WO2023224204A1 - 파워 모듈 냉각 장치 - Google Patents

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WO2023224204A1
WO2023224204A1 PCT/KR2022/020829 KR2022020829W WO2023224204A1 WO 2023224204 A1 WO2023224204 A1 WO 2023224204A1 KR 2022020829 W KR2022020829 W KR 2022020829W WO 2023224204 A1 WO2023224204 A1 WO 2023224204A1
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WO
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flow space
power module
cooling device
heating element
module cooling
Prior art date
Application number
PCT/KR2022/020829
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English (en)
French (fr)
Inventor
이근재
김태헌
선주현
박강욱
전상혁
류관호
Original Assignee
동양피스톤 주식회사
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    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change
    • H—ELECTRICITY
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    • H05K7/20272—Accessories for moving fluid, for expanding fluid, for connecting fluid conduits, for distributing fluid, for removing gas or for preventing leakage, e.g. pumps, tanks or manifolds

Definitions

  • the present invention relates to a power module cooling device, and more specifically, to a cooling device for a motor control unit for an electric vehicle that can cool power semiconductors such as an inverter that supplies the motor of an electric vehicle.
  • electric vehicles play a role as a next-generation means of transportation by ensuring quiet and environmentally friendly driving by driving a motor with battery power.
  • cooling devices including cooling modules consisting of radiators and cooling fans are applied to the driving motor, charger, inverter, and battery, which generate a lot of heat, to prevent overheating. It is being prevented.
  • the cooling system of electric vehicles is water-cooled, which cools by circulating low-temperature coolant using a cooling module consisting of a separate heat exchanger, a radiator, and a cooling fan, and a motor and fan are applied to each component to cool the air or wind from the main surface. It is classified into an air-cooled type that cools by forced suction, and the water-cooled type is usually applied.
  • the inverter of an electric vehicle is a type of power semiconductor that changes the DC power of the battery into AC power and supplies it to the motor of the electric vehicle. Since it is heated to a high temperature during operation, a separate heat dissipation module can be applied to the motor control unit where the inverter is installed. .
  • the heat dissipation module of the motor control unit for electric vehicles is a water-cooled heat dissipation structure that seals the cooling channel by welding a cooling plate with a power semiconductor installed on the opening of the heat dissipation module housing with a cooling channel formed inside, and then circulates refrigerant in the cooling channel.
  • the idea of the present invention is to solve these problems, and to provide a power module cooling device that can minimize unnecessary cooling areas depending on the heating element, increase cooling performance, and ensure temperature uniformity of a plurality of heating elements. .
  • these tasks are illustrative and do not limit the scope of the present invention.
  • a power module cooling device for solving the above problems includes: a housing portion having an inlet portion through which a refrigerant flows in and an outlet portion through which a refrigerant flows out, and a flow space formed therein so that the refrigerant can flow; a cover portion on one side of which is in direct or indirect contact with at least one heating element, and on the other side of which is coupled to the housing to seal the flow space; and a heat exchange part formed of a plurality of fins protruding from the other surface of the cover part and inserted into the flow space so that heat generated by the heating element can be transferred to the refrigerant, wherein the housing part or the heat exchange part includes the The cross-sectional area of the flow space may be formed to be small along the direction in which the refrigerant flows.
  • the housing part may be formed so that one side wall of the flow space has a first angle with respect to the horizontal surface of the other side wall of the flow space based on the direction in which the refrigerant flows.
  • the heat exchange unit includes a first connection line connecting a plurality of fins formed to correspond to one side wall of the flow space, and a second connection line connecting a plurality of fins formed to correspond to the other side wall of the flow space. It may be formed at the first angle with respect to the connection line.
  • the housing unit may be formed so that at least a portion of one side wall of the flow space has a curved portion based on the direction in which the refrigerant flows.
  • the first angle may be formed to be 1 degree to 1.5 degrees.
  • the heat exchange part is formed as a wall on the side of the plurality of fins on the other surface of the cover part and is inserted into the flow space so that the flow space can be narrowed along the direction in which the refrigerant flows. It may include a flow control unit.
  • the flow control unit can be selectively coupled to the heat exchanger formed according to the contact position where the heating element is in contact with the cover part or the heating position where heat is generated from the heating element.
  • the cover part may be formed to be attachable and detachable.
  • the housing part may be formed so that the bottom surface of the flow space has a second angle with respect to the horizontal surface of the cover part based on the direction in which the refrigerant flows.
  • the heat exchange part has an extension line connecting the ends of the plurality of fins based on a horizontal cross section in the direction in which the refrigerant flows, so as to correspond to the flow space formed in the housing part, on the horizontal surface of the cover part. It may be formed to have the second angle with respect to .
  • the housing unit may be formed so that at least a portion of the bottom surface of the flow space has a curved surface based on the direction in which the refrigerant flows.
  • the second angle may be formed to be 1 degree to 1.5 degrees.
  • a joint formed to surround the cover part may be further included.
  • the joint may be joined to a protrusion formed on at least a portion of the housing by welding using a laser welding method.
  • the length and structure of the fins are formed according to the location where the heating element or chip is mounted to minimize areas that do not require cooling, and to increase cooling efficiency by increasing the speed of the refrigerant. It is possible to increase the cooling efficiency according to the flowing cooling fluid and time.
  • a power module cooling device that can equalize the temperature at which the plurality of heating elements or chips are cooled by controlling the flow speed of the refrigerant according to the positions of the plurality of heating elements or chips.
  • the scope of the present invention is not limited by this effect.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a power module cooling device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line A-A′ of the power module cooling device of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line A-A′ of the power module cooling device of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a plan view showing the housing portion of the B-B′ section of the power module cooling device of FIG. 1.
  • 5 to 8 are cross-sectional views showing power module cooling devices according to various embodiments of the present invention.
  • Figure 9 is a table showing the temperature change of heating elements mounted at different positions according to the angles of the wall gradient and ceiling gradient of the power module cooling device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a power module cooling device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line A-A′ of the power module cooling device 1000 of FIG. 1
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line B-B′ of FIG. 1. It is a cross-sectional view showing a cut surface
  • FIG. 4 is a plan view showing the housing portion 100 of FIG. 3.
  • the power module cooling device 1000 largely includes a housing portion 100, a cover portion 200, and a heat exchange portion 300. can do.
  • the housing portion 100 is formed with an inlet 110 through which the refrigerant flows in and an outlet 120 through which the refrigerant flows out, and has a flow space inside so that the refrigerant can flow.
  • A) can be formed.
  • the housing unit 100 may be an overall box-shaped cylindrical structure made of a thermally conductive material with an opening open on at least one side so that a flow space A in which the refrigerant circulates can be formed therein.
  • the housing portion 100 has a relatively three-dimensionally complex structure, and can be molded from a base material made of aluminum using a die casting method to reduce costs and be suitable for a complex structure.
  • the housing portion 100 includes a housing body and an inlet ( It may include a wall formed around the edge of the housing body so that the refrigerant flowing in from 110) can be circulated and discharged through the outlet 120.
  • the wall may include one side wall 131 formed on the side in the direction in which the refrigerant flows from the inlet 110 to the outlet 120, and the other side wall 132 corresponding to the one side wall 131.
  • the shape or manufacturing method of the housing portion 100 is not necessarily limited to the drawings, and in addition to the overall square box shape, a variety of three-dimensional solid bodies such as polygonal boxes, ring shapes, or cylindrical shapes can be manufactured by various methods. .
