WO2012144744A2 - 온도 자가조절형 발열체를 적용한 전기 온수기 및 그 제조방법 - Google Patents

온도 자가조절형 발열체를 적용한 전기 온수기 및 그 제조방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a water heater, in particular a precise temperature control is possible in a specific temperature range, and by applying a self-regulation (SR) heating element capable of self-control of power and temperature over time can maintain the temperature uniformly hot water tank It is possible to quickly heat the water inside and keep it at a high temperature, and since it maintains the minimum power supply after rising to a constant boiling point temperature, it is a temperature self-regulation type that can greatly reduce the power consumption.
  • the present invention relates to a water heater to which a heating element is applied and a method of manufacturing the same.
  • a water heater is a device that generates heat energy as an energy source and then uses hot water obtained by heating water using the generated heat energy.
  • the water heater uses oil, gas, or electricity as an energy source for heating water. Doing.
  • the advantages and disadvantages of the water heater according to these energy sources are that the oil-based water heater has a high maintenance cost and a lot of noise due to the recent surge in oil prices, and there is a problem of installing an oil tank separately. There is a problem that there is a big burden, and water heaters using gas are convenient because of the high gas supply rate for cooking in each home, but problems such as the possibility of gas leakage and explosion accident and clouding of indoor air due to gas combustion are pointed out. have.
  • the biggest problem is that the heating element used for heating in the conventional water heater is not easy to precise temperature control, and maintains the same power supply even after rising to a constant boiling point temperature is excessive energy loss.
  • the present invention has been proposed to solve the conventional problems as described above, and an object of the present invention is to enable accurate temperature control in a specific temperature range, and to allow self-control of power and temperature according to time. Regulation) Since the temperature can be maintained uniformly by applying a heating element, it is possible to quickly heat the water in the hot water tank and maintain the temperature at a high temperature. It is to provide an electric water heater with a temperature self-regulating heating element that can significantly reduce.
  • the hot water tank having a cold water inlet and hot water discharge port;
  • the water is heated by the electric power installed and installed in the hot water tank to heat water, and a paste mixed with an electric resistance material component, an insulation binder component, and a temperature control material component is cured to generate heat by being supplied with power.
  • the technical configuration is characterized by including a self-regulating heating element (SR) for performing a temperature self-regulation function to maintain a constant temperature in a predetermined region.
  • SR self-regulating heating element
  • the SR heating element is formed in the form of a plate, it may be characterized in that provided with a through hole to allow the flow of water in the middle.
  • the hot water tank may be provided with a water temperature sensor for measuring the temperature of the water.
  • the hot water tank may be characterized in that the water temperature sensor for measuring the water level of water is further installed.
  • the fixing means for fixing the upper and lower portions respectively in the hot water tank, the upper and lower ends of the SR heating element in a sliding manner may be further installed.
  • the SR heating element has a conduction path (conduction path) is formed on the surface, the power line of the controller is located in the conductive path may be characterized in that it generates heat by conducting power from the controller.
  • the electric resistance material component of the SR heating element may be 50 to 75% by weight
  • the insulating binder component is 5 to 16% by weight
  • the temperature control material component may be characterized in that 10 to 40% by weight.
  • the electric resistance material component of the SR heating element may be characterized in that the paste is formed in a powder mixture state containing nickel (Ni) and aluminum (Al).
  • the nickel may be 50 to 60% by weight of the electrical resistance material component
  • the aluminum may be characterized in that 40 to 50% by weight of the electrical resistance material component.
  • the electrical resistance material component of the SR heating element may be characterized in that it further comprises a corrective ingredient (corrective ingredients) at least one selected from the group of molybdenum (Mo), boron (B), silicon (Si).
  • a corrective ingredient at least one selected from the group of molybdenum (Mo), boron (B), silicon (Si).
  • the molybdenum may be 0.05 to 0.2 at% of the paste
  • the boron may be characterized in that 0.005 to 0.02 at% of the paste.
  • the dispersion (dispersion) value between the particles constituting the electrical resistance material component of the SR heating element is 0.1 to 10 ⁇ m
  • the temperature coefficient of resistance (TCR) of the SR heating element is a particle constituting the electrical resistance material component. It may be characterized by being controlled by the liver dispersion value.
  • the insulating binder component of the SR heating element may be made of any one selected from the group consisting of polyester (polyester), epoxy (epoxy) resin, epoxy-phenol lacquer (epoxy phenol laquer) composition.
  • the insulating binder component of the SR heating element is 10 to 16% by weight
  • the insulating binder component of the SR heating element may be characterized in that it further comprises a silicon (Si) powder of the nanostructure of the stabilizing additive.
  • the silicon may be characterized in that 0.3 to 0.7 at% of the paste.
  • the modulator component of the SR heating element may be characterized in that the paste is formed in a lead-free-glass powder mixture state.
  • the glass powder mixture may be characterized in that it comprises SiO2, BaO, B2O3, Al2O3.
  • the dispersion (dispersion) value of the particles constituting the modulator component of the SR heating element may be characterized in that 0.05 to 2 ⁇ m.
  • the modulator component of the SR heating element may further include a corrective ingredient in which one or more selected from the group ZnO, Al, TiO2, and Bi2O3BaTiO.
