KR101289313B1

KR101289313B1 - 수냉식 쿨러 및 이를 구비한 인버터

Info

Publication number: KR101289313B1
Application number: KR1020090045139A
Authority: KR
Inventors: 장석채; 이수동
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2013-07-24
Also published as: CN101895189A; US20100296247A1; CN101895189B; JP2010272870A; KR20100126087A; US8339785B2; EP2254399A2; EP2254399A3

Abstract

본 발명은 수냉식 쿨러 및 이를 적용한 인버터에 관한 것이다. 본 발명은 절곡면을 갖는 냉각수 유로에서 그 절곡진 유로의 중간에 냉각수를 분배할 수 있는 안내핀이 형성됨으로써 상기 냉각수 유로의 절곡진 부위에서의 냉각수 유속을 균일하게 하고 이를 통해 수냉식 쿨러의 냉각성능을 향상시킬 수 있다. 또, 냉각핀을 연장하지 않고도 수냉식 쿨러의 냉각성능이 향상됨에 따라 그 수냉식 쿨러의 무게가 증가되는 것을 미연에 방지하고 제조비용도 절감할 수 있다.

인버터, 수냉식 쿨러, 냉각수 유로

Description

수냉식 쿨러 및 이를 구비한 인버터{WATER-COOLING TYPE COOLER AND INVERTER HAVING THE SAME}

본 발명은 수냉식 쿨러에 관한 것으로, 특히 전기 자동차 등에 사용되는 수냉식 인버터의 냉각 성능을 극대화하기 위해 냉각수 유로를 간단하면서도 냉각효과를 높일 수 있도록 하는 수냉식 쿨러에 관한 것이다.

일반적으로 자동차용 엔진으로 널리 사용되는 가솔린 기관을 비롯한 내연기관은 연료를 실린더 내에서 연소시켜 발생되는 열에너지를 동력으로 이용한다. 이러한 내연기관은 연소 후에 배출되는 배기가스 중에는 연소에 의한 질소산화물과 불완전연소로 인한 일산화탄소 및 탄화수소와 같은 유해한 성분이 함유되어 있어 대기를 오염시킨다. 이와 같은 환경오염 문제 및 화석연료의 고갈로 인해 세계 여러 나라에서는 태양열이나 전기와 같은 대체에너지를 이용한 자동차용 엔진에 대한 연구가 더욱 활발하게 진행되고 있다.

이러한 대체에너지를 이용한 자동차용 엔진 중에서 가장 실용화 가능성이 높은 것이 전기에너지를 이용하여 차량을 구동하는 방식인 전기 자동차(electric vehicle)용 엔진이다. 전기 자동차용 엔진은 가솔린기관의 휘발유 대신에, 축전지 에서 공급되는 전기에 의해 모터를 회전시키고, 이때 발생되는 모터의 회전력을 감속기에 의해 감속시킨 다음, 차동장치를 통해 좌·우측 구동륜으로 전달하여 차량의 주행을 가능케 하는 구조를 가진다.

전기 자동차는 에너지원에 해당하는 축전지로부터 공급되는 전기에 의해 구동계를 구성하는 구동모터가 구동하여 바퀴에 동력을 전달하는 원리로 되어 있다. 구동모터와 이를 제어해 주는 인버터로 구성되는 상기 구동계는 구조적 특성 및 작동 특성으로 인하여 구동 과정에서 고열을 수반하기 때문에 이러한 고열을 제거하기 위한 방안으로 냉각시스템을 운용하고 있다. 즉, 구동계를 냉각하기 위한 시스템은 라디에이터 → 냉각펌프 → 인버터 → 구동모터 → 라디에이터 순서로 냉각수가 순환된다.

