KR20160093667A - 교류에 의해 작동되는 가열 요소 및 이 가열 요소에 의해 달성되는 발열기 - Google Patents

Abstract

가열 요소(1)는 교류에 의해 작동되고, 발열기(43)는 가열 요소(1) 및 전자제어장치(9)를 포함한다. 가열 요소는 폐쇄되거나 하나 이상의 개구를 구비하는 중공체 하우징(3), 및 절연 요소(4)에 의해 상기 하우징(3) 및 서로로부터 절연되는 적어도 2 개의 전극(5)을 갖는다. 전자제어장치(9)는 교류 전력 공급 유닛(10), 중앙 유닛(11) 및 강전류 스위치 유닛(12)를 포함한다. 강전류 스위치 유닛(12)의 출력(15)은 가열 요소(1)에 접속된다. 전극(5)은 다각형 또는 3 차원 곡선 단면을 갖고, 그것이 길이방향의 축선(8) 또는 발생선의 각각은 지수 곡선을 형성한다. 최대 1000 V 진폭의 듀티 팩터 변조된 교류 전압의 1000-60000 Hz가 상기 전극(5)에 접속된다.

Description

교류에 의해 작동되는 가열 요소 및 이 가열 요소에 의해 달성되는 발열기{HEATING ELEMENT POWERED BY ALTERNATING CURRENT AND HEAT GENERATOR ACCOMPLISHED BY THE HEATING ELEMENT}

본 발명은 가열 요소의 주위의 외부 매체를 가열하기 위해 적용될 수 있는 교류에 의해 작동되는 가열 요소에 관한 것이다. 가열 요소는 개방되거나 폐쇄된 중공체로서 형성되는 하우징, 및 절연 요소에 의해 하우징에 대해, 그리고 서로에 대해 절연되는 적어도 2 개의 전극을 갖는다. 본 발명은 또한 전자제어장치 및 열 전달 매체와 접촉되는 가열 요소를 포함하는 교류에 의해 작동되는 발열기에 관한 것이다. 이 전자제어장치는 교류 공급 유닛, 중앙 유닛 및 강전류 스위치 유닛을 포함한다. 전력 공급 유닛의 전력 출력은 강전류 스위치 유닛에 접속된다. 전력 공급 유닛의 주파수 출력은 중앙 유닛에 접속된다. 강전류 스위치 유닛의 출력은 가열 요소에 접속된다.

특허 출원 EP 0690660는 유동하는 이온성 유체를 가열하기 위한 방법 및 장치를 기술한다 이 장치는 액체가 순환되는 긴 하우징으로 이루어진다. 이 하우징의 유입구 및 유출구에는 2 개의 동일한 전극이 배치된다. 전극들 사이에는 전기장이 생성된다. 가열 중에 액체는 전극들 사이에서 유동한다. 하우징은 그 중심에서 좁은 튜브로 수축되고, 이 튜브의 단면은 원하는 유량을 위해 계산된다. 전극에는 천공된 디스크가 배치되고, 여기서 구멍의 수 및 크기는 점도 및 유량에 의존된다. 전극들 사이의 전류 밀도는 최대 40 mA/cm²이다.

이 해결책에서, 액체는 유동하는 물질 내의 2 개의 전극에 의해 직접적으로 가열된다. 이것은 이 시스템을 작동시키기 위해 액체의 연속적인 유동이 요구됨을 의미하고, 이것은 당연히 가열된 액체 자신의 유동일 수 있다. 가열된 매체는 전극을 둘러싸고 있는 매체와 동일하므로 열 전달 매체의 유형은 제한된다.

특허 출원 US 4072847은 금속 튜브로부터 절연된 전기 가열 요소를 수용하는 금속 튜브 및 이 금속 튜브의 일단부에 밀봉된 플라스틱 튜브에 형성되는 밀봉된 튜브형 구조를 수용하는 밀봉된 유리 튜브 및 가열 요소용 서모스탯을 수용하는 전기 가열 요소에 관한 것이다.

특허 출원 US 2002096511은 에너지를 절약하기 위해 온도를 실질적으로 일정하게 유지할 수 있는 전기 가열 설비용 온도 제어 장치를 기술하고 있다. 이 장치는 교류 전력 공급부와 가열 설비 사이에 접속된 릴레이, 및 이 릴레이를 스위칭하기 위한 중앙 유닛을 포함한다. 릴레이는 교류 전력 공급부로부터 공급되는 입력 교류 전압을 연속적으로 출력하거나, 대안적으로 입력 교류 전압의 파형으로부터 하나의 사이클의 파형을 차단함으로써 단속적으로 입력 교류 전압을 출력한다. 이 전기 가열 설비의 온도 제어는 파형의 간격을 조절하는 것을 통해 전기 가열 설비에 공급되는 입력 교류 전압의 피상 주파수를 제어함으로써 달성된다.

이 해결책은 가열된 환경의 온도를 일정하게 유지하므로, 즉 가열 효과가 감소되거나 특정 시간에 종료되므로 에너지 절약으로 간주될 수 있다. 출력은 듀티 팩터(duty factor)를 변경함으로써 제어된다. 이것에 의해 가정된 전기 전력이 제어되고, 그 결과 가열 효과는 비례적으로 변화된다. 이 해결책에서 주파수 대신 듀티 팩터가 제어되는 것에 주목해야 한다. 이 문헌은 출력을 직접 제어하기 위해 유효하다. 그러나, 본 발명은 특수 환경에서 적용되는 공진 주파수를 동조 또는 유지하는 것을 논한다.

특허 출원 RU 2189541은 이온화 기술을 기술하고 있다. 여기서 동축으로 장착되는 상 전극 및 제로 전극이 사용된다. 전도는 유동하는 매체의 저항의 함수로서 발생되고, 전류에 의해 생성되는 열이 사용된다. 기본 개념은 저항 히터의 것과 유사하다. 본 발명은 지수 곡선 성형으로 인해 이 해결책과 다르다. 더욱이, 본 발명의 경우, 저항 효과를 중시하기 않고, 강한 발열을 얻는 하전 이온들 사이의 고효율의 충돌 및 마찰이 사용된다. 본 발명은 특수 재료가 불필요하므로 저비용으로 실현될 수 있다.

