KR101076123B1 - 울트라 커패시터용 연결부재 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 울트라 커패시터용 연결부재는 단위 셀의 울트라 커패시터를 복수개 연결하여 고전압용 울트라 커패시터 어셈블리를 구현시 울트라 커패시터와 접촉되는 부스바의 접촉저항을 감소시키며 방열성능을 향상시킬 수 있다는 특징을 가진다.

커패시터, 연결부재, 발열, 부스바

Description

울트라 커패시터용 연결부재{Coupling member for ultra capacitor}

본 발명은 울트라 커패시터용 연결부재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단위 셀의 울트라 커패시터를 복수개 연결하여 고전압용 울트라 커패시터 어셈블리를 구현시 울트라 커패시터와 접촉되는 부스바의 접촉저항을 감소시키며 방열성능을 향상시킬 수 있는 울트라 커패시터용 연결부재에 관한 것이다.

일반적으로, 전기에너지를 저장하는 대표적인 소자로는 전지(battery)와 커패시터(capacitor)가 있다.

울트라 커패시터(Ultra Capacitor)는 슈퍼 커패시터(Super Capacitor)라고도 불리우며, 전해 콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지 저장장치로써 높은 효율, 반영구적인 수명 특성으로 이차전지와의 병용 및 대체가능한 차세대 에너지 저장장치이다.

이러한 울트라 커패시터를 적용함에 있어서, 고전압용 전지로 사용되기 위해서는 수천 패럿(F : farad) 또는 수백 전압(V : voltage)의 고전압 모듈(module)이 필요하다. 이런 고전압 모듈은 각각의 단위 셀(cell)인 울트라 커패시터가 필요한 수량만큼 연결되어 고전압용 울트라 커패시터 어셈블리로 구성된다. 이때, 복수의 울트라 커패시터는 볼트로 체결되는 부스바(busbar)에 의해 연결됨으로써 고전압용 울트라 커패시터 어셈블리로 이루어진다.

도 1은 종래기술에 따른 고전압용 울트라 커패시터 어셈블리를 나타내는 도면이고, 도 2는 종래기술에 따른 부스바와 볼트를 나타내는 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 고전압용 울트라 커패시터 어셈블리(1)는 각 단위 셀의 울트라 커패시터(10)와, 상기 울트라 커패시터(10)를 연결하는 부스바(20) 및 상기 부스바(20)와 울트라 커패시터(10)를 체결하는 볼트(30)를 구비한다.

상기 울트라 커패시터(10)는 하우징(11)과, 상기 하우징(11) 내에 설치된 적층소자(12) 및 상기 적층소자(12)와 연결되어 하우징(11)의 외부로 돌출되는 양극단자(13a) 및 음극단자(13b)를 구비하는 단자부(13)를 구비한다. 이때, 상기 적층소자(12)는 사각형 형태의 양극, 분리막 및 음극이 순차적으로 적층되되, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조로 이루어진다. 이러한 울트라 커패시터(10)의 구조는, 이 기술분야에 속한 당업자에게 널리 알려진 기술이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 상기 단위 셀의 울트라 커패시터(10)들은 부스바(20)로 연결되고 볼트(30)에 의해 결합되어 울트라 커패시터 어셈블리(1)로 구성되는데, 이를 통해 셀프 서포팅(self-supproting) 구조를 형성하게 되어 진동 또는 외부 충격 등에 대응할 수 있게 된다.

이러한 고전압용 울트라 커패시터 어셈블리(1)를 구현함에 있어서, 울트라 커패시터(10)와 부스바(20)의 연결은 매우 중요하다. 즉, 울트라 커패시터(10)와 부스바(20)의 연결이 안정적으로 이루어지지 않거나, 체결이 헐거워지면 접촉저항이 증가하면서 고온이 발생하기 때문이다.

