WO2022145969A1 - 배터리용 열관리모듈 - Google Patents

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WO2022145969A1
WO2022145969A1 PCT/KR2021/020043 KR2021020043W WO2022145969A1 WO 2022145969 A1 WO2022145969 A1 WO 2022145969A1 KR 2021020043 W KR2021020043 W KR 2021020043W WO 2022145969 A1 WO2022145969 A1 WO 2022145969A1
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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to a thermal management module for a battery, and more particularly, a plate-shaped member, a heat dissipation fin disposed on one surface of the plate-shaped member, and a heat transfer member disposed on the other surface of the plate-shaped member and disposed in contact with the heat dissipation object.
  • the heat of the plate-shaped member, the heat dissipation fin, and the heat transfer member are formed in a hollow, respectively, and a working fluid is filled in the formed hollow to maximize the heat dissipation effect, and the plate-shaped member, the heat dissipation fin, and the plate-shaped member and the heat transfer member are brazed.
  • a thermal management module for batteries of electric aircraft that is integrally combined through a method and solves problems that occur in the process of manufacturing by extrusion or casting.
  • heat dissipation object' when heat is generated during operation, such as a battery, semiconductor device, or lighting means (hereinafter referred to as 'heat dissipation object'), and the generated heat is too high, it causes a permanent change in performance, resulting in malfunction or destruction, and may cause explosion or fire. causing accidents due to
  • the heat dissipation object is provided with a heat dissipation module for managing temperature, and there is a heat sink as an example.
  • heat sinks are manufactured using silver, copper, gold, and aluminum with excellent thermal conductivity.
  • silver and copper are expensive in terms of economy and have low corrosion and mechanical strength, so Except for cases, aluminum is widely used.
  • Aluminum has the advantage of being light and excellent in processability, making it possible to make various shapes in the form of plates, extrusions or castings, and surface treatment is possible.
  • heat sinks manufactured with such aluminum there are a plate type, which is machined into various shapes by machining an aluminum sheet with a press, and a casting type, which is manufactured by putting aluminum in a semi-melted state into a mold.
  • the casting type has a disadvantage in that the thermal conductivity is lower than that of the plate type because additives are put in the aluminum solution to increase the fluidity during molding. Its thermal conductivity is 1.5 to 2 times higher than that of
  • the casting mold has a disadvantage in that it is not possible to densely arrange the fin intervals exposed to the outside due to the mold structure.
  • a bonded type was proposed.
  • the adhesive type has an advantage in that the processing cost is relatively increased compared to the casting type, but heat dissipation efficiency is improved in the case of the forced convection cooling method.
  • heat is conducted and discharged from the base plate while in contact with the outside air in a state in which the heat dissipation fins simply protrude outward from the base plate.
  • the heat dissipation effect is limited.
  • the height and spacing of the heat dissipation fins are limited by the shape of the heat dissipation object and the environment in which the heat sink is disposed.
  • the heat pipe forms a vacuum inside a metal tube, which is an exterior case, and inserts a heat-sensitive working fluid.
  • a porous material called a wick is provided in the inner space of the heat pipe, which is built in from one side to the other along the axial direction of the metal tube, so that heat absorbed from one side vaporizes the working fluid, and rises to the other side to release heat After that, the heat dissipation object having the heat pipe is cooled by a cycle of returning to the origin again due to capillary action and gravity through the pores of the wick.
  • Such a heat pipe functions as the above-mentioned heat sink and is installed as a cooler for high-temperature exothermic electronic components such as CPU, which is a central processing unit in a high-performance computer, or as a heat exchanger for absorbing heat from a refrigerator or air conditioner.
  • eco-friendly energies there is typically electrical energy produced using the natural environment without using solid fuels such as solar power, wind power, ocean (tidal power, wave power), and geothermal heat.
  • solid fuels such as solar power, wind power, ocean (tidal power, wave power), and geothermal heat.
  • the scope is widening.
  • Electric vehicles that move using batteries as energy have been put to practical use and are being driven. Electric vehicles are gradually increasing in occupancy with the improvement of battery performance, and electric aircraft using electric energy are also being developed and tested for practical use. .
  • the heat dissipation module for discharging the heat generated from the battery to the outside must also be able to quickly discharge the high temperature heat to the outside.
  • Korean Patent Registration No. 10-0554096 registered on February 14, 2006
  • Republic of Korea Utility Model No. 20-0357563 registered on July 19, 2004
  • the prior art has the above-described structure of the heat pipe, there is a problem in that it is difficult to expect a heat dissipation effect from a battery used in an electric aircraft.
  • Patent Document 0001 Republic of Korea Patent No. 10-0554096 (20060214, registered)
  • Patent Document 0001 Republic of Korea Registered Utility Model No. 20-0357563 (20040719, registered)
  • the present invention has been proposed to solve the above problems and to increase the heat dissipation effect by rapidly dissipating the heat generated from the battery to the outside.
  • a plurality of batteries are provided in adjacently arranged battery modules, and are provided with a thermal management module for batteries of electric aircraft capable of stable thermal management of batteries by directly contacting each arranged battery to receive heat and dissipating it to the outside.
  • the present invention provides an electric aircraft with a wide application range and high heat dissipation efficiency because the plate-shaped member, the heat dissipation fin, and the heat transfer member are separately formed and then integrated through the brazing method, so that the height and spacing of the heat dissipation fin can be freely adjusted compared to the casting type.
  • An object of the present invention is to provide a thermal management module for batteries.
  • the present invention maximizes the heat dissipation effect by forming hollows in the plate-shaped member, the heat dissipation fin, and the heat transfer member, respectively, and filling the formed hollow with a working fluid, but by mixing a powdered metal or non-metal material with the filled working fluid, the working fluid
  • An object of the present invention is to provide a thermal management module for a battery of an electric aircraft that can prevent solidification on the inner wall constituting the hollow when it is condensed again after vaporization, thereby maintaining heat dissipation efficiency.
  • the thermal management module for a battery has a plate shape extending in first and second directions, a first surface perpendicular to a third direction perpendicular to the first and second directions, and the A plate-shaped member including a second surface located on the opposite side of the first surface; a plurality of battery cells disposed at intervals set in the first direction on the first surface of the plate-shaped member; A plate shape extending in the second and third directions, a first plate portion positioned between the plurality of battery cells, and a plate connected to the first plate portion and extending in the first and second directions a plurality of heat transfer members having a shape and including a second plate portion in contact with the first surface of the plate-like member; and a plurality of heat dissipation fins having a plate shape extending in the second and third directions and disposed on the second surface of the plate-like member and spaced apart from each other in the first direction; Each of the heat dissipation fin and the heat transfer member has an empty hollow there
  • the hollow is defined by a plurality of partition walls.
  • the space partitioned by the partition wall is formed independently of each other so that the working fluid is not mutually movable, or is communicated so that the working fluid is mutually movable.
  • the working fluid has a latent heat of vaporization of 400 kJ/kg or less, non-flammable, and a freezing point of -40°C or less.
  • metal or non-metal in powder form in the working fluid, is mixed in an amount of 5 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the total working fluid.
  • spherical or elliptical alumina (AL203) nanoparticles having a maximum particle size of 100 nm or less are mixed in an amount of 5 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the total.
  • carbon nanotubes having a maximum particle size of 100 nm or less are mixed in an amount of 5 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the total.
  • the plate-shaped member, the heat dissipation fin and the heat transfer member are brazed.
  • the plate-shaped member and the heat dissipation fin is made of any one of aluminum 1050 series, aluminum 1070 series, aluminum 1100 series, aluminum 3003 series, or aluminum 6005 series.
