KR102077834B1 - 배터리 냉각용 쿨링 핀 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 전기의 공급을 위한 캐소드 탭과 어노드 탭을 일측면에 구비하고 있는 배터리 셀을 냉각하기 위한 쿨링 핀을 제안한다. 본 발명에서 제1플레이트(110)의 내측면에서는 오목한 제1채널홈(112)이 파형으로 다수개 반복 성형되고, 제1플레이트의 내측면과 접촉하는 제2플레이트(140)의 내측면에도 오목한 제2채널홈(142)이 파형으로 다수개 반복 성형되어 있다. 그리고 제1플레이트와 제2플레이트는 테두리부분을 포함하는 평면 부분이 브레이징에 의하여 일체화되고, 그 사이에서 냉각수 채널(120)이 형성된다. 제1채널홈의 파형과 제2채널홈의 파형은 소정의 위상차를 가지고 있어서, 서로 교차하는 다수의 교차 부분(Ca,Cb)이 만들어진다. 그리고 냉각수 입구는 캐소드 탭이 설치된 부분의 하단부에 형성되고, 냉각수 출구는 어노드 탭이 설치되는 부분의 하단부에 형성된다. 또한 제1플레이트와 제2플레이트의 중간부분에는 저면의 테두리부분에서 상방으로 일정 높이를 가지고 성형되는 칸막이가 성형되어, 전체적으로 역 U자형으로 냉각수가 흐르는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 냉각용 쿨링 핀{Cooling Fin for battery}

본 발명은 배터리를 냉각시키기 위한 쿨링 핀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 셀(Battery cell)의 효율적인 냉각을 위하여 냉매를 난류화시키면서 효율적으로 흐르게 할 수 있는 구성을 가지는 쿨링 핀에 관한 것이다.

재충전 가능한 전기 배터리는 자동차 분야를 비롯하여 다양한 기술 분야에서 사용되고 있다. 리튬 이온 배터리를 포함하는 대부분의 배터리 어셈블리는 다수의 배터리 셀을 구비하고 있는데, 이러한 다수의 배터리 셀을 효율적으로 냉각시키기 위한 냉각장치도 같이 설치되는 것이 일반적이다.

예를 들면 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차용이 냉각장치로 이용될 수 있는 쿨링 핀(Cooling fin)이 미국 특허 제9,196,935호로 등록된 바 있다. 도 1 및 도 2는 이러한 선행 기술의 설명을 위한 일부 도면이다. 도시된 바와 같이 다수의 배터리 셀(12) 및 쿨링 핀(14)이 교대로 배치되어 있어서, 각각의 배터리 셀(12)의 발열을 충분히 냉각시킬 수 있도록 설계되어 있음을 알 수 있다.

그리고 이러한 선행 기술에 의하면, 다수의 배터리 셀(12) 사이에 배치되는 쿨링 핀(14)은, 그 내부에 다수의 냉각수 채널을 구비하고 있고, 액체 냉각 시스템(16)에서 공급되는 냉각수가 이러한 냉각수 채널로 공급되어 배터리 셀(12)과 열교환을 이루도록 구성되고 있다.

이러한 선행 기술에 의하면, 쿨링 핀의 내부에 성형되어 있는 다수의 냉각수 채널을 통하여 냉각수가 순환하면서 배터리 셀을 냉각시키고 있다. 그러나 이러한 종래의 냉각수 채널을 살펴보면, 고온의 배터리 셀의 냉각을 냉각수의 용량에만 의존하고 있음을 알 수 있다. 그러나 냉각의 효율성을 높이기 위해서는 냉각수의 플로 레이트도 중요한 하나의 요소라고 할 수 있지만, 고려할 수 있는 다른 요소도 충분히 많이 있다고 생각된다.

본 발명의 목적은 냉각수의 부분적인 난류화를 통하여 냉각 효율이 가장 높은 쿨링 핀을 제공하는 것에 있다.

이와 같은 본 발명의 기술적 착상은, 냉각 효율을 높이기 위해서는 냉각수를 난류화시키는 것이 필요하고, 냉각수의 원활한 흐름을 위해서는 층류화시키는 시키는 것이 바람직하다는 점에 기초하고 있다고 할 수 있다.

