KR20200021796A - 전기 히터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 조리기기에 적용되는 전기 히터에 관한 것으로서, 특히 전위차에 의한 절연파괴를 방지할 수 있는 면상 발열체를 포함하는 전기 히터에 관한 것이다.
본 발명은, 기판(Substrate: 절연기판 표면에 도체 패턴을 형성할 수 있는 절연재료); 및 상기 기판의 일면에 형성된 내측 면상 발열체(an inner plane heating element);를 포함하고, 상기 내측 면상 발열체는, 시점과 종점을 연결하는 내측 패턴부를 포함하며, 상기 내측 패턴부는, 제1트랙과, 상기 제1트랙의 외측에 이격되게 위치된 제2트랙과, 상기 제1트랙와 제2트랙의 일단을 잇는 제1브릿지와, 상기 제2트랙의 외측에 이격되게 위치된 제3트랙과, 상기 제2트랙의 타단과 제3트랙을 잇는 제2브릿지를 포함하며, 상기 제1트랙와 제2트랙 및 제3트랙와 각각 교차하고 상기 제2브릿지 보다 제1브릿지에 더 가까운 가상선을 따라, 상기 제1트랙와 제2트랙 사이의 제1간격(G1)은, 상기 제2트랙와 제3트랙 사이의 제2간격(G2)보다 짧은 전기 히터를 제공한다.

Description

전기 히터 {Electric Heater}
본 발명은 조리기기에 적용되는 전기 히터에 관한 것으로서, 특히 전위차에 의한 절연파괴를 방지할 수 있는 면상 발열체를 포함하는 전기 히터에 관한 것이다.
일반적으로 조리기기는, 가스 또는 전기를 이용하여 조리물을 가열하여 조리하는 장치로서, 마이크로웨이브를 이용한 전자레인지, 히터를 이용한 오븐, 가스를 이용한 가스레인지, 전기를 이용한 전기레인지, 가스레인지 또는 전기레인지가 내장된 쿡탑(cooktop) 등 다양한 제품들이 보급되고 있다.
가스레인지는, 가스를 열원으로 하여 직접 화염을 발생시키는 반면, 전기레인지는가스, 전기를 이용하여 상판에 올려진 용기와 음식물을 가열한다.
가스레인지는, 화염에 의한 열손실이 크고, 불완전 연소에 따라 오염 물질을 배출하여 실내공기를 오염시킴으로, 최근에는 전기레인지에 대한 관심이 높아지고 있다.
전기레인지는, 자기유도 방식으로 자성을 띈 용기를 직접 가열하는 인덕션(induction)과, 열선을 이용하여 세라믹 상면을 가열하는 하이라이트(Hi-light)로 구분될 수 있다.
인덕션은 고온 하에서 조리 시간이 짧지만, 자성을 띈 전용의 용기를 사용해야 한다. 반면, 하이라이트는 기존의 용기를 그대로 사용할 수 있지만, 조리 시간이 상대적으로 길다.
기존의 하이라이트는 니크롬선을 이용한 발열체를 사용했으나, 발열체의 두께를 얇게 구성하기 위하여 면상 발열체를 이용한 전기 히터를 개발하고 있다.
또한, 조리 기간을 단축하기 위하여, 제한된 면적을 고온으로 가열할 수 있는 전기 히터가 적용된 하이라이트가 개발되고 있는 추세이다.
이러한 전기 히터의 일예는 대한민국 등록특허공보 10-1762159 B1(2017년08월04일)에 개시된 면상 발열장치가 있고, 이러한 면상 발열장치는 전기 절연성의 재질로 이루어진 표면을 포함하는 기판과, 기판의 표면에 부착되며 소정의 모양으로 배치되는 발열체와, 발열체에 전기를 공급하는 전력 공급부를 포함한다.
상기와 같은 전기 히터는 면상 발열체가 배치되는 모양(즉, 패턴)에 따라 가열대상의 온도분포가 상이할 수 있고, 면상 발열체는 가급적 가열대상을 최대한 고르게 가열할 수 있는 모양이나 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
전기 히터의 면상 발열체는 직선 형상이거나 호 형상인 복수개의 트랙을 포함하고, 복수개의 트랙 중 인접한 트랙들은 브릿지(또는 트랙)로 연결된 형상일 수 있다.
히터의 다른 예는 유럽공개특허공보 EP 0,228,808A2(1987년07월15일 공개)에 개시된 온도 민감장치(Temperature sensitve device)가 있고, 이러한 장치는 세라믹 코팅층에 전기통전 재료인 히터 트랙과 한 쌍의 전극이 인쇄된 형태로 구성되는데, 전극을 통하여 전류가 공급됨에 따라 히터 트랙에서 복사열을 발생시키도록 구성된다.
