KR100909881B1 - Carbon heating element and method of preparing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 복수의 탄소섬유사를 합성수지 용액을 사용하지 않고 물리적으로 브레이딩한 세폭직조 탄소체로 제조되는 탄소 발열체에 관한 것으로, 상세하게는 세폭직조 직조 탄소체를 별도가공하지 않고 원형 그대로 열처리하므로 저항특성 및 발열 분포가 매우 균일하며, 자체로 불순물의 원인이 되는 합성수지 용액을 세폭직조 탄소체의 형성에 사용하지 않을 뿐만 아니라 잔존 불순물 제거를 위한 고온의 3차 열처리가 실시되어 불순물이 거의 없고 수명이 대폭 연장되는 탄소발열체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon heating element that is made of a narrow woven carbon body physically braided a plurality of carbon fiber yarns without using a synthetic resin solution, and in detail, heat treatment is performed as it is without processing the narrow woven carbon body separately The characteristics and the distribution of heat are very uniform, and the synthetic resin solution, which itself causes impurities, is not used for the formation of the narrow woven carbon body, and the high temperature tertiary heat treatment is performed to remove residual impurities. It relates to a carbon heating element that extends significantly and a method for producing the same.
탄소섬유를 발열체로 이용하여 이루어진 카본사(탄소섬유사) 히터가 미국 등록특허 제6,464,918호, 일본 공개특허 제2000-272913호, 러시아 등록특허 제2,149,215호, 일본 공개특허 제2000-123960호, 일본 공개특허 제2002-63870호, 미국 등록특허 제6,534,904호에서 개시되어 있다. 그러나, 상기 기술된 종래의 특허들은 주로 이론적인 기술에 관한 것으로, 제품인 카본사 히터를 제조하는 것에 실용적인 문제점이 있어서 산업제품화 단계까지는 미흡한 실정이다.Carbon fiber (carbon fiber yarn) heater made using carbon fiber as a heating element is disclosed in US Patent No. 6,464,918, Japanese Laid-Open Patent No. 2000-272913, Russian Patent No. 2,149,215, Japanese Laid-Open Patent No. 2000-123960, Japan Patent Publication No. 2002-63870, US Patent No. 6,534,904. However, the above-described conventional patents are mainly related to theoretical technology, and there is a practical problem in manufacturing a carbon heater, which is a product, which is insufficient until the industrial production stage.
또한, 한국 등록특허공보 제10-0793973호에서는 탄소섬유를 사전에 페놀-포름알데히드 용액 등과 같은 합성수지 용액으로 도포하고, 열처리를 실시하여 구성하는 것을 특징으로 하는 나선 형태의 탄소섬유 발열체의 제조 방법이 개시되었다. In addition, Korean Patent Publication No. 10-0793973 discloses a method for producing a spiral carbon fiber heating element, characterized in that the carbon fiber is coated with a synthetic resin solution such as a phenol-formaldehyde solution in advance and heat treated. Started.
상기 탄소섬유 발열체의 제조 방법을 도 1을 참조하여 상세하게 설명하면, (a)수 가닥의 탄소섬유사를 일정 폭으로 평행하게 배열(a1)하여 주축 위에 일정 피치의 나선형이 되도록 감아서 나선형 탄소재를 형성(a2)하고, (b)상기 나선형 탄소재의 양 단부에 각각 통전용 크립을 장착하고, (c)상기 나선형 탄소재의 카본사 표면을 페놀-포름알데히드 등의 합성수지 용액으로 도포하고, (d)상기 나선형 탄소재의 양 접점에 전류를 인가하여 합성수지 용액이 휘발되는 온도 및 압력에서 탄소재를 1차 열처리하여 나선형 형태물을 형성하고, (e)냉각 후 주축 제거로 나선형 형태물을 분리하고, (f)기상 탄화수소 분위기 하에서 나선형 형태물을 2차 열처리하므로써, 적외선 발생기에 장착되어 발열되는 나선형 탄소섬유 발열체를 제조하게 된다.The method of manufacturing the carbon fiber heating element will be described in detail with reference to FIG. A material is formed (a2), and (b) both ends of the helical carbon material are fitted with electricity-use creep, and (c) the surface of the carbon yarn of the helical carbon material is coated with a synthetic resin solution such as phenol-formaldehyde. , (d) applying a current to both contacts of the helical carbon material to form a helical shape by first heat treating the carbon material at a temperature and pressure at which the synthetic resin solution is volatilized, and (e) removing the spindle after cooling the spiral shape. By separating the (f) and the second heat treatment of the helical form in a gaseous hydrocarbon atmosphere, the spiral carbon fiber heating element mounted on the infrared generator to generate heat.
그러나 상기에서 기술된 탄소섬유 발열체의 제조 방법은 평행하게 배열된 수 가닥(예를 들면 4가닥)의 카본사를 일정한 폭으로 시종 유지하도록 하기 위하여 합성수지 용액를 도포하는 공정이 필수적이다. 상기 합성수지 용액의 도포 공정은 공정(c)에서 이루어지고, 도포된 합성수지 용액이 후속하는 공정(d), (e)를 거치면서 탄소섬유사를 접착하여 탄소섬유 발열체를 형성하는 동시에 여분의 합성수지 용액이 탄소찌꺼기 형태로 변환하여 잔류하게 된다. 상기와 같이 탄소섬유 발열체에서 탄소찌꺼기가 잔류하게 되면, 상기 탄소섬유 발열체를 사용하여 카본히터를 적외선 발생기를 제조하게 되면, 도 2에서 도시한 바와 같이 상기 적외선 발생기의 내부에서 탄소찌꺼기가 유동하게 되며, 이는 결국 적외선 발생기의 불량요인이 되는 문제점이 있다. However, in the method of manufacturing the carbon fiber heating element described above, a process of applying a synthetic resin solution is essential in order to keep the carbon yarns of several strands (for example, four strands) arranged in parallel at all times. The process of applying the synthetic resin solution is carried out in step (c), and the applied synthetic resin solution is followed by steps (d) and (e) to bond carbon fiber yarns to form a carbon fiber heating element and at the same time, an extra synthetic resin solution. It is converted into carbon residues and remains. When carbon residues remain in the carbon fiber heating element as described above, when carbon heaters are manufactured using the carbon fiber heating element to produce an infrared generator, the carbon residues flow inside the infrared generator as shown in FIG. 2. This is a problem that eventually becomes a bad factor of the infrared ray generator.
게다가, 수 가닥의 카본사를 합성수지 용액으로 도포하더라도 각각의 카본사끼리 평행하게 접촉한 상태에서도 상기 도포된 합성수지의 코팅 두께가 균일하지 않거나 또는 충격 등에 의하여 각 탄소섬유사 사이에서 도 3에서 도시된 바와 같은 틈새가 발생하게 되면 틈새로 인하여 탄소섬유 발열체의 저항특성이 불균일하게 형성된다. 이에 따라 탄소섬유 발열체의 부위 별로 전류가 과다 또는 과소하게 흐르게 되어 발열분포 차이가 발생하게 되고, 이는 결국 탄소섬유 발열체의 내구성 및 품질 저하의 요인이 된다. In addition, even when several carbon fibers are coated with a synthetic resin solution, even when the carbon fibers are in contact with each other in parallel, the coating thickness of the coated synthetic resin is not uniform or is shown in FIG. When such a gap occurs, the resistance characteristic of the carbon fiber heating element is formed nonuniformly due to the gap. Accordingly, the current flows excessively or excessively for each part of the carbon fiber heating element, resulting in a difference in heat distribution, which in turn causes deterioration of durability and quality of the carbon fiber heating element.
아울러, 이러한 각 탄소섬유사 사이의 틈새의 발생 요인을 감소시키기 위해서는, 도 2에서 도시된 바와 같이, 나선형 탄소재의 양 단부의 카본사들을 꼬아서 트위스트한 상태로 통전용 크립을 장착하고 탄소섬유 발열체를 구성해야 하는데, 이러한 탄소섬유 발열체의 양 단부의 카본사들의 트위스트로 인하여 도 4에서 도시된 바와 같이 카본사들이 트위스트된 부위(T1)에서는 단위면적당 발열량이 증가하게 되고, 카본사들이 트위스트되지 않는 부위(T2)에서는 상대적으로 단위면적당 발열량이 감소되어 상기 탄소섬유 발열체의 발열분포 차이가 발생하게 되어, 그 자체만으로도 탄소섬유 발열체의 내구성 및 품질 저하의 요인이 된다. 특히 카본사들이 트위스트된 부위(T1)에서 단위면적당 발열량이 증가하게 되면, 통전용 크립의 표면을 지지하는 니켈판이 과열되어 니켈이 증발되어 적외선 발생기의 관체 내부 표면 에 니켈 링을 형성하고, 이러한 니켈 링의 두께가 증가되면서 관체에 크랙이 발생하는 요인이 되어 제품의 외관성 저하와 함께 수명 단축의 요인이 된다. In addition, in order to reduce the occurrence factor of the gap between each of the carbon fiber yarns, as shown in Figure 2, by mounting twisted carbon yarns of both ends of the spiral carbon material twisted twisted carbon fiber and carbon fiber As shown in FIG. 4, the heat generation amount per unit area is increased and the carbon yarns are not twisted due to the twisting of the carbon yarns at both ends of the carbon fiber heating element. In the portion (T2), the heat generation amount per unit area is relatively reduced, resulting in a difference in heat distribution of the carbon fiber heating element, which is a factor in durability and quality degradation of the carbon fiber heating element by itself. In particular, when the carbon fibers increase the amount of heat generated per unit area at the twisted portion (T1), the nickel plate supporting the surface of the electricity-use creep is overheated and nickel evaporates to form a nickel ring on the inner surface of the tube of the infrared generator. As the thickness of the ring increases, it causes cracks in the tube, which reduces the appearance of the product and shortens the life.
