KR102429946B1 - 히터 코어, 히터 및 이를 포함하는 히팅 시스템 - Google Patents

히터 코어, 히터 및 이를 포함하는 히팅 시스템 Download PDF

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Abstract

실시 예는 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 세라믹; 상기 제1 세라믹 상에 배치되는 발열체; 상기 발열체 상에 배치되는 제2 세라믹; 상기 발열체의 일단에 형성된 제1 전극단자; 및 상기 발열체의 타단에 형성된 제2 전극단자;를 포함하고, 상기 제1 세라믹 및 상기 제2 세라믹은, 티탄산알루미늄(Al2TiO5)을 포함하고, 전체 중량 대비 Ti 중량은 10% 내지 50%이고, Al 중량은 50% 내지 90%인 히터 코어를 개시한다.

Description

히터 코어, 히터 및 이를 포함하는 히팅 시스템{HEATER CORE, HEATER AND HEATING SYSTEM INCLUDING THEREOF}
실시예는 히터 및 이를 포함하는 히팅 시스템에 관한 것이다.
자동차는 실내의 열적 쾌적성을 제공하기 위한 공조장치, 예를 들어 히터를 통해 난방을 수행하는 난방 장치 및 냉매 순환을 통해 냉방을 수행하는 냉방 장치를 포함한다.
일반적인 내연 기관 자동차의 경우, 엔진으로부터 다량의 폐열이 발생하므로, 이로부터 난방에 필요한 열을 확보하기 용이하다. 이에 반해, 전기 자동차의 경우, 내연 기관 자동차에 비해 발생하는 열이 적으며, 배터리를 위한 히팅도 필요한 문제가 있다.
이에 따라, 전기 자동차는 별도의 히팅 장치가 필요하며, 그 히팅 장치의 에너지 효율을 높이는 것이 중요하다.
다만, 히팅 장치는 열을 발생시킴에 따라 발생하는 열충격에 대한 저항 문제가 발생한다.
실시예는 히터 및 이를 포함하는 히팅 시스템을 제공한다.
또한, 구조적으로 안정되고 신뢰성이 향상된 히터를 제공한다.
또한, 부피가 증가하지 않는 소형의 히터를 제공한다.
또한, 열 충격에 대한 저항성이 향상된 히터를 제공한다.
또한, 과열 및 과전류를 방지하는 히터를 제공한다.
실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 히터 코어는 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 세라믹; 상기 제1 세라믹 상에 배치되는 발열체; 상기 발열체 상에 배치되는 제2 세라믹; 상기 발열체의 일단에 형성된 제1 전극단자; 및 상기 발열체의 타단에 형성된 제2 전극단자;를 포함하고, 상기 제1 세라믹 및 상기 제2 세라믹은, 티탄산알루미늄(Al2TiO5)을 포함하고, 전체 중량 대비 Ti 중량은 10% 내지 50%이고, Al 중량은 50% 내지 90%이다.
상기 전체 중량 대비 상기 Ti 중량은 10% 내지 30%일 수 있다.
상기 전체 중량 대비 상기 Ti 중량은 15% 내지 20%일 수 있다.
상기 제1 세라믹 및 상기 제2 세라믹은 기공을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 히터는 파워 모듈; 및 상기 파워 모듈과 전기적으로 연결되어 열을 발생시키는 발열 모듈;을 포함하고, 상기 파워 모듈은 전원부 및 상기 전원부에 전기적으로 연결된 복수 개의 연결 단자부를 포함하고, 상기 발열 모듈은, 교번하여 배치되는 복수의 방열핀 및 복수의 히터 코어를 포함하고, 상기 히터 코어는, 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 세라믹; 상기 제1 세라믹 상에 배치되는 발열체; 상기 발열체 상에 배치되는 제2 세라믹; 상기 발열체의 일단에 형성된 제1 전극단자; 및 상기 발열체의 타단에 형성된 제2 전극단자;를 포함하고, 상기 제1 세라믹 및 상기 제2 세라믹은, 전체 중량 대비 Ti 중량은 10% 내지 50%이고, Al 중량은 50% 내지 90%인 티탄산알루미늄(Al2TiO5)을 포함할 수 있다.
상기 발열체와 인접하게 배치되는 열전소자; 및 상기 제1 전극단자 및 상기 제2 전극단자 중 적어도 하나를 통해 상기 발열체와 상기 열전소자에 전기적으로 연결된 스위칭부;를 더 포함하고, 상기 스위칭부는 상기 열전소자로부터 전기를 공급받아 스위칭 제어할 수 있다.
상기 열전소자는 상기 발열체로부터 전달받은 열을 상기 전기로 변환하고, 상기 스위칭부는 상기 전기가 소정의 임계값에 이르면 상기 발열체로 제공되는 전원을 차단할 수 있다.
실시예에 따른 히팅 시스템은 공기가 이동하는 유로; 공기를 유입하는 급기부; 이동수단의 실내로 공기를 배출하는 배기부; 및 상기 유로에서 상기 급기부와 상기 배기부의 사이에 배치되어 공기를 가열하는 히터를 포함하고, 상기 히터는, 파워 모듈; 및 상기 파워 모듈과 전기적으로 연결되어 열을 발생시키는 발열 모듈;을 포함하고, 상기 파워 모듈은 전원부 및 상기 전원부에 전기적으로 연결된 복수 개의 연결 단자부를 포함하고, 상기 발열 모듈은, 교번하여 배치되는 복수의 방열핀 및 복수의 히터 코어를 포함하고, 상기 히터 코어는, 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 세라믹; 상기 제1 세라믹 상에 배치되는 발열체; 상기 발열체 상에 배치되는 제2 세라믹;상기 발열체의 일단에 형성된 제1 전극단자; 및 상기 발열체의 타단에 형성된 제2 전극단자;를 포함하고, 상기 제1 세라믹 및 상기 제2 세라믹은, 전체 중량 대비 Ti 중량은 10% 내지 50%이고, Al 중량은 50% 내지 90%인 티탄산알루미늄(Al2TiO5)을 포함한다.
실시예에 따르면, 구조적으로 안정되고 신뢰성이 향상된 히터를 구현할 수 있다.
또한, 열 충격에 대한 저항성이 개선된 히터를 제작할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 실시예에 따른 히터의 사시도이고,
도 2는 실시예에 따른 발열 모듈의 평면도이고,
도 3은 실시예에 따른 발열 모듈의 히터 코어의 분해 사시도이고,
도 4은 실시예에 따른 히터의 분해 사시도이고,
도 5 및 도 6 실시예에 따른 히터 코어의 평면도이고,
도 7은 실시예에 따른 제1 세라믹을 촬영한 사진이고,
도 8 내지 도 11은 제1 세라믹 및 제2 세라믹의 Ti 중량비에 따른 효과를 도시한 도면이고,
도 12는 실시예에 따른 열전소자와 스위칭부를 포함하는 히터의 개념도이고,
도 13a 내지 도 13b는 도 12의 다양한 실시예를 도시한 도면이고,
도 14a는 또 다른 실시예에 따른 히터 코어의 평면도이고,
도 14b 및 도 11c는 도 11a의 변형예이고,
도 14c은 또 다른 실시예에 따른 발열 모듈의 사시도이고,
도 15는 발열체의 다양한 형상을 도시한 도면이고,
도 16a은 또 다른 실시예에 따른 발열 모듈의 사시도이고,
도 16b 는 도 14a의 변형예이고,
도 17은 실시예에 따른 히팅 시스템을 나타낸 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.
제2, 제1 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. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 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.
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 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 실시예에 따른 히터의 사시도이고, 도 2는 실시예에 따른 발열 모듈의 평면도이고, 도 3은 실시예에 따른 발열 모듈의 히터 코어의 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 히터(1000)는 케이스(100), 발열 모듈(200) 및 파워 모듈(300)을 포함한다.
케이스(100)는 히터(1000)의 외부에 배치될 수 있다. 케이스(100)는 히터(1000)의 외장부재로 케이스(100) 내부에 수용된 발열 모듈(200)을 감싸는 형태일 수 있다. 케이스(100)의 일측에는 파워 모듈(300)이 배치될 수 있다. 케이스(100)는 파워 모듈(300)과 결합할 수 있다.
케이스(100)의 하부에는 파워 모듈(300)과 결합하는 수용부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 케이스(100)와 파워 모듈(300)은 끼임 결합을 통해 서로 결합될 수 있다. 다만, 이러한 방법에 한정되는 것은 아니며, 다양한 결합 방식이 적용될 수 있다.
또한, 케이스(100)는 중공의 블록형태인 수용부를 가질 수 있으나, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니다. 예시적으로, 케이스(100)는 제1 면(110)과 제2 면(120)을 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 유입구는 제1 면(110)에 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 면(110)으로 유체가 유입될 수 있다. 여기서, 유체는 열을 전달하는 매체로, 예를 들어 공기일 수 있다. 다만, 이러한 종류에 한정되는 것은 아니다.
또한, 복수의 유입구는 제1 면(110)에서 소정의 열을 맞춰 배치될 수 있다. 복수의 유입구의 제1 방향(X축 방향) 두께는 다양할 수 있으나, 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다.
복수의 배출구는 제2 면(120)에 배치될 수 있다. 제1 면(110)을 통해 유입된 유체는 케이스(100) 내부의 발열 모듈로부터 가열되고, 제2 면(120)의 배출구를 통해 이동할 수 있다. 배출구도 제2면에서 소정의 열을 맞춰 배치될 수 있다. 또한, 복수의 유입구와 대응되도록 배치될 수 있다. 이로써, 유입구를 통해 유입된 유체는 원활히 배출구를 통해 배출될 수 있다.
그리고 유입구로 유입되는 유체(b1)은 배출구를 통해 배출되는 유체(b-2)보다 온도가 낮을 수 있다. 또한, 복수의 배출구의 제1 방향(X축 방향) 두께는 다양할 수 있으나, 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다.
발열 모듈(200)은 케이스(100)의 내부에 배치될 수 있다. 발열 모듈(200)은 케이스(100) 일측에 배치된 파워 모듈(300)과 전기적으로 연결될 수 있다. 발열 모듈(200)은 파워 모듈(300)로부터 제공받은 전력을 이용하여 발열을 제공할 수 있다.
