KR20110128503A - 전원 공급 장치를 포함하는 전기식 히터 시스템 및 이의 전원 공급 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 전기식 히터 시스템 및 이의 전원 공급 방법에 관한 것으로, 특히 본 발명은 일정 전압을 가지는 교류 전원이 전기식 히터 시스템에 공급되는 과정, 상기 히터를 구성하는 열선에 전원을 공급하는 일정 주기 동안 교류 전원을 공급하고, 상기 전원 공급 이후 일정 주기 동안 상기 열선에 교류 전원의 공급을 차단하는 전원 공급 차단을 반복적으로 수행하는 전원 공급 및 차단 과정을 포함하는 구성을 개시한다.

Description

전원 공급 장치를 포함하는 전기식 히터 시스템 및 이의 전원 공급 방법{Electronic Heater System including a power supply And Supplying Method thereof}

본 발명은 히터 전원 공급 장치에 관한 것으로, 특히 히터에 일정 주기별로 전원 공급과 차단을 수행하여 필요한 열을 안정적으로 발생시킬 수 있도록 지원하는 전원 공급 장치를 포함하는 전기식 히터 시스템 및 이의 전원 공급 방법에 관한 것이다.

히터는 공급되는 재료를 기반으로 일정한 양의 열을 발생시키는 장치로서, 가정이나, 공공장소 및 기타 산업 전반에 걸쳐 매우 넓게 이용되고 있다. 이러한 히터의 종류로서는 가스를 연료로 하여 열을 발생시키는 가스식 히터와, 휘발유 등을 연료로 하여 열을 발생시키는 기름식 히터 등이 있다. 그런데 이러한 히터들은 가스나 휘발유를 공급하거나 저장할 수 있는 저장고가 별도로 필요하기 때문에, 구조적으로 가스나 휘발유 보관을 위한 위험성이 크고 또한 원하는 열을 정밀하게 발생시키는데 많은 제약 조건이 있다.

이러한 단점을 보완하면서 사용자들이 원하는 열을 적절하게 제공할 수 있는 히터로서 열선에 전원을 공급하여 필요로 하는 열을 발생시키는 전기식 히터가 등장하였다. 전기식 히터는 전술한 바와 같이 일정 크기의 저항을 가지는 열선에 전원을 공급하여 열선 저항에 따른 열을 발생시키는 구조로서 열선의 저항 크기를 조절하거나 공급되는 전원의 크기를 조절함으로써 사용자가 원하는 열을 적절하게 제공할 수 있다. 또한 종래 전기식 히터는 가스나 휘발유 등을 별도로 보관 관리하지 않아서 그 구조가 상대적으로 단촐하기 때문에 전력을 공급할 수 있는 장소라면 어디에서라도 편리하게 사용할 수 있다는 장점이 있다. 이에 따라 종래 전기식 히터는 많은 분야 및 장소에서 사용되고 있다.

그러나 이러한 종래 전기식 히터는 열선의 저항을 기준으로 일정한 열을 발생시키기 때문에 다소 제약 조건이 존재한다. 이를 보다 상세히 설명하면, 전기식 히터를 사용하는 장소의 제약에 의하여 열선의 길이와 직경이 제한되는 경우가 발생하는데, 이때 열선의 길이와 직경이 제한되는 경우 사용자가 요구하는 적절한 열을 발생시키기 위하여 별도의 장치가 추가되어야 한다. 즉 열선의 길이와 직경이 제한되는 경우 해당 열선을 기반으로 필요로 하는 열을 발생시키기 위하여 공급되는 전원의 전압 크기를 조정하기 위한 장치가 추가될 수 있다. 만약 일정한 크기 이상의 직경을 가지지 못하는 열선에 필요 이상의 높은 전압을 가지는 전원을 공급하는 경우, 해당 열선에 걸리는 부하량이 필요 이상으로 증가하게 되며, 이로 인한 열선 파손이 발생할 수 있다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 열선의 직경을 늘릴 수 있으나, 일반적으로 열선의 길이가 제한되는 환경에서는 열선의 직경을 필요 이상으로 늘릴 수 없다. 따라서 공급되는 전압을 조정하여야 하며, 이를 위해서는 전술한 바와 같이 전압 조정기 등이 필요하다. 그런데 이 전압 조정기는 그 크기가 작업 환경 등에 비추어 상대적으로 크기 때문에 한정된 작업 장소에서 사용되는 전기식 히터에 전압 조정기 배치를 위한 공간 할당은 구조적인 문제를 야기하게 된다. 이에 따라, 열선의 직경이나 길이에 관계없이 사용자가 원하는 열을 발생시킬 수 있는 전기식 히터 시스템의 제안이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

따라서 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 히터에 공급되는 전원 공급 주기를 조절하여 열선 규격에 관계없이 필요로 하는 열을 획득할 수 있는 전원 공급 장치를 포함하는 전기식 히터 시스템 및 이의 전원 공급 방법을 제공함에 있다.

또한 본 발명은 상용 전압 등 공급되는 전압의 크기와 열선 규격에 관계없이 필요로 하는 열을 획득할 수 있는 전원 공급 장치를 포함하는 전기식 히터 시스템 및 이의 전원 공급 방법을 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 전기식 히터 시스템은 열선을 이용하는 히터, 상기 열선에 전원을 공급하되 일정 주기 동안 전원을 공급 후 일정 주긴 동안 전원 공급을 차단하는 과정을 반복하면서 전원을 공급하는 전원 공급 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 전원 공급 장치는 일정 전압의 교류 전원을 공급하는 전원부, 상기 히터를 구성하는 열선에 상기 전원부 전원을 일정 주기 동안 공급하고, 상기 전원 공급 이후 일정 주기 동안 상기 열선에 전원 공급을 차단하도록 제어하는 전원 제어부를 포함할 수 있으며, 상기 전원 제어부는 반복되는 주기 중 일정 주기 동안 "1"의 값을 출력하고 나머지 주기 동안 "0"의 값을 출력하는 카운터, 구형파 형태의 펄스폭 변조 신호를 반복적으로 출력하는 PWM 제어기, 상기 카운터 값이 "1" 값인 경우에만 상기 PWM 제어기의 펄스폭 변조 신호를 상기 전원부 전원이 상기 히터에 공급되는 신호라인에 출력하는 앤드 게이트를 포함할 수 있다.

