KR102352040B1 - 전기소자 냉각용 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기소자 냉각용 열교환기에 관한 것으로서, 각각의 전기소자를 냉각하는 냉매의 유량을 전기소자의 발열량에 대응하여 제어 가능한, 전기소자 냉각용 열교환기에 관한 것이다.

Description

전기소자 냉각용 열교환기{heat exchanger for cooling electric element}

본 발명은 전기소자 냉각용 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기소자의 발열량에 대응하여 전기소자 냉각용 냉매의 유량을 제어함으로서 전기소자를 효율적으로 냉각시킬 수 있는, 전기소자 냉각용 열교환기에 관한 것이다.

최근 환경 문제 대책의 일환으로서, 모터의 구동력을 이용하는 하이브리드 차량, 연료전지 차량, 전기 차량 등의 발전이 더욱 더 주목받고 있다.

상술한 바와 같은 차량은 일반적으로, HSG 제어를 위한 전기소자와, 모터 제어를 위한 전기소자가 필수로 구비되며, 이러한 전기소자들은 구동을 위하여 전력(electricity) 공급 시 가열되기 때문에, 반드시 별도의 냉각수단이 필요하다.

이와 관련된 기술로, 일본공개특허 제2001-245478호(공개일 2001.09.07, 명칭 : 인버터의 냉각 장치)에는 IGBT 등의 반도체 소자와 다이오드를 내장한 반도체 모듈이 사용되는 인버터가 개시된 바 있으며, 일본공개특허 제2008-294283호(공개일 2008.12.04, 명칭 : 반도체 장치)에는 반도체 소자의 하측면에 접하도록 설치되며, 내부에 유체가 흐르면서 열교환하도록 형성되는 히트싱크가 개시된 바 있다.

위의 단면 냉각방식의 경우 접촉 면적이 적어 냉각성능이 낮은 문제가 있기 때문에 이러한 문제를 해결하고자 도 1에 도시된 양면 냉각 방식의 열교환기(10)가 개발되었다.

그러나, 양면 냉각 방식의 열교환기는 충분한 냉각 성능을 가지는 장점이 있었지만, 일반적으로 냉각하는 서로 다른 전기소자의 발열량이 동일하다는 전제를 가지고 제작되었기 때문에, 각각의 전기소자를 냉각하기 위한 냉매가 흐르는 유로의 길이가 동일하여, 서로 다른 발열량을 가지는 전기소자에 동일한 양의 냉매가 공급되는 문제점이 있었다.

즉, 종래의 열교환기는 냉매 유량을 발열량이 많은 전기소자에 대응하여 설정해야 하기 때문에, 보다 많은 냉매를 필요로 하였던 것이다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있는 전기소자 냉각용 열교환기의 필요성이 대두되고 있다.

특허문헌 1) 국내등록특허공보 제1550730호(명칭: 차량의 공조시스템, 공개일: 2015.09.07)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 각각의 전기소자에 발열량에 대응하는 냉매를 공급하여 냉매가 낭비되는 것을 방지하는 것이다.

본 발명인 전기소자 냉각용 열교환기는, 서로 다른 발열량을 가지는 복수개의 전기소자를 효율적으로 냉각시키기 위한 전기소자 냉각용 열교환기로서, 냉매가 주입되는 입구파이프(100); 상기 입구파이프(100)에서 유입된 냉매를 분배하는 헤더탱크(200); 상기 헤더탱크(200)에서 유입된 냉매를 임의의 전기소자와 열교환 시키는 복수개의 튜브(300); 및 상기 튜브(300)를 통과한 냉매가 모여 배출되는 출구파이프(400); 를 포함하며, 상기 헤더탱크(200)와 상기 튜브(300)는 냉매가 통과하는 복수개의 냉각유로를 형성하되, 상대적으로 길이가 짧은 냉각유로가 발열량이 큰 전기소자와 열교환하는 것을 특징으로 한다.

또한, 서로 다른 발열량을 가지는 복수개의 전기소자를 효율적으로 냉각시키기 위한 냉각유로가 형성된 전기소자 냉각용 열교환기에 있어서, 냉매가 주입되는 입구파이프(100); 상기 입구파이프(100)에서 유입된 냉매를 분배하는 헤더탱크(200); 상기 헤더탱크(200)에서 유입된 냉매를 임의의 전기소자와 열교환 시키는 복수개의 튜브(300); 및 상기 튜브(300)를 통과한 냉매가 모여 배출되는 출구파이프(400); 를 포함하며, 상기 입구파이프(100)와 상기 출구파이프(400) 중 어느 하나 이상은 상대적으로 발열량이 큰 전기소자에 인접하게 배치된 것을 특징으로 한다.

