KR102541916B1 - 온도 감지 전원 핀들을 가지는 저항성 히터 - Google Patents

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Abstract

제1 도전 재질로 구성된 제1 전원 핀과, 제1 전원 핀의 제1 도전 재질과 같지 않은 제2 도전 재질로 구성된 제2 전원 핀과, 그리고 두 단부들을 가지며 제1 및 제2 전원 핀들의 제1 및 제2 도전 재질들과 다른 재질로 구성된 저항 가열 소자를 포함하는 히터가 제공된다. 저항 가열 소자는 일단에서 제1 전원 핀과 제1 접합을, 타단에서 제2 전원 핀과 제2 접합을 형성하여, 제1 및 제2 접합들에서의 전압 변화가 검출되어 히터의 평균 온도가 결정된다.

Description

온도 감지 전원 핀들을 가지는 저항성 히터
본 발명은 저항성 히터(resistive heater)와 열전쌍(thermocouple) 등의 온도 감지 장치에 관한 것이다.
이 부분의 기재는 본 발명에 관한 단순한 배경을 제공하며 종래기술을 구성하지 않을 수도 있다.
저항성 히터는 목표 및/또는 환경에 열을 제공하도록 다양한 응용분야들에 사용되고 있다. 당업계에 알려진 저항성 히터의 한 방식은 카트리지 히터(cartridge heater)인데, 이는 일반적으로 세라믹 코어 둘레에 권선된 저항성 와이어 가열 소자로 구성된다. 전형적인 세라믹 코어에는 전원/단자(power/terminal) 핀들이 그 내부에 배치된 두 종방향 내경부(bore)가 형성된다. 저항성 와이어의 한 단부는 한 전원 핀에 전기적으로 연결되고 저항성 와이어의 다른 단부는 다른 전원 핀에 전기적으로 연결된다, 이 조립체는 이어서 개방단(open end)과 폐쇄단(closed end)을 가지거나 두 개방단들을 가지는 더 큰 직경의 관형(tubular) 금속 피복(metal sheath)에 삽입됨으로써, 피복과 저항성 와이어/코어 조립체 사이에 고리형(annular) 공간을 형성한다. 산화마그네슘(MgO) 등의 절연 재질이 피복의 개방단으로 주입되어 저항성 와이어와 피복의 내부 공간 사이의 고리형 공간을 충전한다.
피복의 개방단은 예를 들어 소성 컴파운드(potting compound) 및/또는 별도의 밀봉 부재를 사용하여 밀봉된다. 전체 조립체는 이어서 축경(縮經; swaging) 또는 다른 적절한 공정을 거치며 다져지거나 압축되어(compacted or compressed) 피복의 직경을 축소시키고, 이에 따라 MgO도 다져지고 압축되며 적어도 부분적으로 코어를 으스러뜨려(crush) 코어를 핀 둘레로 붕괴시킴으로써 양호한 전기적 접촉과 열전달을 보장하게 된다, 다져진 MgO는 가열 소자와 피복 간에 비교적 양호한 열전달 경로를 제공하며, 이는 또한 피복을 가열 소자로부터 전기적으로 절연한다.
히터가 작동해야 하는 적절한 온도를 결정하기 위해, 예를 들어 열전쌍 등의 별도의 온도 센서가 히터 상 또는 그 근방에 위치된다. 히터와 그 환경에 별도의 히터를 추가하는 것은 비용이 들고 전체적 가열 시스템에 복잡성을 더한다.
(본 발명의) 한 실시예(form)에서, 제1 도전 재질로 구성된 제1 전원 핀과, 제1 전원 핀의 제1 도전 재질과 같지 않은 제2 도전 재질로 구성된 제2 전원 핀과, 두 단부들을 가지며 제1 및 제2 전원 핀들의 제1 및 제2 도전 재질들과 다른 재질로 구성된 저항 가열 소자를 구비하는 히터가 제공된다. 저항 가열 소자는 일단에 제1 전원 핀과의 제1 접합(junction)을 타단에 제2 전원 핀과의 제2 접합을 형성하는데, 제1 및 제2 접합들 간의 전압의 변화가 히터의 평균 온도를 결정하기 위해 검출된다. (본 발명의) 다른 실시예에서, 이 히터가 전원 핀들과 통신하는 컨트롤러(controller) 역시 포함하는 히터 시스템 내에 구비되는데, 컨트롤러가 제1 및 제2 접합에서의 전압 변화를 측정하여 히터의 평균 온도를 결정한다.
