KR20240065312A

KR20240065312A - 전력 전자 장치의 냉각을 위한 냉각기

Info

Publication number: KR20240065312A
Application number: KR1020247014046A
Authority: KR
Inventors: 막스 플로리안 벡; 마이크 패리쉬
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2021-10-01
Filing date: 2022-08-11
Publication date: 2024-05-14
Also published as: EP4409632A1; CN118043962A; JP2024535466A; WO2023051990A1; DE102021211059A1

Abstract

본 발명은, 전력 전자 장치(101)의 배치를 위한 하우징(2)과; 하우징(2)의 냉각 채널(6) 내의, 복수의 리브(9)들을 구비한 냉각 리브 배열체(7);에 관한 것이고, 냉각 리브 배열체(7)는 종축(30)을 따라 유체에 의해 관류 가능하고, 냉각 리브 배열체(7)는 유체에 대한 제1 유동 저항을 갖는 적어도 하나의 강 냉각 영역(20)과, 유체에 대한 제2 유동 저항을 갖는 적어도 하나의 약 냉각 영역(21)을 포함하고, 제1 유동 저항은 제2 유동 저항보다 더 높다.

Description

전력 전자 장치의 냉각을 위한 냉각기

본 발명은 전력 전자 장치의 냉각을 위한 냉각기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전력 전자 장치와 더불어 냉각기를 포함하는 배열체를 보여준다.

전력 전자 장치 내의 전력 반도체들은 높은 전류를 안내한다. 스위칭 손실과 함께, 그로부터 초래되는 전도 손실은 비교적 작은 면에서 제거되어야 하는 높은 열출력 손실의 원인이다. 이 경우, 최대로 허용 가능한 반도체 온도는 고장에 있어 문제가 되므로, 반도체와 냉각제 사이에서의 열저항의 최소화가 매우 중요하다. 효율적인 냉각을 위하여, 본원에서 고려되는 전력 전자 장치는 유체가 관류되는 냉각기들에 적용된다. 이러한 냉각기들 내에는 일반적으로 냉각 리브 배열체들이 존재하고, 이러한 냉각 리브 배열체들을 통해 유체가 유동한다.

