KR100732922B1 - 자기 히터 - Google Patents

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KR100732922B1
KR100732922B1 KR1019990012483A KR19990012483A KR100732922B1 KR 100732922 B1 KR100732922 B1 KR 100732922B1 KR 1019990012483 A KR1019990012483 A KR 1019990012483A KR 19990012483 A KR19990012483 A KR 19990012483A KR 100732922 B1 KR100732922 B1 KR 100732922B1
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drive shaft
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우수이마사요시
이노우에히로시
야마다마사토
다키카와가즈노리
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우수이 고쿠사이 산교 가부시키가이샤
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/22—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/105—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor
    • H05B6/109—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor using magnets rotating with respect to a susceptor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24V—COLLECTION, PRODUCTION OR USE OF HEAT NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

본 발명은 열전달 유체를 효과적으로 단시간에 고온으로 가열할 수 있는 자동차 등과 같은 차량의 보조 가열원과 같은 히터에 관한 것이다. 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 자석과 도체의 상대적인 회전에 의해 도체 내부에서 발생한 슬립 열에 의하여 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터에 있어서, 이 자기 히터는 하우징 내부에 배치된 영구 자석과, 이 영구 자석과 마주하는 도체를 구비한 원반을 포함한다. 도체는 원반이 회전할 때 열전달 유체 내부에 슬립 열을 발생시키며, 하우징 내부의 열전달 유체는 도체 내부에서 발생한 슬립 열에 의하여 가열된다.

Description

자기 히터{MAGNETIC HEATER}
도 1은 본 발명의 청구범위 제2항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도.
도 2는 본 발명의 청구범위 제3항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도.
도 3은 본 발명의 청구범위 제4항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도.
도 4는 본 발명의 청구범위 제5항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도.
도 5는 본 발명의 청구범위 제6항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도.
도 6은 본 발명의 청구범위 제7항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도.
도 7은 본 발명의 청구범위 제9항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도.
도 8은 본 발명의 청구범위 제10항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도.
도 9는 본 발명의 청구범위 제11항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도.
도 10은 본 발명의 청구범위 제13항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도.
도 11은 본 발명의 자기 히터의 모터에 의한 온-오프 제어 수단의 실시예를 나타낸 종단면도.
도 12는 본 발명의 자기 히터의 전자기 클러치에 의한 온-오프 제어 수단의 실시예를 나타낸 종단면도.
도 13은 본 발명의 자기 히터의 전자석에 의한 온-오프 제어 수단의 실시예를 나타낸 종단면도.
도 14는 본 발명에 따라 희토류 영구 자석과 와전류 부재를 조합하여 행한 시험의 발열 데이터의 일례를 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81, 91, 111, 121, 141 : 구동축
2, 12, 22, 32, 62, 72, 82, 113, 122, 142 : 하우징
3, 13, 23, 34, 45-1, 45-2, 56, 63, 73, 83, 95, 115, 124 : 영구 자석
4: 디스크형 도체
14, 24 : 원반
35, 42, 52, 116, 125, 145 : 워터 재킷
5, 19, 29, 39, 46, 57, 102, 140 : 풀리
6, 26, 37, 43, 67, 77, 87, 100, 101, 129, 131, 147 : 베어링
7, 17, 27, 68, 78, 88 : 축 밀봉체
8, 54 : 배면판
15, 25, 36, 52-2, 66, 76, 86, 117, 126 : 도체
33, 44-1, 44-2, 55, 94, 114, 123 : 로터
본 발명은, 동력원으로 특히 디젤 엔진이나 가솔린 엔진을 이용하는 다양한 차량 엔진의 시동 성능을 개선하고, 날씨가 춥거나 극히 추울 때 전기 차량을 비롯한 다양한 차량의 운전실과 선박의 선실을 난방하는 데에 사용되는 엔진 냉각수와 같은 열전달 유체의 보조 가열 수단으로서 사용되며, 엔진에 의해 구동되는 발전기, 용접기, 압축기, (시동 시간을 줄이기 위해) 건설 기계의 엔진 냉각수를 예열 또는 신속 가열하기 위한 유닛, 가열중 고온수를 강제 이송하는 유닛, 공조 장치의 히터, 그리고 헤어 드라이어와 같은 건조기에 사용하기 위한 자기 히터에 관한 것이다.
추운 지역에서 차량 시동시 엔진 냉각수를 가열하는 데에 사용되는 자동차 등의 차량용 보조 가열원으로는 점성형 히터(viscous type heater)가 공지되어 있다(JP-A-2-246823, JP-A-4-11716U, JP-A-9-254637, JP-A-9-66729, JP-A-9-323530 등 참조).
점성형 히터는 전단에 의해 실리콘 오일 등의 점성 유체를 발열시켜, 이 열을 워터 재킷 내부에서 순환하는 순환수와 열교환시켜 열원으로서 이용하는 시스템이다. 이 점성형 히터는, 외측에 워터 재킷이 형성된 하우징 내부의 발열 챔버와, 베어링에 의해 하우징에 회전 가능하게 지지되는 구동축과, 이 구동축에 고정되고 발열 챔버 내부에서 회전할 수 있는 로터를 포함한다. 실리콘 오일 등의 점성 유체가 발열 챔버의 벽면과 로터 사이의 간극에 채워져 있다. 순환수가 입수구로부터 유입되어 출수구로부터 외부 가열 회로로 배출되도록 워터 재킷 내부에서 순환한다.
구동축이 엔진에 의해 구동될 때, 로터는 차량의 가열 시스템에 합체된 점성형 히터 내의 발열 챔버 내부에서 회전한다. 이어서, 점성 유체가 발열 챔버의 벽면과 로터의 외면 사이의 간극에서 전단되어 열을 발생시킨다. 이 열은 워터 재킷 내부의 순환수와 열교환되며, 가열된 순환수는 차량에서 엔진 냉각수 등을 가열시키는 데에 이용된다.
비록 전술한 점성형 히터가 간단한 구조에 의해 소형화 및 저비용화를 실현할 수 있고, 무마멸 및 무접촉 기구에 의해 높은 신뢰성과 안전성을 유지할 수 있으며, 수온이 상승하여 보조 히터가 필요하지 않을 때에는 온도 제어에 의해 작동이 자동으로 정지되므로, 에너지를 낭비하지 않고 사용한다는 잇점이 있지만, 실리콘 오일의 열저항이 대략 240℃이므로, 점성 유체로서 사용되는 실리콘 오일의 온도가 별로 높을 수 없고, 시동시 실리콘 오일이 교반된 후 고온의 열을 발생시킬 때까지는 시간이 걸리며, 실리콘 오일의 온도가 증가하면 점성과 전단 저항이 떨어져 단위 시간당 가열치가 점진적으로 감소하므로, 엔진이 저온일 때는 가열 효과를 신속히 얻을 수 없다는 문제가 있다. 따라서, 그와 같은 점성형 히터는 추운 지역의 경우와, 특히 디젤 엔진을 탑재한 차량의 경우에는 충분히 효과적이지 못하며, 열전달 유체를 단시간에 효율적으로 가열할 수 있는 보조 히터가 요구되고 있다.
본 발명은 점성형 히터의 전술한 문제를 감안하여 안출되었으며, 그 목적은 단시간에 열전달 유체를 고온으로 가열할 수 있고, 점성형 히터에 비해 열저항이 뛰어난 자기 히터를 제공하는 것이다.
본 발명의 자기 히터는, 자석과 도체 사이에서 생성되는 자기 경로(magnetic path)를 전단함으로써 도체측에서 발생하는 슬립 열(slip heat)이 열전달 유체로 열교환되는 유형의 자기 히터이다. 기술 사상의 핵심은, 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 자석과 도체의 상대적 회전에 의해 도체에서 발생한 슬립 열에 의해 열전달 유체가 가열되는 것이다.
본 발명의 제1 양태는, 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생한 슬립 열에 의해서 열전달 유체가 가열되는 것을 특징한다.