(본 발명의) 다른 실시예에서, 전원 공급 핀(power supply pin)에 전원을 공급하여 가열 모드를 활성화(activating)시키는 단계로, 전원 공급 핀은 제1 도전 재질로 구성되어 전원 귀환 핀(power return pin)을 통해 전원을 귀환시키고, 전원 귀환 핀은 제1 도전 재질과 같지 않은 도전 재질로 구성되는 가열 모드 활성화 단계와; 전원 공급 핀과, 두 단부를 가지며 전원 공급 핀과 전원 귀환 핀의 제1 및 제2 도전 재질들과 다른 재질로 구성된 저항 가열 소자에 전원을 공급하며, 저항 가열 소자가 일단에서 전원 공급 핀과 제1 접합을 타단에서 전원 귀환 핀과 제2 접합을 형성하고, 그리고 전원 귀환 핀을 통해서도 전원을 더 공급하는 단계와; 제1 및 제2 접합들에서의 전압의 변화를 측정하여 히터의 평균 온도를 결정하는 단계와; 그리고 앞 단계에서 결정된 평균 온도에 기초하여 필요한 대로 히터로 공급되는 전원을 조정하는 단계를; 구비하는 적어도 한 히터를 제어하는 방법이 제공된다. 이 방법의 다른 실시예에서, 전원 공급 단계가 인터럽트(interrupt)되고 측정 모드로의 스위칭(switching) 단계가 수행되어 전압 변화를 측정하고, 이어서 가열 모드로 복귀 전환(switch back)된다.
(본 발명의) 또 다른 실시예에서, 유체에 잠수되도록 구성된 가열부(heating portion)를 구비하고, 이 가열부는 복수의 저항 가열 소자를 구비하는 유체 잠수 가열(fluid immersion heating)에 사용되는 히터가 제공된다. 적어도 두 비가열부(non-heating portion)가 가열부와 인접하는데, 각 비가열부는 길게 연장되고(defining a length) 복수의 가열 소자들에 전기적으로 연결되는 대응 전원 핀들의 복수의 세트를 구비한다. 각 전원 핀 세트는 제1 도전선 재질로 구성된 제1 전원 핀과, 제1 전원 핀의 제1 도전 재질과 같지 않은 제2 도전 재질로 구성된 제2 전원 핀을 구비한다. 제1 전원 핀은 제2 전원 핀과 비가열부 내에서 전기적으로 연결되어 접합을 형성하고, 제2 전원 핀이 가열부 내로 연장되어 대응 가열 소자에 전기적으로 연결된다. 제2 전원 핀은 대응 저항 가열 소자보다 더 큰 단면적을 형성한다. 적어도 두 단자부(termination portion)들이 비가열부에 인접하는데, 복수의 제1 전원 핀들이 비가열부를 나와 단자부 내로 연장됨으로써 리드선(lead wire)과 컨트롤러에 전기적으로 연결된다. 한 실시예에서, 저항 가열 소자의 각각은 제1 및 제2 전원 핀의 제1 및 제2 도전 재질과 다른 재질로 구성되고, 제2 전원 핀에 대한 제1 전원 핀의 접합들의 각각은 유체의 수위를 감지하기 위해 비가열부의 길이를 따라 다른 위치에 배치된다.
다른 응용분야들은 여기 제공되는 설명으로부터 명확해질 것이다. 이 설명과 특정한 예들은 단지 예시의 목적일 뿐이며 본 발명의 범위를 제한하려 의도한 것이 아님을 알아야 할 것이다.
본 발명을 더 잘 알 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 예로 제시된 다양한 실시예들을 설명할 것인데, 도면에서:
도 1은 본 발명의 원리에 따라 구성된 이중 목적 전원 핀들을 가지는 저항 히터의 측단면도;
도 2는 본 발명의 원리에 따라 구성된, 도 1의 저항 히터와 리드선을 가지는 컨트롤러의 사시도;
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따라 구성된 스위칭 회로와 측정 회로를 도시한 회로도;
도 4는 본 발명의 원리에 따라 구성된, 복수의 가열 영역들을 가지는 히터의 대체적인 실시예의 측단면도;
도 5는 본 발명의 원리에 따라 구성된, 차례로 연결되는 복수의 히터를 도시한 본 발명의 대체적인 실시예의 측면도;
도 6은 본 발명의 원리에 따라 구성된, 연속적으로 변화되는 피치를 가지는 저항 소자를 가지는 히터의 다른 실시예를 도시한 측단면도;
도 7은 본 발명의 원리에 따라 구성된, 복수의 다른 가열 영역들에서 다른 피치들을 가지는 저항 소자를 구비한 히터의 다른 실시예를 도시한 측단면도;
도 8은 본 발명의 원리에 따라 구성된, 히터를 채용한 열교환기의 측단면도;
도 9는 본 발명의 원리에 따라 구성된, 이중 목적 전원 핀들을 채용한 적층 히터를 도시한 측단면도;
도 10은 본 발명의 원리에 따른 방법을 도시한 흐름도;
도 11은 본 발명의 원리에 따라 구성된, 유체 잠수 가열에 사용되는 히터의 사시도;
도 12는 본 발명의 원리에 따라 구성된, 도 11의 히터의 일부의 측단면도;
도 13은 본 발명의 원리에 따라 구성된 도 10의 히터의 다양한 접합들에서의 온도의 예시적 차이들을 도시한 그래프: 그리고
도 14는 본 발명의 원리에 따라 구성된, 영역들에 복수의 히터 코어들을 가지는 본 발명의 다른 실시예를 보시는 사시도.
