KR102273194B1 - 배터리 냉각 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 배터리 냉각 장치는 배터리와 접촉하고, 액상 냉매에서 기상 냉매로의 상 변화를 이용하여 상기 배터리를 냉각시키도록 구성된 냉각부 및 상기 냉각부에서 상 변화된 기상 냉매가 유입되며, 상기 유입된 기상 냉매를 상기 액상 냉매로 응축시켜 상기 냉각부로 공급하도록 구성된 응축부를 포함한다.

Description

배터리 냉각 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩{Apparatus for cooling of battery and battery pack including the same}

본 발명은 배터리 냉각 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기상 냉매와 액상 냉매 간의 상 변화를 이용하여 배터리를 냉각시키는 배터리 냉각 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능한 이차 전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 각광받고 있다.

자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 배터리 셀을 전기적으로 연결한 배터리 모듈 및 이를 단위모듈로 포함하는 중대형 배터리 팩이 사용된다. 이러한 배터리 모듈 및 배터리 팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 밀집도로 적층할 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 배터리 모듈의 단위전지로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 많은 관심을 모으고 있다.

배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀들은 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 고출력 대용량의 배터리 모듈 및 배터리 팩에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 배터리 셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어렵다. 충방전 과정에서 발생한 배터리 모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 배터리 모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 배터리 모듈 및 그것이 장착된 배터리 팩에는 그것에 내장되어 있는 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각 장치 또는 냉각 부재가 반드시 필요하다.

배터리 모듈은 일반적으로 다수의 배터리 셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 배터리 셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다. 예를 들어, 배터리 셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 배터리 셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 카트리지 등에 내장하고 이러한 카트리지들을 다수 개 적층하여 배터리 모듈을 구성할 수 있다. 이때, 종래의 냉각 장치는 적층된 배터리 셀들 또는 배터리 모듈들 사이에는 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 배터리 셀들 또는 배터리 모듈들 사이에 형성된 냉매(예를 들어, 냉각수)의 유로를 포함한다.

이러한, 종래의 냉각 장치는 다수의 배터리 셀들에 대응하여 다수의 냉매 유로를 확보하여야 하므로, 배터리 모듈의 전체 크기가 커지게 되는 문제점을 가지고 있다. 또한, 종래의 냉각 장치는 많은 배터리 셀들을 적층할수록 다수의 부품(예를 들어, 탱크, 밸브, 펌프, 냉각기 등)이 추가되어 배터리 모듈의 체적이 커질 뿐만 아니라, 이로 인해 시스템의 가용 공간이 제약되고 제조 공정이 복잡해지며, 이에 따른 제조비용 역시 크게 상승하는 단점이 발생한다. 또한, 종래의 냉각 장치는 냉각 유로에 흐르는 냉매가 입구로 들어가서 출구로 나가게 되는 구조를 이용해야 하기 때문에 입구측에 가까운 쪽이 더 많이 냉각되고, 출구측에 가까운 쪽이 덜 냉각되는 문제점이 있다. 즉, 입구에서 멀고 출구에 가까울수록 냉각수의 온도가 상승하여 냉각 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 이에 따라 이차 전지의 온도 편차를 유발하고, 이차 전지의 온도 편차는 이차 전지의 성능 편차로 이어져 전체 배터리 시스템의 성능 저하로 연결되는 문제점이 있다.

본 발명은 응축부로부터 공급된 액상 냉매를 일단에서 흡수하여 타단으로 이동시키는 흡수 부재를 냉각부의 내부에 구비하고, 냉각부의 내부 공간에서 발생하는 액상 냉매의 상변화를 이용하여 배터리를 냉각시킬 수 있는 배터리 냉각 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 냉각 장치는 배터리와 접촉하고, 액상 냉매에서 기상 냉매로의 상 변화를 이용하여 상기 배터리를 냉각시키도록 구성된 냉각부 및 상기 냉각부에서 상 변화된 기상 냉매가 유입되며, 상기 유입된 기상 냉매를 상기 액상 냉매로 응축시켜 상기 냉각부로 공급하도록 구성된 응축부를 포함한다.

바람직하게, 상기 냉각부는 내부 공간에 배치되고, 다공성 형태로 형성되며 상기 응축부로부터 공급된 액상 냉매를 일단에서 흡수하여 타단 방향으로 이동시키도록 구성된 흡수 부재를 구비할 수 있다.

