KR20230090747A - 파워모듈용 양면 냉각장치 - Google Patents

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박형준
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현대자동차주식회사
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Abstract

파워모듈의 스위칭소자가 실장되는 제1면에 접하도록 마련되며 내부에 냉각유체가 흐르는 제1냉각모듈; 및 튜브가 마련된 제2냉각모듈;을 포함하고, 제1냉각모듈은 제1방향으로 연장된 복수의 가이드벽을 통해 복수의 냉각채널을 형성하는 매니폴드 커버 및 제1방향과 교차되는 제2방향으로 연장된 복수의 핀이 구비된 핀 플레이트를 포함하고, 냉각채널의 일부 구간에는 막음부가 형성되어 제1냉각모듈의 냉각유체가 측방향 흐름과 상하방향 흐름이 혼합된 형태로 흐를 수 있는 파워모듈용 양면 냉각장치가 소개된다.

Description

파워모듈용 양면 냉각장치 {COOLING APPARATUS FOR BOTH SIDES OF POWER MODULE}
본 발명은 냉각유체를 이용하여 파워모듈의 양면을 모두 냉각하는 파워모듈용 양면 냉각장치에 관한 것이다.
파워모듈은 전기차 등에 적용되어 고전압과 대전류를 컨트롤한다. 그에 따라 발열량이 매우 많아 성능과 내구성의 유지를 위해 적절한 냉각이 필요하다. 이를 위해 냉각유체를 통하여 파워모듈을 냉각하거나 또는 파워모듈의 폐열을 차량의 난방 등에 활용한다.
종래의 경우 이러한 파워모듈의 냉각을 위해 파워모듈의 일측면에 냉각장치를 연결하고, 냉각장치에 냉각유체를 유통시킴이 일반적이었다. 그러나 종래의 냉각장치의 경우 일반적으로 사용되는 단순한 튜브구조 또는 핀 구조를 적용함으로써 냉각 효율이 높지 못한 문제가 있었다.
전기차 등의 냉각효율은 차량의 전체적인 에너지 효율과 밀접한 관련이 있고, 파워모듈의 내구성이나 성능유지 등에도 큰 영향을 미치는바, 새로운 냉각구조를 통하여 파워모듈 냉각의 효율성을 높일 필요가 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 실시예들의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 도출 과정에서 습득한 기술정보로서, 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐이다. 따라서, 배경기술은 반드시 본 발명의 실시예들의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술 또는 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2020-0092926 A
본 발명은 냉각모듈의 냉각불균형 및 그로 인한 파워모듈의 내구성 저하를 개선하기 위한 파워모듈용 냉각장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치는, 파워모듈의 스위칭소자가 실장되는 제1면에 접하도록 마련되며 내부에 냉각유체가 흐르는 제1냉각모듈; 및 파워모듈의 제1면의 반대측인 제2면에 접하도록 마련되고, 내부에 냉각유체가 흐르는 튜브가 마련된 제2냉각모듈;을 포함하고, 제1냉각모듈은 제1방향으로 연장된 복수의 가이드벽을 통해 복수의 냉각채널을 형성하는 매니폴드 커버 및 제1방향과 교차되는 제2방향으로 연장된 복수의 핀이 구비된 핀 플레이트를 포함하고, 냉각채널의 일부 구간에는 막음부가 형성되어 제1냉각모듈의 냉각유체가 측방향 흐름과 상하방향 흐름이 혼합된 형태로 흐를 수 있다.
매니폴드 커버의 냉각채널은 제1채널과 제2채널로 구성되고, 제1채널은 일단이 차단되고 제2채널은 타단이 차단되며, 핀 플레이트는 일면이 파워모듈과 접하고 타면에 복수의 핀이 형성되되 핀이 가이드벽을 마주하도록 매니폴드 커버와 결합됨으로써 제1채널로 유입된 냉각유체가 제2방향으로 유동한 후 제2채널을 통해 유출될 수 있다.
제2냉각모듈에는 튜브를 둘러싸는 가압커버가 마련되고, 가압커버는 튜브를 파워모듈의 제2면측으로 균일하게 가압할 수 있다.
가압커버에는 이격된 복수의 제1개구부가 형성되고, 매니폴드 커버에는 제1개구부에 대응되는 위치로 복수의 제2개구부가 형성되며, 가압커버와 매니폴드 커버의 제1개구부와 제2개구부가 상호 체결됨으로써 제1냉각모듈, 파워모듈 및 제2냉각모듈의 가압 접촉 결합을 형성할 수 있다.