  • the direction in which the refrigerant flows from the inlet 110 to the outlet 120 is the X-axis direction
  • the width direction in the direction perpendicular to the direction in which the refrigerant flows is the Y-axis direction
  • the direction in which the heat exchanger 300 and the cover 200 are coupled to the housing 100 in a direction perpendicular to the direction in which the refrigerant flows will be described as the Z-axis direction.
  • one side of the cover part 200 is in direct or indirect contact with at least one heating element (PM), and the other side is the housing part so as to seal the flow space (A). It can be combined with (100).
  • PM heating element
  • the cover portion 200 may be an overall plate-shaped structure made of a thermally conductive material.
  • the cover portion 200 may include a plate-shaped plate body with both an outer surface formed on one side and an inner surface formed on the other side being flat.
  • the inner surface of the plate body may be installed to cover the flow space (A) so as to be in thermal contact with the refrigerant, and a heat exchange part 300 protruding in the direction of the flow space (A) may be formed.
  • the outer surface of the plate body may be formed with a seating portion on which at least one heating element (PM) can be seated.
  • PM heating element
  • the seating portion may be formed to protrude from the outer surface of the plate body to prevent bending when the heating element (PM) generates heat. Therefore, when the heating element (PM) mounted on the seating portion generates heat at a high temperature, the thickness of the plate body is relatively thin, so that bending can be induced into the plate body instead of the seating portion, thereby suppressing the bending phenomenon of the seating portion as much as possible. This can prevent poor contact or separation from the heating element (PM).
  • the shape of the cover portion 200 is not necessarily limited to the drawings, and may be manufactured by various methods in a variety of shapes, such as a polygonal plate, a circular plate, and an elliptical plate, in addition to the overall square plate shape.
  • the heat exchange part 300 is formed with a plurality of fins protruding from the other surface of the cover part 200 so that heat generated from the heating element (PM) can be transferred to the refrigerant. It can be inserted into space (A).
  • the heat exchange unit 300 may be formed with a plurality of fins formed in a cylindrical or polygonal pillar shape and protruding from the other surface of the cover unit 200.
  • the heat generated from the heating element (PM) is transferred to the refrigerant through the cover part 200, and the plurality of fins increase the contact area with the refrigerant, thereby increasing cooling efficiency.
  • the heating element (PM) is configured differently depending on the motor control method, and for example, multiple chips such as diodes and IGBTs may be mounted on the top surface.
  • a heating element is a type of power semiconductor supplied to the motor of an electric vehicle, specifically, a silicon controlled rectifier (SCR), a triode AC switch (TRIAC), a diode AC (DIAC), and a GTO inverter (Gate Turn- It can include power semiconductor chips such as Off Thyrister (SSS), SSS (Silicon Symmetrical Switch), MCT (Mos-Controlled Thyristo), IGBT (Insulated gate bipolar transistor), and MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
  • SCS Silicon controlled rectifier
  • TRIAC triode AC switch
  • DIAC diode AC
  • GTO inverter GTO inverter
  • the chip (S) may be mounted in a structure eccentric in one direction rather than the center of the heating element (PM), a plurality of heating elements (PM) may be formed at different positions, and the The calorific value is different. Accordingly, the housing unit 100 or the heat exchange unit 300 may be formed so that the cross-sectional area of the flow space A is reduced along the direction in which the refrigerant flows.
  • the housing part 100 has an internal space of the housing part 100 so that the cross-sectional area of the flow space A becomes smaller along the direction in which the refrigerant moves from the inlet part 110 to the outlet part 120 in the X-axis direction. It can be formed so that the width on both sides is narrow.
  • the heating element (PM) is seated on one side and the contact position is on one side, or the heating element (PM) is seated in the center, but the chip (S) that generates the heat formed in the heating element (PM) is formed on one side and generates heat.
  • the location is on one side, for example, when the contact location or the heating location is formed toward the other side wall 132, which is the upper part in FIG. 4, one side wall 131 of the housing portion 100 is gradually narrowed. can be formed.
  • the housing portion 100 may be formed so that one side wall 131 of the flow space A has a first angle ⁇ 1 with respect to the horizontal plane of the other side wall 132 based on the direction in which the refrigerant flows. .
  • the flow rate of the refrigerant increases, and the outlet flows at a lower temperature than the temperature of the refrigerant flowing at the inlet 110 side.
  • the cooling efficiency of the heating element (PM) seated on the outflow part 120 side can be increased with the refrigerant flowing from the part 120 side.
  • the heat exchange unit 300 may be formed to correspond to the flow space (A).
  • the heat exchanger 300 has a first connection line L1 connecting a plurality of fins formed to correspond to one side wall 131 of the flow space A to the other side wall 132. It may be formed to have the first angle ⁇ 1 with respect to the second connection line L2 connecting the plurality of pins formed to correspond. At this time, the first angle ⁇ 1 is formed to be 1 degree to 1.5 degrees, so that when a plurality of heating elements PM are formed in the flow direction of the refrigerant, the first heating element PM1, the second heating element PM2, and the first heating element PM2 3 The temperature of the heating element (PM3) can be equalized.
  • the number of fins formed in the Y-axis direction in the width direction on the inlet 110 side of the heat exchange unit 300 is greater than the number of fins formed in the Y-axis direction on the outlet 120 side.
  • a lot can be formed. That is, the first connection line L1 may be formed to be inclined as the number of fins decreases in the direction of flow of the refrigerant.
  • the number of fins formed in the Y-axis direction in the width direction on the inlet 110 side of the heat exchange unit 300 and the number of fins formed in the Y-axis direction on the outlet 120 side are the same.
  • the spacing distance between the pins on the outlet 120 side may be narrower than the spacing distance between the pins on the inlet portion 110 side, so that the first connection line L1 may be formed to be inclined.
  • 5 to 8 are cross-sectional views showing a power module cooling device 1000 according to various embodiments of the present invention.
  • the housing portion 100 of the power module cooling device 1000 may include a curved portion 133.
  • the housing portion 100 may be formed so that at least a portion of one side wall 131 of the flow space A has a curved portion 133 based on the direction in which the refrigerant flows. .
  • the housing portion 100 includes a straight section formed as the width of the flow space A gradually decreases, and the width of the flow space A decreases sharply in the direction of the outlet portion 120, As shown in FIG. 5, it may include a curved section 133 that is reduced to a curve on a plane.
  • the heat exchange unit 300 of the power module cooling device 1000 may include a flow control unit 320.
  • the flow regulator 320 is formed as a wall on the side of the plurality of fins 310 on the other side of the cover 200 so that the flow space A can be narrowed along the direction in which the refrigerant flows. ) can be inserted into.
  • the flow control unit 320 may be formed to be thicker in the direction of the outlet 120 than in the direction of the inlet 110 so that the cross-sectional area of the flow space A is reduced along the direction in which the refrigerant flows. .
  • the thickness of the flow control unit 320 may be formed to increase according to the flow direction (F) in which the refrigerant flows, and the flow control unit 320 may be formed to be larger than the housing unit 100.
  • the cross-sectional area of the flow space (A) narrows, making it possible to control the flow speed of the refrigerant.
  • the flow control unit 320 selectively corresponds to the heat exchange unit 300 formed according to the contact position where the heating element (PM) contacts the cover part 200 or the heat generating position where heat is generated from the heating element (PM). It may be formed to be attachable and detachable to the cover portion 200 so that it can be coupled.
  • the flow control unit 320 may be coupled to the housing unit 100 by selecting the heat exchanger 300 according to the position of the chip S mounted on the heating element PM. Additionally, the flow control unit 320 It may be selected and coupled to the cover part 100 and the housing part 100.
