WO2010002138A2 - 나선형 유로를 가지고 있는 열 교환기를 포함하는 전지셀 어셈블리 - Google Patents

나선형 유로를 가지고 있는 열 교환기를 포함하는 전지셀 어셈블리 Download PDF

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Abstract

전지셀 어셈블리가 제공된다. 전지셀 어셈블리는 전지셀과 전지셀을 냉각하기 위해 형성된 전지셀에 인접하여 장착되어 있는 열 교환기를 포함한다. 열 교환기는 외부 하우징을 가진다. 외부 하우징은 내부 영역과 제 1 및 제 2 유로 가이드 부재들을 포함한다. 제 1 및 제 2 유로 가이드 부재들은 내부 영역 내부에서 나선형 유로를 포함한다. 제 1 및 제 2 유로 가이드 부재들은 전체적으로 내부 영역 내부에서 상향으로 경사져 있다. 나선형 유로는 외부 하우징 내부의 유입구로부터 외부 하우징의 또 다른 유로로 연장된다. 또 다른 유로는 나선형 유로로부터 배출구로 연장된다. 또 다른 유로는 유입구에 유입된 유체 내의 기포들이 나선형 유로를 통해 상부로 가압되고 또 다른 유로를 통해 배출구에서 외부 하우징을 빠져 나가는 것을 가속화 하도록, 나선형 유로의 각 부위의 단면적보다 작은 단면적을 가진다.

Description

나선형 유로를 가지고 있는 열 교환기를 포함하는 전지셀 어셈블리
본 발명은 나선형 유로를 가진 열교환기를 포함하는 전지셀 어셈블리에 관한 것이다.
장치들을 냉각하기 위한 냉각 유닛들이 개발되어 왔다. 그러나, 냉각 유닛과 관련된 문제점은, 냉각 유닛을 통과하여 소망하는 유체 유속을 방해할 수 있는 기포들이 냉각 유닛 내부에서 포집될 수 있다는 점이다. 결과적으로, 냉각 유닛은 장치를 소망하는 온도로 유지하지 못할 수 있다.
따라서, 본 출원의 발명자들은 상기에 언급된 단점을 최소화하고 및/또는 제거하는 열 교환기를 포함하는 향상된 전지모듈에 대한 필요성을 인식하게 되었다.
본 발명은 종래기술의 문제점들과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 일거에 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 장치를 소망하는 온도로 유지하기 위해 나선형 유로를 가지고 있는 열 교환기를 포함하는 전지셀 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 어셈블리가 제공된다. 전지셀 어셈블리는 전지셀과 전지셀을 냉각하기 위해 형성된 전지셀에 인접하여 장착된 열 교환기를 포함한다. 열 교환기는 외부 하우징(outer housing)을 가지고 있다. 외부 하우징은 내부 영역(interior region)과 제 1 및 제 2 유로 가이드 부재들(flow guide members)을 포함한다. 제 1 및 제 2 유로 가이드 부재들은 내부 영역 내부에서 나선형 유로를 포함한다. 제 1 및 제 2 유로 가이드 부재들은 내부 영역 내부에서 전반적으로 상향 경사져 있다. 나선형 유로는 외부 하우징의 유입구(inlet aperture)로부터 외부 하우징 내부의 또 다른 유로(another flow path)로 연장된다. 또 다른 유로는 나선형 유로로부터 배출구(outlet aperture)까지 연장된다. 또 다른 유로는, 유입구로 유입된 유체 내의 기포들이 나선형 유로를 통해 상부로 가압되고 또 다른 유로를 통해 배출구에서 외부 하우징을 빠져 나가는 것을 가속화 하도록, 나선형 유로의 각 부위의 단면적보다 작은 단면적을 가진다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 모식도이다;
