KR20130093883A

KR20130093883A - 냉각수 가열식 ｃｎｔ 히터

Info

Publication number: KR20130093883A
Application number: KR1020120015096A
Authority: KR
Inventors: 장길상
Original assignee: 한라비스테온공조 주식회사
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2013-08-23
Also published as: KR101673874B1

Abstract

본 발명의 목적은 냉각수 가열식 CNT 히터로서, 열교환매체의 가열 효율을 극대화함과 동시에 소형화 및 컴팩트화가 가능하며 또한 열교환매체 파이프라인 설계를 단순화할 수 있는 냉각수 가열식 CNT 히터를 제공함에 있다.
본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는, U자형으로 절곡된 형태로 형성되는 플레이트(112)와, 상기 플레이트(112) 표면에 전력을 공급받아 발열하도록 CNT(Carbon Nanotube)를 포함하여 이루어지는 발열층(111)이 구비되어 이루어지는 발열부(110); 상기 발열부(110)를 수용하며, 열교환매체 유통구(121)를 통해 열교환매체가 유입 또는 배출되는 열교환매체 수용부(120); 를 포함하여 이루어져, 열교환매체가 상기 열교환매체 수용부(120)에 수용되어 상기 발열층(111)으로부터 발열되는 열을 흡수하여 가열되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

냉각수 가열식 ＣＮＴ 히터 {CNT COOLANT PRE HEATER}

본 발명은 냉각수 가열식 CNT 히터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량 실내 난방을 위한 냉각수 등과 같은 유체 상태의 열교환매체를 가열하는 냉각수 가열식 CNT 히터에 관한 것이다.

휘발유, 경유 등을 에너지원으로 하는 엔진을 구동원으로 하는 차량이 현재 가장 일반적인 차량의 형태이나, 이러한 차량용 에너지원 역시 환경오염 문제 뿐 아니라 석유 매장량의 감소 등과 같은 다양한 원인으로 인해 새로운 에너지원의 필요성이 점점 대두되고 있는 바, 현재 가장 실용화 단계에 가까운 기술 중 하나가 연료 전지를 에너지원으로 하여 구동되는 차량이다.

그런데, 이와 같은 연료 전지를 사용하는 차량에서는 종래의 석유를 에너지원으로 하는 엔진을 가지는 차량과는 달리 냉각수를 이용한 히팅 시스템을 사용할 수 없다. 즉, 종래의 석유를 에너지원으로 하는 엔진을 구동원으로 하는 차량의 경우 엔진에서 매우 많은 열이 발생하게 되고, 엔진을 냉각하기 위한 냉각수 순환 시스템이 구비되며, 냉각수가 엔진으로부터 흡수한 열을 실내 난방에 이용하도록 하고 있었다. 그러나 엔진에서 발생하는 것과 같은 많은 열이 연료 전지를 사용하는 차량의 구동원에서는 발생하지 않기 때문에, 이러한 종래의 난방 방식을 사용하기에는 한계가 있었다.

이에 따라 연료 전지 차량에서는, 공조 시스템에 열펌프(heat pump)를 추가하여 이를 열원으로서 사용할 수 있게 하거나, 전기 히터와 같은 별도의 열원을 구비하거는 등 여러 연구가 이루어지고 있다. 이 중 전지 히터는 공조 시스템에 크게 영향을 주지 않고 보다 용이하게 냉각수를 가열할 수 있어 현재 광범위하게 실제 사용이 이루어지고 있다.

도 1은 종래의 다양한 냉각수 히터들을 도시하고 있다.

도 1(A)는 한국특허등록 제0745455호("보조히터 및 이를 구비하는 온수히터", 2007.07.27)를 도시한 것으로, 내연 기관 차량 등에서 일반적으로 널리 사용되고 있는 차량용 히터 형태이다. 엔진을 통과하여 나온 냉각수는 매우 고온이기 때문에 이 열을 외부로 방출하기만 하면 차량 실내를 난방하기에는 충분하므로, 일반적으로 내연 기관 차량의 차량용 히터는 도시된 바와 같이 튜브-핀을 통해 외부 공기와 열교환하는 일반적인 열교환기 형태로 형성되어도 충분하다. 그러나 시동 초기나 동절기 등의 경우에는 냉각수가 충분히 뜨거워지지 않아 난방이 이루어지지 못하므로, 이러한 문제를 해소하기 위하여 도 1(A)와 같이 튜브들 사이에 전기를 이용하여 가열을 하는 보조 히터를 구비시키는 구조가 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 형태의 히터는, 내연 기관 차량에 비해 구동부 등 전장품의 발열량이 적고 적절한 작동 환경 온도 조건이 훨씬 낮은 연료 전지 차량의 경우 냉각수가 난방에 사용될 만큼 충분히 뜨겁기 못하여, 연료 전지 차량에 적용하기에는 문제가 있다.

