KR102511975B1 - 전기 자동차용 히터 - Google Patents

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KR102511975B1
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electric vehicle
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heating
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이재욱
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주식회사 할크
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Abstract

본 발명은 실내로 공기를 공급하는 덕트에 설치되며, 중심에 공기가 흘러가는 공기 유동 공간을 정의하도록 상기 공기 유동 공간의 둘레에 형성되는 지지체; 및 상기 공기 유동 공간을 가로질러 상기 지지체의 일측과 타측에 각각 결합되는 발열체를 포함하고, 상기 발열체는 기판; 상기 기판의 일면을 덮는 절연층; 상기 절연층에 적층되는 발열부; 및 상기 발열부를 덮는 보호층을 포함하고, 상기 발열체는 복수로 구비되어, 복수의 상기 발열체는 상기 공기 유동 공간을 복수의 영역으로 구획하도록 서로 이격되게 설치되는 전기 자동차용 히터를 개시한다.

Description

전기 자동차용 히터{HEATER FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기 자동차에 사용되어 에너지를 절감할 수 있는 전기 자동차용 히터에 관한 것이다.
내연기관에서 발생하는 열을 이용하여 차량의 실내를 난방하는 내연기관 자동차와 달리 전기 자동차에는 별도의 열원이 없다. 따라서 전기 자동차에는 차량의 실내를 난방하기 위한 열원이 필요하다.
현재 상용화되어 있는 전기 자동차에는 주로 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터가 이용된다. 예컨대 공개특허공보 제10-2019-0056468호(2019.05.27.)에는 PTC 전기 자동차용 히터가 개시되어 있다. PTC 히터는 생산 공정이 비교적 어렵지 않으며, 쉽게 가열되는 장점을 가지고 있지만, 소비 전력이 높은 단점을 가지고 있다.
예컨대 겨울철 실외 온도가 영하인 상태에서 PTC 히터를 작동하게 되면 전기 자동차 배터리의 최대 40%까지 난방에 사용되는 것으로 알려져 있다. 이로 인해 겨울철에는 1회 충전에 따른 전기 자동차의 주행 가능 거리가 매우 짧아진다.
배터리를 동력으로 하는 전기 자동차는 에너지 효율을 높여 1회 충전으로 주행 가능 거리를 늘리는 에너지 효율이 중요하다. 그러한 관점에서 PTC 히터와 같이 에너지 효율이 낮은 난방 장치는 개선되어야 할 점이 많다.
이 외에도 히트펌프를 사용하거나, 연료전지 차량의 연료전지 스택에서 배출되는 냉각수를 가열하는 방식도 제안되었다. 히트펌프란 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방장치로 냉방과 난방을 겸용하는 구조로 되어 있다.
히트펌프는 PTC 히터에 비해 에너지 효율에서 장점이 있으나, 외기 온도가 매우 저온인 상태에서는 냉매의 밀도 축소로 인하여 압축기로 유입되는 냉매 즉, 저온 저압의 기체 상태 냉매 유입량이 줄어들어서, 난방용량이 축소되는 문제, 영하의 날씨에서 실외 열교환기의 응축수 빙결로 인한 착상 문제 등 개선해야 할 문제가 여전히 존재한다.
따라서, PTC 히터와 히트 펌프의 낮은 에너지 효율을 극복하여 추운 날씨에도 우수한 난방용량을 제공하면서도 전기 자동차의 에너지를 절약할 수 있는 기술에 대한 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 첫 번째 목적은, 종래의 전기 자동차용 히터에 비해 에너지 효율을 향상시킬 수 있으며, 난방 능력 부족이나 응축수 빙결 등의 문제가 없는 전기 자동차용 히터를 제공하는 것이다.
본 발명의 두번째 목적은 추운 날씨에서도 전기 자동차의 배터리 소모를 최소화할 수 있는 전기 자동차용 히터를 제공하는 것이다.
본 발명의 세번째 목적은 가볍고 콤팩트한 구조로 이루어져 있어서, 전기차에 설치와 유지, 보수가 용이한 전기 자동차용 히터를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 첫 번째 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 실내로 공기를 공급하는 덕트 등에 설치되며, 중심에 공기가 흘러가는 공기 유동 공간을 정의하도록 상기 공기 유동 공간의 둘레에 형성되는 지지체 및 상기 공기 유동 공간을 가로질러 상기 지지체의 일측과 타측에 각각 결합되는 발열체를 포함하고, 상기 발열체는 기판; 상기 기판의 일면을 덮는 절연층; 상기 절연층에 적층되는 발열부; 및 상기 발열부를 덮는 보호층을 포함하고, 상기 발열체는 복수로 구비되어, 복수의 상기 발열체는 상기 공기 유동 공간을 복수의 영역으로 구획하도록 서로 이격되게 설치되는 전기 자동차용 히터를 개시한다.
상기 전기 자동차용 히터는 상기 발열체와 교차하는 방향으로 연장되어 상기 공기 유동 공간을 분할하도록 상기 지지체에 결합되는 히트싱크를 더 포함한다.
상기 히트싱크는 적어도 2개가 서로 이격된 위치에 각각 설치될 수 있다.
상기 히트싱크는 단면상으로 물결 형상의 주름이 형성된 구조로 형성되거나 표면이 엠보싱 처리된 패널 형태로 이루어질 수 있다.
