KR20090108601A - 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트(self regulating electrical heating element)와, 이를 포함하고 있는 전기 제품, 및 이의 제조 공정에 관련 된 것이다
자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트(10)는 기판(substrate)(12)을 포함하고 있는데, 상기 기판(12)에는, 합성 금속 산화물 층들(composite metal oxide layers)의 한쪽 측면 상에서 제 1 전기 접점(electrical contact)(18)으로서의 기능을 하는 전기 전도성 코팅(electrically conductive coating)(12a)이 포함되어 있다. 상기 전기 전도성 코팅(12a) 위에는, 양의 저항온도계수(positive temperature coefficient of resistance)를 가진 제 1 금속 산화물(14)이 배치되어 있다. 제 1 금속 산화물 층 위에는, 음의 저항온도계수를 가진 제 2 금속 산화물 층(16)이 전기적으로 연속되게 덧씌워져(overlaying) 있으며, 이 층 위에는 제 2 전기 접점(20)이 덧씌워져 있다. 음의 저항온도계수를 가지는 제 2 금속 산화물 층(16)은 그의 저항 특성들이 변하지 않게끔 엘레멘트에 도포된다.
자동조절, 전기저항, 히팅 엘레멘트, 전기 제품, 저항온도계수, 금속 산화물, 전기 전도성, 혼입제, 도핑처리, 강유전성, 디포지트
Description
본 발명은 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트와, 이를 포함하고 있는 전기 제품, 및 이의 제조 공정에 관련 된 것이다.
관으로 외장된(tubular sheathed) 타입 또는 스크린 프린트(screen printed) 타입의, 종래의 전기저항 히팅 엘레멘트는 자동조절 기능이 없어서, 전원에 연결되면 계속적으로 가열되어 결국 타버려서 자동적으로 파괴되어 버린다.
이러한 엘레멘트를 전기제품에 안전하게 사용하기 위해서는, 엘레멘트를 어떤 형태의 온도 감지 조정장치와 직렬로 연결하여, 온도가 사전 정해진 수준에 도달하게 되면, 온도 감지 조정장치에 의해 전원이 효과적으로 차단되는 방법을 이용하였다.
일반적으로 이들 온도 감지 조정장치들에는 다양한 형태의 바이메탈(bimetal)들이 통합되어 있는데, 이들 장치의 신뢰도는, 바이메탈 부품이 소정의 온도에서 또는 그 근처에서 변형을 일으켜 기계적 작동에 의해 전원의 접점을 끊 고, 관련된 엘레멘트에 전원의 공급을 차단시켜주는 능력에 달려 있다.
이러한 온도 감지 바이메탈식 조정장치 및 여타의 유사 조정장치들이 널리 사용되고 있고, 높은 품질 수준으로 생산되고 있지만, 일반적으로, 이들은 기계적으로 대량 생산되는 모든 장치들과 마찬가지로, 사용함에 따라 고장의 확률이 증가하는 문제점을 안고 있다.
이러한 온도 감지 조정장치의 작동에 고장이 일어나면, 히팅이 과열되어 관련된 엘레멘트가 자동 파괴될 것이며, 사용자에게 비극적인 결과를 초래할 수 있는 문제점을 잠재적으로 가지고 있다.
자동 조절 특성을 지닌 전기 히팅 엘레멘트가 이용 가능한데, 이들은 다양한 합성물, 대개 소량의 여타 금속들로 도핑처리된 티탄산바륨(barium titanate)으로 제조된다. 온도가 "스위칭(switching)"온도로도 알려져 있는 큐리 포인트(Curie Point) 근처로 상승하게 되면, 이들의 저항치는 10의 몇 거듭제곱 만큼이나 증가하게 된다. 그러나 이러한 히팅 엘레멘트들을 널리 적용하고 활용하기에는 많은 제약점들이 따르는데, 이들 중 일부는 아래에 기술된 바와 같다.
- 도핑처리된 티탄산바륨(doped barium titanate)의 주 단점으로는, 이들 고유의 성질상, 이들의 저항률(resistivity)이 대기온도에서 스위칭온도 또는 큐리 포인트에 이르는 범위에서 일정하지 않고, 저항치가 크게 증가하는 온도 이전에는, 저항률이 온도 상승에 따라 점진적으로 감소한다는 점이다.
- 또 다른 단점으로는, 이런 재질의 저항 감소율 및 감소 크기가 혼입제(dopant)의 성분 및 농도 또는 혼입제들의 조합에 따라 크게 변화한다는 점이다.
상술한 문제점들의 결과로, 이러한 합성물로 제작된 히팅 엘레멘트들의 작동 저항치는, 스위칭온도 또는 큐리 포인트 직전까지, 대기온도에서 계측된 값으로부터 상당히 줄어드는데, 그 감소폭은 원래 저항치의 절반 정도나 된다. 더우기 이러한 감소가 예측할 수 없는 방식으로 일어난다는 것이다.
상기의 단점들로 인해, 이런 엘레멘트들을 활용하는 가전제품 제조자 및 기타 사람들은 이런 엘레멘트들을 생산하는 데 있어서, 출력을 최대화 하기 위해 어떤 대기저항치(ambient resistance)를 기준으로 할 것인가 하는 난관에 부딪히게 된다.
이런 점을 설명하기 위해, 단상의 230 볼트 AC 전원으로 작동되는 가전제품 물가열기(water heating device)에 있는 종래의 엘레멘트를 고려해 보자. 230 볼트의 가전제품에서 허용된 최대 전류가 13 암페어이고, 오옴의 법칙에 의해 최대 출력은 약 3 킬로와트가 된다. 따라서 사용된 히팅 엘레멘트의 최소 저항치는 17.7 오옴이 된다.