여기 도시된 도면들은 단지 설명의 목적일 뿐이며 본 발명의 범위를 어떤 식으로건 제한하고자 의도한 것이 아니다.
이하의 설명은 그 특성상 단지 예시적이며 본 발명, 본원 또는 용도를 제한하고자 의도하는 것이 아니다. 전체 도면들에 걸쳐 대응 참조번호들은 유사하거나 대응하는 부품과 특징들을 지시한다.
도 1에는, 본 발명의 원리에 따른 히터가 도시되어 대략 참조번호 20으로 지시되어 있다. 이 실시예에서의 히터(20)는 카트리지 히터(cartridge heater)지만 본 발명의 원리는 본 발명의 범위 내에서 이하에 상세히 설명될 다른 방식의 히터들에도 적용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 히터(20)는 두 단부(24, 26)를 가지는 저항 가열 소자(resistive heating element; 22)를 구비하며, 저항 가열 소자는 예를 들어 니크롬 재질 등의 금속 와이어 형태이다. 저항 가열 소자(22)는 비도전부(non-conductive portion)(또는 이 실시예에서 코어(core))(28) 둘레에 권선되거나 배치된다. 코어(28)는 근접단(proximal end; 30)과 원격단(distal end; 32)을 형성하며 적어도 근접단(30)을 통해 연장되는 제1 및 제2 구멍(34, 36)을 더 형성한다.
히터(20)는 제1 도전 재질로 구성된 제1 전원 핀(power pin)(40)과 제1 전원 핀(40)의 제1 도전 재질과 같지 않은 제2 도전 재질로 구성된 제2 전원 핀(42)을 더 구비한다. 또한 저항 가열 소자(22)는 제1 및 제2 전원 핀(40, 42)의 제1 및 제2 도전 재질과 다른 재질로 구성되고, 한 단부(24)에서 제1 전원 핀(40)과 제1 접합(junction)(50)을 다른 단부(26)에서 제2 전원 핀(42)과 제2 접합(52)을 형성한다. 저항 가열 소자(22)가 접합(50)에서 제1 전원 핀(40)과 다른 재질이고 접합(52)에서 제2 전원 핀(42)과 다른 재질이므로, 열전쌍(thermocouple) 접합이 유효하게 형성되며, 이에 따라 (뒤에 상세히 설명할 바와 같이) 별도의/분리된 온도 센서를 사용하지 않고 히터(20)의 평균 온도를 결정하기 위한 제1 및 제2 접합(50, 52)에서의 전압의 변화가 검출된다.
한 실시예에서, 저항 가열 소자(22)는 니크롬 재질이고, 제1 전원 핀(40)은 크로멜(Chromel) 니켈 합금이며, 제2 전원 핀(42)은 알루멜(Alumel) 니켈 합금이다. 이와는 달리 제1 전원 핀(40)이 철이고 제2 전원 핀(42)이 콘스탄탄(constantan)이 될 수 있다. 당업계의 통상의 전문가라면 세 재질들이 서로 다르고 접합(50, 52)에서 열전쌍 접합이 유효하게 형성되는 한, 임의 수의 다른 재질들과 그 조합을 저항 가열 소자(22), 제1 전원 핀(40), 및 제2 전원 핀(42)에 사용할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 여기 기재된 재질들은 단지 예시의 목적이므로 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
한 응용분야에서, 히터(20)의 평균 온도는 습기의 존재를 검출하는 데 사용될 수 있다. 습기가 검출되면, 히터(20)의 연속적인 작동 및 작동 부족(premature failure)의 가능성 대신 (이하에 더 상세히 설명할 바와 같이) 컨트롤러를 통해 제어된 방식으로 습기를 제거하기 위해 습기 관리 제어 알고리즘이 구현될 수 있다.
더 도시된 바와 같이, 히터(20)는 비도전부(28)를 둘러싸는 피복(sheath; 60)과 비도전부(28)의 원격단(30)에 배치되어 적어도 부분적으로 피복(60) 내로 연장되어 히터 조립체(heater assembly)를 완성하는 밀봉 부재(62)를 포함한다. 또한 유전(dielectric) 충전 재질(64)이 저항 가열 소자(22)와 피복(60) 사이에 배치된다. 카트리지 히터들의 다양한 구성들과 추가적인 구조적 및 전기적 상세들은 미국특허번호 제2,831,951호 및 제3,970,822호에 상세히 기재되었는데, 이들은 본원과 (동일한 출원인에게) 공통적으로 양도되었으며 그 전체적으로 본원에 참고로 포함되어 있다. 그러므로 여기 기재된 실시에는 단지 예시적인 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 될 것이다.
