KR20160089114A - 자동차용 인덕션 히터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 인덕션 히터에 관한 것으로, 하우징에 워크코일이 권선되고, 하우징의 내부에 하나의 튜브가 원통형으로 말려져 형성된 발열튜브가 삽입된다. 유로가 동일 단면적으로 이루어진 관로로 이루어져 있기 때문에 공기층의 형성이 방지되어 국부 발열 현상을 방지할 수 있게 된다.

Description

자동차용 인덕션 히터{Induction heater for vehicle}

본 발명은 자동차용 인덕션 히터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자 유도 작용에 의해 발열되는 발열튜브를 이용하여 냉각수를 직접 가열하여 난방을 실시할 수 있도록 된 자동차용 인덕션 히터에 관한 것이다.

일반적으로 자동차는 엔진 냉각을 위한 냉각수를 실내 난방용 히터코어에 공급하여 실내로 송풍되는 공기와 열교환 시킴으로써 난방을 실시한다.

그러나, 전기자동차와 같이 구동원으로서 엔진 대신 모터를 사용하는 경우에는 엔진의 열을 이용한 난방이 불가능하므로 전기를 이용하는 히터를 사용하여 난방을 실시하며, 이러한 차량용 전기 히터로서 전자 유도 가열을 이용하는 인덕션 히터가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 인덕션 히터의 일예를 도시한 것으로, 물이 유입되고 배출되는 유입관(4)과 배출관(5)을 구비한 하우징(1)의 내부에 다수의 구멍을 가지는 발열체(6)를 설치하고, 하우징(1)의 외부에 워크코일(7)을 권선하며, 전력공급유니트(8)를 구비하여 워크코일(7)에 고주파 교류 전력을 공급하는 구성으로 이루어져 있다.

따라서, 워크코일(7)에 전력이 공급되면 전자 유도 작용에 의해 발열체(7)에 열이 발생하고, 그 열을 하우징(1)을 통과하는 물이 흡수하여 난방수를 생성할 수 있었다.

상기와 같은 구성의 인덕션 히터가 일본 공개특허공보 특개평9-289076호에 개시되어 있다.

그런데, 상기 종래의 인덕션 히터는 하우징(1)에 의해 유로 단면적 변화가 크고, 또한 하우징(1)의 단면적이 과도하게 커서 난방수가 정체할 수 있는 공간이 많기 때문에 기포의 발생 및 정체 가능성이 크다. 발생 기포가 정체되어 기포층이 형성되면 그 부분에 물이 흐르지 않게 되어 냉각이 이루어지지 않음으로써 해당 부분이 급격하게 가열되는 국부 과열 현상이 발생하며. 이러한 국부 과열은 히터의 파손을 유발한다.

또한, 발열이 이루어지는 부분이 워크코일(7)로부터 다양한 거리에 존재하기 때문에(발열체(6)의 표면 부분은 워크코일(7)과 가깝고, 내측 부분은 워크코일(7)로부터 멀리 떨어져 있기 때문에) 발열체(6)에 온도 구배가 발생하고 이는 발열체(6)가 차지하는 공간 대비 히터의 효율을 저하시키는 원인이 된다.

또한, 유입관(4)과 배출관(5)의 위치가 상이하여 조립 및 정비 점검시 작업성이 저하된다.

또한, 전력공급유니트(8)의 발열소자 냉각을 위해서 별도의 구성이 필요하므로 히터의 구성이 복잡해지는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기포 발생 및 그로 인한 국부 과열이 방지되고, 가열 효율이 향상되며, 조립 및 정비 점검 편의성이 향상되고, 발열소자 냉각을 용이하게 실시할 수 있도록 된 자동차용 인덕션 히터를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 워크코일을 지지하기 위한 원통형의 하우징과, 상기 하우징의 외주면에 감겨진 워크코일과, 상기 하우징의 내부에 삽입되고 하나의 튜브가 코일 형상으로 감겨져 형성된 발열튜브를 포함한다.

상기 발열튜브는 튜브가 동일 직경을 갖는 원형으로 반복하여 감겨져서 원통부를 이룸으로써 발열부분이 워크코일로부터 동일한 근접 거리 내에 위치한다.