그리고 상기 전원 공급 장치는 상기 히터와 상기 앤드 게이트 사이에 배치되어 상기 히터에 공급되는 전원을 정류하는 정류부, 상기 정류부를 선택적으로 운용하기 위하여 상기 정류부와 상기 앤드 게이트 사이에 배치되는 스위치, 상기 히터 앞단에 배치되어 히터에 공급되는 전원을 안정화시키는 안정부 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있으며, 상기 히터는 금형틀에 수지를 공급하는 매니폴드의 노즐에 장착되며, 상기 히터에 채용되는 열선의 두께는 0.01mm ~ 수mm 이상이될 수 있으며, 상기 열선에 공급되는 전원은 85V~265V 범위의 전압을 가지며, 상기 열선으로 요구되는 온도는 80도~500도 범위를 가질 수 있다. 특히 길이가 150mm 내외인 경우 상기 열선의 두께는 0.1mm ~ 1mm 내외가 될 수 있으며, 요구되는 온도는 150도~400도의 범위가 될 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기식 히터 시스템의 전원 공급 방법은 일정 전압을 가지는 교류 전원이 전기식 히터 시스템에 공급되는 과정, 상기 히터를 구성하는 열선에 전원을 공급하는 일정 주기 동안 교류 전원을 공급하고, 상기 전원 공급 이후 일정 주기 동안 상기 열선에 교류 전원의 공급을 차단하는 전원 공급 차단을 반복적으로 수행하는 전원 공급 및 차단 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 전원 공급 및 차단 과정은 상기 교류 전원의 한 싸이클 동안 전원을 공급하고 2싸이클 동안 전원 공급을 차단하는 과정을 반복 수행할 수 있으며, 주기 단위로 하이 레벨과 로우 레벨을 가지는 펄스폭 변조 신호를 생성하는 과정, 상기 펄스폭 변조 신호 중 일부 주기를 반복적으로 선택하고, 해당 주기 동안의 펄스폭 변조 신호를 선택하여 출력하는 과정, 상기 일부 주기 단위로 출력되는 펄스폭 변조 신호와 전원부의 교류 전원을 동기시키는 과정, 상기 펄스폭 변조 신호가 출력되는 주기 동안 상기 교류 전원을 상기 히터에 공급하는 과정을 포함할 수 있다.

또한 상기 전원 공급 및 차단 과정은 상기 일부 주기 동안의 교류 전원을 상기 히터에 공급하기 전에 교류 전원을 정류하는 과정, 상기 정류된 전원 또는 정류되기 이전 전원 중 어느 하나의 전원을 안정화하는 과정 중 적어도 하나의 과정을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 본 발명의 전원 공급 장치를 포함하는 전기식 히터 시스템 및 이의 전원 공급 방법은 공급되는 전원의 전압 조정을 수행하지 않으면서도 열선의 규격에 관계없이 사용자가 필요로 하는 열을 발생시킬 수 있다.

또한 본 발명은 공급되는 전원의 전압으로 인한 열선의 파손을 근본적으로 억제할 수 있으며, 열선 설치 과정에서 발생할 수 있는 열선 파손을 미연에 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기식 히터 시스템이 적용되는 작업 장치에 대하여 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전기식 히터 시스템의 구성만을 개략적으로 나타낸 블록도,
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전기식 히터 시스템의 전원 공급 방법을 설명하기 위한 전원 공급 파형도,
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전기식 히터 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도,
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전기식 히터 시스템의 전원 공급 방법을 설명하기 위한 전원 공급 파형도.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기식 히터 시스템이 적용되는 작업 장치 예를 들면 핫러너 시스템(HotRunner System)의 외관을 개략적으로 나타낸 도면이다. 이하 설명에 앞서 본 발명의 전기식 히터 시스템 적용을 금형 제조 장치를 주 예제로 하여 설명하지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 전기식 히터 시스템은 금형 제조 장치뿐만 아니라 전기식 히터 시스템을 적용하는 다양한 산업 장치 및 가정 기기 등에도 적용 가능할 것이다.

상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 전기식 히터 시스템이 적용되는 작업 장치(200)는 금형틀(100), 매니폴드(220), 전기식 히터 시스템(20) 및 수지 보관/공급 장치(210)를 포함할 수 있다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 작업 장치(200)는 수지 보관/공급 장치(210)에 보관되어 있는 수지를 매니폴드(220)를 통하여 금형틀(100)에 공급하고 이 과정에서 상기 전기식 히터 시스템(20)의 전원 공급 장치(250)가 히터(240)에 전원을 공급하여 금형틀(100)에 공급될 수지의 열변환 정도를 유지시키도록 제어한다. 이에 따라 본 발명의 작업 장치(200)는 상기 금형틀(100)에 공급되는 열변환된 수지가 금형틀(100)에 공급된 다음 일정 시간 경과하여 냉각되면 금형틀(100)에 주입된 수지가 경화되어 작업자가 요구하는 제품을 제작할 수 있도록 지원한다. 이 과정에서 본 발명의 전원 공급 장치(250)는 별도의 전압 조정기를 마련하지 않고 공급되는 전압 예를 들면 상용 전압을 가지는 전원을 기반으로 히터(240)에 공급되는 전원의 공급 주기를 조절함으로써 히터(240)의 규격 제한에 관계없이 히터(240) 규격에 따른 열을 안정적으로 발산시킬 수 있도록 지원할 수 있다. 이하 상기 작업 장치(200)의 구성에 대하여 개략적으로 추가 설명하기로 한다.

