KR101445264B1 - 상간 균형을 유지하는 ３상 ｐｔｃ 히팅 케이블 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유연성 있는 케이블 형상의 PTC 히팅 케이블에 관한 것이다.
본 발명은 특히 상간 균형을 유지하는 3상 PTC 히팅 케이블에 관한 것으로서, 절연 피복부재 내의 PTC 특성을 갖는 반도전성 고분자 조성물에 의해 둘러싸인 3개의 히터전극이 3상 전극을 이루며, 각 전극 사이의 거리가 상기 히팅 케이블의 길이방향을 따라 서로 동일하게 전극이 위치함으로써 상간 균형을 유지하는 것을 특징으로 한다.

Description

상간 균형을 유지하는 ３상 ＰＴＣ 히팅 케이블 {THREE-PHASE PTC HEATING CABLE MAINTAINING PHASE BALANCE}

본 발명은 히팅 케이블에 관한 것이며, 특히 PTC 전열소자를 사용하며 유연성이 있는 케이블 형상의 고분자 기반의 히팅 케이블에 관한 것이다.

저항성 가열 소자를 이용하는 히팅 케이블은 다양한 산업분야에서 응용되고 있다. 아파트, 오피스텔 등의 상업용 건축물의 동파 방지, 화학플랜트 배관 또는 탱크의 온도 유지, 장거리 송유관 온도유지, 도로 융설, 고드름 방지, 전기바닥난방 등의 상업용 또는 산업용 제품으로 사용될 뿐만 아니라, 가정용 및 의료용의 다양한 온열제품으로도 응용되고 있다.

일반적으로 히팅 케이블은 크게 PTC 히터와 비PCT 히터로 구분되었다. PTC 히터는 반도전성 고분자조성물의 기반 고분자의 내열 온도에 따라 일반적으로 저온용 65℃, 중온용 110℃, 고온용 121℃ 등으로 분류된다. 비PTC 히터들은 대체적으로 니크롬선 등 합금저항선을 사용하여 발열하고 피복 및 절연재료의 내열 온도에 따라 분류되기도 한다.

PTC 전열소자를 산업용 전열제품으로 응용한 제품은 온도 자동 조절 케이블(Self-Regulating Heating Cable)이라는 이름으로 상용화되었다. PTC 전열소자 케이블은 발열량이 주위 온도 또는 대상물의 온도에 따라 스스로 변형함으로써 과열을 원천적으로 제거하고 길이에 상관없이 편리하게 절단하여 사용할 수 있다는 장점이 있었다.

도 4는 종래의 히팅케이블(10)의 일 예를 나타낸다. 히팅케이블(10) 내부에는 2개의 전극(12, 13)이 있으며, 전도성 폴리머 조성물(11)이 이 전극(12, 13)을 둘러싸는 단면을 갖는다. 그리고 절연부재(15)가 전도성 폴리머 조성물(11)을 둘러싸는 구조가 된다. 전극(12, 13)을 통해 전류가 흐르면 저항성 가열을 하게 되고, 이에 따라 전도성 폴리머 조성물(11)이 PTC 거동을 함으로써 히팅 효과를 얻게 된다. 고분자 조성물의 PTC 특성에 의해서 별도의 온도조절기를 설치할 필요가 없으며, 시공 현장의 필요에 따라서 절단하여 사용가능하였다. 또한, 유연한 케이블 형상으로 복잡한 형상에 설치 가능하다는 장점이 있었다.

그러나 종래의 히팅케이블은 PTC전열소자의 특성상, 정격 전류에 비해 약 2 ~ 5배에 이르는 돌입전류(초기전류)로 인해 동일 크기의 차단기(안전장치)를 사용했을 경우, 회로 길이가 상대적으로 짧아지는 문제점이 있었으며, 그 결과 연결 또는 전원 접속이 많아 시공비가 증가하고, 동일한 규모의 시공 시, 불필요한 돌입전류를 감안하여 전기용량을 설계해야 하므로 배선 기기나 전력선의 허용 전류 용량이 커짐으로써 배선 비용이 증가하는 단점이 있었다.

즉, 도 5에 나타난 것처럼, 소정 간격을 두고 히팅 케이블(10)을 별도의 전원접속 박스(20)를 통해서 전원선을 연결해야 했다. 즉 도 5(a), 도 5(b) 및 도 5(c)와 같이 각각 별도의 전원접속 박스(20)에 전원선을 히팅케이블(10)에 연결한 다음에 전력선을 연결하는 회로 구성을 하는 것이었다. 매회로 구간마다 전력선을 끌어와서 전원접속을 해주어야 하기 때문에 배선에 한계가 있었던 것이다.