본 발명의 제2 양태는, 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생한 슬립 열에 의해 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서, 베어링을 매개로 구동축에 지지된 하우징에 고정된 영구 자석과, 약간의 간극을 두고 영구 자석과 마주하며, 하우징 내에서 구동축에 의해 회전 가능하게 마련되어 있는 디스크형 도체를 포함하고, 하우징 내측으로 도입되는 열전달 유체가 디스크형 도체의 회전에 따라 도체에서 발생한 슬립 열에 의해 가열되는 것을 특징한다.
본 발명의 제3 양태는, 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생한 슬립 열에 의해 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서, 영구 자석과 열전달 유체 재킷을 포함하며, 열전달 유체 재킷은 약간의 간극을 두고 영구 자석과 마주하도록 배치된 도체를 구비하고, 베어링을 매개로 구동축에 의해 지지된 하우징 내에서 구동축에 의해 회전 가능하게 설치되어 있으며, 하우징 내측으로 도입되는 열전달 유체가 열전달 유체 재킷의 회전에 따라 도체에서 발생한 슬립 열에 의해서 가열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제4 양태는, 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생한 슬립 열에 의해 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서, 일정한 간극을 두고 서로 마주하도록 배치된 한 쌍의 좌우측 영구 자석과, 이들 영구 자석 사이에 개재되며 일정한 간극을 두고 각각의 영구 자석과 마주하도록 배치된 한 쌍의 좌우측 도체를 구비한 열전달 유체 재킷을 포함하고, 이 열전달 유체 재킷은 내부에 열전달 유체 통로가 마련되어 있으며, 베어링을 매개로 구동축에 의해 지지된 하우징 내에서 구동축에 의해 회전 가능하게 설치되어 있고, 하우징 내측으로 도입되는 열전달 유체가 열전달 유체 재킷의 회전에 따라 도체에서 발생한 슬립 열에 의해서 가열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제5 양태는, 약간의 간극을 두고 도체와 마주하도록 배치된 영구 자석 로터가 원통형 하우징 내에 베어링을 매개로 회전 가능하게 지지된 구동축의 둘레에 배치되어 있고, 원통형 하우징의 외주부에는 열전달 유체를 순환시키기 위한 열전달 유체 재킷이 설치되어 있으며, 상기 도체는 원통형 하우징의 내주면에 고정되어 있고, 열전달 유체 재킷 내부의 열전달 유체는 영구 자석 로터의 회전에 따라 도체에서 발생한 슬립 열에 의해 가열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제6 양태는, 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생한 슬립 열에 의해 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서, 상기 도체는 열전달 유체 재킷으로서 구동축에 회전 불가능하게 지지되어 있으며, 자석 로터가 상기 구동축에 의해 회전 가능하게 설치되어 있고, 상기 자석 로터는 열전달 유체 재킷의 양쪽에서 약간의 간극을 두고 열전달 유체 재킷과 마주하도록 배치된 자석들을 구비하며, 상기 열전달 유체 재킷 내부의 열전달 유체는 좌우측 자석 로터의 회전에 따라 자석 로터 사이에 배치된 비회전형 열전달 유체 재킷에서 발생한 슬립 열에 의해 가열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제7 양태는, 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생한 슬립 열에 의해 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서, 부분적으로는 도체로 구성되어 있고 베어링을 매개로 구동축에 의해 회전 불가능하게 지지되어 있는 수지제(樹脂製) 열전달 유체 재킷과, 약간의 간극을 두고 열전달 유체 재킷의 도체와 마주하도록 배치된 자석을 구비하고 구동축에 의해 회전 가능하게 설치되어 있는 영구 자석 로터와, 열전달 유체 재킷 내에서 영구 자석과 마주하는 쪽의 도체 내벽에 배치된 배면판을 포함하고, 상기 열전달 유체 재킷 내부의 열전달 유체는 영구 자석 로터의 회전에 따라 열전달 유체 재킷에서 발생한 슬립 열에 의해 가열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제8 양태는, 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생한 슬립 열에 의해 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서, 상기 도체는 자석의 양쪽에서 서로 마주하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제9 양태는, 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생한 슬립 열에 의해 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서, 구동축에 의해 회전 가능하게 설치되어 있는 영구 자석과, 베어링 및 축 밀봉체를 매개로 구동축에 지지된 하우징 내에서 영구 자석의 양쪽에 약간의 간극을 두고 영구 자석과 마주하도록 배치된 한 쌍의 좌우측 도체를 포함하며, 하우징 내측으로 도입되는 열전달 유체가 영구 자석의 회전에 따라 도체에서 발생한 슬립 열에 의해 가열되고, 영구 자석과 한 쌍의 좌우측 도체로 이루어진 조합이 한 세트 또는 복수 세트 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제10 양태는, 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생한 슬립 열에 의하여 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서, 베어링과 축 밀봉체를 매개로 구동축에 의하여 지지되는 하우징 내에 일정 간극을 두고 고정된 복수 개의 영구 자석과, 각각의 영구 자석의 양쪽에서 약간의 간극을 두고 각 영구 자석과 마주하고 상기 구동축에 회전 가능하게 고정된 한 쌍의 좌우측 도체를 포함하며, 하우징 내측으로 도입되는 열전달 유체가 도체 각각의 회전에 따라 도체에서 발생한 슬립 열에 의하여 가열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제11 양태는, 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생한 슬립 열에 의하여 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서, 구동축에 의하여 회전 가능하게 설치되어 있는 영구 자석과, 베어링 및 축 밀봉체를 매개로 구동축에 지지된 하우징 내부에서 약간의 간극을 두고 영구 자석과 마주하도록 영구 자석의 양쪽에 배치된 한 쌍의 좌우측 도체를 포함하며, 하우징 내측으로 도입되는 열전달 유체가 영구 자석의 회전에 따라 도체에서 발생한 슬립 열에 의하여 가열되고, 영구 자석과 한 쌍의 좌우측 도체로 이루어진 조합이 한 세트 또는 복수 세트 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제12 양태는, 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생한 슬립 열에 의하여 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서, 상기 자석과 도체는 유성 기어 기구에 의하여 상대적으로 회전하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제13 양태는, 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생한 슬립 열에 의하여 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서, 구동축에 고정되어 케이싱 내부에 장착되어 있는 도체로 제조된 회전 부재와, 이 도체 회전 부재와 약간의 간극을 두고 마주하도록 배치된 영구 자석을 구비한 자석 로터를 포함하며, 케이싱 내부의 열전달 유체는 자석 로터와 도체 회전 부재의 상대적 회전에 따라 도체 회전 부재에서 발생한 슬립 열에 의하여 가열된다. 본 자기 히터는, 자석 로터와 도체 회전 부재가 유성 기어 기구를 매개로 서로에 대해 반대 방향으로 회전할 수 있도록 자석 로터가 도체 회전 부재의 구동축에 지지되어 있으며, 상기 유성 기어 기구는 구동축에 고정된 태양 기어와, 베어링을 매개로 구동축에 지지된 캐리어에 축방향으로 지지되어 있는 피니언 기어와, 자석 로터측에 고정된 링 기어를 구비하며, 상기 케이싱 내부의 열전달 유체는, 캐리어를 구동축에 대해 반대 방향으로 회전시켜 구동축의 회전 속도를 증가시키기 위하여 자석 로터와 도체 회전 부재를 반대 방향으로 회전시킴으로써 가열되는 것을 특징으로 한다.
전술한 양태에 있어서, 영구 자석 대신에 열 페라이트를 사용할 수 있고, 도체를 대신하여 와전류 부재나 히스테리시스(hysteresis member) 부재를 사용할 수 있다.
다시 말하면, 본 발명은 영구 자석, 열 페라이트 및 전자석과 같은 자석과, 전기적 히스테리시스가 큰 재료(이하, "히스테리시스 부재"라고 부름)나 와전류 부재와 같은 도체(발열체)의 두 부재로 구성된다. 본 발명은 약간의 간극을 두고 서로 마주하고 있는 자석과 도체를 상대 회전시켜 자기 경로를 전단함으로써 도체측에 발생하는 슬립 열을 이용한다. 본 발명에 따른 자기 히터는, 발열체로서 와전류 부재 또는 히스테리시스 부재를 사용함으로써 수 초에서 수십 초 내에 200℃ 내지 600℃의 온도에 이르는 열을 발생시킬 수 있다.
