KR20160086200A - 방열기 및 상기 방열기를 포함한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방열기 및 상기 방열기를 포함한 용접기 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내부의 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 방열기와 이를 채용한 전기 용접기에 관한 것이다. 본 발명은 방열판의 각도와 전기적 절연 그리고 재질 변경을 통해서 냉각 효율을 증가시킨다.

Description

방열기 및 상기 방열기를 포함한 장치{A RADIATION DEVICE AND A DEVICE USING THE SAME}

본 발명은 방열기 및 상기 방열기를 포함한 용접기 등의 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내부의 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 방열기와 이를 채용한 장치에 관한 것이다.

본 발명은 고주파 유도 가열기, UV 램프안정기, 용접기 또는 IGBT(Insulated Gate Bi-Polar Transistor) 등의 부품은 심한 발열로 인해 고장이나 적정한 성능을 발휘하지 못하는 경우가 많다.

종래에 많은 전자 부품들이 발열이나 과열에 의해 고장을 일으키는 경우가 많다. 그리하여 용접기나 여러 전기 제품에서는 방열기를 이용하여 발열되는 열을 제거하고 있다.

그러나 용접기의 고전력 소자 또는 IGBT등 발열 부품은 효과적으로 열을 제거해 주는 것이 중요하여 방열기와 함께 사용되지만 방열기의 방열 처리가 충분하지 못할 경우, IGBT 등의 소자 뿐만 아니라 용접기 등 제품의 신뢰성 및 수명 저하의 문제가 발생한다.

대한민국 특허공개 제10-2003-0086936(공개일자 2003년11월12일)

위와 같은 문제를 해결하고자, 본 발명은 효율적으로 열이 방출될 수 있는 방열기를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명은 방열과 관련된 부품들의 배치 구조를 개선하여 방열 효율이 증대된 방열시스템을 제공하고자 한다.

그리고 본 발명은 방열효율이 증가된 방열기와 상기 방열기를 효율적으로 사용하여 전자소자 등의 발열을 효율적으로 방열할 수 있는 전기 용접기를 포함하는 다양한 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 방열기는, 방열판을 많은 양의 바람과 직접 맞닿도록 바람 방향에 경사지게 배치하여 방열판에서 많은 열을 방열할 수 있도록 한다.

또한 본 발명의 방열기는 냉각 대상물이 부착되는 방열판을 포함하며 그리고 상기 방열판을 바람에 의해 냉각하는 방열기에 있어서, 상기 방열판이 바람 방향에 경사지게 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 방열기의 방열판에서 상기 경사의 각도는 바람 진행 방향 기준으로 길이방향으로5 - 45도 사이이고 방열편 높이경사는 0-45도 범위인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 방열판은 알루미늄 재질의 방열판이며, 그리고 상기 냉각 대상물은 다이오드, 변압기, igbt, 트랜지스터, fet(field effect transistor), 다이악(Diac), 및 싸이리스터((thyristor) 중 어느 하나 이상을 포함하는 전자소자인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방열판에 부착되는 냉각 대상물 간의 전기적 절연을 위해 상기 방열판이 냉각 대상물마다 전기적으로 개별적으로 분리 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방열판은 부착되는 냉각 대상물들에 동시에 전원을 인가하기 위해 상기 방열판과 냉각 대상물들 사이에 동판이 추가 삽입되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 냉각이 요구되는 전자소자 및 냉각 팬을 포함하는 장치에 있어서, 상기 전자소자는 다이오드, 변압기, igbt, 트랜지스터, fet(field effect transistor), 다이악(Diac), 및 싸이리스터((thyristor) 중 어느 하나 이상으로서, 상기 전자소자를 냉각하기 위한 상기 방열기를 포함하는 고주파 유도 가열기, UV램프안정기, 용접기 중 어느 하나 이상의 포함하는 장치를 제공한다.

고주파 유도 가열기와 용접기 등은 동일한 전기제어 순서가 있어서, 이들 제어기들은 기기내부에서 대용량의 전기를 전자소자를 이용하여 제어할 때 많은 열이 발생하는데 이들 기기의 최대 문제인 효율적인 냉각은 방열판을 작게 만들어 붙일 수 있게 되고 팬 등 부품의 크기 또한 작은 것으로 사용할 수 있게 되어 기기의 크기, 부피 무게를 30% 이상 크게 줄일 수 있고 이에 따라 가격 또한 크게 낮출 수 있게 된다.

