KR20140028042A - 전기화학 에너지 저장 장치의 냉각을 위한 냉각 장치 및 방법 - Google Patents

전기화학 에너지 저장 장치의 냉각을 위한 냉각 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

전기화학 에너지 저장 장치(1)의 냉각을 위한 방법에서 제 1 자성 냉각 액체는 일차 회로에서 적어도 일시적으로 제 1 자기장(5)을 통해 그리고 적어도 일시적으로 전기화학 에너지 저장 장치를 통해 흐른다.

Description

전기화학 에너지 저장 장치의 냉각을 위한 냉각 장치 및 방법{COOLING DEVICE AND METHOD FOR COOLING AN ELECTROCHEMICAL ENERGY ACCUMULATOR}
본 출원은 우선권 출원 10 2011 100 602.1의 전체 내용을 참조로 포함한다.
본 발명은 전기화학 에너지 저장 장치의 냉각을 위한 냉각 장치 및 방법에 관한 것이다.
이러한 장치 및 방법들은 기본적으로 다양한 실시예에 공개되어 있다.
DE 102009038065 A1호에 화재 발생 시 연소 작용을 하는 냉각제가 에너지 저장 장치, 에너지 저장 장치의 하우징 또는 에너지 저장 장치 또는 상기 에너지 저장 장치의 하우징의 부분들을 순환 또는 관류하는 전기화학 에너지 저장 장치, 특히 리튬을 포함하는 갈바니 전지의 냉각을 위한 방법 및 장치가 기술되어 있다.
DE 102009016867 A1호에는 이러한 전지에 열 출력을 제공하고 및/또는 상기 전지로부터 방출하는 데 적합한 열전도 장치를 포함하는 전기 에너지 저장 장치가 기술되어 있다. 제 1 측정 장치는 정해진 위치의 온도를 검출하고, 제 2 측정 장치는 전류의 강도를 검출한다. 제어 장치는 상기 검출된 온도와 이에 대해 사전 설정된 온도의 온도 차를 결정하고, 측정된 온도, 결정된 온도 차 및 검출된 전류 강도에 따라서 열전도 장치 및 유체 이송 장치를 활성화 또는 비활성화한다.
본 발명의 과제는 전기화학 에너지 저장 장치의 냉각을 위한 공지된 장치의 특성 및 방법을 개선하는 것이다. 상기 과제는 독립 청구항들 중 어느 한 항에 따른 제품 또는 방법에 의해 해결된다. 종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 개선예들을 보호한다.
본 발명에 따라 전기화학 에너지 저장 장치의 냉각을 위한 장치가 제공되고, 상기 장치는 일차 회로를 포함하고, 상기 회로에서 제 1 자성 냉각 액체는 적어도 일시적으로 제 1 자기장을 통해 그리고 적어도 일시적으로 전기화학 에너지 저장 장치를 통해 흐르거나 흐를 수 있다.
이와 관련해서 전기화학 에너지 저장 장치란 에너지를 전기적 형태로 흡수하고, 화학적 형태로 저장하여, 저장된 에너지를 전기적 형태로 컨슈머에 제공할 수 있는 에너지 저장 장치이다. 이러한 전기화학 에너지 저장 장치의 주요 예들은 특히 리튬-화학 기반의 갈바니 전지 또는 다수의 갈바니 전지들로 이루어진 배터리이다.
이와 관련해서 일차 회로란 냉각 액체를 안내하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템에서 상기 제 1 냉각 액체는 다른 액체 또는 기체 열 전달 매체의 조정 없이 냉각될 열원 또는 가열될 히트 싱크와 열 교환한다. 냉각 액체는 바람직하게 열원의 냉각뿐만 아니라 바람직하게 히트 싱크의 가열에도 이용될 수 있다. 일차 회로에서 순환하는 제 1 냉각 액체는 바람직하게 이차 회로에서 순환하는 제 2 열 전달 매체에 의해 냉각 또는 가열된다.
이와 관련해서 냉각 액체란 열 전달에 적합하게 하는 물리적 특성을 갖는 액체 매체이다. 이러한 물리적 특성의 예는 양호한 열 전도성, 큰 비열 또는 매체가 하나의 지점에서 다른 지점으로 열을 이송할 수 있게 하는 매체의 다이내믹 특성이다. 냉각 액체가 이러한 모든 물리적 특성들을 동시에 또는 동일하게 가져야 하는 것은 아니다.
이와 관련해서 자성 액체 또는 냉각 액체란 바람직하게 자성 냉각 액체가 다수의 자기 모멘트를 갖기 때문에 자기장에 의해 영향을 받을 수 있는 적어도 하나의 물리적 특성을 갖는 액체 또는 냉각 액체이다. 자성 액체의 주요 예는 소위 액체자석(ferrofluids)이다. 다른 예는 소위 자기 열량 효과를 나타내는 액체이다. 특히 바람직하게 본 발명과 관련해서 자기 열량 액체자석이 사용된다.