전술한 "슬립 열"은, 자석에 의하여 생성된 자기장을 전단하는 방향으로 도체가 운동(회전)할 때, 와전류가 도체 내에 생성되고, 이 와전류가 흐르는 도체 내에서 전기 저항에 의하여 생성되는 열을 의미한다.
비록 도체가 주로 자석과 도체 사이의 상대 회전에 의하여 열을 발생시키며, 자석의 자력이 도체로부터의 복사열에 의하여 약간 약화되고, 구동 토크가 다소 감소하지만, 그 정도는 점성형 히터의 경우에 미치지 못하며, 발열치를 유지할 수 있다.
약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치된 자석과 도체의 상대 회전에 의하여 자기 경로를 전단하는 방법으로는, 자석측이나 도체측 중 한쪽을 회전시키는 방법과, 자석측과 도체측을 서로 반대 방향으로 회전시키는 방법과, 자석측 및 도체측을 같은 방향으로 해서 이들의 속도를 변화시키면서 회전시키는 방법 등이 있다. 상기 간극은, 구체적으로 한정되지는 않지만 보통 0.3 mm 내지 1.0 mm이다.
본 발명에서의 열교환 방법으로는, 열전달 유체를 직접 또는 간접으로 도체, 즉 발열체에 접촉시키는 방법을 이용할 수 있다. 열전달 유체 재킷 내에서 자석이 노출되어 있는 쪽의 반대쪽 도체 표면을 노출시키는 방법을 열전달 유체를 도체에 직접 접촉시켜 열교환하는 방법으로 이용할 수 있으며, 열전달 유체 재킷을 통하여 열교환하는 방법을 열전달 유체를 도체에 간접 접촉시켜 열교환하는 방법으로 이용할 수 있다.
그리고, 본 발명의 회전 구동원으로는, 풀리를 통하여 엔진에 의해 구동축을 구동시키는 방법을 이용하거나, 전용 모터, 풍력 및 수력을 엔진 대신 이용할 수도 있다.
또한, 전자기 클러치, 열 페라이트, 전자기 브레이크, 전자기 코일 및 기타 요소들을 자기 히터의 온-오프 제어 수단으로서 이용할 수 있다. 일반적으로, 연질 페라이트가 열 페라이트로 된 영구 자석에 도포된다. 소정 온도 이상에 이르기까지 열이 발생할 경우에는 자기 경로가 연질 페라이트를 관통하고, 반대로 소정 온도 이하로 온도가 떨어질 경우에는 자기 경로가 연질 페라이트의 외부에 형성되는 특징의 자석 때문에 온-오프 제어가 자동적으로 이루어질 수 있으며, 따라서 열 페라이트를 자석으로 사용함으로써 온-오프 제어 장치가 필요없게 된다. 전자석이 회전하면 전력이 슬립 링 등에 의하여 공급된다.
본 발명의 특성, 기타 목적, 용도 및 잇점들은 이하의 설명과 첨부 도면으로부터 명확히 드러날 것이다.
도 1은 본 발명의 청구범위 제2항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도이고, 도 2는 본 발명의 청구범위 제3항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도이며, 도 3은 본 발명의 청구범위 제4항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도이고, 도 4는 본 발명의 청구범위 제5항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도이며, 도 5는 본 발명의 청구범위 제6항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도이고, 도 6은 본 발명의 청구범위 제7항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도이며, 도 7은 본 발명의 청구범위 제9항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도이고, 도 8은 본 발명의 청구범위 제10항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도이며, 도 9는 본 발명의 청구범위 제11항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도이고, 도 10은 본 발명의 청구범위 제13항에 따른 자기 히터의 실시예를 나타낸 종단면도이며, 도 11은 본 발명의 자기 히터의 모터에 의한 온-오프 제어 수단의 실시예를 나타낸 종단면도이고, 도 12는 본 발명의 자기 히터의 전자기 클러치에 의한 온-오프 제어 수단의 실시예를 나타낸 종단면도이며, 도 13은 본 발명의 자기 히터의 전자석에 의한 온-오프 제어 수단의 실시예를 나타낸 종단면도이고, 도 14는 본 발명에 따라 희토류 영구 자석과 와전류 부재를 조합하여 행한 시험의 발열성 데이터의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 1에 도시된 자기 히터는, 하우징 내에 디스크형 도체를 수납하는 구성으로 이루어진 것으로서, 이 자기 히터의 구조는, 베어링(6)과 축 밀봉체(7)를 매개로 구동축(1)의 외주에 의해 지지된 일체형 하우징(2)에, 영구 자석(3)의 한쪽면이 하우징(2) 내에서 노출되도록 영구 자석(3)이 고정되고, 구동축(1)에 고정된 디스크형 도체(4)가 영구 자석(3)과 약간의 간극을 두고 마주하도록 하우징(2) 내에 고정되는 구조이다. 이 디스크형 도체(4)는 철판, 주철 또는 주강과 같은 자성재인 것이 바람직한 히스테리시스 재료의 자성 표면에 와전류 부재를 도포하거나, 와전류 부재 자체에 의해 형성된 도체로 이루어져 있다. 벨트를 통해 차량 엔진에 의하여 회전하도록 구동축(1)에는 풀리(5)가 부착되어 있다. 디스크형 도체(4)를 수납하는 일체형 하우징(2)은 입수구(P1)와 출수구(P2)를 구비한다. 배면판(8)은 코어 부재로서, 영구 자석(3)에 의해 생성된 자기장을 디스크형 도체(4)에 효과적으로 집중시키는 작용을 한다. 배면판은 필수 요소는 아니지만, 갖추고 있는 것이 바람직하다.
도 1에 도시한 자기 히터의 경우, 구동축(1)이 풀리(5)를 통해서 엔진에 의해 구동될 때, 디스크형 도체(4)는 일체형 하우징(2) 내에서 회전한다. 그 후, 영구 자석(3) 사이에 조성된 자기 경로가 전단되어, 디스크형 도체(4)에 슬립 열이 발생한다. 이 슬립 열은 일체형 하우징(2) 내에서 순환수, 즉 열전달 유체로 교환된다.
도 2에 도시된 자기 히터에서는, 베어링(16)과 축 밀봉체(17)를 매개로 구동축(11) 둘레에 지지되어 있는 하우징(12) 내부에 영구 자석(13)이 수납되어 있다. 하우징(12)은 전방 하우징(12-1)과 후방 하우징(12-2)으로 구성된다. 도우넛형 영구 자석(13)은 요크(13a)를 매개로 전방 하우징(12-1)에 고정되어 있다. 구동축(11)에 끼워져 있는 원반(14)이 하우징 내에 마련되어 있으며, 이 원반(14)에는 영구 자석(13)과 약간의 간극을 두고 마주하는 도체(15)가 그 배면이 후방 하우징(12-2)의 측면에 노출되도록 고정되어 있다. 도체(15)는 철판, 주철 또는 주강과 같은 자성재인 것이 바람직한 히스테리시스 재료의 자성 표면에 와전류 부재를 도포하거나, 와전류 부재 자체에 의해 형성된 도체이다. 도체(15)의 후방 하우징(12-2)측에는 원호형 핀(15a) 또는 방사형 핀(15b)이 마련되어 있어 열교환 효율이 향상된다. 순환수 즉, 열전달 유체의 관통 구멍(14-1a)이 원반(14)의 접합부에 천공되어 있다. 영구 자석(13)과 원반(14)을 수납하는 하우징(12)에는 그 하우징의 내부와 연통하는 입수구(P1)와 출수구(P2)가 마련되어 있다. 한편, 풀리(19)가 고정 볼트(18)에 의해 구동축(11)에 고정되어 있으며, 벨트를 통해서 차량의 엔진에 의해 회전한다. 또한, 구동원으로 엔진 대신에 전용 모터, 풍력 및 수력 등을 이용할 수 있음은 말할 필요도 없다.
전술한 구성의 자기 히터에 있어서, 구동축(11)이 풀리(19)를 통해 엔진으로 구동되면, 원반(14)과 일체인 도체(15)가 하우징(12) 내에서 회전한다. 그 후, 하우징(12) 내에 수납된 영구 자석(13) 사이에 형성된 자기 경로가 전단되고, 도체에 슬립 열이 발생한다. 도체(15)의 열은 하우징(12) 내에서 순환수, 즉 열전달 유체로 열교환되고, 가열된 순환수는 난방 회로에 의해 차량을 난방하는 데에 활용된다.
