KR101342182B1 - 펄스 폭 변조 성에 제거기 - Google Patents

Abstract

본원의 히터 그리드와 컨트롤러를 포함하는 창(window) 성에 제거 시스템이다. 상기 컨트롤러는 히터 그리드에 구동신호를 제공하게 형성된 펄스 폭 변조기를 포함한다. 상기 구동신호는 초기 가열부분과 펄스부분을 갖는다. 초기 가열부분은 히터 그리드의 최적한 작동전압보다 큰 초기전압을 제공하며, 펄스부분은 최적한 작동전압보다 큰 펄스 고전압을 가지는 펄스신호를 제공한다.

히터 그리드, 컨트롤러, 성에 제거기, 구동신호, 폴리카보네이트, 운영전압.

Description

펄스 폭 변조 성에 제거기{PULSE WIDTH MODULATED DEFROSTER}

본 발명은 투명한 플라스틱 패널 상에 있는 성에를 제거하는 시스템에 관한 것이다.

근래, 폴리카보네이트 창과 같은 플라스틱 창이 유리 창의 대안으로 사용할 수 있게 되고 있다. 차량 용도에 있어서, 플라스틱 창은 다른 매력적인 속성을 제공할 뿐만 아니라 중량을 현저하게 줄일 수도 있다. 그러나, 유리 기층에 인쇄된 소결 금속제 패이스트(sintered metallic pastes)와 대비하여, 플라스틱 기층에 인쇄되어 경화된 도전성 패이스트가 나타내는 전도성은 낮다. 또한, 일반적으로 유리와 대비하여 플라스틱이 나타내는 열전도성도 낮다. 그 결과, 뒷 창(rear window)과 같은 플라스틱 패널에 긴 길이의 그리드 선(grid lines)을 필요로 할 때, 히터 그리드 기능은 더욱 손상을 받게 된다. 상기 내용으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 대형 창에 대해 수용할 수 있는 히터 그리드를 제공하도록, 성에 제거 사이클 동안 발생하여 소산되는 열의 양을 향상시켜 최적화시키는 기술이 필요하다.

일부 성에 제거기 그리드의 패턴은 자동차에 있는 배터리의 전압보다 충분히 낮은 전압에서 매우 양호하게 작동한다. 이런 시스템에 대해 배터리 전압(일반적으로 약 13볼트)을 인가하면, 그리드가 과열되어, 플라스틱 패널이 녹거나, 성에 제거기 그리드 자체가 파괴될 수도 있다. 그 결과, 이런 성에 제거기 그리드를 사용하려면 높은 와트의 저항기(high wattage resistor)를 전기적으로 직렬로 성에 제거기 그리드에 연결하여 전압을 강압할 필요가 있다. 예를 들어, 성에 제거기 그리드 패턴이 약 7볼트의 최적한 작동전압을 갖는 경우, 성에 제거기 자체에 의해 사용되는 전력의 거의 89%를 소비하는 저항기가 필요하다. 따라서, 차량의 성에 제거기 회로는 성에 제거 그리드에 의해 실제로 사용되는 전력의 거의 2배를 취급할 필요가 있다. 또한, 저항기 자체가 개별적으로 관리해야 하는 많은 열을 발생하다.

상술한 바와 같은 이유로, 차량 용도로 플라스틱 창에 성에를 제거하는 개량된 시스템이 필요하다.

본 발명은 당 기술분야에서 상술한 결함 및 그외 다른 제약을 극복했을 뿐만 아니라, 상기 필요를 충족하기 위해, 플라스틱 창의 성에를 제거하는 개량된 시스템을 제공하는 것이다.

