WO2012144741A2 - 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터 및 그 제조방법 - Google Patents

온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터 및 그 제조방법 Download PDF

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WO2012144741A2
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김병철
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(주)피엔유에코에너지
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    • F22B1/28Methods of steam generation characterised by form of heating method in boilers heated electrically
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • H05B3/28Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor embedded in insulating material

Definitions

  • the present invention relates to a steam generator, and more particularly, it is possible to precisely control the temperature in a specific temperature range, the temperature self-regulating type that can reduce the power consumption by adjusting the heating range according to the size of the cooking vessel (SR) : Self-Regulation)
  • the present invention relates to a heater for a steam generator using a planar heating element and a method of manufacturing the same.
  • a steam generator In general, a steam generator generates steam by heating water stored in a container to a high temperature with a heater, and discharges the generated steam to the outside of the container for use for a designated purpose.
  • a steam cleaner, a steam washing machine, a steam cooker, a steam iron It is applied to very various fields such as steam boiler.
  • a sheath heater is mainly used, and since the part in contact with water is not grounded, the steam generator is generally used by insulating the surface through Teflon coating or ceramic coating. This prevents the occurrence of safety accidents such as electric shock accidents.
  • the heater of the conventional steam generator is not easy to precise temperature control, in this case there is a problem that the continuous stable steam supply is not made.
  • the conventional heater maintains the same power supply at the boiling temperature even after rising to a constant boiling point temperature, there is a problem of excessive energy loss.
  • the present invention was created to solve the above problems, an object of the present invention is to provide an accurate temperature control in a specific temperature range, self-regulation (SR) heating element capable of self-control of power and temperature over time It is possible to maintain a uniform temperature by applying, and to provide a heater and a manufacturing method for a steam generator that can significantly reduce the power consumption.
  • SR self-regulation
  • the base plate It is applied to the surface of the base plate, the paste is mixed with the electrical resistance material component, the insulation binder component and the temperature control material component is cured to generate heat by receiving power from an external power supply, but performs a temperature self-regulation function It characterized in that it comprises a SR heating element (self regulation heating element) to maintain a constant temperature in a predetermined region.
  • SR heating element self regulation heating element
  • the electrical resistance material component of the SR heating element is 50 to 75% by weight
  • the insulating binder component is 5 to 16% by weight
  • the temperature control material component is characterized in that 10 to 40% by weight. .
  • the method comprising the steps of preparing an SR heating element forming paste in which the electrical resistance material component, the insulation binder component and the temperature control material component are mixed; Applying the SR heating element-forming paste to a surface of a base plate at a predetermined thickness; Provided is a method of manufacturing a heater for a steam generator to which a temperature self-regulating planar heating element including the step of curing the SR heating element forming paste is provided.
  • the SR heating element of the heater since the SR heating element of the heater maintains a constant temperature while controlling the heating state corresponding to the surrounding temperature environment, the heating temperature of the water inside the heating chamber in which the heater is installed is kept uniform for a predetermined time and is stable. It can generate continuous steam and has the advantage of reducing power consumption.
  • FIG. 1 is a perspective view of a heater for a steam generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II of FIG. 1 showing the internal structure of the heater for the steam generator of FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view illustrating a structure of an SR heating element configured in the heater for the steam generator of FIG. 1.
  • Figure 4 is a graph showing the temperature control performance according to the embodiment and the comparative example of the SR heating element of the heater for a steam generator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 shows the power test results of the SR heating element of the heater for a steam generator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 shows the impedance test results of the SR heating element of the steam generator heater according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 shows the results of the temperature change experiment of the SR heating element of the steam generator heater according to an embodiment of the present invention.
  • the heater for the steam generator according to an embodiment of the present invention is applied to the base plate 10 of the metal material, the electrical energy is applied to the surface of the base plate 10 is supplied from the outside
  • the SR heating element 20 self regulation heating element
  • the insulating case 30 surrounding the outside of the SR heating element 20 to be sealed and the insulating case ( 30 is formed to protrude outward and includes a terminal portion 40 electrically connected to the power supply device 50 of the steam generator.
  • the insulating case 30 may be made of an epoxy resin that is electrically insulated and has excellent thermal conductivity.
  • the insulating case 30 may be formed of a single layer, but alternatively, may have a multilayer structure. For example, an inner insulating layer using a magnesium hydroxide slurry is formed directly outside the SR heating element 20, and an outer insulating layer is formed using an insulating film or an insulating cover to surround the outer side of the inner insulating layer, thereby insulating the insulating layer.
  • the case 30 can be configured.
  • the SR heating element 20 is a planar heating element having a function of temperature self-regulation, in this embodiment is applied to the outer surface of the base plate 10 to surround the four sides of the base plate 10, It is electrically connected to the power supply device 50 of the steam generator through the terminal portion 40 is supplied with power from the power supply device 50 to generate heat.
  • the SR heating element 20 may be formed only on one surface or two surfaces of the base plate 10.
