본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 스트립형 면상 발열체를 이용한 제상히터를 나타낸 평면도이고, 도 4는 도 3에 표시된 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 나타낸 단면도, 도 5는 제1실시예에 따른 한쌍의 제상히터를 증발기 양측에 배치하는 상태를 나타내는 사시도, 도 6은 증발기 양측이 한쌍의 제상히터를 밀착 배치한 상태에서 도 5에 도시된 Ⅵ-Ⅵ선을 따라 나타낸 단면도, 도 7은 제1실시예에 따른 제상히터를 다수 개 연결하여 하나의 유닛으로 구성한 도면이다.

먼저, 도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 스트립형 면상 발열체를 이용한 제상히터(10a)는 소정 크기를 갖는 직사각형의 알루미늄 열전달 기판(11), 양 단부에 제1 및 제2 전극단자(15a,15b)를 구비한 스트립형 면상 발열체(13), 및 스트립형 면상 발열체(13)의 외측면을 둘러싸는 절연층(17)을 포함한다.

또한, 본 발명의 제상히터(10a)는 도 4와 같이 다수의 증발기 핀(23)과 탄력적으로 접촉이 이루어지도록 열전달 기판(11)의 외측면에 파형(corrugation type) 방열핀(19)을 더 포함할 수 있다.

열전달 기판(11)은 판형상으로 이루어지며 양단이 동일 방향으로 절곡되어 마감처리되는 것도 가능하다. 이러한 열전달 기판(11)은 스트립형 면상 발열체(13)에서 발생된 열을 외부로 방열(즉, 전달)하는 역할을 한다.

따라서, 열전달 기판(11)은 열 전달 특성이 우수한 Al, Cu, Ag 및 Au 중의 하나 또는 그의 합금 재료로 형성되며, 바람직하게는 가격이 저렴한 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고 이 경우 애노다이징 처리되어 표면에 전기절연용 절연막을 형성할 수 있다.

스트립형 면상 발열체(13)는 소정 두께의 금속 박막을 슬리팅하여 스트립(13a~13d)이 지그재그로 연속되는 일정한 패턴으로 형성되고, 그 외측면은 방습, 내열 및 전기 절연 기능을 하는 절연층(17)이 피복되어 있다.

이 경우, 스트립형 면상 발열체(13)는 상측 및 하측 절연성 필름 사이에 패턴 형성된 다수의 스트립(13a-13c)을 배열한 상태로 라미네이팅하여 스트립형 면상 발열체의 외주에 판형상으로 피복된 절연층(17)을 형성하는 것이 바람직하다.

상기 다수의 스트립(13a-13c)의 양단부는 히터에 요구되는 저항값을 맞추도록 직렬 접속, 병렬 접속 및 직렬과 병렬 접속의 조합 중 어느 하나의 방식으로 접속된다.

이와 같은 스트립형 면상 발열체(13)는 Fe, Al, Cu 등의 단원소 금속 박판, 철계(Fe-X), 철크롬계(Fe-Cr) 금속 박판, Fe-(14~21%)Cr-(2~10%)Al와 같은 FeCrAl 합금 박판, Ni(77%~), Cr(19~21%) 및 Si(0.75~1.5%)로 이루어지거나 Ni(57%~), Cr(15~18%), Si(0.75~1.5%) 및 Fe(잔부)로 이루어진 니크롬 열선 재료, 비정질 박판(리본) 중 어느 하나의 재료로 이루어질 수 있다.

상기 FeCrAl 합금 박판의 바람직한 합금 재료는 Fe-15Cr-5Al 비율로 합성된 페칼로이 합금(일명, 칸탈(KANTHAL ^TM )선) 또는 Fe-20Cr-5Al-REM(희토류 금속)(여기서, REM(Y, Hf, Zr) 1% 정도 포함)을 사용할 수 있다.

또한, 상기 비정질 박판은 Fe계 또는 Co계 비정질 재료로 이루어지며, Fe계 비정질 재료가 상대적으로 저렴하므로 바람직하다.

상기 Fe계 비정질 재료는 예를 들어, Fe _100-u-y-z-w R _u T _x Q _y B _z Si _w, 여기서, R은 Ni 및 Co 중의 적어도 1종이고, T는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo 및 W 중의 적어도 한 종이며, Q는 Cu, Ag, Au, Pd 및 Pt 중의 적어도 1종이고, u는 0~10, x는 1~5, y는 0~3, z는 5~12, 그리고 w는 8~18이다.

상기 Co계 비정질 재료는 예를 들어, Co _1-x1-x2 Fe _x1 M _x2 ) _x3 B _x4 , 여기서, M은 Cr, Ni, Mo 및 Mn에서 선택된 1종류 이상의 원소이고, x1, x2, x3은 각각 0≤x1≤0.10, 0≤x2≤0.10, 70≤x3≤79로 되는 비정질합금에 있어서, B의조성비 x4는 11.0≤x4≤13.0이다.

상기 스트립형 면상 발열체(13) 재료 중에서 가장 바람직한 재료는 Fe-15Cr-5Al 또는 Fe계 비정질 재료이고, Fe-15Cr-5Al는 열처리가 이루어지는 경우 표면에 Al ₂ O ₃ (알루미나) 절연막이 형성되어 고온 내식성을 갖게 되어 철계 재료의 산화 문제를 저렴하게 해결하는 이점이 있게 된다.

또한, 잘 알려진 고온 열선 재료 중 니크롬(NiCr) 열선의 니크로탈(NIKROTHAL ^TM (Ni: 80)은 비저항이 1.09ωmm ² /m, KANTHAL ^TM D는 비저항이 1.35ωmm ² /m인 것으로 알려져 있다. 그런데, Fe계 비정질 박판(리본)은 상기 KANTHAL ^TM 선과 유사한 1.3~1.4ωmm ² /m의 비저항을 가지고 있어 열선 재료로서 양호한 특성을 가지고 있는 것을 알 수 있으며, 더욱이 KANTHAL ^TM 선 보다 상대적으로 저렴하므로 본 발명에서는 이를 스트립형 면상 발열체(13) 재료로 사용한다.

그러나, 상기 스트립형 면상 발열체(13) 재료는 열선 재료의 특성으로 요구되는 비저항값이 크지 않고 저렴하게 입수 가능하다면 어떤 금속재 또는 합금 재료도 사용 가능하다.

한편, 상기 비정질 박판(리본)은 예를 들어, 액체급냉법에 의해 비정질 합금의 용융합금을 고속 회전되는 냉각롤에 분사하여 10 ⁶ K/sec의 냉각속도로 냉각시켜 박리함에 의해 얻어지는 것으로 10~50㎛의 두께로 이루어지며, 20mm~200mm 폭으로 제조된다. 또한, 비정질 재료는 일반적으로 고강도, 고내식성, 고연자성 등의 우수한 재료 특성을 가지고 있고, Fe계 비정질 리본은 종래의 실리콘 히터와 비교할 때 약 1/2 정도로 저렴하게 구입할 수 있는 이점이 있다.

상기와 같이, 본 발명의 스트립형 면상 발열체(13)는 히터 재료로서 10~50㎛의 금속 박판을 사용하므로 동일한 단면적을 갖는 다른 코일형 열선과 비교할 때 10~20배 이상의 표면적을 가지게 되어 동일한 전력을 사용하여 발열이 이루어질 때 넓은 면적에서 저온 발열이 이루어지므로 저온 히팅 재료로 적합하다. 즉, 스트립형 면상 발열체(13)는 금속 박판으로 이루어져 있기 때문에 1㎠당 발생하는 열밀도가 낮아 열량도 낮게 된다.

그 결과, 본 발명에서 비정질 박판으로 이루어진 리본을 가공하여 제작되는 스트립형 면상 발열체(13)는, 종래의 니크롬선으로 이루어지는 코일형 열선과 비교할 때, 상대적으로 과다 및/또는 고온 열 발생을 고려하여 발열체 외주에 두꺼운 내열성 또는 절연성 피복층을 형성할 필요가 없게 된다. 따라서, 발열체로부터 발생된 열이 높은 열전달 효율로 전도/전달이 이루어질 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 스트립형 면상 발열체(13)는 히터의 표면 온도가 시즈 히터와 같이 600~800℃의 고온으로 상승하지 않고 170℃를 넘지 않기 때문에 고가의 컨트롤러를 사용한 정밀한 온도 제어가 요구되지 않는다. 즉, 본 발명에서는 면상 발열체(12)에 인가되는 전원을 단순한 ON/OFF 제어만으로도 제상작용이 이루어질 수 있게 된다.

더욱이, 본 발명의 면상 발열체(13)가 비정질 재료를 사용하여 이루어지는 경우 원천적으로 친환경 냉매의 냉매 비점보다 100℃ 이하로 발열이 이루어지므로 UL 권고사항도 만족하고 있다.

그러나, 만약 발열체에 부분적으로 단락(short-circuit)이 발생하여 순간적으로 친환경 냉매의 발화점 이상으로 히터의 온도가 상승하게 되면 비정질 합금의 면상 발열체 재료는 결정화가 이루어지면서 마치 퓨즈와 같이 순간적인 단선이 발생하게 된다.

