KR101587499B1 - 공랭식 igbt 냉각 시스템 - Google Patents
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Abstract
IGBT 소자에서 발생된 열을 감소시켜 IGBT 소자의 고장을 방지할 수 있는 공랭식 IGBT 냉각 시스템이 개시된다. 이를 위해 본 발명은 태양광 전지모듈에서 생성된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터의 내부에 구비되는 IGBT 소자부; 지중에 매설되어 지중 온도를 이용하여 공기를 냉각시켜 냉공기를 생성하는 유로관부; 상기 유로관부의 일단에 공기를 주입하는 공기 주입부; 및 지상에 설치되어 상기 유로관부의 타단과 연결되어 연통되며, 상기 상기 유로관부로부터 냉공기를 제공받아 상기 인버터의 내부로 주입하는 방열 유로관부를 포함한다.
이로써, 본 발명은 유로관부와 방열 유로관부를 통과한 냉공기를 인버터안으로 주입함으로써, 냉공기와 IGBT 소자에서 발생되는 열간 열교환을 통해 IGBT 소자에서 발생된 과열을 방지할 수 있다.
이로써, 본 발명은 유로관부와 방열 유로관부를 통과한 냉공기를 인버터안으로 주입함으로써, 냉공기와 IGBT 소자에서 발생되는 열간 열교환을 통해 IGBT 소자에서 발생된 과열을 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 공랭식 IGBT 냉각 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 IGBT 소자에서 발생된 열을 감소시켜 IGBT 소자의 고장을 방지할 수 있는 공랭식 IGBT 냉각 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 현재 석유나 석탄과 같은 화석 연료가 고갈됨에 따라, 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있는데, 특히 태양 에너지를 활용하는 에너지 자원 개발은 더욱더 활발하게 이루어지고 있었다.
태양 에너지를 활용하여 전기를 생산하는 발전 기술로는 태양열을 이용하여 열기관을 구동시켜 전기를 발전시키는 태양열 발전과, 태양광을 이용하여 태양전지로부터 전기를 발생시키는 태양광 발전이 있었다.
여기서, 태양광 발전에 이용되는 태양 전지는 통상적으로 주로 실리콘과 복합재료가 이용된다. 구체적으로, 태양전지는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 사용하는 것으로, 태양 빛을 받아 전기를 생산하는 광전 효과를 이용하는 것이다.
대부분의 태양전지는 대면적의 P-N 접합 다이오드로 이루어져 있으며, 상기 P-N 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하여 사용하게 되었다. 이러한 태양전지의 최소 단위를 셀(Cell)이라고 하는데, 실제로 태양전지를 셀 그대로 사용하는 일은 거의 없었다.
실제 사용되는데 필요한 전압이 수 V에서 수십 혹은 수백 볼트(V) 이상인데 비하여 셀 1개로부터 나오는 전압은 약 0.5V로 매우 작기 때문인데, 이 때문에 다수의 단위 태양전지들을 필요한 단위 용량으로 직렬 또는 병렬 연결하여 사용하고 있었다.
또한, 태양전지가 야외에서 사용되는 경우 여러 가지 혹독한 환경에 처하게 되므로, 필요한 단위 용량으로 연결된 다수의 셀을 혹독한 환경에서 보호하기 위하여 복수의 셀을 패키지로 한 태양 전지 모듈(solar cell module)로 구성하여 사용하였다. 이러한 태양 전지 모듈은 태양광을 전기 에너지로 변환하후 직류 전력을 생산할 수 있었다.
이와 같이 직류 전력을 생산하게 되면, 이를 교류 전력으로 변환하는 전력 변환부에 의해 부하와 같은 전기 공급 시스템으로 전송된다. 이때, 태양 전지 모듈에서 생산된 직류 전력을 교류 전력으로 바꾸기 위해서는 전력 변환부에서 필수적으로 IGBT 소자를 구비하였다.
