KR102443261B1 - 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치 - Google Patents

직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력반도체의 양면을 직접 접촉하여 냉각하기 위한 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치에 관한 것으로, 전력반도체의 상면을 향하는 박스 저면이 개방되어 있고 상기 전력반도체의 상면에 접착되는 상부박스와, 상기 전력반도체의 저면을 향하는 박스 상면이 개방되어 있고 상기 전력반도체의 저면에 접착되는 하부박스를 구비하는 냉각세그먼트; 상기 상부박스의 일측 단부에 관통하게 연결되며, 유체가 유입되는 입구탱크; 상기 하부박스의 일측 단부에 관통하게 연결되며, 상기 유체가 배출되는 출구탱크; 및 상기 상부박스 및 상기 하부박스 각각의 타측 단부에 관통하게 연결되는 연결탱크를 포함하고, 상기 냉각세그먼트는 상기 전력반도체의 개수별로 서로 연결되어서, 상기 입구탱크와 상기 연결탱크의 사이 또는 상기 출구탱크와 상기 연결탱크의 사이에 직접냉각유로를 형성하고, 상기 유체가 상기 전력반도체의 상면 및 저면에 직접 접촉하여, 상기 전력반도체를 냉각한다.

Description

직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치{apparatus with direct cooling pathway for cooling both side of power semiconductor}
본 발명은 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉매, 냉각수, 열교환매체 등과 같은 유체가 복수개의 전력반도체의 상면 및 저면에 각각 직접 접촉하여서, 전력반도체의 핀 및 그 근접 주변을 제외한 전력반도체의 양면(예: 상면 및 저면)을 직접 접촉하여 냉각할 수 있게 한 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치에 관한 것이다.
일반적으로 가솔린, 디젤과 같이 화석연료를 동력원으로 사용하는 자동차와, 환경에 이롭고 자연에너지, 물(수소) 또는 전기에너지를 동력원으로 사용하는 친환경자동차(EFV; Environmentally Friendly Vehicle)가 있다.
예컨대, 친환경자동차에는 하이브리드자동차(HEV)를 비롯하여, 플러그인 하이브리드(PHEV), 전기차(EV), 수소연료전지차(FCEV)가 있다.
이들 친환경자동차에서는 구동용 배터리(예를 들면, 300V)의 높은 전압과 전류의 전력을 이용하고, 이러한 전력을 모터에 원하는 상태로 공급되도록 조절하는 PCU(파워제어유닛) 또는 파워모듈이 함께 장착된다.
파워모듈은 인버터, 평활 콘덴서 및 컨버터 등의 전기소자 또는 전력변환장치인 전력반도체를 포함한다. 상기 전기소자 또는 전력반도체는 전력(electricity)의 공급에 따라 열을 발생하기 때문에, 반드시 별도의 냉각수단이 필요한 실정이다. 특히 전력반도체 등과 같은 전력변환장치의 설계시에는 냉각 성능이 가능한 중요한 인자이다.
이와 관련 종래 기술로서 자동차 분야의 파워모듈용 냉각수단에서는 전기소자의 단면 만을 냉각시키는 수단이나, 혹은 전기소자의 양면을 냉각시키는 수단이 사용된 바 있다.
예컨대, 종래 기술의 전기소자 냉각용 열교환기는 냉매, 냉각수 또는 열교환매체 등의 유체가 유동되도록 서로 마주보는 한 쌍의 플레이트가 내부에 공간부를 형성하며, 상기 전기소자의 높이방향으로 일측면에 배치되는 제1튜브와, 타측면에 배치되는 제2튜브와, 길이방향으로 일측에서 상기 제1튜브의 일부영역과 연통 형성되는 입구부와, 길이방향으로 일측에서 상기 제2튜브의 일부영역과 연통 형성되는 출구부와, 상기 제1튜브 및 제2튜브가 서로 연통되도록 연결하는 연결부를 포함하여 형성된다.
그런데, 종래 기술에서는 유체가 제1튜브 및 제2튜브의 내부 공간을 따라 유동하고, 이때, 유체의 냉열 또는 전기소자의 온열이 제1튜브 또는 제2튜브의 벽을 통해 간접냉각방식으로 열교환을 수행하고 있다.
즉, 종래 기술의 전기소자 냉각용 열교환기는 전기소자와 접촉되는 튜브 외표면에 써멀그리스 도포공정이 필요하여 생산성이 매우 떨어지는 단점이 있다.
또한, 종래 기술의 전기소자 냉각용 열교환기는 제1튜브 또는 제2튜브 각각 2개의 튜브 벽(상부벽, 하부벽)이 전기소자의 상면 및 저면에 형성되기 때문에, 열교환기 전체의 두께가 상대적으로 증가되는 단점이 있다.
또한, 종래 기술의 전기소자 냉각용 열교환기는 간접냉각방식으로 인하여 열교환 효율이 상대적으로 떨어지고, 복수개의 전기소자들이 하나의 몸체를 이루도록 패키징화되는 기술에서는 전기소자 각각의 냉각성능뿐만 아니라 전기소자 및 하우징으로 이루어진 패키지 전체에서 냉각효율이 상대적으로 떨어지는 단점이 있다.
