KR20070105438A - 감열선을 이용한 무자계 방식의 온도조절기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 감열선을 이용한 전열침구 및 난방기기용 제품들에 있어서 사용자가 필요로 하는 온도를 제어하거나 설정하기 위하여 사용되는 온도조절기에 관한 것으로, 특히 온도 감지를 위하여 별도의 센서가 없어도 온도에 감응하는 감열선에 흐르는 전류변화를 온도조절기에서 실시간으로 검출하여 처리함으로서 기존의 센서를 사용하는 것과 동일한 방식으로 피드백 제어가 가능하도록 구성한 감열선을 이용한 무자계 방식을 포함한 일반방식(무자계가 아닌 일반 열선 권선 방식)의 온도조절기에 관한 것이다.

무자계, 전자파방지, 전열침구, 감열선, 과열방지, 온도조절기

Description

감열선을 이용한 무자계 방식의 온도조절기{The thermostat of the 5th binary term of the sexagenary cycle sum way that used the generation of heat line}

도 1은 종래의 일반적인 전열침구의 예시도.

도 2는 일반적인 발열선의 구조를 나타내는 부분확대도.

도 3은 본 발명의 온도조절기에 사용되는 회로도.

도 4는 종래의 부하전류 검출방식에 사용되는 것으로 변류기를 이용한 상태의 사이리스터의 회로도.

도 5는 종래의 부하전류 검출방식에서 부하저항(Resistor)을 이용한 상태의 일반적인 사이리스터의 회로도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

본 발명은 전기 감열선을 이용한 전열침구 및 난방기기용 제품들에 있어서 사용자가 필요로 하는 온도를 제어하거나 설정하기 위하여 사용되는 온도조절기에 관한 것으로, 특히 온도 감지를 위하여 별도의 센서가 없어도 온도에 감응하는 감열선에 흐르는 전류변화를 온도조절기에서 실시간으로 검출하여 처리함으로서 기존의 센서를 사용하는 것과 동일한 방식으로 피드백 제어가 가능하도록 구성한 감열선을 이용한 무자계 방식의 온도조절기에 관한 것이다.

본 발명은 일반적인 전기장판 및 전기매트 등과 같이 넓은 범위(면적)의 온도조절이 필요하나 경제적 또는 구조상 온도 센서의 실장이 곤란한 경우에 사용할 수 있는 것으로, 일반 권선방식과 무자계방식 모두를 포함하여 사용할 수 있다.

일반적으로 전열침구는 전열에 의해 일정온도를 유지시키는 난방기기의 일종으로서, 전기요 및 전기장판과 전기매트 및 전기카페트 등이 있으며, 통상 도1에 도시된 바와 같이 발열선(1)을 보온재(2)의 내부에 지그 재그로 배열하고 발열선(1)의 종단에는 이용자가 설정한 온도에 따라 발열선(1)에 전원을 인가하는 온도조절장치(3)가 구비되는 것이다.

그러나 상기 전열침구류에 사용되는 평행2선식 열선히터를 사용하는 전열침구류는 가열될 때 히터의 열선이 중간에서 단락되어 과전류가 흐르거나 열선 사이에 누설전류 및 전원 인입 양단자 사이에 전압변동 등으로 인한 과전류가 흘러 과열됨으로서 화재가 발생하는 위험요소가 있으므로, 상기와 같은 과열현상을 방지하는 수단으로 별도의 온도센서(감온바이메탈접점기)를 사용하여 과열을 감지하여 전원을 단락시키도록 하는 구성한 것이 있으나 이는 열선 또는 제품의 부분적 과열만을 제어하고 있으므로 제품 전체를 효과적으로 제어하지 못하는 단점으로 화재로부 터 안전한 보증을 받을 수 없는 단점이 있었다.

