KR100764940B1 - 차량의 전기히터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 차량의 전기히터에 관한 것이다. 특히, 절연 폴리머판과 상기 절연 폴리머판의 상부면에 형성되는 카본 인쇄층 및 전극층을 포함하는 카본 발열체 시트 모듈이 발열핀과 방열플레이트와 함께 방사상으로 회전 형성되는 구성으로, 전력을 열로 변환시 적은 열손실을 통한 우수한 열효율이 구현되도록 하고, 전기저항을 일정하게 유지하는 보증시간이 장시간 유지됨으로써 방열 특성이 향상되고 제조비용을 줄일 수 있는 특징이 있다.
카본, 발열체, 방열핀, 전기히터, 절연 폴리머판
Description
도 1은 종래기술에 따른 차량의 전기히터를 도시한 사시도.
도 2b는 본 발명에 따른 차량의 전기히터를 도시한 구성도.
도 2b는 본 발명의 변형예에 따른 차량의 전기히터를 도시한 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 차량의 전기히터의 카본 발열체 시트 모듈을 도시한 사시도.
도 4는 도 3의 "A" 부분을 확대한 확대도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
100 : 방열 플레이트 200 : 카본 발열체 시트 모듈
210 : 절연 폴리머판 220 : 카본 인쇄층
330 : 전극층 300 : 방열핀
410 : 양전극 420 : 음전극
본 발명은 차량의 전기히터에 관한 것으로서, 발열하는 카본 발열체 시트 모듈와 방열핀 및 방열 플레이트가 방사상으로 회전 형성되어 HVAC 또는 덕트 등에 설치됨으로써 우수한 열효율을 구현하는 차량의 전기히터에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차의 전기식 프리히터는 냉각수를 가열하는 냉각수 가열식프리히터와 공기를 가열하는 공기 가열식 프리히터를 포함하고, 공기 가열식 프리히터는 다시 공기 가열식 일체형 프리히터와 공기 가열식 PTC 독립형 프리히터로 나눌 수 있다.
예컨대, 냉각수 가열식 프리히터는 저항 발열체 와이어를 통해 히터 열교환기로 유입되는 냉각수를 가열한다. 그러나, 이러한 냉각수 가열식 프리히터는 냉각수로 인한 열 손실로 인해 가열 속도가 느리고, 저항 발열체 와이어는 화재의 우려가 크다는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위한 PTC 발열체를 이용한 냉각수 가열식 프리히터의 경우 프리히터가 일정 온도 이상으로 상승되면 PTC 특성상 저항이 급격히 증가하게 되는데, 이때 전류를 낮추어 온도가 과열되지 않도록 하여 화재 우려를 불식시킬 수는 있으나, 이러한 프리히터의 경우에도 냉각수를 가열하기 위한 가열속도가 오래 걸리는 단점이 있었다.
한편, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 공기 가열식 프리히터에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 공기 가열식 프리히터를 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 공기 가열식 프리히터는 다수의 방열핀(10)들이 적재되고, 상기 방열핀(10) 사이에는 PTC 소자가 프레임에 끼워진 상태로 절연체와 함께 조립된 PTC 소자 조립체(20)가 설치되어 히터 코어 어셈블리를 형성한다. 상기 히터 코어 어셈블리의 상,하단에는 어퍼 하우징(30)과 엔드 하이징(40)이 각각 설치되고, 이들 어퍼 하우징(30)과 엔드 하우징(40)에 의해 텐션을 받는 사이드 플레이트(50)가 어퍼 하우징(30)과 엔드 하우징(40)에 끼워져 조립된다. 이때, 상기 PTC 소자 조립체(20)는 양극 단자가 되고, PTC 소자 조립체(20)의 측부에는 음극단자(60)가 배치되어 양극 단자와 음극 단자(60)가 서로 인접한 상태에서 교호적으로 배치되어 상기 PTC 소자에 전류가 통전되도록 한다.
그러나 이와 같은 공기 가열식 프리히터는 양극 단자와 음극 단자(60)가 서로 노출된 상태로 인접 배치되는 구성으로, 수분이 침투하는 경우 쇼트가 발생될 수 있고,
특히, 공기 가열식 일체형 프리히터는 히터 코어에 PTC 소재를 사용한 PTC 발열체와, 방열핀 및, 냉각수가 흐르는 튜브를 마련하여 히터 코아 주위로 유동하는 공기를 가열하는 구성으로, PTC 발열체에서 발생되는 열 중에서 30~40%만이 방열핀을 통해 전달되고, 나머지 열은 냉각수가 흐르는 튜브에 전달되는 바, 냉각수에 의한 큰 열 손실로 인해 가열 효과가 미약하고, PTC 발열체의 단점인 돌입 전류가 배터리 용량을 초과하여 나타나는 문제가 있었다.
