KR100935118B1 - 피티씨 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 전원공급장치 - Google Patents

피티씨 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 전원공급장치 Download PDF

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Abstract

본원발명은 피티씨(PTC: Positive Temperature Coefficient) 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 전원공급장치에 관한 것으로서,
상기 발열장치의 구동시 정온발열히터가 기 설정된 발열을 수행하도록 정온발열히터로 입력되는 공급전원의 전압을 변동하는 전압제어신호를 출력하는 전압제어신호출력부와; 상기 전압제어신호에 따라 상기 발열장치로 입력되는 입력전원의 전압을 변환하여 상기 정온발열히터로 공급하는 전압변환부와; 상기 정온발열히터에 흐르는 전류를 검출하여 상기 전압제어신호출력부로 출력하는 전류피드백부;로 구성되어,
피티씨(PTC: Positive Temperature Coefficient) 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 초기 구동시 정온발열히터로 인가되는 초기전류가 정격전류의 약 3에서 5배로 높아지는 것을 방지함으로써 주변기기들의 용량 및 전선의 용량을 정격 전류의 사양을 가지도록 하여, 제작비용 및 설치비용을 절감시킴은 물론, 전력소모를 줄일 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
정온발열히터, 전원공급장치, 발열장치, PTC특성, 발열물질

Description

피티씨 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 전원공급장치{POWER SUPPLY OF HEATER WITH POSITIVE TEMPERATURE COEFFICIENT HEATING CABLE}
본원발명은 배관의 동파방지 및 온도유지 장치, 퍼머기, 온돌침대 등에 적용되는 피티씨(PTC: Positive Temperature Coefficient) 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 제작 및 설치 비용을 절감시킬 수 있도록 하며 전력 소모를 줄일 수 있도록 하는 피티씨 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 전원공급장치에 관한 것이다.
일반적으로, 피티씨(PTC: Positive Temperature Coefficient)(이하, 'PTC'라 함) 특성을 가지는 발열소자는 플라스틱 폴리머(Polymer)에 도전성 물질(예를 들면, 도전성카본(Conductive Carbon))이 배합되어 반도체화함으로써, 온도 상승에 따라 반도전성 전기특성을 가지도록 구성된다.
여기서 PTC 특성이란 주위 온도의 변화에 따라 발열량이 증감되고, 어느 일 정 온도 이상으로 주위온도가 상승할 경우 전류가 완전히 차단되는 스위치 특성을 말한다. 즉, 주위온도가 낮은 상태에서는 플라스틱 폴리머 분자가 수축되어 반도전성층(Semi Conductive Metrix)에 전류의 흐름(Current Path)이 많아져 발열량이 커지고, 주위온도가 높으면 플라스틱 폴리머 분자가 팽창하여 전류의 흐름이 적어져 발열량이 줄어든다.
상술한 바와 같은 PTC 특성을 가지는 발열소자로 이루어지는 정온발열히터는 발전소, 석유화학플랜트 등의 산업플랜트 시설, 상수도배관, 소방용수용 배관, 빌딩 배관 등에 설치되어 배관이나 탱크의 동파 방지용 또는 일정 온도 유지용으로 널리 사용되며, 또한 일정온도 이상에서 발열이 멈추어질 필요가 있는 퍼머기, 전기온돌침대 등의 발열장치에 널리 사용되고 있다.
도 1 및 도 2는 PTC 특성을 가지는 발열소자로 형성된 정온발열히터를 구비한 발열장치의 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래기술의 발열장치는 배관(10)에 부착되어 PTC 발열 특성을 가지는 정온발열히터로서의 발열부(11)와, 상기 발열부(11)의 온도를 감지하여 그 작동상태를 표시하는 컨트롤 박스(13)와, 컨트롤 박스(13)에 연결된 전원코드부(15)와, 상기 전원코드부(15)의 단부에 결합된 전원플러그(17)로 구성된다.
상기 PTC 특성을 가지는 정온발열히터로서의 발열부(11)의 단부는 절연물질로 절연된 것으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 구리재로 된 평행도체(21)(21')를 감싸서 이어져 결합되는 발열소자(23)의 외측에 절연내층(25) 및 절연외층(27)이 순차적으로 적층되고, 부가적으로 편조 층, 외부자켓(CR: 폴리올레핀) 층을 더 포함하는 구조를 가지며, 이외에도 다양한 구조를 가질 수 있다.
