KR100817737B1 - 전기 저항 점화기에의 전압을 조정하는 시스템들 - Google Patents

Abstract

전기 저항 점화기를 활성화는 시스템 및 방법들이 개시된다. 시스템들 및 방법들은 시스템에의 선 전압을 결정하고, 초기 및 일정 시간 기간동안 제1 전압이 인가되고 이후에 점화기의 동작전압인 제2 전압이 인가되게 전기 저항 점화기들에 인가되는 전압을 제어한다. 시스템들 및 방법들은 점화기들에 과전압 손상을 방지하기 위해 점화기들에 전달되는 출력 전압을 조절하면서 가스를 점화하기에 충분한 온도로 전기 저항 점화기를 가열하는데 필요한 시간량을 감소시킨다.

점화기, 활성화, 선 전압, 출력 전압, 트라이액

Description

전기 저항 점화기에의 전압을 조정하는 시스템들{Systems for regulating voltage to an electrical resistance igniter}

본 발명은 연료 버너 점화기용의 제어 시스템들에 관한 것으로, 특히 연료 버너용의 전기 저항형 점화기들을 위한 제어 시스템들 및 이들에의 전압을 제어하는 방법들에 관한 것이다.

가연성 물질, 이를테면 가연성 탄화수소(예를 들면, 프로판, 천연가스, 석유)가 공기(즉, 산소)와 혼합하여 연속적인 열 에너지원을 제공하도록 전기기구 혹은 가열 디바이스 내에서 연속적으로 연소되는 이를테면 보일러들 및 노(furnace)와 같은, 쿠킹 레인지 및 세탁물 건조기들 및 가열 디바이스와 같은 많은 전기기구들이 있다. 이러한 연속 열 에너지원은 예를 들면 음식을 만들고, 유동 온수원을 공급하기 위해 물을 가열하고, 집과 같은 건조물에 열을 공급하기 위해 공기 혹은 물을 가열하는데 사용된다.

이러한 연료와 공기 혼합물(즉, 연료/공기 혼합물)은 함께 혼합되었을 때 자발적으로 점화하지 않기 때문에, 연소 과정을 일으키고 자발적 연소 과정을 일어날 때까지 계속 동작시키는 점화원이 제공되어야 한다. 얼마 전까지도, 점화원은 가열 디바이스 혹은 전기기구가 동작하고 있지 않은 중이라도 매우 소량의 가연성 물 질 및 공기가 혼합되어 연속적으로 연소되는 일반적으로 점화용 라이트(pilot light)라 지칭되는 것이었다. 몇가지 이유로, 점화원으로서의 점화용 라이트는 사용되지 않았고 그 대신 점화기가 사용되었다.

점화기는 필요한 즉시 연료/공기 혼합물을 점화하는데 필요한 조건들을 만들어내는 디바이스이며, 이를테면 압전기 점화기들과 같은 스파크형 점화기들 및 탄화규소 핫 표면 점화기들(silicon carbide hot surface igniters)과 같은 핫 표면형 점화기들을 포함한다. 가스를 점화시키는 전기 스파크를 내는 스파크형 점화기들은 이점이 있게 매우 빠른 점화, 즉 수 초 이내에 점화를 제공한다. 그러나, 스파크형 점화기들에 있어서의 문제들은 무엇보다도 스파크에 의해 나오는 전자적 및 물리적 잡음을 포함한다는 것이다.

탄화규소 핫 표면 점화기와 같은 핫 표면 점화기들에 있어서, 가열 선단(heating tip) 혹은 요소는 연료/공기 혼합물의 점화에 필요한 온도까지 전기에 의해 저항성으로 가열되고, 이에 따라 연료/공기 혼합물이 점화기 가까이로 흐르게 될 때 점화된다. 이 과정은 가열장치/전기기구의 특정한 동작 요건을 충족시키는데 필요로 될 때 반복된다. 핫 표면형 점화기들은 스파크형 점화기들에 비해 무시해도 좋은 잡음을 내는 점에서 잇점이 있다. 그러나, 핫 표면형 점화기들은 가스를 점화할 온도까지 충분히 저항 점화기를 저항성 가열하기 위해 상당한 점화/워밍업 시간을 필요로 할 수 있다. 어떤 응용에서, 이러한 워밍업 시간은 약 15 내지 약 45 초로 다양할 수 있다.

최근에, 신속하게, 즉 수 초 내에 가스를 점화시킬 수 있는, 강건한 저잡음 점화기를 개발하려는 노력이 행해졌다. USP 4,925,386에서 전기 저항형 점화기들, 특히 질화규소 절연체에 내장한 텅스텐 히터 요소들을 위한 제어 시스템을 볼 수 있다. 질화규소 점화기들의 온도 동작범위가 비교적 좁기 때문에 이러한 제어 시스템이 필요하다. 실제로, 질화규소 점화기들의 동작범위는 가스를 점화시킬 가장 낮은 온도 내지, 점화기가 고장나는 즉 텅스텐 히터 요소가 손상되는 온도 이내로 유지되어야 한다.

시간이 지남에 따라, 이러한 협범위의 동작 온도는 "에이징(aging)"이라고 하는 과정에 기인하여 더욱 좁아진다. 텅스텐 히터 요소들은 비교적 높은 온도로 반복해서 가열되기 때문에, 텅스텐 필라멘트들은 산화 혹은 "에이징"된다. 에이징은 단면적 변화, 즉 텅스텐 필라멘트의 단면적 감소로서 나타난다. 결국, 허용 동작 온도는 꾸준히 감소하고 더욱 에이징됨에 따라 계속하여 감소해간다. 전술한 제어 시스템은 점화기가 신속하게 가열될 수 있고 최대 동작 온도 미만의 적합한 점화온도 및 이에 가깝게 유지될 수 있도록 고체상태 스위칭 수단을 제어 및 조정하는 학습 루틴 및 마이크로프로세서를 포함한다. 또한, 전술한 학습 루틴은 점화기에의 손상을 방지하기 위해 최대 허용 온도를 연속적으로 감시하면서, 빠른 점화를 제공하기 위해 가스를 점화하는데 필요한 온도 바로 위의 점화기의 온도를 유지한다.

