KR20190047085A - 이동식 응용들을 위한 전기 가열 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동식 응용들을 위한 전기 가열 디바이스에 관한 것으로서, 기재(10) 및 기재(10) 상에 형성된 열전도층(heat-conducting layer)(12)을 구비하고, 열전도층(12)은 기재(10) 상에서 배열된 적어도 하나의 열전도성 트랙(track)(14)을 구비하고, 열전도성 트랙(14)은 절연 틈새(insulating gap)들(16)에 의해 분리된 다수의 트랙 섹션들(15a~15d)이 형성되고, 열전도성 트랙은 열전도성 트랙(14)이 편향되고 제1 트랙 섹션(15a)과 제2 트랙 섹션(15b) 사이에 배치된 적어도 하나의 편향 섹션(17a)을 구비하고, 제1 트랙 섹션(15a)과 제2 트랙 섹션(15b)은 편향 섹션과 비교하여 더 작은 곡률을 가지고, 특히, 적어도 실질적으로 직선이 되도록 구성되고, 제1 트랙 섹션(15a) 내의 또는 편향 섹션(17c) 내의 열전도성 트랙은 하나 이상의 분기 절연 틈새들(20)에 의해 서로 분리되는 적어도 2개의 분기(branch) 트랙들(21a,21b)로 분기되고, 분기 트랙들(21a,21b)은 제2 트랙 섹션(15b) 내에서 또는 편향 섹션(17a) 내에서 다시 만난다.

Description

이동식 응용들을 위한 전기 가열 디바이스

본 발명은 청구항 1에 따른 이동식 응용(mobile application)들을 위한 전기 가열 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 전기 가열 디바이스를 포함하는 차량 특히, 자동차에 관한 것이다.

WO 2013/186106 A1은, 기재(substrate) 상의 도체 트랙(conductor track)으로서 설계된 가열 저항체(heating resistor)를 가진 자동차용 전기 가열 디바이스를 개시한다. 도체 트랙은 바이필라(bifilar)가 되도록 설계되고, 반대 방향의 도체 트랙 편향(deflection) 영역에는 넓어진 절연 영역이 마련된다. 넓어진 절연 영역은, 전류가 많이 흐르는 구역들이 도체 트랙의 내측에 국부적으로 형성될 수 있고 전류가 적게 흐르는 구역들이 도체 트랙의 외측 가장자리에 형성될 수 있게 하는 상황을 피하기 위하여, 전류가 가능한 한 도체 트랙의 전체 폭을 통과하여 흐르게하는 효과를 유발시키도록 의도된다. 그러나, 이와 관련하여, 나머지 전기 가열 디바이스와 비교하여, 도체 트랙의 편향 구역 내의 온도가 비교적 엄청나게 증가될 수 있다는 사실이 밝혀졌다.

본 발명의 목적은 비교적 균일한 온도 분포가 달성될 수 있고, 전기 가열 디바이스가 가능한 한 컴팩트하고 저렴하게 제조될 수 있는, 전기 가열 디바이스 및 상응하는 차량 특히, 자동차를 제안하는 것이다.

상기 목적은 청구항 1에 따른 이동식 응용들을 위한 전기 가열 디바이스에 의해 달성된다.

특히, 본 발명의 목적은 이동식 응용들을 위한 전기 가열 디바이스에 의해 달성되고, 전기 가열 디바이스는, 기재 및 기재 상에 형성된 열전도층(heat-conducting layer)을 구비하고, 열전도층은 기재(메인 평면) 상에서 연장하는 적어도 하나의 열전도성 트랙(track)을 구비하고, 열전도성 트랙은 절연 틈새(insulating gap)들에 의해 분리된 다수의 트랙 섹션들(서로 인접하게 특히, 기재에 대해 실질적으로 동일한 높이로 뻗어 있음)에 의해 형성되도록 구성되고, 열전도성 트랙은, 편향되고(메인 평면에서), 제1 트랙 섹션과 제2 트랙 섹션 사이에 배치(직접적으로)된 적어도 하나의 편향 섹션을 구비하고, 제1 트랙 섹션과 제2 트랙 섹션은 편향 섹션과 비교하여 더 작은 곡률을 가지고, 특히, 적어도 실질적으로 직선이 되도록 설계되고, 제1 트랙 섹션 또는 편향 섹션 내의 열전도성 트랙은 하나 이상의 분기 절연 틈새들에 의해 서로 분리되는 적어도 2개의 분기(branch) 트랙들로 분기되고, 분기 트랙들은 제2 트랙 섹션 또는 편향 섹션 내에서 다시 만난다.

본 발명의 중요한 측면은, 하나 이상의 부가적인 도체 트랙들이 편향 구역 들(편향 섹션들) 내에 제공된다는 것이다. 이렇게 함으로써, 비교적 균일한 전류 밀도 분포가 달성된다. 이러한 간단한 수단을 이용함으로써, 가열 디바이스를 위한 상응하게 높은 부하를 가진 편향 점(편향 섹션)들에서 고온이 회피될 수 있다. 따라서, 가열 디바이스의 강인성(robustness)이 향상된다. 원칙적으로, 편향 섹션들 내의 온도는, 전기 전도성이 높은 재료를 편향 섹션에 제공(국부적으로)함으로써 역시 감소될 수 있다. 그러나, 전기 전도성이 높은 재료를 이용한 이러한 코팅(국부적)은 부가적인 공정(예, 마스킹 및/또는 코팅) 단계가 수행(제조 중)되어야만 하는 단점을 가진다. 나아가서, 후속 층(예, 센서 층)은 국부적인 두께들에 의해 제 기능을 못할 수 있다.

