KR20220076380A - 액체 가열 장치 - Google Patents

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KR20220076380A
KR20220076380A KR1020210168436A KR20210168436A KR20220076380A KR 20220076380 A KR20220076380 A KR 20220076380A KR 1020210168436 A KR1020210168436 A KR 1020210168436A KR 20210168436 A KR20210168436 A KR 20210168436A KR 20220076380 A KR20220076380 A KR 20220076380A
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insulator
heating element
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KR1020210168436A
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임채민
염치선
강문식
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주식회사 파루인쇄전자
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    • F24H1/12—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium
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Abstract

가열 속도 및 효율이 높고, 가열 온도가 높으며, 열손실을 최소화할 수 있는 가열 장치를 제공한다. 본 발명의 액체 가열 장치는 제1 발열체와, 상기 제1 발열체를 둘러싸는 제1 절연체와, 상기 제1 절연체의 하부에 설치된 금속 재질의 제1 기판을 구비하는 제1 가열판, 상기 제1 가열판의 하측에 설치되고, 액체가 흐르는 제1 유로가 형성되어 있는 제1 유로 형성 모듈, 제2 발열체와, 상기 제2 발열체를 둘러싸는 제2 절연체와, 상기 제2 절연체의 상부 및 하부에 설치된 금속 재질의 제2 기판을 구비하는 제2 가열판, 상기 제2 가열판의 하측에 설치되고, 액체가 흐르는 제2 유로가 형성되어 있는 제2 유로 형성 모듈, 및 제3 발열체와, 상기 제3 발열체를 둘러싸는 제3 절연체와, 상기 제3 절연체의 상부에 설치된 금속 재질의 제3 기판을 구비하는 제3 가열판을 구비한다.

