KR0170158B1 - 투입식 히이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신규한 구성의 투입식 히이터를 개시한다.

종래에는 발열체가 금속재 발열선으로 구성되었으므로 과열에 의한 단락이나 소손의 위험이 상존하였을 뿐 아니라 단위면적당 발열량이 작아 가열효율이 매우 낮은 문제가 있었다.

본 발명에서는 중공의 다각기둥 형상의 PTC 서미스터와, 이의 내외면에 각각 부착되는 방열판쌍과, 이 방열판쌍의 둘레에 코팅되는 산화방지층 및 산화방지층 외면에 원적외선 방사층을 구비하여, 과열에 의한 단락과 소손의 위험을 근본적으로 방지하였고, 저소비전력으로 가열효율 향상과 가열시간의 단축을 달성하였다.

Description

투입식 히이터

제1도는 자동판매기의 온수탱크를 개략적으로 보인 단면도.

제2도는 종래의 투입식 히이터를 보인 부분확대 정면도.

제3도는 본 발명에 따른 투입식 히이터를 보인 부분절단 정면도.

제4도는 제3도의 A-A선을 따라 취한 단면도.

제5도는 제4도의 PTC 서미스터를 발췌하여 도시한 측면도.

제6도 내지 제8도의 (a)(b)는 본 발명의 다른 실시예들을 보인 단면도들과 PTC 서미스터의 측면도들이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : PTC(Positive Temperature Coefficient) 서미스터(thermistor)

12 : (PTC 서미스터의)단위체 12a : (단위체의)접촉면

14 : 방열판 15 : 도전성 접착제

16 : 산화방지층 17 : 원적외선 방사층

18 : (PTC 서미스터의)공간부

본 발명은 히이터(heater)에 관한 것으로서, 특히 자동판매기 등의 온수탱크(water tank)내에 투입되어 음료수를 가열하는데 사용하기에 적합한 투입식 히이터에 관한 것이다.

주지하다시피 히이터는 전원의 인가에 의해 차체발열하여 피가열체를 필요한 상태로 가열하는 것으로서, 각종 전기전열기기를 비롯하여 사회전반에 걸쳐 광범위하게 사용되고 있다.

예를들어 온수기나 자동판매기에 있어서도 제1도에 도시한 바와같이, 히이터(H)가 온수탱크(T)의 덮개(C)에 지지된채 그 내부로 투입되어 급수탱크로부터 공급된 물을 소정온도로 가열하는데에 사용되고 있는데, 이와같이 액체나 기체 등의 피가열체내에 직접 투입되어 가열하는 방식의 히이터(H)를 특히 투입식 히이터라 일컫는다.

제2도에는 이러한 종래의 투입식 히이터를 도시하였다. 이것은 원통형 단면의 금속재 슬리이브(sleeve : 1)내에 니켈(Ni)등으로 구성된 금속재 발열선(2)이 삽입되어 슬리이브(1)를 콜킹(calking)함으로써 고정되고, 그 둘레에는 발열선(2)과 슬리이브(1)간의 절연 및 용이한 열전달을 위해 산화마그네슘(MgO) 등의 세라믹 절연분말(3)이 충진된다. 발열선(2)의 양단에는 이에 전원을 인가하기 위한 단자(4)가 각각 접속되어 외부 전원과 접속되는 리이드 와이어(lead wire : 6)에 용접으로 고정되고, 리이드 와이어(6)와 단자(4)의 선단부는 절연재(7)에 의해 피복되며, 슬리이브(1)의 양 선단부에는 외부와의 절연을 위한 절연캡(5)이 각각 설치된다. 나머지 부호 8은 히이터를 온수 탱크(T)의 덮개(C)에 고정함과 함께 리이드 와이어(6)를 슬리이브(1)와 연결하는 커플링이다.

그런데 이러한 종래의 투입식 히이터는 그 발열체로 통상의 금속재 발열선(2)을 사용하는 것이므로 그 특성상 단위면적당 발열량이 작아 소비전력은 높으면서도 피가열체의 가열효율이 낮고, 가열시간이 상당히 길어지는 문제가 있었다. 뿐만 아니라 발열선(2)이 작은 직경의 슬리이브(1)내에 삽입되므로 전열면적이 작아 피가열체를 효과적으로 가열할 수 없었으며, 이에 따라 피가열체의 온도 분포가 불균일한 문제도 있었다. 또한 과대전류의 인입시 발열선(2)이 단락될 우려가 매우 많을 뿐 아니라 과열로 인한 제품의 소손(消損)우려가 매우 많은 문제점도 있었다. 그러므로 종래의 투입식 히이터는 이를 채용한 제품의 성능과 안정성 및 신뢰성 등을 보장 할 수 없었다.

