KR20170093453A - 정온특성 서미스터 소자를 이용한 발열장치 - Google Patents

Abstract

개시된 PTC 서미스터 소자를 이용한 발열장치는 적어도 하나의 PTC 서미스터 소자(11)와 이 소자를 외부 전원에 접속하기 위한 도전성 부재들이 내장된 케이스(12)를 구비하여, 다른 모듈의 있는 케이스와 직접 면접촉하는 상태로 적층 사용할 수 있는 구성으로 모듈간 빠른 열전달로써 열손실을 빠르게 보상하거나 열상승 작용으로 최대 발열 운전조건이 유지된다. 또한 케이스 내부와 도전성 부재 사이를 절연하는 절연시트를 구비한 구성으로 케이스와 방열 핀을 비도통 상태로 운전될 수 있다. 따라서 전력소비를 낮추고, 누전 및 감전으로부터 안전하게 취급하는데 유리한 효과가 제공된다.

Description

정온특성 서미스터 소자를 이용한 발열장치{HEAT GENERATING APPARATUS USING POSITIVE TEMPERATURE COEFFICIENT THERMISTOR ELEMENTS}

이 발명은 정온특성 서미스터 소자를 이용한 발열장치에 관한 것이며, 특히소자의 특성을 최대한 활용하여 절전에 유리하고 누전과 감전으로부터 안전하게 취급할 수 있는 구성으로 최적화하기 위한 것이다.

온도에 따라 저항값이 달라지는 전기저항 소자 가운데, 예를 들면 티탄산바륨(BaTiO₃)계 세라믹 반도체와 같이 정(+)의 온도계수를 가지는, 이른바 정온특성 서미스터(positive temperature coefficient thermistor, 이하 'PTC 서미스터'라 한다)가 잘 알려져 있다. PTC 서미스터는 상변이점인 큐리(Curie) 온도 이상으로 가열되면 저항값이 가파른 온도계수로 증가하는 특성을 가진다. 또한 PTC 서미스터는 전류를 인가하여 자체 발열하게 하면 특정 온도 이상에서 저항값 증가로 전류를 제한, 전원전압 변동에 대해 매우 안정된 온도를 유지하는 항온 특성도 보인다. 이러한 특성에 따라 PTC 서미스터 소자는 항온 항습이나 난방 등에서 과열 걱정이 없는 안전한 자기제어형 발열장치의 열원으로서 이용되고 있다. 하기 인용된 특허문헌 1 내지 5는 모두 PTC 서미스터 소자를 열원으로 이용하는 발열장치에 관한 것으로, 이 발명의 주제와 직접적으로 관련있는 선행기술로써 인용되었다.

특허문헌 1(대한민국 등록실용신안 20-0156191)에는 PTC 서미스터 소자들을 두개의 금속판 사이에 일렬로 배열하여 실리콘 접착제로 접합하고, 각 금속판 외측에 방열용 핀(fin)을 물결모양으로 구부려 붙인 형태가 개시돼 있다. 소자들은 양쪽의 각 방열판과 금속판을 통해 인가되는 전원으로 통전하여 발열한다. 소자들의 발열은 금속판을 통해 방열판으로 전도되고 방열판 표면을 통해 공기와 열교환한다. 여기서 실리콘 접착제는 일반적으로 절연체이지만, 그 두께가 얇게 제한되고 나아가 금속분말을 혼합함으로써 소자와 금속판 사이의 고착과 함께 전기전도를 꾀한 것이다.

특허문헌 2(대한민국 등록실용신안 20-0214981)에는 전술한 특허문헌 1의 금속판 대신, 방열 핀이 일체로 성형되고 PTC 서미스터 소자들을 넣고 밀봉할 수 있는 홈을 형성하도록 조립되는 반할 형태인 두개의 다이캐스팅(diecasting) 케이스를 사용한 형태가 개시돼 있다. 홈에는 PTC 서미스터 소자들의 양 전극면 중 한쪽과 접촉하는 전극판과 이를 케이스와 절연하는 시트(sheet)가 삽입되고, 양 전극면 중 다른쪽은 케이스와 직접 접촉하여, 전극판과 케이스를 통해 소자들을 통전시키는 구조이다. 이 문헌에 따르면 홈 주위를 밀폐하여 홈 내부로의 습기 침투를 차단하여, 습기에 기인하는 소자들의 전극간 저항 변화를 막을 수 있다.

