KR20150033259A - 전기소자 냉각용 열교환기 - Google Patents

전기소자 냉각용 열교환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기소자 냉각용 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 튜브와 튜브 사이에 전기 소자를 삽입하고, 튜브의 일단에서 연통되도록 형성된 연결부를 포함하여 형성됨으로써, 전기소자를 끼워 넣는 공정 없이 기계적 조립을 통해 제작이 가능하여 생산성을 증가시킬 수 있으며, 냉각효과를 향상시킬 수 있는 전기소자 냉각용 열교환기에 관한 것이다.

Description

전기소자 냉각용 열교환기{heat exchanger for cooling electric element}
본 발명은 전기소자 냉각용 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 전기소자의 양측면에 배치된 튜브 사이 간격이 전기소자의 두께보다 크게 형성되되, 열교환기의 리크검사를 위해 공기 주입 시, 상기 튜브가 변형되어 상기 전기소자와 면접촉됨으로써, 전기소자를 쉽게 튜브 사이에 끼워 넣을 수 있을 뿐만 아니라, 냉각효과를 향상시킬 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, 구동용 배터리(예를 들면, 300V의 전압)로부터 공급되는 전력을 모터에 원하는 상태로 공급되도록 조절하는 PCU(파워제어유닛)가 함께 장착된다.
PCU는 인버터, 평활 콘덴서 및 컨버터 등의 전기 소자들을 포함한다. 상기 전기 소자들은 전력(electricity)의 공급 되면서 열을 발생하기 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.
이러한 단면 냉각방식의 경우, 냉각성능에 한계가 있어 이를 개선하기 위해 고안된 것이 양면 냉각방식인데, 양면 냉각방식은 열교환기 사이 공간에 소자가 삽입되는 구조이기 때문에 열교환기의 전기 소자 삽입 간격이 전기 소자 높이보다 높아야 하는 동시에, 열교환기의 열전달 성능 증대를 위해서는 소자와 열교환기가 잘 압착되어야 한다는 조건이 모두 만족되는 것이 좋다.
도 1에 도시된 바와 같은 양면 냉각 방식의 열교환기는 전기소자의 양측면에 위치하며 내부에 열교환매체가 유동되도록 형성되는 튜브와, 상기 튜브의 양단에 결합되며 열교환매체가 유입 또는 배출되는 탱크를 포함하여 형성될 수 있는데, 상기 열교환기는 브레이징 결합되어 전기 소자의 삽입 공간이 고정된 이후, 전기 소자를 삽입해야 하므로 전기 소자의 삽입 작업이 어렵다는 단점이 있다.
또한, 상기 열교환기는 전기소자 삽입이 용이하도록 하기 위해 튜브 사이 간격을 넓게 하면, 소자와 튜브가 압착되지 않아 열교환 효율이 저하된다는 문제점이 있다.
따라서 전기 소자의 삽입이 용이하며, 소자와 열교환기의 압착이 잘 이루어질 수 있는 전기 소자 냉각용 열교환기의 개발이 필요하다.
