KR20010052179A - 전력 전자 장치용 냉각 요소 및 이를 포함하는 전력 전자장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환 유체용 흡입 및 방출 수단(29)과 순환하는 유체용 내부 체적을 포함하는 냉각 요소(2)에 관한 것이다. 상기 요소(2)는 전기 절연 물질로 만들어지고, 상기 내부 체적을 상기 요소 외부와 연통시키는 개구(28)와 냉각될 전력 전자 장치의 기부를 적어도 포함하며, 상기 개구(28)의 주연(24)은 삽입된 밀봉 수단과 함께 수용하는 시트를 형성한다. 상기 요소는 종래의 것과 비교하여 감소된 체적을 가진다.

Description

전력 전자 장치용 냉각 요소 및 이를 포함하는 전력 전자 장치{ A COOLING ELEMENT FOR A POWER ELECTRONIC DEVICE, AND A POWER ELECTRONIC DEVICE COMPRISING SAME}

전력 전자 모듈은 금속 냉각 요소에, 예를 들어 볼트로 고정된다. 예를 들어 인버터 페이즈(phase)의 경우에 스타터(starter)와 커패시터(capacitor)와 하나 이상의 페이즈 바아와 같이 전력 전자 장치가 정확하게 작동하도록 하는 다른 유닛이 또한 부착된다.

그러나, 상술한 냉각 요소는 결점이 많다. 전력 전자 장치의 대부분의 부품들은 서로로부터 전기 절연되어야 하고, 이로 인해 복잡한 기계적 조립체가 사용된다. 인버터 페이즈의 경우에 절연 부품이, 예를 들어 커패시터와, 스타터와, 페이즈 바아를 고정하는 데에 사용된다. 금속 냉각 요소는 또한 작동 구성 요소(live component)로부터 이격되어야 한다.

따라서, 이들 기계적 조립체의 사용은 전력 전자 장치 전체를 매우 복잡하게 하여 가격을 상승시킨다. 이러한 전력 전자 장치의 전체 체적 및 중량은 또한 비교적 크다.

본 발명은 전력 전자 구성 요소용 냉각 요소에 관한 것이다.

이러한 냉각 요소는 통상적으로 금속, 특히 알루미늄 또는 구리로 만들어지고, 열교환 유체가 순환하고 두 단부가 유체 입구 및 유체 출구를 각각 구성하는 체적을 포함한다. 자연 또는 강제 공기 유동에 의해 냉각되는 핀이 순환 체적을 형성하는 벽에 제공될 수 있다. 또한, 순환 체적에 물 또는 다른 냉각 액체가 공급될 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 냉각 요소를 구성하는 두 개의 반할체(half-body)의 사시도로서, 두 개의 반할체가 함께 조립되기 전의 상태를 도시한다.

도2 및 도3은 각각 도1의 선 Ⅱ-Ⅱ 및 선 Ⅲ-Ⅲ을 따른 냉각 요소의 단면도로서, 조립된 상태를 도시한다.

도4는 도1에 도시된 조립된 냉각 요소 상에 구성된 인버터 페이즈의 사시도이다.

도5는 도4의 선 Ⅴ-Ⅴ를 따른 단면도이다.

도6은 도5의 척도와 유사하지만 더 큰 척도로 도시된, 도4에 도시된 인버터 페이즈의 전력 모듈의 핀의 변형예를 도시하는 부분 단면도이다.

도7은 도4에 도시된 인버터 페이즈를 갖춘 두 개의 연속하는 전력 모듈의 장착을 개략적으로 도시하는 부분 평면도이다.

본 발명의 목적은 상술한 종래의 단점을 해소할 수 있는 냉각 요소를 제공하는 것이다. 이를 위해, 열교환 유체 입구 및 출구 수단과 유체가 순환하는 내부 체적을 포함하는 전력 전자 장치, 특히 인버터 페이즈용 냉각 요소에 있어서, 전기 절연물로부터 만들어지고, 내부 체적을 냉각 요소의 외부에 연결하는 적어도 하나의 개구를 포함하며, 적어도 하나의 개구의 주연은 밀봉 수단을 사이에 두고 냉각될 전력 전자 장치의 적어도 하나의 기부를 수용하는 시트를 형성하는 것을 특징으로 하는 냉각 요소가 제공된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면,

- 냉각 요소는 성형(molded)될 수 있는 재료로부터 만들어지며,

- 냉각 요소는 함께 조립되는 동일한 두 개의 반할체를 포함하며,

- 냉각 요소는 냉각 요소 상에 수용된 기부의 수에 대응하는 다수의 개구를 포함하며,

- 유체 유동 방향으로 인접한 두 개구 사이의 중간 공간은, 유체 유동 방향으로 연장되고 냉각 요소 상의 적어도 하나의 리브에 의해 분리되는 적어도 두 개의 통로를 포함하며,

- 리브의 길이방향 축은 유체 유동 방향에 대해 경사져 있다.

