KR20070119264A

KR20070119264A - 라디에이터

Info

Publication number: KR20070119264A
Application number: KR1020060053652A
Authority: KR
Inventors: 김형우
Original assignee: 김형우
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2007-12-20

Abstract

본 발명은 라디에이터에 관한 것으로서, 판상의 열방출면이 구비된 방열 패널; 적어도 하나 이상 복수 개로 이루어진 방열 패널 들을 등 간격 배열시켜 지지하도록 된 고정 프레임; 상기 방열 패널의 이면에 박막히터를 포함하여 장착되어 저 전력 발열되는 발열수단; 및 상기 고정 프레임의 어느 일 측에 상기 발열수단의 전원공급 및 작동 모드를 제어하기 위해 설치된 제어부를 포함하는 구성을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명은 저전력 발열이 가능한 박막히터로 구성된 발열수단이 방열패널 내부에 장착되도록 함으로써, 적은 전기소모량으로도 최대의 난방효과를 얻게 되고, 방열패널을 통한 직접적인 열 방출이 가능하고, 전원인가와 동시에 즉각적인 발열이 이루어지는 신속성을 갖게 되며, 간단한 구성에 따른 제조공정이 단축되고, 적은 부품으로도 제작이 가능하며, 슬림화 제작이 가능하여, 취급 및 보관이 간편하고, 난방 온도나 시간 등과 같은 작동모드의 제어가 간편한 효과를 갖는다.

Description

라디에이터{Radiator using heater}

도 1은 종래의 라디에이터 구조를 설명하는 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 라디에이터 구조를 설명하는 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 라디에이터 구조를 설명하는 부분 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 발열수단의 일실시 예를 설명하기 위한 단면구조를 도시한 확대 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 발열수단의 다른 실시 예를 설명하기 위한 단면구조를 도시한 확대 단면도.

도 6 내지 8은 본 발명에 따른 박막 히터 상에 형성되는 도전체 패턴의 다양한 실시 예를 보여주는 예시도.

도 9 내지 10은 본 발명에 따른 금속패드 및 박막 히터의 다양한 배치 패턴의 실시 예를 보여주는 예시도.

도 11는 본 발명에 따른 발열수단의 발열특성을 실험하기 위한 시편의 제원을 나타낸 개략도.

도 12는 도 11의 시편에 일정한 전류(50W)를 인가한 상태에서 시간 변위에 따른 온도변화 값을 측정한 그래프.

도 13은 도 11의 시편에 규정된 시간(10초)동안 인가되는 전류량의 변위에 따른 온도변화 값을 측정한 그래프.

<도면중 주요부분에 대한 부호의 설명>

110: 라디에이터 111: 방열 패널

111a: 열 방출면 111b: 중공부

111c: 힌지 고정부 113; 고정 프레임

117: 제어부 120: 발열수단

122: 절연막 123: 박막 히터

124: 도전체 패턴 125: 금속패드

127: 보호층

본 발명은 라디에이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기소모량으로도 최대의 난방효과를 얻도록 하기 위해 저 전력 발열이 가능한 박막히터로 구성된 발열수단이 방열패널 내부에 장착되도록 한 라디에이터에 관한 것이다.

일반적으로 난방은 열을 이용해 일정한 공간의 온도를 쾌적한 체감온도로 유 지하는 것이며, 이를 위해 온도, 습도 등을 인위적으로 조절하기도 한다.

따라서 온도를 인위적으로 조절하기 위해서는 크게 열을 발생시키는 과정, 발생된 열을 필요한 장소에 수송하는 과정, 그리고 운반된 열을 소비하는 과정으로 구분할 수 있다.

이러한 원리를 이용한 대부분의 난방장치는 히팅 파이프, 라디에이터 등과 같은 난방기기로 공급되는 온수의 온도와 실내온도와의 온도차에 의해 열전달이 이루어지면서 쾌적한 실내온도가 유지되도록 구성된다.

종래의 라디에이터 대부분은 물, 기름 등과 같이 열용량이 큰 유체를 열매체로 사용함으로써 일정온도까지 내부온도를 올리는 데 많은 양의 전기가 소모되는 문제가 있었다.

또한, 열매체가 정체되어 있는 상태에서 가열되므로 열매체의 전체 온도분포를 일정하게 유지하는 것이 어려워 열손실이 많은 문제가 있었고, 열매체가 자연전도나 자연대류에 의해 이동됨에 따라, 가열에서 실제 난방이 이루어지는 데까지 오랜 시간이 소요되는 문제가 있었다.

그리고, 상기한 바와 같은 열매체(유체)는 방열판 형태의 케이스(유로) 내부를 채우거나 이동하면서 대기와 열교환을 이루게 되는데, 이때의 케이스는 내부에는 자체 부식 및 열매체에 포함된 찌꺼기가 쌓이게 됨에 따라, 주기적으로 청소해주어야 하는 불편함이 있었다.

상기와 같은 문제점에 대한 대안으로 개발된 라디에이터는 도 1에 도시된 바와 같이 지지대(1)의 상부에 유로(2)를 구비한 복수개의 방열채널(3)이 수직으로 병렬 설치되는 몸체부(10); 상기 방열채널(3)의 하부에 설치되며, 수용된 열매체(유)를 가열할 수 있는 전열선(4) 및 전기접속부(5)가 구비되어 있는 가열부(6); 상기 몸체부(10)의 일측에 위치하여 가열온도, 시간 및 전원의 온오프 등을 제어하는 조작패널(7)로 구성되며, 몸체의 외부 및 바닥에는 필요에 따라 탈ㅇ부착이 용이한 보호망(8)과 바퀴(9)가 각각 설치되어 있다.