이와 유사하게, USP 5,725,368에서, 대략 2초 이내로 점화를 할 수 있다고 하는, 질화규소 점화기의 활성화를 제어하는 정교한 제어 시스템을 볼 수 있다. 전술의 제어 시스템은 점화기와 직렬 결합의 트라이액과 조합된 마이크로컴퓨터 및 학습 루틴을 포함한다. 마이크로컴퓨터는 점화기를 활성화하는데 사용될 수 있는 전압 및 점화기의 저항의 함수로서 점화기에 인가할 전력 레벨을 결정한다. 트라이액은 시간 종속의 전력을 불규칙한 점화 시퀀스를 사용하여 점화기에 전달한다.

그러나, 이들 두 제어 시스템들엔 몇가지 단점들이 있다. 먼저, 이들은 "에이징"을 겪는 구체적인 점화기 유형에 속한다. 결국, 시스템들은 학습 루틴을 가능케 하는 하드웨어 및 소프트웨어를 필요로 한다. 이들은 또한 점화기의 온도를 최소 점화 온도, 예를 들면 약 1200℃ 약간 위의 온도로 지속적으로 유지한다. 이에 따라, 현저한 에이징이 되지 않고, 약 1200℃로 지속적으로 점화기를 유지할 필요가 없는 유형의 핫 표면형 점화기를 활성화하는 강건한 제어 시스템을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명은 핫 표면형 점화기용 제어 시스템으로서, 이 제어 시스템은 측정된 선 전압의 함수로서 핫 표면형 점화기에 풀 라인 전압을 인가할 시기를 정하고, 전기 저항 점화기에 인가되는 전압을 또 다른 전압 레벨로 조절(regulate)하기 위해서, 시스템에의 선 전압을 연속적으로 감시하도록 구성 및 배열되는 제어 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 한다. 제어 시스템은 제어 디바이스로부터의 신호들에 따라 전기 저항 점화기에 인가되는 전압을 선택적으로 제어하는 스위칭 디바이스를 또한 포함한다. 더욱 특정한 실시예에서, 또 다른 전압레벨은 전기 저항 점화기의 공칭 동작전압이다.

더욱 특정한 실시예들에서, 제어 디바이스는 마이크로프로세서를 포함하고 상기 스위칭 디바이스는 사이리스터 혹은 보다 특정하게는 트라이액을 포함한다. 마이크로프로세서는 중앙 처리유닛(CPU), 하나 이상의 메모리들, 및 CPU에서 실행하기 위한 응용 프로그램을 포함하는, 이 기술에 숙련된 자들에게 공지된 다수의 마이크로프로세서 중 하나이다. 보다 특정한 실시예에서, 하나 이상의 메모리들은 두 개의 메모리들로서, CPU에 의해 액세스되는 메모리 및, 이를테면 "풀-온" 시간 기간을 정하고 조정하기 위한 참조 테이블들 및 선 전압에 기초하여 연속한 전압을 전기 저항 점화기에 전달하는 듀티 사이클을 정하기 위한 참조 테이블들과 같은 정보를 저장하기 위한 제2 비휘발성 유형의 메모리를 포함한다. 다른 실시예들에서, CPU 및 하나 이상의 메모리들은 단일 칩 상에 배치된다.

사이리스터 혹은 트라이액은 제어 디바이스에 의해 선택적으로 제어되고 전기 저항 점화기에 인가되는 전압을 선택적으로 제어하기 위해서 제어 디바이스 및 전기 저항 점화기에 동작가능하게 결합된다. 특정의 실시예들에서, 사이리스터 혹은 트라이액은 풀 라인 전압이 소정의 시간 기간동안 인가되고 이후에 제어 디바이스가 또 다른 전압 레벨에 대응하는 전압이 인가되게 사이리스터 혹은 트라이액을 제어하도록 제어 디바이스에 의해 제어된다. 더욱 특정한 실시예에서, 제어 디바이스는 AC 선 전압을 반파 사이클 증분들로 듀티 사이클로 함으로써 사이리스터를 제어한다. 보다 특정한 실시예에서, 제어 디바이스는 선 전압을 감시하여, 꽤 일정한 전압이 전기 저항 점화기에 인가되게 인가되는 전압을 조절한다.

본 발명의 또 다른 면에 따라서, 하나 이상의 전기 저항 점화기들의 활성화를 제어하는 방법에 특징이 있다. 이 방법은 선 전압을 결정하고, 풀 라인 전압을 풀-온 시간 기간동안 전기 저항 점화기에 인가하고, "풀-온" 시간 기간 만료 후에 전기 저항 점화기에의 전압을 조절하는 것을 포함한다. 특정의 실시예에서, "풀-온" 시간 기간은 시스템이 하나 이상의 전기 저항 점화기들을 활성화할 때 시스템에의 선 전압에 기초하여 결정된다. 또한, 상기 조절단계는 공칭 동작전압이 전기 저항 점화기에 인가되도록 전압을 조절하는 것을 포함한다. 더욱 특정한 실시예들에서, 상기 조절단계는 반파 증분들로 AC 선 전압을 듀티 사이클로 하는 것을 포함한다.

본 발명의 제어 시스템 및 방법은 쉽게 현저한 에이징이 되지 않는 유형의 하나 이상의 핫 표면 점화기들을 활성화하는 강건한 제어 시스템 및 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 제어 시스템 및 방법은 대략 점화 온도(예를 들면, 1200℃)로 점화기를 유지하는 것이 아니라, 소정의 시간 기간동안 풀 라인 전압을 사용하여 하나 이상의 핫 표면 점화기들을 저항성으로 가열하고 그 후에 또 다른 전압레벨의 전압, 즉 점화기의 공칭 동작 전압이 인가되게 입력 선 전압을 조절하는 제어 시스템 및 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 점화기 제어 시스템을 포함하는 가열장치, 디바이스 혹은 전기기구인 것을 또한 특징으로 한다. 이러한 가열장치, 디바이스 혹은 전기기구는 점화기 부근에 연소 가스를 제어 및 공급하는 기구들을 또한 포함한다.

