KR102636353B1 - 발열소자 냉각장치 - Google Patents

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Abstract

인버터의 발열소자 냉각장치가 개시된다. 본 발명의 장치에서, 열확산기는, 제1 및 제2발열소자 모듈 사이에 대응하는 영역에서 베이스에 삽입되어, 상기 제1 및 제2발열소자 모듈로부터 방출되는 열을 확산한다.

Description

발열소자 냉각장치{APPARATUS FOR COOLING HEATING DEVICES}
본 발명은 발열소자 냉각장치에 대한 것이다.
일반적으로, 인버터는 상용 교류전원을 입력으로 하여 이를 직류전원으로 변환한 후, 다시 전동기에 적합한 교류전원으로 변환하여 전동기에 공급하는 장치이다. 이러한 인버터에는, 직류전원을 스위칭하여 교류전원으로 출력하는 복수의 스위칭소자로 구성되는 발열소자가 구비되며, 스위칭소자에서 발생된 열을 방출하여 냉각시키는 냉각장치가 구비된다. 이러한 냉각장치는, 발열소자에 결합되어 발열소자를 방열하는 히트싱크(heat sink)를 구비할 수 있다.
도 1은 종래의 인버터의 발열소자의 냉각장치를 설명하기 위한 사시도이다. 설명의 편의를 위해 인버터의 다른 소자는 그 도시를 생략하였다.
도면에 도시된 바와 같이, 인버터의 복수의 발열소자(200)의 냉각을 위해 발열소자(200)의 하부에 냉각장치(100)가 배치될 수 있다. 냉각장치(100)는 히트싱크(110) 및 냉각팬(120)을 구비하여 구성된다. 또한, 히트싱크(110)는 판상의 베이스(111)과, 베이스(111)의 표면으로부터 발열소자(200)의 반대방향을 향하여 돌출되는 복수의 방열핀(fin)(112)을 구비한다.
방열핀(112)은, 베이스(111)의 판면으로부터 돌출되고 일방향을 따라 연장 형성되며, 서로 일정 간격으로 이격되어 나란히 배치된다. 발열소자(200)는 베이스(111)의 일측 판면에 열전달 가능하게 배치된다.
한편, 히트싱크(110)의 적어도 일측에는 공기의 유동을 촉진하는 냉각팬(120)이 배치된다. 냉각팬(120)은 방열핀(112)의 길이 방향을 따라 일측 또는 양측에 배치되며, 복수개 배치될 수 있다.
발열소자(200)로부터 발생된 열은 열전도에 의해 베이스(111) 내에서 확산되며 방열핀(112)에 의해 냉각유체(공냉식의 경우 공기)로 전달된다. 이와 같이 가열된 공기는 냉각팬(120)에 의해 생성된 기류에 의해 히트싱크(110)의 외부로 빠져나가고 외기로 채워진다.
그런데, 이러한 종래의 인버터 발열소자 냉각장치에서는, 하나의 상을 구성하는 발열소자 모듈(210, 220, 230)을 구성하는 각각이 최대한 인접하여 배치되므로, 양 발열소자의 그룹간 써멀 커플링(thermal coupling) 현상이 발생하게 되어, 온도를 낮추는데 한계가 있다.
도 2는 도 1의 베이스 상부의 온도를 설명하기 위한 도면이다.
인접하여 배치된 발열소자 모듈(210, 220)간 써멀 커플링으로 인해, 스위칭소자 부근의 온도가 냉각장치(100)에 의해서도 떨어지지 않게 되는 문제점이 있다.
이러한 현상은 발열소자 모듈의 거리가 좁을수록 냉각효과는 더욱 떨어지며, 중심부 모듈(220)의 방열특성이 급격하게 저하되고 있음은 도 2를 통해 알 수 있다. 이때 중심부에서 멀어질수록 발열소자 자체 및 히트싱크 베이스의 온도는 하강함을 알 수 있다.
