KR101764598B1 - 냉각수 히터 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 연료 전지 차량에서의 실내 난방을 위한 냉각수 히터로서, 냉각수의 가열 효율을 극대화함과 동시에 소형화 및 컴팩트화가 가능하며 또한 냉각수 파이프라인 설계를 단순화할 수 있는 냉각수 히터를 제공함에 있다.
본 발명의 냉각수 히터는, 연료 전지 차량의 실내 난방을 위한 냉각수 히터(100)에 있어서, 내부관(112) 및 외부관(113)으로 이루어지는 이중관 형태로 형성되며, 상기 내부관(112) 및 상기 외부관(113) 사이에 전력을 공급받아 발열하는 발열층(111)이 구비되는 발열관(110); 상기 발열관(110)의 둘레에 구비되는 방열핀(120); 적어도 하나 이상의 상기 발열관(110)을 그 내부에 수용하는 케이스(130); 를 포함하여 이루어져, 냉각수가 상기 케이스(130) 내부 공간 또는 상기 발열관(110) 내부 공간을 통과하여 상기 발열층(111)으로부터 발열되는 열을 흡수하여 가열되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

냉각수 히터 {Cooling-Water Heater}
본 발명은 냉각수 히터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량 실내 난방을 위한 냉각수를 가열하는 냉각수 히터에 관한 것이다.
휘발유, 경유 등을 에너지원으로 하는 엔진을 구동원으로 하는 차량이 현재 가장 일반적인 차량의 형태이나, 이러한 차량용 에너지원 역시 환경오염 문제 뿐 아니라 석유 매장량의 감소 등과 같은 다양한 원인으로 인해 새로운 에너지원의 필요성이 점점 대두되고 있는 바, 현재 가장 실용화 단계에 가까운 기술 중 하나가 연료 전지를 에너지원으로 하여 구동되는 차량이다.
그런데, 이와 같은 연료 전지를 사용하는 차량에서는 종래의 석유를 에너지원으로 하는 엔진을 가지는 차량과는 달리 냉각수를 이용한 히팅 시스템을 사용할 수 없다. 즉, 종래의 석유를 에너지원으로 하는 엔진을 구동원으로 하는 차량의 경우 엔진에서 매우 많은 열이 발생하게 되고, 엔진을 냉각하기 위한 냉각수 순환 시스템이 구비되며, 냉각수가 엔진으로부터 흡수한 열을 실내 난방에 이용하도록 하고 있었다. 그러나 엔진에서 발생하는 것과 같은 많은 열이 연료 전지를 사용하는 차량의 구동원에서는 발생하지 않기 때문에, 이러한 종래의 난방 방식을 사용하기에는 한계가 있었다.
이에 따라 연료 전지 차량에서는, 공조 시스템에 열펌프(heat pump)를 추가하여 이를 열원으로서 사용할 수 있게 하거나, 전기 히터와 같은 별도의 열원을 구비하거는 등 여러 연구가 이루어지고 있다. 이 중 전지 히터는 공조 시스템에 크게 영향을 주지 않고 보다 용이하게 냉각수를 가열할 수 있어 현재 광범위하게 실제 사용이 이루어지고 있다.
도 1은 종래의 다양한 냉각수 히터들을 도시하고 있다.
도 1(A)는 한국특허등록 제0745455호("보조히터 및 이를 구비하는 온수히터", 2007.07.27)를 도시한 것으로, 내연 기관 차량 등에서 일반적으로 널리 사용되고 있는 차량용 히터 형태이다. 엔진을 통과하여 나온 냉각수는 매우 고온이기 때문에 이 열을 외부로 방출하기만 하면 차량 실내를 난방하기에는 충분하므로, 일반적으로 내연 기관 차량의 차량용 히터는 도시된 바와 같이 튜브-핀을 통해 외부 공기와 열교환하는 일반적인 열교환기 형태로 형성되어도 충분하다. 그러나 시동 초기나 동절기 등의 경우에는 냉각수가 충분히 뜨거워지지 않아 난방이 이루어지지 못하므로, 이러한 문제를 해소하기 위하여 도 1(A)와 같이 튜브들 사이에 전기를 이용하여 가열을 하는 보조 히터를 구비시키는 구조가 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 형태의 히터는, 내연 기관 차량에 비해 구동부 등 전장품의 발열량이 적고 적절한 작동 환경 온도 조건이 훨씬 낮은 연료 전지 차량의 경우 냉각수가 난방에 사용될 만큼 충분히 뜨겁기 못하여, 연료 전지 차량에 적용하기에는 문제가 있다.