그러나 상기와 같은 라디에이터는 열손실에 대한 문제는 어느 정도 개선되었으나, 수용된 열매체의 가열시간을 단축하기 위하여 상기 방열채널(3) 각각에 가열부(6)를 설치하여 상대적으로 전기 소모량이 많은 문제가 있었다.

또한, 라디에이터의 구조가 복잡해져 제작공정이 까다롭고 제조비용이 비싸지는 한편, 라디에이터 본체의 크기가 커져 실내공간을 과도하게 차지함으로써, 취급 및 보관이 어려운 문제가 있었다.

상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 적은 전기소모량으로도 최대의 난방효과를 얻도록 하기 위해 저 전력 발열이 가능한 박막히터로 구성된 발열수단이 방열패널 내부에 장착되도록 한 라디에이터를 제공함에 있다.

상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 전원인가와 동시에 박막히터의 즉각적인 발열이 이루어지도록 하여 빠른 발열성능을 얻도록 하는 동시에 방열패널을 통한 직접적인 열 방출에 의해 열손실을 최소화하도록 된 라디에이터에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 라디에이터의 구성을 최소화하여, 제품의 슬림화가 가능한 동시에 제조공정이 간소화되도록 하는 라디에이터를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 라디에이터는 판상의 열방출면이 구비된 방열 패널; 적어도 하나 이상 복수 개로 이루어진 방열 패널 들을 등 간격 배열시켜 지지하도록 된 고정 프레임; 상기 방열 패널의 이면에 박막히터를 포함하여 장착되어 저 전력 발열되는 발열수단; 및 상기 고정 프레임의 어느 일 측에 상기 발열수단의 전원공급 및 작동 모드를 제어하기 위해 설치된 제어부를 포함하는 구성을 특징으로 한다.

여기서, 상기 방열 패널은 마주보는 열방출면 사이에 소정두께의 중공부를 갖는 함체형상으로 제작될 수 있고, 상기 방열 패널의 배열 형태는 수평방향 또는 수직방향으로 자유롭게 설치될 수 있도록 한다.

또한, 상기한 각각의 방열 패널은 설치 각이 가변되도록 양측 고정단이 힌지결합구조를 갖는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 대한 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 라디에이터 구조를 설명하는 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 라디에이터 구조를 설명하는 부분 단면도이다.

동 도면에서 보는 바와 같은 본 발명에 따른 라디에이터(110)는 판상의 열방출면이 구비된 방열 패널(111)과, 적어도 하나 이상 복수 개로 이루어진 방열 패널(111) 들을 등 간격 배열시켜 지지하도록 된 고정 프레임(113)과, 상기 방열 패널(111)의 이면에 박막히터(123)를 포함하여 장착되어 저 전력 발열되는 발열수단(120) 및 상기 고정 프레임(113)의 어느 일 측에 상기 발열수단(120)의 전원공급 및 작동 모드를 제어하기 위해 설치된 제어부(117)를 포함한다.

우선, 상기 방열 패널(111)은 판형상의 열방출면(111a)을 갖도록 하는데, 상기 열방출면(111a)은 대기와의 열 교환이 잘 이루어질 수 있도록 최대한 넓은 면적으로 제작되도록 하고, 열전도성이 우수한 재질을 사용하게 되는데, 이와 같은 재질로는 도전성 또는 비도전성 재질이 모두 사용될 수 있다.

특히, 비 도전성 재질의 소재로는 적어도 250℃ 이상에서도 견디는 열 강화 플라스틱, 내열성 수지, 세라믹, 유리, 도자기, 석재 등이 사용될 수 있다.

상기한 방열 패널(111)은 단판형상으로 제작될 수도 있으나, 도 3에서와 같이 마주보는 열방출면(111a) 사이에 소정두께의 중공부(111b)를 갖는 함체형상으로 제작될 수 도 있다.

상기한 바와 같은 방열 패널(111)은 도 2를 통해 수직방향으로 설치된 예를 보이고 있으나, 상기한 방열 패널(111)이 수평방향으로 설치되고, 상기 수평방향으로 설치된 복수 개의 방열 패널(111)이 수직 방향을 따라 등 간격 배치되도록 설치될 수도 있다.

이와 같은 방열 패널(111)의 설치형태는 라디에이터(110)의 사용 시, 고정프레임(113)의 놓는 형태를 가로 또는 세로방향으로 선택함에 따라 결정될 수도 있다.

또한, 상기 각각의 방열 패널(111)은 설치 각이 가변되도록 양측 고정단이 힌지 고정부(111c)에 의해 결합되도록 할 수 있는데, 이처럼 설치된 방열 패널(111)은 라디에이터(110)의 복수개의 열방출면(111a)이 일시에 정면을 향하도록 하거나, 반대로 일시에 정면을 향한 방출면적이 최소화되도록 회전할 수 있도록 한다.

이는, 추운 겨울날 외부에서 실내에 막 들어온 사용자의 체온을 빠른 시간 내에 올려주기 위해서는 열방출면(111a)이 일시에 정면을 향하도록 하여 라디에이터(110)의 정면방향으로 열 방출이 집중되도록 하고, 이후, 사용자가 충분히 추위를 녹인 상태에서는 열방출면(111a) 방향을 적절히 조절함으로써, 실내의 공기가 간접 가열되도록 할 수 있게 된다.

다음, 상기 고정 프레임(113)은 방열 패널(111)들을 적정 간격 떨어진 상태로 고정시키게 되는데, 이때, 각각의 방열 패널(111)들은 회전 가능한 상태로 축 고정되어 외부전원을 공급받을 수 있도록 한다.

도 2에서는 고정 프레임(113)의 형상을 사각 틀 형상으로 도시하고 있으나, 방열 패널(111)을 지지하기 위한 다양한 형태의 고정 프레임으로 설계 변경될 수 있다.

