KR20070117282A

KR20070117282A - 동기신호 제어방식 무자계 온도조절기 및 온도조절방법

Info

Publication number: KR20070117282A
Application number: KR1020060051330A
Authority: KR
Inventors: 길종진
Original assignee: 길종진
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2006-06-08
Publication date: 2007-12-12
Also published as: WO2007142394A1; KR100855789B1

Abstract

본 발명은 전기 장판, 전기요, 전기 찜질기 등의 온열기에 사용되는 발열선의 한쪽 끝단을 단락하지 않고서도 가열과 단락 검출을 무자계로 할 수 있는 침구류용 발열선의 무자계 온도조절기와 온도조절방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 정온용융 절연수지 또는 NTC써미스터의 내외면으로 평행하게 배치된 제1전열선과 제2전열선이 과열시 정온용융 절연수지 또는 NTC써미스터를 변형시키거나 녹이면서 상호 단락되는 경우에, 별도의 온도 센서 없이도 동기신호 제어 및 검출을 통해 가열 전력을 차단할 수 있도록 하는 온도조절기와 그 방법에 관한 것이다.

본 발명은 별도의 온도센서를 구비하지 않더라도 신호전압, 동기신호의 검출에 의해 제1열선과 제2열선 사이의 과열, 단선, 단락을 미리 판단하고, 발열선에 가열 전류를 공급할지 여부를 결정하도록 하여, 간단한 구성만으로도 비상시 전류를 차단하여 안전성을 향상시키고, 온도 조절이 가능하도록 하는 효과를 갖는다. 또한 본 발명은 발열선의 한쪽 끝단을 단락하지 않고서도 가열을 무자계로 할 수 있고, 임의의 위치에서의 국부적인 과열로 인한 변형, 파손을 검출할 수 있으며, 이에 적합하게 동작되도록 하는 효과를 갖는다.

Description

동기신호 제어방식 무자계 온도조절기 및 온도조절방법 {Temperature controller and the method using Timing Signal}

도 1은 본 발명의 온도조절기와 발열선이 연결된 상태를 나타내는 회로도이다.

도 2는 상기 도 1의 회로도를 구체화하여 나타낸 회로도이다.

도 3은 상기 도 1의 회로도를 다른 실시례로 구체화하여 나타낸 회로도이다.

도 4는 상기 도 2의 회로도에서 과열검출부를 제외하여 나타낸 회로도이다.

도 5는 상기 도 3의 회로도에서 과열검출부를 제외하여 나타낸 회로도이다.

도 6은 상기 도 2의 회로도에서 다른 실시례의 발열선을 사용하여 나타낸 회로도이다.

도 7은 상기 도 3의 회로도에서 다른 실시례의 발열선을 사용하여 나타낸 회로도이다.

도 8은 본 발명의 또 다른 구성을 구체화하여 나타낸 회로도이다.

도 9는 본 발명의 무유도 발열선의 가열전류 흐름을 나타내기 위한 등가회로도이다.

도 10은 본 발명의 무유도 발열선에서의 정상온도 및 과열 신호전류 흐름을 나타내기 위한 등가회로도이다.

도 11은 본 발명의 온도조절기에 따른 신호전압 검출 및 가열동작원리를 설명하기 위한 논리 도면이다.

도 12는 본 발명의 발열선 가열 과정이 무자계 상태에서 동작되는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 13 내지 15는 본 발명의 온도조절기의 전력제어스위칭부의 단선을 나타내기 위한 등가회로도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 제1전열선 11 : 정온용융 절연수지

12 : 제2전열선 13 : 절연피복

14 : 실드 15 : 발열선

100 : 신호전압공급부 200 : 제1전력제어스위칭부

300 : 휴즈단선동작부 400 : 제2전력제어스위칭부

500 : 신호전압출력부 600 : 전원부

700 : 제어부 800 : 외부조작입출력부

900 : 과열검출부

전기장판, 전기요, 전기 찜질기 등의 전열 침구류, 온열기에는 내부에 발열선이 내장되어 있어서, 발열선에 전원을 공급하면 열을 발생하게 된다. 따라서 발열선 주변의 온도를 감지하거나 또는 사용자의 선택에 상응하게 전원 공급을 제어하는 온도조절기가 필수적으로 구성되어 있다.

종래의 침구류용 발열선은 평행하게 배열되어 있는 두 개의 금속 전열선 중 한쪽 끝단을 단락시키고, 발열선과 분리된 별도의 온도감지 센서를 장착하여 온도를 검출했다. 그러나, 온도센서와 발열선을 분리하는 방식은 발열선 내부의 단락으로 인해 발생하는 발열선 전체의 온도를 검출하지 못할 뿐만 아니라, 임의의 위치에서의 국부적인 과열도 검출하지 못하는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 발열선이 국부적으로 과열하거나 단락 및 단선이 되면, 화재 및 감전사고가 발생할 수 있는 문제점이 있다.