본 발명의 다른 면들 및 실시예들을 이하 기술한다.

본 발명의 특징 및 원하는 목적들을 충분히 이해하기 위해서 동일 구성요소에 동일 참조부호를 사용한 첨부한 도면에 따라 취한 다음의 상세한 설명을 참조한다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템의 점화기 제어 시스템의 실시예의 개략도.

도 2는 본 발명에 따라 점화기를 활성화하는 방법의 일 실시예의 흐름도.

도 3은 본 발명에 따른 점화기 및 점화기 제어 시스템을 구비한 전기기구 혹은 가열장치의 간이화한 개략도.

동일 구성 요소에 동일 참조 부호를 사용한 도면에서, 도 1은 전기 표면 점화기(20) 및 전기 전원(4)에 전기적으로 접속된 본 발명에 따른 점화기 제어 시스템(10)의 실시예의 개략도이다. 전기 표면 점화기(20)는 이 기술에 숙련된 자들에게 공지된, 다수의 저항 핫 표면 점화기들, 특히 세라믹형 전기 표면 점화기들 중 어느 하나이다.

특정의 실시예에서, 점화기(20)는 St. Gobain Industrial Ceramics Norton Igniter Products에서 제작한 Norton Mini IGNITER(등록상표)와 같은 세라믹/금속간 핫 표면 점화기이다.

이러한 점화 디바이스는 통상적으로, 기부(base)의 단부로부터 고정되어 외향 확장한 가열요소를 포함한다. 이것은 본 발명이 다른 유형들의 핫 표면 점화기들만이 아니라 다른 유형들의 점화 디바이스들 혹은 점화기들, 이를테면 Norton CRYSTAR Igniters(등록상표)에 사용될 수 있으므로 그에 한정되는 것은 아니다. 특정이 실시예들에서, 전기 표면 점화기(20)는 공칭 동작 전압으로 18, 60, 70, 80, 혹은 150 volt (V) AC을 갖는 전기 저항 점화기이지만, 본 발명은 이들 공칭 동작 전압들로 특정하게 한정되는 것은 아님을 알 것이다.

저항 핫 표면 점화기(20) 및 제어 시스템(10)용의 전원(4)은 제어 시스템의 각종의 기능들의 동작만이 아니라 가연성 혼합물의 점화에 필요한 온도로 점화기의 가열요소를 가열하는데 충분한 용량을 갖고 있다. 전기 전원(4)은 이 기술에 숙련된 자들에게 다수의 공지의 전기 전원들 중 어느 하나이다. 본 실시예에서, 전기 전원(4)은 가열 디바이스(100)(도 3)가 놓인 빌딩 혹은 건조물의 전기 배선이고, 이 전기 배선은 휴즈 박스 혹은 동등물을 통해 전기설비의 전기 분배 시스템에 상호접속된다. 여기 나타낸 바와 같이, 이러한 전기 분배 시스템의 동작 전압은 나라에 따라서 혹은 전력을 생산하는 지역에 따라서만이 아니라 일 범위의 전압들에 걸쳐 변동할 수 있다.

본 발명의 일 면에 따른 제어 시스템(10)은 활성화를 포함하여, 전기 표면 점화기(20)의 동작을 제어하도록 구성 및 배열된다. 본 발명에 따른 제어 시스템(10)은 사이리스터(12), 제로 크로스 회로(14), 파워 서플라이(16), 선 전압 측정 디바이스(18) 및 마이크로제어기(30)를 포함한다.

제로 크로스 회로(4)는 전원으로부터의 선 전압을 감시하기 위해 전원(4)에 전기적으로 결합되고, 마이크로제어기(40)에 동작가능하게 결합된다. 제로 크로스 회로(14)는 AC 선 전압이 시간축을 지나는, 즉 제로 전압을 통과하는 시간를 검출 혹은 결정할 수 있도록 구성 및 배열된, 이 기술에 숙련된 자들에게 공지의 많은 회로들 중 하나이다. 제로 크로스 회로(14)는 또한 AC 선 전압이 제로 전압을 통과할 때 마이크로제어기(30)에 출력신호를 제공하도록 구성 및 배열된다. 본 실시 예에서, 출력신호들은 디지털 신호들이다.

파워 서플라이(16)는 전원(4) 및 마이크로제어기(30)에 전기적으로 결합된다. 파워 서플라이(16)는 마이크로제어기(30)의 동작에 필요한 적합한 전압 및 전류를 제공하도록 구성 및 배열된, 이 기술에 숙련된 자들에게 공지의 다수의 전원들 중 하나이다. 본 실시예에서, 파워 서플라이(16)는 선 전압을 마이크로제어기(30)의 동작 전압으로 내리는 직렬 연결의 캐패시터 및 제너 다이오드를 포함한다.

선 전압 측정 디바이스(18)는 전원(4)에 전기적으로 결합되고 마이크로제어기(30)에 동작가능하게 결합된다. 선 전압 측정 디바이스(18)는 전원(4)으로부터의 선 전압을 감시 및 결정하여 결정된 선 전압을 나타내는 출력 신호들을 제공하도록 구성 및 배열된, 이 기술에 숙련된 자들에게 공지된 다수의 선 전압 측정 회로들 중 하나를 포함한다.

특히, 이러한 회로들은 선 전압을 신속히 결정하여 이러한 출력 신호들을 마이크로제어기(30)에 제공할 수 있도록 구성 및 배열된다. 특정의 실시예에서, 선 전압 측정 디바이스(18)는 통상의 저항기 분할기 필터 회로를 포함한다. 본 실시예에서, 출력 신호들은 아날로그 신호들이지만, 회로는 디지털 출력 신호들을 제공하도록 구성될 수 있다.