상기 히트싱크는 적어도 일면에 상기 공기 유동 공간의 공기 이동방향과 나란한 방향으로 연장되는 슬릿이 형성될 수 있다.
상기 기판에는 복수의 홀과 복수의 돌기 중 적어도 한 종류가 형성되고, 상기 복수의 홀 또는 상기 복수의 돌기는 일 방향을 따라 연장되도록 형성되고, 상기 복수의 홀끼리 또는 상기 복수의 돌기끼리는 서로 이격된 위치에 형성될 수 있다.
상기 전기 자동차용 히터는 상기 덕트 또는 전기 자동차의 실내에 설치를 위한 고정용 클립을 더 구비하는 것에 의해 달성될 수 있다.
상기 전기 자동차용 히터는 중심에 관통홀이 형성되고, 상기 전기 자동차용 히터가 상기 관통홀을 커버하며 결합되도록 하는 지지대가 형성된 고정 프레임을 더 포함한다.
상기 전기 자동차용 히터는 상기 고정 프레임을 통해 전기 자동차의 덕트 또는 실내에 설치될 수 있다.
아울러, 본 발명은 제1 히터; 상기 제1 히터와 전기 자동차의 실내 공간이 연통되도록 연결하는 덕트; 및 상기 덕트의 내부 또는 상기 전기 자동차의 실내 공간에서 상기 제1 히터의 하류측에 설치되는 제2 히터를 포함하고, 상기 제2 히터는, 실내로 공기를 공급하는 덕트에 설치되며, 중심에 공기가 흘러가는 공기 유동 공간을 정의하도록 상기 공기 유동 공간의 둘레에 형성되는 지지체; 및 상기 공기 유동 공간을 가로질러 상기 지지체의 일측과 타측에 각각 결합되는 발열체를 포함하고, 상기 발열체는, 기판; 상기 기판의 일면을 덮는 절연층; 상기 절연층 에 적층되는 발열부; 및 상기 발열부를 덮는 보호층을 포함하고, 상기 발열체는 복수로 구비되어, 복수의 상기 발열체는 상기 공기 유동 공간을 복수의 영역으로 구획하도록 서로 이격되게 설치되는 전기 자동차용 난방 시스템을 개시한다.
상술한 해결수단을 통해 얻게 되는 본 발명의 효과는 다음과 같다.
첫째, 본 발명은 지지체와 발열체로 이루어진 히터를 전기 자동차의 실내로 공기를 공급하는 덕트에 설치하여 종래의 전기 자동차용 히터에 비해 에너지 효율을 향상시킬 수 있으며, 난방 능력 부족이나 응축수 빙결 등의 문제가 없는 전기 자동차용 히터를 구현할 수 있다.
두번째, 히터의 발열체 주변에 히트싱크를 발열체와 교차되는 방향으로 연장되도록 설치하여 추운 날씨에서도 전기 자동차의 배터리 소모를 최소화하면서 우수한 난방 효율을 나타내도록 할 수 있다.
세번째, 지지체, 발열체 및 히트싱크로 이루어진 단순한 구조의 히터를 형성하여 가볍고 콤팩트한 구조의 히터를 구현할 수 있고, 전기차에 설치와 유지, 보수의 용이성을 제공할 수 있다.
도 1은 전기 자동차의 실내를 뒷좌석에서 바라본 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 히터가 제1 덕트에 설치된 상태의 정면 모습을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 히터에 고정 프레임이 설치되어 제1 덕트에 설치된 상태의 정면 모습을 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 히터에 고정 프레임이 설치되어 제2 덕트에 설치된 상태의 정면 모습을 나타낸 개념도이다.
도 5는 도 2 내지 도 4의 히터에서 발열체의 단면 모습을 나타낸 개념도이다.
도 6은 도 2의 히터에서 지지체에 3개의 발열체가 결합되어 있는 모습을 나타낸 개념도이다.
도 7은 도 2의 히터에서 지지체에 5개의 발열체가 결합되어 있는 모습을 나타낸 개념도이다.
도 8은 도 2의 히터에서 지지체에 3개의 발열체와 6개의 히트싱크가 결합되어 있는 모습을 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 히터가 보조 히터로 덕트에 설치된 경우, 메인 히터(main temp)만 작동시킨 경우와 메인 히터와 보조 히터(sub Temp)를 모두 작동시킨 경우의 전력량에 따른 전기 자동차 실내 온도 분포를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 관련된 전기 자동차용 히터에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 설명에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 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.
도 1은 전기 자동차의 실내를 뒷좌석에서 바라본 개념도이다.
전기 자동차(10)의 실내에는 다수의 송풍구(11)가 형성된다. 송풍구(11)는 운전대(12)의 주변, 글로브 박스(13)의 주변, 콘솔 박스(14)의 후면 등 다양한 위치에 형성될 수 있다. 상기 송풍구(11)에서 공급되는 풍량은 조작 패널에 구비되는 조절부(15)에 의해 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 전기 자동차용 히터는 송풍구(11)와 연결되는 유로의 내측에 적어도 하나씩 설치된다. 팬에 의해 바람이 송풍구(11)를 통해 차량의 실내로 공급되는 동안 히터가 가동되면, 공기가 히터에 의해 가열되어 고온의 바람이 차량의 실내로 공급될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 히터가 제1 덕트에 설치된 상태의 정면 모습을 나타낸 개념도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 히터에 고정 프레임이 설치되어 제1 덕트에 설치된 상태의 정면 모습을 나타낸 개념도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 히터에 고정 프레임이 설치되어 제2 덕트에 설치된 상태의 정면 모습을 나타낸 개념도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전기 자동차용 히터(100)는 지지체(110) 및 발열체(120)를 포함하는 것으로 구성된다.
