KR100893553B1 - 감온성 절연수지를 이용한 온도제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 전열기구의 온도제어장치는, 제1발열체(2), 제1발열체(2)와 평행하게 배치되는 제2 발열체; 상기 제1, 2발열체 사이를 감온성 절연수지로 절연된 발열용 케이블을 포함하는 전기난방기기의 온도제어장치에 있어서, 상기 제1발열체(2)의 일단부와 상기 제2발열체(4)의 일단부를 다이오드로 직렬 접속하고, 상기 제1발열체(2)의 타단부와 상기 제2발열체(4)의 타단부를 통하여 전원이 공급되도록 하되, 상기 제1발열체(2)의 타단부와 상기 제2발열체(4)의 타단부 중 어느 하나는 SCR(Silicon controlled rectifier)을 통하여 교류전원을 공급하는 회로를 포함하도록 구성되며, 상기 다이오드에 순방향 전압이 형성되는 1/2주기 동안에는 상기 교류전원의 반파전류가 상기 제1발열체(2), 상기 다이오드, 상기 제2발열체(4)에 흘러서 상기 제1, 제2 발열체를 발열시키고, 상기 다이오드에 역방향의 전압이 형성되는 다음 1/2주기 동안에는 나머지 반대방향의 반파전류가 상기 감온성 절연수지를 통하여 흐르도록 회로를 구성하여, 상기 감온성 절연수지에 흐르는 전류 변화에 따라 상기 SCR(Silicon controlled rectifier)의 ON-OFF를 제어하여 난방기구의 온도를 제어하는 회로를 포함한 것을 특징으로 하며, 발열체가 전류가 흐르는 동안에는 왕복 전류로 인하여 외부로 방출되는 유해 자기장이 상쇄되어 감소하고, 전류가 흐르지 않는 나머지 1/2주기 동안에는 감온성 절연수지의 임피던스의 변화를 감지하여 정확한 온도제어를 할 수 있는 전열기구의 온도제어장치를 제공한다.

전기난방, 자기장, 온도제어, 감온성 수지. 나이론 써미스터, 발열체, SCR, 반파

Description

감온성 절연수지를 이용한 온도제어장치 {A electric heating controller apparatus using temperature sensing resin}

본 발명은 전기요 장판 등 전열(electric heat)기구에 사용되고 있는 전기 발열체 사이에 감온성 절연수지를 게재하여 발열온도를 제어하고 전기 발열체에 의한 자기장을 감소시킬 수 있는 전열기구의 감온성 절연수지를 이용한 온도제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 보온장판 등 전열기구에 대한 발열선의 온도 제어방식은 다음 2가지 방식이 사용되고 있다.

첫째 실리콘이나 PVC로 피복된 발열선을 사용하되 온도 검출은 발열선의 온도가 올라갈수록 저항치가 낮아지는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 타입의 온도센서를 측정부 별로 별도로 설치하여 온도 제어를 하게 되며 안전장치인 온도 과열 방지장치는 기계식 바이메탈을 사용하는 방식이다.

둘째로는 발열선과 감지선이 사이에 온도 특성이 NTC 타입인 감온성 절연수 지를 게재하여 온도를 제어하는 방식이 있다.

위와 같은 감온성 절연수지는 발열선의 온도가 높아지게 되면 임피던스가 변화하게 되는데, 이때 발열선과 감지선과의 전류변화를 측정하여 싸이리스터에 의해 전원공급을 제어함으로써 온도를 제어할 수 있다.

즉 감온성 절연수지를 이용한 온도제어방식은 별도로 온도 감지센서와 온도과열 방지장치가 불필요하고 감온성 절연수지 자체가 절연체로 활용할 수 있고, 발열선과 감지선이 하나의 케이블 내에 배치할 수 있으므로 비용이 저렴하고 작업성이 좋으며, 모든 부위에 걸쳐서 국부 과열시에 감지능력이 탁월하므로 많이 사용이 되고 있다.

근래에는 발열선에서 발생되는 전자파 중 자기장의 유해성이 알려지면서 유해 자기장을 차단할 수 있는 발열선이 개발이 되고 있는데, 공개특허공보 1999-012089호에 개시된 도 1에는 발열선을 이중구조로 하고 단말부분을 전기적으로 연결한 후, 양 발열선에 전원을 가하게 되면 두 개의 발열선에 흐르는 전류의 방향이 서로 반대가 되므로 자기장이 상쇄되는 방식이 개발되고 있다.

상기와 같이 유해 자기장에 관심을 갖게 되면서 종래의 나일론 감온성 절연수지를 이용한 온도제어방식에서 사용되던 감지선을 발열체와 직렬로 접속하여 자기장을 상쇄시키는 방식도 나타나게 되었다.

또한, 본 발명자 중에서 착안된 특허등록 0309318호에는 알루미늄 박막에 권취되는 차폐선과 발열체에 흐르는 전류방향을 반대로 하여 자기장을 상쇄시키는 방 식이 개시 되어 있다.

이러한 방식의 자기장 차단 발열선은 두 발열선 사이에 절연체로 절연하여 근접하게 배치하거나, 발열선 주위에 PVC 또는 실리콘 피복을 하고 다시 그 위에 다시 발열선을 감아서 자기장을 차단하게 된다.

그러나 위와 같은 방식들은 자기장은 차단할 수 있으나, 별도로 온도제어를 할 수 있는 방식을 더 채용하여야 하는 관계로, 온도센서와 바이메탈을 별도로 사용하여야 하기 때문에 제조비용이 많이 소요되고 제조 공정이 더 늘어나서 제조 소요시간이 많이 소요되는 단점이 있다.