대한민국 등록특허공보 10-1762159 B1(2017년08월04일) 유럽공개특허공보 EP 0,228,808A2(1987년07월15일 공개)
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그런데, 기존의 면상 발열체는, 제한된 면적 내에 하나의 열선이 소정의 패턴 모양으로 형성된 발열부를 포함하는데, 500℃ 이상의 고온으로 발열시키기 위하여, 발열부가 높은 저항을 가지도록 설계된다. 따라서, 패턴의 형상 또는 전극들의 위치에 따라 전위차가 크게 발생되고, 전위차가 큰 부분에서 과도한 국부 발열이 발생될 뿐 아니라 열선이 파괴되는 문제점이 있다. 도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 면상 발열체의 절연 파괴 일예가 도시된 도면이다. 보통, 교류(AC) 전원을 사용하면, 열선과 열선 사이에 발생하는 용량 리액턴스 저항이 발생한다. 그런데, 고온 발열 환경에서 모재의 유전율이 상승하기 때문에 용량 리액턴스가 급격하게 감소하여, 전위차가 큰 영역에서 국부 발열과 절연 파괴 현상이 발생된다. 종래 기술에 따라 패턴의 열선 사이의 간격을 일정하게 형성하면, 도 1a에 도시된 바와 같이 패턴(A)의 최외측에 위치한 브릿지들 사이에 절연 파괴가 일어나거나, 도 1b에 도시된 바와 같이 전극들(B) 사이에 절연 파괴가 일어난다. 이와 같이, 제한된 면적에 형성된 고온 면상 발열체를 구성하기 위하여, 전위차에 의한 국부 발열과 절연 파괴를 해소할 수 있는 패턴과 전극 설계가 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 제한된 면적 내에 패턴부를 구성하더라도 국부 발열과 절연 파괴를 해소할 수 있는 면상 발열체를 포함하는 전기 히터를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 패턴부에 의해 전체를 균일하게 발열시킬 수 있는 면상 발열체를 포함하는 전기 히터를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 전극부와 패턴부 일부에서 발생되는 절연 파괴를 방지할 수 있는 면상 발열체를 포함하는 전기 히터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 기판(Substrate: 절연기판 표면에 도체 패턴을 형성할 수 있는 절연재료); 및 상기 기판의 일면에 형성된 내측 면상 발열체(an inner plane heating element); 를 포함하고, 상기 내측 면상 발열체는, 시점과 종점을 연결하는 내측 패턴부를 포함하며, 상기 내측 패턴부는, 제1트랙과, 상기 제1트랙의 외측에 이격되게 위치된 제2트랙과, 상기 제1트랙와 제2트랙의 일단을 잇는 제1브릿지와, 상기 제2트랙의 외측에 이격되게 위치된 제3트랙과, 상기 제2트랙의 타단과 제3트랙을 잇는 제2브릿지를 포함하며, 상기 제1트랙와 제2트랙 및 제3트랙와 각각 교차하고 상기 제2브릿지 보다 제1브릿지에 더 가까운 가상선을 따라, 상기 제1트랙와 제2트랙 사이의 제1간격(G1)은, 상기 제2트랙와 제3트랙 사이의 제2간격(G2)보다 짧은 전기 히터를 제공한다. 이때, 상기 제1,2,3트랙은, 호 형상이고, 상기 가상선은 상기 제1,2,3트랙의 호 중심 중 하나를 지날 수 있다.
따라서, 제한된 면적 내에서 전위차가 가장 작은 패턴부의 트랙들 사이의 간격을 가장 짧게 구성하고, 전위차가 큰 패턴부 내부의 간격을 상대적으로 넓게 구성하여, 패턴부 내부의 국부 발열과 절연 파괴를 해소할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 내측 면상 발열체는, 상기 내측 패턴부에 연결된 한 쌍의 내측 전극을 포함하고, 상기 내측 전극들 사이의 간격(G3)은, 12mm 이상을 유지할 수 있다. 즉, 전위차가 큰 전극 사이의 간격을 길게 구성하여 전극의 절연 파괴를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 내측 패턴부는, 서로 이격되고 내측에서 외측으로 갈수록 커지는 원호 형상인 복수개의 내측 트랙과, 상기 내측 트랙들을 직렬로 연결하는 복수개의 내측 브릿지를 포함하고, 상기 내측 전극들은 상기 내측 패턴부의 최외측에 연결되며, 상기 내측 트랙들과 내측 브릿지들 및 내측 전극들은, 상기 내측 패턴부의 중심을 지나는 기준선에 대해 대칭될 수 있다. 즉, 대칭 발열할 수 있는 패턴부를 구성하여 전체 영역을 균일하게 발열시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 기준선을 중심으로 대향되는 내측 브릿지들 사이의 간격(G4)은, 최내측에서 가장 짧게 형성되거나, 상기 내측 전극들 사이의 간격(G3)보다 짧게 형성될 수 있다. 즉, 브릿지들 사이의 간격을 전위차가 작을수록 짧게 구성하여, 제한된 면적 내에 전위차를 고려하여 브릿지들을 설계할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 기준선을 중심으로 대향되는 내측 브릿지들 사이의 간격(G4)은, 상기 제1간격(G1)보다 길게 형성되고, 6mm 이상을 유지할 수 있다. 즉, 브릿지들 사이의 간격을 길게 구성하여, 브릿지들의 절연 파괴를 방지하고, 국부 발열을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 내측 전극의 두께(T1)는, 상기 내측 트랙의 두께(T0)보다 적어도 1.5 배 이상 두껍게 형성되고, 상기 내측 브릿지의 두께(T2)는, 상기 내측 트랙의 두께(T0)보다 적어도 1.5 배 이상 두껍게 형성될 수 있다. 즉, 전위차가 상대적으로 큰 전극 또는 브릿지부의 저항을 낮추어 발열 온도를 효과적으로 낮출 수 있다.