그러나, 종래의 IGBT 소자에는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하기 위한 다수의 스위칭 처리로 인하여 매우 높은 열이 발생되었다. 이와 같이, 상기 IGBT 소자가 고장이 발생하게 되면, 그 만큼의 시간동안 발전 전력을 생산할 수 없기 때문에 경제적인 피해를 안고 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, IGBT 소자에 설치된 방열판 또는 IGBT 소자로 직접 냉공기를 주입하도록 냉공기를 안내하는 여러 유도관을 설치하여 IGBT 소자에서 발생된 열을 낮출 수 있는 공랭식 IGBT 냉각 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광 전지모듈에서 생성된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 IGBT 소자를 구비하는 IGBT 소자부; 상기 IGBT 소자부의 하부에 구비되어 상기 IGBT 소자부로부터 발생된 열을 전도하는 방열판부; 지중에 매설되어 지중 온도를 이용하여 공기를 냉각시켜 냉공기를 생성하는 유로관부; 상기 방열판부와 방열핀부 사이 또는 상기 방열판부의 내부에 루프 형태로 구비되어 양끝단이 상기 유로관부와 연통되는 방열 유로관부; 및 상기 유로관부의 내부에 존재하는 냉공기를 방열판부와 유로관부의 내부에서 순환되도록 하는 공기 펌프부를 포함하는 공랭식 IGBT 냉각 시스템이 제공된다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 방열판부는 상기 방열판부의 하부에 구비되어 상기 방열판부로부터 전달된 열을 일부 외부로 방출하는 방열핀부를 포함하는 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 방열 유로관부는 상기 유로관부의 일단과 연결되어 연통되는 제1 방열 유로관부; 상기 유로관부의 타단과 연결되어 연통되는 제2 방열 유로관부; 및 상기 제1 방열 유로관부와 제2 방열 유로관부의 사이에 연결되어 연통되는 루프 방열 유로관부를 포함하는 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 유로관부는 상기 제1 방열 유로관부의 일단과 연통되어 지중으로 향하는 제1 유로관부; 상기 제2 방열 유로관부의 타단과 연통되어 지중으로 향하는 제2 유로관부; 상기 제1 유로관부와 제2 유로관부로부터 일단이 각각 체결되어 가로 방향으로 나란히 형성되는 제3 유로관부; 및 상기 제3 유로관부의 타단끼리 체결되어 연통되는 제4 유로관부를 포함하는 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 유로관부는 열전도가 우수한 열전도 코일이 상기 제1 내지 제4 유로관부의 표면에 감길 수 있으며, 폴리에틸렌 재질로 제작되고, 상기 열전도 코일은 금속 재질로 제작될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 태양광 전지모듈에서 생성된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 IGBT 소자를 구비하는 IGBT 소자부; 상기 IGBT 소자부의 하부에 구비되어 상기 IGBT 소자부로부터 발생된 열을 전도하는 방열판부; 지중에 매설되어 지중 온도를 이용하여 공기를 냉각시켜 냉공기를 생성하는 유로관부; 상기 방열판부와 방열핀부 사이 또는 상기 방열판부의 내부에 루프 형태로 구비되어 일단이 상기 유로관부와 연통되는 방열 유로관부; 및 상기 유로관부의 내부에 존재하는 냉공기를 상기 방열 유로관부로 밀어 올리고, 상기 냉공기와 상기 방열판부에서 발생된 열간 열교환을 통해 배출시키는 공기 구동부를 포함하는 공랭식 IGBT 냉각 시스템이 제공된다.
여기서, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 상기 방열판부는 상기 방열판부의 하부에 구비되어 상기 방열판부로부터 전달된 열을 일부 외부로 방출하는 방열핀부를 포함하는 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 일 실시예에 따른 상기 방열 유로관부는 상기 유로관부의 일단과 연결되어 연통되는 제1 방열 유로관부; 상기 공기 구동부와 연결되어 연통되는 제2 방열 유로관부; 및 상기 제1 방열 유로관부와 제2 방열 유로관부의 사이에 연결되어 연통되는 루프 방열 유로관부를 포함하는 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 상기 유로관부는 상기 공기 구동부와 연통되어 지중으로 향하는 제1 유로관부; 상기 제1 방열 유로관부와 연통되어 지중으로 향하는 제2 유로관부; 상기 제1 유로관부와 제2 유로관부로부터 일단이 각각 체결되어 가로 방향으로 나란히 형성되는 제3 유로관부; 및 상기 제3 유로관부의 타단끼리 체결되어 연통되는 제4 유로관부를 포함하는 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 상기 유로관부는 열전도가 우수한 열전도 코일이 상기 제1 내지 제4 유로관부의 표면에 감겨질 수 있으며, 폴리에틸렌 재질로 제작되고, 상기 열전도 코일은 금속 재질로 제작될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 태양광 전지모듈에서 생성된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터의 내부에 구비되는 IGBT 소자부; 지중에 매설되어 지중 온도를 이용하여 공기를 냉각시켜 냉공기를 생성하는 유로관부; 상기 유로관부의 일단에 공기를 주입하는 공기 주입부; 및 지상에 설치되어 상기 유로관부의 타단과 연결되어 연통되며, 상기 상기 유로관부로부터 냉공기를 제공받아 상기 인버터의 내부로 주입하는 방열 유로관부를 포함하는 공랭식 IGBT 냉각 시스템이 제공된다.