또한, 나선형 탄소재에 도포되는 합성수지 용액을 이루는 페놀-포름 알데히드가 열분해되어 대기오염물질을 방출하게 되며, 특히 합성수지 용액은 기상 탄화수소 분위기에서는 900 ℃ 이하에서도 기화할 수 있는 비결정 탄소물질(Armophous Carbon)을 다량 함유하기 때문에, 합성수지 용액을 사용하여 형성된 탄소섬유 발열체로부터 비결정 탄소물질과 주성분이 니켈인 금속성분이 기화되어 적외선 발생기의 내부 표면에서 탄화현상, 및 흑화현상(니켈 증발링)이 발생할 수 있으며, 이는 탄소섬유 발열체의 수명에도 치명적인 영향을 미친다는 문제점이 있다.In addition, the phenol-formaldehyde constituting the synthetic resin solution applied to the spiral carbon material is thermally decomposed to release the air pollutants, especially the synthetic resin solution (Armophous Carbon) that can be vaporized at 900 ℃ or less in the gaseous hydrocarbon atmosphere Since it contains a large amount of carbon, the amorphous carbon material and the metal component whose main component is nickel are vaporized from the carbon fiber heating element formed using the synthetic resin solution, and carbonization phenomenon and blackening phenomenon (nickel evaporation ring) may occur on the inner surface of the infrared generator. This has a problem that it has a fatal effect on the life of the carbon fiber heating element.
특히, 한국 등록특허공부 제 10-0793973호는 단위 탄소섬유사를 인접배열하여 접착하도록 합성수지 용액으로 필수적으로 도포하여 나선형 형태물을 형성한 후에 상기 나선형 형태물에 1차 및 2차 열처리를 실시하여 표면에서 불순물이 잔존하는 탄소섬유 발열체를 제조한다. 따라서, 탄소섬유 발열체의 표면에 잔존하는 불순물을 제거하기 위하여 추가적으로 고온의 열처리를 실시하게 되면, 상기 탄소섬유 발열체에서 합성수지로 커버되어 지지되는 탄소섬유사가 갈라지거나 아예 끊어지는 현상이 발생하기 때문에, 고온의 열처리에 의한 불순물 제거 작업을 전혀 실시할 수 없다는 원천적인 결함을 지니고 있다.In particular, Korea Patent Publication No. 10-0793973 is essentially coated with a synthetic resin solution to bond the unit carbon fiber yarns adjacently bonded to form a spiral form, and then the primary and secondary heat treatment to the spiral form A carbon fiber heating element is produced in which impurities remain on the surface. Therefore, when an additional high temperature heat treatment is performed to remove impurities remaining on the surface of the carbon fiber heating element, the carbon fiber yarn covered or supported by the synthetic resin in the carbon fiber heating element may be cracked or broken at all. It has a fundamental defect that no impurities can be removed by heat treatment at all.
따라서, 본 발명의 목적은 복수의 탄소섬유사를 합성수지 용액을 사용하지 않고 물리적으로 브레이딩한 세폭직조 직조 탄소체를 별도가공하지 않고 원형 그대로 열처리하므로 저항특성 및 발열 분포가 매우 균일하며, 세폭직조 탄소체의 형성에 합성수지 용액을 사용하지 않을 뿐만 아니라 고온의 3차 열처리가 실시되어 불순물이 거의 없고 수명이 대폭 연장되는 탄소발열체 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is heat treatment of a plurality of carbon fiber yarns physically braided without using a synthetic resin solution without heat processing, as it is circular without heat treatment, the resistance characteristics and heat distribution is very uniform, narrow weaving Not only does not use a synthetic resin solution in the formation of the carbon body but also provides a carbon heating element and a method of manufacturing the same, which is substantially free of impurities and greatly extends its life by carrying out a high temperature tertiary heat treatment.
상기와 같은 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 탄소섬유사를 물, 계면활성제 및 실리콘 유제로 이루어지는 군으로부터 적어도 하나 이상 선택되는 윤활제에 침지하여 윤활제 함침 탄소섬유사를 형성하는 단계; 상기 윤활제 함침 탄소섬유사 3∼24 본을 한 방향으로 배열하고 브레이딩하여 세폭직조 탄소체를 형성하는 단계; 상기 세폭직조 직조 탄소체를 내열 주축의 표면에 감아서 탄소 성형체를 형성하는 단계; 상기 탄소 성형체의 양 단부에 각각 통전용 크립을 장착하는 단계; 상기 통전용 크립에 전류를 인가하여 상기 탄소 성형체를 기상탄화수소 분위기 하에서 1차 열처리하여 열처리 탄소 성형체를 형성하는 단계; 상기 열처리 탄소 성형체를 내열 주축으로부터 분리하는 단계; 상기 분리된 열처리 탄소 성형체의 통전용 크립에 전류를 인가하여 기상탄화수소 분위기 하에서 1300∼2500 ℃로 2차 열처리하여 표면에 나노결정 구조의 탄소층 피막이 증착된 탄소 피막 발열체를 형성하는 단계; 및 상기 탄소 피막 발열체를 불활성가스 또는 감압 분위기 하에서 2500∼3500 ℃로 3차 열처리하여 불순물을 증발시키고 잔류한 비결정 탄소를 그라파이트화하는 단계를 포함하는 탄소발열체의 제조 방법이 제공된다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of immersing the carbon fiber yarn in at least one lubricant selected from the group consisting of water, surfactants and silicone emulsion to form a lubricant impregnated carbon fiber yarn; Arranging and braiding the lubricant-impregnated carbon fiber yarns 3 to 24 in one direction to form a narrow woven carbon body; Winding the narrow woven carbon body on the surface of a heat-resistant main shaft to form a carbon molded body; Mounting electricity-carrying creep at both ends of the carbon molded body; Applying a current to the electricity-driven creep to thermally process the carbon molded body under a gaseous hydrocarbon atmosphere to form a heat treated carbon molded body; Separating the heat treated carbon formed body from a heat-resistant spindle; Applying a current to a current-carrying creep of the separated heat-treated carbon molded body and performing a second heat treatment at 1300 to 2500 ° C. under a gaseous hydrocarbon atmosphere to form a carbon film heating element having a carbon layer film having a nanocrystalline structure deposited thereon; And a third heat treatment of the carbon film heating element at 2500 to 3500 ° C. under an inert gas or a reduced pressure atmosphere to evaporate impurities and to graphite the remaining amorphous carbon.
또한, 본 발명에서는 3∼24 본의 폴리아크릴로나이트릴 원사 또는 비스코스 원사를 한 방향으로 배열하고 브레이딩하여 웹 형태의 세폭직물을 형성하는 단계; 상기 세폭직물을 불활성 가스 분위기에서 길이 방향으로 연신하면서 1,500∼2,500 ℃로 탄화 처리하여 세폭직조 탄소체를 형성하는 단계; 상기 세폭직조 직조 탄소체를 내열 주축의 표면에 감아서 탄소 성형체를 형성하는 단계; 상기 탄소 성형체의 양 단부에 각각 통전용 크립을 장착하는 단계; 상기 통전용 크립에 전류를 인가하여 상기 탄소 성형체를 기상탄화수소 분위기 하에서 1차 열처리하여 열처리 탄소 성형체를 형성하는 단계; 상기 열처리 탄소 성형체를 내열 주축으로부터 분리하는 단계; 상기 분리된 열처리 탄소 성형체의 통전용 크립에 전류를 인가하여 기상탄화수소 분위기 하에서 1300∼2500 ℃로 2차 열처리하여 표면에 나노결정 구조의 탄소층 피막이 증착된 탄소 피막 발열체를 형성하는 단계; 및 상기 탄소 피막 발열체를 불활성가스 또는 감압 분위기 하에서 2500∼3500 ℃로 3차 열처리하여 불순물을 증발시키고 잔류한 비결정 탄소를 그라파이트화하는 단계를 포함하는 탄소발열체의 제조 방법이 제공된다.In addition, the present invention comprises the steps of arranging and braiding 3 to 24 polyacrylonitrile yarns or viscose yarns in one direction to form a narrow web material; Carbonizing at 1,500 to 2,500 ° C. while stretching the narrow fabric in an inert gas atmosphere in a longitudinal direction to form a narrow woven carbon body; Winding the narrow woven carbon body on the surface of a heat-resistant main shaft to form a carbon molded body; Mounting electricity-carrying creep at both ends of the carbon molded body; Applying a current to the electricity-driven creep to thermally process the carbon molded body under a gaseous hydrocarbon atmosphere to form a heat treated carbon molded body; Separating the heat treated carbon formed body from a heat-resistant spindle; Applying a current to a current-carrying creep of the separated heat-treated carbon molded body and performing a second heat treatment at 1300 to 2500 ° C. under a gaseous hydrocarbon atmosphere to form a carbon film heating element having a carbon layer film having a nanocrystalline structure deposited thereon; And a third heat treatment of the carbon film heating element at 2500 to 3500 ° C. under an inert gas or a reduced pressure atmosphere to evaporate impurities and to graphite the remaining amorphous carbon.
