KR101205331B1 - 울트라 커패시터 모듈 및 이를 위한 케이스 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 울트라 커패시터 모듈 및 이를 위한 케이스 구조를 개시한다. 본 발명에 따른 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조는, 다수의 울트라 커패시터가 전기적으로 연결되어 있는 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조에 있어서, 상부와 하부에 개방부가 형성되고, 상기 다수의 울트라 커패시터가 전기적으로 연결되어 집합된 울트라 커패시터 어레이를 수납하는 케이스 본체; 상기 울트라 커패시터 어레이의 각 단위 셀의 울트라 커패시터의 외부 터미널에 연결되는 부스바와, 상기 외부 터미널과 부스바를 체결하는 너트로 이루어진 연결부재; 및 상기 케이스 본체의 상부 및 하부의 개방부에 결합되는 상부 및 하부 커버;를 포함하되, 상기 상부 및 하부 커버는, 상기 울트라 커패시터 어레이의 상부 및 하부와 만나는 내측면에 각 단위 셀의 울트라 커패시터에 연결된 연결부재가 삽입되어 고정되는 연결부재 고정홈이 구비되는 것을 특징으로 한다.

Description

울트라 커패시터 모듈 및 이를 위한 케이스 구조{Ultra capacitor module and Case structure for the same}
본 발명은 울트라 커패시터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수의 울트라 커패시터가 연결된 울트라 커패시터 모듈과 이를 위한 케이스 구조에 관한 것이다.
일반적으로, 울트라 커패시터(Ultra Capacitor)는 슈퍼 커패시터(Super Capacitor)라고도 불리며, 전해 콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지 저장장치로써 높은 효율, 반영구적인 수명 특성으로 이차전지와의 병용 및 대체 가능한 차세대 에너지 저장장치이다.
울트라 커패시터는 유지보수(Maintenance)가 용이하지 않고 장기간의 사용 수명이 요구되는 어플리케이션(Application)에 대해서는 축전지 대체용으로 이용되기도 한다. 울트라 커패시터는 빠른 충방전 특성을 가지며, 이에 따라 이동통신 정보기기인 휴대폰, 노트북, PDA 등의 보조 전원으로서뿐만 아니라, 고용량이 요구되는 전기 자동차나 하이브리드 자동차, 태양전지용 전원장치, 무정전 전원공급장치(Uninterruptible Power Supply: UPS) 등의 주전원 또는 보조전원으로 매우 적합하며, 이와 같은 용도로 많이 이용되고 있다.
울트라 커패시터는 소형화를 위해 도 1에 도시된 바와 같이 원통 형상으로 이루어진 형태가 많이 이용되고 있다.
도 1을 참조하면, 울트라 커패시터는 양극, 음극, 세퍼레이터 및 전해질로 구성된 베어셀이 담긴 내부 하우징(10)과, 내부 하우징(10)을 수용하는 금속 케이스(20)와, 금속 케이스(20)의 상부 개방단에 결합되어 밀봉하는 캡 조립체(30)와, 금속 케이스(20)의 내부에 마련되어 각각 베어셀의 양극과 음극에 연결되는 제1 터미널(41) 및 제2 터미널(42)과, 금속 케이스(20)의 양단부에 노출된 외부 터미널(51, 52)을 포함한다.
상기 울트라 커패시터에 있어서, 제1 터미널(41)은 절연부재(60)에 의해 금속 케이스(20)에 대하여 절연되는 동시에 캡 조립체(30)에 마련된 양극측 외부 터미널(51)에 전기적으로 연결되고, 제2 터미널(42)은 금속 케이스(20)와 직접적으로 접촉함으로써 금속 케이스(20)의 하단에 마련된 음극측 외부 터미널(52)과 전기적으로 연결된다.
이러한 울트라 커패시터를 적용함에 있어서, 고전압용 전지로 사용되기 위해서는 수천 패럿(farad: F) 또는 수백 볼트(voltage: V)의 고전압 모듈(module)이 필요하다. 이런 고전압 모듈은 각각의 단위 셀(cell)인 울트라 커패시터가 필요한 수량만큼 연결되어 고전압용 울트라 커패시터 모듈로 구성된다.