한편, 열선에는 교류전류가 인가되어 전열선에서 교류교반 전자기가 발생하고, 이 교류교반 전자기중 전열선 자체에서 상쇄되지 아니하는 많은 량의 유해전자파가 발생하므로 이러한 유해전자파에 의하여 인체에 악 영향이 미칠 수 있는 문제점이 있다. 상기 전자파는 에너지의 파동이 전기적인 성질과 자기적인 성질의 전자상 내의 일점에서 진동이 일정한 속도로 전해짐으로서 발생하는 현상으로, 전기장(ELECTROMAGNETIC FIELD : EMF)의 측정단위 mG(밀리가우스)로 측정되어지고, 상기와 같은 전자파를 EMW(ELECTROMAGNETIC WAVE) 또는 EMF로 불리어지고 있다.

이러한 전자파는 전열침구류 및 전기찜질기, 전기사우나 등과 같이 인체에 직접 접촉시켜 사용하는 제품에서 발생할 수 있는 것으로 오랜 시간 사용할 경우 전자파에 의한 각종 병들이 발병할 수 있는 문제점 등이 있었다.

따라서 상기의 전자파에 의한 인체에 미치는 악 영향을 방지하기 위하여, 대한민국 특허공보(10-0184360호)에서는 연동연선 외주면에 불연성 연사를 피복하고, 상기 불연성 연사 외주면에 테프론으로 된 내부 피복재를 피복시키며, 상기 내부 피복재 외주면에 니크롬선을 권취시킨 다음 실리콘 고무로 된 외부 피복재를 피복하여 최고 허용 온도 280까지 사용할 수 있도록 하고, 상기 연동연선과 니크롬선에 서로 반대방향의 전류를 흐르게 하여 연동연선과 니크롬선 각각에서 발생되는 전자파를 상호 흡입하여 상쇄토록 함을 특징으로 하는 전자파(EMW, EMF)를 발생하지 않 는 발열체선이 개시되어 있다.

또한, 일반적인 발열선 내부의 발열체가 비교적 온도계수가 낮은 합금(예:니켈과 크롬의 합금)을 되어 있기 때문에 발열선 자체의 발열온도에 영향을 받지 않고 전원이 공급되는 동안에는 열과 온도의 상승이 지속되는 특성이 있는 바, 온도조절기에 오동작 및 고장이 발생하여 발열선에 공급되는 전원이 조절되지 못하면 광려되어 화재 발생의 위험 요소가 있으므로, 이를 방지하기 위하여 온도가 상승되면 전력소비가 감소되어 온도가 일정치 이상 상승되는 것을 억제하는 재질로 발열선을 구성하는 감열선에 의한 것으로, 발열선에 포함되는 발열체가 순철(Fe)인 것을 특징으로 하는 전열침구용 발열선이 대한민국 특허공보(10-0330912호)에 개시되어 있는 것으로, 발열선(10)은 여러 가닥의 절연체로 된 절연심실(11)과 외주면에 나선형으로 권선된 발열체(12)와 비교적 온도 전달률이 높은 재질로서 상기 절연심실(11)과 발열체(12)의 감싸는 온도감응수지(13)와 온도감지용 전극(14) 및 외주면에 피복된 절연외피(15)로 구성되어 있음을 알 수 있다.

따라서 본 발명은 감열선의 특성을 가진 열선을 사용하여 히팅을 하면서 실시간으로 히팅 온도의 변화량을 측정하고 제어할 수 있는 피드백 회로를 개발함으로서 별도의 온도센서가 불필요한 경제적인 온도조절기를 제공하는 것으로, 감열선에 인가되는 전류의 스위칭은 사이리스터 방식의 히터출력부를 사용하여 변화되는 전류검출을 하도록 하며, 마이컴에 의한 제로크로싱(Zerocossisng Det)검출부와 일 반 회로방식으로 다이오드를 사용하여 전압제어 및 출력제어가 이루어지도록 하므로서 실시간으로 온도변화를 측정하고 제어할 수 있는 온도조절기를 제공하고자 한다.