또한, 공기 가열식 PTC 독립형 프리히터는 온도가 상승함에 따라 저항이 급격히 상승하는바, 초기의 돌입전류가 배터리 용량을 초과하여 흐르는 문제가 있었고, 프리히터 제조시 PTC 원료 분말을 프레스로 성형하여 소결하여야 PTC 특성을 보이므로 독립형 프리히터 면적의 일부분을 PTC 소자로 사용하여 방열핀을 사용하는 경우 부위별 온도 분포가 균일하지 못하는 단점이 있었다. 또한, 조립 공정이 복잡하고 제작상 어려움으로 인해 제품의 생산성이 저하되는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 전술된 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전력을 열로 변환하기 위한 과정에서의 열손실을 감소시키는 차량의 전기히터를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 빠른 시간안에 원하는 온도까지 상승시킬 수 있는 차량의 전기히터를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 전기저항을 일정하게 장시간 유지되도록 하여 방열특성을 향상시키기 위한 차량의 전기히터를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 차량의 전기히터는 카본 발열체 시트 모듈과, 상기 카본 발열체 시트 모듈의 일면에 설치되어 상기 카본 발열체 시트 모듈에서 발산되는 열을 방열하는 방열핀을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 카본 발열체 시트 모듈과 방열핀 사이에는 방열플레이트가 더 설치되는 것이 바람직하고, 상기 카본 발열체 시트 모듈과 방열플레이트 및 방열핀은 방사상으로 권취되어 달팽이관 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 카본 발열체 시트 모듈과 방열플레이트 및 방열핀은 평형하게 상호 적층 형성될 수 있다.
또한, 상기 카본 발열체 시트 모듈은 절연 폴리머판과, 상기 절연 폴리머판의 상부면에 형성되는 카본 인쇄층과, 상기 절연 폴리머판의 상부면에 인쇄되고 상기 카본 인쇄층과 전기적으로 연결되는 전극층을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 전극층은 상기 절연 폴리머판의 상부면에 길이방향으로 연장형성되고, 양전극과 전기적으로 연결되는 제1전극라인과, 상기 제1전극라인과 나란하게 배치되어 음전극과 전기적으로 연결되는 제2전극라인을 포함하고, 상기 제1전극라인과 제2전극라인에는 해당 대향측으로 연장형성되는 복수개의 분기전극이 교호로 배치될 수 있다. 또한, 상기 카본 인쇄층은 상기 절연 폴리머판의 상부면에 길이방향으로 연장형성되는 복수개의 카본 코팅라인을 포함하고, 상기 복수개의 카본 코팅라인은 상기 제1 및 제2전극라인의 분기전극에 전기적으로 접촉되도록 구성될 수 있다.
첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2a는 본 발명에 따른 차량의 전기히터의 구성도를 나타낸 도면이고, 도 2b는 본 발명의 변형예에 따른 차량의 전기히터의 구성도를 나타낸 도면이고, 도 3은 차량의 전기히터의 카본 발열체 시트 모듈의 사시도를 나타낸 도면이며, 도 4는 도 3의 "A" 부분의 확대도를 나타낸 도면이다.
도 2a 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량의 전기히터는 카본 발열체 시트 모듈(200)와, 상기 카본 발열체 시트 모듈(200)에 밀착 설치되는 방열핀(300)을 포함하여 구성된다. 이때, 상기 카본 발열체 시트 모듈(200)과 방열 핀(300) 사이에는 별도의 방열플레이트(100)가 더 설치 될 수 있다.
구체적으로 상기 카본 발열체 시트 모듈(200)과 방열플레이트(100) 및, 방열핀(300)은 상호 밀착된 상태에서 해당 일단부를 기준으로 방사상으로 권취되는 달팽이관 형태로 성형된다. 이때, 인접한 상기 방열플레이트(100) 사이에는 방열핀(300)을 형성하여 상기 카본 발열체 시트 모듈(200)에서 열 발생시 공기가 유동되며 방열되도록 한다.