액체자석은 자기장에 반응하는 액체의 예이다. 액체자석 물질은 바람직하게 수 나노미터 크기의, 바람직하게 캐리어 액체에 현탁된 자성 입자로 이루어진다. 이러한 액체는 바람직하게 자성 입자의 현탁액이고, 상기 입자는 캐리어 액체, 바람직하게 물 또는 오일에서 부유한다. 특히 바람직하게 상기 입자는 열용량 특성을 갖는 물질로 이루어진다. 바람직하게 고체 입자는 바람직하게 중합체 표면 코팅에 의해 안정해진다. 액체자석은 바람직하게 안정한 분산액이고, 상기 분산액에서 고체 입자들은 시간이 지나도 침전되지 않고, 강한 외부 자기장에서도 서로 축적되지 않거나 또는 개별 상으로서 액체로부터 분리되지 않는다. Ronald Rosensweig의 저서 "자성 액체 역학(Ferro-Hydrodynamics)(EA 1985, Ronald E. Rosenzweig:Ferrohydrodynamics. Dover Publications, Mineola NY 1997, ISBN 0-486-67834-2)는 액체자석의 물질을 소개한다.
"자기유변 유체(MRF)"란 액체자석처럼 자기장에 반응하지만, 상기 액체자석과 달리 이 경우 응고되는 액체이다. 자기유변 유체는 액체자석의 일반적인 나노미터 크기의 입자보다 큰 마이크로미터 크기의 자성 입자들의 현탁액으로 이루어진다. MRF의 더 큰 입자들은 자기장에 노출되면 사슬을 형성하는 경향이 있다. MRF의 점성("점착성")은 커지므로, 특히 MRF에 작용하는 압착력이 사슬을 끊을 정도로 충분히 크지 않으면, MRF는 응고될 수 있다. 자기유변 유체와 달리 액체자석은 바람직하게 사슬을 형성하지 않는다. 입자들의 무질서한 운동은 액체자석의 경우에 입자들을 수축시키는 힘보다 우세하다. MRF의 점성은 자기장 내에서 전혀 또는 거의 변하지 않지만, MRF는 고자기장에 남거나 또는 고자기장 내로 유입되는 경향이 있다. 자기유변 효과는 10나노미터의 입자 크기 이상에서 시작되기 때문에, 본 발명과 관련해서 10나노미터보다 작은 입자 크기를 갖는 액체자석이 바람직하다.
액체자석은 바람직하게 초상자성이고, 낮은 내지는 매우 낮은 히스테리시스를 갖는다. 입자들은 바람직하게 철, 마그네타이트 또는 코발트로 이루어지고, 바람직하게 일반적으로 5-10 nm 직경의 자구(magnetic domain)보다 작다. 주변 액체는 바람직하게 오일 또는 물이고, 왁스일 수도 있다. 현탁액을 안정화하기 위해 계면활성제가 첨가되고, 이로써 미셀(micelle)에 결합된 입자들은 입체 상호작용으로 인해 서로 밀어낸다.
초상자성 효과라고도 하는 초상자성은 강자성 물질의 매우 작은 입자의 자기적 특성이고, 먼저 인가된 자기장이 비활성화되면, 상기 입자들은 큐리 온도보다 낮은 온도에서도 잔류 자화를 유지하지 않는다. 이러한 현상은 소위 브라운 이완(Brown relaxation) 및 넬 이완(Neel relaxation)에 근거하고, 상기 이완에 의해 입자들의 자기 모멘트는 열적 작용(자기장의 작용이 아닌)에 의해 변경된다.
이러한 입자 군은 상자성체처럼 거시적이지만, 강자성체의 높은 자기 포화를 갖는다. 실제 상자성체와 달리 강자성체는 개별 원자가 아니라, 자화 방향이 서로 무관하게 변경되는 작은 자성 입자이다. 초상자성은 관련 물질에 따라서 특정 입자 크기 이하에서 나타난다. 이 경우 물질의 입자는 하나의 자구만을 형성할 정도로, 즉 자기 이방성을 갖지 않거나 또는 약간만 가질 정도로 작은 것이 전제된다. 이러한 경우에, 특히 간단하게 모든 자기 모멘트는 외부 자기장에 의해 하나의 균일한 방향으로 정렬될 수 있다. 입자들이 자구의 물질에 따른 크기로 또는 더 작게 감소하는 경우에, 초상자성 현상이 나타난다. 이러한 물질에 따른 입자 크기는 "조상자성 한계"라고도 한다.
액체자석의 주요 예는 바람직하게 MnZnFe2O4 또는 가돌리늄 또는 가돌리늄의 화합물을 포함하는 나노 입자의 수성 또는 유성 현탁액이다. US-특허 공보 5,958,282호 및 US 5,322,756호에 자성 액체의 제조를 위한 여러 예들이 공개되어 있다. 상기 간행물들의 공개 내용은 명시적으로 및 전체적으로 본 출원의 상세한 설명에 통합된다.