도 3은 상술한 종래기술의 발열부(11)를 이루는 PTC 특서을 가지는 정온발열히터의 발열장치에서 정온발열히터의 발열특성을 나타내는 그래프이다.
도 3의 그래프는 10℃에서 16W/m, 10W/m의 발열량을 가지도록 설계된 발열장치에서 PTC 발열특성을 갖는 정온발열히터의 발열 특성을 나타내는 그래프로서, 온도에 따라 발열량이 감소되는 것을 알 수 있다. 이를 더욱 상세히 설명하면, 10℃에서 16W/m(괄호의 경우 10℃에서 10W/m)의 발열량을 가지도록 설계되는 A(B) 그래프의 경우 0℃에서 21W/m(13.5W/m)의 발열량을 나타내며, 25℃에서 10W/m(약 4.7W/m)의 발열량을 나타내고, 55℃(50℃) 이상에서 전류의 흐름이 차단되어 발열하지 않는 특성을 나타낸다. 즉, 상술한 바와 같이 구성된 종래기술의 발열장치는 그 발열부가 PTC 특성에 의해 다양한 온도변화에 따라 그 스스로 발열량을 조절하며, 일정 온도 이상으로는 올라가지 않게 된다. 따라서 온도조절장치에 이상이 생기더라도 과열되는 경우가 없으며, 별도의 온도조절장치를 부착하지 않아도 되는 장점을 가진다.
이 경우 적정 전류는 도 3에 도시된 바와 같이, 10℃에서 16W/m(괄호의 경우 10℃에서 10W/m)의 발열량을 가지도록 설계되는 경우, 0℃에서 초기 동작하면 0℃에서 21W/m(13.5W/m)의 발열량을 나타내게 되고, 이때 발열부(11)의 길이가 120M인 경우 대략 11.45A(7.36A)의 전류를 필요로 하게 되며, 10℃에서는 대략 8.72A(5.45A)의 전류를 필요로 하게 된다.
그러나 그리고 상술한 바와 같은 PTC 특성을 가지는 종래기술의 정온발열히터를 구비한 발열장치의 경우 220V의 상용전원이 인가되면 초기구동 시에 정온발열히터의 안정적인 동작을 위하여 정온발열히터에 30A에서 35A의 전류가 흐르는 특성을 가진다. 이러한 과전류의 유입은 모든 정온발열히터를 구비한 퍼머기, 온돌침대의 발열장치에서 초기 구동시 동일하게 나타나는 것으로서, PTC 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열창치의 초기 구동시 온도별 특성에 따른 전류보다 3 ~ 5 배 이상의 과전류가 유입되게 된다. 따라서 모든 설계도서에서는 PTC 정온발열히터를 구비하는 발열장치가 초기 구동시 유입되는 과전류에 의해 파손되는 것을 방지하기 위하여 정격전류용량에 비해 3 ~ 5배 정도 높은 전류를 견딜 수 있는 누전차단기, 도선 등을 사용하도록 강제하고 있다. 상술한 발열장치의 일 예로 배관의 동파방지 및 온도유지용 발열장치의 경우에는 모든 설계도서에 표기하는 정온발열히터의 초기 기동 시 원활한 기동 상태를 유지하기 위하여 16W/m용 정온발열히터가 120M인 경우 약 30A의 누전 차단기를 제공하도록 강제하고 있다.
이러한 이유로, 종래기술의 피티씨 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 설치를 위한 구성은 최소한 설계도서에서 제공하는 누전차단기, 도선 등에 맞추어서 주변기기들 또한 정격 전류의 용량보다 큰 용량을 가지는 기기들이 설치되어야 하고, 이로 인해 PTC 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 제작 및 설치비가 과도하게 증가하게 되는 문제점을 가진다.
