KR102031595B1 - 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체 - Google Patents

Abstract

전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체를 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 제1발열체에서 방열되는 열을 흡수하는 제1흡열영역 및 제1흡열영역의 일측에 배치되어 제2발열체에서 방열되는 열을 흡수하는 제2흡열영역을 포함하는 베이스블록; 일단이 제1흡열영역에 삽입되는 제1히트파이프; 일단이 제2흡열영역에 삽입되는 제2히트파이프; 제1히트파이프의 타단에 배치되어 제1히트파이프를 냉각하는 제1냉각핀; 및 제2히트파이프의 타단에서 제1냉각핀의 일측에 이격되어 배치되고 제2히트파이프를 냉각하는 제2냉각핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체를 제공한다.

Description

전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체{Heat Pipe Assembly for Cooling of Electric Power Semiconductor}

본 개시는 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

대전력을 공급받아 모터 및 상용 전력기기를 운용할 수 있게 전력을 변환해 주는 전력장치는 전력반도체를 이용하는 전력변환시스템으로 구성된다.

전력반도체를 이용하는 전력변환시스템은 스위칭 방식으로 인해 전력반도체로부터 많은 열이 발생하게 되며 이러한 열은 안정적인 전력변환 시스템 운용을 하는데 방해되는 요소 중 하나이다. 따라서, 전력반도체에서 발생하는 열은 충분히 제거해줄 필요가 있다.

전력반도체에서 발생하는 열을 제거하기 위해, 다양한 냉각장치 및 냉각장치를 이용한 조립체가 개발되고 있다. 히트파이프를 이용한 냉각시스템은 그 중에서도 가장 널리 이용되는 냉각시스템 중 하나이다.

히트파이프를 이용한 냉각시스템에서, 히트파이프는 상하로 배치된 전력반도체와 인접하게 배치되어 전력반도체로부터 방출되는 열을 흡수하고, 흡수한 열을 히트파이프의 상부에 위치한 냉각핀을 통해 방출한다.

이때, 전력반도체로부터 방출되는 열을 히트파이프에 전달하기 위해서는 베이스블록이 필요하다. 베이스블록에서 전력반도체는 상하로 설치되고 그와 인접하여 히트파이프가 삽입된다.

종래의 히트파이프를 이용한 냉각시스템에서 베이스블록은, 상부블록과 하부블록을 별도로 제작한 후 히트파이프를 각각의 블록에 삽입하고 용접하여 히트파이프를 각각의 블록에 고정하였다. 이후 각각의 블록은 별도의 사이드 지지바를 통해 서로 고정되고, 히트파이프의 상부에는 한 종류의 냉각핀이 삽입되었다.

그러나, 상부블록 및 하부블록을 별도로 제작하는 종래의 방식은, 사이드 지지바를 통해 상부블록 및 하부블록을 서로 고정해주어야 하는 별도의 공정이 추가적으로 필요하다는 문제점이 있었다. 따라서, 전체 제조공정의 1 사이클에 소비되는 시간이 길어지고 사이드 지지바를 통해 각각의 블록을 고정하는 공정에 추가적인 인력이 투입되어야 하는 문제점이 발생하였다.

또한, 종래의 히트파이프를 이용한 냉각시스템에서 냉각핀은, 일체형으로 구성되어 전력반도체에서 방열되는 열의 양과 상관없이 동일한 정도의 냉각기능을 수행하는 문제점이 있었다. 따라서, 전력반도체에서 방열되는 열이 적을 때는 과도한 냉각기능으로 전력을 낭비하게 되거나, 반대로, 전력반도체에서 방열되는 열이 많을 때에는 적절한 냉각기능이 수행되지 않는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체에 있어서, 베이스블록의 상부블록 및 하부블록을 별도로 제작함으로써 발생하는 추가적인 공정을 제거함으로써 해당 공정에 투입되는 시간 및 인력을 절약하고, 베이스블록의 제작의 편의성을 높일 수 있는 데 주된 목적이 있다.

