KR100488819B1 - 전기가열장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기가열장치에 관한 것으로, 상기 전기가열장치는 PTC 가열요소들을 포함하며, 상기 PTC 가열요소들은 그 양 측면 상에 배열된 전극판들을 갖는다. 상기 전극판들은 상기 PTC 가열소자에 전력을 공급하며, 상기 전극판들의 각각은 상기 PTC 가열소자에 의해 발생된 열을 방열하기 위한 방열체들에 연결된다. 상기 전극판들 중 적어도 하나 및 그에 대응하는 각 방열체 사이에 전기적 절연층이 배열된다.

Description

전기가열장치{Electric Heating Device}
본 발명은 포괄적인 청구항 1에 따른 전기가열장치에 관한 것이다.
대부분의 전동 차량, 특히 내연기관을 갖는 전동 차량들에 있어서, 차량 내부 및 엔진들을 가열하기 위한 가열장치들의 이용이 점점 증가하고 있다. 그러나 그와 같은 전동차량용 가열장치들은, 예를 들면 실내 공기조절, 산업 설비 등의 다른 용도에도 적합하다.
도 5는 전동 차량에서 차량의 내부를 가열하기 위해 전기가열장치가 이용되고 있는 일 실시예를 나타낸다. 유입된 깨끗한 공기(10)는 가열장치(12)를 통하여 송풍기(blower)(11)에 의해 가열되며, 전동 차량의 내부(13)로 공급된다. 상기 가열된 공기(15)는 공기출구들(14a, 14b)을 통하여 상기 차량의 내부로 유입된다. 추가적으로, 상기 차량의 내부(13)로 공급되는 공기는 공기조절 시스템(air-conditioning system)의 증발기(16a) 위를 통과 할 수도 있다. 양성온도계수(이하 "PTC"라 함) 가열소자들로 구성된 전기가열장치들이 대표적으로 이용되는 곳은, 전력을 차량의 엔진으로부터 공급받아 가열을 하는 보조가열기, 즉 자동차 가열기(16b)를 들 수 있다.
종래 잘 알려진 가열장치들은 플라스틱 프레임 내에 수용된 방열체 및 PTC 가열소자들의 적층 구조로 이루어진다. 상기 방열체들과 상기 PTC 가열소자들 사이에는 전극판들이 제공되며, 상기 PTC 가열소자는 상기 전극판들을 통하여 전력을 공급받는다.
이러한 가열장치들은, 클립, 동전 등과 같은 금속 조각들이 공기출구(14a)를 통하여 가열/공기조절 시스템 내로 떨어져 가열장치들 위에 놓일 가능성이 있는, 설치 위치가 좋지 않은 경우에 문제가 발생한다. 상기 각 방열체들이 보호장치 없이 접지전위(ground potential)와 플러스 전위(plus potential)에 연결되어 있기 때문에, 시스템 내부에 떨어진 금속 조각들에 의해 단락(short circuit)이 발생될 수 있는 위험이 존재한다.
독일특허출원공개 제44 36 791호(DE-A1-44 36791)에는 전동 차량의 난방시스템에 이용되는 히터(heater)가 개시되어 있다. 상기 히터는 파형 리브(corrugated rib)들 또는 파형 핀(fin)들 및 그 사이에 위치한 PTC 가열튜브(heating tube)로 구성된 적층 구조를 포함하며, 상기 PTC 가열튜브 안에 PTC 가열소자들이 제공된다. 상기 히터 내에 배열된 상기 PTC 가열튜브들은 일단이 폐쇄된 두께가 얇은 알루미늄 커버튜브(cover tube)로 형성되어 있다. 상기 커버튜브는 플라스틱 물질로 구성된 삽입 프레임(insertion frame) 안에 삽입되며, 다수의 PTC 가열소자들을 갖추고 있다. 상기 커버튜브 내에 배열된 PTC 가열소자들은 그 일 측면 상에서 상기 커버튜브의 내측 벽과 접촉하며, 다른 측면 상에서 상기 커버튜브 내에 배열된 양의 도체(positive conductor)와 접촉한다. 상기 커버 튜브가 상기 히터를 통해 접지 전압에 연결되어 있기 때문에, 상기 양의 도체는 특수한 연결부를 통해 가열 블록(heating block)의 바깥쪽으로 연장된다. 상기 알루미늄 커버튜브의 내벽과 상기 양의 도체 사이에 절연체가 제공된다.
