KR20130099712A - 차량 공조장치용 히터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 열을 발생시키는 판 형상의 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자 발열부(210); 및 유체의 이동방향에 대해 상기 PTC 소자 발열부의 상류측 또는 하류측에 배치되며, 상기 PTC 소자 발열부로부터 열을 받아 유체에 전달하며, 상기 PTC 소자 발열부에 평행하게 배치되는 판 형상의 방열부(220);를 구비하며, 상기 방열부의 법선과 유체의 이동 방향이 이루는 각도는 90도 미만으로 되는 차량 공조 장치용 히터를 제공한다.

Description

차량 공조장치용 히터{Heater for an air conditioning device of a vehicle}
본 발명은 높은 열효율 및 열전도성을 가져 차량 난방 성능을 향상시키는 히터의 구조에 관한 것이다.
PTC(Positive Temperature coefficient) 소자 발열부는 온도의 상승에 따라 전기저항 값이 증가하는 특성을 가진 소자의 일종으로서, 위와 같은 특징이 수반하는 안정성 때문에 온도 센서 또는 정온 발열체 등에 널리 쓰인다. 특히 차량 사고 발생 시 과도한 열 발생에 의한 화재의 우려가 없어, 차량 공조장치에서 냉각수 또는 공기의 가열장치에 많이 쓰이고 있다. PTC 소자 발열부는 자체적으로 특정 온도 이상으로 증가되는 것을 막기 때문에, 사용 시 별도의 온도 제어장치 또는 안전 장치를 구비할 필요가 없어서 필요한 부품의 수 및 제작비용을 감소시키는 장점을 가진다.
도 1은 종래의 PTC 히터(100)의 개략적인 모습을 사시도의 형식으로 나타낸 도면이며, 도 2는 도 1의 II 부분의 분해 사시도로서 PTC 히터(100) 중 PTC 소자 발열부(110), 단자판(112), 알루미늄 튜브(140), 가이드(111), 절연지(130) 및 방열핀(120)을 포함하는 하나의 셀에 대한 분해도이다.
종래의 PTC 히터(100)의 개략적인 작동 과정을 살펴보면, 우선 단자판(112)에 의해 PTC 소자 발열부(110)에 전류가 인가되면 PTC 소자 발열부(110)는 열을 발생시키게 된다. 발생된 열은 알루미늄 튜브(140)를 통해서 상부에 위치한 방열핀(120) 또는 하부에 위치한 방열핀(미도시)에 전달되며, 열을 전달받은 방열핀(120)은 유입된 유체와 열교환을 함으로써 유체에 PTC 소자 발열부(110)로부터 발생된 열을 전달하게 된다.
이 때 종래의 PTC 히터(100)에서 PTC 소자 발열부(110)는 판 형상을 가지며, 상기 판 형상의 법선은 z축이 되어 유체의 이동방향(W)인 y축과는 수직이 되도록 배치되고, 상기 판 형상의 PTC 소자(110)와 유체의 이동방향(W)은 서로 평행하게 된다. 또한 PTC 소자 발열부(110)의 상하부에 배치되어 PTC 소자 발열부(110)와 열적 접촉을 하는 방열핀(120)은 PTC 소자 발열부(110)의 표면을 따라 y축 방향으로 연장된 박스 형태로서, 내부에는 열전도율이 높고 얇은 다수 개의 판이 지그재그로 배치되어 있다.
위와 같은 형태의 종래의 PTC 히터(100)의 경우, 판 형상의 PTC 소자 발열부(110)가 전술한 바와 같이 유체의 흐름인 y축과 평행하게 배치되어 있어서, PTC 히터(100)는 최소한 PTC 소자 발열부(110)의 폭 만큼의 두께를 가질 수밖에 없는 구조이다. 따라서 특정 발열 성능을 내기 위해서 PTC 소자 발열부(110)의 폭을 특정 수준 이하로 줄이기가 어렵기 때문에, 이와 같은 배치는 PTC 히터(100)를 박형화시키는 데에 불리하다.