Description

액체 가열 장치{LIQUID HEATING DEVICE}
본 발명은 가열 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 발열체를 사용하여 전기 에너지를 열 에너지로 변환하여 액체를 가열하는 가열 장치에 관한 것이다.
전기에너지를 열에너지로 변환하여 액체의 온도를 높이고, 열을 필요로 하는 곳에 승온된 액체를 통해서 에너지를 공급하는 응용분야들이 있다. 이와 같은 응용분야에서 액체의 온도를 올리기 위한 가열 장치는 통상적으로 액체 가열 부위에 최대한 가깝게 배치되고, 부도체에 직접 인쇄된 발열체 패턴에 의해 전기에너지를 열에너지로 변환한다. 그리고, 상기 가열 장치는 발열체와, 상기 발열체의 상부면과 저면을 각각 절연하여 발열체를 보호하는 상부 절연층 및 하부 절연층과, 상기 발열체로부터 열을 공급받아 액체에 전달하는 가열판과, 상기 발열체에 급전하기 위한 전극을 구비한다.
그런데, 종래의 가열 장치는 가열판이 일반적으로 두껍고, 이처럼 두꺼운 가열판 전체를 가열해야 하기 때문에 열전달 효율을 높이기 위해서는 가열체 면적을 크게 할 필요가 있으며, 이에 따라 장치가 대형화되는 문제가 있다.
더욱이 종래의 가열 장치에서는 체적고유저항이 높은 발열체를 사용하기 때문에, 인쇄면이 넓고 두껍게 형성되어야 하며, 이에 따라 경량화가 어렵다.
나아가, 넓고 두꺼운 발열층과 STS나 알루미늄과 같은 전도성 금속 기판 사이에 있는 절연층도 두껍게 형성해야 하는데, 이처럼 두꺼운 절연층도 가열 속도를 저해하는 요소가 된다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 가열 속도 및 효율이 높고, 가열 온도가 높으며, 열손실을 최소화할 수 있는 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 액체 가열 장치는 제1 발열체와, 상기 제1 발열체를 둘러싸는 제1 절연체와, 상기 제1 절연체의 하부에 설치된 금속 재질의 제1 기판을 구비하는 제1 가열판; 상기 제1 가열판의 하측에 설치되고, 액체가 흐르는 제1 유로가 형성되어 있는 제1 유로 형성 모듈; 제2 발열체와, 상기 제2 발열체를 둘러싸는 제2 절연체와, 상기 제2 절연체의 상부 및 하부에 설치된 금속 재질의 제2 기판을 구비하는 제2 가열판, 상기 제2 가열판의 하측에 설치되고, 액체가 흐르는 제2 유로가 형성되어 있는 제2 유로 형성 모듈 및 제3 발열체와, 상기 제3 발열체를 둘러싸는 제3 절연체와, 상기 제3 절연체의 상부에 설치된 금속 재질의 제3 기판을 구비하는 제3 가열판을 구비한다.
제1 내지 제3 가열판 중 적어도 일부에는 방열핀이 형성되어 있을 수 있다.
상기 방열핀은 상기 제1 가열판에 형성되고 상기 제1 유로에 노출되어 있는 제1 방열핀과 상기 제3 가열판에 형성되고 상기 제2 유로에 노출되어 있는 제2 방열핀을 포함할 수 있다.
액체 가열 장치는 상기 제1 가열판, 상기 제1 유로 형성 모듈, 상기 제2 가열판, 상기 제2 유로 형성 모듈, 및 상기 제3 가열판을 외측에서 에워싸서 보호하는 프레임을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 유로 형성 모듈 및 상기 제2 유로 형성 모듈은 상기 프레임에 결합될 수 있다.
본 발명의 가열 장치에 따르면, 3개의 발열체 및 가열판과 2개의 유로 형성 모듈이 마련되기 때문에, 발열체와 액체와의 접촉면적이 커서, 가열 속도와 가열 온도가 크게 향상될 수 있다. 특히, 본 발명자의 실험에 따르면, 동일한 전력량으로 하나의 유로 양측에 가열판이 설치되는 경우에 비하여 8~9%의 열효율 향상 효과가 있는 것을 확인하였다.
더욱이, 가열판과 유로 형성 모듈이 교대로 배치되고 가열판의 양측에 유로 형성 모듈 및 그 내부에 있는 유로가 배치되어 있어서, 가열판의 양측에서 액체를 가열하게 되기 때문에, 열전달 효율이 높고 열손실을 최소화할 수 있다. 가열판 내부에 마련되는 발열체가 인쇄 방식으로 형성되기 때문에 발열체 패턴의 형태에 따라 가열 온도는 더욱 향상될 수 있다.
또한, 가열판에서 열 방출 면적을 증가시키기 위한 방열핀이 형성됨에 따라, 유로에서의 액체와의 접촉면적이 더욱 증가되어 액체로의 열전달이 촉진되며, 이에 따라 저전력으로 구동될 수 있거나 더욱 가열속도가 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가열 장치의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 가열 장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 가열판의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 가열판의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 가열판의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제3 발열체의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 발열체의 평면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 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, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가열 장치의 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 가열 장치의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 가열 장치는 상측으로부터 하측으로 순차적으로 배치된 제1 가열판(10), 제1 유로 형성 모듈(20), 제2 가열판(30), 제2 유로 형성 모듈(40), 및 제3 가열판(50)을 포함한다.
제1 가열판(10)은 전력을 공급받아 전기에너지를 열에너지로 변환하여 발열하게 되며, 발생된 열을 제1 유로 형성 모듈(20) 내부에 흐르는 액체에 공급한다.
제1 유로 형성 모듈(20)은 제1 가열판(10)의 하측에 마련되고, 그 내부에는 액체가 흐르는 제1 유로가 형성되어 있다. 상기 제1 유로의 입구에는 호스 니플 연결부(22)가 형성되어 있다.
제2 가열판(30)은 전력을 공급받아 전기에너지를 열에너지로 변환하여 발열하게 되며, 발생된 열을 제1 및 제2 유로 형성 모듈(20, 40) 내부에 흐르는 액체에 공급한다.
제2 유로 형성 모듈(40)은 제2 가열판(30)의 하측에 마련되고, 그 내부에는 액체가 흐르는 제2 유로가 형성되어 있다. 상기 제2 유로의 입구에는 호스 니플 연결부(42)가 형성되어 있다.
