KR100586052B1 - 내구력이 향상된 전기히터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내구력이 향상된 전기히터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비대칭된 저항구조를 구간별로 적어도 하나 이상의 열선을 덧붙이는 방법 또는 열선의 진폭을 변화시키는 방법을 사용하여 국부적 저항을 대칭적으로 만들어 줌으로서 열선의 굴곡부 또는 열선과 맨틀의 접촉부의 위치에서 온도 분포가 균일한 열선의 분배 구조를 가지는 내구력이 향상된 전기히터에 관한 것이다.

전기히터, 열선

Description

내구력이 향상된 전기히터 {Electric Heater Having Improved Durability}

도 1은 일반적인 전기히터의 모습

도 2는 종래기술의 적층된 스트립 형식의 열선에 대한 적용예

도 3은 적층된 열선의 굴곡된 부위에 통전했을 경우의 사진

도 4a는 적층된 열선의 'S'자형으로 절곡된 부위의 전류흐름

도 4b는 적층된 열선의 'ㄱ'자로 절곡된 부위의 전류흐름

도 4c는 적층된 열선의 직선부위의 전류흐름

도 5는 굴곡부 위치에서의 5개 영역으로 나눈 개략도

도 6은 도 4의 Ω3 영역을 횡방향으로 3지점으로 나눈 개략도

도 7은 적층된 열선이 맨틀에 고정하기 위해 굴곡되어진 열선의 형태를 영역별로 나눈 개략도

도 8은 전기히터에 통전시 맨틀과 열선의 접촉부의 발열된 모습의 사진

도 9는 열선의 일정구간에 보강열선을 덧붙인 개략도

도 10은 도 9의 열선을 굴곡부에 사용한 예

도 11은 도 9의 열선의 사용예에 통전한 모습의 사진

도 12는 종래기술과 본 발명의 굴곡부 위치에서의 온도 그래프

도 13은 도 9의 열선을 맨틀과 열선의 접촉부에 사용한 예

도 14는 도 13의 사용예에 통전한 모습의 사진

도 15는 종래기술과 본 발명의 맨틀과 열선의 접촉부 위치에서의 온도 그래프

도 16은 열선과 맨틀의 접촉부에서 가장 온도가 많이 상승하는 온점부의 개략도

도 17은 도 16의 온점부를 개선한 모습의 개략도

도 18은 종래 사용되는 맨틀과 열선과의 접촉부의 면적을 계산하기 위한 도면

도 19는 열선의 진폭을 감소한 경우 맨틀과 열선과의 접촉부의 면적을 계산하기 위한 도면

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 적층된 열선 2: 전극

3: 맨틀 10,20: 코루게이션된 열선

11: 보강열선

본 발명은 내구력이 향상된 전기히터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비대칭된 저항구조를 구간별로 적어도 하나 이상의 열선을 덧붙이는 방법 또는 열선의 진폭을 변화시키는 방법을 사용하여 국부적 저항을 대칭적으로 만들어 줌으로서 열선의 굴곡부 또는 열선과 맨틀의 접촉부의 위치에서 온도 분포가 균일한 열선의 분배 구조를 가지는 내구력이 향상된 전기히터에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 동력을 발생시키는 내연기관에서는 연료의 연소시 많은 양의 유해배기가스가 배출되어 이를 저감하는 목적으로 촉매 등이 사용되고 있다.

일반적으로 촉매는 금속담체에 코팅하여 사용하며, 금속담체는 얇은 금속판을 코루게이션된 것과 평 스트립을 번갈아 적층하여 제작한 것으로 권선 후 서로의 접합력을 높이기 위해 땝납제(filler)를 도포한 상태에서 진공로 등에서 브레이징(brazing)하여 사용한다.

또한, 접합은 평/코루게이션 스트립을 동시에 권취한 후 캔에 삽입하여 브레이징하는 방법을 사용하고 있다. 브레이징된 금속담체는 기존의 세라믹과 같이 매우 작은 구멍으로 구성되어 있다.