도1은 용접기에서 전기의 변화를 나타내는 블록도,
도2는 도1의 블록도에 따른 회로도,
도3은 통상의 방열 방식을 간단하게 나타내는 사시도,
도4는 방열판의 배열에 따른 바람의 저항을 나타내는 도,
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방열기를 나타내는 사시도 및 측면도,
도6은 절연지를 사용하는 전자소자가 사용되는 예를 나타내는 도,
도7은 도6의 예를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 방열기를 나타내는 도,
도8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방열기를 나타내는 도, 그리고
도9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방열기를 나타내는 도이다.

고주파 유도 가열기, UV 램프안정기, 용접기 등은 1KW~500KW 의 대전력을 전자소자를 이용 제어하여 그 기능을 완성하게 된다.

이때 전자소자에서 발생하는 열은 전자소자에 알루미늄 방열판을 부착하고 팬으로 바람을 일으켜 알루미늄 방열판을 냉각시키는 강제 공랭식 냉각 방법을 사용하는데 이때 가장 중요한 것이 팬에 의하여 발생한 바람이 효과적으로 방열판을 냉각해 공기가 많은 열을 가지고 용접기 밖으로 나가 주어야 한다.

용접기는 상용 공급되는 AC 220V 전기를 용접할 수 있는 전기로 변환하는 과정에서 전자소자를 사용하여 전기를 on/off하는 등의 제어를 하게 되는데 이때 전자소자에서 열이 발생하며 25%~30%는 열로 발생할 수밖에 없어, 이로 인하여 효율이 약 70~75%로 나오게 된다.

이 열을 효과적으로 밖으로 빼내지 못하면 과열로 인하여 전자소자가 과열되어 파괴되는 현상이 발생한다. 예를 들면 용접기 고장의 90% 이상이 이런 과열로 인하여 전자소자가 파괴되는 현상이다.

전자소자에서 발생하는 열을 효과적으로 식혀 주기 위한 먼저 이 열이 방열판에 빨리 전달돼야한다. 그런데 기존의 용접기에 사용하는 대용량 전자소자는 알루미늄 방열판에 부착할 때 전기적인 절연을 하기 위하여 절연지라고 하는 절연판을 전자소자에 부착한 후 알루미늄 방열판에 부착한다.

이 절연지는 보통 실리콘 소재로 만들어져 사용되는데 이 절연지는 전자소재에서 발생한 열이 빨리 알루미늄 방열판에 전달되는 것을 방해하게 된다.

고주파 유도 가열기와 용접기 등은 1KW~500KW 의 대전력을 출력시키는 전기제품이다. 이런 수백 암페어의 대용량 전기를 통과시키는 도체로 알루미늄 방열판이 도체로 사용될 때, 알루미늄 방열판이 가지고 있는 고유 저항값에 의하여 저항열이 발생하게 되는데 이 저항열을 줄여야 한다.

본 발명은 최적의 방열 효과가 나타나고, 방열대상인 전자소자, 예를 들면 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, 절연 게이트 쌍극성 트랜지스터)가 첫째부터 마지막까지 같거나 유사한 방열효과가 나타나도록 방열판과 팬의 설치 방법에 관한 것이다.

이하 용접기를 예를 들어 도면을 참고하여 설명한다.

전기용접기는 아래 내용 순서대로 전기가 변환되어 용접할 수 있는 50V~20V 직류로 변한다.

도1은 용접기에서 전기의 변화를 나타내는 블록도이고, 도2는 도1의 블록도에 따른 회로도이다. 도시된 바와 같이, 교류 220V가 입력되고 첫 번째 전자소자인 다이오드가 직류 310V 로 변압시키고, 그리고 두 번째 전자소자인 IGBT가 필요한 주파수의 교류로 바꾼다. 그리고 변압기(트랜스포머)에서 310V를 25V로 전압(V)만 바꾼다. 3번째 전자소자로서 다이오드가 25V 교류를 직류로 바꾸어 용접전압인 직류 25V 150A로 변환을 완료한다. 그리하여 용접을 할 수 있는 출력을 하게 된다.

통상적으로 용접기에서는 도2에서의 2번째 전자소자인 IGBT와, 3번째 전자소자인 다이오드에서 가장 많은 열이 발생한다. 특히, IGBT에서 많은 열이 발생한다.