바람직하게, 곡률은 직선 프로파일부터의 편차로 이해되어야 한다. 본 명세서에서, 특히, 곡률의 크기만 고려되는 것을 의도한다(즉, 외형 등(sign)은 고려되지 않음). 절연 틈새들은 하나의 분리된 트랙 섹션으로부터 다른 분리된 트랙 섹션으로 전류의 흐름이 배제(또는 적어도 현저히 감소)되도록 서로 분리된(절연 틈새들을 통해) 트랙 섹션들을 분리한다. 절연 틈새들의 비저항은, 서로 분리된 트랙 섹션들과 비교하여, 바람직하게는 적어도 10배, 더욱 바람직하게는 적어도 50배이다. 제1 섹션 및/또는 제2 트랙 섹션은, 각각의 트랙 섹션의 시작과 끝 사이의 연결 라인(직선)으로부터의 편향이 최대 10%, 바람직하게 최대 5%, 더 바람직하게 최대 2%일 때 실질적으로 직선이 되도록 하기 위하여, 설계되도록 고려되어야 한다. 편향 섹션 내의 곡률은 제1 트랙 섹션 및/또는 제2 트랙 섹션의 곡률보다 바람직하게 적어도 2배, 더 바람직하게 적어도 5배, 더 바람직하게 적어도 10배보다 더 크다(평균적으로). 제1 트랙 섹션 및/또는 제2 트랙 섹션은 편향 섹션에 붙어(직접적으로)있다. 제1 트랙 섹션 및/또는 제2 트랙 섹션의 길이는 편향 섹션의 길이의 적어도 1배, 바람직하게 적어도 1.5배, 더 바람직하게 적어도 3배이다.

전반적으로, 제안된 전기 가열 디바이스는, 특히 전기로 구동되는 차량들의 증가하는 수요에 효과적으로 대응할 수 있다. 과거에는, PTC 가열 소자들로 알려진 것들이 이러한 이동식 응용들을 위한 전기 가열 디바이스들로 주로 사용되었고, 이들은 내연 기관을 가진 종래의 차량의 온-보드(on-board) 전원 시스템 내에 존재하는 비교적 낮은 공급 전압들로 작동되었다. 특히, 완전히 또는 부분적으로 전기로 구동되는 최신 차량들에서, 그 안에 마련된 고-전압 온-보드 전력 시스템 내에 존재하는 공급 전압들(예, 150볼트와 900볼트 사이의 범위의 전압, 심지어 1,000볼트 이상까지의 전압)을 이용하여 차량들을 전기로 작동시킬 수 있을 필요가 역시 존재한다.

본 명세서에서, 이동식 응용들을 위한 가열 디바이스는 이동식 응용들을 위한 장치 내의 사용을 위해 설계되고 그에 따라 조정되는 가열 디바이스를 의미하는 것으로 이해된다. 이것은 운반 가능한 것(차량 내에 고정되게 설치될 수 있거나 이송 목적을 위해 그 안에 단지 수용됨)을 특히 의미하고, 예컨대, 빌딩 히팅 시스템의 경우와 같이, 단지 영구적, 고정적 사용을 목적으로 설계된 것을 의미하지는 않는다. 가열 디바이스의 중량은, 500kg 미만, 바람직하게 100kg 미만, 보다 바람직하게 20kg 미만일 수 있다. 필요한 경우, 가열 디바이스는 차량(육상 차량, 선박 등), 특히 육상 차량에 고정되게 설치될 수 있다. 특히, 예컨대, 육상 차량, 선박 또는 항공기와 같은 차량 내부, 및 선박들 특히, 요트들에서 볼 수 있는 개방(부분적) 공간을 가열하기 위해 설계될 수 있다. 가열 디바이스는 또한 대형 텐트들, 컨테이너들(예, 건설 컨테이너들) 등과 같이, 정지(일시적) 상태로 사용될 수 있다. 가열 디바이스는 예컨대, 캐러밴(caravan), 캠핑카, 버스, 자동차 등과 같은 육상 차량을 위한 스탠딩 히터 또는 보조 히터로서 이동식 응용들을 위해 설계될 수 있다.

열전도성 트랙은 편향 섹션 내에서, 적어도 90˚, 바람직하게 적어도 120˚, 더 바람직하게 150˚, 특히 더 바람직하게 180˚만큼 편향될 수 있다.

기재는 평평하거나 비-평평한(예, 빌딩 또는 곡선) 표면을 가질 수 있다. 바람직하게, 절연 틈새들에 의해 서로 분리된 다수의 트랙 섹션들(서로 인접하게 배치됨)은 기재 표면으로부터 균일한(적어도 실질적으로) 높이에 위치한다.