한편, 본 발명에서, 상기 내측 면상 발열체 외측에 위치하도록 상기 기판의 일면에 형성된 외측 면상 발열체(an outer plane heating element)를 포함하고, 상기 외측 면상 발열체는, 상기 내측 패턴부 외측에 시점과 종점을 연결하는 적어도 하나 이상의 외측 패턴부와, 상기 외측 패턴부과 연결되는 한 쌍의 외측 전극을 포함할 수 있다. 즉, 멀티 패턴부로 구성할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 외측 전극들은, 상기 내측 전극들 외측에 수평하게 위치될 있다.
또한, 상기 외측 패턴부는, 서로 이격되고 내측에서 외측으로 갈수록 커지는 원호 형상인 복수개의 외측 트랙과, 상기 외측 트랙들을 직렬로 연결하는 복수개의 외측 브릿지를 포함하고, 상기 외측 전극들은 상기 외측 패턴부의 최내측에 연결되고, 상기 외측 트랙들과 외측 브릿지들 및 외측 전극들은, 상기 외측 패턴부의 중심을 지나는 기준선에 대해 대칭될 수 있다.
특히, 상기 내/외측 전극들은, 적어도 일부가 적어도 한 쌍의 외측 브릿지 사이에 위치될 수 있다.
또한, 상기 외측 전극의 두께(T3)는, 상기 외측 트랙의 두께(T0)보다 적어도 1.5 배 이상 두껍게 형성되고, 상기 외측 브릿지의 두께(T4)는, 상기 외측 트랙의 두께(T0)보다 적어도 1.5 배 이상 두껍게 형성될 수 있다. 즉, 전위차가 상대적으로 큰 전극 또는 브릿지부의 저항을 낮추어 발열 온도를 효과적으로 낮출 수 있다.
본 발명의 전기 히터에 따르면, 패턴부 중 전위차가 가장 작은 열선 사이의 간격을 가장 짧게 구성하고, 패턴부 내에 전위차가 큰 열선 사이의 간격을 상대적으로 넓게 구성할 수 있다.
따라서, 고온 환경 하에서 제한된 면적 내에 패턴부를 구성하더라도 공간을 통하여 패턴부 내에서 국부 발열을 해소할 수 있고, 패턴부 내부의 국부 발열에 의한 절연 파괴를 방지할 수 있으며, 패턴부가 형성된 면적 전체를 균일하게 발열시킬 수 있고, 패턴부가 형성될 수 있는 제한된 면적 내에 최대 발열 면적을 확보할 수 있다.
또한, 전위차가 가장 큰 전극들 사이의 간격을 적어도 12mm 이상 유지하거나, 패턴부 중 전위차가 가장 작은 최내측 브릿지들 사이의 간격을 적어도 6mm 이상 유지하여, 전극들과 브릿지들의 절연 파괴를 방지할 수 있다.
또한, 전극들 또는 패턴부의 브릿지를 패턴부의 트랙 보다 상대적으로 두껍게 형성하여, 과잉 발열될 수 있는 전극들과 브릿지들의 발열 온도를 효과적으로 낮출 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 면상 발열체의 패턴과 전극 측 절연 파괴 일예가 도시된 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 히터가 적용된 전기레인지가 도시된 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 히터가 적용된 전기레인지의 제어 블록도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 히터가 도시된 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 타입의 면상 발열체가 도시된 평면도.
도 6은 도 5에 적용된 패턴부 일부가 도시된 도면.
도 7 내지 도 8는 도 5의 A-A'선과 B-B'선에 따른 단면도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 타입의 면상 발열체가 도시된 평면도.
도 10 내지 도 11은 도 9의 C-C'선과 D-D'선에 따른 단면도.
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 따라 면상 발열체의 전극과 브릿지에 오버 코트하기 전/후 발열 상태가 도시된 도면.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 히터가 적용된 전기레인지가 도시된 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 히터가 적용된 전기레인지의 제어 블록도이다.
본 발명의 전기 히터(1)는 쿡탑 등의 전기레인지(이하, 전기레인지라 칭함)의 일부를 구성할 수 있다.
전기레인지는 외관을 형성하는 캐비닛(2)을 포함할 수 있다. 전기 히터(1)는 캐비닛(2)의 상부에 배치될 수 있다. 캐비닛(2)은 상면이 개방될 수 있고, 전기 히터(1)는 캐비닛(2)의 상면에 배치될 수 있다.
전기레인지는 전기레인지를 조작하는 입력부(3)와, 전기레인지의 정보 등의 각종 정보를 표시하는 디스플레이(4)를 포함할 수 있다. 그리고, 전기레인지는 전기 히터(1)에 연결되어 전기 히터(1)에 전류를 인가하는 전력 공급부(5)를 더 포함할 수 있다. 전기레인지는 입력부(3)의 입력에 따라 전력 공급부(5) 및 디스플레이(4)를 제어하는 제어부(6)를 더 포함할 수 있다.
전기 히터(1)는 그 상면이 외부로 노출되게 캐비닛(2)에 설치될 수 있다. 전기레인지에 의해 가열되는 가열대상은 전기 히터(1)의 상면에 올려질 수 있고, 전기 히터(1)의 상면은 가열대상이 안착되는 가열대상 안착면일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 히터가 도시된 단면도이다.
