KR102141876B1 - 자동차용 인덕션 히터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 인덕션 히터에 관한 것으로, 워크코일이 발열튜브의 내부에 삽입되어 자기장의 외부 누설이 감소됨으로써 히터의 효율이 향상되고, 히터 주변 장치에 의도하지 않은 발열이 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.

Description

자동차용 인덕션 히터{Induction heater for vehicle}

본 발명은 자동차용 인덕션 히터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자 유도 작용에 의해 발열되는 발열튜브를 이용하여 냉각수를 직접 가열하여 난방을 실시할 수 있도록 된 자동차용 인덕션 히터에 관한 것이다.

일반적으로 자동차는 엔진 냉각을 위한 냉각수를 실내 난방용 히터코어에 공급하여 실내로 송풍되는 공기와 열교환 시킴으로써 난방을 실시한다.

그러나, 전기자동차와 같이 구동원으로서 엔진 대신 모터를 사용하는 경우에는 엔진의 열을 이용한 난방이 불가능하므로 전기를 이용하는 히터를 사용하여 난방을 실시하며, 이러한 차량용 전기 히터로서 전자 유도 가열을 이용하는 인덕션 히터가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 인덕션 히터의 일예를 도시한 것으로, 물이 유입되고 배출되는 유입관(4)과 배출관(5)을 구비한 하우징(1)의 내부에 다수의 구멍을 가지는 발열체(6)를 설치하고, 하우징(1)의 외부에 워크코일(7)을 권선하며, 전력공급유니트(8)를 구비하여 워크코일(7)에 고주파 교류 전력을 공급하는 구성으로 이루어져 있다.

따라서, 워크코일(7)에 전력이 공급되면 전자 유도 작용에 의해 발열체(7)에 열이 발생하고, 그 열을 하우징(1)을 통과하는 물이 흡수하여 난방수를 생성할 수 있었다.

상기와 같은 구성의 인덕션 히터가 일본 공개특허공보 특개평9-289076호에 개시되어 있다.

그런데, 상기 종래의 인덕션 히터는 워크코일(7)이 히터를 구성하는 부품 중 가장 바깥쪽에 위치하기 때문에 워크코일(7)에서 발생하는 자기장이 내부의 발열체(6)에만 작용하는 것이 아니라 히터 주변에 설치된 다른 장치들의 금속재 부품에도 영향을 미쳐 해당 금속재 부품의 의도치 않은 발열을 초래하는 문제점이 있었다. 이는 해당 금속재 부품을 포함하는 장치의 작동에도 악영향을 줄 뿐만 아니라 워크코일(7)의 자기장이 발열체(6) 이외의 부분으로 손실되는 것을 의미하는 바, 히터의 효율을 저하시키는 원인이 되는 문제점이 있었다.

또한, 하우징(1)에 의해 유로 단면적 변화가 크고, 또한 하우징(1)의 단면적이 과도하게 커서 난방수가 정체할 수 있는 공간이 많기 때문에 기포의 발생 및 정체 가능성이 크다. 발생 기포가 정체되어 기포층이 형성되면 그 부분에 물이 흐르지 않게 되어 냉각이 이루어지지 않음으로써 해당 부분이 급격하게 가열되는 국부 과열 현상이 발생하며. 이러한 국부 과열은 히터의 파손을 유발한다.

또한, 발열이 이루어지는 부분이 워크코일(7)로부터 넓은 범위(발열체(6)의 반경 범위)에 존재하기 때문에 즉, 발열체(6)의 표면 부분은 워크코일(7)과 가깝고 중심 부분은 워크코일(7)로부터 멀리 떨어져 있기 때문에 발열체(6)에 온도 구배가 발생하고 이는 발열체(6)가 차지하는 공간 대비 히터의 효율을 저하시키는 원인이 된다.

또한, 유입관(4)과 배출관(5)의 위치가 상이하여 조립 및 정비 점검시 작업성이 저하되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 워크코일의 외부 자력선 손실을 방지하여 히터의 효율을 향상시킬 수 있도록 된 자동차용 인덕션 히터를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 기포 발생 및 그로 인한 국부 과열이 방지되고, 가열 효율이 향상되며, 조립 및 정비 점검 편의성이 향상될 수 있도록 된 자동차용 인덕션 히터를 제공함에 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 원통형으로 감겨진 워크코일과, 상기 워크코일이 삽입되어 지지되는 코일거치부재와, 하나의 튜브가 코일 형상으로 감겨져 형성되고 내부에 코일거치부재가 삽입 설치되는 발열튜브를 포함한다.

