KR20070040574A - 수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치 - Google Patents

수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치 Download PDF

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KR20070040574A
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Abstract

본 발명은 수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치에 관한 것으로, 미소량의 누수를 초기에 신속하게 검지할 수 있는 수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치를 제공한다. 이를 위한 본 발명은 실리콘 기판 위에 일정간격의 빗(comb) 형상이 서로 교차되도록 형성된 금속배선으로 이루어진 검지판과, 상기 검지판에 직렬로 연결된 검지저항과, 상기 검지저항의 일단과 상기 검지판의 일단에 접속된 전원부를 구비하되, 상기 검지판의 양단전압을 출력하는 검지부와; 상기 검지부의 출력신호가 미리 설정된 레벨보다 작은지를 비교하여 그 결과에 따라 누수를 판단하는 중앙제어부와; 상기 중앙제어부가 누수를 판단한 경우 이를 통지하는 알람부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 미소량의 누수를 초기에 신속하게 검지할 수 있고, 전력변환 시스템으로부터 유입되는 잡음에 효과적으로 대체하여 누수검출의 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
수냉식 전력변환 시스템, 스택, 누수검출, 실리콘 기판, 빗(comb) 형상

Description

수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치{Water leakage detection device in water cooling power system}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치의 구성을 나타낸 블록도.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 검지부의 내부 구성을 나타낸 블록도(a)와, 검지판의 평면도(b)와 단면도(c).
도 3a 및 도 3b는 도 1의 검지부의 출력 전압파형(a)과, LPF의 출력전압 파형(b)을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치의 누수검출방법을 나타낸 순서도.
도 5a 및 도 5b는 도 4에서 누수로 판단하지 않는 경우의 입력전압 파형(a)과, 누수로 판단하는 경우의 입력전압 파형(b)을 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 누수검출장치 110 : 검지부
112 : 검지저항 114 : 전원부
120 : LPF 130 : 검지부 선택회로
140 : 마이크로프로세서 142 : ADC
144 : 중앙제어부 146 : 알람부
200 : 검지판 212 : 전극
214 : 금속배선 216 : 실리콘 기판
218 : 실리콘 산화막
본 발명은 수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치에 관한 것으로, 특히, PCB 패턴 방식의 검지판에 낙하된 물방울에 의한 저항변화를 이용하여 전력변환 시스템의 수냉식 스택으로부터 발생할 수 있는 미소량의 누수를 초기에 신속하게 검지할 수 있는 수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치에 관한 것이다.
현재 산업체에서 사용하고 있는 대용량 전력변환 시스템은 비약적으로 증가하고 있다. 이러한 대용량 전력변환 시스템에 있어서 주전력은 반도체 스위칭 소자의 조합으로 이루어진 파워스택으로 흐르게 되는데, 스위칭 소자에 대용량의 전력이 흐르게 되면 스위칭 소자 내부저항에 의해 열이 발생한다.
이때, 스위칭 소자에서 발생한 열을 충분히 냉각시키기 위하여 순수를 이용한 수냉식 방열 시스템이 주로 사용된다.
이러한 수냉식 방열 시스템은 대형 전력변환 시스템이 운전중인 경우, 항상 일정 압력의 순수가 파워스택의 내부 냉각수관을 통해 흐르게 되는데, 스택을 장식간 사용하면 진동 등 외부요인에 의해서 스택의 냉각수 이음관에 의완 및 소손 등 에 의한 순수의 누출 가능성이 크다.
이와 같이 고압 대전력 수냉식 스택에 누수가 발생하면, 스택의 스위칭 소자 간의 단락 현상이 유발됨에 따라 스택의 소손을 초래하여 전력변환 시스템의 정지로 인한 막대한 손실을 초래할 수 있다.
종래의 누수 검출장치는 간접적으로 투입되는 순수의 유량 및 압력을 감지하여 압력의 저하에 따라 누수를 감지하거나 순수에 색깔 있는 물질을 투입하여 이를 색도계로 관찰하는 광학 방법 등이 이용되고 있다.