일반적으로, 이런 종래의 엘레멘트들의 저항치는 작동 온도의 상승에 따라 약간 증가하지만, 이는 겨우 1-2 % 정도에 불과하다. 따라서 엘레멘트에 의해 발생된 열 및 이 에너지가 물에 전달되는 양은, 물의 온도가 최저치일 때 최대값이 되고, 끓는 점에 가까이 가면서 약간만 줄어들게 된다.
동일한 전력과 전류를 도핑처리된 티탄산바륨에 적용하면, 최소 저항치 17.7 오옴이 스위칭온도 또는 큐리 포인트 근처의 온도에서 될 필요가 있으며, 결과적으로 대기온도에서는 저항치가 크게 된다. 적정의 온도 범주에 걸쳐 저항의 감소가 이를테면 25%라 가정하면, 통상의 도핑처리된 티탄산바륨은 23.6 오옴의 대기저항치를 가지고 생산될 필요가 있다. 오옴의 법칙을 사용하면, 물을 가열하는 초기에는 열에너지가 단지 2.24 kw가 되며, 끓는점에 도달해서야만 3 kw로 올라가게 된다.
이는 가전제품 제조자들이 바라는 것과는 상반된 효과이다. 120 ℃의 큐리 포인트 또는 스위칭온도를 지닌 도핑처리된 티탄산바륨의 저항-온도 특성 예가 도 1에 도시되어 있다.
도핑처리된 티탄산바륨 엘레멘트의 또 다른 단점은 이들을 생산하는 방법에서 발생한다. 도핑처리된 티탄산바륨의 특유한 온도/저항 특성은, 주로 임의의 특정 피스(piece)의 벌크 매트릭스(bulk matrix)를 구성하는 개별 입자들 사이의 입자 경계(grain boundary)들의 특징으로부터 유도된다. 따라서 도핑처리된 티탄산바륨으로 만들어진 물건은, 적절한 합성물의 미세 분말 입자들의 필요량을 대개 점결제(binding agent)와 함께 프레스(press) 내에서, 요구되는 최종 제품에 따라 적당한 크기 및 형태로 프레싱(pressing)한 다음에, 균질한 제품을 만들기 위해 노(furnace) 내에서 요구되는 온도로 소결(sintering)시켜 생산한다. 이러한 제조 프로세스가 적당하긴 하지만, 프레싱 단계에서 완전 밀집되게 프레싱 되지 않아 제품이 균일한 작동 특성을 나타내지 못하거나, 또는 소결 단계에서 잔여 응력이 남을 수도 있다. 그 결과로, 이후의 써멀싸이클(thermal cycle) 작동 중에 제품에 균열이 발생되기 쉬우며 고장이 발생되기 쉽다. 따라서 엘레멘트들을 예비시험(pre-test)을 통해 고장난 것은 폐기처분 시키는 것이 필요하게 된다.
이전에, 본 발명자는 두가지 상이한 금속 산화물을 이용하여 자동조절식 히팅 엘레멘트를 만드는 것을 제안한 적이 있다. 공개된 출원에는 GB 2344042, GB 237383 및 GB 2374784 들이 포함되어 있으며, 최고의 특허는 GB 2374783인데, 여기에는, 전기적으로 전도성인 금속 기판(substrate)상에 연속적으로 디포지트(deposit)된 상이한 금속 산화물의 층(layer)들을 활용하는 것이 제시되어 있다. 이들 금속 산화물 층들은 그 조성 및 산화의 정도가 서로 상이한데, 좀더 확실히 말하면, 티탄산바륨과 조합된 니켈-크롬 타입의 금속 산화물들의 활용이 제시되어 있다. 이 출원과 여타의 출원에서는, 금속 산화물 층들을 써멀 스프레잉(thermal spraying) 기법을 이용하여 디포지트하는 방법론을 두드러지게 제시하고 있다. 본 발명자는, 이전의 출원들에서 적용되고 개시된 방법론에 의하면 원하는 특성을 지닌 엘레멘트들을 얻을 수 없음을 알아냈다. 왜냐하면 도핑처리된 티탄산바륨을 써멀 스프레잉하면 혼입제(dopants)가 파손되기 때문이다(아마도 기화작용 때문일 것임).
본 발명자는 상기의 문제점들을 극복하고, 또는 충분히 감소시키고, 원하는 특성들을 지닌 엘레멘트들을 만드는 방법을 찾고자 한다.
본 발명의 제 1 양상에 의하면, 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트가 제공되는데, 상기 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트는,
- 전기 전도성 표면(electrically conductive surface)이거나 또는 이를 포함하고 있는, 그리고 제 1 전기 접점(electrical contact)을 포함하는 기판;
- 양 또는 음의 저항온도계수(temperature coefficient of resistance)를 가지는 제 1 금속 산화물(first metal oxide);
- 상기 제 1 금속 산화물과는 반대되는 저항온도계수를 가지는 제 2 금속 산화물;
- 상기 제 1 또는 제 2 금속 산화물들 중 하나는 전기 전도성 표면 상에 배치되고, 상기 제 1 또는 제 2 금속 산화물들 중 다른 하나는 상기 제 1 또는 제 2 금속 산화물 위에 전기적으로 연속되게 배치되며;
- 전류가 접점들 사이에서 금속 산화물들을 통해 흐르도록, 상기 전기 전도성 표면 상에 배치되지 않은 금속 산화물 상에 배치된 제 2 전기 접점;을 포함하고 있으며,
음의 저항온도계수를 가지는 상기 금속 산화물은, 상기 제 1 및 제 2 금속 산화물들을 조합하면, 대기온도에서 소정의 작동온도까지 실질적으로 일정한 조합 저항(combined resistance)을 제공하고, 작동온도 위에서는 저항이 매우 상당히 증가하게 하는 양의 혼입제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전기 히팅 엘레멘트의 저항률 및 저항치가 대기온도에서부터 요구되는 작동경계 온도까지의 범주에 걸쳐서는 거의 일정하지만, 일단 작동온도가 소정의 작동경계치를 약간 초과하면 저항이 10의 거듭제곱 이상으로 증가하는 점에서, 필요한 자동조절 특성을 가지는 전기 히팅 엘레멘트를 제공함으로써, 엘레멘트는 더욱 안전하고 더욱 효율적인 엘레멘트가 된다.