본 발명에 의하여 제조되는 탄소발열체는 복수의 탄소섬유사를 합성수지 용액을 사용하지 않고 물리적으로 브레이딩한 세폭직조 직조 탄소체를 별도가공하지 않고 원형 그대로 통전용 크립을 장착하고 1차, 2차 및 3차 열처리를 실시하므로 저항특성 및 발열 분포가 매우 균일하여 내구성 및 품질이 크게 향상되는 효과가 있다.The carbon heating element manufactured according to the present invention is equipped with a creep for electricity supply as it is without processing a narrow woven woven carbon body physically braided with a plurality of carbon fiber yarns without using a synthetic resin solution. Since the third heat treatment is performed, the resistance characteristics and the heat distribution are very uniform, which greatly improves durability and quality.
또한, 본 발명의 탄소발열체는 자체로 불순물의 원인이 되는 합성수지 용액을 세폭직조 탄소체의 형성에 사용하지 않을 뿐만 아니라, 이로 인하여 불순물을 제거하기 위한 고온의 3차 열처리를 실시할 수 있으므로 불순물 함량이 극히 적고 수명이 대폭 연장되는 효과를 지니고 있다.In addition, the carbon heating element of the present invention does not use the synthetic resin solution, which itself causes the impurities, in the formation of the narrow woven carbon body, and because of this, it is possible to perform a high temperature tertiary heat treatment to remove impurities. This is extremely small and has a prolonged lifespan.
또한, 본 발명의 탄소발열체는 탄소섬유사의 접착을 위한 합성수지 용액의 도포 및 건조 시간이 소요되지 않아서 생산성이 대폭 향상되며, 합성수지 용액의 불균일한 도포로 인하여 발생하는 발열 분포 차이를 방지하는 효과를 지니고 있다.In addition, the carbon heating element of the present invention does not require the application and drying time of the synthetic resin solution for the adhesion of carbon fiber yarn, the productivity is greatly improved, and has an effect of preventing the difference in heat distribution caused by uneven application of the synthetic resin solution. have.
본 발명은 복수의 탄소섬유사를 합성수지 용액을 사용하지 않고 물리적으로 브레이딩한 세폭직조 직조 탄소체를 별도가공하지 않고 원형 그대로 통전용 크립을 장착한 후에, 1차, 2차 열처리를 실시하고, 이와 별도로 잔존 불순물의 제거를 위한 고온의 3차 열처리를 실시하는 것을 기술사상으로 하고 있다.According to the present invention, the first and second heat treatments are carried out after mounting a creep for electricity as it is, without processing a narrow woven carbon body physically braided with a plurality of carbon fiber yarns without using a synthetic resin solution. Apart from this, the technical idea is to perform a high temperature tertiary heat treatment for removing residual impurities.
이를 위하여, 본 발명에서는 복수의 탄소섬유사를 한 방향으로 배열하고 브레이딩하여 세폭직조 탄소체를 형성하거나 또는 원사를 한 방향으로 배열하고 브레이딩하여 이루어진 세폭직물을 탄화 처리하여 세폭직조 탄소체를 형성하고, 상기 세폭직조 탄소체를 사용하여 탄소발열체를 제조한다.To this end, in the present invention, a plurality of carbon fiber yarns are arranged in one direction and braided to form a narrow woven carbon body, or a narrow fabric formed by arranging and braiding yarns in one direction and carbonized the narrow woven carbon body. And a carbon heating element is prepared using the narrow woven carbon body.
도면과 실시예를 참조하여 본 발명의 탄소발열체의 제조 방법을 상세하게 설 명한다.With reference to the drawings and examples will be described in detail a method for producing a carbon heating element of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 세폭직조 탄소체의 직조 및 세폭직물의 직조에 사용되는 세폭직기를 개략적으로 예시한 것이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 세폭직조 탄소체를 개략적으로 도시한 것이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소발열체의 제조 공정을 개략적으로 도시한 것이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 성형체의 단면을 상세하게 도시한 것이고, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 탄소 성형체의 단면을 상세하게 도시한 것이고, 도 10은 본 발명의 탄소발열체를 사용한 카본히터에 전류를 인가한 상태의 사진이고, 도 11은 종래의 카본히터와 본 발명에 의한 카본히터를 비교한 사진이다.FIG. 5 schematically illustrates a narrow weaving machine used for weaving a narrow weave carbon body and a narrow fabric according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a narrow weave carbon body according to an embodiment of the present invention. Figure 7 schematically shows a manufacturing process of the carbon heating element according to an embodiment of the present invention, Figure 8 is a detailed view showing a cross section of the carbon molded body according to an embodiment of the present invention 9 is a detailed cross-sectional view of a carbon molded body according to another embodiment of the present invention. FIG. 10 is a photograph of a state in which a current is applied to a carbon heater using the carbon heating element of the present invention. FIG. A photograph comparing the carbon heater with the carbon heater according to the present invention.
도 5 내지 도 11을 참조하면, 우선 본 발명의 탄소발열체의 제조 방법은 탄소섬유사를 물, 계면활성제 및 실리콘 유제로 이루어지는 군으로부터 적어도 하나 이상 선택되는 윤활제에 침지하여 윤활제 함침 탄소섬유사를 형성하는 단계, 및 상기 윤활제 함침 탄소섬유사 3∼24 본을 한 방향으로 배열하고 브레이딩하여 세폭직조 탄소체를 형성하는 단계에 의해 세폭직조 탄소체를 구성할 수 있다.5 to 11, first, the method for producing a carbon heating element of the present invention is immersed carbon fiber yarn in at least one lubricant selected from the group consisting of water, surfactant and silicone emulsion to form a lubricant impregnated carbon fiber yarn And forming the narrow woven carbon body by arranging and braiding 3 to 24 bone-impregnated carbon fiber yarns in one direction to form a narrow woven carbon body.
탄소섬유사를 일반적인 직조기에서 경사와 위사로 배열하고 직조하여 광폭의 탄소섬유를 형성하고, 상기 탄소섬유를 세폭으로 슬리팅하여 세폭직조 탄소체를 구성할 수 있으나, 위사의 탄소섬유가 120 도 이상의 각도로 브레이딩될 때 꺽어지는 현상이 발생하기 때문에, 기술적으로 지극히 곤란하고 따라서 실용성이 결여되어 있다. 게다가, 슬리팅 과정에서 탄소섬유의 슬리팅면에서 보풀 등과 같은 변형이 나타나고, 상기 변형 부위에서 저항특성 및 발열 분포의 불균일 현상이 심각하게 발생하기 때문에, 상기에서 기술된 방법에 의하여 직조 및 슬리팅된 세폭직조 탄소체를 탄소발열체의 제조에 사용할 수 없다. 따라서, 비교적 소수(예를 들면 4가닥)의 탄소섬유사를 세폭직조기에서 경사로 배열하고 교직하여 세폭으로 형성되는 세폭직조 탄소체를 원형 그대로 사용하여 탄소발열체를 제조해야 한다.Carbon fiber yarns are arranged in a warp and weft yarn in a general loom and weave to form wide carbon fibers, and slitting the carbon fibers in narrow widths to form narrow woven carbon bodies, but the carbon fibers of the weft yarn are 120 degrees or more. Since bending occurs when braiding at an angle, it is technically extremely difficult and thus lacks practicality. In addition, since slitting, such as fluff, appears in the slitting surface of the carbon fiber in the slitting process, and the nonuniformity of the resistance characteristic and the exothermic distribution occurs seriously at the deformation site, weaving and slitting by the method described above Narrow-woven carbon bodies cannot be used for the production of carbon heating elements. Therefore, a carbon heating element should be manufactured using a narrow woven carbon body formed by narrowly arranging a relatively small number (for example, four strands) of carbon fiber yarns in a narrow weaving machine and twisting them.
