KR20240040675A - 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터는, 일정한 두께로 일정 면적을 이루는 탄소필름히터, 일정한 두께로 일정 면적을 이루며 탄소필름히터의 상면에 결합되는 열전생성기, 일정한 두께로 일정 면적을 이루며 열전생성기의 상면에 결합되는 알루미늄컨테이너, 알루미늄컨테이너의 홈에 대응되는 면적과 일정한 두께로 형성되어 알루미늄컨테이너의 상면에 결합되는 상변화물질 및 상변화물질의 상면을 덮는 커버를 포함하고, 알루미늄컨테이너는, 열전생성기 상면의 가장자리 일부를 제외한 대부분의 면적에 이르는 홈이 형성되고, 상변화물질은, 알루미늄컨테이너의 홈의 깊이에 대응되는 두께로 형성되어 알루미늄컨테이너의 홈에 담기게 하고, 커버는, 알루미늄컨테이너의 면적에 대응되는 면적을 갖도록 일정한 두께로 형성되어 알루미늄컨테이너의 상면 가장자리에 결합됨으로써 상변화물질의 상면을 덮으며, 상변화물질은, 상변화가 일어나는 동안 상변화물질의 온도 범위가 60~63 ℃ 이내인 물질로 선택되는 것을 특징으로 한다. 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 상변화물질의 축열기능과 탄소필름히터의 동적구동으로 히터 기기의 전력사용량을 저감시켜 에너지 효율을 증대하고, 배터리 사용시간을 연장하며, 배터리 경량화 효과를 동시에 갖을 수 있는 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터를 제공할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터{HYBRID CARBON FILM HEATERS INTEGRATED WITH PHASE CHANGE MATERIALS AND THERMOELECTRIC GENERATORS}

본 발명은 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터에 관한 것으로, 구체적으로는, 기존의 탄소필름히터에 상변화물질과 열전생성기를 결합하여 축열과 폐열회수 기능을 구현해서 탄소필름히터 기반 휴대용 히터 기기의 에너지 효율을 증대하고 배터리를 경량화하기 위한 것이다.

근래에 들어서는 사람들이 캠핑을 가거나 새로운 취미생활을 가지면서 급박하게 변해가는 추세에 맞추어 다양한 발열 제품들이 판매되고 있으며, 관련 연구 또한 늘어나고 있다.

이중 전기가 인가되어 발열하는 통상의 면상발열체는, 공기를 오염시키지 않아 위생적일 뿐만 아니라 그 온도조절이 용이하고 소음이 없기 때문에 발열을 요하는 매트나 패드, 침대 매트리스, 보온 이불이나 담요, 아파트나 일반주택 등의 주거용 난방장치 등에 폭넓게 이용되고 있다. 뿐만 아니라 사무실이나 상점 등 상업용 건물의 난방장치, 작업장이나 창고, 막사 등의 산업용 난방장치와 각종 산업용 가열장치, 비닐 하우스와 농산물 건조시스템과 같은 농업용 설비, 도로나 주차장의 눈을 녹이거나 결빙을 방지할 수 있는 각종 동결방지장치를 비롯하여 레저용, 방한용, 가전제품, 거울이나 유리의 김서림 방지 장치, 건강보조용, 축산용 등에도 이용되고 있다.

이러한 종래의 발열체 중 한국 공개특허 10-2006-0050092호(명칭:면상발열체 및 그 제조방법)에 개시된 기술은, 실질적으로 발열이 일어나며 복수개가 서로 일정 간격을 두고 배치된 사다리 형상의 발열라인, 발열라인의 양끝단들을 서로 연결하여 전기를 공급해주는 통전판막, 발열라인 및 통전판막을 모두 덮는 투명필름을 포함한다. 여기서, 투명필름은 발열라인과 통전판막의 위 아래를 모두 덮는 형태이며, 여기에서, 투명필름은 발열라인과 통전판막의 위 아래를 모두 덮는 형태이다.

이와 같은 면상발열체는 사다리 모양으로 배치된 발열라인의 발열에 의해 면상 발열체를 구현하고 있다.

그러나 이러한 발열제품들은 에너지 효율과 경량화와 같은 휴대성 향상을 위한 부분까지 고려된 제품은 많지 않다.