따라서 본원발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, PTC 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치에서 발열장치가 초기 구동시 구동 후 일정 시간 동안 또는 정온발열히터가 일정 온도에 도달하는 동안에는 초기 발열량보다 낮은 일정한 발열을 수행하도록 정온발열히터로 입력되는 상용전원의 전압을 조절하여 공급함으로써, PTC 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 초기 구동시에 종래기술에서와 같이 과전류가 유입되는 것을 방지하여, 발열장치를 구성하는 누전차단기 1차, 2차 전선 등의 주변기기의 용량을 낮출 수 있도록 하고, 이에 따라 PTC 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 제작, 설치 및 유지보수 비용을 감소시킴은 물론, 전기에너지의 소모를 줄일 수 있도록 하는 PTC 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 전원공급장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본원발명의 PTC 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 전원공급장치는, PTC 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치(이하 '발열장치'라 함)에 있어서, 상기 발열장치의 구동시 정온발열히터가 기 설정된 발열을 수행하도록 정온발열히터로 입력되는 공급전원의 전압을 변동하는 전압제어신호를 출력하는 전압제어신호출력부와; 상기 전압제어신호에 따라 상 기 발열장치로 입력되는 입력전원의 전압을 변환하여 상기 정온발열히터로 공급하는 전압변환부와; 상기 정온발열히터에 흐르는 전류를 검출하여 상기 전압제어신호출력부로 출력하는 전류피드백부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 구성에서 상기 전압제어신호출력부는, 본원발명의 전원공급장치가 적용된 발열장치의 입력 전원이 정온발열히터의 특정 온도에서의 발열량 출력을 위한 전력을 가지도록 전압의 실효치를 제어하는 것으로서, 상기 발열장치로 입력되는 교류 입력전원의 영 전압점을 검출하여 전압제어부로 출력하는 제로크로싱(zero crossing) 검출기와; 상기 제로크로싱 검출기에서 출력되는 영전압점과, 상기 전류피드백부에서 입력되는 전류 값을 이용하여 상기 기 설정된 정온발열히터의 발열량 출력을 위한 전력을 가지도록 상기 입력전원을 특정 위상에서 온/오프시키는 전압제어신호를 출력하는 전압제어부;를 포함하여 구성되며, 전압제어부가 마이콤(micom)등으로 구성되는 경우 마이콤의 구동을 위하여 교류전원을 직류전원으로 변환, 전압변동, 정류 등을 수행하는 DC변환기를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이때 상기 전압제어부는, 정온발열히터로 전원이 공급된 후 정온발열히터의 전류를 검출하여 상기 전류가 상기 기 설정된 발열량의 출력에 대응되는 전류 값을 가지는 경우 상기 공급전원을 초기 입력전원으로 변환하여 정온발열히터로 공급하도록 하는 전압제어신호를 출력하는 전류피드백제어를 수행하도록 구성되거나, 또는, 상기 정온발열히터로 전원이 공급된 후 기 설정된 시간 경과 후 상기 공급전원을 초기 입력전원으로 변환하여 정온발열히터로 공급하도록 하는 전압제어신호를 출력하는 시간제어 중 어느 하나의 제어를 수행하도록 구성된다.
다음으로, 상기 전압제어부의 상기 입력전원의 전압에 대하여 특정 위상에서 온/오프 신호에 따라 입력 전원을 온/오프시킴으로써 입력전원의 실효치 전압보다 낮게 변환된 실효치 전압을 가지는 전원을 정온발열히터로 공급하는 전압변환부는, 전압제어부의 전압 위상별 온/오프 신호에 따라 온/오프 신호를 출력하는 포토트라이액(photo triac)과; 상기 포토트라이액의 온/오프신호에 따라 특정 전압 위상에서 입력전원을 온/오프시킴으로써 전압을 변동시켜 상기 정온발열히터로 공급하는 전압변환기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 구성을 가지는 본원발명의 전원공급장치는 초기 구동시 사용자 등에 기 설정된 정온발열히터의 특정 온도에서 출력되는 발열량에 대응되는 전력이 공급되도록 하고, 일정시간이 경과된 후, 또는 정온발열히터에 흐르는 전류가 정온발열히터가 기 설정된 발열량을 출력하는 경우 가지는 저항 값에 대응되는 전류 값에 도달한 경우 발열장치로 입력되는 입력전원(상용전원)을 그대로 정온발열히터로 인가함으로써, 종래기술에서와 같이 피티씨 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 전원공급장치가 초기 구동되는 경우 정격전류용량에 비해 3~5배이상 큰 과전류가 입력되는 것을 방지할 수 있도록 한다. 따라서 본원발명의 전원공급장치를 적용하면 피티씨 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 전원공급장치의 누전차단기, 1차 및 2차 선로 등의 주변기기들을 과전류를 감당하기 위한 정격전류보다 높은 전류를 견디는 전류용량의 소자를 적용하는 대신 정격용량에 맞는 낮은 용량의 소자로 대체할 수 있도록 한다.
