KR102375442B1 - 차량 냉각수 히터 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 형태는, 내부가 빈 히터 하우징과, 상기 히터 하우징의 내부에 구비되는 발열유닛을 포함하는 차량 냉각수 히터를 개시한다. 본 발명에서 상기 발열유닛은: 통전에 의해 발열하며 냉각수와 열교환 가능하며 전기저항이 일정한 메인 열선; 그리고 상기 메인 열선에 연결되며 온도가 상승하면 전기저항이 커지는 연결 도선을 포함한다. 본 발명에 의하면, 냉각수와의 열교환을 위한 발열유닛의 과승온(과열) 및 단선이 방지될 수 있으며, 냉각수 히터의 내구성이 향상되고 급속 승온을 통해 냉각수 예열 성능이 향상될 수 있다.

Description

차량 냉각수 히터{Cooling Water Heater Of Vehicle}
본 발명은 차량 냉각수 히터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량의 냉각수 순환계에 적용되어서 냉각수를 가열하며 가변 저항의 열선이 적용된 차량 냉각수 히터에 관한 것이다.
현재까지 휘발유나 경유 등과 같은 화석연료를 에너지원으로 하는 차량이 가장 일반적으로 사용되고 있으나, 화석연료를 이용하는 차량은 환경오염 문제뿐만 아니라 석유 매장량 감소로 인한 에너지원의 고갈 등과 같은 다양한 문제를 야기할 수 있으므로, 근래에는 전기자동차와 하이브리드 자동차와 수소차라고도 불리는 연료전지 자동차(Fuel Cell Vehicle) 등의 친환경 자동차가 실용화되거나 보다 고효율을 갖도록 개발되고 있다.
상술한 화석연료를 이용하는 차량의 경우 엔진의 냉각을 위한 냉각수가 순환하면서 엔진에서 발생되는 열을 흡수하고 차량의 실내 난방을 위한 열원으로 적용되나, 전기자동차나 하이브리드 자동차나 연료전지 자동차의 경우에는 이러한 난방 방식을 사용하는 데 한계가 있다.
한편, 상기 연료전지 자동차는 수소와 산소의 화학 반응을 이용하는 연료전지(Fuel Cell)가 전기 모터를 구동시키는 방식의 미래형 자동차로서, 전기의 힘으로만 움직이는 전기자동차와는 다르다.
상기 연료전지 자동차는 수소를 산소와 반응시켜 전기를 생성하는 연료전지를 동력원으로 하는 자동차이며, 차량 자체에 발전시스템을 갖추고 있기 때문에 축전지(배터리)에 전기를 충전해서 사용하는 전기자동차와 구분되고, 전기 충전시간이 긴 전기자동차에 비해 수소 연료를 충전하는 시간이 짧고, 항속거리가 길기 때문에 실용성이 높은 미래형 자동차로 고려되고 있다.
도 1을 참조하면, 상술한 연료전지 자동차의 냉각수 순환계에는, 스택(10)과 냉각수 펌프(20)와 냉각수 히터(30) 등의 장치들이 구비되며, 냉각수는 냉각수 순환라인을 통해 라디에이터(40)를 포함한 여러 장치들을 거쳐서 순환한다.
상기 스택(10)은, 더 많은 전기 에너지를 얻기 위하여 다수의 연료전지(Fuel Cell)가 겹겹이 쌓인 구조물 즉 연료전지의 적층 구조물을 말하며, 공기 중의 산소와 수소를 결합해 전기를 만드는 수소차의 핵심 부품 가운데 하나이다. 그리고 상기 냉각수 펌프(20)는 냉각수가 순환하도록 작동하는 펌프로서, 워터 펌프라고도 한다.
상술한 연료전지 자동차의 경우, 자동차의 주행 중에 상기 스택의 온도가 적정 수준 이상으로 상승하는 것을 방지하고 냉시동성을 유지하기 위하여, 상기 냉각수 순환계를 순환하는 냉각수의 역할은 매우 중요하다. 특히, 상기 냉각수는 상기 스택의 기능에 매우 중요한 역할을 한다.
상기 냉각수 히터(30)는 상술한 냉각수 순환계에 적용되어서 냉각수를 가열하는 히터로서, 상술한 스택의 안정성 관리에 중요한 기능을 하는 히터이다.
