KR102386685B1 - 무선 충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 무선 충전 장치가 코일부; 상기 코일부 상에 배치되는 자성부; 및 상기 자성부와 열적으로 연결되고, 외부로 연장되는 열 전달부를 포함함으로써, 자성부 내에서 발생한 열을 효율적으로 외부로 방출하여 방열 및 충전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 따라서 상기 무선 충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

무선 충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단{WIRELESS CHARGING DEVICE AND VEHICLE COMPRISING SAME}
구현예는 무선 충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 구현예는 방열 구조를 적용하여 충전 효율이 향상된 무선 충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단에 관한 것이다.
오늘날 정보통신 분야는 매우 빠른 속도로 발전하고 있으며, 전기, 전자, 통신, 반도체 등이 종합적으로 조합된 다양한 기술들이 지속적으로 개발되고 있다. 또한, 전자기기의 모바일화 경향이 증대함에 따라 통신분야에서도 무선 통신 및 무선 전력 전송 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 전자기기 등에 무선으로 전력을 전송하는 방안에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
상기 무선 전력 전송은 전력을 공급하는 송신기와 전력을 공급받는 수신기 간에 물리적인 접촉 없이 자기 결합(inductive coupling), 용량 결합(capacitive coupling) 또는 안테나 등의 전자기장 공진 구조를 이용하여 공간을 통해 전력을 무선으로 전송하는 것이다. 상기 무선 전력 전송은 대용량의 배터리가 요구되는 휴대용 통신기기, 전기 자동차 등에 적합하며 접점이 노출되지 않아 누전 등의 위험이 거의 없으며 유선 방식의 충전 불량 현상을 막을 수 있다.
한편, 최근 들어 전기 자동차에 대한 관심이 급증하면서 충전 인프라 구축에 대한 관심이 증대되고 있다. 이미 가정용 충전기를 이용한 전기 자동차 충전을 비롯하여 배터리 교체, 급속 충전 장치, 무선 충전 장치 등 다양한 충전 방식이 등장하였고, 새로운 충전 사업 비즈니스 모델도 나타나기 시작했다(대한민국 공개특허 제 2011-0042403 호 참조). 또한, 유럽에서는 시험 운행중인 전기차와 충전소가 눈에 띄기 시작했고, 일본에서는 자동차 제조 업체와 전력 회사들이 주도하여 전기 자동차 및 충전소를 시범적으로 운영하고 있다.
전기 자동차 등에 사용되는 종래의 무선 충전 장치는, 무선 충전 효율 향상을 위해 코일부에 인접하여 자성부가 배치되고, 차폐를 위한 금속판이 자성부와 일정 간격 이격하여 배치된다.
무선 충전 장치는 무선 충전 동작 중에 코일의 저항과 자성부의 자기 손실에 의해 열을 발생한다. 특히 무선 충전 장치 내의 자성부는 전자기파 에너지 밀도가 높은 코일과 가까운 부분에서 열을 발생하고, 발생한 열은 자성부의 자기 특성을 변화시켜 송신 장치와 수신 장치 간의 임피던스 불일치를 유발하여, 충전 효율이 저하되고 이로 인해 다시 발열이 심화되는 문제가 있었다. 그러나 이러한 무선 충전 장치는 전기 자동차의 하부 등에 설치되기 때문에, 방진 및 방수와 충격 흡수를 위해 밀폐 구조를 채용하므로 방열 구조를 구현하는데 어려움이 있었다.
한국 공개특허공보 제2011-0042403호
본 발명은 상기 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 고안된 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 기술적 과제는 자성부와 열적으로 연결되고, 외부로 연장되는 열전달부를 포함함으로써, 자성부 내에서 발생한 열을 효율적으로 외부로 방출할 수 있고, 충전 효율을 향상시킬 수 있음을 발견하였다.
따라서 구현예의 과제는, 방열 및 충전 효율을 향상시킬 수 있는 무선 충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단을 제공하는 것이다.
일 구현예에 따르면, 코일부; 상기 코일부 상에 배치되는 자성부; 및 상기 자성부와 열적으로 연결되고, 외부로 연장되는 열 전달부를 포함하는 무선 충전 장치가 제공된다.
다른 구현예에 따르면, 무선 충전 장치를 포함하고, 상기 무선 충전 장치는 코일부; 상기 코일부 상에 배치되는 자성부; 및 상기 자성부와 열적으로 연결되고, 외부로 연장되는 열 전달부를 포함하는 이동 수단이 제공된다.
다른 구현예에 따르면, 자성부; 및 상기 자성부에 일부 삽입되는 열 전달부를 포함하고, 상기 열 전달부는 증발 및 응축이 가능한 열매; 및 상기 열매를 수용하는 용기부를 포함하는 자성 소자가 제공된다.
상기 구현예에 따르면, 본 발명의 무선 충전 장치는 자성부와 열적으로 연결되고, 외부로 연장되는 열 전달부를 포함함으로써, 무선 충전 중에 발생하는 열을 효율적으로 외부로 방출하여 방열 및 충전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
특히, 상기 열 전달부의 일 끝단이 상기 자성부에 적어도 일부 삽입되고, 다른 끝단이 상기 하우징의 외부로 노출되는 경우, 나아가 상기 열 전달부가 상기 하우징의 외부로 노출되어 냉각 시스템과 직접 또는 간접적으로 연결되는 경우, 자성부 내부의 온도를 효과적으로 저감시킬 수 있으므로, 무선 충전 장치의 발열 저감 효과를 극대화할 수 있다.
따라서 상기 무선 충전 장치는 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 무선 충전 장치의 분해사시도를 나타낸 것이다.
도 2는 일 구현예에 따른 무선 충전 장치의 사시도를 나타낸 것이다.
도 3a는 도 2에서의 D-D' 선을 따라 절개한 단면도로서, 열 전달부와 자성 부가 사출 일체형 구조를 갖는 무선 충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3b는 또 다른 일 구현예에 따른 자성부의 사출 후 열 전달부와 결합하여 형성된 구조를 갖는 무선 충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3c은 일 구현예에 따라 열 전달부가 외부의 냉각 시스템과 연결된 무선 충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4a는 도 1에서의 A-A' 선을 따라 절개한 열 전달부의 단면도이다.
도 4b는 도 1에서의 B-B' 선을 따라 절개한 열 전달부의 단면도이다.
도 5는 도 1에서의 C-C' 선을 따라 절개한, 자성 소자의 단면도이다.
도 6a는 일 구현예에 따른 열 전달부의 일 말단이 일자형인 자성 소자의 상면도를 나타낸 것이다.
도 6b는 일 구현예에 따른 열 전달부의 일 말단이 코일의 발열부를 따라 배치된 형상으로 곡선형을 갖는 자성 소자의 상면도를 나타낸 것이다.
도 6c는 일 구현예에 따른 열 전달부의 일 말단이 코일의 발열부를 따라 배치된 형상으로 “T”자형을 갖는 자성 소자의 상면도를 나타낸 것이다.
도 7은 일 구현예에 따른 무선 충전 장치가 냉각 시스템과 연결된 이동 수단(전기 자동차)을 도시한 것이다.