특허문헌 3(대한민국 등록특허 10-0088684)에는 전술한 특허문헌 1과 실질적으로 동일한 두 금속판 사이에 소자들의 배열을 고정할 수 있는 플라스틱고정부를 구비하고, 이와 같은 발열장치 여러개를 적층시킨 형태가 개시돼 있다.

특허문헌 4(대한민국 등록실용신안 20-0145638)에는 전술한 특허문헌 3의 금속판과 방열 핀 대신, 전술한 특허문헌 2처럼 방열 핀이 일체로 형성된 방열판을 사용한 형태가 개시돼 있다.

특허문헌 5(대한민국 등록특허 10-0537527)에는 전술한 특허문헌 4에 대하여 전술한 특허문헌 3처럼 방열판 사이에 PTC 서미스터 소자들의 배열을 고정하고 양측 방열판과의 사이에 접착제로 고정되는 가이드를 사용한 형태가 개시돼 있다.

한편, PTC 서미스터를 이용한 발열장치는 최소 단위로 대략 2~4개의 PTC 서미스터 소자가 병렬 접속된 것을 단위 모듈로 구성하여, 항온항습이나 난방에 필요한 열량에 맞추어 그 모듈 여러개를 적층하고 모듈간 병렬로 접속하여 사용하는 것이 일반적이다(특허문헌 3 및 4 참조)

KR 20-0156191 Y1 (1999/09/01) KR 20-0214981 Y1 (2001/02/15) KR 10-0088684 B1 (1995/04/12) KR 20-0145638 Y1 (1999/06/15) KR 10-0537527 B1 (2005/12/19)

PTC 서미스터 소자를 열원으로 이용하는 발열장치에서, 구동 초기에는 소자의 저항이 작아 큰 전류가 흐르지만, 소자가 일정 온도 이상으로 발열하면 저항값이 증가하고 전류는 작아지므로 오히려 전력소비는 줄어드는 절전효과가 있다. 그렇지만 발열장치가 항온항습이나 난방에 필요한 열교환 매체에 노출되면 열교환에 따른 열손실이 생기고 그 열손실만큼 전류가 증가하여 전력소비가 늘어나는 현상은 불가피하다. 따라서 PTC 서미스터 소자를 열원으로 이용하는 발열장치는 절전을 위해 최대 발열운전 조건이 유지될 수 있게 열손실을 빠르게 보상할 수 있는 구성으로 제공될 필요가 있는 것이다.

앞에서 설명한 특허문헌들에서는 발열장치를 구성하는 단위 모듈에 있는 소자로부터 방열 핀으로 열을 전달하고 방열 핀에서 방열 효과를 높이는데 주력하였을 뿐, 모듈간에는 소자에서 가장 먼 방열 핀 끝에서 다른 모듈로 열을 전달하는 구조여서 모듈간 열전달 효율이 저조하였다.

따라서 이 발명의 주된 목적은 모듈간 열전달 효율을 높여 열교환시 발생하는 열손실을 빠르게 보상할 수 있도록 개선된 PTC 서미스터 소자를 이용한 발열장치를 제공하는데 있다.

한편, 앞에 특허문헌들에 개시된 발열장치는 모두 방열판을 통해 소자에 전류를 인가하도록 되어 있고, 방열판이 외부에 그대로 노출되는 구조여서, 결로나 누수로 인한 누전사고가 종종 발생하고, 또 유지보수 등 취급할 때 쉽게 감전되는 등 안전하지 못하다.

따라서 이 발명의 다른 목적은 외부에 노출되는 방열 핀을 통하지 않고 소자를 구동할 수 있도록 개선하여 누전이나 감전으로부터 안전한 PTC 서미스터 소자를 이용한 발열장치를 제공하려는 것이다.

이 발명은 상기 주된 목적을 달성하기 위하여 적어도 하나의 PTC 서미스터 소자와 이 소자를 외부 전원에 접속하기 위한 도전성 부재들이 내장되고, 소자에서 발생하는 열을 전달하는 재질이면서 전달된 열을 외부로 방사하는 다수의 방열 핀이 붙어 있는 케이스가 포함된 모듈 형태로서, 그 케이스의 외부 표면 중 적어도 일부분이 다른 모듈에 있는 케이스와 면접촉 상태로 적층될 수 있게 구성하는 것이다.

