KR0158468B1 - 히이트파이프식반도체냉각기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히이트파이프를 사용해서 반도체를 냉각하는 냉각기에 관한 것이다.

본 발명은 용기내압 한계의 제약을 받지 않고, 냉각특성을 향상시킨 히이트파이프식의 반도체 냉각기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 히이트파이프식 반도체 냉각기는, 내부에 작동액이 봉입된 히이트파이프(11)와, 이 히이트파이프(11)의 일단부에 장착되고 반도체소자(15)가 설치된 열전도체(14)를 구비하고, 히이트파이프(11)의 작동액(13)이 노오멀퍼플로로펜탄인 것을 특징으로 한다.

Description

히이트파이프식 반도체 냉각기

제1도는 본 발명의 일실시예의 히이트파이프식 반도체 냉각기를 사용해서 구성한 냉각스택을 표시한 단면도.

제2도는 동 실시예의 히이트파이프식 반도체 냉각기를 표시한 사시도.

제3도는 종래의 반도체 냉각기를 표시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 히이트파이프 11a : 하반부

11b : 상반부 12 : 절연애자통

13 : 작동액(노오멀플로로펜탄)

14 : 열전도체 14a : 복수의 삽입구멍

15 : 반도체소자(다이리스터) 16 : 전기상자

17 : 로드 18 : 놀림판

19 : 너트 20 : 절연판

21 : 방열핀

본 발명은 히이트파이프를 사용해서 반도체를 냉각하는 냉각기에 관한 것이다.

전기철도차량에 탑재되는 제어기기에는 전력용 반도체소자로서 예를 들면 다이리스터가 설치되어 있다. 이 전력용 반도체소자는 작동할때의 손실발열이 크다. 이때문에, 전력용 반도체소자는 이 소자를 냉각하는 냉각기와 조합해서 전기철도차량용 제어기기에 설치되어 있다.

종래, 전력용 반도체소자를 냉각하는 냉각기는 푸론비등탱크식이 사용되고 있다. 제3도는 이 형식의 냉각기를 표시하고 있다.

도면중 (1)은 탱크로, 그 내부에는 통상 절연성 액체의 푸론 113(2)가 저류되어 있다. 또, 탱크(1)의 내부에는 다이리스터 소자등의 복수의 전력용 반도체소자(3)가 배치되어 있다. 각 반도체소자(3)는 각각 열전도체(4)에 협지되고, 각 반도체소자(3)를 끼운 복수의 열전도체(4)는 로드(5)가 관통되어 유지되고 있다. 이들 반도체소자(3), 열전도체(4) 및 로드(5)의 조립체는 탱크(1)에 지지되어 있다. 각 반도체소자(3)는 전기절연되면서 외부의 전기회로에 접속되어 있다.

(6)은 탱크(1)의 외부에 배설된 복수의 액환류관으로, 이들 액환류관(6)의 양쪽끝부분은 각각 공통으로 모여져서 탱크(1)에 접속되어 있다. 또, 이들 액환류관(6)에는 공통적으로 복수의 방열핀(7)이 늘어서서 장착되고 있다.

이와 같이 구성된 냉각기는, 반도체소자(3)로부터 방출된 열에 의해 푸론(2)이 가열되어 증발한다. 증발해서 기화한 푸론(2)은 액환류관(6)을 흘러 방열해서 응축되고, 다시 액화한 푸론(2)은 탱크(1)로 돌아온다. 이에 의해 반도체소자(3)가 냉각된다.

그러나 최근 특정푸론인 푸론 113은 지구적인 환경보호를 위해 사용이 규제받게 되었다. 이때문에, 푸론비등탱크식 반도체소자 냉각기에 있어서도 염소원자를 함유해서 푸론 113이 냉매로서 사용할 수 없게 되었다.

그래서, 현재 비등탱크식 반도체소자 냉각기에 있어서는, 푸론 113 대신 이 푸론 113의 특성에 가까운 특성을 가진 노오멀퍼플로로헥산이 절연성 냉각매체로서 사용되고 있다. 이것은 다음에 설명하는 이유에도 기인되는 것이다.

노오멀플로로헥산의 비점이 56℃, 탱크(1)의 실가동최대온도 90℃에서의 증기압 3.0㎏f/㎠에서, 법규에 정해진 압력용기로서의 실가동최대온도 90℃에서의 증기압 5㎏f/㎠에 미달이다. 또한 이 냉각매체는 열류속 최대가 되는 압력이 6.23㎏f/㎠에서 양호한 열전달특성을 가지기 때문이다.

