KR20180020827A - 세라믹 히터 및 이를 이용한 전기 자동차의 난방 장치 - Google Patents

세라믹 히터 및 이를 이용한 전기 자동차의 난방 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 히터는 제1 열확산판; 상기 제1 열확산판의 일면에 배치되고, 내부에 저항체가 배치된 세라믹 기판; 및 상기 세라믹 히터의 일면에 배치되는 제2 열확산판;을 포함하고, 상기 제1 열확산판, 세라믹 기판, 및 제2 열확산판은 열팽창 계수가 동일할 수 있다.

Description

세라믹 히터 및 이를 이용한 전기 자동차의 난방 장치{CERAMIC HEATER AND HEATING APPARATUS OF ELECTRIC VEHICLE USING THE SAME}
본 발명은 세라믹 히터 및 이를 이용한 전기 자동차의 난방 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열팽창에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있는 세라믹 히터 및 이를 이용한 전기 자동차의 난방 장치에 관한 것이다.
전기 자동차는 환경문제와 자원고갈의 문제를 최소화할 수 있는 저공해 친환경차량(하이브리드 자동차) 또는 완전히 해결할 수 있는 무공해 친환경차량(순수 전기자동차 및 연료전지 자동차)으로서, 차량을 구동시키기 위한 전기모터와 더불어 전기모터에 전력을 공급하는 축전수단으로서 배터리(고전압 배터리)를 포함하며, 또한 전기 모터를 회전시키기 위한 인버터가 구비된다.
한편, 일반 내연기관 자동차와 마찬가지로 전기 자동에도 고전압 부품 등의 각종 부품에서 에너지 손실에 의해 열이 발생하고 있으므로 이를 냉각시키는 냉각장치가 필요하고, 또한 차량 실내의 열적 쾌적성을 제공하기 위하여 냉난방 공조장치가 구비되고 있다.
특히, 전기 자동차에서 각종 전력전자부품(PE(Power Electronics) 부품), 예를 들면 모터(구동모터, 라디에이터팬 모터 등)나 DC-DC 컨버터, 인버터 등의 부품을 포함한 구동계나 고전압 배터리 등에는 자체 발열에 대응하기 위한 물관을 구비한 뒤, 이 물관을 통해 냉각수를 공급 및 순환시켜 냉각수가 해당 부품으로부터 나오는 열을 흡수하도록 하는 수냉식 냉각장치가 구성되어 있다.
또한 전기 자동차에는 차량 실내의 열적 쾌적성을 제공하기 위한 공조장치, 즉 전기히터를 통해 실내 난방을 수행하는 난방장치(열전달 매체로 물을 사용함)와, 냉매 순환을 통해 실내 냉방을 수행하는 냉방장치가 구성되어 있다.
내연 기관 자동차의 경우, 엔진의 폐열을 이용하여 난방을 하므로 난방에 필요한 열을 충분히 확보할 수 있다. 이에 비해 전기 자동차의 경우 내연 기관에 비해 발생하는 열이 적기 때문에 손실되는 열을 줄이고 에너지 효율을 높이는 것이 중요하다.