도 2는 도 1의 전지모듈의 부분 전개 모식도이다;
도 3은 도 2의 전지모듈에 사용되는 전지셀 어셈블리의 전개 모식도이다;
도 4는 도 3의 전지셀 어셈블리의 또 다른 모식도이다;
도 5는 도 3의 전지셀 어셈블리의 상단부의 단면 모식도이다;
도 6은 도 3의 전지셀 어셈블리의 하단부의 단면 모식도이다;
도 7은 도 3의 전지셀 어셈블리에 사용되는 열 교환기의 제 1 측면의 모식도이다;
도 8은 도 7의 열 교환기의 단면 모식도이다;
도 9는 도 7의 열 교환기의 유입 연장부의 모식도이다;
도 10은 도 7의 열 교환기의 배출 연장부의 모식도이다; 및
도 11은 도 7의 열 교환기의 제 2 측면의 모식도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전력을 제공하기 위한 전지모듈(20)이 제공된다. 전지모듈(20)은 전지셀 어셈블리들(30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44), 열 교환기들(50, 52, 54, 56), 측면 플레이트들(60, 62, 64, 66), 결합 플레이트들(70, 72), 상호연결 어셈블리(interconnect assembly: 74), 커버(76), 및 냉각 매니폴드들(cooling manifolds: 78, 80)을 포함하고 있다. 전지셀 어셈블리는 내부에 전지셀을 포함하는 하우징을 포함하고 있다. 전지모듈은 함께 결합되어 있는 적어도 2 개의 전지셀 어셈블리들을 포함하고 있다.
전지셀 어셈블리들(30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44)은 상호연결 어셈블리(74)를 사용하여 함께 전기적으로 연결되어 있다. 특히, 상호연결 어셈블리(74)는 전지셀 어셈블리들로부터 전류와 전압을 제공하기 위해 소망하는 구조로 전지셀 어셈블리들의 전기 단자들을 함께 전기적으로 연결하고 있다.
열 교환기들(50, 52, 54, 56)은 전지셀 어셈블리들을 냉각하기 위하여 냉각 매니폴드(78)로부터 유체를 수령하고 있다. 열 교환기들(50, 52, 54, 56)의 가열된 유체는 냉각 매니폴드(80)에 의해 수령된다.
측면 플레이트들(60, 62, 64, 66)은 전지셀 어셈블리들에 대한 추가적인 지지를 제공하기 위해 전지셀 어셈블리들과 결합되어 있다. 결합 플레이트들(70, 72)은 전지셀 어셈블리들에 대한 추가적인 지지를 제공하기 위해 측면 플레이트들(64, 66)에 체결되도록 제공된다. 커버 플레이트(76)은 상호연결 어셈블리(74)를 커버하기 위해 제공된다.
도 3, 도 4, 도 5, 도 6 및 도 7을 참조하여, 전지모듈(20)에 사용되는 실시예에 따른 전지셀 어셈블리(32)가 설명될 것이다. 전지셀 어셈블리(32)는 장방형 링-형상 프레임 부재(90), 전지셀(92), 고정용 링-형상 부재(94). 전지셀(96), 장방형 링-형상 프레임 부재(98), 열 교환기(100), 고정용 링-형상 부재(102), 전지셀(104), 및 장방형 링-형상 프레임 부재(106)를 포함하고 있다. 전지셀 어셈블리(32)의 장점은 하나의 열 교환기(100)가 전지셀들을 소망하는 온도로 유지하기 위해 전지셀들(92, 96, 104)을 냉각할 수 있도록 패키지화된 어셈블리(32)라는 점이다.
도 3, 도 5 및 도 6을 참조하면, 장방형 링-형상 프레임 부재(90)는 전지셀(92), 고정용 링-형상 부재(94) 및 전지셀(96)을 사이에 고정하기 위해 장방형 링-형상 프레임 부재(98)와 결합되도록 형성되어 있다.
