KR20240029555A - 포스페이트 에스테르 열 전달 유체 및 액침 냉각 시스템에서의 그의 용도 - Google Patents
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Abstract
전기 부품의 액침 냉각을 위한 열 전달 유체는 특정의 트리알킬 포스페이트 에스테르 및 트리아릴 포스페이트 에스테르의 혼합물을 포함한다. 또한, 상기 열 전달 유체를 이용하는 액침 냉각 시스템 및 상기 액침 냉각 시스템을 사용하여 전기 부품을 냉각시키는 방법이 개시된다. 본 개시내용의 포스페이트 에스테르의 혼합물은 순환 액침 냉각 시스템에서 유리한 특성, 예컨대 낮은 가연성, 낮은 유동점, 높은 전기 비저항 및 펌핑성을 위한 낮은 점도를 나타낸다.
Description
본 개시내용은 전기 부품의 액침 냉각을 위한 열 전달 유체 및 상기 열 전달 유체를 이용하는 액침 냉각 시스템에 관한 것이다. 열 전달 유체는 본원에 기재된 바와 같은, 포스페이트 에스테르의 혼합물을 포함한다. 포스페이트 에스테르의 혼합물은 순환 액침 냉각 시스템에서 유리한 특성, 예컨대 낮은 가연성, 낮은 유동점, 높은 전기 비저항 및 펌핑성을 위한 낮은 점도를 나타낸다.
에너지 또는 동력을 사용하고/거나, 저장하고/거나, 발생시키는 전기 부품은 열을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀, 예컨대 리튬-이온 배터리는 충전 및 방전 작동 동안 많은 양의 열을 발생시킨다. 종래의 냉각 시스템은 공기 냉각 또는 간접 액체 냉각을 이용한다. 통상적으로, 물/글리콜 용액이 열 전달 유체로서 사용되어 간접 냉각을 통해 열을 방산한다. 이러한 냉각 기술에서, 물/글리콜 냉각제는 배터리 모듈 주위의 채널, 예컨대 재킷을 통해 또는 배터리 프레임워크 내의 플레이트를 통해 유동한다. 그러나, 물/글리콜 용액은 높은 전도성을 가지며, 열 전파 및 열 폭주로 이어질 수 있는 단락을 초래할 위험이 있기 때문에, 예컨대 누출을 통해, 전기 부품에 접촉해서는 안된다. 추가로, 고로딩 (고속 충전), 고용량 배터리에 대한 수요가 증가하고 있는 상황에서 간접 냉각 시스템이 열을 적절하게 그리고 효율적으로 제거할 수 있는지가 여전히 의문으로 남아있다.
전기 부품의 냉각제로의 액침에 의한 냉각은 종래의 냉각 시스템에 대한 유망한 대안이다. 예를 들어, US 2018/0233791 A1에는 배터리 모듈이 배터리 박스 내의 냉각제에 적어도 부분적으로 액침되어 있는, 열 폭주를 억제하기 위한 배터리 팩 시스템이 개시되어 있다. 냉각제는 배터리 박스로부터, 열 교환기를 통과하여, 다시 배터리 박스로 펌핑될 수 있다. 냉각제로서, 다른 화학물질들 중에서도, 트리메틸 포스페이트 및 트리프로필 포스페이트가 언급된다. 그러나, 본 출원에서 제시된 바와 같이, 트리메틸 포스페이트 유체 또는 트리프로필 포스페이트 유체는 낮은 직류 (DC) 비저항을 나타내며, 각각의 유체의 가연성을 적합하지 않게 만드는 낮은 인화점을 각각 나타낸다.
낮은 가연성, 낮은 유동점, 높은 전기 비저항 및 낮은 점도를 갖는 열 전달 유체, 특히 액침 냉각 시스템을 위한 열 전달 유체의 개발이 여전히 요구되고 있다.
이러한 요구를 충족시키기 위해, 포스페이트 에스테르의 특정 혼합물을 포함하는 신규 열 전달 유체가 본원에 개시된다. 또한, 본원에 개시된 열 전달 유체를 사용하는 액침 냉각 시스템이 개시된다.
본 개시내용에 따르면, 전기 부품의 액침 냉각을 위한 열 전달 유체는 하기를 포함한다:
(a) 화학식 (I)의 1종 또는 1종 초과의 포스페이트 에스테르:
여기서 각각의 R은 독립적으로 C6-18 알킬임, 및
(b) 화학식 (II)의 1종 또는 1종 초과의 포스페이트 에스테르:
여기서 각각의 R'은 독립적으로 비치환된 페닐 및 C1-12 알킬-치환된 페닐로부터 선택됨.
또한, 전기 부품, 본 개시내용의 열 전달 유체, 및 저장소 (여기서 전기 부품이 저장소 내의 열 전달 유체에 적어도 부분적으로 액침되어 있음), 및 열 전달 유체를 저장소로부터, 순환 시스템의 순환 파이프라인을 통과하여, 다시 저장소로 순환시킬 수 있는 순환 시스템을 포함하는 액침 냉각 시스템이 개시된다.
또한, 본 개시내용은 전기 부품을 저장소 내의 본 개시내용의 열 전달 유체에 적어도 부분적으로 액침하고, 열 전달 유체를 저장소로부터, 순환 시스템의 순환 파이프라인을 통과하여, 다시 저장소로 순환시키는 것을 포함하는, 전기 부품을 냉각시키는 방법을 포함한다.
