KR20230031332A

KR20230031332A - 저항성 액체 히터

Info

Publication number: KR20230031332A
Application number: KR1020237003284A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 그리섬
Original assignee: 다이슨 테크놀러지 리미티드
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2021-06-16
Publication date: 2023-03-07
Also published as: JP7471473B2; GB2596793A; GB202009999D0; WO2022003314A1; US20230337334A1; CN115769674A; JP2023532063A

Abstract

액체를 수용하기 위한 챔버, 액체에 전류를 인가하기 위해 챔버 내에 위치하는 전극 쌍, 전원 공급 장치에 연결하기 위한 입력 단자, 전극 쌍을 입력 단자에 연결하기 위한 복수의 스위치, 및 스위치를 제어하는 제어 유닛을 포함하는 액체 히터가 설명된다. 스위치는 복수의 전극 구성 중 하나에서 전극 쌍을 입력 단자에 선택적으로 연결하기 위한 복수의 상이한 상태를 갖고, 전극은 각 전극 구성에서 상이한 총 전기 저항을 가진다. 제1 총 전기 저항을 갖는 제1 전극 구성과 더 낮은 제2 총 전기 저항을 갖는 제2 전극 구성 사이에서 스위칭할 때, 제어 유닛은 전극 구성 사이의 스위칭이 전원 공급 장치의 전압에서 제로-크로싱(zero-crossing)에 응답하여 발생하도록 스위치를 제어한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제어 유닛은 상기 제1 전극 구성의 전극이 제1 듀티(duty)를 갖는 전압으로 통전되고, 제2 전극 구성의 전극이 더 높은 제2 듀티를 갖는 전압으로 통전되도록 스위치를 제어한다.

Description

저항성 액체 히터

본 발명은 액체를 가열하기 위해 저항 가열(resistive heating)을 이용하는 액체 히터에 관한 것이다.

액체 히터는 줄(Joule) 또는 오믹(Ohmic) 가열이라고도 하는 저항 가열을 사용하여 액체를 순간적으로 또는 필요에 따라 가열할 수 있다. 액체가 히터를 통과할 때 전극은 액체에 전류를 가하여 액체를 가열한다.

본 발명은 액체 히터를 포함하며, 상기 액체 히터는 액체를 수용하기 위한 챔버; 액체에 전류를 인가하기 위해 챔버 내에 위치하는 전극 쌍; 전원 공급 장치에 연결하기 위한 입력 단자; 전극 쌍을 입력 단자에 연결하기 위한 복수의 스위치; 및 스위치를 제어하는 제어 유닛을 포함하고, 스위치는 복수의 전극 구성 중 하나에서 전극 쌍을 입력 단자에 선택적으로 연결하기 위한 복수의 상이한 상태를 갖고, 전극은 각 전극 구성에서 상이한 총 전기 저항을 가지며, 제1 총 전기 저항을 갖는 제1 전극 구성과 더 낮은 제2 총 전기 저항을 갖는 제2 전극 구성 사이에서 스위칭할 때, 제어 유닛은: (i) 전극 구성 사이의 스위칭이 전원 공급 장치의 전압에서 제로-크로싱(zero-crossing)에 응답하여 발생하고/발생하거나, (ii) 제1 전극 구성의 전극이 제1 듀티(duty)를 갖는 전압으로 통전되고, 제2 전극 구성의 전극이 더 높은 제2 듀티를 갖는 전압으로 통전되도록 스위치를 제어한다.

상이한 전체 전기 저항을 갖는 다른 전극 구성을 가짐으로써 상대적으로 높은 열 정확도를 얻을 수 있다.

히터는 광범위한 전도도를 갖는 액체를 가열하는 데 사용될 수 있다. 상이한 전극 구성을 가짐으로써 이러한 액체의 가열을 더 잘 제어할 수 있다. 예를 들어, 전도도에 관계없이 동일하거나 유사한 수준의 가열이 달성될 수 있도록 액체의 전도도에 따라 전극 구성이 선택될 수 있다.

총 전기 저항의 변화로 인해, 두 전극 구성 사이를 전환하면 전원 공급 장치에서 생성된 전류에 상당한 고조파가 발생할 수 있다. 따라서 제어 유닛은 공급 전압의 제로-크로싱(zero-crossing) 또는 제로-크로싱 부근에서 전극 구성 사이를 전환할 수 있다. 전원 공급 장치의 전압이 0이거나 0에 가까울 때 전극 구성을 전환하면 전류 고조파를 크게 줄일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제어 유닛은 상이한 전극 구성 사이에서 스위칭할 때 입력 전력의 차이를 감소시키기 위해 인가된 전압의 듀티를 변경할 수 있다. 보다 구체적으로, 더 높은 총 전기 저항을 갖는 제1 전극 구성과 더 낮은 총 전기 저항을 갖는 제2 전극 구성 사이에서 전환할 때, 제어 유닛은 더 낮은 듀티를 갖는 전압으로 제2 구성의 전극을 통전시킬 수 있다. 그 결과, 2개의 전극 구성 사이의 입력 전력의 차이가 감소하고, 따라서 구성 간 전환 시 전류에 도입되는 임의의 고조파가 감소될 수 있다. 전원 공급 장치에서 생성된 전류의 고조파 성분을 줄임으로써, 임피던스가 더 작은 필터를 사용할 수 있다.

액체 히터는 적어도 6개의 전극 구성을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 액체 히터는 적어도 13개의 전극 구성을 포함할 수 있다. 그 결과, 액체 가열에 대한 제어를 개선할 수 있다. 특히, 각각이 상이한 총 전기 저항을 갖는 적어도 6개의 전극 구성을 가짐으로써 더 높은 열 정확도를 얻을 수 있다.

각 쌍의 전극은 상이한 전기 저항을 가진다. 그 결과 총 전기 저항이 상이한 전극 구성이 더 많아져 보다 미세한 열 제어가 가능하다.

전극 쌍의 전기 저항은 최대값 Rmax 및 최소값 Rmin을 가질 수 있으며, 여기서 Rmax/Rmin은 적어도 10이다. 그 결과, 다양한 전극 구성의 전체 전기 저항에서 상대적으로 넓은 동적 범위를 이룰 수 있다.

상기 전극 구성의 총 전기 저항은 최소값 RTmin 및 최대값 RTmax를 가질 수 있다. 추가적으로, 순위가 지정된 임의의 두 전극 구성의 총 전기 저항의 차이는 최대값 Rmaxdiff를 가지며, RTmax/RTmin은 최소 20이고 Rmaxdiff/(RTmax-RTmin)는 35% 이하일 수 있다. 이는 전체 전기 저항에서 동적 범위(RTmax/RTmin)와 분해능(Rmaxdiff) 사이에 상대적으로 바람직한 균형을 제공한다. 특히, 히터는 최소 20의 동적 범위를 가지며 두 개의 순위가 지정된 구성 간의 총 전기 저항 차이가 총 범위의 35%를 넘지 않도록 한다.

2개의 순위가 지정된 전극 구성은 전체 전기 저항에 대해 순위가 지정될 때 2개의 연속적인 전극 구성을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

제어 유닛은 전극이 각 구성 내에서 교류 전압으로 통전되도록 스위치를 제어할 수 있다. 결과적으로, 전극의 전기 분해를 피할 수 있다.

