KR20090097961A - 가열 장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 가열 장치는 기판(12, 100) 상에 배치되는 가열 부재(10)를 포함한다. 가열 부재(10)는 전극(18, 104), 및 기판(12, 100)과 전극(18, 104) 사이에 배치된 나노 두께의 다층 전도성 코팅(16, 102)을 포함한다. 다층 전도성 코팅(16, 102)은 고온에서 가열 부재(10)의 성능을 안정화시키는 구조 및 조성을 지닌다. 다층 전도성 코팅(16, 102)은 분무 열분해에 의해 생성될 수 있다.
Description
본 출원은 가열 장치 및 가열 장치의 가열 부재를 형성시키는 방법에 관한 것이다.
저온 전도성 코팅은, 얼마간 제안되기는 하였으나, 이의 불안정성, 고온에서의 균열 가능성, 및 균일한 조성 및 구조를 달성하는데 필요한 고진공 증기 증착 공정에 의한 높은 제작 비용으로 인해 상업적 대규모에 적용되지는 않았다. 전체 전도성층에 걸친 안정한 구조 뿐만 아니라 균일한 조성 및 두께의 개발이 가열 장치의 가열 부재의 일관된 저항 및 온도 분포를 유지하는데 중요하다. 전도성층에 걸친 저항 변동은 온도 변동/구배를 일으킬 수 있고, 이에 따라 전도성층에 열적 스트레스를 일으킬 수 있으며, 이는 구조를 탈안정화시키고, 특히 고온 가열 적용에서 층의 균열을 유발시킬 수 있다.
본원에서 참조로 통합되는 토피(Torpy) 등의 PCT 출원 공개 WO 00/18189호는 가열 목적으로 유리 기판 상의 전도성 막의 안정성을 증가시키기 위해 세륨 및 란타늄으로 주석 옥사이드를 도핑하는 것에 의한 코팅 시스템을 제안하였다. 그러나, 세륨 및 란타늄은 안정화 효과를 제공하기 위해서 코팅 내에서 균일하게 분포 되어야 하는데, 이것은 일반적으로 달성되기 어렵다. 균일하고 안정화된 코팅 생성을 돕기 위해 고온에서 1시간 어닐링(annealing)하는 것이 PCT 출원 공개 WO 00/18189호에 제안되었다. 그러나, 이는 제조시 비용면에서 효과적이지 않으며, 기판에서 코팅으로의 오염 요소의 유해한 확산을 초래할 수 있다. 세륨 및 란타늄의 몰%를 증가시키는 것이 이러한 희토류 원소의 분포에 도움을 줄 수 있기는 하지만, 막의 전기 저항 증가를 유도한다. 이는 전도도 및 전력 출력을 감소시켜 막의 실제적이고 상업적인 용도를 제한한다.
상기 배경 기술의 기재는 가열 장치 및 본 출원에서 기술되는 가열 장치의 가열 부재를 형성시키는 방법의 이해를 돕고자 제시된 것이고, 본 출원에서 기술되는 가열 장치 및 방법의 관련 종래 기술을 기재하거나 구성하는 것으로, 또는 본 출원의 청구의 범위의 특허청에 대한 자료로서 인용 문헌인 것으로 간주되는 것으로 인정되지 않아야 한다.
관련 출원의 상호참조 문헌
본 출원은 2007년 2월 13일자 출원된 미국 가출원 제60/900,994호 및 2007년 11월 28일자 출원된 미국 가출원 제60/990,619호의 이익을 주장하며, 이들 출원은 그 전체 내용이 본원에 참조로 통합된다.
본 출원은 가열 장치에 관한 것이다. 가열 장치는 기판 상에 배치되도록 되는 가열 부재를 포함한다. 가열 부재는 전극, 및 기판과 전극 사이에 배치된 나노 두께의 다층 전도성 코팅을 포함한다. 다층 전도성 코팅은 고온에서 가열 부재의 성능을 안정화시키는 구조 및 조성을 갖는다.
일 구체예에서, 가열 장치의 가열 부재는 다층 전도성 코팅 및 기판 사이에 배치된 나노 두께의 다층 절연 코팅을 포함한다.
