KR20010071179A

KR20010071179A - 탄소 발열체 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20010071179A
Application number: KR1020007011859A
Authority: KR
Inventors: 히로하타다케시; 다무라사다타카; 다카하시유주루
Original assignee: 오사카 프리펙투랄 가브먼트; 추후제출; 이.테크 코포레이션
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2001-07-28
Also published as: CA2328622A1; KR100394981B1; CA2328622C; EP1076474A4; US6501056B1; JP3543174B2; EP1076474A1; WO1999056502A1

Abstract

본 발명은 내구성 및 내열 충격성이 우수하고, 강산화성 약품중 등의 특수 환경하에서도 사용가능하며, 더욱 적은 소비전력으로 충분한 발열 능력을 가지는 탄소 발열체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

탄소섬유, 탄소섬유포 등의 탄소재료에 석영유리를 피복하고, 석영유리내를 진공 혹은 치환된 불활성 가스에 의해 0.2 기압 이하로 하고, 석영유리를 용융 밀봉하여 탄소발열체를 제조한다.

Description

탄소 발열체 및 그 제조방법{CARBON HEATING ELEMENT AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

발열체로서, 니크롬이나 탄소재료가 일반적으로 사용되고 있다.

니크롬선은 할로겐 가스, 산성 가스, 부식성 가스 등의 분위기하에서는 사용할 수 없다. 이러한 특수환경하에서는, 탄소재료가 그 화학적 안정성 때문에 사용되고 있다. 그러나, 탄소재료도 강산화성의 약품, 예를 들면, 농축 질산이나 발연(發煙) 농축 질산이 발생하는 장소에서는 사용할 수 없다.

또한, 탄소재료는, 비(非)산화 분위기하에서는, 고온 환경하에서 사용할 수 있지만, 공기중에서는 산화되기 때문에 약 400℃까지밖에 사용할 수 없다.

공기중, 400℃ 이상의 고온영역에서 사용 가능한 탄소 발열체로서, 탄소재료 표면을 세라믹이나 유리로 피복하고, 탄소재료를 산소로부터 차단한 탄소 발열체가 알려져 있다. 이들 탄소 발열체는 피복재와 탄소 표면을 완전히 밀착시킴으로써,산소를 차단하고, 내부의 탄소재료의 산화소모를 방지하고 있다.

그러나, 피복재와 탄소재료의 팽창율이 다르기 때문에, 계속 반복하여 사용한 경우, 피막재(被膜材)가 박리되어 피복 효과가 상실된다. 또한, 상기 피복재는, 열충격 등에 약하기 때문에, 사용이 제한되어 있다.

본 발명은 고온 환경하에서 반복 사용한 경우에도 우수한 내구성을 가지는 탄소 발열체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결 내지 대폭 경감시키는 것이고, 공기중에서 약 1000℃로 가온한 경우에도 반복 사용 가능한 우수한 내구성을 가지는 탄소 발열체를 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 급속한 온도 변화에도 대응할 수 있는 우수한 내열 충격성을 가지는 탄소 발열체를 제공하는 것도 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 강산화성 약품중에서 등 특수 환경하에서도 사용 가능한 탄소 발열체를 제공하는 것도 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 더욱 적은 소비전력으로 충분한 발열 능력을 가지는 탄소 발열체를 제공하는 것도 목적으로 한다.

발명자는 상기 문제점을 고려하여, 예의 연구를 한 결과, 탄소재료의 피막층으로서, 유일하게 석영유리를 사용한 경우만 장기간에 걸친 산화 방지효과, 급속한 승온 및 냉각과 같은 열충격에 견딜 수 있는 우수한 내열 충격성 등을 가지며, 강산화성 약품하에서도 사용 가능한 탄소 발열체를 수득할 수 있음을 발견했다.

또한, 저밀도의 탄소재료를 사용함에 따라, 더욱 우수한 발열 능력을 가지는탄소 발열체를 수득할 수 있음을 발견하고, 이로헌 점에 기초하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명은, 하기의 탄소 발열체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

1. 탄소재료 및 석영유리 피복층으로 이루어지는 탄소 발열체.

2. 탄소재료로서, 탄소섬유, 탄소섬유포, 목질계 탄소재료, 탄소봉 및 탄소분말의 성형체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 일종을 사용하는 제 1번 기재의 탄소 발열체.

3. 탄소재료로서, 탄소섬유를 사용하는 제 1번 기재의 탄소 발열체.

