KR20140077272A - 적층형 유로 형성 구조를 갖는 배터리 히트 싱크 - Google Patents

적층형 유로 형성 구조를 갖는 배터리 히트 싱크 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 자동차에 구비되는 배터리의 과열 방지를 위한 히트 싱크에 관한 것으로서, 히트 싱크의 열교환 효율을 크게 향상시킬 수 있고, 히트 싱크의 제작이 용이할 뿐 아니라, 제작비용 또한 크게 절감시킬 수 있는 적층형 유로 형성 구조를 갖는 배터리 히트 싱크에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 상기 복수의 배터리 셀과 직접 접촉되도록 배치된 어퍼플레이트(upper plate); 상기 어퍼플레이트로부터 이격된 하부측에 배치되는 로어플레이트(lower plate); 상기 어퍼플레이트와 상기 로어플레이트 사이에 배치되며, 내부에 냉각수가 흐르는 냉각수 순환유로가 형성된 미들플레이트(middle plate); 상기 미들플레이트에 형성된 냉각수 순환유로의 입구측과 연결되며 냉각수가 유입되는 유입파이프; 상기 미들플레이트에 형성된 냉각수 순환유로의 출구측과 연결되며 냉각수가 배출되는 배출파이프; 상기 어퍼플레이트와 로어플레이트 및 미들플레이트를 상호 체결하는 체결부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

적층형 유로 형성 구조를 갖는 배터리 히트 싱크{Battery heat sink having structure stacked fluid path}
본 발명은 전기 자동차에 구비되는 배터리의 과열 방지를 위한 히트 싱크에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 히트 싱크의 열교환 효율을 크게 향상시킬 수 있고, 히트 싱크의 제작이 용이할 뿐 아니라, 제작비용 또한 크게 절감시킬 수 있는 적층형 유로 형성 구조를 갖는 배터리 히트 싱크에 관한 것이다.
최근 들어 대기오염에 대한 관심이 급증하면서, 이산화탄소에 대한 배출 규제 및 강화에 의해 이산화탄소를 배출하지 않고 청정 연료를 사용하는 차량 개발을 위해 세계 각국의 자동차 회사들이 노력하고 있다.
이러한 노력의 일환으로 개발된 전기자동차는 가솔린 또는 디젤 대신 배터리에서 발생된 전기를 전원으로 이용하고, 상기 전원으로 모터를 구동시켜 주행할 수 있도록 되어 있다.
이러한 전기자동차에 구비되는 배터리는 한정된 용량이나 사이즈 등의 문제로 인해 몇 개의 셀(cell) 단위의 배터리를 전기적으로 연결하여 하나의 모듈(module) 형태로 제작하여 사용되고 있다.
그런데, 이러한 각각의 배터리 셀은 충방전이 거듭될 때마다 열이 발생하게 된다. 그리고 이렇게 발생된 열은 배터리 모듈 내부에서 적절히 냉각되지 못하게 되면 각 배터리 셀의 열화를 초래하게 된다. 아울러 각 배터리 셀에서 발생된 열은 배터리 모듈의 전체적인 성능 저하를 가져온다.
이러한 문제를 극복하고자, 한국 특허공개 제2011-0117598호에는 배터리 셀을 균일하게 냉각하여 안정성을 높일 수 있는 '배터리 팩 용 냉각 시스템'에 대한 내용이 제시되어 있다.
첨부된 도 1은 종래의 전기자동차에 사용되는 배터리 냉각시스템을 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 배터리 냉각시스템(100)은 배터리 팩(110)에 냉매를 공급하기 위한 갈래공급관(120a), 제1냉매공급관(120b), 제2냉매공급관(120c), 제1냉매배출관(120d), 제2냉매배출관(120e), 갈래배출관(120f), 방열저장부(130), 펌프(140) 및 제어부(150)를 포함하여 구성된다. 여기서, 방열저장부(130)는 갈래배출관(120f)을 통하여 유입된 냉매를 냉각하는 동시에 냉각된 냉매를 저장한다. 이러한 방열저장부(130)는 방열판 등으로 형성된다. 그리고, 펌프(140)는 방열저장부(130)에서 냉각 및 저장된 냉매를 갈래공급관(120a)으로 유입시킨다. 또한 제어부(150)는 복수의 배터리 셀(110)의 온도를 측정하여, 방열저장부(130) 및 펌프(140)를 제어한다. 예를 들어, 상기 제어부(150)는 배터리 셀(110)의 온도가 설정된 기준 온도보다 높으면 방열저장부(130) 및 펌프(140)를 작동하게 하고, 배터리 셀(110)의 온도가 설정된 기준 온도보다 낮으면 방열저장부(130) 및 펌프(140)의 동작을 멈추게 한다.
한편, 위와 같이 구성되는 배터리 냉각시스템(100)에 있어서, 배터리 팩(110)에는 배터리 셀로부터 발생하는 열을 냉각시키기 위한 별도의 히트 싱크가 구비될 수 있다. 이러한 배터리 냉각을 위한 히트 싱크와 관련한 종래기술로서는 공개특허 제2012-0065026호가 있다.
