KR20230083696A - 차량용 난방장치 - Google Patents

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오동훈
권대복
이정만
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한온시스템 주식회사
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Abstract

본 발명에서는 좌우 독립적인 온도 제어가 가능함과 아울러 발열체의 크기와 열용량을 작게하여 속효성이 빠르고 히터 패키지를 줄일 수 있는 차량용 난방장치가 개시된다. 차량용 난방장치는 +전극 및 -전극에 연결되고 전도체로 이루어지는 발열체와, 두께 방향으로 상기 발열체의 양측을 덮고 절연체로 이루어지는 필름으로 구성된 필름 발열유닛을 포함하고, 상기 발열체는 복수의 발열층을 구비하며, 한개의 전원부로 복수 발열층의 독립 제어가 가능하게 구성된다.

Description

차량용 난방장치{HEATING DEVICE FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 난방장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량용 공조장치의 공기유로에 설치되어 이를 통과하는 공기와 열교환함으로써 공기를 가열하는 차량용 난방장치에 관한 것이다.
일반적으로, 차량용 공조장치는 공기를 가열 또는 냉각시켜 차량 실내를 냉방 또는 난방하기 위한 장치이다. 차량용 공조장치는 공조케이스의 내부에 냉방장치인 증발기 및 난방장치인 히터코어가 구비되며, 증발기나 히터코어에 의해 냉각 또는 가열된 공기를 도어의 조작에 의해 차량 실내의 각 부분으로 선택적으로 송풍한다.
이러한 차량용 난방장치는 냉각수를 열원으로 이용하는 히터코어, 냉매를 열원으로 이용하는 실내열교환기 등이 사용되며, 보조 난방장치로서 전원의 인가에 의해 발열하는 PTC히터 등이 사용된다. 특히, 엔진이 없는 전기 자동차의 경우에는 PTC히터를 주 난방장치로 사용한다. 선 출원된 대한민국 등록특허공보 제10-1946600호에는 차량용 공조장치에 설치되는 피티씨 히터가 개시된바 있다.
종래의 피티씨 히터는 차량용 공조장치에 사용되어 초기 시동시 실내 난방 성능을 향상시킨다. 피티씨 히터는 절연지지체의 내측에 상하면을 관통하는 복수의 공간부가 길이 방향으로 나란하게 이격되어 형성된다. 절연지지체의 공간부에는 복수의 피티씨 소자가 개재되는 온도조절 발열부를 포함한다.
온도조절 발열부에는 큐리 점(Curie point)이 다른 2종 이상의 피티씨 소자들이 개재된다. 이와 같이, 온도조절 발열부는 길이방향 중심을 기준으로 좌측과 우측이 발열되는 온도가 다르게 형성됨으로써 차량 실내의 좌우 온도차를 발생시킬 수 있게 된다.
종래의 피티씨 히터는 차량 실내의 좌우 독립 공조를 구현하기 위해 온도조절 발열부에 좌우 온도차를 발생시키도록 구성한다. 이로 인해, 온도조절 발열부는 최소 2종 이상의 피티씨 소자가 필요하게 되므로, 원가가 상승하고 비대칭적인 피티씨 소자 배치로 인해 필연적으로 좌우 온도차의 불균형 제어가 발생하는 문제점이 있었다.
특허문헌 : 대한민국 등록특허공보 제10-1946600호(2019.01.31)
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 좌우 독립적인 온도 제어가 가능함과 아울러 발열체의 크기와 열용량을 작게하여 속효성이 빠르고 히터 패키지를 줄일 수 있는 차량용 난방장치를 제공한다.
또한, 본 발명에서는 과열시 자동으로 전류의 흐름을 다른 경로로 유도하여 안전성을 높일 수 있고 발열 면적 전체에 걸쳐 온도 균일성이 우수하며 조립성과 내구성이 향상된 차량용 난방장치를 제공한다.