여기서, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 상기 유로관부는 상기 공기 주입부와 연통되어 지중으로 향하는 제1 유로관부; 상기 방열 유로관부와 연통되어 지중으로 향하는 제2 유로관부; 상기 제1 유로관부와 제2 유로관부로부터 일단이 각각 체결되어 가로 방향으로 나란히 형성되는 제3 유로관부; 및 상기 제3 유로관부의 타단끼리 체결되어 연통되는 제4 유로관부를 포함하는 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 상기 방열 유로관부는 일단이 상기 제2 유로관부와 연결되고 타단이 상기 인버터를 관통하여 형성될 수 있으며, 열전도가 우수한 열전도 코일이 상기 제1 내지 제4 유로관부의 표면에 감겨질 수 있다. 이럴 경우, 상기 방열 유로관부는 폴리에틸렌 재질로 제작되고, 상기 열전도 코일은 금속 재질로 제작될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 유로관부와 방열 유로관부를 통과한 냉공기를 인버터안으로 주입함으로써, 냉공기와 IGBT 소자에서 발생되는 열간 열교환을 통해 IGBT 소자에서 발생된 과열을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 유로관부와 방열 유로관부를 통과하는 냉공기가 밀려나와 인버터안으로 흘러 들어감으로써 IGBT 소자의 과열을 효과적으로 방지하여 예컨대 태양광 발전 시스템이 중지되는 사태를 막을 수 있다.
또한, 본 발명은 순환하는 냉공기가 방열 유로관부에 이르러 인버터 스위칭 소자에서 발생된 열(온도를)을 식히고 다시 지중에 매설된 유로관부에 이르러 다시 냉각되어 순환함으로써, 인버터 스위칭 소자(방열판)의 과열을 효과적으로 방지하여 예컨대 태양광 발전시스템이 중지되는 사태를 막을 수 있다.
또한, 본 발명은 방열 유로관부를 루프 형태로 구성하여 복수의 방열판에 닿는 면적을 늘림으로써, 오랜동안 냉공기와 과열이 서로 접촉하게 됨으로써 더욱더 IGBT 소자의 과열을 현저히 줄여줄 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전시스템(1000)을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(100)의 구조를 예시적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(100)의 구조를 예시적으로 나타낸 측면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(100)의 구조를 예시적으로 나타낸 상면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유로관부(140)의 A 부분을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(200)의 구조를 예시적으로 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(200)의 구조를 예시적으로 나타낸 측면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(200)의 구조를 예시적으로 나타낸 상면도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(300)을 예시적으로 나타낸 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(300)을 예시적으로 나타낸 측면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(100)의 구조를 예시적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(100)의 구조를 예시적으로 나타낸 측면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(100)의 구조를 예시적으로 나타낸 상면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유로관부(140)의 A 부분을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(200)의 구조를 예시적으로 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(200)의 구조를 예시적으로 나타낸 측면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(200)의 구조를 예시적으로 나타낸 상면도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(300)을 예시적으로 나타낸 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(300)을 예시적으로 나타낸 측면도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전시스템(1000)을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전시스템(1000)은 복수의 태양전지모듈(10), 태양광 발전 감시 제어 장치(20), 전원 차단부(30), 인버터(40) 및 데이터수집 및 모니터링 장치(50)를 포함하여 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 복수의 태양전지모듈(10)는 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하여 출력하는 역할을 하고, 상기 태양광 발전 감시 제어 장치(20)는 복수의 태양전지모듈(10)과 인버터(20) 사이에 구성되어 복수의 태양전지모듈(10)로부터 발전된 전압과 전류를 측정함과 동시에 각 태양전지모듈(10)이 연결된 회로군에서 과전압 또는 과전류, 역전류의 이상 유무를 감시하고 제어하는 역할을 한다.
그리고, 본 발명에 따른 전원 차단부(30)는 태양광 발전 감시 제어 장치(100)와 인버터(20) 사이에 구성되어 태양광 발전 감시 제어 장치(100)의 결과에 따라 전원을 차단하는 역할을 하고, 상기 인버터(40)는 복수의 태양전지모듈(10)로부터 출력되는 전력을 변환하는 역할을 하며, 상기 데이터수집 및 모니터링 장치(50)는 태양광 발전 감시 제어 장치(100)의 정보를 전달받아 데이터를 수집하고 모니터링하는 역할을 한다.
이중에서 본 발명에 따른 인버터(40)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor) 소자와 상기 IGBT 소자의 하부에 구비되어 상기 IGBT 소자를 안착시키는 베이스 플레이트 및 상기 IGBT 소자에서 발생하는 역할을 외부로 방출하는 방열판 등을 구비할 수 있다.
그러나, 위와 같이, 상기 베이스 플레이트 및 방열판 등을 구비하였음에도 불구하고, IGBT 소자에서 발생된 열을 제대로 억제하지 못하였다. 따라서, 이하의 실시예들에서는 위와 같은 IGBT 소자에서 발생되는 과열을 억제하고자 한다.
제1 실시예
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(100)의 구조를 예시적으로 나타낸 사시도이고, 도 3은 측면도이며, 도 4는 상면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(100)은 IGBT 소자부(110), 방열판부(120), 방열 유로관부(130), 유로관부(140) 및 공기 펌프부(150)를 포함한다.