자기열량 효과란 물질이 강한 자기장에 노출되면 가열되고, 자기장이 제거되면 냉각되는 현상이다. 상기 효과는 자기장에 의한 물질의 자기 모멘트의 정렬에 의해 발생하고, 상기 자기 모멘트는 자기장이 감소할수록 다시 감소한다. 자기 모멘트의 정렬 속도는 대개 각각의 물질에 따른 분명한 히스테리시스 거동을 나타낸다. 낮은 히스테리시스를 갖는 적절한 합금을 선별함으로써 당업자는 냉각제로서 적합한 물질을 찾는다: 발생하는 열의 주기적인 자화 및 동시 방출에 의해 상기 물질로 냉각 효과가 달성될 수 있다.
자기열량 효과는 특히 물질이 그 주변과 열 교환할 수 없는 경우에, 가변 자기장이 상기 물질의 가역 온도 변화를 야기하는 자기 열역학 현상이다. 저온 물리학에서 이러한 효과는 단열 소자(adiabatic demagnetization)라고 한다. 자기열량 효과는 자기열량 액체, 바람직하게 액체자석과 같은 자기열량 물질의 냉각에 적합하다. 자기열량 액체는 자성 입자를 자기장 내로 유입 시 바람직하게 자기장의 방향으로 정렬하는 자기장을 순환하거나 또는 관류한다. 자기장으로부터 액체의 배출 시 액체와 주변 사이의 열 교환이 완전히 또는 부분적으로 저지되는 경우에, 자기장으로부터 액체의 배출과 동시에 이루어지는 자성 입자의 자기 모멘트의 무질서한 배치 방향으로 자성 입자가 재정렬됨으로써 액체의 온도가 낮아진다. 자성 입자는 액체에서 자성 입자의 자기 모멘트의 무질서한 배치를 형성하는데 필요한 에너지 또는 에너지의 일부를 뺏는다.
바람직하게 본 발명에 따른 자기 냉각을 구성하기 위해 유동하는 액체자석의 폐쇄 냉각 회로가 이용된다. 자성(제 1) 냉각 액체는 자기장을 통해 흐른다. 이 경우 액체의 자성 입자의 자기 모멘트는 자기장에 의해 정렬된다. 바람직하게 자성 액체는 자기장에 의해 자기 모멘트가 정렬되는 동안 바람직하게 제 1 냉각 액체가 열을 제공할 수 있는 제 2 냉각 액체가 관류하는 이차 회로를 통해 냉각기와 열 전도 접촉하고, 이로써 자기장의 방향으로 자기 모멘트의 정렬 시 상기 자성 액체의 온도는 증가할 수 없거나 또는 가능한 한 약간만 증가할 수 있다. 열 절연 시 자기장의 방향으로 자기 모멘트의 정렬과 함께 발생할 수 있는 온도 증가는 바람직하게 저지되고, 따라서 이러한 에너지는 열로서 가능한 한 완전히 - 바람직하게 이차 회로를 통해 흐르는 제 2 열전달 매체를 통해 - 냉각기 및 주변으로 방출된다.
특히 바람직하게 제 1(자성) 냉각 액체의 자기 모멘트가 자기장에 의해 정렬되는 동안 자기장의 활성화 시 또는 자기장 내로 제 1 (자성) 냉각 액체의 유입 시 제 1(자성) 냉각 액체와 냉각기 사이의 열 교환이 - 바람직하게 이차 회로를 통해 흐르는 제 2 열전달 매체에 의해 - 실시되므로, 자기장의 활성화 시 또는 자기장 내로 제 1(자성) 냉각 액체의 유입 시 제 1(자성) 냉각 액체의 온도는 가능한 한 변경되지 않거나 또는 가능한 한 약간만 변경된다. 이 경우 제 1(자성) 냉각 액체는 열을 냉각기에 - 바람직하게 이차 회로를 통해 흐르는 제 2 열전달 매체를 통해 - 방출한다. 바람직하게 이를 위해 열 교환기가 제공되고, 상기 열 교환기는 바람직하게 자기장 내에 배치되고, 상기 열 교환기는 제 1(자성) 냉각 액체와 냉각기 또는 이차 회로를 통해 흐르는 제 2 열전달 매체 사이의 열 교환을 가능하게 한다.
자기장의 소멸 또는 비활성화 시 제 1 냉각 액체와 냉각기 또는 이차 회로를 통해 흐르는 제 2 열전달 매체, 즉 주변 사이의 열 교환은 가능한 한 저지된다. 자기장의 소멸 또는 비활성화 시 제 1 냉각 액체가 완전히 또는 부분적으로 열 절연되는 경우에 제 1 냉각 액체의 온도는 낮아진다. 자기장의 소멸 또는 비활성화 중에 또는 후에 제 1 냉각 액체가 냉각될 대상, 바람직하게 냉각될 전기화학 에너지 저장 장치 또는 자동차 냉각 회로의 냉각기와 열전도 접촉하면, 제 1 냉각 액체는 상기 열전도 접촉에 의해 열을 흡수할 수 있고, 냉각될 전기화학 에너지 저장 장치 또는 자동차 냉각 회로의 냉각기를 냉각할 수 있으므로, 열 절연 시 발생하는 온도 감소는 완전히 또는 부분적으로 이루어지지 않을 수 있거나 또는 열 흡수에 의해 역전된다.