본 발명은 상기에서 설명한 바와 같이 감열선(일종의 센서 선으로 온도에 따른 저항값의 변화가 일정(리니어)하며 변화값이 큰 순철(99.9%) 및 합금열선)을 사용하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 일반적인 전열침구의 예시도 이며, 도 2는 일반적인 발열선의 구조를 나타내는 것이며, 도 3은 본 발명의 온도조절기에 사용되는 회로도이다. 도 4는 종래의 부하전류 검출방식에 사용되는 것으로 변류기를 이용한 상태도이며, 도 5는 종래의 부하전류 검출방식에서 부하저항(Resistor)을 이용한 상태의 것이다.

먼저 본 발명의 이해를 돕기 위하여 감열선을 이용하여 무자계방식의 온도조절기를 만든다면, 상기 도 4와 도 5에 도시된 바와 같은 것으로, 변류기를(CT)를 이용한 직접이든 간접이든 전류를 픽업하는 방식으로 감열선에 직렬로 낮은 저항을 넣고 전류에 따른 전압을 추출해 내는 방식이나 모두 사이리스터(SCR)가 통전되는 상태(전류가 흐르는 동안)에만 검출이 가능하다는 문제점이 있으며, 이는 계속해서 변하는 온도의 변화를 실시간으로 추출해 낼 수가 없다는 기술적인 문제가 있으므 로, 이를 보완하려면 별도의 하드웨어 및 마이컴을 이용한 소프트웨어적인 방법을 고려해 볼 수밖에 없는데 결국은 실시간이 아닌 전류가 흐르는 동안에만 검출되어 전원이 단락되어 있는 경우에는 검출할 수 없는 문제점이 있는 것이다.

또한 본 발명에서 사용되는 발열선(10)은 여러 가닥의 절연체로 된 절연심실(11)과 외주면에 나선형으로 권선된 발열체(12)와 비교적 온도 전달률이 높은 재질로서 상기 절연심실(11)과 발열체(12)의 감싸는 온도감응수지(13)와 온도감지용 전극(14) 및 외주면에 피복된 절연외피(15)로 구성되어 있는 발열선(10) 또는 이와 동일 유사한 구성으로 이루어진 발열선도 사용할 수 있음은 물론이다.

본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 창출된 것으로, 도 3에 도시된 회로도에 의한 상세한 설명을 하면, A블럭은 본 발명의 핵심으로 감열선에 흐르는 전류를 설정된 오차범위내로 실시간 검출을 위한 마이컴과 일반회로방식을 겸용할 수 있도록 구성한 것이다. B블럭은 "0점 조절회로"로서 감열선에서 얻어지는 미량 전류의 변화량을 신호처리에 적합한 전압으로 증폭시키기 위한 것이며, C블럭은 "0점 조절된 신호를 적당한 전압으로 증폭하는 증폭부이고, D블럭은 온도조절을 위한 온도설정부이고, E블럭은 감열선의 층간 단락이나 과열 등을 검출하기 위한 보호회로이며, F블럭은 사이리스터 방식의 일반적인 히터출력부이다.

따라서 본 발명은 F블럭과 같이 사이리스터(SCR)방식의 히터출력부에 의한 것으로 감열선에 인가되는 전류의 온-오프에 따른 전류검출은 사이리스터가 오프된 반사이클 기간에 이루어지도록 한다.

이는 사이리스터가 정확하게 오프된 반사이클 기간에만 기준 저항인 R3와 D1을 통해 감열선에 미약한 전류를 흘려 줌으로서 실제로 사이리스터가 온 되었을 때 혼입될 수 있는 불필요한 신호를 차단하는 효과를 갖는 것이다.

상기와 같이 정확하게 사이리스터가 온 기간에는 전류검출을 하지 않고 오프 기간에만 전류검출을 할 수 있도록 타이밍을 맞추어주기 위하여 저항(R1, R2)과 마이컴(B1, B2 - IC)으로 구성된 제로크로싱 검출부를 A블럭으로 구성한다.

이와 같은 제로크로싱 검출부는 일반적으로 사용되는 부분이지만 본 발명에서는 교류의 OV(제로볼트)를 기준으로 정확한 ± 신호를 얻어야 하므로 컴퍼레이터(마이컴)의 전원을 ±2 전원을 사용해서 사이리스터와 전류검출에 필요한 온-오프 신호인 ±풀스윙의 스위칭 신호를 얻는다.