선행특허 1 : 일본공개특허 제2001-245478호(공개일 2001.09.07, 명칭 : 인버터의 냉각 장치) 선행특허 2 : 일본공개특허 제2008-294283호(공개일 2008.12.04, 명칭 : 반도체 장치)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전기소자의 양측면에 배치된 튜브 사이 간격이 전기소자의 두께보다 크게 형성되되, 열교환기의 리크검사를 위해 공기 주입 시, 상기 튜브가 변형되어 상기 전기소자와 면접촉될 수 있도록 함으로써, 전기소자를 쉽게 튜브 사이에 끼워 넣을 수 있을 뿐만 아니라, 냉각효과를 향상시킬 수 있는 전기소자 냉각용 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 전기소자 냉각용 열교환기는 전기소자(2)를 냉각하기 위한 열교환기(1)에 있어서, 길이방향으로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 제1헤더탱크(110) 및 제2헤더탱크(120); 상기 제1헤더탱크(110) 및 제2헤더탱크(120)에 양단이 고정되며, 상기 전기소자(2) 양측면에 배치되어 길이방향으로 연장 형성되는 튜브(200); 상기 제1헤더탱크(110) 또는 제2헤더탱크(120)에 형성되어 열교환매체가 유입되는 유입구(310) 및 배출되는 배출구(320); 를 포함하여 형성되되, 상기 전기소자(2)의 양측면에 배치된 튜브(200) 사이 간격이 전기소자(2)의 두께보다 크게 형성되며, 열교환기(1)의 리크(Leak)검사를 위해 공기 주입 시, 상기 튜브(200)가 변형되어 상기 전기소자(2)와 접촉되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전기소자 냉각용 열교환기(1)는 상기 제1헤더탱크(110), 제2헤더탱크(120) 및 튜브(200)가 브레이징 결합되어 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 튜브(200)는 너비방향으로 일정거리 이격되어 다수개의 열로 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전기소자 냉각용 열교환기(1)는 상기 제1헤더탱크(110) 또는 제2헤더탱크(120) 내에 구비되며, 내부에 유동되는 열교환매체의 유로를 조절하는 배플을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 튜브(200)는 절첩(folded) 튜브 또는 용접(welded) 튜브인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전기소자 냉각용 열교환기는 전기소자의 양측면에 배치된 튜브 사이 간격이 전기소자의 두께보다 크게 형성되되, 열교환기의 리크검사를 위해 공기 주입 시, 상기 튜브가 변형되어 상기 전기소자와 면접촉될 수 있도록 함으로써, 전기소자를 쉽게 튜브 사이에 끼워 넣을 수 있을 뿐만 아니라, 냉각효과를 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
다시 말해, 본 발명은 기존의 양면 냉각 방식의 열교환기에서 전기소자가 쉽게 삽입될 수 있도록 하기 위해 튜브 사이 간격을 넓게 하면 전기소자와 튜브가 압착되기 어렵고, 반대로 전기소자와 튜브가 압착되도록 하기 위해 튜브 사이 간격을 좁게 하면 전기소자가 삽입되기 어려웠던 문제점을 해결하기 위해, 전기소자 삽입되는 단계에서는 튜브 사이 간격이 전기소자보다 넓게 형성되고, 삽입된 후 튜브에 공기를 주입시켜 튜브가 팽창되어 전기소자와 접촉될 수 있도록 함으로써, 냉각성능과 조립성을 동시에 향상시킬 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 열교환기의 조립이 간편해지도록 하고, 조립 시간을 단축시킬 수 있어 생산성 향상에 기여할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 전기소자 냉각장치의 일예를 나타낸 측면도.
도 2 내지 도4는 본 발명에 따른 전기소자 냉각용 열교환기를 나타낸 사시도, 분해사시도, 측면도.
도 5는 도 2의 aa'방향 단면도이며, 리크검사 전ㆍ후를 나타낸 도면.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 전기소자 냉각용 열교환기에서 열교환매체가 유동되는 것을 나타낸 다양한 실시예.
도 9는 본 발명에 따른 또 다른 전기소자 냉각용 열교환기를 나타낸 측면도.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명의 전기소자 냉각용 열교환기를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
본 발명은 전기소자(2)를 양면에서 냉각하기 위한 양면 냉각 방식의 열교환기(1)에 관한 것으로, 크게 제1헤더탱크(110), 제2헤더탱크(120), 튜브(200), 유입구(310) 및 배출구(320)를 포함하여 형성된다.
먼저, 상기 제1헤더탱크(110) 및 제2헤더탱크(120)는 길이방향으로 일정거리 이격되어 나란하게 형성된다.
상기 튜브(200)는 상기 제1헤더탱크(110) 및 제2헤더탱크(120)에 양단이 고정되며, 상기 전기소자(2) 양측면에 배치되어 길이방향으로 연장 형성된다.
상기 튜브(200)는 상기 제1헤더탱크(110) 및 제2헤더탱크(120)와 연통되어, 그 내부에 유동되는 열교환매체가 유동된다. 상기 튜브(200)는 접어서 제조되는 절첩(folded) 튜브(200)이거나, 용접(welded) 튜브(200)일 수 있다.
