KR102268542B1 - 저전력 고효율 비산화물 세라믹 발열체를 활용한 전기차 난방 모듈용 시즈히터 - Google Patents

저전력 고효율 비산화물 세라믹 발열체를 활용한 전기차 난방 모듈용 시즈히터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 관형 몸체의 내부에 충진되는 절연물질이 질화알루미늄(aluminium nitride)으로 이루어져 있기 때문에 순간 발열이 빠르고 열전달이 용이하여 소비전력을 절감하고 발열 시 원적외선 방사에 의해 미세먼지와 악취를 분해하며 전기저항과 고온에 강하고 내식성과 전기절연성이 뛰어날 뿐만 아니라, 단자부와 연결되는 전열선이 끊어지지 않음에 따라 단락에 의한 고장발생률을 미연에 방지하며 절연물질인 질화알루미늄을 소결처리 후 분쇄하여 재혼합하여 충진함에 따라 열전도성을 크게 향상시킬 수 있으며 실링부가 빠져 이탈되는 것이 방지되어 내구성 및 견고성을 크게 향상시킬 수 있으며, 절연물질 질화알루미늄(15w/mk)의 산화마그네슘에 비해 열전도율이 빠르기 때문에 빠른 열방출이 있어 전반적이 성능이 10%이상 향상됨에 따라 종래 산화마그네슘(MgO)의 열전도율이 3w/mk 임에 따라 시즈히터 내부의 열선에서 나온 열이 히터 표면으로의 열방출이 늦어짐을 해결할 수 있는 저전력 고효율 비산화물 세라믹 발열체를 활용한 전기차 난방 모듈용 시즈히터가 개시된다.

Description

저전력 고효율 비산화물 세라믹 발열체를 활용한 전기차 난방 모듈용 시즈히터{SHEATH HEATER}
본 발명은 저전력 고효율 비산화물 세라믹 발열체를 활용한 전기차 난방 모듈용 시즈히터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비금속발열체인 질화알루미늄을 충진하여 순간 발열이 빠르고 열전달이 용이하며 소비전력을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 미세먼지와 악취를 분해하며 전기저항과 고온에 강하고 내식성과 전기절연성이 뛰어난 저전력 고효율 비산화물 세라믹 발열체를 활용한 전기차 난방 모듈용 시즈히터에 관한 것이다.
일반적으로 시즈히터(sheath heater)라 함은 대표적인 전열(電熱) 히터로서 금속 보호관 내부에 전열선을 코일 모양으로 내장하고 절연 분말인 산화마그네슘(MgO)을 넣어 충진하여 열선과 보호관을 절연한 관 모양의 히터를 말하는 것으로, 다양한 모양으로 사용자의 용도와 형태로 적합하게 가공을 할 수 있어 다양한 산업분야에 적용하고 있다.
예를 들어 물이나 유류 또는 공기와 같은 유체를 전열을 이용하여 가열시키는 온수기나 보일러, 가습기 등의 전열기구에 사용됨은 물론 근자들어서는, 전기자동차의 히터로 사용되고 있다.
특히, 전기자동차의 경우 환경 규제 강화로 인해 최근 급격하게 기술이 개발되고 있으며 이와 같은 전기자동차의 난방 부하 대응을 위한 저전력 고효율 난방기술이 필요로 하고 이에 따라 시즈히터에 대한 기술 개발이 진행되고 있다.
종래 시즈히터는 주지된 바와 같이, 관형으로 이루어진 몸체와 이 몸체의 내부에 길이방향으로 구비되는 열선과 열선에 전열을 전달하는 단자와 몸체의 내부에 충진되어 열선을 통해 가열된 열을 전달하는 절연물질로 이루어져 있다.
또한, 몸체의 양단을 실링제로 마감하여 충진된 절연물질이 외부로 빠져나옴을 방지하도록 하고 있다.