  • the SR heating element 20 is made to perform a temperature self-regulation function, so that the temperature is kept constant in the set temperature range while adjusting the heating state in response to the surrounding temperature environment. That is, the SR heating element 20 continuously maintains the set temperature around the set region temperature.
  • the SR heating element 20 When the set region temperature around the SR heating element 20 becomes lower than the set temperature value due to external influence or the like, the SR heating element 20 generates heat.
  • the predetermined region temperature around the SR heating element 20 quickly reaches the set temperature, and when the predetermined region temperature around the SR heating element 20 becomes high, the predetermined region temperature around the SR heating element 20 is lowered while operating. .
  • the heat generating state of the SR heating element 20 is controlled according to the difference between the predetermined region temperature and the set temperature around the SR heating element 20, the higher the difference between the predetermined region temperature and the set temperature around the SR heating element 20 to a higher temperature. It has the ability to generate heat and allow rapid temperature rise.
  • the self-regulation function of the SR heating element 20 is a film or coating film having a predetermined thickness manufactured by curing a paste in which an electric resistance material component, an insulation binder component, and a temperature control material component are mixed. Is implemented by The SR heating element 20 may be directly attached or applied to the lower surface of the heat resistant substrate 21, but may be attached to the lower portion of the heat resistant substrate 21 after being applied on a heat resistant base plate such as metal, or at a predetermined distance. It may be installed spaced apart.
  • a conduction path 21 is formed on a surface of the SR heating element 20, and the power line 41 of the terminal portion 40 connected to the power supply device 50 is formed in the conduction path ( 21, the SR heating element 20 receives power through the conductive path 21 to generate heat in the range of about 150 ⁇ 450 °C.
  • the SR heating element 20 is made by curing a paste in which an electric resistance material component, an insulation binder component, and a control material component are mixed. Such SR heating element 20 may be formed by coating by screen print. In this case, the SR heating element 20 may be heat-treated in a conveyor furnace that emits infrared rays for 8 to 12 minutes at 130 to 160 ° C., and then heat-treated at 180 ° C. for 20 minutes. Then, the conductive path 21 is formed on the surface of the SR heating element 20 so that the power supply line 41 of the terminal portion 40 is positioned in the conductive path 21 and conducts power to generate heat.
  • the SR heating element 20 is configured to have 50 to 75% by weight of the electrical resistance material component, 5 to 16% by weight of the insulating binder component, 10 to 40% by weight of the temperature control material component do.
  • the content of the electrical resistance material component is less than 50% by weight is not preferable because it is insufficient to implement the heat generating performance of the heating element, when it exceeds 75% by weight is not preferable because the stability of the temperature control is lowered.
  • the content of the insulating binder component is less than 5% by weight, it is not preferable because the bonding strength of the composition is lowered.
  • the content of the insulating binder component is more than 16% by weight, the component content of other compositions such as the resistance component is low, so that the exothermic performance is lowered. I can't.
  • the content of the temperature control material component is less than 10% by weight, it is not desirable to be insufficient to realize the function of adjusting to a specific temperature, and when the content of the temperature control material exceeds 40% by weight, the content of other components such as the resistance component is too small. Not preferred.
  • the SR heating element 20 is to form a paste in a powder mixture state of the electrical resistance material component containing nickel (Ni) and aluminum (Al).
  • the electrical resistivity component is composed of nickel 50 to 60% by weight of the electrical resistance material component, aluminum 40 to 50% by weight of the electrical resistive material component, nickel 53% by weight of the electrical resistive material component, aluminum It is preferably configured to have 47% by weight of this electrical resistive substance component.
  • the electrical resistance material component of the SR heating element 20 may include molybdenum (Mo), boron (B), silicon (Si), and the like as corrective ingredients.
  • Mo molybdenum
  • B boron
  • Si silicon
  • the molybdenum is 0.05 to 0.2 at% of the paste
  • the boron is to be composed of 0.005 to 0.02 at% of the paste
  • the molybdenum is preferably composed of 0.1 at% of the paste
  • the boron is composed of 0.01 at% of the paste.
  • the electrical resistive substance is added to nickel and aluminum by adding corrective ingredients such as molybdenum (Mo), boron (B), and silicon (Si) for 4 to 12 hours (preferably 6- 10 hours) in a closed space of a planetary ball mill.
  • Mo molybdenum
  • B boron
  • Si silicon
  • the dispersion value between particles constituting the electrical resistance material component of the SR heating element 20 is formed in a range of 0.1 to 10 ⁇ m, and more preferably, the dispersion value between particles in a range of 0.5 to 5 ⁇ m.
  • the specific surface area is preferably 200 m 2 / g or less.
  • the dispersion value between the particles constituting the electrical resistance material component is linked to the temperature coefficient of resistance (TCR) of the SR heating element 20, and the resistance temperature coefficient of the SR heating element 20 is the electrical resistance material component. It is controlled by the dispersion value between particles.
  • the dispersion value between the particles constituting the electrical resistance material component is controlled by the time the electrical resistance material component stays in the closed space of the planetary ball mill.