본 발명에 따른 냉각기는 특히 전력 전자 장치의 냉각을 위해 형성된다. 이러한 전력 전자 장치는, 일반적으로 기판 내에 배열되는 하나 이상의 전력 반도체를 포함한다. 냉각기는 전력 전자 장치의 배치를 위해 형성된 하우징을 포함한다. 바람직하게, 하우징은, 예를 들어 냉각 유체에 의해 관류될 수 있는 냉각 챔버를 규정하는 2개의 판들을 구비하도록 판형으로 형성된다. 냉각 채널은 공동을 형성한다. 이러한 공동 내에는 복수의 리브들을 구비한 냉각 리브 배열체가 존재한다. 냉각 채널과 냉각 리브 배열체는 냉각 유체의 통과를 위해 형성된다. 특히, 액체 집합 상태의 유체에 의해 냉각이 실행된다. 냉각 리브 배열체는, 종축을 따라 유체에 의해 관류 가능하도록 형성된다. 종축에 대해 수직으로, 그리고 이에 따라 마찬가지로 유동 방향에 대해 수직으로, 횡축이 규정된다. 횡축에 대해 수직으로 그리고 종축에 대해 수직으로 수직축이 규정된다. 특히, 냉각 리브 배열체는 수직축의 방향으로보다는 종축의 방향으로 그리고 횡축의 방향으로 훨씬 더 연장된다. 전력 전자 장치는 수직축을 따라 냉각 리브 배열체 위 또는 아래에 위치 설정된다. 종축을 따라, 그리고 부분적으로는 마찬가지로 횡축을 따라, 전력 전자 장치의 복수의 열원들, 특히 전력 반도체들 중 복수의 전력 반도체들이 위치 설정될 수 있다. 하우징의 냉각 채널 내부에서는 또는 냉각 리브 배열체 내부에서는, 유동 방향을 따라, 냉각 리브 배열체에서의 관류 유체의 저항을 통해 압력 강하가 발생한다. 냉각 리브 배열체를 통한 열 전달 계수가 높을수록, 일반적으로 압력 강하도 높아진다. 냉각 시스템 내에서는 최대로 허용 가능한 압력 강하가 유체를 위한 펌프로 인해 제한된다. 이에 따라, 전체 냉각기 내의 압력 강하도 제한할 필요가 있음으로써, 경우에 따라서는 최대로 가능한 열 전달 계수가 활용될 수 없다. 본 발명에 따른 냉각기는 냉각기 내의 압력 강하가 감소될 수 있다는 장점을 갖는다. 이는, 냉각 리브 배열체가 유체에 대한 제1 유동 저항을 갖는 적어도 하나의 강 냉각 영역과, 유체에 대한 제2 유동 저항을 갖는 적어도 하나의 약 냉각 영역을 포함함으로써 달성된다. 강 냉각 영역 및 약 냉각 영역 내의 냉각 리브 배열체는, 제1 유동 저항이 제2 유동 저항보다 더 높은 방식으로 형성된다. 특히 바람직하게, 제1 유동 저항은 제2 유동 저항보다 적어도 10%만큼 더 높다. 제2 유동 저항을 갖는 적어도 하나의 약 냉각 영역은 냉각기 내부에서, 냉각이 필요하지 않거나 적게만 필요한 위치들에 의도적으로 위치 설정될 수 있다. 특히, 강 냉각 영역들은 가능한 한 전력 반도체들에 가깝게 위치 설정되는 반면, 약 냉각 영역들은 오히려 냉각 리브 배열체의 가장자리들에 그리고/또는 2개의 전력 반도체들 사이에 위치 설정된다. 이를 통해, 냉각을 위해 필요한 의도적으로 선택된 강 냉각 영역들 내에서만, 상응하는 높이의 유동 저항이 관류 유체에 대항되고, 이러한 유동 저항은 상응하는 높이의 열 전달 계수도 유도하는 것이 달성된다. 더 적은 냉각이 필요하거나 냉각이 필요하지 않은 영역들, 즉 약 냉각 영역들 내에서는 유동 저항이 가능한 한 감소되므로, 냉각 리브 배열체를 전체적으로 고려할 때 가능한 한 낮은 유동 저항이나, 열적 요건에 매칭되는 유동 저항이 나타난다.

종속항들은 본 발명의 바람직한 개선예들을 보여준다.

설명된 바와 같이, 하우징은 바람직하게는 자신들 사이에 냉각 채널을 규정하는 2개의 판들로 형성된다. 이러한 2개의 판들은 특히 경질 땜납 층을 통해 서로 연결되고, 이 경우 냉각 리브 배열체의 수용을 위한 냉각 채널을 형성한다. 이러한 냉각 채널 내로는 바람직하게 유체에 대한 유입부 및 유출부가 안내된다.

냉각 리브 배열체는 설명된 약 냉각 영역들 중 바람직하게는 적어도 2개의, 보다 바람직하게는 적어도 3개의, 특히 바람직하게는 적어도 4개의 약 냉각 영역들을 포함한다. 이러한 약 냉각 영역들은 동일하거나 상이하게 형성될 수 있다. 약 냉각 영역들은 종축을 따라 분포 및 이격되므로, 약 냉각 영역들 사이에는 바람직하게 강 냉각 영역이 존재한다. 종축을 따라 연이어 배열된 이러한 약 냉각 영역들에 추가하여, 횡축을 따라서도 하나 이상의 약 냉각 영역이 서로 나란히 배열될 수 있다.

바람직하게는, 약 냉각 영역들은 전체적으로 제1 면을 차지하고, 강 냉각 영역들은 전체적으로 냉각 리브 배열체의 제2 면을 차지하는 것이 제공되고, 이러한 면들은 각각, 종축 및 횡축을 통해 정의된 평면 내에서 규정된다. 바람직하게는, 제1 면은 냉각 리브 배열체의 전체면의 적어도 10%, 특히 적어도 20%를 차지하는 동시에, 제2 면은 냉각 리브 배열체의 전체면의 적어도 10%, 특히 적어도 20%를 차지하는 것이 제공된다.

