KR20170022460A - 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 울트라 커패시터(Ultra Capacitor)를 이용한 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치에 관한 것으로서, 울트라 커패시터(Ultra capacitor)들이 다수의 열로 배치되고 각각이 전기적으로 직렬로 연결되는 울트라 커패시터 모듈과; 상기 울트라 커패시터 모듈의 외곽을 덮어주고 일면 이상에 방열 구조물이 구성된 케이스와; 상기 울트라 커패시터들 사이에 위치된 상태에서 상기 케이스 쪽으로 열을 방출하는 방열 블록을 포함하여 구성됨으로써, 전체적으로 방열 효과를 상승시킴과 아울러 내부의 온도 편차를 줄여 전지의 수명을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치 {Energy storage device having heat radiating structure}

본 발명은 울트라 커패시터(Ultra Capacitor)를 이용한 에너지 저장 장치에 관한 것이다.

일반적으로 전기에너지를 저장하는 소자로는 전지(battery)와 커패시터(capacitor)가 대표적이다. 이러한 커패시터 중, 울트라 커패시터(Ultra Capacitor)는 슈퍼 커패시터(Super Capacitor)라고도 불리며, 전해콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지 저장장치로서 높은 효율성과 반영구적인 수명특성으로 인해 이차전지와의 병용 및 대체가 가능한 차세대 에너지 저장장치이다.

한 개의 울트라 커패시터의 전압은 통상 3V 이하에 불과하므로 고전압 모듈로 사용하기 위해서는 울트라 커패시터들을 필요한 수량만큼 직렬 연결하여 사용한다.

이러한 울트라 커패시터 모듈을 고전압용 전지로 사용하게 되면, 수십에서 수백 암페어(A; Ampere)의 전류가 흐르게 된다. 각각의 울트라 커패시터는 열원으로 작용하게 되는데, 사용 조건에 따라서는 모듈 내부의 온도 상승의 주요 원인이 되고 있다.

울트라 커패시터 모듈을 구성하는 케이스는 밀폐 상태이므로 외부 공기와의 대류로 인한 열전달이 거의 없기 때문에 내부의 열을 외부로 전달시키기 위해서 부스 바(bus-bar)를 통한 전도를 이용하여 배출하고 있다.

하지만, 모듈 내 구성된 울트라 커패시터 즉, 단위 셀의 열이 복사열로 인하여 인접 셀에 열이 전달되고, 전체 모듈 구조상 열이 외부로 빠지지 않는 구조로 인하여 모듈 내부의 온도 상승 폭이 커지게 되는 문제가 있다.

특히, 중앙부에 위치된 단위 셀들의 경우에는 인접한 셀의 숫자가 많아 온도 상승 폭이 상대적으로 바깥쪽에 위치된 셀에 비해 커지게 되고, 이에 따라 하나의 모듈 내에서 단위 셀 간의 온도 편차가 커지게 되고 이는 전체 모듈, 에너지 저장장치의 효율 및 수명이 저하되는 문제가 발생된다.

이상 설명한 배경기술의 내용은 이 건 출원의 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

KR 등록특허 10-1205331 KR 공개특허 10-2014-0130232

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 케이스에 방열핀을 형성하고, 중앙부의 방열을 위해 방열 블록을 설치함으로써 전체적으로 방열 효과를 상승시킴과 아울러 내부의 온도 편차를 줄여 전지의 수명을 증대시킬 수 있도록 하는 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치를 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치는, 울트라 커패시터(Ultra capacitor)들이 다수의 열로 배치되고 각각이 전기적으로 직렬로 연결되는 울트라 커패시터 모듈과; 상기 울트라 커패시터 모듈의 외곽을 덮어주고 일면 이상에 방열 구조물이 구성된 케이스와; 상기 울트라 커패시터들 사이에 위치된 상태에서 상기 케이스 쪽으로 열을 방출하는 방열 블록을 포함한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치는, 울트라 커패시터(Ultra capacitor)들이 다수의 열로 배치되고 각각이 전기적으로 직렬로 연결되는 울트라 커패시터 모듈과; 상기 울트라 커패시터 모듈의 외곽을 덮어주는 케이스와; 상기 울트라 커패시터들 사이에 위치된 상태에서 상기 케이스 쪽으로 열을 방출하는 방열 블록을 포함한 것을 특징으로 한다.

상기 케이스의 방열 구조물은 케이스에 일체로 형성된 방열핀인 것이 바람직하다.

상기 케이스는 육면체형 구조로 형성되고, 상기 방열 구조물은 상기 케이스의 상면판, 저면판, 좌측판, 우측판에 각각 형성될 수 있다.

상기 방열 블록은 울트라 커패시터들의 열과 열 사이에 배치되는 것이 바람직하다.