본 개시내용의 열 전달 유체, 시스템 및 방법은 매우 다양한 전기 부품의 냉각에, 특히 배터리 시스템의 냉각에 적합하다.
상기 발명의 내용은 청구된 발명의 범주를 어떠한 방식으로도 제한하도록 의도되지 않는다. 추가로, 상기 일반적 설명 뿐만 아니라 하기 상세한 설명은 단지 예시하고 설명하기 위한 것일 뿐, 청구된 바와 같은 본 발명을 제한하려는 것이 아님을 이해하여야 한다.
도 1 및 도 2는 각각 본 개시내용에 따른 예시적인 액침 냉각 시스템의 블록 흐름도를 제시한다.
도 3 및 도 4는 본 개시내용에 따른 예시적인 액침 냉각 시스템의 개략적 다이어그램이다.
도 3 및 도 4는 본 개시내용에 따른 예시적인 액침 냉각 시스템의 개략적 다이어그램이다.
달리 명시되지 않는 한, 본 출원에서 단수형의 단어는 "하나 또는 하나 초과"를 의미한다.
전기 부품의 액침 냉각을 위한 열 전달 유체는 하기를 포함한다:
(a) 화학식 (I)의 1종 또는 1종 초과의 포스페이트 에스테르:
여기서 각각의 R은 독립적으로 C6-18 알킬임, 및
(b) 화학식 (II)의 1종 또는 1종 초과의 포스페이트 에스테르:
여기서 각각의 R'은 독립적으로 비치환된 페닐 및 C1-12 알킬-치환된 페닐로부터 선택됨.
열 전달 유체 중의 포스페이트 에스테르 성분 (a) 대 포스페이트 에스테르 성분 (b)의 중량비는 종종 40:1 내지 1:40, 종종 39:1 내지 1:39, 예컨대 35:1 내지 1:35, 30:1 내지 1:30, 25:1 내지 1:25, 20:1 내지 1:20, 12:1 내지 1:12, 10:1 내지 1:10, 8:1 내지 1:8, 5:1 내지 1:5 또는 3:1 내지 1:3의 범위이다.
열 전달 유체가 화학식 (I) 및 (II)의 포스페이트 에스테르 이외의 다른 포스페이트 에스테르를 함유할 수도 있지만, 포스페이트 에스테르 성분 (a) 및 (b)가 함께 전형적으로 열 전달 유체 중의 모든 포스페이트 에스테르의 총 중량을 기준으로 하여 50 중량% 초과, 예를 들어, 열 전달 유체 중의 모든 포스페이트 에스테르의 중량 기준으로 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 적어도 95% 또는 적어도 99%를 구성한다.
포스페이트 에스테르 성분 (a)의 화학식 (I)에서, 각각의 R은 동일할 수 있지만, 반드시 동일해야 하는 것은 아니다.
포스페이트 에스테르 성분 (b)의 화학식 (II)에서, 각각의 R'은 동일할 수 있지만, 반드시 동일해야 하는 것은 아니다. 일부 실시양태에서, 화학식 (II)의 각각의 R'은 독립적으로 C1-12 알킬-치환된 페닐로부터 선택된다. 추가의 실시양태에서, 1개의 R' 기는 C1-12 알킬-치환된 페닐이고, 나머지 2개의 R' 기는 비치환된 페닐이거나, 또는 2개의 R' 기는 독립적으로 C1-12 알킬-치환된 페닐로부터 선택되고, 나머지 R' 기는 비치환된 페닐이다. 일부 실시양태에서, C1-12 알킬-치환된 페닐로부터 선택된 2개의 R 기는 동일하다.
화학식 (I)의 "C6-18 알킬"인 R은 명시된 수의 탄소 원자를 갖는 직쇄 또는 분지쇄 알킬 기일 수 있다. 종종, "C6-18 알킬"인 R은 적어도 8개의 탄소 원자를 갖는다. 바람직하게는, C6-18 알킬인 R은 C6-12 또는 C8-12 알킬, 또는 C6-10 또는 C8-10 알킬이다. 비분지형 알킬 기의 예는 n-헥실, n-헵틸, n-옥틸, n-노닐, n-데실, n-운데실, 및 n-도데실을 포함한다. 분지형 알킬 기의 예는 2-메틸펜틸, 2-에틸부틸, 2,2-디메틸부틸, 6-메틸헵틸, 2-에틸헥실, t-옥틸, 3,5,5-트리메틸헥실, 7-메틸옥틸, 2-부틸헥실, 8-메틸노닐, 2-부틸옥틸, 11-메틸도데실 등을 포함한다. 선형 알킬 및 분지형 알킬 기의 예는 또한 이소노닐, 이소데실, 이소트리데실 등으로 통상적으로 칭해지는 모이어티를 포함하며, 여기서 접두어 "이소"는 옥소 공정으로부터 유래되는 것들과 같은 알킬의 혼합물을 지칭하는 것으로 이해된다.
