JP7258404B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

本出願は、２０２０年５月２９日付けの韓国特許出願第１０－２０２０－００６５２１４号に基づく優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は、本明細書の一部として組み込まれる。

本発明は、複数の二次電池が搭載される二次電池モジュール、または前記二次電池モジュールが複数個結合された二次電池パックに取り付けられるヒートシンクに関し、より詳細には、外部衝撃に対してより強固な構造を有し、冷却水の流動経路を改善することで冷却性能を増大可能な二次電池モジュールまたは二次電池パック取り付け用ヒートシンクに関する。

二次電池は、正極、セパレータ、負極が繰り返して積層された電極組立体、及び電解液がケースに内蔵されている構造を有し、構成要素間の電気化学的反応により、繰り返し充放電が可能な構造で製造される。

二次電池モジュールは、複数の二次電池が結合されて構成され、この際、各二次電池を外部衝撃、熱、振動などから保護するために、専用フレームまたはケースなどに搭載されて製造される。前記フレームまたはケースには、選択的に、冷却装置が取り付けられることがある。

そして、二次電池パックは、電気車または大容量電気貯蔵装置などに最終的に取り付けられる形態であって、複数の二次電池モジュールが結合されて構成される。かかる二次電池パックは、二次電池モジュールの他にも、ＢＭＳ（Battery Management System）、冷却装置、保護及び制御システムがさらに搭載される構造を有する。

二次電池では、充電または放電時に電気化学的反応が発生するため、熱が必然的に発生することになる。このような熱は、電気化学的反応を妨害して性能を低下させ、熱蓄積が続く場合には、二次電池の故障や誤作動を引き起こし、激しい場合には、発火を引き起こす恐れもある。

しかしながら、二次電池モジュール及び二次電池パックは、複数の二次電池が狭い空間内に密集して設けられる構造を有するため、それぞれで発生した熱を効率的に冷却させることが非常に重要である。

したがって、高出力・大容量の二次電池モジュール及び／またはそれが取り付けられた二次電池パックでは、冷却装置の搭載が必須である。

このような冷却装置は、サイズ及び容量によって、放熱板と冷却ファンから構成された空冷式冷却装置が搭載されることもあるが、発熱量が相対的に多い場合には、冷却水との熱交換が行われる水冷式冷却装置が搭載される。

水冷式冷却装置も種々の形態があるが、中でも、ヒートシンク方式は、複数の二次電池７が、その上に載置されるパックトレー６（図１）の下部（または、場合によっては上部）に結合される形態で搭載される。

すなわち、図１には、従来のヒートシンク１が取り付けられた状態と、前記ヒートシンク１が取り外された状態とが示される。図１のように、パックトレー６の上側に複数の二次電池７が搭載されると、前記パックトレー６の下側にはヒートシンク１が搭載される。

前記ヒートシンク１は板状を有するが、一側面が陥凹した形態を有することで、パックトレー６の平らな面に付着された際に、内部に密閉された所定のサイズの空間が形成される構造を有する。かかる密閉された空間は、冷却水が流動するチャンバー３を形成し、ヒートシンク１の一側と他側には、低温の冷却水が流入される入口としてのインレット４が形成され、熱交換が行われた高温の冷却水が排出される出口としてのアウトレット５が形成される構造を有する。

そして、前記チャンバー３内には、冷却水の流動経路が形成されるように、チャンバー３の内側に凸状にディンプル（dimple）２が突出している構造を有する。そして、パックトレー６の上側の二次電池のそれぞれと均等に熱交換が行われるように、このようなディンプルは、図１に示されるように、両側が対称を成し、隣合うディンプル２の間の距離が一定である構造を有することが一般的であった。

しかし、このような構造は、外部から衝撃または荷重が加えられた時に、ディンプル２が形成される方向における支持力が低下するという問題があった。特に、車両に搭載される場合には、継続的な振動と、運行時に発生する遠心力などによって変形が発生する可能性がある。

