KR20060012013A - 가전제품용 액체 가열장치 및 이러한 장치가 장착된가전제품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가전제품용 액체 가열장치에 관한 것으로, 액체 저장구에 연결되는 본체(1)를 포함하고, 상기 본체(1)는 액체 순환 공간을 한정하기 위해 본체(1)의 일면을 덮는 보충요소(3)에 결합되는 가전제품용 액체 가열장치에 있어서, 상기 본체는 알루미늄보다 낮은 열 관성을 나타내고, 상기 보충요소(3)는 본체(1)와 마주하는 면의 반대편 면에 스크린 인쇄된 가열 저항(2)을 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

가전제품용 액체 가열장치 및 이러한 장치가 장착된 가전제품{DEVICE FOR HEATING A LIQUID FOR A DOMESTIC APPLIANCE, DOMESTIC APPLIANCE FITTED WITH SAID DEVICE}

본 발명은 가전제품 분야에 관한 것으로, 특히 증기 변환 온도 이하의 온도로 액체, 특히 물을 가열할 필요가 있는 가정용 기기에 관한 것이다. 이러한 가전제품으로서는 전기 커피메이커, 에스프레소 커피기계, 온음료 자판기 등 60℃ 내지 90℃의 물을 급속하게 제공할 필요가 있는 기기를 들 수 있을 것이다.

본 발명은 특히 기존의 장치들보다 훨씬 더 낮은 온도에서도 액체를 가열시킬 수 있는 액체 가열장치의 구조에 관한 것이다.

지속적인 더운 물 공급을 요구하는 기기들은 일반적으로 일정량의 열에너지를 가열 몸체(heating body)에 전달할 수 있도록 하기 위해 가열 몸체에 연결된 저항을 갖추고 있는 가열장치를 포함한다. 가열 몸체는 물 순환로를 포함하며, 따라서 물은 가열 몸체를 통과하여 저항에 의해 제공되는 에너지의 일부분을 받아들이게 된다. 물 순환로 배치 및 가열 몸체 내부에의 저항 배치와 관련된 다양한 형태 들이 이미 제안되었다. 대다수의 경우 저항은 금속, 특히 알루미늄으로 형성되는 가열 몸체의 내부에 놓인다.

모든 유형의 전기적 위험을 예방하기 위하여, 저항은 일반적으로 절연된 후 가열 몸체의 접지 내에 파뭍이거나 용접되거나 또는 삽입된다.

물 순환로는 다양한 방법으로 형성될 수 있으며, 특히 가열 몸체 내에서 예를 들어 오버 몰딩을 통해 통합되는 튜브를 통해 형성될 수 있다.

대다수의 기존 시스템들은 많은 단점을 내포하고 있다. 특히 저항이 가열 몸체 내에 파뭍힌 채 절연되어야 한다는 사실로 인해 강한 열 관성(thermal inertia)을 가진다는 단점을 들 수 있다. 가열 몸체가 액체를 가열하기 전에 가열을 위한 적정 온도에 도달하기 위해서는 필수적으로 선가열 단계가 오랫동안 지속되어야 한다는 점 또한 하나의 단점으로 들 수 있다.

달리 말하면, 기존의 시스템을 이용하는 경우 작동 사이클의 초기 단계에서부터 실질적으로 더운 물을 얻는다는 것이 불가능하다.

위에서 언급된 열 관성 때문에, 사용하지 않는 동안에도 가열 몸체가 지속적으로 일정 온도를 유지하기 위해서는 자동온도조절기를 통해 저항에 주기적으로 전류 공급을 해 줄 필요가 있다. 이는 새로운 사용 단계에 들어가자마자 충분히 데워진 물을 공급해 줄 수 있도록 하기 위해서이다.

상기 단점들은 EP 0 345 528에 기술된 장치, 즉 절연된 저항이 파묻혀 있는 기본 가열 몸체를 포함하는 장치에서 드러난다. 이러한 가열 몸체는 액체 순환 공간을 한정하기 위해 뚜껑을 형성하는 보충요소에 연결되어 있다. 중앙 몸체는 평평 하거나 또는 원통형일 수 있다. 이런 방식은 상기된 단점들과 더불어 가열 저항이 가열 몸체를 형성하는 물질의 내부에 파묻히기 때문에 강한 열 관성을 나타내게 된다.

