HOT TECH - 센서 없는 새로운 발열체 온도제어 기술
글_ 조영창 대표이사(에이스전자기술(주))
ㅣ들어가며
집, 공장 등에 공급되는 상용전기 AC 220V를 사용하는 발열체(Heater)에는 필요한 온도를 얻기 위하여 전력을 제어하는 방법으로, 온도를 감지하는 센서가 필수적이다.
우리가 사용하는 다리미, 고데기, 납땜인두기, 커피포트 등 제품은 발열체와 센서가 별도부품으로 되어 있으며 각기 온도제어가 필요한 곳에 장착되어 작동한다.
그런데 온도센서의 전기적인 접속불량(단선 및 단락)이나 열 결합(장착 및 결합) 불량으로 제어가 정상적으로 되지 않아 의도하지 않게 높은 온도로 올라가 화재가 나거나 화상을 입는 사고 등 많은 문제가 발생하고 있다.
이에 센서를 사용하지 않고 발열체 자체의 온도를 Sensing하여 제어함으로써 이러한 문제를 근본적으로 제거하는 방법들이 연구되어 왔는데, 이 문제에 대한 좋은 방법을 제시하고자 한다.
ㅣ기술의 원리 및 특성
발열체 자체의 온도를 Sensing하는 제어방법으로, 전기사용 중 반파(+220V와 -220V를 1초에 60번 반복하는 교류전원 중에 어느 한 쪽의 반파)만을 전력제어에 사용하고, 나머지 반파시간 동안 온도를 감지하는 방법이 사용되고 있다.
반파 사용은 전기담요나 전기고데기 같은 소 전력소비 제품에만 사용되고 있다. 교류전력을 반파만 사용함으로써 전력을 반만 공급하게 되어 400W 히터를 사용하지만, 200W 히터를 사용하는 것과 같다고 할 수 있다.
마찬가지로 400W가 발생하는 열량이 필요한 제품에는 800W 히터를 사용하여야 하는데, 이 방법은 센서오류나 고장이 난 경우에 지나친 고온으로 인해 안전성이 취약해질 수 있고, 원가가 상승할 수 있어 경제성이 떨어지는 손해가 있다.
또 온도감지와 제어가 각각 반파시간 동안 진행되므로 원하는 온도까지 가열하는 시간이 두 배가 소요되고 정밀도가 절반으로 떨어지게 된다.
이에 에이스전자기술(주)에서는 센서를 사용하지 않고, 교류전원의 전파를 사용하면서도 온도를 감지할 수 있는 방법을 구현하여, 지금까지의 제품보다 동일부하로 두 배의 열을 제공하면서 정교한 감지로 원하는 온도에 도달하는 시간을 반으로 줄이는 기술을 개발했다.
동시에 부드러운 제어가 가능하고, 기존에 제어하지 못했던 고 전력소비 제품에까지 적용할 수 있는 새로운 방법을 찾아 실제 구현에 성공하였다.
그림 1 기술이 적용된 히터 제어회로
ㅣ기술의 특징
이 방법은 열을 얻기 위하여 발열하는 제품인 전기난로, 온풍기, 여러가지 전기조리기(전기프라이팬 류), 헤어고데기, 냉온수기, 순간온수기, 커피포트, 다리미 등의 모든 발열제품에 안정되게 사용될 수 있는 기술이다.
전기프라이팬을 예로 들어보자. 전원을 켜고 원하는 온도로 설정하면 그 온도에 도달하는 데 많은 시간이 걸린다. 그러므로 처음에는 최고 온도로 설정하고, 열판이 뜨거워지면 온도를 내려 사용하고자 하는 온도로 조절해야 하는 두번의 온도조작이 필요하다.
본 기술은 처음부터 원하는 온도로 설정하면 그 온도까지는 최대전력으로 동작하여 기존 전기프라이팬이 최고 온도로 도달하는 시간과 같은 시간에 원하는 온도까지 도달하고, 즉시 전력을 자동으로 줄이고 설정한 온도를 유지한다. 그러므로 기존의 방식에서와 같이 전기프라이팬을 두번 조절할 필요가 없다.