파워 모듈(300)은 케이스(100)의 일측에 배치될 수 있다. 예를 들어, 파워 모듈(300)은 케이스(100)의 하부에 배치되어 케이스(100) 및 발열 모듈(200)을 지지할 수 있다. 파워 모듈(300)은 케이스(100)와 결합할 수 있다. 파워 모듈(300)은 발열 모듈(200)과 전기적으로 연결되어, 발열 모듈(200)로 전원을 제공할 수 있다. 파워 모듈(300)의 일측에는 외부 전원 공급 장치와 연결될 수 있다. 또한, 실시예에 따른 히터(1000)의 MAF(mass air flow)는 300kg/h일 수 있으나, 히터(1000)의 부피에 따라 다양한 값을 가질 수 있다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 발열 모듈(200)은 복수 개의 히터 코어(220), 방열핀(210), 제1가스켓(230), 제2가스켓(240)을 포함할 수 있다.
히터 코어(220)는 발열부분으로 케이스(100)의 내부에 배치될 수 있다. 히터 코어(220)는 파워 모듈로부터 전원을 공급받아 발열을 수행할 수 있다. 히터 코어(220)는 복수 개일 수 있으나, 이러한 개수에 한정되는 것은 아니다.
히터 코어(220)는 제1 방향(X축 방향)으로 두께(T1)가 1㎜ 내지 6㎜ 일 수 있다. 다만, 이러한 두께에 한정되는 것은 아니며, 히터의 사이즈가 커짐에 따라 히터 코어(220)의 제1 방향(X축 방향)으로 두께가 커질 수 있다. 여기서, 제1 방향(X축 방향)은 히터 코어(220)와 방열핀(210)이 교번하여 배치되는 방향이며, 히터 코어의 두께 방향과 동일하다. 이를 기준으로 이하 제1 방향(X축 방향)을 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 히터는 제1 방향(X축 방향)으로 히터 코어(220)의 두께(T1)를 감소시킴으로써 히터의 제1 방향(X축 방향)으로 최대 두께(T2)를 줄일 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 실시예에 다른 히터는 더욱 경량이고, 동일 크기 당 히터 더 많은 히터 코어(220)를 포함하여 향상된 열 효율을 제공할 수 있다.
바람직하게, 히터 코어(220)의 제1 방향(X축 방향)으로 두께(T1)는 1mm 이상 5mm 이하로 형성할 수 있고, 더욱 바람직하게는 1.5mm 이상 3mm 이하로 더욱 얇게 형성할 수 있다.
복수 개의 히터 코어(220)는 소정의 거리만큼 이격 배치될 수 있다. 그리고 복수 개의 히터 코어(220) 사이에는 방열핀(210)이 배치될 수 있다.
그리고 히터 코어(220)와 방열핀(210)은 제1 방향으로(X축 방향)으로 교번하여 배치될 수 있다.
즉, 발열 모듈(200)은 제1 방향(X축 방향)으로 교번하여 배치된 방열핀(210)과 히터 코어(220)를 포함할 수 있다. 발열 모듈(200)의 최소 두께(T2)는 160㎜ 내지 200㎜일 수 있다. 히터 코어(220)와 방열핀(210)은 서로 연결되어, 히터 코어(220)에서 발생한 열이 방열핀(210)으로 이동할 수 있다. 이로써, 히터 코어(220) 및 방열핀(210)을 통과하는 유체는 열을 제공받아 온도가 상승할 수 있다. 예컨대, 히터 코어(220) 및 방열핀(210)을 통과하는 유체는 차량의 실내로 공급되어 차량 내부의 온도를 조절할 수 있다.
이러한 열 이동을 위해, 히터 코어(220)와 방열핀(210) 사이에 열전도성 부재(미도시됨)가 배치될 수 있다. 열전도성 부재(미도시됨)는 전도성ㅑ 실리콘을 포함할 수 있으나, 이러한 재질에 한정되는 것은 아니다.
방열핀(210)은 케이스(100)의 내부에 배치될 수 있다. 방열핀(210)은 히터 코어(220) 사이에 배치될 수 있으며, 복수 개일 수 있다. 복수 개의 방열핀(210)은 제1 방향(X축 방향)으로 이격 배치될 수 있다.
방열핀(210)은 히터 코어(220)와 같이 제2 방향(Z축 방향)으로 연장된 형태일 수 있다. 여기서, 제2 방향(Z축 방향)은 상기 제1 방향(X축 방향)과 수직한 방향을 의미하며 이하 적용한다. 방열핀(210)은 루버 핀(Louver fin)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 방열핀(210)은 경사진 플레이트가 제2 방향(Z축 방향)으로 적층된 형태일 수 있다. 이에 따라 방열핀(210)은 유체가 통과할 수 있는 복수 개의 간극을 포함할 수 있다. 유체는 간극을 통과하면서 열을 제공받을 수 있다. 이러한 방열핀(210)에 의해, 히터 코어(220)에서 발생한 열이 유체로 전달되는 전열면적이 커져 열전달 효율이 향상될 수 있다.
방열핀(210)은 은(Silver) 접착층(224) 또는 알루미늄(Al) 브레이징 페이스트(Paste) 등의 접착 부재에 의해 히터 코어(220)와 결합할 수 있다. 다만, 이러한 방법에 한정되는 것은 아니다.
접착 부재(미도시됨)는 히터 코어(220)와 방열핀(210) 사이에 배치되어, 히터 코어(220)와 방열핀(210)을 서로 결합할 수 있다. 접착 부재(미도시됨)는 히터 구동 시 발생하는 고온에서 히터 코어(220)와 방열핀(210)이 탈착되는 것을 방지하여, 히터의 내구성과 신뢰성을 개선할 수 있다.
제1 방향(X축 방향)으로 방열핀(210)의 두께(T3)는 8㎜ 내지 32㎜일 수 있으나, 히터의 크기에 따라 다양하게 적용될 수 있다.
방열핀(210)의 제1 방향(X축 방향)의 두께(T3)가 8㎜보다 작은 경우 히터의 MAF(mass air flow)를 감소시키는 문제가 존재하며, 방열핀(210)의 제1 방향(X축 방향)의 두께(T3)가 32㎜보다 큰 경우 통과하는 유체에 열전달이 제대로 이루어지지 않아 유체의 온도 상승률을 저하시키는 한계가 존재한다.
또한, 제1 방향(X축 방향)과 수직한 방향인 제2 방향(Z축 방향)으로 방열핀(210)의 최소 길이(L1)는 180㎜ 내지 220㎜일 수 있다.
방열핀(210) 사이에는 지지부(미도시됨)가 배치될 수 있다. 지지부(미도시됨)는 복수 개의 방열핀(210) 사이에 랜덤하게 배치될 수 있으며, 예를 들어, 지지부(미도시됨)는 인접한 히터 코어(220) 사이에 적어도 하나 이상이 배치될 수 있다.
지지부(미도시됨)는 히터 코어(220)와 방열핀(210)을 지지하여, 외력으로부터 히터 코어(220) 및 방열핀(210)이 휘어지는 것을 방지할 수 있다. 지지부(미도시됨)의 제1 방향(X축 방향)의 두께는 0.4㎜ 내지 0.6㎜일 수 있다. 지지부(미도시됨)의 제1 방향(X축 방향)의 두께가 0.4㎜보다 작은 경우 히터를 통해 배출되는 유체의 양이 적어지는 한계가 존재한다. 지지부(미도시됨)의 제1 방향(X축 방향)의 두께가 0.6㎜보다 큰 경우에 방열핀(210)의 공극이 감소하여 유체로 전달되는 열이 감소하는 문제가 존재한다.
지지부(미도시됨)는 히터 코어(220) 사이에서 인접한 히터 코어(220)의 중앙에 배치될 수 있다. 이러한 구성에 의해, 외력으로부터 힘을 균형 있게 분산하여 히터의 손상을 최소화할 수 있다.
또한, 지지부(미도시됨)는 제1 방향(X축 방향)으로 발열 모듈(200)의 최소 두께(T2)의 변경 없이 히터 코어(220)의 두께(T1)를 감소함에 따라 발생하는 두께와 동일할 수 있다. 즉, 제1 방향(X축 방향)으로 방열핀(210)의 두께(T3)를 유지한 상태로 지지부(미도시됨)를 히터에 삽입할 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 기존 차량에 적용된 히터를 본 발명의 실시예에 따른 히터로 교체할 경우, 히터의 디자인(사이즈 등)은 변경을 요하지 않으므로 기존 히터의 제작에 사용된 다른 구성요소를 용이하게 제작하고 재사용할 수 있다. 예컨대, 기존 히터의 방열핀을 실시예에 따른 히터에 동일하게 적용할 수 있다. 이에, 기존 히터의 제작 공정을 이용할 수 있으므로, 본 실시예에 따른 히터는 기존의 제작 공정의 변경이 없어 호환성이 향상될 수 있다.
제1가스켓(230)은 케이스(100) 내부 상측에 위치할 수 있다. 제2가스켓(240)은 케이스(100) 내부 하부에 위치할 수 있다. 제1가스켓(230)과 제2가스켓(240)은 끼임, 접착 등에 의하여 케이스(100)와 결합할 수 있다.
제1가스켓(230) 및 제2가스켓(240)에는 제1 방향(X축 방향)으로 이격 배치된 복수 개의 제1 수용부(231) 및 제2 수용부(241)이 배치될 수 있다. 제1가스켓(230)은 돌출된 복수 개의 제1 수용부(231)를 포함할 수 있다. 제2가스켓(240)은 돌출된 복수 개의 제2 수용부(241)를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 실시예에 따른 히터 코어(220)는 제1 기판(221), 제2 기판(223), 발열체(222)를 포함할 수 있다.
제1 기판(221)과 제2 기판(223)은 내부에 발열체(222)를 수용할 수 있다.
제1 기판(221)은 히터 코어(220)의 일측에 배치되고, 제2 기판(223)은 히터 코어(220)의 타측에 배치될 수 있다.
