KR20190029923A - 냉각 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량에 사용되는 냉각 장치에 관한 것으로, 냉각이 필요한 소자의 위치에 설치 가능한 자동차 국소발열 냉각 장치에 관한 것이다.

Description

냉각 장치{Cooling device}

본 발명은 냉각장치에 관한 것으로서, 자동차에 사용되는 센서, 제어기 등의 국부적인 발열을 냉각시키기 위한 자동차용 국소 발열 냉각 장치에 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, HSG 제어를 위한 전자소자와, 모터 제어를 위한 전자소자가 필수로 구비되며, 이러한 전자소자들은 구동을 위하여 전력(electricity) 공급 시 가열되기 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.

도 1을 참조하면, 종래에는 차량의 엔진 룸에 구비된 각각의 전자소자(e)를 냉각시키기 위하여, 배관 라인(l)을 통하여 냉매를 이송 후 냉매와 전자소자(e)를 열교환 시켰던 것이다.

그러나, 이러한 종래의 전자소자 냉각 방식은 냉매를 각각의 전자소자(e)로 이송하기 위한 배관 라인(l)과, 냉매가 배관 라인(l)을 따라 이동하기 위한 동력을 생산하는 펌프(p)가 필요하므로, 엔진 룸의 구조를 복잡하게 만들 뿐만 아니라, 펌프를 구동시키기 위한 추가 동력이 필요한 문제점이 있다.

또한, 최근 자율주행이 각광을 받으면서 그에 필요한 센서, 영상처리 장치 측 전자소자의 열이 추가로 발생하게 되었다. 이 열에 대한 냉각방식으로 기존의 위와 같은 방식을 채택할 경우, 배관 라인이 길어질 뿐만 아니라, 내부 공간적 상황은 더 열악해 질 수 있으며, PC의 전자소자 냉각 방식으로 양산되고 있는 히트 파이프(Heat pipe)를 적용할 경우, 소재의 부식 문제가 제기 될 수 있기 때문에, 내구성을 가져야 하는 차량에 적합하지 않는 문제점이 있다.

따라서, 이러한 종래의 냉각 장치가 가지는 단점을 해소할 수 있는 새로운 냉각 장치의 필요성이 대두되고 있다.

특허문헌 1) 국내공개특허공보 제2017-0079177호(명칭: 전기소자 냉각용 열교환기, 공개일: 2017.07.10)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 냉매를 각각의 전자소자로 이송하기 위한 배관 라인과 펌프에 의해 엔진룸의 구성이 복잡해지는 것을 방지하는 것이다.

또한, 펌프를 구동하기 위하여 추가적인 동력이 소모되던 문제점을 해결하는 것이다.

아울러, 두 가지 이상의 금속 사용에서 오는 부식 문제를 해소 할 수 있는 것이다.

본 발명인 냉각 장치는, 상측에 가열된 작동유체가 유입되는 제1 유입부(110)가 형성되고, 하측에 냉각된 작동유체가 배출되는 제1 배출부(120)가 형성되는 응축부(100); 및 상기 제1 배출부(120) 보다 하측에 상기 제1 배출부(120)에서 배출된 작동유체가 유입되는 제2 유입부(210)가 형성되고, 상기 제2 유입부(210)보다 상측에 전자소자에서 전달된 열에 의해 증발된 작동유체가 상기 제1 유입부(110)로 배출되는 제2 배출부(220)가 형성되는 증발부(200); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 배출부(120)와 상기 제2 유입부(210)를 연결하는 액체배관(300A)의 내체적이, 상기 제2 유입부(210)로 유입된 작동유체가 상기 제2 배출부(220)로 이동하는 상기 증발부(200)의 내부유로(230) 체적보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 증발부(200)는 상기 내부유로(230)를 통과하는 작동유체를 가이드 하는 작동유체 가이드부재(240)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 가이드부재(240)는 일측에 위치되는 상기 제2 유입부(210)에서 상기 제2 배출부(220)가 위치되는 타측으로 연장 형성되되, 상하 방향으로 이격 나열된 복수의 가이드 단위체(240A)가 모여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

작동유체 가이드부재(240)는 상기 증발부(200)가 수직이 아닌 수평상태로 작동하는 경우, 이격 나열된 복수의 다른 형상이 될 수 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 복수의 상기 증발부(200)와 단수의 상기 응축부(100)가 결합되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 응축부(100)에 결합되는 팬슈라우드(300)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 응축부(100)와 상기 증발부(200) 중 어느 하나 이상에 작동유체가 주입되는 작동유체 주입부(400)가 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 냉각 장치를 구성하는 각각의 구성요소가 알루미늄으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명인 냉각 장치는, 냉각이 필요한 복수의 발열소자가 위치되는 각각의 공간에 발열소자를 냉각하기 위한 개별적인 냉각 장치가 위치되어, 냉매를 이동시키기 위한 배관 라인이 최소화 되고, 냉매를 이동시키기 위한 별도의 동력장치를 필요로 하지 않으므로, 냉각 장치를 설치하기 위하여 필요한 차량의 내부 공간이 최소화 되는 장점이 있다.

