KR20190134754A - 전력 변환 장치의 냉각 구조 - Google Patents

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Abstract

고정 볼트 주위의 분위기 온도의 상승을 억제하는 것이다. 인버터(1A)의 냉각 구조에 있어서, 파워 모듈(3)과, 냉각기(5)와, 고정 볼트(10)를 갖는다. 파워 모듈(3)은 전력 변환기이다. 냉각기(5)에는, 냉매 유로(9)가 형성되어 있다. 고정 볼트(10)는, 파워 모듈(3)과 냉매 유로(9)가 대향 배치된 상태에서, 파워 모듈(3)을 냉각기(5)에 고정한다. 냉매 유로(9)로서, 파워 모듈(3)과 대향 배치되는 주 경로(91)와, 주 경로(91)로부터 고정 볼트(10)의 볼트 단부(10a)까지 유로를 확장시킨 확장 경로(92)를 갖는다.

Description

전력 변환 장치의 냉각 구조
본 개시는 전력 변환 장치의 냉각 구조에 관한 것이다.
종래, 회전 전기 기계 시스템에서는, 파워 모듈은 볼트에 의해 인버터 케이스에 고정되어 있다. 또한, 파워 모듈은 핀과 대향하는 면에 설치되어 있다. 파워 모듈의 파워 반도체 소자는, 핀 등을 통하여, 냉각 유로를 흐르는 냉각수로 방열하고 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 제2011-182480호 공보
그러나, 종래의 시스템에서는, 파워 모듈을 인버터 케이스에 고정하는 볼트를 냉각하는 것은 개시되어 있지 않다. 이 때문에, 파워 모듈의 구동 시, 파워 반도체 소자의 열을 그 볼트가 수열하면, 볼트 주위의 분위기 온도가 상승하는 것에 대하여, 검토의 여지가 있다.
본 개시는, 상기 문제를 착안하여 이루어진 것이며, 고정 볼트 주위의 분위기 온도의 상승을 억제하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 개시의 전력 변환 장치의 냉각 구조는, 전력 변환기와, 냉매 유로가 형성된 냉각기와, 전력 변환기와 냉매 유로가 대향 배치된 상태에서, 전력 변환기를 냉각기에 고정하는 고정 볼트를 갖는다.
냉매 유로로서, 전력 변환기와 대향 배치되는 주 경로와, 주 경로로부터 고정 볼트의 볼트 단부까지 유로를 확장시킨 확장 경로를 갖는다.
이와 같이, 냉매 유로로서, 전력 변환기와 대향 배치되는 주 경로와, 주 경로로부터 고정 볼트의 볼트 단부까지 유로를 확장시킨 확장 경로를 가짐으로써, 고정 볼트 주위의 분위기 온도의 상승을 억제할 수 있다.
도 1은, 실시예 1에 있어서의 인버터의 냉각 구조의 단면도이다.
도 2는, 실시예 1 내지 실시예 3에 있어서의 파워 모듈의 평면도이다.
도 3은, 실시예 1에 있어서의 냉각기 본체의 이면측의 사시도이다.
도 4는, 실시예 1에 있어서의 보스부의 사시도이다.
도 5는, 실시예 2에 있어서의 인버터의 냉각 구조의 단면도이다.
도 6은, 실시예 2에 있어서의 냉각기 본체의 이면측의 사시도이다.
도 7은, 실시예 2에 있어서의 바이패스 경로 부근의 냉매의 흐름을 설명하는 설명도이다.
도 8은, 실시예 3에 있어서의 인버터의 냉각 구조의 단면도이다.
도 9는, 실시예 3에 있어서의 냉각기 본체의 이면측의 사시도이다.
도 10은, 실시예 3에 있어서의 냉각기 커버의 표면측의 사시도이다.
도 11은, 본 개시의 인버터의 냉각 구조에 있어서의 변형예의 단면도이다.
도 12는, 변형예에 있어서의 냉각기 본체의 이면측의 사시도이다.
도 13a는, 본 개시의 보스부의 제1 변형예를 도시하는 사시도이다.
도 13b는, 제1 변형예에 있어서의 보스부 부근의 냉매의 흐름을 설명하는 설명도이다.
도 14는, 본 개시의 보스부의 제2 변형예를 도시하는 사시도이다.
이하, 본 발명의 전력 변환 장치의 냉각 구조를 실현하는 최선의 형태를, 도면에 도시하는 실시예 1 내지 실시예 3에 기초하여 설명한다.
실시예 1
우선, 구성을 설명한다.
실시예 1에 있어서의 냉각 구조는, 주행용 구동원 등으로서 레인지 익스텐더 전기 자동차(전동 차량의 일례)에 탑재되는 모터 제너레이터의 인버터 장치(전력 변환 장치의 일례)에 적용한 것이다. 레인지 익스텐더 전기 자동차(EV)는, 두 모터 제너레이터와 발전 전용 엔진을 갖는다. 이 레인지 익스텐더 전기 자동차는, 그 두 모터 제너레이터 중, 하나를 구동용(주행용) 모터 제너레이터로 하고, 다른 하나를 발전용 모터 제너레이터로서 사용한다. 또한, 발전은 엔진을 동력원으로 하여 발전용 모터 제너레이터에 의해 행해진다. 이하, 실시예 1의 구성을 「인버터의 냉각 구조」, 「냉각기의 상세 설명」으로 나누어 설명한다.
[인버터의 냉각 구조]
도 1은, 실시예 1에 있어서의 인버터의 냉각 구조의 단면도를 도시하고, 도 2는, 실시예 1에 있어서의 파워 모듈의 평면도를 도시한다. 또한, 도 1은, 도 2의 I-I선에 있어서의 단면도이다. 이하, 도 1 및 도 2에 기초하여, 실시예 1에 있어서의 인버터(1A)의 냉각 구조의 상세 구성을 설명한다.
실시예 1의 인버터(1A)는, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 인버터 케이스(2)와, 두 파워 모듈(3)(전력 변환기)과, 구동 기판(4)과, 냉각기(5)와, 냉매 유로(9)와, 고정 볼트(10)를 구비하고 있다. 이 인버터(1A)는, 파워 모듈(3)과 냉매 유로(9)가 대향 배치되고, 냉매 유로(9)를 흐르는 냉매(예를 들어, 냉각수)에 의해 파워 모듈(3)과 고정 볼트(10)를 냉각하는 구조로 되어 있다.
인버터 케이스(2)에는, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 파워 모듈(3)과 구동 기판(4)과 냉각기(5) 등이 수용된다. 인버터 케이스(2)는, 예를 들어 도시하지 않은 모터 제너레이터의 모터 하우징의 외주면으로부터 돌출되는 케이스 설치부에 나사 고정 등에 의해 고정된다.
파워 모듈(3)은, 반도체 소자(3a)와, 절연 배선 기판(3b)과, 파워 모듈(3)의 구동 시에 발생하는 열을 방열하기 위한 히트 스프레더(3c)(방열 부재)와, 절연 수지(3e)를 갖는 일체 모듈 부품으로서 구성된다. 두 파워 모듈(3) 중, 하나를 도시하지 않은 구동용 모터 제너레이터와 전기적으로 접속하고, 다른 하나를 도시하지 않은 발전용 모터 제너레이터와 전기적으로 접속한다.
파워 모듈(3)의 제조 시에는, 반도체 소자(3a)와 절연 배선 기판(3b)과 히트 스프레더(3c)를 시트형 땜납재 등에 의한 접합부를 개재하여 겹쳐서 실장한다. 그 후, 에폭시 수지 등에 의한 트랜스퍼 몰드에 의해 절연 수지(3e)가 형성된다. 두 파워 모듈(3)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 절연 수지(3e)에 의해 일체로 된다. 방열 부재인 히트 스프레더(3c)는, 절연 수지(3e)보다 치수가 큰 직사각 형상 판으로 되고, 절연 수지(3e)의 외주로부터 돌출되는 외주부를 갖는다. 그리고, 히트 스프레더(3c)의 양쪽 판면 중, 절연 수지(3e)가 접착되는 판면의 반대면이, 냉각기(5)의 표면(5a)에 접촉하는 방열면(3d)으로 된다. 즉, 파워 모듈(3)은, 냉각기(5)의 표면(5a)에 접촉하는 방열면(3d)을 갖는 히트 스프레더(3c)를 일체로 구비하는 구조로 된다. 또한, 히트 스프레더(3c)의 소재로서는, 알루미늄 합금재 등의 고전열성 금속재가 사용된다. 또한, 파워 모듈(3)로부터는, 강전계의 PN 버스 바나 UVW 버스 바가 돌출되어 마련된다.
