카본 발열체 또는 카본 튜브 전구를 이용한 열풍기

카본 발열체 또는 카본 튜브 전구를 이용한 열풍기{Hot wind blower using carbon heater or carbon tube bulb}

본 발명은 카본 발열체 또는 카본 튜브 전구를 이용한 열풍기에 관한 것으로, 순간적인 고열을 발생시키는 카본 발열체 또는 카본 튜브 전구를 송풍관에 설치됨으로써 발열량의 제어가 용이하고 빠른 시간에 설정 온도로 난방할 수 있는 등의 효과가 있고, 종래의 연소실과 같은 대용량의 부피를 제거할 수 있어 어느 곳에서나 간편하게 설치하여 고효율의 난방 기능을 달성할 수 있는 카본 발열체 또는 카본 튜브 전구를 이용한 열풍기에 관한 것이다.

[문헌 1] 한국 실용신안등록 제0318659호, 2003.06.20

[문헌 2] 한국 실용신안등록 제0341961호, 2004.02.04

[문헌 3] 한국 특허등록 제0491646호, 2005.05.18

[문헌 4] 한국 실용신안등록 제0239402호, 2001.07.10

[문헌 5] 한국 특허등록 제0412340호, 2003.12.11

[문헌 6] 한국 특허등록 제0686328호, 2007.02.15

[문헌 7] 한국 실용신안등록 제0423031호, 2006.07.27

[문헌 8] 한국 실용신안등록 제0396214호, 2005.09.12

[문헌 9] 한국 실용신안등록 제0394941호, 2005.08.31

[문헌 10] 한국 실용신안등록 제0278254호, 2002.05.30

열풍기는 비닐하우스 등의 농작물 재배에 필요한 난방을 하거나, 각종 건축물 등의 난방을 비롯하여 산업 현장의 다양한 곳에 다양한 목적으로 사용된다.

이와 같은 열풍기는 석유, 가스, 연탄, 전기 등 다양한 열원을 사용하고, 상기 열원으로 공기를 가열하는 큰 부피의 연소실을 별도로 구비하고 있다. 그리고 상기 연소실과 송풍관이 길게 연결되어 난방을 필요로 하는 곳까지 열풍을 보낼 수 있는 구조이다.

그러나 상기와 같은 종래의 열풍기는 화석에너지를 연소시키기 위한 대용량의 연소실을 필요로 하므로, 설치에 있어 공간적인 제약이 따르게 된다. 그리고 전기를 이용한 히터를 사용하더라도 연소실과 같은 공간을 구비하고, 이에 방열핀이 부착된 다수개의 전기히터를 설치하여 유입되는 공기와 열교환을 한 후, 데워진 공기를 토출시켜 송풍관으로 보내는 구조에 있어서는 화석에너지를 이용하는 것과 같은 구조와 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 전기 에너지를 이용하되 순간적으로 설정 온도로 발열이 일어 나도록 하여 난방에 소요되는 시간을 줄임으로써 전기 에너지를 절약하고, 종래와 같이 많은 공간을 차지하는 연소실과 같은 불필요한 공간을 제거하여 어느 곳이나 용이하게 설치하여 사용할 수 있도록 하는 구조를 제공함에 있다.

따라서 본 발명은 순간 발열이 높은 카본 발열체 또는 카본 튜브 전구를 이용하고, 상기 카본 발열체 또는 카본 튜브 전구를 송풍관에 다수 개 설치하며, 발열량을 조절하기 위하여 그 설치 갯수를 용이하게 조절할 수 있는 구조를 제공함과 동시에 카본 발열체 또는 카본 튜브 전구가 설치된 송풍관을 다수개 연결하여 발열량을 조절할 수 있도록 한 열풍기의 구조를 제공함에 목적이 있다.

본 발명은 종래의 연소실과 같은 구성을 제거함으로써, 어느 곳에서나 간단하게 설치하여 사용할 수 있어 각종 산업 현장에서의 공간 효율성이 증대되어 생산성의 향상에 일조하고, 카본 발열체 또는 카본 튜브 전구를 사용함으로써 순식간에 고열로 난방할 수 있으며, 송풍관에 카본 발열체 또는 카본 튜브 전구를 다수 개 선택하여 설치하는 구조이므로 발열량을 보다 용이하게 조절할 수 있게 된다.