특히, 최근 들어 차량의 배기가스 저감규제가 심화됨에 따라, 가솔린의 경우 냉시동 혹은 아이들링시에도 미연탄화수소 등의 저감을 위해 촉매의 위치를 엔진에 가깝게 설치하거나, 금속담체의 원리를 활용한 전기히터로 사용하여 냉시동시 전기히터를 가열하여 촉매를 빠른 시간 내에 활성화시키기 위한 방법이 사용되고 있다.

한편, 디젤엔진에서도 매연을 저감시키기 위한 매연저감장치(Diesel Particulate Filter)가 사용되고 있는데 매연저감장치의 기술로는 세라믹 필터에 의한 포집기술과 포집된 매연을 주기적으로 산화시키거나 태워주는 재생기술로 구분하는데 최근 들어 이러한 재생기술에 금속담체를 이용한 전기히터가 사용되고 있다.

이 때, 사용되는 전기히터는 주로 상기한 바와 같이 금속담체를 제작할 때 사용되는 얇은 박판을 여러 장 겹쳐 사용하는데, 이 금속담체를 이용한 전기히터의 제작은 서로 다른 셀크기를 가진 코루게이션된 스트립을 번갈아 적층하여 접합하는 방식을 사용한다.

도 1은 일반적인 전기히터의 모습으로써, 적층된 열선과 열선을 영역별로 분할하는 맨틀과, 상기 열선에 전력을 공급하는 전극을 포함한다.

도 2는 종래기술의 적층된 스트립 형식의 열선에 대한 적용예를 나타낸 것이다.

전기히터에 적용되는 스트립형 열선(10,20)은 코루게이션된 형태로 사용되고 서로 다른 셀수가 번갈아 적층되어 있다.

열선은 정해진 용량에 따라 적층수와 폭이 정해진다.

적층시에는 주로 서로 다른 셀수를 번갈아 적층되고 하나 이상의 열선이 사용된다.

적층된 열선은 전기히터의 직선부는 물론 굴곡부에 사용되기도 한다.

도 3은 이러한 굴곡된 부위에 전류를 통한 경우 발열되는 모습의 사진이다. 사진에서 밝은 부위가 온도가 높고, 어두운 부분은 온도가 낮다.

도 4a는 'S'자형으로 절곡된 부위, 도 4b는 'ㄱ'자로 절곡된 부위, 도 4c는 직선부위에서의 전류흐름을 나타낸다.

즉, 전류는 굴곡부위에서는 일시적으로 저항의 변화가 발생한 경우, 저항이 가장 적은 부분으로 가려는 특성이 있다.

반대로 열의 발생은 저항이 큰 부분에 집중적으로 발열한다.

도 5는 굴곡부 위치에서의 각 부위의 저항분포를 알아보기 위해 5개 영역으로 나눈 개략도이다 .

Ω1과 Ω2와 Ω3은 형상의 차이에 의해 각각 서로 다른 저항을 나타내다. 같은 형상을 지니는 Ω1과 Ω5, Ω2와 Ω4는 동일한 저항을 가진다.

특히, Ω3의 경우에는 왼쪽부위가 가장 전류 흐름에 있어 최단거리로 지나가는 통로이므로 Ω3의 왼쪽이 오른쪽 보다 히터 발열시 더 높은 온도분포를 나타낸다.

따라서, 상기와 같은 고온의 발열로 인해 상대적으로 Ω3 위치의 열선의 내구성이 온도의 비대칭으로 인하여 저하되는 결과를 초래한다.

도 6은 상기의 Ω3의 영역을 횡으로 3지점을 표시한 것으로, 상기와 같은 이유로 굴곡부의 1 지점이 굴곡부 3의 위치보다 온도가 높이 올라간다.

따라서, 같은 Ω3의 영역이라도 위치에 따라 통전시 열선의 온도가 달라져 내구성의 차이가 발생한다.

도 7은 적층된 열선이 맨틀에 고정하기 위해 굴곡되어진 열선의 형태를 영역별로 나눈 개략도이다.

열선과 맨틀사이에 많은 접촉부위를 가지기 위해 굴곡된 형태를 띠게 된다.

따라서, 기존의 방법은 Ω1쪽에 많은 열선을 Ω5쪽으로 점차 적은 양의 열선을 가지게 된다.