상기 울트라 커패시터는 원통형 구조로 형성되고, 상기 방열 블록은 상기 울트라 커패시터의 측면에 밀착되도록 호형 구조의 접촉면을 갖는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 본 발명의 주요한 과제 해결 수단들은, 아래에서 설명될 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용', 또는 첨부된 '도면' 등의 예시를 통해 보다 구체적이고 명확하게 설명될 것이며, 이때 상기한 바와 같은 주요한 과제 해결 수단 외에도, 본 발명에 따른 다양한 과제 해결 수단들이 추가로 제시되어 설명될 것이다.

본 발명에 따른 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치는 케이스에 방열핀이 형성되어 있기 때문에 전체적인 방열 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 울트라 커패시터 모듈의 열과 열 사이인 중앙부에 열전도를 위하 방열 블록이 설치되기 때문에 모듈의 전체 온도 상승을 막을 수 있는 동시에, 내부의 온도 편차를 최소화하여 균일한 열 분포를 도모할 수 있고, 이에 따라 특정 울트라 커패시터의 수명이 급격히 줄어드는 것을 방지하여 전체적으로 전지의 사용 수명을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치가 도시된 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치가 도시된 조립 상태의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치에서 울트라 커패시터 모듈이 도시된 평면도이다.
도 4는 도 2의 A-A 선 방향의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치에서 방열 블록이 도시된 사시도이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치가 도시된 도면들로서, 도 1은 전체 분해 사시도, 도 2는 전체 조립 상태의 사시도, 도 3은 울트라 커패시터 모듈이 도시된 평면도, 도 4는 도 2의 A-A 선 방향의 단면도, 도 5는 방열 블록이 도시된 사시도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치는, 울트라 커패시터(Ultra capacitor)(15)들이 다수의 열(11,12,13)로 배치되고 각각이 전기적으로 직렬로 연결되는 울트라 커패시터 모듈(10)과, 상기 울트라 커패시터 모듈(10)의 외곽을 덮어주고 적어도 일면 이상에 방열핀(30)이 형성된 케이스(20)와, 상기 울트라 커패시터(15)들 사이에 위치된 상태에서 상기 케이스(20) 쪽으로 열을 방출하는 방열 블록(40)을 포함하여 구성된다.

이와 같은 본 발명의 주요 구성 부분 각각에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 울트라 커패시터 모듈(10)은, 울트라 커패시터(15)들이 상기 케이스(20) 내에 수직 방향 즉, 세워진 상태로 복수개가 배치되어 구성된다.

각 울트라 커패시터(15)는 원통형 구조로 형성될 수 있고, 그 상부와 하부에 터미널들이 노출되어 부스 바(17)에 의해 울트라 커패시터(15)들이 직결로 연결될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

본 실시예의 도면에서는 울트라 커패시터(15)들이 케이스(20) 내에 3열 구조로 배열된 구조를 예시하고 있다. 이러한 울트라 커패시터(15)들은 앞서 설명한 바와 같이 부스 바(17)를 통해 전기적으로 상호 연결되어 구성된다.

다음, 상기 케이스(20)는, 상기 울트라 커패시터 모듈(10)을 외곽에서 지지 및 보호하면서 하나의 에너지 저장 장치를 구성하기 위한 것으로서, 본 실시예의 도면에서는 육면체 구조의 케이스(20)를 예시하고 있다.

케이스(20)가 육면체형 구조로 형성될 경우에, 도 1 등을 참조하면, 상면판(21), 저면판(22), 좌측판(23), 우측판(24), 전면판(25), 후면판(26) 등을 상호 조립하여 구성할 수 있다.

이러한 케이스(20)에는 외기와의 접촉면적을 확대하여 방열 성능을 향상시킬 수 있도록 방열핀(30)이 구성되는데, 본 실시예의 도면에서는 상면판(21), 저면판(22), 좌측판(23), 우측판(24)에 방열핀(31, 32, 33, 34)이 각각 일체로 형성되어 히트 싱크를 이루는 구성을 보여준다. 물론, 실시 조건에 따라서는 전면판(25) 및 후면판(26)에도 방열핀을 설치하는 것이 가능하고, 케이스(20)를 구성하는 6면 중 방열 조건에 따라 1개면 이상에 적절히 선택하여 구성하는 것도 가능하다.

한편, 케이스(20)는 앞서 설명한 바와 같은 육면체 구조에 한정되지 않고, 실시 조건에 따라서는 원통형, 또는 다른 여러 다면체 구조로 구성하는 것도 가능하다.

또한, 상기에서는 방열핀이 케이스(20)에 직접 형성되어 히트 싱크(heat sink) 구조로 이루어진 구성을 예시하여 설명하였으나, 실시 조건에 따라서는 별도의 방열핀 구조물(예를 들면, 별도의 히트 싱크)을 케이스(20)의 외측면에 설치하여 구성하는 방식도 가능하다.

