KR102293590B1

KR102293590B1 - 전기항공기의 배터리용 열관리모듈

Info

Publication number: KR102293590B1
Application number: KR1020200184323A
Authority: KR
Inventors: 공유찬
Original assignee: 공유찬
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2021-08-24
Also published as: WO2022145969A1

Abstract

본 발명은 전기항공기의 배터리용 열관리모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모재와 상기 모재의 일면에 배치되는 방열핀 및 상기 모재의 타면에 배치되며 방열대상체에 맞닿게 배치되는 열전달부재를 포함하여 방열대상체의 열을 관리하되, 모재와 방열핀 및 열전달부재에 각각 중공을 형성하고, 형성된 중공에 작동유체를 충진하여 방열 효과를 극대화하고, 상기 모재와 방열핀 및 상기 모재와 열전달부재는 브레이징(Brazing) 공법을 통해 일체로 결합되어 종래 압출 또는 주조에 의해 제조되는 과정에서 발생하는 문제점을 해결한 전기항공기의 배터리용 열관리모듈에 관한 것으로, 이를 위한 본 발명은, 길이 방향으로 연장되며 편평한 플레이트 형태로 이루어진 모재; 상기 모재의 일면에 배치되되 상호 간격을 두고 배치되는 다수 개의 방열핀; 상기 모재의 타면에 배치되며 방열대상체와 직접 맞닿는 열전달부재;를 포함하고, 상기 모재와 상기 방열핀과 상기 열전달부재는 각각 내부에 빈 중공이 형성되며, 상기 중공에는 작동유체가 충진되어 상기 방열대상체에서 발생한 열을 상기 방열핀측으로 전달하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기항공기의 배터리용 열관리모듈{Thermal management module for battery of electric aircraft}

본 발명은 전기항공기의 배터리용 열관리모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모재와 상기 모재의 일면에 배치되는 방열핀 및 상기 모재의 타면에 배치되며 방열대상체에 맞닿게 배치되는 열전달부재를 포함하여 방열대상체의 열을 관리하되, 모재와 방열핀 및 열전달부재에 각각 중공을 형성하고, 형성된 중공에 작동유체를 충진하여 방열 효과를 극대화하고, 상기 모재와 방열핀 및 상기 모재와 열전달부재는 브레이징(Brazing) 공법을 통해 일체로 결합되어 종래 압출 또는 주조에 의해 제조되는 과정에서 발생하는 문제점을 해결한 전기항공기의 배터리용 열관리모듈에 관한 것이다.

일반적으로 배터리 또는 반도체 소자 또는 조명수단(이하 ‘방열대상체’라 지칭함)과 같이 동작 중 열이 발생하고 발생한 열이 지나치게 높으면 성능에 영구적인 변화를 일으켜 오동작하거나 파괴되는 문제가 발생하며 폭발 또는 화재에 의한 사고가 발생하는 원인이 되고 있다.

따라서 이러한 방열대상체에는 온도를 관리하기 위한 방열모듈이 구비되는데, 일 예로 히트싱크가 있다.

통상적으로 히트싱크는 열전도성이 우수한 은, 구리, 금, 알루미늄을 소재로 하여 제조되며 이 중 은과 구리는 경제성 측면에서 비용이 많이 들고 부식성과 기계적 강도가 낮기 때문에 대부분의 히트싱크 소재로는 특별한 경우를 제외하고는 알루미늄 소재를 많이 활용한다.

알루미늄은 가볍고 가공성이 뛰어나 판이나 압출 또는 주조 형태로 여러 가지 형상을 만들 수 있고 표면처리가 가능한 장점이 있다.

이러한 알루미늄을 소재로 하여 제작한 히트싱크의 제작 유형을 살펴보면 알루미늄 판재를 프레스로 기계 가공하여 여러 가지 형상으로 만드는 판형과 알루미늄을 반용해 상태로 금형에 투입하여 제조하는 주조형이 있다.

이 중 주조형은 성형될 때 유동성을 높이기 위하여 첨가물질을 알루미늄 용액 속에 넣기 때문에 열전도도가 판형에 비해 낮은 단점이 있으며 판형은 알루미늄이 사용용도에 따라 다양한 등급을 갖기 때문에 열전도가 다양하지만 보통 주조형에 비해 열전도도가 1.5~2배 정도 높다.