실제로 현재의 다리미로는 실크나 100% Wool은 다리기가 까다롭다. 그러나 이 기술로는 비닐 우의라도 빠르게 다릴 수 있는 온도로 조절할 수 있어, 어떤 다림질감이라도 빠른 시간에 전력낭비를 최소화하면서 다리는 게 가능하다.
즉, 본 기술이 적용된 제품에는 발열체 자체의 열량을 감지함으로써 감지의 잘못으로 일어나는 많은 화재나 화상문제가 근본적으로 제거될 수 있다는 점, 그리고 이렇게 적용하는 데 소요되는 생산원가는 오히려 낮아지는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
그림 2 는 기존 제품의 원하는 온도에 도달시간이 1/2로 줄어든 측정값을 보여주는 것으로 동일한 히터발열체를 그대로 사용하고 에이스전자기술(주) 제어방법으로 바꾸어 개선한 결과의 온도 그래프이다.
현재 세계적으로 인정되어 사용하고 있는 센서없이 동작하는 제품의 온도특성과 그 제품구조를 그대로 두고, 제어회로만 바꾼 결과를 비교한 온도 그래프 측정결과이다.
예로 든 헤어고데기는 온도제어에 정교함과 높은 안정도가 필요한 제품으로 동작의 오차는 큰 사고가 될 수 있는 제품으로 판단되어 본 기술을 접목했으며 측정결과는 그림 2 와 같다.
그림 2 헤어고데기에 적용 시 기존 기술과의 온도 특성 비교 (동일한 400W 히터적용)
그림 3 은 하이라이트그릴, 다리미, 전기오븐, 담요, 난방기, 온수기 등 많은 제품에 활용되고 있는 온도에 따라 팽창도가 다른 두 종의 금속박막을 겹쳐 붙인 바이메탈(Bi-Metal)에 의하여 제어되는 동작 온도특성과 새로운 기술을 사용할 경우의 동작 온도특성 그래프이다.
참고로 바이메탈은 안정도를 위하여 필수적으로 필요하지만 정교한 제어에는 미흡하여 더 부가되어야 하는 점을 설명한 도면이다.
그림 3 기존 On/Off 제어방식과 본 기술인 PoC 제어방식의 비교
그림 4 는 일반적인 Micom제어와 본 기술과의 비교로 현재 Micom을 사용하는 대부분의 제품이 이런 방식(Bi-Metal SW 제어보다는 월등)으로 제어를 하고 있다. Power Analyzer로 측정하여도 실시간 입력전압/전류와 출력전압/전류파형/온도가 동일한 결과를 볼 수 있었기에 본 설명의 방식같이 제어되어야 정교한 온도를 안정되게 얻을 수 있다.
교류제어로 온도제어를 이상적으로 하기 위해서는 A파형의 제어는 발열이 그룹적으로 발생하기에 파고가 낮은 부드러운 온도제어는 어렵다.
그림 4 일반적인 Micom제어와 본 기술인 PoC 제어 비교
ㅣ마치며
이 기술은 교류전력을 쓰는 데 Zero Voltage Control 방법을 사용함으로써 다음과 같은 장점을 갖는 기술과 방법으로 병행으로 구성되어 있다.
① 제어시 전자파를 발생시키지 않는다.
② 부하에 충격을 주지 않아 부하수명이 길어진다.
③ 전력 스위칭 소자에 충격을 주지 않아 낮은 규격소자를 사용한다.
④ 전력인가를 교류 반파단위로 분산인가 제어함으로써 부드러운 제어가 가능하다.
⑤ 센서가 별도로 없어 오류가 없고 안전성이 높아진다.
⑥ 필요한 최소전력으로 동작하고 작업시간이 단축된다.
⑦ 최소한의 전력만을 소비한다.
⑧ 부품구성이 간단하여 경제성이 높다.
발열체 온도제어기술은 이미 형성된 시장의 큰 문제를 해결한 기술로 기존 제품보다 안전성 및 경제성이 높아 적용시장이 더 확대될 전망이다.
현재 에이스전자기술은 공업용 다리미 등 발열체 온도제어기술을 적용하기에 적합한 제품을 개발하는 데 박차를 가하고 있으며 중국시장 진출을 염두에 두고 다양한 연구개발을 하고 있다.