물의 가열을 요구하는 가전제품 분야에 있어서, WO 99/59453에 기술되어 있는 것 등의 보일러 또한 이미 알려져 있다. 이런 유형의 보일러는 일정 용적을 갖춘 원통형 챔버를 포함하며, 챔버의 벽은 하부로 놓인 저항을 포함한다. 이와 같이 챔버 벽 상에 스크린 인쇄된 저항이 챔버 내에 채워진 액체의 가열을 야기한다. 이러한 유형의 대용량 보일러는 선가열 시간을 절대 생략할 수 없으며, 그 결과 보일러를 작동시키자마자 충분한 온도의 더운 물을 획득할 수가 없다. 또한, 열에너지를 오랫동안 주기적으로 지원해 줌으로써 미리 한정된 제한온도를 유지하기 위해서는 온도조절장치가 제공되어야 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 문제점은 가열 장치의 작동시점부터 물 또는 더 일반적으로는 액체가 충분한 온도에 이르기까지 가열에 필요한 시간을 줄이는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 한 가지 문제점은 가열 장치를 사용하지 않는 동안 발생하는 에너지 소모를 가능한 한 제한하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 한 가지 문제점은 적정 온도의 액체를 획득하기 위해 요구되는 열에너지의 지원을 최소한도로 한정하는 것이다.

그러나, 가열 장치의 구조는 단순하여야 하며, 그 제조 비용이 적정하여야 할 것이다.

본 발명은 가전제품용 액체 가열장치에 관한 것이다. 기존에 알려진 대로, 이 장치는 액체 저장구에 연결되는 본체를 포함하고, 상기 본체는 액체 순환 공간을 형성하도록 본체의 일면을 덮는 보충요소에 결합된다.

본 발명에 따르면, 상기 본체는 알루미늄보다 낮은 열 관성을 나타내고, 상기 보충요소는 본체와 마주하는 면의 반대편 면에 스크린 인쇄된 가열 저항을 가진다.

열 관성(Ith)이란 열을 다소간 축적하는 몸체의 수용력을 일컫는 말로서, 그 특정 열 수용값(cp)과 단위 질량 밀도값(ρ)을 곱한 값으로 표현될 수 있다.

Ith = ρ x cp

이 점에 있어서, 일반적으로 금속성 몸체는 높은 열 관성을 가진다는 것을 알고 있으며, 이는 금속성 몸체가 높은 단위 질량 밀도를 가지고 있다는 점에서 기인하는 바이다. 달리 말하면, 본 발명에 따른 본체는 가열 단계에서 순환하는 액체보다 훨씬 적은 칼로리를 취하기 때문에 일종의 "단열재"라는 것이다.

상기 본체는 플라스틱으로 형성되는 것이 좋다.

보충요소는 높은 횡단 열전도계수를 가지며, 예컨대 40 이상의 값을 나타낸다. 횡단 열전도 계수(Cth)란 가열 보충요소 물질의 열 전도계수값(λ)을 밀리미터로 표시되는 보충요소의 두께값(e)으로 나눈 값으로 표현된다.

Cth = λ / e

달리 말하면, 보충요소는 전도를 통해 아주 빨리 가열 저항의 열에너지를 액체에 전달한다. 이때 그 두께는 높은 전도성 계수를 가진 알루미늄 등의 물질의 경우 3mm로 줄어들며, 작은 전도성 계수를 가진 스테인레스 스틸 등의 물질의 경우 밀리리터 단위로 아주 많이 줄어든다.

부수적으로, 가열 저항은 스크린 인쇄된 유형이며 높은 횡단 열전도계수를 가진다는 점은 가열 보충요소가 에너지 소모를 감소시키면서 낮은 열 관성을 가지도록 해준다. 스크린 인쇄된 이러한 유형의 가열 요소를 통해 액체에 맞닿아 있는 넓은 표면상에서 균일한 가열을 실행할 수 있다. 따라서 일반적인 열전도계수가 증대되는 것이다.

달리 말하면, 가열 장치는 급속 가열 요소로 덮여 단열 특성을 가진 본체를 포함하고 있다. 상기 가열 요소는 본체와의 사이 공간 내에서 순환하는 액체에 열에너지를 전달한다. 보충요소의 전도에 의해 열전달 계수가 높아지기 때문에, 스크린 인쇄된 저항에 의해 분산된 에너지는 가열 보충요소 내에 축적되기보다는 순환하는 액체로 전달된다. 마찬가지로, 가열 본체는 낮은 열 관성을 나타내며, 그 결과 본체는 가열 요소로부터 파생되는 적은 양의 에너지를 축적하게 된다.

따라서, 액체는 아주 급속하게 그리고 거의 완전한 방법으로 스크린 인쇄된 저항에서 파생되는 열에너지를 받아들이게 된다. 마찬가지로, 본체는 액체 가열 현상에 거의 참여하지 않으며, 그 결과 장치가 작동하지 않을 때 본체가 충분한 온도에 머무를 수 있게 하기 위해 특별히 에너지를 공급할 필요가 없다.