화학식 (II)의 "C1-12 알킬-치환된 페닐"인 R'은 C1-12 알킬 기에 의해 치환된 페닐 기를 지칭한다. 알킬 기는 명시된 수의 탄소 원자를 갖는 직쇄 또는 분지쇄 알킬 기일 수 있다. 1개 초과의 알킬 기가 페닐 고리 상에 존재할 수 있다 (예를 들어, 2개의 알킬 기 또는 3개의 알킬 기에 의해 치환된 페닐). 그러나, 종종, 페닐은 1개의 알킬 기에 의해 치환된다 (즉, 모노-알킬화됨). 바람직하게는, C1-12 알킬은 C1-10 또는 C3-10 알킬, 보다 바람직하게는 C1-8 또는 C3-8 알킬, 또는 C1-6 또는 C3-6 알킬로부터 선택된다. 이러한 알킬 기의 예는 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, n-부틸, 이소부틸, sec-부틸, t-부틸, 펜틸, 이소펜틸, t-펜틸, 2-메틸부틸, n-헥실, 2-메틸펜틸, 2-에틸부틸, 2,2-디메틸부틸, 6-메틸헵틸, 2-에틸헥실, 이소옥틸, t-옥틸, 및 이소노닐, 3,5,5-트리메틸헥실, 2-부틸헥실, 이소데실, 및 2-부틸옥틸 등을 포함한다. 알킬화제는 나프타의 크래킹으로부터 유래된 올레핀, 예컨대 프로필렌, 부틸렌, 디이소부틸렌, 및 프로필렌 사량체를 포함할 수 있다. 페닐 고리 상의 상기 알킬 치환은 오르토-, 메타-, 또는 파라-위치에서, 또는 그의 조합으로 이루어질 수 있다. 종종, 알킬 치환은 파라-위치에서 또는 우세하게 파라-위치에서 이루어진다.
성분 (a)는 화학식 (I)의 포스페이트 에스테르 화합물의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 성분 (a)는 화학식 (I)의 화합물의 이성질체 혼합물, 예를 들어, 분지형 지방족 알콜의 이성질체의 혼합물로부터 유래된 것과 같은 분지형 알킬 이성질체를 함유하는 포스페이트 에스테르를 포함할 수 있다.
종종, 성분 (b)는 화학식 (II)의 포스페이트 에스테르의 혼합물이다. 예를 들어, 성분 (b)는 화학식 (II)의 포스페이트 에스테르의 이성질체 혼합물, 예를 들어, 분지형 알킬화된 페놀의 이성질체의 혼합물로부터 유래된 것과 같은 분지형 알킬 이성질체를 함유하는 포스페이트 에스테르를 포함할 수 있다.
추가의 실시양태에서, 성분 (b)는 트리크실레닐 포스페이트, 트리크레실 포스페이트 등과 같은, C1-12 알킬-치환된 페닐의 오르토-, 메타-, 및/또는 파라-이성질체를 함유하는 화학식 (II)의 포스페이트 에스테르의 이성질체 혼합물을 포함한다.
많은 실시양태에서, 성분 (b)는 C1-12 알킬-치환된 페닐인 R' 기의 수가 상이한 화학식 (II)의 2종 이상의 포스페이트 에스테르를 포함한다. 예를 들어, 화학식 (II)의 화합물의 혼합물은 "알킬페닐"이 본원에 기재된 바와 같은 C1-12 알킬-치환된 페닐인, 모노(알킬페닐) 디페닐 포스페이트, 디(알킬페닐) 모노페닐 포스페이트, 트리(알킬페닐) 포스페이트, 및 트리페닐 포스페이트로부터 선택된 군 중에서 적어도 2종, 종종 3종 또는 4종 모두를 포함할 수 있다.
화학식 (II)의 화합물의 이러한 혼합물은, 예를 들어, 하기를 포함할 수 있으며:
(a) 약 30 wt% 내지 약 95 wt%의 모노(알킬페닐) 디페닐 포스페이트,
(b) 약 5 wt% 내지 약 50 wt%의 디(알킬페닐) 모노페닐 포스페이트,
(c) 약 0 wt%, 약 2 wt% 또는 약 5 wt% 내지 약 20 wt%의 트리(알킬페닐) 포스페이트, 및
(d) 약 0 wt% 또는 약 2 wt% 내지 약 30 wt%의 트리페닐 포스페이트,
여기서 중량 백분율은 화학식 (II)의 모든 포스페이트 에스테르의 총 중량을 기준으로 한다.
많은 실시양태에서, 화학식 (I)의 화합물의 이러한 혼합물은 하기를 포함하며:
(a) 약 60 wt% 내지 약 95 wt%, 예컨대 약 65 또는 약 70 wt% 내지 약 85 또는 약 80 wt%의 모노(알킬페닐) 디페닐 포스페이트,
(b) 약 5 wt% 내지 약 35 wt%, 예컨대 약 10 또는 약 15 wt% 내지 약 30 또는 약 25 wt%의 디(알킬페닐) 모노페닐 포스페이트,
(c) 약 0 또는 약 1 wt% 내지 약 5 또는 약 4 wt%의 트리(알킬페닐) 포스페이트, 및
(d) 약 0 또는 약 1 wt% 내지 약 15 wt%, 예컨대 약 1 또는 약 2 wt% 내지 약 10 또는 약 5 wt%의 트리페닐 포스페이트,
여기서 중량 백분율은 화학식 (II)의 모든 포스페이트 에스테르의 총 중량을 기준으로 한다.