마이크로제어기(30)는 처리 유닛(32), 랜덤 액세스 메모리(34), 비휘발성 메모리(36) 및 처리 유닛에서 실행을 위한 응용 프로그램을 포함한다. 애플리케이션 프로그램은 선 전압 측정 디바이스(18) 및 제로 크로스 회로(14)로부터 마이크로제어기(30)에 입력되는 각종의 신호들을 수신 및 처리하고 출력 제어신호들을 사이리스터(12)에 제공함으로써 핫 표면 점화기(20)의 활성화를 제어하는 명령들 및 기준들을 포함한다. 명령들 및 기준을 포함하는 응용 프로그램을 도 2-3에 관련하여 이하 설명한다.

처리 유닛(32)은 여기 기술된 기능들을 수행하고 의도된 환경에서 동작하는, 이 기술에 숙련된 자들에게 공지된 다수의 마이크로프로세서들 중 하나이다. 본 실시예에서, 처리 유닛(32)은 삼성의 S3C9444 혹은 Microchip 12C671이다. 랜덤 액세스 메모리(RAM)(34) 및 비휘발성 메모리(36)는 이 기술에 숙련된 자들에게 공지된 다수의 이러한 메모리 장치들, 메모리 칩들 등 중 어느 것이다. 비휘발성 메모리(36)는 특히, 플래시 혹은 스핀들형의 메모리를 포함할 수 있다. 특정의 예시된 실시예들에서, 비휘발성 메모리(36)는 비휘발성 랜덤 액세스 메모리(NVRAM), EPROM과 같은 독출 전용 메모리(ROM)을 포함한다.

특정의 실시예에서, 처리 유닛(32), RAM(34) 및 비휘발성 메모리(36)는 단일 집적 칩 상에 같이 놓여지도록 배치/배열된다. 이것은 이들 구성 성분들이 이 기술에 숙련된 자들에게 공지된 많은 방법들 중 하나로 구성 및 배열될 수 있으므로 특정하게 한정하는 것은 아니다.

사이리스터(12)는 순방향 및 역방향의 전류를 차단하는 정류기이다. 특정의 실시예에서, 사이리스터(12)는 마이크로제어기(30)로부터 게이트 펄스를 수신할 때까지 어느 방향의 전류든 차단하는, 이 기술에 숙련된 자들에게 공지된 트라이액이다.

게이트 펄스 수신시, 전류를 트라이액을 통해 흐른다. 사이리스터(12) 혹은 트라이액은 전원으로부터 핫 표면 점화기를 통하는 전류의 흐름을 제어하기 위해 전원(4) 및 핫 표면 점화기(20)에 전기적으로 결합된다. 이에 따라서, 사이리스터(12) 혹은 트라이액이 전류 흐름을 차단하고 있는 경우, 핫 표면 점화기(20)는 비활성화된다. 사이리스터(12) 혹은 트라이액이 게이트 펄스를 수신한 경우, 전류는 핫 표면 점화기(20)를 통해 흘러 점화기를 활성화함으로써 가열된다.

점화기 제어 시스템(10)의 동작은 도 2를 참조로 다음의 설명으로 이해될 수 있다. 도 1을 참조하여 전술한 특징들 및 기능들은 이하 다루지 않는다. 전술한 바와 같이, 다음은 마이크로제어기(30)의 프로세서(32)로 실행되는 응용 프로그램의 명령들 및 기준뿐만 아니라 기능들을 또한 기술한다.

도 3에 관련하여 보다 특정하게 이하 기술되는 바와 같이, 점화기 제어 시스템(10)은 열 에너지가 전기기구 혹은 가열 디바이스(100)(도 3)에 의해 나오지 않는 시간들 동안 핫 표면 점화기(20)가 비활성화되게 동작된다. 따라서, 이러한 열을 내지 않은 시간들 동안 점화기 제어 시스템(10)은, 단계 202에서, 유휴 상태에 있게 된다.

보다 특정의 실시예에서, 점화기 제어 시스템(10)은 유휴 상태에 있을 때 전원이 넣어지도록 구성 및 배열된다. 열 에너지가 전기 기구 혹은 가열 디바이스(100)에 의해 나오게 될 때, 입력신호가 점화기 제어 시스템(10)의 마이크로제어기(30)에 제공되고, 이러한 신호는, 단계 204에서, 가열 디바이스의 하나 이상의 핫 표면 점화기들(20)을 활성화하는 신호에 해당된다. 택일적으로, 점화 제어 시스템(10)이 유휴 상태로 전력 공급이 낮아진 경우, 이러한 신호는 제어 시스템에 전력을 복구함으로써 나타나게 할 수 있다.

이러한 신호의 수신에 이어, 마이크로제어기(30)는 전원(4)으로부터 전류가 하나 이상의 핫 표면 점화기들(20)을 통해 흐르도록 사이리스터를 점화하게 트라이액 혹은 사이리스터(12)에 신호(예를 들면, 게이트 펄스)를 출력한다. 특히, 마이크로제어기(30)는, 단계 206에서, 이러한 전류가 연속적으로 흐름으로써 "풀-온(full-on)" 전압이 핫 표면 점화기(들)(20)에 공급되게 트라이액 혹은 사이리스트(120)를 제어한다. 통상적으로 이것은 핫 표면 점화기(들)(20)에 나타나는 전압이 점화기(들)용의 공칭 동작전압 이상인 "과전압" 상태가 되게 한다. 결국, 핫 표면 점화기(들)(20)는 주어진 온도로 보다 빠르게 가열하고 점화기(들)에 보다 많은 열 에너지를 내게 할 것이다.

전술한 바와 같이, 선 전압 측정 디바이스(18)는 전원(4)의 선 전압을 감시하여, 선 전압을 나타내는 출력신호들을 마이크로제어기에 제공한다. 이러한 활성화시키는 신호를 수신한 후에, 마이크로제어기(30)는, 단계 220에서, 선 전압 측정 디바이스(18)로부터의 출력 신호들을 처리하여 선 전압의 진폭을 결정한다. 명시된 선 전압이 220VAC인 미국에서, 공칭 선 전압은 통상적으로, 약 208VAC 내지 240VAC의 범위이다. 명시된 선 전압이 230VAC인 유럽 및 세계의 다른 곳들에서, 공칭 선 전압은 통상적으로 약 220VAC 내지 약 240VAC의 범위이다. 따라서, 선 전압 편차는 보편적으로, 어느 곳이든 약 176VAC 내지 약 264VAC의 범위일 수 있다. 미국에서는 다른 공칭 선 전압들이 있는 경우가 있다. 어떤 경우에 선 전압은 102VAC 내지 132VAC 범위인 110VAC이고, 또 다른 경우에 공칭 선 전압은 20VAC 내지 26VAC인 24VAC이다.

