KR20190105367A - 방열 특성이 향상된 울트라 캐패시터 모듈 - Google Patents

방열 특성이 향상된 울트라 캐패시터 모듈 Download PDF

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KR20190105367A
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서태호
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엘에스엠트론 주식회사
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Abstract

본 발명은 에너지 저장 기능을 갖는 울트라 캐패시터 모듈에 관한 것으로, 2의 배수(짝수)에 해당하는 복수의 울트라 캐패시터 셀을 구비하고, 상기 복수의 울트라 캐패시터 셀이 2열 구조로 배열되는 UC 셀 어셈블리; 상기 울트라 캐패시터 셀의 외 측면에 대응하는 형상을 갖는 셀 수용부를 구비하여 상기 UC 셀 어셈블리를 수용하는 케이스; 및 상기 울트라 캐패시터 셀의 외 측면과 상기 셀 수용부의 내 측면 사이에 배치되는 방열 패드를 포함하고, 상기 케이스는 적어도 2개 이상의 케이스 블록을 포함하며, 상기 케이스 블록의 결합에 의해 상기 셀 수용부가 형성되고, 상기 방열 패드가 있는 영역의 열 전달율은 상기 방열 패드가 없는 영역의 열 전달율보다 10배 이상임을 특징으로 한다.

Description

방열 특성이 향상된 울트라 캐패시터 모듈{ULTRA CAPACITOR MODULE HAVING IMPROVED HEAT DISSPATATION}
본 발명은 울트라 캐패시터 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2열 구조로 배열된 UC 셀 어셈블리를 포함하는 울트라 캐패시터 모듈에 관한 것이다.
울트라 캐패시터(Ultra-Capacitor, UC)는 슈퍼 캐패시터(Super Capacitor)라고도 불리며, 전해 콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지 저장장치로써 높은 효율, 반영구적인 수명 특성으로 이차전지와의 병용 및 대체 가능한 차세대 에너지 저장장치이다.
울트라 캐패시터는 유지보수가 용이하지 않고 장기간의 사용 수명이 요구되는 어플리케이션에 대해서는 축전지 대체용으로 이용되기도 한다. 울트라 캐패시터는 빠른 충/방전 특성을 가지며 이에 따라 이동통신기기인 핸드폰, 노트북, PDA 등의 보조 전원으로서 사용될 수 있다. 또한 고용량이 요구되는 전기자동차, 야간 도로 표시등, UPS(Uninterrupted Power Supply)등의 주 전원 혹은 보조 전원으로 매우 적합하다.
이러한 울트라 캐패시터를 고전압용 전지로 사용하기 위해서는 수천 패럿(Farad) 또는 수십 내지 수백 전압의 고전압 모듈이 필요하다. 고전압 모듈은 각각의 단위 셀(Cell)인 울트라 캐패시터가 필요한 수량만큼 연결되어 고전압용 울트라 캐패시터 어셈블리로 구성된다.
도 1은 종래 기술에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 구성과 해당 모듈의 단면을 도시한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 울트라 캐패시터 모듈(10)은, UC 셀 어레이(11), UC 셀 어레이(11)를 수용하는 상부 케이스(12) 및 하부 케이스(13), 그리고 상부 및 하부 케이스(12, 13)의 양쪽 개구를 커버하는 제1 및 제2 덮개(14, 15)를 포함한다.
UC 셀 어레이(11)는 다수의 울트라 캐패시터를 병렬로 위치시킨 상태에서 서로 인접한 제1 울트라 캐패시터의 양극 단자와 제2 울트라 캐패시터의 음극 단자를 부스바(15) 및 너트(미도시) 등과 같은 연결 부재를 이용하여 직렬로 연결되도록 구성할 수 있다.
울트라 캐패시터 모듈(10)은 다수의 울트라 캐패시터의 구동을 통해 에너지 저장 특성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 울트라 캐패시터 모듈(10) 구동 시, 다수의 울트라 캐패시터에서 발생되는 열도 함께 증가되어 울트라 캐패시터 모듈(10)의 신뢰성이나 안정성이 저하될 수 있다.
이에 따라, 종래의 울트라 캐패시터 모듈(10)은, 서로 이웃한 울트라 캐패시터를 연결하는 연결 부재인 부스바(15)와, UC 셀 어레이(11)를 수용하는 상/하부 케이스(12, 13)와, 상/하부 케이스(12, 13)와 울트라 캐패시터 셀 사이에 위치하는 방열 패드(17)와, 상/하부 케이스(12, 13)의 양쪽 개구를 커버하는 금속 재질의 덮개(14, 15) 등을 통해 주로 방열을 한다.
