KR101065482B1 - 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치 - Google Patents

Abstract

발열선(HC)의 양단에 연결된 제1, 2 발열단자;

상기 발열선(HC)과 나란히 배치되며 양단에 제1감열단자(S1)와 제2감열단자(S2)로 연결된 감열선(SC);

상기 발열선(HC)과 상기 감열선(SC) 사이를 절연하며 온도변화에 따라 임피던스가 변화하는 감온성 절연수지(N1);

상기 교류전원을 정류하여 직류전압원(Vcc)을 공급하여 주는 동작전원부;

상기 제1발열단자(H1)는 교류전원의 제1전원단자(AC1)에 연결되고, 상기 제2발열단자(H2)와 상기 교류전원의 제2전원단자(AC2) 사이에 접속된 SCR:

상기 SCR에 역방향 전압이 가해지는 감지주기에 상기 감온성 절연수지(NTC)를 통하여 상기 SCR과 역방향으로 흐르는 마이너스 측 전류변화를 감지하여 제어신호를 발생하는 온도감지부;

상기 온도감지부의 신호를 받아 상기 SCR을 동작시키는 동작제어신호를 발생하고, 동작제어신호를 지연시키는 신호제어부;

상기 발열선과 상기 감열선을 직렬로 접속하여 발열부하로 사용되도록 회로를 절환 접속함으로써, 발열온도가 일정온도 이상으로 발열되지 않도록 부하전력을 줄여주는 취침기능부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전열기구의 온도제어장치 및 그 안전장치로서, 전열기구의 온도 감지시 전압강하가 발생하지 않도록 발열전류가 흐르지 않는 감지주기에만 온도감지 및 제어신호를 발생하도록 하고, 또한 부품의 고장 및 취침시에 대한 안전장치가 강화된 전열 기구를 제공한다.

발열선, 감열선, 감온성 절연수지, SCR, 취침기능, 온도제어

Description

안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치{Electric heating controller with safety device}

본 발명은 전열기구인 난방기구인 전기요, 장판 등에 많이 사용이 되고 있는 발열선에 있어서, 전기 발열체와 감열선 사이에 온도변화에 따라 임피던스가 변화하는 감온성 절연수지로 절연하여, 감온성 절연수지에 의한 온도 변화를 감지하여 온도를 제어하는 감열선 방식의 온도 제어장치와 국부과열 및 이상 발생시에 대한 안전장치가 부가된 온도제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 전열기구의 온도를 제어하는 방식은 발열선으로 전류가 흐르는 것에 의해 발열된 전열기구의 온도를 별도의 온도센서를 설치하여 온도를 감지하고 제어를 하는 방식과 나일론 써미스터의 임피던스를 이용한 감열선에 흐르는 전류변화를 감지하여 제어하는 감열선 방식이 사용된다.

감열선 방식의 전열선은 도 1에 도시된 바와 같이 발열선 외부에 온도에 따라 임피던스가 변하는 나일론 써미스터(NTC)로 절연을 하고, 나이론 써미스터 외부 에 감열선을 감은 뒤 그 외부에는 외장용 절연재로 피복을 하게 된다.

감열선에 의한 온도제어방식은 상기 발열선에 전류가 흐르면 발열선에서 열이 발생을 하게 되고 그 발열 온도에 따라 변하는 임피던스의 변화에 의한 전류변화를 감열선에서 감지하여 온도제어를 하는 방식을 말한다.

감열선 방식은 일반 발열선을 사용하고 별도의 온도센서 및 온도과승 방지장치인 바이메탈을 사용하는 방식에 비하여 감열선 자체로서 온도감지가 되고 온도과승 방지도 되므로 설치가 간편하고 비용이 저렴하여 많이 사용이 되고 있다.

또한, 감열선이 발열선에 전체적으로 배치되므로 국부 과열 방지의 능력이 일반 온도센서방식에 비하여 신뢰도가 높은 것으로 알려져 있다.

예를 들면, 전기요의 경우 사용자가 사용 중에 전기요가 접히거나 베개와 같은 무거운 물체가 전기요 위에 올려져 있을 경우, 일반 온도센서방식에서는 일반적으로 2인용 기준으로 온도센서 2개, 바이메탈 2개 정도를 사용하게 되는데, 그 접힘 부분이나 눌려져 있는 부분이 온도센서나 바이메탈로부터 벗어난 지점인 경우에는 온도감지의 정확도가 떨어지게 된다. 따라서, 그 부분이 온도 감지가 되지 않으므로 접히지 않는 부분에 비하여 과열이 되게 된다.

온도센서를 더 많이 설치하게 되면 과열감지에 대한 신뢰도는 높일 수 있으나, 작업여건이나 비용상으로 현실적으로는 불가능한 것이다.

이에 비하여 감열선 방식은 어느 부위가 접히거나 눌리더라도 감열선이 발열선과 함께 설치가 되어 있으므로 전체적으로 온도감지가 가능하게 되어 국부적인 과열이 되더라도 과열방지가 가능해지는 장점이 있다.

그러나 실제로는 아직도 감열선 방식을 채택하더라도 국부적인 과열을 100% 완전하게 감지가 되지 않아 매년 국부과열로 인한 화재 및 화상으로 인한 여러 가지 사고로 사용자의 불만이 발생되어 왔다.

그러한 이유는 나일론 써미스터를 이용한 감열선 제품은 전압강하에 의하여 각 부분에 걸리는 전압이 차이가 있지 때문에, 과열부위에 따라 동일한 온도상승이 일어나더라도 감지부에 흐르는 전류는 각각 다른 수치를 가지게 된다.

결국, 이러한 원인에 의하여 발열선의 부위에 따라 온도감지가 다르게 되어 사용자가 화상을 입거나 화재가 발생을 하게 되고 제품수명이 짧아지게 된다.

또한, 접지 측과 가까운 부위에 국부과열이 일어나게 되면, 지속적으로 온도가 상승하여도 감지전류가 전원공급을 차단할 수 있는 정도의 신호를 발생하지 못할 정도로 적게 흘러서 위험온도까지 이르게 되어 사용자가 화상을 입거나, 화재의 원인이 되곤 한다.

전기요, 장판의 경우, 도 2-1과 같은 방식으로 발열선을 설치하거나 도 2--2와 같은 방식으로 발열선을 설치하는 것이 통상적인 방식이나, 전술한 바와 같은 위치에 따라 정확하게 감지를 하지 못하면, 사용자가 눕는 위치에 따라 온도제어가 제대로 될 수도 있고 제대로 되지 않고 과열이 될 수도 있게 되는 현상이 발생을 하게 된다.

또한, 사용자가 자신에게 적당한 온도로 다이얼을 고정시켜 놓았다 하더라도 눕는 위치에 따라서 온도가 더욱 높아질 수도 있고 낮아질 수도 있으므로 사용자는 다이얼을 높이거나 낮추는 식으로 계속 변경하여야 하는 불편함이 발생을 하게 되는 것이다.

또한, 온도제어장치 내에 일부 부품의 불량이 발생하는 경우, 특히 전력소자인 SCR이 고장으로 도통이 되거나, 감열선이 단락이 되어 온도감지가 부정확한 경우에도 위와 같은 사고의 원인이 될 수가 있다.

따라서, 위 경우에도 최소한의 안전장치가 필요하게 된다.

본 발명은 종래의 전열기구에서 국부과열 장소에 따라 국부과열을 감지하지 못하는 의한 문제점을 해결하기 위하여, 온도 감지시 전압강하가 발생하지 않도록 발열전류가 흐르지 않는 감지주기에만 온도감지 및 제어신호를 발생하도록 하고, 또한 부품의 고장 및 취침시에 대한 안전장치가 강화된 전열 기구를 제공하고자 한다.

전자부품은 일정기간 보증수명기간이 있으므로 내구성이나 외부의 원인에 의한 고장이 발생을 하는 경우가 있다. 특히 전기요는 사람이 직접 밀착되어 사용을 하는 제품이므로 만약에 부품 이상이나 제어불능 상태에 이르더라도 전원을 차단해주는 최소의 장치가 필요하게 되며, 또한, 사용자가 깨어있는 동안에는 전기요의 고장시 전원플러그를 뽑는다든지 하는 행동을 취할 수 있으나 취침기간 중에는 사용자는 방어능력이 취약해지므로 특히 별도의 취침기능이 필요하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 안전 기능을 추가하여 정상적인 사용시나 취침시에도 안전하게 제품을 사용할 수 있는 기능을 제공하고자 한다.