그러나 이러한 방법들은 불편하거나 미량의 누수는 검지할 수 없고, 또한 전력변환 시스템 전체에 대하여 누수여부를 검지하는 것은 불가능하다.
따라서 정류기나 인버터 등의 전력변환 시스템의 보존 및 안정성을 위해서는 수냉식 스택에서 발생할 수 있는 수순의 누출을 초기에 감지할 수 있는 시스템의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, PCB 패턴 방식의 검지판의 저항값을 읽어들이고, 누수 발생에 따라 변화하는 저항값을 감지하여 미소량의 누수를 초기에 신속하게 검지할 수 있는 수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실리콘 기판 위에 일정간격의 빗(comb) 형상이 서로 교차되도록 형성된 금속배선으로 이루어진 검지판과, 상기 검지판에 직렬로 연결된 검지저항과, 상기 검지저항의 일단과 상기 검지판의 일단에 접속된 전원부를 구비하되, 상기 검지판의 양단전압을 출력하는 검지부와; 상기 검지부의 출력신호가 미리 설정된 레벨보다 작은지를 비교하여 그 결과에 따라 누수를 판단하는 중앙제어부와; 상기 중앙제어부가 누수를 판단한 경우 이를 통지하는 알람부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 검지부의 출력신호의 잡음을 제거하는 저역통과 필터를 추가로 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 중앙제어부가 상기 검지부의 출력신호가 상기 미리 설정된 레벨 보다 작은 경우 미리 설정된 시간을 카운트하여 상기 검지부의 출력이 상기 미리 설정된 시간동안 상기 미리 설정된 레벨을 초과하지 않으면 이를 누수로 판단할 수 있다.
본 발명은 상기 검지부를 다수개 구비하되, 상기 각각의 검지부의 출력을 상기 중앙제어부로 선택적으로 출력하는 검지부 선택회로를 추가로 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
누수검출장치(10)는 누수를 검출하는 다수의 검지부(110)와, 다수의 검지부(110)로부터 출력된 신호의 잡음을 제거하는 다수의 LPF(120)와, 각 LPF(120)을 통하여 입력된 각 검지부(110)의 출력을 선택적으로 중앙제어부(144)로 연결하는 검 지부 선택회로(130)와, 검지결과에 따라 누수여부를 판단하여 경보 등을 수행하는 마이크로프로세서(140)로 구성된다.
검지부(110)는 수냉식 파워 스택의 하단에 설치하여 스택으로부터 떨어지는 물방울을 검지하는 검지판(200)과, 검지판(200)에 직렬로 연결된 검지저항(112)과, 검지저항(112)의 일단과 검지판(200)의 일단에 접속된 전원부(114)로 구성된다.
또한, 검지부(110)는 전원부(114)로부터 인가된, 예를 들면, 24V의 직류전원에 의해 검지저항(112)과 검지판(200)의 저항값에 따라 배분된 검지판(200)의 양단전압을 LPF(120)으로 출력한다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 검지부의 내부 구성을 나타낸 블록도(a)와, 검지판의 평면도(b)와 단면도(c)이다.
검지판(200)은 실리콘 기판(216)과, 실리콘 기판(216) 위에 형성된 실리콘 산화막(218)과, 실리콘 산화막(218) 위에 일정간격의 빗 형상이 서로 교차되도록 형성된 금속배선(214)과, 금속배선(214)의 양단에 형성된 전극(212)으로 구성된다.
이러한 검지판(200)은 반도체 공정에 의해 ㎛급의 미세 금속배선(214)을 형성하는데, 금속배선(214)의 양단에 형성된 전극(212) 사이는 누수가 없으면 절연 상태가 유지되어 그 저항값이 거의 무한대가 되지만, 냉각 스택의 누수에 따른 미소 물방울 또는 응축방울이 금속배선(214) 사이에 낙하하면, 순수의 비저항에 의해 전극(212) 양단은 일정한 저항값(약 2㏁)을 갖게 된다.
