KR20010034443A - 히트 파이프형 냉각장치 및 그 제조방법, 히트 파이프형냉각장치용 냉각판 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 수열에 따라서 냉각 판을 효율 좋게 냉각할 수 있는 히트 파이프형 냉각장치를 제공하기 위해서, 일 측면을 수열면으로 하고 타측면을 방열면으로 한 냉각 판(3)과, 이 냉각 판(3)에 매설된 히트 파이프(10)를 구비한 히트 파이프형 냉각장치에 있어서, 그 방열면에 복수의 방열 핀(4)을 설치한 것이다.
Description
종래에 있어서의 히트 파이프형 냉각장치는, 예를 들면, 일본국 특개평 3-133165 호 공보(종래기술 1)의 제 1 도 및 특개평 4-225790호 공보(종래기술 2)의 제 1 도에 기재된 것과 같이 구성되어 있다.
즉, 상기 종래기술 1은, 냉각 판의 일 측면에 발열 소자를 부착하고, 타측면에서 판 두께 방향으로 구멍을 형성하고, 이 구멍에 히트 파이프를 삽입하여 부착하고, 또 방열 핀(fin)을 냉각 판의 판 두께 측으로 형성한 것이다.
한편, 상기 종래기술 2는, 냉각 판의 일 측면에 오목 홈을 형성하고, 이 오목 홈 내에 히트 파이프를 부착하도록 한 것이다.
상기 종래기술 1은, 냉각 판의 판 두께 방향으로 히트 파이프를 파묻고 있기 때문에, 냉각 판과 히트 파이프의 접촉 면적이 냉각 판의 판 두께 이하가 되어 작아지고, 냉각 판에서 받은 열을 히트 파이프에 유효하게 전달할 수 없음과 아울러, 방열 핀이 냉각 판의 판 두께 측으로 형성되어 있기 때문에, 방열 핀의 수도 적어지고, 효율 좋은 냉각을 할 수 없는 문제가 있다.
또한, 상기 종래기술 2는, 히트 파이프 내의 냉매액이 동결하여 히트 파이프의 기능을 잃어버린 경우의 배려가 주어지지 않아, 수열(受熱)에 따라서 냉각 판을 효율 좋게 냉각할 수 없는 문제가 있다.
(발명의 개시)
본 발명의 목적은, 수열에 따라서 냉각 판을 효율 좋게 냉각할 수 있는 히트 파이프형 냉각장치를 제공하는데 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서, 일 측면을 수열면으로 하고 타측면을 방열면으로 한 냉각 판과, 이 냉각 판에 매설된 히트 파이프를 구비한 히트 파이프형 냉각장치에 있어서, 그 방열면에 복수의 방열 핀을 설치한 것이다.
상기 구성과 같이, 냉각 판의 방열면측에도 복수의 방열 핀을 설치하였기 때문에, 히트 파이프에 의한 방열과 방열 핀에 의한 방열로 효율 좋은 냉각을 할 수 있고, 또한 히트 파이프 내의 냉매액이 동결하여 기능을 잃어버려도 방열 핀에 의한 방열이 행해지기 때문에, 냉각효율의 저하를 최소한으로 억제할 수 있다.
본 발명은, 히트 파이프형 냉각장치에 관한 것으로, 특히, 전기차에 탑재된 주전동기용 인버터 장치나 컨버터 장치 또는 보조 전원용 인버터 장치 등의 전력 변환장치의 냉각에 적합한 히트 파이프형 냉각장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 히트 파이프형 냉각장치의 일 실시예를 나타낸 종단 측면도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따르는 확대 횡단면도.
도 3은 도 2의 히트 파이프 코킹(caulking) 전의 확대도.
도 4는 히트 파이프형 냉각장치의 다른 실시예를 나타낸 도 1을 우측에서 본 해당도.
도 5는 도 4의 V-V선을 따르는 단면도로, (a), (b), (c), (d)는 각각 다른 단면 형상을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 의한 히트 파이프형 냉각장치가 적용된 전력변환장치의 전기회로를 U상만 나타내고, V, W 상을 생략한 블록도.