또한 이 발명은 상기 다른 목적을 달성하기 위하여 적어도 하나의 PTC 서미스터 소자와 이 소자를 외부 전원에 접속하기 위한 도전성 부재들이 내장되고, 소자에서 발생하는 열을 전달하는 재질이면서 전달된 열을 외부로 방사하는 다수의 방열 핀이 붙어 있는 케이스가 포함된 모듈 형태로서, 그 케이스의 내부와 상기 도전성 부재 사이를 절연하는 절연시트를 포함하여 그 케이스와 방열 핀이 비도통 상태로 운전될 수 있게 구성하는 것이다.

바람직하게는, 상기 케이스가 단면이 4각형이고, 그 단면상의 4면 중 서로 마주하는 두 면 방향으로 다른 모듈을 차례로 적층할 수 있는 구성으로 할 수 있다.

또한 바람직하게는 상기 케이스가 단면이 4각형인 금속관으로 재단된 형태이고, 상기 도전성 부재들이 그 케이스의 양단 개구를 통해 외부로 인출되며, 그 양단이 방수처리된 구성으로 할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 케이스 양단을 마감하면서 그로부터 인출되는 상기 도전성 부재를 지지하는 절연캡이 포함된 구성으로 할 수 있다.

이 발명에 따른 PTC 서미스터 소자를 이용한 발열장치는, 여러개의 모듈이 적층된 상태에서 어느 한 모듈에 있는 케이스를 통해 인접하여 적층된 다른 모듈에 있는 케이스로 열을 직접 전달할 수 있다. 케이스는 각 모듈의 열원으로 사용된 PTC 서미스터 소자들과 가까이 있으므로 모듈 상호간의 열전달이 신속하고, 신속한 열전달 작용으로 전술한 바와 같은 열손실을 빠르게 보상할 수 있게 된다.

따라서 이 발명은 열매체와의 열교환시 발생하는 열손실을 빠르게 보상하고 장치를 최대발열 운전 조건으로 유지하여 전력소비를 최소화하는데 유리한 효과를 제공한다.

또한 이 발명은 열원인 PTC 서미스터 소자들과 그 전기접속부재들이 케이스와는 절연되어 있으므로, 그 케이스와 방열 핀은 전기가 통하지 않게 된다. 따라서 사용중 결로나 누수 등에 의한 누전은 물론, 유지보수 등 취급시에도 감전 위험을 크게 줄일 수 있는 것이다.

도 1은 이 발명에 따른 PTC 서미스터 소자를 이용한 발열장치 모듈의 외양을 묘사한 사시도이다
도 2는 이 발명에 따른 PTC 서미스터 소자를 이용한 발열장치 모듈의 조립 구조를 보인 그 일부분의 횡단면도이다.
도 3은 이 발명에 따른 PTC 서미스터 소자를 이용한 발열장치 모듈을 구성하는 요소들을 분리한 사시도이다.
도 4 내지 도 6은 이 발명에 따른 PTC 서미스터 소자를 이용한 발열장치 모듈의 여러 가지 적층 형태를 보인 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 이 발명의 바람직한 실시 형태에 관하여 자세히 설명한다. 첨부된 도면은 어디까지나 이 발명을 실시하는데 이해를 돕고자 그 바람직한 형태를 묘사한 것일 뿐, 일부 구성요소가 과장되거나 생략되는 등 실제와는 차이가 있을 수 있으며, 또한 다른 실시형태로도 가능함은 물론이다.

도 1에 묘사된 이 발명에 따른 PTC 서미스터 소자를 이용한 발열장치 모듈(10)은 주지의 PTC 서미스터 소자(11)가 내장한 케이스(12)를 구비한다. 케이스(12) 양단은 절연캡(13)으로 마감돼 있고, 그 절연캡(13)을 통해 외부 전원회로측과의 배선접속을 위한 단자(14)가 인출되었다. 이 단자(14)를 통해 전원 전압이 인가되면, 내장된 PTC 서미스터 소자(11)가 발열하는데, 소자에서 발생하는 열은 케이스(12)를 경유하여 다수의 방열 핀(15)으로 전도되어 그로부터 공기 등 열교환 매체로 방출된다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 세라믹 소결체인 PTC 서미스터 소자(11)는 두께가 일정한 판 모양으로 각각의 양면에 도전성 금속피막으로 된 전극층(부호 생략)이 있다. 케이스(12)는 예컨대 열전달이 빠른 재질인 알루미늄, 바람직하게는 단면이 4각형으로 연속압출되는 알루미늄 관을 일정 길이로 재단하여 사용할 수 있다. 다수의 방열 핀(15)은 케이스(12)와 같은 재질을 사용할 수 있으며, 별도 제작하여 케이스(11)에 붙이거나 일체로도 될 수 있다. 이때 방열 핀(15)은 케이스(11)의 측면높이와 같거나 작게 하여 그 상하면 위로 올라오지 않게 한다. 한쌍의 전극연결판(16)은 얇은 금속판으로서 PTC 서미스터 소자(11)의 전극층을 단자(14)와 접속하기 위한 도전성 부재로서, PTC 서미스터 소자(1)의 각 전극층에 차례로 용접이나 접착 방식으로 고정 접속되어 함께 케이스(11)에 삽입된다. 전극연결판(16)과 단자(14)는 리베팅으로 연결 접속되거나 일체로도 될 수 있다. 절연시트(17)는 절연성능이 좋은 수지제 필름이나 종이로서 전극연결판(16)을 케이스(11) 내면과의 사이에 절연을 위해 삽입된다.

