KR890002138B1 - 전기부품의 냉각장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

전기부품의 냉각장치

제 1 도는 본 원 발명에 의한 전기부품의 냉각장치의 일실시예를 나타낸 사시도.

제 2 도는 제 1 도의 정면도.

제 3 도는 제 1 도의 평면도로서 응축관에 냉각훤을 갖춘 도면.

제 4 도는 제 3 도의 A-A선 단면도.

제 5 도는 제 4 도의 일부 확대도.

제 6 도는 제 1 도의 증발용기의 횡단 확대도.

제 7 도는 제 1 도의 변형예를 나타낸 사시도.

제 8 도는 제 1 도의 다른 변형예를 나타낸 종단측면도.

제 9 도는 본 원 발명에 의한 전기부품의 냉각장치의 다른 실시예를 나타낸 종단측면도.

제 10 도는 외관 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1) : 반도체 소자 (2) : 증발용기

(8) : 제1의 헤더 (9) : 응축관

(11) : 제2의 헤더

본원 발명은 전기회로를 구성하는 반도체 소자등, 통전중에 발열하는 부품을 냉각하기 위한 전기부품의 냉각장치에 관한 것이며, 특히 액체냉매에 의해서 냉각하는 전기부품의 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로, 통전시에 발열하는 전기부품을 액체냉매로 냉각하는 장치로서는, 전기부품을 액체냉매 속에 담가서 냉각하는 것과, 전기부품에 액체냉매를 넣은 용기를 밀착시켜서 냉각하는 것의 두 종류가 있다.

어느 경우도 전기부품의 열을 빼앗아 기화한 냉매를 응축해서 다시 액체냉매로서 전기부품의 냉각에 사용한다고 하는 증발-응축을 반복시키고 있다. 이 때문에 냉각장치는 액체냉매수납부, 증발부, 응축부를 필요로 하며, 이 위치관계가 상하방향의 배열로 되기 때문에 냉각장치 전체의 높이가 높아지고, 예를들면, 높이 제한이 특히 엄격한 철도차량의 차체 바닥 밑에의 장착에는 다른 부속품의 배열까지 변경하지 않으면 안된다고 하는 큰 문제가 있다.

본원 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 바는 높이를 낮게 할 수 있는 전기부품의 냉각장치를 제공하는데 있다.

또 본원 발명의 다른 목적은 높이를 낮게 할 수 있는 동시에 폭도 좁게 할 수 있는 전기부품의 냉각장치를 제공하는데 있다.

본원 발명의 또 다른 목적은 철도차량의 차량 바닥 밑에 장착하는데 적합한 전기부품을 냉각장치를 제공하는데 있다.

그리고 상기 목적을 달성하기 위해 본원 발명중에서 가장 중요한 것을 액체냉매를 수납한 증발용기와 헤더와의 연통부에 상기 증발용기내의 액면이 위치하도록 한 것이다. 상기 액체냉매의 액면을 상기 연통부에 위치시키는 것은 헤더의 위치를 저위치로 배치하지 않으면 안되며, 이것은 냉각장치의 높이를 저하시키는데, 큰 역할을 한다. 이 구조가 본원 발명의 기본 구조이며, 이 기본 구조의 상기 헤더에 복수의 응축관을 접속해서 대략 수평으로 연장시켜, 그 연장단에 지지체를 겸하는 다른 헤더를 접속 또는 응축관을 U자형으로 한 경우에는 연장체측을 지지체로 지지하도록 구성하면 높이를 낮게 한 냉각장치를 얻을 수 있다.

다음에 본원 발명의 실시예를 도면에 따라서 설명한다. 먼저 제1도 내지 제6도에 의하여 설명하면, 여기에 나타낸 것은 전기부품인 반도체소자(1)를 외부에 배치한 이른바 반도체소자(1) 외치(外置)형인 냉각장치이다. 반도체소자(1A),(1B)는 접속방향의 양측에 각기 증발용기(2A)-(2C)를 밀착시키고 있다.