파워 모듈(3)은, 냉각기(5)의 표면(5a) 중, 냉매 유로(9)와 대향하는 표면(5a)의 위치에 체결 고정된다. 그리고, 파워 모듈(3)의 체결 고정 상태에 있어서, 도 1에 도시하는 바와 같이, 냉각기(5)와 접촉하는 히트 스프레더(3c)의 방열면(3d)이, 표면(5a)에 대하여 밀착 상태로 된다.
구동 기판(4)은, 절연체로 이루어지는 일체의 판의 표면이나 내부에 전기 회로 배선이 형성된 것이다. 구동 기판(4)은, 예를 들어 복수매의 기판이 적층된 다층 기판이다. 구동 기판(4)은, 파워 모듈(3)과 스페이스를 두고 배치된다.
냉각기(5)는, 냉각기 본체(51)와, 냉각기 커버(52)와, 시일재(53)로 구성된다. 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)의 사이에 시일재(53)를 배치하여, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)를 조합한다. 또한, 파워 모듈(3)의 냉각 방식이 간접 냉각형(간접 수랭 구조)이다. 또한, 냉각기(5)의 상세 구성에 대해서는 후술한다.
고정 볼트(10)는, 파워 모듈(3)과 냉매 유로(9)가 대향 배치된 상태에서, 파워 모듈(3)을 냉각기 본체(51)에 고정한다. 고정 볼트(10)는, 히트 스프레더(3c)의 외주부에 형성되는 관통 구멍으로부터 삽통되고, 냉각기 본체(51)에 형성되는 보스부(12)에 체결된다. 또한, 관통 구멍에 삽통되기 전에, 와셔(10b)를 고정 볼트(10)에 삽통시킨다. 또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 하나의 파워 모듈(3)을 냉각기 본체(51)에 고정할 때, 고정 볼트(10)로 복수 개소(예를 들어 4개소)를 고정한다. 이 고정 볼트(10)의 소재로서는, 전열성 금속재가 사용된다. 또한, 보스부(12)의 내주에는 암나사가 형성되어 있다.
[냉각기의 상세 구성]
도 3은, 실시예 1에 있어서의 냉각기 본체의 이면측의 사시도를 도시한다. 도 4는, 실시예 1에 있어서의 보스부의 사시도를 도시한다. 또한, 냉각기 본체의 이면측이란, 도 3에 있어서 냉각기 커버의 면측이다. 이하, 도 1, 도 3 및 도 4에 기초하여, 실시예 1에 있어서의 냉각기의 상세 구성을 설명한다.
냉각기 본체(51)에는, 두 주 경로 홈(6)과, 두 확장 경로 홈(7)(제1 확장 경로 홈)과, 격벽(8)이 형성된다. 확장 경로 홈(7)은, 유입측 확장 경로 홈(71)과, 유출측 확장 경로 홈(72)으로 구성된다. 각 홈은, 도 3에 도시하는 바와 같이, X 방향에 있어서, 유입측 확장 경로 홈(71), 주 경로 홈(6), 유출측 확장 경로 홈(72), 유입측 확장 경로 홈(71), 주 경로 홈(6), 유출측 확장 경로 홈(72)의 순으로 배치된다.
주 경로 홈(6)은, 유입측 확장 경로 홈(71)과 유출측 확장 경로 홈(72) 사이에 끼어 있다. 주 경로 홈(6)은, 격벽(8)을 사이에 두고, 유입측 확장 경로 홈(71) 및 유출측 확장 경로 홈(72)과 인접하는 위치에 배치된다. 두 주 경로 홈(6)의 사이에 배치된 유출측 확장 경로 홈(72)과 유입측 확장 경로 홈(71)은, 격벽(8)을 사이에 두고, 인접하는 위치에 배치된다. 또한, 인접하는 두 홈은 일부에서 연통된다. 즉, 각 홈은 교대로 연통되어, 홈 전체로 하나의 홈이 되도록 연통된다. 확장 경로 홈(7)의 높이(깊이, Z 방향)는, 주 경로 홈(6)의 높이(깊이, Z 방향)와 동일하다. 즉, 유입측 확장 경로 홈(71)과 유출측 확장 경로 홈(72)의 높이는, 주 경로 홈(6)의 높이와 동일한 높이이다. 바꾸어 말하면, 유입측 확장 경로 홈(71)과 유출측 확장 경로 홈(72)은, 주 경로 홈(6)의 높이 방향에 대하여 전역이 확장되어 있다.
두 주 경로 홈(6)의 사이에 배치되지 않은 유입측 확장 경로 홈(71)은, 냉각기(5)에 외부로부터 냉매를 유입시키는 냉매 유입로(도시하지 않음)와 연통된다(화살표 참조). 유입측 확장 경로 홈(71)과 냉매 유입로는, 유입측 확장 경로 홈(71)의 Y 방향(긴 변 방향)에 있어서 주 경로 홈(6)과 연통되지 않은 측에서 연통된다. 두 주 경로 홈(6)의 사이에 배치되지 않은 유출측 확장 경로 홈(72)은, 냉각기(5)로부터 외부로 냉매를 유출시키는 냉매 유출로(도시하지 않음)와 연통된다(화살표 참조). 유출측 확장 경로 홈(72)과 냉매 유출로는, 유출측 확장 경로 홈(72)의 Y 방향에 있어서 주 경로 홈(6)과 연통되지 않은 측에서 연통된다.
또한, 주 경로 홈(6)에는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 복수(예를 들어 4개)의 핀(11)이 형성된다. 핀(11)은, 직사각형 형상이며, 주 경로 홈(6)의 Y 방향으로 연장되어 있다. 핀(11)은, 주 경로 홈(6)의 X 방향(짧은 변 방향)으로 등간격으로 배치된다. 또한, 핀(11)의 높이(Z 방향)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 주 경로 홈(6)의 높이보다 낮다.
유입측 확장 경로 홈(71)과 유출측 확장 경로 홈(72)의 각각에는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 고정 볼트(10)가 체결되는 복수(예를 들어 2개)의 보스부(12)가 형성된다. 보스부(12)의 에지는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 필렛 형상으로 형성된다. 또한, 보스부(12)의 에지란, 냉각기 본체(51)의 이면측으로 돌출되어 있는 보스부(12)의 선단 부분이며, 고정 볼트(10)가 보스부(12)에 고정되었을 때, 고정 볼트(10)의 볼트 단부(10a)이 위치하는 부분이다. 또한, 보스부(12)의 높이(Z 방향)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 유입측 확장 경로 홈(71)과 유출측 확장 경로 홈(72)의 높이보다 낮다.
냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)를 조합하였을 때, 도 1에 도시하는 바와 같이, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)의 사이에, 냉매 유로(9)가 형성된다. 즉, 냉매 유로(9)로서, 주 경로(91)와 확장 경로(92)(제1 확장 경로)가 형성된다.
주 경로(91)는, 주 경로 홈(6)과 냉각기 커버(52)에 의해 형성된다. 또한, 확장 경로(92)는, 유입측 확장 경로(92a)와 유출측 확장 경로(92b)에 의해 구성된다. 유입측 확장 경로(92a)는, 유입측 확장 경로 홈(71)과 냉각기 커버(52)에 의해 형성된다. 유출측 확장 경로(92b)는, 유출측 확장 경로 홈(72)과 냉각기 커버(52)에 의해 형성된다. 이 때문에, 냉매 유로(9)로서, 주 경로(91)와 유입측 확장 경로(92a)와 유출측 확장 경로(92b)를 갖는다.
주 경로(91)는, 파워 모듈(3)을 냉각기 본체(51)에 고정하였을 때, 파워 모듈(3)과 대향 배치된다. 또한, 확장 경로(92)는, 주 경로(91)로부터 고정 볼트(10)의 볼트 단부(10a)까지 유로를 확장시킨 경로이다.
이어서, 작용을 설명한다.
실시예 1의 인버터(1A)의 냉각 구조에 있어서의 작용을 「냉매의 흐름 작용」, 「볼트 주위의 분위기 온도의 상승 메커니즘」, 「인버터의 냉각 구조의 기본 작용」, 「인버터의 냉각 구조의 특징 작용」으로 나누어 설명한다.