적어도 하나의 강 냉각 영역 내에서, 바람직하게 냉각 리브 배열체의 리브들은 종축에 대해 횡방향으로 측정될 때, 적어도 하나의 인접한 약 냉각 영역 내의 리브들보다 더욱 조밀하게 위치한다. 즉, 횡축에 대해 평행하게 측정된 2개의 리브들 사이의 간격은, 약 냉각 영역 내에서보다 강 냉각 영역 내에서 더욱 좁음으로써, 약 냉각 영역 내에서보다 강 냉각 영역 내에서 더욱 큰 유동 저항이 나타난다. 추가적으로 또는 대안적으로, 적어도 하나의 약 냉각 영역 내에 리브들이 전혀 형성되지 않는 것이 가능하다.

또한 바람직하게는, 냉각 리브 배열체는 박판의 성형을 통해 난류 박판이 되도록 제조되는 것이 제공된다. 이러한 난류 박판은 특히 복수의 리브 열들을 포함한다. 개별 리브 열은 횡축을 따라 종축에 대해 수직으로 연장된다. 개별 리브 열은 복수의 리브들을 포함한다. 특히 리브 열은 파형 형상을 갖는다. 이러한 파형 형상을 통해 각각 2개의 인접한 리브들이 파형 형상의 산- 또는 계곡 섹션을 통해 서로 연결된다. 리브 열 또는 파형 형상의 산- 또는 계곡 섹션은 특히, 실질적으로 종축 및 횡축을 통해 정의된 평면 내에서 연장된다.

난류 박판 내에는, 바람직하게 약 냉각 영역들 중 적어도 하나의 약 냉각 영역이, 절취된 자유 공간을 통해 형성된다. 이러한 자유 공간은 특히 천공 가공되거나, 다른 방식으로 절취된다. 특히, 난류 박판은 초기에는 자유 공간 없이 제조되고, 난류 박판의 제조 이후에 자유 공간들이, 원하는 위치들에서 절취된다. 이를 통해, 자유 공간들에는 리브들이 없는 영역들이 나타나고, 이러한 영역들은 약 냉각 영역 내의 가능한 한 낮은 유동 저항을 형성한다.

적어도 하나의 약 냉각 영역은 유동의 편향을 위해, 예를 들어 횡축에 대해 평행한 방향 성분에 의해 유동을 편향하기 위해 그리고/또는 유체의 유동을 더욱 강하게 냉각될 영역으로 집중시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 유동 편향을 달성하기 위하여, 특히 난류 박판 내의 상술한 자유 공간이 테이퍼링되도록 형성되는 것이 제공된다. 특히, 자유 공간은 유동 방향의 방향으로 테이퍼링되므로, 유체는 의도적으로 편향 또는 편류될 수 있다.

냉각 리브 배열체의 개별 리브들은 바람직하게는 적어도 강 냉각 영역 내에서 종축에 대해 제1 받음각으로 조정된다. 특히 리브들은, 조정되지 않은 상태에 비해 유동 저항을 증가시키기 위해, 그리고 결과적으로 열 전달 계수도 증가시키기 위해 이러한 방식으로 조정된다.

바람직하게는, 강 냉각 영역 내의 리브들은 종축에 대해 받음각으로 조정되고, 적어도 하나의 인접한 약 냉각 영역 내의 리브들은 더욱 적게 조정되거나, 전혀 조정되지 않는, 즉 종축에 대해 평행을 이루는 것이 제공된다.

개별 강 냉각 영역은 바람직하게는 연이어 배열된 복수의 리브 열들을 포함한다. 난류 박판의 맥락에서 설명한 바와 같이, 리브 열들은 횡축을 따라 연장되고, 종축을 따라 직접 서로 접한다. 바람직하게, 인접한 리브 열들 내의 리브들은 종축을 향해 상이한 조정 방향들로 조정되므로, 예를 들어 하나의 열의 리브들은 종축에 대해 10°로 조정되고, 그 다음 열의 리브들은 -10°로 조정된다. 강 냉각 영역 내에서 가능한 한 높은 열 전달 계수를 달성하기 위하여, 리브들의 이러한 상호적 조정을 통해 유동 저항이 의도적으로 증가된다.

