KR20150117521A - 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치 - Google Patents

Abstract

이 발명의 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치(100)는, 다수개의 배터리 셀로 구성된 배터리 모듈이 내장되는 케이스(110)와, 상기 배터리 모듈을 구성하는 단위 모듈 사이에 배치되면서 상기 케이스의 외부로 연장 배치되는 면상 히트파이프(120), 및 상기 케이스의 외부로 연장된 상기 면상 히트파이프의 단부에 연통 결합되는 배관(130)을 포함한다. 이 발명은 선박용 배터리팩의 셀 사이 및/또는 모듈 사이에 면상 히트파이프를 배치하여 배터리의 충전 혹은 방전시 발생하는 열을 효과적으로 냉각함과 더불어, 그 부피 및 중량을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

Description

히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치{Marine battery cooling apparatus using heat pipes}

이 발명은 선박용 배터리 냉각장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리팩의 셀 사이 및/또는 모듈 사이에 면상 히트파이프를 배치하여 배터리의 충전 혹은 방전시 발생하는 열을 효과적으로 냉각함과 더불어, 그 부피 및 중량을 최소화할 수 있는 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치에 관한 것이다.

운송수단으로 사용되는 장치들은 무게가 무거울수록 속도가 감소하게 된다. 레저선박의 경우에도 마찬가지로 내부를 구성하는 구성품의 중량이 가벼울수록 적은 동력을 사용하여 높은 속도를 얻을 수가 있다.

한편, 전기추진선박(레저선박 포함)경우 동력원이 전기추진시스템으로 구성되어 있는데, 전기추진시스템 중 배터리의 중량은 대략 50% 이상을 차지하고 있다. 따라서, 배터리의 중량 및 부피를 감소시킴으로써 선박의 속도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 유효공간을 다른 용도로 효율적으로 운영할 수가 있다.

그런데, 배터리는 충방전 과정에서 다량의 열이 발생한다. 특히, 대용량 배터리의 경우에는 충방전시 전류량의 증가에 따라 더 많은 열을 수반하게 되며, 이때 발생한 열이 충분히 제거되지 않는 경우, 배터리의 성능 저하가 유발되거나 나아가 발화 또는 폭발에 이르기까지 한다.

따라서, 배터리의 성능 유지 등을 위해서도 배터리의 온도를 낮추어야 한다. 한편, 배터리의 온도를 낮추기 위한 방법으로는 공랭식과 수냉식이 있다. 공랭식은 외부의 공기를 이용하여 배터리의 온도를 낮추는 것으로서, 배터리의 단위 셀 사이에 간격을 두고 셀과 셀 사이로 팬을 이용하여 바람을 불어 냉각시키는 방식이다. 그런데, 이 방식은 단위 셀 간에 충분한 공간을 확보해야 하기 때문에 배터리팩의 부피를 증가시키고, 내부의 공기 유동량에 한계가 있기 때문에 충분한 성능을 확보하기 어려운 문제점이 있다. 한편, 공랭식을 선박에 적용할 경우 공기 중의 염분에 의해 구성품의 부식 발생을 초래할 수 있고, 또한 효율적인 냉각을 위해 내부 부품 사이의 공간을 공기 통로로 이용해야 하기 때문에 많은 부피를 차지하는 문제점이 있다.

수냉식은 수냉식 배관을 설치하여 냉각하는 것으로서, 많은 배관과 배관 안에 채워져 있는 냉각수에 의하여 중량이 높아지는 단점이 있으며, 이 또한 부피가 증가하는 문제점이 있다.