하지만 종래의 난방 장치는 히터의 일면만을 냉각수 수로에 부착하여 사용하였다. 히터의 한쪽면을 사용하기 때문에 에너지 손실이 많았고, 그로 인해 난방 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 세라믹 히터가 냉각수에 잠기더라도 열팽창에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있는 세라믹 히터 및 이를 이용한 난방 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 히터는 제1 열확산판; 상기 제1 열확산판의 일면에 배치되고, 내부에 저항체가 배치된 세라믹 기판; 및 상기 세라믹 히터의 일면에 배치되는 제2 열확산판;을 포함하고, 상기 제1 열확산판, 세라믹 기판, 및 제2 열확산판은 열팽창 계수가 동일할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 히터에서, 구리 또는 알루미늄을 포함하는 재질의 제1 열확산층; 몰리브덴을 포함하는 재질의제2 열확산층; 및 구리 또는 알루미늄을 포함하는 재질의 제3 열확산층;으로 이루어진 상기 제1 열확산판 및 제2 열확산판;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 히터에서, 상기 제1열확산층과 상기 제3열확산층 사이에 배치된 상기 제2열확산층을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 히터에서, 상기 세라믹 기판은 세라믹 재질의 제1 세라믹층; 상기 제1 세라믹층에 인쇄되어 배치된 저항체; 상기 제1 세라믹층 상에 적층된 제2 세라믹층을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 히터에서, 상기 제1 열확산판과 제2 열확산판의 열팽창 계수는 7ppm/℃ 이고, 열전도율은 230W/mK일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 히터에서, 상기 제1 열확산층과 제3 열확산층은 두께가 동일하고, 상기 제2 열확산층은 제1 열확산층 및 제3 열확산층과 두께가 다를 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 히터에서, 상기 제1 열확산판 및 제2 열확산판의 표면에는 돌출부가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 히터에서, 제1 열확산판과 세라믹 기판의 사이에 배치된 제1 접합층; 및 제2 열확산판과 세라믹 기판 사이에 배치된 제2 접합층;을 더 포함하고, 상기 제1, 제2 접합층은 Ti, Zr을 포함하는 활성금속 합금을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 세라믹 히터가 열팽창에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예 따르면, 전기 자동차의 난방 장치의 에너지 손실을 최소화하여 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 에너지 손실을 줄임으로써 난방 장치의 부피를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 히터의 단면을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판의 단면을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열확산판의 단면을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 히터의 단면도로, 능동 메탈층이 배치된 예를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 세라믹 히터의 단면을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 난방 장치는 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도면들에 있어서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 본 명세서에서 특정한 용어들이 사용되었으나. 이는 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 의미 한정이나 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 권리 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
본 명세서에서 ‘및/또는’이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, ‘연결되는/결합되는’이란 표현은 다른 구성요소와 직접적으로 연결되거나 다른 구성요소를 통해 간접적으로 연결되는 것을 포함하는 의미로 사용된다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 ‘포함한다’또는 ‘포함하는’으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및 소자의 존재 또는 추가를 의미한다.
또한, '제1, 제2' 등과 같은 표현은, 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 감시 시스템 및 세라믹 히터를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 히터의 단면도를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판의 단면도를 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열확산판의 단면도를 나타낸 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 세라믹 히터는 제1 열확산판(10), 상기 제1 열확산판(10) 일면에 적층된 세라믹 기판(20), 및 상기 세라믹 기판(20 일면에 적층된 제2 열확산판(30)을 포함할 수 있다.
즉, 세라믹 기판(20)이 중앙에 위치하고, 상기 세라믹 기판(20)의 하부와 상부에 열확산판에 부착되어 있다.
먼저 중앙에 위치한 세라믹 기판(20)을 살펴보면, 상기 세라믹 기판(20)은 제1 세라믹층(22), 상기 제1 세라믹층(22) 상에 적층된 저항체(24), 및 상기 제1 세라믹층 및 저항체(24)의 상부에 적층된 제2 세라믹층(26)을 포함할 수 있다.
상기 세라믹 기판(20)은 제1 세라믹층(22)에 저항체(24)를 배치하고 제2 세라믹층(26)을 적층 한 후 소결하여 제작될 수 있다. 저항체는 코팅, 인쇄 방법으로 배치할 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
상기 제1 세라믹층(22) 및 제2 세라믹층(26)은 알루미나, 질화규소, 또는 이들의 화합물을 포함할 수 있다. 또한 산화 칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO), 산화나트륨(Na2O), 산화규소(SiO2), 산화티탄(TiO2)중 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 부가적으로 포함할 수 있다. 상기 세라믹 층은 시트의 형태로 사용할 수 있다. 상기 저항체(24)는 텅스턴(W), 몰리브덴(Mo), 티탄산바륨(BaTiO)의 화합물 중 선택된 어느 하나를 주성분으로 하는 화합물, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 제2 세라믹층(26)의 표면에는 상기 저항체와 연결된 전극패드(262, 264)를 포함할 수 있다. 상기 전극패드는 양극 패드와 음극 패드 2개가 형성될 수 있으며 각각이 저항체의 끝단과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 2에서는 전극패드(262, 264)가 제2 세라믹층(26)의 표면에 배치되어 있지만, 제1 세라믹층(22)의 표면에 배치될 수도 있다.