4. 탄소재료로서, 탄소섬유포를 사용하는 제 1번 기재의 탄소 발열체.

5. 석영유리 피막층내가 불활성 기체로 치환되고, 층내의 압력이 0.2기압이하인 제 1번 기재의 탄소 발열체.

6. 탄소재료에 석영유리를 피복하고, 석영유리내를 진공 혹은 치환된 불활성 기체에 의해 0.2기압 이하로 한 상태에서 석영유리를 용융 밀봉하는 탄소 발열체의 제조방법.

본 발명의 탄소 발열체는, 탄소재료 및 석영유리 피막층으로 이루어진다.

본 발명에 있어서 사용하는 석영유리는, 석영유리이면 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 수정을 용융하여 만드는 석영유리, 고순도 SiCl₄, SiH₄등을 출발원료로 하는 석영유리, 규사를 용융하여 만드는 석영유리, 실리카 글라스를 원료로 하는 석영유리 등을 들 수 있다. 실리카 글라스를 원료로 하는 석영유리를 사용하는 경우는, 예를 들면, 550∼620℃ 정도에서 실리카 글라스를 성형하고, B₂O₃-Na₂O 상과 SiO₂상으로 분상(分相)시킨 후, 염산 등으로 산처리를 행하고 그 후 1000∼1200℃ 정도로 가열 처리를 행하는 방법 등에 의해 석영유리 피막층으로 만들 수 있다. 실리카 글라스는, 석영유리보다도 낮은 온도에서 연화(軟化)되기 때문에 성형하기 쉽다. 사용하는 실리카 글라스는 보다 고순도의 것이 바람직하다. 예를 들면 약 95%이상, 바람직하게는 98% 이상의 실리카 글라스를 사용할 수 있다.

본 발명의 석영유리 피막층의 열충격강도(ΔT)는, 특별히 제한되지 않지만, 통상 950℃ 이상 정도, 바람직하게는 980℃ 이상 정도이다. 본 발명의 석영유리 피막층의 선(線)팽창율은, 특별히 제한되지 않지만, 10^-6이하 정도인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서 사용하는 석영유리는, 무색 투명한 것에 제한되지 않고, 예를 들면, 유리내부에 기포가 들어간 불투명 석영유리, 표면에 작은 요철이 있는 젖빛 유리, 흑색 등의 유색(有色) 석영 유리 등도 사용할 수 있다. 유색 석영유리, 특히 흑색 석영유리를 사용한 탄소 발열체는, 방사율을 높일 수 있고, 원적외선 양이 더욱 많아지기 때문에 바람직하다.

유색 석영유리를 제조하는 방법은, 공지의 방법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 유약을 구워 붙이는 방법, 망간염을 석영 유리중에 용해시키는 방법 등을 사용할 수 있다.

본 발명의 석영유리 피막층의 두께는, 소정의 효과를 얻을 수 있는 한 특별히 제한되지 않지만, 통상 평균 0.04∼3mm정도, 바람직하게는 평균 0.1∼2mm 정도이다. 석영유리 피막층이 너무 얇은 경우에는, 충분한 기계적 강도를 얻을 수 없다. 예를 들면, 작은 균열, 장시간 가열했을 때의 열응력 등에 의해, 피막층이 쉽게 파괴될 우려가 있다.

본 발명에서 사용하는 탄소재료는, 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 탄소섬유, 탄소섬유포(布), 목질계 탄소재료, 탄소봉, 탄소분말의 성형체 등을 들 수 있다. 본 발명에 있어서 사용하는 탄소재료는, 1종 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용하는 탄소재료로서, 밀도가 낮은 탄소재료가 바람직하다. 밀도가 낮은 탄소재료는, 겉보기 체적이 크기 때문에, 원적외선 양이 많아져, 더욱 우수한 발열 능력을 가진다. 탄소재료의 밀도는, 특별히 제한되지 않지만, 통상 1.5g/cm³이하 정도, 바람직하게는 0.01∼0.6g/cm³정도, 더욱 바람직하게는 0.05∼0.25g/cm³정도이다.

본 발명에서 사용하는 탄소재료의 분자구조는, 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 흑연질계 탄소, 비정질계 탄소, 이들의 중간적 결정구조를 가지는 탄소 등을 들 수 있다.