그런데, 종래의 울트라 캐패시터 모듈(10)의 경우, 각각의 발열 소스(heat source)인 울트라 캐패시터 셀은 그 인접 울트라 캐패시터 셀들과 가장 넓은 면적을 접하고 있으므로, 내부 발열 시 서로 인접하는 셀들 간에 열 전달이 이루어져 해당 모듈의 방열 성능이 떨어지는 문제점이 발생한다. 따라서, 다수의 울트라 캐패시터 셀에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하기 위한 방안이 필요하다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 울트라 캐패시터 셀의 배열 구조를 변경하여 서로 인접한 셀들의 개수를 최소화할 수 있는 울트라 캐패시터 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 케이스와 울트라 캐패시터 셀 사이에 배치되는 방열 패드의 크기를 확대하여 방열 특성을 개선할 수 있는 울트라 캐패시터 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 케이스 블록에 형성된 방열판의 형상을 변경하여 방열 특성을 개선할 수 있는 울트라 캐패시터 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 2의 배수(짝수)에 해당하는 복수의 울트라 캐패시터 셀을 구비하고, 상기 복수의 울트라 캐패시터 셀이 2열 구조로 배열되는 UC 셀 어셈블리; 상기 울트라 캐패시터 셀의 외 측면에 대응하는 형상을 갖는 셀 수용부를 구비하여 상기 UC 셀 어셈블리를 수용하는 케이스; 및 상기 울트라 캐패시터 셀의 외 측면과 상기 셀 수용부의 내 측면 사이에 배치되는 방열 패드를 포함하고, 상기 케이스는 적어도 2개 이상의 케이스 블록을 포함하며, 상기 케이스 블록의 결합에 의해 상기 셀 수용부가 형성되고, 상기 방열 패드가 있는 영역의 열 전달율은 상기 방열 패드가 없는 영역의 열 전달율보다 10배 이상임을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 UC 셀 어셈블리는, 전극이 형성된 길이 방향으로, 서로 인접한 울트라 캐패시터 셀들이 직렬로 연결되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 울트라 캐패시터 모듈에서, 방열 패드와 접촉하는 울트라 캐패시터 셀의 중심각은 210도 내지 240도인 것이 바람직하다. 또한, 셀 수용부가 형성하는 호(arc)의 길이는, 방열 패드의 길이 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 방열 패드는 탄성을 가지며, 셀 수용부와 울트라 캐패시터 셀 간의 간격은, 방열 패드의 압착 전 두께보다 작으면서 울트라 캐패시터 셀들의 직경 공차보다 크게 형성될 수 있다. 또한, 서로 이웃하는 울트라 캐패시터 셀들과 케이스 블록 사이에는 센싱 및 밸런싱을 위한 하네스가 설치될 수 있는 공간이 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에서, 케이스 블록은 울트라 캐패시터 셀의 외측 형상과 동일한 호(arc) 형상을 갖는 복수의 볼록부, 상기 복수의 볼록부들을 연결하는 볼록 연결부, 상기 볼록부와 상기 볼록 연결부 사이에 형성되는 오목부;를 포함할 수 있다. 상기 케이스 블록은, 복수의 볼록부 중 양쪽 가장자리에 위치하는 볼록부로부터 연장되어 케이스 블록의 길이 방향으로 절곡된 제1 및 제2 케이스 블록 연결부를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 케이스 블록은 오목부에 대응하는 위치에서 수직 방향으로 돌출되어 형성되는 적어도 하나의 방열판을 더 포함할 수 있다.
상기 케이스 블록에 형성된 방열판은, 하단에서 상단으로 갈수록 너비가 좁아지도록, 방열판의 단면이 사다리꼴 모양으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 방열판은, 높이에 따른 너비가 일정하도록, 방열판의 단면이 직사각형 모양으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 울트라 캐패시터 셀의 배열 구조를 2열 구조로 변경함으로써, 인접 셀의 발열에 대한 영향을 최소화하고 방열 면적을 최대한으로 높여 방열 성능을 개선할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 케이스와 울트라 캐패시터 셀 사이에 배치되는 방열 패드의 크기를 확대함으로써, 방열 면적을 최대한으로 높여 방열 성능을 개선할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 케이스 블록에 수직 방향으로 형성된 방열판의 형상을 변경함으로써, 방열 면적을 최대한으로 높여 방열 성능을 개선할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 울트라 캐패시터 모듈이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 구성과 해당 모듈의 단면을 도시한 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 구성을 도시한 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 울트라 캐패시터 셀 간의 연결을 도시한 도면;
도 4는 도 2의 Ⅱ-Ⅱ'선에 따른 단면을 도시한 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이스 블록의 구성을 도시한 도면;
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인쇄회로기판을 셀 장착면 방향에서 바라본 도면;
도 7은 케이스 블록에 형성된 복수의 방열판의 모양을 예시하는 도면;
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열 패드의 구조를 나타내는 도면;
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 방열 패드의 배치 구조를 나타내는 도면;
도 10은 도 4의 A 부분을 확대한 도면;
도 11은 종래 기술에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 방열 특성을 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면;
도 12는 본 발명에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 방열 특성을 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은, 울트라 캐패시터 셀의 배열 구조를 변경하여 울트라 캐패시터 모듈의 방열 특성을 개선할 수 있는 방안을 제안한다. 또한, 본 발명은 케이스 블록에 형성된 방열판의 형상을 변경하거나, 케이스 블록에 부착된 방열 패드의 크기를 확대하여 방열 특성을 개선할 수 있는 방안을 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 구성을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 울트라 캐패시터 셀 간의 연결을 도시한 도면이며, 도 4는 도 2의 Ⅱ-Ⅱ'선에 따른 단면을 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 울트라 캐패시터 모듈(100)은, 적어도 2개 이상의 울트라 캐패시터 셀(111)이 직렬로 연결된 UC 셀 어셈블리(110), UC 셀 어셈블리(110)를 수용하는 상부 케이스 블록(120) 및 하부 케이스 블록(130), 상기 상부 및 하부 케이스 블록(120, 130)의 양쪽 개구를 커버하는 제1 덮개(140) 및 제2 덮개(150)를 포함할 수 있다.
