KR20180005264A - 이동형 용례를 위한 전기 가열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판(2), 및 기판(2) 상에 형성되는 가열 도체 층(4)을 포함하는 이동형 용례를 위한 전기 가열 장치(1)에 관한 것이다. 가열 도체 층은 기판(2) 상의 메인 평면에서 연장되는 적어도 하나의 가열 도체 트랙(5)을 구비한다. 가열 도체 트랙(5)은 서로 인접하게 연장되고 절연 갭(7)에 의해 서로 분리되는 다수의 트랙 섹션(6)이 형성되도록 구성된다. 적어도 하나의 반전 지점(8)이 제공되고, 적어도 하나의 반전 지점(8)에서, 가열 도체 트랙은 반대 흐름 방향을 갖는 내측 트랙 섹션(6a)들이 서로에 대해 인접하게 그리고 평행하게 연장되도록 휘어진다. 반대 흐름 방향을 갖는 인접한 내측 트랙 섹션(6a)들 사이의 간격은 반전 지점(8)의 구역의 내측부 상에서 국소적으로 넓어지는 방식으로 형성된다. 반전 지점(8)의 구역에서, 내측 트랙 섹션(6a)은, 절연 갭(7)에 의해 내측 트랙 섹션(6a)으로부터 분리되는 외측 트랙 섹션(6b)을 향해 외측으로 돌출하고, 외측 트랙 섹션(6b) 및 그 전방에서, 트랙 섹션의 폭은 내측 트랙 섹션(6a)들 사이의 내측부 상에서의 국소적인 넓어짐 및 내측 트랙 섹션(6a)의 돌출을 보상하기 위해 국소적으로 감소된다.

Description

이동형 용례를 위한 전기 가열 장치

본 발명은 이동형 용례를 위한 전기 가열 장치, 특히 기판과, 이 기판 상에 형성되고, 메인 평면(main plane)에서 연장되는 적어도 하나의 가열 도체 트랙(heating conductor track)을 포함하는 가열 도체 층을 포함하는 그러한 전기 가열 장치에 관한 것이다.

예를 들어 차량에서와 같은 이동형 용례를 위한 전기 가열 장치를 사용하는 것이 알려져 있다. 특히 전기 구동식 차량의 증가하는 사용에 대하여, 적합한 전기 가열 장치에 대한 증가하는 요구가 있다. 종래에, 이러한 유형의 이동형 용례를 위한 전기 가열 장치로서 소위 PTC 가열 소자가 대개 사용되었고, 상기 PTC 가열 소자는 내연 기관을 포함하는 종래의 차량의 차내 전기 공급 시스템에 존재하는 비교적 낮은 공급 전압에서 작동되었다. 특히, 완전히 또는 부분적으로 전기로 구동되는 현대 차량의 경우에, 상기 차량에 제공되는 고전압의 차내 전기 공급 시스템에 존재하는 공급 전압을 사용하여, 예를 들어 150 볼트 내지 900 볼트 범위의 전압을 사용하여, 차량을 전기적인 방식으로 또한 구동하는 것을 가능하게 하는 것에 대한 요구가 있다. 적절한 경우에, 1000 볼트 초과까지의 전압이 심지어 가능하다.

본 명세서에서, 용어 '이동형 용례를 위한 가열 장치'는 이동형 용례에 사용하도록 설계되고 그에 따라서 구성되는 가열 장치를 의미하는 것으로 이해된다. 이것은 특히, 그러한 가열 장치가 수송 가능하고(적절한 경우에, 차량에 고정적으로 설치되거나, 단지 수송 목적으로 차량 내에 수용됨), 예로서 건물 내의 가열 시스템의 경우에서와 같이, 오로지 영구적인 비이동형 용례를 위해서만 구성된 것은 아니라는 것을 의미한다. 가열 장치는 또한, 차량(육상 차량, 선박 등), 특히 육상 차량에 고정적으로 설치될 수 있다. 상기 가열 장치는 특히, 예로서 육상 차량, 배, 항공기와 같은 차량의 내부 객실을 난방하도록, 또한 예로서 선박, 특히 요트에서 흔히 발견될 수 있는 부분적으로 개방된 공간을 난방하도록 구성될 수 있다. 가열 장치는 또한, 예로서 대형 텐트, 컨테이너(예를 들면, 현장 트레일러(site trailer)) 등과 같은 비이동형 용례에 일시적으로 사용될 수 있다. 특히, 전기 가열 장치는, 예로서 카라반(caravan), 이동 주택, 버스, 승용차 등과 같은 육상 차량을 위한 프리히터(pre-heater) 또는 보조 히터로서 이동형 용례를 위해 구성될 수 있다.

국제 공보 제WO 2013/186106 A1호는 기판 상에 도체 트랙으로 구성되는 열 저항기를 갖는 차량용 전기 가열 장치를 개시한다. 도체 트랙은 바이파일러(bifilar)형이도록 구성되고, 도체 트랙이 반대 방향으로 휘어지는 구역에 넓어진 절연 구역이 제공되어 있다. 넓어진 절연 구역은, 특히 양호한 통전(through-flow) 특성을 갖는 국소적인 내측-배치 구역, 및 도체 트랙의 외측-배치 에지 구역에 배치되고 불량한 통전 특성을 갖는 구역의 형성을 회피할 수 있게 하기 위해, 도체 트랙의 전체 폭을 걸쳐 전류 흐름을 가능한 한 조정하는 것을 가능하게 하는 것이다. 어느 정도까지는 만족스러운 특성이 개시된 가열 장치에 의해 달성되었지만, 도체 트랙이 휘어지는 구역에서, 전기 가열 장치의 나머지부에서의 온도에 비하여 여전히 크게 상승된 온도가 발생하는 것이 밝혀졌다.