다음, 상기 발열수단(120)은 저 전력(예; 500 W 등) 구동이 가능한 박막 히터(123)를 포함하게 되는데, 이와 같은 박막 히터(123)는 외부 전원이 공급되면 매우 빠른 속도로 발열되는 특성을 갖는 것으로서, 라디에이터(110)의 예열시간을 단축할 수 있게 된다.

이와 같은 발열수단(120)은 박막 증착되는 것으로서, 매우 얇은 두께로 형성되기 때문에 전자사진 방식을 사용하는 기기의 크기를 슬림화 시킬 수 있게 된다.

상기와 같은 발열수단(120)은 고정 프레임(113)의 어느 일 측에 설치된 제어부(117)를 통해 전원공급(온/오프) 및 작동 모드(온도조절 모드 등)가 제어되도록 한다.

도 4은 본 발명에 따른 발열수단의 일실시 예를 설명하기 위한 단면구조를 도시한 확대 단면도로서, 본 발명의 발열수단(120)이 비 도전성 재질로 제작된 방열 패널(111) 이면에 설치되는 예를 설명하고 있다.

동 도면에서 보는 바와 같은 본 발명의 발열수단(120)은 비 도전성 재질로 제작된 방열 패널(111)과, 상기 방열 패널(111)의 외면에 박막 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(123)와, 상기 박막 히터(123)에 전기적 접합이 이루어지 고, 외부로부터 공급된 전원이 박막 히터(123) 전면에 균일하게 인가될 수 있도록 하는 특정 패턴을 갖는 금속패드(125)와, 상기 금속패드(125) 및 박막 히터(123)가 외부환경으로부터 보호되도록 소정 두께로 코팅된 보호층(127)으로 구성된다.

도 5은 본 발명에 따른 발열수단의 다른 실시 예를 설명하기 위한 단면구조를 도시한 확대 단면도로서, 본 발명의 발열수단(120)이 도전성 재질로 제작된 방열 패널(111) 이면에 설치되는 예를 설명하고 있다.

동 도면에서 보는 바와 같은 본 발명의 발열수단(120)은 도전성 재질로 제작된 방열 패널(111)과, 상기 방열 패널(111)의 내면에 소정 두께로 코팅되어 전기적 절연특성이 제공되는 동시에 우수한 열전도 특성이 제공되도록 한 절연막(122)과, 상기 절연막(122)의 하부에 박막 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(123)와, 상기 박막 히터(123)에 전기적 접합이 이루어지고, 외부로부터 공급된 전원이 박막 히터(123) 전면에 균일하게 인가될 수 있도록 하는 특정 패턴을 갖는 금속패드(125)와, 상기 금속패드(125) 및 박막 히터(123)가 외부환경으로부터 보호되도록 소정 두께로 코팅된 보호층(127)으로 구성된다.

여기서, 상기 도전성 재질로 제작된 방열 패널(111)의 두께는 0.3 mm ~ 3 mm로 제작하는 것이 바람직하며, 그 소재로는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등과 같은 금속이 사용되도록 할 수 있다.

이때, 상기 도 4 내지 도 5에서 도시된 바와 같은 박막 히터(123) 상면에 형성되는 보호층(127)은 생략되어도 무방하다. 또한, 상기 박막 히터(123) 상에 전류공급을 돕기 위한 별도의 도전체 패턴(124)을 형성할 수도 있는데, 이러한 도전체 패턴(124)는 박막 히터(123)의 전원 입력 초입부에서 과도한 열이 발생되는 것을 박막 히터(123)의 면 전체에 균일하게 공급될 수 있도록 발열특성을 안정시키는 역할을 수행하게 된다.

이하, 본 발명의 발열수단(120)을 구성하는 절연막(122), 박막히터(123), 도전체 패턴(124), 금속패드(125) 및 보호층(127) 등 각 구성요소에 대해 요구되는 물성 및 구성 조건에 대해 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 절연막(122)은 박막 히터(123)에서 발열된 열이 빠른 속도로 방열 패널(111)로 전도될 수 있도록 최대한 두께를 얇게 함과 아울러 방열 패널(111)와 박막 히터(123) 간을 전기적으로 절연시킬 수 있도록 알루미나(산화 알루미늄, Al2O3) 또는 마그네시아(산화 마그네슘, MgO) 등과 같은 세라믹 재질 또는 폴리머 물질을 이용한 절연막 또는 상기 두 가지 절연막의 혼합 물질 등으로 이루어진다.

그리고, 상기 절연막(122)은 박막 히터(123)에서 발열된 열이 빠른 속도로 방열 패널(111)로 전도될 수 있을 정도의 얇은 두께를 갖도록 함과 아울러 방열 패널(111)와 박막 히터(123) 간을 전기적으로 절연시킬 수 있을 정도로 0.5 μm ~ 500 μm 범위, 특히 0.5 μm ~ 200 μm 범위가 바람직하며, 재질에 따라 두께에 차이가 발생할 수도 있다.

이러한 절연막(122)의 조건은 다음과 같다.

먼저, 절연막(122)이 방열 패널(111)와 박막 히터(123) 간을 전기적으로 절연시켜야 하며, 외부 전원을 공급받는 박막 히터(123)를 전기적으로 고립(Electrical isolation) 시키기 위해서는 박막 히터(123)로 100V 정도의 전압이 인가될 때에 절연막(122)의 파괴가 발생하지 않아야 하고 절연막(122)의 전기적 누설 전류가 20 μA 이하로 되어야 한다.

또한, 박막 히터(123)에서 고온의 열이 발생할 때에 절연막(122)이 방열 패널(111) 및 박막 히터(123)로부터 각각 물리적 탈착이 발생하지 않도록 절연막(122)과 방열 패널(111)간의 접촉성, 절연막(122)과 박막 히터(123) 간의 접촉성이 우수해야 한다.

