KR100244807B1 - 세라믹 수중 히터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹스 발열체를 이용한 세라믹 히터에 관한 것으로, 지금까지 사용되어온 니크롬선 시즈히터를 대체한다.

본 발명은 반도성 세라믹스인 PTC(Positive Temperature Coefficient) 써미스터(Thermistor)를 이용함으로서 니크롬선과 같이 발열체 자신의 단선에 의한 단락 현상이 없고 처음부터 산화물이기 때문에 산화에 의한 저항 변화등 경시변화가 없어 저항이 일정하고 반영구적이면서 재현성이 좋으며, 또한 PTC 소자 스스로가 일정온도에 도달하면 자동 스윗칭하는 자동제어 기능까지 겸비하고 있어 과열로 인한 화재등의 문제점이 없으며 전체의 히터 구성시 별도의 온도제어를 위한 on/off장치등을 생략할 수 있어 소형 경량화가 가능한 세라믹 발열체를 내장한 히터를 제공함에 있다.

본 발명의 구성은, 일정한 간격을 두고 구멍을 낸 절연판의 구멍에 발열체를 삽입 고정시키고 상하에 전극용 금속판을 밀착시켜 전기리드선을 연결한 후 다시 금속판의 바깥쪽 상하에 얇은 절연필름을 넣고 원형의 파이프에 열전도를 용이하게 하기 위한 금속 스페서를 절연 필름의 바깥쪽 상하에 놓은 후, 파이프를 용접 또는 압착시키고 전기리드선 부분은 절연 및 고무 패킹화하여 완전 밀폐한 세라믹 수중 히터에 관한 것이다.

Description

세라믹 수중 히터

본 발명은 세라믹스 정온 발열체를 내장한 세라믹 히터에 관한 것으로 상세하게는 산업용 및 각종 생활용품으로 사용되고 있는 수중 히터의 일종으로 각종 액체를 액중에서 가열할 수 있도록 설계 제작된 것으로 구체적 용도로는 자동판매기용, 소독기용, 커피포트용, 간이 난방기용 및 증기 가습기용 등 폭넓게 응용가능한 세라믹 수중 히터로서, 정온 발열체 세라믹 소자를 사용하였기 때문에 가열온도를 제어할 수 있는 인공지능형 소형 히터이며, 각종 액체로 인한 부식이 없는 반영구적인 소형 히터이다.

종래의 히터는 금속 니크롬선을 발열체로 사용한 시즈히터가 대부분이었다.

니크롬선 시즈 히터는 발열체인 니크롬선이 전기회로의 한 요소로 구성되어 있기 때문에, 경시변화의 일종인 산화반응으로 선의 가늘어짐 현상이 발생하고 이로 인한 저항변화로 발열체로서의 물성이 변하여 온도제어의 정밀성이 떨어지고 수명이 짧고, 또 사용 도중 발열체의 어느 부분에선가 단선이 되면 그 히터 전체가 기능을 상실하게 되는 문제점이 있었다.

또한, 금속선은 단순한 발열체의 기능만 갖고 있어서 별도의 온도 제어를 위한 장치를 별도로 장착하여야 하기 때문에 히터 전체로서의 부품이 많고 장치도 커질 수밖에 없는 단점을 갖고 있다.

이러한 금속선 시즈 히터의 단점을 보완하기 위해 상기한 바와같은 세라믹스 정온 발열체를 이용한 수중히터를 개발하였는데 이는 주로 증기가습기나 공조 조절용 가습기 및 온수히터에 적합하도록 원판형 모양의 수중 히터이다.

원판형 수중 히터는 물을 끓이고자 하는 액체를 담은 용기의 밑부분에서 히터를 삽입고정 시키는 구조를 갖고 있어 액체의 밑부분에서 부터 가열되어 증기가 위로 빠져 나가도록 설계되어 있다.

이런 구조는 가습기등에 이상적인 구조이지만 용기의 위로부터 액중에 삽입하는 방식인 자동 판매기 및 정수기의 온도 탱크등에는 원판형 세라믹 히터를 바로 적용하는데 많은 문제점이 있다.

따라서 종래의 니크롬선 시즈 히터를 사용해 온 이런 종류의 기기에 세라믹 히터를 교체 사용하기 위해서는 히터 탱크 주위의 설계 및 형상, 회로 등의 변경이 불가피하여 그대로 대체하지 못하는 단점을 안고 있다.