보다 구체적으로 설명하면, 상기 냉각수 히터는, 고전압 전기를 이용한 10kw 이상의 난방용량을 가지는 히터로서, 상기 연료전지 자동차에서는 스택의 내구성과 안정성의 관리 및 냉각수 온도 관리에 필수적인 장치이다.
상기 냉각수 히터는, 냉간 시동시 스택 부하를 소모하면서 발생하는 열을 이용하여 스택 자체의 발열 온도까지 냉각수를 급속 승온시키는 역할을 하며, 연료전지 구동이 중지되거나 장강판 시에는, 스택 내부의 잔여 산소와 수소를 열에너지로 소모해서 스택의 내구성과 안정성을 향상시키도록 기능한다. 그리고 차량 충돌 사고시에는, 상기 냉각수 히터가 상기 스택 내의 고전압을 강하시키는 안전 기능용 부품으로 작용한다.
등록특허공보 제10-1189566호, 연료전지 시스템의 유도 가열장치, 2012년 10월 4일 등록 공개특허공보 제10-2017-0073973호, 냉각수 히터, 2017년 6월 29일 공개
본 발명은, 차량의 냉각수 순환계에 적용되며, 내구성 향상을 위해 이종 재질의 열선이 연결된 발열체 구조로서, 냉각수의 급속 승온 및/또는 정밀한 전력 제어가 가능한 차량 냉각수 히터를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 형태는, 내부가 빈 히터 하우징과, 상기 히터 하우징의 내부에 구비되는 발열유닛을 포함하는 차량 냉각수 히터로서: 상기 발열유닛은: 통전에 의해 발열하며 냉각수와 열교환 가능하며 전기저항이 일정한 메인 열선; 그리고 상기 메인 열선에 연결되며 온도가 상승하면 전기저항이 커지는 연결 도선을 포함하는 차량 냉각수 히터를 제공한다.
상기 메인 열선과 상기 연결 도선은 직렬로 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 연결 도선은; 상기 메인 열선의 단부(End Portion)에 직렬로 연결될 수 있다. 예를 들어 상기 연결 도선은 상기 발열유닛에 전원을 인가하는 단자와 상기 메인 열선의 사이를 연결할 수 있다.
상기 연결 도선은; 상기 메인 열선의 일단부에 직렬로 연결되는 제1 도선과, 상기 메인 열선의 타단부에 직렬로 연결되는 제2 도선을 포함할 수 있다.
상기 제1 도선과 제2 도선은, 상기 발열유닛에 전원을 인가하는 한 쌍의 단자에 연결되며, 상기 메인 열선의 상측에 구비되고: 상기 히터 하우징은; 상기 히터 하우징의 외부에서 상기 발열유닛의 하부로 상기 냉각수를 도입하는 냉각수 입구와, 상기 발열유닛의 상부에서 상기 히터 하우징의 외부로 상기 냉각수를 배출하는 냉각수 출구를 가질 수 있다.
상기 메인 열선과 연결 도선은, 상기 냉각수와의 전기절연을 위해 튜브의 내부에 구비된다. 그리고 상기 메인 열선과 연결 도선은 나선형의 코일 히터이며, 상기 메인 열선의 피치가 상기 연결 도선의 피치보다 큰 형상이 될 수 있다.
상기 메인 열선과 연결 도선은 병렬로 연결될 수도 있으며, 상기 메인 열선과 연결 도선은 이중 나선 구조로 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 차량 냉각수 히터는 다음과 같은 이점을 갖는다.
첫째, 본 발명에 의하면, 이종 재질 접합 구조의 열선부로 인해 냉각수와의 열교환을 위한 발열유닛의 과승온(과열) 및 단선이 방지될 수 있으며, 냉각수 히터의 내구성이 향상되고 급속 승온을 통해 냉각수 예열 성능이 향상될 수 있다.
둘째, 본 발명에 의하면, 냉각수 가열을 위한 메인 열선보다 메인 열선을 단자에 연결하는 연결 도선의 피치가 조밀하므로, 메인 열선이 배치되는 영역과 연결 도선이 배치되는 영역의 열밀도 및 열전도율이 균일하게 구현될 수 있다.
셋째, 본 발명에 의하면, 냉각수 히터의 열선부가 이종 재질의 메인 열선과 연결 도선을 포함하며, 연결 도선이 온도 상승에 따라 전기저항이 커지는 PTC 특성을 가지므로, 정밀한 전력 제어를 통해 히터의 내구성이 향상되고, 메인 열선과 연결 도선이 이중 나선 구조로 병렬 배치됨으로써 목표 전력의 유지에 유리하다.