위와 같은 단점을 보완하기 위하여 본 발명자 중에서 개발된 자기장을 차단할 수 있는 발열선 구조에 대한 기술이 10-0871682호에 개시되어 있다(도 2 참조).

도 2에 도시된 기술은 도선을 3중 구조로 하여 중심선인 1차 권선을 발열선으로 사용하고 피복을 나일론 감온성 수지로 절연한 후, 그 위에 2차 권선을 온도 감지선으로 감는다.

그런 다음 감지선 외주연을 PVC피복을 한 후 그 위에 다시 3차 권선을 감아 발열선으로 사용한다. 즉, 1차와 3차를 서로 전기적으로 결합한 구조이다.

위와 같은 구조에서 1차와 3차 권선에 전원을 공급하게 되면 전류가 서로 반대방향으로 흘러서 자기장을 상쇄하게 되며, 2차 권선과 1차 권선 사이에 게재된 감온성 수지의 임피던스의 변화를 측정하여 온도제어를 행하게 된다.

그러나 위와 같은 방법은 별도의 온도감지 센서나 바이메탈을 사용하는 것에 비하여는 개선된 점은 있으나, 도전체가 3중 구조이기 때문에 두께가 굵어지게 되 어, 카펫이나 담요 등 얇은 구조로 된 제품에는 사용하기가 곤란하며, 제조비용 및 제조 소요시간이 여전히 많아지게 되는 단점이 있게 된다.

또한, 실용신안등록 20-0276482의 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이 온도조절부에 트랜스 코어를 설치한 다음, 전원을 트랜스 코어에 감긴 입력코일과 열선 종단 측의 코일을 통하여 흐르게 한 후, 나일론 써미스터(감온성 절연수지)의 임피던스 변화를 양 코일의 흐르는 자속의 차이로 감지하여 온도를 제어하는 방식이 개시되어 있다.

그러나 도 3의 방식은 온도가 국부적으로 변화하여 양 코일의 흐르는 전류의 세기가 달라졌을 때는 감지가 용이하나, 다른 요인에 의해 자속이 변화하거나, 또는 온도가 전체적으로 일정하게 과열되거나 하면 자속의 차이가 온도와 비례하여 감지되지 않는다.

따라서, 정확한 온도 감지가 어렵고 트랜스 코아와 감지 코일 등 부품이 추가되어 장치가 복잡해지는 등의 단점이 있게 된다.

종래의 감온성 절연수지에 의한 온도제어방식은 발열선에서 발생되는 열을 발열선과 분리되어있는 감지선에서 나일론 감온성 수지를 통하여 감지하게 되므로 정확한 온도제어가 가능하게 되지만, 발열선과 감지선을 전기적으로 연결하여 같은 발열체로 사용을 하게 되면, 유해 자기장의 차단은 가능하나 감지선 자체에도 발열 전류가 흐르게 되며, 전류가 감온성 수지 통하여 흐르기보다는 상대적으로 임피던스가 적은 발열선 측으로 흐르게 되므로 나일론 감온성 수지에 흐르는 전류를 감지하여 정확한 온도를 측정하는 것이 어렵게 된다.

위와 동일한 구조로 온도제어도 가능하고 자기장 차단도 가능하게 하기 위해서는 발열되는 주기와 온도를 측정하는 주기를 분리하여야 가능하게 된다.

위와 같은 문제점을 보완하기 위하여 본 발명자는 발열체와 감온성 수지만을 이용한 발열케이블의 구조를 이용하여 온도제어도 가능하고 또한 자기장도 상쇄되는 구조의 제어장치를 착안하게 되었다.

이러한 방식으로는 SCR(Silicon controlled rectifier)을 이용하여 교류의 반 주기마다 발열체를 통전하고 다른 반 주기에는 SCR에 차단신호를 보내 차단된 상태에서 감지선 및 감온성 절연수지에 흐르는 전류를 측정하는 방식을 고려하여 볼 수 있다.

그러한 위와 같은 방식은 실시간 온도 검출은 가능하나, SCR이 오프되는 주기에만 감지선의 신호 측정을 할 수 있도록 하기 위하여는 정확한 오프 기간의 타이밍을 맞추기 위한 회로와 별도의 펄스제네레이터를 구비하여야 하는데, 회로가 복잡하게 되고, 또한, 전열선과 감지선이 서로 연결되어 있는 상태에서는 여전히 전열선으로만 대부분 흐르기 때문에, 감지선이 전열선과 전기적으로 따로 분리되어 감온성 수지에 의해 온도를 제어하는 방식에 비하여 정확도가 떨어지게 된다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상술한 종래의 문제점들을 해결하기 위하여, 두 개의 발열선 사이를 감온성 절연수지로 절연되는 발열케이블에 있어서, 발열주기 동안에는 두 개의 발열선이 자기장이 상쇄되는 방향으로 발열전류가 흐르고, 다음 감지주기 동안에는 두 개의 발열선이 전기적으로 차단된 상태에서 두 개의 발열선 사이에 위치한 감온성 절연수지에 흐르는 전류를 감지하여 온도제어를 할 수 있도록 함으로써, 유해 자기장을 감소시키고 정확한 온도제어를 할 수 있는 감온성 절연수지를 이용한 온도제어장치를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 이루기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 전열기구의 온도제어장치는, 제1발열체, 제1발열체와 평행하게 배치되는 제2 발열체 및 상기 제1, 2발열체 사이를 감온성 절연수지로 절연된 발열용 케이블을 포함하는 전기난방기기의 온도제어장치에 있어서, 상기 제1 발열체와 상기 제2 발열체의 양단부 중 어느 하나는 제1 스위칭제어소자를 통하도록 연결하여 양단부에 교류전원을 접속하고, 상기 제1, 제2 발열체의 타단부는 제2 스위칭제어소자로 직렬 접속하되, 발열주기에는 상기 교류전원의 전류가 상기 제1발열체, 상기 제2스위칭소자, 상기 제2발열체를 통하여 흘러서 상기 제1, 제2 발열체를 발열시키고, 감지주기에는 상기 제2스위칭소자가 제1, 제2 발열체 사이를 전기적으로 차단된 상태에서, 상기 교류전원의 전류가 상기 감온성 절연수지를 통하여 흐르도록 하고, 상기 발열주기와 감지주기가 교번적으로 지속되도록 제어하여, 상기 감온성 절연수지에 흐르는 전류 변화에 따라 상기 제1 스위칭제어소자의 ON-OFF를 제어하는 구성을 포함하는 것을 특징으 로 한다.

