KR101718076B1 - 전기차량의 히터장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 전기차량의 히터장치는 공급된 워터를 순환시키는 워터펌프, 발열 페이스트 조성물을 통해서 형성되는 면상 발열체를 적어도 하나 이상 구비하고, 상기 순환되는 워터를 가열하는 히팅레지스터, 상기 히팅레지스터에 의해 가열된 온수의 온도를 측정하기 위한 수온센서, 및 상기 수온센서에서 측정된 측정온도가 설정온도값을 만족하도록 상기 히팅레지스터를 조절하는 제어부를 포함하고, 상기 발열 페이스트 조성물은, 발열페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 3 내지 6중량부, 탄소나노입자 0.5 내지 30중량부, 혼합 바인더 10 내지 30중량부, 유기 용매 29 내지 83 중량부, 분산제 0.5 내지 5중량부를 포함하고, 상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되거나 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되는 것을 특징으로 한다.

Description

전기차량의 히터장치 및 그 제어방법{HEATER APPARATUS FOR ELECTRIC AUTOMOBILE AND COTNROL METHOD THEREOF}
본 발명은 전기차량의 히터장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량에는 차내를 따뜻하게 하기 위한 난방장치가 구비되어 있다. 이러한 난방장치는 엔진에서 발생하는 열을 이용하는 것과 엔진 이외의 열원을 사용하는 것이 있으며, 열원에 따라 엔진의 냉각수를 이용하는 온수식, 엔진의 배기열을 이용하지 않고 독립된 연소기를 이용하는 연소식 등으로 분류된다.
그 중에서 온수식 난방장치는 엔진의 고열로 데워진 냉각수의 일부를 히터로 유입시켜 히터 주위를 이동하는 공기를 가열시키고, 블로워를 통해 가열된 공기를 차내로 보내 난방이 이루어지도록 한다.
도 4는 종래 엔진의 폐열을 이용한 온수식 난방장치의 구성을 간략하게 도시한 것으로, 엔진(E)으로부터 히터유닛(HU)에 이르는 관로(H)의 연결 상태를 나타낸다. 미설명부호 'V1'는 난방하지 않을 때 히터유닛(HU)으로 들어가는 온수를 차단하도록 하는 온수제어밸브(V1)이다. 이러한 종래 온수식 난방장치는 엔진의 워터재킷을 통과하여 가열된 온수가 관로를 타고 히터유닛 내부의 공기를 데우게 되고, 데워진 공기를 블로워를 통해 차내로 송풍하여 난방이 이루어진다.
그런데 최근 들어, 내연기관을 이용한 차량이 전기 베터리와 전기 모터 등의 전기부품을 이용하는 전기차량으로 바뀌는 추세에 따라, 내연기관의 엔진 폐열을 이용한 온수식 난방이 불가능해졌다. 이에, 종래의 온수식 난방장치에서 사용하던 장치를 최대한 이용하면서 난방효율을 극대화할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 면상 발열체를 포함하는 히팅레지스터를 기존의 히터장치에 적용하면서 난방효율을 극대화할 수 있는 전기차량의 히터장치 및 그 제어방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 고내열성을 가져 온도에 따른 저항 변화가 작고, 비저항이 낮아 저전압 및 저전력으로 구동 가능한 발열 페이스트 조성물을 포함하는 전기차량의 히터장치 및 그 제어방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기차량의 히터장치는 공급된 워터를 순환시키는 워터펌프, 발열 페이스트 조성물을 통해서 형성되는 면상 발열체를 적어도 하나 이상 구비하고, 상기 순환되는 워터를 가열하는 히팅레지스터, 상기 히팅레지스터에 의해 가열된 온수의 온도를 측정하기 위한 수온센서, 및 상기 수온센서에서 측정된 측정온도가 설정온도값을 만족하도록 상기 히팅레지스터를 조절하는 제어부를 포함하고, 상기 발열 페이스트 조성물은, 발열페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 3 내지 6중량부, 탄소나노입자 0.5 내지 30중량부, 혼합 바인더 10 내지 30중량부, 유기 용매 29 내지 83 중량부, 분산제 0.5 내지 5중량부를 포함하고, 상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되거나 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 히팅레지스터(200)에 의해 가열된 온수는 차내 복수의 좌석히터에 분배되고, 상기 복수의 좌석히터는 승객석히터(611) 및 운전석히터(612)로 구성되어 차내 일측에 배치되는 일측 좌석히터(610)와, 복수의 승객석히터(621)로 구성되어 차내 타측에 배치되는 타측 좌석히터(620)로 구성되고, 상기 일측 좌석히터(610) 및 타측 좌석히터(620)는 병렬배관(630)을 통해 서로 병렬식으로 연결될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 설정온도값은 60℃ ~65℃ 범위를 만족할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 히팅레지스터(200)의 과열여부를 판단하기 위해 온수의 온도를 측정하는 배관온도센서(220)가 구비될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부, 페놀계수지 100 내지 500 중량부가 혼합될 수 있다.