상기 구동계를 구성하는 구동모터는 내구성이 강해 열에 어느 정도 견딜 수 있도록 설계되어 있다. 하지만, 많은 전자칩들로 구성되어 있는 인버터는 열에 매우 민감하여 제대로 냉각이 이루어지지 못했을 경우에 인버터의 작동이나 제어에 악영향을 미칠 뿐만 아니라, 소자를 접합하고 있는 납땜이 녹아 회로의 접속 불량을 야기시키는 문제가 발생한다. 그리고 상기 인버터의 본체 내부에 설치되는 회로보드는 통상 파워모듈, 제어보드, 전원보드 및 구동보드로 구성되며, 특히 복수의 전력스위칭소자로 이루어진 파워모듈에서 대부분의 발열이 일어난다.

따라서, 종래에는 인버터의 본체를 구성하며 그 상면에 파워모듈이 결합되는 쿨러의 저면에 냉각수 유로가 형성되고 그 냉각수 유로에 냉각수를 흘려보내 상기 파워모듈을 냉각시키는 수냉식 쿨러가 알려져 있다. 상기 수냉식 쿨러의 냉각수 유 로는 냉각수가 가급적 장시간, 넓게 접촉될 수 있도록 지그재그 모양으로 형성되어 있다. 그리고 냉각수 유로의 형상은 인버터 본체 내에 설치되는 파워모듈의 위치에 따라 다르며, 상기 파워모듈을 구성하는 전력스위칭소자의 갯수나 그 위치에 따라서도 달라진다. 그리고 상기 냉각수 유로에는 냉각수와의 접촉면적을 넓히기 위해 냉각핀이 형성된다. 이 냉각핀은 파워모듈의 발열량에 따라 발열량이 많은 부분에서 핀의 피치를 좁게, 발열량이 작은 부분에는 핀의 피치를 넓게 형성하고 있다.

도 1은 종래 수냉식 쿨러에서 냉각수 유로를 보인 평면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 종래 수냉식 쿨러(1)의 냉각수 유로는 단일 직선 유로를 형성하는 제1 유로부(11)와, 그 제1 유로부(11)에 연결되고 단일 곡선 유로를 형성하는 제2 유로부(12)와, 그 제2 유로부(12)에 연결되고 직선 유로를 형성하며 복수 개의 냉각핀(15)에 의해 복수 유로(chanel)를 형성하는 제3 유로부(13)로 이루어져 있다.

상기 제1 유로부(11)는 한 개가 형성되고, 상기 제2 유로부(12)와 제3 유로부(13)는 번갈아 복수 개씩 형성되어 있다. 그리고 상기 제1 유로부(11)는 수냉식 쿨러(1)의 입구(2)에 연결되고, 상기 제3 유로부, 즉 마지막 제3 유로부(13)는 수냉식 쿨러(1)의 출구(3)에 연결되어 있다.

상기와 같은 종래 수냉식 쿨러(1)는 입구(2)를 통해 유입되는 냉각수가 제1 유로부(11)와 제2 유로부(12)를 거쳐 제3 유로부(13)로 진입한다. 이 제3 유로부(13)로 진입하는 냉각수는 그 제3 유로부(13)가 복수 개의 냉각핀(15)에 의해 복수 개의 유로로 나뉘어짐에 따라 분배되어 제3 유로부(13)를 통과하게 된다. 이 과 정에서 냉각수는 냉각핀(15)과 접촉되면서 상기 파워모듈과 같이 발열량이 많은 부품을 신속하게 냉각시키게 된다. 그리고 상기 냉각수는 이어지는 제2 유로부(12)와 제3 유로부(13)를 번갈아 통과한 후 출구(3)를 통해 배출되는 일련의 과정을 반복하게 되는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 수냉식 쿨러는, 냉각수가 곡면부위, 즉 제2 유로부(12)에서 유로가 꺾이면서 원심력에 의해 바깥쪽으로 집중되고 이로 인해 냉각수의 분포가 균일하지 못하게 되는 것은 물론, 제2 유로부(12)에서 바깥쪽의 유속이 상대적으로 빨라 와류가 발생되면서 냉각수의 유동을 저해하는 문제점이 있었다. 이를 감안하여 상기 제2 유로부(12)에도 복수 개의 냉각핀을 형성할 수도 있지만, 이 경우에는 수냉식 쿨러(1)의 제조비용이 증가하게 될 뿐만 아니라 무게가 증가하여 수냉식 쿨러(1)를 갖는 인버터가 적용되는 전기 자동차의 무게도 증가하여 차량의 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결한 것으로, 인버터의 내부에 설치되는 수냉식 쿨러의 냉각수 유로를 개선하여 냉각수가 고르게 분포되고 와류의 발생이 방지되도록 하여 냉각효율이 향상되고 저렴하면서도 경량화된 수냉식 쿨러를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 적어도 일측면에는 냉각수가 흐를 수 있도록 입구와 출구를 갖는 냉각수 유로가 형성되고, 상기 냉각수 유로는 그 입구에서 출구 사이에 적어도 한 개 이상의 절곡면이 형성되며, 상기 절곡면은 직선면에 연이어 형성되고, 상기 직선면에는 상기 냉각수 유로를 복수 개의 채널로 구획하도록 적어도 한 개 이상의 냉각핀이 형성되는 수냉식 쿨러에 있어서, 상기 절곡면이 형성되는 냉각수 유로에는 그 절곡면을 따라 상기 냉각수 유로를 복수 개의 유로로 구획하도록 안내핀이 형성되는 수냉식 쿨러가 제공된다.