또한, 종래 기술의 전기소자 냉각용 열교환기는 제1튜브와 제2튜브의 사이에 전력반도체 등의 전기소자를 끼워 넣은 후 상호 압착하기 때문에 제1튜브 또는 제2튜부의 변형이 일어나고, 이에 따라 품질문제의 발생 가능성이 매우 크다.
또한, 종래 기술의 전기소자 냉각용 열교환기는 열교환기와 전기소자간 조립공정에서 전기소자인 전력반도체의 핀을 인쇄회로기판(PCB)의 접속시킬 때, 핀 정위치를 잡기가 힘들고, 이로 인하여 별도 핀 정렬 공정이 추가되고, 이로 인하여 조립, 품질문제 해결 및 정위치에 따른 별도 핀 정렬 공정 등과 같이 인쇄회로기판 조립공정의 사이클 타임이 늘어나기 때문에 상대적으로 생산성이 상대적으로 낮은 실정이다.
또한, 종래 기술의 전기소자 냉각용 열교환기는 전기소자 또는 전력반도체의 개수에 대응한 튜브 길이가 미리 정해져 있으므로, 전기소자 또는 전력반도체의 개수 감소 또는 증가에 따라 별도의 튜브 제작이 이루어져야 하여 범용성이 매우 떨어지는 단점이 있다.
본 발명 목적은, 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로, 전력반도체의 상면 및 저면을 기반으로 부착되어 내부의 유체를 전력반도체의 상면 및 저면에 직접 접촉 및 냉각하는 다수의 냉각세그먼트를 제공함으로써, 써멀그리스 도포공정을 삭제하여 생산성을 높일 수 있는 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치는, 전력반도체의 상면을 향하는 박스 저면이 개방되어 있고 상기 전력반도체의 상면에 접착되는 상부박스와, 상기 전력반도체의 저면을 향하는 박스 상면이 개방되어 있고 상기 전력반도체의 저면에 접착되는 하부박스를 구비하는 냉각세그먼트; 상기 상부박스의 일측 단부에 관통하게 연결되며, 유체가 유입되는 입구탱크; 상기 하부박스의 일측 단부에 관통하게 연결되며, 상기 유체가 배출되는 출구탱크; 및 상기 상부박스 및 상기 하부박스 각각의 타측 단부에 관통하게 연결되는 연결탱크를 포함하고, 상기 냉각세그먼트는 상기 전력반도체의 개수별로 서로 연결되어서, 상기 입구탱크와 상기 연결탱크의 사이 또는 상기 출구탱크와 상기 연결탱크의 사이에 직접냉각유로를 형성하고, 상기 유체가 상기 전력반도체의 상면 및 저면에 직접 접촉하여, 상기 전력반도체를 냉각한다.
또한, 상기 상부박스는, 측면 및 상면이 폐쇄되어 있는 제 1 중공몸체와, 상기 상부박스의 일측 단부에 해당하며, 상기 제 1 중공몸체의 일측면에 관통하게 형성되며, 상대적으로 직경이 작은 제 1 연결관과, 상기 상부박스의 타측 단부에 해당하며, 상기 제 1 중공몸체의 타측면에 관통하게 형성되며, 인접하는 다른 냉각세그먼트의 제 1 연결관이 삽입될 수 있는 내경의 내부에 정지턱을 형성한 제 2 연결관과, 상기 제 1 중공몸체의 저면 테두리에서 외측 방향으로 돌출되며, 저면에 안착홈이 형성되며, 상기 안착홈이 형성된 곳을 제외한 저면이 상기 전력반도체의 상면에 접착되는 제 1 플랜지부, 및 상기 제 1 플랜지부의 안착홈에 결합되는 제 1 오링(O-ring)을 포함한다.
상기 하부박스는, 측면 및 저면이 폐쇄되어 있는 제 2 중공몸체와, 상기 하부박스의 일측 단부에 해당하며, 상기 제 2 중공몸체의 일측면에 관통하게 형성되며, 상대적으로 직경이 작은 제 3 연결관과, 상기 하부박스의 타측 단부에 해당하며, 상기 제 2 중공몸체의 타측면에 관통하게 형성되며, 상기 인접하는 다른 냉각세그먼트의 제 3 연결관이 삽입될 수 있는 내경의 내부에 정지턱을 형성한 제 4 연결관과, 상기 제 2 중공몸체의 상면 테두리에서 외측 방향으로 돌출되며, 상면에 안착홈이 형성되며, 상기 안착홈이 형성된 곳을 제외한 상면이 상기 전력반도체의 저면에 접착되는 제 2 플랜지부, 및 상기 제 2 플랜지부의 안착홈에 결합되는 제 2 오링을 포함하고, 상기 상부박스에 대하여 상하 대칭으로 형성되어 있다.
상기 냉각세그먼트는, 상기 상부박스와 상기 하부박스의 사이에 상기 전력반도체가 개재되며, 상기 제 1 연결관 내지 상기 제 4 연결관 중 어느 하나의 연결관의 연결 방향에 수직한 방향을 기준으로 상기 전력반도체의 핀이 상기 전력반도체의 양측면에서 돌출되어 있다.