본 발명에 따른 장치 또는 본 발명에 따른 방법은 냉각을 위해서만 이용되지 않는다. 특히 주변 온도가 낮은 경우에, 예를 들어 겨울에는 배터리의 템퍼링에도 적합하다. 바람직하게 이는, 이차 회로 내의 냉각기가 3-방향 밸브에 의해, 바람직하게 액추에이터에 의해 이차 회로로부터 분리됨으로써 이루어진다. 이러한 작동 상태에서 제 2 냉각 액체는 이차 회로의 냉각기 옆을 지나서 이차 냉각 회로 내에서 순환한다. 비가역성에 의해 발생된 열은 상기 작동 모드에서 이차 회로에 머무르고, 거기에서부터 상기 열은 일차 회로를 통해 배터리에 제공될 수 있다.
다른 실시예의 특징들과도 조합될 수 있는 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제 1 자기장은 적어도 부분적으로 전자석에 의해 형성되고, 상기 전자석은 적어도 부분적으로 및/또는 일시적으로 전기화학 에너지 저장 장치로부터 전류를 공급받는다. 본 발명의 이러한 실시예는, 자성 냉각 액체의 특성에 영향을 미치는 자기장이 자기장 강도 및/또는 자기장 방향의 적절한 변경에 의해 간단하게 제어될 수 있거나 또는 영향을 받을 수 있는 장점을 제공한다. 외부 전류원이 제공되지 않은 경우, 자기장의 형성에 필요한 전류가 전기화학 에너지 저장 장치로부터 인출될 수 있으면, 전기화학 에너지 저장 장치의 냉각은 자성 냉각 액체에 의해서도 가능하다. 이는 특히 이동 장치에서, 예를 들어 자동차 기술에서 일반적인 경우이다.
다른 실시예의 특징들과도 조합될 수 있는 특징을 갖는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라, 제 1 냉각 액체는 적어도 일시적으로 전기 구동되는, 바람직하게 자기 펌프에 의해 일차 회로를 통해 송출되고, 상기 펌프는 적어도 부분적으로 및/또는 일시적으로 전기화학 에너지 저장 장치로부터 전류를 공급받는다. 본 발명의 이러한 실시예는, 상기 펌프의 구동을 위한 외부 전류원이 제공되지 않은 경우에도 제 1 냉각 액체가 펌프를 통해 송출될 수 있는 장점을 제공한다.
이와 관련해서 펌프란 이송된 액체의 유동을 형성하거나 유지하는데 적합한 액체 송출 장치이다. 이와 관련해서 자기 펌프란, 자성 액체의 자기 특성이 상기 액체를 송출하는데, 즉 이송된 액체의 유동을 형성하거나 또는 유지하는데 이용되는 펌프이다. 자기 펌프의 주요 예는 소위 자기열량 펌프이다. 자기열량 펌프는 자기열량 액체의 자기열량 특성에 기초한다.
관을 통해 흐르는 자기열량 액체가 관의 한 섹션에서 자기장에 노출되면, 온도 구배가 형성된다. 자기열량 액체가 가열되면, 상기 액체는 자기장에 대한 인력을 적어도 부분적으로 잃게 되고, 가열된 액체는 자기장에 여전히 강한 인력을 가하는 더 냉각된 액체로 대체된다. 이로 인해 자기열량 펌프는 관을 통해 흐르는 자기열량 액체에 추진력을 가하고, 상기 추진력은 관을 통한 액체의 송출을 위해 이용될 수 있다. 자기열량 펌프의 작동은 이러한 물리적인 기본 원칙에 기초한다. 자기열량 펌프의 구성의 예는 US 2006/0292013 A1호에 제시되고, 상기 간행물의 공개 내용은 명시적으로 및 전체적으로 본 발명의 상세한 설명에 포함된다. 자기열량 펌프의 다른 예는 US 3,819,299호에 기술된다. 상기 간행물의 공개 내용도 명시적으로 및 전체적으로 본 발명의 상세한 설명에 포함된다.
다른 실시예의 특징들과도 조합될 수 있는 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제 1 냉각 액체는 적어도 일시적으로 열적, 바람직하게 자유 확산에 의해 일차 회로를 통해 이송된다. 이로써, 펌프의 구동을 위한 에너지가 제공되지 않은 경우, 즉 특히 외부 에너지원이 제공되지 않고 전기화학 에너지 저장 장치의 충전 상태가 에너지 인출을 허용하지 않거나 또는 바람직하지 않은 것으로 보이는 경우에도, 일차 회로에 의해 제 1 냉각 액체의 이송이 이루어질 수 있는 장점을 제공한다. 이러한 상황은 모바일 이동 장치에서, 특히 자동차 기술에서도 흔히 나타난다.
이와 관련해서 열적 확산이란 하나의 지점에서 다른 지점으로 열 전달을 위한 메커니즘이다. 확산은 입자를 이송하는 유동에 의해 야기된다. 이송 유동의 원인은 예를 들어 중력 또는 압력-, 밀도-, 온도- 또는 농도 차에 의해 야기되는 힘과 같은 상이한 힘일 수 있다.
