KR100555024B1 - 가변전열 히트파이프식 냉각장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력용 반도체 소자 등의 발열체를 냉각하기 위한 가변전열 히트파이프식 냉각장치에 관한 것이다.

Description

가변전열 히트파이프식 냉각장치{Variable Conductance Heat Pipe type Cooling Device}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변전열 히트파이프(VCHP)식 냉각장치를 도시한 종단면도.
도 2는 도 1의 변형예를 도시한 종단면도.
도 3은 도 1의 다른 변형예를 도시한 종단면도.
도 4는 도 1의 또 다른 변형예를 도시한 사시도.
도 5는 종래의 히트파이프식 냉각장치를 도시한 종단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2;20a,20b;30a,30b;40a,40b : 방열핀군
3 : 블록 4 : 발열체
5 : 작동액 7 : 불응축가스
10 : 가변전열 히트파이프
본 발명은 전력용 반도체 소자 등의 발열체를 냉각하기 위한 가변전열 히트 파이프식 냉각장치에 관한 것이다.
현재 전력반도체나 CPU냉각에 사용되는 히트파이프식 냉각장치는 주로 열적 성능에서 우수한 물을 사용하나, 주위 온도가 물의 삼중점(62㎏f/㎠, 0.06℃)이하에서는 물이 결빙하기 때문에 사용을 피하고 있다. 즉 빙점이하의 온도에서 히트파이프식 냉각장치의 작동이 정지되는 이유는 다음과 같다. 먼저 장시간 저온에서 방치되면 증발부에 있는 물은 응고된다. 반도체 소자에서 발생한 열이 증발부로 전달되면, 응고된 물은 융해하며 동시에 기화하게 된다. 이 기화된 증기는 응축부로 이동하여 응축하며 열을 방출하는 동시에 응축부 온도는 상승하게 된다. 연속적인 열공급이 응축부에 주어지면 응축부는 서서히 온도가 증가하며 응축된 액체는 중력이나 모세관력에 의하여 증발부로 귀환하게 된다. 그러나, 증발부에서 이송된 증기가 응축하여 열을 방출할 때 응축부 온도가 빙점이하가 되면 증기는 액화 직후 응고된다. 따라서, 응고된 액체는 중력이나 모세관력에 의하여 더 이상 귀환되지 못하고 응축부에서 정지된다. 연속적으로 증발부에서 열의 공급이 주어지면 응축부 온도는 삼중점 이상이 되기 때문에 융해되어 작동하게 되나, 물이 응축부에서 모두 결빙되면 용기 벽면의 열전달 이외의 열공급이 이루어지지 못하기 때문에 증발부는 급격히 과열되어 작동불능에 이르게 된다. 이것은 반도체 소자가 넘어서는 안 되는 온도 이상으로 상승하여 반도체 소자의 작동이 정지되며 또한 반도체의 수명을 현저히 단축시킨다.
이와 같이, 빙점 이하에서 물이 응축부에서 결빙되는 것을 방지하고자 에탄 올 등 알콜류나 FC(Flouro carbon)계열이 사용되는 경우가 있다. 알콜류는 가연성 때문에 철도 차량 등에서는 사용이 불가하여, 최근까지는 FC계열을 작동액으로 사용하고 있다. 그러나, FC계열의 작동액도 지구 온난화 지수(GWP)가 높아 선진국에서는 사용을 피하고 있다.
비가연성이며 환경 친화적인 물을 작동액으로 사용하고 빙점 이하에서도 냉시동이 가능한 히트파이프식 냉각장치로서, 예컨대 일본 특개평7-190655호의 공보에 개시된 것이 제안되고 있다.