  • the insulating binder component of the SR heating element 20 is selected from polyester, epoxy resin, epoxy-phenol lacquer composition, and the like.
  • the insulating binder component is composed of 10 to 16% by weight of the paste
  • nanostructured silicon (Si) powder which is a stabilizing additive, may be added to the insulating binder component.
  • Si may be composed of 0.3 to 0.7 at% of the paste, preferably 0.4 to 0.6 at%.
  • Such silicon shortens the structure formation time of the SR heating element 20 when manufacturing the SR heating element 20, and enables the resistance temperature coefficient of the SR heating element 20 which is set and implemented to be maintained for a long time.
  • the SR heating element 20 serves to adjust to about 150 ⁇ 450 °C in the energized state through the temperature control material component.
  • a specific material must be included as an appropriate temperature control material component to prevent overheating of the heating element and to contribute to the proper power consumption.
  • the temperature control material of the SR heating element 20 is a paste in a lead-free-glass powder mixture, such a glass powder mixture from the group consisting of SiO2, BaO, B2O3, Al2O3 It is preferred that it is at least one oxide selected.
  • the temperature control material component of the SR heating element 20 can be produced in a closed space of the planetary ball mill (ball mill) for 4 to 12 hours (preferably 6 to 10 hours) without oxygen inflow.
  • the temperature control material component of the SR heating element 20 is such that the dispersion (dispersion) value between particles is formed in the range of 0.05 to 2 ⁇ m, preferably to form the dispersion value between particles in the range of 0.1 to 1.0 ⁇ m .
  • the dispersion value between particles constituting the thermostat component is controlled by the time that the thermostat component stays in the closed space of the planetary ball mill.
  • a corrective ingredient including ZnO, Al, TiO2, Bi2O3BaTiO, etc. may be added, and the discrete particles between the particles forming the correction component of the temperature control material component may be added. (discretisation) can be formed in the range of 0.05 to 0.4 ⁇ m, preferably to be formed in the range of 0.1 to 0.3 ⁇ m.
  • the temperature control material component of the SR heating element 20 has a mixture including niobium (Nb), antimony (Sb), yttrium (Y), lanthanum (La) and the like as a donor. Such donors are added to obtain high volume conductivity.
  • SR heating element 20 according to an embodiment of the present invention configured as described above has a resistance value of 0.05 to 1.9 ⁇ / ⁇ (preferably 0.09 to 0.9 ⁇ / ⁇ ), SR according to an embodiment of the present invention
  • the heating element 20 changes the resistance value of the SR heating element 20 by adjusting the weight ratio of the electrical resistance material component, the insulation binder component, and the temperature control material component.
  • the SR heating element 20 configured as described above is a resistance thermometer of 500 to 50 ⁇ 10 -4 / °C (preferably 560 ⁇ 10 -6 to 40 ⁇ 10 -4 / °C) It has a number (TCR), the SR heating element 20 according to the embodiment of the present invention changes the resistance temperature coefficient of the SR heating element 20 by adjusting the weight ratio of the electrical resistance material component, insulation binder component, temperature control material component Let's go.
  • Figure 4 is a graph showing the temperature control performance according to Example 1 and Comparative Example 1, line 1 shows a temperature increase curve according to Comparative Example 1, line 2 of the SR heating element 20 according to the present invention As the temperature is increased, the SR heating element 20 (Example 1) of the present invention can be seen that the resistance increases rapidly when the temperature is above a certain value.
  • Example 1 the resistance value (impedance) increases with time, and thus the power usage decreases.
  • Comparative Example 1 the impedance is almost constant and the power consumption is almost constant. Therefore, the SR heating element 20 of the present invention can increase the resistance value with time to reduce the power consumption, power and temperature self-regulation with time due to the increase in the resistance value (material characteristics) (Self-Regulation) You can see that this is possible.
  • the steam generator of the present invention allows the SR heating element 20 to maintain a constant temperature while controlling the heating state in response to the ambient temperature environment, the steam generator 20 sets the heating temperature of the water contained in the heating chamber of the steam generator. By maintaining uniformity over time, it can generate stable and continuous steam, and has the advantage of reducing power consumption.
  • the above-described heater for a steam generator of the present invention can be applied to various steam generators, such as a steam cleaner, a steam washing machine, a steam cooker, a steam iron, a steam boiler.