도 3을 참조하면, 전지셀(92)이 전기 단자들(164, 166) 사이에서 작동 전압을 출력하도록 제공된다. 전지셀(92)은 본체(160), 본체(160) 주위에 연장된 외주면 립 부위(peripheral lip portion: 162), 본체(160)로부터 연장된 전극 단자들(164, 166)을 포함하고 있다. 하나의 실시 예에서, 전지셀(92)은 리튬 전지셀이다. 물론, 또 다른 실시 예들에서, 전지셀(92)은 당업자에게 공지되어 있는 다른 유형의 전지셀들로 구성될 수 있다. 외주면 립 부위(162)의 크기는, 프레임 부재(90)가 전지셀(92)의 외주면 립 부위(162)를 커버하도록 장방형 링-형상 프레임 부재(90)의 크기보다 작다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 전지셀(92)은 프레임 부재(90), 고정용 링-형상 부재(94)의 일부 및 전지셀(96) 사이에 장착되어 있다.
도 3, 도 5 및 도 6을 참조하면, 고정용 링-형상 부재(94)가 장방형 링-형상 부재들(90, 98) 사이에 전지셀들(92, 96)을 더 고정하기 위해 제공된다. 고정용 링-형상 부재(94)의 외주면 크기는 장방형 링-형상 프레임 부재(90)의 외주면 크기보다 작고 장방형 링-형상 프레임 부재(98)의 외주면 크기보다 작다. 고정용 링-형상 부재(94)는 전지셀들(92, 96)을 더 지지하기 위해 전지셀들(92, 96)의 외주면 립 부위들 사이에 장착되어 있다.
전지셀(96)은 장방형 링-형상 프레임 부재(98)와 전지셀(92)의 일부 및 고정용 링-형상 부재(94) 사이에 장착되어 있다. 전지셀(96)의 구조는 실질적으로 전지셀(92)과 유사하다.
도 3을 참조하면, 장방형 링-형상 프레임 부재(98)는 전지셀(92), 고정용 링-형상 부재(94) 및 전지셀(96)을 사이에 지지하기 위해 장방형 링-형상 프레임 부재(90)에 결합되도록 형성되어 있다. 더욱이, 장방형 링-형상 프레임 부재(98)는 열 교환기(100), 고정용 링-형상 부재(102), 및 전지셀(104)을 지지하기 위해 장방형 링-형상 프레임 부재(106)에 결합하도록 제공된다.
도 3, 도 7, 도 8 및 도 11을 참조하면, 열 교환기(100)는 전지셀들(92, 96, 104)을 소망하는 온도로 유지하기 위해 전지셀 어셈블리(32)를 냉각하도록 제공된다. 특히, 열 교환기(100)는, 전지셀들(92, 96, 104)로부터 열 에너지를 빼앗기 위해 열 교환기(100)를 통해 흐르는 도 1의 냉각 매니폴드(78)로부터 유체를 수령하고 있다. 그런 다음, 가열된 유체는 열 교환기(100)로부터 도 1의 냉각 매니폴드(80)로 흘러 들어간다. 열 교환기(100)는 외부 하우징(202), 유입관(204), 및 배출관(206)을 포함하고 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 외부 하우징(202)은 내부 영역(224)을 형성하기 위해 함께 결합되어 있는 플레이트 부재들(220, 222)로 구성되어 있다. 외부 하우징(202)은 엣지들(225, 226, 227, 228)을 포함하고 있다. 엣지들(225, 226)은 실질적으로 서로 평행하고 서로 이격되어 있다. 엣지들(227, 228)은 실질적으로 서로 평행하고 서로 이격되어 있다.
도 7 및 도 9를 참조하면, 플레이트 부재들(220, 222)의 일부 부위들은 유입구(232)를 가지고 있는 유입 연장부(229)를 형성하고 있다. 유입 연장부(229)는 유입구(232)의 일부 부위 내에 유입관(204)을 수령하도록 형성되어 있다. 유입구(232)는 외부 하우징(202)의 내부 영역(224) 및 냉각 매니폴드(78)와 함께 유체적으로 연통되어 있다. 그러므로, 유입관(204)으로 유입된 유체는 유입관(232)의 일부 부위를 통해 내부 영역(224) 내부로 흘러 들어간다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 플레이트 부재들(220, 222)의 일부 부위들은 내부 영역(224) 내부에서 유로 가이드 부재들(240, 242, 244, 246, 248, 250, 250, 252)을 형성하도록 서로를 향해 가압되어 있다. 유로 가이드 부재들(240, 242, 244, 246, 248, 250, 250, 252)은 내부 영역(224)을 통해 나선형 유로(260)를 형성하고 있다.