즉, 비정질 조직은 금속결정학적으로 원자가 무질서하게 배치(Randomly oriented)되어 있기 때문에 비저항이 매우 크게 나타나나, 결정화가 진행되어 결정질 조직을 갖는 경우 비저항이 낮아지며, 또한 박막의 면상 또는 선형 발열체로 사용하는 경우 고전류 흐름으로 인한 발열에 의해 단선이 발생하게 된다.

그 결과, 본 발명의 비정질 재료로 이루어진 면상 발열체는 과열로 인한 화재가 발생하지 않고 히터 기능을 상실하여 자기 스스로 안전성을 보장할 수 있는 새로운 히터 재료이다.

한편, 본 발명에서 채택하고 있는 면상발열체(13)는 냉장고용 증발기의 제상에 필요한 미리 설정된 온도와 시간 범위 내에서 발열이 이루어지도록 200W 정도의 히터 용량을 구현하는데 적합한 저항값을 갖도록 설정되어야 한다.

이를 위해 면상발열체(13)의 재료가 금속 박판이므로 예를 들어, 증발기의 크기에 따라 제상용 면상 히터의 미리 설정된 폭과 길이 및 면적이 결정되면, 우선 광폭의 비정질 리본을 미리 설정된 폭을 갖는 스트립형태로 슬리팅한다.

그 후 미리 설정된 폭으로 슬리팅된 면상 발열체를 미리 설정된 전체 길이를 증발기의 폭에 따라 동일한 길이를 갖는 다수의 면상 발열체(13a-13d)로 절단하여 준비하고, 이들을 도 9에 도시된 바와 같이 직렬 접속방식으로 연결하면 원하는 히터 용량을 갖는 제상 히터(10c)가 얻어지게 된다.

예를 들어, 본 발명의 스트립형 면상 발열체(13)에 사용되는 히터, 즉 스트립(13a-13c)은 25㎛의 두께에 1-2mm의 폭을 갖도록 슬리팅될 수 있다.

제1 및 제2 전극단자(15a,15b)는 일단이 전원 케이블(16a,16b)을 통하여 전원 플러그에 각각 접속되고, 타단이 각각 스트립형 면상 발열체(13)의 양단에 스폿 용접 또는 솔더링되고, 연결부분을 실링하도록 절연 필름을 사용하여 인서트 몰딩방법으로 코팅하는 것이 바람직하다.

또한, 제1 및 제2 전극단자(15a,15b)의 타단과 스트립형 면상 발열체(13)의 양단 사이에는 쇼트에 의해 과전류가 흐르는 경우 단선이 이루어지도록 소정의 퓨즈(미도시)를 삽입할 수 있다. 이러한 퓨즈(미도시)는 스트립(13a,13b,13c)을 이어주는 다른 연결 스트립(13e,13f) 대신에 사용하는 것도 물론 가능하다. 더욱이, 본 발명의 스트립형 면상 발열체(13)에서는 히터의 표면 온도가 170℃를 넘지 않기 때문에 고가의 컨트롤러를 사용한 정밀한 온도 제어가 요구되지 않을 뿐 아니라 설정온도 이상으로 상승하는 경우 전원을 차단하도록 서머 스탯을 사용하여 안전성을 확보하거나 면상 발열체로서 비정질 합금을 사용함에 의해 결정화 온도 이상으로 상승하는 경우 결정화가 이루어지면서 자연적인 단락이 발생하게 하는 것도 가능하다.

한편, 상기 스트립형 면상 발열체(13)의 외주에 판형상으로 피복되는 절연층(17)은 바니쉬(vanish) 또는 실리콘(silicon)과 같은 접착제를 사용하여 알루미늄 열전달 기판(11)에 본딩 고정된다. 상기 스트립형 면상 발열체(13)의 외표면에 코팅되어 방습, 내열 및 전기 절연 기능을 하는 절연층(17) 재료로는 내열성과 전기 절연성이 우수한 합성수지를 사용할 수 있으며, 예를 들어, PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), TPA(Terephthalic Acid)와 MEG(Mono-ethylene Glycol)을 중합하여 얻어지는 PET(Polyethylene Terephthalate), 폴리이미드(Polyimide)나, 또는 실리콘 등의 각종 전기 절연용 필름 재료를 사용할 수 있다.

상기 절연층(17) 재료로 사용되는 합성수지는 일반적으로 비교적 염가이며 전기절연성, 열안정성, 내수성이 우수한 특성을 가지며, 실리콘 또한 내열성, 인장강도, 신축율 및 내마모성이 우수하다. 따라서, 스트립형 면상 발열체(13)의 외표면에 상기 특성의 절연층(17)이 코팅되어 있으므로 습도가 높은 환경에서도 단락현상이 발생하지 않게 되어 안전성을 도모할 수 있다.

상기 파형 방열핀(19)은 도 4와 같이 열전달 기판(11)과 동일하게 열 전달 특성이 우수한 재료로 이루어지며, 요철이 반복적으로 형성된 주름형상으로 이루어지며 알루미늄 열전달 기판(11)의 타측면에 부착된다.

이하에 상기한 본 발명의 제1실시예에 따른 제상히터를 냉장고의 증발기에 결합하는 구조를 도 5 및 도 6을 참고하여 설명한다.

도 5는 제1실시예에 따른 한쌍의 제상 히터를 증발기 양측에 배치하는 상태를 나타내는 사시도, 도 6은 증발기 양측에 한쌍의 제상 히터를 밀착 배치한 상태에서 도 5에 도시된 Ⅵ-Ⅵ선을 따라 나타낸 단면도이다.

먼저, 도 5와 같이, 냉매가 흐르는 지그재그 형상으로 절곡된 튜브(21)에 전체의 수평 라인을 둘러싸도록 수직방향으로 길게 형성된 다수의 핀(23)이 형성된 구조를 가지는 냉장고의 증발기(20)에, 본 발명에 따른 제상히터(10a)를 양측에 부착시킬 때, 파형 방열핀(19)은 도 6과 같이, 증발기 핀(23)과 상호 선접촉이 이루어진다. 이때, 한쌍의 제상히터(10a)를 증발기(20)에 소정 압력으로 밀착 배치하는 경우, 파형 방열핀(19)의 탄력에 의해 다수의 증발기 핀(23)의 높이가 다소 일치되지 않더라고 파형 방열핀(19)의 주름형상에 의해 모든 증발기 핀(23)과 접촉할 수 있어 알루미늄 열전달 기판(11)으로부터 전달되는 열을 손실 없이 효과적으로 증발기(20)의 핀(23)으로 전달할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에서는 제상히터(10a)가 다수의 핀(23)에 선접촉되어 직접 전도방식으로 히터의 열을 전달하게 된다.

상술한 제1실시예에 따른 제상히터(10a)는 다음과 같은 단계를 거쳐 제작된다.

먼저, 예를 들어, 박막의 비정질 리본 또는 FeCrAl 합금 박판을 설정된 저항값을 갖도록 1~2mm의 폭을 갖는 스트립(13a~13c) 패턴으로 슬리팅하여 폭을 좁게 하고 직렬 접속된 구조로 발열체의 전체 길이를 길게 형성하여, 일측 및 타측에 2 전극단자가 배치된 패턴으로 성형한 스트립형 면상 발열체(13)를 제작한다.

그 후, 길이방향으로 한쌍의 절연 필름을 사용하여 면상 발열체(13)의 외부를 코팅함에 의해 절연층(17)을 형성하고, 알루미늄 열전달 기판(11)의 일면에 접착제를 사용하여 부착시키며, 알루미늄 열전달 기판(11)의 타면에 파형 방열핀(19)을 부착한다. 이렇게 파형 방열핀(19)을 구비하여 제작된 제상히터(10a)의 최종 두께는 4.35mm 이내로 이루어지며, 파형 방열핀(19)을 부착하지 않는 경우 1.35mm의 슬림형으로 제작될 수 있다.

이와 같이 구성된 제상히터(10a)는 증발기의 면적에 비례하여 도 7과 같이, 소정 공간(S)을 두고 한쌍의 결합프레임(21a,21b)에 의해 다수 개를 연결하여 단일 유닛으로 사용하는 것도 가능하다. 이 경우, 다수의 제상히터(10a)는 서로 인접한 제상히터(10a)가 연결선(23)을 통해 각각 일단이 접속되고, 제일 양측에 배치된 제상히터(10a)의 타단은 각각 전원케이블(25a,25b)에 연결된다. 이처럼 본 발명의 제상히터(10a)는 증발기의 용량이나 크기에 따라 적정 개수로 연결하여 단일 유닛으로 사용할 수 있다.

도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 스트립형 면상 발열체를 이용한 제상히터를 나타낸 평면도이다.

