KR20240028303A - 점성 필러 재료를 공급하기 위한 주입 장치 및 주입 방법 - Google Patents

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위르겐 밀덴베르거
후베르트 슈타트펠트
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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 점성 필러 재료(4)를 위한 공급원 어셈블리로부터 점성 필러 재료(4)를 적어도 하나의 공급 개구(12) 및 적어도 하나의 공기 배출 개구를 갖는 폐쇄된 밀봉 하우징 어셈블리(6) 내로 공급하기 위한 주입 장치에 관한 것으로, 이 장치에서는 적어도 하나의 탕구 노즐 요소(8) 및 결합 요소(10)가 제공되며, 탕구 노즐 요소(8)는 종축(LZK)을 갖는 공급 채널(16)을 포함하고, 결합 요소(10)를 통해 하우징 어셈블리(6) 내 공급 개구(12)와 분리 가능하게 유밀 방식으로 연결될 수 있으며, 탕구 노즐 요소(8)에는 공급 채널(16)과 유체 연결되고 재순환 채널(20) 및 재순환 장치(22)를 포함하는 재순환 어셈블리(18)가 제공되며, 이들의 종축(LRK)은 종축(LZK)에 대해 일정 각도로 연장된다. 본 발명은 또한 하우징 어셈블리(6) 내로 점성 필러 재료(4)를 주입하는 방법에 관한 것이다.

Description

점성 필러 재료를 공급하기 위한 주입 장치 및 주입 방법{INJECTION ARRANGEMENT FOR SUPPLYING VISCOUS FILLING MATERIAL AND METHOD FOR INJECTION}
본 발명은 예를 들어 배터리 모듈의 하우징 어셈블리 내로 점성 필러 재료를 공급하기 위한 주입 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 하우징 어셈블리 내로 점성 필러 재료를 주입하는 방법에 관한 것이다.
예를 들어 자동차 또는 항공기에 사용하기 위한 배터리 모듈의 하우징 어셈블리의 경우, 전력 소비 시 또는 전력 출력 시 셀의 손상을 피하기 위해 개별 배터리 셀의 온도가 가능한 한 최적으로 조절되어야 한다. 이를 위해, 배터리 셀과 대부분 금속인 하우징 내벽 사이의 배터리 모듈에, 배터리 셀로부터 실제 열 전달 매체로의 열 전달이 보장되도록, 열 전도성이 매우 우수한 (갭 필러로도 지칭되는) 점성 필러 재료가 도입된다. 이 경우, 필러 재료는 추가로, 하우징 어셈블리와 방열 배터리 표면의 최적의 연결을 보장하기 위해, 하우징 어셈블리 및 배터리 셀 자체의 제조 관련 공차를 보상하는 과업도 수행한다.
자체 폐쇄형 기하 구조를 나타내는 소위 일체형 하우징 어셈블리의 경우, 점성 필러 재료의 주입은 하나 이상의 공급 개구를 통해 배터리 표면과 하우징 내벽 사이의 기존의 캡슐화된 갭 내로 실시된다. 공급 개구는, 주입 과정이 충전 과정에서 상이한 셀 기하 구조에 의해 또는 기하 구조에 영향을 미치는 다른 공차에 의해 방해받지 않도록 선택되어야 한다. 바람직하게는 단부면으로부터 주입이 수행되고, 그런 다음 필러 재료가 이상적으로는 분배기를 통해, 편평하게, 중력에 반하여, 금형 내에 존재하는 공기를 공기 배출 개구를 향해 상방으로 밀어낸다. 균일한 유동 선단(flow front)이 생성되는 것이 바람직한데, 이는 유동 선단의 너무 앞선 영역은 기포가 갇히게 하여 배터리 모듈이 불충분한 국부 셀 냉각으로 인해 불량으로 분류되게 할 수 있기 때문이다. 단부측 탕구는 유동 선단 설계가 더 간단하다는 장점이 있지만, 점성 필러를 구동하는 주입 압력이 유동 경로를 따라 선형으로 상승한다는 단점도 있다. 따라서, 공급 개구에 최고 주입 압력이 인가되며, 이는 이어서 상기 영역에 위치한 배터리 셀이 국부적으로 허용 압력 부하 한계를 초과하여 가압되게 할 수 있다. 또한, 주입 압력에 의해, 필러 재료를 열 전달 영역에서만 모듈 하우징에 결합하는 과업을 수행하는 씰이 상당히 가압된다.
