발열체

Heating element
에스프레소 기계의 접힌 튜브형 발열체
히터 코일 또는 발열체 기호
히터 코일 또는 발열체에 사용되는 기타 기호

발열체는 전기 에너지를 열로 변환하는 데 사용되는 장치로 발열 저항과 부속품으로 구성됩니다.[1] 줄 히팅(Joule Heating)이라고 알려진 과정을 통해 전류가 저항기를 통과함으로써 열이 발생합니다. 발열체는 요리, 보온 또는 특정 온도를 주변보다 높게 유지하는 작업을 수행할 수 있도록 가정용 가전 제품, 산업 장비 및 과학 기기에 사용됩니다.

발열체는 전도, 대류 또는 방사선을 통해 열을 전달하는 데 사용될 수 있습니다. 펠티어 효과를 통해 전기 에너지에서 열을 발생시키는 장치와는 다르며 전류의 방향에 의존하지 않습니다.

작동원리

성능 및 전력 밀도

발열체 성능은 종종 소자의 전력 밀도를 특성화하여 정량화됩니다. 전력 밀도는 발열체로부터의 출력 전력 P를 소자의 가열된 표면적 A로 나눈 값으로 정의됩니다.[2] 수학적 용어로 다음과 같이 표현됩니다.

전력 밀도는 열 유속(표시된 φ)의 척도이며 제곱 밀리미터당 와트 또는 제곱 인치당 와트로 표시되는 경우가 가장 많습니다.

전력 밀도가 낮은 발열체는 전력 밀도가 높은 발열체에 비해 가격이 비싸지만 수명이 긴 경향이 있습니다.[3]

발열체의 종류

저항선

저항선 발열체는 직선형 또는 코일형일 수 있으며 대부분 원형 와이어 또는 리본으로 구성됩니다. 토스터 및 헤어 드라이어와 같은 일반적인 난방 장치, 산업용 난방용 용광로, 바닥 난방, 지붕 난방, 눈을 녹이는 경로 난방, 건조기 등에 사용됩니다.

관형 요소

튜브형 전기 히터.
  1. 저항 발열체
  2. 전기절연체
  3. 메탈케이싱
Tubular Heating Element
튜브형 오븐 발열체

튜브형 또는 피복형 요소(브랜드명 Calrods®로 지칭되는 commonly)는 일반적으로 니크롬(NiCr) 저항성 발열 합금 와이어의 미세 코일로 구성되며, 이 코일은 금속 튜브(인콜로이와 같은 구리 또는 스테인리스강 합금)에 위치하고 산화마그네슘 분말에 의해 절연됩니다. 흡습성 절연체로부터 수분을 차단하기 위해 끝단에는 세라믹 또는 실리콘 고무와 같은 절연 물질의 비드 또는 이 둘의 조합이 장착되어 있습니다. 튜브는 다이를 통해 흡입되어 분말을 압축하고 열 전달을 극대화합니다. 이것들은 곧은 막대(토스터 오븐에서와 같이)일 수도 있고, 가열할 영역(예를 들어 전기 스토브, 오븐 및 커피 메이커)에 걸쳐 있는 모양으로 구부러질 수도 있습니다.

스크린 인쇄 요소

세라믹 절연 금속(일반적으로 강철) 플레이트에 스크린 인쇄된 금속-세라믹 트랙은

1990년대 중반부터 주전자 및 기타 가정용 가전제품의 요소로 널리 응용되고 있습니다.

방사성 원소

복사 발열체(열등)는 가시광선 대신 대부분 적외선을 방사하기 위해 최대 전력 미만으로 구동되는 고출력 백열등입니다. 이들은 일반적으로 복사 공간 히터와 음식 온풍기에서 볼 수 있으며, 긴 관 형태 또는 R40 반사경 램프 형태를 취합니다. 리플렉터 램프 스타일은 종종 가시광선을 최소화하기 위해 빨간색으로 착색됩니다. 튜브 형태는 다양한 형식으로 제공됩니다.

  • 골드 코팅 – 특허받은 필립스 헬렌 램프로 유명해졌습니다. 내부에 금 이색성 필름이 증착되어 가시광선을 줄이고 대부분의 단파와 중파가 적외선을 통과할 수 있습니다. 주로 난방용입니다. 현재 많은 제조업체가 이 램프를 제조하고 지속적으로 개선됩니다.
  • 루비 코팅 – 금으로 코팅된 램프와 동일한 기능을 제공하지만 비용은 매우 저렴합니다. 눈에 띄는 눈부심은 골드 변종보다 훨씬 높습니다.
  • 투명 – 코팅이 되지 않으며 주로 생산 공정에 사용됩니다.