본 발명에 따른 차량용 난방장치는 +전극 및 -전극에 연결되고 전도체로 이루어지는 발열체와, 두께 방향으로 상기 발열체의 양측을 덮고 절연체로 이루어지는 필름으로 구성된 필름 발열유닛을 포함하고, 상기 발열체는 복수의 발열층을 구비하며, 한개의 전원부로 복수 발열층의 독립 제어가 가능하게 구성된다.
상기 발열체는 좌측발열부 및 우측발열부를 구비하며, 한개의 전원부로 상기 좌측발열부 및 우측발열부의 독립 제어를 통해 차량 실내의 좌우 온도 제어를 수행하도록 구성된다.
또한, 두께 방향으로 이격된 한 쌍의 플레이트와, 상기 한 쌍의 플레이트 사이에 개재되는 방열핀으로 구성된 방열유닛을 포함하고, 상기 플레이트가 박형의 필름에 부착되어 필름 발열유닛과 방열유닛이 차례로 적층되어 이루어진다.
상기 필름 발열유닛의 일면에 리지드(Rigid)한 베이스 지지체가 부착되고, 상기 베이스 지지체는 필름 발열유닛 전체에 면접촉되며 상기 플레이트에 열 전달이 가능하다.
상기 필름 발열유닛은 +전극와 -전극 사이에 NTC저항체를 구비하며, 상기 NTC저항체는 기준온도 이상일 때 저항값이 낮아져 전류를 유도하며 발열체로의 전류 흐름을 차단한다.
상기 필름 발열유닛과 방열유닛 간의 본딩층은 실리콘 본딩으로 구성된다.
또한, 복수로 적층된 필름 발열유닛과 방열유닛들은 각각 서로 절연되며, 각각의 필름 발열유닛의 발열체에 연결된 전극에 개별적으로 전원이 공급되도록 단자가 구성된다.
상기 발열체는 두께 방향으로 합지된 제1 발열층 및 제2 발열층을 구비하고, 상기 제1 발열층은 좌측용 발열패턴 및 좌측용 전극으로 구성되며, 상기 제2 발열층은 우측용 발열패턴 및 우측용 전극으로 구성된다.
상기 발열체는 두께 방향으로 합지된 제1 발열층 및 제2 발열층을 구비하고, 상기 제1 발열층은 좌측용 발열패턴과 우측용 발열패탄 및 좌측용 전극으로 구성되며, 상기 제2 발열층은 우측용 전극으로 구성되고, 상기 제1 발열층에 제2 발열층의 우측용 전극에 연결되기 위한 우측용 연결부가 구비된다.
상기 제1 발열층과 제2 발열층의 -전극은 공통으로 사용된다.
본 발명에 따른 차량용 난방장치는 좌우 독립적인 온도 제어가 가능함과 아울러 발열체의 크기와 열용량을 작게하여 속효성이 빠르고 히터 패키지를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 차량용 난방장치는 과열시 자동으로 전류의 흐름을 다른 경로로 유도하여 안전성을 높일 수 있고 발열 면적 전체에 걸쳐 온도 균일성이 우수하며 조립성과 내구성이 향상된다.
아울러, 본 발명에 따른 차량용 난방장치는 열전달 효율이 대폭 상승되고 속효성이 우수하며 무게 및 패키지를 감소시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 고전압용으로 제작이 가능하고 발열 면적 전체에 걸쳐 온도 균일성이 우수하며 안정성이 높을 뿐 아니라 조립성과 내구성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 필름 발열유닛 및 방열유닛을 도시한 사시도이고,
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 필름 발열유닛 및 방열유닛을 도시한 분리 사시도이며,
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 필름 발열유닛을 도시한 분리 사시도이고,
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 난방장치를 도시한 사시도이며,
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 난방장치를 도시한 정면도이고,
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 필름 발열유닛을 도시한 분리 사시도이며,
도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 필름 발열유닛 및 베이스 지지체를 도시한 분리 사시도이고,
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 필름 발열유닛 및 베이스 지지체를 도시한 평면도이며,
도 9는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 필름 발열유닛을 도시한 평면도이고,
도 10은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 필름 발열유닛을 도시한 것이며,
도 11은 본 발명의 제6 실시 예에 따른 필름 발열유닛을 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 차량용 난방장치의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 난방장치는 공조장치의 공조케이스 내부 공기유로에 설치되어, 이를 통과하는 공기와 열교환함으로써 공기를 가열시킨다. 차량용 난방장치는 필름 발열유닛(100) 및 방열유닛(200)을 포함하고, 필름 발열유닛(100)과 방열유닛(200)이 차례로 적층되어 이루어진다.