또 다른 구체예에서, 가열 장치는 가열 장치의 가열 부재와 일체화된 온도 모니터 및 제어 시스템을 포함한다. 온도 모니터 및 제어 시스템은 온도를 측정하기 위한 아날로그 디지털 변환기(analog-to-digital converter) 및 전력 공급을 조절하기 위한 펄스-폭 변조 드라이브(pulse-width modulation drive)를 포함한다.
또 다른 구체예에서, 가열 장치는 제 1 풍동(wind tunnel) 및 제 2 풍동을 규정하는 분할된 챔버, 및 기판 및 다층 전도성 코팅에 인접하는, 제 1 및 제 2 풍동 중 어느 하나를 통해 가열 장치로부터 고온 공기를 송풍하게 되는 팬을 포함한다.
가열 장치의 가열 부재의 다층 전도성 코팅은 분무 열분해(spray pyrolysis)에 의해 생성될 수 있다.
분무 열분해는 약 650℃ 내지 약 750℃의 온도에서 수행될 수 있다.
분무 열분해는 약 0.4MPa 내지 약 0.7MPa의 분무 압력에서 수행될 수 있다.
분무 열분해는 초당 1000mm 미만의 분무 헤드 속도로 수행될 수 있다.
분무 열분해는 서로에 대해 약 90도 방향으로 분무 통과(spray pass)를 교대로 함으로써 수행될 수 있다.
본 출원에서 기술되는 가열 장치 및 가열 장치의 가열 부재를 형성시키는 방 법의 특정 구체예가 하기 첨부되는 도면을 참조로 실시예에 의해 기술될 것이다.
도 1은 본 출원의 일 구체예에 따른 가열 장치의 가열 부재의 평면도이다.
도 2는 도 1의 가열 부재의 측면도이다.
도 3은 도 1의 가열 부재의 전도성 코팅의 나노구조를 보여주는 고해상도 주사 전자 현미경사진(high resolution scanning electron micrograph)이다.
도 4는 가열 부재에 의해 전원에 연결된 제어 유닛을 보여주는 회로도이다.
도 5는 아날로그 디지털 변환기(ADC) 및 펄스-폭 변조(PWM) 드라이브를 지닌 온도 모니터 및 제어 시스템의 회로도이다.
도 6은 본 출원의 구체예에 따른 가열 부재를 사용하는 가열 장치/핫플레이트(hotplate)의 투시도이다.
도 7은 본 출원의 구체예에 따른 가열 장치의 분할된 챔버(split chamber)의 개략적인 투시도이다.
도 8은 도 7의 분할된 챔버의 개략적인 측면도이다.
도 9는 다층의 나노두께의 가열 막으로 코팅된 세라믹 타일(ceramic tile)의 개략도이다.
가열 장치 및 가열 장치의 가열 부재의 형성 방법은 하기에서 기술된 특정 구체예로 제한되지 않으며, 이의 다양한 변화 및 변화가 첨부되는 청구의 범위의 사상 또는 범위에서 벗어나지 않고 당업자들에 의해 이루어질 수 있는 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 상이한 예시적 구체예의 요소 및/또는 특징은 본 명세서 및 첨부되는 청구의 범위의 범위내에서 서로 결합되고/거나 치환될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "다층 코팅" 또는 "다층 형성된 코팅"은 하나 초과의 층의 코팅 물질을 지닌 코팅을 나타낸다.
본원에서 사용되는 용어 "나노 두께"는 나노미터 수준에서 나노미터로만 측정가능한 각각의 코팅층의 두께를 나타낸다.
도 1 및 2는 각각 본 발명의 일 구체예에 따른 가열 장치의 가열 부재의 평면도 및 측면도이다. 가열 장치는 열을 생성시키기 위한 가열 부재(10)를 지닌다. 가열 부재(10)는 기판(12), 기판(12) 상에 배치된 다층 절연 코팅(14), 다층 절연 코팅(14) 상에 배치된 다층 전도성 코팅(16) 및 다층 전도성 코팅(16) 상에 배치된 전극(18)을 포함한다.