본 발명은, 전기의 공급을 위한 캐소드 탭과 어노드 탭을 일측면에 구비하고 있는 배터리 셀을 냉각하기 위한 쿨링 핀이고, 제1플레이트의 내측면에서는 오목한 제1채널홈이 파형으로 다수개 반복 성형되고, 제1플레이트의 내측면과 접촉하는 제2플레이트의 내측면에도 오목한 제2채널홈이 파형으로 다수개 반복 성형된다. 그리고 제1플레이트와 제2플레이트는 테두리부분을 포함하는 평면 부분이 브레이징에 의하여 일체화되는데 여기서 제1플레이트와 제2플레이트의 사이에는 제1채널홈 및 제2채널홈에 의하여 냉각수 채널이 형성된다. 그리고 제1채널홈의 파형과 제2채널홈의 파형은 소정의 위상차를 가지고 있어서, 서로 교차하는 다수의 교차 부분이 만들어진다. 또한 냉각수 입구는 캐소드 캡이 설치된 부분의 하단부에 형성되고, 냉각수 출구는 어노드 캡이 설치되는 부분의 하단부에 형성된다. 제1플레이트와 제2플레이트의 중간부분에는 저면의 테두리부분에서 상방으로 일정 높이를 가지고 성형되는 칸막이가 성형되어, 전체적으로 역 U자형으로 냉각수가 흐르게 된다.

보다 구체적인 실시 예에 의하면, 제1채널홈의 파형과 제2채널홈의 파형은 π(180°)의 위상차를 가지도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 전기의 공급을 위한 캐소드 탭과 어노드 탭을 일측면에 구비하고 있는 배터리 셀을 냉각하기 위한 쿨링 핀이고; 제1플레이트의 내측면에서는 오목하게 성형되어 냉각수가 흐를 수 있는 제1채널홈이 상하 방향으로 다수개 반복 성형되고; 제1플레이트의 내측면과 접촉하는 제2플레이트의 내측면에도 오목하게 성형되어 냉각수가 흐를 수 있는 제2채널홈이 상하 방향으로 다수개 반복 성형된다. 그리고 제1플레이트와 제2플레이트는 테두리부분을 포함하는 평면 부분이 브레이징에 의하여 일체화되고; 하나의 제1채널홈은 적어도 두 개의 제2채널홈과 교차하는 다수의 교차부분이 형성되고, 이러한 교차부분(Ca,Cb) 사이에는 일측의 플레이트에 성형된 하나의 채널홈을 따라 유체가 흐르는 독립부분이 형성되는 것을 특징으로 한다.

이러한 실시 예에 있어서도, 냉각수 입구는 캐소드 캡이 설치된 측면에 형성되고, 냉각수 출구는 어노드 캡이 설치되는 측면에 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 실시 예에 있어서도, 제1플레이트와 제2플레이트의 중간부분에는 저면의 테두리부분에서 상방으로 일정 높이를 가지고 성형되는 칸막이가 성형되어, 전체적으로 역 U자형으로 냉각수가 흐르도록 구성되고 있다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의하면, 위상차를 가지는 파형으로 성형되는 채널홈이 서로 교차하는 교차 부분을 가지면서, 냉각수를 흘릴 수 있도록 구성되고 있음을 알 수 있다. 따라서 냉각수는 교차하는 부분에서 난류화되면서 냉각 효율을 높일 수 있고, 난류화된 후 독립 부분을 흐르면서 냉각수의 흐름을 최대한 확보할 수 있는 장점을 가질 수 있음을 알 수 있다.

그리고 칸막이에 의하면 본 발명의 쿨링 핀은 역 U자 형상으로 전체적인 냉각수의 흐름을 형성하게 되는데, 입구와 출구를 같은 하방에 배치함으로써 냉각수 공급장치와의 연결 구조를 간단하게 구현할 수 있음과 동시에, 냉각수 입구를 가장 많은 열이 발생하는 방향에 배치함으로써 냉각 효율을 최대한 확보할 수 있는 작용 효과도 기대된다.

도 1은 종래 기술에 의한 쿨링 핀을 설명하기 위한 설명도.
도 2는 본 발명 쿨링 핀의 일부 절개 사시도.
도 3은 본 발명 쿨링 핀의 두 개의 플레이트를 펼친 상태 예시도.
도 4는 본 발명 쿨링 핀의 내부 구성 및 배터리 셀을 예시한 예시도.