본 발명의 목적은 본질적으로 균일하게 분포된 온도가 달성되는 동시에, 전기 가열 장치가 가능한 한 콤팩트하고, 제조하기에 비용 효율적인, 이동형 용례를 위한 개선된 전기 가열 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 1에 따른 이동형 용례를 위한 전기 가열 장치에 의해 달성된다. 유리한 실시예가 종속 청구항에 개시되어 있다.

이동형 용례를 위한 전기 가열 장치는 기판, 및 기판 상에 형성되는 가열 도체 층을 포함한다. 가열 도체 층은 기판 상의 메인 평면에서 연장되는 적어도 하나의 가열 도체 트랙을 포함하고, 가열 도체 트랙은 서로 인접하게 연장되고 절연 갭에 의해 서로 분리되는 다수의 트랙 섹션이 형성되도록 구성되고, 적어도 하나의 반전 사이트(reversal site)가 제공되고, 적어도 하나의 반전 사이트에서, 가열 도체 트랙은 전류가 서로에 대해 반대 방향으로 흐르고 있는 내측-배치 트랙 섹션들이 서로에 대해 인접하게 그리고 평행하게 연장되도록 휘어진다. 전류가 서로에 대해 반대 방향으로 흐르고 있는 인접한 내측-배치 트랙 섹션들 사이의 간격은 반전 사이트의 구역의 내측부 상에서 국소적으로 넓어진다. 반전 사이트의 구역에서, 내측-배치 트랙 섹션은, 더욱 외측에 배치되고 절연 갭에 의해 내측-배치 트랙 섹션으로부터 분리되는 트랙 섹션을 향해 외측으로 돌출하고, 더욱 외측에 배치되는 트랙 섹션의 경우에, 트랙 섹션의 폭은 내측-배치 트랙 섹션들 사이의 내측부 상에서의 국소적인 넓어짐(local widening) 및 내측-배치 트랙 섹션의 돌출을 보상하기 위해 국소적으로 감소된다. 가열 도체 트랙이 연장되는 기판 상에서 메인 평면이 절대적으로 평면형일 필요는 없고, 오히려 상기 메인 평면이 또한 예를 들어 곡선형 또는 만곡형일 수 있고, 마찬가지로, 예를 들어 기판도 평면형일 필요는 없고, 오히려 상기 기판은 또한 곡선형 또는 만곡형일 수 있다는 것에 유의해야 한다. 가열 도체 트랙은 반전 사이트의 구역에서 적어도 본질적으로 180°로 메인 평면 내에서 휘어진다.

인접한 내측-배치 트랙 섹션들 사이의 간격은 반전 사이트의 구역의 내측부 상에서 국소적으로 넓어지게 구성되지만, 내측-배치 트랙 섹션은 또한, 내측부 상에서의 간격만이 국소적으로 넓어지는 실시예에 비하여, 외측으로 돌출하기 때문에, 반전 지점의 구역에서의 내측-배치 트랙 섹션의 단면의 큰 감소가 회피된다. 이러한 방식으로, - 도입부에 언급된 종래 기술에 비하여 - 반전 사이트의 구역에서의 크게 감소된 국소적인 온도 상승이 실현되고, 그 결과로 균일한 온도 분포가 달성된다는 것이 밝혀졌다. 더욱 외측에 배치되는 트랙 섹션의 경우에, 트랙 섹션의 폭이 내측-배치 트랙 섹션들 사이의 내측부 상에서의 국소적인 넓어짐 및 내측-배치 트랙 섹션의 돌출을 보상하기 위해 국소적으로 감소되기 때문에, 기판의 표면이 가열 도체 트랙 또는 가열 도체 트랙들을 형성하는데 매우 효율적으로 사용되는 특히 콤팩트한 실시예를 달성하는 것이 동시에 가능하다. 이러한 실시예에서 더욱 외측에 배치되는 트랙 섹션과 연관된 단면의 약간의 감소는 설정될 온도 분포에 대하여 문제점을 나타내지는 않는다.

다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 가열 도체 트랙은 기판 상에서 바이파일러 패턴으로 연장된다. 바이파일러 배열은 가열 도체 트랙이 기판 표면 상의 이용 가능한 영역을, 적은 빈 공간을 남기면서 대부분 덮는 것을 가능하게 한다. 또한, 바이파일러 배열은 전기 가열 장치에 의해 유발되는 가능한 간섭 복사를 최소화하는 것을 가능하게 한다. 바이파일러 배열의 경우에, 가열 도체 트랙의 트랙 섹션은, 전류가 서로에 대해 반대 방향으로 흐르고 있는 트랙 섹션이 각각의 경우에 서로에 대해 인접하게 연장되어 배열되도록, 서로에 대해 인접하게 배치된다. 열을 분배하도록 제공된 가열 도체 트랙의 적어도 본질적으로 모든 트랙 섹션이 바이파일러 배열의 일부인 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 발생된 전자기장을 상호적으로 적어도 부분적으로 제거하는 것이 가능하다. 그러나, 특히 전원에 접속하기 위한 접속 구역이 또한 비-바이파일러 방식으로 배열될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 가열 도체 트랙의 나머지 구역은 바람직하게는 적어도 본질적으로 바이파일러 방식으로 배열될 수 있다.

다른 개선예에 따르면, 가열 도체 트랙은 2개의 반전 사이트를 포함한다. 특히 가열 도체 트랙이 그러한 2개의 반전 사이트를 포함하는 경우, 전자기 복사를 덜 생성하고 그렇게 함으로써 온도 상승이 작동 중에 일어나는 단지 몇 개의 구역만을 포함하는 바이파일러 배열을 최적화하는 것이 가능하다. 기판 상에 형성된 복수의 가열 도체 트랙의 경우에, 각각의 가열 도체 트랙이 각각의 경우에 2개의 반전 사이트를 포함하는 것이 바람직하다.