한국 등록특허공보 제10-1051446호(등록일 : 2011. 07. 18) 한국 등록특허공보 제10-1216012호(등록일 : 2012. 12. 20)

따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 배터리팩의 셀 사이 및/또는 모듈 사이에 면상 히트파이프를 배치하여 배터리의 충전 혹은 방전시 발생하는 열을 효과적으로 냉각함과 더불어, 그 부피 및 중량을 최소화할 수 있는 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치는, 다수개의 배터리 셀로 구성된 배터리 모듈이 내장되는 케이스와, 상기 배터리 모듈을 구성하는 단위 모듈 사이에 배치되면서 상기 케이스의 외부로 연장 배치되는 면상 히트파이프, 및 상기 케이스의 외부로 연장된 상기 면상 히트파이프의 단부에 연통 결합되는 배관을 포함한다.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 면상 히트파이프는 배터리에서 발생하는 열을 흡수하여 작동유체가 증발(기화)되는 축열부와, 상기 축열부에서 기화된 작동유체가 외부로 열을 방출하여 액화(응축)되는 방열부를 포함하며, 상기 축열부는 상기 단위 모듈 사이에 위치하고, 상기 방열부는 상기 케이스의 외부에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 면상 히트파이프는 상기 축열부 및 상기 방열부와 서로 간에 연통된 상태로 상기 축열부의 양 단위에 각각 위치하여 상기 단위 모듈을 지지하는 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 작동유체는 물이고, 상기 배관은 수냉식 배관인 것을 특징으로 한다.

이 발명은 선박용 배터리팩의 셀 사이 및/또는 모듈 사이에 면상 히트파이프를 배치하여 배터리의 충전 혹은 방전시 발생하는 열을 효과적으로 냉각함과 더불어, 그 부피 및 중량을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 즉, 이 발명을 선박용 배터리 시스템에 적용할 경우 현재 1톤 정도인 배터리의 중량을 대략 5~10% 정도 감소시킬 수 있고, 그로 인해 선박의 속도를 0.05~0.1 knot 향상시키는 효과가 있다.

또한, 이 발명은 기존의 수냉식 배관라인 자리를 면상 히트파이프로 대체함으로써 그 부피를 10% 정도 감소시킴과 더불어 부식 영향을 감소시키며, 배관이 거의 없기 때문에 유지보수가 편리하다는 장점이 있다.

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치를 배터리 모듈에 배치한 상태를 도시한 개념도이고,
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치를 배터리픽에 배치한 상태를 도시한 개념도이다.

아래에서, 이 발명에 따른 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치를 배터리 모듈에 배치한 상태를 도시한 개념도이고, 도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치를 배터리팩에 배치한 상태를 도시한 개념도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치(100)는 다수개의 배터리 셀로 구성된 배터리 모듈이 내장되는 케이스(110)와, 배터리 모듈을 구성하는 단위 모듈 사이에 배치되면서 케이스(110)의 외부로 연장 배치되는 면상 히트파이프(120), 및 케이스(110)의 외부로 연장된 면상 히트파이프(120)의 단부에 연통 결합되는 배관(130)으로 구성된다.

케이스(110)는 일반적인 배터리 케이스와 동일 유사한 형태로 구성되어 동일 기능을 수행하므로 그 구체적인 구성관계는 생략한다.

면상 히트파이프(120)는 일반적인 히트파이프와 동일 유사한 개념을 갖는 것으로서, 배터리에서 발생하는 열을 흡수하여 작동유체가 증발(기화)되는 축열부(121)와, 축열부(121)에서 기화된 작동유체가 외부로 열을 방출하여 액화(응축)되는 방열부(122)로 구성된다. 따라서, 면상 히트파이프(120)의 축열부(121)는 단위 모듈 사이에 위치하고, 방열부(122)는 케이스(110)의 외부에 위치하게 된다.

그리고, 면상 히트파이프(120)는 축열부(121)의 양 단위에 각각 위치하여 단위 모듈을 지지하는 지지부(123)를 더 갖도록 구성할 수도 있다. 여기서, 지지부(123)는 축열부(121) 및 방열부(122)와 동일한 내부구조를 가질 뿐만 아니라 서로 간에 연통되는 구조를 갖는다. 이러한 지지부(123)는 다수개의 배터리 셀이나 단위 모듈을 서로 간에 연결하기 위해 양 측면에 위치하는 엔드플레이트의 역할과, 외부에서 가해지는 진동이나 충격으로부터 배터리 셀이나 단위 모듈을 보호하는 역할을 한다.

