KR20180081323A - 히팅 로드 및 이를 포함하는 히터 - Google Patents
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Abstract
실시 예는 세라믹 기판; 및 상기 세라믹 기판 내에 배치되는 발열소자;를 포함하고, 상기 발열소자의 두께에 대한 상기 세라믹 기판의 두께의 비는 1:2 내지 1:50인 히팅 로드를 개시한다.
Description
실시 예는 히팅 로드 및 이를 포함하는 히터에 관한 것이다.
히터는 히팅 시스템의 구성기기로 열을 발생시키는 기능을 한다. 히터는 소비자의 요구에 부응하여 자동차 등 이동수단에 필수적으로 설치되고 있으며, "난방기기", "난방 장치"로도 호칭될 수 있다.
한편, 환경문제와 신재생에너지의 이용에 관한 관심이 대두하면서, 전기 자동차에 관한 연구개발이 진행되고 있다. 전기 자동차에도 일반 내연기관 자동차와 마찬가지로 히팅 시스템이 설치된다.
전기자동차의 경우, 내연기관 자동차에 비해 발생하는 열이 적기 때문에(예를 들면, 엔지의 폐열) 손실되는 열을 줄이고 에너지 효율을 높이는 것이 특히 중요하다.
또한, 스마트한 자동차의 출현으로 인해, 자동차의 대시보드에 다양한 기능을 가진 스마트 기기 및 디스플레이가 장착되고 있다. 그 결과, 자동차의 대시 보드의 면적에서 공조시스템의 송풍면적이 차지하는 비율은 줄어들고 있다. 즉, 설계적 요청에 의해 점차 작아지는 공조시스템의 송풍면적에 대응하여 히터의 에너지 효율을 높여야 하는 실정이다.
그러나 기존의 자동차용 히터는 PTC 서미스터(Positive temperature coefficient-thermistor)를 사용하여 열효율이 낮아 문제된다.
실시 예는 이동수단에 적용되는 히팅 로드 및 이를 포함하는 히터를 제공한다.
또한, 쇼트에 의한 불량 발생이 감소한 히팅 로드를 제공한다.
또한, 발열소자 두께 조절을 통한 저항 조절이 가능한 히팅 로드를 제공한다.
또한, 온도 구배가 개선된 히팅 로드를 제공한다.
실시예에 따른 히팅 로드는 세라믹 기판; 및 상기 세라믹 기판 내에 배치되는 발열소자;를 포함하고, 상기 발열소자의 두께에 대한 상기 세라믹 기판의 두께의 비는 1:2 내지 1:50이다.
상기 발열소자의 일단에 전기적으로 연결되는 제1 전극단자; 및 상기 발열소자의 타단에 전기적으로 연결되는 제2 전극단자;를 포함할 수 있다.
상기 세라믹 기판은 Al, ZTA 및 SiN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 발열소자는 Mo, Ag, Ti, Ru, W 및 Al 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 발열소자는 제1-1 방향 및 제1-2 방향 중 적어도 하나의 방향으로 볼록하고, 상기 제1-1 방향은 상기 발열소자에서 상기 세라믹 기판의 일면측 방향이고, 상기 제1-2 방향은 상기 별열체에서 상기 세라믹 기판의 타면측 방향일 수 있다.
상기 발열소자는 교대로 볼록할 수 있다.
상기 발열소자의 두께는 100㎛ 내지 600㎛일 수 있다.
상기 세라믹 기판의 두께는 1800㎛ 내지 2200㎛일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 히터는 케이스; 상기 케이스 내부에 배치되고 히팅 로드를 포함하는 발열모듈; 및 상기 발열모듈과 전기적으로 연결되는 파워 모듈;을 포함하고, 상기 히팅 로드는, 세라믹 기판; 및 상기 세라믹 기판 내에 배치되는 발열소자;를 포함하고, 상기 발열소자의 두께에 대한 상기 세라믹 기판의 두께의 비는 1:2 내지 1:50이다.
본 발명의 실시예에 따른 히팅 시스템은 공기가 이동하는 유로; 공기를 유입하는 급기부; 이동수단의 실내로 공기를 배출하는 배기부; 및 상기 유로에서 상기 급기부와 상기 배기부의 사이에 배치되어 공기를 가열하는 히터를 포함하고, 상기 히터는, 케이스; 상기 케이스 내부에 배치되고 히팅 로드를 포함하는 발열모듈; 및 상기 발열모듈과 전기적으로 연결되는 파워 모듈;을 포함하고, 상기 히팅 로드는, 세라믹 기판; 및 상기 세라믹 기판 내에 배치되는 발열소자;를 포함하고, 상기 발열소자의 두께에 대한 상기 세라믹 기판의 두께의 비는 1:2 내지 1:50이다.
실시 예에 따르면, 히팅 로드 및 이를 포함하는 히터를 구현할 수 있다.
또한, 쇼트에 의한 불량 발생이 감소한 히팅 로드를 제작할 수 있다.