다음으로, 도 3에 도시된 구조의 자기 히터는, 베어링(26)과 축 밀봉체(27)를 매개로 구동축(21) 둘레에 지지되는 하우징(22) 내부에, 소정 거리를 사이에 두고 서로 마주하도록 배치된 한 쌍의 좌우측 영구 자석(23)이 수납되어 있다. 이 하우징(22)은 전방 하우징(22-1)과 후방 하우징(22-2)으로 구성된다. 도우넛형 영구 자석(23)이 요크(23a)를 매개로 고정되어 있다. 하우징(22) 내부에는, 구동축(21)에 끼워지는 원반(24)이 마련되어 있고, 이 원반(24)에는 상기 영구 자석과 약간의 간극을 두고 마주하는 도체(25)가 고정되어 있다. 이 원반(24)에는 순환수, 즉 열전달 유체의 통로가 천공되어 있다. 이 통로는, 원반(24)의 접합부에 축방향으로 관통되어 있는 통로(24-1a)와, 이 통로(24-1a)와 연통하면서 좌우측 도체를 통과하도록 방사형으로, 또는 바람직하게는 부채꼴 형태로 마련되어 있는 복수 개의 통로(24-1b)로 구성된다. 도체(25)의 배면을 통로(24-1a)에 노출시키면 열교환이 더욱 촉진되기 때문에 바람직하다는 것에 주목하기 바란다. 영구 자석(23)과 원반(24)을 수납하는 하우징(22)에는, 그 하우징의 내측과 연통하는 입수구(P1)와 출수구(P2)가 마련되어 있다. 이 원반(24)에는 열교환 효율을 향상시키기 위하여 외주부 또는 방사형 통로에 핀(24a)이 마련되어 있다. 한편, 풀리(29)가 고정 볼트(28)에 의해 구동축(21)에 고정되어, 벨트를 통해 차량의 엔진에 의해 회전한다. 엔진 대신에 구동원으로서 전용 모터, 풍력 및 수력 등을 이용할 수 있음은 물론이다.
전술한 구성의 자기 히터에 있어서, 구동축(21)이 풀리(29)를 통해서 엔진에 의해 구동되면, 하우징(22) 내에서 원반(24)과 일체인 도체(25)가 회전한다. 그 후, 하우징(22) 내에 수납된 한 쌍의 좌우측 영구 자석(23) 사이에 형성된 자기 경로가 전단되고 도체(25)에 슬립 열이 발생한다. 도체(25)의 열은 하우징(22) 내에서 순환수, 즉 열전달 유체로 열교환되고, 가열된 순환수는 난방 회로에 의해 차량을 난방하는 데에 활용된다.
도 4에 도시된 자기 히터는, 구동축(31)에 끼워져 있는 영구 자석 로터(33)가, 베어링(37)을 매개로 구동축(31) 둘레에 지지되어 있는 원통형 하우징(32) 내부에 수납되는 원통형 히터이다. 약간의 간극을 유지하면서 요크(34a)를 매개로 영구 자석 로터(33)에 고정된 링형 영구 자석(34)과 마주하는 도체(36)가 원통형 하우징(32)의 내주면에 고정되어 있다. 내부에 도체(36)가 고정되어 있는 원통형 하우징(32) 둘레에 워터 재킷(35)이 고정 볼트(38)에 의해 고정되어 있다. 이 워터 재킷(35)에는, 그 워터 재킷(35)과 연통하며 서로 인접해 있는 입수구(P1)와 출수구(도시 생략)가 마련되어 있다. 구동축(31)은 풀리(39)와 합체되어 있어서 벨트를 통해서 차량의 엔진에 의해 회전한다.
도 4에 도시된 자기 히터에서 구동축(31)이 풀리(39)를 통해서 엔진에 의해 구동되면, 영구 자석 로터(33)와 영구 자석(34)이 원통형 하우징(32) 내부의 구동축(31)쪽에서 회전하게 된다. 그러면, 하우징(32)의 내주면에 고정되어 있는 도체(36)와 영구 자석(34) 사이에 형성되어 있는 자기 경로가 전단되고 도체(36)가 슬립 열을 발생시킨다. 도체(36)의 열은 순환수와 열교환되며, 워터 재킷(35) 내부의 열전달 유체와 가열 순환수는 가열 회로에 의해 차량을 난방하는 데에 활용된다.
도 5에 도시된 자기 히터에서는, 예컨대 와전류 부재로 구성된 워터 재킷(도체)(42)이 베어링(43)을 매개로 구동축(41) 둘레에 회전 불가능하게 지지되어 있고, 도우넛형 영구 자석(45-1, 45-2)을 구비한 자석 로터(44-1, 44-2)가 약간의 간극을 유지하면서 워터 재킷(42)의 양쪽에 배치되어 구동축(41)과 일체로 고정되어 있다. 상기 자석 로터 중 하나의 자석 로터(44-1)는 고정 볼트(47-1)에 의해 구동축(41)에 고정되어 있고, 다른 자석 로터(44-2)는 키이(도시 생략) 등에 의해 구동축(41)에 고정되어 있다. 도우넛형 영구 자석(45-1, 45-2)은 각각 요크(45-1a, 45-2a)를 매개로 고정되어 있다. 워터 재킷에는 입수구(P1)와 출수구(P2)가 마련되어 있다. 풀리(46)가 고정 볼트(47)에 의해 구동축(41)에 고정되어 있어 벨트를 통해서 자동차의 엔진에 의해 회전한다는 것에 주목하기 바란다.
도 6에 도시된 자기 히터는, 전체 히터의 무게를 줄이는 동시에 열전달 유체의 열보존 특성을 유지하기 위해서 워터 재킷 본체가 수지로 이루어져 있다. 이 워터 재킷 본체의 형상에 대응하도록 형성되어 있는 와전류 부재로 구성된 도체(52-2)를, 시일 링(52-3, 52-4)을 통해 본체 내부에서 단면이 "]" 형상인 워터 재킷 본체(52-1)의 전방측에 고정함으로써 구성된 워터 재킷(52)은, 베어링(53)을 매개로 구동축(51) 둘레에 회전 불가능하게 지지되어 있으며, 약간의 간극을 사이에 두고 워터 재킷(52)의 도체(52-2)와 마주하도록 배치된 도우넛형 영구 자석(56)을 구비한 영구 자석 로터(55)가 고정 볼트(59)에 의해 구동축(51)과 일체로 고정되어 있다. 워터 재킷(52) 내부에서 영구 자석(56)을 향하는 쪽의 도체(52-2) 내벽에는 배면판(54)이 부착되어 있다. 워터 재킷(52)에는 입수구(P1)와 출수구(P2)가 마련되어 있다. 구동축(51)은 전술한 바와 같은 방식으로 풀리(57)와 벨트를 통해서 자동차의 엔진에 의해 회전한다는 것에 주목하기 바란다. 도면 부호 58은 순환수를 나타낸다.