또한 이들을 생산하기 위한 방법론은 이런 엘레멘트들을 생산하는 동안, 보다 큰 일관성을 확보해 준다.
바람직하게는, 조합 저항(combined resistance)이 대기온도에서 소정의 작동온도까지는 일정하고, 작동온도 위에서는 저항이 매우 상당히 증가하도록, 제 1 및 제 2 금속 산화물들을 선정하는 것이다.
바람직한 실시예에서, 제 1 금속 산화물은 적어도 니켈 및 크롬의 산화물이고, 매우 바람직하게는 적어도 니켈, 크롬 및 철의 산화물이며, 제 2 금속 산화물은 강유전성 재질(ferro-electric material)이다.
바람직하게는, 강유전성 재질이 페로브스카이트(perovskite) 타입의 결정체 구조이고, 일반적 화학식이 ABO3 형태인데, 여기서 A는 1가, 2가 또는 3가의 양이온이며, B는 5가, 4가 또는 3가의 양이온이며, O3 는 산소 음이온이다.
매우 바람직하게는, 상기 강유전성 재질은 도핑처리된 티탄산바륨이다.
통상적인 혼입제들은 당업자들에게 잘 알려져 있으며, 란탄, 스트론튬, 납, 세슘, 세륨과, 란탄족 및 악티늄족의 여타 원소들이 이에 포함된다.
강유전성 재질이 과립형 입자들(granular particles)을 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는, 상기 과립형 입자들이 액체속에 디포지트되거나 또는 슬러리(slurry), 디스퍼션(dispersion) 또는 반죽(paste)으로 되어 있는 것이다. 강유전성 재질은, 특히 사용되는 혼입제에 의해 특징지워지는 그의 저항 성질이 변하지 않게 디포지트되는 것이 중요하다.
바람직하게는, 입자들이 20 - 100 마이크론 크기의 미세 입자들이며, 통상 100 내지 500 마이크론의 두께를 갖는 하나의 층에 디포지트되는 것이다.
이러한 혼합된 강유전성 금속 산화물들은 일반적으로 산소-팔면체-강유전체(oxygen - octahedral - ferro-electrics)로도 알려져 있으며, 초기 저항률, 온도에 따른 저항률의 변화 및 큐리 포인트 또는 스위칭온도를 포함하는 이들 재질의 특성들은 조성의 변화에 따라 달라진다.
모든 산소-팔면체-강유전성 금속 산화물들은, 온도가 큐리 포인트 또는 스위칭온도까지 상승함에 따라 저항률이 감소하는 특징(음의 저항온도계수)을 나타내는데, 이것은, 본 발명의 엘레멘트에서 저항률이 균형잡히도록, 다른 하나 이상의 금속 산화물(양의 저항온도계수를 가진)을 연속하여 위치시킴으로써 보정이 된다. 이는 도 2에 잘 나타나 있다.
저항 감소에 대한 이러한 보정을 끌어내는 것이 수월한 일은 아니며, 계산 및 작동상태에 대한 실험적 관찰의 조합이 수반되어야 한다. 고려 대상에는 다음과 같은 인자들이 포함된다.
- 필요한 큐리 포인트의 종가치(end-value)
- 사용되는 산소-팔면체-강유전성 금속 산화물의 성질
- 혼입제의 성질 및 농도
- 큐리 포인트까지의 결과적인 저항률 및 저항치 감소율
- 써멀 스프레이된(thermally sprayed) 저항성(resistive) 금속 산화물 또는 금속 산화물 조합의 성질 및 조성(composition), 대기온도에서의 시초 저항(initial resistance) 수준 및 필요한 큐리 포인트까지의 저항 증가율 모두를 보정하기 위해 상기 금속 산화물이 도포될 필요가 있다.
- 2개의 연속적인 엘레멘트 층들의 물리적 두께 (및 이에 따른 경제적 경비) 및 조합을 통해 작용하는 결과적인 온도 차이.
본질적으로, 주어진 목적에 맞는 적합한 조합을 선정하는 데에는, 상기 내용을 고려하여 어느 정도 시행착오법(trial and error)이 포함된다.
써멀 스프레이된 저항성 금속 산화물 또는 금속 산화물 조합(니켈/철/크롬)에 대한 필요한 시초 저항 수준을 얻는 데에는, 간헐적 펄스(pulse)로 된 AC 또는 DC의 고전압 전류를 이용하여 조절하는 것이 선택적으로 포함되는데, 이는 영국 특허 출원 GB2419505(PCT/GB2005/003949)의 주제이다.
이리하여, 니켈/철/크롬 타입 금속산화물 층의 온도에 따른 저항의 증가는 본질적으로, 도핑처리된 티탄산바륨 층의 온도에 따른 저항의 감소와 오프셋(offset)되어서, 연속되어진 상기 두 저항성 층들의 조합 저항은 대기온도에서 소정의 작동온도까지 실질적으로 일정하게 유지된다. 그러나 소정의 작동온도, 도핑처리된 티탄산바륨 층의 큐리 포인트 또는 스위칭온도에서는 이 층의 저항이 10의 몇 거듭제곱으로 증가하여, 전체적으로 조합된 엘레멘트 저항치를 높은 수준으로 상승시킨다. 따라서 써멀 출력을 매우 낮은 수준으로 감소시키며, 엘레멘트가 소정의 작동수준을 초과하는 온도에서 과열되는 것을 방지해주는 자동조절 기능 역할을 한다.
