KR20130019928A - 방폭랙 - Google Patents

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Abstract

방폭랙이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 방폭랙은　선박에 필요한 에너지를 저장 및 공급하기 위해 다수개의 이차 전지가 탑재된 트레이; 및 상기 트레이가 수납되고, 상기 이차 전지의 폭발에 따른 폭발 전도성을 차단 가능하게 하는 방폭부가 구비된 랙 하우징을 포함한다.

Description

방폭랙{Explosion Proof Rack}
본 발명은 대용량 이차전지의 폭발에 따른 방폭 기능이 구현된 방폭랙에 관한 것이다.
최근에는 자원 절약이나 에너지 절약 관점에서 반복 사용할 수 있는 니켈 수소, 니켈 카드뮴이나 리튬 이온과 같은 2차 전지에 대한 수요가 높아지고 있으며, 그 중에서도 리튬 이온 2차 전지는 경량이면서 기전력이 높고, 고 에너지 밀도라고 하는 특징을 가지고 있기 때문에, 휴대 전화나 디지털 카메라, 비디오 카메라, 노트북형 컴퓨터 등의 다양한 종류의 휴대형 전자 기기나 이동체 통신 기기의 구동용 전원으로서의 수요가 확대되고 있다.
또한 가솔린이나 디젤 오일 같은 화석 연료를 사용하는 자동차는 일반적으로 다양한 오염물질이 배출되므로, 충방전이 가능한 축전지 또는 2차 전지를 자동차용 전력원으로서 사용하는 전기 자동차(EV), 및 종래의 엔진을 함께 사용하는 하이브리드 전기 자동차(HEV)가 개발되었고, 일부는 현재 상업적으로 사용되고 있다. 이차 전지는 니켈-금속 수소(NiMH) 이차 전지가 전기 자동차(EV) 및 하이브리드 전기 자동차(HEV)의 전력원으로서 광범위하게 사용되고 있다. 그러나, 최근에는 리튬 이온 이차전지가 전력원으로 사용되기 위해 고출력 및 대용량 사양이 요구되고 있으며 직렬 또는 병렬로 상호 연결되어 전지 모듈을 형성하는, 복수 개의 작은 전지셀(단위 전지)로 조립된다.
복수 개의 전지 모듈은 상호 연결되어 원하는 출력 및 용량 특성을 가지는 전지팩을 이루며, 충전 또는 방전 중 배터리의 온도가 상승하기 쉽다.
특히 배터리의 중앙부분에서 발생하는 열은 매우 고온이기 때문에 냉각시켜주지 아니하면, 전지의 전해액 온도가 높게 상승하여 배터리의 수명과 성능에 악영향을 미친다.
예를 들면, 온도가 높아진 전지는 열화하여 만충전할 수 있는 실질 충전 용량이 작아지고, 실질 충전 용량이 저하한 전지가 직렬 접속되어 동일한 전류로 충방전되면, 과충전 또는 과방전 되기 쉬어진다. 특히 전지의 온도가 고온으로 되면, 전지의 열화는 더 커지며 이로 인한 폭발의 위험성도 수반될 수 있다.
이와 함께 환경규제 강화로 인해 친환경 선박의 개발이 활발해지면서, 선박의 연료절감 및 이산화탄소의 배출량을 감소시키기 위한 기술 개발이 다양하게 시도되고 있다.
선박은 엔진에서 발생된 열 에너지를 이용하여 터빈을 구동하고, 상기 터빈을 경유하여 버려지는 에너지를 활용하기 위한 폐열회수 시스템 또는 신재생 에너지를 적용하기 위해 여러 가지 기술이 개발되고 있는 실정이며, 에너지를 저장 하기 위한 에너지 저장 시스템은 필수적으로 요구되고 있다.
상기 에너지 저장 시스템 중 2차 전지는 에너지의 저장 및 공급이 편리하고, 저장 효율이 높아서 향후 선박에 적용될 확률이 높은 특징을 가지고 있다.