또한 주조형은 금형구조상 외부로 노출되는 핀 간격을 조밀하게 배열할 수 없는 단점이 있는데, 이러한 단점을 해결하기 위하여 베이스플레이트와 방열핀을 각각 별도로 형성한 후 베이스플레이트에 방열핀을 촘촘하게 심어서 접착하는 접착형(bonded type)이 제안되었다.

이러한 접착형은 가공비가 주조형에 비해 상대적으로 증가하나 강제대류 냉각방식일 경우 방열 효율이 향상되는 장점이 있다.

상기의 종래 히트싱크는 방열핀이 베이스플레이트에서 외측으로 단순히 돌출된 상태에서 외기에 접하면서 베이스플레이트로부터 열을 전도받아 방출하게 되는데, 방열효과는 한계가 있고, 방열효과를 높이기 위해서는 방열핀의 높이를 높이거나 간격을 더 촘촘하게 배치해야 하는데 이러한 방열핀의 높이 및 간격은 방열대상체의 형태 및 히트싱크가 배치되는 환경에 의해 제한되는 문제점이 있었다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 제안된 다른 기술로는 히트파이프라 불리는 방열모듈이 있는데, 히트 파이프는 외관 케이스인 금속관의 내부를 진공으로 형성하고, 열에 민감한 작동 유체를 삽입한 것이다.

이러한 히트 파이프는 일측에 열을 가하면 금속관의 내부에서 작동 유체가 증기 상태로 변해 열을 가하지 않은 타측 방향으로 이동하면서 금속관 전체에 열을 전달하게 되는 것으로, 액체가 기체로 바뀌는 증발과 기체가 액체로 응축될 때 흡수 및 방출되는 높은 잠열(潛熱)을 이용하여 순간적으로 대량으로 열을 이동시킬 수 있는 것이다.

여기서 히트 파이프의 내부 공간에는 윅(wick)이라고 다공질 물질이 구비되며, 이는 금속관의 축 방향을 따라 일측에서부터 타측까지 내장되어 일측에서 흡수되는 열이 작동 유체를 기화시키고, 타측으로 상승하여 열을 방출한 후, 윅의 기공을 통하여 모세관 현상 및 중력에 의해 다시 원지점으로 복귀되는 사이클에 의해 히트 파이프를 내장한 방열대상체의 냉각이 이루어지는 것이다.

이러한 히트 파이프는 상술한 히트싱크로 기능하여 고성능 컴퓨터에서 중앙연산 처리기인 CPU등과 같은 고열의 발열성 전자부품 등에 냉각기로 설치되거나 냉장고 또는 에어컨 등에서 열을 흡수하는 열교환기로 설치된다.

한편, 고체 연료를 사용할 때 발생하는 이산화탄소는 대기를 오염시켜 인체는 물론 동식물의 생존 및 생장에 악영향을 주기 때문에 근래에 들어서는 친환경 에너지를 이용하는 장치가 제공되고 탄소배출을 제한하는 국제적인 조약 및 협약을 통해 장기적으로는 국가 단위에서 이산화탄소 배출을 제한하는 정책이 제안 및 실시되고 있다.

여기서 친환경 에너지 중 대표적으로 태양광, 풍력, 해양(조력,파력), 지열과 같이 고체 연료를 사용하지 않고 자연환경을 이용하여 생산한 전기 에너지가 있고, 이러한 전기 에너지는 배터리의 성능 향상과 함께 활용 범위가 넓어지고 있다.

일 예로 배터리를 에너지로 하여 이동하는 전기자동차가 실용화되어 주행하고 있는데, 전기자동차는 배터리의 성능 향상과 더불어 점차 점유도가 높아지고 있으며, 전기 에너지를 이용한 전기항공기도 실용화를 위해 개발 및 실험이 진행되고 있다.

이때 전기항공기의 경우 배터리에 충전된 전기를 모두 사용하더라도 배터리의 무게는 변동이 거의 없기 때문에 운항 중에 필요한 에너지가 항공유를 사용하는 것에 상대적으로 많이 필요한 단점이 있다.