상기 입구탱크는, 상기 유체가 유입되는 유입관과, 상기 냉각세그먼트의 상기 제 1 연결관에 배관되는 복수개의 제 1 피팅부, 및 상기 유입관과 상기 제 1 피팅부의 사이에 관통하게 연결되며, 상기 유체를 상기 제 1 피팅부 쪽으로 분배하는 내부 체적을 갖는 제 1 분배헤더를 포함한다.
상기 출구탱크는, 상기 유체가 배출되는 배출관과, 상기 냉각세그먼트의 상기 제 3 연결관에 배관되는 복수개의 제 2 피팅부, 및 상기 배출관과 상기 제 2 피팅부의 사이에 형성되며, 상기 유체를 상기 배출관 쪽으로 배출하는 내부 체적을 갖는 제 2 분배헤더를 포함한다.
상기 연결탱크는, 상기 상부박스의 유체를 공급받거나, 상기 유체를 하부박스 쪽으로 공급하기 위한 내부 체적을 갖는 제 3 분배헤더, 및 상기 제 3 분배헤더의 측면에 형성되며, 상기 제 2 연결관 또는 상기 제 4 연결관에 관통하게 연결되기 위한 복수개의 제 3 피팅부를 포함한다.
상기 냉각세그먼트는, 상기 입구탱크와 상기 연결탱크의 사이 또는 상기 출구탱크와 상기 연결탱크의 사이에서 직렬로 서로 연결되어 직렬 연결 구조의 냉각세그먼트 조립체가 되고, 상기 냉각세그먼트 조립체가 다수로 이격 배치되어 병렬 연결 구조를 형성한다.
본 발명에 의한 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치는, 전력반도체의 상부와 저부를 덮고 있고 내부에 냉매, 냉각수, 열교환매체 등과 같은 유체를 유동시킬 수 있는 복수개의 냉각세그먼트들을 직접냉각유로의 방향을 따라 서로 조립함으로써, 유체의 냉열 또는 전력반도체의 온열이 직접 냉각 또는 열교환을 수행함으로써 열교환 효율을 상대적으로 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치는, 기존의 튜브를 이용한 열교환장치에서 튜브의 외표면과 전력반도체의 외표면 사이에 이루어지는 써멀그리스 도포공정을 삭제함으로써 생산성을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치는, 냉각세그먼트에서 박스 저면이 개방된 상부박스와, 박스 상면이 개방된 하부박스가 전력반도체의 상면 또는 저면에 직접 부착되어 덮는 구조를 형성함으로써, 기존에 비하여 전력반도체를 개재한 상태의 장치의 두께를 상대적으로 줄여서 컴팩트한 장치 구조를 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치는, 직접냉각방식의 열교환을 수행함으로써, 열교환 효율이 상대적으로 매우 높고, 이로 인하여, 전력반도체를 다수로 구비한 패키지 모듈의 전체 냉각효율도 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치는, 냉각세그먼트가 직접 전력반도체에 부착되는 방식이면서, 사각링형의 제 1 오링(O-ring) 또는 제 2 오링이 냉각세그먼트의 상부박스의 저면 테두리 또는 하부박스의 상면 테두리 각각의 플랜지부의 안착홈에 설치되어서, 유체가 냉각세그먼트 외부로 누수되지 않게 기밀을 유지할 수 있고, 기존처럼 전력반도체 쪽으로 압착되지 않기 때문에 품질문제의 발생 가능성을 미연에 차단할 수 있다.
또한, 본 발명의 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치는, 복수개의 냉각세그먼트와, 입구탱크와, 출구탱크 및 연결탱크에 각각 관통하게 연결되어서, 냉각세그먼트의 간격에 대응하게 해당 냉각세그먼트에 개재된 전력반도체의 간격이 일정하게 유지됨으로써, 전력반도체의 핀을 인쇄회로기판(PCB)에 접속시킬 때, 용이하게 핀 정위치를 잡을 수 있으므로, 별도의 핀 정렬 공정이 필요 없으므로, 인쇄회로기판 조립공정의 사이클 타임을 상대적으로 줄여서 생산성을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치는, 냉각세그먼트가 모듈화되어서 서로 연결되는 구조이므로, 전력반도체의 개수 감소 또는 증가에 따라 사이즈가 큰 냉각세그먼트를 제작할 필요 없이 냉각세그먼트의 개수를 용이하게 감소 또는 증대시킬 수 있어서, 확장성 및 범용성이 매우 뛰어난 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 냉각세그먼트의 분해 사시도.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 냉각세그먼트의 결합관계를 설명하기 위한 사시도.
도 5는 도 3에 도시된 냉각세그먼트와 입구탱크와 출구탱크 및 연결탱크의 결합관계를 설명하기 위한 사시도.
도 6은 도 5에 도시된 선 A-A'의 단면도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가함을 배제하지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치는 전력반도체(300)의 개수(예: 6개)에 대응하는 다수의 냉각세그먼트(200, 200a, 200b, 200c, 200d, 200e), 입구탱크(100), 출구탱크(500), 연결탱크(400)를 포함한다.