상기 원통부를 형성한 튜브의 단부가 원통부의 내부 공간을 통해 반대쪽으로 연장되어, 튜브의 양측 단부가 모두 동일한 면에 배치된다.

상기 원통부를 형성하는 튜브는 사각관이고, 이웃하는 튜브들은 서로 밀착되어 면접촉한다.

상기 튜브의 양측 단부 중 히터 설치 상태에서 낮은 쪽에 위치하는 단부가 유입관이 되고, 높은 쪽에 위치하는 단부가 배출관이 된다.

상기 유입관과 배출관은 호스 연결이 용이하도록 원형관 형태로 형성된다.

상기 배출관에 히트싱크부가 형성되고, 히트싱크부에 전력공급유니트의 발열소자가 장착되어 발열소자의 열이 히트싱크부를 통해 배출관을 흐르는 난방수로 전달되어 발열소자가 냉각된다.

상기 전력공급유니트가 히트싱크부에 장착되고, 발열소자의 리드가 전력공급유니트에 삽입되어 연결된다.

상기 히트싱크부에 온도감지센서가 설치되어 히터에서 배출되는 난방수의 온도를 측정하고, 이를 히터의 작동 제어에 이용한다.

상기 하우징의 양측 단부에 반경 방향 외측으로 돌기부가 형성되어 워크코일이 하우징으로부터 이탈하지 않게 된다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 히터 전체에 걸쳐 유로 단면적이 일정하게 유지되고 난방수가 정체할 수 있는 부분이 존재하지 않게 됨으로써 기포 발생 및 기포층의 형성이 방지된다. 따라서, 기포층 형성으로 인한 국부 과열 현상이 발생하지 않으며, 그로 인한 손상을 방지할 수 있게 된다.

유로 전체에 걸쳐서 발열 부분(=발열튜브)이 워크코일에 근접한 일정 거리 내에 존재하므로 워크코일과의 거리에 따른 발열 온도 구배가 거의 발생하지 않고 전체적으로 균일한 가열 조건이 형성되므로 히터의 효율이 향상된다.

또한, 발열튜브가 코일 형상으로 말려져 있고 튜브 사이는 서로 밀착되어 있기 때문에 난방수의 이동 경로 및 열전달 면적이 증가하여 열전달 효율이 향상됨으로써 히터 효율이 향상된다.

난방수의 유입관과 배출관이 동일면에 배치됨으로써 히터의 설치 및 정비 점검 편의성이 향상된다.

난방수 배출관에 히트싱크부가 형성되어, 히트싱크부에 전력공급유니트의 발열소자를 설치함으로써 발열소자의 냉각을 용이하게 실시할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 인덕션 히터의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 자동차용 인덕션 히터의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 구성인 하우징의 사시도.
도 4는 본 발명의 주요 구성인 발열튜브의 사시도.
도 5는 상기 발열튜브의 종단면도.
도 6은 발열소자 냉각을 위한 실시예를 도시한 사시도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 자동차용 인덕션 히터의 구성도로서, 본 발명은 워크코일(20)을 지지하기 위한 원통형의 하우징(10)과, 하우징(10)의 외주면에 감겨진 워크코일(20)과, 하우징(10)의 내부에 삽입되고 하나의 튜브가 코일 형상으로 감져져 형성된 발열튜브(30)를 포함한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(10)은 발열튜브(30)를 삽입할 수 있도록 적어도 일측면이 개방된 원통형의 부품으로서 워크코일(20)에 의한 전자 유도 작용이 발생하지 않도록 비철계 금속 또는 플라스틱 재질로 제작된다.

하우징(10)의 외주면 양단부에는 반경 방향 외측으로 볼록한 돌기부(11,12)가 형성된다. 돌기부(11,12)는 하우징(10)의 외주에 감겨진 워크코일(20)이 하우징(10)의 길이 방향을 따라 이동하여 정위치를 벗어나거나 심할 경우 하우징(10)으로부터 이탈하는 것을 방지하기 위한 것이다.