마이크로제어기(30)는, 단계 222에서, "풀-라인(full-line)" 전압이 핫 표면 점화기(들)(20)에 인가 혹은 전달되는 시간 기간을 결정하기 위해서, 결정된 혹은 특정된 선 전압을 평가한다. 이 시간 기간을 이하 "풀-온" 시간 기간이라 칭한다. 특히, 프로세서(32)는 결정된 선 전압에 적합한 "풀-온" 시간 기간을 결정하기 위해서, 결정된 선 전압과 참조 테이블(look-up table)을 비교한다. 특정의 실시예에서, 참조 테이블은 비휘발성 메모리(36)에 저장되어 있다. 본 실시예에서, "풀-온" 시간 기간을 결정하는 프로세스는 점화기를 활성화하는 신호가 마이크로제어기(30)에 의해 수신된 후 약 1초 이내에서 완료된다.

결국, 프로세서(32)는 매번 측정되는 선 전압에 기초하여 마이크로제어기(30)가 핫 표면 점화기(들)(20)를 활성화하는 입력 신호를 수신할 때마다 "풀-온" 시간 기간을 조정한다. 즉, "풀-온 전압이 핫 표면 점화기(들)(20)에 인가 혹은 전달될 시간은 점화기(들)가 활성화할 때마다 측정되는 전압에 따라 달라질 것이다. 예를 들면, 측정된 전압이 소정의 전압 범위의 하한에 있다면, "풀-온" 시간 기간은 보다 긴 시간 기간동안 "풀-온" 전압을 인가함으로써 이를 보상하도록 조정될 것이다. 유사하게, 측정된 전압이 소정의 전압 범위의 상한에 있다면, "풀-온" 시간 기간은 하한 선 전압보다 비교적 짧은 시간 기간동안 "풀-온" 전압을 인가함으로써 이를 보상하도록 조정될 것이다.

"풀-온" 시간 기간을 결정한 후에, 프로세서(32)는, 단계 208에서, 이 시간이 만료되었는지를 연속적으로 결정한다. 시간 기간이 만료되지 않은 것으로 결정되면(단계 208에서, NO), 마이크로제어기(30), 특히 프로세서(32)는, 단계 206에서, "풀-온" 전압이 연속해서 핫 표면 점화기(들)(20)에 인가 혹은 전달되도록 트라이액 혹은 사이리스터를 제어한다. 시간 기간이 만료된 것으로 결정되면(단계224, YES), 프로세서(32)는, 단계 210에서, 트라이액 혹은 사이리스터에 인가되는 전압을 조절(regulate)하도록 트라이액 혹은 사이리스터(12)를 제어한다.

"풀-온" 전압 시간이 만료된 후에(단계 208에서, YES), 마이크로프로세서(32)는 점화기에 대한 공칭 동작전압에 관한 전압을 유지하도록 핫 표면 점화기(들)(20)에 인가 혹은 전달되는 전압을 조절하기 위해 트라이액 혹은 사이리스터(12)를 제어한다. 본 실시예에서, 마이크로프로세서(32)는 AC 선 전압을 반파 사이클 증분들로 듀티 사이클로 하게 하여 인가되는 전압을 조절하도록 트라이액 혹은 사이리스터(12)를 제어한다. 특히, 마이크로프로세서(32)는 이들 반파 사이클 증분들로 트라이액 혹은 사이리스터(12)의 동작을 제어하기 위해 제로 크로스 회로(14)로부터의 출력신호들을 이용한다. 특정의 실시예들에서, 마이크로프로세서(32)에 의해 구현되는 조절 방법은 플리커링을 최소화하기 위해 약 5개의 반파 사이클들의 서브-시간 기간들로 더욱 세분되는 약 50개 반파 사이클의 시간 기간의 반파 사이클 증분들로 AC 선 전압을 듀티 사이클하게 함으로써 인가되는 전압을 조절한다.

다음의 예는 150VAC의 공칭 전압이 핫 표면 점화기(들)(20)에 인가되는 경우에 이러한 조절 방법의 적용을 예시한 것이다. 50개 반파 사이클들 중에서 32개가 150VAC 공칭 전압을 유지하기 위해 인가되는 전압을 조절하는데 필요한 것으로 결정된다면, 반파들은 다음과 같이 서브-시간 기간들에 분배된다. 듀티 사이클 내 10개의 서브-시간 기간들 중 8개의 서브-시간 기간들은 3개의 반파 사이클들(8 x 3 = 24)을 가질 것이며 나머지 2개의 서브-시간 기간들은 4개의 반파 사이클들(2 x 4 = 8)을 가질 것이다. 4개의 반파 사이클들을 가진 두 개의 서브-시간 기간들을 제1 및 제2 서브-시간 기간들(SP-1 및 SP-2, 각각)이라고 한다면, 마이크로프로세서(16)는 4개의 반파 사이클들 동안엔 트라이액 혹은 사이리스터(12)를 온 하고 제1 서브-시간 기간(SP-1) 동안 하나의 반파 사이클 동안엔 오프시키고, 또 다른 4개의 반파 사이클들(SP-2) 동안에 온 하고 한 반파 사이클 동안 오프시키고, 3개의 반파 사이클(SP-2) 동안에 온 하고, 등등, 제10 서브-시간 기간(SP-10)까지 계속 함으로써, 핫 표면 점화기(들)(20)에의 출력전압을 조절한다.