이와 같은 구조는, 상기 양의 도체와 상기 커버튜브 사이에 있는 절연체가 손상되면, 상기 커버튜브 내에서 단락이 발생될 수 있는 문제점이 있다. 일반적으로 암페어 퓨즈(ampere fuse)를 설치한다 해도 발생되는 아크(arc)를 방지할 수 없다.
따라서 본 발명의 목적은 절연체가 손상되는 경우에도 내부 단락이 유발되지 않는 안전하고 신뢰성이 높은 구조를 갖는 전기가열장치를 제공함에 있다.
본 발명명의 목적은 청구항1의 구성에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면, PTC 소자(element)들의 양측면 상에 배열되어 있는 개개의 전극판(electrode sheet)들을 통하여 PTC 가열소자들에 전력이 공급된다. 이들 전극판들은 상기 PTC 가열소자에 의해 발생된 열을 발산하기 위한 방열체(radiator element)들에 연결되어 있다. 전기 절연층이 상기 전극판들 중 적어도 하나와 상기 각 방열체 사이에 배열된다.
서로 다른 전위를 갖는 이웃하는 방열체들 사이에서는 단락이 발생할 수 있기 때문에, 이와 같이 이웃하는 방열체들 사이에 전기적 절연층을 설치함으로써, 상기 가열 블록이 서로 다른 전위를 갖는 방열체들이 이웃하는 것을 방지할 수 있다. 하나 이상의 절연층을 사용하기 때문에, 상기 방열체들은 무전위(potential-free) 상태이거나 동일한 전위에 연결된다. 따라서 방열체들 사이에서 단락 발생될 가능성이 없다.
이와 같은 구성의 또 다른 이점은, 상기 절연층이 손상 된다해도 종래의 가열장치들과는 달리 그 손상으로 인해 단락이 발생되지 않으므로, 실내 공간의 난방을 보증할 수 있다는 것이다.
본 발명에 따른 가열장치의 배열은 특히 구조가 단순하다는 이점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 방열체들과 PTC 가열소자들을 포함하는 전기가열장치의 적층 구조(layered structure)에서, 부가적인 절연판(insulating plate)이 인접한 방열체들 간에 삽입된다. 상기 절연판은 특히 상기 방열체들 중 적어도 하나가 본 발명에 따른 전기 절연층에 의해 무전위 상태를 유지하도록 구성되어 있는 방열체들 사이에 삽입된다.
본 발명의 실시예에 따른 이점 중의 하나는, 상기 절연층을 얇게 형성할 수 있어 열 전도성이 좋다는 것이며, 이때 만약 상기 절연층이 손상되면 상기 절연판이 이웃하는 방열체들 사이에 단락이 발생하는 것을 방지하기 때문에, 단락의 위험이 없게 된다. 이런 방식으로, 본 발명에 따른 전기가열장치의 동작상의 안정성 및 신뢰성이 더욱 증가된다.
본 발명에 따른 전기가열장치의 다른 실시예에 따르면, 단일 가열 회로(heating circuit)는 세 개의 방열체들, 상기 방열체들 사이에 배열되어 있는 PTC 가열소자들을 구비한 각 층으로 구성된다. 상기 PTC 가열소자들을 추가할 때마다 본 발명에 따른 절연층이 같이 추가되므로, 상기 가열 회로는 각각 별도로 제어할 수 있는 두 개의 가열 부회로(heating subcircuit)들로 세분화될 수 있다.