제1개구부는 가압커버의 테두리를 따라 등간격으로 형성되며, 제2개구부는 제1개구부에 대응되는 위치에 형성됨으로써, 제1냉각모듈, 파워모듈 및 제2냉각모듈 상호간에 작용하는 면압이 균등할 수 있다.
매니폴드 커버의 제1채널에는 출구측이 차단되도록 제1채널을 구획하는 양측 가이드벽의 일단을 연결하는 제1막음부가 형성되고, 매니폴드 커버의 제2채널에는 입구측이 차단되도록 제2채널을 구획하는 양측 가이드벽의 타단을 연결하는 제2막음부가 형성될 수 있다.
매니폴드 커버의 가이드벽이 이루는 제1방향과 핀 플레이트의 핀이 이루는 제2방향의 교차각은 80도 내지 100도일 수 있다.
매니폴드 커버의 가이드벽이 이루는 제1방향과 핀 플레이트의 핀이 이루는 제2방향은 수직으로 교차될 수 있다.
제1냉각모듈은 제2냉각모듈보다 강성이 높을 수 있다.
제2냉각모듈은 제1냉각모듈보다 연질인 재질로 형성될 수 있다.
튜브는 복수의 개구부 및 개구부와 인접한 개구부 사이에 마련되고 냉각유체가 제1방향으로 흐르도록 제1방향으로 연장된 분리벽을 포함할 수 있다.
제1냉각모듈과 제2냉각모듈의 사이에는 복수의 파워모듈이 이격되어 배치됨으로써 복수의 파워모듈이 제1냉각모듈과 제2냉각모듈을 공유하고, 제1냉각모듈에는 각각의 파워모듈에 대응되도록 복수의 채널그룹이 형성될 수 있다.
각각의 채널그룹에는 제1채널과 제2채널이 구비되고, 제1채널에는 출구측이 차단되도록 제1채널을 구획하는 양측 가이드벽의 일단을 연결하는 제1막음부가 형성되며, 제2채널에는 입구측이 차단되도록 제2채널을 구획하는 양측 가이드벽의 타단을 연결하는 제2막음부가 형성될 수 있다.
일측 채널그룹의 제1채널은 제1막음부가 인접하는 타측 채널그룹의 제2채널의 제2막음부와 연결되고, 일측 채널그룹의 제2채널은 출구측이 인접하는 타측 채널그룹의 제1채널의 입구측과 연결될 수 있다.
본 발명의 파워모듈용 양면 냉각장치에 따르면, 본 발명의 파워모듈용 양면 냉각장치는 발열모듈로서 상하부에 비대칭적인 발열량을 갖는 파워모듈 및 파워모듈과 결합되는 부분에 응력이 집중되는 냉각모듈의 특성을 고려하여 고발열부에 제트충돌 냉각 효과를 적용함으로써 높은 냉각성능을 확보함과 동시에 파워모듈과 냉각기 사이의 접촉 압력을 고르게 분포시킴으로써 냉각모듈의 냉각불균형 및 파워모듈의 파괴(Fracture)를 방지한다.
상기된 바와 같은 기술적 효과들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 효과가 도출될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 파워모듈용 양면 냉각장치의 분해 사시도.
도 3 내지 4는 도 1에 도시된 파워모듈용 양면 냉각장치의 제1냉각모듈의 메커니즘을 나타낸 도면.
도 5 내지 6은 도 1에 도시된 파워모듈용 양면 냉각장치의 제1냉각모듈의 핀 플레이트 및 매니폴드 커버를 나타낸 도면.
도 7 내지 8은 도 1에 도시된 파워모듈용 양면 냉각장치의 제2냉각모듈을 나타낸 도면.
도 9는 도 1에 도시된 파워모듈용 양면 냉각장치의 파워모듈을 나타낸 도면.
도 10은 도 1에 도시된 파워모듈용 양면 냉각장치의 조립 방식을 나타낸 도면.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 또한, 단수의 표현은 명백하게 다르게 정의되지 않는한 복수개의 표현을 포함한다. 또한, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 배제하는 것은 아니다. 또한, 도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들의 크기, 두께 등은 과장 또는 축소될 수 있다. 그리고 '방향'의 표현은 명백하게 한쪽 방향으로 정의되지 않는한 방향이 연장되는 선의 양쪽 방향을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 파워모듈용 양면 냉각장치의 분해 사시도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치는, 스위칭 소자(SC)가 마련되는 제1면(HF) 및 제1면과 대향하는 제2면(LF)을 포함하는 파워모듈(E); 파워모듈을 냉각시키도록 파워모듈의 제1면(HF)에 접하여 마련되는 제1냉각모듈(P'); 및 파워모듈을 냉각시키도록 파워모듈의 제2면(LF)에 접하여 마련되고, 내부에 냉각유체가 흐르는 튜브(T)가 구비되는 제2냉각모듈(T')을 포함한다.