지지체(110)는 전기 자동차의 실내로 공기를 공급하는 덕트(D1, D2)에 설치되며, 중심에 공기가 흘러가는 공기 유동 공간(AFS)을 정의하도록 상기 공기 유동 공간(ASF)의 둘레에 형성된다.
즉, 지지체(110)는 덕트(D1, D2)를 통해 공급되는 공기의 이동 공간을 일부 정의하는 것으로 형성되므로 도 2 내지 도 4에서와 같은 사각형 형상 이외에 예를 들어, 원형, 타원형, 직사각형, 'ㄱ자', 'ㄷ자' 등의 절곡된 형상, 삼각형, 오각형, 육각형 및 팔각형 등 중심에 공기가 흘러가는 공기 유동 공간(AFS)을 제공할 수 있는 형상이면 특별히 제한되지 않고 다양한 구조와 형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 지지체(110)는 덕트(D1, D2)의 단면 형상에 대응한 형상, 설치, 수리 및 교체의 편의성을 감안한 형상 등의 다양한 형상으로 변형되어 이루어질 수 있다.
참고로, 전기 자동차의 덕트(D1, D2)는 자동차 실내 공기조화를 위한 HVAC(Heating Ventilating Air Conditioning) 시스템의 일부로서, 히터나 냉각장치(미도시)에서 발생한 열이나 냉기가 차량의 실내로 유입되도록 하는 통로이다. 따라서, 이러한 덕트(D1, D2)의 형상은 도 2와 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 다양한 형상으로 이루어질 수 있으며, 차량 내부의 다른 부품 들과의 사이에 공간활용도 등을 고려하여 단면 형상 등이 다양하게 변형될 수 있다.
발열체(120)는 이러한 지지체(110)의 공기 유동 공간(AFS)를 가로질러, 지지체(110)의 일측과 타측에 각각 결합된다.
발열체(120)는 상기 공기 유동 공간(AFS)를 가로질러 지지체(110)에 결합되는 것이면, 구조나 형상이 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 플레이트 형상의 발열체(120)는 덕트(D1, D2) 내에서 지지체(110)의 공기 유동 공간(AFS)을 지나는 공기와의 접촉면적이 극대화되도록 하여 공기의 온도를 매우 효과적으로 상승시킬 수 있는 장점이 있다.
더욱이, 상기 발열체(120)는 복수로 구비되어, 상기 공기 유동 공간(AFS)을 복수의 영역으로 구획하도록 서로 이격되게 설치된다. 따라서, 이러한 복수의 발열체(120)에 의해 복수의 영역으로 구획된 공기 유동 공간(AFS)을 지나는 공기는 발열체(120)와의 접촉면적이 더욱 증가하여 온도 상승 효과가 더욱 극대화된다.
한편, 상기 히터(100)는 상기 발열체(120)와 교차하는 방향으로 연장되어 상기 공기 유동 공간(AFS)을 분할하도록 상기 지지체(110)에 결합되는 히트싱크(130)를 포함한다.
이러한 히트싱크(130)는 발열체(120)와의 접촉에 의해 발열체(120)의 열을 흡수하여 상기 공기 유동 공간(AFS)에 열에너지를 전달한다. 또한, 히트싱크(130)는 상기 발열체(120)에 의해 구획된 공기 유동 공간(AFS)을 더 세부적으로 분할하여 공기 유동 공간(AFS)를 지나는 공기와 히터(100)의 접촉 면적을 더욱 증가시킨다.
따라서, 히트싱크(130)는 상기 공기 유동 공간(AFS)이 발열체(120)와 히트싱크(130)에 의해 4면이 둘러싸인 세부 공간으로 분할되도록 하여 덕트(D1, D2) 내부를 유동하는 공기의 온도를 더욱 크게 상승시키는 역할을 하게 된다.
또한, 상기 히트싱크(130)는 상기 지지체(110)에 적어도 2개가 서로 이격된 위치에 각각 설치된다. 따라서, 이러한 적어도 2개가 서로 이격된 위치에 각각 설치된 히트싱크(130)는 상기 공기 유동 공간(AFS)이 발열체(120)와 히트싱크(130)에 의해 4면이 둘러싸인 다수개의 세부 공간으로 분할되도록 하여 히터(100)를 관통하는 공기와의 접촉면적을 더욱 증가시킨다.
한편, 상기 히터(100)는 상기 덕트(D1)에 설치를 위한 고정용 클립(141)을 구비한다. 이러한 고정용 클립(141)의 구조나 형상은 상기 히터(100)를 상기 덕트(D1)에 고정할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 클립(141)의 일단(141a)은 상기 지지체(110)에 결합되어 있고, 타단(141b)은 상기 덕트(D1)의 일부분을 관통하여 내주에서 외측으로 연장된 상태로 고정되는 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 고정용 클립(141)의 설치개수는 도 2에서는 지지체(110)의 모서리부에 각각 하나씩 설치되어 전체 4개가 설치되는 것으로 예시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며, 히터(100)의 안정적인 설치 상태나 설치 비용과 시간 등을 감안하여 다양한 개수로 채택되어 설치될 수 있다.