이러한 울트라 커패시터 모듈을 구성하는데 있어서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 울트라 커패시터는 부스바(Busbar)(70)에 의해 외부 터미널(51, 52)들이 연결되고 너트(Nut)(75)에 의해 결합되어 울트라 커패시터 어레이를 구성하고, 이 울트라 커패시터 어레이는 외부 출력 단자(미도시)가 마련된 케이스(미도시)에 수납되어 단일의 울트라 커패시터 모듈로 구성하게 된다.
이러한 울트라 커패시터 모듈을 구현함에 있어서, 울트라 커패시터와 부스바(70)의 연결은 매우 중요하다. 즉, 울트라 커패시터와 부스바(70)의 연결이 안정적으로 이루어지지 않거나, 너트(75)에 의한 체결이 긴밀히 이루어지지 않을 경우에는 접촉저항이 증가하면서 고온이 발생하기 때문이다.
그런데, 울트라 커패시터 모듈의 경우, 주로 동력기구물의 전력용으로 사용됨에 따라 그 운용환경에 따른 외부 충격이나 진동으로부터 쉽게 노출될 수밖에 없는 문제가 있다. 즉, 외부 충격 또는 진동에 의해 울트라 커패시터의 외부 터미널(51, 52)과 부스바(70)를 결합시키는 너트(75)가 풀려버리는 현상이 발생하게 되면서 울트라 커패시터의 외부 터미널(51, 52)과 부스바(70)의 접촉저항이 증가되고, 이는 울트라 커패시터 모듈의 전기적 연결에 문제를 발생시키는 것은 물론이고, 접촉저항 증가로 인하여 열이 쉽게 발생하여 발화나 폭발과 같은 사고를 일으킬 위험성이 있어, 울트라 커패시터 모듈의 안전성에 심각한 문제를 초래할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 다수의 울트라 커패시터가 전기적으로 연결되어 구성된 울트라 커패시터 어레이를 수납하는 케이스의 구조를 개선함으로써, 울트라 커패시터 어레이의 전기적 연결을 수행하는 부스바와 너트의 거동을 제한할 수 있는 울트라 커패시터 모듈 및 이를 위한 케이스를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조는, 다수의 울트라 커패시터가 전기적으로 연결되어 있는 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조에 있어서, 상부와 하부에 개방부가 형성되고, 상기 다수의 울트라 커패시터가 전기적으로 연결되어 집합된 울트라 커패시터 어레이를 수납하는 케이스 본체; 상기 울트라 커패시터 어레이의 각 단위 셀의 울트라 커패시터의 외부 터미널에 연결되는 부스바와, 상기 외부 터미널과 부스바를 체결하는 너트로 이루어진 연결부재; 및 상기 케이스 본체의 상부 및 하부의 개방부에 결합되는 상부 및 하부 커버;를 포함하되, 상기 상부 및 하부 커버는, 상기 울트라 커패시터 어레이의 상부 및 하부와 만나는 내측면에 각 단위 셀의 울트라 커패시터에 연결된 연결부재가 삽입되어 고정되는 연결부재 고정홈이 구비되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 하부 커버는 상기 케이스 본체와 일체형으로 형성된다.
바람직하게, 상기 상부 커버는 상기 울트라 커패시터 어레이와 연결되는 외부 출력 단자가 구비된다.
바람직하게, 상기 외부 출력 단자는 상기 울트라 커패시터 어레이의 각 단위 셀의 울트라 커패시터 중에서 최고전위의 울트라 커패시터의 양극 외부 터미널과 최저전위의 울트라 커패시터의 음극 외부 터미널에 연결된다.
바람직하게, 상기 연결부재 고정홈은 상기 연결부재가 삽입될 수 있도록 연결부재의 형태에 대응되는 형상의 홈으로 이루어진다.
바람직하게, 상기 연결부재 고정홈은 절연성 재질로 이루어진다.
바람직하게, 상기 연결부재 고정홈은 상기 연결부재가 삽입되는 부분이 탄성재질로 이루어진다.