  • the discreteness between particles constituting the calibration component may be 0.05 to 0.4 ⁇ m.
  • the modulator component of the SR heating element is characterized in that it comprises a mixture of at least one selected from the group of niobium (Nb), antimony (Sb), yttrium (Y), lanthanum (La) as a donor (donor) can do.
  • the resistance value of the SR heating element is 0.05 to 1.0 ⁇ / ⁇ , characterized in that the resistance value of the SR heating element is changed by adjusting the weight ratio of the electrical resistance material component, the insulating binder component, the control material component constituting the SR heating element.
  • the resistance temperature coefficient of the SR heating element is 500 ⁇ 10 -6 to 50 ⁇ 10 -4 / °C, the SR heating element by adjusting the weight ratio of the electrical resistance material component, the insulating binder component, the control material component constituting the SR heating element.
  • the resistance temperature coefficient of may be characterized in that it is changed.
  • the manufacturing method of the electric water heater to which the temperature self-regulating heating element according to the present invention comprises the steps of preparing an SR heating element forming paste (paste) is mixed with the electrical resistance material component, the insulation binder component and the temperature control material component; Applying the SR heating element-forming paste to a surface of a heat resistant substrate at a predetermined thickness; Characterizing in the technical configuration comprising the step of curing the paste for forming the SR heating element.
  • the SR heating element paste may be applied to the heat resistant substrate by a screen print method.
  • the electrical resistance material component is added to the nickel, aluminum molybdenum (Mo), boron (B), silicon (Si), such as (corrective ingredients) by adding a planetary bowl mill (ball) for 4 to 12 hours without oxygen inflow It may be characterized in that the manufacturing in the closed space of the mill).
  • Electric water heater using the temperature self-regulating heating element according to the present invention it is possible to precise temperature control in a specific temperature range, by applying a self-regulation (SR) heating element capable of self-control of power and temperature over time to uniform temperature It maintains a minimum power supply after a rapid rise to a constant boiling point temperature, so that the water in the hot water tank can be heated quickly and power consumption can be greatly reduced.
  • SR self-regulation
  • the present invention is the manufacturing cost is reduced by the application of the SR heating element, the maintenance work is simple, there is no malfunction or failure does not occur, have a high reliability and durability, and can prevent the occurrence of fire.
  • the present invention is to change the resistance value and the resistance temperature coefficient of the SR heating element by adjusting the weight ratio of each component of the SR heating element is also an advantage that can be easily and easily manufactured SR heating element whose physical properties are adjusted in response to various temperature environment have.
  • the SR heating element is formed in the form of a plate, but since the flow of water is free through a plurality of through-holes formed in the middle, the heat transfer efficiency per unit time is high, and the hot water production capacity is excellent.
  • FIG. 1 is a front sectional view for explaining the configuration of the electric water heater according to the present invention.
  • FIG 2 is an operation control circuit diagram of the electric water heater according to the present invention.
  • Figure 3 is a front view for explaining the configuration of the SR heating element applied to the electric water heater according to the present invention.
  • Figure 4 is an enlarged cross-sectional view showing the structure of the SR heating element applied to the electric water heater according to the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing the temperature control performance according to the embodiment and the comparative example of the SR heating element applied to the electric water heater according to the present invention.
  • Figure 6 is a graph showing the power test results of the SR heating element applied to the electric water heater according to the present invention.
  • Figure 7 is a graph showing the impedance test results of the SR heating element applied to the electric water heater according to the present invention.
  • Figure 8 is a graph showing the results of the temperature change experiment of the SR heating element applied to the electric water heater according to the present invention.
  • the electric water heater according to the present invention has a configuration having an SR heating element which can greatly reduce the power consumption because it maintains a minimum power supply after rapidly rising to a high temperature and rising to a constant boiling point temperature.
  • FIG. 1 is a front sectional view for explaining the configuration of the electric water heater according to the present invention
  • Figure 2 is an operation control circuit diagram of the electric water heater according to the present invention
  • Figure 3 is a configuration of the SR heating element applied to the electric water heater according to the present invention. It is a front view for demonstrating.
  • the electric water heater 1 is provided with a hot water tank 2, the hot water tank 2 is connected to a water pipe or the like to introduce cold water into the hot water tank (2) (3) And a hot water outlet 5 introduced through the cold water inlet 3 and discharging the hot water 4 heated in the hot water tank 2 to a place where the hot water tank 2 is heated.
  • the cover 6 is attached so that water does not overflow to the outside.
  • the SR heating element 7 is formed in a plate shape, and has a through hole 7a allowing water flow in the middle thereof. Since the SR heating element 7 is in constant contact with water in the hot water tank 2, the surface of the SR heating element 7 is coated with an insulating waterproof layer.
  • an insulation waterproof layer it is preferable to use resin with large insulation and water resistance, for example, an epoxy, a Teflon resin, etc.
  • the SR heating element (7) is fixed in the hot water tank (2), the upper and lower ends of the rail-shaped fixing means (16) with sliding grooves are respectively supported by sliding.