실시 예에 있어서, 발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 실란 커플링제 0.5 내지 5 중량부를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 입자는 다중벽 탄소나노튜브 입자일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 유기 용매는 카비톨 아세테이트, 부틸 카비톨 아세테이트, DBE(dibasic ester), 에틸카비톨, 에틸카비톨아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 셀로솔브아세테이트, 부틸셀로솔브아세테이트, 부탄올 및 옥탄올 중에서 선택되는 2 이상의 혼합 용매일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 면상 발열체는 상기 발열 페이스트 조성물이 기판 상에 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄 또는 콤마코팅되어 형성될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 기판은 폴리이미드 기판, 유리섬유 매트 또는 세라믹 유리일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 면상 발열체는 상기 면상 발열체 상부면에 코팅되는 것으로, 실리카 또는 카본븍랙과 같은 흑색 안료를 구비하는 유기물로 형성되는 보호층을 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 면상 발열체에 전력을 공급하는 전력 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 전기차량의 히터제어방법은 공급받은 워터가 설정온도값을 만족하는 온수가 되도록 히팅레지스터를 가열하는 단계, 상기 가열된 온수를 차내 복수의 좌석히터에 병렬식으로 전달하는 단계, 상기 복수의 좌석히터에서 열교환된 온수를 수집하는 단계, 및 수집된 온수를 상기 히팅레지스터를 통해 재가열하는 단계를 포함하고, 상기 히팅레지스터는 발열 페이스트 조성물을 통해서 형성되는 면상 발열체를 적어도 하나 이상 구비하고, 상기 발열 페이스트 조성물은 발열페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 3 내지 6중량부, 탄소나노입자 0.5 내지 30중량부, 혼합 바인더 10 내지 30중량부, 유기 용매 29 내지 83 중량부, 분산제 0.5 내지 5중량부를 포함하고, 상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되거나 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 전달하는 단계에서, 분배되는 온수의 온도를 측정하여 상기 히팅레지스터가 과열 상태인 것으로 판단되면 상기 히팅레지스터의 작동을 정지시킬 수 있다.
실시 예에 있어서, 히팅과정이 완료되면, 잠열에 따른 순간적인 수온의 상승이 방지되도록 온수를 순환시키는 워터펌프를 일정시간 가동한 후 정지시킬 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 설정온도값은 60℃ ~65℃ 범위를 만족할 수 있다.
본 발명에 따른 전기차량의 히터장치 및 그 제어방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 면상 발열체를 포함하는 히팅레지스터를 기존의 히터장치에 적용하면서 난방효율을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 고내열성을 가져 온도에 따른 저항 변화가 작고, 비저항이 낮아 저전압 및 저전력으로 구동 가능한 발열 페이스트 조성물을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기차량의 히터장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기차량의 히터장치의 병렬식 온수흐름을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전기차량의 히터장치를 전기차량에 적용하여 도시한 상태도이다.
도 4는 종래 기술에 따라 엔진의 폐열을 이용한 온수식 난방장치의 구성을 간략하게 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기차량의 히터장치에 포함되는 발열 페이스트 조성물을 이용한 면상 발열체의 시편의 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기차량의 히터장치의 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 면상 발열체의 발열 안정성 시험 모습의 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 전기차량의 히터장치는, 크게 워터펌프(110), 히팅레지스터(200), 수온센서(210), 피드 3웨이조인트(300), 리턴 3웨이조인트(400) 및 제어부(500)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 워터펌프(110)는 워터(온수)를 순환시키기 위한 전동식 펌프로 구성되며, 히팅 초기 서지탱크(120)에서 워터를 공급받아 히팅레지스터(200)에 공급하고, 이후에는 리턴 3웨이조인트(400)에서 피드백되는 온수를 히팅레지스터(200)에 공급한다.
히팅레지스터(200)는 기존의 내연기관 엔진을 대체하여 열원으로 사용될 수 있는 전기식 가열장치로서, 제어부(500) 및 초퍼(130)로부터 작동신호를 입력받아 최대 30kw의 출력으로 온수를 가열한다. 발열 페이시틀 조성물본 실시 예에서는 해당 유량속도가 120L/min 이고 파워가 30kw@250V인 히팅레지스터(200)가 사용되었다.