바람직하게, 제1 도체 섹션과 제2 도체 섹션은 서로 평행하게(적어도 부분적으로) 연장한다(기하학적 의미로). 바람직하게, 편향 섹션은 180˚ 만큼 또는 적어도 약 180˚(즉, 적어도 170˚)의 편향을 발생시킨다. 이러한 형태의 디자인에서, 잠재적(국부적) 가열은 편향 구역들 내의 부가적인 도체 트랙들을 통틀어 특히 현저하고, 가열(국부적)은 특히 효과적으로 감소되거나 방지될 수 있다.

내부 분기 트랙은 외부 분기 트랙보다 더 좁게(적어도 평균적으로 및/또는 적어도 부분적으로, 바람직하게 전체적으로) 되도록 설계된다. 또한 이와 같은 형태의 조치는 전류 분포를 더욱 균일하게 만든다.

바람직하게, 분기 트랙들은 제1 트랙 섹션 및/또는 제2 트랙 섹션의 최대 70%, 바람직하게 최대 30%, 더욱 바람직하게 최대 15% 및/또는 바람직하게 적어도 5%, 더욱 바람직하게 최소 10%에 걸쳐 연장한다. 따라서, 바람직하게, 분기점은 편향 섹션의 바로 상류에만 위치됨으로써, 이것은 비교적 단순한 생산을 가능하게 할 뿐만 아니라 균등한 전류 분포를 효과적으로 유지할 수 있게 한다.

하나의 실시예에서, 제1 트랙 섹션 또는 편향 섹션 내의 열전도성 트랙은, 절연 틈새들에 의해 서로 분리된 적어도 3개(또는 정확히 3개)의 분기 트랙들로 분기되고, 분기 트랙들은 제2 도체 섹션 또는 편향 섹션 내에서 다시 만나게 된다. 그 결과, 전류 분포를 훨씬 더 균일하게 할 수 있다.

분기 트랙들은 기재의 표면에 대해 동일한 높이로 배치될 수 있고 및/또는 동일한 두께(기재의 표면에 직교함)를 가질 수 있다.

상호 반대되는 전류 흐름 방향들을 가진 인접하는 트랙 섹션들 사이의 거리(distacne)는 편향 섹션의 구역 내에서 확장(국부적으로) 되도록 설계될 수 있다. 이러한 거리의 확장(국부적)을 가진 분기 트랙들의 조합을 통해, "핫스폿(hotspot)들"의 형성이 특히 신뢰성 있게 억제될 수 있다. 그러나, 원칙적으로, 기재의 표면 영역의 활용을 개선하기 위하여, 이러한 거리의 확장(국부적)은 필요하지 않을 수도 있다.

적어도 하나의 열전도성 트랙은 기재 상에서 바이필라 패턴으로 연장할 수 있다. 열전도성 트랙은 바이필라 패턴을 통해 기재에 의해 제공된 표면을 약간의 빈 영역들만 남긴채 대규모로 덮을 수 있다. 더군다나, 바이필라 배치는 전기 가열 디바이스를 통한 간섭 방사(interfeing radiation)를 최소화시킬 수 있다. 바이필라 배치에서, 전류가 순방향으로 흐르거나 반대 방향으로 흐를 수 있는 트랙 섹션들이 서로 인접하게 뻗어 있는 각각의 경우를 위해, 열전도성 트랙의 트랙 섹션들은 서로 인접되게 배치된다. 이 경우, 바람직하게, 가열 목적들을 위해 제공된 열전도성 트랙의 적어도 실질적으로 모든 트랙 섹션들은 바이필라 배치의 일부일 수 있다. 결과적으로, 생성되는 전자기장들은 적어도 부분적으로 서로 상쇄시킬 수 있다. 그러나, 특히, 전원 공급 장치에 연결하기 위한 연결 구역들은 비-바이필라(non-bifilar) 방식으로 배치될 수 있음을 유의해야 한다. 바람직하게, 열전도성 트랙의 나머지 구역들은 적어도 실질적으로 바이필라 방식으로 배치될 수 있다.

열전도성 트랙는 적어도 2개 또는 적어도 3개의 편향 섹션들을 가질 수 있다. 이러한 편향 섹션들(다수의)은 각각 상응하는 분기 트랙들로 할당될 수 있다. 열전도성 트랙이 2개(정확히)의 편향 섹션들(특히, 180°만큼 편향됨)을 갖는 경우, 작동 중에 온도가 증가되는 단지 소수의 구역들을 가지고, 낮은 전자기 방사(irradiation)를 가진 최적화된 바이필라 배치를 생성할 수 있다. 바람직하게, 기재 상에 다수의 열전도성 트랙들이 형성된 경우, 열전도성 트랙들의 각각은 2개(정확히)의 반전 포인트들을 가질 수 있다.

특정의 일 실시예에서, 열전층은 기재 표면의 적어도 80%, 바람직하게 기재 표면의 적어도 85%를 덮는다. 이 경우, 기재 표면을 비교적 양호하게 이용할 수 있는 한편, 그럼에도 불구하고, 개별 트랙 섹션들의 서로로부터의 충분한 절연을 여전히 확보할 수 있다. 특히, 열전층은 기재 표면의 95% 미만을 덮을 수 있다.