많은 실시양태에서, 화학식 (I)의 화합물의 이러한 혼합물은 하기를 포함하며:
(a) 약 30 wt% 내지 약 60 wt%, 예컨대 약 35 또는 약 40 wt% 내지 약 55 또는 약 50 wt%의 모노(알킬페닐) 디페닐 포스페이트,
(b) 약 20 wt% 내지 약 50 wt%, 예컨대 약 25 또는 약 30 wt% 내지 약 45 또는 약 40 wt%의 디(알킬페닐) 모노페닐 포스페이트,
(c) 약 2 wt% 내지 약 20 wt%, 예컨대 약 2 또는 약 4 wt% 내지 약 15 또는 약 10 wt%의 트리(알킬페닐) 포스페이트, 및
(d) 약 5 또는 약 10 wt% 내지 약 30 또는 약 25 wt%, 예컨대 약 10 또는 약 15 wt% 내지 약 25 또는 약 20 wt%의 트리페닐 포스페이트,
여기서 중량 백분율은 화학식 (II)의 모든 포스페이트 에스테르의 총 중량을 기준으로 한다.
본 개시내용의 열 전달 유체는 또한 1종 이상의 다른 베이스 오일, 예컨대 미네랄 오일, 폴리알파올레핀, 에스테르 등을 포함할 수 있다. 다른 베이스 오일(들) 및 그의 양은 본원에 기재된 바와 같은 순환 액침 냉각 유체에 대해 적합한 특성에 맞게 선택되어야 한다. 전형적으로, 포스페이트 에스테르 성분 (a) 및 (b)가 함께 열 전달 유체의 50 중량% 초과를 구성한다. 예를 들어, 많은 실시양태에서, 포스페이트 에스테르 성분 (a) 및 (b)는 함께 열 전달 유체의 중량 기준으로 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 적어도 95%, 또는 적어도 99%이다.
본 개시내용의 열 전달 유체는 1종 이상의 성능 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 첨가제의 예는 산화방지제, 금속 탈활성화제, 유동 첨가제, 부식 억제제, 지포제, 탈유화제, 유동점 강하제, 및 그의 임의의 조합 또는 혼합물을 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 완전히-배합된 열 전달 유체는 전형적으로 이들 성능 첨가제 중 1종 이상을 함유하고, 종종 다수의 성능 첨가제의 패키지를 함유한다. 종종, 1종 이상의 성능 첨가제는 열 전달 유체의 중량을 기준으로 하여 0.0001 wt% 내지 3 wt%, 또는 0.05 wt% 내지 1.5 wt%, 또는 0.1 wt% 내지 1.0 wt%로 존재한다.
열 전달 유체는 포스페이트 에스테르 성분 (a) 및 (b), 및 임의적으로 1종 이상의 성능 첨가제로 본질적으로 이루어질 수 있다. 일부 실시양태에서, 열 전달 유체는 포스페이트 에스테르 성분 (a) 및 (b), 및 임의적으로 1종 이상의 성능 첨가제로 이루어진다.
그의 혼합물을 포함한, 본 개시내용의 포스페이트 에스테르는 공지되어 있거나 또는 공지된 기술에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 트리알킬 포스페이트 에스테르는 종종 옥시염화인 또는 오산화인에 알킬 알콜을 첨가함으로써 제조된다. 그의 혼합물을 포함한, 알킬화된 트리페닐 포스페이트 에스테르는 다양한 공지된 기술에 따라, 예컨대 옥시염화인에 알킬화된 페놀을 첨가함으로써 제조될 수 있다. 공지된 방법이, 예를 들어, 미국 특허 번호 2,008,478, 2,868,827, 3,859,395, 5,206,404 및 6,242,631에 기재되어 있다.
포스페이트 에스테르 성분 (a) 및 (b)는 이러한 포스페이트 에스테르 성분을 블렌딩하기 위한 임의의 적합한 기술에 따라 혼합될 수 있다.
본원에 개시된 열 전달 유체의 물리적 특성은 적어도 부분적으로 포스페이트 에스테르 성분 (a) 및 (b)의 알킬화 정도에 따라 및/또는 포스페이트 에스테르 성분 (a) 대 포스페이트 에스테르 성분 (b)의 중량 비율에 따라 조정되거나 또는 최적화될 수 있다.
전형적으로, 본 개시내용의 열 전달 유체는 ASTM D92에 따른, ≥ 190℃, 바람직하게는 ≥ 200℃의 인화점; ASTM D445에 따라 40℃에서 측정된, 50 cSt 미만, 바람직하게는 ≤ 40 cSt 또는 ≤ 35 cSt, 보다 바람직하게는 ≤ 30 cSt의 동점도; ASTM D5950에 따른, ≤ -20℃, 바람직하게는 ≤ -25℃, 보다 바람직하게는 ≤ -30℃의 유동점; 및 IEC 60247에 따라 25℃에서 측정된, > 0.25 GOhm-cm, 바람직하게는 > 0.5 GOhm-cm, > 1 GOhm-cm, 또는 > 5 GOhm-cm의 DC 비저항을 갖는다.
예를 들어, 많은 실시양태에서, 본 개시내용의 열 전달 유체는 ASTM D92에 따른, ≥ 200℃의 인화점; ASTM D445에 따라 40℃에서 측정된, ≤ 30 cSt의 동점도; ASTM D5950에 따른, ≤ -30℃의 유동점; 및 IEC 60247에 따라 25℃에서 측정된, > 1 GOhm-cm 또는 > 5 GOhm-cm의 DC 비저항을 갖는다.
본 개시내용의 액침 냉각 시스템은 전기 부품, 본원에 기재된 바와 같은 열 전달 유체, 및 저장소 (여기서 전기 부품이 저장소 내의 열 전달 유체에 적어도 부분적으로 액침되어 있음), 및 열 전달 유체를 저장소로부터, 순환 시스템의 순환 파이프라인을 통과하여, 다시 저장소로 순환시킬 수 있는 순환 시스템을 포함한다.