여기서, 상기 클립(141)의 일단(141a)이 상기 지지체(110)에 결합되는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 상기 클립(141)의 일단(141a)이 상기 지지체(110)의 일부를 둘러싸며 재봉 마감되는 구조, 상기 클립(141)의 일단(141a)이 상기 지지체(110)의 일부에 접착제에 의해 접착되어 있는 구조, 및 상기 클립(141)의 일단(141a)이 상기 지지체(110)의 일부에 압착되어 결합된 구조 등 다양한 방법으로 구현될 수 있다.
또한, 상기 클립(141)의 타단(141b)이 상기 덕트(D1)에 결합되는 구조는 클립(141)의 타단(141b)이 상기 덕트(D1)의 일부분을 관통하여 외측으로 연장된 부분이 예를 들어, 반원형, 화살촉 형상, 첨단이 날카롭게 형성되고, 중간부가 다각형인 형상 등 덕트(D1)의 일부분을 관통한 상태에서 고정상태를 제공할 수 있는 구조나 형상이면 특별히 제한되지 않는다.
또한, 상기 클립(141)의 타단(141b)이 상기 덕트(D1)에 결합되는 구조는 클립(141)의 타단(141b)이 상기 덕트(D1)의 일부분을 관통하지 않고, 덕트(D1)의 내주에 접착제에 의해 접착된 구조, 덕트(D1)의 내주에 초음파나 열에 의해 압착된 구조 등으로도 구현될 수 있다.
또한, 상기 히터(100)는 덕트(D1, D2)에 대한 설치 및 제거의 편의성, 구조적 강도 개선 등의 목적을 달성하기 위한 추가 구성을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 히터(100)는 중심에 관통홀(160a)이 형성되고, 상기 히터(100)가 상기 관통홀(160a)을 커버하며 결합되도록 하는 지지대(161)가 형성된 고정 프레임(160)을 포함할 수 있다.
상기 고정 프레임(160)은 중심에 관통홀(160a)이 형성된 프레임부(166) 및 상기 관통홀(160a)의 중심방향으로 연장된 지지대(161)를 포함하는 것으로 이루어진다. 따라서, 상기 고정 프레임(160)은 히터(100)가 지지대(161)를 통해 중심의 관통홀(160a)을 커버하며 고정되도록 함으로써, 히터(100)의 외부 보강 프레임 및 사용자 손잡이 역할을 하여 덕트(D1, D2)에 대한 설치 및 제거의 편의성을 제공하고, 히터(100) 자체에 구조적 강도를 부여할 수 있다.
여기서, 상기 프레임부(166)와 상기 지지대(161)의 결합 구조 및 상기 지지대(161)와 히터(100)의 지지체(110)의 결합 구조는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 지지대(161)의 양단이 상기 프레임부(166)와 상기 지지체(110)에 각각 용접 결합되는 구조, 상기 지지대(161)의 양단이 상기 프레임부(166)와 상기 지지체(110)에 각각 접착제에 의해 접착된 구조, 상기 지지대(161)의 양단이 상기 프레임부(166)와 상기 지지체(110)에 각각 압착 결합된 구조 등 다양한 구조로 구현될 수 있다.
또한, 상기 고정 프레임(160)의 프레임부(166)에는 프레임 클립(162)이 형성되어 상기 고정 프레임(160)이 추가 장착된 히터(100)가 고정 프레임(160)을 통해 전기 자동차의 덕트(D1, D2)에 설치되도록 한다. 이 때, 상기 프레임 클립(162)이 상기 프레임부(166)와 상기 덕트(D1, D2)에 결합되는 구조는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 앞서 설명한 고정용 클립(141)이 지지체(110)와 덕트(D1)에 결합되는 구조와 유사하게 구현될 수 있다.
결국 상기 히터(100)는 별도의 고정 프레임(160)이 설치되지 않은 경우에는 지지체(110)와 덕트(D1) 사이를 연결하는 고정용 클립(141)에 의해 덕트(D1) 내부에 설치되며, 외측에 고정 프레임(160)이 설치된 경우에는 프레임 클립(162)에 의해 덕트(D1, D2) 내부에 설치된다.
도 5는 도 2 내지 도 4의 히터에서 발열체의 단면 모습을 나타낸 개념도이다.
도 5를 참조하면, 발열체(120)는 기판(121), 절연층(122), 전극(123), 발열부(124) 및 보호층(125)을 포함하여 일체화 된다.
기판(121)은 평평한 플레이트 형상을 가질 수 있다. 히터(100)가 휘어지는 성질을 갖기 위해서는 기판(121)의 두께가 0.5mm 이하인 것이 바람직하다.
기판(121)은 스테인리스 스틸(stainless steel), 세라믹(ceramic), 알루미늄(aluminium), 유리(glass) 등 다양한 소재로 이루어질 수 있다. 기판(121)의 두께가 0.5mm 이하라면 기판(121)의 소재보다 두께의 영향이 커져 기판(121)이 휘어지는 성질을 가질 수 있다.