도 1(B)는 한국특허공개 제2010-0117759호("연료전지 차량용 히터 겸용 리저버", 2010.11.04)를 도시한 것으로, 현재 연료 전지 차량용으로 널리 사용되는 히터 형태를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 냉각수가 통과하는 탱크에 COD 히터 카트리지를 직접 삽입하여, 냉각수를 직접 가열하는 방식이다. 그러나 이러한 형태의 히터는, 발열원인 COD 히터 카트리지와 냉각수 간의 접촉 면적을 늘리는데 제한이 있어 가열 효율을 증대시키는데 한계가 있고, COD 히터 카트리지 자체의 부피 때문에 냉각수 히터 자체의 부피가 커지게 된다는 문제점이 있다.
도 1(C)는 일본특허공개 제2008-056044호("열매체 가열 장치 및 그것을 이용한 차량용 공기 조절 장치", 2008.03.13)를 도시한 것으로, 도 1(B)의 냉각수 히터보다 좀더 가열 효율을 증대시킬 수 있는 형태의 냉각수 히터를 제시하고 있다. 도 1(C)의 냉각수 히터는, 발열원인 PTC 전극판의 상하부에 판형 핀을 배치하고, 냉각수가 상기 판형 핀을 통과하여 유통되도록 하여, PTC 전극판으로부터 냉각수로의 열전달효율을 높여 냉각수를 보다 효과적으로 가열하도록 된 구조로 되어 있다. 그런데, 이와 같은 냉각수 히터의 경우 종래의 냉각수 히터보다 가열 효율이 좋은 대신 다음과 같은 여러 문제점들을 가지고 있다. 첫째, 발열원(PTC 전극판)이 별도의 부품으로 들어가게 되므로 부품 수가 많아지고, 부피 및 중량이 증가하는 문제가 있다. 둘째, PTC 전극판으로부터 발생되는 열이 냉각수로 온전히 전달되지 못하고 일부가 바깥쪽으로 전달되어 열손실이 발생하게 된다. 셋째, PTC 전극판으로부터 냉각수로의 열전달 경로 상에 절연층 등 여러 물체들이 존재하여 열저항이 커지고, 따라서 열전달 효율이 떨어지는 문제가 있다. 넷째, 이러한 형태의 냉각수 히터를 차량에 장착할 때 냉각수 파이프라인이나 전기 공급선 회로 등의 설계가 복잡해지며, 또한 냉각수 히터 자체의 부피가 크기 때문에 실제 장착이 어려워진다.
이와 같이 종래의 냉각수 히터가 다양한 형태로 개시되어 있으나, 연료 전지 차량에 사용되기 부적절하거나, 가열 효율이 충분히 높지 못하거나, 제작 및 장착이 어렵거나, 부피, 중량, 단가 등이 너무 큰 등 여러 가지 문제점들을 가지고 있는 실정이다.