여기서, 상기 안내핀은 상기 냉각핀과 일체로 연장되고, 상기 안내핀은 그 상류단이 상기 절곡면이 시작되기 전에 위치하며, 각 절곡면에 대응하도록 한 개가 형성된다.

또, 적어도 일측면에는 냉각수가 흐를 수 있도록 입구와 출구를 갖는 냉각수 유로를 포함하고, 상기 냉각수 유로는, 상기 입구에서 직선으로 연결되는 제1 유로부; 상기 제1 유로부에서 절곡지게 연결되는 제2 유로부; 및 상기 제2 유로부에서 직선으로 연결되고 그 내부에 적어도 한 개 이상의 냉각핀이 형성되어 복수 개의 유로로 구획되는 제3 유로부;를 포함하며, 상기 제2 유로부에는 그 제2 유로부를 복수 개의 유로로 구획하도록 안내핀이 형성되는 수냉식 쿨러가 제공된다.

여기서, 상기 안내핀은 제1 유로부의 폭방향 넓이를 이등분하는 위치에 형성되고, 상기 안내핀의 상류단은 상기 냉각핀의 상류단과 평면상에서 중첩되도록 형성된다.

그리고 상기 안내핀은 그 상류단의 일부가 상기 제1 유로부에 속하도록 형성되고, 상기 냉각핀은 그 끝단의 일부가 상기 제2 유로부에 속하도록 형성된다.

그리고 상기 안내핀은 상기 냉각핀에 일체로 연장 형성되고, 상기 제1 유로부는 제2 유로부 또는 제3 유로부의 단면적 보다 크지 않게 형성될 수 있다.

또, 발열성의 전기 및 전자부품을 구비하는 인버터 본체; 및 상기 인버터 본체의 내부에 설치되고 상기 전기 및 전자부품이 접촉되어 그 전기 및 전자부품에서 발생되는 열을 냉각하기 위한 수냉식 쿨러;를 포함하고, 상기 수냉식 쿨러는 상기한 특징을 갖는 인버터가 제공된다.

본 발명에 의한 수냉식 쿨러는, 냉각수 유로의 절곡부위에 냉각수를 균등하게 분배할 수 있는 안내핀이 형성됨으로써 상기 냉각수 유로의 절곡진 부위에서의 냉각수 유속을 균일하게 하고 이를 통해 냉각수의 분포를 고르게 하여 수냉식 쿨러의 냉각성능을 향상시킬 수 있다.