상기 과제를 이루기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 전열기구의 온도제어장치는 발열선(HC)의 양단에 연결된 제1, 2 발열단자; 상기 발열선(HC)과 나란히 배치되며 양단에 제1감열단자(S1)와 제2감열단자(S2)로 연결된 감열선(SC);

상기 발열선(HC)과 상기 감열선(SC) 사이를 절연하며 온도변화에 따라 임피던스가 변화하는 감온성 절연수지(N1); 교류전원을 정류하여 직류전압원(Vcc)을 공급하여 주는 동작전원부; 제1발열단자(H1)는 교류전원의 제1전원단자(AC1)에 연결되고, 제2발열단자(H2)와 교류전원의 제2전원단자(AC2) 사이에 접속된 SCR: 상기 SCR에 역방향 전압이 가해지는 감지주기에 감온성 절연수지(NTC)를 통하여 상기 SCR과 역방향으로 흐르는 마이너스 측 전류변화를 감지하여 제어신호를 발생하는 온도감지부; 상기 온도감지부의 신호를 받아 상기 SCR을 동작시키는 동작제어신호를 발생하고, 동작제어신호를 지연시키는 신호제어부;

상기 발열선과 상기 감열선을 직렬로 접속하여 발열부하로 사용되도록 회로를 절환 접속함으로써, 발열온도가 일정온도 이상으로 발열되지 않도록 부하전력을 줄여주는 취침기능부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 신호제어부의 신호를 받아 상기 SCR의 ON/OFF를 제어하는 전원제어부를 더 포함한다.

또한, 상기 과열방지부는 상기 제2전원단자(AC2)와 연결된 접지부(E)에 직렬로 연결된 제1단락부다이오드(D6)와 발열저항(R14)을 통하여 접속되며, 또한 상기 제1감지부다이오드(D5)의 애노드와 접속된 단락감지노드(nd2);

상기 교류전원의 어느 한 단자와 상기 발열선의 접속단자 사이에 직렬로 접속되며, 또한, 상기 발열저항(R14)과 근접되게 설치되어 상기 발열저항(R14)이 설정온도이상 발열 되면 교류전원의 공급을 차단하는 온도퓨즈(F2)로 이루어진다.

또한, 상기 제1전원선(AC1)과 상기 제1발열단자(H1) 사이에 과전류 퓨즈(F1)가 설치되며, 상기 SCR의 애노드에 제4제어다이오드(D8)의 애노드가 접속되고, 상기 제4제어다이오드(D8)의 캐소드에 상기 과전류 퓨즈(F1)의 일단이 접속되는 것을 포함하며, 상기 SCR의 고장시 상기 제4제어다이오드(D8)와 상기 과전류 퓨즈(F1)를 통하여 전류가 흐르게 되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 취침기능부는 평상모드와 취침모드를 절환하는 절환스위치를 포함하며,

평상모드시에는 상기 절환스위치에 의해서 발열선(HC)이 SCR을 통하여 상기 교류전원과 접속되고, 상기 감열선은 온도감지부에 접속되어, 온도감지부의 감지신호에 의하여 상기 SCR를 제어하며, 상기 취침모드시에는 상기 절환스위치에 의해 감열선(SC)이 상기 온도감지부와의 접속은 차단되고, 상기 발열선(HC)과 직렬로 접속되는 구조를 포함한다.

또한, 상기 온도감지부는 제2전원단자(AC2)와 연결된 접지부(E)로부터 제1충전콘덴서(C3)를 통하여 접속되어 제1비교기의 제1입력단에 온도변화에 따른 전압을 출력하는 감지전압노드(nd1), 상기 감지전압 노드(nd1)와 상기 제1감열단자(S1)사이에 직렬로 연결되며, 상기 SCR의 순방향 전압과 역방향으로 접속된 제1감지부다이오드(D5)와 제1감지부저항(R12);으로 이루어진다.

또한, 상기 감온성 절연수지(N1)는 나일론 써미스터로 할 수 있다.

또한, 상기 온도제어장치는 상기 발열선(HC)과 상기 감열선(SC) 사이에 단락이 되면, 상기 감지주기 동안에 접지부(E) - 제1단락부다이오드(D6)- 발열저항(R14)- 단락감지노드(nd2)- 제1감지부다이오드(D5)- 제1감열단자(S1)- 감온성 절연수지(N1)의 단락점-제1발열단자(H1)- 제1전원단자(AC1)의 순으로 회기 하는 단락전류가 흐르도록 함으로써, 상기 발열저항(R14)이 발열하는 안전장치를 포함한다.

또한, 상기 온도제어장치의 SCR은 상기 교류전원의 1/2주기 동안에 제2발열단자(H2)에서 상기 제2전원단자(AC2)와 연결된 접지부(E)로 전류가 흐르는 방향을 순방향으로 접속하며, 상기 SCR에 순방향 전압이 형성되는 발열주기에는 상기 교류전원의 전류가 상기 제1발열단자(H1) - 발열선(HC) - 제2발열단자(H2) - SCR - 접지부(E)를 통하여 흘러서 발열선을 발열시키고, 상기 SCR에 역방향 전압이 형성되는 나머지 감지주기에는, 상기 접지부(E) - 제1충전콘덴서(C3)- 감지전압노드(nd1)- 제1감지부저항(R12)- 제1감지부다이오드(D5)- 제1감열단자(S1) - 감온성 절연수지(N1)- 제1발열단자(H1) - 제1전원단자(AC1)의 순으로 회기 하는 감지전류에 의해 상기 제1충전콘덴서(C3)에 충전되는 상기 감지전압노드의 전압이 제1비교기(U1)의 제1입력단에 입력되어, 상기 제1비교기(U1)에서 상기 SCR의 ON-OFF를 제어하는 온도제어신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 온도제어장치는 직류전압원(Vcc)의 전압이 가변저항기(VR1)를 통하여 상기 제1비교기(U1)의 제2입력단으로 입력하며, 상기 가변저항기(VR1)에 의하여 설정온도를 조정할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 온도제어장치의 신호제어부는 상기 제1비교기의 출력에 의하여 동작되는 제1신호부트랜지스터(Q2); 상기 SCR에 ON/Off신호를 출력하는 제2비교기의 제1입력단에 연결되는 지연노드(nd3); 상기 제1신호부트랜지스터(Q2)의 콜렉터와 직류전압원(Vcc) 사이에 접속되는 제1신호부저항(R6): 상기 지연노드(nd3)와 상기 제1신호부트랜지스터(Q2)의 콜렉터 사이에 접속된 제2신호부저항(R10); 지연노드(nd3)와 상기 접지부(E) 사이에 병렬로 연결된 제2충전콘덴서(C4)를 포함하며, 상기 온도제어신호가 상기 SCR의 ON을 요구하는 신호인 경우에는 상기 제1신호부트랜지스터(Q2)의 동작 신호에 따라, 직류전압원(Vcc)에 의해 제1신호부저항(R6), 상기 제2신호부저항(R10)으로 흐르는 전류가 상기 제2충전콘덴서(C4)에 충전되는 시간만큼, 제2비교기(U2)의 상기 제1입력단의 전압을 지연하여 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.

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또한, 상기 온도제어장치의 신호제어부는 상기 제1비교기의 출력에 의하여 동작되는 제1신호부트랜지스터(Q2); 상기 SCR에 ON/Off신호를 출력하는 제2비교기의 제1입력단에 연결되는 지연노드(nd3); 제1신호부트랜지스터(Q2)의 콜렉터와 직류전압원(Vcc) 사이에 접속되는 제1신호부저항(R6): 상기 지연노드(nd3)와 상기 제1신호부트랜지스터(Q2)의 콜렉터 사이에 접속된 제2신호부저항(R10); 상기 제2신호부저항(R10)과 병렬로 접속된 제1신호부다이오드(D4);를 포함하며, 상기 온도제어신호가 상기 SCR의 OFF를 요구하는 신호인 경우에는 상기 제1신호부트랜지스터(Q2)가 ON이 되어 도통이 되면서 제2충전콘덴서(C4)에 충전된 전압이 상기 제1신호부다이오드(D4)를 통하여 방전됨으로써, 상기 제2비교기(U2)에서 상기 SCR을 OFF로 제어되는 신호가 출력되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 온도제어장치는 제1비교기의 출력에 의하여 동작되는 제1신호부트랜지스터(Q2); 상기 SCR에 ON/Off신호를 출력하는 제2비교기의 제1입력단에 연결되는 지연노드(nd3); 를 포함하며, 상기 감지전압노드(nd1)와 상기 제2비교기의 기준전압입력단 사이에 제2제어부다이오드(D3)가 접속되고, 상기 제2감열단자(S2)와 상기 접지부(E) 사이에 제1제어부저항(R17)이 접속되며, 상기 직류전압원(Vcc)과 상기 감지전압노드(nd1) 사이에 제2감지부저항(R3)가 접속되는 것에 의하여, 상기 감열선(SC)이 단선이 될 경우, 제2비교기(U2)의 기준전압입력단 전압이 설정된 기준전압보다 상승하게 되어, 상기 제2비교기에서 상기 SCR에 OFF제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전열기구의 온도제어장치와 안전장치.

또한, 상기 온도제어장치의 취침기능부는 평상모드와 취침모드를 절환하는 절환스위치를 포함하며, 평상모드시는 상기 절환스위치(SW2)의 절환 접속에 의해 상기 제2발열단자(H2)는 상기 SCR의 애노드 단자와 접속되고, 제1감열단자(S1)는 온도감지부와 접속되며, 취침모드시는 상기 절환스위치(SW2)의 절환 접속에 의해 제2발열단자(H2)는 제2감열단자(S2)와 접속되고, 상기 제1감열단자(S1)는 SCR의 애노드 단자와 접속되며, 또한, 제1감열단자(S1)와 상기 SCR의 애노드 단자 사이에 제5제어부다이오드(D7)를 상기 SCR과 동일한 순방향으로 접속되는 구조로 한다.