절연층(122)은 기판(121)의 일면을 덮는다. 도 5를 기준으로 기판(121)의 일면이란 기판(121)의 윗면을 가리킨다. 기판(121)이 스테인리스 스틸 등 전도성 소재로 형성되면, 후술하게 될 전극(123)으로 공급된 전류가 기판(121)으로 흐를 수 있다. 따라서 절연층(122)이 전극(123)과 기판(121) 사이에 배치되면, 기판(121)으로 전류가 흐르는 현상이 방지될 수 있다.
기판(121)의 일면에 적층된 절연층(122)은 기판(121)에 대응되는 형상을 갖게 된다. 예컨대 평평하고 납작한 절연층(122)이라도 예를 들어 기판(121)에 돌기가 형성되는 경우에는 절연층(122)도 기판(121)의 돌기에 대응되는 형상을 갖도록 부분적으로 변형될 수 있다.
전극(123)은 절연층(122)의 일면에 배치된다. 도 5를 기준으로 절연층(122)의 일면이란 절연층(122)의 윗면을 가리킨다. 전극(123)은 후술하게 되는 발열체(120)마다 양 단에 두 개씩 형성될 수 있다.
전극(123)은 전도성 와이어 등에 의해 배터리에 전기적으로 연결되어 배터리로부터 전력을 공급받는다. 여기서 배터리란 보조 배터리가 아니라 전기 자동차의 구동력에 동력을 제공하는 메인 배터리를 가리킨다. 배터리에서 공급된 전력은 전극(123)을 통해 발열체(120)로 전달된다.
발열부(124)는 전극(123)과 함께 절연층(122)의 일면에 형성된다. 발열부(124)의 양단에는 전극(123)이 하나씩 연결된다. 발열부(124)는 전극(123)을 통해 전력을 공급받으면 전기적 저항의 가변에 의해 발열하는 성질을 갖는다.
발열부(124)는 페이스트(paste), 유리 프릿(glass frit), 그리고 유기 바인더(organic binder)를 함유하는 도전성 재료로 조성된다.
페이스트는 루테늄 산화물(RuO2), 팔라듐(Pd), CNT 그리고 은(Ag)을 함유한다. 루테늄 산화물(RuO2), 팔라듐(Pd), CNT 그리고 은(Ag)은 각각 도전성 재료 전체를 기준으로 각각 4 내지 50 중량% 함유될 수 있다.
유리 프릿은 접착력이 강하고 기계적 강도와 화학적 내구성이 뛰어난 열결정성 분말 유리를 사용할 수 있다. 유리 프릿은 도전성 재료 전체를 기준으로 5 내지 35 중량% 함유될 수 있다.
유기 바인더는 접착 강도 향상을 위한 것이다. 유기 바인더는 도전성 재료 전체를 기준으로 10 내지 35 중량% 함유될 수 있다.
상기와 같은 조성의 도전성 재료가 스크린 인쇄 기법을 통해 절연층(122) 위에 0.1 내지 0.3mm의 두께로 인쇄되면 면상 발열 패턴(미도시)이 형성될 수 있다. 이러한 발열체의 패턴이 예를 들어 병렬적으로 형성되면, 하나의 패턴에서 단선이 발생하더라도 다른 패턴이 기능을 유지할 수 있다.
이러한 면상 발열 패턴을 형성하는 발열부(124)는 기존의 니크롬선 등과 같은 열선 방식에 비해 승온시간이 짧고, 균일한 온도 분포와 반영구적인 수명을 갖는다.
보호층(125)은 발열부(124)와 전극(123)을 덮어 외부의 자극으로부터 발열부(124)와 전극(123)을 보호한다. 보호층(125)은 외곽 테두리에서 절연층(122)에 밀착될 수 있다. 보호층(125)도 절연층(122)과 마찬가지로 절연 성질을 갖는다.
본 발명에 따른 전기 자동차용 히터는 하나 당 최대 전력 소모량이 약 88W로, 전기 자동차 하나에 10개의 히터가 설치되더라도 최대 전력 소모량이 880W에 불과하고, 15개의 히터가 설치되더라도 최대전력 소모량이 1.4kW보다 작다. 현재 전기 자동차에 사용되는 PTC 히터가 5~7kW의 전력을 소모하는 점을 감안한다면, 본 발명에서 제공하는 전기 자동차용 히터는 배터리 소모량을 크게 절감할 수 있다.
한편, 발열체(120)는 히터의 공기 유동 공간을 흘러가는 공기와의 접촉면적이 더욱 증가되도록 하는 구성이 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 발열체(120)의 기판(121)에는 복수의 홀(미도시)과 복수의 돌기(미도시) 중 적어도 한 종류가 형성되도록 하고, 상기 복수의 홀 또는 상기 복수의 돌기는 일 방향을 따라 연장되도록 형성되고, 상기 복수의 홀끼리 또는 상기 복수의 돌기끼리는 서로 이격된 위치에 형성될 수 있다.
여기서, 상기 기판(121)의 복수의 홀끼리 서로 이격되는 방향에서 휘어질 수 있는 성질이나 휘어진 상태를 유지하는 성질을 방해하는 요소가 줄어들게 되어, 전기 자동차용 히터의 설치 자유도가 향상되도록 한다.