왜냐하면, 법규에 정해진 탱크에 사용하는 액체의 실가동최대온도 90℃에서의 증기압이 5㎏f/㎠를 초과하면, 탱크를 압력용기로서의 구조로 할 필요가 있고, 이 경우에는, 탱크의 구조가 대규모로 강고해지고, 스페이스상, 중량상 및 경제성의 면에서도 실용적이 못되기 때문이다.

그러나, 이 노오멀퍼플로로헥산을 냉각매체로서 사용한 비등탱크식 반도체 냉각기는, 푸론을 냉각매체로서 사용한 비등탱크식 반도체 냉각기에 비교해서 냉각특성이 미치지 못하고, 따라서 반도체 냉각기로서 사용하는데 있어서 실용상 문제가 있었다.

본 발명은 상기 사정에 비추어 이루어진 것으로, 충분한 냉각특성을 발휘할 수 있는 히이트파이프식 반도체 냉각기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 히이트파이프식 반도체 냉각기는, 내부에 작동액이 봉입된 히이트파이프와, 이 히이트파이프의 일단부에 장착되고 반도체소자가 설치된 열전도체를 구비하고,상기 히이트파이프의 작동액이 전기절연성을 가진 노오멀퍼프롤로펜탄인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 발명자는 노오멀퍼플로로헥산을 냉각매체로서 사용한 비등탱크식 반도체 냉각기의 냉각특성을 높이는 것을 목적으로 여러가지 연구를 거듭한 결과 다음의 것을 알게 되었다.

발명자는 냉각매체의 면과, 용기구조의 면의 양쪽으로부터 연구를 행하였다.

냉각매체의 면은 다음과 같다. 노오멀퍼플로로헥산보다 높은 냉각특성을 가진 냉각매체를 조사하면, 노오멀퍼플로로헥산 보다 탄소의 분자수가 1개 적고, 노오멀퍼플로로헥산보다 저비점(29℃)인 노오멀퍼플로로펜탄을 들 수 있다.

그러나, 이 노오멀퍼플로로펜탄에 있어서의 실가동최대온도 90℃에서의 증기압은 5.9㎏f/㎠이고, 법규에 정해진 압력용기로서의 실가동최대온도 90℃에서의 증기압 5㎏f/㎠를 초과하고 있다. 이때문에, 노오멀퍼플로로펜탄을 탱크에 수용하면, 법규에 의거해서 탱크를 압력용기로서의 구조로 할 필요가 있다.

그래서, 압력용기로서의 제약을 회피하면서, 노오멀퍼플로로펜탄을 냉각매체로서 사용할 수 있는 용기의 구조의 개발이 필요한 것을 알았다.

한편, 구조면은 다음과 같다. 용기가 탱크이면, 용기내압한계의 제약을 받아, 사용 유체의 최대가동온도에서의 증기압이 5㎏f/㎠인 경우에는, 압력용기를 만드는 것은 숙명적이다. 이 대책으로서 용기로서 탱크 대신 히이트파이프를 사용하는 것에 착안하였다. 히이트파이프의 강도를 검토하면, 내용적이 작고 단순한 파이프구조이기 때문에, 실가동최대온도 90℃에서의 증기압 5.9㎏f/㎠에 충분히 견딜 수 있는 강도를 얻게 되는 것을 알았다. 또, 히이트파이프는 각각이 소용량의 파이프구조이므로 법규상의 압력용기의 적용을 받는 일이 없는 것도 알게 되었다.

이상이 일들로서 용기로서 히이트파이프를 채용하는 것, 및 히이트파이프의 작동액으로서 전기절연성을 가진 노오멀퍼플로로펜탄을 사용하는 것을 조합해서 반도체 냉각기를 구성하므로서, 반도체 냉각기로서 실가동온도시에서의 증발, 비등압력을 높이고, 히이트파이프의 내부에서의 비등열전달 특성을 향상시키고, 용기내압한계의 제약을 받지 않고 냉각특성을 향상시킬 수 있다.

여기서 더 상세히 설명을 부가한다.

히이트파이프에 봉입된 냉각매체는, 냉각기의 압력이 높아질수록 적은 온도차에서도 기포핵의 발생을 개시한다. 이때, 기포는 작은 다수의 핵이 되고 냉각매체의 비등을 촉진시킨다. 따라서, 냉각기의 압력이 높을수록 빠르고 심한 비등이 발생하고, 비등열전달 특성을 향상시킨다. 그리고, 이 압력에 의한 열전달특성도 한계가 있고, 일반적으로 실험가동시에서 최대의 열전달특성을 얻기 위한 압력은, 그 냉각매체의 임계압력인 약 1/3정도가 최적하다는 것이 실험에 의해 판명되었다. 표 1은 각 종류의 냉각매체의 물성치를 표시하고 있다.

