KR102034649B1

KR102034649B1 - 공냉식 냉각장치

Info

Publication number: KR102034649B1
Application number: KR1020120155117A
Authority: KR
Inventors: 박영섭
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2019-11-08
Also published as: KR20140085011A

Abstract

본 발명은 공냉식 냉각장치에 관한 것으로서, 특히 발열모듈에서 발생된 열을 보다 신속하고 효율적으로 외부로 방열할 수 있는 공냉식 냉각장치에 관한 것이다.
본 발명의 공냉식 냉각장치는, 하면에 다수개의 냉각핀이 결합된 발열모듈과; 상기 발열모듈의 하부에 결합되어 상기 발열모듈에서 발생된 열을 외부로 방출하고, 전후방향으로 유체가 통과하는 유로가 관통 형성되어 있으며, 상기 냉각핀의 끝단이 상기 유로에 노출되게 상기 냉각핀이 삽입되는 삽입공이 형성된 히트싱크를 포함하여 이루어지되, 상기 유로의 내측 하면에는 상기 냉각핀의 반대방향에서 상기 냉각핀 방향으로 돌출되어 상기 유로의 단면공간을 전방 및 후방보다 좁히는 돌출턱이 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

공냉식 냉각장치 { AIR COOLING SYSTEM }

본 발명은 공냉식 냉각장치에 관한 것으로서, 특히 발열모듈에서 발생된 열을 보다 신속하고 효율적으로 외부로 방열할 수 있는 공냉식 냉각장치에 관한 것이다.

현재 하이브리드 및 전기 차량에는 차량의 하이브리드 시스템을 제어하는 인버터가 장착된다.

인버터는 DC 전압을 모터 구동용 AC 3상 전압으로 변환하는 역할을 한다.

여기에 핵심 부품이 파워모듈이다.

파워모듈은 동작시 열을 발생하게 되는데 얼마나 방열을 잘 하느냐에 따라 성능 및 수명에 영향을 끼치게 된다.

따라서 인버터는 성능에 따라 공냉식과 수냉식 인버터로 구분된다.

전기자 모드로 동작하는 풀 하이브리드 시스템에 적용되는 인버터는 고성능으로 좀 더 높은 냉각성능을 필요로 하기 때문에 수냉식으로 개발되고, 엔진을 보조하는 소프트 하이브리드 시스템의 경우 상대적으로 요구성능이 낮아 공냉식 인버터가 적용된다.

최근에는 수냉식의 성능을 향상시키기 위해 직접냉각방식의 파워모듈을 적용하고 있는 추세이다.

수냉식 인버터는 냉각수를 이용하여 냉각하는 방식으로 냉각유로의 사이즈가 작은 장점이 있지만 냉각수를 씰링하기 위한 기술이 필요하다.

공냉식 인버터는 공기 블로워를 이용하여 냉각하는 방식으로 수냉식 대비 히트싱크의 사이즈가 증가하게 된다.

종래의 공냉식 인버터는 간접냉각방식의 파워모듈을 적용하여 파워모듈에서 발생하는 열이 별도로 구성된 히트싱크의 냉각핀을 통하여 외부로 빠져나가게 된다.

즉, 파워모듈(발열모듈)에 냉각핀이 직접적으로 형성되어 있지 않고, 히트싱크에 냉각핀이 형성되어 있어, 상기 파워모듈에서 발생된 열은 상기 히트싱크를 거쳐 상기 냉각핀을 통해 외부로 방출되는바, 직접이 아닌 간접냉각을 하게 되어 방열성능이 저하된다.