또 다른 종래의 방법으로는, 평행하게 배열되어 있는 두 개의 금속 전열선 중 한쪽 끝단을 단락시킨 외주면 또는 내중심면에 별도의 온도센서를 추가하여 제3 의 전선으로 온도를 검출하는 방법을 사용하였다. 그러나, 발열선과 분리하지 않고 제3의 전선으로 온도를 검출하는 방법은 온도센서층과 제3의 금속층이 발열선에 추가되기 때문에, 무자계 전열선의 굵기가 커져서 얇은 침구류에는 사용하지 못하고, 발열선 생산공정이 복잡하며 생산원가가 상승하는 등의 문제점이 존재한다.

아울러, 위에 언급된 종래 기술들은 모두 발열선의 온도 제어에 문제가 있거나, 발열선의 굵기가 굵어져 실용성이 떨어지거나, 전압, 전류로 인한 유해 전자파를 차단하지 못하는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 온도조절기에서 동기신호를 발생시켜, 이 동기신호로 먼저 발열선 사이의 신호 유무를 읽어 들이고(선검출), 읽어들인 신호의 상태에 따라 가열전류의 흐름을 제어하거나(후가열), 전원을 차단하도록 하는 온도조절기와 온도조절방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 서로 나란히 배치되고 어느 한 전열선으로 입력된 전류가 다른 전열선으로 유턴되어 출력되도록 연결된 제 1, 2 전열선과 그 사이에 감기는 정온용융절연수지 또는 NTC써미스터를 포함하는 발열선과 연결되고, 상기 제1전열선과 제2전열선 사이가 과열되거나, 또는 단 락, 쇼트되는지 여부를 동기신호에 의해 검출하고 이 검출신호 상태를 판단한 후, 이상이 없으면 가열신호를 출력하는 제어부; 및 상기 제어부의 제어에 의해 가열신호에 의해 전원을 공급하는 스위칭부를 포함하여 이루어지고, 상기 제1전열선을 통해 흐르는 전류는 다시 상기 제2전열선을 통해 흘러 나가도록 하여 상기 제1, 2전열선에 흐르는 전류 방향이 서로 반대로 되어서 이 전류에 의한 자계가 서로 상쇄되어 무자계를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 발열선의 전원측에 연결되어 상기 제1전열선으로 전류를 흐르게 하거나 차단하는 제1전력제어스위칭부; 상기 발열선의 전원측에 연결되어 신호전압을 정상적으로 공급하는지 여부를 검출하기 위한 신호전압공급부; 상기 발열선의 타측에 연결되어 상기 제2전열선으로 유턴전류를 흐르게 하거나 차단하는 제2전력제어스위칭부; 및 상기 발열선의 타측에 연결되어 제1전열선 및 제2전열선 사이의 신호전압 출력을 검출하기 위한 신호전압출력부;를 포함하여 구성되고, 상기 제어부는 상기 신호전압공급부 및 상기 신호전압출력부에서 신호전압이 검출된 경우 설정된 펄스폭 분할 조건에 따라 가열 전류를 공급하는 것을 일 특징으로 한다.

상기 제어부는 상기 신호전압출력부에서 신호전압이 검출되지 않는 경우, 가열 전류를 공급하지 않는 것을 일 특징으로 한다.

상기 제어부는 상기 신호전압공급부에서 신호전압이 검출되지 않는 경우, 상기 발열선으로의 전원 공급을 차단하는 것을 일 특징으로 한다.

휴즈를 포함하는 휴즈단선동작부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 신호전압공급부에서 신호전압이 검출되지 않은 경우, 상기 휴즈단선동작부에서 휴즈가 단 선되도록 제어하는 것을 일 특징으로 한다.

상기 발열선 내에 구비되는 금속 실드와 연결되는 과열검출부를 더 포함하고, 상기 과열검출부는 상기 발열선의 금속 실드에 전류가 흐르는 경우, 전압을 검출하여 상기 제어부로 송신하는 것을 일 특징으로 한다.

상기 제1전력제어스위칭부 및 상기 제2전력스위칭부는 제어정류소자를 구비하여 연결되는 것을 일 특징으로 한다.

상기 제1전력제어스위칭부 및 상기 제2전력제어스위칭부는 릴레이와 제어정류소자가 병렬연결되어 구비되는 것을 일 특징으로 한다.

본 발명의 방법은, 발열선이 단선되거나 특정 범위 이상의 고온으로 가열되는 경우 가열을 차단하기 위한 방법에 있어서, 제어부의 프로그램에 의해 일정 간격으로 동기신호를 발생하는 동기신호발생단계; 상기 프로그램 동기신호에 맞춰 신호전압공급부 및 신호전압출력부에서 입출력여부를 읽어들이는 신호전압입출력검출단계; 상기 신호전압입출력검출단계에서 신호전압이 검출되는 경우 설정된 펄스폭 분할 조건에 따라 가열전류를 공급하고, 상기 신호전압출력부에서 신호출력전압이 검출되지 않거나, 상기 신호전압공급부 및 상기 신호전압출력부 모두에서 신호전압이 검출되지 않는 경우에는 가열전류를 공급하지 않는 가열제어단계를 포함하여 구성되는 것을 일 특징으로 한다.

상기 가열제어단계 중 상기 신호전압공급부에서 신호전압이 검출되지 않는 경우에는, 전원 휴즈를 단선시켜 상기 제1, 2전열선에 공급되는 전력을 차단하는 것을 일 특징으로 한다.