본 발명의 탄소발열체는 탄소섬유사를 물리적으로 세폭직조하여 이루어지는 세폭직조 탄소체를 재료로 사용하여 구성된다. 세폭직조 탄소체를 형성하기 위하여 사용되는 탄소섬유사는 원료에 따라 PAN계 탄소섬유사, 피치계 탄소섬유사 및 비스코스계 탄소섬유사로 구분되는데, 상기 PAN계 탄소섬유사, 피치계 탄소섬유사 및 비스코스계 탄소섬유사 모두를 사용하여 탄소발열체의 재료인 세폭직조 탄소체를 형성할 수 있으나, PAN계 탄소섬유사, 피치계 탄소섬유사는 단면이 직사각형 형태로 이루어지기 때문에, 복수의 PAN계 탄소섬유사 또는 피치계 탄소섬유사를 한 방향으로 배열하고 브레이딩하여 세폭직조 탄소체를 형성하는 공정이 실제적으로 상당히 곤란하다. 따라서, 본 발명에서는 세폭직조가 용이하도록 단면이 원형 형태로 이루어지는 비스코스계 탄소섬유사를 사용하여 세폭직조 탄소체를 형성하는 것이 바람직하다.The carbon heating element of the present invention is composed of a narrow woven carbon body formed by physically narrowing a carbon fiber yarn as a material. Carbon fiber yarns used to form narrow woven carbon bodies are classified into PAN-based carbon fiber yarns, pitch-based carbon fiber yarns and viscose-based carbon fiber yarns according to the raw materials. The PAN-based carbon fiber yarns, pitch-based carbon fiber yarns and viscose Although both the carbon fiber yarns can be used to form a narrow woven carbon body, which is a material of the carbon heating element, the PAN-based carbon fiber yarns and the pitch-based carbon fiber yarns have a rectangular cross section. Alternatively, the process of arranging and braiding pitch-based carbon fiber yarns in one direction to form a narrow woven carbon body is practically difficult. Therefore, in the present invention, it is preferable to form a narrow woven carbon body using a viscose-based carbon fiber yarn having a circular cross section so as to facilitate narrow woven.
그런데, 굴곡강도가 작은 탄소섬유사를 그대로 한 방향으로 배열하고 브레이딩하게 되면, 상기 탄소섬유사가 일정한 각도로 용이하게 브레이딩되지 않고 꺽임 현상을 유발할 수 있을 뿐만 아니라, 브레이딩 중인 탄소섬유사에서 보풀이 발생할 가능성도 있다, However, when the carbon fiber yarns with small flexural strength are arranged in one direction and braided, the carbon fiber yarns may not be easily braided at a predetermined angle and may cause bending, as well as in the carbon fiber yarns being braided. There is a possibility of lint,
따라서, 본 발명에서는 탄소섬유사가 일정한 각도로 용이하게 브레이딩되도 록, 보빈에 감겨진 상태인 탄소섬유사를 물, 계면활성제 및 실리콘 유제로 이루어지는 군으로부터 적어도 하나 이상 선택되는 윤활제에 20∼60 분간 침지하여 굴곡강도가 증가된 윤활제 함침 탄소섬유사를 형성한다. 탄소섬유사의 굴곡강도를 증가시키는 윤활제는 물, 계면활성제 및 실리콘 유제를 단독으로 사용하거나 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. Therefore, in the present invention, the carbon fiber yarn wound in the bobbin is at least one selected from the group consisting of water, a surfactant, and a silicone emulsion for 20 to 60 minutes so that the carbon fiber yarn is easily braided at a predetermined angle. It is immersed to form lubricant impregnated carbon fiber yarn with increased flexural strength. Lubricants to increase the bending strength of the carbon fiber yarn may be used alone, or a mixture of two or more of the water, surfactant and silicone emulsion.
이러한 윤활제에 침지된 윤활제 함침 탄소섬유사는 굴곡강도가 증가되어 용이하게 브레이딩되고 보풀도 발생하지 않게 된다. 굴곡강도가 증가된 윤활제 함침 탄소섬유사를 형성하기 위하여 탄소섬유사를 윤활제에 침지하는 시간이 20 분 미만이면, 상기 탄소섬유사가 용이하게 브레이딩될 정도로 굴곡강도가 충분하게 증가되지 않으며, 탄소섬유사를 윤활제에 침지하는 시간이 60 분을 초과하면 상기 탄소섬유사의 굴곡강도가 더 이상 증가되지 않는다.Lubricant-impregnated carbon fiber yarns immersed in such lubricants increase the flexural strength and are easily braided and no fluff occurs. When the carbon fiber yarn is immersed in the lubricant for less than 20 minutes to form the lubricant-impregnated carbon fiber yarn with increased flexural strength, the flexural strength is not sufficiently increased so that the carbon fiber yarn is easily braided, and the carbon fiber If the time for immersing the yarn in the lubricant exceeds 60 minutes, the bending strength of the carbon fiber yarn no longer increases.
상기와 같이 윤활제에 침지되어 굴곡강도가 증가된 윤활제 함침 탄소섬유사를 한 방향으로 배열하고 브레이딩하여 세폭직조 탄소체를 구성한다.As described above, the lubricating impregnated carbon fiber yarn having the flexural strength increased by immersing in the lubricant is arranged in one direction and braided to form a narrow woven carbon body.
본 발명에서는 세폭직기에서 탄소섬유사를 경,위사로 함께 배열하는 것이 아니라, 세폭직기에서 탄소섬유사 3∼24 본을 오직 경사로만 배열하고, 상기 경사를 상호간에 지그재그로 교차하도록 브레이딩하여 도 6에서 도시한 바와 같이 3∼24 본의 탄소섬유사가 한 방향으로 배열되는 웹 형태인 세폭직조 탄소체를 형성한다. 웹 형태인 세폭직조 탄소체를 형성하기 위하여 경사로 배열되는 탄소섬유사가 3 본 미만이면 상기 탄소섬유사가 상호간에 교직되어 웹 형태인 세폭직물이 형성되는 것이 아니라 탄소섬유사가 꼬임되어 가연사가 형성되며, 경사로 배열되는 탄소섬유사 가 24 본을 초과하면 상기 탄소섬유사가 과도한 각도로 브레이딩되므로 상기 탄소섬유사의 가공성이 저하될 뿐만 아니라 세폭직조 탄소체의 폭이 과도하여 전기적인 저항치가 지나치게 저하된다.In the present invention, instead of arranging the carbon fiber yarns together in the light and weft yarns in the narrow loom, only 3 to 24 carbon fiber yarns in the narrow loom are arranged only in the inclined line, and the inclined braids cross each other in a zigzag pattern. As shown in Fig. 6, three to twenty-four carbon fiber yarns form a narrow woven carbon body in the form of a web arranged in one direction. If less than three carbon fiber yarns arranged in an inclined manner to form a narrow woven carbon body in the form of a web, the carbon fiber yarns are interwoven with each other, thereby not forming a narrow web-shaped narrow fabric, but twisting the carbon fiber yarns to form a combustible yarn. When the number of carbon fiber yarns arranged is more than 24, the carbon fiber yarns are braided at an excessive angle, so that not only the workability of the carbon fiber yarns is reduced, but also the width of the narrow woven carbon body is excessively reduced, and the electrical resistance is excessively reduced.
구체적으로, 도 5에서 도시한 바와 같이, 3∼24 본의 탄소섬유사(240a, 240b)를 경사로 배열하고 브레이딩하여 탄소섬유 세폭직물을 형성하는 세폭직기(200)는 테이블(210), 상기 테이블(210) 상을 회전하며 이동하는 복수개의 캐리어(230a, 230b), 상기 캐리어(230a, 230b)로부터 교직된 탄소섬유 세폭직물(100)이 권취되는 권취롤러(260, 270)가 구비된다. Specifically, as shown in Figure 5, the
여기서, 복수의 캐리어(230a, 230b)는 테이블(210) 상에 형성된 ∞자 형상의 이동경로를 따라 회전한다. 캐리어(230a, 230b)가 회전할 때 상기 캐리어(230a, 230b)에 권취된 각각의 탄소섬유사(240a, 240b)는 캐리어(230a, 230b)의 경로에 따라 얀 가이드(도면부호 미표시)에서 상호간에 브레이딩되어 탄소섬유 세폭직물(100)이 형성되고, 상기 탄소섬유 세폭직물(100)이 권취롤러(260) 상에 감기게 된다. 이 때, 캐리어(230a, 230b)가 이동경로를 따라 이동할 때 각각의 탄소섬유사(240a, 240b)가 브레이딩을 위해 얀 가이드로 이동하는 탄소섬유사(240a, 240b)의 브레이딩 각도는 최대 60도를 넘지 않도록 조정되며, 탄소섬유사(240a, 240b)의 얀 가이드에서의 브레이딩 각도가 60 도를 초과하게 되면 상기 탄소섬유사(240a, 240b)가 절단될 가능성이 있다.Here, the plurality of
즉, 복수의 탄소섬유사, 바람직하게는 단면이 원형 형태로 이루어지는 비스코스계 탄소섬유사를 세폭직조기에 세팅하여 경사로 배열하고, 상기 경사로 배열된 복수의 탄소섬유사를 상호간에 지그재그로 교차하여 브레이딩하므로써 세폭직조 탄소체를 형성한다. 그리고, 직경이 동일한 복수의 탄소섬유사를 경사로 배열하고 교직하여 세폭직조 탄소체를 구성하거나, 또는 서로 다른 직경의 탄소섬유사를 경사로 배열하고 교직하여 세폭직조 탄소체를 구성할 수 있다.That is, a plurality of carbon fiber yarns, preferably viscose-based carbon fiber yarns having a circular cross section, are set in a warp yarn, and arranged in a warp, and the plurality of carbon fiber yarns arranged in the warp cross zigzag to each other and braided. This forms a narrow woven carbon body. Then, the plurality of carbon fiber yarns having the same diameter may be arranged in an inclined manner to form a narrow woven carbon body, or the carbon fiber yarns having different diameters may be arranged in an inclined manner to make a narrow woven carbon body.