또한, 박막 히터(123)에서 고온의 열이 발생할 때에 절연막(122)이 방열 패널(111) 및 박막 히터(123)와 각각 화학적 반응을 일으키지 않으며 절연막(122)의 표면 조도가 우수해야 한다.

즉, 절연막(122)의 표면 조도가 우수하지 못할 경우에 절연막(122)이 박막 히터(123)의 전기적 비저항 특성에 영향을 미치기 때문에 절연막(122)은 박막 히터(123)의 전기적 비저항 특성에 영향을 미치지 않을 정도의 표면 조도를 갖는 것 이 바람직하다.

전술한 바와 같은 조건을 만족시킬 수 있도록 절연막(122)으로는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등과 같은 금속 소재의 방열 패널(111) 표면을 아크(Arc)로 산화시킨 산화 절연막이 사용되거나 방열 패널 표면에 세라믹, 유리, 도자기 등이 코팅된 절연막 또는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등과 같은 금속 소재의 방열 패널(111) 표면에 폴리머(Polymer) 계열 물질(Polyimide, Polyamide, Teflon, PET 등)을 코팅시킨 폴리머 절연막 중 하나 또는 두 가지 이상을 방열 패널(111) 표면에 형성시킨 절연막 등이 사용된다.

산화 절연막을 형성하는 방법의 일실시 예는 다음과 같다.

먼저, 알칼리 전해액에 담가져 있는 알루미늄(Al) 또는 베릴륨(Be) 또는 티타늄(Ti) 또는 스테인레스 스틸(Stainless Steel) 등의 금속 소재의 방열 패널(111) 표면에 외부로부터 아크 등의 전기적 에너지를 인가시켜 방열 패널(111) 표면 상의 금속 원자와 외부의 산소가 전기/화학적 반응을 일으키도록 하여 방열 패널(111) 표면의 특성을 산화막 형태로 변환시키는 것에 의해 형성되도록 한다.

이러한, 산화 절연막으로는 Al2O3, ZrO3, Y2O3 등이 사용되며, 상기 산화 절연막을 방열 패널(111) 위에 플라즈마 스프레이 코팅 방식(Plasma Spray Coating) 등으로 형성할 수도 있다.

이하, 산화 절연막을 방열 패널 위에 형성하는 공정의 일실시 예에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 용기(bath) 내에 채워져 있는 알칼리 전해액의 농도를 평가하고, 알루미늄 소재의 방열 패널(111)에 외부 전원이 공급될 수 있도록 알루미늄 소재의 방열 패널(111)에 도선을 연결한 상태에서 이 알루미늄 소재의 방열 패널(111)을 용기 내의 알칼리 전해액에 담그고 나서 이 알루미늄 소재의 방열 패널(111)로 외부 전원을 공급하여 알루미늄 소재의 방열 패널(111) 표면을 산화시킨다.

다음, 산화 절연막 형성 공정에 의해 고주파 교류(AC) 형태의 강한 전원이 알루미늄 소재의 방열 패널(111)에 가해짐에 따라 순간적으로 알루미늄 소재의 방열 패널(111) 표면에 아크(Arc)가 발생되며, 그에 따라 산화가 치밀하고 핀홀(pinhole)의 농도가 매우 작은 산화 절연막이 알루미늄 소재의 방열 패널(111) 표면에 형성된다.

이러한 산화 절연막 형성 공정을 이용하여 알루미늄 소재의 방열 패널(111) 표면에는 산화 알루미늄이 형성될 수 있거나 티타늄 소재의 방열 패널(111) 표면에는 산화 티타늄이 형성될 수 있거나 베릴륨 소재의 방열 패널(111) 표면에는 산화 베릴륨이 형성될 수 있는 것이다.

한편, 폴리머 절연막은 금속 소재의 방열 패널(111) 표면에 전기적 절연성이 확보되는 폴리머 계열의 물질을 균일한 두께로 코팅시키는 것에 의해 형성된다.

특히, 이러한 폴리머 절연막은 박막 히터(123)에서 열이 발열될 때에 열적 변형이 적어야 된다. 또한, 폴리머 절연막은 박막 히터(123)에서 고온의 열이 발열될 때에, 방열 패널(111) 및 박막 히터(123)로부터 각각 물리적 탈착이 발생되지 않도록 접촉성이 우수해야 되고, 방열 패널(111) 및 박막 히터(123)와 각각 화학적 반응을 일으키지 않아야 하며 표면 조도가 우수해야 한다.

상기 폴리머 절연막을 형성하는 공정의 일 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.

우선, 폴리머 절연막은 액상의 유기 폴리머 물질이 이용되어 형성되는데, 금속 소재의 방열 패널(111) 표면에 균일한 두께로 코팅된다.

여기서, 코팅 방식으로는 스핀 코팅 방식(spin coating), 스프레이 코팅 방식(spray coating), 디핑 코팅 방식(dipping coating), 스크린 프린팅 방식(screen printing) 등이 사용된다.

또한, 폴리머 물질로는 폴리이미드(polyimide) 계열 물질, 폴리아미드(polyamide) 계열 물질, 테프론(teflon) 계열 물질, 페인트(paint) 계열 물질, 실버-스톤(silver-ston), 테프젤-에스(tefzel-s), 에폭시(epoxy), 고무(rubber) 등이 사용되거나 자외선(UV)에 대한 감광성이 있는 물질도 사용될 수 있다.

예를 들어, 폴리이미드 계열 물질을 스프레이 코팅 방식으로 방열 패널(111) 에 형성하는 공정의 일실시 예는 다음과 같다.