입자 이송이 온도 구배의 효과에 의해서만, 즉 예를 들어 온도 변화로 인해 야기된 밀도 차로 인한 유체의 부력 또는 저항에 의해서만 야기되는 자유 또는 자연 확산은 입자 이송이 외부 영향에 의해, 예를 들어 팬 또는 펌프에 의해 야기되는 강제 확산과 구별된다. 열에 의한 밀도 차로 인한 자유 확산은, 가열 시 물질이 일반적으로 팽창되는 것에 기초한다. 중력의 작용이란 유체 내에서 중력장에 비해 낮은 밀도를 갖는 영역이 증가하는 한편(부력), 상기 유체 내에서 더 높은 밀도를 갖는 영역은 감소한다.
다른 실시예의 특징들과도 조합될 수 있는 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제 1 냉각 액체는 적어도 일시적으로 제 1 열 교환기를 통해 흐르고, 상기 열 교환기에서 제 1 냉각 액체는 이차 회로를 통해 흐르는 제 2 냉각 액체와 열 교환한다. 제 2 냉각 액체에 열 공급에 의해 제 1 냉각 액체가 냉각되는, 제 1 냉각 액체로부터 상기 방식의 열 방출은 대부분의 경우에 예를 들어 제 1 냉각 액체의 공기 냉각보다 효과적이다. 이러한 냉각은 자기장에 의한 제 1 냉각 액체의 자성 입자의 자기 모멘트의 정렬 중에 또는 전에 실시되는 경우에 특히 효과적이다. 따라서 특히 바람직하게 열 교환기는 자기장 내에 배치된다.
이와 관련해서 열 교환기란 열 에너지를 하나의 물질 유동으로부터 다른 물질 유동으로 전달하는 장치이다.
다른 실시예의 특징들과도 조합될 수 있는 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제 1 열 교환기는 적어도 부분적으로 및/또는 적어도 일시적으로 제 1 자기장에 노출된다. 본 발명의 이러한 실시예는, 제 1(자성) 냉각 액체는 자기장에 의해 자성 입자의 자기 모멘트가 정렬되는 동안 열 저장기, 바람직하게 주변과 특히 바람직하게 이차 회로 내의 냉각기를 통해 열 교환할 수 있고, 이로써 자기장에 의한 자성 입자의 자기 모멘트의 정렬 동안 제 1 냉각 액체의 온도 증가는 완전히 또는 부분적으로 저지될 수 있는 장점을 제공한다. 자기장에 의해 자성 입자의 자기 모멘트가 정렬되는 동안 제 1 냉각 액체의 온도 상승이 작을수록, 자성 입자의 자기 모멘트의 정렬 동안 더 많은 열 에너지가 제 1 냉각 액체로부터 제거되고, 자기장의 비활성화 또는 소멸에 의한 자성 입자의 자기 모멘트의 정렬이 중단된 후에 또는 중단되는 동안에 제 1 냉각 액체가 냉각될 대상에 가할 수 있는 냉각 작용은 더 증가할 수 있다.
다른 실시예의 특징들과도 조합될 수 있는 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 이차 회로에 3-방향 밸브가 제공되고, 상기 밸브에 의해 제 2 냉각 액체는 적어도 일시적으로 냉각기를 통해, 또한 적어도 일시적으로 냉각기 옆을 지나 안내될 수 있다.
이와 관련해서 냉각기란 제 1 열전달 매체 또는 열원을 제 2 열전달 매체 또는 히트 싱크와 열전도 접촉을 통해 냉각하는데 이용되는 장치이다. 냉각기는 열 방출을 위해 이용되고, 상기 열 방출로 인해 다소 큰 폭의 온도 감소가 이루어진다. 히트 싱크는 열을 제거하기 위해 제공된 냉각 매체(대개 공기 또는 물)로 열을 흡수한다. 필요 시 냉각기는 다른 작동 모드로 및 다른 방향으로 작용할 수 있으므로, 제 1 열전달 매체 또는 히트 싱크는 제 2 열전달 매체 또는 열원과의 열전도 접촉에 의해 가열된다.
다른 실시예의 특징들과도 조합될 수 있는 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제 2 냉각 액체는 이차 회로에서 제 2 자기장을 관류할 수 있는 자성 냉각 액체이다. 본 발명의 이러한 실시예에서 이차 회로는 일차 회로처럼 자기 냉각식 냉각제 회로이다. 상기 회로에서 흐르는 제 2 냉각제는 삼차 냉각 회로에 의해 냉각될 수 있다. 이로 인해 다수의 냉각 회로가 가능하고, 상기 냉각 회로들 중 몇몇 스테이지들은 자기 냉각되고, 다른 스테이지들은 종래의 방식으로 냉각된다. 본 발명의 이러한 실시예는 자기 및/또는 비자기 냉각 회로의 다중 스테이지 배치에 해당한다.
다른 실시예의 특징들과도 조합될 수 있는 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제 1 냉각 액체는 적어도 일시적으로 제 2 열 교환기를 통해 흐르거나 흐를 수 있고, 상기 열 교환기에서 제 1 냉각 액체는 자동차의 객실의 냉각 회로와 열 교환할 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예는, 전기화학 에너지 저장 장치의 냉각이 필요하지 않은 경우에, 자기 냉각 회로의 냉각 작용이 다른 목적을 위해 이용될 수 있는 장점을 제공한다. 자기 냉각 회로의 냉각 작용을 다른 방식으로 이용하는 바람직한 가능성은, 자동차의 객실을 바람직하게 자동차 냉각 회로에 의해 템퍼링하는 것이다.