또한 종래의 PTC 히터(100)는, 발생된 열을 유체와의 열교환을 통해 방열하는 구성인 방열핀(120)과 PTC 소자 발열부(110)로부터 발생된 열을 1차적으로 흡수하는 알루미늄 튜브(140)가 별개로 형성된 후 조립하는 구조이므로, 방열핀(120)과 알루미늄 튜브(140) 사이에 발생하는 열전도가 높은 수준에서 이루어지기가 어렵다. 또한 방열핀(120)과 알루미늄 튜브(140) 사이의 결합과정에서 접착제를 사용하는 경우, 양 구성요소 사이의 열전도성은 훨씬 낮은 수준에서 이루어질 우려가 있다.
PTC 히터는 내연기관에 의해 구동되는 차량뿐만 아니라 전기 자동차에도 사용될 수 있으며, 특정 난방 성능을 내기 위해 소모되는 전기의 양은 전기 자동차의 주행거리에도 심각한 영향을 끼칠 수 있으므로, 열효율이 높은 구조를 갖는 PTC 히터의 개발이 시급하다.
또한 종래의 PTC 히터는 그 구조적 특성 상 특정 수준 이하로 소형화시키기가 어려우므로, PTC 히터를 박형화시킬 수 있는 새로운 구조의 PTC 히터의 개발에 대한 수요가 증가하고 있다.
본 발명의 일 측면은, 조립이 단순하며 효율이 높고 유체의 유동방향으로 작은 두께를 갖는 히터를 제공하는 것을 주된 과제로 한다.
본 발명의 일 측면은, 열을 발생시키는 판 형상의 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자 발열부(210); 및 유체의 이동방향에 대해 상기 PTC 소자 발열부의 상류측 또는 하류측에 배치되며, 상기 PTC 소자 발열부로부터 열을 받아 유체에 전달하며, 상기 PTC 소자 발열부에 평행하게 배치되는 판 형상의 방열부(220);를 구비하며, 상기 방열부의 법선과 유체의 이동 방향이 이루는 각도는 90도 미만으로 되는 차량 공조 장치용 히터를 제공한다.
여기서, 상기 방열부는, 상기 PTC 소자 발열부로부터 전달된 열을 흡수하는 흡열부; 및 상기 흡열부로부터 열을 전달받아 유체와의 열교환을 통해 열을 방출할 수 있도록 유체가 지나갈 수 있는 유체유동부를 구비한다.
또한, 상기 유체유동부는 상기 방열부에 형성된 개구부를 포함한다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 차량 공조 장치용 히터는 상기 PTC 소자 발열부를 사이에 두고 배치되는 복수 개의 방열부를 포함하며, 상기 유체유동부는 상기 복수 개의 방열부에서 유체의 흐름에 따라 서로 대응되는 영역에 형성된다.
또한, 상기 복수 개의 방열부에 각각 형성된 유체유동부는 서로 상이한 형상을 가진다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 차량 공조 장치용 히터는 상기 PTC 소자 발열부에 전류를 공급하는 전류공급부를 더 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 다음과 같은 효과가 구현된다.
첫째, 차량 공조장치용 히터의 박형화를 실현할 수 있게 된다.
둘째, 방열부의 일체형 구성을 통해 차량 공조장치용 히터의 난방 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
셋째, 방열부의 부품 개수가 감소하게 되고 조립 작업이 단순화되게 된다.
도 1은 종래의 PTC 히터의 개략적인 모습은 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ 부분의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히터의 개략적인 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 히터 중 Ⅳ 부분의 분해 사시도이다.
도 5는 도 3의 히터를 Ⅴ-Ⅴ 방향으로 바라본 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 일 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히터(200)의 개략적인 모습을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 히터(200) 중 Ⅳ 부분의 분해 사시도이며, 도 5는 도 3의 히터(200)를 Ⅴ-Ⅴ 방향으로 바라본 단면도이다.
본 실시예에 따른 히터(200)는 구성요소로 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자 발열부(210), 방열부(220)를 포함하며, 추가적으로 전류공급부(211,212)와 절연부재(230)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예의 히터(200)는 차량의 공조장치용 히터로서, 차량의 공조장치 중 HVAC(Heating, Ventilating, and Air Conditioning) 내에 설치되어 외부로부터 공급된 공기를 가열하여 차량의 실내에 공급함으로써 사용자에게 쾌적한 환경을 제공하는 기능을 갖는다. 하지만 본 발명의 히터가 사용되는 분야는 차량 공조장치에만 한정하지 않으며, 유체와의 열교환을 통한 유체의 가열이 요구되는 다양한 장치에 사용될 수 있다.