상기의 상황에서, 각각의 층을 디포지트하는 데 있어서, 원래 의도한 기능을 발휘 못할 정도로 이들의 저항률 특성이 변하지 않게 하는 것이 필수적이다.
도핑처리된 티탄산바륨의 저항 특성은 주로 연속하는 입자들 사이 접합점들(junctions)에서의 결정입계 효과(grain boundary effects)로부터 비롯된다. 입자 크기가 작을수록 티탄산바륨 층의 주어진 부피에서 갯수가 많아지며, 이 층의 저항률이 커진다. 플레임 스프레잉(flame spraying)과 같은 써멀 프로세스를 이용하여, 도핑처리된 티탄산바륨을 디포지트하면, 저항 특성이 변하게 되는데, 이는 아마도 혼입제가 기화되거나 파손되기 때문일 것이다. 이리되면 큐리 포인트/스위칭 효과 또한 망치게 된다.
바람직한 실시예에서, 제 1 및 제 2 금속 산화물들은 밀접하게 접촉한다. 대안으로는, 이들 사이에 전기 전도성 층이 디포지트될 수도 있다.
전기 전도성 기판 또는 표면은 임의의 전기 전도성 금속 또는 금속 합금으로 될 수 있는데, 예를들면 알루미늄, 구리, 연강 또는 스테인리스강이 이에 포함된다. 대안으로는, 예컨대 플라스틱, 세라믹, 유리 또는 합성물과 같은 전기 절연 재질들이 기판으로서 사용되고, 거기에 전기 전도성 층이 도포되는 것이다. 이 층은 금속 산화물들의 한쪽 전기 접점으로 역할하고, 금속 산화물들의 다른쪽에는 제 2 접점이 제공된다.
본 발명의 제 2 양상에 의하면, 본 발명의 히팅 엘레멘트를 포함하는 전기 제품이 제공된다.
본 발명의 제 3 양상에 의하면, 저항성 금속 산화물 층을 고압의 전류를 지닌 간헐적 펄싱(intermittent pulsing)을 받게하는 것을 포함하는, 저항성 금속 산화물 층의 저항 조절 방법이 제공된다.
본 발명의 제 4 양상에 의하면, 자동조절식 저항 히팅 엘레멘트의 제조 프로세스가 제공되는데, 상기 프로세스는,
- 제 1 전기 접점으로 작용하는 전기 전도성 표면이거나 또는 이를 포함하고 있는 기판에, 양 또는 음의 저항온도계수를 가지는 제 1 금속 산화물을 도포하는 단계;
- 상기 제 1 금속 산화물과는 반대되는 저항온도계수를 가지는 제 2 금속 산화물을 상기 제 1 금속 산화물 위에 전기적으로 연속되게 도포하는 단계;
- 전류가 접점들 사이에서 금속 산화물들을 통해 흐를 수 있도록, 상기 제 2 금속 산화물 위에 제 2 전기 접점을 도포하는 단계;를 포함하며,
음의 저항온도계수를 가지는 상기 금속 산화물이, 존재하고 있는 혼입제가 파손되지 않는 온도에서, 상기 제 1 및 제 2 금속 산화물들을 조합하면 대기온도에서 소정의 작동온도까지 실질적으로 일정한 조합 저항(combined resistance)을 제공하고, 작동온도 위에서는 저항이 매우 상당히 증가하게 되는 방식으로 디포지트되는 것을 특징으로 한다.
도면을 참조로 하여, 본 발명의 다양한 양상들이 좀 더 설명될 것이다.
도 1은, 큐리 포인트 스위칭온도가 120℃ 되는 티탄산바륨 합성물의 저항-온도 특성을 보여주는 그래프이다.
도 2는, 저항치의 평탄화(smoothing out)를 보여주기 위해, 도핑처리된 티탄산바륨의 데이타에 니켈/크롬/철(Ni/Cr/Fe) 금속 산화물의 데이타를 중첩시킨 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 히팅 엘레멘트의 평면도이다.
예 1 - 구조 (Example 1 - Construction)
도 3을 참조하면, 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트(10)는 기판(12)을 포함하고 있는데, 상기 기판(12)에는 합성 금속 산화물 층들의 한쪽 측면 상에서 제 1 전기 접점(18)으로서의 기능을 하는 전기 전도성 코팅(12a)이 포함되어 있다. 상기 전기 전도성 코팅(12a) 위에는 양의 저항온도계수(positive temperature coefficient of resistance)를 가진 제 1 금속 산화물(14)이 배치되어 있다. 제 1 금속 산화물 층 위에는 음의 저항온도계수를 가진 제 2 금속 산화물 층(16)이 전기적으로 연속되게 덧씌워져(overlaying) 있으며, 이 층 위에는 제 2 전기 접점(20)이 덧씌워져 있다.
제 1 및 제 2 금속 산화물 층들은 서로 밀접하게 접촉되어 있는데, 다른 예에서는 이들 층들 사이에 전기 접촉 층(도시 않됨)이 제공될 수 있다.
제 1 및 제 2 전기 접점들 사이에는 전류가 각각의 금속 산화물 층들을 거쳐 흐를 수 있다.
