KR20170112813A - 냉각핀이 형성된 히트싱크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내측에 냉각수가 흐를 수 있도록 입구와 출구를 갖는 냉각유로(50)가 형성되고, 상기 냉각유로(50)에는 냉각핀(100)이 형성되는 것으로,
본 발명의 냉각핀이 형성된 히트싱크는 히트싱크의 냉각핀이 타원형 또는 마름모 형상을 함으로써 냉각수에 대한 흐름저항이 낮아져 냉각수의 유속이 개선되고, 동시에 표면적이 넓게 되어 열 배출 효율이 상승하고, 열배출 효율이 상승한 히트싱크를 통해 히트싱크에 삽입되는 파워모듈의 냉각효율을 상승시킴으로써 파워모듈에서 발생하는 고열에 의한 기계적 오류발생을 감소시키는 현저한 효과가 있다.

Description

냉각핀이 형성된 히트싱크 { heat sink formed cooling fin }

본 발명은 냉각핀이 형성된 히트싱크에 관한 것으로, 보다 상세하게는 히트싱크의 냉각핀이 타원형 또는 마름모 형상을 함으로써 냉각수에 대한 흐름저항이 낮아져 냉각수의 유속이 개선되고, 동시에 표면적이 넓게 되어 열 배출 효율이 상승함으로써 생산성을 향상시킬 수 있는 냉각핀이 형성된 히트싱크에 관한 것이다.

일반적으로 환경오염 문제 및 화석연료의 고갈로 인해 세계 여러 나라에서는 태양열이나 전기와 같은 대체에너지를 이용한 자동차용 엔진에 대한 연구가 더욱 활발하게 진행되고 있다.

상기 대체에너지를 이용한 자동차용 엔진 중에서 가장 실용화 가능성이 높은 것이 전기에너지를 이용하여 차량을 구동하는 방식인 전기 자동차(electric vehicle)용 엔진이다.

상기 전기 자동차용엔진에 의해 구동모터가 구동하여 바퀴에 동력을 전달하는 원리로 되어 있으며 구동모터는 구동 중 고열을 수반하기 때문에 이러한 고열을 제거하기 위해 냉각하고 있으며, 바람직하게는 히트싱크를 통해 냉각하고 있다.

일반적으로 냉각핀의 냉각 시 열 배출 효율은 표면적과, 상기 표면적을 지나는 냉각수의 유량 또는 유속에 비례하다.

종래기술로서 등록특허공보 등록번호 제10-1444773호의 히트싱크의 제조방법 및 그 히트싱크에 있어서, 베이스의 폭이 124mm이고, 상기 베이스의 하면에 형성된 방열핀의 두께는 0.8mm이며, 방열핀과 방열핀 사이의 피치는 0.4mm이고, 높이가 80mm이며, 상기 베이스와 상기 방열핀이 압출방식에 의해 일체로 형성된 알루미늄 재질의 히트싱크 제조방법에 있어서, 히트싱크에 마련된 상기 베이스의 일영역에 열 발생부를 부착하여 열을 발생시키는 단계; 상기 히트싱크로 공기를 유입시키는 팬을 구동시켜 와류현상에 의한 상기 베이스와 상기 열 발생부의 온도분포를 측정하는 단계; 상기 측정된 온도분포가 49~52℃ 내에 속하는지 여부를 확인하는 단계; 및 상기 측정된 온도분포가 49~52℃ 내에 속하지 않는 경우, 상기 베이스에 부착되는 방열핀의 개수 및 피치를 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트싱크 제조방법이라고 기재되어 있다.

