KR101113018B1 - 전열기, 온도 제어 모듈, 및 전열기의 온도 제어 방법 - Google Patents

전열기, 온도 제어 모듈, 및 전열기의 온도 제어 방법 Download PDF

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Abstract

전기 발열체 및 전기 발열체에 의해 가열되는 기판, 전기 발열체에 전력을 공급하도록 되어 있는 전원, 전기 발열체에 흐르는 전류의 크기를 측정하는 전류 측정부, 및 측정된 전류에 대응하는 값을 미리 결정된 값과 비교한 결과를 기초로 전류의 크기를 제어하는 제어부를 포함하는 전열기가 공개된다. 전기 발열체는 기판과 접촉 결합될 수 있다. 전기 발열체와 기판은 온도에 따라 비저항이 달라지는 특성을 갖는 것일 수 있다.

Description

전열기, 온도 제어 모듈, 및 전열기의 온도 제어 방법{Electric heater, temperature control module, and method for controlling the temperature of the electric heater}
본 발명은 전열기 및 전열기의 온도를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 전기 발열체가 접촉되어 있는 기판을 포함하는 전열기에 관한 기술을 포함한다.
핫플레이트, 인덕션 레인지, 하이라이트 레인지 등은 식품 조리를 위해 사용되는 전열기의 일종이다.
핫플레이트는 열판 자체가 그 내부에 매립되어있는 전기 발열체(‘열선’이라 지칭할 수있음)에 의해 가열되면서 열판에 올려놓은 조리용기에 열을 전달하는 방식으로서, 열에 녹는 용기를 제외한 모든 용기를 사용할 수 있다. 열판과 그 내부에 매립된 전기 발열체는 전기적으로 절연되어 있기 때문에 열판을 통해 전기가 흐르지 않는다.
인덕션 레인지는 전자기유도를 이용하여 용기 자체가 열을 내도록 하는 방식으로서, 자기가 통하는 스테인리스, 법랑 등 주철 성분의 용기를 사용할 수 있지만, 자석이 붙지 않는 알루미늄, 유리, 도자기 등의 용기는 사용할 수 없다.
소위 하이라이트 레인지와 같은 전열기는, 기판('상판'으로 지칭할 수 있음) 하부에서 전기 발열체로 기판을 가열하고, 가열된 기판 위에 조리 용기를 올려놓아 사용하는 방식이다. 기판은 가열 대상물이 직접 접촉되는 부분을 지칭하는 것으로서 세라믹 또는 유리 재질로 되어 있을 수 있다. 그런데 전기 발열체와 기판을 접촉하여 제작하고, 전기 발열체의 온도를 일정 수준 이상으로 올리면 전열기가 반영구적으로 고장 나는 현상이 발생하기 때문에, 전기 발열체와 기판을 접촉하여 제조한 전열기는 고온 가열용으로 상용화되기 어렵다. 따라서, 기판과 전기 발열체를 포함하는 구조의 전열기 중 이미 상용화된 전열기에서는 보통 기판과 전기 발열체가 일정 간격을 두고 이격되어 있다. 이러한 구조에 의하면 전열기의 부피를 줄이는데에 한계가 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 전기 발열체로 기판을 가열하는 방식의 전열기에 있어서, 전기 발열체와 기판이 서로 접촉되어 있는 경우에도 전열기가 고장나지 않도록 하는 전열기의 온도 제어 방법과, 이러한 방법을 구현하기 위한 전열기의 구조를 제공하는 것이다.
위와 같이, 전기 발열체와 기판이 서로 접촉되어 있는 구조의 전열기가 고장 나는 경우는 이 전기 발열체의 온도를 소정의 온도까지 높인 경우에 발생할 수 있다. 본 발명에서는 이러한 소정의 온도를 높일 수 있는 온도 제어 방법을 제공함으로써 제공된 전열기의 가열 기능을 최대한 활용할 수 있도록 하는 기술을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에서 사용되는 기판은 상온에서 실질적으로 절연체이지만, 기판의 온도가 고온으로 올라갈수록 기판의 비저항 값이 감소할 수 있다. 이때, 전기 발열체와 기판 사이에 별도의 절연물질이 개재되어 있지 않다면 전기 발열체를 통해서만 흘러야 될 전류가 기판을 통해 누설되어 전기적인 단락 현상을 일으킬 수 있으며 또한 이로 인하여 기판이 파괴될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 전류 누설을 방지할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
본 발명의 범위가 상술한 과제에 의해 제한되는 것은 아니다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 양상에 따른 전열기는 전기 발열체에 인가되는 전류 또는 전압의 크기를 전열기의 온도에 따라 제어하는 제어부를 포함한다. 또한, 이를 위하여 전열기의 온도를 제어부에게 빠르게 피드백하기 위한 구조가 제공된다. 빠른 피드백을 위하여 전열기의 구성요소 중 전기 발열체 자체의 온도를 반영하는 파라미터 값을 제어부에 제공할 수 있다. 이러한 파라미터로서 전기 발열체 자체의 온도값, 전기 발열체의 저항값, 또는 전기 발열체에 흐르는 전류값 등을 사용할 수 있다. 위의 제어부는 전기 발열체에 전력을 제공하는 전원을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 관점에 따른 전열기는 전기 발열체 및 상기 전기 발열체에 의해 가열되는 기판, 상기 전기 발열체에 전력을 공급하도록 되어 있는 전원, 상기 전기 발열체에 흐르는 전류의 크기를 측정하는 전류 측정부, 및 상기 측정된 전류에 대응하는 값을 미리 결정된 값과 비교한 결과를 기초로 상기 전류의 크기를 제어하는 제어부를 포함한다.