상기 금형틀(100)은 해당 작업 장치(200)가 사출하고자 하는 제품의 형태가 주조된 틀을 가지는 구성으로서, 형이 음각 또는 양각된 형틀(110)과, 형틀(110)을 덮는 덮개(120)를 포함한다. 여기서 상기 덮개(120)는 매니폴드(220)의 수지 공급로(러너)(223)와 대면되는 부분에 주입로(121)가 마련될 수 있다. 이에 따라 상기 덮개(120)에 매니폴드(220)가 밀착되면, 매니폴드(220)의 수지 공급로(223)를 통하여 공급된 수지가 상기 덮개(120)의 주입로(121)를 따라 유입된 후 상기 형틀(110)에 마련된 공동 즉 형을 채우게 된다. 이후 상기 금형틀(100)은 일정 시간을 경과시켜 자발 냉각 방식으로 형틀(110)에 유입된 수지를 경화시키거나, 수냉 또는 공냉 등의 다양한 방식으로 금형틀(100)의 온도를 낮추어 일정 온도를 가지며 주입된 수지를 경화시킬 수 있다.

상기 매니폴드(220)는 수지 보관/공급 장치(210)와 맞닿는 몸체부(221)와, 금형틀(100)과 맞닿는 노즐(230)을 포함할 수 있다. 이러한 매니폴드(220)는 수지 보관/공급 장치(210)에서 제공되는 수지를 금형틀(100)에 제공하기까지의 통로를 제공하며, 이 과정에서 금형틀(100)과 밀착되는 노즐(230)에는 히터(240)가 장착될 수 있다. 그리고 상기 매니폴드(220)의 몸체부(221) 내측에는 상기 노즐(230)까지 이어지는 수지 공급로(223)가 마련될 수 있다. 여기서 상기 노즐(230)에 마련되는 히터(240)는 일정한 굵기와 길이를 가지는 열선의 형태로 제작되어 상기 노즐(230)의 외관을 감싸도록 배치된다. 그리고 상기 히터(240)는 상기 열선의 일측 끝을 전원 공급 장치(250)와 전기적으로 접속시켜 전원 공급 장치(250)가 공급하는 전원을 기반으로 일정한 열을 노즐(230)에 제공하도록 지원한다.

상기 노즐(230)은 상기 몸체부(221)와 연결되는 바디(231)와, 상기 바디(231)와 연결되는 팁(233) 및 작업자의 제어에 따라 금형틀(100)의 덮개(120)와 접촉되는 게이트(235)를 포함할 수 있다. 여기서 상기 수지 공급로(223)는 상기 바디(231)의 중심과 팁(233)의 중심을 관통하여 게이트(235)와 연결된다. 한편 상기 노즐(230)에 장착되는 히터(240)는 상기 바디(231)에 장착되는 바디히터(241)와, 상기 팁(233)에 장착되는 팁히터(243)를 포함할 수 있다. 이러한 히터(240)는 전원 공급 장치(250)가 제공하는 전원을 기반으로 상기 노즐(230)의 바디(231) 및 팁(233)에 열을 가하게 되며 이에 따라 상기 바디(231)와 팁(233)을 관통하는 수지의 열변환 상태를 유지하도록 제어할 수 있다. 특히 상기 팁(233)의 경우 수지를 금형틀(100)에 주입하기 위해서는 게이트(235)가 금형틀(100)의 덮개(120)와 접촉되어야 하는데, 이때 상기 팁(233)의 상당량의 열이 상기 덮개(120)에 전이될 수 있다. 이에 따라 상기 팁(233)은 매니폴드(220)의 다른 부분들에 비하여 상대적으로 낮은 온도가 형성될 수 있다. 이에 따라 상기 팁히터(243)는 상기 팁(233)의 열 손실을 보상할 수 있을 만큼의 열을 제공하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 매니폴드(220)의 몸체부(221)에는 다수개의 매니폴드 히터가 마련되어 몸체부(221)가 일정한 온도를 유지할 수 있도록 지원할 수 있다.

한편 도면에서 전원 공급 장치(250)는 매니폴드(220)의 몸체부(221) 내측에 마련하는 것으로 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 상기 히터(240)에 전원을 공급하기 위한 신호선만이 상기 몸체부(221) 내측 또는 외측에 마련될 수 있고, 상기 전원 공급 장치(250)는 몸체부(221) 외관 일측 또는 별도의 장소에 배치될 수 있다. 상기 매니폴드(220)는 수지 보관/공급 장치(210)에서 공급되는 수지를 상기 금형틀(100)에 제공하는 구성이기 때문에 상기 금형틀(100)의 개수에 따라 상기 노즐(230)들의 개수가 변경될 수 있으며, 일반적으로 상기 금형틀(100) 제작과 함께 세트로 제작될 수 있다.

상기 수지 보관/공급 장치(210)는 수지를 보관하는 장치로서 페이스트 형태의 플라스틱 재료의 수지를 보관할 수 있다. 상기 수지 보관/공급 장치(210)는 수지를 보관하다가, 작업 장치(200)의 제어 장치 또는 작업자의 제어에 따라 보관된 수지를 상기 매니폴드(220)에 마련된 수지 공급로(223)로 주입할 수 있도록 구조가 형성될 수 있다. 즉 상기 수지 보관/공급 장치(210)에는 일정한 압력을 제공하여 보관된 수지가 상기 수지 공급로(223)를 통하여 공급될 수 있도록 지원하는 구성이 추가될 수 있다.