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Abstract

본 발명은 특정한 온도 영역에서 정확한 온도조절이 가능하고 열손실이 적어서 전력사용량이 절감되는 온도 자가조절형(SR: Self-Regulation) 면상발열체를 적용한 스팀발생기에 관한 것으로, 본 발명에 따른 스팀발생기용 히터는 베이스플레이트와; 상기 베이스플레이트의 표면에 도포되며, 전기저항물질 성분과 절연바인더 성분 및 온도조절물질 성분이 혼합된 페이스트(paste)가 경화되어 이루어져 외부 전원장치로부터 전원을 공급받아 발열하되, 온도 자가조절 기능을 수행하여 정해진 영역의 온도가 일정하게 유지되도록 하는 SR 발열체(self regulation heating element)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터 및 그 제조방법
본 발명은 스팀발생기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 특정한 온도 영역에서 정확한 온도조절이 가능하고, 조리 용기의 크기에 따라 발열 범위의 조정이 가능하여 전력사용량을 절감할 수 있는 온도 자가조절형(SR: Self-Regulation) 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 스팀발생기는 용기 내에 저장된 물을 히터로 고온으로 가열하여 스팀을 발생시키고, 발생된 스팀을 용기 외부로 배출하여 지정된 용도로 사용하는 기기로, 스팀 청소기, 스팀 세탁기, 스팀 조리기기, 스팀 다리미, 스팀 보일러 등 매우 다양한 분야에 응용되고 있다.
이러한 스팀발생기의 히터로는 주로 시즈히터(Sheath heater)가 사용되며, 물에 닿는 부분이 접지(Ground)가 되지 않으므로 통상 표면에 테프론 코팅을 하거나 세라믹코팅을 통하여 절연되도록 함으로써, 스팀발생기를 사용하는 과정에서 감전사고 등과 같은 안전사고의 발생을 방지하게 된다.
그런데, 종래의 스팀발생기의 히터는 정확한 온도조절이 용이하지 않으며, 이 경우 지속적으로 안정적인 스팀 공급이 이루어지지 않게 되는 문제가 있다.
또한, 종래의 히터는 일정한 비등점 온도까지 상승한 이후에도 지속적으로 비등 온도에 동일한 전력공급을 유지하고 있어서 에너지 손실이 과다한 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 특정한 온도 영역에서 정확한 온도조절이 가능하고, 시간에 따른 전력 및 온도의 자기제어가 가능한 SR(Self-Regulation) 발열체를 적용하여 온도를 균일하게 유지할 수 있으며, 전력소비량을 대폭 절감할 수 있는 스팀발생기용 히터 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스팀발생기용 히터는, 베이스플레이트와; 상기 베이스플레이트의 표면에 도포되며, 전기저항물질 성분과 절연바인더 성분 및 온도조절물질 성분이 혼합된 페이스트(paste)가 경화되어 이루어져 외부 전원장치로부터 전원을 공급받아 발열하되, 온도 자가조절 기능을 수행하여 정해진 영역의 온도가 일정하게 유지되도록 하는 SR 발열체(self regulation heating element)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 한 형태에 따르면, 상기 SR 발열체의 전기저항물질 성분은 50 내지 75 중량%이고, 절연바인더 성분이 5 내지 16 중량%이며, 온도조절물질 성분이 10 내지 40 중량%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 한 범주에 따르면, 전기저항물질 성분과 절연바인더 성분 및 온도조절물질 성분이 혼합된 SR 발열체 형성용 페이스트(paste)를 준비하는 단계와; 베이스플레이트의 표면에 상기 SR 발열체 형성용 페이스트를 일정 두께로 도포하는 단계와; 상기 SR 발열체 형성용 페이스트를 경화시키는 단계를 포함하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 히터의 SR 발열체가 주위의 온도환경에 대응하여 발열 상태를 조절하면서 온도가 일정하게 유지되도록 하므로, 히터가 설치된 가열챔버 내부의 물의 가열 온도를 설정 시간동안 균일하게 유지하여 안정적이고 지속적인 스팀을 발생시킬 수 있으며, 전력소비를 줄일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀발생기용 히터의 사시도이다.
도 2는 도 1의 스팀발생기용 히터의 내부 구조를 나타낸 도 1의 I-I선 단면도이다.
도 3은 도 1의 스팀발생기용 히터에 구성된 SR 발열체의 구조를 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀발생기용 히터의 SR 발열체의 실시예와 비교예에 따른 온도 조절 성능을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀발생기용 히터의 SR 발열체의 전력실험 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀발생기용 히터의 SR 발열체의 임피던스 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀발생기용 히터의 SR 발열체의 온도변화 실험 결과를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 스팀발생기용 히터 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀발생기용 히터는 금속 재질의 베이스플레이트(10)와, 상기 베이스플레이트(10)의 표면에 도포되어 외부에서 공급되는 전기에너지에 의해 발열하는 SR 발열체(20)(self regulation heating element)와, 상기 SR 발열체(20)의 외측을 밀폐되게 둘러싸는 절연케이스(30)와, 상기 SR 발열체(20)의 일단부에 상기 절연케이스(30)의 외측으로 돌출되게 형성되어 스팀발생기의 전원장치(50)와 전기적으로 연결되는 단자부(40)를 포함한다.
상기 절연케이스(30)는 전기적으로 절연이면서 열전도성이 우수한 에폭시 수지 등으로 만들어질 수 있다. 또한, 상기 절연케이스(30)는 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이와 다르게 복층 구조로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 SR 발열체(20)의 바로 외측에 수산화마그네슘 슬러리를 이용한 내측 절연층을 형성하고, 이 내측 절연층의 외측을 둘러싸도록 절연필름 또는 절연커버를 이용하여 외측 절연층을 형성하여 절연케이스(30)를 구성할 수 있다.