이때, 상기 전류 측정부는 전류값을 전압값으로 변환하는 전류 변환기를 포함할 수 있고, 상기 측정된 전류에 대응하는 값을 미리 결정된 값과 비교하는 것은, 상기 전류 변환기가 상기 측정된 전류의 값을 변환하여 출력한 전압을 미리 결정된 기준 전압값과 비교하는 것일 수 있다.
이때, 상기 전기 발열체와 상기 기판 사이에는 다른 절연체가 개재되어 있지 않을 수 있다. 또한, 상기 전기 발열체는 상기 기판에 접촉되어 있을 수 있다. 또한, 상기 전기 발열체의 저항은 상기 전기 발열체의 온도에 따라 변화될 수 있다. 또한, 상기 기판의 비저항은 온도에 따라 달라질 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 온도 제어 방법은, 전기 발열체 및 상기 전기 발열체에 의해 가열되는 기판을 포함하는 전열기의 온도를 제어하는 방법으로서, 상기 전기 발열체에 흐르는 전류에 대응하는 값을 측정하는 단계, 및 상기 측정된 값을 미리 결정된 기준 값과 비교한 결과를 기초로 상기 전기 발열체에 흐르는 전류의 크기를 제어하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 제어하는 단계는 상기 측정된 값을 상기 기준 값과 비교한 결과에 따라 상기 전류를 도통시키거나 또는 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따른 온도 제어 방법은, 전기 발열체 및 상기 전기 발열체에 의해 가열되는 기판을 포함하는 전열기의 온도를 제어하는 방법으로서, 상기 전기 발열체의 온도를 측정하는 단계, 및 상기 전기 발열체의 온도를 미리 결정된 기준 온도와 비교한 결과를 기초로, 상기 전기 발열체에 흐르는 전류의 크기를 제어하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 기준 온도는 상기 전기 발열체로부터 상기 기판으로 누설되는 누설 전류의 값이 미리 결정된 임계값에 도달할 때의 상기 전기 발열체의 온도일 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따른 전열기는, 전기 발열체 및 상기 전기 발열체에 의해 가열되는 기판, 상기 전기 발열체에 전력을 공급하도록 되어 있는 전원, 상기 전기 발열체의 온도를 측정하도록 되어 있는 온도 측정부, 및 상기 온도 측정부에 의해 측정된 온도를 미리 결정된 기준 온도와 비교한 결과를 기초로 상기 전기 발열체에 흐르는 전류의 크기를 제어하는 제어부를 포함한다.
이때, 상기 전기 발열체의 저항은 상기 전기 발열체의 온도에 따라 변화될 수 있다. 또한, 상기 기판의 비저항은 온도에 따라 달라질 수 있다. 또한, 상기 제어부는, 상기 비교한 결과를 기초로 상기 전기 발열체에 흐르는 전류를 도통시키거나 또는 차단하도록 되어 있는 스위치를 포함할 수 있다. 또한, 상기 스위치는 무접점 릴레이 방식의 부품(예를 들면 solid state relay) 또는 이에 상응하는 회로(예를 들면 Triac 사용회로)일 수 있으며, 위상제어(phase angle control) 방식 및 제로크로싱제어(zero-crossing control) 방식이 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따른 전열기는, 전기 발열체 및 상기 전기 발열체에 의해 가열되는 기판, 상기 전기 발열체에 전력을 공급하도록 되어 있는 전원, 상기 전기 발열체의 저항을 측정하는 저항 측정부, 및 상기 저항 측정부에 의해 측정된 저항의 값을 미리 결정된 값과 비교한 결과를 기초로 상기 전기 발열체에 흐르는 전류의 크기를 제어하는 제어부를 포함한다.
이때, 상기 전기 발열체의 저항은 온도에 따라 변화될 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따른 온도 제어 모듈은, 전기 발열체 및 상기 전기 발열체에 의해 가열되는 기판 및 상기 전기 발열체에 전력을 공급하도록 되어 있는 전원을 포함하는 전열기에 사용되는 온도 제어 모듈로서, 상기 전기 발열체에 흐르는 전류의 크기를 측정하도록 되어 있는 전류 측정부, 및 상기 측정된 전류에 대응하는 값을 미리 결정된 값과 비교한 결과를 기초로 상기 전류의 크기를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 관점에 따른 면상 발열체는, 전기 발열체 및 상기 전기 발열체에 의해 가열되는 기판, 전기 발열체에 전력을 공급하도록 되어 있는 전원, 전기 발열체에 흐르는 전류의 크기를 측정하는 전류 측정부, 및 측정된 전류에 대응하는 값을 미리 결정된 값과 비교한 결과를 기초로 전류의 크기를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따르면 전기 발열체와 기판이 접촉되어 있는 구조를 갖는 전열기에 대하여, 전열기의 고장 없이 기판의 온도를 최대한 올릴 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 범위가 상술한 효과에 의해 제한되는 것은 아니다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에서 사용될 수 있는 발열부의 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전열기의 구성을 나타낸 것이다.