바람직하게, 전기 절연 재료는 절연 틈새들 내에 배열된다. 또한, 바람직하게, 전기 절연 재료는 열전도성 트랙 또는 절연 틈새들에 부가하여 기재로부터 이격되어 면하는 열전도성 트랙들의 표면을 덮을 수 있다. 특히, 바람직하게, 전기 절연 재료는 열전도성 트랙 또는 열전도성 트랙들을 형성한 후에 층으로서 증착될 수 있다. 바람직하게, 전기 절연 재료는 한편으로는 전기적으로 절연성(비교적 양호한)이고, 다른 한편으로는 열전도성(비교적 양호한)이다. 절연 틈새들의 폭은 전기 절연 재료에 의해 비교적 작게 유지될 수 있으므로, 기재의 가용 표면은 열전도성 트랙 또는 열전도성 트랙들을 위해 효과적으로 활용될 수 있다.

하나의 구현예에 따르면, 각각의 경우, 열전도성 트랙은 동일하게 향하는 전류 흐름 방향을 가진 2개의 트랙 섹션들이 인접하고, 필요한 경우 그 길이의 적어도 지배적 부분에 걸쳐 서로 평행하게 뻗어 있도록 설계된다. 특히, 각각의 경우, 열전도성 트랙은 동일하게 향하는 전류 흐름 방향을 가진 2개의 도체 트랙 섹션들이 길이의 적어도 80%에 걸쳐 서로 인접하고 평행하게 뻗어 있도록 설계될 수 있다. 특히, 각각의 경우, 2개의 트랙 섹션들 각각은, 그 끝단들에서, 전원 공급 장치에 대한 연결부를 위한 공통 연결 섹션에 연결될 수 있다. 이러한 개선은 전기 가열 요소 내의 전류 흐름의 바람직한 분포를 가능하게 하고, 따라서 특히, 가열 전력의 균일한 분포를 가능하게 한다. 더군다나, 이러한 구조는 기재의 표면을 잘 이용하면서, 간단하고 저렴한 방식으로 형성될 수 있다.

하나의 실시예에서, 열전도성 트랙은 그 길이의 지배적 부분에 걸쳐 직선으로 뻗어있도록 설계된다. 또한, 이것에 의해, 열전도성 트랙이 기재에 효과적으로 설비될 수 있게 한다.

하나의 구현예에 따르면, 적어도 하나의 추가적인 층이 열전도층 상에 형성된다. 또한, 특히, 다수의 층들은 열전도층 상에 형성될 수 있다. 바람직하게, 하나의 절연층이 열전도층 상에 형성될 수 있으며, 절연층은 열전도성 트랙의 절연 틈새들을 채울 수 있다. 바람직하게, 전기 가열 디바이스의 기능을 모니터링하기 위한 센서 층은 예를 들어, 절연층 상에 형성된다. 절연층은 전류-이동 구역들을 부가적으로 절연함으로써 높은 수준의 안전성을 제공할 수 있다.

하나의 특정 실시예에서, 전기 가열 디바이스는 자동차용 가열 디바이스이다. 이 경우, 특히, 전기 가열 디바이스는 예를 들어, 자동차의 내부를 위한 공기 또는 자동차의 유체 회로 내의 액체와 같은 유체를 가열하기 위해 설계될 수 있다.

특히, 상기 목적은 전술한 유형의 전기 가열 디바이스를 구비하는 차량, 바람직하게 자동차, 보다 바람직하게 자동차 또는 대형 트럭에 의해 달성된다.

상기 목적은 차량 특히, 자동차를 위한 전술한 유형의 전기 가열 디바이스의 사용에 의해 더 달성된다.

또한, 전기 가열 디바이스의 설계는 일반적으로 기재 표면 상에서 그 어떤 추가적인 공간을 필요로 하지 않는(또는 오직 작은 공간이 필요함) 장점을 가지므로, 가용 공간의 효율적인 사용을 가능하게 한다. 전반적으로, 비교적 간단하고 저렴한 디자인이 가능하다. 가능한 가열 전력은 국부적인 핫스폿들이 형성될 수 있는 임계점들에 의해 주로 결정되기 때문에, 열전도성 트랙의 하나의(미리정의된) 프로파일에서, 분기 트랙들은 단위 면적당 달성가능한 가열 전력을 증가시킬 수 있다. 편향 섹션에서 열전도성 트랙이 더 많이 편향될수록, 그러한 효과는 더 많이 증가한다. 따라서, 특히, 분기 트랙들의 효과는 편향 섹션이 180˚(적어도 대략) 만큼의 편향을 야기할 때 강한 효과를 갖는다.