또한, 공기의 유속을 증대시킬 수 없어 공급되는 공기의 속도에만 의존하게 되는바, 히트싱크를 크게 제작하여야 하는 등 방열성능을 향상시키는데 한계가 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0052509호 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0110891호

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 발열모듈에서 발생된 열을 냉각핀으로 곧바로 직접 이동시킬 수 있고 공급되는 공기의 속도를 증대시켜 방열성능을 향상시킬 수 있으며, 히트싱크의 크기를 작게 할 수 있는 공냉식 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 공냉식 냉각장치는, 하면에 다수개의 냉각핀이 결합된 발열모듈과; 상기 발열모듈의 하부에 결합되어 상기 발열모듈에서 발생된 열을 외부로 방출하고, 전후방향으로 유체가 통과하는 유로가 관통 형성되어 있으며, 상기 냉각핀의 끝단이 상기 유로에 노출되게 상기 냉각핀이 삽입되는 삽입공이 형성된 히트싱크를 포함하여 이루어지되, 상기 유로의 내측 하면에는 상기 냉각핀의 반대방향에서 상기 냉각핀 방향으로 돌출되어 상기 유로의 단면공간을 전방 및 후방보다 좁히는 돌출턱이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 돌출턱은, 상기 냉각핀의 끝단과 이격되어 대면하는 돌출면과; 상기 돌출면의 일단에서 상기 유로의 전방으로 하향 경사지게 형성된 제1경사면과; 상기 돌출면의 타단에서 상기 유로의 후방으로 하향 경사지게 형성된 제2경사면으로 이루어진다.

상기 돌출면의 전후방 길이는 상기 삽입공의 전후방 길이보다 작도록 한다.

상기 유로는, 상기 냉각핀이 노출되는 메인유로와; 상기 메인유로의 측부에서 전후방으로 관통 형성된 보조유로를 포함하여 이루어진다.

또는, 상기 유로는, 상기 돌출턱이 형성된 냉각부와; 상기 냉각부의 전방에 형성된 전방부와; 상기 냉각부의 후방에 형성된 후방부로 이루어지되, 상기 전방부 및 후방부는 상기 냉각부 방향으로 갈수록 양측벽간의 거리가 점점 좁아지게 형성될 수도 있다.

이때, 상기 전방부에는 상기 냉각부 방향으로 다수개의 가이드판이 수직으로 상호 이격되어 형성된다.

그리고, 상기 냉각핀은 상기 발열모듈의 하면에 일체로 형성됨이 바람직하다.

또한, 상기 발열모듈에는 발열소자가 장착되어 있되, 상기 냉각핀은 상기 발열소자가 위치한 하부에서 상기 발열소자가 없는 위치의 하부보다 더 고밀도로 배치된다.

이때, 상기 냉각핀은 단면이 특정원형보다 큰 표면적을 갖는 마름모 형상으로 형성되되, 상기 냉각핀 상호간의 간격은 상기 냉각핀의 최소 단면폭보다 작도록 할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 공냉식 냉각장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

히트싱크에 돌출턱을 형성하여 냉각핀이 배치된 유로의 단면공간을 좁힘으로써, 공기의 유속을 증대시키고 공기가 냉각핀에 접촉하도록 유도시킬 수 있어, 방열효율을 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 공냉식 냉각장치는 유입되는 공기의 유속을 빠르게 할 수 있어 냉각핀의 크기를 작게 하여도 방열효율이 우수한바, 히트싱크를 소형화시킬 수 있다.

또한, 유입되는 공기를 냉각핀 방향으로 집중시켜 방열효율을 더욱 증대시킬 수 있고, 발열소자의 하부에 냉각핀을 집중시킴으로써 보다 높은 방열효율을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 공냉식 냉각장치의 사시도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 공냉식 냉각장치의 분해사시도,
도 3은 도 1의 A-A'선을 취하여 본 단면도,
도 4는 도 1의 B-B'선을 취하여 본 단면도,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각핀의 다양한 배열구조를 도시한 평면도,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 공냉식 냉각장치의 사시도,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 공냉식 냉각장치의 분해사시도,
도 8은 도 6의 C-C'선을 취하여 본 단면도,
도 9는 도 6의 D-D'선을 취하여 본 단면도,

제1실시예

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 공냉식 냉각장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 공냉식 냉각장치의 분해사시도이며, 도 3은 도 1의 A-A'선을 취하여 본 단면도이고, 도 4는 도 1의 B-B'선을 취하여 본 단면도이며, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각핀의 다양한 배열구조를 도시한 평면도이다.