다음에는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다. 이하의 실시 예는 냉각수가 흐르는 채널홈이 파형을 가지는 것으로 성형되는 예를 설명하는 것이라고 할 수 있으나, 채널홈 자체의 형상은 도시한 파형 이외에도 서로 교차하는 범위 내에서 다양한 변형이 있을 수 있을 것이다.

본 발명의 쿨링 핀(100)은, 도 2에 도시한 바와 같이, 제1플레이트(110)와 제2플레이트(140)가 서로 결합되어, 그 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 냉각수 채널(120)을 형성하게 된다. 여기서 냉각수 채널(120)은, 제1플레이트(110)에 형성되는 제1채널홈(112)과 제2플레이트(140)에 형성되는 제2채널홈(142)에 의하여 만들어진다. 그리고 제1플레이트(110)와 제2플레이트(140)는 서로 접촉하는 면을 브레이징(Brazing)에 의하여 일체화시킴으로써, 하나의 쿨링 핀(100)이 얻어지도록 설계되고 있다.

다음에는 제1플레이트(110)와 제2플레이트(140), 그리고 이들의 마주보는 면에 성형되는 제1채널홈(112) 및 제2채널홈(142)에 대하여 구체적으로 살펴보기로 한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 제1플레이트(110) 및 제2플레이트(140)에서 서로 대향하는 면에는 냉각수가 흐르는 냉각수 채널홈(112,142)이 각각 성형되어 있다. 본 발명에서 이러한 채널홈(112,142)은 가로 방향으로 성형되어 있다. 그리고 채널홈(112,142)은 산과 골이 반복되는 파형으로 예를 들면 싸인파와 같은 형상을 가지고 있다. 이와 같은 파형을 가지는 채널홈(112,142)은 상하 방향으로 다수개가 적층(반복)되는 형태로 구성되고 있다.

이와 같이 각각의 채널홈(112,142)이 기본적으로 파형을 가지게 되면, 이러한 정형화되어 있는 파형을 따라서 흐르는 냉각수는 부분적으로 층류에 가까운 흐름을 보이게 되어, 기본적으로 냉각수의 흐름을 효율적으로 확보할 수 있게 될 것으로 생각된다. 그리고 제1플레이트(110)에 성형되는 제1채널홈(112)과 제2플레이트(110)에 성형되는 제2채널홈(142)은 기본적으로 위상차를 가지고 있다.

즉, 제1채널홈(112)의 파형 중에서 산에 대응하는 부분은 제2채널홈(142)의 파형 중에서 골에 대응하는 부분과 결합된다. 제1플레이트(110)와 제2플레이트(140)를 서로 접합시키면, 도 4에 도시한 바와 같은 형상을 가지게 된다. 도 4에서 확대도를 같이 참조하여 살펴보면, 제1플레이트(110)의 제1채널홈(112)과 제2플레이트의 제2채널홈(142)이 일정한 위상차를 가지고 서로 교차되도록 배치되어 있음을 알 수 있다.

제1채널홈(112)의 산에 대응하는 부분에는 제2채널홈(142)의 골이 위치하도록 배치되는 것은, 파형의 주기(T)를 2π(360°)라고 하면 하나의 채널홈(112 또는 142)이 π(180°)의 위상차를 가지는 파형의 배치라고 할 수 있다. 이러한 배열을 가지도록 제1채널홈(112)과 제2채널홈(142)이 배치되면, 도시한 바와 같이 교차부분(Ca,Cb)가 발생하게 된다. 그리고 이렇게 교차되는 교차부분(Ca,Cb) 사이에는 일측의 플레이트(110 또는 140)에 성형된 하나의 채널홈(112 또는 142)을 따라 유체가 흐르는 독립부분(t)이 만들어질 것이다.

여기서 상술한 교차부분(Ca,Cb)에서는 제1채널홈(112)을 따라 흐르는 냉각수와 제2채널홈(142)을 따라 흐르는 냉각수가 서로 만나게 되면서 난류가 만들어진다. 그리고 교차부분(Ca,Cb)에서 만들어진 난류는, 그 사이의 독립부분(t)을 따라 흐르면서 적어도 일부분은 층류화될 것이다. 즉, 본 발명에서는 이와 같이 교차부분(Ca,Cb)에서는 난류화를 유도함으로써 배터리 셀과의 열교환 효율을 최대화시킴과 동시에, 교차부분 사이의 독립부분(t)은 난류화된 냉각수가 조금이라고 효율적으로 흐를 수 있도록 하는 점에 착안하고 있음을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 냉각수 채널(120)은, 제1채널홈(112)으로 구성되는 부분과, 제2채널홈(142)으로 구성되는 부분, 그리고 제1채널홈(112)과 제2채널홈(142)이 서로 교차하는 부분으로 구성되고 있음을 충분히 이해할 수 있다.