또 다른 가능성은 필러 재료의 표면측 (또는 중앙) 주입이다. 이 경우, 유리하게는 적어도 하나의 공급 개구가 충전될 체적의 돌출부 중심에 위치하는데, 이는 그러한 경우 유동 경로 및 이에 따라 주입 압력도 동일한 기하 구조에서 단부면측 주입에 비해 반감되기 때문이다. 주입 과정 중에 유입 매체 내에는, 주입 지점에서 최대값을 갖고 유동 선단에서 최소값을 갖는 압력 구배가 나타난다. 체적 충전 상태에 도달하면, 주입 압력은 주입 전략에 따라 상이한 속도 및 상이한 강도로 상승한다. 이 경우, 기본적으로 압력 제어식 주입 전략과 체적 흐름 제어식 주입 전략이 구별되며, 두 전략이 동시에 사용될 수도 있다.
압력 제어의 경우, 주입 압력이 목표 변수로서 지정되고 측정된 주입 압력은 실제 변수로서 제어된다. 이 전략은, 유동 선단 속도가 일정하지 않고 오히려 주입 시작(최대 속도)에서부터 주입 종료(최소 속도)까지 감소하는 결과로 이어진다. 이 전략은, 주입 압력이 어느 시점에서도 배터리 셀에 의해 지정된 최대 압력 부하를 초과하지 않는 점을 보장한다. 이러한 안전성은 체적 흐름 제어에 비해 더 긴 주입 시간의 형태로 부정적으로 작용한다.
체적 흐름 제어의 경우, 단위 시간당 주입되는 체적이 목표 변수로서 유지되고, 주입 유닛에 의해 제공된 체적 흐름 속도가 실제 변수로서 제어된다. 이는 주입 압력이 체적 충전 시 상당히 상승할 수 있음을 의미한다. 이러한 상승은, 서로 나란히 배열된 개별 배터리 셀을 생성하고 충전될 체적을 형성하는 기하학적 형상의 함수이다. 예를 들어, 셀의 생산에 의해 설정되는 셀 높이의 공차로 인해, 공칭 측정치와 관련하여 상위 공차 밴드의 셀만이 설치되는 경우, 셀 표면과 모듈 벽 사이의 갭은 상대적으로 작다. 이는, 점성 필러 재료가 일정한 체적 흐름에서 체적 충전을 위해 더 높은 주입 압력을 필요로 하지만, 상기 갭이 (공칭 갭에 비해) 더 빠르게 충전되게 한다.
주입 과정의 제어는 모든 경우에 광학적으로 수행될 수 없고(불투명 모듈 하우징), 주입 공정 상태를 검출하기 위해 모듈 하우징 내에 센서 시스템을 도입하는 것은 경제적이지 못하기 때문에, 외부 센서 시스템에 의해 생성된 실제 공정 값만 공정 제어에 사용될 수 있다.
이러한 실제 변수에 대한 시스템측 간섭 영향이 가능한 한 작게 유지될 수 있도록, 실제 주입 지점에 가능한 한 가까이에서 체적 흐름 및 압력값이 기록되어야 한다. 그러나 셀 및 프로필 하우징의 공차 필드로 인해 주입 과정당 충전 체적이 일정하지 않기 때문에, 주입된 체적은 주입 과정의 품질 보증에 관한 보조 공정 변수로서만 사용될 수 있다. 이러한 사실로부터, 어떤 경우에도 필러 재료로 충전된 체적 내에서 과압(overpressure)이 발생한다는 것을 알 수 있다. 주입이 차단된 후에는, 이러한 과압이, 압력을 낮추기 위한 체적 보상이 없는 한, 이전의 체적 충전 시 주변 압력으로 강하할 수 없다. 이러한 압력 강하는, 예를 들어 탕구 노즐 요소가 공급 개구로부터 분리되어 과잉 체적이 빠져나갈 수 있을 때 발생한다. 필러 재료의 점도 및 유동학적 거동에 따라 이는 매우 빠르게 또는 좀 더 느리게 발생할 수 있다.
