KR102169412B1 - 차량의 전기소자 냉각용 열교환기 - Google Patents

차량의 전기소자 냉각용 열교환기 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기는 전기소자 모듈의 상하측에 배치되고, 냉각유체가 흐르는 복수의 유로가 길이 방향으로 형성된 한 쌍의 냉각부; 상기 한 쌍의 냉각부 각각의 일단에 결합되어 냉각유체가 흐르고, 대향하는 일면에 돌기가 형성되며, 타면에 파이프가 연결되는 파이프 체결부; 상기 한 쌍의 냉각부 각각의 타단에 결합되어 냉각유체가 흐르고, 대향하는 일면에 돌출부가 형성된 벨로우즈 체결부; 및 상하측 개방부가 상기 돌출부에 삽입되고, 수축 가능한 벨로우즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 차량의 전기소자 냉각용 열교환기는 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기는 냉각수 누설의 위험을 줄이면서 상측부와 하측부의 간격을 보다 더 큰 폭으로 조절할 수 있다.

Description

차량의 전기소자 냉각용 열교환기{Heat exchanger for electric element cooling}
본 발명은 차량의 전기소자 냉각용 열교환기에 관한 것으로, 구체적으로는 냉각수 누설의 위험을 줄이면서 상측부와 하측부의 간격을 보다 더 큰 폭으로 조절할 수 있는 차량의 전기소자 냉각용 열교환기에 관한 것이다.
전기자동차나 하이브리드 자동차와 같은 친환경 차량은 모터를 이용해 동력을 공급하고, 모터를 보다 효율적으로 제어하기 위해서는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT), 다이오드(DIODE)와 같은 소자들이 집약된 파워모듈을 사용해야 한다.
파워모듈의 IGBT와 DIODE 소자는 각각 구동 시나 정차 시에 200℃에 가까운 열이 발생하는데, 파워모듈의 열이 축적되면 기능을 멈추고, 모터가 구동하지 않게 되어 주행 중에 큰 사고로 이어질 수 있다. 따라서, 파워모듈의 열관리 시스템은 친환경 차량에 필수적이다.
파워모듈은 적정 온도에서 최대의 효율을 발휘하고, 전체의 소자가 유기적으로 작동하기 때문에 하나의 효율이 떨어지면 전체의 효율이 떨어지게 되어 전체적으로 골고루 냉각시켜줘야 한다.
전기소자 냉각용 열교환기는 파워모듈의 상부와 하부를 동시에 냉각시켜야 하기 때문에 파워모듈의 상하부에 열교환용 압출 튜브나 프레스물의 유로가 위치해야 한다. 구체적으로, 써멀 그리스가 도포된 파워모듈은 상측 냉각기와 하측 냉각기 사이의 간격에 삽입되어 위치할 수 있다. 이때, 파워모듈은 상하측 냉각기의 냉각수가 새지 않도록 삽입되는 것이 바람직하다.
이러한 조건을 충족시키기 위해 근래에 개발되고 있는 친환경 차량의 전기소자 냉각용 열교환기는 크게 밴딩형과 가스켓형으로 분류될 수 있다.
밴딩형은 압출 튜브의 연성을 이용하여 튜브를 'U'나 'Ω'의 형태로 접어서 일체형으로 제작된 형태이고, 가스켓형은 상측 유로와 하측 유로의 연결 부분에 가스켓링을 삽입하여 조여주는 형태이다.
밴딩형은 압출 튜브와 유로의 높이가 높으면 밴딩을 크게 해야 해서 공간이 많이 필요하고, 유로의 형상을 다양화 하지 못하며, 압출 튜브가 차지하는 길이가 길어져서 압력 손실이 커지는 단점이 있다.
가스켓형은 유로의 높이나 형상에 제한이 없으나, 상측 유로와 하측 유로의 연결 부분에 가스켓링이 하나 더 끼워지므로, 조립 시 가스켓링이 비틀어지는 현상 등에 의한 냉각수 누설의 가능성을 내재하고 있다.
공개특허공보 제10-2008-0071561호(2008.08.04.)