필름 발열유닛(100)은 발열체(120)와, 필름(110)으로 구성된다. 발열체(120)는 전도체로 이루어지며, 일측에 +전극(121) 및 -전극(122)이 연결된다. 발열체(120)는 일정 형상의 패턴을 형성하며, 전원이 인가되면 전기저항에 의해 발열한다. 발열체(120)의 일측 단부는 +전극(121)에 연결되며 타측 단부는 -전극(122)에 연결된다. 아울러, 필름(110)은 두께가 얇은 박형으로 이루어지고, 절연체로 구성된다.
필름(110)은 한 쌍이 구비되어, 두께 방향으로 발열체(120) 양측을 덮는다. 또한, 필름(110)은 열을 잘 전달하는 재질로 이루어진다. 즉, 한 쌍의 필름(110) 사이에 발열체(120)가 위치하며, 발열체(120)에 통하는 전기는 필름(110)에 의해 절연되면서 발열체(120)에서 발생하는 열은 필름(110)을 통해 방열유닛(200)으로 원활히 전달된다.
방열유닛(200)은 한 쌍의 플레이트(210)와, 방열핀(220)으로 구성된다. 한 쌍의 플레이트(210)는 두께 방향으로 이격되며, 방열핀(220)은 한 쌍의 플레이트(210) 사이에 개재된다. 방열핀(220)은 복수의 주름진 형상을 통해 공기와의 열교환 접촉면적을 늘려 공기의 원활한 가열이 이루어지도록 구성된다. 플레이트(210) 및 방열핀(220)은 모두 열전도성이 매우 우수한 재질로 이루어지며, 일례로 알루미늄(Al) 등으로 이루어질 수 있다.
방열유닛(200)은 플레이트(210)와 방열핀(220)을 브레이징하여 만든 후, 박형의 필름 발열유닛(100)에 본딩되어 결합된다. 브레이징 공법의 특성상 고온열에 의해 방열유닛(200)과 필름 발열유닛(100)은 함께 브레이징 결합할 수 없다. 따라서, 플레이트(210)와 방열핀(220)을 브레이징하여 별도 제작한 후에, 일체로 결합된 플레이트 및 방열핀 모듈(방열유닛:200)을 필름 발열유닛(100)에 본딩에 의해 결합시킨다.
필름 발열유닛(100)과 방열유닛(200) 간의 본딩층은 실리콘 본딩으로 구성되는 것이 바람직하다. 본딩층은 열전도성이 우수한 재질로 구성되며, 필름(110)이 절연체 기능을 하므로 본딩층은 전기를 통하는 재질 또는 통하지 않는 재질 중에서 자유롭게 선택할 수 있다. 실리콘 본딩층은 필름 발열유닛(100)에서 발생한 열을 방열유닛(200)에 원활히 전달함과 아울러, 절연성이 우수하여 필름 발열유닛(100)과 방열유닛(200) 간을 절연시킨다.
이와 같이, 복수로 적층된 필름 발열유닛(100)과 방열유닛(200)들은 각각 서로 절연된다. 또한, 각각의 필름 발열유닛(100)의 발열체(120)에 연결된 전극(121,122)에 개별적으로 전원이 공급되도록 단자가 구성된다. 방열유닛(200)의 플레이트(210)는 필름 발열유닛(100)의 필름(110)에 본딩으로 부착되며, 필름(110)의 절연 특성으로 인해 발열체(120)와 방열유닛(200) 간이 절연된다.