상기 에너지 저장 시스템으로 대용량 2차 전지의 단위 모듈인 트레이는 랙(Rack)에 다수개가 탑재되어 사용될 수 있다.
종래의 이차전지가 탑재된 랙에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 1을 참조하면, 랙(10)은 내부 중앙 위치에 세로 방향에 구비된 격벽(14)과, 좌, 우측에 구비된 사이드 판(12)을 포함하여 구성되고, 상기 랙(10)의 내부에 다수개의 트레이(2)가 가로 및 세로 방향을 따라 삽입 설치된다.
첨부된 도 2를 참조하면, 트레이(2)는 랙(10) 내부에 설치되고, 상기 랙(10)은 내부에 공기가 유동하기 위한 통로가 구비된다. 상기 트레이(2)는 2차 전지(미도시)에서 발생된 열기를 외부로 배출하기 위한 냉각팬(2a)이 구비된다.
이와 같이 구성된 종래의 랙(10)은 도 1과 같이 트레이(2)가 다수개 탑재된 상태에서 2차 전지에서 발생된 고온의 열기가 안정적으로 배출되지 않거나, 이웃한 트레이에서 전도되는 고온의 열기에 의해 폭발이 발생될 수 있으며, 상, 하 방향으로 폭발력이 미치면서 이웃한 트레이에 영향을 미칠 수 있었다.
선박에서는 폭발 위험성이 있는 다수개의 2차 전지에 대한 안전을 위해 상기 랙(10)에 대한 방폭 설비를 필요로 하며, 어느 하나의 트레이가 폭발되는 경우에도 주변에 이웃한 다른 트레이에 폭발에 따른 영향력이 최소화되기 위한 랙의 필요성과 기술 구현이 절실하게 요구되었다.
본 발명의 실시예들은 이차 전지의 폭발에 따른 피해를 최소화하기 위한 방폭랙을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들은 방폭 기능과 냉각 기능이 동시에 구현 가능한 방폭랙을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 에너지를 저장 및 공급하기 위해 다수개의 이차 전지가 탑재된 트레이; 및 상기 트레이가 수납되고, 상기 이차 전지의 폭발에 따른 폭발 전도성을 차단 가능하게 하는 방폭부가 구비된 랙 하우징을 포함한다.
상기 방폭부는 상기 랙 하우징의 세로 방향으로 배치될 수 있다.
상기 방폭부는 상기 트레이가 삽입되는 제1 방폭 영역; 상기 트레이의 상부와 하부에 구비된 제2 방폭 영역; 상기 트레이의 상부에 밀착되는 차단판과, 상기 트레이의 하부에 밀착되는 격벽을 포함한다.
상기 방폭부는 전면과 후면이 각각 개구된 전면 개구부와 후면 개구부를 포함한다.
상기 제1 방폭 영역은 제2 방폭 영역에 비해 상대적으로 큰 면적으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 차단판은 상기 트레이를 향해 개구된 개구부를 더 포함한다.
상기 개구부는 상기 트레이에 개구된 트레이 홀과 서로 마주보게 배치된다.
상기 차단판은 소정의 두께(t)를 가지는 철판 또는 이와 유사한 물성을 가지는 재질로 이루어질 수 있다.
상기 차단판은 이차 전지의 폭발에 따른 상태를 감지하는 센서; 상기 센서 신호에 따라 상기 트레이를 향해 소화물질을 공급하는 소화유닛을 더 포함한다.
상기 소화유닛은 젤 타입의 소화 약제 또는 비 전도성 약제 중의 어느 하나가 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예들은 이차 전지의 폭발에 따른 방폭 차단을 실시할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 이차 전지의 방폭 기능과 냉각 기능이 동시에 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 폭발된 이차전지에 한해서만 직접적으로 소화 약제를 투여하여 폭발에 따른 위험성을 최소화할 수 있다.