  • the fixing means 16 is made of an insulating material and installed in the upper and lower portions of the hot water tank 2 in accordance with the number of the SR heating elements 7.
  • the motor pump 20 is installed to be connected to the cold water inlet 3 in the hot water tank (2).
  • the power supply controller 22 supplies electric power from the power supply source 13 to the motor pump 20.
  • the motor pump 20 is operated.
  • water cold water
  • the motor pump 20 is controlled to stop driving.
  • two water level detection sensors 21 may be used for adjusting the water level
  • the motor pump 20 may be driven only for a predetermined time using a timer.
  • a water temperature sensor 23 is installed to detect the water temperature in the hot water tank 2, and when the water temperature detected by the water temperature sensor 23 reaches the designed lower limit, the power supply controller 22 is connected to the SR heating element 7. Electricity is supplied from the power supply source 13 to generate heat, and the water in the hot water tank 2 is quickly heated by this heat.
  • the relay switch 24 drops to turn off the power supply.
  • the relay switch 24 may be a separate mechanism or may be provided inside the power supply controller 22.
  • AC power or solar electric power or battery power may be used as the power supply source 13.
  • the electric water heater according to the present invention may be used for hot water or for shower or heating. .
  • the SR heating element 7 is capable of precise temperature control in a specific temperature range, self-control of power and temperature over time, and after rising to a constant boiling point temperature. It maintains a minimum power supply and is configured to greatly reduce power consumption. Therefore, the water in the hot water tank 2 is rapidly heated to increase the temperature, but the power consumption can be minimized.
  • Figure 4 is a cross-sectional view showing an enlarged structure of the SR heating element applied to the electric water heater according to the present invention
  • Figure 5 is a graph showing the temperature control performance according to the embodiment and comparative example of the SR heating element applied to the electric water heater according to the present invention.
  • 6 is a graph showing a power test result of the SR heating element applied to the electric water heater according to the present invention
  • FIG. 7 is a graph showing an impedance test result of the SR heating element applied to the electric water heater according to the present invention
  • FIG. Is a graph showing the results of a temperature change experiment of the SR heating element applied to the electric water heater.
  • the SR heating element 7 is supplied with power from the power supply of the power supply controller 22 to generate heat.
  • Such SR heating element 7 is 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 ambient temperature environment. That is, the SR heating element 7 keeps the predetermined temperature of the region around the SR heating element 7 continuously at a set temperature, so that the predetermined region temperature around the SR heating element 7 is lower than a temperature value set due to external influences or the like.
  • the predetermined area temperature around the SR heating element 7 quickly reaches the set temperature.
  • the predetermined area temperature around the SR heating element 7 increases, the predetermined area around the SR heating element 7 is turned off. Allow the temperature to lower.
  • the heat generating state of the SR heating element 7 is adjusted according to the difference between the predetermined region temperature around the SR heating element 7 and the set temperature, and as the difference between the predetermined region temperature and the set temperature around the SR heating element 7 increases, the temperature is increased. It has the ability to generate heat and allow rapid temperature rise.
  • the self-regulation function of the SR heating element 7 has a predetermined thickness produced by curing a paste in which an electric resistance material component, an insulation binder component, and a temperature control material component are mixed. It is implemented by a film or a coating film.
  • the SR heating element 7 is formed in the form of a plate as mentioned above, and has a through hole 7a in the middle thereof to allow the flow of water. And it is stably supported by the fixing means 16 in the hot water tank (2).
  • a conduction path 72 is formed on the surface of the SR heating element 7, and the power line 71 of the power supply device of the controller 22 is located in the conduction path 72.
  • the SR heating element 7 receives power through the conductive path 72 to generate heat in the range of approximately 150 to 450 ° C.
  • the SR heating element 7 is made by curing a paste in which an electric resistance material component, an insulating binder component, and a control material component are mixed.
  • the SR heating element 7 may be formed by being applied to a heat resistant substrate by a screen print method.
  • the SR heating element 7 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.
  • the conductive path 72 is formed on the surface of the SR heating element 7 so that the power line 71 of the power supply device of the controller 22 is positioned in the conductive path 72 to conduct electricity to generate heat.
  • SR heating element 7 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 to realize 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 7 forms a paste in a powder mixture state in which the electrical resistance material component includes 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 7 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 7 is formed in the range of 0.1 to 10 ⁇ m, more preferably, the dispersion value between particles in the 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 7, and the resistance temperature coefficient of the SR heating element 7 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 7 is selected from a polyester, an epoxy resin, an 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 7 when manufacturing the SR heating element 7, and allows the resistance temperature coefficient of the SR heating element 7 which is set and implemented to be maintained for a long time.
  • the SR heating element (7) 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 7 forms a paste in the form of a lead-free-glass powder mixture.
  • the glass powder mixture is obtained from the group consisting of SiO2, BaO, B2O3, and Al2O3. It is preferred that it is at least one oxide selected.
  • the temperature control material component of the SR heating element 7 may be manufactured in a closed space of a planetary ball mill for 4-12 hours (preferably 6-10 hours) without oxygen inflow.
  • the temperature control material component of the SR heating element 7 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.
