KR101637770B1 - 차량용 다목적 히터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 히터의 하우징 강성 보강 및 열전달 성능 향상, 공기/수소 유로로 인한 히터부 단열, 히터로 인한 공기/수소 승온 등의 복합 기능을 갖는 차량용 다목적 히터를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 차량의 히터에 있어서, 복수의 히터봉이 히터 하우징 내 냉각수 유로에 일렬로 배열되거나 또는 서로 엇갈리게 배열되어 있고, 상기 히터 하우징은 중앙에 배치된 히터봉을 기준으로 서로 마주한 하우징 내벽부가 웨이브 형태의 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 차량용 다목적 히터를 제공한다.

Description

차량용 다목적 히터 {Heater for vehicle}
본 발명은 차량용 다목적 히터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 히터 하우징 구조의 개선을 통해 다양한 기능 향상의 효과를 얻을 수 있는 차량용 다목적 히터에 관한 것이다.
연료전지 시스템에는 냉시동시 스택의 냉각수를 가열하기 위한 냉각수 히터가 탑재되며, 이때의 냉각수 히터는 냉각수 온도 상승 및 차량 시동시 빠른 냉각수 온도 안정화를 도모하고, 시동 셧다운 시에는 스택의 남은 전압을 하강시키는 용도로도 사용되고 있다.
기존 연료전지 차량 냉각계의 히터 하우징 구조는 얇은 평판의 스틸(steel) 구조 혹은 유체부 외곽의 웨이브(wave) 구조에 리브가 세워진 형태였다.
따라서 히터 하우징 내에 히터봉이 일렬로 배열된 경우 혹은 엇갈리게(staggered) 배열된 경우 모두 히터봉 외곽의 유로로 냉각수가 그대로 통과되어 열전달 효과가 그리 크지 않은 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 차량용 히터의 하우징 강성 보강 및 열전달 성능 향상, 공기/수소 유로로 인한 히터부 단열, 히터로 인한 공기/수소 승온 등의 복합 기능을 갖는 차량용 다목적 히터를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 차량용 히터에 있어서, 복수의 히터봉이 히터 하우징 내 냉각수 유로에 일렬로 배열되거나 또는 서로 엇갈리게 배열되어 있고, 상기 히터 하우징은 중앙에 배치된 히터봉을 기준으로 서로 마주한 하우징 내벽부가 웨이브 형태의 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 차량용 다목적 히터를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 복수의 히터봉이 히터 하우징 내에 일렬로 배열된 경우, 서로 마주한 하우징 내벽부는 히터봉을 기준으로 대칭 구조의 표면을 갖는다.
예를 들면, 상기 하우징 내벽부는 냉각수 유로 측으로 돌출된 볼록부와 상대적으로 하우징 내벽부 측으로 함몰된 오목부가 연속적으로 이어진 웨이브 형태의 표면을 가지며, 일측 하우징 내벽부의 볼록부와 타측 하우징 내벽부의 볼록부가 서로 마주하게 되어 하우징 내벽부 사이에 형성된 냉각수 유로의 직경이 반복적으로 변경되게 되고,
이때 서로 마주한 볼록부 간에 간격은 히터봉의 직경보다 크거나 또는 히터봉의 직경보다 작을 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 복수의 히터봉이 좌우 양측으로 서로 엇갈리게 배열된 경우, 서로 마주한 하우징 내벽부는 히터봉을 기준으로 비대칭 구조의 표면을 갖는다.
구체적으로, 상기 하우징 내벽부는 냉각수 유로 측으로 돌출된 볼록부와 상대적으로 하우징 내벽부 측으로 함몰된 오목부가 연속적으로 이어진 웨이브 형태의 표면을 가지며, 일측 하우징 내벽부의 볼록부와 타측 하우징 내벽부의 오목부가 서로 마주하게 되어 히터 하우징 내 냉각수 유로가 사인 형태를 가지게 된다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 하우징 내벽부에는 공기 또는 수소가 통과하는 기체유로가 형성된다.
본 발명에 의하면, 히터봉을 기준으로 다양한 웨이브 형태를 채택한 히터 하우징 구조를 적용함으로써 냉각수 유동 단면적을 줄여 유속을 증가시켜 담수량의 최소화 및 히터 후류 유동 정체 영역의 감소 효과가 생기며 이로 인해 히터봉 표면의 열전달 효과가 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 다목적 히터를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 다목적 히터를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량용 다목적 히터를 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 따른 차량용 다목적 히터 내 유체 유동을 나타낸 예시도
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명은 다목적 기능을 갖는 차량용 히터에 관한 것으로, 히터 하우징의 다양한 변형에 의해 기존의 담수 기능 이외에 다양한 기능을 획득할 수 있도록 한다.
첨부한 도 1 내지 3에는 본 발명의 서로 다른 실시예에 따른 연료전지 히터가 도시되어 있다.