UC 셀 어셈블리(110)는 인접 셀의 개수가 최소화되도록 적어도 2개 이상의 울트라 캐패시터 셀(111)이 2열 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 이를 위해, 상기 울트라 캐패시터(111)의 개수는 2의 배수(즉, 짝수) 개임이 바람직하다. 설명의 편의상, 이하 본 실시 예에서는 6개의 울트라 캐패시터 셀이 2열 구조로 배열된 UC 셀 어셈블리(110)를 예시하여 설명하도록 한다. 이러한 배열 구조를 갖는 UC 셀 어셈블리(110)는 인접 셀의 발열에 대한 영향을 최소화하고, 열 전도 면적을 늘려 방열 성능을 증가시킬 수 있다.
UC 셀 어셈블리(110)는 2열 구조로 배열된 복수의 울트라 캐패시터 셀(111)이 직렬로 연결되도록 형성될 수 있다. 또한, UC 셀 어셈블리(110)는 상부 케이스 블록(120)과 하부 케이스 블록(130)에 의해 수용되어 울트라 캐패시터 모듈(100)을 형성할 수 있다.
울트라 캐패시터(또는 울트라 캐패시터 셀, 111)는 원통 형상일 수 있으며, 도면에 도시된 바와 같이, 전극이 형성된 길이 방향으로 다른 울트라 캐패시터(111)와 직렬로 연결되어 UC 셀 어셈블리(110)를 구성할 수 있다.
UC 셀 어셈블리(110)에 존재하는 울트라 캐패시터들 간의 연결은 연결 부재, 예를 들어 부스바(bus bar) 및/또는 너트(nut)에 의해 연결될 수 있다. 가령, 도 3에 도시된 바와 같이, UC 셀 어셈블리(110)의 마지막 배열 위치(즉, 마지막 행 위치)에 존재하는 제3 울트라 캐패시터(330)의 양극 단자와 제4 울트라 캐패시터(340)의 음극 단자는 부스바(370) 및 제1 너트(380) 등과 같은 연결 부재를 통해 접속될 수 있다. 이에 따라, 제3 및 제4 울트라 캐패시터(330, 340)는 부스바(370)에 의해 양극 단자와 음극 단자가 직렬로 연결되고, 제1 너트(380)에 의해 부스바(370)와 결합되어 UC 셀 어셈블리(110)를 구성할 수 있다.
제1 내지 제3 울트라 캐패시터(310~330) 간의 연결과, 제4 내지 제6 울트라 캐패시터(340~360) 간의 연결은 제2 너트(390)를 통해 수행될 수 있다. 이때, 각각의 울트라 캐패시터들(310~330, 340~360)은 제2 너트(390)를 통해 결합되어 서로 인접하는 울트라 캐패시터(310~330, 340~360)의 양극 단자와 음극 단자를 직렬로 연결할 수 있다. 상기 제2 너트(390)는 제1 너트(380)와 동일하거나 혹은 다른 형상을 구비할 수 있다.
상부 및 하부 케이스 블록(120, 130)은 UC 셀 어셈블리(100)의 외 측면에 대응되는 형상을 갖는 수용부를 구비할 수 있다. 상부 케이스 블록(120)과 하부 케이스 블록(130)은 서로 대칭되는 형상으로 구성될 수 있으며, 체결 수단(170)을 통해 결합되어 케이스를 형성할 수 있다. 상기 상부 케이스 블록(120) 및 하부 케이스 블록(130)의 구체적 형상에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
한편, 이상 본 실시 예에서는, 두 개의 케이스 블록(120, 130)을 이용하여 UC 셀 어셈블리(110)를 수용하는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며, 상부 케이스 블록과 하부 케이스 블록이 일체로 결합된 단일 케이스를 이용하여 UC 셀 어셈블리(110)를 수용할 수 있거나, 혹은 세 개 이상의 케이스 블록들을 이용하여 UC 셀 어셈블리(110)를 수용할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
상부 및 하부 케이스 블록(120, 130)의 한 쪽 개구를 커버하는 제1 덮개(140)에는, 다수의 울트라 캐패시터(111)와의 전기적 연결을 위한 전극 단자(141, 143)가 구비될 수 있다. 본 발명에 따른 울트라 캐패시터 모듈(100)에서, 상기 전극 단자(141, 143)는 동일한 방향을 바라보도록 제1 덮개(140) 상에 서로 인접하여 배치되는 것이 바람직하다.