바람직하게, 상기 연결부재 고정홈은 상기 연결부재의 너트가 삽입되는 부분이 탄성재질로 이루어진다.
바람직하게, 상기 울트라 커패시터의 외부 터미널은 그 외주면에 나사선이 형성된 볼트 형태로 형성된다.
바람직하게, 상기 울트라 커패시터의 외부 터미널에 연결되는 연결부재의 부스바는 상기 외부 터미널이 삽입될 수 있는 관통홀이 형성되고, 상기 연결부재의 너트가 상기 부스바의 관통홀에 삽입된 외부 터미널에 스크류 결합되어 상기 외부 터미널과 부스바를 체결하여 전기적으로 연결한다.
상기 기술적 과제는 본 발명에 따른 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조를 포함하는 울트라 커패시터 모듈에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 다수의 울트라 커패시터가 전기적으로 연결되어 구성된 울트라 커패시터 어레이를 수납하는 케이스의 구조를 개선함으로써, 울트라 커패시터 어레이의 전기적 연결을 수행하는 부스바와 너트의 거동을 제한할 수 있음으로 외부 충격이나 진동으로부터 부스바와 너트의 체결력을 효과적으로 유지할 수 있다. 이에 따라 울트라 커패시터와 부스바의 접촉저항이 증가되는 것을 방지할 수 있어 울트라 커패시터 모듈의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래기술에 따른 울트라 커패시터의 구성을 도시한 단면도이다.
도 2는 종래기술에 따른 울트라 커패시터 모듈의 울트라 커패시터들이 결합되는 구성을 도시한 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 울트라 커패시터 모듈의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조를 도시한 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 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 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명에 따른 울트라 커패시터 모듈의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조를 도시한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 울트라 커패시터 모듈은 다수의 울트라 커패시터(101)가 전기적으로 연결되어 집합된 울트라 커패시터 어레이(100)와, 상기 울트라 커패시터 어레이(100)가 수납되는 케이스 본체(200)와, 상기 케이스 본체(200)의 하부와 상부의 개방부에 결합되는 하부 및 상부 커버(310, 320)를 포함하고, 상기 울트라 커패시터 어레이(100)를 상기 케이스 본체(200) 내부에 수납한 상태에서, 케이스 본체(200)의 개방부에 상기 하부 및 상부 커버(310, 320)를 결합함으로써 구현된다.
상기 울트라 커패시터 어레이(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 32개의 단위 셀의 울트라 커패시터(101)가 4×8의 배열로 배치되고, 각각의 울트라 커패시터(101)가 서로 직렬로 연결되어 단일의 울트라 커패시터 집합체를 이룬 것으로 고전압의 전원을 공급할 수 있도록 구성된 것이다. 여기서, 단위 셀의 울트라 커패시터(101)는 원통형 또는 각형의 형태일 수 있지만, 본 발명이 울트라 커패시터(101)의 형태에 의해 한정되는 것은 아니다. 한편, 도 3에는 울트라 커패시터 어레이(100)의 울트라 커패시터(101)들이 4×8의 배열로 직렬 배치된 것으로 도시되었지만 본 발명이 이에 한하는 것은 아니며 다양한 배열로 배치될 수 있음은 물론이고, 직렬 연결이 아닌 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼합되어 연결될 수 있음은 자명하다.
상기 울트라 커패시터 어레이(100)의 각 단위 셀의 울트라 커패시터(101)는 그 양단부에 외부로 돌출된 양극 및 음극 외부 터미널(111, 112)이 형성되어 있으며, 앞서 설명된 종래기술의 울트라 커패시터와 실질적으로 동일한 구성요소로 이루어진 것이다. 여기서, 상기 양극 및 음극 외부 터미널(111, 112)은 그 외주면에 나사선(115)이 형성된 볼트 형태로 형성될 수 있다.
상기 울트라 커패시터 어레이(100)는 각 단위 셀의 울트라 커패시터(101)의 외부 터미널(111, 112)에 연결되는 부스바(410)와 상기 외부 터미널(111, 112)과 부스바(410)를 체결하는 너트(420)로 이루어진 연결부재(400)에 의해 각 단위 셀의 울트라 커패시터(101)들이 전기적으로 연결됨으로써 구현되게 된다.