본 발명은 또한 냉각 요소와, 이 냉각 요소에 고정되는 복수의 전력 모듈과, 장치 특히, 스타터의 상보적 기능부를 포함하는 전력 전자 장치, 특히 인버터 페이즈에 있어서, 냉각 요소는 상술된 것과 같은 냉각 요소인 것을 특징을 하는 전력 전자 장치를 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면,

- 적어도 하나의 개구의 주연 상에 수용된 각 기부는 전력 모듈의 주연과 일체이며,

- 기부는 유체 유동 방향으로 연장되는 핀을 가지며,

- 모듈은 냉각 요소의 중앙 평면에 대해 대칭적으로 배치된 대응 개구에 쌍으로 고정되고, 삽입물은 각 쌍의 대향한 모듈의 인접 단부 사이에 고정되고, 또는 제1 모듈의 단부는 제1 모듈에 대향한 제2 모듈을 향해 제2 모듈의 단부에 또는 단부를 넘어서 연장되며,

- 전력 모듈은 내부 유체 순환 체적의 반대쪽 면 상의 클램프에 의해 냉각 요소에 고정되며,

- 클램프는 도전성이고, 유체 유동 방향으로 인접하는 두 개의 전력 모듈에 공통이며,

- 냉각 요소는 함께 조립되는 두 개의 반할체를 포함하고, 클램프 부재는 두 반할체를 또한 함께 조이는 고정 수단에 의해 냉각 요소에 고정되며,

- 기부는 냉각 요소의 적어도 하나의 개구에 부착되는 적어도 하나의 판을 포함한다.

이하, 예시적인 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도1 내지 도3을 참조하여, 본 발명에 따른 냉각 요소는, 예를 들어 사출 성형될 수 있는 폴리페닐렌 옥사이드(PPO, polyphenylene oxide) 수지와 같이 성형될 수 있는 전기 절연물로부터 만들어진 두 개의 반할체(2A, 2B)로 이루어진다. 이들 반할체는 대체로 동일하다.

각각의 긴 반할체(2A, 2B)는 대부분의 표면에 걸쳐 도려내져 도려내진 부분을 둘러싸는 주연 스트립(6)을 형성하는 배면(4)을 가진다. 스트립(6)은 도3에 도시된 바와 같이 두 개의 반할체를 함께 조이는 나사(9)용 구멍(8)을 몇개 포함한다. 스트립(6A)은 또한 도2 및 도3에 도시된 시일(11)을 수용하도록 된 주연 홈(10)을 갖는다.

두 개의 대향한 반할체의 각 배면에 형성된 공동은, 특히 도2 및 도3에서 도시된 바와 같이 조립된 냉각 요소(2) 내에 열교환 유체가 순환하는 체적(V)을 형성한다.

두 개의 측벽(12A, 12B)은 주연 스트립(6)으로부터 연장된다. 측벽(12A)은 조립된 인버터 페이즈의 제어 접속부가 관통하는 노치(16)가 제공된 연속하는 길이방향 림(14)을 갖는다. 다른 측벽(12B)은 조립된 인버터 페이즈의 전력 모듈을 접속하는 스페이서를 수용하도록 된 복수의 횡방향 돌출부(20)가 연장된 불연속 경계부(18)를 갖는다.

각 반할체의 측벽(12A, 12B)은 배면(4)의 반대쪽 면(22)에서 서로 결합된다. 면(22)은 각 반할체(2A, 2b)의 주 축을 따라 그리고 측벽(12A)의 림(14)과 측벽(12B)의 경계부(18) 사이에 일련의 랜드(land, 24)를 포함한다. 두 개의 연속하는 랜드는 나사 구멍(8)이 뚫린 격벽(26)에 의해 분리된다. 전력 모듈을 수용하도록 된 개구(28)는 각 랜드(24)의 중심에 형성된다. 개구(28)는 순환 체적(V)을 냉각 요소(2)의 외부에 연결한다.