바람직하게, 적어도 하나의 강 냉각 영역 내에서 리브들은 제1 길이를 갖고, 리브들은 적어도 하나의 인접한 약 냉각 영역 내에서 제2 길이를 갖는 것이 제공된다. 이 경우, 개별 리브의 길이는 종축에 대해 평행하게 측정된다. 제2 길이는 바람직하게는 제1 길이보다 더 길다. 이를 통해, 약 냉각 영역 내의 리브들은 강 냉각 영역 내의 리브들보다 더 길게 형성되고, 바람직하게는 받음각이 없도록 형성된다. 이는 특히, 개별 리브 열의 상술한 변화하는 조정 방향과 조합되어 중요성을 갖는데, 이는 약 냉각 영역 내의 비교적 긴 리브들이 받음각의 변화없이 비교적 긴 섹션을 형성하고, 이에 따라 감소된 유동 저항을 제공하기 때문이다.

약 냉각 영역 및 강 냉각 영역 내의 유동 저항의 의도적인 변경을 위한, 본원에 설명된 상이한 구성들은 냉각 리브 배열체 내부에서 서로 조합될 수도 있다. 이와 같이, 예를 들어 냉각 리브 배열체 내의 하나의 약 냉각 영역이, 절개된 자유 공간을 통해 형성될 수 있고, 동일한 냉각 리브 배열체 내의 다른 약 냉각 영역이 리브들의 길이의 변경을 통해 또는 받음각의 변경을 통해 달성될 수 있다.

본 발명은 배열체를 더 포함한다. 이러한 배열체는 다시금, 설명된 냉각기 및 관련 전력 전자 장치를 적어도 하나의 전력 반도체와 통합시킨다. 설명된 바와 같이, 이 경우 전력 전자 장치는 냉각기 상에 배열된다. 냉각 리브 배열체의 평면 상에서 수직축을 따라 전력 반도체들이 가상 투영될 때, 전력 반도체들에 대한 약 냉각 영역들 및 강 냉각 영역들의 위치 설정이 고려될 수 있다. 특히, 전력 반도체들 바로 아래에는 강 냉각 영역들만이 형성되고, 약 냉각 영역들은 전력 반도체들 사이에 존재하는 것이 제공된다.

하기에는, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예가 상세히 설명된다.

도 1은 일 실시예에 따른 본 발명에 따른 냉각기를 구비한 본 발명에 따른 배열체의 개략적인 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 본 발명에 따른 냉각기의 개략적인 평면도이다.
도 3은 실시예에 따른 본 발명에 따른 냉각기의 냉각 리브 배열체의 평면도이다.
도 4는 도 3의 냉각 리브 배열체의 제1 상세도이다.
도 5는 도 3의 냉각 리브 배열체의 제2 상세도이다.

하기에는 냉각기(1)를 구비한 배열체(100)가 도 1 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명된다. 도 1의 개략적인 단면도에 따르면, 배열체(100)는, 냉각기(1) 상에 위치한 전력 전자 장치(101)를 포함한다. 이러한 전력 전자 장치(101)는, 여기에서 주요 열원으로 간주되는 하나 이상의 전력 반도체(102)를 포함한다.

또한, 도 1은 냉각기(1)가, [하우징(2)을 형성하는] 서로 연결되고 평행하게 배열된 2개의 냉각판(3, 4)들을 구비하도록 판형으로 형성되고, 이러한 냉각판들 사이에는 냉각 채널(6)이 위치함을 도시한다. 이러한 2개의 냉각판(3, 4)들은 땜납 층(5)을 통해 서로 연결된다.

냉각 채널(6) 내에는, 마찬가지로 땜납 층(5)을 통해 하우징(2)과 연결될 수 있는 냉각 리브 배열체(7)가 존재한다.