또한, 본 발명은 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체에 있어서, 전력반도체의 발열량에 따라 냉각핀의 냉각성능을 달리하여 에너지 효율을 극대화하는 데 주된 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 제1발열체에서 방열되는 열을 흡수하는 제1흡열영역, 제1흡열영역의 일측에 배치되어 제2발열체에서 방열되는 열을 흡수하는 제2흡열영역, 및 제1흡열영역 및 제2흡열영역 사이에 배치되는 열차단홀을 포함하는 베이스블록; 일단이 제1흡열영역 내에 제1방향을 따라 배치되는 제1히트파이프; 일단이 제2흡열영역 내에 배치되는 제2히트파이프; 제1히트파이프의 타단에 배치되어 제1히트파이프를 냉각하는 제1냉각핀; 및 제2히트파이프의 타단에서 제1냉각핀의 일측에 이격되어 배치되어 제2히트파이프를 냉각하는 제2냉각핀을 포함하되, 베이스블록은 제1흡열영역 및 제2흡열영역이 일체형으로 형성되고, 제2흡열영역은, 베이스블록 상에서, 제1방향을 따라 제1흡열영역과 이격되어 배치되고, 열차단홀은, 베이스블록 상에서 제1방향과 수직한 제2방향을 따라 형성된 관통형 중공이고, 제1흡열영역 및 제2흡열영역 사이에서 발생되는 열전달의 적어도 일부를 차단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체를 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체는 베이스블록을 일체형으로 구성함으로써 전체 제조공정의 1 사이클에 소비되는 시간을 단축할 수 있으며 해당 공정에 배치될 수 있는 인력을 절약할 수 있는 효과가 있다.

또한, 전력반도체의 발열량에 따라 냉각핀의 두께, 폭 또는 냉각핀 사이의간격을 달리함으로써 전력반도체의 발열량에 대해 능동적인 냉각기능을 수행할 수 있으며 효율적인 냉각기능 분배를 통해 에너지 효율을 극대화하고 과도한 냉각기능으로 인한 에너지 낭비를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체의 정면도 및 측면도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 베이스블록의 정면도 및 측면도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 저온냉매 히트파이프 및 상온냉매 히트파이프를 포함하는 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체의 측면도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체의 정면도 및 측면도이다.

도 1를 참조하면, 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체는 베이스블록(100), 제1히트파이프(202), 제2히트파이프(204), 제1냉각핀(302) 및 제2냉각핀(304)을 포함한다.

베이스블록(100)은 제1흡열영역(102) 및 제2흡열영역(104)을 포함한다. 제1흡열영역(102)은 제1발열체(12)에서 방열되는 열을 흡수하고, 제2흡열영역(104)은 제1흡열영역(102)의 일측에 배치되어 제2발열체(14)에서 방열되는 열을 흡수한다.

제1발열체(12) 및 제2발열체(14)는 전력반도체인 것이 일반적일 것이나, 이에 한정되는 것은 아니며 방열을 필요로 하는 다른 부재일 수도 있다.

종래의 히트파이프 조립체에서 베이스블록(100)은, 제1히트파이프(202)가 삽입되는 상부블록(미도시) 및 제2히트파이프(204)가 삽입되는 하부블록이 분리되어 제작되었으나, 본 개시의 일 실시예에 따른 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체는, 제1흡열영역(102) 및 제2흡열영역(104)이 일체형으로 구성되어있어 종래의 히트파이프 조립체보다 베이스블록(100)의 제조과정을 단순화시킬 수 있는 효과가 있다.

구체적으로, 베이스블록(100)을 상부블록 및 하부블록으로 나누어 구성할 경우, 사이드 지지바를 통해 상부블록 및 하부블록을 서로 고정시키는 추가적인 공정이 필요하다. 반대로, 베이스블록(100)을 일체형으로 할 경우, 이러한 추가적인 공정이 필요 없어지므로 해당 공정에 투입되는 시간 및 인력을 절약할 수 있고, 베이스블록(100)의 제조의 편의성을 높일 수 있는 효과가 있다.

베이스블록(100)은 제1흡열영역(102) 및 제2흡열영역(104) 사이에 배치되는 열차단홀(110)을 더 포함할 수 있다. 열차단홀(110)에 대한 상세한 내용은 도 2와 관련하여 기술하도록 한다.

다시 도 1을 참조하면, 제1히트파이프(202)의 일단은 제1흡열영역(102)에 삽입되고, 제2히트파이프(204)의 일단은 제2흡열영역(204)에 삽입된다.