본 발명의 공냉식 냉각장치는 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 발열모듈(100)과, 히트싱크(200)로 이루어진다.

상기 발열모듈(100)은 다이오드, IGBT 등의 발열소자(110)가 장착된 파워모듈 등으로 이루어진다.

상기 발열모듈(100)의 하면에는 다수개의 냉각핀(120)이 결합되어 있다.

상기 냉각핀(120)은 상기 발열모듈(100)과 별개의 부품으로 이루어져 결합될 수도 있으나, 상기 발열모듈(100)의 하면에 일체로 형성됨이 바람직하다.

상기 냉각핀(120)을 상기 발열모듈(100)에 일체로 형성함으로써, 종래에 발열모듈과 히트싱크를 결합하기 위해 사용되는 써멀그리스와 같은 구성을 제외시킬 수 있어 생산성 향상 및 비용 절감을 이룰 수 있다.

상기 냉각핀(120)은 상기 히트싱크(200)의 상면두께와 같거나 약간 크게 형성된다.

상기 히트싱크(200)는 상기 발열모듈(100)의 하부에 결합되어 상기 발열모듈(100)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 기능을 한다.

이러한 상기 히트싱크(200)의 내부에는 전후방향으로 유체가 통과하는 유로(210)가 관통 형성되어 있다.

그리고, 상기 히트싱크(200)의 상면에는 상기 냉각핀(120)이 삽입되는 삽입공(220)이 형성되어 있으며, 상기 삽입공(220)에 삽입된 상기 냉각핀(120)의 끝단은 상기 유로(210)에 노출되게 된다.

따라서, 상기 유로(210)를 통과하는 공기에 의해 상기 냉각핀(120)은 상기 발열모듈(100)에서 발생된 열을 발산하게 된다.

또한, 상기 유로(210)의 내측 하면에는 상기 냉각핀(120)의 반대방향 즉 상기 삽입공(220)의 반대방향에서 상기 냉각핀(120) 방향으로 돌출되어 상기 유로(210)의 단면공간을 전방 및 후방보다 좁히는 돌출턱(230)이 형성되어 있다.

상기 냉각핀(120)은 상기 발열모듈(100)에 일체로 형성되고 그 굵기가 얇기 때문에 그 길이를 너무 길게 할 수 없어, 방열성능을 특정치 이상으로 증대시키데 한계가 있다.

그러나, 본 발명에서는 상기 유로(210)를 통해 공급된 공기를 상기 돌출턱(230)을 통해 상기 냉각핀(120) 방향으로 유도시킴으로써, 상기 냉각핀(120)에 보다 많은 공기가 접촉되도록 할 수 있고, 또한 상기 돌출턱(230)에 의해 유로(210)의 단면공간이 좁아져 공기의 속도를 증대시킬 수 있어, 방열성능을 더욱 증대시킬 수 있다.

이로 인해, 상기 냉각핀(120)의 크기를 작게 하여도 방열성능을 증대시킬 수 있어, 히트싱크(200)의 크기를 전체적으로 소형화시킬 수 있다.

그리고, 상기 돌출턱(230)은, 상기 냉각핀(120)의 끝단과 이격되어 대면하는 돌출면(231), 상기 돌출면(231)의 일단에서 상기 유로(210)의 전방으로 하향 경사지게 형성된 제1경사면과, 상기 돌출면(231)의 타단에서 상기 유로(210)의 후방으로 하향 경사지게 형성된 제2경사면(233)으로 이루어진다.

상기 돌출면(231)의 전후방 길이는 상기 삽입공(220)의 전후방 길이보다 작게 형성되어, 상기 유로(210)의 전방을 통해 유입된 공기가 막힘없이 상기 냉각핀(120)으로 이동되도록 할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 유로(210)는, 상기 냉각핀(120)이 노출되는 메인유로(211)와, 상기 메인유로(211)의 측부에서 전후방으로 관통 형성된 보조유로(212)로 이루어져 있다.