바람직하게, 열전도층은 기재의 영역 위에 증착된 후 선택적으로 재료의 제거에 의해 구조화된 층이다. 이것은 열전도성 트랙 또는 열전도성 트랙들의 상대적으로 저렴한 생산을 가능하게 한다. 바람직하게, 열전도층은 용사 공정을 이용하여 기재에 도포된 후, 구조화될 수 있다(예, 레이저 가공에 의해). 그러나, 원칙적으로, 열전도층을 형성하기 위하여 예컨대, 인쇄법, 주조법 등과 같은 다른 방법들이 고려될 수 있다. 마찬가지로, 에칭, 기계적 제거, 초음파 등과 같은 다른 구조화 방법도 가능하다. 바람직하게, 열전도층은 전기 전도성 재료, 특히 금속 재료로 제조된다. 나아가서, 열전도층은 전기 절연성(및 높은 열전도성)의 중간층의 개재에 의해 기재의 재료로부터 분리될 수 있다. 특히, 열전도층은 예를 들어, 니켈-크롬 합금으로 형성될 수 있고, 및/또는 알루미늄 산화물 층에 의해 기재의 재료로부터 분리될 수 있다. 바람직하게, 기재는 비교적 양호한 열전도성을 가질 수 있고, 특히 금속으로 제조될 수 있다. 바람직하게, 각각의 열전도성 트랙은 수 밀리미터의 폭 특히, 2.5mm와 5mm 사이의 폭, 및 5㎛ 내지 30㎛ 범위 특히, 10㎛ 내지 25㎛ 범위의 두께(기재에 직교하는 방향)를 가질 수 있다.

하나의 특정 실시예에서, 전기 가열 디바이스는 바람직하게 150볼트와 900볼트 사이, 보다 바람직하게 200볼트와 600볼트 사이의 범위의 동작 전압을 위한 고-전압 히터로서 설계된다. 그러나 1,000볼트 이상까지도 설계할 수 있다. 이 경우, 전기 가열 디바이스는, 고가의 전압 변압기를 필요로 하지 않으면서, 예를 들어 전기차 또는 하이브리드 차량에서 특히 유용하게 사용될 수 있다.

추가적인 실시예들은 종속항들로부터 유래한다.

본 발명은 도면들을 참조하여 상세히 설명된 예시적인 실시예들을 이용하여 아래에서 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 가열 디바이스의 개략적인 단면도이다.
도 2는 비교예의 열전도층의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 예시적인 실시예에 따른 도 2와 유사한 단면도이다.
도 4는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 도 2 및 도 3과 유사한 단면도이다.

이하의 상세한 설명에서, 동일하거나 균등한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호가 사용되었다.

도 1은 본 발명에 따른 가열 디바이스의 개략적인 단면도이다. 도 1을 참조하면, 가열 디바이스는 기재(10), 기재(10) 상에 배치(직접적으로)된 전기 절연층(11), 전기 절연층(11) 상에 배치(직접적으로)된 열전도층(12), 및 열전도층(12) 상에 배치(직접적으로)된 절연층(13)을 포함한다. 전기 절연층(11)과 절연층(13)은 선택적일 뿐이다. 기재(10)가 예컨대, 금속과 같은 도전재료로 형성될 때 전기 절연층(11)이 마련된다.

도 1에 따른 전기 가열 디바이스는 차량 내의 유체를 가열하기 위해 설계된다. 이 경우, 유체는 특히, 가열될 공기에 의해 또는 차량의 유체 회로 내의 액체에 의해 형성될 수 있다. 이 경우, 전기 가열 디바이스는 150볼트와 900볼트 사이의 범위 특히, 200볼트와 600볼트 사이의 범위의 작동 전압에서 작동하는 고-전압 히터로 설계된다. 그러나, 예를 들어, 1,000볼트 이상으로 설계하는 것도 가능하다.

특히, 기재(10)는 방출되는 가열 발열량을 가열될 유체에 전달하기 위한 열 교환기로서 동시에 형성된다. 특히, 바닥 사이드(미도시)에는 가열될 유체가 통과하는 다수의 열교환 핀(fin)들 및/또는 채널(channel)들이 마련될 수 있다. 바람직하게, 기재(10)는 특히, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된, 열전달 계수가 높은 금속 재료로 형성(제조 기술면에서 비용 효율적인 방식으로)될 수 있다. 그러나, 원칙적으로, 기재(10)는 특히, 상응하는 세라믹과 같이, 높은 열전도성을 가진 전기 절연 재료로부터 제조하는 것도 가능하다.

바람직하게, 전기 절연층(11)은 높은 열 전도성을 갖는다. 또한, 전기 절연층(11)은 알루미나로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 전기 절연층(11)은 용사 공정에서 기재(10) 상에 증착될 수 있다. 특히, 기재가 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되는 경우, 전기 절연층(11)은 예를 들어, 기판(10)의 표면의 표적(선택적) 산화에 의해 형성될 수도 있다. 전기 절연층(11)은 열전도층(12)으로부터 기재(10)를 전기적으로 절연시키기 위해(그러나, 동시에 기재(10)의 물질에 양호한 열전달을 가능하게 하기 위해) 설계된다.

바람직하게, 열전도층(12)은 기재(10)(또는 절연층(11)) 상에 증착된다. 열전도층(12)은 금속 재료(특히, 니켈-크롬 합금)로 형성될 수 있다. 바람직하게, 열전도층(12)은 용사 공정으로 증착된다. 대안적으로, 그러나, 예를 들어, 인쇄법 또는 주조법으로 열전도층(12)을 증착하는 것도 가능하다.