본 발명의 특징 및 장점들은 후술되는 본 발명의 실시예들에 대한 상세한 설명과 함께 다음에 설명되는 도면들을 참고하여 더 잘 이해될 수 있으며, 상기 도면들 중:
도 1은 차량 냉각수 순환계의 일 예로서, 연료전지 자동차의 냉각수 순환계를 예시한 도면;
도 2는 본 발명에 따른 차량 냉각수 히터의 일 실시 예를 나타낸 단면도;
도 3은 도 2에 도시된 차량 냉각수 히터에 적용 가능한 발열유닛의 일 실시 예를 나타낸 사시도;
도 4는 도 3에 도시된 발열유닛의 메인 열선과 연결 도선의 배치 구조를 개략적으로 나타낸 측면도;
도 5는 도 3에 도시된 발열유닛에 적용 가능한 열선부의 1열(직선) 배치 구조를 예시한 도면; 그리고
도 6은 본 발명에 따른 차량 냉각수 히터에 적용 가능한 발열 유닛의 다른 실시 예를 나타낸 도면;이다.
이하, 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시 예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명의 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, "제1"과 "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 동일 명칭의 구성요소들을 설명할 때 이들을 상호 구분하는데 사용될 수 있지만 구성요소의 수를 정의하거나 한정하는 것은 아니다.
그리고 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재하는 연결 관계 즉 간접적으로 연결되는 관계도 포함한다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 즉 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
먼저, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량 냉각수 히터가 설명된다. 도 2는 본 발명에 따른 차량 냉각수 히터의 일 실시 예를 나타낸 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 차량 냉각수 히터에 적용 가능한 발열유닛의 일 실시 예를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 발열유닛의 메인 열선과 연결 도선의 배치 구조를 개략적으로 나타낸 측면도이며, 도 5는 도 3에 도시된 발열유닛에 적용 가능한 열선부의 1열 배치 구조를 예시한 도면이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량 냉각수 히터(100)는, 내부가 빈 히터 하우징(110)과, 상기 히터 하우징(110)의 내부에 구비되는 발열유닛(120)을 포함한다.
본 실시 예에 따른 냉각수 히터(100)는, 스택(10; 도 1 참조)의 안정성과 내구성 및 냉각수의 온도 관리를 위한 히터로 적용될 수 있으며, 연료전지 자동차에서 냉각수를 급속 승온시키는 동시에 과승온(과열)을 방지할 수 있는 구조의 열선부(120A)를 갖는다.
즉, 본 실시 예에 따른기 냉각수 히터는, 냉간 시동시 스택 부하를 소모하면서 발생하는 열을 이용하여 스택 자체의 발열 온도까지 냉각수를 급속 승온시키는 역할을 하며, 연료전지 구동이 중지되거나 장강판 시에 스택 내부의 잔여 산소와 수소를 열에너지로 소모해서 스택의 내구성과 안정성을 향상시키도록 기능하고, 차량 충돌 사고시에는 상기 냉각수 히터가 상기 스택 내의 고전압을 강하시키는 안전 기능용 부품으로 작용하는 히터로 적용될 수 있다.
본 실시 예에 따른 냉각수 히터(100)를 보다 구체적으로 설명하면, 상기 히터 하우징(110)은 상기 발열유닛(120) 즉 발열체 어셈블리를 수용하는 중공형의 히터 케이스(Case)로서, 내부가 빈 하우징 본체(111)와, 상기 하우징 본체(111)를 덮도록 상기 하우징 본체(111)에 결합되는 하우징 커버(112)를 포함한다.
그리고 상기 하우징 본체(111)에는 냉각수의 도입을 위한 냉각수 입구(110a)와 냉각수의 배출을 위한 냉각수 출구(110b)가 구비되며, 상기 하우징 본체(111)의 내부에 상기 발열유닛(120)이 삽입되어서 수용되고, 상기 발열유닛(120)에는 상기 히터 하우징(110)의 내부 공간 구획을 위한 플레이트(130; Plate)가 결합된다.
상기 하우징 커버(112)에는 기판(140) 보다 구체적으로는 인쇄회로기판(PCB)이 내장된다. 보다 구체적으로, 상기 PCB(140)는 상기 플레이트(130)의 상측에 구비되며, 상기 발열유닛(120)에 전원을 인가해서 상기 발열유닛의 작동을 제어할 수 있다.