달리 말하면, 가열 단계 외의 가열 장치의 에너지 소비는 제로이다. 필연적으로, 장치의 사용 초기에 장시간의 선가열 단계를 실행할 필요가 거의 없다. 왜냐하면 가열 몸체가 사용 온도에 도달하기 위해 상당한 양의 에너지를 받아들일 필요가 없기 때문이다.

사실상, 본 발명의 원칙이 다양한 형상을 가진 가열 장치에 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 나타나는 것처럼, 중앙 몸체는 원통형일 수 있으며, 그 외부면에 슬리브를 형성하는 가열 보충요소를 수용할 수 있다.

다른 실시예에서, 중앙 몸체는 평평한 형태일 수 있으며, 마찬가지로 평평한 형태의 가열 요소를 수용할 수 있다.

장치의 효율성을 증대시키기 위하여, 본체에는 보충요소와 함께 액체의 순환 통로를 형성하는 홈이 제공될 수 있다. 이에 의하여, 가열 장치 내에서 액체가 통과하는 길을 증가시킬 수 있으며, 따라서 열에너지 수용 능력을 증대시킬 수 있다.

동일한 목표 하에서, 스크린 인쇄된 저항은 액체 순환 통로 바로 위에 놓여질 수 있다.

사실상, 장치가 일반적인 원통형으로 된 경우 상기 홈은 나선형(helical)을 취할 수 있는 반면, 가열 중앙 몸체가 평평한 형태로 된 경우에는 홈이 나사선형(spiral)을 취할 수 있다.

동일한 목표하에서, 가열 본체는 질량을 더 제한하기 위하여, 즉 열 관성을 더욱 제한하기 위해 중공형태(hollow)를 취할 수 있다.

보충요소에는 온도 센서가 설치되는 것이 좋으며, 가열 장치는 보충요소의 온도를 70℃ 내지 90℃로 조절할 수 있는 전기 및/또는 전자 회로를 포함하는 것이 바람직하다.

보충요소가 높은 횡단 전도성을 보유하고 본체 및 보충요소가 낮은 열 관성을 나타낸다는 특징으로 인하여, 전기 및/또는 전자식 제어가 거의 항구적으로 동적으로 진행되며, 또한 에너지 소비를 최소화하면서 액체를 일정 온도에 맞추어 유출할 수 있다.

이하, 본 발명의 실행 방법 및 장점들은 첨부된 도면들을 참조한 실시예를 x통하여 더 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 가열 장치의 조립 전의 분리 사시도,

도 2는 도 1에 도시된 가열 장치의 조립 상태를 도시한 종 단면도이다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예를 도시한 것으로, 가열 장치가 원통형이다.

본 실시예에서, 상기 장치(10)는 중앙 본체(1)를 포함하고, 이 본체(1)는 원통 슬리브 형태의 가열 보충요소(3)에 연결된다. 중앙 본체(1)의 외부면(6)과 슬리브(3)의 내부면(7) 사이에서 한정되는 공간은 액체가 순환하는 원통형 빈 공간을 형성한다.

도시된 형태에서, 중앙 몸체(1)의 외부면에는 나선형 홈(4)이 제공되며, 이 홈(4)은 슬리브와 함께 몸체(1) 둘레에 액체가 순환하는 경로를 형성한다. 그러나, 도시되지 않은 다른 실시예에서는, 중앙 몸체(1)의 외부면이 슬리브와 함께 실린더를 따라 연장되는 동일한 두께의 순환 공간을 형성할 수 있도록 완전히 원통형일 수도 있다. 본 발명의 범위 내에서 또 다른 변형예들이 고려될 수 있을 것이다.

조립 시, 중앙 본체(1)는 도 2에 도시된 바와 같이 찬물이 유입되는 액체 공급부(8)에 연결된다. 이 공급부(8)는 외부면(6)으로 이어지는 거의 방사상 통로(9)를 통해 외부면(6)으로 연결된다.

중앙 본체(1)는 바람직하게는 플라스틱 재질 또는 더욱 일반적으로는 낮은 열 관성(Ith)을 가지는 재질로 형성된다. 어쨋든 알루미늄의 열 관성 2.30보다 낮은 열 관성을 보유하는 재질이어야 하며, 가열 에너지의 아주 적은 부분만을 축적할 수 있는 것이어야 한다. 본 발명에 따른 본체의 형성에 적합한 재질로서는 폴리아미드(Ith=1.9), 폴리아세탈(Ith=2), 폴리프로필렌(Ith=1.6), 폴리설폰(Ith=1.4) 또는 폴리카보네이트(Ith=1.5) 등을 들 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 가열 중앙 본체(1)는 몸체의 질량을 더 줄이기 위해, 즉 몸체의 열 관성을 더 줄이기 위해 중앙 공동(5,空洞)을 가진다.