히팅레지스터(200)는 적어도 하나 이상의 면상 발열체를 포함할 수 있다. 그리고, 히팅레지스터(200)에 포함되는 면상 발열체는 발열 페이스트 조성물이 기판 상에 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄 또는 콤마코팅되어 형성될 수 있다. 히팅레지스터(200)에 포함되는 면상 발열체 및 면상 발열체를 형성하는 발열 페이스트 조성물은 이후에 보다 구체적으로 설명한다.
히팅레지스터(200)는 온수의 온도가 설정온도값인 60℃~65℃ 범위를 만족하는 범위 내에서 작동된다. 이를 위해 히팅레지스터(200)에는 수온센서(210)가 마련된다. 수온센서(210)는 히팅레지스터(200)에 의해 가열된 온수의 온도를 감지하고, 감지된 온수의 온도를 제어부(500)에 전달함으로써, 제어부(500)가 설정온도값에 따라 히팅레지스터(200)의 작동을 제어할 수 있도록 한다.
피드 3웨이조인트(300)는 히팅레지스터(200)에서 가열된 온수를 차내 복수의 좌석히터에 분배한다. 이때, 피드 3웨이조인트(300)는 복수의 좌석히터에 병렬식으로 연결된다.
예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 좌석히터는 차내 일측에 배치되는 일측 좌석히터(610)와, 차내 타측에 배치되는 타측 좌석히터(620)로 구성되는데, 이들 일측 좌석히터(610) 및 타측 좌석히터(620)은 병렬배관(630)을 통해 피드 3웨이조인트(300)와 병렬식으로 연결되는 것이다. 여기서, 일측 좌석히터(610)는 승객석히터(611) 및 운전석히터(612)로 구성되고, 타측 좌석히터(620)는 복수의 승객석히터(621)로 구성된다. 이와 같이, 히팅레지스터(200)에서 가열된 온수는 일측 좌석히터(610)와 타측 좌석히터(620)에 병렬식으로 적절하게 배분됨으로써, 열량 손실을 최소화할 수 있다.
피드 3웨이조인트(300)에는 온수의 온도를 측정하는 배관온도센서(220)가 구비된다. 이 배관온도센서(220)는 병렬배관(630)으로 유입되는 온수의 온도를 측정함으로써, 수온센서(210)의 오작동/ 미작동으로 인해 히팅레지스터(200)가 일정온도 이상으로 과열되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
리턴 3웨이조인트(400)는 복수의 좌석히터에서 열교환된 온수를 수집하고 수집된 온수를 워터펌프(110)에 피드백한다. 워터펌프(110)에 피드백된 온수는 히팅레지스터(200)를 통해 다시 가열된 후 히팅을 위한 순환이 반복된다.
제어부(500)는 배터리(700)로부터 가용가능한 파워 정보를 전달받고 받수온센서(210)에서 측정된 측정온도가 설정온도값을 만족하도록 히팅레지스터(200)를 조절한다. 이때, 설정온도값은 온수의 온도가 60℃~65℃ 범위를 만족하는 것이 바람직하다. 따라서, 제어부(500)는 수온센서(210)에서 측정된 측정온도가 60℃ 미만이면 히팅레지스터(200)의 작동을 지속적으로 유지하고, 수온센서(210)에서 측정된 측정온도가 65℃ 초과이면 히팅레지스터(200)의 작동을 정지시킨다.
아울러, 제어부(500)는 외부로부터 히팅완료를 위한 정지신호를 인가받으면, 다른 히터장치들이 정지된 이후, 워터펌프(110)가 일정시간(3분) 동안 더 가동된 후 정지되도록 한다. 이는 잠열에 의해 히터장치내 수온이 순간적으로 상승되는 것을 방지하기 위함이다.
한편, 제어부(500)에 인가되는 정지신호 및 작동신호는 별도의 작동스위치(140)를 통해 이루어질 수 있다. 작동스위치(140)는 운전석히터(612)를 제어하기 위한 운전석히터 컨트롤과 승객석히터(611),(621)를 제어하기 위한 승객석히터 컨트롤로 구성되는데, 이들 운전석히터 컨트롤과 승객석히터 컨트롤은 각각의 운전석히터(612) 및 승객석히터(611),(621)를 제어하여 작동신호를 제어부(500)에 전달할 수 있다. 예를 들어, 운전석히터 컨트롤 또는 승객석히터 컨트롤의 블로워스위치를 작동시키면, 해당 작동신호는 제어부(500)에 전달되고, 제어부(500)는 작동신호에 따라 워터펌프(110) 및 히팅레지스터(200)를 작동시킨다.