일본 등록특허 제6860977호( 명칭: 상변화 물질 이용 복합재, 그 제조 방법 및 그 배치 방법, 등록일: 2021년 3월 31일 )

본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 한 가지 목적은, 상변화물질의 축열기능과 탄소필름히터의 동적구동으로 히터 기기의 전력사용량을 저감시켜 에너지 효율을 증대하고, 배터리 사용시간을 연장하며, 배터리 경량화 효과를 동시에 갖을 수 있는 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 다른 목적은, 탄소필름히터에서의 일부 열율을 열전생성기에서 전력으로 변환하여 센서 구동 등에 이용할 수 있게 하는 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터를 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 달성하기 위하여 안출된, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터는, 일정한 두께로 일정 면적을 이루는 탄소필름히터, 일정한 두께로 일정 면적을 이루며 탄소필름히터의 상면에 결합되는 열전생성기, 일정한 두께로 일정 면적을 이루며 열전생성기의 상면에 결합되는 알루미늄컨테이너, 알루미늄컨테이너의 홈에 대응되는 면적과 일정한 두께로 형성되어 알루미늄컨테이너의 상면에 결합되는 상변화물질 및 상변화물질의 상면을 덮는 커버를 포함하고, 알루미늄컨테이너는, 열전생성기 상면의 가장자리 일부를 제외한 대부분의 면적에 이르는 홈이 형성되고, 상변화물질은, 알루미늄컨테이너의 홈의 깊이에 대응되는 두께로 형성되어 알루미늄컨테이너의 홈에 담기게 하고, 커버는, 알루미늄컨테이너의 면적에 대응되는 면적을 갖도록 일정한 두께로 형성되어 알루미늄컨테이너의 상면 가장자리에 결합됨으로써 상변화물질의 상면을 덮으며, 상변화물질은, 상변화가 일어나는 동안 상변화물질의 온도 범위가 60~63 ℃ 이내인 물질로 선택되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터는, 대면적 평면히터를 구성해야 하는 경우, 탄소필름히터로 이루어지는 셀을 일정한 크기로 제작하고, 셀을 가로 세로 방향으로 각각 여러 개 연속으로 늘어놓아 희망하는 면적의 대면적 평면히터를 구성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터의 셀의 크기는 가로x세로 40x40 (mm) 크기로 제작하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상변화물질의 축열기능과 탄소필름히터의 동적구동으로 히터 기기의 전력사용량을 저감시켜 에너지 효율을 증대하고, 배터리 사용시간을 연장하며, 배터리 경량화 효과를 동시에 갖을 수 있는 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터를 제공할 수 있게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소필름히터에서의 일부 열율을 열전생성기에서 전력으로 변환하여 센서 구동 등에 이용할 수 있게 하는 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터를 제공할 수 있게 된다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터의 적층 구성을 보이기 위한 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터를 이용하여 대면적의 평면히터를 구성한 예를 보여주는 응용예제도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터를 이용한 대면적의 평면히터를 구성하기 위하여 만들어지는 단위 셀 및 열 회로도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터의 기능성 기초연구 결과로서, 하이브리드 탄소필름히터의 과도상태열전달을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터의 적층 구성을 보이기 위한 분해사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터(100)는, 복수의 단면이 적층되어 완성되며, 복수의 단면 중 하나의 단면층 각각은 일정한 면적과 두께를 이루고 있으며, 아래에서 위로의 순서대로 절연체(10), 탄소필름히터(20), 열전생성기(30), 알루미늄컨테이너(40), 상변화물질(50) 및 커버(60)가 적층되어 이루어진다.

여기에서, 알루미늄컨테이너(40)는, 열전생성기(30)(TEG: ThermoElectric Generator) 상면의 가장자리 일부를 제외한 대부분의 면적에 이르는 홈이 형성되고, 이 홈에 상변화물질(50)(PCM: Phase Change Material)이 담기게 된다.

이때, 상변화물질(50)은 알루미늄컨테이너(40)의 상면에 형성되는 홈의 깊이에 대응되는 두께로 형성되고, 커버(60)는 알루미늄컨테이너(40)의 면적에 대응되는 면적을 갖도록 일정한 두께로 형성되어 알루미늄컨테이너(40)의 상면 가장자리에 결합됨으로써, 상변화물질(50)의 상면을 덮어준다.