상기 연결부재(400)의 부스바(410)는 인접하는 울트라 커패시터(101)들을 상호 연결할 수 있는 길이로 이루어진 바 형태의 플레이트로서, 울트라 커패시터(101)와 연결되는 부분에 울트라 커패시터(101)의 외부 터미널(111, 112)이 삽입될 수 있도록 형성된 관통홀(415)이 구비된다. 그리고, 상기 연결부재(400)의 너트(420)는 상기 부스바(410)의 관통홀(415)에 삽입된 울트라 커패시터(101)의 외부 터미널(111, 112)에 스크류 결합되어 상기 외부 터미널(111, 112)과 부스바(410)를 체결하여 전기적으로 연결하게 된다. 이때, 상기 울트라 커패시터 어레이(100)는 각 단위 셀의 울트라 커패시터(101)들이 직렬로 연결되어 고전압의 전기 에너지를 출력할 수 있도록 구성된 것이다. 따라서, 상기 연결부재(400)에 의해 연결되는 울트라 커패시터(101)의 한 쌍은 서로 반대되는 극성의 외부 터미널(111, 112)이 위치될 수 있도록 배치되고, 이들 반대 극성의 외부 터미널(111, 112)에 상기 연결부재(400)가 체결되어 전기적으로 연결하게 된다.
상기 케이스 본체(200)는 상부와 하부에 개방부가 형성되고, 상기 울트라 커패시터 어레이(100)가 수납될 수 있는 구조의 절연성 재질로 이루어진 케이스이다.
상기 하부 및 상부 커버(310, 320)는 상기 케이스 본체(200)의 하부와 상부에 형성된 개방부에 결합되어 케이스 본체(200) 내부에 수납된 울트라 커패시터 어레이(100)를 밀폐하게 된다.
상기 하부 커버(310)는 상기 케이스 본체(200)와 일체형으로 형성될 수 있으며, 상기 상부 커버(320)는 상기 울트라 커패시터 어레이(100)와 연결되는 양극 및 음극의 외부 출력 단자(321, 322)가 구비된다. 이 때, 상기 외부 출력 단자(321, 322)는 상기 울트라 커패시터 어레이(100)의 각 단위 셀의 울트라 커패시터(101) 중에서 최고전위의 울트라 커패시터(101a)의 양극 외부 터미널(111)이 양극의 외부 출력 단자(321)에 연결되고, 최저전위의 울트라 커패시터(101b)의 음극 외부 터미널(112)이 음극의 외부 출력 단자(322)에 연결되게 된다.
한편, 본 발명에 따른 상기 하부 및 상부 커버(310, 320)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 울트라 커패시터 어레이(100)의 하부 및 상부와 만나는 내측면에 각 단위 셀의 울트라 커패시터(101)에 연결된 연결부재(400)가 삽입되어 고정될 수 있는 연결부재 고정홈(330)이 형성된다. 이는 울트라 커패시터(101)들을 연결하는 연결부재(400)가 외부로부터의 충격이나 진동에 의해 울트라 커패시터(101)의 외부 터미널(111, 112)과 부스바(410)를 체결하는 너트(420)의 체결이 헐거워지면서 울트라 커패시터(101)와 연결부재(400) 간의 접촉저항이 증가하게 되는 것을 방지하기 위해 구성된 것으로서, 상기 연결부재 고정홈(330)에 상기 울트라 커패시터(101)에 체결되어 전기적 연결을 이루고 있는 연결부재(400)가 삽입되고, 이 연결부재 고정홈(330)이 연결부재(400)를 둘러싸는 형태로 구속하게 됨으로써, 연결부재(400)의 너트(420)가 거동되어 체결이 헐거워지는 것을 방지할 수 있게 된다.