  • the temperature control material component of the SR heating element 7 may add a corrective ingredient including ZnO, Al, TiO2, Bi2O3BaTiO, etc., the discrete particles between the particles forming the correction component of such a temperature control material component (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 7 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 7 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 7 changes the resistance value of the SR heating element 7 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 7 according to the embodiment of the present invention 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 7 according to the embodiment of the present invention changes the resistance temperature coefficient of the SR heating element 7 by adjusting the weight ratio of the electrical resistance material component, the insulation binder component, the temperature control material component Let's go.
  • Figure 5 is a graph showing the temperature control performance according to Example 1 and Comparative Example 1, the line segment 1 shows a temperature increase curve according to Comparative Example 1, the line segment 2 of the SR heating element 7 according to the present invention As the temperature is increased, the SR heating element 7 (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 7 of the present invention can increase the resistance value with time to reduce the power consumption, and the power and temperature self-regulation with time due to the increase in the resistance value (material characteristics). You can see that this is possible.
  • the electric water heater of the present invention allows the SR heating element 7 to maintain a constant temperature while controlling the heat generation state in response to the surrounding temperature environment, the water in the hot water tank 2 is quickly heated to a temperature. It can increase the temperature and maintain the elevated temperature with low power consumption.

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Abstract

본 발명은 온도 자가조절형(SR: Self-Regulation) 발열체를 적용한 전기 온수기에 관한 것으로, 특정한 온도 영역에서 정확한 온도조절이 가능하고, 시간에 따른 전력 및 온도의 자기제어가 가능한 SR(Self-Regulation) 발열체를 적용하여 온도를 균일하게 유지할 수 있으므로 온수탱크 내의 물을 신속하게 가열하고 고온의 온도로 유지하는 것이 가능하며, 일정한 비등점 온도까지 상승한 이후에는 최소한의 전력 공급만으로도 물의 온도를 유지할 수 있기 때문에 전력소비량을 대폭 절감할 수 있ehfhr 냉수유입구와 온수배출구를 구비하는 온수탱크와, 온수탱크 내에 내장되도록 설치되고 공급되는 전력에 의해 발열되어 물을 가열하되, 전기저항물질 성분과 절연바인더 성분 및 온도조절물질 성분이 혼합된 페이스트(paste)가 경화되어 이루어져 전원을 공급받아 발열하고, 온도 자가조절 기능을 수행하여 정해진 영역의 온도가 일정하게 유지되도록 하는 SR 발열체(self regulation heating element)를 포함하여 구성된다.

Description

온도 자가조절형 발열체를 적용한 전기 온수기 및 그 제조방법
본 발명은 온수기에 관한 것으로, 특히 특정한 온도 영역에서 정확한 온도조절이 가능하고, 시간에 따른 전력 및 온도의 자기제어가 가능한 SR(Self-Regulation) 발열체를 적용하여 온도를 균일하게 유지할 수 있으므로 온수탱크 내의 물을 신속하게 가열하고 고온의 온도로 유지하는 것이 가능하며, 일정한 비등점 온도까지 상승한 이후에는 최소한의 전력 공급을 유지하기 때문에 전력소비량을 대폭 절감할 수 있는 온도 자가조절형(SR: Self-Regulation) 발열체를 적용한 온수기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 온수기는 에너지원으로 열에너지를 발생시킨 다음, 발생한 열에너지를 사용하여 물을 가열함으로써 얻게 되는 온수를 사용하게 되는 장치로서, 이러한 온수기는 용수를 가열시키는 에너지원으로서 기름이나 가스 또는 전기를 사용하고 있다.
이들 에너지원에 따른 온수기의 장단점으로는 기름을 사용하는 온수기의 경우 최근 기름값의 급등으로 유지비가 많이 들고 소음이 많으며, 별도로 기름탱크를 설치해야 하는 문제가 있고, 또 가격이 비싸 초기 설치 비용에 대한 부담이 크다는 문제가 있으며, 가스를 사용하는 온수기는 이미 각 가정에 취사용의 가스 보급률이 높아 편리성이 있으나, 가스 누설 및 폭발 사고의 가능성 및 가스 연소에 따른 실내 공기 혼탁 등의 문제점이 지적되고 있다.
한편, 전기 온수기의 경우 소음이 없고 안전성도 우수하나 용수를 가열하기 위한 발열체를 온수 탱크 내에 설치하여야 하는데, 종래의 단순 코일식의 경우 물과의 접촉 면적을 크게 하기 어렵고, 파이프나 판재에 박판의 발열재를 도포한 발열체의 경우 발열체 간의 물이 흐름이 차단되며 강체의 특정상 장치 크기에 맞추어 발열량 조절을 위한 발열체의 변경 작업이 어렵다는 문제가 있었다.