따라서, Ω2 이후의 Ω3, Ω4, Ω5 쪽으로 갈수록 점점 저항이 증가되기 때문에 전류가 열선으로 흐르는 것이 아니라 외부 맨틀로 흐르게 되어 결과적으로 3~5부위에는 열이 발생되지 않았다.

또한, 2부분의 맨틀과의 접촉부위에는 전류흐름이 최대화되어 최고의 온도 상승요인이 있어 내구성의 저하요인이 있다.

도 8은 전기히터에 통전시 맨틀과 열선의 접촉부의 발열된 모습의 사진으로써, 2번 위치를 지난, 3,4,5번 위치의 경우에는 눈으로 확인할 수 있듯이 현저히 온도가 저하된 것을 알 수 있다.

결국, 열선의 굴곡부 또는 맨틀과 열선의 접촉부에서는 상기와 같은 열적 내구성의 차이로 인해 전기히터의 일부영역의 파손으로 인하여 전기히터 전체를 사용할 수 없게 되는 결과를 초래하는 문제점이 발생한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 비대칭된 저항구조를 구간별로 적어도 하나 이상의 열선을 덧붙이는 방법 또는 열선의 진폭을 변화시키는 방법을 사용하여 국부적 저항을 대칭적으로 만들어 줌으로서 열선의 굴곡부 또는 열선과 맨틀의 접촉부의 위치에서 온도 분포가 균일한 열선의 분배 구조를 가지는 전기히터를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수개의 열선을 적층하여 굴곡부와 직선부를 포함하도록 제작되고, 중심부와 외곽부의 열선의 분리는 상기 열선과 접촉하는 맨틀에 의해 이루어지며, 열선과 전기적으로 연결된 전극에 의해 상기 열선에 전력이 공급되어 발열하는 전기히터에 있어서, 열선의 굴곡부 또는 맨틀과 열선의 접촉부는 열선의 위치별 저항을 다르게 하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전기히터이다.

상기의 위치별 저항의 변화는 열선에 적어도 1개 이상의 소정의 길이의 보강열선을 덧붙여 형성하는 것을 특징으로 한다.

특히 맨틀과 열선의 접촉부의 위치별 저항의 변화는 맨틀과 열선의 접촉면적을 변화하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

상기의 접촉면적의 변화는 맨틀과 열선의 접촉부에서 열선의 진폭을 변화하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 도면 및 실시예를 통하여 상세히 설명한다.

도 9는 본발명의 일실시예를 나타낸 개략도로써, 열선(10)의 일정구간에 보강열선(11)을 덧붙였다.

즉, 초기에 열선 적층시 임의적으로 굴곡부에 해당하는 위치에 제작시부터 저항의 차이를 두도록 제작된다.

이 때, 보강열선은 도 9에서처럼 동일한 셀수의 코루게이션된 열선을 하나이상 추가적으로 덧붙인다.

상기와 같은 방식을 사용하면 Ω1 및 Ω3은 Ω2와 차이가 나게 된다.

왜냐하면, 같은 재료라도 단위면적이 크면 전류의 흐름이 용이하여 전기저항이 작아지므로, Ω2은 단위면적이 넓어져 전류가 통전되기 쉬우므로 저항이 감소한다.

도 10은 본 발명에 사용한 예를 나타낸 것이고, 동일한 셀을 가지는 열선을 추가로 삽입하여 제작한 경우 히터 가동시 열선의 온도분포가 3영역으로 많이 확대된다. 이는 도 10의 실제모습의 사진인 도 11에서 확인된다.

상기와 같이 발열분포가 고르게 되는 이유를 설명하면, 굴곡 전부분에서 열선의 저항을 변화를 위해 열선을 보강하되, 1영역쪽의 굴곡전부분의 최내측부터 점차적으로 그 길이가 길어지게 하였다. 즉, 단위면적이 넓어질수록 저항이 감소하므로, 최내측보다는 그 위쪽으로 갈수록 저항이 다소 감소하게 된다.

따라서, 안쪽의 열선의 저항을 낮춤으로써, 전류가 안쪽으로 치우쳐 흐르려는 경향을 바깥쪽으로 유도할 수 있기 때문에, 굴곡부분의 열선 발열을 바깥쪽으로 분배할 수 있게 된다.

도 12는 종래기술과 본 발명의 굴곡부 위치에서의 온도를 측정한 그래프이다.