바람직하게, 상기 흡수 부재는 상기 액상 냉매가 흡수되는 일단에 외측 방향으로 돌출된 형태의 돌기가 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 응축부는 상기 기상 냉매가 유입되도록 구성된 기상 유입구, 상기 유입된 기상 냉매가 상기 액상 냉매로 응축되고, 상기 기상 냉매와 상기 액상 냉매가 유동하도록 구성된 액화 유로 및 상기 응축된 액상 냉매가 배출되도록 구성되고 상기 기상 유입구보다 하부에 위치하는 액상 배출구를 구비할 수 있다.

바람직하게, 상기 액화 유로는 상기 액상 배출구에서 상기 기상 유입구로 갈수록 높아지도록 기울어진 부분을 구비하도록 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 액화 유로의 적어도 일부는 상기 액상 배출구의 높이 이상의 높이에 배치될 수 있다.

바람직하게, 상기 배터리 냉각 장치는 일단이 상기 응축부에 연결되고 타단이 상기 냉각부에 연결되어, 상기 응축부로부터 배출된 액상 냉매가 상기 냉각부를 향해 유동하도록 구성된 액상 유로부 및 일단이 상기 냉각부 연결되고 타단이 상기 응축부에 연결되어, 상기 냉각부로부터 배출된 기상 냉매가 상기 응축부를 향해 유동하도록 구성된 기상 유로부를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 냉각부는 상기 내부 공간과 연통되어 상기 액상 냉매가 유입되도록 구성된 액상 유입구 및 상기 내부 공간과 연통되어 상기 기상 냉매가 배출되도록 구성된 기상 배출구를 더 구비할 수 있다.

바람직하게, 상기 흡수 부재는 상기 냉각부의 내부 공간 중에서 상기 액상 유입구와 상기 기상 배출구 사이의 공간에 배치될 수 있다.

바람직하게, 상기 액상 유입구는 상기 냉각부의 내부 공간의 하부면에 접하도록 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 기상 배출구는 상기 냉각부의 내부 공간의 상부면에 접하도록 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 배터리 냉각 장치는 상기 응축부와 상기 배터리 사이에 배치되고, 상기 응축부와 상기 배터리 사이에 교환되는 열을 차단 또는 감소시키도록 구성된 열차단 부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 팩은 상기 배터리 냉각 장치를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 응축부로부터 공급된 액상 냉매를 일단에서 흡수하여 타단으로 이동시키는 흡수 부재를 냉각부의 내부에 구비하고, 냉각부의 내부 공간에서 발생하는 액상 냉매의 상변화를 이용하여 배터리를 냉각시킴으로써, 별도의 동력 장치없이도 응축부와 냉각부 사이에서 냉매를 순환시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 장치와 배터리의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 장치와 배터리의 측면도이다.
도 3은 도 1의 A-A'선의 단면도이다.
도 4는 도 1의 B-B'선의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 장치의 냉각부의 단면을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 장치의 냉각부의 단면을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 장치의 응축부 내부를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 장치와 배터리의 사시도이다.
도 9는 배터리를 자연 대류로 냉각하는 경우, 시간에 따른 위치별 온도 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 장치에 아세톤을 냉매로 충진시킨 경우, 시간에 따른 위치별 온도 그래프이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 장치와 배터리의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 장치와 배터리의 측면도이며, 도 3은 도 1의 A-A'선의 단면도이고, 도 4는 도 1의 B-B'선의 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 장치는 냉각부(100) 및 응축부(200)를 포함할 수 있다.

상기 냉각부(100)는 배터리(10)와 접촉하고, 액상 냉매에서 기상 냉매로의 상 변화를 이용하여 배터리(10)를 냉각시키도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 냉각부(100)는 상부면이 배터리(10)의 하부면과 면접촉되도록, 배터리(10)의 하부에 배치될 수 있다.

여기서, 배터리(10)는 복수의 배터리 셀(11)이 적층된 셀 적층체와 복수의 배터리 셀(11)을 내부에 수용하는 하우징(112)을 구비할 수 있다.

배터리 셀(11)의 종류는 특별히 한정되지 않으며 다양한 이차 전지가 본 발명에 채용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(11)은, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성될 수 있다. 특히, 배터리 셀(11)은 리튬 이차 전지일 수 있다.

한편, 상술된 액상 냉매는 상 상태가 액체 상태인 냉매를 의미할 수 있고, 상술된 기상 냉매는 상 상태가 기체 상태인 냉매를 의미할 수 있다. 여기서, 냉매는 냉각 장치에 사용되는 종래의 냉매를 제한없이 사용 가능하나, 본 발명에서는 아세톤을 냉매로 사용할 수 있다.