가장 큰 문제점은, 종래의 온수기에서 가열을 위해 사용되던 발열체의 경우 정확한 온도조절이 용이하지 않고, 일정한 비등점 온도까지 상승한 이후에도 지속적으로 동일한 전력공급을 유지하고 있어서 에너지 손실이 과다하다는 점이었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 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 있으므로 온수탱크 내의 물을 신속하게 가열하고 고온의 온도로 유지하는 것이 가능하며, 일정한 비등점 온도까지 상승한 이후에는 최소한의 전력 공급을 유지하기 때문에 전력소비량을 대폭 절감할 수 있는 온도 자가조절형 발열체를 적용한 전기 온수기를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 전기 온수기는, 냉수유입구와 온수배출구를 구비하는 온수탱크와; 상기 온수탱크 내에 내장되도록 설치되고 공급되는 전력에 의해 발열되어 물을 가열하되, 전기저항물질 성분과 절연바인더 성분 및 온도조절물질 성분이 혼합된 페이스트(paste)가 경화되어 이루어져 전원을 공급받아 발열하고, 온도 자가조절 기능을 수행하여 정해진 영역의 온도가 일정하게 유지되도록 하는 SR 발열체(self regulation heating element)를 포함하여 구성되는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, 상기 SR 발열체는 판형의 형태로 형성되되, 중간 중간에 물의 흐름을 허용하는 통공을 구비한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 온수탱크 내에는 물의 온도를 측정하는 수온센서가 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 온수탱크 내에는 물의 수위를 측정하는 수온감지센서가 더 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 온수탱크 내의 상부와 하부에 각각 고정되고, 상기 SR 발열체의 상단과 하단을 슬라이딩 방식으로 끼워 지지하는 고정수단이 더 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 SR 발열체는 표면에 전도로(conduction path)가 형성되며, 상기 전도로에는 제어기의 전원선이 위치되어 제어기로부터 전원을 전도받아 발열하게 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 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 할 수 있다.
또한, 상기 SR 발열체의 전기저항물질 성분은 니켈(Ni)과 알루미늄(Al)을 포함하는 분말 혼합물 상태로 상기 페이스트를 이루게 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 니켈은 상기 전기저항물질 성분의 50 내지 60 중량%이고, 상기 알루미늄은 상기 전기저항물질 성분의 40 내지 50 중량%인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 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 할 수 있다.
또한, 상기 몰리브덴은 상기 페이스트의 0.05 내지 0.2at%이고, 상기 보론은 상기 페이스트의 0.005 내지 0.02at%인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 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 할 수 있다.
또한, 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 할 수 있다.
또한, 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 할 수 있다.
또한, 상기 규소는 상기 페이스트의 0.3 내지 0.7at%인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 SR 발열체의 조절물질 성분은 납성분이 없는 유리(lead-free-glass) 분말 혼합물 상태로 상기 페이스트를 이루게 되는 것을 특징으로 할 수 있
다.
또한, 상기 유리 분말 혼합물은 SiO₂, BaO, B₂O₃, Al₂O₃을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 SR 발열체의 조절물질 성분을 이루는 입자 간 분산(dispersion)값은 0.05 내지 2㎛인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 SR 발열체의 조절물질 성분은 ZnO, Al, TiO₂, Bi₂O₃BaTiO 군 중에서 하나 이상이 선택되는 교정 성분(corrective ingredients)을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 교정 성분을 이루는 입자 간 이산(discretisation)은 0.05 내지 0.4㎛인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 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 할 수 있다.
또한, 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 할 수 있다.
또한, 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 할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 온도 자가조절형 발열체를 적용한 전기 온수기의 제조방법은, 전기저항물질 성분과 절연바인더 성분 및 온도조절물질 성분이 혼합된 SR 발열체 형성용 페이스트(paste)를 준비하는 단계와; 내열성 기판의 표면에 상기 SR 발열체 형성용 페이스트를 일정 두께로 도포하는 단계와; 상기 SR 발열체 형성용 페이스트를 경화시키는 단계를 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, 상기 SR 발열체 페이스트는 스크린 프린트(screen print) 방식으로 내열성 기판에 도포되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 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 할 수 있다.
본 발명에 의한 온도 자가조절형 발열체를 적용한 전기 온수기는, 특정한 온도 영역에서 정확한 온도조절이 가능하고, 시간에 따른 전력 및 온도의 자기제어가 가능한 SR(Self-Regulation) 발열체를 적용하여 온도를 균일하게 유지할 수 있으며 일정한 비등점 온도까지 급격하게 상승한 이후에는 최소한의 전력 공급을 유지하기 때문에 온수탱크 내의 물을 신속하게 가열할 수 있는 것은 물론 전력소비량을 대폭 절감할 수 있다.
또한, 본 발명은 SR 발열체의 적용으로 제조비용이 절감되고, 유지보수작업이 간편하며, 오동작이나 고장이 발생되지 않아 높은 신뢰성과 내구성을 가지게 되며, 화재의 발생을 방지될 수 있다.
또한, 본 발명은 SR 발열체의 페이스트 각 성분의 중량비 조절에 의해 SR 발열체의 저항값과 저항온도계수가 변경되도록 함으로써 다양한 온도환경에 대응하여 물성이 조정된 SR 발열체를 간편하고 용이하게 제조할 수 있는 이점도 있다.
또한, 본 발명은 SR 발열체가 판형의 형태로 형성되었지만 중간 중간에 형성된 다수의 통공을 통해 물의 유동이 자유롭기 때문에 단위 시간당의 열전달 효율이 높아 온수 생산 능력이 뛰어나다.