상기 전기식 히터 시스템(20)은 상기 매니폴드(220)의 노즐(230) 외관에 일정한 간격을 가지며 감겨지는 열선으로 구성된 히터(240), 상기 히터(240)에 전원을 공급하는 전원 공급 장치(250)를 포함할 수 있다.

상기 히터(240)는 상기 노즐(230)의 외관을 일정한 각도를 가지며 감싸는 열선으로 구성된다. 상기 열선은 길이와 직경에 따라 일정 저항 값을 가지게 되며, 이러한 저항 값은 해당 열선이 발휘할 수 있는 열 특성을 결정하게 된다. 따라서 상기 히터(240)가 일정한 온도를 제공하기 위해서는 상기 열선의 직경과 길이가 그에 대응하여 조절되어야 한다. 그런데 노즐(230)의 외관은 정해져 있기 때문에 일정한 온도를 제공하기 위해서는 상대적으로 얇은 직경과 길이를 가지는 열선이 필요하며, 이러한 얇은 직경과 길이를 열선은 적절한 전원 공급을 위하여 상대적으로 낮은 전압의 전원 공급이 필요하다. 그러나 낮은 전압의 전원 공급이 제공되는 히터(240)라 하더라도 전기식 히터 시스템(20)에 전원이 공급되는 초기 시점 또는 정전기 등의 영향으로 인하여 순간적으로 매우 높은 전압의 전원이 공급되는 일이 발생할 수 있다. 즉 상대적으로 얇은 직경과 길이를 가지는 열선의 경우 전압 조정기를 사용한다 하더라도 일시적인 높은 전압에 의한 열선 파손의 위험이 내재되어 있는 셈이다. 본 발명의 전기식 히터 시스템(20)은 이를 방지하기 위하여 일정 굵기 이상의 열선을 사용하면서도 일정 전압 이상의 전원을 이용하여 안정적인 열 발산을 수행할 수 있도록 전원 공급과 전원 차단이 일정 주기 단위로 반복적으로 수행할 수 있는 전원 공급 장치(250)를 제공한다.

상기 전원 공급 장치(250)는 매니폴드(220) 설명에서도 언급한 바와 같이 상기 몸체부(221) 내측에 일정한 공간을 마련하고, 해당 공간에 배치될 수 있으며, 또한 몸체부(221) 외측 또는 금형 제조에 영향을 주지 않는 별도의 장소에 배치될 수 있다. 이때 상기 전원 공급 장치(250)는 상기 히터(240)에 전원을 공급하기 위한 신호 라인을 포함하게 된다. 한편 본 발명의 실시 예에 따른 전기식 히터 시스템(20)은 열선으로 마련되는 히터(240)에 일정 주기 단위로 전원을 공급하고, 또한 일정 주기 단위로 전원 공급을 중지시킴으로써 전원의 전압 크기에 관계없이 일정한 굵기의 열선이 요구되는 온도를 낼 수 있을만한 전원을 안정적으로 공급할 수 있다. 즉 본 발명의 전기식 히터 시스템(20)은 히터(240)의 규격이나 전원의 크기 등에 관계없이 해당 히터(240)의 파손 발생 없이 해당 히터(240)를 구성하는 열선의 규격에 맞는 열을 발산할 수 있도록 지원한다. 상기 전기식 히터 시스템(20)에 관한 상세한 설명 특히 전원 공급 장치(250)의 설명은 도 2 내지 도 5를 참조하여 보다 상세히 후술하기로 한다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시 예에 따른 작업 장치(200)는 노즐(230)에 장착되는 히터(240)의 전압 공급과 공급 차단을 반복적으로 수행하도록 함으로써, 히터(240)를 구성하는 열선의 규격 등을 고려한 전압 감압 등의 수행 없이 안정적인 열 발산을 수행할 수 있도록 지원한다. 이에 따라 본 발명의 작업 장치(200)에서 전기식 히터 시스템(20)은 별도의 전압 조정을 위한 전압 조정기가 배제될 수 있으며, 히터(240)를 구성하는 열선의 직경을 대폭 증강시킬 수 있다.

한편 상술한 설명에서 상기 전기식 히터 시스템이 채용된 작업 장치의 구성을 단순히 수지 보관/공급 장치(210)와 매니폴드(220) 및 금형틀(100)만을 구성하는 것으로 설명하였으나, 실질적으로는 금형 제작을 위해서 보다 많고 다양한 구성품들이 더 추가될 수 있다. 그러나 이러한 추가 구성품들은 본 발명의 히터 시스템과는 직접적인 연관성이 낮은 것으로 판단되어 해당 추가 구성품들을 생략하고 도시한 것이다. 따라서 본 발명의 작업 장치(200)는 작업 환경이나 제조 물품 및 기타 다양한 조건에 따라 다른 구성품들이 더 추가되거나, 현재 도시된 구성품들 중 일부가 배제되거나 또는 통합되거나 위치가 변경되는 등의 가능성이 있음을 이해하여야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전기식 히터 시스템(20)의 구성을 설명하기 위한 블록도이며, 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전기식 히터 시스템(20) 상에서 공급되는 신호들을 측정하여 나타낸 것으로 실질적으로 히터의 전원 공급 파형도를 나타낸 것이다.

상기 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 전기식 히터 시스템(20)은 히터(240) 및 전원 공급 장치(250)를 포함하며, 상기 전원 공급 장치(250)는 전원부(251), PWM 제어기(253), 카운터(255) 및 앤드 게이트(256)를 포함할 수 있다.