제1 기판(221)과 제2 기판(223)은 열전도성이 높은 금속을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 기판(221)과 제2 기판(223)은 Al, Cu, Ag, Au, Mg, SUS, 스테인리스스틸 등을 포함할 수 있다. 다만, 이러한 재질에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제2 기판(223)은 세라믹 및 발열체를 보호할 수 있는 메탈 재질이 다양하게 적용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 세라믹(221a)과 제2 세라믹(223a)은 발열체(222)를 기준으로 마주보도록 위치할 수 있다. 제1 세라믹(221a)과 제2 세라믹(223a)은 아노다이징, 용사(Thermal Spraying), 스크린 인쇄, 패터닝 등 의 방식에 의해 형성될 수 있다.
제1 세라믹(221a)과 제2 세라믹(223a)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 마그네슘(Mg) 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나와 산소(O)와 질소(N) 중 적어도 하나를 함께 포함하는 세라믹일 수 있다. 또한, 제1 세라믹(221a)과 제2 세라믹(223a)은 Ti를 포함할 수 있다. Ti의 중량비에 따른 설명은 이하에서 설명한다.
예컨대, 제1 세라믹(221a)과 제2 세라믹(223a)는 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 산화 마그네슘, 질화 마그네슘을 포함할 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)는 히터 코어(220)의 발열체(222)로부터 발생한 열을 외부로 용이하게 발산할 수 있다. 또한, 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)는 발열체(222)로 제공되는 전기적인 신호가 방열핀 및 케이스로 전달되는 것을 차단하는 절연을 수행할 수 있다.
또한, 제1 세라믹(221a)과 제2 세라믹(223a)은 제1 방향(X축 방향)으로 50㎛ 내지 500㎛로 얇게 형성될 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 제 1,2 세라믹(221a, 223a)은 제1 세라믹(221a)과 제2 세라믹(223a) 사이에 배치되는 발열체(222)에서 발생되는 열을 용이하게 발산하므로, 열 발산 부족에 의해 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)에 야기되는 크랙(crack) 등의 현상을 방지할 수 있다.
또한, 제1 세라믹(221a)와 제2 세라믹(223a)는 약 10,000℃의 고온 노즐에서 용사를 통해 제1 기판(221) 상에 형성될 수 있다. 이 때, 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)과 제1 기판(221) 사이에 형성된 온도는 약 200℃이므로, 제1 기판(221)과 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a) 사이에 밀착도가 향상되어, 히터 동작 시 제1 기판(221)으로부터 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)이 분리되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)는 상기와 같이 고온 노즐에서 용사를 통해 형성되는 열 내구성이 히터 코어(220)은 열에 의한 신뢰성이 개선될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기와 같이 제2 기판(223)에 용사를 통해 제2 세라믹(223a)을 형성하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
그리고 제1, 제2 기판(221, 223)의 열팽창계수는 제1, 제2 세라믹(221a, 223a)의 열팽창계수를 반영하여 기 설정된 조건에 따라 정해질 수 있다. 즉, 제1, 제2 기판(221, 223)의 열팽창계수는 제1, 제2 세라믹(221a, 223a)의 열팽창계수와 유사한 값을 가질 수 있다.
또한, 제1, 제2 기판(221, 223)의 열팽창계수는 제1, 제2 세라믹(221a, 223a)의 열팽창계수와 동일한 값을 가질 수 있다. 그 결과, 열전도율은 좋으나 취성을 가져 열 충격에 의해 손상되기 쉬우므로, 제1, 제2 세라믹(221a, 223a)의 두께를 조절하여 이를 보강할 수 있다.
제1 기판(221) 및 제2 기판(223)의 열팽창 계수와 제1, 제2 세라믹(221a, 223a)의 열팽창계수의 차이는 0을 포함하여 동일하거나, 열팽창계수의 비가 1:1 내지 6:1 의 범위일 수 있다. 바람직하게 제1 기판(221) 및 제2 기판(223)의 열팽창 계수와 제1, 제2 세라믹(221a, 223a)의 열팽창계수의 계수 비는 2:1 내지 4:1 범위를 가질 수 있다. 제1 기판(221) 및 제2 기판(223)과 제1, 제2 세라믹(221a, 223a)의열팽창계수의 계수 비가 6:1을 초과하면, 제1, 제2 세라믹(221a, 223a)이 깨질 수 있다.
또한, 제1 기판(221)과 제2 기판(223)은 발열체(222), 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)를 둘러싸이게 형성될 수 있다. 이에, 제1 기판(221)과 제2 기판(223)은 발열체(222), 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)를 보호할 수 있다. 또한, 제1 기판(221)과 제2 기판(223)은 알루미늄(Al)과 같은 열전도성이 높은 재질을 사용함으로써 발열체(22)에서 발생한 열을 방열핀(210)을 통해 외부로 용이하게 전도할 수 있다. 발열체(222)는 제1 기판(221)과 제2 기판(223) 사이에 배치될 수 있다. 예컨대, 발열체(222)는 제1 기판(221)의 일면에 발열체(222)가 인쇄(printing), 패터닝(patterning), 용사, 증착 등의 방법으로 배치될 수 있다.
발열체(222)는 발열 모듈(200)의 내부에 배치될 수 있다. 발열체(222)는 제1 기판(221)에 인쇄, 패터닝, 증착 등의 방법으로 배치될 수 있다. 발열체(222)는 제1 기판(221)에서 제1 기판(221)과 제2 기판(223)이 접하는 면에 배치될 수 있다.
발열체(222)는 저항체 라인(line)일 수 있다. 발열체(222)는 니켈-크롬(Ni-Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 루비듐(Ru), 은(Ag), 구리(Cu), 비스무스-티타늄 산화물(BiTiO) 등을 포함하는 저항체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 발열체(222)는 전기가 흐르면 발열할 수 있다.
발열체(222)는 실크스크린 인쇄 또는 용사(Thermal Spraying) 등을 통해 제1 기판(221)의 제1 세라믹(221a) 상에 형성될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 발열체(222)는 약 10,000℃의 고온 노즐에서 용사를 통해 제1 기판(221) 상에 형성될 수 있다. 그리고 제1 기판(221)과 제1 세라믹(221a) 사이에 형성된 온도는 약 200℃이므로, 제1 기판(221)과 제1 세라믹(221a) 사이에 밀착도가 향상되어, 히터 동작 시 제1 기판(221)으로부터 제1 세라믹(221a)이 분리되는 것을 방지할 수 있다.
발열체(222)는 제1 기판(221)의 다양한 방향으로 연장되고, 제1 기판(221)의 일부분에서 턴업(만곡 또는 절곡)될 수 있다. 예시적으로, 발열체(222)는 제1 기판(221)의 제2 방향(Z축 방향)으로 반복 연장된 형태일 수 있다. 발열체(222)는 이러한 연장을 반복하여 유체가 통과하는 제 3 방향(Y축 방향)으로 적층된 형태일 수 있다.
이러한 구성에 의하여, 유체는 발열 모듈(200)을 통과하는 동안 히터 코어(220)에서 발열이 발생하는 부분을 순차로 지나가며 열을 제공받을 수 있다. 즉, 발열체(222)의 배열 형태에 의해 유체와 히터 코어(220)에서 발생되는 열이 접촉하는 면적이 커질 수 있다.
또한, 종래 세라믹을 포함한 히터의 경우 기판의 면적 대비 발열체의 면적은 10% 내외로 형성되어 열효율이 적었으나, 실시예에 따른 발열체(222)는 제1 기판(221) 및 제2 기판(223) 사이에서 제1 기판(221) 및 제2 기판(223)의 면적 대비 발열체(222)의 면적을 다양하게 가질 수 있다. 예컨대, 발열체(222)의 표면적을 제1 기판(221)의 표면적 대비 10% 이상, 50% 이상 또는 70% 이상으로 확보하여 열 효율을 향상시킬 수 있고, 동시에 발열 모듈의 열 효율을 제어할 수 도 있다.
발열체(222)는 양 단부가 각각 제1 전극단자(225a) 및 제2 전극단자(225b) 중 어느 하나와 전기적으로 연결될 수 있다. 다만, 이러한 연결 형태에 한정되는 것은 아니다.
발열체(222)는 제1 전극단자(225a) 및 제2 전극단자(225b)를 통해 파워 모듈로부터 전원을 공급받을 수 있다. 발열체(222)는 파워 모듈의 전기적 에너지를 열에너지로 변환할 수 있다. 예컨대, 발열체(222)는 전류가 흐르고, 발열이 발생할 수 있다. 그리고 발열체(222)는 파워 모듈에 의해 제공되는 전원의 제어에 따라 열 발생이 제어될 수 있다.
또한, 히터 코어(220)의 양측면에 열 확산판(미도시됨)이 배치될 수 있다. 열 확산판은 복수의 층구조로 이루어져 열확산이 용이해질 수 있다. 다만, 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다.
또한, 히터 코어(220)를 덮는 커버부(미도시됨)가 배치 될 수도 있다. 열 확산판은 제1 기판(221)과 제2 기판(223)의 일측면에 배치되어 커버부로 열을 전달할 수 있다. 예컨대, 열 확산판은 제1 기판(221) 및 제2 기판(223)의 측면에 각각 결합할 수 있다.
전극부(225)는 히터 코어(220)의 일단에 배치될 수 있다. 전극부(225)는 제1 전극단자(225a)와 제2 전극단자(225b)를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 전극단자(225a) 및 제2 전극단자(225b)는 제1 기판(221)과 제2 기판(223)의 외측에 배치될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 제1 전극단자(225a)와 제2 전극단자(225b)는 제1 기판(221) 내 발열체(222)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이에, 제1 전극단자(225a)와 제2 전극단자(225b)는 각각 일부가 제1 기판(221)과 제2 기판(223) 사이에 배치될 수 있다. 제1 전극단자(225a)와 제2 전극단자(225b)는 서로 다른 전기적 극성을 가질 수 있다. 히터 코어(220) 내에 제1 전극단자(225a), 발열체(222), 및 제2 전극단자(225a)는 전기적으로 폐루프를 형성할 수 있다. 제1 전극단자(225a) 및 제2 전극단자(225b)와 발열체(222)를 전기적으로 연결을 위한 별도의 연결부가 배치될 수 있다. 또한, 제1 전극단자(225a) 및 제2 전극단자(225b)는 파워 모듈과 전기적으로 연결될 수 있다. 이로써, 파워 모듈의 전원을 발열 모듈(200)로 제공할 수 있다.