탈착식 세라믹 코어 요소

탈착식 세라믹 코어 요소는 하나 이상의 원통형 세라믹 세그먼트를 관통하는 코일형 저항 발열 합금 와이어를 사용하여 센터 로드의 유무에 관계없이 필요한 길이(출력과 관련)를 만듭니다. 한쪽 끝에 밀봉된 금속 피복 또는 튜브에 삽입된 이 유형의 요소는 관련된 프로세스(보통 압력 하에서 유체 가열)에 침입하지 않고 교체 또는 수리를 가능하게 합니다.

에칭된 호일 요소

에칭된 호일 요소는 일반적으로 저항 와이어 요소와 동일한 합금으로 제조되지만, 금속 호일의 연속 시트에서 시작하여 복잡한 저항 패턴으로 끝나는 감산 광 에칭 공정으로 제조됩니다. 이러한 요소는 일반적으로 의료 진단 및 항공 우주와 같은 정밀 가열 응용 분야에서 볼 수 있습니다.

폴리머 PTC 발열체

전도성 고무로 제작된 플렉서블 PTC 히터

저항성 히터는 온도가 증가함에 따라 저항성이 기하급수적으로 증가하는 전도성 PTC 고무 소재로 제조할 수 있습니다.[5] 이러한 히터는 추울 때 높은 전력을 생산하고, 자체를 일정한 온도로 빠르게 가열합니다. 기하급수적으로 증가하는 저항률로 인해 히터는 절대 이 온도보다 더 따뜻하게 가열할 수 없습니다. 이 온도 이상에서는 고무가 전기 절연체 역할을 합니다. 고무를 생산하는 동안 온도를 선택할 수 있습니다. 일반적인 온도는 0 ~ 80 °C (32 ~ 176 °F)입니다.

포인트 와이즈식 자가 조절 및 자가 제한 히터입니다. 자체 조절은 전자 제품을 조절할 필요 없이 히터의 모든 지점이 독립적으로 일정한 온도를 유지하는 것을 의미합니다. 자체 제한은 히터가 어떤 지점에서도 특정 온도를 초과할 수 없으며 과열 방지가 필요하지 않다는 것을 의미합니다.

후막히터

운모 시트에 인쇄된 후막 히터
금속 기판에 인쇄된 후막 히터

후막 히터는 얇은 기판에 인쇄할 수 있는 저항성 히터의 한 종류입니다. 후막 히터는 기존의 금속 피복 저항 소자에 비해 다양한 이점을 보여줍니다. 일반적으로 후막 소자는 낮은 프로파일의 폼 팩터, 향상된 온도 균일성, 낮은 열 질량으로 인한 빠른 열 반응, 높은 에너지 밀도 및 넓은 범위의 전압 호환성을 특징으로 합니다. 일반적으로 후막 히터는 평면 기판뿐만 아니라 다양한 히터 패턴의 튜브에 인쇄됩니다. 이 히터는 열 전달 조건에 따라 최대 100W/cm의2 전력 밀도를 얻을 수 있습니다.[6] 후막 히터 패턴은 인쇄된 저항체 페이스트의 면 저항을 기반으로 맞춤형으로 매우 적합합니다.

이 히터는 금속 또는 합금으로 로딩된 후막 페이스트를 사용하여 금속, 세라믹, 유리 및 폴리머를 포함한 다양한 기판에 인쇄할 수 있습니다.[6] 후막 히터를 인쇄하는 데 사용되는 가장 일반적인 기판은 알루미늄 6061-T6, 스테인리스 스틸 및 백운모 또는 인운모 시트입니다. 이러한 히터의 용도와 작동 특성은 선택한 기판 재료에 따라 크게 다릅니다. 이것은 주로 기판의 열적 특성에 기인합니다.