제2실시예에 따른 제상히터(10b)는 상술한 제1실시예에 따른 제상히터(10a)와 대부분의 구성이 동일하며, 다만, 도 8과 같이, 스트립형 면상 발열체(13)의 양단에 연결된 제1 및 제2 전극단자(15a,15b)의 배치방향이 제1실시예의 제상히터(10a)와 서로 상이하다. 즉, 제1 및 제2 전극단자(15a,15b)는 그 배치방향이 서로 평행하게 배치된 스트립(13a,13b,13c)의 개수에 따라 결정되며, 제1실시예의 제상히터(10a)와 같이 서로 평행하게 배치된 스트립의 개수가 홀수개일 경우 제1 및 제2 전극단자(15a,15b)는 도 3과 같이 서로 반대방향으로 배치되지만, 도 8과 같이 짝수개일 경우 서로 동일 방향으로 배치된다. 단, 이는 다수의 스트립(13a,13b,13c)을 직렬접속 구조로 패터닝한 경우에 해당된다. 도 8에서 미설명 부재번호 13e, 13f 및 13g는 각각 연결 스트립을 나타낸다.

도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 스트립형 면상 발열체를 이용한 제상히터를 나타낸 평면도이고, 도 10은 도 9에서 직렬접속장치가 결합된 것을 자세하게 나타낸 평면도이고, 도 11은 도 10에 표시된 ⅩⅠ-ⅩⅠ선을 따라 나타낸 단면도이다.

도 9를 참고하면, 제3실시예에 따른 제상히터(10c)는 다수, 예를 들어 4개의 선형 제1 내지 제4 스트립(13a~13d)을 제작한 후, 일측에는 제2 및 제3 스트립(13b,13c)의 단부는 바이메탈(bimetal)(31)을 사용하여 연결하고 면상 발열체(13)의 외부를 코팅함에 의해 절연층(17)을 형성하며, 타측에는 제1 및 제2 스트립(13a,13b)의 단부와 제3 및 제4 스트립(13c,13d)의 단부를 각각 연결하는 직렬접속장치(50)의 도전성 연결구(50a,50b)를 사용하여 연결함에 의해 상술한 제1 및 제2실시예와 동등한 직렬 접속된 면상 발열체(13) 구조를 형성한다.

상기 직렬접속장치(50)는 도 10 및 도 11과 같이, 면상 발열체(13)의 외측에 절연층(17)이 형성된 상태에서 단순히 그의 외측면에 끼우는 구조로 절연층(17) 내부에 매입되어 있는 제1 및 제2 스트립(13a,13b)의 단부와 제3 및 제4 스트립(13c,13d)의 단부를 각각 연결할 수 있는 구조를 가지고 있다. 즉, 직렬접속장치(50)은 인접한 제1 및 제2 스트립(13a,13b)의 단부와 제3 및 제4 스트립(13c,13d)의 단부를 각각 연결하기 위한 도전성 연결구(50a,50b)가 일측으로 직사각형의 요홈(50d) 구조를 갖는 하우징(50c)의 요홈 상측면에 일체로 형성되어 있고, 각각의 도전성 연결구(50a,50b)는 제1 및 제2 스트립(13a,13b)과, 제3 및 제4 스트립(13c,13d)에 대응하여 입구측으로부터 요홈 방향으로 선단부가 뾰족한 4개의 스토퍼(51~54)가 일체로 돌출 형성되어 있다.

따라서, 면상 발열체(13)의 외측에 절연층(17)이 형성된 히터를 직렬접속장치(50)의 요홈(50d)에 삽입한 후 약간의 길이만큼 후퇴시키면 도전성 연결구(50a,50b)의 스토퍼(51,52)는 절연층(17)을 파고들어 제1 및 제2 스트립(13a,13b)에 연결되고, 스토퍼(53,54)는 제3 및 제4 스트립(13c,13d)에 연결되어 직렬접속이 이루어지며, 상기 히터는 스토퍼(51~54)의 저지에 의해 어느 이상의 후퇴는 이루어지지 않게 된다.

이 경우, 상기 직렬접속장치(50) 대신에 직렬로 바이메탈(55)을 연결 설치하여 주변 온도가 설정온도 이상으로 올라간 경우 자동으로 제1 및 제2 전극단자(15a,15b)에 인가되는 전원을 차단하고 설정온도 이하로 내려간 경우 자동으로 전원을 연결시키는 방식으로 제어하는 것도 가능하다.

상기와 같이 제1 및 제2 전극단자(15a,15b) 중 어느 하나와 발열체(13) 사이에 바이메탈(bimetal)(55)이나 퓨즈(fuse) 등으로 이루어지는 전류차단수단을 구비하는 경우 일정한 온도범위 내에서만 발열체(13)에 전원이 공급되도록 하거나 과전류가 흐르는 경우 퓨즈를 용융시켜 전원을 차단함에 의해 화재발생을 예방할 수 있다.

도 12는 본 발명에 따른 제상용 면상 히터가 냉장고의 증발기에 적용된 상태를 도시하는 정면도이다.

도 12에 도시된 냉장고의 증발기(20)는 냉매가 흐르는 지그재그 형상으로 절곡된 튜브(21)에 각각의 수평 라인마다 둘러싸도록 다수의 핀(23)이 각 수평 라인마다 결합된 구조를 가지고 있다.

본 발명에 따른 다수의 제상히터(10d)는 각각의 수평라인마다 증발기(20)의 전면 및 후면에 각각 대응하여 설치되고, 방열핀(19)이 증발기(20)의 튜브(21)가 통과되도록 형성된 다수의 핀(23)에 선접촉되어 직접 전도방식으로 히터의 열을 전달하게 된다.

상기한 실시예에 따른 제상히터(10d)는 증발기 각각의 수평라인마다 전면 및 후면에 대응하여 설치되는 것이므로 상기한 도 3에 도시된 실시예의 제상히터(10a)와 비교할 때 면상 발열체(13)에 포함되는 스트립(13a~13d)의 수가 작고, 폭이 좁다는 것을 제외하고 도 3의 제상히터(10a)와 동일한 구조를 갖는다.

제상히터(10d)는 다수 개로 분할되어 있는 점을 제외하고 도 3의 실시예와 동일하므로, 제상히터는 다수의 증발기 핀(23)과 접촉하는 부분이 선접촉으로 이루어지므로 스트립형 면상 발열체(13)에서 발생된 열을 원활하게 전달하며, 다수의 증발기 핀(23)으로 전달된 열은 증발기(20)의 튜브(21)에 전달된다.

따라서, 제상히터는 스트립형 면상 발열체(13)에서 발생된 열은 파형 방열핀(19)에서 다수의 핀(23)을 통해 증발기(20)의 튜브(21)에 손실 없이 균일하게 전달되므로 제상 효율이 향상되고 소비 전력을 감소시킬 수 있다.

또한, 도시된 실시예에 따른 제상히터는 금속 박막을 슬리팅한 스트립형 면상 발열체(13)를 열원으로 사용하므로 제상 사이클이 개시되어 전원이 공급되면 온도 응답성이 빠른 금속 박막의 스트립형 면상 발열체(13)는 설정된 온도까지 빠른 온도 상승이 이루어져서 증발기(20) 표면의 성애를 녹여주며, 바이메탈(31) 또는 온도센서를 통하여 설정된 온도 이하로 주변온도가 하강하면 면상 발열체(13)에 대한 전원공급이 차단되어 빠르게 면상 발열체(13)의 온도가 하강하게 된다. 그 결과 냉장고 또는 냉동장치는 냉동 사이클이 신속하게 재개될 수 있게 되어 제상 사이클로 인하여 떨어졌던 냉동 성능을 빠르게 회복하여 냉장고 또는 냉동장치에 보관된 각종 보관물품의 설정된 상태로 보존할 수 있게 된다.

도 13은 시즈 히터를 사용하여 대류방식으로 제상을 행하는 종래의 제상 히터의 제상 사이클을 보여주는 그래프이고, 도 14 내지 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 제상히터(전력소모량이 각각 100watt, 120watt, 180watt)의 제상 사이클을 보여주는 그래프이다.

상기 본 발명에 따른 제상히터와 종래의 제상 히터의 제상 사이클 동안 각 부분의 온도를 나타낸 도 13 내지 도 16의 그래프와 하기의 표 1을 함께 참고하여 제상 사이클을 설명한다.

표 1

(단, 상기 표 1에서 온도는 ℃임.)

먼저, 종래의 제상 히터를 사용한 경우, 도 13과 같이, 제상을 위해 블로워 팬을 오프(off)하고 제상 히터를 온(on)하는 T1으로부터 팬을 온하고 제상 히터를 오프하는 T2까지의 히터 가동구간에서, T2 시점에서의 히터 표면의 온도(T11)는 321℃였고 T1에서 T2까지 소요된 시간은 약 12분으로 나타났다.

이에 반해 본 발명의 제상히터를 사용한 경우, 각각 100watt, 120watt, 180watt 히터의 T2 시점에서의 히터 표면 온도(T11)는 각각 75.4℃, 87.7℃, 112.9℃ 였고, T1에서 T2까지 소요된 시간은 각각 9분, 8분, 6분으로 나타났다. 즉, 종래의 제상 히터는 T1에서 T2까지 소요된 히터 가동시간이 본 발명의 제상히터에 비해 최소 3분 또는 최대 6분이 더 걸렸으며, 종래의 제상 히터의 온도 또한 본 발명의 제상히터에 비해 최대 245.6℃ 또는 최소 208.1℃까지 대략 200℃ 이상 더 높은 온도를 유지하였다.