한편, 제1냉각모듈(P')은, 입구부로부터 출구부로 냉각유체가 제1방향으로 흐르도록 제1방향으로 연장되어 복수의 냉각채널을 구획하는 복수의 가이드벽(S); 구획된 복수의 냉각 채널 중 출구부 측이 차단되는 제1채널(C1); 및 입구부 측이 차단되는 제2채널(C2)을 포함하는 매니폴드 커버(M); 및 일면이 파워모듈(E)과 접하고, 입구부로부터 제1채널(C1)로 유입된 냉각유체가 제1방향과 교차되는 제2방향으로 유동한 후 상기 제2채널(C2)을 통해 출구부로 흐르도록, 타면 상에 제2방향으로 연장되는 복수의 핀(PP)이 형성되는 핀 플레이트(P);를 포함할 수 있다. 여기서 제2냉각모듈(T')은 튜브를 포함하는 튜브 냉각기로 이하 통칭한다.
또한, 도 1 내지 2에 도시된 바와 같이, 핀 플레이트(P)는 플레이트의 일면이 파워모듈(E)에 접하고 타면상에 복수의 핀(PP)이 형성된다. 매니폴드 커버(M)는 출구부측이 차단되는 제1채널(C1) 및 입구부측이 차단되는 제2채널(C2)을 포함한다. 파워모듈(E)은 매니폴드 커버(M) 및 핀 플레이트(P)를 포함하는 제1냉각모듈(P')이 파워모듈(E)의 일면에 접하도록 하여 냉각된다.
또한, 도 1 내지 2에 도시된 바와 같이, 제2냉각모듈(T')은 튜브(T)를 둘러싸는 가압커버(C)를 더 포함하고, 가압커버(C)는 튜브(T)가 파워모듈(E)의 제2면(LF)에 접하는 면과 대향하는 튜브(T)의 면에 균일한 압력이 가해지도록 튜브(T)의 면 방향으로 돌출되는 돌출면을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치는 가압커버(C)에 포함된 돌출면이 튜브(T)의 면 방향으로 돌출되어 파워모듈(E)의 면 전체에 균일한 응력이 가해지도록 한다. 그리고, 가압커버(C)는 튜브(T)가 파워모듈(E)의 제2면(LF)에 접하는 면과 대향하는 튜브(T)의 면에 균일한 압력이 가해지도록 튜브(T)의 면 방향으로 돌출되는 돌출면을 포함할 수 있다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 가압커버(C)는 나사의 나사머리(head) 또는 나사의 단부(chamfer)가 삽입될 수 있도록 하는 제1개구부(B)를 더 포함하고, 매니폴드 커버(M)는 나사의 몸통(shank)이 삽입될 수 있도록 하는 제2개구부(N)를 더 포함할 수 있다. 또한, 매니폴드 커버(M)의 제2개구부(N)는 가압커버(C)의 제1개구부(B)와 볼트 결합(bolted joint)될 수 있다. 또한, 볼트 결합이 아닌 스크류 결합(screw joint)로서 나사산 형태의 제2개구부가 포함된 모재(base material)가 포함와 나사가 결합될 수 있다. 또한, 볼트 결합이 아닌 스터드 결합(stud joint)로서 제1개구부(B) 및 제2개구부(N) 모두에 나사산이 구비되어 나사가 결합될 수 있다. 이러한 구조를 통해 각각의 부분별로 체결력을 튜닝할 수 있어, 결과적으로 복수의 파워모듈에 균등한 면압이 작용할 수 있도록 한다.