특허 출원 EP 0207329는 전기 에너지를 열 에너지로 전환시키기 위한 방법 및 장치를 교시한다. 여기서 본질적 요인은 기기가 하우징을 갖는 것으로서, 이 하우징은 압력 및 유체에 대해 내성을 갖고, 내부에 고순도 금속 및 증류수 또는 변압기유의 혼합물로 이루어지는 유전체를 갖는다. 적어도 하나의 전극은 절연 덕트를 이용하여 하우징의 내부로 삽입된다. 만일 2 개의 봉 전극이 사용되는 경우, 이 전극들은 제어 기기를 갖는 전원에 접속된다. 만일 하나의 전극이 사용되는 경우, 이것과 다른 전극으로서 전도성 재료로 이루어지는 하우징은 제어 기기를 갖는 전원에 접속된다. 이 제어 기기는, 초기 동작 상태에서 유전체가 공진 주파수의 진동으로 여기되도록, 그리고 유전체의 공진 진동 상태를 유지하기 위해 요구되는 만큼의 에너지만이 공급되도록, 전원을 제어한다. 이 여기 및 에너지 공급은 직류 또는 교류, 바람직하게는 고주파수 비정현 교류에 의해 제공될 수 있다.

이 해결책은 본 발명과 완전히 다르다. 이것은 고주파수를 사용하고, 이 장치는 공동의 공진 주파수에서가 아닌 폐쇄된 공간 내의 유전체의 주파수에서 동작된다. 관련된 문헌에 따르면, 하우징 내의 2 개의 전극이 사용되거나, 전극들 중 하나는 하우징 자체일 수 있다. 이 2 개의 전극들 사이의 유전성 유체의 공진 주파수는 결정인자이다. 이 유체는 고순도 금속을 포함하는 증류수를 포함하거나 변압기유일 수 있다. 이 유체는 또한 이온을 포함하므로 부분적으로만 유전체이다. 본 발명의 해결책에서, 공동을 충전하는 유전성 유체의 공진 주파수 대신, 하우징의 내부 공간, 즉 공진기 공동의 공진 주파수가 결정인자이다. 이것은 하우징이 본질적으로 공진기 공동으로서 기능하고, 하우징 자체나 이 하우징 내의 물질은 중요하지 않다는 것을 의미한다. 다른 중요한 차이는 본 발명이 본질적으로 더 낮은 주파수를 사용하는 것이다.

특허 출원 US 2009/0263113은, 유체가 발열기 내에서 전기장에 노출됨으로써 유체의 입자는 자신의 전하에 따라 배향되는, 분자 또는 분자의 집단과 같은 쌍극 입자를 포함하는 유체를 가열하기 위한 방법을 기술하고 있다. 이 입자는 전압 펄스에 추가적으로 노출되어 입자의 단범위 규칙이 파괴되고, 유체의 입자는 전압 펄스에 의해 공진 진동에서 변이될 수 있다. 이러한 방식으로 열 에너지가 발생된다.

위의 방법과 본 발명 사이의 유일한 유사성은 유체의 입자가 하전되고, 그 전하가 외부적으로 변화될 수 있다는 것이다. 그러나, 본 발명의 해결책에서 변화의 측정은 가해진 에너지에 의존하지 않는다. 본 발명에 따르면, 공진 공간에서 이미 하전된 입자의 운동 진폭은 특수 전극 배열에 의해 변조되고, 연속적으로 증대된다. 그 결과 변조된 입자는 상당히 더 긴 경로를 따라 운동한다. 이러한 방식으로 필요한 사용 에너지의 양은 훨씬 더 적다.

본 발명의 목적은 새로운 발열 장치를 제공하는 것으로, 이것의 작동은 상당히 증가된 가열 효율을 유발하는 이전에는 덜 적용되었던 모든 물리 법칙에 기초하고, 가정 및 또한 산업 시설의 가열기를 위해 사용될 수 있다. 추가의 목적은 용이하게 작동을 제어할 수 있는 발열 장치를 제공하는 것이다.

소정의 매체 내에서 이온의 운동은 상당한 양의 열을 발생하는 것이 실현되었다. 또한 이온 함유 매체 내의 이온이 공간의 공진 주파수 특성으로 적어도 부분적으로 폐쇄된 공간 내에서 여기되는 경우에, 운동 중인 이온의 진폭 변조 중에 정상파가 발생되는 것이 실현되었다. 그 결과 이온들 사이에서 고효율의 충돌이 유발되어 능동적인 발열이 얻어진다. 이것을 위해 교번하는 극성을 가진 적절히 형성된 발진기가 소정의 공간 내에 장착될 필요가 있다. 이것은 적절하게 고효율인 발진기 전자장치 및 제어기를 필요로 한다. 변조 주파수의 모니터링 및 조절을 위해 전자장치를 사용함으로써, 동일한 온도에 도달하기 위해 요구되는 에너지가 상당히 더 적으로므로 효율이 더 증진될 수 있다. 이러한 유형의 발열을 위해 요구되는 에너지 요구는 전기적으로 작동되는 저항 발열기와 전적으로 상이하다.

하나의 양태에서 본 발명은 가열 요소의 주위의 외부 매체를 가열하기 위해 적용될 수 있는 교류에 의해 작동되는 가열 요소이다. 이 가열 요소는 공동 공진기인, 폐쇄되거나 하나 이상의 개구를 구비하는 중공체 하우징, 및 절연 요소에 의해 하우징 및 서로로부터 절연되는 적어도 2 개의 전극을 갖는다. 가열 요소의 하우징의 내부에는 하전 이온을 포함하는 내부 매체가 수용된다. 개방된 하우징의 경우에, 내부 매체는 외부 매체와 동일하고, 폐쇄된 하우징의 경우에, 내부 매체는 외부 매체와 동일하거나 상이하다. 전극은 다각형 또는 3 차원 곡선 단면을 갖는다. 전극은 각각 지수 곡선으로서 성형된 길이방향의 축선들이 발산되도록, 즉 길이방향의 축선들 사이의 거리가 지수적으로 증가되는 방식으로 하우징 내에 배치된다. 또 다른 실시형태에서, 전극은 회전체의 시스(sheath)의 일부로서 형성되고, 그 발생선은 각각 회전 축선으로부터 발산되는, 즉 발생선들 사이의 거리가 지수적으로 증가되는 지수 곡선으로서 형성된다. 최대 1000 V 진폭의 듀티 팩터 변조된 교류 전압의 1000-60000 Hz가 전극에 접속되고, 교류 전압의 주파수 및 진폭의 요구되는 값 뿐만 아니라 전극의 크기는 공진 주파수로 가열 요소의 하우징을 작동시키기 위해 공지된 방식으로 결정된다.