도 1(B)는 한국특허공개 제2010-0117759호("연료전지 차량용 히터 겸용 리저버", 2010.11.04)를 도시한 것으로, 현재 연료 전지 차량용으로 널리 사용되는 히터 형태를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 냉각수가 통과하는 탱크에 COD 히터 카트리지를 직접 삽입하여, 냉각수를 직접 가열하는 방식이다. 그러나 이러한 형태의 히터는, 발열원인 COD 히터 카트리지와 냉각수 간의 접촉 면적을 늘리는데 제한이 있어 가열 효율을 증대시키는데 한계가 있고, COD 히터 카트리지 자체의 부피 때문에 냉각수 히터 자체의 부피가 커지게 된다는 문제점이 있다.

도 1(C)는 일본특허공개 제2008-056044호("열매체 가열 장치 및 그것을 이용한 차량용 공기 조절 장치", 2008.03.13)를 도시한 것으로, 도 1(B)의 냉각수 히터보다 좀더 가열 효율을 증대시킬 수 있는 형태의 냉각수 히터를 제시하고 있다. 도 1(C)의 냉각수 히터는, 발열원인 PTC 전극판의 상하부에 판형 핀을 배치하고, 냉각수가 상기 판형 핀을 통과하여 유통되도록 하여, PTC 전극판으로부터 냉각수로의 열전달효율을 높여 냉각수를 보다 효과적으로 가열하도록 된 구조로 되어 있다. 그런데, 이와 같은 냉각수 히터의 경우 종래의 냉각수 히터보다 가열 효율이 좋은 대신 다음과 같은 여러 문제점들을 가지고 있다. 첫째, 발열원(PTC 전극판)이 별도의 부품으로 들어가게 되므로 부품 수가 많아지고, 부피 및 중량이 증가하는 문제가 있다. 둘째, PTC 전극판으로부터 발생되는 열이 냉각수로 온전히 전달되지 못하고 일부가 바깥쪽으로 전달되어 열손실이 발생하게 된다. 셋째, PTC 전극판으로부터 냉각수로의 열전달 경로 상에 절연층 등 여러 물체들이 존재하여 열저항이 커지고, 따라서 열전달 효율이 떨어지는 문제가 있다. 넷째, 이러한 형태의 냉각수 히터를 차량에 장착할 때 냉각수 파이프라인이나 전기 공급선 회로 등의 설계가 복잡해지며, 또한 냉각수 히터 자체의 부피가 크기 때문에 실제 장착이 어려워진다.

이와 같이 종래의 냉각수 히터가 다양한 형태로 개시되어 있으나, 연료 전지 차량에 사용되기 부적절하거나, 가열 효율이 충분히 높지 못하거나, 제작 및 장착이 어렵거나, 부피, 중량, 단가 등이 너무 큰 등 여러 가지 문제점들을 가지고 있는 실정이다.

1. 한국특허등록 제0745455호 ("보조히터 및 이를 구비하는 온수히터", 2007.07.27) 2. 한국특허공개 제2010-0117759호 ("연료전지 차량용 히터 겸용 리저버", 2010.11.04) 3. 일본특허공개 제2008-056044호 ("열매체 가열 장치 및 그것을 이용한 차량용 공기 조절 장치", 2008.03.13)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 냉각수 가열식 CNT 히터로서, 열교환매체의 가열 효율을 극대화함과 동시에 소형화 및 컴팩트화가 가능하며 또한 열교환매체 파이프라인 설계를 단순화할 수 있는 냉각수 가열식 CNT 히터를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는, U자형으로 절곡된 형태로 형성되는 플레이트(112)와, 상기 플레이트(112) 표면에 전력을 공급받아 발열하도록 CNT(Carbon Nanotube)를 포함하여 이루어지는 발열층(111)이 구비되어 이루어지는 발열부(110); 상기 발열부(110)를 수용하며, 열교환매체 유통구(121)를 통해 열교환매체가 유입 또는 배출되는 열교환매체 수용부(120); 를 포함하여 이루어져, 열교환매체가 상기 열교환매체 수용부(120)에 수용되어 상기 발열층(111)으로부터 발열되는 열을 흡수하여 가열되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 발열층(111)은 상기 플레이트(112)의 U자 형태 내부 측에 형성되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 플레이트(112)는 U자 형태로 절곡되는 절곡부(112a)와, U자 형태의 양측 끝단으로부터 수직하게 연장 형성되는 연장부(112b)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 플레이트(112)는 상기 절곡부(112a) 및 상기 연장부(112b) 모두에 상기 발열층(111)이 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 플레이트(112)는 U자 형태로 된 상기 절곡부(112a)의 개방된 전후면을 막아 밀폐하는 밀폐부(112c)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 발열층(111)은 상기 플레이트(112) 상에 구비되어 전력을 공급받아 발열하는 CNT(Carbon Nanotube)층(111a)과, 외부 전원과 연결되며 상기 CNT층(111a)과 접속되어 상기 CNT층(111a)에 전력을 공급하는 전극(111b)과, 상기 CNT층(111a)의 노출을 방지하여 절연되도록 상기 CNT층(111a)을 덮어싸는 형태로 구비되는 절연층(111c)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 플레이트(112)는 상기 열교환매체 수용부(120) 측으로 돌출되는 열교환성능 증대용 구조가 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는 상기 발열층(111)으로의 전력 공급을 제어하는 기판(131) 및 상기 기판(132)을 외부로부터 밀폐하도록 덮어씌워져 구비되는 케이스(132)를 포함하여 이루어지는 제어회로부(130); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는 상기 발열부(110) 일측에 구비되어 열교환매체 온도가 미리 결정된 기준 이상으로 올라가면 상기 발열층(111)에 공급되는 전력을 차단하는 과열 방지 수단(140); 을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는 상기 열교환매체 유통구(121) 상에 구비되는 온도 센서(145); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 발열체가 플레이트 상에 인쇄 배치되어 U자 모양으로 배치 형성되되 U자의 바깥쪽에 열교환매체가 배치되도록 함으로써, 발열체로부터 열교환매체로의 열전달효율을 극대화하여 열교환매체의 가열 효율을 크게 증대시킬 수 있다는 큰 효과가 있다. 특히 본 발명은 발열체의 열이 외부로 빠져나가는 경로가 거의 없어, 발열체로부터 열교환매체로의 열전달에 있어서의 열손실이 거의 발생하지 않아, 가열 효율을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.