이하, 이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 히터제어방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 히터제어방법은, 적어도 하나 이상의 면상 발열체를 포함하는 히팅레지스터를 가열하는 단계와, 가열된 온수를 병렬식으로 분배하는 단계와, 열교환된 온수를 수집하는 단계와, 온수를 재가열하는 단계를 포함한다.
히팅레지스터를 가열하는 단계는, 워터펌프(110)를 통해 서지탱크(120)로부터 워터를 공급받아 설정온도값인 60℃~65℃ 범위를 만족하도록 워터를 가열한다. 여기서, 히팅레지스터는 구비된 면상 발열체를 통하여 워터를 가열한다. 워터를 가열하는 면상 발열체는 발열 페이스트 조성물이 기판 상에 인쇄 또는 코팅되어 형성될 수 있다. 이때, 수온센서(210)에서 측정된 측정온도가 60℃ 미만이면 히팅레지스터(200)의 작동은 지속적으로 유지되고, 수온센서(210)에서 측정된 측정온도가 65℃ 초과이면 히팅레지스터(200)의 작동은 정지된다. 60℃~65℃로 가열된 온수는 피드 3웨이조인트(300)를 통해 병렬식으로 분배된다.
가열된 온수를 병렬식으로 분배하는 단계는, 가열된 온수를 피드 3웨이조인트(300)를 차내 복수의 좌석히터, 예컨대 일측 좌석히터(610)와 타측 좌석히터(620)에 각각 병렬로 분배한다. 이때, 배관온도센서(220)를 통해 온수의 온도를 측정하고, 측정된 온도를 통해 히팅레지스터(200)가 과열 상태인지를 판단하는데, 만약 히팅레지스터(200)가 과열 상태인 것으로 판단되면 히팅레지스터(200)의 작동을 정지시킨다. 일측 좌석히터(610) 및 타측 좌석히터(620)에 분배되어 열교환된 온수는 리턴 3웨이조인트(400)를 통해 수집된다.
열교환된 온수를 수집하는 단계는, 복수의 좌석히터에서 열교환된 온수를 리턴 3웨이조인트(400)를 통해 워터펌프(110)로 피드백한다. 워터펌프(110)로 피드백된 온수는 재가열을 위한 히팅레지스터(200)로 이동된다.
온수를 재가열하는 단계는, 워터펌프(110)에서 이동된 온수를 히팅레지스터(200)를 통해 재가열한다. 재가열된 온수는 다시 피드 3웨이조인트(300)로 이동되면서 상술한 과정을 반복한다.
이후, 히팅과정이 완료되면, 잠열에 따른 순간적인 수온의 상승이 방지되도록 온수를 순환시키는 워터펌프(110)를 일정시간 가동한 후 정지시킨다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 후막 형성용 발열 페이스트 조성물(이하, 발열 페이스트 조성물)은 탄소나노튜브 입자, 탄소나노입자, 혼합 바인더, 유기 용매 및 분산제를 포함한다.
구체적으로 발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 3 내지 6중량부, 탄소나노입자 0.5 내지 30 중량부, 혼합 바인더 10 내지 30 중량부, 유기 용매 29 내지 83 중량부, 분산제 0.5 내지 5 중량부를 포함한다.
상기 탄소나노튜브 입자는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 예컨대 상기 탄소나노튜브 입자는 다중벽 탄소나노튜브(multi wall carbon nanotube)일 수 있다. 상기 탄소나노튜브 입자가 다중벽 탄소나노튜브일 때, 직경은 5nm 내지 30nm 일 수 있고, 길이는 3㎛ 내지 40㎛일 수 있다.
상기 탄소나노입자는 예컨대 그라파이트 나노입자일 수 있으며, 직경은 1㎛ 내지 25㎛일 수 있다.
혼합 바인더는 발열 페이스트 조성물이 300℃ 가량의 온도 범위에서도 내열성을 가질 수 있도록 하는 기능을 하는 것으로, 에폭시 아크릴레이트(Epocy acrylate) 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트(Hexamethylene diisocyanate), 폴리비닐 아세탈(Polyvinyl acetal) 및 페놀계 수지(Phenol resin)가 혼합된 형태를 갖는다. 예컨대 상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합된 형태일 수 있고, 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합된 형태일 수도 있다. 본 발명에서는 혼합 바인더의 내열성을 높임으로써, 300℃ 가량의 고온으로 발열시키는 경우에도 물질의 저항 변화나 도막의 파손이 없다는 장점을 갖는다.