검지부(110)는 검지판(200)의 양단전압을 누수의 검지결과로서 LPF(120)로 출력하는데, 검지판(200)에 누수된 물방울이 없는 경우에는 금속배선(214) 사이의 절연에 의해 검지판(200) 양단은 거의 무한대의 저항을 가지므로 전원부(114)의 전압이 모두 인가된다.
또한, 검지판(200)에 누수가 낙하하면, 누수에 의한 검지판(200)의 저항변화에 따라 검지저항(112)과 검지판의 저항값에 따라 배분된 전압이 검지판(200)의 양단에 인가됨으로써, 누수를 감지한다.
LPF(120)는 전력변환 시스템으로부터 발생하여 검지판(200)의 금속배선(214)을 통하여 유입되는 잡음을 검지결과 신호로부터 제거한다.
검지부 선택회로(130)는 MUX 등의 장치로서, 마이크로프로세서(140)의 제어에 따라 다수의 검지부(110)의 검지결과를 선택적으로 마이크로프로세서(140)로 출력한다.
마이크로프로세서(140)는 수신된 검지부(110)의 검지결과, 즉, 출력전압을 연산을 위한 레벨로 변환하는 ADC(142)와, 검지부(110)의 출력신호가 미리 설정된 레벨보다 작은지를 비교하여 그 결과에 따라 누수를 판단하는 중앙제어부(144)와, 중앙제어부(144)가 누수를 판단한 경우 이를 통지하는 알람부(146)로 구성된다.
중앙제어부(144)는 LPF(120)에 의해 완전히 제거되지 못한 잡음 또는 검지부(110)의 오동작에 의한 누수검출 오류를 방지하기 위하여, 검지부(110)의 출력전압 레벨과 함께 누수에 의해 변화된 출력전압이 일정시간 유지되는지를 판단한다.
즉, 중앙제어부(144)는 검지부(110)의 출력전압이 미리 설정된 레벨보다 작은 경우 미리 설정된 시간을 카운트하고, 검지부(110)의 출력이 이 시간동안 설정레벨을 초과하지 않으면 이를 누수로 판단한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 전력변환 장치의 누수검출장치(10)의 동작을 설명하면, 먼저, 수냉식 스택으로부터 초기 물방울이 검지판(200)으로 낙하하면, 검지판(200)의 저항이 변화되어 검지부(110)는 그에 따라 변환된 전압을 출력한다.
여기서, 검지판(200)은 미세한 금속배선(214)사이에 순수가 유입됨에 따라 거의 무한대의 저항값에서 특정 저항값으로 낮아지게 되므로, 검지부(110)는 검지저항(112)과 변화된 검지판(200)의 저항에 따라 배분된 전압을 출력한다.
이때, 스택은 항상 대용량의 전력을 스위칭하기 때문에 검지판(200)으로 상당한 량의 잡음을 방출하는데, 이러한 잡음은 검지판(200)의 금속배선(214)이 안테나 역할을 하여 검지부(110)로 유입된다.
LPF(120)는 이와 같이 유입된 잡음을 검지부(110)의 출력신호로부터 제거하고 검지부 선택회로(130)를 통하여 ADC(142)로 출력한다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 검지부의 출력 전압파형(a)과, LPF의 출력전압 파형(b)을 나타낸 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 검지부(110)의 출력전압은 전력변환 시스템으로부터 유입된 잡음이 더해지는 형태로 나타나는데, 실질적으로 누수를 검출하기 위한 레벨은 DC신호이기 때문에, LPF(120)를 이용하여 DC성분만 통과시키고 AC성분은 차단한다.
이와 같이 잡음이 제거된 검출신호가 ADC(142)를 통하여 중앙제어부(144)로 입력되면, 중앙제어부(144)는 그 레벨을 미리 설정된 레벨(vth)과 비교하여 미리 설정된 레벨(vth)보다 작으면 누수로 판단하고, 알람부(146)를 통하여 이를 통지한다.
한편, LPF(120)는 실질적으로 잡음을 완전히 제거하지 못하므로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 잡음은 그 레벨이 줄어들더라도 여전히 존재하게 되며, 특히, 피크의 형태로 나타나는 잡음에 의해 누수검출의 오동작을 초래할 수 있다.