  • the heat dissipation fin is made of any one of an elastomer or a clad sheet.
  • the present invention which has been made as described above, is disposed in a battery of a high-output, high-performance and miniaturized electric aircraft to rapidly dissipate heat generated from the battery to the outside, thereby improving the charging/discharging efficiency of the battery, as well as preventing deterioration of the battery and improving the performance of the battery inside and outside. It has the effect of maximizing safety by preventing chain explosion in advance in case of battery explosion due to factors.
  • the present invention can increase the heat dissipation efficiency by forming a plate-shaped member, a heat dissipation fin, and a heat transfer member separately, and then integrating them through a brazing method to increase the height of the heat dissipation fins and to arrange the distances between each other closely.
  • a brazing method to increase the height of the heat dissipation fins and to arrange the distances between each other closely.
  • barrier ribs are formed at set intervals inside the hollow of the plate-like member, the heat dissipation fin, and the heat transfer member, so that the vaporization movement of the working fluid rapidly and uniformly cools the battery.
  • FIG. 1 is an exemplary view showing a thermal management module for a battery of an electric aircraft according to the present invention.
  • FIG. 2 is an exemplary view illustrating a state of use of a thermal management module for a battery of an electric aircraft according to the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing the structure of a plate-shaped member and a heat dissipation fin according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 4 is an exemplary view showing a heat transfer member according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an exemplary view showing a hollow embodiment constituting the present invention.
  • FIG. 6 is an exemplary view showing a heat dissipation fin according to another embodiment of the present invention.
  • a and/or B includes all three cases such as “A”, “B”, and “A and B”.
  • each layer (film), region, pattern or structures is referred to as “on” or “under” the substrate, each layer (film), region, pad or patterns.
  • the description that it is formed on includes all those formed directly or through another layer.
  • the criteria for “upper/upper” or “lower/lower” are based on the figure shown in the drawings for convenience, and are only used to indicate the relative positional relationship between the elements for convenience, and limit the actual positions of the elements. should not be understood For example, "above B” merely indicates that B is shown above A in the drawing, unless otherwise stated or unless A or B must be located above B due to the nature of A or B, in the actual product, etc., B may be located under A, and B and A may be placed sideways left and right.
  • X represents the first direction
  • Y represents the second direction
  • Z represents the third direction
  • the thermal management module 1 for a battery of an electric aircraft is in the form of a plate extending in a first direction and a second direction, and in the first and second directions
  • the first surface 11 of the plate-shaped member 10 and the plate-shaped member 10 including a first surface perpendicular to a third vertical direction and a second surface located on the opposite side of the first surface
  • the first A plurality of heat dissipation objects 100 disposed at intervals set in the direction and a plate shape extending in the second and third directions, and a first plate portion positioned between the plurality of battery cells
  • the first plate A plurality of heat transfer members connected to a portion and having a plate shape extending in the first and second directions and including a second plate portion in contact with the first surface 11 of the plate-like member, and the second direction and It has a plate shape extending in a third direction and includes a plurality of heat dissipation fins 20 disposed on the second surface 12 of the plate-
  • the plate-shaped member 10, the heat dissipation fin 20, and the heat transfer member 30 each have a hollow hollow therein, in which the heat generated by the heat dissipation object 100 is transferred through a phase change. (20) contains a filled working fluid to deliver to the side.
  • the plate-shaped member 10 is formed in the form of a plate extending in the longitudinal direction as the second direction and the width direction as the first direction, wherein the length and width of the plate-shaped member are the heat dissipation object 100, a battery or a plurality of batteries.
  • the plate-shaped member 10 can be changed into various shapes such as circular and polygonal shapes in addition to the rectangular plate, and the shape of the plate-like member is changed to correspond to the shape of the battery or battery module as described above.
  • the thickness of the plate-shaped member 10 is preferably relatively thicker than the heat dissipation fin 20 and the heat transfer member 30 to be described later, which is that the plate-shaped member 10 is directly or indirectly fixed to the heat dissipation object 100 . This is to obtain a strong fixing force in the process and at the same time to minimize deformation due to heat generated in the heat dissipation object.
  • the thickness of the plate-like member 10 there is no special regulation for the thickness of the plate-like member 10, and it is of course possible to change it in various ways depending on the environment in which it is disposed.
  • the heat dissipation fins 20 are disposed on the second surface 12 of the plate-like member 10, are disposed perpendicular to the longitudinal direction of the plate-like member 10, and are disposed at a distance from each other. .
  • the heat dissipation fin 20 may be formed in the form of a rectangular plate, but this is an example and may be changed to various shapes such as a wave, a circle, or a polygon.
  • the heat dissipation fin 20 is formed in a wedge shape having a cross-sectional area that is gradually narrowed from the bottom to the top, thereby maximizing the contact surface in contact with the outside.
  • a plurality of the heat dissipation fins 20 are disposed at a distance from each other on one surface of the plate-like member 10, wherein the distance between adjacent heat dissipation fins is preferably determined within the range of 2 to 15 mm, which is between the heat dissipation fins.
  • the distance between the fins is less than 2 mm, there is a problem in that the heat emitted from the radiating fins is conducted to other adjacent radiating fins, thereby lowering the heat dissipation effect. This is because there is a problem of low heat dissipation efficiency.
  • FIG. 6 shows a heat dissipation fin according to another embodiment of the present invention, wherein the lower end of the heat dissipation fin, that is, a portion in contact with the plate-shaped member, is bent to increase the contact area with the plate-shaped member.
  • FIG. 6 illustrates that the lower end of the heat dissipation fin is bent to one side, but this is an embodiment and the lower end of the heat dissipation fin may be formed in a form in which both sides are extended.
  • heat conduction efficiency can be maximized by increasing the contact area with the plate-shaped member, thereby increasing the heat dissipation effect, and furthermore, the integration of the plate-shaped member with the heat dissipation fin can be made more easily.
  • the plate-shaped member 10 and the heat dissipation fin 20 may be integrally combined through a brazing method after being separately formed, wherein the brazing method is one of the methods of joining two metals, and the plate-shaped member After arranging the heat dissipation fin 20 in contact with (10), the filler metal is melted at a high temperature to join the plate-shaped member and the heat dissipation fin.
  • plate-shaped member 10 and the heat dissipation fin 20 are made of any one of aluminum 1050 series, aluminum 1070 series, aluminum 1100 series, aluminum 3003 series, or aluminum 6005 series in order to increase the heat conduction and emission efficiency of the heat dissipation object 100 It is desirable to do
  • aluminum has high thermal conductivity, strong corrosion resistance, and excellent workability.
  • aluminum used as a plate-shaped member or heat dissipation fin or both of them may be any one of 1050 series, 1070 series, or 1100 series, which is aluminum (purity of 99.0% or more). While it has advantages of excellent conductivity and thermal conductivity, it has disadvantages of low strength and relatively high price.
  • Aluminum 3003 series is an aluminum-manganese alloy, and has the disadvantage of relatively low thermal conductivity compared to pure aluminum, but has high strength, excellent workability, and excellent corrosion resistance.
  • the aluminum 6005 series is an alloy of aluminum-magnesium-silicon, and has good strength and corrosion resistance. In particular, because of its high strength, it is used as structural materials such as furniture, bicycle frames, or wheel frames.
  • the plate-shaped member and the heat dissipation fin of the present invention are formed of aluminum as a material, and the series selected as a non-heat-treated alloy among the aluminum selected as the material is the height of the heat dissipation fins, the spacing between each other at the time of arrangement, and the highest level of heat generated by the heat generating object. It is selected in consideration of temperature and the like.