상술한 구성 및 작용 특성을 가지는 본원발명의 피티씨 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 전원공급장치는 초기 구동시 정온발열히터가 특정 온도에 대응되는 일정한 발열을 수행하도록 전압을 인가하는 것에 의해 발열장치의 초기 구동시 과전류가 유입되는 것을 방지함으로써 피티씨 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치를 구성하는 누전차단기, 1차 및 2차 선로 등의 주변기기의 사양을 감소된 전류값에 맞추어 낮은 사양으로 구성할 수 있도록 하고, 이에 따라 피티씨 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 제작 비용, 설치비용 및 유지보수 비용을 절감시킬 수 있도록 함은 물론, 소모 전력을 현저히 줄일 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
이하, 본원발명의 피티씨(PTC: Positive Temperature Coefficient)(이하, 'PTC'라 함)특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 일 예인 배관의 동파방지 및 온도유지장치를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본원발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 4는 본원발명의 일 실시예에 따르는 PTC 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 전원공급장치(이하 "전원공급장치"라 함)가 구비된 동파방지 및 온도유지장치(이하 '동파방지장치'라 함)의 설치상태를 나타내는 도면이고, 도 5는 도 4의 동파 방지장치 중 전원공급장치의 블록 구성도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 본원발명의 전원공급장치(100)를 구비한 동파방지장치는, 상용전원을 공급받기 위한 전원플러그(110)와, 상용전원으로부터 공급되는 전원을 초기 구동시 특정 온도에서의 발열량을 출력하도록 하는 기 설정된 전력을 공급하도록 상용전원의 전압을 변환하여 정온발열히터(140)로 공급하고, 일정 조건이 충족되는 경우 다시 변환된 전원의 전압을 상용전원의 전압으로 변환하여 정온발열히터(140)로 공급하는 전원공급장치(100)와, 동파 방지 또는 일정 온도 유지를 위한 배관(1)의 외부에 권취되어 전원공급장치(100)로부터 공급되는 전원에 의해 발열을 수행하는 정온발열히터(140)를 포함하여 구성되어, 도 4와 같이 배관(1)에 설치된다. 이때, 도 4에는 미도시되어 있으나 배관의 온도를 검출하여 동파방지장치의 구동을 온/오프시키기 위한 외부 장치가 함께 설치된다.
그리고 상술한 구성 중 상기 전원공급장치(100)는 도 5에 도시된 바와 같이, 동파방지장치의 초기 구동시 정온발열히터가 특정 온도에서 출력하는 발열량에 대응되는 전력을 정온발열히터로 공급하도록 입력되는 상용전원의 전압변환신호를 생성하여 전압변환부(120)로 출력하는 전압제어신호출력부(110)와; 전압제어신호출력부(110)의 전압제어신호에 따라 동파방지장치로 입력되는 상용전원의 전압을 변환하여 정온발열히터(140)로 공급하는 전압변환부(120)와; 전압변환부(120)로부터 전력이 공급되는 경우 정온발열히터(140)에 흐르는 전류를 검출하여 전압제어신호출력부(110)로 출력하는 전류피드백부(130)로 구성된다.
도 6은 본원발명의 도 5의 전원공급장치(100)의 상세 구성을 나타내는 도면 으로서, 상용전원(AC220V)을 공급하기 위한 서지보호회로 등을 구비하여 상용전원을 DC변환기(112)와 전압변환부(120)의 전압변환기(122)로 공급하는 AC전원공급기(111)와, 전압제어부(113)의 구동을 위하여 AC/DC변환을 수행한 후 변환된 직류 전원을 구동 전압으로 변환하여 공급하는 DC변환기(112)와, 제로크로싱검출기(114)에서 검출된 교류전원 위상의 영전압점 위상 및 전류피드백부(130)로부터 인가되는 정온발열히터(140)의 전류 값을 기준으로 하여 입력되는 상용전원인 교류전원을 기 설정된 정온발열히터(140)의 발열량에 적합한 전력을 가지도록 교류전원의 위상별 온/오프 스위칭 신호를 전압변환부(120)로 출력하고, 부가적으로 상술한 시간제어 또는 전류피드백제어를 수행하도록 마이콤 등으로 구현되는 전압제어부(113)와, 상용전원의 영전압점을 검출하여 포토커플러(photo coupler)를 이용하여 전압제어부(113)로 출력하는 제로크로싱검출기(114)와, 전압제어부(113)에서 출력되는 교류전원의 위상별 전언 온/오프 스위칭 신호로 이루어지는 전압제어신호에 따라 온/오프 신호를 출력하는 포토트라이액(121)과, 포토트라이액(121)의 온/오프 스위칭 신호에 따라 입력되는 상용 교류전원의 전압 위상별로 온/오프를 수행하여 전체 실효 전압 값이 낮추어진 교류전원을 정온발열히터(140)로 공급하는 전압변환기(122)와, 전압변환기(122)에서 정온발열히터(140)로 공급되는 전류를 검출하여 전압제어부(113)로 출력하도록 검류계와 증폭부 및 정류부 등을 포함하여 구성되는 전류피드백부(130)로 구성된다.