스위치는 전극이 양의 전압으로 통전되는 제1 상태 및 전극이 음의 전압으로 통전되는 제2 상태를 가질 수 있다. 제어 유닛은 적어도 300kHz의 스위칭 주파수에서 제1 상태와 제2 상태 사이에서 스위치를 스위칭할 수 있다. 그 결과, 전극은 적어도 150kHz의 주파수를 갖는 교류 전압으로 통전된다. 이러한 고주파수에서 전극에 에너지를 공급함으로써 더 작은 전극을 사용하여 전기 분해 없이 동일한 전력을 전달할 수 있다. 따라서, 히터에 대한 전력 밀도가 더욱 높아질 수 있다.

전원은 교류 전압을 공급할 수 있고, 제어 유닛은 스위치를 제어하여 적어도 하나의 설정 내에서 전극이 교류 전압의 각각의 N번째 반주기 동안에만 통전되도록 할 수 있으며, 여기서 N은 적어도 2이다. 결과적으로 더 높은 열 정확도를 얻을 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛은 교류 전압의 각각의 반주기마다가 아닌, 각각의 두 번째 반주기(N=2) 동안 전극이 통전되는 제1 설정을 포함할 수 있다. 결과적으로, 해당 전극 구성에 전기 입력 전력이 절반으로 줄어든다. 유사하게, 제어 유닛은 매 3번째 반주기(N=3) 동안 전극이 통전되는 제2 설정을 포함할 수 있다. 결과적으로, 해당 전극 구성에 대한 전기 입력 전력은 1/3이 된다. 따라서 입력 전력과 가열 속도의 범위가 더 넓어질 수 있다.

전원 공급 장치는 교류 전압을 공급할 수 있고, 제어 유닛은 스위치를 제어하여 적어도 하나의 설정 내에서 교류 전압의 각 반주기의 하나 이상의 부분 동안에만 전극이 통전되도록 할 수 있다. 결과적으로 더 높은 열 정확도를 달성할 수 있다. 특히, 각각의 반주기의 일부 동안에만 전극에 에너지를 공급함으로써 입력 전력을 더욱 낮출 수 있다. 또한 부분의 크기 또는 길이를 변경하여 입력 전력을 조정할 수 있다.

액체 히터는 액체의 온도를 감지하기 위한 온도 센서를 포함할 수 있고, 제어 유닛은 액체의 온도 및 온도 설정값에 기초하여 전극 구성을 선택하도록 스위치를 제어할 수 있다. 특히, 제어 유닛은 액체의 온도와 온도 설정값 사이의 더 큰 차이에 응답하여 더 낮은 전체 전기 저항을 갖는 전극 구성을 선택할 수 있다. 결과적으로, 우수한 열 제어가 이루어질 수 있다. 예를 들어, 액체의 온도와 설정값 사이의 차이가 큰 경우 제어 유닛은 총 전기 저항이 더 낮은 전극 구성을 선택할 수 있다. 반대로, 액체의 온도와 설정값 사이의 차이가 작은 경우, 제어 유닛은 더 높은 전체 전기 저항을 갖는 전극 구성을 선택할 수 있다. 결과적으로 액체의 빠르고 정확한 가열이 이루어질 수 있다.

액체 히터는 액체의 온도를 감지하기 위한 온도 센서를 포함할 수 있고, 제어 유닛은 전극이 액체의 온도 및 온도 설정값에 의해 정의된 듀티를 갖는 전압으로 통전되도록 스위치를 제어할 수 있다. 가변 듀티가 있는 전압으로 전극에 에너지를 가하면 액체의 온도를 보다 세밀하게 제어할 수 있다. 특히, 2개의 전극 구성 사이에 있는 입력 전력을 달성하기 위해 듀티를 변화시키는 것이 사용될 수 있다. 결과적으로, 더 높은 열 정확도를 얻을 수 있다.

제어 유닛은 전극이 70% 이상의 가변 듀티를 갖는 전압으로 활성화되도록 스위치를 제어할 수 있다. 이전 단락에서 언급한 바와 같이, 더 높은 열 정확도를 달성하기 위해 듀티를 변경할 수 있다. 추가적으로, 전술된 바와 같이, 전극은 전류 고조파를 줄이기 위해 전극 구성 사이를 전환할 때 상이한 듀티를 갖는 전압으로 통전될 수 있다. 듀티가 100% 미만인 전압으로 전극에 전원을 공급하면 전극에 전압이 인가되지 않는 기간이 도입되어 전원 공급 장치에서 전극에 의해 전류가 흐르지 않는다. 그러나, 듀티가 70% 이상임을 보장함으로써 상대적으로 낮은 임피던스의 필터를 사용하여 가열에 대한 제어가 상대적으로 양호해질 수 있다.

전원 공급 장치는 교류 전압을 공급할 수 있으며, 스위치는 양방향 스위치일 수 있다. 이는 전원 공급 장치의 극성에 관계없이 전극에 교류 전압이 공급될 수 있다는 이점이 있다. 또한, 전극은 AC-DC 스테이지 또는 PFC 회로를 제공할 필요 없이 공급 전압보다 더 높은 주파수를 갖는 교류 전압으로 통전될 수 있다.

전원 공급 장치는 제1 주파수를 갖는 교류 전압을 공급할 수 있고, 제어 유닛은 전극이 더 높은 제2 주파수를 갖는 교류 전압으로 통전되도록 스위치를 제어할 수 있다. 그 결과, 공급 전압의 낮은 주파수에도 불구하고, 전기 분해를 피할 수 있다. 제1 주파수는 60Hz 이하일 수 있고, 제2 주파수는 150kHz 이상일 수 있다. 따라서, 더 작은 전극을 갖는 히터는 주 전원 공급 장치(일반적으로 50Hz 또는 60Hz의 주파수를 가짐)에 의해 전력을 공급받을 수 있지만, 150kHz를 초과하는 주파수에서 통전됨으로써 전기 분해를 피할 수 있다.

첨부된 도면을 참조하여 예로서 실시예가 설명될 것이다.
도 1은 액체 히터의 블록도이다.
도 2는 히터의 회로도이다.
도 3은 각 스위치에 대한 히터의 가능한 상태를 도시한다.
도 4는 히터의 전극이 상이한 구성으로 통전되는 다양한 통전 상태를 상세히 나타내는 표이다.
도 5는 히터의 각 전극 구성에 대한 총 전기 저항을 상세히 나타내는 표이다.
도 6은 도 4의 통전 상태 1과 2 사이를 전환할 때 히터 스위치의 상태 전이 시퀀스를 나타낸다.
도 7은 도 5의 전극 구성에 대한 총 전기 저항의 거동을 나타내는 그래프이다.
도 8은 히터의 다양한 전원 설정을 상세히 도시한다.
도 9는 히터 전극의 기본 저항에 대한 변화가 동적 범위(위쪽 그래프)와 두 전극 구성 사이의 총 전기 저항의 최대 차이(아래쪽 그래프)에 어떤 영향을 미치는지를 도시한다.
도 10은 상이한 기본 저항을 갖는 전극에 대한 2개의 전극 구성 사이의 총 전기 저항, 동적 범위 및 총 전기 저항의 최대 및 평균 차이를 상세히 나타내는 표이다.

도 1 및 2의 액체 히터(10)는 챔버(20), 전극(30) 및 제어 시스템(40)을 포함한다.

챔버(20)는 가열될 액체를 수용하고 액체가 챔버(20)로 들어오고 나가는 유입구(21) 및 배출구(22)를 포함한다.