특히 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터는, 종래의 히터에 비하여 부품 수, 부피 및 중량을 줄일 수 있어, 소형화 및 컴팩트화가 가능하여 엔진 룸 내 공간활용성을 극대화해주는 큰 효과가 있다. 더불어 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터는 엔진 룸 내 열교환매체 파이프라인을 크게 변화시키지 않아도 된다. 이와 같은 소형화 및 컴팩트화 가능, 파이프라인 등의 설계 용이성 등으로 인해, 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터는 차량에 장착하기에도 매우 용이하여 사용자 편의성 또한 높여 주는 다각적인 효과가 있다.

뿐만 아니라 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터는 과열 방지 구조를 구비함으로써 전기 히터에서의 과열로 인하여 발생 가능한 화재, 부품 손상 및 파손, 열교환매체 누출 등의 위험성을 제거해 주는 큰 효과가 있다.

더불어, 상술한 바와 같이 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터는 가열 효율이 극대화되기 때문에, 일반적인 내연 기관 차량에 비하여 실내 난방, 오일 가열 등을 위한 냉각수를 원하는 온도까지 가열하기에 어려움이 있는 연료 전지 차량, 하이브리드 차량 등에 대해서, 냉각수 히터, 오일 워머 등으로서 매우 효과적으로 적용될 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 다양한 냉각수 히터 형태들.
도 2는 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터.
도 3은 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터의 분해 사시도.
도 4는 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터의 단면도.
도 5는 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터의 제작 단계.
도 6은 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터의 플레이트 형상의 여러 실시예.
도 7은 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터의 사용예.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 냉각수 가열식 CNT 히터를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터의 사시도를, 도 3은 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터의 분해 사시도를 도시한 것이다. 또한 도 4는 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터의 단면도를 도시한 것이다. 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는 도 2 등에 도시된 바와 같이 발열부(110) 및 열교환매체 수용부(120)를 포함하여 이루어져, 열교환매체가 상기 열교환매체 수용부(120)에 수용되어 상기 발열층(111)으로부터 발열되는 열을 흡수하여 가열되도록 형성된다. 이러한 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는 유체를 가열하기 위한 용도로 어디에나 적용할 수 있는데, 특히 차량의 냉각수 히터, 오일 워머 등과 같은 용도로 사용되기에 매우 적합하다. 이하에서 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.

상기 발열부(110)는 도시된 바와 같이 U자형으로 절곡된 형태로 형성되는 플레이트(112)와, 상기 플레이트(112) 표면에 전력을 공급받아 발열하도록 CNT(Carbon Nanotube)를 포함하여 이루어지는 발열층(111)이 구비되어 이루어진다. 이후 보다 상세히 설명하겠으나, 열전도저항을 최소화할 수 있도록 상기 플레이트(112)는 금속 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

이러한 구조를 가지는 상기 발열부(110)는, 도 5에 도시된 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터(100)의 제작 단계를 통해 용이하게 만들어질 수 있다. 도 5를 참조하여 설명하자면, 일단 상기 플레이트(112)는 앞서 설명한 바와 같이 U자 형태로 절곡되는 절곡부(112a)를 가지는데, 여기에 U자 형태의 양측 끝단으로부터 수직하게 연장 형성되는 연장부(112b)를 더 포함할 수 있다. 상기 연장부(112b)가 형성됨으로써, 도 2, 3, 4 등에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 열교환매체 수용부(120) 위에 걸쳐짐으로써 상기 열교환매체 수용부(120) 위를 덮을 수 있도록 하여, 상기 열교환매체 수용부(120)의 밀폐 및 결합을 보다 용이하게 할 수 있다.

