KR20070119384A - 박막히터가 장착된 온열기용 회전체 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 박막히터가 장착된 온열기용 회전체는 선풍기 또는 환풍기와 같이 모터의 회전 동력을 전달받아 회전됨으로써, 송풍 작용이 이루어지도록 하는 회전체로서, 상기 회전체는 모터의 회전축과 축 연결되는 축결합부; 상기 축결합부의 몸통 외면에 적어도 두 개 이상 복수개가 설치되는 날개; 및 상기 날개에 박막히터가 포함된 적층구조로 설치되어 저 전력 발열되는 발열수단을 포함하는 구성을 특징으로 한다.
상기 본 발명은 저전력 발열이 가능한 박막히터로 구성된 발열수단이 날개에 장착되도록 함으로써, 적은 전기소모량으로도 최대의 난방효과를 얻게 되어 에너지절감에 일조하게 되는 효과를 갖는다.
그리고, 본 발명은 물 또는 기름과 같은 열매체를 필요로 하지 않고 날개를 통한 직접적인 열 방출이 이루어지는 것으로서, 열전도 과정에서의 열손실을 최소화할 수 있게 되는 효과와 더불어 전원인가와 동시에 초기발열이 이루어지게 됨에 따라 신속하고 빠른 난방성능을 갖게 되는 효과가 있다.
Description
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 박막히터가 장착된 온열기용 회전체 구조를 설명하는 사시도.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에서의 회전체를 구동부와 결합하는 실시 예를 나타낸 개략 단면도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에서의 회전체를 구동부와 결합하는 다른 실시 예를 나타낸 개략 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 발열수단의 일실시 예를 설명하기 위한 단면구조를 도시한 확대 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 발열수단의 다른 실시 예를 설명하기 위한 단면구조를 도시한 확대 단면도.
도 6 내지 8은 본 발명에 따른 박막 히터 상에 형성되는 도전체 패턴의 다양한 실시 예를 보여주는 예시도.
도 9 내지 10은 본 발명에 따른 금속패드 및 박막 히터의 다양한 배치 패턴의 실시 예를 보여주는 예시도.
도 11는 본 발명에 따른 발열수단의 발열특성을 실험하기 위한 시편의 제원 을 나타낸 개략도.
도 12는 도 11의 시편에 일정한 전류(50W)를 인가한 상태에서 시간 변위에 따른 온도변화 값을 측정한 그래프.
도 13은 도 11의 시편에 규정된 시간(10초)동안 인가되는 전류량의 변위에 따른 온도변화 값을 측정한 그래프.
<도면중 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 회전체 111: 날개
113; 축결합부 115: 회전축홀
117: 전원라인 119: 회전 접지판
120: 발열수단 122: 절연막
123: 박막 히터 124: 도전체 패턴
125: 금속패드 127: 보호층
130: 구동부 131: 모터
133: 회전축 135: 전원공급단자
본 발명은 온열기용 회전체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 적은 전기소 모량으로도 최대의 난방효과를 얻도록 하기 위해 저 전력 발열이 가능한 박막히터로 구성된 발열수단이 날개에 장착되도록 한 박막히터가 장착된 온열기용 회전체에 관한 것이다.
일반적으로 난방은 열을 이용해 일정한 공간의 온도를 쾌적한 체감온도로 유지하는 것이며, 이를 위해 온도, 습도 등을 인위적으로 조절하기도 한다.
따라서 온도를 인위적으로 조절하기 위해서는 크게 열을 발생시키는 과정, 발생된 열을 필요한 장소에 수송하는 과정, 그리고 운반된 열을 소비하는 과정으로 구분할 수 있다.
이러한 원리를 이용한 대부분의 난방장치는 히팅 파이프, 라디에이터 등과 같은 난방기기로 공급되는 온수의 온도와 실내온도와의 온도차에 의해 열전달이 이루어지면서 쾌적한 실내온도가 유지되도록 구성된다.
종래의 라디에이터 대부분은 물, 기름 등과 같이 열용량이 큰 유체를 열매체로 사용함으로써 일정온도까지 내부온도를 올리는 데 많은 양의 전기가 소모되는 문제가 있었다.
또한, 열매체가 정체되어 있는 상태에서 가열되므로 열매체의 전체 온도분포를 일정하게 유지하는 것이 어려워 열손실이 많은 문제가 있었고, 열매체가 자연전도나 자연대류에 의해 이동됨에 따라, 가열에서 실제 난방이 이루어지는 데까지 오랜 시간이 소요되는 문제가 있었다.
그리고, 상기한 바와 같은 열매체(유체)는 방열판 형태의 케이스(유로) 내부 를 채우거나 이동하면서 대기와 열교환을 이루게 되는데, 이때의 케이스는 내부에는 자체 부식 및 열매체에 포함된 찌꺼기가 쌓이게 됨에 따라, 주기적으로 청소해주어야 하는 불편함이 있었다.
또한, 상기 종래 기술의 온열기는 구조가 복잡하기 때문에 제작공정이 까다롭고 제조비용이 비싸지는 한편, 제품의 크기가 커져 실내공간을 과도하게 차지함으로써, 취급 및 보관이 어려운 문제가 있었다.
이와 같은 종래기술의 온열기는 겨울철에만 사용되는 것으로서, 다른 계절에는 이를 별도의 장소에 보관시켜야 하기 때문에 수납장소가 필요하게 되고, 사용하지 않는 동안 기기가 녹슬거나 하여 수명이 단축되는 문제가 있었다.