전기가열장치는 다수의 상기 가열 회로들로 형성될 수 있으며, 상기 가열 회로들의 동작은 임으로 세분화될 수 있다. 이와 같은 가열장치에서, 각 가열회로내의 두 개의 가열 부회로들을 공통적으로 제어할 것인지 또는 개별적으로 제어할 것인지를 별도로 결정할 수 있다.
본 실시예의 이점의 하나는, 개별적으로 제어 가능한 가열 회로들의 가열전력의 임의 미세 분할의 조절이 쉽다는 것이다. 높은 가열 전력이 요구되는 전기가열장치가 이와 같은 방식으로 자동차 회로의 전원에 큰 부하를 주지 않고 활성화되거나 비활성화 될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예들이 종속 청구항들에 기재되어 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하고자 한다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 가열장치의 구조에 대해 설명한다. 도 4는 본 발명에 따른 가열장치의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 상기 가열장치는 조립식 방열체 유니트들의 적층체(stack) 또는 적층 구조로 이루어지며, 열을 발생시키기 위해서 PTC 가열소자들이 상기 방열체 유니트들 사이에 제공된다. 도 1 내지 도 3은 방열체 유니트의 부분도이다. 이와 같은 방열체 유니트의 필수 구성요소는 발열을 위한 PTC 가열소자들(6)과 방열을 위한 방열체들(4, 5)이다.
상기 PTC 가열소자들(6)은 디스크(disk) 형상 또는 직각 평행6면체(rectangular parallelepiped) 형상을 가질 수 있으며, 그 위치 고정을 위해 위치결정 프레임(positioning frame)(1)내에 배열된다. 상기 위치결정 프레임(1)의 구조는 도 1에 도시되어 있다. 상기 위치결정 프레임(1)에는 상기 PTC 가열소자들(6)을 수용하기 위한 다수의 개구부(opening)들이 구비된다. 상기 PTC 가열소자(6)를 수용하기 위한 상기 개구부들은 관통 구멍(through hole) 형상인 것이 바람직하지만, 리세스(recesses) 형상일 수도 있다. 상기 위치결정 프레임(1)은 예를 들면 폴리아마이드(polyamide)와 같은 플라스틱 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 높은 기계적 안정성을 확보하기 위하여, 상기 플라스틱 재료에 유리 섬유를 보강할 수 있다.
위치결정 프레임(1)의 상기 개구부들에 배열된 상기 PTC 가열소자들(6)은 12 볼트 내지 500 볼트(V)의 전압으로 동작하는 것이 바람직하다. 상기 전압의 크기에 따라, 상기 PTC 가열소자들(6)은 일반적으로 1.1 내지 2.1 mm의 두께를 갖는다. 도 2에서, 상기 위치결정 프레임(1)은 그 측면 가장자리에 만곡부(curvature)를 갖고 있으며, 그로 인하여 상기 위치결정 프레임 주변의 공기가 소음을 발생시키지 않고 흐를 수 있게 된다.
상기 PTC 가열소자들(6)을 고정하고 접촉시키기 위해, 상기 PTC 가열소자들(6)의 양 측면 상에는 접촉시트(contact sheet)들(2)이 배열된다. 상기 접촉 시트(2)들은 상기 PTC 가열소자(6)에 전류를 공급하는 역할을 한다. 도면에는, 상기 플러스 전위의 전극(2)만이 도시되어 있다. 상기 접지전위 전극은 상기 위치결정 프레임의 대향 측면 상에 상기 플러스 전위의 전극(2)들과 같은 방식으로 배열되어 있다.
본 발명의 특정 실시예에서, 자기점착성(self-adherent)의 전기 전도 포일(foil)들 또는 필름(film)들이 전극으로 사용된다.