이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 종래의 제상 히터는 공기 가열방식이고 온도 응답성이 느린 시즈 히터를 사용하여 승온시간이 긴 반면, 본 발명의 제상히터는 온도 응답성이 빠른 면상 히터를 사용하며 직접 전도방식으로 승온시간이 짧다.

그 결과 종래의 제상 히터는 히터에 대한 전원공급이 오프된 이후 콤프레셔가 작동함에도 불구하고 오랜 시간 동안 증발기 핀 사이 공간 온도(T12), 증발기 핀 온도(T13), 증발기 튜브 온도(T14)는 약 39℃까지 상승하여 이를 유지하다가 하강하는 형태를 나타내고 있으나, 본 발명에서는 전원공급이 오프되고 콤프레셔가 작동함과 동시에 증발기 핀 사이 공간 온도(T12)와, 증발기 튜브 온도(T14)는 바로 하강을 시작하여 1분 이내에 0℃까지 하강하고, 증발기 핀 온도(T13)도 2-3분 이내에 0℃까지 하강하는 것을 알 수 있다.

또한, 종래의 제상 히터는 냉장고 룸온도(T15)가 제상 후에 0℃ 이상으로 상승하는 구간이 발생하고 있으나, 본 발명에서는 냉장고 룸온도(T15)가 제상 후에 0℃ 이상으로 상승하는 구간이 발생되지 않고 항상 영하에 머무르고 있으므로 냉동실이나 냉장실에 보관중인 제품의 선도가 떨어지는 것을 막을 수 있게 된다.

더욱이, 종래의 제상 히터는 상기와 같이 히터 표면온도(T11)가 321℃로 높기 때문에 발화점이 낮은 환경 친화적인 냉매, 예를 들어, R600a(냉매 비점: 460℃)를 사용하기 위해서는 (냉매 비점-100℃), 즉 360℃ 이상이면 발화가 일어날 수 있으므로 필히 히터의 온도를 제어해주어야 하는 반면, 본 발명의 제상히터를 사용할 경우 제상을 위한 히터 표면의 최대 상승온도(약 113℃)는 냉매의 발화점보다 낮아 히터의 온도제어가 불필요한 이점이 있다.

한편, 종래의 제상 히터를 사용한 경우, T2에서 T3 시점 즉, 제상이 완료되어 냉동으로 전환할 수 있는 시점(0℃까지 하강하는 시점)까지 소요된 시간(이는 증발기 튜브의 온도를 기준으로 하였다)은 약 18분으로 나타났으나, 본 발명의 제상히터는 모두 1분 미만으로 나타났다. 결국, 종래 제상 히터의 제상을 위한 1 사이클(제상을 위한 히터 가동시간과 제상완료 후 콤프레셔를 가동하여 증발기 튜브가 0℃로 하강하는 데 까지 걸리는 시간)은 총 30분이 소요되는 반면에 본 발명의 제상 히터는 10분, 9분, 7분으로 종래 제상 히터의 1 사이클 당 소요되는 시간의 약 1/3 이하로 단축시킬 수 있다는 것을 확인하였다.

따라서, 본 발명은 종래 제상 히터를 채용하는 경우에 비해 제상 사이클을 크게 줄일 수 있어 그 결과 냉장고 또는 냉동장치는 냉동 사이클이 신속하게 재개될 수 있게 되어 제상 사이클로 인하여 저하되었던 냉동성능을 빠르게 회복할 수 있다.

상기한 실시예 설명에서는 냉장고의 증발기를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 제상 사이클이 요구되는 증발기를 사용하는 장치라면 공업용 또는 가정용 냉동장치 또는 설비에도 적용 가능하다.

도 17 및 도 18은 각각 본 발명의 제4 및 제5 실시예에 따른 스트립형 면상 발열체를 이용한 제상 히터를 나타낸 단면도이다.

도 17 및 도 18을 참고하면, 본 발명의 제4 및 제5 실시예에 따른 스트립형 면상 발열체를 이용한 제상 히터(10e,10f)는 전원이 스트립의 양단부에 인가될 때 발열이 이루어지고 다수의 스트립(13a-13d)이 간격을 두고 평행하게 배열되며 인접된 각 스트립의 양측단부는 직렬 또는 병렬 접속방식으로 상호 연결되는 스트립형 면상 발열체(13)와, 상기 스트립형 면상 발열체(13)의 외주에 판형상으로 피복된 절연층(17)과, 상기 절연층(17)의 상부 및 하부에 각각 부착되어 스트립형 면상 발열체(13)에서 발생된 열을 외부로 방열하는 제 1 및 제 2 열전달 기판(12a)(12b)을 포함하고 있다.

각 스트립(13a-13d)이 직렬 접속되는 경우 제4 및 제5 실시예와 같이 인접한 각 스트립(13a-13d)의 2 단부는 일체형 연결부(13e,13f)가 연결되어 있거나, 제3 실시예와 같이 직렬접속장치(50)를 이용하여 상호 연결할 수 있다.

제4 및 제5 실시예에 따른 제상 히터(10e,10f)는 상기한 제1 및 제2 실시예의 제상히터(10a,10b)와 열전달 기판의 구조만 상이할 뿐 스트립형 면상 발열체(13)와 절연층(17)의 구조는 동일하다.

제4 및 제5 실시예에서는 제1 및 제2 열전달 기판(12a,12b)은 열 전달 특성이 우수한 Cu, Ag, Au 및 Al 중의 적어도 1종으로 형성된다. 이 경우 바람직하게는 증발기의 핀이 열전달(즉, 방열특성)이 우수한 Al으로 이루어지므로, 제1 및 제2 열전달 기판(12a,12b) 또한 Al으로 이루어지고, Al로 이루어진 증발기의 핀에 브레이징 접합이 이루어질 수 있도록 제1 및 제2 열전달 기판(12a,12b)은 Al 모재에 Al-5%Si으로 이루어진 Al 합금이 핫 롤링(hot rolling) 접합되어 있는 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

도 19는 제4실시예의 제상히터가 냉장고의 증발기에 적용된 상태를 도시하는 사시도이고, 도 20은 도 19의 XX-XX 선 부분 단면도이다.

제4실시예의 제상히터(10e)가 적용되는 냉장고의 증발기(20)는 냉매가 흐르는 지그재그 형상으로 절곡된 튜브(21)에 전체의 수평 라인을 둘러싸도록 수직방향으로 길게 형성된 다수의 핀(23)이 형성된 구조를 가지고 있으며, 각각의 핀(23)마다 소정 간격을 두고, 다수의 연장부(25)가 전면 및 배면에 연장 형성된 구조를 가지고 있다.

제4실시예에 따른 제상히터(10e)는 한쌍으로 이루어지며 증발기(20)의 전면 및 후면에 각각 설치되고, 제1 및 제2 열전달 기판(12a,12b) 중 어느 하나가 증발기(20)의 튜브(21)가 통과되도록 형성된 다수의 핀(23)의 연장부(25)에 브레이징 접합 또는 접착제를 사용하여 접합된다. 상기에서 연장부(25)는 다수의 핀(23)이 증발기(20)와 수평이 되도록 절곡 형성되어 인접하는 핀(23)에 근접된다. 그러므로, 다수의 연장부(25)는 평탄한 면이 슬릿을 갖는 것과 같은 형상을 이룬다.

이에 본 발명에 따른 제상히터(10e)는 다수의 연장부(25) 상의 전면에 제1 및 제2 열전달 기판(12a,12b) 중 어느 하나가 평탄하게 부착된다. 이에, 제상 히터는 다수의 연장부(25)와 접촉하는 면적이 넓고 면접촉이 이루어지므로 스트립형 면상 발열체(13)에서 발생된 열을 효과적으로 전달하며, 다수의 연장부(25)에 전달된 열은 각각의 핀(23)을 통해 증발기(20)의 튜브(21)에 전달된다.

따라서, 제상히터는 스트립형 면상 발열체(13)에서 발생된 열은 제1 및 제2 열전달 기판(12a,12b) 중 어느 하나에서 연장부(25)를 갖는 다수의 핀(23)을 통해 증발기(20)에 손실 없이 균일하게 전달되므로 제상 효율이 향상되고 소비 전력을 감소시킬 수 있다.

도 21 내지 도 23은 본 발명의 제6실시예에 따른 스트립형 면상발열체를 이용한 제상 히터를 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.

먼저 스트립형 면상 발열체를 준비한다. 스트립형 면상발열체는 전술한 바와 같이 박막의 비정질 리본 또는 FeCrAl 합금 박판을 설정된 저항값을 갖도록 1~2mm의 폭을 갖는 스트립(도 3의 13a~13c) 패턴으로 슬리팅하여 폭을 좁게 하고 직렬 접속된 구조로 발열체의 전체 길이를 길게 형성하여, 일측 및 타측에 2 전극단자가 배치된 패턴으로 성형하여 준비한다.