커버부(미도시됨)는 제1 기판(221) 및 제2 기판(223)을 둘러쌀 수 있다. 그리고 커버부(미도시됨)는 수용홀을 포함할 수 있다.
커버부(미도시됨)의 재질은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 커버부(미도시됨)는 히터 코어(220)의 외장부재로 중공의 바(bar) 또는 로드형태일 수 있으나, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니다.
커버부(미도시됨)는 제1 기판(221) 및 제2 기판(223), 발열체(222), 열 확산판(미도시됨)을 내부에 수용할 수 있다. 이 경우, 커버부(미도시됨)의 내측면은 제1 기판(221) 및 제2 기판(223), 열 확산판(미도시됨) 중 적어도 하나와 접할 수 있다.
커버부(미도시됨)와 제1 기판(221) 및 제2 기판(223), 열 확산판(미도시됨) 사이에 열전도성 실리콘이 배치될 수 있다. 커버부(미도시됨)는 열전도성 실리콘에 의해 제1 기판(221), 제2 기판(223), 열 확산판(미도시됨)과 접합할 수 있다. 뿐만 아니라, 커버부(미도시됨)는 제1기판, 제2 기판(223) 및 열 확산판(미도시됨)과 구조적으로 체결되는 방식일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
커버부(미도시됨)는 제1 기판(221) 및 제2 기판(223), 열 확산판(미도시됨)을 둘러싸므로 제1 기판(221) 및 제2 기판(223), 열 확산판(미도시됨)을 보호할 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 커버부(미도시됨)는 히터 코어(220)의 신뢰성을 개선할 수 있다.
또한, 커버부(미도시됨)는 열전도성이 높아 제1 기판(221) 및 제2 기판(223)의 발열체(222)에서 발생한 열을 히터 코어(220)에 접한 방열핀(210)으로 전도할 수 있다.
또한, 커버부(미도시됨)는 제1가스켓(230) 및 제2가스켓(240)에 삽입될 수 있다. 커버부는 제1가스켓(230) 및 제2가스켓(240)에 삽입되어 실시예의 발열 모듈(200)을 지지할 수 있다.
다만, 커버부(미도시됨)는 설계적 요청에 의해 변경되어 다양한 형태를 가질 수 있으며, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니다. 또한, 커버부(미도시됨)는 설계적 요청에 의해 변경될 수 있는 부가적인 구성일 수 있다. 히터 코어(220)에서 커버부는 생략될 수 있다. 뿐만 아니라, 열 확산판(미도시됨)도 커버부(미도시됨)와 마찬가지로 생략될 수 있다.
제1가스켓(230)은 복수 개의 제1 수용부를 포함할 수 있다. 또한, 제2가스켓(240)은 복수 개의 제2 수용부를 포함할 수 있다.
복수 개의 제1 수용부(231) 및 제2 수용부(231)는 복수 개의 히터 코어(220)와 일대일 대응되도록 배치될 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 히터 코어(220)의 일측은 제1 수용부(231)에 삽입될 수 있다. 또한, 히터 코어(220)의 타측은 제2 수용부(241)에 삽입될 수 있다.
제1 기판(221)과 제2 기판(223)은 제1가스켓(230) 및 제2가스켓(240)에 삽입될 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 실시예에 따른 히터 코어는 부피가 감소하고 부피 감소로 인해 더욱 경량화된 히터를 제공할 수 있다.
다만, 히터 코어(220)의 전극부(225)는 제2 수용부(241)를 하측으로 관통하여 아래로 연장될 수 있다. 따라서 제1 전극단자(225a) 및 제2 전극단자(225b)는 하측으로 노출되고, 파워 모듈과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 4은 실시예에 따른 히터의 분해 사시도이다.
도 4을 참조하면, 파워 모듈(300)은 케이스(100)의 하부에 배치될 수 있다. 파워 모듈(300)은 케이스(100)와 결합할 수 있다. 파워 모듈(300)은 발열 모듈과 전기적으로 연결될 수 있다. 파워 모듈(300)은 발열 모듈로 공급되는 전류의 세기, 방향, 파장 등을 제어할 수 있다. 파워 모듈(300)은 도전라인(미도시)에 의해 외부의 전원 장치와 연결되어 충전되거나 전원을 공급받을 수 있다.
파워 모듈(300)은 블록 형태로, 케이스가이드부(310), 연결단자부(320), 제1 연결단자(330) 및 제2 연결단자(340)를 포함할 수 있다.
케이스가이드부(310)는 파워 모듈(300)의 윗면 중심부에 형성될 수 있다. 케이스가이드부(310)는 사각의 홈 또는 홀 형태로, 내부에는 연결단자부(320)가 형성될 수 있다. 이 경우, 케이스가이드부(310)의 사각의 홈 또는 홀과 연결단자부(320)의 측벽에 의해 케이스(100)의 하부와 대응하는 홈 또는 홀이 형성될 수 있다. 따라서 케이스(100)는 케이스가이드부(310)에 삽입되는 형태로가이드될 수 있다. 그 결과, 케이스(100)의 하부에 파워 모듈(300)이 얼라인되어 배치될 수 있다. 이 경우, 케이스(100)의 하부와 파워 모듈(300)은 결합할 수 있다. 케이스(100)와 파워 모듈(300)의 결합방식에는 기계적(스크류 등), 구조적(끼임 등), 접착(접착층) 등의 다양한 방식이 이용될 수 있다.
연결단자부(320)는 케이스가이드부(310)의 내측 중심부에 형성되어 있는 지지대일 수 있다. 연결단자부(320)의 중앙에는 연결단자홈(321)이 형성될 수 있다. 연결단자홈(321)의 밑면에는 복수 개의 제1, 2 연결단자(330, 340)가 배열될 수 있다.
제1, 2 연결단자(330, 340)는 복수 개일 수 있다. 제1, 2 연결단자(330, 340)는 전후방향으로 이격 배치될 수 있다. 이 경우, 제1 연결단자(330)는 전방에 배치될 수 있다. 또, 제2 연결단자(340)는 후방에 배치될 수 있다. 제1, 2 연결단자(330, 340)는 전후방 면을 가지는 플레이트 형태일 수 있다. 복수 개의 제1, 2 연결단자(330, 340)는 복수 개의 히터 코어(220)와 일대일 대응될 수 있다. 복수 개의 제1, 2 연결단자(330, 340)는 복수 개의 제1, 2전극단자(225a, 225b)와 일대일 대응되어 대향 배치될 수 있다. 따라서 케이스(100)와 파워 모듈(300)의 결합 시 제1 연결단자(330)는 이와 대응하는 제1전극단자(225a)와 결합할 수 있다. 또, 제2 연결단자(340)는 이와 대응하는 제2전극단자(225b)와 결합할 수 있다. 제1 연결단자(330)와 제1전극단자(225a)는 끼임 결합 또는 조립되어 전기적으로 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 연결단자(340)와 제2전극단자(225b)는 끼임 결합 또는 조립되어 전기적으로 연결될 수 있다.
도 5 및 도 6 실시예에 따른 히터 코어의 평면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 실시예에 따른 히터 코어(220)는 앞서 설명한 바와 같이, 제1 기판, 제1 세라믹(221a), 발열체(222), 제2 세라믹(223a), 제2 기판을 포함할 수 있다. 그리고 발열체(222)의 양단에 각각 제1 전극단자(225a) 및 제2 전극단자(225b)이 배치될 수 있다. 이에, 제1 전극단자(225a) 및 제2 전극단자(225b)는 발열체(222)로 전기를 공급하고, 발열체(222)는 열을 제공할 수 있다.ㄴ
제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)은 예컨대, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 세라믹(221a)은 티탄산알루미늄의 전체 중량 대비 제1 세라믹(221a) 내 Ti 중량은 10% 내지 50%이고, Al 중량은 50% 내지 90%일 수 있다.
여기서, Ti 중량에 따라 Al의 중량은 변경될 수 있다. 또한, Al의 중량에 따라 Ti의 중량은 변경될 수 있다. 이하에서, Ti 중량을 기준으로 설명한다.
실시예에 따른 히터 코어(220)에서 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)은 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)을 포함하고, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)의 전체 중량대비 Ti 중량이 10% 내지 50%일 수 있다.
이러한 구성에 의하여, 실시예에 따른 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)은 300℃이상에서 사용시 열적 변형이 방지될 수 있다.
또한, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)의 전체 중량대비 Ti 중량이 10% 내지 20%일 수 있다. 이 경우, .강도 및 열 충격 특성이 개선될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, Al 중량이 50% 내지 90%일 수 있다.
구체적으로, 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)은 산화 알루미늄(Al2O3)과 산화 티타늄(TiOx) 및 소결 조제를 혼합하여 제조될 수 있다. 예컨대, 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)은 용사에 의해 형성될 수 있다. 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)은 바인더를 소량 첨가하고, 3ton 내지 5ton의 압력을 1600도 내지 1900도에서 소성하여 형성될 수 있다. 여기서, 소결 조제는 Si를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다 소결 조제는 산화 알루미늄(Al2O3)과 산화 티타늄(TiOx) 및 소결 조제 전체 중량 대비 1%미만일 수 있다. 이 때, Ti의 입도는 1um 내지 10um일 수 있으며, Al의 입도는 5um 내지 30um일 수 있다.
이에, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)은 결정상 이방성을 가지고 있으므로, 가열시 팽창한 부피가 냉각 시 수축할 수 있다. 그리고 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)의 강도를 증진시키기 위해서 이차상을 형성시켜 균열이 일어나는 미세구조를 조절할 수 있다. 균열은 열팽창계수로 인해 결정립 계면에 내부 응력이 형성되어 응력을 해소하기 위해 발생할 수 있다.