전술한 바와 같이 구성된 자기 히터에서 구동축(51)이 풀리(57)를 통해 엔진에 의해 구동되면, 구동축(51)과 합체된 영구 자석 로터(55)와 영구 자석(56)이 회전한다. 그러면, 수지로 이루어진 워터 재킷 본체(52-1)에 고정되며 와전류 부재로 이루어진 도체(52-2) 사이에 생성되는 자기 경로가 전단되고 도체(52-2)가 슬립 열을 발생시킨다. 영구 자석(56)을 향하는 쪽의 도체(52-2) 내벽에 부착된 배면판(54)의 작용으로 강한 자기장이 영구 자석(56) 사이에 생성되고, 충분한 와전류가 워터 재킷(52)의 도체(52-2)에 발생하므로 히터의 효율이 향상된다. 워터 재킷(52)의 도체(52-2)의 열은 순환수(58), 즉 재킷(52) 내부의 열전달 유체와 열교환되며, 이 가열된 순환수는 전술한 것과 동일한 방식으로 가열 회로에 의해 차량을 난방하는 데에 이용된다. 회전에 의한 워터 재킷의 상대 속도가 원주 방향으로 도체(52-2)의 배면판(54) 외측에서 크기 때문에, 가열치가 큰 부분에 가까운 결과, 큰 표면적(열전달 면적)으로 인하여 완전한 냉각이 가능하므로, 워터 재킷의 용적이 증가하고, 열이 효과적으로 회수되며, 영구 자석(56)에 대한 복사열이 감소하고, 시일 링(52-3, 52-4)에 대한 열적 영향이 감소하는 효과를 얻을 수 있는 것 외에도, 워터 재킷이 (순동 등으로 구성된) 와전류 부재로 이루어져 있는 자기 히터에 비해 무게가 줄어드는 것 뿐만 아니라, 열전달 유체의 열보존 특성이 향상될 수도 있는데, 이 자기 히터의 경우에는 일반적으로 열전도도가 낮은 수지로 워터 재킷 본체(52-1)를 제조하기 때문이다. 또한, 가열치가 증가하는 효과를 얻을 수 있는데, 왜냐하면 워터 재킷 본체(52-1)를 "[" 형상으로 형성하여 영구 자석을 둘러쌈으로써 영구 자석의 내외주측에 발생하는 누설 플럭스를 도체(52-2)측으로 취입시켜 누설 플럭스를 감소시킬 수 있기 때문이다.
도 7에 도시한 자기 히터에서는, 구동축(61) 외측에 고정되도록 하우징(62)의 내벽에 고정되어 있는 도우넛형 영구 자석(63)과, 약간의 간극을 두고 영구 자석(63)과 마주하도록 영구 자석의 양쪽에서 구동축(61)에 고정되어 있는 디스크형 자기 링 플레이트(65) 및 도우넛형 리타더(retarder) 링 플레이트(64)로 구성되는 도체(66)가, 베어링(67)과 축 밀봉체(68)를 매개로 구동축(61) 둘레에 지지되어 있는 하우징(62) 내부에 수납되어 있다. 이 히터의 하우징(62)은 전방 하우징(61a)과 후방 하우징(61b)으로 구성되며, 후방 하우징(61b)측에는 입수구(P1)가, 전방 하우징(61a)측에는 출수구(P2)가 마련되어 있다. 이들 입수구(P1)와 출수구(P2)는 하우징(62)의 내측과 연통한다.
예컨대, 도 7에 도시된 자기 히터에서 구동축(61)이 엔진에 의하여 구동되면, 하우징(62) 내에서 구동축에 고정되어 있는 디스크형 자기 링 플레이트(65) 및 도우넛형 리타더 링 플레이트(64)로 구성된 도체(66)가 회전한다. 그러면, 하우징(62) 내에 수납되어 있는 영구 자석(63) 사이에 형성되는 자기 경로가 전단되고 도체(66)가 슬립 열을 발생시킨다. 도체(66)의 열은 하우징(62) 내부의 순환수, 즉 열전달 유체와 열교환된다.
도 8에 도시되어 있는 자기 히터는, 영구 자석이 2개 배치되어 있고, 각각의 영구 자석과 함께 쌍으로 마련되어 있는 도체(76)가 회전하는 2단형 히터이다. 이 히터에서는, 소정 간극을 두고 구동축(71) 외부에 고정되도록 하우징(72)의 내벽에 고정되어 있는 2개의 도우넛형 영구 자석(73)과, 약간의 간극을 두고 영구 자석(73)과 마주하도록 영구 자석(73)의 양쪽에서 구동축(71)에 고정되어 있는 도우넛형 리타더 링 플레이트(74) 및 디스크형 자기 링 플레이트(75)로 구성된 도체(76)가, 베어링(77)과 축 밀봉체(78)를 매개로 구동축(71) 둘레에 지지되어 있는 하우징(72) 내부에 수납되어 있다. 이 히터의 하우징(72)은 전방 하우징(72a)과 후방 하우징(72b)으로 구성되며, 후방 하우징(72b)측에는 입수구(P1)가, 전방 하우징(72a)측에는 출수구(P2)가 마련되어 있다. 좌우측 영구 자석(73)과 도체(76) 사이에는 공간이 마련되어 있어서 좌우측의 자기 회로가 서로 간섭하지 않는다는 것에 주목하기 바란다.
예컨대, 도 8에 도시되어 있는 자기 히터에서 구동축(71)이 엔진에 의하여 구동되면, 도체(76)가 회전하고, 하우징(72) 내에 수납되어 있는 2개의 영구 자석(73) 사이에 형성된 자기 경로가 전단된다. 그러면, 각각의 도체(76)가 슬립 열을 발생시킨다. 도체(76)의 열은 전술한 바와 동일한 방식으로 하우징(72) 내부의 순환수, 즉 열전달 유체와 열교환된다. 열전달 유체가 좌우측 영구 자석(73)과 도체(76) 사이에 형성된 공간을 통하여 흐르기 때문에 열이 잘 전달된다.
도 7 및 도 8의 두 히터는, 자석이 고정되어 있고, 도체가 자석과 마주하도록 영구 자석의 양측에 배치되어 있는 구조물에서 도체가 회전하는 유형인 반면에, 도 9에 도시된 자기 히터는 도체가 영구 자석과 마주하도록 영구 자석의 양측에 배치되어 있는 구조물에서 자석이 회전하는 유형이다. 이 히터에서는, 자석 지지체(83a)를 매개로 구동축(81)의 둘레에 설치되어 있는 도우넛형 영구 자석(83)과, 이 영구 자석(83) 양쪽에서 약간의 간극을 두고 영구 자석(83)과 마주하도록 하우징의 내벽에 설치되어 있는 도우넛형 리타더 링 플레이트(84) 및 디스크형 자기 링 플레이트(85)로 구성된 도체(86)가, 베어링(87) 및 축 밀봉체(88)를 매개로 구동축(81)의 둘레에 지지되어 있는 하우징(82) 내부에 수납되어 있다. 이 하우징(82)은 전방 하우징(82a)과 후방 하우징(82b)으로 구성되며, 전방 하우징(82a)의 중앙에는 입수구(P1)가 마련되어 있고, 하우징의 외주부에는 출수구(P2)가 마련되어 있다. 이들 입수구(P1)와 출수구(P2)는 하우징의 내측과 연통한다.
도체(86)로서의 자기 링 플레이트(85)는 구리 및 알루미늄과 같은 와전류 부재로 구성된 리타더 링 플레이트(84)가 히스테리시스 재료 또는 바람직하게는 알니코, 페라이트 스테인레스, 철판, 주철 및 주강과 같은 자성 재료의 자석 측면에 부착되는 것일 수 있으며, 또는 와전류 재료나 자기 재료만으로 이루어질 수 있다. 구동축(81)은 차량 엔진, 전용 모터 또는 풍력 및 수력에 의하여 풀리 등을 매개로 벨트에 의하여 회전한다.
예컨대, 전술한 바와 같이 구성된 자기 히터의 엔진에 의하여 구동축(81)이구동되면, 하우징(82) 내에서 구동축과 일체로 고정되어 있는 영구 자석(83)과 하우징(82) 내부에 수납되어 있는 도체(86) 사이에 형성된 자기 경로가 전단되고, 각각의 도체(86)가 슬립 열을 발생시킨다. 도체(86)의 열은 하우징(82) 내에서 순환수, 즉 열전달 유체와 열교환되며, 이렇게 가열된 순환수는 가열 회로에 의하여 차량을 난방하는 데에 활용된다.