상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 저전력 발열이 가능한 박막히터로 구성된 발열수단이 날개에 장착되도록 함으로써, 적은 전기소모량으로도 최대의 난방효과를 갖도록 하는 박막히터가 장착된 온열기의 회전체를 제공함에 있다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은 열손실을 최소화하는 한편, 전원인가와 동시에 초기발열이 이루어져 빠른 난방성능을 갖는 박막히터가 장착된 온열기의 회전체를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 기존의 회전날개 제조공정이나 이를 이용하는 상용화 제품(온풍기나 드라이기 등)에 쉽게 응용할 수 있도록 하는 박막히터가 장착된 온열기의 회전체를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 박막히터가 장착된 온열기용 회전체는 선풍기 또는 환풍기와 같이 모터의 회전 동력을 전달받아 회전됨으로써, 송풍 작용이 이루어지도록 하는 회전체로서, 상기 회전체는 모터의 회전축과 축 연결되는 축결합부; 상기 축결합부의 몸통 외면에 적어도 두 개 이상 복수개가 설치되는 날개; 및 상기 날개에 박막히터가 포함된 적층구조로 설치되어 저 전력 발열되는 발열수단을 포함하는 구성을 특징으로 한다.
여기서, 상기 날개는 전면 또는 후면 중 적어도 어는 일면에 발열수단이 장착되고, 상기 발열수단에 전원을 공급하기 위한 전원라인이 축결합부 내부를 관통하며, 상기 전원라인과 연결되어 구동부로부터의 전원을 공급받을 수 있도록 회전접지판이 축결합부 후단 둘레에 설치되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 발열수단은 날개의 내부에 샌드위치 형태로 장착될 수 있다.
또한, 상기 회전접지판외 회전되는 외면에 접지되어 전원이 공급되는 전원 공급단자는 모터 브러쉬 및 베어링 접지, 슬립링 접지 형태가 될 수 있다.
이하, 본 발명에 대한 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 박막히터가 장착된 온열기용 회전체 구 조를 설명하는 사시도이고, 도 2a 내지 도 2c는 본 발명에서의 회전체를 구동부와 결합하는 실시 예를 나타낸 개략 단면도이며, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명에서의 회전체를 구동부와 결합하는 다른 실시 예를 나타낸 개략 단면도이다.
동 도면에서 보는 바와 같은 본 발명은 선풍기 또는 환풍기와 같이 모터의 회전 동력을 전달받아 회전됨으로써, 송풍 작용이 이루어지도록 하는 회전체에 관한 것으로서, 모터(131)의 회전축과 축 연결되는 축결합부(113)와, 상기 축결합부(113)의 몸통 외면에 적어도 두 개 이상 복수개가 설치되는 날개(111)와, 상기 날개(111)에 박막히터가 포함된 적층구조로 설치되어 저 전력 발열되는 발열수단(120)을 포함한다.
이때, 상기 날개(111)는 도 2a 내지 2c 그리고 도 3a 내지 3c에서 보는 바와 같이 발열수단(120)이 전면 또는 배면(이면), 날개(111)의 내부에 장착되는 형태로 제작이 가능하다.
또한, 상기 날개(111)는 대기와의 열 교환이 잘 이루어질 수 있도록 최대한 넓은 면적으로 제작되는 것이 바람직하고, 열전도성이 우수한 재질을 사용하게 되는데, 이와 같은 재질로는 도전성 또는 비도전성 재질이 모두 사용될 수 있다.
특히, 비 도전성 재질의 소재로는 적어도 250℃ 이상에서도 견디는 열 강화 플라스틱, 내열성 수지, 세라믹, 유리, 도자기 등이 사용될 수 있다.
상기와 같이 장착되는 발열수단(120)에 전원을 공급하기 위한 전원라인(117)이 축결합부(113) 내부를 관통하여 설치된다. 이때의 전원라인(117)은 전선 또는 도전판이 될 수 있다.
그리고, 상기 축결합부(113)의 후단 둘레에는 상기 전원라인(117)과 연결되어 구동부(130)로부터의 전원을 공급받을 수 있도록 도 1b 내지 도 1c에서 보는 바와 같은 회전접지판(119)이 설치된다.
상기한 바와 같은 회전접지판(119)에 전원이 공급되는 방법으로는 모터 브러쉬 , 베어링 접지, 슬립링 접지 등의 방법이 사용될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c에서는 베어링 접지의 한 예를 설명하고 있고, 도 3a 내지 도 3c에서는 모터 브러시 접지의 한 예를 설명하고 있다.
이때, 상기 구동부(130)는 기존의 선풍기나 온풍기 등의 몸체가 될 수 있다.
다음, 상기 발열수단(120)은 저 전력(예; 500 W 등) 구동이 가능한 박막 히터(123)를 포함하게 되는데, 이와 같은 박막 히터(123)는 외부 전원이 공급되면 매우 빠른 속도로 발열되는 특성을 갖는 것으로서, 박막히터가 장착된 온열기용 회전체(110)의 예열시간을 단축할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 발열수단의 일실시 예를 설명하기 위한 단면구조를 도시한 확대 단면도로서, 본 발명의 발열수단(120)이 비 도전성 재질로 제작된 날개(111) 이면에 설치되는 예를 설명하고 있다. 물론 상기 발열수단(120)은 날개(111)의 전면이나 날개(111)의 내부에 장착되도록 할 수도 있다.
동 도면에서 보는 바와 같은 본 발명의 발열수단(120)은 비 도전성 재질로 제작된 날개(111)와, 상기 날개(111)의 외면에 박막 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(123)와, 상기 박막 히터(123)에 전기적 접합이 이루어지고, 외부로부터 공급된 전원이 박막 히터(123) 전면에 균일하게 인가될 수 있도록 하는 특정 패턴을 갖는 금속패드(125)와, 상기 금속패드(125) 및 박막 히터(123)가 외부환경으로부터 보호되도록 소정 두께로 코팅된 보호층(127)으로 구성된다.