즉 "+" 신호일 때는 컴퍼레이터(B2)를 통해 사이리스터를 온 시키며, "-" 신호일 때는 컴퍼레이터(B1)를 통해 감열선에 전류를 흐르게 함으로서 온도에 따른 전류의 변화를 검출한다.

한편, A블럭의 a, b는 필요에 따라 선택 사용할 수 있는 것으로 마이컴을 이용하는 방식에서는 "b"부분이 생략되며, D블럭을 사용하는 일반회로방식에서는 "a"가 생략되어 서로 바꾸어서 사용할 수 있도록 마이컴과 일반회로방식을 채택하였다.

본 발명의 C3는 잡음제거 및 역률 개선용으로 사용되는 것이고, 다이오드( D1~D7)는 모두 역전류 차단용이며, 다이오드(D8)는 플라이휠 다이오드로 구성한다.

본 발명의 A블럭의 특징을 더욱 상세하게 설명하면, A블럭 회로의 특징은 사이리스터에 전류를 흘려줄 때와 흘려주지 않을 때를 정확하게 구분하여 전류를 흘려주지 않는 기간에만 감열선에서 일어나는 온도변화에 대한 저항값의 변화를 전류로 검출하는 방식이다.

본 발명에서 가장 핵심이 되는 상기의 A블럭은 일반적으로 사용되는 비교(Comparator)회로를 응용한 것으로 동작설명은 아래와 같다.

상용교류는 0V를 기준으로 +전압과 -전압이 교번되어 나타나는 것을 말하는데 이론상 기준이 되는 정확한 0V를 얻으려면 우선 콤퍼레이터 IC의 특성을 살펴 볼 필요가 있다. 일반적으로 저가의 이러한 IC 들을 단 전원(+전원만 존재하는) 으로 사용하게 되면 드리프트 특성 등에 따라서 양산을 할 때 정확한 0V 지점을 찾기가 쉽지 않다. 이를 해결하는 방법으로는 단 전원이 아닌 양 전원(+-)을 사용하면 이러한 저가의 IC를 사용하면서도 실용성적인 결과를 얻을 수 있으므로 양 전원을 사용하고 부가적으로 “0V 조정회로”또는 “증폭회로”등에도 양 전원을 사용한다.

상기의 정확한 스위칭신호에 필요한 기준신호를 얻기 위해 “A블럭”의 “1”번 단자에 일반 상용전원(100~220V, 50/60Hz)를 인가하면 R1과 R2에 의해 적당히 분압된 전압이 Comparator IC인 "B1과 B2"에 공통으로 인가되고 인가된 교류전압이 “0V”를 기준으로 +전압일 때는 "B2"의 “a" 출력이 "High"가 되어 ”B2"의 “a" 쪽으로는 전류가 흐르지 않게 되고 전류는 "R4"와 ”D2"를 통해 “A블럭의 4번을 거쳐 사이리스터(Q1)에 게이트 전류가 공급 되어 감열선에 반파장의 전류를 흘려주게 된다.

이때 “B1"의 "b" 출력은 상대적으로 ”Low" 가 되어 IC쪽에서 전류를 흡수하게 되므로 "D1"에는 “R3"를 통한 전류가 흐르지 않게 된다. (즉, 이 기간에는 감열선에 센싱 전류를 흘리지 않는다.) 반대로 “1번”단자에 -전압이 공통으로 인가되면 “B2"는 전류를 흡수하게 되어 사이리스터의 게이트 전류는 차단되고 감열선에는 전류가 흐르지 않게 되며 상대적으로 ”B1"의 “b"출력은 ”High" 가 되고 “R3" 와 ”D1"을 통해 감열선에 센싱 전류를 흘려주게 된다. 여기서 센싱 전류란 감열선에 흘려주는 전류를 말하며 감열선의 온도에 따라 이 전류는 변하게 된다. 이 온도에 따른 변화분의 전류는 센싱용 기준전압인 “Vref" 와 “R3" 를 통해 ”D5"와 “C1"으로 이루어진 필터(충전회로)에 의해 전압으로 나타난다.