상기 시스템은 히터 그리드와 컨트롤러를 포함한다. 히터 그리드는 플라스틱 패널에 부착되며, 컨트롤러와 전기적으로 연통(electrical communication)한다. 컨트롤러는 히터 그리드에 구동신호를 제공하게 형성된 펄스 폭 변조기(pulse width modulator)를 포함한다. 구동신호는 초기 가열부분(initial heating portion)과 펄스부분(pulsed portion)을 가질 수 있다. 초기 가열부분은 히터 그리드의 최적한 작동전압(optimal operating voltage)보다 큰 초기전압을 히터 그리드의 양측 사이에 제공한다. 초기전압은 히터 그리드를 증속구동(overdrive)하고 이를 최적한 작동전압에 의해 제공된 온도 또는 그 근처의 온도로 빠르게 가열한다. 펄스부분은 최적한 작동전압보다 큰 펄스 고전압의 펄스신호를 제공한다. 그러나, 펄스부분은 펄스부분의 듀티 사이클에 따라 히터 그리드의 최적한 작동전압과 대체로 동일한 유효전압(effective voltage)을 가진 히터 그리드를 제공한다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점에 대한 설명을 첨부 청구범위와 도면을 참조하여 이하에 기술한다.

도1은 본 발명에 따르는 플라스틱 창의 성에를 제거하는 많은 시스템 중의 하나를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도2는 본 발명에 따르는 히터 그리드가 사용되어 발생된 구동신호의 그래프이다.

도3은 본 발명에 따르는 타이머 회로의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도1은 본 발명의 기본 원리를 실시하는 시스템을 도면번호 '10'으로 지시하여 나타낸 도면이다. 주요 구성요소로 시스템(10)은 히터 그리드(14)와 컨트롤러(16)를 포함한다.

히터 그리드(14)는 플라스틱 창(12)에 부착되며, 컨트롤러(16)와 전기적으로 연통한다. 창(12)은 폴리카보네이트 재료와 같은 플라스틱 패널로 형성할 수 있으며, 한정적이지 않은 기재로, 마모 및 자외선 광과 같은 것으로부터 보호하기 위해 1개 이상의 층 또는 코팅을 포함할 수 있다. 마이크로컨트롤러(16)는 히터 그리드(14)에 구동신호를 제공하게 형성된 펄스 폭 변조기(18)를 포함한다. 구동신호는 히터 그리드(14)의 양측 사이에 전압을 제공하여 히터 그리드(14)가 열 에너지를 발생하게 하여, 창(12)에 있는 성에를 제거한다. 상기 히터 그리드(14)의 양측 사이의 전압은 히터 그리드(14)의 일 측으로부터 히터 그리드(14)의 타 측까지 측정한 초기전압을 의미한다. 컨트롤러(16)는 내장(built-in) 펄스 폭 변조기를 가진 마이크로컨트롤러 칩이거나, 또는 구동신호의 펄스부분을 발생하는 펄스 폭 변조기를 형성하는 타이머 회로와 같은 펄스 회로를 가진 복수개의 제어회로를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 컨트롤러(16)는 광학-절연체(opto-isolator)(20)를 통해 히터 그리드(14)로부터 절연되어, 히터 그리드(14)를 구동하는데 필요한 전류로부터 컨트롤러(16)를 보호한다. 이렇게 하여, 광학-절연체(20)의 입력측은 부하(load) 저항기(22)를 통해 전압 원(24)에 연결된다. 펄스 폭 변조기(18)는 펄스 폭 변조기(18)의 타이밍에 기초한 광학-절연체(20)의 입력측에 접지 경로(ground path)를 제공한다. 광학-절연체(20)의 출력측은 히터 그리드(14)와 전기적으로 연통하여 구동신호를 전달한다. 또한, 차량 배터리와 같은 전압 원(26)도 광학-절연체(20)의 출력측과 전기적으로 연통하여, 광학-절연체(20)의 출력측에 전력을 공급한다. 또한, 광학-절연체(20)의 출력측은 전기적 접지부(28)와 전기적으로 연통하여 광학-절연체(20)의 출력에 대한 기준 전압을 제공한다. 광학-절연체(20)의 출력은 라인(27)을 따라, 양극(bipolar) 트랜지스터로 나타낸 트랜지스터(34)의 베이스와 전기적으로 연통하여 고체(solid state) 릴레이(38)를 구동하며, 구동신호를 히터 그리드(14)에 전달한다. 또한, 부하 저항기(30)는 트랜지스터(34)의 콜렉터와 베이스 사이에 연결되어 있다. 또한, 트랜지스터(34)에 전류를 공급하여 고체 릴레이(38)를 구동하기 위해, 트랜지스터(34)의 콜렉터는 전원(26)에 연결되며, 트랜지스터(34)의 이미터는 저항기(36)를 통해 전기 접지부(28)와 전기적으로 연통 된다.