본 발명의 온도 제어방식은 기존의 제어방식과는 달리 어느 곳에서 국부과열이 일어나더라도 온도감지를 정확히 할 수 있기 때문에 전열기구의 온도제어에 대한 응답성 및 신뢰도를 높일 수 있는 온도제어장치이다.

또한, 온도조절기 내의 부품의 고장이나, 이상시에도 전원을 차단할 수 있는 안전장치가 부가되어 종래의 제어장치에 비하여 안전성을 높였으며, 특히 취침기능이 별도로 부가가 되어있어, 취침시 제어회로가 작동하지 않더라도 안전하게 사용할 수 있는 효과가 있다.

현재 기존의 온도 제어방식은 크게 2가지로 나뉘게 되는데 하나는 제로볼트 PWM (PULSE WIDE MODULATION)으로서 도 3과 같으며 또 다른 하나는 제로볼트 온 오프방식으로서 도 4와 같다.

제로 볼트 PWM 방식이란, 온도가 상승함에 따라 나일론 써미스터의 임피던스가 작아지므로 그 전류를 측정하여 발열선에 공급되는 전력 펄스를 줄여서 전력을 적게 공급이 되도록 함으로써, 표면온도를 설정된 온도로 유지시켜주는 방식이다.

제로볼트 온 오프 방식이란, 발열선의 온도가 설정온도보다 낮을 때는 PWM방식과 마찬가지로 반파가 모두 인입이 되지만 설정온도에 도달하면 전력공급소자(통상 SCR을 사용함)가 오프되어 전력공급을 끊음으로써, 온도가 제어되는 방식이다.

제로볼트 PWM 방식에 비하여 제로볼트 온 오프방식은 회로가 간단하고 응답속도가 빠르며 온도 제어가 비교적 정확하므로 최근에는 많이 사용이 되고 있는 실정이다.

제로볼트 온 오프방식인 도 5의 회로에서 사용자는 전원을 연결하면 발열선 H1, H2에는 전류가 흐르고 발열하게 된다. 그리고 비교기 기준전압 입력 측에 VRa로 기준전압을 조정하여 온도를 설정한다.

이때 감열선 S1, S2 측에서 인입되는 전류는 H1, H2-나일론 써미스터 N-S1,S2-Da-Ra 를 거쳐 Ca에서 평활되어 비교기의 -측으로 입력된다.

발열선의 온도가 설정온도에 도달하지 못하였을 경우, 나일론 써미스터의 임피던스는 높은 상태이므로(나일론 써미스터는 마이너스 온도계수를 갖는 NTC-negative temperature coefficient-특성이다) 발열선 H1,H2에서 나일론 써미스터-감지선 S1,S2로 인입되는 전류량은 적을 것이고, 그 전압은 가변저항기(VRa)로 설정된 전압보다 낮으므로 비교기 출력은 하이가 되어 그 신호는 트랜지스터(Qa)를 거쳐 전력제어소자(SCRa)에 가해져서 턴온을 유지시키게 되어 전력공급은 지속된다.

발열선의 온도가 상승하여 본체의 표면온도가 설정온도에 이르게 되면 나일론 써미스터의 임피던스는 처음보다 점점 작아지게 되어 유입되는 전류량이 늘어나고 다이오드(Da)에 의하여 플러스 전류가 유입이 되므로 저항(Ra)을 거쳐 콘덴서(Ca)의 양단에 충전이 되므로 비교기(Ua)의 -측 입력 전압이 올라가게 된다.

- 측 입력 전압이 가변저항기(VRa)에 의하여 설정된 전압보다 높게 되면 비교기의 출력은 하이에서 로우로 반전을 하게 되고, 전력소자(SCRa)는 턴 오프가 되어 전력공급을 중단하게 된다. 이러한 동작을 반복함으로써 본체의 표면 온도는 가변저항기(VRa)에 의하여 설정된 온도를 유지하게 된다.

그러나 발열선 H1에서 H2 사이에서 국부과열이 발생하게 되는 경우에는 온도제어는 전술한 상태와는 다른 문제가 발생을 하게 된다.

예를 들어서 발열선의 온도가 상승하면 나일론 써미스터의 임피던스가 감소하게 되는데, 이때의 임피던스는 발열선 전체의 임피던스를 말하게 되며 등가회로상으로 보면, 도 6과 같은 형태가 된다.

이러한 상태에서 발열선 전체가 골고루 온도가 상승한다면 통합임피던스가 감소하므로 감열선을 통하여 유입되는 전류는 양이 증가하게 되는데, 발열선 중의 특정부위에 국부과열이 된다면 그 부위의 임피던스는 다른 부위보다 더욱 감소하게 되고 전류의 양은 늘어나게 되므로 다이오드(Da)을 거쳐 콘덴서(Ca)의 양단의 전압이 상승하면서, 비교기(Ua)가 동작하여 전원공급을 중단시켜야 전열기 온도가 안정적으로 제어될 수 있게 된다.

그러나 이러한 국부과열이 발생하였을 때, 동일한 온도과열 현상이 발생 되더라도 감지선으로 유입되는 전류의 양은 온도과열이 되는 부위에 따라 다르게 됨으로써 신뢰도에 문제가 발생하게 된다.

다시 말하면 어느 부위가 과열되더라도 과열된 만큼 임피던스는 감소하므로 감열선으로 유입되는 전류량은 늘어나게 되어 전력공급을 중단시키는 제어신호가 출력되어야 하지만, 실제로는 부위별 과열에 의한 나일론 써미스터의 임피던스는 일정비율로 감소가 되는 반면, 감지선으로 유입되는 전류의 양은 과열부위의 전압에 따라서 다르게 되기 때문에 온도변화를 정확하게 감지할 수가 없게 되고, 결국 온도는 계속 상승하게 되는 문제점이 발생하게 되는 것이다.

일반적으로 전기요의 경우 2인용 기준으로 약 34M에서 40M 발열선을 설치를 하게 되는데 도 5, 6에 도시된 바와 같은 온도조절장치에 연결을 하게 되면, 교류입력 두선중 한 선은 발열선으로 연결이 되어 전력소자로 인입이 되고 다른 한 선은 회로 접지용으로 연결이 된다.

도 5, 6의 실시예에서는 온도를 감지하기 위해서는 발열선H1,H2-나일론 써미스터N-감지선S1,S2의 순으로 유입되는 전류를 다이오드(Da)을 거쳐 비교기(Ua)에 입력하게 된다.

AC2를 접지 기준으로 삼아서 각 부위의 전압 상태를 측정한바 각 부위의 전압값은 전압강하에 의하여 도 6과 같이 나타난다.

그리고 발열선의 온도가 상승하게 되면 나일론 써미스터의 임피던스는 시간이 지날수록 감소하게 되는데 전류가 흐를 때의 발열선의 전압 분포를 등분하여 보면 발열선은 저항체이므로 나타나는 전압의 파형은 도 7과 같이 된다.

즉 기준전압 AC2를 기준으로 발열선의 a점은 +220V 반파가 되고 b점은 a, b 간의 전압강하만큼 줄게 된다. 즉, b점은 +165V, c점은+110V, d점은 +55V, e점은 0V가 된다. 발열선의 온도가 상승하게 되면 전체 발열선의 각 부위별의 임피던스는 같은 온도일 경우 각 부위별로 똑같이 감소를 하지만 각 부위별의 전류의 크기는 전술한 바와 같이 각 부위별의 전압이 틀리므로 전류의 양은 각 부위별로 다르게 된다.

결국, 감열선으로 유입되는 전류의 양은 이러한 전류를 모두 합산한 양이 되고 다이오드를 거쳐서 평활되어 직류전압으로 나타나게 된다.

즉 설정전압의 온도는 발열선-나일론 써미스터-감지선의 순으로 유입되는 전체의 전류를 합산하여 최고온도를 설정하였으므로 만약에 전기요의 일부 부분이 접히거나 무거운 물건이 올려져 있다고 가정을 한 경우, 즉 a 점 부근이 국부과열이 되어 있을 경우, 그 부위의 임피던스는 다른 부위에 비하여 과열된 만큼 작아지게 되고, 그때 a점의 전압은 다른 열선의 부위에 비하여 전압이 높으므로(220V에 가까우므로) 많은 전류량이 흐르게 된다.

그 시점에 다른 부위 즉 b, c, d, e의 온도는 아직 상승이 되지 않은 상태이고 임피던스는 a부위보다 높은 상태이므로 b, c, d, e 부위의 전류량이 적게 흐른다 할지라도 a점의 임피던스는 다른 부위에 비하여 온도에 의하여 감소한 상태이고, a부위의 전압이 가장 높으므로 감지선으로 유입되는 전류는 다른 부위에 비하여 많은 전류가 흐르게 된다.

전체부위에서 흐르는 전류를 합산하면 다이오드(Da)를 통하여 많은 전류가 흘러서 콘덴서(Ca)양단의 전압이 급속히 높아지게 되고, 설정된 전압에 빠르게 도달하게 되면서, 비교기의 출력이 반전되어 SCR에 의해 전력공급이 중단되게 된다.