또 다른 양태에서, 본 발명은 전자제어장치 및 열 전달 매체와 접촉되는 가열 요소를 포함하는 교류에 의해 작동되는 발열기에 관한 것이다. 가열 요소는 개방되거나 폐쇄된 중공체로서 형성되는 하우징, 및 절연 요소에 의해 하우징에 대해, 그리고 서로에 대해 절연되는 적어도 2 개의 전극을 갖는다. 이 전자제어장치는 교류 공급 유닛, 중앙 유닛 및 강전류 스위치 유닛을 포함한다. 전력 공급 유닛의 전력 출력은 강전류 스위치 유닛에 접속된다. 전력 공급 유닛의 주파수 출력은 중앙 유닛에 접속된다. 강전류 스위치 유닛의 출력은 가열 요소에 접속된다. 가열 요소의 하우징의 내부에는 하전 이온을 포함하는 내부 매체가 수용된다. 개방된 하우징의 경우에, 내부 매체는 외부 매체와 동일하고, 폐쇄된 하우징의 경우에, 내부 매체는 외부 매체와 동일하거나 상이하다.

전극은 다각형 또는 3 차원 곡선 단면을 갖는다. 전극은 각각 지수 곡선으로서 성형된 길이방향의 축선들이 발산되도록, 즉 길이방향의 축선들 사이의 거리가 지수적으로 증가되는 방식으로 하우징 내에 배치된다. 또 다른 실시형태에서, 전극은 회전체의 시스(sheath)의 일부로서 형성되고, 그 발생선은 각각 회전 축선으로부터 발산되는, 즉 발생선들 사이의 거리가 지수적으로 증가되는 지수 곡선으로서 형성된다. 최대 1000 V 진폭의 듀티 팩터 변조된 교류 전압의 1000-60000 Hz가 전극에 접속되고, 교류 전압의 주파수 및 진폭의 요구되는 값 뿐만 아니라 전극의 크기는 공진 주파수로 가열 요소의 하우징을 작동시키기 위해 공지된 방식으로 결정된다. 제어 유닛의 중앙 유닛은 변조 서메이터(summator) 및 기본 주파수 발생기로 이루어진다. 기본적으로, 기본 주파수 발생기는 자동 주파수 비교기 유닛을 구비하는 방형파 발생기이다. 비교기 유닛의 입력 신호 중 하나는 기본 주파수 발생기의 기본 주파수 신호이고, 이것의 다른 입력 신호는 가열 요소로부터 피드백되는 온도 기준 신호이다. 기본 주파수 발생기의 출력 신호는 방형파이고, 이것은 공진 주파수에 실질적으로 대응되고, 이것은 변조 서메이터의 제 1 입력에 접속된다. 전력 공급 유닛의 주파수 출력은 중앙 유닛의 변조 서메이터의 제 2 입력에 접속된다. 변조 서메이터의 출력은 강전류 스위치 유닛(12)의 제어 입력에 접속된다.

유리한 방식으로 본 발명을 작동시키기 위해, 3 개의 변수의 조절 및 공진점의 사전-계산이 필요하다. 3 개의 변수 중 하나인 내부 매체의 컨덕턴스는 작동 개시 전에 적절한 값으로 설정되어야 하고, 전류 및 온도는 작동 중에 설정되어야 한다.

본 발명의 바람직한 실시형태는 첨부된 청구항에 의해 규정될 것이다.

본 발명의 바람직한 실시형태의 상세한 설명은 첨부한 도면을 참조하여 수행될 것이다.

도 1은 개방 단부를 가진 가열 요소의 측단면도이고,
도 2는 가열 요소가 내부 매체로 충전된 폐쇄 단부를 가진 가열 요소의 측단면도이고,
도 3은 전자제어장치의 가능한 실시형태를 도시하는 블록도이고;
도 4는 발열기의 가능한 실시형태를 도시하는 블록도이고,
도 5는 회전체로서 형성되는 전극을 구비하는 가열 요소의 부분 단면도를 도시하고,
도 6은 저항 장치의 것에 비교되는 본 발명에 따른 발열기의 온도/전력을 도시한 그래프이고, 여기서 수평축은 시간(분)이고, 수직축은 온도/전력의 비를 도시한다.

본 발명에 따른 교류에 의해 작동되는 가열 요소(1)는 주위의 외부 매체(2)를 가열하기 위해 사용된다. 가열 요소(1)는 공동 공진기인, 그리고 하나 이상의 개구를 구비하거나 폐쇄된 하우징(3)(도 2)인 중공체 하우징(3), 및 매체에 대해 화학적 내성을 가진 적절한 고체 재료로 제조되는 절연 요소(4)에 의해 하우징(3) 및 서로로부터 절연되는 적어도 2 개의 전극(5)을 포함한다. 절연 요소(4)의 재료는 높은 전기적 및 열적 절연 능력을 갖고, 하우징(3)의 내부 공간 내에서의 작동 중에 파가 생성되도록 유지하기 위한 적절한 고체이다. 폐쇄된 중공체 하우징(3)은 일체로, 예를 들면, 폐쇄 요소(7)에 의해 폐쇄된 튜브로 형성될 수 있다. 하우징(3)은 임의의 회전체, 바람직하게는 튜브이다. 가열 요소(1)의 하우징(3)의 내부에는 하전 이온을 포함하는 내부 매체(6)가 수용되고, 이것은 개방된 하우징(3)인 경우에 외부 매체(2)와 동일하다. 폐쇄된 하우징(3)인 경우에, 이것은 외부 매체(2)와 동일하거나 상이할 수 있다. 이 후자의 경우에 외부 매체(2)는 하전 이온을 포함할 필요가 없다. 하우징(3)의 재료는, 예를 들면, 내부 매체(6) 및 외부 매체(2)에 대해 화학적 내성을 가진 금속 또는 플라스틱 또는 다층 플라스틱일 수 있고, 높은 열전도율 및 무선 주파수 차폐 능력을 갖는다.