이 때, 도시된 바와 같이 상기 플레이트(112)에서 상기 절곡부(112a) 및 상기 연장부(112b) 모두에 상기 발열층(111)이 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 실제로 가장 넓은 면적을 가지고 있는 부분은 상기 절곡부(112a)로서 여기에만 상기 발열층(111)이 형성되어 있도록 하여도 되겠으나, 보다 열교환매체의 가열 효율을 높이기 위해서는 될 수 있는 한 발열층(111)의 면적을 넓히는 것이 좋으므로, 상기 절곡부(112a) 뿐만 아니라 상기 연장부(112b)에 이르기까지, 열교환매체와 접촉되는 부위 모두에 상기 발열층(111)이 형성되어 있도록 하는 것이 바람직한 것이다.

또한, 상기 플레이트(112)는 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 U자 형태로 된 상기 절곡부(112a)의 개방된 전후면을 막아 밀폐하는 밀폐부(112c)를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 도 2, 3, 4에는 상기 밀폐부(112c)가 생략된 형태, 즉 상기 플레이트(112)가 절곡부(112a) 및 연장부(112b)만으로 되어 있는 형태가 도시되어 있다. 물론 이 경우라도, 상기 플레이트(112)가 상기 열교환매체 수용부(120)에 꽉 끼도록 결합된다면 문제가 없겠으나, 대량 생산 과정에서 이러한 결합에 의한 밀폐를 완전히 보장하기는 어렵기 때문에, 도 5에서와 같이 상기 플레이트(112)에는 상기 밀폐부(112c)가 형성되는 것이 더 바람직한 것이다.

도 5(A)는 상기 플레이트(112)의 전개도를 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 판재 상태인 상기 플레이트(112)를 적당한 형태로 절단하고, 상기 발열층(111)을 상기 플레이트(112) 상에 형성시킨다. 도 5(B)는 상기 플레이트(112)를 절곡하여 상기 절곡부(112a) 및 상기 연장부(112b)가 형성되는 과정까지를 도시한 것이다. 이제 마지막으로 도 5(C)에 도시된 바와 같이 상기 밀폐부(112c)를 절곡하여, 상기 절곡부(112a)의 U자형으로 되어 개방된 전후면을 막아 주고, 상기 밀폐부(112c)의 끝단을 용접 등의 방법으로 고정해 줌으로써, 상기 플레이트(112) 중 상기 열교환매체 수용부(120)에 수용되는 부분(즉 상기 절곡부(112a) 부분)은 외부(즉 열교환매체)와 안전하게 밀폐될 수 있게 된다.

상기 발열층(111)은 CNT(Carbon Nanotube)를 이용하여 발열이 일어나도록 하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 상기 발열층(111)은 상기 플레이트(112) 상에 구비되어 전력을 공급받아 발열하는 CNT(Carbon Nanotube)층(111a)과, 외부 전원과 연결되며 상기 CNT층(111a)과 접속되어 상기 CNT층(111a)에 전력을 공급하는 전극(111b)과, 상기 CNT층(111a)의 노출을 방지하여 절연되도록 상기 CNT층(111a)을 덮어싸는 형태로 구비되는 절연층(111c)을 포함하여 이루어져, 상기 CNT층(111a)이 외부 전원으로부터 전력을 공급받아 발열이 이루어지도록 형성된다. 상기 CNT층(111a)은 그 물질적 특성상 상기 내부관(112) 외면 상에 인쇄 및 소결하는 방식으로 매우 용이하게 형성할 수 있으며, 상기 절연층(111c)은 일반적으로 사용되는 절연용 필름 등을 적용할 수 있다. 상기 전극(111b)은 외부 전원과의 전기적 연결을 이루는 부분이다. 도 4(B)에서는 상기 전극(111b)이 상기 절연층(111c)에 의하여 외부와 절연되고 별도의 전력공급선이 상기 절연층(111c)을 통과하여 상기 전극(111b)과 연결된 형태로 도시되어 있으나, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 상기 전극(111b)이 상기 절연층(111c) 외부로 노출되도록 형성되고 전력공급선이 노출된 상기 전극(111b)과 접속되도록 형성될 수도 있는 등, 외부 전원과의 전기적 연결을 이룰 수 있다면 어떠한 형태로 형성되어도 무방하다. 상기 발열층(111)이 상술한 바와 같이 CNT로 이루어지도록 할 경우, 상기 플레이트(112) 상에 상기 발열층(111)을 형성하는 과정은 CNT층(111a)을 인쇄하는 방법 등으로 매우 용이하게 이루어질 수 있다.