상기 냉각부(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 하우징(12) 하부면 전체와 면접촉함으로써, 하우징(12)의 하부면을 국부적으로 냉각시키지 않고, 하우징(12)의 하부면 전체를 균일하게 냉각시킬 수 있다.

그리고, 상기 냉각부(100)는 하우징(12)의 하부면을 냉각시킴으로써, 하우징(12)의 내부에 수용된 복수의 배터리 셀(11)을 냉각시킬 수 있다.

이를 위하여, 상기 냉각부(100)는 히트 싱크(110), 액상 유입구(120), 기상 배출구(130) 및 흡수 부재(140)를 구비할 수 있다.

히트 싱크(110)는 내부 공간에 액상 냉매, 기상 냉매 및 흡수 부재(140)를 수용할 수 있다. 여기서, 히트 싱크(110)의 내부 공간은 도 3에 도시된 바와 같이, 액상 냉매가 유입되는 제1 내부 공간(AR1)과 기상 냉매가 배출되는 제2 내부 공간(AR2)을 포함할 수 있다.

이러한, 히트 싱크(110)는 금속 또는 비철금속 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 동(copper), 알루미늄(aluminum), 티타늄(titanium)과 같은 금속일 수 있다. 흑연(graphite)과 같은 비철 금속 재질일 수 있다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 히트 싱크(110)는 응축부(200)로부터 공급된 액상 냉매가 제1 내부 공간(AR1)으로 유입되기 위하여 액상 유입구(120)가 측면에 관통 형성될 수 있다. 또한, 히트 싱크(110)는 기화된 기상 냉매가 제2 내부 공간(AR2)에서 히트 싱크(110)의 외부로 배출되어 응축부(200)로 공급되기 위하여 기상 배출구(130)가 측면에 관통 형성될 수 있다.

즉, 냉각부(100)는 히트 싱크(110)의 측면에 관통 형성된 액상 유입구(120)가 제1 내부 공간(AR1)과 연통되어 액상 냉매가 내부로 유입되고, 기상 배출구(130)가 제2 내부 공간(AR2)과 연통되어 기상 냉매가 외부로 배출될 수 있다.

이때, 액상 유입구(120)는 상부가 응축부(200)와 연결된 액상 유로부(300)의 하부와 연결되어 응축부(200)로부터 공급되는 액상 냉매가 유입될 수 있다.

또한, 기상 배출구(130)는 상부가 응축부(200)와 연결된 기상 유로부(400)의 하부와 연결되어 응축부(200)로 기상 냉매가 배출될 수 있다.

한편, 흡수 부재(140)는 히트 싱크(110)의 내부 공간에 배치되고, 다공성 형태로 형성되어 응축부(200)로부터 공급된 액상 냉매를 일단에서 흡수하여 타단 방향으로 이동시키도록 구성될 수 있다.

보다 구체적으로, 흡수 부재(140)는 히트 싱크(110)의 내부 공간 중에서 제1 내부 공간(AR1)과 제2 내부 공간(AR2)을 제외한 공간을 채우도록 형성될 수 있다. 즉, 히트 싱크(110)의 내부 공간은 흡수 부재(140)를 통해 제1 내부 공간(AR1)과 제2 내부 공간(AR2)으로 구획될 수 있다.

즉, 흡수 부재(140)는 히트 싱크(110)의 내부 공간 중에서 액상 유입구(120)와 기상 배출구(130) 사이의 공간에 배치될 수 있다.

이러한, 흡수 부재(140)는 내부에 수많은 공극이 형성된 다공성 형태로 형성됨으로써, 모세관력을 이용하여 제1 내부 공간(AR1)에 근접하는 일단에서 액상 유입구(120)로 유입된 액상 냉매를 흡수할 수 있다.

흡수 부재(140)는 일단에서 흡수된 액상 냉매를 모세관력을 이용하여 타단 방향으로 이동시킬 수 있다. 여기서, 타단 방향은 제2 내부 공간(AR2)을 향하는 방향을 의미할 수 있다. 즉, 흡수 부재(140)는 제1 내부 공간(AR1)과 근접한 일단에서 액상 냉매를 흡수하여 제2 내부 공간(AR2)과 근접한 타단을 향해 이동시킬 수 있다.

이를 통해, 흡수 부재(140)는 흡수된 액상 냉매와 열원(히트 싱크(110)의 내측 상부면)을 긴 시간동안 접촉시킴으로써, 액상 냉매의 기화량을 증가시킬 수 있다.