전극(30)은 챔버(20) 내에 위치한 3쌍의 전극(E1-E3)을 포함한다. 전극(30)의 각 쌍은 액체가 챔버(20)의 유입구(21)로부터 배출구(22)로 흐를 때 통과하는 채널을 정의한다. 제1 전극쌍(E1)은 제2 전극쌍(E2)의 상류측에 위치하고, 제2 전극쌍(E2)은 제3 전극쌍(E3)의 상류측에 위치한다. 결과적으로 액체는 먼저 제1 전극쌍(E1)의 전극 사이를 통과한 다음 제2 전극쌍(E2)을 통과한 후 마지막으로 제3 전극쌍(E3)의 전극 사이를 통과한다.

각 쌍의 전극(30)은 상이한 전기 저항을 가지며, 즉 챔버(20)가 액체로 채워질 때 한 쌍의 전극(예: E1) 양단의 전기 저항은 다른 두 쌍의 전극(예: E2 및 E3)의 전기 저항과 상이할 것이다. 상이한 단면적 및/또는 이격 거리의 전극을 가짐으로써 상이한 전기 저항이 달성될 수 있다.

제어 시스템(40)은 입력 단자(41), 필터(42), 컨버터(43), 온도 센서(44), 전류 센서(45), 제로 크로스 검출기(46) 및 제어 유닛(47)을 포함한다.

입력 단자(41)는 교류 전압을 공급하는 주 전원 공급 장치와 같은 전원 공급 장치(50)에 연결될 수 있다.

필터(42)는 인덕터(L1) 및 커패시터(C1)를 포함하며, 이들은 전원(50)으로부터 인출된 전류의 고주파 고조파를 감쇠시킨다.

컨버터(43)는 입력 단자(41)에 걸쳐 병렬로 연결된 복수의 브리지 아암(bridge arms)(60)을 포함한다. 따라서, 각각의 브리지 아암(60)은 입력 단자(41) 중 하나에 연결된 제1 단부(61) 및 입력 단자(41) 중 다른 하나에 연결된 제2 단부(62)를 포함한다고 할 수 있다. 각각의 브리지 아암(60)은 한 쌍의 스위치(Sn)(예: S1 및 S2)과 두 스위치 사이에 위치한 노드(63)를 포함한다.

각 브리지 아암(48)의 스위치(Sn)은 양방향이다. 도 3에 도시된 것처럼 각 스위치(Sn)에는: (1) 스위치가 어느 방향으로도 전도하지 않는 개방 상태; (2) 스위치가 양방향으로 전도하는 폐쇄 상태; (3) 스위치가 일 방향으로만 전도하는 다이오드 모드 #1(예: B->A); 및 (4) 스위치가 타 방향으로만 전도하는 다이오드 모드 #2(예: A->B)의 네 가지 가능한 상태가 있다. 따라서 각 스위치(Sn)는 양방향으로 제어될 수 있다. 즉, 각 스위치는 한 방향 또는 양방향으로 전도성 및 비전도성일 수 있다. 따라서 스위치(Sn)는 바디 다이오드(body diode)를 갖는 MOSFET 또는 양방향으로 전도할 수 있지만 한 방향에서만 비전도성으로 만들 수 있는 역병렬 다이오드(anti-parallel diode)를 갖는 IGBT와 상이하다. 스위치(Sn)는 상대적으로 항복 전압이 높은 질화 갈륨(gallium nitride) 스위치이므로 주 전원 전압에서 작동하기에 적합하다. 또한 질화 갈륨 스위치는 상대적으로 높은 스위칭 주파수가 가능하며 그 장점은 아래에 자세히 설명되어 있다. 그럼에도 불구하고, 양방향으로 제어할 수 있는 다른 유형의 양방향 스위치가 대안으로 사용될 수 있다.

컨버터(43)는 각 쌍의 전극(예: E1)에 대한 각각의 브리지 아암(예: S1 및 S2), 및 모든 쌍의 전극(30)에 공통인 공통 브리지 아암(예: S7 및 S8)을 포함한다. 이 특정 실시예에서 히터(10)는 3쌍의 전극(30)을 포함하고 따라서 컨버터(43)는 총 4개의 브리지 아암(60)을 포함한다.

각 쌍의 전극(예: E1)에 대해, 제1 전극(예: E1a)은 각각의 브리지 아암(예: S1 및 S2)의 노드(63)에 연결되고, 제2 전극(예: E1b)은 공통 브리지 아암(예를 들어 S7 및 S8)의 노드(63)에 연결된다. 결과적으로, 컨버터(43) 및 전극(30)은 3상 4선 Y-접속 시스템(three-phase, four-wire Y-connected system)과 유사하다.

스위치(Sn)는 하나 이상의 전극 쌍(E1-E3)에 선택적으로 에너지를 공급(즉, 전압을 인가)하기 위한 복수의 상이한 상태를 갖는다.

도 4는 다양한 전극 구성에 전원을 공급하기 위한 스위치(Sn)의 다양한 상태를 자세히 도시한다. 도 4에서 '//'는 병렬 연결을 나타내고 '+'는 직렬 연결을 나타낸다. 따라서, 예를 들어, 전극 구성 '(E1//E2)+E3'은 제1 전극 쌍(E1)과 제2 전극 쌍(E2)이 병렬로 연결되고, 이 병렬 그룹은 제3 전극 쌍(E3)과 직렬로 연결된다고 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

도 4에서 각 전극 구성의 전극을 통전시키기 위한 두 가지 상태가 있음을 알 수 있다. 하나는 전극에 양의 전압이 인가되는 것이고 다른 하나는 전극에 음의 전압이 인가되는 것이다. 도 4에서 인가된 전압의 극성은 컨버터(43)의 상부 라인 상의 양의 공급 전압에 기초하며, 상부 라인의 공급 전압이 음수이면 극성이 반전된다.

제1 전극(예: E1a)에 양의 전압이 인가되면 한 쌍의 전극(예: E1)에 양의 전압이 인가된다고 할 수 있다. 따라서 도 4에서 인가 전압의 극성은 나열된 전극 쌍 중 제1 쌍에 인가된 전압뿐만 아니라 나열된 제1 쌍에 병렬로 연결된 모든 전극 쌍에 인가된 전압을 나타낸다. 그러나, 나열된 제1 쌍과 직렬로 연결된 전극 쌍에 인가된 전압은 반대 극성을 갖는다. 따라서, 선택된 전극 쌍에 통전하는 것을 참조할 때, 전극 쌍은 동일하거나 반대 극성의 전압으로 통전될 수 있음을 이해해야 한다.

도 4의 표에는 13가지의 상이한 전극 구성이 나열되어 있다. 각 전극 구성에는 상이한 총 전기 저항이 존재한다. 도 5는 각 전극 구성에 대한 총 전기 저항을 자세히 도시한다. 도 5의 총 전기 저항은 제1 전극 쌍(E1)의 경우 65Ω, 제2 전극 쌍(E2)의 경우 500Ω, 제3 전극 쌍(E3)의 경우 1000Ω의 기본 전기 저항을 기반으로 한다. 특정 기본 전기 저항을 갖는 전극 또는 특정 총 전기 저항을 갖는 전극 구성에 대해 본원에서 언급하지만, 전기 저항은 전극 사이의 액체에서 발생하며 전극 자체는 상대적으로 낮은(이상적으로는 0) 전기 저항을 갖는다는 것을 이해해야 한다.

선택된 구성의 전극(30)이 통전될 때, 액체에서 열로 소산되는 입력 전력은 전극 구성의 전체 전기 저항에 따라 달라진다. 특히, 주어진 공급 전압(예: RMS 전압)에 대해 입력 전력은 전극 구성의 총 전기 저항에 반비례한다. 따라서, 더 낮은 전기 저항의 전극 구성을 선택함으로써, 더 높은 입력 전력이 전원(50)으로부터 인출되고 따라서 더 높은 수준의 가열이 달성될 수 있다.