도 3a는 유리로 된 기판의 온도에 따른 기판의 비저항 값의 변화를 로그 스케일(세로축)로 나타낸 것이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 전기 발열체의 온도에 따른 저항값의 변화의 일 예를 나타낸 것이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따라 전기 발열체에 일정한 전압을 인가하여 전류를 흘릴 때에, 전기 발열체의 온도 상승에 따른 전류값의 변화를 나타낸 것이다.
도 3d는 본 발명의 일 실시예에서 사용될 수 있는 전류 변환기의 출력 전압의 입출력 관계를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 타이머의 동작 주기를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전열기의 구성도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전열기의 구성도를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전열기의 구성을 나타낸 것이다.
도 8은 도 2의 전열기에 대한 비교 실시예를 나타낸 것이다.
도 9a는 도 1 내지 도 7에 설명한 전열기의 전기 발열체의 온도 변화를 나타낸 것이고, 도 9b는 도 8에 설명한 전열기의 전기 발열체의 온도 변화를 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 이하에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 이하에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에서 사용될 수 있는 발열부(100)의 예를 도시한 것이다.
도 1a를 참조하면, 발열부(100)는 기판(101), 기판(101)에 접촉되어 있는 전기 발열체(Rh)를 포함하여 구성될 수 있다. 전기 발열체(Rh)는 도 1a에 도시한 바와 같이 일정한 패턴을 가질 수 있으나, 실시예에 따라 이와 다른 다양한 패턴을 형성할 수 있다.
일 실시예에서는, 전기 발열체(Rh)가 페이스트로 제조되어 인쇄 공정 및 소결공정을 통해 기판(101)에 접촉되어 결합될 수 있다. 이때 액상의 페이스트를 이용한 디스펜싱 공정이나 고상의 타겟을 이용한 진공증착등의 방법도 이용될 수있다.
도 1b를 참조하면, 도 1a와 달리 전기 발열체(Rh)가 서로 분리된 두 개의 세그먼트(segment)(Rh1, Rh2)로 구성되어 있다. 사용상 필요에 따라 이렇게 두 개의 세그먼트(Rh1, Rh2) 또는 그 이상의 세그먼트로 나누어 발열부를 디자인하고 별도 제어할 수 있을 것이다.
도 1a 및 도 1b에 도시한 전기 발열체(Rh)에서 발생된 열은 기판(101)에 전달되기 때문에 기판(101)의 온도가 상승할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전열기(1)의 구성을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 전열기에 AC 전원이 인가되면 전류 변환기(CT, Current Transformer)(300)는 발열부(100)의 전기 발열체(Rh)를 통해 흐르는 전류(IR)에 비례하는 전압(V+)을 출력할 수 있다. 이때 출력된 전압은 AC전압이므로 DC전압으로 변환하여 비교기(400)에 입력되면, 제어부(500)을 통하여 미리 설정된 기준전압(Vref)과 서로 비교하여 하이(high) 레벨 또는 로우(low) 레벨의 출력 전압(Vo)을 생성하여 출력할 수 있다. 제어부(600)는 비교기(400)의 출력 전압(Vo)의 레벨에 따라 전원(200)의 온(on) 또는 오프(off) 상태를 제어할 수 있다. 전원(200)은 단자(T3, T4)를 통해 교류 전원(700)으로부터 전력을 공급받아 발열부(100)에 공급하는 전력으로 변환할 수 있으며, 변환된 전력을 단자(T1, T2)를 통해 전기 발열체(Rh)에 공급할 수 있다. 이때 전원(200)의 동작은 제어부(600)에 포함된 스위치(601)에 의해 제어될 수 있다.
기준 전압(Vref)은 기준 전압 생성부(500)에 의해 생성될 수 있다. 기준 전압 생성부(500)는 두 개의 직렬 연결된 저항(Ra, Rb)을 이용하여 전압을 나누는 방식으로 기준 전압(Vref)을 생성할 수 있다. 여기에 사용되는 저항(Ra) 및/또는 저항(Rb)을 적절히 가변 저항으로 구성할 수 있으며, 또한 도 2에 나타낸 바와 같이 저항(Rb)의 값을 변화시킴으로써 기준 전압(Vref)의 값을 변경시킬 수 있다. 발열부(100)의 온도는 기준 전압(Vref)에 의해 조절될 수 있기 때문에, 저항(Rb)의 값을 변경시킴으로써 발열부(100)의 온도를 조정할 수 있다. 조정하게 될 기준전압의 설정값을 임계온도이하의 최대사용온도까지 설정할 수 있으며, 설정된 최대온도 이하에서 사용하고자하는 온도를 마음대로 설정하여 정확하게 온도를 제어할 수 있다.
제어부(600)는 무접점 릴레이(solid state relay)(610) 및/또는 타이머(601)를 포함할 수 있다. 제어부(600)는 스위치(602)를 포함할 수 있는데, 스위치(602)는 실시예에 따라 무접점 릴레이(610)의 내부에 포함되거나 그 외부에 존재할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 스위치(602)를 턴-오프(turn off)하여 전원(200)으로부터 발열부(100)로의 전력공급을 차단하는 것은 비교기(400)의 출력 전압(Vo)에 의해 이루어질 수 있다. 그러나, 전력 공급을 재개하는 것은 타이머(601)에 의해 이루어질 수 있다. 우선 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 전기 발열체(Rh)에 대한 전력 공급을 차단하는 목적 및 원리를 설명하고, 그 다음, 도 4를 참조하여 전기 발열체(Rh)에 대하여 전력 공급을 재개하는 방법에 대하여 설명할 것이다.