즉, 가압커버(C)에는 이격된 복수의 제1개구부(B)가 형성되고, 매니폴드 커버(M)에는 제1개구부(B)에 대응되는 위치로 복수의 제2개구부(N)가 형성되며, 가압커버(C)와 매니폴드 커버(M)의 제1개구부(B)와 제2개구부(N)가 상호 체결됨으로써 제1냉각모듈(P'), 파워모듈(E) 및 제2냉각모듈(T')의 가압 접촉 결합을 형성할 수 있다. 그리고 제1개구부(B)는 가압커버(C)의 테두리를 따라 등간격으로 형성되며, 제2개구부(N)는 제1개구부(B)에 대응되는 위치에 형성됨으로써, 제1냉각모듈(P'), 파워모듈(E) 및 제2냉각모듈(T') 상호간에 작용하는 면압이 균등할 수 있다.
또한 도 2에 도시된 바와 같이, 스위칭 소자(SC)가 마련된 파워모듈의 제1면(HF)에 접하는 제1냉각모듈(P')은 매니폴드 커버(M) 및 핀 플레이트(P)를 포함하고, 파워모듈(E)의 제2면(LF)에 접하는 제2냉각모듈(T')은 튜브 냉각기(T) 및 가압커버(C)를 포함한다.
도 10의 스위칭 소자(SC)는 발열 소자로, 제1면(HF)은 제2면(LF) 보다 상대적으로 발열류(heat flux)에 따른 열전달을 많이 받는다. 따라서, 제1면(HF)과 제2면(LF)에 동일한 냉각모듈을 접하게 하는 경우 불균등한 냉각이 발생될 수 있다. 이에 따라 양면의 열팽창이 상이하게 발생되고, 이에 따른 열응력으로 인한 피로 누적이 불가피하다. 여기서 스위칭 소자는 모터의 구동에 필요한 전력을 온오프하는 것으로, BJT, SCR(Silicon Controlled Rectifier), TRIAC, UJT(Unijunction Transistor), PUT(Programmable Unijuunction Transister), JFET(Junction Field Effect Transistor), GTO(Gate Turn Off Thyrister), MCT(MOS Controlled Thyrister), IEGT(Injection-Enhanced Gate Transistor), IGBT(Integrated Gate Bipolar Transistor) IGCT(Integrated Gate Commutated Thyrister) MOSFET, IPD(Intelligent Power Device: 반도체 스위치), 및 다이오드 소자 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치는, 제트충돌 냉각(jet impingement cooling)과 같이 고온의 벽면에 냉각유체를 직접 분사시켜 열을 제거하는 방식으로 국소적으로 높은 열전달 효과를 얻을 수 있는 냉각방식을 제1면(HF)에 채택하고, 상대적으로 열전달을 적게 받는 제2면(LF)에는 이러한 냉각방식을 차용하지 않는 방식으로서 상호 면간 냉각 불균형을 해소하도록 한다. 냉각 불균형의 해소를 통해 전체적인 냉각장치와 파워모듈의 변형을 방지할 수 있어 파워모듈의 내구성과 성능 유지에도 큰 효과가 있다.
도 3 내지 4는 도 1에 도시된 파워모듈용 양면 냉각장치의 제1냉각모듈의 메커니즘을 나타낸 도면이다. 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치에서 제1냉각모듈(P')의 유체는 매니폴드 커버(M)의 제1채널(C1)에서 제1방향으로 연장되어 가이드벽(S)에 의해 입구부로부터 출구부로 제1방향으로 흐르도록 유도된다. 그리고, 출구부측이 제1막음부(B1)에 의해 차단되어 통과하지 못한 냉각유체는 제1방향과 교차되는 방향인 제2방향으로 핀플레이트(P)의 핀(PP)을 통해 유동한 후 제1채널(C1)과 인접한 제2채널(C2)로 유도된다. 이 과정에서 측방향의 유동과 상하방향의 유동이 섞이며 난류가 발생된다. 그리고 냉각유체는 입구부측이 제2막음부(B2)에 의해 차단되는 제2채널(C2) 및 제1방향으로 연장된 가이드벽(S)에 의해 다시 제1방향으로 흐르도록 유도되며 제트충돌 냉각 효과를 구현하게 된다.
한편, 핀 플레이트(P)의 핀(PP)이 연장된 제2방향은 가이드벽(S)이 연장되는 제1방향과 수직할 수 있다. 즉, 매니폴드 커버(M)에 포함된 제1채널(C1)은 가이드벽(S)이 연장되는 방향에 따라 유동되면서 수직인 핀(PP)을 거쳐 제트 충돌 냉각 효과가 구현될 수 있도록 한다.
