KR100193180B1 - 자동 판매기용 시스형 히터 및 이에 내장되는 피티씨 써미스터의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물을 급속 가열시키기 위한 자동 판매기용 시스형 히터의 발열 소자로 사용되는 피티씨 써미스터 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 상기 피티씨 써미스터는 BaTiO₃, Sb₂O₃, PbTiO₃, Mn₃O₄, SiO₂및 TiO₂성분으로 이루어져 있고 또한 상기 BaTiO₃, Sb₂O₃, PbTiO₃, Mn₃O₄, SiO₂및 TiO₂성분을 혼합 분쇄하여서 혼합물을 형성시키는 제1단계와, 상기 혼합물을 건조시키는 제2단계와, 상기 건조된 혼합물을 분말 상태로 입자화시키는 제3단계와, 상기 분말 상태의 혼합물을 소정 형상의 피티씨 성형체로 형성시키는 제4단계와, 상기 피티씨 성형체를 소결시켜서 피티씨 소결체로 형성시키는 제5단계와, 그리고 상기 피티씨 소결체에 전극부를 형성시키는 제6단계로 이루어진다. 따라서, 본 발명에 따른 피티씨 써미스터를 이용한 시스형 히터는 물을 급가열시킬 수 있고 또한 히터의 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

자동 판매기용 시스평 히터 및 이에 내장되는 피티씨 써미스터의 제조 방법

제1도는 일반적인 히터를 개략적으로 도시한 단면도.

제2도는 종래의 일실시예에 따라서 제작된 가열 소자를 개략적으로 도시한 단면도.

제3도는 본 발명에 따른 가열 소자를 개략적으로 도시한 단면도.

제4도는 본 발명의 실시예에 따라서 가열 소자를 제작하기 위한 공정을 순차적으로 나타낸 흐름도.

제5도는 본 발명에 따른 소결 공정을 순차적으로 나타낸 그래프.

제6도는 본 발명에 따라서 제작된 가열 소자의 피티씨 특성을 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30 : 히터 31 : 외부 하우징

32 : 발열소자 33 : 히터 싱크

본 발명은 물을 가열하기 위한 자동 판매기의 히터 및 이에 내장되는 가열 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 발열 효율이 향상된 자동 판매기용 히터 및 이에 내장된 피티씨 써미스터(PTC thermistor)의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 음료 판매용 자동 판매기는 적절한 버튼의 조작에 의하여 시료가 혼합된 용수를 배출하는 장치로서 제1도에 예시적으로 도시된다.

제1도에 도시된 바와 같이, 용수가 소정 수위로 저장된 탱크(11)는 용수를 가열하기 위한 히터(H)와 용수의 가열 온도를 감지하기 위한 온도 감지 센서(12)가 설치되어 있으며 히터(H)는 온도 감지 센서(12)와 전기적으로 연결되어 있는 콘트롤러(C)에 제어에 의하여 용수를 적절한 온도로 유지시킨다.

이때, 히터(H)는 금속성 튜브의 내부에 발열 코일(heating wire)을 내장하고 있는 간접 가열용 시스형 히터(sheathing heater)와 발열 코일이 외부에 노출된 직접 가열용 니코일형 히터로 이루어져 있다.

이때, 니코일형 히터는 발열 코일의 가열 작용에 의하여 용수를 급속하게 가열시킬 수 있는 반면에 가열되는 용수에 이물질이 침투하기 쉽고 또한 발열 코일의 발열 작용에 의한 내구성이 떨어진다는 문제점을 야기시킨다.

한편, 제2도에 도시되어 있는 바와 같이 시스형 히터(20)는 절연층이 개재된 금속성 튜브(21)의 내부에 발열 코일(22)이 내장되어 있으며 발열 코일(22)의 발열 작용에 의하여 발생된 열량은 금속성 튜브(21)를 관통하여 금속성 튜브(21)의 외부에 존재하는 용수를 가열시킨다.

이때, 발열 코일(22)의 가열 작용에 의해서 가열되는 용수의 온도가 적정 온도에 도달하면, 온도 감지 센서(12)(제1도 참조)의 온도 감지에 의한 콘트롤러(C)의 제어 작동에 의하여 전원을 차단시켜서 가열되는 용수가 과열 상태로 되는 것을 방지시키는 반면 시스형 히터(20)의 설치 비용이 증가되고 또한 용수의 가열 시간이 증가된다는 문제점이 발생된다.