예시된 실시예에서는, 지지 기판(12)이 원형의 세라믹 타일(circular ceramic tile)로 되어 있고, 그 위에는 구리 층(12a)이 디포지트되어 있는데, 다른 전기 전도성 금속이나 금속 합금이 사용될 수도 있다. 전기 전도성 층(12a)의 적절한 부위 위에는 써멀 스프레이된 저항성의(resistive) 금속 산화물 층인 니켈/철/크롬 층이(14) 디포지트된 것이 도시되어 있고, 제 1 전기 접점(18)이 구리 층(12a) 위에 도시되어 있다.
제 1 금속 산화물 층(14) 위에는 도핑처리된 티탄산바륨 층(16)이 전기적으로 연속되게 배치되어 있고, 이 위에는 제 2 전기 접점(20)이 덧씌워져 있다.
제 1 및 제 2 전기 접점들 사이를 흐르는 전류는 하나의 접점에서 주변의 다른 접점으로, 예컨대 주변(perimeter)으로, 직접 흐르지 못하고, 각각의 저항성 층들을 거쳐 흐르도록, 각각의 층들이 디포지트 되어 있음을 알 수 있을 것이다.
지지 기판은, 예시된 바와 같이 평평한 원형판(flat circular plate)에서 부터 구형(sphere), 반구형(hemisphere)의 형태를 포함하는 다양한 모양과 형태로 될 수 있으며, 그리고 원형 또는 정방형 단면을 지닌 중공의 관(hollow tube)이 직선 형태를 이루거나 또는 굽혀져서 나선형이나 환상형(toroidal form)을 이루는 형태로 될 수도 있다.
전기 히팅 엘레멘트에 의해 발생한 열에너지가 특정 전기제품에 의해 가열될 매체에 전달되는 것을 최적화하도록 지지 기판의 형태가 결정될 것이다.
접점 층(contact layer)은 구리, 니켈, 알루미늄, 금, 은, 황동 또는 전도성의 중합체(conductive polymer)와 같은 전기 전도성 재질들로 이루어질 수 있으며, 다양한 방법들에 의해 도포될 수 있는데, 예를들어 플레임 스프레잉, 화학 증 착(chemical vapour deposition), 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 기법들, 전기분해 또는 화학적 프로세스 등에 의한 방법 및 고형의 피스(solid piece)를 접착제, 기계적 압력 또는 자기 수단에 의해 제 위치에 고정시키는 방법 등이 있는데, 이에 국한되지는 않는다.
상기 접점 층 및 금속 산화물 디포지트의 상대적 형태 및 상대적 크기는, 접점들과 기판들 사이에 전압이 인가될 때, 전류가 접점 부위로부터 절연 기판 위에 있는 전도성 층 또는 전도성 기판으로 직접 흐르는 것이 방지되도록 되어야 한다.
전도성 접점 층의 두께는, 필요한 최대의 전류가 흐를 수 있도록 되어야 하며, 그 전체 면에 골고루 분포되어, 금속 산화물을 통해 흐르는 전류가 금속 산화물의 각 단위 면적에 대한 밀도에 있어서 균일하게 되도록 하여야 한다. 이렇게 함으로써, 저항성의 금속 산화물 내에서 발생된 열에너지가 균일하게 분포되고, 지지 기판의 적절 부위에 걸쳐 온도가 균일해지며, 국부적으로 고온지점(hot spot)이 발생되지 않는다.
전류가 골고루 분포되는 것을 도와주기 위해, 접점 층이 외부 전원과 연결되는 부위를 여타 부위보다 더 두껍게 하는 것이 바람직 하지만, 반드시 필요한 것은 아니다.
지지 기판은 전기 전도성 금속이나 합금, 또는 전기적 절연 재질로 이루어질 수 있으며, 엘레멘트의 제작 중 및 이후의 사용작동 중에 그 형태가 안정되도록 충분히 두꺼워야 한다.
예 2 - 방법론 (Example 2 - Methodology)
히팅 엘레멘트는, 예컨대 양의 저항온도계수를 가진 저항성 금속 산화물(14)을 기판(12)의 전기 전도성 표면(12a)에 써멀 스프레잉하여 제조될 수 있다. 실제로, 써멀 스프레이 장비를 이용하여 여러번의 패스(pass)(통상 500 ㎛ 이하인 필요 두께에 따라, 대체로 1 내지 10, 더 바람직 하게는 2 내지 5)를 통해, 금속 산화물의 층들이 연속적으로 도포될 수 있다. 저항성 금속 산화물 디포지트의 전기 저항은 그 두께에 따라 달라지므로, 디포지트되는 층의 두께를 증가시켜 저항치를 증가시킬 수 있다. 그러므로 여러 층을 디포지트하는 것이 바람직 하다.
니켈-크롬 타입의 금속합금이 산화되고 써멀 스프레이 되면, 온도 증가에 따라 저항률/저항치(resistivity/resistance)가 증가하는 바람직한 특성을 나타낸다고 알려져 있다. 이러한 금속합금들이 예컨대 EP 302589, US 5039840 및 PCT/GB96/01351에 기재되어 있다. 이러한 니켈-크롬 타입의 금속합금은, GB 2344042에 기재된 바와 같이, 하나 이상의 금속 산화물 디포지트로 써멀 스프레이 되기 전에, 전 단계로서 필요한 정도로 산화될 수도 있으며, 또는 써멀 스프레잉 시행 중에 필요한 정도로 산화될 수도 있다. 실제로 온도 증가에 따른, 이런 금속 산화물 합금 층의 저항률 및 저항치의 증가 수준 및 증가률은, ABO3 저항성 산화물 층의 저항률 및 저항치에 있어서 비대칭적인 감소를 보상하는데 중요한 인자들(factors)이 된다.