다른 종래기술로서 등록특허공보 등록번호 제10-1289313호의 수냉식 쿨러 및 이를 구비한 인버터에 있어서, 적어도 일측면에는 냉각수가 흐를 수 있도록 입구와 출구를 갖는 냉각수 유로를 포함하고, 상기 냉각수 유로는, 상기 입구에서 직선으로 연결되는 제1 유로부; 상기 제1 유로부에서 절곡지게 연결되는 제2 유로부; 및 상기 제2 유로부에서 직선으로 연결되고 그 내부에 적어도 한 개 이상의 냉각핀이 형성되어 복수 개의 유로로 구획되는 제3 유로부;를 포함하며, 상기 제2 유로부에는 그 제2 유로부를 복수 개의 유로로 구획하도록 안내핀이 형성되고, 상기 안내핀은 제1 유로부의 폭방향 넓이를 이등분하는 위치에 형성되는 수냉식 쿨러라고 기재되어 있다.

그러나 상기와 같은 종래의 구성에서 냉각핀은 냉각수의 흐름에 방해가 되어 열 배출 효율이 부족하여 파워모듈에서 발생하는 고열에 의한 기계적 오류를 자주 생겨 생산성이 부족해지는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 히트싱크의 냉각핀이 타원형 또는 마름모 형상을 함으로써 냉각수에 대한 흐름저항이 낮아져 냉각수의 유속이 개선되고, 동시에 표면적이 넓게 되어 열 배출 효율이 상승하여 생산성을 향상시킬 수 있는 것이다.

본 발명은 내측에 냉각수가 흐를 수 있도록 입구와 출구를 갖는 냉각유로(50)가 형성되고, 상기 냉각유로(50)에는 냉각핀(100)이 형성되되, 상기 냉각핀(100)은 수평단면이 타원 또는 마름모형으로서, 복수개가 전후좌우방향으로 일정간격 이격되게 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 냉각핀이 형성된 히트싱크는 히트싱크의 냉각핀이 타원형 또는 마름모 형상을 함으로써 냉각수에 대한 흐름저항이 낮아져 냉각수의 유속이 개선되고, 동시에 표면적이 넓게 되어 열 배출 효율이 상승하고, 열배출 효율이 상승한 히트싱크를 통해 히트싱크에 삽입되는 파워모듈의 냉각효율을 상승시킴으로써 파워모듈에서 발생하는 고열에 의한 기계적 오류발생을 감소시키는 현저한 효과가 있다.

도 1은 종래의 전기 자동차용 수냉 인버터 구조물의 분해사시도
도 2a는 본 발명 냉각핀이 형성된 히트싱크를 사용하는 전기 자동차용 수냉 인버터 구조물의 분해사시도
도 2b는 본 발명 냉각핀이 형성된 히트싱크를 사용하는 전기 자동차용 수냉 인버터 구조물의 내부순환통로를 통한 냉각수의 이동경로를 나타내는 분해사시도
도 3은 본 발명에서 개선하고자 하는 내부순환통로의 냉각수치를 측정한 값을 도식화 한 실시도
도 4는 본 발명 냉각핀이 형성된 히트싱크를 사용하는 전기 자동차용 수냉 인버터 구조물의 조립사시도
도 5는 본 발명 냉각핀이 형성된 히트싱크에서 타원형과 마름모 형태 냉각핀의 표면적 예시도
도 6은 본 발명 냉각핀이 형성된 히트싱크의 가공공구 이동경로에 따른 예시도
도 7은 본 발명 냉각핀이 형성된 히트싱크의 각 간격에 따른 예시도

본 발명은 내측에 냉각수가 흐를 수 있도록 입구와 출구를 갖는 냉각유로(50)가 형성되고, 상기 냉각유로(50)에는 냉각핀(100)이 형성되되, 상기 냉각핀(100)은 수평단면이 타원형 또는 마름모형으로서, 복수개가 전후좌우방향으로 일정간격 이격되게 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각유로(50)에 전후좌우 방향으로 배열되어 있는 복수개의 냉각핀(100)에서, 후열에 배열되어 있는 냉각핀은 전열에 배열되어 있는 냉각핀 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각유로(50)에 형성된 복수개의 냉각핀 중에서 같은 열에서 기준이 되는 냉각핀과 인접하는 냉각핀 사이의 간격은 냉각핀의 폭보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 첨부 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 전기 자동차용 수냉 인버터 구조물의 분해사시도