상기 동기신호검출단계에서 상기 신호전압공급부에서는 신호전압이 검출되나, 상기 신호전압출력부에서는 신호전압이 검출되지 않는 경우에는, 상기 신호전압출력부에서 신호전압이 검출될 때까지 가열전류의 공급을 중단하고, 상기 신호전압출력부에서 다시 신호전압이 검출되기 시작하면, 가열전류를 공급하는 것을 일 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면에 도시된 본 발명 구성의 일 실시례를 참조하여, 본 발명이 구성을 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 온도조절기와 발열선이 연결된 상태를 나타내는 회로도이다. 도 1을 참조하면, 제1열선(10)과 제2열선(12) 사이에는 정온용융 절연수지(11)가 감겨 절연 기능을 수행하고 있으며, 제2열선(12)의 외측에는 절연피복(13)과 금속 실드(14)가 감겨져 있다. 정온용융 절연수지(11) 대신에 NTC써미스터를 사용할 수도 있다. 과열시에 정온용융 절연수지(11)는 녹거나 성질이 변하면서, 전열선을 쇼트시키고, NTC써미스터는 임피던스가 낮아지며 중간에서 전류를 유턴시키면서, 전압을 손실하게 된다.

전원측에서 제1열선(10)은 신호전압공급부(100) 및 제1전력제어스위칭부(200)와 연결되고, 제2열선(12)과 실드(14)는 전원의 일측에 연결되어 접지되고, 이때 실드(14)는 별도로 과열검출부(900)와 연결된다. 발열선(15)의 타측에서 제1전열선(10)과 제2전열선(12)은 제2전력스위칭부(400) 및 신호전압출력부(500)와 연 결된다.

신호전압공급부(100)는 제어부(700)에서 인가되는 동기신호의 신호전압을 검출하여, 이를 기준전압과 비교하여 제어부(700)로 다시 출력하는 역할을 한다. 신호전압공급부(100)는 신호전압이 정상적으로 공급되는지 여부를 검출하여 제어부(700)로 출력한다.

제어부(700)는 그 내부에서 설정된 프로그램에 따라 프로그램 동기신호에 의하여 신호전압공급부(100), 신호전압출력부(500) 및 과열검출부(900)의 출력 신호를 읽어들여, 이 신호의 상태에 따라 제1전력제어스위칭부(200), 제2전력제어스위칭부(400) 및 휴즈단선동작부(300)를 제어한다. 제어부(700)의 동작은 도 11을 통해 아래에서 더욱 자세히 설명하도록 한다.

제1전력제어스위칭부(200)가 단락, 쇼트되는 경우에 신호전압을 수신하지 못하므로, 제어부(700)는 일정 간격의 자체 동기 신호로서 반복하여 외부신호를 읽어들여 수신할 때 신호전압의 수신여부를 통해 제1전력제어스위칭부(200)의 상태를 감지할 수도 있으며, 아울러 신호전압공급부(100) 자체의 상태도 감지할 수 있게 된다. 이에 제어부(700)는 신호전압공급부(100)에서 신호전압을 수신하지 못한 경우에, 발열선(15), 제1전력제어스위칭부(200) 또는 신호전압공급부(100)가 단락, 단선된 것으로 인식하고, 가열전류의 공급을 차단한다. 즉, 신호전압공급부(100)는 첫째로, 발열선(15), 둘째로, 제1전력제어스위칭부(200), 셋째로 신호전압공급부(100)의 각 구성이 단락(쇼트) 또는 단선되었는지 판단할 수 있도록 하며, 제어부(700)는 신호전압공급부(100)에서 신호전압이 수신되지 않으면, 전원을 차단하게 된다.

제1전력제어스위칭부(200)와 제2전력제어스위칭부(400)는 가열전류 공급시에만 온(ON) 상태가 되어 가열전류가 흐를 수 있도록 하는 역할을 한다.

신호전압출력부(500)도 신호전압공급부(100)와 마찬가지로 신호전압을 검출하여 제어부(700)로 출력하는 기능을 담당한다. 발열선(15)이 단락, 단선되거나, 제2전력제어스위칭부(200)가 단락, 쇼트된 경우, 그리고 신호전압출력부(500) 자체가 단락, 단선된 경우에는 신호전압을 수신하지 못하므로, 제어부(700)는 신호전압출력부(500)를 통해 이상 여부를 감지할 수 있게 된다.

휴즈단선동작부(300)는 제어부(700)의 제어신호에 의해 휴즈(310)를 단선시키는 기능을 한다. 전원부(600)는 제어부(700)에 전원을 공급하기 위한 구성이며, 외부조작입출력부(800)는 사용자가 각종 조작, 설정을 할 수 있도록 구성되는 부분이다.

과열검출부(900)는 발열선(15)의 제1, 2전열선(10)(12)과 절연된 상태로 외부에 배치된 금속 실드(14)에 연결되며, 금속 실드(14)와 제2전열선(12) 사이의 절연층이 벗겨지거나 과열로 인해 단락(쇼트)되어 누설전류가 흐르는 것을 감지하는 기능을 한다.