따라서 전기항공기에 사용되는 배터리는 고출력, 고효율 및 소형화가 구현되야 하고, 이때 배터리에서 발생한 열을 외부로 방출하기 위한 방열모듈도 고온의 열을 신속하게 외부로 배출할 수 있어야 한다.

즉, 배터리가 고효율 및 고출력의 성능을 가지고 소형화된 형태인 경우 동작 중 고온의 열이 발생하기 때문에 종래의 히트 싱크 또는 히트 파이프만으로는 고온의 열을 신속하게 외부로 방출할 수 없고, 특히 배터리의 형태가 소형화 될수록 방열모듈을 배치할 수 있는 공간도 작아지기 때문에 종래의 히트싱크를 포함한 방열모듈로는 방열효과를 기대할 수 없었다.

한편 대한민국 등록특허 제10-0554096호(2006.02.14., 등록)와 대한민국 등록실용신안 제20-0357563호(2004.07.19., 등록)에서는 액체 또는 유체가 내장된 히트싱크를 제공하고 있는데, 상기 종래기술은 상술한 히트 파이프의 구조를 이루어지기 때문에 전기항공기에서 사용하는 배터리에서는 방열효과를 기대하기 어려운 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제10-0554096호(2006.02.14., 등록) 대한민국 등록실용신안 제20-0357563호(2004.07.19., 등록)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고 전기항공기의 배터리에서 발생한 열을 외부로 신속하게 방출하여 방열효과를 높이기 위해 제안된 것으로, 고출력 및 고성능을 가지고 소형화된 전기항공기의 배터리에서 발생한 열을 외부로 신속하게 방출할 수 있고, 특히 다수 개의 배터리가 이웃하게 배치된 배터리모듈에 구비되되 배치된 각각의 배터리와 직접 접촉하여 열을 전달 받아 이를 외부로 방출함으로써 안정적인 배터리의 열관리가 가능한 전기항공기의 배터리용 열관리모듈를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 모재와 방열핀 및 열전달부재를 각각 별도로 형성한 후 이를 브레이징 공법을 통해 일체화함으로써 주조형에 비해 방열핀의 높이 및 간격을 자유롭게 조절할 수 있어 활용 범위가 넓으면서도 방열 효율이 높은 전기항공기의 배터리용 열관리모듈을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 모재와 방열핀 및 열전달부재에 각각 중공을 형성하고 형성된 중공에 작동유체를 충진하여 방열 효과를 극대화하되, 충진되는 작동유체에 분말 형태의 메탈 또는 비메탈 소재를 혼합하여 작동유체가 기화 후 다시 응축될 때 중공을 구성하는 내벽에 응고되는 것을 방지할 수 있어 방열 효율을 유지할 수 있는 전기항공기의 배터리용 열관리모듈을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 길이 방향으로 연장되며 편평한 플레이트 형태로 이루어진 모재;

상기 모재의 일면에 배치되되 상호 간격을 두고 배치되는 다수 개의 방열핀;