도 3a는 유리로 된 기판(101)의 온도에 따른 기판(101)의 비저항 값의 변화를 로그 스케일(세로축)로 나타낸 것이다. 도 3a를 참조하면 기판(101)의 비저항 값은 기판(101)의 온도에 따라 감소하는 경향을 볼 수 있다. 기판(101)의 재질이 유리가 아니더라도 도 3a와 같이 온도에 따라 비저항이 감소하는 재질은 다양하게 존재할 수 있고, 이 재료 중 일부는 본 발명에 따른 전열기의 기판으로서 사용될 수 있다.
기판(101)에 접촉되어 있는 전기 발열체(Rh)에 전류가 흐를 때에, 기판(101)의 온도가 제1온도(To)(예컨대, 상온)와 임계 온도(Tt)의 사이에 있는 경우에는 전기 발열체(Rh)에 흐르는 전류가 기판(101)을 통해 실질적으로 누설되지 않지만, 기판(101)이 임계 온도(Tt)에 도달하면 기판(101)의 비저항 값이 임계값 이하로 떨어지기 때문에 기판(101)을 통해 전류가 실질적으로 누설되기 시작한다. 여기서 '실질적'이라는 뜻은 허용치 이상의 누설 전류가 흐르는지를 나타낸다. 누설 전류가 흐르면 기판(101)의 물성이 바뀔 수도 있으며, 나아가 전기 발열체(Rh)의 패턴 거리에 따라 전기적 단락이 발생할 수도 있다. 이러한 임계 온도(Tt)는 기판(101)에 인쇄된 전기 발열체(Rh)의 구체적인 패턴의 형상/간격 및 전기 발열체(Rh)의 양 단에 인가되는 전압의 크기에 따라 달라질 수 있다. 이러한 기판(101)의 온도 변화는 기판(101)에 접촉되어 있는 전기 발열체(Rh)의 온도 변화로부터 기인하는데, 전기 발열체(Rh)의 저항값은 전기 발열체(Rh)의 온도에 따라 달라질 수 있다. 이러한 경향을 도 3b에 도시하였다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 전기 발열체(Rh)의 온도에 따른 저항값(R)의 변화의 일 예를 나타낸 것이다. 도 3b의 가로축은 전기 발열체(Rh)의 온도를 나타낸 것이다.
전기 발열체(Rh)를 이루는 재료는, 온도가 상승할수록 저항값이 작아지는 경향을 보이는 제1타입(NTCR)의 재료와, 온도가 상승할수록 저항값이 커지는 경향을 보이는 제2타입(PTCR)의 재료를 포함하여 구분할 수 있다.
제1타입의 재료로 이루어진 전기 발열체(Rh)는 제1온도(To)에서 R0의 저항값을 갖지만 온도가 상승할수록 저항값이 감소하여, 도 3a에서 설명한 임계 온도(Tt)에 이르면 저항값이 R1으로 감소할 수 있다.
반대로, 제2타입의 재료로 이루어진 전기 발열체(Rh)는 제1 온도(To)에서 R0 의 저항값을 갖지만 온도가 상승할수록 저항값이 증가하여, 도 3a에서 설명한 임계 온도(Tt)에 이르면 저항값이 R2로 증가할 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시예에 따라, 전기 발열체(Rh)를 구성하는 재료의 타입을 선택하여 사용할 수 있다. 전기 발열체(Rh)에 전류를 흐르게 하면, 전기 발열체(Rh)는 시간에 따라 온도가 상승하게 되는데, 그에 따라 전기 발열체(Rh)의 저항값(R)이 변동하게 된다. 전기 발열체(Rh)의 양단에 인가되는 전압이 일정하다면, 변화되는 저항값(R)에 의해 전기 발열체(Rh)에 흐르는 전류의 값이 변화하게 된다. 이러한 현상을 도 3c에 나타내었다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따라 전기 발열체(Rh)에 일정한 전압을 인가하여 전류를 흘릴 때에, 전기 발열체(Rh)의 온도 상승에 따른 전류값(I)의 변화를 나타낸 것이다.
도 3c의 가로축은 전기 발열체(Rh)의 온도를 나타낸 것이다. 상술한 제1타입의 전기 발열체(Rh)를 사용하는 경우에는 전기 발열체(Rh)의 온도가 상승할수록 저항값이 작아지기 때문에 전류값(I)이 커지는 경향을 보이고, 상술한 제2타입의 전기 발열체(Rh)를 사용하는 경우에는 전기 발열체(Rh)의 온도가 상승할수록 저항값이 커지기 때문에 전류값(I)이 작아지는 경향을 보인다. 이러한 전류는 전류 변환기(300)에 의해, 이에 대응되는 전압값으로 출력될 수 있다. 이러한 관계를 도 3d에 나타내었다.
도 3d는 본 발명의 일 실시예에서 사용될 수 있는 전류 변환기(300)의 출력 전압의 입출력 관계를 나타낸 것이다.
