KR102432237B1 - 차량용 냉각수 가열장치 - Google Patents

Abstract

차량용 냉각수 가열장치가 개시된다. 본 발명에 따른 차량용 냉각수 가열장치는, 내부에 실장공간을 갖는 열전도성 금속 재질의 하우징, 하우징의 상부면에 장착되며 서로 이격된 냉각수 입구와 냉각수 출구를 구비하는 원통 모양의 냉각수 챔버, 냉각수 챔버 내부에 설치되며하우징 내부에 실장되는 제어기에 전기적으로 연결되는 히팅 유닛을 포함하며, 냉각수 입구와 연결되는 냉각수 채널을 갖는 냉각수 유동 블록이 하우징 일측에 일체로 구성되고, 히팅 유닛은 코일 모양의 전기 저항성 제1 발열체와 적어도 둘 이상 복수의 얇고 긴 막대 모양의 서미스터형 제2 발열체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 냉각수 온도에 따라 2종의 열원(전기 저항성 제1 발열체와 서미스터형 제2 발열체)을 선택적으로 운용하여 전력의 효율적인 운용을 도모하고 과열로 인한 화재로부터 안전성을 확보할 수 있다.

Description

차량용 냉각수 가열장치{Coolant heating device for Vehicle}

본 발명은 냉각수 가열장치에 관한 것으로, 특히 순수 전기차나 연료전지 수소차의 난방 시스템 또는 배터리나 연료전지 등의 온도를 적정 온도 범위(최적의 성능을 발휘할 수 있는 온도 범위)로 유지시키는 온도 제어 시스템에 적용되는 차량용 냉각수 가열장치에 관한 것이다.

배터리를 이용하는 전기차나 연료전지를 이용하는 수소차에 적용되는 배터리나 연료전지는 특성상 성능(충전/방전 효율, 냉간 시동성, 수명 등)이 최적으로 발휘되는 온도 범위가 정해져 있다. 때문에 최적의 성능 발휘를 위해서는 배터리나 연료전지의 온도를 최적 성능을 발휘할 수 있는 범위로 일정하게 유지시켜 주어야 할 필요가 있다

종래 화석연료를 사용하는 내연기관 차량의 경우 엔진에서 발생한 열을 에너지원으로 차량 난방 등을 구현하지만, 전기차나 수소차의 경우 내연기관처럼 고온의 열을 발생시키는 구동원이 없기 때문에 종래 내연기관 차량과 같은 방식으로는 난방 구현이 어렵고 배터리나 연료전지의 온도를 적정 범위로 유지시키는 온도 제어 시스템 구축도 어렵다.

이에 전기차나 수소차 등에는 별도의 히트펌프(heat pump)나 전기 히터와 같은 별도의 가열수단을 부가함으로써 공조 시스템을 구축하거나 배터리 또는 연료전지의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 시스템을 구축하고 있다. 그 중에서도 전기 히터의 경우 히트펌프에 비해 시스템(공조 또는 온도 제어 시스템) 구축이 용이하여 널리 적용되는 추세에 있다.

전기차나 수소차에 적용되는 전기 히터에는 공기를 직접 가열하여 난방을 구현하거나 배터리(또는 연료전지)를 승온시키는 형태의 공기 가열 방식과, 냉각수를 가열하여 난방을 구현하거나 배터리(또는 연료전지)를 승온시키는 간접 가열 형태의 수가열 방식이 있다. 여기서 반응성이나 제어 측면에서는 공기 가열 방식이 유리하지만, 에너지 효율성은 수가열 방식이 유리하다.

때문에 온도 제어 시스템(배터리나 연료전지의 온도를 제어하는 시스템)처럼 일정 시간 동안 지속적인 운전을 필요로 하는 시스템에는 공기 가열 방식보다는 수가열 방식이 적합하다. 이러한 수가열 방식에 주로 적용되는 전기 히터 중 하나가 금속 보호관 코일모양의 전열선(니크롬선)이 내장된 형태의 일반적인 시즈히터(Sheath heater)이다.

시즈히터의 경우 발열량이 인가되는 전류 크기에 비례하고 비교적 짧은 시간에 높은 온도(약 500 ~ 600℃)까지 발열되는 특성이 있으며, 따라서 냉각수 온도를 목표 온도까지 신속하게 상승시킬 수 있다. 그런데 시즈히터는 저항(니크롬선) 히터이기 때문에 컷-오프 휴즈(Cut-off Fuse)와 같은 별도의 안전장치가 반드시 요구된다.

수가열 방식의 냉각수 가열장치로 유입되는 냉각수는 적정 수위를 유지해야 하는데, 적정 수위에 못 미칠 경우 차량용 냉각수 가열장치 내부의 상기 시즈히터가 과열되어 폭발할 위험이 있고, 차량 사고 등의 비정상적인 환경에 노출된 경우 시즈히터로 공급되는 전력이 차단되지 않을 경우 화재 발생의 위험이 있기 때문이다.

