KR20190046526A - 배터리 냉각용 히트파이프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트파이프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 셀 일정 개수 당 히트파이프 일정 개수를 배치하고, 상기 히트파이프의 하측부에 위치한 냉각수 채널로 열을 이송하는 형태이며, 상기 히트파이프는 상기 하측부에 위치한 냉각수 채널과 면착하는 구조인 히트파이프에 관한 것이다.
따라서 열전도성이 낮은 구조물에 의해 히트파이프 상단 접합부(용접 등)를 보호하고, 히트파이프에서 아래쪽 냉각채널이 아닌 상부 모듈 커버 등으로 열전달을 차단하며, 히트파이프의 상부에서 아래로 누르는 힘을 길이 방향 또는 면적에 분포하는 분포 하중으로 나누어 분배할 수 있다.
또한 모세관력을 발생 시키는 윅을 배치하면, 상기 윅이 모세관력으로 히트파이프 하부의 작동유체를 상부 배터리 셀면으로 중력을 거슬러 끌어 올림에 따라 열전달 성능을 높일 수 있고, 볼록한 구조의 상부 챔버가 갑작스런 배터리셀의 고온 시 작동유체를 하부에서만 끌어오지 않고 저부하 상태인 평상시 흡수하고 있던 작동유체를 중력방향으로 끌어내려 열전달 성능을 보완할 수 있다.

Description

배터리 냉각용 히트파이프{Heat Pipe For Battery Cooling}

본 발명은 배터리 냉각용 히트파이프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기자동차 배터리 셀 일정 개수 당 히트파이프 일정 개수를 배치하고, 상기 히트파이프의 하측부에 위치한 냉각수 채널로 열을 이송하는 형태이며, 상기 히트파이프는 상기 하측부에 위치한 냉각수 채널과 면착하는 구조인 히트파이프에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이 히트파이프는 1942년 최초 개발되어 1963년 경 부터 인공위성, 발전소 등에 적용되어 사용되어 오고 있으며, 이후 가전기기(컴퓨터, 노트북, 스마트폰, LED TV) 등에 확대 적용 된, 약 50년의 사용 이력이 있는 제품 임. 이를 현재 자동차에 적용 하기 위한 개발을 진행 중이다.

배터리를 사용하는 모든 시스템에서 마찬가지 이지만 특히 사용량이 많은 전기자동차에서는 전장화, 고 출력, 고 에너지 밀도가 요구되기 때문에 냉각이 부족하게 되면 안정성 및 효율이 저하된다.

배터리의 성능, 수명, 과열(다른 셀로 열전이 → 열 폭주 → 폭발) 방지, 급속 충전 실현을 위하여 적용이 필요하다.

히트파이프의 열전도 계수(열전달 성능)는 약 2,000~5,000W/mK으로 현재까지 발견된 물성으로서 대체 적용 재질은 없다.

또한 히트파이프는 작동유체의 귀환 방법에 따라 히트파이프 (모세관력 메쉬, 그루브 등의 윅에 의한 액체 유동) 또는 열싸이펀 (중력 증발부가 응축부 보다 아래쪽에 위치) 방식으로 나뉘고, 작동 유체 순환 형태에 따라 루프형, 단일형, 진동형 등으로 나뉜다.

또한 히트파이프를 적용하지 않고 냉각수를 배터리 셀 옆면으로 순환시키는 직접 강제 수냉식의 경우 히트파이프 간접 수냉식에 비하여 열전달 거리가 길어지고, 열전달 거리가 길수록 열전달 효율 저하, 누수 위험 증가 및 냉각 응답성 느려지는 문제가 생기고 셀 연쇄 반응 시 화재 위험 까지 있다.

종래의 히트파이프 간접 수냉식의 경우 채널 길이가 감소(약 5배)하고 열전달 거리가 줄어들어 펌프 용량/전력이 줄어드는 효과가 있다.

또한 열전달에 대한 빠른 응답성 및 온도 균일화로 누수/순간적 과열 위험이 감소하고, 시스템 컴팩트/경량화가 가능하여, 유로 구조, 작동 유체량, 필요 체적, 펌프 용량 등이 줄어든다.

또한 히트파이프 간접 수냉식은 다른 방식보다 냉각성능이 우세하고 직접 공냉식 보다 전체 부피가 감소한다.

그러나 종래의 히트파이프는 상부쪽으로 열전달을 차단할 수 없고, 상부에서 아래로 누르는 힘을 나누어 분배할 수 있는 구조가 아니며, 중력을 거슬러 끌어 올리지 못해 열전달 성능이 낮고, 갑작스런 배터리셀의 고온 시 열전달 성능을 보완할 수 없는 문제점이 있었다.