즉, 배터리의 냉각을 위한 종래의 히트 싱크(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 소정의 가로 길이와 세로 길이를 갖는 직사각형 형상으로 구비되며, 내부공간으로 냉각수가 흐를 수 있도록 일측에 냉각수가 유입되는 유입관(102)이 형성되고, 타측에는 냉각수가 유출되는 유출관(104)이 형성되어 있다. 그리고, 히트 싱크(100)의 외면에는 배터리 셀이 장착되는 다수의 장착부(110)가 마련되어 있다. 이러한 장착부(110)는 히트 싱크(100)의 외면에 길이방향을 따라 일정한 간격을 두고서 다수 개 배열 형성되어, 각각의 배터리 셀이 결합되는 한편 히트 싱크(100)의 방열 면적을 증대시키도록 되어 있다. 이러한 구성으로 인해 배터리 셀로부터 고온의 열 에너지가 발생되어도 상기 장착부(110) 구조에 의해 히트 싱크(100)의 특정 위치에서 과도하게 열이 발생되는 것을 방지할 수 있고, 전 영역에서 균일한 방열 효과를 도모할 수 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 배터리 히트 싱크 구조는 판 형태로 구성된 히트 싱크(100) 내부에 하나의 냉각수 유로가 형성되어, 이 냉각수 유로를 통해 흐르는 냉각수를 통해 배터리와의 열교환 작용이 이루어지도록 되어 있었기 때문에, 배터리의 용량이 커지는 경우 배터리와의 열교환 효율이 떨어지는 문제가 있었다. 또한, 히트 싱크가 하나의 판 형태의 구조물로 이루어져 있었기 때문에 구조적 강도가 낮아 외력에 의한 변형이나 파손 등이 쉽게 유발될 수 있고, 아울러, 배터리의 용량 변경시에도 그에 맞는 냉각수 유량을 증가시키는 것에 한계가 있기 때문에 배터리 냉각성능을 저하시키게 되는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 냉각수 순환을 위한 소정 형태의 내부 유로가 형성된 알루미늄판 부재를 복수의 층으로 적층하여 접합시킨 히트 싱크 조립체 구조를 제공함으로써, 냉각수가 순환되는 내부 유로 개수를 증가시켜 열교환 효율을 향상시킬 수 있고, 배터리 용량에 맞는 히트 싱크의 설계가 가능하며, 다수의 알루미늄판을 겹겹이 쌓아올린 적층형 구조로 되어 있어서 기존의 압출 성형 방식 히트 싱크에 비해 높은 기계적 강도를 가질 수 있으며, 또한, 히트 싱크의 부품 구성을 단순화시켜 저렴한 제작비용으로 용이하게 제작할 수 있는 적층형 유로 형성 구조를 갖는 배터리 히트 싱크 구조를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 복수의 배터리 셀로부터 발생되는 열을 냉각시키기 위한 히트 싱크 구조에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀과 직접 접촉되도록 배치된 어퍼플레이트(upper plate); 상기 어퍼플레이트로부터 이격된 하부측에 배치되는 로어플레이트(lower plate); 상기 어퍼플레이트와 상기 로어플레이트 사이에 배치되며, 내부에 냉각수가 흐르는 냉각수 순환유로가 형성된 미들플레이트(middle plate); 상기 미들플레이트에 형성된 냉각수 순환유로의 입구측과 연결되며 냉각수가 유입되는 유입파이프; 상기 미들플레이트에 형성된 냉각수 순환유로의 출구측과 연결되며 냉각수가 배출되는 배출파이프; 상기 어퍼플레이트와 로어플레이트 및 미들플레이트를 상호 체결하는 체결부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 미들플레이트는 복수 개가 적층된 구조로 이루어지며, 상하로 인접하는 미들플레이트에 형성된 각각의 냉각수 순환유로는 상하방향으로 대칭되는 형태를 이루며 서로 겹쳐지도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 냉각수 순환유로는 구불구불한 모양으로 반복적으로 굽은 형상을 가지되, 상기 미들플레이트에서 냉각수 유입측 경로에 형성된 냉각수 순환유로는 냉각수 배출측 경로에 형성된 냉각수 순환유로와 동일 위상과 반복적인 형성 주기를 가지며 형성될 수 있다.
이때, 상기 냉각수 순환유로는 "S"자 형태로 반복적으로 굽은 모양을 가지고 상기 유입파이프와 연결된 미들플레이트의 일측 끝단으로부터 반대측 끝단까지 진행된 후 유턴하여 상기 배출파이프와 연결된 미들플레이트의 일측 끝단으로 다시 되돌아오는 형태의 유턴(U-turn) 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 미들플레이트에는 상하로 관통된 복수의 결합홀이 형성되고, 상기 어퍼플레이트와 로어플레이트에는 상기 미들플레이트의 결합홀에 삽입될 수 있도록 돌출된 버링홀(buring hall)이 형성된다.
한편, 상기 어퍼플레이트와 로어플레이트는 일정 두께를 갖는 알루미늄 기재층(基材層)의 한쪽 면에 다른 종류의 알루미늄 박판(피복층)을 겹쳐 기계적으로 접합시킨 구조를 갖는다.
또한, 상기 미들플레이트는 일정 두께를 갖는 알루미늄 기재층(基材層)의 양쪽 면에 다른 종류의 알루미늄 박판(피복층)을 겹쳐 기계적으로 접합시킨 구조를 갖는다.
그리고, 상기 유입 및 배출파이프는 링(ring) 형상을 갖는 클래드 시트(clad sheet)를 통해 적층된 각 플레이트들의 일측면에 접합 고정될 수 있다.
이때, 상기 클래드 시트는 알루미늄 기재층(基材層) 양쪽 면에 다른 종류의 알루미늄 박판(피복층)을 겹쳐 기계적으로 접합시킨 구조를 갖는다.