[냉매의 흐름 작용]
이하, 도 1 및 도 3에 기초하여, 냉매의 흐름을 설명한다. 또한, 도 3의 냉각기 본체(51)에 냉각기 커버(52)가 설치된 것으로서 설명한다. 이 때문에, 도 3에 있어서, 주 경로 홈(6)을 주 경로(91)로 하고, 유입측 확장 경로 홈(71)을 유입측 확장 경로(92a)로 하고, 유출측 확장 경로 홈(72)을 유출측 확장 경로(92b)로 하므로, 각 부호 뒤에 각 경로의 부호를 괄호쓰기로 표기한다.
냉매는, 외부로부터 냉매 유입로로 유입된다. 이어서, 냉매 유입로로부터 유입된 냉매는, 유입측 확장 경로(92a)의 일단으로 유입된다(화살표 참조). 이어서, 유입측 확장 경로(92a)로 유입된 냉매는, 유입측 확장 경로(92a)로부터 주 경로(91)로 유입된다. 즉, 유입측 확장 경로(92a)는, 냉매 유로(9)를 흐르는 냉매를 주 경로(91)로 유입시킨다. 또한, 이때, 유입측 확장 경로(92a)를 흐르는 냉매에 의해, 유입측 확장 경로(92a)에 배치된 보스부(12) 전체가 덮인다. 이 때문에, 보스부(12)가 냉각되고, 보스부(12)에 고정된 고정 볼트(10)의 볼트 단부(10a)가 냉각된다. 이에 의해, 고정 볼트(10)가 냉각된다.
이어서, 주 경로(91)로 유입된 냉매는, 주 경로(91)로부터 유출측 확장 경로(92b)로 유출된다. 즉, 유출측 확장 경로(92b)에는, 냉매가 주 경로(91)로부터 유출된다. 또한, 이때, 주 경로(91)를 흐르는 냉매는, 격벽(8)이나 핀(11)들의 사이를 흐른다. 이 때문에, 핀(11)에 의해, 반도체 소자(3a)가 발하는 열이 열교환에 의해 방열된다. 즉, 파워 모듈(3)이 냉각된다.
이어서, 유출측 확장 경로(92b)로 유출된 냉매는, 유출측 확장 경로(92b)로부터 유입측 확장 경로(92a)로 유입된다. 이때, 유출측 확장 경로(92b)를 흐르는 냉매에 의해, 유출측 확장 경로(92b)에 배치된 보스부(12) 전체가 덮인다. 이 때문에, 상기와 마찬가지로, 고정 볼트(10)가 냉각된다.
이어서, 유입측 확장 경로(92a)로 유입된 냉매는, 상기와 마찬가지로, 주 경로(91)로 유입되고, 주 경로(91)로부터 유출측 확장 경로(92b)로 유출된다. 이 때문에, 상기와 마찬가지로, 냉매에 의해, 파워 모듈(3)이나 고정 볼트(10)가 냉각된다. 냉매의 흐름과 냉각은, 상기와 마찬가지이므로 설명을 생략한다. 그리고, 유출측 확장 경로(92b)로 유출된 냉매는, 유출측 확장 경로(92b)로부터 냉매 유출로로 유출된다(화살표 참조). 즉, 냉매는 외부로 유출된다. 이와 같이, 파워 모듈(3)이나 고정 볼트(10)가 냉각된다.
[볼트 주위의 분위기 온도의 상승 메커니즘]
이하, 도 1에 기초하여, 볼트 주위의 분위기 온도의 상승 메커니즘에 대하여 설명한다.
파워 모듈(3)의 구동 시, 반도체 소자(3a)가 발열한다. 이 열은, 파워 모듈(3)로부터 히트 스프레더(3c)로 전도된다. 이어서, 히트 스프레더(3c)에 전도된 열은, 화살표(100)로 나타내는 바와 같이, 히트 스프레더(3c)의 방열면(3d)으로부터 냉각기 본체(51)나 고정 볼트(10)로 방열된다. 고정 볼트(10)에 전도된 열에 의해 고정 볼트(10)가 달구어진다. 그리고, 고정 볼트(10)로부터 열이 발해져, 고정 볼트(10) 주위의 분위기 온도가 상승한다. 예를 들어, 화살표(101)로 나타내는 바와 같이, 고정 볼트(10)의 헤드부로부터 열이 발해져, 파워 모듈(3)과 구동 기판(4)의 사이의 분위기 온도가 상승한다.
이와 같이, 파워 모듈(3)의 구동 시, 반도체 소자(3a)의 열을 고정 볼트(10)가 수열하면, 고정 볼트(10) 주위의 분위기 온도가 상승한다.
[인버터의 냉각 구조의 기본 작용]
상기와 같이, 파워 모듈(3)의 구동 시, 반도체 소자(3a)의 열을 고정 볼트(10)가 수열하면, 볼트 주위의 분위기 온도가 상승해 버린다. 이에 비해, 실시예 1에서는, 냉매 유로(9)로서, 파워 모듈(3)과 대향 배치되는 주 경로(91)와, 주 경로(91)로부터 고정 볼트(10)의 볼트 단부(10a)까지 유로를 확장시킨 확장 경로(92)를 갖는 인버터(1A)의 냉각 구조로 하였다. 즉, 확장 경로(92)를 흐르는 냉매에 의해 고정 볼트(10)의 볼트 단부(10a)이 냉각되어, 고정 볼트(10)의 냉각 효율이 상승된다. 이 때문에, 고정 볼트(10)가 반도체 소자(3a)의 열을 수열해도, 고정 볼트(10)의 열의 상승이 억제된다. 이 결과, 고정 볼트(10) 주위의 분위기 온도의 상승이 억제된다.
실시예 1에서는, 보스부(12)는, 확장 경로(92)에 배치되는 구성으로 하였다. 즉, 확장 경로(92)를 흐르는 냉매에 의해 보스부(12)가 냉각되고, 고정 볼트(10)의 냉각 효율이 보다 상승된다. 이 때문에, 고정 볼트(10)가 반도체 소자(3a)의 열을 수열해도, 고정 볼트(10)의 열의 상승이 보다 억제된다. 따라서, 고정 볼트(10) 주위의 분위기 온도의 상승이 보다 억제된다.
실시예 1에서는, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52) 중 적어도 한쪽(실시예 1에서는 냉각기 본체(51))에, 주 경로 홈(6)과, 확장 경로 홈(7)이 형성된다. 그리고, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)를 조합하였을 때, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)의 사이에, 주 경로 홈(6)에 의해 주 경로(91)가 형성된다. 또한, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)를 조합하였을 때, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)의 사이에, 확장 경로 홈(7)에 의해 확장 경로(92)가 형성된다. 따라서, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52) 중 적어도 한쪽에 경로 홈(6, 7)을 형성하기만 하여, 용이하게 냉매 유로(9)로서의 주 경로(91)와 확장 경로(92)를 형성할 수 있다.
[인버터의 냉각 구조의 특징 작용]
실시예 1에서는, 냉각기 본체(51)에, 주 경로 홈(6)과, 주 경로 홈(6)과 연통되는 확장 경로 홈(7)이 형성된다. 그리고, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)를 조합하였을 때, 주 경로 홈(6)과 냉각기 커버(52)에 의해 주 경로(91)가 형성된다. 또한, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)를 조합하였을 때, 확장 경로 홈(7)과 냉각기 커버(52)에 의해 확장 경로(92)가 형성된다. 즉, 냉각기 본체(51)에 경로 홈(6, 7)을 형성하기만 하여, 냉매 유로(9)로서의 주 경로(91)와 확장 경로(92)를 형성할 수 있다. 이 때문에, 냉각기 커버(52)에 경로 홈(6, 7)을 형성하지 않아도 된다. 따라서, 냉각기 커버(52)에 경로 홈(6, 7)을 형성하는 공정수를 줄일 수 있다. 더불어, 냉각기 본체(51)에 냉각기 커버(52)를 씌우기만 하여 냉매 유로(9)가 형성된다.