다른 실시예의 특징들과도 조합될 수 있는 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 이차 회로 내의 냉각기는 바람직하게 3-방향 밸브에 의해, 바람직하게는 이차 회로 내의 우회 경로("바이패스")에 의해 분리될 수 있다. 본 발명의 실시예는, 가역적으로 발생된 열이 시스템 내에 남아서 배터리, 즉 전기화학 에너지 저장 장치의 템퍼링에 이용될 수 있는 장점을 제공한다. 본 발명에 따른 장치를 이용한 배터리의 템퍼링 시 열은 "냉각 시스템"으로부터 배터리 내로 흐른다.
또한, 본 발명에 따라 선행 청구항들 중 어느 한 항에 따른 장치를 포함하는 자동차가 제공된다. 특히 전기화학 에너지 저장 장치에서 인출된 전류가 관류하는 전자석에 의해 자기장이 형성되는 본 발명의 실시예는, 자동차의 전기화학 에너지 저장 장치와 관련한 이용을 위해 특수한 장점을 제공하는데, 그 이유는 상기 장치는 다른 에너지원의 가용성과 무관하게 전기화학 에너지 저장 장치의 본 발명에 따른 냉각을 가능하게 하기 때문이다.
또한, 본 발명에 따라 전기화학 에너지 저장 장치의 냉각을 위한 방법이 제공되고, 상기 방법에서 제 1 자성 냉각 액체는 일차 회로에서 적어도 일시적으로 제 1 자기장을 통해 그리고 적어도 일시적으로 전기화학 에너지 저장 장치를 통해 흐르거나 흐를 수 있다.
다른 실시예의 특징들과도 조합될 수 있는 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제 1 자기장은 적어도 부분적으로 전자석에 의해 형성되고, 상기 전자석은 적어도 부분적으로 및/또는 일시적으로 전기화학 에너지 저장 장치로부터 전류를 공급받는다.
다른 실시예의 특징들과도 조합될 수 있는 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제 1 냉각 액체는 적어도 일시적으로 전기 구동되는, 바람직하게 자기 펌프에 의해 일차 회로를 통해 송출되고, 상기 펌프는 적어도 부분적으로 및/또는 일시적으로 전기화학 에너지 저장 장치로부터 전류를 공급받는 방법이 제공된다.
다른 실시예의 특징들과도 조합될 수 있는 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제 1 냉각 액체는 적어도 일시적으로 확산에 의해 일차 회로를 통해 이송되는 방법이 제공된다.
다른 실시예의 특징들과도 조합될 수 있는 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제 1 냉각 액체는 적어도 일시적으로 제 1 열 교환기를 통해 흐르고, 상기 열 교환기에서 제 1 냉각 액체는 이차 회로를 통해 흐르는 제 2 냉각 액체와 열 교환하는 방법이 제공된다.
다른 실시예의 특징들과도 조합될 수 있는 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제 1 열 교환기는 적어도 부분적으로 및/또는 적어도 일시적으로 제 1 자기장에 노출되는 방법이 제공된다.
다른 실시예의 특징들과도 조합될 수 있는 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 이차 회로에 3-방향 밸브가 제공되고, 상기 밸브에 의해 제 2 냉각 액체는 적어도 일시적으로 냉각기를 통해, 또한, 적어도 일시적으로 냉각기 옆을 지나 안내될 수 있는 방법이 제공된다.
다른 실시예의 특징들과도 조합될 수 있는 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제 2 냉각 액체는 자성 냉각 액체이고, 상기 냉각 액체는 이차 회로에서 제 2 자기장을 관류할 수 있는 방법이 제공된다.
다른 실시예의 특징들과도 조합될 수 있는 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제 1 냉각 액체는 적어도 일시적으로 제 2 열 교환기를 통해 흐르거나 흐를 수 있고, 상기 열 교환기에서 제 1 냉각 액체는 자동차의 객실의 냉각 회로와 열 교환할 수 있는 방법이 제공된다.
하기에서 본 발명은 바람직한 실시예 및 도면을 참고로 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 실시예의 바람직한 개략적인 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 다른 실시예의 바람직한 개략적인 흐름도.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 다른 실시예의 바람직한 개략적인 흐름도.
본 발명은 도 1에 도시된 본 발명에 따른 장치의 실시예에서 설명될 수 있다. 제 1 자성 냉각 액체, 바람직하게 액체자석은 일차 회로(2, 3, 4), 전기화학 에너지 저장 장치(1), 바람직하게 갈바니 전지로 이루어진 배터리를 통해 유동하고, 상기 일차 회로의 내부(3)에서 자성 냉각 액체는 배터리 또는 상기 배터리를 구성하는 전지들의 열을 흡수한다. 과냉된 배터리 또는 예를 들어 냉각될 자동차 내부와 같은 다른 히트 싱크의 가열을 위해 일차 회로가 작동되는 경우에, 제 1 냉각 액체는 열 매체로서 작용하고, 가열될 히트 싱크에 열을 제공한다. 바람직하게 이를 위해 전기화학 에너지 저장 장치 또는 열원 또는 히트 싱크 내에 채널들(3)이 배치되고, 상기 채널들을 통해 제 1 냉각 액체가 유동하고, 히트 싱크 또는 열원과 열 교환할 수 있다.