우선, 방열 패널(111)을 아세톤(aceton), 아이소 프로필 알코올(IPA; Iso Propyl Alcohol) 등으로 유기 세척시키고 나서, 방열 패널(111)을 고속(예; 2,000 rpm 이상)으로 자전시키면서 폴리이미드 계열 물질을 방열 패널(111)에 분사한 후에 방열 패널(111) 표면에 코팅된 폴리이미드 계열 물질을 열처리한다.

이러한, 스프레이 코팅 방식의 폴리머 절연막 형성 공정에 의해 방열 패널(111) 표면에는 열적 안정성이 우수하고 글래시 템퍼러쳐(GT; glassy temperature)가 300 ℃이상인 폴리머 절연막이 형성된다.

또한, 폴리이미드 계열 물질 열처리 과정에서 폴리이미드 계열 물질을 서서히 냉각시킴으로써 폴리머 절연막과 방열 패널(111) 간의 접착성이 우수해 지며, 스프레이 코팅 과정에서 폴리머 계열 물질을 방열 패널(111) 표면에 코팅시킴으로써 두께 균일도가 우수해지며, 폴리머 절연막의 핀홀의 농도가 매우 작아져서 전기적 누설 전류가 발생하지 않는다.

한편, 산화 절연막과 폴리머 절연막의 이중 절연막은 금속 소재의 방열 패널(111) 표면에 산화 절연막을 형성시키고 나서 이 산화 절연막 위에 폴리머 계열의 물질을 균일한 두께로 코팅시키거나 반대로 금속 소재의 방열 패널 표면에 폴리머 계열 물질을 코팅하고 그 위에 산화 절연막을 형성시킬 수 있다.

이러한 산화 절연막과 폴리머 절연막의 이중 절연막의 전체 두께는 산화 절연막을 단독으로 방열 패널(111) 표면에 형성시킨 결과의 두께 및 폴리머 절연막을 단독으로 방열 패널(111) 표면에 형성시킨 결과의 두께 각각의 합에 비해 작으며, 각각의 단독 절연막에 비해 절연 파괴를 최소화 시킬 수 있다.

여기서, 산화 절연막 절연 파괴의 주된 사유로는 산화 절연막에 형성되는 핀홀에 기인하여 이 핀홀 내로 박막 히터(123)로 공급된 외부 전원이 전달되는 것에 의해 절연 파괴가 발생될 수도 있다.

그리고, 폴리머 절연막 절연 파괴의 주된 사유로는 폴리머 절연막 형성 시에 액상의 피알(PR) 도포에 의한 기포 발생 등에 기인하여 폴리머 절연막이 고화된 후 기포가 있던 부분에 절연 파괴가 발생될 수도 있다.

따라서, 산화 절연막 또는 폴리머 절연막 각각에 내재된 절연 파괴 발생을 산화 절연막과 폴리머 절연막의 이중 절연막으로 보완하는 것이 바람직하다.

이러한 절연막(122)의 두께는 0.5 μm ~ 500 μm 범위, 특히 0.5 μm ~ 200 μm 범위가 열효율성을 위해 바람직하며(재질에 따라 두께에 차이가 발생함), 절연막(122)의 절연 파괴 전압(breakdown voltage)은 1,000 V 이상이며, 절연막(122)의 누설 전류(leakage current)는 100 V 전압이 될 때에 20 μA 이하이며, 박막 히터(123)에서 열이 발열될 때에(thermal cycle) 절연막(122)이 방열 패널(111) 및 박막 히터(123) 각각으로부터 탈착(박리)이 발생되지 않도록 한다.

다음으로 박막 히터(123)에 대해 설명하면, 상기 박막 히터(123)는 절연막(122) 위에 0.05 μm ~ 수 μm 범위(예, 0.05 μm ~ 2 μm )의 두께를 갖는 박막 형태로 장착되며, 금속패드(125)를 통하여 외부 전원(직류 전원 또는 교류 전원)이 공급되면 자체 전기 저항에 의해 줄열(joule heating)을 발생시킨다.

여기서, 박막 히터(123)의 박막 특성, 즉 작은 부피로 인해 발열 속도 및 냉각 속도가 매우 빠르게 이루어질 수 있고, 자체 전기 저항에 의해 발열되는 온도가 500 ℃를 초과할 수도 있고, 기존의 히터와는 다르게 아주 빠른 온도 상승도 가능하다.

이러한 박막 히터(123)의 조건은 다음과 같다.

우선, 박막 히터(123)는 박막 특성으로 인해 기존의 히터에 비해 빠른 속도로 온도 상승이 가능하나, 이러한 박막 특성으로 인해 전류 흐름 속도(current flux) 등이 매우 커질 수 있기 때문에 자체적인 전기적/열적/화학적 내성이 요구된다.

즉, 박막 히터(123)는 전기적으로 높은 내압(heater strength)을 가져야 되며, 금속패드(125)를 통하여 지속적으로 인가되는 에너지에 대한 자체 저항성이 높아야지만 박막 히터(123)의 장시간 수명 유지가 가능하다.

또한, 박막 히터(123)는 절연막(122) 위에 장착되는데, 발열로 인해 절연막(122)이 탈착되지 않도록 하고 방열 패널(111)와 절연막(122)간의 박리가 발생되지 않도록 해야 된다.

또한, 박막 히터(123)는 열 충격이 지속적으로 가해지는 소자인데, 이러한 열충격에 의해 자체 저항 변화의 현저한 증가가 일어나지 않도록 해야 한다.

또한, 박막 히터(123)는 공기 중(산소)에 노출된 상태로 고온으로 발열하는 경우도 있는데, 이러한 산화에 의해 자체 저항의 현저한 증가가 일어나지 않도록 해야 한다.