이와 같은 구성을 가지는 전원 공급 장치(250)는 PWM 제어기(253)에서 출력되는 신호를 카운터(255)를 이용하여 일정 주기 동안만 출력되도록 제어하고, 일정 주기 동안만 출력된 펄스폭 변조 신호를 상기 전원부(251) 전원과 동기하여 펄스폭 변조 신호가 유효한 구간에서만 전원부(251) 전원이 히터(240)에 공급될 수 있도록 제어할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 전원 공급 장치(250)는 전원부(251)에서 공급된 일정 전압의 전원을 전체 주기 중 일정 주기 동안만 반복적으로 히터(240)에 제공하도록 함으로써, 히터(240)의 파손 없이 획득하고자 하는 열을 발산할 수 있도록 지원한다. 이하 상기 각 구성에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

상기 전원부(251)는 일정 전압을 가지며 전원을 공급하는 전원부(251)이다. 이러한 전원부(251)는 85V~265V 사이의 상용 전압원이 될 수 있으며, 예를 들면 220V 60Hz 교류 전원을 공급할 수 있다. 또한 상기 전원부(251)는 110V 50Hz 교류 전원을 공급할 수 도 있다. 이하 설명에서는 상기 전원부(251) 전원을 220V 60Hz 교류 전원을 기준으로 설명하기로 한다. 하지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 보다 다양한 전압의 크기를 가지는 교류 전원이 될 수 도 있을 것이다. 상기 전원부(251)에서 상기 히터(240)에 공급되는 전원은 상기 카운터(255)가 유효한 값을 출력하는 시간 동안 앤드 게이트(256)를 통하여 출력된 PWM 제어기(253) 신호와 동기되고, 이에 따라 카운터(255) 제어에 따라 일정 주기 단위로 출력되는 펄스폭 변조 신호를 기반으로 제공되는 일정 전압의 전원을 히터(240)에 공급하게 된다.

상기 PWM 제어기(253)는 전원부(251) 또는 PWM 생성기 등에서 생성된 PWM 신호의 펄스폭을 작업자의 제어에 따라 제어하여 카운터(255)에 제공하는 구성이다. 이러한 PWM 제어기(253)는 전원부(251)에서 제공되는 교류 전원의 주파수를 이용하여 펄스폭 변조 신호를 생성할 수 있다. 그리고 상기PWM 제어기(253)는 일정한 펄스폭을 가지는 신호 예를 들면 구형파 신호를 상기 앤드 게이트(256)에 제공할 수 있다. 본 발명에서 상기 PWM 제어기(253)는 상기 전원부(251)에서 공급되는 전원의 유효 전력 공급을 위하여 펄스폭의 크기를 제어하는데 이용될 수 있다. 이러한 PWM 제어기(253)는 상기 전원부(251)에서 공급되는 전원의 주파수를 고려하여 해당 주파수의 2배수가 되는 주파수를 가지도록 신호를 제어할 수 있다. 즉 상기 PWM 제어기(253)가 제어하는 구형파 형태의 펄스폭 변조 신호는 상기 전원부(251)에서 공급된 교류 전원의 한 주기 동안 두 번의 하이 레벨과 두 번의 로우 레벨을 가지는 신호가 될 수 있다. 그리고 반주기 동안 공급되는 펄스폭 변조 신호는 상기 하이 레벨의 신호 구간이 상기 로우 레벨의 신호 구간과 동일하게 형성되거나, 하이 레벨의 신호 구간이 상기 로우 레벨의 신호 구간보다 크게 형성될 수 있다.

상기 카운터(255)는 상기 PWM 제어기(253)에서 공급되는 펄스폭 변조 신호의 전체 주기 중 일부 주기 동안의 펄스폭 변조 신호만이 앤드 게이트(256)를 통하여 히터(240)에 전달될 수 있도록 제어하고, 나머지 주기 동안에는 펄스폭 변조 신호가 앤드 게이트(256)를 통하여 출력되지 않도록 제어하는 구성이다. 예를 들면 상기 카운터(255)는 6 개의 카운트 이후 초기 상태로 복귀하는 링 카운터가 될 수 있으며, 최초 1 카운트 및 2카운트 상태에서는 상기 전원부(251) 전원과 상기 펄스폭 변조 신호를 히터(240)에 전달하며, 나머지 3, 4, 5, 6 카운트 상태에서는 전원 및 신호 공급을 차단하도록 세팅될 수 있다. 2개의 카운트가 전원부(251)의 한 싸이클에 대응한다고 가정하면, 상기 전원 공급 장치(250)는 한 싸이클 동안의 전원부(251) 전원을 히터(240)에 공급하고 두 싸이클 동안 전원 공급이 차단되는 과정을 반복 수행하게 된다. 그리고 다시 1 카운트 및 2 카운트 상태가 되면 상기 카운터(255)는 PWM 제어기(253)의 펄스폭 변조 신호를 상기 히터(240)에 공급하도록 제어할 수 있다. 결과적으로 상기 카운터(255)는 전체 6개의 카운트 기간이 반복적으로 수행되는 동안 두 번의 카운트 기간 동안 "1"의 값을 앤드 게이트(256)에 전달하고, 4개 카운트 기간 중에는 전원 및 신호 공급을 차단하도록 "0"의 값을 앤드 게이트(256)에 전달할 수 있다. 여기서 상기 2개의 카운트 기간은 앞서 언급한 바와 같이 전원부(251) 전원 1주기에 해당하는 기간이 될 수 있으며, 이러한 카운트의 시간 폭은 전원부(251) 전원의 주파수에 따라 조정될 수 있다. 한편 상기 카운터(255) 설명에서는 2개의 카운트 기간 동안 "1"의 값을 출력하고 4개의 카운트 기간 동안 "0"을 출력하는 것으로 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉 상기 카운터(255)는 작업자의 설계 제어에 따라 전체 카운트 기간 중 일부 카운트 기간 동안 "1"의 값을 출력할 수 있으며, 나머지 카운트 기간 동안 펄스폭 변조 신호 출력 차단을 위한 "0"의 값을 출력할 수 있다. 여기서 상기 "1"이 출력되는 카운트 기간의 정의는 히터(240)의 특성 즉 열선의 특성에 따라 변경될 수 있다. 즉 상기 "1"이 출력되는 카운트 기간은 상기 열선의 공급 전원의 전압에 대하여 가지는 안정성을 기준으로 조정될 수 있으며, 이러한 카운트 기간은 다양한 실험을 통하여 조정될 수 있다. 일예로서 220V 60Hz 교류 전원이 공급되며 전술한 금형 작업 장치(200)의 노즐(230)에 채용되는 히터(240)의 경우 2:4의 비율로 "1"과 "0"이 출력되는 타이밍이 조정될 수 있으며, 이를 기반으로 상기 히터(240)는 안정적인 온도를 유지하며 동작할 수 있다. 이때 상기 히터(240)의 열선 직경은0.01mm ~ 1mm 범위 및 1mm 이상도 가능하며 상기 히터(240)의 요구 온도는 섭씨 80도 ~ 500도 범위가 될 수 있다. 특히 150 ~ 400도 범위의 온도가 요구되며 길이가 200mm ~ 400mm로 제한되는 경우 본 발명의 상용전압 공급 방식의 경우 열선의 직경을 0.01mm ~ 1mm 정도로 형성하여 이용할 수 있다. 이러한 수치들은 실질적으로 상기 작업 장치(200)의 종류나 크기 및 특성에 따라 변경될 수 있으며, 히터(240)의 크기나 획득하고자 하는 온도 도달 시간 등에 따라 변경될 수 도 있을 것이다. 따라서 본 발명의 전원 공급 장치(250)는 전술한 카운터(255)의 시간 크기, "1"의 값 출력 카운트의 개수 등에 한정되는 것이 아니라, 히터(240)에 공급되는 일정 크기 이상의 전압을 가지는 전원을 일정 주기 단위로 반복적으로 공급과 차단 수행하도록 하는 기능을 가지는 것으로 이해되어야 할 것이다.