한편, 흡수 부재(140)의 상면은 배터리(10)의 하우징(12) 하부면과 접촉된 히트 싱크(110)의 상판 내측에 접촉될 수 있다. 이에 따라, 하우징(12) 내부에 수용된 복수의 배터리 셀(11)로부터 발생된 열은 하우징(12)의 하부면과 히트 싱크(110)의 상판에 차례대로 전도되어 흡수 부재(140)의 상면에 전달될 수 있다.

이때, 흡수 부재(140)의 일단에서 흡수된 액상 냉매는 타단 방향으로 이동하는 동안 흡수 부재(140)의 상면으로 전달된 열을 흡수하여 기상 냉매로 상 변화할 수 있다.

이에 따라, 냉각부(100)는 복수의 배터리 셀(11)로부터 발생되는 열을 흡수하여 배터리(10)를 냉각시킬 수 있다.

한편, 흡수 부재(140)는 액상 냉매가 흡수되는 일단에 외측 방향으로 돌출된 형태의 돌기(141)가 형성될 수 있다.

보다 구체적으로, 흡수 부재(140)는 제1 내부 공간(AR1)과 근접한 일단에 제1 내부 공간(AR1)을 향해 돌출된 형태의 돌기(141)가 복수로 형성될 수 있다. 이러한 돌기(141)는 제1 내부 공간(AR1)을 향해 일단으로부터 돌출되어 형성됨으로써, 제1 내부 공간(AR1)으로 유입된 액상 냉매와의 접촉 면적을 넓힐 수 있다.

이를 통해, 흡수 부재(140)는 일단이 판 형상인 경우 보다 더 많은 액상 냉매를 돌기(141)를 통해 흡수하고 흡수된 액상 냉매를 기상 냉매로 상 변화시킴으로써, 일단이 판 형상인 경우 보다 배터리(10)로부터 더 많은 열을 흡수하여 냉각부(100)의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.

한편, 상술된 흡수 부재(140)의 돌기(141)는 두 면이 미리 설정된 각도 범위에 포함된 각도를 이루도록 접하여 돌출된 형상일 수 있다. 이러한 돌기(141)는 흡수 부재(140)의 일단을 따라 연속해서 형성될 수 있다.

한편, 흡수 부재(140)는 모세관력을 발생시키기 위해 내부에 미세 통로가 균일하게 형성될 수 있다. 흡수 부재(140)의 미세 통로가 균일하게 형성되면, 유동 저항이 커지지 않고 높은 모세관력이 발생될 수 있다. 이러한, 흡수 부재(140)는 예컨대 면(cotton)과 같은 천연 섬유, 폴리아미드계와 같은 화학 섬유 또는 탄소 섬유와 같은 무기 섬유의 펠트(felt) 또는 웹(web) 또는 직물(fabrics) 또는 부직포(non-woven fabric) 재질로 제조될 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 장치의 냉각부의 단면을 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 장치의 냉각부(100)는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 장치의 냉각부(100) 대비 흡수 부재(140)의 일단에 형성된 돌기(141)의 형상만이 상이할 뿐, 히트 싱크(110), 액상 유입구(120) 및 기상 배출구(130)의 형태와 역할은 동일할 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 장치의 냉각부(100)는 도 5에 도시된 바와 같이, 돌출면이 곡면을 이루는 돌기(141')가 일단에 복수로 형성된 흡수 부재(140)를 구비할 수 있다.

즉, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 흡수 부재(140)는 제1 내부 공간(AR1)에 근접한 일단을 따라 돌기(141')가 복수개 돌출되어 형성될 수 있으며, 돌기(141')의 돌출된 곡면은 미리 설정된 곡률 구간에 포함되는 곡률을 이루도록 형성될 수 있다. 이러한 돌기(141')는 제1 내부 공간(AR1)을 향해 일단으로부터 돌출되어 형성됨으로써, 제1 내부 공간(AR1)으로 유입된 액상 냉매와의 접촉 면적을 넓힐 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 흡수 부재(140)의 돌기(141')의 돌출된 면이 곡면으로 형성됨으로써, 제1 내부 공간(AR1)으로 유입된 냉매가 돌기(141')와 돌기(141') 사이의 만입된 부분에 정체되지 않고 곡면을 따라 유동할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 다른 실시예 따른 흡수 부재(140)는 일단의 전체 영역에서 균일하게 액상 냉매를 흡수할 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 장치의 냉각부의 단면을 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 장치의 냉각부(100)는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 장치의 냉각부(100) 대비 액상 유입구(120')와 기상 배출구(130')의 관통 위치만이 상이할 뿐, 히트 싱크(110), 흡수 부재(140)의 형태와 역할은 동일할 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 장치의 냉각부(100)는 도 5에 도시된 바와 같이, 액상 유입구(120')가 내부 공간의 하부면에 접하도록 형성되고, 기상 배출구(130')가 냉각부(100)의 내부 공간의 상부면에 접하도록 형성될 수 있다.