전기 히터(1)는 기판(10)과, 기판(10)의 일면에 형성된 복수개의 면상 발열체(100,200)를 포함할 수 있다.
기판(10)은 표면에 도체 패턴을 형성할 수 있는 절연기판일 수 있다. 기판(10)의 상면은 가열대상이 안착되는 가열대상 안착면(13)일 수 있다. 기판(10)의 하면은 면상 발열체들(100,200)이 형성되는 면상 발열체 형성면(14)일 수 있다.
기판(10)은 그 전체가 절연재질로 형성된 베이스(11)로만 구성되는 것이 가능하고, 절연재질 또는 비 절연재질로 형성된 베이스(11)와, 베이스(11)의 일면에 형성된 절연층(12)을 포함하는 것도 가능하다.
베이스(11)는 글래스일 수 있고, 절연층(12)은 이러한 글래스의 하면에 코팅이나 인쇄 등의 공법으로 형성될 수 있다.
면상 발열체들(100,200)은 절연재질의 베이스(11) 일면에 직접 형성되는 것이 가능하고, 절연층(12)에 형성되는 것도 가능하다.
베이스(11)는 가열대상이 올려지는 판체 형상으로 형성되는 것이 가능하고, 그 내부에 가열대상이 수용될 수 있는 용기 형상으로 형성되는 것이 가능하다
절연층(12)은 베이스(11)의 하면에 형성될 수 있다. 절연층(12)은 베이스(11)의 하면 전체에 형성되는 것이 가능하고, 베이스(11)의 하면 중 일부 영역에만 형성될 수 있다. 절연층(12)는 면상 발열체(100)가 형성될 영역에만 형성되는 것이 가능하다. 절연층(12)은 기판(10)의 하면 전체를 구성하거나 기판(10)의 하면 일부를 구성할 수 있다.
면상 발열체(100)는 절연층(12)의 하면(14)에 형성될 수 있다. 면상 발열체(100)는 기판(10) 보다 크기가 작을 수 있고, 기판(10)의 하면은 면상 발열체(100)가 형성되는 가열영역(H)과, 가열영역(H) 주변의 비가열영역(UH)을 포함할 수 있다.
히터(1)는 면상 발열체(100)를 감싸는 코팅층(18)을 더 포함할 수 있다. 코팅층(18)는 전기 절연성 재질로 형성될 수 있고, 면상 발열체(100)를 보호할 수 있다.
본 실시예의 기판(10)은 플랙서블 재질로 구성되는 것이 가능하고, 예를 들면, 플랙서블 절연필름으로 구성되는 것도 가능하다. 이 경우, 전기 히터(1)는 플랙서블 면상 히터일 수 있다. 이러한 플랙서블 면상 히터는 전기레인지의 상판과 같이, 가열대상이 올려지는 부재에 부착되어 가열대상을 가열하는 것도 가능함은 물론이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시에 따른 싱글 타입의 면상 발열체가 도시된 도면이다.
본 발명에 따른 싱글 타입의 면상 발열체는 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이 하나의 열선으로 구성된 제1면상 발열체(100)로만 구성되는데, 열선이 소정의 형상으로 배열된 패턴부(110)와, 상기 패턴부(110)에 전류를 공급하는 전극부(120)으로 구성된다.
상기 패턴부(110)은 원형의 제한된 면적에 촘촘하게 배열된 발열부로 구성되는데, 최외측에 위치한 시점과 종점 사이를 다양한 경로를 따라 연결하고, 도 5에 도시된 패턴부(110)의 중심을 기준으로 좌우 대칭된 형상으로 구성된다.
실시예에 따르면, 상기 패턴부(110)는 서로 이격되고 중심에서 외측으로 갈수록 커지는 원호 형상인 복수개의 트랙(111)과, 상기 트랙들(111)을 직렬로 연결하는 복수개의 브릿지(112)로 구성될 수 있다.
이때, 상기 패턴부(110)가 형성되는 면적과 상기 패턴부(110)를 구성하는 열선의 길이는 필요 전력에 비례하여 설정될 수 있다.
상기 전극들(120)은 상기 패턴부(110)에 비해 발열량이 상대적으로 낮은 비발열부로 구성되는데, 전류가 입력되는 양극 전극(121)과, 전류가 출력되는 음극 전극(122)으로 구성되고, 상기 양극 전극(121)과 음극 전극(122)이 소정 간격을 두고 수평하게 위치될 수 있다.
상기 양극 전극(121)은 상기 패턴부(110)의 시점에서 연장된 부분으로서, 외부의 입력 단자와 연결되고, 상기 음극 전극(122)은 상기 패턴부(110)의 종점에서 연장된 부분으로서, 외부의 출력 단자와 연결된다.
이와 같이 구성된 싱글 타입의 면상 발열체는 전류가 공급되면, 상기 패턴부(110)가 일종의 저항으로 작용하여 좌우 대칭 형태로 발열하게 된다.
그런데, 전류가 흐르는 동안, 상기 패턴부(110)의 시점부터 종점까지 위치별로 점차 전압이 낮아지도록 측정되고, 근접하게 위치된 트랙들(111)과 브릿지들(112) 사이에 전위차가 발생된다.