도 1은 종래의 랙에 이차전지가 탑재된 상태를 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 정면도.
도3 은 본 발명에 의한 방폭랙의 일 실시예에 따른 구성을 도시한 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 방폭랙의 방폭부를 도시한 종 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 방폭랙의 다른 실시예에 따른 구성을 도시한 사시도.
도 6은 도 5에 도시된 방폭랙의 방폭부를 도시한 종 단면도.
본 발명의 일 실시예에 의한 방폭랙의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 참고로 첨부된 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 방폭랙을 도시한 도면으로 이차 전지의 과열을 방지하기 위한 안정적인 열교환과, 상기 이차 전지가 폭발될 경우에 따른 폭발력을 최소화하기 위한 방폭부가 구비된 것을 주요 특징으로 한다.
첨부된 도 3내지 도 4를 참조하면, 방폭랙(1)은 직사각형 형상으로 이루어지고, 내부에 트레이(2)가 탑재되는 방폭부(200)가 구비된다. 상기 방폭부(200)는 랙 하우징(300)의 가로, 세로 방향으로 각각 m, n개가 구비될 수 있으며, 소정의 폭과 높이로 이루어진다.
본 발명의 제1 실시예에 의한 방폭랙(1)은 트레이(2)의 가로 방향으로 2개가 탑재되고, 세로 방향으로 다수개가 탑재될 수 있다. 상기 트레이(2)는 내부에 다수개의 이차 전지가 탑재될 수 있으며, 상기 이차 전지가 작동 중에 발생되는 열을 외부로 배출하기 위한 냉각팬(2a)을 포함한다.
상기 방폭부(200)는 트레이(2)를 기준으로 상, 하 위치에 각각 배치될 수 있다. 상기 방폭부(200)가 이와 같이 배치되는 이유는 이차 전지의 폭발이 발생될 경우에, 상기 트레이(2)의 상부와 하부를 향해 폭발력이 전달되기 때문이며, 이와 더불어서 랙 하우징(300)의 세로 방향을 따라서 인접 배치된 다른 트레이의 손상을 방지하기 위해서이다.
방폭부(200)는 랙 하우징(300)의 중앙 또는 세로 방향에 배치될 수 있으며, 도면에 도시하지는 않았으나 랙 하우징(300)의 중앙과 좌, 우 양측에 각각 배치되는 것도 가능할 수 있다. 이와 같이 방폭부(200)를 배치할 경우에는 이차 전지의 폭발에 따른 모든 방향에서의 방폭이 가능해질 수 있다.
방폭부(200)는 전면과 후면이 각각 개구된 전면 개구부(202)와, 후면 개구부(204)를 더 포함하며, 상기 전면 개구부(202)와 후면 개구부(204)는 각각 동일 크기로 개구된다.
전, 후면 개구부(202,204)는 외부 공기가 이동 가능한 공간을 제공하고, 상기 전, 후면 개구부(202,204)를 통해 외부 공기가 유입 또는 유출될 수 있다.
방폭부(200)는 전면 개구부(202)가 개구된 상태로 이루어지거나, 상기 전면 개구부(202)가 부분적으로 밀폐되도록 이루어질 수 있다. 즉, 전면 개구부(202)는 하우징 내부로 공기 유입이 가능하도록 소정의 면적으로 개구되고, 부분적으로 밀폐되는 것도 가능할 수 있다.
방폭부(200)는 랙 하우징(300) 내부를 기준으로 하부에 배치되는 제1 방폭 영역(210)과, 상기 제1 방폭 영역(210)의 상부에 배치되는 제2 방폭 영역(220)을 포함한다. 그리고 상기 제1 방폭영역(210)에는 수납된 트레이(2)를 지지하는 격벽(224)이 구비되고, 상기 트레이(2)의 상부에는 개구부(212)가 구비된 차단판(222)이 구비된다. 즉, 트레이(2)를 기준으로 하부에는 격벽(224)이 구비되고, 상부에는 개구부(212)가 구비된 차단판(222)이 구비된다.