즉, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 액상 유입구(120')는 냉각부(100)의 히트 싱크(110) 측면에 관통 형성되되, 하부 끝단이 히트 싱크(110)의 내부 공간 중에서 제1 내부 공간(AR1)의 하부면에 접하도록 형성될 수 있다.

이에 따라, 액상 유입구(120')를 통해 제1 내부 공간(AR1)에 유입된 액상 냉매는 제1 내부 공간(AR1)의 하부면부터 축적될 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 기상 유입구(220)는 냉각부(100)의 히트 싱크(110) 측면에 관통 형성되되, 상부 끝단이 히트 싱크(110)의 내부 공간 중에서 제2 내부 공간(AR2)의 상부면에 접하도록 형성될 수 있다.

이에 따라, 제2 내부 공간(AR2)에 수용된 기상 냉매는 제2 내부 공간(AR2)의 상부로 밀집됨으로써, 제2 내부 공간(AR2)의 상부면에 접하도록 형성된 기상 배출구(130')로 원할하게 배출될 수 있다.

이하, 응축부(200)에 대해 설명하도록 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 장치의 응축부 내부를 도시한 도면이다.

도 1, 도 2 및 도 7을 참조하면, 상기 응축부(200)는 냉각부(100)에서 상 변화된 기상 냉매가 유입되며, 유입된 기상 냉매를 액상 냉매로 응축시켜 냉각부(100)로 공급하도록 구성될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 응축부(200)는 냉각부(100)로 공급한 액상 냉매가 냉각부(100)에서 상 변화된 후 기상 냉매로 유입되면, 기상 냉매의 열을 방출하여 액상 냉매로 응축시킬 수 있다.

즉, 상기 응축부(200)는 냉각부(100)에서 기상 냉매로 흡수된 배터리의 열을 방출시켜 기상 냉매를 액상 냉매로 액화시킬 수 있다.

이를 위하여, 상기 응축부(200)는 케이스(210), 기상 유입구(220), 액상 배출구(230) 및 액화 유로(240)를 구비할 수 있다.

케이스(210)는 내부에 액화 유로(240)를 수용하여 외부 충격으로부터 액화 유로(240)를 보호하고, 기상 냉매가 액화 유로(240)에서 액상 냉매로 액화되는 과정에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있다.

이를 위하여, 케이스(210)는 금속 또는 비철금속 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 동(copper), 알루미늄(aluminum), 티타늄(titanium)과 같은 금속일 수 있다. 흑연(graphite)과 같은 비철 금속 재질일 수 있다.

기상 유입구(220)는 기상 냉매가 유입되도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 기상 유입구(220)는 액화 유로(240)의 내부와 연통되도록 케이스(210)의 측면과 액화 유로(240)의 측면을 관통하여 형성될 수 있다. 또한, 기상 유입구(220)는 하부가 냉각부(100)와 연결된 기상 유로부(400)의 상부와 연결되어 냉각부(100)로부터 공급되는 기상 냉매가 유입될 수 있다.

액상 배출구(230)는 액화 유로(240)에서 응축된 액상 냉매가 배출되도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 액상 배출구(230)는 액화 유로(240)의 내부와 연통되도록 케이스(210)의 측면과 액화 유로(240)의 측면을 관통하여 형성될 수 있다. 또한, 액상 배출구(230)는 하부가 냉각부(100)와 연결된 액상 유로부(300)의 상부와 연결되어 냉각부(100)로 액상 냉매가 배출될 수 있다.

한편, 기상 냉매와 액상 냉매는 유동이 제한되지 않는 경우, 기체 상태의 기상 냉매는 상부로 상승하고, 액체 상태의 액상 냉매는 하부로 하강하게 된다.

이에 따라, 액상 배출구(230)는 기상 유입구(220)보다 하부에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 기상 유입구(220)는 기울어져 배치된 케이스(210)의 측면 중에서 상부 측면을 관통하여 액화 유로(240)의 내부와 연통되어 형성될 수 있으며, 액상 배출구(230)는 기울어져 배치된 케이스(210)의 측면 중에서 하부 측면을 관통하여 액화 유로(240)의 내부와 연통되어 형성될 수 있다.