상기 양극 전극(121)과 음극 전극(122) 사이에 전위차가 가장 크게 발생되는데, 절연 갭을 유지하기 위하여, 상기 양극 전극(121)과 음극 전극(122) 사이의 제3간격(G3)은 가장 길게 유지되는 것이 바람직하다.
실시예에 따르면, 상기 양극 전극(121)과 음극 전극(122) 사이의 절연 파괴되는 것을 방지하기 위하여, 상기 제3간격(G3)이 적어도 12mm 이상 유지하도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 패턴부(110)의 시점과 종점이 상기 패턴부(110)의 최외측에 위치되고, 상기 트랙들(111)과 브릿지들(112)이 상기 패턴부(110)의 중심을 지나는 기준선에 대해 좌우 대칭 형상으로 형성될 수 있다.
이런 구성의 패턴부(110)를 따라 전류가 흐르면, 좌측의 브릿지들(112)은 외측에서 내측 방향으로 갈수록 전압이 낮아지고, 우측의 브릿지들(112)은 내측에서 외측 방향으로 갈수록 전압이 낮아진다. 즉, 상기 패턴부(110)의 최내측에 위치한 브릿지들(112) 사이의 전위차가 가장 작게 발생되고, 절연 갭도 가장 작게 형성될 수 있다.
따라서, 상기 기준선을 중심으로 대향되는 브릿지들(112) 사이의 제4간격(G4)은 최내측에서 가장 짧게 유지되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 브릿지들(112)의 절연 파괴를 방지하기 위하여, 상기 제4간격(G4)은 적어도 6mm 이상을 유지하여, 절연 갭을 확보하는 것이 바람직하다.
상기 패턴부(110)의 일부 영역을 한정하여 살펴보면, 도 6에 도시된 바와 같이 제1트랙(111a)을 외측에 제2트랙(111b), 상기 제2트랙(111b) 외측에 제3트랙(111c)이 위치되고, 상기 제1트랙(111a)과 상기 제2트랙(111b)의 일단을 연결하는 제1브릿지(112a)가 위치되며, 상기 제2트랙(111b)의 타단과 상기 제3트랙(111c)을 연결하는 제2브릿지(112b)가 위치된다.
전류가 공급되면, 상기 제1트랙(111a)과 제1브릿지(112a)와 제2트랙(111b)과 제2브릿지(112b)와 제3트랙(111c)를 따라 전류가 흐르고, 전류가 흐르는 방향으로 갈수록 전압이 낮아지게 측정된다.
이때, 상기 제1브릿지(112a)에서 멀어질수록 상기 제1트랙(111a)과 제2트랙(111b) 사이의 전위차가 커지고, 상기 제2브릿지(112b)에서 멀어질수록 상기 제2트랙(111b)과 제3트랙(111c) 사이의 전위차가 커지게 된다.
따라서, 상기 제1트랙(111a)와 제2트랙(111b) 및 제3트랙(111c)과 교차하고 상기 제2브릿지(112b)보다 상기 제1브릿지(112a)에 더 가까운 가상선(L1)이 위치한다고 가정하면, 상기 가상선(L1) 상에 위치된 상기 제1트랙(111a)과 제2트랙(111b) 사이의 제1간격(G1)이 상기 제2트랙(111b)와 제3트랙(111c) 사이의 제2간격(G2)보다 더 짧게 구성되는 것이 바람직하다.(G1<G2)
즉, 상기 제1트랙(111a)와 제2트랙(111b) 및 제3트랙(111c)의 중심을 교차하는 중심선(L2)을 기준으로 상기 제2브릿지(112b)보다 상기 제1브릿지(112a)와 가까운 영역에 한정하여, 상기 제1간격(G1)이 상기 제2간격(G2)보다 더 짧게 구성되는 것이 바람직하다.
물론, 상기 제1트랙(111a)와 제2트랙(111b) 및 제3트랙(111c)은 호 형상으로 서로 이격되어 있으며, 상기 제1트랙(111a)와 제2트랙(111b) 및 제3트랙(111c)을 형성하는 호의 중심이 일치하지 않을 수 있다.
다만, 상기 가상선은 상기 제1트랙(111a)와 제2트랙(111b) 및 제3트랙(111c) 중 적어도 하나의 호의 중심을 지나고, 상기 제1트랙(111a)와 제2트랙(111b) 및 제3트랙(111c)과 교차하도록 정의될 수 있다.
이와 같이, 전위차를 낮게 구성하기 위하여, 상기 브릿지와 연결된 부분에서 상기 트랙들 사이의 제1간격(G1)이 가장 짧게 구성되고, 상기 전극들 사이의 제3간격(G3)이 가장 길게 구성되며, 상기 기준선을 중심으로 대향되는 브릿지들 사이의 제4간격(G4)이 상기 제1간격(G1)보다 길고 상기 제4간격(G4)보다 짧게 구성되는 것이 바람직하다.(G1<G4<G3)
또한, 고온 환경 하에서 절연 파괴를 방지하기 위하여, 상기 전극들 사이의 제3간격(G3)이 12mm 이상으로, 상기 브릿지들 사이의 제4간격(G4)이 6mm 이상으로 길게 유지하여 절연 갭을 확보하는 것이 바람직하다.
하지만, 제한된 면적 내에 패턴부와 전극들을 형성하려면, 상기 제3간격(G3) 또는 제4간격(G4)을 충분히 확보하는 것이 제한될 수 있다.