개구부(212)는 도면에 도시된 크기 및 형상으로 한정하지 않고, 다양한 크기와 형상으로 변경될 수 있으며, 트레이(2)에 개구된 트레이 홀(2c)과 서로 마주보게 배치된다.
왜냐하면, 상기 트레이 홀(2c)에서 배출된 고온의 공기를 상기 개구부(212)를 통해 안정적으로 배출시키기 위해서이다.
본 실시예에서 설명하지는 않았으나, 제1 방폭 영역(210)의 세로 방향을 따라 소정의 길이를 가지면서 개구부가 개구되는 것도 가능할 수 있다. 이와 같이 개구부(212)가 개구될 경우에는 상기 트레이 홀(2c)에서 배출된 공기의 이동이 보다 원활하게 이루어진다.
차단판(222)은 트레이(2)의 폭발에 따른 확산을 방지 하기 위해 구비되고, 소정의 두께(t)를 가지는 철판 또는 이와 유사한 물성을 가지는 재질로 이루어진다.
본 실시예에서는 상기 차단판(222)에 대해 철판 또는 이와 유사한 물성을 가지는 재질로 한정하였으나, 폭발력을 차단할 수 있는 다른 재질도 가능함을 밝혀 둔다.
본 발명의 방폭부(200)는 이차 전지의 폭발력을 1차적으로 제1 방폭 영역(210)의 한정된 공간에서 확산 이동시키고, 차단판(222)을 이용하여 폭발된 트레이의 상부 또는 하부에 배치된 트레이를 향해 폭발력이 전달되는 것을 방지한다.
제1 방폭 영역(210)은 제2 방폭 영역(220)에 비해 상대적으로 큰 면적으로 이루어진다. 왜냐하면, 상기 제1 방폭 영역(210)은 이차 전지의 폭발에 따른 폭발력이 직접적으로 전달되면서 확산 이동에 따른 충격을 감소시키는 영역이고, 상기 제2 방폭 영역(220)은 이차 전지의 폭발력을 차단하기 위한 영역에 해당 되기 때문이다.
제1 방폭 영역(210)의 크기에 대해 특별히 한정하지는 않으며, 이차 전지의 폭발에 따른 폭발력이 확산 가능하도록 실험을 통해 그 크기가 조절될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 방폭랙의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 참고로 제2 실시예의 주요 특징은 이차 전지의 폭발에 따른 폭발력을 감소시키고, 이와 동시에 소화 약제를 폭발이 발생된 트레이에 공급하여 상기 이차 전지의 추가적인 폭발 또는 화재를 방지하는 것을 주요 특징으로 한다.
첨부된 도 5 및 도6을 참조하면, 주요 구성은 앞서 설명된 방폭부(200)가 구비된 랙 하우징(300)의 구성과 유사하며, 상기 랙 하우징(300) 내부에 트레이(2)가 가로 방향으로 2개가 탑재되고, 세로 방향으로 다수개가 탑재된다. 그러나 트레이(2)의 개수는 이에 한정되지 않는다.
트레이(2)는 내부에 다수개의 이차 전지가 탑재될 수 있으며, 상기 이차 전지가 작동 중에 발생 되는 열을 외부로 배출하기 위한 냉각팬(2a)을 포함한다.
방폭부(200)는 랙 하우징(300)의 내부를 기준으로 하부에 제1 방폭 영역(210)이 구비되고, 상기 제1 방폭 영역(220)의 상부에 제2 방폭 영역(220)이 구비되며, 상기 제1 방폭영역(210)에는 수납된 트레이(2)를 지지하는 격벽(224)이 구비되고, 상기 트레이(2)의 상부에는 개구부(212)가 구비된 차단판(222)이 구비된다. 즉, 트레이(2)를 기준으로 하부에는 격벽(224)이 구비되고, 상부에는 개구부(212)가 구비된 차단판(222)이 구비된다.