여기에서 페놀계 수지는 폐놀 및 페놀 유도체를 포함하는 페놀계 화합물을 의미한다. 예컨대 상기 페놀 유도체는 p-크레졸(p-Cresol), o-구아야콜(o-Guaiacol), 크레오졸(Creosol), 카테콜(Catechol), 3-메톡시-1,2-벤젠디올(3-methoxy-1,2-Benzenediol), 호모카테콜(Homocatechol), 비닐구아야콜(vinylguaiacol), 시링콜(Syringol), 이소-유제놀(Iso-eugenol), 메톡시 유제놀(Methoxyeugenol), o-크레졸(o-Cresol), 3-메틸-1,2-벤젠디올(3-methoxy-1,2-Benzenediol), (z)-2-메톡시-4-(1-프로페닐)-페놀((z)-2-methoxy-4-(1-propenyl)-Phenol), 2,.6-디에톡시-4-(2-프로페닐)-페놀(2,6-dimethoxy-4-(2-propenyl)-Phenol), 3,4-디메톡시-페놀(3,4-dimethoxy-Phenol), 4-에틸-1,3-벤젠디올(4ethyl-1,3-Benzenediol), 레졸 페놀(Resole phenol), 4-메틸-1,2-벤젠디올(4-methyl-1,2-Benzenediol), 1,2,4-벤젠트리올(1,2,4-Benzenetriol), 2-메톡시-6-메틸페놀(2-Methoxy-6-methylphenol), 2-메톡시-4-비닐페놀(2-Methoxy-4-vinylphenol) 또는4-에틸-2-메톡시-페놀(4-ethyl-2-methoxy-Phenol) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 혼합 바인더의 혼합 비율은 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈수지 10 내지 150 중량부, 페놀계 수지 100 내지 500 중량부의 비율일 수 있다. 페놀계 수지의 함량이 100 중량부 이하인 경우 발열 페이스트 조성물의 내열 특성이 저하되며, 500 중량부를 초과하는 경우에는 유연성이 저하되는 문제가 있다(취성 증가).
유기 용매는 상기 전도성 입자 및 혼합 바인더를 분산시키기 위한 것으로, 카비톨 아세테이트(Carbitol acetate), 부틸 카비톨아세테이트(Butyl carbotol acetate), DBE(dibasic ester), 에틸카비톨, 에틸카비톨아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 셀로솔브아세테이트, 부틸셀로솔브아세테이트, 부탄올(Butanol) 및 옥탄올(Octanol) 중에서 선택되는 2 이상의 혼합 용매일 수 있다.
한편, 분산을 위한 공정은 통상적으로 사용되는 다양한 방법들이 적용될 수 있으며, 예를 들면 초음파처리(Ultra-sonication), 롤밀(Roll mill), 비드밀(Bead mill) 또는 볼밀(Ball mill) 과정을 통해 이루어질 수 있다.
분산제는 상기 분산을 보다 원활하게 하기 위한 것으로, BYK류와 같이 당업계에서 이용되는 통상의 분산제, Triton X-100과 같은 양쪽성 계면활성제, SDS등과 가은 이온성 계면활성제를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 발열 페이스트 조성물은 발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 실란 커플링제 0.5 내지 5 중량부를 더 포함할 수 있다.
실란커플링제는 발열 페이스트 조성물의 배합시에 수지들간에 접착력을 증진시키는 접착증진제 기능을 한다. 실란 커플링제는 에폭시 함유 실란 또는 머켑토 함유 실란일 수 있다. 이러한 실란 커플링제의 예로는 에폭시가 함유된 것으로 2-(3,4 에폭시 사이클로헥실)-에틸트리메톡시실란, 3-글리시독시트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란이 있고, 아민기가 함유된 것으로 N-2(아미노에틸)3-아미토프로필메틸디메톡시실란, N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리메톡시실란, N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실, 3-트리에톡시실리-N-(1,2-디메틸뷰틸리덴)프로필아민, N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란이 있으며, 머켑토가 함유된 것으로 3-머켑토프로필메틸디메톡시실란, 3-머켑토프로필트리에톡시실란, 이소시아네이트가 함유된 3-이소시아네이트프로필트리에톡시실란 등이 있으며, 상기 나열한 것으로 한정되지 않는다.
본 발명은 상술한 본 발명의 실시 예들에 따른 발열 페이스트 조성물을 기판 상에 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄(내지 롤투롤 그라비아 인쇄) 또는 콤마코팅(내지 롤투롤 콤마코팅)하여 형성되는 면상 발열체를 추가적으로 제공한다.
