KR20190072729A - 평면 변압기의 냉각 구조 - Google Patents

Abstract

평면 변압기의 냉각구조가 개시된다.본 발명의 일 측면에 따르면, 평면 변압기(planar trasformer)의 냉각구조에 있어서, 중앙 개구가 형성된 내측 에지와 외측 에지 사이에서 권선이 각각 형성된 다층 회로 기판; 및 상기 다층 회로 기판을 감싸도록 결합되는 상부 코어와 하부 코어를 포함하고, 상기 상부 코어와 하부 코어 중 어느 하나에는 상기 중앙 개구를 관통하는 중앙 레그가 형성되는 코어;를 포함하고, 상기 다층 회로 기판은 상기 코어에 의해 감싸여지는 차폐구간과, 상기 코어에 의해 감싸여지지 않은 노출구간으로 구획되며, 상기 노출구간을 통하여 상기 다층 회로 기판에 형성되는 권선의 일부가 외부로 노출되도록 마련되는 평면 변압기의 냉각구조가 제공될 수 있다.

Description

평면 변압기의 냉각 구조{Cooling structure for planar transformer}

본 발명은 평면 변압기의 냉각 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다층 회로 기판을 이용한 평면 변압기의 냉각 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 변압기는 유도성 전기 전도체를 통해 전기 에너지를 전기적인 절연을 통해 한 회로에서 다른 회로로 전달하는 장치로서, 전기회로에서 전압을 증가 또는 감소시켜 다른 전기회로로 전기 에너지를 전달하기 위한 장치이다.

종래의 변압기는 코일이 권취되는 코어 또는 보빈의 크기가 크고, 무게가 무겁기 때문에 경박 단소한 전자제품에 사용학에는 적합하지 않아, 인쇄회로기판에 코일패턴을 형성한 변압기가 사용되고 있다.

예컨대, 공개특허공보 제10-2014-0117835호 및 제10-2011-0138576호에는 인쇄회로기판에 의해 제조되는 평면형 변압기가 개시되어 있다. 이러한 변압기는 코일패턴이 형성된 복수의 인쇄회로기판을 상,하부에 마련된 코어부로 조립하여 제조된다. 이와 같은 구조의 변압기는 인쇄회로기판에 코일패턴을 형성함으로써 코일 권선 작업이 필요 없고, 평면상에 인쇄되는 코일패턴으로 인해 소자의 크기 및 부피를 줄일 수 있다.

그러나, 코일의 작용에 따라 비례하는 열이 발생하는데, 복수의 인쇄회로기판이 코어부에 밀폐된 상태로 내장됨에 따라 발생된 열을 제대로 방출할 수가 없는 구조를 가지고 있어, 과열로 인한 전력의 손실이 발생됨은 물론, 자체 내구성의 저하로 수명이 단축되는 문제가 있다.

KR 공개특허 2014-0117835 (국방과학연구소) 2014. 10. 08.

본 발명의 실시 예에 따른 평면 변압기의 냉각 구조는 회로기판으로부터 발생되는 열을 신속하게 방출시킬 수 있도록 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 평면 변압기(planar trasformer)의 냉각구조에 있어서, 중앙 개구가 형성된 내측 에지와 외측 에지 사이에서 권선이 각각 형성된 다층 회로 기판; 및 상기 다층 회로 기판을 감싸도록 결합되는 상부 코어와 하부 코어를 포함하고, 상기 상부 코어와 하부 코어 중 어느 하나에는 상기 중앙 개구를 관통하는 중앙 레그가 형성되는 코어;를 포함하고, 상기 다층 회로 기판은 상기 코어에 의해 감싸여지는 차폐구간과, 상기 코어에 의해 감싸여지지 않은 노출구간으로 구획되며, 상기 노출구간을 통하여 상기 다층 회로 기판에 형성되는 권선의 일부가 외부로 노출되도록 마련되는 평면 변압기의 냉각구조가 제공될 수 있다.

또한, 상기 다층 회로 기판과 결합된 코어는 메인보드 하우징에 장착되며, 상기 다층 회로 기판의 방열을 위하여 상기 노출구간에 마련되어 냉각부재를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 냉각부재는 상기 다층 회로 기판의 하측에서 상기 코어의 측면으로 노출되는 노출구간의 권선과 하우징에 형성된 히트싱크와 접촉하도록 마련될 수 있다.

