KR20180085534A - 배터리 및 연료전지스택용 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 및 연료전지스택과 밀착조립되어 발생되는 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있도록 함과 아울러 조림을 간편용이하게 한 배터리용 열교환기에 관한 것이다.
본 발명은 전기 차량의 일면에 밀착되게 설치하여 배터리 및 연료전지스택을 냉각시킬 수 있도록 한 배터리 및 연료전지스택용 열교환기에 있어서, 상기 열교환기는 일측에 유입구공이 천공되고, 타측에 유출구공이 천공된 평판 상의 상단 플레이트; 상기 상단 플레이트와 밀착되어 브레이징 조립되되 중앙에 길이방향으로 냉각된 유체가 순환하도록 엠보에 의해 유로가 형성된 하단 플레이트; 상기 유입구공에는 유체를 공급할 수 있도록 브레이징에 의해 조립되는 유입구 파이프; 상기 유출구공에는 유체를 배출할 수 있도록 브레이징에 의해 조립된 유출구 파이프;를 포함하여 구성된 것으로서 제작공정이 간단하여 작업능률을 향상시킴과 아울러 제품 단가가 절감됨은 물론 냉각을 위한 유체가 하단 플레이트의 유로 전체를 골고루 경유하여 통과할 수 있게 함에 따라 배터리에서 발생된 열을 신속하게 열교환 할 수 있게 되는 것이다.

Description

배터리 및 연료전지스택용 열교환기{Heat exchanger for battery and fuel cell stack}
본 발명은 배터리 및 연료전지스택과 밀착조립되어 발생된 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있도록 한 배터리 및 연료전지스택용 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 일측과 타측에 각각 유입구 및 유출구 파이프가 고정되면서 평면을 갖는 상부 플레이트와 내측에 유체가 순환할 수 있도록 엠보에 의해 유로가 형성된 하부 플레이트를 브레이징을 통해 간편용이하게 조립고정하여 조립효율성을 증대시키면서 냉각효율을 현저하게 극대화시킬 수 있도록 한 배터리 및 연료전지스택용 열교환기에 관한 것이다.
최근 환경문제와 고유가 등으로 인해 전기를 적용한 환경차량에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이러한 환경차량은 예를 들어 전기차(Electronic Vehicles) 및 하이브리드 전기차(Hybrid Electronic Vehicles)로 개발되어 상용화되고 있는 실정이다.
상기와 같은 전기차 및 하이브리드 전기차(이하, 전기차량이라 통칭 함)는 통상 다수의 리튬-이온 셀로 제조되어 재충전 가능한 고전압의 배터리 또는 연료전지가 적용되고 있는 실정이다.
이하에서는 배터리를 예로하여 설명하기로 한다.
이러한 고전압 배터리는 전기차량을 구성하는 핵심 부품 중 하나로서, 충전, 방전시에 고온의 열이 발생되는데, 이는 배터리의 성능 및 효율에 상당한 영향을 미치는 주요 요인으로써 필수적으로 관리할 필요성이 있다.
이에, 대부분의 전기차량에서는 배터리팩에 냉각시스템이 마련되어 상기 냉각시스템을 통해 강제공랭식으로 배터리의 열을 관리하고 있다.
즉, 차량 내부의 공기를 블로워 모터를 통해 덕트로 유입하여 배터리팩 내부에 통과시키므로, 배터리팩의 열을 냉각시키는 구조이다.
그러나, 이처럼 블로워 모터를 이용한 냉각시스템은 고전압 배터리 전장품 중에서 배터리 다음으로 큰 부피를 차지하는 것은 물론, 용량 증대에 구조적인 제한이 있어 풍량을 증대하는 데에 한계가 있는 문제가 있다.
또한, 차량 실내 공기를 통해 냉각이 이루어짐으로써 냉각 공기의 온도를 최적의 온도로 조절하여 공급할 수 없는 한계가 있으며, 아울러 차량 내부로부터 먼지 또는 물 등이 덕트 내부로 유입되면 배터리팩의 고장 원인으로 작용할 수 있는 치명적인 문제도 있다.