상기 코일거치부재는 내측원통과 외측원통으로 이루어지고, 내측원통과 외측원통의 사이에 워크코일이 삽입되는 코일삽입공간이 형성된다.

상기 발열튜브는 튜브가 동일 직경을 갖는 원형으로 반복하여 감겨져서 원통부를 이룸으로써 발열부분이 워크코일로부터 동일한 근접 거리 내에 위치한다.

상기 원통부를 형성한 튜브의 단부가 원통부의 내부 공간을 통해 반대쪽으로 연장되어, 튜브의 양측 단부가 모두 동일한 면에 배치된다.

상기 원통부를 형성하는 튜브는 사각관이고, 이웃하는 튜브들은 서로 밀착되어 면접촉한다.

상기 튜브의 양측 단부 중 히터 설치 상태에서 낮은 쪽에 위치하는 단부가 유입관이 되고, 높은 쪽에 위치하는 단부가 배출관이 된다.

상기 유입관과 배출관은 호스 연결이 용이하도록 원형관 형태로 형성된다.

상기 원통부를 형성한 튜브의 단부가 원통부의 내부 공간을 통해 반대쪽으로 연장되어 원통부를 관통하는 내측 직선부가 형성되고, 내측 직선부는 전자 유도 작용에 의해 발열하지 않는 비자성 철계 금속으로 이루어진다.

상기 내측 직선부는 코일거치부재의 내측원통에 삽입되었을 때 내측원통과 접촉되는 크기의 직경을 갖는다.

상기 내측 직선부의 일측에는 코일거치부재가 발열튜브의 내측으로 삽입되는 경로를 안내하는 원추면이 형성된다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 워크코일이 발열튜브와 코일거치부재의 내부에 위치하기 때문에 워크코일의 자기장이 히터 주변 장치의 금속재 부품에 미치는 영향을 최소화할 수 있게 된다.

따라서, 히터의 워크코일에 의해 주변 장치에 의도치 않은 발열이 발생하여 해당 장치의 성능에 악형향을 미치는 현상이 해소된다.

또한, 동일한 이유에 의해 워크코일에서 발생하는 자기장의 손실이 감소되므로 워크코일에서 발생하는 자기장을 최대한 발열튜브에 작용시켜 난방수 가열에 사용할 수 있게 됨으로써 히터의 효율이 향상되는 효과가 있다.

또한, 히터 전체에 걸쳐 유로 단면적이 일정하게 유지되고 난방수가 정체할 수 있는 부분이 존재하지 않게 됨으로써 기포 발생 및 기포층의 형성이 방지된다. 따라서, 기포층 형성으로 인한 국부 과열 현상이 발생하지 않으며, 그로 인한 손상을 방지할 수 있게 된다.

발열튜브의 발열 부분이 워크코일에 근접한 일정 거리 내에 존재하므로 워크코일과의 거리에 따른 발열 온도 구배가 거의 발생하지 않고 전체적으로 균일한 가열 조건이 형성되므로 히터의 효율이 향상된다.

또한, 발열튜브가 코일 형상으로 말려져 있고 튜브 사이는 서로 밀착되어 있기 때문에 자기장의 작용에 유리하고 난방수의 이동 경로 및 열전달 면적이 증가하여 열전달 효율이 향상됨으로써 히터 효율이 향상된다.

난방수의 유입관과 배출관이 동일면에 배치됨으로써 히터의 설치 및 정비 점검 편의성이 향상된다.

도 1은 종래 기술에 따른 인덕션 히터의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 자동차용 인덕션 히터의 사시도.
도 3은 도 2의 분해 사시도.
도 4는 본 발명의 일 구성인 워크코일의 사시도.
도 5는 본 발명의 일 구성인 코일거치부재의 사시도.
도 6은 본 발명의 일 구성인 발열튜브의 사시도.
도 7은 상기 발열튜브의 종단면도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 인덕션 히터는 원통형으로 감겨진 워크코일(10)과, 워크코일(10)이 삽입되어 지지되는 코일거치부재(20)와, 하나의 튜브가 코일 형상으로 감겨져 형성되고 내부에 코일거치부재(20)가 삽입 설치되는 발열튜브(30)를 포함한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 워크코일(10)은 전열선이 동일 지름으로 반복하여 감겨져 원통 형상을 이룬 것으로, 원통 형상을 유지하기 위해 내열성 플라스틱 재질로 표면이 감싸질 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 코일거치부재(20)는 내측원통(21)과 외측원통(22)으로 이루어진 이중관 형태의 원통형 부품으로서, 내측원통(21)과 외측원통(22)의 사이에는 워크코일(10)이 삽입 안착되는 코일삽입공간(23)이 형성된다.