상기 유입구(310)는 상기 제1헤더탱크(110) 또는 제2헤더탱크(120)에 형성되어 열교환매체가 유입되는 통로이며, 상기 배출구(320)는 상기 제1헤더탱크(110) 또는 제2헤더탱크(120)에 형성되어 열교환매체가 배출되는 통로이다.
본 발명의 전기소자 냉각용 열교환기(1)는 상기 유입구(310) 및 배출구(320)가 모두 상기 제1헤더탱크(110)에 형성될 수도 있고, 상기 제1헤더탱크(110)에 유입구(310)만 형성되고, 상기 제2헤더탱크(120)에 배출구(320)만 형성될 수도 있으며, 이 외에도 다양하게 변경실시가 가능하다.
이때, 본 발명의 전기소자 냉각용 열교환기(1)는 상기 유입구(310) 및 배출구(320)의 위치에 따라 열교환매체의 유로가 달라질 수 있다.
특히, 본 발명의 전기소자 냉각용 열교환기(1)는 상기 전기소자(2)의 양측면에 배치된 튜브(200) 사이 간격이 전기소자(2)의 두께보다 크게 형성되어 상기 전기소자(2)가 상기 튜브(200) 사이에 쉽게 삽입되도록 한다.
또한, 본 발명의 전기소자 냉각용 열교환기(1)는 전기소자(2) 삽입 후, 열교환기(1)의 리크(Leak)검사를 위해 상기 튜브(200) 내 공기를 주입하는 과정에서 상기 튜브(200)가 변형됨으로써, 상기 전기소자(2) 및 튜브(200)가 서로 면접촉되도록 한다.
일반적으로, 열교환기는 차량 내부에서 열교환매체가 새어나와 주변 부품이 손상되거나, 냉각 및 난방이 잘 이루어지지 않는 것을 방지하기 위해 조립 후에 공기를 주입하는 리크(Leak) 검사를 거치게 된다.
이때, 튜브는 내부에 주입되는 공기압에 의해 일부 면이 팽창하거나 변형되는데, 본 발명의 전기소자 냉각용 열교환기(1)는 이를 이용하여 전기소자(2)와 튜브(200)가 서로 접촉될 수 있도록 한다.
도 5에는 본 발명의 전기소자 냉각용 열교환기(1)가 리크검사를 거쳐 변형되는 과정이 도시되어 있는데, 도 5(a)에 도시된 것처럼, 상기 튜브(200) 사이 간격은 상기 전기소자(2)보다 넓게 형성되다가, 도 5(b)에 도시된 것처럼 공기 주입 후 상기 튜브(200)가 팽창하여 상기 전기소자(2)와 접촉될 만큼 간격이 좁아진다.
리크 검사 시에는, 상기 전기소자(2)의 상측면에 위치한 튜브(200)의 상측면과, 상기 전기소자(2)의 하측면에 위치한 튜브(200)의 하측면에 별도의 가압부재가 더 구비되어, 공기주입에 의한 튜브(200)의 팽창이 상기 전기소자(2) 측으로만 발생되도록 조절되는 것이 바람직하다.
본 발명의 전기소자 냉각용 열교환기(1) 제작순서를 설명하면, 먼저 제1헤더탱크(110) 및 제2헤더탱크(120)에 상기 튜브(200)의 양단이 삽입 결합되도록 조립한다.
다음, 상기 제1헤더탱크(110), 제2헤더탱크(120) 및 상기 튜브(200)가 조립된 조립체가 일체로 형성되도록 브레이징 결합된다.
다음, 높이방향으로 일정거리 이격된 상기 튜브(200) 사이에 상기 전기소자(2)를 삽입한 후, 리크 검사를 위한 공기 주입 시, 상기 튜브(200)의 전기소자(2) 접촉면이 변형되어 상기 튜브(200) 및 전기소자(2)가 서로 압착된다.
이때, 본 발명의 전기소자 냉각용 열교환기(1)는 상기 전기소자(2)와 튜브(200)가 서멀 그리스로 접합될 수 있으며, 상기 전기소자(2) 및 튜브(200) 사이에 절연판이 더 구비될 수도 있다.