즉, 필요로 하는 설치공간을 최소화 하여 제한된 차량의내부공간을보다효율적으로사용가능하게한것이다.

또한, 서모사이펀 방식을 이용하여 작동유체를 순환시키므로 작동유체를 순환시키기 위한 추가적 동력을 소모하지 않는 장점이 있다.

상세히 설명하면, 작동유체가 유입 및 배출되는 응축기와 증발기의 유입부 및 배출부의 위치가 서로 일정한 관계를 가지고 배치되게 함과 동시에, 냉매가 이동하는 유로의 체적이 서로 일정한 비를 가지게 함으로서, 작동유체가 서모사이펀 방식으로 순환 가능하게 한 것이다.

도 1은 종래의 냉각 시스템을 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명인 냉각 장치를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명인 냉각 장치를 나타낸 정면도.
도 4는 본 발명인 냉각 장치의 증발기 내부 유로를 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명인 냉각 장치에 팬 슈라우드가 결합된 것을 나타낸 사시도.

이하, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 냉각 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2를 참조하여 설명하면 본 발명인 냉각 장치는 상측에 가열된 작동유체가 유입되는 제1 유입부(110)가 형성되고, 하측에 냉각된 작동유체가 배출되는 제1 배출부(120)가 형성되는 응축부(100)와, 상기 제1 배출부(120) 보다 하측에 상기 제1 배출부(120)에서 배출된 작동유체가 유입되는 제2 유입부(210)가 형성되고, 상기 제2 유입부(210)보다 상측에 전자소자에서 전달된 열에 의해 증발된 작동유체가 상기 제1 유입부(110)로 배출되는 제2 배출부(220)가 형성되는 증발부(200)를 포함하여 이루어진다.

즉, 상기 증발부(200)에 전기장치에 사용되는 반도체 장치, 다이오드, 트랜지스터, 저항, 콘덴서 등의 전자소자가 상기 증발부(200)에 부착되어 증발부(200)로 유입된 액체상의 작동유체와 열교환 하고, 상기 전자소자와 열교환한 작동유체는 비등하여 기체 상태로 상기 응축부(100)로 유입되며, 응축부(100)로 유입된 기체상의 작동유체가 핀(101)과 튜브(102)로 이루어진 냉각부(130)를 통과하는 유체와 열교환하여 액체 상태로 상기 증발부(200)로 다시 유입되는 것이다.

상세히 설명하면, 반도체와 같은 전자소자는 일반적으로 온도가 일정온도 이상 높아질경우성능이저하되거나작동이되지않는문제점이있으므로, 증발부(200)에 전자소자를 부착하여 증발부(200) 내부에 위치된 작동유체와의 열교환을 통해, 전자소자의 온도를 성능에 문제가 되지 않는 일정온도 이하로 유지하는 것이다.

이때, 작동유체가 자기비등 방식으로 응축부(100)와 증발부(200)를 순환하게 하기 위하여, 증발부(200)에서 형성된 기체상의 작동유체가 배출되는 상기 제2 배출부(220)가 기체상의 작동유체가 응축부(100)로 유입되는 상기 제1 유입부(110) 보다 낮은 위치에 있게 하고, 응축부(100)에서 액체상으로 변환된 작동유체가 배출되는 제1 배출부(120)를 액체상의 작동유체가 증발부(200)로 유입되는 제2 유입부(210)보다 높게 위치되는 것을 권장한다.

또한, 본 발명인 냉각 장치는 상기 제1 유입부(110), 상기 제1 배출부(120), 상기 제2 유입부(210), 상기 제2 배출부(220)가 서로 일정한 배치 구조를 가지게 함으로서, 작동유체의 순환이과 열교환이 보다 효율적으로 이루어지게 할 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명하면, 상기 제1 유입부(110)를 상기 제1 배축부(120)보다 상측에 위치시키고, 헤더를 통해 튜브(102)로 분배되게 함으로써, 작동유체가 보다 효율적으로 상기 냉각부(130)를 통과하는 공기와 열교환 가능하게 하고, 상기 제1 배출부(120) 보다 하측에 상기 제2 유입부(210)를 형성하여 액체상의 작동유체가 자중에 의해 응축부(100)에서 증발기(200)로 자연스럽게 이동 가능하게 하며, 제2 유입부(210)보다 제2 배출부(220)를 상측에 위치시켜 증발기(200) 내부에서 형성된 기체상의 작동유체가 제2 유입부(210)로 역류하지 않게 한 것이다.