또한, 상기 제1 스위칭제어소자는 SCR이며, 상기 제2 스위칭제어소자는 다이오드이고, 상기 발열주기는 상기 다이오드와 SCR에 순방향 전압이 형성되는 1/2주기이며, 상기 감지주기는 상기 다이오드와 SCR에 역방향의 전압이 형성되는 다음 1/2주기로서, 감지주기에는 상기 다이오드와 SCR에 역전압이 형성되어, 제1, 제2발열체는 전기적으로 차단되고, 상기 교류전류가 상기 감온성 절연수지를 통하여 흐르도록 하는 것을 더 포함한다.

상기 발열용 케이블은 심선에 나선으로 길게 권선된 상기 제1발열체; 상기 제1발열체 외주연을 상기 감온성 절연수지로 피복된 내부절연체; 상기 내부절연체 외부에 나선형으로 권선된 상기 제 2발열체; 및 상기 제 2 발열체 외주변을 절연체로 피복된 외부 절연 피복체를 포함하는 케이블로 구성될 수 있다.

또한, 상기 감온성 절연수지는 나일론 써미스터 수지를 적용할 수 있다.

또한, 전열기구의 온도제어장치는, 상기 감온성 절연수지에 흐르는 전류에 의하여 형성된 전압 값이 상기 난방기구의 설정된 온도의 범위와 대응되는 값에 도달하게 되면, 일정시간 지연 후에 상기 제2 스위칭제어소자의 ON-OFF를 제어하는 신호를 출력함으로써, 난방기구의 온도를 제어할 수 있다.

또한, 상기 온도제어장치는 회로에 직류 동작전원을 공급하는 동작전원부; 상기 감온성 절연수지를 통하여 흐르는 전류변화를 감지하여 제어신호를 발생하는 온도제어부; 상기 온도제어부의 신호를 받아 일정시간 지연 후에 상기 제2 스위칭제어소자의 동작제어신호를 발생하는 신호제어부; 및 상기 신호제어부의 동작제어신호를 받아 상기 제2 스위칭제어소자의 ON-OFF를 제어하는 전원제어부를 포함할 수 있다.

또한, 온도의 이상상승을 감지하여 상기 전열기구의 국부 가열시 발열되는 저항을 통하여 온도퓨즈를 차단시키는 과열방지부를 더 포함하며, 상기 과열방지부는 제너다이오드의 항복전압을 이용하여 상기 온도제어부에서 흐르는 전류에 의한 전압이 일정 전위 이상일 때, 상기 저항을 발열하게 하는 회로를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 평행하게 배치된 두 개의 발열체만으로 유해 자기장을 감쇄시키고 정확한 온도제어를 할 수 있으므로 기존의 전열기구에서 사용되던 온도 감지센서, 바이메탈이 필요 없게 되어 원가절감 및 작업 효율이 높아지는 효과가 있다.

또한, 발열체 사이를 감온성 절연수지로 절연하고, 별도의 감지선을 설치하지 않아도 발열선만으로 정확한 온도 제어를 할 수 있으므로 기존의 방식에 비하여 가장 적은 소재를 사용하면서, 유해 자기장을 감쇄시키는 효과와 정확한 온도제어를 할 수 있으므로, 제조시간을 단축하고 저렴하고 경제적으로 전열기구를 제작할 수 있는 효과가 있다.

또한, 기존의 제품들이 온도 과승으로 발열선의 피복이 융해되어 서로 단락 되는 것을 막기 위해 150℃ 이상의 고온에도 견디는 고가의 테플론이나 실리콘 피복을 사용하는 것과는 달리, 발열체의 온도가 설정온도 이상 시에 온도 변화에 따라 임피던스 변화에 의해 온도제어장치에서 자동으로 전원을 차단할 수 있으므로 상대적으로 저가인 NTC성분의 나일론 씨미스터를 1차권선의 피복으로 사용할 수 있다.

또한, 이상 과열시나 나일론 서미스터가 융해되어 쇼트 되었을 때, 온도제어장치의 회로에서 온도퓨즈 단락에 의해 전원이 차단되어 화재가 발생되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래에는 쉴드선이나 알루미늄 박막을 사용하여 제작한 것에 대하여 제1, 2발열선 만으로 자기장을 상쇄하고 온도조절을 할 수 있도록 하였으므로 감지선을 추가로 사용하는 종래의 발열선 두께보다 작게 제작할 수 있어서, 얇은 전기담요 등 여러 가지 제품에 적용될 수 있다.