도 21에 도시한 것처럼, 면상발열체(13)의 사용 가능한 절연층 재료로서 상하부에 절연재료인 PET(Polyethylene Terephthalate) 필름(17a,17b)을 배치한 후, 각각 히터가 내장된 실리콘 롤러(A,B)를 이용하여 면상발열체(13)에 상하로 PET 필름을 코팅하기 위해 라미네이팅을 실시한다.

즉, 면상발열체(13)의 상측 및 하측에 절연층(17)을 이루는 PET 필름(17a,17b)을 중첩하여 예를 들어, 100~200도로 설정된 실리콘 롤러(A,B)를 화살표방향으로 통과시키면 히터조립체(30)를 얻을 수 있다. 바람직하게는 히터조립체(30)의 두께는 0.30mm이다.

여기서, 스트립형 면상 발열체(13)의 외표면에 코팅되어 방습, 내열 및 전기 절연 기능을 하는 절연층(17) 재료로 본 실시예에서는 PET 필름을 사용하였으나, 내열성과 전기 절연성이 우수한 합성수지를 사용할 수 있으며, 예를 들어, PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), 폴리이미드(Polyimide)나, 또는 실리콘 등의 각종 전기 절연용 필름 재료를 사용할 수 있다.

이렇게 라미네이팅 방법에 의해 절연층으로 PET 필름을 코팅한 면상발열체(13)는 열을 균일하게 전달하기 위해 열전달 기판에 적층시켜야 한다. 기판은 열전달 특성이 우수한 Al, Cu, Ag 및 Au 중의 하나 또는 그의 합금 재료로 형성할 수 있으며, 본 실시예에서는 알루미늄을 사용한다. 이 경우 애노다이징 처리되어 표면에 산화 방지 및 전기절연용 절연막을 형성할 수 있다. 도 22를 보면, 알루미늄 기판(31)의 상부로 예를 들어, 실리콘 바니쉬 같은 접착 및 절연재 역할을 하는 절연층(32)을 도포한다. 그 후, 도 23에 도시한 것처럼, 절연층(32) 위에 히터조립체(30)를 본딩 고정한다. 이렇게 하여 최종적으로 제조된 제상히터(35a)의 바람직한 두께는 1.40mm이다.

도 24 내지 도 26은 본 발명의 제7실시예에 따른 스트립형 면상발열체를 이용한 제상 히터의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.

먼저, 상기한 방법으로 금속 박막을 슬리팅하여 도 3 또는 도 9와 같은 다수의 면상 발열체(33)를 준비하고, 열전달 및 면상 발열체를 지지하기 위한 기판(31)을 준비한다. 기판(31)은 면상 발열체(33)의 발생열을 균일하게 증발기에 전달하기 위한 것이므로, 열전달 특성이 우수한 Al, Cu, Ag 및 Au 중의 하나 또는 그의 합금 재료로 형성할 수 있으며, 본 실시예에서는 알루미늄을 사용한다. 이 경우 애노다이징 처리되어 표면에 산화 방지 및 전기절연용 절연막을 형성할 수 있다.

알루미늄 기판(31)이 준비 완료되면, 도 24에 도시된 것처럼, 기판(31) 위에 제1 절연층(32)을 코팅한다. 제1 절연층(32)은 실리콘 바니쉬(silicon vanish)와 같은 절연성 접착제를 사용하여 침적(dipping) 코팅방식으로 알루미늄 기판(31)에 형성된다. 상기 실리콘 바니쉬는 도포 후 반경화 상태일 때 강한 접착력을 가지므로 이러한 성질을 이용하여 접착제로 사용된다. 여기서, 제1 절연층(32)은 히터가 사용되는 전압 환경에 따라 두께가 설정되는 것이 바람직하며, 10마이크로미터 ~ 100마이크로미터 두께, 가장 바람직하게는 50마이크로미터이다. 여기서 제1 절연층의 두께가 10마이크로미터 이하로 너무 얇으면 절연성의 문제가 발생하고, 100마이크로미터 이상으로 너무 두꺼우면 열전도성이 감소한다.

알루미늄 기판(31)의 상부로 제1 절연층(32)의 코팅이 완료되면, 도 25에 도시된 것처럼 앞서 준비된 일 또는 다수의 면상발열체(33)를 배치한다. 면상발열체(33)는 도 3에 도시된 상호 연결된 지그재그 형상의 일체형 면상발열체(13) 또는 도 9와 같은 다수의 스트립형 면상 발열체(33)와 동일한 재질과 형상 및 동일한 기능을 갖는다.

면상발열체(33)를 제1 절연층(32)의 상부로 배치하여 접착이 이루어지면, 도 26에 도시된 것처럼 그 상부로 제2 절연층(34)이 침적(dipping) 코팅방식으로 알루미늄 기판(31)에 형성된다.

제2 절연층(34)도 제1 절연층(32)과 마찬가지로 실리콘 바니쉬(silicon vanish)와 같은 절연성 접착제를 사용하여 본딩 고정된다. 여기서 제2 절연층(34)은 1밀리미터 ~ 100마이크로미터 두께로 코팅되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 300 ~ 400마이크로미터 두께로 코팅된다. 제1 및 제2 절연층(32,34)의 절연재료는 실리콘 바니쉬 이외에 다른 재료를 사용하는 것도 가능하다.

상기 실시예에서는 실리콘 바니쉬를 이용하여 절연층을 형성하는 예로 하였으나, 테프론 코팅이나 플라즈마 코팅에 의한 절연층의 형성도 가능하다. 플라즈마 코팅시에는 나노 사이즈의 무기물 도료나 세라믹 소재를 이용하여 코팅할 수 있다. 이렇게 하면 스트립형 면상 발열체(33)의 외표면이 제1 절연층(32)과 제2 절연층(34)에 의해 코팅되어 방습, 내열 및 전기 절연 기능을 가질 수 있다. 제3실시예에서 최종적으로 생성된 제상히터(35)의 두께는 1.50mm이다.

여기서, 한쌍의 제상히터(35)가 제상장치로 사용될 때 도 27에 도시된 바와 같이, 제2 절연층(34)이 냉장고의 벽측을 향하여 설치되고 알루미늄 기판(31)이 증발기(20)와 대향하여 접촉이 이루어지도록 설치된다. 양측의 제상 히터(35)는 모두 핀(23)과의 접촉면에 알루미늄 기판(31)이 배치되어 있으며 서로 마주보도록 밀착되어 있다.

이와 같이 배치하면, 제상 동작시에 면상 발열체(33)로부터 발생된 열이 박막의 제1절연층(32)을 거쳐 열전달 특성이 우수한 알루미늄 기판(31)에 전도된 후, 알루미늄 기판(31)의 상/하, 좌/우에 균일한 온도로 전도가 이루어진다. 따라서, 균일한 온도의 알루미늄 기판(31)을 통하여 증발기(20)의 다수의 증발기 핀(23)에 열이 전도되므로 균일한 제상이 이루어지게 된다.

이 경우, 박막의 제1절연층(32)에 비하여 후막의 제2절연층(34)이 면상 발열체(33)의 배면을 감싸고 있으므로 제2절연층(34)이 단열층의 역할을 하게 된다. 그 결과, 제상 동작시에 면상 발열체(33)로부터 발생되는 열은 주로 박막의 제1절연층(32)을 통하여 알루미늄 기판(31)으로 전도되어 열 전도 효율이 높게 되고, 냉장고 벽을 통하여 냉장실의 온도를 상승시키는 것을 최소화할 수 있게 된다.

본 실시예에 따른 제상장치는 상기한 실시예와 유사하게 제상동작을 개시할 때 히터의 최대 상승온도까지의 승온시간이 짧으며, 제상동작을 완료한 후 압축기를 재가동하는 시점에서 가동시간을 줄여 냉동사이클로의 복귀시간을 최소화할 수 있다. 즉, 제상동작이 완료됨과 동시에 제상히터의 전원이 턴-오프되고 압축기가 작동되어 실질적으로 냉동장치의 냉동사이클이 재가동되는 시점, 즉 0℃까지 냉매관의 온도가 낮아지는 냉각시간이 짧아져(즉, 히터의 온도 응답성이 빠름), 전체적인 제상 사이클이 짧아지므로 제상 종료 후 바로 냉동 사이클로 전환 가능한 이점이 있다. 또한, 본 실시예에 따른 제상히터는 히터 표면의 최대 상승온도가 약 113도이므로 냉매의 발화점보다 현저히 낮아 히터의 온도제어가 불필요한 이점이 있다.

이하 도 26에 도시된 제7실시예의 제상히터를 이용하여 구성되는 제상장치를 냉장고의 증발기에 장착시킨 구조에 대하여 도 28 내지 도 32를 참고하여 설명한다.