상기 부스바(20)는 소위 'ㅡ'자 형상으로 이루어지며, 그 양단에 이웃하는 울트라 커패시터(10)의 단자부(13)와 연결되며 볼트(30)가 삽입되도록 홀(23)이 형성된다. 즉, 부스바(20)는 어느 하나의 울트라 커패시터(10)의 음극단자(13b)와 상기 울트라 커패시터(10)와 인접한 또 다른 울트라 커패시터(10)의 양극단자(13a)를 연결하도록 이루어진다. 여기서, 상기 울트라 커패시터(10)에 부스바(20)를 체결시키는 체결방식은, 울트라 커패시터(10)의 전극(단자부) 위에 부스바(20)를 올려놓고, 그 위에 평와셔(31)와 스프링와셔(32)를 순차적으로 올려놓은 뒤 볼트(30)로 체결하는 방식을 사용하고 있다. 이와 같은 체결방식은 진동에 따라 볼트(30)의 풀림현상을 방지하기 위한 것으로서, 일반적으로 스테인레스(SUS) 재질의 M6 육각볼트를 사용하여 체결하고 있다.

그러나, 상기와 같은 부스바(20)를 이용하여 울트라 커패시터(10)에 볼트(30)로 체결할 경우, 많은 수량의 울트라 커패시터(10)가 결합됨으로써 울트라 커패시터의 내부저항이 증가하여 발열됨은 물론, 진동 또는 외부충격에 의한 울트라 커패시터(10) 및 부스바(20)의 접촉저항으로 인하여 열이 쉽게 발생한다는 문제점이 있다. 즉, 진동 또는 외부충격에 의해 볼트풀림 현상이 발생하여 울트라 커패시터(10)와 부스바(20)의 접촉저항이 증가하게 된다. 이때, 부스바(20)는 울트라 커패시터(10)들의 단자부(13) 사이에서 열을 방출하는 역할을 수행하나, 단지 대류 를 통하여 열을 방출시키도록 이루어짐에 따라 효율적인 열 방출이 이루어지지 않는다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 단위 셀의 울트라 커패시터를 복수개 연결하여 고전압용 울트라 커패시터 어셈블리를 구현시 울트라 커패시터와 접촉되는 부스바의 접촉저항을 감소시키며 방열성능을 향상시킬 수 있는 울트라 커패시터용 연결부재를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 울트라 커패시터용 연결부재는, 미리 정해진 길이를 갖도록 이루어진 본체부와, 상기 본체부의 양단에 형성되어 이웃하는 울트라 커패시터와 연결되도록 이루어진 연결부를 구비하는 부스바; 및 상기 연결부에 삽입되어 울트라 커패시터의 단자부와 각각 체결되는 볼트;를 구비하고, 상기 부스바는 방열기능이 향상되도록 절곡된 절곡부가 형성된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 절곡부는 일정부분 평면구간이 형성되도록 절곡되는 것이 바람직하다.

상기 평면구간에는 외부의 알루미늄 케이스와 접촉되어 열 방출이 가능하도록 열전도성 테이프가 부착된 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 부스바는 주석(Sn)으로 도금된다.

한편, 상기 볼트는 SCM 435 재질로 이루어진 플랜지 볼트인 것이 바람직하다.

아울러, 상기 플랜지 볼트는 조임 토크 대비 풀림 토크가 8％ 이상 큰 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 울트라 커패시터용 연결부재는 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 울트라 커패시터를 연결하는 부스바가 일정부분 절곡되어 형성됨으로써 방열기능이 향상된다. 즉, 절곡된 부분이 평면구간을 갖도록 형성됨으로써 대류에 의한 방열 및 울트라 커패시터 어셈블리의 외부에 설치되는 외부 알루미늄 케이스와 접촉되어 열전도를 통하여 효율적으로 방열기능을 수행할 수 있다.

둘째, 고장력 플랜지 볼트를 이용하여 체결력을 증가시킴으로써 울트라 커패시터와 부스바의 접촉저항이 증가되는 것을 방지한다. 이에, 접촉저항에 의한 발열문제를 해소할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있 을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 울트라 커패시터용 연결부재에 의해 연결된 고전압용 울트라 커패시터 어셈블리를 나타내는 도면이고, 도 4는 상기 울트라 커패시터용 연결부재를 나타내는 사시도이다.