본 발명의 목적은 상술한 종래의 문제들을 감안하여 저소비전력으로 높은 가열효율을 얻을 수 있으면서도 과열을 효과적으로 방지할 수 있는 투입식 히이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전열면적을 증대시킴으로써 피가열체를 신속하고 균일한 온도분포로 가열할 수 있는 투입식 히이터를 제공하는 것이다.

이와같은 목적들을 달성하기 위해 본 발명에 의한 투입식 히이터는, 내외면에 전극층이 각각 형성되며 내부에 공간부를 가지는 다각기둥 형상의 PTC(Positive Temperature Coefficient) 서미스터(thermistor)와, 이 PTC 서미스터의 내면과 외면에 각각 부착되며 전원이 인가되는 한쌍의 방열판과, 각 방열판의 둘레에 소정두께로 형성되는 산화방지층을, 구비하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 한 바람직한 특징에 의하면, PTC 서미스터가 다각기둥의 한 면을 각각 구성하며 상호 접촉되는 복수의 단위체로 구성된다.

본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 산화방지층의 외면에 원적외선 방사층이 각각 구비된다.

본 발명의 또다른 바람직한 특징에 의하면, 방열판쌍이 도전성 접착제에 의해 PTC 서미스터에 접합된다.

이에따라 본 발명은, 동작시 히이터가 정온상태에서만 전원이 인가되어 발열하게 되므로 종래와 같은 과열에 의한 단락이나 소손을 근본적으로 방지할 수 있음은 물론 저소비전력으로 높은 가열효율을 달성할 수 있어 채용된 제품의 성능과 안정성 및 신뢰성 향상 등에 큰 효과를 발휘하게 된다.

이와같은 본 발명의 구체적 특징과 다른 이점들은 첨부된 도면을 참조한 이하의 바람직한 실시예의 설명으로 더욱 명확해 질 것이다.

제3도 내지 제5도에서, 본 발명에 의한 투입식 히이터는 몸체(10)내에 발열체로서 내부에 공간부(18)를 가지는 삼각기둥 형상의 PTC 서미스터(11)가 구비되는데, 이 PTC 서미스터(11)의 내면과 외면에는 이에 전원을 인가하기 위한 전극층(13)이 각각 형성된다. 이러한 전극층(13)은 PTC 서미스터(11)의 제조과정에서, 금속분말을 성형소결한 PTC 소결체의 표면에 Ag페이스트(paste)로 프린팅 한 후 열처리함으로써 형성된다.

PTC 서미스터(11)는 주지하다시피 티탄산바륨(BaTiO₃)을 주성분으로 PbTiO₃와, 미량의 CaTiO₃와, MnO₂및 Y, La, Sb 등의 소량의 희토류 원소를 첨가하여 도전성을 갖게한 N형의 티탄산바륨계 산화물 반도체의 일종으로서, 티탄산바륨이 가지는 특유의 큐리점(curie point)에 있어서의 상전이에 의해 정상작동온도에서는 도전체로서 도통하나, 과열시에는 저항이 급격히 증가하여 부도체로서 도통 불능상태로 되는 특성을 가진다.

이러한 PTC 서미스터(11)는 일반적인 세라믹(ceramic) 제조공정에 의해 제조되는 바, 단일몸체로 구성될 수도 있으나 바람직하기로는 용이한 제작을 위해 도시된 바와 같이 삼각기둥의 각 면을 구성하는 복수의 단위체(12)로 구성되어 상호간에 접촉된다. 이에따라 PTC 서미스터(11)는 각 단위체(12)가 상호간에 균일하게 접촉되어야 하는 바, 인접하는 단위체(12)와 접촉하는 각 단위체(12)의 접촉면(12a)은 제5도에 도시된 바와같이 삼각기둥을 이루는 면의 수효에 대응하여 그 수직면에 대해 30°의 경사각을 이루도록 구성된다.