그러나 시즈히터에 적용되는 컷-오프 휴즈는 일회성 부품으로서, 냉각수 부족이나 차량 사고와 같은 비정상적인 환경으로 인해 휴즈가 정상적으로 작동(Cut-off)을 한 경우 반드시 교체를 해야 하는 등 시즈히터의 경우 별도의 A/S 비용이 발생하는 문제가 있으며, 냉각수의 온도를 시즈히터로 정밀 제어하기 위해서는 피드백 제어를 위한 온도센서가 부수적으로 요구되는 단점이 있다.

한국등록특허 제10-2148527호(공고일 2020.08.27)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 과열로 인한 폭발이나 화재로부터 안전성을 확보할 수 있는 차량용 냉각수 가열장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 2종의 전기 열원(전기 저항성 제1 발열체와 서미스터형 제2 발열체)을 이용한 방식으로 전력의 효율적인 운용을 도모할 수 있는 차량용 냉각수 가열장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 서미스터형 제2 발열체의 발열 저항 특성(온도변화에 비례하여 저항이 가변되는 특성)을 이용하여 별도의 온도센서 없이도 정밀한 온도 제어(피드백 제어)가 가능한 차량용 냉각수 가열장치를 제공하고자 하는 것이다.

과제의 해결 수단으로서 본 발명의 실시 예에 따르면,

내부에 실장공간을 갖는 열전도성 금속 재질의 하우징;

상기 하우징의 상부면에 장착되며, 서로 이격된 냉각수 입구와 냉각수 출구를 구비하는 원통 모양의 냉각수 챔버;

상기 냉각수 챔버 내부에 설치되며, 상기 하우징 내부에 실장되는 제어기에 전기적으로 연결되는 히팅 유닛;을 포함하며,

상기 냉각수 입구와 연결되는 냉각수 채널을 갖는 냉각수 유동 블록이 상기 하우징 일측에 일체로 구성되고,

상기 히팅 유닛은 코일 모양의 전기 저항성 제1 발열체와 적어도 둘 이상 복수의 얇고 긴 막대 모양의 서미스터형 제2 발열체를 포함하는 차량용 냉각수 가열장치를 제공한다.

바람직하게, 상기 제어기는 기판과 기판 상에 실장되는 복수의 전자소자를 포함하고, 상기 복수의 전자소자 중 고발열성 전자소자가 상기 냉각수 유동 블록 하부의 실장공간에 상기 냉각수 유동 블록 하부면과 인접하거나 적어도 일부가 접하도록 배치될 수 있다.

그리고 본 발명에 적용된 상기 히팅 유닛은, 서로 이격된 하부 밀봉판과 상부 커버, 상기 하부 밀봉판에 결합되어 구속되는 상기 제1 발열체, 상기 하부 밀봉판과 상부 커버에 일단과 대향부 타단이 결합되어 구속되는 복수의 제2 발열체로 구성될 수 있다.

여기서, 상기 제1 발열체는 냉각수 챔버의 중심부에 배치되고, 상기 복수의 제2 발열체는 제1 발열체와 간격을 두고 상기 제1 발열체 주변을 에워싸는 구조로 배치될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 발열체는 코일 모양의 금속 보호관 내부에 전열선이 내장된 시즈히터(Sheath heater)이고, 상기 제2 발열체는 온도변화에 비례하여 저항이 가변되는 PTC 서미스터를 이용한 PTC 히터일 수 있다

그리고 상기 제2 발열체 각각은, 상기 제1 발열체의 외면부와 마주하는 평평한 면의 중심을 지나는 수직선이 제1 발열체 중심을 향하도록 상기 제1 발열체의 주변에 균등 간격으로 배치될 수 있다.

또한 상기 제어기는, 장치 초기 구동 시 설정된 목표 온도(Target temperature)까지는 상기 제1 발열체만으로 냉각수의 온도를 상승시키고, 냉각수 온도가 상기 목표 온도에 도달하는 순간 제1 발열체를 스위치 오프(Switch-off)하고 제2 발열체를 스위치 온(Switch-on)시켜 냉각수 온도를 상기 목표 온도로 유지시킬 수 있다.

여기서 상기 제어기는, 장치 구동 중 냉각수 온도가 목표 온도 이하로 떨어지면, 상기 제1 발열체를 스위치 온(Switch-on)시켜 냉각수 온도를 신속하게 목표 온도까지 다시 끌어올리는 제어를 행할 수 있다.

상기 제어기는 바람직하게, 온도변화에 비례하여 저항이 가변되는 PTC 서미스터 특성을 갖는 상기 제2 발열체의 저항으로부터 냉각수 챔버 내부를 순환하는 냉각수 온도를 추출하는 온도 추출부와, 상기 온도 추출부의 출력을 바탕으로 상기 제1 발열체와 제2 발열체 중 적어도 하나를 피드백 제어하여 냉각수 온도를 목표 온도로 유지시키는 제어부를 포함할 수 있다.