또한, 복수개의 전기소자를 냉각하기 위한 냉각유로를 형성하는 전기소자 냉각용 열교환기에 있어서, 냉매가 주입되는 입구파이프(100); 상기 입구파이프(100)에서 유입된 냉매를 분배하는 헤더탱크(200); 상기 헤더탱크(200)에서 유입된 냉매를 임의의 전기소자와 열교환 시키는 복수개의 튜브(300); 및 상기 튜브(300)를 통과한 냉매가 모여 배출되는 출구파이프(400); 를 포함하며, 상기 입구파이프(100)와 상기 출구파이프(400) 중 어느 하나 이상은 상대적으로 많은 개수의 전기소자와 열교환하는 상기 튜브(300) 측에 인접하게 배치된 것을 특징으로 하는, 전기소자 냉각용 열교환기.

또한, 상기 튜브(300)는 서로 마주보는 내측면이 상기 전기소자의 상면 및 하면과 접하는 벤딩 구조인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각유로는 상기 헤더탱크(200)상에 형성되는 헤더탱크 유로와, 각각의 상기 튜브(300) 상에 형성되는 튜브 유로를 포함하며, 각각의 상기 튜브 유로의 길이는 동일한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 헤더탱크 유로는 상기 입구파이프(100)에서 유입된 냉매를 각각의 상기 튜브(300)로 분배하는 복수개의 분배유로(210)와, 각각의 상기 튜브(300)를 통과한 냉매를 상기 출구파이프(400)로 이동시키는 복수개의 통합유로(220)를 포함하며, 서로 다른 상기 튜브(300)와 연결되는 상기 분배유로(210) 및 상기 통합유로(220)의 길이가 각각 다른 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명인 전기소자 냉각용 열교환기는, 발열량이 큰 전기소자와 열교환하는 튜브로 냉매가 더 많이 유입 가능하므로, 서로 다른 발열량을 가지는 복수개의 전기소자를 효율적으로 냉각 가능한 효과가 있다.

또한, 전기소자의 발열량에 대응하여 냉매를 효율적으로 분배 가능하므로 전기소자를 냉각하기 위하여 필요한 총 냉매량이 최소화 되는 효과가 있다.

그리고, 냉매가 유입되는 입구파이프와 출구파이프의 위치를 제어하여 각 튜브로 유입되는 냉매의 유량을 제어 가능하므로, 장치의 구성 요소가 최소화 되는 장점이 있다.

아울러, 냉매의 유로 길이 제어를 통하여 각 유로로 분배되는 냉매의 총 유량을 제어 가능하므로, 열교환기의 차량의 조립 위치에 따라 냉매의 입출구부 위치가 가변되어도 각 유로별 냉매 유량 제어가 가능한 장점이 있다.

도 1은 종래의 전기소자 냉각용 열교환기를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명인 전기소자 냉각용 열교환기를 나타낸 사시도. (케이스 결합 시)
도 3은 본 발명인 전기소자 냉각용 열교환기를 나타낸 사시도. (케이스 분리 시)
도 4는 본 발명인 전기소자 냉각용 열교환기 상에 제1 유로 및 제2 유로를 나타낸 개념도.
도 5는 본 발명인 전기소자 냉각용 열교환기 상에 분배유로 및 통합유로를 나타낸 개념도.

이하, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 전기소자 냉각용 열교환기를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2를 참조하여 설명하면 본 발명인 전기소자 냉각용 열교환기는 냉매가 주입되는 입구파이프(100)와, 상기 입구파이프(100)에서 유입된 냉매를 분배하는 헤더탱크(200)와, 상기 헤더탱크(200)에서 유입된 냉매를 임의의 전기소자와 열교환 시키는 복수개의 튜브(300)와, 상기 튜브(300)를 통과한 냉매가 모여 배출되는 출구파이프(400)를 포함하여 이루어지고, 상기 헤더탱크(200)와 상기 튜브(300)가 냉매가 통과하는 복수개의 냉각유로를 형성하여, 각각의 튜브(300) 사이에 위치된 전기소자를 냉각하며, 전기소자의 발열량에 대응하여 튜브(300)를 통과하는 냉매의 유량을 제어함으로서, 각각의 전기소자를 효율적으로 냉각 가능하다.

상세히 설명하면, 하이브리드 차량, 연료전지 차량, 전기 차량 등 모터를 사용하는 차량의 경우 HSG 및 모터를 제어하기 위한 복수개의 전기소자를 필요로 하고, 각각의 전기소자가 서로 다른 발열량을 가지므로, 각각의 전기소자를 냉각하기 위한 복수개의 냉각유로를 형성하되, 각각의 냉각유로를 흐르는 냉매의 유량을 전기소자의 발열량에 대응하여 조절하여 줌으로서, 효율적인 전기소자 냉각이 가능하게 한 것이다.