상기 하부 및 상부 커버(310, 320)의 연결부재 고정홈(330)은 상기 연결부재(400)가 삽입될 수 있도록 연결부재(400)의 형태에 대응되는 형상의 홈으로 이루어지고, 그 홈의 크기가 상기 연결부재(400)의 크기보다 상대적으로 크게 형성되어 연결부재(400)의 삽입이 원활하게 이루어질 수 있도록 형성된다.
상기 연결부재 고정홈(330)은 절연성 재질로 이루어지며, 상기 연결부재(400)의 너트(420)가 삽입되는 부분(331)과 연결부재(400)의 부스바(410)가 삽입되는 부분(332)으로 이루어지게 된다. 또한, 연결부재 고정홈(330)은 상기 연결부재(400)의 원활한 삽입이 이루어질 수 있으면서 그 위치를 고정시킬 수 있도록 탄성력을 갖는 탄성재질로 이루어질 수 있다. 이런 경우, 연결부재 고정홈(330)은 전체가 모두 탄성재질로 이루어질 수도 있지만, 상기 연결부재(400)의 너트(420)가 삽입되는 부분(331)만 탄성재질로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 울트라 커패시터 모듈은 케이스의 구조가 각 단위 셀의 울트라 커패시터(101)를 연결하는 연결부재(400)의 거동을 제한할 수 있도록 구성됨으로써, 외부로부터의 충격이나 진동에 의해 연결부재(400)의 체결이 헐거워져 울트라 커패시터(101)와 연결부재(400) 간의 접촉저항이 증가되는 것을 방지할 수 있으므로 울트라 커패시터 모듈의 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.
이상에서 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.
100 : 울트라 커패시터 어레이 101: 울트라 커패시터
200 : 케이스 본체 310, 320 : 하부 및 상부 커버
330 : 연결부재 고정홈 400 : 연결부재
410 : 부스바 420 : 너트

Claims (11)

  1. 다수의 울트라 커패시터가 전기적으로 연결되어 있는 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조에 있어서,
    상부와 하부에 개방부가 형성되고, 상기 다수의 울트라 커패시터가 전기적으로 연결되어 집합된 울트라 커패시터 어레이를 수납하는 케이스 본체;
    상기 울트라 커패시터 어레이의 각 단위 셀의 울트라 커패시터의 외부 터미널에 연결되는 부스바와, 상기 외부 터미널과 부스바를 체결하는 너트로 이루어진 연결부재; 및
    상기 케이스 본체의 상부 및 하부의 개방부에 결합되는 상부 및 하부 커버;를 포함하되,
    상기 상부 및 하부 커버는,
    상기 울트라 커패시터 어레이의 상부 및 하부와 만나는 내측면에 각 단위 셀의 울트라 커패시터에 연결된 연결부재가 삽입되어 고정되는 연결부재 고정홈이 구비되는 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부 커버는 상기 케이스 본체와 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상부 커버는 상기 울트라 커패시터 어레이와 연결되는 외부 출력 단자가 구비되는 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 외부 출력 단자는 상기 울트라 커패시터 어레이의 각 단위 셀의 울트라 커패시터 중에서 최고전위의 울트라 커패시터의 양극 외부 터미널과 최저전위의 울트라 커패시터의 음극 외부 터미널에 연결되는 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연결부재 고정홈은 상기 연결부재가 삽입될 수 있도록 연결부재의 형태에 대응되는 형상의 홈으로 이루어진 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연결부재 고정홈은 절연성 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연결부재 고정홈은 상기 연결부재가 삽입되는 부분이 탄성재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연결부재 고정홈은 상기 연결부재의 너트가 삽입되는 부분이 탄성재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 울트라 커패시터의 외부 터미널은 그 외주면에 나사선이 형성된 볼트 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 울트라 커패시터의 외부 터미널에 연결되는 연결부재의 부스바는 상기 외부 터미널이 삽입될 수 있는 관통홀이 형성되고,
    상기 연결부재의 너트가 상기 부스바의 관통홀에 삽입된 외부 터미널에 스크류 결합되어 상기 외부 터미널과 부스바를 체결하여 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나에 따른 울트라 커패시터 모듈의 케이스 구조를 포함하는 울트라 커패시터 모듈.
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