상기 SR 발열체(20)는 자가온도조절(Temperature Self-regulation) 기능을 갖는 면상발열체로서, 이 실시예에서 상기 베이스플레이트(10)의 4면을 둘러싸도록 베이스플레이트(10)의 외면에 도포되며, 상기 단자부(40)를 통해서 스팀발생기의 전원장치(50)와 전기적으로 연결되어 전원장치(50)로부터 전원을 공급받아 발열하게 된다. 물론, 이 실시예와 다르게 상기 SR 발열체(20)는 베이스플레이트(10)의 일면 또는 2개의 면에만 형성될 수도 있다. 이러한 SR 발열체(20)는 온도 자가조절 기능을 수행하도록 만들어진 것으로, 주위의 온도환경에 대응하여 발열 상태를 조절하면서 온도가 설정온도 범위로 일정하게 유지되도록 한다. 즉, SR 발열체(20)는 주위의 정해진 영역 온도가 설정된 온도를 지속적으로 유지하도록 하는데, SR 발열체(20) 주위의 정해진 영역 온도가 외부의 영향 등으로 설정된 온도값보다 낮아지게 되면 고온으로 발열하여 SR 발열체(20) 주위의 정해진 영역 온도가 설정된 온도로 신속하게 도달하도록 하고, SR 발열체(20) 주위의 정해진 영역 온도가 높아지면 오프 동작하면서 SR 발열체(20) 주위의 정해진 영역 온도가 낮추어지도록 한다. 또한, SR 발열체(20)는 SR 발열체(20) 주위의 정해진 영역 온도와 설정된 온도 간의 차이에 따라 발열상태가 조절되는데, SR 발열체(20) 주위의 정해진 영역 온도와 설정된 온도 간 차이가 클수록 고온으로 발열하여 신속한 온도 상승이 도모되도록 하는 성능을 가지고 있다.
이와 같은 SR 발열체(20)의 자가온도조절(Temperature Self-regulation) 기능은 전기저항물질 성분과 절연바인더 성분 및 온도조절물질 성분이 혼합된 페이스트(paste)를 경화시켜 제작한 일정 두께의 필름 또는 코팅막에 의해 구현된다. 상기 SR 발열체(20)는 상기 내열성 기판(21)의 하부면에 직접 부착되거나 도포될 수도 있지만, 금속 등의 내열성 베이스플레이트 상에 도포된 후 상기 내열성 기판(21)의 하부에 부착되거나 또는 일정 거리 이격되게 설치될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 상기 SR 발열체(20)의 표면에는 전도로(conduction path)(21)가 형성되며, 상기 전원장치(50)와 연결된 단자부(40)의 전원선(41)이 전도로(21)에 위치되어, SR 발열체(20)가 전도로(21)를 통해 전원을 전도받아 대략 150~450℃의 범위로 발열하게 된다.
전술한 것과 같이, 상기 SR 발열체(20)는 전기저항물질 성분과 절연바인더 성분 및 조절물질 성분이 혼합된 페이스트(paste)가 경화되어 이루어지게 된다. 이와 같은 SR 발열체(20)는 스크린 프린트(screen print)에 의한 코팅에 의해 형성될 수 있다. 여기서, 상기 SR 발열체(20)는 130~160℃에서 8~12분 동안 적외선 광선이 나오는 컨베이어 용광로(conveyor furnace)에서 열처리된 후, 다시 180℃에서 20분간 열처리되어 만들어질 수 있다. 그리고, SR 발열체(20)의 표면에 전도로(21)를 형성하여 단자부(40)의 전원선(41)이 전도로(21)에 위치되면서 전원을 전도받아 발열하게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 SR 발열체(20)는 전기저항물질 성분이 50 내지 75 중량%, 절연바인더 성분이 5 내지 16 중량%, 온도조절물질 성분이 10 내지 40 중량%를 가지도록 구성된다.