이와 같은 종래 시즈히터는, 단자를 통해 전달되는 전열이 열선에 의해 몸체 내부에 충진된 절연물질을 가열하여 전기자동차의 난방으로 사용되고 있으나 시즈히터의 절연물질이 파우더 형태의 산화마그네슘(MgO)이 주로 사용되고 있기 때문에, 절연특성 즉 절연저항이 급격히 감소되는 문제점이 있어 열효율성이 크게 떨어지고 목표온도에 도달하는 시간이 지연되어 소비전력을 많이 사용하게 되는 문제점이 있다.
즉, 종래 시즈히터의 절연물질이 파우더 형태의 산화마그네슘(MgO)로 이루어짐에 따라 열전도율이 3w/mk 이어서 시즈히터 내부의 열선에서 나온 열이 히터 표면으로의 열방출이 늦어지는 문제점이 있다.
종래 기술을 살펴보면, 등록특허 10-1598171호인 전자기파 차단기능을 갖는 시즈히터가 안출된 바 있으며, 이는 양단에 단자가 연결된 전열선이 금속관에 삽입되어 단자가 금속관의 양단으로 각각 노출되고, 삽입된 전열선과 금속관이 서로 접촉되지 않게 절연분말을 충전한 시즈히터에 있어서, 상기 전열선은, 서로 접촉되지 않게 상호 이격된 2선의 일단이 서로 연결되며, 각 단부에 연결된 단자가 상기 금속관의 양단 중 어느 한쪽으로 노출되고, 상기 금속관은, 내관과, 내관을 감싸며 고온강도와 내식성을 갖춘 외관으로 이루어진 2중 관으로 구성되되, 내관의 내부에는 분할편이 보강 구비되어 이루어져 있다.
이러한 종래 기술은, 전열선을 상호 이격된 2선으로 구비하여 전자파를 차단하도록 하고는 있으나, 금속관 내부에 충진된 절연분말이 산화마그네슘을 사용하고 있기 때문에 절연특성 즉 절연저항이 급격히 감소되는 문제점이 있어 열효율성이 크게 떨어지고 목표온도에 도달하는 시간이 지연되어 소비전력을 많이 사용하게 되는 문제점을 여전히 해결하지 못하고 있는 실정이다.
더욱이, 전자파를 차단하기 위해 금속관 내부에 전열선을 2선으로 구비함에 따라 제조공정이 복잡하여 생산성은 물론 생산에 따른 조립작업성이 크게 떨어지는 문제점이 야기되고 있다.
특허문헌 1 : 대한민국등록특허 10-1598171호(2016.02.22. 등록) 특허문헌 2 : 대한민국등록특허 10-1654716호(2019.08.31. 등록)
본 발명은 비금속발열체인 질화알루미늄을 충진하여 순간 발열이 빠르고 열전달이 용이하며 소비전력을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 전기자동차 내부 미세먼지와 악취를 분해하며 전기저항과 고온에 강하고 내식성과 전기절연성이 뛰어나도록 하며 충진된 절연물질이 몸체로부터 빠져나옴을 확실하게 방지할 수 있으며 간단한 구성에 의해 조립성 향상 및 이에 따른 생산성이 크게 향상될 수 있도록 한 저전력 고효율 비산화물 세라믹 발열체를 활용한 전기차 난방 모듈용 시즈히터를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명인 저전력 고효율 비산화물 세라믹 발열체를 활용한 전기차 난방 모듈용 시즈히터는, 관형 몸체와 상기 관형 몸체 길이방향으로 구비되는 전열선과 상기 전열선과 전기적으로 연결되되 상기 관형 몸체의 일측단으로부터 노출되는 단자부와 상기 관형 몸체 내부에 충진된 절연물질과 상기 관형 몸체의 일측단에 구비되어 단자부를 고정하는 실링부로 이루어진 시즈히터에 있어서, 상기 절연물질은, 순간 발열이 빠르고 열전달이 용이하여 소비전력을 절감하고 발열 시 원적외선 방사에 의해 미세먼지와 악취를 분해하며 전기저항과 고온에 강하고 내식성과 전기절연성이 뛰어난 질화알루미늄(aluminium nitride)으로 이루어지고, 상기 단자부에는 상기 전열선측으로 연장되는 권취연결편이 구비되고 상기 전열선은 상기 권취연결편에 권취연결되어 단자부와 전열선이 끊어져 분리됨을 방지하도록 구비되어 이루어진다.