한편, 도 2에 나타난 바와 같이 관 모양의 케이스(12) 폭은 거기에 수용되는 PTC 서미스터 소자(11)와 전극연결판(16) 및 절연시트(17)의 총 두께를 감안하여 그 삽입에 방해 되지 않는 정도에서 가능한 좁게 설계하고, 나아가 부품 삽입 후 압착하여 부품들이 움직이지 않게 처리하는 것이, 열전달 효율 저하를 막을 수 있는 측면에서 바람직할 것이다. 또한 내장 부품들을 전기적으로 보호하기 위하여 케이스(12) 양단에 예를 들면 고온 실리콘과 같은 밀봉재(18)를 주입 충전으로 방수처리하는 것이 바람직할 것이다.

상기와 같은 이 발명 발열장치 모듈(10)은 항온항습이나 난방 등 사용할 장비에서 요구되는 열 용량에 맞게 여러개를 사용하여 도 4와 같이 상하로 적층하거나 도 5 및 도 6과 같이 매트릭스 형태로 적층하여 사용할 수 있다. 도 4와 같은 상하 적층 상태에서 각 모듈의 케이스(11)는 인접하여 적층된 다른 모듈의 케이스(11)와 면접촉으로 적층됨으로써 빠른 열전달로 상호간의 열적 상승 효과를 얻을 수 있다. 또한 도 5 및 6과 같은 적층형태에서는 방열 핀(15)이 맞닿게 하여 상호간의 원할한 열적 상승 효과를 얻을 수 있다.

10: 모듈, 11: PTC 서미스터 소자, 12: 케이스, 13: 절연캡, 14: 단자, 15: 방열핀, 16: 전극연결판, 17: 절연시트, 18: 밀봉재

Claims (5)

1. 적어도 하나의 PTC 서미스터 소자와 이 소자를 외부 전원에 접속하기 위한 도전성 부재들이 내장되고, 소자에서 발생하는 열을 전달하는 재질이면서 전달된 열을 외부로 방사하는 다수의 방열 핀이 붙어 있는 케이스가 포함된 모듈 형태로서, 그 케이스의 외부 표면 중 적어도 일부분이 다른 모듈에 있는 케이스와 면접촉 상태로 적층될 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 PTC 서미스터 소자를 이용한 발열장치.
   
2. 적어도 하나의 PTC 서미스터 소자와 이 소자를 외부 전원에 접속하기 위한 도전성 부재들이 내장되고, 소자에서 발생하는 열을 전달하는 재질이면서 전달된 열을 외부로 방사하는 다수의 방열 핀이 붙어 있는 케이스가 포함된 모듈 형태로서, 그 케이스의 내부와 상기 도전성 부재 사이를 절연하는 절연시트를 포함하여 그 케이스와 방열 핀이 비도통 상태로 운전될 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 PTC 서미스터 소자를 이용한 발열장치.
   
3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 케이스가 단면이 4각형이고, 그 단면상의 4면 중 서로 마주하는 두 면 방향으로 다른 모듈을 차례로 적층할 수 있는 구성인 것을 특징으로 하는 PTC 서미스터 소자를 이용한 발열장치.
   
4. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 케이스가 단면이 4각형인 금속관으로 재단된 형태이고, 상기 도전성 부재들이 그 케이스의 양단 개구를 통해 외부로 인출되며, 그 양단이 방수처리된 구성을 특징으로 하는 PTC 서미스터 소자를 이용한 발열장치.
   
5. 청구항 4에 있어서, 상기 케이스 양단을 마감하면서 그로부터 인출되는 상기 도전성 부재를 지지하는 절연캡이 포함된 구성을 특징으로 하는 PTC 서미스터 소자를 이용한 발열장치.
   
   
   

Images