상기 앤드 게이트(256)는 상기 카운터(255)의 출력 값과 상기 PWM 제어기(253)의 출력 값을 조합하여 카운터(255)의 출력 값을 기준으로 해당 펄스폭 변조 신호를 히터(240)와 연결된 신호 라인에 전달하는 구성이다. 이때 상기 신호 라인에는 전원부(251)가 연결되어 실질적으로 상기 앤드 게이트(256)의 출력은 상기 전원부(251) 전원과 동기되어 상기 히터(240)의 전원 공급 주기를 결정하게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 전원 공급 장치(250)는 히터(240)의 전원 공급에 있어서 일부 주기 동안 전원을 공급하고, 나머지 주기 동안에는 전원 공급을 차단하는 과정을 반복함으로써, 일부 주기 동안에만 일정 전압의 전원을 히터(240)의 열선에 공급하도록 제어한다. 따라서 본 발명의 전원 공급 장치(250)는 열선의 직경이 작더라도 간헐적인 전원 공급을 이용하여 열선에 걸리는 높은 전압에 의한 열선 부하량을 감소시킬 수 있기 때문에 높은 전압에 의한 열선 파손을 방지할 수 있다. 한편, 본 발명의 전원 공급 장치(250)는 높은 전압을 이용하기 때문에 필요로 하는 소비전력 즉 온도 획득을 위하여 저항을 높인 얇은 열선에 비하여 저항이 작은 상대적으로 굵은 열선을 이용할 수 있다. 따라서 본 발명의 전기식 히터 시스템(20)은 열선의 직경을 증가시켜 저항을 감소시키더라도 상대적으로 높은 전압을 이용할 수 있으므로 요구되는 전력을 충족시킬 수 있다.

한편 도 3을 참조하여 본 발명의 전원 공급 장치(250)가 공급하는 신호 파형들을 설명하면, 먼저 전원부(251)는 가정한 바와 같이 220V 60Hz 교류 전원인 경우 "A"에 도시된 바와 같이 사인파 형태의 교류 파형을 나타내게 된다. 여기서 교류 전원의 주파수가 60Hz이기 때문에 1 주기 시간 간격은 1/60초가 되며, 반주기 시간 간격은 1/120초가 될 수 있다. 한편 PWM 제어기(253)는 전원부(251)가 공급하는 전원의 형태에 맞추어 "B"에 도시된 바와 같이 상기 전원부(251)의 반주기 동안 1 싸이클을 가지는 펄스폭 변조 신호를 출력하게 된다. 이때 상기 PWM 제어기(253)의 출력 신호는 하이 레벨 기간이 로우 레벨 기간 이상으로 설정될 수 있다. 그리고 카운터(255)의 출력은 "C"에 도시된 바와 같이 일정 구간 예를 들면 전원부(251)가 공급하는 교류 전원의 한주기에 해당하는 시간 동안 "1"의 값을 출력하고, 나머지 주기 동안에는 "0"의 값을 출력한 후 이를 반복적으로 수행하는 출력을 하게 된다.