상기 전기소자(2)가 1열 배치될 경우, 상기 튜브(200)는 한 개만 형성될 수도 있으며, 얇은 튜브(200) 가 다수개 이격되어 상기 전기소자(2)의 양측면에 밀착될 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전기소자(2)가 2열 이상 배치될 경우, 상기 튜브(200)는 너비방향으로 일정거리 이격되어 다수개 형성될 수 있는데, 상기 전기소자(2)의 너비방향으로 양측면에 돌출형성된 핀을 덮지 않도록 상기 튜브(200)의 너비는 상기 전기소자(2)의 너비보다 작거나 같게 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전기소자 냉각용 열교환기(1)는 상기 전기소자(2)의 길이방향으로 양단에 위치한 상기 튜브(200) 일부영역이 상기 전기소자(2) 측으로 가압되어 함입 형성된 클립결합부(210)를 더 포함하여 형성될 수도 있다.
이는 상기 전기소자(2)는 압착시키기 위한 구조로, 상기 전기소자(2)가 상기 튜브(200) 사이에 안정적으로 고정되도록 할 수 있다.
이외에도, 본 발명의 전기소자 냉각용 열교환기(1)는 상기 전기소자(2)가 상기 튜브(200)사이에 안정적으로 고정될 수 있도록 별도의 결합부재를 더 포함하여 형성될 수도 있으며, 그 수단과 방법은 얼마든지 다양하게 변경실시가 가능하다.
본 발명의 전기소자 냉각용 열교환기(1)는 상기 제1헤더탱크(110) 또는 제2헤더탱크(120) 내에 구비되며, 내부에 유동되는 열교환매체의 유로를 조절하는 배플(400)을 더 포함하여 형성될 수 있다.
도 2에는 상기 제1헤더탱크(110)가 너비방향으로 공간이 분리되도록 상기 배플(400)이 상기 제1헤더탱크(110) 내에 구비된 실시예가 도시되었으며, 도 6은 도 2의 전기소자 냉각용 열교환기(1)에서 열교환매체 흐름을 나타낸 도면이다.
도 6을 참고로 열교환매체의 흐름을 설명하면, 상기 제1헤더탱크(110)의 너비방향으로 일측에 형성된 유입구(310)를 통해 열교환매체가 유입되며, 유입된 열교환매체는 상기 전기소자(2)의 상ㆍ하측에 위치한 상기 튜브(200)를 따라 상기 제2헤더탱크(120)까지 유동된다.
다음, 열교환매체는 상기 제2헤더탱크(120)를 통과하여 하측에 너비방향으로 타측에 위치한 상기 튜브(200)를 따라 유동되며, 상기 제1헤더탱크(110)의 너비방향으로 타측에 형성된 배출구(320)를 통해 열교환매체가 배출된다.
도 7은 상기 제1헤더탱크(110)에 유입구(310)가 형성되고, 상기 제2헤더탱크(120)에 배출구(320)가 형성된 전기소자 냉각용 열교환기(1)에서의 열교환매체 흐름을 나타낸 것인데, 도 7의 전기소자 냉각용 열교환기(1)는 상기 제1헤더탱크(110)의 유입구(310)를 통해 유입된 열교환매체가 2열로 형성된 상기 튜브(200)를 따라 유동된 다음, 상기 제2헤더탱크(120)의 배출구(320)를 통해 배출되는 흐름을 갖는다.
이 경우, 본 발명의 전기소자 냉각용 열교환기(1)는 별도의 배플(400)이 구비되지 않아도 된다.
또 다른 실시예로, 도 8은 상기 제1헤더탱크(110) 내에 높이방향으로 공간을 분리하는 수평배플(410)이 구비되며, 상측 공간부에 유입구(310)가 형성되고, 하측 공간부에 배출구(320)가 형성된 전기소자 냉각용 열교환기(1)에서의 열교환매체 흐름을 나타낸 것이다.
도 8의 전기소자 냉각용 열교환기(1)는 상기 제1헤더탱크(110)의 유입구(310)를 통해 유입된 열교환매체가 2열로 형성된 상기 튜브(200) 중 상기 전기소자(2)의 상측에 위치한 상기 튜브(200)를 따라 유동된 다음, 상기 제2헤더탱크(120)를 지나 상기 전기소자(2)의 하측에 위치한 상기 튜브(200)를 따라 유동되어 상기 제1헤더탱크(110)의 배출구(320)를 통해 배출되는 흐름을 갖는다.