본 발명에 사용하는 탄소섬유의 종류는, 특별히 제한되지 않는다. 이러한 탄소섬유로서, 예를 들면, 목면 등의 천연섬유를 원료로 하는 천연섬유계 탄소섬유; PAN(폴리아크릴로니트릴)계 탄소섬유; 셀룰로오스계 탄소섬유; 페놀수지계 탄소섬유, 푸란(furan)계 탄소섬유, 폴리카르보디이미드(polycarbodiimide)계 탄소섬유등의 유리상 탄소섬유; 이방성 피치, 등방성 피치, 합성 피치 등의 피치계 탄소섬유; 폴리비닐알코올계 탄소섬유; 활성탄섬유; 코일상 탄소섬유 등을 들 수 있다.

본 발명에 사용하는 탄소섬유의 섬유 지름은, 원하는 효과를 수득할 수 있는 한 특별히 제한되지 않지만, 통상 5∼20㎛ 정도, 바람직하게는 7∼15㎛ 정도, 더욱 바람직하게는 7∼11㎛ 정도이다.

본 발명에 사용하는 탄소섬유는, 토우(tow)를 형성하고 있거나, 연사(撚絲, twisted yarn)의 형태로 되어 있어도 좋다. 토우 혹은 연사 후의 탄소섬유의 직경은, 원하는 효과를 수득할 수 있는 한 특별히 제한되지 않지만, 통상 0.05∼10mm정도, 바람직하게는 0.1∼5mm 정도이다. 토우상 혹은 연사 후의 탄소섬유는, 필요에 따라서, 다발로 해도 좋다.

혹은, 탄소섬유를 사용하여 포(布)를 형성하고, 탄소섬유포로서 사용해도 좋다. 탄소섬유포의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 탄소섬유를 짜서 수득할 수 있는 직포, 부직포, 펠트(felt) 등을 들 수 있다.

본 발명에 사용하는 탄소섬유포의 밀도는, 특별히 제한되지 않지만, 저밀도의 것이 바람직하고, 0.01∼0.5g/cm³정도가 보다 바람직하고, 0.05∼0.25g/cm³정도가 특히 바람직하다. 탄소섬유포의 공극율은, 특별히 제한되지 않지만, 높은 쪽이 바람직하고, 80% 이상 정도가 더욱 바람직하고, 90∼97% 정도가 특히 바람직하다.

사용하는 탄소재료와 석영유리관의 크기의 비는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 선(線)상, 막대상, 단책(短冊; strip)상 등의 탄소재료와 석영 유리관을 사용하는 경우에는, 탄소재료의 최대 폭보다도 0.1∼200% 정도 큰 내경(內徑)을 가지는 석영 유리관을 사용할 수 있다.

본 발명의 탄소 발열체는, 탄소재료와 석영유리 피막층이 밀착하고 있어도, 밀착 하지않고 있어도 좋다. 석영유리 피막층내는, 진공이던지, 혹은 아르곤가스, 네온가스, 크세논가스 등의 희유가스, 질소가스 등의 불활성 기체로 치환되어 있어도 좋다. 층내를 불활성 기체에 의해 치환하는 경우는, 불활성 기체가 가열시에 팽창하기 때문에, 불활성 기체의 기압은 감압인 것이 바람직하다. 불활성 기체의 기압은, 구체적으로는, 상온(25℃)에서 0.2기압 이하 정도가 바람직하고, 1 × 10^-3기압이하 정도가 더욱 바람직하다.

본 발명의 탄소 발열체는, 탄소재료의 단부(端部) 등에 전기 접점용의 전극을 적어도 두개 가지고 있어도 좋다. 전극재료는, 해당 분야에서 통상 사용되는 재료이면 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 구리, 은, 몰리브덴, 텅스텐 등의 금속을 들 수있다. 또한, 전극의 형상은, 용도 등에 따라 적절하게 선택할 수 있다.

본 발명의 탄소 발열체는, 예를 들면, 탄소재료에 석영유리를 피복하고, 석영유리내를 진공 혹은 치환된 불활성 기체에 의해 0.2기압 이하로 한 상태에서 석영유리를 용융 밀봉하는 방법 등에 의해 제조할 수 있다.