온도 센서(44)는 챔버(20)의 배출구(22)에서 액체의 온도를 감지하고 제어 유닛(47)에 신호 TEMP를 출력한다. 이 특정 예에서, 온도 센서(44)는 서미스터(thermistor)(RT1)을 포함한다.

전류 센서(45)는 전원 공급 장치(50)로부터 인출된 전류를 감지하고 신호 I_AC를 제어 유닛(47)에 출력한다. 이 특정 예에서, 전류 센서(45)는 변류기(current transformer) 또는 홀 효과 센서(Hall-effect sensor)와 같은 전류 컨버터(CT1)를 포함한다.

제로-크로스 검출기(46)는 전원(50)의 전압(VAC)에서 제로-크로싱을 감지하고 제어 유닛(47)에 신호 Z_CROSS를 출력한다. 이 특정 예에서, 제로-크로스 검출기(46)는 한 쌍의 클램핑 다이오드(clamping diodes)(D1, D2)를 포함한다.

제어 유닛(47)은 히터(10)의 동작을 제어하는 역할을 한다. 제어 유닛(47)은 온도 센서(44), 전류 센서(45), 제로-크로스 검출기(46)로부터, 출력되는 신호와 함께 온도 설정값(T_SET)를 수신한다. 이에 응답하여, 제어 유닛(47)은 스위치(Sn)의 상태를 제어하기 위한 제어 신호를 컨버터(43)에 출력한다.

제어 유닛(47)은 액체의 온도 및 온도 설정값에 기초하여 전극 구성을 선택한다. 그런 다음 제어 유닛(47)은 선택된 전극 구성에 따라 전극을 통전시키기 위해 제어 신호를 컨버터(43)로 출력한다. 전극 구성을 선택하기 위해 제어 유닛(47)이 채용할 수 있는 다양한 제어 알고리즘이 있다. 일 예에서, 제어 유닛(47)은 처음에 온도 설정값(T_SET)에만 기초하여 전극 구성을 선택할 수 있다. 액체의 온도, TEMP가 이어서 온도 설정값을 초과하거나 온도 설정값 미만의 값에 정착되면, 제어 유닛(47)은 온도 차이에 기초하여 다른 전극 구성을 선택할 수 있다. 다른 예에서, 제어 유닛(47)은 액체의 온도(또는 온도 설정값) 및 액체의 온도와 온도 설정값 사이의 온도 차이에 기초하여 전극 구성을 선택할 수 있다. 그 결과, 제어 유닛(47)은 액체와 설정값 사이의 온도 차이뿐만 아니라 액체의 시작(또는 종료) 온도에도 의존하는 총 전기 저항을 갖는 전극 구성을 선택한다. 다른 예에서, 제어 유닛(47)은 액체의 온도 및 온도 설정값에 기초하여 전극 구성을 선택하기 위해 일종의 PID 제어 또는 다른 피드백 메커니즘을 사용할 수 있다.

전술한 바와 같이, 각각의 전극 구성에 대해, 하나는 양의 전압 +VAC가 전극(30)에 인가되고, 다른 하나는 음의 전압 -VAC이 전극(30)에 인가되는, 2개의 통전 상태가 있다. 각각의 전극 구성의 전극(30)을 통전시킬 때, 제어 유닛(47)은 전극(30)이 교류 전압으로 통전되도록 이들 두 에너지 공급 상태 사이를 전환한다. 또한, 제어 유닛(47)은 적어도 300kHz의 스위칭 주파수로 상태 사이를 스위칭한다. 그 결과, 전극(30)은 적어도 150kHz의 교류 전압으로 통전되며; 이는 전원 공급 장치의 경우 일반적으로 50Hz 또는 60Hz인 전원 공급 장치(50)의 주파수보다 훨씬 높다. 이러한 고주파의 교류 전압으로 전극(30)을 통전시킴으로써, 액체는 이제 설명되는 바와 같이 전기 분해 발생 없이 더 작은 전극을 사용하여 가열될 수 있다.

각 전극(예: E1a)에 대해 전극과 액체 사이의 인터페이스에서 이중 층 정전 용량(capacitance)이 생성된다. 이 이중 층의 정전 용량은 재료의 기능과 전극의 표면적에 따라 달라진다. 주어진 전극 재료의 경우 액체와의 접촉 면적이 작아 표면적이 감소함에 따라 정전 용량이 감소한다. 이중 층 정전 용량 양단의 전압은 이중 층 정전 용량과 인가된 전압의 주파수 모두의 함수이다. 따라서 전극의 크기가 작아져 정전 용량이 감소함에 따라 전극 양단의 전압이 증가하게 된다. 전극 양단의 전압이 액체의 분해 전위를 초과하면 전기 분해가 발생한다. 일반적으로 전극이 50Hz 또는 60Hz의 주파수, 즉 주 전원 공급 장치의 주파수에서 통전될 때 전기 분해가 발생하지 않는 것으로 고려된다. 실제로 이는 전극의 적절한 크기 조정을 통해 사실이 될 수 있다. 그러나 훨씬 더 높은 주파수(예: 최소 300kHz)에서 전극에 전원을 공급하면 훨씬 더 작은 전극을 사용하여 동일한 가열 전력을 액체에 전달할 수 있다. 따라서, 보다 전력 밀도가 높은 히터(10)가 구현될 수 있다.

스위치(Sn)은 양방향 스위치이다. 그 결과, 공급 전압(VAC)의 극성에 상관없이 전극(30)에 교류 전압이 인가될 수 있다. 스위치는 상대적으로 높은 스위칭 주파수(즉, 최소 300kHz)에서 작동할 수 있을 뿐만 아니라 이러한 주파수에서 상대적으로 낮은 스위칭 손실을 갖는 질화 갈륨 스위치이다.

각각의 전극 구성 내에서 통전 상태 사이에서 전환할 때 또는 2개의 전극 구성 사이에서 전환할 때, 제어 유닛(47)은 임의의 유도 전류에 대한 경로를 제공하면서 슛스루(shoot-through)를 피하기 위해 스위치(Sn)의 상태를 제어한다. 도 6는 도 4의 통전 상태 1과 2 사이를 전환할 때의 상태 전환 시퀀스를 도시한다. 도 6(a)에서 시퀀스는 양의 전압이 제1 전극 쌍(E1)에 인가되도록 스위치 S1과 S8이 폐쇄된 상태에서 시작한다. 시퀀스는 양의 전압이 전극 쌍(E1)에 계속 인가되도록 스위치 S1 및 S8이 계속 폐쇄되는 도 6(b)로 이동한다. 그러나 스위치 S2 및 S7은 이제 다이오드 모드로 설정된다. 특히, G1은 켜지고 G2는 꺼지므로, 두 스위치 S2, S7은 모두 도 6(b)에 표시된 방향으로 전도된다. 시퀀스는 스위치 S1과 S8이 개방되는 도 6(c)로 이동한다. 이 시점에서 전극 쌍(E1)에 전압이 인가되지 않는다(즉, 전극에 더 이상 전원이 공급되지 않음). S2와 S7은 계속해서 다이오드 모드에 있으며 도 6(c)의 화살표로 표시된 것처럼 유도 전류가 흐르는 경로를 제공한다. 시퀀스는 음의 전압이 전극 쌍(E1)에 인가되도록 스위치 S2 및 S7이 폐쇄되는 도 6(d)에서 종료된다.