다음 도 2에서, 본 발명은 전원 핀(40, 42)들과 통신하여 제1 및 제2 접합(50, 52)에서의 전압 변화를 측정하도록 구성된 컨트롤러(70)를 더 포함한다. 더 구체적으로, 컨트롤러(70)는 접합(50, 52)에서 밀리볼트(mV) 변화를 측정하여 히터(20)의 평균 온도를 연산한다. 한 실시예에서, 컨트롤러(70)는 저항 가열 소자(22)에 대한 전원 공급을 인터럽트(interrupt)하지 않고 접합(50, 52)들에서의 온도 변화를 측정한다. 이는 예를 들어 AC 입력 전원 신호의 영점 교차(zero crossing)에서의 측정값(reading)을 취함으로써 달성된다. 다른 실시예에서는, 전원이 인터럽트되고 컨트롤러(70)가 가열 모드로부터 측정 모드로 스위칭(switching)되어 전압 변화를 측정한다. 평균 온도가 결정되고 나면, 컨트롤러(70)가 가열 모드로 복귀 전환(switch back)되는데, 이는 뒤에 상세히 설명될 것이다. 더 구체적으로 한 실시예에서, 트라이액(triac)이 AC 전원을 히터(20)로 스위칭시키는 데 사용되고, 온도 정보는 전원 신호의 영점 교차에서 또는 이 부근에서 수집된다. 본 발명의 범위 내에서 AC 스위칭 소자의 다른 형태가 채용될 수 있는데, 이에 따라 트라이액의 사용은 단지 예시적이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 될 것이다.
이와는 달리 도 3에 도시된 바와 같이, FET(72)가 스위칭 장치와 FET에 SC 전원 공급의 off 기간 동안의 전압 측정 수단으로 사용된다. 한 실시예에서, 세(3) 비교적 대형의 레지스터(resistor; 73, 74 및 75)가 측정 회로(76)에 대한 보호 회로를 구성하는 데 사용된다. 이 스위칭 및 측정 회로는 단지 예시적이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다는 것을 알아야 할 것이다.
다시 도 2로 돌아가, 한 쌍의 리드선(lead wire; 80)들이 제1 전원 핀(40)과 제2 전원 핀(42)에 연결된다. 한 실시예에서, 리드선(80)들은 모두 예를 들어 구리 등의 동일한 재질이다. 리드선(80)은 컨트롤러(70)에 도달하는 데 필요한 전원 핀들의 길이를 감소시키면서, 접합(82, 84)에서의 다른 재질들에 기인한 다른 접합을 도입시킨다. 이 실시예에서, 어느 접합이 전압 변화를 측정되고 있는지 컨트롤러(70)가 결정할 수 있게, 컨트롤러(70)가 신호선(86, 88) 간을 스위칭하여 측정되고 있는 접합을 식별하도록 하는 신호선(signal wire; 86, 88)들이 채용될 수 있다. 이와는 달리, 신호선(86, 88)들이 제거되고, 리드선 접합(82, 84) 양단(across)의 전압 변화가 무시되거나 컨트롤러(70) 내의 소프트웨어를 통해 보상될 수 있다.
다음 도 4에서, 본 발명의 원리는 복수의 영역(zone; 90, 92 및 94)을 가지는 히터(20‘)에도 적용될 수 있다. 각 영역은 그 자체의 세트(set)의 전술한 바와 같은 전원 핀(40’, 42‘)들과 저항 가열 소자(22’)를 포함한다(도면의 간결성을 위해 한 영역(90)만이 도시됨). 이 다영역(multi-zone) 히터(20‘)의 한 실시예에서, 전압 변화를 검출하여 그 특정 영역의 평균 온도를 결정하기 위해 컨트롤러(70)(도시 안 됨)가 각 영역의 단부(96, 98 및 100)들과 통신할 수 있을 것이다. 이와는 달리, 컨트롤러(70)가 단부(96)와만 통신하여 히터(20’)의 평균 온도와 전술한 바와 같이 습기가 존재하는지의 여부를 결정할 수 있다. 세(3) 영역이 도시되어 있지만, 본 발명의 범위 내에서 임의 수의 영역들이 채용될 수 있음을 알아야 할 것이다.
다음 도 5에서, 본 발명의 원리는 카트리지 히터들일 수 있으며 도시된 바와 같이 차례로 연결된 복수의 분리된 히터(100, 102, 104, 106 , 및 108)들에도 적용될 수 있다. 각 히터는 도시된 바와 같이 저항 가열 소자에 대한 같지 않은 전원 핀들의 제1 및 제2 접합을 구비하여 히터(100, 102, 104, 106, 및 108)들의 평균 온도가 전술한 바와 같이 컨트롤러(70)에 의해 결정될 수 있다. 다른 실시예에서, 히터(100, 102, 104, 106, 및 108)들의 각각은 그 자체의 전원 공급 핀(power supply pin)과 이 복수 히터 실시예의 복잡성을 감소시키기 위해 모든 히터들에 연결된 단일한 전원 귀환 핀(power return pin)을 가진다. 카트리지 히터들을 가진 이 실시예에서, 각 코어는 각 연속적인 히터의 전원 공급 핀들을 수용하는 통로(passageway)를 포함할 수 있을 것이다.