또, 상기 다수의 냉각핀을 연장하지 않고도 냉각수를 균등하게 분배하여 냉각성능을 높임에 따라 수냉식 쿨러에 대한 제조비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 수냉식 쿨러의 무게가 증가되는 것을 미연에 방지하여 이를 구비한 전기 자동차 등의 성능도 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 수냉식 쿨러를 첨부된 도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 자동차용 수냉 인버터 구조물의 분해사시도이며, 도 4는 도 3의 실시예의 결합사시도이고, 도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 히트싱크부의 저부사시도이며, 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트싱크부의 저부사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 수냉식 쿨러가 구비되는 인버터는, 일측면이 개구된 인버터 본체(110)와, 그 인버터 본체(110)의 내부에 설치되는 수냉식 쿨러(120)와, 상기 수냉식 쿨러(120)의 내부에 설치되는 파워모듈(131) 및 기타 보드(132)와, 상기 인커버 본체(110)의 개구면을 복개하는 커버(140)를 포함한다.

상기 수냉식 쿨러(120)는 그 일측면이 개구된 박스모양으로 형성되거나 또는 플레이트모양으로 형성될 수 있다. 그리고 상기 수냉식 쿨러(120)는 알루미늄과 같이 열전도성이 우수한 재질로 형성될 수 있다. 그리고 상기 수냉식 쿨러(120)는 후술할 안내핀(123)이나 냉각핀(124)을 형성하여야 하므로 통상적인 사형주조법과 달리 용융금속에 압력을 가하여 주조하는 방법 또는 정밀주형을 만들어서 정도가 높은 주물을 얻고자 하는 정밀주조법 등을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 고속다량생산, 치수의 정밀도, 표면의 평활도, 주물의 경량화, 절삭가공의 절감 등의 많은 이점이 있는 다이캐스트법을 이용함이 바람직하다.

상기 수냉식 쿨러(120)는, 그 외측면, 즉 상기 인버터 본체(110)와 접촉되는 면에는 상기 파워모듈(131) 등에서 발생되는 열을 냉각하기 위한 냉각수 유로(121)가 형성된다.

상기 냉각수 유로(121)는 그 수냉식 쿨러(120)와 냉각수의 접촉면적을 확장하고 접촉시간을 길게 하기 위해 통상 지그재그 모양으로 형성될 수 있다. 하지만, 상기 냉각수 유로(121)는 상기 인버터 본체(110) 내에 설치되는 파워모듈(131)의 위치에 따라 다르며, 상기 파워모듈(131)을 구성하는 전력스위칭소자의 갯수나 그 위치에 따라서도 달라질 수 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 냉각수 유로(121)는 입구(122)에서 직선으로 연결되는 제1 유로부(121a)와, 상기 제1 유로부(121a)에서 절곡지게 연결되고 후술할 안내핀(123)에 의해 복수 개의 유로로 구획되는 제2 유로부(121b)와, 상기 제2 유로부(121b)에서 직선으로 연결되고 그 내부에 적어도 한 개 이상의 냉각핀(124)이 형성되어 복수 개의 유로로 구획되며 출구(125)에 연결되는 제3 유로부(121c)로 이루어진다.

상기 제1 유로부(121a)는 제2 유로부(121b) 또는 제3 유로부(121c)의 단면적보다 작게 형성되고, 입구(122)에서 제2 유로부(121b) 방향으로 갈수록 단면적이 점차 확장되는 형상으로 형성될 수 있다.

상기 제2 유로부(121b)는 제1 유로부(121a)와 대략 직각 방향으로 절곡되어 형성되고, 그 모서리 부위는 곡면지게 형성된다. 그리고 상기 제2 유로부(121b)의 단면적은 제1 유로부(121a)의 단면적 보다는 크고 제3 유로부(121c)의 단면적 보다는 작을 수도 있고 클 수도 있다. 그리고 상기 제2 유로부(121b)에는 전술한 안내핀(123)이 그 제2 유로부(121b)의 형상과 대략 유사하게 형성된다.

