KR20200077207A - 전기소자 냉각용 열교환기 - Google Patents

전기소자 냉각용 열교환기 Download PDF

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Abstract

실시 예는, 내부에 열교환매체가 유동하는 유로가 형성되는 냉각유로부를 포함하고, 상기 냉각유로부의 상면 상에는 전기소자가 배치되고, 상기 냉각유로부는 상기 상면으로부터 상기 유로까지의 두께가 상기 냉각유로부의 측면으로부터 상기 유로까지의 두께보다 큰 전기소자 냉각용 열교환기를 개시한다.

Description

전기소자 냉각용 열교환기{HEAT EXCHANGER FOR COOLING ELECTIC ELEMENT}
실시 예는 전기소자 냉각용 열교환기에 관한 것이다.
최근 환경 문제 대책의 일환으로, 화석연료의 사용을 배제 또는 저감한 차량, 예를 들어 전기 차량(Electic Vehicle), 하이브리드 차량(Hybrid Electric Vehicle) 등이 출시되고 있다.
이러한 차량은 전기 모터에 의해 구동되고, 전기 모터의 구동에 필요한 전기는 차량에 탑재된 배터리로부터 공급받게 된다. 또한, 전기 모터에 공급되는 전기는 파워제어유닛(PCU, Power Control Unit)에 의해 제어된다.
PCU는 콘덴서, 컨버터 등의 전기소자를 포함하는데, 이러한 전기소자는 통전시 발열하게 된다. 따라서, 전기소자의 입출력 특성을 최적의 상태로 유지하기 위해서는 전기소자를 냉각시킬 수 있는 냉각장치를 별도 구비하여야 한다.
종래 전기소자용 냉각장치로는 접촉식 열교환기가 주로 사용되었다. 이 경우, 열교환기와 PCU 사이에는 열 확산을 위해 구리판 또는 열 확산부(heat spread)를 추가할 수 있지만, 구리판은 열교환기와의 브레이징이 불가능하여 써멀 그리스(thermal grease)를 도포하게 되는데 이는 열 저항을 증가시켜 냉각 효율을 감소시키는 문제가 있고, 열 확산부는 작동 유체를 주입해야 하는 번거로움과 필요 이상의 두께로 인해 제품 사이즈를 증가시키는 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0077461호(2018.07.09., 전기소자 냉각용 열교환기)
실시 예는 접촉식 열교환기에 있어서 냉각 효율이 개선된 전기소자 냉각용 열교환기를 제공한다.
실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 일 특징에 따른 전기소자 냉각용 열교환기는, 내부에 열교환매체가 유동하는 유로가 형성되는 냉각유로부를 포함하고, 상기 냉각유로부의 상면 상에는 전기소자가 배치되고, 상기 냉각유로부는 상기 상면으로부터 상기 유로까지의 두께가 상기 냉각유로부의 측면으로부터 상기 유로까지의 두께보다 클 수 있다.
상기 냉각유로부는 다단으로 적층되고, 상기 냉각유로부는 상기 냉각유로부의 하면으로부터 상기 유로까지의 두께가 상기 측면으로부터 상기 유로까지의 두께보다 클 수 있다.
상기 냉각유로부는, 상기 유로를 구비하는 튜브를 포함할 수 있다.
상기 튜브는 상기 유로에서 상기 상면까지 일체로 형성될 수 있다.
상기 튜브는 상기 상면으로부터 상기 유로까지의 두께가 0.35mm 내지 2.35mm일 수 있다.
상기 냉각유로부와 상기 전기소자 사이에 개재되는 접합층을 포함할 수 있다.
상기 접합층은 써멀 그리스(thermal grease)를 포함할 수 있다.
실시 예에 따른 전기소자 냉각용 열교환기는, 냉각유로부의 벽을 전기소자와 마주보는 방향으로 두껍게 형성함으로써, 전기소자의 열이 열교환매체와 접하게 되는 열 전달 면적을 증가시킬 수 있고, 그로 인해 냉각 효율이 개선될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기소자 냉각용 열교환기의 사시도이고,
도 2는 도 1의 냉각유로부의 횡단면도이고,
도 3은 도 2의 냉각유로부의 종단면도이고,
도 4는 도 3의 냉각유로부의 상벽 두께에 따른 전기소자의 최대온도의 관계를 나타낸 그래프이고,
도 5는 도 1의 다른 냉각유로부의 횡단면도이고,
도 6은 도 2의 변형 예이고,
도 7은 도 5의 변형 예이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시 예에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성요소가 두 개의 구성요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기소자 냉각용 열교환기의 사시도이고, 도 2는 도 1의 냉각유로부의 횡단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기소자 냉각용 열교환기는 냉각유로부(100)을 포함할 수 있고, 한 쌍의 헤더탱크(310, 320)를 더 포함할 수도 있다.