또한, 상기 체결부재는 상기 결합홀과 상기 버링홀을 통해 체결될 수 있다. 이때, 상기 체결부재로는 리벳(rivet)이 적용될 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명은 냉각수 이동을 위한 소정 형태의 내부유로가 형성된 알루미늄판 부재를 복수의 층으로 적층하여 접합한 후 리벳을 통해 체결하는 간단한 공정을 통해 히트 싱크 조립체를 간편하고 신속하게 제작할 수 있고, 히트 싱크를 구성하는 부품 구성이 단순화되어 제작비용을 크게 절감시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 알루미늄판 부재의 두께나 적층 수량을 조절하여 냉각수의 수량을 자유롭게 증가 또는 감소시킬 수 있기 때문에, 배터리 용량에 적합한 방열성능을 갖는 히트 싱크를 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 전기자동차에 사용되는 배터리 냉각시스템을 도시한 개념도.
도 2는 종래의 배터리 냉각시스템에 구비되는 배터리 히트 싱크 구조를 보여주는 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 전기 자동차 내부에 구비되는 배터리 팩의 냉각을 위한 배터리 냉각시스템의 구성을 도시한 개념도.
도 4는 도 3에 도시된 배터리 팩 냉각을 위한 배터리 히트 싱크 구조를 도시한 사시도.
도 5는 도 4의 분리 사시도.
도 6은 버링홀(buring hall)이 형성된 로어플레이트 부분의 가상 단면도
도 7은 도 5에 도시된 제1미들플레이트 및 제2미들플레이트의 평면 구조를 보여주는 상세도.
도 8은 제1미들플레이트와 제2미들플레이트가 적층된 평면 구조를 보여주는 상세도.
도 9는 도 4의 A-A 섹션 단면도로서, 리벳이 체결된 부위를 확대 도시한 상세도.
도 10은 도 4의 B-B섹션 단면도로서, 클래드 시트이 삽입되기 전과 후의 모습을 비교 도시한 상세도.
도 11은 본 발명에 따른 히트 싱크의 유동 해석결과를 보여주는 전산유체역학 시뮬레이션
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시 예로서 전기 자동차에 구비되는 배터리팩 냉각을 위한 냉각시스템을 도시한 개념도이다.
본 발명에 따른 배터리 냉각시스템(10)은, 전기 자동차 내부의 에어컨 시스템(20)으로부터 제공되는 냉매를 통해 열교환 작용을 수행하는 열교환기(11)와, 상기 열교환기(11)로부터 냉각수를 제공받아 배터리 팩(12)을 냉각시키는 히트 싱크(30)와, 냉각시스템 내에서 냉각수를 순환시키는 펌프(14)와, 냉각수의 저장 기능을 담당하는 저장탱크(15)를 포함하여 구성된다.
상기 열교환기(11)는 전기 자동차 내부의 에어컨 시스템(Air Conditioner System)(20)에서 제공되는 냉매와 열교환을 통해 히트 싱크(Heat Sink)(30)를 통과하면서 온도가 올라간 냉각수의 온도를 낮추는 기능을 한다. 그리고, 상기 펌프(14)는 배터리 냉각시스템( Battery Thermal Control System)에서 펌프의 구동력을 이용하여 냉각수를 순환시킨다. 또한, 상기 저장탱크(15)는 냉각수를 저장하는 예비 탱크로서의 역할을 하며, 히트 싱크(30)에 냉각수가 부족할 경우 압력차에 의해 저장탱크(15)에 저장된 냉각수가 히트 싱크(30)로 공급되어 보충될 수 있도록 구성된다.
한편, 도 4는 도 3에 도시된 배터리 팩 냉각을 위한 배터리 히트 싱크 구조를 도시한 사시도이고, 도 5는 도 4의 분리 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 히트 싱크(heat sink)는 다수의 배터리 셀로 구성된 배터리 팩(12)의 하부면에 접촉되도록 설치되어, 내부의 유로를 따라 순환되는 냉각수를 통해 배터리 팩(12)과 열교환을 수행하며 배터리 팩(12)이 과열되는 것을 방지하도록 한다. 이러한 본 발명에 따른 배터리 히트 싱크(30)는 다수의 판 부재가 상하방향으로 여러 층으로 적층된 적층형 구조를 갖는다.
구체적으로, 본 발명에 따른 배터리 히트 싱크(30)는, 상하부 외곽에 각각 배치되는 어퍼플레이트(upper plate)(31) 및 로어플레이트(lower plate)(32)와, 내부에 냉각수가 순환되는 냉각수 순환유로(33a)(34a)가 형성되며 상기 어퍼플레이트(31)와 로어플레이트(32) 사이에 적층되는 2개의 미들플레이트(middle plate)(33)(34)와, 상기 미들플레이트(33)(34)에 형성된 각각의 냉각수 순환유로(33a)(34a)의 입구(33b)(34b)측과 출구(33c)(34c)측에 연결되는 유입파이프(35) 및 배출파이프(36)와, 상기 어퍼플레이트(31)와 로어플레이트(32) 및 미들플레이트(33)(34)를 상호 체결하는 복수의 리벳(rivet)(37)을 포함하여 구성된다.
상기 어퍼플레이트(31)는 배터리 팩(12)의 하단면과 직접 접촉되는 부분으로서, 히트 싱크(30)의 상단에 배치된다. 그리고, 상기 로어플레이트(32)는 상기 어퍼플레이트(31)로부터 일정거리 이격된 하단부에 위치하여 상기 어퍼플레이트(31)와 서로 마주보도록 배치된다. 이와 같은 어퍼플레이트(31)와 로어플레이트(32)는 하나의 금형을 통해 동일한 형상으로 제작된다.