워크코일(20)은 하우징(10)의 외주면 전체 구간에 빈틈없이 감겨지는 것으로 전력공급유니트(60; 도 6참조)로부터 고주파 교류 전원을 공급받아 발열튜브(30)에 전자 유도 작용에 의한 와전류를 발생시켜 발열이 이루어지도록 한다.

발열튜브(30)는 발열체 및 난방수 유로의 역할을 겸하는 것으로, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 하나의 튜브(33a)가 코일 형상으로 감겨져 형성된다.

즉, 튜브(33a)의 일측 단부로부터 원형으로 반복하여 감겨져 원통 형상(원통부;33)을 이루다가 하우징(10)에 삽입될 수 있는 적절한 길이로 감겨진 이후에는 원통부(33)의 내측 공간을 경유하여 상기 일측 단부가 위치한 부분으로 돌출되어 타측 단부를 구성한다.

즉, 튜브(33a)의 양단이 원통형 히터의 동일한 일측면에 위치하게 된다. 동일면에서 튜브(33a)의 일측 단부는 원통부(33)의 원주 상에 위치되고, 타측 단부는 원통(33)의 중심 부분에 위치된다. 양측 단부가 동일면에 위치하기만 하면 세밀한 위치는 적절히 변경될 수 있다.

상기 양측 단부 중 어느 것을 유입관 또는 배출관으로 사용할지는 제한이 없으나, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 히터 설치 상태에서 낮은 쪽에 위치하는 것을 유입관(31)으로 사용하고, 높은 쪽에 위치하는 것을 배출관(32)으로 사용한다. 이는 발열튜브(30)의 내측 또는 외측에서 발생하여 난방수에 존재할 수 있는 기포가 보다 용이하게 배출될 수 있도록 하기 위함이다.

유입관(31)과 배출관(32)은 호스(난방풍 생성용 히터코어와 연결함)를 연결하기 용이하도록 원형관 형상으로 형성된다.

발열튜브(30)는 전자 유도 작용에 의한 발열이 가능하도록 철계 금속(예;스테인리스강)으로 이루어져 있으며 튜브(33a)의 단면은 원형 또는 사각형상을 갖는다.

감겨진 튜브(33a)의 서로 이웃하는 부분은 서로 접촉 상태로 하여 열전달 및 자기장 형성에 유리하도록 한다. 열전달 및 자기장 형성 관점에서 볼 때 원형 단면의 튜브보다는 사각단면의 튜브를 이용하는 것이 인접한 튜브(33a)간 접촉 면적이 크기 때문에 보다 유리하다.

한편, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 배출관(32)에는 직육면체 형상의 히트싱크부(34)가 설치된다. 히트싱크부(34)는 열전달 성능이 우수한 알루미늄과 같은 재질로 이루어지며 내주면은 배출관(32)의 외주면과 완전한 면접촉을 이루어 난방수와의 열교환이 활발히 이루어질 수 있도록 되어 있다.

히트싱크부(34)에는 전력공급유니트(60)를 구성하는 소자 중 발열소자(40)가 부착된다. 발열소자(40)는 원래 전력공급유니트(60)의 케이스 내부에 설치되는 것이지만 냉각을 위하여 히트싱크부(34)의 표면에 볼트(50)등의 체결수단을 이용하여 장착하며, 발열소자(40)의 리드(41)를 이용하여 전력공급유니트(60) 내부의 회로에 접속되도록 구성한다. 이를 위해 전력공급유니트(60)도 히트싱크부(34)에 장착할 수 있다. 발열소자(40)는 히트싱크부(34)에 면접촉하여 히트싱크부(34)와 열교환할 수 있으며, 이때 발열소자(40)에서 발생한 열은 히트싱크부(34)를 통해 배출관(32) 내부를 흐르는 난방수로 흡수된다.

상기 히트싱크부(34)에는 온도감지센서(미도시)를 더 설치할 수 있다. 온도감지센서는 히트싱크부(34)에 형성된 센서홀에 삽입 설치되며, 그 단부는 배출관(32)을 관통하여 난방수에 직접 접촉할 수 있도록 설치된다.

온도감지센서에서 측정된 난방수의 온도는 히터의 작동을 제어하는데 이용된다.

이제 본 발명의 작용 및 효과를 설명한다.