이하, 본 발명에 의한 일 실시예를 전기차의 바닥 아래에 탑재된 전력변환장치를 일 예로서 도 1∼도 3에 의거하여 설명한다.
전력변환장치로서 필요한 전기기기 중, 먼지나 습기, 물방울에 약한 전기기기를 수납한 전기기기 상자(1)의 개구부(2)를 막도록 냉각 판(3)이 부착되어 있다. 이 냉각 판(3)은, 전기기기 상자(1) 내의 기밀을 확보하기 위해서, 필요에 따라 예를 들면 패킹(미도시) 등을 통해서 상기 개구부(2)의 주변(2F)에 주지의 체결 수단에 의해 부착되어 있다.
또한, 이 냉각 판(3)은, 예를 들면 동이나 알루미늄 등의 좋은 열전도재로 형성되어 있고, 그 전기기기 상자(1)내로 향한 측은 평탄한 수열면으로 하고, 그 전기기기 상자(1) 외로 향한 측은 방열면으로 하고 있다. 냉각 판(3)의 방열면측에는, 방열면과 대략 직각으로 돌출한 냉각 판(3)의 전체 높이에 걸친 길이의 방열 핀(4)이 상하방향을 따라서 복수로 평행하게 설치되어 있다. 그래서, 방열 핀(4)의 복수 장마다, 도 2 및 도 3에서는 3장마다, 인접 방열 핀(4)간의 바닥부에 오목 홈(5)이 형성되어 있다. 이 오목 홈(5)은 당연히 상기 방열 핀(4)과 평행해지도록, 더구나 냉각 판(3)의 전체 높이에 걸친 길이로 형성된다. 이 오목 홈(5)은, 후술할 히트 파이프(10)를 파묻은 홈으로, 히트 파이프(10)와의 접촉면적을 확보하기 위해서, 히트 파이프(10)의 외형과 상이한 단면 형상을 하고 있다. 즉, 히트 파이프(10)의 외형이 원형 단면을 하고 있는 경우에는, 원형 단면의 거의 180 도 대향한 반 원형 단면의 오목 홈(5)으로 형성된다.
이때의 오목 홈(5)의 개구 둘레부 양측에는, 그 전체 길이에 걸쳐서 작은 융기(small ridge)(6a, 6b)가 형성된다. 이 작은 융기(6a, 6b)의 돌출 치수는, 히트 파이프(10)를 오목 홈(5) 내에 파묻은 상태에서, 작은 융기(6a, 6b)를 코킹하였을 때, 히트 파이프(10)의 원형 단면의 나머지 180도를 덮어 숨길 길이가 필요하다.
상기와 같이 복수의 방열 핀(4), 오목 홈(5), 작은 융기(6a, 6b)를 갖는 냉각 판(3)은, 예를 들면 알루미늄을 압출한 성형 금형에 의한 압출 성형에 의해 일체로 성형된 쪽이 생산성은 향상한다. 그러나, 양산하지 않는 것이면, 평판에 오목 홈(5)을 절삭에 의해 형성하고, 또한 방열 핀(4)을 나사로 조여서 냉각 판(3)을 형성하도록 하여도 된다.
상기 구성의 냉각 판(3)의 방열 핀(4)과는 반대측의 수열면에, 전력변환장치를 구성하는 부품의 일부인 게이트 절연형 바이폴라 트랜지스터나 다이오드 등의 발열 전기부품(9)을 부착한다.
한편, 이 오목 홈(5) 내에 매설된 히트 파이프(10)는, 단면이 원형으로 형성되고, 중간부에 약 95 도 절곡되어 전체적으로 L 자 형상으로 형성되어 있고, 그 일 융기를 수열부(11)로 하고, 타 융기를 방열부(12)로 한다. 이러한 히트 파이프(10) 내에는, 대략 수열부(11)의 용적에 상당한 양의 냉매가 봉입되어 있다. 또한 방열부(12)에는, 50장 정도의 다수의 방열 핀(13)이 눌러 넣어지는 것에 의해 부착된다.