상기 PTC 소자 발열부(210)는 외부로부터 전류를 공급받아서 열을 발생시킨다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 본 실시예에서의 차량 공조장치용 히터는 예를 들어 4개의 PTC 소자 발열부(210)를 포함하고 있으며 각 PTC 소자 발열부(210)는 같은 평면상에 소정의 간격을 두고 이격된 채로 배치되어 있다. 또한 각 PTC 소자 발열부(210)들은 유체의 유동 방향에 나란한 y축을 법선으로 하고 x축을 따라 길게 연장된 형태의 판 형상을 가지고 있다.
PTC 소자 발열부(210)의 주위에는 PTC 소자(210)와 전기적으로 접촉하여 PTC 소자(210)에 전류를 공급하는 전류공급부(211,212)가 구비되어 있다. 전류공급부(211,212)는 양극에 해당되는 양극 전류공급부(211)와 음극에 해당되는 음극 전류공급부(212)로 구성되며, 양 부분은 모두 PTC 소자 발열부(210)와 마찬가지로 판 형상을 가지고 있어서, 판 형상의 PTC 소자 발열부(210)의 양면에 각각 전기적으로 접촉하여 배치되어 있다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 PTC 소자 발열부(210)의 양면에는 각각 한 쌍의 전류공급부(211,212)가 PTC 소자 발열부(210)와 면접촉하며 부착되어 있다. 양극 전류공급부(211)로부터 음극 전류공급부(212)로 전류를 흘려보내면, PTC 소자(210)에 전류가 공급되어 열이 발생된다.
전류공급부(211,212)가 양면에 부착된 PTC 소자 발열부(210)를 사이에 두고 한 쌍의 방열부(220)가 배치되는데, 각각의 방열부(220)는 PTC 소자 발열부(210)와 마찬가지로 판 형상을 가지고 있다. 방열부(220)의 배치 시, PTC 소자(210)의 양면 상에 위치한 전류공급부(211,212)와 방열부(220) 사이에는 절연부재(230)가 위치하는 것이 바람직하다.
절연부재(230)는 PTC 소자 발열부에 인가되기 위해 전류공급부(211,212)로부터 나온 전류가 방열부(220)로 전달되는 것을 차단하는 전기적 절연을 위한 구성요소로서, 방열부(220)에 전류가 흐름으로써 발생할 수 있는 타 장치의 파손 또는 전력의 손실을 막기 위한 구성요소이다. 절연부재(230)는 절연시트 또는 절연지, 절연필름의 형태가 될 수 있다. 절연부재(230)가 전류가 전달되는 것을 차단하며 동시에 PTC 소자 발열부로부터 발생된 열을 방열부(220)로 전달하는 역할을 하기 위해서는, 본 발명의 절연부재는 전기에 대해서는 전기에 대해서는 전기전도성을 가지지 않지만 열에 대해서는 열전도성을 가지는 것이 바람직하다. 절연부재 중 절연지의 형태로는 절연 박지, 콘덴서지, 크라프트지, 케이블지, 업소벤트지, 레드로프지, 피시지 등이 사용될 수 있으며, 유리, 폴리에틸렌, 데플론, 산화계 세라믹스 등이 전기 절연체로 사용될 수 있다.
방열부(220)는 흡열부(221)와 유체유동부(222)를 구비한다. 흡열부(221)는 PTC 소자(210)에서 발생된 열을 흡수하는 부분으로서, 전류공급부(211,212) 또는 절연부재(230)와 열적으로 접촉하는 영역이 될 수 있다. 이렇게 흡열부(221)에서 흡수된 열은 유체유동부(222)로 이동하게 되며, 상기 열은 유체유동부(222)에서 유체로 전달되게 된다.