열전도층(12)은 적어도 하나의 열전도성 트랙이 형성되도록 구성되고, 열전도성 트랙은 대향 끝단들 사이에 전압이 인가될 때 저항 가열(resistive heat)을 방출하도록 설계되어 있다. 원칙적으로, 열전도성 트랙은 WO 2013/186106 A1(이하에서 상술될, 편향 섹션들의 구역 내의 분기 트랙들을 제외 함)에 개시된 바와 같이 구성될 수 있다.

전기 가열 디바이스의 에지 구역에는 전원 공급 장치에 열전도성 트랙들을 연결하기 위한 연결부들이 마련될 수 있다. 이러한 연결부들은 서로(예를 들면, 서로 인접하여) 전기적으로 절연되도록 기재(10)의 에지 위에 배열될 수 있다. 이 경우, 제1 연결부는 열전도성 트랙과 전기적으로 접촉하여 제1 전위를 인가하도록 설계될 수 있고, 제2 연결부는 열전도성 트랙에 전기적으로 접촉하여 상이한 제2 전위를 인가하도록 설계될 수 있다. 따라서, 2개의 연결부들을 통해 요구되는 전위차가 열전도성 트랙에 인가될 수 있다.

도 2는 열전도층(12)의 구조를 위한 비교예의 단면도이다. 일반적으로, 이러한 열전도층은 기재(10) 상에 바이필라(bifilar) 패턴으로 연장되도록 구성될 수 있다.

열전도층(12)은 서로 인접하게 형성된 복수의 트랙 섹션들(15a,15b,15c,15d)을 포함하는 열전도성 트랙(14)을 구비한다. 트랙 섹션들(15a~15d)은 절연 틈새들(16)에 의해 서로 분리되고 따라서 서로 전기적으로 절연된다. 바람직하게, 절연 틈새들은, 기재(10) 상에 열전도층(12)이 먼저 증착된 다음, 특히, 레이저 가공을 통해, 절연 틈새들의 구역 내에서 표적화 방식으로 열전도층(12)의 재료가 선택적으로 제거된다는 사실에 의해, 형성될 수 있다. 도 2는 화살표를 이용하여 열전도성 트랙(14) 내의 바람직한 전류 흐름 방향을 개략적으로 나타낸다.

바람직하게, 절연 틈새들(16)은 일정한(적어도 실질적으로) 폭(길이 방향으로)을 갖는다. 이것은 열전도성 트랙(14)의 트랙 섹션들(15a~15d)이 기재의 표면의 큰 면적을 덮을 수 있어서, 가열 전력을 제공하는 트랙 섹션들을 형성하기 위해 가용 표면을 가능한 한 최적으로 이용할 수 있게 한다.

직선으로 뻗어 있는 트랙 섹션들(15a,15b 또는 15c,15d)은 편향 섹션들(17a, 17b)을 통해 서로 연결된다. 열전도성 트랙(14)(메인 평면 내의)은 편향 섹션(17a) 내에서 180˚(적어도 실질적으로)만큼 편향되어, 도체 트랙 섹션들(15a,15b)(반대의 전류 흐름 방향을 가짐)은, 절연 틈새(16)에 의해서만 분리되어, 서로 인접되고 평행하게 뻗어 있다.

도 2에 따른 비교예에서, 흐르는 전류는 대부분 가장 낮은 전기 저항의 경로(또는 최단 경로)를 추구하기 때문에, 비교적 높은 전류 흐름을 가진 구역(19)은 반전(reversal) 섹션(17a)의 내부 곡선(18)의 구역 내에서 발생한다. 열전도성 트랙(14)의 횡단면을 가로지르는 이러한 불균일한 전류 분포는, 전류가 더 많이 통과하여 흐르는 구역(19) 내에서 강한 국부적인 가열을 유도함으로써, "핫스팟"의 위험이 존재하고, 이러한 핫스팟들은 강한 가열로 인해 전기 가열 디바이스의 수명에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 도 2에 따른 비교예에서, 이 경우, 254℃의 최대 온도들이 발생할 수도 있다.

원하지 않는 "핫스팟"의 형성 문제는, 본 발명에 따른 전기 가열 디바이스의 실시예를 보다 상세하게 도시하는 도 3에 따른 열전도층(12)의 형성에 의해 해결되거나 또는 적어도 완화된다. 도 3에 따른 열전도층(12)은 특히, 비교예로서 도시된 도 2에 따른 열전도층(12)과 유사하게 설계될 수 있으며, 그 차이점들은 아래에서 보다 상세히 설명된다. 서로 절연(분기 절연 틈새들에 의해)된 2개의 경로들을 통해 전류가 흐를 수 있도록, 제1 트랙 섹션(15a)은 편향 섹션(17a)의 상류에서 분기된다. 결과적으로, 전류 분포는 비교예보다 효과적으로 조정될 수 있다. 증가된 전류 밀도를 가진 구역(19)은 여전히 내부 곡선(18)에서 발생할 수 있다. 그러나, 이러한 구역(19)은 도 2에 따른 비교예보다 훨씬 덜 뚜렷하다. 따라서, 전체적으로, 트랙 섹션(15a)은 2개의 분기 섹션들(21a,21b)로 분기한다. 도 3에 따른 실시예에서, 이러한 분기 섹션들(21a,21b)은 편향 섹션(17a)의 끝단에서 다시 만난다. 분기 섹션들을 제외하고는 도 2에 따른 비교예와 동일한 구조를 가지게 되며, 226℃의 상당히 더 낮은 최대 온도가 발생한다.