그리고, 냉각수 입구를 통해 냉각수 챔버로 유입된 냉각수가 회전유동을 통해 보다 긴 시간 동안 냉각수 챔버 내에 체류하면서 열교환을 할 수 있도록, 상기 냉각수 입구와 냉각수 출구가 상기 냉각수 챔버의 외면 하부와 상부에 접선방향으로 구비될 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 냉각수 가열장치에 의하면, 2종의 전기 열원(전기 저항성 제1 발열체와 서미스터형 제2 발열체)을 이용한 방식으로, 냉간 운전 시 초기에 시스템이 성능을 효율적으로 발휘할 수 있는 온도 범위까지 냉각수 온도를 신속히 끌어올릴 수 있고, 목표 온도 도달 시점부터는 복잡한 제어 없이도 적정 온도 제어가 가능하다.

또한, 목표 온도에 도달한 시점부터는 제2 발열체(PCT 히터)가 온도 변화에 따라 자체적으로 전류의 양을 조절하여 적정 온도를 유지시키기 때문에, 냉각수 과열이나 냉각수 부족으로 인한 폭발이나 화재의 위험이 없어 안전성을 확보할 수 있으며, 컷-오프 휴즈(Cut-off Fuse)와 같은 별도의 안전장치도 요구되지 않는 장점이 있다.

또한, 온도 구간에 따라 2종의 열원을 선택적으로 운용하는 구성이기 때문에, 전력 소모가 큰 종래 시즈히터 단일 열원 방식에 비해 전력의 효율적인 운용도 가능하며, 서미스터형 제2 발열체의 발열 저항 특성을 이용한 온도센싱 기능을 갖춤으로써, 별도의 온도센서 없이도 정밀한 온도 제어(피드백 제어)가 가능하다.

또한, IGBT와 같은 고발열성 전자소자가 하우징에 일체로 구성되는 냉각수 유동 블록 하부면과 인접하거나 적어도 일부가 접하도록 배치되는 기구적인 구성에 의하여, 별도의 방열수단 없이도 상기 고발열성 전자소자에 대한 효과적인 냉각이 구현될 수 있고, 반대로 냉각수 입장에서는 전자소자로부터 열을 흡수하기 때문에 예열시키는 효과가 있다.

또한, 냉각수 입구와 출구는 냉각수 챔버의 외면 하부와 반대편 상부에 접선방향으로 형성되는 기구적인 구성으로 인해, 냉각수 챔버 내 냉각수 회전 유동이 발생하고, 이에 따라 냉각수가 냉각수 챔버에 머무르는 시간이 길어져 그만큼 더 많은 열을 흡수하게 됨으로써 에너지 효율 측면에서도 유리하다는 장점이 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 냉각수 가열장치의 사시도.
도 2는 도 1a 및 도 1b에 도시된 차량용 냉각수 가열장치의 분해 사시도.
도 3은 도 1a에 도시된 차량용 냉각수 가열장치를 A-A선 방향에서 바라본 단면도.
도 4는 도 1a에 도시된 차량용 냉각수 가열장치를 B-B선 방향에서 바라본 단면도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 냉각수 가열장치에 적용되는 히팅 유닛의 정면도(도 5의 (a)) 및 평면도(도 5의 (b)).
도 6은 히팅 유닛을 구성하는 2종 발열체의 작동 구간을 설명하기 위한 예시도.
도 7은 PTC 서미스터 저항-온도 특성을 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 냉각수 가열장치를 개략 도시한 블록 구성도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에서 "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.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

더하여, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일도면 참조부호를 부여하기로 하며 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 냉각수 가열장치의 사시도이며, 도 2는 도 1a에 도시된 차량용 냉각수 가열장치의 분해 사시도이다. 그리고 도 3 도 1a 에 도시된 차량용 냉각수 가열장치를 A-A선 방향에서 바라본 단면도이며, 도 4는 도 1a에 도시된 차량용 냉각수 가열장치를 B-B선 방향에서 바라본 단면도이다.

도 1a 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 냉각수 가열장치는, 2종의 전기 열원(전기 저항성 제1 발열체(44)와 서미스터형 제2 발열체(46))을 이용하여 냉각수에 열을 가하는 장치로서, 내부에 부품을 실장할 수 있는 공간(이하, '실장공간(12)'이라 함)을 갖는 열전도성 금속 재질의 하우징(10)과, 상기 하우징(10) 상부면에 장착되는 냉각수 챔버(30)를 포함한다.