  • the heat dissipation fin 20 may be made of any one of an elastomer or a clad sheet in addition to the above-described aluminum-based material.
  • the elastomer is arranged in the form of bonding to one surface of the plate-shaped member having properties of thermoplastic and thermal conductivity.
  • the coupling with the plate-shaped member 10 is manufactured using an insert injection method or a general injection method.
  • the clad plate is a laminated composite steel plate in which the surfaces of two or more metal materials are metallically bonded to one another, and the metal material used in the present invention may be selected from the above-mentioned aluminum or aluminum alloy or copper or stainless steel, It can be integrated by laminating two or more selected metal materials, preheating by applying heat, and then cross rolling.
  • the clad plate material can be made of one or both sides, and the one-sided clad plate is integrated by bonding two metals, and the double-sided clad plate is integrated by bonding metals to both sides of one plate.
  • FIG. 3 there are various modifications to the coupling of the plate-shaped member and the heat dissipation fin according to the present invention. is disposed, and (b) of FIG. 3 shows that the plate-shaped member is formed in the form of a heat pipe.
  • Fig. 3 (a) shows that the heat pipe is arranged on the surface in contact with the heat transfer member in order to increase the thermal conductivity with the heat transfer member and at the same time to expect the emission effect
  • Fig. 3 (b) shows the plate-shaped member in the form of a heat pipe. This is an embodiment in which thermal conductivity and emission efficiency can be increased by forming.
  • the heat transfer member 30 includes a first plate portion 32 and a second plate portion 31 .
  • the heat transfer member 30 is disposed on the first surface 11 of the plate-shaped member 10 and is in direct contact with the heat-dissipating object 100 to receive heat generated from the heat-dissipating object and transfer it to the plate-shaped member 10 side, As shown in the drawing, the second plate part 31 coupled to the plate-shaped member 10, and the first plate part 32 extending from the second plate part 31 and contacting the heat dissipation object 100 are provided.
  • the second plate part 31 is formed in a flat plate shape to make surface contact with the plate-shaped member 10 and is integrated with the plate-shaped member 10 through the above-described brazing method.
  • the first plate part 32 is formed to extend from the second plate part 31 and is extended to face the heat dissipation object 100 , and in this case, it may be bent depending on the position of the heat dissipation base body 100 .
  • the second plate part 31 is coupled to each plate-shaped member 10 when a pair of plate-shaped members 10 are arranged symmetrically with respect to the heat-dissipating object 100. It may be formed at both ends of the first plate portion 32 in the longitudinal direction so as to be able to do so.
  • the heat transfer member 30 is formed of the above-described aluminum as a material, and receives heat generated from the heat dissipation object 100 and transfers the heat to the plate-shaped member 10 to manage the heat of the heat dissipation object.
  • the first plate portion 32 of the heat transfer member 30 is in contact with the heat dissipation object 100 compared to conducting heat of the heat dissipating object in a state where only the plate-like member 10 is in contact with the heat dissipating object 100 , so the contact area is It is wide and the thermal conductivity is relatively high, and through this, the heat dissipation effect can be increased.
  • the heat transfer member 30 can be formed of stainless as a material in addition to the above-described aluminum material, which is made of stainless steel with high thermal conductivity and little deformation due to heat in consideration of the characteristic of direct contact with the heat dissipation object. have.
  • the thickness and width of the heat transfer member 30 may be changed according to the number of heat-dissipating objects in contact and the spacing between the heat-dissipating objects.
  • the thickness of the heat transfer member is 0.8 to 2.0 mm and the width is 50 to 250 mm.
  • the heat dissipation efficiency can be increased by being placed in contact with one surface of the object and disposed within the range of 2 to 15 mm from the adjacent heat dissipation object in the contact state.
  • the plate-shaped member 10, the heat dissipation fin 20, and the heat transfer member 30 each have a hollow 40 formed therein, and the hollow 40 has the inside of each configuration in the form of a multi-channel tube.
  • the plate-shaped member 10, the heat dissipation fin 20, and the heat transfer member 30 are each formed through an extrusion process. and can be manufactured in a state in which the hollow 40 is formed therein.
  • the hollow 40 is made of an empty interior, and the air remaining inside serves as a medium for heat transfer, and at the same time, weight reduction can be expected by reducing the load on the plate-shaped member, the heat dissipation fin, and the heat transfer member.
  • the hollow 40 is formed in the plate-shaped member 10, the heat dissipation fin 20 and the heat transfer member 30, respectively, and a plurality of them are divided independently from each other and the working fluid is filled in each independent area, It is partitioned through a plurality of partition walls 41 disposed at a distance from each other, and the hollow partitioned by the partition walls 41 communicates so that the filled working fluid can move with each other.
  • the hollow 40 is formed as a plurality of independently partitioned spaces, and in FIG. 5 (b) is the hollow 40 by a plurality of partition walls ( 41), but it is configured so that each hollow communicates with each other.
  • the shape of the hollow can be variously changed, such as a circle, an ellipse, a polygon, and the like, and the area and number of the hollows, and the distance between each other can be variously changed, and of course, it is not limited to the shape shown in the drawings.
  • a plurality of the hollows 40 are provided in an independent form, and a working fluid is filled in each hollow. It is possible to increase the heat dissipation effect by transferring the heat transferred from the heat dissipation object to the lower temperature side from the material constituting the plate member, the heat dissipation fin, and the heat transfer member through the working fluid filled in each independent hollow.
  • a plurality of hollows formed through a plurality of partition walls 41 are configured to communicate with each other, so that the working fluid filled in the hollows moves in the hollows to increase heat conduction efficiency.
  • heat dissipation efficiency can be maximized by filling the hollow 40 with a working fluid 50 having a relatively high thermal conductivity compared to air. This is to increase the efficiency of transferring the heat generated from each filled heat dissipation target to the heat dissipation fin, which is the final heat dissipation part.
  • This working fluid 50 has a latent heat of vaporization ( ⁇ , Latent Heat Of Vaporization) of 400 kJ / kg or less, is non-flammable, and has a freezing point of -40 ° C or less in a fluid, hydrogen fluoride ether (HFE: HYDROFLUOROETHER) series or hydrofluidic fluid. It is characterized in that it is a fluid selected from the olefin (HFO: HYDROFLUOROOLEFIN) series or a mixed fluid thereof.
  • HFE HYDROFLUOROETHER
  • the working fluid is characterized in that the metal or non-metal in powder form is mixed in an amount of 5 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the total working fluid.
  • the working fluid is characterized in that 5 parts by weight or less of spherical or elliptical alumina (AL203) nanoparticles having a maximum particle size of 100 nm or less are mixed with respect to 100 parts by weight of the total.
  • A203 spherical or elliptical alumina
  • the working fluid is characterized in that 5 parts by weight or less of carbon nanotubes (CNTs) having a maximum particle size of 100 nm or less are mixed with respect to 100 parts by weight of the total.
  • CNTs carbon nanotubes
  • the working fluid made as described above absorbs heat and is vaporized and then condensed when released.
  • the coagulated and solidified working fluid is fixed to the inner wall of the plate-shaped member, heat dissipation fin, and heat transfer member, thereby reducing the problem of reducing thermal efficiency.
  • the working fluid is formed of a fluid selected from a hydrofluorinated ether (HFE: HYDROFLUOROETHER) series or a hydrofluorene (HFO: HYDROFLUOROOLEFIN) series or a mixed fluid thereof, thereby minimizing solidification on the inner wall during the condensing process to ensure stable heat dissipation effect can be expected.