나아가 상기 질화알루미늄으로 이루어진 절연물질은, 소결처리하여 단한한 결합체로 구비한 후 70㎛ ~ 400㎛ 입자크기로 분쇄하여 혼합한 후 상기 관형 몸체 내부에 충진되도록 구비되어 이루어진다.
나아가 상기 실링부가 구비되는 관형 몸체에는 상기 실링부가 실링될 때 실링부가 채워져 관형 몸체로부터 실링부가 견고하게 고정되어 관형 몸체로부터 실링부가 빠져 분리되는 것에 의해 단자부가 관형 몸체로부터 분리됨을 방지하는 고정부가 구비되고, 상기 고정부는 상기 관형 몸체의 일측단 내면 길이방향을 따라 구비되되 채워진 실링부가 걸어지는 걸림턱이 구비되어 이루어진다.
나아가 상기 관형 몸체에는 상기 전열선의 발열에 의해 발생되는 전자파가 관형 몸체로부터 방출되는 것을 방지하도록 상기 전자파를 차단하는 전자파차단재가 코팅되어 이루어진다.
본 발명은 관형 몸체의 내부에 충진되는 절연물질이 질화알루미늄(aluminium nitride)으로 이루어져 있기 때문에 순간 발열이 빠르고 열전달이 용이하여 소비전력을 절감하고 발열 시 원적외선 방사에 의해 미세먼지와 악취를 분해하며 전기저항과 고온에 강하고 내식성과 전기절연성이 뛰어날 뿐만 아니라, 단자부와 연결되는 전열선이 끊어지지 않음에 따라 단락에 의한 고장발생률을 미연에 방지하며 절연물질인 질화알루미늄을 소결처리 후 분쇄하여 재혼합하여 충진함에 따라 열전도성을 크게 향상시킬 수 있으며 실링부가 빠져 이탈되는 것이 방지되어 내구성 및 견고성을 크게 향상시킬 수 있으며, 절연물질 질화알루미늄(15w/mk)의 산화마그네슘에 비해 열전도율이 빠르기 때문에 빠른 열방출이 있어 전반적이 성능이 10%이상 향상됨에 따라 종래 산화마그네슘(MgO)의 열전도율이 3w/mk 임에 따라 시즈히터 내부의 열선에서 나온 열이 히터 표면으로의 열방출이 늦어짐을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명인 저전력 고효율 비산화물 세라믹 발열체를 활용한 전기차 난방 모듈용 시즈히터의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명인 저전력 고효율 비산화물 세라믹 발열체를 활용한 전기차 난방 모듈용 시즈히터의 다른 실시예의 구성도이다.
도 3은 본 발명인 저전력 고효율 비산화물 세라믹 발열체를 활용한 전기차 난방 모듈용 시즈히터의 또 다른 실시예의 구성도이다.
이하, 상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 저전력 고효율 비산화물 세라믹 발열체를 활용한 전기차 난방 모듈용 시즈히터를 첨부된 도면을 참고하여 좀 더 구체적으로 설명한다.
도시된 바와 같이 본 발명은, 관형 몸체(10)와 상기 관형 몸체(10) 길이방향으로 구비되는 전열선(20)과 상기 전열선(20)과 전기적으로 연결되되 상기 관형 몸체(10)의 일측단으로부터 노출되는 단자부(30)와 상기 관형 몸체(10) 내부에 충진된 절연물질(40)과 상기 관형 몸체(10)의 일측단에 구비되어 단자부(30)를 고정하는 실링부(50)로 이루어진 시즈히터에 관한 것이다.
본 발명은 단자부(30)를 통해 전원이 인가되면 상기 단자부(30)와 전기적으로 연결된 전열선(20)이 발열되고 전열선(20) 발열에 의해 관형 몸체(10) 내부에 충진된 절연물질(40)에 의해 열이 전기자동차의 난방 모듈에 공급 적용된다.