도 3d를 참조하면, 전류 변환기(300)가 측정하는 전류값(I)이 커지면 출력 전압값( V+)도 커지고, 그 반대로 성립한다. 예를 들어 상술한 제1타입의 전기 발열체(Rh)를 사용하는 경우에는 시간이 흘러 전기 발열체(Rh)의 온도가 상승할 수록 저항값은 작아지고 전류값(I)은 커지기 때문에 출력 전압값(V+)도 커지게 된다.
상술한 제1타입의 전기 발열체(Rh)를 사용할 때에, 전류 변환기(300)의 출력 전압값(V+)이 증가하여 레벨(V1)에 도달한 경우에는 기판(101)에 임계치 이상의 누설 전류가 흐르기 시작하기 때문에, 전원 제어부(600)에서 스위치(602)를 턴-오프하여 전원(200)을 차단할 수 있다. 이를 위하여 비교부(400)는 전류 변환기(300)의 출력 전압값(V+)이 레벨(V1)에 도달하였음을 알리는 신호를 출력하여 전원 제어부(600)에 입력할 수 있다.
제2타입의 전기 발열체(Rh)를 사용할 때에, 전류 변환기(300)의 출력 전압값(V+)이 감소하여 레벨(V2)에 도달한 경우에는 기판(101)에 임계치 이상의 누설 전류가 흐르기 시작하기 때문에, 전원 제어부(600)에서 스위치(602)를 턴-오프하여 전원(200)을 차단할 수 있다. 이를 위하여 비교부(400)는 전류 변환기(300)의 출력 전압값(V+)이 레벨(V2)에 도달하였음을 알리는 신호를 출력하여 전원 제어부(600)에 입력할 수 있다.
도 3a 내지 도 3d에서는 전기 발열체(Rh)의 온도와 전기 발열체(Rh)의 저항값(즉, 일정한 전압에 대하여 흐르는 전류의 비율) 사이의 상관 관계를 기초로 하여 전원(200)을 턴-오프하는 방법에 대하여 설명하였지만, 일단 오프된 전원(200)을 다시 턴-온(turn on)하는 방법은 설명하지 않았다.
전원(200)이 턴-오프 된 이후에 전기 발열체(Rh)의 온도가 도 3a 내지 도 3d에 도시한 온도(Tt) 이하로 떨어지면 언제라도 전원(200)을 다시 턴-온할 수 있다.
그런데 전기 발열체(Rh)의 온도를 전기 발열체(Rh)의 저항값 또는 전기 발열체(Rh)를 통해 흐르는 전류값을 통해 간접적으로 측정하는 경우에 있어서, 일단 전원(200)을 턴-오프함으로써 전기 발열체(Rh)에 흐르는 전류(IR)가 0이 되게 되면, 전기 발열체(Rh)에 흐르는 전류 값을 통해 전기 발열체(Rh)의 저항값을 측정할 수 없게 된다. 따라서, 전기 발열체(Rh)의 온도를 측정할 수 없다. 전기 발열체(Rh)의 온도를 알 수 없다면 전원(200)을 턴-온 해야하는 시점을 결정할 수가 없다. 따라서 본 발명의 일 실시예에서는 타이머(601)를 사용하여 주기적으로 전원(200)을 강제로 턴-온할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 타이머(601)의 동작 주기를 나타낸 것이다. 도 4에 표시된 구간(Ta)에서는 강제로 전원(200)을 턴-온한다. 구간(Ta)에서 전원(200)을 강제로 턴-온하더라도, 아직 전기 발열체(Rh)의 온도가 임계 온도(Tt) 이하로 떨어지지 않은 경우에는 다시 도 3a 내지 도 3d에 설명한 원리에 의해 전원(200)이 다시 턴-오프될 수 있다. 이렇게 설명된 온도제어를 위한 전기회로의 일부는 동일한 기능을 수행할 수 있는 프로그램을 내장한 마이콤(micom)을 이용할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전열기(1)의 구성도를 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 전열기(1)는 전기 발열체(Rh) 및 기판(101)을 포함하는 발열부(100), 전기 발열체(Rh)에 전류를 공급하는 전원(200), 발열부(100)에 포함된 전기 발열체(Rh)의 온도를 측정하는 전기 발열체 온도 측정부(300'), 전기 발열체 온도 측정부(300')의 출력 값과 기준 온도 생성부(500')에서 생성한 기준 값을 비교한 결과에 따라 전원(200)의 동작을 제어하는 전원 제어부(600')를 포함할 수 있다. 전원 제어부(600')는 전원(200)이 턴-온 또는 턴-오프 되도록 제어하거나 또는 전원(200)에서 발열부(100)로 들어가는 전류의 크기가 다양한 레벨 값을 갖도록 조절할 수도 있다.
도 5와 같은 구성에 따르면, 발열부(100) 중 기판(101)의 온도를 측정하는 것이 아니라 전기 발열체(Rh)의 온도를 직접 측정하기 때문에 발열상태를 빠르게 피드백하여 발열부(100)의 온도를 제어할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전열기(1)의 구성도를 나타낸 것이다.