다음으로 도 3을 참조하면, 상기 제1 열화산판(10)은 제 1 열확산층(12), 제2 열확산층(14), 및 제3 열확산층(16)을 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 상기 세라믹 히터의 상기 제3 열확산판(30)은 제1 열확산판(10)과 동일한 구조이므로, 이하에서는 제1 열확산판과 제3 열확산판을 통합하여 열확산판으로 기술한다.
상기 제1 열확산층(12)과 제3 열확산층(16)은 구리 또는 알루미늄 재질일 수 있고, 상기 제2 열확산층(14)는 몰리브덴(Mo) 재질일 수 있다.
상기 열확산층은 세라믹 기판(20)이 열팽창에 의해 손상되는 것을 방지하기 위한 것으로 세라믹 기판(20)과 열팽창계수가 동일하게 제조될 수 있다.
예를 들어, 세라믹 기판(20)의 열팽창 계수가 7.0ppm/℃일때열확산판의 열팽창 계수도 7.0ppm/℃ 이다. 이때 열확산판의 열전도율은 230W/mK 일 수 있다.
제1 열확산층(12)과 제3 열확산층(16)의 두께는 0.03mm일 수 있고, 제2 열확산층(14)의 두께는 0.035mm 일 수 있다.
상기 세라믹 히터에 있어서 열확산판은, 사용하는 세라믹 기판의 열팽창 계수에 따라 열확산층(12, 14, 16)의 두께 및 성분을 다양하게 변경할 수 있다.
상기 열확산판은 상기 세라믹 기판(20)에 세라믹과 반응하는 산화물이나 질화물의 능동 메탈(active metal layer)층을 접합층으로 형성한 후 열압착하는 방법이 있다.
도 4는 세라믹 기판(20)에 능동 메탈층이 배치된 예를 나타낸 것이다.
도 4을 참조하면, 제1 열확산판(10)과 세라믹 기판(20) 사이에 배치된 제1 접합층(21) 및 제2 열확산판(30)과 세라믹 기판(20) 사이에 배치된 제2 접합층(22)을 확인할 수 있다.
상기 제1 접합층(21)과 제2 접합층(22)은 능동 메탈층으로, 코팅, 증착, 인쇄하여 형성할 수 있다. 상기 접합층(21, 22) 은 티탄(Ti) 또는 지르코늄(Zr)과 같은 티탄족의 활성 금속 합금을 이용할 수 있다.
또한 열확산판은 상기 열확산층 금속의 표면을 산화시킨 산화금속층과 세라믹 세라믹 기판(20)에 형성된 능동 메탈층(active metal layer)을 이용하여 접합할 수 있다. 산화된 산화금속층의 표면은 접착력이 있어, 능동 메탈층(active metal layer)의 표면에 접착이 가능하다. 금속산화물층과 접합하는 능동 메탈층(Active metal layer)은 산화 알루미늄(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 질화규소(SiN), 탄화규소(SiC) 중 선택된 어느 하나 또는 그 합금을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 능동 메탈층(Active metal layer)은 코팅, 증착, 인쇄하여 형성할 수 있다. 상기 금속산화물 층은 예를 들어 산화구리(CuO, Cu2O)를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 5의 (a)는 열확산판의 표면에 돌기(32)를 형성하여 표면을 엠보싱 형태로 구현한 것이고, (b)는 열확산판의 표면에 기다란 돌출부(34)를 형성하여 구현한 것이다.