이러한 세폭직조 탄소체는 복수의 탄소섬유사가 한 방향으로 배열되고 브레이딩되어 세폭직조되므로, 세폭직조된 세폭직조 탄소체의 양 변 및 양 단부에 보풀 등과 같은 변형이 전혀 발생하지 않고, 외형이 깔끔하며, 직조 형태가 견고하게 유지되는 특성을 지니고 있다. 따라서, 복수의 탄소섬유사를 브레이딩하지 않고 일정 폭으로 평행하게 배열하고 그 자체로도 불순물인 합성수지 용액으로 도포하여 상기 복수의 탄소섬유사를 체결해야 하는 종래의 탄소섬유재와 달리, 본 발명에서는 복수의 탄소섬유사가 한 방향으로 배열되고 브레이딩되어 견고하게 형성된 세폭직조 탄소체를 합성수지 용액으로 도포하지 않은 것은 물론, 세폭직조 탄소체의 직조 형태를 유지하기 위한 어떠한 수단도 사용하지 않고, 세폭직조된 세폭직조 탄소체를 그대로 탄소발열체의 제조에 사용한다.Since the narrow woven carbon body has a plurality of carbon fiber yarns arranged and braided in one direction, the narrow woven fabric has no deformation such as fluff on both sides and both ends of the narrow woven carbon fiber, and the appearance is neat. It has a characteristic that the weaving form is firmly maintained. Therefore, unlike the conventional carbon fiber material in which a plurality of carbon fiber yarns are arranged parallel to a certain width without braiding and coated with a synthetic resin solution which is an impurity in itself, to fasten the plurality of carbon fiber yarns, the present invention In addition to not applying a narrow woven carbon body formed of a plurality of carbon fiber yarns arranged in one direction and braided firmly with a synthetic resin solution, and without using any means for maintaining the woven form of the narrow woven carbon body, The woven narrow woven carbon body is used as it is for the production of a carbon heating element.
또한, 상기과 같이 복수의 탄소섬유사를 한 방향으로 배열하고 브레이딩하여 세폭직조 탄소체를 형성하는 방법과 별도로, 본 발명의 탄소발열체의 제조 방법은 3∼24 본의 폴리아크릴로나이트릴 원사 또는 비스코스 원사를 한 방향으로 배열하고 브레이딩하여 웹 형태의 세폭직물을 형성하는 단계, 및 상기 세폭직물을 불활성 가스 분위기에서 길이 방향으로 연신하면서 1,500∼2,500 ℃로 탄화 처리하여 세폭직조 탄소체를 형성하는 단계에 의해 세폭직조 탄소체를 구성할 수 있다.Further, apart from the method of arranging and braiding a plurality of carbon fiber yarns in one direction as described above to form a narrow woven carbon body, the method for producing a carbon heating element of the present invention is a 3 to 24 polyacrylonitrile yarn or Arranging and braiding viscose yarn in one direction to form a narrow web material, and carbonizing at 1,500 to 2,500 ° C. while stretching the narrow fabric in an inert gas atmosphere in a longitudinal direction to form a narrow woven carbon body. By the step, a narrow woven carbon body can be formed.
탄소섬유에 비해 가공성이 훨씬 탁월한 원사를 사용하여 세폭직물을 직조하고, 연속적으로 상기 세폭직물을 내염화 및 탄화 처리하는 공정에 의해 세폭직조 탄소체를 형성하여 탄소발열체의 제조에 사용할 수 있는 것이다.Weaving narrow fabrics using yarns that are much more workable than carbon fibers, and subsequently forming narrow woven carbon bodies by the process of flameproofing and carbonizing the narrow fabrics to be used in the production of carbon heating elements.
그런데, 폴리아크릴로나이트릴 원사 또는 비스코스 원사를 경,위사로 사용하여 2축성 직물을 직조하고, 상기 2축성 직물을 경사 방향과 위사 방향의 양방향으로 동시에 연신하면서 탄화처리하는 것은 기술적으로 극히 곤란하고 실용성이 결여되어 있다.However, it is technically extremely difficult to weave biaxial fabrics using polyacrylonitrile yarns or viscose yarns as light and weft yarns, and to simultaneously carbonize the biaxial fabrics in both directions of warp and weft directions. Practicality is lacking.
따라서, 본 발명에서는 PAN계 탄소섬유의 원재료인 폴리아크릴로나이트릴 원사 또는 비스코스계 탄소섬유의 원재료인 비스코스 원사를 경,위사로 함께 배열하는 것이 아니라, 세폭직기에서 폴리아크릴로나이트릴 원사 또는 비스코스 원사 3∼24 본을 오직 경사로만 배열하고, 상기 경사를 상호간에 지그재그로 교차하도록 브레이딩하여 도 6에서 도시한 바와 같이 3∼24 본의 원사들이 한 방향만으로 배열되는 웹 형태인 세폭직물을 형성한다. Therefore, in the present invention, polyacrylonitrile yarns, which are raw materials of PAN-based carbon fibers, or viscose yarns, which are raw materials of viscose-based carbon fibers, are not arranged together with light and weft yarns. 3 to 24 yarns are arranged only on the slope, and the warp is braided so as to cross each other in a zigzag form to form a narrow fabric having a web form in which the yarns of the 3 to 24 yarns are arranged in only one direction as shown in FIG. do.
이러한 세폭직물에서 폴리아크릴로나이트릴 원사 또는 비스코스 원사가 상호간에 지그재그로 교차되어 일정한 각도로 브레이딩되고 한 방향으로만 진행되어 1축성 웹 형태인 세폭직물을 형성하는 것이다. 세폭직물을 형성하기 위하여 한 방향으로 배열되는 원사가 3 본 미만이면 상기 원사가 상호간에 브레이딩되어 웹 형태인 세폭직물이 형성되는 것이 아니라 원사가 꼬임되어 가연사가 형성되며, 한 방향으로 배열되는 원사가 24 본을 초과하면 상기 원사가 과도한 각도로 브레이딩되므로 상기 원사를 길이 방향으로 정확하게 연신하는 것이 곤란하게 될 뿐만 아니라 상기 세폭직물로부터 제조되는 세폭직조 탄소체의 폭이 과도하여 전기적인 저항치가 지나치게 저하된다.In such narrow fabrics, polyacrylonitrile yarns or viscose yarns are intersected in a zigzag fashion and braided at a predetermined angle and proceed in only one direction to form narrow fabrics in the form of uniaxial webs. If less than three yarns are arranged in one direction to form a narrow fabric, the yarns are not braided with each other to form narrow webs in the form of webs, but the yarns are twisted to form combustible yarns, and the yarns are arranged in one direction. Is more than 24, the yarn is braided at an excessive angle, so that it is difficult to accurately stretch the yarn in the longitudinal direction, and the width of the narrow woven carbon body manufactured from the narrow fabric is excessive, resulting in excessive electrical resistance. Degrades.
구체적으로, 도 5에서 도시한 바와 같이, 3∼24 본의 원사(240a, 240b)를 경사로 배열하고 브레이딩하여 세폭직물을 형성하는 세폭직기(200)는 테이블(210), 상기 테이블(210) 상을 회전하며 이동하는 복수개의 캐리어(230a, 230b), 상기 캐리어(230a, 230b)로부터 교직된 세폭직물(100)이 권취되는 권취롤러(260, 270)가 구비된다. Specifically, as shown in FIG. 5, the
여기서, 복수의 캐리어(230a, 230b)는 테이블(210) 상에 형성된 ∞자 형상의 이동경로를 따라 회전한다. 캐리어(230a, 230b)가 회전할 때 상기 캐리어(230a, 230b)에 권취된 각각의 원사(240a, 240b)는 캐리어(230a, 230b)의 경로에 따라 얀 가이드(도면부호 미표시)에서 상호간에 브레이딩되어 세폭직물(100)이 형성되고, 상기 세폭직물(100)이 권취롤러(260) 상에 감기게 된다. 이 때, 캐리어(230a, 230b)가 이동경로를 따라 이동할 때 각각의 원사(240a, 240b)가 브레이딩을 위해 이동하는 원사(240a, 240b)의 얀 가이드에서의 브레이딩 각도는 수직선에 대하여 최대 60도를 넘지 않도록 조정되며, 원사(240a, 240b)의 얀 가이드에서의 브레이딩 각도가 60 도를 초과하게 되면 상기 원사(240a, 240b)가 절단될 가능성이 있다.Here, the plurality of
즉, 3∼24 본의 원사를 세폭직조기에 세팅하여 경사로 배열하고, 상기 경사로 배열된 복수의 원사를 상호간에 지그재그로 교차하여 브레이딩하므로써 세폭직물을 형성하는 것이다. That is, three to twenty-four yarns are set in a narrow weaving machine and arranged in a warp yarn, and a plurality of yarns arranged in the warp yarns are alternately braided zigzag to form a narrow fabric.