실시예 1에서는, 주 경로(91)와 확장 경로(92)는, 격벽(8)을 사이에 두고, 인접하는 위치에 배치된다. 그리고, 확장 경로(92)는, 냉매 유로(9)를 흐르는 냉매를 주 경로(91)로 유입시키는 유입측 확장 경로(92a)와, 냉매가 주 경로(91)로부터 유출되는 유출측 확장 경로(92b)로 확장된 경로(제1 확장 경로)이다. 즉, 유입측 확장 경로(92a)와 유출측 확장 경로(92b)를 흐르는 냉매가, 주 경로(91)와 마찬가지로 냉매 유로(9)를 흐르는 냉매의 주류로 된다. 이 때문에, 보스부(12) 전체가 냉매에 덮이므로, 고정 볼트(10)의 냉각 효율이 한층 더 상승된다. 이 때문에, 고정 볼트(10)가 반도체 소자(3a)의 열을 수열해도, 고정 볼트(10)의 열의 상승이 한층 더 억제된다. 따라서, 고정 볼트(10) 주위의 분위기 온도의 상승이 한층 더 억제된다.
실시예 1에서는, 보스부(12)의 에지가 필렛 형상으로 형성된다. 즉, 확장 경로(92)를 흐르는 냉매가 보스부(12)에 충돌할 때, 보스부(12)의 에지가 필렛 형상으로 형성되어 있으므로, 에지가 필렛 형상으로 형성되지 않은 경우보다, 충돌하였을 때의 압력 손실을 저감할 수 있다. 따라서, 확장 경로(92)(유입측 확장 경로(92a)와 유출측 확장 경로(92b))의 압력 손실을 저감할 수 있다.
이어서, 효과를 설명한다.
실시예 1에 있어서의 인버터(1A)의 냉각 구조에 있어서는, 하기에 열거하는 효과가 얻어진다.
(1) 전력 변환기(파워 모듈(3))와, 냉매 유로(9)가 형성된 냉각기(5)와, 전력 변환기(파워 모듈(3))와 냉매 유로(9)가 대향 배치된 상태에서, 전력 변환기(파워 모듈(3))를 냉각기(5)에 고정하는 고정 볼트(10)를 갖는다.
냉매 유로(9)로서, 전력 변환기(파워 모듈(3))와 대향 배치되는 주 경로(91)와, 주 경로(91)로부터 고정 볼트(10)의 볼트 단부(10a)까지 유로를 확장시킨 확장 경로(92)를 갖는다.
이 때문에, 고정 볼트(10) 주위의 분위기 온도의 상승을 억제하는 전력 변환 장치(인버터(1A))의 냉각 구조를 제공할 수 있다.
(2) 냉각기(5)에는, 고정 볼트(10)가 체결되는 보스부(12)가 형성된다.
보스부(12)는 확장 경로(92)에 배치된다.
이 때문에, (1)의 효과에 추가하여, 고정 볼트(10) 주위의 분위기 온도의 상승을 보다 억제할 수 있다.
(3) 냉각기(5)는, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버로 구성된다.
냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52) 중 적어도 한쪽(실시예 1에서는 냉각기 본체(51))에, 주 경로 홈(6)과, 확장 경로 홈(7)이 형성된다.
냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)를 조합하였을 때, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)의 사이에, 주 경로 홈(6)에 의해 주 경로(91)가 형성되고, 확장 경로 홈(7)에 의해 확장 경로(92)가 형성된다.
이 때문에, (1) 또는 (2)의 효과에 추가하여, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52) 중 적어도 한쪽에 경로 홈(6, 7)을 형성하기만 하여, 용이하게 냉매 유로(9)로서의 주 경로(91)와 확장 경로(92)를 형성할 수 있다.
(4) 냉각기 본체(51)에, 주 경로 홈(6)과, 주 경로 홈(6)과 연통되는 확장 경로 홈(7)이 형성된다.
냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)를 조합하였을 때, 주 경로 홈(6)과 냉각기 커버(52)에 의해 주 경로(91)가 형성되고, 확장 경로 홈(7)과 냉각기 커버(52)에 의해 확장 경로(92)가 형성된다.
이 때문에, (3)의 효과에 추가하여, 냉각기 커버(52)에 경로 홈(6, 7)을 형성하는 공정수를 줄일 수 있다.
(5) 주 경로(91)와 확장 경로(92)는, 격벽(8)을 사이에 두고, 인접하는 위치에 배치된다.
확장 경로(92)는, 냉매 유로(9)를 흐르는 냉매를 주 경로(91)로 유입시키는 유입측(유입측 확장 경로(92a))과, 냉매가 주 경로(91)로부터 유출되는 유출측(유출측 확장 경로(92b))으로 확장된 제1 확장 경로(확장 경로(92))이다.
이 때문에, (1) 내지 (4)의 효과에 추가하여, 고정 볼트(10) 주위의 분위기 온도의 상승을 한층 더 억제할 수 있다.
(6) 보스부(12)의 에지가 필렛 형상으로 형성된다.
이 때문에, (2) 내지 (5)의 효과에 추가하여, 확장 경로(92)(유입측 확장 경로(92a)와 유출측 확장 경로(92b))의 압력 손실을 저감할 수 있다.
실시예 2
실시예 2는, 확장 경로에 보스부를 배치함으로써, 보스부를 바이패스하는 바이패스 경로를 형성한 예이다.
우선, 구성을 설명한다.
실시예 2에 있어서의 냉각 구조는, 실시예 1과 마찬가지로, 주행용 구동원 등으로서 레인지 익스텐더 전기 자동차(전동 차량의 일례)에 탑재되는 모터 제너레이터의 인버터 장치(전력 변환 장치의 일례)에 적용한 것이다. 이하, 실시예 2의 「냉각기의 상세 설명」에 대하여 설명한다. 또한, 실시예 2의 「인버터(1B)의 냉각 구조」에 대해서는, 실시예 1의 「인버터의 냉각 구조」와 마찬가지이므로, 도 5에 있어서 대응하는 구성에 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다.
도 5는, 실시예 2에 있어서의 인버터의 냉각 구조의 단면도를 도시한다. 도 6은, 실시예 2의 냉각기 본체의 이면측의 사시도를 도시한다. 이하, 도 5 및 도 6에 기초하여, 실시예 2에 있어서의 냉각기의 상세 구성을 설명한다.
냉각기 본체(51)에는, 두 주 경로 홈(6)과, 여덟 확장 경로 홈(7)(제2 확장 경로 홈)이 형성된다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 두 주 경로 홈(6)은 일부에서 연통된다. 즉, 두 주 경로 홈(6)으로 하나의 홈이 되도록 연통된다. 또한, 하나의 주 경로 홈(6)의 X 방향의 양측에는, 두 확장 경로 홈(7)이 형성된다. 즉, 각 확장 경로 홈(7)은, 주 경로 홈(6)의 일부를 확장한 홈이다. 각 확장 경로 홈(7)의 높이(깊이, Z 방향)는, 주 경로 홈(6)의 높이(깊이, Z 방향)와 동일하다. 바꾸어 말하면, 각 확장 경로 홈(7)은, 주 경로 홈(6)의 높이 방향(Z 방향)에 대하여 전역이 확장되어 있다.
한쪽 주 경로 홈(6)은, 냉각기(5)에 외부로부터 냉매를 유입시키는 냉매 유입로(도시하지 않음)와 연통된다(화살표 참조). 다른 쪽 주 경로 홈(6)은, 냉각기(5)로부터 외부로 냉매를 유출시키는 냉매 유출로(도시하지 않음)와 연통된다(화살표 참조).
또한, 주 경로 홈(6)에는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 복수(예를 들어 4개)의 핀(11)이 형성된다. 핀(11)은, 직사각형 형상이며, 주 경로 홈(6)의 Y 방향으로 연장되어 있다. 핀(11)은, 주 경로 홈(6)의 X 방향으로 등간격으로 배치된다. 또한, 핀(11)의 높이(Z 방향)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 주 경로 홈(6)의 높이보다 낮다.
각 확장 경로 홈(7)에는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 고정 볼트(10)가 체결되는 보스부(12)가 형성된다. 보스부(12)는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 확장 경로 홈(7)의 측벽(7a)으로부터 이격된 위치에 배치된다. 또한, 보스부(12)의 높이(Z 방향)는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 주 경로 홈(6)이나 각 확장 경로 홈(7)의 높이와 동일하다. 또한, 실시예 2의 보스부(12)는, 실시예 1과는 달리 필렛 형상으로 형성되어 있지 않다.
냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)를 조합하였을 때, 도 5에 도시하는 바와 같이, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)의 사이에, 냉매 유로(9)가 형성된다. 즉, 냉매 유로(9)로서, 주 경로(91)와 확장 경로(92)(제2 확장 경로)가 형성된다.