통상적인 IGBT 방열 방법은 한 개의 큰 알루미늄 방열판에 IGBT를 실리콘 테이프로 절연시킨 다음 IGBT 4개를 일 열로 모두 붙인 다음 한쪽 끝단에서 팬으로 바람을 불어서 방열을 식히는 도3에 도시된 것과 같은 냉각방식을 사용한다.

도3은 통상의 방열 방식을 간단하게 나타내는 사시도이며 그리고 도4는 방열판의 배열에 따른 바람의 저항을 나타내는 도이다. 도3에서 다수의 방열편들(21)을 구비한 방열판(20)의 냉각 방법은 방열판(20) 한쪽 끝단에서 길이 방향으로 팬(30)으로 바람(화살표 참조)을 불어서 바람 방향과 방열판(20)이 평행선을 이루며 열을 시키는 방식을 사용하고 있다. 통상적 방열판과 같이 본 발명의 방열판(20)은 일면에 냉각 대상물과 접촉하는 넒은 면이 있고 반대면은 바람과 접촉면을 넓히기 위하여 얇은 판형태의 방열편(21)이나 핀형태의 방열핀들을 구비한다.

본 발명에서 방열판 냉각 방법은 도4(a)에서는 바람의 진행방향과 같은 평행한 방향으로 설치되어 있는 방열판을 들어온 바람이 빠르게 통과만 하게 되어 바람이 방열판에 부딪혀 열을 빼앗아 올 수 없어 방열효과가 작다.

또한 도3에서 A 부분의 위치에 배치된 전자소자(110)는 팬(30)으로부터 차가운 바람을 바로 받아서 냉각이 잘되고 D 부분에 위치한 전자소자(110)는 A, B, C, 위치의 전자소자들(110) 및 방열판(20)을 거치며 뜨거워진 바람을 맞기 때문에 방열효과가 떨어진다. 이 때문에 D 부분에 위치한 전자소자가 항상 과열되어 파괴되는 현상이 나타난다.

본 발명은 도4의 (b)나 (c)와 같이 방열판의 설치 각도를 변경하면 방열효과가 변경되어 나타나도록 하는 것이다. 시험결과 바람 진행 방향과 방열판이 평행인 도4의 (a)에서 전자소자를 각도 0도로서 동일 조건하에서 냉각효과를 100이라 하면, 도4의 (b)는 각도가 15도로서 냉각효과 약 200이 된다. (c)는 각도가 45도로서 냉각효과는 약 400의 효과가 나타난다. 또한 방열판설치 각도는 45도보다 더 높아져도 방열효과가 더 높아지지 않으며 공간을 크게 하고 냉각 바람의 순환을 방해하는 단점이 있다. 가장 실효적인 바람 진행방향에 대한 방열판 설치 각도는 약 5도부터 45도가 적당하다.

도5의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 방열기를 나타내는 사시도 및 그 측면도로서, 도5(a)처럼 방열판(20) 2개를 팬(30)을 기준으로 앞부분은 통로가 넓고 뒷부분으로 갈수록 통로가 좁아지는 형태로 설치하고 그 각도를 조절하여 설치하면 바람의 흐름 세기를 조절할 수 있고 이에 따라 방열판의 위치 전체의 방열 효과가 같아지거나 편차를 줄일 수 있게 된다.

도5(a)에서 가장 앞 부분은 외부의 바람이 처음 들어오는 부분으로 바람의 속도가 느리나 찬바람으로 방열효과가 좋다. 바람은 뒷 부분으로 진행할수록 뜨거워지나 통로가 좁아지므로 바람의 밀도가 높아지고 바람 속도가 빨라져서 냉각효과가 높아지게 된다. 이 때문에 방열판의 위치에 따른 전자소자들(110)의 온도는 동일 또는 유사하게 되어 방열판(20)에 부착된 전자소자는 동일 또는 유사한 냉각효과를 가지게 된다.

즉 도3과 같이 방열판에 전자소자를 배치하였을 경우 방열판 D 부분에 위치한 전자소자가 냉각효과가 떨어져 과열되어 파괴되었는데, 본 발명에 의한 도5와 같이 방열판을 설치하면 방열판의 위치에 따른 냉각효과가 동일 또는 유사하게 되어 도3의 D 부분과 같이 냉각효과가 떨어지는 곳에 위치한 전자소자가 과열되어 파괴되는 현상을 방지할 수 있게 된다.