상기와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 니크롬선 시즈 히터를 완전히 대체하기 위해서 물성적인 장점 이외에 크기와 현상은 물론 전기회로도 동일한 상태에서 금속선 시즈 히터 대신 세라믹 히터로 교체하여 삽입만 하면 되도록 하는 신개념의 세라믹 수중 히터를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 표면온도가 100℃이상의 발열 효과를 갖는 PTC 세라믹 발열체소자의 발열부와, 일정한 두께를 갖는 전기전도성 금속판, 전기 절연판, 금속 스페이서, 하우징 케이스인 방열판, 전기 리드선, 전기 리드선 부분의 절연 및 봉입, 고정을 위한 절연 고무, 나사 볼트류등으로 구성하되 상기 구성물의 구조는 세라믹 소자를 삽입 고정할 수 있게 구멍을 낸 절연판의 구멍에, 전극이 양면 코팅된 세라믹 발열체 소자를 삽입 고정하고, 전기 리드선에 단자를 압착시킨 전극용 금속판을 상하에 밀착하며 외부로부터 전기공급이 가능하도록 하고, 다시 금속판의 바깥쪽 상하에 얇은 절연성 필름을 넣어 절연시킨 후, 원형의 파이프에 맞도록 하기 위한 금속 스페이서를 절연 필름의 바깥쪽 상하에 각각 놓은 후, 파이프 내면과 스페이서를 밀착하여 용접 또는 압착하여 열전도를 양호하게 하고 전기리드선을 뽑아낸 부분은 절연성 고무로 패킹하여 외부의 액체가 내부로 스며들지 않게 완전히 밀봉한다.

히터의 탈착은 볼트 및 너트를 사용하여 간단하게 임의로 가능하게 한다.

제1도는 정온도계수(Positive Temperature Coefficient) 써미스터(Thermistor)의 온도에 따른 저항 변화도

제2도는 정온도계수(Positive Temperature Coefficient) 써미스터(Thermistor) 세라믹스 소자의 각종 형상도

제3도및 제3a도는 세라믹 히터의 형상도

제4도및 제4a도, 제4b도, 제4c도, 제4d도는 파이프형 히터의 형상조립, 분해, 조립순서도

제5도는 세라믹 히터의 수온 가열 실시예도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 방열부 2 : 스페이서(Spacer)

3 : 전극부 4 : 발열부(PTC 써미스터 세라믹스 소자)

5 : 절연판 6 : 전기리드선

7 : 절연필름 8 : 절연패킹

13 : 플랜지부 14 : 연결나사부

본 발명을 첨부 도면에 의거, 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명에서 이용한 세라믹스 정온 발열체인 PTC(Positive Temperature Coefficient) 써미스터(Thermistor)의 각 온도에 대한 저항 변화의 전형적인 곡선인데, 일정한 온도범위에서 저항이 수십옴에서 수백만옴까지 갑자기 상승하는 특성을 갖고 있어, 전기회로상으로는 전기를 흘려주다가 갑자기 흘려주지 않는 스윗칭 역할을 스스로 하게 된다.

따라서 일정온도를 유지하기 위한 별도의 제어장치가 필요없게 되고 그 온도가 발화점(약 350℃) 이상으로 상승하지 않기 때문에 화재의 위험이 전혀 없다.

제2도에는 본 발명의 히터에 적용되는 PTC 세라믹 소자의 각종 형상을 나타낸 것으로 원판 디스크 이외에 사각판형, 사다리꼴 모양, 사각봉형, 원통형 막대, 원형 파이프, 반링형등 각종 히터의 형상에 맞게 제작하면 되고 전극은 상하 양면, 또는 내외면, 좌우 측면등에 형성하면 된다.

제3도, 제3a도는 세라믹 히터의 형상을 나타낸 것으로 파이프형, 파이프형이 여러개 조합된 멀티 파이프형으로 제작할수 있다.

제4a도, 제4b도, 제4c도, 제4d도는 파이프형 히터의 형상조립도, 분해도 및 조립 순서도를 나타낸 것으로 제4c도에서와 같이 스페이서부(2), 절연필름(7), 전극부(3), 발열부(4), 전극부(3), 절연필름(7) 및 스페이서부(2)의 순차적으로 상호 밀착시킨 후 방열부(1)의 파이프 내부에 삽입시킨 상태에서 방열부(1)의 파이프 외주연을 프레스로 압착시킨 내부의 부품을 밀착시킨 구조이다.

상기와 같이 밀착이 완료되면 절연패킹(8)을 넣은 후 절연재료로 밀봉하고 전기리드부(6)를 외부로 인출시켜 플랜지부(13)에 연결하고 실리콘 고무등으로 밀봉하여 완료하는 것이다.

조립 밀봉이 완료되면 연결나사부(14)를 이용하여 물탱크 측면 등에 조립하여 전원을 인가하여 발열체로서의 기능을 수행할 수 있는 것이다.

PTC 소자는 목적에 따라 적정한 크기와 두께등을 선택하면 된다(제2도)

PTC소자는 필요에 따라 상온 저항과 전이 온도등을 변화시켜 발열 온도 또는 표면온도를 선정하면 되고, 예로서 약 60℃에서 약 300℃까지 선정할 수 있고, 수량 역시 사용 할 전기용량등에 따라 정하면 된다.

한편 전기리드선부(6)은 전극부(3)에 연결하고, 뽑아낸 리드선을 방열부(1)인 히터 하우징 케이스의 바깥까지 끌어 낸 후, 절연패킹(8)과 볼트(9) 및 고무패킹(10)으로 고정시켜 액중에서도 액체가 안쪽으로 들어가지 못하도록 하였다.

또한 상기 구조는 필요시 히터의 분해가 수시로 간단하게 가능하다는 장점을 가지고 있다.