상기 안내핀(123)은 상기 냉각핀(124)들 중에서 대략 중간에 위치하는 냉각핀에서 연장되어 형성되고, 상기 안내핀(123)의 상류단, 즉 상기 입구(122)에서 가장 근접되는 끝단은 도 5에서와 같이 상기 제1 유로부(121a)의 범위내에, 즉 직선부(123a)를 갖도록 형성되는 것이 그 제1 유로부(121a)에서 냉각수를 균등하게 분배할 수 있어 바람직할 수 있다. 그리고 상기 안내핀(123)은 복수 개가 형성될 수 도 있지만 이 경우 굴곡진 안내핀(123) 사이의 간격이 좁아 수냉식 쿨러(120)의 제작시 불량을 초래할 수 있으므로 가급적 각 제2 유로부(121b)에 한 개씩 형성되는 것이 바람직할 수 있고, 그 위치도 상기 제2 유로부(121b)를 이등분(w1=w2)할 수 있도록 단면의 중앙에 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

그리고 상기 안내핀(123)은 도 5에서와 같이 그 끝단, 즉 냉각수의 유동방향을 기준으로 가장 상류단에 해당하는 끝단은 상기 냉각핀(124)과 평면상에서 서로 중첩될 수 있는 위치(L)까지 연장되도록 형성되는 것이 냉각수가 제1 유로부(121a)에서 제3 유로부(121c)로 직접 흐르거나 또는 제2 유로부(121b)에서도 바깥쪽 유로로 집중되지 않고 상기 제2 유로부(121b)로 균일하게 분배되면서 흐를 수 있어 바람직하다.

상기 제3 유로부(121c)는 제1 유로부(121a)와 대략 평행하게 형성되고, 그 입구부와 출구부는 좁고 입구부와 출구부 사이는 상대적으로 넓게 형성된다. 그리고 상기 제3 유로부(121c)에는 상기 냉각핀(124)들이 그 제3 유로부(121c)를 분배할 수 있도록 형성된다.

상기 냉각핀(124)은 서로 다른 간격을 두고 형성될 수도 있지만, 냉각수가 균일하게 분포되도록 하기 위해서는 동일한 간격으로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 그리고 상기 냉각핀(124)들은 파워모듈(131)의 발열량에 따라 발열량이 많은 부분에는 핀의 피치를 좁게, 발열량이 작은 부분에는 핀의 피치를 넓게 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 의한 수냉식 쿨러의 작용 효과는 다음과 같다.

즉, 인버터는 상기 제어보드(미부호)가 인버터의 외부로부터 신호를 받아 상기 전원보드(미부호)로 제어명령을 전달한다. 그리고 상기 제어보드에서 전원보드로 신호가 전달되면, 상기 전원보드로 전달된 신호가 구동보드(미부호)에 전달되어 파워모듈(131)의 스위칭 작용을 구현하고 이로 인하여 인버터를 구동하게 된다. 이때, 상기 파워모듈(131)에서는 열이 발생되고, 이 열은 상기 수냉식 쿨러(120)를 흐르는 냉각수와 열교환되어 냉각된다.

여기서, 상기 수냉식 쿨러(120)에 구비되는 냉각수 유로(121)는 지그재그 형상으로 형성됨에 따라 냉각수가 절곡지거나 곡면진 부위에서는 원심력에 의해 냉각수 유로(121)의 바깥쪽으로 몰리거나 유속차에 의해 와류가 발생될 우려가 있으나, 본 발명에서는 도 6에서와 같이 상기 냉각수 유로(121)의 절곡 또는 곡면진 부위에 그 냉각수 유로(121)를 양분할 수 있는 안내핀(123)을 형성함에 따라 냉각수가 바깥쪽으로 몰리거나 와류가 발생되지 않고 냉각수 유로(121)에서 균일하게 분포될 수 있다. 이에 따라 수냉식 쿨러(120)의 냉각수 유로(121)에 다수의 냉각핀(124)을 형성하지 않고도 냉각수를 고르게 분포시킬 수 있어 가볍고 저렴하면서도 냉각 효율이 높은 수냉식 쿨러를 제공할 수 있다.