전극은 다각형 또는 3 차원 곡선 단면을 갖는다. 지수 곡선으로서 각각 형성된 이들 각각의 길이방향의 축선(8)은 발산된다. 즉, 이들의 길이방향의 축선(8) 사이의 거리는 지수적으로 증대된다. 또 다른 실시형태에서, 전극(5)은 회전체의 시스의 일부로서 형성되고, 그 발생선은 각각 회전 축선으로부터 발산되는, 즉 발생선들 사이의 거리가 지수적으로 증가되는 지수 곡선으로서 형성된다. 최대 1000 V의 진폭의 듀티 팩터 변조된 교류 전압의 1000-60000 Hz가 전극(5)에 접속된다. 요구되는 공진 주파수에서 가열 요소(1)의 하우징(3)을 작동시키기 위한 교류 전압의 주파수 및 진폭의 값 뿐만 아니라 전극(5)의 크기는, 예를 들면, 헬름홀츠 공진기 계산을 이용하는 공지된 방식으로 결정된다. 헬름홀츠 공진기는 튜브 및 공동으로 이루어지는 음향 공진기이다. 실제로 이것은 LC 회로의 음향적 등가이다. 공진기를 동조시키기 위해 기하학적 측정이 사용된다. 공진 주파수는 톰슨 공식에 기초하여 생성된다.

전극(5)의 재료는 상당한 탄성, 고전도성, 및 내식성 금속이고, 이것은 플레이트로서 형성되지만, 이것에 한정되지 않는다. 이것의 역할은 요구되는 주파수로 요구되는 전기 전력을 하전 이온을 포함하는 내부 매체(6)에 전달하는 것이다. 전형적으로 이것은 지수적으로 발산하는 곡선이 더 효과적이므로 이 형상으로 성형된다. 그러나, 다른 형상도 실현될 수 있다. 전극(5)의 길이는 공동 공진기의 공진 주파수 특성에 기초하여 결정된다. 이것의 수는 최소 2 개이다.

전극의 극성이 반대로 변화되는 경우, 이온은 방향을 변화시켜 반대 전하를 향해 이동되어 증진된 발열을 유발한다. 하전 이온을 포함하는 매체와 같은 특정 유체의 경우에 강한 발열 및 최소 기체화는 교류를 공급하는 것에 의해서만 배타적으로 보장될 수 있다.

가열 요소(1)의 하우징(3)의 공동 내에서 공진 공간의 주파수 특성으로 움직이고 있는 이온의 진폭 변조 중에 정상파가 생성된다. 그 결과 이동하는 하전 이온들 사이에서 고효율의 충돌이 유발되어 능동적 발열이 유발되고, 전형적으로 동일한 양의 에너지를 사용하면서도 저항식 발열 장치와 같은 것에 비해 더 많은 열이 생성될 수 있다.

전극(5)의 지수적으로 발산하는 만곡된 형상 및 교류 전압 제어(이것의 결과 한 쌍의 전극(5)의 극성은 연속적으로 변화됨)에 기초하여 진폭 변조가 유도된다. 그 결과, 진동하는 이온은 2 개의 전극(5) 사이의 연속적으로 더 긴 경로를 따라 전극(5)의 내단부로 이동된다.

더 긴 맥동 운동 중에 이온의 증진된 마찰이 유발됨으로써 소정의 매체 내에 더 많은 양의 발열이 발생된다. 동조 공동, 이 경우 하우징(3)의 내부 공간은 공진 동조된다. 공진 주파수 값은 하우징(3)의 내부 길이(L) 및 내부 단면(A)에 의해 결정된다(도 2). 하우징의 공진 주파수 및/또는 용량 인자(C_a)는 음향 시스템을 위해 사용되는 관계를 통해 공지된 방식으로 결정된다. 이 값에 기초하여 전극(5)의 지수 곡선을 형성하는 함수의 정수 승수(constant multiplier)가 공지된 방식으로 결정될 수 있다. 이를 위해 많은 헬름홀츠 및 톰슨 관계를 습득할 수 있는 광범위한 기술 문헌을 이용할 수 있다. 적용될 수 있는 관계:

여기서

는 지수 함수의 승수이고, 즉 본 실시예에서, 전극(5)의 형상을 결정하는 지수 함수는

이고, 여기서

는 전극(5)의 길이방향 축선(8) 또는 발생선의 유효 길이이다.

의 값은 전극(5)이 하우징(3)의 내벽과 접촉하지 않도록 선택되어야 한다.

공진 주파수는 가열 요소(1)를 작동시키기 위해 취해지는 최소 전류에서 가해지는 주파수가 공진 주파수

이도록 측정에 의해 결정될 수 있다. 가열 요소(1)가 하우징(3)의 물리적 크기에 의해 결정되는 공진 주파수로 작동됨에 따라, 정상파가 생성된다. 이 정상파로 인해, 이온의 운동에 의해 개시되는 본 프로세스를 유지하기 위해 필요한 에너지는 종래의 전열기보다 적다. 제어 주파수가 소정의 하우징(3)에 속하는 공진 주파수의 범위로부터 벗어나는 경우, 언급된 효과는 관찰되지 않는다. 본 시스템의 최고 효율은 공진 주파수

부근에서 얻어질 수 있다.

외부 매체(2)는 유체 또는 적절하게 균질인 겔 또는 고체 물질이다. 내부 매체(6)는 상당히 높은 열-전도성 및 열-전달성 유체 또는 하전 이온을 포함하는 적절하게 균질인 겔 또는 고체 물질이다. 내부 매체(6)와 외부 매체(2)가 동일한 경우, 이것을 위한 적절한 물질은 유체 또는 하전 이온을 포함하는, 그리고 높은 열-전도성 특성을 갖는 일부의 고체 상태 물질 또는 젤이다. 바람직하게, 적절한 정상파를 발생시키기 위해 액체 상태 물질이 사용된다. 본 시스템 내에서 이것의 역할은 공급되는 에너지에 기인되어 진동 및 이동을 개시하는 작동 중에 하전 이온을 제공하는 것이다. 물질 내에서 이온의 운동 중에 이온의 마찰은 열을 발생하고, 이 열은 하우징(3)의 표면에 전달된다.