한편, 차량의 주행 중에는 배터리의 방전으로 인한 열 발생이 크지 않으며, 차량의 주행속도에 따라 주행 풍이 발생하여 이러한 주행풍 만으로 배터리의 열을 냉각시킬 수 있게 된다. 따라서, 주행 중에는 냉각시스템의 필요성이 떨어지게 된다.
그러나, 차량의 충전(특히 급속충전)시에는 배터리의 발열량이 크며, 차량이 정지상태에는 주행풍이 발생되지 않기 때문에 배터리의 열을 냉각시킬 수 있는 시스템이 필수적이다. 따라서, 전기차량에는 상기한 냉각시스템의 문제에도 불구하고 차량의 충전시와 같은 발열에 대비하기 위해 배터리 냉각시스템이 마련되어야 하는 문제가 있다.
전술한 바와 같은 문제를 개선하기 위하여, 냉각 유체의 순환에 따른 배터리용 열교환기가 개발되어 사용되고 있다.
이에 상기의 문제점을 보완하기 위한 배터리용 열교환기는 냉각을 위한 유체가 내부공간을 통해 순환되도록 유입, 유출되며, 굴절 타입으로 다수 벤딩 형성되는 열교환파이프와, 상기 열교환파이프의 상부 외면이 밀착되도록 저면에 삽입홈이 형성되는 상판 및 상기 상판과 대향되어 결합부재를 통해 조립되며 상기 열교환파이프의 하부 외면이 밀착되도록 상면에 삽입홈이 형성되는 하판을 포함한다.
상기와 같은 열교환파이프와 상판 및 하판으로 구성된 배터리용 열교환기에 의하면, 열교환파이프의 내부를 순환하는 냉각을 위한 유체에 의해 상기 열교환 파이프로부터 상판 및 하판을 통해 상기 상판 또는 하판과 밀착되는 배터리에 대한 냉각이 더욱 효율적으로 이루어질 수 있게 되는 것이다.
그러나, 전술한 바와 같은 배터리용 열교환기는 상판과 하판 및 열교환파이프를 가공한 후에 열교환파이프가 상판과 하판 사이에 개재되도록 하여 결합부재로 결합하여 기계적 조립을 통해 제품을 완성하는 것으로, 제작공정이 복잡하다는 문제점과 아울러, 열교환파이프 내부로 순환하는 냉각을 위한 유체로부터 상판 또는 하판을 거쳐 배터리 측과 열교환이 이루어지므로, 배터리의 냉각효율이 저하되는 문제가 있었다.
상기와 같은 문제점 등을 해결하기 위하여 종래에는 본 출원인이 출원한 특허공개 제2016-48564호에서와 같이 배터리용 열교환기(1)는 다수의 유로가 관통형성된 압출형의 냉각판(20) 상측에는 유로를 분할할 수 있도록 중앙에 배플(11)이 고정되고 양측에는 유입구(30)와 유출구(40)가 조립된 제1 헤더파이프(10)가 브레이징 고정되고, 냉각판(20) 하측에는 유로로 흐르는 유체를 리턴 할 수 있도록 제2 헤더파이프(10')가 브레이징에 의해 조립 고정되는 구성이다.
그러나 상기와 같은 열교환기의 경우에는 압출성형되어 표면이 평평한 냉각판(20)에 배터리(B)가 긴밀하게 접촉되어 배터리에서 발생하는 열의 냉각은 용이하나, 열교환기(1)의 제작을 위하여 냉각판(20) 및 제1, 2 헤더파이프(10)(10'), 배플(11), 유입구(30), 유출구(40)등을 각각 가공하여 구비한 후, 각 부품을 가 조립하여 브레이징을 통해 제품을 완성하는 것으로 제작이 복잡하다는 문제점이 야기되었다.
또한 유체가 제1 헤더파이프(10)에서 정확하게 분배되어 유입 유출이 되어야 하고 냉각판의 유로를 통하여 순환하는 과정에서 유체의 혼합됨이 방지되어야 냉각효율을 극대화 시키게 되는데, 상기와 같은 분할을 위하여 제1 헤더파이프(10)에 별도의 배플(11)이 점 접촉으로 고정되어 있어 적은 충격에도 탈리되기 때문에 정확한 가공 및 브레이징에 의한 조립이 요구되어 생산량 감소는 물론 제작단가가 상승 되는 문제점이 있었다.