도 1 내지 3을 보면, 본 발명에 따른 연료전지 히터(100)는 복수의 히터봉(110)이 히터 하우징(120) 내 냉각수 유로(130)에 일렬로 배열되거나 또는 서로 엇갈리게 좌우 양측으로 배열되어 있고, 히터 하우징(120)은 중앙에 배치된 히터봉(110)을 기준으로 서로 마주한 하우징 내벽부(121,122)가 웨이브 형태의 표면을 가지며, 상기 하우징 내벽부(121,122)에는 공기 또는 수소가 통과하는 복수의 기체유로(124)가 형성된다.
이때 공기 또는 수소를 위한 기체유로(124)를 적용하기 위해, 상기 히터 하우징(120)은 금속 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
구체적으로, 히터봉(110)의 양측에 형성된 하우징 내벽부(121,122)는 냉각수 유로(130) 측으로 돌출된 볼록부(121a,122a)와 상대적으로 하우징 내벽부(121,122) 측으로 함몰된 오목부(121b,122b)가 연속적으로 이어진 웨이브 형태의 표면을 가지며, 하우징 내벽부(121,122)에 형성된 기체유로(124)는 상기 볼록부(121a,122a) 측에 배치된다.
이러한 연료전지 히터(100)는 히터봉(110)의 배열, 히터봉(110)의 온도, 공기 또는 수소의 기체유로(124) 형태에 따라 다양하게 히터 하우징 구조를 변경 적용하는 것이 가능하다. 가령, 히터봉(110)이 일렬로 배치된 경우 하우징 내벽부(121,122)의 웨이브(wave) 형태는 히터봉(110)을 기준으로 대칭 적용하고 히터봉(110)이 엇갈리게(staggered) 배열된 경우 하우징 내벽부(121,122)의 웨이브 형태는 비대칭 구조로 적용하여 냉각수 유로(130)를 변경 적용하는 것이 가능하다.
도 1을 참조하면, 히터 하우징(120)은 복수의 히터봉(110)이 히터 하우징(120) 내에 일렬로 배열되고, 서로 마주한 하우징 내벽부(121,122)는 히터봉(110)을 기준으로 대칭 구조의 표면을 갖는다.
구체적으로, 히터 하우징(120)은 일측 하우징 내벽부(121)의 볼록부(121a)와 타측 하우징 내벽부(122)의 볼록부(122a)가 서로 마주하게 되어 하우징 내벽부(121,122) 사이에 형성된 냉각수 유로(130)의 직경이 반복적으로 변경되게 된다.
이때 서로 마주한 볼록부(121a,122a) 및 오목부(121b,122b) 간에 간격(a,a')은 히터봉(110)의 직경보다 크며, 일례로 서로 마주한 볼록부(121a,122a) 간에 간격(a')은 히터봉 직경의 2배보다 크고 서로 마주한 오목부(121b,122b) 간에 간격(a)은 히터봉 직경의 1배보다 크고 2배보다 작다.
도 2를 참조하면, 일측 하우징 내벽부(121)의 볼록부(121a)와 타측 하우징 내벽부(122)의 볼록부(122a)가 서로 마주하게 되고, 이때 서로 마주한 볼록부(121a,122a) 간에 간격(b')은 히터봉 직경보다 작고, 서로 마주한 오목부(121b,122b) 간에 간격(b)은 히터봉 직경보다 크다.
이때 서로 마주한 하우징 내벽부(121a122) 간에 간격을 변경하는 것도 가능하고, 상대적으로 히터봉(110)의 직경을 변경하는 것도 가능하다.
히터봉(110)의 단면적이 작을수록 히터봉(110) 주변의 냉각수 유속을 증가되어 열전달 향상 효과가 증대된다.
도 3을 참조하면, 히터 하우징(120) 내 배열된 복수의 히터봉(110)은 좌우 양측으로 서로 엇갈리게 배열되고, 서로 마주한 하우징 내벽부(121,122)는 히터봉(110)을 기준으로 비대칭 구조의 표면을 갖는다.
구체적으로, 일측 하우징 내벽부(121)의 볼록부(121a)와 타측 하우징 내벽부(122)의 오목부(122b)가 서로 마주하게 형성되어 냉각수 유로(130)가 사인 형태를 가지게 되며, 이때 히터봉(110)은 냉각수 유로(130)를 따라 서로 좌우(혹은 상하) 양측으로 엇갈리게 지그재그 형태로 배열된다. 또한 이때 서로 마주한 볼록부(121a,122a)와 오목부(121b,122b) 간에 간격(c)은 히터봉 직경보다 크다.
사인 형태의 냉각수 유로(130)로 냉각수가 지남에 따라 히터 후류의 유동 정체 영역을 제거하게 되고 냉각수 유동의 혼합 역할을 해주기 때문에 열전달 향상 효과가 증대된다.
그리고, 히터 후류의 유동 정체 영역이 제거됨에 의해, 히터 하우징(120) 내 냉각수 담수량 최소화가 가능하고, 히터 온도가 하강되므로 낮은 펌프 회전수(rpm)에서도 히터 동작이 가능하게 된다.
상기와 같은 연료전지 히터(100)에서는 히터 하우징(120) 내 히터봉(110) 주변에 도 4와 같은 냉각수 유동을 보이게 된다.