전술한 히트파이프식 냉각장치는 도 5에 도시한 바와 같이, 복수의 히트파이프(1a,1b)의 일단부를 증발부로 하여 열전도율이 양호한 블록(3)에 매입하고, 이 블록(3)에 발열체(4)가 설치되고, 히트파이프(1a,1b)의 타단부를 응축부로 하여 복수의 방열핀(2)이 설치되되, 히트파이프(1b) 내에는 작동액(5) 이외에 불응축가스(7)를 봉입한 가변전열히트파이프이고, 히트파이프(1a)는 작동액(5)만 봉입한 전형전인 히트파이프이다. 발열체(4)로서는 주로 반도체와, GTO(Gate Turn-off) 시리스터(Thyristor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 모듈과 같은 전력용 반도체 소자이다.
이처럼, 작동액으로서 물을 사용하는 경우, 결빙하는 저온시에는 응축 능력이 작은 가변전열히트파이프(1b)가 시동하는 것에 의해, 냉각장치를 부분으로 작동시킬 수 있어 냉각 성능을 확보할 수 있고, 작동액이 결빙하지 않는 상온시에는 히트파이프(1a,1b) 전부가 작동하는 것에 의해 냉각성능을 확보한다. 그 결과, 넓은 온도 범위에서 소정의 냉각 성능이 확보된다.
이러한 구성은, 저온시에는 냉각 성능이 다소 떨어지더라도(이것은 응축부의 구간이 좁기 때문) 냉시동을 위한 가변전열히트파이프(1b)만을 사용하고, 상온시에는 가변전열히트파이프(1b) 뿐 아니라 응축부 전체 구간을 활용할 수 있는(즉 냉각 성능 확대) 히트파이프(1a)를 병행해서 사용하고자 하는 것이다.
그런데, 저온시에는 가변전열히트파이프(1b)만 작동하기 때문에, 발열체(4)의 양쪽과 중앙간에는 불균일한 냉각 분포가 형성되게 된다. 그 결과, 발열체(4)의 중앙에는 소정 온도 범위를 벗어나거나 온도차에 의한 변형 등과 같은 트러블로 인해, 발열체(4)의 수명을 현저히 단축시키게 된다. 특히, IGBT와 같이 다수의 반도체 소자를 하나의 모듈로 제작하는 모듈형 반도체 소자의 경우에는 반도체 소자 내부의 국부적인 온도 불균일로 인하여 반도체 모듈 전체의 평균 온도가 허용온도 미만을 유지하더라도 모듈을 구성하는 일부 반도체 소자의 안정성에 악영향을 미칠 수 있다. 이러한 트러블들은 상온시에도 마찬가지로 생기게 된다. 즉, 상온에서는 가변전열히트파이프(1b)의 불응축가스가 최대한 압축된다 하더라도 압축된 부분은 비응축 구간이 된다. 따라서, 히트파이프(1a)와 가변전열히트파이프(1b)간의 응축구간의 길이가 다르기 때문에, 냉각 성능에 차이가 생기고, 이로 인해 발열체(4)의 냉각분포가 불균일하게 된다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하고자 안출된 것으로서, 상온에서 응축구간이 다소 줄어들더라도 작동액이 결빙된 상태에서도 히트파이프의 시동이 가능하고 발열체의 온도를 소정 범위에 들도록 하여 발열체의 수명을 증대시킬 수 있는 가변전 열 히트파이프식 냉각장치를 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가변전열 히트파이프식 냉각장치는 작동액과 불응축가스가 봉입되는 복수의 가변전열히트파이프; 상기 각 가변전열히트파이프의 증발부가 매입되고, 발열체가 배치되는 블록; 상기 각 가변전열히트파이프의 응축부에 설치되는 복수의 방열핀으로 이루어지되, 상기 가변전열히트파이프의 모두에 상기 불응축가스가 봉입되는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하여, 외기 온도에 따라 응축부의 길이를 조절하는 불응축가스가 봉입된 가변전열 히트파이프의 전부가 작동하기 때문에, 상온에서 응축구간이 다소 줄어들더라도 작동액이 결빙된 상태에서도 히트파이프의 시동이 가능하고 발열체의 온도를 소정 범위에 들도록 하여 발열체의 수명을 증대시킬 수 있다.