이러한 구성을 통해, 본원발명의 차량용 난방장치는 고전압용으로 구현이 가능하다. 이러한 본원의 절연 구조는 각 방열유닛들과 발열유닛 들을 전도체를 통해 연결하여 난방장치 전체에 전기를 통하게 구성한 저전압용 히터 구조와 구별된다. 즉, 본원발명의 차량용 난방장치는 필름 발열유닛(100)과 방열유닛(200) 간의 절연 구조 및 열전달 구조를 통해 차량의 고전압용 히터로 적용이 가능하다.
도 6을 더 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 필름 발열유닛(100)은 차량 실내의 좌우 독립 공조를 위해 필름(110)의 길이 방향 대략 중앙부를 기준으로 일측(좌측)과 타측(우측)에 개별적으로 발열 제어가 가능하도록 구성된다. 발열체(120)는 좌측발열부(130) 및 우측발열부(140)를 구비하며, 한개의 전원부로 좌측발열부(130) 및 우측발열부(140)의 독립 제어를 통해 차량 실내의 좌우 온도 제어를 수행하도록 구성된다.
즉, 좌측발열부(130)는 좌측용 발열패턴을 형성하고 좌측용 발열패턴에 각각 +전극(121)과 -전극(122)이 연결된다. 아울러, 우측발열부(140)는 우측용 발열패턴을 형성하고 우측용 발열패턴에 각각 +전극(121)과 -전극(122)이 연결된다. 좌측발열부(130) 및 우측발열부(140)의 두께 방향 양측에 한 쌍의 필름(110)이 합지되어 하나의 박형의 필름 발열유닛(100)이 만들어진다.
이와 같은 구성을 통해, 차량용 공조장치가 DATC(Dual Automatic Temperature Control) 기능일 경우, 발열체(120)의 패턴을 변경하여 좌우 독립 공조의 구현이 가능하며, 발열체(120)의 크기와 열용량이 작아 속효성이 빠르며 히터 패키지를 줄일 수 있다.
도 7 및 도 8을 더 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 차량용 난방장치는 베이스 지지체(400)를 더 구비한다. 베이스 지지체(400)는 필름 발열유닛(100)의 일면에 부착되며, 리지드(Rigid)한 소재로 이루어진다. 베이스 지지체(400)는 필름 발열유닛(100)의 필름(110) 전체에 면접촉되며, 방열유닛(200)의 플레이트(210)에 열 전달이 가능하게 구성된다.
베이스 지지체(400)는 필름 발열유닛(100)보다 크게 형성되어, 필름 발열유닛(100) 전체가 베이스 지지체(400)에 면접촉 되도록 한다. 베이스 지지체(400)는 열전달 성능이 우수한 금속재로 이루어지는 것이 바람직하다. 베이스 지지체(400)는 플렉시블(Flexible)한 소재로 이루어져 강성이 약하고 휘기 쉬운 필름 발열유닛(100)을 견고하게 지지하고, 방열유닛(200)과의 조립을 원활하게 하며, 열이 방열유닛(200)에 고르게 전달될 수 있도록 열을 확산시키는 기능을 한다.
도 9를 더 참조하면, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 필름 발열유닛(100)은 NTC저항체(500)를 더 구비한다. NTC저항체(500)는 NTC(Negative Temperature Coefficient-thermic resistor) 서미스터로 구성되어, 정상 온도 범위에서 저항값이 높아지며 비교적 낮은 온도에서 저항값이 작아지는 특성을 갖는다. NTC저항체(500)는 과열 안전 장치로 기능한다.
즉, NTC저항체(500)는 +전극(121)과 -전극(122) 사이에 형성되며, 기준온도 이상일 때 저항값이 낮아져 +전극(121)으로부터 -전극(122)으로 흐르는 전류를 유도함으로써 발열체(120)로의 전류 흐름을 차단한다. NTC저항체(500)는 과열시 낮아진 저항으로 인해 발열체(120)로 흐르던 전류를 NTC저항체(500)로 흐르게 하여 과열 현상을 해소한다.