도 10에 도시된 자기 히터는, 구동축과 자석이 유성 기어 기구를 매개로 반대 방향으로 회전할 수 있도록 배치되어 있고, 유성 기어 기구의 캐리어를 구동축과 반대 방향으로 회전시켜 영구 자석과 원심 팬의 상대 속도를 증가시킴으로써 최대 가열치를 얻을 수 있도록 구성된 자기 히터이다. 이 자기 히터에서는, 구동축(91)에 고정되고 팬 케이싱(92) 내에 수납되어 있는 원심 팬(93)의 휠 디스크(93a)가 도체로 구성되며, 이 도체로 구성된 휠 디스크(93a)와 약간의 간극을 두고 마주하는 영구 자석(95)을 구비한 원통형 자석 로터(94)는 태양 기어(96), 피니언 기어(97), 캐리어(98) 및 링 기어(99)를 포함하는 유성 기어 기구를 매개로 반대로 회전할 수 있도록 구동축(91)에 의하여 지지되어 있다. 유성 기어 기구의 태양 기어(96)는 구동축(91)에 고정되어 있고, 태양 기어(96)와 맞물리는 피니언 기어(97)는 베어링(100)을 매개로 구동축(91)에 고정된 캐리어(98)에 의하여 축방향으로 지지되어 있으며, 피니언 기어(97)와 맞물리는 링 기어(99)는 피니언 기어와 일체로 원통형 자석 로터(94)의 내부에 설치되어 캐리어(98) 사이에 마련된 베어링(101)에 의하여 지지되어 있고, 캐리어(98)가 풀리(102)를 매개로 구동축(91)과 반대 방향으로 회전할 수 있도록 풀리(102)가 피니언 기어(97)의 캐리어(98)에 고정되어 있다. 팬 케이싱(92)과 원통형 자석 로터(94)의 접합부는 밀봉부(103)에 의하여 점 적용 가능하게(point-applicably) 밀봉되어 있다.
따라서, 구동축(91)이 자기 히터에서 구동되면, 열전달 유체 유입구(P1)로부터 팬 케이싱(92)으로 유입된 열전달 유체는 화살표로 도시된 바와 같이 흐르고, 동시에 원심 팬(93)과 영구 자석(95)의 상대 속도가 증가하며, 풀리(102)를 매개로 캐리어(98)를 구동축(91)과 반대 방향으로 회전시킴으로써 최대 가열치를 얻을 수 있는데, 유성 기어 기구를 매개로 구동축(91)에 지지되어 있는 원통형 자석 로터(94)는 원심 팬(93)과 반대 방향으로 회전한다.
다음으로, 전술한 자기 히터의 온-오프 제어 수단의 구체적인 예를 도 11 내지 도 13을 참고로 설명하기로 한다.
도 11은 자기 히터의 온-오프 제어 수단으로 구동 모터가 사용되는 경우를 보여주고 있다. 이 자기 히터에서, 구동 모터(112)는 자기 히터의 배면에 마련되어 있고, 구동 모터(112)의 구동축(111)에 끼워져 있는 영구 자석 로터(114)가 전방 하우징(113) 내부에 수납되어 있으며, 약간의 간극을 두고 영구 자석 로터(114)와 마주하는 워터 재킷(116)은, 그 재킷의 배면에서 후방 하우징(113-1) 사이에 개지되어 있는 가스켓(G)을 매개로 볼트(도시 생략)에 의하여 고정 및 적층되어 있다. 영구 자석 로터(114)에는 도우넛형 영구 자석(115)이 요크(115a)를 매개로 고정되어 있고, 약간의 간극을 두고 영구 자석(115)과 마주하는 도체(117)가 워터 재킷(116)에 고정되어 있다. 워터 재킷(116)의 배면에 고정된 후방 하우징(113-1)에는 입수구(P1)와 출수구(도시 생략)가 마련되어 있으며, 서로 인접한 이들 유입구와 배출구는 워터 재킷(116)과 연통한다. 워터 재킷(116)에는 열교환 효율 향상을 위한 핀(116a)이 마련되어 있다. 이러한 핀은 나선형, 방사형 또는 원호형으로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이 구성된 자기 히터에서 구동 모터(112)가 작동되면, 구동축(111)에 고정되어 있는 영구 자석 로터(114)가 축방향 코어를 중심으로 회전하고 영구 자석(115)이 회전한다. 그리고, 워터 재킷(116)의 정면에 고정된 도체(117)와 영구 자석(115) 사이에서 발생하는 자기 경로가 전단되고 도체(117)가 슬립 열을 발생시킨다. 도체(117)의 열은 워터 재킷(116) 내부의 순환수, 즉 열전달 유체로 열교환되며, 가열된 순환수는 가열 회로에 의하여 차량을 난방하는 데에 활용된다.
도 11에 도시된 자기 히터의 경우, 예컨대 온도 센서를 사용하여 열전달 유체의 온도를 측정함으로써, 온도가 예정 온도에 이르면 구동 모터(112)를 오프(OFF)시키거나, 구동 모터(112)의 속력을 그 지점까지 점진적으로 감소시킬 수 있다.
도 12는 자기 히터의 온-오프 제어 수단으로서 전자기 클러치가 사용되는 경우를 보여주고 있다. 자기 히터에 있어서, 구동축(121)에 끼워져 있는 영구 자석 로터(123)가 베어링(129)을 매개로 구동축(121) 둘레에 지지되어 있는 하우징(122) 내부에 수납되어 있으며, 약간의 간극을 두고 영구 자석 로터(123)와 마주하하는 워터 재킷(125)이, 그 재킷의 배면에서 후방 하우징(122-1) 사이에 개재되어 있는 가스켓(G)을 매개로 관통 볼트(127)에 의하여 고정 및 적층되어 있다. 영구 자석 로터(123)에는 도우넛형 영구 자석(124)이 요크(124a)를 매개로 고정되어 있고, 약간의 간극을 두고 영구 자석(124)과 마주하는 도체(126)가 워터 재킷(125)에 고정되어 있다. 도체(126)는 히스테리시스 부재 및 철판과 같은 베이스 부재의 영구 자석(124)의 표면에 와전류 부재를 부착함으로써 형성되어 있다. 워터 재킷(125)의 배면에 고정된 후방 하우징(122-1)에는 입수구(P1)와 출수구(도시 생략)가 마련되어 있으며, 서로 인접한 이들 유입구와 배출구는 워터 재킷(125)과 연통한다. 워터 재킷(125)에는 열교환 효율 향상을 위한 핀(125a)이 마련되어 있다.
온-오프 제어용 전자기 클러치(130)는 자기 히터 내부의 구동축(121)에 결합되어 있다. 이 전자기 클러치(130)는, 베어링(131)을 매개로 전방 하우징(122)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있는 클러치 로터(132)와, 이 클러치 로터(132) 내부에 위치하도록 하우징(122) 내부에 마련되어 있는 여기 코일(133)과, 고정 볼트(134)에 의하여 구동축(121)에 고정되어 있는 허브(135)와, 이 허브에 의하여 여기 코일(133)측으로 이동하도록 유지되어 있는 전기자(136)를 포함한다. 클러치 로터(132)는 벨트를 매개로 차량 엔진(도시 생략)에 의하여 회전한다는 것에 주목하기 바란다.
전술한 바와 같이 구성된 자기 히터에서 전자기 클러치(130)가 온(ON)되어 작동하게 되면, 구동축(121)에 고정되어 있는 영구 자석 로터(123)가 축방향 코어를 중심으로 회전하고 영구 자석(124)이 회전한다. 그러면, 워터 재킷(125)의 정면에 고정된 도체(126)와 영구 자석(124) 사이에서 발생하는 자기 경로가 전단되고 도체(126)가 슬립 열을 발생시킨다. 도체(126)의 열은 워터 재킷(125) 내부의 순환수, 열전달 유체로 열교환되며, 가열된 순환수는 가열 회로에 의하여 차량을 난방하는 데에 활용된다.
도 13은 자기 히터의 온-오프 제어 수단으로서 전자석이 사용되는 경우, 즉전자석(144)이 자석으로 사용되어 회전함으로써 고정측 도체가 슬립 열을 발생시키도록 구성되어 있는 경우를 도시한 도면이다. 이 경우, 전자석(144)은 풀리(140)에 합체되어 있고, 그 풀리의 측부에는 슬립 링(148)이 고정되어 있으며, 전력이 급전 케이블(143)로부터 급전 슬라이더(142)를 경유하여 전자석(144)에 공급된다. 약간의 간극을 두고 풀리(140)와 마주하는 워터 재킷(145)이, 베어링(147)을 매개로 풀리(140)에 지지되어 있는 구동축(141)과 일체로 고정되어 있으며, 풀리와 마주하는 워터 재킷(145) 면에는 도체(146)가 고정되어 있다. 워터 재킷(145)의 배면에 고정된 하우징(142)에는 입수구(P1)와 출수구(도시 생략)가 마련되어 있으며, 서로 인접한 이들 입수구와 출수구는 워터 재킷(145)과 연통한다는 것에 주목하기 바란다.