도 1은 본 발명에 의한 전기 온수기의 구성을 설명하기 위한 정단면도.
도 2는 본 발명에 의한 전기 온수기의 작동 제어 회로도.
도 3은 본 발명에 의한 전기 온수기에 적용된 SR 발열체의 구성을 설명하기 위한 정면도.
도 4는 본 발명에 의한 전기 온수기에 적용된 SR 발열체의 구조를 확대하여 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 전기 온수기에 적용된 SR 발열체의 실시예와 비교예에 따른 온도 조절 성능을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 의한 전기 온수기에 적용된 SR 발열체의 전력실험 결과를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명에 의한 전기 온수기에 적용된 SR 발열체의 임피던스 실험 결과를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명에 의한 전기 온수기에 적용된 SR 발열체의 온도변화 실험 결과를 나타낸 그래프.
이하, 상기와 같은 본 발명의 기술적 사상에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 전기 온수기는 신속하게 고온의 온도로 상승하고 일정한 비등점 온도까지 상승한 이후에는 최소한의 전력 공급을 유지하기 때문에 전력소비량을 대폭 절감할 수 있는 SR 발열체를 구비한 구성을 갖는다.
도 1은 본 발명에 의한 전기 온수기의 구성을 설명하기 위한 정단면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 전기 온수기의 작동 제어 회로도이며, 도 3은 본 발명에 의한 전기 온수기에 적용된 SR 발열체의 구성을 설명하기 위한 정면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 전기 온수기(1)는 온수탱크(2)를 구비하며, 그 온수탱크(2)는 수도관 등에 접속되어 온수탱크(2)내로 냉수를 도입하게 되는 냉수유입구(3)와 그리고 상기 냉수유입구(3)를 통해 도입되어 온수탱크(2) 내에서 가열된 온수(4)를 사용처로 배출하는 온수배출구(5)를 구비하고 있으며, 상기한 온수탱크(2)는 뜨거운 물이 외부로 넘쳐 흐르지 않도록 덮개(6)가 장착되어 있다.
상기 온수탱크(2) 내에는 SR 발열체(7)가 판형의 형성되되, 그 중간 중간에 물의 흐름을 허용하는 통공(7a)을 구비한 형태로 구성된다. 상기 SR 발열체(7)는 온수탱크(2) 내에서 물과 상시 접하기 때문에 그 표면에 절연 방수층을 코팅 처리해준다. 절연 방수층으로는 절연성과 방수성이 큰 수지, 예를 들면 에폭시나 테프론 수지 등을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 SR 발열체(7)는 온수탱크(2) 내에 고정되는데, 슬라이딩 홈을 구비한 레일 형태의 고정수단(16)에 의해 상단과 하단이 각각 슬라이딩 방식으로 끼워져 지지된다. 상기 고정수단(16)은 절연재로 제작되고 상기 SR 발열체(7)의 개수에 맞춰서 상기 온수탱크(2) 내의 상부와 하부에 각각 설치된다.
한편, 모터펌프(20)가 상기 온수탱크(2) 내에서 냉수유입구(3)에 접속되도록 설치된다. 이같은 구성에 의하면 상기 온수탱크(2) 내의 수위감지센서(21)가 일정 수위 이하로 내려가는 것을 감지하여 신호를 출력하면 전원공급 제어기(22)가 모터펌프(20)에 전원 공급원(13)으로부터 전기를 공급하여 모터펌프(20)가 작동된다. 이로써 상수원으로부터 물(냉수)이 수도관에 접속된 냉수유입구(3)를 통해 온수탱크(2)내로 도입되며, 일정 수위에 도달하면 모터펌프(20)의 구동을 중지시키도록 제어하게 된다. 수위 조절을 위해 상하 2개의 수위 감지센서(21)를 사용할 수 있으나, 타이머를 사용하여 모터펌프(20)를 일정 시간 동안만 구동시키는 것도 가능하다.
또한 상기 온수탱크(2) 내의 수온을 감지하기 위하여 수온센서(23)가 설치되며, 수온센서(23)에 감지된 수온이 설계된 하한치에 도달하면 전원공급 제어기(22)는 SR 발열체(7)에 전원 공급원(13)으로부터 전기를 공급하여 발열시키게 되며, 이 발열에 의해 온수탱크(2)내의 물은 신속하게 가열된다.
이와 같이 하여 설계된 상한치, 예를 들어 그 상한치가 95℃ 또는 100℃라면 그 온도에 도달한 것으로 수온센서(23)에서 신호가 출력이 되면, 릴레이 스위치(24)가 떨어져 전원을 오프시킨다. 여기서, 상기 릴레이 스위치(24)는 별도의 기구일 수도 있고, 아니면 전원공급 제어기(22)의 내부에 구비될 수도 있다.
상기한 전원 공급원(13)으로는 교류 전원이나 태양열에 의한 전기를 사용하거나 또는 배터리 전원을 이용할 수 있으며, 온수를 사용하는 것이나 샤워용이나 난방용 어느 것에나 본 발명에 의한 전기 온수기의 사용이 가능하다.
