KR20170123826A - 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기 - Google Patents

전력용 반도체를 이용한 전류 차단기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력용 반도체를 포함하는 전류 차단기에 있어서, 상기 전력용 반도체의 열을 전달받는 흡열플레이트;와 상기 흡열플레이트에 연결되는 히트 파이프와; 상기 열전달 파이프에 연결되는 방열핀을 구비하는 방열 수단 파이프를 포함하여, 상기 방열 수단을 통하여 전력용 반도체에서 발생하는 열을 배출하는 구조를 제공한다.

Description

전력용 반도체를 이용한 전류 차단기{CURENT CIRCUIT BREAKER HAVING POWER SWITCHING SEMICONDUCTOR}
본 발명은 전류 차단기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기에 관한 것이다.
전류 차단기란 송변전 계통이나 전기회로에서 부하를 개폐하거나 접지, 단락 등의 사고가 발생할 경우 전류를 차단시키는 기기이다. 전류 차단기는 차단부가 절연물로 절연되어 조립된 경우 통상 사용 상태의 선로를 수동으로 개폐할 수 있다. 또한, 전류 차단기는 금속용기 외부의 전기조작장치 등에 의하여 원거리에서 개폐할 수 있고, 과부하 및 단락 시 자동적으로 선로를 차단하여 전력계통과 부하기기를 보호할 수 있다.
도 1은 일반적인 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기의 회로를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하여 종래의 전류 차단기(10) 동작 과정을 설명하면, 정상 전류가 흐를 때에는 스위치(12)가 단락되고 정상 전류는 주회로의 전력용 반도체(11)를 통해 흐른다. 또한, 정상 전류가 흐를 때에는 반도체 모듈(13)은 턴 오프 상태이므로 반도체 모듈(13)을 통해서는 정상 전류가 흐르지 않는다. 이 때 반도체 모듈(13)은 다수의 전력용 반도체(11)가 결합한 집합체일 수 있다.
그러나 고압직류 송전 또는 배전 선로에서 기기의 보수, 교체 및 고장 전류가 발생하면 전류를 차단하기 위해 반도체 모듈(13)이 턴 온 된다. 반도체 모듈(13)이 턴 온 되면, 주회로의 전력용 반도체(11)는 턴 오프 되고 스위치(12)가 개방된다. 스위치(12)가 개방 되면 고장 전류는 반도체 모듈(13)을 통해 흐르게 되는데, 이 때 반도체 모듈(13)을 턴 오프 시켜 고장 전류를 차단한다.
이러한 전류 차단기(10)는 정상전류가 흐를 때 전력용 반도체(11)에서 발열이 발생게 되므로, 전력용 반도체를 냉각해야 한다.
도 2는 일반적인 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기의 구조를 나타낸 단면도이다.
도시한 바와 같이, 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기(100)는, 내부에 수용공간을 제공하는 차단기 외함(110)과, 상기 차단기 외함(110)의 내부로 진출입 하는 전원 입출력전원선(120)과, 상기 전원 입출력(120)과 차단기 외함(110)과 상기 입출력전원선(120)의 사이를 절연하는 부싱(130)과, 상기 전원 입출력선(120)의 사이에 연결되는 전력용 반도체(150)를 포함한다.
차단기 외함(110)의 내부에 수용된 전력용 반도체를 보호하기 위하여 밀폐된 구조로 형성된다.
그런데, 전류 차단기(10)의 내부로 수분이나 이물질이 침투하지 않도록 하며 전력용 반도체(11)를 냉각시켜야 하므로 일반적인 냉각 장치를 적용하기 곤란한 문제점을 가지고 있었다.