상술한 구성에서 DC변환기(112), 전압제어부(113) 및 제로크로싱검출기(114)가 도 5의 전압제어신호출력부(110)가 되며, 포토트라이액(121)과 전압변 환기(122)가 도 5의 전압변환부(120)가 된다.
다음으로, 도 6의 상세 구성을 가지는 도 5의 전원공급장치(100)의 각 구성의 동작을 더욱 상세히 설명한다.
상술한 구성에서 정온발열히터(140)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 10℃ 발열특성이 16W/m(괄호의 경우 10W/m)로 설정된 경우, 220V의 상용전원이 공급되면, -10℃에서 25W/m(17.5W/m), 0℃에서 21W/m(13.5W/m), 10℃에서는 16W/m(10W/m) 발열량을 나타내도록 저항값이 변환된다. 따라서, 각각의 온도에서 정온발열히터가 120M인 경우 대략 -10℃에서 13.6A(10W/m인 경우 9.55A)의 전류가 흐르며, 0℃에서는 11.45A(10W/m의 경우 7.36A)의 전류가 흐르고, 10℃에서는 대략 8.72A(10W/m의 경우 5.45A)의 전류가 흐르게 된다. 그리고 정온발열히터(140)는 동파방지장치가 초기 구동되는 경우 상술한 바와 같이 일정 시간 동안 30 ~ 35A의 전류가 유입되어 정상동작하게 되며, 정온발열히터(140)가 정상동작된 후에는 정온발열히터(140)가 -10℃, 0℃, 10℃ 등의 특정 온도에서 출력하는 발열량에 대응되는 전류가 흐르게 된다.
그러나 본원발명이 적용되어 동파방지장치가 구동된 후 일정 시간 동안 또는 정온발열히터(140)가 일정 온도에 도달하는 시간 동안 일정한 발열을 수행하도록 상용전원의 전력을 변환하여 정온발열히터로 공급하도록 설정되는 경우에는 동파방지장치가 초기 구동시 종래기술에서와 같은 과전류의 유입을 차단할 수 있게 된다.
따라서 상기 전압제어신호출력부(110)는 동파방지장치가 초기 구동되는 경우 에는 정온발열히터(140)가 기 설정된 발열량으로 발열을 하도록 하는 전력으로 상용전원의 전력을 변환하기 위하여 상용전원의 전압 위상별 온/오프를 수행하는 전압제어 신호를 전압변환부(120)로 출력하고, 동파방지장치가 구동되어 정온발열히터(140)로 전원이 공급된 경우에는 정온발열히터(140)가 가열되면서 저항이 변화되어 정온발열히터(140)에 흐르는 전류가 변화되므로, 전류피드백부(130)가 입력하는 전류 값을 이용하여 기 지정된 시간 동안 또는 정온발열히터가 일정 온도가 될 때까지 정온발열히터가 기 설정된 발열을 수행하기 위한 전력으로 상용전원의 전력을 변환시키기 위한 전압제어신호를 전압변환부(120)로 출력한다.
그리고 일정 시간이 경과된 후 또는 정온발열히터(140)로 전력이 공급된 후 정온발열히터(140)가 가열되면서 저항이 변화되어 정온발열히터(140)에 흐르는 전류가 사용자가 동파방지장치의 초기 구동시 정온발열히터(140)가 출력하도록 설정한 발열량에 대응되는 전류와 동일하게 된 후에는 상용전원의 전압을 변동함이 없이 그대로 상용전원을 정온발열히터(140)로 공급하도록 하는 전압제어신호를 전압변환부(120)로 출력한다.
이 경우 사용자가 동파방지장치의 초기 구동시 정온발열히터(140)로 입력되는 전력을 -10℃~ 10℃ 사이의 온도 중 특정 온도에 대응되는 발열을 수행하도록 설정한 경우 전압제어신호출력부(110)에서 전압변환부(120)로 출력되는 전압제어신호는 사용자가 선택한 특정 온도에서의 발열을 수행하도록 하는 전력으로 상용전원 전압을 위상별로 온/오프를 수행하여 변환하도록 하는 신호가 된다.