도 10을 더 참조하면, 본 발명의 제5 실시 예에 따른 필름 발열유닛(100)은 발열체(120)를 구비하며, 발열체(120)는 복수의 발열층으로 이루어진다. 또한, 본 발명의 제5 실시 예에 따른 필름 발열유닛(100)은 한개의 전원부로 복수 발열층의 독립 제어가 가능하게 구성된다.
발열체(120)는 제1 발열층(150) 및 제2 발열층(160)을 구비한다. 제1 발열층(150) 및 제2 발열층(160)은 각각 두께가 매우 얇은 박형으로 이루어지고, 두께 방향으로 서로 합지된다. 더욱 상세하게는, 제1 발열층(150)은 좌측용 발열패턴(135) 및 좌측용 전극으로 구성된다. 아울러, 제2 발열층(160)은 우측용 발열패턴(145) 및 우측용 전극으로 구성된다.
즉, 제1 발열층(150)에는 길이 방향으로 대략 중앙부를 기준으로 일측(좌측)에 전원의 인가에 따라 발열을 위한 좌측용 발열패턴(135)이 형성되고, 타측(우측)에는 발열용 패턴이 형성되지 않는다. 아울러, 제2 발열층(160)에는 길이 방향으로 대략 중앙부를 기준으로 일측(좌측)에 발열용 패턴이 형성되지 않으며, 타측(우측)에는 전원의 인가에 따라 발열을 위한 우측용 발열패턴(145)이 형성된다.
좌측용 발열패턴(135)은 좌측발열부로 기능하며, 우측용 발열패턴(145)은 우측발열부로 기능한다. 좌측용 전극은 +전극(123)과 -전극(125)을 구비하며, 우측용 전극은 +전극(124)과 -전극(125)을 구비한다. 제1 발열층(150)과 제2 발열층(160)의 -전극(125)은 공통으로 사용된다. 이러한 구성을 통해, 1가지 발열체 사양으로 좌우 온도차를 발생시켜 DATC 기능을 구현할 수 있다.
한편, 도 11을 더 참조하면, 본 발명의 제6 실시 예에 따른 필름 발열유닛(100)은 발열체(120)를 구비하며, 발열체(120)는 복수의 발열층으로 이루어진다. 또한, 본 발명의 제5 실시 예에 따른 필름 발열유닛(100)은 한개의 전원부로 복수 발열층의 독립 제어가 가능하게 구성된다.
발열체(120)는 제1 발열층(150) 및 제2 발열층(160)을 구비한다. 제1 발열층(150) 및 제2 발열층(160)은 각각 두께가 매우 얇은 박형으로 이루어지고, 두께 방향으로 서로 합지된다. 더욱 상세하게는, 제1 발열층(150)은 좌측용 발열패턴(135)과 우측용 발열패턴(145)과 좌측용 전극으로 구성된다. 아울러, 제2 발열층(160)은 우측용 전극으로 구성된다.
즉, 제1 발열층(150)에는 길이 방향으로 대략 중앙부를 기준으로 일측(좌측)에 전원의 인가에 따라 발열을 위한 좌측용 발열패턴(135)이 형성되고, 타측(우측)에 전원의 인가에 따라 발열을 위한 우측용 발열패턴(145)이 형성된다. 아울러, 제2 발열층(160)에는 발열용 패턴이 형성되지 않는다.
또한, 제1 발열층(150)에는 우측용 연결부(128)가 더 구비된다. 우측용 연결부(128)는 제2 발열층(160)의 우측용 전극에 연결되기 위한 것으로서, 제2 발열층(160)의 우측용 전극에 인가되는 전원 제어에 의해 제1 발열층(150)의 우측에 형성된 우측용 발열패턴(145)의 발열 제어를 수행하게 된다.