본실시예에서와 같이 열확산판의 표면을 엠보싱 형태, 기다란 돌출부의 열방사판 형태로 구현하게 되면, 냉각수와의 접촉면적이 넓어지게 되므로 냉각수를 보다 효율적으로 가열할 수 있다.
상기 돌기(32) 및 기다란 돌출부(34)는 접촉 면적을 넓히기 위한 것이므로 열확산판의 표면은 돌출된 형상에는 제한이 없으며 다양한 형태로 변형할 수 있다. 예를 들어, 상기 열확산판의 표면은 규칙적인 형상없이 굴곡지게 형성될 수도 있다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차의 난방 장치를 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 상기 난방 장치는 냉각수(110)가 저장된 냉각수 탱크(100), 상기 냉각수에 잠긴 세라믹 히터(200), 및 열교환기(300)를 포함할 수 있다
상기 냉각수(110)는 전기 자동차의 발열부품(400)들을 냉각시키고 냉각수 파이프(500)를 통해 냉각수 탱크(100)에 저장된다. 상기 발열부품(400)은 인버터나 모터 등을 포함할 수 있다.
상기 세라믹 히터(200)는 앞서 도 1 내지 3에서 살펴본 열확산판이 부착된 세라믹 히터일 수 있다. 상기 세라믹 히터(200)는 냉각수 탱크(100)에 결합된 형태로 사용할 수 있으며, 교체가 가능하다. 냉각수 탱크(100)에서 하나 이상의 히터가 냉각수에 잠길 수 있다. 또한 세라믹 히터(200)는 냉각수에 일부분 또는 냉각수 탱크의 결합된 전극부를 제외한 전체를 냉각수에 담지하여 사용할 수 있다.
종래의 세라믹 히터는 취성 문제로 냉각수에 담글 수가 없었다. 냉각수에 담근 상태에서 사용 시 금이 가거나 깨지는 문제점이 있었다. 하지만, 본 발명의 실시예에서와 같이 세라믹 히터에 열확산판을 부착하면 세라믹 히터가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상기 세라믹 히터에 열확산판을 적용하면, 열확산판의 높은 열전도율로 인해 열손실이 최소화되고, 열 전도율이 높아 세라믹 히터에서 발생하는 열을 모두 냉각수를 가열하는데 사용할 수 있다. 또한 열확산판을 부착하여 진동 신뢰성, 열충격 깨짐 등을 방지하여 세라믹 히터 자체의 신뢰성이 향상될 수 있다.
상기열교환기(300)는 가열된 냉각수의 열을 차량의 실내로 제공하기 위한 것으로, 열교환기(300)는 냉각수 파이프(500)를 통해 냉각수 탱크(100)와 연결될 수 있다.
난방 장치의 동작을 살펴보면, 발열부품(400)을 냉각시킨 냉각수는 냉각수 파이브(500)를 통해 냉각수 탱크(100)로 이동하고, 냉각수는 세라믹 히터(200)에 의해 가열된 후 다시 냉각수 파이프를 통해 열교환기(300)로 이동한 후 열교환되어 차량의 실내에 열을 제공한다. 열교환된 냉각수는 다시 냉각수 파이프를 따라 이동하여 발열부품(400)을 냉각시킨다.
이러한 순환 구조에 의해 냉각수는 발열부품을 냉각시킨 후, 세라믹 히터에 의해 가열되어 차량 실내에 열을 제공할 수 있다.
본 실시예에서와 같이 세라믹 히터를 냉각수에 담지하여 사용하면 종래의 난방 장치에 비해 부피를 50%이상 감소할 수 있고, 열효율을 95%이상 확보 가능하다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10 : 제1 열확산판
20 : 세라믹 기판
30 : 제2 열확산판

Claims (15)

  1. 제1 열확산판;
    상기 제1 열확산판의 일면에 배치되고, 내부에 저항체가 배치된 세라믹 기판; 및
    상기 세라믹 히터의 일면에 배치되는 제2 열확산판;을 포함하고,
    상기 제1 열확산판, 세라믹 기판, 및 제2 열확산판은 열팽창 계수가 동일한 세라믹 히터.