또한, 발열소자 두께 조절을 통한 저항 조절이 가능하고 온도 구배가 개선된 히팅 로드를 제작할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 실시예에 따른 히터의 사시도이고,
도 2는 실시예에 따른 발열모듈의 평면도이고,
도 3은 실시예에 따른 히팅 로드의 분해사시도이고,
도 4는 실시예에 따른 세라믹 기판의 평면도이고,
도 5는 도 4에서 AA'의 단면도이고,
도 6은 도 5에서 B부분의 실제 단면 사진이고,
도 7 내지 도 9는 다양한 실시예에 따른 세라믹 기판의 단면도이고,
도 10은 실시예에 따른 세라믹 기판의 제조 방법이고,
도 11 내지 도 12는 실시예에 따른 세라믹 기판 패턴 형성을 설명하기 위한 도면이고,
도 13은 실시예에 따른 히팅 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 실시예에 따른 발열모듈의 평면도이고,
도 3은 실시예에 따른 히팅 로드의 분해사시도이고,
도 4는 실시예에 따른 세라믹 기판의 평면도이고,
도 5는 도 4에서 AA'의 단면도이고,
도 6은 도 5에서 B부분의 실제 단면 사진이고,
도 7 내지 도 9는 다양한 실시예에 따른 세라믹 기판의 단면도이고,
도 10은 실시예에 따른 세라믹 기판의 제조 방법이고,
도 11 내지 도 12는 실시예에 따른 세라믹 기판 패턴 형성을 설명하기 위한 도면이고,
도 13은 실시예에 따른 히팅 시스템을 나타낸 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 실시예에 따른 히터의 사시도이고, 도 2는 실시예에 따른 발열모듈의 평면도이고, 도 3은 실시예에 따른 히팅 로드의 분해사시도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 히터(1000)는 케이스(100), 발열모듈(200) 및 파워모듈(300)을 포함한다.
케이스(100)는 히터(1000)의 외부에 배치될 수 있다. 케이스(100)는 히터(1000)의 외장부재로 케이스(100) 내부에 수용된 발열모듈(200)을 감싸는 형태일 수 있다. 케이스(100)의 일측에는 파워모듈(300)이 배치될 수 있다. 케이스(100)는 파워모듈(300)과 결합할 수 있다.
케이스(100)의 하부에는 파워모듈(300)과 결합하는 수용부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 케이스(100)와 파워모듈(300)은 끼임 결합을 통해 서로 결합될 수 있다. 다만, 이러한 방법에 한정되는 것은 아니다.
케이스(100)는 중공의 블록형태를 가질 수 있다. 케이스(100)는 제1 면과 제2 면을 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 유입구는 제1 면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 면으로 유체(b1)가 유입될 수 있다. 여기서 유체는 열을 전달하는 매체로, 예를 들어 공기일 수 있다. 다만, 이러한 종류에 한정되는 것은 아니다.
또한, 복수의 유입구는 제1 면에서 소정의 열을 맞춰 배치될 수 있다. 복수의 유입구의 제1 방향(X축 방향) 길이는 다양할 수 있으나, 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다.
복수의 배출구는 제2 면에 배치될 수 있다. 제1 면을 통해 유입된 유체(b2)는 케이스(100) 내부의 발열모듈(200)로부터 가열되고, 제2 면의 배출구를 통해 이동할 수 있다. 배출구도 제2면에서 소정의 열을 맞춰 배치될 수 있다. 또한, 복수의 유입구와 대응되도록 배치될 수 있다. 이로써, 유입구를 통해 유입된 유체는 원활히 배출구를 통해 배출될 수 있다. 그리고 유입구로 유입되는 유체(b1)은 배출구를 통해 배출되는 유체(b-2)보다 온도가 낮을 수 있다. 또한, 복수의 배출구의 제1 방향(X축 방향) 길이는 다양할 수 있으나, 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다.
발열모듈(200)은 케이스(100)의 내부에 배치될 수 있다. 발열모듈(200)은 케이스(100) 일측에 배치된 파워모듈(300)과 전기적으로 연결될 수 있다. 발열모듈(200)은 파워모듈(300)로부터 제공받은 전력을 이용하여 발열을 제공할 수 있다.
파워모듈(300)은 케이스(100)의 일측에 배치될 수 있다. 예를 들어, 파워모듈(300)은 케이스(100)의 하부에 배치되어 케이스(100) 및 발열모듈(200)을 지지할 수 있다. 파워모듈(300)은 케이스(100)와 결합할 수 있다. 파워모듈(300)은 발열모듈(200)과 전기적으로 연결되어, 발열모듈(200)로 전원을 제공할 수 있다. 파워모듈(300)의 일측에는 외부 전원 공급 장치와 연결될 수 있다. 또한, 실시예에 따른 히터(1000)의 MAF(mass air flow)는 300kg/h일 수 있다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 발열모듈(200)은 복수 개의 히팅 로드(210), 방열핀(220), 제1 가스켓(230), 제2 가스켓(240)을 포함할 수 있다.
히팅 로드(210)는 발열부분으로 케이스(100)의 내부에 배치될 수 있다. 히팅 로드(210)는 파워모듈(300)로부터 전원을 공급받아 발열을 수행할 수 있다. 히팅 로드(210)는 복수 개일 수 있으나, 이러한 개수에 한정되는 것은 아니다.