이와 같은 써멀 커플링 현상에 의해 발열소자 모듈의 열이 주변으로 확산되고, 이러한 발열소자 모듈 내부의 온도가 상승하여 전체적인 인버터의 오작동을 유발하게 되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 인접하여 배치되는 스위칭소자의 사이의 영역에 대응하는 방열판 내부에 칩을 삽입하여, 스위칭소자간 써멀 커플링을 억제하는 인버터의 발열소자 냉각장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 제1 및 제2발열소자 모듈로부터 방출되는 열을 냉각하는 본 발명의 일실시예의 장치는, 판상의 상기 베이스; 상기 베이스의 타면으로부터 돌출되고 유체의 이동방향을 따라 연장되어 형성되는 복수의 방열핀; 및 상기 제1 및 제2발열소자 모듈 사이에서 상기 베이스에 삽입되어, 상기 제1 및 제2발열소자 모듈로부터 방출되는 열을 확산하는 열확산기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1 및 제2발열소자 모듈은, 소정 거리 이격하여 베이스의 일면상에 열전달 가능하게 배치될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 열확산기는, 상기 베이스의 일면에 의해 노출될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 열확산기는, 상기 베이스의 내부로 삽입될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 열확산기는, 열전도율이 높은 물질로 이루어진 열전도부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 열확산기는, 상기 열전도부의 일단에서 상기 열전도부를 길이 방향으로 감싸도록 배치되고, 열전도율이 상기 열전도부보다 낮은 물질로 이루어진 열확산부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 열확산기는, 상기 열전도부의 양 종단에서 각각, 상기 열전도부를 향하여 연장되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 열확산기는, 열절연물질로 이루어진 열절연부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 열전도부는, 상기 유체의 이동방향으로 대응되도록 형성되고, 상기 열전도부의 길이는 복수의 발열소자보다 같거나 클 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 열확산기는, 상기 제1 및 제2발열소자 모듈의 길이보다 길 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 발열소자의 모듈 사이에 대응하는 베이스에 열확산기를 삽입함으로써, 발열소자에서 발생하는 열이 베이스 하부로 효율적으로 확산되게 하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 인버터의 발열소자의 냉각장치를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1의 베이스 상부의 온도를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 인버터의 발열소자 냉각장치의 사용상태를 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예의 인버터의 발열소자 냉각장치를 위에서 바라본 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예의 히트싱크의 베이스의 구성을 개략적으로 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예의 열확산기의 세부 구성을 설명하기 위한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예의 열확산기의 세부 구성을 설명하기 위한 사시도이다.
도 8은 종래기술 대비 본 발명의 일실시예의 인버터 발열소자 냉각장치를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 9는 도 8의 장치의 냉각효율을 설명하기 위한 일예시도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '～사이에'와 '직접 ～사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. '포함한다' 또는 '가진다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 발열소자 냉각장치의 사용상태를 설명하기 위한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예의 발열소자 냉각장치를 위에서 바라본 평면도이다. 또한, 도 5는 본 발명의 일실시예의 히트싱크의 베이스의 구성을 개략적으로 설명하기 위한 사시도이다. 본 발명의 일실시예에서, 발열소자는 인버터에서 사용되는 스위칭소자를 예를 들어 설명하겠으나, 본 발명이 인버터의 발열소자에 제한되는 것은 아니며, 다양한 전기/전자기기의 발열소자에서 사용될 수 있을 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에서, 인버터에 사용되는 발열소자(3)는 예를 들어 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor, IGBT)와 같은 스위칭소자로서, 제1 내지 제3모듈(31, 33, 35)로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명의 일실시예에서는 3개의 모듈로 발열소자(3)가 구성되는 예를 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 더욱 많은 수의 발열소자로 구성될 수 있을 것이다. 또한, 발열소자(3)는 스위칭소자 외에 인버터의 구성상 열을 발산하는 다른 소자일 수도 있다.
한편, 본 발명의 일실시예의 인버터는, 상용의 교류전원을 직류전원으로 변환하는 정류부, 및 직류전원을 평활하는 직류링크 커패시터 등 도시되지 않은 구성요소를 포함할 수 있으나, 이는 본 발명의 설명과 무관한 것이므로 이에 대한 설명은 생략하는 것으로 한다. 또한, 위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 발열소자가 인버터에 사용되는 것에 한정되는 것이 아님은 자명하다.
제1 내지 제3모듈(31, 33, 35)은 각각 대략 직육면체 형상인 것을 예를 들어 설명하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 각각 정육면체 형상일 수도 있고, 특정되지 않는 형상일 수도 있을 것이다.
제1 내지 제3모듈(31, 33, 35)은 소정 간격을 두어 이격되어 배치될 수 있으며, 히트싱크(1)의 베이스(10) 상에 열전달 가능하게 접합 또는 배치될 수 있을 것이다.
제1 내지 제3모듈(31, 33, 35)의 하부에는, 본 발명의 일실시예의 냉각장치가 배치될 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예의 냉각장치는, 제1 내지 제3모듈(31, 33, 35)의 하부에 배치되는 히트싱크(1) 및, 히트싱크(1)와 접촉되는 공기의 유동을 촉진하는 적어도 하나 이상의 냉각팬(2)을 포함할 수 있다. 다만, 냉각팬(2)은 본 발명의 일실시예의 냉각장치에서 공기의 유동이 활발한 경우 생략될 수도 있을 것이다.