주 경로(91)는, 주 경로 홈(6)과 냉각기 커버(52)에 의해 형성된다. 또한, 확장 경로(92)는, 확장 경로 홈(7)과 냉각기 커버(52)에 의해 형성된다. 즉, 확장 경로(92)는, 주 경로(91)의 일부를 확장한 경로이다. 또한, 확장 경로 홈(7)과 보스부(12)와 냉각기 커버(52)에 의해 바이패스 경로(92c)가 형성된다. 즉, 확장 경로(92)에 바이패스 경로(92c)가 형성된다. 이 때문에, 냉매 유로(9)로서, 주 경로(91)와 바이패스 경로(92c)를 갖는다.
주 경로(91)는, 파워 모듈(3)을 냉각기 본체(51)에 고정하였을 때, 파워 모듈(3)과 대향 배치된다. 또한, 확장 경로(92)는, 주 경로(91)로부터 고정 볼트(10)의 볼트 단부(10a)까지 유로를 확장시킨 경로이다.
이어서, 작용을 설명한다.
실시예 2의 상승 메커니즘은, 실시예 1과 마찬가지로, 「볼트 주위의 분위기 온도의 상승 메커니즘」을 나타낸다. 이 때문에, 도 5에 있어서 대응하는 구성에 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다. 또한, 실시예 2의 작용은, 실시예 1과 마찬가지로, 「인버터의 냉각 구조의 기본 작용」을 나타낸다. 그리고, 이하에, 실시예 2의 인버터(1B)의 냉각 구조에 있어서의 작용을 「냉매의 흐름 작용」, 「인버터의 냉각 구조의 특징 작용」으로 나누어 설명한다.
[냉매의 흐름 작용]
도 7은, 실시예 2에 있어서의 냉매의 흐름을 도시한다. 이하, 도 5 내지 도 7에 기초하여, 냉매의 흐름을 설명한다. 또한, 도 6의 냉각기 본체(51)에 냉각기 커버(52)가 설치된 것으로서 설명한다. 이 때문에, 도 6에 있어서, 주 경로 홈(6)을 주 경로(91)로 하므로, 부호 뒤에 경로의 부호를 괄호쓰기로 표기한다. 또한, 도 6에 있어서, 확장 경로 홈(7)에 있어서 측벽(7a)과 보스부(12)의 사이를 바이패스 경로(92c)로 하므로, 측벽(7a) 뒤에 경로의 부호를 괄호쓰기로 표기한다.
냉매는, 외부로부터 냉매 유입로로 유입된다. 이어서, 냉매 유입로로부터 유입된 냉매는, 한쪽 주 경로(91)의 일단으로 유입된다(화살표 참조). 이어서, 한쪽 주 경로(91)로 유입된 냉매는, 한쪽 주 경로(91)로부터 다른 쪽 주 경로(91)로 유입된다.
이때, 한쪽 주 경로(91)를 흐르는 냉매는, 핀(11)들의 사이를 흐른다. 이 때문에, 핀(11)에 의해, 반도체 소자(3a)가 발하는 열이 열교환에 의해 방열된다. 즉, 파워 모듈(3)이 냉각된다.
또한, 이때, 도 7의 화살표(121)로 나타내는 바와 같이, 한쪽 주 경로(91)를 흐르는 냉매의 일부는, 도중에 바이패스 경로(92c)로 유입된다. 또한, 바이패스 경로(92c)로 유입된 냉매는, 확장 경로 홈(7)의 측벽(7a)과 보스부(12)의 사이를 흐른다. 그리고, 측벽(7a)과 보스부(12)의 사이를 흐른 냉매는, 도 7의 화살표(122)로 나타내는 바와 같이, 한쪽 주 경로(91)로 유입된다. 즉, 냉매 유로(9)를 흐르는 냉매 중, 한쪽 주 경로(91)를 흐르는 냉매가 주류(도 7의 화살표(120))로 되고, 바이패스 경로(92c)를 흐르는 냉매가 부류로 된다. 바꾸어 말하면, 주류로부터 바이패스시켜, 바이패스 경로(92c)에 냉매가 공급된다. 이 때문에, 바이패스 경로(92c)로 유입되는 냉매는, 보스부(12)의 주위를 흐른다. 이에 의해, 보스부(12)가 냉각되고, 보스부(12)에 고정된 고정 볼트(10)의 볼트 단부(10a)이 냉각된다. 따라서, 고정 볼트(10)가 냉각된다. 또한, 마찬가지로, 다른 보스부(12)도 냉각되므로, 다른 고정 볼트(10)도 냉각된다.
이어서, 다른 쪽 주 경로(91)로 유입된 냉매는, 다른 쪽 주 경로(91)로부터 냉매 유출로로 유출된다(화살표 참조). 즉, 냉매는 외부로 유출된다. 또한, 다른 쪽 주 경로(91)를 흐르는 냉매는, 한쪽 주 경로(91)를 흐르는 냉매와 마찬가지로, 핀(11)들의 사이를 흐른다. 또한, 다른 쪽 주 경로(91)를 흐르는 냉매의 일부는, 상기와 마찬가지로, 도중에 바이패스 경로(92c)로 유입된다(도 7의 화살표(121) 참조). 그리고, 바이패스 경로(92c)로 유입된 냉매는, 상기와 마찬가지로, 다른 쪽 주 경로(91)로 유입된다(도 7의 화살표(122) 참조). 이 때문에, 상기와 마찬가지로, 냉매에 의해, 파워 모듈(3)이나 고정 볼트(10)가 냉각된다. 냉매의 흐름과 냉각은, 상기와 마찬가지이므로 설명을 생략한다. 또한, 주류와 부류에 대해서도, 상기와 마찬가지이므로 설명을 생략한다. 이와 같이, 파워 모듈(3)이나 고정 볼트(10)가 냉각된다.
[인버터의 냉각 구조의 특징 작용]
실시예 2에서는, 실시예 1과 마찬가지로, 냉각기 본체(51)에, 주 경로 홈(6)과, 주 경로 홈(6)과 연통되는 확장 경로 홈(7)이 형성된다. 그리고, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)를 조합하였을 때, 주 경로 홈(6)과 냉각기 커버(52)에 의해 주 경로(91)가 형성되고, 확장 경로 홈(7)과 냉각기 커버(52)에 의해 확장 경로(92)가 형성된다. 따라서, 냉각기 커버(52)에 경로 홈(6, 7)을 형성하는 공정수를 줄일 수 있다. 더불어, 냉각기 본체(51)에 냉각기 커버(52)를 씌우기만 하여 냉매 유로(9)가 형성된다.
실시예 2에서는, 확장 경로(92)는, 주 경로(91)의 일부를 확장한 경로(제2 확장 경로)이다. 이 경로에 보스부(12)를 배치함으로써, 보스부(12)를 바이패스하는 바이패스 경로(92c)가 형성된다. 즉, 냉매 유로(9)를 흐르는 냉매 중, 주 경로(91)를 흐르는 냉매가 주류로 되고, 바이패스 경로(92c)를 흐르는 냉매가 부류로 된다. 이 때문에, 보스부(12)는, 주류로부터 벗어난 위치에 배치되어 있다. 이에 의해, 보스부(12)에 의한 주류의 압력 손실을 삭감할 수 있다. 또한, 바이패스 경로(92c)로 유입되는 냉매에 의해, 보스부(12)는 냉각되므로, 고정 볼트(10)의 냉각 효율도 상승된다. 이 때문에, 고정 볼트(10)가 반도체 소자(3a)의 열을 수열해도, 고정 볼트(10)의 열의 상승이 억제된다. 따라서, 보스부(12)에 의한 주류의 압력 손실의 삭감과, 고정 볼트(10) 주위의 분위기 온도의 상승 억제를 양립시킬 수 있다. 더불어, 실시예 2에서는, 실시예 1과 같이 주류에 보스부(12)를 배치하는 것보다, 보스부(12)에 의한 주류의 압력 손실을 저감할 수 있다.
이어서, 효과를 설명한다.
실시예 2에 있어서의 인버터(1B)의 냉각 구조에 있어서는, 실시예 1의 (1) 내지 (4)에 기재한 효과가 얻어진다. 또한, 실시예 2의 인버터(1B)의 냉각 구조에 있어서는, 하기 (7)의 효과를 얻을 수 있다.