절연 요소(4)는 하우징(3)에 기밀하게 고정된다. 이 절연 요소(4)를 통해 온도 기준 신호 센서(20)가 삽입되고, 이것은 공진 주파수를 조절 및 재조절하기 위해 온도 출력(37)에 접속된다. 전극(5)의 커넥터는 저손실의 전기 접속을 통해 변환된 전기 에너지를 가열 요소(1)의 전극(5)에 전달한다. 커넥터는 높은 전기 전도성이어야 하고, 그것의 재료는 적절한 고체이어야 하고, 작동 중에 전극(5)의 진동에 기인되어 전기 접속이 분리되지 않도록 탄성 구조를 가져야 한다. 이것은 저항을 증가시키고, 저항의 증가는 전도를 감소시킨다.

하우징(3)은 원형 또는 다각형 단면을 가질 수 있고, 또는 이것은 리브(rib)를 가질 수 있고, 여기서 리브는 파형 또는 각진 치형으로서 형성된다. 전극(5)은, 지수 곡선으로 각각 형성되는 길이방향의 축선들이 발산되도록, 즉 길이방향의 축선들 사이의 거리가 지수적으로 증가되도록, 튜브형 하우징(3) 내에 설치된다(도 1 및 도 2). 또 다른 실시형태에서, 회전체의 형상을 가진 전극(5)이 동심으로 설치되고, 그것의 발생선의 각각은 회전축선으로부터 발산되는 지수 곡선으로서 형성된다. 즉, 발생선들 사이의 거리가 지수적으로 증가된다(도 5). 전극(5)은 매체(2, 6)에 대해 화학적 내성을 가진 탄성의 고전도성 판금으로 형성된다.

요컨대, 가열 요소(1)의 하우징(3)의 재료는 임의의 종류의 높은 열전도성 재료, 예를 들면, 하전 이온을 포함하는 매체에 대해 (내식성 뿐만 아니라) 화학적으로 낮은 친화력을 가지는 금속, 플라스틱 또는 다층 플라스틱일 수 있다. 이것의 높은 열전도율은 공진기 내에서 생성된 열의 전달이 신속하게, 그리고 약간의 열손실만으로 실시되는 것을 보장해준다. 이것은 원통형일 수 있거나 각주형 단면을 가질 수 있다. 파의 전파의 면에서, 원통형 하우징이 제안된다. 이것의 외면은 우수한 열전달을 보장하기 위해 리브를 가질 수 있으나, 전형적으로 이것은 작동에 영향을 주지 않는다. 하우징(3)의 재료는 무선 주파수에 대해 높은 차폐 능력을 가져야 한다. 주파수 및 전력에 관하여 하우징의 크기는 공동 공진기의 계산을 위해 사용되는 공지된 공식에 의해 결정될 수 있다.

교류에 의해 작동되는 가열 요소는 전자제어장치(9)에 의해 작동된다. 유리한 일 실시형태에서, 이 전자제어장치(9)(도 3에서 점선으로 도시됨)는 전력 공급 유닛(10), 중앙 유닛(11) 및 강전류 스위치 유닛(12)를 포함한다.

전력 공급 유닛(10)는 열 생성 프로세스를 위해 전력을 공급한다. 이것은 전기 회로망으로부터 도달하는 간섭 신호를 여과하고, 중앙 유닛(11)의 간섭 신호가 상기 전기 회로망으로 복귀하는 것을 방지하기 위한 노이즈 필터를 구비한다. 더욱이, 이것은 중앙 유닛(11), 강전류 스위치 유닛(12) 및 전극(5)을 보고하기 위한 전기적 퓨즈 및/또는 기계적 퓨즈를 구비한다.

전력 공급 유닛(10)의 전력 출력(13)은 강전류 스위치 유닛(12)에 접속된다. 전력 공급 유닛(10)의 주파수 출력(14)은 중앙 유닛(11)에 접속된다. 강전류 스위치 유닛(12)의 출력(15)은 가열 요소(1)에 접속된다.

중앙 유닛(11)은 변조 서메이터(17) 및 기본 주파수 발생기(18)를 포함한다. 기본 주파수 발생기(18)에 의해 생성되는 신호는 변조 서메이터(17)에 의해 회로망의 주파수로 변조된다. 변조 서메이터(17)의 역할은 회로망의 주파수에의 기본 주파수의 위상-수정 정합(phase-correct matching)이고, 여기서 회로망의 주파수는 50 - 60 Hz이고, 기본 주파수는1000 Hz - 60000 Hz이다(가열 요소(1)의 하우징(3)의 공진 주파수 특성에 따름). 신호의 듀티 팩터는 1-100 %이다(이 듀티 팩터는 하전 이온을 포함하는 매체의 크게 의존함). 작동 전압의 범위는 110 V - 1000 V이다. 바람직하게는 400 V 미만이 인가된다. 일부의 특정의 경우, 이온 매체의 전도율이 낮은 경우에는 400 V를 초과하여 사용될 수 있다. 그러나, 전극(5)이 근접해 있고, 매체가 고전도성을 가진 경우에는 전기 아크가 발생될 수 있고, 이것은 안전상 방지되어야 한다.

실질적으로 기본 주파수 발생기(18)는 자동 주파수 비교기 유닛(19)을 구비하는 방형파 발생기이다.

기본 주파수 발생기(18)는 가열 요소(1)의 센서(20)에 의해 측정되어 온도 출력(37)을 통해 피드백되는 온도에 기초하여 공진 주파수를 위해 필요한 기본 주파수를 보정하도록 적용될 수 있는 AFC(자동 주파수 비교기) 유닛을 포함하는 안정한 방형파 발생기이다. 이것은, 하전 이온을 포함하는 매체의 온도 변화 중에 공진 주파수가 연속적으로 변화되므로, 필요하다.

비교기 유닛(19)의 입력 신호 중 하나는 기본 주파수 발생기(18)의 기본 주파수 신호이고, 이것의 다른 입력 신호는 가열 요소(1)로부터 피드백되는 기준 신호, 즉 온도 출력(37)에서 전달되는 센서(20)의 신호이다.