상기 모재의 타면에 배치되며 방열대상체와 직접 맞닿는 열전달부재;를 포함하고,

상기 모재와 상기 방열핀과 상기 열전달부재는 각각 내부에 빈 중공이 형성되며,

상기 중공에는 작동유체가 충진되어 상기 방열대상체에서 발생한 열을 상기 방열핀측으로 전달하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 작동유체는, 증발잠열(蒸發潛熱, Latent Heat Of Vaporization)이 400kJ/kg 이하이며, 비인화성이고, 어는점은 -40℃ 이하인 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 작동유체는, 분말 형태의 메탈 또는 비메탈을 작동유체 전체 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하로 혼합한 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 작동유체는, 입자의 최대 크기가 100nm 이하인 구형 또는 타원형의 알루미나(AL203) 나노 입자를 전체 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하로 혼합한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 작동유체는, 입자의 최대 크기가 100nm 이하인 카본나노튜브(CNT)가 전체 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하로 혼합된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 중공은, 상기 모재와, 방열핀 및 열전달부재에 각각 형성되되, 다수 개가 상호 독립적으로 구획되어 독립된 각각의 구역에 상기 작동유체가 충진되거나 또는 상호 거리를 두고 배치된 다수 개의 격벽을 통해 구획되되 상기 격벽에 의해 구획된 중공은 충진된 작동유체가 상호 이동 가능하도록 연통된 것 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 모재와 상기 방열핀은, 알루미늄 1050계열 또는 알루미늄 1070계열 또는 알루미늄 1100계열 또는 알루미늄 3003계열 또는 알루미늄 6005계열 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방열핀은, 엘라스토머(Elastomer) 또는 클래드 판재(Clad sheet) 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어진 본 발명은, 고출력, 고성능 및 소형화된 전기항공기의 배터리에 배치되어 배터리에서 발생한 열을 신속하게 외부로 방출함으로써 배터리의 충방전 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 배터리의 성능 저하를 방지하고 내외부 요인에 의한 배터리 폭발 시 연쇄폭발을 미연에 방지할 수 있어 안전성을 극대화한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 모재와 방열핀 및 열전달부재를 각각 별도로 형성한 후 이들을 브레이징 공법을 통해 일체화함으로써 방열핀의 높이를 높게 하고 상호간의 간격을 촘촘하게 배치할 수 있어 방열 효율을 높일 수 있고, 모재와 방열핀 및 열전달부재에 각각 중공을 형성하고 형성된 중공에 작동유체를 충진하여 방열 효율을 극대화한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전기항공기의 배터리용 열관리모듈을 도시한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 전기항공기의 배터리용 열관리모듈의 사용 상태를 도시한 예시도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모재와 방열핀의 구조를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달부재를 도시한 예시도.
도 5는 본 발명을 구성하는 중공의 실시예를 도시한 예시도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방열핀을 도시한 예시도.

이하, 상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전기항공기의 배터리용 열관리모듈의 바람직한 구현예를 설명하도록 한다.

먼저 본 발명에 따른 전기항공기의 배터리용 열관리모듈(1)은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 길이 방향으로 연장되며 편평한 플레이트 형태로 이루어진 모재(10)와, 상기 모재(10)의 일면에 배치되되 상호 간격을 두고 배치되는 다수 개의 방열핀(20)과, 상기 모재(10)의 타면에 배치되며 방열대상체(100)와 직접 맞닿는 열전달부재(30)를 포함하며, 상기 모재(10)와 방열핀(20) 및 열전달부재(30)에 각각 형성된 중공(40)과, 상기 중공(40)에 충진된 작동유체(50)를 더 포함한다.

상기 모재(10)는 길이 방향 및 폭 방향으로 연장된 플레이트 형태로 이루어지되, 여기서 모재의 길이 및 폭은 방열대상체(100)인 배터리 또는 다수 개의 배터리가 서로 이웃하게 배치된 배터리모듈의 길이와 폭에 대응하도록 형성되는 것으로 도시된 길이 및 폭에 한정되지 않음은 물론이다.

또한 상기 모재(10)는 사각형태의 플레이트 이외에도 원형, 다각형 등 다양한 형태로 변경 가능하며 이러한 모재의 형태는 상술한 바와 같이 배터리 또는 배터리모듈의 형태에 대응하여 변경된다.

한편 상기 모재(10)의 두께는 후술하는 방열핀(20) 및 열전달부재(30)에 비해 상대적으로 두꺼운 것이 바람직한데, 이는 모재(10)는 방열대상체(100)에 직접 또는 간접적으로 고정되는 과정에서 견고한 고정력을 획득함과 동시에 방열대상체에서 발생한 열에 의한 변형을 최소화하기 위한 것이다. 물론 이러한 모재(10)의 두께에 대한 특별한 규정은 없고 배치되는 환경에 따라 다양하게 변경 가능함은 물론이다.

상기 방열핀(20)은 상기 모재(10)의 일면에 배치되는 것으로, 상기 모재(10)의 길이 방향에 대하여 직각으로 수직하게 배치되며 상호 간에 간격을 두고 다수 개가 배치된다.

이러한 방열핀(20)은 사각의 판재형태로 이루어질 수 있으나 이는 하나의 실시예이며 파형(wave) 또는 원형 또는 다각형 등 다양한 형태로 변경 가능하다.