도 5은 본 발명에 따른 발열수단의 다른 실시 예를 설명하기 위한 단면구조를 도시한 확대 단면도로서, 본 발명의 발열수단(120)이 도전성 재질로 제작된 날개(111) 이면에 설치되는 예를 설명하고 있다. 물론 상기 발열수단(120)은 날개(111)의 전면이나 날개(111)의 내부에 장착되도록 할 수도 있다.
동 도면에서 보는 바와 같은 본 발명의 발열수단(120)은 도전성 재질로 제작된 날개(111)와, 상기 날개(111)의 내면에 소정 두께로 코팅되어 전기적 절연특성이 제공되는 동시에 우수한 열전도 특성이 제공되도록 한 절연막(122)과, 상기 절연막(122)의 하부에 박막 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(123)와, 상기 박막 히터(123)에 전기적 접합이 이루어지고, 외부로부터 공급된 전원이 박막 히터(123) 전면에 균일하게 인가될 수 있도록 하는 특정 패턴을 갖는 금속패드(125)와, 상기 금속패드(125) 및 박막 히터(123)가 외부환경으로부터 보호되도록 소정 두께로 코팅된 보호층(127)으로 구성된다.
여기서, 상기 도전성 재질로 제작된 날개(111)의 두께는 0.3 mm ~ 3 mm로 제작하는 것이 바람직하며, 그 소재로는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등과 같은 금속이 사용되도록 할 수 있다.
이때, 상기 도 4 내지 도 5에서 도시된 바와 같은 박막 히터(123) 상면에 형성되는 보호층(127)은 생략되어도 무방하다. 또한, 상기 박막 히터(123) 상에 전류공급을 돕기 위한 별도의 도전체 패턴(124)을 형성할 수도 있는데, 이러한 도전체 패턴(124)는 박막 히터(123)의 전원 입력 초입부에서 과도한 열이 발생되는 것을 박막 히터(123)의 면 전체에 균일하게 공급될 수 있도록 발열특성을 안정시키는 역할을 수행하게 된다.
이하, 본 발명의 발열수단(120)을 구성하는 절연막(122), 박막히터(123), 도전체 패턴(124), 금속패드(125) 및 보호층(127) 등 각 구성요소에 대해 요구되는 물성 및 구성 조건에 대해 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 절연막(122)은 박막 히터(123)에서 발열된 열이 빠른 속도로 날개(111)로 전도될 수 있도록 최대한 두께를 얇게 함과 아울러 날개(111)와 박막 히터(123) 간을 전기적으로 절연시킬 수 있도록 알루미나(산화 알루미늄, Al2O3) 또는 마그네시아(산화 마그네슘, MgO) 등과 같은 세라믹 재질 또는 폴리머 물질을 이용한 절연막 또는 상기 두 가지 절연막의 혼합 물질 등으로 이루어진다.
그리고, 상기 절연막(122)은 박막 히터(123)에서 발열된 열이 빠른 속도로 날개(111)로 전도될 수 있을 정도의 얇은 두께를 갖도록 함과 아울러 날개(111)와 박막 히터(123) 간을 전기적으로 절연시킬 수 있을 정도로 0.5 μm ~ 500 μm 범위, 특히 0.5 μm ~ 200 μm 범위가 바람직하며, 재질에 따라 두께에 차이가 발생할 수도 있다.
이러한 절연막(122)의 조건은 다음과 같다.
먼저, 절연막(122)이 날개(111)와 박막 히터(123) 간을 전기적으로 절연시켜야 하며, 외부 전원을 공급받는 박막 히터(123)를 전기적으로 고립(Electrical isolation) 시키기 위해서는 박막 히터(123)로 100V 정도의 전압이 인가될 때에 절연막(122)의 파괴가 발생하지 않아야 하고 절연막(122)의 전기적 누설 전류가 20 μA 이하로 되어야 한다.
또한, 박막 히터(123)에서 고온의 열이 발생할 때에 절연막(122)이 날개(111) 및 박막 히터(123)로부터 각각 물리적 탈착이 발생하지 않도록 절연막(122)과 날개(111)간의 접촉성, 절연막(122)과 박막 히터(123) 간의 접촉성이 우수해야 한다.
또한, 박막 히터(123)에서 고온의 열이 발생할 때에 절연막(122)이 날개(111) 및 박막 히터(123)와 각각 화학적 반응을 일으키지 않으며 절연막(122)의 표면 조도가 우수해야 한다.
즉, 절연막(122)의 표면 조도가 우수하지 못할 경우에 절연막(122)이 박막 히터(123)의 전기적 비저항 특성에 영향을 미치기 때문에 절연막(122)은 박막 히터(123)의 전기적 비저항 특성에 영향을 미치지 않을 정도의 표면 조도를 갖는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같은 조건을 만족시킬 수 있도록 절연막(122)으로는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등과 같은 금속 소재의 날개(111) 표면을 아크(Arc)로 산화시킨 산화 절연막이 사용되거나 날개 표면에 세라믹, 유리, 도자기 등이 코팅된 절연막 또는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등과 같은 금속 소재의 날개(111) 표면에 폴리머(Polymer) 계열 물질(Polyimide, Polyamide, Teflon, PET 등)을 코팅시킨 폴리머 절연막 중 하나 또는 두 가지 이상을 날개(111) 표면에 형성시킨 절연막 등이 사용된다.
산화 절연막을 형성하는 방법의 일실시 예는 다음과 같다.
먼저, 알칼리 전해액에 담가져 있는 알루미늄(Al) 또는 베릴륨(Be) 또는 티타늄(Ti) 또는 스테인레스 스틸(Stainless Steel) 등의 금속 소재의 날개(111) 표면에 외부로부터 아크 등의 전기적 에너지를 인가시켜 날개(111) 표면 상의 금속 원자와 외부의 산소가 전기/화학적 반응을 일으키도록 하여 날개(111) 표면의 특성을 산화막 형태로 변환시키는 것에 의해 형성되도록 한다.