특히, 3 위치에서 온도가 약 250도 정도 개선된 것을 알 수 있다. 한편 1위치에서는 기존의 방식에 비해 온도가 다소 낮아졌으나, 오히려 굴곡부 1의 위치에서 온도 저하에 의한 열적 내구를 기대할 수 있다.

도 13은 상기의 방식을 맨틀과 열선의 접촉부에 적용한 것으로, Ω2,Ω3,Ω4,Ω5의 열선을 보강하여 각각 Ω1과 유사한 저항을 가지게 미리 제작한다.

이 경우에도 열선의 보강은 동일한 셀수를 가지는 열선으로 보강한다.

도 14는 도 13과 같이 보강한 전기히터에 통전한 모습의 사진이다.

도 15는 기존의 방식과 본 발명과 같은 열선보강을 하였을 경우와의 온도를 측정한 결과이다.

도 15를 살펴보면 최고 250도 까지 향상된 결과를 나타내었다. 즉, 저항분배가 비교적 많이 2,3,4,5지역으로 전이되었음을 알 수 있다.

도 16은 열선과 맨틀의 접촉부에서 가장 온도가 많이 상승하는 부분은 그림에 표시된 바와 같이 온점부(hot spot)이며, 오른쪽으로 갈수록 저항이 증가되어 전류의 흐름이 원활하지 않아 결과적으로 열선의 온도가 저하되는 부분이다.

도 17은 열선을 보강하지 않으면서, 저항 분배는 물론 온점부의 내구를 증가시키기 위한 개략도를 나타낸 것이다.

즉, 열선이 맨틀과 접촉하는 부위에 열선의 진폭을 낮춤으로써 맨틀과의 접촉면적이 상승하고 전체 열선의 길이 변화에 의한 저항 감소에 의해 두 가지의 목적을 이룰 수 있다.

도 18은 종래 사용되는 맨틀과 열선과의 접촉면적을 계산하기 위한 도면이다.

열선과 맨틀간의 접촉면적은 다음과 같이 구한다.

접촉면적 = 필러(접합제)의 두께(t) * 접촉면의 길이(L) * 접촉면 개수

도 19는 열선의 진폭을 낮추는 방식으로 인해 동일한 필러폭, 접촉면 개수라 할지라도 접촉길이의 증가에 의해 접촉면적이 상승한다.

따라서, 열선의 진폭을 낮추는 방식에 의해 온점부의 내구를 향상시킬 수 있으며, 진폭이 낮아짐에 따라 전체 열선의 길이가 축소되고, 이는 다시 열선의 저항 감소를 가져오기 때문에 내구성 증가와 온도의 균일한 분포가 동시에 가능하다.

비대칭된 저항구조를 구간별로 적어도 하나 이상의 열선을 덧붙이는 방법 또는 열선의 진폭을 변화시키는 방법을 사용하여 국부적 저항을 대칭적으로 만들어 줌으로서 열선의 굴곡부 또는 열선과 맨틀의 접촉부의 위치에서 온도 분포가 균일하게 하여, 전기히터의 열적 내구성을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 수개의 스트립형 열선을 적층하여 굴곡부와 직선부를 포함하도록 제작되고, 중심부와 외곽부의 열선의 분리는 상기 열선과 접촉하는 맨틀에 의해 이루어지며, 열선과 전기적으로 연결된 전극에 의해 상기 열선에 전력이 공급되어 발열하는 전기히터에 있어서,

   열선의 굴곡부 또는 맨틀과 열선의 접촉부는 온도분포가 균일하도록 열선의 위치별 저항을 다르게 하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전기히터.
2. 제1항에 있어서, 위치별 저항의 변화는 열선에 적어도 1개 이상의 소정의 길이의 보강열선을 덧붙여 형성하는 것을 특징으로 하는 전기히터.
3. 제1항에 있어서, 맨틀과 열선의 접촉부의 위치별 저항의 변화는 맨틀과 열선의 접촉면적을 변화하는 것을 특징으로 하는 전기히터.
4. 제3항에 있어서, 접촉면적의 변화는 맨틀과 열선의 접촉부에서 열선의 진폭을 변화하는 것을 특징으로 하는 전기히터.

Images