유체유동부(222)는 유체가 지나갈 수 있도록 형성된 부분으로서, 도 3에서 도시된 바와 같이 판 형상의 방열부(220)에 형성된 복수 개의 개구부를 포함한다. 유체유동부(222)는 일종의 핀(Fin)으로서, 유체가 유통하는 과정에서 유체와 방열부(220) 사이의 열교환이 이루어지게 된다. 열교환 과정에서 최대한의 효율을 내기 위해서, 유체유동부(222)는 직접 유체와 접촉하는 면적이 큰 것이 바람직하다.
본 실시예에서 방열부(220)에 포함되는 흡열부(221)와 유체유동부(222)는 하나의 판 형상의 일부분에 해당하며, 서로 일체로 형성이 되어 있다. 도 3에 도시된 것과 같이 예를 들어 4개의 PTC 소자 발열부(210)에 대응되는 영역에 각각 하나의 흡열부(221)와 그 양측에 형성된 유체유동부(222)가 구비되어 있다.
유체유동부(222)는 PTC 소자 발열부(210)를 사이에 두고 배치되는 복수 개의 방열부(220) 상에 각각 형성되는데, 이들은 복수 개의 방열부(220) 상에서 유체의 흐름에 따라 서로 대응되는 영역에 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 이렇게 형성된 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이, 마주보는 방열부(220)에 각각 형성된 유체유동부(222)가 서로 마주보게 위치한다.
유체유동부(222)의 일부로서 일 방열부(220)에 형성된 복수 개의 개구부는 모두 z축을 기준으로 약 45도 가량 우측으로 기울어진 평행사변형의 형상을 가지며, 이들은 PTC 소자 발열부(210)의 연장 방향(x축)을 따라 배치되어 있다.
한편 PTC 소자 발열부(210)를 사이에 두고 전술한 방열부(220)와 마주보는 방열부(220)에도 복수 개의 개구부가 형성되어 있는데, 이들은 반대로 z축을 기준으로 약 45도 가량 좌측으로 기울어진 평행사변형의 형상을 가지고 있다. 즉, 서로 마주보는 방열부(220)에 형성된 유체유동부(222)는 서로 다른 형상을 가지는데, 이러한 양자의 상이한 형상은 방열부(220)와 유체와의 열교환 효과를 향상시킨다.
만약 유체의 유동 중 상류측 방열부(220a)의 유체유동부(222)를 지난 후에 하류측 방열부(220b)의 유체유동부(222)를 지날 때, 양 유체유동부(222)의 형상이 서로 다른 경우 유동박리 현상이 용이하게 발생하게 된다. 즉, 상류측 방열부(220a)에 형성된 유체유동부(222)에 의해서 가이드 된 유체가 하류측 방열부(220b)에 형성된 유체유동부(222)를 만나는 경우, 개구부의 주변 영역과 유체 사이에 심한 마찰이 생기면서 많은 난류를 발생시키게 된다.
이러한 난류에서는 열전달이 활발하게 진행되며, 방열부(220)와 서로 접촉하는 시간이 증가함으로써 방열 효율은 증가하게 된다. 하지만 본 발명은 이에 한정하지 않으며, 열교환의 효율을 증가시키기 위한 다양한 형태의 유체유동부가 형성될 수 있다.
도 5에 도시된 바를 참고하면, 전체적으로 본 실시예에 관한 차량 공조장치용 히터(200)는 판 형상의 PTC 소자 발열부(210) 4개가 같은 평면상에 서로 이격되어 위치하고 있으며, 각각의 PTC 소자 발열부(210)의 상하면에는 차례로 전류공급부(211,212), 절연부재(230) 및 방열부(220)가 배치되어 있다. 본 실시예에 관한 차량 공조 장치용 히터(200)는 각 구성요소를 적층시킨 후 열압착을 통해 제작될 수 있으며, 그 외에도 공지의 접착제를 이용한 접착이 가능하다.
또한 도 1에 도시된 종래의 PTC 히터(100)와 같이, 본 실시예에 관한 차량 공조장치용 히터(200)는 하우징(미도시) 내부에 수용되어서 위와 같이 구성요소들의 배치를 유지시킬 수 있다.