다음 도 6 및 7에서, 히터(120)를 따라 맞춰진(tailored) 가열 프로파일(heat profile)을 제공하기 위해 저항 가열 소자(110)의 피치(pitch)가 본 발명의 다른 실시예에 따라 변화될 수 있다. 한 실시예(도 5)에서, 저항 가열 소자(110)는 그 길이를 따라 연속적으로 변화되는 피치를 형성(define)한다. 더 구체적으로, 저항 가열 소자(110)는 바로 인접한 360도 코일 루프(coil loop) 상의 증가 또는 감소하는 피치(P4-P9)에 맞출 능력을 가지는 연속적으로 변화되는 피치를 가진다. 저항 가열 소자(110)의 연속적으로 변화되는 피치는 (예를 들어 피복(112)의 표면 등의) 히터 표면의 유속 밀도(flux density)의 점진적인 변화를 제공한다. 이 연속적으로 변화되는 피치의 원리가 충전된 절연재(114)를 가지는 관형(tubular) 히터에 적용되는 것으로 도시되어 있지만, 이 원리는 전술한 카트리지 히터를 비제한적으로 포함하는 임의 방식의 히터에 적용될 수 있다. 또한 전술한 바와 같이, 제1 전원 핀(122)이 제1 도전 재질로 구성되고, 제2 전원 핀(124)이 제1 전원 핀(122)의 제1 도전 재질과 같지 않은 제2 조전 재질로 구성되는 한편, 저항 가열 소자(110)가 제1 및 제2 전원 핀(122, 124)의 제1 및 제2 도전 재질과 다른 재질로 구성됨으로써, 제1 및 제2 접합(126, 128)에서의 전압 변화가 검출되어 히터(120)의 평균 온도를 결정할 수 있다.
다른 실시예(도 7)에서, 저항 가열 소자는 영역 A, B, 및 C에서 각각 피치 P1, P2, 및 P3을 가진다. P3은 P1보다 크고 P1은 P2보다 더 크다. 저항 가열 소자(130)는 도시된 바와 같이 각 영역의 길이에 걸쳐 일정한 피치를 가진다. (전술한 바와) 유사하게, 제1 전원 핀(132)은 제1 도전 재질로 구성되고, 제2 전원 핀(134)은 제1 전원 핀(132)의 제1 도전 재질과 같지 않은 제2 도전 재질로 구성되는 한편, 저항 가열 소자(130)는 제1 및 제2 전원 핀(132, 134)의 제1 및 제2 도전 재질과 다른 재질로 구성됨으로써, 제1 및 제2 접합(136, 138)의 전압 변화가 검출되어 히터(10)의 평균 온도가 결정된다.
도 8에서, 여기 설명된 히터와 이중 목적 전원 핀들은 예를 들어 열교환기(heat exchanger; 140)를 포함한 다양한 응용분야들을 가진다. 열교환기(140)는 하나 또는 복수의 가열 소자(142)들을 포함하고, 각 가열 소자(142)는 본 발명의 범위 내에서 앞에 도시하고 설명한 바와 같은 영역들 또는 가변 피치 저항 가열 소자들을 더 포함할 수 있다. 열교환기의 응용은 단지 예시적이며 본 발명의 원리는 열이 제공되면서 그 온도가 절대적인 것(절대온도)이건 또는 전술한 바와 같이 습기의 존재 등의 다른 환경 조건에 대한 것(상대온도)이건, 온도 측정이 요구되는 어떤 응용분야에도 채용될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 원리는 적층 히터(layered heater; 150) 등의 다른 방식의 히터들에도 적용될 수 있다. 일반적으로, 적층 히터(150)는 기판(substrate; 154) 상에 적층된(applied to) 유전층(dielectric layer; 152)과, 유전층(152) 상에 적층된 저항 가열층(156)과, 그리고 저항 가열층(156) 상에 적층된 보호층(158)을 포함한다. 접합(junction; 160)이 저항층(158)의 트레이스(trace)의 한 단부와 제1 리드선(162) 간에 형성되고(도면의 간결성을 위해 한 단부만이 도시됨), 이와 유사하게 다른 단부에 제2 접합이 형성되어, 전술한 본 발명의 원리를 따라 히터(150)의 평균 온도를 결정하기 위해 이 접합들에서의 전압 변화가 검출된다. 이러한 적층 히터들은 본원과 (동일한 출원인에게) 공통적으로 양도되었으며 그 전체로서 본원에 참고로 채택된 미국특허 제8,680,443호에 상세히 도시 및 기재되어 있다.
전술한 카트리지, 관형, 그리고 적층 히터들과 다르거나 추가되는 다른 방식의 히터들도 본 발명의 원리에 따라 채택될 수 있다. 이 추가적 방식의 히터들은 예를 들어 폴리머 히터, 휘어지는 히터(flexible heater), 열 트레이스(heat trace), 그리고 세라믹 히터를 포함할 수 있다. 이 방식들의 히터들은 단지 예시적이며 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다는 것을 알아야 할 것이다.