따라서, 전위차가 상대적으로 큰 전극들 또는 브릿지들의 저항을 다소 낮추면, 그 지점에서 발열 온도를 낮출 수 있고, 절연 파괴를 방지할 수 있다.
실시예에 따르면, 도 8에 도시된 바와 같이 양극 전극(121)의 두께(T1)가 패턴부 측 트랙(111)의 두께(T0)보다 적어도 1.5배 이상 두껍게 형성되고, 도 6에 도시된 바와 같이 패턴부 측 브릿지(112)의 두께(T2)가 패턴부 측 트랙(111)의 두께(T0)보다 적어도 1.5배 이상 두껍게 형성될 수 있다.
즉, 상기 패턴부(110)와 전극부(120)가 동일한 두께(T0)로 인쇄된 다음, 상기 전극부(120)와 브릿지(112) 위치에 소정의 두께(T1-T0,T2-T0)로 오버 코팅(over-coating)하거나, 적어도 두 번 이상 인쇄하는 공정으로 제작될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 타입의 면상 발열체가 도시된 도면이다.
본 발명에 따른 듀얼 타입의 면상 발열체는 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이 동일 평면의 중심에 위치된 내측 면상 발열체(100)와, 상기 내측 면상 발열체(100)를 감싸도록 위치된 외측 면상 발열체(200)로 구성된다.
상기 내측 면상 발열체(100)는 소정 형상으로 배열된 내측 패턴부(110)와, 상기 내측 패턴부(110)와 연결된 내측 전극부(120)로 구성되고, 상기에서 설명한 싱글 타입의 면상 발열체와 동일하게 구성됨으로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 외측 면상 발열체(200)는 상기 내측 패턴부(110) 외측에 소정 형상으로 배열된 외측 패턴부(210)와, 상기 외측 패턴부(210)와 연결된 외측 전극부(220)으로 구성된다.
상기 외측 패턴부(210)는 상기 내측 패턴부(110)의 외측을 둘러싸는 링형의 제한된 면적에 촘촘하게 배열된 발열부로 구성되는데, 최내측에 위치한 시점과 종점 사이를 다양한 경로를 따라 연결하고, 좌우 대칭된 형상으로 구성된다.
실시예에 따르면, 상기 외측 패턴부(210)도 상기 내측 패턴부(110)와 마찬가지로 복수개의 외측 트랙(211)과, 복수개의 외측 브릿지(212)로 구성될 수 있다.
또한, 상기 외측 브릿지들(212) 사이에 상기 내측 전극부(120)의 일부와 하기에서 설명될 외측 전극부(220)의 일부가 위치될 수 있다.
따라서, 상기 내/외측 패턴부(110,210)보다 상대적으로 발열 온도가 낮은 상기 내/외측 전극부(120,220)를 상기 외측 브릿지들(220) 사이에 최소한 포함되도록 구성하여, 가열 영역 중 500℃ 이상으로 발열하는 hot zone 을 늘리고, hot zone 에 비해 300℃ 이하로 낮은 온도로 발열하는 dead zone 을 줄일 수 있다.
물론, 상기 내/외측 패턴부(110,210)는 필요 전력을 분배하여 설계되고, 각 패턴부(110,210)가 형성된 면적과 각 패턴부(110,210)를 구성하는 열선의 길이는 각각 분배 전력에 비례하여 설정될 수 있다.
상기 외측 전극부(220)도 상기 외측 패턴부(210)에 비해 발열량이 낮은 비발열부로 구성되는데, 상기 내측 전극부(120)과 마찬가지로 외측 양극 전극(221)과, 외측 음극 전극(222)으로 구성되고, 상기 내측 전극부(120) 외측에 수평하게 위치된다.
마찬가지로, 상기 외측 양극 전극(221)은 상기 외측 패턴부(210)의 시점에서 연장된 부분으로서, 외부의 입력 단자와 연결되고, 상기 외측 음극 전극(222)은 상기 외측 패턴부(210)의 종점에서 연장된 부분으로서, 외부의 출력 단자와 연결된다.
이때, 상기 양극 전극들(121,221)은 서로 절연 갭을 유지해야 하지만, 상기 음극 전극들(122,222)은 서로 연결되어 그라운드에 접지될 수 있다.
실시예에 따르면, 도 10에 도시된 바와 같이 외측 양극 전극(221)의 두께(T3)가 외측 패턴부 측 외측 트랙(211)의 두께(T0)보다 적어도 1.5배 이상 두껍게 형성되고, 도 11에 도시된 바와 같이 외측 패턴부 측 외측 브릿지(212)의 두께(T4)가 외측 패턴부 측 외측 트랙(211)의 두께(T0)보다 적어도 1.5배 이상 두껍게 형성될 수 있다.
즉, 상기 외측 패턴부(210)와 외측 전극(220)이 동일한 두께(T0)로 코팅된 다음, 상기 외측 전극(220)과 외측 브릿지(212) 위치에 소정의 두께(T3-T0,T4-T0)로 추가 코팅되는 오버 코팅(over-coating)이나, 적어도 두 번 이상 인쇄되는 공정으로 제작될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
이와 같이 구성된 듀얼 타입의 면상 발열체는 전류가 공급되면, 상기 내측 패턴부(110)와 외측 패턴부(210)가 일종의 저항으로 작용하여 좌우 대칭 형태로 발열하게 된다.