먼저, 본 발명에 따른 IGBT 소자부(110)는 도 1에서 설명한 인버터(40)의 내부에 구비된다. 이러한 IGBT 소자부(110)는 도 1에서 설명한 태양광 발전 시스템(1000)뿐만 아니라 지열, 풍력 발전 시스템과 전력 공급 시스템 등과 같이 다양한 시스템에서 사용되는 소자로서 통상적으로 널리알려져 있으므로 그 설명은 생략하기로 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 방열판부(120)는 IGBT 소자부(110)의 하부에 구비된다. 따라서, IGBT 소자부(110)로부터 발생된 열을 외부로 방출하고자 방열핀부(121)를 구비한다. 이러한 방열핀부(121)는 사이사이마다 홈이 파진 구조를 가져 방열판부(120)로부터 전도된 열을 외부로 방출하고자 하였다.
그러나, 위와 같은 방열판부(120)와 방열핀부(121)의 구조로는 쉽게 IGBT 소자부(110)에서 발생된 열을 기존에는 외부로 쉽게 방출할 수 없었다. 이는 시간이 지날수록 먼지와 같은 이물질이 방열판(120)의 주위에 쌓이게 되어 더욱더 열 방출이 어려웠다. 이를 극복하고자 공랭식의 열 방출을 시도하고자 한다.
즉, 본 발명에 따른 방열 유로관부(130)는 IGBT 소자부(110)의 하부에 설치된 방열판부(120)와 방열핀부(121) 사이 또는 방열판부(120)의 내부에 배치되어 루프 형태를 갖는다.
이때, 도 2 내지 도 4에서는 방열판부(120)와 방열핀부(121) 사이에 방열 유로관부(130)를 형성하는 것은 일례로서 나타낸 것일 뿐, 다른 배치도 가능함은 물론이다. 예를 들면, 방열판부(120)와 방열핀부(121)의 측면을 따라 방열 유로관부(130)가 루프 형태로 형성될 수도 있다. 이러한 루프 형태는 방열판부(120) 및/또는 방열핀부(121)와의 접촉 면적을 늘려준다.
이와 같이, 루프 형태로 형성됨과 동시에 일단과 타단(양끝단)이 이후에 설명될 유로관부(140)와 연통되는 구조를 필수적으로 구비하게 된다. 그 이유로는 유로관부(130)로부터 올라오는 냉공기를 방열 유로관부(130)의 내부로 유입하기 위해서다.
이때, 상기 방열판부(120) 및/또는 방열핀부(121)와의 접촉 면적을 늘리고자, 상기 방열 유로관부(130)는 유로관부(140)와 양끝단이 연결되어 연통되는 제1 방열 유로관부(131) 및 제2 방열 유로관부(132)와, 상기 제1 방열 유로관부(131) 및 제2 방열 유로관부(132) 사이에 연통되어 구비되는 루프 방열 유로관부(133)를 구비한다.
이러한 루프 형태 구조로 인하여, 방열판부(120) 및/또는 방열핀부(121)와 방열 유로관부(130)간 접촉 면적이 늘어나 방열 유로관부(130)의 내부로 유입된 냉공기가 방열판부(120) 및/또는 방열핀부(121)에서 머물고 있는 열을 식혀주게 된다. 이와 같이, 두 구조간 접촉 면적이 클수록 방열판부(120) 및/또는 방열핀부(121)에서 머물고 있는 열을 보다 많이 식히게 된다.
다음으로, 본 발명에 따른 유로관부(140)는 지중에 매설되어 지중 온도를 이용하여 내부에 존재하는 공기를 냉각시켜 냉공기를 생성한다. 이를 위해, 유로관부(140)는 1m 내지 2m의 깊이(m)로 매설되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 2m 이상의 깊이로 유로관부(140)가 매설되면, 내부에 존재하는 공기를 더욱더 냉각이 용이한 장점이 있지만 설치상 등의 이유로 인하여 2m 이상을 넘지 않도록 설치된다. 반면, 1m 이하로 유로관부(140)를 매설하게 되면, 지중 온도를 통해 공기를 냉각시키기 어렵기 때문에 그 최소치의 범위로 제한하고 있는 것이다.
이때, 지중 온도와 물과의 열교환을 위하여, 상기 유로관부(140)는 앞서 설명한 제1 방열 유로관부(131)의 일단과 연통되어 지중으로 향하는 제1 유로관부(141), 제2 방열 유로관부(132)의 타단과 연통되어 지중으로 향하는 제2 유로관부(142), 상기 제1 유로관부(141)와 제2 유로관부(142)로부터 일단이 각각 체결되어 가로 방향으로 나란히 형성되는 제3 유로관부(143) 및 상기 제3 유로관부(143)의 타단끼리 체결되어 연통되는 제4 유로관부(144)를 구비한다.