난방수는 유입관(31)으로 유입되어 원통부(33)를 구성하는 튜브(33a)를 통과한 뒤 원통부(33) 내측 공간의 튜브(33a)를 경유하여 배출관(32)으로 배출된다.

그 상태에서 워크코일(20)에 고주파 교류 전력이 공급되면 자기장이 형성되고, 자기장의 방향이 빠르게 전환됨으로써 발열튜브(30)에 와전류가 형성되어 와전류에 의한 저항열이 발생한다. 즉, 발열튜브(30) 자체에서 열이 발생하므로 별도의 발열체를 구비할 필요가 없어진다.

발열튜브(30)에서 발생한 열은 발열튜브(30) 내를 흐르는 난방수에 흡수되어 난방수의 온도가 상승하여 실내 난방의 열원으로 사용될 수 있다.

발열튜브(30)를 이루는 튜브(33a)는 유입관(31)부터 배출관(32)에 이르는 전체 경로에 있어서 동일한 유로 면적을 유지한다. 즉, 유로의 단면적 변화가 없고, 그로 인해 갑자기 확장되는 공간이 유로 내에 존재하지 않으며 전체적으로 선형의 공간으로 이루어져 있기 때문에 기포가 발생할 가능성이 적고, 기포가 발생하더라도 기포가 모여 정체될 수 있는 공간이 존재하지 않고 난방수의 흐름에 의해 강제로 신속하게 발열튜브(30) 외측으로 배출되므로 공기층이 형성되지 않는다. 따라서 공기층에 의한 비냉각 부분이 존재하지 않게 되므로 국부 과열 현상이 발생하지 않게 됨으로써 히터의 효율이 향상되고, 과열로 인한 히터 파손이 방지된다.

또한, 발열튜브(30)를 구성하는 튜브(33a)가 원통형으로 말려 있고, 그 외측부에 설치되는 워크코일(20)도 원통형으로 말려 있기 때문에 워크코일(20)과 발열튜브(30)의 거리가 전체적으로 일정하여 발열튜브(30) 전체에서 균일하게 발열이 이루어짐으로써 히터의 효율이 향상된다. 따라서, 난방수를 보다 효율적으로 가열할 수 있게 된다.

또한, 발열튜브(30)를 구성하는 튜브(33a)가 원통 형상으로 말려짐에 있어서, 서로 이웃하는 튜브(33a)가 밀착되어 있기 때문에 자기장이 보다 강하게 형성되어 발열에 유리하고, 접촉한 튜브(33a)간 열전달이 활발하게 이루어질 뿐만 아니라 외부로의 열 발산량이 감소하여 보다 효율적으로 난방수를 가열할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 인덕션 히터는 난방수의 유입관(31)과 배출관(32)이 동일한 면에 형성된다. 따라서, 히터에 호스를 연결하거나 분해하는 작업이 하나의 작업면에서 이루어질 수 있으므로 히터의 조립과 설치 및 차후의 정비 점검 작업을 보다 용이하게 실시할 수 있게 된다.

또한, 유입관(31)에 비해 배출관(32)의 위치가 높기 때문에 발열튜브(30) 내부에 존재하는 기포의 배출이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.

또한, 배출관(32)에 연결되는 튜브(33a) 부분이 발열튜브(30)의 내측 공간을 경유하므로 별도의 외측 공간을 점유하지 않게 되어 히터의 크기를 보다 작게 구성할 수 있게 된다. 이는 설치 공간에 제약이 많은 자동차용 히터로서 매우 유용한 장점이다.

한편, 상기 배출관(32)에는 히트싱크부(34)가 형성되어 있어서, 히트싱크부(34)를 이용하여 전력공급유니트(60)의 발열소자(40)를 냉각할 수 있다. 발열소자(40)가 히트싱크부(34)에 면밀착되어 있기 때문에 발열소자(40)에서 발생한 열이 히트싱크부(34)로 전달되고, 히트싱크부(34)의 열은 배출관(32) 내부를 흐르는 난방수로 흡수되어 발열튜브(30)의 외부로 배출된다. 따라서, 발열소자(40)의 냉각이 지속적으로 이루어질 수 있다.