이와 같이 형성된 히트 파이프(10)의 수열부(11)를, 그 오목 홈(5) 내에 매설할 때는, 도 3에 도시한 것과 같이, 수열부(11)를 그 오목 홈(5) 내에 삽입 후, 코킹(caulking) 공구(14)로 오목 홈(5)의 둘레부의 작은 융기(6a, 6b)를 가압한다. 코킹 공구(14)에 의한 가압에 의해, 작은 융기(6a, 6b)는 히트 파이프(10)의 수열부(11)를 포함하도록 소성 변형하여 밀착한다. 이 코킹에 의한 작은 융기(6a, 6b)의 소성 변형에 의해, 수열부(11)를 오목 홈(5) 내에 항시 눌러 붙인 상태로 유지할 수 있다.
그런데, 이때의 코킹 공구(14)는, 수열부(11)를 포함하도록 작은 융기(6a, 6b)를 소성 변형시키기 위해서, 앞끝부분에 오목 곡면부(15)를 형성하고 있다. 이러한 코킹 공구(14)에 의해서 작은 융기(6a, 6b)를 소성 변형시키는 방법으로서는, 코킹 공구(14)를 펀치로 고정하여서 프레스 기계에 의해 하강시켜 코킹하는 방법이나, 코킹 공구(14)를 회전할 수 있는 롤(roll)로 하고, 이것을 가압하면서 작은 융기(6a, 6b) 위를 굴러가는 소위 롤 성형에 의해서 코킹하는 방법이 있고, 이중 어느 하나의 방법으로도 코킹 작업을 할 수 있다.
상술한 것과 같이, 수열면측에 발열 전기부품(9)을 부착하고, 방열면측에 히트 파이프(10)를 부착한 냉각 판(3)을, 도 1에 나타낸 것과 같이, 이미 전기부품을 수납한 전기기기 상자(1)의 개구부(2)를 막도록 고정한다. 이 냉각 판(3)의 전기기 기 상자(1)에 부착할 때에, 주의할 점은, 방열 핀(4)의 방향이다. 본 실시예에서는, 방열 핀(4)이 상하 방향으로 향하도록 부착함으로써, 자연 대류에 의한 바깥 공기의 흐름을 따를 수 있어, 효율 좋은 냉각을 할 수 있다.
상기 실시예에서는, 냉각 판(3)을 1장으로 하고, 그 냉각 판(3)에 방열 핀(4), 발열 전기부품(9), 히트 파이프(10)를 장착하였다. 그러나, 조립성과 취급성을 고려하여 도 4에 도시한 것과 같이, 냉각 판(3)을 복수의 소 냉각 판(3)을 집합시켜서 구성해도 된다. 즉, 그 냉각 판(3)과 동일한 높이 치수를 갖고, 그 냉각 판(3)과 동일하게, 일 측면을 수열면으로 하여 발열 전기부품(9)을 부착하고, 타측면을 방열면으로 하여 방열 핀(4)과 히트 파이프(10)를 구비한 소 냉각 판(3U, 3V, 3W)을 그 전기기기 상자(1)의 개구부(2)에 늘어 세워서 고정한 것이다.
복수의 소 냉각 판(3U, 3V, 3W)을 늘어 세워서 부착한 경우, 대향한 인접 냉각 판(3U-3V, 3V-3W)의 경계면(7a, 7b)의 사이에서 전기기기 상자(1) 내로 먼지나 습기, 물방울이 침입하지 않도록, 상기 인접 경계면(7a, 7b)에 도 3에 도시한 것과 같은 방열핀(4) 및 오목 홈(5)과 평행한 걸어 맞춤 오목부(8a)와 걸어 맞춤 볼록부(8b)를 형성한다. 이 걸어 맞춤 오목부(8a)와 걸어 맞춤 볼록부(8b)는, 도 5a에 도시한 것과 같이, 각각 인접한 소 냉각 판(3U-3V, 3V-3W)의 걸어 맞춤 볼록부(8b) 및 걸어 맞춤 오목부(8a)와 조그만 공차에서 끼워 맞춰서 밀착하여, 경계면(7a, 7b)으로부터의 바깥 공기와 습기의 침입을 방지하고 있다.