상기와 같이 형성된 세폭직물을 연속적으로 탄화 처리용 터널 연속로 이송하 고, 상기 탄화 처리용 터널 연속로에서 아르곤 등과 같은 불활성 기체 분위기에서 세폭직물을 길이 방향으로 연신하면서 고온으로 탄화 처리하여 세폭직조 탄소체를 제조한다.The narrow fabric formed as described above is continuously transferred to a tunnel for carbonization treatment, and in the carbonization tunnel continuous furnace, the narrow fabric is carbonized at a high temperature while being stretched in a longitudinal direction in an inert gas atmosphere such as argon to form a narrow woven carbon. Prepare a sieve.
일반적으로 폴리아크릴로나이트릴 원사, 비스코스 원사, 및 피치계 원사를 개별적으로 길이 방향으로 연신하면서 불활성 기체 분위기에서 1.000 ℃대 전반, 즉 1,000∼1,500 ℃의 온도로 탄화 처리하여 탄소섬유를 구성할 수 있으나, 원사 단독이 아니라 3∼24 본의 원사가 한 방향으로 배열되고 브레이딩되어 이루어지는 세폭직물은 1.000 ℃대 전반의 온도에서 제대로 탄화 처리되지 않는다. Generally, polyacrylonitrile yarns, viscose yarns, and pitch yarns are individually stretched in the longitudinal direction, and carbonized at temperatures of 1.000 ° C., that is, 1,000 to 1500 ° C., in an inert gas atmosphere to form carbon fibers. However, the narrow fabric, in which the yarns of 3 to 24 yarns are arranged in one direction and braided, not the yarn alone, is not carbonized properly at a temperature of about 1.000 ° C.
따라서, 본 발명에서는 세폭직물을 길이 방향으로 연신하면서 1,500 ℃ 이상의 온도, 바람직하게는 1,500∼2,500 ℃의 온도로 탄화 처리를 실시하여 세폭직조 탄소체를 구성한다. 세폭직조 탄소체를 구성하기 위하여 탄화 처리용 터널 연속로의 불활성 가스 분위기에서 길이 방향으로 연신되는 세폭직물을 탄화 처리하는 온도가 1,500 ℃ 미만이면 상기 세폭직물이 제대로 탄화 처리되지 않으며, 길이 방향으로 연신되는 세폭직물을 탄화 처리하는 온도가 2,500 ℃를 초과하면 상기 내염화 세폭직물이 탄화 처리되지 않고 그대로 연소될 수 있다.Therefore, in the present invention, the narrow fabric is carbonized at a temperature of 1,500 ° C. or higher, preferably 1,500 to 2,500 ° C. while the narrow fabric is stretched in the longitudinal direction to form a narrow woven carbon body. If the temperature for carbonizing the narrow fabric stretched in the longitudinal direction in the inert gas atmosphere of the carbonization tunnel continuous to form a narrow woven carbon body is less than 1,500 ° C, the narrow fabric is not properly carbonized and stretched in the longitudinal direction When the carbonization temperature of the narrow fabric is greater than 2,500 ° C., the flame resistant narrow fabric may be burned as it is without carbonization.
이러한 세폭직조 탄소체 역시 양 변 및 양 단부에 보풀 등과 같은 변형이 전혀 발생하지 않고, 외형이 깔끔하며, 직조 형태가 견고하게 유지되는 특성을 지니고 있다. 따라서, 복수의 탄소섬유사를 브레이딩하지 않고 일정 폭으로 평행하게 배열하고 그 자체로도 불순물인 합성수지 용액으로 도포하여 상기 복수의 탄소섬유사를 체결해야 하는 종래의 탄소섬유재와 달리, 본 발명에서는 복수의 탄소섬유사 가 한 방향으로 배열되고 브레이딩되어 견고하게 형성된 세폭직조 탄소체를 합성수지 용액으로 도포하지 않은 것은 물론, 세폭직조 탄소체의 직조 형태를 유지하기 위한 어떠한 수단도 사용하지 않고, 세폭직조된 세폭직조 탄소체를 그대로 탄소발열체의 제조에 사용한다.Such narrow-woven carbon bodies also have characteristics such that no deformation such as fluff occurs at both sides and both ends, the appearance is clean, and the woven form is firmly maintained. Therefore, unlike the conventional carbon fiber material in which a plurality of carbon fiber yarns are arranged parallel to a certain width without braiding and coated with a synthetic resin solution which is an impurity in itself, to fasten the plurality of carbon fiber yarns, the present invention In the plural carbon fiber yarns are arranged in one direction and braided, the narrow woven carbon body is not coated with a synthetic resin solution, and no means for maintaining the woven form of the narrow woven carbon body is used. The narrow woven narrow carbon body is used as it is for the production of carbon heating elements.
또한, 본 발명의 탄소발열체의 제조 방법은 상기 세폭직조 직조 탄소체를 내열 주축의 표면에 감아서 탄소 성형체를 형성하는 단계가 포함된다.In addition, the method for producing a carbon heating element of the present invention includes the step of winding the narrow woven carbon body on the surface of the heat-resistant spindle to form a carbon molded body.
복수의 탄소섬유사를 한 방향으로 배열하고 브레이딩하여 이루어진 세폭직조 직조 탄소체, 또는 원사를 한 방향으로 배열하고 브레이딩한 세폭직물을 탄화 처리하여 이루어진 세폭직조 탄소체를 융점 1300 ℃인 실리카봉 등과 같은 내열 주축의 표면에 나선형으로 감아서 나선 형태를 이루는 탄소 성형체를 형성한다.A narrow bar woven carbon body formed by arranging and braiding a plurality of carbon fiber yarns in one direction, or a narrow bar woven carbon body formed by carbonizing a narrow fabric made by arranging and braiding yarns in one direction. It spirally winds around the surface of a heat-resistant main shaft such as a spiral to form a carbon molded body having a spiral shape.
상기와 같이 내열 주축의 표면에 나선형으로 감아서 성형된 탄소 성형체는 세폭직조 직조 탄소체로서 양 변 및 양 단부에 보풀 등과 같은 변형이 전혀 발생하지 않고, 탄소 성형체의 외형이 깔끔하게 유지되는 특성을 지니고 있다. 따라서, 나선 형태인 탄소 성형체의 외형을 유지하도록 합성수지 용액으로 도포하지 않을 뿐만 아니라, 탄소 성형체의 양 단부의 카본사들을 꼬아서 트위스트하지 않은 상태 그대로 통전용 크립을 장착할 수 있는 것이다.As described above, the carbon molded body spirally wound on the surface of the heat-resistant main shaft is a narrow woven carbon body, and has no characteristics such as fluff at both sides and both ends, and the appearance of the carbon molded body is kept clean. have. Therefore, not only the coating of the synthetic resin solution in order to maintain the outer appearance of the spirally shaped carbon molded body, but also the twisted carbon yarns at both ends of the carbon molded body can be fitted with a current-carrying creep.
또한, 본 발명의 탄소발열체의 제조 방법은 상기 탄소 성형체의 양 단부에 각각 통전용 크립을 장착하는 단계가 포함된다.In addition, the method of manufacturing a carbon heating element of the present invention includes the step of mounting each of the electricity supply creep on both ends of the carbon molded body.
세폭직조 직조 탄소체가 나선 형태로 성형된 탄소 성형체에 전류를 인가하여 1차 열처리하도록, 상기 탄소 성형체의 양 단부에 각각 통전용 크립을 장착한다. 상기 탄소 성형체의 양 단부에 각각 장착되는 통전용 크립은 전기전도성이 우수하고, 탄소 성형체에 달라붙을 정도의 표면특성을 지닌 알루미늄 호일 또는 구리 호일 재질을 사용하여 구성된다. A creep for energizing each of the carbon molded bodies is mounted on both ends of the carbon molded bodies so that the narrow woven carbon bodies are subjected to a first heat treatment by applying a current to the carbon molded bodies formed in a spiral form. The electricity supply creep mounted on both ends of the carbon molded body is made of aluminum foil or copper foil material which has excellent electrical conductivity and has a surface characteristic enough to stick to the carbon molded body.
상기와 같이 탄소 성형체의 양 단부에 각각 장착된 통전용 크립에 전류를 인가하여 통전시키면, 상기 탄소 성형체가 일정한 온도로 열처리되어 열처리 탄소 성형체로 변환 형성되는 것이다.As described above, when current is applied to a current-carrying creep mounted at both ends of the carbon molded body, the carbon molded body is heat-treated at a constant temperature to be converted into a heat-treated carbon molded body.
또한, 본 발명의 탄소발열체의 제조 방법은 기상탄화수소 분위기 하에서 상기 통전용 크립에 전류를 인가하여 상기 탄소 성형체를 1차 열처리하여 열처리 탄소 성형체를 형성하는 단계, 및 상기 열처리 탄소 성형체를 내열 주축으로부터 분리하는 단계가 포함된다.In addition, the method of manufacturing a carbon heating element of the present invention by applying a current to the current-carrying creep in a gaseous hydrocarbon atmosphere to form a heat-treated carbon molded body by primary heat treatment, and separating the heat-treated carbon molded body from the heat-resistant spindle It includes the steps.