복수 개의 히팅 로드(210)는 소정의 거리만큼 이격 배치될 수 있다. 복수 개의 히팅 로드(210) 사이에는 복수 개의 방열핀(220)이 배치될 수 있다.
히팅 로드(210)와 방열핀(220)은 연결되어, 히팅 로드(210)에서 발생한 열이 방열핀(220)으로 제공될 수 있다. 이로써, 히팅 로드(210) 및 방열핀(220)을 통과하는 유체는 열을 제공받아 온도가 상승할 수 있다. 열이동을 위해, 히팅 로드(210)와 방열핀(220) 사이에 열전도성 부재(미도시됨)가 배치될 수 있다. 열전도성 부재(미도시됨)는 전도성 실리콘을 포함할 수 있으나, 이러한 재질에 한정되는 것은 아니다.
도 3을 참조하면, 히팅 로드(210)는 히팅 로드(210)는 하측에서 상측으로 연장된 형태일 수 있다. 히팅 로드(210)는 세라믹 기판(211), 발열소자(212), 제1 열확산판(213), 제2 열확산판(214), 제1 전극단자(261), 제2 전극단자(262), 커버부(217)를 포함할 수 있다.
세라믹 기판(211)는 히팅 로드(210) 내부에 배치되며, 방열소자를 수용할 수 있다. 세라믹 기판(211)는 세라믹 재질로 형성될 수 있다.
본 실시예의 히팅 로드(210)는 발열소자(212)를 커버하는 세라믹에 의해, PTC Thermistor보다 경량이고, 납성분(Pb) 등 중금속으로부터 자유롭고, 원적외선 등이 발산되고, 높은 열전도율을 가질 수 있다.
세라믹 기판(211)의 일측면에는 제1 열확산판(213)이 배치될 수 있다. 세라믹 기판(211)의 타측면에는 제2 열확산판(214)이 배치될 수 있다. 세라믹 기판(211)는 제1 열확산판(213)과 제2 열확산판(214)과 함께 커버부(217)에 수용될 수 있다. 세라믹 기판(211)는 제1 세라믹 기판(211a)과 제2 세라믹 기판(211b)을 포함할 수 있다.
제1 세라믹 기판(211a)은 일측에 배치되고, 제2 세라믹 기판(211b)은 타측에 배치될 수 있다. 제1 세라믹 기판(211a)의 일면에 발열소자(212)가 증착 등의 방법으로 배치될 수 있다.
제1 세라믹 기판(211a)과 제2 세라믹 기판(211b)의 사이에 제1 전극단자(261)와 제2 전극단자(262)가 배치될 수 있다. 제1 전극단자(261)와 제2 전극단자(262)는 제1 세라믹 기판(211a)과 제2 세라믹 기판(211b)과 결합할 수 있다.
또한, 제1 전극단자(261) 및 제2 전극단자(262)는 발열소자(212)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 전극단자(261) 및 제2 전극단자(262)는 제1 세라믹 기판(211a)과 제2 세라믹 기판(211b)의 외측에 배치될 수 있다. 이 경우, 제1 전극단자(261) 및 제2 전극단자(262)와 발열소자(212)를 전기적으로 연결을 위한 별도의 인출선(미도시됨)이 배치될 수 있다.
발열소자(212)는 세라믹 기판(211)의 내부에 배치될 수 있다. 발열소자(212)는 제1 세라믹 기판(211a)에 증착 등의 방법으로 배치될 수 있다. 발열소자(212)는 제1 세라믹 기판(211a)에서 제1 세라믹 기판(211a)과 제2 세라믹 기판(211b)이 접하는 면에 배치될 수 있다.
발열소자(212)는 발열소자 라인(line)일 수 있다. 발열소자(212)는 텅스텐(w), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 알루미늄(Al) 등의 발열소자일 수 있다. 따라서 발열소자(212)는 전기가 흐르면 발열할 수 있다. 발열소자(212)는 제1 세라믹 기판(211a)의 일측에서 타측으로 연장되고, 제1 세라믹 기판(211a)의 타측에서 턴업(만곡 또는 절곡)될 수 있다. 그리고 발열소자(212)는 제1 세라믹 기판(211a)의 타측에서 일측으로 연장될 수 있다. 발열소자(212)는 이러한 연장을 반복하여 유체가 통과하는 제2 방향(Y축 방향)으로 적층되도록 배치될 수 있다.
이러한 구성에 의하여, 유체는 발열모듈(200)을 통과하는 동안 히팅 로드(210)에서 발열이 발생하는 부분을 순차로 지나가며 열을 제공받을 수 있다. 즉, 발열소자(212)의 배열 형태에 의해 유체와 히팅 로드(210)에서 발생되는 열이 접촉하는 면적이 커질 수 있다.
발열소자(212)의 양 단부 각각은 제1 전극단자(261) 및 제2 전극단자(262) 중 어느 하나와 전기적으로 연결될 수 있다.
발열소자(212)는 제1 전극단자(261) 및 제2 전극단자(262)를 통해 파워모듈(300)로부터 전원을 공급받을 수 있다. 따라서 전류가 발열소자(212)에 흘러 발열이 발생할 수 있다. 발열소자(212)에 공급되는 전원은 파워모듈(300)에 의해 제어될 수 있다.