즉, 시스형 히터(20)에 220 V 교류 전압이 인가되었을 때 상기된 바와 같이 발열 코일(22)의 가열 작용에 의하여 발생되는 시스형 히터(20)의 발열량은 약 1400 W(와트) 정도이며 이에 의해서 약 4ℓ 정도의 용수를 약 80℃ 정도의 가열시키는 경우에 약 15 분 정도의 시간이 소요되므로 용수의 급속 가열이 어렵게 된다.

또한, 시스형 히터(20)는 순간 과전류 인입에 의한 보호 장치를 구비하고 있지 않으므로 순간 과전류가 인입되는 경우에 발열 코일(22)의 소손 및 단락을 야기시키게 되며 이에 의해서 시스형 히터(20)의 가열 효율을 저하시킨다는 문제점이 야기된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소시키기 위하여 안출된 것으로 그 목적은 용수가 과열되는 것을 방지시키기 위한 온도 감지 센서의 설치를 필요로 하지 않도록 피티씨 써미스터(pct thermister)로 이루어진 가열 소자가 내장된 자동 판매기용 히터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 용수를 급속하게 가열시킬 수 있을 뿐만 아니라 용수를 소정 온도로 가열시키기 위하여 소요되는 시간을 단축시킬 수 있도록 피티씨 써미스터로 이루어진 가열 소자가 내장된 자동 판매기용 히터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 순간 과전류의 인입에 의한 전기적 단락 및 소손을 방지시킬 수 있도록 피티씨 써미스터로 이루어진 가열 소자가 내장된 자동 판매기용 히터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 자동 판매기용 히터에 내장되어서 가열 소자로 작용하는 피티씨 써미스터(PCT thermistor)를 제조하기 위한 방법을 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 외부 하우징과, 상기 하우징에 내장된 발열 소자와 상기 하우징과 발열 소자사이에 설치되는 알루미늄 재질의 히트 싱크로 이루어져 있으며, 상기 발열 소자는 피티씨 써미스터(PCT thermistor)로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 발열 소자를 구성하는 피티씨 써미스터는 BaTiO₃를 주성분으로 하고 Sb₂O₃와, PbTiO₃와, Mn₃O₄와, SiO₂및 TiO₂성분이 량으로 첨가된다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 발열 소자를 구성하는 피티씨 써미스터는 95몰％의 BaTiO₃와 O.O1몰％의 Sb₂O₃와, 5몰％의 PbTiO₃와, 0.025몰％의 Mn₃O₄와, 0.5몰％의 SiO₂및 0.05몰％의 TiO₂성분으로 이루어져 있다.

본 발명에 따르면, 상기 다른 목적은 BaTiO₃와, Sb₂O₃와, PbTiO₃와, Mn₃O₄와, SiO₂및 TiO₂를 혼합 분쇄하여서 혼합물을 형성시키는 제1단계와, 상기 혼합물을 건조시키는 제2단계와, 상기 건조된 혼합물을 분말 상태로 입자화시키는 제3단계와, 상기 분말 상태의 혼합물을 소정 형상의 피티씨 성형체로 형성시키는 제4단계와, 상기 피티씨 성형체를 소결시켜서 피티씨 소결체로 형성시키는 제5단계와, 그리고 상기 피티씨 소결체에 전극부를 형성시키는 제6단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동 판매기의 히터용 피티씨 써미스터 제조 방법에 의해서 달성된다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 혼합물은 95몰％의 BaTiO₃와 0.011몰％의 Sb₂O₃와, 5몰％의 PbTiO₃와, 0.025몰％의 Mn₃O₄와, 0.5몰％의 SiO₂및 0.05몰％의 TiO₂성분으로 이루어져 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

제3도는 본 발명의 일실시예에 따라서 제작된 자동 판매기용 히터를 개략적으로 도시한 단면도이고, 제4도는 본 발명에 따라서 자동 판매기용 히터에 내장되는 피터씨 써미스터를 제작하기 위한 공정을 순차적으로 도시한 흐름도이며, 제5도는 소결 공정을 나타낸 그래프이고 제6도는 피티씨 써미스터의 온도에 대한 저항 특성을 나타낸 그래프이다.