기본 주파수 발생기(18)의 출력 신호(21)는 공진 주파수에 실질적으로 대응하는 주파수를 가진 방형파이고, 이것은 변조 서메이터(17)의 제 1 입력(22)에 전달된다. 전력 공급 유닛(10)의 주파수 출력(14)은 변조 서메이터(17)의 제 2 입력(23)에 접속된다. 변조 서메이터(17)의 출력(24)은 강전류 스위치 유닛(12)의 제어 입력(25)에 접속된다.

강전류 스위치 유닛(12)은 전력 공급 유닛(10)으로부터 이것의 제어 입력(25)에 전달되는 변조 신호에 따라 출력(15)을 통해 전극(5)에 전원 전류를 전송한다. 유리하게 이것은 사이리스터 또는 다른 유사한 공지의 스위칭 기술에 의해 수행된다.

전자제어장치(9)의 더욱 조합된 실시형태에서, 중앙 유닛(11)은 제어 유닛(16)을 포함한다(도 4에서 굵은 점선 내).

제어 유닛(16)은 변조 서메이터(17) 및 기본 주파수 발생기(18)를 제어한다. 전자제어장치(9)는 또한 가열 요소(1)의 전류를 감지하기 위한 전류 감지 및 제어 유닛(26) 및 가열 요소(1)의 온도를 감지하기 위한 온도 감지 및 제어 유닛(27)을 포함한다. 전류 감지 및 제어 유닛(26) 및 온도 감지 및 제어 유닛(27)은 또한 제어 유닛(16)에 의해 제어된다.

전류 감지 및 제어 회로(26)는 설정된 기준값 및 작동 중에 측정 및 감지된 값에 기초하여 전극(5)의 전류의 양을 제어한다.

온도 감지 및 제어 회로(27)는 가열 요소(1)의 온도를 감지하기 위해 적용될 수 있고, 설정된 값 및 감지된 값에 기초하여 이것은 매트릭스 내에 고정된 사전결정된 값에 따라 전극(5) 상의 전류를 온오프 시키도록 제어한다. 이 실시형태에서 가열 요소(1)는 또한 가열 요소(1) 상의 전류를 측정하기 위한 전류 출력(29)을 제공받는다. 더욱이, 센서(20)의 온도 출력(37)은 온도 감지 및 제어 회로(27) 및 전류 감지 및 제어 회로(26)를 통해 기본 주파수 발생기(18)에 접속된다.

전류 감지 및 제어 회로(26)의 제 1 입력(28)은 가열 요소(1)의 전류 출력(29)에 접속된다. 전류 감지 및 제어 회로(26)의 제 1 출력(30)은 강전류 스위치 유닛(12)의 전류 입력(31)에 접속되고, 이것의 제 2 출력(32)은 변조 서메이터(17)의 제 3 입력(33)에 접속되고, 이것의 제 3 출력(34)은 기본 주파수 발생기(18)의 전류 입력(35)에 접속된다. 온도 감지 및 제어 회로(27)의 입력(36)은 가열 요소(1)의 온도 출력(37)에 접속된다. 이것의 제 1 출력(38)은 전류 감지 및 제어 회로(26)의 제 2 입력(39)에 접속되고, 이것의 제 2 출력(40)은 강전류 스위치 유닛(12)의 온도 입력(41)에 접속된다. 이러한 배열을 통해 가열 요소(1)의 온도 및 전류 소모에 관련된 제어 중에 공진 주파수의 요구값이 보장된다. 최저 에너지 소모는 공진 주파수에서 가열 요소(1)를 작동시킴으로써 달성될 수 있다. 즉, 최소 전류 소모는 요구 온도로 설정될 수 있다.

안전상의 이유로, 가열 요소(1)와 강전류 스위치 유닛(12) 사이에 과열 방지 회로(42)가 접속된다.

바람직하게, 제어 유닛(16)는 적절한 제어 프로그램을 가동하는 마이크로프로세서 회로에 의해 실현된다. 변조 서메이터(17), 기본 주파수 발생기(18), 전류 감지 및 제어 회로(26) 및 온도 감지 및 제어 회로(27)는 특정의 고유한 프로그램을 가동하는 컴퓨터 기술에서 사용되는 소위 마이크로-제어기 또는 기타 제어 유닛에 의해 구현될 수도 있다.

본 발명에 따른 발열기(43)는 가열 요소(1) 및 전자제어장치(9)를 포함한다. 도 3에는 본 발명의 단순한 실시형태가 도시되어 있다. 이 해결책에서, 내부 매체(6)로 충전되고, 도 3을 참조하여 기술된 전자제어장치(9)에 접속되는 가열 요소(1)는 적절한 외부 매체(2) 내에 설치된다. 당연히, 이 외부 매체는 열 에너지를 생성하는 장치 내에 수용된다. 이 경우에도 또한 내부 매체(6)는 외부 매체(2)와 동일할 수 있다.

도 4에는 본 발명에 따라 더 복잡한 실시형태의 발열기(43)가 도시되어 있다. 이 실시형태에서, 내부 매체(6)로 충전되고, 도 4을 참조하여 기술된 전자제어장치(9)에 접속되는 가열 요소(1)는 적절한 외부 매체(2) 내에 설치된다. 당연히, 이 외부 매체는 열 에너지를 생성하는 장치 내에 수용된다. 이 경우에도 또한 내부 매체(6)는 외부 매체(2)와 동일할 수 있다.

더 많은 양의 열이 요구되고, 물리적 치수가 제한되거나 다수의 전력 레벨이 사용될 필요가 있는 경우, 여러 개의 가열 요소가 공진의 관점에서 적용될 수 있고, 각각의 가열 요소는 독립된 유닛이다. 그러나, 각각의 가열 요소(1)는 각각의 전자제어장치(9)를 구비해야 한다. 그렇지 않으면, 치수를 증가시키는 것이 가능하지만, 어느 경우에도 공동 공진기에 관련되는 물리 법칙이 고려되어야 한다.