다음 도 10에는, 본 발명의 원리를 따른 적어도 하나의 히터를 제어하는 방법이 도시되어 있다. 이 방법은 다음 단계들:
(A) 가열 모드를 활성화시켜 제1 도전 재질로 구성된 전원 공급 핀(power supply pin)에 전원을 공급하고 제1 도전 재질과 같지 않은 제2 도전 재질로 구성된 전원 귀환 핀(power return pin)을 통해 전원을 귀환시키는 단계와;
(B) 전원 공급 핀에 전원을 공급하여 두 단부를 가지며 전원 공급 및 귀환 핀의 제1 및 제2 도전 재질과 다른 재질로 구성된 저항 가열 소자에 전원을 공급하는 단계로, 저항 가열 소자가 일단에서 전원 공급 핀과 제1 접합을 형성하고 타단에서 전원 귀환 핀과 제2 접합을 형성하며, 전원 귀환 핀을 통해 추가적으로 전원을 공급하는 단계와;
(C) 제1 및 제2 접합의 전압 변화를 측정하여 히터의 평균 온도를 결정하는 단계와;
(D) 단계 (C)에서 결정된 평균 온도에 기초하는 필요에 따라 히터에 공급되는 전원을 조정하는 단계와: 그리고
(E) 단계 (A) 내지 (D)를 반복하는 단계를
구비한다.
점선으로 도시된 이 방법의 다른 실시예에서, 단계 (B)가 인터럽트되면서 컨트롤러가 측정 모드로 스위칭되어 전압 변화를 측정한 다음, 컨트롤러가 가열 모드로 복귀 전환된다.
본 발명의 또 다른 실시예가 도 11-13에 도시되어 있는데, 유체 잠수 가열(fluid immersion heating)에 사용되는 히터가 도시되어 대략 참조번호 200으로 지시되고 있다. 이 히터(200)는 유체에 잠수되도록 구성된 가열부(202)를 구비하고, 가열부(202)는 복수의 저항 가열 소자(202)들과, 가열부(202)에 인접하는 적어도 두 비가열부(206, 208)를 구비한다(도 11에는 한 비가열부(206)만이 도시됨). 각 비가열부(206, 208)는 길게 연장되어(defines a length) 복수의 가열 소자(204)에 전기적으로 연결된 복수의 전원 핀들의 대응 세트들을 구비한다. 더 구체적으로, 전원 핀들의 각 세트는 제1 도전 재질로 구성된 제1 전원 핀(212)과, 제1 전원 핀(212)의 제1 도전 재질과 같지 않은 제2 도전 재질로 구성된 제2 도전 핀(214)을 구비한다. 제1 전원 핀(212)들은 제2 전원 핀(214)들과 비가열부(206, 208) 내에서 전기적으로 연결되어 접합(220, 230, 및 240)을 형성한다. 도면에 더 보이듯, 제2 전원 핀(214)들은 가열부(202) 내로 연장되어 대응하는 저항 가열 소자(204)에 전기적으로 연결된다. 또한, 제2 전원 핀(214)들은 대응 저항 가열 소자(204)보다 더 큰 단면적을 형성하여 제2 전원 핀(214)들과 저항 가열 소자(204)들의 연결부에서 다른 접합 또는 측정 가능한 양의 열을 생성하지 않게 된다.
도면에 더 보이듯, 단자부(termination portion; 250)가 비가열부(206)에 인접하고, 복수의 제1 전원 핀(212)들이 비가열부(206)를 나와 단자부(250)로 연장되어 리드선(lead wire)들과 컨트롤러(도시 안 됨)에 전기적 연결된다. 전술한 바와 유사하게, 각 저항 가열 소자(204)는 제1 및 제2 전원 핀(212, 214)들의 제1 및 제2 도전 재질과 다른 재질로 구성되고, 제1 전원 핀(212)의 제2 전원 핀(214)에 대한 접합(220, 230, 및 240)들은 비가열부(206, 208)의 길이를 따라 다른 위치들에 배치된다. 더 구체적으로, 예를 들어 접합(220)은 거리 L1에, 접합(230)은 거리 L2에, 그리고 접합(240)은 거리 L3에 위치한다.
도 13에 도시된 바와 같이, 시간 “t"에 걸친 접합(220, 230, 및 240)의 온도에서, 접합(220)은 유체(F)에 잠수되고, 접합(23)은 잠수되지만 깊지 않고, 그리고 접합(240)은 잠수되지 않는다. 이에 따라, 각 접합(220, 230, 및 240)에서 검출된 전압 변화는 가열부(202)에 대한 유체 수위(fluid level)의 표시를 제공할 수 있다. 특히 유체가 조리/튀김 응용분야의 기름일 때, 화재를 야기하지 않도록 가열부(202)가 공기 중에 노출되지 않는 것이 바람직하다. 본 발명의 원리에 따른 접합(220, 230, 및 240)들로 컨트롤러는 유체 수위가 가열부(202)에 너무 가까운가를 판단하여 히터(200)로부터 전원을 차단할 수 있다.