상기 전기저항물질 성분의 함량이 50 중량% 미만인 경우에는 발열체의 발열 성능을 구현하기에 미흡하므로 바람직하지 못하고, 75 중량%를 초과하는 경우에는 온도조절의 안정성이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다. 또한, 절연바인더 성분의 함량이 5 중량% 미만인 경우에는 조성물의 결합력이 저하되기 때문에 바람직하지 못하고, 16 중량%를 초과하는 경우에는 저항 성분 등 기타 조성물의 성분 함량이 적어서 발열성능이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다. 그리고, 온도조절물질 성분의 함량이 10 중량% 미만인 경우에는 특정 온도로 조절하는 기능을 실현하기에 부족하기에 바람직하지 못하고, 40 중량%를 초과하는 경우에는 저항 성분 등 기타 성분들의 함량이 너무 적게 되어 바람직하지 못하다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 SR 발열체(20)는 전기저항물질 성분이 니켈(Ni)과 알루미늄(Al)을 포함하는 분말 혼합물 상태로 페이스트를 이루도록 한다. 이와 같은 전기저항물질 성분은 니켈이 전기저항물질 성분의 50 내지 60 중량%, 알루미늄이 전기저항물질 성분의 40 내지 50 중량%를 가지도록 구성되는데, 니켈이 전기저항물질 성분의 53 중량%, 알루미늄이 전기저항물질 성분의 47 중량%를 가지도록 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, SR 발열체(20)의 전기저항물질 성분은 몰리브덴(Mo), 보론(B), 규소(Si) 등을 교정 성분(corrective ingredients)으로 가질 수 있다. 여기서, 몰리브덴은 페이스트의 0.05 내지 0.2at%, 보론은 페이스트의 0.005 내지 0.02at%로 구성되도록 하는데, 몰리브덴은 페이스트의 0.1at%, 보론은 페이스트의 0.01at%로 구성되도록 하는 것이 바람직하다.
이와 같은 전기저항물질 성분은 니켈, 알루미늄에 몰리브덴(Mo), 보론(B), 규소(Si) 등의 교정 성분(corrective ingredients)을 첨가하여 산소 유입없이 4~12시간 동안(바람직하게는 6-10시간 동안) 유성형 보올 밀(ball mill)의 폐쇄공간에서 제조될 수 있다. 여기서, SR 발열체(20)의 전기저항물질 성분을 이루는 입자 간 분산(dispersion)값은 0.1 내지 10㎛ 범위에서 형성되도록 하는데, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 5㎛ 범위에서 입자 간 분산(dispersion)값이 형성되도록 한다. 그리고, 비표면적(specific surface area)은 200 ㎡/g 이하인 것이 바람직하다. 이와 같은 전기저항물질 성분을 이루는 입자 간 분산값은 SR 발열체(20)의 저항온도계수(TCR: temperature coefficient of resistance)와 연동되는 것으로, SR 발열체(20)의 저항온도계수는 전기저항물질 성분을 이루는 입자 간 분산값에 의해 조절된다. 여기서, 전기저항물질 성분을 이루는 입자 간 분산값은 전기저항물질 성분이 유성형 보올 밀(ball mill)의 폐쇄공간에 머무는 시간에 의해 조절되게 된다.
그리고, 상기 SR 발열체(20)의 절연바인더 성분은 폴리에스테르(polyester), 에폭시(epoxy)수지, 에폭시-페놀 라커(epoxy phenol laquer) 조성물 등에서 선택된 것으로 이루어진다. 상기 절연바인더 성분이 페이스트의 10 내지 16 중량%로 구성될 경우, 안정화 첨가물인 나노구조의 규소(Si) 분말이 절연바인더 성분에 첨가될 수 있다. 여기서, 이와 같은 규소는 페이스트의 0.3 내지 0.7at%로 구성될 수 있는데, 0.4 내지 0.6at%으로 구성되도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 규소는 SR 발열체(20) 제조시 SR 발열체(20)의 구조 형성 시간을 단축시키며, 설정되어 구현된 SR 발열체(20)의 저항온도계수가 장기간 유지될 수 있도록 한다.
또한, 상기 SR 발열체(20)는 온도조절물질 성분을 통하여 통전된 상태에서 약 150~450℃로 조절하는 역할을 한다. 이와 같이 온도조절물질 성분으로서 특정한 물질이 적절한 함량으로 포함되어야 발열체의 과열을 방지하고, 적절한 전력을 소모하는데 기여하는 것이다. SR 발열체(20)의 온도조절물질 성분으로는 납성분이 없는 유리(lead-free-glass) 분말 혼합물 상태로 페이스트를 이루도록 하는데, 이와 같은 유리 분말 혼합물은 SiO₂, BaO, B₂O₃, Al₂O₃로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 이상의 산화물인 것이 바람직하다.
여기서, SR 발열체(20)의 온도조절물질 성분은 산소 유입없이 4~12시간 동안(바람직하게는 6~10시간 동안) 유성형 보올 밀(ball mill)의 폐쇄공간에서 제조될 수 있다. 한편, SR 발열체(20)의 온도조절물질 성분은 입자 간 분산(dispersion)값이 0.05 내지 2㎛의 범위에서 형성되도록 하는데, 바람직하게는 0.1 내지 1.0㎛의 범위에서 입자 간 분산값이 형성되도록 한다. 온도조절물질 성분을 이루는 입자 간 분산값은 온도조절물질 성분이 유성형 보올 밀(ball mill)의 폐쇄공간에 머무는 시간에 의해 조절되게 된다.