상기 PTC 가열소자들(6)의 서로 반대되는 양측에 위치하는 상기 전극 시트들(2)의 각 측면들은 상기 PTC 가열소자들(6)에 의해 발생된 열을 방열 시키기 위한 각 방열체들(4, 5)에 고정되어 있다. 바람직하게는 상기 방열체들은 파형 리브들로서 구현되어 있다. 그러나 당업자라면 열을 방열체 주위를 흐르는 매체, 특히 공기에 전달하기 위한 다른 일반적인 실시예들을 알고 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 절연층(3)이 적어도 상기 플러스 전위의 전극판(2)과 상기 각 방열체(5) 사이에 배열된다. 상기 절연층(3)은 상기 접촉시트(2) 및 상기 방열체(5)를 전기적으로 절연시킨다. 따라서 상기 방열체(5)가 플러스 전위를 띠게 되는 것을 방지한다. 따라서, 상기 절연층(3)에 인접하는 방열체는 무전위 상태가 된다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 접지전위에 연결되어 있는 상기 방열체(4)에 대한 절연은 불필요하다. 상기 절연층(3)은 두 방열체들 사이의 단락을 방지하기에 충분하다.
본 발명의 제2 실시예에 따르면, 상기 접지전위의 전극판과 상기 각 방열체(4)사이에 절연체가 제공되어 있다. 이 실시예의 이점은, 비록 두 절연체 중의 하나가 손상된다 할지라도 방열체들 위에 떨어진 금속조각들에 의해서 단락이 발생하지 않는다는 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 실내공간 가열장치의 내부 구조를 나타낸다. 이 가열장치는 도 1 내지 도3 을 참조하여 설명한 것과 같은 형태의 조립식 방열체 그룹의 적층체 또는 적층 구조로 구성된다. 도 4의 실내 공간 가열장치는 3단계 가열을 하도록 구성되어 있다. 원칙적으로, 가열 단계는 임의로 변경할 수 있다. 이 실시예에서는 총 전력이 최대 2,400 와트(watt)인 PTC 가열소자들로 구성될 수 있다. 이와 같은 적층 구조를 갖는 가열장치에서, 상기 PTC 가열소자들은 상기 가열장치의 다른 구성요소들을 싸고 있는 "클램핑 팩(clamping pack)"에 수용된다. 상기와 같이 클램핑 팩을 이용하는 이유는, 그 본래의 기능인 모든 구성 요소들을 그 내부에 넣을 수 있다는 점과, 상기 PTC 가열소자들의 접촉표면에 대해 수직으로 접촉할 수 있다는 점이다.
상기 방열체 그룹들은 횡방향봉(lateral bar)들(6a)과 종방향봉(longitudinal bar)(6b)들을 포함하는 프레임에 수용된다. 상기 전기적 연결부(8)는 상기 접촉시트들과 접촉하기 위해서 상기 횡방향봉(6a) 중 하나의 측면 너머로 돌출한다. 상기 횡방향봉들(6a, 7) 중 하나는 상기 가열 단계들을 제어하기 위한 전기제어회로를 수용할 수 있도록 설계될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 가열장치의 특정 실시예의 개략도이다. 상기 가열장치는 PTC 가열소자들(18)과 방열체들(17)의 적층체 또는 적층 구조로 구성되어 있다. 플러스 전위(20)에 연결되어 있는 상기 PTC 가열소자(18)의 전극판인 경우에, 특히 본 발명에 따른 상기 절연층(21)이 중요하다. 상기 플러스 전위에 연결된 PTC 가열소자(18)의 전극판을 절연함으로써, 그 이웃하는 방열체는 다른 비절연 전극판에 연결되어 있지 않는 한 무전위상태가 된다. 본 발명에 따른 상기 절연층(21)을 이용함으로써, 상기 가열장치의 모든 방열체들은 접지전위에 연결되거나 또는 무전위상태가 된다.
동작상의 안전성 및 신뢰성을 더욱 향상시키기 위하여, 부가적인 절연판(19)을 이웃하는 방열체들 사이에 설치할 수 있다. 상기 절연판(19)은 이웃하는 방열체들(17)을 전기적으로 절연시키는 기능을 한다. 이와 같은 방법으로, 설령 절연층(21)이 손상된다 할지라도, 방열체들은 서로 전기적으로 절연된다. 바람직하게는 상기 절연판(21)은 사출성형된 플라스틱 부품이다. 또는 절연물질을 스탬핑(stamping) 또는 펀칭(punching)하여 형성한 부품일 수도 있다.