본 발명은 전술한 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 냉각수 누설의 위험을 줄이면서 상측부와 하측부의 간격을 보다 더 큰 폭으로 조절할 수 있는 차량의 전기소자 냉각용 열교환기를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전기소자 모듈의 상하측에 배치되고, 냉각유체가 흐르는 복수의 유로가 길이 방향으로 형성된 한 쌍의 냉각부; 상기 한 쌍의 냉각부 각각의 일단에 결합되어 냉각유체가 흐르고, 대향하는 일면에 돌기가 형성되며, 타면에 파이프가 연결되는 파이프 체결부; 상기 한 쌍의 냉각부 각각의 타단에 결합되어 냉각유체가 흐르고, 대향하는 일면에 돌출부가 형성된 벨로우즈 체결부; 및 상하측 개방부가 상기 돌출부에 삽입되고, 수축 가능한 벨로우즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 전기소자 냉각용 열교환기를 제공한다.
여기서, 상기 벨로우즈 체결부는 상기 돌출부 주위에 상기 벨로우즈에 대응되는 형상의 홈이 형성되고, 상기 홈의 폭은 상기 벨로우즈의 폭보다 크게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 벨로우즈는 상하부가 분리 가능하게 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 파이프 체결부는 내면에 상기 한 쌍의 냉각부 각각의 일단이 삽입되는 위치를 제한하는 제1 걸림단턱이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 벨로우즈 체결부는 내면에 상기 한 쌍의 냉각부 각각의 타단이 삽입되는 위치를 제한하는 제2 걸림단턱이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기는 냉각수 누설의 위험을 줄이면서 상측부와 하측부의 간격을 보다 더 큰 폭으로 조절할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기는 파이프에 커넥터, 호스 등이 체결될 때 파이프를 통해 힘이 제2 체결부에 전달되더라도, 제2 체결부는 제1 체결부의 돌기에 의해 지지된 상태이기 때문에 변형이 쉽게 이루어지지 않는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기는 벨로우즈가 분리 가능하게 구성되므로 종래의 일체형 열교환기에 비해 일측이 클래드재인 브레이징 부품으로 구성된 벨로우즈를 보다 쉽게 제조할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기는 파이프 체결부 및 벨로우즈 체결부에 각각 제1,2 걸림단턱이 형성되기 때문에 복수의 냉각부의 양단을 정해진 위치에 배치시켜 결합하기에 용이하다.
도 1은 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기에서 파이프 체결부를 확대한 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기에서 벨로우즈 체결부 및 벨로우즈를 확대한 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기에서 벨로우즈 체결부 및 벨로우즈의 수축 전과 수축 후의 상태를 확대한 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기의 수축 전의 상태를 정면에서 본 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기의 수축 후의 상태를 정면에서 본 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 첨가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기의 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기에서 파이프 체결부를 확대한 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기에서 벨로우즈 체결부 및 벨로우즈를 확대한 단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기에서 벨로우즈 체결부 및 벨로우즈의 수축 전과 수축 후의 상태를 확대한 단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기의 수축 전의 상태를 정면에서 본 단면도이며, 도 7은 본 발명에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기의 수축 후의 상태를 정면에서 본 단면도이다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량의 전기소자 냉각용 열교환기(1)를 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 차량의 전기소자 냉각용 열교환기(1)는 한 쌍의 냉각부(100), 파이프 체결부(200), 벨로우즈 체결부(300) 및 벨로우즈(400)를 포함하여 구성된다.
도 2를 참조하면, 한 쌍의 냉각부(100)는 전기소자 모듈 가이드(10)의 상하측에 배치되고, 냉각유체가 흐르는 복수의 유로가 길이 방향으로 형성된다. 여기서, 한 쌍의 냉각부(100)에 형성되는 복수의 유로는 후술할 파이프(20)를 통해 유입된 냉각유체가 흐를 수 있다. 또한, 전기소자 모듈 가이드(10)는 전기소자 모듈을 고정시키기 위한 것으로, 플라스틱 사출물로 형성될 수 있다.
또한, 한 쌍의 냉각부(100)는 전기소자 모듈 가이드(10)를 향하는 일면에 열전도율이 우수한 알루미늄 등과 같은 금속 플레이트(110)가 배치되어 열교환 효율을 높이도록 구성될 수 있다.