히터(200)는 차량 공조장치의 HVAC 장치 내부에 설치될 수 있으며, 차량 공조장치용 히터(200)를 필요로 하는 기타 다수의 장치 내에 설치될 수 있다. 설치 시 판 형상의 방열부(220)의 법선과 유체의 이동방향(W)이 90도 미만이 되도록 설치되는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 방열부(220)의 법선과 유체의 이동방향(W)은 45도 이상 90 미만의 각도를 가질 수 있다.
방열부(220)의 법선과 유체의 이동방향(W)이 이루는 각도가 0도에 가까울수록 히터(200)를 통과하여 가열된 유체의 양이 증가하게 되어, 더욱 신뢰성 높은 가열효과를 낼 수 있다. 또한 방열부(220)의 법선과 유체의 이동방향(W)이 이루는 각도가 90도에 가까울수록, 유체가 유체유동부(222)를 통과하지 않을 확률이 증가하며 히터(200)에 의해 가열되는 유체의 양도 감소하여서 바람직하지 않다.
본 발명에 관한 히터는 판 형상의 PTC 소자 발열부와 방열부를 포함하기 때문에, 히터 전체의 두께가 매우 얇다. 따라서, 본 발명의 히터는 얇은 두께 또는 이에 기인한 작은 부피 때문에 장소의 크기에 구애받지 않고 설치될 수 있다.
또한 방열부의 제작에 있어서, 복잡한 형상의 핀을 포함하는 종래의 히터(100)와는 달리, 판 형상의 방열부에 소정의 형상을 갖는 개구부를 형성함으로써 비교적 간단하게 제작이 가능하다. 그리고 히터에 사용되는 부품의 수가 감소함에 따라, 히터의 무게의 감소는 물론이고 히터 제작에 필요한 비용을 절감 및 제작 시간의 감소 등 많은 이점이 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 종래의 PTC 히터(100)에서 PTC 소자(110)의 열을 흡수하는 알루미늄 튜브(140)와 열을 유체에 전달하는 방열핀(120)이 서로 별개로 형성되어서 높은 열전도성을 구현하기가 힘들었으나, 본 발명에 관한 방열부는 열을 흡수하는 흡열부와 유체에 열을 전달하는 유체유동부가 서로 일체로 형성되기 때문에 높은 열전도성을 구현할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 종래의 PTC 히터 110,210: PTC 소자 발열부
120: 방열핀 130: 절연지
140: 알루미늄 튜브 150: 하우징
200: 히터 W: 유체의 이동방향
211: 양극 전류공급부 212: 음극 전류공급부
220: 방열부 221: 흡열부
222: 유체유동부 230: 절연부재

Claims (6)

  1. 열을 발생시키는 판 형상의 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자 발열부(210); 및
    유체의 이동방향에 대해 상기 PTC 소자 발열부의 상류측 또는 하류측에 배치되며, 상기 PTC 소자 발열부로부터 열을 받아 유체에 전달하며, 상기 PTC 소자 발열부에 평행하게 배치되는 판 형상의 방열부(220);를 구비하며,
    상기 방열부의 법선과 유체의 이동 방향이 이루는 각도는 90도 미만으로 되는 차량 공조 장치용 히터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방열부는, 상기 PTC 소자 발열부로부터 전달된 열을 흡수하는 흡열부(221); 및
    상기 흡열부로부터 열을 전달받아 유체와의 열교환을 통해 열을 방출할 수 있도록 유체가 지나갈 수 있는 유체유동부(222);를 구비하는 차량 공조 장치용 히터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유체유동부(222)는 상기 방열부에 형성된 개구부를 포함하는 차량 공조 장치용 히터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 차량 공조 장치용 히터는 상기 PTC 소자 발열부(210)를 사이에 두고 배치되는 복수 개의 방열부(220)를 포함하며,
    상기 유체유동부(222)는 상기 복수 개의 방열부에서 유체의 흐름에 따라 서로 대응되는 영역에 형성되는 차량 공조 장치용 히터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수 개의 방열부(220)에 각각 형성된 유체유동부(222)는 서로 상이한 형상을 가지는 차량 공조 장치용 히터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 PTC 소자 발열부(210)에 전류를 공급하는 전류공급부(211, 212)를 더 포함하는 차량 공조 장치용 히터.
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