이러한, 산화 절연막으로는 Al2O3, ZrO3, Y2O3 등이 사용되며, 상기 산화 절연막을 날개(111) 위에 플라즈마 스프레이 코팅 방식(Plasma Spray Coating) 등으로 형성할 수도 있다.
이하, 산화 절연막을 날개 위에 형성하는 공정의 일실시 예에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 용기(bath) 내에 채워져 있는 알칼리 전해액의 농도를 평가하고, 알루미늄 소재의 날개(111)에 외부 전원이 공급될 수 있도록 알루미늄 소재의 날개(111)에 도선을 연결한 상태에서 이 알루미늄 소재의 날개(111)을 용기 내의 알칼리 전해액에 담그고 나서 이 알루미늄 소재의 날개(111)로 외부 전원을 공급하여 알루미늄 소재의 날개(111) 표면을 산화시킨다.
다음, 산화 절연막 형성 공정에 의해 고주파 교류(AC) 형태의 강한 전원이 알루미늄 소재의 날개(111)에 가해짐에 따라 순간적으로 알루미늄 소재의 날개(111) 표면에 아크(Arc)가 발생되며, 그에 따라 산화가 치밀하고 핀홀(pinhole)의 농도가 매우 작은 산화 절연막이 알루미늄 소재의 날개(111) 표면에 형성된다.
이러한 산화 절연막 형성 공정을 이용하여 알루미늄 소재의 날개(111) 표면에는 산화 알루미늄이 형성될 수 있거나 티타늄 소재의 날개(111) 표면에는 산화 티타늄이 형성될 수 있거나 베릴륨 소재의 날개(111) 표면에는 산화 베릴륨이 형성 될 수 있는 것이다.
한편, 폴리머 절연막은 금속 소재의 날개(111) 표면에 전기적 절연성이 확보되는 폴리머 계열의 물질을 균일한 두께로 코팅시키는 것에 의해 형성된다.
특히, 이러한 폴리머 절연막은 박막 히터(123)에서 열이 발열될 때에 열적 변형이 적어야 된다. 또한, 폴리머 절연막은 박막 히터(123)에서 고온의 열이 발열될 때에, 날개(111) 및 박막 히터(123)로부터 각각 물리적 탈착이 발생되지 않도록 접촉성이 우수해야 되고, 날개(111) 및 박막 히터(123)와 각각 화학적 반응을 일으키지 않아야 하며 표면 조도가 우수해야 한다.
상기 폴리머 절연막을 형성하는 공정의 일 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.
우선, 폴리머 절연막은 액상의 유기 폴리머 물질이 이용되어 형성되는데, 금속 소재의 날개(111) 표면에 균일한 두께로 코팅된다.
여기서, 코팅 방식으로는 스핀 코팅 방식(spin coating), 스프레이 코팅 방식(spray coating), 디핑 코팅 방식(dipping coating), 스크린 프린팅 방식(screen printing) 등이 사용된다.
또한, 폴리머 물질로는 폴리이미드(polyimide) 계열 물질, 폴리아미드(polyamide) 계열 물질, 테프론(teflon) 계열 물질, 페인트(paint) 계열 물질, 실버-스톤(silver-ston), 테프젤-에스(tefzel-s), 에폭시(epoxy), 고무(rubber) 등 이 사용되거나 자외선(UV)에 대한 감광성이 있는 물질도 사용될 수 있다.
예를 들어, 폴리이미드 계열 물질을 스프레이 코팅 방식으로 날개(111)에 형성하는 공정의 일실시 예는 다음과 같다.
우선, 날개(111)을 아세톤(aceton), 아이소 프로필 알코올(IPA; Iso Propyl Alcohol) 등으로 유기 세척시키고 나서, 날개(111)을 고속(예; 2,000 rpm 이상)으로 자전시키면서 폴리이미드 계열 물질을 날개(111)에 분사한 후에 날개(111) 표면에 코팅된 폴리이미드 계열 물질을 열처리한다.
이러한, 스프레이 코팅 방식의 폴리머 절연막 형성 공정에 의해 날개(111) 표면에는 열적 안정성이 우수하고 글래시 템퍼러쳐(GT; glassy temperature)가 300 ℃이상인 폴리머 절연막이 형성된다.
또한, 폴리이미드 계열 물질 열처리 과정에서 폴리이미드 계열 물질을 서서히 냉각시킴으로써 폴리머 절연막과 날개(111) 간의 접착성이 우수해 지며, 스프레이 코팅 과정에서 폴리머 계열 물질을 날개(111) 표면에 코팅시킴으로써 두께 균일도가 우수해지며, 폴리머 절연막의 핀홀의 농도가 매우 작아져서 전기적 누설 전류가 발생하지 않는다.
한편, 산화 절연막과 폴리머 절연막의 이중 절연막은 금속 소재의 날개(111) 표면에 산화 절연막을 형성시키고 나서 이 산화 절연막 위에 폴리머 계열의 물질을 균일한 두께로 코팅시키거나 반대로 금속 소재의 날개 표면에 폴리머 계열 물질을 코팅하고 그 위에 산화 절연막을 형성시킬 수 있다.
이러한 산화 절연막과 폴리머 절연막의 이중 절연막의 전체 두께는 산화 절연막을 단독으로 날개(111) 표면에 형성시킨 결과의 두께 및 폴리머 절연막을 단독으로 날개(111) 표면에 형성시킨 결과의 두께 각각의 합에 비해 작으며, 각각의 단독 절연막에 비해 절연 파괴를 최소화 시킬 수 있다.