1. 한국특허등록 제0745455호 ("보조히터 및 이를 구비하는 온수히터", 2007.07.27) 2. 한국특허공개 제2010-0117759호 ("연료전지 차량용 히터 겸용 리저버", 2010.11.04) 3. 일본특허공개 제2008-056044호 ("열매체 가열 장치 및 그것을 이용한 차량용 공기 조절 장치", 2008.03.13)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 연료 전지 차량에서의 실내 난방을 위한 냉각수 히터로서, 냉각수의 가열 효율을 극대화함과 동시에 소형화 및 컴팩트화가 가능하며 또한 냉각수 파이프라인 설계를 단순화할 수 있는 냉각수 히터를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉각수 히터는, 연료 전지 차량의 실내 난방을 위한 냉각수 히터(100)에 있어서, 내부관(112) 및 외부관(113)으로 이루어지는 이중관 형태로 형성되며, 상기 내부관(112) 및 상기 외부관(113) 사이에 전력을 공급받아 발열하는 발열층(111)이 구비되는 발열관(110); 상기 발열관(110)의 둘레에 구비되는 방열핀(120); 적어도 하나 이상의 상기 발열관(110)을 그 내부에 수용하는 케이스(130); 를 포함하여 이루어져, 냉각수가 상기 케이스(130) 내부 공간 또는 상기 발열관(110) 내부 공간을 통과하여 상기 발열층(111)으로부터 발열되는 열을 흡수하여 가열되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 발열층(111)은 상기 내부관(112) 외면 상에 구비되어 전력을 공급받아 발열하는 CNT(Carbon Nanotube)층(111a)과, 외부 전원과 연결되며 상기 CNT층(111a)과 접속되어 상기 CNT층(111a)에 전력을 공급하는 전극(111b)과, 상기 CNT층(111a)의 노출을 방지하여 절연되도록 상기 CNT층(111a)을 덮어싸는 형태로 구비되는 절연층(111c) 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각수 히터(100)는 복수 개의 상기 발열관(110)을 포함하여 이루어져, 냉각수가 하나의 상기 발열관(110) 내부 공간을 통과하여 상기 케이스(130) 내부 공간으로 유입되고, 상기 케이스(130) 공간에서 다른 하나의 상기 발열관(110) 내부 공간으로 유입되어 상기 냉각수 히터(100)로부터 배출되도록 하는 경로를 따라 유통되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 냉각수 히터(100)는 상기 발열관(110)의 일측 끝단이 상기 케이스(130) 내부에 배치되고, 상기 발열관(110) 일측 끝단에 냉각수 유통공(114a)이 형성되어, 상기 발열관(110) 내부 공간 및 상기 케이스(130) 내부 공간 간에 냉각수가 유통되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 냉각수 히터(100)는 상기 발열관(110)의 양측 끝단이 상기 케이스(130) 외부에 배치되되, 상기 발열관(110)의 일측 끝단은 상기 케이스(130) 내부 공간과 연결되는 냉각수 유통로(114b)와 연결되어, 상기 발열관(110) 내부 공간 및 상기 케이스(130) 내부 공간 간에 냉각수가 유통되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 냉각수 히터(100)는 상기 케이스(130) 상에 복수 개의 냉각수 유통구(135)가 형성되어, 냉각수가 상기 케이스(130) 내부 공간만을 통과하도록 유통되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각수 히터(110)는 상기 발열관(110) 상에 구비되어 냉각수 온도가 미리 결정된 기준 이상으로 올라가면 상기 발열층(111)에 공급되는 전력을 차단하는 과열 방지 수단(140); 을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 과열 방지 수단(140)은 상기 발열층(111)으로 전력을 공급하는 전력선과 연결되는 바이메탈(141)과, 상기 바이메탈(141)의 일측 끝단을 상기 발열관(110) 상에 고정하는 브라켓(142)과, 상기 바이메탈(141)의 타측 끝단에 접촉 연결되어 상기 바이메탈(141)을 통해 외부 전원으로부터 상기 발열층(111)으로 전력을 공급하는 단자(143)를 포함하여 이루어져, 냉각수 온도가 미리 결정된 기준 이상으로 올라가면 상기 바이메탈(141)이 변형됨으로써 상기 바이메탈(141)의 타측 끝단 및 상기 단자(143) 간의 접촉이 해제되어 상기 발열층(111)으로의 전력 공급이 차단되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 과열 방지 수단(140)은 상기 발열관(110) 상에 구비되는 온도 센서(145)를 포함하여 이루어져, 상기 온도 센서(145)에서 측정된 온도 값 신호에 의하여 상기 발열층(111)으로의 전력 공급이 제어됨으로써, 냉각수 온도가 미리 결정된 기준 이상으로 올라가면 상기 발열층(111)으로의 전력 공급이 차단되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각수 히터(100)는 상기 발열관(110) 상에 구비되는 온도 센서(145); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 발열체가 원형 관로 둘레에 배치되어 반지름 방향으로 열이 발산되게 형성되며, 또한 관로 둘레로 방열핀이 구비되어 있음으로써 열전달면적을 극대화하여, 발열체로부터 냉각수로의 열전달효율을 극대화하여 냉각수의 가열 효율을 크게 증대시킬 수 있다는 큰 효과가 있다. 특히 본 발명은 발열체의 열이 외부로 빠져나가는 경로가 거의 없어, 발열체로부터 냉각수로의 열전달에 있어서의 열손실이 거의 발생하지 않아, 가열 효율을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.
