성 액상 실리콘으로 도포된 후 소성되는 절연부 및 상기 발열부에 전류를 인가하는 와이어 또는 단자로 구성된다.The ceramic planar heating element according to the present invention is a heat generating part which is formed by printing ATO heating paste for screen printing and transfer printing having a resistivity density of 0.02 to 10 12 Ω per
구체적으로, 본 발명에 의한 세라믹 면상 발열체가 적용될 수 있는 히터 기기의 가열대상, 가열대상의 부피, 가열대상의 온도상승속도, 희망온도, 전압인가방식에 충족되게 설계되어 조성된 ATO발열페이스트를 미리 설계된 발열체의 회로도를 제판하여 세라믹 기재에 인쇄하거나 전사지에 인쇄하고, ATO발열페이스트를 조성하고 있는 유리프리트의 융점보다 높게 (최고 960℃) 설정하여 소성한 후, 상기 세라믹 기재에 가공되어 형성된 통공에 와이어 또는 단자를 전극페이스트를 인쇄하여 도포함과 동시에 함께 통공에 삽입하여 180℃에서 소성한 후, 그 위에 절연부를 형성하기 위해 변성실리콘을 인쇄 또는 도포하여 230℃에서 소성하거나 절연페이스트를 인쇄한 후 소성하여 절연시킴으로써 액체 속에서도 발열이 가능할 수 있도록 하여 세라믹 면상 발열체를 이용한 수중히터를 구성하게 된다. Specifically, ATO heating paste designed in advance to meet the heating target, the volume of the heating target, the temperature rising speed of the heating target, the desired temperature, the voltage application method of the heater device to which the ceramic plane heating element according to the present invention can be applied in advance The circuit diagram of the designed heating element is printed and printed on a ceramic substrate or on a transfer paper, and is set at a melting point higher than the glass frit forming the ATO heating paste (up to 960 ° C.) and then fired. After printing the electrode paste by inserting the electrode paste into the through hole and firing it at 180 ℃, the modified silicon is printed or coated to form the insulation thereon and then baked at 230 ℃ or printed with the insulating paste. By firing and insulating, it is possible to generate heat even in liquids. It constitutes the water heater using a sieve.
도 1은 본 발명에 의한 세라믹 면상 발열체의 기본적인 구성을 도시한 구성도이다.1 is a block diagram showing the basic configuration of a ceramic planar heating element according to the present invention.
도 2는 떡찜기와 같은 스팀발생기기에 본 발명에 의한 세라믹 면상 발열체를 사용한 경우에 기존의 시즈히터와 비교한 온도상승에 대한 실험결과를 나타내는 그래프이다.Figure 2 is a graph showing the experimental results for the temperature rise compared to the conventional sheath heater when using the ceramic plane heating element according to the present invention in a steam generator such as rice cake steamer.
<도면의 주요부호에 대한 설명><Description of Major Symbols in Drawing>
100 : 세라믹 기재 200 : 발열부100: ceramic substrate 200: heat generating portion
300 : 전극부 400 : 결속부300: electrode portion 400: binding portion
500 : 절연부500: insulation
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