상기 방열플레이트(100)는 열전도가 우수한 얇은 띠 형상의 알루미늄제 박판으로, 해당 일면에는 전원 인가시 발열하는 카본 발열체 시트 모듈(200)이 밀착되고(이에 대한 세부적인 내용은 후술한다), 타면으로 상기 카본 발열체 시트 모듈(200)에서 발생되는 열을 외부로 방열시키기 위한 방열핀(300)이 밀착된다. 이때, 상기 카본 발열체 시트 모듈(200)과 방열플레이트(100) 및, 방열핀(300) 간의 결합은 통상의 기계적인 압착에 의해 고정될 수 있으며, 예를 들어 이들을 상호 밀착한 상태에서 별더의 압착커버를 더 설치하여 이들을 상호 고정시킬 수 있다.
이와 같이, 카본 발열체 시트 모듈(200)이 권취되어 형성되는 차량 전기히터 형태는 이에 한정되지는 않으며, 상기 카본 발열체 시트 모듈(200)로부터 발열되는 열을 상기 방열핀(300)을 통해 효과적으로 방열할 수 있는 구조는 모두 포함한다. 예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 카본 발열체 시트 모듈(200)과 방열플레이트(100) 및, 방열핀(300)가 평행한 상태로 상호 적층형성될 수도 있다.
본 발명에 적용된 방열핀(300)은 발열체로부터 발산되는 열을 외부로 방열하는 기능에 있어, 종래의 전기히터에 적용되는 방열핀(300)과 동일하므로 이에 대한 상세 설명은 생략하기로 한다. 다만, 바람직하게 상기 방열핀(300)의 형상은 방열플레이트(100) 일면에 접촉되는 지그재그 형태를 제안할 수 있으나, 인접하는 복수개의 방열플레이트(100) 사이에 접촉되며 열을 효율적으로 방열할 수 있는 형상으로, 공기와 접촉되는 접촉면적을 확대시키기 위한 형태이라면 어떠한 구성이라도 가능하다.
이와 같은 구성의 차량 전기히터는 에어컨 HVAC 내에 마련된 덕트의 송풍구에 조립, 고정될 수 있으며, 설치된 전기히터는 12~13.5V의 전원이 인가되면 유동하는 공기를 가열시켜 차량내를 난방하거나, 차량 유리창에 생성된 서리나 포그를 제거할 수 있다. 이때, 상기 차량 전기히터는 온도센서를 더 구비하여 일정 온도 이상으로 가열되면 가열방지를 위한 전원 공급이 차단되도록 함으로써, 일정 온도 범위에서만 작동되도록 한다. 예를 들어, 본 발명의 일시예에 따른 전기히터는 12~13.5V의 전압에서 전력 용량이 0.1~1.5,KW 범위이고, 발열온도는 20~300도 범위 내에서 자유롭게 조절 가능하다.
또한, 종래 차량 전기히터의 경우 초기 배터리 용량이 100~120A를 초과하는 돌입전류가 발생되는 문제가 있었지만, 본 발명에 의한 차량 전기히터의 경우 전류가 70A 이내로 유지가능하므로, 용량을 초과하는 돌입전류 문제를 해결할 수 있다는 장점이 있다.
이하, 상기 카본 발열체 시트 모듈에 대해 구체적으로 설명한다.
상기 카본 발열체 시트 모듈(200)은 절연 폴리머판(210)과 상기 절연 폴리머 판(210)의 상부면에 형성되는 카본 인쇄층(220)과 상기 카본 인쇄층(220)에 전기적으로 연결되는 전극층(230)을 포함하여 구성된다.
상기 전극층(230)은 절연 폴리머판(210)의 상부면에 길이방향으로 연장형성되는 제1전극라인(231) 및, 상기 제1전극라인(231)에 나란하게 배치되는 제2전극라인(232)으로 구성되고, 상기 제1 및 제2전극라인(231),(232)은 양전극(410)과 음전극(420)에 전기적으로 각각 연결된다. 상기 제1전극라인(231)과 제2전극라인(232) 간의 대향측에는 해당 대향방향으로 소정 길이 연장형성되는 분기전극(233)이 복수개 형성되되, 상기 제1전극라인(231)의 분기전극(233)과 제2전극라인(232)의 분기전극(233)은 교호로 배치된다. 이러한 전극층(230)은 알루미늄(Al), 철(Fe),동(Cu), 은(Ag)과 같이 전기 전도도가 높은 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 카본 인쇄층(220)은 카본, 카본 블랙 목탄분, 흑연분말과 같은 도전성 카본 원료를 고온, 고압으로 가열, 가압한 후 냉각하여 카본 분말을 형성한 후, 이렇게 형성된 카본 분말을 바인더와 혼합하여 절연 폴리머판(210)의 상부면에 형성되도록 한다. 특히, 카본 분말의 형성시에는, 카본 분말을 뽑아내는 분위기 GAS 및 냉각 속도에 의해 최외곽 궤도 전자들의 각도가 조절되도록 한다. 즉, 최외각 L궤도를 이동하는 4개의 전자 간의 이격 각도가 크면 클수록 전도성 보다는 저항성이 증가되어 발열 효과를 증대시킬 수 있다. 이와 같이 상기 절연 폴리머판(210)의 상부면에 형성되는 카본 인쇄층(220)은 상기 제1 및 제2전극라인(232)의 분기전극(233)에 전기적으로 접촉되도록 복수개의 카본 코팅라인을 형성한다.