본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명인 세라믹 히터는, 리드선부(6)에 임의의 직류 또는 교류의 전압을 걸어 주면, 정온 발열체인 발열부(PTC 소자)(4)에 통전되어 소자가 발열하면서 온도가 올라가다가 소자의 온도가 각 소자가 지닌 전이온도 이상(예; 약 120℃에서 약 300℃의 사이)이 되면, 발열부(4)의 저항이 기하급수적으로 갑자기 증가함에 따라 전기가 흐르지 않게 됨과 동시에 발열부(4)의 PTC 소자는 식기 시작하고, 소자의 온도가 계속 식다가 전이온도 이하까지 식게 되면 증가했던 저항이 다시 낮아져 다시 전기가 흐르게 되면서 PTC 소자가 다시 발열하여 온도가 올라가는 스스로의 스윗칭 현상을 계속 반복하는, 즉 PTC 소자 자체가 일정온도 영역을 자동적으로 유지하는 인공지능형 발열체를 내장하게 된다.

본 발명인 세라믹 히터는 인공 지능형인 PTC 소자의 발열 현상을 이용한 것으로 PTC 소자의 바깥쪽에 얇은 절연 필름(7)을 끼웠지만 열전도는 충분히 가능하므로 절연 필름을 통한 열은 다시 금속 스페이서부(2)를 통해 방열부(1)인 봉입 하우징된 케이스의 표면에 까지 전달되어 방열된다.

즉 수중히터는 하우징된 케이스의 표면으로부터 방열된 열로 인해 액체를 가열시킨다. 가열속도나 가열 용량은 발열체 소자의 물성 및 수량에 의해서도 조절할 수 있다.

가열 온도는 용도에 따라 발열체 소자의 표면온도를 맞추어 준다.

예를 들면 물을 끓이지 않고 약 80℃로 보온만 하고 싶다면 표면온도를 100℃ 이하의 온도를 갖는 발열체를 사용하면 된다.

하우징 또는 방열 파이프의 재질은 수중에서 부식이 없는 금속을 사용하기 때문에 액체에 의한 부식이 없고 열전도율도 양호하다.

상기와 같은 본 발명의 실시예는 다음에 예시되어 있다.

[실시예]

정온발열체 발열부(PTC 소자)(4)를 8개 내장한 본 세라믹 히터를 약 500W의 전기를 사용하여 물 800 CC 를 가열했을 때의 시간에 따른 수온변화를 나타낸다(제5도)

그 결과 약 8분 후에 물의 비등점인 100℃ 까지 도달하여 단시간내에 물을 끓일 수 있었고 이는 종래의 니크롬선 시즈 히터 이상의 결과였다.

그러므로 본 발명은 먼저 지금까지 가장 많이 사용되어 온 니크롬선 시즈 히터를 아무런 수정 보완 없이 그대로 바로 교체 사용 가능하고 정온 발열체 PTC 세라믹 소자를 사용함으로서 소자 자체가 일정온도 영역을 자동적으로 유지하는 인공지능형 히터를 제공할 수 있으며 전체의 히터 구성시 별도의 온도제어를 위한 장치 등을 생략할 수 있어 소형 경량화가 가능하고, 발열체가 처음부터 산화물이기 때문에, 니크롬선과 같이 산화에 의한 선경/폭이 좁아져 발열체의 저항이 변하게 되는 현상이 없어 저항 변화가 거의 없고 재현성이 좋아 정밀 제어가 가능하다.

또한 본 히터의 전원은 직류/교류 및 110V/220V 를 구별하지 않고 어느쪽도 다 사용 가능하므로 이를 위한 별도 부품이 생략되는 것도 큰 장점 중의 하나다.

아울러 발열체의 발열온도는 약 100℃에서 300℃의 사이로서 발화점 이하의 온도만 유지하기 때문에 히터의 적열 현상이 있을 수 없으며 화재의 위험도 전혀 없어 안정성이 매우 높다.

더불어 회로상에서 on/off을 위한 스윗칭의 접점이 전혀 없기 때문에 접점에 의한 접점불량 및 스파크 현상등이 있을 수 없으며 24시간 계속 연속으로 무인가동하는데에 가장 최적의 히터라고 할 수 있다.

본 히터는 사용할 본체에 볼트로 간단하게 탈착이 가능하고 각 부품으로 구성되어 있어 조립 및 제작이 매우 용이한 것이다.

Claims (1)

1. 정온 발열체 PTC 써미스터 소자를 이용한 수중 히터에 있어서,

   방열부(1), 스페서부(2), 절연부(5), 전극부(3), 발열부(4) 및 전기리드선부(6), 플랜지부(13)로 구성되는데 절연부(5) 사이에 발열부(4)를 삽입 설치하고 발열부(4)의 상·하부에 전극부(3)를 설치하고 순차적으로 절연필름(7)을 조립시키고 그 외부에 방열부(1)로 하우징을 형성하고 플랜지부(13) 내부로 각각의 전극부(3)에서 전기리드선(6)을 연장시키고 절연패킹(8)과 실리콘 고무 등으로 밀봉시키는 것을 특징으로 하는 세라믹 수중히터

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