본 발명의 탄소 발열체는, 용도, 사용하는 탄소재료나 석영유리의 형상 등에 따라서 임의의 형상으로 할 수 있다. 예를 들면, 막대상, 판상, 파이프상 등의 탄소 발열체를 수득할 수 있다. 혹은, 막대상의 탄소 발열체를, 열처리에 의해 석영유리를 연화시켜, U자형, W자형 등의 원하는 형상으로 해도 좋다. 이러한 열처리는 탄소재료를 석영 유리내에 용융 밀봉하기 전후, 어느 단계에서 행해도 좋다. 열처리는 석영유리가 연화되는 정도의 온도, 바람직하게는 1500∼1700℃에서 행할 수 있다.

탄소 발열체에 전극을 형성하는 방법은, 해당 분야에서 통상 사용되는 방법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 탄소재료의 단부(端部) 등에, 금속박 등을 씌우고, 이것을 권축(crimping)함으로써 전극으로 하는 방법, 탄소재료의 단부(端部) 등에 금속선을 감는 방법 등을 들 수 있다.

전극을 형성하는 공정은, 탄소재료를 석영유리내에 용융 밀봉하는 공정의 전후 아무쪽이나 상관없다. 미리 전극을 형성한 탄소재료를 석영유리내에 용융 밀봉하는 경우는, 예를 들면, 전극을 석영유리의 밖으로 꺼낸 상태에서, 석영유리를 용융 밀봉하는 방법 등을 사용할 수 있다. 탄소재료를 석영유리내에 용융 밀봉한 후에 전극을 형성하는 경우는, 예를 들면, 탄소재료의 단부가 석영유리의 밖으로 나오도록 석영유리를 용융 밀봉하고, 그 후 탄소재료 단부에 전극을 형성하는 방법 등을 사용할 수 있다.

이하, 더욱 상세하게, 본 발명의 탄소 발열체의 제조방법의 예를 설명한다.

탄소재료를 석영 유리관중에 넣고, 석영 유리관의 일단(一端)을 용융 밀봉한다. 석영유리의 용융 밀봉에는, 아세틸렌 버너(burner), 산수소불꽃 버너 등의 고온 버너를 사용할 수 있다. 미리 전극을 형성한 탄소재료를 사용하는 경우는, 전극부분을 냉각수파이프 등으로 냉각하면서 작업해도 좋다. 이어서, 타단(他端)으로부터 탈기(脫氣,deaerated)하여, 석영 유리관내를 진공으로 만들면서, 탄소재료가 공기중에 상기와 같은 방법을 사용하여 타단(他端)을 용융 밀봉한다.

혹은, 탄소재료를, T자형 석영 유리관에 넣고, 두개의 단부(端部)를 용융 밀봉한다. T자관의 남은 개공부(開孔部)를 진공펌프와 불활성 기체봄베와 연결하고, 석영 유리관 내부를 진공 혹은 불활성 기체로 치환함으로써, 공기가 남지 않도록 한 후 용융 밀봉해도 좋다.

탄소재료와 석영 유리관은, 필요에 따라서, 밀착시켜도 좋다. 탄소재료와 석영 유리를 밀착시키는 방법은, 예를 들면, 석영 유리관 내부를 감압 혹은 진공상태로 한 후에 양단을 용융 밀봉하고, 석영 유리관을 고온 가열처리하는 방법 등을 들 수 있다. 석영 유리관 내부는 감압되어 있기 때문에, 고온 가열처리에 의해 연화시키면, 탄소재료와 석영 유리관은 용융 밀착한다. 상기 가열처리를 행할 때의 온도는, 석영 유리관이 연화되는 정도이면 좋고, 통상 1500∼1700℃ 정도이다.

혹은, 석영 유리관내를 불활성 기체로 치환해도 좋다. 이 경우에는, 예를 들면, 일단을 용융 밀봉한 후, 타단부터 불활성 기체를 치환하는 등의 방법 등을 사용할 수 있다.

탄소재료가 플레이트상(plate shape)의 경우에는, 석영유리판의 사이에 탄소재료를 끼워넣고, 고온 가열처리후, 석영 유리판을 상하에서 압축하여 밀폐함으로써 탄소 발열체를 수득할 수 있다. 상기 고온 가열처리의 온도는, 석영유리가 연화되는 정도, 통상 1500∼2000℃정도, 바람직하게는 1600∼1750℃ 정도이다. 소정의 온도를 유지하는 시간은, 탄소 발열체의 크기 등에 따라 적절히 설정할 수 있지만, 통상 2∼10분정도이다. 석영 유리판을 압축할 때의 압력은, 특별하게는 제한되지 않고, 통상 접촉압력 정도이다.