본 발명은 각 단위 셀의 울트라 커패시터(10)를 복수개 연결하여 고전압용 울트라 커패시터 어셈블리(101)를 구현시 부스바(110)를 개선하여 방열성능을 향상시키며, 고장력 플랜지 볼트(120)로 긴밀히 체결함으로써 울트라 커패시터(10) 및 부스바(110)의 접촉저항 발생을 방지하는 것에 그 특징이 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 고전압용 울트라 커패시터 어셈블리(101)는 부스바(110) 및 볼트(120)를 구비하는 연결부재(100)에 의해 복수의 울트라 커패시터(10)가 연결됨으로써 구현된다.

한편, 상기 울트라 커패시터(10)는 앞서 설명된 종래기술의 울트라 커패시터(10)와 동일한 참조부호 및 동일한 구성요소로 이루어진 것으로서, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 부스바(110)는 본체부(111) 및 상기 본체부(111)의 양단에 각각 형성되어 이웃하는 울트라 커패시터(10)와 연결되도록 이루어진 연결부(112)를 구비한다.

상기 본체부(111)는 미리 정해진 길이를 갖도록 이루어진다. 이때, 본체부(111)는 일부가 절곡된 절곡부(113)가 형성된다. 보다 구체적으로, 상기 절곡부(113)는 본체부(111)의 중심에 평면구간(113')이 형성되도록 절곡된다. 이는 방열기능을 향상시키기 위함이다. 이때, 상기 본체부(111)에 하나의 평면구간(113') 이 형성된 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 둘 이상의 평면구간이 형성될 수 있다.

한편, 평면구간(113')에 열전도성 테이프(미도시)를 부착하여 열 방출이 효율적으로 이루어지도록 할 수 있다. 즉, 평면구간(113')은 수직으로 돌출된 형태로서 대류에 의한 열 방출은 물론, 울트라 커패시터 어셈블리(101)의 외각에 위치한 알루미늄 케이스(미도시)와 접촉되어 열전도성 테이프에 의한 열전도를 통하여 열 방출이 이루어진다. 이때, 상기 열전도성 테이프는 열전도성 및 전기적인 절연성을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 본 발명의 부스바(110)를 사용할 경우 종래의 일자형 부스바(20)를 사용할 경우보다 방열성능이 대략 30％ 향상된다.

한편, 상기 알루미늄 케이스는 울트라 커패시터 어셈블리(101)를 수납하는 통상적인 부재이므로 여기서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

상기 연결부(112)는 볼트(120)를 이용하여 울트라 커패시터(10)들의 각 단자부(13)와 연결시키기 위한 것으로서, 볼트(120)가 삽입될 수 있는 홀(112')이 형성된다. 예컨대, 상기 연결부(112)는 어느 하나의 울트라 커패시터(10)의 음극단자(13b)와 이웃하는 또 다른 울트라 커패시터(10)의 양극단자(13a)를 연결한다. 즉, 연결부(112)는 직렬로 이웃하는 다수의 울트라 커패시터(10)들의 단자부(13)를 연결한다.

부가적으로, 상기와 같은 구조로 이루어진 부스바(110)는 부식을 방지하기 위하여 그 표면을 주석(Sn)으로 도금하여 사용되는 것이 바람직하다.

상기 볼트(120)는 연결부(112)의 홀(112')에 삽입되어 울트라 커패시터(10) 의 단자부(13)와 각각 체결된다. 이때, 볼트(120)에 의해 체결되는 부스바(110)와 울트라 커패시터(10)의 연결이 안정적으로 이루어지지 않거나, 체결이 헐거워지면 접촉저항이 증가하여 고온이 발생하기 때문에 볼트(120)에 의한 긴밀한 체결이 이루어져야 한다. 이에, 상기 볼트(120)는 고장력 플랜지 볼트(120)인 것이 바람직하다.