하우징(10)은 도면(도 2 참조)의 예시와 같이 하부가 개방되고 내부가 비어 있는 직육면체 모양의 박스형 구조체일 수 있다. 하우징(10)은 그 하부에서 결합되는 하부 커버(11)와 함께 상기 실장공간(12)을 형성시키며, 하우징(10)과 상기 하부 커버(11)의 결합으로 형성되는 밀폐된 실장공간(12)에는 외부에서 입력되는 구동 명령에 따라 후술할 히팅 유닛(40)의 작동을 제어하는 제어기(20)가 설치된다.

하우징(10)의 일측에는 냉각수 유동 블록(13)이 일체로 구성된다. 냉각수 유동 블록(13)에는 직선상의 냉각수 채널(14)이 형성된다. 냉각수 채널(14)은 상기 냉각수 챔버(30)에 냉각수가 유입될 수 있도록 상기 냉각수 챔버(30)의 냉각수 입구(32)와 연결된다. 이에 따라 냉각수가 상기 냉각수 유동 블록(13)의 냉각수 채널(14)과 냉각수 입구(32)를 거쳐 상기 냉각수 챔버(30)로 유입될 수 있다.

하우징(10)에 실장되는 제어기(20)는 외부 전원(예컨대, 배터리)과 상기 히팅 유닛(40) 간 신호 전달과 전원 공급을 매개하고, 히팅 유닛(40)을 제어하는 복수의 전자소자 및 이를 실장한 기판(22)을 포함할 수 있다. 제어기(20)를 구성하는 복수의 전자소자 중 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 고발열성 전자소자(24)는 상기 냉각수 유동 블록(13) 하부의 실장공간(12)에 배치될 수 있다.

도 3 내지 도 4와 같이, IGBT와 같은 고발열성 전자소자(24)는 상기 냉각수 유동 블록(13) 하부면과 인접하거나 적어도 일부가 접하도록 배치될 수 있다. 이 경우 냉각수 유동 블록(13) 내부를 흐르는 냉각수의 냉각작용으로 별도의 방열수단 없이도 상기 고발열성 전자소자(24)에 대한 효과적인 냉각이 구현되고, 반대로 냉각수 입장에서는 전자소자로부터 열을 흡수하기 때문에 예열이 되는 효과가 있다.

냉각수 챔버(30)는 상기 하우징(10)의 상부면에 장착된다. 냉각수 챔버(30)는 도면의 예시와 같이 원통 모양으로 형성될 수 있으며, 후술할 히팅 유닛(40)이 내부 공간에 배치된다. 냉각수 챔버(30)의 일측에는 상기 냉각수 채널(14)과 연결되는 냉각수 입구(32)가 형성된다. 그리고 냉각수 입구(32)에서 소정 높이로 이격된 타측에는 가열된 냉각수가 빠져나가는 냉각수 출구(34)가 형성된다.

냉각수 입구(32)를 통해 냉각수 챔버(30) 내부로 냉각수가 유입되고, 유입된 냉각수는 냉각수 챔버(30) 내부를 특정 방향으로 유동하면서 발열체를 포함하는 상기 히팅 유닛(40)에 의해 가열된다. 그리고 가열된 냉각수는 상기 냉각수 출구(34) 및 이에 연결되는 전용 호스(hose)나 관(pipe)을 통해 수요처(실내 난방, 배터리 또는 연료전지)에 공급됨으로써 필요한 일을 하게 된다.

냉각수 입구(32)를 통해 냉각수 챔버(30) 내부로 유입된 냉각수가 냉각수 챔버(30) 내에서 회전 유동을 하면, 냉각수 챔버(30)에 머무르는 시간이 길어져 그만큼 더 많은 열을 흡수할 수 있다. 이에 냉각수 챔버(30) 내부로 유입된 냉각수가 냉각수 챔버(30) 내에서 회전 유동을 하도록, 상기 냉각수 입구(32)와 출구는 냉각수 챔버(30)의 외면 하부와 반대편 상부에 접선방향으로 형성될 수 있다.

냉각수 챔버(30) 내부에는 앞서 언급한 히팅 유닛(40)이 설치된다. 히텅 유닛은 하우징(10) 내부에 실장되는 전술한 제어기(20)에 전기적으로 연결되며, 제어기(20)의 통제를 받아 작동되어 상기 냉각수 챔버(30) 내부를 회전 유동하는 상기 냉각수에 열을 가해 승온시키는 역할을 한다. 본 발명에 적용된 히팅 유닛(40)은 2종의 열원, 즉 2종의 발열체를 포함하는 구성일 수 있다.

히팅 유닛(40)을 구성하는 2종 발열체 중 하나는 코일 모양의 전기 저항성 발열체(인가되는 전류의 크기에 발열량이 비례하는 전기 저항성 발열체, 이하, '제1 발열체(44)'라 함)이며, 다른 하나는 적어도 둘 이상 복수의 얇고 긴 막대 모양의 서미스터형 발열체(온도변화에 따라 저항이 가변되는 발열체, 이하, '제2 발열체(46)'라 함)일 수 있다.