(7) 확장 경로(92)는, 주 경로(91)의 일부를 확장한 제2 확장 경로(확장 경로(92))이다.
제2 확장 경로(확장 경로(92))에 보스부(12)를 배치함으로써, 보스부(12)를 바이패스하는 바이패스 경로(92c)가 형성된다.
이 때문에, (2) 내지 (4)의 효과에 추가하여, 보스부(12)에 의한 주류의 압력 손실의 삭감과, 고정 볼트(10) 주위의 분위기 온도의 상승 억제를 양립시킬 수 있다.
실시예 3
실시예 3은, 냉각기 커버에 확장 경로 홈을 형성하고, 확장 경로 홈과 냉각기 본체에 의해 확장 경로를 형성한 예이다.
우선, 구성을 설명한다.
실시예 3에 있어서의 냉각 구조는, 실시예 1과 마찬가지로, 주행용 구동원 등으로서 레인지 익스텐더 전기 자동차(전동 차량의 일례)에 탑재되는 모터 제너레이터의 인버터 장치(전력 변환 장치의 일례)에 적용한 것이다. 이하, 실시예 3의 구성을 「인버터의 냉각 구조」, 「냉각기의 상세 설명」으로 나누어 설명한다.
[인버터의 냉각 구조]
도 8은, 실시예 3에 있어서의 인버터의 냉각 구조의 단면도를 도시한다. 이하, 도 8에 기초하여, 실시예 3에 있어서의 인버터(1C)의 냉각 구조의 상세 구성을 설명한다.
냉각기 본체(51)에는, 암나사 구멍(13)이 형성되고, 보스부는 형성되어 있지 않다.
고정 볼트(10)는, 히트 스프레더(3c)의 외주부에 형성되는 관통 구멍으로부터 삽통되고, 암나사 구멍(13)에 체결된다.
또한, 「인버터(1C)의 냉각 구조」에 있어서의 다른 구성은, 실시예 1과 마찬가지이므로, 대응하는 구성에 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다.
[냉각기의 상세 설명]
도 9는, 실시예 3에 있어서의 냉각기 본체의 이면측의 사시도를 도시한다. 도 10은, 실시예 3에 있어서의 냉각기 커버의 표면측의 사시도를 도시한다. 이하, 도 8 내지 도 10에 기초하여, 실시예 3에 있어서의 냉각기의 상세 구성을 설명한다. 또한, 냉각기 커버의 표면측이란, 도 8에 있어서 파워 모듈(3)의 면측이다.
냉각기 본체(51)에는, 두 주 경로 홈(6)이 형성된다.
냉각기 커버(52)에는, 네 확장 경로 홈(7)이 형성된다. 확장 경로 홈(7)은, 네 확장 경로 홈(7) 중 내측에 배치된 두 내측 확장 경로 홈(73)과, 네 확장 경로 홈(7) 중 외측에 배치된 두 외측 확장 경로 홈(74)으로 구성된다. 각 확장 경로 홈(7)은, 도 10에 도시하는 바와 같이, X 방향에 있어서, 외측 확장 경로 홈(74), 내측 확장 경로 홈(73), 내측 확장 경로 홈(73), 외측 확장 경로 홈(74)의 순으로 배치된다.
도 9에 도시하는 바와 같이, 두 주 경로 홈(6)은 일부에서 연통된다. 즉, 두 주 경로 홈(6)으로 하나의 홈이 되도록 연통된다. 또한, 하나의 주 경로 홈(6)의 X 방향의 양측에는, 두 암나사 구멍이 배치된다.
한쪽 주 경로 홈(6)은, 냉각기(5)에 외부로부터 냉매를 유입시키는 냉매 유입로(도시하지 않음)와 연통된다(화살표 참조). 다른 쪽 주 경로 홈(6)은, 냉각기(5)로부터 외부로 냉매를 유출시키는 냉매 유출로(도시하지 않음)와 연통된다(화살표 참조).
또한, 주 경로 홈(6)에는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 복수(예를 들어 4개)의 핀(11)이 형성된다. 핀(11)은, 직사각형 형상이며, 주 경로 홈(6)의 Y 방향으로 연장되어 있다. 핀(11)은, 주 경로 홈(6)의 X 방향으로 등간격으로 배치된다. 또한, 핀(11)의 높이(Z 방향)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 주 경로 홈(6)의 높이보다 낮다.
도 10에 도시하는 바와 같이, 두 내측 확장 경로 홈(73)은 일부에서 연통된다. 즉, 두 내측 확장 경로 홈(73)으로 하나의 홈이 되도록 연통된다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 두 외측 확장 경로 홈(74)은 일부에서 연통된다. 즉, 두 외측 확장 경로 홈(74)으로 하나의 홈이 되도록 연통된다. 또한, 내측 확장 경로 홈(73)과 외측 확장 경로 홈(74)은 연통되어 있지 않다.
냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)를 조합하였을 때, 도 8에 도시하는 바와 같이, 두 주 경로 홈(6)과 네 확장 경로 홈(7)이 연통되고, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)의 사이에, 냉매 유로(9)가 형성된다. 즉, 냉매 유로(9)로서, 주 경로(91)와 확장 경로(92)가 형성된다.
주 경로(91)는, 주 경로 홈(6)과 냉각기 커버(52)에 의해 형성된다. 또한, 확장 경로(92)는, 내측 확장 경로(92d)와 외측 확장 경로(92e)에 의해 구성된다. 내측 확장 경로(92d)는, 내측 확장 경로 홈(73)과 냉각기 본체(51)에 의해 형성된다. 외측 확장 경로(92e)는, 외측 확장 경로 홈(74)과 냉각기 본체(51)에 의해 형성된다. 또한, 내측 확장 경로(92d)와 외측 확장 경로(92e)는, 주 경로(91)를 통하여 연통된다. 이 때문에, 냉매 유로(9)로서, 주 경로(91)와 내측 확장 경로(92d)와 외측 확장 경로(92e)를 갖는다.
주 경로(91)는, 파워 모듈(3)을 냉각기 본체(51)에 고정하였을 때, 파워 모듈(3)과 대향 배치된다. 또한, 확장 경로(92)는, 주 경로(91)로부터 고정 볼트(10)의 볼트 단부(10a)까지 유로를 확장시킨 경로이다.
이어서, 작용을 설명한다.
실시예 3의 상승 메커니즘은, 실시예 1과 마찬가지로, 「볼트 주위의 분위기 온도의 상승 메커니즘」을 나타낸다. 이 때문에, 도 8에 있어서 대응하는 구성에 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다. 또한, 이하에, 실시예 3의 인버터(1C)의 냉각 구조에 있어서의 작용을 「냉매의 흐름 작용」, 「인버터의 냉각 구조의 기본 작용」, 「인버터의 냉각 구조의 특징 작용」으로 나누어 설명한다.
[냉매의 흐름 작용]
이하, 냉매의 흐름에 대하여, 도 8 내지 도 10에 기초하여 냉매의 흐름을 설명한다. 또한, 도 9의 냉각기 본체(51)에 도 10의 냉각기 커버(52)가 설치된 것으로서 설명한다. 이 때문에, 도 9에 있어서 주 경로 홈(6)을 주 경로(91)로 하므로, 부호 뒤에 경로의 부호를 괄호쓰기로 표기한다. 또한, 도 10에 있어서, 내측 확장 경로 홈(73)을 내측 확장 경로(92d)로 하고, 외측 확장 경로 홈(74)을 외측 확장 경로(92e)로 하므로, 각 부호 뒤에 각 경로의 부호를 괄호쓰기로 표기한다.
냉매는, 외부로부터 냉매 유입로로 유입된다. 이어서, 냉매 유입로로부터 유입된 냉매는, 한쪽 주 경로(91)의 일단으로 유입된다(화살표 참조). 이때, 도 8의 화살표(130)로 나타내는 바와 같이, 냉매 유입로로부터 유입된 냉매는, 한쪽 주 경로(91)를 통하여, 한쪽 내측 확장 경로(92d)와 한쪽 외측 확장 경로(92e)로 유입된다.