상술한 바와 같이, 구동 트랜지스터(34)의 이미터는, 고체 릴레이(38)의 제1입력부(40)와 전기적으로 연통하여 히터 그리드(14)를 흐르는 전류를 펄스(pulse)시킨다. 고체 릴레이(38)의 제2입력부(42)는 전기적 접지부(28)와 전기적으로 연통된다. 제1 및 제2입력부(40, 42)의 양측 사이에 전압이 제공되면, 고체 릴레이(38)의 제1출력부(44)와 제2출력부(46) 사이로 전류를 흐르게 할 수 있다. 따라서, 히터 그리드(14)에 전류를 제공하기 위해, 히터 그리드(14)의 제1측이 전원(26)과 전기적으로 연통되며, 히터 그리드(14)의 제2측은 고체 릴레이(38)의 제1출력부(44)와 전기적으로 직렬로 연결된다. 펄스 폭 변조기(18)의 출력이 높은 경우, 고체 릴레이(38)를 활성화하고 제1 및 제2출력부(44, 46) 사이에 전류를 흐르게 할 수 있다. 제2출력부(46)는 분로(shunt) 저항기(48)를 통해 전기적 접지부(28)와 전기적으로 연통하여 있다. 따라서, 전류는 전원(26)에서 히터 그리드(14)를 통해 흘러, 고체 릴레이(38)를 통해 전기적 접지부로 흐를 것이다.

전원(26)은 히터 그리드(14)의 최적한 작동전압 정상상태(optimal operating voltage steady state)보다 큰 전압을 제공하도록 형성된다. 히터 그리드(14)의 최적한 작동전압은 창(12)의 물리적 특성뿐만 아니라, 히터 그리드의 특정 특성에도 기초한다. 최적한 작동전압은 히터(14)가 정상상태의 상황에서 창(12) 또는 히터 그리드(14) 자체를 손상시키지 않을 최대 열량을 내는 DC전압이다. 따라서, 최적한 작동전압은 택일적으로 여기에서는 정상상태 작동전압으로 참조 된다. 예를 들어, 하나의 가능한 구동신호(60)를 도2에 나타내었다. 가능한 구동신호는, 제한적이지 않은 기재로, 정현파, 삼각파, 톱니파 그리고 사각파를 포함한다.

구동신호(60)는 초기 가열부분(70)과 펄스부분(72)을 포함한다. 초기 가열부분(70) 동안, 구동신호(60)는 히터 그리드(14)에 대한 최적한 작동전압보다 큰 전압(74)으로 설정된다. 이렇게 하여, 히터 그리드(14)는 초기 가열부분(70) 동안 증속구동하여, 히터가 최적한 작동전압에서 히터 그리드(14)에 의해 발생되는 온도 또는 그 근처의 온도에서 빠르게 최대 온도에 도달한다. 다음, 펄스 폭 변조기(18)가 구동신호(60)의 펄스부분(72)을 발생한다. 펄스부분(72)은, 히터 그리드(14)의 최적한 작동전압보다 큰 펄스 전압(74)으로 제공되는 일련의 펄스(64)를 포함한다. 펄스(64)는 기간(68)으로 나타낸 바와 같이 규칙적인 간격으로 제공되며, 펄스(64)의 지속기간(duration)은 펄스 폭(66)으로 나타난다. 따라서, 펄스부분(72)의 듀티 사이클은 기간(68)과 비교해서 펄스(64)의 펄스 폭(66)에 기초하여 결정된다. 이렇게 하여, 펄스(64)의 짧은 지속기간은 비정상 상태에서 큰 전압을 공급할 수 있어서, 펄스 전압(74)보다 낮은 유효전압을 제공하게 한다. 또한, 유효전압은 히터 그리드(14)의 최적한 작동전압 또는 그것보다 낮은 전압으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 유효전압은 사각파에 대해 다음의 식1에 따라 계산된다.