다음, 상기 방열 블록(40)은 발열이 집중되는 울트라 커패시터 모듈(10)의 중앙부 쪽에서 울트라 커패시터(15)들의 열과 열(11,12,13) 사이에 배치되어 케이스(20)의 상부와 하부 쪽으로 열을 전도하여 방출할 수 있도록 구성된다.

이러한 방열 블록(40)은 알루미늄 재질 등 열전도율이 높은 소재로 구성되는 것이 바람직하다.

그리고 방열 블록(40)은 방열 성능을 높일 수 있도록 울트라 커패시터(15)의 측면에 밀착되도록 호형 구조의 접촉면(45)을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

이때 호형 구조의 접촉면(45)은 방열 블록(40)의 양쪽면에 형성되는 것이 바람직하고, 주변에 설치되는 울트라 커패시터(15)의 개수에 따라 적절한 수로 설정하여 구성되는 것이 바람직하다.

이와 같은 방열 블록(40)은 적어도 울트라 커패시터(15)가 2열 이상으로 배치된 경우에 유용하게 설치하여 이용할 수 있다.

상기한 바와 같이 케이스(20)에 방열핀(30) 구조를 갖고, 내부의 울트라 커패시터(15) 사이에 방열 블록(40)을 설치하게 되면, 기본적으로 케이스(20) 내부에서 발생되는 열은 케이스(20) 및 여기에 구성된 방열핀(30)을 통해 외부로 방열된다.

특히, 상대적으로 발열이 집중되는 중앙부인 울트라 커패시터(15)의 열과 열 사이에 방열 블록(40)이 설치되어 있으므로, 중앙부에서 발생되는 열은 방열 블록(40)을 통해 케이스(20)의 상면판(21), 저면판(22)으로 전달된 후에 외부로 방출된다.

따라서, 본 발명의 에너지 저장 장치는 방열핀(30)이 구비된 케이스(20)를 통해 내부에서 발생된 열을 보다 원활하게 방열할 수 있고, 특히 방열 블록(40)을 통해 열 발생이 많은 중앙부의 열을 외부로 집중 방열할 수 있게 되므로, 내부의 온도 편차를 최소화하여 균일한 열 분포를 도모할 수 있음은 물론 또 모듈(10)의 전체 온도 상승을 막아 전체적으로 전지의 사용 수명을 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 에너지 저장 장치는 방열 효과 증대로 보다 높은 전압용 전지로의 사용이 가능해진다.

예를 들면, 종래 구조에서는 80A 부하일 때, 내부 온도 ΔT가 15℃ 인 반면, 본 발명에서와 같이 중앙에 방열 블록(40)을 설치하게 되면, 100A 부하일 때, 내부 온도가 15℃ 정도로 측정되어 동일 발열 조건에서 더 높은 전압용 전지로의 사용이 가능해지는 것이다.

상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 울트라 커패시터 모듈 15: 울트라 커패시터
17 : 부스 바 20 : 케이스
21 : 상면판(21) 22 : 저면판
23 : 좌측판 24 : 우측판
25 : 전면판 26 : 후면판
30, 31, 32, 33, 34 : 방열핀 40 : 방열 블록
45 : 접촉면

Claims (6)

1. 울트라 커패시터(Ultra capacitor)들이 다수의 열로 배치되고 각각이 전기적으로 직렬로 연결되는 울트라 커패시터 모듈과;
   상기 울트라 커패시터 모듈의 외곽을 덮어주는 케이스와;
   상기 울트라 커패시터들 사이에 위치된 상태에서 상기 케이스 쪽으로 열을 방출하는 방열 블록을 포함한 것을 특징으로 하는 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치.
2. 울트라 커패시터(Ultra capacitor)들이 다수의 열로 배치되고 각각이 전기적으로 직렬로 연결되는 울트라 커패시터 모듈과;
   상기 울트라 커패시터 모듈의 외곽을 덮어주고 일면 이상에 방열 구조물이 구성된 케이스와;
   상기 울트라 커패시터들 사이에 위치된 상태에서 상기 케이스 쪽으로 열을 방출하는 방열 블록을 포함한 것을 특징으로 하는 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 케이스의 방열 구조물은 케이스에 일체로 형성된 방열핀인 것을 특징으로 하는 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 케이스는 육면체형 구조로 형성되고,
   상기 방열 구조물은 상기 케이스의 상면판, 저면판, 좌측판, 우측판에 각각 형성된 것을 특징으로 하는 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 방열 블록은 울트라 커패시터들의 열과 열 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 울트라 커패시터는 원통형 구조로 형성되고,
   상기 방열 블록은 상기 울트라 커패시터의 측면에 밀착되도록 호형 구조의 접촉면을 갖는 것을 특징으로 하는 방열 구조를 갖는 에너지 저장 장치.

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