이 때, 본 발명의 절연물질(40)은, 순간 발열이 빠르고 열전달이 용이하여 소비전력을 절감하고 발열 시 원적외선 방사에 의해 미세먼지와 악취를 분해하며 전기저항과 고온에 강하고 내식성과 전기절연성이 뛰어난 질화알루미늄(aluminium nitride)으로 이루어진다.
이와 같이 질화알루미늄으로 절연물질(40)을 구비하기 때문에 기존 시즈히터의 절연물질로 사용되는 파우더 형태의 산화마그네슘(MgO)의 문제점인 절연저항이 급격히 감소되고 열효율성이 크게 떨어지며 목표온도에 도달하는 시간이 지연되어 소비전력을 많이 사용하게 되는 것이 해결된다.
더욱이, 발열 시 원적외선 방사에 의해 전기자동차의 미세먼지와 악취를 분해하며 전기저항과 고온에 강하고 내식성과 전기절연성이 뛰어나다.
또한 본 발명의 절연물질(40) 질화알루미늄(15w/mk)의 산화마그네슘에 비해 열전도율이 빠르기 때문에 빠른 열방출이 있어 전반적이 성능이 10%이상 향상됨에 따라 종래 산화마그네슘(MgO)의 열전도율이 3w/mk 임에 따라 시즈히터 내부의 열선에서 나온 열이 히터 표면으로의 열방출이 늦어짐을 해결할 수 있다.
본 발명의 상기 질화알루미늄으로 이루어진 본 발명의 절연물질(40)은, 소결처리하여 단한한 결합체로 구비한 후 70㎛ ~ 400㎛ 입자크기로 분쇄하여 혼합한 후 상기 관형 몸체(10) 내부에 충진되도록 구비되어 이루어진다.
상기 본 발명의 절연물질(40)을 70㎛ ~ 400㎛ 입자크기로 분쇄하는 이유는, 전기자동차의 난방 히터모듈에 합당한 입자크기이기 때문이며, 기존 파우더 형태로 이루어진 산화마그네슘 절연물질은 4㎛ 정도로 분진화 되어 결정체가 단단하지 못하고 열전도면적이 적은 반면, 본 발명의 절연물질(40)은, 70㎛ ~ 400㎛ 입자크기로 분쇄한 후 혼합하여 관형 몸체(10) 내부에 충진하기 때문에 단단하고 소결 후 분쇄하여 혼합한 후 충진함에 따라 열전도면적을 향상시킬 수 있다.
이에 따라 본 발명의 절연물질(40)은 종래 시즈히터 절연물질은 산화마그네슘(MgO) 대비 동일 조건에서 8%의 온도상승 효과를 기대한다.
본 발명의 상기 단자부(30)에는 상기 전열선(20)측으로 연장되는 권취연결편(31)이 구비되고 상기 전열선(20)은 상기 권취연결편(31)에 권취연결되어 단자부(30)와 전열선(20)이 끊어져 분리됨을 방지하도록 구비되어 이루어진다.
즉, 전열선(20)의 끝단이 단자부(30)와 용접작업에 의해 전기적으로 연결되지 않고 권취연결편(31)에 권취연결되어 있기 때문에 전기자동차의 주행 도중 충격이 발생되어 관형 몸체(10)에 충격이 전달되더라도 전열선(20)과 단자부(30)가 끊어지거나 분리되는 것이 방지되어 전기공급단락에 의한 고장발생을 미연에 방지할 수 있다.
본 발명의 상기 실링부(50)가 구비되는 관형 몸체(10)에는 상기 실링부(50)가 실링될 때 실링부(50)가 채워져 관형 몸체(10)로부터 실링부(50)가 견고하게 고정되어 관형 몸체(10)로부터 실링부(50)가 빠져 분리되는 것에 의해 단자부(30)가 관형 몸체(10)로부터 분리됨을 방지하는 고정부(11)가 구비되고, 상기 고정부(11)는 상기 관형 몸체(10)의 일측단 내면(10a) 길이방향을 따라 구비되되 채워진 실링부(50)가 걸어지는 걸림턱(12)이 구비되어 이루어진다.