구체적으로, 가이드벽(S)은 입구부와 출구부로 냉각유체가 제1방향으로 흐르드록 가이드한다. 그 다음으로, 냉각유체가 제1방향으로 흐르는 제1채널(C1)은 출구부측이 제1막음부(B1)에 의해 차단되도록 구성된다. 차단되어 넘치는 냉각유체는 제1방향과 교차되는 제2방향으로 연장된 복수의 핀(PP)을 타고 가이드벽(S)의 상방 또는 하방을 거쳐 제2채널(C2)로 유동한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치는, 제2채널로 유동하는 과정에서 흐름방향의 수직방향의 속도성분인 난류가 발생된다. 이후, 제2채널(C2)은 반대로 입구부측이 제2막음부(B2)에 의해 차단되도록 구성되어 제2채널(C2)로 유동하는 냉각유체는 출구부측으로 유동된다. 한편, 도 4에서는 제1막음부(B1) 및 제2막음부(B2)를 각각 돌출된 형태로 개시했으나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예는 파워모듈을 냉각하기 위하여 냉각유체를 활용하는 장치이다. 이러한 파워모듈의 냉각을 위해 본 발명의 일 실시예는 제1냉각모듈(P')에 제트충돌냉각(impingement jet cooling) 효과를 적용하고자 한다. 여기서 제트충돌 냉각은 고온의 벽면에 냉각유체를 직접 분사시켜 열을 제거하는 방식으로 국소적으로 높은 열전달 효과를 얻을 수 있는 냉각방식이다. 이러한 제트냉각방식 효과를 적극적으로 구현하기 위해서는 층류 유동(laminar flow)보다는 난류 유동(turbulent flow)를 활용할 필요가 있다. 여기서 난류는 흐름 방향의 수직 방향으로 속도 성분이 있는 흐름, 즉 흐름 방향이 아닌 상하좌우의 3D의 와도(vorticity)로 불규칙적이고 확산성이 있는 흐름을 의미한다. 물체 주변에 난류가 생기면 냉각 면적 및 냉각유체 혼합이 더 커지게 되고, 이에 따라 냉각효율이 높아질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치는 이러한 제트충돌냉각 효과를 더욱 높이기 위하여 난류 유동을 일으키기 위하여 핀 플레이트의 핀(PP)이 연장되는 제2방향과 매니폴드 커버(M)의 가이드벽으로 흐르는 제1방향을 교차시킨다. 이는 마치 골프공의 곰보자국이나 상어의 우둘투둘한 피부와 같이 단순히 핀 플레이트를 층류로서 지나가게 하는 것이상으로 난류를 발생시킨다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈의 냉각장치의 냉각성능을 향상시키고, 특히 발열량이 높은 파워모듈의 제1면에 제트충돌냉각이 구현되는 제1냉각모듈을 결합시키고, 발열량이 적은 제2면에는 일반적인 튜브형으로써 층류 유동을 갖는 제2냉각모듈을 적용하여 파워모듈 양측의 열적 불균형을 해소하는 것이다.
도 5 내지 6은 도 1에 도시된 파워모듈용 양면 냉각장치의 제1냉각모듈의 핀 플레이트 및 매니폴드 커버를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 핀 플레이트(P)의 핀(PP)은 음각으로서 이격된 간격으로 교대로(alternately) 형성되어 제3방향으로 파여진 홈(groove)으로 형성될 수 있다. 다른 한편, 도 5에 도시된 핀 플레이트(P)와 달리, 핀 플레이트의 핀(PP)은 양각으로서 이격된 간격으로 교대로(alternately) 형성되어 제2방향으로 연장된 핀을 포함한다. 즉, 핀은 비늘(Fin)과 같이 구성된 핀핀(Fin pin) 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치의 제1냉각모듈의 핀이 연장된 제2방향과 제1방향이 교차되는 교차각은 80도 내지 100도일 수 있다. 즉, 핀(PP)이 연장된 방향과 매니폴드 커버의 냉각유체의 유동방향이 반드시 90도일 필요는 없고, 핀(PP)의 방향을 약간 기울이는 등의 다른 실시예도 구현될 수 있다.