제어부(700)는 신호전압공급부(100)와 신호전압출력부(500)에서 신호전압을 확인하도록 하며, 신호전압의 검출에 따라 발열선(15)의 이상 즉, 정온용융 절연수지(11)가 가열되어 물성이 변화하고, 절연계수가 감소하면서 제1열선(10)과 제2열선(12)이 상호 단락되거나, 또는 NTC써미스터에서 전류가 도통되는 것을 감지하게 된다. 자체 동기신호의 매 주기마다 수신, 검출 후 정상상태로 판단된 경우, 제1전력제어스위칭부(200) 및 제2전력제어스위칭부(400)를 온(ON)시켜, 사용자에 의해 설정된 시간, 펄스만큼의 전류를 발열선(15)에 흐르게 하여, 가열 동작을 수행한다. 신호전압이 검출되지 않는 비정상 상태에서는, 제1전력제어스위칭부(200) 및 제2전력제어스위칭부(400)를 오프(OFF)시켜 가열 전류의 공급을 차단한다. 아울러, 제어부(700)를 통해 휴즈단선동작부(300)를 제어하여 휴즈(310)를 단선시키게 한다. 또한 동기신호의 검출에 이상이 없더라도, 과열검출부(900)에서 전류가 검출되는 경우 휴즈단선동작부(300)를 제어하여, 전류의 흐름을 차단하게 하는 것도 가능하다.

신호전압공급부(100)와 신호전압출력부(500)에서 둘 다 신호전압이 검출되는 경우에, 정상상태로 인식한다. 만약 신호전압공급부(100)에서는 정상적으로 신호전압이 검출, 공급되나, 신호전압출력부(500)에서만 신호전압이 검출되지 않는 경우, 제어부(700)는 과열 상태로 판단하거나 비정상상태로 판단하여, 가열전류를 공급하지 않도록 한다. 신호전압공급부(100)에서만 신호전압이 검출되고 신호전압출력부(500)에서는 신호전압이 검출되지 않는 것은, 발열선(15)이 과열되면서 내부의 NTC써미스터에 임피던스가 낮아지며 전압이 NTC써미스터로 유턴되면서, 신호전압이 신호전압출력부(500)까지 오지 않거나, 전압이 감소되어 전달되는 이유일 수 있기 때문이다. 이 경우 제어부(700)는 굳이 전원을 차단하거나 할 필요 없이, 신호전압출력부(500)에서 신호전압이 검출될 때까지, 즉 발열선(15)의 온도가 내려갈 때까지, 가열전류를 공급하지 않고, 신호전압만을 정기적으로 공급하게 된다. 한 편, 신호전압공급부(100)에서 신호전압이 검출되지 않는 경우, 단락, 쇼트, 단선으로 판단하여, 전원을 차단하게 된다.

도 2는 상기 도 1의 회로도를 구체화하여 나타낸 회로도이다. 도 2를 참조하면, 제1전력제어스위칭부(200)및 제2전력제어스위칭부(400)는 동기신호의 정상적인 검출에 의해 도통될 때, 전원과 연결된 제2열선(12)의 일단으로부터 제1열선(10)으로 가열전류가 유턴하여 흐르도록 한다. 제1전력제어스위칭부(200)에는 제어정류기(21)가 구비되어 있고, 제2전력제어스위칭부(400)에는 가열전류유턴용정류기(40)가 구비되어 있다.

제어정류기(21)와 가열전류유턴용정류기(40)는 전력제어용 실리콘 제어 정류기(Silicon-Controlled Rectifier; 이하 SCR) 또는 트라이액(TRIAC)을 사용하는 것이 가장 바람직하다.

가열동작시에는, 제어정류기(21)와 가열전류유턴용정류기(40)가 온(ON) 되면, 전원과 직렬로 연결된 제2열선(12), 가열전류유턴용정류기(40), 제1열선(10) 및 제어정류기(21)에 가열전류가 흘러서 전열선이 가열된다.

제어부(700)의 동기신호 인가시에는 신호전압공급부(100)의 저항(16)에서 검출된 신호전압을 읽어들이고, 그 다음 이 신호전압이 제1전열선(10)과 제2전열선(12)을 통과하게 된다. 이 때 고온으로 과열되어 NTC가 고온으로 되거나, 또는 정온용융 절연체가 녹게 되는 경우, 제1전열선(10)과 제2전열선(12) 사이에서 신호전압이 손실되고 나머지 신호전압만이 신호전압출력부(500)의 기준전압 비교기 제 너다이오드(50)와 비교된 후에 이 신호를 포토커플(53)을 통하여 신호전압출력부(500)의 신호로 읽어 들인다. 제어부(700)에서는 상기 신호전압을 읽어 들인 다음 확인하여 가열 여부를 결정하게 된다.

즉, 전열선이 과열되어 정온용융 절연수지(11), NTC써미스터가 녹아 물성이 변화하면서 제1열선(10)과 제2열선(12) 사이를 단락, 단선시키는 경우, 신호전압출력부(500)와 신호전압공급부(100)에서는 신호전압을 검출하지 못하게 되고, 이 경우 제어부(700)는 전원을 차단시킨다.