이하 본 발명의 구성을 일 실시예인 첨부된 도면들에 의해서 설명하기로 한다.

도 4a, 4b는 본 발명의 일 실시예인 발열케이블의 구조도이다.

발열케이블은 제1발열체(2), 제2 발열체(4) 사이에 감온성 절연수지로 절연된다.

상기 발열케이블 일 실시예는 도 4a에 도시된 바와 같이 제1발열체(2), 제2 발열체(4)를 절연이 유지될 수 있는 정도에서 근접하게 위치시키고 그 사이와 외부를 감온성 절연수지로 절연한 형태이다.

더욱 완벽하게 전자파를 상쇄시킬 수 있는 바람직한 형태의 발열케이블은 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1발열체(2)는 실과 같은 심재(1)의 외주연에 권선을 하고, 제1발열체(2)의 외주연에는 감온성 절연수지(3)로 피복하며, 감온성 절연수지(3) 외주연에는 제2발열체(4)를 권선하고, 제2발열체(4)의 외주연에는 외부 절연피복(7)을 형성한다.

도 4a, 4b의 발열케이블의 구조는 발열케이블의 일측에 전원을 연결하고 종단에서 두 발열체를 접속시키면 서로 전류가 반대로 흘러서 외부로 나오는 자기장이 상쇄되는 구조이다.

상기 발열케이블에 피복된 감온성 절연수지는 전압에 대하여 절연성을 가지면서, 온도에 따라 임피던스가 변화되는 수지들로 정의된다.

본 발명의 일 실시예에서는 절연체이면서, 온도 변화에 따라 임피던스가 변화하는 나일론 써미스터 수지를 사용하였으나, 온도에 따라 임피던스가 변화되는 절연체는 어떠한 것이라도 사용할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도제어장치를 설명하기 위한 개념도이다.

도 5의 일 실시예는 두 개의 발열체(2)(4) 사이에 감온성 절연수지(3)로 이루어지는 발열케이블을 사용하게 된다. 두 발열체(2)(4)의 A, B,단자 일측에 제1 스위칭제어소자(S1)를 통하여 전원을 공급하고, 두 발열체(2)(4)의 말단 단자 A', B'는 제2 스위칭제어소자(S2) 로 연결하여 전기적 접속을 제어한다.

본 발명에서 상기 제1, 제2 스위칭제어소자는 Diode, SCR(Silicon controlled rectifier), Triac, TR, 스위칭IC 등 양 단자의 정, 역전압 또는 외부의 제어신호에 의해 전원을 스위칭하는 소자로 정의한다.

상기 A, B단자에 교류전원을 공급하되, 전류가 발열체에 흘러서 전열기구의 온도를 상승하도록 하는 발열주기와, 발열체로 흐르는 전류는 차단하고 감온성 수지로만 전류를 흐르도록 하여 온도를 측정할 수 있는 감지주기를 번갈아 설정하여 전원을 공급한다.

본 발명에서 발열주기는 두 개의 발열체가 발열할 수 있도록 전류가 두 개의 발열체를 통하여 흐르는 주기이며, 감지주기는 발열체 주변의 온도를 측정할 수 있도록 두 개의 발열체 간에는 전기적으로 차단된 상태에서, 감온성 수지를 통하여 전류가 흐르는 상태의 주기로 정의한다.

즉 상기 제1, 2 스위칭제어소자를 제어부에 연결하여, 발열주기 동안에는 두 개의 발열체에 발열전류가 흐르도록 제1, 2 스위칭제어소자를 제어하며, 감지주기 동안에는 두 개의 발열체가 제1, 2 스위칭제어소자(S2)에 의하여 전기적으로 차단된 상태에서, 두 개의 발열선 사이에 위치한 감온성 절연수지로만 전류가 흐르도록 제1, 2 스위칭제어소자를 제어부(M)에 의하여 제어신호를 발생하여, 상기 발열주기와 감지주기가 번갈아 설정되도록 제어한다.

그러면, 상기 감지주기 동안에는 발열체는 전기적으로 차단된 상태에서 전류 가 흐르지 않고, 감온성 절연수지(3)로만 전류가 흐르게 되므로, 상기 감온성 절연수지(3)에 흐르는 전류 변화를 측정하면, 온도에 따라 변하는 감온성 절연수지(3)의 변화임피던스 변화를 알 수 있다.

그러므로 상기 감온성 절연수지(3)에 흐르는 전류 변화를 감지함으로써, 전열기구의 온도를 정확하게 측정할 수 있으며, 이에 따라 온도 제어도 할 수 있게 된다.

상기 측정된 온도가 설정된 온도 이상이 되면 제어부에서 이를 감지하여 상기 제1스위칭제어소자(S1)를 개방하도록 제어함으로써 정확한 온도제어를 할 수 있게 된다.

또한, 발열주기 동안에는 제1발열체(2)와 제2발열체(4)의 전류가 반대이므로 자기장이 상쇄되어 유해 자기장을 감소시킬 수 있다.

도 5의 일 실시예는 주기적으로 제1, 2 스위칭제어소자를 제어하고 온도조절을 하기 위하여 제어부에는 주기제어회로와 온도에 따른 제어를 하는 온도제어부를 포함한다.

도 5의 일 실시예를 보다 경제적으로 착안한 것이 도 6의 일 실시예이다.