한국공개특허 제2011-0090491호 한국공개특허 제2008-0054283호 한국등록특허 제1670020호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열전도성이 낮은 구조물에 의해 히트파이프 상단 접합부를 보호하고, 히트파이프의 아래로 누르는 힘을 길이 방향 또는 면적에 분포하는 분포 하중으로 나누어 분배할 수 있으며, 모세관력으로 히트파이프 하부의 작동유체를 상부 배터리 셀면으로 중력을 거슬러 끌어 올림에 따라 열전달 성능을 높일 수 있는 히트파이프를 제공하는 데 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 배터리 셀 일정 개수 당 히트파이프 일정 개수를 배치하고, 상기 히트파이프의 하측부에 위치한 냉각수 채널로 열을 이송하는 형태이며, 상기 히트파이프는 상기 하측부에 위치한 냉각수 채널과 면착하는 구조이다.

상기 히트파이프의 하측부의 단면 형상은 “ㅗ 자“이다.

상기 히트파이프의 상측부의 단면은 원 또는 각형의 볼록한 공간이다.

상기 냉각수 채널을 상기 히트파이프의 상측부에 배치하는 경우 히트파이프는 상하 반전된 형상으로 배치된다.

상기 히트파이프의 상측부에 열전도성이 일정치 보다 낮은 구조물을 끼우거나 인서트 사출한다.

상기 히트파이프의 상측부에 볼록한 구조를 주어 아래보다 넓은 공간을 준다.

상기 히트파이프의 볼록한 구조의 내부에는 히트파이프 모세관력을 발생 시키는 윅을 배치한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 열전도성이 낮은 구조물에 의해 히트파이프 상단 접합부(용접 등)를 보호하고, 히트파이프에서 아래쪽 냉각채널이 아닌 상부 모듈 커버 등으로 열전달을 차단하며, 히트파이프의 상부에서 아래로 누르는 힘을 길이 방향 또는 면적에 분포하는 분포 하중으로 나누어 분배할 수 있다.

또한 본 발명은 모세관력을 발생 시키는 윅을 배치하면, 상기 윅이 모세관력으로 히트파이프 하부의 작동유체를 상부 배터리 셀면으로 중력을 거슬러 끌어 올림에 따라 열전달 성능을 높일 수 있다.

또한 볼록한 구조의 상부 챔버가 갑작스런 배터리셀의 고온 시 작동유체를 하부에서만 끌어오지 않고 저부하 상태인 평상시 흡수하고 있던 작동유체를 중력방향으로 끌어내려 열전달 성능을 보완할 수 있다.

즉, 중력 역행 모세관력에 의지하는 작동유체 귀환에 대한 보완이 가능하다.

도 1은 종래 발명에 따른 히트파이프의 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따라 히트파이프의 전체적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 히트파이프의 구체적인 구성을 보여주는 도면이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

본 발명은 도면에 도시된 바와 같이 배터리 셀(10)의 일정 개수 당 히트파이프(100) 일정 개수를 배치한다.

적용 형태를 보면, 배터리는 크게 원통형과 파우치형(평판형)으로 나뉘는데 본 발명에서는 파우치 형을 중심으로 설명한다.

파우치형 배터리 셀은 제작상 크기는 다르나 자동차용은 대략 150 x 300 mm 너비에 10~15mm 두께를 가진다.

따라서 평판형의 면상에 평판으로 접촉할 수 있는 평판형 히트파이프를 적용 한다.

본 발명에서의 평판형 히트파이프의 제작 방법은 AL을 압출하여 내부 공간을 형상하는 방법과, 금속 판재(SUS/Cu/Al 등)를 2장 겹치게 접합하여 제작한다.

구체적으로 설명하여, 본 발명에 따른 히트파이프는 높은 열전달 성능(AL의 25배)과, 무동력/무전력으로 수명이 높고, 진동/소음이 작다.

또한 히트파이프는 경량화(AL의 1/2이하 무게)가 가능하고, 고 신뢰성(15년 이상)을 가지며 적용 자유도가 높아 다양한 후가공이 가능하다.

예를 들어 배터리 셀(10) 2개당 히트파이프(100) 1개로 냉각을 하여 하측부인 냉각수 채널로 열을 이송하는 형태이며, 시스템의 요구 조건에 따라 하측부에 위치한 냉각수 채널과 면 접촉하기 위해서 면착하는 구조이다.

즉 상기 히트파이프(100)의 하측부에 위치한 냉각수 채널로 열을 이송하는 형태이며, 상기 히트파이프(100)는 상기 하측부에 위치한 냉각수 채널과 면착하는 구조인 데, 히트파이프(100)의 하측부의 단면 형상은 ㅗ 자(또는 T 자)인 것이 바람직하다.