냉각유로부(100)의 내부에는 열교환매체가 유동하는 유로(110)가 형성될 수 있다. 열교환매체는 냉각수를 포함할 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
유로(110)에는 냉각 효율을 높이기 위해 이너핀(inner fin)(미도시)이 배치될 수도 있다.
냉각유로부(100)의 상면(100a) 상에는 전기소자(1)가 배치될 수 있다.
냉각유로부(100)는 상면(100a)으로부터 유로(110)까지의 상벽 두께(T1)가 냉각유로부(100)의 측면(100b)으로부터 유로(110)까지의 측벽 두께(T2)보다 클 수 있다.
따라서, 후술하는 것처럼, 전기소자(1)에서 발생한 열이 냉각유로부(100)의 상벽을 통과한 후 열교환매체와 접하게 되는 열 전달 면적이 증가하는 한편, 냉각유로부(100)의 측벽을 불필요하게 두껍게 제작하지 않아도 되어 비용 절감 및 제품 사이즈 개선의 장점이 있다.
냉각유로부(100)는 하나의 튜브로 이루어질 수 있다. 즉, 튜브 내에는 유로(110)가 형성될 수 있고, 튜브는 유로(110)에서 상면(100a)까지 일체로 형성될 수 있다. 따라서, 상면(100a)과 유로(110) 사이에는 써멀 그리스(thermal grease)와 같은 접합층이 존재하지 않게 되어, 그로 인해 열 저항이 증가하는 문제가 개선될 수 있다.
그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 냉각유로부(100)의 상벽 및/또는 하벽을 측벽보다 두껍게 형성하기 위하여 방열판(미도시)을 추가할 수도 있다.
냉각유로부(100)와 전기소자(1) 사이에는 접합층(200)이 개재될 수 있다. 따라서, 냉각유로부(100)와 전기소자(1) 간 접촉 면적이 증가하여 냉각 효율이 개선될 수 있다. 접합층(200)은 써멀 그리스(thermal grease)를 포함할 수 있다.
한 쌍의 헤더탱크(310, 320)는 제1 헤더탱크(310) 및 제2 헤더탱크(320)를 포함할 수 있다.
제1 헤더탱크(310)는 열교환매체가 유입되는 유입구(310a)를 포함할 수 있고, 제2 헤더탱크(320)는 열교환매체가 배출되는 배출구(320a)를 포함할 수 있다. 냉각유로부(100)는 길이 방향의 양단이 제1 헤더탱크(310) 및 제2 헤더탱크(320)에 연결될 수 있다. 따라서, 유입구(310a)를 통해 유입된 열교환매체는 제1 헤더탱크(310), 냉각유로부(100) 및 제2 헤더탱크(320)를 차례로 거쳐 배출구(320a)를 통해 배출될 수 있다.
도 3은 도 2의 냉각유로부의 종단면도이고, 도 4는 도 3의 냉각유로부의 상벽 두께에 따른 전기소자의 최대온도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 전기소자(1)에서 발생한 열은 전기소자(1)와 냉각유로부(100) 간의 접촉면적(A1)을 통해 냉각유로부(100)로 전달될 수 있고, 냉각유로부(100)의 벽을 통과하는 과정에서 열교환매체의 유동 방향으로 확산될 수 있다. 따라서, 전기소자(1)에서 발생한 열이 열교환매체와 접하게 되는 열 전달 면적(A2)은 전기소자(1)와 냉각유로부(100) 간의 접촉면적(A1)보다 클 수 있고, 냉각유로부(100)의 벽 두께에 비례하여 증가할 수 있다.
전기소자(1)에서 발생한 열이 냉각유로부(100)의 벽을 통과하는 열 전달 영역(B)의 경계선은 도면 상에 점선으로 표시되어 있다. 전기소자(1)와 냉각유로부(100) 간의 접촉면적(A1)은 열 전달 영역(B)의 상면일 수 있고, 전기소자(1)에서 발생한 열이 열교환매체와 접하게 되는 열 전달 면적(A2)은 열 전달 영역(B)의 하면일 수 있다.
전기소자(1)와 냉각유로부(100) 간의 접촉면적(A1)은 접촉면적(A1)의 가로 길이(B1)와 세로 길이(C1)를 곱한 값으로 산출될 수 있다. 열 전달 면적(A2)은 열 전달 면적(A2)의 가로 길이(B2)와 세로 길이(C2)를 곱한 값으로 산출될 수 있다.
열 전달 면적(A2)의 가로 길이(B2) 및 세로 길이(C2)는 하기 수학식 1 및 2에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 1]
B2 = B1 + T1 * 2tan θ
[수학식 2]
C2 = C1 + T1 * 2tan θ
상기 수학식 1 및 2에서 T1은 냉각유로부(100)의 상면(100a)으로부터 유로(110)까지의 상벽 두께일 수 있고, θ는 열 전달 영역(B)의 경계선이 냉각유로부(100)의 상면(100a)과 이루는 각도일 수 있다. 냉각유로부(100)가 등방성 물질, 예를 들어 알루미늄(Al)로 이루어져 있다고 가정한다면, 열 전달 영역(B)의 경계선이 냉각유로부(100)의 상면(100a)과 이루는 각도(θ)는 45°일 수 있다.