도 6은 도 2의 히터에서 지지체에 3개의 발열체가 결합되어 있는 모습을 나타낸 개념도이고, 도 7은 도 2의 히터에서 지지체에 5개의 발열체가 결합되어 있는 모습을 나타낸 개념도이며, 도 8은 도 2의 히터에서 지지체에 3개의 발열체와 6개의 히트싱크가 결합되어 있는 모습을 나타낸 개념도이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 지지체(110)는 중심에 공기가 흘러가는 공기 유동 공간(AFS)을 정의하도록 상기 공기 유동 공간(AFS)의 둘레에 형성된다. 또한, 발열체(120)는 공기 유동 공간(AFS)을 가로질러 상기 지지체(110)의 일측과 타측에 각각 결합되도록 형성된다. 결국, 발열체(120)는 지지체(110)에 복수로 구비되어 상기 공기 유동 공간(AFS)을 복수의 영역으로 구획하도록 서로 이격되게 설치된다.
도 6의 경우, 지지체(110)에 발열체(120)가 3개 설치되어 있어서 공기 유동 공간(AFS)이 비교적 큰 공간으로 이루어지나, 공기 유동 공간(AFS)을 흘러가는 공기의 발열체(120)와의 접촉면적은 상대적으로 작게 형성된다. 한편, 도 7의 경우, 지지체(110)에 발열체(120)가 5개 설치되어 있어서 공기 유동 공간(AFS)이 비교적 작은 공간으로 이루어지나, 공기 유동 공간(AFS)을 흘러가는 공기의 발열체(120)와의 접촉면적은 상대적으로 크게 형성된다.
이와 같이 발열체(120)가 설치되어 있는 지지체(110)에 히트싱크(130)가 추가로 설치되어 전기 자동차용 히터를 형성한다. 히트싱크(130)는 앞서 언급한 바와 같이 발열체(120)와 교차하는 방향으로 연장되어 상기 공기 유동 공간(AFS)을 분할하도록 상기 지지체(110)에 결합된다.
히트싱크(130)는 적어도 2개가 서로 이격된 위치에 각각 설치됨으로써, 발열체(120)에 의해 구획되어 있는 공기 유동 공간(AFS)을 추가로 구획하여 공기 유동 공간(AFS)을 흘러가는 공기와의 접촉면적이 현저히 증가되도록 하여 히터의 효율을 극대화한다.
예를 들어, 도 8의 실시예는 지지체(110)에 3개의 발열체(120)가 가로 방향으로 연장되어 설치되고, 7개의 히트싱크(130)가 발열체(120)와 교차하는 세로 방향으로 연장되어 설치되도록 구현되어, 12개의 발열체(120)와 히트싱크(130)로 4면이 둘러싸인 공기 유동 공간(AFS)이 구획되도록 함으로써, 공기 유동 공간(AFS)을 흘러가는 공기와의 접촉면적을 증가시킨다.
히트싱크(130)는 공기 유동 공간(AFS)을 관통하는 공기와의 접촉면적을 증가시킬 수 있는 다양한 변형 구조가 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 히트싱크(130)는 단면상으로 물결 형상의 주름이 형성된 구조로 형성되거나 표면이 엠보싱 처리된 패널 형태로 이루어짐으로써, 공기 유동 공간(AFS)을 흘러가는 공기와의 접촉면적을 더욱 증가시킬 수 있다.
또한, 히트싱크(130)는 적어도 일면에 상기 공기 유동 공간(AFS)의 공기 이동방향과 나란한 방향으로 연장되는 슬릿(131)이 형성될 수 있다. 이러한 히트싱크(130)의 슬릿(131)은 공기 유동 공간(AFS)을 흘러가는 공기의 흐름을 더욱 원활하게 하며, 동시에 히트싱크(130)와 공기의 접촉면적을 증가시켜 히터 효율을 극대화할 수 있다.
상기 지지체(110)에 결합되는 발열체(120)의 개수와 히트싱크(130)의 개수는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 히트싱크(130)의 개수는 발열체(120)의 개수보다 많은 것으로 형성될 수 있다. 즉, 히트싱크(130)의 개수가 발열체(120)의 개수보다 작을 경우에는 전기 자동차의 배터리로부터 공급되는 전기 에너지의 소비가 증가하여 에너지 절감효과가 저하될 수 있고, 히터 자체의 지나친 열화로 인한 내구성이나 구조적 안정성 저하가 초래될 수 있으므로 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 히터는 전기 자동차용 메인 히터로 사용될 수 있으며, 또한, 보조 히터로도 사용될 수 있다.
예를 들어, 도 1의 전기 자동차는 제1 히터(미도시), 상기 제1 히터와 전기 자동차의 실내 공간이 연통되도록 연결하는 덕트(미도시) 및 상기 덕트의 내부 또는 상기 전기 자동차의 실내 공간에서 상기 제1 히터의 하류측에 설치되는 제2 히터(미도시)를 포함하는 것으로 구현될 수 있으며, 이때, 상기 제2 히터는 본 발명에 따른 히터가 사용될 수 있다.