또한, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)은 앞서 설명한 바와 같이 높은 이방성 결정을 가지므로, 국부적으로 내부 응력을 발생시킬 수 있다. 이로 인해, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)은 미세 균열을 야기할 수 있다. 이에, 열 분해에 대한 저항 및 내구성이 개선될 수 있다. 이 때, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)은 전체 중량 대비 Ti 중량은 10% 내지 50%이고, Al 중량은 50% 내지 90%일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, Ti의 입도는 1um 내지 10um일 수 있으며, Al의 입도는 5um 내지 30um이므로, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)은 기공(A)을 포함할 수 있다. 또한, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)은 입도가 작은 Ti에 의해 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)은 기공율이 증가할 수 있다. 이는 Ti의 중량비가 감소할수록 커질 수 있다. 또한, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)은 기공율 증가에 따라 미세균열이 많아질 수 있다. 이에, 야기된 미세 균열로 인해 열팽창계가 감소하며, 열팽창 계수 감소로 인해 열 분해에 대한 저항성이 개선될 수 있다. 또한, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)은 높은 이방성 결정으로 인해 미세 균열이 많아지면 고온에서 강도가 개선될 수 있다. 그리고 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 Ti의 중량비가 감소할수록 기공이 증가하여 기계적 강도도 개선될 수 있다.
이로써, 발열체(222)와 집적적으로 접촉하는 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)은 발열체(222)에 의해 발생하는 고온에서 열 충격에 대한 저항성이 개선되어 히터 코어(220)의 내구성이 개선될 수 있다. 또한, 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)을 둘러싸는 제1 기판 및 제2 기판은 앞서 설명한 재질로 이루어져 발열체(222)로부터 전달된 열을 히터 코어(220)와 접하는 방열핀에 용이하게 전달할 수 있다.
다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)뿐만 아니라, 제1 기판 및 제2 기판도 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 세라믹(221a)과 제1 기판은 일체형으로 형성될 수도 있다. 이로써, 실시예에 따른 히터 코어(220)의 제1 기판, 제2 기판, 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)은 발열체(222)에 의해 발생된 온도가 고온인 경우에도 강도가 개선되고 열 충격에 강한 저항성을 가질 수 있다.
도 7은 실시예에 따른 제1 세라믹을 촬영한 사진이다.
도 7을 참조하면, 제1 세라믹 내 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)은 앞서 설명한 바와 같이 기공(B 부분)을 포함할 수 있다. 일반적으로, 산화알루미늄(Al2O3)의 열팽창계수는 8.7
Figure 112017066853965-pat00001
10-6/K이고, 산화티타늄(TiO2)의 열팽창계수는 9
Figure 112017066853965-pat00002
10-6/K이나, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)의 열팽창계수는0.5
Figure 112017066853965-pat00003
10-6/K 내지 1.0
Figure 112017066853965-pat00004
10-6/K일 수 있다. 즉, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)은 내부에 합성되지 않고 남아있는 산화 알루미늄(Al2O3)과 산화티타늄(TiO2)에 의해 기공이 형성될 수 있다. 그리고 이러한 기공이 미세 균열을 발생시켜 열팽창계수를 감소시킬 수 있다.
도 8 내지 도 11은 제1 세라믹 및 제2 세라믹의 Ti 중량비에 따른 효과를 도시한 도면이다.
도 8 내지 도 11을 참조하면, 실시예에 따른 제1 세라믹 및 제2 세라믹은 Ti의 중량비에 따라서 열 충격, 기계적 강도, 인장 강도(tensile strength)가 변경될 수 있다. (여기서, 중량비는 Ti의 중량비를 의미한다)
먼저, 도 8을 참조하면, 유리(비교예 1), 순도 96%의 산화 알루미늄(Al2O3)(비교예 2), 순도 99%의 산화 알루미늄(Al2O3)(비교예 3), 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)(실시예, Ti의 중량비는 20%)에 대해 각각 고온의 샘플을 20℃의 물에 담궜을 때 크랙이 발생하는지 실험하였다. (열 충격 평가)
여기서, 열 충격(Thermal Shock)이란 특정의 물체에 갑작스런 가열　또는 냉각 등의　충격이 가해졌을 경우에 상기 물체는 비정상적인 온도 분포를 유지하게 되고, 그로 인하여 상기 물체의 내부에는 커다란　열응력(Thermal Stress)이나　열변형(Thermal Strain)이 발생하는 것을 의미한다. 그리고　열응력 또는　열변형이란 물체가 온도의 변화에 따라 팽창, 수축함으로써 발생하는 응력 또는 변형을 의미한다.
비교예 1 내지 비교예 3은 300℃ 이하에서 크랙이 발생하였으나, 실시예에 따른 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)은 900℃에서 크랙이 발생하였다.
이에 따라, 제1 세라믹 및 제2 세라믹이 산화 알루미늄, 유리를 포함하는 경우보다 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)을 포함할 때, 제1 세라믹 및 제2 세라믹이 열 충격에 높은 저항성을 가짐을 알 수 있다.
도 9를 참조하면, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 Ti의 중량비(0% 내지 70%)에 따른 고온의 샘플을 상기와 같이 20℃의 물에 담궜을 때 크랙이 발생하는지 실험하였다.(열 충격 평가)
티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 Ti의 중량비가 10% 내지 50%에서 열 충격에 높은 저항성을 가짐을 알 수 있다. 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 Ti의 중량비가 10%보다 작거나, 50%보다 큰 경우에는 도 7과 같이 비교예 1 내지 비교예 3과 유사한 열 충격에 대한 저항성을 가짐을 알 수 있다. 또한, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 Ti의 중량비가 15% 이상부터 약 900℃에서 크랙이 발생함을 알 수 있다. 이로써, 실시예에 따른 제1 세라믹 및 제2 세라믹은 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 Ti의 중량비가 10% 내지 50%인 경우, 열 충격에 대한 저항성이 개선될 수 있다.
실시예에 따른 제1 세라믹 및 제2 세라믹은 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 Ti의 중량비가 10%보다 작은 경우에, 열 충격에 대한 저항성이 급격하게 낮아져 온도 변화에 크랙이 발생하는 한계가 존재한다. 또한, 실시예에 따른 제1 세라믹 및 제2 세라믹은 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 Ti의 중량비가 50%보다 큰 경우에, 미 소결 부분이 다수 발생하고, 기공에 의한 균열로 기계적 강도, 인장 강도 등이 매우 낮아지는 한계가 존재한다.
도 10을 참조하면, 기계적 강도에 대한 평가로, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 Ti의 중량비(0% 내지 70%)에 따른 샘플을 소정의 높이에서 떨어뜨릴 때 크랙이 발생하는지 여부를 실험하였다. 이 때, 제1 세라믹 및 제2 세라믹의 두께는 1mm이고, 폭이 10mm이며, 길이가 100mm이다.
도 10과 같이, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 Ti의 중량비가 커지면, 전체적으로 기계적 강도가 낮아지는 것을 알 수 있다. 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 Ti의 중량비가 0% 내지 30%인 경우, Ti 가 존재하지 않는 경우의 기계적 강도(Ti 중량비 0%, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 산화 알루미늄만이 존재하는 경우) 대비, 절반 이상의 기계적 강도를 가짐을 알 수 있다. 이에, 실시예에 따른 제1 세라믹 및 제2 세라믹은 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 Ti의 중량비가 10% 내지 30%이면, 열 충격에 높은 저항성을 가지면서, 소정의 기계적 강도를 유지할 수 있다.
도 11을 참조하면, 인장 강도(tensile strength)에 대한 평가로, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 Ti의 중량비(0% 내지 70%)에 따른 샘플을 절단되기까지의　인장　길이에 대한　인장　강도를 측정하였다.
도 11과 같이. 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 Ti의 중량비가 커지면, 전체적으로 인장 강도가 감소함을 알 수 있다. (여기서, 인장 강도(tensile strength)는 응력과 변형의 비를 나타내는 탄성 계수인 모듈러스일 수 있다). 즉, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 Ti 가 존재하지 않는 경우 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 Ti의 중량비가 0% 내지 25%인 경우, Ti 가 존재하지 않는 경우의 인장 강도(Ti 중량비 0%, 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 산화 알루미늄만이 존재하는 경우) 대비, 절반 이상의 인장 강도를 가짐을 알 수 있다. 이에, 실시예에 따른 제1 세라믹 및 제2 세라믹은 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)에서 Ti의 중량비가 10% 내지 25%이면, 열 충격에 높은 저항성을 가지면서, 소정의 기계적 강도를 유지하고, 동시에 소정의 인장 강도를 가질 수 있다.
도 12는 실시예에 따른 열전소자와 스위칭부를 포함하는 히터의 개념도이고, 도 13a 내지 도 13b는 도 12의 다양한 실시예를 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 실시예에 따른 히터는 스위칭부와 열전소자를 더 포함할 수 있다.
먼저, 스위칭부는 트랜지스터를 포함할 수 있다. 예컨대, 스위칭부는 전계효과 트랜지스터(FET)일 수 있다. 이에 따라, 스위칭부는 반도체 소자일 수 있다.
이러한 스위칭부는 히터 코어에서 전극단자와 연결되거나, 발열 모듈과 전원 모듈 사이에 배치되거나, 전원 모듈 내에 배치될 수 있다. 이러한 스위칭부의 배치 위치에 대해서는 이하 도 13 a 내지 도 13b에서 설명한다.
스위칭부는 전원부와 전기적으로 연결되고, 열전소자로부터 수신한 전압에 의해 스위칭 제어되고, 소정의 온도 이하에서만 발열체에 전원을 공급할 수 있다.
예를 들어, 스위칭부가 정션형 트랜지스터인 경우, 컬렉터 단자는 전극단자 또는 전원 모듈과 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고 베이스 단자는 열전 소자와 전기적으로 연결될 수 있다. 열전 소자로부터 발생한 전압은 베이스 단자로 인가될 수 있다. 이로 인해, 스위칭부는 온/오프(on/off) 제어가 수행될 수 있다. 그리고 이미터 단자는 히터 코어 또는 발열체와 전기적으로 연결될 수 있다. 열전소자에 의해 베이스 단자에 인가된 전압에 따라 히터 코어 또는 발열체로 전원이 인가되어 발열체는 발열하거나, 발열하지 않을 수 있다.
트랜지스터는 디플레이션형 또는 노멀리 온형일 수 있다. 이러한 경우에, 스위칭부인 트렌지스터는 열전소자에서 발생한 전기가 일정 수준에 이르기 전까지 드레인 전류가 히터 코어 또는 히터 코어의 발열체로 흐를 수 있다. 또한, 발열체에서 발생한 열에 의해 열전소자에서 발생한 전기가 일정 수준에 이르면, 스위칭부는 드레인 전류가 흐르지 않도록 스위칭 오프될 수 있다.