접촉면적(A1)에 대한 열 전달 면적(A2)의 비(η)는 도 4에 도시된 것처럼 1.15 내지 2.12을 만족하는 범위에서 가장 효율적인 열 전달 성능을 나타낼 수 있다. 즉, 냉각유로부(100)의 상면(100a)으로부터 유로(110)까지의 상벽 두께(T1)는 0.35mm 내지 2.35mm일 수 있다. 두께(T1)가 0.35mm 이상인 경우 형상 유지 등을 위한 최소 강도를 확보할 수 있고, 두께(T1)가 2.35mm 이하인 경우 전기소자(1)의 냉각에 필요한 최소한의 열 전달 면적을 확보할 수 있는 한편 열교환기의 사이즈가 필요 이상으로 커지는 문제를 개선할 수 있다.
도 5는 도 1의 다른 냉각유로부의 횡단면도이다.
도 5를 참조하면, 전기소자(1)는 냉각유로부(100)의 상면(100a) 상에 배치될 뿐만 아니라 냉각유로부(100)의 하면(100c) 아래에도 배치될 수도 있다.
이 경우, 냉각유로부(100)의 하면(100c)으로부터 유로(110)까지의 하벽 두께(T3)는 냉각유로부(100)의 측면(100b)으로부터 유로(110)까지의 측벽 두께(T2)보다 클 수 있다.
도 2의 냉각유로부(100)는 도 1의 복수의 냉각유로부(100) 중 최상층 또는 최하층에 배치된 냉각유로부(100)인 반면, 도 5의 냉각유로부(100)는 도 1의 복수의 냉각유로부(100) 중 중간층에 배치되는 냉각유로부(100)일 수 있다. 즉, 전기소자(1)가 냉각유로부(100)의 상면(100a)에만 접촉하는 경우에는 냉각유로부(100)의 상벽의 두께만을 증가시키는 것이 바람직한 반면, 전기소자(1)가 냉각유로부(100)의 상면(100a) 및 하면(100c)에 각각 접촉하는 경우에는 냉각유로부(100)의 상벽뿐만 아니라 하벽의 두께까지 증가시키는 것이 바람직할 수 있다.
도 6은 도 2의 변형 예이고, 도 7은 도 5의 변형 예이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 냉각유로부(100)는 한 쌍의 절곡된 플레이트를 접합하여 제작될 수 있고, 유로(110) 내에 이너핀(inner fin)(120)이 배치될 수 있다. 이에 반해, 도 2 및 도 5의 냉각유로부(100)는 튜브 압출물로 제작될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
냉각유로부(100)의 상벽 및/또는 하벽 두께는 측벽 두께보다 클 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1: 전기소자 100: 냉각유로부
100a: 상면 100b: 측면
100c: 하면 110: 유로
120: 이너핀 200: 접합층
310: 제1 헤더탱크 310a: 유입구
320: 제2 헤더탱크 320a: 배출구

Claims (7)

  1. 내부에 열교환매체가 유동하는 유로가 형성되는 냉각유로부를 포함하고,
    상기 냉각유로부의 상면 상에는 전기소자가 배치되고,
    상기 냉각유로부는 상기 상면으로부터 상기 유로까지의 두께가 상기 냉각유로부의 측면으로부터 상기 유로까지의 두께보다 큰 전기소자 냉각용 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각유로부는 다단으로 적층되고,
    상기 냉각유로부는 상기 냉각유로부의 하면으로부터 상기 유로까지의 두께가 상기 측면으로부터 상기 유로까지의 두께보다 큰 전기소자 냉각용 열교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각유로부는,
    상기 유로를 구비하는 튜브를 포함하는 전기소자 냉각용 열교환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 튜브는 상기 유로에서 상기 상면까지 일체로 형성되는 전기소자 냉각용 열교환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 튜브는 상기 상면으로부터 상기 유로까지의 두께가 0.35mm 내지 2.35mm인 전기소자 냉각용 열교환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉각유로부와 상기 전기소자 사이에 개재되는 접합층을 포함하는 전기소자 냉각용 열교환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 접합층은 써멀 그리스(thermal grease)를 포함하는 전기소자 냉각용 열교환기.
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