이 표 1에 의하면 노오멀퍼플로로펜탄의 실가동최대온도 90℃에서의 증기압은 5.9㎏f/㎠이고, 최대열전달특성을 얻기 위한 최대열류속을 얻게 되는 압력이 6.96㎏f/㎠이다. 이때문에, 노오멀퍼플로로펜탄은 실가동최대온도 90℃에서의 증기압이 5.9㎏f/㎠에 가깝고, 본 발명이 대상으로 하는 냉각기의 냉각매체로서 적합한 것을 알 수 있다.

표 1에 의하면, 퍼플로로펜탄보다 탄소분자수가 1개 많은 노오멀퍼플로로헥산의 실가동최대온도 90℃에서의 증기압력은 3.0㎏f/㎠, 최대열류속을 얻게 되는 압력은 6.23㎏f/㎠이고, 본액의 실가동최대온도 90℃에서의 증기압(3.0㎏f/㎠)은 6.23에 대해서 약 절반으로 작고 실가동시에는 적합하지 않은 것을 알 수 있다.

표 1에 의하면, 노오멀퍼플로로헥산보다 탄소분자수가 1개 적은 퍼플로로부탄은, 실가동최대온도 90℃에서의 증기압력 10.50㎏f/㎠로 크게 되나, 열류속이 최대가 되는 압력인 7.3㎏f/㎠을 초과하고 있다. 이때문에, 퍼플로로부탄은 실가동시에는 적합하지 않은 것을 알 수 있다.

본 발명의 일실시예에 대해서 도면을 참조해서 설명한다.

이 실시예는 복수대의 히이트파이프식 반도체 냉각기를 조합한 냉각스택을 대상으로 하고 있다. 이 냉각스택은 예를 들면 전기철도차량에 전력제어용으로서 탑재된다.

제1도는 냉각스택을 표시하고, 제2도는 냉각기 단체를 표시하고 있다.

냉각기에 대해서는 제1도 및 제2도를 참조해서 설명한다.

도면중 (11)은 히이트파이프이다. 이 히이트파이프(11)는 하단을 폐쇄한 구리등의 금속파이프로 이루어진 하반부(11a)와, 상단을 폐쇄한 구리등의 금속파이프로 이루어진 상반부(11b)를 절연애자통(12)으로 연결해서 형성되어 있다. 히이트파이프(11)의 하반부(11a)의 상반부(11b)의 내면에는 워크로서 축방향을 따르는 홈등(도시않음)이 형성되어 있다. 히이트파이프(11)의 내부에는 작동액인 노오멀퍼플로로펜탄(13)이 봉입되어 있다.

히이트파이프(11)의 하반부(11a)에는 구리등의 금속으로 형성된 열전도체(14)가 설치되어 있다. 이 열전도체(14)는 제2도에 표시한 바와 같이 블록형을 이루고, 보구의 삽입구멍이 늘어서서 형성되어 있다.

히이트파이프(11)는 복수개 준비되고, 각 히이트파이프(11)의 하반부(11a)가 열전도체(14)의 각 삽입구멍(14a)에 각각 삽입되어 납땜등의 수단으로 접합되어 있다. 열전도체(14)는 다이리스터등의 반도체소자(15)를 유지한다.

이와 같이 구성된 냉각기는 복수조 늘어서서 배치되어 전기상자(16)에 설치되어 있다. 각 냉각기의 히이트파이프(11)의 하반부(11a)는 전기상자(16)의 내부에 배치되어 있다. 각 냉각기의 열전도체(14)에 로드(17)가 삽통되고, 이 로드(17)의 양단부는 눌림판(18)에 삽통되어 너트(19)가 나사맞춤되어 있다. (20)은 절연판이다. 각 냉각기의 히이트파이프(11)의 상단부(11b)는 전기상자(16)를 관통해서 외부로 돌출되고, 이들 각 상반부(11b)에는 각각 금속으로 이루어진 다수의 방열핀(21)이 장착되어 있다.

여기서, 냉각기는 2대를 1조로 해서 조합, 각 냉각기의 열전도체(14)의 사이에서 반도체소자(14)를 끼워서 유지한다.

이 냉각스택에 있어서의 냉각기의 작용에 대해서 설명한다.

히이트파이프(11)는 하반부(11a)가 입열부, 상반부(11b)가 방열부로 되어 있다. 즉, 반도체소자(15)로부터 방출되는 열은 열전도체(14)를 개재해서 히이트파이프(11)의 하반부(11a)에 전달된다. 히이트파이프(11)의 내부에 봉입되어 하반부(11a)에 있는 노오멀퍼플로로펜탄(13)이 가열되어 증발한다. 이때, 증발잠열이 흡수된다.