또한, 과압은 하우징 어셈블리의 탄성 팽창을 초래하며, 그로 인해 필러 재료로 채워질 공동이 필러 재료로 훨씬 더 많이 과충전되어 분리 시 추가 필러 재료가 계속 공급 개구를 통해 배출된다.
상기 배출된 필러 재료는 닦아낸 다음 표면을 추가로 세척해야 한다. 이러한 추가 작업 단계는, 특히 대량 생산 시, 많은 시간과 비용을 필요로 한다.
US 4,516,702 A호, DE 10 2004 032 273 B4호 및 EP 1 147 820 B1호와 같은 종래 기술로부터, 예를 들어 웨이퍼용 밀봉 재료의 도포 장치가 공지되어 있으며, 이들 각각은 도포 과정 완료 시 과량의 재료를 재흡입하기 위해 고가의 재순환 어셈블리를 포함한다. 그러나 이러한 도포 장치는 하우징 어셈블리 내로 점성 필러 재료를 주입하기 위한 주입 장치에서 사용하기에 부적합하다.
따라서, 본 발명의 과제는 간단하고 저렴한 방식으로 전술한 특징을 회피하는 것이다.
상기 과제는, 점성 필러 재료의 공급을 위한 공급원 어셈블리로부터 점성 필러 재료를 적어도 하나의 공급 개구 및 적어도 하나의 공기 배출 개구를 갖는 폐쇄된 밀봉 하우징 어셈블리 내로 공급하기 위한 주입 장치에 의해 해결되며, 이 장치에서는 적어도 하나의 탕구 노즐 요소 및 결합 요소가 제공되고, 탕구 노즐 요소는 종축(LZK)을 갖는 공급 채널을 포함하고 결합 요소를 통해 하우징 어셈블리 내 공급 개구와 분리 가능하게 유밀 방식으로 연결될 수 있으며, 상기 탕구 노즐 요소에는 공급 채널과 유체 연결되고 재순환 채널 및 재순환 장치를 포함하는 재순환 어셈블리가 제공되며, 이들의 종축(LRK)은 종축(LZK)에 대해 일정 각도로 연장된다.
본 발명에 따른 주입 장치는, 제조 및 사용이 매우 간단하고 저렴하며, 잔류 압력 감소로 인해 배출되는 유체 재료가 특히 용이하게 수집될 수 있는 것을 특징으로 한다.
특히 바람직한 실시예에서, 재순환 장치는 재순환 채널 내에 이동 가능하게 장착된 재순환 피스톤을 갖는 액추에이터를 포함한다. 이 경우, 재순환 체적의 방출 시 재순환 피스톤에 의해 유체 재료의 복귀 유동을 지원하는 추가 부압이 더 형성된다.
주입 장치의 특히 간단한 실시예에서, 결합 요소는 탕구 노즐 요소에 제공된다. 대안적으로 결합 요소는 공급 개구 내에 삽입될 수 있는 개별 부품으로도 구성될 수 있다.
상기 과제는 또한 상기 유형의 주입 장치를 이용하여 점성 필러 재료를 주입하는 방법에 의해 해결되며, 이 방법에서는 제1 단계에서 탕구 노즐 요소가 공급 개구에 유밀 방식으로 결합되고; 제2 단계에서 점성 유체 재료의 주입 과정이 시작되고; 제3 단계에서 상기 주입 과정이 단위 시간당 소정의 체적을 목표 변수로서 이용하는 체적 흐름 제어를 통해 그리고/또는 소정의 주입 압력을 목표 변수로서 이용하는 압력 제어를 통해 모니터링되고; 제4 단계에서 상기 목표 변수에 도달 시 주입 과정이 중지되고; 제5 단계에서 재순환 장치는 재순환 채널이 제공되도록 작동되고; 제6 단계에서 탕구 노즐 요소가 분리되며, 이때, 결합 요소가 일체형인 경우에는 상기 결합 요소가 공급 개구로부터 분리되고, 결합 요소가 개별 부품인 경우에는 탕구 노즐 요소가 결합 요소로부터 분리된다.