그리고 상기 방열핀(20)의 다른 실시예로서 하단에서 상단을 향할수록 점진적으로 좁아지는 단면적을 가지는 쐐기 형태로 이루어져 외부와 맞닿는 접촉면을 극대화한 형태로 이루어질 수 있다.

그리고 상기 방열핀(20)은 도시된 바와 같이 다수 개가 상기 모재(10)의 일면에 상호 간격을 두고 배치되는데, 여기서 인접한 방열핀 사이의 거리는 2~15mm 범위 내에서 결정되는 것이 바람직하며, 이는 방열핀 사이의 거리가 2mm 미만인 경우 방열핀에서 방출되는 열이 인접한 타 방열핀으로 전도됨으로써 방열 효과가 낮아지는 문제점이 있고, 방열핀 사이의 거리가 15mm를 초과하는 경우 모재에 배치할 수 있는 방열핀의 개수가 제한됨으로써 방열 효율이 낮은 문제점이 있기 때문이다.

한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방열핀을 도시한 것으로, 방열핀의 하단 즉 모재와 맞닿는 부위를 모재와의 접촉 면적을 넓히기 위하여 절곡 형성한 것이다.

도 6에서는 방열핀의 하단부가 일측으로 절곡된 것을 도시하였으나 이는 하나의 실시예이며 방열핀의 하단이 양측으로 모두 확장되는 형태로 이루어질 수 있다.

상기 도 6에 도시된 바와 같이 모재와의 접촉 면적을 넓힘으로써 열전도 효율을 극대화할 수 있고, 이를 통해 방열 효과를 높일 수 있고, 나아가 모재와 방열핀의 일체화를 더 용이하게 이루어질 수 있다.

한편, 상기 모재(10)와 상기 방열핀(20)은 각각 별도로 형성된 이후 브레이징(Brazing) 공법을 통해 일체로 결합될 수 있는데, 여기서 브레이징 공법은 두 개의 금속을 접합하는 방법 중 하나로써, 모재(10)에 방열핀(20)을 접하도록 배치한 후 용가재를 고온에서 녹여서 모재와 방열핀을 접합하는 방법이다.

이러한 브레이징 공법은 공지의 것이므로 상세한 도시 및 설명은 생략하도록 한다.

그리고 상기 모재(10)와 상기 방열핀(20)은 방열대상체(100)의 열의 전도 및 방출 효율을 높이기 위하여 알루미늄 1050계열 또는 알루미늄 1070계열 또는 알루미늄 1100계열 또는 알루미늄 3003계열 또는 알루미늄 6005계열 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.

알려진 바와 같이 알루미늄은 열전도율이 높고 내부식성이 강하며 가공성이 우수하며 이와 함께 가격이 은, 구리 등에 비해 저렴하여 경제성이 높은 장점이 있다.

본 발명에서 모재 또는 방열핀 또는 이들 모두의 소재로 사용하는 알루미늄은 알루미늄(순도99.0% 이상)인 1050계열 또는 1070계열 또는 1100계열 중 어느 하나를 이용할 수 있는데, 이러한 알루미늄 1XXX 계열은 순수 알루미늄으로서 전기 전도성 및 열전도성이 뛰어난 장점이 있는 반면 강도가 낮고 또한 가격이 상대적으로 고가인 단점이 있다.

알루미늄 3003계열은 알루미늄-망간계 합금으로써 순수 알루미늄에 비해 상대적으로 열전도율이 낮은 단점이 있으나 강도가 높아 가공성이 우수하며 내식성이 우수한 장점이 있다.

또한 알루미늄 6005계열은 알루미늄-마그네슘-실리콘의 합금으로써 강도와 내식성이 양호하며 특히 강도가 높기 때문에 가구나 자전거 프레임 또는 바퀴휠곽 같은 구조재로 사용되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 모재와 방열핀은 알루미늄을 소재로 하여 형성되되 소재로 선택되는 알루미늄 중 비열처리 합금으로서 선택하는 계열은 방열핀의 높이, 배치시 상호간의 간격 및 발열대상체에서 발생하는 열의 최고온도 등을 고려하여 선택된다.