상술한 바와 같이 알루미늄컨테이너(40)의 상면 가운데에 홈을 형성하고 알루미늄컨테이너(40)의 상면 가장자리에 커버(60)가 결합되게 함으로써, 상변화물질(50)이 유동성을 갖는 액상 또는 기상으로 변화하였을 때에도 초기 위치를 그대로 유지할 수 있게 한다.

상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 하이브리드 탄소필름히터(100)에서 열은 열전생성기(30)를 통과하여 상변화물질(50)로 흘러간다. 그러면 고체 상의 상변화물질(50)은 액상으로 상변화가 이루어지게 되며 열에너지는 상변화물질(50)에 축적된다. 이후 탄소필름히터(20)에 전력이 인가되지 않을 때 상변화물질(50)에 축적된 열에너지는 서서히 주변 대기로 방출되게 된다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터를 이용하여 대면적의 평면히터를 구성한 예를 보여주는 응용예제도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터(100)를 이용하여 대면적 평면히터를 구성하기 위해, 하이브리드 탄소필름히터(100)를 가로x세로 40x40 (mm) 크기를 가진 셀로 만들고 가로/세로 각각 14개 6개 셀을 배열하여 만든 560x240 (mm) 크기의 대면적 평면히터를 보여준다.

여기에서, 한 셀의 크기와 대면적 평면히터의 크기는 하나의 실시예에 불과하므로, 각 실시 상황 및 환경에 따라 그 크기는 자유로이 설정하여 실시 가능하다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터를 이용한 대면적의 평면히터를 구성하기 위하여 만들어지는 단위 셀 및 열 회로도이다.

도 3을 참조하면, 도면의 가운데 상측에 하이브리드 탄소필름히터(100)의 일 실시예를 나타내었으며, 각 구성요소들의 실제 치수가 표기되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하므로, 각 실시 상황 및 환경에 따라 그 크기는 자유로이 설정하여 실시 가능하다.

또한, 도 3의 우측에는 하이브리드 탄소필름히터(100)의 열 회로도가 도시되어 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터의 기능성 기초연구 결과로서, 하이브리드 탄소필름히터의 과도상태열전달을 나타낸 그래프이으로, 필요시 참고할 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

10 : 절연체
20 : 탄소필름히터
30 : 열전생성기
40 : 알루미늄컨테이너
50 : 상변화물질
60 : 커버
100 : 하이브리드 탄소필름히터

Claims (3)

1. 일정한 두께로 일정 면적을 이루는 탄소필름히터;
   일정한 두께로 일정 면적을 이루며 상기 탄소필름히터의 상면에 결합되는 열전생성기;
   일정한 두께로 일정 면적을 이루며 상기 열전생성기의 상면에 결합되는 알루미늄컨테이너;
   상기 알루미늄컨테이너의 홈에 대응되는 면적과 일정한 두께로 형성되어 상기 알루미늄컨테이너의 상면에 결합되는 상변화물질; 및
   상기 상변화물질의 상면을 덮는 커버;를 포함하고,
   상기 알루미늄컨테이너는,
   상기 열전생성기 상면의 가장자리 일부를 제외한 대부분의 면적에 이르는 홈이 형성되고,
   상기 상변화물질은,
   상기 알루미늄컨테이너의 홈의 깊이에 대응되는 두께로 형성되어 상기 알루미늄컨테이너의 홈에 담기게 하고,
   상기 커버는,
   상기 알루미늄컨테이너의 면적에 대응되는 면적을 갖도록 일정한 두께로 형성되어 상기 알루미늄컨테이너의 상면 가장자리에 결합됨으로써 상기 상변화물질의 상면을 덮으며,
   상기 상변화물질은,
   상변화가 일어나는 동안 상기 상변화물질의 온도 범위가 60~63 ℃ 이내인 물질로 선택되는 것을 특징으로 하는 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터.
2. 제 1항에 있어서,
   대면적 평면히터를 구성해야 하는 경우,
   상기 탄소필름히터로 이루어지는 셀을 일정한 크기로 제작하고,
   상기 셀을 가로 세로 방향으로 각각 여러 개 연속으로 늘어놓아 희망하는 면적의 대면적 평면히터를 구성하는 것을 특징으로 하는 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 셀의 크기는 가로x세로 40x40 (mm) 크기로 제작하는 것을 특징으로 하는 상변화물질과 열전생성기가 결합된 하이브리드 탄소필름히터.