또한, 상기 냉각부재는 상기 다층 회로 기판의 상측에서 상기 코어의 측면으로 노출되는 노출구간의 권선과 접하도록 마련될 수 있다.

또한, 상기 냉각부재와 면접촉하도록 설치되는 방열판을 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 다층 회로 기판의 각 회로 기판 상에 형성된 권선은 서로 상이한 턴 수를 갖도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 평면 변압기의 냉각구조는 인쇄회로기판에 형성된 권선의 일부가 코어의 외측으로 노출되어지며, 노출되어지는 부분의 권선에 냉열패드 및/또는 방열판이 개재되어 온도를 효과적으로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 아래 도면들에 의해 구체적으로 설명될 것이지만, 이러한 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 것이므로 본 발명의 기술사상이 그 도면에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 변압기를 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 조립 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 변압기의 냉각구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 변압기에 구비된 다층 회로 기판의 적층상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면 변압기의 냉각구조를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 평면 변압기의 냉각구조를 나타내는 단면도이다.
도 7 내지 도 9는 종래의 변압기와 본 발명에 따른 평면 변압기의 온도를 측정한 결과를 도시한 도면이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 변압기를 나타내는 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 조립 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 변압기의 냉각구조를 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 변압기에 구비된 다층 회로 기판의 적층상태를 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 평면 변압기(100)의 냉각구조는 다수의 인쇄회로기판(PCB : 111)을 포함하는 다층 회로 기판(110)과, 다층 회로 기판(110)을 감싸도록 마련되는 코어(120) 및 방열을 위한 냉각부재(130)를 포함한다.

다층 회로 기판(110)을 구성하는 각각의 인쇄회로기판(111)에는 소정 패턴을 갖는 권선(112)이 형성되어 있다.

인쇄회로기판(111)은 에폭시와 같은 절연체로 구성되며, 권선(112)은 인쇄회로기판(111)의 일면 또는 양면에 소정패턴이 형성되는 층으로, 기존의 보빈에 권선된 코일에 대응되며 전자기유도를 발생시키는 자기 경로를 생성한다. 이러한 자기 경로의 형성을 위해서는 도전성 재질로 이루어지는 동박, 은박, 알루미늄박 등의 금속박이나 금속산화물이 분상된 잉크와 같은 도전성 페이스트가 사용될 수 있다. 여기서 금속박을 이용할 경우, 포토 마스크와 에칭액을 이용한 포토리소그래피 공법으로 권선 패턴이 형성될 수 있으며, 도전성 페이스트를 이용할 경우 스크린 인쇄법과 인쇄전자 방식을 이용하여 권선 패턴이 형성될 수 있다. 권선(112)의 패턴은 중앙 개구(113)를 중심으로 시작점과 종료점을 가지는 원형, 타원형, 다각형 중 어느 하나의 패턴 형태로 형성될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 일 측면에 따른 권선(112)은 전기 전도도가 높은 동박(copper layer)을 갖도록 형성될 수 있으며, 인쇄회로기판(111)상에 나선형 패턴으로 형성될 수 있다. 이때, 각 인쇄회로기판(111) 상에 형성된 권선(112)은 서로 상이한 턴 수를 갖도록 형성될 수 있으며, 전술한 바와 같이, 도 1에 도시된 모양 외에 다양하게 변형 가능하다. 이러한 권선(112)은 인쇄회로기판(111)의 일면 또는 양면에 형성될 수 있다. 즉, 권선(112)은 인쇄회로기판(111)의 수개의 층 사이에 분포될 수 있다.

또한, 인쇄회로기판(111)에는 권선(112)의 전기 접속을 위한 접속 노드가 마련되며, 다른 층의 인쇄회로기판(111)에 형성된 접속 노드들과 층들을 통하는 비아(via)들을 통혀 전기적으로 접속될 수 있다.

또한, 각 인쇄회로기판(111)은 후술할 코어(120)의 중앙 레그(123)가 관통하도록 중앙 개구(113)가 형성된다.