예시된 구체예에서, 기판(12)은 세라믹 유리 또는 임의의 다른 적합한 물질로 이루어진다. 당업자들에게는, 세라믹 유리가 고온 및 열 쇼크를 견딜 수 있으며, 일관되고 신뢰성 있는 고온 가열 기능을 제공함에 있어서 다른 유리 기판에 비해 자주 선택되는 것으로 이해된다.
예시된 구체예에서, 다층 절연 코팅(14)은 세라믹 유리 기판(12)의 표면 상에 배치된다. 다층 절연 코팅(14)은 졸-겔 유래(so-gel derived) 실리콘 디옥사이드(SiO2), 또는 그 밖의 적합한 물질로 이루어질 수 있다. 다층 절연 코팅(14)의 각각의 층은 약 30nm 내지 약 50nm의 나노 두께를 갖는다. 다층 절연 코팅(14)은 세라믹 유리 기판(12) 상의 SiO2 코팅의 100% 습윤화를 보장하여 결함 부위를 방지 하고, 세라믹 유리 기판(12)(이는 고온에서 전도성이 될 수 있다)으로부터 전도성 코팅(16)을 전기적으로 절연시키기 위해, 그리고, 가열 공정 동안에 세라믹 유리 기판(12)으로부터 전도성 코팅(16)으로 리튬 이온 및 그 밖의 오염 요소가 확산되는 것을 방지하기 위해, 계면활성제와 함께 세라믹 유리 기판(12)의 표면 상에 적용될 수 있다.
약 0.01 내지 약 0.001% w/w 농도의 퍼플루오르알킬 계면활성제가 분무, 또는 딥 코팅 기술, 또는 그 밖의 적합한 기술을 사용하여 세라믹 유리 기판(12) 상에 적용되는 약 0.1 내지 약 0.01% w/w 농도의 나트륨 디옥틸 설포석시네이트와 함께 사용될 수 있다.
SiO2층은 딥 코팅, 또는 그 밖의 적합한 기술을 사용하고, 기본 전구물질(base precursor)로서 테트라 에톡시 오르토 실리케이트(Tetra Ethoxy Ortho Silicate(TEOS))를 사용하여 세라믹 유리 기판(12) 상에 증착될 수 있다. 각각의 졸-겔 실리카층은 가수분해되고, 건조되고, 필수적으로 매트릭스로부터 물리적인 물, 화학적으로 결합된 물 및 탄소 및 유기 잔류물을 제거하여 최소 결함을 갖는 초순수 SiO2 층을 형성하기 위해 단계적으로 상승되는 온도 사이클을 사용하여 약 500℃에서 소성되어야 한다.
예시된 구체예에서, 다층 전도성 코팅(16)은 상기 절연 코팅(14) 상에 배치된다. 다층 전도성 코팅(16)은 다른 희토류 원소와 함께 또는 없이 약 3몰%로 동일량의 안티몬 및 아연과 같은 도너(donor) 및 어셉터(acceptor)로 도핑된 모노부 틸 주석 트리-클로라이드(Monobutyl Tin Tri-chloride)와 같은 유기금속 전구물질과 함께 주석, 인듐, 카드뮴, 텅스텐, 티타늄 및 바나듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 공급원을 사용하는 옥사이드 코팅일 수 있다. 도 3은 가열 부재(10)의 전도성 코팅(16)의 나노구조를 나타내는 고해상도 주사 전자 현미경사진이다. 다층 전도성 코팅(16)은 다른 적합한 물질로 이루어질 수 있는 것으로 이해해야 한다.
다층 전도성 코팅(16)은 각층의 두께가 약 50 내지 약 70nm인 다층으로 된 나노 두께 코팅의 형성시 약 0.4 내지 약 0.7MPa의 분무 압력에서 약 650℃ 내지 750℃의 제어된 온도에 의해 분무 열분해를 사용하여 절연 코팅(14) 상에 증착되어 코팅 내에 희토류 물질을 균일하게 분포시켜서 고온에서 증가된 안정성을 유도할 수 있다. 바람직하게는, 제어된 분무 이동은 서로에 대해 약 90도의 방향으로 분무 통과를 교대하는 것이다. 분무 헤드의 속도는 초당 1000mm 미만으로 제한된다.