즉, 도 1에서 제1 히터는 메인 히터로서 예를 들어 글로브 박스(13) 내부에 설치될 수 있고, 제2 히터는 보조 히터로서 제1 히터의 하류측인 콘솔 박스(14) 내부에 설치되어 콘솔 박스(14)에 설치된 송풍구(11)를 통해 전기 자동차 실내에 열에너지를 공급할 수 있다. 따라서, 제1 히터에서 1차 가열된 공기는 제2 히터를 통과하면서 2차 가열되어 더욱 온도가 증가된 상태로 전기 자동차 내부로 전달될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 히터는 보조 히터(제2 히터)로서 메인 히터(제1 히터)에서 1차 가열되어 온도가 높고 운동 에너지가 큰 공기를 메인 히터의 하류측인 콘솔 박스(14) 송풍구(11)를 내측에서 2차로 추가 가열하여 전기 자동차 내부에 전달함으로써, 메인 히터의 구동을 위한 전기에너지를 절감하면서 동시에 전기 자동차 내부 난방 효율을 극대화할 수 있다.
여기서 상기 메인 히터의 종류는 제한되지 않으며, 예를 들어, PTC 히터, 히트펌프 및 열전소자로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 전기 자동차용 히터를 더욱 상세히 설명하나, 상기 전기 자동차용 히터의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
기판상에 절연필름을 형성하고, 상기 절연필름상에 루테늄 산화물, 팔라듐, 및 은을 함유하는 페이스트, 유리 프릿, 및 유기 바인더를 함유하는 도전성 재료로 조성되는 발열부를 형성하였다. 이후, 상기 발열부를 덮는 보호층을 형성하는 방법으로 5개의 발열체를 제조하였다. 이러한 발열체의 사이즈는 장변이 39mm, 단변이 37mm인 직사각형의 플레이트 형태이고, 두께는 2mm로 제작되었다.
중심에 공기가 흘러가는 공기 유동 공간을 정의하도록 공기 유동 공간의 둘레에 형성되는 스테인레스 스틸 소재의 지지체를 제작하였다. 이때 상기 공기 유동 공간의 사이즈는 장변(가로축)이 39mm, 단변(세로축)이 25mm인 직사각형 형태로 형성되었다. 상기 제조된 5개의 발열체를 상기 지지체의 공기 유동 공간을 가로질러 일측과 타측이 각각 결합되도록 하되, 상기 5개의 발열체가 상기 공기 유동 공간을 가로 방향의 복수의 영역으로 구획하도록 서로 이격되게 설치하여 히터 부품 유닛을 제작하였다.
상기 히터 부품 유닛에 상기 발열체와 교차하는 세로 방향으로 연장되어 상기 공기 유동 공간을 분할하도록 상기 지지체에 결합되며, 상기 공기 유동 공간의 세로축 사이즈에 대응하는 길이 사이즈를 갖는 7개의 알루미늄 소재의 히트싱크를 설치하여 전력 사용량이 155.0W~160.0W인 전기 자동차용 히터를 제작하였다.
전기 자동차에 전력 사용량이 6~8kW인 PTC 히터를 메인 히터로 설치하고, 상기 PTC 히터의 하류측 송풍구 덕트에 상기 제조된 전기 자동차용 히터를 보조 히터로서 설치하였다.
[실험예 1]
PTC 히터(메인 히터)의 하류측 송풍구 덕트에 설치된 보조 히터(실시예에서 제조된 히터) 전방에 각 위치별(10cm, 20cm, 30cm)로 센서를 설치하고, PTC 히터 off 상태에서 송풍기를 가동시켜 상기 송풍구 덕트에 공기 흐름을 일으키고, 상기 보조 히터 전방 각 위치별(10cm, 20cm, 30cm)로 풍량과 승온 온도를 측정하여 아래 표 1 내지 표 4에 개시하였다.
[표 1]
Figure 112022055441625-pat00001
<106.9W에 대한 실험결과>
[표 2]
Figure 112022055441625-pat00002
<122.3W에 대한 실험결과>
[표 3]
Figure 112022055441625-pat00003
<136.2W에 대한 실험결과>
[표 4]
Figure 112022055441625-pat00004
<155.2W에 대한 실험결과>
※ 표 보기 참고
△Texp : 측정위치에서의 온도 - 인입온도에 대한 실험결과값
△Tcal'd : 측정위치에서의 온도 - 인입온도에 대한 이론적 계산값
[실험예 2]
PTC 히터(메인 히터)의 하류측 송풍구 덕트에 설치된 보조 히터(실시예에서 제조된 히터) 전방 10cm 위치에 센서를 설치하고, PTC 히터와 보조 히터를 모두 on 시킨 상태(on 상태)에서 송풍기를 가동시켜 PTC 히터 전력량에 따른 각 풍량에서의 PTC 히터와 보조 히터가 작동하지 않는 상태(off 상태)와의 온도차(△T)에 관한 이론 값과 실제측정 값을 비교하여 아래 표 5 및 표 6에 나타내었다.
[표 5]
Figure 112022055441625-pat00005
<PTC only, ※ 현재 적용되는 전기 자동차용 PTC heater의 전력량: 6~8kW>
[표 6]
Figure 112022055441625-pat00006
<PTC + sub heater, 여기서, sub heater의 전력량: 155.0 W(∴전력량에 155W를 더하면 총전력량임)>
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 히터가 보조 히터로 덕트에 설치된 경우, 메인 히터(main temp)만 작동시킨 경우와 메인 히터와 보조 히터(sub Temp)를 모두 작동시킨 경우의 전력량에 따른 전기 자동차 실내 온도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 9와 상기 표 5 및 표 5의 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 자동차용 히터를 보조 히터로 사용한 전기 자동차의 경우, 메인 히터인 PTC 히터를 작동시켜 실내 온도를 상승시킬 수 있는 전력량(1000W~2000W)에 비해 현저히 작은 전력량(155W)를 사용하고도, PTC 히터만큼의 실내온도 상승 효과를 낼 수 있음을 확인할 수 있다.