노오멀퍼플로로펜탄(13)의 증기는 히이트파이프(11)의 내부를 상승해서 방열부에서 응축한다. 이때, 증발잠열이 방출된다. 이 열은 히이트파이프(11)의 상반부(11b) 및 방열핀(21)을 전달해서 공기속으로 방출된다. 농축한 노오멀퍼플로로펜탄(13)은 히이트파이프(11)의 상반부(11b)로부터 파이프내면의 홈을 따라 흘러서 하반부(11a)로 돌아간다.

또한, 히이트파이프(11)에 대한 냉각은, 팬에 의해 히이트파이프(11)에 바람을 보내는 방식, 혹은 자연의 공기흐름에 의한 방식의 어느것이라도 된다.

여기서, 히이트파이프(11)에 냉각매체로서 수용된 노오멀퍼플로로펜탄(13)은, 대기압하에서 비점이 29℃로 낮기 때문에, 실가동최대온도 90℃에서의 내부증기압력이 5.9㎏f/㎠가 되고, 핵비등이 촉진되고, 또한 최대열류속을 얻게 되는 압력이 6.96㎏f/㎠에 가깝기 때문에 비등열전도율이 향상한다. 즉, 작동시의 내압이 높고, 그때의 비등상태가 심하게 되고, 비등열전달특성이 향상한다. 따라서, 반도체소자(15)에 대한 방열냉각특성이 향상한다.

또, 각 냉각기의 히이트파이프(11)는 각각이 소용량의 파이프이기 때문에 내압강도가 높고, 예를 들면 열류속이 최대가 되는 6.96㎏f/㎠ 정도까지는 견딜 수 있고, 노오멀퍼플로로펜탄(13)이 가진 실가동최대온도 90℃의 내부증기압력 5.9㎏f/㎠는 충분히 견딜 수 있다.

다음에 구체적인 일예에 대해서 설명한다.

히이트파이프(11)는 구리파이프로 형성하고, 외경이 22.23㎜, 길이가 600㎜의 것을 4개 사용하였다. 히이트파이프(11)의 내부에는 작동액으로서 퍼플로로펜탄을 봉입하였다. 열전도체(14)는 구리로 형성하고, 폭이 120㎜, 길이가 100㎜, 두께가 25㎜이다. 방열핀(21)은 세로 180㎜, 가로 70㎜, 두께 0.4㎜의 것으로, 56매 설치하였다. 반도체소자로서 다이리스터를 사용하였다.

이와 같은 구성의 냉각기를 2대를 1조로서 조합하고, 각 냉각기에 있어서의 열전도체(14)의 사이에서 다이리스터를 협지하였다. 그리고, 상기 냉각기의 조합을 4조 설치해서 전체적으로 다이리스터 4개, 냉각기 8대로 이루어진 냉각스택을 제작하였다.

그리고, 이 냉각스택에 4개의 다이리스터로부터의 열손실 2000W를 인가해서 자연대류냉각성능을 평가하였던 바, 반도체소자면의 온도상승이 50℃(스택열저항 0.025℃/W)의 값을 얻게 되었다.

비교예로서 반도체(다이리스터)의 히이트싱크를 각각 4개 조합해서 탱크에 저류한 노오멀클로로헥산에 침지해서 종래의 탱크식 냉각스택을 구성하였다. 그리고, 이 스택에 총열손실 2000W를 인가해서 자연대류냉각성능을 평가하였던 바, 반도체소자면의 온도상승이 64℃나 되었다(스택열저항 0.032℃/W).

이 결과, 표 2에 표시한 바와 같이 본 발명의 냉각기와 비교예의 냉각기와의 냉각성능을 비교하면, 본 발명의 냉각기의 냉각성능은 약 20%의 향상이 보였다.

또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 여러가지 변형해서 실시하는 것이 가능하다.

상술한 실시예에서는, 히이트파이프는 하반부와 상반부와의 사이에 절연애자통을 개재해서 양자의 사이의 절연을 도모하고 있으나, 이 구성에는 한정되지 않는다.

상술한 실시예에서는, 냉각기는 열전도체에 복수개의 히이트파이프를 장착해서 구성되어 있으나, 이것에 한정되지 않고 열전도체에 1개의 히이트파이프만을 장착해서 냉각기를 구성할 수도 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 작동액으로서 노오멀퍼플로로펜탄을 사용한 히이트파이프를 채용하므로서, 용기내압한계의 제약을 받지 않고 냉각특성을 향상시켜서 반도체를 충분히 냉각할 수 있는 히이트파이프식 반도체 냉각기를 얻을 수 있다.

Claims (1)

1. 내부에 작동액이 봉입된 히이트파이프와, 이 히이트파이프의 일단부에 장착되고 반도체소자가 설치된 열전도체를 구비하고, 상기 히이트파이프의 작동액이 노오멀플로로펜탄인 것을 특징으로 하는 히이트파이프식 반도체 냉각기.