전술한 바와 같은 조건을 만족시킬 수 있도록 박막 히터(123)의 소재로는 융점이 높은 단일 금속(예; Ta, W, Pt, Ru, Hf, Mo, Zr, Ti 등)이 사용되거나 이들 금속을 조합한 2성분계 금속 합금물(예; TaW 등)이 사용되거나 금속-질화물(metal-nitride)을 조합한 2성분계 금속-질화물 계열(예; WN, MoN, ZrN 등)이 사용되거나 금속-규화물(metal-silicide)을 조합한 2성분계 금속-규화물 계열(예; TaSi, WSi 등)이 사용된다.

그리고, 박막 히터(123)가 수십 μm 이하(예; 0.05 μm ~ 2 μm 범위 등, 재질에 따라 두께에 차이가 발생함)의 두께를 갖도록 한다.

특히, 박막 히터(123)의 온도가 순간적으로 상승되게 하기 위해서, 즉 자체적으로 뜨겁게 달궈지는데 걸리는 시간이 최소화되기 위해서는 박막 히터(123) 자 체의 히트 커패시티(heat capacity)를 매우 작게 하면 된다.

즉, 박막 히터(123)의 히트 커패시티는 두께를 매개변수로 하는 함수로 표현되는데, 박막 히터(123)의 두께가 얇아질수록 그 값이 작아진다. 반면에 박막 히터(123)의 수명은 두께가 얇아질수록 짧아질 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 박막 히터(123)의 온도를 순간적으로 상승시키고 수명을 연장시키기 위한 두 가지 조건을 만족시키기 위해 다양한 시뮬레이션과 실험을 통하여 박막 히터(123)의 최적 두께 범위를 도출할 수 있다. 한편, 박막 히터(123)의 소재에 따라 약간의 차이는 있으나 미세한 차이임을 밝혀 둔다.

즉, 다음의 수식에 근거하여 박막 히터(123)의 최적의 두께를 도출한다.

여기서,

(resistivity)는 박막 히터(123) 소재의 고유한 비저항값이고, Rs(sheet resistance)는 박막 히터(123)의 면 저항값이고, t(thickness of film)는 박막 히터(123)의 두께이다. 한편, 두께와 고유 비저항값은 비례 관계에 있음을 알 수 있다.

따라서, 박막 히터(123) 소재의 비저항값 범위를 고려하여 전술한 매개변수를 입력 데이터로 이용하여 시뮬레이션을 하면 각 제품의 특성에 맞게 박막 히터(123)의 최적 두께 범위가 재질에 따라(예; 0.05 μm ~ 2 μm 등) 도출된다.

이러한 박막 히터(123)는 진공 증착 방식에 의해 절연막(122) 위에 형성되는데, 진공 증착 방식으로는 PVD(Sputtering, Reactive Sputtering, Co-Sputtering, Evaporation, E-beam 등) 및 CVD(LPCVD, PECVD 등)가 사용된다.

도 6 내지 8는 본 발명에 따른 박막 히터 상에 형성되는 도전체 패턴의 다양한 실시 예를 보여주는 예시도로서, 동 도면에서 보는 바와 같이 박막 히터(123) 상에는 박막 히터보다 전기 저항이 낮으며 열전도율이 높은 도전체 패턴(124)을 여러가지 형상 및 모양과 간격으로 형성할 수 있다.

만약, 도전체 패턴(124)이 형성되지 않은 박막 히터(123)를 사용할 경우 전원 공급 초기에 박막 히터(123)의 전극 도입부와 중앙 부분 사이에 온도 차가 발생하여 박막 히터(123) 면 전체에 균일한 온도 분포가 이루어지지 못하거나 박막 히터(123)의 일 부분에 과 발열 현상이 발생하여 박막 히터(123)나 절연막(122) 등에 치명적인 손상(열화)를 발생시키게 되며, 박막히터의 수명이 극단적으로 짧아질 수 있게 된다.

즉, 이러한 현상을 방지하고 전원 공급 초기에 보다 빠른 시간 안에 박막 히터(123)의 면 전체에 균일한 발열이 일어날 수 있도록 하기 위하여, 박막 히터(123) 상에 도 6 내지 8과 같이 여러 가지 형태 및 모양의 도전체 패턴(124)을 형성하게 되는 것이다.

이처럼, 박막 히터(123)에 도전체 패턴(124)을 형성하게 되면, 박막 히터(123)의 생산공정에서 도전체 패턴이 형성되지 않은 단일 박막 히터보다 생산 수율을 향상시킬 수 있게 되는데, 이는 도전체 패턴이 형성되지 않은 단일 박막 히터가 박막 히터 전체 중 일부분의 미세한 두께 차이나 스크래치 등의 일부 박막의 손상으로도 전체 저항체의 품질 저하로 이어지는 종래 문제점을 해결할 수 있게 되기 때문이다.

다음으로 금속패드(125)에 대해 설명하면, 상기 금속패드(125)는 박막 히터(123) 상에 장착되어, 외부로부터 공급된 전원을 박막 히터(123)로 균일하게 공급하는 역할을 수행하게 된다. 여기서, 상기 금속패드(125)를 박막 히터(123) 면 전체에 고르게 접지되도록 설치함으로써, 박막 히터(123)의 모든 면에서 균일한(일정한) 전류 밀도를 가질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

특히, 박막 히터(123)의 모든 면에서 균일한 전류 밀도를 가질 수 있도록 하기 위해서 금속패드(125)의 폭(두께)을 박막 히터(123)의 폭(두께)보다 더 크거나 같게 하는 것이 좋다.