냉각세그먼트(200, 200a, 200b, 200c, 200d, 200e), 입구탱크(100), 출구탱크(500) 및 연결탱크(400)의 재질은 엔지지어링 플라스틱 또는 열응력에 의해 강한 합성수지, 성형이 용이한 금속 또는 비금속 중 어느 하나의 재질로 형성되어 있으며, 하기에 설명하는 형상으로 사출 성형되어 있다.
각 냉각세그먼트(200, 200a, 200b, 200c, 200d, 200e)는 그의 두께 방향의 중간 위치에 전력반도체(300)를 개재하여 하나의 몸체를 이루도록 제작 또는 조립되어 있다.
각 전력반도체(300)는 각 냉각세그먼트(200, 200a, 200b, 200c, 200d, 200e)의 상부박스와 하부박스의 사이에 개재된다.
각 냉각세그먼트(200, 200a, 200b, 200c, 200d, 200e)의 상부박스는 그의 저면이 개방되어 있고 전력반도체(300)의 상면에 접착되어 있다. 또한, 하부박스는 전력반도체(300)의 저면을 향하는 박스 상면이 개방되어 있고 전력반도체(300)의 저면에 접착되어 있다.
입구탱크(100)는 일측에 배치된 냉각세그먼트(200, 200e)의 상부박스의 일측 단부에 관통하게 연결되며, 외부 열방출 장치(미 도시)로부터 유체를 유입 받고, 냉각세그먼트(200, 200e)의 상부박스의 내부 공간 쪽으로 상기 유체를 공급 또는 분배하는 역할을 담당한다.
여기서, 유체는 외부 열방출 장치와 본 실시예 사이를 순환하는 냉매, 냉각수, 열교환매체, 상변화물질(PCM, Phase change material)은 물질의 상태가 변화하면서 많은 열을 흡수 또는 방출할 수 있는 물질을 의미한다. 상변화물질은 잠열까지 이용하기 때문에 열교환 효율이 다른 매체에 비해 상대적으로 월등할 수 있다.
출구탱크(500)는 입구탱크(100)와 동일한 체적 또는 평면적을 가지고 있으며, 입구탱크(100)의 상부에 적층되어 있다.
출구탱크(500)는 일측에 배치된 냉각세그먼트(200, 200e)의 하부박스의 일측 단부에 관통하게 연결되며, 냉각세그먼트(200, 200e)의 하부박스의 내부 공간의 유체를 전달 받아서, 외부 열방출 장치 쪽으로 배출하는 역할을 담당한다.
연결탱크(400)는 타측에 배치된 냉각세그먼트(200b, 200c)의 상부박스 및 하부박스 각각의 타측 단부에 관통하게 연결된다.
연결탱크(400)는 냉각세그먼트(200b)의 상부박스의 유체를 공급받은 후 동일 냉각세그먼트(200b)의 하부박스의 내부로 유체를 제공하는 역할을 담당한다.
또한, 연결탱크(400)는 상기 냉각세그먼트(200b)와 함께 병렬 연결 구조로 연결된 다른 냉각세그먼트(200c)의 상부박스의 유체를 공급받은 후 해당 냉각세그먼트(200c)의 하부박스의 내부로 유체를 제공하는 역할을 담당한다.
즉, 복수의 냉각세그먼트(200b, 200c) 각각의 상부박스의 유체는 연결탱크(400)의 내부에서 섞일 수 있고, 이후 냉각세그먼트(200b, 200c) 각각의 하부박스의 내부로 유동될 수 있다.
이러한 냉각세그먼트(200, 200a, 200b, 200c, 200d, 200e)들은 전력반도체(300)의 개수별로 서로 연결되어서, 입구탱크(100)와 연결탱크(400)의 사이 또는 출구탱크(500)와 연결탱크(400)의 사이에 직접냉각유로를 형성하고, 상기 유체가 전력반도체(300)의 상면 및 저면에 직접 접촉하여, 전력반도체(300)를 냉각하게 된다.
냉각세그먼트(200, 200a, 200b, 200c, 200d, 200e)들은 전력반도체(300)별로 개별 제작된 후 배관 연결 방식으로 서로 관통하게 조립된다.
이러한 조립이 가능하도록 각 냉각세그먼트(200, 200a, 200b, 200c, 200d, 200e)들은 도 2에 도시된 구성 및 결합관계를 갖는다.
도 2에서는 설명의 용이성을 위해서 하나의 냉각세그먼트(200)를 기준으로 그의 세부 구성 및 결합관계가 설명되고, 이러한 설명은 다른 모든 냉각세그먼트(200a, 200b, 200c, 200d, 200e)에 동일하게 적용될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 냉각세그먼트의 분해 사시도이다.
도 2를 참조하면, 냉각세그먼트(200)는 크게 전력반도체(300)를 기준으로 상측 또는 하측에 배치되는 구성으로서 상부박스(210) 및 하부박스(240)를 포함한다. 상부박스(210) 및 하부박스(240)는 플라스틱 재질 등으로 성형된 사출 성형 구조물일 수 있다.