다음으로 앤드 게이트(256)의 출력은 "D"에 도시된 바와 같이 카운터(255)가 전원부(251)의 한주기에 해당하는 시간 동안 "1"의 값을 출력하기 때문에 도시된 바와 같이 PWM 제어기(253)의 펄스폭 변조 신호의 2싸이클에 해당하는 시간 동안 하이레벨을 가지는 상태와, 펄스폭 변조 신호의 4싸이클에 해당하는 시간 동안 로우 레벨을 가지는 상태의 파형을 나타내게 된다. 이에 따라 상기 히터(240)에 공급되는 전원은 "E"에 도시된 바와 같이 전원부(251)의 한주기 동안의 정현파만이 공급되며, 이때 PWM 제어기(253)가 공급하는 펄스폭 변조 신호와의 동기로 인하여 펄스폭 변조 신호의 하이 레벨 구간에서만 유효 전력 공급이 발생하게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 전기식 히터 시스템(20)은 히터(240)에 공급되는 전원을 일정 주기 동안 전원 공급을 유지하고, 일정 주기 동안 전원 공급을 차단하는 과정을 반복적으로 수행함으로써, 히터(240)에 걸리는 전압의 부하량을 감소시킬 수 있다. 이에 따라 본 발명의 전기식 히터 시스템(20)은 상용 전압과 같이 높은 전압을 별도의 감압 과정 없이 바로 이용할 수 있으며, 높은 전압 이용을 기반으로 히터(240)의 열선 직경을 일정 수준 이상 예를 들면 1mm 이상으로 확장시킬 수 있다. 따라서 열선의 파손 방지를 보다 공고히 할 수 있으며, 열선 가공 처리 과정에서 발생할 수 있는 열선 손상에 대한 저항력을 증대시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전기식 히터 시스템(20)의 구성을 설명하기 위한 불록도이며, 도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전기식 히터 시스템(20) 상에서 전송되는 신호를 검측한 전원 공급 파형도이다.

상기 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 전기식 히터 시스템(20)은 히터(240) 및 전원 공급 장치(250)를 포함하며, 상기 전원 공급 장치(250)는 전원부(251), PWM 제어기(253), 카운터(255), 앤드 게이트(256) 및 정류부(257)를 포함할 수 있으며 추가로 안정부(258)를 더 포함할 수 있다.

이와 같은 구성을 가지는 전원 공급 장치(250)는 PWM 제어기(253)에서 출력되는 펄스폭 변조 신호 중 상기 카운터(255)의 출력 값 및 앤드 게이트(256)의 제어에 따라 일부 펄스폭 변조 신호만을 히터(240)에 공급될 수 있도록 제어하며, 이 과정에서 전원부(251) 신호를 상기 앤드 게이트(256)를 통하여 출력된 펄스폭 변조 신호들과 동기하여 히터(240)에 공급함으로써, 전원부(251) 전원이 공급되는 시간 중 제1 시간 동안 전원이 공급되고 제2 시간 동안 전원 공급이 차단되는 과정을 반복적으로 수행하도록 제어할 수 있다. 이때 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전원 공급 장치(250)는 정류부(257)를 상기 히터(240) 앞단에 마련하여 상기 전원부(251)가 공급하는 전원의 형태 중 일부 파형만을 취하거나, 일부 파형을 반전시켜 취하도록 지원할 수 있다. 이하 상기 각 구성에 대하여 보다 상세히 설명하기로 하지만, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전기식 히터 시스템(20)은 상기 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전기식 히터 시스템(20)에 비하여 정류부(257)와 안정부(258)의 추가를 제외하고 동일한 구성 및 기능을 가진다. 이에 따라 상기 정류부(257)와 안정부(258)를 제외한 구성들에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 정류부(257)는 앞서 언급한 바와 같이 상기 전원부(251)에서 공급되는 전원 중 일부 전원의 파형을 변경하는 구성이다. 이러한 정류부(257)는 단일 다이오드로 구성되어 도 5의 "F1"에 도시한 바와 같이 사인파 형태의 신호를 축 기준으로 양의 값을 가지는 파형만을 히터(240)에 공급하도록 제어하고, 음의 값을 가지는 파형은 제거되도록 지원할 수 있다. 또한 상기 정류부(257)는 브리지 형태의 다이오드 결선으로 구성되어 도 5의 "F2"에 도시한 바와 같이 사인파 형태의 신호를 축 기준으로 음의 값을 가지는 파형을 반전시켜 히터(240)에 공급하도록 제어할 수 있다. 이러한 정류부(257)의 구성은 상기 앤드 게이트(256)의 출력단에 스위치(259)를 추가로 마련한 후 배치함으로써, 히터(240)를 구성하는 열선의 종류 및 특성에 따라 선택적으로 적용할 수 있도록 지원할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 전원 공급 장치(250)는 보다 유동적이며 선택적으로 상용 전압의 간헐 주기에 따른 전원 공급을 수행할 수 있도록 지원한다.

상기 안정부(258)는 상기 정류부(257) 앞단 또는 앤드 게이트(256)에 마련되어 상기 히터(240)에 공급되는 전원을 안정시키는 구성이다. 이러한 안정부(258)는 커패시터로 구성될 수 있다. 작업 장치(200)가 정밀 작업을 수행하게 되면 노즐(230)의 유동을 방지하기 위한 방법이 요구되는데, 이를 위하여 상기 안정부(258)가 상기 전원 공급 장치(250)의 끝단에 마련되어 공급되는 전원에 의한 진동 현상을 방지할 수 있도록 지원한다.