  • various types of heat exchange unit 300 and flow control unit 320 can be selectively used depending on the contact position of the heating element (PM) or the heating position where heat is generated from the heating element (PM), and the housing unit can be used selectively.
  • (100) is formed to accommodate both the heat exchange part 300 and the flow control part 320 of various shapes, making it easy to manufacture the housing part 100, the heat exchange part 300, and the flow control part 320. Cost reduction is possible.
  • the shape of the flow control unit 320 is not necessarily limited to the drawing, and may be formed in various shapes in which the cross-sectional area of the flow space A is reduced.
  • the housing portion 100 of the power module cooling device 1000 may include an inclined bottom surface 134.
  • the height of the flow space A may be narrowed so that the cross-sectional area of the flow space A decreases along the direction in which the refrigerant moves from the inlet 110 to the outlet 120 in the X-axis direction.
  • the bottom surface 134 is formed to increase in height from the inlet 110 to the outlet 120 of the housing unit 100, so that the flow space A may become relatively narrow. At this time, the bottom surface 134 may be formed at a second angle ⁇ 2 with respect to the horizontal surface of the cover part 200.
  • the flow rate of the refrigerant increases, and the outlet flows at a lower temperature than the temperature of the refrigerant flowing at the inlet 110 side.
  • the cooling efficiency of the heating element (PM) seated on the outflow part 120 side can be increased with the refrigerant flowing from the part 120 side.
  • the heat exchange unit 300 may be formed to correspond to the bottom surface 134.
  • the heat exchange unit 300 corresponds to the flow space A formed in the housing unit 100, based on the vertical cross section in the Y-axis direction, which is the width direction of the flow space A.
  • An extension line L3 connecting the ends of the plurality of pins may be formed at a second angle ⁇ 2 with respect to the horizontal plane of the cover portion 200.
  • the length of the plurality of fins is from the fins formed on the inlet 110 side to the fins formed on the outlet 120 side so that the heat exchange unit 300 can correspond to the bottom surface 131 of the flow space A. It can be formed as it gradually decreases.
  • the bottom surface 134 is formed to be inclined with a second angle ⁇ 2 with respect to the cover portion 200. It can be. Accordingly, the refrigerant can flow at a faster flow rate in the outlet portion 120 than in the inlet portion 110 in the flow space A, and can achieve temperature uniformity of the plurality of heating elements (PM), and achieve cooling. It can have high performance effects.
  • the second angle ⁇ 2 may be formed to range from 1 degree to 1.5 degrees.
  • the housing portion 100 may be formed so that at least a portion of the bottom surface 134 of the flow space A has a curved portion 135 based on the direction in which the refrigerant flows. .
  • the housing portion 100 includes a straight section formed as the height of the flow space A gradually decreases, and the height of the flow space A decreases sharply in the direction of the outlet portion 120, As shown in FIG. 8, it may include a curved section 135 that decreases to a curve on the vertical cross section of the Y-axis.
  • the shape of the heat exchange unit 300 and the bottom surface 134 is not necessarily limited to the drawing, and is located at a contact position where the heating element (PM) contacts the cover part 200 or a heating position where heat is generated from the heating element (PM). Accordingly, it can be formed in various forms.
  • the power module cooling device 1000 may further include a joint 400.
  • the joint 400 may include a welding portion and a sealing portion for coupling the housing portion 100 and the cover portion 200.
  • the joint portion 400 may be formed to at least partially surround the edge portion of the cover portion 200.
  • the joint 400 is made of engineering plastic (EP), a high-performance plastic material that has excellent strength and elasticity and can withstand high temperature conditions, and is formed by the coolant whose temperature rises during the cooling process of the heating element (PM). Deformation and damage can be prevented.
  • EP engineering plastic
  • PM heating element
  • the joint 400 may be formed of a transparent plastic material with a transmission layer that transmits the laser beam.
  • the joint portion 400 formed around the cover portion 200 is formed by melting the protrusion formed on the housing portion 100 and the surface in contact with the protrusion through a laser beam irradiated from a laser welding device to form a cover portion. It can be conjugated with (200).
  • the joint 400 may include a sealing member formed around the welded portion to prevent leakage of the refrigerant due to voids generated in the process of forming the welded portion. Accordingly, after welding the housing portion 100 and the cover portion 200, the sealing member made of adhesive is formed on the formed welded portion to improve sealing properties to prevent refrigerant leakage and improve cooling performance. You can.
  • the sealing member may be made of a polymeric adhesive material that can be combined with a volatile organic solvent and hardened after volatilization or heating. However, it is not necessarily limited thereto, and a wide variety of adhesive materials may be applied.
  • FIG. 9 is a table showing temperature changes of heating elements mounted at different positions according to the angles of the wall and ceiling gradients of the power module cooling device 1000 according to an embodiment of the present invention.
  • a wall gradient power module cooling device in which one side wall 131 of the heat exchange unit 300 is inclined at a first angle ⁇ 1, and the bottom surface 134 is formed at a second angle ⁇ 2.
  • the change in temperature according to the position of the heating element (PM) of the ceiling gradient module cooling device formed to be slanted was computer simulated and presented in a table.
  • the wall gradient power module cooling device includes a first heating element (PM1), a second heating element (PM2), and a third heating element (PM3) in order from the inlet 110 to the outlet 120, as shown in FIG.
  • the heat generation location is 8.4mm to the left of the center.
  • the height of the basic fin is 11.3 mm
  • the first angle ⁇ 1 of one side wall 131 is the highest of the first heating element (PM1), the second heating element (PM2), and the third heating element (PM3) at 1 degree and 1.5 degrees, respectively.
  • the temperature was simulated.
  • the heating position of the ceiling gradient power module cooling device is at the center when the first heating element (PM1), the second heating element (PM2), and the third heating element (PM3) are seated.
  • the height of the basic fin is 11.3 mm
  • the second angle ⁇ 2 of the bottom 134 is 0.5 degrees, 1 degree, and 1.5 degrees, respectively, for the first heating element (PM1), the second heating element (PM2), and the third heating element (PM3). ) was simulated.
  • the highest temperatures of the first heating element (PM1), the second heating element (PM2), and the third heating element (PM3) are 118.26°C and 121.2°C, respectively. , it was found to be 123.3°C.
  • the temperatures of the heating elements PM1, PM2, and PM3 are 118.19°C and 120.76°C, respectively. °C, 122.43°C, compared to the above experimental standard, the temperature showed a slight decrease of -0.06%, -0.36%, and -0.71%.
  • the temperatures of the heating elements are 118.33°C, 120.55°C, and 121.99°C, respectively, which is -0.06% and -0.54% compared to the above experimental standard. %, -1.06%, showing that the temperature is decreasing.
  • the first angle ⁇ 1 is set to 1 degree to 1.5 degrees to most efficiently improve cooling performance.
  • the temperatures of the heating elements PM1, PM2, and PM3 are 118.98°C and 121.59°C, respectively. °C, 121.9°C, and compared to the above experimental standard, the temperature showed a slight increase of 0.61%, 0.32%, and -0.04%.
  • the temperatures of the heating elements are 118.58°C, 120.59°C, and 121.7°C, respectively, which is -0.27% and -0.5% compared to the above experimental standard. %, -1.3%, showing that the temperature decreases except for the first heating element (PM1).
  • the temperatures of the heating elements are 118.17°C, 119.5°C, and 119.7°C, respectively, which is -0.08% and -1.40% compared to the above experimental standard. %, -2.92%, showing that the temperature of the heating elements (PM1, PM2, PM3) is decreasing.