상부 및 하부 케이스 블록(120, 130)과 다수의 울트라 캐패시터(111) 사이에는 복수의 방열 패드(160)가 배치될 수 있다. 상기 복수의 방열 패드(160)는 상부 및 하부 케이스 블록(120, 130)의 내 측면 또는 울트라 캐패시터(111)의 외 측면에 부착될 수 있다.
복수의 방열 패드(160)는 다수의 울트라 캐패시터(110)에서 발생하는 열을 외부로 방출하고, 다수의 울트라 캐패시터(110)와 상/하부 케이스 블록(120, 130) 간을 절연하는 기능을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이스 블록의 구성을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이스 블록(500)은 셀 수용부(510), 볼록부(520), 볼록 연결부(530), 오목부(540), 방열판(550), 및 케이스 블록 연결부(560) 등을 포함할 수 있다.
케이스 블록(500)은 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 'ㄷ'자 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 케이스 블록(500)은 울트라 캐패시터(111)의 외측 형상에 대응하는 형상을 갖는 셀 수용부(510)를 구비할 수 있다. 울트라 캐패시터(111)가 원통 형상인 경우, 상기 울트라 캐패시터(111)의 외 측면과 접하는 케이스 블록(500)의 내 측면은 원통 형상의 둥근 모양일 수 있다. 상기 'ㄷ'자 형상을 갖는 케이스 블록 2개를 결합하여 케이스를 완성할 수 있으며, 이에 따라 셀 수용부(510)가 형성될 수 있다.
복수의 볼록부(520)는 울트라 캐패시터(111)의 외측 형상과 동일한 호(arc) 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 복수의 볼록부(520)는 울트라 캐패시터(111)를 수용하는 셀 수용부(510)를 형성할 수 있으며, 그 내측에는 방열 패드(160)가 부착될 수 있다.
케이스 블록(500)을 폭 방향(또는 수직 방향)으로 연결하기 위해, 상기 케이스 블록(500)의 가장자리에 위치하는 볼록부들은 폭 방향으로 배치되어 연결되고, 나머지 볼록부들은 길이 방향으로 배치되어 연결된다.
볼록 연결부(530)는 볼록부(520)와 볼록부(520) 사이를 연결하도록 형성될 수 있다. 상기 볼록 연결부(513)에는 케이스의 개구를 커버하는 덮개(140, 150)를 고정하기 위한 탭(535)이 형성되어 있다. 상기 탭(535)은 볼팅(bolting) 처리를 위한 구조물로서 케이스와 덮개(140, 150)를 고정하기 위한 볼트가 삽입될 수 있다.
오목부(540)는 볼록부(520)와 볼록 연결부(530) 사이에 형성될 수 있다. 오목부(540)는 볼록부(520)의 일부를 바깥쪽으로 되접어 꺾음으로써 형성되는데, 이는 케이스 블록(500)과 울트라 캐패시터(111) 간의 절연 거리를 확보하기 위함이다.
복수의 방열판(또는 복수의 방열부, 550)은 오목부(540)에 대응하는 위치 및/또는 그 인접 영역에 배치되어, 울트라 캐패시터(110)에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있다. 방열판(550) 사이의 공기 흐름을 통한 방열 성능을 높이기 위해, 상기 복수의 방열판(550)은 일정한 간격을 유지하도록 배치될 수 있고, 또한 케이스 블록(500)의 외 측면으로부터 수직 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 이때, 방열판(550)의 높이는 볼록부(520)의 최대 높이와 동일하게 형성될 수 있다.
복수의 방열판(550)은, 울트라 캐패시터 모듈(100)의 방열 성능을 극대화하기 위해 다양한 모양으로 구성될 수 있다. 가령, 도 6에 도시된 바와 같이, 복수의 방열판(550)은 하단의 너비와 상단의 너비가 서로 일정하도록 방열판(550)의 단면이 직사각형 모양으로 형성될 수 있다.