이 증발용기(2A)-(2C)는 제6도에 나타낸 것처럼 구성되어 있다. 즉, 용기의 내부에는 반도체소자(1A),(1B)로부터의 열을 이송하는 포스트부(3)와, 이 포스트부(3)에 동심적으로 설치되어 이 포스트부(3)에 이송된 열을 방열하는 방열휜(3F)이 있고 용기(2)와의 사이에 후술하는 액체냉매를 주입하기 위한 간극(4)을 형성하고 있다. 이와같은 증발용기(2)를 상기 포스트부(3)의 단부측이 상기 반도체소자(1A),(1B)에 접하도록 배열해서 각 반도체소자(1A),(1B)를 협지하고, 체착(締着)장치(C)(제3도)로 고정시킨다.

한편 각, 증발용기(2A)-(2C)의 측방 상부에는 각기 접속관로(5)가 접속되고, 이들은 수평방향에서 같은방향으로 연장되어 있다. 이 접속관로(5)의 연장단은 제 1의 헤더(8)에 접속되어 있다. 그리고 접속관로(5)는 전기 절연재로 이루어진 절연관(6)과, 벨로우즈(7)로 이루어지며, 각각은 플랜지(F3)에 의해 접속되고, 또 상기 각 증발용기(2A)-(2C)와는 플랜지(F1)에 의해서 상기 제 1의 헤더(8)와는 플랜지(F3)에 의해서 접속되어 있다.

접속관로(5)의 제 1의 헤더(8)에의 접속위치는 제 1의 헤더(8)를 세로로 단면했을 경우, 아래쪽 부분이다. 그리고 상기 증발용기(2A)-(2C)내에 증발할 수 있는 공간을 제외하고, 액체냉매(12) 예를들면 저비점 할로플로로 탄화수소를 감압 주입하고, 상기 포스트부(3) 및 플랜지(F3)이 잠겨지도록 한다. 이때의 액체냉매(12)의 액면(13)은 증발용기(2A)-(2C)에서 접속관로(5)를 지나서 제 1의 헤더(8)내에 까지 연장되어 있으며, 접속관로(5)의 제 1의 헤더(8)에의 접속부에 있어서는 상기 액면(13)이 상하의 중앙에 위치하고 있다(제4도, 제5도). 액면(13)이 이 상태의 때를 기준레벨(L₀)로 한다.

또 제 1의 헤더(8)에는 복수의 응축관(9)의 접속되어 있다. 이 응축관(9)의 제 1의 헤더(8)에의 장착위치는 상기 기준레벨(L₀)에 있는 액면(13)보다 윗쪽으로 하고, 이들 관(9)은 상기 반도체소자(1A),(1B)와는 반대측에 수평으로 연장되어 있다.

이 상기 관(9)에는 냉각휜(10)이 부착되어 있고, 또한 응축관(9)의 연장단에는 제2의 헤더(11)가 접속되어서 전체로서 밀봉용기를 형성하고 있다.

그런데, 상기 접속환로(5) 및 상기 응축관(9)은 각기 수평으로 연장되어 있지만, 상기 제2의 헤더(11)측을 약간 들어 올려서 전체적으로 완만한 구배가 되도록 고정하면, 증발용기(2A)-(2C)내에 발생한 증기를 용이하게 응축관(9)으로 인도할 수 있다.