이러한 구성에 의하여, 실시예에 따른 히터는 발열체에서 발생한 열이 소정의 온도에 도달하면 스위칭 제어를 통해 히터 코어의 발열체로 인가되는 전원 공급을 차단할 수 있다. 이에, 실시예에 따른 히터는 과열로부터 보호될 수 있다.
그리고 열전소자는 펠티에(peltier) 회로를 포함할 수 있다. 열전 소자는 히터 코어의 발열체에서 발생한 열을 전기로 변환할 수 있다.
열전 소자는 열전　재료를 포함하고,　열전　재료는 테트라헤드라이트, 마그네슘 규화물, 스테나이드, 실리콘, 실리콘 나노와이어, 비스머스 텔루르화물, 스커터루다이트, 납 텔루르화물, TAGS(텔루륨-안티모니-게르마늄-은), 아연 안티모니화물, 실리콘 게르마늄, 및 하프-호이슬러 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 13a를 참조하면, 스위칭부(400a)는 제1 세라믹(221a) 상에 배치될 수 있다. 또한, 스위칭부(400a)는 전극부(225) 내에 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 전극단자(225a) 내에 배치되어, 스위칭부(400a)의 스위칭 제어를 통해 제1 전극단자(225a)를 전기적으로 분리할 수 있다. 다만, 이러한 위치에 한정되는 것은 아니며, 스위칭부(400a)는 제2 전극단자(225b) 내에 배치될 수도 있다.
또한, 열전소자(500a)는 발열체(222)에 인접하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 열전소자(500a)는 시트(sheet)형 일 수 있으며, 제1 세라믹(221a) 및 발열체(222) 상에 배치될 수 있다. 열전소자(500a)는 발열체(222)의 일부 또는 전체를 덮을 수 있다. 열전소자(500a)는 발열체(222)로부터 발생한 열을 전기로 변환하고, 변환된 전기를 전극부(225)와 연결된 스위칭부(400a)로 제공할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 변환된 전기는 스위칭부(400a)의 베이스 단자로 제공되어, 스위칭부(400a)의 스위칭 을 제어할 수 있다. 예를 들어, 열전소자(500a)는 발열체(222)가 200℃에 이르는 경우 스위칭부(400a)에서 스위칭 오프되도록 설정될 수 있다. 다만, 이러한 온도에 한정되는 것은 아니다.
도 13b를 참조하면, 스위칭부(400b)는 전극부와 발열체(222) 사이에 배치될 수 있다. 이로써, 스위칭부(400b)는 스위칭 제어에 의해 전극부(225)와 발열체(222) 사이의 전원 공급을 공급 또는 차단할 수 있다.
그리고 열전소자(500b)는 발열체(222)와 인접하게 배치될 수 있다. 예컨대, 열전소자(500b)는 제1 세라믹(221a) 상에서 발열체(222)와 나란하게 배치될 수 있다. 열전소자(500b)는 발열체(222)와 동일 평면 상에 배치되고, 제1 기판(221)에서 제1 세라믹(221a)를 향한 방향으로 중첩되지 않을 수 있다. 이로써, 실시예에 따른 열전 소자가 히터 내에 배치되더라도 히터의 부피는 유지될 수 있다.
도 13c를 참조하면, 스위칭부(400c)는 파워 모듈(300)과 발열 모듈(200) 사이에 배치될 수 있다. 예컨대, 스위칭부(400c)는 파워 모듈(300)의 제1,2 연결단자(330, 340)와 발열 모듈(200)의 제1 전극단자(225a) 및 제2 전극단자(225b) 사이에 배치될 수 있다.
예를 들어, 스위칭부(400c)는 제1 연결단자(330)와 전기적으로 연결되는 제1 전극단자(225a) 사이나, 제2 연결단자(340)과 전기적으로 연결되는 제2 전극단자(225b) 사이에 배치될 수 있다.
또한, 스위칭부(400c)는 복수 개일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 발열 모듈(200)은 복수 개의 히터 코어(220)를 포함할 수 있으며, 복수 개의 히터 코어(220)는 복수 개의 제1, 2 전극단자(225a, 225b)를 포함할 수 있다. 이로써, 스위칭부(400c)는 복수 개의 제1,2 전극단자(225a, 225b)와 각각 전기적으로 연결될 수 있도록 복수 개일 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 스위칭부(400c)는 복수 개의 히터 코어(220)에서 개별적으로 발생하는 열에 의해 발열체로 전원 공급을 제어할 수 있다. 이로써, 스위칭부(400c)는 각각의 히터 코어(220)를 개별적으로 과열로부터 보호할 수 있다.
예컨대, 복수 개의 히터 코어(220) 중 어느 하나에 과열 또는 과전류가 발생하면, 과열 또는 과전류가 발생한 히터 코어(220)와 연결된 스위칭부(400c)는 소정의 온도에서 저항이 상승하여 전기적 연결을 단절할 수 있다. 이에, 스위칭부(400c)는 과열로부터 히터를 보호할 수 있으며, 히터의 각 소자의 신뢰성을 개선하며, 문제가 발생한 히터 코어(220)이외의 히터 코어(220)의 동작을 유지할 수 있다.
또한, 스위칭부(400c)는 복수 개의 히터 코어(220)에 연결된 복수 개의 제1, 2 전극단자(225a, 225b)와 하나의 노드를 통해 연결될 수 있다. 이로써, 복수 개의 히터 코어(220) 중 어느 하나에 과열이 발생하면, 스위칭부(400c)는 복수 개의 히터 코어(220)로 공급되는 전원을 일괄적으로 스위칭할 수 있다. 이로써, 과전류 또는 과열로 인해 손상된 히터 코어(220)로 인해 다른 히터 코어(220)의 전기적 성능 하락을 미연에 방지할 수 있다.
도 13d를 참조하면, 파워 모듈(300)은 내부에 배치된 기판(B)을 포함할 수 있다. 다만, 이러한 위치에 한정되는 것은 아니며, 기판(B)은 외부에 배치될 수 있으나, 기판(B)을 보호하여 신뢰성 개선을 위해, 기판(B)은 파워 모듈(300)의 내부에 배치됨이 바람직할 수 있다.
기판(B)은 전원을 공급하는 전원부(S)를 포함할 수 있다. 전원부(S)는 회로 소자를 포함하여 구성될 수 있다. 전원부(S)는 파워 모듈(300)의 제1 연결단자(330) 및 제2 연결단자(340)와 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 기판(B)은 스위칭부(400d)를 더 포함할 수 있다. 스위칭부(400d)는 전원부(S)와 제1 연결단자(330) 및 제2 연결단자(340) 사이에 배치될 수 있다. 스위칭부(400d)는 전원부(S), 제1 연결단자(330) 및 제2 연결단자(340)와 전기적으로 연결될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 스위칭부(400d)는 발열체와 인접하게 배치된 열전소자(미도시됨)로부터 전기를 공급받아 히터 코어로 공급되는 전원에 대한 스위칭(온/오프)을 수행할 수 있다.
도 14a는 또 다른 실시예에 따른 히터 코어의 평면도이고, 도 14b 및 도 11c는 도 11a의 변형예이고, 도 14c은 또 다른 실시예에 따른 발열 모듈의 사시도이다.
먼저, 도 14a을 참조하면, 제1 기판(221) 은 제3 방향(Y축 방향)으로 폭(W2)이 10㎜ 내지 20㎜일 수 있다. 그리고 제2 기판(223)은 제3 방향(Y축 방향)으로 폭(W1)이 11㎜ 내지 23㎜일 수 있다.
제1 기판(221)과 제2 기판(223) 중 어느 하나는 다른 하나보다 제3 방향(Y축 방향)으로 폭이 클 수 있다. 예시적으로, 제1 기판(221)은 제3 방향(Y축 방향)으로 폭(W2)이 제2 기판(223) 제3 방향(Y축 방향)으로 폭(W1)보다 작을 수 있다.
그리고 제1 기판(221)과 제2 기판(223) 중 어느 하나는 다른 기판을 마주보는 방향으로 돌출 형성된 돌출부를 포함할 수 있다. 예컨대, 돌출부(223b)는 제2 기판(223)의 일면에서 제1 방향(X축 방향)으로 돌출 형성될 수 있다. 돌출부(223b)는 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)의 측면을 덮을 수 있다. 여기서, 측면은 제3 방향(Y축 방향)으로 최대 이격된 양면 중 어느 하나일 수 있다.
돌출부(223b)는 외부로부터 제1 기판(221), 제1 세라믹(221a), 발열체(222) 및 제2 세라믹(223b)를 보호할 수 있다.
또한, 돌출부(223b)는 프레임부(223c)에 의해 지지되고, 프레임부(223c)의 일면에서 제1 방향(X축 방향)으로 돌출된 형태일 수 있다. 또한, 돌출부(223b)는 제1 방향(X축 방향)으로 제2 기판(223)의 프레임부(223c)로부터 연장될 수 있다.
돌출부(223b)는 제1 방향(X축 방향)으로 높이(h)가 제1 세라믹(221a), 발열체(222) 및 제2 발열체(223b)의 제1 방향(X축 방향)으로 두께(T4) 대비 동일하거나 더 클 수 있다. 돌출부(223b)는 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)의 측면을 감쌀 수 있다. 여기서, 돌출부(223b)는 제1 방향(X축 방향)으로 높이(h)와 제1 방향(X축 방향) 두께가 동일하나, 이하 높이로 표현한다.
돌출부(223b)는 제 1기판(221)의 일면에 접촉할 수 있다, 이를 통해 제1 기판(221)과 제2 기판(223)이 결합을 할 수 있고, 히터 코어의 물리적 안정성을 확보 할 수 있다.
또한, 제1 기판(221)과 제2 기판(223) 사이의 결합력이 향상되고, 발열체(222)가 발열에 의해 제1, 제2 기판(221, 223)으로부터 분리되는 현상이 방지될 수 있다. 또한, 습기나 외력으로부터 세라믹 및 발열체(222)를 보호할 수 있다.
또한, 도 4b와 같이 제1 기판(221)의 양측에 제1 세라믹(221a), 제2 세라믹(223a) 및 발열체(222)를 형성할 수 있으며, 이 경우 제2 기판(223)은 제1 기판의 양측에 배치되고, 제2 기판(223)의 돌출부(223b)는 제1 기판(22)을 향하도록 돌출될 수 있다.