다른 실시 예로, 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 방열판(550)은 하단에서 상단으로 갈수록 너비가 좁아지도록 방열판(550)의 단면이 사다리꼴 모양으로 형성될 수 있다. 이 경우, 직사각형 모양보다 방열 면적이 늘어나기 때문에, 방열 성능이 좀 더 향상될 수 있다. 비록 도면에 도시되고 있지 않지만, 또 다른 실시 예로, 사다리꼴 모양의 단면을 갖는 방열판 구조에서, 최 상단의 모양을 직선 형태가 아닌 곡선 형태로 변경하여 방열판을 형성할 수도 있다.
한편, 본 실시 예에서는, 케이스 블록(500)의 가운데 영역에 위치하는 볼록 연결부(530)의 주변에만 오목부(540) 및 방열판(550)이 형성되는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며, 케이스 블록(500)의 가장자리에 위치하는 볼록 연결부(530)의 주변에도 오목부(540) 및 방열판(550)이 형성될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
케이스 블록 연결부(560)는 상부 케이블 블록과 하부 케이스 블록을 폭 방향(또는 수직 방향)으로 연결할 수 있다. 이를 위해, 케이스 블록 연결부(560)는, 볼록부(511)의 일 단에서 길이 방향으로 절곡되어 연장될 수 있다. 상부 케이스 블록의 케이스 블록 연결부(560)와 하부 케이스 블록의 케이스 블록 연결부(560) 사이에 체결 수단(가령, 너트와 볼트, 170)를 결합하여 케이스를 형성할 수 있다.
케이스의 내부에 형성되는 셀 수용부(510)는 울트라 캐패시터(111)의 외 측면에 대응하는 형태로 울트라 캐패시터(111)의 형상을 최대한 살려 제작할 수 있다. 이로써, 케이스 블록(500)과 울트라 캐패시터(111) 간의 접촉면을 최대화하여 방열 면적을 증가시킴으로써 방열 효과를 높일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 방열 효과를 더욱 향상시키기 위해 셀 수용부(510)의 내 측면에 방열 패드(160)가 부착될 수 있다. 즉, UC 셀 어셈블리(110)가 셀 수용부(510)에 삽입되었을 때, UC 셀 어셈블리(110)와 셀 수용부(510) 사이에 방열 패드(160)가 위치할 수 있도록, 셀 수용부(510)의 내 측면에 방열 패드(160)를 부착할 수 있다. 한편, 다른 실시 예로, 상기 방열 패드(160)는 울트라 캐패시터(111)의 외 측면에 부착될 수도 있다.
방열 패드(160)는 울트라 캐패시터(111)의 전극 길이 방향으로 셀 수용부(510)의 내 측면에 부착될 수 있다. 방열 패드(160)의 폭은 셀 수용부(510)가 형성하는 호(arc)의 길이보다 작거나 동일하게 형성될 수 있다. 방열 패드(160)의 폭이 셀 수용부(510)가 형성하는 호(arc)의 길이보다 큰 경우 방열 패드(160)의 일부는 셀 수용부(510)에 맞닿지 않게 되어 방열을 할 수 없기 때문이다. 반대로 얘기하면, 셀 수용부(510)는 방열 패드(160)의 폭보다 긴 길이의 호(arc)를 가져야 한다.
방열 패드(160)를 케이스의 내 측면 즉, 울트라 캐패시터(111)의 외 측면에 대응하는 셀 수용부(510)의 내 측면에 부착함으로써 케이스의 측면을 통한 방열을 수행하여 방열 성능을 더욱 향상시킬 수 있으며, 상기 케이스는 구리 또는 알루미늄과 같이 열전도성이 뛰어난 재질을 사용함으로써 케이스 내부에서 발생된 열을 효과적으로 외부로 전달하여 방출시킬 수 있다.
방열 패드(160)는 열 전달을 위한 열전도 필러, 예컨대, 금속 파우더 또는 세라믹 분말 등을 포함할 수 있다. 상기 금속 파우더는 알루미늄(Al), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 텅스텐(W) 중 어느 하나이거나, 혹은 상술한 둘 이상의 금속을 혼합한 혼합물일 수 있다. 또한, 세라믹 분말은 실리콘(silicone), 그라파이트(graphite) 및 카본 블랙(carborn black) 중 어느 하나일 수 있다. 한편, 이외에도 상기 방열 패드(160)는 실리콘 합성고무 등과 같은 다양한 재질로 형성될 수 있다.
일 예로, 도 8에 도시된 바와 같이, 방열 패드(160, 800)는 제1 종이 이형지(810), 아크릴 접착 시트(820) 및 제2 종이 이형지(830)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 아크릴 접착 시트(820)는 열전도성 매체를 함유할 수 있다.