이어서, 한쪽 주 경로(91)로 유입된 냉매는, 한쪽 주 경로(91)로부터 다른 쪽 주 경로(91)로 유입된다. 마찬가지로, 한쪽 내측 확장 경로(92d)로 유입된 냉매는, 한쪽 내측 확장 경로(92d)로부터 다른 쪽 내측 확장 경로(92d)로 유입된다. 또한, 한쪽 외측 확장 경로(92e)로 유입된 냉매는, 한쪽 외측 확장 경로(92e)로부터 다른 쪽 외측 확장 경로(92e)로 유입된다.
이때, 한쪽 주 경로(91)를 흐르는 냉매는, 핀(11)들의 사이를 흐른다. 이 때문에, 핀(11)에 의해, 반도체 소자(3a)가 발하는 열이 열교환에 의해 방열된다. 즉, 파워 모듈(3)이 냉각된다.
또한, 한쪽 내측 확장 경로(92d)와 한쪽 외측 확장 경로(92e)를 흐르는 냉매는, 볼트 단부(10a)의 하방을 흐른다. 이 때문에, 냉매에 의해 고정 볼트(10)의 볼트 단부(10a)이 냉각된다. 이에 의해, 고정 볼트(10)가 냉각된다.
다른 쪽 주 경로(91)와 다른 쪽 내측 확장 경로(92d)와 다른 쪽 외측 확장 경로(92e)로 유입된 냉매는, 다른 쪽 주 경로(91)로부터 냉매 유출로로 유출된다(화살표 참조). 바꾸어 말하면, 다른 쪽 내측 확장 경로(92d)와 다른 쪽 외측 확장 경로(92e)를 흐르는 냉매는, 다른 쪽 주 경로(91)를 통하여, 냉매 유출로로 유출된다. 즉, 냉매는 외부로 유출된다. 또한, 다른 쪽 주 경로(91)를 흐르는 냉매는, 한쪽 주 경로(91)를 흐르는 냉매와 마찬가지로, 핀(11)들의 사이를 흐른다. 또한, 다른 쪽 내측 확장 경로(92d)와 다른 쪽 외측 확장 경로(92e)를 흐르는 냉매는, 한쪽 내측 확장 경로(92d)와 한쪽 외측 확장 경로(92e)를 흐르는 냉매와 마찬가지로, 볼트 단부(10a)의 하방을 흐른다. 이 때문에, 상기와 마찬가지로, 냉매에 의해, 파워 모듈(3)이나 고정 볼트(10)가 냉각된다.
[인버터의 냉각 구조의 기본 작용]
실시예 3에서는, 실시예 1과 마찬가지로, 냉매 유로(9)로서, 파워 모듈(3)과 대향 배치되는 주 경로(91)와, 주 경로(91)로부터 고정 볼트(10)의 볼트 단부(10a)까지 유로를 확장시킨 확장 경로(92)를 갖는 인버터(1A)의 냉각 구조로 하였다. 이 결과, 고정 볼트(10) 주위의 분위기 온도의 상승이 억제된다.
실시예 3에서는, 냉각기 본체(51)에 주 경로 홈(6)이 형성되고, 냉각기 커버(52)에 주 경로 홈(6)과 연통되는 확장 경로 홈(7)이 형성된다. 그리고, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)를 조합하였을 때, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)의 사이에, 주 경로 홈(6)에 의해 주 경로(91)가 형성된다. 또한, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)를 조합하였을 때, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)의 사이에, 확장 경로 홈(7)에 의해 확장 경로(92)가 형성된다. 따라서, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)에 경로 홈(6, 7)을 형성하기만 하여, 용이하게 냉매 유로(9)로서의 주 경로(91)와 확장 경로(92)를 형성할 수 있다.
[인버터의 냉각 구조의 특징 작용]
실시예 3에서는, 냉각기 본체(51)에, 주 경로 홈(6)이 형성된다. 냉각기 커버(52)에, 확장 경로 홈(7)이 형성된다. 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)를 조합하였을 때, 주 경로 홈(6)과 확장 경로 홈(7)이 연통되고, 주 경로 홈(6)과 냉각기 커버(52)에 의해 주 경로(91)가 형성되고, 확장 경로 홈(7)과 냉각기 본체(51)에 의해 확장 경로(92)가 형성된다. 즉, 스페이스의 제약 등에 의해 냉각기 본체(51)의 판 두께(Z 방향의 두께, 높이 방향의 두께)가 얇아, 냉각기 본체(51)에 확장 경로 홈(7)을 형성할 수 없는 경우라도, 확장 경로 홈(7)을 냉각기 커버(52)에 형성할 수 있다. 이 때문에, 확장 경로(92)를 흐르는 냉매에 의해 고정 볼트(10)의 볼트 단부(10a)이 냉각되어, 고정 볼트(10)의 냉각 효율이 상승된다. 이 때문에, 고정 볼트(10)가 반도체 소자(3a)의 열을 수열해도, 고정 볼트(10)의 열의 상승이 억제된다. 또한, 냉각기(5) 전체의 Z 방향의 두께를, 실시예 1이나 실시예 2보다 낮출 수 있다. 따라서, 냉각기 본체(51)에 확장 경로 홈(7)을 형성할 수 없는 경우라도, 확장 경로 홈(7)을 냉각기 커버(52)에 형성함으로써, 고정 볼트(10) 주위의 분위기 온도의 상승이 억제된다.
더불어, 주 경로 홈(6)이 형성된 기존의 냉각기 본체(51)에, 확장 경로 홈(7)이 형성된 냉각기 커버(52)를 조합하기만 하여, 냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)의 사이에, 냉매 유로(9)로서의 주 경로(91)와 확장 경로(92)가 형성된다. 이 때문에, 기존의 냉각기 본체(51)를 사용할 수 있다.
이어서, 효과를 설명한다.
실시예 3에 있어서의 인버터(1C)의 냉각 구조에 있어서는, 실시예 1과 마찬가지로, 실시예 1의 (1) 및 (3)에 기재한 효과가 얻어진다. 또한, 실시예 3의 인버터(1C)의 냉각 구조에 있어서는, 하기 (8)의 효과를 얻을 수 있다.
(8) 냉각기 본체(51)에, 주 경로 홈(6)이 형성된다.
냉각기 커버(52)에, 확장 경로 홈(7)이 형성된다.
냉각기 본체(51)와 냉각기 커버(52)를 조합하였을 때, 주 경로 홈(6)과 확장 경로 홈(7)이 연통되고, 주 경로 홈(6)과 냉각기 커버(52)에 의해 주 경로(91)가 형성되고, 확장 경로 홈(7)과 냉각기 본체(51)에 의해 확장 경로(92)가 형성된다.
이 때문에, (1) 또는 (3)의 효과에 추가하여, 냉각기 본체(51)에 확장 경로 홈(7)을 형성할 수 없는 경우라도, 확장 경로 홈(7)을 냉각기 커버(52)에 형성함으로써, 고정 볼트(10) 주위의 분위기 온도의 상승을 억제할 수 있다.
이상, 본 개시의 전력 변환 장치의 냉각 구조를 실시예 1 내지 실시예 3에 기초하여 설명하였지만, 구체적인 구성에 대해서는, 이들 실시예에 한정되는 것은 아니며, 청구범위의 각 청구항에 관한 발명의 요지를 일탈하지 않는 한, 설계의 변경이나 추가 등은 허용된다.
실시예 1에서는, 냉각기 본체(51)에 격벽(8)을 형성하는 예를 나타내었다. 그러나, 격벽(8)은 없어도 된다. 이때, 확장 경로는, 주 경로의 전부를 X 방향으로 확장한 경로로 된다.
실시예 2에서는, 보스부(12)를 확장 경로 홈(7)의 측벽(7a)으로부터 이격시킨 위치에 배치하는 예를 나타내었다. 그러나, 보스부를 확장 경로 홈의 측벽과 접하는 위치에 배치해도 된다. 이때, 주 경로로부터 확장 경로로 유입되는 냉매는, 보스부의 주위를 흐른다. 따라서, 이와 같이 보스부를 배치해도, 실시예 2와 마찬가지로 고정 볼트가 냉각된다.
실시예 1 및 실시예 2에서는, 확장 경로 홈(7)에, 고정 볼트(10)가 체결되는 보스부(12)가 형성되는 예를 나타내었다. 그러나, 보스부를 형성하지 않고, 실시예 3과 같이, 냉각기 본체에, 암나사 구멍만을 형성해도 된다.