상기 내측 패턴부(110)와 내측 전극부(120)는 상기에서 설명한 바와 같이 전위차가 낮은 지점에서 간격을 짧게 구성하는 동시에 전위차가 높은 지점에서 간격을 길게 구성함으로서, 전위차가 높더라도 고온 환경 하에서 국부 발열과 절연 파괴를 방지할 수 있다.
또한, 상기 내/외측 전극부(120,220)와 내/외측 브릿지(112,212)가 상대적으로 상기 내/외측 트랙(111,211) 보다 더 두껍게 구성함으로서, 저항을 낮춰 그 지점에서 발열 온도를 낮추고, 효과적으로 절연 파괴를 방지할 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 따라 면상 발열체의 전극과 브릿지에 오버 코트하기 전/후 발열 상태가 도시된 도면이다.
본 발명에 따라, 도 12a에 도시된 바와 같이 기존에 비해 전극들 사이의 간격과 브릿지들 사이의 간격을 넓혀주면, 전극들과 브릿지들 사이에 절연 파괴가 해소되지만, 전극들과 브릿지들을 상대적으로 두껍게 형성하지 않으면, 상대적으로 국부 발열이 그대로 유지된다.
본 발명에 따라, 도 12b에 도시된 바와 같이 기존에 비해 전극들 사이의 간격과 브릿지들 사이의 간격을 넓혀주고, 전극들과 브릿지들을 상대적으로 두껍게 형성하면, 전극들과 브릿지들 사이에 절연 파괴와 상대적인 국부 발열을 동시에 해소할 수 있고, 전체 영역에 걸쳐 균일한 온도로 가열할 수 있다.
100 : 내측 면상 발열체 110 : 내측 패턴부
120 : 내측 전극부 200 : 외측 면상 발열체
210 : 외측 패턴부 220 : 외측 전극부

Claims (24)

  1. 기판(Substrate: 절연기판 표면에 도체 패턴을 형성할 수 있는 절연재료); 및
    상기 기판의 일면에 형성된 내측 면상 발열체(an inner plane heating element); 를 포함하고,
    상기 내측 면상 발열체는,
    시점과 종점을 연결하는 내측 패턴부를 포함하며,
    상기 내측 패턴부는,
    제1트랙과,
    상기 제1트랙의 외측에 이격되게 위치된 제2트랙과,
    상기 제1트랙와 제2트랙의 일단을 잇는 제1브릿지와,
    상기 제2트랙의 외측에 이격되게 위치된 제3트랙과,
    상기 제2트랙의 타단과 제3트랙을 잇는 제2브릿지를 포함하며,
    상기 제1트랙와 제2트랙 및 제3트랙와 각각 교차하고 상기 제2브릿지 보다 제1브릿지에 더 가까운 가상선을 따라,
    상기 제1트랙와 제2트랙 사이의 제1간격(G1)은,
    상기 제2트랙와 제3트랙 사이의 제2간격(G2)보다 짧은 전기 히터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내측 면상 발열체는,
    상기 내측 패턴부에 연결된 한 쌍의 내측 전극을 포함하고,
    상기 내측 전극들 사이의 간격(G3)은,
    12mm 이상을 유지하는 전기 히터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내측 패턴부는,
    서로 이격되고 내측에서 외측으로 갈수록 커지는 원호 형상인 복수개의 내측 트랙과,
    상기 내측 트랙들을 직렬로 연결하는 복수개의 내측 브릿지를 포함하고,
    상기 내측 전극들은 상기 내측 패턴부의 최외측에 연결되며,
    상기 내측 트랙들과 내측 브릿지들 및 내측 전극들은,
    상기 내측 패턴부의 중심을 지나는 기준선에 대해 대칭되는 전기 히터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기준선을 중심으로 대향되는 내측 브릿지들 사이의 간격(G4)은,
    최내측에서 가장 짧게 형성되는 전기 히터.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 기준선을 중심으로 대향되는 내측 브릿지들 사이의 간격(G4)은,
    상기 내측 전극들 사이의 간격(G3)보다 짧게 형성되는 전기 히터.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 기준선을 중심으로 대향되는 내측 브릿지들 사이의 간격(G4)은,
    상기 제1간격(G1)보다 길게 형성되는 전기 히터.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 기준선을 중심으로 대향되는 내측 브릿지들 사이의 간격(G4)은,
    6mm 이상을 유지하는 전기 히터.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 내측 전극의 두께(T1)는,
    상기 내측 트랙의 두께(T0)보다 적어도 1.5 배 이상 두껍게 형성되는 전기 히터.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 내측 브릿지의 두께(T2)는,
    상기 내측 트랙의 두께(T0)보다 적어도 1.5 배 이상 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 히터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 내측 면상 발열체 외측에 위치하도록 상기 기판의 일면에 형성된 외측 면상 발열체(an outer plane heating element)를 포함하고,
    상기 외측 면상 발열체는,
    상기 내측 패턴부 외측에 시점과 종점을 연결하는 적어도 하나 이상의 외측 패턴부와,
    상기 외측 패턴부와 연결되는 한 쌍의 외측 전극을 포함하는 전기 히터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 외측 전극들은,
    상기 내측 전극들 외측에 수평하게 위치되는 것을 특징으로 하는 전기 히터.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 외측 패턴부는,
    서로 이격되고 내측에서 외측으로 갈수록 커지는 원호 형상인 복수개의 외측 트랙와,
    상기 외측 트랙들을 직렬로 연결하는 복수개의 외측 브릿지를 포함하고,
    상기 외측 전극들은 상기 외측 패턴부의 최내측에 연결되고,
    상기 외측 트랙들과 외측 브릿지들 및 외측 전극들은,
    상기 외측 패턴부의 중심을 지나는 기준선에 대해 대칭되는 전기 히터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 내/외측 전극들은,
    적어도 일부가 적어도 한 쌍의 외측 브릿지 사이에 위치되는 전기 히터.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 외측 전극의 두께(T3)는,
    상기 외측 트랙의 두께(T0)보다 적어도 1.5 배 이상 두껍게 형성되는 전기 히터.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 외측 브릿지의 두께(T4)는,
    상기 외측 트랙의 두께(T0)보다 적어도 1.5 배 이상 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 히터.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1,2,3트랙은, 호 형상이고,
    상기 가상선은 상기 제1,2,3트랙의 호 중심 중 하나를 지나는 전기 히터.