도포되는 다른 저항성 산화 층은 도핑처리된 티탄산바륨 층이 바람직하다. 이것은 고온에서 디포지트되면 안되는데, 왜냐하면 저항률이 손상되기 때문이다. 바람직한 실시예에서, 이것은 액체 형태로, 또는 반죽(paste), 디스퍼션(dispersion) 또는 슬러리(slurry) 형태로 도포되는데, 여기에는, 티탄산바륨의 미세 입자들이, 특정 엘레멘트 설계에 대한 소정의 작동 스위칭온도에 맞도록 선정된 혼입제와 함께 포함되어 있다.
상기 반죽, 디스퍼션 또는 슬러리는, 적절한 큐리 포인트 특성을 지니는 합성물로 만들어진, 도핑처리된 티탄산바륨의 펠릿(pellet)을 갈아서, 이를 예컨대 액체 점착제에 통합시켜 만들어 질 수 있다.
그 후, 상기 반죽, 디스퍼션 또는 슬러리는 제 1 저항성 금속 산화물 층(14)의 상부면에 임의의 적절한 다양한 방법에 의해 도포될 수 있는데, 이들 방법에는, 스크린 프린팅, 페인팅, K-바 코팅(K-bar coating), 스프레잉 또는 도포후 스무딩아웃(smoothing out) 하는 방법들이 포함되는데, 이에 국한되지는 않는다.
상기 액체 점착제는 임의의 적절한 합성물일 수 있는데, 이는 도핑처리된 티탄산바륨의 미세 입자들을 서로 밀접하게 결합시켜 요구되는 입자 경계의 접촉을 이룰 수 있는 특성을 지니고, 다른 금속 산화물 및 제 2 전기 접점과 친화성이 있어야 한다.
상기 점착제는 대기온도 또는 더 높은 온도(하지만 금속 산화물의 저항 특성이 변할 정도의 높은 온도는 안됨)에서 경화되거나 굳어질 수 있으며, 또는 공기에 노출되어 경화되거나, 빛 또는 화학적 경화 프로세스에 의해 경화될 수도 있다.
도핑처리된 티탄산바륨 층의 전기 저항은, 입자 크기를 달리 하고, 반죽, 디 스퍼션 또는 슬러리의 도포 두께를 달리함으로써 컨트롤할 수 있다.
다르게는, 제어된 온도 및 진공 하에서, 마그네트론 스퍼터링을 활용하여 층을 디포지트할 수도 있다.
도핑처리된 티탄산바륨 층의 상부면에는 제 2 전기 접점(20)이 도포되어, 상기 제 2 전기 접점(20)과 전도성 층(12a) 상의 제 1 전기 접점(18) 사이에 전압(V)이 인가되면, 전류(I)가 제 2 전기 접점으로부터 2개의 저항성 층들(14, 16) 두께를 통해 흐를 수 있게 된다.
이 제 2 접점 층은 구리, 니켈, 알루미늄, 금, 은, 황동 또는 전도성의 중합체와 같은 임의의 전기 전도성 재질들로 이루어질 수 있으며, 임의의 적당한 방법들에 의해 도포될 수 있는데, 예를들면 플레임 스프레잉, 화학 증착, 마그네트론 스퍼터링 기법들, 전기분해 또는 화학적 프로세스에 의한 방법 및 고형의 피스를 접착제, 기계적 압력 또는 자기 수단에 의해 붙이는 방법 등이 있는데, 이에 국한되지는 않는다.
두 접점들 사이에 전압이 인가될 때, 전류가 접점 부위로부터 절연 기판 위에 있는 전도성 층 또는 전도성 기판으로 직접 흐르도록, 상기 제 2 접점 층의 면적은, 이것이 디포지트되는 금속 산화물 층보다 작은 것이 바람직하다.
전도성 접점 층의 두께는, 필요한 최대의 전류가 흐를 수 있도록 되어야 하며, 그 전체 면에 골고루 분포되어, 금속 산화물을 통해 흐르는 전류가 금속 산화물의 각 단위 면적에 대한 밀도에 있어서 균일하게 되도록 하여야 한다. 이렇게 함으로써, 조합된 엘레멘트 내에서 발생된 열에너지가 균일하게 분포되고, 지지 기판 의 적절 부위에 걸쳐 온도가 균일해지며, 국부적으로 고온지점이 발생되지 않는다.
당업자에게는, 여러가지 금속 산화물들이 임의의 순서에 의해 디포지트될 수 있음이 자명할 것이다.
예 3 - 대안의 방법론 (Example 3 - Alternative methodology)
자동조절식 히팅 엘레멘트의 상이한 층들을 이루는 금속 삼화물들은 여러가지 기법들을 사용하여 지지 기판 상에 도포될 수 있다
제 1 방법론은, 예컨대 니켈-크롬-철 또는 유사 합금들로부터 제작된 제 1 금속 산화물을 기판의 전도성 표면 위에 하나의 완전한 층으로 디포지트하는 것이다. 이는 써멀 스프레잉에 의해, 주어진 부위 위에 주어진 형태로, 계산된 필요 두께까지 디포지트될 수 있다. 그 다음에, 예컨대 도핑처리된 티탄산바륨으로 제작된 제 2 금속 산화물이 제 1 금속 산화물 위에 또 다시 계산된 필요 두께 및 형태로 도포되는데, 목표는 두 개의 금속 산화물들이 매치(match)되어, 관련 히팅 엘레멘트가 요구되는 조합 성질 및 특성을 가지도록 하는 것이다.
대안으로, 상기 제 1 방법론을 역으로 활용할 수 있는데, 여기서 산소-8면체의 강유전성 산화물(oxygen - octahedral - ferro-electric oxide) 성분이 지지 기판 상에 먼저 도포되고, 이어서 제 2 금속 산화물 성분이 도포된다.