도 1 내지 도 2에서 미설명 도면부호 31과 35는 각각, 상기 냉각수 채널(14)의 입구 측에 연결되는 인렛 파이프와 상기 냉각수 출구(34)에 연결되는 아웃렛 파이프를 가리킨다. 그리고 36은 냉각수 챔버(30)의 상단 개구를 덮어 내구 공간을 밀페시키는 밀봉 덮개를 가리킨다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 냉각수 가열장치에 적용되는 히팅 유닛(40)를 도시한 정면도(도 5의 (a)) 및 평면도(도 5의 (b))이다.

도 5 및 앞선 도 2를 함께 참조하면, 본 발명에 적용되는 히팅 유닛(40)은, 도면상 상하 방향으로 소정의 거리를 두고 서로 이격되는 하부 밀봉판(42) 및 상부 커버(48)와, 상기 하부 밀봉판(42)에 결합되어 구속되는 상기 제1 발열체(44)를 포함한다. 그리고 상기 하부 밀봉판(42)과 상부 커버(48)에 일단과 대향부 타단이 결합되어 구속되는 복수의 상기 제2 발열체(46)를 구비한다.

제1 발열체(44)는 코일 모양의 금속 보호관 내부에 전열선이 내장된 시즈히터(Sheath heater)일 수 있고, 제2 발열체(46)는 온도변화에 비례하여 저항이 가변되는, 좀 더 구체적으로 온도가 상승하면 비례하여 저항이 커지고, 반대로 온도가 내려가면 온도에 비례하여 저항이 작아지는 PTC 서미스터(Positive Temperature Coefficient-thermistor)를 이용한 PTC 히터일 수 있다

제1 발열체(44)의 상기 전열선은 예를 들어, 니크롬선(Ni-Cr Wire)일 수 있고, 금속 보호관과의 사이에 상기 전열선을 외부와 전기적으로 절연시키는 절연물질, 예컨대 마그네슘 산화물(Magnesium Oxide)을 채운 구성일 수 있다. 이러한 제1 발열체(44)는 양단에 형성된 단자부(부호 생략)가 하부 밀봉판(42)을 관통하여 제어기(20)에 전기적으로 연결될 수 있다.

제2 발열체(46)는 상하 또는 좌우로 대면 배치된 양극단자와 음극단자 사이에 복수의 실장면이 형성된 절연 지지체가 개재되되, 상기 절연 지지체의 실장면 각각에 대응하여 복수의 PTC 소자가 실장되고 절연층으로 에워싸인 공지의 구성일 수 있으며, 도면의 예시와 전체적인 모양이 얇고 긴 직사각형 모양의 판상체 형태로 구성될 수 있다.

제2 발열체(46)는 일단(도면상 하단)에 한 쌍의 단자부(부호 생략)를 구비하며, 상기 한 쌍의 단자부가 상기 하부 밀봉판(42)을 관통하여 하우징(10)에 실장되는 상기 제어기(20)에 전기적으로 연결됨으로써 제어기(20)의 통제를 받아 발열량이 조절되는 구성일 수 있다. 이때 복수의 제2 발열체(46) 각각은 제어기(20)의 동제로 개별적으로 작동되거나 일괄적으로 작동될 수 있다.

두 발열체의 배치에 있어서는, 냉각수 챔버(30)의 중심부에 제1 발열체(44)를 배치하고, 복수의 제2 발열체(46)가 제1 발열체(44)와 간격을 두고 상기 제1 발열체(44) 주변을 에워싸도록 배치할 수 있다. 물론 이에 한정되는 것은 아니며, 반대로 복수의 제2 발열체(46)가 안쪽으로 위치하고 제2 발열체(46)를 내부에 수용하는 형태로 제1 발열체(44)가 상대적으로 바깥쪽에 위치하는 배열도 가능하다.

도면과 같은 배치에서, 제2 발열체(46)의 평평한 면이 냉각수 회전 유동 방향과 최대한 근접할 경우 회전 유동에 대한 저항성이 줄어 냉각수가 원활하게 유동될 수 있다. 이에 제2 발열체(46) 각각은, 제1 발열체(44)의 외면부와 마주하는 평평한 면의 중심을 지나는 수직선이 제1 발열체(44) 중심을 향하도록 상기 제1 발열체(44)의 주변에 균등 간격으로 배치함이 바람직하다.

도면에는 4개의 제2 발열체(46)가 서로 마주하는 것끼리 제1 발열체(44)를 사이에 두고 대면하면서, 이웃하는 제1 발열체(44) 간 간격이 동일하게 형성된 구성을 예를 들어 도시하고 있다. 그러나 이는 어디까지나 본 발명의 이해를 돕기 위한 하나의 예시일 뿐, 제2 발열체(46)의 개수나 간격이 도면과 같은 특정 개수나 간격으로 한정되는 것은 아니다.