이와 같은 SR 발열체(20)의 온도조절물질 성분은 ZnO, Al, TiO₂, Bi₂O₃BaTiO 등을 포함하는 교정 성분(corrective ingredients)을 첨가할 수 있는데, 이와 같은 온도조절물질 성분의 교정 성분을 이루는 입자 간 이산(discretisation)은 0.05 내지 0.4㎛ 범위에서 형성될 수 있는데, 바람직하게는 0.1 내지 0.3㎛ 범위에서 형성되도록 한다. 또한, SR 발열체(20)의 온도조절물질 성분은 나이오븀(Nb), 안티몬(Sb), 이트륨(Y), 란탄(La) 등을 포함하여 이루어진 혼합물을 공여체(donor)로 가지게 된다. 이와 같은 공여체(donor)는 높은 용적 전도도(volume conductivity)를 획득하기 위해 첨가된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 SR 발열체(20)는 0.05 내지 1.9 Ω/□(바람직하게는 0.09 내지 0.9 Ω/□)의 저항값을 가지는데, 본 발명의 실시예에 따른 SR 발열체(20)는 전기저항물질 성분, 절연바인더 성분, 온도조절물질 성분의 중량비 조절에 의해 SR 발열체(20)의 저항값을 변경시키게 된다.
또한, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 SR 발열체(20)는 500 내지 50×10-4/℃(바람직하게는 560×10-6 ~ 40×10-4/℃)의 저항온도계수(TCR)를 가지는데, 본 발명의 실시예에 따른 SR 발열체(20)는 전기저항물질 성분, 절연바인더 성분, 온도조절물질 성분의 중량비 조절에 의해 SR 발열체(20)의 저항온도계수를 변경시키게 된다.
상기와 같은 성분들로 이루어진 SR 발열체(20)의 성능을 알아보기 위하여, 에폭시 수지 7g, 니켈-알루미늄(Ni-53%, Al-47%) 70g, SiO2-BaO-B2O3-Al2O3 23g를 에탄올 200g에 분산하고 프리 믹싱한 후 고속으로 교반하여 본 발명의 SR 발열체(20)(실시예 1)를 제조하고, 에폭시 페놀 래커 수지 20g, NiAl[(Ni-53%, Al-47%)(45wt%)]-B(5wt%)-Mo(30wt%)-Si(20wt%) 60g을 에탄올 200g에 분산하고 프리 믹싱한 후 고속으로 교반하여 비교예 1의 면상발열체을 제조한 다음, 상기 실시예 1 및 비교예 1에 대하여 전력실험, 임피던스, 온도제어 실험을 실시하였고, 그 결과를 도 4 내지 7에 도시하였다.
먼저, 도 4는 상기 실시예 1과 비교예 1에 따른 온도 조절 성능을 나타낸 그래프로, 선분 1은 비교예 1에 따른 온도 증가 곡선을 나타내고, 선분 2는 본 발명에 따른 SR 발열체(20)의 온도 증가를 나타낸 것으로, 본 발명의 SR 발열체(20)(실시예 1)는 온도가 일정값 이상이 되면 저항값이 급격히 증가하는 것을 볼 수 있다.
또한, 도 5 내지 도 7에 도시된 전력실험 결과와 임피던스 실험 결과, 온도변화 실험 결과를 참조하면, 온도는 실시예 1과 비교예 1이 유사하게 증가하고 있다. 그러나 실시예 1은 시간에 따라 저항값(임피던스)이 증가하여 전력사용량이 감소하는 것을 확인할 수 있고, 비교예 1은 임피던스도 거의 일정하게 나타나고 전력사용량도 거의 일정하게 나타난다. 따라서, 본 발명의 SR 발열체(20)는 시간에 따라 저항값이 증가하여 전력사용량을 감소시킬 수 있고, 저항값의 증가(물질 특성)로 인하여 시간에 따른 전력 및 온도 자기제어(Self-Regulation)이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
전술한 것과 같이, 본 발명의 스팀발생기는 SR 발열체(20)가 주위의 온도환경에 대응하여 발열 상태를 조절하면서 온도가 일정하게 유지되도록 하므로, 스팀발생기의 가열챔버 내부에 수용된 물의 가열 온도를 설정 시간동안 균일하게 유지하여 안정적이고 지속적인 스팀을 발생시킬 수 있으며, 전력소비량을 절감할 수 있는 이점이 있다.
전술한 본 발명에 따른 스팀발생기용 히터에 대한 실시예는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시 목적으로 제시된 것으로 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 특허청구범위에 기재된 기술 사상의 범주 내에서 다양한 변경 및 실시가 가능할 것이다.
전술한 본 발명의 스팀발생기용 히터는 스팀 청소기, 스팀 세탁기, 스팀 조리기기, 스팀 다리미, 스팀 보일러 등 다양한 스팀 발생 장치에 적용될 수 있다.