다른 개선예에 따르면, 가열 도체 층은 기판 상에 나비형 패턴으로 형성되는 적어도 2개의 가열 도체 트랙으로 구성된다. 본 명세서에서, 용어 '나비형 패턴(butterfly-like pattern)'은 하나의 평면에 대해 본질적으로 미러-대칭인 디자인을 의미하는 것으로 이해된다. 적어도 2개의 가열 도체 트랙은 바람직하게는 전원에의 접속을 제공하는 적어도 하나의 공통 접속부를 포함할 수 있다. 달성된 대칭의 결과로서, 그러한 나비형 패턴의 가열 도체 트랙의 구성은 도체 표면이 도시된 방식으로 사용되는 경우에 매우 낮은 전자기 복사를 가능하게 한다.

다른 개선예에 따르면, 가열 도체 층은, 기판 상에 평면 방식으로 성막되고 그 후에 재료를 제거함으로써 소정 구조가 제공되는 층이다. 이러한 경우에, 가열 도체 트랙 또는 가열 도체 트랙들을 특히 비용 효율적인 방식으로 제조하는 것이 가능하다. 가열 도체 층은 용사 방법(thermal spray method)을 사용하여 기판에 도포될 수 있고, 그 후에 레이저 가공 방법에 의해 그러한 구조가 제공될 수 있는 것이 바람직하다. 그러나, 기본적으로, 예를 들어 인쇄 방법, 주조 방법 등과 같은, 가열 도체 층을 형성하기 위한 다른 방법이 또한 구상 가능하다. 가열 도체 층은 바람직하게는 전기 전도성 금속 재료로 제조되고, 높은 열 전도성을 갖는 개재된 전기 절연 중간 층에 의해 기판의 재료로부터 분리된다. 특히, 가열 도체 층은 예를 들어 니켈-크롬 합금으로 제조될 수 있고, 산화알루미늄 층에 의해 기판의 재료로부터 분리될 수 있다. 기판 자체는 바람직하게는 높은 열전도성을 가질 수 있고, 특히 금속으로 제조될 수 있다. 각각의 가열 도체 트랙은 바람직하게는 수 밀리미터의 폭, 특히 2.5㎜ 내지 5㎜의 폭과, 5㎛ 내지 20㎛ 범위, 특히 10㎛ 내지 15㎛ 범위의 높이(기판에 수직인 방향으로 연장되는 높이)를 가질 수 있다.

다른 개선예에 따르면, 전기 가열 장치는 150V 내지 900V, 바람직하게는 200V 내지 600V 범위의 작동 전압을 위한 고전압 히터로서 구성된다. 그러나, 예를 들어 1000V까지의 전압에 사용하도록 상기 전기 가열 장치를 구성하는 것도 가능하다. 이러한 경우에, 전기 가열 장치는 고가의 전압 컨버터를 필요로 하지 않고 예를 들어 전기 차량 또는 하이브리드 차량에 특히 유리한 방식으로 사용될 수 있다. 그러나, 예를 들어 12V 내지 48V 범위에서 사용하기 위한 저전압 히터로서 전기 가열 장치를 구성하는 것도 가능하다.

다른 개선예에 따르면, 가열 도체 층은 기판 표면 영역의 적어도 80%, 바람직하게는 기판 표면 영역의 적어도 85%를 덮는다. 이러한 경우에, 이용 가능한 기판 표면을 매우 양호하게 사용하는 것이 가능하며, 그럼에도 불구하고 개별 트랙 섹션을 서로에 대해 충분히 절연하는 것이 가능하다. 가열 도체 층은 특히 기판 표면의 95% 미만을 덮을 수 있다.

다른 개선예에 따르면, 절연 갭의 폭은 그 전체 길이에 걸쳐 본질적으로 일정하다. 본 명세서에서, 용어 '본질적으로'는 폭이 평균값에서 15% 미만으로 변하는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 절연 갭의 폭이 10% 미만만큼 변하는 것이 바람직하다. 절연 갭의 본질적으로 일정한 갭은 융삭 프로세스(ablative process)를 이용한 특히 비용 효율적인 제조 프로세스를 가능하게 하고, 이와 동시에 이용 가능한 기판 표면을 양호하게 사용하는 것을 가능하게 한다.

다른 개선예에 따르면, 절연 갭에는 전기 절연 재료가 배열된다. 전기 절연 재료가, 절연 갭을 덮는 것에 부가하여, 기판과는 반대쪽으로 향한 가열 도체 트랙 또는 트랙들의 표면을 또한 덮을 수 있는 것 바람직하다. 특히 가열 도체 트랙 또는 가열 도체 트랙들이 형성된 후에 전기 절연 재료가 층의 형태로 성막되는 것이 특히 바람직하다. 전기 절연 재료는 절연 갭의 폭을 비교적 작게 유지하는 것을 가능하게 하고, 그 결과로 기판의 이용 가능한 표면이 가열 도체 트랙 또는 가열 도체 트랙들에 효율적인 방식으로 사용될 수 있다.

다른 개선예에 따르면, 가열 도체 트랙은, 각각의 경우에, 전류가 동일 방향으로 흐르고 있는 2개의 트랙 섹션이 적어도 그 길이의 대부분에 걸쳐 서로에 대해 인접하게 그리고 평행하게 연장되도록 구성된다. 특히, 가열 도체 트랙은, 각각의 경우에, 전류가 동일 방향으로 흐르고 있는 2개의 트랙 섹션이 길이의 적어도 80%에 걸쳐 서로에 대해 인접하게 그리고 평행하게 연장되도록 구성될 수 있다. 각각의 2개의 트랙 섹션은, 그 단부에서, 특히 각각의 경우에 전원에 대한 접속부를 제공하도록 공통 접속 섹션에 접속될 수 있다. 이러한 실시예는 전기 가열 소자에서 흐르고 있는 전류의 특히 호적한 분포를 가능하게 하고, 결과적으로 열 출력의 특히 균일한 분포를 가능하게 한다. 또한, 이러한 구성은 비용 효율적인 간단한 방식으로 형성될 수 있고, 기판의 이용 가능한 표면을 양호하게 이용하는 것이 가능하다.