본 발명에 의한 카본 발열체 또는 카본 튜브 전구(2)를 이용한 열풍기의 구조는 도 1에 전체 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 히터관(1)에 카본 튜브 전구(2)가 설치된 구조가 도시되어 있으며, 도 5와 도 6에 카본 튜브 전구(2)가 고정되는 구조가 도시되어 있다. 그리고 도 2와 도 3은 송풍기(3)의 다양한 실시 예를 도시한 것으로, 도 2는 팬(4a)이 설치된 별도의 송풍기(3) 구조를 구비한 예이고, 도 3은 히터관(1) 자체에 팬(4b)을 설치함으로써 별도의 송풍기(3)를 생략할 수 있는 예를 도시하고 있다.

이와 같이 송풍기(3)를 구비한 실시 예로서는, 입구와 출구가 형성되고, 내부에 팬(4a)이 설치된 송풍기(3); 상기 송풍기(3)의 출구에 일측 단부가 연결되고, 내부에 다수 개의 카본 튜브 전구(2)가 설치된 히터관(1); 상기 히터관(1)의 타측 단부에 하나 이상 연장되게 연결된 송풍관(5);을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

그리고 송풍기(3)가 없는 실시 예로서는, 일측 단부의 내부에 팬(4b)이 설치되고, 내부에는 다수 개의 카본 튜브 전구(2)가 설치된 히터관(1); 상기 히터관(1)의 타측 단부에 하나 이상 연장되게 연결된 송풍관(5);을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기에서 히터관(1)은 카본 튜브 전구(2)가 설치된 구조를 제외하고는 송풍관(5)과 동일한 구조를 가지는 것으로, 이와 같이 송풍관(5)을 히터관(1)으로 사용하는 것이 본 발명의 큰 특징이다.

그리고 상기에서 히터관(1)에 카본 튜브 전구(2)를 고정하는 수단은 체결장치(6)이다. 즉, 히터관(1)의 길이 방향으로 일정 간격을 설치된 두 개의 체결장치(6)가 한 쌍을 이루어 하나의 카본 튜브 전구(2)의 양단부를 고정하도록 다수 쌍의 체결장치(6)가 설치된다.

상기의 체결장치(6)는 히터관(1)에 설치된 체결구(10a)와; 일단부가 상기 체결구(10a)에 고정되고, 타측은 양측으로 벌어지며, 벌어지는 쪽에는 체결구(10b)가 설치되어 벌어짐을 조절할 수 있도록 된 클립(7)과; 상기 클립(7)의 개구부에 삽입 되어 고정되고, 외부 도선이 연결되며, 카본 튜브 전구(2)의 리드선과 접속되는 연결구(8);를 포함하여 구성된다.

또한 상기의 체결장치(6)에는 스프링(9)이 더 구비될 수 있다. 즉, 연결구(8)와 카본 튜브 전구(2)의 사이에 스프링(9)이 삽입되어, 스프링(9)의 양단부가 연결구(8)와 카본 튜브 전구(2)에 지지되어 진동을 흡수함으로써 카본 튜브 전구(2)를 보호하는 구조이다.

상기의 카본 튜브 전구(2) 대신에 카본 발열체를 사용할 수도 있다. 즉, 카본 발열체는 카본 튜브 전구(2)에 사용되는 카본사 또는 카본 섬유이다. 따라서 카본 발열체는 체결장치(6)의 연결구(8)에서 외부 도선과 연결되는 구조이다.

본 발명의 카본 튜브 전구(2)의 소재가 되는 카본사는 원료에 따라 폴리아크릴로니트릴(PAN)계, 피치계, 레이온계로 분류되며 그 중 PAN계와 레이온계가 거의 대부분을 차지한다. 그리고 PAN계 탄소섬유는 PAN을 비활성 기체하에서 1,000~2,000℃ 이상의 온도에서 소성하여 만든다. 상기 피치계의 경우 석탄에서 나오는 피치를 섬유화한 뒤 PAN계와 거의 같은 공정을 거쳐서 완성하지만 PAN 계열과 비교해 그 값이 싸기 때문에 고온단열재나 보강재로 널리 사용하고 있다.