다시 설명을 하면 a점을 제외한 다른 부위는 아직 설정온도에 도달하지 않았을 지라도 a점은 국부과열이 되어 설정온도에 도달한 것으로 판단을 하게 되므로 전력공급이 중단이 된다.

다음에 b점이 과열되는 경우이다. a점의 과열시와 온도가 같은 경우 임피던스는 같다고 하더라도 전압이 a점에 비해 낮으므로 유입되는 전류의 양은 a점의 과열시에 비하여 적은 양이 된다. 그에 따라 다이오드(Da)로 유입되는 전류는 a점 과열시에 비하여 적은 양이 유입 된다.

따라서, 콘덴서(Ca) 양단의 전압은 VRa에 의한 설정전압에 도달되기까지는 a점의 과열시에 비하여 시간이 더 걸리게 되므로 a점의 과열시에 비하여 발열선의 온도는 더욱 상승한 뒤에 전력공급이 차단된다.

다음에 c점이 국부과열시를 살펴보면, a점, b 점의 과열시에 비하여 전술한 바와 같은 이유로 더욱 전류가 줄게 되고 전력공급이 중단되기까지는 더욱 시간이 걸리므로 발열선은 그만큼 과열상태가 된다.

또한, d점과 e점 부근이 국부과열시는 전압강하에 의해 전압이 55V 이하로 되어 발열선의 온도가 올라가서 임피던스가 감소해도 전류가 설정전압에 도달할 만큼 흐르지 않게 된다.

결국, d점과 e점에 국부과열이 발생시는 온도는 과열상태임에도 온도제어장치가 작동하지 않게 되므로, 발열선의 온도는 계속 상승하게 되어 위험상태가 된다.

위와 같은 실험 예를 바탕으로 하여, 본 발명의 일 실시예에서는 감열선에 의한 온도감지방식에 있어서, 전압강하에 의한 국부적 오차를 줄이기 위하여 감지시에는 발열선에 전류가 흐르지 않도록 주기를 분리하여 제어하는 방식을 채택하였다.

이하, 본 발명의 구성을 일 실시예인 도 8에 의하여 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예는 동작전원부-온도 감지부-과열방지부-신호제어부-전원제어부 및 취침기능부로 이루어진다.

동작전원부는 교류전류를 직류로 변환하는 정류부로 이루어져 있으며 제어회로의 동작을 위하여 교류전원을 정류하여 직류전압원(Vcc)을 공급하여 주는 회로부이다.

온도감지부는 SCR에 역방향 전압이 가해지는 감지주기에 감온성 절연수지(N1)를 통하여 상기 SCR과 역방향으로 흐르는 전류변화를 감지하여 제어신호를 발생하는 회로부이다.

신호제어부는 온도제어부(12)의 신호를 받아 스위칭제어소자를 동작시키는 동작제어신호를 발생하고, 상기 동작제어신호를 지연시키는 회로부이다.

전원제어부는 신호제어부(13)의 신호를 받아 상기 스위칭제어소자의 ON/OFF를 제어하는 회로부이다.

과열방지부는 상기 감열선과 가열선이 단락되는 등의 이유로 온도감지부에 일정 전류 이상이 흐르게 되면 발열 되는 저항을 통하여 온도퓨즈를 차단시키는 회로부이다.

취침기능부는 사용 중에 온도조절기의 불량으로 인한 온도제어불능 상태라도 발열선이 고온이 되지 않도록 절환스위치에 의하여 발열부하로 사용되도록 함으로써, 전체적인 부하전력을 줄여주는 회로부이다.

감열선(SC)은 도 1과 같이 발열선(HC)과 나란히 배치되며 양단에 제1감열단자(S1)와 제2감열단자(S2)로 접속된다. 발열선(HC)과 감열선(SC) 사이에는 감온성 절연수지인 나이론써미스터(N1)로 절연이 되어진다.

도 8에 도시된 바와 같이 발열선(HC)은 교류전원의 제1전원단자(AC1)와 연결된 제1발열단자(H1)와 교류전원의 제2전원단자(AC2)가 SCR을 통하여 제2발열단자(H2)로 접속된다. 제1비교기의 제1입력단에 온도변화에 따른 전압을 출력하는 감지전압노드(nd1)는 제2전원단자(AC2)와 연결된 접지부(E)로부터 제1충전콘덴서(C3)를 통하여 접속되며, 상기 감지전압노드(nd1)와 상기 제1감열단자(S1)사이에는 직렬로 연결된 SCR의 순방향 전압과 역방향으로 접속된 제1감지부다이오드(D5)와 제1감지부저항(R12)이 접속된다.

SCR은 교류전원의 1/2주기 동안에 제2발열단자(H2)에서 접지부(E)로 전류가 흐르는 방향을 순방향으로 접속하며, SCR에 순방향 전압이 형성되는 발열주기에는 교류전원의 전류가 상기 제1발열단자(H1) - 발열선(HC) - 제2발열단자(H2) - SCR - 접지부(E)를 통하여 흘러서 발열선을 발열시킨다.

SCR에 역방향 전압이 형성되는 나머지 감지주기에는, R3와 R18에 의하여 분 압되어 있는 c점으로부터 제1감지부저항(R12)- 제1감지부다이오드(D5)- 제1감열단자(S1) - 감온성 절연수지(N1)- 제1발열단자(H1) - 제1전원단자AC1)의 순으로 회기 하는 감지전류가 흐르도록 함으로써, 상기 감지전류에 의해 상기 제1충전콘덴서(C3)에 충전되는 전압이 제1비교기의 제1입력단에 입력된다.

동작전원부에서 공급되는 직류전압원(Vcc)의 전압이 가변저항기(VR1)를 통하여 상기 제1비교기(U1)의 제2입력단으로 입력하며, 가변저항기(VR1)에 의하여 제1비교기(U1)의 기준전압을 조정함으로써, 전열기의 설정온도를 조정할 수 있다.

먼저, 전원(SW1)을 온을 시키면 동작전원부에서는 교류를 직류로 변환하여 회로내에 직류전압원(Vcc)를 제공한다. 일 실시예에서는 직류전압원(Vcc)를 12V로 하였다.

사용자는 VR1을 돌려서 온도를 설정한다. 이때 온도감지부의 제1비교기(U1)의 +측으로 설정전압이 입력되는데 고온일수록 전압이 낮게 되고 저온은 전압이 높게 되도록 설정한다. (일 실시예에서는 섭씨 65도 →2V, 섭씨 35도 → 6V로 설정하였다.) 이러한 이유는 일반적인 온도제어방식이 발열선-나일론 써미스터-감지선의 순으로 유입되는 전류의 양으로 온도제어를 하는 방식인데 반하여 본 발명은 감지선-나일론 써미스터-발열선의 순으로 흘러나가는 전류의 양에 의하여 온도제어를 하게 되기 때문이다.

즉, R3, R18에 의하여 분압된 전압으로부터 발열선의 온도가 올라갈수록 C3의 양단의 전압은 낮아지게 된다.

예를 들면, R3 = 2㏀, R18 = 10㏀, Vcc = 12V로 하였을 경우, 감열선이 차단된 상태에서 직류전압원에 의해 분압된 전압인 C3양단의 전압 즉, c점의 직류전압은 10V가 된다. 그 후, 초기단계에서 제1비교기(U1)의 -입력측의 전압을 고온(2V)으로 설정하고, 발열선에 전압을 가하면, 나일론 써미스터에는 저온에서 기본적인 높은 임피던스가 존재를 하므로 감지전압노드(nd1) 으로부터 약간의 전류가 AC1 측으로 흐르게 되어 c점의 직류전압은 10V에서 7V로 낮아지게 된다.

따라서 초기단계에는 제1비교기(U1)의 -입력측의 전압(7V)이 +의 설정전압(2V)보다 높으므로 제1비교기(U1)의 출력은 로우가 되고 제1신호부트랜지스터(Q2)는 오프가 되어 직류 전압원의 전압이 지연회로를 거쳐 제2비교기(U2)의 +입력측으로 가해지게 된다.

지연회로는, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2비교기(U2)의 제1입력단인 지연노드(nd3)와 제1신호부트랜지스터(Q2)의 콜렉터 사이에 접속된 제2신호부저항(R10)이 연결되고, 제1신호부트랜지스터(Q2)의 콜렉터와 상기 직류전압원(Vcc) 사이에 제1신호부저항(R6)이 접속되는 회로이다.

지연노드(nd3)와 제1신호부트랜지스터(Q2)의 콜렉터 단자 사이에 제1신호부다이오드(D4)가 제2신호부저항(R10)와 병렬로 접속되며, 지연노드(nd3)와 접지부(E) 사이에 제2충전콘덴서(C4)와 제너다이오드(ZD2)가 병렬로 접속된다.

예를 들어, 직류 전압원을 12V, 제너다이오드(ZD2) 의 전압을 8V로 설정을 하고 R7, R15의 저항값을 서로 같게 하면 제2비교기(U2)의 - 입력부에는 6V가 입력 이 된다.