다른 개선예에 따르면, 가열 도체 층 상에는 적어도 하나의 추가 층이 형성되어 있다. 특히, 다수의 층이 또한 가열 도체 층 상에 형성될 수 있다. 가열 도체 층 상에 절연 층을 형성하는 것도 가능하며, 상기 절연 층은 또한 가열 도체 트랙 상의 트랙 섹션들 사이의 절연 갭을 충전한다. 바람직하게는, 전기 가열 장치의 성능을 모니터링하기 위해 절연 층 상에 센서 층을 또한 형성하는 것이 가능하다. 절연 층은 통전 구역(current-carrying region)이 추가적으로 절연된다는 점에서 고도의 안전성을 제공하는 것을 가능하게 한다.

다른 개선예에 따르면, 전기 가열 장치는 차량용 가열 장치이다. 전기 가열 장치는 특히, 예를 들어 차량의 내부 객실을 위한 공기 또는 차량의 유체 회로 내의 유체와 같은 유체를 가열하도록 구성될 수 있다.

다른 개선예에 따르면, 반전 사이트에서, 가열 도체 트랙은 상기 가열 도체 트랙의 내측 곡선부의 구역이 외측 곡선부의 구역보다 메인 평면에 수직인 방향으로 얇도록 구성된다. 전류 경로가 외측 곡선부에 비하여 가열 도체 경로의 연장 방향으로 짧아지는 내측 곡선부의 구역에서 가열 도체 트랙이 더 얇아지는 결과로, 내측 곡선부의 구역에서의 전기 저항은 외측 곡선부 구역에 대해 증가된다. 추가적으로, 이러한 방식으로, 가열 도체 트랙을 통해 흐르고 있는 전류가 주로 내측 곡선부의 구역으로 흘러, 국소적으로 매우 높은 전류 흐름이 그러한 사이트에서 생성되어, 상기 전류 흐름이 내측 곡선부에서의 특히 극심한 국소 가열을 야기하는 것이 회피된다. 또한, 이러한 방식으로, 전체의 전기 가열 장치에 걸쳐 본질적으로 균일한 온도 프로파일을 달성하는 것이 가능하다. 내측 곡선부의 구역에서의 보다 얇은 두께는 곡선 섹션에서의 가열 도체 트랙의 폭에 걸쳐 상당히 더 균일한 전류 분포를 생성하고, 그 결과로서 국소적으로 생기는 최대 온도가 상당히 감소된다. 또한, 이러한 실시예는 매우 간단하고 비용 효율적인 방식으로 달성될 수 있다. 가열 도체 트랙의 미리 정해진 레이아웃의 경우에, 이러한 실시예는 표면 영역 당 달성 가능한 열 출력을 증대시키는 것을 가능하게 하는데, 이는 가능한 열 출력이 국소적인 "열점"이 형성될 수 있는 임계 사이트에 의해 주로 결정되기 때문이다.

다른 개선예에 따르면, 반전 사이트에서, 가열 도체 트랙은 두께가 내측 곡선부로부터 외측 곡선부를 향해 계단식으로 증가하도록 구성된다. 가열 도체 트랙의 그러한 계단형 구성은, 특히 예를 들어 레이저가 반전 사이트의 구역에서의 상이한 구역에 걸쳐 다중 패스로 이동되는 레이저 가공 방법을 사용하여, 예를 들어 가열 도체 트랙으로부터 재료를 부분적으로 제거함으로써 특히 간단하고 비용 효율적인 방식으로 달성될 수 있다. 가열 도체 트랙은 반전 사이트에서 특히 적어도 2개의 상이한 두께 수준(내측 및 외측)을 포함할 수 있지만, 예를 들어 더 상이한 두께 수준을 형성하는 것도 가능하고, 그 결과로 가열 도체 트랙의 두께는 내측 곡선부로부터 외측 곡선부를 향해 다중 계단식으로 증가한다. 두께의 그러한 계단식 변화가 바람직하지만, 예를 들어 두께가 내측 곡선부로부터 외측 곡선부를 향해 예컨대 본질적으로 연속적으로 증가하는 것도 가능하다.

다른 개선예에 따르면, 내측 곡선부의 구역에서의 가열 도체 트랙의 두께는 외측 곡선부의 구역에서의 가열 도체 트랙의 두께의 최대 65%, 바람직하게는 최대 50%, 보다 바람직하게는 최대 30%이다. 이러한 방식으로, 바람직하지 않은 열점의 형성을 특히 신뢰성있는 방식으로 억제하는 것이 가능하다.

다른 이점 및 다른 개선예는 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예에 대한 하기의 설명에 개시되어 있다.

도 1은 실시예에 따른 전기 가열 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 세부사항의 개략도이다.
도 3은 실시예의 경우에 있어서 기판 상에의 가열 도체 층의 배열을 개략적으로 도시한다.
도 4는 실시예에 대한 변형예의 도 2에 대응하는 개략도이다.
도 5는 변형예의 경우에 있어서 반전 사이트의 구역에서의 가열 도체 트랙의 단면의 개략도이다.

실시예

하기에서, 일 실시예가 도면을 참조하여 상세하게 설명된다.

도 1은 일 실시예에 따른 이동형 용례를 위한 전기 가열 장치(1)를 개략적으로 도시하고 있다. 이 실시예에 따른 전기 가열 장치(1)는 차량 내의 유체를 가열하도록 구성된다. 유체는, 특히 예를 들어 가열될 공기에 의해, 또는 차량의 유체 회로 내의 유체에 의해 형성될 수 있다. 특히, 전기 가열 장치(1)는 150 볼트 내지 900 볼트 범위, 특히 200 볼트 내지 600 볼트 범위의 작동 전압으로 작동하기 위한 고전압 히터로서 구성된다. 그러나, 예를 들자면, 예컨대 12 볼트 내지 48 볼트 범위의 작동 전압으로 작동하기 위한 저전압 히터로서 전기 가열 장치(1)를 구성하는 것도 가능하다.