그리고 최근에는 새로운 합성 카본이 개발되었는데, 이러한 합성 카본은 리니어 체인 폴리머(=C=C)n로 형성되고 이를 카빈(carbin)이라 한다. 상기 카빈의 구조는 원자간 거리가 2.75Å이고, 리니어 카본 체인간의 평면 거리는 8.34Å를 갖는다. 즉, 1차원 전도성을 갖는 리니어 구조의 카본으로 간주한다. 이러한 섬유는 2,200℃ 열처리 온도와 질소가스 상태에서 레이온의 열분해에 의해 산업상의 목적 으로 제조되는 것이다.

그리고 금속판에 카본사를 부착하여 평면 전열소자로 이용할 수 있도록 한 선형 카본 구조의 준 1차원 섬유가 있다. 일반적으로 준 1차원(Quasi-one-dimensional) 도체는 결정체의 수직면에서 전도성이 선택된 방향으로 증가하게 되는 결정물질이다. 이러한 이방성(anistropy)을 갖는 도체는 전자가 일차원으로 운동하게 되는 결정구조의 특수성과 관련이 있다. 이러한 현상은 전이금속 원자들을 가진 복합체로 이루어진 격자에서 주로 관찰된다. 즉, Pt 원자가 CN 분자에 둘러싸여 병렬고리를 형성하는 R ₃ Pt(CN ₄ )B _0.3 ·3H ₂ O 결정체를 예로 들 수 있다. Pt원자들 사이의 거리가 짧기 때문에 (2.88Å) Pt원자의 전자 구름들이 서로 교차하고 전자간의 이동이 가능해 진다. 또 다른 준 일차원 전도체 중 다른 하나는 테트라-시아노-키노-디메탄(TCNQ)화합물을 포함하는 분자들로 형성된 물질이다. 결정화가 진행되는 동안에, 이들 복합체들은 전도성을 일으키는 고리로 일렬로 늘어서게 된다.

또한 이차원 결정층 구조를 갖는 전도체는 준이차원 전도체로 될 수 있다. 그러한 예로써 흑연이 있다. 흑연은 면과 면의 거리가 6.69Å이고, 육각면에서의 원자간 거리가 2.4Å인 육각형 구조이다. 층과 원자의 차이는 약 만배의 전기 전도력을 발생시킬 수 있다.

이에 따라, 근래에 "카빈"으로 불리는 새로운 선형고분자고리(=C=C)n로 합성된 탄소결정체가 나타난 바 있다. 이것은 n-형 반도체 특성을 띠고, 2500℃ 이상의 고온에서 흑연으로 변형된다. 그리고, 이러한 선형 결정 구조를 갖는 카본섬유는 2200℃의 불활성 가스상태에서 레이온(Rayon)을 열분해함으로써 얻을 수 있었다. 상기 레이온(Rayon)은 여러가지 합성물을 제조하는 데 사용되었으며, 단단하고 유연한 전기 가열요소를 제조하는 데 사용되었다. 그리고, 상기한 "카빈"의 구조는 원자간의 거리가 2.75Å이고, 선형고분자고리(=C=C)n의 면과 면 사이의 거리가 8.34Å로 이루어진다. 이에 흑연결정체의 분자층 사이의 큰 공간 때문에 어떤 물질의 상당한 양을 흡수할 있게 된다. 만약 흑연에 화합물이 삽입되면, 대부분의 화합물은 분자층간의 경계에 있는 흡착물에 의하여 제한되는 특징이 있게 된다. 대체적으로 경계부근에 내재한 흡착물은 탄소그물망 사이의 경계에서 삽입화합물이 멀리 떨어질 수 있도록 탄소와 다른 요소가 결하는 것을 방해하게 된다. 그러나, 적당한 조건하에서 흡착물은 다소 완전한 흑연모체구조로 재생되어 추출될 수 있다. 한편, 흑연 화합물은 두 그룹으로 분리될 수 있다. 그 중 하나는 플르오르화물과 산소의 추출로 얻어진 흑연 화합물이다. 이 그룹은 탄소원자와 삽입 화합물이 공유결합하는 특징이 있다. 바로 이러한 특징이 구조가 다소 뒤틀리게 되는 이유이다. 이 그룹에서 경계부근의 흡착물을 갖는 물질들은 거의 화학적인 화합물에 유사하다. 다른 그룹의 흑연 화합물은 다양한 흑연 삽입물을 포함하고 있다. 이들은 전형적인 부가생성물에 가깝지만, 삽입물의 입자와 흑연층의 분극이 다소 불일치하여 대체로 차이가 있게 된다. 그리고 이러한 흑연 화합물은 구조의 뒤틀림에 대하여 큰 영향을 받지 않는다.