도 5는 발열주기와 감지주기를 각각 1/2주기로 하고 제1, 2 스위칭제어소자를 정류소자로 사용하게 되면, 회로 소자수를 줄이고 전체 회로를 더욱 간단하게 만들 수 있다.

즉, 제1 스위칭제어소자를 SCR로 하고, 제2 스위칭제어소자를 다이오드로 사 용하게 되면, 별도의 주기를 제어하는 주기제어부 대신 정류기의 역전압과 순전압에 의한 스위칭 주기로 대신하게 되므로 회로 장치를 보다 경제적으로 제작할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 온도제어장치의 블록도이다.

도 6에 도시된 일 실시예의 온도제어장치의 각 블록은 다음과 같이 정의된다.

동작전원부(11)는 교류전류를 직류로 변환하는 정류부로 이루어져 있으며 제어회로의 동작을 위한 직류전원을 공급하여 주는 회로이다.

온도제어부(12)는 감온성 수지(NTC)를 통하여 흐르는 전류변화를 감지하여 제어신호를 발생하는 회로이다.

신호제어부(13)는 온도제어부(12)의 신호를 받아 스위칭제어소자 을 동작시키는 제어신호를 발생하고, 동작주기를 지연시키는 회로를 포함한다.

상기 스위칭제어소자는 SCR(Silicon controlled rectifier), Triac TR, 스위칭IC 등 제어신호를 받아 전원을 스위칭하는 소자로서 본 발명에서는 역방향 시에 발열체의 전원을 차단하는 기능을 포함하도록 SCR을 사용하였다.

전원제어부(14)는 신호제어부(13)의 신호를 받아 상기 스위칭제어소자의 ON-OFF를 제어하는 회로를 포함한다.

과열방지부(15)는 온도의 이상상승을 감지하여 상기 전열기구의 국부 가열시 발열되는 저항을 통하여 온도퓨즈를 차단시키는 회로이다.

도 6의 일 실시예에서 도시된 바와 같이 제1발열체(2)의 일단부와 제2발열체(4)의 일단부를 정류소자(일 실시예에서는 다이오드(D5)를 사용함)로 직렬 접속하고, 제1발열체(2)의 타단부와 제2발열체(4)의 타단부를 통하여 전원이 공급되도록 하되, 제1발열체(2)의 타단부와 제2발열체(4)의 타단부 중 어느 하나는 SCR(Silicon controlled rectifier)을 통하여 교류전원을 공급하는 회로를 포함하도록 구성한다.

본 발명의 SCR은 Silicon controlled rectifier를 뜻하는 것으로서 pnpn 구조의 스위칭 소자인 사이리스터 중에서, 3단자로 단방향만 스위칭 특성을 갖고, 역방향은 저지 상태가 되는 소자이며 재료로는 실리콘을 쓰고 두 번째의 n형층 또는 세 번째의 p형층을 게이트 단자로서 스위칭 제어에 사용되는 실리콘 제어 정류기로 정의한다.

도 6의 실시예에서는 제어장치를 단순화하기 위하여 제1, 2발열체의 말단에 정류소자(D5)만을 연결하여 접속함으로써, 발열주기, 감지주기를 각각 1/2주기마다 번갈아 일어나도록 하였다.

다이오드(D5)에 순방향 전압이 형성되는 1/2주기 동안에는, 교류전원에 의하여 공급되는 순방향의 반파전류가 제1발열체(2), 다이오드(D5), 제2발열체(4)에 흘러서 제1발열체(2), 제2 발열체를 발열시킨다.

상기 1/2 주기(발열주기)에는 제1, 제2 두 개의 발열체는 서로 평행으로 배치된 상태에서 다이오드(D5)로 연결되어 왕복 전류가 흐르게 되므로, 흐르는 전류 의 방향이 서로 반대가 되어 자기장이 상쇄되어 유해 자기장이 감소된다.

다이오드(D5)에 역방향의 전압이 형성되는 다음 1/2주기(감지주기) 동안에는, 제1, 2발열체는 다이오드(D5)에 의해 차단된 상태이므로 나머지 반대방향의 반파전류가 온도제어부(12)의 접지로부터 제1, 제2발열체 사이의 감온성 절연수지(실시예에서는 나일론 써미스터(NTC)를 사용하였다.)를 통해서만 흐르게 된다.

상기 전류는 온도제어부(12)로 흐르게 되므로, 온도제어부(12)에서 상기 감온성 절연수지(NTC)에 흐르는 전류를 감지하고, 그 전류 변화에 따라 제어신호를 발생한다.

발열부의 온도가 정상온도 이하이면, 상기 SCR은 ON상태를 유지하게 되며, 그 다음 1/2주기에는 다시 발열주기가 번갈아 이어지게 된다. 정상적인 온도범위 상태에서는 위와 같은 발열주기와 감지주기가 반복되는 것에 의하여 유해 자기장이 서로 상쇄되어 감쇄되면서 발열이 이루어지게 된다.

다음 전열기구의 온도가 설정온도 이상일 때의 동작을 살펴본다.

감지주기 상태에서 상기 감온성 절연수지에 흐르는 전류 변화에 따라 온도제어부(12)에서 설정온도 이상인 것을 감지하면, 제어신호를 신호제어부(13)로 보낸다. 신호제어부(13)는 상기 제어신호에 따라 동작신호의 시간을 제어하여 상기 전원제어부(14)에 동작신호를 보내고, 전원제어부(14)에서는 동작신호를 받아 상기 SCR(Silicon controlled rectifier)을 OFF로 제어한다.