또한, 걸어 맞춤 볼록부(8b)와 걸어 맞춤 오목부(8a)를 끼워 맞출 때에, 걸어 맞춤 볼록부(8b)와 걸어 맞춤 오목부(8a)의 사이에 접착제를 도포, 또는 패킹을 사이에 끼움으로써, 인접 냉각 판의 경계면의 기밀성을 높일 수 있다.
그런데, 걸어 맞춤 오목부(8a)와 걸어 맞춤 볼록부(8b)의 끼워 맞춤 구조는, 상기 실시예에 의하면, 도 5a에 도시한 것과 같이, 1조의 네모형 걸어 맞춤 오목부(8a)와 걸어 맞춤 볼록부(8b)를 끼워 맞추어서 구성하였지만, 도 5b, 도 5c, 도 5d에 도시한 것과 같이, 각각 2조의 네모형 걸어 맞춤 오목부와 걸어 맞춤 볼록부를 끼워 맞춘 구성 등이 있고, 요컨대, 전기기기 상자(1)의 내외가 인접 냉각 판(3U, 3V, 3W)의 경계면(7a, 7b)이 직선 형상의 평면 분할면이 되지 않도록 해야 한다.
또한, 본 발명에 의한 다른 실시예에서는, 도 6에 도시한 것과 같은 4개의 직렬 게이트 절연형 바이폴라 트랜지스터와 다이오드 등으로 구성된 1상만의 발열 전기부품(9)을, 도 4에 도시한 것과 같이, 소 냉각 판(3U, 3V, 3W)에 각각 실장함으로써, 조립 작업과 보수 점검 작업을 소 냉각 판(3U, 3V, 3W) 단위로 할 수 있기 때문에, 용이해진다. 또한 인접 소 냉각 판(3U, 3V, 3W)의 경계면(7a, 7b)의 걸어 맞춤 오목부(8a)와 걸어 맞춤 볼록부(8b)를 끼워 맞출 때에, 걸어 맞춤 오목부(8a)와 걸어 맞춤 볼록부(8b) 사이에 접착제를 도포, 또는 패킹을 사이에 끼움으로써, 경계면(7a, 7b)의 기밀성을 높일 수 있다.
상술한 것과 같이 구성함으로써, 전력변환장치의 운전시에는, 냉각 판(3)의 전기기기 상자(1) 내로 향한 면이 수열면이 되어, 전기기기 상자(1) 내의 전기기기로부터 발생하는 열 및 냉각 판(3)에 실장된 발열 전기부품(9)으로부터 발생하는 열을 흡열한다. 수열면에 전달된 열은, 냉각 판(3)의 바깥 공기에 면하고 있는 방열면으로 유도되어, 방열 핀(4)과 히트 파이프(10)에 의해서 바깥 공기중으로 방출된다.
통상 운전시에 방열면측에 전달되어온 열은, 방열 핀(4)과 히트 파이프(10) 또 냉각 판(3)의 방열면으로부터 방출되지만, 전기차 주행중에는, 주행에 따른 주행풍으로, 주로 히트 파이프(10)의 방열 핀(13)에 의해서 방열된다. 전기차 정차중에는, 주행풍이 생기지 않기 때문에, 주로 자연 대류에 의한 바깥 공기가 상하 방향으로 늘어 놓은 방열 핀(4)과 냉각 판(3)의 방열면에 접촉하기 때문에, 그에 따라서 방열된다.
한편, 한냉지의 겨울 기간 동안, 운전 정지 후에 히트 파이프(10) 내의 증발한 냉매가 방열부(12)에서 응축된 채 동결하여 수열부(11)로 되돌아가지 않는 현상, 소위 드라이 아웃(dry-out) 현상이 일어날 가능성이 있다. 냉매가 방열부(12)에서 동결하여 수열부(11)로 되돌아가지 않으면, 기동시에 수열부(11)에 냉매가 존재하지 않고, 존재하고 있더라도 조금 있기 때문에, 냉각 판(3)에 전달된 열을 방열부(12)로 운반하여 방열할 수 없게 되어, 발열 전기부품(9)을 열적으로 파괴할 우려가 있다.