그리고, 제1냉각모듈의 핀이 연장된 제2방향은 가이드벽이 연장되는 방향과 수직할 수 있다 또한, 핀이 형성된 일부분 또는 전체 형상은 핀이 돌출된 방향과 수직인 핀의 제1단면의 크기가 돌출된 방향으로 갈수록 감소되도록 형성될 수 있다. 그리고, 핀이 형성된 일부분 또는 전체 형상은 핀이 돌출된 방향과 나란한 핀의 제2단면의 모양이 직각삼각형 또는 이등변삼각형 또는 반원형 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 그리고, 핀은 소정의 간격으로 이격되어 교대로 형성될 수도 있고, 소정의 간격 없이 반복되어 형성될 수 있다. 이와 같이, 핀의 형상이나 핀이 위치된 배열, 핀과 플레이트가 결합되는 핀 플레이트(P)의 구조는 매니폴드 커버(M) 와 매칭되는 선에서 이에 한정되지 않는다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치의 제1냉각모듈의 매니폴드 커버를 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 매니폴드 커버의 제1채널(C1) 및 제2채널(C2)의 냉각유체는 발열모듈의 제1면(HF)을 모두 지난 지점으로서 출구부측과 인접한 곳에서 모일 수 있다. 이후, 해당 냉각유체는 출구부측이 차단되는 제1채널(C1) 및 제1방향으로 연장된 가이드벽에 의해 제1방향으로 흐르도록 유도되고, 위와 같은 과정을 반복하면서 냉각유체가 흐르는 면과 접하는 발열모듈을 냉각시킨다.
그리고, 제1냉각모듈과 제2냉각모듈의 사이에는 복수의 파워모듈이 이격되어 배치됨으로써 복수의 파워모듈이 제1냉각모듈과 제2냉각모듈을 공유하고, 제1냉각모듈에는 각각의 파워모듈에 대응되도록 복수의 채널그룹(G)이 형성될 수 있다.
각각의 채널그룹(G)에는 제1채널(C1)과 제2채널(C2)이 구비되고, 제1채널에는 출구측이 차단되도록 제1채널을 구획하는 양측 가이드벽의 일단을 연결하는 제1막음부(B1)가 형성되며, 제2채널에는 입구측이 차단되도록 제2채널을 구획하는 양측 가이드벽의 타단을 연결하는 제2막음부(B2)가 형성될 수 있다.
그리고 일측 채널그룹(G)의 제1채널(C1)은 제1막음부(B1)가 인접하는 타측 채널그룹의 제2채널(C2)의 제2막음부(B2)와 연결되고, 일측 채널그룹의 제2채널(C2)은 출구측이 인접하는 타측 채널그룹의 제1채널(C1)의 입구측과 연결되도록 함으로써 복수의 채널그룹이 직렬로 연결되며 연속하여 제트충돌 냉각효과가 구현되도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치의 제2냉각모듈을 나타낸 도면이고, 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치에서 튜브 냉각기(T)는 복수의 마이크로 채널을 형성하여 파워모듈과 접한 제2면(LF)을 냉각시킨다. 한편, 튜브 냉각기(T)의 튜브는 일자형으로써 난류가 아닌 층류 냉각을 수행하며, 알루미늄 재질일 수 있다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치의 튜브의 단면을 나타낸 도면이다. 튜브 냉각기(T)의 튜브는 입구부로부터 출구부로 흐르는 냉각유체가 각각의 냉각채널로 구획되도록 하는 복수의 개구부 및 개구부와 인접한 개구부 사이에 마련되고 입구부로부터 출구부로 냉각유체가 제1 방향으로 흐르도록 제1 방향으로 연장되는 분리벽을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치는 튜브 냉각기(T)의 분리벽에 의해 냉각유체가 구획되어 각각의 마이크로 채널을 형성하도록 한다. 마이크로 채널은 층류 운동(laminar flow)으로 냉각유체를 제2 면과 접하는 면상에 흐르도록 한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 튜브 냉각기(T)는 파워모듈의 제2면(LF)과 밀착된다. 튜브의 단면을 통한 층류 운동에 기한 제트 충돌 효과는 난류 운동에 기한 제트 충돌 효과를 일으키는 제1냉각모듈보다는 냉각성능이 떨어지나, 비교적 압력손실이 적고 균일한 냉각 성능을 얻을 수 있다. 그리고, 제1냉각모듈을 흐르는 냉각유체가 일부 열을 흡수한 상태로 튜브 냉각기(T)로 유동되므로, 냉각유체가 냉각성능이 비교적 낮은 튜브 냉각기(T)를 통과함으로써 파워모듈의 제1면 및 제2면이 균일하게 냉각될 수 있도록 한다.