  • HFE hydrofluorinated ether
  • HFO HYDROFLUOROOLEFIN

Abstract

본 발명은 전기항공기의 배터리용 열관리모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 판상부재와 상기 판상부재의 일면에 배치되는 방열핀 및 상기 판상부재의 타면에 배치되며 방열대상체에 맞닿게 배치되는 열전달부재를 포함하여 방열대상체의 열을 관리하되, 판상부재와 방열핀 및 열전달부재에 각각 중공을 형성하고, 형성된 중공에 작동유체를 충진하여 방열 효과를 극대화하고, 상기 판상부재와 방열핀 및 상기 판상부재와 열전달부재는 브레이징(Brazing) 공법을 통해 일체로 결합되어 종래 압출 또는 주조에 의해 제조되는 과정에서 발생하는 문제점을 해결한 전기항공기의 배터리용 열관리모듈에 관한 것으로, 이를 위한 본 발명은, 길이 방향으로 연장되며 편평한 플레이트 형태로 이루어진 판상부재; 상기 판상부재의 일면에 배치되되 상호 간격을 두고 배치되는 다수 개의 방열핀; 상기 판상부재의 타면에 배치되며 방열대상체와 직접 맞닿는 열전달부재;를 포함하고, 상기 판상부재와 상기 방열핀과 상기 열전달부재는 각각 내부에 빈 중공이 형성되며, 상기 중공에는 작동유체가 충진되어 상기 방열대상체에서 발생한 열을 상기 방열핀측으로 전달하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리용 열관리모듈
본 발명은 배터리용 열관리모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 판상부재와 상기 판상부재의 일면에 배치되는 방열핀 및 상기 판상부재의 타면에 배치되며 방열대상체에 맞닿게 배치되는 열전달부재를 포함하여 방열대상체의 열을 관리하되, 판상부재와 방열핀 및 열전달부재에 각각 중공을 형성하고, 형성된 중공에 작동유체를 충진하여 방열 효과를 극대화하고, 상기 판상부재와 방열핀 및 상기 판상부재와 열전달부재는 브레이징(Brazing) 공법을 통해 일체로 결합되어 종래 압출 또는 주조에 의해 제조되는 과정에서 발생하는 문제점을 해결한 전기항공기의 배터리용 열관리모듈에 관한 것이다.
일반적으로 배터리 또는 반도체 소자 또는 조명수단(이하 ‘방열대상체’라 지칭함)과 같이 동작 중 열이 발생하고 발생한 열이 지나치게 높으면 성능에 영구적인 변화를 일으켜 오동작하거나 파괴되는 문제가 발생하며 폭발 또는 화재에 의한 사고가 발생하는 원인이 되고 있다.
따라서 이러한 방열대상체에는 온도를 관리하기 위한 방열모듈이 구비되는데, 일 예로 히트싱크가 있다.
통상적으로 히트싱크는 열전도성이 우수한 은, 구리, 금, 알루미늄을 소재로 하여 제조되며 이 중 은과 구리는 경제성 측면에서 비용이 많이 들고 부식성과 기계적 강도가 낮기 때문에 대부분의 히트싱크 소재로는 특별한 경우를 제외하고는 알루미늄 소재를 많이 활용한다.
알루미늄은 가볍고 가공성이 뛰어나 판이나 압출 또는 주조 형태로 여러 가지 형상을 만들 수 있고 표면처리가 가능한 장점이 있다.
이러한 알루미늄을 소재로 하여 제작한 히트싱크의 제작 유형을 살펴보면 알루미늄 판재를 프레스로 기계 가공하여 여러 가지 형상으로 만드는 판형과 알루미늄을 반용해 상태로 금형에 투입하여 제조하는 주조형이 있다.
이 중 주조형은 성형될 때 유동성을 높이기 위하여 첨가물질을 알루미늄 용액 속에 넣기 때문에 열전도도가 판형에 비해 낮은 단점이 있으며 판형은 알루미늄이 사용용도에 따라 다양한 등급을 갖기 때문에 열전도가 다양하지만 보통 주조형에 비해 열전도도가 1.5~2배 정도 높다.
또한 주조형은 금형구조상 외부로 노출되는 핀 간격을 조밀하게 배열할 수 없는 단점이 있는데, 이러한 단점을 해결하기 위하여 베이스플레이트와 방열핀을 각각 별도로 형성한 후 베이스플레이트에 방열핀을 촘촘하게 심어서 접착하는 접착형(bonded type)이 제안되었다.
이러한 접착형은 가공비가 주조형에 비해 상대적으로 증가하나 강제대류 냉각방식일 경우 방열 효율이 향상되는 장점이 있다.
상기의 종래 히트싱크는 방열핀이 베이스플레이트에서 외측으로 단순히 돌출된 상태에서 외기에 접하면서 베이스플레이트로부터 열을 전도받아 방출하게 되는데, 방열효과는 한계가 있고, 방열효과를 높이기 위해서는 방열핀의 높이를 높이거나 간격을 더 촘촘하게 배치해야 하는데 이러한 방열핀의 높이 및 간격은 방열대상체의 형태 및 히트싱크가 배치되는 환경에 의해 제한되는 문제점이 있었다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 제안된 다른 기술로는 히트파이프라 불리는 방열모듈이 있는데, 히트 파이프는 외관 케이스인 금속관의 내부를 진공으로 형성하고, 열에 민감한 작동 유체를 삽입한 것이다.
이러한 히트 파이프는 일측에 열을 가하면 금속관의 내부에서 작동 유체가 증기 상태로 변해 열을 가하지 않은 타측 방향으로 이동하면서 금속관 전체에 열을 전달하게 되는 것으로, 액체가 기체로 바뀌는 증발과 기체가 액체로 응축될 때 흡수 및 방출되는 높은 잠열(潛熱)을 이용하여 순간적으로 대량으로 열을 이동시킬 수 있는 것이다.
여기서 히트 파이프의 내부 공간에는 윅(wick)이라고 다공질 물질이 구비되며, 이는 금속관의 축 방향을 따라 일측에서부터 타측까지 내장되어 일측에서 흡수되는 열이 작동 유체를 기화시키고, 타측으로 상승하여 열을 방출한 후, 윅의 기공을 통하여 모세관 현상 및 중력에 의해 다시 원지점으로 복귀되는 사이클에 의해 히트 파이프를 내장한 방열대상체의 냉각이 이루어지는 것이다.
이러한 히트 파이프는 상술한 히트싱크로 기능하여 고성능 컴퓨터에서 중앙연산 처리기인 CPU등과 같은 고열의 발열성 전자부품 등에 냉각기로 설치되거나 냉장고 또는 에어컨 등에서 열을 흡수하는 열교환기로 설치된다.
한편, 고체 연료를 사용할 때 발생하는 이산화탄소는 대기를 오염시켜 인체는 물론 동식물의 생존 및 생장에 악영향을 주기 때문에 근래에 들어서는 친환경 에너지를 이용하는 장치가 제공되고 탄소배출을 제한하는 국제적인 조약 및 협약을 통해 장기적으로는 국가 단위에서 이산화탄소 배출을 제한하는 정책이 제안 및 실시되고 있다.
여기서 친환경 에너지 중 대표적으로 태양광, 풍력, 해양(조력,파력), 지열과 같이 고체 연료를 사용하지 않고 자연환경을 이용하여 생산한 전기 에너지가 있고, 이러한 전기 에너지는 배터리의 성능 향상과 함께 활용 범위가 넓어지고 있다.