제1냉각핀(302)은 제1히트파이프(202)의 타단에 배치되어 제1히트파이프(202)를 냉각하고, 제2냉각핀(304)은 제2히트파이프(204)의 타단에서 제1냉각핀(302)의 일측에 이격되어 배치되어 제2히트파이프(204)를 냉각한다.

히트파이프(200)의 일단은 베이스블록(100)의 흡열영역(102, 104)에 삽입되어 발열체(12, 14)에서 방출되는 열을 흡수하고, 이를 통해, 히트파이프(200)의 일단의 내부에 위치한 액체상태의 냉매는 액체에서 기체로 기화(氣化)하게 된다.

히트파이프(200)의 일단에서 기화된 기체상태의 냉매는 히트파이프(200)의 타단으로 이동하게 되고, 타단에 도달한 기체상태의 냉매는 히트파이프(200)의 타단에 배치된 냉각핀(300)에 의해 냉각되어 기체에서 액체로 액화(液化)하게 된다. 액화된 액체상태의 냉매는 다시 히트파이프(200)의 일단으로 낙하하여 다시 발열체(12, 14)에서 방열되는 열을 흡수하고 위의 과정을 반복하게 된다.

도 1에서 도시된 바와 같이, 제1냉각핀(302) 및 제2냉각핀(304)은 냉각핀(300)의 두께 및 냉각핀(300)의 폭 중 하나 이상이 서로 다를 수 있다. 또한, 제1냉각핀(302) 및 제2냉각핀(304)은 냉각핀(300) 사이의 간격이 서로 다를 수 있다.

종래의 히트파이프 조립체에서의 냉각핀(300)은 일체형으로 구성되어 있어 발열체(12, 14)에서 방출되는 열의 크기와 상관없이 동일한 정도의 냉각기능이 수행될 수밖에 없었다.

이에 따라, 종래의 히트파이프 조립체에서는 적은 열을 방출하는 발열체에 대해 과도한 냉각이 이루어지면서 전력낭비가 발생하거나, 반대로, 많은 열을 방출하는 발열체에 대해 충분한 냉각이 이루어지지 않는 문제점이 있었다.

본 개시에 따른 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체는 일체형이었던 냉각핀(300)을 제1냉각핀(302) 및 제2냉각핀(304)으로 분리함으로써 발열체의 방출되는 열의 크기에 따라 냉각핀(300)의 두께, 냉각핀(300)의 폭 또는 냉각핀(300) 사이의 간격을 달리할 수 있다는 장점이 있다.

예를 들어, 제1냉각핀(302) 및 제2냉각핀(304)이 냉각핀(300) 사이의 간격이 서로 동일하다고 가정하였을 때, 냉각핀(300)은 두께가 두꺼울수록, 폭이 넓어질수록 냉각핀(300) 하나의 면적이 넓어지기 때문에 냉각핀(300)의 냉각성능이 향상되게 된다.

이를 이용하면, 적은 열을 방출하는 발열체에 대해서는 두께가 얇고 폭이 좁은 냉각핀(300)이 설치될 수 있을 것이며, 반대로, 많은 열을 방출하는 발열체에 대해서는 두께가 두껍고 폭이 넓은 냉각핀(300)이 설치될 수 있을 것이다.

또한, 제1냉각핀(302) 및 제2냉각핀(304)이 냉각핀(300)의 두께 및 냉각핀(300)의 폭이 서로 동일하다고 가정하였을 때, 냉각핀(300) 사이의 간격이 좁아질수록 히트파이프(200)의 단위면적 당 냉각이 이루어지는 면적이 넓어지기 때문에 냉각성능이 향상되게 된다.

이를 이용하면, 적은 열을 방출하는 발열체에 대해서는 냉각핀(300) 사이의 간격을 넓혀서 냉각핀(300)이 설치될 수 있을 것이며, 반대로, 많은 열을 방출하는 발열체에 대해서는 냉각핀(300) 사이의 간격을 좁혀서 냉각핀(300)이 설치될 수 있을 것이다.

