KR102017275B1 - 일체형 냉각판 어셈블리를 가진 자동차 전지 열전 모듈 및 그 조립 방법 - Google Patents

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Abstract

전지 및 전지를 지지하는 히트 스프레더를 포함하는, 컴포넌트를 열적으로 조절하기 위한 냉각 시스템이 개시된다. 복수의 열전 소자는 향상된 열 전달을 제공하는, 예컨대, 납땜 또는 브레이즈(braze)를 이용하여 히트 스프레더에 본딩된다. 냉각판 어셈블리는 열전 소자와 유효하게 열적으로 접촉한다.

Description

일체형 냉각판 어셈블리를 가진 자동차 전지 열전 모듈 및 그 조립 방법
본 발명은 전지와 같은 자동차 구성요소를 냉각시키는데 사용되는 모듈에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 그러한 모듈을 제공하는 일체형 열전 소자 및 냉각판 어셈블리, 및 그것의 조립 방법에 관한 것이다.
리튬 이온 전지는 자동차에 추진력을 제공하는 전기 모터에 전력을 제공하기 위해 승용차 및 다른 타입의 자동차에 사용된다. 이러한 전지는 상당한 양의 열을 발생시킬 수 있으므로, 전지는 성능 저하를 방지하기 위해 냉각되어야 한다.
전지 부근 및 냉각판 어셈블리 부근에 배치된 열전 모듈을 포함하는 한 타입의 자동차 전지 냉각 배열이 제안되었다. 열전 모듈은 전지 주변을 냉각시키기 위해 펠티에 효과(Peltier effect)를 기반으로 하여 동작하는 열전 소자를 포함한다. 열전 소자를 통해 전달된 열은 냉각판 어셈블리로 배출되는데, 이러한 냉각판 어셈블리는 그것을 통해 순환되어 열교환기로 보내지는 냉각 유체를 가질 수 있다.
냉각 배열 내의 몇몇 구성요소를 통해 효과적으로 열을 전달함과 동시에 냉각 배열 내의 다른 구성요소를 격리시키도록 냉각 배열을 설계하는 것이 바람직하다.
하나의 예시적인 실시예에서, 컴포넌트를 열적으로 조절하기 위한 냉각 시스템은 전지 및 전지를 지지하는 히트 스프레더(heat spreader)를 포함한다. 복수의 열전 소자들이 히트 스프레더에 본딩된다. 냉각판 어셈블리는 열전 소자와 유효하게(operatively) 열적으로 접촉한다.
상기 내용의 추가 실시예에서, 냉각판 어셈블리는 열전 소자에 고정된다.
어느 상기 내용의 추가 실시예에서, 열 포일이 열전 소자에 냉각판 어셈블리를 고정시킨다.
어느 상기 내용의 추가 실시예에서, 복수의 열전 소자는 제1 용융점을 가지는 제1 납땜에 의해 저온측 및 고온측 기판에 고정되는 p-n 재료를 포함한다. 열전 소자는 제1 용융점보다 낮은 제2 용융점을 가지는 제2 납땜에 의해 히트 스프레더에 고정된다.
어느 상기 내용의 추가 실시예에서, 저온측 플레이트가 에폭시에 의해 저온측 기판에 고정된다.
어느 상기 내용의 추가 실시예에서, 고온측 플레이트가 에폭시에 의해 고온측 기판에 고정된다.
어느 상기 내용의 추가 실시예에서, p-n 재료는 제1 납땜에 의해 저온 및 고온 패드에 고정된다. 저온 및 고온 패드는 각각 제1 납땜에 의해 저온측 및 고온측 기판에 고정된다.
어느 상기 내용의 추가 실시예에서, 제1 용융점은 200℃-260℃의 범위 이내이고, 제2 용융점은 110℃-160℃의 범위 이내이다.