일 예로 배터리를 에너지로 하여 이동하는 전기자동차가 실용화되어 주행하고 있는데, 전기자동차는 배터리의 성능 향상과 더불어 점차 점유도가 높아지고 있으며, 전기 에너지를 이용한 전기항공기도 실용화를 위해 개발 및 실험이 진행되고 있다.
이때 전기항공기의 경우 배터리에 충전된 전기를 모두 사용하더라도 배터리의 무게는 변동이 거의 없기 때문에 운항 중에 필요한 에너지가 항공유를 사용하는 것에 상대적으로 많이 필요한 단점이 있다.
따라서 전기항공기에 사용되는 배터리는 고출력, 고효율 및 소형화가 구현되야 하고, 이때 배터리에서 발생한 열을 외부로 방출하기 위한 방열모듈도 고온의 열을 신속하게 외부로 배출할 수 있어야 한다.
즉, 배터리가 고효율 및 고출력의 성능을 가지고 소형화된 형태인 경우 동작 중 고온의 열이 발생하기 때문에 종래의 히트 싱크 또는 히트 파이프만으로는 고온의 열을 신속하게 외부로 방출할 수 없고, 특히 배터리의 형태가 소형화 될수록 방열모듈을 배치할 수 있는 공간도 작아지기 때문에 종래의 히트싱크를 포함한 방열모듈로는 방열효과를 기대할 수 없었다.
한편 대한민국 등록특허 제10-0554096호(2006.02.14., 등록)와 대한민국 등록실용신안 제20-0357563호(2004.07.19., 등록)에서는 액체 또는 유체가 내장된 히트싱크를 제공하고 있는데, 상기 종래기술은 상술한 히트 파이프의 구조를 이루어지기 때문에 전기항공기에서 사용하는 배터리에서는 방열효과를 기대하기 어려운 문제점이 있었다.
선행기술문헌
(특허문헌 0001) 대한민국 등록특허 제10-0554096호(20060214, 등록)
(특허문헌 0001) 대한민국 등록실용신안 제20-0357563호(20040719, 등록)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고 배터리에서 발생한 열을 외부로 신속하게 방출하여 방열효과를 높이기 위해 제안된 것으로, 특히 고출력 및 고성능을 가지고 소형화된 전기항공기의 배터리에서 발생한 열을 외부로 신속하게 방출할 수 있고, 특히 다수 개의 배터리가 이웃하게 배치된 배터리모듈에 구비되되 배치된 각각의 배터리와 직접 접촉하여 열을 전달 받아 이를 외부로 방출함으로써 안정적인 배터리의 열관리가 가능한 전기항공기의 배터리용 열관리모듈를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 판상부재와 방열핀 및 열전달부재를 각각 별도로 형성한 후 이를 브레이징 공법을 통해 일체화함으로써 주조형에 비해 방열핀의 높이 및 간격을 자유롭게 조절할 수 있어 활용 범위가 넓으면서도 방열 효율이 높은 전기항공기의 배터리용 열관리모듈을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 판상부재와 방열핀 및 열전달부재에 각각 중공을 형성하고 형성된 중공에 작동유체를 충진하여 방열 효과를 극대화하되, 충진되는 작동유체에 분말 형태의 메탈 또는 비메탈 소재를 혼합하여 작동유체가 기화 후 다시 응축될 때 중공을 구성하는 내벽에 응고되는 것을 방지할 수 있어 방열 효율을 유지할 수 있는 전기항공기의 배터리용 열관리모듈을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 의한 배터리용 열관리 모듈은 제1 방향 및 제2 방향으로 연장된 플레이트 형태이며, 상기 제1 및 제2 방향에 수직한 제3 방향에 수직한 제1 면과 상기 제1 면의 반대측에 위치한 제2 면을 포함하는 판상부재; 상기 판상부재의 상기 제1 면에서 상기 제1 방향으로 설정된 간격을 두고 배치되는 복수의 전지셀; 상기 제2 방향 및 제3 방향으로 연장된 플레이트 형태이며, 상기 복수의 전지셀 사이에 위치되는 제1 플레이트부와, 상기 제1 플레이트부와 연결되고 상기 제1 방향 및 제2 방향으로 연장된 플레이트 형태를 가지며 상기 판상부재의 상기 제1 면과 접촉하는 제2 플레이트부를 포함하는 복수의 열전달부재; 및 상기 제2 방향 및 제3 방향으로 연장된 플레이트 형태를 가지고 상기 판상부재의 상기 제2 면에 배치되되 상기 제1 방향으로 설정된 간격을 두고 배치되는 복수 개의 방열핀;을 포함하고, 상기 판상부재, 상기 방열핀 및 상기 열전달부재는 각각 내부에 빈 중공이 형성되며, 상기 중공에는 상기 전지셀에서 발생한 열을 상변화를 통해 상기 방열핀측으로 전달하도록 충진된 작동유체를 포함한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 상기 중공은 복수 개의 격벽에 의해 구획된다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 상기 격벽에 의해 구획된 공간은 상기 작동유체가 상호 이동 가능하지 못하도록 서로 독립적으로 형성되거나, 또는 상기 작동유체가 상호 이동 가능하도록 연통된다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 상기 작동유체는, 증발잠열(蒸發潛熱, Latent Heat Of Vaporization)이 400kJ/kg 이하이며, 비인화성이고, 어는점은 -40℃ 이하이다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 상기 작동유체는, 분말 형태의 메탈 또는 비메탈을 작동유체 전체 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하로 혼합한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 상기 작동유체는, 입자의 최대 크기가 100nm 이하인 구형 또는 타원형의 알루미나(AL203) 나노 입자를 전체 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하로 혼합한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 상기 작동유체는, 입자의 최대 크기가 100nm 이하인 카본나노튜브(CNT)가 전체 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하로 혼합된다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 상기 판상부재, 상기 방열핀 및 상기 열전달부재는 브레이징 접합된다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 상기 판상부재와 상기 방열핀은, 알루미늄 1050계열 또는 알루미늄 1070계열 또는 알루미늄 1100계열 또는 알루미늄 3003계열 또는 알루미늄 6005계열 중 어느 하나로 이루어진다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 상기 방열핀은, 엘라스토머(Elastomer) 또는 클래드 판재(Clad sheet) 중 어느 하나로 이루어진다.
상기와 같이 이루어진 본 발명은, 고출력, 고성능 및 소형화된 전기항공기의 배터리에 배치되어 배터리에서 발생한 열을 신속하게 외부로 방출함으로써 배터리의 충방전 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 배터리의 성능 저하를 방지하고 내외부 요인에 의한 배터리 폭발 시 연쇄폭발을 미연에 방지할 수 있어 안전성을 극대화한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 판상부재와 방열핀 및 열전달부재를 각각 별도로 형성한 후 이들을 브레이징 공법을 통해 일체화함으로써 방열핀의 높이를 높게 하고 상호간의 간격을 촘촘하게 배치할 수 있어 방열 효율을 높일 수 있고, 판상부재와 방열핀 및 열전달부재에 각각 중공을 형성하고 형성된 중공에 작동유체를 충진하여 방열 효율을 극대화한 효과가 있다.
또한, 판상부재와 방열핀 및 열전달부재의 중공 내부에 설정된 간격으로 격벽이 형성되어 작동유체의 기화 이동이 빠르로 배터리를 균일하게 냉각하는데 유리한 효과를 달성한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기항공기의 배터리용 열관리모듈을 도시한 예시도 이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기항공기의 배터리용 열관리모듈의 사용 상태를 도시한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 판상부재와 방열핀의 구조를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달부재를 도시한 예시도이다.