  • the slope of the bottom part 134 is formed at 1.5 degrees, so that as the flow speed of the refrigerant (C) from the first heating element (PM1) to the third heating element (PM3) increases, the rate at which the temperature of the heating element on the outlet side decreases increases. Therefore, the cooling performance is effectively increased on the outlet side, and the temperature of the third heating element (PM3) is significantly reduced, which shows that the temperature uniformity of the first heating element (PM1), the second heating element (PM2), and the third heating element (PM3) is also improved. It appears to be highly effective.
  • the second angle ⁇ 2 is formed at 1 degree to 1.5 degrees to most efficiently improve cooling performance.
  • the power module cooling device 1000 is formed to reduce the cross-sectional area of the flow space A through which the refrigerant flows, increases cooling efficiency by increasing the speed of the refrigerant, and has a plurality of heating elements (PM). ) temperature uniformity can be maintained.
  • PM heating elements
  • the heat exchange unit 300 is formed to correspond to the flow space A, so that the refrigerant flows faster in the heat exchange unit 300 formed at the contact position or the heat generating position, thereby enabling faster heat exchange with the heat exchange unit 300.
  • the temperature at which the plurality of heating elements (PM) are cooled can be uniformized, and cooling performance can be improved.

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 파워 모듈 냉각 장치로서, 냉매가 유입되는 유입부 및 유출되는 유출부가 형성되고, 상기 냉매가 유동될 수 있도록 내부에 유동 공간이 형성되는 하우징부; 일면은 적어도 하나의 발열체가 직접 또는 간접적으로 접촉하고, 타면은 상기 유동 공간을 밀폐할 수 있도록 상기 하우징부에 결합되는 덮개부; 및 상기 발열체에서 발생되는 열이 상기 냉매에 전달될 수 있도록 상기 덮개부의 타면에 돌출된 복수의 핀으로 형성되어 상기 유동 공간에 삽입되는 열교환부;를 포함하고, 상기 하우징부 또는 상기 열교환부는, 상기 냉매가 유동되는 방향을 따라 상기 유동 공간의 단면적이 작아지도록 형성될 수 있다.

Description

파워 모듈 냉각 장치
본 발명은 파워 모듈 냉각 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기 자동차의 모터에 공급하는 인버터 등의 전력 반도체를 냉각시킬 수 있게 하는 전기 자동차용 모터 제어부의 냉각 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전기 자동차는 배터리의 전원으로 모터를 구동시켜서 정숙하고 친환경적인 주행성을 확보하여 차세대 이동수단으로서의 역할을 담당하고 있다.
기존의 전기 자동차는 구성 부품의 발열로 인한 과열문제를 해결하기 위하여 발열 발생이 심한 구동 모터, 충전기, 인버터, 및 배터리 등에 라디에이터와 쿨링팬으로 구성된 쿨링 모듈을 포함하는 냉각 장치들이 적용되어 과열 현상을 방지하고 있다.
전기 자동차의 냉각장치는 별도의 열교환기인 라디에이터와 쿨링팬으로 구성된 쿨링 모듈을 이용하여 낮은 온도의 냉각수를 순환시켜 냉각시키는 수냉식과, 각 구성요소에 자체적으로 모터와 팬을 적용하여 주면의 공기 또는 바람을 강제적으로 흡입하여 냉각시키는 공랭식으로 구분되며, 통상적으로는 수냉식이 많이 적용된다.
전기 자동차의 인버터는 배터리의 직류 전원을 교류 전원으로 변경하여 전기 자동차의 모터에 공급하는 전력 반도체의 일종으로서, 작동 시에 고온으로 가열되기 때문에 인버터가 설치된 모터 제어부에는 별도의 방열 모듈이 적용될 수 있다.
전기 자동차용 모터 제어부의 방열 모듈은 내부에 냉각 채널이 형성된 방열 모듈 하우징의 개구부에 전력 반도체가 설치된 쿨링 플레이트를 서로 용접시켜서 냉각 채널을 밀봉한 다음, 냉각 채널에 냉매를 순환시키는 수냉식 방열 구조가 적용될 수 있는 바, 방열 효율, 즉, 냉각 성능을 확보하는 것이 중요한 기술적 과제로 대두되고 있다.
종래의 방열 모듈은 발열체나 칩이 실장된 위치에 상관없이 핀의 길이 및 구조가 동일하게 형성되어 냉각이 불필요한 영역이 생기는 문제점이 발생한다. 또한, 냉각이 불필요한 영역이 발생함에 따라, 유동되는 냉각 유체 및 시간에 따라 냉각 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.
본 발명의 사상은, 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 발열체에 따라 불필요한 냉각영역을 최소화하고, 냉각 성능을 높일 수 있으며, 복수의 발열체들의 온도 균일화를 확보할 수 있는 파워 모듈 냉각 장치를 제공함에 있다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로서, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 기술 사상에 따른 파워 모듈 냉각 장치는, 냉매가 유입되는 유입부 및 유출되는 유출부가 형성되고, 상기 냉매가 유동될 수 있도록 내부에 유동 공간이 형성되는 하우징부; 일면은 적어도 하나의 발열체가 직접 또는 간접적으로 접촉하고, 타면은 상기 유동 공간을 밀폐할 수 있도록 상기 하우징부에 결합되는 덮개부; 및 상기 발열체에서 발생되는 열이 상기 냉매에 전달될 수 있도록 상기 덮개부의 타면에 돌출된 복수의 핀으로 형성되어 상기 유동 공간에 삽입되는 열교환부;를 포함하고, 상기 하우징부 또는 상기 열교환부는, 상기 냉매가 유동되는 방향을 따라 상기 유동 공간의 단면적이 작아지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 기술 사상에 따르면, 상기 하우징부는, 상기 냉매가 유동하는 방향을 기준으로 상기 유동 공간의 일측벽이 상기 유동 공간의 타측벽의 수평면에 대하여 제 1 각도를 가지고 형성될 수 있다.
본 발명의 기술 사상에 따르면, 상기 열교환부는, 상기 유동 공간의 일측벽에 대응되도록 형성된 복수의 핀을 연결하는 제 1 연결선이 상기 유동 공간의 타측벽에 대응되도록 형성된 복수의 핀을 연결하는 제 2 연결선에 대하여 상기 제 1 각도를 가지고 형성될 수 있다.
본 발명의 기술 사상에 따르면, 상기 하우징부는, 상기 냉매가 유동하는 방향을 기준으로 상기 유동 공간의 일측벽의 적어도 일부분이 곡선부를 가지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 기술 사상에 따르면, 상기 제 1 각도는 1도 내지 1.5도로 형성될 수 있다.
본 발명의 기술 사상에 따르면, 상기 열교환부는, 상기 냉매가 유동하는 방향을 따라 상기 유동 공간이 좁아질 수 있도록 상기 덮개부의 타면에서 상기 복수의 핀의 측방에 벽체로 형성되어 상기 유동 공간에 삽입되는 유동 조절부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술 사상에 따르면, 상기 유동 조절부는, 상기 발열체가 상기 덮개부에 접촉되는 접촉 위치 또는 상기 발열체에서 열이 발생되는 발열 위치에 따라 형성되는 상기 열교환부에 대응되어 선택적으로 결합될 수 있도록 상기 덮개부에 탈부착이 가능하게 형성될 수 있다.
본 발명의 기술 사상에 따르면, 상기 하우징부는, 상기 냉매가 유동하는 방향을 기준으로 상기 유동 공간의 바닥면이 상기 덮개부의 수평면에 대하여 제 2 각도를 가지고 형성될 수 있다.