이 후 동파방지장치가 구동되어 정온발열히터(140)로 전원이 공급된 후에 전 류피드백부(130)가 정온발열히터(140)의 전류를 검출하여 전압제어신호출력부(110)로 입력하면, 전압제어신호출력부(110)는 정온발열히터(140)로 공급되는 전력의 전압 값을 이용하여 정온발열히터(140)의 저항값을 산출하고, 산출된 저항값에서 기 설정된 발열을 행하도록 상용전원의 전압을 변환하는 PWM 신호와 같은 전압제어신호를 전압변환부(120)로 출력한다. 상술한 각각의 전압, 전류, 전력 및 저항값은 정온발열히터(140)의 저항값을 R이라 하고, 필요 전류를 I라 하며, 전압을 V라 했을 경우 V=IR, 발열량(W/m)*기준길이(예, 120M) = IV에 의해 산출될 수 있다.
다음으로, 전압제어신호출력부(110)는 상술한 바와 같이 정온발열히터(140)에 흐르는 전류에 따라 기 설정된 발열을 수행하는 전력을 발생시키는 전압으로 상용전원의 전압을 변경하는 전압제어신호를 전압변환부(120)로 출력하고, 전류피드백부(130)가 입력한 정온발열히터의 전류가 정온발열히터가 기 설정된 발열량을 출력하도록 설정한 온도에 대응되는 전류인 경우, 즉, 정온발열히터(130)가 출력하도록 설정된 발열량에 대응되는 온도에 도달한 후에는 상용전원을 그대로 정온발열히터(140)로 공급하도록 제어하는 전압제어신호를 전압변환부(120)로 출력하게 되며, 이러한 제어를 전류피드백제어라 한다.
이와 달리, 전압제어신호출력부(110)는 전류피드백부(130)에서 검출된 정온발열히터(140)에 흐르는 전류에 따라 기 설정된 발열을 수행하는 전력을 발생시키는 전압으로 상용전원의 전압을 변경하는 전압제어신호를 기 설정된 일정 시간 동안만 전압변환부(120)로 출력하고, 일정 시간 경과 후에는 상용전원을 입력하도록 하는 전압제어신호를 전압변환부(120)로 출력하도록 하는 제어를 수행하도록 구성 될 수 있으며 이러한 제어를 시간제어라 한다.
시간제어의 예를 들면, 본원발명의 전원공급장치가 적용되지 않는 경우의 종래기술의 동파방지장치에서 16W/m의 발열량을 가지는 정온발열히터(140)의 길이 120M를 기준으로 220V의 입력전압이 인가되면, 통상 초기 구동시 30A 전후의 전류가 정온발열히터에서 발생한 후 대략 30초 내지 1분이 경과 한 후에 정온발열히터가 도 1 내지 도 3에서와 같이 온도별 발열량을 출력하도록 정상동작하게 되므로, 이 시간 동안 전압값을 220V가 아닌 낮은 전압(예를 들어 상술한 바와 같이 8.18A에 대응되는 발열량을 출력하는 206V)이 입력되도록 함으로써 초기에 과전압이 유입되는 것을 방지하고, 일정시간(약 30초 내지 1분)이 경과된 후에는 전압변환부(120)가 상용전원의 전압(110V 또는 220V)을 그대로 정온발열히터(140)로 공급되도록 전압을 제어하는 것일 수 있다. 즉, 220V 상용전원을 정온발열히터(140)로 인가하는 경우 초기에는 206V가 공급되고 일정시간이 경과된 후에는 220V의 전압이 정온발열히터로 공급하도록 하는 전압제어신호를 출력하게 된다. 이때 전압제어신호출력부(110)는 내부에 타이머를 구비하게 된다.
다음으로, 상기 전압변환부(120)는 초기 구동시 사용자가 설정한 정온발열히터(140)의 특정 온도에서의 발열량을 출력하는 전력에 대응되는 전력을 가지도록 상용전원의 전압을 변환하여 정온발열히터(140)로 공급하고, 전압제어신호출력부(110)로부터 전압제어신호가 입력되는 경우 해당 전압제어 신호에 따라 상용전원의 전압을 변환하여 정온발열히터(140)로 공급한다.