전기 부품은 안전한 사용을 위해 방산될 필요가 있는 열 에너지를 발생시키는 임의의 전자장치를 포함한다. 그의 예는 배터리, 연료 전지, 항공기 전자장치, 컴퓨터 전자장치 예컨대 마이크로프로세서, 무정전 전원 공급장치 (UPS), 전력용 전자장치 (예컨대 IGBT, SCR, 사이리스터, 커패시터, 다이오드, 트랜지스터, 정류기 등), 인버터, DC-DC 컨버터, 충전기 (예를 들어, 로딩 스테이션 또는 충전소 내), 위상 변화 인버터, 전기 모터, 전기 모터 컨트롤러, DC-AC 인버터, 및 광전지를 포함한다.
본 개시내용의 시스템 및 방법은 배터리 시스템, 예컨대 전기 차량 (승용 및 상용 차량 포함), 예를 들어, 전기 승용차, 트럭, 버스, 산업용 트럭 (예를 들어, 지게차 등), 대량 수송 차량 (예를 들어, 기차 또는 트램) 및 그 외 다른 형태의 전기 동력 운송수단의 것들의 냉각에 특히 유용하다.
전형적으로, 전기로 움직이는 운송수단은 배터리 모듈에 의해 동력을 공급받는다. 배터리 모듈은 서로에 대해 배열되거나 또는 적층된 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 예를 들어, 모듈은 각형, 파우치형 또는 원통형 셀을 포함할 수 있다. 배터리의 충전 및 방전 (사용) 작동 동안, 전형적으로 배터리 셀에 의해 열이 발생되며, 이는 액침 냉각 시스템에 의해 방산될 수 있다. 액침 냉각 시스템을 통한 배터리의 효율적인 냉각은 안전한 상태를 유지하고 열 전파 및 열 폭주를 방지하면서, 고로딩의 고속 충전 시간을 가능하게 한다. 전기 동력 운송수단의 전기 부품은 또한 액침 냉각 시스템에 의해 냉각될 수 있는 전기 모터도 포함한다.
본 개시내용에 따르면, 전기 부품은 저장소 내의 열 전달 유체에 적어도 부분적으로 액침되어 있다. 종종, 전기 부품은, 예컨대 배터리 셀 벽, 탭 및 배선의 액침에 의해 (배터리 모듈의 경우에) 열 전달 유체에 실질적으로 액침되어 있거나 또는 완전히 액침되어 있다. 저장소는 전기 부품이 액침되어 있는 열 전달 유체를 수용하기에 적합한 임의의 용기일 수 있다. 예를 들어, 저장소는 전기 부품을 위한 용기 또는 하우징, 예컨대 배터리 모듈 용기 또는 하우징일 수 있다.
액침 냉각 시스템은 열 전달 유체를 저장소로부터, 순환 시스템의 순환 파이프라인을 통과하여, 다시 저장소로 순환시킬 수 있는 순환 시스템을 추가로 포함한다. 종종, 순환 시스템은 펌프 및 열 교환기를 포함한다. 예를 들어 도 1에 제시된 바와 같은 작동 시, 순환 시스템은 가열된 열 전달 유체를 저장소로부터 순환 파이프라인을 통해 그리고 열 교환기를 통해 펌핑하여 열 전달 유체를 냉각시킬 수 있고, 냉각된 열 전달 유체를 순환 파이프라인을 통해 다시 저장소로 펌핑할 수 있다. 이러한 방식으로, 전기 부품 (저장소 내의 열 전달 유체에 적어도 부분적으로 액침되어 있음)의 작동 동안, 예컨대 배터리의 충전 또는 방전 작동 동안, 액침 냉각 시스템이 전기 부품에 의해 발생된 열을 흡수하고, 전기 부품에 의해 가열된 열 전달 유체를 열 교환기에서의 냉각을 위해 제거하고, 냉각된 열 전달 유체를 다시 저장소로 순환시키도록 작동된다.
열 교환기는 가열된 열 전달 유체를 특정한 적용에 적합한 온도로 냉각시킬 수 있는 임의의 열 전달 유닛일 수 있다. 예를 들어, 열 교환기는 공기 냉각 (액체-공기) 또는 액체 냉각 (액체-액체)을 사용할 수 있다. 열 교환기는, 예를 들어, 전기 차량의 냉동/공기 조화 회로와 같이, 전기 장비 또는 장치 내의 또 다른 유체 회로와 공유되는 열 전달 유닛일 수 있다. 순환 시스템은 열 전달 유체를 다수의 열 교환기, 예컨대 공기 냉각 및 액체 냉각 열 교환기를 통해 유동시킬 수 있다.
순환 시스템의 순환 파이프라인은 전기 장비 또는 장치 내에서 방산될 필요가 있는 열 에너지를 발생시키는 다른 전기 부품으로 열 전달 유체를 유동시킬 수 있다. 예를 들어, 도 2에 제시된 바와 같이, 배터리의 액침 냉각을 위한 열 전달 유체는 또한 배터리에 의해 동력을 공급받는 전기 부품 (예를 들어, 전기 모터)의 액침 냉각 및/또는 배터리의 충전에 이용되는 전기 부품의 액침 냉각을 위해서도 사용될 수 있다. 다양한 전기 부품의 용기(들) 또는 하우징(들)으로부터 나오는 가열된 열 전달 유체 유동이 하나 이상의 열 교환기에서 냉각될 수 있고, 냉각된 열 전달 유체는 다시 용기(들) 또는 하우징(들)으로 순환될 수 있다.