본 실시 예에서 상기 하우징 본체(111)는 상단이 개방된 중공형이며, 상기 하우징 커버(112)는 상기 하우징 본체(111)의 상단에 결합된다. 그리고 상기 하우징 커버(112)를 통해 배선되는 전선을 통해 외부 전원이 상기 PCB(140)에 연결된다.
상기 플레이트(130)는, 상기 히터 하우징(110)의 내부에서, 상기 냉각수가 유동하는 공간과 상기 PCB(140)가 내장되는 공간을 구획한다. 도시되지는 않았으나, 상기 히터 하우징(110)에는 누수 방지와 전기 절연 등을 위한 패킹 부재들이 설치된다.
그리고 상기 발열유닛(120)의 상측부는 상기 플레이트(140)를 관통해서 상기 PCB(140)에 연결될 수 있으며, 본 실시 예에서는 상기 발열유닛(120)의 상측부에 상기 플레이트(140)가 장착되고, 상기 발열유닛의 단자(123)가 상기 플레이트(140)의 상측에 배치되지만, 상술한 각 부품의 배치 방향이 상하 방향에 한정되는 것은 아니다.
도 3 내지 도 5을 참조하면, 상기 발열유닛(120)은 메인 열선(121)과 연결 도선(122)을 포함한다. 상기 메인 열선(121)과 연결 도선(122)은 전류의 흐름에 의해 발열하는 도선(Conducting wire)이다. 상기 메인 열선(121)은, 냉각수와 열교환 가능한 구성으로서 통전에 의해 발열하며, 본 실시 예에서는 코일(Coil) 형태로 설치되어서 후술되는 바와 같이 발열코일이라고도 칭한다.
본 실시 예(제1 실시 예)에서, 상기 메인 열선(121)은 전기저항이 일정한 열선, 다시 말해서 온도에 따른 전기저항의 변화가 없는 열선으로서, 예를 들면 Fe-Cr계 재질의 열선이 상기 메인 열선(121)에 적용될 수 있다. 그러나 상기 메인 열선의 재질이 이에 한정되는 것은 아니며 온도와 무관하게 전기저항이 일정하게 유지되는 재질이면 가능하다.
그리고 상기 연결 도선(122)은, 상기 메인 열선(121)에 연결되며 온도가 상승하면 전기저항이 커지는 재질의 열선으로서, 예를 들면 Co-Ni계 재질의 열선이 상기 연결 도선(122)에 적용될 수 있으나, 그러나 상기 연결 도선의 재질이 이에 한정되는 것은 아니며 전기저항이 온도에 따라 가변되는 재질이면 가능하다. 본 실시 예에서는 상기 연결 도선(122)이 코일 형태로 설치되어서 후술되는 바와 같이 제어코일이라고도 칭한다.
따라서, 본 실시 예에서 상기 발열유닛(120)은, 상기 메인 열선(121)과 연결 도선(122)의 재질이 서로 다른 이재식 열선 구조, 즉 이종 재질의 열선이 연결된 구조를 갖는다.
본 실시 예에서는, 상기 메인 열선(121)과 상기 연결 도선(122)은 직렬로 연결된다. 예를 들면, 상기 연결 도선(122)이 상기 메인 열선(121)의 단부(End Portion)에 직렬로 연결될 수 있다. 보다 구체적인 예를 설명하면, 상기 연결 도선(122)은, 상기 발열유닛(120)에 전원을 인가하는 단자(123)와 상기 메인 열선(121)의 사이를 연결할 수 있으며, 상기 연결 도선(122)이 상기 단자(123)에 용접 등의 방식으로 통전 가능하게 직접 연결될 수 있다. 따라서, 본 실시 예에서는, 상기 연결 도선(122)이 단자 연결용 열선으로 적용될 수 있다.
상기 연결 도선(122)은 상기 메인 열선(121)의 일단부와 타단부 중 적어도 어느 한쪽에 직렬로 연결된다. 본 실시 예에서, 상기 연결 도선(122)은, 상기 메인 열선(121)의 일단부에 직렬로 연결되는 제1 도선(122a)과, 상기 메인 열선(121)의 타단부에 직렬로 연결되는 제2 도선(122b)을 포함한다.