본 발명의 기술 사상에 따르면, 상기 열교환부는, 상기 하우징부에 형성된 상기 유동 공간에 대응되도록, 상기 냉매가 유동하는 방향의 수평 단면을 기준으로 상기 복수의 핀의 단부를 잇는 연장선이 상기 덮개부의 수평면에 대하여 상기 제 2 각도를 가지고 형성될 수 있다.
본 발명의 기술 사상에 따르면, 상기 하우징부는, 상기 냉매가 유동하는 방향을 기준으로 상기 유동 공간의 바닥면의 적어도 일부분이 곡면부를 가지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 기술 사상에 따르면, 상기 제 2 각도는 1도 내지 1.5도로 형성될 수 있다.
본 발명의 기술 사상에 따르면, 상기 덮개부 주변을 둘러싸도록 형성되는 접합부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기술 사상에 따르면, 상기 접합부는, 상기 하우징부의 적어도 일부분에 형성되는 돌기부와 레이저 용접법으로 용접되어 결합될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 발열체나 칩이 실장된 위치에 따라 핀의 길이 및 구조를 형성하여 냉각이 불필요한 영역을 최소화하고, 냉매의 속도가 빨라지도록 하여 냉각 효율을 늘리고 이에 따라 유동되는 냉각 유체 및 시간에 따른 냉각 효율을 높일 수 있다.
또한, 복수개의 발열체나 칩의 위치에 따라 냉매의 유동 속도를 제어하여 복수개의 발열체나 칩이 냉각되는 온도의 균일화를 이룰 수 있는 파워 모듈 냉각 장치를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파워 모듈 냉각 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 파워 모듈 냉각 장치의 A-A` 절단면을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 파워 모듈 냉각 장치의 A-A` 절단면을 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 1의 파워 모듈 냉각 장치의 B-B` 절단면의 하우징부를 나타내는 평면도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 여러 실시예들에 따른 파워 모듈 냉각 장치를 나타내는 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 파워 모듈 냉각 장치의 벽면 구배 및 천장 구배의 각도에 따라 서로 다른 위치에 실장된 발열체의 온도 변화를 표로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 파워 모듈 냉각 장치를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파워 모듈 냉각 장치를 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 파워 모듈 냉각 장치(1000)의 A-A` 절단면을 나타내는 단면도이고, 도 3은 도 1의 B-B` 절단면을 나타내는 단면도이고, 도 4는 도 3의 하우징부(100)를 나타내는 평면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 파워 모듈 냉각 장치(1000)는, 크게, 하우징부(100), 덮개부(200) 및 열교환부(300)를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 하우징부(100)는 냉매가 유입되는 유입부(110) 및 유출되는 유출부(120)가 형성되고, 상기 냉매가 유동될 수 있도록 내부에 유동 공간(A)이 형성될 수 있다.
예컨대, 하우징부(100)는 내부에 상기 냉매가 순환되는 유동 공간(A)이 형성될 수 있도록 적어도 일측이 개방된 개구부가 형성되는 전체적으로 박스 형태의 열전도성 재질의 통형 구조체일 수 있다.
하우징부(100)은 비교적 3차원적으로 복잡한 구조로서, 원가를 절감하고, 복잡한 구조에 적합할 수 있도록 알루미늄 성분의 모재를 다이캐스팅 방법으로 성형할 수 있다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 하우징부(100)는 전면에 상기 냉매가 유입될 수 있는 냉매 유입부(110)와 상기 냉매가 배출될 수 있는 냉매 배출구(120)가 형성되는 하우징 몸체 및 유입부(110)로부터 유입된 상기 냉매가 순환되어 배출구(120)로 배출될 수 있도록 상기 하우징 몸체의 테두리를 둘러싸고 형성되는 벽체를 포함할 수 있다.
상기 벽체는 상기 냉매가 유입부(110)에서 유출부(120)까지 유동되는 방향에서 측방에 형성된 일측벽(131)과 일측벽(131)에 대응되는 타측벽(132)을 포함할 수 있다.
그러나, 이러한 하우징부(100)의 형상이나 제조 방법 등은 도면에 반드시 국한되지 않는 것으로서, 전체적으로 사각 박스 형태 이외에도 다각 박스나, 링형 또는 원통형 등 매우 다양한 3차원적인 통체가 다양한 방법으로 제조될 수 있다.
이하, 설명에서는 도 1에서와 같이, 상기 냉매가 유입부(110)에서 유출부(120)까지 유동되는 방향을 X축 방향, 상기 냉매가 유동되는 방향에 수직방향에서 폭방향을 Y축 방향, 상기 냉매가 유동되는 방향에 수직방향에서 하우징부(100)에 열교환부(300) 및 덮개부(200)가 결합되는 방향을 Z축 방향으로 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 덮개부(200)는 일면은 적어도 하나의 발열체(PM)가 직접 또는 간접적으로 접촉하고, 타면은 상기 유동 공간(A)을 밀폐할 수 있도록 상기 하우징부(100)에 결합될 수 있다.
덮개부(200)는 전체적으로 판형상인 열전도성 재질의 구조체일 수 있다. 예컨대, 덮개부(200)는 일면에 형성된 외면과 타면에 형성된 내면이 모두 평평한 판형상의 플레이트 몸체를 포함할 수 있다.
상기 플레이트 몸체의 내면은 상기 냉매와 열적으로 접촉될 수 있도록 유동 공간(A)을 덮도록 설치될 수 있으며, 유동 공간(A) 방향으로 돌출되는 열교환부(300)가 형성될 수 있다.
상기 플레이트 몸체의 외면은 적어도 하나의 발열체(PM)가 안착될 수 있는 안착부가 형성될 수 있다.
상기 안착부는 발열체(PM)의 발열시 휨현상을 방지할 수 있도록 상기 플레이트 몸체의 외면으로부터 돌출되게 형성될 수 있다. 따라서, 상기 안착부에 실장된 발열체(PM)는 고온으로 발열시 상대적으로 상기 플레이트 몸체의 두께가 얇아서 상기 안착부 대신 상기 플레이트 몸체로 휨현상을 유도할 수 있고, 이로 인하여 상기 안착부의 휨현상을 최대한 억제할 수 있기 때문에 발열체(PM)와의 접촉 불량이나 이탈 현상을 방지할 수 있다.
한편, 이러한 덮개부(200)의 형상은 도면에 반드시 국한되지 않는 것으로서, 전체적으로 사각판 형태 이외에도 다각판이나, 원판, 타원판 등 매우 다양한 형태로 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 열교환부(300)는 발열체(PM)에서 발생되는 열이 상기 냉매에 전달될 수 있도록 덮개부(200)의 타면에 돌출된 복수의 핀으로 형성되어 유동 공간(A)에 삽입될 수 있다.
구체적으로, 열교환부(300)는 원기둥 또는 다각기둥 형상으로 형성된 핀이 복수개 형성되어 덮개부(200)의 타면에 돌출되어 형성될 수 있다. 그리하여, 발열체(PM)에서 발생되는 열이 덮개부(200)를 통하여 상기 냉매로 전달되고 상기 복수의 핀이 상기 냉매와의 접촉 면적을 늘려 냉각 효율을 늘릴 수 있다.
발열체(PM)는 모터제어 방식에 따라 상이하게 구성되며, 예컨대, 상면에 Diode, IGBT 등의 복수의 칩이 실장될 수 있다.
발열체(PM)는 전기 자동차의 모터에 공급되는 전력 반도체의 일종으로서 구체적으로, 실리콘 제어 정류기(SCR, Silicon Controlled Rectifier), TRIAC(Triode AC Switch), DIAC(Diode AC), GTO 인버터 (Gate Turn-Off Thyrister), SSS (Silicon Symmetrical Switch), MCT(Mos-Controlled Thyristo), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated gate bipolar transistor), MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transister) 등의 전력 반도체 칩을 포함할 수 있다.