상기 어퍼플레이트(31) 및 로어플레이트(32)는 냉각수의 접촉에 따른 부식을 방지하기 위하여 내식성이 우수한 알루미늄(Al) 재질로 구성된다. 구체적으로, 상기 어퍼플레이트(31) 및 로어플레이트(32)는 상기 서로 다른 종류의 알루미늄(Al) 재질로 구성된 2개의 금속판을 서로 겹쳐 부착시킨 구조로 이루어져 있다. 즉, 일정 두께를 갖는 알루미늄 기재층(基材層)의 한쪽 면에 다른 종류의 알루미늄 박판(피복층)을 겹쳐 압연 공정을 통해 기계적으로 접합시킨 구조를 갖는다.(이와 같이 어느 한 재료에 다른 재료로 덮어씌운 얇은 층을 '클래드(clad)' 라고도 한다)
이때, 상기 어퍼플레이트(31) 및 로어플레이트(32)의 한쪽 면에 부착된 알루미늄 박판층(이하, '피복층' 이라고 한다)은 아연(Zn)을 함유하여 전위를 높인 알루미늄 피복층으로서 희생 양극 층을 형성하게 된다. 이렇게 형성되는 피복층에 전위차가 가해질 경우 상기 전위차에 의해 우선적으로 알루미늄 피복층이 부식되어 산화막을 형성하기 때문에 내식성을 향상시킬 수 있고, 기재층 부분에서 국부적으로 생길 수 있는 공식(pitting corrosion) 현상을 억제할 수 있다. 이때, 상기 피복층으로 채용 가능한 알루미늄 금속으로는 A7000계열 또는 A5000계열 알루미늄 금속이 사용될 수 있다. 이와 같이 냉각수와 직접 접촉이 이루어지는 어퍼플레이트(31)의 하부면 및 로어플레이트(32)의 상부면에 내식성을 갖는 알루미늄 피복층을 형성함으로써 냉각수의 접촉에 따른 어퍼플레이트(31) 및 로어플레이트(32)의 부식을 방지할 수 있다.
한편, 도 6은 도 5에 도시된 로어플레이트 구조에 있어, 리벳이 체결되는 버링홀(buring hall) 부분에 제2미들플레이트의 결합홀이 끼워진 상태에서 안착된 모습을 가상적으로 보여주는 단면도이다.
여기서, 본 발명의 히트 싱크(30) 구조는 어퍼플레이트(31)와 로어플레이트(32)가 동일한 형상 구조로 이루어지기 때문에, 아래의 도 6에서 설명되는 로어플레이트(32)의 형상 구조는 어퍼플레이트(31)에도 동일하게 적용된다는 것을 미리 밝혀둔다.
도 6에 도시한 바와 같이, 상기 로어플레이트(32)에는 후술되는 제2미들플레이트(34)에 형성된 결합홀(34d)에 부분적으로 삽입될 수 있도록 상방으로 돌출된 구조를 갖는 버링홀(buring hall)(32a)이 형성된다. 이러한 버링홀(32a)은 제2미들플레이트(34)가 로어플레이트(32) 위에 적층될 경우 버링홀(32a)의 돌출된 상단이 그 상부측에 위치한 제2미들플레이트(34)의 결합홀(34d) 내부에 삽입된 상태로 유지됨으로써, 로어플레이트(32) 위에 안착된 제2미들플레이트(34)의 수평방향 유동을 제한하게 된다. 따라서, 적층된 상태의 플레이트들을 리벳(37)을 통해 조립할 경우, 어퍼플레이트(31)와 로어플레이트(32) 사이에서 제1 및 제2미들플레이트(33)(34)가 정확한 조립위치에 위치하도록 정렬시킬 수 있다.
한편, 도 7은 도 5에 도시된 제1미들플레이트 및 제2미들플레이트의 평면 구조를 각각 보여주는 것이고, 도 8은 제1미들플레이트와 제2미들플레이트가 적층된 상태의 냉각수 순환유로의 배치구조를 보여주는 평면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 어퍼플레이트(31)와 로어플레이트(32) 사이에 설치되는 미들플레이트(33)(34)는, 상부에 배치되는 제1미들플레이트(33)와, 하부에 배치되는 제2미들플레이트(34)로 구성된다. 그리고, 상기 제1미들플레이트(33)와 제2미들플레이트(34)의 각 내측 부분에는 외부로부터 유입된 냉각수가 순환되며 배터리 팩(12)과 열교환 작용을 수행할 수 있도록 냉각수 순환유로(33a)(34a)가 형성된다.
이때, 상기 냉각수 순환유로(33a)(34a)는 구불구불한 모양으로 반복적으로 굽은 형상을 가지도록 형성되는데, 상기 각각의 미들플레이트(33)(34)에 있어서, 냉각수 유입측 경로(유입파이프를 통해 유입된 냉각수가 이동되는 경로)에 형성된 냉각수 순환유로는 냉각수 배출측 경로(배출파이프를 통해 냉각수가 되돌아나가는 경로)에 형성된 냉각수 순환유로와 동일 위상과 반복적인 형성 주기를 가지도록 형성된다.
여기서, 상기 제1 및 제2미들플레이트(33)(34)에 형성되는 각각의 냉각수 순환유로(33a)(34a)는 'S'자 형태를 이루며 반복적으로 굽은 모양으로 형성된다. 그리고, 상기 냉각수 순환유로(33a)(34a)는 유입파이프(35)와 연결되는 제1 및 제2미들플레이트(33)(34)의 일측 끝단으로부터 시작하여 그 반대편 끝단까지 진행한 후 다시 유턴(U-turn)하여 배출파이프(36)와 연결되는 제1 및 제2미들플레이트(33)(34)의 일측 끝단으로 다시 돌아오게 되는 유턴(U-turn) 형상 구조를 갖도록 형성된다.