특히 본 발명의 냉각수 히터는, 종래의 히터에 비하여 부품 수, 부피 및 중량을 줄일 수 있어, 소형화 및 컴팩트화가 가능하여 엔진 룸 내 공간활용성을 극대화해주는 큰 효과가 있다. 더불어 본 발명의 냉각수 히터는 엔진 룸 내 냉각수 파이프라인을 크게 변화시키지 않아도 된다. 이와 같은 소형화 및 컴팩트화 가능, 파이프라인 등의 설계 용이성 등으로 인해, 본 발명의 냉각수 히터는 차량에 장착하기에도 매우 용이하여 사용자 편의성 또한 높여 주는 다각적인 효과가 있다.
뿐만 아니라 본 발명의 냉각수 히터는 과열 방지 구조를 구비함으로써 전기 히터에서의 과열로 인하여 발생 가능한 화재, 부품 손상 및 파손, 냉각수 누출 등의 위험성을 제거해 주는 큰 효과가 있다.
도 1은 종래의 다양한 냉각수 히터 형태들.
도 2는 본 발명의 냉각수 히터의 기본 개념.
도 3은 본 발명의 냉각수 히터의 제1실시예.
도 4는 본 발명의 냉각수 히터의 제2실시예.
도 5는 본 발명의 냉각수 히터의 제3실시예.
도 6은 본 발명의 과열 방지 수단의 한 실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 냉각수 히터를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 냉각수 히터의 기본 개념을 도시한 것이다. 본 발명의 냉각수 히터(100)는 연료 전지 차량의 실내 난방을 위하여 냉각수를 가열하는 것으로서, 도 2에 도시된 바와 같이 발열관(110), 방열핀(120), 케이스(130)를 포함하여 이루어져, 냉각수가 상기 케이스(130) 내부 공간 또는 상기 발열관(110) 내부 공간을 통과하여 상기 발열층(111)으로부터 발열되는 열을 흡수하여 가열되도록 형성된다. 이하에서 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 발열관(110)은 도 2에 도시된 바와 같이 내부관(112) 및 외부관(113)으로 이루어지는 이중관 형태로 형성되며, 상기 내부관(112) 및 상기 외부관(113) 사이에 전력을 공급받아 발열하는 발열층(111)이 구비된다. 이러한 구조를 가지는 상기 발열관(110)의 제작 방식은 다음과 같이 이루어질 수 있다. 먼저 상기 내부관(112) 외면에 상기 발열층(111)을 형성한다. 다음으로 상기 외부관(113)을 가열하여 부피가 늘어나도록 한 후 상기 발열층(111)이 형성된 상기 내부관(112)을 상기 외부관(113) 내에 끼운다. 이후 이를 냉각하면, 상기 외부관(113)이 자연히 수축되면서 상기 내부관(112)과 견고하게 맞물리게 되어, 상기 발열층(111)이 상기 내부관(112) 외면 및 상기 외부관(112) 내면과 밀착 접촉되게 형성된다.
이 때 상기 발열층(111)은 CNT(Carbon Nanotube)를 이용하여 발열이 일어나도록 하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 상기 발열층(111)은 상기 내부관(112) 외면 상에 구비되어 전력을 공급받아 발열하는 CNT(Carbon Nanotube)층(111a)과, 외부 전원과 연결되며 상기 CNT층(111a)과 접속되어 상기 CNT층(111a)에 전력을 공급하는 전극(111b)과, 상기 CNT층(111a)의 노출을 방지하여 절연되도록 상기 CNT층(111a)을 덮어싸는 형태로 구비되는 절연층(111c)을 포함하여 이루어져, 상기 CNT층(111a)이 외부 전원으로부터 전력을 공급받아 발열이 이루어지도록 형성된다. 상기 CNT층(111a)은 그 물질적 특성상 상기 내부관(112) 외면 상에 인쇄 및 소결하는 방식으로 매우 용이하게 형성할 수 있으며, 상기 절연층(111c)은 일반적으로 사용되는 절연용 필름 등을 적용할 수 있다. 상기 전극(111b)은 외부 전원과의 전기적 연결을 이루는 부분이다. 도 2(C)에서는 상기 전극(111b)이 상기 절연층(111c)에 의하여 외부와 절연되고 별도의 전력공급선이 상기 절연층(111c)을 통과하여 상기 전극(111b)과 연결된 형태로 도시되어 있으나, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 상기 전극(111b)이 상기 절연층(111c) 외부로 노출되도록 형성되고 전력공급선이 노출된 상기 전극(111b)과 접속되도록 형성될 수도 있는 등, 외부 전원과의 전기적 연결을 이룰 수 있다면 어떠한 형태로 형성되어도 무방하다.