그러나, 이러한 구조들은 일례에 불과할 뿐, 상기 유로관부(140) 및 방열 유로관부(130)간 연통이 이루어지면서도 밀폐된 루프 형태의 구조를 가질 수도 있다. 루프 형태로 유로관부(140)가 형성되면, 더욱 더 안정적으로 지중 온도와 물과의 열교환을 통해 공기를 냉각시킬 수 있을 것이다. 다만, 도 2 내지 도 4에 도시된 유로관부(140)의 제1 유로관부(141)와 제2 유로관부(142)는 방열 유로관부(130)의 처음과 끝단 유로관과 필수적으로 연결되는 구조를 가져야 한다.
마지막으로, 본 발명에 따른 공기 펌프부(150)는 유로관부(140) 및 방열 유로관부(130)간 연통이 이루어지면, 유로관부(140)에서 냉각된 냉공기가 지면위에 배치된 방열 유로관부(130)의 내부로 흘러들어가도록 압력을 가하고, 방열 유로관부(130)에서 올라온 냉공기와 방열판부(120)에 전도된 열간 열교환시켜 다시 유로관부(140)의 내부로 순환되도록 한다.
이와 같이, 상기 방열 유로관부(130)의 내부로 진입한 냉각수는 방열판부(120) 및/또는 방열핀부(130)사이에서 IGBT 소자부(110)에 의해 발생된 열을 식힐 수 있기 때문에 IGBT 소자부(110)의 고장을 막을 수 있게 된다.
유로관부의 구조 예
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유로관부(140)의 A 부분을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 유로관부(140)는 폴리에틸렌 재질의 직관 파이프로 제작될 수 있다. 이러한 유로관부(140)의 표면에는 일정한 간격으로 감겨진 열전도 코일(145)를 구비한다.
상기 열전도 코일(145)은 열전도성이 우수하여 지중 온도를 이용할 경우 유로관부(140)의 내부에서 순환하는 공기를 보다 빠르게 냉각시킬 수 있게끔 도와준다. 다시말해, 지중 온도와 공기와의 열교환을 돕도록 열전도 코일(145)를 유로관부(140)의 표면에 반복적으로 감는 것이다.
이러한 열전도 코일(145)은 유로관부(140)의 표면에 소정 깊이 만큼 홈(도시되지 않음)이 파져 있을 경우, 그 홈안에 일정 부분 삽입되는 구조를 가질 수도 있다. 이럴 경우, 더욱더 빠르게 지중 온도와 물과의 열교환이 이루어질 수 있도록 구조적으로 도와줄 수 있다.
제2 실시예
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(200)의 구조를 예시적으로 나타낸 사시도이고, 도 7은 측면도이며, 도 8은 상면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(200)은 IGBT 소자부(210), 방열판부(220), 방열 유로관부(230), 유로관부(240) 및 공기 구동부(250)를 포함한다.
먼저, 본 발명에 따른 IGBT 소자부(210)는 도 1에서 설명한 인버터(40)의 내부에 구비된다. 이러한 IGBT 소자부(110)는 도 1에서 설명한 태양광 발전 시스템(1000)뿐만 아니라 지열, 풍력 발전 시스템과 전력 공급 시스템 등과 같이 다양한 시스템에서 사용되는 소자로서 통상적으로 널리알려져 있으므로 그 설명은 생략하기로 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 방열판부(220)는 IGBT 소자부(210)의 하부에 구비된다. 따라서, IGBT 소자부(210)로부터 발생된 열을 외부로 방출하고자 방열핀부(221)를 구비한다.
이러한 방열핀부(221)는 사이사이마다 홈이 파진 구조를 가져 방열판부(220)로부터 전도된 열을 외부로 방출하고자 하였다. 그러나, 위와 같은 방열판부(220)와 방열핀부(221)의 구조로는 쉽게 IGBT 소자부(210)에서 발생된 열을 기존에는 외부로 쉽게 방출할 수 없었다. 이는 시간이 지날수록 먼지와 같은 이물질이 방열판(120)의 주위에 쌓이게 되어 더욱더 열 방출이 어려웠다. 이를 극복하고자 공랭식의 열 방출을 시도하고자 한다.
즉, 본 발명에 따른 방열 유로관부(230)는 IGBT 소자부(210)의 하부에 설치된 방열판부(220)와 방열핀부(221) 사이 또는 방열판부(220)의 내부에 배치되어 루프 형태를 갖는다.
이때, 도 6 내지 도 8에서는 방열판부(220)와 방열핀부(221) 사이에 방열 유로관부(230)를 형성하는 것은 일례로서 나타낸 것일 뿐, 다른 배치도 가능함은 물론이다. 예를 들면, 방열판부(220)와 방열핀부(221)의 측면을 따라 방열 유로관부(230)가 루프 형태로 형성될 수도 있다. 이러한 루프 형태는 방열판부(220) 및/또는 방열핀부(221)와의 접촉 면적을 늘려준다.