코일삽입공간(23)은 워크코일(10)의 두께와 동일한 간격을 가짐으로써 워크코일(10)이 삽입 안착될 수 있다. 코일삽입공간(23)의 일측면은 워크코일(10)의 삽입을 위하여 개방되어 있고, 타측면은 워크코일(10)의 이탈 방지를 위해 막혀 있다. 워크코일(10)은 삽입 상태에서 내측원통(21) 및 외측원통(22)과의 접촉에 의해 설치 위치를 유지함으로써 코일삽입공간(23)으로부터 빠지지 않는다.

코일거치부재(20)의 내측원통(21)은 양측부가 모두 개방되어 있는 구조로 형성되어 발열튜브(30)의 내측 직선부(34; 도 7 참조)가 내측원통(21)으로 삽입되는 상태로 코일거치부재(20)가 발열튜브(30)의 내부로 삽입되는 것이 가능하다.

코일거치부재(20)는 워크코일(10)의 자기장에 의해 발열하지 않도록 비철계 금속 또는 플라스틱 재질로 제작된다.

워크코일(20)은 도시하지 않은 전력공급유니트로부터 고주파 교류 전원을 공급받아 발열튜브(30)에 전자 유도 작용에 의한 와전류를 발생시켜 발열이 이루어지도록 한다.

도 6과 도 7에 도시된 바와 같이, 발열튜브(30)는 하나의 튜브(33a)가 코일 형상으로 감겨져 형성된 것으로 발열체 및 난방수 유로의 역할을 겸한다.

즉, 튜브(33a)의 일측 단부로부터 원형으로 반복하여 감겨져 원통 형상(원통부;33)을 이루다가 하우징(10)에 삽입될 수 있는 적절한 길이로 감겨진 이후에는 원통부(33)의 내측 공간을 경유하여 상기 일측 단부가 위치한 부분으로 돌출되어 타측 단부를 구성한다.

즉, 튜브(33a)의 양단이 원통형 히터의 동일한 일측면에 위치하게 된다. 동일면에서 튜브(33a)의 일측 단부는 원통부(33)의 원주 상에 위치되고, 타측 단부는 원통부(33)의 중심 부분에 위치된다. 양측 단부가 동일면에 위치하기만 하면 세밀한 위치는 적절히 변경될 수 있다.

상기 양측 단부 중 어느 것을 유입관 또는 배출관으로 사용할지는 제한이 없으나, 도시된 바와 같이, 히터 설치 상태에서 낮은 쪽에 위치하는 것을 유입관(31)으로 사용하고, 높은 쪽에 위치하는 것을 배출관(32)으로 사용한다. 이는 발열튜브(30)의 내측 또는 외측에서 발생하여 난방수에 존재할 수 있는 기포가 보다 용이하게 배출될 수 있도록 하기 위함이다.

유입관(31)과 배출관(32)은 호스(난방풍 생성용 히터코어와 연결함)를 연결하기 용이하도록 원형관 형상으로 형성된다.

발열튜브(30)는 전자 유도 작용에 의한 발열이 가능한 철계 금속(예;페라이트계/마르텐사이트계 강종의 스테인리스(SUS400 계열))으로 이루어져 있으며 튜브(33a)의 단면은 원형 또는 사각형상을 갖는다.

원통부(33)에서 감겨진 튜브(33a)의 서로 이웃하는 부분은 서로 접촉 상태로 하여 열전달 및 자기장 작용에 유리하도록 한다. 열전달 및 자기장 작용 관점에서 볼 때 원형 단면의 튜브보다는 사각단면의 튜브를 이용하는 것이 인접한 튜브(33a)간 접촉 면적이 크기 때문에 보다 유리하다.