제1 열확산판(213) 및 제2 열확산판(214) 각각은 세라믹 기판(211)의 양측면에 배치될 수 있다. 이로써, 제1 열확산판(213)과 제2 열확산판(214) 사이에 세라믹 기판(211)가 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 열확산판(213)은 제1 세라믹 기판(211a)의 측면과 결합할 수 있고, 제2 열확산판(214)은 제2 세라믹 기판(211b)의 측면과 결합할 수 있다.
제1 열확산판(213) 및 제2 열확산판(214)은 액티브 메탈 레이어(Active metal layer)에 의해 제1 세라믹 기판(211a) 및 제2 세라믹 기판(211b)와 결합될 수 있다. 여기서, 액티브 메탈레이어는 티탄족의 활성금속 합금일 수 있다. 액티브 메탈 레이어는 제1 세라믹 기판(211a)과 제1 열확산판(213) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 액티브 메탈 레이어는 제2 세라믹 기판(211b)과 제2 열확산판(214) 사이에 배치될 수 있다.
액테브 메탈 레이어는 제1 세라믹 기판(211a) 및 제2 세라믹 기판(211b)의 세라믹과 반응하여 산화물이나 질화물을 형성할 수 있다. 이로써 제1 열확산판(213) 및 제2 열확산판(214)은 제1 세라믹 기판(211a) 및 2세라믹 기판과 접하여 결합할 수 있다.
제1 열확산판(213)은 복수 개의 확산층이 적층된 형태일 수 있다. 여기서, 복수 개의 확산층은 가압 가열(hot pressing)에 의해 형성될 수 있다. 마찬가지로, 제2 열확산판(214)은 복수 개의 확산층이 적층된 형태일 수 있으며, 복수 개의 확산층은 가압 가열(hot pressing)에 의해 이루어질 수 있다. 복수 개의 확산층은 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.
제1 열확산판(213) 및 제2 열확산판(214)의 열팽창계수는 세라믹 기판(211)의 열팽창계수를 반영하여 기설정된 조건에 따라 정해질 수 있다. 즉, 제1 열확산판(213) 및 제2 열확산판(214)의 열팽창계수는 세라믹 기판(211)의 열팽창계수와 유사한 값을 가질 수 있다.
또한, 제1 열확산판(213) 및 제2 열확산판(214)의 열팽창계수는 세라믹 기판(211)의 열팽창계수와 동일한 값을 가질 수 있다. 그 결과, 열전도율은 좋으나 취성을 가져 열충격에 의해 손상되기 쉬운 세라믹 기판(211)를 보강할 수 있다.
세라믹 기판(211)의 열팽창 계수와 제 1 열확산판 및 제2 열확산판(214)의 열팽창계수의 차이는 0을 포함하여 동일하거나, 0.1 내지 0.9의 범위를 가질 수 있다. 바람직하게 세라믹 기판(211)의 열팽창 계수와 제 1 열확산판 및 제2 열확산판(214)의 열팽창계수의 차이는 0.1내지 0.5의 범위를 가질 수 있다. 세라믹 기판(211)와 제 1 확산판 및 제 2 확산판의 열팽창계수의 차이가 0.9를 초과하면, 세라믹 기판(211)가 깨질 수 있다.
다만, 제1 열확산판(213) 및 제2 열확산판(214)은 설계적 요청에 의해 변경될 수 있는 부가적인 구성일 수 있다. 히팅 로드(210)에서 제1 열확산판(213) 및 제2 열확산판(214) 중 어느 하나는 생략될 수 있다. 또한, 히팅 로드(210)에서 제1 열확산판(213) 및 제2 열확산판(214) 모두 생략될 수 있다.
커버부(217)의 재질은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 커버부(217)는 히팅 로드(210)의 외장부재로 중공의 바(bar) 또는 로드형태일 수 있으나, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니다.
커버부(217)는 세라믹 기판(211), 발열소자(212), 제1 열확산판(213) 및 제2 열확산판(214)을 내부에 수용할 수 있다. 이 경우, 커버부(217)의 내측면(217a)은 세라믹 기판(211), 제1 열확산판(213) 및 제2 열확산판(214)과 접할 수 있다.
커버부(217)와 세라믹 기판(211), 제1 열확산판(213) 및 제2 열확산판(214) 사이에 열전도성 실리콘이 배치될 수 있다. 커버부(217)는 열전도성 실리콘에 의해 세라믹 기판(211), 제1 열확산판(213) 및 제2 열확산판(214)과 접합할 수 있다.
커버부(217)는 세라믹 기판(211), 제1 열확산판(213) 및 제2 열확산판(214)를 둘러싸며, 세라믹 기판(211), 제1 열확산판(213) 및 제2 열확산판(214)을 보호할 수 있다.
또한, 커버부(217)는 열전도성이 높아 세라믹 기판(211)의 발열소자(212)에서 발생한 열을 히팅 로드(210)에 접한 방열핀(220)으로 전도할 수 있다.