혹은, 석영유리 분말중에 탄소재료를 매립하고, 비산화 분위기하에서 가열하여 석영유리를 용융킨 후, 압력을 가함으로써 탄소 발열체를 제조할 수 있다. 석영유리를 용융시키는 온도는, 통상 1650∼1800℃ 정도이다. 소정의 온도를 유지하는 시간은 탄소 발열체의 크기 등에 따라 적절히 설정할 수 있지만, 통상 30분∼1시간 정도이다. 석영유리를 용융시킨 후에 가하는 압력은, 특별히 제한되지 않지만, 통상 98kPa 이하 정도이다.

발명의 효과

본 발명의 탄소 발열체는, 종래 사용이 불가능하다고 여겨왔던 공기중, 고온영역에서의 반복 사용이 가능하다. 본 발명에 의한 탄소 발열체는, 강산화성 환경하에서도 부식되지 않고, 우수한 내구성을 발휘한다.

또한, 본 발명의 탄소 발열체는, 종래의 세라믹이나 유리를 피막재로 하는 탄소 발열체에서는 얻을 수 없었던 우수한 내열 충격성을 가진다.

본 발명의 탄소 발열체는, 우수한 발열 능력을 가진다. 특히, 탄소재료로서 저밀도의 탄소재료를 사용한 경우에는, 더욱 우수한 발열 능력을 가진다. 예를 들면, 탄소재료로서 탄소섬유포를 사용하는 경우, 포(布)의 공극율을 높여 겉보기 체적을 크게함으로써, 더욱 적은 소비전력으로 같은 표면온도를 유지할 수 있고, 원적외선양이 더욱 많은 탄소 발열체를 수득할 수 있다.

이하에 실시예를 기재하여, 본 발명이 특징으로 하는 것을 더욱 분명하게 한다. 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되지 않음은 말할 필요도 없다.

실시예 1:

연사(twisted yarn)하여 직경 약 2mm으로 만든 유리상 탄소섬유(니폰카이놀사제 CFY0204-3, 연수(撚數, number of twists): 60T/m) 22cm을, 외경 5 mm, 내경 3mm의 투명 석영유리관중에 넣고, 탄소섬유의 일단을 외경 3mm, 내경 2 mm, 길이 2cm의 구리제 튜브를 통하게 하고, 이것을 권축(crimped)하여 전극으로 했다. 이 전극부에 상기의 구리제 튜브를 3회 감고 물로 전극부를 냉각했다.

이어서, 석영유리관 단부(端部)를 산소수불꽃 버너로 용융 밀봉했다. 유리관의 타단을 두꺼운 고무관에 연결하고, 두꺼운 고무관의 다른 일측에 유리기구의 3방향 마개(three-way cock)를 하고, 마개의 다른 두쪽에 진공펌프 및 아르곤가스 봄베를 연결했다. 배기와 아르곤가스 치환을 2회 반복한 후, 석영유리관내를 진공으로 만들고, 탄소섬유의 단부로부터 약1.5cm의 석영유리부분을 용융 밀봉했다. 용융 밀봉부분보다 외측의 석영유리관을 절단하고, 탄소섬유를 꺼내어 상기와 같은 방법으로 구리튜브를 씌워 권축하여 다른 한쪽의 전극부로 했다. 이 전극부를 냉각하면서, 전극부와 용융 밀봉부분간의 탄소섬유 부분을 공기와 접촉하지 않도록 용융 밀봉했다.

전극간의 석영유리부분을 연화될 때까지 가열하고, 용융 밀착시켰다. 탄소섬유가 외부의 공기와 접촉하지 않는 것을 확인하고, 석영유리 피복 탄소 발열체로 만들었다.

발열체의 온도제어는, 풀텍사제 정밀 전기로용 온도제어기(FK-1000-FP90)를 사용하여 행하고, 온도 측정용 열전쌍으로서 적외선열전쌍(IRt/c.10/38AULF, 측정 가능 온도범위:-18∼1370℃, 응답 시간: 200msec)을 사용했다. 이들 장치에, 수득한 탄소 발열체를 연결하고, 공기중에서 장치 상수(device constant)를 구한 후 사용했다.

탄소 발열체의 내구성을 조사하기 위해, 공기중에 있어서의 탄소 발열체의 표면 온도를, 각각 800, 1000, 1250℃로 하고, 300시간 유지하여 표면상태의 변화를 육안으로 관찰했다.