바람직하게 제 1 자성 냉각 액체는 펌프(4)에 의해 일차 회로를 통해 송출된다. 상기 펌프는 바람직하게 자기 펌프이다. 전기화학 에너지 저장 장치(1) 또는 열원(1) 또는 히트 싱크(1)를 떠난 후에 제 1 냉각 액체는 열 교환기(12) 내로 흐르고, 상기 열 교환기에서 제 1 냉각 액체는 바람직하게 제 2 냉각 액체 또는 공기 또는 다른 기체와 열 교환할 수 있다. 제 2 냉각 액체는 바람직하게 냉각기(9)에 포함된 이차 회로(6, 7, 8, 10)를 통해 흐르고, 상기 냉각기는 바람직하게 공기(11)에 의해 냉각된다. 냉각기(9) 내에 바람직하게 냉각 채널들(10)이 제공되고, 상기 채널들을 통해 제 2 냉각 액체가 유동한다. 이차 회로에서 바람직하게 펌프(7)는 제 2 냉각 액체를 송출한다.
제 1 자성 냉각 액체와 제 2 냉각 액체 사이의 열 교환(12)은 자기장(5) 내에서 실시되고, 상기 자기장은 바람직하게 전자석(5a, 5b)에 의해 형성되고, 상기 전자석은 바람직하게 전기화학 에너지 저장 장치로부터 전류를 공급받는다.
도 2에 도시된 바람직한 실시예에서 제 1 자성 냉각 액체는 일차 회로의 통과 시 바람직한 자기 열역학 사이클을 진행하고, 상기 사이클을 한 번 진행하면 제 1 냉각 액체는 등온 열 교환 시 온도(T1)의 열원으로부터 열량(T1*DS)을 제거하고, 마찬가지로 등온 열 교환 시 더 낮은 온도(T2)의 히트 싱크에 열량(T2*DS)을 제공한다. 2개의 등온 단계(b)와 사이클 사이에 단열(등엔트로피) 단계들(a, c)이 제공된다. 단계 a에서 냉각 액체의 온도는 히트 싱크의 더 낮은 온도(T2)로부터 열원의 더 높은 온도로 증가한다. 이는 자기 열역학 사이클에서 - 일반적인 카르노 사이클(Carnot cycle)에서처럼 - 작동 가스의 단열(등엔트로피) 압축에 의해서가 아니라, 제 1 자성 냉각 액체의 단열(등엔트로피) 자화에 의해 이루어지고, 상기 사이클에서 냉각 액체는 자기장(H2=0)이 없는 공간으로부터 강도(H1)의 자기장으로 유입된다. 제 1 자성 냉각 액체의 이러한 단열(등엔트로피) 자화 시, 상기 냉각 액체의 온도는 히트 싱크의 낮은 온도(T2)로부터 열원의 더 높은 온도(T1)로 증가한다. 다른 단열(등엔트로피) 단계(c)에서 제 1 자성 냉각 액체는 자기장으로부터 배출되고, 이 경우 상기 냉각 액체의 온도는 T1에서 T2로 감소하는데, 그 이유는 제 1 자성 냉각 액체는 상기 단계(c)에서 단열(등엔트로피) 소자되기 때문이다.
등온 열 교환 과정은 실제로 영구적으로 천천히 실행될 수 있는데, 그 이유는 유한 시간으로 실행되는 열 교환을 위해 유한 온도 차를 필요로 하기 때문이다. 보다 실제적인 사이클은 도 3에 도시되고, 상기 도면에서 열원과의 열 교환(b')은 비등온적으로 이루어진다. 그대신 제 1 냉각 액체의 온도는 열원과의 상기 열 교환(b') 시 온도 T3에서 T2로 증가한다. 이 경우 제 1 자성 냉각 액체는 열원으로부터 열량을 흡수하고, 상기 열량은 수평 좌표축과 곡선(b') 사이의 면적에 상응한다. 단계(d')에서 제 1 자성 냉각 액체는 히트 싱크에 열량을 제공하고, 상기 열량은 수평 좌표축과 곡선(d') 사이의 면적에 상응한다.
도 1에 도시된 본 발명에 따른 장치의 실시예에서도 열 교환 과정(3, 10, 12)은 정확히 등온적으로 이루어지지 않는다. 그대신 제 1 자성 냉각 액체는 전기화학 에너지 저장 장치(1)를 통과 시 온도가 상승하면서 열을 흡수한다. 자기장(H)이 없는 경우에 상기 냉각 액체는 제 1 열 교환기(12)를 통과 시 온도가 감소하면서 배출된다. 충분한 크기의 자기장(H)의 인가 시 자화는 온도 감소를 저지하고, 상기 자화는 자기장의 강도에 따라서 및 냉각 액체의 자기 특성에 따라 상기 온도 감소를 즉시 과잉 보상한다. 도 1에 도시된 장치에서, 자기 모멘트의 정렬 시 자기장에 의해 제공된 에너지가 제 2 냉각 액체와 열 교환(12)시 상기 제 1 냉각 액체에 방출될 수 있는 경우에, 자화는 항상 단열적으로 이루어지는 것이 아니라, 거의 등온적으로 이루어진다.