어느 상기 내용의 추가 실시예에서, 복수의 열전 소자는 에폭시에 의해 히트 스프레더에 고정된 p-n 재료를 포함한다.
어느 상기 내용의 추가 실시예에서, p-n 재료는 제1 납땜에 의해 저온 및 고온 패드에 고정된다.
어느 상기 내용의 추가 실시예에서, p-n 재료는 제1 용융점보다 낮은 제2 용융점을 가지는 제2 납땜에 의해 냉각판 어셈블리에 고정된다.
어느 상기 내용의 추가 실시예에서, 제1 용융점은 200℃-260℃의 범위 이내이고, 제2 용융점은 110℃-160℃의 범위 이내이다.
어느 상기 내용의 추가 실시예에서, 열교환기를 포함하는 냉각 루프가 냉각판 어셈블리와 유체 교류한다.
어느 상기 내용의 추가 실시예에서, DC/DC 컨버터는 냉각판 어셈블리와 유효하게 열적으로 접촉하도록 배치된다.
다른 예시적인 실시예에서, 일체형 열전 소자 및 냉각판 어셈블리 모듈을 조립하는 방법은 열전 소자를 히트 스프레더에 본딩하는 단계 및 열전 소자를 냉각판 어셈블리에 본딩하는 단계를 포함한다.
어느 상기 내용의 추가 실시예에서, 이 방법은 첫 번째 본딩하는 단계를 수행하기 전에 제1 용융점을 가지는 제1 납땜으로 p-n 재료를 저온측 및 고온측 기판에 본딩하는 단계를 포함한다.
어느 상기 내용의 추가 실시예에서, 이 방법은 저온측 및 고온측 기판을 각각 저온측 및 고온측 플레이트에 본딩하는 단계를 포함한다. 첫 번째 본딩하는 단계는 제1 용융점보다 낮은 제2 용융점을 가지는 제2 납땜으로 저온측 플레이트를 히트 스프레더에 본딩하는 단계를 포함한다.
어느 상기 내용의 추가 실시예에서, 두 번째 본딩하는 단계는 열 포일로 열전 소자를 냉각판 어셈블리에 본딩하는 단계를 포함한다.
어느 상기 내용의 추가 실시예에서, 이 방법은 고온측 기판을 열 포일에 에폭시로 본딩하는 단계를 포함한다.
어느 상기 내용의 추가 실시예에서, 이 방법은 저온측 기판을 히트 스프레더에 에폭시로 본딩하는 단계를 포함한다.
본 발명은 아래의 첨부된 도면과 연관지어 아래의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 자동차 시스템 온도가 냉각 시스템에 의해 통제되는 자동차의 매우 간략한 도면이다.
도 2는 일체형 열전 소자 및 냉각판 어셈블리 모듈의 한 예이다.
도 3은 도 2에 도시된 일체형 열전 소자 및 냉각판 어셈블리 모듈를 조립하는 한 단계를 도시한다.
도 4는 도 3에 도시된 단계에 이은, 도 2에 도시된 일체형 열전 소자 및 냉각판 어셈블리 모듈를 조립하는 다른 단계를 도시한다.
도 5는 다른 예의 일체형 열전 소자 및 냉각판 어셈블리 모듈을 조립하는 한 단게를 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 단계에 따라 조립된 일체형 열전 소자 및 냉각판 어셈블리 모듈이다.
이전 단락, 청구항, 또는 아래의 설명 및 도면의 실시예, 예시 및 대안은 어떤 그들의 다양한 형태 또는 각각의 개별적인 특징을 포함하여, 개별적으로 또는 임의의 조합으로 얻어질 수 있다. 하나의 실시예와 연관지어 서술된 특징은 그러한 특징이 호환 불가능하지 않다면 모든 실시예에 적용 가능하다.