기상탄화수소 분위기 하에서 탄소 성형체의 양 단부의 통전용 크립에 전류를 인가하여 900∼1200 ℃로 1차 열처리하므로써, 표면에 일정한 두께의 탄소층 피막이 기상 증착된 열처리 탄소 성형체를 형성한다.The current is applied to a current-carrying creep at both ends of the carbon formed body under a gaseous hydrocarbon atmosphere, and the first heat treatment is performed at 900 to 1200 ° C., thereby forming a heat-treated carbon formed body in which a carbon layer film having a constant thickness is vapor deposited on the surface.
구체적으로, 내열 주축의 표면에 나선형으로 감겨진 탄소 성형체의 양 단부의 통전용 크립에 전원을 연결하고, 기상탄화수소 분위기 하의 반응로에 수납한다. 전원으로부터 통전용 크립을 통하여 탄소 성형체에 전류를 인가하여, 상기 탄소 성형체의 온도를 900∼1200 ℃로 상승시키면, 반응로 내부의 기상탄화수소가 열분해되면서 발생하는 탄소가 탄소 성형체의 표면에 기상 증착되어 탄소층 피막이 형성된다. 탄소 성형체의 표면에 탄소층 피막을 기상 증착하기 위하여 상기 탄소 성형체를 1차 열처리하는 온도가 900 ℃ 미만이면 기상탄화수소가 열분해되지 않아서 탄소가 탄소 성형체의 표면에 기상 증착되지 않으며, 탄소 성형체를 1차 열처리하는 온도가 1200 ℃를 초과하면 상기 탄소 성형체를 지지하는 내열 주축이 고열로 인하여 녹아버리게 된다. Specifically, a power source is connected to the electricity supply creep at both ends of the carbon molded body spirally wound on the surface of the heat-resistant main shaft, and stored in the reactor under a gaseous hydrocarbon atmosphere. When a current is applied to the carbon molded body from the power source through the electricity-driven creep, and the temperature of the carbon molded body is raised to 900 to 1200 ° C., carbon generated by thermal decomposition of the gaseous hydrocarbons inside the reactor is vapor-deposited on the surface of the carbon molded body. A carbon layer film is formed. In order to vapor-deposit the carbon layer film on the surface of the carbon formed body, if the temperature for the first heat treatment of the carbon formed body is less than 900 ° C., the gaseous hydrocarbons are not thermally decomposed and carbon is not vapor deposited on the surface of the carbon formed body. When the temperature for heat treatment exceeds 1200 ° C., the heat-resistant spindle supporting the carbon molded body melts due to high heat.
상기에서 기술된 탄소 성형체의 1차 열처리에 의하여 탄소층 피막이 기상증착되어 이루어지는 열처리 탄소 성형체를 내열 주축으로부터 분리하고, 상기 분리된 열처리 탄소 성형체의 2차 열처리를 실시한다.The heat-treated carbon molded body in which the carbon layer film is vapor-deposited by the first heat treatment of the carbon molded body described above is separated from the heat-resistant spindle, and the second heat-treated heat-treated carbon molded body is performed.
또한, 본 발명의 탄소발열체의 제조 방법은 기상탄화수소 분위기 하에서 상기 분리된 열처리 탄소 성형체의 통전용 크립에 전류를 인가하여 1300∼2500 ℃로 2차 열처리하여 표면에 나노결정 구조의 탄소층이 증착된 탄소 피막 발열체를 형성하는 단계가 포함된다.In addition, the method of manufacturing a carbon heating element of the present invention by applying a current to the current-carrying creep of the separated heat-treated carbon molded body in a gaseous hydrocarbon atmosphere, the second heat treatment at 1300 ~ 2500 ℃ to deposit a carbon layer of nanocrystalline structure on the surface Forming a carbon film heating element.
1차 열처리되어 내열 주축으로부터 분리된 열처리 탄소 성형체를 다시 기상탄화수소 분위기 하의 반응로에 수납한다. 전원으로부터 통전용 크립을 통하여 열처리 탄소 성형체에 전류를 인가하여 상기 열처리 탄소 성형체의 온도를 1300∼2500 ℃로 상승시키면, 반응로 내부의 기상탄화수소가 열분해되면서 발생하는 탄소가 열처리 탄소 성형체의 표면에 기상 증착되어 일정한 두께의 나노결정 구조의 탄소층 피막이 형성된다.The heat-treated carbon formed body subjected to the first heat treatment and separated from the heat-resistant main shaft is stored in the reaction furnace under a gaseous hydrocarbon atmosphere. When a current is applied to the heat-treated carbon molded body from a power source through a current-carrying creep, and the temperature of the heat-treated carbon molded body is raised to 1300 to 2500 ° C., carbon generated by thermal decomposition of gaseous hydrocarbons inside the reactor is vaporized on the surface of the heat-treated carbon molded body. Deposition results in the formation of a carbon layer film of a nanocrystalline structure of constant thickness.
열처리 탄소 성형체의 2차 열처리 온도를 1300∼2500 ℃의 범위 내에서 일정한 온도로 유지하여 상기 열처리 탄소 성형체의 저항치를 원하는 수준으로 감소시키며, 이에 따라 상기 열처리 탄소 성형체로부터 형성되는 탄소 피막 발열체의 저항치를 임의 조절할 수 있게 되는 것이다. 열처리 탄소 성형체의 표면에 나노결정 구조의 탄소층 피막을 기상 증착하기 위하여 상기 열처리 탄소 성형체를 2차 열처리하는 온도가 1300 ℃ 미만이면 상기 탄소 피막 발열체의 표면에 기상 증착되어 나노결정 구조의 탄소층 피막에 기화 가능한 비결정 탄소물질이 다량 함유될 뿐만 아니라 상기 탄소 피막 발열체의 저항치를 임의 조절할 수 없게 되며, 상기 열처리 탄소 성형체를 2차 열처리하는 온도가 2500 ℃를 초과하면 상기 탄소 피막 발열체가 고온으로 인하여 열화 또는 연소될 수 있다.The secondary heat treatment temperature of the heat-treated carbon molded body is maintained at a constant temperature within the range of 1300 to 2500 ° C. to reduce the resistance of the heat-treated carbon molded body to a desired level, and thus the resistance value of the carbon film heating element formed from the heat-treated carbon molded body. It can be adjusted arbitrarily. In order to vapor-deposit a carbon layer film of nanocrystalline structure on the surface of the heat-treated carbon formed body, if the temperature of the second heat treatment of the heat-treated carbon formed body is less than 1300 ° C., vapor deposition is carried out on the surface of the carbon film heating element to form a carbon layer film of nanocrystalline structure. Not only contains a large amount of vaporizable amorphous carbon material, but also can not arbitrarily control the resistance of the carbon film heating element, and when the temperature of the second heat treatment of the heat-treated carbon molded body exceeds 2500 ° C, the carbon film heating element deteriorates due to high temperature. Or burn.
상기와 같이 구성된 탄소 피막 발열체에서는 미량의 불순물과 비결정 탄소물질이 함유되어 있으므로, 상기 함유된 불순물 및 불순물과 비결정 탄소물질의 제거를 위하여 고온의 3차 열처리를 실시한다.Since the carbon film heating element configured as described above contains a small amount of impurities and an amorphous carbon material, a high temperature tertiary heat treatment is performed to remove the contained impurities, impurities and amorphous carbon material.
또한, 본 발명의 탄소발열체의 제조 방법은 상기 탄소 피막 발열체를 불활성가스 또는 감압 분위기 하에서 2500∼3500 ℃로 3차 열처리하여 불순물을 증발시키고 잔류한 비결정 탄소를 그라파이트화하는 단계가 포함된다.In addition, the method of manufacturing a carbon heating element of the present invention includes the step of heat-treating the carbon film heating element to 2500-3500 ° C. under an inert gas or reduced pressure atmosphere to evaporate impurities and to graphite the remaining amorphous carbon.
2차 열처리된 탄소 피막 발열체를 기상탄화수소가 아닌 불활성가스 또는 감압 분위기 하에서 2500∼3500 ℃의 고온으로 3차 열처리하여 불순물을 증발시키고 잔류한 비결정 탄소물질을 그라파이트화하므로써 불순물이 사실상 잔류하지 않는 탄소발열체를 제조한다. 그런데, 탄소 피막 발열체에 대한 3차 열처리는, 상기 탄소 피막 발열체의 고열로 인한 열화 또는 연소를 방지하도록, 기상탄화수소가 아니라 반드시 불활성가스 또는 감압 분위기 하에서 실시해야 한다.The second heat-treated carbon film heating element is heat-treated in an inert gas, not gaseous hydrocarbon, or a high temperature of 2500 to 3500 ° C. under a reduced pressure atmosphere to evaporate impurities and to graphite the remaining amorphous carbon material so that no impurities remain substantially. To prepare. By the way, the 3rd heat treatment with respect to a carbon film heating element must be performed in inert gas or reduced pressure atmosphere instead of gaseous-phase hydrocarbon so as to prevent deterioration or combustion by the high temperature of the said carbon film heating element.