도 9는 돌출면은 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치의 조립시 가압커버의 돌출면이 튜브 냉각기를 가압함으로써 파워모듈과 냉각기 사이의 접촉 압력을 고르게 분포시키는 가압 메커니즘을 나타낸 도면이다. 가압커버(C)는 튜브(T)가 파워모듈의 제2면(LF)에 접하는 면과 대향하는 튜브(T)의 면에 균일한 압력이 가해지도록 튜브(T)의 면 방향으로 돌출되는 돌출면을 포함할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제1냉각모듈에 구비된 매니폴드 커버(M) 및 핀 플레이트(P)의 결합체와 제2냉각모듈의 튜브 냉각기(T)는 각각 파워모듈의 제1면과 제2면이 접하도록 형성되어 냉각기능을 수행한다. 이 때, 각 냉각모듈은 파워모듈과 볼트 결합될 수 있다. 볼트 결합 등 결합부위에는 응력이 집중될 수 있다. 응력이 집중된 부위와 그렇지 않은 부위 간에는 냉각 불균형이 발생될 수 있다. 이러한 응력불균형을 해소하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치는 가압커버(C)를 튜브와 결합하도록 한다. 특히, 가압커버에 구비된 돌출면(PR)이 파워모듈의 제2면과 대향하고 돌출되어 파워모듈, 그리고 제1냉각모듈과 결합될 시 압력을 가하도록 한다. 이에 따라, 결합 부위 외의 부위에도 압력을 가하여 제1면과 제2면 사이에 응력이 균등하게 분배되도록 한다. 결국, 미세하게 변형된 돌출면과 결합한 제2냉각모듈은 응력 불균형을 해소하고, 이에 따른 냉각 불균형을 해소한다.
이를 위하여 튜브 냉각기(T)의 튜브의 강성(stiffness)는 핀 플레이트의 강성에 비해 작을 수 있다. 그리고, 튜브 냉각기의 튜브는 금속, 플라스틱, 금속 및 플라스틱의 혼합일 수 있으며, 알루미늄일 수 있다. 즉, 연질의 재질을 사용할 수 있다. 이를 통해 저발열부에서 열적 변형이 좀 더 커지도록 함으로써 결과적으로 고발열부와 물리적인 변형의 양을 균등하게 하여 파워코듈에 가해지는 면압의 불균형을 해소하도록 하는 것이다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 돌출면(PR)이 형성된 부위는 단차가 형성된다. 이에 따라, 층류 유동하는 튜브 냉각기(T)의 튜브에 흐르는 냉각유체에서 제2면과 접속되지 않은 유체가 혼합되도록 할 수 있다. 이에 따라, 튜브 냉각기(T)의 냉각 성능이 향상될 수 있다.
또한, 도 9에 도시된 제2냉각모듈에 포함된 핀 플레이트(P)는 일정한 높이 이상을 요구하므로 부피 및 중량이 가중될 수 있다. 그러나, 이를 제1면과만 접하게 하고, 제2면에는 튜브 냉각기(T)와 접하도록 함으로써 제2면에는 제1냉각모듈보다 구조적으로 간단하고 따라서 적은 부피 및 적은 중량으로 설계할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치는 패키지 측면에서 더욱 유리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈용 양면 냉각장치는 상하부에 비대칭적인 발열량을 갖는 파워모듈의 특성을 고려하여 고발열부인 제1면에 제트충돌 냉각 효과를 적용함으로써 높은 냉각성능을 확보한다. 이와 동시에, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치는 및 파워모듈과 결합되는 부분에 응력이 집중되는 냉각모듈의 특성을 고려하여 파워모듈과 냉각기 사이의 접촉 압력을 고르게 분포시킴으로써 냉각모듈의 냉각불균형 및 파워모듈의 파괴(Fracture)를 방지하도록 하는 파워모듈용 양면 냉각장치에 관한 것이다.