이와 같이, 루프 형태로 형성됨과 동시에 일단이 이후에 설명될 유로관부(240)와 연통되는 구조를 필수적으로 구비하게 된다. 그 이유로는 유로관부(240)로부터 올라오는 냉공기를 방열 유로관부(230)의 내부로 유입하기 위해서다.
이때, 방열판부(220) 및/또는 방열핀부(221)와의 접촉 면적을 늘리고자, 상기 방열 유로관부(230)는 유로관부(240)와 일단이 연결되어 연통되는 제1 방열 유로관부(231)와, 이후에 설명될 공기 구동부(250)와 연결되어 연통되는 제2 방열 유로관부(232)와, 상기 제1 방열 유로관부(231) 및 제2 방열 유로관부(232) 사이에 연통되어 구비되는 루프 방열 유로관부(233)를 구비한다.
이러한 루프 형태 구조로 인하여, 방열판부(220) 및/또는 방열핀부(221)와 방열 유로관부(230)간 접촉 면적이 늘어나 방열 유로관부(230)의 내부로 유입된 냉공기가 방열판부(220) 및/또는 방열핀부(221)에서 머물고 있는 열을 식혀주게 된다. 이와 같이, 두 구조간 접촉 면적이 클수록 방열판부(220) 및/또는 방열핀부(221)에서 머물고 있는 열을 보다 많이 식히게 된다.
다음으로, 본 발명에 따른 유로관부(240)는 지중에 매설되어 지중 온도를 이용하여 내부로 유입된 공기를 냉각시켜 냉공기를 생성한다. 이를 위해, 유로관부(240)는 1m 내지 2m의 깊이(m)로 매설되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 2m 이상의 깊이로 유로관부(240)가 매설되면, 내부에 존재하는 공기를 더욱더 냉각이 용이한 장점이 있지만 설치상 등의 이유로 인하여 2m 이상을 넘지 않도록 설치된다. 반면, 1m 이하로 유로관부(240)를 매설하게 되면, 지중 온도를 통해 공기를 냉각시키기 어렵기 때문에 그 최소치의 범위로 제한하고 있는 것이다.
이때, 지중 온도와 물과의 열교환을 위하여, 상기 유로관부(240)는 앞서 설명한 제1 방열 유로관부(231)의 일단과 연통되어 지중으로 향하는 제1 유로관부(241), 이후에 설명될 공기 구동부(250)와 연통되는 지중으로 향하는 제2 유로관부(242), 상기 제1 유로관부(241)와 제2 유로관부(242)로부터 일단이 각각 체결되어 가로 방향으로 나란히 형성되는 제3 유로관부(243) 및 상기 제3 유로관부(243)의 타단끼리 체결되어 연통되는 제4 유로관부(244)를 구비한다.
그러나, 이러한 구조들은 일례에 불과할 뿐, 상기 유로관부(240) 및 방열 유로관부(230)간 연통이 이루어지면서도 루프 형태를 가질 수도 있다. 루프 형태로 유로관부(240)가 형성되면, 더욱 더 안정적으로 지중 온도와 물과의 열교환을 통해 공기를 냉각시킬 수 있을 것이다. 다만, 도 6 내지 도 8에 도시된 유로관부(240)의 제2 유로관부(242)는 방열 유로관부(330)의 처음 유로관과 필수적으로 연결되는 구조를 가져야 한다.
마지막으로, 본 발명에 따른 공기 구동부(250)는 유로관부(240)의 일단과 연통되어 지면에 형성된다. 이러한 공기 구동부(250)는 송풍팬이거나 공기 펌프일 수 있다. 따라서, 송풍팬 또는 공기 펌프가 유로관부(240)의 내부에 존재하는 냉공기를 방열 유로관부(230)로 밀어 올릴 수 있다.
그리고, 상기 공기 구동부(250)는 앞서 설명한 방열 유로관부(230)의 제2 방열 유로관부(232)와 연통되어 예컨대 태양광 변환 시스템내에 형성될 수 있다. 이러한 공기 구동부(250)는 송풍팬인 것이 바람직하다. 따라서, 방열 유로관부(230)에서 냉공기와 방열판부(220)에서 발생된 열간 열교환된 공기를 송풍팬에 의해 외부로 배출시킬 수 있게 된다.
이때, 상기 방열 유로관부(230)의 내부로 진입한 냉각수는 방열판부(220) 및/또는 방열핀부(221)사이에서 IGBT 소자부(210)에 의해 발생된 열을 열교환을 통해 식힐 수 있기 때문에 IGBT 소자부(210)의 고장을 막을 수 있게 된다.