도 28은 냉장고 설치벽면 쪽으로 증발기(60)의 측면을 개략적으로 도시한 것으로, 증발기(60)의 앞면과 뒷면에 각각 마주보도록 서로 다른 길이를 갖는 한쌍의 전면 및 후면 제상히터(35a,35b)를 배치한다. 이 경우, 바람직하게는 상기 전면 및 후면 제상히터(35a,35b)는 증발기(60)의 하측 1/4 구역에 배치되며, 이에 대응하는 길이를 갖도록 설정된다.

냉장고 설치 벽면쪽의 후면 제상히터(30b)는 하부의 제상수배출관(61)까지 연장 설치하며 냉장고 문쪽의 전면 제상히터(30a)는 제상수배출관(61)의 상부로 위치한다. 대략, 전면 제상히터(35a)는 100mm의 길이를 가지며, 후면 제상히터(35b)는 200mm의 길이를 가진다. 전면 및 후면 제상히터(35a,35b)의 상단은 동일하게 설정된다.

도 28의 부분 확대된 단면도를 참고하면, 전면 및 후면 제상히터(35a,35b)는 다수의 방열핀과의 접촉면에 알루미늄 기판(31)이 배치되어 있으며 서로 마주보도록 밀착 배치되어 있다.

이렇게 배치하면, 제상 동작시에 면상 발열체(33)로부터 발생된 열이 박막의 제1절연층(32)을 거쳐 열전달 특성이 우수한 알루미늄 기판(31)에 전도된 후, 알루미늄 기판(31)의 상/하, 좌/우에 균일한 온도로 전도가 이루어진다. 따라서, 균일한 온도의 알루미늄 기판(31)을 통하여 증발기(60)의 다수의 방열핀에 열이 전도되므로 균일한 제상이 이루어지게 된다.

따라서, 제상 히터(35a,35b)는 면상 발열체(33)에서 발생된 열이 직접 전도방식으로 증발기(60)에 손실 없이 균일하게 전달되므로 제상 효율이 향상되어 소비 전력을 감소시킬 수 있다.

전술한 제7실시예에 따른 제상시 각 부분의 온도를 하기 표 2를 참고하여 비교 설명한다.

종래예는 562W의 히터 용량을 갖는 글래스 히터를 사용한 것이고, 제7실시예는 180W의 히터 용량을 갖는 도 26 및 도 27에 도시된 제상 히터를 사용한 것이다.

표 2

상기 표 2에서 보는 바와 같이 종래예에서는 제상 히터가 증발기의 하단에 배치되어 대류방식으로 제상을 실시하므로 증발기 중부 및 상부의 온도가 높게 나타나고, 그 결과 아이스메이커의 온도가 11.8도로 나타나 기 생성된 각 얼음이 녹는 문제가 발생할 수 있게 된다.

이에 비하여 본 발명의 제7실시예에서는 종래에 비하여 1/3의 저용량 히터를 사용하여 저온 발열이 이루어질지라도 직접 접촉에 의한 전도방식으로 증발기에 열이 전도되므로 증발기의 제상이 빠른 시간이 이루어지면서도 증발기 중부 및 상부의 온도가 종래예와 비교하여 상대적으로 10도 이상 낮게 나타나고, 그 결과 아이스메이커의 온도가 7.5도로 나타나 기 생성된 각 얼음이 녹는 문제가 발생하지 않게 된다.

즉, 본 발명의 제7실시예를 제상장치로 적용하는 경우 약 4일에 10회의 제상 및 냉동 사이클이 반복되는 것을 확인할 수 있으며, 제상사이클의 제상 히터를 가동시키는 시간은 약 50분 정도 소요되고, 제상 완료 후에 증발기의 온도가 0도로 하강하는 시간은 증발기 하측에도 5분 이내에 도달하게 되어 빠른 냉동사이클이 재개될 수 있게 된다.

또한, 종래의 증발기에서는 튜브 온도가 영하의 온도인 -1.3도로 너무 낮기 때문에 튜브 표면의 성에가 녹지 못하고 상부로부터 녹아서 흘러내린 물 및 성에가 튜브의 표면에 들러붙어서 적층되는 문제가 발생하게 되나, 본 발명에서는 증발기 튜브의 온도가 3.5도의 영상의 온도를 갖게 되어 이러한 문제가 발생하지 않게 된다.

더욱이, 본 발명에서는 제상수배수관(61)에 인접하여 제상 히터(35b)가 배치되어 있어 제상수배수관에 수집된 제상수 및 덩어리 성에를 녹여서 증발시키는 데 어떤 문제도 발생하지 않았다.

상기한 바와 같이 종래예는 증발기와 튜브 등의 각 부분 온도가 큰 차이를 나타내고 있으나, 본 발명에서는 전면 및 후면 제상히터(35a,35b)가 모두 하측에 직접 접촉방식으로 배치되어 증발기(60)의 하측과 제상수배수관(61)은 전도방식으로 제상이 이루어지고 중간부분과 상측은 전도와 대류방식으로 제상이 이루어지게 되어, 각 부분의 온도 차이가 크지 않고 각 부분에 최적의 제상온도를 인가할 수 있게 된다.

이하의 변형예들은 제상히터(35a,35b)를 증발기(60)의 앞뒤로 배치하며 위치나 높낮이, 및 크기 등에 변화를 주어도 상기와 유사하게 증발기의 제상이 효과적임을 보여주기 위한 것이다.

도 29는 증발기(60) 앞뒤로 마주보도록 전면 및 후면 제상히터(35a,35b)를 배치한 것으로, 전면 및 후면 제상히터(35a,35b)의 높이가 서로 다르다. 즉, 전면 제상히터(35a)의 위치를 증발기(60)의 상부로 위치 이동한 예이며, 이러한 설치 구조로도 증발기에 대한 동일한 제상효과를 얻을 수 있다.

도 30은 증발기(60) 앞뒤로 마주보도록 전면 및 후면 제상히터(35a,35b)를 배치하며 동일한 길이를 갖는 제상히터가 사용된 구조이다. 즉, 냉장고 문쪽의 전면 제상히터(35a)와 냉장고 설치 벽면 쪽의 후면 제상히터(35b)는 모두 200mm의 길이를 가진다. 냉장고 문쪽 전면 제상히터(35a)의 상단 위치를 후면 제상히터(35b) 보다 상부로 배치한 예이다.

도 31은 상기와 반대로 동일 길이를 갖는 전면 및 후면 제상히터(35a,35b)를 마주보게 배치하며, 전면 제상히터(35a)를 제상수배출관(61)의 아래까지 위치시키고, 후면 제상히터(35b)를 제상수배출관(61)의 상부로 배치한 예이다.

도 32는 동일 길이를 갖는 전면 및 후면 제상히터(35a,35b)를 마주보게 배치하되, 전면 및 후면 제상히터(35a,35b) 모두를 제상수배출관(61)의 상부로 동일한 레벨로 배치한 예이다.

도 33은 본 발명의 제8실시예에 따른 제상히터를 제조하는 방법을 나타내는 개략 공정도이고, 도 34 내지 도 37은 본 발명의 제8실시예에 따른 제상히터의 제조공정을 보여주는 단면도이다.

도 33 내지 도 37을 참고하여, 본 발명의 제8실시예에 따른 제상히터의 제조방법을 먼저 설명한다.

먼저, 히터조립체(120)(도 40 참조)가 설치되는 기판(110)을 직사각 형상의 원하는 크기, 예를 들어, 증발기의 좌/우 폭에 대응하는 길이와 증발기 길이의 일부에 대응하는 폭을 갖는 형태로 프레스(press) 가공하여 절단한 후에 길이방향의 양측 변을 벤딩(bending) 가공하여, 가공 후에 휨이나 변형되지 않도록 강도 보강한다(S100).

상기 기판(110)은 히터조립체(120)를 안정적으로 지지함과 동시에 히터조립체(120)의 면상히터로부터 발생된 열을 증발기에 균일하게 전달하기 위한 것으로, 열전달 특성이 우수한 Al, Cu, 및 Ag 중의 하나 또는 그의 합금 재료를 사용할 수 있으며, 본 실시예에서는 저가이면서도 성형성이 좋고 경량인 Al(알루미늄)을 사용한다.

도 38 및 도 39를 참고하면, Al으로 이루어진 기판(110)을 사용하는 경우 1mm 정도의 두께를 사용하는 경우 길이방향 양측 변을 벤딩(bending) 가공하지 않을 지라도 가공 후에 휨이나 변형되지 않으나, 빠른 전도 효율과 재료비 절감을 위해 기판의 두께를 0.5mm로 설정하는 경우는 좌우측 변을 벤딩 가공하여 강도를 보강하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 기판(110)으로서 1mm 두께의 Al판을 0.5mm 두께로 변경하는 경우 히터의 용량을 200W에서 180W로 낮출지라도 이러한 제상히터를 증발기에 적용하는 경우 증발기에의 전이온도는 25~45℃에서 30~60℃로 5~15℃ 만큼 온도가 증가하는 이점이 있게 된다.