이와 같은 드라이 아웃 현상의 발생을 고려하여, 히트 파이프(10)와는 별개로, 이 히트 파이프(10)보다도 짧은 단 길이 히트 파이프를 형성하여 의식적으로 냉각 성능을 떨어뜨려서 온도를 올리고, 이에 따라 동결된 수열부(11)의 냉매를 녹여서 히트 파이프(10)의 기능을 복귀시키는 경우도 고려할 수 있다.
그러나, 본 실시예에 의하면, 기동시 또는 기동 직후의 저속도 주행의 주행풍이 적을 때는, 히트 파이프(10)가 기능하지 못해도, 자연 대류에 의한 바깥 공기가 냉각 판(3)과 일체인 방열 핀(4)에 접촉하여 냉각 판(3)의 내외에 온도차를 만들기 때문에, 냉각 성능은 낮지만 냉각 판(3)의 내측의 발열 전기부품(9)이 발생하는 열은 냉각 판(3)의 외측에 전달되어, 방열 핀(4)으로부터 방열되기 때문에, 발열 전기부품(9)의 과열을 억제할 수 있다. 그 동안에, 히트 파이프(10)의 방열부(12)내에서 동결되어 있던 냉매가 녹기 때문에, 히트 파이프(10)는 본래의 기능을 발휘하게 된다.
따라서, 본 실시예에 의하면, 수열에 따라서 냉각 판(3)을 효율 좋게 냉각할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, 방열 핀(4), 오목 홈(5), 작은 융기(6a, 6b), 경계면(7a, 7b)의 걸어 맞춤 오목부(8a) 및 걸어 맞춤 볼록부(8b)를 갖는 냉각 판(3)은, 압출 성형에 의해 일체 성형할 수 있기 때문에, 히트 파이프(10)를 부착하기 위해서 구멍을 형성하기도 하는 기계가공이 불필요해지므로, 제작이 간단해진다.
또한, 소 냉각 판(3U, 3V, 3W)을 복수 개로 늘어 세워서 사용하는 경우, 인접 냉각 판의 경계면(7a, 7b)이 종방향을 따라 있기 때문에, 먼지나 물방울은 그 경계면(7a, 7b)의 동일 특정 장소에 머무르지 않고 아래쪽으로 낙하하므로, 경계면(7a, 7b)으로부터 전기기기 상자(1) 내부로 침입하는 것을 방지할 수 있다.
그런데, 상기 실시예는, 오목 홈(5)의 둘레부에 방열 핀(4)과 동일 길이로 형성한 작은 융기(6a, 6b)를, 히트 파이프(10) 장착 후에 전체 길이에 걸쳐서 코킹하여 소성 변형시킨 것이지만, 코킹은 반드시 전체 길이에 걸쳐서 행하지 않어도 부분적, 예를 들면 일측만, 또는 양측을 불연속으로 코킹하도록 하여도 된다.
또한, 작은 융기(6a, 6b)의 코킹의 정도에 따라서는, 오목 홈(5)과 히트 파이프(10) 표면의 사이에 조그만 빈틈이 남는다. 그러나, 오목 홈(5)과 히트 파이프(10) 표면의 사이에 조그만 빈틈이 존재하면, 접촉 열저항의 증가를 초래하여 열전도 효율을 저하시키기도 하고, 빈틈 부식의 원인이 된다. 이와 같을 때에는, 히트 파이프(10)의 수열부(11)의 표면에 경도가 낮은 땜납, 주석, 납 등의 연질 금속피막(16)을 피복시켜서, 이것을 오목 홈(5) 내에 넣어 작은 융기(6a, 6b)를 코킹함으로써, 상기 빈틈이 발생하지 않게 되어 접촉 열저항의 증가를 억제함과 동시에, 빈틈 부식의 발생을 방지할 수 있다.
상기 빈틈의 발생을 적게 하는 별도의 방법으로서는, 열전도성이 좋은 충진제나 시트 형상의 연질 금속을 히트 파이프(10)의 수열부(11)의 표면에 도포 또는 감겨 붙여지는 지, 오목 홈(5) 내에 도포 또는 전면에 깔은 상태에서 오목 홈(5)내에 수열부(11)를 넣어, 이 상태에서 코킹 작업을 함으로써 빈틈의 발생을 없앨 수 있다. 또한, 코킹 작업의 완료 후에, 열전도성이 좋은 수지를 진공 함침 등으로 침수시켜서 빈틈을 없애도록 하여도 된다.