그리고 상기 제1 도선(122a)과 제2 도선(122b)은, 상기 발열유닛(120)에 전원을 인가하는 한 쌍의 단자(123a, 123b)에 직접 연결된다. 본 실시 예에서, 상기 연결 도선 보다 구체적으로 상기 제1 도선(122a)과 제2 도선(122b)은, 상기 메인 열선(121)의 상측에 구비된다. 따라서, 상기 발열유닛(120)의 상부 영역에 상기 연결 도선(122)이 배선되고, 그 아래 부분에 상기 메인 열선(121)이 배선되는 구조가 될 수 있다.
효율적인 열교환과 발열유닛의 조립성 향상 및 구조적 안정성을 위하여, 상기 냉각수 입구(110a)는, 상기 히터 하우징(110)의 외부에서 상기 발열유닛(120)의 하부 영역(CA), 특히 상기 메인 열선(121)이 배치된 영역의 하단부로 상기 냉각수를 도입한다. 그리고 상기 냉각수 출구(110b)는, 상기 발열유닛(120)의 상부 영역(CB), 예를 들면 상기 연결 도선(122)이 배치된 영역에서 상기 히터 하우징(110)의 외부로 상기 냉각수를 배출한다.
이를 위하여, 상기 냉각수 입구(110a)는 상기 하우징 본체(111)의 하부 일측에 형성될 수 있으며, 상기 냉각수 출구(110b)는 상기 하우징 본체(111)의 상부 일측에 형성될 수 있다. 그리고 상기 열선부(120A) 즉 상기 메인 열선(121)과 연결 도선(122)은, 상기 냉각수와의 전기절연을 위해 튜브(120B; Tube)의 내부에 구비된다.
따라서, 상기 열선부(120A)에 소정의 대전류가 인가되면 메인 열선(121)과 연결 도선(122)의 온도가 급속 승온되고, 온도 상승에 의해 상기 연결 도선(122)의 의해 저항이 커지고 전류 감소에 의해 상기 메인 열선(121)의 과승온이 방지될 수 있다.
도 3 내지 도 5에 도시된 예처럼, 상기 메인 열선(121)과 연결 도선(122)은 나선형 구조의 열선 즉 코일(Coil) 히터로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 튜브(120B)는 금속 재질이나 재질이 이에 한정되는 것은 아니며, 나선형 구조로 형성된 나선 구간과 상기 나선 구간의 내부를 관통하는 선형 구간을 포함하고, 나선 구간의 하단부와 선형 구간의 하단부가 연결되어서 서로 연통하는 구조가 되며, 상기 튜브(120B)의 내부에 상기 메인 열선(121)과 연결 도선(122)이 삽입되어서 열선부(120A)를 구현하나, 상기 튜브(120B)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 튜브(120B)의 내부에는 상기 메인 열선(121) 및 연결 도선(122)과 상기 튜브(120B)간의 절연을 위한 절연재가 충진될 수 있다.
상술한 예와 같이, 본 실시 예에 따른 냉각수 히터의 발열유닛(120)은, 서로 다른 재질의 열선 즉 이종 재질 열선이 접합된 발열체 예를 들면 코일형 발열체를 갖는 차량 냉각수 히터에 적용 가능하다.
본 실시 예에서는, 상기 열선부(120A)의 양단부를 형성하는 한 쌍의 연결 도선(122a, 122b)이 상기 발열유닛(120)의 상부 구간에 구비됨으로써, 상부 열선 보다 구체적으로는 상부 코일을 형성한다. 그리고, 상기 상부 코일을 형성하는 연결 도선(122)은, 상기 발열유닛(120)에서 전류의 흐름을 제어하는 제어코일의 기능을 하며, PTC 특성을 가지는 재질을 사용한 도선 다시 말해서 온도에 따라 저항 특성이 크게 변하는 도선으로서 가변 저항 코일로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 메인 열선(121)은 냉각수의 가열에 주된 기능을 하는 발열 코일로서, Fe-Cr계 재질을 사용하여 전기저항이 온도에 따라 변하지 않고 유지되는 특성을 갖는 열선, 예를 들면 고유 저항 코일이다.
본 실시 예에서는, 히터 하우징(110) 내부에서 냉각수 진행 방향이 아래에서 위로 흐르기 때문에, 상기 연결 도선(122)이 배치되는 상기 열선부(120A)의 상부 구간은 상술한 바와 같이 전류의 흐름을 제어하기 위한 제어코일이 되고, 그 아래에 구비되는 상기 메인 열선(121)은 냉각수를 가열하는 발열 코일이 되며, 상기 메인 열선(121)과 연결 도선(122)이 서로 용접하여 통전 가능하게 접합될 수 있다.