이 실시예에서는 설령 상기 절연층(21)이 손상되었다 할지라도, 상기 플러스 전위 연결부 및 접지전위 사이에서 직접적으로 단락이 발생하지 않는다는 이점이 있다. 이것은 또한 두께가 매우 얇은 절연층(21)을 사용할 수 있다는 것을 의미하며, 따라서 상기 PTC 가열소자(18)와 상기 방열체(17)사이의 열전도성이 높다는 것을 의미한다.
도7은 본 발명에 따른 가열장치의 또 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서는 방열체들(17)과 PTC 가열소자들(18)이 층구조로 구성되어 있다. 도 7에서, 모두 3개의 가열회로들(22, 23, 24)이 도시되어 있으며, 각 가열 회로는 두 개의 가열 부회로들로 세분화될 수 있다. 각 가열회로(22, 23, 24)는 3개의 방열체들(17)과 그들 사이에 설치된 PTC 가열소자들(18)로 구성되어 있다. 각 방열체들(17)을 가운데 두고, 상기 방열체(17)의 대응되는 양측에는 상기 PTC 가열소자들(18)의 플러스 전위 전원이 배열되어 있다. 상기 중앙 방열체(17)의 서로 대응되는 양측에 배열된 플러스 전위 전원에는 절연층(21)이 형성되어 있으므로, 상기 두 층의 PTC 가열소자들(18)은 서로 전기적으로 절연되어 있고 개별적으로 제어 가능하다. 이것은 각 가열회로들(22, 23, 24)이 가열 부회로들의 "이중단(double stage)"으로 구성되어 있다는 것을 의미한다.
반면, 종래의 가열장치에서와 같이 대립하는 PTC소자 열(row)(18)로 구성되어 구현되는 가열회로에서는 두 층의 PTC 소자 열들은 공통적으로만 제어될 수 있기 때문에 1단계의 가열 단계만을 갖고 있으며, 만약 필요하다면, 하나의 가열 단계를 본 발명에 따라 개별적으로 제어 가능한 두 개의 가열 단계로 분할할 수 있다.
도 7의 개략도에서, 세 개의 "이중단(double stage)"들(22, 23, 24)이 도시되어 있으며, 이것은 6개의 가열회로들로 세분화될 수 있다. 원칙적으로 상기 "이중단"의 수는 이중단 당 가열전력 및 요구되는 최대 가열 전력에 따라 임의로 결정될 수 있다.
이와 같은 실시예의 이점은, 제조된 전기가열장치에서, 가열단계 뿐만 아니라 각 가열단계의 가열전력 역시 가변적이라는 사실에 있다. 이와 같은 방법으로, 전기가열장치는 차량용 회로의 부하에 적응될 수 있다.
또한, 활성 및 비활성 가열 단계들의 가열전력 역시 이와 같이 임의로 조절될 수 있다. 세분화의 가능성에 기초하여, 요구되는 각 전력은 더욱 미세하게 조정될 수 있다.
이와 같은 내부 공간 가열 장치의 생산공정을 단순화하기 위해, 도 1 및 도 2에 도시한 형태의 방열체 유니트들이 조립된다. 방열체 유니트들의 대규모 생산을 가능케 하기 위해 "가열 스트립들(heating strips)"이 조립된다. 본 발명에 따른 그러한 PTC 가열 스트립은 PTC 가열소자를 수용하기 위한 개구부를 갖는 위치결정 프레임(1)들로 구성된다. 상기 개구부는 상기 프레임을 천공하여 형성하는 것이 바람직하며, 상기 위치결정 프레임(1)은 플라스틱 재료로 만들어진 이중 C-프로파일(profile)인 것이 바람직하다. 상기 위치결정 프레임(1) 내의 상기 개구부에 PTC 가열소자들(6)이 삽입된다. 상기 위치결정 프레임(1) 내의 상기 PTC 가열소자들(6)들을 기계적으로 고정시키고 접촉시키기 위해, 전극판들이 상기 PTC 가열소자들(6)과 함께 상기 위치결정 프레임(1)의 상부면과 하부면에 고정된다. 상기 전극판들은 접착되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 절연층(3)은 적어도 하나의 측면, 바람직하게는 플러스 전위 전극에 적용된다.