상기한 언급된 것들을 고려해 볼 때, 새로운 선형고분자고리(=C=C)n를 갖는 삽입 화합물이 형성될 수 있을 뿐만 아니라, 그러한 삽입 화합물은 근본적으로 탄소섬유의 수직방향으로 전기 전도성을 변화시킬 수 있음이 가능하게 된다. 기존의 반도체 이론으로부터 알 수 있듯이, 삽입 화합물과 같은 불순물은 반도체 금지지역(Semiconductor Forbidden Zone)에서 부가생성물을 만들게 된다. 만약 불순물의 원자들이 결정체의 격자 매듭에 있다면 치환불순물이라 불려지고, 만약 불순물의 원자들이 원자들이 결정체 격자 틈사이에 있다면, 삽입불순물이라고 부른다.

카본섬유의 표면에 삽입 화합물을 형성시키고 음이온을 탄소고리사이의 공간에 첨가함으로써 전기 전도성을 가진 전자가 삽입 화합물층에 모이고 전류의 전도에 관계하지 않는 반도체를 얻을 수 있게 된다. 이러한 경우, 반도체에서 정공농도(Hole Concentration)는 가전자대로 전이된 전자의 농도보다 훨씬 많다. 말하자면 준 일차원 전도성을 갖는 p형 반도체인 것이다.

따라서 본 발명에 사용되는 카본사는 상기한 바와 같은 특징을 갖는 것으로 카본섬유에 엑셉터 삽입 불순물(무기음이온)이 삽입되어 선형 카본 구조를 갖는 준 1 차원 카본사 발열체이다.

상기와 같은 카본 튜브 전구(2)는 번 발명에 사용되고, 다수개의 카본사가 하나의 다발을 형성하여 나선형으로 감긴 구조일 수도 있고, 다수개의 카본사 다발이 엮여 나선형으로 감긴 구조일 수도 있으며, 카본사가 직조되어 제조된 카본섬유일 수도 있고, 카본사 다발이 직조되어 제조된 카본섬유일 수도 있다. 이와 같은 카본 튜브 전구(2)는 순식간에 고열로 발열되는 특징을 가지고, 다음과 같은 발열 용량을 가진다. 즉, 예를 들어 카본 섬유가 26,400개로 이루어진 경우 길이 1m, 직경 0.3mm인 경우 약 60Ω을 가진다. 때문에 이를 기초로 원하는 출력(와트)을 설계하게 된다. 물론 이 경우 저항치는 저항식

따라서 전원이 220V이고, 카본사 집합체의 1m당의 저항이 60Ω이고, 길이가 1m일 때의 출력(와트)은

이와 같은 특성을 가진 카본 튜브 전구(2)는 히터관(1)에 설치되어 사용되는데, 우선 도 1과 도 2에 도시된 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 1과 도 2의 실시 예는 팬(4a)이 설치된 송풍기(3)가 구비된 경우로서, 히터관(1)과 송풍관(5)은 물론이고 히터관(1)에 접속되는 송풍기(3)가 필요한 구조이다. 따라서 대기를 송풍기(3)의 입구로 흡입하여, 히터관(1)이 연결된 출구로 공기를 송출하는 역할을 팬(4a)이 구비된 송풍기(3)가 담당하게 된다.

송풍기(3)의 출구로 송출되는 공기는 히터관(1)의 내부로 유입된다. 히터관(1)에서는 공기가 일정 온도로 데워지는데, 이는 카본 튜브 전구(2)가 열원이 된다. 카본 튜브 전구(2)는 순식간에 고온으로 발열되는 특징이 있으므로, 공기의 온도를 높이는데 매우 효과적이다.