특정의 실시예들에서, 비휘발성 메모리(36)는 인가되는 전압이 점화기의 거의 공칭 동작전압 혹은 이 전압에 유지되게, 핫 표면 점화기(20)에 인가되는 전압을 조절하는데 필요한 반파 사이클들의 수에 전원으로부터의 선 전압을 연관시키는 제2 참조 테이블을 더 포함한다. 이 기술에 숙련된 자들은 반파 사이클의 시간 기간, 서브-시간 기간들의 수, 및/또는 서브-시간 기간 당 반파 사이클들의 수는 여기 기술된 것에서부터 수정될 수 있고 이러한 수정은 본 발명의 범위 및 정신 내에 있음을 알 수 있다.

다른 실시예들에서, 마이크로제어기(30)는 결정 혹은 측정된 선 전압을 평가하고, 핫 표면 점화기가 꽤 일정한 온도를 유지하도록 핫 표면 점화기(20)에 인가되는 전압이 유지되게 듀티 사이클을 주기적으로 조정한다. 특히, 마이크로프로세서(32)는 새로이 결정 혹은 측정된 선 전압을 제2 참조 테이블과 비교하여, 인가되는 전압이 점화기의 거의 공칭 동작 전압 혹은 이 전압에 유지되게 핫 표면 점화기(20)에 인가되는 전압을 조절하는데 필요한 반파 사이클들의 수를 결정한다.

마이크로프로세서(32)는, 단계 212에서, 핫 표면 점화기(20)의 활성화 사이클이 완료 혹은 행해졌는지를 연속적으로 결정한다. 통상, 마이크로프로세서(32)는 가열 프로세스가 종료되어야 할 것을 나타내는, 혹은 점화원이 더 이상 필요하지 않게 가열 디바이스 내에 안정된 연소 프로세스가 수립되었음을 나타내는 입력신호를 외부 센서 혹은 스위치로부터 수신한다. 활성화 사이클이 완료된 것으로 결정되면(단계 212에서 YES), 마이크로프로세서(32)는 트라이액 혹은 사이리스터(12)를 통과하는 전류 흐름을 차단하는 적합한 출력들을 제공하고 시스템을 유휴상태로 제어할 것으로 결정한다(단계 202). 활성화 사이클이 완료되지 않은 것으로 결정되면(단계 212에서 NO), 마이크로프로세서(32)는 핫 표면 점화기에 인가되는 전압을 계속하여 조절한다(단계 210).

본 발명에 따른 점화기 제어 시스템(10)은 핫 표면 점화기(들)(20)를 보다 신속하게 가열되게 하고 이에 따라 가열 디바이스 혹은 장치의 점화시간을 단축시키는 제어 시스템을 제공한다. 소정의 시간 기간이 만료된 후에, 이 제어 시스템은 핫 표면 점화기는 꽤 일정한 동작 온도를 유지하고 핫 표면 점화기(들)의 동작 수명이 과도하게 단축되지 않게, 그 후에 인가되는 전압을 감소시키고 조절한다. 다른 실시예들에서, 전압을 조정하는 방법은 선 필터(line filter)를 설치할 필요없게 하여 제조와 같은 연관된 비용만이 아니라 하드웨어 요건을 감소시키게, 최소량의 전기적 방사를 내는 방법을 또한 제공한다.

도 3은 본 발명의 방법 및 디바이스들에 따라 핫 표면 점화기(20) 및 점화기 제어 시스템(10)을 구비한, 전기기구 혹은 가열장치 중 하나를 포함하는, 가열 디바이스(100)의 간이화한 개략도이다. 열 에너지를 내도록 연소될 물질로서 가스상 탄화수소(이를테면 천연가스, 프로판)에, 예시한 가열 디바이스(100)를 사용하는 것으로 하여 기술한다. 이것은 연소에 사용되는 물질들이 가스상 탄화수소로 한정되지 않고 가연성 액상 탄화수소 및 이외, 일단 점화되면 연속해서 연소하는 다른 가스들(예를 들면, 수소) 및 액체들을 포함하므로, 한정하는 것으로서 해석되지는 않을 것이다.

이러한 가열 디바이스는 점화기 디바이스(20), 버너 튜브(104), 디바이스 제어 회로(106), 연료 공급 밸브(108) 및 점화기 제어 시스템(10)을 포함한다. 디바이스 제어 회로(106)는 여기 기술된 바와 같이 열 에너지를 내도록 선택적으로 각각이 동작될 수 있도록 연료 공급 밸브(108) 및 점화기 제어 시스템에 전기적으로 상호접속된다. 연료 공급 밸브(108)는 배관 혹은 튜빙(tubing)을 사용하여 가열 디바이스(100)의 연료로서 가연성 물질원(20)에 유체 상호접속된다. 예시된 실시예에서, 배관 혹은 튜빙은 천연가스 혹은 프로판과 같은 가스상 탄화수소원에 상호접속된다. 연료원은 이 기술에 숙련된 자들에게 공지된 바와 같은 외부 탱크 혹은 지하 천연가스 배관 시스템 중 하나일 수 있다.

제어회로(106)는 가열 디바이스(100)의 적합한 동작을 위해 제어 회로에 적합한 신호들을 제공하는 외부 스위치 디바이스에 전기적으로 상호접속된다. 예를 들면, 가열 디바이스(100)가 빌딩 건조물 혹은 온수 히터를 가열하는 노(furnace)라면, 외부 스위치 디바이스(190)는 이 기술에 숙련된 자들에게 공지된, 빌딩 건조물 내 벌크 혹은 탱크 내 온수 온도를 감지하는 서모스타트이다. 감지된 온도들에 기초하여 서모스타트는 노 혹은 온수를 온, 오프하도록 제어 회로(106)에 신호들을 출력한다. 가열 디바이스(100)가 스토브와 같은 가열 전기기구라면, 외부 스위치 디바이스(190)는 통상, 기계 및/또는 전자식 스위치이다. 스위치는 사용자가 가열 디바이스(100)(예를 들면, 스토브 버너, 오븐)를 온, 오프하고 또한 가열 디바이스에 의해 나타나는 열 에너지량을 조정 혹은 조절할 수 있게 하는 신호들을 제어 디바이스에 출력한다.