다층 전도성 코팅(16) 중의 전도성 코팅 물질은 전력을 열 에너지로 전환시키는 데 사용된다. 적용되는 열 생성 이론은, 낮은 가열 효율 및 높은 전력 손실에서 금속 코일의 높은 전기 저항으로부터 가열 출력이 나오는 통상적인 코일 가열의 열 생성 이론과 상당히 다르다. 이와 대조적으로, 코팅의 조성 및 두께를 조절함으로써, 코팅의 전기 저항이 제어될 수 있고, 전도도가 증가되어 최소의 에너지 손실과 함께 높은 가열 효율을 낼 수 있다는 것이다.
예시된 구체예에서, 전극(18)은 전도성 코팅(16) 상에 배치된다. 두 개의 이격된 전극(18)은 전도성 코팅(16)의 두 개의 대립되는 측면을 따라 각각 형성된 다. 전극(18)은 백금, 금, 은, 팔라듐 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 공급원(90-95%), 및 에틸 셀룰로즈/에탄올의 유기 비히클이 함께 첨가되는 PbO, SiO2, CeO2 및 Li2O의 제조된 유리 프릿(5-10%)을 지닌 유리 세라믹 프릿 기재 잉크로 이루어질 수 있다. 상기 잉크는 전도성 코팅 구역에 걸친 일정한 전도도의 제공함에 있어서, 전극(18), 코팅(14, 16) 및 세라믹 유리 기판(12) 간의 최적의 조화로 전도성 코팅 구역 상에서 스크린 프린팅(screen printing)될 수 있다. 상기 잉크는 스크린 프린팅되고, 약 5분 동안 약 700℃에서 베이킹되어 가열 부재(10) 상에 전극(18)을 형성시킬 수 있다. 이는 가열 부재(10)의 결함을 초래할 수 있는, 코팅(14, 16) 및 기판(12)으로부터의 전극의 박리(delamination) 가능성을 억제할 수 있다. 코팅 및 전극을 안정화시키기 위해 고온 어닐링의 연장이 요구되지 않는다.
약 300℃ 내지 약 350℃ 이하의 가열 기능 수행함에 있어서의 실제적인 상업적 및 산업적 용도를 위해, 절연 코팅(14)은 세라믹 유리 기판(12)의 표면 상에 배치되지 않을 수 있다. 대신, 온도 모니터 및 제어 시스템이 최적의 온도 및 에너지 절약 제어를 위해 가열 부재의 전도성 코팅(16)과 일체화될 수 있다. 이러한 구체예에서, 온도 측정을 위한 아날로그 디지털 변환기(ACD) 및 정확한 전력 제어를 위한 펄스-폭 변조(PWM) 드라이브를 사용하는 구동 소프트웨어 및 제어기가 구비되고, 가열 부재와 일체화된다. 온도 모니터 및 제어 시스템의 회로가 도 4 및 5에 도시되어 있다.
이러한 온도 모니터 및 제어 시스템의 경우, 가열 서보(servo) 시스템이 신속한 가열 상승 시간(1분 이내), 정확한 온도 표적(+/- 5℃) 및 최대의 에너지 절약(효율 90% 까지의)을 달성함에 있어서 가열 장치의 가열 부재의 신속하고 효율적인 가열 특징과 조화되어 최적화하도록 적용될 수 있다. 가열 장치의 가열 부재가 설정된 표적 온도에 이르게 되면, 이때 ADC 및 PWM이 즉각적으로 반응하여 에너지 절약 목적으로 전력 공급을 차단하고 가열 부재의 온도 분지(offshoot)를 제한할 것이다. 가열 부재의 온도가 설정 온도 미만으로 하강되면, 이때 ADC 및 PWM은 반응하여 열 생성을 위한 전력 공급에 대해 스위치 온(switch on)할 것이다. 이에 따라, 상기 서보 시스템은 가열 부재로의 전력 공급을 원활히 하고, 가열 성능 및 에너지 절약 효율을 최적화함에 있어서 신속하게 반응하여 지속적으로 모니터링하고 제어한다.