도 9 내지 10은 본 발명에 따른 금속패드 및 박막 히터의 다양한 배치 패턴의 실시 예를 보여주는 예시도로서, 동 도면에서 보여지는 바와 같이 금속패드(125)의 형상을 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 여러 가지 위치, 모양, 크 기 및 개수를 가지는 패턴으로 형성할 수 있다.

이러한 박막 셀을 형성하는 이유는 한번에 많은 전력이 공급될 때 전력 공급되는 부위의 금속패드(125)와 박막히터(123)의 접지부위가 과열로 인해 파괴되는 것을 방지시키는 동시에 발열 영역을 여러 개로 분할시켜 각 영역별 저항값의 제어가 가능하도록 하기 위함이다.

상기한 바와 같은 금속패드(125)를 형성하는 소재는 박막 히터(123)에서 열이 발열 될 때에, 금속패드(125)의 온도에 대한 안정성을 보장하고, 산화에 의한 저항 증가를 막고, 박막 히터(123)로부터 탈착되지 않도록 하기 위한 Al, Au, W, Pt, Ag, Ta, Mo, Ti, H, Cu 등과 같은 금속이 사용될 수 있다.

마지막으로, 상기 보호층(127)은 박막 히터(123) 및 금속 패드(125)의 외면에 장착되어 외부환경으로부터 박막 히터(123), 금속 패드(125)를 전기적/화학적으로 보호하게 되는데, 이러한 보호층(127)의 소재로는 SiNx, SiOx, AlOx, Polymer, Polyimide, 테프론 등이 사용될 수 있으며, 상기 보호층(127)의 두께는 열전도율과 보호기능을 발휘할 수 있는 최적의 두께로 재질에 따라 정해지며, 약 0.1 μm 내지 20 μm 범위인 것이 바람직하다.

이러한, 보호층(127)은 도전체 패턴(124)이 형성된 박막 히터(123)와 도전체 패턴이 형성되어 있지 않은 상태의 박막 히터(123) 모두에 형성될 수 있다.

도 11은 본 발명에 따른 발열수단의 발열특성을 실험하기 위한 시편의 제원을 나타낸 개략도이고, 도 12는 도 11의 시편에 일정한 전류(50W)를 인가한 상태에서 시간 변위에 따른 온도변화 값을 측정한 그래프가 도시되어 있으며, 도 13은 도 11의 시편에 규정된 시간(10초)동안 인가되는 전류량의 변위에 따른 온도변화값을 측정한 그래프가 도시되어 있다.

이때, 상기 도 11 내지 도 13을 통해 측정된 온도 값은 박막 히터(123), 도전체 패턴(124), 절연막(122), 금속패드(125), 방열 패널(111) 등과 같은 각 구성 요소의 저항값, 두께, 소재 등에 따라 서로 다른 결과로 도출될 수 있음을 밝혀 둔다.

도 12에 도시된 바와 같이, 50 와트 전력이 인가될 시 일정 시간이 경과하면 287 ℃에서 임계(saturation) 특성이 나타남을 알 수 있다.

도 13에 도시된 바와 같이, 전력 변화에 따라 10초 동안 증가하는 표면 온도 변화는 선형적 증가 특성을 가지는 것을 알 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 발열수단(120)은 제품의 설계조건을 반영하여 박막 히터, 도전체 패턴, 절연막, 금속패드, 박막셀, 방열 패널 등과 같은 각 구성 요소의 저항값, 두께, 소재 등을 서로 다르게 적용하여 표면 온도 도달 시간 및 소비 전력을 제품 특성에 맞게 감소시켜 최적의 제품을 생산할 수 있도록 한다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 라디에이터의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명의 라디에이터(110)의 전원을 온(on) 시키도록 한다. 이때의 공급전원은 발열수단(120)의 금속패드(125)로 입력되고, 다시 박막 히터(123)의 전체 면적에 균일하게 공급되어 자체 발열이 이루어지게 된다.

상기 박막 히터(123)에서 발생된 열은 절연막(122)을 통해 방열 패널(111)로 전달되고, 가열된 방열 패널(111)은 대기와 열교환 됨으로써, 실내의 난방을 수행하게 된다.

이때, 상기 방열 패널(111)은 설치각도를 다양하게 변경시킬 수 있도록 하는데, 이와 같은 방열 패널(111)의 설치각도 변경은 라디에이터(110)의 방출열을 특정방향으로 집중시킬 수 있게 되는 이점을 갖게 된다.

이와 같은, 상기 박막 히터(123)는 저 전력의 외부 전원으로도 급속 발열이 이루어지게 되는데, 이는 500W 전원을 인가했을 경우를 보면, 20초 만에 섭씨 120도 이상으로 급속 가열되는 특성을 갖게 됨에 따라 전원공급과 동시에 뜨거운 열기를 방출시키게 됨에 따라 사용자의 기대를 충분히 만족시키게 되는 이점을 갖게 된다.

이상, 본 발명이 실시 예를 들어 설명되었으나, 본 발명의 실시 예는 단지 예시에 불과하며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명이 속하는 분야의 기술자는 본원의 특허청구범위에 기재된 원리 및 범위 내에서 본 발명을 여러 가지 형태로 변형 또는 변경할 수 있다.

상기와 같은 본 발명은 저전력 발열이 가능한 박막히터로 구성된 발열수단이 방열패널 내부에 장착되도록 함으로써, 적은 전기소모량으로도 최대의 난방효과를 얻게 되어 에너지절감에 일조하게 되는 효과를 갖는다.

그리고, 본 발명은 물 또는 기름과 같은 열매체를 필요로 하지 않고 방열패널을 통한 직접적인 열 방출이 이루어지는 것으로서, 열전도 과정에서의 열손실을 최소화할 수 있게 되는 효과와 더불어 전원인가와 동시에 박막히터의 즉각적인 발열이 이루어지게 됨에 따라 신속하고 빠른 난방성능을 갖게되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 라디에이터의 구성이 방열패널과 상기 방열패널을 지지하기 위한 상, 하부 프레임의 간단한 구성으로 이루어지게 됨에 따라 제조공정이 단축되고, 적은 부품으로도 제작이 가능하기 때문에 제조비용이 절감되는 동시에 생산성이 향상되는 효과를 갖는다.