한편, 파이프 체결부(200)는 한 쌍의 냉각부(100) 각각의 일단에 결합되어 냉각유체가 흐르고, 한 쌍의 제1 체결부(210) 및 한 쌍의 제2 체결부(220)로 구성될 수 있다.
구체적으로, 한 쌍의 제1 체결부(210)는 전기소자 모듈 가이드(10)를 사이에 두고 대향하는 일면에 돌기(211)가 형성된다. 여기서, 한 쌍의 제1 체결부(210)가 서로 근접하는 방향으로 이동하면, 돌기(211)가 서로 접할 수 있다.
또한, 한 쌍의 제2 체결부(220)는 한 쌍의 제1 체결부(210) 각각에 결합되고, 파이프(20)가 연결된다. 여기서, 파이프(20)는 외주면에 걸림돌기(21)가 형성되고, 한 쌍의 제2 체결부(220)는 파이프(20)가 삽입되는 개방된 부분에 걸림돌기(21)와 접하도록 돌출된 개방돌기(221)가 형성될 수 있다. 즉, 파이프(20)는 걸림돌기(21)가 개방돌기(221)에 걸리는 위치까지 제2 체결부(220)에 삽입되어 결합될 수 있다.
또한, 파이프(20)는 냉각유체가 유입 또는 유출될 수 있도록 커넥터, 호스 등이 체결되는데, 이때 파이프(20)에 힘이 전달되어 파이프(20)에 연결된 제2 체결부(220)가 휘거나 파손될 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 대향하는 일면에 돌기가 형성된 한 쌍의 제1 체결부(210)가 구비된다.
도 3을 참조하면, 도 3(a)의 상태에 있는 한 쌍의 제1 체결부(210)가 후술할 벨로우즈(400)의 수축에 따라 서로 근접한 방향으로 이동하여 도 3(b)에 도시된 바와 같이 한 쌍의 돌기(211)가 서로 접할 경우, 한 쌍의 제1 체결부(210)와 결합된 한 쌍의 제2 체결부(220)는 돌기(211)에 의해 지지된 상태에 놓여진다.
따라서, 파이프(20)에 커넥터, 호스 등이 체결될 때 파이프(20)를 통해 힘이 제2 체결부(220)에 전달되더라도, 제2 체결부(220)는 제1 체결부(210)의 돌기(211)에 의해 지지된 상태이기 때문에 변형이 쉽게 이루어지지 않는 효과가 있다. 또한, 돌기(211)는 파이프(20)에 냉각유체가 유입될 때의 압력을 분산시키는 역할도 수행할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 파이프 체결부(200)는 내면에 냉각부(100)의 일단이 삽입되는 위치를 제한하는 제1 걸림단턱(230)이 형성되는 것이 바람직하다. 제1 걸림단턱(230)은 파이프 체결부(200)의 대향하는 내면에 돌출 형성되어 냉각부(100)의 일단이 삽입되는 통로의 폭을 좁힐 수 있다. 즉, 파이프 체결부(200)가 냉각부(100)의 일단에 결합될 때, 제1 걸림단턱(230)에 걸리는 부분까지만 삽입되기 때문에 냉각부(100)의 일단을 정해진 위치에 결합시키기에 용이하다.
한편, 벨로우즈 체결부(300)는 한 쌍의 냉각부(100) 각각의 타단에 결합되어 냉각유체가 흐르고, 전기소자 모듈 가이드(10)를 사이에 두고 대향하는 일면에 돌출부(311)가 형성된 한 쌍의 제1 결합부(310) 및 한 쌍의 제1 결합부(310) 각각에 결합된 한 쌍의 제2 결합부(320)로 구성될 수 있다.
또한, 벨로우즈 체결부(300)는 내면에 냉각부(100)의 타단이 삽입되는 위치를 제한하는 제2 걸림단턱(330)이 형성되는 것이 바람직하다. 제2 걸림단턱(330)은 벨로우즈 체결부(300)의 대향하는 내면에 돌출 형성되어 냉각부(100)의 타단이 삽입되는 통로의 폭을 좁힐 수 있다. 즉, 벨로우즈 체결부(300)가 냉각부(100)의 타단에 결합될 때, 제2 걸림단턱(330)에 걸리는 부분까지만 삽입되기 때문에 냉각부(100)의 타단을 정해진 위치에 결합시키기에 용이하다.