따라서, 본 개시에 따른 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체는 발열체(12, 14)에서 방출되는 열의 크기에 따라 냉각핀(300)의 두께, 냉각핀(300)의 폭 또는 냉각핀(300) 사이의 간격을 달리함으로써 발열체(12, 14)의 발열량에 따라 능동적으로 냉각기능을 수행할 수 있는 장점이 있다. 또한, 과도한 냉각을 방지함으로써 냉각에 필요한 전력을 절약할 수 있는 효과가 있으며, 이를 통해, 전체적인 에너지 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 베이스블록(100)의 정면도 및 측면도이다.

도 2를 참조하면, 베이스블록(100)은 열차단홈(110)을 더 포함할 수 있다. 열차단홈(110)은 제1흡열영역(102) 및 제2흡열영역(104) 사이에 배치되어 제2흡열영역(104)에서 발생하는 열이 제1흡열영역(102)에 전달되는 것을 방지하고, 이를 통해, 제1흡열영역(102)의 용가재(鎔加材, filler metal)가 열에 의해 녹는 것을 방지할 수 있다. 여기서 용가재란, 용접에서 열원에 의해 용착 금속이 되는 금속, 즉, 용착부(熔着部)를 만들기 위하여 녹여서 첨가하는 금속을 의미한다.

구체적으로 설명하면, 종래의 히트파이프 조립체는, 베이스블록(100)의 상부블록 및 하부블록을 별도로 제작한 후 공간상에서 간섭이 없는 형태로 히트파이프를 삽입하고 용접하여 고정하는 방식이다.

이와 달리, 본 개시의 일 실시예에 따른 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체는, 베이스블록(100)이 일체형으로 구성되어 있으며, 따라서, 제1흡열영역(102)에 제1히트파이프(202)를 우선적으로 삽입하여 용접한 후, 제2흡열영역(104)에 제2히트파이프(204)를 삽입하여 용접하는 순차적인 방식일 수 있다.

순차적으로 용접하는 방식의 경우, 제2히트파이프(204)를 제2흡열영역(104)에 삽입하여 용접할 때 발생하는 열로 인해 제1흡열영역(102)의 용접시 이용된 용가재(鎔加材, filler metal)가 함께 녹아버리는 문제가 발생할 수 있다.

본 개시의 일 실시예에 따른 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체는 제1흡열영역(102) 및 제2흡열영역(104) 사이에 열차단홈(110)을 배치함으로써 제2흡열영역(104)에서 발생하는 열이 제1흡열영역(102)에 전달되는 것을 방지할 수 있다. 이를 통해, 제2흡열영역(104)의 용접시 제1흡열영역(102)에 포함된 용가재가 녹는 문제를 방지할 수 있다.

도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 저온냉매 히트파이프(200A) 및 상온냉매 히트파이프(200B)를 포함하는 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체의 측면도이다.

제1히트파이프(202) 및 제2히트파이프(204) 중 하나 이상은 적어도 하나 이상의 저온냉매 히트파이프(200A) 및 적어도 하나 이상의 상온냉매 히트파이프(200B)를 포함할 수 있다.

여기서 저온냉매 히트파이프(200A)는 저온냉매를 냉매로서 이용하는 히트파이프를 의미하는 것이다. 저온냉매는 어는점이 영하보다 낮아 영하의 온도에서 액체상태로 존재할 수 있어 영하의 온도에서 냉매기능을 수행할 수 있는 물질을 의미하는 것으로, 헬륨, 질소, 암모니아, 펜탄, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 헵탄, 톨루엔 및 수은 등의 물질이 이에 해당한다.

반대로, 상온냉매 히트파이프(200B)는 상온냉매를 냉매로서 이용하는 히트파이프를 의미하는 것이다. 상온냉매는 어는점이 영하보다 높아 영하의 온도에서 고체 상태로 존재하여 영하의 온도에서 냉매기능을 수행할 수 없는 물질을 의미하는 것으로, 증류수, 세슘, 칼륨, 나트륨, 리튬 및 은 등의 물질이 이에 해당한다.

저온냉매는 영하의 온도에서도 냉매기능을 수행할 수 있다는 장점이 있지만, 상온냉매에 비하여 상대적으로 낮은 열전달 특성을 가진다는 문제점이 있다. 즉, 저온냉매는 전력반도체의 발열량이 클 경우 히트파이프(200)의 냉매로서 적합하지 않을 수 있다.