이 외에도, 본 발명의 전기소자 냉각용 열교환기(1)는 상기 배플(400), 수평배플(410), 유입구(310) 및 배출구(320)의 위치를 다양하게 변경함으로써, 열교환매체의 흐름을 조절할 수 있다.
본 발명의 특징을 간략히 정리하면, 본 발명의 전기소자 냉각용 열교환기(1)는 전기소자(2)의 양측면에 배치된 튜브(200) 사이 간격이 전기소자(2)의 두께보다 크게 형성되되, 열교환기(1)의 리크검사를 위해 공기 주입 시, 상기 튜브(200)가 변형되어 상기 전기소자(2)와 면접촉될 수 있도록 함으로써, 전기소자(2)를 쉽게 튜브(200) 사이에 끼워 넣을 수 있을 뿐만 아니라, 냉각효과를 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
다시 말해, 본 발명은 기존의 양면 냉각 방식의 열교환기(1)에서 전기소자(2)가 쉽게 삽입될 수 있도록 하기 위해 튜브(200) 사이 간격을 넓게 하면 전기소자(2)와 튜브(200)가 압착되기 어렵고, 반대로 전기소자(2)와 튜브(200)가 압착되도록 하기 위해 튜브(200) 사이 간격을 좁게 하면 전기소자(2)가 삽입되기 어려웠던 문제점을 해결하기 위해, 전기소자(2) 삽입되는 단계에서는 튜브(200) 사이 간격이 전기소자(2)보다 넓게 형성되고, 삽입된 후 튜브(200)에 공기를 주입시켜 튜브(200)가 팽창되어 전기소자(2)와 접촉될 수 있도록 함으로써, 냉각성능과 조립성을 동시에 향상시킬 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 열교환기(1)의 조립이 간편해지도록 하고, 조립 시간을 단축시킬 수 있어 생산성 향상에 기여할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1 : 전기소자 냉각용 열교환기
2 : 전기소자
110 : 제1헤더탱크 120 : 제2헤더탱크
200 : 튜브 210 : 클립결합부
310 : 유입구 320 : 배출구
400 : 배플
410 : 수평배플

Claims (5)

  1. 전기소자(2)를 냉각하기 위한 열교환기(1)에 있어서,
    길이방향으로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 제1헤더탱크(110) 및 제2헤더탱크(120);
    상기 제1헤더탱크(110) 및 제2헤더탱크(120)에 양단이 고정되며, 상기 전기소자(2) 양측면에 배치되어 길이방향으로 연장 형성되는 튜브(200);
    상기 제1헤더탱크(110) 또는 제2헤더탱크(120)에 형성되어 열교환매체가 유입되는 유입구(310) 및 배출되는 배출구(320); 를 포함하여 형성되되,
    상기 전기소자(2)의 양측면에 배치된 튜브(200) 사이 간격이 전기소자(2)의 두께보다 크게 형성되며,
    열교환기(1)의 리크(Leak)검사를 위해 공기 주입 시, 상기 튜브(200)가 변형되어 상기 전기소자(2)와 접촉되는 것을 특징으로 하는 전기소자 냉각용 열교환기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전기소자 냉각용 열교환기(1)는
    상기 제1헤더탱크(110), 제2헤더탱크(120) 및 튜브(200)가 브레이징 결합되어 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기소자 냉각용 열교환기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 튜브(200)는
    너비방향으로 일정거리 이격되어 다수개의 열로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기소자 냉각용 열교환기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전기소자 냉각용 열교환기(1)는
    상기 제1헤더탱크(110) 또는 제2헤더탱크(120) 내에 구비되며, 내부에 유동되는 열교환매체의 유로를 조절하는 배플(400)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기소자 냉각용 열교환기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 튜브(200)는
    절첩(folded) 튜브 또는 용접(welded) 튜브인 것을 특징으로 하는 전기소자 냉각용 열교환기.
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