제3 가열판(50)은 전력을 공급받아 전기에너지를 열에너지로 변환하여 발열하게 되며, 발생된 열을 제2 유로 형성 모듈(40) 내부에 흐르는 액체에 공급한다.
상기 제1 내지 제3 가열판(10, 30, 50)과 제1 및 제2 유로 형성 모듈(20, 40)은 상부 프레임(2a) 및 하부 프레임(2b)를 포함하는 프레임 내에 격납된다.
도 3은 제1 가열판(10)의 단면도이고, 도 4는 제2 가열판(30)의 단면도이며, 도 5는 제3 가열판(50)의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 제1 가열판(10)은 상부 절연체(70)와, 상기 상부 절연체(70)의 하측에 형성되는 발열체(72)와, 상기 상부 절연체(70) 및 발열체(72)의 하측에 형성되는 하부 절연체(74)와, 상기 하부 절연체(74)의 하측에 설치되는 금속 재질의 기판(76)을 구비한다. 상기 발열체(72)는 상부 절연체(70)의 저면에 예컨대 도전성 잉크 페이스트를 사전에 정해진 패턴으로 스크린 인쇄함으로써 형성될 수 있다. 발열체 패턴에서, 패턴의 두께, 선 폭, 선 간격에 의해 발열량이 달라지게 된다. 한편, 기판(76)의 저면에는 방열핀(78)이 형성될 수 있는데, 이 방열핀(78)은 제1 유로 형성 모듈(20)의 내부에 있는 제1 유로에 노출되어 제1 유로를 흐르는 액체에 직접 열을 전달할 수 있다.
도 4를 참조하면, 제2 가열판(30)은 상부 절연체(70)와, 상기 상부 절연체(70)의 하측에 형성되는 발열체(72)와, 상기 상부 절연체(70) 및 상기 발열체(72)의 하측에 형성되는 하부 절연체(74)와, 상부 절연체(70)의 상측과 하부 절연체(74)의 하측에 설치되는 금속 재질의 기판(76a)을 구비한다. 상기 발열체(72)는 상부 절연체(70)의 저면에 예컨대 도전성 잉크 페이스트를 사전에 정해진 패턴으로 스크린 인쇄함으로써 형성될 수 있다. 제2 가열판(30)의 기판(76a)은 상부 절연체(70)의 상측과 하부 절연체(74)의 하측에 설치됨으로써 발열체(72)를 둘러싸는 형태로 되어 있다.
도 5를 참조하면, 제3 가열판(50)은 상부 절연체(70)와, 상기 상부 절연체(70)의 하측에 형성되는 발열체(72)와, 상기 상부 절연체(70) 및 발열체(72)의 하측에 형성되는 하부 절연체(74)와, 상부 절연체(70)의 상측에 설치되는 금속 재질의 기판(76b)을 구비한다. 상기 발열체(72)는 상부 절연체(70)의 저면에 예컨대 도전성 잉크 페이스트를 사전에 정해진 패턴으로 스크린 인쇄함으로써 형성될 수 있다. 한편, 기판(76b)의 상부면에는 방열핀(78b)이 형성될 수 있는데, 이 방열핀(78b)은 제2 유로 형성 모듈(40)의 내부에 있는 제2 유로에 노출되어 제2 유로를 흐르는 액체에 직접 열을 전달할 수 있다.
도 6은 제1 가열판(10) 내에 있는 제1 발열체와 제3 가열판(50) 내에 있는 제3 발열체의 평면도이고, 도 7은 제2 가열판(30) 내에 있는 제2 발열체의 평면도이다. 각 발열체는 규칙적으로 배열된 배선 패턴을 포함하며, 일측에는 배선 패턴에 급전하기 위한 단자들이 마련되어 있다.
이와 같은 액체 가열 장치는 다음과 같이 조립한다.
먼저 제1 내지 제3 가열판(10, 30, 50)에서, 상부 절연체(70)의 일측에 발열체 패턴을 인쇄하여 발열체(72)를 형성하고, 하부 절연체(74)를 부착한다. 그리고 각 가열판(10, 30, 50)에 기판(76, 76a, 76b)을 부착한다.
이어서, 중앙에 있는 가열판인 제2 가열판(30)의 상하에 제1 및 제2 유로 형성 모듈(20, 40)을 각각 체결하고, 제1 및 제2 유로 형성 모듈(20, 40)을 프레임(2a, 2b)의 일측에 고정시킨다. 이때, 제1 및 제2 유로 형성 모듈(20, 40) 사이에 방수를 위한 오링(60a)을 끼울 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 유로 형성 모듈(20, 40) 사이의 결합 상태를 유지하기 위하여 유로 결합 스크류(98)를 체결할 수 있다.
그 다음, 제1 유로 형성 모듈(20)의 위에 방수를 위한 오링(60b)을 끼운 다음, 제1 가열판(10)을 부착한다. 또한, 제2 유로 형성 모듈(40)의 아래에 방수를 위한 오링(60c)을 끼운 다음, 제3 가열판(50)을 부착한다. 제1 및 제3 가열판(10, 50)을 부착시킨 후에는 이탈을 방지하기 위하여 판히터 결합 스크류(99)로 고정시킬 수 있다.
도 2에 도시된 것과 같은 형태의 제품을 제작하여 동작을 테스트하였다. 제품의 크기는 171x195mm, 중량은 세트당 1.2kg이었다. 이와 같은 제품은 최종적으로 1kW의 전력으로 1분당 1L의 물의 수온을 9.8℃ 상승시키는 성능을 보였다(△T=9.8℃). △T는 입수온도와 출수온도의 차이이며 가장 중요한 성능평가 항목인 가열속도로 볼 수 있다.
위와 같은 액체 가열 장치에서, 액체는 물이 될 수 있지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편 액체 가열 장치는 소형으로 제작되어 가정용으로 사용될 수 있고, 중대형으로 제작되어 차량용으로 사용될 수 있다. 그렇지만, 액체 가열 장치의 용도, 그리고 크기별 용도가 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 본 발명의 실시예들을 예시적으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양하게 변형될 수 있다.
예컨대, 상술한 실시예에서는 제2 가열판(10)의 기판(76a)은 발열체(72)를 둘러싸는 형태로 되어 있는 반면에 제1 가열판(10)의 기판(76)과 제3 가열판(50)의 기판(76b)은 발열체(72)의 일측에만 설치되는 것으로 기술하였지만, 제1 가열판(10)의 기판(76)과 제3 가열판(50)의 기판(76b)이 제2 가열판(10)의 기판(76a)과 동일한 형태가 될 수도 있다.
또한, 방열판이 제1 가열판(10)의 기판(76) 저면과 제3 가열판(50)의 기판(76b) 상부면에만 설치되는 것처럼 기술하였지만, 제2 가열판(10)의 기판(76a)에도 형성될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
2a 상부 프레임 2b 하부 프레임
10 가열판 20 제1 유로 형성 모듈
22 호스 니플 연결부 30 제2 가열판
40 제2 유로 형성 모듈 42 호스 니플 연결부
50 제3 가열판 60a, 60b, 60c 오링
70 상부 절연체 72 발열체
74 하부 절연체 76 기판
78 방열핀 98 유로 결합 스크류
99 판히터 결합 스크류