도 2a는 본 발명 냉각핀이 형성된 히트싱크를 사용하는 전기 자동차용 수냉 인버터 구조물의 분해사시도, 도 2b는 본 발명 냉각핀이 형성된 히트싱크를 사용하는 전기 자동차용 수냉 인버터 구조물의 내부순환통로를 통한 냉각수의 이동경로를 나타내는 분해사시도, 도 3은 본 발명에서 개선하고자 하는 내부순환통로의 냉각수치를 측정한 값을 도식화 한 실시도, 도 4는 본 발명 냉각핀이 형성된 히트싱크를 사용하는 전기 자동차용 수냉 인버터 구조물의 조립사시도, 도 5는 본 발명 냉각핀이 형성된 히트싱크에서 타원형과 마름모 형태 냉각핀의 표면적 예시도, 도 6은 본 발명 냉각핀이 형성된 히트싱크의 가공공구 이동경로에 따른 예시도, 도 7은 본 발명 냉각핀이 형성된 히트싱크의 각 간격에 따른 예시도이다.

본 발명에 대해 구체적으로 기술하면, 본 발명은 내측에 냉각수가 흐를 수 있도록 입구와 출구를 갖는 냉각유로(50)가 형성되고, 상기 냉각유로(50)에는 냉각핀(100)이 형성되는 히트싱크(10)에 관한 것이다.

상기 히트싱크(10)는 냉각유로(50)에 흐르는 냉각수를 통해 파워모듈(36)의 온도 감소시키는 것이다.

상기 파워모듈(36)은 전기자동차의 부품이며, 전기자동차의 작동 시 열이 발생하는 것으로, 상기 파워모듈(36)은 히트싱크(10)에 결합하여 온도가 상승되는 것을 방지한다.

상기 파워모듈(36)은 도 3에 도시된 바와 같이, 주로 육면체이며, 상면 또는 하면에 히트싱크(10)가 결합되되, 상기 히트싱크(10)도 주로 육면체이다.

상기 파워모듈(36) 면의 면적보다 히트싱크(10) 면의 면적을 더 넓게 함으로써 상기 파워모듈(36)의 열이 감소되는 효율이 증가한다.

상기 냉각유로(50)에 형성된 열을 배출하는 냉각핀(100)은 파워모듈(36)에서 전달된 열을 빠르고 효율적으로 배출함과 동시에 냉각수의 순환에 방해되지 않도록 형성된다.

상기 냉각핀(100)은 소정의 깊이를 가지는 수평단면이 타원형 또는 마름모형이며, 복수개가 전후좌우방향으로 일정간격 이격되게 배열되어 있는 것이다.

상기 타원형의 냉각핀(100)은 수평단면이 타원형 형상으로, 길이가 긴 부분이 냉각수가 흐르는 방향과 같은 방향이 되도록 형성된다.

상기 마름모형의 냉각핀(100)은 수평단면이 네 변의 길이가 같으며 내부 두 대각선의 길이가 서로 다른 마름모 형태인 것으로, 대각선 중 길이가 긴 부분이 냉각수가 흐르는 방향과 같은 방향이 되도록 형성된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 타원형 및 마름모형 냉각핀(100)은 냉각수에 대한 흐름저항이 낮아져 냉각수의 유속이 개선되고, 동시에 표면적이 넓게 되어 열 배출 효율이 상승한다.

특히, 상기 마름모형 냉각핀(100)은 직선으로 이동되는 밀링 커터를 사용하는 밀링공정을 할 때, 상기 밀링 커터가 지나가는 경로가 직선이 되도록 단순화하여 생산성을 더 높일 수 있다.

상기 냉각핀(100)은 냉각유로(50)에 복수개가 상하좌우 일정간격 이격되어 배열로 형성되는 것으로, 상기 냉각유로(50)에 전후좌우 방향으로 배열되어 있는 복수개의 냉각핀(100)에서, 후열에 배열되어 있는 냉각핀은 전열에 배열되어 있는 냉각핀 사이에 위치하는 것이다.

