KR101610493B1

KR101610493B1 - 변압기 냉각 장치

Info

Publication number: KR101610493B1
Application number: KR1020140111205A
Authority: KR
Inventors: 여인용; 송병섭; 이대우; 양진영; 이우영
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2034-08-26
Also published as: US9595379B2; KR20160024461A; US20160064134A1; DE102014227044A1; CN105810400A; CN105810400B

Abstract

본 발명은 변압기의 냉각 장치에 관한 것으로서, 코어 중앙부에 감긴 형태로 배치된 1차 권선과 2차 권선 사이에 방열판을 삽입하여 코어 중앙부 및 각 권선의 열을 외부로 방출하도록 함으로써 권선 및 코어의 발열 현상을 저감하는 변압기 냉각 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 자성체로 형성된 코어와 이 코어의 중앙부에 서로 분리되어 감겨있는 1차 권선과 2차 권선으로 이루어진 변압기의 냉각을 위한 것으로, 상기 1차 권선과 2차 권선 사이에 코어 및 각 권선에서 발생하는 열을 열전도를 통하여 외부로 방출가능한 방열판이 삽입되고, 상기 방열판은 코어 및 각 권선에서 전도된 열을 권선 외측에 노출된 가장자리를 통해 방출할 수 있게 된 것을 특징으로 하는 변압기 냉각 장치를 제공한다.

Description

변압기 냉각 장치 {Device for cooling transformer}

본 발명은 변압기 냉각 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 친환경 차량의 배터리 충전기 내에 구비되는 변압기의 발열 현상을 저감하기 위한 변압기 냉각 장치에 관한 것이다.

일반적으로 PHEV와 EV와 같은 친환경 차량에는 구동모터의 전원공급원인 고전압 배터리의 충전을 위해 충전기(OBC, On Board Charger)가 탑재되어 있다. 상기 충전기는 외부의 전원공급기로부터 상용 AC 전원을 입력으로 받아 배터리를 충전하게 된다.

통상 친환경 차량의 충전기(OBC) 회로는 PFC(power factor corrector)와 풀브릿지 컨버터가 결합된 형태로 구성되며, 고전압 배터리와 절연상의 이유로 PFC와 풀브릿지 컨버터 사이에 변압기를 이용한다.

현재 충전기 회로에서 변압기의 발열은 심각한 수준이며 이를 개선하기 위해 몰딩 구조 사용 등 다양한 방법에 관한 연구가 진행되고 있지만 원가 상승 및 제작의 어려움 등 여러 가지 문제점이 있는 실정이다.

첨부한 도 5는 종래 충전기용 변압기를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 5를 참조하면, 기존의 충전기용 변압기는 PSFB(Phase shift Full Bridge)회로의 ZVS(zero voltage switching) 동작 보장을 위해 누설인덕턴스(일반적으로 10uH 이상)가 필요하며, 이를 위해 1차측 권선(1)과 2차측 권선(2)을 분리시켜 배치하여 누설인덕턴스가 발생하도록 제작된다. 이때 1차측 권선(1)과 2차측 권선(2)을 지지하고 1차측 권선(1)과 2차측 권선(2) 사이의 간격 유지를 위해 보빈(3)이 삽입되며, 방열을 위해 코어 밑면을 히트싱크(4)에 밀착시켜 방열을 하게 된다.

이러한 기존 변압기의 경우 권선(1,2)에서 많은 열이 발생하게 되고 이로 인해 변압기 전체의 온도가 높아지는데 권선(1,2)이 감겨있는 코어(5)의 밑면만 냉각시키는 구조를 채택하고 있어 온도사양을 만족시킬 수가 없다.

따라서 변압기의 열상승을 방지하기 위해, 변압기를 몰딩해서 사용하거나, 또는 코어 외측에 방열판을 적용하는 방법 등이 사용되고 있다.