Claims (5)

  1. 제1 발열체와, 상기 제1 발열체를 둘러싸는 제1 절연체와, 상기 제1 절연체의 하부에 설치된 금속 재질의 제1 기판을 구비하는 제1 가열판;
    상기 제1 가열판의 하측에 설치되고, 액체가 흐르는 제1 유로가 형성되어 있는 제1 유로 형성 모듈;
    제2 발열체와, 상기 제2 발열체를 둘러싸는 제2 절연체와, 상기 제2 절연체의 상부 및 하부에 설치된 금속 재질의 제2 기판을 구비하는 제2 가열판;
    상기 제2 가열판의 하측에 설치되고, 액체가 흐르는 제2 유로가 형성되어 있는 제2 유로 형성 모듈; 및
    제3 발열체와, 상기 제3 발열체를 둘러싸는 제3 절연체와, 상기 제3 절연체의 상부에 설치된 금속 재질의 제3 기판을 구비하는 제3 가열판을 구비하는,
    액체 가열 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 가열판 중 적어도 일부에 방열핀이 형성되어 있는 액체 가열 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 방열핀이,
    상기 제1 가열판에 형성되고 상기 제1 유로에 노출되어 있는 제1 방열핀; 및
    상기 제3 가열판에 형성되고 상기 제2 유로에 노출되어 있는 제2 방열핀을 포함하는,
    액체 가열 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 가열판, 상기 제1 유로 형성 모듈, 상기 제2 가열판, 상기 제2 유로 형성 모듈, 및 상기 제3 가열판을 외측에서 에워싸서 보호하는 프레임을 더 포함하는,
    액체 가열 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 유로 형성 모듈 및 상기 제2 유로 형성 모듈이 상기 프레임에 결합되어 고정되는,
    액체 가열 장치.
KR1020210168436A 2020-11-30 2021-11-30 액체 가열 장치 KR20220076380A (ko)

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KR20240020741A (ko) 2022-08-08 2024-02-16 주식회사 파루인쇄전자 액체 가열 장치 및 그 제조 방법

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