차단판(222)은 상면에 이차 전지의 폭발에 따른 상태를 감지하는 센서(20)가 구비되고, 상기 센서(20)는 트레이(2)로 소화물질을 공급하는 소화유닛(30)과 연결된다. 소화유닛(30)은 젤 타입의 소화 약제 또는 비 전도성 약제 중의 어느 하나가 선택적으로 사용된다.
소화유닛(30)의 약제를 젤 또는 비 전도성 약제를 사용하는 이유는 트레이(2) 내부에 배치된 이차 전지는 분말 또는 액체로 이루어진 소화 약제를 사용할 경우에 합선 또는 누전으로 인한 오작동 및 손상이 발생될 수 있기 때문에 이러한 손상을 발생시키지 않기 위해서이다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 제1 실시예에 의한 방폭랙의 작동 상태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 3 및 도 4를 참조하면, 트레이(2)는 랙 하우징(300)에 다수개가 탑재된 상태에서, 상기 트레이(2)의 내부에 구비된 이차 전지가 작동된다.
트레이(2)는 자체적인 방열을 위해 다수개의 트레이 홀(2c)과 냉각팬이 구비되어 있으나, 상기 방폭랙(1)이 설치되는 장소 또는 주변 온도 및 다수개가 동시에 밀착 배치되는 조건에 의해 이웃한 트레이(2)에서 발생된 열이 전도될 수 있다.
이때, 전면 개구부(202)를 통해 유입된 신선한 외기는 개구부(212)를 통해 일부가 유입되고, 외기 유입은 방폭랙(1)의 전체에서 이루어질 수 있으며, 트레이(2)가 다수개 탑재된 방폭랙(1)에서 이차 전지의 작동에 의해 발생되는 고온의 열기에 대한 냉각을 실시한다.
외기는 전면 개구부(202)를 통해 유입된 후에 일부는 개구부(212)를 통해 트레이(2)로 이동되고, 일부는 이동되는 속도에 의해 발생되는 압력차이에 의해 상기 개구부(212)를 통해 제2 방폭 영역(220)으로 배출된 고온의 열기를 후면 개구부(204)로 이동시킬 수 있다.
첨부된 도 4를 참조하면, 다수개의 트레이(2)는 방폭랙(1)에서 부분적으로 과열이 해소되는 과정에서도, 특정 위치에 배치된 트레이(2)에서 발생된 고온의 열기가 안정적으로 배출되지 않는 현상이 발생될 수 있다.
예를 들어, 방폭랙(1)의 중앙에 배치된 트레이(2)에서 폭발이 발생되면, 폭발력이 주로 상기 트레이(2)의 상부와 하부로 전달된다.
상부로 전달된 폭발력은 차단판(222)을 통해 폭발력의 일부가 감쇠된 상태로 제2 방폭 영역(220)으로 확산 이동되고, 상부 방향과 함께 상측 사방으로 동시에 전달된다.
제2 방폭 영역(220)은 일종의 챔버로 이루어져 있고, 전, 후면 개구부(202,204)가 구비되어 있어서 상기 이차 전지의 폭발에 따른 확산과 감쇠가 동시에 이루어진다. 하부로 전달된 폭발력은 격벽(224)에 전달되나, 상기 격벽(224)을 파괴하지 못하고 차단되면서 상기 상부 폭발력과 하부 폭발력은 안정적으로 방폭될 수 있다.
차단판(222)은 본 실시예에서 철판으로 이루어진 것으로 설명하며, 상기 상부 폭발력이 철판을 파괴하지 못하고 차단되면서 상부에 배치된 또 다른 트레이(2)에 폭발력이 전달되지 않는다.