상기 방열핀(120)은 상기 발열관(110)의 둘레에 구비되어, 상기 발열관(110)으로부터 발생된 열을 주변으로 효과적으로 전달하는 역할을 한다. 도시된 바와 같이 상기 방열핀(120)은 원판 형태로 형성되어, 상기 발열관(110)으로부터 발생되는 열을 반지름 방향으로 전달하게 된다. 여기에서 상기 방열핀(120)이 나선 형태를 이루도록 하여, 상기 케이스(130) 내를 흐르는 냉각수의 흐름 방향을 안내하는 역할을 더 수행하도록 할 수도 있다.
상기 케이스(130)는 적어도 하나 이상의 상기 발열관(110)을 그 내부에 수용하도록 형성된다. 상술한 바와 같이 냉각수는 상기 케이스(130)의 내부 공간을 통과하여 유통되는 바, 상기 발열관(110)으로부터 발생된 열이 상기 방열핀(120)을 통해 상기 케이스(130) 내부 공간에 수용되어 있는 냉각수로 전달됨으로써, 냉각수의 효과적인 가열이 이루어질 수 있게 된다.
이와 같이 형성되는 본 발명의 냉각수 히터(100)는, 상술한 바와 같이 그 구조가 간단하여 부품 수가 많지 않고 제작이 용이하므로, 종래의 냉각수 히터에 비하여 부품 단가, 조립 공정 등이 훨씬 간소화된다. 뿐만 아니라, 이와 같이 단순한 구조 및 적은 부품 수로 인하여 본 발명의 냉각수 히터(100)는 종래의 냉각수 히터에 비하여 훨씬 부피 및 중량을 줄일 수 있어, 냉각수 히터의 소형화 및 컴팩트화를 이룰 수 있다. 따라서 본 발명의 냉각수 히터(100)는 엔진 룸 내 공간활용성을 크게 높여 주며, 장착 또한 용이하여 사용자 편의성을 극대화시켜 준다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 냉각수 히터(100)는, 냉각수가 상기 케이스(130) 내부 공간 또는 상기 발열관(110) 내부 공간을 통과하여 상기 발열층(111)으로부터 발열되는 열을 흡수하여 가열되도록 형성된다. 이 때 냉각수의 유통 경로를 다양하게 실시할 수 있다. 도 3 내지 도 5는 이러한 여러 실시예들을 도시한 것으로, 각 실시예에 대하여 이하에서 보다 상세히 설명한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 냉각수 히터의 제1실시예 및 제2실시예이다. 제1실시예 및 제2실시예에서, 상기 냉각수 히터(100)는 복수 개의 상기 발열관(110)을 포함하여 이루어져, 냉각수가 하나의 상기 발열관(110) 내부 공간을 통과하여 상기 케이스(130) 내부 공간으로 유입되고, 상기 케이스(130) 공간에서 다른 하나의 상기 발열관(110) 내부 공간으로 유입되어 상기 냉각수 히터(100)로부터 배출되도록 하는 경로를 따라 유통되게 형성된다. 이와 같이 함으로써, 냉각수가 상기 발열관(110) 내부 공간을 통과하면서 상기 발열층(111)으로부터 발생되는 열이 상기 내부관(112) 벽면을 통하여 1차적으로 냉각수로 전달되며, 냉각수가 상기 케이스(130) 내로 빠져나오면 상기 발열층(111)으로부터 발생되는 열이 상기 외부관(113) 및 상기 방열핀(120)을 통하여 본격적으로 냉각수로 전달되게 된다. 즉 상기 케이스(130) 내에서뿐만 아니라 (상기 발열관(111)을 통한) 유입 및 배출 시에도 냉각수가 가열되게 되며, 이에 따라 상기 발열층(111)으로부터 발생되는 열이 거의 손실되지 않고 온전히 냉각수로 전달됨으로써 냉각수 가열 효율을 극대화할 수 잇다.