도 5는 본 발명을 구성하는 중공의 실시예를 도시한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방열핀을 도시한 예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
“제1”, “제2” 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
“및/또는”이라는 용어는 그 대상이 되는 복수 항목들의 여하한 조합의 경우를 모두 포함하기 위해 사용된다. 예컨대, “A 및/또는 B”는 “A”, “B”, “A 및 B” 등 3 가지 경우를 모두 포함하는 의미이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조들이 기판, 각층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. “상/위” 또는 “하/아래”에 대한 기준은 편의상 도면에 도시된 모습을 기준으로 하며, 구성요소들 간의 상대적인 위치 관계를 편의상 나타내기 위해 사용될 뿐, 실제 구성요소들의 위치를 한정하는 것으로 이해되서는 안 된다. 예컨대, “위 B”는 달리 언급되지 않거나 또는 A나 B의 속성 상 A가 B 위에 위치되지 않으면 안되는 경우가 아니라면, 도면 상에서 A 위에 B가 도시되어 있음을 나타내는 것일 뿐이며, 실제 실시 제품 등에서는 B가 A 밑에 위치할 수도 있고, B와 A가 옆으로 좌우 배치될 수도 있는 것이다.
또한, 도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 도면상에서 X는 제1 방향을 나타내고, Y는 제2 방향을 나타내며, Z는 제3 방향을 나타낸다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
먼저 본 발명에 따른 전기항공기의 배터리용 열관리모듈(1)은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 방향 및 제2 방향으로 연장된 플레이트 형태이며, 상기 제1 및 제2 방향에 수직한 제3 방향에 수직한 제1 면과 상기 제1 면의 반대측에 위치한 제2 면을 포함하는 판상부재(10)와 상기 판상부재(10)의 상기 제1 면(11)에서 상기 제1 방향으로 설정된 간격을 두고 배치되는 복수의 방열대상체(100)와 상기 제2 방향 및 제3 방향으로 연장된 플레이트 형태이며, 상기 복수의 전지셀 사이에 위치되는 제1 플레이트부와, 상기 제1 플레이트부와 연결되고 상기 제1 방향 및 제2 방향으로 연장된 플레이트 형태를 가지며 상기 판상부재의 상기 제1 면(11)과 접촉하는 제2 플레이트부를 포함하는 복수의 열전달부재, 및 상기 제2 방향 및 제3 방향으로 연장된 플레이트 형태를 가지고 상기 판상부재의 상기 제2 면(12)에 배치되되 상기 제1 방향으로 설정된 간격을 두고 배치되는 복수 개의 방열핀(20)을 포함한다.
또한, 상기 판상부재(10), 상기 방열핀(20) 및 상기 열전달부재(30)는 각각 내부에 빈 중공이 형성되며, 상기 중공에는 상기 방열대상체(100)에서 발생한 열을 상변화를 통해 상기 방열핀(20)측으로 전달하도록 충진된 작동유체를 포함한다.
구체적으로 상기 판상부재(10)는 제2 방향인 길이 방향과 제1 방향인 폭 방향으로 연장된 플레이트 형태로 이루어지되, 여기서 판상부재의 길이 및 폭은 방열대상체(100)인 배터리 또는 다수 개의 배터리가 서로 이웃하게 배치된 배터리모듈의 길이와 폭에 대응하도록 형성되는 것으로 도시된 길이 및 폭에 한정되지 않음은 물론이다.
또한 상기 판상부재(10)는 사각형태의 플레이트 이외에도 원형, 다각형 등 다양한 형태로 변경 가능하며 이러한 판상부재의 형태는 상술한 바와 같이 배터리 또는 배터리모듈의 형태에 대응하여 변경된다.
한편 상기 판상부재(10)의 두께는 후술하는 방열핀(20) 및 열전달부재(30)에 비해 상대적으로 두꺼운 것이 바람직한데, 이는 판상부재(10)는 방열대상체(100)에 직접 또는 간접적으로 고정되는 과정에서 견고한 고정력을 획득함과 동시에 방열대상체에서 발생한 열에 의한 변형을 최소화하기 위한 것이다. 물론 이러한 판상부재(10)의 두께에 대한특별한 규정은 없고 배치되는 환경에 따라 다양하게 변경 가능함은 물론이다.
상기 방열핀(20)은 상기 판상부재(10)의 제2 면(12)에 배치되는 것으로, 상기 판상부재(10)의 길이 방향에 대하여 직각으로 수직하게 배치되며 상호 간에 간격을 두고 다수 개가 배치된다.
이러한 방열핀(20)은 사각의 판재형태로 이루어질 수 있으나 이는 하나의 실시예이며 파형(wave) 또는 원형 또는 다각형 등 다양한 형태로 변경 가능하다.
그리고 상기 방열핀(20)의 다른 실시예로서 하단에서 상단을 향할수록 점진적으로 좁아지는 단면적을 가지는 쐐기 형태로 이루어져 외부와 맞닿는 접촉면을 극대화한 형태로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 방열핀(20)은 도시된 바와 같이 다수 개가 상기 판상부재(10)의 일면에 상호 간격을 두고 배치되는데, 여기서 인접한 방열핀 사이의 거리는 2~15mm 범위 내에서 결정되는 것이 바람직하며, 이는 방열핀 사이의 거리가 2mm 미만인 경우 방열핀에서 방출되는 열이 인접한 타 방열핀으로 전도됨으로써 방열 효과가 낮아지는 문제점이 있고, 방열핀 사이의 거리가 15mm를 초과하는 경우 판상부재에 배치할 수 있는 방열핀의 개수가 제한됨으로써 방열 효율이 낮은 문제점이 있기 때문이다.
한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방열핀을 도시한 것으로, 방열핀의 하단 즉 판상부재와 맞닿는 부위를 판상부재와의 접촉 면적을 넓히기 위하여 절곡 형성한 것이다.
도 6에서는 방열핀의 하단부가 일측으로 절곡된 것을 도시하였으나 이는 하나의 실시예이며 방열핀의 하단이 양측으로 모두 확장되는 형태로 이루어질 수 있다.
상기 도 6에 도시된 바와 같이 판상부재와의 접촉 면적을 넓힘으로써 열전도 효율을 극대화할 수 있고, 이를 통해 방열 효과를 높일 수 있고, 나아가 판상부재와 방열핀의 일체화를 더 용이하게 이루어질 수 있다.
한편, 상기 판상부재(10)와 상기 방열핀(20)은 각각 별도로 형성된 이후 브레이징(Brazing) 공법을 통해 일체로 결합될 수 있는데, 여기서 브레이징 공법은 두 개의 금속을 접합하는 방법 중 하나로써, 판상부재(10)에 방열핀(20)을 접하도록 배치한 후 용가재를 고온에서 녹여서 판상부재와 방열핀을 접합하는 방법이다.
이러한 브레이징 공법은 공지의 것이므로 상세한 도시 및 설명은 생략하도록 한다.
그리고 상기 판상부재(10)와 상기 방열핀(20)은 방열대상체(100)의 열의 전도 및 방출 효율을 높이기 위하여 알루미늄 1050계열 또는 알루미늄 1070계열 또는 알루미늄 1100계열 또는 알루미늄 3003계열 또는 알루미늄 6005계열중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
알려진 바와 같이 알루미늄은 열전도율이 높고 내부식성이 강하며 가공성이 우수하며 이와 함께 가격이 은, 구리 등에 비해 저렴하여 경제성이 높은 장점이 있다.