여기서, 도면으로 나타내지는 않았으나, 공기 또는 수소의 기체유로(124)는 개별로 나누어지지 않고 1개의 단일 유로로도 형성이 가능하며, 별도로 내부에 핀(방열핀) 형태의 가열 구조도 형성이 가능하다.
또한 도면으로 나타내지는 않았으나, 히터 하우징(120)의 내외곽 구조에도 강성 보강 및 열전달 향상 차원에서 다양한 리브 형태의 핀 형성이 가능하다.
아울러 히터봉(110)의 배열에 따라 각각의 유로 형상은 얼마든지 변경 가능하다.
상기와 같은 히터 하우징 구조는 연료전지 히터에만 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 다양한 형태로 구현되는 하우징 구조를 갖는 연료전지 히터에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
1. 히터봉을 기준으로 다양한 웨이브 형태를 채택한 히터 하우징 구조를 적용함으로써 냉각수 유동 단면적을 줄여 유속을 증가시켜 담수량의 최소화 및 히터 후류 유동 정체 영역의 감소 효과가 생기며 이로 인해 히터봉 표면의 열전달 효과가 향상되고 히터봉 표면 온도가 하강하게 된다.
2. 냉각수 유동 단면적을 상대적으로 줄임으로써 기존보다 낮은 펌프 회전수(rpm)에서도 히터봉 표면의 동일 유속 형성이 가능하다. 이는 펌프 회전수(rpm)를 하향시켜 연료전지 부하 소모에도 도움이 된다.
3. 하우징 내벽부의 기체유로로 수소 혹은 공기를 통과시켜 스택 입구로 유입시키는 것이 가능하다. 이렇게 될 경우 공기층 형성으로 히터의 단열 효과가 발생하며, 또한 스택으로 유입되는 공기 혹은 수소의 승온이 가능하게 되어 냉시동시 혹은 상온 시동시 단시간에 원하는 출력으로 발전을 가능하게 할 수 있다.
4. 하우징 내벽부의 웨이브 구조에 의해 냉각수 리크 및 변형에 대해 강성 보강 기능을 얻을 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
100 : 연료전지 히터
110 : 히터봉
120 : 히터 하우징
121,122 : 하우징 내벽부
121a,122a : 볼록부
121b,122b : 오목부
124 : 기체유로
130 : 냉각수 유로

Claims (8)

  1. 차량용 히터에 있어서,
    복수의 히터봉이 히터 하우징 내 냉각수 유로에 일렬로 배열되거나 또는 서로 엇갈리게 배열되어 있고, 상기 히터 하우징은 중앙에 배치된 히터봉을 기준으로 서로 마주한 하우징 내벽부가 웨이브 형태의 표면을 가지며,
    상기 복수의 히터봉은 좌우 양측으로 서로 엇갈리게 배열되고, 서로 마주한 하우징 내벽부는 히터봉을 기준으로 비대칭 구조의 표면을 가지며, 상기 하우징 내벽부는 냉각수 유로 측으로 돌출된 볼록부와 상대적으로 하우징 내벽부 측으로 함몰된 오목부가 연속적으로 이어진 웨이브 형태의 표면을 가지며, 일측 하우징 내벽부의 볼록부와 타측 하우징 내벽부의 오목부가 서로 마주하게 되어 히터 하우징 내 냉각수 유로가 사인 형태를 가지게 된 것을 특징으로 하는 차량용 다목적 히터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 히터봉은 히터 하우징 내에 일렬로 배열되고, 서로 마주한 하우징 내벽부는 히터봉을 기준으로 대칭 구조의 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 차량용 다목적 히터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 하우징 내벽부는 냉각수 유로 측으로 돌출된 볼록부와 상대적으로 하우징 내벽부 측으로 함몰된 오목부가 연속적으로 이어진 웨이브 형태의 표면을 가지며, 일측 하우징 내벽부의 볼록부와 타측 하우징 내벽부의 볼록부가 서로 마주하게 되어 하우징 내벽부 사이에 형성된 냉각수 유로의 직경이 반복적으로 변경되게 된 것을 특징으로 하는 차량용 다목적 히터.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 하우징 내벽부는 냉각수 유로 측으로 돌출된 볼록부와 상대적으로 하우징 내벽부 측으로 함몰된 오목부가 연속적으로 이어진 웨이브 형태의 표면을 가지며, 일측 하우징 내벽부의 볼록부와 타측 하우징 내벽부의 볼록부가 서로 마주하게 되고, 이때 서로 마주한 볼록부 간에 간격이 히터봉의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 차량용 다목적 히터.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 하우징 내벽부는 냉각수 유로 측으로 돌출된 볼록부와 상대적으로 하우징 내벽부 측으로 함몰된 오목부가 연속적으로 이어진 웨이브 형태의 표면을 가지며, 일측 하우징 내벽부의 볼록부와 타측 하우징 내벽부의 볼록부가 서로 마주하게 되고, 이때 서로 마주한 볼록부 간에 간격이 히터봉의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 차량용 다목적 히터.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징 내벽부에는 공기 또는 수소가 통과하는 기체유로가 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 다목적 히터.
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