벤딩 가공 구조로서 도 38에 도시된 바와 같이 기판(110)의 양측 변을 직각으로 절곡시킨 보강리브(111)를 형성하거나, 도 39에 도시된 바와 같이 기판(110)의 양측 변을 직각으로 절곡시킨 후 절척시킨 보강리브(112)를 형성할 수 있으며, 다른 보강 구조를 선택할 수 도 있다.

또한, 도 41 및 도 42에 도시된 바와 같이, 기판(110)의 길이방향의 양 단부에도 직각 절곡된 보강리브(114)를 형성함과 동시에 기판(110)에 장착된 히터조립체(120)로부터 인출되는 전원 케이블(140)을 기판에 고정시키기 위하여 일단부가 기판(110)에 연결된 다수의 고정편(113)을 보강리브(114)에 인접하여 상기 프레스 가공시에 동시에 성형하는 것이 바람직하다. 상기 다수의 고정편(113)은 선단부를 벌린 후, 상기 전원 케이블(140)을 벌려진 홈내에 삽입하고 고정편(113)의 선단부를 절곡시킴에 의해 전원 케이블(140)을 간단히 고정시킨다.

그 후 기판(110)은 도 34와 같이 전기적 절연 처리를 실시하여 일측면에 제1절연층(115)을 30~100um 두께로 형성한다(S200). 기판(110)이 알루미늄인 경우 애노다이징 처리하여 알루미나 절연막을 30~40um 두께로 형성하거나, 50~70um 두께의 실리콘 바니쉬 코팅, 30~50um 두께의 플라즈마 코팅을 실시할 수 있다.

상기 애노다이징에 의해 형성되는 알루미나 절연막은 표면 조도가 낮으므로 표면 조도를 높이기 위해 애노다이징과 실리콘 바니쉬 코팅을 동시에 수행할 수도 있다. 기판(110)의 제1절연층(115)으로서 절연성과 전도성이 모두 우수한 것은 플라즈마 코팅이다.

더욱이, 나노 입자 게르마늄을 사용하여 고전압에서 나노 동봉 처리함에 의해 표면의 미세한 요홈을 나노 입자 게르마늄으로 실링 처리하여 표면 조도를 높이는 경우 히터를 기판(110)의 표면에 직접 접촉시켜도 절연성을 보장할 수 있는 3000V 이상의 내 절연전압을 실현할 수 있다.

제1절연층(115)은 면상 히터가 사용되는 전압 환경에 따라 두께가 설정되는 것이 바람직하며, 여기서 제1절연층의 두께가 30um 이하로 너무 얇으면 절연성의 문제가 발생하고, 100um 이상으로 너무 두꺼우면 열전도성이 감소하기 때문이다.

또한, 상기한 절연방법 이외에도 열경화성 수지 코팅 또는 테플론 코팅 등을 사용하는 것도 가능하다.

이하에 본 발명에 따른 히터조립체의 조립방법에 대하여 도 40을 참고하여 설명한다(S300).

본 발명에 따른 히터조립체(120)는 도 35 및 도 40에 도시된 바와 같이, 금속 박막을 절단하여 얻어지는 다수의 선형 면상발열체(121)와 상기 다수의 선형 면상발열체(121)를 직렬 접속시키기 위한 제1 및 제2 히터조립 인쇄회로기판(PCB)(122,124)으로 이루어진다.

이 경우, 상기 제1 및 제2 히터조립 PCB(122,124)은 절연기판으로 에폭시 보드인 FR4 계열을 사용하거나, 메탈 PCB 또는 세라믹 PCB를 사용할 수 있다.

제1 및 제2 히터조립 PCB(122,124) 각각에는 다수의 면상발열체(21)를 일정 피치로 연속하여 접착하기 위한 다수의 연결패드(122a-122g;124a-124f)가 일정한 간격으로 도전체, 예를 들어, Cu로 형성되어 있다. 또한, 상기 연결패드(122a-122g; 124a-124f)의 표면에는 주석(Sn) 또는 금(Au) 도금 처리한 것이 바람직하다.

상기 제1 히터조립 PCB(122)는 도 41 및 도 42와 같이 PCB의 배면에 전원 케이블(140)의 전원터미널이 연결되는 전원터미널패드(125)를 형성하기 위하여 양면 PCB를 사용하는 것이 바람직하며, 제1 히터조립 PCB(122)의 연결패드(122a-122g) 중 양 끝단에 배치된 연결패드(122a,122g)는 도전성 스루홀(through-hole)(125a)을 통하여 배면에 형성된 전원터미널패드(125)와 전기적으로 연결된다.

제1 히터조립 PCB(122)의 다수의 연결패드(122a-122g)는 제2 히터조립 PCB(122,124)의 다수의 연결패드(124a-124f)보다 1개 더 많이 형성되어 있으며, 제1 히터조립 PCB(122)의 연결패드(122a-122g)는 다수의 면상발열체(121)를 직렬 접속시키는 데 적합하도록 제2 히터조립 PCB(122,124)의 연결패드(124a-124f) 위치와 편위되어 배치되어 있다.

또한, 제1 및 제2 히터조립 PCB(122,124)의 양 단부에는 기판 위에 고정될 때 이용할 수 있도록 각각 한쌍의 리벳홀(123a,123b)을 형성하는 것이 바람직하다.

상기 히터조립체(120)는 제1 및 제2 히터조립 PCB(122,124)를 간격을 두고 양측에 배치하고, 다수의 면상발열체(121)의 양 단부를 제1 히터조립 PCB(122)의 다수의 연결패드(122a-122g)와 제2 히터조립 PCB(122,124)의 다수의 연결패드(124a-124f)에 각각 연결시킴에 의해 다수의 면상발열체(121)를 직렬 접속시키고, 배면에 형성된 전원터미널패드(125)에 전원 케이블(140)의 전원터미널을 연결시킨다.

상기 다수의 연결패드(122a-122g;124a-124f)에 다수의 면상발열체(121)를 연결하는 방법은 도전성 접착제를 사용하여 본딩하거나, 스폿 용접(spot welding) 또는 레이저 용접에 의해 접착시킨다. 이러한 용접을 이용한 연결방법은 면상발열체(121)의 발열시에 170℃를 넘지 않아 면상발열체(121)와 연결패드(122a-122g;124a-124f) 사이는 어떤 문제도 발생되지 않는다.

상기 히터조립체(120)는 다수의 연결패드(122a-122g;124a-124f)에 다수의 면상발열체(121)를 직렬 접속방식으로 연결한 것으로, 전원 케이블(140)의 전원터미널과 다수의 면상발열체(121)를 통하여 전원이 인가되면 다수의 면상발열체(121)가 연결패드(122a-122g;124a-124f)를 통해 직렬 연결되어 원하는 용량의 발열 가능하도록 한다.

그러나, 상기 다수의 면상발열체(121)는 히터조립체(120)에 요구되는 정격 용량에 따라 직렬 접속방식 대신에 직렬 및/또는 병렬 접속이 이루어질 수 있다.

후술하는 바와 같이 본 발명의 히터조립체(120)에 사용되는 다수의 면상발열체(121)는 소정 두께의 금속 박막을 선형상으로 슬리팅하여 스트립형태로 사용한다.

상기 스트립형태의 면상 발열체(121)는 열선 재료의 특성으로 요구되는 비저항값(통상적으로 1.0~1.4ωmm ² /m의 범위)이 큰 것이 바람직하나, 비저항값이 적어도 1이상인 경우 저렴하게 입수 가능하다면 어떤 금속재 또는 합금 재료도 사용 가능하다.

그러나, 비저항값이 이보다 더 작다면 다수의 면상발열체(121)는 예를 들어, 냉장고용 증발기의 제장장치로 일반적으로 약 200W의 용량을 갖는 히터가 사용되고 있는 점을 고려할 때 직렬접속으로 이루어짐과 동시에 보다 많은 면상발열체를 사용하여 히터조립체(120)의 크기가 점점 증가해야하는 문제가 있어 바람직하지 못하다.

이와 같은 스트립형태의 면상 발열체(121)는 상기한 제1실시예의 제상히터와 동일한 재료로 이루어진다.

그 결과, 본 발명에서 비정질 박판으로 이루어진 리본을 가공하여 제작되는 스트립형태의 면상 발열체(121)는, 종래의 니크롬선으로 이루어지는 코일형 열선과 비교할 때, 상대적으로 과다 및/또는 고온 열 발생을 고려하여 발열체 외주에 두꺼운 내열성 또는 절연성 피복층을 형성할 필요가 없게 된다. 따라서, 발열체로부터 발생된 열이 높은 열전달 효율로 전도/전달이 이루어질 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 스트립형태의 면상 발열체(121)는 히터의 표면 온도가 시즈 히터와 같이 600~800℃의 고온으로 상승하지 않고 170℃를 넘지 않기 때문에 고가의 컨트롤러를 사용한 정밀한 온도 제어가 요구되지 않는다. 즉, 본 발명에서는 면상 발열체(121)에 인가되는 전원을 단순한 ON/OFF 제어만으로도 제상작용이 이루어질 수 있게 된다.