바람직하게는 도 5의 (b)와 같이, 냉각수 채널(14)의 길이 방향 중심선(CL1)이 제1 발열체(44)와 제2 발열체(46) 사이를 통과하도록 구성될 수 있다. 즉 도면과 같이 D3>D2>D1가 되도록 구성될 수 있다. 그리고 복수의 제2 발열체(46) 중 냉각수 채널(14)과 가장 인접한 제2 발열체(46-1)는 상기 길이 방향 중심선(CL1)과 평행을 이루도록 배치될 수 있다.

이처럼 냉각수 채널(14)의 길이 방향 중심선(CL1)이 제1 발열체(44)와 제2 발열체(46) 사이의 공간을 통과하고, 복수의 제2 발열체(46) 중 냉각수 채널(14)과 가장 인접한 제2 발열체(46-1)는 상기 길이 방향 중심선(CL1)과 평행을 이루도록 배치하면, 열전달 효율은 높이면서도 유동 저항은 크게 줄일 수 있어 에너지 효율이 더욱 향상될 수 있다.

참고로, 앞서 언급된 용어 중 D1은 냉각수 챔버(30)의 중심에서 제1 발열체 외면부까지의 거리이고, D2는 냉각수 챔버(30)의 중심에서 상기 길이 방향 중심선(CL1) 사이의 최단 거리를 가리킨다. 그리고 D3는 냉각수 챔버(30)의 중심에서 제2 발열체(46-1)의 내측 면까지의 거리를 의미한다.

한편, 하우징(10) 내부에 설치되는 제어기(20)는 외부에서 입력되는 구동 명령에 따라 상기 히팅 유닛(40)의 작동을 제어한다. 구동 명령은 하우징(10) 측면부를 관통해 외부로 노출되는 시그널 커넥터(21, 도 1 및 도 2 참조)를 통해 제어기(20)에 입력된다. 그리고 히팅 유닛(40)을 작동시키는 전원은 상기 시그널 커넥터 인접 측부의 고전압 커넥터(23)를 통해 제어기(20)로 입력될 수 있다.

시스히터와 같은 전기 저항성 발열체(제1 발열체(44))는 인가되는 전류의 크기에 비례하여 발열되는 특성이 있다. 따라서 빠른 시간에 높은 온도(약 500 ~ 600℃)까지 발열될 수 있으나, 냉각수가 과열되거나 냉각수가 부족할 경우 폭발이나 화재가 발생할 우려가 있다. 이 때문에 종래 시즈히터 방식에는 소모품인 컷-오프 휴즈(Cut-off Fuse)와 같은 별도의 안전장치를 필요로 한다.

반면, PTC 히터와 같은 서미스터형 발열체(제2 발열체(46))는 동일 전압 기준으로 전기 저항성 발열체에 비해 상승 최대 온도(약 200℃)도 낮고 발열 속도도 떨어진다. 그런데 온도가 적정 이상으로 올라가면 저항이 함께 커지면서 전류의 양을 감소시켜 온도를 낮추고, 온도가 낮아지면 저항이 낮아져 전류의 양을 증가시켜 다시 발열되는 특성 때문에 화재의 위험이 없다.

따라서 이러한 발열체 각각이 가진 특성 중 장점 부분을 적극적으로 활용할 수 있는 제어 프로그램을 제어기(20)에 반영하면, 보다 효율적인 시스템(난방 시스템이나 배터리 혹은 연료전지 온도 제어 시스템) 운용이 가능해진다. 이에 상기 제어기(20)에는 2종의 발열체를 상황에 따라 택일적 또는 병행적으로 작동시켜 시스템 효율을 향상시키는 제어 프로그램이 저장될 수 있다.

제어 프로그램은 도 6과 같이, 장치 초기 구동 시 설정된 목표 온도(Target temperature)까지는 상기 제1 발열체(44) 작동만으로 냉각수의 온도를 빠르게 상승시키고, 냉각수 온도가 상기 목표 온도에 도달하면 제1 발열체(44)를 스위치 오프(Switch-off)하고 제2 발열체(46)를 스위치 온(Switch-on)시켜 냉각수 온도를 상기 목표 온도로 유지시킬 수 있도록 프로그래밍된 프로그램일 수 있다.

이와 같은 제어 프로그램에 의하면, 동절기 냉간 운전 시 초기에 상기 시스템이 성능을 효율적으로 발휘할 수 있는 온도 범위까지 냉각수 온도를 신속히 끌어올릴 수 있고, 목표 온도 도달 시점부터는 PTC 서미스터 특유의 저항 가변 특성을 이용하여 복잡한 제어 없이도 적정 온도 제어가 가능하고, 냉각수 과열 또는 냉각수 부족으로 인한 폭발이나 화재를 방지할 수 잇다.