전기 가열 장치(1)는 특히 가열될 유체에 방출된 열 출력을 전달하기 위한 열 교환기로서 동시에 구성될 수 있는 기판(2)을 포함한다. 특히, 예를 들면, 가열될 유체를 안내하는 복수의 열 교환기 리브(rib) 또는 덕트(duct)를 갖는 하부면(도시되지 않음)을 제공하는 것이 가능하다. 예를 들면, 기판(2)은 바람직하게는 제조 기술에 관한 한 매우 비용 효율적인 방식으로, 높은 열 전달 계수를 갖는 금속 재료, 특히 예컨대 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조될 수 있다. 그러나, 기본적으로 예를 들자면, 예컨대 높은 열 전도성을 갖는 전기 절연 재료, 특히 예컨대 대응하는 세라믹 등으로 기판(2)을 제조하는 것도 가능하다.

기판(2)이 전기 전도성 재료로 형성되는 특정의 예시적인 실시예의 경우에, 높은 열 전도성을 갖는 전기 절연 층(3)이 기판(2) 상에 성막된다. 예를 들면, 전기 절연 층(3)은 바람직하게는, 특히 산화알루미늄을 사용하여 형성될 수 있다. 전기 절연 층(3)은 예를 들어 용사 방법(thermal spray method)을 사용하여 기판(2) 상에 성막될 수 있다. 특히 기판이 예를 들어 알루미늄으로 형성되는 경우에, 예를 들어 또한 기판(2)의 표면을 의도적으로 산화시킴으로써 전기 절연 층(3)을 형성하는 것이 가능하다. 전기 절연 층(3)은 하기에서 설명되는 가열 도체 층(4)에 대해 기판(2)을 전기 절연하지만, 그렇더라도 기판(2)의 재료에 용이하게 열을 전달하는 것을 가능하게 하도록 구성된다.

또한, 전기 가열 장치(1)는 기판(2)(예로서, 기판(2) 상에 형성된 절연 층(3)) 상에 성막되는 가열 도체 층(4)을 포함한다. 가열 도체 층(4)은 금속 재료로 형성되고, 예를 들어 특히 니켈-크롬 합금을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 가열 도체 층(4)은 특히 용사 방법을 사용하여 성막될 수 있다. 그러나, 예를 들면, 대안으로서, 예컨대 인쇄 방법 또는 주조 방법을 사용하여 가열 도체 층(4)을 성막하는 것도 가능하다.

도 1 및 도 2에서 특히 명확한 바와 같이, 가열 도체 층(4)은 적어도 하나의 가열 도체 트랙(5)이 형성되도록 구성되며, 상기 가열 도체 트랙은 전기 전압이 상기 가열 도체 트랙의 대향 배치된 단부들 사이에 인가되면 오옴 열(ohmic heat)을 방출하도록 구성된다. 하기에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 특정 실시예에 있어서의 가열 도체 층(4)은 2개의 가열 도체 트랙(5)이 구성되고 상기 가열 도체 트랙이 기판 상에서 나비형(butterfly-like)으로 연장되도록 구성된다. 나비형 패턴은 2개의 가열 도체 트랙(5)이 기판(2)의 메인 평면에 대해 수직으로 연장되는 평면(E)에 대해 본질적으로 미러-대칭식으로 연장되도록 형성된다.

전원에 가열 도체 트랙(5)을 접속하기 위한 접속부(9a, 9b, 9c)가 전기 가열 장치(1)의 에지 구역 상에 제공되어 있다. 구체적으로 도시된 실시예의 경우에, 3개의 그러한 접속부 전체가 기판(2)의 에지 상에서 서로 인접하게 배열되고 서로 전기 절연되어 있다. 특정 실시예의 경우에, 중간 접속부(9a)는 2개의 가열 도체 트랙(5)을 전기적으로 접속하도록 구성된다. 예를 들면, 마찬가지로, 공통 접속부(9a)에서 원하는 전위차를 설정하기 위해 2개의 다른 접속부(9b 및 9c)에 유사한 전위를 인가하는 것이 가능하다. 2개의 가열 도체 트랙(5)이 서로에 대해 대칭적으로 구성되기 때문에, 2개의 가열 도체 트랙(5) 중 하나만이 하기에서 상세하게 설명된다.

가열 도체 트랙(5)은 기판 상에서 바이파일러 패턴으로 연장되도록 구성된다. 가열 도체 트랙(5)은 기판(2) 상에서 서로 인접하게 형성된 다수의 트랙 섹션(6)을 포함하도록 구성되며, 상기 트랙 섹션은 절연 갭(insulating gap)(7)에 의해 서로 분리되고, 결과적으로 서로에 대해 전기 절연되어 있다. 예를 들면, 절연 갭(7)은 바람직하게는, 가열 도체 층(4)이 처음에 기판(2) 상에 평면 방식으로 성막되고, 그 후에 절연 갭(7)의 구역에서, 가열 도체 층(4)의 재료가, 특히 예를 들어 레이저 가공 방법을 사용하여, 의도적으로 제거되는 결과로서 형성될 수 있다. 가열 도체 트랙(5)의 구조를 보다 용이하게 알게 하기 위해서, 가열 도체 트랙(5)에서의 각각의 전류 흐름 방향이 도 1의 상부 구역에 화살표로 개략적으로 도시되어 있다.

도 1 및 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 각각의 트랙 섹션(6)들 사이에 형성된 절연 갭(7)은 그 전체 길이에 걸쳐서 적어도 본질적으로 일정한 폭을 갖는다. 이러한 방식으로, 가열 도체 트랙(5)의 트랙 섹션(6)이 기판의 넓은 표면 영역을 덮고, 그 결과로 열 출력을 제공하는 트랙 섹션(6)을 형성하는데 이용 가능한 영역을 최대로 이용하는 것이 달성된다.