SCR이 OFF로 되면, 상기 제1, 2발열체의 교류전원의 공급이 차단되어서, 다음 발열주기가 되더라도 온도가 설정온도 이상에서는 전류가 공급되지 않으므로 더 이상 가열이 안되어 온도제어가 이루어진다.

과열방지부(15)는 전열기구의 국부 가열시 발열되는 저항을 통하여 온도퓨즈를 차단시키는 회로로서, 전열기의 크기 및 용도 등 필요에 따라 선택적으로 적용할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도제어장치의 상세 회로도이다.

도 7은 도 5의 따른 각 동작부에 대한 실시예인 세부 회로도이다.

도 7의 온도제어부(12)의 비교기 COMP1의 + 입력단에는 VR1에 의하여 요구되는 온도에 따라 온도설정을 하게 된다.

온도제어부(12)의 온도설정은 VR1에 의하여 조정되는 가변전압이 낮은 전압은 고온이 되고, 높은 전압이 저온이 되도록 설정을 한다.

전원은 AC1, AC2를 통하여 공급되는데 SW1은 전원스위치이며 여기에 과전류가 흐르면 차단되는 FUSE가 직렬로 연결된다.

전력소자인 SCR1이 턴온을 하기 전에는, 온도제어부(12)의 비교기 COMP1의 -입력단자에는 다음과 같이 접지 전위보다 높은 전압이 입력이 된다.

본 발명의 일 실시예에서는 교류입력 두 선 중 어느 한 선을 회로접지로 이용하게 되는데, 접지전압측을 AC2라 가정을 하고 처음 스위치를 투입하였을 때, 전압 파형을 보면 도 8에 도시된 바와 같다.

먼저, SCR1이 턴온을 하기 전(턴오프 상태)의 전압파형을 살펴본다.

AC2가 회로접지에 해당이 되므로 이를 기준으로 하여 전압파형을 보면, SCR1이 턴온을 하기 전, 입력전압은 그림 3의 (가)가 되며 a점의 파형 역시 입력파형과 같다.

하지만, b점과 C점의 파형은 도 8의 (나)와 같이 된다. 그 이유는 발열선 H1, H4와 H2, H3 사이에는 나일론 써미스터를 통한 캐패시터가 존재를 하여 미약하지만 교류전류가 흐르게 되며, 1/120초 동안에는 AC1-H1-NTC-H2로 형성되는 회로와, 다음 1/120초 동안에는 AC2-R5-R2-D3-H2-NTC-H1-AC1의 순으로 회로가 구성이 되면서, 전체적으로 회로접지의 전위보다 높은 전위가 형성이 된다.

따라서, D3의 애노우드 측보다 캐소우드 측의 전압이 높으므로 전류는 흐르지 않게 된다.

그리고 비교기COMP1의 -입력단자에는 R4, R5와 R2, R3에 의하여 미리 설정해 놓은 전압이 + 입력전압보다 높게 설정되어 있으므로 비교기COMP1의 출력은 로우가 되고 TR1은 오프가 된다.

TR1이 오프가 되면, Vcc-R10-R11-R12의 순으로 직류전류가 흘러서 C4의 양단에 충전이 되는데, 일 실시예에서는 C4를 10㎌로 할 때, R11을 3㏁ 정도의 고저항으로 하면 약 20초 정도의 시간이 경과해야만 C4 양단의 전압이 R13, R14에 의하여 설정된 전압보다 높게 된다.

위와 같이 충전시간만큼 지연된 후, 신호제어부(13)의 비교기 COMP2의 출력은 로우에서 하이로 반전이 되고, TR2가 온이 되어 신호전류가 SCR1의 게이트로 공급이 되면서, SCR1이 턴온된다.

그러면 발열선에 전류가 공급되어 다시 발열을 하게 된다.

이때 전류의 방향은 AC1-H1-H4-D5-H3-H2-SCR1-AC2의 순으로 반파가 흐르게 된다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도제어장치를 설명하기 위한 각 부위의 전압 파형이다

도 7에서 발열선 H1, H4와 H2, H3의 저항값(즉 제1발열체와 제2발열체의 저항값)이 똑같다고 가정을 한다면, SCR1이 턴온되어 처음 1/2주기에서 다이오드(D5)에 순방향의 반파 전류가 흐를 때, a점의 파형은 AC2의 접지 전위를 기준으로 도 8의 (다)와 같으며, b점의 파형은 도 8의 (라)와 같고, c점의 전위 파형은 도 8의 (마)와 같다.

즉 AC1에서 AC2 의 방향으로 전류가 흐를 때 c점의 전위는 SCR1의 내부저항에 의한 전압강하를 무시하게 되면 AC2의 전위와 같게 된다.

다음 1/2주기에서 AC2에서 AC1의 방향으로 전류가 흐를 때 상기 다이오드(D5)에 역전압이 가해지므로 역방향은 전류가 흐르지 않는다.

발열선의 온도가 상승을 하게 되면, 나일론 써미스터의 특성이 마이너스 온도계수인 NTC 타입이므로 캐패시티가 커지게 된다. 즉, 임피던스가 작아지게 된다.

위에서 설명한 바와 같이 처음 1/2주기에서는 AC1-H1-H4 -D5-H3-H2-SCR-AC2 의 순으로 흐르고, c 점의 전위는 접지전위와 같은 전위가 된다.