이때, 상기 칩(S)은 발열체(PM)의 중심부가 아닌 일측방향으로 편심된 구조로 실장될 수 있으며, 복수개의 발열체(PM)가 서로 다른 위치에 형성될 수 있고, 각 발열체(PM)의 발열량은 상이하다. 이에 따라, 하우징부(100) 또는 열교환부(300)는 상기 냉매가 유동되는 방향을 따라 유동 공간(A)의 단면적이 작아지도록 형성될 수 있다.
예컨대, 하우징부(100)는 상기 냉매가 X축 방향에서 유입부(110)에서 유출부(120)로 이동되는 방향을 따라 유동 공간(A)의 단면적이 작아지도록 하우징부(100)의 내부 공간의 양측 폭이 좁아지도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 발열체(PM)가 일측에 안착되어 접촉 위치가 일측부거나, 또는, 발열체(PM)는 중심부에 안착되었으나 발열체(PM)에 형성된 열을 발생하는 칩(S)이 일측에 형성되어 발열 위치가 일측부일 경우에, 예컨대, 상기 접촉 위치 또는 상기 발열 위치가 도 4에서의 상부인 타측벽(132) 측으로 형성될 경우에, 하우징부(100)의 일측벽(131)이 점진적으로 좁아지도록 형성될 수 있다.
이때, 하우징부(100)는 상기 냉매가 유동하는 방향을 기준으로 유동 공간(A)의 일측벽(131)이 타측벽(132)의 수평면에 대하여 제 1 각도(θ1)를 가지고 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 냉매가 유입부(110)에서 유출부(120)로 유동됨에 따라 상기 냉매의 유속이 빨라지게 되고, 유입부(110) 측에서 유동되는 냉매의 온도에 비하여 낮은 온도로 유동되는 유출부(120) 측에서 유동되는 냉매로도 유출부(120)측에 안착된 발열체(PM)의 냉각 효율을 높일 수 있다.
열교환부(300)는 유동 공간(A)에 대응되도록 형성될 수 있다.
예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 열교환부(300)는 유동 공간(A)의 일측벽(131)에 대응되도록 형성된 복수의 핀을 연결하는 제 1 연결선(L1)이 타측벽(132)에 대응되도록 형성된 복수의 핀을 연결하는 제 2 연결선(L2)에 대하여 상기 제 1 각도(θ1)를 가지고 형성될 수 있다. 이때, 제 1 각도(θ1)는 1도 내지 1.5도를 이루도록 형성되어, 발열체(PM)가 상기 냉매의 유동 방향으로 복수개 형성될 경우, 제 1 발열체(PM1), 제 2 발열체(PM2) 및 제 3 발열체(PM3)의 온도의 균일화를 이룰 수 있다.
도시되지 않았지만, 열교환부(300)의 유입부(110) 측에서 폭방향인 Y축 방향으로 형성된 복수의 핀의 개수가 유출부(120) 측에서 Y축 방향으로 형성된 복수의 핀의 개수 보다 더 많이 형성될 수 있다. 즉, 상기 냉매의 유동 방향으로 핀의 개수가 줄어들면서 제 1 연결선(L1)이 경사지도록 형성될 수 있다.
또는, 열교환부(300)의 유입부(110) 측에서 폭방향인 Y축 방향으로 형성된 복수의 핀의 개수와 유출부(120) 측에서 Y축 방향으로 형성된 복수의 핀의 개수가 동일하게 형성되나, 유출부(120) 측의 핀의 이격거리가 유입부(110) 측에 핀의 이격거리 보다 좁게 형성되어 제 1 연결선(L1)이 경사지도록 형성될 수 있다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 여러 실시예들에 따른 파워 모듈 냉각 장치(1000)를 나타내는 단면도들이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파워 모듈 냉각 장치(1000)의 하우징부(100)는 곡선부(133)를 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 하우징부(100)는 상기 냉매가 유동하는 방향을 기준으로 유동 공간(A)의 일측벽(131)의 적어도 일부분이 곡선부(133)를 가지도록 형성될 수 있다.
예컨대, 하우징부(100)는 유동 공간(A)의 폭이 점차적으로 감소하면서 형성되는 직선부 구간을 포함하고, 유출부(120) 방향으로 갈수록 유동 공간(A)의 폭이 급격하게 줄어들도록, 도 5에서와 같이, 평면상에서 곡선으로 줄어드는 곡선부(133) 구간을 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파워 모듈 냉각 장치(1000)의 열교환부(300)는 유동 조절부(320)를 포함할 수 있다.
유동 조절부(320)는 상기 냉매가 유동하는 방향을 따라 유동 공간(A)이 좁아질 수 있도록 덮개부(200)의 타면에서 복수의 핀(310)의 측방에 벽체로 형성되어 유동 공간(A)에 삽입될 수 있다.
유동 조절부(320)는 상기 냉매가 유동되는 방향을 따라 상기 유동 공간(A)의 단면적이 작아지도록 유입부(110) 방향의 두께보다 유출부(120) 방향의 두께가 두껍도록 형성될 수 있다.
예컨대, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 냉매가 유동되는 유동 방향(F)에 따라 유동 조절부(320)의 두께가 커지도록 형성될 수 있으며, 유동 조절부(320)가 하우징부(100)에 결합됨에 따라, 유동 공간(A)의 단면적이 좁아져 상기 냉매의 유동 속도를 제어할 수 있다.
이때, 유동 조절부(320)는 발열체(PM)가 덮개부(200)에 접촉되는 접촉 위치 또는 발열체(PM)에서 열이 발생되는 발열 위치에 따라 형성되는 열교환부(300)에 대응되어 선택적으로 결합될 수 있도록 덮개부(200)에 탈부착이 가능하게 형성될 수 있다.
유동 조절부(320)는 발열체(PM)에 실장된 칩(S)의 위치에 따라 열교환부(300)가 선택되어 하우징부(100)에 결합될 수 있으며, 또한, 유동 조절부(320)가 선택되어 덮개부(100) 및 하우징부(100)에 결합될 수 있다.
즉, 발열체(PM)의 접촉 위치 또는 발열체(PM)에서 열이 발생되는 발열 위치에 따라 사용되는 다양한 형태의 열교환부(300) 및 유동 조절부(320)를 선택적으로 사용이 가능하며, 하우징부(100)는 다양한 형태의 열교환부(300) 및 유동 조절부(320)를 모두 수용할 수 있도록 형성되어 하우징부(100), 열교환부(300) 및 유동 조절부(320)의 제조가 용이하고 비용절감이 가능하다.
유동 조절부(320)의 형상은 반드시 도면에 국한되지 않는 것으로서, 유동 공간(A)의 단면적이 감소되는 다양한 형태로 형성될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파워 모듈 냉각 장치(1000)의 하우징부(100)는 경사진 바닥면(134)을 포함할 수 있다.
상기 냉매가 X축 방향에서 유입부(110)에서 유출부(120)로 이동되는 방향을 따라 유동 공간(A)의 단면적이 작아지도록 유동 공간(A)의 높이가 좁아지도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 바닥면(134)은 하우징부(100)의 유입부(110)에서 유출부(120)로 갈수록 높이가 높아지도록 형성되어, 상대적으로, 유동 공간(A)이 좁아질 수 있다. 이때, 바닥면(134)이 덮개부(200)의 수평면에 대하여 제 2 각도(θ2)를 가지고 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 냉매가 유입부(110)에서 유출부(120)로 유동됨에 따라 상기 냉매의 유속이 빨라지게 되고, 유입부(110) 측에서 유동되는 냉매의 온도에 비하여 낮은 온도로 유동되는 유출부(120) 측에서 유동되는 냉매로도 유출부(120)측에 안착된 발열체(PM)의 냉각 효율을 높일 수 있다.