코팅 조성물로, 가열 장치의 가열 부재(10)는 분무 열분해를 통해 개방된 공기 환경에서 저렴한 증착 방법에 의해 제조될 수 있다. 또한, 다층 전도성 코팅의 형성시 제어된 다중 분무 통과를 사용함으로써, 세륨 및 란타늄의 사용을 PCT 공개 번호 WO 00/18189호에 명시된 바와 같이, 요구되는 2.5몰% 미만의 양으로 최소화하고, 고온 가열 기능의 수행시 전도성 코팅의 안정성을 유지할 수 있다. 분무 헤드 이동 조건이 확립될 수 있으며, 속도가 초당 1000mm 미만으로 제한된다. 명시된 바와 같은 세라믹 유리 상의 코팅 시스템 및 분무 공정 조건으로, 본 출원의 가열 부재는 약 600℃ 이하의 실제적인 고온 가열 기능에 대해 안정하고 신뢰성있는 성능을 달성할 수 있다. 또한, 본 출원의 가열 부재는 각 사이클당 약 40분의 가열 시간으로 된 약 2500회의 수명 시험 사이클을 견딜 수 있다.
분무 파라미터는 가열 부재의 특징에 영향을 미칠 수 있으며, 최적의 조건을 달성시킬 수 있는 것으로 간주된다. 150mm x 150mm의 코팅된 면적을 지닌 가열 부재(10)의 유효 저항 및 전력 등급(220V에서)의 변동에 대한 몇몇 구체예가 표 1, 2 및 3에 제시된다.
표 1은 약 750mms-1의 분무 헤드 이동 속도 및 약 0.5MPa의 분무 압력에서 2, 6, 10 및 12회의 분무 통과에 의해 생성되는, 가열 부재의 유효 저항 및 전력 등급의 변동을 보여준다.
표 1
| 분무 통과 | 2 | 4 | 10 | 12 |
| 전기 저항 (ohm) | 300 | 72 | 38 | 29 |
| 220V에서의 전력 등급(W) | 161 | 672 | 1273 | 1668 |
표 2는 상이한 분무 헤드 이동 속도 및 약 0.625MPa의 분무 압력에서 생성되는 가열 부재의 유효 저항 및 전력 등급의 변동을 보여준다. 초당 1000mm의 분무 헤드 속도에서, 코팅 형성은 비균일하게 되고, 이의 가열 성능은 불안정하였다.
표 2
| 분무 헤드 속도 (mm/s) | 250 | 750 | 1000 |
| 전기 저항 (ohm) | 147 | 66 | 비균일 |
| 220V에서의 전력 등급(W) | 329 | 733 | - |
표 3은 상이한 온도 범위에서 생성되는 가열 부재의 유효 저항 및 전력 출력의 변동을 보여준다. 보다 낮은 전기 저항 및 이에 따른 보다 높은 전력 출력이 약 700℃ 내지 약 750℃의 고온에서 달성될 수 있다.
표 3
| 코팅 온도 (℃) | 650-750 | 700-750 |
| 전기 저항 (ohm) | 85 | 75 |
| 220V에서의 전력 등급(W) | 569 | 645 |
출원에서 기술되는 다층 형성된 나노 두께 코팅 시스템은 코팅 물질이 개방된 공기 환경에서 저렴한 분무 공정에 의해 증착될 수 있다는 특징을 갖는다. 이러한 다층 형성된 나노 두께 코팅 시스템은 가열 장치의 가열 부재가 안정한 구조 및 높은 전도도를 유지하게 하고, 이에 따라 일정한 전기 저항 및 심지어 오랜 기간 동안 고온에서의 가열 성능을 갖게 한다.
상기 언급된 결과를 달성하기 위해, 분무 물질 용액의 최적의 분무화 및 기판 표면 상의 증착은 기부의 코팅 물질의 조성 및 특성, 및 도핑되는 원소; 및 온도, 분무 헤드의 이동, 노즐 디자인 및 분무 압력을 포함하는 기판 표면을 피복하는 분무 열분해의 공정 조건의 특이적인 선택이 요구된다. 높은 전도도를 지닌 나노 두께의 다층 코팅은 코팅 안정성을 증진시키고, 균열 형성의 위험을 최소화시킬 수 있다.