LPF(120)의 기능보완과 누수검출의 오동작을 방지하기 위하여, 중앙제어부(144)는 입력된 전압이 미리 설정된 레벨(vth)보다 작은 경우 레벨의 비교와 함께 시간적인 요소를 고려한 후술하는 바와 같은 검출방법에 의해 누수를 최종적으로 판단할 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 5b를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치의 누수검출 방법을 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치의 누수검출방법을 나타낸 순서도이고, 도 5a 및 도 5b는 도 4에서 누수로 판단하지 않는 경우의 입력전압 파형(a)과, 누수로 판단하는 경우의 입력전압 파형(b)을 나타낸 도면이다.
먼저, 단계 S401에서, 누수를 판단하기 위한 전압 임계값(vth)과 시간 임계값(S_count)을 설정함으로써, 누수검출장치의 누수검출 방법이 개시된다.
여기서, 전압 임계값(vth)은 검지부(110)의 출력전압을 비교하기 위한 것으 로, 예를 들면, 24V 전원부에 대하여 4.8V로 설정되고, 시간 임계값(S_count)은 검지부(110)의 출력전압이 전압 임계값(vth)보다 작아진 시점부터 임계값(vth)을 초과하는 시점까지를 지정한 것으로, 예를 들면, 2S로 설정된다.
특히, 시간 임계값(S_count)은 잡음에 의한 입력전압(vi)의 전압 강하와 누수에 의한 전압 강하를 구분하기 위한 것으로, 실제 물방울이 검지판(200)에 낙하하여 마를 때까지는 상당한 시간이 소요되는데, 누수에 의한 전압강하는 상당시간 유지되지만, 잡음에 의한 전압강하는 짧은 시간만 유지한다는 사실을 감안한 것이다.
단계 S402에서, 검지판(200)으로부터 입력된 전압(vi)을 검출한다.
구체적으로는, 전원부(114)에서 인가된 전압에 의해 검지저항(112)과 검지판(200)의 저항값에 따라 분배되는 검지판(200) 양단 전압을 검출한다.
이때, 누수발생 전에는 거의 무한대의 저항을 갖는 검지판(200)에 모든 전압이 인가되고, 누수발생시에는 누수로 인한 검지판(200)의 저항값과 검지저항(112)에 따라 배분된 전압이 검지판(200)에 인가된다.
단계 S403에서, 입력전압(vi)이 임계 전압(vth)보다 작은지를 판단하여 그 값이 임계 전압(vth)보다 작다고 판단한 경우, 즉, 검지판(200)의 금속배선(214) 사이에 누수가 낙하하여 그 저항값이 변경됨에 따라 검지저항(112)과 변화된 저항값에 의해 배분된 전압이 검지판(200)에 인가되어 입력전압(vL)이 작은 경우에는 단계 S404로 진행하여 일정시간의 경과를 감지하기 위하여 카운트를 증가한다.
단계 S403의 판단결과, 입력전압(vi)이 임계 전압(vth)보다 크거나 같다고 판단한 경우, 즉, 검지판(200)에 누수가 낙하하지 않아 전원부(114)로부터 공급된 전압이 모두 검지판(200)의 양단에 인가되어 입력전압(vH)이 큰 경우 또는 후술하는 바와 같이, 잡음의 유입에 따라 입력전압(vi)이 임계 전압(vth)을 초과하는 경우에는 단계 S405로 진행하여 카운트를 리셋하고 단계 S402로 복구하여 지속적으로 검지판(200)으로부터 입력되는 전압(vi)을 검출한다.
단계 S406에서 현재의 카운터값이 임계 시간(S_count)을 초과하는지를 판단하여 임계 시간을 초과하였다고 판단한 경우, 즉, 입력전압(vi)이 임계 전압(vth)보다 작아진 시점으로부터 임계 시간(S_count)이 경과된 경우에는 이를 누수로 판단하고, 단계 S407로 진행하여 누수 경보를 실행한다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 검지부(110)로부터 입력된 전압(vi)이 임계 전압(vth)이하에서 임계 시간(S_count)동안 지속된 경우, 이 시점에서 누수임을 판단하고, 누수 경보를 실행한다.