보다 구체적으로, 상기 고장력 플랜지 볼트(120)는 SCM 435 재질로 이루어진 것이 바람직하다. 즉, 고장력 플랜지 볼트(120)는 강인강(强靭鋼)인 것이 바람직하다. 예컨대, 고장력 플랜지 볼트(120)는 크롬강, 크롬몰리브덴강, 니켈크롬강 등이 사용될 수 있다. 이에, 고장력 플랜지 볼트(120)를 사용하여 체결함으로써 마찰접합 효과가 발생한다.

상기 마찰접합은 볼트(120)를 조일 때 장력을 많이 작용시켜 부스바(110)에 압축력을 작용시키면, 이 압축력으로 인해 부스바(110)에 마찰력이 생기는 것을 의미한다. 따라서, 고장력 플랜지 볼트(120)를 사용하여 조임 토크를 150kgf·㎝ 이상으로 체결하면 마찰접합 효과로 인하여 체결력이 향상됨에 따라 부스바(110)를 울트라 커패시터(10)에 긴밀히 체결시킬 수 있게 된다. 이로 인하여 진동 및 외부 충격에 의해서도 체결이 유지되어 접촉저항의 증가를 발생시키지 않게 된다.

이하, 상기와 같은 연결부재(100)를 사용하여 울트라 커패시터(10)와 부스바(110)를 체결한 볼트(120)의 체결력에 대한 실험을 실시하였다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 울트라 커패시터용 연결부재를 이용하여 부스바를 울트라 커패시터에 체결한 뒤 지그에 설치한 상태를 나타내는 도 면이다.

실험예

도 5를 참조하면, 3000F(패럿)의 울트라 커패시터(10)의 양극단자(13a)와 음극단자(13b)에 각각 부스바(110)를 올려놓고 플랜지 볼트(120)로 체결한 뒤 지그(J)에 설치하였다. 이때, 상기 부스바(110)를 울트라 커패시터(10)와 지그(J)에 체결시 토크가 최고 250kgf·㎝인 TOHNICHI 사(社)의 230DB3-S 토크렌치(Torque Wrench)를 사용하여 플랜지 볼트(120)를 150kgf·㎝의 조임 토크로 체결하고, 일본 IMV 사(社)의 모델명 IMV Vibration Contrller SC1000의 Power Amplifier VA-ST-06과 Vibrator VE-50의 진동시험기(미도시)에 지그(J)를 설치한 후, 스위프 사인 파(Swept Sine Wave) 진동 테스트와 랜덤 진동 테스트를 시행하였다. 이때, 상기 플랜지 볼트(120)와 부스바(110)에 펜으로 표시부(M)를 표시하여 풀림여부를 측정하였다.

측정결과 도시된 바와 같이 펜으로 표시된 표시부(M)가 틀어지지 않고 정 위치에 표기되어 있으므로 플랜지 볼트(120)의 풀림 현상이 발생하지 않았음을 알 수 있다.

한편, 상기 전술된 장비를 이용하여 6EA의 3000F 울트라 커패시터(10)의 양극단자(13a) 및 음극단자(13b) 각각에 10EA의 부스바(110)와 20EA의 플랜지 볼트(120)를 토크 렌치를 이용하여 150kgf·㎝로 체결하여 실험한 후, 동일한 토크 렌치를 사용하여 풀림 토크를 측정하였다.

No.(플랜지볼트)	조임 토크	풀림 토크	No.(플렌지볼트)	조임 토크	풀림 토크
1	150	163.5	11	150	164
2	150	165	12	150	165
3	150	164	13	150	163
4	150	166.5	14	150	163.5
5	150	165	15	150	164
6	150	164	16	150	164.5
7	150	165	17	150	165
8	150	166.5	18	150	164
9	150	164	19	150	166
10	150	165	20	150	165.5

(단위 : kgf·㎝)

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 풀림 토크가 조임 토크보다 대략 8％ 내지 10％ 높게 측정됨을 확인할 수 있었다. 이로써 고장력 플랜지 볼트(120)로 체결함으로써 마찰접합효과가 발생하는 것을 알 수 있다. 이에, 종래의 육각볼트를 이용하여 체결할 경우보다 체결력이 증가되어 접촉저항이 증가하는 것을 방지하게 된다.