이때, 냉각유로는 냉각하고자 하는 상기 전기소자의 개수에 대응하여 다수개 형성될 수 있으며, 이하에서는 전기소자가 2개가 사용되고 이에 대응하여 2개의 냉각유로가 형성되는 구조를 예로 들어 설명하도록 한다.

도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 일 실시예에 따른 전기소자 냉각용 열교환기는 상기 냉각유로(3)가 발열량이 상대적으로 작은 제1 전기소자(1)를 냉각시키기 위한 냉매가 흐르는 제1 유로(4)와, 발열량이 상대적으로 제2 전기소자(2)를 냉각시키기 위한 냉매가 흐르는 제2 유로(5)를 포함하여 이루어지고, 상기 제2 유로(5)를 흐르는 냉매의 유량을 상기 제1 유로(4)를 흐르는 냉매의 유량보다 크게 함으로서 제1 전기소자(1) 및 제2 전기소자(2)를 효율적으로 냉각할 수 있다.

상세히 설명하면, 상기 제1 유로(4)와 상기 제2 유로(5)의 길이를 다르게 하여 제1 유로(4)와 제2 유로(5)가 서로 압력강하량 차를 가지게 함으로서, 압력강하량이 작은 유로 상에 보다 많은 냉매가 유입되게 한 것이다.

이때, 상기 제1 유로(4)와 상기 제2 유로(5)의 길이를 제어하는 방법은 상기 입구파이프(100)와 상기 출구파이프(400)의 위치를 제어하는 방법과, 상기 입구파이프(100)에서 유입된 냉매를 각각의 상기 튜브(300)로 분배하는 분배유로(210) 또는 각각의 상기 튜브(300)를 통과한 냉매를 상기 출구파이프(400)로 모아주는 통합유로(220)의 길이를 제어하는 방법과, 각각의 튜브(300) 길이를 제어하는 방법이 있으며, 이하에서는 이러한 실시예에 관하여 설명한다.

[제1 실시예]

본 발명인 전기소자 냉각용 열교환기는 상기 입구파이프(100) 및 출구파이프(400)의 위치를 제어하여 상기 제1 유로(4)와 상기 제2 유로(5)가 길이차이를 가지게 할 수 있다.

도 3 및 도 5를 참조하면, 상기 헤더탱크(200)는 내부에 상기 입구파이프(100)에서 유입된 냉매를 상기 제1 전기소자(1)를 냉각하는 제1 튜브(300A)로 분배하는 제1 분배유로(210A)와, 상기 제2 전기소자(2)를 냉각하는 제2 튜브(300B)로 분배하는 제2 분배유로(210A)를 포함하는 분배유로(210)와, 제1 튜브(300A)를 통과하여 배출되는 냉매를 출구파이프(400)로 이동시키는 제1 통합유로(220A)와, 제2 튜브(300B)를 통과하여 배출되는 냉매를 출구파이프(400)로 이동시키는 제2 통합유로(220B)를 포함하는 통합유로(220)가 형성되고, 상기 제1 튜브(300A)와 상기 제2 튜브(300B)는 헤더탱크(200)의 상하방향 중심선(A)을 기준으로 좌우에 대칭 배치됨과 동시에 동일한 길이를 가진다.

따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 상대적으로 발열량이 많은 제2 전기소자(2)를 냉각시키는 제2 튜브(300B) 측에 상기 입구파이프(100)와 상기 출구파이프(400) 중 어느 하나 이상을 인접하게 배치시켜, 제2 유로(5)의 길이가 제1 유로(4)의 길이보다 짧게 한 것이다.

이때, 입구파이프(100)와 상기 출구파이프(400) 중 어느 하나 이상을 상기 제2 튜브(300B)가 위치되는 측에 인접하게 배치된다는 것은, 상기 입구파이프(100)와 상기 출구파이프(400)의 위치를 제어하여 상기 분배유로(210)와 상기 통합유로(220)를 최단거리로 형성할 경우, 상기 제2 분배유로(210A)와 상기 제2 통합유로(220B)의 총 길이를 더한 합이, 상기 제1 분배유로(210A)와 상기 제1 통합유로(220A)의 총 길이를 더한 합보다 짧아지는 것을 나타냄은 물론이다.