또한, 커버부(217)는 제1 가스켓(230) 및 제2 가스켓(240)에 삽입될 수 있다. 커버부(217)는 제1 가스켓(230) 및 제2 가스켓(240)에 삽입되어 실시예의 발열모듈(200)을 지지할 수 있다.
다만, 커버부(217)는 설계적 요청에 의해 변경될 수 있으므로, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니다.
다시 도 2를 참조하면, 방열핀(220)은 케이스(100)의 내부에 배치될 수 있다. 방열핀(220)은 복수 개의 히팅 로드(210) 사이에 배치될 수 있으며, 복수 개일 수 있다. 복수 개의 방열핀(220)은 제1 방향(X축 방향)으로 이격 배치될 수 있다.
방열핀(220)은 히팅 로드(210)와 같이 제3 방향(Z축 방향)으로 연장된 형태일 수 있다. 방열핀(220)은 루버 핀(Louver fin)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 방열핀(220)은 경사진 플레이트가 제3 방향(Z축 방향)으로 적층된 형태일 수 있다. 이에 따라, 방열핀(220)은 유체가 통과할 수 있는 복수 개의 간극을 포함할 수 있다. 유체는 간극을 통과하면서 열을 제공받을 수 있다. 이러한 방열핀(220)에 의해, 히팅 로드(210)에서 발생한 열이 유체로 전달되는 전열면적이 커져 열전달 효율이 향상될 수 있다.
방열핀(220)의 제1 방향(X축 방향)의 길이는 8㎜ 내지 16㎜일 수 있다. 방열핀(220)의 제1 방향(X축 방향)의 길이가 8㎜보다 작은 경우 히터(1000)의 MAF(mass air flow)를 감소시키는 문제가 존재하며, 방열핀(220)의 제1 방향(X축 방향)의 길이가 16㎜보다 큰 경우 통과하는 유체에 열전달이 제대로 이루어지지 않아 유체의 온도 상승률을 저하시키는 한계가 존재한다. 다만, 이러한 방열핀(220)의 길이가 한정되는 것은 아니다.
제1 가스켓(230)은 케이스(100) 내부 일측에 위치할 수 있다. 제2 가스켓(240)은 케이스(100) 내부의 하측에 위치할 수 있다. 제1 가스켓(230)과 제2 가스켓(240)은 끼임, 접착 등에 의하여 케이스(100)와 결합할 수 있다.
제1 가스켓(230) 및 제2 가스켓(240)에는 제1 방향(X축 방향)으로 이격 배치된 복수 개의 제1 수용부(231) 및 제2 수용부(241)이 배치될 수 있다. 제1 가스켓(230)은 돌출된 복수 개의 제1 수용부(231)를 포함할 수 있다. 제2 가스켓(240)은 돌출된 복수 개의 제2 수용부(241)를 포함할 수 있다.
복수 개의 제1 수용부(231) 및 제2 수용부(241)는 복수 개의 히팅 로드(210)와 일대일 대응되도록 배치될 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 히팅 로드(210)의 일측은 제1 수용부(231)에 삽입될 수 있다. 또한, 히팅 로드(210)의 타측은 제2 수용부(241)에 삽입될 수 있다.
다만, 히팅 로드(210)는 제2 수용부(241)를 하측으로 관통하여 아래로 연장될 수 있다. 따라서 제1 전극단자(261) 및 제2 전극단자(262)는 하측으로 노출되고, 파워모듈(300)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 세라믹 기판의 평면도이고, 도 5는 도 4에서 AA'의 단면도이고, 도 6은 도 5에서 B부분의 실제 단면 사진이다.
도 4를 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이 세라믹 기판은 제1 세라믹 기판(211a)와 제2 세라믹 기판(211b)를 포함할 수 있다.
제1 세라믹 기판(211a)에 발열소자(212)가 배치된 후, 제1 세라믹 기판(211a)과 제2 세라믹 기판(211b)은 소결(1500℃)에 의하여 일체로 세라믹 기판(211)를 형성할 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 제1 세라믹 기판(211a)의 일면과 제1 세라믹 기판(211a)의 일면과 접하는 제2 세라믹 기판(211b)의 일면이 얼라인(정렬)되어 소결될 수 있다.
세라믹 기판(211)은 알루미나, ZTA 및 SiN 등을 포함할 수 있다. 세라믹 기판의 내부에 발열소자(212)가 배치될 수 있다. 세라믹 기판(211)은 발열소자(212)로부터 발생한 열을 제공받아, 제1 열확산판(213) 및 제2 열확산판(214)로 제공할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 세라믹 기판(211a)의 일면과 제1 세라믹 기판(211a)의 일면과 접하는 제2 세라믹 기판(211b)의 일면에 발열소자(212)가 배치될 수 있다.
세라믹 기판(211)의 두께(L1)는 1800㎛ 내지 2200㎛일 수 있다. 세라믹 기판(211)의 두께가 1800㎛보다 작은 경우에 취성이 약하여 외부의 충격에 의해 깨어지기 쉬울 수 있다. 그리고 세라믹 기판(211)의 두께가 2200㎛보다 큰 경우에 히팅 로드(210)의 부피가 커져 히터(100)의 부피도 커지는 문제가 존재한다. 여기서, 두께는 제1 방향(X축 방향)으로 길이일 수 있다.