먼저, 본 발명의 일실시예에 따르면, 자동 판매기용 히터(30)는 제3도에 도시되어 있는 바와 같이 외부 하우징(31)과, 하우징(31)에 내장된 발열 소자(32)와, 하우징(31)과 발열 소자(32)사이에 설치되는 알루미늄 재질의 히트 싱크(heat sink)(33)로 이루어져 있으며, 발열 소자(32)는 피티씨(Positive Temperature Coefficient) 써미스터(thermistor)로 이루어져 있다.

즉, 피티씨 써미스터는 자기 온도 제어 기능을 구비하고 잇는 소자로서 일정 온도 이상 승온시 전기 저항이 급격히 상승하여 부도체 특성을 나타내며 이에 의해서 인가 전류를 차단하고 그 결고 과열 방지 기능을 부가적으로 구비한다.

이때, 발열 소자(32)를 구성하는 피티씨 써미스터는 BaTiO₃를 주성분으로 하고 Sb₂O₃와, PbTiO₃와, Mn₃O₄와, SiO₂및 TiO₂성분을 미량으로 함유하고 있으며 특히 바람직하게는 약 90내지 98몰％의 BaTiO₃와 O.O8 내지 0.15몰％의 Sb₂O₃와, 4 내지 6몰％의 PbTiO₃와, 0.020몰 내지 0.030몰％의 Mn₃O₄와, 0.5 내지 1.5몰％의 SIO₂및 0.03 내지 0.15몰％의 TiO₂성분으로 이루어져 있다.

이때, Sb₂O₃성분은 BaTiO₃에 첨가되어서 제6도에 도시된 바와 같이 온도에 대한 저항 특성이 에스(S)자 형상으로 형성되도록 하며, PbTiO₃성분은 피티씨 특성의 저항이 급상승하는 전이 온도를 상승시키는 작용을 나타내며 또한 상기 Mn₃O₄성분은 피티씨 특성의 최대 저항값을 상승시키는 작용을 나타낸다.

여기에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 자동 판매기용 히터가 약 220V 의 전압하에서 작동되어서 약 100℃ 의 온도로 가열된 물을 유지시킬 수도 있도록 상기 발열 소자(32)를 구성하는 피티씨 써미스터는 약 95몰％의 BaTiO₃와 0.10몰％의 Sb₂O₃와, 5몰％의 PbTiO₃와, 0.025몰％의 Mn₃O₄와, 0.5몰％의 SiO₂및 0.05몰％의 TiO₂성분으로 이루어져 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 피티씨 써미스터를 제조하기 위한 방법은 제4도에 도시된 바와 같이 BaTiO₃와 Sb₂O₃와, PbTiO₃와, Mn₃O₄와, SIO₂및 TiO₂를 혼합 분쇄하여서 혼합물을 형성시키는 제1단계와, 상기 혼합물을 건조시키는 제2단계와, 상기 건조된 혼합물을 분말 상태로 입자화시키는 제3단계와, 상기 분말 상태의 혼합물을 소정 형상의 피티씨 성평체로 형성시키는 제4단계와, 상기 피티씨 성형체를 소결시켜서 피티씨 소결체로 형성시키는 제5단계와, 그리고 상기 피티씨 소결체에 전극부를 형성시키는 제6단계로 이루어진다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 제1단계는 상기된 바와 같은 성분들은 증류수와 약 15Φ, 10ψ 및 5Φ 정도의 지름을 갖는 볼(ball)과 함께 우레탄 재질의 포트에 주입된 후 약 120rpm 정도의 회전 속도로 20시간 이상 혼합 및 분쇄시키는 습식 볼미링 공정에 의하여 수행된다.