선행기술문헌
특허문헌
대한민국 공개특허 제2016-48564호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점 등을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 그 주된 목적으로는 평평한 상단 플레이트와 엠보에 의해 유로가 형성된 하단 플레이트를 브레이징 조립함과 동시에 유입구 파이프와 유출구 파이프를 브레이징 조립한 후 상단 플레이트 외면과 배터리 및 연료전지스택의 일면이 직접 밀착되게 하여 발생되는 열의 냉각효율을 극대화시킬 수 있도록 하려는 것이 그 특징이다.
본 발명의 다른 목적으론 평판의 상단 플레이트와 엠보에 의해 유로가 형성된 하단 플레이트를 결합하여 브레이징에 의해 간단하게 제조하여 생산성을 향상함과 아울러 제조단가를 절감할 수 있도록 하려는 것이 그 특징이다.
본 발명의 또 다른 목적으론 상, 하단 플레이트의 외주면을 버링에 의해 가 조립한 후 브레이징하여 조립 고정력을 극대화시키고 강한 충격에도 탈리되는 것을 방지할 수 있도록 하여는 것이 그 특징이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다음과 같다. 즉, 본 발명에 따른 배터리용 열교환기는 전기 차량의 일면에 밀착되게 설치하여 배터리를 냉각시킬 수 있도록 한 배터리용 열교환기에 있어서, 상기 열교환기는 일측에 유입구공이 천공되고, 타측에 유출구공이 천공된 평판상의 상단 플레이트와; 상기 상단 플레이트와 밀착되어 브레이징 조립되되 중앙에 길이방향으로 냉각을 유체가 순환하도록 엠보에 의해 유로가 형성된 하단 플레이트와; 상기 유입구공에는 유체를 공급할 수 있도록 브레이징에 의해 조립되는 유입구 파이프와; 상기 유출구공에는 유체를 배출할 수 있도록 브레이징에 의해 조립된 유출구 파이프;를 포함하여 구성된다.
상기 하단 플레이트의 엠보 상면은 상단 플레이트의 하면과 밀착되게 하기 위하여 하단 플레이트의 상면과 동일하게 가공하여 형성하는 것이다.
상기 상단 플레이드의 외주면에는 버링을 형성하고 하단 플레이트의 외주면에는 상기 버링과 대응되는 위치에 결합공을 천공하여 결합력을 극대화할 수 있도록 구성되는 것이다.
상기 하단 플레이트의 유로는 배터리 및 연료전지스틱의 크기에 따라 복수개로 형성되는 것이다.
상기 상단 플레이트에 고정된 유입구 파이프와 유출구 파이프는 일측에 고정하고 하단 플레이트의 유로 타측은 연결로를 형성하여 구성된 것이다.
상기 하단 플레이트의 엠보는 중앙을 길게 단차를 형성하여 유체가 골고루 분배되어 통과할 수 있도록 구성된 것이다.
본 발명의 배터리용 열교환기에 의하면 평판의 상단플레이트와 엠보에 의해 유로가 형성된 하단 플레이트를 브레이징에 의해 간단하게 제조하여 생산성을 향상함과 아울러 제조단가를 절감할 수 있는 효과를 창출할 수 있음은 물론 상, 하단 플레이트의 외주면을 버링에 의해 결합한 후 브레이징하여 조립 고정력을 극대화시키고 유체의 누수됨을 완전히 방지하는 것임은 물론 하단 플레이트의 엠보 중 중앙의 길게 단차를 형성함으로써 유체가 유로로 골고루 분산되게 분배되어 냉각효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 기술을 설명하려는 열교환기의 사시도.
도 2는 본 발명이 적용된 열교환기의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 열교환기 조립사시도.
도 4는 본 발명의 버링 결합 확대 단면도.
도 5는 본 발명의 열교환기로서, 유체의 흐름을 나타낸 설명도.