그리고 신호제어부 C4의 양단의 전압은 현재 제1신호부트랜지스터(Q2)는 오프 상태이므로 +12V-R6-R10-C4의 순으로 C4의 양단에 충전이 되면서 C4의 양단의 전압은 서서히 높아진다.

일 실시예에서는 R10의 저항값을 양단의 전압이 6V에 도달하는데 약 30초 정도의 시간이 걸리도록 설정을 하였다.

약 30초의 시간이 경과한 후 C4의 양단의 전압이 6V를 넘어가면, 제2비교기(U2)의 -입력은 6V로 설정이 되어있으므로 제2비교기(U2)의 출력은 30초 동안 로우 상태에서 하이로 반전되어 전원제어부 TR(Q1)이 온신호를 출력하게 된다.

상기 TR(Q1) 신호에 따라 전력소자 SCR은 턴온하며 발열선에는 AC1-F1-H1-H2-SW2-SCR-AC2의 순으로 반파전류가 흐른다.

결국, 전원을 투입하고 나서 30초 후에 발열선에 전력이 공급이 된다.

발열선에 전류가 흐르고 온도가 상승하게 되면 나일론 써미스터의 임피던스는 점차 감소하게 된다.

온도감지부의 제1감지부다이오드(D5)의 방향에 의하여 (b)점보다 높은 전압은 온도제어부로 흘러들어갈 수가 없지만, 발열선의 온도가 올라갈수록 나일론써미스터의 임피던스 감소로 인하여 (a)점의 전압은 마이너스로 내려가게 되고, (c)점의 전위보다 점차 낮아지게 되므로 전류가 점차 증가하게 된다.

예를 들어 역방향인 경우, (c)점을 기준으로 보면, 발열선 H1, H2의 전압은 -220V 의 전위가 되므로, 전류는 (c)점-R12-D5-SW2-S1,S2-나일론 써미스터 N1-H1,H2-전류퓨즈 F1-AC1 의 순으로 흐르게 되며, 나일론 써미스터의 임피던스가 작아질수록 (c)점의 전위는 점점 낮아지게 된다.

발열선 온도가 계속 상승하게 되면 (c)점의 전위는 VR1에 의하여 설정된 전압(일 실시예에서는 2V로 설정)보다 낮아지게 되고 그 순간 온도제어부의 비교기 U1의 출력은 로우에서 하이로 반전을 하여 하이 신호를 출력하고(즉, SCR의 OFF를 요구하는 신호임), 신호제어부의 제1신호부트랜지스터(Q2)가 온이 된다.

이때 신호제어부의 제2충전콘덴서(C4)의 양단에 충전되고 제너다이오드(ZD2)에 의하여 형성된 8V의 전압은 제1신호부트랜지스터(Q2)가 온이 되는 순간 제1신호부다이오드(D4)에 의하여 방전되고, 제2충전콘덴서(C4) 양단의 전압은 0V가 되며, 제2비교기(U2)의 +입력은 제2비교기(U2)의 - 입력 측에 입력된 기준전압인 6V보다 낮아지게 된다.

따라서, 제2비교기(U2) 출력은 반전하여 하이에서 로우가 되고 전원제어부의 TR(Q1)은 오프가 되어 SCR이 턴 오프 되므로 발열선의 전력공급이 중단된다.

즉, 비교기(U1) 의 출력이 하이인 경우에는 제1신호부트랜지스터(Q2)가 ON이 되어 콜렉터 단자가 상기 접지부(E)와 도통이 되면서 상기 제2충전콘덴서(C4)에 충전된 전압이 상기 제1신호부다이오드(D4)를 통하여 방전됨으로써, 상기 제2비교기(U2)에서 상기 SCR의 OFF 신호가 출력되는 것이다.

또한, SCR이 턴온되어 반파전류가 발열선 H1과 H2의 사이를 흐를 때에는 그림 6에서 보듯이 발열선 각 부위별 a, b, c, d, e 전압이 걸리지만 SCR이 턴 오프 되면, 발열선에 발열전류가 흐르지 않게 되므로 감온성 절연수지의 임피던스는 다시 증가하게 된다.

따라서, 도 8에서 (c)점- (b)점 - (a)점의 순으로 점차 많은 전류가 흐르다가 발열선에 전류가 흐르지 않으므로 온도감지부의 제1비교기(U1)의 - 입력측의 전압이 높아지게 되어 제1비교기(U1)의 출력이 즉시 반전되어 제1신호부트랜지스터(Q2)는 다시 오프가 된다.

그러나, R10이 고저항이고 콘덴서 C4는 용량이 크게 설정하여 놓았으므로 C4의 양단에 충전되는 전류는+12V- R6-R10-C4의 순서로 서서히 충전이 되어 C4의 양단의 전압은 올라간다. 따라서, 전압이 올라가는 30초 간은 제2비교기(U2)의 출력은 로우가 유지가 되어 SCR은 턴 오프상태가 되며 30초 뒤에는 신호제어부의 제2비교기(U2)는 다시 반전하여 로우에서 하이가 되고 전원제어부의 TR(Q1)은 온이 되어 SCR은 다시 턴온이 되며, 발열선에는 전력이 공급이 된다.

이러한 상태를 반복하게 되면 발열선의 온도가 낮은 상태에서는 나일론 써미스터 N1의 임피던스가 크므로 처음에는 역방향으로 흘러나가는 전류의 양이 적게 되어 (c)점의 전위가 VR1에 의하여 설정된 전압까지 내려가는데 시간이 많이 걸리지만, 발열선의 온도가 상승하여 열을 계속 품고 있으면 나일론 써미스터의 임피던 스가 점차 작아지게 되므로 흘러나가는 전류의 양이 점차 증가되어 SCR이 ON이 되어있는 시간은 적어 지게 된다.

결국, 신호 제어부의 제2충전콘덴서(C4)의 양단에 충전되는 지연시간이 정하여져 있으므로 온도가 상승하여 일정온도 이상이 되면, ON이 되어있는 시간은 발열선의 온도가 올라갈수록 짧게 되어 전열기구의 표면 온도는 일정하게 유지가 된다.

다음은 국부 과열 상태의 경우에 대하여 살펴본다.

도 8의 발열선 중 A점이 다른 부위보다 더 뜨거운 현상인 국부 과열되었을 때는 전술한 바와 같이 A점의 임피던스는 B, C, D, E, 에 비하여 감소가 되고 A점의 전위는 220V가 되므로 전류가 많이 흐를 수 있는 조건이 된다.

그러나 발열선과 감지선 사이에 교류전류가 AC1에서 AC2로 흐를 때는 온도감지부의 제1감지부다이오드(D5)의 방향에 의하여 흐르지 못하며, 발열선에 전류가 흐르지 않는 시간인 AC2에서 AC1의 방향으로, 즉 SCR의 전류 방향과 역방향으로 전류가 흐를 때만, 접지부(E) - 제1충전콘덴서(C3)- 감지전압노드(nd1)- 제1감지부저항(R12)- 제1감지부다이오드(D5)- SW2 - 제1감열단자(S1) - 감온성 절연수지(N1) - A점-제1발열단자(H1)- 퓨즈F1-제1전원단자(AC1) 의 순으로 전류가 흐르게 되며, 온도가 설정온도 이상일 경우는 감지전압노드(nd1)인 (c)점의 전위가 낮아지게 되므로 SCR은 오프가 되어 과열이 방지가 된다.

다음은 B점이 국부과열시를 살펴본다. AC2의 회로 접지를 기준으로 하여 볼 때 B점의 전위는 175V에 해당이 되므로 일반적인 회로에서는 A점에 비하여 같은 임피던스일 경우에 더 작은 전류가 흘러야 되겠지만 AC1에서 AC2의 방향으로 흐를 때의 전류는 전술한 바와 같이 온도감지부의 제1감지부다이오드(D5)의 방향에 의하여 차단되어 아무 영향을 주지 못한다.

AC2에서 AC1의 방향으로 전류가 흐를 때는 전력소자 SCR에 의하여 발열선으로 공급되는 전류는 차단이 되지만 전술한 바와 같이 c점-R12-D5-SW2-S1-B점-H1-F1-AC1의 순으로는 전류가 흐르게 된다.

그러므로 AC2에서 AC1으로 흐르는 교류주기에는 발열선으로 전류가 흐르기 않기 때문에 발열선의 국부과열점인 A, B, C, D, E 점의 전위는 전류가 AC2에서 AC1로 흐르는 동안에는 기준전압 AC2를 기준으로 하여 볼 때, 모두가 -220V의 전위가 된다.

이에 따라 어느 부위가 국부과열이 되더라도 온도제어부의 감지전압노드(nd1)인 (c)점을 기준으로 하여 흐르는 전류는 임피던스가 감소하는 만큼만 증가를 하게 되고 감지전압노드(nd1)의 전위가 낮아지게 된다(역방향으로 흘러나가는 전류의 양이 늘어나므로). 전위가 설정전압 이하로 낮아지게 되면, 즉 온도가 설정온도 이상이 되면, 제1비교기(U1)는 온도제어신호를 신호제어부로 출력하여 SCR을 턴 오프 시키게 되어 과열을 방지하게 된다.