PTC 서미스터(11)의 내외면, 즉 그 전극층(13)의 내면과 외면에는 이에 방열효율 향상을 위해 열전도율이 우수한 구리(Cu)나 알루미늄(Al) 등으로 구성된 방열판(14)이 각각 부착된다. 이러한 방열판(14)은 우수한 열전도율과 함께 도전성도 매우 우수하므로 PTC 서미스터(11)에 대한 전원인가는 이 방열판(14)쌍을 통해 이루어지는 것이 바람직하다. 이에따라 각 방열판(14)에는 외부전원으로부터 전원을 인가받기 위한 단자(14a)가 각각 구비되고, PTC 서미스터(11)에의 부착도 도전성이 우수한 에폭시(epoxy)나 폴리이미드(polyimide)계의 전기도전성 접착제(15)에 의해 접합된다.

한편 이와같은 히이터는 액체 등에 투입되어 이를 가열하는 것이므로 장시간이 경과될 경우 부식이나 산화되기 쉽다. 이에따라 바람직하기로는 각 방열판(14)의 둘레에는 이의 산화를 방지하고 PTC 서미스터(11)를 보호하기 위한 산화방지층(16)이 구비되는데, 이 산화방지층(16)은 SiO₂나 ZrO₂세라믹을 방열판(14)에 코팅함으로써 구성된다.

한편 이와같은 히이터가 투입되어 사용되는 온수기나 자동판매기 등은 음료수를 장시간 저장하게 되는 바, 자칫 부패할 우려가 매우 많다. 이에따라 산화방지층(16)의 외면에는 저장된 물의 활성화와 탈취 및 선도유지를 위해 원적외선 방사층(17)이 형성된다. 이러한 원적외선 방사층(17)은 가열에 의한 원적외선의 용이한 방사를 위해 Al₂O₃-SiO₂또는 3Al₂O₃2SiO₂또는 MgO-Al₂O₃-SiO₂를 산화방지층(16)위에 플라즈마(plasma)증착법 등의 증착법으로 구성되는 것이 바람직하다.

이와같이 구성된 히이터의 몸체(10)상부에는 바람직하기로 외부물체와 절연함과 함께 용이한 설치를 위한 절연캡(19)이 설치된다.

한편 제6도 내지 제8도에는 본 발명의 다른 실시예들이 도시되어 있다. 제6도에 도시된 구성의 실시예는 전술한 실시예의 히이터가 사각기둥 형상으로 구성된 것으로, PTC 서미스터(11)의 단위체(12)의 접촉면이 그 수직면에 대해 45°의 경사각을 이루도록 구성된다. 또한 제7도와 제8도에 도시된 구성의 실시예들은 전술한 실시예의 히이터가 오각기둥과 육각기둥의 형상으로 구성된 것으로서, PTC 서미스터(11)의 단위체(12)의 접촉면이 그 수직면에 대해 각각 54°와 60°의 경사각을 이루도록 구성된다. 이와같은 본 발명의 다른 실시예들의 구성은 전술한 제1실시예와 그 형태만 다를 뿐 기본적인 구성이 동일한 바, 대응되는 부분에 동일한 부호를 부여하였으므로 설명의 편의상 중복설명을 피하기 위해 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이와같이 구성된 본 발명에 의한 투입식 히이터는 각 방열판(14)의 단자(14a)를 통해 전원이 인가되면, 방열판(14)과 도전성 접착제(15)를 통해 PTC 서미스터(11)의 전극층(13)으로 전달되게 된다. 그러면 전류가 PTC 서미스터(11)를 통해 통전되고, 이에따라 PTC 서미스터(11)가 자기발열하게 된다. 이와같이 방출된 열은 방열판(14)으로 확산되어 산화방지층(16)과 원적외선 방사층(17)을 통해 물 등의 피가열체로 전달되고 이를 가열하게 되며, 이와 동시에 원적외선 방사층(17)에서 원적외선이 방사된다.