도 2는 냉각기(1)의 평면도를 도시한다. 상부 냉각판(3)은 명확성을 위해 숨겨지므로, 내부에 냉각 리브 배열체(7)가 수용된 하부 냉각판(4)을 볼 수 있다.

도 1 내지 도 5에 따르면, 냉각기(1)에서는 종축(30), 횡축(31) 및 수직축(32)이 정의된다. 3개의 축(30, 31 및 32)들은 각각 서로 수직을 이룬다.

하우징(2)은 유동 방향(34)을 따른 냉각 유체의 통과를 위해 형성된다. 종축(30)에 대해 평행하게 연장되는 유동 방향(34)은, 유체의 하우징측 입구로부터 하우징측 출구로의 주 유동 방향이다. 냉각 리브 배열체(7) 내부에서, 유체는 횡축(31)에 대해 평행한 방향 성분도 갖도록 흐를 수 있다.

도시된 실시예에서, 냉각 리브 배열체(7)는 성형된 박판을 통해 형성되고, 난류 박판이라고 지칭될 수도 있다. 냉각 리브 배열체(7)는 복수의 리브 열(8)들로 구성된다. 각각의 리브 열(8)은 횡축(31)을 따라 연장된다. 종축(30)을 따라 연이어서, 복수의 리브 열(8)들이 서로 직접 인접하도록 배열된다. 도 4는 이러한 리브 열(8)들을 상세도(3)로 도시한다. 이 경우, 개별 리브 열(8)은 파형이고, 각각 2개의 인접한 리브(9)들이 이러한 파형 형상의 산- 또는 계곡 섹션(10)을 통해 서로 연결된다. 횡축(31)에 대해 평행하도록, 이 경우 2개의 인접한 리브(9)들 사이에 간격(11)이 존재한다. 개별 리브(9)는 종축(30)에 대해 평행하게 제1 길이(12)에 걸쳐 연장된다.

도 5의 상세도는, 리브(9)들이 종축(30)에 대해 받음각(14)으로 기울어질 수 있다는 것을 도시한다.

도 2는 약 냉각 영역(21)들의 위치 설정 및 구성을 순전히 개략적으로 도시한다. 냉각 리브 배열체(7)의 이러한 약 냉각 영역(21)들은 냉각 리브 배열체(7)의 강 냉각 영역(20)들에 의해 둘러싸여 있다. 종축(3)을 따라, 즉 유동 방향(34)을 따라, 다양한 형상들 및 크기들을 갖는 이러한 약 냉각 영역(31)들 중 몇몇 약 냉각 영역들이 냉각 리브 배열체(7)에 통합된다. 약 냉각 영역(31)들 내에서는 강 냉각 영역(20)들 내에서보다 더 낮은 유동 저항이 관류 유체에 대항된다. 이를 통해, 강 냉각 영역(20)들 내에서는 더 높은 열 전달 계수가 가능하다는 것이 나타난다. 이에 상응하게, 전력 반도체(102)들 아래에는 바람직하게 강 냉각 영역(20)들이 존재하는 반면, 약 냉각 영역(21)들은 전력 반도체(102)들 사이에 배열된다.

도 2는, 유동 방향(35)을 따라 테이퍼링되도록 형성됨으로써, 유체가 이에 상응하게 편향 또는 편류될 수 있도록 하는 2개의 삼각형 약 냉각 영역(21)들을 개략적으로 도시하고 있다.

일반적인 부분에서 이미 설명된 바와 같이, 약 냉각 영역(21)들의 형성을 위하여 냉각 리브 배열체(7) 내의 자유 공간이 절취될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 약 냉각 영역(21) 내에서는 리브(9)들의 길이를 강 냉각 영역(20)들 내에서보다 더 길게 형성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 3은 냉각 리브 배열체(7)의 [횡축(31)을 따른] 전체 폭에 걸쳐 연장되는 2개의 약 냉각 영역(21)들을 도시한다. 도 3에 따른 이러한 2개의 약 냉각 영역(21)들 내에서, 리브(9)들은, 3개의 강 냉각 영역(20)들 내의 리브(9)들의 제1 길이(12)보다 더 긴 제2 길이(13)를 갖도록 형성된다.