Claims (24)

  1. 베이스플레이트(10)와;
    상기 베이스플레이트(10)의 표면에 도포되며, 전기저항물질 성분과 절연바인더 성분 및 온도조절물질 성분이 혼합된 페이스트(paste)가 경화되어 이루어져 외부 전원장치(50)로부터 전원을 공급받아 발열하되, 온도 자가조절 기능을 수행하여 정해진 영역의 온도가 일정하게 유지되도록 하는 SR 발열체(20)(self regulation heating element)를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 SR 발열체(20)는 전기적으로 절연이면서 열전도성 재질로 이루어진 절연케이스(30)에 의해 둘러싸인 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 SR 발열체는 표면에 전도로(conduction path)가 형성되며, 상기 전도로에는 전원장치(50)와 연결된 전원선(41)이 위치되어 전원장치로부터 전원을 전도받아 발열하게 되는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 SR 발열체의 전기저항물질 성분은 50 내지 75 중량%이고, 절연바인더 성분이 5 내지 16 중량%이며, 온도조절물질 성분이 10 내지 40 중량%인 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SR 발열체의 전기저항물질 성분은 니켈(Ni)과 알루미늄(Al)을 포함하는 분말 혼합물 상태로 상기 페이스트를 이루게 되는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 니켈은 상기 전기저항물질 성분의 50 내지 60 중량%이고, 상기 알루미늄은 상기 전기저항물질 성분의 40 내지 50 중량%인 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  7. 제5항에 있어서, 상기 SR 발열체의 전기저항물질 성분은 몰리브덴(Mo), 보론(B), 규소(Si) 군 중에서 하나 이상이 선택되는 교정 성분(corrective ingredients)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 몰리브덴은 상기 페이스트의 0.05 내지 0.2at%이고, 상기 보론은 상기 페이스트의 0.005 내지 0.02at%인 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SR 발열체의 전기저항물질 성분을 이루는 입자 간 분산(dispersion)값은 0.1 내지 10㎛이고, 상기 SR 발열체의 저항온도계수(TCR:temperature coefficient of resistance)는 상기 전기저항물질 성분을 이루는 입자 간 분산값에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SR 발열체의 절연바인더 성분은 폴리에스테르(polyester), 에폭시(epoxy)수지, 에폭시-페놀 라커(epoxy phenol laquer) 조성물 군 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SR 발열체의 절연바인더 성분은 10 내지 16 중량%이되,
    상기 SR 발열체의 절연바인더 성분은 안정화 첨가물인 나노구조의 규소(Si) 분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  12. 제11항에 있어서, 상기 규소는 상기 페이스트의 0.3 내지 0.7at%인 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SR 발열체의 조절물질 성분은 납성분이 없는 유리(lead-free-glass) 분말 혼합물 상태로 상기 페이스트를 이루게 되는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  14. 제13항에 있어서, 상기 유리 분말 혼합물은 SiO₂, BaO, B₂O₃, Al₂O₃을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  15. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SR 발열체의 조절물질 성분을 이루는 입자 간 분산(dispersion)값은 0.05 내지 2㎛인 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  16. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SR 발열체의 조절물질 성분은 ZnO, Al, TiO₂, Bi₂O₃BaTiO 군 중에서 하나 이상이 선택되는 교정 성분(corrective ingredients)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  17. 제16항에 있어서, 상기 교정 성분을 이루는 입자 간 이산(discretisation)은 0.05 내지 0.4㎛인 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  18. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SR 발열체의 조절물질 성분은 나이오븀(Nb), 안티몬(Sb), 이트륨(Y), 란탄(La) 군에서 하나 이상이 선택되는 혼합물을 공여체(donor)로 포함하게 되는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  19. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SR 발열체의 저항값은 0.05 내지 1.0 Ω/□이되,
    상기 SR 발열체를 이루는 전기저항물질 성분, 절연바인더 성분, 조절물질 성분의 중량비 조절에 의해 상기 SR 발열체의 저항값이 변경되는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  20. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SR 발열체의 저항온도계수는 500×10-6 내지 50×10-4/℃이되,
    상기 SR 발열체를 이루는 전기저항물질 성분, 절연바인더 성분, 조절물질 성분의 중량비 조절에 의해 상기 SR 발열체의 저항온도계수가 변경되는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터.
  21. 전기저항물질 성분과 절연바인더 성분 및 온도조절물질 성분이 혼합된 SR 발열체 형성용 페이스트(paste)를 준비하는 단계와;
    베이스플레이트의 표면에 상기 SR 발열체 형성용 페이스트를 일정 두께로 도포하는 단계와;
    상기 SR 발열체 형성용 페이스트를 경화시키는 단계를 포함하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터의 제조방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 SR 발열체 페이스트는 스크린 프린트(screen print) 방식으로 베이스플레이트의 표면에 도포되는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터의 제조방법.
  23. 제21항에 있어서, SR 발열체 페이스트의 경화 후 SR 발열체의 표면에 전도로(21)를 형성하고, 상기 전도로(21)에 단자부(40)의 전원선(41)을 삽입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터의 제조방법.
  24. 제21항에 있어서, 상기 전기저항물질 성분은 니켈, 알루미늄에 몰리브덴(Mo), 보론(B), 규소(Si) 등의 교정 성분(corrective ingredients)을 첨가하여 산소 유입없이 4~12시간 동안 유성형 보올 밀(ball mill)의 폐쇄공간에서 제조되는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 면상발열체를 적용한 스팀발생기용 히터의 제조방법.
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