본 발명의 일 실시예에서는 SCR의 순방향으로 전류가 흐를 때는 발열선으로 전류가 공급이 되어 발열이 이루어지나, 역방향으로 접속된 제1감지부다이오드(D5) 에 의해 온도 감지부에서는 상기와 같은 순방향 전류는 감지하지 않는다.

즉, 역방향으로 SCR이 오프 되어있는 동안에만 온도감지부에서 온도를 감지함으로써 발열선 중에서 어느 부위가 국부과열이 되더라도 나일론 써미스터의 임피던스가 감소 되는 만큼 비례한 전류가 흘러서 감지가 되므로, 기존의 방식이 흘러들어오는 전류의 양으로 온도제어를 하지만 본 발명은 흘러나가는 전류의 양으로 온도제어를 하게 되므로 본 발명은 종래의 방식에 비하여 국부과열에 대한 신뢰도가 높아진다. 즉, 본 발명의 일 실시예는 어느 부위가 국부과열이 되더라도 과열된 온도가 정확히 감지가 되므로 한층 안전해지는 것이다.

다음은 본 발명의 일 실시예에서 채택하고 있는 안전회로에 관하여 설명하도록 한다.

만약, 사용 중에 과열이나 파손에 의하여 감지선이 단선이 되는 경우가 발생할 수 있다. 이 경우에는 감지선으로 유입되는 전류가 줄어들어서, 설정온도 이상으로 과열이 되더라도 설정온도에 해당하는 설정된 전압에 도달할 수가 없게 되어 비교기(U1)의 -입력 전압이 +입력 전압보다 높은 상태가 지속되므로 SCR은 턴온상태가 유지되어 발열선 온도는 계속 상승하게 된다. 즉, 온도제어가 제대로 이루어지지 않는다.

위와 같은 경우를 대비하여 일 실시예에서는 도 8에 도시된 바와 같이, 감지전압노드(nd1)와 제2비교기(U2)의 기준전압입력단 사이에 제2제어부 다이오드(D3)가 접속되고, 상기 제2감열단자(S2)와 상기 접지부(E) 사이에 제1제어부저항(R17)이 직렬로 접속되며, 상기 직류전압원(Vcc)과 상기 감지전압노드(nd1) 사이에 제2감지부저항(R3)이 접속된 회로를 채택하였다.

일 실시예에서는 제1제어부저항(R17)을 발열선으로 흐르는 전류에 영향을 주지 않을 정도의 고저항 값으로 하였다.

그 동작 상태를 보면, 정상적인 경우에, (c)점의 전위를 10V로 하였을 때, (c)점-R12-D5-SW2-S1-S2-R17-접지의 순으로 회로가 구성이 되어있는 상태에서 나일론 써미스터의 상온에서의 기본 임피던스가 존재하므로 (c)점의 전위는 발열선과 연결이 되어있는 상태에서는 10V보다 낮은 전압이 형성이 된다. (본 실시예에서는 R17 의 값을 조절하여 약 7V 이하로 설정이 되어있는 상태이다.)

위와 같이 살정되어 있는 상태에서, 만약에 감지선이 단선이 되면 R17 에 의하여 접지와 연결이 끊어지게 되어 (c)점의 전위가 상승을 하게 되며 10V의 전압이 제2제어부다이오드(D3)를 통하여 제2비교기(U2)의 -입력 측으로 입력이 된다. 제2비교기(U2)의 +입력은 전술한 바와 같이 6V로 설정되어있고 -입력측은 제너다이오드(ZD2)에 의하여 8V를 넘지 못하도록 설정이 되어 있으므로 감지선이 어떠한 원인에 의하여 단선이 될 때에는 제2비교기(U2)의 입력 전압은 제2제어부다이오드(D3)에 의하여 10V 전압이 입력된다.

따라서, 제2비교기(U2)의 출력은 하이에서 로우가 되면서 이를 계속 유지하게 되어 SCR을 턴 오프 시켜서 전력공급을 중단시키게 된다.

또한, 만약 전자부품의 불량, 파손에 의하여 회로가 정상동작을 하지 않고 계속 가열되는 경우, 즉 온도 제어가 되지 않는 경우에는 발열선의 온도가 계속 상승하게 될 수 있다. 발열선이 회로의 이상으로 계속 과열이 되어 120도 이상까지 올라가는 경우에는 과열된 어떠한 부위의 나일론 써미스터가 융해되어 발열선과 감지선이 쇼트가 되게 된다.

위와 같은 경우를 대비하여 도면 8의 일 실시예에 도시된 바와 같이 발열저항(R14)과 제1감지부다이오드(D5)의 애노드와 접속된 점을 단락감지노드(nd2)라 할 때, 단락감지노드(nd2)가 접지부(E)에 직렬로 연결된 제1단락부다이오드(D6)와 발열저항(R14)을 통하여 접속되는 과열방지부를 채택하였다. 온도퓨즈(F2)는 교류전원의 어느 한 단자와 상기 발열선의 접속단자 사이에 직렬로 접속되며, 발열저항(R14)과 근접되게 설치되어 발열저항(R14)이 설정온도이상 발열되면 교류전원의 공급을 차단하게 된다.

위와 같이 발열선(HC)과 상기 감열선(SC) 사이에 단락이 되면, 감지주기 동안에 접지부(E) - 제1단락부다이오드(D6)- 발열저항(R14)- 단락감지노드(nd2)- 제1감지부다이오드(D5)- 제1감열단자(S1)- 감온성 절연수지(N1)의 단락점-제1발열단자(H1)- 제1전원단자(AC1)의 순으로 회기 하는 방향으로 전류가 흐르게 된다. 즉, 발열저항(R14)에 큰 단락전류가 흐르게 되면, 상기 발열저항(R14)이 발열이 되고, 발열저항(R14)와 공간적으로 밀착된 온도퓨즈(F2)가 단선이 되어 전력공급이 중단되므로 단락으로 인한 사고를 방지하게 된다.

또한, 전력소자인 SCR이 고장으로 도통 상태가 되면, 반파가 아닌 입력전압 전파가 흐르게 되고 직결이 되어 소비전력이 2배로 증가하는 과열현상이 발생하게 된다. 이 경우를 대비하여 도면 8의 일 실시예에서는 제1전원단자(AC1)와 상기 제1발열단자(H1) 사이에 과전류 퓨즈(F1)가 설치되며, 상기 SCR의 애노드에 제4제어다이오드(D8)의 애노드가 접속되고, 상기 제4제어다이오드(D8)의 캐소드에 상기 과전류 퓨즈(F1)의 일단이 접속하는 회로를 채택하였다.

즉, SCR이 고장으로 도통이 될 경우에는 발열주기시에는 평상시와 동일하게 동작전류가 흐르나, 감지주기시에는 AC2-SCR(도통)-D8-F1-AC1 의 순으로 과전류가 흐르게 되어 전류퓨즈 F1을 단선시킨다.

일반적으로 전기요를 사용시에 통상적인 사용이 아닌 취침시에는 세심한 주의가 필요하므로 별도의 기능이 필요하게 된다.

취침시에는 깨어있는 상태에서 전기요를 사용하는 것과는 달리 온도조절기의 이상시에 취침 중에는 감각이 둔하거나 방어능력이 뒤떨어지게 되므로 화재나 화상을 입는 경우가 생긴다. 따라서 최악의 경우라도 발열선의 온도가 올라가지 않도록 할 필요가 있게 된다.

즉 취침기능을 별도로 설치함으로써 사용 중에 온도조절기의 불량으로 인한 온도제어불능 상태라도 발열선이 고온이 되지 않도록 하는 장치가 필요하게 된다.

전열기구의 온도상승을 부하전력에 따라 여러 차례 반복적인 실험을 하여본 결과, 정격 소비전력의 1/4을 공급하는 경우, 발열선의 온도는 수십 시간이 경과하 여도 외부로 상쇄되는 온도에 의하여 발열선의 상승온도가 상대적으로 미약하게 되므로, 표면 온도는 40도 이상 상승되지 않는다.

전기요의 경우 통상 2인용 기준으로 약 200W의 전력으로 제조하게 되는데, 전력소자를 반파를 사용하는 SCR을 사용하는 경우, 발열선의 저항은(입력전압이 220V인 경우) 약 120Ω을 사용하게 되며, 감지선은 360Ω을 사용하게 된다.

따라서, 취침시 상기 발열선과 감지선을 직결하여 발열부하전력으로 사용하게 되면, 부하전력은 정격전력의 1/4이 된다.

도 8의 일 실시예에서는 절환스위치(SW2)를 사용하여 평상모드시에는 발열선(HC)이 SCR을 통하여 교류전원과 접속되고, 상기 감열선은 온도감지부에 접속되며, 상기 감온성 절연수지를 통하여 흐르는 상기 감열선의 전류 변화에 따라 동작되는 온도감지부의 감지신호에 의하여 상기 SCR를 제어하며, 취침모드시에는 절환스위치(SW2)에 의해 상기 감열선(SC)이 상기 온도감지부와의 접속은 차단되고, 상기 발열선(HC)과 직렬로 접속된다. (도 8은 절환스위치(SW2)가 평상모드로 접속된 상태를 나타내고 있다.)