여기에서 상기 기판은 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 플리이미드, 셀룰로스 에스텔, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로린트릴, 폴리술폰, 폴리에스테르술폰, 폴리비닐리덴플롤라이드, 유리, 유리섬유(매트), 세라믹, SUS, 구리 또는 알루미늄 기판 등이 사용될 수 있으며, 상기 나열된 것들로 한정되는 것은 아니다. 상기 기판은 발열체의 응용 분야나 사용온도에 따라 적절히 선택될 수 있다.
면상 발열체는 상기 기판 상에 본 발명의 실시 예들에 따른 발열 페이스트 조성물을 스크린 인쇄 또는 그라비아 인쇄를 통해 원하는 패턴으로 인쇄하고, 건조 및 경화한 후에, 상부에 은 페이스트 또는 도전성 페이스트를 인쇄 및 건조/경화 시킴으로써 전극을 형성함으로써 형성될 수 있다. 또는 은 페이스트 또는 도전성 페이스트를 인쇄 및 건조/경화한 후에 상부에 본 발명의 실시 예들에 따른 발열 페이스트 조성물을 스크린 인쇄 또는 그라비아 인쇄함으로써 형성하는 것도 가능하다.
한편, 상기 면상 발열체는 상부면에 코팅되는 보호층을 더 포함할 수 있다. 상기 보호층은 실리카(SiO₂)로 형성될 수 있다. 보호층이 실리카로 형성되는 경우에는 발열면에 코팅되더라도 발열체가 유연성을 유지할 수 있는 장점을 갖는다.
이하, 본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물 및 이를 이용한 면상 발열체를 시험예를 통하여 상세히 설명한다. 하기 시험예는 본 발명을 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명이 하기 시험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
시험예
(1) 실시 예 및 비교 예의 준비
하기 [표 1]과 같이 실시 예(3종류) 및 비교 예(3종류)를 준비하였다. [표 1]에 표기된 조성비는 중량%로 기재된 것임을 밝혀둔다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
CNT 입자 4 5 6 4 5 6
CNP 입자 8 9 15 - - -
혼합 바인더 20 15 22 - - -
에틸셀룰로오스 - - - 10 12 14
유기용매 63 67 52 82 79 76
분산제(BYK) 5 4 5 4 4 4
실시 예들의 경우 CNT 입자와, CNP 입자(실시 예 1 내지 3)를 [표 1]의 조성에 따라 카비톨아세테이트 용매에 첨가하고 BYK 분산제를 첨가한 후, 60분간 초음파 처리를 통해 분산액 A를 제조하였다. 이후, 혼합 바인더를 카비톨아세테이트 용매에 첨가한 후 기계적 교반을 통해 마스터 배치를 제조하였다. 다음으로 상기 분산액 A 및 마스터배치를 기계적 교반을 통해 1차 혼련한 후에 3-롤-밀 과정을 거쳐 2차 혼련함으로써 발열 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교 예들의 경우 CNT 입자를 [표 1]의 조성에 따라 카비톨아세테이트 용매에 첨가하고 BYK 분산제를 첨가한 후, 60분간 초음파 처리를 통해 분산액을 제조하였다. 이후, 에틸셀룰로오스를 카비톨아세테이트 용매에 첨가한 후 기계적 교반을 통해 마스터 배치를 제조하였다. 다음으로 상기 분산액 B 및 마스터배치를 기계적 교반을 통해 1차 혼련한 후에 3-롤-밀 과정을 거쳐 2차 혼련함으로써 발열페이스트 조성물을 제조하였다.
(2) 면상발열체 특성 평가
실시 예 및 비교 예에 따른 발열 페이스트 조성물을 10×10cm 크기로 폴리이미드 기판 위에 스크린 인쇄하고 경화한 후에, 상부 양단에는 은 페이스트 전극을 인쇄하고 경화하여 면상 발열체 샘플을 제조하였다.
관련하여 도 5는 본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물을 이용하여 제작한 면상 발열체 시편의 이미지이다. 도 5a는 폴리이미드 기판 위에 발열 페이스트 조성물이 스크린 인쇄되어 형성된 면상 발열체이다. 도 5b는 유리섬유 매트 위에 발열 페이스트 조성물이 스크린 인쇄되어 형성된 면상 발열체이다. 도 5c 및 도 5d는 도 5a의 면상 발열체 상부에 보호층을 코팅한 경우의 이미지이다(도 5c는 검은색 보호층 코팅, 도 5d는 녹색 보호층 코팅).