상기 제어코일 즉 연결 도선(122)의 온도-저항 특성에 인해, 상기 열선부(120A)에 기설정된 크기의 대전류가 인가되면 메인 열선(121; 발열코일)이 급속 승온되고, 이후 온도가 상승하면, 상기 연결 도선(122; 제어코일)에 의해 저항이 커지고 전류를 감소시켜 발열코일(121)의 과승온을 억제할 수 있다. 따라서, 상기 발열부(120A)의 과승온 및 단선이 방지되고, 냉각수 히터의 내구성이 향상될 수 있으며, 급속 승온을 통한 냉각수 예열에 유리한 구조가 구현될 수 있다.
또한, 상기 메인 열선(121)과 연결 도선(122)의 저항 특성에 따른 상기 메인 열선(121)과 연결 도선(122)의 열밀도 차이를 보완하기 위하여, 본 실시 예에서는 상기 메인 열선(121)과 연결 도선(122)이 상술한 바와 같이 나선형의 코일 히터로 이루어지고, 상기 메인 열선(121)의 피치가 상기 연결 도선(122)의 피치보다 큰 형상으로 구현될 수 있다. 다시 말해서, 상기 연결 도선(122; 제어코일)의 코일 피치가 상기 메인 열선(121; 발열코일)의 코일 피치보다 조밀한 구조가 될 수 있다.
예를 들면, 도 5에 도시된 예처럼, 메인 열선(121)과 연결 도선(122a, 122b)의 피치가 다른 구조의 열선부가 도 3에 도시된 튜브(120B)에 내장된 구조로 구현되어서 본 실시 예를 위한 발열유닛(120)에 적용될 수 있다.
본 실시 예에 따르면, 상기 히터 하우징(110) 내부에서 냉각수는 아래에서 위로 흐르고, 냉각수가 배출되는 영역(제어코일이 배치된 영역)이 냉각수가 도입되는 영역(발열 코일이 배치된 영역)보다 열 밀도가 낮아 열전도율에서 차이가 발생할 수 있는데, 상기 제어코일(122; 연결 도선)의 피치를 발열 코일(121; 메인 열선)의 피치 보다 조밀하게 해서, 상기 발열 코일의 피치를 상기 제어코일의 피치보다 상대적으로 크게 하면, 제어코일 영역의 열밀도 및 열 응답성을 상대적으로 높일 수 있다. 반대로 표현하면, 상기 발열 코일의 피치가 상기 제어코일의 피치보다 크게 하면, 발열 코일 영역의 열밀도 및 열 응답성이 상대적으로 저하되면서 발열 유닛의 상부와 하부의 열밀도 및 열전도율을 조절할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명에 따른 냉각수 히터에 적용 가능한 발열유닛의 다른 예(제2 실시 예)로서, 저항이 일정하게 유지되는 메인 열선(124)과 가변 저항을 갖는 연결 도선(125)이 병렬로 연결된 구조이다. 상기 메인 열선(124)과 연결 도선(125)은 전술한 다른 예(제1 실시 예)와 동일한 전기적 특성을 가질 수 있으며, 다만 이중 나선 구조로 병렬 배치될 수 있다.
도 6을 참조해서 발열 유닛의 제2 실시 예를 보다 구체적으로 설명하면, 상기 메인 열선(124)의 일단은 제1 단자(123a)에 용접 등의 방식으로 통전 가능하게 연결되고, 상기 메인 열선(124)의 타단은 제2 단자(123b)에 통전 가능하게 연결된다.
그리고 상기 연결 도선(125)의 일단은 제1 단자(123a)에 용접 등의 방식으로 통전 가능하게 연결되고, 상기 연결 도선(125)의 타단은 제2 단자(123b)에 통전 가능하게 연결된다. 본 실시 예에서는, 상기 메인 열선(124)과 연결 도선(125)은 동일한 코일 직경과 코일 피치를 가지며, 도 6에 도시된 예처럼 2중 나선 구조로 배치될 수 있다.