본 발명의 발명가는 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 오랫동안 연구 노력한 끝에 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 종래의 PTC 히팅케이블의 전원접속 문제를 해결하기 위해서 히팅케이블의 최대회로 길이를 연장함으로써 시단부에만 전원접속을 할 수 있는 새로운 기술을 제공함에 있다. 이를 위해서 본 발명에서는 PCT 히팅케이블의 돌입전류의 문제를 어떻게 최소화할 것인지에 초점을 둔다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 종래의 전원접속 문제를 해결함과 동시에, 즉, 배선을 단순화함과 동시에 발열성능을 안정적으로 보장하도록 함에 있다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, PTC 히팅 케이블에 있어서,

절연 피복부재 내의 PTC 특성을 갖는 반도전성 고분자 조성물에 의해 둘러싸인 3개의 히터전극이 3상 전극을 이루며, 각 전극 사이의 거리가 상기 히팅 케이블의 길이방향을 따라 서로 동일하게 전극이 위치함으로써 상간 균형을 유지하는 것을 특징으로 하는 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상간 균형을 유지하는 3상 PTC 히팅 케이블에 있어서, 상기 전극들은 상기 히팅 케이블의 단면에서의 중심점으로부터 각각 동일한 거리를 갖는 위치에 설치되는 것이 좋다.

또한, 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상간 균형을 유지하는 3상 PTC 히팅 케이블에 있어서, 상기 전극에 각각 동일한 출력을 동시에 인가함으로써 동일한 발열성능을 보장하는 것이 좋다.

또한, 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상간 균형을 유지하는 3상 PTC 히팅 케이블에 있어서, 상기 히팅 케이블의 단면은 원, 삼각형 및 다각형 중 어느 하나일 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따르면 단상 히터의 PTC 특성을 그대로 유지하면서도 3상 380V를 적용함으로 기존 단상 220V에 비해 전류부하가 67%까지 감소할 뿐더러, 종래의 단상 히터의 최대회로 길이 3배까지 한 개의 전원공급으로 운영이 가능하다는 장점이 있다. 본 발명에 따르면 돌입전류가 감소된 PTC 히팅 케이블을 얻을 수 있다.

또한, 1/3 출력을 가진 3개의 히터가 히팅 케이블의 길이방향을 따라 나란히 진행하는 원리로서, 주위 온도나 대상물의 온도 변화에 의해 상간 부하균형이 깨질 우려가 없다는 장점이 있다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히팅 케이블(100)의 단면 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히팅 케이블(100)의 다양한 단면 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 히팅 케이블(100)의 시단부에서의 전원접속 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 종래의 히팅 케이블(10)의 다면 구성 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 종래의 히팅 케이블(10)의 전원 접속 방법을 개념적으로 나타내는 도면이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1(a)는 본 발명의 PTC 히팅 케이블의 단면 구성을 나타낸다. PTC 히팅 케이블은 유연성이 있는 케이블 형성으로 자유롭게 굴곡으로 갖는 배선을 할 수 있다. 본 발명의 히팅 케이블(100)의 내부에는 3상의 히터 전극(110, 120, 130)이 히팅 케이블(100)의 길이 방향을 따라 일정한 간격으로 위치하며, PTC 특성을 갖는 반도전성 고분자 조성물(140)이 이들 전극(110, 120, 130)을 둘러싸는 구성을 하고 있다. 그리고 절연 피복부재(150)가 고분자 조성물(140)을 피복한다.

3개의 전극(110, 120, 130)에 전력선에 연결되어 전류가 인가되며, 이때 전극을 통해 발생하는 열에 있어서, 전극을 둘러싸는 고분자 조성물(반도전성 폴리머(140)의 저항 특성에 의해 주변의 온도가 증가하게 된다. 고분자 조성물(140)의 온도가 증가하면, 고분자 조성물(140)의 저항이 증가하여 발열량이 감소하게 되다가 정해진 온도가 되면, 더 이상 전류가 흐르지 않게 되어 발열이 멈추게 된다. 그리고 고분자 조성물(140) 주변의 온도가 감소하게 되면 다시 전극에 전류가 가해지고 저항체로서 고분자 조성물(140)이 다시 발열을 시작하게 된다.