도 5a에 나타난 것과 같은 면상 발열체 샘플(실시 예) 및 상기 비교 예에 따라 제조된 면상 발열체 샘플들의 비저항을 측정하였다(인가되는 전압/전류는 [표 2]에 표기됨). 또한, 인가되는 전압/전류에 따른 승온 효과를 확인하기 위해 상기 실시 예 및 비교 예에 해당하는 면상 발열체를 각각 40℃, 100℃ 및 200℃까지 승온시키고, 상기 온도에 도달하였을 때의 DC 전압 및 전류를 측정하였다.
또한, 각 샘플들에 대하여 200℃에서의 발열안정성을 테스트하였다. 관련하여, 도 6에서는 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 면상 발열체 샘플들의 발열안정성 시험 모습의 이미지를 나타내었으며, 시험결과는 하기 [표 2]에 정리하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
비저항(×10ˇ²Ωcm 1.9 2.55 2.96 9.73 8.52 6.23
40℃ 도달 DC 구동 전압/전류 5V/0.2A 6V/0.2A 7V/0.2A 20V/0.3A 16V/0.2A 12V/0.2A
100℃ 도달 DC 구동 전압/전류 9V/0.5A 12V/0.4A 14V/0.5A 48V/0.7A 40V/0.7A 26V/0.6A
200℃ 도달 DC 구동 전압/전류 20V/0.6A 24V/0.7A 24V/1.0A - - -
발열안정성(day) 20일 이상 20일 이상 20일 이상 불량 불량 불량
상기 [표 2]를 참조하며, 비저항은 실시 예들에 해당하는 면상 발열체가 비교 예들에 해당하는 면상 발열체보다 작게 측정되었으며, 이에 따라 각 온도 에 도달하기 위해 필요한 구동 전압/전류 역시 실시 예들에 해당하는 면상 발열체가 비교 예들에 해당하는 면상 발열체보다 작게 측정되었다. 즉 실시 예들에 해당하는 면상 발열체가 비교 예보다 저전압 및 저전력으로 구동 가능함을 확인할 수 있었다.
또한, 실시 예 1 내지 3에 따른 면상 발열체에서는 200℃의 발열 구동하에서도 20일간 안정성이 유지되는 것으로 나타나는 반면에(별도의 보호층없음), 비교 예 1 내지 3에서는 200℃의 발열 구동시 2시간 이내에 발열부 표면이 부풀어 오르는 불량 현상이 관찰되었다. 즉 실시 예들에 해당하는 면상 발열체가 비교 예보다 200℃이상의 고온에서도 안정적으로 구동 가능함을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상술한 면상 발열체와, 상기 면상 발열체에 전력을 공급하는 전력공급부를 포함하는 휴대용 발열히터를 추가적으로 제공한다.
여기에서 전력공급부란 면상 발열체의 좌우측에 도포 형서되는 리드 전극과, 상기 리드 전극에 부착 형성되는 전원접속용 전극을 포함할 수 있다. 경우에 따라서는 상기 전원접속용 전극이 면상 발열체에 직접 연결될 수 있다. 상기리드 전극 또는 전원접속용 전극은 은 페이스트, 구리 페이스트, 구리 테이프 등을 이용하여 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 휴대용 발열 히터는 상기 면상 발열체가 몸체 내부 또는 외면에 부착, 매립 또는 장착되고, 상기 면상 발열체의 구동을 위한 전력공급부를 구비하는 형태를 갖는다. 이러한 휴대용 발열 히터는 유모차용 이너 시트, 발열 양말, 발열 신발, 발열 모자, 휴대용 발열 매트, 휴대용 조리 기구, 차량용 발열 시트 등에 이용될 수 있다.
특히 본 발명에 따른 휴대용 발열 히터에 채용되는 면상 발열체는 상기에서 설명한 바와 같이 저전압 및 저전력으로 구동이 가능하므로 리튬이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등의 충방전이 가능한 2차 전지로 구동할 수 있는 바, 휴대성이 증진되고 사용시간을 크게 늘릴 수 있다는 장점이 있다.
결국, 본 발명에 따른 전기차량의 히터장치 및 그 제어방법은 면상 발열체를 포함하는 히팅레지스터를 기존의 히터장치에 적용하면서 난방효율을 극대화할 수 있고, 고내열성을 가져 온도에 따른 저항 변화가 작고, 비저항이 낮아 저전압 및 저전력으로 구동 가능한 발열 페이스트 조성물을 포함할 수 있다.