그리고, 본 발명인 냉각 장치는 상기 제1 배출부(120)와 상기 제2 유입부(210)를 연결하는 액체배관(300A)과, 상기 제2 배출부(220)와 상기 제1 유입부(110)를 연결하는 기체배관(300B)을 포함하며, 상기 액체배관(300A)의 내부 체적이 상기 제2 유입부(210)로 유입된 작동유체가 상기 제2 배출부(220)로 이동하는 상기 증발부(200)의 내부유로(230) 체적보다 크게 형성되는 것을 권장한다.

상세히 설명하면, 상기 전자 소자의 발열량이 커질 경우 작동유체의 온도가 상승하게 되어 기체배관(300B)을 통해 이동하는 작동유체의 질량유량이 증가하게 되는데, 액체배관(300A)의 체적을 증발부(200)의 내부유로(230)보다 크게 설계 하면 증발기 내부유로(230)의 액 상태 작동유체가 순간적으로 비등한다 하더라도 액체 배관의 작동유체를 이용 할 수 있다.

따라서, 전기 소자의 온도가 급격하게 변화되는 상황에서도 증발기(200) 상에 전기 소자를 냉각 가능한 충분한 작동유체가 위치될 수 있다.

또한, 상기 증발부(200)는 상기 내부유로(230)를 통과하는 작동유체를 가이드 하는 작동유체 가이드부재(240)를 포함하며, 상기 가이드부재(240)는 일측에 위치되는 상기 제2 유입부(210)에서 상기 제2 배출부(220)가 위치되는 타측으로 연장 형성되되, 상하 방향으로 이격 나열된 복수의 가이드 단위체(240A)가 모여 이루어지는 것을 권장한다.

상세히 설명하면, 상기 가이드부재(240)가 제2 유입부(210)를 통하여 내부유로(230)로 유입된 작동유체를 가이드 하여, 저장공간(231)으로 유입된 유체가 가이드 단위체(240A) 사이에 형성된 가이드 유로(232)를 통해 제2 배출부(220)와 연통된 방출공간(233)으로 이동하는 작동유체의 흐름을 만들고, 작동유체가 내부유로(230) 상에서 보다 잘 확산되게 하며, 작동유체와 증발부(200)의 열교환 면적을 넓혀 열교환 효율 또한 극대화 한 것이다. 또한, 증발부(200)가 수직으로 작동할 시, 상기 가이드부재(240)는 작동유체가 하부로 몰리는 것을 방지 할 수 있다.

아울러, 본 발명인 냉각 장치는 복수의 상기 증발부(200)와 단수의 상기 응축부(100)가 결합된 냉각 장치 모듈일 수 있다.

상세히 설명하면, 차량 내부의 일정한 위치에 전기 소자가 모여있을 경우 하나의 응축부(100)에 각각의 전기 소자가 결합되는 복수의 증발부(200)부를 연결하여 하나의 냉각 장치 모듈로 복수의 전기 소자를 냉각 가능하게 한 것이다.

이때, 하나의 응축부(100)와 복수의 증발부(200)는 각각 복수의 액체배관(300A)과 기체배관(300B)을 통하여 서로 연결될 수 있으나, 액체배관(300A)과 기체배관(300B)이 분기관 구조로 이루어질 수 있음은 물론이다.

또한, 본 발명인 냉각 장치는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 응축부(100)에 팬슈라우드(300)가 결합된 모듈일 수 있다.

상세히 설명하면, 자연대류를 이용할 경우 응축부(100)로 유입된 작동유체를 냉각시키는데 한계가 있으므로, 열교환을 위한 공기를 강제로 상기 냉각부(130)로 유입 가능한 팬(310)이 구비된 팬슈라우드(300)를 장착하여, 보다 냉각 기능이 향상된 냉각 장치 모듈을 구성 한 것이다.

따라서, 하나의 응축부(100)에 복수의 증발부(200)가 연결되더라도, 응축부(100)가 유입되는 기체상의 작동유체를 액체상으로 냉각 가능하다.