본 발명에서 판상부재 또는 방열핀 또는 이들 모두의 소재로 사용하는 알루미늄은 알루미늄(순도99.0% 이상)인 1050계열 또는 1070계열 또는 1100계열 중 어느 하나를 이용할 수 있는데, 이러한 알루미늄 1XXX 계열은 순수 알루미늄으로서 전기 전도성 및 열전도성이 뛰어난 장점이 있는 반면 강도가 낮고 또한 가격이 상대적으로 고가인 단점이 있다.
알루미늄 3003계열은 알루미늄-망간계 합금으로써 순수 알루미늄에 비해 상대적으로 열전도율이 낮은 단점이 있으나 강도가 높아 가공성이 우수하며 내식성이 우수한 장점이 있다.
또한 알루미늄 6005계열은 알루미늄-마그네슘-실리콘의 합금으로써 강도와 내식성이 양호하며 특히 강도가 높기 때문에 가구나 자전거 프레임 또는 바퀴휠곽 같은 구조재로 사용되는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 판상부재와 방열핀은 알루미늄을 소재로 하여 형성되되 소재로 선택되는 알루미늄 중 비열처리 합금으로서 선택하는 계열은 방열핀의 높이, 배치시 상호간의 간격 및 발열대상체에서 발생하는 열의 최고온도 등을 고려하여 선택된다.
한편 상기 방열핀(20)은 상술한 알루미늄 계열의 소재 이외에도 엘라스토머(Elastomer) 또는 클래드 판재(Clad sheet) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
여기서 엘라스토머는 열가소성, 열전도성의 특성을 가지는 것을 상기 판상부재의 일면에 접합하는 형태로 배치한 것으로, 본 발명에서 열가소성 엘라스토머로는 열전도도가 15W/mK 이상인 엔지니어링플라스틱 또는 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer), EPM(Ethylene Propylene Monomer), EPD(Ethylene Propylene Dicyclo pentadiene), EPR((Ethylene Propylene Rubber), NBR(Nitrile Butadiene Rubber), SBR(Styrene Butadiene Rubber), SBS(Styrene Butadiene Styrene), SES(Styrene Ethylene Styrene), SIS(Styrene Isoprene Styrene), SEPS(Styrene Ethylene Propylene Styrene), SEBS(Styrene Ethylene Butylene Styrene) 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상인 것을 포함한다.
그리고 상기 열가소성 엘라스토머만로 방열핀이 이루어지는 경우 판상부재(10)와의 결합은 인서트 사출 또는 일반 사출 방식을 이용하여 제조된다.
그리고 상기 클래드 판재는 두 가지 이상의 금속재료의 표면을 금속학적으로 접합하여 일체화시킨 적층형의 복합 강판으로서, 본 발명에서 사용되는 금속재료는 상술한 알루미늄 또는 알루미늄 합금 또는 구리 또는 스테인레스 중 선택될 수 있고, 선택된 두 가지 이상의 금속재료를 적층하고 이후 열을 가하여 예열한 후 교차 압연하는 방법으로 일체화시킬 수 있다. 또한 본 발명에서 클래드 판재는 일면 또는 양면으로 이루어질 수 있는 것으로 일면 클래드 판재는 두 가지의 금속을 접합하여 일체화한 것이며, 양면 클래드 판재는 하나의 판재의 양면에 각각 금속을 접합하여 일체화한 것이다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 판상부재와 방열핀의 결합은 다양한 변형예가 있는데, 도 3의 (a)는 상기 판상부재에서 후술하는 열전달부재(30)가 결합하는 면에 히트파이프가 배치된 실시예이며, 도 3의 (b)는 상기 판상부재를 히트파이프 형태로 형성한 것을 도시한 것이다.
즉, 도 3의 (a)는 열전달부재와의 열전도율을 높이고 동시에 방출 효과를 기대하기 위하여 열전달부재가 접하는 면에 히트파이프를 배치한 것이고, 도 3의 (b)는 판상부재를 히트파이프 형태로 형성하여 열전도율 및 방출 효율을 높일 수 있는 실시예이다.
상기 열전달부재(30)는 제1 플레이트부(32)와 제2 플레이트부(31)를 포함한다.
상기 열전달부재(30)는 상기 판상부재(10)의 제1 면(11)에 배치되며 방열대상체(100)와 직접 맞닿아 방열대상체에서 발생한 열을 전달 받아 판상부재(10)측으로 전달하는 것으로, 도면 중 도시된 바와 같이 상기 판상부재(10)와 결합되는 제2 플레이트부(31)와, 상기 제2 플레이트부(31)에서 연장 형성되며 방열대상체(100)와 맞닿는 제1 플레이트부(32)를 포함한다.
상기 제2 플레이트부(31)는 편평한 플레이트 형태로 이루어져 판상부재(10)와 면접촉하며 상술한 브레이징 공법을 통해 판상부재(10)와 일체화된다.
상기 제1 플레이트부(32)는 상기 제2 플레이트부(31)로부터 연장 형성되되 방열대상체(100)를 향하도록 연장되되 이때 방열대 상체(100)의 위치에 따라 절곡될 수 있다.
그리고 상기 제2 플레이트부(31)는 도 4에 도시된 바와 같이, 방열대상체(100)를 기준으로 한 쌍의 판상부재(10)가 상호 대칭되게 배치될 때 각각의 판상부재(10)에 결합할 수 있도록 상기 제1 플레이트부(32)의 길이 방향 양단에 각각 형성될 수 있다.
이러한 열전달부재(30)는 상술한 알루미늄을 소재로 하여 형성되어 방열대상체(100)에서 발생한 열을 전달 받아 판상부재(10)측으로 전달함으로써 방열대상체의 열을 관리한다.
특히 판상부재(10)만 방열대상체(100)에 맞닿은 상태에서 방열대상체의 열을 전도하는 것에 비해 열전달부재(30)의 제1 플레이트부(32)가 방열대상체(100)에 맞닿기 때문에 접촉면적이 넓어 상대적으로 열전도율이 높아지고 이를 통해 방열효과를 높일 수 있다.
한편 상기 열전달부재(30)는 상술한 알루미늄 소재 이외에도 스테인레스를 소재로 하여 형성할 수 있는데, 이는 방열대상체에 직접 맞닿는 특성을 고려하여 열전도율이 높으면서도 열에 의한 변형이 적은 스테인레스를 소재로 하여 형성할 수 있다.
이어서 상기 열전달부재(30)의 두께 및 폭은 맞닿는 방열대상체의 개수 및 방열대상체 사이의 간격에 따라 변경 될 수 있는데, 일 예로 열전달부재의 두께는 0.8~2.0mm이며 폭은 50~250mm로 이루어져 방열대상체의 일면과 맞닿고, 맞닿은 상태에서 인접한 방열대상체와의 거리가 2~15mm 범위내에 배치됨으로써 방열 효율을 높일 수 있다.
한편, 상기 판상부재(10)와 상기 방열핀(20)과 상기 열전달부재(30)는 각각 내부에 중공(40)이 형성되는데, 상기 중공(40)은 각각의 구성의 내부를 다채널관 형태로 이루어지며, 이를 위해 상기 판상부재(10)와 방열핀(20)과 열전달 부재(30)는 각각 압출 공정을 거쳐 형성되는 것이 바람직한데, 압출 공정은 대량생산이 가능하고 소정의 길이만큼 형성하는 것이 용이하며, 내부에 중공(40)을 형성한 상태로 제조가 가능하다.
상기 중공(40)은 내부가 빈 상태로 이루어진 것으로 내부에 잔존하는 공기가 열을 전달하는 매개체의 역할을 하며 동시에 판상부재, 방열핀, 열전달부재의 하중을 줄임으로써 경량화를 기대할 수 있다.