특히, 상기 발열층(111)은 상기 플레이트(112)의 U자 형태 내부 측에 형성되는 것이 바람직하다. 이는, 상술한 바와 같이 상기 발열층(111)이 CNT층(111a), 절연층(111c) 등과 같은 얇은 박막이 부착되는 형태로 형성되므로, 열교환매체와 직접 접촉하게 되면 손상이 일어나거나 누전이 발생될 위험성이 있기 때문이다. (이와 같은 관점에서, 앞서 상기 플레이트(112)의 구조에서 상기 밀폐부(112c)가 형성되도록 하여 상기 발열층(111)이 형성된 부분에 열교환매체가 새어 들어가서 열교환매체가 상기 발열층(111)과 직접 접촉하는 것을 방지하도록 하는 것이다.)

상기 열교환매체 수용부(120)는 상기 발열부(110)를 수용하며, 열교환매체 유통구(121)를 통해 열교환매체가 유입 또는 배출되도록 형성된다. 상기 열교환매체 수용부(120)는 말 그대로 열교환매체가 수용되는 용기로서, 상기 발열부(110)에서 발산되는 열이 열교환매체로 흡수될 수 있도록 열교환매체를 담아 두고 있는 역할만 하면 되는 바, 그 형태나 재질 등에는 아무런 제한이 없다.

이와 같이 형성되는 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는, 상술한 바와 같이 그 구조가 간단하여 부품 수가 많지 않고 제작이 용이하므로, 종래의 냉각수 가열식 CNT 히터에 비하여 부품 단가, 조립 공정 등이 훨씬 간소화된다. 뿐만 아니라, 이와 같이 단순한 구조 및 적은 부품 수로 인하여 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는 종래의 냉각수 가열식 CNT 히터에 비하여 훨씬 부피 및 중량을 줄일 수 있어, 냉각수 가열식 CNT 히터의 소형화 및 컴팩트화를 이룰 수 있다. 따라서 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는 엔진 룸 내 공간활용성을 크게 높여 주며, 장착 또한 용이하여 사용자 편의성을 극대화시켜 준다.

도 4를 통해 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터(100)의 실제 작동에 대하여 보다 상세히 설명한다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는 발열부(110) 및 열교환매체 수용부(120)를 포함하여 이루어지며, 상기 발열부(110)는 상기 열교환매체 수용부(120)에 수용되어 있는 형태로 결합된다. 도시된 바와 같이 상기 열교환매체 수용부(120)에는 열교환매체 유통구(121)를 통해 열교환매체가 유통될 수 있도록 되어 있어, 상시 열교환매체가 채워져 있게 되는데, 상기 플레이트(112)가 U자 형태로 절곡되어 있기 때문에, 도 4에 도시된 바와 같이, 열교환매체 역시 상기 플레이트(112)의 외측면을 따라 U자 형태로 흘러가게 된다.

이 때, 앞서 설명한 바와 같이 상기 플레이트(112) 상에는 전력을 받아 발열하도록 CNT(Carbon Nanotube)를 포함하여 이루어지는 발열층(111)이 구비되어 있다. 상기 발열층(111)에서 발열이 되면, 이 열은 상기 플레이트(112)의 U자형 내부로도 물론 발산되겠지만, 대부분의 열량이 상기 플레이트(112)를 통해 전도된 후 상기 플레이트(112) 외측의 열교환매체로 전달되게 된다. 외측 방향의 발열에 있어서, 상기 플레이트(112)는 상술한 바와 같이 얇은 금속재로 되어 있으므로 열손실이 거의 일어나지 않는다. 또한 내측 방향에 발열에 대하여 부연하자면, 상기 플레이트(112)의 U자형 내부로 발산된 열은 그 내부에 수용된 공기를 가열하여 온도를 올리게 된다. 그런데 이 부분은 도시된 바와 같이 외부와 밀폐되어 있어 공기가 외부로 빠져나가지 못하므로, 열량은 거의 손실되지 않고 공기를 가열하는데 사용되게 된다. 이와 같이 공기가 가열됨으로써 공기의 온도보다 열교환매체의 온도가 상대적으로 높아지면, 결국 열은 공기에서 열교환매체 쪽으로 전달되게 된다. 즉, 상기 발열층(111)이 상기 플레이트(112) 내부에 구비되어 있다 하더라도, 최종적으로 열전달 방향은 열교환매체 쪽으로 이루어지게 되는 것이다.

이와 같이 상기 발열층(111)에서 발생된 열이 상기 열교환매체 수용부(120) 내에 수용되어 있는 열교환매체로 전달되어 흡수됨으로써 열교환매체의 가열이 이루어지게 된다. 이 때, 상술한 바와 같이 상기 발열층(111)이 상기 플레이트(112)의 U자 형태 내부 측에 형성되어 있도록 하고, 특히 상기 밀폐부(112c)까지 형성해 주게 되면, 열교환매체가 상기 발열층(111)과 직접적으로 접촉할 위험성이 거의 제거된다. 따라서 매우 안정적으로 열교환매체의 가열을 수행할 수 있게 된다.