이와 같은 방법으로 생산된 상기 PTC 가열 스트립은 특히 본 발명에 따른 PTC 가열장치의 단순화되고 대규모화 된 생산을 가능하게 한다.
요약하면, 본 발명은 가열장치의 방열체들 위로 떨어지는 금속편들에 의해 유발될 수 있는 단락을 방지하기 위해, 모든 방열체들이 무전위 상태이거나 접지전위에 연결되어 있다. 그와 같은 구성을 얻기 위해, 절연층이 적어도 PTC 가열소자에 전력을 공급하기 위해 사용된 플러스 전위 접촉 시트 및 상기 접촉 시트에 인접하여 배열된 방열체 사이에 삽입된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 절연체가 손상되는 경우에도 내부 단락이 유발되지 않는 안전하고 신뢰성이 높은 구조를 갖는 전기가열장치를 제공하는 이점이 있다. 또한 본 발명에 따른 PTC 가열 스트립은 본 발명에 따른 PTC 가열장치의 단순화되고 대규모화된 생산을 가능하게 한다.
도 1은 본 발명에 따른 가열장치에 사용되는 방열체 유니트(radiator unit)의 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 방열체 유니트의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 구조를 나타낸 다른 도면.
도 4는 본 발명에 따른 전기 가열장치의 전체적인 모습을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 가열장치를 갖는 자동차 공기조절(냉난방) 시스템의 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기가열장치의 기본적인 원리를 나타낸 도면으로서, 상기 도면에서 신뢰성과 안전성을 높이기 위해 인접하는 방열체들 사이에 절연층이 사용되고 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기가열장치의 기본적인 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 상기 도면에서 각 가열 회로들의 숫자 및 가열 전력은 가변적이다.

Claims (9)

  1. 다수의 PTC 가열 소자들과, 방열체가 적층구조로 제공되고, 각각의 PTC 가열 소자가 두 개의 전극판들에 접촉되어 전력을 공급받으며, 각각의 전극판들이 열 전도 방식으로 상기 방열체에 연결되는 전기가열장치에 있어서,
    상기 전극판들 중 하나와 상기 전극판에 연결된 상기 방열체 사이에 절연체가 제공되고,
    상기 방열체들을 전기적으로 절연하는 절연판이 이웃하는 방열체들 사이에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전기가열장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 절연체가 플러스 전극판과 상기 플러스 전극판에 인접하여 배열된 방열체 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 전기가열장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 방열체들이 파형 리브로서 구현되는 것을 특징으로 하는 전기가열장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 두 개의 전극판들 각각은 인접하여 배열되어 있는 상기 각 방열체와 전기적으로 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 전기가열장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 이웃하는 방열체들 중 적어도 하나는 접지전위에 연결되지 않는 것을 특징으로 하는 전기가열장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 적층 구조에서, 세 개의 연속적인 방열체들은 상기 방열체들 사이에 배열된 개개의 PTC 가열소자를 갖으며, 상기 전기 절연체와 함께 상기 각 플러스 전극판은 상기 세 개의 이웃하는 방열체들 중 중앙 방열체에 인접하여 배열되는 것을 특징으로 하는 전기가열장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 적층 구조는 세 개의 연속적인 방열체들은 상기 방열체들 사이에 배열된 개개의 PTC 가열소자를 갖으며, 상기 전기 절연체와 함께 상기 각 플러스 전극판은 상기 세 개의 이웃하는 방열체들 중 중앙 방열체에 인접하여 배열되는 것을 특징으로 하는 전기가열장치.
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