즉, 도 8과 같이, 평상모드시는 절환스위치(SW2)의 절환 접속에 의해 제2발열단자(H2)는 상기 SCR의 애노드 단자와 접속되고, 상기 제1감열단자(S1)는 온도감지부와 접속되며, 취침모드시는 상기 절환스위치(SW2)의 절환 접속에 의해 상기 제2발열단자(H2)는 상기 제2감열단자(S2)와 접속되고, 상기 제1감열단자(S1)는 제5제 어부다이오드(D7)와 접속되어 제5제어부다이오드(D7)를 거쳐서 상기 SCR의 애노드 단자와 연결된다.

평상모드시에는 발열선에는 약 200W의 전력이 소비되며 약 30도에서 60도의 표면 온도가 발생을 하고 온도제어는 감지선을 통하여 하게 되지만, 취침모드시인 SW2를 절환시키면 그림 7의 전류의 방향은 AC1-F1-H1-H2-SW2-S2-S1-SW2-D7-SCR-AC2 의 순으로 전류가 흐르게 된다.

이때 발열선과 감지선이 직렬로 연결이 되어 합성 저항은 480오옴이 되며, 소비전력은 정격전력의 1/4인 약 50W의 전력이 된다.

따라서, 별도로 온도제어를 할 필요도 없이 계속 사용을 하여도 전기요의 표면 온도는 40도 이상 상승 되지 않는다.

만약에 취침 중에 전력소자가 쇼트가 되는 고장이 나더라도 제1감열단자(S1)와 상기 SCR의 애노드 단자 사이에 제5제어부다이오드(D7)를 상기 SCR과 동일한 순방향으로 접속되는 것에 의하여 반파 제어가 되므로 소비전력은 변화가 없게 된다.

이러한 장치는 일단 사용자가 취침기능을 사용하는 동안에는 별도의 온도조절기의 조작이 없이도 과열되는 현상을 방지하게 된다.

또한, SW2의 양단에는 저항 R9를 연결하였는데 이는 취침 기능시에는 SW2에 의하여 감지선과의 연결이 끊어지게 되고 전술한 바와 같이 D3를 통하여 전압이 10V로 상승되는 것에 의하여 취침기능시에 SCR이 오프 상태가 되는 에러를 방지하기 위한 것이다.

본 발명에서는 설명을 위하여 로직 회로를 사용하였으나 CMOS 칩이나, 마이컴으로 대체하여 사용할 수도 있다.

도 1은 나일론 써미스터를 사용한 감열선 방식의 발열선을 도시한 도면이다.

도 2-1, 2-2는 현재 사용되는 전기장판의 발열선 배치 구조를 도시한 도면이다.

도 3은 제로볼트 PWM 방식을 설명하기 위한 전압 파형이다.

도 4는 제로볼트 ON-OFF 방식을 설명하기 위한 전압 파형이다.

도 5는 제로볼트 ON-OFF 방식을 사용하는 온도제어장치에 대한 개념을 설명하기 위한 개략 회로도이다.

도 6은 도 5에 대한 각 부위의 전압을 설명하기 위한 개략도이다.

도 7은 도 6에 대한 각 부위의 전압을 설명하기 위한 각 부위의 전압 파형이다.

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

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

H1, H2...제1, 발열단자 S1, S2...제1, 2 감열단자

AC1, AC2...제1, 2 전원단자 SW1...전원스위치

SW2...취침모드 절환위치 D1 ~ D8... 다이오드

N1 ...부온도특성 나일론 써미스터 SCR,...Silicon controlled rectifier

VR1...가변 저항기 U1,2...비교기1, 2

C1 ~ C4...캐패시턴스 R1 ~ R18...저항

Vcc...직류전압원 Q1, Q2...트랜지스터

F1...과전류퓨즈 F2...온도퓨즈

nd1 ~ nd2...접속점 노드

Claims (17)

1. 발열선(HC)의 양단에 연결된 제1발열단자(H1) 및 제2발열단자(H2);

   상기 발열선(HC)과 나란히 배치되며 양단에 제1감열단자(S1)와 제2감열단자(S2)로 연결된 감열선(SC);

   상기 발열선(HC)과 상기 감열선(SC) 사이를 절연하며 온도변화에 따라 임피던스가 변화하는 감온성 절연수지(N1);

   교류전원을 정류하여 직류전압원(Vcc)을 공급하여 주는 동작전원부;

   상기 제1발열단자(H1)에 전원을 공급하기 위하여 제1전원단자(AC1)에 접속되는 교류전원;

   상기 제2발열단자(H2)와 상기 교류전원의 제2전원단자(AC2) 사이에 접속된 SCR:

   상기 SCR에 역방향 전압이 가해지는 감지주기에 상기 감온성 절연수지(N1)를 통하여 상기 SCR과 역방향으로 흐르는 마이너스 측의 전류변화를 감지하여 제어신호를 발생하는 온도감지부;

   상기 온도감지부의 신호를 받아 상기 SCR을 동작시키는 동작제어신호를 발생하고, 동작제어신호를 지연시키는 신호제어부;

   상기 발열선과 상기 감열선을 직렬로 접속하여 발열부하로 사용되도록 회로를 절환 접속함으로써, 발열온도가 일정온도 이상으로 발열되지 않도록 부하전력을 줄여주는 취침기능부;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치
2. 발열선(HC)의 양단에 연결된 제1발열단자(H1) 및 제2발열단자(H2);

   상기 발열선(HC)과 나란히 배치되며 양단에 제1감열단자(S1)와 제2감열단자(S2)로 연결된 감열선(SC);

   상기 발열선(HC)과 상기 감열선(SC) 사이를 절연하며 온도변화에 따라 임피던스가 변화하는 감온성 절연수지(N1);

   교류전원을 정류하여 직류전압원(Vcc)을 공급하여 주는 동작전원부;

   상기 제1발열단자(H1)에 전원을 공급하기 위하여 제1전원단자(AC1)에 접속되는 교류전원;

   상기 제2발열단자(H2)와 상기 교류전원의 제2전원단자(AC2) 사이에 접속된 SCR:

   상기 제2전원단자(AC2)와 연결된 접지부(E)로부터 제1충전콘덴서(C3)를 통하여 접속되어 제1비교기의 제1입력단에 온도변화에 따른 전압을 출력하는 감지전압노드(nd1);

   상기 감지전압노드(nd1)와 상기 제1감열단자(S1)사이에 직렬로 연결되며, 상기 SCR의 순방향 전압과 역방향으로 접속된 제1감지부다이오드(D5)와 제1감지부저항(R12);을 포함하되,

   상기 SCR은 상기 교류전원의 1/2주기 동안에 제2발열단자(H2)에서 상기 제2전원단자(AC2)와 연결된 접지부(E)로 전류가 흐르는 방향을 순방향으로 접속하며, 상기 SCR에 순방향 전압이 형성되는 발열주기에는 상기 교류전원의 전류가 상기 제1발열단자(H1) - 상기 발열선(HC) - 상기 제2발열단자(H2) - 상기 SCR - 상기 접지부(E)를 통하여 흘러서 상기 발열선을 발열시키고, 상기 SCR에 역방향 전압이 형성되는 나머지 감지주기에는, 상기 접지부(E) - 상기 제1충전콘덴서(C3)- 상기 감지전압노드(nd1)- 상기 제1감지부저항(R12)- 상기 제1감지부다이오드(D5)- 상기 제1감열단자(S1) - 상기 감온성 절연수지(N1)- 상기 제1발열단자(H1) - 상기 제1전원단자(AC1)의 순으로 회기 하는 감지전류에 의해 상기 제1충전콘덴서(C3)에 충전되는 상기 감지전압노드(nd1)의 전압이 상기 제1비교기(U1)의 제1입력단에 입력되어, 상기 제1비교기(U1)에서 상기 SCR의 ON-OFF를 제어하는 온도제어신호를 출력하는 온도감지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치
3. 제2항에 있어서

   상기 온도감지부의 온도제어신호를 받아 상기 SCR을 동작시키는 동작제어신호를 발생하고, 상기 동작제어신호를 지연시키는 신호제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서

   상기 신호제어부의 신호를 받아 상기 SCR의 ON/OFF를 제어하는 전원제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서

   상기 감온성 절연수지(N1)는 나일론 써미스터인 것을 특징으로 하는 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치.
6. 제2항에 있어서,

   상기 제2전원단자(AC2)와 연결된 접지부(E)에 직렬로 연결된 제1단락부다이오드(D6)와 발열저항(R14)을 통하여 접속되며, 또한 상기 제1감지부다이오드(D5)의 애노드와 접속된 단락감지노드(nd2);

   상기 교류전원의 어느 한 단자와 상기 발열선의 어느 한 단자 사이에 직렬로 접속되며, 또한, 상기 발열저항(R14)과 근접되게 설치되어 상기 발열저항(R14)이 설정온도 이상 발열되면 상기 교류전원의 공급을 차단하는 온도퓨즈(F2);를 포함하는 과열방지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서