도 14b를 참조하면, 도 14a와 같이 제1 기판(221)은 제3 방향(Y축 방향)으로 폭(W2)이 10㎜ 내지 20㎜일 수 있다. 그리고 제2 기판(223) 은 제3 방향(Y축 방향)으로 폭(W1)이 11㎜ 내지 23㎜일 수 있다.
도 14a에서 설명한 바와 같이, 제1 기판(221)과 제2 기판(223) 중 어느 하나는 다른 기판을 마주보는 방향으로 돌출 형성된 돌출부를 포함할 수 있다. 예컨대, 돌출부(223b)는 제2 기판(223)의 일면에서 제1 방향(X축 방향)으로 돌출 형성될 수 있다. 돌출부(223b)는 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)의 측면을 덮을 수 있다. 여기서 측면은 제3 방향(Y축 방향)으로 최대 이격된 양면 중 어느 하나일 수 있다.
돌출부(223b)는 제2 기판(223) 제작 시 프레임부(223c)와 돌출부(223b)를 하나의 기판으로 제작한 후 제2 기판(223)의 제3 방향(Y축 방향)의 양단부를 제1 방향(X축 방향)으로 구부려서 형성될 수 있다. 이에, 돌출부(223b) 및 프레임부(223c)를 모두 포함하는 제2 기판(223)을 효율적으로 제작할 수 있다.
또한, 제2 기판(223)의 양측에 위치하는 돌출부(223b)는 서로 제1 방향(X축 방향)으로 높이(h)가 동일할 수 있다. 바람직하게, 양측의 돌출부(223b)는 공정 오차로 인해 서로 1:0.9 내지 1:1.1배의 높이 비를 가질 수 있다.
그리고 돌출부(223b)는 제1 기판(221)의 제1 세라믹(221a), 제2 세라믹(223b)가 제3 방향(Y축 방향)으로 노출된 부분을 제거할 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 제1 기판(221), 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223b)는 제3 방향(Y축 방향)으로 평탄한 양측면을 형성하여, 외부 충격으로부터 제1 세라믹(221), 제2 세라믹(223b)를 용이하게 보호할 수 있다.
또한, 돌출부(223b)는 제1 방향(X축 방향)으로 높이가 제1 세라믹(221a), 발열체(222) 및 제2 세라믹(223b)의 두께보다 더 크고, 제1 세라믹(221a), 발열체(222), 제2 세라믹(223b) 및 제1 기판(221)의 두께보다는 작을 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 제1 기판(221)과 제2 기판(223) 사이의 결합력이 개선될 수 있다.
예컨대, 제2 기판(223)은 돌출부(223b)에 의해 제1 기판(221)의 측면을 전체 또는 일부 덮을 수 있다. 제2 기판(223)이 제1 기판(221)의 측면을 덮는 경우, 제2 기판(223)의 돌출부(223b)가 제1 기판(221)의 측면의 면적 대비 30% 내지 100%의 면적으로 제1 기판(221)의 측면을 덮을 수 있다. 돌출부(223b)가 제1 기판(221)의 측면을 덮는 면적 비율은 바람직하게 50% 내지 90%, 더욱 바람직하게 50% 내지 80%일 수 있다. 실시예로, 돌출부(223b)가 제1 기판(221)과 접촉하는 영역에서 제1 방향(X축 방향)으로 높이는 제1 기판(221)의 제1 방향(X축 방향)으로 두께의 30% 내지 100%일 수 있다. 바람직하게, 50% 내지 90%, 더욱 바람직하게 50% 내지 80%일 수 있다.
돌출부(223b)가 제1 기판(221)과 접촉하는 영역에서 제1 방향(X축 방향)으로 높이가 제1 기판(221)의 제1 방향(X축 방향)으로 두께의 50%보다 작은 경우 제1 기판(221)과 제2 기판(223) 사이의 결합력이 감소하여 제1 기핀(221)과 제2 기판(223)은 서로 물리적으로 분리될 수 있다. 그리고 돌출부(223b)가 제1 기판(221)과 접촉하는 영역에서 제1 방향(X축 방향)으로 높이가 제1 기판(221)의 제1 방향(X축 방향)으로 두께의 80% 내지 100%인 경우, 열 효율을 조절하기 위하여 제조 공정상 돌출부(223b)의 높이가 해당 범위 내에서 제어될 수 있다.
제1 기판(221)의 상부에 제1 세라믹(221a), 발열체(222), 제2 세라믹(223a)이 형성될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 발열체(222)는 제1 세라믹(221a)과 제2 세라믹(223a) 사이에 배치될 수 있다. 제2 세라믹(223a)은 제1 세라믹(221a) 및 발열체(222) 상에 용사(thermal spraying) 방식에 의해 형성될 수 있다.
예컨대, 제2 세라믹(223a)은 고온 및 고압에서 용사에 의해 형성되더라도 제2 기판(223)이 아닌 제1 세라믹(221a) 상에 형성될 수 있다. 제2 세라믹(223a)은 제2 기판(223)과 접촉된 상태가 아니므로 제2 세라믹(223a)의 형성 시가해지는 고온 및 고압이 제2 기판(223)에 주는 영향을 완화할 수 있다. 이와 달리, 제1 기판(221) 상에 제1 세라믹(221a) 및 제2 세라믹(223a)이 형성되는 경우 제1 기판(221)은 고온에 의해 영향을 받으므로, 휘어짐 방지를 위해 제1 방향(X축 방향)으로 두께는 커질 수 있다.
이에, 실시예에 따른 제2 기판(223)의 제1 방향(X축 방향)으로 최소 두께(T7)가 제1 기판(221)의 제1 방향(X축 방향)으로 최소 두께(T6)보다 작을 수 있다.
예컨대, 제2 기판(223)의 제1 방향(X축 방향)으로 최소 길이두께(T7) 는 0.1㎜ 내지 3㎜일 수 있다. 또한, 제1 기판(221)의 제1 방향(X축 방향)으로 최소 두께(T6)는 1㎜ 내지 3㎜일 수 있다.
또한, 또한, 제1 방향(X축 방향)으로 제1 기판(221)의 최소 두께와 제2 기판(223)의 최소 두께의 두께 비는 1: 0.1 내지 1:1 일 수 있다. 바람직하게는 상기 두께 비가 1:0.15 내지 1:0.5, 더욱 바람직하게는 상기 두께 비가 1:0.2 내지 1:0.4일 수 있다.
제1 방향(X축 방향)으로 제1 기판(221)의 두께와 제2 기판(223)의 두께의 두께 비가 1:0.1보다 작은 경우 제2 기판(223)에 부착되는 방열핀(210)을 지지하지 못하며 외부로부터 제2 세라믹(223a)이 외력에 영향을 받는 한계가 존재한다.
제1 방향(X축 방향)으로 제1 기판(221)의 두께와 제2 기판(223)의 두께의 두께 비가 1:1보다 큰 경우 제1 기판(221)의 휘어짐으로 발열체(222)에서 발생한 열이 제1 기판(221) 및 제2 기판(223)으로 용이하게 전달되지 않는 한계가 존재한다.
이러한 구성에 의하여, 고온에 의해 제2 기판(223)이 팽창하여 휘어지는 현상을 방지하면서 동시에 히터 코어(220)의 부피 및 무게를 감소할 수 있다. 또한, 제조 비용의 절감을 제공할 수 있다.
도 14c를 참조하면, 앞서 언급한 바와 같이 발열체(222)는 다양한 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 발열체(222)의 표면적을 제1 기판(221)의 표면적 대비 10% 이상, 50% 이상 또는 70% 이상으로 확보하여 열 효율을 향상시킬 수 있고, 동시에 발열 모듈의 열 효율을 제어할 수 도 있다.
도 15는 발열체의 다양한 형상을 도시한 도면이다.
도 15를 참조하면, 제1 기판(221) 상에 인쇄, 패터닝, 코팅 또는 용사를 통해 형성 될 수 있다. 예를 들어, 도 10a와 같이 발열체(222)는 소정의 방향으로 연장된 후, 턴업되어 연장된 방향과 반대되는 방향으로 다시 연장되고, 이를 반복하도록 형성될 수 있다. 또한, 도 10b와 같이 발열체(222)는 지그재그 형상으로 형성되거나, 도 10c와 같이 나선 형상으로 형성될 수 있다. 이와 같이, 발열체(222)는 소정 패턴으로 연결되며, 서로 이격 배치되는 복수의 발열 패턴(222-1, 222-2)을 포함할 수 있다. 또한, 발열체(222)는 제1 세라믹(221a)이 형성된 기판(221) 상에 마스크를 이용하여 원하는 패턴을 용이하게 형성할 수 있다. 예컨대, 발열체(222)를 용사시키고자 하는 형태와 동일한 오픈 영역을 포함하는 마스크를 제1 세라믹(221a)이 형성된 기판 상에 배치할 수 있다. 이에, 마스크에 용사(thermal spraying)를 진행하면 마스크의 오픈 영역에 발열체(222)가 용사되고, 오픈 영역이 아닌 영역에는 발열체가 형성되지 않을 수 있다.
복수의 발열 패턴(222-1, 222-2)은 이격 배치되며, 복수의 발열 패턴(222-1, 222-2) 간의 이격 영역 내에는 열전도체(미도시됨)가 배치될 수 있다. 발열체(222)가 인쇄된 면적이 넓을수록 제1 세라믹 및 제2 세라믹을 통해 제1 기판(221) 및 제2 기판(223)로 전달되는 발열량이 많아질 수 있다. 본 명세서에서, 발열체(222)는 저항체, 발열 패턴 등과 혼용될 수 있다.
또한, 발열체(222)의 표면적은 제1 기판(221)의 상부 표면적 대비 10% 이상, 50% 이상 또는 70% 이상으로 다양하게 가질 수 있다. 이로써, 제1 기판(221) 상에 발열 영역을 확대 하여 발열 효율을 향상 시킬 수 있다.
발열체(222)는 오픈 영역을 포함하는 마스크를 이용하여 형성되므로 발열체(222)는 제1 세라믹(221a) 상에 원하는 면적만큼 형성될 수 있다. 예컨대, 마스크의 오픈 영역을 조절하여 발열체의 표면적을 증가 또는 감소하도록 제어할 수 있다. 또한, 발열 효율에 맞춰 제작하여 공정상 효율, 제품 생산성 및 적합한 발열 효율을 제공할 수 있다.