달리 말하자면, 상이한 금속 산화물들을 선정하고, 계산을 활용하고 작동 상태를 실험적으로 관찰함으로써, 본 발명의 주제인 전기 저항 히팅 엘레멘트 타입을 이루는 다양한 성분들 사이의 관계 및 제원들을 정할 수 있다.
Claims (16)
- 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트(self regulating electrical heating element)(10)로서, 상기 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트(10)는,- 전기 전도성 표면(electrically conductive surface)(12a)이거나 또는 이를 포함하고 있는, 그리고 제 1 전기 접점(electrical contact)(18)을 포함하는 기판(substrate)(12);- 양 또는 음의 저항온도계수(temperature coefficient of resistance)를 가지는 제 1 금속 산화물(first metal oxide)(14);- 상기 제 1 금속 산화물과는 반대되는 저항온도계수를 가지는 제 2 금속 산화물(second metal oxide)(16);- 상기 제 1 또는 제 2 금속 산화물들 중 하나는 전기 전도성 표면(12a) 상에 배치되고, 다른 하나는 상기 제 1 또는 제 2 금속 산화물 위에 전기적으로 연속되게(electrically in series) 배치되며;- 전류가 접점들 사이에서 금속 산화물들을 통해 흐르도록, 상기 전기 전도성 표면 상에 배치되지 않은 금속 산화물 상에 배치된 제 2 전기 접점;을 포함하고 있으며,음의 저항온도계수를 가지는 상기 금속 산화물은, 상기 제 1 및 제 2 금속 산화물들을 조합하면, 대기온도에서 소정의 작동온도까지 실질적으로 일정한 조합 저항(combined resistance)을 제공하고, 작동온도 위에서는 저항이 매우 상당히 증 가하게 하는 양의 혼입제(dopant)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트.
- 제 1 항에 있어서,제 1 금속 산화물은 적어도 니켈, 철 및 크롬의 산화물인 것을 특징으로 하는 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트.
- 전 항들중 어느 한 항에 있어서,제 2 금속 산화물은 강유전성 재질(ferro-electric material)인 것을 특징으로 하는 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트.
- 제 3 항에 있어서,상기 강유전성 재질은 페로브스카이트(perovskite) 타입의 결정체 구조이고, 일반적 화학식이 ABO3 형태인데, 여기서 A는 1가, 2가 또는 3가의 양이온이며, B는 5가, 4가, 또는 3가의 양이온이며, O3 는 산소 음이온인 것을 특징으로 하는 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트.
- 제 4 항에 있어서,상기 강유전성 재질은 도핑처리된 티탄산바륨(doped barium titanate)인 것을 특징으로 하는 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트.
- 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 강유전성 재질은 과립형 입자들(granular particles)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트.
- 제 6 항에 있어서,상기 과립형 입자들은 액체속에 디포지트되거나(deposited) 또는 슬러리(slurry), 디스퍼션(dispersion) 또는 반죽(paste)으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,입자 하나의 크기는 20 - 100 마이크론인 것을 특징으로 하는 자동조절식 전 기저항 히팅 엘레멘트.
- 제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 강유전성 재질은 두께가 500 ㎛ 까지 되는 하나의 층(layer)에 존재하는 것을 특징으로 하는 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트.
- 전 항들 중 어느 한 항에 있어서,제 1 및 제 2 금속 산화물들은 서로 밀접하게 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,제 1 및 제 2 금속 산화물들은 전기 전도성 층(electrically conductive layer)에 의해 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트.
- 전 항들 중 어느 한 항에 있어서,전기 전도성 표면(12a)은 금속 또는 금속 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 히팅 엘레멘트를 포함하는 전기 제품.
- 저항성 금속 산화물 층(resistive metal oxide layer)을 고압의 전류를 지닌 간헐적 펄싱(intermittent pulsing)을 받게 하는 것을 포함하는, 저항성 금속 산화물 층의 저항을 조절하는 방법.
- 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트의 제조 프로세스로서, 상기 프로세스는,- 전기 전도성 표면(12a)이거나 또는 이를 포함하고 있는 기판(12)에 양 또는 음의 저항온도계수를 가지는 제 1 금속 산화물(14)을 도포하는(apply) 단계;- 상기 제 1 금속 산화물과는 반대되는 저항온도계수를 가지는 제 2 금속 산화물(16)을 상기 제 1 금속 산화물 위에 전기적으로 연속되게 도포하는 단계;- 전류가 접점들 사이에서 금속 산화물들을 통해 흐를 수 있도록, 상기 제 2 금속 산화물 위에 제 2 전기 접점(20)을 도포하는 단계;를 포함하며,음의 저항온도계수를 가지는 상기 금속 산화물이, 존재하고 있는 혼입제가 파손되지 않는 온도에서, 상기 제 1 및 제 2 금속 산화물들을 조합하면 대기온도에서 소정의 작동온도까지 실질적으로 일정한 조합 저항(combined resistance)을 제공하고, 작동온도 위에서는 저항이 매우 상당히 증가하게 되는 방식으로 디포지트되는(deposited) 것을 특징으로 하는 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트의 제조 프로세스.