그리고, 본 발명은 라디에이터의 구성이 간단하기 때문에 슬림화 제작이 가능하여, 취급 및 보관이 간편하고, 난방 온도나 시간 등과 같은 작동모드의 제어가 간편한 효과를 갖는다.

Claims

판상의 열방출면이 구비된 방열 패널(111);

적어도 하나 이상 복수 개로 이루어진 방열 패널(111) 들을 등 간격 배열시켜 지지하도록 된 고정 프레임(113);

상기 방열 패널(111)의 이면에 박막히터(123)를 포함하여 장착되어 저 전력 발열되는 발열수단(120); 및

상기 고정 프레임(113)의 어느 일 측에 상기 발열수단(120)의 전원공급 및 작동 모드를 제어하기 위해 설치된 제어부(117);

를 포함하는 라디에이터.
제 1항에 있어서,

상기 방열 패널(111)은

마주보는 열방출면(111a) 사이에 소정두께의 중공부(111b)를 갖는 함체형상으로 제작되는 것을 특징으로 하는 라디에이터.
제 2항에 있어서,

상기 방열 패널(111)이 수평방향으로 설치되고, 상기 수평방향으로 설치된 복수 개의 방열 패널(111)이 수직 방향을 따라 등 간격 배치되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 라디에이터.
제 3항에 있어서,

상기 각각의 방열 패널(111)은 설치 각이 가변되도록 양측 고정단이 힌지결합구조를 갖는 것을 특징으로 하는 라디에이터.
제 1항 내지 제 4항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,

상기 발열수단(120)은,

비 도전성 재질로 제작된 방열 패널(111);

상기 방열 패널(111)의 이면에 박막 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(123); 및

상기 박막 히터(123)에 전기적 접합이 이루어지고, 외부로부터 공급된 전원이 박막 히터(123) 전면에 균일하게 인가될 수 있도록 하는 특정 패턴을 갖는 금속패드(125);

를 포함하는 라디에이터.
제 5항에 있어서,

상기 발열수단(120)은,

도전성 재질로 제작된 방열 패널(111);

상기 방열 패널(111)의 이면에 소정 두께로 코팅되어 전기적 절연특성이 제공되는 동시에 우수한 열전도 특성이 제공되도록 한 절연막(122);

상기 절연막(122)의 하부에 박막 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(123); 및

상기 박막 히터(123)에 전기적 접합이 이루어지고, 외부로부터 공급된 전원이 박막 히터(123) 전면에 균일하게 인가될 수 있도록 하는 특정 패턴을 갖는 금속패드(125);

를 포함하는 라디에이터.
제 6항에 있어서,

상기 박막 히터(123) 상에 전류가 흐르기 위한 도전체 패턴(124)을 형성함으로써, 발생된 열이 박막 히터(123)의 면 전체에 균일하게 공급되고, 발열특성이 안정되도록 하는 것을 특징으로 하는 라디에이터.
제 6항에 있어서,

상기 금속패드(125)가 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 라디에이터.
제 6항에 있어서,

상기 박막 히터(123)가 단일 금속 또는 상기 금속을 조합한 2 성분계 금속 합금물 또는 금속-질화물(metal-nitride)을 조합한 2 성분계 금속-질화물 또는 금속-규화물(metal-silicide)을 조합한 2 성분계 금속-규화물 또는 후막 도전성 페이스트 중 어느 하나를 소재로 하는 것을 특징으로 하는 라디에이터.
제 6항에 있어서,

상기 금속패드(125)는 상기 박막 히터(123)로 전류 밀도가 균일하게 전원을 공급할 수 있도록 그 폭이 상기 박막 히터의 폭보다 크거나 같도록 설정되고, 발열시 온도에 대해 안정하고 산화에 따른 저항 증가 및 물리적 박리가 방지되는 Al 또는 Au 또는 W 또는 Pt 또는 Ag 또는 Ta 또는 Mo 또는 Ti 중 어느 하나를 소재로 하는 것을 특징으로 하는 라디에이터.
제 6항에 있어서,

상기 절연막(122)은 방열 패널(111)의 표면을 아크로 산화 형성한 산화 절연막 또는 방열 패널(111)의 표면에 폴리머를 코팅 형성한 폴리머 절연막 또는 상기 산화 절연막과 폴리머 절연막을 상기 방열 패널의 표면에 형성한 이중 절연막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 라디에이터.
제 11 항에 있어서,

상기 절연막(122)이 1000 V 이상의 절연 파괴 전압을 가지며, 100 V 전압이 인가될 때에 20 ㎂ 이하의 누설 전류를 갖는 것을 특징으로 하는 라디에이터.
제 11 항에 있어서,

상기 산화 절연막은 산화 알루미늄 또는 산화 베릴륨 또는 산화 티타늄을 포함하는 금속 산화물 중 어느 하나이고, 상기 폴리머 절연막의 상기 폴리머는 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리아미드(polyamide) 또는 테프론(teflon) 또는 페인트(paint) 또는 실버-스톤(silver-ston) 또는 테프젤-에스(tefzel-s) 또는 에폭시(epoxy) 또는 고무(rubber) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 라디에이터.
제 6 항에 있어서,

상기 금속패드(125) 및 박막 히터(123)가 외부환경으로부터 보호되도록 소정 두께로 보호층(127)이 코팅되는 것을 특징으로 하는 라디에이터.