제어기(20)에 저장된 제어 프로그램에는, 장치 구동 중 급격한 외부 환경 변화 등에 의해 냉각수의 온도가 목표 온도 이하로 떨어진 경우, 제2 발열체(46)가 구동 중인 상태에서 추가적으로 상기 제1 발열체(44)를 스위치 온(Switch-on)시켜 냉각수 온도를 신속하게 목표 온도까지 다시 끌어올릴 수 있도록 설정된 프로그램을 더 포함할 수 있다.

PTC 서미스터는 앞서도 언급했듯이, 온도가 적정 온도 이상으로 올라가면 저항이 함께 커지고, 반대로 적정 온도 이상의 구간에서 온도가 내려가면 저항이 작아지는 특성이 있다(도 7에 도시된 PTC 서미스터 저항-온도 특성 그래프의 점선 박스부분 참조). 이러한 PTC 서미스터의 가변 저항 특성을 이용하면, 냉각수 챔버(30) 내 냉각수의 온도 측정도 가능해 별도의 온도 센서가 필요 없게 된다.

이에 본 발명에 적용된 제어기(20)는 도 8의 블록 구성도와 같이, 온도변화에 비례하여 저항이 가변되는 PTC 서미스터 특성을 갖는 제2 발열체(46)의 저항으로부터 냉각수 챔버(30) 내 냉각수 온도를 추출하는 온도 추출부(26)와, 온도 추출부(26)의 출력을 바탕으로 제1 발열체(44)와 제2 발열체(46) 중 적어도 하나를 피드백 제어하여 냉각수 온도를 목표 온도로 유지시키는 제어부(28)를 포함할 수 있다.

여기서, 온도 추출부(26)는 바람직하게, 장치 구동 중 제2 발열체(46)의 저항을 실시간으로 읽어 들여 수치로 변환하는 저항 인식부(260)와, 기 저장된 데이터 맵(저항-온도 데이터 맵)을 이용하여 저항 인식부(260)에서 수치화된 저항값이 입력되면 사전에 해당 저항값에 매칭되도록 설정된 온도값을 출력으로 결정하는 온도 데이터 출력부(262)로 구성될 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 냉각수 가열장치에 의하면, 2종의 전기 열원(전기 저항성 제1 발열체와 서미스터형 제2 발열체)을 이용한 방식으로, 냉간 운전 시 초기에 시스템이 성능을 효율적으로 발휘할 수 있는 온도 범위까지 냉각수 온도를 신속히 끌어올릴 수 있고, 목표 온도 도달 시점부터는 복잡한 제어 없이도 적정 온도 제어가 가능하다.

또한, 목표 온도에 도달한 시점부터는 제2 발열체(PCT 히터)가 온도 변화에 따라 자체적으로 전류의 양을 조절하여 적정 온도를 유지시키기 때문에, 냉각수 과열이나 냉각수 부족으로 인한 폭발이나 화재의 위험이 없어 안전성을 확보할 수 있으며, 컷-오프 휴즈(Cut-off Fuse)와 같은 별도의 안전장치도 요구되지 않는 장점이 있다.

또한, 온도 구간에 따라 2종의 열원을 선택적으로 운용하는 구성이기 때문에, 전력 소모가 큰 종래 시즈히터 단일 열원 방식에 비해 전력의 효율적인 운용도 가능하며, 서미스터형 제2 발열체의 발열 저항 특성을 이용한 온도센싱 기능을 갖춤으로써, 별도의 온도센서 없이도 정밀한 온도 제어(피드백 제어)가 가능하다.

또한, IGBT와 같은 고발열성 전자소자가 하우징에 일체로 구성되는 냉각수 유동 블록 하부면과 인접하거나 적어도 일부가 접하도록 배치되는 기구적인 구성에 의하여, 별도의 방열수단 없이도 상기 고발열성 전자소자에 대한 효과적인 냉각이 구현될 수 있고, 반대로 냉각수 입장에서는 전자소자로부터 열을 흡수하기 때문에 예열시키는 효과가 있다.

또한, 냉각수 입구와 출구는 냉각수 챔버의 외면 하부와 반대편 상부에 접선방향으로 형성되는 기구적인 구성으로 인해, 냉각수 챔버 내 냉각수 회전 유동을 발생시키고, 이에 따라 냉각수가 냉각수 챔버에 머무르는 시간이 길어져 그만큼 더 많은 열을 흡수하게 됨으로써 에너지 효율 측면에서도 유리하다는 장점이 있다.