열전도체(미도시됨)는 제1 기판(221) 상에 배치된 발열 패턴(222-1, 222-2)의 사이에 배치될 수 있다. 뿐만 아니라, 열전도체(미도시됨)는 발열체(222)의 외부에 더 배치될 수도 있다. 이때, 제1 기판(221) 상에 배치된 열전도체(미도시됨)의 면적은 발열체(222)의 면적의 0.5배 이상일 수 있다. 열전도체(미도시됨)의 면적이 발열체(222)의 면적의 0.5배 미만인 경우, 발열체(222)로부터 발생한 열의 열전도율이 낮을 수 있다.
도 16a은 또 다른 실시예에 따른 발열 모듈의 사시도이고, 도 16b는 도 16a의 변형예이다.
도 16a을 참조하면, 히터 코어 상에 센서(290)가 배치될 수 있다. 센서(290)는 온도 센서를 포함할 수 있다. 또한, 온도 센서는 NTC 서미스터를 포함할 수 있다. 예컨대, NTC 서미스터는 온도에 다라 저항이 감소하는 소자일 수 있다. 이에, 파워 모듈에 배치된 제어부는 NTC 서미스터의 저항값을 이용하여 히터 코어의 온도를 감지할 수 있다. 그리고 제어부는 PTC 서미스터에 산출된 히터 코어의 온도에 대응되는 열을 제공하여 히터 코어로 제공되는 전원을 제어할 수 있다.
이러한 센서(290)는 히터 코어의 일측에 배치될 수 있다. 다만, 상기 위치에 한정되는 것은 아니며, 센서는 히터 코어의 중간에 형성되는 지지부(미도시됨) 상에 배치될 수 있다.
예컨대, 정확한 히터 코어의 온도 측정을 위하여, 센서(290)는 유체가 배출되는 면에 배치될 수 있다. 또한, 온도 센서는 써모스탯 및 써모커플 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다만, 이러한 종류에 한정되는 것은 아니다.
이러한 구성에 의하여, 센서(290)는 유체가 배출되는 영역의 온도를 감지할 수 있다. 이로 인해 배출구를 통해 배출되는 유체의 온도를 정확하게 측정하여, 사용자는 보다 즉각적인 히터(1000)제어가가능할 수 있다.
도 16b를 참조하면, 센서는 히터 코어 내에 배치될 수 있다. 이로 인해, 외부의 충격으로부터 센서를 보호할 수 있다. 다만, 이러한 위치에 한정되는 것은 아니며 히터의 일측면에 배치될 수도 있다.
도 17은 실시예에 따른 히팅 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 17을 참조하면, 본 실시예의 히팅 시스템(2000)은 다양한 이동수단에 사용될 수 있다. 여기서, 이동수단은 자동차 등 육지를 운행하는 차량에 한정되지 않으며, 배, 비행기 등도 포함될 수 있다. 다만, 이하에서는, 본 실시예의 히팅 시스템(2000)이 자동차에 사용되는 경우를 일례로 설명한다.
히팅 시스템(2000)은 자동차의 엔진룸에 수용될 수 있다. 히팅 시스템(2000)은 급기부(400), 유로(500), 배기부(600) 및 히터(1000)를 포함할 수 있다.
급기부(400)로는 송풍팬, 펌프 등 다양한 급기장치가 사용될 수 있다. 급기부(400)는 히팅 시스템(2000)의 외부의 유체를 후술하는 유로(500)의 내부로 이동시키며, 유로(500)를 따라 이동하게 할 수 있다.
유로(500)는 유체가 흐르는 통로일 수 있다. 유로(500)의 일측에는 급기부(400)가 배치될 수 있고, 유로(500)의 타측에는 배기부(600)가 배치될 수 있다. 유로(500)는 자동차의 엔진룸과 실내를 공조적으로 연결할 수 있다.
배기부(600)로는 개폐가 가능한 블레이드 등이 사용될 수 있다. 배기부(600)는 유로(500)의 타측에 배치될 수 있다. 배기부(600)는 자동차의 실내와 연통될 수 있다. 따라서 유로(500)를 따라 이동한 유체는 배기부(600)를 통하여 자동차의 실내로 유입될 수 있다.
히팅 시스템(2000)의 히터(1000)로는 상술한 본 실시예의 히터(1000)가 사용될 수 있다. 이하, 동일한 기술적 사상에 대한 설명은 생략한다. 히터(1000)는 유로(500)의 중간에 격벽 형태로 배치될 수 있다. 이 경우, 히터(1000)의 전후방은 자동차의 전후방과 동일하거나 유사한 방향일 수 있다. 급기부(400)를 통해 유로(500)로 급기된 엔진룸의 차가운 유체는 히터(1000)를 전방에서 후방으로 투과하면서 가열된 후, 다시 유로(500)를 따라 흘러 배기부(600)를 통해 실내로 공급될 수 있다.
추가적으로, 본 실시예의 히터(1000)는 제1 세라믹과 제2 세라믹 사이에 배치된 발열체에 의해 열전달이 일어날 수 있다. 그리고 발열체의 높은 발열량을 이용하여 열효율을 높일 수 있다. 또한, 발열체의 높은 발열량을 열 전달율이 높은 제1 및 제2 세라믹으로 커버하여 열적 안정을 이루는 동시에 열효율과 신뢰성을 개선할 수 있다. 또한, 스위칭부가 전극단자, 발열 모듈과 파워 모듈 사이 또는 파워 모듈 내에 설치되어 과열, 과전류를 미연에 방지할 수 있다.
나아가 본 실시예의 히터(1000)는 납(Pb)과 같은 중금속재질로부터 자유로워 환경 친화적이며, 경량일 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 세라믹;
    상기 제1 세라믹 상에 배치되는 발열체;
    상기 발열체 상에 배치되는 제2 세라믹;
    상기 발열체의 일단에 형성된 제1 전극단자; 및
    상기 발열체의 타단에 형성된 제2 전극단자;를 포함하고,
    상기 제1 세라믹 및 상기 제2 세라믹은,
    티탄산알루미늄(Al2TiO5)을 포함하고, 전체 중량 대비 Ti 중량은 10% 내지 50%이고, Al 중량은 50% 내지 90%이고,
    상기 발열체와 인접하게 배치되는 열전소자; 및
    상기 제1 전극단자 및 상기 제2 전극단자 중 적어도 하나를 통해 상기 발열체와 상기 열전소자에 전기적으로 연결된 스위칭부;를 더 포함하고,
    상기 스위칭부는 상기 열전소자로부터 전기를 공급받아 스위칭 제어하는 히터 코어.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전체 중량 대비 상기 Ti 중량은 10% 내지 30%인 히터 코어.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전체 중량 대비 상기 Ti 중량은 15% 내지 20%인 히터 코어.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 세라믹 및 상기 제2 세라믹은 기공을 포함하는 히터 코어.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열전소자는 상기 발열체로부터 전달받은 열을 상기 전기로 변환하고,
    상기 스위칭부는 상기 전기가 소정의 임계값에 이르면 상기 발열체로 제공되는 전원을 차단하는 히터 코어.
  7. 파워 모듈; 및
    상기 파워 모듈과 전기적으로 연결되어 열을 발생시키는 발열 모듈;을 포함하고,
    상기 파워 모듈은 전원부 및 상기 전원부에 전기적으로 연결된 복수 개의 연결 단자부를 포함하고,
    상기 발열 모듈은,
    교번하여 배치되는 복수의 방열핀 및 복수의 히터 코어를 포함하고,
    상기 히터 코어는,
    제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 세라믹;
    상기 제1 세라믹 상에 배치되는 발열체;
    상기 발열체 상에 배치되는 제2 세라믹;
    상기 발열체의 일단에 형성된 제1 전극단자; 및
    상기 발열체의 타단에 형성된 제2 전극단자;를 포함하고,
    상기 제1 세라믹 및 상기 제2 세라믹은,
    전체 중량 대비 Ti 중량은 10% 내지 50%이고, Al 중량은 50% 내지 90%인 티탄산알루미늄(Al2TiO5)을 포함하고,
    상기 발열체와 인접하게 배치되는 열전소자; 및
    상기 제1 전극단자 및 상기 제2 전극단자 중 적어도 하나를 통해 상기 발열체와 상기 열전소자에 전기적으로 연결된 스위칭부;를 더 포함하고,
    상기 스위칭부는 상기 열전소자로부터 전기를 공급받아 스위칭 제어하는 히터.
  8. 공기가 이동하는 유로;
    공기를 유입하는 급기부;
    이동수단의 실내로 공기를 배출하는 배기부; 및
    상기 유로에서 상기 급기부와 상기 배기부의 사이에 배치되어 공기를 가열하는 히터를 포함하고,
    상기 히터는,
    파워 모듈; 및
    상기 파워 모듈과 전기적으로 연결되어 열을 발생시키는 발열 모듈;을 포함하고,
    상기 파워 모듈은 전원부 및 상기 전원부에 전기적으로 연결된 복수 개의 연결 단자부를 포함하고,
    상기 발열 모듈은,
    교번하여 배치되는 복수의 방열핀 및 복수의 히터 코어를 포함하고,
    상기 히터 코어는,
    제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 세라믹;
    상기 제1 세라믹 상에 배치되는 발열체;
    상기 발열체 상에 배치되는 제2 세라믹;
    상기 발열체의 일단에 형성된 제1 전극단자; 및
    상기 발열체의 타단에 형성된 제2 전극단자;를 포함하고,
    상기 제1 세라믹 및 상기 제2 세라믹은,
    전체 중량 대비 Ti 중량은 10% 내지 50%이고, Al 중량은 50% 내지 90%인 티탄산알루미늄(Al2TiO5)을 포함하고,
    상기 발열체와 인접하게 배치되는 열전소자; 및
    상기 제1 전극단자 및 상기 제2 전극단자 중 적어도 하나를 통해 상기 발열체와 상기 열전소자에 전기적으로 연결된 스위칭부;를 더 포함하고,
    상기 스위칭부는 상기 열전소자로부터 전기를 공급받아 스위칭 제어하는 히팅 시스템.
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