이에 따라, 액화 유로(240)의 상부로는 기상 냉매가 유입되고, 유입된 기상 냉매가 열을 방출하여 액상 냉매로 액화될 수 있다. 이어서, 액화된 액상 냉매는 중력에 의해 액화 유로(240)를 유동하여 액화 유로(240)의 하부로 이동함으로써, 액상 배출구(230)로 배출될 수 있다.

또한, 액상 배출구(230)로 배출된 액상 냉매는 액상 배출구(230)와 연결된 액상 유로부(300)를 통해 냉각부(100)로 유입될 수 있다.

한편, 액화 유로(240)는 상술한 바와 같이, 기상 유입구(220)를 통해 상부로 기상 냉매가 유입되고, 내부에서 유입된 기상 냉매가 열을 배출하여 액상 냉매로 응축될 수 있다.

이에 따라, 액화 유로(240)의 내부에서는 기상 유입구(220)를 통해 유입된 기상 냉매와 응축된 액상 냉매 함께 유동할 수 있다.

또한, 액화 유로(240)는 액상 배출구(230)를 통해 하부로 액상 냉매가 배출될 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 액화 유로(240)는 액상 배출구(230)에서 기상 유입구(220)로 갈수록 높아지도록 기울어진 부분을 구비하도록 구성될 수 있다.

이를 통해, 액화 유로(240)의 내부에서 유동하는 액상 냉매가 액상 배출구(230)로 원할하게 배출됨으로써, 배터리 냉각에 이용되는 액상 냉매가 냉각부(100)로 원할하게 공급될 수 있다.

액화 유로(240)는 적어도 일부가 액상 배출구(230)의 높이 이상의 높이에 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 배터리 냉각 장치의 최하단을 기준으로 액상 배출구(230)가 위치하는 높이 이상의 높이에 액화 유로(240)의 적어도 일부가 배치됨으로써, 액화 유로(240)의 내부에 유동하는 액상 냉매가 기상 유입구(220)로 역류하는 것을 방지할 수 있다.

한편, 액화 유로(240)는 도 7에 도시된 바와 같이, 단면이 직사각형 형태로 형성된 사각 유로가 복수개 연결된 구조일 수 있다. 보다 구체적으로, 액화 유로(240)는 복수의 사각 유로가 기상 유입구(220)부터 액상 배출구(230)까지 일정한 간격으로 나열될 수 있으며, 복수의 사각 유로가 나열된 방향에 수직한 방향으로 또 다른 사각 유로가 배치되어 복수의 사각 유로의 양단과 연결될 수 있다.

이외, 다른 실시예에 따른 액화 유로(240)는 단면의 하부가 곡면으로 형성된 곡면 유로가 복수개 연결된 구조일 수 있다. 이에 따라, 다른 실시예에 따른 액화 유로(240)는 단면의 하부가 곡면으로 형성됨으로써, 액화 유로(240)의 내부에서 응축된 액화 유로(240)가 액화 유로(240) 내부에 고여있지 않고 지속하여 유동할 수 있다.

액상 유로부(300)는 일단이 응축부(200)에 연결되고 타단이 냉각부(100)에 연결되어, 응축부(200)로부터 배출된 액상 냉매가 냉각부(100)를 향해 유동하도록 구성될 수 있다. 또한, 기상 유로부(400)는 일단이 냉각부(100) 연결되고 타단이 응축부(200)에 연결되어, 냉각부(100)로부터 배출된 기상 냉매가 응축부(200)를 향해 유동하도록 구성될 수 있다.

이때, 기상 유로부(400)는 액상 유로부(300) 보다 더 길게 형성되어 응축부(200)의 액상 배출구(230) 보다 높게 위치하는 응축부(200)의 기상 유입구(220)와 연결될 수 있다.