자동차(10)는 도 1a에 개략적으로 도시되어 있다. 자동차(10)는 난방 및 냉방될 필요가 있는 자동차 시스템(12)을 포함한다. 한 예에서, 자동차 시스템(12)은 상당한 양의 열을 발생시키는 자동차 추진을 위해 사용되는 리튬 이온 전지와 같은 전지(14)를 포함한다. 이러한 전지는 동작시 냉각되어야 하고, 그렇지 않다면 전지 효율 및/또는 무결성이 나빠질 수 있다.
냉각 시스템(18)은 전지(14)로부터 열을 제거하여 자동차 시스템(12)을 냉각시키기 위해 전지(14)와 DC/DC 컨버터(16) 사이에 적층 배열된다. DC/DC 컨버터(16)는 전지(14)와 자동차 전자기기 간에 전기적 인터페이스를 제공한다. 냉각 시스템(18)은 냉각 루프(24)와 통해 있는 일체형의 열전 소자 및 냉각판 어셈블리 모듈(20)을 포함한다. 글리콜과 같은 냉각 유체는 냉각 루프(24) 내에서 펌프(31)에 의해 순환된다. 열은 냉각판 어셈블리(40)(도 2)를 통해 열교환기(26)에 연결된 공급 및 리턴 냉매 라인(30, 32)을 통해 냉매로 배출된다. 예컨대, 팬 또는 송풍기(28)는 열교환기(26) 내의 냉매로부터 주변 환경으로 열을 내보내기 위해 사용될 수 있다.
컨트롤러(34)는 전지 냉각을 조정하기 위해 자동차(10), 자동차 시스템(12) 및 냉각 시스템(18)의 다양한 컴포넌트들과 통신한다. (도시되지 않은) 센서 및 출력들이 컨트롤러(34)에 연결될 수 있다.
모듈(20)은 전지(14)의 표면(38)을 지지하는 저온측을 제공한다. 냉각판 어셈블리(40)는 DC/DC 컨버터(16)의 표면(42)과 유효하게 열적으로 접촉하는 고온측을 제공한다.
예시적인 모듈(20)은 도 2에 더 상세하게 도시되어 있다. 히트 스프레더(36)는 냉각측을 제공하고, 비교적 높은 열전달 효율을 가지는 알루미늄 또는 다른 재료로 이루어진다. 펠티에 소자와 같은 복수의 열전 소자(46)는 히트 스프레더(36)에 본딩되고 그것과 열적으로 접촉한다. 냉각판 어셈블리(40)는 고온측을 제공하는 히트 스프레더(36)의 반대측에서 열전 소자(46)에 본딩되고 그것과 열적으로 접촉하는 표면을 가진다. 본 명세서에서, 용어 "본딩된"은, 예컨대, 나사형 파스너에 의해 일시적으로 고정된 것과 달리, 접착제, 솔더(solder), 브레이즈(braze), 또는 다른 그러한 재료에 의해 영구적으로 붙여진 것을 의미한다.
도 2를 참조하면, 하나의 예의 모듈(20)은 p-n 재료(50, 52)의 펠릿(48)을 가지는 열전 소자(46)를 포함한다. 각각의 펠릿(48)은 제1 용융점을 가지는 납땜(56)에 의해 p-n 재료(50, 52)에 고정된 구리 패드(54)를 포함한다. 펠릿(48)은 이 또한 제1 용융점을 가지는 납땜(62)에 의해 고온측 및 저온측 기판(58, 60)에 고정된다. 저온측 및 고온측 기판(58, 60)은 각각 열 전도성이 높은 에폭시(64)에 의해 저온측 및 고온측 플레이트(66, 68)에 고정된다. 저온측 플레이트(66)는 제1 용융점보다 낮은 제2 용융점을 가지는 납땜(70)에 의해 히트 스프레더(36)에 고정된다. 하나의 예에서, 제1 용융점은 200℃-260℃의 범위 이내이고, 제2 용융점은 110℃-160℃의 범위 이내이다. 열전 소자(46)와 히트 스프레더(36) 사이의 경계에 열 포일을 제거하고 그 대신 납땜을 이용함으로써, 그 경계에서 대략 8배의 열전도성의 증가가 달성된다.