  17. 기판(Substrate: 절연기판 표면에 도체 패턴을 형성할 수 있는 절연재료); 및
    상기 기판의 일면에 형성된 면상 발열체(a plane heating element); 를 포함하고,
    상기 면상 발열체는,
    서로 이격되고 내측에서 외측으로 갈수록 커지는 원호 형상인 제1,2트랙과, 상기 제1,2트랙을 직렬로 연결하는 브릿지를 포함하는 패턴부를 포함하며,
    상기 제1,2트랙들 사이의 제1간격(G1)은,
    상기 브릿지와 연결 부분에서 가장 짧게 형성되는 전기 히터.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 면상 발열체는,
    상기 패턴부와 연결되는 한 쌍의 전극을 더 포함하고,
    상기 전극들 사이의 간격(G3)은,
    12mm 이상을 유지하는 전기 히터.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 패턴부는,
    서로 이격되고 내측에서 외측으로 갈수록 커지는 원호 형상인 복수개의 트랙과,
    상기 트랙들을 직렬로 연결하는 복수개의 브릿지를 포함하고,
    상기 전극들은 상기 패턴부의 최외측에 연결되며,
    상기 트랙들과 브릿지들 및 전극들은,
    상기 패턴부의 중심을 지나는 기준선에 대해 대칭되는 전기 히터.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 기준선을 중심으로 대향되는 브릿지들 사이의 간격(G4)은,
    최내측에서 가장 짧게 형성되는 전기 히터.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 기준선을 중심으로 대향되는 브릿지들 사이의 간격(G4)은,
    상기 전극들 사이의 간격(G3)보다 짧게 형성되는 전기 히터.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 기준선을 중심으로 대향되는 브릿지들 사이의 간격(G4)은,
    상기 제1간격(G1)보다 길게 형성되는 전기 히터.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 기준선을 중심으로 대향되는 브릿지들 사이의 간격(G4)은,
    6mm 이상을 유지하는 전기 히터.
  24. 기판(Substrate: 절연기판 표면에 도체 패턴을 형성할 수 있는 절연재료); 및
    상기 기판의 일면에 형성된 면상 발열체(a plane heating element); 를 포함하고,
    상기 면상 발열체는,
    서로 이격되고 내측에서 외측으로 갈수록 커지는 원호 형상인 제1,2트랙과, 상기 제1,2트랙을 직렬로 연결하는 브릿지를 포함하는 패턴부를 포함하며,
    상기 제1,2트랙들 사이의 제1간격(G1)은,
    상기 브릿지와 연결 부분과 가까워질수록 점차 짧게 형성되는 전기 히터.
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그런데, 기존의 면상 발열체는, 제한된 면적 내에 하나의 열선이 소정의 패턴 모양으로 형성된 발열부를 포함하는데, 500℃ 이상의 고온으로 발열시키기 위하여, 발열부가 높은 저항을 가지도록 설계된다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 면상 발열체의 절연 파괴 일예가 도시된 도면이다.
따라서, 패턴의 형상 또는 전극들의 위치에 따라 전위차가 크게 발생되고, 전위차가 큰 부분에서 과도한 국부 발열이 발생될 뿐 아니라 열선이 파괴되는 문제점이 있다.
보통, 교류(AC) 전원을 사용하면, 열선과 열선 사이에 발생하는 용량 리액턴스 저항이 발생한다. 그런데, 고온 발열 환경에서 모재의 유전율이 상승하기 때문에 용량 리액턴스가 급격하게 감소하여, 전위차가 큰 영역에서 국부 발열과 절연 파괴 현상이 발생된다.
이와 같이, 제한된 면적에 형성된 고온 면상 발열체를 구성하기 위하여, 전위차에 의한 국부 발열과 절연 파괴를 해소할 수 있는 패턴과 전극 설계가 요구되고 있다.
종래 기술에 따라 패턴의 열선 사이의 간격을 일정하게 형성하면, 도 1a에 도시된 바와 같이 패턴(A)의 최외측에 위치한 브릿지들 사이에 절연 파괴가 일어나거나, 도 1b에 도시된 바와 같이 전극들(B) 사이에 절연 파괴가 일어난다.

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