유로 가이드 부재(240)는 엣지(225)로부터 전반적으로 엣지(226) 쪽으로 연장되어 있고, 1-5도 범위의 각도로 외부 하우징(100)의 수평축(300)에 대해 상향 연장되어 있다. 유로 가이드 부재(240)는 부재(240)와 엣지(228) 사이에서 유로 영역(261)을 포함하고 있다.
유로 가이드 부재(242)는 엣지(226)로부터 전반적으로 엣지(225) 쪽으로 연장되어 있고, 1-5도 범위의 각도로 외부 하우징(100)의 수평축(300)에 대해 상향 연장되어 있다. 유로 가이드 부재(242)는 유로 가이드 부재(242)와 유로 가이드 부재(240) 사이에서 유로 영역(262)을 포함하고 있다.
유로 가이드 부재(244)는 엣지(225)로부터 전반적으로 엣지(226) 쪽으로 연장되어 있고, 1-5도 범위의 각도로 외부 하우징(100)의 수평축(300)에 대해 상향 연장되어 있다. 유로 가이드 부재(244)는 유로 가이드 부재(244)와 유로 가이드 부재(242) 사이에서 유로 영역(264)을 포함하고 있다.
유로 가이드 부재(246)는 엣지(226)로부터 전반적으로 엣지(225) 쪽으로 연장되어 있고, 1-5도 범위의 각도로 외부 하우징(100)의 수평축(300)에 대해 상향 연장되어 있다. 유로 가이드 부재(246)은 유로 가이드 부재(246)와 유로 가이드 부재(244) 사이에서 유로 영역(266)을 포함하고 있다.
유로 가이드 부재(248)는 엣지(225)로부터 전반적으로 엣지(226) 쪽으로 연장되어 있고, 1-5도 범위의 각도로 외부 하우징(100)의 수평축(300)에 대해 상향 연장되어 있다. 유로 가이드 부재(248)는 유로 가이드 부재(248)와 유로 가이드 부재(246) 사이에서 유로 영역(268)을 포함하고 있다.
유로 가이드 부재(250)는 엣지(226)로부터 전반적으로 엣지(225) 쪽으로 연장되어 있고, 1-5도 범위의 각도로 외부 하우징(100)의 수평축(300)에 대해 상향 연장되어 있다. 유로 가이드 부재(250)는 유로 가이드 부재(250)과 유로 가이드 부재(248) 사이에서 유로 영역(270)을 포함하고 있다.
유로 가이드 부재(252)는 엣지(225)로부터 전반적으로 엣지(226) 쪽으로 연장되어 있고, 1-5도 범위의 각도로 외부 하우징(100)의 수평축(300)에 대해 상향 연장되어 있다. 유로 가이드 부재(252)는 유로 가이드 부재(252)와 유로 가이드 부재(250) 사이에서 유로 영역(272)과 상기 부재(252) 상부에 유로 영역(274)을 포함하고 있다.
도 7 및 도 10을 참조하면, 나선형 유로(260)는 유로 영역들(261, 262, 264, 266, 268, 270, 272, 274)을 구성하고 있다. 기포들을 가진 유체가 나선형 유로(260)를 통해 흐를 때, 기포들은 유로 영역(261)으로부터 중간 유로 영역을 통과하여 유로 영역(274)으로 쉽게 이동한다. 나선형 유로(260)는 유로(290) 내부로 흐르고 있다. 유로(290)는 실질적으로 엣지(227)에 평행하다. 유로(290)는 나선형 유로(260)의 유로 영역들(261, 262, 264, 266, 268, 270, 272, 274)의 단면적보다 작은 단면적을 가지고 있다. 따라서, 나선형 유로(260)로부터 유로(290)로 유입된 유체는 가속되고, 유체 중의 어떠한 기포들은 유로(290)를 통과하여 흐르게 된다. 유로(290)는 엣지(226)에 실질적으로 평행한 유로(294) 안으로 흘러간다. 유로(294)는 또한 나선형 유로(260)의 유로 영역들(261, 262, 264, 266, 268, 270, 272, 274)의 단면적보다 작은 단면적을 가지고 있다.