특히 본 발명의 구성에 의하면, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 열교환매체와 접촉되는 상기 플레이트(112) 상의 모든 면적 부분에 상기 발열층(111)이 형성되어 있도록 할 수 있다. 이와 같이 열교환매체와의 열전달면적을 최대화함으로써, 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는 열교환매체의 가열을 보다 효과적으로 수행할 수 있다.

이처럼 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는 유체의 가열 효율을 극대화하는 장점이 있어, 앞서 설명한 바와 같이 차량의 냉각수 히터, 오일 워머 등과 같은 장치로서 활용되기에 매우 적합하다. 종래에 내연 기관 차량의 경우 엔진의 작동 온도가 높아서 (실내 난방이나 오일 가열(warming) 등을 위한) 냉각수 가열이 용이한 반면 연료 전지 차량이나 하이브리드 차량의 경우 상대적으로 작동 온도가 낮아서 냉각수를 원하는 온도만큼 가열하기 어려운 문제가 있었다. 이 때 연료 전지 차량이나 차이브리드 차량 등의 실내 난방이나 오일 가열 등을 위하여 열교환매체를 가열하는 냉각수 히터 또는 오일 워머 등으로서 이러한 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터(100)를 적용하면, 앞서 설명한 바와 같이 열교환매체 가열 효율이 극대화되기 때문에 종래의 냉각수 히터에 비해 원하는 온도까지 냉각수를 가열하는 것이 훨씬 용이해지고 에너지 소비를 절약할 수 있는 큰 장점을 갖는다.

여기에서 적용예로서 차량에 있어서 열교환매체가 냉각수인 경우에 대하여 설명하였으나, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는 유체 형태로 된 열교환매체를 가열하기 위한 용도라면 어떤 용도에나 사용할 수 있음은 당연하다.

또한 상기 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는, 상기 발열층(111)으로의 전력 공급을 제어하는 기판(131) 및 상기 기판(132)을 외부로부터 밀폐하도록 덮어씌워져 구비되는 케이스(132)를 포함하여 이루어지는 제어회로부(130); 를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 발열층(111)은 외부로부터 전력을 전달받아서 발열을 하게 되는데, 상기 발열층(111)으로 전달하는 전력을 적절하게 조절할 수 있도록 상기 기판(131)이 구비되도록 하는 것이다. 또한 상기 기판(131) 및 상기 케이스(132)를 구비함으로써, 상기 발열부(110)의 윗부분(즉 상기 플레이트(112)의 U자형 부분의 상측 개방부 부분)을 밀폐하여 (가열된 공기가 빠져나가는 것을 막음으로써) 열손실을 막는 역할 또한 할 수 있게 된다. 이와 같이 상기 기판(131)이 구비될 경우, 당연히 상기 발열층(111)의 전극(111b)은 상기 기판(131)으로 연결되도록 할 수 있다.

또한, 상기 냉각수 가열식 CNT 히터(110)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 발열부(110) 일측에 구비되어 열교환매체 온도가 미리 결정된 기준 이상으로 올라가면 상기 발열층(111)에 공급되는 전력을 차단하는 과열 방지 수단(140); 을 더 포함하여 이루어져, 과열로 인한 화재를 방지하도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 과열 방지 수단(140)은, 바이메탈 구조 등과 같이 일반적으로 잘 알려진 과전류 차단 장치의 다양한 구성 중에서 적절한 구성을 설계자의 편의나 목적 등에 따라 선택적으로 채용할 수 있다.

또한, 상기 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는 상기 열교환매체 유통구(121) 상에 구비되는 온도 센서(145); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 온도 센서(145)는 상기 온도 센서(145)에서 측정된 온도 값 신호에 의하여 상기 발열층(111)으로의 전력 공급이 제어되도록 함으로써, 열교환매체 온도가 미리 결정된 기준 이상으로 올라가면 상기 발열층(111)으로의 전력 공급이 차단되도록 형성될 수 있다. 상기 온도 센서(145)는 상기 제어회로부(130)의 상기 기판(131)에 연결되도록 할 수도 있고, 또는 별도로 차량의 중앙제어수단 등에 연결되어 열교환매체의 온도를 모니터링하도록 형성될 수도 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 발열부(110)는 CNT 발열층(111)이 구비되며 U자 형태로 절곡되어 있는 플레이트(112)를 포함하여 이루어짐으로써, 외부로의 열손실을 최소화하면서도 열교환매체와의 열교환면적을 최대화하는 형상을 취하게 된다. 이 때, CNT는 역시 앞서 설명한 바와 같이 인쇄 등과 같은 방법에 의해 형성할 수 있기 때문에, 상기 플레이트(112)의 형상이 다소 복잡해진다 해도 큰 상관이 없다. 따라서 상기 플레이트(112)의 열교환면적으로 더욱 증대시키기 위해서, 상기 플레이트(112)는 상기 열교환매체 수용부(120) 측으로 돌출되는 열교환성능 증대용 구조가 형성되는 것이 바람직하며, 예로써 도 6에 도시된 실시예들과 같이 상기 플레이트(112) 형상의 다양한 변형 실시가 가능하다.