이때, 상기 제1 및 제2미들플레이트(33)(34)에 형성된 각각의 냉각수 순환유로(33a)(34a)는, 도 8에서 보는 것과 같이, 상기 제1 및 제2미들플레이트(33)(34)가 적층된 상태에서 상하방향으로 대칭되는 형태를 이루며 서로 겹쳐지도록 형성된다. 이러한 구조는 제2미들플레이트(34) 위에 제1미들플레이트(33)를 뒤집은 상태로 적층시킴으로써 구현이 가능하다. 이렇게 구성하게 되면, 도 8에서 보는 것과 같이 제1 및 제2미들플레이트(33)(34)에 형성된 각각의 냉각수 순환유로(33a)(34a) 중에서 상하방향으로 유로가 겹쳐지는 부분(겹쳐진 실선 영역)이 다수 개 존재하게 되며, 이렇게 유로가 겹쳐지는 부분에서는 상하방향으로 냉각수의 믹싱(mixing)이 이루어지게 된다.
이와 같이, 'S'자 형태의 냉각수 순환유로(33a)(34a)를 서로 대칭된 형태로 엇갈리게 쌓여 겹쳐지도록 형성함으로써, 히트 싱크(30) 내부에 도 8과 같은 복잡한 형태의 냉각수 순환유로 모양을 구현할 수 있다. 이로 인해 냉각수 순환유로(33a)(34a)가 히트 싱크(30)의 전면적에 걸쳐 고르게 분포하게 되어 배터리 팩과의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다. 아울러, 상기와 같은 복잡한 형태의 'S'자 유로가 서로 상하방향으로 겹쳐져서 만들어진 형상으로 인해 리브(Rib)의 역할도 수행하게 되어 히트 싱크(30)의 내압 강도를 크게 향상시킬 수 있다.
위의 실시 예에서는 어퍼플레이트(31)와 로어플레이트(32) 사이에 2개의 미들플레이트(33)(34)가 적층된 형태의 히트 싱크(30) 구조를 일 예로 들어 설명하였으나, 상기 미들플레이트(33)(34)의 적층 개수는 배터리 팩(12)의 용량에 따라 2개 이상의 개수로 구비될 수 있다. 물론 이와 같은 경우에도 상하방향으로 서로 인접한 미들플레이트에 형성되는 'S'자 형상의 냉각수 순환유로 또한 서로 대칭되는 형태로 엇갈려서 쌓아 올려진 형상을 갖도록 해야한다.
상기 제1 및 제2미들플레이트(33)(34)에는 리벳(37)을 체결하기 위한 상하로 관통된 복수의 결합홀(33d)(34d)이 형성된다. 상기 결합홀(33d)(34d)은 제1 및 제2미들플레이트(33)(34) 내에서 냉각수 순환유로(33a)(34a) 주변에 적정 개소로 형성되는데, 상기 어퍼플레이트(31)와 로어플레이트(32)에 형성된 버링홀(31a)(32a)과 대응하는 위치에 형성하게 된다. 이러한 결합홀(33d)(34d) 내에는 버링홀(31a)(32a)의 일부가 끼워져 삽입되기 때문에 각 플레이트들의 적층시 플레이트들의 상호 간의 조립위치를 잡아주게 된다.
한편, 제1 및 제2미들플레이트(33)(34)는 전술된 어퍼플레이트(31) 및 로어플레이트(32)의 경우와 마찬가지로 서로 다른 종류의 알루미늄(Al) 금속판들이 압연 공정을 통해 서로 겹쳐져 부착된 구조로 이루어져 있다. 즉, 일정 두께를 갖는 알루미늄 기재층(基材層)의 양쪽 면에 다른 종류의 알루미늄 박판 피복층(clad)을 겹쳐 압연 공정을 통해 기계적으로 접합시킨 구조로 되어 있다.
이때, 기재층의 양쪽 면에 부착된 피복층은 실리콘(Si)이 함유된 알루미늄(Al) 소재로서 상기 기재층으로 사용되는 알루미늄 소재보다 녹는점이 낮은 알루미늄이 사용된다. 이처럼 미들플레이트(33)(34)의 양쪽 면에 녹는점이 낮은 피복층을 형성하는 것은 가열로 내부에서 이루어지게 되는 히트 싱크(30) 조립체의 브레이징(brazing) 접합 공정을 위해서이다.
즉, 히트 싱크(30) 조립체가 가열로를 통과하는 과정에서 미들플레이트(33)(34)의 양쪽 면에 부착된 녹는점이 낮은 알루미늄(Al) 피복층을 녹여서 미들플레이트(33)(34)의 상호 간을 접합시키는 동시에 미들플레이트(33)(34)와 어퍼/로어플레이트(31)(32)의 상호 간을 서로 기밀한 구조로 접합시키게 된다. 여기서, 상기 미들플레이트(33)(34)의 알루미늄 기재층 양쪽 면에 부착되는 알루미늄 피복층으로는 A4000계열의 알루미늄(Al)이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 유입파이프(35)와 배출파이프(36)는 도 5에서 보는 것과 같이 'ㄴ'자 형태로 절곡된 형상을 갖는다. 이 중에서 상기 유입파이프(35)는 제1 및 제2미들플레이트(33)(34)에 형성된 각각의 냉각수 순환유로(33a)(34a)의 입구(33b)(34b)측과 연결된다. 따라서, 배터리 냉각시스템(11)의 열교환기(11)에서 열교환이 이루어진 냉각수는 상기 유입파이프(35)를 통해 히트 싱크(30) 내부로 유입되어 제1 및 제2미들플레이트(33)(34)에 형성된 각각의 냉각수 순환유로(33a)(34a)에 공급된다. 그리고, 상기 배출파이프(36)는 제1 및 제2미들플레이트(33)(34)에 형성된 각각의 냉각수 순환유로(33a)(34a)의 출구(33c)(34c)측과 연결된다. 따라서, 상기 유입파이프(35)를 통해 유입된 냉각수는 히트 싱크(30) 내부의 각 냉각수 순환유로(33a)(34a)를 따라 이송 및 순환되고, 이러한 냉각수의 이송 및 순환과정에서 배터리 팩(12)에서 방출되는 열과 열교환 작용을 수행하여 냉각수의 온도 상승이 이루어지게 되면, 이후 온도가 상승된 냉각수는 다시 배출파이프(36)를 통해 배출되어 다시 열교환기(11) 측으로 공급된다.