후막 히터의 일반적인 적용에는 여러 가지가 있습니다. 그리들, 와플 기계, 스토브탑 전기 난방, 가습기, 찻주전자, 열 밀봉 장치, 온수기, 의류용 다리미 및 스팀기, 고데기, 보일러, 3D 프린터의 가열 침대, 열 인쇄 헤드, 글루건, 실험실 난방 장비, 의류 건조기, 베이스보드 히터, 보온 트레이, 열 교환기, 자동차 앞유리,[7] 사이드 미러, 냉장고 제상 등을 위한 제상 및 김서림 장치

대부분의 응용 분야에서 열 성능과 온도 분포는 두 가지 주요 설계 매개 변수입니다. 기판 전체에 균일한 온도 분포를 유지하기 위해 저항 회로의 국부적인 전력 밀도를 변경하여 회로 설계를 최적화할 수 있습니다. 최적화된 히터 설계는 히터 기판 전체의 가열 전력을 제어하고 현지 온도를 조절하는 데 도움이 됩니다. 비교적 작은 면적에 걸쳐 전력 밀도가 다른 2개 이상의 가열 영역이 필요한 경우, 박막 히터를 설계하여 단일 기판 상에 영역 가열 패턴을 구현할 수 있습니다.

후막 히터는 온도 변화가 소자의 저항에 미치는 영향에 따라 크게 음의 온도 계수(NTC) 및 양의 온도 계수(PTC) 재료의 두 가지 하위 범주로 특징지어질 수 있습니다. NTC형 히터는 히터 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하여 주어진 입력 전압에 대해 더 높은 온도에서 더 높은 전력을 갖는 것이 특징입니다. PTC 히터는 고온에서 저항이 증가하고 히터 출력이 감소하면 반대로 동작합니다. PTC 히터의 이러한 특성은 고정된 온도에서 전력이 안정화되기 때문에 자가 조절이 가능합니다. 한편, NTC형 히터는 일반적으로 히터 폭주를 제어하기 위해 서모스탯 또는 열전대가 필요합니다. 이러한 히터는 PTC형 히터보다 일반적으로 작동 속도가 빠르기 때문에 히터 온도를 미리 설정된 설정 지점까지 빠르게 상승시켜야 하는 애플리케이션에 사용됩니다.

액체.

전극 보일러는 증기를 만들기 위해 물의 흐름을 따라 흐르는 전기를 사용합니다. 작동 전압은 일반적으로 240~600V, 단상 또는 3상 교류입니다.[8]

레이저 히터

레이저 히터는 매우 높은 온도를 달성하기 위해 사용되는 발열체입니다.[9]

자재

전기 토스터기의 코일형 발열체

금속합금

저항 가열 합금은 공기 중 600℃ 이상의 전기 가열 목적으로 사용할 수 있는 금속입니다. 600°C 이하에서 작동하는 저항기에 주로 사용되는 저항 합금과 구별할 수 있습니다.[10]

이들 합금의 대부분의 원자는 이름에 기재된 원자와 일치하지만, 미량 원소로 구성되기도 합니다. 미량 원소는 작업성, 형태 안정성 및 산화 수명과 같은 기계적 특성에 상당한 영향을 미치기 때문에 저항 합금에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 미량 원소 중 일부는 기본 원료에 존재할 수 있고, 다른 일부는 재료의 성능을 향상시키기 위해 의도적으로 첨가될 수 있습니다.[10]

발열체에 사용되는 가장 일반적인 합금은 다음과 같습니다.

Ni-Cr(Fe) 합금(AKA 니크롬, 크로멜)

Ni-Cr(Fe) 저항 발열 합금은 ASTM 및 DIN 표준에 의해 설명됩니다.[11][12] 이 표준은 합금에 존재해야 하는 니켈과 크롬의 상대적 백분율을 지정합니다. ASTM에서 지정된 세 가지 합금에는 다음과 같은 미량 원소가 포함되어 있습니다.

  • Ni 80%, Cr 20%
  • Ni 60%, Cr 16%
  • Ni 35%, Cr 20%

니크롬 80/20은 저항이 비교적 높고 처음 가열하면 산화크롬의 부착층을 형성하기 때문에 가장 많이 사용되는 저항발열합금 중 하나입니다. 이 층 아래의 물질은 산화되지 않으므로 와이어가 끊어지거나 꺼지지 않습니다.

Fe-Cr-Al 합금(AKA Kanthal®)

Fe-Cr-Al 저항 발열 합금도 ASTM 표준에 의해 설명됩니다.[13] 제조업체는 일반적으로 알루미늄에 비해 원료로서 니켈의 비용이 상대적으로 더 비싸지는 것을 방지하기 위해 Ni-Cr(Fe) 합금이 아닌 이러한 종류의 합금을 사용하는 것을 선택할 수 있습니다. Fe-Cr-Al 합금은 Ni-Cr(Fe) 합금보다 더 부서지고 연성이 약하여 더 섬세하고 고장이 나기 쉽다는 것이 트레이드오프입니다.[14]