したがって、本発明は、特定の方向に加えられる荷重による変形をより効率的に防止し、持続的な衝撃と振動に対してより強固な耐久性を有し、冷却水の均一な熱交換を行うことができる、二次電池モジュールまたは二次電池パック取り付け用ヒートシンクを提供することを主な目的とする。

上記のような目的を達成するための本発明は、複数の二次電池が搭載されるパックトレーに結合され、内部のチャンバーに冷却水が出入りするようにインレットとアウトレットを有するヒートシンクであって、冷却水の流動経路を形成するように、前記チャンバーの内側に凸状に突出したディンプルを含み、前記ディンプルは、複数個が互いに離隔して配置されており、特定の領域で隣合うディンプルの間の間隔と、他の領域で隣合うディンプルの間の間隔とが互いに異なるように配置されていることを特徴とする。

前記ヒートシンクは、相対的に長い長さを有する２つの長辺と、相対的に短い長さを有する２つの短辺と、を有する四角形の板状を有し、前記インレットとアウトレットは、相対的に短い長さを有する短辺のうち１つの短辺において互いに対向する先端に位置するように配置される。

前記ディンプルは、インレット及びアウトレットに近いほど、稠密度がより高く配置され、インレット及びアウトレットから遠くなるほど、稠密度がより低く配置される。

前記ディンプルは、長辺の長さ方向に沿って、インレット及びアウトレットに近いほど、長辺により近く配置され、インレット及びアウトレットから遠くなるほど、長辺からより遠く配置される。

前記ディンプルは円形に形成され、複数個の前記ディンプルは、同一の直径を有する円形に形成される。

前記ヒートシンクには、厚さ方向に沿ってチャンバーの内部を貫通する貫通孔を有する貫通部が形成される。前記貫通部は、前記ヒートシンクの表面から突出し、前記ヒートシンクがパックトレーの一側面に結合された時に密着される支持部を有し、前記支持部内に貫通孔が形成される。

前記貫通部は、両側の短辺の中間地点同士を連結する仮想の線上に配置され、長辺の長さ方向に沿って複数個が離隔して配置される。

そして、前記インレットとアウトレットは、チャンバーと連通する面のうち一箇所が傾斜面で形成され、チャンバーに近い方向に行くに従って断面積が増加する形状を有する。

前述のような構成を有する本発明は、ディンプルの間の間隔が異なって形成されることにより、特定の方向への変形や曲げを防止することができる。

前記ディンプルは、インレット及びアウトレットに近いほど稠密度がより高く配置され、インレット及びアウトレットから遠くなるほど稠密度がより低く配置される。これにより、インレット及びアウトレットに近い所から遠くなるほど、冷却水の流動経路が単純になるため、ヒートシンクの全体にわたって流量分配及び熱交換を均一に行うことができる。

前記ディンプルは、長辺の長さ方向に沿って、インレット及びアウトレットに近いほど長辺により近く配置され、インレット及びアウトレットから遠くなるほど長辺からより遠く配置される。これにより、インレット及びアウトレットから遠くなるほど流動経路の断面積が増加し、インレット及びアウトレットが位置した短辺の反対側の短辺に迅速に到逹することができる。

複数個が形成される前記ディンプルは、同一の直径を有する円形に形成することができる。これにより、冷却水の流動時における不規則な流れによる渦流の形成を抑制または最小化することができる。

前記ヒートシンクには、厚さ方向に沿ってチャンバーの内部を貫通する貫通孔を有する貫通部が形成される。これにより、前記貫通孔を介して、前記ヒートシンクの結合装置または二次電池から連結される配線などを貫通させることができる。前記ヒートシンクをパックトレーに固定させる結合装置が前記貫通孔を介して結合される場合、前記ヒートシンクの中間位置でも締結力が発生するため、ヒートシンクがさらに強固に結合されることができる。

前記インレット及びアウトレットは、チャンバーと連通する面のうち一箇所が傾斜面で形成され、チャンバーに近い方向に行くに従って断面積が増加する形状を有する。これにより、迅速な冷却水の出入りが可能である。