한편, 발열튜브(30)에서 원통부(33)의 내부를 통과하는 부분 즉, 내측 직선부(34)는 발열이 이루어지지 않도록 전자 유도 작용에 의한 발열이 이루어지지 않는 금속(예; 오스테나이트계 강종의 스테인리스(SUS300 계열))으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 내측 직선부(34)는 코일거치부재(20) 내측원통(21)의 내경과 동일하거나 미세하게 작은 직경을 갖도록 형성된다. 즉, 내측원통(21)의 내부로 내측 직선부(34)가 삽입 가능하여 코일거치부재(20)가 내측 직선부(34)에 감합된 상태를 유지할 수 있으며, 코일거치부재(20)가 내측 직선부(34)와 접촉하여 워크코일(10)이 유입관(31)을 통해 내측 직선부(34)를 흐르는 난방수에 의해 냉각될 수 있게 된다.

유입관(31)과 내측 직선부(34)의 연결 부분은 원추면(34a)으로 형성되어 있어서 코일거치부재(20)를 발열튜브(30)의 내부 공간으로 삽입할 때 상기 원추면(34a)이 가이드 역할을 함으로써 코일거치부재(20)의 삽입이 용이하게 이루어지도록 되어 있다.

이제 본 발명의 작용 및 효과를 설명한다.

난방수는 유입관(31)으로 유입되어 내측 직선부(34)를 경유한 뒤, 원통부(33)를 구성하는 튜브(33a)를 통과하고, 마지막으로 배출관(32)을 통해 배출된다.

그 상태에서 워크코일(10)에 고주파 교류 전력이 공급되면 자기장이 형성되고, 자기장의 방향이 빠르게 전환됨으로써 발열튜브(30)의 원통부(33)를 구성하는 튜브(33a)들에 와전류가 형성되어 와전류에 의한 저항열이 발생한다. 즉, 발열튜브(30) 자체에서 열이 발생하므로 별도의 발열체를 구비할 필요가 없어진다.

발열튜브(30)의 원통부(33)에서 발생한 열은 튜브(33a) 내를 흐르는 난방수에 흡수되어 난방수의 온도를 상승시키므로 실내 난방의 열원으로 사용할 수 있다.

이때 워크코일(10)은 발열튜브(30) 원통부(33)의 내측에 위치하므로 워크코일(10)에 의해 형성된 자기장이 거의 모두 원통부(33)에 작용하고, 원통부(33)의 외측 즉, 발열튜브(30) 외측으로의 누설이 최소화된다.

따라서, 히터의 주변에 설치된 다른 장치의 금속 부품에 원하지 않은 발열이 이루어지는 것을 방지할 수 있게 됨으로써 히터 주변 장치의 성능 및 내구성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 워크코일(10)에서 발생한 자기장의 외부 누설이 최소화되고 거의 모든 자기장이 원통부(33)의 튜브(33a)를 발열시키는데 이용되므로 히터의 효율이 향상된다.

상기 원통부(33)의 튜브(33a)는 동일한 유로 면적을 유지한다. 즉, 유로의 단면적 변화가 없고, 그로 인해 갑자기 확장되는 공간이 유로 내에 존재하지 않으며 전체적으로 선형의 공간으로 이루어져 있기 때문에 기포가 발생할 가능성이 적고, 기포가 발생하더라도 기포가 모여 정체될 수 있는 공간이 존재하지 않고 난방수의 흐름에 의해 강제로 신속하게 발열튜브(30) 외측으로 배출되므로 공기층이 형성되지 않는다. 따라서 공기층에 의한 비냉각 부분이 존재하지 않게 되므로 국부 과열 현상이 발생하지 않게 됨으로써 히터의 효율이 향상되고, 과열로 인한 히터 파손이 방지된다.

또한, 원통부(33)를 구성하는 튜브(33a)가 원통형으로 말려 있고, 그 내측부에 설치되는 워크코일(20)도 원통형으로 말려 있기 때문에 워크코일(20)과 발열 부분의 거리가 전체적으로 일정하여 원통부(33) 전체에서 균일하게 발열이 이루어짐으로써 히터의 효율이 향상된다. 따라서, 난방수를 보다 효율적으로 가열할 수 있게 된다.