도 8은 일 구현예에 따른 무선 충전 장치를 구비하는 이동 수단(전기 자동차)을 도시한 것이다.
도 9는 일 구현예에 따른 몰드를 통해 자성부를 성형하는 공정을 나타낸 것이다.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 상 또는 하에 형성되는 것으로 기재되는 것은, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 상 또는 하에 직접, 또는 또 다른 구성요소를 개재하여 간접적으로 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 각 구성요소의 상/하에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기와 다를 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 기재된 구성요소의 물성 값, 치수 등을 나타내는 모든 수치 범위는 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로 수식되는 것으로 이해하여야 한다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.
[무선 충전 장치]
도 1 및 도 2는 일 구현예에 따른 무선 충전 장치의 분해사시도 및 사시도를 각각 나타낸 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 무선 충전 장치(10)는 코일부(200); 상기 코일부(200) 상에 배치되는 자성부(300); 및 상기 자성부(300)와 열적으로 연결되고, 외부로 연장되는 열 전달부(400)를 포함한다.
상기 구현예에 따르면, 본 발명의 무선 충전 장치는 자성부와 열적으로 연결되고, 외부로 연장되는 열 전달부를 포함함으로써, 무선 충전 중에 발생하는 열을 효율적으로 외부로 방출하여 방열 및 충전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이하 상기 무선 충전 장치의 각 구성요소별로 구체적으로 설명한다.
코일부
본 발명의 구현예에 따른 무선 충전 장치는, 교류 전류가 흘러 자기장을 발생시킬 수 있는 코일부를 포함한다.
상기 코일부는 전도성 와이어를 포함할 수 있다.
상기 전도성 와이어는 전도성 물질을 포함한다. 예를 들어, 상기 전도성 와이어는 전도성 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전도성 와이어는 구리, 니켈, 금, 은, 아연 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 와이어는 절연성 외피를 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연성 외피는 절연성 고분자 수지를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 절연성 외피는 폴리염화비닐(PVC) 수지, 폴리에틸렌(PE) 수지, 테프론 수지, 실리콘 수지, 폴리우레탄 수지 등을 포함할 수 있다.
상기 전도성 와이어의 직경은 예를 들어 1 mm 내지 10 mm 범위, 1 mm 내지 5 mm 범위, 또는 1 mm 내지 3 mm 범위일 수 있다.
상기 전도성 와이어는 평면 코일 형태로 감길 수 있다. 구체적으로 상기 평면 코일은 평면 나선 코일(planar spiral coil)을 포함할 수 있다. 또한 상기 코일의 평면 형태는 타원형, 다각형, 또는 모서리가 둥근 다각형의 형태일 수 있으나, 특별히 한정되지 않는다.
상기 평면 코일의 외경은 5 cm 내지 100 cm, 10 cm 내지 50 cm, 10 cm 내지 30 cm, 20 cm 내지 80 cm, 또는 50 cm 내지 100 cm일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 평면 코일은 10 cm 내지 50 cm의 외경을 가질 수 있다.
또한, 상기 평면 코일의 내경은 0.5 cm 내지 30 cm, 1 cm 내지 20 cm, 또는, 2 cm 내지 15 cm일 수 있다.
상기 평면 코일의 감긴 횟수는 5회 내지 50회, 10회 내지 30회, 5회 내지 30회, 15회 내지 50회, 또는 20회 내지 50회일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 평면 코일은 상기 전도성 와이어를 10회 내지 30회 감아 형성된 것일 수 있다.
또한 상기 평면 코일 형태 내에서 상기 전도성 와이어 간의 간격은 0.1 cm 내지 1 cm, 0.1 cm 내지 0.5 cm, 또는 0.5 cm 내지 1 cm일 수 있다.
상기와 같은 바람직한 평면 코일 치수 및 규격 범위 내일 때, 전기 자동차와 같은 대용량 전력 전송을 요구하는 분야에 적합할 수 있다.
상기 코일부는 상기 자성부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 코일부와 상기 자성부의 이격 거리는 0.2 mm 이상, 0.5 mm 이상, 0.2 mm 내지 3 mm, 또는 0.5 mm 내지 1.5 mm일 수 있다.
자성부
상기 자성부는 코일부 주위에 생성되는 자기장의 자기 경로(magnetic path)를 형성할 수 있으며, 상기 코일부와 상기 쉴드부 사이에 배치된다.
상기 자성부는 상기 쉴드부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 자성부와 상기 쉴드부의 이격 거리는 3 mm 이상, 5 mm 이상, 3 mm 내지 10 mm, 또는 4 mm 내지 7 mm일 수 있다.
또한 상기 자성부는 상기 코일부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 자성부와 상기 코일부의 이격 거리는 0.2 mm 이상, 0.5 mm 이상, 0.2 mm 내지 3 mm, 또는 0.5 mm 내지 1.5 mm일 수 있다.
상기 자성부는 바인더 수지 및 자성 분말을 포함하는 고분자형 자성부일 수 있다.
또는 상기 자성부는 금속계 자성부, 예를 들어 나노결정질(nanocrystalline) 자성부를 포함할 수 있다.
또는, 상기 자성부는 산화물계 자성부를 포함할 수 있다.
상기 자성부는 이들의 복합체를 포함할 수 있다.
고분자형 자성부
상기 자성부는 바인더 수지 및 상기 바인더 수지 내에 분산된 자성 분말을 포함하는 자성부를 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 고분자형 자성부는 바인더 수지에 의해 자성 분말들이 서로 결합됨으로써, 넓은 면적에서 전체적으로 결함이 적으면서 충격에 의해 손상이 적을 수 있다.
상기 자성 분말은 페라이트(Ni-Zn계, Mg-Zn계, Mn-Zn계 페라이트 등)와 같은 산화물 자성 분말; 퍼말로이(permalloy), 샌더스트(sendust), 나노결정질(nanocrystalline) 자성체와 같은 금속계 자성 분말; 또는 이들의 혼합 분말일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 자성 분말은 Fe-Si-Al 합금 조성을 갖는 샌더스트 입자일 수 있다.
일례로서, 상기 자성 분말은 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.
[화학식 1]
Fe1-a-b-c Sia Xb Yc
상기 식에서, X는 Al, Cr, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이고; Y는 Mn, B, Co, Mo, 또는 이들의 조합이고; 0.01 ≤ a ≤ 0.2, 0.01 ≤ b ≤ 0.1, 및 0 ≤ c ≤ 0.05 이다.
상기 자성 분말의 평균 입경은 약 3 nm 내지 약 1 mm, 약 1 ㎛ 내지 300 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 또는 약 1 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위일 수 있다.
상기 고분자형 자성부는 상기 자성 분말을 50 중량% 이상, 70 중량% 이상, 또는 85 중량% 이상의 양으로 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 고분자형 자성부는 상기 자성 분말을 50 중량% 내지 99 중량%, 70 중량% 내지 95 중량%, 70 중량% 내지 90 중량%, 75 중량% 내지 90 중량%, 75 중량% 내지 95 중량%, 80 중량% 내지 95 중량%, 또는 80 중량% 내지 90 중량%의 양으로 포함할 수 있다.