二次電池モジュールのパックトレーの下部に、従来のヒートシンクが結合された状態及び前記ヒートシンクが取り外された状態を示した図である。 二次電池モジュールのパックトレーの下部に、本発明に係るヒートシンクが結合された状態及び前記ヒートシンクが取り外された状態を示した図である。 本発明に係るヒートシンクの平面図である。 図３のＡ部分及びＢ部分を拡大して示した図である。 本発明に係るヒートシンクの平面図において、一部分を拡大して示した図である。

以下、添付の図面に基づいて、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように、本発明について詳細に説明する。しかし、本発明は様々な異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。

本発明を明確に説明するために、説明と関係ない部分は省略しており、明細書の全体にわたって同一もしくは類似の構成要素には、同一の参照符号を付け加える。

また、本明細書及び特許請求の範囲に用いられた用語や単語は、通常的もしくは辞書的な意味に限定して解釈してはならず、発明者らは、自分の発明を最善の方法で説明するために、用語の概念を適切に定義することができるという原則に則って、本発明の技術的思想に合致する意味と概念で解釈すべきである。

上記のような目的を達成するための本発明は、複数の二次電池７が搭載されるパックトレー６の一側面に結合されると一面が閉鎖され、内部のチャンバーに冷却水が出入りするようにインレット及びアウトレットを有するヒートシンクに関するものであって、以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態をより詳細に説明する。

図２は、二次電池モジュールのパックトレーの下部に、本発明に係るヒートシンクが結合された状態及び前記ヒートシンクが取り外された状態を示した図であり、図３は本発明に係るヒートシンクの平面図である。そして、図４は図３のＡ部分及びＢ部分を拡大して示した図であり、図５は本発明に係るヒートシンクの平面図において、一部分を拡大して示した図である。

添付図面を参照すると、本発明のヒートシンク１０は、内部に冷却水が循環可能な空間が形成されるものであって、パックトレーの一側面に結合されると一面が閉鎖されるように、または別の平板と結合して二次電池とパックトレーの間に搭載されるように、一側面に陥凹した板状を有する。

すなわち、本発明のヒートシンク１０は、パックトレーに結合されるものであって、開口面がパックトレー６の底面に結合されて前記開口面が閉鎖されるか、別の平板により開口面が閉鎖された状態でパックトレー６に結合される構造を有する。前記ヒートシンク１０は、ろう付け（brazing）または接着剤などによりパックトレー及び別の平板と結合されることができる。

したがって、一面は凸状に突出し、他面は別の平板またはパックトレーの底面により閉鎖されて、内部には冷却水が循環可能な空間であるチャンバー１１が形成される。そして、前記チャンバー１１と連通するように、冷却水が流入されるインレット１３及び冷却水が排出されるアウトレット１４が前記ヒートシンク１０に形成される。

前記インレット１３とアウトレット１４はヒートシンク１０に冷却水が出入りできる孔または溝の形態で設けられ、冷却水を供給及び回収する外部の冷却装置とホースまたはパイプなどを介して連結される。

本発明において、前記ヒートシンク１０は、相対的に長い長さを有する２つの長辺Ｌと、相対的に短い長さを有する２つの短辺Ｓと、を有する四角形の板状を有し、前記インレット１３とアウトレット１４は、相対的に短い長さを有する短辺Ｓのうち１つの短辺Ｓにおいて、互いに対向する先端に位置するように配置される。

そして、前記チャンバー１１の内側に位置するように、ヒートシンク１０の一側表面には複数のディンプル１２が凸状に突出している。

前記ディンプル１２は、チャンバー１１内で冷却水の流れを遮ることにより、前記冷却水の流動経路を形成する。

前記ディンプル１２は円形に形成され、かつ同一の直径を有する円形に形成される。そして、前記ディンプル１２は、相互間に間隔を置いて配置されており、特定の領域で隣合うディンプル１２の間の間隔ｇ１と、他の領域で隣合うディンプル１２の間の間隔ｇ２とが、互いに異なるように配置されるように構成されることができる。