도 6에 도시된 예에서, 전원 공급 장치(50)로부터 어떤 전류도 인출되지 않는 데드 타임(dead time)으로 종종 지칭되는 기간이 있다. 도 6의 예에서 이는 스위치 Sn이 도 6(c)에 도시된 상태에 있을 때 발생한다. 지속 시간이 상대적으로 짧은 이 데드 타임은 전원 공급 장치(50)에서 인출된 전류에 상대적으로 고주파수 리플(ripple)을 도입한다. 이후, 필터(41)는 이 고주파수 리플을 감쇠시킨다. 데드 타임의 상대적으로 짧은 지속 시간으로 인해 필터(41)는 상대적으로 낮은 임피던스의 구성 요소(예: L1 및 C1)를 사용하여 고주파 리플을 감쇠할 수 있으므로 제어 시스템(40)의 크기와 비용을 줄일 수 있다.

두 전극 구성 사이를 전환할 때 총 전기 저항에 상당한 변화가 있을 수 있다. 총 전기 저항에 대해 순위가 지정된 두 개의 인접한 전극 구성 사이를 전환할 때에도 이는 사실일 수 있다. 예를 들어, 도 5의 표에서 두 개의 인접한 순위 전극 구성 사이의 총 전기 저항의 최대 차이는 435Ω이다(구성 9와 10 사이, 구성 12와 13 사이에서 전환할 때 발생). 따라서 2개의 전극 구성 사이의 스위칭은 전원 공급 장치(50)로부터 인출된 전류에 상당한 고조파를 도입할 수 있다. 따라서 제어 유닛(47)은 제로-크로스 검출기(46)에 의해 감지된 바와 같이 공급 전압(VAC)의 제로-크로싱에서 2개의 전극 구성 사이를 스위칭한다. 전원(50)의 전압이 0에 가까울 때 전극 구성을 변경함으로써, 전극(30)의 총 전기 저항의 급격한 변화로 인해 발생하는 고조파 성분을 크게 줄일 수 있다. 그 결과, 필터(41)의 임피던스의 현저한 증가 없이 전극 구성의 변경이 이루어질 수 있다. 생각할 수 있는 바와 같이, 제어 유닛(47)은 언제든지 전극 구성을 변경할 수 있고, 결과적인 고조파는 필터(41)에 의해 감쇠될 수 있다. 그러나, 이는 필터(41)의 임피던스의 상당한 증가를 요구할 것이다. 또 다른 대안으로서, 2개의 전극 구성 사이를 변경할 때, 제어 유닛(47)은 100% 미만의 듀티를 갖는 전압으로 전극(30)을 통전시킬 수 있고, 이에 대해서는 아래에서 자세히 설명된다.

히터(10)는 상이한 전체 전기 저항을 갖는 13개의 다른 전극 구성을 갖는다. 상이한 입력 전력을 제공하는 비교적 많은 수의 전극 구성을 가짐으로써 상대적으로 높은 열 정확도가 달성될 수 있다. 또한, 순위가 지정된 두 전극 구성 간의 총 전기 저항의 평균 및/또는 최대 차이가 과도하지 않도록 보장하면서, 많은 수의 전극 구성을 가짐으로써 전체 전기 저항(따라서 입력 전력)에서 비교적 넓은 동적 범위가 달성될 수 있다. 예를 들어, 도 5의 저항으로, 전극(30)의 전체 전기 저항은 54Ω 내지 1500Ω 범위이고, 이는 28:1의 동적 범위에 해당한다. 그러나 전체 전기 저항의 평균 및 최대 차이는 각각 121Ω 및 435Ω이며, 이는 전체 범위의 8% 및 30%에 해당한다.

공통 브리지 아암(예: S7 및 S8)을 제공하여 많은 수의 전극 구성이 가능하다. 공통 브리지 아암이 없으면 히터(10)는 단지 6개의 다른 구성을 가질 것이다. 이들은 도 5에서 *로 표시된다. 더 적은 수의 전극 구성 외에도 공통 브리지 아암이 없으면 동적 범위가 크게 감소한다. 특히 도 5의 저항을 사용하면 동적 범위가 28:1(즉, 54Ω ~ 1500Ω)에서 4:1(398Ω ~ 1500Ω)로 감소한다. 또한 인접한 두 전극 구성 사이의 총 전기 저항의 평균 및 최대 차이는 각각 121Ω에서 220Ω으로, 435Ω에서 493Ω으로 증가한다. 2개의 추가 스위치만을 제공함으로써, 전극 구성의 총 수가 두 배 이상 증가하고 동적 범위가 크게 증가하며 인접한 두 구성 간의 총 전기 저항의 평균 및 최대 차이를 줄일 수 있다.

도 7은 도 5의 값을 사용하여 다양한 전극 구성에 대한 총 전기 저항의 거동을 도시한다. 구성 4와 5(268Ω), 구성 9와 10(435Ω), 구성 12와 13(435Ω) 사이 총 전기 저항에 상당한 변화가 있음을 알 수 있다. 구성 4와 5만 고려하면 총 전기 저항이 65Ω에서 333Ω으로 급격히 변화한다. 이는 입력 전력의 상당한 변화를 나타낸다. 예를 들어 공급 전압의 RMS 값이 230V인 경우 입력 전력은 구성 4의 814W에서 구성 5의 159W로 변경된다. 이 두 값 사이의 입력 전력에서 액체를 가열하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 액체의 온도에 대한 더 나은 제어(즉, 더 미세한 분해능/더 높은 정확도)를 제공한다.

대체 입력 전력을 달성하기 위한 한 가지 방법은 공급 전압(VAC)의 매 N번째 반주기 동안 전극(30)을 통전시키는 것이다. 예를 들어, 공급 전압의 모든 반주기가 아닌 매 두 번째 반주기 동안 전극(30)을 통전시킴으로써, 특정 전극 구성에 대한 입력 전력이 절반이 될 것이다. 따라서, 전극 구성 4(814W)와 전극 구성 5(159W) 사이의 값에서 입력 전력을 얻기 위해, 제어 유닛(47)은: (i) 490W의 입력 전력을 얻기 위해 매 두 번째 반주기(N=2) 동안; (ii) 327W의 입력 전력을 얻기 위해 매 3번째 반주기(N=3) 동안; (iii) 245W의 입력 전력을 얻기 위해 매 4번째 반주기(N=4) 동안; 및 (iv) 196W의 입력 전력을 얻기 위해 매 5번째 반주기(N=5) 동안, 구성 번호 1의 전극을 통전시킬 수 있다.

도 8은 히터(10)에 대한 다양한 전력 설정을 상세히 설명한다. 각각의 전력 설정에 대해, 제어 유닛(47)은 특정 전극 구성을 사용하고 공급 전압(VAC)의 매 N번째 반주기 동안 전극(30)을 통전시킨다. 전기 입력 전원에 대해 나열된 값은 공급 전압에 대한 230V의 RMS 값을 기반으로 한다. 상이한 전극 구성을 선택하고 통전 길이를 변경함으로써(즉, N 값을 변경함으로써) 넓은 범위의 다양한 입력 전력이 가능하다는 것을 알 수 있다. 특히 기존처럼 입력 전력이 814W(전력 설정 4)에서 159W(전력 설정 9)로 급격히 변화하는 대신, 히터(10)는 이제 490W, 327W, 245W 및 196W의 입력 전력을 수용할 수 있다(전력 설정 5 내지 8).