도 6은 본 발명의 다른실시예 열교환기로서, 유체의 흐름을 나타낸 설명도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 배터리용 열교환기의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명이 적용된 열교환기의 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 열교환기 조립 사시도이며, 도 4는 본 발명의 버링 결합 확대 단면도이고, 도 5는 본 발명의 열교환기로서, 유체의 흐름을 나타낸 설명도이다.
도 2 내지 도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리용 열교환기는 전기차량의 배터리 일면에 밀착되어 배터리를 냉각 또는 가열시킬 수 있도록 하여, 순환하는 유체를 냉매 또는 온수를 적용할 수 있는 것으로 이를 통하여 전기차량 등에 사용되는 배터리의 온도를 일정하게 유지시키기 위한 것이며, 이하에서는 냉각을 위한 냉매 유체를 적용한 경우를 기준으로 설명하기로 한다.
본 발명은 배터리를 열교환하여 냉각시킬 수 있도록 한 열교환기(100)는 배터리(B)와 밀착될 수 있도록 평평한 판상의 상단 플레이트(110)와 엠보에 의해 유로가 형성된 하단 플에이트(120) 및 유입구 파이프(130), 유출구 파이프(140)를 포함하여 이루어진다.
본 발명을 구체적으로 설명하면, 상기 열교환기(100)의 상단 플레이트(110)는 평평한 판상의 형성되며 일측에는 유입구공(111)이 천공되고, 타측에는 유출구공(112)이 천공된 구성이다.
그리고 상기 열교환기(100)의 하단 플레이트(120)는 중앙에 길이방향으로 냉각된 유체가 순환하도록 엠보(121)에 의해 유로(122)가 형성되어 있다.
이때 상기 하단 플레이트(120)의 엠보(121) 상면은 상단 플레이트(110)의 하면과 밀착되게 하기 위하여 하단 플레이트(120)의 상면과 동일하게 가공하여 형성하는 것이 바람직하고, 하단 플레이트(120)의 엠보(121)는 유체가 골고루 분배되어 통과할 수 있도록 중앙을 길게 단차가 지도록 형성되는 것이 바람직하다.
더욱이 상기 상단 플레이트(110)의 외주면에는 결합력의 증대를 위하여 버링(113)이 형성되어 있고, 하단 플레이트(120)의 외주연에는 상기 버링(113)과 대응되는 위치에 결합공(123)이 천공되어 구성되어 있다
한편 상기 상단 플레이트(110)의 유입구공(111)에는 냉매를 공급할 수 있는 유입구 파이프(130)가 고정되어 있고, 유출구공(112)에는 열교환된 유체를 배출할 수 있는 유출구 파이프(140)가 고정되어 있는 구성이다.
또한 상기 하단 플레이트(120)의 유로(122)는 배터리의 크기에 따라 복수개구획하여 형성될 수 있는 것이고, 상기 유로(122)는 복수개의 유로를 각각 독립하여 사용하는 것이 바람직하나, 도 6에서와 같이 지그재그로 유체가 흐르도록 유로와 유로에 연결로(150)를 형성하여 구성되어도 무방하다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 먼저 상단 플레이트(110)와 하단 플레이트(120를 긴밀하게 접촉시켜 가 조립하고 상단 플레이트(110)의 유입구공(111)과 유출구공(112)에는 각각 유입구 파이프(130)와 유출규 파이프(140)를 끼움 조립한 후 브레이징을 통하여 조립완료되는 것이다.
이때 상, 하단 플레이트(110, 120)의 조립력을 증대하기 위하여 상단 플레이트의 버링(113)을 하단 플레이트(120)의 결합공(123)에 끼워 압착하여 결합한 후 브레이징을 통하여 조립하여도 된다.
상기와 같이 열교환기(100)를 조립하여 배터리(B)의 표면과 열교환기(10)의 상단 플레이트(110) 외면과 긴밀하게 밀착되도록 설치한 후 열교환기(100)를 작동시키면 냉각된 냉매의 유체가 상단 플레이트(110) 일측에 고정된 유입구 파이프(130)를 경유하여 도 5에서와 같이 엠보(121)에 의해 형성된 유로(122)를 통하여 화살표방향으로 유도되어 상단 플레이트(110)의 타측에 고정된 유출구 파이프(140)를 경유하여 유출되는 것이다.