이와 같이 실링부(50)에 의해 관형 몸체(10) 내부에 충진된 절연물질(40)이 관형 몸체(10)로부터 빠져나옴이 방지되는 과정에서 상기 실링부(50)가 고정부(11)에 채워진 후 걸림턱(12)에 걸어지기 때문에 실링부(50)가 관형 몸체(10)로부터 빠짐을 방지할 수 있어 내구성은 물론 견고성이 크게 향상된다.
또한 본 발명의 상기 관형 몸체(10)에는, 상기 전열선(20)의 발열에 의해 발생되는 전자파가 관형 몸체(10)로부터 방출되는 것을 방지하도록 상기 전자파를 차단하는 전자파차단재(60)가 코팅되어 이루어진다.
상기 전자파차단재(60)는 예를 들어 전자파를 차단하는 은나노코팅재로 이루어질 수 있으며 이와 같이 전자파차단재(60)가 관형 몸체(10)에 코팅되어 있기 때문에 단자부(30)를 통해 전력을 공급받아 전열선(20)이 발열될 때 발생되는 전자파가 관형 몸체(10)로부터 방출되는 것을 미연에 방지할 수 있어 전기자동차의 운전자는 물론 탑승자가 전자파에 의한 피해를 입게 됨을 방지할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 관형 몸체 10a : 관형 몸체 일측단 내면
11 : 고정부 12 : 걸림부
20 : 전열선 30 : 단자부
31 : 권취연결편 40 : 절연물질
50 : 실링부 60 : 전자파차단재

Claims (4)

  1. 관형 몸체(10)와 상기 관형 몸체(10) 길이방향으로 구비되는 전열선(20)과 상기 전열선(20)과 전기적으로 연결되되 상기 관형 몸체(10)의 일측단으로부터 노출되는 단자부(30)와 상기 관형 몸체(10) 내부에 충진된 절연물질(40)과 상기 관형 몸체(10)의 일측단에 구비되어 단자부(30)를 고정하는 실링부(50)로 이루어진 시즈히터에 있어서,
    상기 절연물질(40)은, 순간 발열이 빠르고 열전달이 용이하여 소비전력을 절감하고 발열 시 원적외선 방사에 의해 미세먼지와 악취를 분해하며 전기저항과 고온에 강하고 내식성과 전기절연성이 뛰어난 질화알루미늄(aluminium nitride)으로 이루어지며,
    상기 단자부(30)에는 상기 전열선(20)측으로 연장되는 권취연결편(31)이 구비되고 상기 전열선(20)은 상기 권취연결편(31)에 권취연결되어 단자부(30)와 전열선(20)이 끊어져 분리됨을 방지하도록 하고,
    상기 질화알루미늄으로 이루어진 절연물질(40)은,
    소결처리하여 단단한 결합체로 구비한 후 70㎛ ~ 400㎛ 입자크기로 분쇄하여 혼합한 후 상기 관형 몸체(10) 내부에 충진되도록 구비하며,
    상기 실링부(50)가 구비되는 관형 몸체(10)에는 상기 실링부(50)가 실링될 때 실링부(50)가 채워져 관형 몸체(10)로부터 실링부(50)가 견고하게 고정되어 관형 몸체(10)로부터 실링부(50)가 빠져 분리되는 것에 의해 단자부(30)가 관형 몸체(10)로부터 분리됨을 방지하는 고정부(11)가 구비되고,
    상기 고정부(11)는 상기 관형 몸체(10)의 일측단 내면(10a) 길이방향을 따라 구비되되 채워진 실링부(50)가 걸어지는 걸림턱(12)이 구비되며,
    상기 관형 몸체(10)에는 상기 전열선(20)의 발열에 의해 발생되는 전자파가 관형 몸체(10)로부터 방출되는 것을 방지하도록 상기 전자파를 차단하는 전자파차단재(60)가 코팅되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 저전력 고효율 비산화물 세라믹 발열체를 활용한 전기차 난방 모듈용 시즈히터.
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