상기 바인더 수지는 경화성 또는 열가소성 수지일 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더 수지는 광경화성 수지, 열경화성 수지 및/또는 고내열 열가소성 수지를 포함할 수 있다.
상기 경화성 수지로는 글리시딜기, 이소시아네이트기, 히드록시기, 카복실기 또는 아미드기 등과 같은 열에 의한 경화가 가능한 관능기 또는 부위를 하나 이상 포함하거나; 또는 에폭시드(epoxide)기, 고리형 에테르(cyclic ether)기, 설파이드(sulfide)기, 아세탈(acetal)기 또는 락톤(lactone)기 등과 같은 활성 에너지에 의해 경화가 가능한 관능기 또는 부위를 하나 이상 포함하는 수지를 사용할 수 있다. 이와 같은 관능기 또는 부위는 예를 들어 이소시아네이트기(-NCO), 히드록시기(-OH), 또는 카복실기(-COOH)일 수 있다.
구체적으로, 상기 경화성 수지는, 상술한 바와 같은 관능기 또는 부위를 적어도 하나 이상 가지는 폴리우레탄 수지, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 이소시아네이트 수지 또는 에폭시 수지 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일례로서, 상기 바인더 수지는 폴리우레탄계 수지, 이소시아네이트계 경화제 및 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
또한, 상기 자성부는 이의 중량을 기준으로, 상기 바인더 수지로서, 6 중량% 내지 12 중량%의 폴리우레탄계 수지, 0.5 중량% 내지 2 중량%의 이소시아네이트계 경화제, 및 0.3 중량% 내지 1.5 중량%의 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
또한 상기 바인더 수지는 열가소성 수지일 수 있다. 상기 열가소성 수지는 예를 들면, 폴리 이미드, 폴리 아미드, 폴리 카보네이트, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS, acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 폴리 프로필렌, 폴리 에틸렌, 폴리 스타이렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐설파이드, 폴리에테르에테르케톤 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.
상기 자성부는 상기 바인더 수지를 5 중량% 내지 40 중량%, 5 중량% 내지 20 중량%, 5 중량% 내지 15 중량%, 또는 7 중량% 내지 15 중량%의 양으로 함유할 수 있다.
또한, 상기 고분자형 자성부는 이의 중량을 기준으로, 상기 바인더 수지로서, 6 중량% 내지 12 중량%의 폴리우레탄계 수지, 0.5 중량% 내지 2 중량%의 이소시아네이트계 경화제, 및 0.3 중량% 내지 1.5 중량%의 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
나노결정질 자성부
상기 자성부는 나노결정질(nanocrystalline) 자성부를 포함할 수 있다.
상기 나노결정질 자성부를 적용 시에, 코일부와 거리가 멀어질수록 코일부의 인덕턴스(Ls)가 낮아지더라도 저항(Rs)이 더욱 낮아짐으로써 코일의 품질계수(Q factor: Ls/Rs)가 높아져서 충전 효율이 향상되고 발열이 줄어들 수 있다.
예를 들어, 상기 나노결정질 자성부는 Fe계 나노결정질 자성부일 수 있고, 구체적으로 Fe-Si-Al계 나노결정질 자성부, Fe-Si-Cr계 나노결정질 자성부, 또는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정질 자성부일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 나노결정질 자성부는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정질 자성부일 수 있고, 이 경우, Fe가 70 원소% 내지 85 원소%, Si 및 B의 합이 10 원소% 내지 29 원소%, Cu와 Nb의 합이 1 원소% 내지 5 원소%인 것이 바람직하다(여기서 원소%란 자성부를 이루는 총 원소의 갯수에 대한 특정 원소의 갯수의 백분율을 의미한다). 상기 조성 범위에서 Fe-Si-B-Cu-Nb계 합금이 열처리에 의해 나노상의 결정질로 쉽게 형성될 수 있다.
상기 나노결정질 자성부는, 예를 들어 Fe계 합금을 멜트 스피닝에 의한 급냉응고법(RSP)으로 제조하며, 원하는 투자율을 얻을 수 있도록 300 ℃ 내지 700 ℃의 온도 범위에서 30분 내지 2시간 동안 무자장 열처리를 행하여 제조될 수 있다.
만약 열처리 온도가 300 ℃ 미만인 경우 나노 결정질이 충분히 생성되지 않아 원하는 투자율이 얻어지지 않으며 열처리 시간이 길게 소요될 수 있고, 700 ℃를 초과하는 경우는 과열처리에 의해 투자율이 현저하게 낮아질 수 있다. 또한, 열처리 온도가 낮으면 처리시간이 길게 소요되고, 반대로 열처리 온도가 높으면 처리시간은 단축되는 것이 바람직하다.
나노결정질 자성부는 제조 공정상 두꺼운 두께를 만들기 어려우며 예를 들어 15 ㎛ 내지 35 ㎛의 두께로 형성될 수 있다.
산화물계 자성부
상기 자성부는 산화물계 자성부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 산화물계 자성부는 페라이트계 소재일 수 있고, 구체적인 화학식은 MOFe2O3(여기서 M은 Mn, Zn, Cu, Ni 등의 1종 이상의 2가 금속 원소이다)로 표시될 수 있다. 상기 페라이트계 소재는 소결체인 것이 투자율과 같은 자성 특성 면에서 유리하고, 보다 구체적으로 페라이트 소결체일 수 있다. 상기 페라이트계 소재는 원료 성분들을 혼합하고 하소 후 분쇄하고, 이를 바인더 수지와 혼합하여 성형하고 소성하여 시트 또는 블록 형태로 제조될 수 있다.
보다 구체적으로 상기 산화물계 자성부는 Ni-Zn계, Mg-Zn계, 또는 Mn-Zn계 페라이트일 수 있고, 특히 Mn-Zn계 페라이트는 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수에서 실온 내지 100 ℃ 이상의 온도 범위에 걸쳐 높은 투자율, 낮은 투자손실, 및 높은 포화자속밀도를 나타낼 수 있다.
상기 Mn-Zn계 페라이트는 주성분으로 산화철 Fe2O3 66 mol% 내지 70 mol%, ZnO 10 mol% 내지 20 mol%, MnO 8 mol% 내지 24 mol%, 및 NiO 0.4 mol% 내지 2 mol%를 포함하고, 그 외 부성분으로 SiO2, CaO, Nb2O5, ZrO2, SnO 등을 함유할 수 있다. 상기 Mn-Zn계 페라이트는 주성분을 소정의 몰비로 혼합하여 공기 중에서 800 ℃ 내지 1100 ℃의 온도로 1 시간 내지 3 시간 동안 하소 후 부성분을 첨가하여 분쇄하고, 이에 폴리비닐알코올(PVA) 등의 바인더 수지를 적당량 혼합하고 프레스를 이용하여 가압 성형한 후, 1200 ℃ 내지 1300 ℃까지 승온하여 2시간 이상 소성함으로써 시트 또는 블록 형태로 제조될 수 있다. 이후, 필요에 따라 와이어 톱(wire saw) 또는 워터젯(water jet) 등을 이용해 가공하여 요구되는 크기로 절단된다.