도 6의 그래프는 시간의 함수로서 취해진 본 발명의 일 실시형태에 따른 발열기(43)을 구비하는 동일한 유형의 방열기의 온도/전력 소모에 비교되는 시판되는 저항식 가열 요소를 구비하는 전기 오일 방열기의 온도/전력 소모를 도시한다. 도면에서 실선은 오일 방열기의 80 ℃의 표면 온도에 도달하기 위한 시간의 함수로서 본 발명에 따른 발열기(43)의 전력 소모를 보여준다. 이를 위해 15 분 및 30 W의 전력이 필요했다. 점선은 80 ℃의 표면 온도에 도달하기 위한 시간의 함수로서 종래의 저항식 장치의 전력 소모를 보여준다. 이를 위해 45 분 및 190 W의 전력이 필요하였다. 명확하게 본 발명에 따른 해결책은 저항식 장치에 의해 사용된 전력의 1/6 미만을 사용하였다. 이 비율은 온도가 유지되는 중에 동일하게 유지된다.

본 발명에 따른 발열기(43)는, 예를 들면, 다음의 방식으로 실현될 수 있다. 본 발명에 따른 가열 요소(1)는 원래의 저항식 가열 요소를 제거한 후에 오일 방열기의 하부의 나사결합부 내에 설치될 수 있다. 가열 요소(1)는 방열기의 하우징 내에서 이 방열기의 약 1/3까지 연장된다. 방아쇠(7)의 3/4은 일반적인 수도물로 충전된다. 이 경우, 방열기 본체와 가열 요소(1) 사이의 전열 외부 매체(2)는 일반적인 수도물이다. 이 방열기에는 충전 및 배수용 꼭지가 제공된다. 외부 매체의 상측의 공기 완충부는 팽창 탱크의 역할을 한다. 발열에 의해 외부 매체(2)의 중력 운동이 유발되고, 그 결과 각각의 방열기 요소 및 이것의 거의 전체 표면이 가열된다. 전자제어장치(9)는 전술한 바와 같이 완성되어 가열 요소(1)에 접속된다. 전자제어장치(9)를 동작시키기 위한 전기 전력은 전기 회로에 의해 공급된다. 전자제어장치(9)는 벽에 설치될 수 있고, 이러한 목적을 위해 설계된 폐쇄된 절연 박스 내에서 방열기 상에 장착될 수 있다. 사용된 에너지의 효율을 더 향상시키기 위해 필요한 경우, 본 장치에 룸(room) 서모스탯이 접속될 수 있다.

본 발명의 가열 요소 및 발열기는 여러가지 장점을 갖는다. 이것은 용이하게 제작될 수 있고, 특수 재료가 불필요하고, 모든 구성부품을 용이하게 입수할 수 있다. 작동 중에 사용 장소에서 연소 생성물 및 일산화탄소가 발생되지 않고, 이러한 방식으로 폭발 및 중독의 위험이 전혀 없고, 따라서, 환경 친화적이고, 안전하다. 이것은 신속하고 저렴하게 설치될 수 있다. 이것의 작동은 매우 효율적이고, 이것은 광범위하게 사용될 수 있고, 본 장치의 유지 요구사항은 최소화된다. 공지된 기술적 해결책과 대조적으로 본 발명의 해결책은 열 에너지를 생성하기 위한 상당량의 화석 에너지를 절약할 수 있다. 이것은 열 에너지를 생성하기 위해 필요한 임의의 종류의 장치에 적합하고, 가열이나 냉각을 위해 사용된다.

예를 들면,

a) 이것은 주택, 별장, 사무실, 산업 시설, 호텔, 방열기를 구비하는 쇼핑 몰 및 방열기로 캐러밴(caravan)을 가열하기 위한 가열로에서 사용될 수 있다.

b) 이것은 풀장, 물놀이 공원, 전기차 가열 시스템, 온실을 가열하기 위해 사용될 수 있고, 축산 농가, 선박의 가열 시스템에서 사용될 수 있다.

c) 이것은 온수 공급을 위해 사용될 수 있다.

d) 이것은 흡수 냉각 기술, 냉장고, 에어컨, 냉장 하우스, 산업용 냉장고용으로 사용될 수 있다.

Claims (11)