만일 T 자가 아니더라도 냉각수 채널과 면착하기 용이한 밑바닥이 평평한 형상이면 가능하다. 만일 상기 냉각수 채널을 상기 히트파이프(100)의 상측부에 배치될 경우 “T 자”형상임이 바람직하다.

본 발명의 일실시예로서, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 히트파이프(100)의 상측부의 단면은 원 또는 각형의 볼록한 공간이다.

상기 히트파이프(100)의 상측부에 열전도성이 일정치 보다 낮은 구조물을 끼우거나 인서트 사출한다.

상기 히트파이프(100)의 상측부에 볼록한 구조를 주어 아래보다 넓은 공간을 준다.

상기 히트파이프(100)의 상측부에 열전도성이 낮은 구조물(120)을 끼우고, 내부에는 모세관력을 발생시키는 윅이 있으며, 윅을 둘러싸도록 윅챔버(Wick Chamber; 110)을 배치한다.

만일 상기 냉각수 채널을 상기 히트파이프(100)의 상측부에 배치될 경우 상술한 구조물의 위치의 상부와 하부가 바뀌면 된다.

구체적으로 본 발명은 히트파이프(100)의 단면으로 볼 때 상측부에는 횡단면이 원 또는 볼록한 공간을 두고, 하측부는 냉각수 채널과 면착하는 구조이다.

예를 들어 상기 원 또는 볼록한 공간의 형상의 상부에는 커버로 플라스틱 등 열전도성이 낮은 구조물(120)을 끼우거나 인서트 사출한다.

이러한 열전도성이 낮은 구조물에 의해 히트파이프(100) 상단 접합부(예 : 용접 등)를 보호하고, 히트파이프(100)에서 아래쪽 냉각채널이 아닌 상부 모듈 커버 등으로 열전달을 차단하며, 히트파이프(100)의 상부에서 아래로 누르는 힘을 길이 방향 또는 면적에 분포하는 분포 하중으로 나누어 분배할 수 있다.

또한, 배터리 셀의보다 상부에 위치한 히트파이브에는 볼록한 구조를 주어 아래보다 넓은 공간을 주고, 내부에는 모세관력을 발생 시키는 윅(110)을 배치한다.

상술한 바와 같이 모세관력을 발생 시키는 윅챔버(110)을 배치하면, 히트파이프 내의 윅에 의해 모세관력으로 히트파이프(100) 하부의 작동유체(예 : 물 등)를 상부 배터리 셀면(고온부)으로 중력을 거슬러 끌어 올림에 따라 결정되는 열전달 성능에 도움을 줄 수 있다.

또한 배터리 셀의보다 상부에 위치한 볼록한 구조의 상부 윅챔버와 단면이 원형인 윅에 의해 갑작스런 배터리셀의 고온 시 작동유체를 하부에서만 끌어오지 않고 저부하 상태인 평상시 흡수하고 있던 작동유체를 중력방향으로 끌어내려 열전달 성능을 보완할 수 있다. 이를 위해 윅도 단면이 원형이나 볼록한 형태이다.

즉, 중력 역행 모세관력에 의지하는 작동유체 귀환에 대한 보완이 가능하다.

10 : 배터리 셀
100 : 히트파이프
110 : 윅챔버
120 : 구조물

Claims (4)

1. 2개의 베터리 셀 사이에 상기 배터리 셀과 평행되도록 배치되고,
   하측부는 상기 2개의 배터리 셀의 하측부보다 연장되어, 상기 배터리 셀의 하측부에 위치한 냉각수 채널과 면착하는 배터리 냉각용 히트파이프에 있어서,
   상기 히트파이프의 하측부의 횡단면 형상은 상기 2개의 배터리 셀의 하측부로부터 멀어지고 상기 냉각수 채널과 가까워질수록 확장되며,
   상기 히트파이프의 상측부는 상기 2개의 배터리 셀의 하측부보다 연장되고, 횡단면이 원인 윅챔버가 있는 것을 특징으로 하는 히트파이프.
2. 제1항에 있어서,
   상기 히트파이프의 윅챔버는 상측부에 볼록한 구조를 주어 아래보다 넓은 공간을 주는 것을 특징으로 하는 히트파이프.
3. 제2항에 있어서,
   상기 윅챔버의 커버는 열전도성이 일정치 보다 낮은 구조물을 끼우거나 인서트 사출하는 것을 특징으로 하는 히트파이프.
4. 제3항에 있어서,
   상기 윅챔버의 내부에는 히트파이프 모세관력을 발생 시키는 윅이 구형이나 볼록한 형태로 배치하는 것을 특징으로 하는 히트파이프.
   

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