열교환부(300)는 바닥면(134)에 대응되도록 형성될 수 있다.
예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 열교환부(300)는 하우징부(100)에 형성된 유동 공간(A)에 대응되도록, 유동 공간(A)의 폭방향인 Y축 방향의 수직 단면을 기준으로 상기 복수의 핀의 단부를 잇는 연장선(L3)이 상기 덮개부(200)의 수평면에 대하여 제 2 각도(θ2)를 가지고 형성될 수 있다.
열교환부(300)는 유동 공간(A)의 바닥면(131)에 대응될 수 있도록, 상기 복수의 핀은 유입부(110) 측에 형성된 핀에서 유출부(120) 측에 형성된 핀까지의 길이가 점차적으로 감소하면서 형성될 수 있다.
상기 복수의 핀의 단부를 잇는 연장선(L3)이 제 2 각도(θ2)를 가지고 경사지게 형성됨에 따라, 바닥면(134)은 덮개부(200)를 기준으로 제 2 각도(θ2)를 가지고 경사지게 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 냉매는 유동 공간(A)에서 유입부(110)에서보다 유출부(120)에서 더 빠른 유속을 가지고 유동될 수 있으며, 복수개의 발열체(PM)의 온도 균일화를 이룰 수 있고, 냉각 성능이 높은 효과를 가질 수 있다.
바람직하게, 제 2 각도(θ2)는 1도 내지 1.5도를 이루도록 형성될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 하우징부(100)는 상기 냉매가 유동하는 방향을 기준으로 유동 공간(A)의 바닥면(134)의 적어도 일부분이 곡면부(135)를 가지도록 형성될 수 있다.
예컨대, 하우징부(100)는 유동 공간(A)의 높이가 점차적으로 감소하면서 형성되는 직선부 구간을 포함하고, 유출부(120) 방향으로 갈수록 유동 공간(A)의 높이가 급격하게 줄어들도록, 도 8에서와 같이, Y축의 수직 단면상에서 곡선으로 줄어드는 곡선부(135) 구간을 포함할 수 있다.
열교환부(300) 및 바닥면(134)의 형상은 반드시 도면에 국한되지 않는 것으로서, 발열체(PM)가 덮개부(200)에 접촉되는 접촉 위치 또는 발열체(PM)에서 열이 발생되는 발열 위치에 따라, 다양한 형태로 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 파워 모듈 냉각 장치(1000)는 접합부(400)를 더 포함할 수 있다.
접합부(400)는 하우징부(100)와 덮개부(200)가 결합하기 위한 용접부 및 실링부를 포함할 수 있다.
접합부(400)는 덮개부(200)의 테두리 부분을 적어도 일부분 감싸도록 형성될 수 있다.
접합부(400)는 강도와 탄성이 우수하며 고온의 조건에서도 견딜 수 있는 고성능 플라스틱 재질인 엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastic, EP)으로 형성되어, 발열체(PM)의 냉각 과정에서 온도가 상승하는 상기 냉각수에 의한 변형 및 파손을 방지할 수 있다.
접합부(400)는 레이저빔을 투과시키는 투과층이 형성된 투과성 플라스틱 재질로 형성될 수 있다. 구체적으로, 덥개부(200)의 둘레에 형성된 접합부(400)는 하우징부(100)에 형성된 돌기부와 레이저 용접 장치로부터 조사되는 레이저빔을 통하여 상기 돌기부 및 상기 돌기부와 접촉하는 면이 용융되어 덮개부(200)와 접합될 수 있다.
이때, 덮개부(200)와 상기 돌기부가 접합이 이루어질 수 있도록, 압착 장치를 이용하여 하우징부(100)와 덮개부(200) 사이를 소정의 압력으로 압착하는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 접합부(400)는 상기 용접부가 형성되는 과정에서 발생되는 공극으로 인한 상기 냉매의 누출을 방지할 수 있도록 상기 용접부 주변에 형성되는 밀봉 부재를 포함할 수 있다. 이에 따라, 하우징부(100)와 덮개부(200)를 용접한 다음, 형성된 상기 용접부에 접착제 성분의 상기 밀봉 부재를 형성하여 밀봉성을 향상시켜서 냉매 누출을 방지할 수 있고, 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 밀봉 부재는 휘발성 유기 용제와 결합되어 휘발 또는 가열후 경화될 수 있는 고분자성 접착제(adhesive) 재질이 적용될 수 있다. 그러나, 이에 반드시 국한되지 않는 것으로서, 매우 다양한 접착제 재질이 적용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 파워 모듈 냉각 장치(1000)의 벽면 구배 및 천장 구배의 각도에 따라 서로 다른 위치에 실장된 발열체의 온도 변화를 표로 나타내는 도면이다.
도 9에서와 같이, 열교환부(300)의 일측벽(131)이 제 1 각도(θ1)를 가지고 경사지도록 형성된 벽면 구배 파워 모듈 냉각 장치와, 바닥면(134)이 제 2 각도(θ2)를 가지고 경사지도록 형성된 천장 구배 모듈 냉각 장치의 발열체(PM) 위치에 따른 온도의 변화를 전산모사하여 표로 나타내었다.
이때, 상기 벽면 구배 파워 모듈 냉각 장치는 도 1과 동일하게 유입부(110)에서 유출부(120)까지 순서대로 제 1 발열체(PM1), 제 2 발열체(PM2) 및 제 3 발열체(PM3)를 안착한 상태에서 발열 위치는 중심부에서 8.4mm 좌측부이다. 기본 핀의 높이는 11.3mm이고, 일측벽(131)의 제 1 각도(θ1)는 각각 1도, 1.5도에서 제 1 발열체(PM1), 제 2 발열체(PM2) 및 제 3 발열체(PM3)의 최고 온도를 시뮬레이션하였다.
이때, 상기 천장 구배 파워 모듈 냉각 장치는 제 1 발열체(PM1), 제 2 발열체(PM2) 및 제 3 발열체(PM3)를 안착한 상태에서 발열 위치는 중심부이다. 기본 핀의 높이는 11.3mm이고, 바닥부(134)의 제 2 각도(θ2)는 각각 0.5도, 1도, 1.5도에서 제 1 발열체(PM1), 제 2 발열체(PM2) 및 제 3 발열체(PM3)의 최고 온도를 시뮬레이션하였다.
실험 기준으로, 열교환부(300)의 핀의 높이는 모두 11.3mm일 경우에, 제 1 발열체(PM1), 제 2 발열체(PM2) 및 제 3 발열체(PM3)의 최고 온도는 각각 118.26℃, 121.2℃, 123.3℃ 로 나타났다.
상기 벽면 구배 파워 모듈 냉각 장치는 열교환부(300)의 일측벽(131)이 경사진 제 1 각도(θ1)가 1도 일 경우에 발열체(PM1, PM2, PM3)의 온도는 각각 118.19℃, 120.76℃, 122.43℃로 나타나 상기 실험 기준에 비하여 온도가 -0.06%, -0.36%, -0.71%로 나타나 일부 감소하였다.