그리고 가열하고자 하는 공기량이나 온도에 따라 카본 튜브 전구(2)의 설치 갯수를 조절하면 된다. 또는 본 발명의 히터관(1)은 송풍관(5)가 같은 구조이므로, 카본 튜브 전구(2)가 설치된 히터관(1)을 다수 개 연결하여 사용할 수도 있다. 하나의 히터관(1)에 다수 개의 카본 튜브 전구(2)를 설치하여 사용하거나, 다수 개의 카본 튜브 전구(2)가 설치된 히터관(1) 다수 개를 연결하여 사용하거나 등의 선택은 송풍 용량에 따라 선택하거나, 설치 등의 제반 여건을 고려하여 결정하면 된다.

카본 튜브 전구(2)는 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이 체결장치(6)에 의해 히터관(1)의 내부에 고정설치된다. 즉, 체결장치(6)의 클립(7)에 연결구(8)가 삽입되고, 클립(7)의 끝단에 설치된 체결구(10b)에 의해 견고히 조임되어 고정된다.

상기 클립(7)은 히터관(1)에 설치된 볼트와 너트의 조합과 같은 체결구(10a)에 고정되고, 연결구(8)는 외부 도선과 연결된다. 따라서 연결구(8)에서 외부 도선과 카본 튜브 전구(2)의 리드선이 연결된다.

그리고 본 발명은 카본 튜브 전구(2)와 연결구(8)의 사이에 스프링(9)이 삽입된다. 스프링(9)은 팬(4a)(4b)의 작동에 의해 흔들릴 수 있는 카본 튜브 전구(2)를 보호하기 위하여 진동을 흡수하는 역할을 한다. 따라서 송풍되는 공기에 의한 카본 튜브 전구(2)의 흔들림이나, 팬(4a)(4b)의 작동에 의한 진동 등을 흡수하여 카본 튜브 전구(2)를 보호하게 된다.

이와 같이 팬(4a)에 의해 송풍되는 공기는 히터관(1)에서 카본 튜브 전구(2)에 의해 가열되어, 히터관(1)에 연결 설치된 송풍관(5)을 통해 필요한 곳으로 송풍된다.

도 3에 도시된 실시 예는 상기의 실시 예의 구성 요소인 송풍기(3)를 없애고, 대신에 히터관(1)에 팬(4b)을 설치한 매우 경량화되고 부피를 줄인 예이다. 따라서 이 실시 예에서는 히터관(1)의 일측에서 팬(4b)이 회전되면서 외기를 히터관(1)으로 흡입하고, 히터관(1)의 내부에 설치된 다수 개의 카본 튜브 전구(2)로써 공기를 가영한 후 다시 송풍관(5)으로 송출하게 된다.

상기 중 카본 튜브 전구(2)의 설치구조와 작용 등은 전술한 도 1과 도 2의 실시 예의 경우와 동일하다.

그리고 히터관(1)이나 송풍관(5)은 기본적인 실시 예인 도 1과 도 4에 도시된 바와 같이 원통형일 경우도 있고, 도 7과 같이 단면이 사각형상일 수 있다. 물론 다양한 형상을 가질 수 있다.

또한 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 열풍기는 바퀴가 설치된 이동대(11)에 설치되어, 이동이 자유롭게 실시할 수도 있다. 이동대(11)에 설치된 경우는 본 발명의 특징인 소형이고 경량임을 보다 더 활용하는 것으로, 적재적소에 필요시에 이동하여 사용할 수 있는 등 그 활용도를 증대시키는 경우이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 사시도

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 단면도

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 사시도

도 4는 히터관에 다수개의 카본 튜브 전구가 설치된 상태의 단면도

도 5와 도 6은 히터관에 카본 튜브 전구가 체결장치에 의해 고정되는 상태도

도 7은 히터관의 다른 실시 예시도

도 8은 본 발명이 이동대에 설치된 예시도

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 히터관 2 : 카본 튜브 전구

3 : 송풍기 4a, 4b : 팬

5 : 송풍관 6 : 체결장치

7 : 클립 8 : 연결구

9 : 스프링 10a, 10b : 체결구

11 : 이동대