이러한 본 발명에 따르면, 냉매의 이동을 위한 별도의 동력 장치 없이도 응축부(200)에서 응축된 액상 냉매가 액상 유로부(300)를 통해 하부에 위치하는 냉각부(100)로 공급되고, 냉각부(100)에서 기화된 기상 냉매가 기상 유로부(400)를 통해 상부에 위치하는 응축부(200)로 공급될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 배터리 냉각 장치는 외부 동력 없이도 냉각부(100)와 응축부(200) 사이에서 냉매를 순환시켜 배터리(10)를 냉각시킴으로써, 배터리(10)의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 장치와 배터리의 사시도이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 장치는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 장치 대비 열차단 부재(500)를 더 포함할 뿐, 냉각부(100), 응축부(200), 액상 유로부(300) 및 기상 유로부(400)의 형태와 역할은 동일할 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 장치의 열차단 부재(500)는 응축부(200)와 배터리(10) 사이에 배치되고, 응축부(200)와 배터리(10) 사이에 교환되는 열을 차단 또는 감소시키도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 배터리(10)는 배터리 셀(11)로부터 발생하는 열로 인해 주변으로 열을 발산시키고, 응축부(200)는 내부에서 발생하는 기상 냉매의 응축으로 인해 주변으로 열을 발산시킬 수 있다.

즉, 배터리(10)와 응축부(200) 모두 내부에서 열이 발생하여 외부로 열을 발산시키게 된다.

이에 따라, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 열차단 부재(500)는 외부로 열을 발산시키는 배터리(10)와 응축부(200) 사이에 배치되어 배터리(10)에서 발산되는 열과 응축부(200)에서 발산되는 열을 차단 또는 감소시킬 수 있다.

이를 통해, 열차단 부재(500)는 응축부(200)에서 배터리(10)로 발산되는 열을 차단하여 본 발명에 따른 배터리 냉각 장치의 냉각 효율을 향상시킬 수 있으며, 배터리(10)에서 응축부(200)로 발산되는 열을 차단하여 기상 냉매를 액상 냉매로 응축시키는 응축부(200)의 응축 성능을 향상시킬 수 있다.

이러한, 열차단 부재(500)는 열전도도가 낮은 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 열차단 부재(500)는 Glass, SiO2, Polyisoprene, Urenthane, PE(polyester), PET(Polyethylene), PBMA(Polybutylmethacrylate) 및 PMMA(Polymethylmethacrylate) 중 하나 이상으로 형성될 수 있다.

또한, 열차단 부재(500)는 내부 공간을 형성하여 공기층을 포함함으로써, 축부와 배터리(10) 사이에 교환되는 열을 차단 또는 감소시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 장치를 이용하여 배터리(10)를 냉각시키는 실험예와 자연 대류를 이용하여 배터리를 냉각시키는 비교예를 비교하도록 한다.

도 9는 배터리를 자연 대류로 냉각하는 경우, 시간에 따른 위치별 온도 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 장치에 아세톤을 냉매로 충진시킨 경우, 시간에 따른 위치별 온도 그래프이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 실험예와 비교예는 외기 온도가 25℃, 습도 35%RH의 실험 조건에서 실시되었다. 또한 실험예와 비교예는 배터리의 상부 중앙(T1), 하부 중앙(T2), 전면 중앙(T3) 및 측면 중앙(T4)에서 시간에 따라 온도를 측정하였다.

측정 결과, 하기의 표 1과 도 9와 같이, 자연 대류를 이용하여 배터리를 냉각시킨 비교예의 경우, 배터리를 작동시킨 후 5000sec까지 상부 중앙(T1), 하부 중앙(T2), 전면 중앙(T3) 및 측면 중앙(T4) 모두 온도가 급격히 증가하다가 20000sec가 경과하면, 일정 온도로 수렴한다.

보다 구체적으로, 비교예의 경우, 20000sec가 경과 후 상부 중앙(T1), 하부 중앙(T2), 전면 중앙(T3) 및 측면 중앙(T4)의 온도가 각각 70.32℃, 65.04℃, 70.54℃ 및 61.84℃로 수렴할 수 있다.

온도 측정 위치	수렴 온도
상부 중앙(T1)	70.32℃
하부 중앙(T2)	65.04℃
전면 중앙(T3)	70.54℃
측면 중앙(T4)	61.84℃

이에 반해, 하기의 표 2와 도 10과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 장치를 이용하여 배터리를 냉각시킨 실험예의 경우, 배터리를 작동시킨 후 5000sec까지 상부 중앙(T1), 하부 중앙(T2), 전면 중앙(T3) 및 측면 중앙(T4) 모두 온도가 급격히 증가하다가 10000sec가 경과하면, 일정 온도로 수렴한다.

보다 구체적으로, 실험예의 경우, 10000sec가 경과 후 상부 중앙(T1), 하부 중앙(T2), 전면 중앙(T3) 및 측면 중앙(T4)의 온도가 각각 55.05℃, 48.99℃, 55.19℃ 및 48.08℃로 수렴할 수 있다.