NTC써미스터를 사용하는 경우 전열선이 과열되었으나, 단락, 쇼트되지는 않고, 기준 온도 이상으로 과승온된 경우, NTC써미스터의 임피던스가 낮아지면서, 신호전압출력부(500)는 신호전압을 검출하지 못하거나, 검출하더라도 기준 전압에 비해 낮아지게 된다. 이에 제어부(700)는 제어정류기(21)와 가열전류유턴용정류기(40)를 오프상태로 유지하게 되므로, 가열전류는 더 이상 흐르지 않게 되고, 발열선(15)은 가열되지 않는다.

미설명 부호 20, 24, 30, 34, 35, 41, 43, 51, 71, 74, 75는 저항, 80은 가변저항, 31은 제어정류기, 33, 42, 53, 92, 93은 포토커플, 50은 제너다이오드, 91은 다이오드이다.

도 3은 상기 도 1의 회로도를 다른 실시례로 구체화하여 나타낸 회로도이다. 도 3을 참조하면, 도 2의 구성은 제어부(700)와의 신호전달을 절연되는 포토커플과 절연되지 않고 직접 연결되는 방식을 혼합하여 구성한 예라면, 도 3의 구성은 제어 부(700)와의 신호전달을 절연되는 포토커플만을 사용하여 구성한 예이다.

신호전압공급부(100)에는 포토커플(18) 및 이에 병렬연결되는 다이오드(17)가 구비되고, 제1전력제어스위칭부(200)에는 포토커플(22)과 저항(23)이 직렬로 구비되며, 휴즈단선동작부(300)에는 포토커플(33)과 저항(32)이 직렬로 연결되어 구비된다.

한편, 제어부(700) 측에는 출력측에 포토커플(25)(33)(44)과 저항(70)(72)(73)이 직렬로 연결되어 구비되고, 입력측에도 포토커플(18)(53)(93)과 저항(73)(74)(75)이 직렬로 연결되어 구비된다.

도 3의 실시례는 절연 성능의 포토커플을 사용하여, 제어부(700) 등의 정밀 구성을 순간적인 과전압 등으로부터 보호하는 장점이 있으나, 도 2의 실시례에 비해 고가인 단점이 있다.

도 4는 상기 도 2의 회로도에서 과열검출부를 제외하여 나타낸 회로도이고, 도 5는 상기 도 3의 회로도에서 과열검출부를 제외하여 나타낸 회로도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 발열선(15)의 실드(14)에 연결되는 과열검출부(900)를 사용하지 않으며, 이로 인해 과열검출부(900)와 연결된 제어부(700)의 일부 입력, 출력측 구성에만 차이가 있게 된다.

도 6은 상기 도 2의 회로도에서 다른 실시례의 발열선을 사용하여 나타낸 회로도이고, 도 7은 상기 도 3의 회로도에서 다른 실시례의 발열선을 사용하여 나타 낸 회로도이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 발열선(15)의 실드(14)와 이에 연결되는 과열검출부(900)를 제거하고, 발열선(15)의 제2열선(12)을 판재 형상으로 구성하고 외측에 감아, 외부로 누설되는 전기장을 제2열선(12)에서 차단하도록 하는 구성이다. 이로 인해 각각 도 2 및 도 3에 구성된 회로 구성과는, 과열검출부(900) 및 이에 연결된 제어부(700)의 일부 입력, 출력측 구성에 차이가 있게 된다.

도 8은 본 발명의 또 다른 구성을 구체화하여 나타낸 회로도이다. 도 8을 참조하면, 각종 제어정류소자(SCR, TRIAC) 대신에 릴레이접점(21a)(31a)(40a)을 사용하거나 병렬연결하여 사용할 수 있으며, 제어부(700) 출력측의 포토커플(22)(33)(42) 대신에 릴레이솔레노이드코일(22a)(33a)(42a)을 사용할 수 있다.

이러한 릴레이 구성은 열발생이 전혀 없다는 장점이 있다. 다만, 온(ON)되는 경우 아크에 의한 접점손실이 문제인데, 릴레이와 제어정류소자를 병렬로 연결하면 아크 발생이 없고, 제어정류기에도 열발생이 없게 된다. 이는 제어정류소자가 릴레이보다 턴온 타임이 1mmsec 빠르기 때문에 턴온 전류는 항시 제어정류소자로 흐르게 되고, 상시 전류는 릴레이 접점으로 흐르게 되어 제어정류소자에는 열이 발생하지 않기 때문이다.

도 9는 본 발명의 온도조절기와 발열선에서의 가열전류 흐름을 나타내기 위한 등가회로도이다. 도 9를 참조하면, 이는 가열시 전류 흐름에 다른 등가회로인데, 전원에서 공급된 전류는 제2열선(12)을 지나, 제2전력제어스위칭부(400)의 가 열전류유턴용정류기(40)에서 유턴하여 제1열선(10)과 제1전력제어스위칭부(200)의 제어정류기(31)를 통해 전원으로 돌아오게 된다.

도 10은 본 발명의 온도조절기와 발열선에서의 신호전류 흐름을 나타내기 위한 등가회로도이다. 도 10을 참조하면, 신호전압의 유무를 판단하면서, 신호전압이 손실되는지 여부를 판단하게 된다. 만약 NTC써미스터가 고온으로 과열되는 경우, 임피던스가 낮아지게 되면, 도면과 같이 신호전류(I2)가 신호전압출력부(500)의 포토커플(53) 까지 도달하기 전에, NTC써미스터(11) 부분에서 유턴하여 돌아가게 된다. 이 경우 신호전압출력부(500)의 포토커플(53)에서는 동기신호를 검출하지 못하게 된다.