계속해서, 상기 SR 발열체(7)의 구성에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다. 상기 SR 발열체(7)는 전기 온수기에 구비되던 전통적인 히터 혹은 발열체와는 달리 특정한 온도 영역에서 정확한 온도조절이 가능하고, 시간에 따른 전력 및 온도의 자기제어가 가능하며, 일정한 비등점 온도까지 상승한 이후에는 최소한의 전력 공급을 유지하기 때문에 전력소비량을 대폭 절감할 수 있도록 구성된다. 따라서 온수탱크(2) 내의 물을 신속하게 가열하여 온도를 상승시키지만 전력소모는 극소화시킬 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 의한 전기 온수기에 적용된 SR 발열체의 구조를 확대하여 나타낸 단면도이고, 도 5는 본 발명에 의한 전기 온수기에 적용된 SR 발열체의 실시예와 비교예에 따른 온도 조절 성능을 나타낸 그래프이며, 도 6은 본 발명에 의한 전기 온수기에 적용된 SR 발열체의 전력실험 결과를 나타낸 그래프이며, 도 7은 본 발명에 의한 전기 온수기에 적용된 SR 발열체의 임피던스 실험 결과를 나타낸 그래프이며, 도 8은 본 발명에 의한 전기 온수기에 적용된 SR 발열체의 온도변화 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 SR 발열체(7)는 전원공급 제어기(22)의 전원장치로부터 전원을 공급받아 발열하게 된다. 이와 같은 SR 발열체(7)는 온도 자가조절 기능을 수행하게 되는 것으로, 주위의 온도환경에 대응하여 발열 상태를 조절하면서 온도가 설정온도 범위로 일정하게 유지되도록 한다. 즉, SR 발열체(7)는 SR 발열체(7) 주위의 정해진 영역 온도가 설정된 온도를 지속적으로 유지하도록 하는데, SR 발열체(7) 주위의 정해진 영역 온도가 외부의 영향 등으로 설정된 온도값보다 낮아지게 되면 고온으로 발열하여 SR 발열체(7) 주위의 정해진 영역 온도가 설정된 온도로 신속하게 도달하도록 하고, SR 발열체(7) 주위의 정해진 영역 온도가 높아지면 오프 동작하면서 SR 발열체(7) 주위의 정해진 영역 온도가 낮추어지도록 한다. 또한, SR 발열체(7)는 SR 발열체(7) 주위의 정해진 영역 온도와 설정된 온도 간의 차이에 따라 발열상태가 조절되는데, SR 발열체(7) 주위의 정해진 영역 온도와 설정된 온도 간 차이가 클수록 고온으로 발열하여 신속한 온도 상승이 도모되도록 하는 성능을 가지고 있다.
이와 같은 SR 발열체(7)의 자가온도조절(Temperature Self-regulation) 기능은 전술된 것처럼 전기저항물질 성분과 절연바인더 성분 및 온도조절물질 성분이 혼합된 페이스트(paste)를 경화시켜 제작한 일정 두께의 필름 또는 코팅막에 의해 구현된다. 상기 SR 발열체(7)는 앞서 언급된 것처럼 판형의 형태로 형성되며 그 중간 중간에 물의 흐름을 허용하는 통공(7a)을 구비한다. 그리고 상기 온수탱크(2) 내에서 고정수단(16)에 의해 안정적으로 지지된다.
도 4를 참조하면, 상기 SR 발열체(7)의 표면에는 전도로(conduction path)(72)가 형성되며, 상기 제어기(22)의 전원장치의 전원선(71)이 전도로(72)에 위치되어, SR 발열체(7)가 전도로(72)를 통해 전원을 전도받아 대략 150~450℃의 범위로 발열하게 된다.
전술한 것과 같이, 상기 SR 발열체(7)는 전기저항물질 성분과 절연바인더 성분 및 조절물질 성분이 혼합된 페이스트(paste)가 경화되어 이루어지게 된다. 이와 같은 SR 발열체(7)는 스크린 프린트(screen print) 방식으로 내열성 기판에 도포되어 형성될 수 있다. 여기서, 상기 SR 발열체(7)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(7)의 표면에 전도로(72)를 형성하여 제어기(22)의 전원장치의 전원선(71)이 전도로(72)에 위치되면서 전원을 전도받아 발열하게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 SR 발열체(7)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 미흡하기에 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(7)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(7)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(7)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(7)의 저항온도계수(TCR:temperature coefficient of resistance)와 연동되는 것으로, SR 발열체(7)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(7)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(7) 제조시 SR 발열체(7)의 구조 형성 시간을 단축시키며, 설정되어 구현된 SR 발열체(7)의 저항온도계수가 장기간 유지될 수 있도록 한다.
또한, 상기 SR 발열체(7)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(7)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(7)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(7)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(7)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(7)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(7)는 0.05 내지 1.9 Ω/□(바람직하게는 0.09 내지 0.9 Ω/□)의 저항값을 가지는데, 본 발명의 실시예에 따른 SR 발열체(7)는 전기저항물질 성분, 절연바인더 성분, 온도조절물질 성분의 중량비 조절에 의해 SR 발열체(7)의 저항값을 변경시키게 된다.