한편, 본 발명에 따른 히트 싱크(30) 조립체는 적층된 상태의 로어플레이트(32)와 미들플레이트(33)(34) 및 어퍼플레이트(31)를 상호 견고한 구조로 결합시킬 수 있도록 리벳(rivet)(37)을 이용하여 결합하게 된다. 즉, 상기 로어플레이트(32)와, 제1 및 제2미들플레이트(33)(34), 어퍼플레이트(31)를 서로 적층한 상태에서 여러 개소에 복수의 리벳(37)을 이용하여 고정하게 된다.
도 9는 도 4의 A-A 섹션 단면도로서, 본 발명의 히트 싱크(30) 조립체가 복수의 리벳(37)을 통해 체결된 단면 구조를 보여주는 것이다.
도 9에서 보는 바와 같이, 본 발명의 히트 싱크(30) 조립체는 로(爐)를 이용한 로어플레이트(32)와 미들플레이트(33)(34) 및 어퍼플레이트(31)의 접합 공정시 상기 플레이트들(31,32,33,34)의 결합위치를 잡아줄 수 있도록 복수의 리벳(37)을 통해 조립된다. 즉, 상기 어퍼 및 로어플레이트(31)(32)에 형성된 버링홀(31a)(32a)과 미들플레이트(33)(34)에 형성된 결합홀(33d)(34d) 부분에 리벳(37)을 체결하여 고정함으로써 로(爐)를 이용한 히트 싱크(30) 조립체의 브레이징(brazing) 공정시 상기 플레이트들(31,32,33,34)의 결합위치를 제 위치에 고정시킬 수 있다.
이러한 상기 리벳(37)을 이용한 히트 싱크(30)의 조립작업은, 속이 빈 파이프(pipe) 형상을 갖는 리벳(37)을 각 플레이트들에 형성된 버링홀(31a)(32a)과 결합홀(33d)(34d) 내부로 삽입한 후 상기 리벳(37)의 상단 및 하단부를 가압하여 외주방향으로 변형시켜 도 9의 형태와 같이 리벳(37)의 상단 및 하단이 각각 상,하부에 위치한 버링홀(31a)(32a) 내측부에 밀착되어 고정되도록 코킹(caulking) 처리된다.
상기와 같이, 본 발명의 히트 싱크(30) 조립체는 각각의 플레이트들(31)(32)(33)(34)을 상호 체결하기 위한 체결부재로 리벳(37)을 사용하기 때문에, 히트 싱크(30)를 견고한 구조로 간편하고 신속하게 조립할 수 있고, 유량 증가를 위한 미들플레이트(33)(34)의 적층 수량 변경시에도 상기 리벳(37)의 길이만을 변경하여 간편하게 조립할 수 있다.
또한, 상기 각각의 플레이트들(31,32,33,34)을 복수의 리벳(37)을 통해 체결 고정함으로써 로(爐)를 이용한 히트 싱크(30) 조립체의 브레이징(brazing) 공정시 상기 플레이트들(31,32,33,34)의 조립위치를 잡아줄 수 있기 때문에, 히트 싱크(30) 조립체의 브레이징 공정시 상기 각각의 플레이트들의 조립위치를 잡아주기 위한 별도의 지그(Jig) 장치가 필요 없다.
한편, 도 10은 도 4의 B-B섹션 단면도로서, 유입 및 배출파이프(35)(36)가 클래드 시트(clad sheet)를 통해 히트 싱크(30) 조립체에 연결된 구조를 보여주는 것이다. 여기서, 도 10의 (a)와 (b)는 클래드 시트(38)를 적용하기 전과 후의 모습을 비교 하여 보여주는 것이다.
도 10을 참조하면, 유입파이프(35) 및 배출파이프(36)는 클래드 시트(clad sheet)(38)를 통해 히트 싱크(30) 조립체에 접합 고정된다. 상기 클래드 시트(38)는 유입파이프(35) 및 배출파이프(36)의 끝단에 위치한 직사각형 형태의 외면에 끼워질 수 있도록 직사각형 링(Ring) 형상을 갖는다.
그리고, 상기 클래드 시트(38)는 전술된 미들플레이트(33)(34)의 경우와 같이, 서로 다른 종류의 알루미늄(Al) 금속판들이 압연 공정을 통해 서로 겹쳐져 부착된 구조로 이루어져 있다. 즉, 일정 두께를 갖는 알루미늄 기재층(基材層)의 양쪽 면에 다른 종류의 알루미늄 박판 피복층(clad)이 겹쳐져 압연 공정을 통해 기계적으로 접합시킨 구조를 갖는다. 이때, 상기 알루미늄 기재층의 양쪽 면에 부착된 알루미늄 피복층은 상기 기재층으로 사용되는 알루미늄보다 녹는점이 낮은 알루미늄 소재로 구성되어 있다.