도 6은 상기 플레이트(112) 상에, 열교환성능 증대용 구조로서 요철부(112p)가 형성된 예시를 도시하고 있다. 상기 요철부(112p)는 상기 플레이트(112)의 상면, 측면 또는 하면 중 어디에나, 또는 도 6에 도시된 바와 같이 상면, 측면 및 하면 모두에 형성되도록 할 수 있다. 상기 요철부(112p)는 도 6(A)에 도시되어 있는 바와 같이 상기 플레이트(112)의 상면, 측면 또는 하면에 일자로 길게 연장된 형태로 다수 개가 나란하게 배치된 형태로 형성될 수도 있고, 또는 도 6(B)에 도시되어 있는 바와 같이 상기 플레이트(112)의 상면, 측면 또는 하면에 일자로 짧게 다수 개가 열을 이루고, 이러한 열이 다수 개 나란하게 배치된 형태로 형성되되, 각 열의 요철이 서로 교번된 형태가 되도록 이루어질 수도 있다.

이와 같이 상기 플레이트(112) 상에 열교환성능 증대용 구조로서 상기 요철부(112p)와 같은 구조가 형성됨으로써 열교환면적이 더욱 넓어져 열교환효율을 더욱 극대화시킬 수 있다. 물론 상기 열교환성능 증대용 구조가 도시된 바와 같은 상기 요철부(112p) 형태로 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 비드 형상으로 된다거나, 또는 상기 플레이트(112) 외측면에 구비되는 핀 형상으로 형성되는 등과 같이, 상기 플레이트(112)에서 상기 열교환매체 수용부(120) 쪽으로 돌출되어 상기 발열층(111)으로부터 열교환매체로의 열전달이 보다 잘 이루어질 수 있게 되는 구조라면 어떠한 형태로든 다양한 변경 실시가 가능함은 당연하다. 이 때 상기 요철부(112p)의 크기나 형상은, 상기 열교환성능 증대용 구조 형성으로 인한 CNT의 인쇄 용이성이나, 상기 열교환성능 증대용 구조를 형성하는 과정에서 CNT 발열층(111)의 손상 가능성이나, 또는 상기 열교환성능 증대용 구조로 인한 흐름 저항 증가에 따른 열교환매체의 유통성 등과 같은 다양한 요소를 고려하여 설계자에 의하여 적절하게 결정될 수 있다.

도 7은 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터의 사용예를 도시한 것으로서, 보다 구체적으로는 상기 냉각수 가열식 CNT 히터(100)가 차량의 냉각수 히터로서 사용되는 예시를 도시한 것이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 일반적으로 차량에는 냉매를 열교환매체로 하여 압축기(210), 응축기(220), 팽창 밸브(230), 증발기(240)를 포함하여 이루어져 공기를 냉각 또는 가열함으로써 실내 냉난방을 수행하는 냉방 시스템(200)과, 냉각수를 열교환매체로 하여 엔진 또는 모터 등과 같은 구동부(500)에서 발생되는 열을 냉각수로 흡수하여 라디에이터(310)에서 발산함으로써 구동부를 냉각하는 냉각 시스템(300)이 구비된다. 상기 냉방 시스템(200)의 상기 증발기(240)에는 도 7에 도시된 바와 같이 공조 장치(400)가 구비되어, 상기 증발기(240)가 주변으로부터 열을 흡수하여 공기를 냉각하면, 이 공기가 상기 공조 장치(400)에 의하여 차량 실내로 불어들어가도록 함으로서 냉방이 수행되게 된다. 이 때, 상기 냉각 시스템(300)을 순환하는 냉각수는 상기 구동부(500)로부터 상당한 열을 흡수하기 때문에, 이 열을 실내 난방에 이용하기 위하여 상기 공조 장치(400)에 냉각수가 통과하는 히터부(320)가 구비되도록 하고 있다.

일반적으로 내연 기관 차량의 경우에는 상기 구동부(500)가 엔진으로 이루어지는 바 상기 구동부(500)에서 매우 많은 열이 발생하며, 따라서 상기 히터부(320)를 통과하는 냉각수는 실내를 난방하기에 충분한 고온을 유지할 수 있다. 그러나 연료 전지 차량이나 하이브리드 차량의 경우에는, 상기 구동부(500)에 엔진보다 상대적으로 적은 열이 발생되는 모터가 포함되기 때문에, 실내 난방에 이용될 만큼 냉각수 온도를 충분히 올리기 어려운 문제가 있었다. 또한, 내연 기관 차량의 경우에라도 동절기 등에 시동된 지 얼마 안 된 시점, 즉 엔진이 충분히 뜨거워지지 않은 시점에서는 역시 마찬가지로 냉각수가 충분히 고온이 되지 못한다.