한편, 정온용융 절연수지(11)는 PP, PE, PVC, 나일론, 실리콘 등의 재질로서, 전열선이 과열되어 한계 온도보다 상승되면 물성이 변화하면 녹게 되고, 이 때 제1열선(10)과 제2열선(12)은 상호 쇼트(단락)되는데, 이 때 신호전압출력부(500)의 신호를 검출하지 못한 제어부(700)에 의해 가열 동작을 중단하고 전원을 차단하게 된다. 이 때 고온으로 인해 내부절연체가 연화(軟化)되어 절연성 급격히 떨어지므로, 내전압이 하강하거나, 누설전류가 상승하거나, 유전도가 변화하는 등의 효과가 발생하는 경우, 이를 절연 성능 또는 절연 계수가 감소 또는 음(-)으로 된다고 칭한다.

따라서 신호전압의 공급 주기와 검출 설정에 따라 이상상태 감지 민감도를 조절할 수 있게 되며, 전열선이 단락되는 경우 또는 단락이 되지 않더라도 정온용 융 절연수지(11)가 물성의 변화를 일으키면서 주변 전압에 영향을 끼치며 절연 계수가 감소 또는 음(-)으로 되는 경우에는, 더 이상의 가열 전류 공급을 차단하는 안전장치 역할을 하게 된다. 아울러 휴즈단선동작부(300)를 통해 휴즈(310)를 단선시키는 것도 가능하다.

도 11은 본 발명의 제어부 프로그램에 따른 신호전압 검출 및 가열동작원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 11을 참조하면, A는 전원 공급 파형을 나타내는 그래프이고, B는 각 사이클의 초기에 1~5% 범위의 시간동안의 내부순환 동기신호를 나타낸다.

C는 기준 동기신호를 신호전압공급부(100) 및 신호전압출력부(500)에서 검출하여 읽어 들이는 것을 나타내는 것인데, 이 때 신호전압이 검출되면 E와 같은 상태로, 신호전압출력부(500)에서만 신호전압을 수신하지 못하면 D로 유지되면서 계속적으로 신호전압만 흐르게 된다. 만약 신호전압공급부(100)에서도 신호전압을 검출하지 못하게 되면, 제어부(700)는 휴즈단선동작부(300)를 통해 전원휴즈를 단선시켜 전류 공급 자체를 차단하게 된다. D를 참조하면, 동기신호의 유실로 인해 제어부(700) 내 프로그램에서 LOW 신호를 출력하며, 이 경우, 제1전력제어스위칭부(200) 및 제2전력제어스위칭부(400)가 오프상태를 유지하게 되고, 가열 전류는 흐르지 않게 된다.

E를 참조하면, 신호전압이 정상적으로 수신, 검출되는 경우 제어부(700) 내에서 동기신호 발생 범위 이외의 시간 범위 내에서 HIGH 신호를 출력하게 된다. HIGH 신호의 출력에 따라, F, G, H 와 같이 이미 설정된 시분할 볼륨값에 따른 듀티비에 의해 가열 전류가 인가된다. 즉, F와 같이 듀티비가 작게, 예컨대 10%로 선택된 경우에는 히터가열 전력은 짧은 시간 범위 내에서만 인가되므로, 저온 상태를 유지하게 된다. G와 같이, 듀티비가 보통, 예컨대 50%로 선택된 경우에는 보다 긴 시간 범위 내에서 인가되고, 중간 정도의 온도 상태를 유지하게 된다. F와 같이 듀티비가 90%일 때, 대부분의 시간 범위 내에서 가열 전류가 인가되고, 발열선은 고온 상태를 유지하게 된다.

회로에 전원이 공급되면(A) 제어부(700)는 프로그램 동기신호를 발생시키고(B), 이 동기 싸이클 신호에 따라서 제일 먼저 신호전압공급부(100), 신호전압출력부(500), 과열검출부(900)에서 출력되는 신호를 읽어들인다.

만약 신호전압공급부(100)와 신호전압출력부(500)에서는 신호가 있고 과열검출부(900)에서는 신호가 없으면 제어부(700)는 이 상태를 가열 환경조건으로 설정하고(E), 그 다음 외부조작입출력부(800)의 볼륨값을 읽어들여 이 볼륨값으로 정해진 비율(F, G, H)만큼 제1전력제어스위칭부(200)와 제2전력스위칭부(400)를 프로그램 동기신호(B)의 1싸이클 만큼 ON시키어 전열선을 가열한다.

만약 프로그램 동기신호(B)의 다음 순차 싸이클에서도 상기와 같이 읽어 들인다음 가열하는 동작을 계속 반복 실행하면서 읽어 들이던 중 신호전압공급부(100), 신호전압출력부(500), 과열검출부(900)에서 상이한 신호가 입력되면, 다음 싸이클 동기 신호를 읽어 들일 때까지 가열동작을 멈추거나 휴즈단선동작 부(300)를 동작시켜 전원휴즈(310)가 단선되게 하는 것이 제어부(700)의 기본 동작이다.