  2. 제1항에 있어서,
    구리 또는 알루미늄을 포함하는 재질의 제1 열확산층;
    몰리브덴을 포함하는 재질의제2 열확산층; 및
    구리 또는 알루미늄을 포함하는 재질의 제3 열확산층;으로 이루어진
    상기 제1 열확산판 및 제2 열확산판;을
    포함하는 세라믹 히터.
  3. 청구항2에 있어서
    상기 제1열확산층과 상기 제3열확산층 사이에 배치된 상기 제2열확산층을 포함하는 세라믹 히터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 기판은
    세라믹 재질의 제1 세라믹층;
    상기 제1 세라믹층에 인쇄되어 배치된 저항체;
    상기 제1 세라믹층 상에 적층된 제2 세라믹층을 포함하는 세라믹 히터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열확산판과 제2 열확산판의 열팽창 계수는 7ppm/℃ 이고, 열전도율은 230W/mK인 세라믹 히터.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 열확산층과 제3 열확산층은 두께가 동일하고,
    상기 제2 열확산층은 제1 열확산층 및 제3 열확산층과 두께가 다른 세라믹 히터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열확산판 및 제2 열확산판의 표면에는 돌출부가 형성되어 있는 세라믹 히터.
  8. 제 1항에 있어서
    제1 열확산판과 세라믹 기판의 사이에 배치된 제1 접합층; 및
    제2 열확산판과 세라믹 기판 사이에 배치된 제2 접합층;을 더 포함하고,
    상기 제1, 제2 접합층은 Ti, Zr을 포함하는 활성금속 합금을 포함하는 세라믹 히터
  9. 차량의 발열 부품을 냉각하기 위한 냉각수가 저장된 냉각수 탱크;
    상기 냉각수 탱크의 냉각수에 잠기어 상기 냉각수를 가열하는 세라믹 히터;
    상기 세라믹 히터에 의해 가열된 냉각수의 열을 차량의 실내로 제공하는 열교환기를 포함하고,
    상기 세라믹 히터는
    제1 열확산판;
    상기 제1 열확산판의 상부에 적층되고, 내부에 저항체가 배치된 세라믹 기판; 및
    상기 세라믹 기판의 상부에 적층되는 제2 열확산판;을 포함하고,
    상기 제1 열확산판, 세라믹 기판, 및 제2 열확산판은 열팽창 계수가 동일한 전기 자동차의 난방 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 열확산판 및 제2 열확산판은,
    구리 또는 알루미늄 재질의 제1 열확산층;
    상기 제1 열확산층 상에 적층된 몰리브덴 재질의 제2 열확산층;
    상기 제2 열확산층 상에 적층된 구리 또는 알루미늄 재질의 제3 열확산층을 포함하는 전기 자동차의 난방 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 세라믹 기판은
    세라믹 재질의 제1 세라믹층;
    상기 제1 세라믹층에 인쇄되어 배치된 저항체; 및
    상기 제 1 세라믹층 상에 적층된 제2 세라믹층을 포함하는 전기 자동차의 난방 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 열확산판과 제2 열확산판의 열팽창 계수는 7ppm/℃ 이고, 열전도율은 230W/mK인 전기 자동차의 난방 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 열확산층과 제3 열확산층은 두께가 동일하고,
    상기 제2 열확산층은 제1 열확산층 및 제3 열확산층과 두께가 다른 전기 자동차의 난방 장치.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 제1 열확산판 및 제2 열확산판의 표면에는 돌출부가 형성되어 있는 세라믹 히터를 포함하는 전기 자동차의 난방 장치.
  15. 제9항에 있어서
    상기 세라믹 히터는
    상기 냉각수 탱크와 결합되고,
    상기 세라믹 히터의 일부 또는 전부가 냉각수에 담지되는
    전기 자동차의 난방 장치.
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