냉각수가 상술한 바와 같은 경로를 통과하여 유통되려면, 상기 발열관(110) 내부 공간 및 상기 케이스(130) 내부 공간 간에 냉각수가 유통될 수 있어야 한다. 제1실시예 및 제2실시예는, 상기 발열관(110) 내부 공간 및 상기 케이스(130) 내부 공간 간의 냉각수 유통 형태가 서로 다르게 형성된다.
먼저 도 3의 제1실시예에 대하여 설명한다. 제1실시예의 상기 냉각수 히터(100)에서는, 상기 발열관(110)의 일측 끝단이 상기 케이스(130) 내부에 배치되고, 상기 발열관(110) 일측 끝단에 냉각수 유통공(114a)이 형성되어, 상기 발열관(110) 내부 공간 및 상기 케이스(130) 내부 공간 간에 냉각수가 유통되게 형성된다. 상기 냉각수 유통공(114a)은 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 상기 발열관(110)의 벽면 상에 뚫려 있는 통공 형태로 형성될 수도 있으나, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 한 예로, 상기 발열관(110)의 일측 끝단이 상기 케이스(130)의 내부 벽면과 일부 이격되게 배치되도록 하여, 개방되어 있는 상기 발열관(110)의 일측 끝단이 자연히 상기 냉각수 유통공(114a) 역할을 하도록 이루어지게 할 수도 있다.
다음으로 도 4의 제2실시예에 대하여 설명한다. 제2실시예의 상기 냉각수 히터(100)에서는, 상기 발열관(110)의 양측 끝단이 상기 케이스(130) 외부에 배치되되, 상기 발열관(110)의 일측 끝단은 상기 케이스(130) 내부 공간과 연결되는 냉각수 유통로(114b)와 연결되어, 상기 발열관(110) 내부 공간 및 상기 케이스(130) 내부 공간 간에 냉각수가 유통되게 형성된다. 제2실시예는 도 3의 제1실시예에 비하여 구조가 일부 복잡하나, 다음과 같은 장점을 얻을 수 있다. 도 3의 제1실시예의 경우 상기 발열관(110)의 일측 끝단이 상기 케이스(130) 내부에 배치되는데, 이 때 상기 발열층(111)이 노후화 등으로 인하여 손상될 경우 상기 발열층(111)으로 냉각수가 새어들어갈 우려가 있다. 이 경우 상기 발열층(111)의 손상은 물론이고, 냉각수를 통해 전기가 누출됨으로써 차량 내 승객의 안전을 위협할 수도 있다. 그러나 도 4의 제2실시예와 같이 구성할 경우, 상기 케이스(130) 내에서는 상기 외부관(113)에 의하여 상기 발열층(111)과 냉각수의 접촉을 원천적으로 배제할 수 있어, 이러한 문제를 사전에 완전히 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 냉각수 히터의 제3실시예를 도시하고 있는데, 제3실시예에서는 제1실시예 및 제2실시예에서와는 달리 냉각수가 상기 케이스(130) 내부 공간만을 통과하도록 유통되게 형성된다. 즉 이 경우에는, 상기 냉각수 히터(100)는 상기 케이스(130) 상에 복수 개의 냉각수 유통구(135)가 형성되도록 하여 이를 통해 냉각수가 상기 케이스(130) 내로 유통되게만 하면 된다. 제1실시예 및 제2실시예의 경우 상기 발열관(110)이 외부 - 상기 케이스(130) 간의 냉각수 유통 경로 연결 역할까지 겸하게 되엇으나, 제3실시예의 경우에는 상기 발열관(110)의 내부로는 냉각수가 흐르지 않으므로 별도의 냉각수 유통구(135)가 필요한 것이다. 제3실시예의 경우 상기 발열관(110) 내부로 냉각수가 유통되지 않으므로, 상기 발열층(111)에서 발생된 열의 일부가 상기 내부관(112) 벽면을 통해 상기 발열관(110) 내부 공간으로 발산되어, 제1실시예 및 제2실시예에 비해 약간의 열손실이 발생할 수 있다. 그러나 실질적으로 상기 발열층(111)에서 발생된 열은 대부분 상기 외부관(113) 및 상기 방열핀(120)을 통해 상기 케이스(130) 내부 공간으로 발산되며, 따라서 손실되는 열량은 전체 열량에 비해 상당히 적다. 또한 제3실시예와 같이 형성될 경우, 제2실시예에서와 같이 상기 발열층(111)으로의 냉각수 유입이 근본적으로 차단됨과 동시에, 제1실시예처럼 그 구조를 간소화할 수 있다는 장점이 있다.