동일한 조건에서 제 1 각도(θ1)가 1.5도 일 경우에 발열체(PM1, PM2, PM3)의 온도는 각각 118.33℃, 120.55℃, 121.99℃로 나타나 상기 실험 기준에 비하여 온도가 -0.06%, -0.54%, -1.06%로 나타나 온도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
실험에서 나타난 바와 같이, 제 1 각도(θ1)가 높아져 제 1 발열체(PM1)에서 제 3 발열체(PM3)까지 냉매(C)의 유동 속도가 빨라질수록 유출부측 발열체의 온도가 감소하는 비율이 크게 나타나고 있어 냉각 성능이 유출부측에서 효과적으로 증가하고, 제 3 발열체(PM3)에서 냉각 성능이 현저하게 나타나는 것으로 보아 제 1 발열체(PM1), 제 2 발열체(PM2) 및 제 3 발열체(PM3)의 온도 균일도에서도 높은 효과를 가지고 있는 것으로 나타나고 있다.
바람직하게는, 제 1 각도(θ1)는 1도 내지 1.5도로 형성되어 가장 효율적으로 냉각 성능을 높일 수 있다.
상기 천장 구배 파워 모듈 냉각 장치는 열교환부(300)의 바닥면(134)이 경사진 제 2 각도(θ2)가 0.5도 일 경우에 발열체(PM1, PM2, PM3)의 온도는 각각 118.98℃, 121.59℃, 121.9℃로 나타나 상기 실험 기준에 비하여 온도가 0.61%, 0.32%, -0.04%로 나타나 일부 증가하였다.
동일한 조건에서 제 2 각도(θ2)가 1도 일 경우에 발열체(PM1, PM2, PM3)의 온도는 각각 118.58℃, 120.59℃, 121.7℃로 나타나 상기 실험 기준에 비하여 온도가 -0.27%, -0.5%, -1.3%로 나타나 제 1 발열체(PM1)을 제외하고 온도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
동일한 조건에서 제 2 각도(θ2)가 1.5도 일 경우에 발열체(PM1, PM2, PM3)의 온도는 각각 118.17℃, 119.5℃, 119.7℃로 나타나 상기 실험 기준에 비하여 온도가 -0.08%, -1.40%, -2.92%로 나타나 발열체(PM1, PM2, PM3)의 온도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
실험에서 나타난 바와 같이, 제 2 각도(θ2)가 0.5도 일 경우에는 유출부측에서 가까운 제 3 발열체(PM3)의 온도만 감소하고, 1도 일 경우에는 제 2 발열체(PM2) 및 제 3 발열체(PM3)의 온도가 감소하고, 1.5도 일 경우에는 모든 발열체(PM1, PM2, PM3)의 온도가 감소하였다.
특히, 바닥부(134)의 경사가 1.5도 형성되어 제 1 발열체(PM1)에서 제 3 발열체(PM3)까지 냉매(C)의 유동 속도가 빨라질수록 유출부측 발열체의 온도가 감소하는 비율이 크게 나타나고 있어 냉각 성능이 유출부측에서 효과적으로 증가하고, 제 3 발열체(PM3)의 온도 감소가 현저하게 나타난 것으로 보아 제 1 발열체(PM1), 제 2 발열체(PM2) 및 제 3 발열체(PM3)의 온도 균일도에서도 높은 효과를 가지고 있는 것으로 나타나고 있다.
즉, 제 2 각도(θ2)는 1도 내지 1.5도로 형성되어 가장 효율적으로 냉각 성능을 높일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 파워 모듈 냉각 장치(1000)는 냉매가 유동되는 유동 공간(A)의 단면적이 감소하도록 형성하고 상기 냉매의 속도가 빨라지도록 하여 냉각 효율을 늘리고, 복수의 발열체(PM)의 온도 균일도를 유지할 수 있다.
또한, 열교환부(300)를 유동 공간(A)에 대응되도록 형성하여 상기 접촉 위치 또는 상기 발열 위치에 형성된 열교환부(300)에 상기 냉매가 더 빨리 유동되면서 열교환부(300)와 더 빠르게 열교환이 이루어질 수 있도록 하여 복수개의 발열체(PM)가 냉각되는 온도의 균일화를 이룰 수 있고, 냉각 성능이 높은 효과를 가질 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 냉매가 유입되는 유입부 및 유출되는 유출부가 형성되고, 상기 냉매가 유동될 수 있도록 내부에 유동 공간이 형성되는 하우징부;
    일면은 적어도 하나의 발열체가 직접 또는 간접적으로 접촉하고, 타면은 상기 유동 공간을 밀폐할 수 있도록 상기 하우징부에 결합되는 덮개부; 및
    상기 발열체에서 발생되는 열이 상기 냉매에 전달될 수 있도록 상기 덮개부의 타면에 돌출된 복수의 핀으로 형성되어 상기 유동 공간에 삽입되는 열교환부;
    를 포함하고,
    상기 하우징부 또는 상기 열교환부는,
    상기 냉매가 유동되는 방향을 따라 상기 유동 공간의 단면적이 작아지도록 형성되는, 파워 모듈 냉각 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징부는,
    상기 냉매가 유동하는 방향을 기준으로 상기 유동 공간의 일측벽이 상기 유동 공간의 타측벽의 수평면에 대하여 제 1 각도를 가지고 형성되는, 파워 모듈 냉각 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열교환부는,
    상기 유동 공간의 일측벽에 대응되도록 형성된 복수의 핀을 연결하는 제 1 연결선이 상기 유동 공간의 타측벽에 대응되도록 형성된 복수의 핀을 연결하는 제 2 연결선에 대하여 상기 제 1 각도를 가지고 형성되는, 파워 모듈 냉각 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 하우징부는,
    상기 냉매가 유동하는 방향을 기준으로 상기 유동 공간의 일측벽의 적어도 일부분이 곡선부를 가지도록 형성되는, 파워 모듈 냉각 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 각도는 1도 내지 1.5도로 형성되는, 파워 모듈 냉각 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환부는,
    상기 냉매가 유동하는 방향을 따라 상기 유동 공간이 좁아질 수 있도록 상기 덮개부의 타면에서 상기 복수의 핀의 측방에 벽체로 형성되어 상기 유동 공간에 삽입되는 유동 조절부;
    를 포함하는, 파워 모듈 냉각 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유동 조절부는,
    상기 발열체가 상기 덮개부에 접촉되는 접촉 위치 또는 상기 발열체에서 열이 발생되는 발열 위치에 따라 형성되는 상기 열교환부에 대응되어 선택적으로 결합될 수 있도록 상기 덮개부에 탈부착이 가능하게 형성되는, 파워 모듈 냉각 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징부는,
    상기 냉매가 유동하는 방향을 기준으로 상기 유동 공간의 바닥면이 상기 덮개부의 수평면에 대하여 제 2 각도를 가지고 형성되는, 파워 모듈 냉각 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열교환부는,
    상기 하우징부에 형성된 상기 유동 공간에 대응되도록, 상기 냉매가 유동하는 방향의 수평 단면을 기준으로 상기 복수의 핀의 단부를 잇는 연장선이 상기 덮개부의 수평면에 대하여 상기 제 2 각도를 가지고 형성되는, 파워 모듈 냉각 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 하우징부는,
    상기 냉매가 유동하는 방향을 기준으로 상기 유동 공간의 바닥면의 적어도 일부분이 곡면부를 가지도록 형성되는, 파워 모듈 냉각 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 각도는 1도 내지 1.5도로 형성되는, 파워 모듈 냉각 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 덮개부 주변을 둘러싸도록 형성되는 접합부;
    를 더 포함하는, 파워 모듈 냉각 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 접합부는,
    상기 하우징부의 적어도 일부분에 형성되는 돌기부와 레이저 용접법으로 용접되어 결합되는, 파워 모듈 냉각 장치.
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