본 발명의 목적은 전력용 반도체를 이용하는 전류 차단기에 있어서, 전류 차단기의 내부로 수분이나 이물질이 침투하지 않도록 하며 전력용 반도체를 냉각할 수 있도록 하는 전류 차단기를 제공하기 위한 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전력용 반도체를 포함하는 전류 차단기에 있어서, 상기 전력용 반도체를 밀폐하는 차단기 외함;과 상기 전력용 반도체의 열을 전달받는 흡열플레이트와 상기 흡열플레이트에 연결되는 히트파이프와, 상기 히트파이프에 연결되는 방열핀을 포함하는 방열 수단;을 포함하며,
상기 전력용 반도체와 상기 흡열플레이트는 밀폐된 차단기 외함 내부에 구비되고, 상기 히트 파이프는 상기 차단기 외함을 관통하여 외부로 연장되며, 상기 방열핀은 상기 차단기 외함의 외부에 배치되고, 상기 히트 파이프가 관통하는 차단기 외함을 밀봉하는 밀봉 수단을 구비하는 전류 차단기를 제공한다.
이 때, 상기 방열핀의 외부를 감싸는 방열 케이스와, 상기 방열 케이스의 내부를 냉각하기 위한 냉각팬을 더 포함할 수 있다.
상기 흡열플레이트는 수직방향으로 배치되고, 상기 히트 파이프는 상기 흡열플레이트에서 위쪽으로 경사지게 형성될 수 있다.
한편, 상기 밀봉 수단은, 상기 히트 파이프의 외주면에 끼워지는 탄성링으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 전류 차단기는 상시 부하 전류가 흐를 경우 전력용 반도체에서 발생하는 열이 히트 파이프를 통하여 배출될 수 있도록 함으로써, 전류 차단기의 내부에 수분이나 이물질이 침투하지 않도록 하면서 전력용 반도체를 냉각할 수 있는 효과를 가져온다.
따라서, 정상 부하 전류가 흐를 경우에 전력용 반도체가 적절하게 냉각될 수 있어서 전력용 반도체가 안정적으로 동작하는 효과를 가져온다.
도 1은 일반적인 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기의 회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 일반적인 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기의 히트 파이프의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기의 방열 수단의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 전류 차단기는 전력용 반도체(150)를 냉각하기 위한 수단으로 방열 수단 (200)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
전력용 반도체를 이용한 전류 차단기는 도시한 바와 같이, 차단기 외함(110)의 내부에 전력용 반도체(150)가 수용되며, 전력용 반도체(150)는 입출력 전원선(120)으로 연결되어 있다.
입출력 전원선(120)은 차단기 외함(110)을 관통하여 전력용 반도체(150)와 연결된다.
입출력 전원선(120)과 차단기 외함(110)은 부싱(130)으로 절연되어 있다.
차단기 외함(110)은 내부로 수분이나 이물질이나 침투하지 못하도록 밀폐된 구조를 가진다.
그런데, 전력용 반도체(150)는 정상 부하 전류가 흐를 때 열이 발생하게 된다. 전력용 반도체(150)에서 발생되는 열이 적절하게 방출되지 못하면 차단기 외함(110) 내부의 온도가 지속적으로 상승하여 내부의 소자들이 손상되거나 오작동할 수 있다.
본 발명은 히트 파이프(220)를 이용하여 전력용 반도체(150)를 냉각하는 구조를 제공함으로써, 차단기 외함(110)의 밀봉 구조는 유지하면서 전력용 반도체(150)에서 발생되는 열을 원활하게 방출할 수 있도록 한 것이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전류 차단기의 전력용 반도체를 냉각하기 위한 방열 수단(200)은 전력용 반도체서 발생되는 열을 전달받는 흡열 플레이트(210)와, 상기 흡열 플레이트(210)에 연결되는 히트 파이프(220)와, 상기 히트 파이프(220)에 연결되어 열을 방출하는 방열핀(230)을 포함한다.
전력용 반도체(150)에 발생되는 열이 흡열 플레이트(210)로 전달되고, 흡열 플레이트(210)의 열은 다시 히트 파이프(220)와 방열핀(230)을 통하여 방출될 수 있도록 한 것이다.
흡열 플레이트(210)는 전력용 반도체(210)와 면접촉 하도록 부착 또는 밀착되며, 흡열 플레이프(210)는 전력용 반도체(210)와 함께 차단기 외함(110)의 내부에 수용된다.