발열소자(212)는 제1 세라믹 기판(211a)의 일면과 제2 세라믹 기판(211b)의 일면에 배치될 수 있다. 발열소자(212)의 두께(L2)는 100㎛ 내지 600㎛일 있다.
발열소자(212)의 두께(L2)가 100㎛보다 작은 경우, 본 발명에서 발열소자(212)의 두께(L2)는 세라믹 기판(211)의 패턴의 두께와 동일할 수 있다. 이 때, 세라믹 기판(211)에 스탬핑에 의해 패턴을 형성하더라도 세라믹 기판(211)은 탄성이므로, 일정 두께의 음각은 복원되는 한계가 존재한다.
발열소자(212)의 두께(L2)가 600㎛보다 큰 경우, 세라믹 기판(211)은 패턴이 배치된 부분에서 매우 얇은 두께를 가지므로, 세라믹 기판(211)이 패턴에 의해 분리될 한계가 존재한다.
이에 따라, 발열소자(212)의 두께(L2)에 대한 세라믹 기판(211)의 두께(L1)의 비는 1:2 내지 1:50일 수 있다. 발열소자(212)의 두께(L2)에 대한 세라믹 기판(211)의 두께(L1)의 비가 1:2보다 작은 경우 발열소자(212)의 두께(L2)가 크므로 전기적 쇼트가 발생할 가능성이 높아진다. 이로 인해, 히터 로드(210)의 전기적 불량이 발생할 수 있다. 발열소자(212)의 두께(L2)에 대한 세라믹 기판(211)의 두께(L1)의 비가 1:50보다 큰 경우 발열 부분 면적이 감소되어 온도 구배가 크게 개선되지 않을 수 있다.
구체적으로, 발열소자(212)의 두께(L2)에 대한 세라믹 기판(211)의 두께(L1)의 비는 1:3 내지 1:20일 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 히터 로드(210)의 발열소자(212)의 두께를 안정적으로 확보하여 전기적 단선 발생이 줄어들 수 있다. 또한, 발열소자(212)의 발열 면적이 확대되어 온도 구배가 개선될 수 있으며, 발열소자(212)의 두께(L2) 조절을 통해 히터 로드(210)의 저항을 조절할 수 있다.
또한, 발열소자(212)의 두께(L2)에 대한 세라믹 기판(211)의 두께(L1)의 비는 1:3.5 내지 1:10인 경우, 히터 로드(210)의 발열소자(212)의 두께(L2)를 안정적으로 확보하여 전기적 단선 발생률이 매우 낮아질 수 있다.
도 6을 참조하면, 발열소자(212)는 세라믹 기판(211) 내에 배치되고, 세라믹 기판(211)이 발열소자(212)를 둘러싸는 형상일 수 있다.
도 7 내지 도 9는 다양한 실시예에 따른 세라믹 기판의 단면도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 발열소자(212)는 세라믹 기판(211) 내에서 제1 방향(X축 방향)으로 볼록한 형상일 수 있다. 실시예에 따른 히팅 로드(210)는 세라믹 기판(211)의 일면에 패턴을 형성한 뒤 발열소자(212)를 패턴에 배치하고 세라믹 기판(211)의 소결로 제조될 수 있다. 이 때, 세라믹 기판(211)의 일면에 형성되는 패턴으로 세라믹 기판(211) 내의 발열소자(212)는 볼록한 형상을 가질 수 있다. 또한, 패턴은 음각일 수 있다.
도 7을 참조하면, 제2 세라믹 기판(211b)에만 패턴이 형성된 경우로 발열소자(212)는 제1-1 방향으로 볼록할 수 있다. 여기서, 제1-1 방향은 발열소자(212)에서 세라믹 기판(211)의 일면인 제2 세라믹 기판(211b) 측 방향일 수 있다.
도 8을 참조하면, 제1 세라믹 기판(211a)에만 패턴이 형성된 경우로 발열소자(212)는 제1-2 방향으로 볼록할 수 있다. 여기서, 제1-2 방향은 발열소자(212)에서 세라믹 기판(211)의 타면인 제1 세라믹 기판(211a) 측 방향일 수 있다.
도 9를 참조하면, 발열소자(212)는 세라믹 기판(211) 내에서 제1-1 방향 및 제1-2 방향으로 교대로 볼록할 수 있다.
이러한 구성에 의하여, 세라믹 기판(211) 내에서 발열소자(212)의 발열 면적이 커지고, 세라믹 기판(211)과의 접촉 면적이 커져 온도 구배가 개선될 수 있다.
도 10은 실시예에 따른 세라믹 기판의 제조 방법이고, 도 11 내지 도 12는 실시예에 따른 세라믹 기판 패턴 형성을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 실시예에 따른 세라믹 기판의 제조 방법은 세라믹 기판을 마련한 후(S300), 세라믹 기판에 패턴을 형성하고(S310), 금속 페이스트를 이용하여 스크린 프린팅 한 뒤(S320) 건조(330)시킨다.