한편, 상기 냉각유로(50)에 형성된 복수개의 냉각핀 중에서 동일한 열에서 근접한 냉각핀 사이 간격(b)은 냉각핀 내부의 폭보다 넓게 형성되는 것으로, 더 자세하게는 같은 열의 하나의 냉각핀과 그 우측의 냉각핀 사이 간격(b)이 냉각핀 내부좌우폭(a)보다 넓게 형성됨으로써 각각의 냉각핀이 좌우가 겹쳐지는 것을 방지하게 된다.

그리고 상기 냉각유로(50)에 형성된 복수개의 냉각핀 중에서 전열(110)의 냉각핀 가로중심선(111)과 후열(120)의 냉각핀 가로중심선(121)간의 길이방향 사이 간격(c)은 냉각핀의 상하폭(d)보다 넓게 형성되는 것으로, 각각의 냉각핀이 상하가 겹쳐지는 것을 방지하게 된다.

그러므로 각각의 냉각핀이 좌우가 겹쳐지는 것을 방지함과 동시에 상하가 겹쳐지는 것을 방지하게 됨으로써, 냉각수가 통과할 수 있을 뿐만 아니라 동시에 적절한 폭을 가지게 됨으로써 유속이 상승하게 된다.

상기 본 발명 냉각핀이 형성된 히트싱크가 사용되는 수냉 인버터 구조물의 일실시예로서, 상기 수냉 인버터 구조물은 하부가 개구된 상부커버(32)와 상부가 개구된 하부커버(38)가 결합된 것으로, 상기 상부커버(32)와 하부커버(38)가 결합된 내부공간에는 파워모듈(36)이 장착되되, 상기 상부커버(32)와 파워모듈(36) 사이에는 상부히트싱크(35)가 개재되어 있고, 상기 하부커버(38)와 파워모듈(36) 사이에는 하부히트싱크(37)가 개재되어 있다.

이때, 상부에 있는 히트싱크(10)를 상부히트싱크(35)라고 하며, 하부에 있는 히트싱크(10)를 하부히트싱크(37)라고 정의한다.

상기 상부히터싱커부(35)와 상부커버(32) 사이에는 상부가스켓(34-1)이 장착되고, 상기 하부히터싱커부(37)와 하부커버(38) 사이에도 하부가스켓(34-2)이 장착되어 있다.

상기 상부가스켓(34-1)과 하부가스켓(34-2)은 사각 테두리 형상이며, 상기 상,하부가스켓(34-1,34-2)은 용가재로서, 용접 또는 브레이킹 공정에 사용되어, 상,하부히트싱크(35,37)와 상,하부커버(32,38)를 각각 일체화시켜, 조립공차 및 열변형을 줄여, 냉각효율을 높이는 것이다.

상기 상부가스켓(34-1) 또는 하부가스켓(34-2)을 대체하여 다른 용가재 또는 접합제를 사용할 수도 있다.

상기 상부커버(32)와 상부히트싱크(35)가 용가재인 상부가스켓(34-1)에 의해 결합됨에 있어 용접(welding) 또는 브레이징(brazing) 공정에 의해 결합된다.

상기 하부히트싱크(37)와 하부커버(38)가 용가재인 하부가스켓(34-2)에 의해 결합됨에 있어 용접(welding) 또는 브레이징(brazing) 공정에 의해 결합된다.

상기 브레이징(brazing) 공정은 작업온도를 450℃이상이며 모재용융점(melting point) 이하의 온도를 사용하고, 접합하려는 모재인 커버 및 히트싱크보다 녹는점이 낮은 용가재인 가스켓(34)을 사용함으로써 모재를 거의 용융시키지 않고 가스켓(34)만을 용융시켜 접합하는 접합 방법이다.

상기 용접(welding) 공정은 작업온도를 모재용융점(melting point) 이상의 온도를 사용함으로써 모재와 용가재를 모두 용융하여 접합하는 방법이다.

상기 용가재는 통상 알루미늄 재질을 사용한다.