자성부의 제조방법
상기 자성부는, 예를 들어 고분자형 자성부를 포함할 수 있으며, 상기 고분자형 자성부는 자성 분말과 열경화성 고분자 수지 조성물을 혼합하여 슬러리화한 후 시트 형상으로 성형하고 경화하는 등의 시트화 과정으로 제조할 수 있다.
또한, 열가소성 수지를 이용해 일정한 두께를 갖는 대면적의 자성부를 제조하기 위해 몰드에 의해 입체 구조로 형성할 수 있으며, 구체적으로는 자성 분말과 열 가소성 수지를 기계적 전단력과 열을 이용하여 혼련 후 기계 장치를 이용하여 펠렛화 하여 사출 성형의 방식으로 블록을 제조할 수 있다.
상기 제조의 방법에는 통상의 시트화 또는 블록화 방법이 적용될 수 있다.
상기 자성부는 일정 비율로 신장될 수 있다. 예를 들어 상기 자성부의 신장율은 0.5% 이상일 수 있다. 상기 신장 특성은 고분자를 적용하지 않는 세라믹계 자성부에서는 얻기 어려운 것으로, 대면적의 자성부가 충격에 의해 뒤틀림 등이 발생하더라도 손상을 줄여줄 수 있다. 구체적으로, 상기 자성부의 신장율은 0.5% 이상, 1% 이상, 또는 2.5% 이상일 수 있다. 상기 신장율의 상한에는 특별한 제한이 없으나, 신장율 향상을 위해 고분자 수지의 함량이 많아지는 경우, 자성부의 인턱턴스 등의 물성이 떨어질 수 있으므로, 상기 신장율은 10% 이하로 하는 것이 좋다.
상기 성형은 사출성형에 의해 자성부의 원료를 몰드에 주입하여 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 자성부는 자성 분말과 고분자 수지 조성물을 혼합하여 원료 조성물을 얻은 뒤, 도 9에서 보듯이, 상기 원료 조성물(801)을 사출성형기(802)에 의해 몰드(803)에 주입하여 제조될 수 있다. 이때 몰드(803)의 내부 형태를 입체 구조로 설계하여, 자성부의 입체 구조를 쉽게 구현할 수 있다. 이와 같은 공정은 기존의 소결 페라이트 시트를 자성부로 사용하는 경우에 비해 구조의 자유도 측면에서 유리할 수 있다.
자성부의 면적 및 두께
상기 자성부는 자성 시트, 자성 시트 적층체, 또는 자성 블록일 수 있다.
상기 자성부는 대면적을 가질 수 있고, 구체적으로 200 cm2 이상, 400 cm2 이상, 또는 600 cm2 이상의 면적을 가질 수 있다. 또한, 상기 자성부는 10,000 cm2 이하의 면적을 가질 수 있다.
상기 대면적의 자성부는 다수의 단위 자성부가 조합되어 구성될 수 있으며, 이때, 상기 단위 자성부의 면적은 60 cm2 이상, 90 cm2, 또는 95 cm2 내지 900 cm2일 수 있다.
상기 자성 시트의 두께는 15 ㎛ 이상, 50 ㎛ 이상, 80 ㎛ 이상, 15 ㎛ 내지 150 ㎛, 15 ㎛ 내지 35 ㎛, 또는 85 ㎛ 내지 150 ㎛일 수 있다. 이러한 자성 시트는 통상의 필름 또는 시트를 제조하는 방법으로 제조될 수 있다.
상기 자성 시트의 적층체는 상기 자성 시트가 20장 이상, 또는 50장 이상 적층된 것일 수 있다. 또한 상기 자성 시트의 적층체는 상기 자성 시트가 150장 이하, 또는 100장 이하로 적층된 것일 수 있다.
상기 자성 블록의 두께는 1 mm 이상, 2 mm 이상, 3 mm 이상, 또는 4 mm 이상일 수 있다. 또한, 상기 자성 블록의 두께는 6 mm 이하일 수 있다.
자성부의 자성 특성
상기 자성부는 전기 자동차의 무선 충전 표준 주파수 근방에서 일정 수준의 자성 특성을 가질 수 있다.
상기 전기 자동차의 무선 충전 표준 주파수는 100 kHz 미만일 수 있고, 구체적으로 79 kHz 내지 90 kHz, 구체적으로 81 kHz 내지 90 kHz, 보다 구체적으로 약 85 kHz일 수 있으며, 이는 휴대폰과 같은 모바일 전자기기에 적용하는 주파수와 구별되는 대역이다.
예를 들어, 상기 자성부의 투자율은 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 5 내지 150,000, 10 내지 150,000, 20 내지 150,000, 5 내지 300, 30 내지 300, 600 내지 3,500, 또는 10,000 내지 150,000일 수 있다. 구체적으로, 상기 자성부의 투자율은 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 30 내지 300, 600 내지 3,500, 또는 10,000 내지 150,000일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 자성부의 투자율은 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 30 내지 250, 또는 30 내지 200일 수 있다.
또한, 상기 자성부의 투자손실은 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 1 내지 150,000, 1 내지 50,000, 5 내지 30,000, 10 내지 3,000, 10 내지 1,000, 100 내지 1,000, 또는 5,000 내지 50,000일 수 있다.
구체적으로 상기 자성부는 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 30 내지 200의 투자율 및 10 내지 3,000의 투자손실을 가질 수 있다.
자성부의 물리적 특성
상기 고분자형 자성부는 일정 비율로 신장될 수 있다. 예를 들어 상기 고분자형 자성부의 신장율은 0.5% 이상일 수 있다. 상기 신장 특성은 고분자를 적용하지 않는 세라믹계 자성부에서는 얻기 어려운 것으로, 대면적의 자성부가 충격에 의해 뒤틀림 등이 발생하더라도 손상을 줄여줄 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자형 자성부의 신장율은 0.5% 이상, 1% 이상, 또는 2.5% 이상일 수 있다. 상기 신장율의 상한에는 특별한 제한이 없으나, 신장율 향상을 위해 고분자 수지의 함량이 많아지는 경우, 자성부의 인턱턴스 등의 물성이 떨어질 수 있으므로, 상기 신장율은 10% 이하로 하는 것이 좋다.
상기 자성부는 충격 전후의 물성 변화율이 적으며, 일반적인 페라이트 자성 시트와 비교하여 월등하게 우수하다.
본 명세서에서 어떤 물성의 충격 전후의 물성 변화율(%)은 아래 식으로 계산될 수 있다.