이러한 경우에 냉각수를 가열하기 위하여 냉각수 히터가 사용되는데, 이 때 냉각수 히터로서 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 냉각수 가열식 CNT 히터(100)를 채용하여 줌으로써, 냉각수의 가열 효율을 극대화할 수 있게 된다. 즉 상기 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는, 내연 기관 차량, 연료 전지 차량, 하이브리드 차량 등 어떤 차량에든 냉각수 가열을 위한 냉각수 히터로서 사용될 수 있다.

이러한 예는 상기 냉각수 가열식 CNT 히터(100)가 사용될 수 있는 하나의 예시로서, 앞서 설명한 바와 같이 차량의 오일 워머로서 사용될 수도 있는 등, 상기 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는 유체를 가열하는 장치로서라면 어디에나 채용될 수 있음은 당연하며, 상기 예로서 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: (본 발명의) 냉각수 가열식 CNT 히터
110: 발열부 111: 발열층
111a: CNT(Carbon Nanotube, 탄소나노튜브)층
111b: 전극 111c: 절연층
112: 플레이트 112a: 절곡부
112b: 연장부 112c: 밀폐부
112p: 요철부
120: 열교환매체 수용부 121: 열교환매체 유통구
130: 제어회로부
131: 기판 132: 케이스
140: 과열 방지 수단

Claims

냉각수 가열식 CNT 히터(100)로서,
U자형으로 절곡된 형태로 형성되는 플레이트(112)와, 상기 플레이트(112) 표면에 전력을 공급받아 발열하도록 CNT(Carbon Nanotube)를 포함하여 이루어지는 발열층(111)이 구비되어 이루어지는 발열부(110);
상기 발열부(110)를 수용하며, 열교환매체 유통구(121)를 통해 열교환매체가 유입 또는 배출되는 열교환매체 수용부(120);
를 포함하여 이루어져,
열교환매체가 상기 열교환매체 수용부(120)에 수용되어 상기 발열층(111)으로부터 발열되는 열을 흡수하여 가열되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각수 가열식 CNT 히터.
제 1항에 있어서, 상기 플레이트(112)는
U자 형태로 절곡되는 절곡부(112a)와, U자 형태의 양측 끝단으로부터 수직하게 연장 형성되는 연장부(112b)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각수 가열식 CNT 히터.
제 2항에 있어서, 상기 플레이트(112)는
상기 절곡부(112a) 및 상기 연장부(112b) 모두에 상기 발열층(111)이 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각수 가열식 CNT 히터.
제 2항에 있어서, 상기 플레이트(112)는
U자 형태로 된 상기 절곡부(112a)의 개방된 전후면을 막아 밀폐하는 밀폐부(112c)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각수 가열식 CNT 히터.
제 1항에 있어서, 상기 발열층(111)은
상기 플레이트(112)의 U자 형태 내부 측에 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각수 가열식 CNT 히터.
제 1항에 있어서, 상기 발열층(111)은
상기 플레이트(112) 상에 구비되어 전력을 공급받아 발열하는 CNT(Carbon Nanotube)층(111a)과,
외부 전원과 연결되며 상기 CNT층(111a)과 접속되어 상기 CNT층(111a)에 전력을 공급하는 전극(111b)과,
상기 CNT층(111a)의 노출을 방지하여 절연되도록 상기 CNT층(111a)을 덮어싸는 형태로 구비되는 절연층(111c)
을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각수 가열식 CNT 히터.
제 1항에 있어서, 상기 플레이트(112)는
상기 열교환매체 수용부(120) 측으로 돌출되는 열교환성능 증대용 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각수 가열식 CNT 히터.
제 1항에 있어서, 상기 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는
상기 발열층(111)으로의 전력 공급을 제어하는 기판(131) 및 상기 기판(132)을 외부로부터 밀폐하도록 덮어씌워져 구비되는 케이스(132)를 포함하여 이루어지는 제어회로부(130);
를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각수 가열식 CNT 히터.
제 1항에 있어서, 상기 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는
상기 발열부(110) 일측에 구비되어 열교환매체 온도가 미리 결정된 기준 이상으로 올라가면 상기 발열층(111)에 공급되는 전력을 차단하는 과열 방지 수단(140);
을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각수 가열식 CNT 히터.
제 1항에 있어서, 상기 냉각수 가열식 CNT 히터(100)는
상기 열교환매체 유통구(121) 상에 구비되는 온도 센서(145); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각수 가열식 CNT 히터.