여기서, 산화 절연막 절연 파괴의 주된 사유로는 산화 절연막에 형성되는 핀홀에 기인하여 이 핀홀 내로 박막 히터(123)로 공급된 외부 전원이 전달되는 것에 의해 절연 파괴가 발생될 수도 있다.
그리고, 폴리머 절연막 절연 파괴의 주된 사유로는 폴리머 절연막 형성 시에 액상의 피알(PR) 도포에 의한 기포 발생 등에 기인하여 폴리머 절연막이 고화된 후 기포가 있던 부분에 절연 파괴가 발생될 수도 있다.
따라서, 산화 절연막 또는 폴리머 절연막 각각에 내재된 절연 파괴 발생을 산화 절연막과 폴리머 절연막의 이중 절연막으로 보완하는 것이 바람직하다.
이러한 절연막(122)의 두께는 0.5 μm ~ 500 μm 범위, 특히 0.5 μm ~ 200 μm 범위가 열효율성을 위해 바람직하며(재질에 따라 두께에 차이가 발생함), 절연 막(122)의 절연 파괴 전압(breakdown voltage)은 1,000 V 이상이며, 절연막(122)의 누설 전류(leakage current)는 100 V 전압이 될 때에 20 μA 이하이며, 박막 히터(123)에서 열이 발열될 때에(thermal cycle) 절연막(122)이 날개(111) 및 박막 히터(123) 각각으로부터 탈착(박리)이 발생되지 않도록 한다.
다음으로 박막 히터(123)에 대해 설명하면, 상기 박막 히터(123)는 절연막(122) 위에 0.05 μm ~ 수 μm 범위(예, 0.05 μm ~ 2 μm )의 두께를 갖는 박막 형태로 장착되며, 금속패드(125)를 통하여 외부 전원(직류 전원 또는 교류 전원)이 공급되면 자체 전기 저항에 의해 줄열(joule heating)을 발생시킨다.
여기서, 박막 히터(123)의 박막 특성, 즉 작은 부피로 인해 발열 속도 및 냉각 속도가 매우 빠르게 이루어질 수 있고, 자체 전기 저항에 의해 발열되는 온도가 500 ℃를 초과할 수도 있고, 기존의 히터와는 다르게 아주 빠른 온도 상승도 가능하다.
이러한 박막 히터(123)의 조건은 다음과 같다.
우선, 박막 히터(123)는 박막 특성으로 인해 기존의 히터에 비해 빠른 속도로 온도 상승이 가능하나, 이러한 박막 특성으로 인해 전류 흐름 속도(current flux) 등이 매우 커질 수 있기 때문에 자체적인 전기적/열적/화학적 내성이 요구된다.
즉, 박막 히터(123)는 전기적으로 높은 내압(heater strength)을 가져야 되 며, 금속패드(125)를 통하여 지속적으로 인가되는 에너지에 대한 자체 저항성이 높아야지만 박막 히터(123)의 장시간 수명 유지가 가능하다.
또한, 박막 히터(123)는 절연막(122) 위에 장착되는데, 발열로 인해 절연막(122)이 탈착되지 않도록 하고 날개(111)와 절연막(122)간의 박리가 발생되지 않도록 해야 된다.
또한, 박막 히터(123)는 열 충격이 지속적으로 가해지는 소자인데, 이러한 열충격에 의해 자체 저항 변화의 현저한 증가가 일어나지 않도록 해야 한다.
또한, 박막 히터(123)는 공기 중(산소)에 노출된 상태로 고온으로 발열하는 경우도 있는데, 이러한 산화에 의해 자체 저항의 현저한 증가가 일어나지 않도록 해야 한다.
전술한 바와 같은 조건을 만족시킬 수 있도록 박막 히터(123)의 소재로는 융점이 높은 단일 금속(예; Ta, W, Pt, Ru, Hf, Mo, Zr, Ti 등)이 사용되거나 이들 금속을 조합한 2성분계 금속 합금물(예; TaW 등)이 사용되거나 금속-질화물(metal-nitride)을 조합한 2성분계 금속-질화물 계열(예; WN, MoN, ZrN 등)이 사용되거나 금속-규화물(metal-silicide)을 조합한 2성분계 금속-규화물 계열(예; TaSi, WSi 등)이 사용된다.
그리고, 박막 히터(123)가 수십 μm 이하(예; 0.05 μm ~ 2 μm 범위 등, 재 질에 따라 두께에 차이가 발생함)의 두께를 갖도록 한다.
특히, 박막 히터(123)의 온도가 순간적으로 상승되게 하기 위해서, 즉 자체적으로 뜨겁게 달궈지는데 걸리는 시간이 최소화되기 위해서는 박막 히터(123) 자체의 히트 커패시티(heat capacity)를 매우 작게 하면 된다.
즉, 박막 히터(123)의 히트 커패시티는 두께를 매개변수로 하는 함수로 표현되는데, 박막 히터(123)의 두께가 얇아질수록 그 값이 작아진다. 반면에 박막 히터(123)의 수명은 두께가 얇아질수록 짧아질 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 박막 히터(123)의 온도를 순간적으로 상승시키고 수명을 연장시키기 위한 두 가지 조건을 만족시키기 위해 다양한 시뮬레이션과 실험을 통하여 박막 히터(123)의 최적 두께 범위를 도출할 수 있다. 한편, 박막 히터(123)의 소재에 따라 약간의 차이는 있으나 미세한 차이임을 밝혀 둔다.
즉, 다음의 수식에 근거하여 박막 히터(123)의 최적의 두께를 도출한다.
여기서, 
(resistivity)는 박막 히터(123) 소재의 고유한 비저항값이고, Rs(sheet resistance)는 박막 히터(123)의 면 저항값이고, t(thickness of film)는 박막 히터(123)의 두께이다. 한편, 두께와 고유 비저항값은 비례 관계에 있음을 알 수 있다.