이상 설명한 바와같이 구성한 냉각장치에 있어서, 화살표 방향의 통전(제 3 도)에 의해 상기 반도체소자(1A),(1B)가 발열하면, 그 열은 각 증발용기(2A)-(2C)내의 내면이나 포스트부(3) 및 방열휜(F3)으로 이송되며, 액체냉매(12)에 방출된다. 이 열에 의해 액체냉매는 비등하여 증기로 되어 기포(14)의 상태로 상기 증발용기내의 상부 및 일부는 접속관로(5)내의 상부로 나온다. 그후 냉매증기(12G)는 접속관로(5)의 경사에 따라서 제 1의 헤더(8)측으로 이동한다. 이 이동중에 이미 응축된 냉매증기는 그대로 액체냉매(12)에 적하하여 회수된다. 한편 제 1의 헤더(8)내에 이동한 냉매증기(12G)는 응축관(9)내를 윗쪽으로 나아가, 자연 대류공기 또는 강제냉각공기(15)에 의해서 냉각되어서 응축하고, 액화한다.

응축액화 한 냉매(12L)는 자중에 의해 완만한 구배로 경사진 응축관(9)내를 되돌아와, 제 1의 헤더(8)내에 낙하해서 액체냉매(12)에 섞인다. 이 증발 응축의 반복이 반도체소자(1A),(1B)의 발열중 계속되는 것이다. 이와 같이 반도체소자(1A),(1B)의 냉각은 종래와 다름없이 행해진다.

다음에 구조적으로 보면, 각 구성부품을 대략 수평방향으로 접속하는 구조로 했으므로, 상하방향으로 접속하는 종래의 냉각장치에 비해 전체 높이(H)(제 4 도)를 낮게 할 수 있으며, 예를들면 철도차량의 차체 바닥 밑에 장치되는 초피장치 등의 냉각장치와 같이 수납틀(16)내의 높이가 제한되는 것에 대해서는 매우 유효하다.

그런데 상기 구성의 전기부품의 냉각장치가 정지상태로 사용되는 것이라면 상기 기준레벨(L₀)이 대략 일정(냉매증발에 따라 다수의 상하의 변위는 있다)하지만, 이 냉각장치가 예를 들면 상술한 바와같이 차체의 바닥 밑 등에 장착되어 동적상태로 사용될 경우에는 상기 액면(13)은 기준레벨(L₀)로 일치한 위치가 아니고, 차체가 우측으로 경사지면 최대우경사 레벨(L_R)로, 또 좌측으로 경사지면 최대좌경사 레벨(L_L)로 액면(13)은 변화한다.

이 때문에 최대우경사 레벨(L_R)일때에는 접속관로(5)와 제1의 헤더(8)와의 연통부가 액면(13)으로 막히지 않고, 냉매증기(12G)가 이동할 수 있는 간극(17A)이 확보되도록, 상기 연통부의 위치나 크기를 결정할 필요가 있다. 상기 연통부가 액면(13)에 의해 막혔다고 하더라도 단시간이라면 반도체소자(1A),(1B)의 냉각에는 지장은 없지만, 장기간 막힌 상태가 계속되면 포스트부(3) 및 방열휜(3F)과 액체냉매(12)와의 접촉면적이 적어져서 냉각효율을 저하시키게 된다.

반대로 최대좌 경사 레벨(L_L)일때에는 각 증발용기(2A)-(2C)와 제1의 헤더(8)가 반드시 액면(13)에 의해서 연통하는 유로단면(7B)을 확보하도록 배려할 필요가 있다. 그 이유는 예를들면 액면(13)이 좌경사 레벨(L_D)에 있는 상태로 차체가 하향구배에 들어갔을 경우, 냉각장치는 예를들면 제2도 2점 쇄선으로 나타낸 바와같이 기울고, 액체냉매(12)는 제 1의 헤더(8)의 저부를 증발용기(2C)측을 향해서 흐르며, 증발용기(2A)내의 액체냉매(12)는 증발할 뿐이며, 응축 액화된 액체냉매가 되돌아 오지 않게 되기 때문이다.