순환 시스템은 또한 소정의 부피의 열 전달 유체를 저장 및/또는 유지하기 위한 열 전달 유체 탱크를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열 교환기로부터의 냉각된 열 전달 유체는 열 전달 유체 탱크로 펌핑되고, 열 전달 유체 탱크로부터 다시 저장소로 펌핑될 수 있다.
본 개시내용에 따른 액침 냉각 시스템의 예가 도 3에 제시되어 있다. 전기 부품 및 저장소는 예시의 목적으로 확대되어 있다. 시스템은 전기 부품(1) (해당 예에서, 배터리 모듈의 배터리 셀임), 열 전달 유체(2), 및 저장소(3)를 포함한다. 전기 부품(1)은 저장소(3) 내의 열 전달 유체(2)에 적어도 부분적으로 액침되어 있다 (도 3에서는, 완전히 액침되어 있음). 순환 파이프라인(4), 열 교환기(5) 및 펌프(6)를 포함하는 순환 시스템이 가열된 열 전달 유체(2)를 열 교환기(5)에서의 냉각을 위해 저장소로부터 이동시키고, 냉각된 열 전달 유체는 다시 저장소(3)로 순환된다. 순환 시스템은 또한 도 4에 제시된 바와 같이, 열 전달 유체 탱크(7)를 포함할 수 있다.
도 3 및 도 4에 제시된 바와 같은, 전기 부품(1) 상으로의 및 그 주위로의 열 전달 유체(2)의 도시된 유동은 단지 예시일 뿐이다. 전기 부품은 전기 부품의 유형 및 의도된 적용에 적합한 임의의 방식으로 저장소 내에 배열될 수 있다. 유사하게, 저장소 안으로의 및 밖으로의 열 전달 유체의 유동 및 저장소를 통과하는 유동은 전기 부품이 열 전달 유체에 적어도 부분적으로 액침된 상태로 남아있도록 보장하기에 적합한 임의의 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 저장소는 복수의 유입구 및 유출구를 포함할 수 있다. 열 전달 유체는 전기 부품의 목적하는 배향 및 시스템의 목적하는 유체 유동에 따라, 저장소의 횡방향, 하향 방향 또는 상향 방향으로 또는 그의 조합으로 유동할 수 있다. 저장소는 전기 부품 상으로의 및/또는 그 주위로의 열 전달 유체의 유동을 인도하기 위한 배플을 포함할 수 있다. 추가의 예로, 열 전달 유체는 분무 시스템을 통해, 예컨대 저장소의 하나 이상의 상부 유입구로부터 전기 부품 상에 분무되어 저장소로 유입될 수 있다.
본 개시내용의 시스템 및 방법이 전기 부품, 예컨대 배터리 모듈의 냉각에 특히 유용하지만, 전기 부품의 열 전달 유체로의 본원에 개시된 액침 배열은 또한 유체가 전기 부품에 열을 전달하도록 하여 한랭 환경에서의 온도 제어를 제공한다. 예를 들어, 액침 냉각 시스템은 도 2에 제시된 바와 같이, 열 전달 유체를 가열하기 위한 가열기가 장착될 수 있으며, 여기서 열 교환기는 "가열 모드"로 작동할 수 있다. 가열된 유체는 열을 액침되어 있는 전기 부품에 전달하여 전기 부품에 대해 목적하거나 또는 최적인 온도, 예컨대 배터리 충전을 위해 목적하거나 또는 최적인 온도를 달성 및/또는 유지할 수 있다.
또한, 전기 부품을 본원에 기재된 바와 같은 열 전달 유체에 적어도 부분적으로 액침하고, 열 전달 유체를 저장소로부터, 순환 시스템의 순환 파이프라인을 통과하여, 다시 저장소로 순환시키는 것을 포함하는, 전기 부품을 냉각시키는 방법이 개시된다.
추가의 비제한적 개시내용이 하기 실시예에서 제공된다.
실시예
절차
본 개시내용에 따른 열 전달 유체, 뿐만 아니라 비교 실시예의 열 전달 유체를 평가하여 이들의 인화점 (ASTM D92), 40℃에서 측정된 동점도 (ASTM D445), 유동점 (ASTM D5950), 및 25℃에서 측정된 DC 비저항 (IEC 60247)을 결정한다.
실시예 1a
트리페닐 포스페이트 (≥ 2.5 내지 < 25 wt%의 범위) 및 모노(부틸페닐) 디페닐 포스페이트, 디(부틸페닐) 모노페닐 포스페이트 및 트리부틸페닐 포스페이트의 혼합물 (> 75 내지 ≤ 98.5 wt%의 범위)의 혼합물로서, 제품명 듀라드(Durad)® 220B, 레오루베(Reolube)® 터보플루이드(Turbofluid) 46B, 또는 레오루베® HYD 46B 하에 상업적으로 입수가능한 부틸화된 트리페닐포스페이트 (부틸화된 TPP), 및 제품명 디스플라몰(Disflamoll)®TOF 하에 상업적으로 입수가능한 트리스(2-에틸헥실) 포스페이트를, 부틸화된 TPP 대 트리스(2-에틸헥실) 포스페이트의 중량비를 90:10으로 하여, 상기 절차에 따라 평가하였다.
실시예 1b
부틸화된 TPP 및 트리스(2-에틸헥실) 포스페이트의 75:25의 중량비의 혼합물을 상기 절차에 따라 평가하였다.