상기의 A블록에서 ”a" 와 "b"는 마이콤을 사용할 때와 일반 IC 방식만을 사용할 때를 표기한 것으로 마이콤을 사용할 때는 굳이 “b"블럭이 필요하지 않으나 IC방식에서는 ”a"블럭을 경제적으로 이용한 Transistor 방식의 “b"으로 대체 사용하고 "a"부분의 콤퍼레이터를 ”D"블록용(온도설정-Temp Setup)으로 사용한 것이다.

한편“B"블럭은 ”0점“ 조절회로 이며 이 회로는 감열선에서 온도에 따라 변화되는 전류의 변화량은 아주 적으므로 이를 증폭시켜 사용하여 하여야 하는데 ”R3" 와 “D1" 그리고 감열선으로 이루어진 센싱회로에서는 온도에 따른 감열선의 저항값이 존재하므로 "6"번 단자의 전압이 회로처리에 필요한 0V ~ 5V 까지의 변화 분을 얻을 수가 없다. 따라서 처리에 필요한 온도의 최저점일 때의 저항값을 인위적으로 설정해 놓고 그 저항값일 때를 온도를 필요상 ”0V"로 맞추는 작업이 필요하다.

또한“C” 블록은 “0점” 조절된 센싱 전압을 콘트롤에 필요한 전압으로 증폭하는 일반적인 방식의 증폭부(OP AMP)이다.

“D"블록은 증폭된 센서전압과 설정된 온도(전압)를 비교하여 출력을 내 주는 비교회로이며 "R18"은 히스테리시스용 저항이다.

E 블록은 보호회로부이며 감열선의 센싱전압에 따라 단락과 단선, 또는 과열상태일 때 출력을 차단하는 회로부이다.

F 블록은 일반적인 사이리스터방식의 출력부이며 “C3"는 잡음제거와 역률개선용이며 ”D8"은 휠 다이오드용이다.

기타 D1 ~ D7은 역전류 방지용으로 사용되었다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 감열선을 이용한 무자계방식의 온도조절기는 인체에 직접 접촉되어 사용되는 전열침구류에서 발생하는 교류전자기에 의한 유해전자파를 감열선의 자체 구조에 의하여 사전에 차단 또는 상쇄시킬 수 있으므로 사용자의 인체에 미치는 유해전자파를 방지할 수 있는 효과와; 감열선에 히팅되는 온도의 변화를 실시간으로 검출하여 제어할 수 있으므로 사용하기 적합한 전열침구류를 제공할 수 있으며 과열 및 과전압으로 인한 화재로부터 안전하게 사용할 수 있는 효과와; 별도의 온도 측정을 위한 온도센서 및 불필요한 전선을 사용하지 아니하므로 상대적으로 간편하면서도 저렴한 전열침구류의 온도조절기를 제공할 수 있는 효과를 갖는 것이다.

Claims (1)

1. 발열선(10)은 여러 가닥의 절연체로 된 절연심실(11)과 외주면에 나선형으로 권선된 발열체(12)와;

   상기 절연심실(11)과 발열체(12)를 감싸는 온도감응수지(13)와 온도감지용 전극(14) 및 외주면에 피복된 절연외피(15)로 구성되어 있는 감열선과;

   사이리스터(SCR)방식의 히터출력부와;

   상기 사이리스터가 오프된 반사이클 기간에만 기준 저항인 R3와 D1을 통해 감열선에 미약한 전류를 흘려 줌과;

   상기 사이리스터가 온 기간에는 전류검출을 하지 않고 오프 기간에만 전류검출을 할 수 있도록 하는 저항(R1, R2)과;

   마이컴(B1, B2 - IC)으로 구성된 제로크로싱 검출부로 구성되어 감열선에 흐르는 전류변화를 온도조절기에서 실시간으로 검출하여 처리하는 것을 특징으로 한 감열선을 이용한 무자계 방식의 온도조절기.

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