전술한 구성에서, 상기 응축부의 일단측에 설치되는 방열핀의 재질은 상기 응축부의 타단측에 설치되는 방열핀의 재질과 다르게 구현하되, 구리(Cu)와 알루미늄(Al)의 재질로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 응축부의 일단측에 설치되는 방열핀의 피치는 상기 응축부의 타단측에 설치되는 방열핀의 피치와 다르게 구현할 수 있다.
또한, 상기 응축부의 일단측에 설치되는 방열핀의 표면적은 상기 응축부의 타단측에 설치되는 방열핀의 표면적과 다르게 구현할 수 있다.
또한, 상기 발열체는 전력용 반도체 소자이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하는데, 종 래의 것과 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.
먼저, 가변전열 히트파이프(VCHP)에 대해 간단히 설명하면, 파이프 내에 작동액(5) 외에 미량의 불응축가스(7)가 봉입되어 있다. 이 불응축가스(7)는 상대적으로 증기압이 낮은 응축부에 모여 있으며, 증발부에서 발생한 증기가 응축부 끝단으로 이동하는 것을 차단하는 역할을 한다. 그런데 이러한 불응축가스(7)가 존재하는 구간은 증기의 압력에 의하여 결정되기 때문에 증기의 온도가 증가하는 경우에는 압력도 함께 증가하여 불응축가스(7)를 압축하게 되는데, 이 불응축가스(7)의 존재 구간은 작동압력에 의한 가스와의 평형상태에서 결정된다. 따라서 열부하와 작동온도에 따라 응축구간의 길이가 변하게 되며, 일정 열부하를 냉각하는 경우, 응축부 조건에 따라 열컨덕턴스가 가변하기 때문에 가변전열 히트파이프라 부른다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변전열 히트파이프식 냉각장치를 도시한 종단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 가변전열 히트파이프식 냉각장치는 발열체(4)가 설치되는 블록(3), 이 블록(3)에 장착되는 복수의 가변전열 히트파이프(VCHP : Variable Conductance Heat Pipe)(10)와, 이 VCHP(10)에 설치되는 복수의 방열핀(2)으로 구성되어 있다.
VCHP(10) 각각은 파이프를 진공 배기한 후에, 소량의 작동액(5)과 불응축가스(7)를 봉입하고, 파이프의 양단을 밀봉하여 형성된다. 파이프의 재질로는 열전도율이 양호한 구리(Cu), 알루미늄(Al)이 일반적으로 적용된다. 불응축가스(7)로는 질소나 아르곤등과 같은 불활성 가스가 적용되는 것이 바람직하다. 블록(3)에 매입 된 부분이 VCHP(10)의 증발부에 해당되며, 납땜 등에 의해 고정된다.
한편, VCHP(10)의 응축부에는 얇은 판상의 방열핀(2)이 일정 간격마다 설치되어 있다.
이와 같이 구성된 VCHP식 냉각장치의 동작 및 작용에 대해 설명한다. 먼저 발열체(4)가 통전에 의해 열이 발생하면, 빙점이하의 저온상태에 놓인 VCHP 냉각장치의 블록(3)에 매입된 VCHP(10)의 증발부로 열이 전달된다. 이 전달된 열은 작동액을 융해 증발시킨다. 증발된 증기는 응축부로 이동하며 여기서 열을 방출한다. 그런데 외기 온도가 낮은 경우에는 증기의 온도(압력)가 낮으며 따라서 응축부의 대부분의 공간은 불응축가스(7)로 점유되어 있다. 따라서 이송된 증기의 대부분은 응축부 입구에서 응축하게 되며 일부는 낮은 온도로 인하여 결빙이 발생한다. 증발부에 연속적으로 공급된 열은 계속적으로 증기를 발생시키고 이 증기가 응축부에서 응축하며, 열을 공급함에 따라 응축부 온도는 증가하며 방열핀(2)의 온도도 상승한다. 방열핀(2)의 온도가 상승하여 빙점에 이르게 되면 결빙되었던 작동액이 액화되어 중력이나 모세관력에 의하여 증발부로 귀환함으로써, 연속적인 열전달을 이루게 된다. 이 과정에서 증기온도의 상승이 이루어짐에 따라 증기의 점유공간도 점차 증가(즉, 불응축가스의 점유공간은 감소)하게 되는데, 이 구간은 방열핀에서 이송열을 전달하는데 필요한 방열핀의 면적과 주위와의 온도차에 의하여 결정된다.