도 7은 본 발명에 의한 수냉식 쿨러에서 냉각수의 유동상태를 모듈레이션 하여 보인 개략도이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수냉식 쿨러(120)는 상기 제2 유로부(121b)에 안내핀(123)이 형성됨에 따라 제1 유로부(121a)를 통과하는 냉각수가 상기 안내핀(123)에 의해 상기 제2 유로부(121b)에서 균일하게 분배되고 다시 제3 유로부(121c)로 균일하게 흐르게 된다. 이에 따라 제2 유로부(121b)에서 그 안쪽과 바깥쪽의 유속차가 크게 발생되지 않아 냉각수가 한 쪽으로 치우치는 것을 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라 와류가 발생되는 것도 미연에 방지할 수 있어 냉각수가 고르게 분포될 수 있는 것이다.

본 발명에 의한 수냉식 쿨러는, 전술한 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차, 골프차, 지게차와 같은 전기 자동차나, 태양광 발전 시스템 또는 풍력 발전 시스템에 사용되는 인버터에 고르게 적용될 수 있다.

도 1은 종래 수냉식 쿨러에서 냉각수 유로를 보인 평면도,

도 2는 본 발명 수냉식 쿨러가 적용된 인버터의 내부를 보인 사시도,

도 3은 도 2에 따른 인버터에서 수냉식 쿨러를 보인 사시도,

도 4는 도 3에 따른 수냉식 쿨러를 보인 평면도,

도 5는 도 4에 따른 수냉식 쿨러에서 요부를 보인 확대 평면도,

도 6은 본 발명에 의한 수냉식 쿨러에서 냉각수의 유동상태를 설명하기 위해 보인 평면도,

도 7은 본 발명에 의한 수냉식 쿨러에서 냉각수의 유동상태를 모듈레이션 하여 보인 평면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

110 : 인버터본체 120 : 수냉식 쿨러

121 : 냉각수 유로 121a,121b,121c : 제1,제2,제3 유로부

122 : 입구 123 : 안내핀

124 : 냉각핀 125 : 출구

131: 파워모듈

Claims

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적어도 일측면에는 냉각수가 흐를 수 있도록 입구와 출구를 갖는 냉각수 유로를 포함하고,

상기 냉각수 유로는,

상기 입구에서 직선으로 연결되는 제1 유로부;

상기 제1 유로부에서 절곡지게 연결되는 제2 유로부; 및

상기 제2 유로부에서 직선으로 연결되고 그 내부에 적어도 한 개 이상의 냉각핀이 형성되어 복수 개의 유로로 구획되는 제3 유로부;를 포함하며,

상기 제2 유로부에는 그 제2 유로부를 복수 개의 유로로 구획하도록 안내핀이 형성되고,

상기 안내핀은 제1 유로부의 폭방향 넓이를 이등분하는 위치에 형성되는 수냉식 쿨러.
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제5항에 있어서,

상기 안내핀은 상기 냉각수 유로의 입구에 인접한 상류단의 일부가 상기 제1 유로부에 속하도록 형성되는 수냉식 쿨러.
제5항에 있어서,

상기 냉각핀은 상기 냉각수 유로의 출구에 인접한 끝단의 일부가 상기 제2 유로부에 속하도록 형성되는 수냉식 쿨러.
제5항에 있어서,

상기 안내핀은 상기 냉각핀에 일체로 연장 형성되는 수냉식 쿨러.
제5항에 있어서,

상기 제1 유로부는 제2 유로부 또는 제3 유로부의 단면적 보다 크지 않게 형성되는 수냉식 쿨러.
발열성의 전기 및 전자부품을 구비하는 인버터 본체; 및

상기 인버터 본체의 내부에 설치되고 상기 전기 및 전자부품이 접촉되어 그 전기 및 전자부품에서 발생되는 열을 냉각하기 위한 수냉식 쿨러;를 포함하고,

상기 수냉식 쿨러는 상기 제5항 및 제8항 내지 제11항 중의 어느 한 항의 특징을 갖는 인버터.