각 반할체(2A, 2B)의 길이방향 단부 각각에, 배면(4) 반대쪽 면(22)은 세트백(setback: 22A)을 형성하여, 조립된 냉각 요소(2)는 각 대향 단부들에서 열교환 유체 입구 및 출구 공간을 갖는다. 이들 공간은 각 유체 입구 및 출구 라인에 연결되도록 된 각 오리피스(29)에 의해 냉각 요소의 외부에 연결된다. 핀(29A)은 아래에 설명되는 바와 같이, 벽(22)의 각 단부로부터 바깥쪽으로 돌출되고 페이즈 바아를 고정하는데 이용된다.

도3에 도시된 바와 같이, 대향한 격벽(26) 및 측벽(12)에 의해 형성된 순환 체적(V)은 연속된 두 개구 사이의 중간 공간에서 냉각 요소의 외부와 연통되지 않는다. 체적(V)은 유체 유동 방향으로 연장되는 두 통로(30)에 의해 형성된다. 통로는 배면(4)을 향해 격벽(26)으로부터 돌출된 리브(32)에 의해 서로로부터 분리된다. 리브(32)는 조립된 냉각 요소 내에서 상호 접촉하여, 냉각 요소(2)에 만족할만한 기계적 강도를 부여한다.

각 리브의 길이방향 축은 유체 유동 방향에 대해 경사질 수도 있다. 이는 연속된 두 개구(28) 사이에 교반되는 유체 유동을 야기시켜, 다른 온도의 물 스트림을 혼합하는 장점을 가진다. 이는 리브(32)들이 서로 접촉하지 않는 경우 유체가 하나의 통로로부터 다른 통로로 통과할 수 있게 하므로 특히 중요하다. 각 통로의 축방향 단부는, 도1 및 도2에 도시된 바와 같이 기부(4)로부터 멀어져 각 개구(28)를 향해 기울어진 경사면(34)을 통해 인접 랜드(24)에 연결된다.

도시된 실시예에 있어서, 두 개의 반할체(2A, 2B)는 나사 및 시일에 의해 함께 고정된다. 접착, 탄성 클리핑 또는 초음파 용접과 같은 다른 고정 수단이 사용될 수도 있다.

도4는 도1 내지 도3에 도시된 조립된 냉각 요소에 기초한 인버터 페이즈(36)를 도시한다. 인버터 페이즈(36)는 각 개구(38)에서 냉각 요소(2)에 부착된 전력 모듈(38)을 포함한다. 냉각 요소는 또한 스타터(40)와, 커패시터(41)와, 페이즈 바아(42)를 구비한다.

더 상세하게, 특히 도5를 참조하여 각 전력 모듈(38)은, 예를 들어 절연된 게이트 쌍극성 트랜지스터(IGBT)이고 예를 들어 구리로 만들어진 기부(38A)를 가진다. 기부는 사이에 시일(43)을 두고 랜드(24)들 중 하나의 내측 주연 상에 위치한다. 밀봉 수단은, 예를 들어 모듈 주위에 냉각 요소의 재료를 성형함으로써 모듈과 모듈을 수용하는 개구 사이의 유기적인(intimate) 협동 형상에 의해 동일하게 형성될 수 있다.

모듈 본체(38) 반대쪽 기부(38A)의 단부는 각 개구(28)를 통해 순환 체적(V) 내로 관통하는 핀(44)을 구비한다. 두 개의 동일한 전력 모듈은 냉각 요소의 중앙 평면(P)을 가로 질러 서로 면한다. 이로 인해 각 랜드(24)는 대응 전력 모듈(38)의 기부(38A)를 수용하는 시트(seat)를 형성한다.

예를 들어 포말 또는 실리콘으로부터 만들어진 삽입물(46)이 각 전력 모듈(38)의 핀(fin, 44)들의 인접 단부 사이에 고정된다. 이는 핀(44) 주위로의 바람직하지 못한 물의 유동을 방지하여, 핀을 통한 열교환을 최적화 시킨다. 열교환 유체는 동일한 전력 모듈의 인접한 핀의 각 쌍 사이에 형성된 간극 체적(V') 내에서 유동하도록 강제된다.