특성 변화율(%) = | 충격 전 특성 값 - 충격 후 특성 값 | / 충격 전 특성 값 x 100
예를 들어, 상기 자성부는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 인덕턴스 변화율이 5% 미만, 또는 3% 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 인덕턴스 변화율은 0% 내지 3%, 0.001% 내지 2%, 또는 0.01% 내지 1.5%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 충격 전후의 인덕턴스 변화율이 상대적으로 적어서 자성부의 안정성이 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 자성부는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 품질계수(Q factor) 변화율이 0% 내지 5%, 0.001% 내지 4%, 또는 0.01% 내지 2.5%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 충격 전후의 물성 변화가 적어서 자성부의 안정성과 내충격성이 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 자성부는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 저항 변화율이 0% 내지 2.8%, 0.001% 내지 1.8%, 또는 0.1% 내지 1.0%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 실재 충격과 진동이 가해지는 환경에서 반복하여 적용하더라도 저항값이 일정 수준 이하로 잘 유지될 수 있다.
또한, 상기 자성부는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 충전효율 변화율이 0% 내지 6.8%, 0.001% 내지 5.8%, 또는 0.01% 내지 3.4%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 대면적의 자성부가 충격이나 뒤틀림이 반복적으로 발생하더라도 물성을 보다 안정적으로 유지할 수 있다.
열 전달부
상기 열 전달부는 열 전달부의 내부에서 열매(유체)의 증발 잠열을 이용하여 작은 온도차에서도 무동력으로 열을 효과적으로 이송할 수 있으며, 무선 충전 중에 발생하는 열을 효율적으로 외부로 방출하는 역할을 할 수 있다.
상기 열 전달부는 상기 자성부와 열적으로 연결되고, 외부로 연장될 수 있다. 예를 들어, 상기 열 전달부는 일 말단의 적어도 일부가 상기 자성부에 삽입되고, 상기 일 말단과 상이한 다른 말단이 상기 하우징의 외부로 노출될 수 있다.
도 4a 및 4b를 참조하면, 상기 열 전달부는, 증발 및 응축이 가능한 열매(430); 및 상기 열매를 수용하는 용기부(410)를 포함할 수 있다.
상기 용기부(410)는 밀폐된 내부공간을 포함하는 튜브 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 열 전달부는 튜브 형태의 밀폐된 용기부에 휘발성 열매를 주입한 후 진공 상태로 밀봉한 것으로, 튜브 내부에 충전된 열매가 증발 및 응축을 반복하는 과정에서 자성부 주변을 냉각시킬 수 있다.
상기 열매(430)는 물, 기름 등에 나노 입자를 포함할 수 있다. 또는, 상기 열매(430)는 온도에 따라 고온용 또는 저온용 액체를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 열매(430)는 예를 들어, 물, 메탄올, 아세톤, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 및 수은으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 열매(430)는 상기 자성부에서 발생하는 열을 열 전달부 내부에서 증발 및 응축을 반복하는 과정에서 자성부에서 발생하는 열을 외부로 방출하므로, 기존 냉각방식보다 6배 이상 성능이 우수할 수 있다.
상기 용기부(410)는 대부분 열 전도율이 크고 두께가 얇은 용기를 사용할 수 있으며, 예를 들어 금속 또는 세라믹을 포함할 수 있다.
상기 용기부(410)의 내부공간은 길이(d)가 10 cm 내지 50 cm일 수 있다. 예를 들면, 20 내지 45 cm, 예를 들면, 30 cm 내지 40 cm 일 수 있다.
상기 용기부의 내부공간은 내경(ID)이 0.1 mm 내지 5 mm일 수 있다. 예를 들면, 0.5 mm 내지 3 mm, 예를 들면, 0.5 mm 내지 2 mm, 예를 들면, 2 mm 내지 5 mm일 수 있다. 상기 범위의 내경을 갖는 용기부를 포함하는 경우, 본 발명에서 목적하는 충전 효율 및 방열 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 열 전달부는 이동부(420)를 더 포함할 수 있다.
상기 이동부(420)는 상기 용기부(410) 내에 배치되고, 다공성 구조를 가지며, 상기 열매가 액체 상태일 때 상기 액체 상태의 열매를 흡수하고 이동시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 이동부(420)는 금속으로 만든 아주 가는 금속으로 그물 형상으로 이루어져 있으며, 열전달부의 내벽에 부착되고, 용기부(410) 내에는 열매(430)가 채워져 있다.
상기 열 전달부는 증발부(evaporator)(440) 및 응축부(condenser section)(450)를 포함하고, 상기 증발부(440)는 상기 자성부에서 발생되는 열에 의해서 상기 열매(430)가 증발되는 열원(heat source)으로부터 열을 흡수하여 열매(430)가 기체 상태로 증발하게 되고, 그러므로서 열이 증발부(440)에서 응축부(450)의 방향으로 이동할 수 있다. 이와는 반대로 응축부(450)에서는 온도가 낮은 외부에 열을 빼앗기면서 기체 상태로 된 열매(430)로 응축하게 된다. 이렇게 반복함으로써 열이 증발부(440)에서 응축부(450)로 이동하고, 이 열을 외부로 효과적으로 방출할 수 있다.
상기 증발부(440)에 열이 전달되면 평형 상태로 있던 열매(430)가 증발하게 된다. 예를 들어, 상기 열 전달부의 내부에서 증발부(440)와 응축부(450)의 압력의 차이로 인하여 기화된 열매(430)가 이동할 수 있다. 열이 응축부(450)로 이동하게 되면 압력 구배에 의해 응축부로 이동한 기체는 상 변화하여 포화된 액체로 응축할 수 있다.
또한, 상기 응축부(450)는 상기 증발부(440)보다 더 높은 위치에 배치될 수 있다. 상기 증발부(440)에서 증발된 고온의 증기상 열매(430)가 자연적으로 상측의 응축부(450)로 이동하고, 응축부(450)에서 응축된 저온의 액체상 열매(430)가 중력에 의해 자연적으로 하측의 증발부(440)로 다시 복귀되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 열 전달부는 증발부(evaporator)(440) 및 응축부(condenser section)(450) 사이에 단열부(adiabatic section)(460)를 더 포함할 수 있다. 상기 단열부(460)는 증발부(440)에서 기화한 열매(430)가 응축부(450)로 이동할 때 내부로부터의 열 유출을 차단시켜 줄 수 있다.
상기 열 전달부는 다양한 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 열 전달부는 원통형, 평판형, 또는 분리형을 포함할 수 있다.
또한, 열 전달부는 적어도 일 말단이 일자형(도 6a 참조)을 가질 수 있다.
또한, 상기 열 전달부는 적어도 일 말단이 코일의 발열부를 따라 배치된 형상으로 곡선형(도 6b 참조)을 가질 수 있다.
또한, 상기 열 전달부는 적어도 일 말단이 코일의 발열부를 따라 배치된 형상으로 “T”자형(도 6c 참조)을 가질 수 있다.
상기 열 전달부의 구조들의 설명은 예시적인 것일 뿐, 이들의 개수, 두께, 모양, 크기, 위치 및 구조는 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위 내에서 방열 목적에 맞게 다양하게 설계할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 열 전달부는 예를 들어, 히트 파이프를 포함할 수 있다. 상기 열 전달부는 내부에 봉입된 열매의 동작으로 같은 단면적의 구리보다 500 배 이상의 열전도도를 가지고 있어 고효율의 열 전달장치로 인공위성의 열 제어시스템에 널리 사용되고 있으며, 본 발명의 일 구현예에서는 열전도도가 매우 우수한 상기 열 전달부를 이용하여 자성부 내부에서 발생하는 열을 외부로 효과적으로 배출시킴으로써 방열 효과를 향상시킬 수 잇다.