탄소 피막 발열체를 3차 열처리하는 온도가 2500 ℃ 미만이면 상기 탄소 피막 발열체로부터 불순물이 제대로 증발되지 않고 비결정 탄소물질 역시 제대로 그 라파이트화되지 않으며, 탄소 피막 발열체를 3차 열처리하는 온도가 3500 ℃를 초과하면 상기 3차 열처리에 소요되는 비용이 대폭 증가하고 이는 결국 탄소발열체의 제조원가 상승으로 연결된다.If the temperature for the third heat treatment of the carbon film heating element is less than 2500 ° C., impurities do not evaporate properly from the carbon film heating element and amorphous carbon materials are not properly graphitized, and the temperature for the third heat treatment of the carbon film heating element is 3500 ° C. If exceeded, the cost for the third heat treatment is greatly increased, which in turn leads to an increase in the manufacturing cost of the carbon heating element.
상기와 같은 탄소 피막 발열체의 3차 열처리에 의해 불순물이 사실상 함유되지 않는 탄소발열체를 구성한다. The third heat treatment of the carbon film heating element as described above constitutes a carbon heating element that is substantially free of impurities.
이러한 탄소발열체를 관체 내부에 장입하고, 상기 장입된 탄소발열체를 전선과 연결한 후에, 상기 관체를 진공처리하고 밀봉하여 카본 히터를 제조한다.After the carbon heating element is charged into the tube and the charged carbon heating element is connected to the electric wire, the tube is vacuumed and sealed to manufacture a carbon heater.
본 발명의 탄소발열체의 제조 방법에 대하여 구체적인 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다. 단, 다음의 실시에는 본 발명을 구체적으로 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명을 제한하는 것은 아니다.The manufacturing method of the carbon heating element of this invention is demonstrated in detail with reference to a specific Example. However, the following embodiments are only intended to specifically illustrate the present invention and do not limit the present invention.
< 실시예 ><Example>
1. 70 tex의 선밀도를 지닌 비스코스계 탄소섬유사 8가닥을 세폭직조기에 세팅하여 경사로 배열하고, 상기 경사를 상호간에 지그재그로 교차하여 직조하므로써 세폭직조 탄소체를 형성하였다.1. The eight strands of viscose carbon fiber yarn having a linear density of 70 tex were set in a narrow loom and arranged in a warp yarn, and the warp yarns were zigzag intersected with each other to form a narrow woven carbon body.
2. 상기 세폭직조 탄소체를 길이 45 ㎝, 직경 4 ㎜의 실리카봉에 나선 형태로 감아서 탄소 성형체를 형성하였다.2. The narrow woven carbon body was wound in a spiral form on a silica rod having a length of 45 cm and a diameter of 4 mm to form a carbon molded body.
3. 상기 탄소 성형체의 양 단부에 각각 알루미늄 호일 재질의 통전용 크립을 장착하였다.3. Both ends of the carbon molded body were each equipped with a current-carrying creep made of aluminum foil.
4. 상기 내열 주축의 표면에 탄소 성형체의 통전용 크립을 전원과 연결하고, 기상탄화수소 분위기 하의 반응로에 수납하였다.4. The electric current-carrying creep of the carbon molded body was connected to the power supply on the surface of the heat-resistant main shaft and housed in a reaction furnace under a gaseous hydrocarbon atmosphere.
5. 상기 통전용 크립에 전류를 인가하여 상기 탄소 성형체를 초기저항 43 Ω에서 저항 33 Ω으로 변환될 때까지, 기상탄화수소 분위기 하에서 1100 ℃로 1차 열처리하여 표면에 0.1 ㎚의 탄소층 피막이 기상 증착된 열처리 탄소 성형체를 형성하였다.5. Applying a current to the current-carrying creep to heat-treat the carbon molded body at 1100 ° C. under a gaseous hydrocarbon atmosphere until the carbon molded body is converted from an initial resistance of 43 Ω to a resistance of 33 Ω. Formed thermally treated carbon molded bodies.
6. 상기 열처리 탄소 성형체를 내열 주축으로부터 분리하고, 상기 분리된 열처리 탄소 성형체를 다시 기상탄화수소 분위기 하의 반응로에 수납하였다.6. The heat-treated carbon molded body was separated from the heat-resistant main shaft, and the separated heat-treated carbon molded body was again stored in a reaction furnace under a gaseous hydrocarbon atmosphere.
7. 상기 열처리 탄소 성형체의 통전용 크립에 전류를 인가하여 상기 열처리 탄소 성형체를 초기저항 33 Ω에서 저항 13 Ω으로 변환될 때까지, 기상탄화수소 분위기 하에서 2000 ℃로 2차 열처리하여 표면에 0.3 ㎚의 나노결정 구조의 탄소층 피막이 기상 증착된 탄소 피막 발열체를 형성하였다.7. Applying a current to the current-carrying creep of the heat-treated carbon molded body, the second heat-treated at 2000 ° C. under a gaseous hydrocarbon atmosphere until the heat-treated carbon molded body is converted from an initial resistance of 33 Ω to a resistance of 13 Ω of 0.3 nm on the surface. The carbon layer film of the nanocrystal structure formed the carbon film heating element by which vapor deposition was carried out.
8. 상기 탄소 피막 발열체를 불활성가스 분위기 하의 반응로에 수납하고, 통전용 크립에 전류를 인가하여 상기 탄소 피막 발열체를 불활성가스 분위기 하에서 2600 ℃로 30초간 3차 열처리하므로써 나선 형태를 이루는 100V/800W의 탄소발열체를 제조하였다.8. 100V / 800W spirally formed by accommodating the carbon film heating element in a reactor under an inert gas atmosphere and applying a current to a current-carrying creep to perform a third heat treatment of the carbon film heating element at 2600 ° C. for 30 seconds in an inert gas atmosphere. The carbon heating element of was prepared.
< 실험예 >Experimental Example
상기 실시예에 의거하여 구성된 탄소발열체를 관체 내부에 장입하고, 상기 장입된 탄소발열체를 전선과 연결한 후에, 상기 관체를 진공처리하고 밀봉하여 카본 히터를 제조하였다.The carbon heating element constructed in accordance with the above embodiment was charged into a tube, and the charged carbon heating element was connected to an electric wire, and then the tube was vacuumed and sealed to prepare a carbon heater.
상기 카본히터 100개와 종래 한국 등록특허공보 제10-0793973호에 의거한 카본히터 100개를 준비하여 2000 시간동안 연속적으로 전류를 공급하여 가열한 결과, 도 9에서 도시한 바와 같이 본 발명의 카본히터에서는 내부 불순물에 의한 탄화현상, 및 흑화현상(니켈 증발링)이 전혀 발생하지 않았으나, 종래의 카본히터는 30개에서 내부 불순물에 의한 탄화현상 및 및 흑화현상이 발생한 것으로 나타났다.As a result, 100 carbon heaters and 100 carbon heaters according to Korean Patent Publication No. 10-0793973 were prepared and continuously supplied with heating for 2000 hours to heat the carbon heater of the present invention, as shown in FIG. 9. In the carbonization phenomenon due to internal impurities and blackening phenomenon (nickel evaporation ring) did not occur at all, the conventional carbon heater was found to be carbonization and blackening phenomenon by internal impurities in 30.
이에 따라, 본 발명의 탄소발열체를 사용하여 구성된 카본히터가 신뢰성이 현저하게 향상되었다는 것을 확인할 수 있었다.Accordingly, it was confirmed that the carbon heater constructed using the carbon heating element of the present invention significantly improved the reliability.
도 1은 종래의 탄소발열체의 제조 공정도1 is a manufacturing process diagram of a conventional carbon heating element
도 2는 종래의 탄소발열체를 사용한 카본히터의 일 실시예를 도시한 사진Figure 2 is a photograph showing an embodiment of a carbon heater using a conventional carbon heating element
도 3은 종래의 탄소발열체의 제조에 사용되는 탄소섬유사의 불량 상태도Figure 3 is a bad state of carbon fiber yarn used in the production of conventional carbon heating element
도 4는 종래의 탄소발열체를 사용한 카본히터의 전류 인가 상태의 사진Figure 4 is a photograph of the current applied state of the carbon heater using a conventional carbon heating element
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 세폭직조 탄소체의 직조 및 세폭직물의 직조에 사용되는 세폭직기의 예시도5 is an exemplary view of a narrow weaving machine used for weaving narrow weaving carbon bodies and weaving narrow fabrics according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 세폭직조 탄소체의 예시도Figure 6 is an illustration of a narrow woven carbon body according to an embodiment of the present invention
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소발열체의 제조 공정도7 is a manufacturing process of the carbon heating element according to an embodiment of the present invention
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 성형체의 단면 상세도8 is a cross-sectional detail view of a carbon molded body according to one embodiment of the present invention;
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 탄소 성형체의 단면 상세도9 is a detailed cross-sectional view of a carbon molded article according to another embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 탄소발열체를 사용한 카본히터의 전류 인가 상태의 사진10 is a photograph of a current applied state of the carbon heater using the carbon heating element of the present invention
도 11은 종래의 카본히터와 본 발명에 의한 카본히터의 비교 사진11 is a comparison picture of the carbon heater according to the present invention and the conventional carbon heater
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