탄소 발열체의 내열 충격성을 조사하기 위해, 표면 온도를 1000℃로 한 탄소 발열체를 약 15℃의 물에 넣었다.

상기 탄소 발열체를 U자형으로 성형하고, 전극부가 닿지 않도록 농축 황산: 농축 질산 = 1:1 에 넣고 통전(通電)시켰다. 100℃로 100시간 유지한 후, 물로 씻어 건조시킨 후 표면 상태의 변화를 육안으로 관찰했다. 결과를 표1 및 2에 나타낸다.

실시예 2:

탄소재료로서 유리상 탄소섬유 대신에, 토우(tow)상 PAN계 탄소섬유(토우의 직경 약 2mm; 길이 22cm)를 사용한 것 이외는 실시예1과 같은 방법으로 하여 탄소발열체를 제조했다.

실시예1과 같은 방법을 사용하여, 탄소 발열체의 내구성, 내열 충격성 및 강산성 용액하에서의 내구성을 평가했다. 결과를 표1 및 2에 나타낸다.

실시예 3:

탄소재료로서 유리상 탄소섬유 대신에, 토우상 피치계 탄소섬유(토우의 직경약 2mm : 길이 22cm)를 사용한 것 이외는 실시예1과 같은 방법으로 하여 탄소 발열체를 제조했다.

실시예 4:

목편(木片)을 질소 분위기하에서, 상온으로부터 1000℃까지 10시간에 걸쳐 소성(燒成)함으로써 목질계 탄소재료를 수득했다. 탄소재료로서, 수득한 목질계 탄소재료(220 × 1.5 × 1.5mm, 밀도: 0.2 g/cm³)를 사용한 것 이외는, 실시예1과 같은 방법으로 탄소 발열체를 제조했다.

또한, 소성전에 냉간 등방 압력프레스(CIP, Cold Isostatic Press;니키소(Nikkiso)주식회사제)를 사용하여 4000기압의 정수압 처리를 30분 행한 목편을, 상기와 같이 소성하여 수득한 목질계 탄소재료(220 × 1.5 × 1.5mm, 밀도: 0.53g/cm³)를 사용한 것 이외는, 실시예1과 같은 방법으로 탄소 발열체를 제조했다. 수득한 탄소 발열체의 내구성, 내열 충격성 및 강산성 용액하에서의 내구성은, CIP처리를 하지 않은 목질계 탄소재료와 같았다.

실시예 5:

석영유리관 내부를 아르곤 가스로 치환하고, 0.2기압으로 한 것 이외는, 실시예1과 같은 방법으로 탄소 발열체를 제조했다.

실시예1과 같은 방법을 사용하여, 탄소 발열체의 내구성, 내열 충격성 및 강산성용액하에서의 내구성을 평가했다. 결과를 표1 및 2에 나타낸다.

실시예 6:

토우상 피치계 탄소섬유(토우의 직경: 약 2mm, 실온에서의 겉보기 저항값: 50Ω)의 양단을, 각각 0.3mm 몰리브덴선으로 10회 감고, 내경 1cm의 T자형 석영유리관에 넣었다. 몰리브덴선을 유리관으로부터 충분한 길이를 빼낸 상태에서, 유리관의 양단을 용융 밀봉했다. T자관의 개공부를 진공펌프와 아르곤 가스와 연결하고, 석영유리관 내의 배기와 아르곤 가스 치환을 2회 반복한 후, 진공상태로 만들어 석영유리관을 용융 밀봉하고, 길이 30cm의 목적했던 탄소 발열체를 제작했다.

탄소 발열체를 통전시키고, 탄소 발열체의 외측 중앙부에 크로멜-알루멜 열전쌍을 접촉시켜, 발열체의 표면 온도를 200, 300, 400, 500, 600℃로 설정하고, 각 온도로 유지한 후 1∼10분간의 1분간당의 평균 소비전력을 측정했다. 결과를 표3에 나타낸다.

실시예 7:

목면섬유를 탄화시킨 탄소섬유를 사용하여, 펠트상 탄소섬유포(밀도: 0.063 g/cm³, 공극율 96.2%)을 제조했다.

이 탄소섬유포(270 × 7 ×6mm, 실온에서의 겉보기 저항값: 50Ω) 및 석영유리관(외경: 12mm, 내경: 10mm)을 사용하여, 실시예6과 같은 방법에 의해 탄소 발열체를 제조했다. 수득한 탄소 발열체를 사용하여, 실시예6과 같은 측정을 행했다. 결과를 표3에 나타낸다.