한편 상기 방열핀(20)은 상술한 알루미늄 계열의 소재 이외에도 엘라스토머(Elastomer) 또는 클래드 판재(Clad sheet) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

여기서 엘라스토머는 열가소성, 열전도성의 특성을 가지는 것을 상기 모재의 일면에 접합하는 형태로 배치한 것으로, 본 발명에서 열가소성 엘라스토머로는 열전도도가 15W/mK 이상인 엔지니어링플라스틱 또는 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer), EPM(Ethylene Propylene Monomer), EPD(Ethylene Propylene Dicyclo pentadiene), EPR((Ethylene Propylene Rubber), NBR(Nitrile Butadiene Rubber), SBR(Styrene Butadiene Rubber), SBS(Styrene Butadiene Styrene), SES(Styrene Ethylene Styrene), SIS(Styrene Isoprene Styrene), SEPS(Styrene Ethylene Propylene Styrene), SEBS(Styrene Ethylene Butylene Styrene) 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상인 것을 포함한다.

그리고 상기 열가소성 엘라스토머만로 방열핀이 이루어지는 경우 모재(10)와의 결합은 인서트 사출 또는 일반 사출 방식을 이용하여 제조된다.

그리고 상기 클래드 판재는 두 가지 이상의 금속재료의 표면을 금속학적으로 접합하여 일체화시킨 적층형의 복합 강판으로서, 본 발명에서 사용되는 금속재료는 상술한 알루미늄 또는 알루미늄 합금 또는 구리 또는 스테인레스 중 선택될 수 있고, 선택된 두 가지 이상의 금속재료를 적층하고 이후 열을 가하여 예열한 후 교차 압연하는 방법으로 일체화시킬 수 있다. 또한 본 발명에서 클래드 판재는 일면 또는 양면으로 이루어질 수 있는 것으로 일면 클래드 판재는 두 가지의 금속을 접합하여 일체화한 것이며, 양면 클래드 판재는 하나의 판재의 양면에 각각 금속을 접합하여 일체화한 것이다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 모재와 방열핀의 결합은 다양한 변형예가 있는데, 도 3의 (a)는 상기 모재에서 후술하는 열전달부재(30)가 결합하는 면에 히트파이프가 배치된 실시예이며, 도 3의 (b)는 상기 모재를 히트파이프 형태로 형성한 것을 도시한 것이다.

즉, 도 3의 (a)는 열전달부재와의 열전도율을 높이고 동시에 방출 효과를 기대하기 위하여 열전달부재가 접하는 면에 히트파이프를 배치한 것이고,

도 3의 (b)는 모재를 히트파이프 형태로 형성하여 열전도율 및 방출 효율을 높일 수 있는 실시예이다.

상기 열전달부재(30)는 상기 모재(10)의 타면에 배치되며 방열대상체(100)와 직접 맞닿아 방열대상체에서 발생한 열을 전달 받아 모재(10)측으로 전달하는 것으로, 도면 중 도시된 바와 같이 상기 모재(10)와 결합되는 결합부(31)와, 상기 결합부(31)에서 연장 형성되며 방열대상체(100)와 맞닿는 열전달부(32)를 포함한다.

상기 결합부(31)는 편평한 플레이트 형태로 이루어져 모재(10)와 면접촉하며 상술한 브레이징 공법을 통해 모재(10)와 일체화된다.

상기 열전달부(32)는 상기 결합부(31)로부터 연장 형성되되 방열대상체(100)를 향하도록 연장되되 이때 방열대상체(100)의 위치에 따라 절곡될 수 있다.

그리고 상기 결합부(31)는 도 4에 도시된 바와 같이, 방열대상체(100)를 기준으로 한 쌍의 모재(10)가 상호 대칭되게 배치될 때 각각의 모재(10)에 결합할 수 있도록 상기 열전달부(32)의 길이 방향 양단에 각각 형성될 수 있다.

이러한 열전달부재(30)는 상술한 알루미늄을 소재로 하여 형성되어 방열대상체(100)에서 발생한 열을 전달 받아 모재(10)측으로 전달함으로써 방열대상체의 열을 관리한다.