이때, 상술한 성분 및 볼 및 증류수의 혼합 비율은 1:3:0.7 의 중량비로 유지시키며 또한 상기 성분들의 결합 상태 및 윤활 상태를 양호하게 유지시키기 위하여 결합체, 분산체, 소포제, 및 윤활이형제와 같은 유기 화합물을 첨가시킨다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 혼합물은 약 90내지 98몰％의 BaTiO₃와 O.O8 내지 0.15몰％의 Sb₂O₃와, 4 내지 6몰％의 PbTiO₃와, 0.020 내지 0.030몰％의 Mn₃O₄와, 0.5 내지 1.5몰％의 SiO₂및 약 0.03 내지 0.15몰％의 TiO₂성분으로 이루어져 있으며 특히 약 95몰％의 BaTiO₃와 0.10몰％의 Sb₂O₃와, 5몰％의 PbTiO₃와, 0.025몰％의 Mn₃O₄와, 0.5몰％의 SiO₂및 0.05몰％의 TiO₂성분으로 이루어져 있다.

여기에서, Sb₂O₃성분은 BaTiO₃에 첨가되어서 제6도에 도시된 바와 같이 온도에 대한 저항 특성이 에스(S)자 형상으로 나타나는 피티씨 특성을 나타내는 특성을 구비하고 있으며, PbTiO₃성분은 피티씨 특성의 저항이 급상승하는 전이 온도를 상승시키는 작용을 나타낸다.

즉, PbTiO₃성분이 첨가되지 않은 상태에서 저항이 급상승하는 전이 온도는 약 120℃ 정도의 온도에 해당되는 반면에, PbTiO₃성분이 첨가된 상태에서 상기 전이 온도는 상승되며 이러한 전이 온도의 상승은 상기 PbTiO₃성분의 1몰％당 약 4℃ 정도로 상승된다.

또한, Mn₃O₄성분은 피티씨 특성의 최대 저항값을 상승시키는 특성을 나타내므로 Mn₃O₄성분이 첨가되지 않은 상태에서 피티씨 특성이 상온에서 실용성이 없는 반면에, Mn₃O₄성분이 미량 첨가된 상태에서 미량 첨가된 상태에서 최대 저항값을 상승시킨다.

그리고, SiO₂성분 및 TiO₂성분은 피티씨 써미스터의 결정 구조에서 액체상태로 존재하며 결정 구조의 기계적 강도 특히 전기적 강도를 결정하는 인자로 작용한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상술한 제5단계는 부가적으로 첨가되는 PbTiO₃를 분위기 파우더로 사용하여서 휘발 특성이 강한 Pb의 휘발량을 보충시킨다.

한편 제5도에 도시되어 있는 바와 같이, 피티씨 성형체를 소결시키는 소결 공정은 성형체를 상온에서 분당 약 2℃ 의 온도로 약 400℃까지 상승시킨 후 400℃의 온도에서 약 2시간동안 유지시킨다.

이 후에 분당 약 5℃의 상승 온도로 성형체를 약 1100℃의 온도까지 가열시킨 후, 1100℃의 온도부터 분당 약 10℃ 의 상승 온도로 가열하여서 약 1280℃의 온도에 약 1시간 동안 유지시킨다.

한편, 상기된 바와 같이 약 1280℃ 의 온도로부터 분당 약 10℃의 온도로 성형체를 냉각시켜서 약 1100℃ 의 온도에서 약 1시간동안 유지시키며, 이 후에 약 1000℃까지 분당 약 5℃의 하강 온도 속도로 성형체를 냉각시킨 후 로냉시켜서 상기 성형체를 상온으로 유지시킨다.

상기된 바와 같은 공정에 의하여 제조된 피티씨 써미스터는 제6도에 도시된 바와 같이 약 140℃ 정동의 온도에서 저항값이 급상승하는 전이 온도를 갖게 된다.

따라서, 상기된 바와 같은 피티씨 특성을 갖는 피티씨 써미스터를 재질로 하는 발열 소자를 구비한 히터는 발열 소자의 발열 작용에 의하여 물을 가열시키며, 이때 가열된 물의 온도가 약 100℃ 정도로 유지되면 피티씨 특성에 의하여 발열 소자로 통전되는 전류가 단락되어서 발열 작용이 중지된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따라서 제작된 피티씨 써미스터로 이루어진 발열 소자의 발열 작용에 의한 물의 가열 속도는 약 4ℓ 정도의 물을 상온에서 약 80℃ 정도의 온도로 상승시키는 데 약 5 내지 10 분 정도가 소요되며 이에 의해서 종래의 발열 소자에 비하여 약 2 내지 3 배 정도의 승온 시간이 단축된다.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지한다.