또한, 특유의 제1 발열체와 제2 발열체의 구조와 배치로 인해, 열전달 효율은 높이면서, 회전 유동하는 냉각수의 유동 저항은 줄일 수 있으며, 결과적으로는 냉각수를 순환 유동시키기 위한 구동력을 발생시키는 펌프(미도시)의 요구 동력을 줄이는 효과도 기대할 수 있다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 하우징 12 : 실장공간
13 : 냉각수 유동 블록 14 : 냉각수 채널
20 : 제어기 21 : 시그널 커넥터
22 : 기판 23 : 고전압 커넥터
24 : 고발열성 전자소자 26 : 온도 추출부
28 : 제어부 30 : 냉각수 챔버
32 : 냉각수 입구 34 : 냉각수 출구
40 : 히팅 유닛 42 : 하부 밀봉판
44 : 제1 발열체 46 : 제2 발열체
48 : 상부 커버 260 : 저항 인식부
262 : 온도 데이터 추출부

Claims (10)

1. 제어기를 내부 실장공간에 실장하는 하우징;
   냉각수 입구와 냉각수 출구를 구비하며 상기 하우징의 상부에 설치되는 냉각수 챔버;
   상기 제어기와 전기적으로 연결되도록 상기 냉각수 챔버의 내부에 설치되는 히팅 유닛;을 포함하며,
   상기 히팅 유닛은,
   전기 저항성 제1 발열체와,
   적어도 둘 이상의 서미스터형 제2 발열체와,
   서로 이격된 하부 밀봉판 및 상부 커버를 포함하고,
   상기 제1 발열체는 상기 하부 밀봉판에 결합되어 구속되고,
   상기 제2 발열체는 상기 하부 밀봉판과 상부 커버에 일단과 대향부 타단이 결합되어 구속되는 차량용 냉각수 가열장치.
   
2. 제어기를 내부 실장공간에 실장하는 하우징;
   냉각수 입구와 냉각수 출구를 구비하며 상기 하우징의 상부에 설치되는 냉각수 챔버;
   상기 제어기와 전기적으로 연결되도록 상기 냉각수 챔버의 내부에 설치되는 히팅 유닛;을 포함하며,
   상기 히팅 유닛은 전기 저항성 제1 발열체와 적어도 둘 이상의 서미스터형 제2 발열체를 포함하고,
   상기 제1 발열체가 상기 냉각수 챔버의 중심부에 배치되고,
   상기 둘 이상의 제2 발열체는 상기 제1 발열체와 간격을 두고 상기 제1 발열체 주변을 에워싸는 구조로 배치되는 차량용 냉각수 가열장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 냉각수 입구와 연결되며 냉각수 채널을 구비하는 냉각수 유동 블록을 더 포함하며,
   상기 제어기는 기판과 기판 상에 실장되는 복수의 전자소자를 포함하여 구성되고,
   상기 복수의 전자소자 중 일부가 상기 냉각수 유동 블록 하부의 실장공간에 상기 냉각수 유동 블록 하부면과 인접하거나 적어도 일부가 접하도록 배치되고,
   상기 냉각수 유동 블록은 상기 하우징의 일측에 일체로 구성되는 차량용 냉각수 가열장치.
   
4. 삭제
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 발열체는 코일 모양의 금속 보호관 내부에 전열선이 내장된 시즈히터(Sheath heater)이고,
   상기 제2 발열체는 온도변화에 비례하여 저항이 가변되는 PTC 서미스터를 이용한 PTC 히터인 차량용 냉각수 가열장치.
   
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 제2 발열체 각각은,
   상기 제1 발열체의 외면부와 마주하는 평평한 면의 중심을 지나는 수직선이 제1 발열체 중심을 향하도록 상기 제1 발열체의 주변에 균등 간격으로 배치되는 차량용 냉각수 가열장치.
   
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제어기는,
   장치 초기 구동 시 설정된 목표 온도(Target temperature)까지는 상기 제1 발열체만으로 냉각수의 온도를 상승시키고,
   냉각수 온도가 상기 목표 온도에 도달하는 순간 제1 발열체를 스위치 오프(Switch-off)하고 제2 발열체를 스위치 온(Switch-on)시켜 냉각수 온도를 상기 목표 온도로 유지시키는 차량용 냉각수 가열장치.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 제어기는,
   장치 구동 중 냉각수 온도가 목표 온도 이하로 떨어지면, 상기 제1 발열체를 스위치 온(Switch-on)시켜 냉각수 온도를 신속하게 목표 온도까지 다시 끌어올리는 차량용 냉각수 가열장치.
   
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제어기는,
   온도변화에 비례하여 저항이 가변되는 PTC 서미스터 특성을 갖는 상기 제2 발열체의 저항으로부터 냉각수 챔버 내부를 순환하는 냉각수 온도를 추출하는 온도 추출부와,
   상기 온도 추출부의 출력을 바탕으로 상기 제1 발열체와 제2 발열체를 제어하는 제어부를 구성되고,
   상기 제어부는 장치 초기 구동 시 제1 발열체로 냉각수의 온도를 설정된 목표 온도까지 상승시키고, 냉각수가 목표 온도에 도달하면 제2 발열체로 목표 온도를 유지시키도록 제어하는 차량용 냉각수 가열장치.
   
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각수 입구와 냉각수 출구가 상기 냉각수 챔버의 외면 하부와 상부에 접선방향으로 구비되는 차량용 냉각수 가열장치.

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