따라서, 이 자기 히터의 경우에는 히터의 온-오프가 전자석(144)에 의하여 제어될 수 있다.
본 발명에서 사용하는 도체로는 클래드 부재와 코팅 부재를 사용할 수 있다.
예를 들면, 자기 재료와 와전류 부재의 클래드 부재를 사용할 수 있는데, 그 이유는 클래드 부재에 의하여 와전류 부재와 코어 부재가 합체될 수 있고, 저렴하고 콤팩트한 제품 및 높은 생산성이 실현될 수 있으며, 품질이 우수하기 때문에 신뢰성이 향상된다. 비록 통상적인 클래드 부재는 또 다른 클래드 부재가 재료, 즉 베이스 재료와 접착되어 있는 복층형 구조로 이루어진 재료이었지만, 다수의 동질 재료 또는 이질 재료가 다층형 클래드로서 적층되어 있는 재료가 최근 개발되었다. 따라서, 복층형 구조의 클래드 부재뿐만 아니라, 자석측에 와전류 부재가 있는 다층 구조의 클래드 부재를 본 발명에 채용할 수 있다. 미크론 규모의 2종 이상의 금속으로 이루어진 필름이 적층되어 있는 클래드 부재는 종래 재료와 달리 탁월한 특성을 갖는데, 왜냐하면 자성 재료가 매우 얇아서 영구 자석으로부터 발생한 자기장이 감쇠되지 않고 와전류 부재에 다량 도달하여 열을 발생시키기 때문이다. 따라서, 이를 수 회 반복하면 가열치가 증가한다. 그 중에서도, 철 또는 스테인레스강이 예컨대 구리 및 알루미늄과 함께 다층으로 이루어진 재료가 열전도 특성 및 자기 특징을 갖추어 자기 히터의 도체로서 적합하다는 것이 입증되었다.
또한, 적어도 영구 자석과 마주하는 열전달 유체 재킷의 표면에 코팅, 몰딩 또는 페이스팅으로 단열층을 마련하는 것도 가능하다.
즉, 전도체를 고정시키고 자석을 회전시킴으로써 열이 발생하는 유형의 자기 히터의 경우, 반경 방향으로 흐르는 공기 흐름이 고속 회전하는 영구 자석 주위에 발생한다. 도체로 이루어진 열전달 유체 재킷은 반경 방향의 공기 흐름에 노출되어 그 공기에 의해 냉각되므로, 열전달 유체 재킷 내부의 열전달 유체로의 열전달이 곤란해진다. 그러면, 열전달 유체 재킷이 공기에 의해 냉각되는 것을 가능한 한 방지하기 위하여, 적어도 영구 자석과 마주하는 열전달 유체 재킷 면에 코팅 등으로 단열층을 마련함으로써 열전달 유체 재킷이 반경 방향의 공기 흐름에 의해 냉각되는 것을 방지한다. 이 경우, 열전달 유체 재킷의 외면 전체에 단열층을 마련할 수도 있다. 열전달 유체 재킷을 단열층으로 둘러싸면 열전달 유체 재킷의 외면 전체에 단열층을 마련할 수 있다. 단열층으로는, 예컨대 수지, 포밍 수지, 펠트(felt), 면, 세라믹, 석면 또는 이들의 조합을 들 수 있다.
도 14에는, 발명자가 시험하여 얻은 와전류 부재와 희토류 영구 자석의 조합의 발열 데이터가 예시되어 있다. 이 데이터는, 영구 자석과 와전류 부재 사이의 간극을 1.0 mm로 고정시킨 상태로 이들이 서로 마주하도록 배치하고 와전류 부재측은 고정시킨 채로 자석측의 회전 속력을 다양하게 변화시켜 측정한 시간(초)과 온도 간의 관계를 보여주고 있다.
이 데이터는, 약간의 간극을 두고 자석과 도체를 배치하고 이들 자석과 도체를 상대 회전시킴으로써 도체가 수초 내지 수십초 이내에 200 내지 800℃의 슬립 열을 발생시킨다는 것을 보여준다. 따라서, 워터 재킷이 도체측에 부착된 경우, 순환수와의 열교환으로 도체측 표면의 온도가 매우 짧은 시간에 200 내지 800℃의 고온으로 가열될 수 있다.
본 발명의 열전달 유체로는, 물 외에도, 예컨대 열전달 오일, 실리콘 오일, 냉매 또는 공기와 같은 가스를 채택할 수 있음은 물론이다. 또한, 이는 보일러와 같은 액체 증발에도 적용할 수 있다.
삭제
비록 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하였지만, 후속 청구 범위에 의해 한정되는 본 발명의 사상 범위 내에서 실시예에 변형이 가능함을 당업자는 알 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 자기 히터는 영구 자석, 전자석 및 열 페라이트와 같은 자석이, 자성 재료 및 자석측 표면에 와전류 부재가 마련되어 있는 히스테리시스 부재로 이루어진 도체 또는 와전류 부재와 조합되어 있고, 도체측이나 자석측이 열전달 유체 내에서 회전할 때 도체에 발생하는 슬립 열을 이용하는 것이므로, 구조가 보다 간단해질 수 있고, 소형화 및 저비용화를 실현할 수 있으며, 비마모식 및 비접촉식 기구에 의해 높은 신뢰성과 안전성이 보장된다. 이 외에도, 본 발명의 자기 히터는, 예컨대 엔진이 저온인 경우와 같이 신속한 가열이 필요할 때에는 엔진 등에 의해 도체측을 구동시킴으로써 엔진 냉각수를 신속하게 가열할 수 있어, 엔진 워밍 작용을 현저하게 향상시킬 수 있다는 탁월한 효과를 발휘한다. 따라서, 본 발명의 자기 히터는 열전달 유체를 효과적으로 단시간 내에 고온으로 가열할 수 있고, 특히 디젤 엔진을 장착한 차량과 추운 지역에 특화된 차량에 매우 효과적인 보조 히터로서 탁월한 효과를 나타낸다. 하나의 영구 자석의 양쪽에 도체가 배치되어 양쪽에서 열을 발생시키는 유형의 자기 히터로는 보다 높은 열회수 효율을 얻을 수 있다. 또한, 하우징을 복수 개의 챔버로 분할함으로써 별개의 열전달 유체를 동시에 가열할 수 있다. 구동축측과 자석 로터측이 유성 기어 기구에 의해 반대 방향으로 회전할 수 있도록 구성된 자기 히터는, 구동축측 및 자석 로터측의 폭넓은 상대 회전 속력 범위를 보장할 수 있고, 높은 발열 효율을 얻을 수 있으며, 가열치를 쉽게 제어할 수 있다는 탁월한 효과를 발휘한다.

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 이들 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생하는 슬립 열에 의해 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서,
    베어링(6)을 매개로 구동축(1)에 지지되어 있는 하우징(2)에 영구 자석(3)이 고정되어 있고,
    약간의 간극을 두고 상기 영구 자석(3)과 마주하는 디스크형 도체(4)가 하우징(2) 내에서 구동축(1)에 의해 회전 가능하게 마련되어 있으며,
    상기 하우징(2)의 내측으로 도입되는 열전달 유체가 상기 디스크형 도체(4)의 회전에 따라 상기 디스크형 도체(4)에서 발생하는 슬립 열에 의해서 가열되는 것인 자기 히터.
  3. 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 이들 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생하는 슬립 열에 의해 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서,
    베어링(16) 및 축 밀봉체(17)를 매개로 구동축(11)에 지지되어 있는 하우징(12)의 내부에 영구 자석(13)이 고정되어 있고,
    상기 하우징(12) 내에서 구동축(11)에 의해 회전 가능하게 마련되는 원반(14)에는, 상기 영구 자석(13)과 약간의 간극을 두고 마주하는 도체(15)가 마련되며,
    상기 하우징(12) 내측으로 도입되는 열전달 유체가 상기 원반(14)의 회전에 따라 상기 도체(15)에서 발생되는 슬립 열에 의해서 가열되는 것인 자기 히터.