특히 모재(10)만 방열대상체(100)에 맞닿은 상태에서 방열대상체의 열을 전도하는 것에 비해 열전달부재(30)의 열전달부(32)가 방열대상체(100)에 맞닿기 때문에 접촉면적이 넓어 상대적으로 열전도율이 높아지고 이를 통해 방열효과를 높일 수 있다.

한편 상기 열전달부재(30)는 상술한 알루미늄 소재 이외에도 스테인레스를 소재로 하여 형성할 수 있는데, 이는 방열대상체에 직접 맞닿는 특성을 고려하여 열전도율이 높으면서도 열에 의한 변형이 적은 스테인레스를 소재로 하여 형성할 수 있다.

이어서 상기 열전달부재(30)의 두께 및 폭은 맞닿는 방열대상체의 개수 및 방열대상체 사이의 간격에 따라 변경될 수 있는데, 일 예로 열전달부재의 두께는 0.8~2.0mm이며 폭은 50~250mm로 이루어져 방열대상체의 일면과 맞닿고, 맞닿은 상태에서 인접한 방열대상체와의 거리가 2~15mm 범위내에 배치됨으로써 방열 효율을 높일 수 있다.

한편, 상기 모재(10)와 상기 방열핀(20)과 상기 열전달부재(30)는 각각 내부에 중공(40)이 형성되는데, 상기 중공(40)은 각각의 구성의 내부를 다채널관 형태로 이루어지며, 이를 위해 상기 모재(10)와 방열핀(20)과 열전달부재(30)는 각각 압출 공정을 거쳐 형성되는 것이 바람직한데, 압출 공정은 대량생산이 가능하고 소정의 길이만큼 형성하는 것이 용이하며, 내부에 중공(40)을 형성한 상태로 제조가 가능하다.

상기 중공(40)은 내부가 빈 상태로 이루어진 것으로 내부에 잔존하는 공기가 열을 전달하는 매개체의 역할을 하며 동시에 모재, 방열핀, 열전달부재의 하중을 줄임으로써 경량화를 기대할 수 있다.

한편, 상기 중공(40)은 상기 모재(10)와, 방열핀(20) 및 열전달부재(30)에 각각 형성되되, 다수 개가 상호 독립적으로 구획되어 독립된 각각의 구역에 상기 작동유체가 충진되거나, 상호 거리를 두고 배치된 다수 개의 격벽(41)을 통해 구획되되, 상기 격벽(41)에 의해 구획된 중공은 충진된 작동유체가 상호 이동 가능하도록 연통된다.

이를 도 5를 참조하여 살펴보면, 먼저 도 5의 (a)는 상기 중공(40)이 독립적으로 구획된 다수 개의 공간으로 형성된 것이며, 도 5의 (b)는 상기 중공(40)을 다수 개의 격벽(41)을 통해 구획하되 각 중공이 상호 연통되도록 구성된 것이다.

여기서 상기 중공의 형태는 원형, 타원형, 다각형 등 다양하게 변경 가능하며 중공의 면적 및 개수, 그리고 상호간의 간격은 다양하게 변경 가능한 것으로 도면 중 도시된 형태에 한정되지 않음은 물론이다.

도 5의 (a)에 도시된 실시예에서는 상기 중공(40)이 독립적인 형태로 다수 개 구비되며 각 중공에 작동유체가 충진된다. 독립된 각 중공에 충진된 작동유체를 통해 방열대상체로부터 전달된 열을 모재, 방열핀, 열전달부재를 구성하는 소재에서 온도가 낮은 측으로 전달하여 방열효과를 높일 수 있다.

또한, 도 5의 (b)에 도시된 실시예에서는 다수 개의 격벽(41)을 통해 형성된 다수 개의 중공이 상호 연통되도록 구성되어 중공에 충진된 작동유체가 중공내에서 이동하면서 열전도 효율을 높일 수 있는 것이다.

이어서 상기 중공(40)에 공기에 비해 상대적으로 열전도율이 높은 작동유체(50)를 충진하여 방열 효율을 극대화할 수 있는데, 상기 작동유체(50)는 상기 모재, 방열핀 및 열전달부재에 형성된 중공에 각각 충진되어 방열대상체에서 발생한 열을 최종 방열 부위인 방열핀으로 전달하는 효율을 높이기 위한 것이다.