본 출원에서 기술되는 코팅 조성 및 공정으로, 전기 쿡탑(cooktop), 전기 핫 플레이트(실험실용 핫플레이트 포함), 타올 및 의류 가열 랙, 전기 가열기, 성에제거기 및 워머(warmer)를 포함하나, 이로 제한되는 것은 아닌 전기 제품에 대한 저온 출력 가열/고온 출력 가열이 모두 가능하다.
나노 두께 가열 부재의 특징으로, 두께가 30mm 또는 그 미만인, 도 6에 도시된 것과 같은, 통상적인 가열 코일이 없는 핫플레이트(70)와 같은 소형 가열 장치가 개발된 것이다. 가열 부재는 가열 구역(72)의 아래쪽에 구비된다. 가열 구역(72)은 세라믹 유리로 이루어질 수 있다. 온도 모니터 및 제어 시스템은 가열 부재와 일체화될 수 있다. 약 50ohm의 유효 저항을 갖는 가열 부재를 사용하면, 약 0.1KWH의 에너지량이 물 1리터를 25℃에서 약 95℃로 가열시키는 데 요구되며, 이는 효율을 약 85% 증가시킨다.
핫플레이트(70)의 하우징(74) 및 비가열 구역(76) 상의 과열을 방지하기 위해, 도 7 및 8에 도시된 바와 같이 분할된 풍동 챔버(82)가 핫플레이트(70)에 구비될 수 있다. 분할된 풍동 챔버(82)는 상부의 고온 풍동(84) 및 보다 저온인 풍동(86)을 규정한다. 상부의 고온 풍동(84)은 본 발명의 가열 부재가 구비되어 있는 가열 구역(72)의 아래쪽에 인접하여 위치한다. 화살표로 도시되어 있는 바와 같이 상부의 고온 풍동(84)을 통해 가열 장치(70)로부터 더운 공기를 송풍하기 위해 팬(88)이 사용된다.
분할된 풍동 챔버(82)에 의해, 고온 공기 및 저온 공기가 핫플레이트(70)에서 분리된다. 팬(88)에 의해 생성된 기류는 상부의 고온 풍동(84)을 통해 고온 공기를 송풍할 수 있으며, 과잉의 열을 효과적으로 제거하고, 핫플레이트(70) 내측 및 하우징(74) 상의 온도를 감소시킬 수 있다. 본 출원의 나노 두께 가열 부재를 이용하는 핫플레이트(70)의 하우징(74) 및 비가열 구역(76) 상의 온도를 40℃ 미만으로 15℃ 떨어뜨리는 것은 상기 분할된 풍동 챔버(82)로 달성될 수 있으며, 이는 다른식으로는 핫플레이트의 실제 사용에 대해 허용되지 않는다.
본 출원에서 기술되는 나노 두께의 다층 코팅은 도로 및 지붕의 성에 제거, 벽, 바닥 및 집안의 난방, 추운 날씨에서 의류 및 신발의 가온을 위한 세라믹 타일 및 판유리를 포함하나 이로 제한되는 것은 아닌 그 밖의 기판 물질 상에 적용될 수 있다. 다층으로 된 나노 두께 전도성 코팅(102)은 상기 기술된 제어된 분무 공정에 의해, 도 9에 도시된 바와 같이 세라믹 타일(100) 상에 접합될 수 있다. 또한, 한쌍의 전극(104)이 본 출원에서 기술되는 공정에 의해 형성될 수 있다. 150mm x 150mm의 코팅된 면적을 갖는 가열 부재 상에, 약 2000ohm의 유효 저항이 달성될 수 있고, 약 25W의 전력을 출력할 수 있다.
본 출원에서 기술되는 나노 두께의 다층 코팅은 용이한 시동을 위한 엔진 가열, 추운 날씨에 패널, 거울 및 윈드 쉴드(wind shield)의 가열 및 성에 제거를 포함하나 이로 제한되는 것은 아닌 자동차 산업에 사용될 수 있다.