이와 같이, 외기 온도에 따라, 불응축가스의 점유공간에 따라 열컨덕턴스를 가변시키기 때문에, 냉시동이 가능할 뿐 아니라, 모든 VCHP가 소정의 냉각 성능을 발휘하여, 발열체가 외기 온도에 무관하게 소정 범위의 온도로 유지시킬 수 있는 것이다.
한편, 냉시동이 가능하면서 냉각 성능을 향상시키기 위해서는 불응축가스의 점유공간(비활동영역)을 줄이고 응축구간(활동영역)을 늘이는 것이 바람직하다. 이하, 도 2 및 도 4의 도면을 참조하여, 활동영역을 늘리는 다양한 변형예를 설명한다.
변형예 1(다른 재질의 복수의 방열핀군)
변형예1은 도 2에 도시한 바와 같이, 복수의 방열핀을 재질이 다른 2개의 방열핀군(20a,20b)으로 구현함으로써, 응축 구간을 넓힐 수 있다. 즉, 방열핀군(20a)이 구리(Cu)이면 방열핀군(20b)은 알루미늄(Al)으로 하거나, 그 반대로 구현할 수 있다. 이러한 방열핀의 재질에 따른 영향을 살펴보면 다음과 같다.
즉, 전술한 바와 같이 빙점 이하에서 시동이 실패하는 이유는 응축부로 이송된 증기가 응축부에서 열을 방출한 후 응고되어 증발부로의 귀환이 정지되기 때문이다. 따라서 빙점 이하에서 시동이 이루어지려면 응축부의 온도가 응고온도(융해온도, 통상 삼중점) 이상이어야 한다. 예컨대, 외기가 -25℃인 경우 장기간 작동이 정지한 상태에서 방치되었다면 VCHP 냉각장치의 증발부, 응축부 및 방열핀의 온도는 -25℃에서 평형을 이루고 있을 것이다. 작동액이 물인 경우라면, 증발부에는 물이 얼어있는 상태로 존재한다. 증발부에 열부하가 주어지면 작동액은 융해, 증발하여 응축부로 이동하고 이송된 열(잠열)을 내놓는다. 따라서 응축부의 온도는 상승하게 되는데 이때 이송된 열부하는 다음과 같이 표현된다.
Q(J) = m×hfg
여기서, hfg : 잠열(J/kg), m : 기화(응축)된 질량(kg)
이송된 열에 의하여 상승되는 응축부의 온도는 아래와 같이 간략히 표현된다.
DT(℃ ) = Q/(M×Cp)
여기서, M : 응축부 방열핀과 파이프의 질량(kg), Cp : 방열핀과 히트파이프 용기의 질량을 고려한 상당 평균비열 (J/kgK)
-25℃의 저온에도 불구하고 이송된 증기가 정상적으로 귀환하기 위해서는 응축부 온도가 최소 0℃ 이상에 도달하여야 하므로 온도차 DT=25℃가 요구된다. 이때 공급되는 열은 모두 증기에 의하므로, 만약 모든 증기가 기화하여 응축부에 전달하더라도 25℃를 상승할 만큼의 열을 공급하지 못하면 응축부는 0℃ 미만이 된다. 예를 들어 3g의 물이 작동액으로 충전되어 있다면 최대 가능 이송 열부하는 아래와 같다.