한편, 상기 고장력 플랜지 볼트(120)의 풀림 토크가 조임 토크보다 대략 8％ 내지 10％ 정도 높은 것으로 설명되었으나, 이는 일 실험예인 것으로서 상기 풀림 토크가 상기 측정값보다 더 높은 값을 가질 수 있다. 즉, 고장력 플랜지 볼트(120)의 풀림 토크가 조임 토크보다 최소 8％ 이상 크도록 하여 사용되는 것이 바람직하다. 상기 풀림 토크가 조임 토크보다 8％ 이상 큰 값을 갖지못할 경우 볼트가 풀려 접촉저항이 증가함으로 바람직하지 못하다.

부가적으로, 풀림 토크는 고장력 플랜지 볼트(120)에 가해지는 조임 토크에 의하여 측정값이 틀려진다.

또한, 조임 토크의 최대 조임 토크는 볼트의 형상 및 규격에 따라 상이하다. 이에 따라, 본 발명의 고장력 플랜지 볼트(120)는 조임 토크 대비 풀림 토크가 최고 25％ 높게 이루어진 것이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 종래기술에 따른 고전압용 울트라 커패시터 어셈블리를 나타내는 도면.

도 2는 종래기술에 따른 부스바와 볼트를 나타내는 사시도.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 울트라 커패시터용 연결부재에 의해 연결된 고전압용 울트라 커패시터 어셈블리를 나타내는 도면.

도 4는 도 3의 울트라 커패시터용 연결부재를 나타내는 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 울트라 커패시터용 연결부재를 이용한 실험예를 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 연결부재 110 : 부스바

111 : 본체부 112 : 연결부

113 : 절곡부 120 : 볼트

Claims (6)

1. 고전압용 울트라 커패시터 어셈블리를 구현하기 위해 각 단위 셀의 울트라 커패시터를 연결하는 연결부재에 있어서,

   미리 정해진 길이를 갖도록 이루어진 본체부와, 상기 본체부의 양단에 형성되어 이웃하는 울트라 커패시터와 연결되도록 이루어진 연결부를 구비하는 부스바; 및

   상기 연결부에 삽입되어 울트라 커패시터의 단자부와 각각 체결되는 볼트;를 구비하고,

   상기 부스바는 방열기능이 향상되도록 절곡된 절곡부가 형성되며,

   상기 절곡부는 일정부분 평면구간이 형성되도록 절곡되고,

   상기 평면구간에는 외부의 알루미늄 케이스와 접촉되어 열 방출이 가능하도록 열전도성 테이프가 부착된 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터용 연결부재.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 부스바는 주석(Sn)으로 도금된 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터용 연결부재.
5. 고전압용 울트라 커패시터 어셈블리를 구현하기 위해 각 단위 셀의 울트라 커패시터를 연결하는 연결부재에 있어서,

   미리 정해진 길이를 갖도록 이루어진 본체부와, 상기 본체부의 양단에 형성되어 이웃하는 울트라 커패시터와 연결되도록 이루어진 연결부를 구비하는 부스바; 및

   상기 연결부에 삽입되어 울트라 커패시터의 단자부와 각각 체결되는 볼트;를 구비하고,

   상기 부스바는 방열기능이 향상되도록 절곡된 절곡부가 형성되며,

   상기 볼트는 SCM 435 재질로 이루어진 플랜지 볼트인 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터용 연결부재.
6. 제5항에 있어서,

   상기 플랜지 볼트는 조임 토크 대비 풀림 토크가 8％ 이상 큰 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터용 연결부재.

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