반대로, 상온냉매는 저온냉매에 비해 높은 열전달 특성을 가지지만, 영하의 온도에서 냉매기능을 수행할 수 없다는 문제점이 있다. 즉, 영하의 온도까지 냉각이 필요한 냉각시스템의 경우 상온냉매는 히트파이프(200)의 냉매로서 적합하지 않을 수 있다.

본 개시의 일 실시예에 따른 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체는, 저온냉매 히트파이프(200A) 및 상온냉매 히트파이프(200B)가 혼재되어 배치됨으로써 이러한 문제를 해결하면서, 동시에 히트파이프 조립체의 전체 열전달 특성을 높일 수 있다는 장점이 있다.

구체적으로, 저온냉매 히트파이프(200A)가 영하의 온도에서 동작하여 함께 조립된 방열핀(미도시)을 통해 주위에 배치된 상온냉매 히트파이프(200B)에 열을 전달할 수 있고, 이를 통해, 동결된 상온냉매 히트파이프(200B)를 녹일 수 있다.

이때, 도 3에서 도시된 바와 같이, 저온냉매 히트파이프(200A)에서 상온냉매 히트파이프(200B)로의 열전달을 원활히 하기 위해 저온냉매 히트파이프(200A)와 상온냉매 히트파이프(200B)는 번갈아 배치되는 것이 바람직하다.

여러 종류의 상온냉매 중에서, 증류수는 높은 비열을 가지면서 동시에 상대적으로 낮은 어는점을 가지므로, 상온냉매 히트파이프(200B)는 냉매로서 증류수를 이용하는 것이 바람직하다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

12: 제1발열체 14: 제2발열체 100: 베이스블록
102: 제1흡열영역 104: 제2흡열영역 110: 열차단홈
202: 제1히트파이프 204: 제2히트파이프 302: 제1냉각핀
304: 제2냉각핀

Claims (7)

1. 제1발열체에서 방열되는 열을 흡수하는 제1흡열영역, 상기 제1흡열영역의 일측에 배치되어 제2발열체에서 방열되는 열을 흡수하는 제2흡열영역, 및 상기 제1흡열영역 및 상기 제2흡열영역 사이에 배치되는 열차단홀을 포함하는 베이스블록;
   일단이 상기 제1흡열영역 내에 제1방향을 따라 배치되는 제1히트파이프;
   일단이 상기 제2흡열영역 내에 배치되는 제2히트파이프;
   상기 제1히트파이프의 타단에 배치되어 상기 제1히트파이프를 냉각하는 제1냉각핀; 및
   상기 제2히트파이프의 타단에서 상기 제1냉각핀의 일측에 이격되어 배치되어 상기 제2히트파이프를 냉각하는 제2냉각핀을 포함하되,
   상기 베이스블록은 상기 제1흡열영역 및 상기 제2흡열영역이 일체형으로 형성되고,
   상기 제2흡열영역은, 상기 베이스블록 상에서, 상기 제1방향을 따라 상기 제1흡열영역과 이격되어 배치되고,
   상기 열차단홀은,
   상기 베이스블록 상에서 상기 제1방향과 수직한 제2방향을 따라 형성된 관통형 중공이고, 상기 제1흡열영역 및 상기 제2흡열영역 사이에서 발생되는 열전달의 적어도 일부를 차단하도록 구성되는 것
   을 특징으로 하는 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1냉각핀 및 상기 제2냉각핀은 냉각핀의 두께 및 냉각핀의 폭 중 하나 이상이 서로 다른 것
   을 특징으로 하는 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1냉각핀 및 상기 제2냉각핀은 냉각핀 사이의 간격이 서로 다른 것
   을 특징으로 하는 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1히트파이프 및 상기 제2히트파이프 중 하나 이상은,
   적어도 하나 이상의 저온냉매 히트파이프 및 적어도 하나 이상의 상온냉매 히트파이프를 포함하는 것
   을 특징으로 하는 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체.
6. 제5항에 있어서,
   상기 저온냉매 히트파이프 및 상기 상온냉매 히트파이프는 번갈아 배치되는 것
   을 특징으로 하는 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체.
7. 제6항에 있어서,
   상기 상온냉매 히트파이프는 증류수를 냉매로서 이용하는 것
   을 특징으로 하는 전력반도체 냉각용 히트파이프 조립체.