실시예 8:

실시예7에서 제조한 탄소 발열체를 통전시키고, 표면 온도가 40℃을 넘은 시점에서 통전을 정지시켜, 자연 냉각과정에서의 각 온도에서의 원적외선양을 측정했다.

측정 조건은 환경 온도 15 ±0.2℃, 습도 47 ±3%, 방사율 0.98였다. 시료로부터 30cm 떨어진 곳에 적외선 측정기(TGS센서) 및 방사 온도계를 놓고, 원적외선양(파장 7∼30㎛) 및 표면 온도를 측정했다. 결과를 표4에 나타낸다.

실시예 9:

실시예7에서 제조한 탄소 발열체를 통전시키고, 표면 온도가 150℃를 넘은 시점에서 통전을 정지시켜, 자연냉각 과정에서의 각 온도에서의 원적외선양을 측정했다.

측정조건은 환경온도 19∼20℃, 습도 45.7 ±2%, 방사율 0.98였다. 적외선 측정기로서 PZT센서를 사용한 것 이외는, 실시예8과 같이 하여 측정했다. 결과를 표4에 나타낸다.

비교예 1:

실시예1에서 사용한 유리상 탄소섬유를 석영유리로 피복하지 않고 발열체로 했다.

실시예1과 같은 장치를 사용하여, 상기 발열체의 표면 온도를 1000℃로 유지한 경우의 단선(斷線)시 까지의 시간을 조사했다.

상기 발열체를, 농축 황산 : 농축 질산 = 1:1의 액중에 넣고, 100℃, 100시간을 유지한 후, 물로 씻어 건조한 후 표면 상태를 육안으로 관찰했다. 결과를 표1 및 2에 나타낸다.

비교예 2:

석영유리관 대신에 1급 경질 유리관(외경: 5mm, 내경: 3mm)을 사용한 것 이외는, 실시예1과 같은 방법에 의해 탄소 발열체를 제조했다.

수득한 탄소 발열체는 표면 온도를 1000℃까지 상승시키는 과정에서 1급 경질 유리관이 연화되었다. 또한, 이것을 15℃의 물에 투입하자 산산조각으로 깨졌다.

비교예 3:

실시예1에서 사용한 탄소섬유 25cm을 메탄올로 희석한 레졸(resol) 타입의 페놀수지(암모니아 촉매로 합성, 수지 고형분(固形分) 10wt%)에 담궈, 섬유중의 공기를 뺀후 공기중에서 24시간 건조시켰다. 이어서 이것을 전기로에 넣고, 실온으로부터 100℃까지 2시간에 걸쳐 승온시키고, 100℃로부터 150℃까지 5시간에 걸쳐 경화시켰다. 이후 1시간에 걸쳐 250℃로 하고, 이 온도에서 1시간 유지했다. 이어서 아르곤 가스를 흘려주면서 350℃까지 2시간, 500℃까지 5시간, 1000℃까지 10시간 에 걸쳐 승온시켜, 이 온도에서 1시간 유지했다. 수득한 탄소-탄소 복합체(밀도: 1.55g/cm³)를 사용한 것 이외는, 실시예1와 같은 방법을 사용하여 탄소 발열체를 제조했다.

수득한 탄소 발열체를 통전시켜, 공기중에서, 표면 온도를 1000℃로 유지한 경우의 단선되기까지의 시간을 조사했다. 결과를 표1에 나타낸다.

비교예 4:

0.3mm지름의 니크롬선을, 겉보기 저항값이 50Ω이 되는 길이로 절단하고, 나선상으로 감아 석영유리관에 넣은 것 이외는, 실시예6과 같은 방법으로 발열체를 제조했다.

수득한 발열체에 관해, 실시예6과 같은 방법으로 평균 소비전력을 측정했다. 결과를 표3에 나타낸다.

비교예 5:

시판되는 할로겐 히터(길이 36cm, 지름 1cm)을 사용하여, 표면 온도 및 소비전력을 실시예6과 같은 방법으로 평균 소비전력을 측정했다. 결과를 표3에 나타낸다.

비교예 6:

견직물의 원적외선양 및 표면 온도를, 실시예8과 같은 방법으로 측정했다. 결과를 표4에 나타낸다.

비교예 7:

인간의 손바닥의 원적외선양 및 표면 온도를, 실시예8과 같은 방법으로 측정했다. 결과를 표4에 나타낸다.