또한, 원통부(33)를 구성하는 튜브(33a)가 원통 형상으로 말려짐에 있어서, 서로 이웃하는 튜브(33a)가 밀착되어 있기 때문에 자기장이 보다 강하게 형성되어 발열에 유리하고, 접촉한 튜브(33a)간 열전달이 활발하게 이루어질 뿐만 아니라 외부로의 열 발산량이 감소하여 보다 효율적으로 난방수를 가열할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 인덕션 히터는 난방수의 유입관(31)과 배출관(32)이 동일한 면에 형성된다. 따라서, 히터에 호스를 연결하거나 분해하는 작업이 하나의 작업면에서 이루어질 수 있으므로 히터의 조립과 설치 및 차후의 정비 점검 작업을 보다 용이하게 실시할 수 있게 된다.

또한, 유입관(31)에 비해 배출관(32)의 위치가 높기 때문에 발열튜브(30) 내부에 존재하는 기포의 배출이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.

또한, 배출관(32)에 연결되는 부분(내측 직선부(34))이 발열튜브(30)의 내측 공간을 경유하므로 별도의 외측 공간을 점유하지 않게 되어 히터의 크기를 보다 작게 구성할 수 있게 된다. 이는 설치 공간에 제약이 많은 자동차용 히터로서 매우 유용한 장점이다.

한편, 상기 내측 직선부(34)가 전술한 바와 같이, 비자성 철계 금속으로 이루어질 경우, 워크코일(10)에 고주파 교류 전원이 공급되어도 발열이 이루어지지 않는다. 또한, 내측 직선부(34)에는 유입관(31)으로부터 유입된 미가열된 난방수가 흐르고 있다.

따라서, 원통부(33)와 접촉하여 가열되는 워크코일(10)의 열이 내측 직선부(34)를 통해 난방수로 흡수됨으로써 워크코일(10)이 과열되는 것을 방지할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

10 : 워크코일 20 : 코일거치부재
21 : 내측원통 22 : 외측원통
23 : 코일삽입공간 30 : 발열튜브
31 : 유입관 32 : 배출관
33 : 원통부 33a : 튜브
34 : 내측 직선부 34a : 원추면

Claims (10)

1. 원통형으로 감겨진 워크코일(10)과;
   상기 워크코일(10)이 삽입되어 지지되는 코일거치부재(20)와;
   하나의 튜브가 코일 형상으로 감겨져 형성되고, 내부에 코일거치부재(20)가 삽입 설치되는 발열튜브(30);를 포함하고,
   상기 코일거치부재(20)는 내측원통(21)과 외측원통(22)으로 이루어지고, 내측원통(21)과 외측원통(22)의 사이에 워크코일(10)이 삽입되는 코일삽입공간(23)이 형성되고,
   상기 발열튜브(30)는 튜브(33a)가 동일 직경을 갖는 원형으로 반복하여 감겨져서 원통부(33)를 이룸으로써 발열부분이 워크코일(20)로부터 동일한 근접 거리 내에 위치하고,
   상기 원통부(33)를 형성하는 튜브(33a)는 사각관이고, 이웃하는 튜브(33a)들은 서로 밀착되어 면접촉하는 것을 특징으로 하는 자동차용 인덕션 히터.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 원통부(33)를 형성한 튜브(33a)의 단부가 원통부(33)의 내부 공간을 통해 반대쪽으로 연장되어, 튜브(33a)의 양측 단부가 모두 동일한 면에 배치되는 것을 특징으로 하는 자동차용 인덕션 히터.
   
5. 삭제
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 튜브(33a)의 양측 단부 중 히터 설치 상태에서 낮은 쪽에 위치하는 단부가 유입관(31)이 되고, 높은 쪽에 위치하는 단부가 배출관(32)이 되는 것을 특징으로 하는 자동차용 인덕션 히터.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 유입관(31)과 배출관(32)은 호스 연결이 용이하도록 원형관 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 인덕션 히터.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 원통부(33)를 형성한 튜브(33a)의 단부가 원통부(33)의 내부 공간을 통해 반대쪽으로 연장되어 원통부(33)를 관통하는 내측 직선부(34)가 형성되고, 내측 직선부(34)는 전자 유도 작용에 의해 발열하지 않는 비자성 철계 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차용 인덕션 히터.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 내측 직선부(34)는 코일거치부재(20)의 내측원통(21)에 삽입되었을 때 내측원통(21)과 접촉되는 크기의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 자동차용 인덕션 히터.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 내측 직선부(34)의 일측에는 코일거치부재(20)가 발열튜브(30)의 내측으로 삽입되는 경로를 안내하는 원추면(34a)이 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 인덕션 히터.
    
    

Images