도6에 도시된 바와 같이, 제1 전력 모듈(138)의 핀(144)들은 대향한 모듈(138')의 핀(144')의 단부를 지나 동일하게 연장될 수도 있다. 이는 또한 최대 열교환을 보장한다.

도7은 냉각 요소(2)에 전력 모듈(38)을 고정하는 것을 도시한다. 연속된 두 개의 모듈(38)은 두 모듈의 대향한 단부를 덮는 하나의 클램프(48)에 의해 동일한 반할체(2A)에 고정된다. 클램프(48)는 도전성 물질로부터 만들어지고, 또한 두 반할체를 함께 조이는 나사(9)에 의해 반할체(2A)에 고정된다. 나사(9)는 각 반할체(2A, 2B)의 구멍(8)과 일치하여 클램프의 구멍(48A) 내로 들어간다.

도5를 참조하면, 두 개의 대향한 전력 모듈(38)은 각 경계부(18) 상의 돌출부(20) 상에 위치되는 스페이서(52)에 의해 지지되는 도전성 부재(50)에 의해 전기적으로 접속된다. 전력 모듈의 제어 접속은 예를 들어 도전성 부재(50)에 연결되는 와선(twisted wire)이다.

페이즈 바아(42)는 페이즈 바아 내의 대응 오리피스 내로 들어가는 냉각 요소 상의 핀(pin, 29A)에 의해 냉각 요소(2)에 고정된다. 페이즈 바아는 전도성 부재(56)에 의해 하나 또는 그 이상의 전력 모듈(38)에 전기적으로 접속된다.

스타터(40)는 각 반할체(2A, 2B)의 경계부(18)에서 냉각 요소(2)에 부착되고, 냉각 요소와 일체인 보스(58)에 의해 고정된다.

본 발명에 의해 앞서 언급된 목적이 달성된다. 전력 모듈을 수용하는 개구를 가진 절연 물질 냉각 요소는 기계적 지지와, 냉각과, 전기 절연의 삼중 기능을 가진다.

따라서 서로로부터 절연되어야 하는 조립체가 공지된 복잡한 기계적 조립체를 사용하지 않고도 냉각 요소에 조립될 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 냉각 요소는 종래의 냉각 요소보다 더 단순한 디자인이고 30% 내지 50%로 감소된 더 작은 체적을 가진다. 또한, 절연 물질의 사용은 전도성 물질을 사용하는 것과 비교하여 냉각 요소의 전체 중량을 감소시킨다.

성형될 수 있는 재료를 사용함으로써, 예를 들어 보스(58)와 같이 본 발명에 따른 냉각 요소의 기능을 수행하는 데에 필요한 복잡한 모든 형상을 형성하는 것을 아주 단순하게 할 수 있다. 또한, 이러한 모든 기능이 단일 구성 요소에 의해 제공될 수 있다.

본 발명에 따라 두 개의 반할체를 조립하여 냉각 요소를 형성하는 것은 특히 반할체가 동일할 경우 용이한 몰딩을 보장한다.

냉각 요소의 개구에 직접 고정되는 전력 모듈의 사용은 전력 모듈과 열교환 유체 사이에 직접 접촉을 초래하여, 종래에 사용되던 것보다 더 적은 양의 실리콘을 사용하는 것이 가능하며, 이로 인해 각 전력 모듈에 대해 약 30%의 경제적 절약을 할 수 있다.

공통 플램프에 의해 두 개의 인접한 전력 모듈을 고정하는 것은 종래와 비교하여 사용되는 고정 부재의 갯수를 현저하게 감소시킨다. 또한, 만약 공통 클램프가 전도성 물질로 만들어지면 두 개의 인접한 모듈은 동일 전위이다. 더 작은 수의 고정 부재가 사용되기 때문에, 조립체 가격을 증가시키지 않으면서 종래에서보다 더 많은 수의 전력 모듈을 채용하는 것이 가능하여, 결과적인 인버터 페이즈는 종래의 것보다 더욱 규격화되고 더욱 컴팩트하다. 채용된 고정 부재의 갯수의 감소는, 두 개의 반할체로부터 만들어지는 냉각 요소의 경우에 동일한 고정부재가 두 개의 반할체를 서로 조일 뿐만 아니라 각 반할체에 각 클램프를 고정할 때 특히 중요하다.