방열 패드(160)는 케이스의 내부에 수용되는 울트라 캐패시터(111)를 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 케이스 내부에 울트라 캐패시터(111)가 수용될 경우, 방열 패드(160)는 울트라 캐패시터(111)와 직접적으로 맞닿아 울트라 캐패시터(111)의 움직임을 방지하여 고정할 수 있다. 셀 수용부(510)는 울트라 캐패시터(111)의 외 측면에 대응하는 형태로 제작되더라도, 울트라 캐패시터(111)와 밀착되는 접촉면이 형성되지 않을 수 있고, 이에 따라 적절한 방열이 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 울트라 캐패시터(111)와 접촉하는 셀 수용부(510)의 내 측면에 방열 패드(160)를 부착함으로써, 울트라 캐패시터(111)를 케이스 내에 고정시켜주면서, 케이스와 울트라 캐패시터(111) 간의 접촉 면적을 넓혀 방열 효과를 높일 수 있다.
또한, 방열 패드(160)는 탄성을 갖는 재질로 형성될 수 있다. UC 셀 어셈블리(110)가 케이스에 삽입되는 경우, 각 울트라 캐패시터(111)마다 직경의 차이가 존재할 수 있기 때문에, 울트라 캐패시터(110)가 방열 패드(160)에 완벽하게 압착되지 않을 수 있다. 따라서, 이러한 울트라 캐패시터(111) 간의 직경 차이를 고려하여 탄성을 갖는 방열 패드(160)를 이용함으로써 모든 울트라 캐패시터(111)들이 방열 패드(160)에 충분히 압착될 수 있도록 한다. 이때, 방열 패드(160)의 압착 전 두께는 울트라 캐패시터(111)들의 직경 공차보다 큰 것이 바람직하다. 예를 들어, 울트라 캐패시터(111)들의 표준 직경이 60.7mm이고 공차가 ±0.7mm인 경우, 방열 패드(160)의 압착 전 두께는 1.4mm(0.7mm×2) 보다 큰 것이 바람직하고, 예를 들면 2mm의 두께를 가질 수 있다.
방열 패드(160)가 탄성을 가질 경우, 케이스에 UC 셀 어셈블리(110)가 삽입되면, 방열 패드(160)는 울트라 캐패시터(111)의 외형에 맞게 변형되고 따라서 울트라 캐패시터(111)와의 밀착력을 높일 수 있어 결국 접촉 면적이 증가하게 된다. 이러한 접촉 면적의 증가에 따라 울트라 캐패시터 모듈의 방열 효율을 더 높일 수 있다.
한편, 방열 패드(160)의 사용과 관련하여, 케이스의 셀 수용부(510)와 울트라 캐패시터(111) 간의 간격은 방열 패드(160)의 압착 전 두께보다 작으면서 상기 울트라 캐패시터(111)들의 직경 공차보다 큰 것이 바람직하다. 여기서, 셀 수용부(510)와 울트라 캐패시터(111) 간의 간격은, 방열 패드(160)를 사용하지 않고 울트라 캐패시터 모듈(100)의 조립을 완료했을 때의 간격이다.
상기 간격이 울트라 캐패시터(111)들의 직경 공차보다 커야 하는 이유는, 만약 상기 간격이 상기 직경 공차보다 작을 경우 케이스 조립이 불완전하게 되어 틈이 발생할 수 있기 때문이다. 그리고 상기 간격이 방열 패드(160)의 압착 전 두께보다 작아야 하는 이유는, 울트라 캐패시터들(111)이 방열 패드(160)에 충분히 압착될 수 있도록 하기 위함이다. 상기 간격이 방열 패드(160)의 압착 전 두께보다 작게 되면, 케이스 조립 시 울트라 캐패시터들(111)이 방열 패드(160)를 압착하게 되고, 따라서 울트라 캐패시터(111)를 케이스 내에 고정시켜주면서 울트라 캐패시터(111)와 방열 패드(160) 간의 접촉 면적을 넓혀 방열 효과를 높일 수 있다.
또한, 도면에 도시되고 있지 않지만, 방열 패드(160)의 일 측면에는 접착층을 구비하여 케이스의 셀 수용부(510)에 상기 방열 패드(160)를 용이하게 접합시킬 수 있다. 여기서, 상기 접착층은 열전도 필러, 예컨대 금속 파우더 또는 세라믹 분말을 더 포함할 수 있으며, 상기 접착층을 통해 열전도율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이처럼, 울트라 캐패시터(111)가 접촉하는 케이스의 내 측면에 열전도성이 뛰어난 방열 부재 즉, 방열 패드(160)를 부착함으로써 방열 성능을 좀 더 향상시킬 수 있다. 또한, 울트라 캐패시터(111)와 방열 패드(160)가 접촉하는 면적은, 울트라 캐패시터 모듈의 방열 성능이 최대화되도록 설계될 수 있다.