따라서, 박막 히터(123) 소재의 비저항값 범위를 고려하여 전술한 매개변수를 입력 데이터로 이용하여 시뮬레이션을 하면 각 제품의 특성에 맞게 박막 히터(123)의 최적 두께 범위가 재질에 따라(예; 0.05 μm ~ 2 μm 등) 도출된다.
이러한 박막 히터(123)는 진공 증착 방식에 의해 절연막(122) 위에 형성되는데, 진공 증착 방식으로는 PVD(Sputtering, Reactive Sputtering, Co-Sputtering, Evaporation, E-beam 등) 및 CVD(LPCVD, PECVD 등)가 사용된다.
도 6 내지 8은 본 발명에 따른 박막 히터 상에 형성되는 도전체 패턴의 다양한 실시 예를 보여주는 예시도로서, 동 도면에서 보는 바와 같이 박막 히터(123) 상에는 박막 히터보다 전기 저항이 낮으며 열전도율이 높은 도전체 패턴(124)을 여러 가지 형상 및 모양과 간격으로 형성할 수 있다.
만약, 도전체 패턴(124)이 형성되지 않은 박막 히터(123)를 사용할 경우 전원 공급 초기에 박막 히터(123)의 전극 도입부와 중앙 부분 사이에 온도 차가 발생하여 박막 히터(123) 면 전체에 균일한 온도 분포가 이루어지지 못하거나 박막 히터(123)의 일 부분에 과 발열 현상이 발생하여 박막 히터(123)나 절연막(122) 등에 치명적인 손상(열화)를 발생시키게 되며, 박막히터의 수명이 극단적으로 짧아질 수 있게 된다.
즉, 이러한 현상을 방지하고 전원 공급 초기에 보다 빠른 시간 안에 박막 히 터(123)의 면 전체에 균일한 발열이 일어날 수 있도록 하기 위하여, 박막 히터(123) 상에 도 6 내지 8과 같이 여러 가지 형태 및 모양의 도전체 패턴(124)을 형성하게 되는 것이다.
이처럼, 박막 히터(123)에 도전체 패턴(124)을 형성하게 되면, 박막 히터(123)의 생산 공정에서 도전체 패턴이 형성되지 않은 단일 박막 히터보다 생산 수율을 향상시킬 수 있게 되는데, 이는 도전체 패턴이 형성되지 않은 단일 박막 히터가 박막 히터 전체 중 일부분의 미세한 두께 차이나 스크래치 등의 일부 박막의 손상으로도 전체 저항체의 품질 저하로 이어지는 종래 문제점을 해결할 수 있게 되기 때문이다.
다음으로 금속패드(125)에 대해 설명하면, 상기 금속패드(125)는 박막 히터(123) 상에 장착되어, 외부로부터 공급된 전원을 박막 히터(123)로 균일하게 공급하는 역할을 수행하게 된다. 여기서, 상기 금속패드(125)를 박막 히터(123) 면 전체에 고르게 접지되도록 설치함으로써, 박막 히터(123)의 모든 면에서 균일한(일정한) 전류 밀도를 가질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
특히, 박막 히터(123)의 모든 면에서 균일한 전류 밀도를 가질 수 있도록 하기 위해서 금속패드(125)의 폭(두께)을 박막 히터(123)의 폭(두께)보다 더 크거나 같게 하는 것이 좋다.
도 9 내지 10은 본 발명에 따른 금속패드 및 박막 히터의 다양한 배치 패턴의 실시 예를 보여주는 예시도로서, 동 도면에서 보여지는 바와 같이 금속패드(125)의 형상을 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 여러 가지 위치, 모양, 크기 및 개수를 가지는 패턴으로 형성할 수 있다.
이러한 박막 셀을 형성하는 이유는 한번에 많은 전력이 공급될 때 전력 공급되는 부위의 금속패드(125)와 박막히터(123)의 접지부위가 과열로 인해 파괴되는 것을 방지시키는 동시에 발열 영역을 여러 개로 분할시켜 각 영역별 저항값의 제어가 가능하도록 하기 위함이다.
상기한 바와 같은 금속패드(125)를 형성하는 소재는 박막 히터(123)에서 열이 발열 될 때에, 금속패드(125)의 온도에 대한 안정성을 보장하고, 산화에 의한 저항 증가를 막고, 박막 히터(123)로부터 탈착되지 않도록 하기 위한 Al, Au, W, Pt, Ag, Ta, Mo, Ti, H, Cu 등과 같은 금속이 사용될 수 있다.
마지막으로, 상기 보호층(127)은 박막 히터(123) 및 금속 패드(125)의 외면에 장착되어 외부환경으로부터 박막 히터(123), 금속 패드(125)를 전기적/화학적으로 보호하게 되는데, 이러한 보호층(127)의 소재로는 SiNx, SiOx, AlOx, Polymer, Polyimide, 테프론 등이 사용될 수 있으며, 상기 보호층(127)의 두께는 열전도율과 보호기능을 발휘할 수 있는 최적의 두께로 재질에 따라 정해지며, 약 0.1 μm 내지 20 μm 범위인 것이 바람직하다.
이러한, 보호층(127)은 도전체 패턴(124)이 형성된 박막 히터(123)와 도전체 패턴이 형성되어 있지 않은 상태의 박막 히터(123) 모두에 형성될 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 발열수단의 발열특성을 실험하기 위한 시편의 제원을 나타낸 개략도이고, 도 12는 도 11의 시편에 일정한 전류(50W)를 인가한 상태에서 시간 변위에 따른 온도변화 값을 측정한 그래프가 도시되어 있으며, 도 13은 도 11의 시편에 규정된 시간(10초)동안 인가되는 전류량의 변위에 따른 온도변화값을 측정한 그래프가 도시되어 있다.