이러한 온도 자동 조절(Self-Regulating) 케이블의 특성은 공지의 기술 영역에 속한다. 고분자 조성물(140)의 종류와 피복부재(150)의 종류, 피복 방법 등에 의해 본 발명의 보호범위가 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서 도시된 바와 같이, 각각의 전극(110, 120, 130)이 고분자 조성물(140) 안에서 히팅 케이블(100)의 길이방향을 따라 위치하는 방식은, 전극(110, 120, 130) 사이의 거리가 서로 일정하게 유지되는 위치로 설치된다. 전극(110)과 전극(120) 사이의 거리 d₁, 전극(120)과 전극(130) 사이의 거리 d₂, 전극(130)과 전극(110) 사이의 거리 d₃는 서로 동일하게 유지되도록, 전극(110, 120, 130)은 히팅 케이블(100)의 길이방향을 따라 일정한 간격을 형성한다.

이를 통해서 상간 균형을 유지할 수 있다. 도 1(b)에 나타난 것처럼, 히팅 케이블의 단면에 있어서, 전극(110, 120, 130)의 중심점을 C₁, C₂, C₃이라고 할 때, 이 점을 연결한 삼각형은 정삼각형인 것이 바람직하다. 각변의 길이는 같고, 각도(θ) 또한, 동일한 것이 좋다. 이렇게 함으로써 각 상에 인가되는 부하의 불균형이 발생되는 것을 차단한다. 상간 불균형이 발생하면 전원이 차단될 위험이 수반되는 단점이 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 PTC 히팅 케이블은 다양한 단면을 가질 수 있다. 도 2(a)에서 히팅 케이블(100)의 단면은 삼각형 구조를 이룰 수 있다. 또한 도 2(b)에서처럼 히팅 케이블(100)의 단면을 삼각형이 되도록 하되 중심부에 통공(160)을 형성할 수 있다. 또한, 도 2(c)에서처럼 히팅 케이블(100)의 단면을 도 1(a)와 같이 원이 되도록 할 수 있다. 도 2(d)의 경우는 히팅 케이블(100)의 중심부에 통공(160)을 형성한 것이며 바깥 피복부재를 기준으로 단면이 원이 되지만 보다 정확하게는 도넛 모양이 될 수 있다. 이는 도 2(b)와 대응한다.

본 발명에 따르는 히팅 케이블의 단면의 기하학적 형상은 위와 같은 원과 삼각형에만 제한되는 것은 아니다. 다양한 다각형으로 변형될 수 있다. 히팅 케이블의 단면의 기하학적 형태 안에서 3상 전극이 형성되며, 이들 전극 사이의 거리는 서로 동일하게 유지될 것이다.

도 3은 본 발명의 히팅 케이블(100)의 전원 접속 방법을 개략적으로 나타낸다. 본 발명에 있어서 히팅 케이블(100)의 시단부에만 전력선을 끌어와서 전원접속을 하게 된다. 전원접속함(200) 내부에서 인입되는 전력선(210, 220, 230)이 히팅 케이블(100)의 3상 전극(110, 120, 130)의 끝단과 각각 연결된다. 그리고 각 전극(110, 120, 130)으로 동일한 출력을 동시에 인가하게 된다.

전술한 바와 같이 본 발명의 히팅 케이블(100)은 3상 전극을 가지며, 380V 또는 400V의 전원을 인가하게 된다. PTC 히팅케이블은 통상 배관파이프 외측면을 따라 나란히 부착하거나 나선형으로 감아 사용하게 된다. 비록 보온이 되어 있다 하더라도 배관 온도와 보온재 밖의 외기 온도의 차이(ΔT)가 클 경우, 배관에는 지속적인 열손실이 발생하기 마련이다. 히팅 케이블은 이러한 열손실을 다시 채워주는 기능을 하거나, 배관 온도를 상승시키는 기능으로도 사용되고 있다. 다양한 사용 환경에 있어서, 배관파이프 단위길이 당 필요한 발열량이 있게 되고, 히팅케이블은 이것을 만족시켜야 한다. 예컨대 파이프 1m 당 30watt가 필요하다고 하면, 종래 기술에 따르면 30W/m 이상의 발열 성능을 가진 히팅케이블을 선정하여 사용하게 된다. 종래의 단상 히터의 경우에는 길이방향으로 1회로만 존재하기 때문에 1회로에서 30W/m 발열 성능을 발휘해야 하는 것이다. 그러나 본 발명에 따르면 길이방향으로 3회로가 존재하므로 각 회로당 10w/m의 발열성능을 발휘할 수 있게 된다.