도 6에서는, 도 5에 나타낸 전기 발열체 온도 측정부(300')를 전기 발열체(Rh)의 저항을 측정하는 전기 발열체 저항 측정부(300'')가 대체하고 있다. 또한, 도 5에 나타낸 기준온도 생성부(500')를 기준 저항값을 생성하는 기준 저항값 생성부( 500'')가 대체하고 있다. 이러한 구성 변화에 맞추어 변경된 구조를 갖는 전원 제어부(600'')가 도 5의 전원 제어부(600')를 대체할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전열기(1)의 구성을 나타낸 것이다.
도 7을 참조하면, 전열기(1)는 전기 발열체(Rh) 및 기판(101)을 포함하는 발열부(100), 전기 발열체(Rh)에 전류를 공급하는 전원(200), 전기 발열체(Rh)에 흐르는 전류를 측정하는 전기 발열체 전류 측정부 및 전기 발열체 전류 측정부에서 측정된 전류값을 전압값으로 변환하는 전류-전압 변환부, 전류-전압 변환부의 출력 값과 기준 전압 생성부(500)에서 생성한 기준 값을 비교한 결과에 따라 전원(200)의 동작을 제어하는 전원 제어부(600''')를 포함할 수 있다. 도 2에서 기술한 전류 변환기(300)는 상술한 전류-전압 변환부와 전기 발열체 전류 측정부를 포함할 수 있다. 도 7의 전원 제어부(600''')는 도 2의 제어부(600)와 비교기(400)를 포함할 수 있다.
도 8은 도 1 내지 도 7의 전열기에 대한 비교 실시예를 나타낸 것이다.
도 8에 나타낸 전열기(1')는 전기 발열체(Rh), 기판(101), 및 온도 측정 패턴(Rd)를 포함하는 발열부(100), 전기 발열체(Rh)에 전류를 공급하는 전원(200), 온도 측정 패턴(Rd)을 이용하여 발열부(100)의 온도를 검출하는 온도 검출부 (900)를 포함한다.
온도 측정 패턴(Rd)은 기판(101)에 열을 공급하는 목적으로 사용되는 것이 아니며, 다만 온도 측정 패턴(Rd)의 온도를 측정하기 위한 것이다. 온도 측정 패턴(Rd)은 온도에 따라 저항값이 달라지는 재료로 구성될 수 있으며, 온도 측정 패턴의 양 단에 일정한 전압을 인가하여 측정되는 전류의 값을 보고 온도 측정 패턴(Rd)의 저항을 결정할 수 있다. 결정된 저항값에는 하나의 온도가 대응될 수 있으므로, 온도 측정 패턴(Rd) 및 온도 검출부(900)의 구성에 의해 온도 측정 패턴(Rd)의 온도를 측정할 수 있다.
온도 검출부(900)의 온도 검출 결과는 전원(200)으로 피드백되어 전원(200)의 동작을 제어할 수 있다. 이때, 온도 검출부(900)에서 검출한 온도는 온도 측정 패턴(Rd) 자체의 온도이다. 열이 한 지점에서 다른 지점으로 이동하는데에는 시간이 걸리기 때문에, 온도 측정 패턴(Rd)의 온도는 측정 당시의 전기 발열체(Rh)의 온도 및 기판(101)의 온도와는 다를 수 있다. 따라서 지점(B)의 온도가 계속 증가하여 도 3a에 나타낸 임계 온도(Tt)에 도달한 시점에, 지점(C)의 온도는 아직 임계 온도(Tt)에 도달하지 않을 수 있다. 지점(C)의 온도가 임계 온도(Tt)에 도달할 때까지 전기 발열체(Rh)에는 계속하여 전류가 공급될 수 있기 때문에, 지점(C)의 온도가 임계 온도(Tt)에 도달한 시점에 이미 지점(A, B)의 온도는 임계 온도(Tt)를 초과할 수 있다. 따라서, 지점(A, B) 주변의 기판(101)의 온도 역시 임계 온도(Tt)를 초과할 수 있다. 그 결과, 예를 들어 지점(A)와 지점(B)를 직선으로 연결하는 라인 상에 있는 기판(101)을 통해 누설 전류가 흐를 수 있고, 그 결과 누설 전류가 흐르는 부분의 기판(101)의 물성이 변할 수 있다. 또한 누설 전류에 의해 전기 발열체(Rh) 양단의 저항 특성이 달라질 수 있다. 도 1 내지 도 7에 나타낸 실시예들은, 도 8과 같이 발열부(100)의 온도를 피드백하는데 시간이 오래 걸리기 때문에 발생하는 문제를 해결하기 위하여, 전기 발열체(Rh) 자체의 온도를 반영한 값을 피드백하는 구성을 갖는 것이다.
도 8과 같이 동일 기판에서 전기 발열체에 인접하여 구성한 패턴으로 온도검출을 하는 경우에, 특히 열전도도가 낮은 기판재료를 이용한 전열기의 경우에는 전기 발열체의 온도를 정확히 제어할 수 없다. 이와 같이, 별도의 온도센서소자를 전기 발열체에 근접시켜 사용하는 방법으로는 온도를 정확하게 제어하기가 더욱 어렵다.
도 9a는 도 1 내지 도 7에 설명한 전열기(1)에 포함된 전기 발열체(Rh)의 작동 온도 변화를 나타낸 것이다.