상기와 같이 배출관(32)에 형성되는 단순 구조물(히트싱크부(34))을 이용하여 전력공급유니트(60)의 발열소자(40)를 냉각할 수 있기 때문에 발열소자(40)의 냉각을 위한 별도의 구성을 구비할 필요가 없게 되어 히터의 구성이 단순해지는 효과가 있다.

또한, 발열소자(40)와의 연결을 위해 전력공급유니트(60)를 히트싱크부(34)에 설치하는 경우 히터는 보다 컴팩트한 구조를 가질 수 있다.

한편, 상기 히트싱크부(34)의 다른 면에는 센서홀을 관통 성형하고, 그에 온도감지센서를 설치할 수 있다. 온도감지센서를 이용하여 배출관(32)내를 흐르는 난방수의 온도를 측정할 수 있으므로 히터에 의해 가열되어 나오는 난방수의 온도를 용이하게 알 수 있게 되고, 그 값을 이용하여 히터의 작동을 제어할 수 있다. 즉, 난방수의 온도가 과도하게 가열되는 것을 방지하기 위하여 워크코일(10)에 공급되는 전원의 on/off 제어를 실시할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

10 : 하우징 11,12 : 돌기부
20 : 워크코일 30 : 발열튜브
31 : 유입관 32 : 배출관
33 : 원통부 33a : 튜브
34 : 히트싱크부 40 : 발열소자
41 : 리드 50 : 볼트
60 : 전력공급유니트

Claims (10)

1. 워크코일(20)을 지지하기 위한 원통형의 하우징(10)과;
   상기 하우징(10)의 외주면에 감겨진 워크코일(20)과;
   상기 하우징(10)의 내부에 삽입되고, 하나의 튜브(33a)가 코일 형상으로 감겨져 형성된 발열튜브(30)
   를 포함하는 자동차용 인덕션 히터.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 발열튜브(30)는 튜브(33a)가 동일 직경을 갖는 원형으로 반복하여 감겨져서 원통부(33)를 이룸으로써 발열부분이 워크코일(20)로부터 동일한 근접 거리 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 자동차용 인덕션 히터.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 원통부(33)를 형성한 튜브(33a)의 단부가 원통부(33)의 내부 공간을 통해 반대쪽으로 연장되어, 튜브(33a)의 양측 단부가 모두 동일한 면에 배치되는 것을 특징으로 하는 자동차용 인덕션 히터.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 원통부(33)를 형성하는 튜브(33a)는 사각관이고, 이웃하는 튜브(33a)들은 서로 밀착되어 면접촉하는 것을 특징으로 하는 자동차용 인덕션 히터.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 튜브(33a)의 양측 단부 중 히터 설치 상태에서 낮은 쪽에 위치하는 단부가 유입관(31)이 되고, 높은 쪽에 위치하는 단부가 배출관(32)이 되는 것을 특징으로 하는 자동차용 인덕션 히터.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 유입관(31)과 배출관(32)은 호스 연결이 용이하도록 원형관 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 인덕션 히터.
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 배출관(32)에 히트싱크부(34)가 형성되고, 히트싱크부(34)에 전력공급유니트(60)의 발열소자(40)가 장착되어 발열소자(40)의 열이 히트싱크부(34)를 통해 배출관(32)을 흐르는 난방수로 전달되어 발열소자(40)가 냉각되도록 된 것을 특징으로 하는 자동차용 인덕션 히터.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 전력공급유니트(60)가 히트싱크부(34)에 장착되고, 발열소자(40)의 리드(41)가 전력공급유니트(60)에 삽입되어 연결된 것을 특징으로 하는 자동차용 인덕션 히터.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 히트싱크부(34)에 온도감지센서가 설치되어 히터에서 배출되는 난방수의 온도를 측정하고, 이를 히터의 작동 제어에 이용하는 것을 특징으로 하는 자동차용 인덕션 히터.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징(10)의 양측 단부에 반경 방향 외측으로 돌기부(11,12)가 형성되어 워크코일(20)이 하우징(10)으로부터 이탈하지 않도록 된 것을 특징으로 하는 자동차용 인덕션 히터.
    

Images