열 포일(72)은 고온측 플레이트(68)와 냉각판 어셈블리(40) 사이에 제공되어 컴포넌트들의 스택의 공차를 메운다. 열 포일(72)은 전형적으로 알루미늄 재료로 이루어지고, 하나의 예에서 그 양면에 고온측 플레이트(68)에 냉각판(40)을 고정시켜 일체형 모듈을 제공하는 접착제를 가진다.
도 2에 도시된 모듈(20)을 형성하는 예시적인 방법이 도 3 및 4에 도시되어 있다. 하나의 예에서, 저온측 어셈블리(74)는 서브어셈블리로서 제공될 수 있다. 저온측 어셈블리(74)는 하부 플래턴(lower platen)과 같은, 제1 구조(78) 상에 지지된다. 저온측 어셈블리(74)는 저온측 플레이트(66)와 그것에 에폭시(64)를 통해 고정된 저온측 기판(58)을 포함한다. 제1 용융점을 가지는 납땜(62)은 저온측 기판(58) 상에 인쇄될 수 있다. 그 다음, 펠릿(48)이 납땜(62) 위에 배치된다.
고온측 어셈블리(76)는 서브어셈블리로서 제공되고, 에폭시(64)에 의해 고온측 기판(60)에 고정된 고온측 플레이트(68)를 포함한다. 제1 용융점을 가지는 납땜(62)이 고온측 기판상에 인쇄된다.
제1 구조(78) 상에 배치된 저온측 어셈블리(74), 펠릿(48) 및 고온측 어셈블리(76)와 함께, 상부 플래턴과 같은 제2 구조(80)는 도 3에 도시된 바와 같이 열전 소자 컴포넌트의 어셈블리 위로 내려진다. 이러한 열전 소자 엘리먼트에 열 및 압력이 가해지면, 납땜(62)이 용융되어 어셈블리를 함께 고정시킨다. 열전 소자(46)가 형성된 후, 열전 소자(46)는 도 4에 도시된 바와 같이, 히트 스프레더 상에서 지지되고 제2 용융점을 가지는 납땜(70) 위에 배치된다. 이러한 컴포넌트들은 납땜(70)은 용융되지만, 납땜(62)은 재용융되지 않도록 납땜(62)의 용융점보다는 낮은 열 및 압력하에서 유지된다. 이러한 압력은 동작시 우수한 열효율을 제공하는, 열전 소자(46)에 대한 희망의 클램프 하중을 달성하도록 선택된다.
열 포일(72)은 모듈(20)을 제공하기 위해 냉각판 어셈블리(40) 및 열전 소자(46)에 적용될 수 있다.
도 6에 다른 모듈(120)이 도시되어 있다. 모듈(120)은 펠릿(48)에 히트 스프레더(36)를 고정시키는 에폭시(64)를 포함한다. 다른 층의 에폭시(64)는 열 포일(72)을 이용하여 냉각판(40)에 고정된 고온측 기판(66)에 펠릿(48)을 고정시킨다. 컴포넌트들은 도 3 및 4와 연관지어 앞서 서술한 것과 유사한 방식으로 열 및 압력 하에서 유지된다. 모듈(120)은 도 6에 도시된 바와 같이 전지(14)와 DC/DC 컨버터(16) 사이에 배치된다.
히트 스프레더(36) 및 냉각판 어셈블리(40)는 열전 소자(46)에 클램프 하중을 제공하는, 일체형 모듈을 제공하도록 본딩된 스택으로 서로 고정된다. 적어도 하나의 열 포일 층을 제거함으로써, 전지(14)와 같은 구조로 더 효율적으로 그리고 직접적으로 열이 전달될 수 있다. 모듈(20, 120)은 또한 스택의 조립을 단순화하고 비용을 절감시킨다.