도 1에서의 개략적으로 도시된 화살표를 참조하면 자명한 바와 같이, 결과적으로, 가열 도체 트랙(5)은 전류가 항상 반대 방향으로 흐르고 있는 트랙 섹션(6)들이 그 전체 길이의 대부분에 걸쳐 서로 인접하게 연장되도록 다수의 트랙 섹션(6)을 포함한다. 이러한 방식으로, 전기 가열 장치(1)의 전자기 복사가 매우 낮은 것이 달성된다. 도 1에서 더욱 명확한 바와 같이, 가열 도체 트랙(5)은, 전류가 항상 동일 방향으로 흐르고 있는 2개의 트랙 섹션(6)이 서로 인접하게 연장되고 상기 트랙 섹션이 각각 접속부(9a, 9b, 9c)의 바로 근처에서만 서로 접속되도록, 가열 도체 트랙(5)이 또한 그 전체 길이의 대부분에 걸쳐 길이방향으로 분할되도록 구성된다. 이러한 방식으로, 전류 흐름의 유리한 분포가 기판(2)의 평면 내에서 달성된다.

기판의 최대 가능한 영역 커버리지(area coverage)를 달성하는 것이 목적인 가열 도체 트랙(5)의 설명된 바이파일러 배열의 결과로서, 가열 도체 트랙(5)의 경우(다시 말해서, 실시예에 따른 전기 가열 장치(1)의 2개의 가열 도체 트랙(5) 각각의 경우)에 2개의 반전 사이트(reversal site)(8)가 형성되어 있다. 가열 도체 트랙(5)은 전류가 반대 방향으로 흐르고 있는 내측-배치 트랙 섹션(6a)들이 하나의 절연 갭(7)에 의해서만 서로 분리되어 배열되고 서로 평행하게 연장되도록 메인 평면에 있어서 본질적으로 총 180°에 걸쳐 반전 사이트(8)에서 휘어진다.

반전 사이트(8)의 구역에서의 가열 도체 트랙(5)의 구성은 도 2에 도시된 상세도를 참조하여 상세하게 설명된다.

도 2에서 명확한 바와 같이, 인접한 내측-배치 트랙 섹션(6a)들 사이의 간격은 반전 사이트(8)의 구역에서 국소적으로 보다 넓게 형성되고, 그 결과로 반전 사이트(8)에서의 가열 도체 트랙의 휨은 본질적으로 물방울 형상(drop-shaped)이거나, 성냥개비 머리의 형상인 구역(11)을 둘러싼다. 구체적으로 도시된 실시예의 경우에, 둘러싸인 구역(11)은 내측-배치 트랙 섹션(6a) 중 하나에 전기 전도식으로 접속되고, 다시 말해서 가열 도체 층(4)이 이러한 내측-배치 트랙 섹션(6a)에 대해 충단되지 않는다. 그러나, 예를 들면, 둘러싸인 구역(11)을 절연 갭(7)에 의해 내측-배치 트랙 섹션(6a)으로부터 완전히 분리하는 것도 가능하다. 반전 사이트(8)의 구역에서의 내측-배치 트랙 섹션(6a)들 사이의 간격의 국소적인 넓어짐에 의해서, 내측-배치 트랙 섹션(6a)의 외측 에지 상에서의 전류 경로와 내측-배치 트랙 섹션(6a)의 내측 에지에서의 전류 경로 사이의 과도한 길이 차이가 회피되고, 그 결과로 반전 사이트(8)의 내측부에서의 전류 흐름의 과도한 집중이 회피된다. 그러한 전류 흐름의 과도한 국소 집중은 반전 사이트(8)의 구역이 과도하게 국소 가열되게 할 것이다.

마찬가지로 도 2에서 명확한 바와 같이, 이러한 구역에서의 내측-배치 트랙 섹션(6a)의 폭의 감소를 야기하는 내측-배치 트랙 섹션(6a)들 사이의 간격의 국소적인 넓어짐은, 본 실시예에서, 반전 사이트(8)의 구역에서, 내측-배치 트랙 섹션(6a)이 더욱 외측에 배치되는 인접한 트랙 섹션(6b)의 방향으로 외측으로 넓어지고 그 결과 더욱 외측으로 돌출하는 것에 의해 적어도 부분적으로 보상된다. 이러한 방식으로, 마찬가지로 국소적인 온도 상승을 증대시키는 내측-배치 트랙 섹션(6a)의 트랙 단면의 큰 국소적인 넓어짐이 회피된다. 결과적으로, 반전 사이트의 구역에서의 국소적인 "열점(shot spot)"의 형성이 특히 신뢰성있는 방식으로 억제된다. 특히 - 내측-배치 트랙 섹션(6a)의 트랙 폭을 희생하여 간격이 내측부 상에서만 넓어지는 실시예와 비교하여 - 반전 사이트(8)에서 발생되는 온도는 크게 감소된다. 또한, 반전 사이트(8)의 구역에서, 더욱 외측에 배치되고 절연 갭(7)에 의해 내측-배치 트랙 섹션(6a)으로부터 분리되는 트랙 섹션(6b)의 폭은, 반전 사이트(8)의 구역에서의 내측-배치 트랙 섹션(6a)의 전술한 실시예에 의해 요구되는 증대된 간격을 보상하기 위해, 국소적으로 감소한다. 다시 말해서, 더욱 외측에 배치되는 트랙 섹션(6b)의 경우에, 내측-배치 트랙 섹션(6a)들 사이의 내측부 상에서의 국소적인 넓어짐 및 내측-배치 트랙 섹션(6a)의 돌출을 보상하기 위해, 트랙 섹션의 폭이 국소적으로 감소된다. 이러한 방식으로, 가열 도체 트랙(5)이 기판(2)의 이용 가능한 표면의 최대 가능한 최적 사용을 하고, 절연 갭(7)이 신뢰성있는 절연을 제공하는데 필요한 기판(2)의 표면 영역의 부분만을 대체로 점유하는 것이 달성된다.