- 제 15 항에 있어서,양의 저항온도계수를 가지는 금속 산화물(14)이 다수의 층으로 도포되는 것을 특징으로 하는 자동조절식 전기저항 히팅 엘레멘트의 제조 프로세스.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9165701B2 (en) | 2013-01-18 | 2015-10-20 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Resistance heating element and heating member and fusing device employing the same |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2460833B (en) * | 2008-06-09 | 2011-05-18 | 2D Heat Ltd | A self-regulating electrical resistance heating element |
| KR20120119072A (ko) * | 2011-04-20 | 2012-10-30 | (주)피엔유에코에너지 | 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 전기레인지 및 그 제조방법 |
| EP3179826B1 (en) | 2015-12-09 | 2020-02-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Heating element including nano-material filler |
| CN108884735B (zh) | 2016-03-02 | 2021-08-31 | 沃特洛电气制造公司 | 具有目标降低温度电阻特性的加热元件 |
| TWI685275B (zh) * | 2016-10-21 | 2020-02-11 | 美商瓦特洛威電子製造公司 | 具有低漂移電阻反饋之電氣加熱器 |
| CN110197749B (zh) * | 2018-02-27 | 2022-03-22 | 香港理工大学 | 一体化加热器及其温度传感方法 |
| CN108944064B (zh) * | 2018-06-07 | 2021-02-23 | 广州四为科技有限公司 | 调测装置、调测热敏头阻值的方法 |
| US12063970B2 (en) | 2018-09-25 | 2024-08-20 | Philip Morris Products S.A. | Inductive heating assembly for inductive heating of an aerosol-forming substrate |
| JP7544717B2 (ja) | 2018-09-25 | 2024-09-03 | フィリップ・モーリス・プロダクツ・ソシエテ・アノニム | エアロゾル形成基体を誘導的に加熱するための加熱組立品および方法 |
| PL3855954T3 (pl) * | 2018-09-25 | 2023-02-20 | Philip Morris Products S.A. | Indukcyjnie ogrzewany wyrób do wytwarzania aerozolu zawierający substrat do wytwarzania aerozolu i zespół susceptorowy |
| CN109195237A (zh) * | 2018-10-10 | 2019-01-11 | 南昌工程学院 | 一种温度自调节平板加热器及其制备方法 |
| US11425797B2 (en) | 2019-10-29 | 2022-08-23 | Rosemount Aerospace Inc. | Air data probe including self-regulating thin film heater |
| US11745879B2 (en) | 2020-03-20 | 2023-09-05 | Rosemount Aerospace Inc. | Thin film heater configuration for air data probe |
| CN112369686A (zh) * | 2020-05-12 | 2021-02-19 | 湖北中烟工业有限责任公司 | 一种加热器 |
Family Cites Families (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1646988B2 (de) * | 1965-03-19 | 1973-06-14 | Siemens AG, 1000 Berlin u 8000 München | Verfahren zum herstellen polykristalliner scheiben-, stabrohr- oder folienfoermiger keramischer kaltleiter- bzw. dielektrikums- bzw. heissleiterkoerper |
| US3754987A (en) * | 1971-06-04 | 1973-08-28 | Texas Instruments Inc | Method of producing areas of relatively high electrical resistivity in dielectric substrates |
| SE410773B (sv) * | 1976-04-02 | 1979-10-29 | Trw Inc | Elektriskt motstand |
| US4782202A (en) * | 1986-12-29 | 1988-11-01 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Method and apparatus for resistance adjustment of thick film thermal print heads |
| DE3723051A1 (de) * | 1987-07-11 | 1989-01-19 | Kernforschungsz Karlsruhe | Halbleiter fuer einen resistiven gassensor mit hoher ansprechgeschwindigkeit |
| KR920003015B1 (ko) * | 1988-06-01 | 1992-04-13 | 마쯔시다덴기산교 가부시기가이샤 | 자체온도 제어발열체 조성물 |
| RU2082239C1 (ru) * | 1994-03-16 | 1997-06-20 | Владимир Борисович Балашов | Электропроводящая композиция для резистивного нагревательного элемента, резистивный нагревательный элемент и способ его изготовления |
| RU2058674C1 (ru) * | 1994-03-18 | 1996-04-20 | Андрей Владимирович Папков | Способ изготовления гибкого нагревателя |
| GB9511618D0 (en) * | 1995-06-08 | 1995-08-02 | Deeman Product Dev Limited | Electrical heating elements |
| DE19824104B4 (de) * | 1998-04-27 | 2009-12-24 | Abb Research Ltd. | Nichtlinearer Widerstand mit Varistorverhalten |
| GB9816645D0 (en) * | 1998-07-30 | 1998-09-30 | Otter Controls Ltd | Improvements relating to electrically heated water boiling vessels |
| GB2340713B (en) * | 1998-08-12 | 2003-03-12 | Otter Controls Ltd | Improvements relating to electric heating elements |
| GB2344042A (en) * | 1998-09-29 | 2000-05-24 | Jeffery Boardman | Method of producing resistive heating elements on an uninsulated conductive substrate |
| EP1096512B1 (en) * | 1999-10-28 | 2005-08-10 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Thick-film resistor and ceramic circuit board |
| GB2374784A (en) * | 2001-01-03 | 2002-10-23 | Jeffery Boardman | Self regulating heating element |
| AU2002223863A1 (en) * | 2000-11-21 | 2002-06-03 | Bdsb Holdings Limited | A method of producing electrically resistive heating elements having self-regulating properties |
| GB2374783A (en) * | 2000-12-15 | 2002-10-23 | Jeffery Boardman | Self regulating heating element |
| DE10315220A1 (de) * | 2003-03-31 | 2004-10-14 | E.G.O. Elektro-Gerätebau GmbH | Dickschichtpaste zur Herstellung von elektrischen Bauteilen |
| GB2419505A (en) * | 2004-10-23 | 2006-04-26 | 2D Heat Ltd | Adjusting the resistance of an electric heating element by DC pulsing a flame sprayed metal/metal oxide matrix |
| GB0428297D0 (en) * | 2004-12-24 | 2005-01-26 | Heat Trace Ltd | Control of heating cable |
-
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9165701B2 (en) | 2013-01-18 | 2015-10-20 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Resistance heating element and heating member and fusing device employing the same |
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