본 발명은 도면을 참조로 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 제1 위치에서 하우징 어셈블리에 연결된 주입 장치의 개략적 단면도이다.
도 2는 제2 위치에서 하우징 어셈블리에 연결된 주입 장치의 개략적 단면도이다.
폐쇄된 밀봉 하우징 어셈블리(6) 내로 점성 필러 재료(4)를 공급하기 위한, 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명에 따른 주입 장치(2)는 실질적으로 탕구 노즐 요소(8) 및 결합 요소(10)를 포함한다. 결합 요소(10)는 하우징 어셈블리(6)의 측벽 부분(14)의 공급 개구(12)와 분리 가능하게 유밀 방식으로 연결된다. 탕구 노즐 요소(8)는, 종축(LZK)을 갖는 공급 채널(16)을 통해 공급 개구(12)로 점성 필러 재료(4)를 안내하기 위해, 추가로 도시되지 않은 주입 랜스를 통해 공급원 어셈블리와 유체 연결된다. 점성 필러 재료는 예를 들어 1K 또는 2K 갭 필러일 수 있다.
이제 주입 과정의 종료 후에 필러 재료(4)의 원치 않는 누출을 방지하기 위해, 공급 채널(16)과 유체 연결되고 재순환 채널(20) 및 재순환 장치(22)를 포함하는 재순환 어셈블리(18)가 제공되며, 이들의 종축(LRK)은 종축(LZK)에 대해 일정 각도로, 여기서는 90°의 각도로 연장된다. 여기서 종축은 각각의 유체 채널(16, 20)에 관련된다. 본 실시예에서 재순환 장치(22)는 재순환 채널(20) 내에 이동 가능하게 배치된 재순환 피스톤(26)을 갖는 액추에이터(24)로 구성된다.
도 1은 이제 주입 과정 동안의 주입 장치(2)를 도시한다. 재순환 피스톤(26)은 여기서 전방 위치에 있다. 필러 재료(4)는 방해받지 않고 재순환 어셈블리(18)를 지나 하우징 어셈블리(6) 내로 유동한다.
충전된 하우징 어셈블리(6)에서 주입 압력은 이제 동일한 사양으로 상승한다. 주입 압력은 소멸하지만, 축적된 잔류 압력은 대부분 유지된다. 하우징 어셈블리(6)의 외면에 필러 재료를 남기지 않으면서 상기 잔류 압력을 목표한 대로 감소시키기 위해, 주입 장치(2)는 도 2에 도시된 위치로 이동된다.
도 2에서, 재순환 어셈블리(18)의 재순환 피스톤(26)은 이제 최후방 위치로 당겨진다. 이를 통해, 이러한 방식으로 과량의 필러 재료(4)를 위한 추가 체적으로서 이용되는 재순환 채널(20)이 릴리스된다. 이 경우, 필러 재료(4)는 기존의 잔류 압력에 의해 재순환 채널 내로 안내된다. 재순환 채널(20) 내로의 이러한 복귀 유동은 재순환 피스톤(26)의 후퇴에 의해 지원되며, 이에 의해 재순환 채널(20) 내에서 부압이 발생한다.