더욱이, 본 발명의 면상 발열체(121)가 비정질 재료를 사용하여 이루어지는 경우 원천적으로 친환경 냉매의 냉매 비점보다 100℃ 이하로 발열이 이루어지므로 UL 권고사항도 만족하고 있다.

그러나, 만약 발열체에 부분적으로 단락(short-circuit)이 발생하여 순간적으로 친환경 냉매의 발화점 이상으로 히터의 온도가 상승하게 되면 비정질 합금의 면상 발열체 재료는 결정화가 이루어지면서 마치 퓨즈와 같이 순간적인 단선이 발생하게 된다.

즉, 비정질 조직은 금속결정학적으로 원자가 무질서하게 배치(Randomly oriented)되어 있기 때문에 비저항이 매우 크게 나타나나, 결정화가 진행되어 결정질 조직을 갖는 경우 원자가 일정한 구조를 갖고 배치되므로 비저항이 낮아지고, 또한 박막의 면상 또는 선형 발열체로 사용하는 경우 고전류 흐름으로 인한 발열에 의해 단선이 발생하게 된다.

그 결과, 본 발명의 비정질 재료로 이루어진 면상 발열체는 과열로 인한 화재가 발생하지 않고 히터 기능을 상실하여 자기 스스로 안전성을 보장할 수 있는 새로운 히터 재료이다.

한편, 본 발명에서 채택하고 있는 면상발열체(121)는 냉장고용 증발기의 제상에 필요한 미리 설정된 온도와 시간 범위 내에서 발열이 이루어지도록 200W 정도의 히터 용량을 구현하는데 적합한 저항값을 갖도록 설정되어야 한다.

이를 위해 면상발열체(121)의 재료가 금속 박판이므로 예를 들어, 증발기의 크기에 따라 제상용 면상 히터의 미리 설정된 폭과 길이 및 면적이 결정되면, 우선 광폭의 비정질 리본을 미리 설정된 폭을 갖는 스트립형태로 슬리팅한다.

그 후 미리 설정된 폭으로 슬리팅된 면상 발열체를 미리 설정된 전체 길이를 증발기의 폭에 따라 동일한 길이를 갖는 다수의 면상 발열체(121)로 절단하여 준비하고, 이들을 도 40에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 히터 조립 PCB(122,124)를 이용하여 직렬 접속방식으로 연결하여 히터조립체(120)를 완성하면, 원하는 히터 용량을 갖는 제상 히터가 얻어지게 된다.

면상발열체가 비정질 재료인 경우 이를 직렬 접속방식의 지그재그 패턴으로 프레스 가공 또는 에칭방법으로 성형하는 방법은 재료 손실이 크고 가공이 어려우며 높은 처리비용이 요구되나, 상기한 슬리팅 방식의 성형은 성형이 쉽게 이루어지고 재료 손실이 거의 없다. 또한, 제1 및 제2 히터 조립 PCB(122,124)를 이용함에 의해 다수의 면상 발열체(121)의 조립이 쉽게 이루어지면서도 슬림한 형태로 이루어지게 된다.

그러나, 면상발열체가 비정질 재료 이외의 재료, 예를 들어 FeCrAl인 경우, 직렬 접속방식의 지그재그 패턴으로 프레스 가공 또는 에칭방법으로 성형하는 것은 가능하나 에칭방법은 처리비용이 높은 문제가 있다.

그럼에도 불구하고 히터 용량이 작고, 지그재그 패턴 면적이 소형인 경우에는 에칭방법으로 성형할 수 있으며, 히팅 면적이 크기 때문에 온도 유지의 균일성이 요구되거나 히터에 허용되는 면적이 큰 경우에는 다수의 면상 발열체를 직렬접속 뿐 아니라 병렬접속 방식으로 연결하여 사용할 수 있다.

다시 도 33을 참고하면, 히터조립체(120)의 조립이 완료된 후, 기 성형한 기판(110) 위에 히터조립체(120)를 고정시킨다(S400).

이때, 히터조립체(120)는 도 41과 같이 제1절연층(115)이 형성된 기판(110) 위에 면상발열체(121)가 제1절연층(115)과 접촉하도록 배치하여, 히터조립 PCB(122,124)가 면상발열체(121)의 상부로 배열되도록 한다. 이어서, 제1 및 제2 히터조립 PCB(122,124)의 양 단부에 위치된 한쌍의 리벳홀(123a,123b)을 이용하여 기판(110) 위에 고정시킨다.

이 경우 바람직하게는 기판(110)의 제1절연층 상부로 먼저 실리콘 바니쉬를 박막으로 코팅한 후, 코팅된 실리콘 바니쉬 박막을 접착제로 이용하여 히터조립체(120)를 부착시키는 것이 좋다.

이어서, 히터조립체(120)를 기판(110) 위에 배열한 후, 히터조립체(120)의 전원터미널 패드(125)를 제외한 나머지 부분에 실리콘 바니쉬를 코팅함에 의해 제2절연층(130)을 형성한다(S500). 제2절연층(130)은 앞서 설명된 제1절연층(115)과 동일하게 형성할 수 있으며, 본 실시예에서는 실리콘 바니쉬를 0.5~1.0mm 두께 범위로 히터조립체(120) 전체를 실링하도록 형성하여 절연이 이루어지게 한다.

이렇게 하여 제2절연층(130)까지 형성이 완료되면, 도 42와 같이 히터조립 PCB(122) 상에 노출된 한쌍의 전원터미널 패드(125)에 각각 전원케이블(140)의 전원터미널을 스폿 용접하여 연결한다(S600).

터미널패드(125)는 히터조립 PCB(122)의 연결패드(122a: 도 40참조)와 도전성 스루홀(125a)을 통하여 연결되므로 전원케이블(140)을 통해 전원이 인가되면, 스루홀(125a)을 통해 연결패드(122a)상에 연결된 다수의 면상발열체(121)에 전원이 인가되어 다수의 면상발열체(121)가 모두 발열된다.

끝으로, 전원터미널이 연결된 전원터미널 패드(125)의 상부로 실리콘 바니쉬를 코팅하여 제3절연층(135)을 형성한다(S700).

상기와 같이, 전원터미널 패드(125)의 상부로 실링용 제3절연층(135)이 형성되면 히터조립체(120) 전체의 실링이 완성된다.

그 후, 전원터미널 패드(125)로부터 인출된 전원케이블(140)을 보강리브(114)의 벽으로 유도하여 정리한 후, 다수의 고정편(113)을 이용하여 압박 고정시키면 전원케이블(140)의 고정이 간단히 이루어지며, 이러한 케이블의 고정은 인장력 향상을 도모할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에서는 상기한 금속 박판을 프레스(press) 가공하여 절단할 때(S100), 도 43 및 도 44에 도시된 바와 같이 추후에 완성된 제상히터(160)를 증발기(150)의 지지프레임(152)에 고정 결합시키는데 이용될 수 있는 4쌍의 결합편(116a,116b)을 간격을 두고 기판(110)의 4 모서리 부분에 일체로 형성할 수 있다.

상기한 기판(110)의 각 모서리에 4쌍의 결합편(116a,116b)을 일체로 형성한 경우, 별도의 고정장치를 사용하지 않고 쉽게 제상히터(160)를 증발기(150)의 지지프레임(152)에 고정시킬 수 있게 된다.

이 경우, 바람직하게는 제상장치는 전면 제상히터와 후면 제상히터로 이루어지고, 전면 제상히터는 예를 들어, 증발기(150)의 폭에 대응하는 길이와 70~110mm의 폭으로 이루어져서 증발기(150)의 하단에 부착되며, 후면 제상히터는 증발기( 150)의 폭에 대응하는 길이와 150~210mm의 폭으로 이루어져서 증발기(150)의 하단에 제상수 결빙관(도시되지 않음)까지 커버하도록 배치된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 금속 박판을 스트립 형상으로 가공한 면상 발열체를 히터로 사용하며, 제상장치용 히터로서 적정한 용량을 갖도록 다수의 선형 면상발열체를 직렬 및/또는 병렬 접속할 때 한쌍의 히터조립 PCB를 이용함에 의해 재료 손실을 최소화하면서도 조립 생산성, 내구성 및 신뢰성이 높고 슬림한 타입으로 히터조립체를 조립할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 금속 박막의 면상 발열체를 채용하여 열 밀도가 낮아 원천적으로 냉매의 발화점 이하로 발열이 이루어지며 그 결과 히터의 온도 제어를 고가의 콘트롤러를 사용하지 않고 단순한 ON/OFF 제어로도 가능하고, 열 충격에도 강하며 온도 응답성이 매우 빨라 제상사이클 종료 후 빠르게 냉각사이클로 전환이 이루어지며, 열전달 효율이 높아 전력/열 변환 효율의 극대화를 도모할 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는 면상발열체의 재료로서 비정질 재료를 이용함에 의해 친환경 냉매의 발화점 이상으로 히터의 온도가 상승하는 경우 히터의 결정화가 이루어지면서 자연적인 단락이 발생하여 과열로 인한 안전성을 보장할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.