이러한 작동유체(50)는 증발잠열(蒸發潛熱, Latent Heat Of Vaporization)이 400kJ/kg 이하이며, 비인화성이고, 어는점은 -40℃ 이하인 유체에, 수소불화에테르(HFE : HYDROFLUOROETHER)계열 또는 하이드로플루올레핀(HFO : HYDROFLUOROOLEFIN)계열에서 선택된 유체 또는 이들의 혼합 유체인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 작동유체는, 분말 형태의 메탈 또는 비메탈을 작동유체 전체 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하로 혼합한 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어진 작동유체는 열을 흡수하여 기화된 이후 방출 될 때 응축되는데, 응축 과정에서 응고되고 응고된 작동유체가 모재, 방열핀, 열전달 부재의 내벽에 고착화되어 열효율을 저하시키는 문제점을 해결한 것으로, 특히 분말 형태로 혼합되는 메탈 또는 비메탈 혼합물이 작동유체 내에서 분산 또는 부유되면서 작동유체의 고착화를 방지할 수 있는 것이다.

그리고 알루미나 또는 카본나노튜브 중 어느 하나가 작동유체에 혼합되는 경우 알루미나와 카본나노튜브의 열전달 특성을 통해 열전도 효율 및 방열 효율을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 상기 작동유체는 수소불화에테르(HFE : HYDROFLUOROETHER)계열 또는 하이드로플루올레핀(HFO : HYDROFLUOROOLEFIN)계열에서 선택된 유체 또는 이들의 혼합 유체로 형성함으로써 응축되는 과정에서 내벽에 응고되는 현상을 최소화하여 안정적인 방열 효과를 기대할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

1 : 전기항공기의 배터리용 열관리모듈
10 : 모재
20 : 방열핀
30 : 열전달부재
31 : 결합부 32 : 열전달부
40 : 중공
41 : 격벽
50 : 작동유체

Claims

길이 방향으로 연장되며 편평한 플레이트 형태로 이루어진 모재(10);
상기 모재(10)의 일면에 배치되되 상호 간격을 두고 배치되는 다수 개의 방열핀(20);
상기 모재(10)의 타면에 배치되며 방열대상체(100)와 직접 맞닿는 열전달부재(30);를 포함하고,
상기 모재(10)와 상기 방열핀(20)과 상기 열전달부재(30)는 각각 내부에 빈 중공(40)이 형성되며,
상기 중공(40)에는 작동유체(50)가 충진되어 상기 방열대상체(100)에서 발생한 열을 상기 방열핀(20)측으로 전달하고,
상기 작동유체(50)는,
증발잠열(蒸發潛熱, Latent Heat Of Vaporization)이 400kJ/kg 이하이며, 비인화성이고, 어는점은 -40℃ 이하인 유체에, 수소불화에테르(HFE : HYDROFLUOROETHER)계열 또는 하이드로플루올레핀(HFO : HYDROFLUOROOLEFIN)계열에서 선택된 유체 또는 이들의 혼합 유체이고,
상기 작동유체(50)는,
입자의 최대 크기가 100nm 이하인 구형 또는 타원형의 알루미나(AL203) 나노 입자를 전체 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하로 혼합하고,
상기 중공(40)은,
상기 모재(10)와, 방열핀(20) 및 열전달부재(30)에 각각 형성되고,
상호 거리를 두고 배치된 다수 개의 격벽(41)을 통해 구획되되, 상기 격벽(41)에 의해 구획된 중공은 충진된 작동유체가 상호 이동 가능하도록 연통되어 이루어진 것을 특징으로 하는 전기항공기의 배터리용 열관리모듈.
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청구항 1에 있어서,
상기 모재(10)와 상기 방열핀(20)은,
알루미늄 1050계열 또는 알루미늄 1070계열 또는 알루미늄 1100계열 또는 알루미늄 3003계열 또는 알루미늄 6005계열 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기항공기의 배터리용 열관리모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 방열핀(20)은,
엘라스토머(Elastomer) 또는 클래드 판재(Clad sheet) 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기항공기의 배터리용 열관리모듈.