또한 도5의 예에서 도5의(b)와 같이 방열판(20)들을 높이조절기(25)를 이용해서 높이도 바람 방향에 따라 경사지도록 하면 다수의 방열편(21)의 틈사이로 바람이 통과하면서 더 많이 접촉하고 통과하기 때문에 방열의 효과도 상승하게 된다. 그 높이 방향의 경사는 전체 장치의 크기를 고려하여, 즉 필요에 따라, 형성하여 사용하면 되는데, 방열편들(21)의 간격과 방열편의 길이에 따라 결정하면 된다. 바람직하게는 앞면과 뒷면의 높이 단차를 방열편들의 높이 간격의 3배가 넘지 않도록 하는 것이 좋다. 그리고 얇은 판형태가 아닌 방열핀의 경우에는 핀 형태가 원형이면 높이 단차가 중요하지 않을 수 있으나 타원이나 개별적 편과 같은 형태라면 전체 기기의 크기를 고려하여 핀들의 높이 이상으로 단차를 주는 것이 좋다. 그리고 높이 경사도 최대 45도를 넘지 않은 것이 바람직하다. 높이조절기(25) 대신 방열판(20) 자체를 높이가 경사지게 만들거나 방열편을 경사지게 만들어도 같은 결과를 얻을 수 있다.

또한 다른 실시예로서, 도6은 절연지를 사용하는 전기소자가 사용되는 예를 나타내는 도이고 그리고 도7은 도6의 예를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 방열기를 나타내는 도이다. 도6에서와 같이 기존의 용접기에 사용하는 대용량 전자소자(111)는 알루미늄 방열판에 부착할 때 전기적인 절연을 하기 위하여 절연지라고 하는 절연판(131)을 전자소자에 부착한 후 알루미늄 방열판(20)에 부착하게 되는데 이 절연지로 전자소자와 알루미늄 방열판을 절연하는 이유는 도2처럼 H 브리지 회로를 구성하기 위해서는 IGBT 4개를 도3처럼 일렬로 방열판에 부착하여야 한다. 이때 IGBT 2개 이상 4개를 한 개의 알루미늄 방열판에 부착하면 IGBT의 입력 핀과 출력 핀이 알루미늄 방열판을 통하여 전기가 합쳐지며 대량의 전기가 흘러 전자소자가 파괴된다. 그러므로 하나의 IGBT가 다른 IGBT로 방열판을 통하여 전기가 흐르는 현상을 막기 위하여 절연판(131)을 써서 전자소자(111)와 방열판(20) 사이를 절연시켜야 하는 것이다. 그러나 이 절연판(131)은 전자소자에서 발생한 열이 효과적으로 방열판에 전달되는 것을 방해하게 된다. 전자소자와 방열판 사이에 열 전달을 방해하는 절연판을 없애고, 전자소자를 방열판에 직접 붙이기 위해서는 1개의 IGBT에서 다른 IGBT로 전기가 흐를 수 없도록 방열판을 각각 4개로 분리하는 것이다.

따라서 도7과 같이 전기적으로 각각 절연되도록 하기 위해, IGBT와 같은 전자소자(111) 4개에 붙이는 방열판을 개별적으로 4개로 잘라서 IGBT 1개에 방열판(20a) 1개를 붙인다, 이렇게 하면 IGBT가 서로 분리되기 때문에 실리콘 절연지로 절연할 필요가 없어진다. IGBT와 같은 전자소자(111)를 절연지 없이 방열판(20a)에 직접 붙이면 IGBT와 같은 전자소자(111)에서 발생한 열이 알루미늄 방열판에 직접 전달되기 때문에 냉각효과가 증가한다.

방열기의 또 다른 사용예로서, 도8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방열기를 나타내는 도이다.

통상적으로 1KW~500KW의 대전력 출력, 수백 암페어의 대용량 전기를 통과시키는 도체로서 알루미늄 방열판(20)이 직접 다이오드와 같은 전자소자(112)에 전기를 인가하도록 사용되는 경우가 있다. 이때, 알루미늄 방열판이 가지고 있는 고유 저항값에 의하여 저항 열이 발생하게 된다. 구리의 고유 저항값은 1.69×10^-8(1.69 [μΩ.cm])이다. 이에 반하여 알루미늄은 고유 저항값이 2.75×10^-8이다. 알루미늄으로 전기가 흐를 때 높은 저항에 의하여 발생하는 저항 열을 줄이기 위하여, 도8의 예처럼 다이오드와 같은 전자소자(112)와 알루미늄 방열판(20) 사이에 저항값이 낮아 저항 열이 적은 동으로 만든 약 0.5mm 두께의 동판(121)을 붙여서 다이오드에서 출력된 전기가 저항이 적은 동판(121)을 통하여 접점(125)를 이용해서 단자선(129)으로 흐르게 하는 것이다. 그리하여 알루미늄 방열판(20)의 고유저항에 의해 발생되는 열을 낮출 수 있다. 상기 동판(121)은 그 예로서 방열판(20)보다 저항값이 낮고 전기 전도도가 좋은 재료면 모두 사용이 가능하다. 그리고 접점(125)나사나 볼트 또는 소켓과 같은 구조로서 쉽게 연결 접점이 되도록 하는 것과 같은 다양한 방식으로 사용이 가능하며, 또한 필요에 따라 사용하는 것으로서 직접 동판과 단자측이 연결되도록 할 수도 있다.