도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서, 홈(4)은 그 깊이가 약 3 밀리미터이고, 그 너비는 약 8 밀리미터이다. 이 홈(4)은 약 9 밀리미터의 피치(pitch)를 가지는 소용돌이 나선 형태로 되어 있다. 다시 말하면, 그 깊이가 너비보다 작으며, 따라서 액체가 가열 보충요소에 대해 "퍼질 수" 있어, 칼로리의 전달이 더욱 용이하게 이루어질 수 있다.

바람직하게는, 상기 슬리브(3)는 높은 열전달계수와 낮은 열 관성을 나타내도록 형성된다.

슬리브(3)의 두께는 열 관성을 줄이고 전도를 향상시키기 위해 기본 물질에 따라 최소화된다. 열 특성의 관점에서 우수한 결과를 야기하는 물질로는 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄 또는 유리 등을 들 수 있다. 슬리브(3)는 스크린 인쇄된 가열 저항(2)을 쉽게 장착할 수 있는 것이 중요하다.

가열 트랙을 형성하는 방법으로는 절연물질 일 층 또는 다수 층, 특정 통로에 따른 전도성 페이스트 일 층, 접촉 단자 형성용 일 층, 절연물질 일 층 또는 다수 층을 연이어 스크린 인쇄하는 방법이 사용된다. 사용 가능한 전력은 2000W일 수 있다.

따라서, 이러한 전기 저항(2)은 도시된 바와 같이 동일한 종단 라인을 따라 간격을 두고 횡단하는 서클 형태로 배열되는 띠의 모습을 나타낸다: 슬리브의 내부면 전체가 가열 플레이트를 형성하며, 홈들이 액체를 이 플레이트에 맞닿아 흐르게 한다. 필요하다면, 스크린 인쇄된 저항은 나선형일 수 있으며, 가열 본체(1)의 홈(4)에 의해 한정되는 순환 통로 바로 위에 배열될 수 있다. 이 경우, 가열장치의 효율성과 속도가 증대된다.

45 mm의 외부 직경을 가진 스테인레스 슬리브에 있어서, 슬리브(3)의 두께는 0.5 내지 1.5 밀리미터 사이에 포함되는 것이 좋으며, 특히 0.8 내지 1. 밀리미터 사이에 포함되는 것이 좋다. 이때 슬리브의 횡단 열전도 계수(Cth)는 60이다. 스테인레스는 녹 방지 측면에서 장점을 가지며, 고온에서도 변하지 않는 특성으로 인해 평평한 가열 요소를 용이하게 형성할 수 있게 해준다.

알루미늄으로 된 슬리브의 사용을 고려할 수 있다. 그러나, 이 경우 폴리마이드(polymide) 지지체 상에 놓인 가열 요소들과 더 낮은 온도에서 굳어지는 페이스트와 함께 사용되어야 한다. 예를 들어, 스크린 인쇄된 가열 요소를 형성할 수 있는 3 밀리미터 두께의 알루미늄 슬리브에 있어서, 그 열전도 계수(Cth)는 70이다.

사용상, 본체의 외부면을 따라 흐르는 물의 순환은 단지 중력에 의해서만 실시될 수도 있고, 또는 펌프를 통하여 실시될 수도 있다.

물이 순환하는 동안에도 가열 요소를 소정의 온도의 슬리브의 형태로 유지할 수 있도록, NTC 저항기(negative temperature coefficient resistor) 등의 온도 센서(12)가 가열 보충요소에 맞닿아 설치지며, 또한 가열 저항트랙의 전기 공급을 조종하는 전자회로에 연결되는 것이 유용하다.

전혀 가열되지 않은 가열장치를 처음 작동시키는 경우, 물의 순환이 시작되기 전 약 2 내지 3초간 가열장치를 급속 선가열 시키도록 조절기가 제어한다. 상당히 빠른 속도로 진행되며 사용자가 거의 인지할 수 없는 이러한 선가열 단계는 장치의 상당히 낮은 열 관성 및 회로 내에 포함된 물 쪽으로 열을 전달하는 장치의 높은 효율성에서 기인하는 것이다.