한편, 이상에서 설명된 유로관부(240)의 표면에는 도 5에 도시된 열전도 코일(145)이 감겨질 수 있다. 이러한 열전도 코일를 감는 이유와 그 효과는 앞서 도 5에서 충분히 설명하였으므로 그 설명은 생략하기로 한다. 그러나, 본 실시예에서도 동일하게 적용됨은 물론이다.
제3 실시예
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(300)을 예시적으로 나타낸 사시도이고, 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(300)을 예시적으로 나타낸 측면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 공랭식 IGBT 냉각 시스템(300)은 IGBT 소자부(310), 유로관부(320), 공기 주입부(330) 및 방열 유로관부(340)를 포함한다.
먼저, 본 발명에 따른 IGBT 소자부(310)는 인버터(40)의 내부에 구비된다. 이러한 IGBT 소자부(110)는 도 1에서 설명한 태양광 발전 시스템(1000)뿐만 아니라 지열, 풍력 발전 시스템과 전력 공급 시스템 등과 같이 다양한 시스템에서 사용되는 소자로서 통상적으로 널리알려져 있으므로 그 설명은 생략하기로 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 유로관부(320)는 지중에 매설되어 지중 온도를 이용하여 내부에 존재하는 공기를 냉각시켜 냉공기를 생성한다. 이를 위해, 유로관부(320)는 1m 내지 2m의 깊이(m)로 매설되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 2m 이상의 깊이로 유로관부(320)가 매설되면, 내부에 존재하는 공기를 더욱더 냉각이 용이한 장점이 있지만 설치상 등의 이유로 인하여 2m 이상을 넘지 않도록 설치된다. 반면, 1m 이하로 유로관부(320)를 매설하게 되면, 지중 온도를 통해 공기를 냉각시키기 어렵기 때문에 그 최소치의 범위로 제한하고 있는 것이다.
이때, 지중 온도와 물과의 열교환을 위하여, 상기 유로관부(320)는 이후에 설명될 공기 주입부(330)와 연통되어 지중으로 향하는 제1 유로관부(321)와 이후에 설명될 방열 유로관부(340)와 연통되어 지중으로 향하는 제2 유로관부(322)와 상기 제1 유로관부(321)와 제2 유로관부(322)로부터 일단이 각각 체결되어 가로 방향으로 나란히 형성되는 제3 유로관부(323) 및 상기 제3 유로관부(323)의 타단끼리 체결되어 연통되는 제4 유로관부(324)를 구비한다.
그러나, 이러한 구조들은 일례에 불과할 뿐, 유로관부(320) 및 방열 유로관부(40)간 연통이 이루어지면서도 처음과 끝단이 공기 주입부(330)와 연결되고 방열 유로관부(340)과 연통되면서 루프 형태의 구조를 가질 수도 있다. 루프 형태로 유로관부(340)가 형성되면, 더욱 더 안정적으로 지중 온도와 물과의 열교환을 통해 공기를 냉각시킬 수도 있다.
이러한, 유로관부(320)는 폴리에틸렌 재질의 직관 파이프(EPL관)로 제작될 수 있으며, 그 표면에는 일정한 간격으로 감겨진 열전도 코일(미도시)를 구비할 수도 있다.
상기 열전도 코일은 열전도성이 우수하여 지중 온도를 이용할 경우 유로관부(320)의 내부에서 순환하는 공기를 보다 빠르게 냉각시킬 수 있게끔 도와준다. 다시말해, 지중 온도와 공기와의 열교환을 돕도록 열전도 코일를 유로관부(320)의 표면에 반복적으로 감는 것이다.
이러한 열전도 코일은 유로관부(320)의 표면에 소정 깊이 만큼 홈(도시되지 않음)이 파져 있을 경우, 그 홈안에 일정 부분 삽입되는 구조를 가질 수도 있다. 이럴 경우, 더욱더 빠르게 지중 온도와 물과의 열교환이 이루어질 수 있도록 구조적으로 도와줄 수 있다. 이러한 열전도 코일의 형태는 앞서 도 5에서 설명한 열전도 코일과 동일하다 할 수 있을 것이다.
다음으로, 본 발명에 따른 공기 주입부(330)는 앞서 설명한 유로관부(320)의 제1 유로관부(321)와 연통되어 지상에 설치된다. 이러한 공기 주입부(330)는 송풍팬이거나 공기 펌프인 것이 바람직하다. 따라서, 송풍팬이나 공기 펌프에서 불어오는 힘에 의해 공기를 앞서 설명한 유로관부(320)의 안으로 주입하게 된다.
마지막으로, 본 발명에 따른 방열 유로관부(340)는 지상에 설치되는 관으로서, 일단이 인버터(4)를 관통하여 인번터(4)의 내부에 존재하는 IGBT 소자(310)의 앞까지 진입한 지점에 이르고, 타단이 앞서 설명한 유로관부(320)의 일단과 연결되어 연통된다.