사용에 있어서, 제어 회로(106)는 가열 디바이스(100)(예를 들면, 스토브 버너, 오븐, 온수 히터, 노, 등)의 턴 온을 요구하는 신호를 외부 스위치 디바이스(190)로부터 수신한다. 이러한 신호에 응하여, 제어 회로(106)는 핫 표면 점화기(20)를 활성화시키기 위해 점화기 제어 시스템(10)에 신호를 제공하고, 그럼으로써 연료/공기 혼합물이 점화되게 하기 위한 원하는 온도들로 가열 요소를 가열하기 위해 점화기(20)의 가열요소에 전기가 흐르게 한다. 점화기를 활성화 및 가열하는 이들 프로세스들은 도 2에 관련하여 전술한 바와 같다. 점화기 가열요소가 원하는 온도에 가열된 후에, 제어회로(106)는 연료 공급 밸브(108)를 작동시켜 버너 튜브(104)가 점화기 가열요소에 흐르게 한다. 이 기술에 공지된 바와 같이, 공기는 점화기 가열요소에 제공되는 연료에 혼합됨으로써 가연성 혼합물이 만들어지고 점화기 가열요소에 의해 점화된다. 이 점화된 연료/공기 혼합물은 사용가능한 열 에너지가 추출되어 가열 디바이스(예를 들면, 음식 혹은 물을 가열하는)의 의도된 목적에 사용될 수 있게 연소 영역(114)으로 보내진다. 단일의 버너 튜브(104)가 도시되어 있지만, 이 기술에 숙련된 자들에게 공지된 바와 같이, 가열 디바이스(100)는 원하는 열 출력을 발생하도록 복수의 혹은 더 많은 버너 튜브들로, 또한 하나 이상의 연료 공급 밸브들(108)로 구성될 수 있다. 그러나, 통상적으로, 복수의 혹은 다수의 혹은 그 이상의 버너 튜브들 중 하나가 핫 표면 점화기(20)에 배열된다.

센서(112)는 통상적으로, 연료/공기 혼합물이 연속적으로 연소되고 있는지 결정하는 데에 사용하기 위해 핫 표면 점화기에 인접하게 놓여진다. 일 실시예에서, 센서(112)는 연료/공기 혼합물이 연소되고 있는 영역의 온도를 감지하는 서모파일형 센서이다. 또 다른 실시예에서, 센서(112)는 플레임 정류 방법 혹은 기술을 구현하도록 구성 및 배열된다. 센서(112)는 센서가, 예를 들면, 기설정된 시간 기간 내에 연로/공기 혼합물의 안전하고 연속적인 점화를 나태는 제어회로에 신호를 출력하지 않는다면, 제어 회로는 연료 공급 밸브(108)를 차단하도록 제어 회로(106)에 상호접속된다. 이 기술에 숙련된 자들에게 공지된 바와 같이, 어떤 응용들에서, 제어 회로(106)는 가열 디바이스(100) 혹은 전기기구에 가열 프로세스를 시작하기 위해 연료/공기 혼합물을 점화시키는 이러한 시도를 1회 혹은 그 이상의 회수로 반복하도록 구성 및 배열될 수 있다. 통상, 핫 표면 점화기(20)에의 전기 전력은 이러한 경우들에선 차단된다.

가열 기능이 완료되었을 때, 제어회로(106)는 가열 디바이스의 턴 오프를 요청하는 신호를 외부 스위치 디바이스(190)로부터 다시 수신한다. 이러한 신호에 응하여, 제어회로(106)는 연료의 흐름을 차단하기 위해 연료 공급 밸브(108)를 닫아, 연소 프로세스를 중지시킨다. 또한, 전술한 바와 같이, 점화기 제어 시스템은 유휴 혹은 대기 상태(도 2에서 단계 202)에 놓이게 되고 적어도 1회의 가열 기능이 완료된다.

본 발명의 다수의 실시예들을 기술하였으나, 이 기술에 통상의 숙련된 자들에게, 본 발명의 다른 실시예들 및 수정들, 조합들, 대치들이 가능하고 이들 전부는 개시된 발명의 범위 및 정신 내에 있음이 명백할 것이다.

Claims (33)

1. 전기 전원으로부터 하나 이상의 전기 저항 점화기들의 활성화를 제어하는 제어 시스템에 있어서, 상기 제어 시스템은:

   상기 전기 전원과 상기 하나 이상의 전기 저항 점화기들 간에 동작가능하게 접속된 스위치;

   상기 스위치에 동작가능하게 결합된 제어 디바이스를 포함하고;

   상기 제어 디바이스는 상기 스위치를 선택적으로 제어하고 그에 의해 상기 하나 이상의 전기 저항 점화기들에의 전압 인가를 제어하도록 구성 및 배치되고;

   상기 제어 디바이스는, 초기에 인가되는 상기 전압이 제1 전압이 되고, 상기 제1 전압이 풀-온(full-on) 시간 기간동안 인가되며, 이후에, 인가되는 평균 전압은 상기 제 1 전압보다 더 낮은 제2 전압이 되고, 상기 제 2 전압은 상기 점화기를 연료 점화 온도보다 더 낮은 온도로 가열하는 공칭 동작 전압이 되도록 구성 및 배열되는, 제어 시스템.
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11. 전기 전원으로부터 하나 이상의 전기 저항 점화기들의 활성화를 제어하는 제어 시스템에 있어서, 상기 제어 시스템은:

    상기 전기 전원과 상기 하나 이상의 전기 저항 점화기들 간에 동작가능하게 접속된 스위치;

    상기 스위치에 동작가능하게 결합된 마이크로프로세서;

    전압 측정 디바이스로서, 상기 전압 측정 디바이스는 상기 전기 전원의 출력 전압을 측정하도록 상기 전기 전원에 동작가능하게 결합되고 상기 측정된 출력 전압의 출력을 상기 마이크로프로세서에 제공하도록 상기 마이크로프로세서에 동작가능하게 결합되는, 상기 전압 측정 디바이스;

    상기 마이크로프로세서에서 실행하기 위한 프로그램으로서, 상기 프로그램은 상기 마이크로프로세서의 동작들 및 기능들과 상기 스위치의 기능성을 제어하기 위한 명령들 및 기준들을 포함하는, 상기 프로그램을 포함하고,