따라서, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
110: 워터펌프 120: 서지탱크
200: 히팅레이스터 210: 수온센서
220: 배관온도센서 300: 피드 3웨이조인트
400: 리턴 3웨이조인트 500: 제어부

Claims (16)

  1. 공급된 워터를 순환시키는 워터펌프;
    발열 페이스트 조성물을 통해서 형성되는 면상 발열체를 적어도 하나 이상 구비하고, 상기 순환되는 워터를 가열하는 히팅레지스터;
    상기 히팅레지스터에 의해 가열된 온수의 온도를 측정하기 위한 수온센서; 및
    상기 수온센서에서 측정된 측정온도가 설정온도값을 만족하도록 상기 히팅레지스터를 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 발열 페이스트 조성물은,
    발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 3 내지 6중량부, 탄소나노입자 0.5 내지 30중량부, 혼합 바인더 10 내지 30중량부, 유기 용매 29 내지 83 중량부, 분산제 0.5 내지 5중량부를 포함하고,
    상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되거나 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되며,
    상기 혼합 바인더는, 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부, 페놀계수지 100 내지 500 중량부가 혼합되는 것을 특징으로 하는 전기차량의 히터장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 히팅레지스터에 의해 가열된 온수는 차내 복수의 좌석히터에 분배되고,
    상기 복수의 좌석히터는 승객석히터 및 운전석히터로 구성되어 차내 일측에 배치되는 일측 좌석히터와, 복수의 승객석히터로 구성되어 차내 타측에 배치되는 타측 좌석히터로 구성되고,
    상기 일측 좌석히터 및 타측 좌석히터는 병렬배관을 통해 서로 병렬식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전기차량의 히터장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 설정온도값은 60℃ ~65℃ 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 히터장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 히팅레지스터의 과열여부를 판단하기 위해 온수의 온도를 측정하는 배관온도센서가 구비되는 것을 특징으로 하는 전기차량의 히터장치.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 실란 커플링제 0.5 내지 5 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 히터장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 입자는 다중벽 탄소나노튜브 입자인 것을 특징으로 하는 전기차량의 히터장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 유기 용매는,
    카비톨 아세테이트, 부틸 카비톨 아세테이트, DBE(dibasic ester), 에틸카비톨, 에틸카비톨아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 셀로솔브아세테이트, 부틸셀로솔브아세테이트, 부탄올 및 옥탄올 중에서 선택되는 2 이상의 혼합 용매인 것을 특징으로 하는 전기차량의 히터장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 면상 발열체는,
    상기 발열 페이스트 조성물이 기판 상에 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄 또는 콤마코팅되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전기차량의 히터장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 기판은 폴리이미드 기판, 유리섬유 매트 또는 세라믹 유리인 것을 특징으로 하는 전기차량의 히터장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 면상 발열체는,
    상기 면상 발열체 상부면에 코팅되는 것으로, 실리카 또는 카본블랙을 구비하는 유기물로 형성되는 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 히터장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 면상 발열체에 전력을 공급하는 전력 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 히터장치.
  13. 공급받은 워터가 설정온도값을 만족하는 온수가 되도록 히팅레지스터를 가열하는 단계;
    상기 가열된 온수를 차내 복수의 좌석히터에 병렬식으로 전달하는 단계;
    상기 복수의 좌석히터에서 열교환된 온수를 수집하는 단계; 및
    수집된 온수를 상기 히팅레지스터를 통해 재가열하는 단계를 포함하고,
    상기 히팅레지스터는,
    발열 페이스트 조성물을 통해서 형성되는 면상 발열체를 적어도 하나 이상 구비하고,
    상기 발열 페이스트 조성물은,
    발열페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 3 내지 6중량부, 탄소나노입자 0.5 내지 30중량부, 혼합 바인더 10 내지 30중량부, 유기 용매 29 내지 83 중량부, 분산제 0.5 내지 5중량부를 포함하고,
    상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되거나 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되며,
    상기 혼합 바인더는, 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부, 페놀계수지 100 내지 500 중량부가 혼합되는 것을 특징으로 하는 전기차량의 히터제어방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 전달하는 단계에서, 분배되는 온수의 온도를 측정하여 상기 히팅레지스터가 과열 상태인 것으로 판단되면 상기 히팅레지스터의 작동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 전기차량의 히터제어방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    히팅과정이 완료되면, 잠열에 따른 순간적인 수온의 상승이 방지되도록 온수를 순환시키는 워터펌프를 일정시간 가동한 후 정지시키는 것을 특징으로 하는 전기차량의 히터제어방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 설정온도값은 60℃~65℃ 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 히터제어방법.
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