요약하면, 본 발명에 따른 주입 장치(2)에 의한 점성 필러 재료(4)의 주입 방법은 다음과 같이 진행된다. 제1 단계에서 탕구 노즐 요소(8)가 결합 요소(10)를 통해 공급 개구(12)와 유밀 방식으로 결합된다. 그런 다음 제2 단계에서 점성 유체 재료(4)의 주입 과정이 시작된다. 제3 단계에서 상기 주입 과정은, 시간 단위당 소정의 체적을 목표 변수로서 이용하는, 더 상세히 도시되지 않은 체적 흐름 제어를 통해, 그리고/또는 소정의 주입 압력을 목표 변수로서 이용하는 압력 제어를 통해 모니터링되며, 제4 단계에서 상기 목표 변수에 도달 시 중지된다. 제5 단계에서는 이제 재순환 장치(22), 본 실시예에서 액추에이터(24)는 재순환 체적이 재순환 채널(20)에 제공되도록 작동된다. 마지막으로 제6 단계에서 탕구 노즐 요소(8)가 분리되는데, 이때, 결합 요소(10)가 일체형인 경우에는 상기 결합 요소(10)가 공급 개구(12)로부터 분리되고, 결합 요소(10)가 개별 부품인 경우에는 탕구 노즐 요소(8)가 결합 요소(10)로부터 분리된다.
필러 재료(4)의 포트 수명(pot life)으로 인해 탕구 노즐 요소(8) 및 재순환 어셈블리(18)의 헹굼/세척이 필요한 경우, 먼저 재순환 피스톤(26)이 (도 1에 따른) 초기 위치로 다시 이동된 다음, 탕구 노즐 요소(8)가 차후 재사용되도록 헹구어진다.

Claims (5)

  1. 점성 필러 재료(4)를 위한 공급원 어셈블리로부터 진행하는 상기 점성 필러 재료(4)를 적어도 하나의 공급 개구(12) 및 적어도 하나의 공기 배출 개구를 갖는 폐쇄된 밀봉 하우징 어셈블리(6) 내로 공급하기 위한 주입 장치이며,
    적어도 하나의 탕구 노즐 요소(8) 및 결합 요소(10)가 제공되고, 상기 탕구 노즐 요소(8)는 종축(LZK)을 갖는 공급 채널(16)을 포함하고 상기 결합 요소(10)를 통해 하우징 어셈블리(6) 내 공급 개구(12)와 분리 가능하게 유밀 방식으로 연결 될 수 있으며, 상기 탕구 노즐 요소(8)에는 공급 채널(16)과 유체 연결되고 재순환 채널(20) 및 재순환 장치(22)를 포함하는 재순환 어셈블리(18)가 제공되며, 이들의 종축(LRK)은 종축(LZK)에 대해 일정 각도로 연장되는, 주입 장치.
  2. 제1항에 있어서, 재순환 장치(22)는 재순환 채널(20) 내에 이동 가능하게 배치된 재순환 피스톤(26)을 갖는 액추에이터(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 주입 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 결합 요소(10)는 탕구 노즐 요소(8)에 제공되는 것을 특징으로 하는, 주입 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 결합 요소(10)는, 공급 개구(12) 내에 삽입될 수 있는 단일 부품으로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 주입 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 주입 장치(2)를 이용하여 점성 필러 재료(4)를 주입하기 위한 방법에 있어서,
    제1 단계에서 탕구 노즐 요소(8)가 결합 요소(10)를 통해 공급 개구(12)와 유밀 방식으로 결합되고; 제2 단계에서 제3 점성 유체 재료(4)의 주입 과정이 시작되고; 제3 단계에서 상기 주입 과정이 단위 시간당 소정의 체적을 목표 변수로서 이용하는 체적 흐름 제어를 통해 그리고/또는 소정의 주입 압력을 목표 변수로서 이용하는 압력 제어를 통해 모니터링되고; 제4 단계에서 상기 목표 변수의 도달 시 주입 과정이 중지되고; 제5 단계에서 재순환 장치(22)는 재순환 채널(20)이 제공되도록 작동되고; 제6 단계에서 탕구 노즐 요소(8)가 분리되며, 이때, 결합 요소(10)가 일체형인 경우에는 상기 결합 요소(10)는 공급 개구(12)로부터 분리되고, 결합 요소(10)가 개별 부품인 경우에는 탕구 노즐 요소(8)가 결합 요소(10)로부터 분리되는, 점성 필러 재료 주입 방법.
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