한편, 상기 중공(40)은 상기 판상부재(10)와, 방열핀(20) 및 열전달부재(30)에 각각 형성되되, 다수 개가 상호 독립적으로 구획되어 독립된 각각의 구역에 상기 작동유체가 충진되거나, 상호 거리를 두고 배치된 다수 개의 격벽(41)을 통해 구획되되, 상기 격벽(41)에 의해 구획된 중공은 충진된 작동유체가 상호 이동 가능하도록 연통된다.
이를 도 5를 참조하여 살펴보면, 먼저 도 5의 (a)는 상기 중공(40)이 독립적으로 구획된 다수 개의 공간으로 형성된 것이며, 도 5의 (b)는 상기 중공(40)을 다수 개의 격벽(41)을 통해 구획하되 각 중공이 상호 연통되도록 구성된 것이다.
여기서 상기 중공의 형태는 원형, 타원형, 다각형 등 다양하게 변경 가능하며 중공의 면적 및 개수, 그리고 상호간의 간격은 다양하게 변경 가능한 것으로 도면 중 도시된 형태에 한정되지 않음은 물론이다.
도 5의 (a)에 도시된 실시예에서는 상기 중공(40)이 독립적인 형태로 다수 개 구비되며 각 중공에 작동유체가 충진된다. 독립된 각 중공에 충진된 작동유체를 통해 방열대상체로부터 전달된 열을 판상부재, 방열핀, 열전달부재를 구성하는 소재에서 온도가 낮은 측으로 전달하여 방열효과를 높일 수 있다.
또한, 도 5의 (b)에 도시된 실시예에서는 다수 개의 격벽(41)을 통해 형성된 다수 개의 중공이 상호 연통되도록 구성되어 중공에 충진된 작동유체가 중공내에서 이동하면서 열전도 효율을 높일 수 있는 것이다.
이어서 상기 중공(40)에 공기에 비해 상대적으로 열전도율이 높은 작동유체(50)를 충진하여 방열 효율을 극대화 할 수 있는데, 상기 작동유체(50)는 상기 판상부재, 방열핀 및 열전달부재에 형성된 중공에 각각 충진되어 방열대상 체에서 발생한 열을 최종 방열 부위인 방열핀으로 전달하는 효율을 높이기 위한 것이다.
이러한 작동유체(50)는 증발잠열(蒸發潛熱, Latent Heat Of Vaporization)이 400kJ/kg 이하이며, 비인화성이고, 어는점은 -40℃이하인 유체에, 수소불화에테르(HFE : HYDROFLUOROETHER)계열 또는 하이드로플루올레핀(HFO : HYDROFLUOROOLEFIN)계열에서 선택된 유체 또는 이들의 혼합 유체인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 작동유체는, 분말 형태의 메탈 또는 비메탈을 작동유체 전체 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하로 혼합한 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 작동유체는, 입자의 최대 크기가 100nm 이하인 구형 또는 타원형의 알루미나(AL203) 나노 입자를 전체 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하로 혼합한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 작동유체는, 입자의 최대 크기가 100nm 이하인 카본나노튜브(CNT)가 전체 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하로 혼합된 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어진 작동유체는 열을 흡수하여 기화된 이후 방출 될 때 응축되는데, 응축 과정에서 응고되고 응고된 작동유체가 판상부재, 방열핀, 열전달 부재의 내벽에 고착화되어 열효율을 저하시키는 문제점을 해결한 것으로, 특히 분말 형태로 혼합되는 메탈 또는 비메탈 혼합물이 작동유체 내에서 분산 또는 부유되면서 작동유체의 고착화를 방지할 수 있는 것이다.
그리고 알루미나 또는 카본나노튜브 중 어느 하나가 작동유체에 혼합되는 경우 알루미나와 카본나노튜브의 열전달 특성을 통해 열전도 효율 및 방열 효율을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 상기 작동유체는 수소불화에테르(HFE : HYDROFLUOROETHER)계열 또는 하이드로플루올레핀(HFO : HYDROFLUOROOLEFIN)계열에서 선택된 유체 또는 이들의 혼합 유체로 형성함으로써 응축되는 과정에서 내벽에 응고되는 현상을 최소화하여 안정적인 방열 효과를 기대할 수 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
부호의 설명
1 : 전기항공기의 배터리용 열관리모듈
10 : 판상부재 11: 제1 면
12: 제2 면 20 : 방열핀
30 : 열전달부재 31 : 제2 플레이트부
32 : 열전달부 40 : 중공
41 : 격벽 50 : 작동유체

Claims (10)

  1. 제1 방향 및 제2 방향으로 연장된 플레이트 형태이며, 상기 제1 및 제2 방향에 수직한 제3 방향에 수직한 제1 면과 상기 제1 면의 반대측에 위치한 제2 면을 포함하는 판상부재;
    상기 판상부재의 상기 제1 면에서 상기 제1 방향으로 설정된 간격을 두고 배치되는 복수의 전지셀;
    상기 제2 방향 및 제3 방향으로 연장된 플레이트 형태이며, 상기 복수의 전지셀 사이에 위치되는 제1 플레이트부와, 상기 제1 플레이트부와 연결되고 상기 제1 방향 및 제2 방향으로 연장된 플레이트 형태를 가지며 상기 판상부재의 상기 제1 면과 접촉하는 제2 플레이트부를 포함하는 복수의 열전달부재; 및
    상기 제2 방향 및 제3 방향으로 연장된 플레이트 형태를 가지고 상기 판상부재의 상기 제2 면에 배치되되 상기 제1 방향으로 설정된 간격을 두고 배치되는 복수 개의 방열핀;
    을 포함하고,
    상기 판상부재, 상기 방열핀 및 상기 열전달부재는 각각 내부에 빈 중공이 형성되며,
    상기 중공에는 상기 전지셀에서 발생한 열을 상변화를 통해 상기 방열핀측으로 전달하도록 충진된 작동유체
    를 포함하는,
    배터리용 열관리모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중공은 복수 개의 격벽에 의해 구획된,
    배터리용 열관리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 격벽에 의해 구획된 공간은 상기 작동유체가 상호 이동 가능하지 못하도록 서로 독립적으로 형성되거나, 또는 상기 작동유체가 상호 이동 가능하도록 연통되는,
    배터리용 열관리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 작동유체는, 증발잠열(蒸發潛熱, Latent Heat Of Vaporization)이 400kJ/kg 이하이며, 비인화성이고, 어는점은 -40℃ 이하인,
    배터리용 열관리모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 작동유체는, 분말 형태의 메탈 또는 비메탈을 작동유체 전체 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하로 혼합한,
    배터리용 열관리모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 작동유체는, 입자의 최대 크기가 100nm 이하인 구형 또는 타원형의 알루미나(AL203) 나노 입자를 전체 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하로 혼합한,
    배터리용 열관리모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 작동유체는, 입자의 최대 크기가 100nm 이하인 카본나노튜브(CNT)가 전체 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하로 혼합된,
    배터리용 열관리모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 판상부재, 상기 방열핀 및 상기 열전달부재는 브레이징 접합된,
    배터리용 열관리모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 판상부재와 상기 방열핀은, 알루미늄 1050계열 또는 알루미늄 1070계열 또는 알루미늄 1100계열 또는 알루미늄 3003계열 또는 알루미늄 6005계열 중 어느 하나로 이루어진,
    배터리용 열관리모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 방열핀은, 엘라스토머(Elastomer) 또는 클래드 판재(Clad sheet) 중 어느 하나로 이루어진,
    배터리용 열관리모듈.
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