즉 제1실시예는 상기 발열층(111)으로의 냉각수 유입 우려가 조금 있는 대신 가장 열손실이 적고 구조가 간소하다는 장점을 가지고, 제2실시예는 구조가 조금 복잡해지는 대신 열손실이 적고 상기 발열층(111)으로의 냉각수 유입 우려가 전혀 없다는 장점을 가지며, 제3실시예는 약간의 열손실이 있는 대신 구조가 간소하고 상기 발열층(111)으로의 냉각수 유입 우려가 전혀 없다는 장점을 가진다. 따라서 요구되는 냉각수 가열 효율이나 외부 충격, 진동의 강도 등과 같은 작동 환경 등에 따라 상기 실시예들 중 적절한 것이 선택 채용될 수 있다.
상기 냉각수 히터(100)는 또한, 상기 발열관(110) 상에 구비되어 냉각수 온도가 미리 결정된 기준 이상으로 올라가면 상기 발열층(111)에 공급되는 전력을 차단하는 과열 방지 수단(140); 을 더 포함하여 이루어져, 과열로 인한 화재를 방지하도록 하는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 과열 방지 수단의 한 실시예를 도시하고 있다. 도 6의 실시예에서 상기 과열 방지 수단(140)은, 상기 발열층(111)으로 전력을 공급하는 전력선과 연결되는 바이메탈(141)과, 상기 바이메탈(141)의 일측 끝단을 상기 발열관(110) 상에 고정하는 브라켓(142)과, 상기 바이메탈(141)의 타측 끝단에 접촉 연결되어 상기 바이메탈(141)을 통해 외부 전원으로부터 상기 발열층(111)으로 전력을 공급하는 단자(143)를 포함하여 이루어져, 냉각수 온도가 미리 결정된 기준 이상으로 올라가면 상기 바이메탈(141)이 변형됨으로써 상기 바이메탈(141)의 타측 끝단 및 상기 단자(143) 간의 접촉이 해제되어 상기 발열층(111)으로의 전력 공급이 차단되도록 형성된다. 이러한 구조는 일반적인 온도 퓨즈의 구조와 유사하므로 상세한 설명은 생략한다. 덧붙여, 상기 과열 방지 수단(140)이 도 6의 실시예와 같이 형성될 경우, 냉각수로부터의 열전달이 보다 원활하게 이루어져 냉각수 온도 측정 정확도를 높일 수 있도록, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 발열관(110)은 상기 과열 방지 수단(140)이 장착되는 부분이 평면을 이루도록 형성하는 것이 바람직하다.
또는 본 발명의 과열 방지 수단(140)은, 상기 발열관(110) 상에 구비되는 온도 센서(145)를 포함하여 이루어져, 상기 온도 센서(145)에서 측정된 온도 값 신호에 의하여 상기 발열층(111)으로의 전력 공급이 제어되도록 함으로써, 냉각수 온도가 미리 결정된 기준 이상으로 올라가면 상기 발열층(111)으로의 전력 공급이 차단되도록 형성될 수 있다(미도시). 이 경우에는 상기 온도 센서(145) 및 상기 발열층(111)으로의 전력 공급 회로가 차량의 중앙제어수단 등에 연결되어 있음으로써, 중앙제어수단에서 상기 온도 센서(145)에서 측정되는 값을 이용하여 전력 공급을 제어하게 하면 되는 바, 별도의 온도 퓨즈 구조 등이 없이도 과열을 방지할 수 있게 된다.