도9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방열기를 나타내는 도이다. 먼저 팬(30)에서 화살표와 같이 바람을 공급하고 상부에는 다이오드와 같은 전자소자(112)가 부착된 방열판(20)이 도면상에서 하향 경사지게 배치되어 있다. 상기 전자소자들(112)은 동판(121)을 통해서 방열판(20)과 접촉하며 상기 동판(121)은 접점(125)을 통해서 단자선(129)에 연결된다. 그리고 하부의 개별 단열판(20a)에는 IGBT와 같은 전자소자(111)들이 전기적으로 연결되지 못하도록 분리되어 배치되어 있다. 상기 상부의 방열판(20)과 하부의 방열판들(20a)은 바람방향에 따라 그 간격이 좁아지도록 배치되어 있고, 바람방향에 정면(반대편)에는 또 하나의 방열판(20)과 전자소자들(112)이 배치되어 있는 데, 이 방열판과 전자소자는 상부의 전자소자들(112) 및 방열판(20)과 같은 방식으로 연결 결합되어 있다. 그러나 팬(30)의 정면 반대편에는 하부의 방열판(20a) 및 전자소자들(111)이 배치될 수 도 있다. 도9의 예에서 도시되지는 않았지만 각 방열판들은 모두 방열편이나 방열핀 등을 구비할 수 있고 그 높이도 경사지게 배치될 수 있다. 즉 전체 방열기 또는 본 발명에 따른 방열기들을 채용한 콘트롤러 등의 기기의 크기를 고려하여 상기 방열판 및 전자소자들을 배치 할 수 있다.

20 - 방열판
30 - 냉각팬
110 - 전자소자

Claims (6)

1. 냉각 대상물이 부착되는 방열판을 하나 이상 포함하며 그리고 상기 방열판을 바람에 의해 냉각하는 방열기에 있어서,
   상기 방열판이 바람 방향에 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 방열기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 경사의 각도는 바람에 저항하는 방향으로서, 바람 진행 방향을 기준으로 길이방향으로 5 - 45도 사이이고 그리고 방열편 높이 경사는 0-45도 범위이며, 그리고
   상기 방열판이 두 개 이상 바람 방향에 나란히 병행하여 배치되는 경우에는 바람 방향에 따라 그 폭이 좁아져 바람의 밀도를 증가시키는 것,
   을 특징으로 하는 방열기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 방열판은 알루미늄 재질의 방열판이며, 그리고
   상기 냉각 대상물은 다이오드, 변압기, igbt, 트랜지스터, fet(field effect transistor), 다이악(Diac), 및 싸이리스터((thyristor) 중 어느 하나 이상을 포함하는 전자소자인 것을 특징으로 하는 방열기.
4. 제3항에 있어서, 상기 방열판에 부착되는 냉각 대상물 간의 전기적 절연을 위해 상기 방열판이 냉각 대상물마다 개별적으로 전기적으로 분리 배치되는 것을 특징으로 하는 방열기.
5. 제3항에 있어서, 상기 방열판에 부착되는 냉각 대상물들에 동시에 전원을 인가하기 위해 상기 방열판과 냉각 대상물들 사이에 동판이 추가 삽입되는 것을 특징으로 하는 방열기.
6. 냉각이 요구되는 전자소자 및 냉각 팬을 포함하는 장치에 있어서,
   상기 전자소자는 다이오드, 변압기, igbt, 트랜지스터, fet(field effect transistor), 다이악(Diac), 및 싸이리스터((thyristor) 중 어느 하나 이상으로서, 상기 전자소자를 냉각하기 위한 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방열기를 포함하는 고주파 유도 가열기, UV램프안정기, 용접기 중 어느 하나 이상의 포함하는 장치.

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