상기와 같은 냉각 유체가 엠보(121)에 의해 형성된 유로(122)를 따라 다량이 순환함에 따라 배터리(B)에서 발생된 열을 간편용이하면서 신속하게 흡수하여 냉각시키게 되는 것이다.
이때 상기 하단 플레이트(120)의 엠보(121)가 중앙을 길게 단차지게 형성함에 따라 유체가 중앙을 중심으로 양측으로 유도되면서 골고루 분배되어 통과함으로써 냉각효율이 극대화되는 것이다.
한편 상기 하단 플레이트(120) 상의 유로(122)를 통하여 유체의 순환을 일측에서 타측으로 유도하는 경우에는 도 5와 같이 일측에 유입구 파이프(130)를 설치하고 타측에 유출구 파이프(140)를 설치하는 것이 바람직하나, 유체를 일측에서 유입 또는 유출을 할 시에는 도 6에 도시한 바와 같이 일측에 유입구 파이프(130)와 유출구 파이프(140)를 고정설치하고 하단 플레이트(120)의 유로와 유로(122)에는 연결로(150)를 설치하여 유체가 화살표 방향으로 유도 순환되도록 하는 것이다.
상기와 같이 본 발명의 열교환기(100)는 상단 플레이트(110), 유로가 형성된 하단 플레이트(120) 및 유입구 파이프(130), 유출구 파이프(140)를 가 조립한 후 브레이징을 이용하여 간편용이하게 조립완료함에 따라 제작공정이 간단하여 작업능률을 향상시킴과 아울러 제품 단가가 절감됨은 물론 냉각을 위한 유체가 하단 플레이트(120)의 유로(122) 전체를 골고루 경유하여 통과할 수 있게 함에 따라 배터리에서 발생된 열을 신속하게 열교환할 수 있게 되는 것이다.
이상에서 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형의 실시가 가능하며, 이러한 변형은 본 발명의 범위에 포함된다.
100 : 열교환기
110 : 상단 플레이트 111 : 유입구공
112 : 유출구공 113 : 버링
120 : 하단 플레이트 121 : 엠보
122 : 유로 123 : 결합공
130 : 유입구 파이프 140 : 유출구 파이프
150 : 연결로

Claims (6)

  1. 전기 차량의 일면에 밀착되게 설치하여 배터리 및 연료전지스택을 냉각시킬 수 있도록 한 배터리용 열교환기에 있어서, 상기 열교환기는 일측에 유입구공이 천공되고, 타측에 유출구공이 천공된 평판상의 상단 플레이트; 상기 상단 플레이트와 밀착되어 브레이징 조립되되 중앙에 길이방향으로 냉각된 유체가 순환하도록 엠보에 의해 유로가 형성된 하단 플레이트; 상기 유입구공에는 유체를 공급할 수 있도록 브레이징에 의해 조립되는 유입구 파이프; 상기 유출구공에는 유체를 배출할 수 있도록 브레이징에 의해 조립된 유출구 파이프;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 및 연료전지스택용 열교환기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하단 플레이트의 엠보 상면은 상단플레이트의 하면과 밀착되게 하기 위하여 하단플레이트의 상면과 동일하게 가공하여 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 및 연료전지시택용 열교환기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 상, 하단 플레이트는 상단 플레이드의 외주연에는 버링을 형성하고 하단 플레이트의 외주연에는 상기 버링과 대응되는 위치에 결합공을 천공하여 결합력을 극대화할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 및 연료전지스택용 열교환기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 하단 플레이트의 유로는 배터리의 크기에 따라 복수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 및 연료전지스택용 열교환기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 상단 플레이트에 고정된 유입구 파이프와 유출구 파이프는 일측에 고정하고 하단 플레이트의 유로 타측은 연결로를 형성하여 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 및 연료전지스택용 열교환기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 하단 플레이트의 엠보는 중앙을 길게 단차를 형성하여 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 및 연료전지스택용 열교환기.

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