따라서, 본 발명에 따르면, 소정 온도에서 저항값이 급상승하는 피티씨 특성을 갖는 피티씨 써미스터로 이루어진 발열 소자에 의하여 가열되는 물의 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 구비할 필요가 없으며 또한 특정 온도에서 전류의 인입을 중단시키므로 안전성을 향상시킨다.

Claims (7)

1. 외부 하우징과, 상기 하우징에 내장된 발열 소자와, 상기 하우징과 발열 소자사이에 설치되는 알루미늄 재질의 히트 싱크로 이루어져 있는 자동 판매기용 시스형 히터에 있어서, 상기 발열 소자는 소정 온도에서 저항값이 급상승하는 피티씨 써미스터(PTC thermistor)로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 자동 판매기용 시스형 히터.
2. 상기 피티씨 써미스터는 BaTiO₃를 주성분으로 하고 Sb₂O₃와, PbTiO₃와, Mn₃O₄와, SiO₂및 TiO₂성분을 미량으로 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 자동 판매기용 시스형 히터.
3. 상기 BaTiO₃성분은 약 90내지 98몰％의 조성비, 상기 Sb₂O₃성분은 0.08 내지 0.15몰％의 조성비, 상기 PbTiO₃성분은 4 내지 6몰％의 조성비, 상기 Mn₃O₄성분은 0.020 내지 0.030몰％의 조성비, 상기 SiO₂성분은 0.5 내지 1.5몰％의 조성비, 그리고 상기 TiO₂성분은 0.03 내지 0.15몰％의 조성비로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 자동 판매기용 시스형 히터.
4. 자동 판매기용 시스형 히터에 내장되는 발열 소자를 구성하는 피티씨 써미스터 제조 방법에 있어서, BaTiO₃와, Sb₂O₃와, PbTiO₃와, Mn₃O₄와, SiO₂및 TiO₂를 혼합 분쇄하여서 혼합물을 형성시키는 제1단계와, 상기 혼합물을 건조시키는 제2단계와, 상기 건조된 혼합물을 분말 상태로 입자화시키는 제3단계와, 상기 분말 상태의 혼합물을 소정 형상의 피티씨 성형체로 형성시키는 제4단계와, 상기 피티씨 성형체를 소결시켜서 피티씨 소결체로 형성시키는 제5단계와, 상기 피티씨 소결체에 전극부를 형성시키는 제6단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동 판매기의 시스형 히터용 피티씨 써미스터 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 혼합물에서, 상기 BaTiO₃성분은 약 90내지 98몰％의 조성비, 상기 Sb₂O₃성분은 0.08 내지 0.15몰％의 조성비로, 상기 PbTiO₃성분은 4 내지 6몰％의 조성비로, 상기 Mn₃O₄성분은 0.020 내지 0.030몰％의 조성비로, 상기 SiO₂성분은 0.5 내지 1.5몰％의 조성비, 그리고 상기 TiO₂성분은 0.03 내지 0.15몰％의 조성비로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 자동 판매기의 시스형 히터용 피티씨 써미스터 제조 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 제5단계는 PbTiO₃성분을 부가적으로 첨가하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 자동 판매기의 시스형 히터용 피티씨 써미스터 제조 방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 제5단계는 상기 성형체를 상온에서 분당 약 2℃ 의 온도로 약 400℃까지 상승시킨고 상기400℃의 온도에서 약 2시간동안 유지시킨 후 분당 5℃의 상승 온도로 상기 성형체를 1100℃의 온도까지 가열시키고 1100℃의 온도부터 분당 약 10℃ 의 상승 온도로 가열하여서 약 1280℃의 온도에 약 1시간 동안 유지시킨며 1280℃ 의 온도로부터 분당 약 10℃의 온도로 상기 성형체를 냉각시키고 1100℃ 의 온도에서 약 1시간동안 유지시키고, 이 후에 약 1000℃까지 분당 약 5℃의 하강 온도 속도로 상기 성형체를 냉각시킨 후 로냉시킴으로서 수행되는 것을 특징으로 하는 자동 판매기의 시스형 히터용 피티씨 써미스터 제조 방법.