전력 모듈은 냉각 요소 내의 하나 또는 그 이상의 개구에 부착된 적어도 하나의 판에 고정될 수도 있다. 예를 들어, 다른 전력 모듈이 부착되는 단일 전도성 판을 사용하여 따라서 동일 전위이며 표준 전력 모듈의 사용을 가능하게 할 수 있다. 또한, 대응하는 전력 모듈이 각각 고정되는 복수의 절연판을 사용하여, 여러 모듈이 서로로부터 절연되도록 하는 것도 가능하다.

하나 또는 그 이상의 이러한 판의 사용은 전기 절연 물질 냉각 요소의 장점과 조합하여 종래의 고정 수단을 사용 가능하게 한다.

Claims (15)

1. 열교환 유체 입구 및 출구 수단(29)과 유체가 순환하는 내부 체적(V)을 포함하는 전력 전자 장치, 특히 인버터 페이즈(36)용 냉각 요소에 있어서,

   상기 냉각 요소(2)는 전기 절연물로부터 만들어지고, 상기 내부 체적(V)을 상기 냉각 요소의 외부에 연결하는 적어도 하나의 개구(28)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 개구(28)의 주연(24)은 그들 사이의 밀봉 수단(43)과 함께 냉각될 상기 전력 전자 장치(36)의 적어도 하나의 기부(38A)를 수용하는 시트를 형성하는 것을 특징으로 하는 냉각 요소.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉각 요소는 성형될 수 있는 물질로부터 만들어지는 것을 특징으로 하는 냉각 요소.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉각 요소는 함께 조립되는 동일한 두 개의 반할체(2A, 2B)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 요소.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 요소는 상기 냉각 요소(2) 상에 수용되는 기부(38A)의 수에 대응하는 다수의 개구(28)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 요소.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 유체 유동 방향으로 인접한 두 개구(28) 사이의 중간 공간은, 유체 유동 방향으로 연장되고 상기 냉각 요소(2) 상의 적어도 하나의 리브(32)에 의해 분리되는 적어도 두 개의 통로(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 요소.
6. 제5항에 있어서, 상기 리브(32)의 길이방향 축은 유체 유동 방향에 대해 경사진 것을 특징으로 하는 냉각 요소.
7. 냉각 요소(2)와, 상기 냉각 요소(2)에 고정되는 복수의 전력 모듈(38)과, 장치의 상보적 기능부, 특히 스타터(40)를 포함하는 전력 전자 장치, 특히 인버터 페이즈(36)에 있어서,

   상기 냉각 요소(2)는 상기 항들에 따른 냉각 요소인 것을 특징으로 하는 전력 전자 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 개구(28)의 주연(24) 상에 수용된 각 기부(38A)는 상기 전력 모듈(38)의 주연과 일체인 것을 특징으로 하는 전력 전자 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 기부(38A)는 유체 유동 방향으로 연장되는 핀(44)을 가지는 것을 특징으로 하는 전력 전자 장치.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 모듈(38)은 냉각 요소(2)의 중앙 평면(P)에 대해 대칭으로 배치된 대응 개구(28)에서 쌍으로 고정되고, 삽입물(46)은 각 쌍의 대향한 모듈(38)의 인접 단부들 사이에 고정되는 것을 특징으로 하는 전력 전자 장치.
11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 모듈(138, 138')은 냉각 요소의 중앙 평면에 대해 대칭적으로 배치된 대응 개구에 쌍으로 고정되고, 제1 모듈(138)의 단부(144)는 제1 모듈에 대향한 제2 모듈(138')을 향해 제2 모듈(138')의 단부(144')에 또는 단부(144')를 지나 연장되는 것을 특징으로 하는 전력 전자 장치.
12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전력 모듈(38)은 내부 유체 순환 체적(V)의 반대쪽 면 상에서 클램프(48)에 의해 상기 냉각 요소에 고정되는 것을 특징으로 하는 전력 전자 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 클램프(48)는 도전성이고, 유체 유동 방향으로 인접하는 두 전력 모듈(38)에 공통인 것을 특징으로 하는 전력 전자 장치.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 냉각 요소(2)는 함께 조립되는 두 개의 반할체(2A, 2B)를 포함하고, 상기 클램프 부재(48)는 두 반할체(2A, 2B)를 또한 함께 조이는 고정 수단(9)에 의해 상기 냉각 요소(2)에 고정되는 것을 특징으로 하는 전력 전자 장치.
15. 제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기부는 상기 냉각 요소의 적어도 하나의 개구에 부착되는 적어도 하나의 판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 전자 장치.