이때, 상기 도 11 내지 도 13을 통해 측정된 온도 값은 박막 히터(123), 도전체 패턴(124), 절연막(122), 금속패드(125), 날개(111) 등과 같은 각 구성 요소의 저항값, 두께, 소재 등에 따라 서로 다른 결과로 도출될 수 있음을 밝혀 둔다.
도 12에 도시된 바와 같이, 50 와트 전력이 인가될 시 일정 시간이 경과하면 287 ℃에서 임계(saturation) 특성이 나타남을 알 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 전력 변화에 따라 10초 동안 증가하는 표면 온도 변화는 선형적 증가 특성을 가지는 것을 알 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 발열수단(120)은 제품의 설계조건을 반영하여 박막 히터, 도전체 패턴, 절연막, 금속패드, 박막셀, 날개 등과 같은 각 구성 요소의 저항값, 두께, 소재 등을 서로 다르게 적용하여 표면 온도 도달 시간 및 소 비 전력을 제품 특성에 맞게 감소시켜 최적의 제품을 생산할 수 있도록 한다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 회전체를 선풍기 구조에 적용한 온풍기의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.
우선, 구동부(130)에 전원이 공급되어 모터(131)가 회전되고, 상기 모터(131)의 회전력이 회전축(133)를 통해 회전체(110)에 전달된다.
이에 회전체(110)가 회전되면서, 주위의 공기를 끌어들여 전방으로 이송시키게 된다.
이때, 상기 회전체(110)의 축결합부(113) 후단에 형성된 회전접지판(119)과 구동부(130)로부터 인출된 전원공급단자(135)가 접지된 상태로 회전하게 되며, 이와 같은 접지구조에 의해 날개(111)에 장착시킨 발열수단(120)에 전원을 공급시킬 수 있게 된다.
이때의 공급전원은 발열수단(120)의 금속패드(125)로 입력되고, 다시 박막 히터(123)의 전체 면적에 균일하게 공급되어 자체 발열이 이루어지게 된다.
상기 박막 히터(123)에서 발생된 열은 날개(111) 주위의 대기와 열 교환되어 회전체 전방으로 송풍되어 실내의 난방이 이루어지게 된다.
이때, 사용자는 발열수단(120)에 공급되는 전원을 별도의 스위치 조작을 통해 온/오프 시킬 수 있고, 인가 전류의 세기를 조절시켜 발열온도를 제어할 수도 있다.
상기와 같은 회전체(110)를 선풍기의 구성에 적용하게 되면, 여름철에는 발열수단(120)의 가동이 중지된 상태에서 기존의 선풍기와 동일하게 사용할 수 있고, 겨울철에는 발열수단(120)에 전원을 인가시켜 온풍 공급이 가능한 온풍기로서 사용하게 되는 이점을 갖게 된다.
이와 같은 본 발명은 온풍기로 사용 시, 기존의 선풍기가 같는 다양한 기능(회전, 풍량 조절, 타이머 등)을 그대로 사용할 수 있게 된다.
또한, 회전체(110)를 회전시키지 않은 상태, 즉 모터(131)를 구동시키지 않은 상태에서 발열수단(120)만을 구동할 경우, 기존의 온열기로서 작용 하게 된다.
여기서, 상기 선풍기에 적용된 본 발명의 회전체(110)는 실시 가능한 일예를 설명한 것으로서, 날개(111)의 형태나, 크기, 설치 개수를 변경하여 다양한 분야에 적용이 가능하게 된다. 이에 대한 적용 예로는 드라이기의 송풍용 팬이나 곡식 건조기 등을 들수 있다.
이와 같은, 상기 박막 히터(123)는 저 전력의 외부 전원으로도 급속 발열이 이루어지게 되는데, 이는 500W 전원을 인가했을 경우를 보면, 20초 만에 섭씨 120도 이상으로 급속 가열되는 특성을 갖게 됨에 따라 전원공급과 동시에 초기 발열됨에 따라 사용자의 기대를 충족시키게 되는 이점을 갖는다.
이상, 본 발명이 실시 예를 들어 설명되었으나, 본 발명의 실시 예는 단지 예시에 불과하며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명이 속하는 분야의 기술자는 본원의 특허청구범위에 기재된 원리 및 범위 내에서 본 발명을 여러 가지 형태로 변형 또는 변경할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은 저전력 발열이 가능한 박막히터로 구성된 발열수단이 날개에 장착되도록 함으로써, 적은 전기소모량으로도 최대의 난방효과를 얻게 되어 에너지절감에 일조하게 되는 효과를 갖는다.
그리고, 본 발명은 물 또는 기름과 같은 열매체를 필요로 하지 않고 날개를 통한 직접적인 열 방출이 이루어지는 것으로서, 열전도 과정에서의 열손실을 최소화할 수 있게 되는 효과와 더불어 전원인가와 동시에 초기발열이 이루어지게 됨에 따라 신속하고 빠른 난방성능을 갖게 되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 박막히터가 장착된 온열기용 회전체의 구성이 간단하기 때문에 기존의 회전날개 제조공정에 쉽게 적용할 수 있는 효과가 있고, 이러한 회전체는 선풍기나 드라이기 등 상용화 제품에 쉽게 응용할 수 있게 되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 회전체가 적용된 온풍기는 한 대의 제품으로 선풍기와 온풍기의 기능을 동시에 사용할 수 있게 됨에 따라 매우 경제적이며, 계절에 관계없이 사용이 가능하기 때문에 사용하지 않는 기간에 따른 별도 보관 및 이로 인한 제품의 노후화가 방지되는 효과가 있다.
또한, 드라이기와 같은 제품에 적용될 경우에는 별도의 발열코일이 필요없게 되어 제품의 구조가 매우 간단하게 구성되는 효과를 갖게 된다.