동작에 있어서, 바람직하지 않은 전지 온도는 컨트롤러(34)에 의해 탐지된다. 열전 소자(46)는 전력을 공급받아, 전지(14) 부근의 히트 스프레더(36)로 전달되는 열전 소자(46)의 저온측을 만들어 내는데, 이는 컴포넌트들 간의 온도차를 증가시키고 그 사이의 열전달을 증가시킨다. 전지(14)로부터의 열은 히트 스프레더(36)로부터 열전 소자(46)를 통해 냉각판 어셈블리(40)로 바로 전달된다. 열은 또한 DC/DC 컨버터(16)로부터 냉각판 어셈블리(40)로 배출된다. 냉매는 냉각판 어셈블리(40)로부터 열을 주변 환경으로 내보내는 열교환기(26)로 순환되고 이러한 열 전달 속도는 송풍기(28)를 사용함으로써 증가될 수 있다.
특정한 컴포넌트 배열이 도시된 실시예에 개시되어 있으나, 다른 배열도 본 발명으로부터의 이익을 취할 수 있음을 이해해야 한다. 특정 단계 시퀀스가 도시되고 서술되고 청구되어 있으나, 다르게 언급되지 않았다면 이러한 단계들이 임의의 순서로, 개별적으로 또는 결합하여 수행될 수도 있으며 그 또한 본 발명으로부터의 이익을 취할 수 있음을 이해해야 한다.
각각의 예들이 도면에 도시된 특별한 컴포넌트를 가지지만, 본 발명의 실시예들은 그러한 특정한 조합으로 제한되지 않는다. 하나의 예에서의 몇몇 컴포넌트 또는 특징들을 다른 예에서의 컴포넌트 또는 특징과 조합하여 사용하는 것이 가능하다.
예시적인 실시예가 개시되었으나, 당업자들은 청구항의 범위 내에 속하는 어떤 수정들을 알 수 있을 것이다. 그러한 이유로, 아래의 청구항은 그 진정한 범위 및 내용을 결정하도록 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 컴포넌트를 열적으로 조절하기 위한 냉각 시스템으로서,
    전지;
    상기 전지를 지지하는 히트 스프레더;
    상기 히트 스프레더에 본딩된 복수의 열전 소자;
    상기 열전 소자와 유효하게 열적으로 접촉하는 냉각판 어셈블리; 및
    상기 냉각판 어셈블리와 상기 열전 소자를 상호 연결하는 열 포일을 포함하고,
    상기 냉각판 어셈블리는 상기 열전 소자에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 컴포넌트를 열적으로 조절하기 위한 냉각 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 열전 소자는 제1 용융점을 가지는 제1 납땜에 의해 저온측 및 고온측 기판에 고정된 p-n 재료를 포함하고, 상기 열전 소자는 상기 제1 용융점보다 낮은 제2 용융점을 가지는 제2 납땜에 의해 상기 히트 스프레더에 고정되는 것을 특징으로 하는 컴포넌트를 열적으로 조절하기 위한 냉각 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 저온측 기판에 에폭시에 의해 고정된 저온측 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴포넌트를 열적으로 조절하기 위한 냉각 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 고온측 기판에 에폭시에 의해 고정된 고온측 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴포넌트를 열적으로 조절하기 위한 냉각 시스템.