온도 측정 위치	수렴 온도
상부 중앙(T1)	55.05℃
하부 중앙(T2)	48.99℃
전면 중앙(T3)	55.19℃
측면 중앙(T4)	48.08℃

실험예와 비교예를 비교하면, 온도가 수렴되는 시간이 실험예의 경우가 비교예보다 10000sec로 10000sec 더 빠르며, 각 온도 측정 위치 별로 실험예의 경우가 비교예보다 최소 13.76℃, 최대 16.05℃만큼 온도가 더 낮게 측정되었다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 장치를 이용하여 배터리를 냉각시키는 경우, 자연 대류를 이용하여 배터리를 냉각시키는 경우보다 배터리를 더 빨리 냉각시키며 더 낮은 온도로 냉각시킬 수 있다.

전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

100: 냉각부 200: 응축부
300: 액상 유로부 400: 기상 유로부
500: 열차단 부재

Claims (10)

1. 배터리와 접촉하고, 액상 냉매에서 기상 냉매로의 상 변화를 이용하여 상기 배터리를 냉각시키도록 구성된 냉각부;
   상기 냉각부에서 상 변화된 기상 냉매가 유입되며, 상기 유입된 기상 냉매를 상기 액상 냉매로 응축시켜 상기 냉각부로 공급하도록 구성된 응축부;
   일단이 상기 응축부에 연결되고 타단이 상기 냉각부에 연결되어, 상기 응축부로부터 배출된 액상 냉매가 상기 냉각부를 향해 유동하도록 구성된 액상 유로부; 및
   일단이 상기 냉각부에 연결되고 타단이 상기 응축부에 연결되어, 상기 냉각부로부터 배출된 기상 냉매가 상기 응축부를 향해 유동하도록 구성된 기상 유로부;를 포함하며,
   상기 냉각부는
   상기 냉각부의 내부 공간과 연통되어 상기 액상 냉매가 유입되도록 구성된 액상 유입구;
   상기 내부 공간과 연통되어 상기 기상 냉매가 배출되도록 구성된 기상 배출구; 및
   상기 내부 공간 중에서 상기 액상 유입구와 상기 기상 배출구 사이의 공간에 배치되고, 다공성 형태로 형성되며 상기 응축부로부터 공급된 액상 냉매를 일단에서 흡수하여 타단 방향으로 이동시키도록 구성된 흡수 부재;를 포함하고,
   상기 흡수 부재는 상기 내부 공간을 상기 액상 냉매가 유입되는 제1 내부 공간과 상기 기상 냉매가 배출되는 제2 내부 공간으로 구획하고, 상기 흡수 부재는 상기 제1 내부 공간과 근접한 일단에서 상기 액상 냉매를 흡수하여 상기 제2 내부 공간과 근접한 타단을 향해 이동시키며,
   상기 흡수 부재는, 상기 제1 내부 공간으로 유입된 상기 액상 냉매와의 접촉 면적을 넓힐 수 있도록, 상기 제1 내부 공간과 근접한 일단에 제1 내부 공간을 향해 돌출된 형태의 돌기가 복수로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 응축부는
   상기 기상 냉매가 유입되도록 구성된 기상 유입구;
   상기 유입된 기상 냉매가 상기 액상 냉매로 응축되고, 상기 기상 냉매와 상기 액상 냉매가 유동하도록 구성된 액화 유로; 및
   상기 응축된 액상 냉매가 배출되도록 구성되고 상기 기상 유입구보다 하부에 위치하는 액상 배출구를 구비하는
   배터리 냉각 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 액화 유로는
   상기 액상 배출구에서 상기 기상 유입구로 갈수록 높아지도록 기울어진 부분을 구비하도록 구성된 배터리 냉각 장치.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 액화 유로의 적어도 일부는
   상기 액상 배출구의 높이 이상의 높이에 배치되는 배터리 냉각 장치.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 액상 유입구는
   상기 냉각부의 내부 공간의 하부면에 접하도록 형성되고,
   상기 기상 배출구는
   상기 냉각부의 내부 공간의 상부면에 접하도록 형성된 배터리 냉각 장치.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 응축부와 상기 배터리 사이에 배치되고, 상기 응축부와 상기 배터리 사이에 교환되는 열을 차단 또는 감소시키도록 구성된 열차단 부재를
   더 포함하는 배터리 냉각 장치.
   
10. 제1항 또는 제3항 내지 제5항 또는 제8항 또는 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 냉각 장치를
    포함하는 배터리 팩.

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