한편, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 하부커버(38)의 좌측 하면에는 내부로 냉각수가 유입되는 입구(51)가 형성되고, 상기 입구(51)에 근접한 하부커버(38)의 전면에는 내부로 유입된 냉각수가 순환하여 배출되는 출구(52)가 형성되어 있다.

더 자세히 설명하면, 상기 하부커버(38) 하면에는 길이방향 좌측 가장자리에서 일정간격 이격되는 위치에 상하로 관통되도록 입구(51)가 형성되며, 상기 출구(52)는 하부커버(38)와 하부히트싱크(37) 사이의 공간부에서 냉각수가 외부로 나갈 수 있도록 하부커버(38) 전면이 관통되어 형성된다.

이때, 상기 입구(51)를 통해 유입된 냉각수가 수냉 인버터 구조물의 내부에서 유동할 수 있는 내부순환통로(50)가 형성되어 있어야한다.

상기 내부순환통로(50)는 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 냉각수가 내부로 유입되는 하부커버(38)의 입구(51)와, 상기 입구(51)로부터 상부 측 하부히트싱크(37)와 상부히트싱크(35)의 좌측 단에 상하로 관통되어 형성된 좌측관통공과; 상기 좌측관통공으로부터 냉각수가 유입되도록 상부커버(32)와 상부히트싱크(35) 사이에 형성된 상부공간부와; 상기 상부공간부에서 냉각수가 하부로 흐를 수 있도록 상부히트싱크(35)와 하부히트싱크(37)의 우측 단에 상하로 관통되어 형성된 우측관통공과; 상기 우측관통공의 냉각수가 유입되도록 연결된 하부히트싱크(35)와 하부커버(38) 사이에 형성된 하부공간부와; 상기 하부공간부의 냉각수를 외부로 배출하는 출구(52); 로 이루어진다.

즉, 상기 내부순환통로(50)의 입구(51)를 통해 내부로 유입된 냉각수는 입구(51)로부터 좌측관통공을 통해 상부로 이동하여 상부공간부를 거친 후, 상기 우측관통공을 통해 하부로 이동하고, 하부로 이동된 냉각수는 하부공간부를 거쳐 출구(52)를 통해 외부로 배출되는 됨으로써 내부의 열을 냉각시킬 수 있도록 형성된다.

또한, 상기 하부커버(38), 하부가스켓(34-2), 하부히트싱크(37), 파워모듈(36), 상부히트싱크(35), 상부가스켓(34-1), 상부커버(32)는 순서대로 하부에서 상부로 적층되어 나사 결합된다.

더 상세히 설명하면 상기 상부커버(32)의 상면에는 길이방향의 가장자리를 따라 복수개의 홈이 서로 일정간격 이격되어 형성되어 있고, 상기 홈의 바닥면에는 나사가 관통하여 체결될 수 있도록 상하로 관통된 나사공이 형성된다.

그리고 상기 파워모듈(36)은 하부히트싱크(37)의 상면에 고정되어 있는 것으로, 상기 하부히트싱크(37)의 상면에는 일측 방향으로 길이를 가지는 돌기(37-2)가 복수 개 형성되어 있고, 파워모듈(36)의 하면에는 상기 돌기(37-2)에 대응하는 삽입홈인 파워모듈안착부(37-1)가 형성되어 있다.

그리고 상기 파워모듈(36)은 육면체 형상이되, 다수 개의 커넥터가 측방향으로 돌출 형성되는 것이며, 상기 커넥터에는 외부의 구동보드, 제어보드, 및 전원보드가 직접 결합될 수 있다.

특히, 상기 하부히트싱크(37)의 파워모듈안착부(37-1)에 파워모듈(36)을 삽입할 시, 상기 파워모듈(36)은 파워모듈안착부(37-1)에 하부히트싱크(37)의 돌출부가 없는 방향으로 커넥터가 위치하도록 삽입하여야 한다.