한편 상술한 설명에서는 전원 공급 장치(250)에 카운터(255)와 PWM 제어기(253) 및 앤드 게이트(256)를 포함하는 구성을 기준으로 공급되는 전원의 공급 주기를 조절하는 것으로 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉 본 발명의 전원 공급 장치(250)는 전원부(251)에서 일정 주파수 및 일정 전압을 가지는 전원을 일정 주기 단위로 히터(240)에 공급 및 공급 차단을 반복할 수 있도록 제어할 수 있는 장치라면 어떠한 형태라도 적용 가능할 것이다. 다시 말하여 본 발명의 전원 공급 장치(250)는 전원부(251)의 전원을 상술한 바와 같이 전체 주기 중 일정 주기 동안만 반복적으로 공급하도록 제어할 수 있는 원칩 형태의 전원 제어부로 교체 가능하며, 상기 전원 제어부에는 일정 주기 동안 전원 공급을 위한 루틴을 포함하는 임베이디드 시스템이 탑재될 수 있다. 이에 따라 상기 전원 제어부는 전술한 카운터(255), PWM 제어기(253) 및 앤드 게이트(256)를 포함하는 구성이 될 수 있다. 또한 상기 카운터(255)는 일정 타이밍 동안만 "1"의 값을 반복적으로 출력하는 것에 대응하는 스위치들로 교체될 수 있으며, 이 경우 상기 스위치 제어를 위한 프로세서가 탑재될 수 있다. 즉 본 발명의 전원 공급 장치(250)는 전원 공급을 위한 전체 주기 중 일정 주기 동안만 반복적으로 전원이 공급되도록 제어할 수 있는 다양한 회로 소자나 집적칩에 의해 구현될 수 있으므로, 본 발명이 전술한 블록도들 및 블록도를 구성하는 구성들의 명칭이나 개수 등으로 한정되어서는 아니 될 것이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

20 : 전기식 히터 시스템 100 : 금형틀
110 : 형틀 120 : 덮개
121 : 주입로 200 : 작업 장치
210 : 수지 보관/공급 장치 220 : 매니폴드
221 : 몸체부 223 : 수지 공급로
225 : 노즐 240 : 히터
250 : 전원 공급 장치 251 : 전원부
253 : PWM 제어기 255 : 카운터
256 : 앤드 게이트 257 : 정류부
258 : 안정부 259 : 스위치

Claims (9)

1. 전기식 히터 시스템의 전원 공급 방법에 있어서,
   일정 전압을 가지는 교류 전원이 전기식 히터 시스템에 공급되는 과정;
   상기 히터를 구성하는 열선에 전원을 공급하는 일정 주기 동안 교류 전원을 공급하고, 상기 전원 공급 이후 일정 주기 동안 상기 열선에 교류 전원의 공급을 차단하는 전원 공급 차단을 반복적으로 수행하는 전원 공급 및 차단 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 히터 시스템의 전원 공급 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전원 공급 및 차단 과정은
   상기 교류 전원의 한 싸이클 동안 전원을 공급하고 2싸이클 동안 전원 공급을 차단하는 과정을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 전기식 히터 시스템의 전원 공급 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 전원 공급 및 차단 과정은
   일정 주기로 하이 레벨과 로우 레벨을 가지는 펄스폭 변조 신호를 생성하는 과정;
   반복적으로 전달되는 상기 펄스폭 변조 신호 중 일부 주기를 반복적으로 선택하고, 선택된 펄스폭 변조 신호를 출력하는 과정;
   상기 일부 주기 단위로 출력된 펄스폭 변조 신호와 전원부의 교류 전원을 동기시키는 과정;
   상기 동기된 펄스폭 변조 신호가 출력되는 주기 동안 상기 교류 전원을 상기 히터에 공급하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 히터 시스템의 전원 공급 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 일부 주기 동안의 교류 전원을 상기 히터에 공급하기 전에 교류 전원을 정류하는 과정;
   상기 정류된 전원 또는 정류되기 이전 전원 중 어느 하나의 전원을 안정화하는 과정; 중 적어도 하나의 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 히터 시스템의 전원 공급 방법.
5. 전기식 히터 시스템에 있어서,
   열선을 이용하는 히터;
   상기 열선에 전원을 공급하되 일정 주기 동안 전원을 공급한 후 일정 주기 동안 전원 공급을 차단하는 과정을 반복하면서 전원을 공급하는 전원 공급 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 히터 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 전원 공급 장치는
   일정 전압의 교류 전원을 공급하는 전원부;
   상기 히터를 구성하는 열선에 상기 전원부 전원을 일정 주기 동안 공급하고, 상기 전원 공급 이후 일정 주기 동안 상기 열선에 전원 공급을 차단하도록 제어하는 전원 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 히터 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 전원 제어부는
   반복되는 주기 중 일정 주기 동안 "1"의 값을 출력하고 나머지 주기 동안 "0"의 값을 출력하는 카운터;
   구형파 형태의 펄스폭 변조 신호를 반복적으로 출력하는 PWM 제어기;
   상기 카운터 값이 "1" 값인 경우에만 상기 PWM 제어기의 펄스폭 변조 신호를 상기 전원부 전원이 상기 히터에 공급되는 신호라인에 출력하는 앤드 게이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 히터 시스템.
8. 제5항에 있어서,
   상기 전원 공급 장치는
   상기 히터와 상기 앤드 게이트 사이에 배치되어 상기 히터에 공급되는 전원을 정류하는 정류부;
   상기 정류부를 선택적으로 운용하기 위하여 상기 정류부와 상기 앤드 게이트 사이에 배치되는 스위치;
   상기 히터 앞단에 배치되어 히터에 공급되는 전원을 안정화시키는 안정부; 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 히터 시스템.
9. 제5항에 있어서,
   상기 히터는
   금형틀에 수지를 공급하는 매니폴드의 노즐에 장착되며,
   노즐의 바디에 배치되는 바디히터;
   노즐의 팁에 배치되는 팁히터 중 적어도 하나를 포함하며,
   상기 바디히터 및 상기 팁히터 중 적어도 하나는
   상기 채용되는 열선의 두께가 0.01mm ~ 2mm 정도이며, 상기 열선에 공급되는 전원은 85V~265V 범위의 교류 전압을 가지며, 상기 열선으로 요구되는 온도는 150도~400도 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 전기식 히터 시스템.

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