유효전압 = 인가전압 * 펄스 폭(초) * 주파수 (1)

전형적인 자동차의 방풍창 또는 백라이트의 적용에 대해, 초기 가열부분(70)의 길이는 펄스부분(72)의 펄스 폭(66)보다 크며, 일반적으로 펄스부분(72)의 기간(68)보다도 크다. 특정 경우에, 초기 가열부분(70)은 수초간 지속할 수 있다. 그러나, 펄스부분의 기간은 일반적으로 500ms보다 작고 그리고 펄스 폭은 200ms보다 작지만, 더 긴 기간 및 펄스 폭을 사용할 수 있다. 상술한 바와 같이, 펄스 폭 변조기(18)는 타이머 회로(78)를 포함할 수 있다. 일 실시예가 도3에 도시된 바와 같이, 타이머 회로(78)는 전자분야에서 알려진 555타이머 칩과 같은 타이머 칩(80)을 포함한다.

배경 목적으로, 555타이머 칩의 핀은 다음의 표1에 따르는 산업 표준 기능을 갖는다.

타이머 회로(78)에서, 타이머 칩의 핀8은 전압 원(82)과 전기적으로 연통하게 있고, 저항기(88)는 핀7과 핀8 사이에 설치되어 있다. 또한, 다른 저항기(90)의 제1측은 핀7에 연결되어 있으며, 저항기(90)의 제2측은 핀2 및 핀6에 연결되어 있다. 또한, 축전기(92)는 일 측이 핀2 및 핀6에 그리고 타 측이 전기 접지부(84) 및 핀1에 연결되어 있다. 따라서, 나머지 핀인, 핀3은 타이머 칩(80)으로부터 펄스 신호(86)를 제공한다. 도시된 구조에 따라, 펄스 신호(86)의 주파수는 아래에 기재한 식2에 따라 계산할 수 있고, 듀티 사이클은 아래에 기재한 식3에 따라 계산할 수 있으며, 여기서, C는 축전기(92)의 용량이고, R1은 저항기(88)의 저항이고, R2는 저항기(90)의 저항이다.

주파수=[0.693*C*(R1+2*R2)] (2)

듀티 사이클=(R1+R2)/(R1+2*R2) (3)

원형(prototype) 성에 제거기를 제어하는데 펄스 폭 변조기가 사용되었다. 이런 원형 성에 제거기는 패턴의 전체 저항의 감소를 돕기 위하여 패턴의 중앙에 배치된 추가 버스 바아(bus bar)를 가진 수평한 성에 제거기이다(전력을 중앙 공급하여 패턴/저항값을 양호하게 절반으로 반감할 수 있음). 이 결과를 확인하는 데이터를 표2에 나타내었다.

여기서:

●인가전압(Vapplied)은 성에 제거기 단자 사이에서 측정된 인가 전압.

●분로전압(Vshunt)은 분로(shunt) 사이에서 측정된 전압.

●전류(Current)는 1=(Vshunt)/(Rshunt)로 계산되며, Rshunt=0.002Ω, .

●온도(Temp)는 성에 제거기 패턴의 중앙의 온도.

●저항(ΩCalc)은 계산된 성에 제거기의 저항값.

다음, 성에 제거기 패턴에 공급하는데 6.35volts의 유효 작동전압이 사용되었다. 이 유효 전압에서, 패턴은 70.5℃에 도달하고, 9A의 전류를 이끌어 냈다. 이 유효 전압은 46Hz에서 12ms 펄스 폭에 의해 달성되며, 55%의 듀티 사이클에 대응한다. 표3은 그 결과를 확인하는 데이터를 나타낸 것이다.

여기서:

●유효전압(Veffective)은 성에 제거기의 단자 사이에서 측정된 전압.

●Hz는 측정된 주파수.

●PW는 측정된 펄스 폭.

다음, 성에 제거기는 -20℃로 냉각된다. 열전대(thermocouple)는 성에 제거기 패턴의 중앙에 배치되어, 성에 제거기에 10 내지 340Hz에서 5.13V가 인가되는 동안 모니터 된다. 성에 제거기는 성에 제거기 패턴을 144초와 159초 사이에서 10℃로 가열하는 것으로 알려져 있다. 이 정도의 온도 상승은 상술된 시험 조건 하에서 자동차 창의 성에를 제거할 수 있다.