이 예에서 세(3) 접합(220, 230, 및 240)들이 도시되었으나, 접합들이 가열부(202) 내에 있지 않은 한 본 발명의 범위 내에서 임의 수의 접합들이 채용될 수 있음을 알아야 할 것이다.
다음 도 14에서, 본 발명의 또 다른 실시예는 도시된 히터 시스템(270)의 영역들에 배치된 복수의 히터 코어(heater core; 300)들을 포함한다. 이 예시적 실시예에서의 히터 코어(300)들은 전술한 카트리지 히터들이지만, 여기 설명된 다른 방식의 히터들도 사용될 수 있음을 알아야 할 것이다. 이에 따라 본 발명의 이 실시예에서의 카트리지 히터 구성은 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 될 것이다.
각 히터 코어(300)는 도시된 바와 같이 복수의 전원 핀(301, 302, 303, 304, 및 305)들을 포함한다. 전술한 실시예들과 유사하게, 전원 핀들은 다른 도전 재질들로 구성되는데, 더 구체적으로 전원 핀(301,304, 및 305)들은 제1 도전 재질로 구성되고, 전원 핀(302, 303, 및 306)들은 제1 도전 재질과 같지 않은 제2 도전 재질로 구성된다. 도면에 더 보이듯, 점퍼선(jumper; 320)의 위치를 근사하는 온도 판독값(reading)을 취득하기 위해 적어도 한 점퍼선(320)이 같지 않은 전원 핀들, 이 예에서는 전원 핀(301)과 전원 핀(303) 간에 연결된다. 점퍼선(320)은 예를 들어 리드선이나 점퍼선(320) 위치 근처의 온도를 나타내는 밀리볼트 신호를 취득하기에 충분한 다른 재질이 될 수 있고, 또한 위에 도시하고 설명한 바와 같이 컨트롤러(70)와 통신한다. 같지 않은 전원 핀들 간에 임의 수의 점퍼선(320)들이 사용될 수 있고, 전원 핀(304)과 전원 핀(305) 간, 영역 3과 영역 4 간의 점퍼선(322)들에 다른 위치가 도시되어 있다.
이 예시적 실시예에서, 전원 핀(301, 303, 및 305)들은 각각 인접 전원 핀(302, 304, 및 306) 간의 히터 회로의 중립 레그(neutral leg)들이다. 더 구체적으로, 영역 1의 히터 회로는 이들 전원 핀들 사이에 저항 가열 소자(예를 들어 도 1에 도시된 소자(22))를 가지는 전원 핀 301 및 302 간이 될 것이다. 영역 2의 히터 회로는 이 두 전원 핀들 사이에 저항 가열 소자를 가지는 전원 핀 303 및 304 간이 될 것이다. 이와 유사하게 영역 3의 히터 회로는 이들 두 전원 핀들 사이에 저항 가열 소자를 가지는 전원 핀 305 및 306 간이 될 것이다. 이들 히터 회로들은 단지 예시적으로 본 발명의 원리에 따라 도 1을 참조하여 전술한 카트리지 히터로 해석됨을 알아야 할 것이다. 복수의 히터 코어(300)와 영역들을 가지는 임의 수 및 구성의 히터 회로들이 본 발명의 범위 내에서 채택될 수 있다. 네(4) 영역들과 카트리지 히터들의 도시는 단지 예시적이며 본 발명의 범위 내에서 같지 않은 전원 핀들과 점퍼선들이 다른 방식의 히터들과 함께 다른 수 및/또는 구성의 영역들에 채택될 수 있음을 알아야 할 것이다.
본 발명은 여기 예로 설명되고 도시된 실시예에 한정되지 않음에 주목해야 할 것이다. 아주 다양한 변경들이 설명되었지만 그 이상은 당업계에 통상의 기술을 가진 자의 지식의 일부이다. 이들 및 추가적 변경들뿐만 아니라 기술적 등가물로의 대체가 본 발명과 특허의 보호를 구하는 범위를 벗어나지 않고 설명과 도면들에 추가될 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. 제1 도전 재질로 구성된 제1 전원 핀과;
    제1 전원 핀의 제1 도전 재질과 같지 않은 제2 도전 재질로 구성된 제2 전원 핀과; 그리고
    열을 발생시키며, 제1 및 제2 전원 핀들의 제1 및 제2 도전 재질과 다른 재질로 구성된 저항 가열 소자로, 제1 접합을 형성하기 위해 제1 전원 핀에 연결된 제1 단 및 제2 접합을 형성하기 위해 제2 전원 핀에 연결된 제2 단을 가지는 저항 가열 소자를 구비하고,
    저항 가열 소자, 제1 전원 핀 및 제2 전원 핀은 공동으로 열 발생 및 온도 측정이라는 이중 기능을 수행하고,
    제1 및 제2 접합에서의 전압 변화는 히터의 평균 온도를 결정하기 위해 검출되는 히터.