또한, 본 출원에서 기술된 나노 두께의 다층 코팅은 추운 기후 조건에서 비행기 날개 및 조종실의 가열 및 성에 제거를 포함하나 이로 제한되는 것은 아닌 항공 산업에 사용될 수 있다.
본 출원의 코팅 시스템은 열 생성 기능을 위한 a.c, d.c. 전원 및/또는 태양 에너지 시스템과 통합될 수 있다. 통상적인 가열 부재는 종종 높은 전기 저항으로 되어 있어서, 전류가 d.c 전력 미만으로 낮고 가열 및 요리를 위한 구역에 대해 충분한 에너지를 균일하게 생성할 수 없다. 제어된 분무 공정을 통해, 가열 막의 전도도 개선 및 10ohm 또는 그 미만으로의 전기 저항의 감소가 달성될 수 있다. d.c 전원을 이용하여 실제적인 가열 기능을 수행하고/거나 태양 에너지 전원과 통합되는 구역에 대해 충분한 에너지를 생성할 수 있다. 24V d.c. 전원을 사용하면, 본 출원에서 기술되는 가열 부재가 가열, 요리 및 가온 기능을 수행하는데 충분한 에너지로 2분 미만으로 하여 150℃의 온도에 도달할 수 있다. 12V d.c. 전원을 사용하면 8분 미만으로 하여 150℃의 온도에 도달할 수 있다.
a.c. 전원을 사용하는 가열 장치로, 낮은 전력 손실을 가지면서 약 600℃까지로의 신속하고 효율적인 가열 기능이 수행될 수 있다. 쿡탑, 핫플레이트, 가열기 및 성에 제거 및 가온 장치를 포함하나, 이로 제한되는 것은 아닌 가열 장치에 사용될 수 있다. 고에너지 효율로 인해 거의 30% 전기 소비를 절약하도록 도와주며, 환경에 대한 오염 및 세계적인 온난화를 최소화하는데 상당한 이익을 제공하고, 또한 전기료가 크게 감소하도록 소비자를 돕는다.
쿡탑 및 핫플레이트 적용시, 현재의 유도 가열 기술에 비견되거나 능가하는 신속하고 효율적인 가열이 이루어질 수 있다. 유도 가열과 비교하면, 본 출원의 가열 부재는 자기 복사 및 간섭(유도 가열에 사용된 자기 유도)을 부과하지 않으며, 재료 비용이 저렴하다(유도 가열에 사용되는 구리 코일은 고가이다). 또한, 본 출원에서 기술되는 코팅 물질 및 방법은 비용이 저렴하고, 요리 기구에 대한 제한이 없다(고급 스테인레스 도구 만이 유도 가열을 잘 수행할 수 있다). 본 출원 의 가열 장치는 경량이고, 다양한 디자인을 갖는다.
본 출원에서 기술되는 가열 장치 및 가열 장치의 가열 부재의 형성 방법이 다수의 바람직한 구체예와 관련하여 도시되고 기술되어 있지만, 청구의 범위의 범주에서 벗어나지 않고 다양한 그 밖의 변경 또는 변형이 이루어질 수 있음이 주지되어야 한다.
Claims (20)
- 기판 상에 배치되는 가열 부재를 포함하는 가열 장치로서, 가열 부재가전극; 및기판과 전극 사이에 배치되는 나노 두께의 다층 전도성 코팅을 포함하고, 다층 전도성 코팅은 고온에서 가열 부재의 성능을 안정화시키는 구조 및 조성을 포함하는 가열 장치.
- 제 1항에 있어서, 다층 전도성 코팅이 주석, 인듐, 카드뮴, 텅스텐, 티타늄 및 바나듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 공급원을 포함하는 옥사이드 코팅을 포함하는 가열 장치.
- 제 1항에 있어서, 전극이 백금, 금, 은, 팔라듐 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 공급원을 포함하는 유리 세라믹 프릿 기재 잉크(glass ceramic frit based ink)를 포함하는 가열 장치.
- 제 1항에 있어서, 가열 부재가 다층 전도성 코팅과 기판 사이에 배치된 나노 두께의 다층 절연 코팅을 포함하는 가열 장치.