히트싱크(1)는, 제1 내지 제3모듈(31, 33, 35)의 일면이 열전달 가능하게 접촉되는 베이스(10)와, 베이스(10)의 타면으로부터 돌출되고, 냉각팬(2)에 의한 공기의 이동방향을 따라 연장되어 형성되는 복수의 방열핀(15)을 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 방열핀(15)의 크기가 베이스(10)의 크기에 대응하는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 방열핀(15)의 크기가 베이스(10)의 크기보다 클 수 있다. 방열핀(15)의 크기가 베이스(10)의 크기보다 큰 경우 방열특성이 더욱 향상될 수 있다.
베이스(10)는, 제1 내지 제3모듈(31, 33, 35)의 하부에서, 제1 내지 제3모듈(31, 33, 35)과 일면이 접촉되며, 제1 내지 제3모듈(31, 33, 35) 사이의 영역에 소정 깊이의 제1 및 제2리세스부(10a, 10b)가 형성되고, 제1 및 제2리세스부(10a, 10b)에는 각각 열확산기(4)가 삽입될 수 있다. 즉, 제1 및 제2리세스부(10a, 10b)의 형상은 열확산기(4)의 형상과 유사하며, 열확산기(4)가 삽입될 정도의 크기이면 된다. 또한, 본 발명의 일예에서는 열확산기(4)가 리세스부(10a, 10b)에 의해 노출되는 것을 예를 들어 설명하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 열확산기(4)가 베이스(10)b의 내부에 삽입되어 외부에서 육안으로 식별가능하지 않도록 구성될 수도 있을 것이다. 또한, 열확산기(4)는, 발열소자 모듈(31, 33, 35)의 사이에서 중앙에 배치될 수도 있고, 또는 열확산 효율을 높이기 위해 발열소자 모듈(31, 33, 35)의 사이의 소정 위치에 배치될 수 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예의 열확산기(4)의 세부 구성을 설명하기 위한 사시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 열확산기(4)는, 열전도물질로 이루어진 열전도부(41), 열전도부(41)의 일단에서 열전도부(41)를 길이 방향으로 감싸도록 배치되는 열확산부(42), 열확산부(42)의 양단으로부터 각각 열전도부(41) 상에 소정 길이로 배치되는 열절연부(43a, 43b)를 포함할 수 있다.
이때 열전도부(41), 열확산부(42) 및 열절연부(43a, 43b)의 폭 w은 각각 동일하며, 열전도부(41)는 열확산부(42) 및 열절연부(43a, 43b)가 형성되지 않은 영역에서 노출될 수 있다. 노출되는 열전도부(41)의 길이 l1은 발열소자(3)의 길이에 대응할 수 있다. 즉, 열확산부(42) 및 열절연부(43a, 43b)는 발열소자(3)가 형성되는 영역 이외의 영역에서 베이스(10)에 삽입될 수 있다.
열확산부(42)의 길이 l2는 베이스(10)의 크기에 따라 다양하게 결정될 수 있으며, 열절연부(43a, 43b)의 길이 l3는 열전도부(41)의 길이 l1과 열확산부(42)의 길이 l2를 고려하여 결정될 수 있다.
이와 같은 구성에 의해, 발열소자의 모듈(31, 33, 35) 사이에 발생하는 열은 열확산기(4)를 통해 베이스(10)의 모듈(31, 33, 35)이 배치되지 않은 영역과, 베이스(10)의 하부인 방열핀(15)을 향하여 전달될 수 있다.
열전도부(41)는 열전도물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 열전도율이 400 W/C인 구리로 이루어질 수 있다. 열확산부(42)는 열전도율이 낮은 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 열전도율이 0.25W/C인 나일론으로 이루어질 수 있을 것이다.
한편, 열절연부(43a, 43b)는 열확산부(42)의 종단에서 열전도부(41)를 향하여 연장되도록 구성되는 것으로서, 열이 히트싱크(1)의 베이스(10)의 모듈(31, 33, 35)에 인접한 부분에서 베이스(10)의 내부로 열이 전달되도록 하는 것이다. 열절연부(43a, 43b)는 열전도율이 열확산부(42)보다 작은 열절연재질로 이루어지는 것으로서, 예를 들어 유리 섬유, 탄화 코르크, 폼 폴리스티렌 등으로 이루어질 수 있을 것이다. 다만, 이는 예시적인 것으로서, 본 발명의 열전도부(41), 열확산부(42) 및 열절연부(43a, 43b)의 재질이 위에서 설명한 것에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일실시예와 같이, 발열소자의 모듈(31, 33, 35) 사이에 대응하는 히트싱크(1)의 베이스(10) 영역에 열확산기(4)를 삽입하면, 열확산기(4)를 통하여 히트싱크(1)의 베이스(10) 하부로 열을 전달하여 열을 분산할 수 있다.
열확산기(4)에 의해 열이 분산되는 방향은 베이스(10)에서 상대적으로 온도가 낮은 쪽으로서, 열전도부(41)를 통해 열확산부(42)로 전도된 열은 열확산부(42)를 통해 베이스(10) 하부로 확산되는 것이다. 이에 의해 베이스(10)의 온도분포가 최대한 균일해질 수 있다.