또한, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 SR 발열체(7)는 500 내지 50×10-4/℃(바람직하게는 560×10-6 ~ 40×10-4/℃)의 저항온도계수(TCR)를 가지는데, 본 발명의 실시예에 따른 SR 발열체(7)는 전기저항물질 성분, 절연바인더 성분, 온도조절물질 성분의 중량비 조절에 의해 SR 발열체(7)의 저항온도계수를 변경시키게 된다.
상기와 같은 성분들로 이루어진 SR 발열체(7)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(7)(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 발열체를 제조한 다음, 상기 실시예 1 및 비교예 1에 대하여 전력실험, 임피던스, 온도제어 실험을 실시하였고, 그 결과를 도 6 내지 9에 도시하였다.
먼저, 도 5는 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(7)의 온도 증가를 나타낸 것으로, 본 발명의 SR 발열체(7)(실시예 1)는 온도가 일정값 이상이 되면 저항값이 급격히 증가하는 것을 볼 수 있다.
또한, 도 6 내지 도 8에 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(7)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 전기 온수기는 SR 발열체(7)가 주위의 온도환경에 대응하여 발열 상태를 조절하면서 온도가 일정하게 유지되도록 하므로, 온수탱크(2) 내의 물을 신속하게 가열하여 온도를 상승시킬 수 있고 적은 전력소모만으로도 상승된 온도를 지속적으로 유지할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나. 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

Claims (26)

  1. 냉수유입구와 온수배출구를 구비하는 온수탱크와;
    상기 온수탱크 내에 내장되도록 설치되고 공급되는 전력에 의해 발열되어 물을 가열하되, 전기저항물질 성분과 절연바인더 성분 및 온도조절물질 성분이 혼합된 페이스트(paste)가 경화되어 이루어져 전원을 공급받아 발열하고, 온도 자가조절 기능을 수행하여 정해진 영역의 온도가 일정하게 유지되도록 하는 SR 발열체(self regulation heating element)를 포함하여 구성되는 온도 자가조절형 발열체를 적용한 전기 온수기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 SR 발열체는 판형의 형태로 형성되되, 중간 중간에 물의 흐름을 허용하는 통공을 구비한 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 발열체를 적용한 전기 온수기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 온수탱크 내에는 물의 온도를 측정하는 수온센서가 구비되는 것을 특징으로 하는 전기 온수기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 온수탱크 내에는 물의 수위를 측정하는 수온감지센서가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 발열체를 적용한 전기 온수기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 온수탱크 내의 상부와 하부에 각각 고정되고, 상기 SR 발열체의 상단과 하단을 슬라이딩 방식으로 끼워 지지하는 고정수단이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 발열체를 적용한 전기 온수기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 SR 발열체는 표면에 전도로(conduction path)가 형성되며, 상기 전도로에는 제어기의 전원선이 위치되어 제어기로부터 전원을 전도받아 발열하게 되는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 발열체를 적용한 전기 온수기.
  7. 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 발열체를 적용한 전기 온수기.
  8. 제1항 내지 제7항 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 발열체를 적용한 전기 온수기.
  9. 제8항에 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 발열체를 적용한 전기 온수기.
  10. 제8항에 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 발열체를 적용한 전기 온수기.
  11. 제10항에 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 발열체를 적용한 전기 온수기.
  12. 제1항 내지 제7항 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 발열체를 적용한 전기 온수기.
  13. 제1항 내지 제7항 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 발열체를 적용한 전기 온수기.
  14. 제1항 내지 제7항 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 발열체를 적용한 전기 온수기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 규소는 상기 페이스트의 0.3 내지 0.7at%인 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 발열체를 적용한 전기 온수기.
  16. 제1항 내지 제7항 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 발열체를 적용한 전기 온수기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 유리 분말 혼합물은 SiO₂, BaO, B₂O₃, Al₂O₃을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 발열체를 적용한 전기 온수기.
  18. 제1항 내지 제7항 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 발열체를 적용한 전기 온수기.
  19. 제1항 내지 제7항 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 발열체를 적용한 전기 온수기.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 교정 성분을 이루는 입자 간 이산(discretisation)은 0.05 내지 0.4㎛인 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 발열체를 적용한 전기 온수기.
  21. 제1항 내지 제7항 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 발열체를 적용한 전기 온수기.
  22. 제1항 내지 제7항 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 발열체를 적용한 전기 온수기.
  23. 제1항 내지 제7항 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 발열체를 적용한 전기 온수기.
  24. 전기저항물질 성분과 절연바인더 성분 및 온도조절물질 성분이 혼합된 SR 발열체 형성용 페이스트(paste)를 준비하는 단계와;
    내열성 기판의 표면에 상기 SR 발열체 형성용 페이스트를 일정 두께로 도포하는 단계와;
    상기 SR 발열체 형성용 페이스트를 경화시키는 단계를 포함하는 온도 자가조절형 발열체를 적용한 전기 온수기의 제조방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 SR 발열체 페이스트는 스크린 프린트(screen print) 방식으로 내열성 기판에 도포되는 것을 특징으로 하는 온도 자가조절형 발열체를 적용한 전기 온수기의 제조방법.
  26. 제24항에 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 발열체를 적용한 전기 온수기의 제조방법.
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