대체 입력 전력을 달성하기 위한 또 다른 방법은 공급 전압(VAC)의 각 반주기의 일부(들) 동안에만 전극(30)을 통전시키는 것이다. 예를 들어, 공급 전압의 제로 크로싱에 이어, 제어 유닛(47)은 전극(30)을 통전시키기 전에 일정 시간 동안 대기할 수 있다. 제어 유닛(47)은 다음 제로 크로싱까지 전극(30)을 계속 통전시키고, 그 후 제어 유닛(47)은 전극(30)을 통전시키기 전에 일정 기간 동안 다시 대기한다. 제로 크로싱과 전원 공급 시작 사이의 기간을 조정함으로써, 제어 유닛(47)은 입력 전력을 조정할 수 있다. 이러한 방식으로 통전을 제어하면 현재 파형 내의 고조파 성분이 증가할 수 있다. 그러나 전류 파형의 클리핑된(clipped) 형태로 인해, 일반적으로 규칙이 더 느슨한 저차 고조파에서 가장 큰 증가가 있을 수 있다. 따라서, 고조파는 필터(41)의 임피던스의 적당한 증가와 함께 규정을 통과하는 레벨로 감쇠될 수 있다. 전원 공급 시작을 지연시키는 것 외에도, 제어 유닛(47)은 다음 제로 크로싱 이전에 전원 공급을 중지할 수 있다. 특히, 제어 유닛(47)은 통전의 시작을 지연시키는데 사용된 동일한 기간만큼 다음 제로 크로싱 이전에 통전을 중지할 수 있다. 그 결과, 전류 파형의 형태가 보다 대칭적이 되어 고조파의 크기가 감소될 수 있다. 추가적인 예에서, 제어 유닛(47)은 각각의 반주기의 시작 및 끝에서 전극을 통전시키고, 공급 전압의 크기가 가장 큰 반주기의 중간 부분 동안 에너지 공급을 중단할 수 있다. 이로써 입력 전력은 에너지 공급의 더 짧은 정지 기간 동안 더 크게 감소될 수 있다. 더 짧은 기간 동안 통전을 중단하면 전류 파형의 고조파 성분이 감소할 수 있다. 제어 유닛(47)은 전류 고조파의 크기를 최소화하면서 입력 전력을 주어진 만큼 감소시키기 위해 상이한 에너지 공급 패턴을 사용할 수 있다.

대체 입력 전력을 달성하기 위한 추가적인 방법은 가변 듀티를 갖는 전압으로 전극(30)을 통전시키는 것이다. 즉, 전극이 통전되는 기간은 주기 시간의 100% 미만일 수 있다. 예를 들어, 듀티가 70%인 전압으로 전극(30)을 통전시킴으로써, 특정 전극 구성에 대한 입력 전력은 대략 절반으로 줄어든다. 100% 미만의 듀티를 갖는 전압으로 전극(30)을 통전시키면 필연적으로 전극(30)에 전압이 인가되지 않는 기간이 도입되어 전원(50)으로부터 전류가 인출되지 않는다. 결과적으로 고조파가 전류 파형에 도입되고, 이는 필터(41)에 의해 필터링되어야 한다. 인가 전압의 듀티가 감소함에 따라 고조파 성분의 크기가 증가하고 따라서 필터(41)의 요구 임피던스가 증가한다. 따라서, 제어 시스템 (47)은 70%이상의 듀티를 갖는 전압으로 전극 (30)에 통전될 수 있다. 결과적으로, 상대적으로 우수한 열 제어는 상대적으로 낮은 임피던스의 필터(41)로 달성될 수 있다.

제어 유닛(47)은 상이한 입력 전력을 달성하기 위해 전술한 방법 중 둘 이상을 채용할 수 있다. 예를 들어 도 8에서, 입력 전력은 전원 설정 4의 경우 814W이고 전원 설정 5의 경우 490W이다. 다시 말하자면, 이 두 값 사이의 입력 전력에서 액체를 가열하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 제어 유닛(47)은 이들 두 값 사이의 입력 전력을 달성하기 위해 전력 설정 4를 선택하고 100% 미만의 듀티로 전극(30)을 통전시킬 수 있다. 예를 들어, 90% 또는 80%의 듀티로 전극(30)을 통전시킴으로써, 659W 및 521W의 입력 전력이 달성될 수 있다. 추가적인 예에서, 제어 유닛(47)은 특정 전극 구성 내에서 입력 전력을 감소시키기 위해 초기에 듀티를 증가시킬 수 있다. 그러나 듀티가 70%에 도달하면 제어 유닛(47)은 입력 전력을 추가적으로 감소시키기 위해 상이한 통전 패턴을 사용할 수 있다(예: N번째 반주기마다 통전하거나 각 반주기의 일부 동안만 통전). 상이한 방법의 조합을 사용함으로써, 더 높은 열 정확도가 달성될 수 있다.

생각할 수 있듯이, 히터(10)는 가장 낮은 총 전기 저항(예: 54Ω)을 갖는 단일 전극 구성을 사용할 수 있고 제어 유닛(47)은 입력 전력에 대한 모든 다른 값을 달성하기 위해 인가된 전압의 듀티를 제어할 수 있다. 그러나 입력 전력의 동일한 범위에 대해 제어 유닛(47)은 듀티에서 비교적 큰 범위를 사용할 필요가 있다. 예를 들어 입력 전력에서 도 8에 자세히 설명된 것과 동일한 범위를 달성하려면 듀티가 100%(980W)에서 19%(35W)까지 다양해야 한다. 그러나 19%의 듀티에는 상당한 임피던스의 필터가 필요하다. 대신, 여러 상이한 전극 구성 사이를 전환하고, 통전 패턴을 변경하고(예: N번째 반주기마다 통전하거나 각 반주기의 일부 동안만 통전) 70% 이상인 가변 듀티를 갖는 전압으로 전극을 통전시킴으로써, 더 낮은 임피던스의 필터(41)로 유사한 수준의 열 정확도를 달성할 수 있다.

전술한 바와 같이, 두 전극 구성 사이를 변경할 때 총 전기 저항에 상당한 변화가 있을 수 있다. 따라서 제어 유닛(47)은 공급 전압(VAC)의 제로 크로싱에 응답하여 전극 구성 사이에서만 스위칭한다. 그 결과, 필터(41)의 임피던스를 크게 증가시킬 필요 없이 전극 구성 사이의 전환이 달성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제어 유닛(47)은 상이한 전극 구성 사이에서 스위칭할 때 입력 전력의 차이를 감소시키기 위해 인가된 전압의 듀티를 변경할 수 있다. 보다 구체적으로, 더 높은 총 전기 저항을 갖는 제1 전극 구성과 더 낮은 총 전기 저항을 갖는 제2 전극 구성 사이를 전환할 때, 제어 유닛(47)은 더 낮은 듀티를 갖는 전압으로 제2 구성의 전극(30)을 통전시킬 수 있다. 결과적으로, 두 전극 구성 간의 입력 전력 차이가 줄어든다. 따라서 구성 간 전환 시 전류에 도입된 고조파가 감소될 수 있고, 따라서 더 작은 임피던스의 필터(41)가 사용될 수 있다. 즉, 제어 유닛(47)이 공급 전압(VAC)의 제로 크로싱에 응답하여 상이한 구성 사이에서만 전환하는 방식과 비교하여 더 높은 임피던스의 필터가 요구될 것이다. 그러나, 임피던스의 증가는 상대적으로 완만할 수 있고, 제로-크로스 검출기(47)는 생략될 수 있으며, 제어 유닛(47)은 언제든지 전극 구성 사이를 전환할 수 있다.