이와 같은 알루미늄 접합구조를 갖는 상기 클래드 시트(38)는 유입파이프(35)와 배출파이프(36)의 각 끝단부 외면에 끼워진 후, 클래드 시트(38)의 한쪽 면이 상기 유입파이프(35) 및 배출파이프(36) 끝단 외면에 형성된 플랜지(35a)(36a) 부분과 맞닿게 하고 클래드 시트(38)의 다른 한쪽 면이 적층된 각 플레이트들(31)(32)(33)(34)의 일측에 형성된 홈(31b)(33b,33c)(34b,34c)(32b)의 내측면상에 맞닿게 한 상태에서 가열로 내부에서 이루어지는 브레이징(brazing) 공정을 통해 접합 고정된다.
이러한 클래드 시트(38)에 의한 파이프 접합 공정은, 전술된 미들플레이트(33)(34)의 경우와 마찬가지로, 가열로 내부에서 이루어지는 히트 싱크(30) 조립체의 브레이징 공정시 녹는점이 낮은 알루미늄으로 구성된 클래드 시트(38)의 양쪽 피복층이 녹게 되면서 유입파이프(35) 및 배출파이프(36)의 플렌지(35a)(36a) 부분과 히트 싱크(30)의 각 플레이트들(31)(32)(33)(34)에 형성된 홈(31b)(33b,33c)(34b,34c)(32b)의 내측면 부분에 각각 접합되어 고정된다. 이때, 도 10의 (a)에서 보는 것과 같이, 클래드 시트(38)를 이용한 접합 전 단계에는 각 파이프(35)의 끝단과, 미들플레이트(33)(34)에 형성된 냉각수 순환유로(33a)(34a)의 입구(33b)(34b) 및 출구(33c)(34c)와 연결되는 4개의 모서리 부분에 틈새(E)가 발생되지만, 도 10의 (b)에서 처럼 클래드 시트(38)를 이용하여 접합한 경우에는 상기 클래드 시트(38)의 양쪽 면에 형성된 알루미늄 피복층의 용융으로 인해 파이프(35)와 유로(33b)(34b) 사이의 틈새(E)가 메워져서 냉각수의 누설을 방지할 수 있는 견고한 밀폐력을 확보할 수 있다.
한편, 도 13은 상기한 방법을 통해 제작된 배터리 히트 싱크(30)의 유동 해석결과를 보여주고 있다.
히트 싱크의 유동 해석 조건은, 유입파이프로 유입되는 냉각수 온도를 30℃, 분위기 온도를 30℃, 배터리 셀의 발열량을 380W로 각각 설정하였다.
도 13의 유동 해석 결과에서 보는 바와 같이, 히트 싱크의 최대(Max) 온도는 32.3 ℃, 최소(Min) 온도는 30.6 ℃ 로 나타났고, 최대 및 최소 지점의 온도 편차는 1.7 ℃로 나타났다. 이러한 유동 해석 결과로부터 확인할 수 있듯이, 본 발명에 따른 배터리 히트 싱크(30)는 최대 및 최소 지점의 온도 편차가 1.7 ℃ 정도로 낮기 때문에 히트 싱크의 전면적에 걸쳐 고른 방열 성능이 발현되는 것을 확인할 수 있다. 이는 전술된 도 8에서와 같이 상,하부 미들플레이트(33)(34)에 형성된 각각의 냉각수 순환유로(33a)(34a)가 겹쳐지는 부분에서는 상하방향으로 냉각수의 믹싱(mixing)이 이루어지게 되어 냉각수 유입측 경로와 배출측 경로 사이의 온도 편차를 줄이게 됨으로써 히트 싱크의 전면적에 걸쳐 고른 열교환 성능이 발휘되도록 하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 배터리 히트 싱크(30)는 'S'자 형상의 냉각수 순환유로가 형성된 다수의 알루미늄 플레이트들을 적층하여 상호 접합시킨 구조로 이루어져 있기 때문에 기계적 강도가 매우 우수한 장점을 갖는다. 그리고, 히트 싱크(30)에 구비되는 어퍼플레이트(31)와 로어플레이트(32), 그리고 제1 및 제2미들플레이트(33)(34)가 각각 동일 형상으로 이루어지기 때문에 히트 싱크의 구성부품 종류를 단순화시킬 수 있고 각 플레이트의 제작에 따른 금형비를 줄일 수 있기 때문에, 히트 싱크(30)의 제작비용을 크게 절감시킬 수 있다. 아울러, 상호 적층되는 각 플레이트들의 두께나 적층 수량을 조절함으로써 히트 싱크(30)의 전체 두께를 자유롭게 변경할 수 있기 때문에, 배터리 팩의 용량에 적합한 형태로 히트 싱크를 자유롭게 변경하여 제작할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 히트 싱크(30)의 내부 유로 형상을 'S'자 모양의 유턴(U-turn) 구조로 형성함과 동시에 'S'자 모양의 유로가 상하방향으로 서로 대칭되는 구조로 겹쳐지도록 형성함으로써, 히트 싱크(30)의 전면적에 걸쳐 냉각수 순환유로(33a)(34a)가 골고루 분포되도록 할 수 있고, 이로 인해 냉각수에 의한 열교환 효율을 증대시킬 수 있다. 아울러, 기존의 넓은 유로 면적을 갖는 히트 싱크 제품에 비해 내압 강도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 냉각수와 접촉되는 어퍼플레이트(31) 및 로어플레이트(32)의 한쪽 면에 내식성이 우수한 산화알루미늄 피복층을 형성함으로써 냉각수의 접촉으로 인한 어퍼플레이트(31) 및 로어플레이트(32)의 부식을 방지할 수 있다. 아울러, 미들플레이트(33)(34)의 양쪽 면에 녹는점이 낮은 알루미늄 피복층을 형성함으로써, 히트 싱크(30) 조립체의 브레이징 접합 공정시 미들플레이트(33)(34)의 양쪽 면에 형성된 알루미늄 피복층을 녹여 플레이트들을 상호 간에 간편하고 빠르게 접합시킬 수 있다. 이와 같이 가열로 내부에서 이루어지는 한 번의 브레이징 공정을 통해 본 발명의 적층형 히트 싱크(30)를 간편하고 신속하게 제작할 수 있는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