본 발명의 방폭랙의 제2 실시예에 의한 작동 상태를 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 5 및 도 6을 참조하면, 다수개의 트레이(2)는 방폭랙(1)에서 부분적으로 과열이 해소되는 과정에서도, 특정 위치에 배치된 트레이(2)에서 발생된 고온의 열기가 안정적으로 배출되지 않는 현상이 발생될 수 있다.
예를 들어, 방폭랙(1)의 특정 위치에 배치된 트레이(2)에서 폭발이 발생되면, 폭발력이 주로 상기 트레이(2)의 상부와 하부로 전달될 수 있다.
상부로 전달된 폭발력은 차단판(222)을 통해 폭발력의 일부가 감소된 상태로 제2 방폭 영역(220)으로 확산 이동되고, 상부 방향과 함께 상측 사방으로 동시에 전달된다.
센서(20)는 이차 전지의 폭발에 따라 차단판(222)에 가해진 압력을 감지하여, 소화유닛(30)에 신호를 전송하고, 상기 소화유닛(30)에 구비된 뇌관이 폭발되면서 상기 소화유닛(30)에 주입된 소화 약제가 상기 트레이(2)를 향해 투하된다.
상기 소화 약제는 이차 전지의 손상을 방지하기 위해 젤 타입의 소화 약제 또는 비 전도성 소화 약제가 사용되므로 전기 합선 또는 누전 유발을 방지한다.
따라서, 추가적인 폭발 가능성이 있는 이차 전지 및 연소 가능성이 있는 구성품에 상기 소화 약제가 도포되면서 추가 폭발을 방지하고 즉각적인 소화가 이루어질 수 있다.
부분적인 폭발력은 차단판(222)을 경유하여 제2 방폭 영역(220)으로 확산 이동될 수 있으나, 상기 차단판(222)에 의해 폭발력의 일부가 감소된 상태로 확산 이동되고, 하부 폭발력은 차단판(222)을 파괴하지 못하고 차단되면서 상기 상부 폭발력과 하부 폭발력은 안정적으로 방폭될 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1 : 방폭랙
100 : 트레이
200 : 방폭부
201 : 하우징
202 : 전면 개구부
204 : 후면 개구부
210 : 제1 방폭 영역
212 : 개구부
220 : 제2 방폭 영역
222 : 차단판

Claims (10)

  1. 에너지를 저장 및 공급하기 위해 다수개의 이차 전지가 탑재된 트레이; 및
    상기 트레이가 수납되고, 상기 이차 전지의 폭발에 따른 폭발 전도성을 차단 가능하게 하는 방폭부가 구비된 랙 하우징을 포함하는 방폭랙.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 방폭부는
    상기 랙 하우징의 세로 방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 방폭랙.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 방폭부는
    상기 트레이가 삽입되는 제1 방폭 영역;
    상기 트레이의 상부와 하부에 구비된 제2 방폭 영역;
    상기 트레이의 상부에 밀착되는 차단판;
    상기 트레이의 하부에 밀착되는 격벽을 포함하는 방폭랙.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 방폭부는
    전면과 후면이 각각 개구된 전면 개구부와 후면 개구부를 포함하는 방폭랙.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 방폭 영역은 제2 방폭 영역에 비해 상대적으로 큰 면적으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방폭랙.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 차단판은
    상기 트레이를 향해 개구된 개구부를 더 포함하는 방폭랙.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 개구부는
    상기 트레이에 개구된 트레이 홀과 서로 마주보게 배치된 것을 특징으로 하는 방폭랙.
  8. 제3 항에 있어서,
    상기 차단판은
    소정의 두께(t)를 가지는 철판 또는 이와 유사한 물성을 가지는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방폭랙.
  9. 제3 항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 차단판은
    이차 전지의 폭발에 따른 상태를 감지하는 센서;
    상기 센서 신호에 따라 상기 트레이를 향해 소화물질을 공급하는 소화유닛을 더 포함하는 방폭랙.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 소화유닛은
    젤 타입의 소화 약제 또는 비 전도성 약제 중의 어느 하나가 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 하는 방폭랙.
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