일 실시 예로, 도 5에 도시한 바와 같이, 울트라 캐패시터 모듈(100)은 방열 패드(160)와 접촉하는 울트라 캐패시터(111)의 접촉각, 즉 중심각이 240도가 되도록 설계할 수 있다. 이러한 경우, 울트라 캐패시터 하나당 방열 면적은 2*3.14*(60(울트라 캐패시터의 직경)/2)*130(방열 패드의 길이)(mm)*240(각도)/360=16328(mm2)일 수 있다. 일반적으로 중심각은 원이나 부채꼴에서 두 반지름이 만드는 각도로서, 본 발명의 실시 예에서 중심각은 방열 패드(160)와 울트라 캐패시터(111)가 접촉할 때 울트라 캐패시터(111)의 중심으로부터 그 접촉하는 부분의 양 끝단을 잇는 두 반지름이 만드는 각도이다. 그리고, 상기 양 끝단은 울트라 캐패시터(111)와 케이스 사이에서 방열 패드(160)가 압착되었을 때의 양 끝단을 의미한다.
한편, 다른 실시 예로, 도 9에 도시된 바와 같이, 울트라 캐패시터 모듈(100)은 방열 패드(160)와 접촉하는 울트라 캐패시터(111)의 접촉각, 즉 중심각이 210도(105도*2)가 되도록 설계할 수 있다. 이러한 경우, 울트라 캐패시터(111) 하나당 방열 면적은 2*3.14*(60(울트라 캐패시터의 직경)/2)*130(방열 패드의 길이)(mm)*105(각도)*2/360=14287(mm2)일 수 있다. 이때, 각도에 2를 곱하는 이유는 두 곳에 방열 패드(160)가 부착되기 때문이다. 한편, 이외에도, 다양한 형태로 울트라 캐패시터(111)와 방열 패드(160)가 서로 접촉될 수 있다.
위에서 예시한 바와 같이, 방열 패드(160)와 접촉하는 울트라 캐패시터(111)의 접촉각, 즉 중심각(α)은 210도 내지 240도인 것이 바람직하다. 중심각(α)이 210도 이상일 때의 방열 효율은 중심각(α)이 210도 미만일 때의 방열 효율보다 훨씬 크다. 그리고 방열 패드(160)와 울트라 캐패시터(111)의 접촉 면적이 넓을수록, 즉 방열 패드(160)와 접촉하는 울트라 캐패시터(111)의 중심각(α)이 커질수록 방열 효율이 좋아지지만, 그만큼 울트라 캐패시터 모듈의 제품 질량은 커지게 된다. 그 이유는, 방열 패드(160)의 폭이 증가하여 방열 패드(160)의 질량이 증가하고, 또한 셀 수용부(510)의 호(arc)의 길이도 동시에 증가하면서 케이스 블록(500)의 외 측면에 형성되는 오목부(540)의 깊이가 증가하여 케이스의 전체 질량도 증가하게 된다.
중심각(α)이 210도 내지 240도인 경우 제품 질량은 완만하게 증가하지만, 중심각(α)이 240도 보다 커지게 되면 제품 질량이 급격히 증가하게 된다. 따라서 방열 패드(160)와 접촉하는 울트라 캐패시터(111)의 중심각(α)은 210도 내지 240도인 것이 바람직하다.
한편, 공기의 열 전도 계수 0.024 W/mK, 방열 패드의 열 전도 계수 1.3W/mK, 알루미늄의 열전도 계수 237 W/mK, 공기층 두께 2mm, 방열 패드 두께 2mm, 알루미늄 케이스 두께 2.8mm로 가정하여 시뮬레이션한 결과, 방열 패드가 있는 부분의 열 전달율은 약 645 W/m2K이고, 방열 패드가 없는 부분의 열 전달율은 약 12 W/m2K임을 확인할 수 있다.
도 10은 도 4의 A 부분을 확대한 도면이다. 도 10을 참조하면, 케이스 블록(500)을 되접어 꺽음으로써 형성되는 오목부(540)로부터, 케이스 블록(500)과 울트라 캐패시터(111) 간의 거리(910)는 점점 멀어진다. 즉, 오목부(540)의 첨단을 기점으로 케이스 블록(500)과 울트라 캐패시터(111) 간의 거리(910)는 점점 멀어진다. 특정 셀의 인접 오목부(540)로부터 멀어지는 케이스 블록(500)은, 이웃한 셀의 인접 오목부(540)로부터 멀어지는 케이스 블록(500)과 볼록 연결부(530)에서 만나 케이스를 이룬다.
앞서 설명한 바와 같이, 방열 패드(160)는 방열 기능 외에 케이스 블록(500)과 울트라 캐패시터(111) 사이를 절연하는 기능을 수행한다. 방열 패드(160)가 없는 부분, 즉 방열 패드(160)가 끝나는 지점부터는, 케이스 블록(500)과 울트라 캐패시터(111) 간의 거리(910)를 멀어지게 함으로써 간접적으로 케이스 블록(500)과 울트라 캐패시터(111) 간에 절연이 되도록 한다. 상기 절연 거리 확보 이외의 절연 대책으로 각각의 셀 외면에 절연 필름을 씌우거나, 절연 코팅을 수행할 수 있다.