상부박스(210)는 측면 및 상면이 폐쇄되어 있으며, 저면이 개방되어 있는 사각 박스 구조물 형태의 제 1 중공몸체(213)를 갖는다. 여기서, 제 1 중공몸체(213)의 내부에는 유체가 채워지거나 유동하는 유체 저장 공간이 형성된다.
또한, 상부박스(210)는 상부박스(210)의 일측 단부에 해당하며, 제 1 중공몸체(213)의 일측면에 관통하게 형성되며, 상대적으로 직경이 작은 제 1 연결관(211)을 갖는다.
또한, 상부박스(210)는 상부박스(210)의 타측 단부에 해당하며, 상기 제 1 중공몸체(213)의 타측면에 관통하게 형성되며, 인접하는 다른 냉각세그먼트의 제 1 연결관이 삽입될 수 있는 내경의 내부에 정지턱(212a)을 형성한 제 2 연결관(212)을 갖는다.
또한, 상부박스(210)는 제 1 중공몸체(213)의 저면 테두리에서 외측 방향으로 돌출되며, 저면 테두리를 따라 연장되어 있으며, 저면에 안착홈이 형성되며, 상기 안착홈이 형성된 곳을 제외한 저면이 전력반도체(300)의 상면(301)에 접착되는 제 1 플랜지부(214)를 갖는다.
또한, 상부박스(210)는 제 1 플랜지부(214)의 안착홈에 결합되는 제 1 오링(220)(O-ring)을 포함한다.
하부박스(240)는 측면 및 저면이 폐쇄되어 있으며, 상면이 개방되어 있는 사각 박스 구조물 형태의 제 2 중공몸체(243)를 갖는다. 여기서, 제 2 중공몸체(243)의 내부에는 유체가 채워지거나 유동하는 유체 저장 공간이 형성된다.
또한, 하부박스(240)는 하부박스(240)의 일측 단부에 해당하며, 제 2 중공몸체(243)의 일측면에 관통하게 형성되며, 상대적으로 직경이 작은 제 3 연결관(241)을 갖는다. 여기서, 제 3 연결관(241)은 상기 제 1 연결관(211)에 비교할 때 동일 사이즈, 직경(외경) 및 내경을 갖는다.
또한, 하부박스(240)는 하부박스(240)의 타측 단부에 해당하며, 제 2 중공몸체(243)의 타측면에 관통하게 형성되며, 인접하는 다른 냉각세그먼트의 제 3 연결관이 삽입될 수 있는 내경의 내부에 정지턱(242a)을 형성한 제 4 연결관(242)을 갖는다. 여기서, 제 4 연결관(242)은 상기 제 2 연결관(212)에 비교할 때 동일 사이즈, 외경 및 내경을 갖는다.
정지턱(242a)은 인접하는 다른 냉각세그먼트의 제 3 연결관의 끝단과 접촉하여, 제 3 연결관의 삽입 깊이를 미리 정한 범위 내에서 일정하게 유지시키는 역할을 담당한다.
이를 위해 모든 정지턱(212a, 242a)의 내경은 제 1 연결관 또는 제 3 연결관의 내경과 일치되는 크기의 내경을 갖는다. 따라서, 연결관 내부에서의 유체의 유동 손실이 없거나 상대적으로 매우 적을 수 있다.
또한, 하부박스(240)는 제 2 중공몸체(243)의 상면 테두리에서 외측 방향으로 돌출되며, 상면 테두리를 따라 연장되어 있으며, 상면에 안착홈(245)이 형성되며, 상기 안착홈(245)이 형성된 곳을 제외한 상면이 전력반도체(300)의 저면(303)에 접착되는 제 2 플랜지부(244)를 갖는다.
또한, 하부박스(240)는 제 2 플랜지부(244)의 안착홈(245)에 결합되는 제 2 오링(230)을 갖는다.
이러한 하부박스(240)는 상부박스(210)에 대하여 상하 대칭으로 형성되어 있다.
제 1 오링(220) 및 제 2 오링(230)을 제외하고 제 1 플랜지부(214)의 저면 또는 제 2 플랜지부(244)의 상면은 접착제 수단, 초음파 융착 수단, 고주파 융착 수단 중 어느 하나에 의해서 전력반도체(300)의 해당 상면(301) 또는 저면(303)에 고정된다.
제 1 오링(220) 또는 제 2 오링(230)의 두께는 안착홈의 깊이 보다 상대적으로 더 크게 형성되며, 삽입 후 접착시에 발생되는 압착력에 의해 탄성 변형될 수 있다.
제 1 오링(220) 및 제 2 오링(230)은 고무링, 씰링, 개스킷 등을 통칭할 수 있다.
제 1 오링(220) 및 제 2 오링(230)은 상기 접착에도 불구하고 혹시 발생 가능한 누수 부위에서의 누수를 제 1 오링(220) 및 제 2 오링(230) 각각의 탄성지지 및 압착을 통해 방지하게 된다.