발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
S : 가이드벽
M : 매니폴드 커버
E : 발열모듈
P: 핀 플레이트
T: 튜브 냉각기
C: 가압커버
B: 제1개구부
N: 제2개구부
C1: 입구부
C2: 출구부

Claims (14)

  1. 파워모듈의 스위칭소자가 실장되는 제1면에 접하도록 마련되며 내부에 냉각유체가 흐르는 제1냉각모듈; 및
    파워모듈의 제1면의 반대측인 제2면에 접하도록 마련되고, 내부에 냉각유체가 흐르는 튜브가 마련된 제2냉각모듈;을 포함하고,
    제1냉각모듈은 제1방향으로 연장된 복수의 가이드벽을 통해 복수의 냉각채널을 형성하는 매니폴드 커버 및 제1방향과 교차되는 제2방향으로 연장된 복수의 핀이 구비된 핀 플레이트를 포함하고, 냉각채널의 일부 구간에는 막음부가 형성되어 제1냉각모듈의 냉각유체가 측방향 흐름과 상하방향 흐름이 혼합된 형태로 흐르는 것을 특징으로 하는 파워모듈용 양면 냉각장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    매니폴드 커버의 냉각채널은 제1채널과 제2채널로 구성되고, 제1채널은 일단이 차단되고 제2채널은 타단이 차단되며, 핀 플레이트는 일면이 파워모듈과 접하고 타면에 복수의 핀이 형성되되 핀이 가이드벽을 마주하도록 매니폴드 커버와 결합됨으로써 제1채널로 유입된 냉각유체가 제2방향으로 유동한 후 제2채널을 통해 유출되는 것을 특징으로 하는 파워모듈용 냉각장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제2냉각모듈에는 튜브를 둘러싸는 가압커버가 마련되고, 가압커버는 튜브를 파워모듈의 제2면측으로 균일하게 가압하는 것을 특징으로 하는 파워모듈용 양면 냉각장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    가압커버에는 이격된 복수의 제1개구부가 형성되고, 매니폴드 커버에는 제1개구부에 대응되는 위치로 복수의 제2개구부가 형성되며, 가압커버와 매니폴드 커버의 제1개구부와 제2개구부가 상호 체결됨으로써 제1냉각모듈, 파워모듈 및 제2냉각모듈의 가압 접촉 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 파워모듈용 양면 냉각장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    제1개구부는 가압커버의 테두리를 따라 등간격으로 형성되며, 제2개구부는 제1개구부에 대응되는 위치에 형성됨으로써, 제1냉각모듈, 파워모듈 및 제2냉각모듈 상호간에 작용하는 면압이 균등한 것을 특징으로 하는 파워모듈용 양면 냉각장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    매니폴드 커버의 제1채널에는 출구측이 차단되도록 제1채널을 구획하는 양측 가이드벽의 일단을 연결하는 제1막음부가 형성되고, 매니폴드 커버의 제2채널에는 입구측이 차단되도록 제2채널을 구획하는 양측 가이드벽의 타단을 연결하는 제2막음부가 형성된 것을 특징으로 하는 파워모듈용 양면 냉각장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    매니폴드 커버의 가이드벽이 이루는 제1방향과 핀 플레이트의 핀이 이루는 제2방향의 교차각은 80도 내지 100도인 것을 특징으로 하는 파워모듈용 양면 냉각장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    매니폴드 커버의 가이드벽이 이루는 제1방향과 핀 플레이트의 핀이 이루는 제2방향은 수직으로 교차되는 것을 특징으로 하는 파워모듈용 양면 냉각장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    제1냉각모듈은 제2냉각모듈보다 강성이 높은 것을 특징으로 하는 파워모듈용 양면 냉각장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    제2냉각모듈은 제1냉각모듈보다 연질인 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 파워모듈용 양면 냉각장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    튜브는 복수의 개구부 및 개구부와 인접한 개구부 사이에 마련되고 냉각유체가 제1방향으로 흐르도록 제1방향으로 연장된 분리벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 파워모듈용 양면 냉각장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    제1냉각모듈과 제2냉각모듈의 사이에는 복수의 파워모듈이 이격되어 배치됨으로써 복수의 파워모듈이 제1냉각모듈과 제2냉각모듈을 공유하고, 제1냉각모듈에는 각각의 파워모듈에 대응되도록 복수의 채널그룹이 형성된 것을 특징으로 하는 파워모듈용 양면 냉각장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    각각의 채널그룹에는 제1채널과 제2채널이 구비되고, 제1채널에는 출구측이 차단되도록 제1채널을 구획하는 양측 가이드벽의 일단을 연결하는 제1막음부가 형성되며, 제2채널에는 입구측이 차단되도록 제2채널을 구획하는 양측 가이드벽의 타단을 연결하는 제2막음부가 형성된 것을 특징으로 하는 파워모듈용 양면 냉각장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    일측 채널그룹의 제1채널은 제1막음부가 인접하는 타측 채널그룹의 제2채널의 제2막음부와 연결되고, 일측 채널그룹의 제2채널은 출구측이 인접하는 타측 채널그룹의 제1채널의 입구측과 연결된 것을 특징으로 하는 파워모듈용 양면 냉각장치.
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