또한, 도면에 도시된 바와 같이, 이웃하는 울트라 캐패시터(111)와 케이스 블록(500) 사이에는 센싱 및 밸런싱을 위한 하네스가 설치될 수 있는 공간(920)이 마련될 수 있다. 해당 공간(920)을 통해 하네스를 통과하고, 또한 해당 공간(920)에 존재하는 공기의 흐름으로 추가적인 방열을 수행할 수 있다.
도 11은 종래 기술에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 방열 특성을 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이고, 도 12는 본 발명에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 방열 특성을 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 울트라 캐패시터 모듈(100)의 셀들은 시간이 경과함에 따라 온도가 약 90도 정도까지 증가하는 반면, 본 발명에 따른 울트라 캐패시터 모듈(100)의 셀들은 시간이 경과함에 따라 온도가 약 50도 정도까지 증가한다. 따라서, 본 발명에 따른 울트라 캐패시터 모듈은 셀 구조를 2열 구조로 변경함으로써, 울트라 캐패시터 모듈(100)의 방열 성능이 현저히 향상됨을 확인할 수 있다.
이상, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 울트라 캐패시터 모듈은, 기존 구조 대비 방열 면적이 커서, 충/방전이 잦은 애플리케이션(즉, heavy duty)용도로 사용 가능하다. 또한, 본 발명은 기존 구조 대비 연결부재의 수가 적어서 기구적으로 안정적이며, 내진동성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 기존 구조 대비 소형화 및 슬림화가 가능하여 좁은 공간에 설치가 용이하다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 울트라 캐패시터 모듈 110: UC 셀 어셈블리
111: 울트라 캐패시터 120: 상부 케이스 블록
130: 하부 케이스 블록 140: 제1 덮개
150: 제2 덮개 160: 방열 패드
170: 체결 수단 141/143: 전극 단자
500: 케이스 블록 510: 셀 수용부
520: 볼록부 530: 볼록 연결부
535: 탭 540: 오목부
550: 방열판 560: 케이스 블록 연결부

Claims (11)

  1. 2의 배수(짝수)에 해당하는 복수의 울트라 캐패시터 셀을 구비하고, 상기 복수의 울트라 캐패시터 셀이 2열 구조로 배열되는 UC 셀 어셈블리;
    상기 울트라 캐패시터 셀의 외 측면에 대응하는 형상을 갖는 셀 수용부를 구비하여 상기 UC 셀 어셈블리를 수용하는 케이스; 및
    상기 울트라 캐패시터 셀의 외 측면과 상기 셀 수용부의 내 측면 사이에 배치되는 방열 패드를 포함하고,
    상기 케이스는 적어도 2개 이상의 케이스 블록을 포함하며, 상기 케이스 블록의 결합에 의해 상기 셀 수용부가 형성되고,
    상기 방열 패드가 있는 영역의 열 전달율은 상기 방열 패드가 없는 영역의 열 전달율보다 10배 이상임을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 UC 셀 어셈블리는, 전극이 형성된 길이 방향으로, 서로 인접한 울트라 캐패시터 셀들이 직렬로 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방열 패드와 접촉하는 상기 울트라 캐패시터 셀의 중심각은 210도 내지 240도임을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 셀 수용부가 형성하는 호(arc)의 길이는, 상기 방열 패드의 길이 이상인 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방열 패드는 탄성을 가지며,
    상기 셀 수용부와 상기 울트라 캐패시터 셀 간의 간격은, 상기 방열 패드의 압착 전 두께보다 작으면서 상기 울트라 캐패시터 셀들의 직경 공차보다 큰 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    서로 이웃하는 울트라 캐패시터 셀들과 상기 케이스 블록 사이에는 센싱 및 밸런싱을 위한 하네스가 설치될 수 있는 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 케이스 블록은,
    상기 울트라 캐패시터 셀의 외측 형상과 동일한 호(arc) 형상을 갖는 복수의 볼록부;
    상기 복수의 볼록부들을 연결하는 볼록 연결부; 및
    상기 볼록부와 상기 볼록 연결부 사이에 형성되는 오목부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  8. 제7항에 있어서, 상기 케이스 블록은,
    상기 오목부에 대응하는 위치에서 수직 방향으로 돌출되어 형성되는 적어도 하나의 방열판을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 방열판은, 하단에서 상단으로 갈수록 너비가 좁아지도록, 상기 방열판의 단면이 사다리꼴 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 방열판은, 높이에 따른 너비가 일정하도록, 상기 방열판의 단면이 직사각형 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  11. 제7항에 있어서, 상기 케이스 블록은,
    상기 복수의 볼록부 중 양쪽 가장자리에 위치하는 볼록부로부터 연장되어 상기 케이스 블록의 길이 방향으로 절곡된 제1 및 제2 케이스 블록 연결부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
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