도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 추가 절연 층(10)이 가열 도체 층(4) 상에, 다시 말해서 상기에서 설명된 대응적으로 구성된 가열 도체 트랙(5) 상에 형성되어 있고, 상기 절연 층은 기판(2)과는 반대쪽으로 향한 가열 도체 층(4)의 상부면을 덮는다. 이 실시예의 경우에, 추가 절연 층(10)은 특히, 가열 도체 층(5)의 트랙 섹션(6)들 사이에 절연 갭(7)을 또한 충전하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 트랙 섹션(6)이 특히 양호하게 서로 절연되는 것이 보장된다. 추가 절연 층(10)은, 예를 들어 가열 도체 층(4)이 구성된 후에, 구성된 가열 도체 트랙(5) 상에 성막될 수 있다. 결국, 예를 들어 상기 추가 절연 층이 용사 방법, 주조 방법 등에 의해 상기 구성된 가열 도체 트랙 상에 성막될 수 있는 것이 바람직하다. 특히, 추가 절연 층(10)은, 양호한 전기 절연성 및 동시에 높은 열 전도성을 달성하기 위해, 예를 들어, 결국 산화알루미늄을 사용하여 형성될 수 있다.

예를 들면, 바람직하게는 추가 절연 층(10) 상에 하나 또는 다수의 추가 층을 제공하는 것도 가능하다. 특히, 예를 들어 유리한 방식으로 전기 가열 장치(1)의 성능을 모니터링하기 위한 적어도 하나의 센서 층을 형성하는 것이 가능하다.

변형예

하기에서, 전술한 실시예의 변형예가 도 4 및 도 5를 참조하여 상세하게 설명된다. 이러한 변형예는, 전술한 실시예와는, 반전 사이트(8)에서의 가열 도체 트랙(5)의 두께의 구성에 대해서만 상이하기 때문에, 동일한 참조 부호가 변형예에 사용되고, 반복을 피하기 위해 모든 구성요소의 반복 설명은 제공되지 않는다.

특히 가열 도체 트랙(5)의 반전 사이트(8)의 구역에 형성되는 바람하지 않은 "열점"의 문제를 해결하거나 적어도 감소시키기 위해, 예시적인 실시예에서, 적어도 반전 사이트(8)에서는, 가열 도체 트랙(5)은 내측 곡선부(8a)의 구역에서 상기 가열 도체 트랙의 두께가 외측 곡선부(8b)의 구역에서보다 메인 평면에 수직인 방향으로 얇아지도록 형성되어 있다. 특정의 예시적인 실시예의 경우에, 가열 도체 트랙(5)은, 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 그 두께가 내측 곡선부(8a)로부터 외측 곡선부(8b)를 향해 계단식으로 증가하도록 구성된다. 가열 도체 트랙(5)에 대해 횡방향으로의 그러한 계단형 구성은, 예를 들어 외측 곡선부(8b)의 구역에 남겨진 가열 도체 층(4)의 시작 두께로부터, 보다 얇은 두께가 달성될 때까지, 더 내측 곡선부(8a)의 방향으로 배열된 구역의 가열 도체 트랙(5)으로부터 레이저 가공 방법에 의해 재료가 부분적으로 제거되는 것에 의해, 매우 간단하고 비용 효율적인 방식으로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 이것은 특히 가열 도체 층(4)의 재료가 또한 절연 갭(7)을 형성하도록 제거되는 것과 동일한 절차 단계에서 수행될 수 있다.

도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 가열 도체 트랙(5)은, 예를 들어 이 가열 도체 트랙(5)에 대해 대체로 횡방향으로 3개의 높이 수준이 실현되도록 2개의 단차부를 갖는 곡선 섹션(8)으로 구성될 수 있다. 그러나, 예를 들면, 예컨대 2개의 상이한 높이 수준만을 형성하거나 3개 초과의 높이 수준을 형성하는 것도 가능하다. 가열 도체 트랙(5)의 두께는 외측 곡선부(8b)의 구역과 비교하여 바람직하게는 내측 곡선부(8a)의 구역에서 상당히 감소될 수 있다. 특히, 내측 곡선부(8a)의 구역에서의 가열 도체 트랙(5)의 두께는 예를 들어 외측 곡선부(8b)의 구역에서의 가열 도체 트랙(5)의 두께의 최대 65%, 바람직하게는 최대 50%, 보다 바람직하게는 최대 30%일 수 있다. 비제한적인 예에서, 가열 도체 트랙(5)은, 예를 들어 외측 곡선부(8b)의 구역에서의 두께가 약 25㎛이고, 내측 곡선부(8a)의 구역에서의 두께가 단지 약 5㎛이며, 상기 구역들 사이에 배치된 구역에서의 두께가 약 15㎛일 수 있다. 이러한 유형의 예에서, 예를 들면, 내측 곡선부(8a)에서의 온도가 약 60℃(특정 실시예에서는, 예컨대 약 240℃에서 약 180℃로)만큼 크게 감소될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 내측 곡선부(8a)의 구역에서의 가열 도체 트랙(5)의 두께 감소는 상기 폭의 감소와 연관된 내측 곡선부(8a)에서의 전기 저항의 증가의 결과로서 가열 도체 트랙(5)의 폭에 걸쳐 전류의 균일한 분포를 야기한다. 이러한 방식으로, "열점"에 의해 전기 가열 장치(1)의 사용 가능 수명 감소를 유발할 위험성은 크게 감소된다. 전반적으로, 이러한 방식으로, 달성 가능한 열 출력이 본질적으로 "열점"에 의해 제한되므로 전기 가열 장치(1)로부터의 열 출력을 증대시키는 것도 가능하다.

특히 반전 사이트(8)의 구역에서, 달성 가능한 효과가 특히 크지만, 예를 들면, 이러한 유형의 반전 사이트(8)가 아닌 다른 곡선 섹션에서, 내측 곡선부의 구역에서의 가열 도체 층(4)의 두께를 감소시켜 가열 도체 트랙(5)의 폭에 걸쳐 균일한 전류 분포를 달성하는 것도 가능하다.