도 9a를 살펴보면, 전기 발열체(Rh)의 온도는 상승하다가 턴- 오프 시점(801)부터 감소하기 시작하고, 다시 턴-온 시점(802)에서 상승하게 되며, 이러한 과정이 반복될 수 있다. 턴-온 시점(802)은 도 4에 나타낸 타이머의 설정 값에 따라 조절될 수 있다. 도 9a에 나타낸 것과 같이, 전기 발열체(Rh)의 정상 상태 온도는 시간에 따라 요동(ΔT1)을 보일 수 있다. 여기서 '정상 상태'란 온도가 약간 요동치더라도 지속적으로 일정한 범위 내에서 움직이는 안정화된 상태를 의미할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 전기 발열체(Rh)에 결합된 기판(101)에 차가운 물체를 올려놓으면 전기 발열체(Rh)의 온도는 떨어졌다가 다시 상승할 수 있다.
도 9b는 도 8에 설명한 전열기(1')에 포함된 전기 발열체(Rh)의 작동 온도 변화를 나타낸 것이다.
도 9b를 살펴보면, 온도 측정 패턴(Rd)의 온도 변화는 전기 발열체(Rh)의 온도 변화를 뒤따르는 것을 볼 수 있다. 이는 전기 발열체(Rh)로부터 온도 측정 패턴(Rd)까지 열이 전달되는데에 시간이 걸리기 때문이다. 전기 발열체(Rh)의 온도가 임계 온도(Tt)에 도달할 때에 온도 측정 패턴(Rd)의 온도는 온도(Tt-ΔTc)에 도달한다. 이 온도(Tt-ΔTc)를 도 2에서 설명한 기준 온도(Vref)와 유사한 개념을 사용할 수 있다. 즉, 도 9b에 나타낸 것과 같이 온도 측정 패턴(Rd)의 온도가 온도(Tt-ΔTc)보다 크면 전원(200)을 차단하고, 온도 측정 패턴(Rd)의 온도가 온도(Tt-ΔTc)보다 작으면 전원(200)을 다시 연결하도록 할 수 있다. 예를 들어, 턴- 오프 시점(901)은 온도 측정 패턴(Rd)의 온도가 온도(Tt-ΔTc)와 동일하게 되는 시점이며, 이때부터 전원(200)이 차단되어 전기 발열체(Rh)의 온도가 하강하게 된다. 마찬가지로, 턴-온 시점(902)도 온도 측정 패턴(Rd)의 온도가 온도(Tt-ΔTc)와 동일하게 되는 시점이며, 이때부터 전원(200)이 다시 연결되어 전기 발열체(Rh)의 온도가 상승하게 된다. 이러한 턴-온 및 턴-오프 과정을 반복하게 된다.
그런데 도 9b를 참조하면 알 수 있듯이, 도 8과 같은 전열기(1')의 구성에 따르면, 전기 발열체(Rh)의 온도 변화를 온도 측정 패턴(Rd)이 정확히 감지하는데 시간이 걸리기 때문에, 전원(200)을 턴-온 또는 턴-오프 하기 위한 최적의 시점을 결정하기 어렵다. 따라서, 도 9b에 도시된 전기 발열체(Rh)의 온도의 정상 상태에서의 요동값(ΔT2)은 도 9a에 도시된 요동값(ΔT1) 보다 클 수 있다. 따라서, 도 9a와 도 9b에서 전기 발열체(Rh)의 최고 허용 온도를 기판(101)의 임계 온도(Tt)로 제한하는 경우에, 도 9a에서의 정상상태 평균온도는 도 9b의 정상상태 평균온도보다 높게 된다. 따라서, 도 9a와 같이 전기 발열체 자체의 온도를 측정하여 제어하는 도 1 내지 도 7의 구성을 갖는 전열기는, 도 9b와 같은 온도 변화 패턴을 갖는 도 8의 구성을 갖는 전열기에 비하여, 주어진 임계 온도(Tt)를 갖는 기판(101)의 사용온도를 최대한 상승시킬 수 있다.
이상 본 발명이 양호한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 특허청구범위의 각 청구항의 내용은 본 명세서를 통해 이해할 수 있는 범위 내에서 인용관계가 없는 다른 청구항에 결합될 수 있다.
그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 진정한 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 온도에 따라 변화하는 저항값을 갖는 전기 발열체 및 상기 전기 발열체에 의해 가열되는 기판;
    상기 전기 발열체에 전력을 공급하도록 되어 있는 전원;
    상기 전기 발열체에 흐르는 전류를 측정하여, 상기 측정된 전류에 대응하는 전압을 제공하는 측정부; 및
    상기 측정부에 의해 제공된 전압과, 상기 기판의 실측온도와 관계없이 미리 설정된 기준 전압을 서로 비교한 결과를 기초로 상기 전류의 크기를 제어하는 제어부
    를 포함하는, 전열기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류 측정부는 전류값을 전압값으로 변환하는 전류 변환기를 포함하며,
    상기 측정된 전류에 대응하는 값을 미리 결정된 값과 비교하는 것은, 상기 전류 변환기가 상기 측정된 전류의 값을 변환하여 출력한 전압을 미리 결정된 기준 전압값과 비교하는 것인, 전열기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기 발열체와 상기 기판 사이에는 다른 절연체가 개재되어 있지 않은, 전열기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전기 발열체는 상기 기판에 접촉되어 있는, 전열기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 비교한 결과에 따라 상기 전기 발열체에 전류를 도통시키거나 또는 차단하도록 되어 있는, 전열기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기판의 비저항은 온도에 따라 달라지는, 전열기.