반대로 AC2(접지)에서 AC1으로 흐르는 전류는 AC2(접지)-R5-R2-D3-H2-NTC-H1-AC1 의 순으로 흐르게 되며, 온도가 낮은 상태에서는 아주 미약한 전류가 흐르게 되나, 점점 온도가 올라갈수록 전류의 양은 증가하게 된다.

즉, 전위도 마이너스 측으로 깊어지게 되어 c점의 전위 파형은 도 9의 (바)-1에서 (바)-2와 같이 마이너스 측으로 깊게 형성된다.

결국, 온도가 올라갈수록 c점의 전위는 마이너스 측으로 낮아지게 되므로 온도제어부(12)의 e점의 전위는 e점-R2-D3-c점-H2-NTC-H1-AC1의 순으로 전류가 흐르게 된다.

따라서, AC1-AC2의 순방향은 발열만 되고 NTC에 의한 온도 감지가 되지가 않지만, AC2-AC1의 역방향 동안에는 발열선에 흐르는 회로전류가 SCR1과 다이오드(D5)에 의해 차단되기 때문에 나일론 써미스터를 통해서만 반파의 전류가 흐르게 되고, 나일론 써미스터는 온도에 따라 임피던스가 변화므로 상기 온도제어부(12)의 비교부COMP1의 -입력전위가 변하게 된다.

발열선의 온도가 점차 올라갈수록 e점의 전위가 더 낮아지게 되며, VR1에 의 하여 설정된 전압보다 e점의 전위가 더 낮게 형성되면 비교기COMP1의 출력은 로우에서 하이로 반전하게 된다.

상기와 같이 로우에서 하이로 반전하게 되면, 신호제어부(13)의 TR1은 온이 되며 C4에 충전된 전류는 D4를 통해서 순간적으로 방전이 되고, 상기 신호제어부(13)의 비교기COMP2의 출력은 하이에서 로우로 반전되며, 전원제어부(14)의 TR2는 오프되어 SCR1은 턴오프가 된다.

SCR1이 턴오프가 되면, c점의 전위는 도 8의 (나)와 같이 높아지게 되며, 상기 온도제어부(12)의 비교기 COMP1의 -입력전압이 +측보다 높아지게 된다.

비교기 COMP1의 출력은 SCR이 턴오프가 될 때, 다시 로우가 되지만, 상기 신호제어부(13) C4의 양단에는 Vcc-R10-R11-R12의 순으로 천천히 전류가 흘러서 C4의 양단의 전위는 천천히 상승하므로, R11과 C4의 시정수로 정한 시간만큼은 신호제어부(13)의 -입력이 높게 되어 그 시간만큼 TR2는 늦게 동작하게 된다.

상기와 같은 지연회로는 빠르게 온 오프를 반복하는 것을 방지하기 위한 것으로서, 이는 다른 방식으로도 대체할 수 있다.

예를 들면, 마이콤 방식을 사용하여 간단하게 제어할 수도 있다.

이러한 방식에 의하여 전열기구의 온도가 VR1에 의하여 설정된 온도까지는 SCR1이 턴온하여 전력을 공급하고, 미리 설정된 설정온도에 도달하면 신호제어부(13)에서 설정된 시간만큼 지연되어 턴오프가 되므로 도 10의 온도 곡선과 같이 된다.

따라서, 이와 같은 온도 특성을 이용하면 정확한 온도제어가 가능하게 된다.

발열선의 온도가 어떠한 원인에 의하여 상승을 하게 되면 안전장치가 필요하게 된다.

본 발명의 실시예에서는 발열선의 어느 부위가 국부적으로 섭씨 120도 이상 온도상승을 하게 되면, 나일론 써미스터가 융해가 되어 발열선 H1, H4와 H2, H3사이에서 어느 부위는 쇼트상태(단락)가 된다.

이와 같이 발열선 H1, H4와 H2, H3의 절연이 파괴되어 단락이 되면, AC1에서 AC2로 전류가 흐르는 1/120초 동안에는 쇼트상태를 감지할 수가 없으나, 반대로 AC2에서 AC1의 방향으로 전류가 흐르는 1/120초 동안에는 AC2(접지)-ZD2-R3-D3-H2-(단락점)-H1-AC1 의 순으로 전류가 흐르게 되어 과열방지부(15)의 발열저항R3가 발열이 된다.
즉, 감지주기에는 위에서 설명한 바와 같이 AC2(접지)에서 H2 사이에 ZD2-R3-D3를 통하여 전류회로가 구성되므로, 도7에 도시된 내용을 보면, AC2(접지)와 c점(H2) 즉 상기 제1스위칭 소자인 SCR1의 양단부인 AC2(접지)에서 H2 사이에서 다이오드(D3), 그리고 제너다이오드(ZD2)와 직렬로 연결된 발열저항이 SCR1과 병렬로 연결되는 구조이다.

온도퓨즈(TF)는 발열저항R3와 물리적으로 함께 연동하도록 배치되어서, 발열발열저항R3가 어느 정도 발열하게 되면, 온도퓨즈TF가 단선이 되어 전원공급이 차단된다.

발열저항R3의 저항값은 발열선 저항값에 비하여 10배 ~ 30배 정도 높게 설정한다.

본 발명의 일 실시예에서는 발열선의 저항이 100 오옴에서 200 오옴 정도로 하고, 발열저항R3의 저항값은 1에서 3킬로 옴의 저항값을 적용하여 테스트 결과, 순간 단락을 일으켰을 때, 5 ~10초 내에 급속발열이 되면서 온도 퓨즈가 단선 되었다.