여기서 하나의 제1채널홈(112)은 적어도 2개의 제2채널홈(142)과 교차하는 것이 바람직하다. 즉, 도 4의 확대도에서 확인할 수 있는 바와 같이, 하나의 제1채널홈(112)은, 두 개의 제2채널홈(142)과 다수의 부분에서 교차하도록 설계되고 있음을 알 수 있다. 이렇게 하나의 채널홈이 2개 이상의 다른 채널홈과 교차하게 되면, 실질적으로 냉각수의 흐름이 전체적으로 더욱 원활하게 흐르게 되는 결과를 가져오게 될 것을 충분히 이해될 수 있을 것이다.

상술한 바와 같은 채널홈(112,142)는 플레이트(110,140)의 마주보는 면에 오목하게 성형되는 것이다. 따라서 각 플레이트(110,140)의 채널홈(112,142)을 제외한 부분은 평면으로 형성되고, 이러한 평면 부분은 플레이트가 결합되면 서로 평면적으로 접촉하게 된다. 그리고 도 3에 도시한 바와 같이, 각 플레이트(110,140)의 마주보는 면의 둘레에는 서로 밀착될 수 있는 테두리부분(114,144)이 형성되어 있다.

위에서 설명한 테두리부분(114,144) 및 채널홈(112,142)을 제외한 평면 부분은, 두 장의 플레이트(110,140)가 접촉하면 서로 면접촉을 이루게 된다. 본 발명에서는 이렇게 면접촉하는 부분을 이용하여 브레이징을 수행함으로써, 쿨링 핀을 완성하도록 구상하고 있다. 이와 같은 브레이징이 완료되면, 테두리부분(114,144)에 의하여 그 내부에는 상술한 바와 같은 냉각수 채널(120)이 만들어진다.

그리고 본 발명에 의하면, 냉각수 순환을 위한 구조의 편의를 위하여 하단부 일측에는 냉각수 입구(118,148)를 형성하고 있고, 하단부 타측에는 냉각수 출구(122,132)을 형성하고 있다. 그리고 입구(118,148)를 통하여 들어간 냉각수는 상술한 바와 같은 채널(120)을 통하여 순환한 후, 출구(122,132)를 통하여 외부로 배출된다. 여기서 쿨링 핀의 내부를 순환하는 냉각수의 순환 경로를 형성하기 위하여, 쿨링핀의 중간 부분에는 테두리(114,144)의 저면에서 상방으로 일정 높이로 칸막이(120,122)가 형성되어 있다.

따라서 냉각수 입구(118,148)로 들어간 냉각수는, 전체적으로 칸막이(120,122)의 좌측 하단부에서 상방으로 올라간 후, 도면상 우측의 상부로 흐르게 된다. 그리고 우측 상부에서는 칸막이(120,122)의 우측 하부로 내려오게 됨을 알 수 있다. 이와 같은 냉각수의 흐름 경로는 칸막이(120,122)를 기준으로 하여 역U자 형상을 그리면서 흐르게 된다. 이러한 흐름 과정에서, 상술한 바와 같인 제1채널홈(112) 및 제2채널홈(142)을 따라 흐르면서 교차되는 부분에서 난류화됨은 상술한 바와 같다.

이상에서와 같이 전체적인 냉각수의 흐름은 입구에서 출구까지 역 U자 형상을 가지고 흐르고 있으며, 각각의 부분에서는 냉각수 채널(120)을 형성하는 제1채널홈(112) 및 제2채널홈(142) 내부를 따라 흐르면서 서로 교차하면서 난류화되고, 난류화된 후 다시 하나의 채널홈(112 또는 142)을 따라 효율적으로 흐르는 과정을 반복하게 됨을 알 수 있다. 이러한 칸막이는 전체적인 냉각수 통로를 구성하기 위한 것으로, 플레이트의 어느 일측 이상에 성형되는 것으로 충분할 것이다.