히트 파이프(220)는 흡열 플레이트(210)에 연결되며, 차단기 외함(110)을 관통하여 외부로 연장된다. 히트 파이프(220)는 차단기 외함(110) 내부의 열을 외부로 배출하는 통로 역할을 수행한다.
방열핀(230)은 차단기 외함(110)의 외부로 연장된 히트 파이프(220)에 부착되어, 히트 파이프(220)를 통해 전달된 열을 대기중으로 방출하는 역할을 수행한다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 흡열 플레이트(210)와 히트 파이프(220)와 방열핀(230)을 포함하는 방열 수단 (200)은, 흡열 플레이트(210)와 히트 파이프(220)는 내부가 비어 있는 형태로 형성되어, 내부에 열전달 유체를 수용할 수 있다. 다른 형태로는 흡열 플레이트(210)는 블록 형태로 구성되고, 히트 파이프(220)의 일부가 흡열 플레이트(210)에 매립되는 형태로 구성될 수도 있다.
내부에 수용된 열전달 유체는 흡열 플레이트(210) 내부에서 기화하여 히트 파이프(220)를 통하여 상승하게 되고, 상승한 열전달 유체는 방열핀(230)으로 열을 전달하고 다시 액화하여, 흡열 플레이트(210)의 내부로 순환하게 된다.
이 때, 열전달 유체의 순환을 용이하게 하기 위하여, 흡열 플레이트(210)와 히트 파이프(220)의 내부에는 함수성 재질의 윅(wick)이 포함될 수 있다. 윅은 액화된 열전달 유체가 흡열 플레이트(210)로 귀환하는 것을 돕는 역할을 수행한다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기의 구조를 나타낸 단면도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기는 방열 수단 (200)의 방열핀(230) 외부 영역을 감싸는 방열 케이스(300)와, 상기 방열 케이스 내부 공간을 냉각하기 위한 냉각팬(310)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
앞선 실시예의 경우 차단기 외함(110)의 외부로 히트 파이프(220)의 일부와 방열핀(230)이 노출된 형태를 가지고 있었으나, 본 실시예는 노출된 히트 파이프(220)와 방열핀(230)의 외부를 방열 케이스(300)로 감싸고, 방열 케이스(300)의 내부로 외기를 도입하거나, 방열 케이스 내부의 공기를 외부로 배출하는 냉각팬(310)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
방열 케이스(300)는 외기의 도입이나 배출을 위한 통기공(320)을 구비하는 것이 바람직하다.
이러한 구조는 냉각팬(310)의 용량이나 속도를 조절하여 냉각 성능을 조절할 수 있는 효과를 가져온다.
제 1 실시예와 제 2 실시예는 전력용 반도체(150)가 수평 방향으로 설치되는 경우를 나타낸 것으로, 흡열 플레이트(210)의 상부에 히트 파이프가(220)가 배치되고, 히트 파이프(220)의 상부 영역에 방열핀(230)이 배치되는 구조를 나타낸 것이다.
한편, 히트 파이프(220)는 차단기 외함(110)을 관통하게 되는데, 히트 파이프(220)가 차단기 외함(110)을 관통하는 부분을 통해서 수분이나 이물질이 침투하지 못하도록 밀봉 수단(250)을 구비하는 것이 바람직하다. 밀봉 수단(250)은 탄성 재질의 링으로 구성되어 히트 파이프(220)의 외주면에 끼워지는 형태가 될 수 있다. 다른 형태로는 실런트를 이용하여 히트 파이프(220)와 히트 파이프(220)가 관통하는 부분의 차단기 외함(110)의 사이에 도포할 수도 있다.
도시한 실시예의 경우 밀봉 수단(250)으로 탄성링을 적용하되, 탄성링을 차단기 외함(110)의 내면에 배치하였으나, 탄성링은 차단기 외함(110)의 외면에 배치할 수도 있고, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 차단기 외함(110)의 외면과 내면에 모두 배치할 수도 있다.
다음으로, 도 6과 도 7을 참조하여 전력용 반도체(150)가 수직 방향으로 설치된 형태의 전류 차단기에 관한 실시예를 살펴본다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기의 구조를 나타낸 단면도이다.