실시예 1c
부틸화된 TPP 및 트리스(2-에틸헥실) 포스페이트의 50:50의 중량비의 혼합물을 상기 절차에 따라 평가하였다.
실시예 1d
부틸화된 TPP 및 트리스(2-에틸헥실) 포스페이트의 25:75의 중량비의 혼합물을 상기 절차에 따라 평가하였다.
비교 실시예 1
트리메틸 포스페이트를 상기 절차에 따라 평가하였다.
비교 실시예 2
트리-n-프로필 포스페이트를 상기 절차에 따라 평가하였다.
비교 실시예 3
트리이소프로필 포스페이트를 상기 절차에 따라 평가하였다.
비교 실시예 4
트리-n-부틸 포스페이트를 상기 절차에 따라 평가하였다.
상기 표에 제시된 바와 같이, 본 개시내용에 따른 실시예 1a, 1b, 1c 및 1d는 각각 > 200℃의 인화점, ≤ -30℃의 유동점, 35 cSt 미만, 종종 25 cSt 미만의 40℃에서의 동점도, 및 > 5 GOhm-cm의 25℃에서의 DC 비저항을 가졌다. 즉, 실시예 1a, 1b, 1c 및 1d의 포스페이트 에스테르는 순환 액침 냉각 시스템에서 낮은 가연성, 낮은 유동점, 높은 전기 비저항, 및 펌핑성을 위한 낮은 동점도의 바람직한 특성을 가졌다. 대조적으로, 비교 실시예 1-4는 각각 실시예 1a-1d에 비해 낮은, 즉, 200℃보다 훨씬 더 낮은 인화점 및 낮은 DC 비저항을 나타냈다.
상기 실시예 1a-1d에 추가적으로, 상기 기재된 바와 같은 바람직한 물리적 특징 및 특성을 갖는 실시예 1c의 부틸화된 TPP 및 트리스(2-에틸헥실)포스페이트의 50:50의 중량비의 혼합물을 열 전파 네일 시험에서 평가하여 (실시예 2), 본 개시내용의 열 전달 유체가, 순환 액침 냉각 시스템을 위한 탁월한 점도를 가지면서, 안전한 상태를 유지하고 열 전파 및 열 폭주를 방지하는데 효과적이라는 것을 입증하였다.
실시예 2
실시예 1c의 부틸화된 TPP 및 트리스(2-에틸헥실) 포스페이트의 50:50의 중량비의 혼합물을 열 폭주 상태를 모의하는 열 전파 네일 시험에서 평가하였다. 시험은 표준 GB 38031-2020에 따라 하기와 같이 수행되었다: 배터리 모듈을 서로 인접해 있는 7개의 원통형 셀, 즉, 1개의 중앙 셀 및 중앙 셀 주위의 6개의 셀을 사용하여 패킹하였다. 셀을 샘플 유체가 충전된 배터리-유사 하우징 내에, 셀이 샘플 유체에 완전히 액침되도록 포함시켰다. 샘플 유체의 능동 냉각은 실시되지 않았다. 중앙 셀은 중앙 셀에 직접 삽입된 네일에 의해 단락이 발생하여, 네일이 박힌 셀에서의 온도 상승 및 네일이 박힌 셀의 파국적 고장이 초래되었다. 주위의 셀을 관찰하여, 네일이 박힌 셀 및 그와 관련된 온도 상승이 주위의 셀에 대해 열 전파 또는 잠재적인 폭주 상태를 촉발할 것인지를 평가하였다. 부틸화된 TPP 및 트리스(2-에틸헥실) 포스페이트의 혼합물의 사용으로, 주위의 셀에서의 열 폭주 또는 화재 발생이 없었다. 즉, 주위의 6개의 셀이 모두 온전하게 유지되었으며 기능적으로 그리고 최대 전압으로 남아있었다. 따라서, 부틸화된 TPP 및 트리스(2-에틸헥실) 포스페이트의 혼합물은 효과적인 열의 방산을 제공하며, 배터리 모듈을 효과적으로 보호하였다.
비교 실시예 5
베이스 오일을 실시예 2에 기재된 열 전파 네일 시험에서 평가하였다. 베이스 오일은 155℃의 인화점, -48℃의 유동점, 및 10 cSt의 40℃에서의 점도를 가졌다. 베이스 오일의 존재 하에서는, 네일이 박힌 셀의 고장이 주위의 셀 중 하나를 손상시키기에 충분한 열을 주위의 셀에 전달하여, 그의 전압이 손실되었다. 따라서, 베이스 오일은 효과적인 열의 방산을 제공하지 않으며, 배터리 모듈을 효과적으로 보호하지 않았다.
Claims (21)
- 하기를 포함하는, 전기 부품의 액침 냉각을 위한 열 전달 유체:
(a) 화학식 (I)의 1종 또는 1종 초과의 포스페이트 에스테르:
여기서 각각의 R은 독립적으로 C6-18 알킬임, 및
(b) 화학식 (II)의 1종 또는 1종 초과의 포스페이트 에스테르:
여기서 각각의 R'은 독립적으로 비치환된 페닐 및 C1-12 알킬-치환된 페닐로부터 선택됨. - 제1항에 있어서, 포스페이트 에스테르 성분 (a) 대 포스페이트 에스테르 성분 (b)의 중량비가 10:1 내지 1:10인 열 전달 유체.