  7. 온도에 따라 변화하는 저항값을 갖는 전기 발열체 및 상기 전기 발열체에 의해 가열되는 기판을 포함하는 전열기의 온도를 제어하는 방법으로서,
    상기 전기 발열체에 흐르는 전류를 측정하여, 상기 측정된 전류에 대응하는 전압을 제공하는 단계; 및
    상기 제공된 전압을 상기 기판의 실측온도와 관계없이 미리 결정된 기준 전압과 서로 비교한 결과를 기초로 상기 전기 발열체에 흐르는 전류의 크기를 제어하는 단계
    를 포함하는,
    온도 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 비교한 결과에 따라 상기 전기 발열체에 전류를 도통시키거나 또는 차단하는 단계를 포함하는, 온도 제어 방법.
  9. 온도에 따라 변화하는 저항값을 갖는 전기 발열체 및 상기 전기 발열체에 의해 가열되는 기판을 포함하는 전열기의 온도를 제어하는 방법으로서,
    상기 전기 발열체에 흐르는 전류의 값을 측정함으로써 상기 전기 발열체의 온도를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 전기 발열체의 온도를 상기 기판의 실측온도와 관계없이 미리 결정된 기준 온도와 서로 비교한 결과를 기초로, 상기 전기 발열체에 흐르는 전류를 차단 또는 도통함으로써 상기 전열기의 온도를 제어하는 단계
    를 포함하는,
    온도 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기준 온도는 상기 전기 발열체로부터 상기 기판으로 누설되는 누설 전류의 값이 미리 결정된 임계값에 도달할 때의 상기 전기 발열체의 온도인, 온도 제어 방법.
  11. 온도에 따라 변화하는 저항값을 갖는 전기 발열체 및 상기 전기 발열체에 의해 가열되는 기판;
    상기 전기 발열체에 전력을 공급하도록 되어 있는 전원;
    상기 전기 발열체에 흐르는 전류의 값을 측정함으로써 상기 전기 발열체의 온도를 제공하도록 되어 있는 측정부; 및
    상기 측정부에 의해 제공된 온도를 상기 기판의 실측온도와 관계없이 미리 결정된 기준 온도와 서로 비교한 결과를 기초로, 상기 전기 발열체에 흐르는 전류를 차단 또는 도통함으로써 상기 기판의 온도를 제어하는 제어부
    를 포함하는, 전열기.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서, 상기 기판의 비저항은 온도에 따라 달라지는, 전열기.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 비교한 결과를 기초로 상기 전기 발열체에 흐르는 전류를 도통시키거나 또는 차단하도록 되어 있는 스위치를 포함하는, 전열기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 스위치는 무접점 릴레이 방식인, 전열기.
  16. 온도에 따라 변화하는 저항값을 갖는 전기 발열체 및 상기 전기 발열체에 의해 가열되는 기판;
    상기 전기 발열체에 전력을 공급하도록 되어 있는 전원;
    상기 전기 발열체에 흐르는 전류의 값을 측정하고, 상기 측정된 전류의 값과 상기 전기 발열체의 양단에 인가된 전압을 기초로 상기 전기 발열체의 저항값을 측정하는 측정부; 및
    상기 측정부에 의해 측정된 저항값을 상기 기판의 실측온도와 관계없이 미리 결정된 기준 저항값과 비교한 결과를 기초로 상기 전기 발열체에 흐르는 전류의 크기를 제어하는 제어부
    를 포함하는, 전열기.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제어부는 상기 비교한 결과에 따라 상기 전기 발열체에 전류를 도통시키거나 또는 차단하도록 되어 있는, 전열기.
  18. 온도에 따라 변화하는 저항값을 갖는 전기 발열체 및 상기 전기 발열체에 의해 가열되는 기판 및 상기 전기 발열체에 전력을 공급하도록 되어 있는 전원을 포함하는 전열기에 사용되는 온도 제어 모듈로서,
    상기 전기 발열체에 흐르는 전류를 측정하고, 상기 측정된 전류에 대응하는 전압을 제공하는 측정부; 및
    상기 측정부에 의해 제공된 전압과 상기 기판의 실측온도와 관계없이 미리 결정된 기준 전압을 서로 비교한 결과를 기초로 상기 전류의 크기를 제어하는 제어부
    를 포함하는, 온도 제어 모듈.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제어부는 상기 비교한 결과에 따라 상기 전기 발열체에 전류를 도통시키거나 또는 차단하도록 되어 있는, 온도 제어 모듈.
  20. 온도에 따라 변화하는 저항값을 갖는 전기 발열체 및 상기 전기 발열체에 의해 가열되는 기판;
    상기 전기 발열체에 전력을 공급하도록 되어 있는 전원;
    상기 전기 발열체에 흐르는 전류를 측정하여, 상기 측정된 전류에 대응하는 전압을 제공하는 측정부; 및
    상기 측정부에 의해 제공된 전압과 상기 기판의 실측온도와 관계없이 미리 결정된 기준 전압을 서로 비교한 결과를 기초로 상기 전류의 크기를 제어하는 제어부
    를 포함하는, 면상 발열체.
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