유로(294)는 유로(292)로부터 배출구(234)로 연장되어 있다. 그러므로, 유체 및 유체 중의 어떠한 기포들은 유로(294)를 통과하여 배출구(234)로 흐르게 된다. 플레이트 부재들(220, 222)의 일부 부위들은 배출구(234)를 가진 배출 연장부(230)를 형성하고 있다. 배출 연장부(230)는 배출구(234)의 일부 부위 내에서 배출관(204)을 수용하기 위해 형성되어 있다. 배출구(234)는 외부 하우징(100)의 내부 영역(244) 및 도 1에 개시되어 있는 냉각 매니폴드(80)와 유체적으로 연통되어 있다. 그러므로, 배출구(224)를 빠져 나온 유체는 배출관(206)으로부터 냉각 매니폴드(80)로 배출된다.
도 3을 참조하면, 고정용 링-형상 부재(102)는 장방형 링-형상 부재들(90, 106) 사이에 열 교환기(100)와 전지셀(104)을 더 고정하기 위해 제공된다. 고정용 링-형상 부재(102)의 외주면 크기는 장방형 링-형상 프레임 부재(98)의 외주면 크기보다 작고, 장방형 링-형상 프레임 부재(106)의 외주면 크기보다 작다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 고정용 링-형상 부재(102)는 장방형 링-형상 프레임 부재(98)와 전지셀(104)의 외주면 립 부위 사이에 장착되어 있다.
전지셀(104)은 장방형 링-형상 프레임 부재(106)와 열 교환기(100) 및 고정용 링-형상 부재(102) 사이에 장착되어 있다. 전지셀(104)의 구조는 실질적으로 전지셀(92)과 유사하다.
장방형 링-형상 프레임 부재(106)는 열 교환기(100), 고정용 링-형상 부재(102), 및 전지셀(104)을 사이에 지지하기 위해 장방형 링-형상 프레임 부재(98)에 결합되도록 형성되어 있다.
나선형 유로를 가진 열 교환기를 포함하는 전지셀 어셈블리는 다른 전지들보다 실질적인 장점을 제공한다. 특히, 전지셀 어셈블리는, 열 교환기를 통해 흐르는 유체에서 기포들을 제거하여 전지셀 어셈블리 내의 전지셀들을 냉각하기 위해 열 교환기를 통과하여 소망하는 유체 유속을 얻기 위한 기술적 효과를 제공한다.
예시적인 실시예들을 참조하여 본 발명을 기술하였지만, 당업자들은 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 구성요소들에 대해 다양한 변형이 행해질 수 있고 균등 치환이 행해질 수 있음을 이해할 것이다. 게다가, 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 교시에 특별한 상황 또는 물질을 적용하기 위해 많은 수정이 행해질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 개시되어 있는 특정 실시예들로 한정되지 않고, 첨부된 청구항들의 범주에 속하는 모든 실시예들을 포함하는 것으로 의도된다. 게다가, 용어 제 1, 제 2, 등의 사용은 하나의 구성요소를 다른 것과 구별하기 위해 사용되었다. 더욱이, 일부 용어들 하나의 등은 양의 한정을 내포하기 보다는 인용된 항목들 중 적어도 하나가 존재함을 내포한다.