여기서, 경보영역 이후 다시 입력전압(vi)이 임계 전압(vth)을 초과하여 원래의 레벨로 복귀하기 위해서는, 예를 들면, 수십초에서 10분 정도의 시간이 소요되는데, 이는 검지판(200)에 낙하된 물방울이 기화하여 검지판(200)의 저항이 거의 무한대로 복귀하는데 소요되는 시간이다.
단계 S406의 판단결과, 현재의 카운터값이 임계 시간(S_count)을 초과하지 않았다고 판단한 경우, 즉, 입력전압(vi)이 임계 전압(vth)보다 작아진 시점으로부터 임계 시간(S_count)이 경과되지 않은 경우에는 단계 S402로 복귀하여 입력전압(vi)이 임계 전압(vth)보다 다시 커지는 시점을 감지하기 위하여 단계 S402 내지 단계 S404의 단계를 반복한다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 입력전압(vi)이 임계 전압(vth)보다 작아진 후 임계 시간(S_count)을 경과하기 전에 원래의 레벨로 복귀하는 경우, 이를 잡음에 의한 것으로 판단하여 누수되지 않은 것으로 판단한다.
이러한 방법에 의해 도 3b에 도시된 바와 같이 LPF(120)에 의해 완전히 제거되지 못한 잡음, 특히, 피크의 형태로 큰 레벨을 갖는 잡음에 의한 누수 판단 오류를 방지할 수 있다.
단계 S408에서, 경보가 리셋되었는지를 판단하여 리셋된 경우, 즉, 사용자가 누수 경보를 인지하여 경보를 해제한 경우에는 단계 S402로 진행하여 누수검출을 위한 일련의 절차를 재수행한다.
단계 S408의 판단결과, 누수검출장치가 리셋되지 않은 경우, 즉, 사용자의 누수 경보를 인지하지 못한 경우에는 단계 S407로 진행하여 지속적으로 누수경보를 수행한다.
이와 같은 방법으로, 누수검출장치의 누수검출 방법이 종료된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치는 일정간격의 빗 형상이 서로 교차되도록 형성된 검지판의 저항이 누수에 의해 변화됨을 감지하여 누수를 검출함으로써, 미소량의 누수를 초기에 신속하게 검지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 저역통과필터에 의해 잡음을 제거하는 동시에 누수를 판단하기 위한 전압 임계값과 함께 누수에 의해 검지부의 출력전압이 임계 전압보다 작아진 시점으로부터 일정시간이 경과하였는지를 판단하기 위한 시간 임계값을 이용함으로써, 전력변환 시스템으로부터 유입되는 잡음에 효과적으로 대체하여 누수검출의 신뢰성을 확보할 수 있다.

Claims (4)

  1. 실리콘 기판 위에 일정간격의 빗(comb) 형상이 서로 교차되도록 형성된 금속배선으로 이루어진 검지판과, 상기 검지판에 직렬로 연결된 검지저항과, 상기 검지저항의 일단과 상기 검지판의 일단에 접속된 전원부를 구비하되, 상기 검지판의 양단전압을 출력하는 검지부와;
    상기 검지부의 출력신호가 미리 설정된 레벨보다 작은지를 비교하여 그 결과에 따라 누수를 판단하는 중앙제어부와;
    상기 중앙제어부가 누수를 판단한 경우 이를 통지하는 알람부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검지부의 출력신호의 잡음을 제거하는 저역통과 필터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중앙제어부는 상기 검지부의 출력신호가 상기 미리 설정된 레벨 보다 작은 경우 미리 설정된 시간을 카운트하여 상기 검지부의 출력이 상기 미리 설정된 시간동안 상기 미리 설정된 레벨을 초과하지 않으면 이를 누수로 판단하는 것을 특징으로 하는 수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 검지부를 다수개 구비하되, 상기 각각의 검지부의 출력을 상기 중앙제어부로 선택적으로 출력하는 검지부 선택회로를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉식 전력변환 시스템의 누수검출장치.
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