상기 보조유로(212)에 의해 상기 히트싱크(200)에 흡수된 열을 외부로 보다 많이 방출할 수 있게 된다.

한편, 상기 냉각핀(120)은 도 4에 도시된 바와 같이 동일한 밀도를 가지고 배열될 수도 있으나, 도 5에 도시된 바와 같이 그 위치에 따라 서로 다른 밀도를 가지며 배열될 수도 있다.

구체적으로, 상기 냉각핀(120)은, 상기 발열모듈(100)의 상부에 장착된 상기 발열소자(110)가 위치한 하부에서의 밀도가, 상기 발열소자(110)가 없는 위치의 하부에서의 밀도보다 높도록 한다.

즉, 상기 냉각핀(120)은 상기 발열소자(110)가 배치된 하부에서 더욱 촘촘하게 배치되어 고밀도로 배열된다.

이로 인해, 상기 발열소자(110)에서 발생된 열을 상기 냉각핀(120)에서 보다 신속하게 방출시킬 수 있다.

또한, 상기 냉각핀(120)은 도 5(a)에 도시된 바와 같이 그 단면이 원형으로 형성될 수도 있고, 도 5(b)에 도시된 바와 같이 그 단면이 마름모 형상으로 형성될 수도 있다.

도 5(b)에 도시된 바와 같이 상기 냉각핀(120)의 단면이 마름모 형상으로 형성된 경우에는, 도 5(a)에 도시된 원형 단면보다 큰 표면적을 갖도록 한다.

이로 인해, 마름모 형상의 냉각핀(120)의 방열표면적이 커져 방열성능을 증대시킬 수 있다.

이때, 상기 냉각핀(120) 상호간의 간격은 상기 냉각핀(120)의 최소 단면폭보다 작도록 하여, 방열 표면적을 더욱 증대시키도록 한다.

위와 같은 본 발명의 공냉식 냉각장치에 의해, 상기 발열모듈(100)을 직접적으로 냉각시킬 수 있으며, 또한 냉각핀(120)이 공기와 보다 많이 접촉하고 공기의 흐름속도를 증대시켜 방열성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명의 공냉식 냉각장치는 하이브리드 또는 전기 차량의 인버터 등에 장착되어, 높은 냉각성능을 발휘하도록 할 수 있다.

제2실시예

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 공냉식 냉각장치의 사시도이고, 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 공냉식 냉각장치의 분해사시도이며, 도 8은 도 6의 C-C'선을 취하여 본 단면도이고, 도 9는 도 6의 D-D'선을 취하여 본 단면도이다.

제2실시예의 공냉식 냉각장치는 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 발열모듈(100)과, 히트싱크(200)로 이루어진다.

상기 발열모듈(100) 및 냉각핀(120)은 제1실시예와 동일한 바 이에 대한 자세한 설명은 생략하고, 이하 상기 히트싱크(200)를 중심으로 설명한다.

상기 히트싱크(200)에 형성된 유로(210)는, 냉각부(213)와, 전방부(214)와, 후방부(215)로 구분된다.

상기 냉각부(213)는 하면에 상기 돌출턱(230)이 상방향으로 돌출 형성되어 있고, 상기 돌출턱(230)은 제1실시예에서의 구조와 동일하다.

상기 전방부(214)는 상기 냉각부(213)의 전방에 형성되고, 상기 냉각부(213) 방향으로 갈수록 양측벽간의 거리가 점점 좁아지게 형성된다.

상기 후방부(215)는 상기 냉각부(213)의 후방에 형성되고, 상기 냉각부(213) 방향으로 갈수록 양측벽간의 거리가 점점 좁아지게 형성된다.

즉, 상기 전방부(214) 및 후방부(215)는 그 양측벽이 상기 냉각부(213) 방향으로 경사지게 배치되어, 상기 냉각부(213)의 폭이 상기 전방부(214) 및 후방부(215)의 최소폭과 동일하게 된다.