코어(120)는 다층 회로 기판(110)을 외부에서 감싸는 형태이며 또한 다층 회로 기판(110)의 중심을 관통한다. 보다 구체적으로, 코어(120)는 상부 코어(121)와 하부 코어(122)를 구비한다. 이 상부 코어(121)와 하부 코어(122) 중 어느 하나에는 각 인쇄회로기판(111)에 형성된 중앙 개구(113)를 통과하는 중앙 레그(123)가 형성된다. 이때, 코어(120)는 다층 회로 기판(110)의 일 방향으로 중심 부근을 감싸도록 결합된다. 도시된 바에 따르면, 코어(120)가 다층 회로 기판(110)에 결합 시 다층 회로 기판(110)은 상기 코어(120)에 의해 감싸여지는 차폐구간(P1)과, 상기 코어(120)에 의해 감싸여지지 않은 노출구간(P2)으로 구획될 수 있다.

한편, 코어(120)는 자성물성을 갖는 자성체로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기와 같은 평면 변압기(100)가 메인보드의 하우징(10)에 결합 시 권선(112)으로부터 발생되는 열을 효과적으로 방열시키기 위하여 냉각부재(130)를 구비한다. 본 실시예에 따른 냉각부재(130)는 메인보드의 하우징(10)과 다층 회로 기판(110) 사이에 개재된다.

보다 구체적으로, 냉각부재(130)는 다층 회로 기판(110)의 하측에서 코어(120)의 측면으로 노출되는 노출구간(P2)에 설치된다. 즉, 냉각부재(130)는 노출구간(P2) 측에 형성된 권선(112)과 직접 접촉하도록 마련된다. 또한, 이 냉각부재(130)는 하우징(10)에 형성된 히트싱크(11)와 접촉되도록 마련된다. 이와 같이 코어(120)의 양측면으로 노출된 부분이 증가함에 따라 상대적으로 냉각 면적이 증가함은 물론, 전류 밀도가 상승된다. 이에 따라, 코어(120)의 양측면으로 노출된 부분의 권선(112)이 냉각부재(130)와 직접 접촉되고, 냉각부재(130)를 통해 히트싱크(11)로 열을 전달하여 방열시킴으로 방열 성능을 향상시킬 수 있음은 물론, 코어(120) 사이즈를 최소화할 수 있어 코어 손실 및 원가 절감이 가능해 진다.

여기서, 냉각부재(130)는 절연 및 열전도도가 우수한 재질로 형성될 수 있다. 또한, 다층 회로 기판(110)과의 접촉이 용이하도록 패드 형태를 갖도록 이루어질 수 있다. 이에, 냉각부재(130)는 절연 및 열전도도가 우수하다면 재질 및 형상에 대해 한정되지 않으며, 다양한 실시예를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예컨대, 냉각부재(130)는 전도성 페이스트로 이루어질 수도 있다.

한편, 본 실시예에서는 냉각부재(130)를 다층 회로 기판(110)의 하측면에 설치하는 것으로 도시되고 설명되었으나, 이에 한정되지 않으며, 도 5에 도시된 바와 같이 다층 회로 기판(110)의 상측면에 냉각부재(140)가 설치될 수 있다. 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 평면 변압기의 냉각구조를 나타내는 단면도이다. 여기서, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조번호는 동일한 기능을 하는 부재를 가리킨다.

도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 평면 변압기(100')의 냉각구조는 다층 회로 기판(110)과, 이를 감싸는 코어(120) 및 코어(120)로부터 구획되는 다층 회로 기판(110)의 노출구간(P2)의 상측면에 설치되는 냉각부재(140)를 구비한다. 즉, 본 실시예는 앞선 실시예와 비교 시 냉각부재(140)가 다층 회로 기판(110)에 형성된 노출구간(P2)의 상측 권선(112)과 접하도록 설치되는 것에 차이가 있음뿐, 그 구조 및 기능은 동일하다.

한편, 냉각부재와 면접촉하도록 설치되는 방열판(142)을 더 구비할 수 있다. 도시된 바에 따르면, 냉각부재(140)의 상측에는 방열판(142)이 설치되어 보다 효과적으로 열을 방열시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 도 6에 도시된 바와 같이, 다층 회로 기판(110) 상의 상측과 하측에 각각 냉각부재(130, 140)가 설치될 수도 있다. 도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 평면 변압기의 냉각구조를 나타내는 단면도이다. 여기서, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조번호는 동일한 기능을 하는 부재를 가리킨다.