상기 열 전달부는 열전도율이 5 내지 10,000 W/m.K, 예를 들어 50 내지 8,000 W/m.K, 예를 들어 1,000 내지 7,000 W/m.K, 또는 예를 들어 1,000 내지 6,000 W/m.K일 수 있다.
또한, 상기 열 전달부는 비저항이 1 X 102 내지 1 X 1020 Ω·㎝, 예를 들어 1 X 103 내지 1 X 1018 Ω·㎝, 예를 들어 1 X 103 내지 1 X 1016 Ω·㎝, 또는 예를 들어 1 X 103 내지 1 X 1015 Ω·㎝일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 열 전달부는 상기 자성부와 다양한 방법으로 접촉 또는 결합한 구조를 가질 수 있다.
도 5를 참조하면, 일 구현예에 따른 열 전달부와 자성부가 사출 일체형인 자성 소자의 단면도를 나타낸 것이다. 구체적으로, 상기 열 전달부는 접착제 또는 고정부 없이 사출에 의해 상기 자성부의 내부로 삽입되어 자성부와 일체형으로 형성된 구조를 가질 수 있다.
이 경우, 자성부 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 처리할 수 있는 장점이 있다. 상기 열 전달부가 상기 자성부의 내부에 배치되는 구조는 다양하게 설계될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 자성부(300)의 내부 또는 표면에 홈(401)을 구비하고, 상기 열 전달부의 일부가 상기 홈(401)에 삽입되어 상기 자성부(300)와 결합된 구조를 가질 수 있다.
다른 일례로서, 상기 자성부의 내부에 상기 열 전달부를 포함하도록 몰드를 통해 고분자형 자성부를 성형할 수 있다.
다른 예로서, 자성부가 삽입될 내부 공간을 갖도록 몰드를 통해 자성부, 예를 들어 고분자형 자성부를 성형한 뒤 상기 열 전달부를 삽입할 수 있다.
또한, 상기 열 전달부는 접착제 또는 고정부에 의해 상기 자성부와 결합된 구조를 가질 수 있다.
또 다른 예로서, 복수의 자성 시트 사이에 열 전달부를 삽입하여 적층함으로써, 상기 열 전달부가 삽입된 자성 시트 적층체를 제조할 수 있다.
또한, 상기 열 전달부는 자성부의 인접부에 배치될 수 있다. 일례로서, 상기 열 전달부는 자성부와 상기 쉴드부 사이에 배치될 수 있다. 다른 예로서, 상기 열 전달부는 자성부와 상기 코일부 사이에 배치될 수 있다. 이 경우, 자성부와 코일부에서 발생하는 열을 동시에 처리할 수 있는 장점이 있다.
이 외에도 다양한 방법으로 상기 열 전달부는 상기 자성부와 결합하거나 접촉하여 방열 효과를 구현할 수 있다.
쉴드부
상기 구현예에 따른 무선 충전 장치(10)는 전자파 차폐를 통해 무선 충전 효율을 높이는 역할을 하는 쉴드부(500)을 더 포함할 수 있다.
상기 쉴드부는 상기 코일의 일면 상에 배치된다.
상기 쉴드부는 금속판을 포함하며, 이의 소재는 알루미늄일 수 있으며, 그 외 전자파 차폐능을 갖는 금속 또는 합금 소재가 사용될 수 있다.
상기 쉴드부의 두께는 0.2 mm 내지 10 mm, 0.5 mm 내지 5 mm, 또는 1 mm 내지 3 mm일 수 있다.
또한 상기 쉴드부의 면적은 200 cm2 이상, 400 cm2 이상, 또는 600 cm2 이상일 수 있다.
하우징
상기 구현예에 따른 무선 충전 장치(10)는 상기 코일부(200) 및 상기 자성부(300)를 수용하는 하우징(600)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 하우징(600)은 상기 코일부(200), 쉴드부(500), 자성부(300) 등의 구성 요소가 적절하게 배치되어 조립될 수 있게 한다. 상기 하우징의 형상(구조)은 그 내부에 포함되는 구성 요소에 따라 또는 환경에 따라 임의로 설정할 수 있다. 상기 하우징의 재질 및 구조는 무선 충전 장치에 사용되는 통상적인 하우징의 재질 및 구조를 채용할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 열 전달부(400)는 상기 자성부(300)로부터 상기 하우징(600)의 외부로 연장될 수 있다. 또한, 상기 하우징(600)은 상기 자성부(300)와 결합된 열 전달부(400)가 상기 하우징(600)의 외부로 연장될 수 있도록, 홀(601)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 열 전달부(400)의 일 말단의 적어도 일부가 상기 자성부(300)에 삽입되고, 상기 일 말단과 상이한 다른 말단이 상기 하우징(600)의 외부로 노출된 구조일 수 있다.
지지판
상기 구현예에 따른 무선 충전 장치(10)는 상기 코일부(200)을 지지하는 지지판(100)을 더 포함할 수 있다. 상기 지지판의 재질 및 구조는 무선 충전 장치에 사용되는 통상적인 지지판의 재질 및 구조를 채용할 수 있다. 상기 지지판은 평판 구조 또는 코일부를 고정시킬 수 있도록 코일 형태를 따라 홈이 파여진 구조를 가질 수 있다.
[무선 충전 장치의 다양한 예]
도 3a 및 3c는 본 발명의 구현예에 따른 다양한 구조의 무선 충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
일 구현예에 따른 무선 충전 장치는 상기 열 전달부(400)가 접착제 또는 고정부 없이 사출에 의해 상기 자성부(300)의 내부로 삽입되어 자성부(300)와 일체형으로 형성된 구조를 포함할 수 있다. 이 경우, 자성부(300) 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 처리할 수 있는 장점이 있다. 상기 열 전달부(400)가 상기 자성부(300)의 내부에 배치되는 구조는 다양하게 설계될 수 있다.
도 3a를 참조하면, 상기 자성부(300)의 내부에 상기 열 전달부(400)를 포함하도록 몰드를 통해 자성부(예를 들어, 고분자형 자성부)(300)를 성형할 수 있다.
또한, 도 3b를 참조하면, 상기 자성부(300)의 내부 또는 표면에 홈을 구비하고, 상기 열 전달부(400)의 일부가 상기 홈에 삽입되어 상기 자성부(300)와 결합된 구조를 가질 수 있다.
다른 예로서, 열 전달부(400)가 삽입될 내부 공간을 갖도록 몰드를 통해 자성부(300), 예를 들어 고분자형 자성부를 성형한 뒤 상기 열 전달부(400)를 삽입할 수 있다.
또한, 상기 열 전달부(400)는 접착제 또는 고정부에 의해 상기 자성부와 결합된 구조를 가질 수 있다.
또 다른 예로서, 복수의 자성 시트 사이에 열 전달부(400)를 삽입하여 적층함으로써, 상기 열 전달부가 삽입된 자성 시트 적층체를 제조할 수 있다.