1. 가열 요소(1)를 둘러싸는 외부 매체(2)를 가열하기 위한 교류에 의해 작동되는 상기 가열 요소(1)로서, 상기 가열 요소(1)는 폐쇄되거나 하나 이상의 개구를 구비하는 중공체 하우징(3) 및 절연 요소(4)에 의해 상기 하우징(1) 및 서로로부터 절연되는 적어도 2 개의 전극(5)을 갖고, 상기 가열 요소(1)의 하우징(3)은 하전 이온을 포함하는 내부 매체(6)를 수용하는 공동(cavity) 공진기이고, 상기 내부 매체(6)는 개방된 하우징(3)의 경우에는 상기 외부 매체(2)와 동일하고, 폐쇄된 하우징(3)인 경우에는 상기 외부 매체(2)와 동일하거나 상이하고, 상기 전극(5)은 다각형 또는 3 차원 곡선의 단면을 갖고, 상기 전극(5)은, 각각 지수 곡선의 형상을 가진 자신의 길이방향의 축선(8)들이 서로로부터 발산되도록, 또는 상기 전극(5)이, 회전체의 발생선이 각각 자신의 회전 축선으로부터 발산되는 지수 곡선으로서 형성되는, 회전체의 시스(sheath)의 일부로서 형성되도록, 상기 하우징(3) 내에 설치되고, 최대 1000 V의 진폭의 듀티 팩터 변조된 교류 전압의 1000-60000 Hz가 상기 전극(5)에 접속되고, 상기 주파의 요구값 및 상기 교류 전압의 진폭 뿐만 아니라 상기 전극의 크기는 공진 주파수로 상기 가열 요소(1)의 하우징(3)을 작동시키기 위해 공지된 방식으로 결정되는, 교류에 의해 작동되는 가열 요소.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 외부 매체(2)는 유체 또는 적절하게 균질인 겔 또는 고체 물질이고, 상기 내부 매체(6)는 높은 열-전도성 및 열-전달 유체 또는 적절하게 균질인 겔 또는 고체 물질인, 교류에 의해 작동되는 가열 요소.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 하우징(3)은 임의의 회전체, 바람직하게는 튜브이고, 상기 하우징의 재료는 상기 내부 매체(6) 및 상기 외부 매체(2)에 화학적 내성을 갖는, 그리고 높은 열전도율 및 무선 주파수 차폐 능력을 갖는, 바람직하게는 금속, 플라스틱 또는 다층 플라스틱인, 교류에 의해 작동되는 가열 요소.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 절연 요소(4)는 상기 하우징(3)에 기밀하게 고정되고, 상기 매체에 화학적 내성을 갖는 적절하게 고체인 재료로 제조되고, 온도 기준 신호 센서(20)가 상기 절연 요소(4)를 관통하는, 교류에 의해 작동되는 가열 요소.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 하우징(3)은 원형, 다각형 또는 리브(rib)를 가진 단면을 갖고, 상기 리브는 파형 또는 각진 치형으로 형성되는, 교류에 의해 작동되는 가열 요소.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전극(5)은 상기 매체(2, 6)에 화학적 내성을 갖는 탄성의 고전도성 판금으로 형성되는, 교류에 의해 작동되는 가열 요소.
7. 열 전달 매체, 즉 외부 매체(2)와 접촉되는 가열 요소(1) 및 전자제어장치(9)를 포함하는 교류에 의해 작동되는 발열기(43)로서, 상기 가열 요소(1)는 개방된 중공체 또는 폐쇄된 중공체로서 형성되는 하우징(3) 및 절연 요소(4)에 의해 상기 하우징(3) 및 서로로부터 절연되는 적어도 2 개의 전극(5)을 갖고, 상기 전자제어장치(9)는 교류 공급 유닛(10), 중앙 유닛(11) 및 강전류 스위치 유닛(12)을 포함하고, 상기 전력 공급 유닛(10)의 전력 출력(13)은 상기 강전류 스위치 유닛(12)에 접속되고, 상기 전력 공급 유닛(10)의 주파수 출력(14)은 상기 중앙 유닛(11)에 접속되고, 상기 강전류 스위치 유닛(12)의 출력(15)은 상기 전력 출력(13)에 접속되고, 상기 가열 요소(1)의 하우징(3)은 하전 이온을 포함하는 내부 매체(6)를 수용하는 공동 공진기이고, 상기 내부 매체(6)는 개방된 하우징(3)의 경우에는 상기 외부 매체(2)와 동일하고, 폐쇄된 하우징(3)인 경우에는 상기 외부 매체(2)와 동일하거나 상이하고, 상기 전극(5)은 다각형 또는 3 차원 곡선의 단면을 갖고, 상기 전극(5)은 각각 지수 곡선의 형상을 가진 자신의 길이방향의 축선(8)들이 서로로부터 발산되도록, 또는 상기 전극(5)이, 회전체의 발생선이 각각 자신의 회전 축선으로부터 발산되는 지수 곡선으로서 형성되는, 회전체의 시스의 일부로서 형성되도록, 상기 하우징(3) 내에 설치되고, 최대 1000 V의 진폭의 듀티 팩터 변조된 교류 전압의 1000-60000 Hz가 상기 전극(5)에 접속되고, 상기 주파의 요구값 및 상기 교류 전압의 진폭 뿐만 아니라 상기 전극의 크기는 공진 주파수로 상기 가열 요소(1)의 하우징(3)을 작동시키기 위해 공지된 방식으로 결정되고, 상기 제어 유닛(9)의 중앙 유닛(11)은 변조 서메이터(17) 및 기본 주파수 발생기(18)로 이루어지고, 상기 기본 주파수 발생기(18)는 자동 주파수 비교기 유닛(19)을 구비하는 기본적으로 방형파 발생기이고, 상기 비교기 유닛(19)의 입력 신호 중 하나는 상기 기본 주파수 발생기(18)의 기본 주파수 신호이고, 다른 입력 신호는 상기 가열 요소(1)로부터 피드백되는 온도 기준 신호 센서(20)의 신호이고,상기 기본 주파수 발생기(18)의 출력 신호(21)는 상기 공진 주파수와 실질적으로 일치되는 방형파이고, 상기 기본 주파수 발생기(18)의 출력 신호(21)는 상기 변조 서메이터(17)의 제 1 입력(22)에 접속되고, 상기 전력 공급 유닛(10)의 상기 주파수 출력(14)은 상기 중앙 유닛(11)의 상기 변조 서메이터(17)의 제 2 입력(23)에 접속되고, 상기 변조 서메이터(17)의 출력(24)은 상기 강전류 스위치 유닛(12)의 상기 제어 입력(25)에 접속되는, 교류에 의해 작동되는 발열기.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 외부 매체(2)는 유체 또는 겔 또는 고체 물질인, 교류에 의해 작동되는 발열기.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
   상기 중앙 유닛(11)은 상기 변조 서메이터(17) 및 상기 기본 주파수 발생기(18)를 작동시키기 위한 제어 유닛(16)을 포함하고, 상기 제어 유닛(16)은 또한 상기 가열 요소(1)의 전류를 감지 및 제어하는 전류 감지 및 제어 회로(26) 및 상기 가열 요소(1)의 온도를 감지 및 제어하는 온도 감지 및 제어 회로(27)를 작동시키고, 상기 전류 감지 및 제어 회로(26)의 제 1 입력(28)은 상기 가열 요소(1)의 전류 출력(29)에 접속되고, 상기 전류 감지 및 제어 회로(26)의 제 1 출력(30)은 상기 강전류 스위치 유닛(12)의 전류 입력(31)에 접속되고, 전류 감지 및 제어 회로(26)의 제 2 출력(32)은 상기 변조 서메이터(17)의 제 3 입력(33)에 접속되고, 전류 감지 및 제어 회로(26)의 제 3 출력(34)은 상기 기본 주파수 발생기(18)의 전류 입력(35)에 접속되고, 상기 온도 감지 및 제어 회로(27)의 입력(36)은 상기 가열 요소(1)의 온도 출력(37)에 접속되고, 상기 온도 감지 및 제어 회로(27)의 제 1 출력(38)은 상기 전류 감지 및 제어 회로(26)의 제 2 입력에 접속되고, 상기 온도 감지 및 제어 회로(27)의 제 2 출력(40)은 상기 강전류 스위치 유닛(12)의 온도 입력(41)에 접속되는, 교류에 의해 작동되는 발열기.
10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 요소(1)와 상기 강전류 스위치 유닛(12) 사이에 과열 방지 회로(42)가 접속되는, 교류에 의해 작동되는 발열기.
11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(16)은 마이크로프로세서 회로인, 교류에 의해 작동되는 발열기.

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