전술한 내용은 단지 예시적인 것에 불과하며, 설명된 실시예들의 범주 및 기술적 사상을 벗어남이 없이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 수정들이 이루어질 수 있다. 전술한 실시예들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있다.
100 : 전기 자동차용 히터
110 : 지지체
120 : 발열체
130 : 히트싱크
141 : 고정용 클립
160 : 고정 프레임

Claims (10)

  1. 실내로 공기를 공급하는 덕트에 설치되며, 중심에 공기가 흘러가는 공기 유동 공간을 정의하도록 상기 공기 유동 공간의 둘레에 형성되는 지지체; 및
    상기 공기 유동 공간을 가로질러 상기 지지체의 일측과 타측에 각각 결합되는 발열체를 포함하고,
    상기 발열체는,
    기판;
    상기 기판의 일면을 덮는 절연층;
    상기 절연층에 적층되는 발열부; 및
    상기 발열부를 덮는 보호층을 포함하고,
    상기 발열체는 복수로 구비되어, 복수의 상기 발열체는 상기 공기 유동 공간을 복수의 영역으로 구획하도록 서로 이격되게 설치되고,
    상기 발열체와 교차하는 방향으로 연장되어 상기 공기 유동 공간을 분할하도록 상기 지지체에 결합되는 히트싱크를 더 포함하며,
    상기 히트싱크는 적어도 2개가 서로 이격된 위치에 각각 설치되고,
    상기 히트싱크는 단면상으로 물결 형상의 주름이 형성된 구조로 형성되거나 표면이 엠보싱 처리된 패널 형태로 이루어지며,
    상기 히트싱크는 적어도 일면에 상기 공기 유동 공간의 공기 이동방향과 나란한 방향으로 연장되는 슬릿이 형성되고,
    상기 히트싱크의 개수는 상기 발열체의 개수보다 많은 것으로 형성되며,
    상기 히트싱크는 알루미늄으로 이루어지는 전기 자동차용 히터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판에는 복수의 홀과 복수의 돌기 중 적어도 한 종류가 형성되고,
    상기 복수의 홀 또는 상기 복수의 돌기는 일 방향을 따라 연장되도록 형성되고, 상기 복수의 홀끼리 또는 상기 복수의 돌기끼리는 서로 이격된 위치에 형성되는 전기 자동차용 히터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전기 자동차용 히터는 상기 덕트에 설치를 위한 고정용 클립을 더 구비하는 전기 자동차용 히터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전기 자동차용 히터는 중심에 관통홀이 형성되고, 상기 전기 자동차용 히터가 상기 관통홀을 커버하며 결합되도록 하는 지지대가 형성된 고정 프레임을 더 포함하는 전기 자동차용 히터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전기 자동차용 히터는 상기 고정 프레임을 통해 전기 자동차의 덕트에 설치되는 전기 자동차용 히터.
  10. 제1 히터;
    상기 제1 히터와 전기 자동차의 실내 공간이 연통되도록 연결하는 덕트; 및
    상기 덕트의 내부 또는 상기 전기 자동차의 실내 공간에서 상기 제1 히터의 하류측에 설치되는 제2 히터;
    를 포함하고,
    상기 제2 히터는,
    실내로 공기를 공급하는 덕트에 설치되며, 중심에 공기가 흘러가는 공기 유동 공간을 정의하도록 상기 공기 유동 공간의 둘레에 형성되는 지지체; 및
    상기 공기 유동 공간을 가로질러 상기 지지체의 일측과 타측에 각각 결합되는 발열체를 포함하고,
    상기 발열체는,
    기판;
    상기 기판의 일면을 덮는 절연층;
    상기 절연층에 적층되는 발열부; 및
    상기 발열부를 덮는 보호층을 포함하고,
    상기 발열체는 복수로 구비되어, 복수의 상기 발열체는 상기 공기 유동 공간을 복수의 영역으로 구획하도록 서로 이격되게 설치되며,
    상기 발열체와 교차하는 방향으로 연장되어 상기 공기 유동 공간을 분할하도록 상기 지지체에 결합되는 히트싱크를 더 포함하고,
    상기 히트싱크는 적어도 2개가 서로 이격된 위치에 각각 설치되며,
    상기 히트싱크는 단면상으로 물결 형상의 주름이 형성된 구조로 형성되거나 표면이 엠보싱 처리된 패널 형태로 이루어지고,
    상기 히트싱크는 적어도 일면에 상기 공기 유동 공간의 공기 이동방향과 나란한 방향으로 연장되는 슬릿이 형성되며,
    상기 히트싱크의 개수는 상기 발열체의 개수보다 많은 것으로 형성되고,
    상기 히트싱크는 알루미늄으로 이루어지는 전기 자동차용 난방 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH0483908U (ko) * 1990-11-30 1992-07-21
JP2006035939A (ja) * 2004-07-23 2006-02-09 Denso Corp 電気ヒータ
KR20090042415A (ko) * 2007-10-26 2009-04-30 한라공조주식회사 차량용 보조난방장치
KR102216363B1 (ko) * 2019-11-26 2021-02-17 주식회사 할크 전기 자동차용 히터

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