- 제1항에 있어서, 포스페이트 에스테르 성분 (a) 대 포스페이트 에스테르 성분 (b)의 중량비가 5:1 내지 1:5인 열 전달 유체.
- 제1항에 있어서, 성분 (b)가 화학식 (II)의 포스페이트 에스테르의 혼합물을 포함하는 것인 열 전달 유체.
- 제4항에 있어서, 화학식 (II)의 포스페이트 에스테르의 혼합물이 모노(알킬페닐) 디페닐 포스페이트, 디(알킬페닐) 모노페닐 포스페이트, 트리(알킬페닐) 포스페이트, 및 트리페닐 포스페이트로부터 선택된 군 중에서 적어도 2종을 포함하는 것인 열 전달 유체.
- 제5항에 있어서, 화학식 (II)의 포스페이트 에스테르의 혼합물이 하기를 포함하며:
(a) 약 30 wt% 내지 약 95 wt%의 모노(알킬페닐) 디페닐 포스페이트,
(b) 약 5 wt% 내지 약 50 wt%의 디(알킬페닐) 모노페닐 포스페이트,
(c) 약 0 wt% 내지 약 20 wt%의 트리(알킬페닐) 포스페이트, 및
(d) 약 0 wt% 내지 약 30 wt%의 트리페닐 포스페이트,
여기서 중량 백분율은 화학식 (II)의 모든 포스페이트 에스테르의 총 중량을 기준으로 하는 것인
열 전달 유체. - 제6항에 있어서, 화학식 (II)의 포스페이트 에스테르의 혼합물이 하기를 포함하며:
(a) 약 60 wt% 내지 약 95 wt%의 모노(알킬페닐) 디페닐 포스페이트,
(b) 약 5 wt% 내지 약 30 wt%의 디(알킬페닐) 모노페닐 포스페이트,
(c) 약 0 wt% 내지 약 5 wt%의 트리(알킬페닐) 포스페이트, 및
(d) 약 0 wt% 내지 약 15 wt%의 트리페닐 포스페이트,
여기서 중량 백분율은 화학식 (II)의 모든 포스페이트 에스테르의 총 중량을 기준으로 하는 것인
열 전달 유체. - 제6항에 있어서, 화학식 (II)의 포스페이트 에스테르의 혼합물이 하기를 포함하며:
(a) 약 30 내지 약 60 wt%의 모노(알킬페닐) 디페닐 포스페이트,
(b) 약 20 내지 약 50 wt%의 디(알킬페닐) 모노페닐 포스페이트,
(c) 약 2 내지 약 20 wt%의 트리(알킬페닐) 포스페이트, 및
(d) 약 5 내지 약 30 wt%의 트리페닐 포스페이트,
여기서 중량 백분율은 화학식 (II)의 모든 포스페이트 에스테르의 총 중량을 기준으로 하는 것인
열 전달 유체. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 화학식 (I)의 각각의 R이 독립적으로 C6-12 알킬인 열 전달 유체.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 포스페이트 에스테르 성분 (a) 및 (b)가 함께 열 전달 유체의 적어도 70 중량%를 구성하는 것인 열 전달 유체.
- 제10항에 있어서, 포스페이트 에스테르 성분 (a) 및 (b)가 함께 열 전달 유체의 적어도 90 중량%를 구성하는 것인 열 전달 유체.
- 하기를 포함하는 액침 냉각 시스템:
전기 부품,
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 열 전달 유체, 및
저장소, 여기서 전기 부품이 저장소 내의 열 전달 유체에 적어도 부분적으로 액침되어 있음, 및
열 전달 유체를 저장소로부터, 순환 시스템의 순환 파이프라인을 통과하여, 다시 저장소로 순환시킬 수 있는 순환 시스템. - 제12항에 있어서, 전기 부품이 배터리를 포함하는 것인 액침 냉각 시스템.
- 제13항에 있어서, 배터리가 전기 차량을 위한 배터리 모듈인 액침 냉각 시스템.
- 제12항에 있어서, 순환 시스템이 펌프 및 열 교환기를 포함하는 것인 액침 냉각 시스템.
- 제15항에 있어서, 순환 시스템이 열 전달 유체 탱크를 추가로 포함하는 것인 액침 냉각 시스템.
- 하기 단계를 포함하는, 전기 부품을 냉각시키는 방법:
전기 부품, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 열 전달 유체, 및 저장소를 포함하는 액침 냉각 시스템을 제공하며, 여기서 전기 부품이 저장소 내의 열 전달 유체에 적어도 부분적으로 액침되어 있는 것인 단계, 및
열 전달 유체를 저장소로부터, 순환 시스템의 순환 파이프라인을 통과하여, 다시 저장소로 순환시키는 단계. - 제17항에 있어서, 전기 부품이 배터리를 포함하는 것인 방법.
- 제18항에 있어서, 배터리가 전기 차량을 위한 배터리 모듈인 방법.
- 제17항에 있어서, 순환 시스템이 펌프 및 열 교환기를 포함하고, 열 전달 유체를 순환시키는 단계가 열 전달 유체를 저장소로부터, 순환 파이프라인을 통과하고, 열 교환기를 통과하여, 다시 저장소로 펌핑하는 것을 포함하는 것인 방법.
- 제20항에 있어서, 순환 시스템이 열 전달 유체 탱크를 추가로 포함하고, 열 교환기를 통과하여 유동하는 열 전달 유체가 열 전달 유체 탱크로 펌핑되고, 열 전달 유체 탱크로부터 다시 저장소로 펌핑되는 것인 방법.
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