비교예 8:

비교예4에서 제조한 발열체에 관해, 원적외선양 및 표면 온도를 실시예9와 같은 방법으로 측정했다. 결과를 표4에 나타낸다.

	표면온도(℃)
	800	1000	1250
실시예1	변화 없음	변화 없음	24시간후 실투(失透, Devitrified)
실시예2	변화 없음	변화 없음	24시간후 실투
실시예3	변화 없음	변화 없음	24시간후 실투
실시예4	변화 없음	변화 없음	24시간후 실투
실시예5	변화 없음	변화 없음	24시간후 실투
비교예1	-	7시간후 단선	-
비교예2	-	연화(軟化)	-
비교예3	-	20시간후 단선	-

주: 표1중 '실투'란 투명 석영유리관이 투명성을 잃고 하얗게 흐려지는 것을 말한다. 실투후에도 발열체는 사용가능했다.

	열충격성	농축 황산 : 농축 질산= 1:1
실시예1	변화 없음	변화 없음
실시예2	변화 없음	변화 없음
실시예3	변화 없음	변화 없음
실시예4	변화 없음	변화 없음
실시예5	변화 없음	변화 없음
비교예1	-	표면 부식 있음
비교예2	산산조각으로 깨졌다.	-

주: 표2중, 농축 황산 : 농축 질산 = 1:1은 용량비를 나타낸다. 이 혼합 산의 온도는 100℃이다.

표면온도를 유지하는데 필요한 평균 소비전력

	석영유리관 표면온도 (℃)
	200	300	400	500	600
실시예6(W)	150	256	584	796	956
실시예7(W)	84	114	222	330	486
비교예4(W)	178	326	884	-	-
비교예5(W)	165	300	800	-	-

주: 비교예4 및 5에서는, 최대 전압 100V에서, 석영유리관의 표면 온도는 430℃이상이 되지 않았다.

동일 형상의 발열체를 제작하여 비교한 결과, 탄소 발열체는, 니크롬 등을 사용한 발열체에 비하여, 적은 소비전력으로, 동일 온도를 유지할 수 있었다. 특히, 탄소섬유포를 사용한 탄소 발열체(실시예7)는, 니크롬을 사용한 발열체(비교예4)나 할로겐 히터(비교예5)에 비하여, 25∼50% 정도의 작은 전력으로 동일 온도를 유지할 수 있었다. 또한, 탄소섬유포를 사용한 탄소 발열체(실시예7)는 니크롬을 사용한 발열체(비교예4)에 비하여, 비저항을 약50배 높게 할 수 있었다.

각 온도에서의 원적외선 양(W/m²)

	표면온도(℃)
	30	35	40	79	101	128
실시예8	6.5	8.4	10.2	-	-	-
비교예6	5.4	7.0	8.8	-	-	-
비교예7	-	4.8	-	-	-	-
실시예9	-	-	-	15	37	57
비교예8	-	-	-	3.2	4.1	6.8

본 발명의 탄소 발열체는, 전극과 외부전원을 접속시키고, 통전(通電)시킴으로써 사용한다. 본 발명의 탄소 발열체는, 난방장치, 바닥난방 등의 난방기구의 발열체, 조리기구의 발열체, 눈을 녹이거나 안개가 끼는 것을 막는 설비 등의 발열체, OA기기 등의 발열체 등의 각종 발열체로서 사용할 수 있다. 혹은, 폐기물처리장 등의 열악한 환경하에서도 사용할 수 있다.

Claims

탄소재료 및 석영유리 피복층으로 이루어지는 탄소 발열체.
제1항에 있어서,

탄소재료로서, 탄소섬유, 탄소섬유포(布), 목질계 탄소재료, 탄소봉 및 탄소분말의 성형체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 사용하는 탄소 발열체.
제1항에 있어서,

탄소재료로서, 탄소섬유를 사용하는 탄소 발열체.
제1항에 있어서,

탄소재료로서, 탄소섬유포를 사용하는 탄소 발열체.
제1항에 있어서,

석영유리 피막층내가 불활성 기체로 치환되고, 층내의 압력이 0.2기압 이하인 탄소 발열체.
탄소재료에 석영유리를 피복하고, 석영유리내를 진공 혹은 치환된 불활성 기체에 의해 0.2기압 이하로 한 상태에서 석영유리를 용융 밀봉하는 탄소 발열체의 제조방법.