Q = m×hfg = 2448000×0.003 = 7344(J)
이 열이 모두 방열핀과 파이프를 가열하는데 사용되고 정상적인 결빙시동이 이루어지려면 방열핀의 재질이 알루미늄인 경우 최대로 가열 가능한 질량은
M = Q / (Cp×DT) = 7344 / (903×25) ≒ 0.32(kg)이고,
방열핀의 재질이 구리이라면
M = Q / (Cp×DT) = 7344 / (385×25) ≒ 0.76(kg) 미만의 질량이 요구된다. 여기서는 히트파이프 용기의 열용량을 무시할 수 있다고 가정하였다.
구리와 알루미늄의 밀도가 차이가 있으므로 동일한 두께의 방열핀을 사용하는 경우, 예를 들어 폭 400mm 높이 150mm, 두께 0.6mm 라면 방열핀의 수는 질량 M = ρ×V [ρ: 밀도(kg/㎥), V: 체적(㎥)]의 관계에서 체적 V = W(폭)×H(높이)×t(두께)×n(방열핀의 수) 이므로
알루미늄 : n = M/(ρ×W×H×t) = 0.32/(2702×0.4×0.15×0.0006)≒3.2장
구리 : n = M/(ρ×W×H×t) = 0.76 /(8933×0.4×0.15×0.0006)≒2.3장
따라서 저온 기동이 가능하려면 동일 크기의 방열핀에서 냉시동 가능한 방열핀 수는 예를 들면, 파이프 10개가 설치된 경우라면 알루미늄의 경우는 총 32장 정도를, 구리의 경우라면 23장 정도를 가열하여 융해점 이상으로 만들 수 있다. 즉, 방열핀의 수가 이보다 많게 되면 냉시동은 실패할 수 있다.
변형예 2(피치가 다른 복수의 방열핀군)
변형예2는 도 3에 도시한 바와 같이, 복수의 방열핀을 피치가 다른 2개의 방열핀군(30a,30b)으로 구현함으로써, 응축 구간을 넓힐 수 있다. 즉, 방열핀군(30a)이 방열핀군(30b)보다 넓은 간격으로 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 방열핀의 피치에 따른 영향을 살펴보면 다음과 같다.
변형예1에서 계산한 결과와 같이 간략한 계산으로 시동가능 여부를 판단할 수 있는데, 실제의 냉각기 설계에서는 설치환경을 고려할 때 주위환경은 통상 40 인 경우를 기준으로 하며 이에 따라 방열핀의 수는 냉시동이 가능한 방열핀의 수보다는 통상 2-3배 많아진다. 따라서 VCHP를 이용하여 냉각 영역을 제어하고자 하는 것인데 앞의 계산 예에서 방열핀의 피치를 10mm로 한다면
알루미늄의 경우에는 320mm, 구리의 경우에는 230mm까지 VCHP의 응축부 작동영역이 제한되도록 제어해야 한다. 그러나 -25℃ 에서 VCHP의 응축부 작동구간이 예를 들어 400mm라면 방열핀의 수가 40장이 설치되기 때문에 냉시동 범위를 벗어나게 된다. 이러한 경우라면
알루미늄 : p = 400/32 = 12.5mm
구리 : p = 400/23≒17.4mm 로 한다면 정상적으로 시동이 가능하도록 할 수 있다.
그러나, 방열핀의 피치를 크게 하면 전열면적의 감소를 초래하기 때문에(열전달 계수는 증가하나 최적 피치가 존재) VCHP의 길이를 증가시키고 냉각 장치의 크기 증대를 초래하여 긍정적이지 못하다. 따라서 냉시동 구간만을 필요로 하는 경우(30a) 외의 구간과 서로 다르게 할 수 있다.