도 9는 도 5의 전극 쌍의 기본 저항에 대한 조정이 동적 범위(위쪽 그래프)와 인접한 두 전극 구성 사이의 총 전기 저항의 최대 차이(아래쪽 그래프)에 어떤 영향을 미치는지를 도시한다. 이들 값에서 제1 전극쌍(E1)과 제3 전극쌍(E3)의 저항이 동적 저항에 가장 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 또한, 제1 전극쌍(E1)의 저항이 최대 차이에 거의 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 더욱이, 제2 전극 쌍(E2)의 저항에 대한 임의의 변화(증가 또는 감소)는 피크 차이를 증가시키는 역할만을 할 것이다. 제2 전극 쌍(E2)의 저항이 제3 전극 쌍(E3)의 저항의 절반 정도, 즉 0.45 ≤ R2/R3 ≤ 0.55임을 보장함으로써 동적 범위와 피크 차이 사이의 양호한 균형이 달성될 수 있음이 밝혀졌다.

도 10은 상이한 기본 저항을 갖는 전극(30)에 대한 총 전기 저항을 나타낸다. 상대적으로 넓은 동적 범위(즉, 약 20:1 이상)는 제3 전극 쌍(E3)의 전기 저항이 제1 전극 쌍(E1)의 전기 저항의 적어도 10배, 즉 R3/R1이 적어도 10임을 보장함으로써 달성될 수 있음을 볼 수 있다.

전술된 히터를 사용하면, 상대적으로 넓은 동적 범위를 달성하는 동시에 임의의 두 순위 구성 간의 총 전기 저항 차이가 과도하지 않도록 할 수 있다. 특히, 전극 구성의 총 전기 저항이 RTmin의 최소값과 RTmax의 최대값을 갖고, 순위가 지정된 두 구성 간의 총 전기 저항의 차이가 최대 Rmaxdiff인 경우, Rtmax/Rtmin이 최소 20(즉, 동적 범위는 20:1 이상)이고 Rmaxdiff/(Rtmax-Rtmin)가 35%를 넘지 않는(즉, 두 순위 구성 간의 최대 차이가 동적 범위의 35%를 초과하지 않는) 배열을 달성할 수 있다.

전술된 제어 시스템으로 전극 구성의 모든 순열이 가능한 것은 아니다. 특히 (E1+E2)//E3, (E1+E3)//E2, (E2+E3)//E1 및 E1+E2+E3 구성을 달성하도록 스위치를 구성할 수 없다. 추가적인 구성이 바람직하지만, 이러한 부재 구성(absent configurations) 중 일부는 기존 구성과 유사한 총 전기 저항을 가질 수 있다. 예를 들어, (E1+E2)//E3은 E1//E3과 유사한 총 저항 값을 가질 가능성이 높고, (E1+E3)//E2는 E1//E2와 유사한 총 저항 값을 가질 가능성이 높다. 생각할 수 있듯이, 컨버터에 2개 이상의 추가적인 스위치를 추가함으로써 하나 이상의 부재 구성을 얻을 수 있다. 그러나, 동일한 수의 스위치의 경우, 4 쌍의 전극과 5 개의 브리지 아암을 가져 훨씬 더 많은 수의 전극 구성이 가능할 수 있다. 이러한 특정 배열로, 스위치는 36개의 가능한 전극 구성 중 하나로 전극을 선택적으로 통전시키도록 구성될 수 있다.

히터(10)는 전도도가 상이한 액체를 가열하는 데 필요할 수 있다. 예를 들어, 상수도의 전도도는 국가마다, 심지어 같은 국가 내에서도 지역마다 크게 다를 수 있다. 각 쌍의 전극 E1-E3의 기본 저항과 각 전극 구성의 총 전기 저항은 액체의 전도도에 따라 달라진다. 특히, 전도도가 낮은 액체의 경우, 각 전극 구성의 총 전기 저항이 높아지므로 입력 전력이 낮아진다. 반대로, 더 높은 전도도의 액체의 경우, 각 전극 구성의 총 전기 저항이 더 낮아서 입력 전력이 더 높아질 것이다. 따라서, 히터(10)가 상이한 전도도의 액체를 가열하기 위해 필요한 경우, 전도도의 상당한 변화로 인해 액체의 빠르고 정확한 가열이 어려워질 수 있다. 따라서 제어 유닛(47)은 더 나은 열 제어를 달성하기 위해 추가적으로 액체의 전도성에 기반한 전력 설정 또는 전극 구성을 선택할 수 있다. 이를 달성할 수 있는 다양한 방법이 존재한다. 예를 들어, 히터(10)의 설치 후, 제어 유닛(47)은 온도 설정값(T_SET)에 기초하여 전력 설정(즉, 전극 구성, 통전 패턴 및/또는 전압 듀티)을 선택할 수 있다. 공칭 전도성 액체의 경우, 선택한 전원 설정으로 인해 액체가 온도 설정값으로 가열되어야 한다. 그러나, 액체의 온도, TEMP가 온도 설정값을 초과하거나 온도 설정값 미만의 값에 정착되면, 제어 유닛(47)은 온도 설정값에 도달할 때까지 전력 설정을 조정(예: 다른 전극 구성, 통전 패턴 및/또는 전압 듀티)할 수 있다. 전원 설정에 대한 이러한 조정은 제어 장치(47)에 의해 저장될 수 있다. 다른 온도 설정값이 후속적으로 수신되면, 제어 유닛(47)은 (공칭 전도도의 액체에 기초하여) 전력 설정을 다시 선택한 다음 저장된 조정을 선택된 전력 설정에 적용할 수 있다. 이 특정 유형의 제어는 상대적으로 간단하며 액체의 전도도가 일정하지만 알 수 없는 응용 분야(예: 주 급수)에 매우 적합하다. 다른 예에서, 제어 유닛(47)은 과도한 전류를 모니터링하고 회피하기 위해 제어 유닛(47)에 의해 주로 사용되는 전류 센서(45)를 사용할 수 있다. 주어진 공급 전압에 대해, 히터(10)에 의해 인출된 전류는 전극 구성의 총 전기 저항에 정비례한다. 따라서, 제어 유닛(47)은 액체의 전도성을 간접적으로 측정하기 위해 전류 측정을 사용할 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛(47)은 온도 설정값 모두에 기초한 전력 설정을 선택한 다음 전원 공급 장치(50)로부터 인출된 전류의 크기에 기초하여 전력 설정을 조정할 수 있다.

상기 한 예에서, 히터(10)는 3 쌍의 전극 E1-E3을 포함한다. 그러나, 히터 (10)는 임의의 쌍의 전극을 포함할 수 있다. 이어서, 컨버터(43)는 각각의 전극 쌍에 대한 각각의 브리지 아암 및 모든 전극 쌍에 공통적인 공통 브리지 아암을 포함한다.

전술된 바와 같이, 공통 브리지의 제공은 전체 전기 저항의 동적 범위뿐만 아니라 전극 구성의 수를 크게 증가시키는 이점이 있다. 이러한 이점에도 불구하고, 다양한 전극 구성 및/또는 넓은 동적 범위를 갖는 것이 필수적이지 않은 응용 분야가 있을 수 있다. 이 경우 공통 브리지는 생략될 수 있다.

각각의 전극 구성 내에서, 제어 유닛(47)은 전극(30)이 적어도 150kHz의 주파수를 갖는 교류 전압으로 통전되도록 컨버터(43)의 스위치(Sn)를 제어한다. 이미 언급한 바와 같이, 그러한 고주파의 교류 전압으로 전극(30)을 통전시킴으로써, 액체는 전기 분해 발생 없이 더 작은 전극을 사용하여 가열될 수 있다. 전극의 재질과 크기, 인가된 전압의 크기에 따라 더 낮은 주파수에서 전기 분해를 피할 수 있다. 그러나, 적어도 150kHz의 주파수를 갖는 교류 전압으로 전극을 통전시킴으로써 메인 전압에서 전극 크기를 크게 감소시킬 수 있다.