전술한 바와 같이, PTC 전열소자는 고유의 특성상 단위 길이당 출력(발열량)이 큰 제품일수록 순간 돌입전류가 크다. 그로 말미암아 회로 길이가 짧아질 수밖에 없었다. PTC 전열소자의 순간돌입전류는, 예컨대 30W/m 제품의 경우, 순간돌입전류(Is)와 안정전류(Ie)의 비율(Is/Ie)이 5 이상이고, 20 W/m 제품의 경우는 3 이상, 그리고 10w/m 제품의 경우는 비율이 1.5가량이 된다. 따라서 본 발명과 같이, 10 W/m의 특성을 갖는 히터를 3개 모아서 30W/m 발열성능을 발휘하도록 회로를 구성함으로써 순간돌입전류를 낮출 수 있고, 그 결과 회로 길이를 더욱 연장할 수 있게 되는 것이다.

3상 결선방식으로 히팅 케이블의 전극을 구성하면, 단상 전원을 인가했을 때보다 훨씬 전류값이 작아지고(이를테면 P=√3VIcosφ) 따라서 회로당 최대길이가 증가하게 되는 것이다.

한편, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 반도전성 고분자 조성물(140)의 균일성을 확보하는 것이 중요하다. 단상 전압(통상 220V)보다 높은 전압(380V 또는 400v)에서 1/3 출력을 갖는 히터를 만들기 위해서는 고분자 조성물의 체적저항 또는 비저항이 대략 10⁵~10⁶ ohm-cm어야 하는 것이 바람직하다. 또한 고분자 조성물의 제조 시에 균일한 도전성을 갖도록 하고, 3개의 전극을 나란히 삽입 압출하는 공정의 정밀함을 유지할 필요가 있다.

표 1은 본 발명에 따른 히팅 케이블과 종래의 히팅 케이블의 전기적 특성을 실험에 의해 비교한 데이터를 나타낸다.

구분		종래	본 발명
히터 전기적특성	순간돌입전류 (A/m@10℃)	0.182	0.054
	안정전류(A/m@10℃)	0.108	0.036
	정격출력(W/m@10℃)	24	24
최대회로길이(m)(30A, 산업용차단기)		141	394
인가전압(V)		히터전압	220	380
		전압종류	단상	3상

본 발명은 아파트, 오피스텔 등 상업용 건축물의 동파방지, 화학플랜트 배관 또는 탱크의 온도 유지, 장거리 송유관 온도유지, 도로 융설, 고드름방지, 전기바닥난방, 가정용 및 의료용 온열제품 등에 사용되는 히팅 케이블로 산업상 이용될 수 있다.

본 발명의 전원공급개소의 수를 줄이고, 배선 용량을 절감하는 기술적 장점은 특히 장거리 송유관이나 터널 등 전원 공급이 쉽지 않은 응용 분야에서 더욱 빛을 발할 것이다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설 명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명의 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (5)

1. 유연성 있는 케이블 형상의 PTC 히팅 케이블에 있어서,
   절연 피복부재 내의 PTC 특성을 갖는 반도전성 고분자 조성물에 의해 둘러싸인 3개의 히터전극이 3상 전극을 이루며, 상기 전극들은 상기 히팅 케이블의 단면에서의 중심점으로부터 각각 동일한 거리를 가지며, 각 전극 사이의 거리가 상기 히팅 케이블의 길이방향을 따라 서로 동일하게 형성되도록 함으로써 각 전극에 인가되는 부하의 불균형을 차단하고 상간 균형을 유지하며, 상기 전극에 각각 동일한 출력을 동시에 인가함으로써 동일한 발열성능을 보장하는 것을 특징으로 하는, 상간 균형을 유지하는 3상 PTC 히팅 케이블.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 히팅 케이블의 단면은 원, 삼각형 및 다각형 중 어느 하나인, 상간 균형을 유지하는 3상 PTC 히팅 케이블.
5. 제1항에 있어서,
   상기 히팅 케이블의 중심부는 길이방향으로 통공에 형성되어, 그 단면이 도넛 모양을 이루는, 상간 균형을 유지하는 3상 PTC 히팅 케이블.
   

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