10 : 배터리 냉각시스템 11 : 열교환기
12 : 배터리 팩 14 : 펌프
15 : 저장탱크 20 : 에어컨 시스템
30 : 히트 싱크(hear sink) 31 : 어퍼플레이트
31a,32a : 버링홀(buring hall) 32 : 로어플레이트
33,34 : 제1,2미들플레이트 33a.34a : 냉각수 순환유로
33b,34b : 입구 33c,34c : 출구
33d,34d : 결합홀 35 : 유입파이프
36 : 배출파이프 35a,36a : 플랜지
38 : 클래드 시트(Clad sheet)

Claims (11)

  1. 복수의 배터리 셀로부터 발생되는 열을 냉각시키기 위한 히트 싱크 구조에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀과 직접 접촉되도록 배치된 어퍼플레이트(upper plate);
    상기 어퍼플레이트로부터 이격된 하부측에 배치되는 로어플레이트(lower plate);
    상기 어퍼플레이트와 상기 로어플레이트 사이에 배치되며, 내부에 냉각수가 흐르는 냉각수 순환유로가 형성된 미들플레이트(middle plate);
    상기 미들플레이트에 형성된 냉각수 순환유로의 입구측과 연결되며 냉각수가 유입되는 유입파이프;
    상기 미들플레이트에 형성된 냉각수 순환유로의 출구측과 연결되며 냉각수가 배출되는 배출파이프;
    상기 어퍼플레이트와 로어플레이트 및 미들플레이트를 상호 체결하는 체결부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 유로 형성 구조를 갖는 배터리 히트 싱크
  2. 제1항에 있어서, 상기 미들플레이트는 복수 개가 적층된 구조로 이루어지며, 상하로 인접하는 미들플레이트에 형성된 각각의 냉각수 순환유로는 상하방향으로 대칭되는 형태를 이루며 서로 겹쳐지도록 형성된 것을 특징으로 하는 적층형 유로 형성 구조를 갖는 배터리 히트 싱크
  3. 제2항에 있어서, 상기 냉각수 순환유로는 구불구불한 모양으로 반복적으로 굽은 형상을 가지되, 상기 미들플레이트에서 냉각수 유입측 경로에 형성된 냉각수 순환유로는 냉각수 배출측 경로에 형성된 냉각수 순환유로와 동일 위상과 반복적인 형성 주기를 가지며 형성된 것을 특징으로 하는 적층형 유로 형성 구조를 갖는 배터리 히트 싱크
  4. 제3항에 있어서, 상기 냉각수 순환유로는 "S"자 형태로 반복적으로 굽은 모양을 가지고 상기 유입파이프와 연결된 미들플레이트의 일측 끝단으로부터 반대측 끝단까지 진행된 후 유턴하여 상기 배출파이프와 연결된 미들플레이트의 일측 끝단으로 다시 되돌아오는 형태의 유턴(U-turn) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 적층형 유로 형성 구조를 갖는 배터리 히트 싱크
  5. 제1항에 있어서, 상기 미들플레이트에는 상하로 관통된 복수의 결합홀이 형성되고, 상기 어퍼플레이트와 로어플레이트에는 상기 미들플레이트의 결합홀에 삽입될 수 있도록 돌출된 버링홀(buring hall)이 형성된 것을 특징으로 하는 적층형 유로 형성 구조를 갖는 배터리 히트 싱크
  6. 제1항에 있어서, 상기 어퍼플레이트와 로어플레이트는 일정 두께를 갖는 알루미늄 기재층(基材層)의 한쪽 면에 다른 종류의 알루미늄 박판(피복층)을 겹쳐 기계적으로 접합시킨 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 적층형 유로 형성 구조를 갖는 배터리 히트 싱크
  7. 제1항에 있어서, 상기 미들플레이트는 일정 두께를 갖는 알루미늄 기재층(基材層)의 양쪽 면에 다른 종류의 알루미늄 박판(피복층)을 겹쳐 기계적으로 접합시킨 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 적층형 유로 형성 구조를 갖는 배터리 히트 싱크
  8. 제1항에 있어서, 상기 유입 및 배출파이프는 링(ring) 형상을 갖는 클래드 시트(clad sheet)를 통해 적층된 각 플레이트들의 일측면에 접합 고정되는 것을 특징으로 하는 적층형 유로 형성 구조를 갖는 배터리 히트 싱크
  9. 제1항에 있어서, 상기 클래드 시트는 알루미늄 기재층(基材層) 양쪽 면에 다른 종류의 알루미늄 박판(피복층)을 겹쳐 기계적으로 접합시킨 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 적층형 유로 형성 구조를 갖는 배터리 히트 싱크
  10. 제5항에 있어서, 상기 체결부재는 상기 결합홀과 상기 버링홀을 통해 체결되는 것을 특징으로 하는 적층형 유로 형성 구조를 갖는 배터리 히트 싱크
  11. 제10항에 있어서, 상기 체결부재는 리벳(rivet)인 것을 특징으로 하는 적층형 유로 형성 구조를 갖는 배터리 히트 싱크
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