만약 과열검출부(900)에서 검출되는 신호가 있으면 다른 모든 신호 상태는 무시하고 제어부(700)는 즉시 휴즈단선동작부(300)를 구동시켜 전원휴즈(310)를 단선시킨다.

한편, 신호전압공급부(100)에서 신호가 없으면 신호전압공급부(100) 자체의 상태가 불량이거나, 이와 병렬로 연결된 제1전력제어스위칭부(200)가 쇼트되었거나, 제어기능을 상실하여 제1전력제어스위칭부(200)가 계속 온(ON) 상태를 유지하고 있을 경우이므로 이 때에도 제어부(700)는 즉시 휴즈단선동작부(300)를 통해 전원을 차단한다.

한편, 신호전압출력부(500)의 신호가 없을 경우에는 신호전압출력부(500) 자체의 상태가 불량이거나, 이와 병렬로 연결된 제2전력제어스위칭부(400)가 쇼트되었거나, 제어기능을 상실하여 제2전력제어스위칭부(400)가 계속 온(ON) 상태를 유지하는 경우일 수 있다. 또한 발열선의 과열로 제1전열선(10)과 제2전열선(12)사이에서 신호 전압이 손실되었거나, 제1전열선(10)과 제2전열선(12)사이의 정온용융 절연체가 녹아서 제1전열선(10)과 제2전열선(12)이 쇼트되었거나, 제1전열선(10)과 제2전열선(12)사이의 NTC센서가 동작 되었을 경우 중 어느 하나(또는 그 이상)가 된다.

이 중에는 제1전열선(10)과 제2전열선(12)사이의 NTC써미스터에 의해 고온에서 정상 동작되는 경우가 있으므로, 제어부(700)는 제1전력제어스위칭부(200)와 제 2전력스위칭부(400)로 보내는 가열동작 신호를 발열선(15)의 온도가 내려가고 다음 동기신호(B) 싸이클이 반복될 때까지 정지시킨다.

도 12는 본 발명의 온도조절기의 가열 과정이 무자계 상태에서 동작되는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 12를 참조하면, 상측의 그래프와 같이 교류전원 인가시의 동기신호가 정상적으로 수신되는 경우에, 교류전류의 1사이클 내내 가열전류가 공급되게 되며, 이 때 자기장 위상을 살펴보면, a는 제1열선(10)의 가열전류이며, b는 제2열선(12)의 가열전류로서, 자기장의 위상이 서로 반대이다. 그러므로, 발열선 내부의 전기자기장은 서로 상쇄되고 순수하게 무자계가 된다. 따라서, 가열시의 모든 과정에서 인체에 유해한 전자파가 발생하지 않게 된다.

도 13 내지 15는 본 발명의 온도조절기의 전력제어스위칭부의 단선을 나타내기 위한 등가회로도이다. 도 13을 참조하면, 제1전력제어스위칭부(200) 및 제2전력제어스위칭부(400)가 단락(쇼트)된 경우, 제1전력제어스위칭부(200) 및 제2전력제어스위칭부(400)는 모두 오프 상태로서 가열 전류를 인가하지 않게 된다.

도 14를 참조하면, 제1전력제어스위칭부(200) 및 제2전력제어스위칭부(400) 중 제1전력제어스위칭부(200)가 단락(쇼트)된 경우, 제1전력제어스위칭부(200)가 오프 상태로서 가열 전류가 흐르지 않게 된다. 마찬가지로 도 15를 참조하면, 제2전력제어스위칭부(400)만이 단락(쇼트)된 경우, 제2전력제어스위칭부(400)가 오프 상태로서 가열 전류가 흐르지 않게 된다.

상기와 같은 본 발명은, 별도의 온도센서 없이도, 동기신호를 가열 전에 인가하고, 검출하여, 이상 여부를 판단하고, 이상이 없는 경우에만 정해진 강도로 가열하고, 또한 발열선이 과열되는 경우에는 온도가 떨어질 때까지 가열 동작을 중단하도록 하는 기능을 갖는다. 따라서 온도센서를 발열선 내에 포함시키는 등의 복잡한 구성 변경 없이도, 간편하고 신속하게 안전성을 테스트할 수 있는 동시에 온도 조절이 가능하다는 장점을 갖는다.

본 발명은 별도의 온도센서를 구비하지 않더라도 신호전압, 동기신호의 검출에 의해 제1열선과 제2열선 사이의 과열, 단선, 단락을 미리 판단하고, 발열선에 가열 전류를 공급할지 여부를 결정하도록 하여, 간단한 구성만으로도 비상시 전류를 차단하여 안전성을 향상시키고, 온도 조절이 가능하도록 하는 효과를 갖는다.

본 발명은 발열선의 한쪽 끝단을 단락하지 않고서도 가열을 무자계로 할 수 있고, 임의의 위치에서의 국부적인 과열로 인한 변형, 파손을 검출할 수 있으며, 이에 적합하게 동작되도록 하는 효과를 갖는다.