  4. 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 이들 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생하는 슬립 열에 의해 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서,
    베어링(26) 및 축 밀봉체(27)를 매개로 구동축(21)에 지지되어 있는 하우징(22)의 내벽에 일정한 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있는 한 쌍의 좌우측 영구 자석(23)과,
    상기 하우징(22) 내에서 상기 좌우측 영구 자석(23) 사이에 개재되어 구동축(21)에 의해 회전 가능하게 마련되는 원반(24)에는, 상기 한 쌍의 좌우측 영구 자석(23)과 약간의 간극을 두고 마주하는 도체(25)가 마련되며,
    상기 원반(24)은 내부에 열전달 유체 통로(24-1a, 24-1b)가 마련되어 있고,
    상기 하우징(22)의 내측으로 도입되는 열전달 유체가 상기 원반(24)의 회전에 따라 상기 도체(25)에서 발생하는 슬립 열에 의해서 가열되는 것인 자기 히터.
  5. 약간의 간극을 두고 도체(36)와 마주하도록 배치된 영구 자석 로터(33)가 원통형 하우징(32) 내에서 베어링(37)을 매개로 회전 가능하게 지지된 구동축(31)의 둘레에 고정되어 있고, 상기 원통형 하우징(32)의 외주부에는 열전달 유체를 순환시키기 위한 열전달 유체 재킷(35)이 설치되어 있으며, 상기 도체(36)는 상기 원통형 하우징(32)의 내주면에 고정되어 있고, 상기 열전달 유체 재킷(35) 내부의 열전달 유체는 상기 영구 자석 로터(33)의 회전에 따라 상기 도체(36)에서 발생하는 슬립 열에 의해 가열되는 자기 히터.
  6. 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 이들 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생하는 슬립 열에 의해 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서,
    상기 도체는 열전달 유체 재킷(42)으로서 구동축(41)에 회전 불가능하게 지지되어 있으며,
    자석 로터(44-1, 44-2)가 상기 구동축(41)에 의해 회전 가능하게 설치되어 있고, 이 자석 로터(44-1, 44-2)는 약간의 간극을 두고 상기 열전달 유체 재킷(42)과 마주하도록 상기 열전달 유체 재킷(42)의 양쪽에 배치된 자석(45-1, 45-2)을 구비하며,
    상기 열전달 유체 재킷(42) 내부의 열전달 유체는 좌우측 자석 로터(44-1, 44-2)의 회전에 따라 이들 자석 로터(44-1, 44-2) 사이에 배치되어 있는 회전 불가능한 열전달 유체 재킷(42)에서 발생하는 슬립 열에 의해 가열되는 것인 자기 히터.
  7. 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 이들 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생하는 슬립 열에 의해 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서,
    부분적으로는 도체(52-2)로 이루어져 있으며 베어링(53)을 매개로 구동축(51)에 의해 회전 불가능하게 지지되어 있는 수지제 열전달 유체 재킷(52)과,
    약간의 간극을 두고 상기 열전달 유체 재킷(52)의 도체(52-2)와 마주하도록 배치되어 있는 자석(56)을 구비하고 상기 구동축(51)에 의해 회전 가능하게 설치되어 있는 영구 자석 로터(55)와,
    상기 열전달 유체 재킷(52) 내에서 상기 영구 자석 로터(55)과 마주하는 쪽의 도체 내벽에 배치되어 있는 배면판(54)을 포함하며,
    상기 열전달 유체 재킷(52) 내부의 열전달 유체는 상기 영구 자석 로터(55)의 회전에 따라 상기 열전달 유체 재킷(52)에서 발생하는 슬립 열에 의해 가열되는 것인 자기 히터.
  8. 삭제
  9. 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 이들 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생하는 슬립 열에 의해 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서,
    베어링(67) 및 축 밀봉체(68)를 매개로 구동축(61)에 지지되어 있는 하우징(62) 내에 간격을 두고 고정되는 영구 자석(63)과,
    상기 영구 자석(63)의 양쪽에서 약간의 간극을 두고 영구 자석(63)과 각각 마주하며 상기 구동축(61)에 회전 가능하게 고정되어 있는 한 쌍의 좌우측 도체(66)를 포함하며,
    상기 하우징(62)의 내측으로 유입되는 열전달 유체는 상기 도체(66) 각각의 회전에 따라 상기 도체(66)에서 발생하는 슬립 열에 의하여 가열되는 것인 자기 히터.
  10. 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 이들 자석과 상기 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생하는 슬립 열에 의하여 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서,
    베어링(77)과 축 밀봉체(78)를 매개로 구동축(71)에 의하여 지지되는 하우징(72) 내에 일정 간극을 두고 고정되어 있는 복수 개의 영구 자석(73)과,
    상기 영구 자석(73)의 양쪽에서 약간의 간극을 두고 영구 자석(73)과 각각 마주하며 상기 구동축(71)에 회전 가능하게 고정되어 있는 한 쌍의 좌우측 도체(76)를 포함하며,
    상기 하우징(72)의 내측으로 유입되는 열전달 유체는 상기 도체(76) 각각의 회전에 따라 상기 도체(76)에서 발생하는 슬립 열에 의하여 가열되는 것인 자기 히터.
  11. 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 이들 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생하는 슬립 열에 의하여 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서,
    구동축(81)에 의하여 회전 가능하게 설치되어 있는 영구 자석(83)과,
    베어링(87) 및 축 밀봉체(88)를 매개로 구동축(81)에 지지되는 하우징(82) 내에서 상기 영구 자석(83)과 약간의 간극을 두고 마주하도록 상기 영구 자석(83)의 양쪽에 배치되는 한 쌍의 좌우측 도체(86)를 포함하며,
    상기 하우징(82)의 내측으로 유입되는 열전달 유체는 상기 영구 자석(83)의 회전에 따라 상기 도체(86)에서 발생하는 슬립 열에 의하여 가열되고,
    상기 영구 자석(83)과 한 쌍의 좌우측 도체(86)로 이루어진 조합이 한 세트 또는 복수 세트 마련되는 것인 자기 히터.
  12. 삭제
  13. 자석과 도체가 약간의 간극을 두고 서로 마주하도록 배치되어 있고, 이들 자석과 도체의 상대적 회전으로 도체에서 발생하는 슬립 열에 의하여 열전달 유체가 가열되는 유형의 자기 히터로서,
    구동축(91)에 고정되어 케이싱(92) 내부에 수납되는 도체로 이루어진 회전 부재(93a)와,
    약간의 간극을 두고 상기 도체 회전 부재(93a)와 마주하도록 배치되어 있는 영구 자석(95)을 구비한 자석 로터(94)를 포함하며,
    상기 케이싱(92) 내부의 열전달 유체는 상기 자석 로터(94)와 도체 회전 부재(93a)의 상대적 회전에 따라 상기 도체 회전 부재(93a)에서 발생하는 슬립 열에 의하여 가열되고,
    상기 자석 로터(94)와 도체 회전 부재(93a)가 유성 기어 기구를 매개로 서로에 대하여 반대 방향으로 회전할 수 있도록 상기 자석 로터(94)가 상기 도체 회전 부재(93a)의 구동축(91)에 지지되어 있으며, 상기 유성 기어 기구는 상기 구동축(91)에 고정되어 있는 태양 기어(96)와, 베어링(100)을 매개로 상기 구동축(91)에 지지되어 있는 캐리어(98)에 축방향으로 지지되어 있는 피니언 기어(97)와, 상기 자석 로터(94)측에 고정되어 있는 링 기어(99)를 포함하고, 상기 케이싱(92) 내부의 열전달 유체는, 상기 캐리어(98)를 상기 구동축(91)에 대해 반대 방향으로 회전시켜 상기 구동축(91)의 회전 속력을 증가시키기 위하여 상기 자석 로터(94)와 도체 회전 부재(93a)를 반대 방향으로 회전시킴으로써 가열되는 것을 특징으로 하는 자기 히터.
  14. 제2항 내지 제7항, 제9항 내지 제11항, 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영구 자석 대신에 열 페라이트가 사용되는 것인 자기 히터.
  15. 제2항 내지 제7항, 제9항 내지 제11항, 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도체용으로 와전류 부재 또는 히스테리시스 부재가 사용되는 것인 자기 히터.
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