   상기 제1전원단자(AC1)와 상기 제1발열단자(H1) 사이에 과전류 퓨즈(F1)가 설치되며, 상기 SCR의 애노드에 제4제어다이오드(D8)의 애노드가 접속되고, 상기 제4제어다이오드(D8)의 캐소드에 상기 과전류 퓨즈(F1)의 일단이 접속되는 것을 포함하며, 상기 SCR의 고장시 상기 제4제어다이오드(D8)와 상기 과전류 퓨즈(F1)를 통하여 전류가 흐르게 되는 것을 특징으로 하는 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 취침기능부는 평상모드와 취침모드를 절환하는 절환스위치를 포함하며,

   상기 평상모드시에는 상기 절환스위치에 의해서 발열선(HC)이 SCR을 통하여 상기 교류전원과 접속되고, 상기 감열선은 온도감지부에 접속되어, 상기 온도감지부의 감지신호에 의하여 상기 SCR를 제어하며,

   상기 취침모드시에는 상기 절환스위치에 의해 상기 감열선(SC)이 상기 온도감지부와의 접속은 차단되고, 상기 발열선(HC)과 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치.
9. 제1항에 있어서,

   상기 온도감지부는 상기 제2전원단자(AC2)와 연결된 접지부(E)로부터 제1충전콘덴서(C3)를 통하여 접속되며, 제1비교기의 제1입력단에 온도변화에 따른 전압을 출력하는 감지전압노드(nd1);

   상기 감지전압노드(nd1)와 상기 제1감열단자(S1)사이에 직렬로 연결되며, 상기 SCR의 순방향 전압과 역방향으로 접속된 제1감지부다이오드(D5)와 제1감지부저항(R12);을 포함하는 것을 특징으로 하는 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 직류전압원(Vcc)의 전압이 가변저항기(VR1)를 통하여 상기 제1비교기(U1)의 제2입력단으로 입력하며, 상기 가변저항기(VR1)에 의하여 설정온도를 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치.
11. 제2항에 있어서,

    발열저항(R14)과 상기 제1감지부다이오드(D5)의 애노드와 접속된 점을 단락감지노드(nd2)라 할 때, 상기 발열선(HC)과 상기 감열선(SC) 사이에 단락이 되면, 상기 감지주기 동안에 상기 접지부(E) - 제1단락부다이오드(D6)- 상기 발열저항(R14)- 상기 단락감지노드(nd2)- 상기 제1감지부다이오드(D5)- 상기 제1감열단자(S1)- 감온성 절연수지(N1)의 단락점- 상기 제1발열단자(H1)- 상기 제1전원단자(AC1)의 순으로 회기 하는 단락전류가 흐르도록 함으로써, 상기 발열저항(R14)이 발열하는 것을 특징으로 하는 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치.
12. 제1항에 있어서,

    상기 온도감지부는 상기 제2전원단자(AC2)와 연결된 접지부(E)로부터 제1충전콘덴서(C3)를 통하여 접속되어 제1비교기(U1)의 제1입력단에 온도변화에 따른 전압을 출력하는 감지전압노드(nd1);

    상기 감지전압노드(nd1)와 상기 제1감열단자(S1)사이에 직렬로 연결되며, 상기 SCR의 순방향 전압과 역방향으로 접속된 제1감지부다이오드(D5)와 제1감지부저항(R12);을 포함하며,

    상기 SCR은 상기 교류전원의 1/2주기 동안에 상기 제2발열단자(H2)에서 상기 제2전원단자(AC2)와 연결된 상기 접지부(E)로 전류가 흐르는 방향을 순방향으로 접속하며, 상기 SCR에 순방향 전압이 형성되는 발열주기에는 상기 교류전원의 전류가 상기 제1발열단자(H1) - 상기 발열선(HC) - 상기 제2발열단자(H2) - 상기 SCR - 상기 접지부(E)를 통하여 흘러서 상기 발열선(HC)을 발열시키고, 상기 SCR에 역방향 전압이 형성되는 상기 감지주기에는, 상기 접지부(E) - 상기 제1충전콘덴서(C3)- 상기 감지전압노드(nd1)- 상기 제1감지부저항(R12)- 상기 제1감지부다이오드(D5)- 상기 제1감열단자(S1) - 상기 감온성 절연수지(N1)- 상기 제1발열단자(H1) - 상기 제1전원단자(AC1)의 순으로 회기하는 감지전류에 의해 상기 제1충전콘덴서(C3)에 충전되는 상기 감지전압노드(nd1)의 전압이 상기 제1비교기(U1)의 제1입력단에 입력되어, 상기 제1비교기(U1)에서 상기 SCR의 ON-OFF를 제어하는 온도제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치.
13. 제3항 또는 제12항에 있어서

    상기 신호제어부는 상기 제1비교기(U1)의 출력에 의하여 동작되는 제1신호부트랜지스터(Q2);

    상기 SCR에 ON/Off신호를 출력하는 제2비교기(U2)의 제1입력단에 연결되는 지연노드(nd3);

    상기 제1신호부트랜지스터(Q2)의 콜렉터와 직류전압원(Vcc) 사이에 접속되는 제1신호부저항(R6):

    상기 지연노드(nd3)와 상기 제1신호부트랜지스터(Q2)의 콜렉터 사이에 접속된 제2신호부저항(R10);

    상기 지연노드(nd3)와 상기 접지부(E) 사이에 병렬로 연결된 제2충전콘덴서(C4)를 포함하며, 상기 온도제어신호가 상기 SCR의 ON을 요구하는 신호인 경우에는 상기 제1신호부트랜지스터(Q2)의 동작 신호에 따라, 직류전압원(Vcc)에 의해 상기 제1신호부저항(R6), 상기 제2신호부저항(R10)으로 흐르는 전류가 상기 제2충전콘덴서(C4)에 충전되는 시간만큼, 상기 제2비교기(U2)의 상기 제1입력단의 전압을 지연하여 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치.
14. 제3항 또는 제12항에 있어서

    상기 신호제어부는 상기 제1비교기(U1)의 출력에 의하여 동작되는 제1신호부트랜지스터(Q2);

    상기 SCR에 ON/Off신호를 출력하는 제2비교기(U2)의 제1입력단에 연결되는 지연노드(nd3);

    상기 제1신호부트랜지스터(Q2)의 콜렉터와 직류전압원(Vcc) 사이에 접속되는 제1신호부저항(R6):

    상기 지연노드(nd3)와 상기 제1신호부트랜지스터(Q2)의 콜렉터 사이에 접속된 제2신호부저항(R10);

    상기 제2신호부저항(R10)과 병렬로 접속된 제1신호부다이오드(D4);를 포함하며, 상기 온도제어신호가 상기 SCR의 OFF를 요구하는 신호인 경우에는 상기 제1신호부트랜지스터(Q2)가 ON이 되어 도통이 되면서 제2충전콘덴서(C4)에 충전된 전압이 상기 제1신호부다이오드(D4)를 통하여 방전됨으로써, 상기 제2비교기(U2)에서 상기 SCR을 OFF로 제어되는 신호가 출력되는 것을 특징으로 하는 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치.
15. 제3항 또는 제12항에 있어서,

    상기 제1비교기(U1)의 출력에 의하여 동작되는 제1신호부트랜지스터(Q2);

    상기 SCR에 ON/Off신호를 출력하는 제2비교기(U2)의 제1입력단에 연결되는 지연노드(nd3);

    상기 감지전압노드(nd1)와 상기 제2비교기(U2)의 기준전압입력단 사이에 접속되는 제2제어부다이오드(D3);

    상기 제2감열단자(S2)와 상기 접지부(E) 사이에 접속되는 제1제어부저항(R17);

    상기 직류전압원(Vcc)과 상기 감지전압노드(nd1) 사이에 접속되는 제2감지부저항(R3);을 포함하며, 상기 감열선(SC)이 단선이 될 경우, 상기 제2비교기(U2)의 기준전압입력단 전압이 설정된 기준전압보다 상승하게 되어, 상기 제2비교기(U2)에서 상기 SCR로 OFF 제어신호를 출력되는 것을 특징으로 하는 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치.
16. 제1항에 있어서,

    상기 취침기능부는 평상모드와 취침모드를 절환하는 절환스위치를 포함하며

    상기 평상모드시는 상기 절환스위치(SW2)의 절환 접속에 의해 상기 제2발열단자(H2)는 상기 SCR의 애노드 단자와 접속되고, 상기 제1감열단자(S1)는 상기 온도감지부와 접속되며,

    상기 취침모드 시에 상기 절환스위치(SW2)의 절환 접속에 의해 상기 제2발열단자(H2)는 상기 제2감열단자(S2)와 접속되고, 상기 제1감열단자(S1)는 상기 SCR의 애노드 단자와 접속되는 것이 포함하는 것을 특징으로 하는 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치.
17. 제16항에 있어서,

    상기 취침모드 시에 상기 제1감열단자(S1)와 상기 SCR의 애노드 단자 사이에 제5제어부다이오드(D7)를 상기 SCR과 동일한 순방향으로 직렬 접속되는 것을 특징으로 하는 안전장치가 부가된 전열기구의 온도제어장치.

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