또한, 상기 카본 인쇄층(220)과 전극층(230)에는 외부와의 통전을 방지하는 절연층이 형성될 수 있다. 즉, 상기 절연층은 폴리 아미드와 같은 내열 절연물질로 이루어져 상기 절연 폴리머판(210)에 형성된 카본 인쇄층(220)과 전극층(230)이 외부의 다른 도전성 물질과 통전이 이루어지지 않도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 차량 전기히터의 제조방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저 카본 발열체 시트 모듈(200)을 제조하고, 카본 발열체 시트 모듈(200)에 방열플레이트(100)와 방열핀(300)을 밀착시키고, 이들을 권취하여 달팽이관 형상으로 성형하여 차량 전기히터를 완성한다. 이때, 상기 카본 발열체 시트 모듈(200)에 방열플레이트(100)와 방열핀(300)을 상호 평행하게 밀착시켜 적층형성할 수도 있다.
상기 카본 발열체 시트 모듈(200)를 제조하기 위해서는 먼저, 카본 슬러리 혼합액을 제조한 후, 형성된 카본 슬러리 혼합액을 절연 폴리머판(210)에 인쇄하여 카본 인쇄층(220)을 형성하고, 상기 절연 폴리머판(210)에 인쇄된 카본 인쇄층(220)과 전기적으로 연결되는 전극층(230)을 인쇄한다.
예컨대, 상기 카본 발열체 시트 모듈(200)을 제조하기 위한 카본 슬러리 혼합액은 먼저, 도전성 카본 원료인 카본 또는 카본블랙 목탄분, 흑연분말 등을 준비하여 소정 용량의 챔버에 투입한다. 도전성 카본 원료가 챔버내에 충진되면, 챔버를 약 1500~3000도 범위의 온도과 5~15기압 범위의 압력으로 가열 가압하여 카본 성분을 녹인다. 이렇게 고온 고압이 가해진 카본 성분은 챔버에 마련된 미세 노즐 을 통해 액으로 분사되는데, 분사되는 카본 액을 진공 상태에서 일정 속도로 냉각시키고, 냉각기를 통해 카본 액이 카본 분말로 응고되도록 한다. 이때, 카본 분말을 뽑아내는 분위기 GAS 및 냉각 속도에 의해 최외각 L궤도를 이동하는 4개의 전자 간의 이격 각도가 커지도록 조절함으로써 전도성보다 저항성이 증가하여 발열 효과가 증대되도록 한다. 이와 같이 원하는 일정 전압에서 일정 전류와 저항치를 갖는 카본 분말이 제조되면 생성된 카본 분말을 일정량의 바인더와 혼합하여 카본 슬러리 혼합액을 제조한다.
다른 실시예로, 상기 카본 발열체 시트 모듈(200)을 제조하기 위한 카본 슬러리 혼합액은 유기 절연체 화합물과, 세라믹 바인더와, Ni, Cr, Mo 등과 같이 저항성이 큰 금속소재의 저항체 물질에 분산제를 첨가하여 제조할 수도 있다.
이와 같이, 카본 슬러리 혼합액이 생성되면, 제조된 상기 카본 슬러리 혼합액을 폴리 아미드와 같이 내열성의 플랙시블한 절연 폴리머판(210)에 롤링이나 스프레이 등의 방법으로 일정 두께로 여러 줄 인쇄 하여 복수개의 카본 코팅라인을 형성한다.