도시한 바와 같이, 전류 차단기의 내부에 전력용 반도체(150)가 수직 방향으로 배치되어, 전력용 반도체(150)의 상하 방향으로 입출력 전원선이 연결되는 경우에는 흡열 플레이트(210)가 전력용 반도체(150)의 일측면에 배치될 수 밖에 없다.
이러한 경우 앞서 살펴본 바와 같이, 히트 파이프가 흡열 플레이트(210)에 수직방향으로 연결되면, 히트 파이프와 흡열 플레이트 내부의 열전달 유체가 원활하게 순환하지 못한다.
열전달 유체가 흡열 플레이트의 내부에서 기화하게 되면 상승하는 흐름을 가지게 되는데, 히트 파이프가 수평방향으로 배치되면 흡열 플레이트(210)의 내부에서 기화한 열전달 유체가 방열핀(230)측으로 원활하게 이동하지 못하게 된다.
따라서, 도시한 바와 같이 전력용 반도체(150)가 수직방향으로 배치되는 경우에, 히트 파이프(220)는 흡열 플레이트(210)에서 위쪽 방향으로 경사지게 형성되는 것이 바람직하다.
다시 말해, 히트 파이프(220)가 흡열 플레이트(210)에서 멀어질 수록 상승하는 형태로 형성하는 것이다.
이러한 형태는 흡열 플레이트(210)의 내부에서 기화한 열전달 유체가 상승하며 방열핀(230) 측으로 원활하게 이동할 수 있도록 하는 효과를 가져온다.
도시한 실시예의 경우 히트 파이프(220)가 방열핀(230)이 부착는 영역에서는 수평방향으로 형성되어 있는 것으로 도시하였으나, 방열핀(230)이 부착되는 영역의 히트 파이프(220)도 경사를 그대로 유지하도록 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 제 4 실시예는 제 3 실시예의 전류 차단기에 방열 케이스(300)와 냉각팬(310)을 더 포함하는 형태를 나타낸 것이다.
냉각팬(310)은 상시 동작하도록 설정할 수도 있으며, 방열 케이스(300)의 내부에 온도센서(미도시)를 구비하여, 온도센서에서 감지되는 온도가 미리 설정한 범위를 유지하도록 단속적으로 동작할 수 도 있다.
전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 차단기 외함
120 : 입출력 전원선
130 : 부싱
150 : 전력용 반도체
200 : 방열 수단
210 : 흡열 플레이트
220 : 히트 파이프
230 : 냉각핀
250 : 밀봉 수단
300 : 방열 케이스
310 : 냉각팬
320 : 통기공

Claims (4)

  1. 전력용 반도체를 포함하는 전류 차단기에 있어서,
    상기 전력용 반도체를 밀폐하는 차단기 외함;과
    상기 전력용 반도체의 열을 전달받는 흡열플레이트와 상기 흡열플레이트에 연결되는 히트파이프와, 상기 히트파이프에 연결되는 방열핀을 포함하는 방열 수단;을 포함하며,
    상기 전력용 반도체와 상기 흡열플레이트는 밀폐된 차단기 외함 내부에 구비되고,
    상기 히트 파이프는 상기 차단기 외함을 관통하여 외부로 연장되며,
    상기 방열핀은 상기 차단기 외함의 외부에 배치되고,
    상기 히트 파이프가 관통하는 차단기 외함을 밀봉하는 밀봉 수단을 구비하는 전류 차단기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열핀의 외부를 감싸는 방열 케이스와,
    상기 방열 케이스의 내부를 냉각하기 위한 냉각팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 차단기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡열플레이트는 수직방향으로 배치되고,
    상기 히트 파이프는 상기 흡열플레이트에서 위쪽으로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 전류 차단기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉 수단은,
    상기 히트 파이프의 외주면에 끼워지는 탄성링인 것을 특징으로 하는 전류 차단기.
KR1020160052920A 2016-04-29 2016-04-29 전력용 반도체를 이용한 전류 차단기 KR20170123826A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107817698A (zh) * 2017-12-14 2018-03-20 广东优翼航空技术有限公司 断路器控制电路及飞行模拟器断路器操纵系统

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