전력반도체(300)의 핀(302)은 제 1 연결관(211) 내지 제 4 연결관(242) 중 어느 하나의 연결관의 연결 방향에 수직한 방향을 기준으로 전력반도체(300)의 양측면에서 다수로 돌출되어 있다. 핀(302)는 전력반도체(300)의 몰드 내부의 회선에 접속되어 있다.
전력반도체(300)의 핀(302)은 전력반도체(300)의 간격에 대응하게 접속 부위 또는 단자를 갖는 인쇄회로기판에 접속될 수 있다. 핀(302)는 복수개의 핀 형상부 또는 구멍을 갖는 터미널 형상부 등을 통칭할 수 있다.
모든 열결관(211, 212, 241, 242)의 돌출 길이는 전력반도체(300)의 배치 간격에 따라 정해질 수 있으므로, 도 2 등에 도시된 길이보다 길게 또는 짧게 형성되어 있을 수 있다.
모든 열결관(211, 212, 241, 242)의 외경 및 내경의 사이즈는 유체의 유동량 또는 냉각 성능을 고려하여 크게 또는 작게 성형될 수 있다.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 냉각세그먼트의 결합관계를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 냉각세그먼트(200, 200a)는 동일 사이즈 및 동일 형상을 가지고 있고, 제 1 연결관(211a)과 제 2 연결관(212)이 동일한 연결 방향 및 높이에 위치되며, 역시 제 3 연결관(241a)과 제 4 연결관(242)이 동일한 연결 방향 및 높이에 위치되어 있다.
따라서, 냉각세그먼트(200)와 인접하는 다른 냉각세그먼트(200a)들은 서로 대응하는 제 1 연결관(211a)과 제 2 연결관(212)을 서로 끼워맞춤으로 조립함과 동시에, 역시 서로 대응하는 제 3 연결관(241a)과 제 4 연결관(242)을 서로 끼워맞춤으로 조립하는 것만으로도, 도 4와 같이 직렬 연결 구조의 냉각세그먼트 조립체(200f)가 될 수 있다.
특히, 직렬 연결 구조의 냉각세그먼트 조립체(200f)에서는 냉각세그먼트(200)와 인접하는 다른 냉각세그먼트(200a)의 사이 간격이 일정하게 될 수 있다.
따라서, 냉각세그먼트(200, 200a)에 탑재된 각 전력반도체(300)의 간격 또는 핀 간격도 일정하게 될 수 있고, 전력반도체(300)의 핀을 인쇄회로기판(미 도시)에 접속시킬 때, 용이하게 핀 정위치를 잡을 수 있고, 별도의 핀 정렬 공정이 필요 없으므로, 인쇄회로기판 조립공정의 사이클 타임을 상대적으로 줄여서 생산성을 극대화할 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 냉각세그먼트와 입구탱크와 출구탱크 및 연결탱크의 결합관계를 설명하기 위한 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 선 A-A'의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 각각 직렬 연결 구조를 갖는 냉각세그먼트 조립체(200f, 200g)는 도 3 및 도 4에 도시된 결합 과정의 반복을 통해서 다수(예: 2개의 열)로 제작될 수 있다.
즉, 냉각세그먼트(200, 200a, 200b, 200c, 200d, 200e)는 직렬로 서로 연결되어 각각 직렬 연결 구조의 냉각세그먼트 조립체(200f, 200g)가 되고, 이러한 냉각세그먼트 조립체(200f, 200g)는 입구탱크(100)와 연결탱크(400)의 사이 또는 출구탱크(500)와 연결탱크(400)의 사이에서 이격 배치되어 병렬 연결 구조를 형성하면서, 유체를 유동시킬 수 있도록 연결되어 있을 수 있다.
이를 위해서, 입구탱크(100)는 유체가 유입되는 유입관(113)과, 냉각세그먼트(200, 200e)의 제 1 연결관(211, 211e)에 배관되는 복수개의 제 1 피팅부(111, 112)를 갖는다.
또한, 입구탱크(100)는 유입관(113)과 제 1 피팅부(111, 112)의 사이에 관통하게 연결되며, 유입된 유체를 제 1 피팅부(111, 112) 쪽으로 분배하는 내부 체적을 갖는 제 1 분배헤더(110)를 포함한다.
출구탱크(500)도 제 2 분배헤더(510)를 포함한다. 제 2 분배헤더(510)는 제 1 분배헤더(110)에 비교하여 동일한 체적, 형상을 가질 수 있고, 제 1 분배헤더(110)의 아래에 적층될 수 있다.
제 2 분배헤더(510)와 제 1 분배헤더(110)의 경계에는 열차단용 인슐레이션패드(미 도시)가 개재되어 있거나, 공기층 혹은 열차단 재질의 접착제층이 형성되어 있을 수 있다. 인슐레이션패드, 공기층, 접착제층 등은 제 2 분배헤더(510)와 제 1 분배헤더(110)의 열교환을 차단하는 효율적인 수단일 수 있다.
출구탱크(500)는 유체가 배출되는 배출관(513)과, 냉각세그먼트(200, 200e)의 제 3 연결관(241, 241e)에 배관되는 복수개의 제 2 피팅부(511, 512)를 갖는다.