Fe-Cr-Al 합금은 스테인리스강과 마찬가지로 400~575°C의 온도 범위에서 장시간 가열된 후 상온에서 취화되는 경향이 있습니다.[15]

반면, Fe-Cr-Al 합금의 표면에 형성되는 산화알루미늄층은 Ni-Cr(Fe)에 형성되는 경향이 있는 산화크롬층보다 열역학적으로 안정하여 Fe-Cr-Al이 부식에 더 잘 견디게 됩니다.[14] 그러나 습도는 Ni-Cr(Fe)보다 Fe-Cr-Al의 와이어 수명에 더 해로울 수 있습니다.[10]

기타합금

세라믹 & 반도체

  • 몰리브덴의 실리사이드인 금속간 화합물인 몰리브덴 이실리사이드(MoSi2)는 주로 발열체에 사용되는 내화 세라믹입니다. 적당한 밀도, 녹는점 2030°C(3686°F)를 가지며 전기 전도성이 있습니다. 고온에서 이산화규소의 패시베이션 층을 형성하여 더 이상의 산화로부터 보호합니다. 응용 분야에는 유리 산업, 세라믹 소결, 열처리로 및 반도체 확산로가 포함됩니다.
  • 탄화규소는 가연성 가스를 점화하기 위해 고안된 발열체인 뜨거운 표면 점화기에 사용되며 가스 오븐과 의류 건조기에서 흔히 사용됩니다.
  • 질화규소, 질화규소 § 자동차 산업 참조. 가스로용 신세대 핫 표면 점화기와 디젤 엔진 글로우 플러그는 실리콘 질화물 소재로 제작되었습니다. 이러한 발열체나 글로우 플러그는 최고 온도가 1400℃에 이르며 휘발유나 등유를 점화하기가 빠릅니다. 이 재료는 또한 디젤 및 스파크 점화 엔진에서 다른 연소 구성 요소 및 마모 부품에 사용됩니다.[16]
  • PTC 세라믹 요소: PTC 세라믹 재료는 저항의 양의 열 계수(즉, 가열 시 저항이 증가함)에 따라 이름이 붙여졌습니다. 대부분의 세라믹은 음의 계수를 가지지만, 이러한 재료(종종 티탄산바륨 및 티탄산납 복합체)는 매우 비선형적인 열 반응을 가지므로 조성 의존적인 임계 온도 이상에서는 저항이 급격히 증가합니다. 이 동작은 전류가 시원할 때는 통과하고 뜨거울 때는 통과하지 않기 때문에 재료가 자체 조절 히터 역할을 하게 합니다.[17] 이 재료의 박막은 난방 의류,[18] 자동차 뒷유리 해동 히터에 사용되며 [19]벌집 모양의 요소는 더 비싼 헤어 드라이어, 공간 히터 및 대부분의 현대 펠릿 스토브에[citation needed] 사용됩니다. 이러한 발열체는 950~1000°C의 온도에 도달할 수 있으며 빠르게 평형에 도달할 수 있습니다.
  • 쿼츠 할로겐 적외선 히터도 복사 난방을 제공하는 데 사용됩니다.

적용들

발열체는 가정, 상업 및 산업 환경에서 광범위하게 적용됩니다.

  • 가전제품: 오븐, 토스터, 전기레인지, 온수기, 공간 난방기와 같은 일반적인 가정용 가전제품은 그 기능에 필요한 열을 발생시키기 위해 발열체에 의존합니다.
  • 산업 프로세스: 산업에서 발열체는 제어된 온도가 필요한 금속 제련, 플라스틱 성형 및 화학 반응과 같은 공정에 필수적입니다.
  • 과학 기기: 연구실에서는 인큐베이터, 용광로 및 분석 기기를 포함한 다양한 장비에 발열체를 사용합니다.
  • 자동차 산업: 열선 시트, 뒷유리 디프로스터, 엔진 블록 히터 등의 용도로 차량에 발열체가 사용됩니다.

연구개발

가속 수명 테스트

저항 가열 재료에 대한 표준화된 수명 테스트는 ASTM International에서 설명합니다. Ni-Cr(Fe) 합금과[20] 전기 가열용 Fe-Cr-Al 합금에[21] 대한 가속 수명 시험을 통해 재료의 순환 산화 저항을 측정합니다.

참고 항목

참고문헌

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  3. ^ iqsupport91hn7l (2014-11-03). "Watt Density What is it?". Indeeco. Retrieved 2023-12-27.{{cite web}}: CS1 main: 숫자 이름: 저자 목록 (링크)
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