前記ディンプル１２は、インレット１３及びアウトレット１４に近いほど、稠密度がより高く配置され、インレット１３及びアウトレット１４から遠くなるほど、稠密度がより低く配置される。

すなわち、図３のＡ及びＢの部分を拡大して示した図４のように、インレット１３及びアウトレット１４に近い側に配置されたディンプル１２の間の間隔ｇ１が相対的に小さく形成され、インレット１３及びアウトレット１４から遠い側に配置されたディンプル１２の間の間隔ｇ２が相対的に大きく形成される。参考までに、ここでは、ディンプル１２が同一のサイズの円形を有すると示したが、前記ディンプル１２の直径を異ならせて間隔を異なるように形成する構成も可能である。また、前記ディンプル１２は、円の他にも、楕円、多角形、非定形の図形などのように、種々の形状及び種々のサイズの組み合わせが選択可能である。このような組み合わせは、ヒートシンク１０の曲げ剛性及び冷却水の流れを考慮して決定されることができる。

尚、図５に示したように、前記ディンプル１２は、長辺Ｌの長さ方向に沿って、インレット１３及びアウトレット１４に近いほど、長辺Ｌにより近く配置され、インレット１３及びアウトレット１４から遠くなるほど、長辺Ｌからより遠く配置される。すなわち、（１）で示された方向を基準として、右側に行くに従って、（２）の長さがｌ_１からｌ_２に次第に増加する。

これにより、冷却水がインレット１３から吐出される際に、遠くなるほど流動可能な断面積が次第に増加する構造を有することになる。

一方、二次電池モジュールまたはパックには、かかるヒートシンク１０はいうまでもなく、各種ケーブル及び前記ヒートシンク１０を固定させるための固定装置などが取り付けられる。これにより、本発明に係るヒートシンク１０は、前記ヒートシンク１０を貫通してケーブルとともに付属品が取り付けられるように、ヒートシンク１０を貫通するように厚さ方向に沿って貫通孔１５ａが形成される。

前記貫通孔１５ａが形成される貫通部１５は、前記ヒートシンク１０の表面から突出し、前記ヒートシンク１０がパックトレーの一側面に結合された時に密着される支持部１５ｂを有し、前記支持部１５ｂ内に貫通孔１５ａが形成される。

前記支持部１５ｂは、チャンバー１１の内部でヒートシンク１０の表面から突出しており、突出した先端が、前記ヒートシンク１０を閉鎖するパックトレーの底面または平板に密着することができる高さで形成される。

参考までに、前記支持部１５ｂには、パックトレーの底面または平板に密着する時に冷却水の漏れを防止するために、ゴムガスケット（不図示）のようなシール材をさらに備えることができる。

前記貫通部１５は、両側短辺Ｓの中間地点同士を連結する仮想の線上に配置され、長辺Ｌの長さ方向に沿って複数個が離隔して配置される。すなわち、前記貫通部１５は、図面に示したように、２つの長辺Ｌの間の中央で、長辺と平行を成す中心に沿って配置することができる。

そして、前記インレット１３とアウトレット１４は、チャンバー１１と連通する面のうち一箇所が傾斜面で形成され、チャンバーに近い方向に行くに従って断面積が増加する形状を有する。

前述のような構成を有する本発明は、ディンプル１２の間の間隔が異なって形成されることにより、特定の方向への変形や曲げを防止することができる。

前記ディンプル１２は、インレット１３及びアウトレット１４に近いほど稠密度がより高く配置され、インレット１３及びアウトレット１４から遠くなるほど稠密度がより低く配置される。これにより、インレット１３及びアウトレット１４に近い所から遠くなるほど、冷却水の流動経路が単純になるため、ヒートシンク１０の全体にわたって流量分配及び熱交換を均一に行うことができる。

前記ディンプル１２は、長辺Ｌの長さ方向に沿って、インレット１３及びアウトレット１４に近いほど長辺Ｌにより近く配置され、インレット１３及びアウトレット１４から遠くなるほど長辺Ｌからより遠く配置される。これにより、インレット１３及びアウトレット１４から遠くなるほど流動経路の断面積が増加し、インレット１３及びアウトレット１４が位置した短辺Ｓの反対側の短辺に迅速に到逹することができる。