이때 열절연부(43a, 43b)는 열확산부(42)에 의해 확산되는 열이 다시 열전도부(41) 방향으로 전달되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 모듈(31, 33, 35)의 종단에서 모듈(31, 33, 35)이 위치하는 반대방향으로 열이 확산될 수 있을 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예의 열확산기(4')의 세부 구성을 설명하기 위한 사시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예의 열확산기(4')는 열전도부(44)로 구성될 수 있으며, 이때, 열전도부(44)는 열전도물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 열전도율이 400 W/C인 구리로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 열전도부(44)의 길이 l4는 발열소자(3)의 모듈(31, 33, 35)의 길이보다 더 길게 구성될 수 있다. 즉, 도 4를 참조로 하면, 베이스(10)의 제1종단 10A로부터, 제2종단 10B를 향하여 배치되도록 구성될 수 있으며, 열전도부(44)의 일단이 제2종단 10B과 연결되지는 않도록 구성될 수 있다.
도 8은 종래기술 대비 본 발명의 일실시예의 인버터 발열소자 냉각장치를 설명하기 위한 일예시도이고, 도 9는 도 8의 장치의 냉각효율을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 8에서, (a)는 도 3의 실시예를 나타낸 것이고, (b)는 도 7과 관련한 실시예를 나타낸 것이며, (c)는 종래의 냉각장치를 나타낸 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, (a) 내지 (c) 모두 베이스(10) 상에 발열소자(3)의 모듈(31, 33, 35)이 배치되고, 베이스(10)의 아래에는 베이스(10)보다 큰 길이를 가지는 방열핀(15)이 배치되는 것이다. 또한, 방열핀(15)의 일측에는 냉각팬(2)이 배치되어 있다.
도 8의 (a)에서는 발열소자의 모듈(31, 33, 35) 사이에 본 발명의 일실시예의 열확산기(4)가 배치되고, 도 8의 (b)에서는 발열소자의 모듈(31, 33, 35) 사이에 본 발명의 다른 실시예의 열확산기(4')가 배치되어 있음을 알 수 있다.
도 9는 도 8의 구성에 의한 성능을 나타낸 것으로서, (a)는 도 8의 (a) 구성에 의한 냉각효율을, (b)는 도 8의 (b)에 의한 냉각효율을, (c)는 종래의 열확산기가 배치되지 않은 도 8의 (c)에 의한 냉각효율을 도시한 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 종래의 구성에 비해, 중심부의 냉각효율이 훨씬 개선되었음을 확인할 수 있다. 즉, 도 9의 (a) 및 (b)에 의하면, 종래에 비해 전체적으로 1℃ 수준의 온도가 감소하였음을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 발열소자의 모듈 사이에 대응하는 베이스에 열확산기를 삽입함으로써, 발열소자에서 발생하는 열을 베이스로 효율적으로 확산되도록 한다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
3: 발열소자 4: 열확산기
41: 열전도부 42: 열확산부
43a, 43b: 열절연부

Claims (10)

  1. 제1 및 제2발열소자 모듈로부터 방출되는 열을 냉각하는 장치에 있어서,
    판상의 베이스;
    상기 베이스의 타면으로부터 돌출되고 유체의 이동방향을 따라 연장되어 형성되는 복수의 방열핀; 및
    상기 제1 및 제2발열소자 모듈 사이에서 상기 베이스에 삽입되어, 상기 제1 및 제2발열소자 모듈로부터 방출되는 열을 확산하는 열확산기;를 포함하고,
    상기 열확산기는,
    열전도율이 높은 물질로 이루어진 열전도부; 및
    상기 열전도부의 일단에서 상기 열전도부를 길이 방향으로 감싸도록 배치되고, 열전도율이 상기 열전도부보다 낮은 물질로 이루어진 열확산부를 포함하는 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2발열소자 모듈은,
    소정 거리 이격하여 베이스의 일면상에 열전달 가능하게 배치되는 냉각장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열확산기는, 상기 베이스의 일면에 의해 노출되는 냉각장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열확산기는, 상기 베이스의 내부로 삽입되는 냉각장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 열확산기는,
    상기 열전도부의 양 종단에서 각각, 상기 열전도부를 향하여 연장되도록 구성되는 냉각장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 열확산기는,
    열절연물질로 이루어진 열절연부를 더 포함하는 냉각장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 열전도부는,
    상기 유체의 이동방향으로 대응되도록 형성되고, 상기 열전도부의 길이는 복수의 발열소자보다 같거나 큰 냉각장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 열확산기는,
    상기 제1 및 제2발열소자 모듈의 길이보다 긴 냉각장치.
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