상기 과열방지부(15)는 제너다이오드ZD2의 항복전압을 이용하여 상기 온도제어부(12)에서 흐르는 전류에 의한 전압이 일정 전위 이상일 때만, 상기 저항을 발열하게 할 수 있다.

즉, 과열방지부(15)의 제너다이오드 ZD2의 전압에 따라서 온도제어부(12)의 f점의 전위가 결정되며, 이 전위 값을 넘게 되면 발열저항R3가 발열하게 된다.

그리고 저항R2의 값에 의하여 온도 상승에 따라 전위가 내려가는 속도를 결정을 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 항복전압 30V의 제너다이오드를 사용하여 f점의 전위가 회로접지를 기준으로 30V가 넘게 되고 쇼트에 의하여 교류 반파전류가 흐르게 될 때, 발열저항R3가 발열하도록 하였다.

도 1은 자기장이 상쇄되는 전열케이블을 도시한 도면이다.

도 2는 종래의 자기장이 상쇄되면서 온도를 조절할 수 있는 발열 케이블의 구조를 도시한 도면이다.

도 3은 종래의 트랜스 포머를 이용하여 온도를 감지하는 발열케이블의 구조를 도시한 도면이다.

도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 발열케이블의 구조를 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도제어장치를 설명하기 위한 개념도이다

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도제어장치의 블록도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도제어장치의 상세 회로도이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도제어장치를 설명하기 위한 각 부위의 전압 파형이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도제어장치에서 다이오드(D5)에 역전압이 걸리는 1/2주기 시 도 7의 c 점의 전압 파형이다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도제어장치의 시간별 온도제어 곡선이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1...심재 2...제1 발열체

3...감온성 절연수지 4... 제2 발열체

7...절연 피복 11...동작전원부

12..온도제어부 13...신호제어부

14...전원제어부 15... 과열방지부

H1, H4(A, A')..제1발열체(2) 단자 H2, H3(B, B')..제2발열체(4) 단자

AC1, AC2...전원측 단자 SW1...전원스위치

D3...온도제어부 다이오드 D5...발열체 접속 다이오드

NTC ...부온도특성 나일론 써미스터 SCR,...Silicon controlled rectifier

VR1...가변 저항기 COMP1, 2...비교기

C3, C4...캐패시턴스 R2 ~ R12...저항

Vcc...직류전원 C3, C4...캐패시턴스

TR1, 2...트랜지스터 TF...온도퓨즈

Claims (8)

1. 제1발열체;

   제1발열체와 평행하게 배치되는 제2발열체;

   상기 제1, 2발열체 사이는 감온성 절연수지로 절연되며;

   상기 제1 발열체와 상기 제2발열체의 양단부 중 어느 하나의 단부는 온도제어장치에 내장된 SCR을 통하여 교류전원에 접속하고, 상기 제1, 제2 발열체의 타단부는 다이오드를 통하여 접속하며;

   상기 다이오드와 상기 SCR에 순방향 전압이 형성되는 발열주기에는 상기 교류전원의 전류가 상기 제1발열체, 다이오드, 상기 제2발열체를 통하여 흘러서 상기 제1, 제2 발열체를 발열시키며;

   상기 다이오드와 상기 SCR에 역방향 전압이 형성되는 감지주기에는 상기 SCR 및 다이오드가 제1, 제2 발열체 사이를 전기적으로 차단한 상태에서 상기 교류전원의 전류가 상기 감온성 절연수지를 통하여 흐르도록 함으로써, 온도제어부가 상기 감온성 절연수지에 흐르는 전류 변화를 감지하여 상기 SCR의 ON-OFF를 제어하는 신호를 발생하고;

   제너다이오드와 직렬로 연결된 발열저항을 포함하는 회로를 상기 SCR과 병렬로 연결하여, 상기 제너다이오드에 항복전압 이상의 전압이 형성되면 상기 발열저항에 전류가 흘러서, 상기 발열저항의 발열에 의하여 전원과 연결된 온도퓨즈(TF)가 끊어지도록 하는 과열방지부;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 난방기구의 온도를 제어하는 전열기구의 온도제어장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   심재의 외주연에 나선으로 권선된 상기 제1발열체;

   상기 제1발열체 외주연을 상기 감온성 절연수지로 피복된 내부절연체;

   상기 내부절연체 외부에 나선형으로 권선된 상기 제2발열체; 및

   상기 제2발열체 외주변을 절연체로 피복된 외부 절연 피복체;로 이루어진 발열용 케이블을 포함하는 전열기구의 온도제어장치
4. 제 1항에 있어서

   상기 감온성 절연수지는 나일론 써미스터 수지인 것을 특징으로 하는 전열기구의 온도제어장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서

   상기 온도제어장치는 회로에 직류 동작전원을 공급하는 동작전원부;

   상기 감온성 절연수지를 통하여 흐르는 전류변화를 감지하여 제어신호를 발생하는 상기 온도제어부;

   상기 온도제어부의 신호에 의하여 형성된 전압 값이 상기 전열기구의 설정된 온도의 범위와 대응되는 값에 도달하게 되면, 상기 제2 스위칭제어소자의 ON-OFF를 제어하는 신호를 일정시간 지연 후에 발생하도록 하는 신호제어부; 및

   상기 신호제어부의 동작제어신호를 받아 상기 제2 스위칭제어소자의 ON-OFF를 제어하는 전원제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전열기구의 온도를 제어하는 전열기구의 온도제어장치
7. 삭제
8. 삭제

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