또한, 본 발명인 냉각 장치와 이를 포함하는 냉각 장치 모듈은 팬슈라우드를 제외한 전체를 알루미늄화 하여 장치를 경량화 가능할 뿐만 아니라 단일금속으로 부식에도 유리하다. 그리고, 일반 생활가전의 구성 사이클보다 작고 단순한 구조이기 때문에 냉매 특성이 사이클에 미치는 영향이 적어 오존 파괴 지수(OPD)가 0, 지구 온난화 지수(GWP)가 10 이하로 개발되는 새로운 냉매 적용에도 유연하여 국제적인 냉매 사용 제한에도 대응이 가능하다. 상기 증발부(200)를 수평 배치 하더라도 동일한 작동 원리로 작동 가능한 장점이 있다.

그리고, 도면 상에는 도시되지 않았지만 일면에 소자, 센서가 부착되는 상기 증발부(200)의 반대 면에 발열장치를 부착하여 소자와 센서의 기동시간을 감소시킬 수 있다.

상세히 설명하면, 주위 온도가 상온 이하로 떨어지는 겨울철의 경우, 소자 및 센서가 차량 구동과 동시에 작동하기 어려운 문제가 발생할 수 있으므로, 증발부(200)에 히터와 같은 발열장치를 부착한다면 냉각장치는 열전도체로써 소자 및 센서에 열을 전달 할 수 있을 뿐만 아니라, 주위 온도를 예열 시킬 수도 있다.

아울러, 본 발명에서 상기 증발부(200)는 자동차의 내부 공간에 대응하여 상기 응축부(100)와 수직 배치될 수 있다.

상세히 설명하면, 본 발명인 냉각 장치는 응축부(100)와 증발부(200)가 서로 상하 배치되는 것을 권장하나, 자기비등 방식으로 작동유체를 순환시키므로 장착되는 자동차의 내부 공간에 대응하여 증발부(200)를 상기 응축부(100)의 하측에 좌우 방향으로 수평지게 배치되어도 정상작동 가능하므로, 내부 공간을 보다 효율적으로 활용 가능한 것이다.

그리고, 상기 증발부(200)는 작동유체가 유입되는 작동유체 주입부(400)가 형성되어 초기에 증발부(200)로 작동유체를 주입하거나, 부족한 작동유체를 보충할 수 있다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

100 : 응축부 110 : 제1 유입부
120 : 제1 배출부
200 : 증발부 210 : 제2 유입부
220 : 제2 배출부
230 : 내부유로
240 : 가이드부재 240A : 가이드 단위체
300 : 팬슈라우드
400 : 작동유체 주입부

Claims (9)

1. 유입된 작동유체를 냉각시키며, 상측에 가열된 작동유체가 유입되는 제1 유입부(110)가 형성되고, 하측에 냉각된 작동유체가 배출되는 제1 배출부(120)가 형성되는 응축부(100); 및
   상기 제1 배출부(120) 보다 하측에 상기 제1 배출부(120)에서 배출된 작동유체가 유입되는 제2 유입부(210)가 형성되고, 상기 제2 유입부(210)보다 상측에 전기소자에서 전달된 열에 의해 증발된 작동유체가 상기 제1 유입부(110)로 배출되는 제2 배출부(220)가 형성되는 증발부(200); 를 포함하는, 냉각 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 배출부(120)와 상기 제2 유입부(210)를 연결하는 액체배관(300A)의 내체적이, 상기 제2 유입부(210)로 유입된 작동유체가 상기 제2 배출부(220)로 이동하는 상기 증발부(200)의 내부유로(230) 체적보다 크게 형성되는, 냉각 장치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 증발부(200)는 상기 내부유로(230)를 통과하는 작동유체를 가이드 하는 작동유체 가이드부재(240)를 포함하는, 냉각 장치.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 가이드부재(240)는 일측에 위치되는 상기 제2 유입부(210)에서 상기 제2 배출부(220)가 위치되는 타측으로 연장 형성되되, 상하 방향으로 이격 나열된 복수의 가이드 단위체(240A)가 모여 이루어지는, 냉각 장치.
   
5. 제 1항에 있어서,
   복수개의 상기 증발부(200)와 단수의 상기 응축부(100)가 결합되는, 냉각 장치 모듈.
   
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 응축부(100)에 결합되는 팬슈라우드(300)를 더 포함하는, 냉각 장치 모듈.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 응축부(100)와 상기 증발부(200) 중 어느 하나 이상에 작동유체가 주입되는 작동유체 주입부(400)가 형성되는, 냉각 장치 모듈.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 증발부(200)는 상기 응축부(100)와 교차되는 수평형인 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
   
9. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 응축부(100), 상기 증발부(200), 상기 응축부(100)와 상기 증발부(200)를 연통하는 액체배관(300A) 및 기체배관(300B)은 알루미늄 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
   

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