  7. 컴포넌트를 열적으로 조절하기 위한 냉각 시스템으로서,
    전지;
    상기 전지를 지지하는 히트 스프레더;
    상기 히트 스프레더에 본딩된 복수의 열전 소자; 및
    상기 열전 소자와 유효하게 열적으로 접촉하는 냉각판 어셈블리를 포함하고,
    상기 복수의 열전 소자는 제1 용융점을 가지는 제1 납땜에 의해 저온측 및 고온측 기판에 고정된 p-n 재료를 포함하고, 상기 열전 소자는 상기 제1 용융점보다 낮은 제2 용융점을 가지는 제2 납땜에 의해 상기 히트 스프레더에 고정되고,
    상기 p-n 재료는 상기 제1 납땜에 의해 저온 및 고온 패드에 고정되어 있고, 상기 저온 및 고온 패드는 각각 상기 제1 납땜에 의해 상기 저온측 및 고온측 기판에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 컴포넌트를 열적으로 조절하기 위한 냉각 시스템.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 제1 용융점은 200℃-260℃의 범위 이내이고, 상기 제2 용융점은 110℃-160℃의 범위 이내인 것을 특징으로 하는 컴포넌트를 열적으로 조절하기 위한 냉각 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 열전 소자는 에폭시에 의해 상기 히트 스프레더에 고정된 p-n 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴포넌트를 열적으로 조절하기 위한 냉각 시스템.
  10. 컴포넌트를 열적으로 조절하기 위한 냉각 시스템으로서,
    전지;
    상기 전지를 지지하는 히트 스프레더;
    상기 히트 스프레더에 본딩된 복수의 열전 소자; 및
    상기 열전 소자와 유효하게 열적으로 접촉하는 냉각판 어셈블리를 포함하고,
    상기 복수의 열전 소자는 에폭시에 의해 상기 히트 스프레더에 고정된 p-n 재료를 포함하고,
    상기 p-n 재료는 제1 용융점을 가지는 제1 납땜에 의해 저온 및 고온 패드에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 컴포넌트를 열적으로 조절하기 위한 냉각 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 p-n 재료는 상기 제1 용융점보다 낮은 제2 용융점을 가지는 제2 납땜에 의해 상기 히트 스프레더에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 컴포넌트를 열적으로 조절하기 위한 냉각 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제1 용융점은 200℃-260℃의 범위 이내이고, 상기 제2 용융점은 110℃-160℃의 범위 이내인 것을 특징으로 하는 컴포넌트를 열적으로 조절하기 위한 냉각 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각판 어셈블리와 유체 교류하는 열 교환기를 포함하는 냉각 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴포넌트를 열적으로 조절하기 위한 냉각 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 냉각판 어셈블리와 유효하게 열적으로 접촉하도록 배열된 DC/DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴포넌트를 열적으로 조절하기 위한 냉각 시스템.
  15. 일체형 열전 소자 및 냉각판 어셈블리 모듈을 조립하는 방법으로서,
    제1 용융점을 가지는 제1 납땜으로 p-n 재료를 저온측 및 고온측 기판에 본딩하는 단계;
    열전 소자를 히트 스프레더에 본딩하는 단계; 및
    상기 열전 소자를 냉각판 어셈블리에 본딩하는 단계를 포함하고,
    상기 열전 소자를 냉각판 어셈블리에 본딩하는 단계는 열 포일로 상기 열전 소자를 상기 냉각판 어셈블리에 본딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 열전 소자 및 냉각판 어셈블리 모듈을 조립하는 방법.
  16. 삭제
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 저온측 및 고온측 기판을 각각 저온측 및 고온측 플레이트에 본딩하는 단계를 포함하고,
    상기 열전 소자를 히트 스프레더에 본딩하는 단계는 상기 제1 용융점보다 낮은 제2 용융점을 가지는 제2 납땜으로 상기 저온측 플레이트를 상기 히트 스프레더에 본딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 열전 소자 및 냉각판 어셈블리 모듈을 조립하는 방법.
  18. 삭제
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 고온측 기판을 상기 열 포일에 에폭시로 본딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 열전 소자 및 냉각판 어셈블리 모듈을 조립하는 방법.
  20. 제 15 항에 있어서, 상기 저온측 기판을 상기 히트 스프레더에 에폭시로 본딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 열전 소자 및 냉각판 어셈블리 모듈을 조립하는 방법.
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