한편, 면상 히트파이프(120)는 그 내부면이 윅(wick) 형태를 가지며, 또한 진공상태의 내부에 작동유체를 갖도록 구성된다. 이때, 윅의 형태로는 그루브(groove)를 비롯하여 다양한 형태를 가지질 수 있고, 작동유체로는 물, 프레온계 냉매, 암모니아, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 나프탈렌, 유황 또는 수은 등을 이용할 수 있다.

이 실시예의 면상 히트파이프(120)는 그 작동유체로 물을 이용하되, 그 내부의 진공도를 조절하여 배터리의 온도가 30℃ 이상이 되었을 경우 외부로 열이 이동할 수 있도록 설계 구성하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 면상 히트파이프(120)는 엔드플레이트 및/또는 진동/충격에 효율적이도록 도 1과 같은 H자 형상을 비롯하여 ㄷ자 형상으로 설계가 가능하고 별도의 엔드플레이트 기능을 추가 구성할 수도 있다. 또한, 그 재질을 구리로 구성해 배터리에서 발생한 열을 축열부(121)에서 보다 효율적으로 흡수하도록 구성하거나, 냉각 효율을 높이기 위해 케이스(110)의 외부로 노출되는 방열부(122)의 길이를 최적화하는 것이 바람직하다.

배관(130)은 케이스(110)의 외부로 연장된 면상 히트파이프(120)의 단부에 연통 결합되어 면상 히트파이프(120)의 작동유체를 유동시키고 냉각시키는 통로 역할을 한다. 따라서, 면상 히트파이프(120)에 적용되는 작동유체에 따라 배관(130)을 따라 유동하는 유체가 결정된다. 예를 들어, 작용유체로 물을 이용할 경우, 배관(130)은 수냉식 배관의 역할을 하게 된다.

상기와 같이 구성된 이 실시예의 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치(100)는, 배터리에서 발생되는 열을 면상 히트파이프(120)의 축열부(121)에서 흡수하여 작동유체가 기화되고, 축열부(121)에서 기화된 작동유체의 열을 방열부(122)에서 외부로 방출하되, 배관(130)을 따라 유동하는 비가열 작동유체에 의해 가열 작동유체가 더욱 냉각되는 메커니즘을 갖는다.

이 발명의 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치(100)는 선박용 배터리 모듈 내의 셀 또는 단위 모듈들 사이에 면상 히트파이프(120)가 배치되어 배터리 셀과 직접적으로 넓은 면적에서 면 접촉해 배터리에서 발생하는 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있다. 또한, 이 발명은 셀과 셀, 모듈과 모듈 사이에 배관을 배치하지 않고 면상 히트파이프(120)를 배치함에 따라 배터리의 중량 및 부피를 크게 감소시킬 수가 있다.

이상에서 이 발명의 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이다. 따라서, 이 발명이 상기에 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 이 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 그러한 변형예 또는 수정예들 또한 이 발명의 특허청구범위에 속한다 할 것이다.

100 : 선박용 배터리 냉각장치 110 : 케이스
120 : 면상 히트파이프 121 : 축열부
122 : 방열부 123 : 지지부
130 : 배관

Claims (4)

1. 다수개의 배터리 셀로 구성된 배터리 모듈이 내장되는 케이스와,
   상기 배터리 모듈을 구성하는 단위 모듈 사이에 배치되면서 상기 케이스의 외부로 연장 배치되는 면상 히트파이프, 및
   상기 케이스의 외부로 연장된 상기 면상 히트파이프의 단부에 연통 결합되는 배관을 포함하는 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 면상 히트파이프는 배터리에서 발생하는 열을 흡수하여 작동유체가 증발(기화)되는 축열부와, 상기 축열부에서 기화된 작동유체가 외부로 열을 방출하여 액화(응축)되는 방열부를 포함하며,
   상기 축열부는 상기 단위 모듈 사이에 위치하고, 상기 방열부는 상기 케이스의 외부에 위치하는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 면상 히트파이프는 상기 축열부 및 상기 방열부와 서로 간에 연통된 상태로 상기 축열부의 양 단위에 각각 위치하여 상기 단위 모듈을 지지하는 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치.
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
   상기 작동유체는 물이고,
   상기 배관은 수냉식 배관인 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 선박용 배터리 냉각장치.

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