또한, 상기 열 전달부는 자성부의 인접부에 배치될 수 있다. 일례로서, 상기 열 전달부는 자성부와 상기 쉴드부 사이에 배치될 수 있다. 다른 예로서, 상기 열 전달부는 자성부와 상기 코일부 사이에 배치될 수 있다. 이 경우, 자성부와 코일부에서 발생하는 열을 동시에 처리할 수 있는 장점이 있다.
이 외에도 다양한 방법으로 상기 열 전달부는 상기 자성부와 결합 하거나 접촉하여 방열 효과를 구현할 수 있다.
또한, 도 3c를 참조하면, 상기 무선 충전 장치(10)는 하우징(600) 외부에 배치되고 상기 열 전달부(400)와 직접 또는 간적적으로 연결되는 냉각 시스템(680)을 더 포함할 수 있다.
상기 열 전달부(400)는 상기 자성부(300)의 적어도 일단으로부터 돌출되어 형성되는 1개 이상의 돌출부(480)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 열 전달부(400)의 돌출부(480)는 상기 자성부(300)의 적어도 일단으로부터 길이방향으로 더 연장되어 돌출된 부분을 의미할 수 있다.
상기 열 전달부는 상기 돌출부를 포함하는 경우, 상기 자성부의 총 부피를 기준으로 5 % 내지 70 %의 총 부피를 가질 수 있다. 상기 범위 내일 때, 자성부의 전자파 차폐 성능과 방열 특성을 동시에 향상시키는데 보다 유리할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 열 전달부는 상기 자성부의 총 부피를 기준으로 5 % 내지 40 %, 10 % 내지 35 %, 또는 15 % 내지 30 %의 총 부피를 가질 수 있다.
또한, 상기 돌출부(480)는 상기 무선 충전 장치의 외부의 냉각 시스템(680)과 직접 또는 간접적으로 연결될 수 있다. 이때, 상기 냉각 시스템(680)은 공냉식 또는 수냉식으로 상기 돌출부(480)를 냉각시킬 수 있다.
상기 냉각 시스템(680)은 방수 및 방진을 위해 밀폐된 구조를 가지면서 상기 상기 돌출부(480)에 연결될 수 있다. 도 3c를 참조하면, 상기 냉각 시스템(680)은 연결유로(695)를 통해 상기 돌출부(480)와 연결될 수 있다. 이와 같이 상기 돌출부가 상기 냉각 시스템(680)에 연결될 경우, 자성부 내부에서 발생한 열을 외부로 효율적으로 방출할 수 있다.
또한, 상기 냉각 시스템은 쉴드부에 연결될 수 있으며, 상기 돌출부는 상기 냉각 시스템과 연결된 쉴드부에 연결될 수도 있다.
한편, 상기 열 전달부가 상기 자성부와 열적으로 연결된 구조는 다양하게 설계될 수 있다.
상기 열 전달부의 길이, 구조, 위치, 종류 및 물성 등은 상기 언급한 바와 같다.
한편, 도 3a 내지 도 3c에서 보듯이, 상기 자성부(300)에서 열이 주로 발생하는 영역은 코일부(200)에 대응하는 영역이므로, 상기 열 전달부(400)는 무선 충전 장치 내에서 상기 코일부(200)가 존재하는 영역에 대응하여 배치될 수 있다. 다시 말해, 상기 열 전달부(400)는 코일부(200) 내에서 전도성 와이어의 밀도가 적은 중앙부에는 거의 배치되지 않을 수 있다.
또한, 상기 열 전달부는 상기 코일부가 존재하는 영역, 및 그 외 영역, 예를 들어 전도성 와이어의 밀도가 적은 중앙부에도 배치될 수 있다.
한편, 상기 하우징은 상기 코일부, 쉴드부, 자성부 등의 구성 요소가 적절하게 배치되어 조립될 수 있게 한다.
상기 구현예에 따른 무선 충전 장치는, 상기 코일부(200)를 지지하는 지지판(100)을 더 포함할 수 있다. 상기 무선 충전 장치의 지지판, 코일부, 쉴드부, 자성부, 및 열 전달부의 구성 및 특징은 앞서 설명한 바와 같다.
또한 상기 구현예에 따른 무선 충전 장치는, 상기 쉴드부와 자성부 간의 공간을 확보하기 위한 스페이서부를 더 포함할 수 있다. 상기 스페이서부는 빈 공간을 포함할 수 있으며, 빈 공간을 확보하기 위해 무선 충전 장치에 사용되는 통상적인 하우징의 재질 및 구조를 채용할 수 있다.
[자성 소자]
본 발명의 구현예에 따르면, 자성부; 및 상기 자성부에 일부 삽입되는 열 전달부를 포함하고, 상기 열 전달부는 증발 및 응축이 가능한 열매; 및 상기 열매를 수용하는 용기부를 포함하는 자성 소자를 제공할 수 있다.
도 5, 및 도 6a 내지 6c는 본 발명의 구현예에 따른 다양한 구조의 자성 소자를 설명하기 위한 자성 소자의 단면도 및 상면도를 나타낸 것이다.
구체적으로, 상기 자성 소자(800, 800a, 800b, 800c)는 상기 자성부(300)에 일부 삽입되는 열 전달부(400)를 포함할 수 있다. 상기 자성 소자는 열 전달부를 포함함으로써 자성 소자 또는 자성부 내에서 발생하는 열을 외부로 쉽게 방출할 수 있으며, 충전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 열 전달부(400)는 상기 자성부(300)의 일 끝단으로부터 돌출되어 형성되는 1개 이상의 돌출부(480)를 포함할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 돌출부(480)는 외부의 냉각 시스템과 직접 또는 간접적으로 연결될 수 있으며, 이 경우 자성부 내부의 온도를 효과적으로 저감시킬 수 있으므로, 무선 충전 장치에 상기 돌출부를 포함하는 자성 소자를 적용하는 경우 무선 충전 장치의 발열 저감 효과를 극대화할 수 있다.
구체적으로, 상기 열 전달부(400)는 상기 자성부(300)의 일 끝단으로부터 돌출되어 형성되는 2개 이상의 돌출부(480)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 열 전달부(400)는 상기 자성부(300)의 일 끝단으로부터 돌출되어 형성되는 2개 내지 10개의 돌출부를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 상기 돌출부는 2개 내지 8개, 2개 내지 6개, 2개 내지 4개, 또는 2개 내지 3개일 수 있다. 또한, 상기 돌출부의 개수는 본 발명의 효과를 저해하지 않은 이상 다양할 수 있다.
예를 들면, 상기 돌출부(480)는 십자형, 일자형, 또는 풍차형의 구조체의 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 자성 소자에 삽입된 열 전달부는 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 6a를 참조하면, 상기 자성 소자에 삽입된 열 전달부는 적어도 일 말단이 일자형을 가질 수 있다.
도 6b를 참조하면, 상기 자성 소자에 삽입된 열 전달부는 적어도 일 말단이 코일의 발열부를 따라 배치된 형상으로 곡선형을 가질 수 있다.