또한, 출구탱크(500)의 제 2 분배헤더(510)는 배출관(513)과 제 2 피팅부(511, 512)의 사이에 형성되며, 제 2 분배헤더(510)의 내부의 유체를 배출관(513) 쪽으로 배출하는 내부 체적을 갖는다.
본 실시예의 평면을 기준으로 입구탱크(100)의 유입관(113)은 출구탱크(500)의 배출관(513)에 비하여 편심되게 배치되어서 유입관(113) 또는 배출관(513)에 연결할 호스(미 도시)의 연결을 용이하게 할 수 있다.
연결탱크(400)는 입구탱크(100) 및 출구탱크(500)의 반대쪽, 즉 타측에 배치된 냉각세그먼트(200b, 200c)의 상부박스의 유체를 전달받아서 동일 냉각세그먼트(200b, 200c)의 하부박스의 내부고 공급하는 역할을 담당한다.
이를 위해서, 연결탱크(400)는 상기 상부박스의 유체를 공급받거나, 상기 유체를 상기 하부박스 쪽으로 공급하기 위한 내부 체적을 갖는 제 3 분배헤더(410)와, 냉각세그먼트(200b, 200c)를 향하는 제 3 분배헤더(410)의 측면에 형성되며, 제 2 연결관(212b, 212c) 또는 상기 제 4 연결관(242b, 242c)에 관통하게 연결되기 위한 복수개(예: 4개)의 제 3 피팅부(411)를 포함한다.
예컨대, 4개의 제 3 피팅부(411) 중에서 1열의 냉각세그먼트 조립체(200f) 쪽에서 상하 방향으로 이격 배치된 2개의 피팅부는 냉각세그먼트 조립체(200f) 끝의 냉각세그먼트(200b)의 제 2 연결관(212b) 또는 제 4 연결관(242b)에 관통하게 연결된다.
같은 방식으로, 상기 4개의 제 3 피팅부(411) 중에서 2열의 냉각세그먼트 조립체(200g) 쪽에서 상하 방향으로 이격 배치된 다른 2개의 피팅부는 냉각세그먼트 조립체(200g) 끝의 냉각세그먼트(200c)의 제 2 연결관(212c) 또는 제 4 연결관(242c)에 관통하게 연결된다.
이하, 도 5 또는 도 6을 참조하여, 본 실시예에 따른 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치의 작동 관계에 대하여 설명하도록 한다.
미 도시된 외부 열방출 장치에서 냉각된 유체는 유입관(113)을 통해서 입구탱크(100)의 내부로 들어온다.
이후, 입구탱크(100)의 내부의 유체는 순차적으로 연결된 냉각세그먼트(200, 200a, 200b)에 형성된 상측 직접냉각유로(C1)을 따라 유동한다. 이때, 해당 상측 제 1 중공몸체(213)의 내부의 유체는 전력반도체(300)의 상면과 직접 접촉한다. 이때, 전력반도체(300)에서 발생된 온열과 유체의 냉열의 사이에서 1차 열교환이 이루어진다.
입구탱크(100)의 내부에서 분배된 유체도 역시 같은 방식으로 해당 냉각세그먼트(200e, 200d, 200c)를 따라 유동하면서 역시 1차 열교환을 수행한다.
한편, 1차 열교환을 끝내고, 마지막 냉각세그먼트(200b, 200c)를 빠져나온 유체는 연결탱크(400)의 내부로 유입된다.
연결탱크(400)의 유체는 각 냉각세그먼트(200b, 200a, 200, 200c, 200d, 200e)의 하측 직접냉각유로(C2)을 따라 유동한다.
이 과정에서, 해당 하측 제 2 중공몸체(243)의 내부의 유체는 전력반도체(300)의 저면과 직접 접촉한다. 이때, 전력반도체(300)에서 발생된 온열과 유체의 냉열의 사이에서 2차 열교환이 이루어진다.
이렇게 모든 열교환을 끝마친 유체는 출구탱크(500)의 내부에 도달한 후, 배출관(513)을 통해 외부 열방출 장치 쪽으로 회수된다.
또한, 회수된 유체는 외부 열방출 장치에서 다시 냉각되어서 본 실시예 쪽으로 재공급되는 것을 반복하면서 전력반도체(300)를 직접냉각방식의 냉각시킨다.
이러한 본 실시예는 유체와 대상물 사이의 유체 통로 벽(예: 튜브 벽)을 통해 이루어지는 간접냉각방식에 비해 상대적으로 열교환 효율이 매우 높은 장점이 있다.