도 6에 도시된 예처럼, 본 실시 예에는 재질이 서로 다른 열선이 병렬로 배치된 구조(이재식 병렬 코일 구조)로서, 상기 메인 열선(124; 발열 코일)과 상기 연결 도선(125; 제어코일)이 이중 권선(나선) 구조로 병렬 연결된다.
상기 메인 열선(124; 발열코일)은, 전술한 제 1실시 예처럼 Fe-Cr계 재질로 제조될 수 있으며, 상기 연결 도선(125; 제어코일)은 온도에 따라 저항이 변하는 PTC 특성을 가지는 재질로 이루어진다.
본 실시 예처럼 저전압 고출력 제어를 하는 냉각수 히터의 특성상, 저항이 낮은 열선은 전력밀도가 크며 저항이 큰 열선보다 상대적으로 내구성이 떨어진다. 본 실시 예는, 상술한 바와 같이 이중 권선 병렬 연결 방식을 적용하여, 온도에 따라 히터 내부의 저항이 증가되어 발열체에 흐르는 피크(Peak) 전류가 감소되고 목표 전력 유지에 유리하다. 또한, 상기 발열코일(124)과 제어코일(125)을 이중 권선 병렬 연결 방식으로 코일을 권선하여 콜드핀 용접을 통해 제작할 수 있으며, 상기 발열코일(124)과 제어코일(125)을 상술한 바와 같이 이재식 구조로 해서 정밀한 전력 제어를 통해 히터의 내구성 향상을 시킬 수 있다.
도 6에 도시되어 있지 않으나, 상기 발열코일(124; 메인 열선)과 제어코일(125; 연결 도선)은 전술한 제1 실시 예에서 설명된 예처럼 튜브(Tube)의 내부에 구비된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시 예들을 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시 예들 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.
그러므로 상술한 실시 예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100: 차량 냉각수 히터 110: 히터 하우징
111: 하우징 본체 112: 하우징 커버
120: 발열유닛 120A: 열선부
120B: 튜브 121: 메인 열선
122: 연결 도선 123: 단자
130: 플레이트 140: 기판

Claims (9)

  1. 내부가 빈 히터 하우징; 및 상기 히터 하우징의 내부에 구비되는 발열유닛을 포함하는 차량 냉각수 히터에 있어서:
    상기 발열유닛은:
    통전에 의해 발열하며 냉각수와 열교환 가능하고 전기저항이 일정한 메인 열선; 그리고
    상기 메인 열선에 연결되며 온도가 상승하면 전기저항이 커지는 연결 도선을 포함하며;
    상기 메인 열선과 상기 연결 도선은 직렬로 연결되고;
    상기 메인 열선과 연결 도선은 나선형의 코일 히터이며, 상기 메인 열선의 피치가 상기 연결 도선의 피치보다 큰 것을 특징으로 하는 차량 냉각수 히터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결 도선은;
    상기 메인 열선의 단부(End Portion)에 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 차량 냉각수 히터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연결 도선은;
    상기 메인 열선의 일단부에 직렬로 연결되는 제1 도선과,
    상기 메인 열선의 타단부에 직렬로 연결되는 제2 도선을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 냉각수 히터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 도선과 제2 도선은; 상기 발열유닛에 전원을 인가하는 한 쌍의 단자에 연결되며, 상기 메인 열선의 상측에 구비되고:
    상기 히터 하우징은; 상기 히터 하우징의 외부에서 상기 발열유닛의 하부로 상기 냉각수를 도입하는 냉각수 입구와, 상기 발열유닛의 상부에서 상기 히터 하우징의 외부로 상기 냉각수를 배출하는 냉각수 출구를 갖는 것을 특징으로 하는 차량 냉각수 히터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 메인 열선과 연결 도선은, 상기 냉각수와의 전기절연을 위해 튜브의 내부에 구비되는 것을 특징으로 하는 차량 냉각수 히터.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 내부가 빈 히터 하우징; 및 상기 히터 하우징의 내부에 구비되는 발열유닛을 포함하는 차량 냉각수 히터에 있어서:
    상기 발열유닛은:
    통전에 의해 발열하며 냉각수와 열교환 가능하고 전기저항이 일정한 메인 열선; 그리고
    상기 메인 열선에 연결되며 온도가 상승하면 전기저항이 커지는 연결 도선을 포함하며;
    상기 메인 열선과 연결 도선은 병렬로 연결되고;
    상기 메인 열선과 연결 도선은 이중 나선 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 차량 냉각수 히터.
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