그리고 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 칸막이(120,122)의 상부에는 채널홈(112,142)의 파형이 끊어져 있으나, 이렇게 끊어져 있더라도 반대측 플레이트의 파형이 있기 때문에 냉각수의 유로는 연결되는 것은 당연하다. 그러나 이러한 부분에도 채널홈(112,142)을 연속하도록 성형하는 것도 가능함은 물론이다.

도 4에는 본 발명에서, 제1채널홈(112) 및 제2채널홈(142)으로 구성되는 냉각수 채널(120)이 도시된 쿨링 핀(100)과 배터리 셀(Bc)이 같이 도시되어 있다. 이러한 배터리 셀(Bc)은 외부로 전류를 공급하기 위한 캐소드 탭(Ct)과 어노드 탭(At)이 일측에 설치되어 있다. 이러한 배터리 셀(Bc)이 동작하게 되면 열이 발생하게 되는데, 이러한 열의 발생은 캐소드 탭(Ct)과 어노드 탭(At)이 설치되어 있는 영역(도 4를 기준으로는 상부 영역)이 하부 영역에 비하여 많이 발생한다고 알려져 있다. 그리고 같은 상부 영역 중에서는 캐소드 탭(Ct)이 설치되어 있는 영역이 어노드 탭(At)이 설치된 영역보다 열이 많이 나는 것으로 알려져 있다.

따라서 본 발명에서는, 쿨링 핀의 하단부에 냉각수 입구와 냉각수 출구를 설치하되, 캐소드 탭(Ct)이 설치된 부분에 입구(118,148)로 설정하고 어노드 탭(At)이 설치된 측에 출구(122,132)를 형성하고 있다. 따라서 최초 투입된 냉각수는 가장 발열 많다고 할 수 있는 영역인, 캐소드 탭(Ct)이 설치된 상부 영역으로 바로 이동할 수 있게 되어, 보다 효율적인 냉각을 가능하게 할 수 있을 것으로 기대된다.

본 발명의 쿨링 핀을 구성하고 있는 제1플레이트 및 제2플레이트는, 위에서 언급한 바와 같이 브레이징에 의하여 접촉면이 일체화되는 것으로 만들어진다. 브레이징 가능한 것으로 가장 대표적인 재질인 알미늄으로 만들어질 수 있을 것이고, 이는 열교환의 효율성 측면에서도 상당히 유리한 점이 있을 것임은 당연히 이해될 수 있을 것이다.

이상에서와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 범윈 내에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 여러 가진 다른 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 보호범위는 첨부한 특허청구범위의 기재에 기초하여 해석되어야 할 것임은 특허법의 규정 취지상 당연하다고 판단된다.

100 ..... 쿨링 핀
110 ..... 제1플레이트
112 ..... 제1채널홈
118, 148 ..... 냉각수 입구
120 ..... 냉각수 채널
122, 132 ..... 냉각수 출구
140 ..... 제2플레이트
142 ..... 제2채널홈

Claims (5)

1. 전기의 공급을 위한 캐소드 탭과 어노드 탭을 상부에 각각 구비하고 있는 배터리 셀을 냉각하기 위한 쿨링 핀이고, 제1플레이트의 내측면에서는 오목한 제1채널홈이 가로 방향의 파형으로 다수개 반복 성형되고, 제1플레이트의 내측면과 접촉하는 제2플레이트의 내측면에도 오목한 제2채널홈이 가로 방향의 파형으로 다수개 반복 성형되며;
   제1플레이트와 제2플레이트는 테두리부분을 포함하는 평면 부분이 브레이징에 의하여 일체화되고, 상기 제1플레이트와 제2플레이트는 제1채널홈 및 제2채널홈에 의하여 그 사이에서 냉각수 채널이 형성되며, 제1채널홈의 파형과 제2채널홈의 파형은 소정의 위상차를 가지고 있어서 서로 교차하는 교차 부분이 다수 만들어지고;
   냉각수 입구는 캐소드 탭이 설치된 부분의 하단부에 형성되고 냉각수 출구는 어노드 탭이 설치되는 부분의 하단부에 형성되며, 제1플레이트와 제2플레이트의 중간부분에는 저면의 테두리부분에서 상방으로 일정 높이를 가지고 성형되는 칸막이에 의하여 전체적으로 역 U자형으로 흐르는 냉각수는 캐소드 탭을 냉각시킨 후 어노드 탭을 냉각시키는 배터리 냉각용 쿨링 핀.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제

Images