컨버터(43)는 양방향 스위치를 포함한다. 추가적으로, 제어 유닛은 전극(30)이 불연속 또는 비조절 전력으로 통전되도록 스위치(Sn)를 제어한다. 보다 구체적으로, 전원 공급 장치(50)로부터 인출된 입력 전력은 사인 제곱 파형을 갖는다. 그 결과, 제어 시스템(40)은 공급 전압을 정류하거나 AC-DC 스테이지, 능동 역률 보정 또는 에너지 저장 장치를 제공할 필요 없이 직접 AC/AC 컨버터로 작동하고 고주파 교류 전압으로 전극(30)을 통전시킬 수 있다.

전술한 히터(10)는 AC 전압을 공급하는 전원 공급 장치(50)와 함께 사용되도록 의도된다. 그러나 히터(10)는 DC 전압을 공급하는 전원 공급 장치(50)와 동일하게 사용될 수 있다. 제어 유닛(47)은 각 구성의 전극(30)이 교류 전압으로 통전되도록 컨버터(43)의 스위치(Sn)를 계속 제어한다. 따라서, 컨버터(43)는 각각의 전극 쌍에 대해 각각의 브리지 아암을 계속 포함한다. 그러나 공급 전압이 더 이상 교번(alternating)하지 않고 일정한 극성이기에, 스위치(Sn)는 양방향일 필요가 없다. 따라서, 컨버터(43)의 스위치는 종래의 MOSFET 또는 IGBT일 수 있다.

전술한 예에서, 제어 시스템(40)은 액체의 출력 온도를 감지하는 데 사용되는 온도 센서(44)를 포함한다. 그런 다음, 제어 유닛(47)은 이 온도 측정을 사용하여 전원 설정 또는 전극 구성을 선택하거나 조정한다. 전술한 바와 같이, 제어 유닛(47)은 또한 전류 센서(45)의 출력을 사용하여 전력 설정 또는 전극 구성을 선택하거나 조정할 수 있다. 제어 시스템(40)은 제어 유닛(47)이 전력 설정 또는 전극 구성을 선택하거나 조정하는 데 사용할 수 있는 추가적인 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(40)은 챔버 내의 다양한 지점에서 액체의 온도를 측정하기 위한 추가적인 온도 센서 또는 챔버(20)를 통해 이동하는 액체의 유속을 측정하기 위한 흐름 센서를 포함할 수 있다. 또한, 제어 시스템(40)은 챔버(20)를 통해 이동하는 액체의 유속을 제어하기 위한 유동 밸브 또는 다른 수단을 포함할 수 있다.

지금까지 특정 실시예들이 설명되었지만, 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

액체 히터로서,
액체를 수용하기 위한 챔버;
상기 액체에 전류를 인가하기 위해 상기 챔버 내에 위치하는 전극 쌍;
전원 공급 장치에 연결하기 위한 입력 단자;
상기 전극 쌍을 상기 입력 단자에 연결하기 위한 복수의 스위치; 및
상기 스위치를 제어하는 제어 유닛을 포함하고,
상기 스위치는 복수의 전극 구성 중 하나에서 전극 쌍을 상기 입력 단자에 선택적으로 연결하기 위한 복수의 상이한 상태를 갖고, 상기 전극은 각 전극 구성에서 상이한 총 전기 저항을 가지며,
제1 총 전기 저항을 갖는 제1 전극 구성과 더 낮은 제2 총 전기 저항을 갖는 제2 전극 구성 사이에서 스위칭할 때, 상기 제어 유닛은:
(i) 상기 전극 구성 사이의 스위칭이 상기 전원 공급 장치의 전압에서 제로-크로싱(zero-crossing)에 응답하여 발생하고/발생하거나,
(ii) 상기 제1 전극 구성의 상기 전극이 제1 듀티(duty)를 갖는 전압으로 통전되고, 상기 제2 전극 구성의 상기 전극이 더 높은 제2 듀티를 갖는 전압으로 통전되도록 상기 스위치를 제어하는,
액체 히터.
제 1 항에 있어서,
상기 액체 히터는 적어도 6개의 전극 구성을 포함하는,
액체 히터.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
각 전극 쌍은 상이한 전기 저항을 갖는,
액체 히터.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극 쌍의 전기 저항은 최대값 Rmax 및 최소값 Rmin을 가지며, Rmax/Rmin은 적어도 10인,
액체 히터.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극 구성의 총 전기 저항은 최소값 RTmin 및 최대값 RTmax를 갖고, 순위가 지정된 임의의 두 전극 구성의 총 전기 저항의 차이는 최대값 Rmaxdiff를 가지며, RTmax/RTmin은 최소 20이고 Rmaxdiff/(RTmax-RTmin)는 35% 이하인,
액체 히터.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 유닛은 상기 전극이 각각의 구성 내에서 교류 전압으로 통전(energised)되도록 상기 스위치를 제어하는,
액체 히터.
제 6 항에 있어서,
상기 스위치는 상기 전극이 양의 전압으로 통전되는 제1 상태 및 상기 전극이 음의 전압으로 통전되는 제2 상태를 갖고, 상기 제어 유닛은 적어도 300kHz의 스위칭 주파수에서 상기 제1 상태와 상기 제2 상태 사이에서 상기 스위치를 스위칭하는,
액체 히터.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전원 공급 장치는 교류 전압을 공급하고, 상기 제어 유닛은 상기 스위치를 제어하여 적어도 하나의 설정 내에서 상기 전극이 상기 교류 전압의 각각의 N번째 - N은 2 이상임 - 반주기 동안에만 통전되도록 하는,
액체 히터.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전원 공급 장치는 교류 전압을 공급하고, 상기 제어 유닛은 적어도 하나의 설정 내에서 상기 교류 전압의 각각의 반주기의 하나 이상의 부분 동안에만 상기 전극이 통전되도록 상기 스위치를 제어하는,
액체 히터.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액체 히터는 상기 액체의 온도를 감지하는 온도 센서를 포함하고, 상기 제어 유닛은 상기 액체의 온도 및 온도 설정값(temperature setpoint)에 기반하여 전극 구성을 선택하도록 상기 스위치를 제어하는,
액체 히터.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액체 히터는 상기 액체의 온도를 감지하는 온도 센서를 포함하고, 상기 제어 유닛은 상기 전극이 상기 액체의 온도 및 온도 설정값에 의해 정의된 듀티(duty)를 갖는 전압으로 통전되도록 상기 스위치를 제어하는,
액체 히터.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 유닛은 상기 전극이 70% 이상의 가변 듀티를 갖는 전압으로 통전되도록 상기 스위치를 제어하는,
액체 히터.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전원 공급 장치는 교류 전압을 공급하고, 상기 스위치는 양방향(bi-directional) 스위치인,
액체 히터.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전원 공급 장치는 제1 주파수를 갖는 교류 전압을 공급하고, 상기 제어 유닛은 상기 전극이 더 높은 제2 주파수를 갖는 교류 전압으로 통전되도록 상기 스위치를 제어하는,
액체 히터.
제 14 항에 있어서,
상기 제1 주파수는 60Hz 이하이고 상기 제2 주파수는 150kHz 이상인,
액체 히터.