도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 평면 변압기(100")의 냉각구조는 다층 회로 기판(110)과, 이를 감싸는 코어(120) 및 코어(120)로부터 구획되는 다층 회로 기판(110)의 노출구간(P2)의 하측 및 상측면에 각각 설치되는 냉각부재(130, 140)를 구비한다.

본 실시예에 따르면, 냉각부재(130, 140)가 평면 변압기(100")의 상측 및 하측의 양측면으로 노출되는 권선과 직접 접촉하도록 마련됨으로써 보다 효과적으로 방열 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 비록 도시되지는 않았으나, 평면 변압기(100")의 상측 또는 하측에 마련되는 냉각부재(130, 140) 중 적어도 어느 하나에 방열판을 설치할 수도 있다.

상기와 같이 다층 회로 기판(110)의 하측에만 냉각부재(130)를 설치하거나 상측에만 냉각부재(140)를 설치한 실시 예 및 다층 회로 기판(110)의 상,하측 양측에 냉각부재(130, 140)를 설치한 실시 예와 종래의 변압기의 온도를 측정한 결과과 도 7 내지 도 9에 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 도 7에 도시된 종래의 변압기는 기존 형상을 갖는 코어가 적용된 평면 변압기로서 양면 냉각을 실시하더라도 최대 온도가 247℃를 나타내는 반면, 하부 또는 상부 냉각만 실시한 본 발명에 따른면 최대 온도가 167℃인 것으로 측정되었다. 또한, 상,하부 양측을 냉각한 경우 최대 온도가 158℃인 것으로 측정되었다. 즉, 본 발명에 따른 평면 변압기(100, 100', 100")는 종래에 비하여 최대 온도가 80 내지 89℃ 감소하는 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10 : 하우징 11 : 히트싱크
100, 100', 100" : 평면 변압기 110 : 다층 회로 기판
111 : 인쇄회로기판 112 : 권선
120 : 코어 130, 140 : 냉각부재

Claims (6)

1. 평면 변압기(planar trasformer)의 냉각구조에 있어서,
   중앙 개구가 형성된 내측 에지와 외측 에지 사이에서 권선이 각각 형성된 다층 회로 기판; 및
   상기 다층 회로 기판을 감싸도록 결합되는 상부 코어와 하부 코어를 포함하고, 상기 상부 코어와 하부 코어 중 어느 하나에는 상기 중앙 개구를 관통하는 중앙 레그가 형성되는 코어;를 포함하고,
   상기 다층 회로 기판은 상기 코어에 의해 감싸여지는 차폐구간과, 상기 코어에 의해 감싸여지지 않은 노출구간으로 구획되며,
   상기 노출구간을 통하여 상기 다층 회로 기판에 형성되는 권선의 일부가 외부로 노출되도록 마련되는 평면 변압기의 냉각구조.
2. 제1항에 있어서,
   상기 다층 회로 기판과 결합된 코어는 메인보드 하우징에 장착되며,
   상기 다층 회로 기판의 방열을 위하여 상기 노출구간에 마련되어 냉각부재를 더 구비하는 평면 변압기의 냉각구조.
3. 제2항에 있어서,
   상기 냉각부재는 상기 다층 회로 기판의 하측에서 상기 코어의 측면으로 노출되는 노출구간의 권선과 하우징에 형성된 히트싱크와 접촉하도록 마련되는 평면 변압기의 냉각구조.
4. 제2항에 있어서,
   상기 냉각부재는 상기 다층 회로 기판의 상측에서 상기 코어의 측면으로 노출되는 노출구간의 권선과 접하도록 마련되는 평면 변압기의 냉각구조.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 냉각부재와 면접촉하도록 설치되는 방열판을 더 구비하는 평면 변압기의 냉각구조.
6. 제1항에 있어서,
   상기 다층 회로 기판의 각 회로 기판 상에 형성된 권선은 서로 상이한 턴 수를 갖도록 형성되는 평면 변압기의 냉각구조.
   

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