먼저, 세라믹 기판(211)을 마련한 후, 세라믹 기판(211)에 패턴을 형성할 수 있다. 도 11을 참조하면, 제1 기판(1)과 제2 기판(2) 사이에 세라믹 기판(211)을 배치할 수 있다. 제1 기판(1)과 제2 기판(2)은 스테인리스를 포함할 수 있으나, 이러한 재질에 한정되는 것은 아니다.
세라믹 기판(211)과 대응하는 제2 기판(2)의 일면에 스탬프(3)가 형성될 수 있다. 제2 기판(2) 상에 압력(F1)이 가해지면 제2 기판(2)의 스탬프(3)에 의해 세라믹 기판(211)에 패턴이 형성될 수 있다. 패턴은 음각일 수 있으며, 압력(F1)은 1ton일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 압력(F1)을 가하는 시간도 4분 내지 6분 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
스탬프(3)는 복수 개로 세라믹 기판(211)에 복수 개의 패턴이 형성될 수 있으며, 스탬프(3)의 두께는 500㎛ 내지 1000㎛일 수 있으나, 이러한 두께에 한정되는 것은 아니다. 또한, 스탬프(3)의 형상에 따라 세라믹 기판(211)에 교대로 패턴이 형성될 수 있다. 세라믹 기판(211)에 형성된 패턴에 금속 페이스트를 이용하여 스크린 프린팅할 수 있다.
그리고 금속 페이스트는 금속 입자, 수지, 분산제, 글래스 프리트(glass frit) 및 용매를 포함할 수 있으며, 금속 입자는 금속 페이스트 내에서 50 wt% 내지 80wt%로 포함될 수 있고, 글래스 프리트는 금속 페이스트 내에서 0.05 wt% 내지 3wt%로로 포함될 수 있다. 여기서, 금속 입자는 Mo, Ag, Ti 및 Al으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 글래스 프리트는 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO), 산화나트륨(Na2O), 산화규소(SiO2) 및 산화티탄(TiO2)으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
건조 과정은, 예를 들어10℃/min으로 승온한 후 약 600 내지 800℃의 대기 분위기 하에서 수행될 수 있다. 이와 같이, 금속 페이스트를 스크린 프린팅한 후, 저온(예, 600 내지 800℃)에서 처리하면, 레이어의 뒤틀림이 발생할 가능성을 줄일 수 있다. 다만, 금속 페이스트를 이용하여 스크린 프린팅을 수행한 후, 건조시키면, 레이어의 내부 및 표면에 기공이 발생할 수 있다.
다음으로, 소결 공정을 수행하여 히터 코어를 제작한다(S340). 이때, 소결 공정은 900℃, 질소 분위기 하에서 수행될 수 있다. 소결 공정동안, 금속 페이스트 내의 글래스 프리트는 세라믹 기판과 레이어 사이, 그리고 레이어와 레이어 사이의 본딩 역할을 할 수 있다.
도 12를 참조하면, 스크린 프린팅에 의해 발열소자(212)가 제2 세라믹 기판(211b) 상에 형성된 패턴에 배치될 수 있다. 이 때, 제1 세라믹 기판(211a)과 제2 세라믹 기판(211b) 간의 소결에 의해 발열소자(212)에 가해지는 힘은 제2 세라믹 기판(211b)와 발열소자(212)가 접촉하는 면(C)으로 분산될 수 있다. 이로 인해, 제2 세라믹 기판(211b)에 미치는 압력의 밀도가 감소하여, 제2 세라믹 기판(211b)의 손상이 방지될 수 있다.
도 13는 실시예에 따른 히팅 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 13를 참조하면, 본 실시예의 히팅 시스템(2000)은 다양한 이동수단에 사용될 수 있다. 여기서 이동수단은 자동차 등 육지를 운행하는 차량에 한정되지 않으며, 배, 비행기 등도 포함될 수 있다. 다만, 이하에서는, 본 실시예의 히팅 시스템(2000)이 자동차에 사용되는 경우를 일례로 설명한다.
히팅 시스템(2000)은 자동차의 엔진룸에 수용될 수 있다. 히팅 시스템(2000)은 급기부(400), 유로(500), 배기부(600) 및 히터(1000)를 포함할 수 있다.
급기부(400)로는 송풍팬, 펌프 등 다양한 급기장치가 사용될 수 있다. 급기부(400)는 히팅 시스템(2000)의 외부의 유체를 후술하는 유로(500)의 내부로 이동시키며, 유로(500)를 따라 이동하게 할 수 있다.
유로(500)는 유체가 흐르는 통로일 수 있다. 유로(500)의 일측에는 급기부(400)가 배치될 수 있고, 유로(500)의 타측에는 배기부(600)가 배치될 수 있다. 유로(500)는 자동차의 엔진룸과 실내를 공조적으로 연결할 수 있다.
배기부(600)로는 개폐가 가능한 블레이드 등이 사용될 수 있다. 배기부(600)는 유로(500)의 타측에 배치될 수 있다. 배기부(600)는 자동차의 실내와 연통될 수 있다. 따라서 유로(500)를 따라 이동한 유체는 배기부(600)를 통하여 자동차의 실내로 유입될 수 있다.