  2. 청구항 1에서,
    제1 및 제2 전원 핀들과 통신하여, 저항 가열 소자에 전원을 공급하는 가열 모드와 제1 및 제2 접합에서의 전압 변화를 측정하여 평균 온도를 결정하는 측정 모드 간을 스위칭하도록 구성된 컨트롤러를 더 구비하는 히터.
  3. 청구항 1에서,
    제1 및 제2 전원 핀들과 통신하여, 저항 가열 소자에 대한 전원을 인터럽트하지 않고 제1 및 제2 접합에서의 전압 변화를 측정하도록 구성된 컨트롤러를 더 구비하는 히터.
  4. 청구항 1에서,
    히터가 카트리지 히터인 히터.
  5. 청구항 4에서, 카트리지 히터가:
    근접단과 원격단을 형성하는 비도전부로, 비도전부가 적어도 근접단을 통해 연장되는 제1 및 제2 구멍을 가지며, 제1 및 제2 전원 핀이 제1 및 제2 구멍 내에 배치되고, 그리고 저항 가열 소자가 비도전부 둘레에 배치되는 비도전부와;
    비도전부를 둘러싸는 피복과; 그리고
    비도전부의 근접단에 배치되어 피복 내로 적어도 부분적으로 연장되는 밀봉 부재를
    구비하는 히터.
  6. 청구항 4에서,
    차례로 연결된 복수의 카트리지 히터를 더 구비하고, 각 카트리지 히터가 각 카트리지 히터의 평균 온도를 감지하는 제1 및 제2 접합을 가지는 히터.
  7. 청구항 4에서,
    복수의 가열 영역을 더 구비하는 히터.
  8. 청구항 1에서,
    히터가 카트리지 히터, 관형 히터, 적층 히터, 폴리머 히터, 휘어지는 히터, 열 트레이스, 및 세라믹 히터로 구성되는 그룹 중에서 선택되는 히터.
  9. 청구항 1에서,
    제1 전원 핀과 제2 전원 핀에 연결되는 한 쌍의 리드선을 더 구비하는 히터.
  10. 청구항 9에서,
    한 쌍의 리드선이 각 리드선에 대해 동일한 재질인 도전 재질로 형성되는 히터.
  11. 청구항 1에서,
    차례로 연결된 복수의 히터를 더 구비하고, 히터가 각 히터의 평균 온도를 감지하는 제1 및 제2 접합을 가지는 히터.
  12. 청구항 11에서,
    제1 전원 핀이 전원 공급 핀이고 제2 전원 핀이 전원 귀환 핀이며, 전원 귀환 핀이 각 히터와 전기적 통신하는 히터.
  13. 청구항 1의 히터를 구비하여 유체 잠수 가열에 사용되는 히터로:
    유체 내에 잠수하도록 구성된 가열부로, 복수의 저할 가열 소자들을 구비하는 가열부와;
    가열부와 인접하는 적어도 두 비가열부로, 각 비가열부는 길게 연장되고 복수의 가열 소자들에 전기적으로 연결된 대응 전원 핀의 복수의 세트들을 구비하며,
    각 세트의 전원 핀이:
    제1 전원 핀과: 그리고
    제2 전원 핀을 구비하고, 제1 전원 핀이 비가열부 내에서 제2 전원 핀과 전기적으로 연결되어 접합을 형성하고, 제2 전원 핀이 가열부 내로 연장되어 대응 저항 가열 소자와 전기적으로 연결되며, 제2 전원 핀이 대응 저항 가열 소자보다 더 큰 단면적을 형성하는 비가열부와;
    비가열부에 인접하는 적어도 두 단자부로, 복수의 제1 전원 핀들이 비가열부를 나와 단자부들에 연결됨으로써 리드선과 컨트롤러에 전기적으로 연결되는 단자부를 구비하고,
    저항 가열 소자가 제1 및 제2 전원 핀들의 제1 및 제2 도전 재질들과 다른 재질로 구성되고, 그리고 유체의 수위를 감지하기 위해 제1 전원 핀들의 제2 전원 핀들에 대한 접합들이 비가열부의 길이를 따라 다른 위치에 배치되는
    유체 잠수 가열 히터.
  14. 청구항 1의 히터를 포함하는 히터 시스템으로,
    영역들을 형성하는 복수의 히터 코어들과;
    각 히터 코어를 통해 연장되는 복수의 전원 핀들로, 다른 도전 재질들로 구성되는 전원 핀들과; 그리고
    같지 않은 재질로 구성되어 두 전원 핀들 간을 연결하는 적어도 하나의 점퍼선을 더 구비하고,
    점퍼선이 컨트롤러와 통신하여 점퍼선 근방의 히터 시스템의 온도 판독값을 취득하는 히터 시스템.
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