이로 인해, 상기 전방부(214)를 통해 유입되는 공기는 상기 냉각부(213) 방향으로 이동하면서 점점 압축되어 그 유속이 빨라지게 되고, 이는 상기 냉각핀(120)에 공기를 집중시켜 상기 냉각핀(120)에 의한 방열성능을 높이게 된다.

또한, 상기 전방부(214)에는 상기 냉각부(213) 방향으로 다수개의 가이드판(240)이 수직으로 상호 이격되게 형성되어, 상기 전방부(214)를 통해 공급되는 공기가 상기 냉각부(213)로 보다 잘 이동하도록 할 수 있다.

그외 다른 사항은 제1실시예와 동일한 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

본 발명인 공냉식 냉각장치는 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술 사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

100 : 발열모듈, 110 : 발열소자, 120 : 냉각핀,
200 : 히트싱크, 210 : 유로, 211 : 메인유로, 212 : 보조유로, 213 : 냉각부, 214 : 전방부, 215 : 후방부, 220 : 삽입공, 230 : 돌출턱, 231 : 돌출면, 232 : 제1경사면, 233 : 제2경사면, 240 : 가이드판,

Claims

하면에 다수개의 냉각핀이 결합된 발열모듈; 및
상기 발열모듈의 하부에 결합되어 상기 발열모듈에서 발생된 열을 외부로 방출하고, 전후방향으로 유체가 통과하는 유로가 관통 형성되어 있으며, 상기 냉각핀의 끝단이 상기 유로에 노출되게 상기 냉각핀이 삽입되는 삽입공이 형성된 히트싱크;를 포함하고,
상기 유로의 내측 하면에는 상기 냉각핀의 반대방향에서 상기 냉각핀 방향으로 돌출되어 상기 유로의 단면공간을 전방 및 후방보다 좁히는 돌출턱이 형성된 냉각부가 배치되고,
상기 냉각부의 전방에는 상기 냉각부 방향으로 다수개의 가이드판이 수직으로 상호 이격되어 형성된 것인 공냉식 냉각장치.
청구항1에 있어서,
상기 돌출턱은,
상기 냉각핀의 끝단과 이격되어 대면하는 돌출면과;
상기 돌출면의 일단에서 상기 유로의 전방으로 하향 경사지게 형성된 제1경사면과;
상기 돌출면의 타단에서 상기 유로의 후방으로 하향 경사지게 형성된 제2경사면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 공냉식 냉각장치.
청구항2에 있어서,
상기 돌출면의 전후방 길이는 상기 삽입공의 전후방 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 공냉식 냉각장치.
청구항1에 있어서,
상기 유로는,
상기 냉각핀이 노출되는 메인유로와;
상기 메인유로의 측부에서 전후방으로 관통 형성된 보조유로를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 공냉식 냉각장치.
청구항1에 있어서,
상기 유로는,
상기 냉각부의 전방에 형성된 전방부와,
상기 냉각부의 후방에 형성된 후방부를 포함하되,
상기 전방부 및 후방부는 상기 냉각부 방향으로 갈수록 양측벽간의 거리가 점점 좁아지게 형성된 것을 특징으로 하는 공냉식 냉각장치.
삭제
청구항1에 있어서,
상기 냉각핀은 상기 발열모듈의 하면에 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 공냉식 냉각장치.
청구항1 내지 청구항5, 청구항7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발열모듈에는 발열소자가 장착되어 있되,
상기 냉각핀은 상기 발열소자가 위치한 하부에서 상기 발열소자가 없는 위치의 하부보다 더 고밀도로 배치된 것을 특징으로 하는 공냉식 냉각장치.
청구항8에 있어서,
상기 냉각핀은 단면이 특정원형보다 큰 표면적을 갖는 마름모 형상으로 형성되되,
상기 냉각핀 상호간의 간격은 상기 냉각핀의 최소 단면폭보다 작은 것을 특징으로 하는 공냉식 냉각장치.