상기 파워모듈(36)에 대해 자세히 설명하면, 전력사용에 의한 스위칭 작용에 의해 발열량이 상승하는 복수의 스위칭소자로 이루어지며, 이때, 상기 복수의 스위칭소자에 의해 발열량이 상승하는 파워모듈(36)은 상부히트싱크(35)의 하면과 하부히트싱크(37)의 상면 사이에 충분히 냉각되도록 서로 밀접하게 설치하여 발열에 의한 상부히트싱크(35)와 하부히트싱크(37)의 변형을 최소화함으로써 밀착상태를 유지할 수 있다.

상기 스위칭 작용은 입력부의 전류가 일정 범위를 넘어서는 순간 출력부에 전류가 흐르게 되는 원리를 통해 회로를 On/Off 하는 작용으로, 전류를 통해 회로를 On/Off함으로써 열이 발생하게 된다.

그러므로 상기 파워모듈(36)에서 발생하는 열을 냉각순환통로(50)에 흐르는 냉각수를 통해 냉각시킬 필요가 있다.

그리고 상기 하부커버(38), 하부가스켓(34-2), 하부히트싱크(37), 파워모듈(36), 상부히트싱크(35), 상부가스켓(34-1), 상부커버(32)는 순서대로 하부에서 상부로 적층되어 나사 결합되어 수냉인버터 구조물이 결합된다.

상기 상부커버(32), 상부히트싱크(35), 하부히트싱크(37), 및 하부커버(38)의 나사(31) 결합 시, 상기 상부히트싱크(35)와 하부히트싱크(37)가 밀착되어 사이에 있는 파워모듈(36)도 함께 밀착된다.

한편, 나사 결합된 상기 수냉인버터 구조물은 도 4에 도시된 바와 같이, 전체적으로 육면체 형상이되, 양측방향으로 파워모듈(36)의 커넥터가 돌출된 형상이 된다.

따라서 본 발명의 냉각핀이 형성된 히트싱크는 히트싱크의 냉각핀이 타원형 또는 마름모 형상을 함으로써 냉각수에 대한 흐름저항이 낮아져 냉각수의 유속이 개선되고, 동시에 표면적이 넓게 되어 열 배출 효율이 상승하고, 열배출 효율이 상승한 히트싱크를 통해 히트싱크에 삽입되는 파워모듈의 냉각효율을 상승시킴으로써 파워모듈에서 발생하는 고열에 의한 기계적 오류발생을 감소시키는 현저한 효과가 있다.

10 : 히트싱크
31 : 나사 32 : 상부커버
33 : 고무씰 33-1 : 상부고무씰 33-2 : 하부고무씰
34 : 가스켓 34-1 : 상부가스켓 34-2 : 하부가스켓
35 : 상부히트싱크 36 : 파워모듈 37 : 하부히트싱크
37-1 : 파워모듈안착부 37-2 : 돌기
38 : 하부커버
50 : 냉각유로 51 : 입구 52 : 출구
100 : 냉각핀
110 : 전열 111 : 전열의 냉각핀 가로중심선
120 : 후열 121 : 후열의 냉각핀 가로중심선

Claims (3)

1. 내측에 냉각수가 흐를 수 있도록 입구와 출구를 갖는 냉각유로(50)가 형성되고, 상기 냉각유로(50)에는 냉각핀(100)이 형성되되,
   상기 냉각핀(100)은 수평단면이 타원 또는 마름모형으로서, 복수개가 전후좌우방향으로 일정간격 이격되게 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각핀이 형성된 히트싱크
2. 제 1항에 있어서, 상기 냉각유로(50)에 전후좌우 방향으로 배열되어 있는 복수개의 냉각핀(100)에서, 후열(120)에 배열되어 있는 냉각핀은 전열(110)에 배열되어 있는 냉각핀 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 냉각핀이 형성된 히트싱크
3. 제 1항에 있어서, 상기 냉각유로(50)에 형성된 복수개의 냉각핀 중에 같은 열에서 기준이 되는 냉각핀과 인접하는 냉각핀 사이의 간격은 냉각핀의 폭보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각핀이 형성된 히트싱크

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