하지만 몰딩 기술의 경우 온도 감소 효과는 크지만 플라스틱 혹은 알루미늄 케이스 및 몰딩액(열전도도가 높은 실리콘류 등)이 추가 사용되므로 원가상승분이 크고 변압기 전체 부피가 커지게 되며, 방열판을 적용하는 경우 코어 외부의 한쪽면의 온도만 감소시키기 때문에 코어 내부 및 권선의 온도 감소 효과는 크지 않은 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 코어 중앙부에 감긴 형태로 배치된 1차 권선과 2차 권선 사이에 방열판을 삽입하여 코어 중앙부 및 각 권선의 열을 외부로 방출하도록 함으로써 권선 및 코어의 발열 현상을 저감하는 변압기 냉각 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이에 본 발명에서는, 자성체로 형성된 코어와 이 코어의 중앙부에 서로 분리되어 감겨있는 1차 권선과 2차 권선으로 이루어진 변압기의 냉각을 위한 것으로, 상기 1차 권선과 2차 권선 사이에 코어 및 각 권선에서 발생하는 열을 열전도를 통하여 외부로 방출가능한 방열판이 삽입되고, 상기 방열판은 코어 및 각 권선에서 전도된 열을 권선 외측에 노출된 가장자리를 통해 방출할 수 있게 된 것을 특징으로 하는 변압기 냉각 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 방열판은 1차 권선 및 2차 권선의 바깥쪽으로 돌출되게 연장 형성되는 것이 바람직하며, 코어 하단에 적층 배치된 히트싱크와 열전달 가능하게 결합된다.

또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 방열판과 1차 권선 및 2차 권선 사이에는 권선과 방열판 간에 열전도율을 증대하기 위한 써멀패드가 삽입된다.

또한 본 발명에서는, 자성체로 형성된 코어와 이 코어의 중앙부에 좌우 양측으로 분리 배치된 1차 권선 및 2차 권선으로 이루어진 변압기의 냉각을 위한 것으로, 상기 코어의 상단부에는 코어의 양측면 및 상기 각 권선의 상측 단부에 접촉하여 코어 및 각 권선에서 발생하는 열을 열전도를 통하여 외부로 방출하는 방열판이 배치된 것을 특징으로 하는 변압기 냉각 장치를 제공한다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 코어의 하단부에는 열을 흡수하여 방출할 수 있는 히트싱크가 적층 배치되고, 이 히트싱크는 상기 각 권선의 하측 단부와 접촉하여 각 권선에서 발생하는 열을 외부로 방출하게 되며, 또한 히트싱크는 코어의 상단부에 배치된 방열판과 열전달 가능하게 결합된다.

또한 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 방열판과 각 권선의 상측 단부 사이에는 권선과 방열판 간에 열전도율을 증대하기 위한 써멀패드가 삽입되고, 상기 히트싱크와 각 권선의 하측 단부 사이에도 권선과 히트싱크 간에 열전도율을 증대하기 위한 써멀패드가 삽입된다.

본 발명에 따른 변압기 냉각 장치에 의하면, 자속의 쇄교로 인해 가장 발열이 심한 코어 중앙부의 온도를 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 또한 방열판과 권선 사이에 써멀패드를 추가함으로써 더욱 효과적인 방열이 이루어져 냉각 성능을 증대할 수 있다. 아울러, 방열판의 두께 변경에 의해 1차 권선과 2차 권선 간에 간격 조절이 가능한 이점이 있다.

또한 본 발명에 의하면, 기존의 보빈 자리에 방열판을 삽입하므로 사이즈 변경이 없고, 기존의 몰딩기술 적용시 사용되는 케이스 및 몰딩액 대비 방열판의 원가 상승분이 매우 미미한 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기 냉각 장치를 나타낸 개략도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기 냉각 장치의 방열판과 히트싱크를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변압기 냉각 장치를 나타낸 개략도
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변압기 냉각 장치의 방열판과 히트싱크를 나타낸 도면
도 5는 종래 차량 충전기용 변압기 냉각 구조를 나타낸 개략도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.

도 1에 보이듯, 본 발명의 일 실시예에서는 변압기의 누설인덕턴스 증가를 위해 1차 권선(10)과 2차 권선(20) 사이를 분리하는 동시에 권선(10,20) 및 코어(30)를 냉각하는 구조로서 1차 권선(10)과 2차 권선(20) 사이에 방열판(40)과 써멀패드(51,52)를 삽입한다.

코어(30)는 대략 I 모양의 단면을 갖는 자성체로서 그 중앙부에 1차 권선(10)과 2차 권선(20)이 상하로 분리되어 배치되고, 그 하단에 히트싱크(60)가 적층 배치된다.

1차 권선(10)은 코어(30) 중앙부에 와이어가 감겨 형성되고, 2차 권선(20)은 1차 권선(10)의 하부에서 코어(30) 중앙부에 와이어가 감겨 형성된다.

방열판(40)은 코어(30) 및 권선(10,20)의 열을 외부로 방출하기 위한 것으로, 구리나 알루미늄 등과 같이 열전도성이 우수한 재질을 이용하여 일정 두께를 갖는 판상으로 형성되며, 1차 권선(10)과 2차 권선(20) 사이에 삽입되어 코어(30)의 중앙부에 배치되고, 각 모서리에 히트싱크(60)와의 결합을 위한 체결부(42)가 구비된다.