한편, 도 2 및 도 4를 참조하면, 벨로우즈(400)는 상하측에 개방부(410)가 형성되어 벨로우즈 체결부(300)에 형성된 돌출부(311)에 삽입될 수 있고, 수축 가능하게 구성된다. 이러한 벨로우즈(400)는 한 쌍의 냉각부(100)를 연결하는 통로의 역할을 하는 것으로, 일측이 클래드재로 제조되어 벨로우즈 체결부(300)와 브레이징(brazing) 접합될 수 있다.
또한, 벨로우즈(400)는 상하부가 분리 가능하게 구성되는 것이 바람직하다. 이때, 벨로우즈(400)의 상부 및 하부는 서로 접하는 일면에 외주면을 따라 결합홈(420) 및 결합돌기(430)가 대응되게 형성되어 서로 조립이 가능하도록 구성될 수 있다.
또한, 소재의 연신률에 따라 높이나 폭이 한정된 종래의 일체형 벨로우즈(400)와는 달리, 본 발명의 분리형 벨로우즈(400)는 둘레부(440)의 높이를 변화시켜 신축 가능한 높이를 조절할 수 있고, 이와 더불어 둘레부(440)의 폭을 변화시켜 신축에 필요한 힘을 조절할 수 있는 장점이 있다.
한편, 벨로우즈 체결부(300)는 돌출부(311) 주위에 벨로우즈(400)에 대응되는 형상의 홈(312)이 형성된다.
구체적으로, 벨로우즈(400)는 벨로우즈 체결부(300) 사이에 배치되고, 상하측 개방부(410)가 형성되어 벨로우즈 체결부(300)에 형성된 돌출부(311)에 삽입된다. 이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 벨로우즈(400)의 상단 및 하단은 홈(312)이 형성된 벨로우즈 체결부(300)의 일면(312a)까지 삽입될 수 있다.
즉, 홈(312)의 깊이가 깊어질수록 그 사이에 삽입되는 벨로우즈(400)의 상단과 하단 사이의 높이를 높일 수 있기 때문에 둘레부(440)를 높이를 높게 형성함으로써 신축 가능한 높이를 높일 수 있다.
결과적으로, 서로 대향하는 홈(312)의 깊이를 조절함으로써 그 사이에 배치되는 벨로우즈(400)의 높이를 조절할 수 있고, 이로 인해 벨로우즈(400)의 신축 가능한 높이가 조절될 수 있기 때문에 삽입되는 전기소자 모듈의 높이에 따라 전기소자 모듈을 삽입할 수 있는 여유간격을 용이하게 확보할 수 있다.
벨로우즈(400)의 수축 전에 전기소자 모듈을 용이하게 삽입하기 위해서, 한 쌍의 냉각부(100) 사이의 간격은 크게 형성되는 것이 바람직하다.
이를 위해, 벨로우즈(400)가 체결되는 벨로우즈 체결부(300)의 돌출부(311) 길이를 늘이는 방법이 있으나, 돌출부(311)의 길이가 늘어날 경우, 벨로우즈(400)가 수축한 후에도 한 쌍의 냉각부(100)와 전기소자 모듈 사이의 간격이 크기 때문에 열교환 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 즉, 돌출부(311)의 길이는 전기소자 모듈의 높이에 맞게 형성되어야 하기 때문에 길이를 무한정으로 늘릴 수 없다.
반면에, 본 발명은 돌출부(311) 주위에 벨로우즈(400)에 대응되는 형상의 홈(312)을 형성한다. 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 벨로우즈(400)가 수축되기 전, 벨로우즈(400)의 상단 및 하단은 홈(312)이 형성된 벨로우즈 체결부(300)의 일면(312a)까지 삽입될 수 있으며, 벨로우즈(400)의 둘레부(440)를 높게 형성할 수 있으므로 신축 가능한 높이를 높일 수 있다.