특히 예를 들면, 반전 사이트(8)의 내측 곡선부(8a)의 구역에서의 두께의 국소적인 감소는, 특히 도 4에 파선으로 개략적으로 나타낸 바와 같이, 반전 지점(8)의 바로 근처 또는 주위의 구역에 걸쳐 상대적으로 국소적으로 형성될 수 있다. 도 4에 개략적으로 도시된 실시예의 경우에, 예를 들어 파선의 우측에 대한 구역에서만 가열 도체 트랙(5)의 두께의 추가적인 구성이 실현되는 반면, 파선의 좌측에 대한 구역에서는 가열 도체 트랙(5)이 그 폭에 걸쳐 본질적으로 일정한 두께를 갖는다.

설명된 가열 도체 트랙(5)의 두께의 감소는, 반전 사이트(8)의 내측 곡선부(8a)에서, 반전 사이트(8)의 구역에서의 인접한 내측-배치 트랙 섹션(6a)들 사이에서 간격이 감소하는 정도를 감소시키는 것이 가능할 정도로 크게 열점을 형성하는 경향을 억제하는 것을 가능하게 한다. 이러한 방식으로, 기판(2)의 표면 영역을 보다 양호하게 사용하는 것이 가능하다.

Claims (15)

1. 이동형 용례를 위한 전기 가열 장치(1)로서,
   기판(2), 및
   상기 기판(2) 상에 형성되는 가열 도체 층(4)
   을 포함하며, 상기 가열 도체 층(4)은 상기 기판(2) 상의 메인 평면에서 연장되는 적어도 하나의 가열 도체 트랙(5)을 포함하고, 상기 가열 도체 트랙(5)은 서로 인접하게 연장되고 절연 갭(7)에 의해 서로 분리되는 다수의 트랙 섹션(6)이 형성되도록 구성되고,
   적어도 하나의 반전 사이트(reversal site)(8)가 제공되고, 상기 적어도 하나의 반전 사이트(8)에서, 상기 가열 도체 트랙(5)은 전류가 서로에 대해 반대 방향으로 흐르고 있는 내측-배치 트랙 섹션(6a)들이 서로에 대해 인접하게 그리고 평행하게 연장되도록 휘어지고,
   전류가 서로에 대해 반대 방향으로 흐르고 있는 인접한 내측-배치 트랙 섹션(6a)들 사이의 간격은 상기 반전 사이트(8)의 구역의 내측부 상에서 국소적으로 넓어지는 것인 전기 가열 장치(1)에 있어서,
   상기 반전 사이트(8)의 구역에서, 상기 내측-배치 트랙 섹션(6a)은, 더욱 외측에 배치되고 상기 절연 갭(7)에 의해 상기 내측-배치 트랙 섹션(6a)으로부터 분리되는 트랙 섹션(6b)을 향해 외측으로 돌출하고, 더욱 외측에 배치되는 상기 트랙 섹션(6b)의 경우에, 그 트랙 섹션의 폭은 상기 내측-배치 트랙 섹션(6a)들 사이의 내측부 상에서의 국소적인 넓어짐 및 상기 내측-배치 트랙 섹션(6a)의 돌출을 보상하기 위해 국소적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 전기 가열 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 가열 도체 트랙(5)은 상기 기판(2) 상에서 바이파일러 패턴(bifilar pattern)으로 연장되는 것인 전기 가열 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 가열 도체 트랙(5)은 2개의 반전 사이트(8)를 포함하는 것인 전기 가열 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가열 도체 층(4)은 상기 기판(2) 상에 나비형 패턴으로 형성되는 적어도 2개의 가열 도체 트랙(5)으로 구성되는 것인 전기 가열 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가열 도체 층(4)은, 상기 기판(2) 상에 평면 방식으로 성막되고 그 후에 재료를 제거함으로써 구성되는 층인 것인 전기 가열 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전기 가열 장치(1)는 150V 내지 900V, 바람직하게는 200V 내지 600V 범위의 작동 전압을 위한 고전압 히터로서 구성되는 것인 전기 가열 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가열 도체 층(4)은 기판 표면 영역의 적어도 80%, 바람직하게는 기판 표면 영역의 적어도 85%를 덮는 것인 전기 가열 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 절연 갭(7)은 그 전체 길이에 걸쳐 본질적으로 일정한 폭을 갖는 것인 전기 가열 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 절연 갭(7)에는 전기 절연 재료가 배치되는 것인 전기 가열 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 도체 트랙(5)은, 각각의 경우에, 전류가 동일 방향으로 흐르고 있는 2개의 트랙 섹션(6)이 적어도 그 길이의 대부분에 걸쳐 서로에 대해 인접하게 그리고 평행하게 연장되도록 구성되는 것인 전기 가열 장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 도체 층(4) 상에는 적어도 하나의 추가 층(10)이 제공되는 것인 전기 가열 장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 가열 장치(1)는 차량용 히터인 것인 전기 가열 장치.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반전 사이트(8)에서, 상기 가열 도체 트랙(5)은 내측 곡선부(8a)의 구역이 외측 곡선부(8b)의 구역보다 상기 메인 평면에 수직인 방향으로 얇도록 구성되는 것인 전기 가열 장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 반전 사이트(8)에서, 상기 가열 도체 트랙(5)은 두께가 상기 내측 곡선부(8a)로부터 상기 외측 곡선부(8b)를 향해 계단식으로 증가하도록 구성되는 것인 전기 가열 장치.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 내측 곡선부(8a)의 구역에서의 상기 가열 도체 트랙(5)의 두께는 상기 외측 곡선부(8b)의 구역에서의 상기 가열 도체 트랙(5)의 두께의 최대 65%, 바람직하게는 최대 50%, 보다 바람직하게는 최대 30%인 것인 전기 가열 장치.

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