수차례 실험 결과, 유출구에서 80℃의 더운 물을 얻기 위해서는 선가열 단계 이후 액체의 유동 시 가열 보충요소의 온도를 예컨대 30℃의 일정한 값을 갖는 액체의 원하는 온도값과 동등한 값으로 조절하는 것만으로 충분하다.

가열 장치가 펌프의 도움으로 작동되는 경우, 펌프 또한 조절에 참여할 수 있다. 실제, 펌프의 성능이 너무 낮으면 슬리브의 온도가 정해진 값 이상으로 올라가며, 그 결과 펌프는 작동하는데 가열 요소는 작동하지 않는 현상이 야기된다. 반대로, 만약 펌프의 성능이 과도하게 높으면, 슬리브의 온도는 하강하고 제어장치를 통해 펌프가 순간적으로 멈춰서게 될 것이다.

사용상, 상기 유형의 가열 장치를 통해 약 25 센티리터의 물을 70 내지 80℃ 온도로 가열하는데 6 내지 7초 정도의 시간 밖에 소요되지 않는다. 단지 선택사항인 선가열 단계는 특히 더 줄어들게 된다. 왜냐하면 가열된 액체의 유출이 가열 장치를 작동시킨 후 아무리 늦어도 약 3초 후면 시작되기 때문이다.

상기 사실에 입각하여, 본 발명에 적합한 장치는 다수의 장점을 나타내는데, 특히 상당히 줄어든 열 관성을 가진다는 점이 그 중 하나이다. 장치 내에서 순환하는 물은 가열 저항에 전류가 흐르자마자 거의 순간적으로 가열된다.

저항에 전류 공급이 차단되는 경우, 가열 장치는 낮은 열 관성 덕분에 급속하게 냉각된다. 그 결과 주변 환경이 가열되는 것을 막을 수 있으며, 또한 출구 온도를 용이하게 조절할 수 있다.

또한 기존의 해결책들과 대비해 볼 때, 스크린 인쇄된 저항의 존재로 인해 열 전달을 최적화하면서 더욱 넓은 표면상으로 가열 에너지가 퍼지게 할 수 있다.

변형예로서, 중앙 몸체는 평평한 형태일 수 있으며, 또한 평평한 가열 요소를 수용할 수도 있다. 이 경우, 가열 요소에 맞닿아 있는 중앙 몸체의 표면에는 나사선 형태의 홈이 형성되며, 찬물은 중앙부를 통하여 도달하고, 가열된 물은 가장 자리로 유출된다. 또는 그 반대로 진행될 수도 있다.

Claims (11)

1. 액체 저장구에 연결되는 본체(1)를 포함하고, 상기 본체(1)는 액체 순환 공간을 형성하도록 본체(1)의 일면을 덮는 보충요소(3)에 결합되는 가전제품용 액체 가열장치에 있어서,

   상기 본체는 알루미늄보다 낮은 열 관성을 나타내고, 상기 보충요소(3)는 본체(1)와 마주하는 면의 반대편 면에 스크린 인쇄된 가열 저항(2)을 가지는 것을 특징하는 가열장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 본체(1)는 플라스틱으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가열장치.
3. 제1항에 있어서,

   금속 재질로 형성되는 상기 보충요소(3)는 40 이상의 횡단 열전도 계수(Cth)를 나타내는 것을 특징으로 하는 가열장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 보충요소(3)는 0.5 내지 1.5 밀리미터의 두께, 특히 0.8 내지 1.0 밀리미터의 두께를 가진 스테인레스 스틸로 형성되는 것을 특징으로 하는 가열장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 본체(1)는 상기 보충요소(3)와 함께 액체 순환 통로(4)를 형성하는 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 가열장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 스크린 인쇄된 저항(2)은 상기 액체 순환 통로(4) 바로 위에 놓이는 것을 특징으로 하는 가열장치.
7. 제5항에 있어서,

   상기 본체(1)는 평평한 형태이고, 상기 홈은 나사선형(spiral)인 것을 특징으로 하는 가열장치.
8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 본체(1)는 원통형이며, 외부면에 슬리브 형태의 보충요소(3)를 수용하는 것을 특징으로 하는 가열장치.
9. 제5항 및 제8항에 있어서,

   상기 홈은 나선형(helical)인 것을 특징으로 하는 가열장치.
10. 제 8항에 있어서,

    상기 원통형 본체(1)는 중공형(hollow)인 것을 특징으로 하는 가열장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 보충요소에는 온도 센서(12)가 설치되고, 상기 보충요소의 온도 조절을 위하여 전기 저항에 연결되는 전기/전자 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 가열장치.

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