그리고 전류피드백부(130)는 전압변환부(120)에서 정온발열히터(140)로 공급 되는 전류 또는 정온발열히터(140)에서 흐르는 전류를 검출하여 전압제어신호출력부(110)로 출력하게 된다.
도 7은 동파방지장치가 초기 구동되는 경우 정온발열히터(140)가 10℃인 경우의 발열량을 출력하도록 하는 전력을 정온발열히터(140)가 10℃가 되는 때까지 공급하고, 이후에는 일정시간 경과 후 또는 10℃의 전류 값이 정온발열히터에 흐르는 경우 220V의 상용전원을 공급하도록 전원공급장치(100)를 구성한 경우의 정온발열히터(140)의 발열 특성 곡선을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하여 본원발명의 동작 과정을 더욱 상세히 설명한다.
도 7에 도시된 바와 같이 10℃에 16W/m의 발열량을 나타내는 특성을 가지는 정온발열히터(140)는 종래기술의 경우에는 점선으로 표시된 바와 같이, 설계도서의 기준으로 120m의 정온발열히터(140)에서 16W X 120m의 발열량을 출력하게 되며, -10℃인 경우에는 (25W/m X 120m)/220V의 식에 의해 13.6A의 전류가 흐르고, 0℃인 경우에는 11.45A((21W/m X 120m)/220V의 식에 의해 11.45A의 전류가 흐르며, 10℃인 경우에는 (16W/m X 120m)/220V의 식에 의해 8.72A의 전류가 흐르게 된다.
그러나 본원발명의 동파방지장치의 초기 구동시부터 정온발열히터(140)가 10℃가 될때 까지 16W/m의 발열량을 출력하도록 상용전원의 전압을 변환하여 공급하도록 설정한 경우에는, 도 7의 실선으로 표시된 바와 같이 전류피드백부(130)가 전압제어신호출력부(110)로 정온발열히터(140)의 전류를 측정하여 그 값을 제공하면 전압제어신호출력부(110)는 정온발열히터(140)가 10℃가 될 때까지는 계속하여 16W/m의 발열을 수행하도록 하도록 사용전원의 전압값을 변환하는 전압제어신호를 전압변환부(120)로 출력하고, 전압변환부(120)는 전압제어신호에 따라 상용전원에 대한 위상별 온/오프 제어를 수행하여 정온발열히터(140)의 온도와 무관하게 16W/m의 발열을 수행하도록 하는 전력을 정온발열히터로 공급하게 된다.
따라서 종래기술의 정온발열히터(140)가 -10℃인 경우 초기 구동상태의 효율을 향상시키기 위하여 정온발열히터(140)에 약 30A ~ 35A 정도의 전류가 흐르게 되나, 본원발명의 전원공급장치(100)가 동파방지장치에 적용되면 초기 구동시에도 도 7에 도시된 바와 같이, 초기의 일정 온도 구간(예: 도 7에서 -10℃ ~ 10℃ 구간)에서 사용자가 설정한 정온히터의 발열량만을 출력하도록 정온발열히터의 온도별로 상용전원의 전압을 변환하여 공급하고, 정온발열히터가 일정 온도가 된 경우에는 상용전원의 전압을 그대로 인가하도록 동작하게 되어, 동파방지장치에 과도한 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있게 된다. 그리고 도 7과 달리 정온발열히터가 일정 온도가 되는 경우의 정온발열히터에 흐르는 전류를 측정하는 전류피드백제어외에 동파바지장치가 초기 구동 후 일정 시간이 경과된 후에 상용전원을 그대로 정온발열히터(140)로 공급하도록 하는 시간제어를 수행하도록 구성될 수 있음은 상술한 바와 같다.
이로 인해 본원발명의 전원공급장치(100)가 적용되는 경우 동파방지장치의 초기 구동시 정온발열히터(140)에 흐르는 전류가 정격용량을 초과하는 30A 이상의 전류에 비해 1/5에서 1/4로 낮아지게 되므로 동파방지장치를 제작함에 있어 누전차단기, 1 차 및 2 차 선로 등의 주변 장치들을 정격용량을 초과하는 30A 이상의 전 류를 견딜 수 있는 용량을 가지는 것이 아닌 단지 정격용량을 견딜 수 있는 낮은 용량의 소자 또는 부품들로 교체할 수 있게 된다.