예컨데, 본 실시예의 열저항은 실험을 통해 확인한 결과, 동일 용량 기준으로 간접냉각방식에 비해 50% 향상되어 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 입구탱크 200, 200a, 200b, 200c, 200d, 200e : 냉각세그먼트
210 : 상부박스 220 : 제 1 오링
230 : 제 2 오링 240 : 하부박스
300 : 전력반도체 302 : 핀
400 : 연결탱크 500 : 출구탱크

Claims (8)

  1. 전력반도체의 상면을 향하는 박스 저면이 개방되어 있고 상기 전력반도체의 상면에 접착되는 상부박스와, 상기 전력반도체의 저면을 향하는 박스 상면이 개방되어 있고 상기 전력반도체의 저면에 접착되는 하부박스를 구비하는 냉각세그먼트;
    상기 상부박스의 일측 단부에 관통하게 연결되며, 유체가 유입되는 입구탱크;
    상기 하부박스의 일측 단부에 관통하게 연결되며, 상기 유체가 배출되는 출구탱크; 및
    상기 상부박스 및 상기 하부박스 각각의 타측 단부에 관통하게 연결되는 연결탱크를 포함하고,
    상기 냉각세그먼트는 상기 전력반도체의 개수별로 서로 연결되어서, 상기 입구탱크와 상기 연결탱크의 사이 또는 상기 출구탱크와 상기 연결탱크의 사이에 직접냉각유로를 형성하고, 상기 유체가 상기 전력반도체의 상면 및 저면에 직접 접촉하여, 상기 전력반도체를 냉각하고,
    상기 상부박스는,
    측면 및 상면이 폐쇄되어 있는 제 1 중공몸체와,
    상기 상부박스의 일측 단부에 해당하며, 상기 제 1 중공몸체의 일측면에 관통하게 형성되며, 상대적으로 직경이 작은 제 1 연결관; 및
    상기 상부박스의 타측 단부에 해당하며, 상기 제 1 중공몸체의 타측면에 관통하게 형성되며, 인접하는 다른 냉각세그먼트의 제 1 연결관이 삽입될 수 있는 내경의 내부에 정지턱을 형성한 제 2 연결관을 포함하는 것
    인 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부박스는,
    상기 제 1 중공몸체의 저면 테두리에서 외측 방향으로 돌출되며, 저면에 안착홈이 형성되며, 상기 안착홈이 형성된 곳을 제외한 저면이 상기 전력반도체의 상면에 접착되는 제 1 플랜지부, 및
    상기 제 1 플랜지부의 안착홈에 결합되는 제 1 오링(O-ring)을 포함하는 것
    인 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 하부박스는,
    측면 및 저면이 폐쇄되어 있는 제 2 중공몸체와,
    상기 하부박스의 일측 단부에 해당하며, 상기 제 2 중공몸체의 일측면에 관통하게 형성되며, 상대적으로 직경이 작은 제 3 연결관과,
    상기 하부박스의 타측 단부에 해당하며, 상기 제 2 중공몸체의 타측면에 관통하게 형성되며, 상기 인접하는 다른 냉각세그먼트의 제 3 연결관이 삽입될 수 있는 내경의 내부에 정지턱을 형성한 제 4 연결관과,
    상기 제 2 중공몸체의 상면 테두리에서 외측 방향으로 돌출되며, 상면에 안착홈이 형성되며, 상기 안착홈이 형성된 곳을 제외한 상면이 상기 전력반도체의 저면에 접착되는 제 2 플랜지부, 및
    상기 제 2 플랜지부의 안착홈에 결합되는 오링을 포함하고,
    상기 상부박스에 대하여 상하 대칭으로 형성되어 있는 것
    인 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉각세그먼트는,
    상기 상부박스와 상기 하부박스의 사이에 상기 전력반도체가 개재되며,
    상기 제 1 연결관 내지 상기 제 4 연결관 중 어느 하나의 연결관의 연결 방향에 수직한 방향을 기준으로 상기 전력반도체의 핀이 상기 전력반도체의 양측면에서 돌출되어 있는 것
    인 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 입구탱크는,
    상기 유체가 유입되는 유입관과,
    상기 냉각세그먼트의 상기 제 1 연결관에 배관되는 복수개의 제 1 피팅부, 및
    상기 유입관과 상기 제 1 피팅부의 사이에 관통하게 연결되며, 상기 유체를 상기 제 1 피팅부 쪽으로 분배하는 내부 체적을 갖는 제 1 분배헤더를 포함하는 것
    인 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 출구탱크는,
    상기 유체가 배출되는 배출관과,
    상기 냉각세그먼트의 상기 제 3 연결관에 배관되는 복수개의 제 2 피팅부, 및
    상기 배출관과 상기 제 2 피팅부의 사이에 형성되며, 상기 유체를 상기 배출관 쪽으로 배출하는 내부 체적을 갖는 제 2 분배헤더를 포함하는 것
    인 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 연결탱크는,
    상기 상부박스의 유체를 공급받거나, 상기 유체를 하부박스 쪽으로 공급하기 위한 내부 체적을 갖는 제 3 분배헤더, 및
    상기 제 3 분배헤더의 측면에 형성되며, 상기 제 2 연결관 또는 상기 제 4 연결관에 관통하게 연결되기 위한 복수개의 제 3 피팅부를 포함하는 것
    인 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각세그먼트는,
    상기 입구탱크와 상기 연결탱크의 사이 또는 상기 출구탱크와 상기 연결탱크의 사이에서 직렬로 서로 연결되어 직렬 연결 구조의 냉각세그먼트 조립체가 되고, 상기 냉각세그먼트 조립체가 다수로 이격 배치되어 병렬 연결 구조를 형성하는 것
    인 직접냉각유로를 갖는 전력반도체 양면 냉각 장치.
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