다음에 제 7 도에 나타낸 것은 응축관(9)을 상기 반도체소자(1A),(1B)측을 향해서 연장시킨 것이며, 그 이외의 구성은 제 1 도-제 6 도에 나타낸 구성과 같다. 이와같이 구성함으로써 장치 전체의 점유면적을 대폭 축소시킬 수 있는 것이다. 즉 장치의 높이는 제 4 도에 나타낸 장치의 높이 H보다도 약간 높아지기는 하지만, 그 폭은 제 4 도에 나타낸 장치의 폭 W의 약 절반이 되기 때문에 점유면적은 제 4 도에 나타낸 장치에 비해서 약 1/2로 되며, 종래의 장치에 비하면 1/2이상의 스페이스 절약을 할 수 있고 특히 설치제한이 엄격한 철도차량의 차체 바닥밑에의 장착에는 유리하다.

제 8 도는 제 2의 헤더(11)의 저부(11B)에서 제 1의 해더(8)에 귀환관(18)을 설치한 것으로, 그 밖의 구성은 제 1 도-제 6 도에 나타낸 구성과 같다. 상기 귀환관(18)을 설치한 이유는 다음과 같다.

즉 장치가 도시된 것과 같이 우측으로 기울어서 액면(13)이 우경사 레벨(L_R)과 같이 되면, 액체냉매는 일부 응축관(9)을 지나서 제2의 헤더(11)로 이동하지만, 그 대부분은 장치의 경사가 원상태가 되면 제 1의 헤더(8)를 응축관을 지나서 각 증발용기(2A)-(2C)로 되돌아 간다. 그러나, 제 2의 헤더의 저부(11B)에 고인 액체냉매는 응축관(9)의 접속위치의 관계상, 이 응축관(9)을 통해서 제 1의 헤더(8)로 되돌아갈 수 없다. 이 때문에 일단이 제 2의 헤드(11)의 저부(11B)에 개구하는 귀환관(18)을 설치하고, 그것을 제 1의 헤더로 돌아가도록 해서 액체냉매를 유효하게 사용하려고 하는 것이다.

그런데 이상의 각 실시예는 반도체소자에 액체냉매를 넣은 용기를 밀착시키는 형의 장치이지만, 반도체소자를 액체냉매를 넣은 용기내에 넣어서 냉각하는 형의 장치에도 본원 발명은 적용할 수 있다. 즉 제 9 도, 제 10 도는 반도체소자(20)를 직방체 횡치형의 증발용기(21)내에 설치하고, 이 증발용기(21)의 측부 윗쪽에 직접 제 1의 헤더(22)를 연접시킨 것이다. 응축관(3) 및 제 2의 헤더(24)의 위치 및 접속은 상기 실시예에 나타낸 구성과 같다. 또 증발용기(21)와 제 1의 헤더(22)와의 연통부(25)에는 주입한 액체냉매(12)의 액면(13)이 위치하도록 하는 것도 같으며, 이 경우 상기 반도체소자(20)가 액면(13) 이하에 설치되는 편이 소자냉각상 바람직하다.

이와같이 반도체소자(20)를 증발용기(21)에 내장하는 형의 냉각장치에 있어서도 제 1의 헤드(22)를 직접 상기 증발용기(21)에 연접하고, 더구나 연접위치를 특정함으로써, 냉각장치 전체의 설치높이를 낮게 할수 있고, 더구나 제 10 도 쇄선으로 나타낸 바와같이 응축관(23)의 연장방향을 증발용기(21)의 상면보다 윗쪽으로 함으로써 설치폭도 축소할 수 있다.

그리고 상기 설명중 발열전기부품으로서 반도체소자를 설명했지만, 반도체소자에 특정되는 것이 아님은 물론이다.

이상 설명한 바와같이 발열전기부품을 냉각하는 액체 냉매를 수납하는 증발용기와, 이 증발용기와 연통된 헤더와, 이 헤더에 접속되어 대략 수평으로 연장된 복수의 응축관과, 이 복수의 응축관의 연장단축을 지지하는 지지체를 구비하고, 또한 상기 연통부에 상기 증발용기내의 액체냉매 액면이 위치하도록 구성했으므로, 각 구성부품의 배열 및 접속위치가 대략 수평방향으로 되고, 이 때문에 냉각장치로서의 높이를 낮게 할 수 있다.