    상기 프로그램은:

    상기 스위치를 제어하고, 그에 의해 상기 하나 이상의 전기 저항 점화기들에의 전압 인가를 제어하고;

    초기에 인가되는 상기 전압이 제1 전압이 되고 상기 제1 전압이 풀-온 시간 기간동안 인가되도록 상기 스위치를 제어하며,

    이후에 인가되는 상기 평균 전압이 상기 제 1 전압보다 더 낮은 제2 전압이 되고, 상기 제 2 전압은 상기 점화기를 연료 점화 온도보다 더 낮은 온도로 가열하는 공칭 동작 전압이 되도록 상기 스위치를 제어하고,

    상기 측정된 출력 전압에 기초하여 상기 풀-온 시간 기간을 결정하기 위한 명령들 및 기준들을 포함하는, 제어 시스템.
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19. 전기 전원으로부터 하나 이상의 전기 저항 점화기들의 활성화를 제어하는 제어 시스템에 있어서, 상기 제어 시스템은:

    상기 전기 전원과 상기 하나 이상의 전기 저항 점화기들 간에 동작가능하게 접속된 트라이액;

    상기 트라이액에 동작가능하게 결합된 마이크로프로세서;

    전압 측정 디바이스로서, 상기 전압 측정 디바이스는 상기 전원의 출력 전압을 측정하기 위해 상기 전기 전원에 동작가능하게 결합되고 상기 측정된 출력 전압의 출력을 상기 마이크로프로세서에 제공하도록 상기 마이크로프로세서에 동작가능하게 결합되는, 상기 전압 측정 디바이스;

    상기 마이크로 프로세서에 동작가능하게 결합되며, 복수의 시간 기간 값들 및 관계된 출력 전압들이 저장되는 저장 디바이스;

    상기 마이크로프로세서에서 실행하기 위한 프로그램으로서, 상기 프로그램은 상기 마이크로프로세서의 동작들 및 기능들과 상기 트라이액의 기능성을 제어하기 위한 명령들 및 기준들을 포함하는, 상기 프로그램을 포함하고,

    상기 프로그램은:

    상기 트라이액을 제어하고, 그에 의해 상기 하나 이상의 전기 저항 점화기들에의 전압 인가를 제어하고;

    초기에 인가되는 상기 전압이 상기 전원으로부터의 풀 라인 전압인 제1 전압이 되고 상기 제1 전압이 풀-온 시간 기간동안 인가되도록 상기 트라이액을 제어하며,

    이후에 인가되는 평균 전압이 상기 하나 이상의 전기 저항 점화기들의 공칭 동작 전압이고, 상기 제 1 전압보다 더 낮고, 상기 점화기를 연료 점화 온도보다 더 낮은 온도로 가열하는 제2 전압이 되도록 상기 트라이액을 제어하고,

    상기 측정된 출력 전압에 기초하여 상기 풀-온 시간 기간을 결정하는 명령들 및 기준을 포함하고,

    상기 결정은 상기 저장된 복수의 시간 기간 값들 중 하나를 상기 측정된 출력 전압에 기초하여 상기 풀-온 시간 기간으로서 선택하는 것을 포함하는, 제어 시스템.
20. 전원의 전기 저항 점화기들의 활성화를 제어하는 방법에 있어서, 상기 제어 방법은:

    상기 전원으로부터의 선 전압을 풀-온 시간 기간동안 상기 전기 저항 점화기에 인가하는 단계; 및

    이후에, 제2 전압을 상기 전기 저항 점화기에 인가하는 단계로서, 상기 제 2 전압은 상기 점화기를 연료 점화 온도보다 더 낮은 온도로 가열하는 공칭 동작 전압인, 상기 인가 단계를 포함하는, 제어 방법.
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29. 제 1 항에 있어서,

    상기 제 1 전압은 상기 하나 이상의 점화기들에 걸린 전압이 상기 하나 이상의 점화기들의 공칭 동작 전압 이상이 되도록 하는 레벨로 인가되는, 제어 시스템.
30. 전기 전원으로부터 하나 이상의 전기 저항 점화기들의 활성화를 제어하는 제어 시스템에 있어서, 상기 제어 시스템은,

    상기 하나 이상의 전기 저항 점화기들에 전압의 인가를 제어하도록 구성되고 배열된 제어 디바이스를 포함하고,

    초기에 인가되는 상기 전압은 제 1 전압이고, 상기 제 1 전압이 풀-온 시간 기간동안 인가되며, 이후에, 인가되는 평균 전압은 상기 제 1 전압보다 더 낮은 제2 전압이고, 상기 제 2 전압은 상기 점화기를 연료 점화 온도보다 더 낮은 온도로 가열하는 공칭 동작 전압이 되는, 제어 시스템.
31. 제 30 항에 있어서,

    상기 제 1 전압은 상기 하나 이상의 점화기들에 걸린 전압이 상기 하나 이상의 점화기들의 공칭 동작 전압 이상이 되도록 하는 레벨로 인가되는, 제어 시스템.
32. 전기 전원으로부터 하나 이상의 전기 저항 점화기들의 활성화를 제어하는 제어 시스템에 있어서, 상기 제어 시스템은,

    상기 하나 이상의 전기 저항 점화기들에 전압의 인가를 제어하도록 구성되고 배열된 제어 디바이스를 포함하고,

    초기에 인가되는 상기 전압은 제 1 전압이고, 상기 제 1 전압이 풀-온 시간 기간동안 인가되며, 이후에, 인가되는 평균 전압은 상기 제 1 전압보다 더 낮은 제2 전압이고, 상기 제 1 전압은 상기 하나 이상의 점화기들에 걸린 전압이 상기 하나 이상의 점화기들의 공칭 동작 전압 이상이 되도록 하는 레벨로 인가되는, 제어 시스템.
33. 제 32 항에 있어서,

    상기 전기 전원과 상기 하나 이상의 전기 저항 점화기들 사이에 스위치가 동작가능하게 접속되고, 상기 제어 디바이스는 상기 스위치에 동작가능하게 연결된, 제어 시스템.

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