상기 방열판(40)은 코어(30)의 중앙부 및 각 권선(10,20)에서 발생하는 열을 열전도를 통하여 외부로 방출하게 되며, 이때 주로 외부에 노출된 가장자리에서 열을 방출하므로, 권선(10,20)의 바깥쪽으로 돌출되게 연장 형성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 방열판(40)은 1차 권선(10)과 2차 권선(20) 사이의 간격을 유지 및 지지하는 동시에, 그 두께 변경에 의해 1차 및 2차 권선(10,20) 사이의 간격 조절이 가능하다.

상기 히트싱크(60)는 코어(30)의 하단면에 접촉하여 코어(30)의 열을 흡수하여 외부로 발산하는 것으로, 그 상단에 방열판(40)과의 결합(열전달 가능하게 연결됨)을 위해 일정 높이를 갖는 복수의 결합부(62)가 상방으로(수직으로) 돌출 구비된다.

도 2를 보면, 볼트 등을 이용하여 결합되는 방열판(40)의 체결부(42)와 히트싱크(60)의 결합부(62)가 4개로 도시되었지만 이에 의해 한정되는 것은 아니며, 방열 정도에 따라 체결부(42) 및 결합부(62)의 수는 가감될 수 있다.

그리고, 써멀패드(51,52)는 방열판(40)의 상하 양측면에 각각 적층 배치되어, 1차 권선(10)과 방열판(40) 사이 및 2차 권선(20)과 방열판(40) 사이에 위치된다.

상기 써멀패드(51,52)는 열전도율이 높은 연질 소재로 이루어진 것으로, 1차 권선(10) 및 2차 권선(20)과 밀착하여 1차 및 2차 권선(10,20)의 열이 방열판(40)에 전체적으로 골고루 전달될 수 있게 한다.

즉, 써멀패드(51,52)는 방열판(40)과 권선(10,20) 간에 열전도율을 향상하고 권선의 방열면적을 증가시켜 효과적인 방열이 이루어지도록 한다.

따라서, 각 권선(10,20)의 방열 면적 증가 및 열전도 향상을 위해 방열판(40)과 권선(10,20) 사이에 써멀패드(51,52)를 삽입함으로써 변압기의 냉각 성능을 증대할 수 있다.

알려진 바와 같이 변압기는 쇄교자속에 의해 코어의 외부보다 내부의 온도가 높으며 코어보다 와이어로 이루어진 권선의 발열이 더 심하므로, 상기와 같이 열전도성이 우수한 방열판(40)을 1차 권선(10)과 2차 권선(20)이 배치된 코어(30)의 중앙부에 삽입함으로써 기존 대비 매우 효율적인 냉각이 이루어질 수 있다.

이때 방열판(40)은 외부 방열을 통한 냉각 및 히트싱크(60)로의 열전달에 의한 냉각을 하게 된다.

즉, 방열판(40)은 1차 권선(10)과 2차 권선(20) 및 코어(30)의 중앙부에서 전달받은 열을 외부로 방출하여 냉각하는 동시에 일부 열을 히트싱크(60)로 전달하여 히트싱크(60)를 통해 발산하게 된다.

한편, 도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변압기를 나타낸 도면이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는 코어(31)의 중앙부에 배치된 권선(11,21)의 상하 양단부를 효과적으로 냉각하기 위해 방열판(41)과 써멀패드(53,54) 및 히트싱크(61)를 이용한다.

코어(31)는 대략 H 모양의 단면을 갖는 자성체로서 그 중앙부에 1차 권선(11)과 2차 권선(21)이 좌우로 분리 배치되고, 그 하단에 히트싱크(61)가 적층 배치된다.

1차 권선(11)과 2차 권선(21)은 코어(31) 중앙부에 와이어가 감겨 형성되며, 이때 2차 권선(21)은 1차 권선(11)의 좌우 일측에 배치된다.

1차 권선(11)과 2차 권선(21) 사이에는 1차 및 2차 권선(11,21)을 지지하고 권선(11,21) 사이 간격을 유지하기 위해 판상의 보빈(71)이 삽입 배치된다.

방열판(41)은 코어(31) 및 권선(11,21)의 열을 외부로 방출하기 위한 것으로, 구리나 알루미늄 등과 같이 열전도성이 우수한 재질로 이루어지며, 도 4에 보이듯 대략 ㄷ 모양으로 절곡된 판체 모양으로 형성된다.