상기 과열 방지 수단(140)에 포함되지 않더라도, 상기 냉각수 히터(100)는 상기 발열관(110) 상에 구비되는 온도 센서(145); 를 더 포함하여 이루어져, 냉각수의 온도를 모니터링하도록 형성될 수도 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: (본 발명의) 냉각수 히터
110: 발열관 111: 발열층
111a: CNT(Carbon Nanotube, 탄소나노튜브)층
111b: 전극 111c: 절연층
112: 내부관 113: 외부관
114a: 냉각수 유통공 114b: 냉각수 유통로
120: 방열핀
130: 케이스 135: 냉각수 유통구
140: 과열 방지 수단 141: 바이메탈
142: 브라켓 143: 단자
145: 온도 센서

Claims (10)

  1. 연료 전지 차량의 실내 난방을 위한 냉각수 히터(100)에 있어서,
    내부관(112) 및 외부관(113)으로 이루어지는 이중관 형태로 형성되며, 상기 내부관(112) 및 상기 외부관(113) 사이에 전력을 공급받아 발열하는 발열층(111)이 구비되는 발열관(110);
    상기 발열관(110)의 둘레에 구비되는 방열핀(120);
    적어도 하나 이상의 상기 발열관(110)을 그 내부에 수용하는 케이스(130);
    를 포함하여 이루어져,
    냉각수가 상기 케이스(130) 내부 공간 및 상기 발열관(110) 내부 공간을 통과하여 상기 발열층(111)으로부터 발열되는 열을 흡수하여 가열되도록 형성되며,
    복수 개의 상기 발열관(110)을 포함하여 이루어져,
    냉각수가 하나의 상기 발열관(110) 내부 공간을 통과하여 상기 케이스(130) 내부 공간으로 유입되고, 상기 케이스(130) 공간에서 다른 하나의 상기 발열관(110) 내부 공간으로 유입되어 상기 냉각수 히터(100)로부터 배출되도록 하는 경로를 따라 유통되게 형성되되,
    상기 발열관(110)의 양측 끝단이 상기 케이스(130) 외부에 배치되되, 상기 발열관(110)의 일측 끝단은 상기 케이스(130) 내부 공간과 연결되는 냉각수 유통로(114b)와 연결되어, 상기 발열관(110) 내부 공간 및 상기 케이스(130) 내부 공간 간에 냉각수가 유통되게 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각수 히터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 발열층(111)은
    상기 내부관(112) 외면 상에 구비되어 전력을 공급받아 발열하는 CNT(Carbon Nanotube)층(111a)과,
    외부 전원과 연결되며 상기 CNT층(111a)과 접속되어 상기 CNT층(111a)에 전력을 공급하는 전극(111b)과,
    상기 CNT층(111a)의 노출을 방지하여 절연되도록 상기 CNT층(111a)을 덮어싸는 형태로 구비되는 절연층(111c)
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각수 히터.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서, 상기 냉각수 히터(110)는
    상기 발열관(110) 상에 구비되어 냉각수 온도가 미리 결정된 기준 이상으로 올라가면 상기 발열층(111)에 공급되는 전력을 차단하는 과열 방지 수단(140);
    을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각수 히터.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 과열 방지 수단(140)은
    상기 발열층(111)으로 전력을 공급하는 전력선과 연결되는 바이메탈(141)과,
    상기 바이메탈(141)의 일측 끝단을 상기 발열관(110) 상에 고정하는 브라켓(142)과,
    상기 바이메탈(141)의 타측 끝단에 접촉 연결되어 상기 바이메탈(141)을 통해 외부 전원으로부터 상기 발열층(111)으로 전력을 공급하는 단자(143)
    를 포함하여 이루어져, 냉각수 온도가 미리 결정된 기준 이상으로 올라가면 상기 바이메탈(141)이 변형됨으로써 상기 바이메탈(141)의 타측 끝단 및 상기 단자(143) 간의 접촉이 해제되어 상기 발열층(111)으로의 전력 공급이 차단되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각수 히터.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 과열 방지 수단(140)은
    상기 발열관(110) 상에 구비되는 온도 센서(145)를 포함하여 이루어져, 상기 온도 센서(145)에서 측정된 온도 값 신호에 의하여 상기 발열층(111)으로의 전력 공급이 제어됨으로써, 냉각수 온도가 미리 결정된 기준 이상으로 올라가면 상기 발열층(111)으로의 전력 공급이 차단되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각수 히터.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 냉각수 히터(100)는
    상기 발열관(110) 상에 구비되는 온도 센서(145); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각수 히터.
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