그리고, 위에서는 상기 제1 전기소자(1) 및 상기 제2 전기소자(2)의 발열량이 서로 다를 경우는 제1 전기소자(1)와 제2 전기소자(2)의 구성 차이에 의한 것일 수 있지만, 도 3에 도시된 바와 같이 개수차이에 의한 것일 수 있으므로, 상기 입구파이프(100)와 상기 출구파이프(400) 중 어느 하나 이상은 3개의 소자가 모여 이루어진 상기 제2 전기소자(2) 또는 제2 전기소자(2)와 열교환하는 상기 제2 튜브(300B)에 인접하게 배치될 수 있음은 물론이다.

[제2 실시예]

본 발명인 전기소자 냉각용 열교환기는 상기 제1 분배유로(210A)와, 상기 제2 분배유로(210A) 및 상기 제1 통합유로(220A)와 상기 제2 통합유로(220B)의 길이를 제어하여, 상기 제1 유로(4)와 상기 제2 유로(5)가 길이차이를 가지게 할 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면, 상기 제1 유로(4)의 총 길이는 상기 제1 분배유로(210A)와, 상기 제1 통합유로(220A) 및 상기 제1 튜브(300A)에 형성된 유로의 합으로 이루어지고, 상기 제2 유로(5)의 총 길이는 상기 제2 분배유로(210B)와, 상기 제2 통합유로(220B) 및 상기 제2 튜브(300B)에 형성된 유로의 합으로 이루어지며, 상기 제1 뷰트(300A)의 유로 길이와 상기 제2 튜브(300B)의 유로는 서로 동일하게 형성된다.

따라서, 상기 제2 분배유로(210B)와 상기 제2 통합유로(220B)의 총 길이를 상기 제1 분배유로(210A)와 상기 제1 통합유로(220A)의 총 길이보다 짧게 형성하여, 상기 입구파이프(100)와 상기 출구파이프(400)의 위치가 차량의 조립 위치에 따라 가변될 경우에도, 제2 유로(5)의 길이가 제1 유로(4)의 길이보다 짧게 형성되게 한 것이다.

이때, 도면상에는 상기 입구파이프(100)와 상기 출구파이프(400)가 상하방향 중심선(A)을 기준으로 서로 대칭 형성될 경우를 도시하였지만, 차량의 조립 위치에 따라 입구파이프(100) 및 출구파이프(400)가 제1 전기소자(1) 측에 인접 배치되더라도 분배유로(210)와 통합유로(220)의 길이를 제어하여 냉매의 유량을 제어할 수 있음은 물론이다.

아울러, 본 발명인 전기소자 냉각용 열교환기는 상기 제1 튜브(300A) 및 상기 제2 튜브(300B)가 상기 전기소자(1, 2)의 상면 및 하면과 접하는 벤딩 구조로 이루어져, 튜브(300)와 전기소자(1, 2)의 열교환 효율을 극대화 할 수 있음은 물론이다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

100 : 입구파이프
200 : 헤더탱크
210 : 분배유로
220 : 통합유로
300 : 튜브
400 : 출구파이프

Claims (6)

1. 삭제
2. 서로 다른 발열량을 가지는 복수개의 전기소자를 냉각하기 위한 냉각유로를 형성하는 전기소자 냉각용 열교환기에 있어서,
   냉매가 주입되는 입구파이프(100);
   상기 입구파이프(100)에서 유입된 냉매를 분배하는 헤더탱크(200);
   상기 헤더탱크(200)에서 유입된 냉매를 임의의 전기소자와 열교환 시키는 복수개의 튜브(300); 및
   상기 튜브(300)를 통과한 냉매가 모여 배출되는 출구파이프(400); 를 포함하며,
   상기 입구파이프(100)와 상기 출구파이프(400) 중 어느 하나 이상은 상대적으로 발열량이 많은 상기 전기소자에 인접하게 배치되고,
   상기 튜브(300)는 서로 마주보는 내측면이 상기 전기소자의 상면 및 하면과 접하는 벤딩 구조이며,
   상기 냉각유로는 상기 헤더탱크(200)상에 형성되는 헤더탱크 유로와, 각각의 상기 튜브(300) 상에 형성되는 튜브 유로를 포함하며, 각각의 상기 튜브 유로의 길이는 동일하고,
   상기 헤더탱크 유로는 상기 입구파이프(100)에서 유입된 냉매를 각각의 상기 튜브(300)로 분배하는 복수개의 분배유로(210)와, 각각의 상기 튜브(300)를 통과한 냉매를 상기 출구파이프(400)로 이동시키는 복수개의 통합유로(220)를 포함하며, 서로 다른 상기 튜브(300)와 연결되는 상기 분배유로(210) 및 상기 통합유로(220)의 길이가 각각 다른 것을 특징으로 하는, 전기소자 냉각용 열교환기.
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6. 삭제

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