이에 따라, 송풍팬이거나 공기 펌프의 힘에 의해 유로관부(320)로 진입한 공기는 지중 온도와 공기간 열교환을 통해 유로관부(320)의 내부에서 냉공기가 생성되고, 이는 방열 유로관부(340)로 계속하여 밀려나간다.
이로 인해, 방열 유로관부(340)를 빠져나온 냉공기는 IGBT 소자부(310)에서 발생된 열과 열교환이 이루어져 IGBT 소자부(310)에서 발생된 열을 식히게 된다. 이와 같이, 냉공기를 이용하여 IGBT 소자부(310)에서 발생된 열을 식히게 됨으로써, IGBT 소자의 고장을 막을 수 있고 안전하게 태양광 발전 시스템이 운전될 수 있을 것이다.
이상에서와 같이, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.
110, 210 : IGBT 소자부 120, 220 : 방열판부
121, 221 : 방열핀부 130, 230 : 방열 유로관부
131, 231 : 제1 방열 유로관부 132, 232 ; 제2 방열 유로관부
133, 233 ; 루프 방열 유로관부 140, 240 : 유로관부
141, 241 : 제1 유로관부 142, 242 : 제2 유로관부
143, 243 : 제3 유로관부 144, 244 : 제4 유로관부
150, 250 : 공기 펌프부 300 : IGBT 냉각 시스템
310 : IGBT 소자부 320 : 유로관부
321 : 제1 유로관부 322 : 제2 유로관부
323 : 제3 유로관부 324 : 제4 유로관부
330 : 공기 주입부 340 : 방열 유로관부
121, 221 : 방열핀부 130, 230 : 방열 유로관부
131, 231 : 제1 방열 유로관부 132, 232 ; 제2 방열 유로관부
133, 233 ; 루프 방열 유로관부 140, 240 : 유로관부
141, 241 : 제1 유로관부 142, 242 : 제2 유로관부
143, 243 : 제3 유로관부 144, 244 : 제4 유로관부
150, 250 : 공기 펌프부 300 : IGBT 냉각 시스템
310 : IGBT 소자부 320 : 유로관부
321 : 제1 유로관부 322 : 제2 유로관부
323 : 제3 유로관부 324 : 제4 유로관부
330 : 공기 주입부 340 : 방열 유로관부
Claims (17)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 태양광 전지모듈에서 생성된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 내부에 구비되는 IGBT 소자부;
상기 IGBT 소자부의 하부에 구비되어 상기 IGBT 소자부로부터 발생된 열을 전도하는 방열판부;
지중에 매설되어 지중 온도를 이용하여 공기를 냉각시켜 냉공기를 생성하는 유로관부;
상기 방열판부와 방열핀부 사이 또는 상기 방열판부의 내부에 루프 형태로 구비되어 일단이 상기 유로관부와 연통되는 방열 유로관부; 및
상기 유로관부의 내부에 존재하는 냉공기를 상기 방열 유로관부로 밀어 올리는 공기 펌프부와 상기 공기 펌프부에 의해 상기 유로관부를 통과한 냉공기를 방열판부에서의 열교환 후 외부로 배출시키는 송풍팬을 구비한 공기구동부를 포함하고,
상기 방열 유로관부는,
상기 유로관부의 일단과 연결되어 연통되는 제1 방열 유로관부;
상기 공기 구동부와 연결되어 연통되는 제2 방열 유로관부; 및
상기 제1 방열 유로관부와 제2 방열 유로관부의 사이에 연결되어 연통되는 루프 방열 유로관부
를 포함하는 공랭식 IGBT 냉각 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 방열판부는,
상기 방열판부의 하부에 구비되어 상기 방열판부로부터 전달된 열을 일부 외부로 방출하는 방열핀부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 공랭식 IGBT 냉각 시스템. - 삭제
- 제7항에 있어서,
상기 유로관부는,
상기 공기 구동부와 연통되어 지중으로 향하는 제1 유로관부;
상기 제1 방열 유로관부와 연통되어 지중으로 향하는 제2 유로관부;
상기 제1 유로관부와 제2 유로관부로부터 일단이 각각 체결되어 가로 방향으로 나란히 형성되는 제3 유로관부; 및
상기 제3 유로관부의 타단끼리 체결되어 연통되는 제4 유로관부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 공랭식 IGBT 냉각 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 유로관부는,
열전도가 우수한 열전도 코일이 상기 제1 내지 제4 유로관부의 표면에 감겨져 있는 것을 특징으로 하는 공랭식 IGBT 냉각 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 유로관부는,
폴리에틸렌 재질로 제작되고, 상기 열전도 코일은 금속 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 공랭식 IGBT 냉각 시스템. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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