이때 본 발명의 히이터는 발열체가 정온발열체인 판상의 PTC 서미스터(11)로 구성되므로, 전열면적이 상당히 클 뿐 아니라 단위면적당 발열량이 커서 종래에 비해 가열효율은 크게 증가되면서도 소비전력은 상대적으로 그만큼 감소하게 된다. 뿐만 아니라 히이터의 동작시 방사된 원적외선이 피가열체내로 깊숙히 침투하여 피가열체 고유의 파장과 공명, 공진함으로써 자기발열을 유도함과 동시에 분자운동을 활성화시키게 된다. 이에따라 피가열체의 가열효율이 극대화 되어 가열시간을 현저히 단축시킬 수 있음은 물론 장시가 저장시에도 부패될 우려가 최소화되게 된다. 또한 본 발명의 히이터는 내부에 공간부(18)가 형성된 다각형 형상을 가지므로 히이터의 내외부에서 피가열체를 고르게 가열할 수 있는 바, 피가열체가 균일한 온도분포로 신속하게 가열되게 된다.

한편 이와같은 히이터의 동작중 외부로부터 과전류가 인입되면 PTC 서미스터(11)의 정온도특성에 의해 전원이 자동으로 차단되게 되며, 이에따라 종래와 같은 과열현상이 근본적으로 방지되므로 그로 인한 단락이나 소손의 위험성이 전혀 없다. 즉 전원이 인가되어 PTC 서미스터(11)가 발열을 개시한 뒤 일정온도 이상이 되면, PTC 서미스터(11)의 상전이에 의해 저하이 급격히 증가되어 스스로 전원을 차단함으로써 과열을 방지하게 되는 것이며, 이어서 일정온도 이하로 되면 저항이 감소하여 다시 도통하게 됨으로써 발열을 속행하게 된다. 이러한 특성에 기초하여 과열에 의한 이상현상이 근본적으로 방지되는 바, 그 성능과 수명이 대폭 연장되게 된다.

이상에서 살펴본 바와같이 본 발명에 의하면, 과열에 의한 히이터의 단락이나 소손 등을 근본적으로 방지할 수 있으며, 전력소모량은 감소시킬수 있으면서도 가열효율은 현저히 향상시킬 수 있개 된다. 또한 원적외선 방사에 의해 음료수 등의 피가열체의 부패를 방지할 수 있으면서 가열시간을 대폭 단축시킬 수 있게 되며, 피가열체를 전체적으로 균일한 온도분포로 가열할 수 있게 된다.

그러므로 본 발명은, 이를 채용한 온수기나 자동판매기 등의 성능 및 사용의 안전성과 신뢰성 등을 크게 향상시키는 우수한 효과가 있다.

Claims (8)

1. 내외면에 전극층이 각각 형성되며 내부에 공간부(18)를 가지는 다각기둥 형상의 PTC 서미스터(11)와, 상기 PTC 서미스터(11)의 내면과 외면에 각각 부착되며 전원이 인가되는 한쌍의 방열판(14)과, 상기 방열판(14)의 둘레에 소정두께로 형성되는 산화방지층(16)을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 투입식 히이터.
2. 제1항에 있어서 상기 PTC 서미스터(11)가 다각기둥의 한 면을 각각 구성하며 상호 접촉되는 복수의 단위체(12)로 구성되는 것을 특징으로 하는 투입식 히이터.
3. 제2항에 있어서, 상기 PTC 서미스터(11)의 인접 단위체(12)와 접촉하는 각 단위체(12)의 접촉면(12a)이, 각 단위체(12)가 이루는 다각기둥의 면의 수효에 따라 그 수직면에 대해 각각 소정각도로 경사지게 구성되는 것을 특징으로 하는 투입식 히이터.
4. 제1항에 있어서, 상기 산화방지층(16)의 외면에 원적외선 방사층(17)이 구비되는 것을 특징으로 하는 투입식 히이터.
5. 제1항에 있어서, 상기 방열판(14)쌍이 도전성 접착제(15)에 의해 상기 PTC 서미스터(11)에 접합되는 것을 특징으로 하는 투입식 히이터.
6. 제4항에 있어서, 상기 원적외선 방사층(17)이 Al₂O₃-SiO₂또는 3Al₂O₃·2SiO₂또는 MgO-Al₂O₃-SiO₂로 구성되는 것을 특징으로 하는 투입식 히이터.
7. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 산화방지층(16)이 SiO₂또는 ZrO₂로 구성되는 것을 특징으로 하는 투입식 히이터.
8. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 PTC 서미스터(11)가 삼각기둥 또는 사각기둥 또는 오각기둥 또는 육각기둥으로 형성되는 것을 특징으로 하는 투입식 히이터.