Claims (9)

1. 발열전기부품을 냉각하는 액체냉매를 수납하는 증발용기와, 이 증발용기와 접속하여 연통된 헤더와, 이 헤더에 접속되어 연장된 복수의 응축관과, 이 복수의 응축관의 연장단축을 지지하는 지지체를 구비한 전기부품의 냉각장치에 있어서, 상기 헤더의 상기 증발용기와의 연통부에 상기 증발용기내의 액체냉매 액면이 위치하도록 상기 헤드를 배치하는 동시에, 상기 복수의 응축관을 대략 수평방향으로 연장한 것을 특징으로 하는 전기부품의 냉각장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 응축관은 연장단축을 상향 구배로 한 것을 특징으로 하는 전기 부품의 냉각장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 증발용기는 각각 상기 헤더에 연통되는 복수의 용기로 이루어지면, 상기 발열전기 부품을 협지하도록 한 것을 특징으로 하는 전기부품의 냉각장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 복수의 용기와 상기 헤더와는 항상 상기 액채냉매 액면으로 연통되도록 상기 연통부를 형성한 것을 특징으로 하는 전기부품의 냉각장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 응축관은 상기 증발용기의 상면 윗쪽으로 연장시킨 것을 특징으로 하는 전기부품의 냉각장치.
6. 발열전기부품을 냉각하는 액체냉매를 수납하는 증발용기와, 이 증발용기와 연통되도록 한 제 1의 헤더와, 이 제 1의 헤더에 접속되어 연장된 복수의 응축관과, 이 복수의 응축관의 연장단에 접속된 제 2의 헤더를 구비한 전기부품의 냉각장치에 있어서, 상기 복수의 응축관을 대략 수평방향으로 연장하는 동시에 상기 제 2의 헤더와 상기 제 1의 헤더에 접속되어 상기 제 2의 헤더내의 액체냉매를 상기 제 1의 헤더내에 인도하는 귀환관을 구비하고, 또한 상기 제 1의 헤더의 상기 증발용기와의 연통부에 상기 증발용기내의 액체냉매 액면이 위치하도록 상기 제 1의 헤더를 배치한 것을 특징으로 하는 전기 부품의 냉각장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 귀환관은 상기 응축관을 겸용하도록 구성한 것을 특징으로 하는 전기부품의 냉각장치.
8. 발연전기부품을 전기적으로 절연하여 수납하며, 이 발열전기부품이 잠겨지도록 액체냉매를 주입한 증발용기와, 이 증발용기와 연통되도록 한 제 1의 헤드와, 이 제 1의 헤더에 접속되어 연장된 복수의 응축관과, 이 복수의 응축관의 연장단에 접속된 제 2의 헤더를 구비한 전기부품의 냉각장치에 있어서, 상기 복수의 응축관을 상기 제 1의 헤더로부터 제 2의 헤더에 향하여 완만한 상향구배로 연장하는 동시에, 상기 제 1의 헤더의 상기 증발용기와의 연통부에 상기 증발용기내의 액체냉매 액면이 위치하도록 상기 제 1의 헤더를 배치한 것을 특징으로 하는 전기부품의 냉각장치.
9. 발열전기 부품을 협지하는 증발용기와, 이 증발용기에 연통되어 전기절연기능을 가지며 가요(可僥) 부분을 갖는 접속관로와, 이 접속관로에 연통된 제 1의 헤더와, 이 제 1의 헤더에 접속되어 연장된 복수의 응축관과, 이 복수의 응축관의 연장단에 접속된 제 2의 헤더를 구비한 전기부품의 냉각장치에 있어서, 상기 제 1의 헤더의 상기 접속관로와의 연통부에 상기 증발용기내의 액체냉매 액면이 위치하도록 상기 제 1의 헤드를 배치한 것을 특징으로 하는 전기부품의 냉각장치.

Images