자기장(5)의 소멸 시, 즉 자기장으로부터 제 1 자성 냉각 액체의 배출 시, 자기장은 제 1 냉각 액체로부터 자기 모멘트의 정렬 시 냉각 액체에 제공한 에너지를 소자에 의해 제거한다. 이러한 단계는 거의 단열적으로(등엔트로피) 이루어지므로, 제 1 냉각 액체의 온도는 가능한 한 현저히 감소하고, 또는 냉각될 열원과 가능한 한 양호한 접촉이 이루어지므로, 자성 냉각 액체는 가능한 한 많은 열을 열원으로부터 흡수할 수 있다.
자기 열역학 사이클의 단계들은 본 발명과 관련해서 반드시 가능한 한 엄격하게 단열적으로 또는 등온적으로 이루어지지 않아도 된다. 도 4는 2개의 단계들(e, f)이 단열적으로는 물론 등온적으로 실행되지 않는 사이클의 예를 도시한다. 그럼에도 불구하고 제 1 자성 냉각 액체는 온도(T4)를 갖는 열원으로부터 열을 제거하여 상기 열을 온도(T2)에서 히트 싱크에 제공한다. 냉각 액체가 열원으로부터 열을 흡수하여 히트 싱크에 제공할 수 있는 열이 많을수록, 냉각 작용은 양호해진다.

Claims (15)

  1. 전기화학 에너지 저장 장치(1)의 냉각을 위한 장치에 있어서,
    상기 장치는 일차 회로(2, 3, 4)를 포함하고, 상기 회로에서 제 1 자성 냉각 액체는 적어도 일시적으로 제 1 자기장(5)을 통해 그리고 적어도 일시적으로 전기화학 에너지 저장 장치를 통해 흐르거나 흐를 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 자기장은 적어도 부분적으로 전자석(5a, 5b)에 의해 형성되고, 상기 전자석은 적어도 부분적으로 및/또는 일시적으로 상기 전기화학 에너지 저장 장치로부터 전류를 공급받는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 액체는 적어도 일시적으로, 전기 구동되는, 바람직하게 자기 펌프(4)에 의해 일차 회로를 통해 송출되고, 상기 펌프는 적어도 부분적으로 및/또는 일시적으로 전기화학 에너지 저장 장치로부터 전류를 공급받는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 액체는 적어도 일시적으로 열적 확산에 의해 일차 회로를 통해 이송되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 액체는 적어도 일시적으로 제 1 열 교환기(12)를 통해 흐르고, 상기 열 교환기에서 상기 제 1 냉각 액체는 이차 회로(8, 9, 10)를 통해 흐르는 제 2 냉각 액체와 열 교환하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 열 교환기는 적어도 부분적으로 및/또는 적어도 일시적으로 제 1 자기장에 노출되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 이차 회로에 3-방향 밸브(6)가 제공되고, 상기 밸브에 의해 제 2 냉각 액체는 적어도 일시적으로 냉각제를 통해, 또한 적어도 일시적으로 냉각기 옆을 지나 안내될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 2 냉각 액체는 이차 회로에서 제 2 자기장을 관류할 수 있는 자성 냉각 액체인 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 액체는 적어도 일시적으로 제 2 열 교환기를 통해 흐르거나 흐를 수 있고, 상기 열 교환기에서 상기 제 1 냉각 액체는 자동차의 객실의 냉각 회로와 열 교환할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 포함하는 자동차.
  11. 전기화학 에너지 저장 장치의 냉각을 위한 방법에 있어서,
    일차 회로에서 제 1 자성 냉각 액체는 적어도 일시적으로 제 1 자기장을 통해 그리고 적어도 일시적으로 전기화학 에너지 저장 장치를 통해 흐르거나 흐를 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 자기장은 적어도 부분적으로 전자석에 의해 형성되고, 상기 전자석은 적어도 부분적으로 및/또는 일시적으로 상기 전기화학 에너지 저장 장치로부터 전류를 공급받는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 액체는 적어도 일시적으로 전기 구동되는, 바람직하게 자기 펌프에 의해 일차 회로를 통해 송출되고, 상기 펌프는 적어도 부분적으로 및/또는 일시적으로 전기화학 에너지 저장 장치로부터 전류를 공급받는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 액체는 적어도 일시적으로 열 확산에 의해 일차 회로를 통해 이송되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 액체는 적어도 일시적으로 제 1 열 교환기를 통해 흐르고, 상기 열 교환기에서 상기 제 1 냉각 액체는 이차 회로를 통해 흐르는 제 2 냉각 액체와 열 교환하는 것을 특징으로 하는 방법.
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