실시예 1 및 실시예 2에서는, 확장 경로 홈(7)의 높이(깊이)를, 주 경로 홈(6)의 높이(깊이)와 동일하게 하는 예를 나타내었다. 그러나, 확장 경로 홈(7)의 높이(깊이)를, 주 경로 홈(6)의 높이(깊이)보다 낮게 해도 된다. 바꾸어 말하면, 확장 경로 홈(7)은, 주 경로 홈(6)의 높이 방향(Z 방향)에 대하여 일부가 확장되어도 된다. 예를 들어, 본 개시의 인버터의 냉각 구조에 있어서의 변형예(인버터(1D))로서, 도 11 및 도 12에 도시하는 바와 같이, 각 확장 경로 홈(7)은 주 경로 홈(6)의 높이 방향에 대하여 일부가 확장되고, 또한 확장 경로 홈(7)에 보스부(12)가 형성되지 않은 구성으로 해도 된다. 이와 같이 구성해도, 실시예 1의 (1), (3) 및 (4)에 기재한 효과가 얻어진다. 더불어, 확장 경로 홈(7)은 주 경로 홈(6)의 높이 방향에 대하여 일부가 확장되어 있으므로, 확장 경로 홈(7)은 주 경로 홈(6)의 높이 방향에 대하여 전역이 확장되는 것보다, 냉매 유로(9)의 압력 손실을 저감할 수 있다. 또한, 다른 구성은, 실시예의 「인버터의 냉각 구조」와 마찬가지이므로, 도 11 및 도 12에 있어서 대응하는 구성에 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다.
실시예 1에서는, 보스부(12)의 에지를 필렛 형상으로 형성하는 예를 나타내었다. 그러나, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 보스부(200)의 형상은, 도 13a 및 도 13b에 도시하는 바와 같이, 확장 경로를 흐르는 냉매의 흐름 방향에 대하여, 냉매의 분류(화살표(201))와 합류(화살표(202))가 원활한 볼록부 형상이어도 된다. 즉, 확장 경로를 흐르는 냉매가 보스부에 충돌할 때, 보스부의 형상이 볼록부 형상이므로, 보스부의 형상이 볼록부 형상이 아닌 경우보다, 충돌하였을 때의 압력 손실을 저감할 수 있다. 따라서, 확장 경로(92)의 압력 손실을 저감할 수 있다.
또한, 예를 들어 도 14에 도시하는 바와 같이, 보스부(210)에 확장 경로를 흐르는 냉매의 흐름 방향으로 보스부용 핀(211)을 마련해도 된다. 이에 의해, 보스부에 대하여 흘러 온 냉매의 흐름을 안정시킬 수 있다. 또한, 보스부용 핀(211)에 의해, 고정 볼트가 발하는 열이 열교환에 의해 방열된다. 즉, 보스부용 핀(211)이 냉각 기능을 함으로써, 고정 볼트의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 고정 볼트 주위의 분위기 온도의 상승이 보다 억제된다.
또한, 실시예 2의 보스부(12)의 경우에는, 보스부(12)의 주위에, 확장 경로를 흐르는 냉매의 흐름 방향으로 보스부용 핀을 마련해도 된다. 이와 같이 구성해도, 상기와 마찬가지로, 보스부용 핀이 냉각 기능을 함으로써, 고정 볼트의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 고정 볼트 주위의 분위기 온도의 상승이 보다 억제된다.
실시예 1 내지 실시예 3에서는, 본 개시의 전력 변환 장치의 냉각 구조를, 파워 모듈(3)의 냉각 방식이 간접 냉각형(간접 수랭 구조)인 것에 대하여 적용하는 예를 나타내었다. 그러나, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 개시의 전력 변환 장치의 냉각 구조를, 직접 냉각형이나 냉각기 일체형에 대해서도 적용할 수 있다.
실시예 1 내지 실시예 3에서는, 본 개시의 전력 변환 장치의 냉각 구조를, 두 파워 모듈(3)에 대하여 적용하는 예를 나타내었다. 그러나, 본 개시의 전력 변환 장치의 냉각 구조를, 하나의 파워 모듈에 대해서도 적용할 수 있다.
실시예 1 내지 실시예 3에서는, 전력 변환기를 파워 모듈(3)로 하는 예를 나타내었다. 그러나, 전력 변환기로서는, 파워 모듈 이외에, 예를 들어 평활 콘덴서, 방전 저항 등 중, 하나나 둘 이상의 조합 부품으로 하는 예여도 된다.
실시예 1 내지 실시예 3에서는, 본 개시의 전력 변환 장치의 냉각 구조를, 모터 제너레이터의 교류/직류의 변환 장치로서 사용되는 인버터에 적용하는 예를 나타내었다. 그러나, 본 개시의 냉각 구조는, 전력 변환기를 사용하여, 전압ㆍ전류ㆍ주파수ㆍ위상ㆍ상수(相數)ㆍ파형 등의 전기 특성 중, 하나 이상을 실질적인 전력 손실을 억제하여 변환하는 인버터 이외의 여러 가지 전력 변환 장치에 대해서도 적용할 수 있다.

Claims (10)

  1. 전력 변환기와,
    냉매 유로가 형성된 냉각기와,
    상기 전력 변환기와 상기 냉매 유로가 대향 배치된 상태에서, 상기 전력 변환기를 상기 냉각기에 고정하는 고정 볼트를 갖고,
    상기 냉매 유로로서, 상기 전력 변환기와 대향 배치되는 주 경로와, 상기 주 경로로부터 상기 고정 볼트의 볼트 단부까지 유로를 확장시킨 확장 경로를 갖는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 냉각 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각기에는, 상기 고정 볼트가 체결되는 보스부가 형성되고,
    상기 보스부는, 상기 확장 경로에 배치되는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 냉각 구조.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉각기는, 냉각기 본체와 냉각기 커버로 구성되고,
    상기 냉각기 본체와 상기 냉각기 커버 중 적어도 한쪽에, 주 경로 홈과, 확장 경로 홈이 형성되고,
    상기 냉각기 본체와 상기 냉각기 커버를 조합하였을 때, 상기 냉각기 본체와 상기 냉각기 커버의 사이에, 상기 주 경로 홈에 의해 상기 주 경로가 형성되고, 상기 확장 경로 홈에 의해 상기 확장 경로가 형성되는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 냉각 구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 냉각기 본체에, 상기 주 경로 홈과, 상기 주 경로 홈과 연통되는 상기 확장 경로 홈이 형성되고,
    상기 냉각기 본체와 상기 냉각기 커버를 조합하였을 때, 상기 주 경로 홈과 상기 냉각기 커버에 의해 상기 주 경로가 형성되고, 상기 확장 경로 홈과 상기 냉각기 커버에 의해 상기 확장 경로가 형성되는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 냉각 구조.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 냉각기 본체에, 상기 주 경로 홈이 형성되고,
    상기 냉각기 커버에, 상기 확장 경로 홈이 형성되고,
    상기 냉각기 본체와 상기 냉각기 커버를 조합하였을 때, 상기 주 경로 홈과 상기 확장 경로 홈이 연통되고, 상기 주 경로 홈과 상기 냉각기 커버에 의해 상기 주 경로가 형성되고, 상기 확장 경로 홈과 상기 냉각기 본체에 의해 상기 확장 경로가 형성되는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 냉각 구조.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주 경로와 상기 확장 경로는, 격벽을 사이에 두고, 인접하는 위치에 배치되고,
    상기 확장 경로는, 상기 냉매 유로를 흐르는 냉매를 상기 주 경로로 유입시키는 유입측과, 상기 냉매가 상기 주 경로로부터 유출되는 유출측으로 확장된 제1 확장 경로인
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 냉각 구조.
  7. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확장 경로는, 상기 주 경로의 일부를 확장한 제2 확장 경로이고,
    상기 제2 확장 경로에 상기 보스부를 배치함으로써, 상기 보스부를 바이패스하는 바이패스 경로가 형성되는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 냉각 구조.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보스부의 에지가 필렛 형상으로 형성되는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 냉각 구조.
  9. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보스부의 형상은, 상기 확장 경로를 흐르는 냉매의 흐름 방향에 대하여, 상기 냉매의 분류와 합류가 원활한 볼록부 형상인
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 냉각 구조.
  10. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보스부에는, 상기 확장 경로를 흐르는 냉매의 흐름 방향으로, 핀이 마련되는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 냉각 구조.
KR1020197032981A 2017-05-08 2017-05-08 전력 변환 장치의 냉각 구조 KR102259600B1 (ko)

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