좌측용 발열패턴(135)은 좌측발열부로 기능하며, 우측용 발열패턴(145)은 우측발열부로 기능한다. 좌측용 전극은 +전극(123)과 -전극(125)을 구비하며, 우측용 전극은 +전극(124)과 -전극(125)을 구비한다. 제1 발열층(150)과 제2 발열층(160)의 -전극(125)은 공통으로 사용된다. 이러한 구성을 통해, 1가지 발열체 사양으로 좌우 온도차를 발생시켜 DATC 기능을 구현할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 차량용 난방장치는 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 필름 발열유닛
110: 필름 120: 발열체
121,123,124: +전극 122,125: -전극
130: 좌측발열부 140: 우측발열부
135: 좌측용 발열패턴 145: 우측용 발열패턴
150: 제1 발열층 160: 제2 발열층
200: 방열유닛 210: 플레이트
220: 방열핀 128: 우측용 연결부
400: 베이스 지지체 500: NTC저항체

Claims (10)

  1. +전극 및 -전극에 연결되고 전도체로 이루어지는 발열체와, 두께 방향으로 상기 발열체의 양측을 덮고 절연체로 이루어지는 필름으로 구성된 필름 발열유닛을 포함하고,
    상기 발열체는 복수의 발열층을 구비하며,
    한개의 전원부로 복수 발열층의 독립 제어가 가능하게 구성된 차량용 난방장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 발열체는 좌측발열부 및 우측발열부를 구비하며,
    한개의 전원부로 상기 좌측발열부 및 우측발열부의 독립 제어를 통해 차량 실내의 좌우 온도 제어를 수행하도록 구성된 차량용 난방장치.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    두께 방향으로 이격된 한 쌍의 플레이트와, 상기 한 쌍의 플레이트 사이에 개재되는 방열핀으로 구성된 방열유닛을 포함하고,
    상기 플레이트가 박형의 필름에 부착되어 필름 발열유닛과 방열유닛이 차례로 적층되어 이루어진 차량용 난방장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 필름 발열유닛의 일면에 리지드(Rigid)한 베이스 지지체가 부착되고,
    상기 베이스 지지체는 필름 발열유닛 전체에 면접촉되며 상기 플레이트에 열 전달이 가능한 것을 특징으로 하는 차량용 난방장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 필름 발열유닛은 +전극와 -전극 사이에 NTC저항체를 구비하며, 상기 NTC저항체는 기준온도 이상일 때 저항값이 낮아져 전류를 유도하며 발열체로의 전류 흐름을 차단하는 것을 특징으로 하는 차량용 난방장치.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 필름 발열유닛과 방열유닛 간의 본딩층은 실리콘 본딩으로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 난방장치.
  7. 제3 항에 있어서,
    복수로 적층된 필름 발열유닛과 방열유닛들은 각각 서로 절연되며,
    각각의 필름 발열유닛의 발열체에 연결된 전극에 개별적으로 전원이 공급되도록 단자가 구성된 차량용 난방장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 발열체는 두께 방향으로 합지된 제1 발열층 및 제2 발열층을 구비하고,
    상기 제1 발열층은 좌측용 발열패턴 및 좌측용 전극으로 구성되며,
    상기 제2 발열층은 우측용 발열패턴 및 우측용 전극으로 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 난방장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 발열체는 두께 방향으로 합지된 제1 발열층 및 제2 발열층을 구비하고,
    상기 제1 발열층은 좌측용 발열패턴과 우측용 발열패탄 및 좌측용 전극으로 구성되며,
    상기 제2 발열층은 우측용 전극으로 구성되고,
    상기 제1 발열층에 제2 발열층의 우측용 전극에 연결되기 위한 우측용 연결부가 구비되는 차량용 난방장치.
  10. 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
    상기 제1 발열층과 제2 발열층의 -전극은 공통으로 사용되는 것을 특징으로 하는 차량용 난방장치.
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