複数個が形成される前記ディンプル１２は、同一の直径を有する円形に形成することができる。これにより、冷却水の流動時における不規則な流れによる渦流の形成を抑制または最小化することができる。

前記ヒートシンク１０には、厚さ方向に沿ってチャンバーの内部を貫通する貫通孔１５ａを有する貫通部が形成される。これにより、前記貫通孔１５ａを介して、前記ヒートシンク１０の結合装置または二次電池から連結される配線などを貫通させることができる。前記ヒートシンク１０をパックトレーに固定させる結合装置が前記貫通孔１５ａを介して結合される場合、前記ヒートシンクの中間位置でも締結力が発生するため、ヒートシンクがさらに強固に結合されることができる。

前記インレット及びアウトレットは、チャンバーと連通する面のうち一箇所が傾斜面１３ａ、１４ａで形成され、チャンバーに近い方向に行くに従って断面積が増加する形状を有する。これにより、迅速な冷却水の出入りが可能である。

以上、限定された実施形態と図面に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれにより限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者により、本発明の技術思想と添付の特許請求の範囲の均等範囲内で多様な実施が可能である。

１０ ヒートシンク
１１ チャンバー
１２ ディンプル
１３ インレット
１４ アウトレット
１５ 貫通部

Claims (9)

1. 複数の二次電池が搭載されるパックトレーに結合され、内部のチャンバーに冷却水が出入りするようにインレット及びアウトレットを有するヒートシンクであって、
   前記冷却水の流動経路を形成するように、前記チャンバーの内側に凸状に突出したディンプルを含み、前記ディンプルは、複数個が互いに離隔して配置されており、特定の領域で隣合う前記ディンプルの間の間隔と、他の領域で隣合う前記ディンプルの間の間隔とが互いに異なるように配置されており、
   前記複数個のディンプルは、前記インレット及び前記アウトレットに近いほど、稠密度がより高く配置されており、前記インレット及び前記アウトレットから遠くなるほど、稠密度がより低く配置されていることを特徴とする、ヒートシンク。
2. 前記ヒートシンクは、相対的に長い長さを有する２つの長辺と、相対的に短い長さを有する２つの短辺と、を有する四角形の板状を有し、前記インレット及び前記アウトレットは、相対的に短い長さを有する短辺のうちの１つの短辺において互いに対向する先端に位置するように配置されることを特徴とする、請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記ディンプルは、前記長辺の長さ方向に沿って、前記インレット及び前記アウトレットに近いほど、前記長辺により近く配置され、前記インレット及び前記アウトレットから遠くなるほど、前記長辺からより遠く配置されることを特徴とする、請求項２に記載のヒートシンク。
4. 前記ディンプルは円形に形成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のヒートシンク。
5. 複数個の前記ディンプルは同一の直径を有する円形に形成されることを特徴とする、請求項４に記載のヒートシンク。
6. 前記ヒートシンクには、厚さ方向に沿って前記チャンバーの内部を貫通する貫通孔を有する貫通部が形成されることを特徴とする、請求項２に記載のヒートシンク。
7. 前記貫通部は、前記ヒートシンクの表面から突出し、前記ヒートシンクが前記パックトレーの一側面に結合された時に密着される支持部を有し、前記支持部内に貫通孔が形成されることを特徴とする、請求項６に記載のヒートシンク。
8. 前記貫通部は、両側の前記短辺の中間地点同士を連結する仮想の線上に配置され、前記長辺の長さ方向に沿って複数個が離隔して配置されることを特徴とする、請求項７に記載のヒートシンク。
9. 前記インレット及び前記アウトレットは、前記チャンバーと連通する面のうちの一箇所が傾斜面で形成され、前記チャンバーに近い方向に行くに従って断面積が増加する形状を有することを特徴とする、請求項１から８の何れか一項に記載のヒートシンク。

Images