도 4는 본 발명에 따른 전기 가열 디바이스의 또 다른 실시예의 단면도이다. 도 3에 따른 실시예와 대조적으로, 본 실시예에서, 제1 트랙 섹션(15a)은 3개의 분기 섹션들(21a,21b,21c)로 분기된다(분기 절연 틈새들(20a,20b)에 의해 분리됨). 따라서, 전류 분포가 더욱 균일하게 될 수 있다. 나아가서, 도 4의 실시예에서, 분기 섹션들(21a~21c)은 편향 섹션(17a)의 끝단으로부터 멀리 떨어진 곳에서만 다시 만나도록 마련된다. 따라서, 분기 섹션(21a~21c)의 시작과 끝은 서로(전류 방향에 대해) 인접되도록 놓여진다. 기본적으로, 이것은 도 3에 따른 실시예의 경우와 동일할 수 있다.

내부 분기 섹션(21a) 또는 2개의 내부 분기 섹션들(21a,21b)(도 4 참조)은 외부(최외곽) 분기 섹션들(21b 또는 21c)보다 더 좁게(적어도 평균적으로) 되도록 설계되는 것이 바람직하다. 결과적으로, 전류의 비교적 높은 비율은 더 바깥을 향해 놓인 분기 섹션들 또는 더 바깥을 향해 놓인 분기 섹션으로 강제됨으로써, 내부 곡선(18)의 구역 내의 "핫스팟"의 형성에 더 많이 대응하게 한다.

도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 기재(10)로부터 이격되어 면하는 열전도층(12)의 상부를 덮는 적어도 하나의 추가적인 절연층(13)은, 열전도층(12) 상에 또는 상응하게 구성된 열전도성 트랙들(14) 상에 형성될 수 있다. 바람직하게, 추가적인 절연층(13)은 트랙 섹션들(15a~15d) 사이의 절연 틈새들(16,20)을 채우도록 설계된다. 따라서, 서로에 대한 트랙 섹션들(15a~15d)의 특히 양호한 절연이 보장된다. 추가적인 절연층(13)은 예를 들어, 열전도층(12)의 구조화 후에 구조화된 열전도성 트랙(14) 상에 증착될 수 있다. 바람직하게, 이 경우, 증착은 예를 들어, 용사법, 주조법 등에 의해 수행될 수 있다. 특히, 추가적인 절연층(13)은, 양호한 전기 절연성과 우수한 열 전도성을 동시에 달성하기 위해, 예를 들어, 산화 알루미늄에 의해 형성될 수 있다.

바람직하게, 하나 이상의 추가적인 층들이 추가적인 절연층(13)에 도포될 수 있다. 특히, 전기 가열 디바이스의 기능을 모니터링하기 위한 적어도 하나의 부가적인 센서 층을 형성하는 것이 유용할 수 있다.

편향 섹션(17a)의 구역 내에서 인접하는 트랙 섹션들 사이의 간격이 넓어 지게(국부적으로) 설계될 수 있으므로, 열전도성 트랙(14)의 편향은 예를 들어, 물방울-모양(실질적으로) 또는 성냥개비-머리-모양의 구역(22)을 에워싸게 된다. 구체적으로 도시된 실시예에서, 에워싸는 구역(22)은 트랙 섹션들의 하나 즉, 트랙 섹션(15b)에 전기 전도성으로 연결된다(즉, 열전도층 내에서 그 어떤 틈새도 이러한 도체(15b)에 대해 형성되지 않음). 그러나, 예를 들어, 절연 틈새를 이용하여 내부 트랙 섹션들로부터 에워싸는 구역(22)을 완전히 분리하는 것도 가능하다. 편향 섹션(17a)의 구역 내의 내부 트랙 섹션들 사이의 거리의 국부적인 확장을 통해, 내부 트랙 섹션들의 외부 가장자리 상의 전류 경로들과 내부 트랙 섹션들의 내부 가장자리 상의 전류 경로들 사이의 과도한 거리 차이가 방지되고, 편향 섹션들의 내측 상을 흐르는 전류의 과도한 집중이 더 방지된다. 제공된 분기 섹션들과의 상승적인 상호 작용을 통해, 국부적인 가열이 효과적으로 회피될 수 있다.

상술한 모든 구성요소들은 단독으로 그리고 임의의 조합으로, 특히 도면에 도시된 상세한 설명은 본 발명에 필수적인 것으로 청구된다는 것을 유의해야 한다. 본 발명의 변형들은 당업자에게 익숙하다.