계속하여 상기 절연 폴리머판(210)에 형성된 카본 코팅라인으로 제1전극라인(231)과 제2전극라인(232)으로 구성되는 전극층(230)을 전기적으로 연결한다. 이때 각각에 연결된 전극라인은 한 극을 양극으로, 다른 한 극을 음극으로 하여 각각 병열 연결하고, 최종적으로 이들 양전극과 음전극을 배선으로 연결하여 양극과 음극이 교호로 배치되도록 하여 카본 발열체 시트 모듈(200)을 제조한다. 또한, 외부의 다른 도전성 물질과 통진되지 않도록 상기 카본 인쇄층(220)과 전극층(230)에는 폴리 아미드와 같은 내열 절연층을 실링하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 카본 발열체 시트 모듈(200)이 제조되면, 상기 카본 발열체 시트 모듈(200)에 방열핀(300)을 형성하고, 이들의 어느 일단부 중심으로 상호 권취되도록 성형함으로써 상기 카본 발열체 시트 모듈(200)와 방열핀(300)가 방사상으로 감겨 달팽이관 형상으로 형성되는 차량 전기히터를 완성한다. 이때, 상기 카본 발열체 시트 모듈(200)와 방열핀(300)는 상호 평행하게 적층되는 형태를 구성할 수 있으며, 상기 카본 발열체 시트 모듈(200)와 방열핀(300) 사이에는 방열플레이트(100)가 개재될 수도 있다.
이를 통해, 상기 카본 발열체 시트 모듈(200)에 밀착되는 방열핀(300)과 방열플레이트(100)는 전기히터로 전원이 인가시, 카본 발열체 시트 모듈(200)에서 발생되는 열을 효과적으로 방열할 수 있다.
한편, 이와 같은 구성의 전기히터는 차량 에어컨의 HVAC 내에 설치되어 송풍팬에 의해 외부공기가 유입되는 경우 공기를 가열하여 차량의 유리창에 형성된 서리를 제거하고, 차량 내를 난방할 수 있다. 특히 차량의 초기 시동을 걸게 되면,상기 전기히터에 전원이 인가되는 동시에 카본 발열체 시트 모듈이 발열하므로, 종래 전기히터의 경우 엔진이 바로 가열되지 않아 시동 초기에 난방이 이루어지지 않거나, 서리, 포그를 제거할 수 없는 문제를 해결할 수 있다.
더하여, 상기 전기히터에는 발열체의 과열을 감지할 수 있는 온도센서를 더 설치함으로써, 일정온도 이상으로 온도가 상승하는 경우 전기히터로의 전원 공급을 차단함으로써 발열체의 과열 방지가 가능하다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 자명할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 전력을 열로 변환하기 위한 과정에서 적은 열손실이 이루어지도록 함으로써 차량의 전기히터가 우수한 열효율을 얻을 수 있도록 하는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 극한 돌입 전류 피크를 줄임으로, 원하는 온도까지 상승시 그에 필요한 시간을 단축시킬 수 있는 이점이 있다.
더하여, 본 발명은 전기저항을 일정하게 유지하는 보증시간이 종래 PTC 프리히터에 비해 장시간 유지됨으로써, 전기히터의 방열특성을 향상시키고 제조하는 필요한 비용을 줄일 수 있는 이점이 있다.
Claims (7)
- 절연 폴리머판과, 상기 절연 폴리머판의 상부면에 형성되는 카본 인쇄층과, 상기 절연 폴리머판의 상부면에 인쇄되고 상기 카본 인쇄층과 전기적으로 연결되는 전극층을 포함하는 카본 발열체 시트 모듈;상기 카본 발열체 시트 모듈의 일면에 설치되어 상기 카본 발열체 시트 모듈에서 발산되는 열을 방열하는 방열핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 전기히터.
- 청구항 1에 있어서,상기 카본 발열체 시트 모듈과 방열핀 사이에는방열플레이트가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 차량의 전기히터.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,상기 카본 발열체 시트 모듈과 방열플레이트 및 방열핀은방사상으로 권취되어 달팽이관 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 전기히터.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,상기 카본 발열체 시트 모듈과 방열플레이트 및 방열핀은평형하게 상호 적층 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 전기히터.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,상기 전극층은상기 절연 폴리머판의 상부면에 길이방향으로 연장형성되고, 양전극과 전기적으로 연결되는 제1전극라인과,상기 제1전극라인과 나란하게 배치되어 음전극과 전기적으로 연결되는 제2전극라인을 포함하고,상기 제1전극라인과 제2전극라인에는해당 대향측으로 연장형성되는 복수개의 분기전극이 교호로 배치되는 것을 특징으로 하는 차량의 전기히터.
- 청구항 6에 있어서,상기 카본 인쇄층은상기 절연 폴리머판의 상부면에 길이방향으로 연장형성되는 복수개의 카본 코팅라인을 포함하고,상기 복수개의 카본 코팅라인은 상기 제1 및 제2전극라인의 분기전극에 전기적으로 접촉되는 것을 특징으로 하는 차량의 전기히터.
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