히팅 시스템(2000)의 히터(1000)로는 상술한 본 실시예의 히터(1000)가 사용될 수 있다. 이하, 동일한 기술적 사상에 대한 설명은 생략한다. 히터(1000)는 유로(500)의 중간에 격벽 형태로 배치될 수 있다. 이 경우, 히터(1000)의 전후방은 자동차의 전후방과 동일하거나 유사한 방향일 수 있다. 급기부(400)를 통해 유로(500)로 급기된 엔진룸의 차가운 유체는 히터(1000)를 전방에서 후방으로 투과하면서 가열된 후, 다시 유로(500)를 따라 흘러 배기부(600)를 통해 실내로 공급될 수 있다.
추가적으로, 본 실시예의 히터(1000)는 기존의 PCT 서미스터와 달리 세라믹 기판에 의해 커버된 발열소자에 의해 열전달이 일어날 수 있다. 발열소자의 높은 발열량을 이용하여 열효율을 높일 수 있다. 또한, 발열소자의 높은 발열량을 열전달율이 높은 세라믹으로 커버하여 열적 안정을 이루는 동시에 열효율을 유지할 수 있다.
나아가 본 실시예의 히터(1000)는 납(Pb)과 같은 중금속재질로부터 자유로울 수 있으며, 경량일 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (10)
- 세라믹 기판; 및
상기 세라믹 기판 내에 배치되는 발열소자;를 포함하고,
상기 발열소자의 두께에 대한 상기 세라믹 기판의 두께의 비는 1:2 내지 1:50인 히팅 로드.
- 제1항에 있어서,
상기 발열소자의 일단에 전기적으로 연결되는 제1 전극단자; 및
상기 발열소자의 타단에 전기적으로 연결되는 제2 전극단자;를 포함하는 히팅 로드.
- 제1항에 있어서,
상기 세라믹 기판은 Al, ZTA 및 SiN 중 적어도 하나를 포함하는 히팅 로드.
- 제1항에 있어서,
상기 발열소자는 Mo, Ag, Ti, Ru, W 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 히팅 로드.
- 제1항에 있어서,
상기 발열소자는 제1-1 방향 및 제1-2 방향 중 적어도 하나의 방향으로 볼록하고,
상기 제1-1 방향은 상기 발열소자에서 상기 세라믹 기판의 일면측 방향이고,
상기 제1-2 방향은 상기 별열소자에서 상기 세라믹 기판의 타면측 방향인 히팅 로드.
- 제5항에 있어서,
상기 발열소자는 교대로 볼록한 히팅 로드.
- 제1항에 있어서,
상기 발열소자의 두께는 100㎛ 내지 600㎛인 히팅 로드.
- 제1항에 있어서,
상기 세라믹 기판의 두께는 1800㎛ 내지 2200㎛인 히팅 로드.
- 케이스;
상기 케이스 내부에 배치되고 히팅 로드를 포함하는 발열모듈; 및
상기 발열모듈과 전기적으로 연결되는 파워 모듈;을 포함하고,
상기 히팅 로드는,
세라믹 기판; 및
상기 세라믹 기판 내에 배치되는 발열소자;를 포함하고,
상기 발열소자의 두께에 대한 상기 세라믹 기판의 두께의 비는 1:2 내지 1:50인 히터.
- 공기가 이동하는 유로;
공기를 유입하는 급기부;
이동수단의 실내로 공기를 배출하는 배기부; 및
상기 유로에서 상기 급기부와 상기 배기부의 사이에 배치되어 공기를 가열하는 히터를 포함하고,
상기 히터는,
케이스;
상기 케이스 내부에 배치되고 히팅 로드를 포함하는 발열모듈; 및
상기 발열모듈과 전기적으로 연결되는 파워 모듈;을 포함하고,
상기 히팅 로드는,
세라믹 기판; 및
상기 세라믹 기판 내에 배치되는 발열소자;를 포함하고,
상기 발열소자의 두께에 대한 상기 세라믹 기판의 두께의 비는 1:2 내지 1:50인 히팅 시스템.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170002426A KR20180081323A (ko) | 2017-01-06 | 2017-01-06 | 히팅 로드 및 이를 포함하는 히터 |
| PCT/KR2018/000234 WO2018128449A1 (ko) | 2017-01-06 | 2018-01-05 | 히팅 로드 및 이를 포함하는 히터 |
| US16/475,902 US11452179B2 (en) | 2017-01-06 | 2018-01-05 | Heating rod and heater having same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170002426A KR20180081323A (ko) | 2017-01-06 | 2017-01-06 | 히팅 로드 및 이를 포함하는 히터 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20180081323A true KR20180081323A (ko) | 2018-07-16 |
Family
ID=63048056
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170002426A KR20180081323A (ko) | 2017-01-06 | 2017-01-06 | 히팅 로드 및 이를 포함하는 히터 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20180081323A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112321330A (zh) * | 2019-07-31 | 2021-02-05 | 湖北中烟工业有限责任公司 | 一种基于多副族元素的陶瓷发热体及其制备方法和用途 |
-
2017
- 2017-01-06 KR KR1020170002426A patent/KR20180081323A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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