당 기술분야의 기술인은 상술한 설명이 본 발명을 구현하는데 따른 설명인 것이고, 본 발명을 한정하는 것이 아님을 이해할 수 있을 것이다. 그리고, 본 발명은 첨부 청구범위를 통해 한정되며, 본 발명의 정신을 이탈하지 않는 범위 내에서 이루어지는 상술한 설명을 변경 및 개조한 것을 포함하는 것이다.

Claims (18)

1. 플라스틱 창의 성에를 제거하기 위한 시스템에서, 상기 시스템은:

   투명한 플라스틱 패널과;

   상기 플라스틱 패널에 부착된 히터 그리드와;

   히터 그리드(14)와 전기적으로 연통하며, 펄스 폭 변조된 구동신호를 히터 그리드(14)에 제공하게 형성된 펄스 폭 변조기를 가진 컨트롤러를 포함하며;

   상기 구동신호는 초기 가열부분(70)과 펄스부분(72)을 포함하며, 초기 가열부분(70)의 초기 전압은 히터 그리드(14)에 대한 정상상태 작동전압보다 큰 것을 특징으로 하는 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 히터 그리드(14)는 정상상태 작동전압을 갖고, 상기 펄스 폭 변조기는 상기 정상상태 작동전압보다 큰 펄스 고전압으로, 히터 그리드에 구동신호를 제공하게 형성된 것을 특징으로 하는 시스템
3. 제1항에 있어서, 상기 펄스 폭 변조기는 구동신호의 듀티 사이클에 의해 정상상태 작동전압과 동일한 유효전압을 가진 구동신호를 히터 그리드(14)에 제공하도록 형성된 것을 특징으로 하는 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 히터 그리드의 정상상태 작동전압보다 큰 초기 전압을 히터 그리드(14)의 양측 사이에 제공하게 형성된 것을 특징으로 하는 시스템.
5. 제1항에 있어서, 초기 가열부분(70)의 초기 전압은 펄스부분(72)의 펄스 폭보다 큰 기간동안 인가되는 것을 특징으로 하는 시스템.
6. 제5항에 있어서, 가열부분(70)의 초기 전압은 펄스부분(72)의 기간보다 큰 기간동안 인가되는 것을 특징으로 하는 시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 구동신호는 펄스부분(72)을 포함하며, 펄스부분(72)의 기간은 500밀리초 미만인 것을 특징으로 하는 시스템.
8. 제7항에 있어서, 펄스 폭은 200밀리초 미만인 것을 특징으로 하는 시스템.
9. 제1항에 있어서, 플라스틱 패널은 폴리카보네이트로 형성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
10. 제1항에 있어서, 시스템은 차량에 내장되어 포함되는 것을 특징으로 하는 시스템.
11. 히터 그리드(14)가 설치된 플라스틱 창의 성에를 제거하는 방법에 있어서, 상기 방법은:

    (a)초기 가열부분(70)과 펄스부분(72)을 가진 구동신호를 발생하는 단계와;

    (b)구동신호의 초기 가열부분(70)에서 히터 그리드(14)를 초기 가열하는 단계와;

    (c)히터 그리드(14)에 구동신호의 펄스부분(72)을 인가하는 단계를 포함하며;

    (b')히터 그리드의 초기 가열 동안, 히터 그리드는 증속구동되어 히터 그리드를 빠르게 가열하며;

    (c')상기 펄스부분(72)은 히터 그리드(14)의 정상상태 작동전압보다 큰 펄스 고전압을 갖고, 상기 펄스부분(72)은 정상상태 작동전압과 동일한 유효전압도 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 히터 그리드(14)를 초기 가열하는 단계는 히터 그리드(14)의 정상상태 작동전압보다 큰 초기전압을 히터 그리드(14)의 양측 사이에 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제12항에 있어서, 펄스부분(72)의 펄스 폭 보다 긴 기간의 초기 전압을 발생하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제13항에 있어서, 초기 전압은 구동신호의 펄스부분(72) 이전에 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제

Images