Claims

서로 나란히 배치되고 어느 한 전열선으로 입력된 전류가 다른 전열선으로 유턴되어 출력되도록 연결된 제 1, 2 전열선과 그 사이에 감기는 정온용융절연수지 또는 NTC써미스터를 포함하는 발열선과 연결되고,

상기 제1전열선과 제2전열선 사이가 과열되거나, 또는 단락, 쇼트되는지 여부를 동기신호에 의해 검출하고 이 검출신호 상태를 판단한 후, 이상이 없으면 가열신호를 출력하는 제어부; 및

상기 제어부의 제어에 의해 가열신호에 의해 전원을 공급하는 스위칭부를 포함하여 이루어지고,

상기 제1전열선을 통해 흐르는 전류는 다시 상기 제2전열선을 통해 흘러 나가도록 하여 상기 제1, 2전열선에 흐르는 전류 방향이 서로 반대로 되어서 이 전류에 의한 자계가 서로 상쇄되어 무자계를 형성하는 것을 특징으로 하는 동기신호 제어방식 무자계 온도조절기.
제 1 항에 있어서,

상기 발열선의 전원측에 연결되어 상기 제1전열선으로 전류를 흐르게 하거나 차단하는 제1전력제어스위칭부;

상기 발열선의 전원측에 연결되어 신호전압을 정상적으로 공급하는지 여부 를 검출하기 위한 신호전압공급부;

상기 발열선의 타측에 연결되어 상기 제2전열선으로 유턴전류를 흐르게 하거나 차단하는 제2전력제어스위칭부; 및

상기 발열선의 타측에 연결되어 제1전열선 및 제2전열선 사이의 신호전압 출력을 검출하기 위한 신호전압출력부;를 포함하여 구성되고,

상기 제어부는 상기 신호전압공급부 및 상기 신호전압출력부에서 신호전압이 검출된 경우 설정된 펄스폭 분할 조건에 따라 가열 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 동기신호 제어방식 무자계 온도조절기.
제 2 항에 있어서,

상기 제어부는 상기 신호전압출력부에서 신호전압이 검출되지 않는 경우, 가열 전류를 공급하지 않는 것을 특징으로 하는 동기신호 제어방식 무자계 온도조절기.
제 2 항에 있어서,

상기 제어부는 상기 신호전압공급부에서 신호전압이 검출되지 않는 경우, 상기 발열선으로의 전원 공급을 차단하는 것을 특징으로 하는 동기신호 제어방식 무자계 온도조절기.
제 4 항에 있어서,

휴즈를 포함하는 휴즈단선동작부를 더 포함하고,

상기 제어부는 상기 신호전압공급부에서 신호전압이 검출되지 않은 경우, 상기 휴즈단선동작부에서 휴즈가 단선되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 동기신호 제어방식 무자계 온도조절기.
제 2 항에 있어서,

상기 발열선 내에 구비되는 금속 실드와 연결되는 과열검출부를 더 포함하고,

상기 과열검출부는 상기 발열선의 금속 실드에 전류가 흐르는 경우, 전압을 검출하여 상기 제어부로 송신하는 것을 특징으로 하는 동기신호 제어방식 무자계 온도조절기.
제 2 항에 있어서,

상기 제1전력제어스위칭부 및 상기 제2전력스위칭부는 제어정류소자를 구비하여 연결되는 것을 특징으로 하는 동기신호 제어방식 무자계 온도조절기.
제 2 항에 있어서,

상기 제1전력제어스위칭부 및 상기 제2전력제어스위칭부는 릴레이와 제어정류소자가 병렬연결되어 구비되는 것을 특징으로 하는 동기신호 제어방식 무자계 온도조절기.
발열선이 단선되거나 특정 범위 이상의 고온으로 가열되는 경우 가열을 차단하기 위한 방법에 있어서,

제어부의 프로그램에 의해 일정 간격으로 동기신호를 발생하는 동기신호발생단계;

상기 프로그램 동기신호에 맞춰 신호전압공급부 및 신호전압출력부에서 입출력여부를 읽어들이는 신호전압입출력검출단계;

상기 신호전압입출력검출단계에서 신호전압이 검출되는 경우 설정된 펄스폭 분할 조건에 따라 가열전류를 공급하고, 상기 신호전압출력부에서 신호출력전압이 검출되지 않거나, 상기 신호전압공급부 및 상기 신호전압출력부 모두에서 신호전압이 검출되지 않는 경우에는 가열전류를 공급하지 않는 가열제어단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 동기신호 검출에 의한 온도조절방법.
제 9 항에 있어서,

상기 가열제어단계 중 상기 신호전압공급부에서 신호전압이 검출되지 않는 경우에는,

전원 휴즈를 단선시켜 상기 제1, 2전열선에 공급되는 전력을 차단하는 것을 특징으로 하는 동기신호 검출에 의한 온도조절방법.
제 9 항에 있어서,

상기 동기신호검출단계에서 상기 신호전압공급부에서는 신호전압이 검출되나, 상기 신호전압출력부에서는 신호전압이 검출되지 않는 경우에는,

상기 신호전압출력부에서 신호전압이 검출될 때까지 가열전류의 공급을 중단하고,

상기 신호전압출력부에서 다시 신호전압이 검출되기 시작하면, 가열전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 동기신호 검출에 의한 온도조절방법.