도 6c를 참조하면, 상기 자성 소자에 삽입된 열 전달부는 적어도 일 말단이 코일의 발열부를 따라 배치된 형상으로 “T”자형을 가질 수 있다.
또한, 상기 열 전달부의 돌출부의 길이는 상기 열 전달부의 총 길이의 30 내지 80%, 40 내지 60%, 또는 45 내지 55 %일 수 있다.
상기 도6a 내지 6c에 나타낸 자성 소자의 상면도는 예시적으로 설명하기 위한 도면일 뿐, 이들의 개수, 두께, 모양, 크기, 위치 및 구조는 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위 내에서 방열 목적에 맞게 다양하게 설계할 수 있다.
[이동 수단]
상기 구현예에 따른 무선 충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 7 및 8은 이동 수단의 일례로서 전기 자동차에 적용된 예를 도시한 것으로서, 도 7 및 8을 참조하면, 상기 무선 충전 장치(10)는 상기 전기 자동차(1)의 하부에 구비될 수 있다.
일 구현예에 따른 전기 자동차는 무선 충전 장치를 포함하고, 상기 무선 충전 장치는 코일부; 상기 코일부 상에 배치되는 자성부; 및 상기 자성부와 열적으로 연결되고, 외부로 연장되는 열 전달부를 포함할 수 있다.
상기 전기 자동차는 상기 하우징 외부에 배치되고 상기 열 전달부와 직접 또는 간적적으로 연결되는 냉각 시스템(680)을 더 포함할 수 있다.
상기 전기 자동차에 포함되는 무선 충전 장치의 각 구성요소들의 구성 및 특징은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 무선 충전 장치의 냉각 시스템으로서 상기 전기 자동차에 기본적으로 구비되는 냉각 설비를 이용할 수 있다.
예를 들어, 상기 냉각 시스템은 자동차 에어컨을 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 7을 참조하면, 전기 자동차(1)의 내부에 구비된 에어컨이 냉각 시스템(680)로서 이용되고, 무선 충전 장치(10)의 열 전달부의 돌출부와 연결된 연결유로(695)와 상기 에어컨이 연결될 수 있다. 이에 따라, 별도의 냉각 시스템을 제작하지 않더라도, 효과적인 방열이 가능할 수 있다.
상기 전기 자동차는 상기 무선 충전 장치로부터 전력을 전달받는 배터리를 더 포함할 수 있다. 상기 무선 충전 장치는 무선으로 전력을 전송받아 상기 배터리에 전달하고, 상기 배터리는 상기 전기 자동차의 구동계에 전력을 공급할 수 있다. 상기 배터리는 상기 무선 충전 장치 또는 그 외 추가적인 유선충전 장치로부터 전달되는 전력에 의해 충전될 수 있다.
또한 상기 전기 자동차는 충전에 대한 정보를 전기 자동차용 무선 충전 시스템의 송신기에 전달하는 신호 전송기를 더 포함할 수 있다. 이러한 충전에 대한 정보는 충전 속도와 같은 충전 효율, 충전된 정도 등일 수 있다.
상기 무선 충전 장치는 상기 자동차의 하부에 구비될 수 있다.
상기 전기 자동차는 전기 자동차용 무선 충전 시스템이 구비된 주차 구역에서 무선으로 충전될 수 있다.
도 8을 참조하면, 일 구현예에 따른 전기 자동차(1)는, 상기 구현예에 따른 무선 충전 장치를 수신기(720)로 포함한다.
상기 무선 충전 장치는 전기 자동차(1)의 무선 충전의 수신기로 역할하고 무선 충전의 송신기(730)로부터 전력을 공급받을 수 있다.
1 : 이동 수단(전기 자동차) 10 : 무선 충전 장치
100 : 지지판 200 : 코일부
300 : 자성부 400 : 열 전달부
401 : 홈 410 : 용기부
420 : 이동부 430 : 열매의 이동
440 : 증발부 450 : 응축부
460 : 단열부 480 : 돌출부
500 : 쉴드부 600 : 하우징
601 : 홀(hole)
680 : 냉각 시스템 695 : 연결유로
720 : 수신기 730 : 송신기
800, 800a, 800b, 800c : 자성 소자
801 : 원료 조성물 802 : 사출 성형기
803 : 몰드
A-A': 절개선 B-B': 절개선
C-C': 절개선 D-D': 절개선
d : 길이 ID : 내경

Claims (12)

  1. 코일부;
    상기 코일부 상에 배치되는 자성부; 및
    상기 자성부와 열적으로 연결되고, 외부로 연장되는 열 전달부를 포함하고,
    상기 열 전달부가 5 내지 10,000 W/m.K의 열전도율을 갖고, 1 X 102 내지 1 X 1020 Ω·㎝의 비저항을 갖는, 무선 충전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일부 및 상기 자성부를 수용하는 하우징을 더 포함하고,
    상기 열 전달부는 상기 자성부로부터 상기 하우징의 외부로 연장되는, 무선 충전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열 전달부는 일 말단의 적어도 일부가 상기 자성부에 삽입되고,
    상기 일 말단과 상이한 다른 말단이 상기 하우징의 외부로 노출되는, 무선 충전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 전달부는
    증발 및 응축이 가능한 열매; 및
    상기 열매를 수용하는 용기부를 포함하는, 무선 충전 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열 전달부는
    상기 자성부에서 발생되는 열에 의해서 상기 열매가 증발되는 증발부; 및
    상기 증발부에서 증발된 열매가 응축되는 응축부를 포함하는, 무선 충전 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 용기부는 밀폐된 내부공간을 포함하는 튜브 형상을 가지고,
    상기 용기부의 내부공간은 10 내지 50 cm의 길이 및 0.1 내지 5 mm의 내경을 가지는, 무선 충전 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 열 전달부는 상기 용기부 내에 배치되는 이동부를 더 포함하고,
    상기 이동부는 다공성 구조를 가지며, 상기 열매가 액체 상태일 때 상기 액체 상태의 열매를 흡수하고 이동시키며,
    상기 용기부는 금속 또는 세라믹을 포함하는, 무선 충전 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 열매는 물, 메탄올, 아세톤, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 및 수은으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 무선 충전 장치.
  9. 삭제
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 응축부는 상기 증발부보다 더 높은 위치에 배치되는, 무선 충전 장치.
  11. 무선 충전 장치를 포함하고,
    상기 무선 충전 장치는
    코일부;
    상기 코일부 상에 배치되는 자성부; 및
    상기 자성부와 열적으로 연결되고, 외부로 연장되는 열 전달부를 포함하고,
    상기 열 전달부가 5 내지 10,000 W/m.K의 열전도율을 갖고, 1 X 102 내지 1 X 1020 Ω·㎝의 비저항을 갖는, 이동 수단.
  12. 자성부; 및
    상기 자성부에 일부 삽입되는 열 전달부를 포함하고,
    상기 열 전달부는 증발 및 응축이 가능한 열매; 및 상기 열매를 수용하는 용기부를 포함하는, 자성 소자.
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