이상 설명한 것과 같이 본 발명에 의하면, 수열에 따라서 냉각 판을 효율 좋게 냉각할 수 있는 히트 파이프형 냉각장치를 얻을 수 있다.
Claims (11)
- 일 측면을 수열면으로 하고 타측면을 방열면으로 한 냉각 판과, 이 냉각 판에 매설한 히트 파이프를 구비한 히트 파이프형 냉각장치에 있어서,상기 방열면에 복수의 방열 핀을 설치한 것을 특징으로 하는 히트 파이프형 냉각장치.
- 일 측면을 수열면으로 하고 타측면을 복수의 평행한 방열 핀을 설치한 방열면으로 한 냉각 판과, 이 냉각 판에 부착한 히트 파이프를 구비한 히트 파이프형 냉각장치에 있어서,상기 방열면에 방열 핀과 평행하게 오목 홈을 설치하고, 이 오목 홈 내에 상기 히트 파이프를 파묻고, 상기 오목 홈의 둘레부를 소성 변형시켜서 상기 히트 파이프를 고정한 것을 특징으로 하는 히트 파이프형 냉각장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 오목 홈의 둘레부에는, 상기 방열 핀과 평행한 코킹용의 작은 융기가 설치되고, 이 작은 융기를 코킹하여 상기 히트 파이프를 상기 오목 홈 내에 고정한 것을 특징으로 하는 히트 파이프형 냉각장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 작은 융기를 코킹하기전의 높이는, 매설된 히트 파이프보다도 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 파이프형 냉각장치.
- 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 히트 파이프의 상기 오목 홈내로 파묻은 부분은, 연질 금속 피막이 피복된 것을 특징으로 하는 히트 파이프형 냉각장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 냉각 판은, 상기 수열면에 발열 전기부품이 고정된 것을 특징으로 하는 히트 파이프형 냉각장치.
- 제 2 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 5 항, 또는 제 6 항에 있어서,상기 냉각 판은, 폭 방향의 양단부에 상하 방향을 따른 경계면을 갖는 복수의 소 냉각 판을 상기 경계면끼리를 밀착시켜 구성되고, 상기 각 소 냉각 판의 경계면에는 인접한 소 냉각 판의 경계면과 일치하는 판 두께 방향의 단차가 설치된 것을 특징으로 하는 히트 파이프형 냉각장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 냉각 판은, 상기 수열면을 내측으로 하여 전기기기 상자의 개구부를 막어서 고정된 것을 특징으로 하는 히트 파이프형 냉각장치.
- 일 측을 수열면으로 하고 타측면을 복수의 평행한 방열 핀을 설치한 방열면으로 하고, 히트 파이프를 부착한 히트 파이프형 냉각장치용 냉각 판에 있어서,인접한 방열 핀의 사이에, 이들 방열 핀과 평행한 히트 파이프 매설용의 오목 홈을 갖고, 상기 오목 홈의 홈 둘레에는 코킹용 작은 융기가 설치된 것을 특징으로 하는 히트 파이프형 냉각장치용 냉각 판.
- 제 9 항에 있어서,상기 방열 핀과 오목 홈과 작은 융기는, 압출 성형 가공에 의해서 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 히트 파이프형 냉각장치용 냉각 판.
- 복수의 방열 핀과 히트 파이프 매설용 오목 홈을 일 측면에 평행하게 설치한 냉각 판을 형성하고, 형성 후 미처리의 히트 파이프 매설용 오목 홈과 히트 파이프의 매설부 사이에 열전도성 물질을 사이에 끼운 후, 상기 히트 파이프 매설용 오목 홈의 홈 둘레를 상기 매설한 히트 파이프측으로 소성 변형시켜서 히트 파이프를 상기 냉각 판에 고정한 것을 특징으로 하는 히트 파이프형 냉각장치의 제조방법.
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