- 제 4항에 있어서, 다층 절연 코팅이 졸-겔 유래(so-gel derived) 실리콘 디 옥사이드를 포함하는 가열 장치.
- 제 4항에 있어서, 기판 상에 계면활성제를 추가로 포함하고, 계면활성제는 약 0.1 내지 약 0.01% w/w 농도의 나트륨 디옥틸 설포석시네이트와 함께 약 0.01 내지 약 0.001% w/w 농도의 퍼플루오르알킬 계면활성제를 포함하는 가열 장치.
- 제 1항에 있어서, 가열 장치의 가열 부재와 일체화된 온도 모니터 및 제어 시스템을 추가로 포함하며, 온도 모니터 및 제어 시스템은 온도를 측정하기 위한 아날로그 디지털 변환기(analog-to-digital converter) 및 전력 공급을 조절하기 위한 펄스-폭 변조 드라이브(pulse-width modulation drive)를 포함하는 가열 장치.
- 제 1항에 있어서, 제 1 풍동(wind tunnel) 및 제 2 풍동을 규정하는 분할된 챔버, 및 기판과 다층 전도성 코팅에 인접하는, 제 1 및 제 2 풍동 중 어느 하나를 통해 가열 장치로부터 고온 공기를 송풍하게 되는 팬(fan)을 추가로 포함하는 가열 장치.
- 기판 상에 배치되는 가열 부재를 포함하는 가열 장치로서, 가열 부재가전극; 및기판과 전극 사이에 배치되는 나노 두께의 다층 전도성 코팅을 포함하고, 다 층 전도성 코팅은 분무 열분해에 의해 생성되고, 고온에서 가열 부재의 성능을 안정화시키는 구조 및 조성을 포함하는 가열 장치.
- 제 9항에 있어서, 분무 열분해가 약 650℃ 내지 약 750℃의 온도에서 수행되는 가열 장치.
- 제 9항에 있어서, 분무 열분해가 약 0.4MPa 내지 약 0.7MPa의 분무 압력에서 수행되는 가열 장치.
- 제 9항에 있어서, 분무 열분해가 초당 1000mm 미만의 분무 헤드 속도로 수행되는 가열 장치.
- 제 9항에 있어서, 분무 열분해가 서로에 대해 약 90도 방향으로 분무 통과(spray pass)를 교대로 함으로써 수행되는 가열장치.
- 제 9항에 있어서, 전극이 스크린 프린팅(screen printing)에 의해 전도성 코팅 상에 배치되는 가열 장치.
- 제 9항에 있어서, 가열 부재가 다층 전도성 코팅과 기판 사이에 배치된 나노 두께의 다층 절연 코팅을 포함하는 가열 장치.
- 제 15항에 있어서, 다층 절연 코팅이 기본 전구물질로서 테트라 에톡시 오르토 실리케이트를 사용하여 딥 코팅에 의해 기판에 배치되고, 다층 절연 코팅의 각 층은 가수분해되고, 건조되고, 약 500℃에서 소성되는 가열 장치.
- 제 9항에 있어서, 가열 장치의 가열 부재와 일체화된 온도 모니터 및 제어 시스템을 추가로 포함하며, 온도 모니터 및 제어 시스템은 온도를 측정하기 위한 아날로그 디지털 변환기 및 전력 공급을 조절하기 위한 펄스-폭 변조 드라이브를 포함하는 가열 장치.
- 제 9항에 있어서, 제 1 풍동 및 제 2 풍동을 규정하는 분할된 챔버 및 기판과 다층 전도성 코팅에 인접하는, 제 1 및 제 2 풍동 중 어느 하나를 통해 가열 장치로부터 고온 공기를 송풍하게 되는 팬을 추가로 포함하는 가열 장치.
- 가열 장치의 가열 부재를 제조하는 방법으로서,기판을 제공하는 단계;분무 열분해에 의해 나노 두께의 다층 전도성 코팅을 생성하는 단계; 및상기 전도성 코팅 상에 전극을 배치하는 단계를 포함하는 방법.
- 제 19항에 있어서, 기판 상에 나노 두께의 다층 절연 코팅을 배치하는 것을 추가로 포함하는 방법.
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