따라서 본원발명이 적용되는 동파방지장치는 상술한 바와 같은 전압제어에 의해 종래기술에서와 같이 대용량의 전류를 견딜 수 있는 주변부품의 사용 대신 정격용량을 가지는 주변부품을 사용할 수 있도록 함으로써 제조비용을 절감시킴은 물론 전력소모를 줄일 수 있게 된다.
이상의 본원발명의 일 실시 예의 설명에서는 PTC 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 예로서, 배관의 동파방지장치를 예로 들어 설명하였으나, 본원발명의 피티씨 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 전원공급장치는, 피티씨 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 퍼머기, 전기온돌침대 등의 일정 온도 이상에서 발열이 정지될 것을 필요로 하는 모든 발열장치에 적용될 수 있다.
도 1 및 도 2는 대한민국 공개실용신안공보 실2001-1178호에 개시된 종래기술의 "배관의 동파방지장치"의 구성도,
도 3은 상술한 종래기술의 발열부(11)의 발열특성을 나타내는 그래프,
도 4는 본원발명의 일 실시예에 따르는 피티씨 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 전원공급장치를 구비한 동파 방지장치의 설치상태를 나타내는 도면,
도 5는 도 4의 동파 방지장치 중 전원공급장치의 블록 구성도,
도 6은 본원발명의 도 5의 전원공급장치(100)의 상세 구성을 나타내는 도면,
도 7은 동파방지장치가 초기 구동시 정온발열히터(140)가 10℃의 발열량을 출력하도록 전력을 변환하여 공급하도록 설정된 상태에서의 정온발열히터(140)의 발열특성을 나타내는 도면이다.
* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *
1: 배관 100: 전압공급장치
110: 전압제어신호출력부 111: AC전원공급기
112: DC변환기 113: 전압제어부
114: 제로크로싱검출기 120: 전압변환부
121: 포트트라이액 122: 전압변환기
130: 전류피드백부 140: 정온발열히터
105: 전류피드백부 101: 전원플러그

Claims (4)

  1. 피티씨(PTC: Positive Temperature Coefficient) 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치(이하, '발열장치'라 함)에 있어서,
    상기 발열장치의 구동시 정온발열히터가 기 설정된 발열을 수행하도록 정온발열히터로 입력되는 공급전원의 전압을 변동하는 전압제어신호를 출력하는 전압제어신호출력부와;
    상기 전압제어신호에 따라 상기 발열장치로 입력되는 입력전원의 전압을 변환하여 상기 정온발열히터로 공급하는 전압변환부와;
    상기 정온발열히터에 흐르는 전류를 검출하여 상기 전압제어신호출력부로 출력하는 전류피드백부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 피티씨 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 전원공급장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전압제어신호출력부는,
    상기 발열장치로 입력되는 교류 입력전원의 영 전압점을 검출하여 전압제어부로 출력하는 제로크로싱(zero crossing) 검출기와;
    상기 제로크로싱 검출기에서 출력되는 영전압점과, 상기 전류피드백부에서 입력되는 전류 값을 이용하여 상기 기 설정된 정온발열히터의 발열량 출력을 위한 전력을 가지도록 상기 입력전원을 특정 위상에서 온/오프시키는 전압제어신호를 출력하는 전압제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 피티씨 특성을 가지 는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 전원공급장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 전압제어부는,
    정온발열히터로 전원이 공급된 후 정온발열히터의 전류를 검출하여 상기 전류가 상기 기 설정된 발열량의 출력에 대응되는 전류 값을 가지는 경우, 상기 공급전원을 초기 입력전원으로 변환하여 정온발열히터로 공급하도록 하는 전압제어신호를 출력하는 전류피드백제어, 또는, 상기 정온발열히터로 전원이 공급된 후 기 설정된 시간 경과 후 상기 공급전원을 초기 입력전원으로 변환하여 정온발열히터로 공급하도록 하는 전압제어신호를 출력하는 시간제어를 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 피티씨 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 전원공급장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압변환부는,
    상기 전압제어신호출력부의 입력전원의 전압 위상별 온/오프 신호에 따라 온/오프 신호를 출력하는 포토트라이액(photo triac)과;
    상기 포토트라이액의 온/오프신호에 따라 상기 입력전원의 특정 전압 위상에서 상기 정온발열히터로 입력되는 입력전원을 온/오프시켜 공급전원을 생성한 후 상기 정온발열히터로 공급하는 전압변환기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 피티씨 특성을 가지는 정온발열히터를 구비한 발열장치의 전원공급장치.
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