상기 방열판(41)은 그 하단부의 가장자리가 히트싱크(61)의 결합부(63) 상단에 적층 결합되고, 좌우 측면부가 코어(31)의 양측면에 접촉하여 코어(31)를 냉각하게 되고, 상면부가 써멀패드(53,54)를 매개로 1차 권선(11) 및 2차 권선(21)의 상측 단부와 코어(31)의 상단면에 접촉하여 권선(11,21)을 냉각하게 된다.

이때 각 권선(11,21)의 하측 단부 및 코어(31)의 하단면은 써멀패드(53,54)를 매개로 히트싱크(61)에 접촉하여 냉각된다.

상기 써멀패드(53,54)는 열전도율이 높은 연질 소재로 형성된 것으로, 방열판(41)과 권선(11,21)의 상측 단부 사이 및 히트싱크(61)와 권선(11,21)의 하측 단부 사이에 배치되어 권선(11,21)의 방열 면적을 증대하여서 효과적인 방열이 이루어지도록 한다.

1차 권선(11) 및 2차 권선(21)은 코어(31) 중앙부에 와이어가 감겨 형성되어 있기 때문에, 각 권선(11,21)의 상측 단부 및 하측 단부는 비평면 형상을 가지게 되는데, 고열전도성을 갖는 연질 소재로 이루어져 어느 정도 변형이 가능한 써멀패드(53,54)를 방열판(41)과 권선(11,21)의 상측 단부 사이 및 히트싱크(61)와 권선(11,21)의 하측 단부 사이에 배치함으로써 방열판(41)과 권선(11,21) 및 히트싱크(61)와 권선(11,21) 간에 접촉면적을 증대하여 권선(11,21)의 방열면적을 증가하고 1차 및 2차 권선(11,21)의 열이 방열판(41) 및 히트싱크(61)에 골고루 전달될 수 있게 하여 효과적인 방열이 가능하게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10,11 : 1차 권선
20,21 : 2차 권선
30,31 : 코어
40,41 : 방열판
51,52,53,54 : 써멀패드
60,61 : 히트싱크
71 : 보빈

Claims

자성체로 형성된 코어와 이 코어의 중앙부에 서로 분리되어 감겨있는 1차 권선과 2차 권선으로 이루어진 변압기의 냉각을 위한 것으로,
상기 1차 권선과 2차 권선 사이에 코어 및 각 권선에서 발생하는 열을 열전도를 통하여 외부로 방출가능한 방열판이 삽입되고, 상기 방열판은 코어 및 각 권선에서 전도된 열을 권선 외측에 노출된 가장자리를 통해 방출할 수 있게 되며,
상기 방열판과 1차 권선 사이에는 권선과 방열판 간에 열전도율을 증대하기 위한 써멀패드가 삽입된 것을 특징으로 하는 변압기 냉각 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 방열판은 1차 권선 및 2차 권선의 바깥쪽으로 돌출되게 연장 형성된 것을 특징으로 하는 변압기 냉각 장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 방열판과 2차 권선 사이에는 권선과 방열판 간에 열전도율을 증대하기 위한 써멀패드가 삽입된 것을 특징으로 하는 변압기 냉각 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 방열판은 코어 하단에 적층 배치된 히트싱크와 열전달 가능하게 결합된 것을 특징으로 하는 변압기 냉각 장치.
자성체로 형성된 코어와 이 코어의 중앙부에 좌우 양측으로 분리 배치된 1차 권선 및 2차 권선으로 이루어진 변압기의 냉각을 위한 것으로,
상기 코어의 상단부에는 코어의 양측면 및 상기 각 권선의 상측 단부에 접촉하여 코어 및 각 권선에서 발생하는 열을 열전도를 통하여 외부로 방출하는 방열판이 배치된 것을 특징으로 하는 변압기 냉각 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 코어의 하단부에는 열을 흡수하여 방출할 수 있는 히트싱크가 적층 배치되고, 이 히트싱크는 상기 각 권선의 하측 단부와 접촉하여 각 권선에서 발생하는 열을 외부로 방출하게 된 것을 특징으로 하는 변압기 냉각 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 히트싱크는 코어의 상단부에 배치된 방열판과 열전달 가능하게 결합된 것을 특징으로 하는 변압기 냉각 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 방열판과 각 권선의 상측 단부 사이에는 권선과 방열판 간에 열전도율을 증대하기 위한 써멀패드가 삽입된 것을 특징으로 하는 변압기 냉각 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 히트싱크와 각 권선의 하측 단부 사이에는 권선과 히트싱크 간에 열전도율을 증대하기 위한 써멀패드가 삽입된 것을 특징으로 하는 변압기 냉각 장치.