10...기재 11...전기 절연층
12...열전도층 13...절연층
14...열전도성 트랙 15a,15b,15c,15d...트랙 섹션
16...절연 틈새 17a,17b...편향 섹션
18...내부 곡선 19...구역
20,20a,20b...분기 절연 틈새 21a,21b,21c...분기 섹션
22...구역

Claims (12)

1. 이동식 응용들을 위한 전기 가열 디바이스에서,
   기재(10) 및 기재(10) 상에 형성된 열전도층(heat-conducting layer)(12)을 구비하고,
   상기 열전도층(12)은 기재(10) 상에서 배열된 적어도 하나의 열전도성 트랙(track)(14)을 구비하고,
   상기 열전도성 트랙(14)은 절연 틈새(insulating gap)들(16)에 의해 분리된 다수의 트랙 섹션들(15a~15d)이 형성되고,
   상기 열전도성 트랙은 열전도성 트랙(14)이 편향되고 제1 트랙 섹션(15a)과 제2 트랙 섹션(15b) 사이에 배치된 적어도 하나의 편향 섹션(17a)을 구비하고,
   상기 제1 트랙 섹션(15a)과 상기 제2 트랙 섹션(15b)은 상기 편향 섹션과 비교하여 더 작은 곡률을 가지고, 특히, 적어도 실질적으로 직선이 되도록 구성되고,
   상기 제1 트랙 섹션(15a) 내의 또는 편향 섹션(17c) 내의 열전도성 트랙은 하나 이상의 분기 절연 틈새들(20)에 의해 서로 분리되는 적어도 2개의 분기(branch) 트랙들(21a,21b)로 분기되고,
   상기 분기 트랙들(21a,21b)은 제2 트랙 섹션(15b) 내에서 또는 편향 섹션(17a) 내에서 다시 만나는, 전기 가열 디바이스.
   
2. 청구항 1에서,
   상기 제1 트랙 섹션(15a)과 상기 제2 트랙 섹션(15b)은 적어도 국부적으로 서로 평행하게 연장하고, 및/또는
   상기 편향 섹션(17a)은 적어도 대략 180˚만큼 편향되는, 전기 가열 디바이스.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에서,
   상기 분기 트랙들은 내부 분기 트랙(21a)과 외부 분기 트랙(21b)으로 분기되도록 구성되고,
   상기 내부 분기 트랙(21a)은 상기 외부 분기 트랙(21b) 보다, 적어도 평균적으로 및/또는 적어도 국부적으로, 바람직하게 완전히, 더 좁게 구성된, 전기 가열 디바이스.
   
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에서,
   상기 분기 트랙들(21a,21b)은 상기 제1 트랙 섹션 및/또는 상기 제2 트랙 섹션의 최대 70%, 바람직하게 최대 30%, 보다 바람직하게 최대 15%, 및/또는 적어도 5%, 바람직하게 적어도 10%에 걸쳐 연장하는, 전기 가열 디바이스.
   
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에서,
   상기 제1 트랙 섹션(15a) 내의 또는 상기 편향 섹션(17a) 내의 열전도성 트랙은, 절연 틈새들(20)에 의해 서로 분리된 적어도 3개의 분기 트랙들(21a,21b,21c)로 분기되고,
   상기 분기 트랙들(21a,21b,21c)은 제2 트랙 섹션(15b) 내에서 또는 편향 섹션(17a) 내에서 다시 만나는, 전기 가열 디바이스.
   
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에서,
   분기 트랙들(21a,21b)은 상기 기재의 표면에 대해 동일한 높이로 배치되고, 및/또는 상기 기재의 표면에 직교하는 동일한 두께를 가진, 전기 가열 디바이스.
   
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에서,
   상호 반대되는 전류 흐름 방향을 가진 인접하는 트랙 섹션들 사이의 거리는 반전 섹션(17a)의 구역 내에서 국부적으로 넓어지도록 구성되고, 및/또는
   적어도 하나의 열전도성 트랙(14)은 기재(10) 상에서 바이필라(bifilar) 패턴으로 연장하는, 전기 가열 디바이스.
   
8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에서,
   상기 열전도성 트랙은 적어도 2개 또는 적어도 3개의 편향 섹션들(17a,17b)을 구비하는, 전기 가열 디바이스.
   
9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에서,
   상기 열전도층(12)은 기재 표면의 적어도 80%, 바람직하게 기재 표면의 적어도 85%를 덮고, 및/또는
   전기 절연 재료가 상기 절연 틈새들(16) 내에 배열되고, 및/또는
   열전도성 트랙(15)은 각각의 경우 동일하게 향하는 전류 흐름 방향을 가진 2개의 트랙 섹션들이 그 길이의 적어도 지배적인 부분에 걸쳐서로 인접하여 평행하게 연장하도록 구성되고, 및/또는
   상기 열전도성 트랙(15)은 그 길이의 지배적인 부분에 걸쳐 직선으로 연장하도록 구성되고, 및/또는
   적어도 하나의 추가적인 층(13) 특히, 절연층이 상기 열전도층(12) 상에 형성된, 전기 가열 디바이스.
   
10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에서,
    상기 전기 가열 디바이스는 자동차 가열 디바이스인, 전기 가열 디바이스.
    
11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 따른 전기 가열 디바이스를 포함하는 차량 특히, 자동차.
    
12. 차량 특히, 자동차를 위한 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 따른 전기 가열 디바이스의 용도.
    

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