Claims (7)

  1. 전지셀; 및
    전지셀의 냉각을 위해 형성되어 있고 전지셀에 인접하여 장착되어 있는 열교환기로 구성되어 있고,
    상기 열교환기는 내부 영역과 상기 내부 영역에서 나선형 유로를 형성하는 제 1 및 제 2 유로 가이드 부재들로 이루어진 외부 하우징을 포함하고 있고, 상기 제 1 및 제 2 유로 가이드 부재는 내부 영역에서 전반적으로 상향 경사져 있으며,
    상기 나선형 유로는 외부 하우징의 유입구로부터 외부 하우징 내부의 또 다른 유로로 연장되어 있고,
    상기 또 다른 유로는 상기 나선형 유로로부터 배출구로 연장되어 있고, 상기 유입구에 유입된 유체 내의 기포들이 나선형 유로를 통해 상부로 가압되고 또 다른 유로를 통해 배출구에서 외부 하우징을 빠져 나가는 것을 가속화 하도록, 상기 나선형 유로의 각 부위의 단면적보다 작은 단면적을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유로 가이드 부재는 1 내지 5도의 각도로 외부 하우징의 수평 축에 대해 상향 경사져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 유로 가이드 부재는 1 내지 5도의 각도로 외부 하우징의 수평 축에 대해 상향 경사져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 유로 가이드 부재는 제 2 유로 가이드 부재로부터 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 하우징은 제 1 엣지, 제 2 엣지, 제 3 엣지 및 제 4 엣지를 포함하는 제 1 측벽 및 제 2 측벽, 유입 연장부, 및 배출 연장부를 포함하고 있고, 제 1 엣지는 제 2 엣지에 실질적으로 평행하게 장착되어 있고, 제 3 엣지는 외부 하우징의 제 1 단부에 장착되어 있고 제 1 엣지로부터 제 2 엣지로 연장되어 있으며, 제 4 엣지는 외부 하우징의 제 1 단부에 대향하는 외부 하우징의 제 2 단부에 장착되어 있고 실질적으로 상기 제 3 엣지에 평행하며, 유입 연장부는 제 1 엣지로부터 연장되어 있고 그것을 관통하는 유입구를 포함하고 있으며, 배출 연장부는 제 2 엣지로부터 연장되어 있고 그것을 관통하는 배출구를 포함하고 있으며;
    상기 제 1 유로 가이드 부재는 제 4 엣지에 대해 상향 경사지도록 전반적으로 제 1 엣지로부터 제 2 엣지 쪽으로 연장되어 있으며;
    상기 제 2 유로 가이드 부재는 제 4 엣지에 대해 상향 경사지도록 제 2 엣지로부터 전반적으로 제 1 엣지 쪽으로 연장되어 있고, 상기 제 1 및 제 2 유로 가이드 부재들은 상기 유입구로부터 상기 내부 영역 내에서 상기 나선형 유로를 포함하도록 서로 이격되어 장착되어 있으며;
    상기 외부 하우징은, 제 3 엣지에 근접하게 장착되고 나선형 유로와 연통되며 상기 나선형 유로의 각 부위의 단면적보다 작은 단면적을 가진 제 1 유로를 더 형성하고 있으며; 및
    상기 외부 하우징은 제 1 유로와 연통하는 제 2 엣지에 근접하게 배치되어 있는 제 2 유로를 더 형성하고 있고, 상기 유입구에 유입된 유체 내의 기포들이 상기 나선형 유로를 통해 상부로 가압되고 제 1 및 제 2 유로를 통해 상기 배출구에서 외부 하우징을 빠져 나가는 것을 가속화 하도록, 상기 제 2 유로는 나선형 유로의 각 부위의 단면적보다 작은 단면적을 가지며, 상기 제 1 유로와 제 2 유로의 조합이 또 다른 유로가 되고, 상기 제 2 유로는 제 1 유로의 단부로부터 배출구로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 유로 가이드 부재는 1 내지 5도의 각도로 제 4 엣지에 대해 상향 경사져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 유로 가이드 부재는 1 내지 5도의 각도로 제 4 엣지에 대해 상향 경사져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
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