또한, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 벨로우즈(400)가 수축될 때, 벨로우즈 체결부(300)는 돌출부(311) 주위에 홈(312)이 형성되기 때문에 돌출부(311)가 서로 접할 때까지 벨로우즈(400)는 최대한으로 변형될 수 있다.
또한, 수축되어 변형된 벨로우즈(400)의 둘레부(440)는 벨로우즈 체결부(300)에 형성된 홈(312)에 접할 수 있다. 이때 홈(312)의 폭은 벨로우즈(400)의 둘레부(440) 폭보다 크게 형성되기 때문에 둘레부(440)는 홈(312)이 형성된 일면(312a)에 안정적으로 안착된 상태로 수축될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 벨로우즈(400)가 수축되기 전과 수축된 후의 높이 차이를 크게 할 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 수축되기 전의 벨로우즈(400)는 한 쌍의 냉각부(100) 사이의 간격을 충분히 확보할 수 있는 높이로 형성되기 때문에 전기소자 모듈을 삽입할 수 있는 공간을 충분히 확보할 수 있고, 도 7에 도시된 바와 같이, 벨로우즈(400)를 수축하는 방향으로 힘이 가해지면, 벨로우즈 체결부(300)에 형성된 홈(312)에 의해 벨로우즈(400)를 최대한 수축시킬 수 있기 때문에 한 쌍의 냉각부(100) 사이의 간격을 최대한 좁혀서 전기소자 모듈과의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 이때, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 고려해야 할 것이다.
1 : 전기소자 냉각용 열교환기 10 : 전기소자 모듈 가이드
20 : 파이프 21 : 걸림돌기
100 : 한 쌍의 냉각부 110 : 금속 플레이트
200 : 파이프 체결부 210 : 한 쌍의 제1 체결부
211 : 돌기 220 : 한 쌍의 제2 체결부
221 : 개방돌기 230 : 제1 걸림단턱
300 : 벨로우즈 체결부 310 : 한 쌍의 제1 결합부
311 : 돌출부 312 : 홈
312a : 홈이 형성된 일면 320 : 한 쌍의 제2 결합부
330 : 제2 걸림단턱 400 : 벨로우즈
410 : 벨로우즈의 개방부 420 : 결합홈
430 : 결합돌기 440 : 둘레부

Claims (5)

  1. 전기소자 모듈의 상하측에 배치되고, 냉각유체가 흐르는 복수의 유로가 길이 방향으로 형성된 한 쌍의 냉각부;
    상기 한 쌍의 냉각부 각각의 일단에 결합되어 냉각유체가 흐르고, 상기 전기소자 모듈을 사이에 두고 대향하는 일면에 돌기가 형성되며, 타면에 파이프가 연결되는 파이프 체결부;
    상기 한 쌍의 냉각부 각각의 타단에 결합되어 냉각유체가 흐르고, 상기 전기소자 모듈을 사이에 두고 대향하는 일면에 돌출부가 형성된 벨로우즈 체결부; 및
    상하측 개방부가 상기 돌출부에 삽입되고, 수축 가능한 벨로우즈를 포함하며,
    상기 벨로우즈를 수축하는 방향으로 힘이 가해지면, 상기 한 쌍의 냉각부는 상기 돌기가 서로 접할 때까지 상기 전기소자 모듈의 상하측에 근접하는 것을 특징으로 하는 차량의 전기소자 냉각용 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 벨로우즈 체결부는 상기 돌출부 주위에 상기 벨로우즈에 대응되는 형상의 홈이 형성되고,
    상기 홈의 폭은 상기 벨로우즈의 폭보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 차량의 전기소자 냉각용 열교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 벨로우즈는 상하부가 분리 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 차량의 전기소자 냉각용 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파이프 체결부는 내면에 상기 한 쌍의 냉각부 각각의 일단이 삽입되는 위치를 제한하는 제1 걸림단턱이 형성된 것을 특징으로 하는 차량의 전기소자 냉각용 열교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 벨로우즈 체결부는 내면에 상기 한 쌍의 냉각부 각각의 타단이 삽입되는 위치를 제한하는 제2 걸림단턱이 형성된 것을 특징으로 하는 차량의 전기소자 냉각용 열교환기.
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