Claims (15)
- 선풍기 또는 환풍기와 같이 모터의 회전 동력을 전달받아 회전됨으로써, 송풍 작용이 이루어지도록 하는 회전체로서,상기 회전체(110)는모터(131)의 회전축과 축 연결되는 축결합부(113);상기 축결합부(113)의 몸통 외면에 적어도 두 개 이상 복수개가 설치되는 날개(111); 및상기 날개(111)에 박막히터가 포함된 적층구조로 설치되어 저 전력 발열되는 발열수단(120);을 포함하는 박막히터가 장착된 온열기용 회전체.
- 제 1항에 있어서,상기 날개(111)는 전면에 발열수단(120)이 장착되고, 상기 발열수단(120)에 전원을 공급하기 위한 전원라인(117)이 축결합부(113) 내부를 관통하며, 상기 전원라인(117)과 연결되어 구동부(130)로부터의 전원을 공급받을 수 있도록 회전접지판(119)이 축결합부(113) 후단 둘레에 설치되는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 온열기용 회전체.
- 제 2항에 있어서,상기 발열수단(120)은 날개(111) 후면 또는 그 내부에 장착되는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 온열기용 회전체.
- 제 2항에 있어서,상기 회전접지판(119)외 회전되는 외면에 접지되어 전원이 공급되는 전원공급단자(135)는 모터 브러쉬 및 베어링 접지, 슬립링 접지 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 온열기용 회전체.
- 제 1항 내지 제 4항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,상기 발열수단(120)은,비 도전성 재질로 제작된 날개(111);상기 날개(111)의 이면에 박막 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(123); 및상기 박막 히터(123)에 전기적 접합이 이루어지고, 외부로부터 공급된 전원이 박막 히터(123) 전면에 균일하게 인가될 수 있도록 하는 특정 패턴을 갖는 금속 패드(125);를 포함하는 박막히터가 장착된 온열기용 회전체.
- 제 5항에 있어서,상기 발열수단(120)은,도전성 재질로 제작된 날개(111);상기 날개(111)의 이면에 소정 두께로 코팅되어 전기적 절연특성이 제공되는 동시에 우수한 열전도 특성이 제공되도록 한 절연막(122);상기 절연막(122)의 하부에 박막 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(123); 및상기 박막 히터(123)에 전기적 접합이 이루어지고, 외부로부터 공급된 전원이 박막 히터(123) 전면에 균일하게 인가될 수 있도록 하는 특정 패턴을 갖는 금속패드(125);를 포함하는 박막히터가 장착된 온열기용 회전체.
- 제 6항에 있어서,상기 금속패드(125) 및 박막 히터(123)가 외부환경으로부터 보호되도록 소정 두께의 보호층(127)이 코팅되는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 온열기용 회전체.
- 제 6항에 있어서,상기 박막 히터(123) 상에 전류가 흐르기 위한 도전체 패턴(124)을 형성함으로써, 발생된 열이 박막 히터(123)의 면 전체에 균일하게 공급되고, 발열특성이 안정되도록 하는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 온열기용 회전체.
- 제 6항에 있어서,상기 금속패드(125)가 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 온열기용 회전체.
- 제 6항에 있어서,상기 박막 히터(123)가 단일 금속 또는 상기 금속을 조합한 2 성분계 금속 합금물 또는 금속-질화물(metal-nitride)을 조합한 2 성분계 금속-질화물 또는 금속-규화물(metal-silicide)을 조합한 2 성분계 금속-규화물 또는 후막 도전성 페이스트 중 어느 하나를 소재로 하는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 온열기용 회전체.
- 제 6항에 있어서,상기 금속패드(125)는 상기 박막 히터(123)로 전류 밀도가 균일하게 전원을 공급할 수 있도록 그 폭이 상기 박막 히터의 폭보다 크거나 같도록 설정되고, 발열시 온도에 대해 안정하고 산화에 따른 저항 증가 및 물리적 박리가 방지되는 Al 또는 Au 또는 W 또는 Pt 또는 Ag 또는 Ta 또는 Mo 또는 Ti 중 어느 하나를 소재로 하는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 온열기용 회전체.
- 제 6항에 있어서,상기 절연막(122)은 날개(111)의 표면을 아크로 산화 형성한 산화 절연막 또는 날개(111)의 표면에 폴리머를 코팅 형성한 폴리머 절연막 또는 상기 산화 절연막과 폴리머 절연막을 상기 날개의 표면에 형성한 이중 절연막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 온열기용 회전체.
- 제 12 항에 있어서,상기 절연막(122)이 1000 V 이상의 절연 파괴 전압을 가지며, 100 V 전압이 인가될 때에 20 ㎂ 이하의 누설 전류를 갖는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 온열기용 회전체.
- 제 12 항에 있어서,상기 산화 절연막은 산화 알루미늄 또는 산화 베릴륨 또는 산화 티타늄을 포함하는 금속 산화물 중 어느 하나이고, 상기 폴리머 절연막의 상기 폴리머는 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리아미드(polyamide) 또는 테프론(teflon) 또는 페인트(paint) 또는 실버-스톤(silver-ston) 또는 테프젤-에스(tefzel-s) 또는 에폭시(epoxy) 또는 고무(rubber) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 온열기용 회전체.
- 제 1항 내지 제 14항의 구성을 이용해 제작된 회전체(110)가 적용된 온열기.
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| KR1020060053966A KR20070119384A (ko) | 2006-06-15 | 2006-06-15 | 박막히터가 장착된 온열기용 회전체 |
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|---|---|---|---|---|
| KR102138172B1 (ko) * | 2019-06-28 | 2020-07-28 | 에이에스텍 주식회사 | 발열 블로우어 |
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2006
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