도 4 및 도 5에 의해 이미 받음각(14)이 설명되었다. 주위의 강 냉각 영역(20)들 내에서보다 약 냉각 영역(21)들 내에서 더 낮은 유동 저항을 생성하기 위하여, 이러한 받음각(14)은 바람직하게는 약 냉각 영역(21)들 내에서 더 낮게 나타날 수 있거나, 0과 같을 수 있다.

Claims

전력 전자 장치(101)의 냉각을 위한 냉각기(1)로서, 이러한 냉각기는,

전력 전자 장치(101)의 배치를 위한 하우징(2)과;
하우징(2)의 냉각 채널(6) 내의, 복수의 리브(9)들을 구비한 냉각 리브 배열체(7);를 포함하고,
냉각 리브 배열체(7)는 종축(30)을 따라 유체에 의해 관류 가능하고,
냉각 리브 배열체(7)는 유체에 대한 제1 유동 저항을 갖는 적어도 하나의 강 냉각 영역(20)과, 유체에 대한 제2 유동 저항을 갖는 적어도 하나의 약 냉각 영역(21)을 포함하고, 제1 유동 저항은 제2 유동 저항보다 더 높은, 전력 전자 장치의 냉각을 위한 냉각기.
제1항에 있어서, 냉각 리브 배열체(7)는, 종축을 따라 분포 및 이격되는 적어도 2개의, 바람직하게는 적어도 3개의, 특히 바람직하게는 적어도 4개의 약 냉각 영역(21)들을 포함하는, 전력 전자 장치의 냉각을 위한 냉각기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 강 냉각 영역(20) 내에서, 냉각 리브 배열체(7)의 리브(9)들은 종축(30)에 대해 횡방향으로 측정될 때, 적어도 하나의 인접한 약 냉각 영역(21) 내의 리브(9)들보다 더욱 조밀하게 위치하는, 전력 전자 장치의 냉각을 위한 냉각기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 약 냉각 영역(21) 내에 리브(9)들이 형성되지 않는, 전력 전자 장치의 냉각을 위한 냉각기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각 리브 배열체(7)는 박판의 성형을 통해 난류 박판이 되도록 제조되고, 적어도 하나의 약 냉각 영역(21)은 난류 박판 내의 절취된, 특히 천공 가공된 자유 공간인, 전력 전자 장치의 냉각을 위한 냉각기.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 약 냉각 영역(21)은 유동 편향을 위하여 테이퍼링되도록 형성되는, 전력 전자 장치의 냉각을 위한 냉각기.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 강 냉각 영역(20) 내에서 리브(9)들은 종축에 대해 받음각으로 조정되고, 적어도 하나의 인접한 약 냉각 영역(21) 내의 리브(9)들은 더욱 적게 조정되고, 바람직하게는 종축(30)에 대해 평행을 이루는, 전력 전자 장치의 냉각을 위한 냉각기.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 강 냉각 영역(20)은, 각각 종축(30)에 대해 횡방향으로 연장되고 종축(30)을 따라 직접 서로 접하는 복수의 리브 열(8)들을 포함하고, 각각의 리브 열(8) 내의 리브(9)들은 종축(30)을 향해 동일한 조정 방향으로 조정되고, 인접한 2개의 리브 열(8)들의 리브(9)들은 반대로 조정되는, 전력 전자 장치의 냉각을 위한 냉각기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 강 냉각 영역(20) 내에서 리브(9)들은, 종축(30)에 대해 평행하게 측정될 때 제1 길이(12)를 갖고, 적어도 하나의 인접한 약 냉각 영역(21) 내의 리브(9)들은, 종축(30)에 대해 평행하게 측정될 때 제2 길이(13)를 갖고, 제2 길이(13)는 제1 길이(12)보다 더 긴, 전력 전자 장치의 냉각을 위한 냉각기.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 냉각기(1)와; 하우징(2) 상에 배열된 복수의 전력 반도체(102)들을 구비한 전력 전자 장치(101);를 포함하는, 배열체(100).