변형예 3(표면적이 다른 복수의 방열핀군)
변형예3은 도 4에 도시한 바와 같이, 복수의 방열핀을 표면적이 다른 2개의 방열핀군(40a,40b)으로 구현함으로써, 응축 구간을 넓힐 수 있다. 즉, 방열핀군(40a)의 표면적이 방열핀군(40b)보다 작은 것이 바람직하다. 이러한 방열핀의 크기에 따른 영향을 살펴보면 다음과 같다.
전술한 변형예1 및 변형예2에서 보는 것과 같이 방열핀의 질량을 제어하여 열용량(Thermal capacity)을 제어하는 방법을 적용하기 때문에, 열용량을 제어하는 또 다른 방법으로 방열핀의 크기를 변화시킬 수 있다. 즉 400mm×150mm을 400mm×100mm으로 감소시키면 질량감소에 의하여 방열핀 1개당의 열용량이 감소하기 때문에 동일한 피치를 사용하더라도 방열핀의 수를 보다 많이 설치 할 수 있기 때문에 VCHP의 응축부 작동구간을 보다 넓게 적용할 수 있다.
그러나, 방열핀의 크기를 작게 하면 전열면적의 감소를 초래하기 때문에, 냉시동 구간만을 필요로 하는 경우(40a) 외의 구간과 서로 다르게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 가변전열 히트파이프식 냉각장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다. 예컨대, 발열체는 전술한 철도 차량용 제어장치 뿐 아니라 빙점 이하의 외기 온도에서 사용하는 반도체 냉각 장치에 적용될 수 있다. 또한, 가변전열 히트파이프의 응축구간을 일반 히트파이프와 같도록 하기 위해, 가변전열 히트파이프의 상단에 불응축가스 리저버를 둘 수 있다.
이상의 설명에서 명백하듯이, 본 발명의 복수의 가변전열 히트파이프식 냉각장치에 의하면, ①상온에서 응축구간이 다소 줄어들더라도 작동액의 응고점보다 외기 온도가 낮은 환경 하에서도 냉시동이 가능할 뿐 아니라, ②복수의 가변전열 히트파이프 모두가 냉시동에 참여함으로써, 발열체의 온도를 외기 온도와 무관하게 소정 범위에 들도록 하여 전력용 반도체 소자와 같은 발열체의 수명을 증대시킬 수 있다.
또한, 방열핀군을 크게 2개로 나누어, 서로 재질이나 피치 또는 그 크기를 제어함으로써, 낮은 외기 온도 하에서 응축부의 활동영역을 넓힐 수 있어, 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 작동액과 불응축가스가 봉입되는 복수의 가변전열히트파이프;
    상기 각 가변전열히트파이프의 증발부가 매입되고, 발열체가 배치되는 블록;
    상기 각 가변전열히트파이프의 응축부에 설치되는 복수의 방열핀을 포함하여 이루어지되,
    상기 불응축가스가 상기 가변전열히트파이프 모두에 봉입된 것을 특징으로 하는 가변전열 히트파이프식 냉각장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 응축부의 일단측에 설치되는 방열핀의 재질은 상기 응축부의 타단측에 설치되는 방열핀의 재질과 다른 것을 특징으로 하는 가변전열 히트파이프식 냉각장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 방열핀의 재질은 구리(Cu)와 알루미늄(Al)인 것을 특징으로 하는 가변전열 히트파이프식 냉각장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 응축부의 일단측에 설치되는 방열핀의 피치는 상기 응축부의 타단측에 설치되는 방열핀의 피치와 다른 것을 특징으로 하는 가변전열 히트파이프식 냉각장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 응축부의 일단측에 설치되는 방열핀의 표면적은 상기 응축부의 타단측에 설치되는 방열핀의 표면적과 다른 것을 특징으로 하는 가변전열 히트파이프식 냉각장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발열체는 전력용 반도체 소자인 것을 특징으로 하는 가변전열 히트파이프식 냉각장치.
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