KR102146491B1

KR102146491B1 - 방열판 모듈

Info

Publication number: KR102146491B1
Application number: KR1020180100488A
Authority: KR
Inventors: 김봉준; 김세현; 이효석; 정민우
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2020-08-21
Anticipated expiration: 2038-08-27
Also published as: KR20200023951A

Abstract

본 실시예는 쿨런트 입구 및 쿨런트 출구와 연통되는 쿨런트유로가 형성된 방열판과; 쿨런트 입구와 연통된 인렛 파이프와; 쿨런트 출구에 연통된 아웃렛 파이프와; 쿨런트 입구 및 쿨런트 출구 각각과 이격되며 방열판의 내면에 접촉된 다공부재를 포함하여, 압력손실은 최소화하면서 전열 면적을 최대화할 수 있고, 냉각대상의 방열 성능을 높일 수 있다.

Description

방열판 모듈{Heat dissipation module}

본 발명은 방열판 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각대상의 열을 수냉식으로 방열시키는 방열판 모듈에 관한 것이다.

세탁기나 냉장고나 에어컨 등의 가전기기나 칠러 등의 냉동설비나 자동차 등의 각종 기기에는 전력 반도체 모듈이 설치될 수 있다.

전력 반도체 모듈의 일예는 IGBT 일 수 있다. IGBT, 즉 절연게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor)는, 전기 흐름을 막거나 통하게 하는 스위칭 기능을 빠르게 수행할 수 있도록 구성된 고전력 스위칭용 반도체이다.

전력 반도체모듈은 그 동작시 발열량이 많고, 전력 반도체모듈은 그 온도가 적정 범위로 관리되게 위해 수냉식으로 냉각되거나 공랭식으로 냉각될 수 있다.

전력 반도체모듈은 냉각수가 통과하는 냉각 모듈에 의해 수냉식으로 냉각될 수 있고, 이러한 수냉식 냉각모듈의 일예는 대한민국 공개특허공보 10-2018-0028109 A (2018년03월16일 공개)에 개시되어 있다.

상기의 수냉식 냉각모듈은 냉각판의 일면에 복수개 핀이 돌출되게 형성될 수 있고, 냉각수는 복수개 핀 사이를 통과하면서 복수개 핀의 열을 흡열할 수 있다.

상기와 같이 복수개 핀을 갖는 냉각판은 핀의 개수가 많고 핀의 전열면적이 클수록 열교환 성능이 향상될 수 있는 장점이 있는 반면에 유로의 압력 손실도 증가되는 단점이 있다.

대한민국 공개특허공보 10-2018-0028109 A (2018년03월16일 공개)

본 발명은 압력손실을 최소화하면서 충분한 전열면적을 확보할 수 있고 열교환 성능을 높일 수 있는 방열판 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시 예는 쿨런트 입구 및 쿨런트 출구와 연통되는 쿨런트유로가 형성된 방열판과; 쿨런트 입구와 연통된 인렛 파이프와; 쿨런트 출구에 연통된 아웃렛 파이프와; 쿨런트 입구 및 쿨런트 출구 각각과 이격되며 방열판의 내면에 접촉된 다공부재를 포함한다.

방열판은 냉각대상과 접촉되는 흡열 바디와, 냉각대상과 이격되고 흡열 바디와 사이에 쿨런트유로가 형성된 유로 바디를 포함할 수 있다.

다공부재는 흡열 바디와 접합되는 흡열 바디 접합단을 포함할 수 있다. 다공부재는 유로 바디와 접촉되는 유로 바디 접촉단을 더 포함할 수 있다.

쿨런트 입구 및 쿨런트 출구는 유로 바디에 형성될 수 있다.

쿨런트 입구 및 쿨런트 출구는 흡열 바디 중 쿨런트 유로를 향하는 면을 향할 수 있다.

쿨런트 입구 및 쿨런트 출구는 쿨런트유로의 길이 방향과 교차하는 방향으로 개방될 수 있다.

방열판은 다공부재가 접촉되는 접촉 영역과, 다공부재가 접촉되지 않는 비접촉 영역을 포함할 수 있다. 쿨런트 입구 및 쿨런트 출구는 비접촉 영역을 향할 수 있다.

인렛 파이프와 아웃렛 파이프 중 적어도 하나는 방열판에 방열판의 길이방향과 직교하게 연결될 수 있다.

방열판은 전력 반도체 모듈에 접촉될 수 있다. 전력 반도체 모듈은 기판과, 기판에 설치된 적어도 하나의 전력 반도체소자를 포함할 수 있다. 전력 반도체 모듈은 이격된 복수개 전력 반도체소자를 포함할 수 있다.

방열판은 전력 반도체소자가 접촉되는 접촉부와, 전력 반도체소자가 접촉되지 않는 비접촉부를 포함할 수 있다.

다공부재의 적어도 일부는 접촉부와 접촉될 수 있다.

다공부재의 복수개는 복수개 전력 반도체소자의 이격 방향과 나란한 방향으로 이격될 수 있다.

방열판은 냉각대상과 접촉되는 흡열 바디와, 냉각대상과 이격되고 흡열 바디와 사이에 쿨런트 유로가 형성된 유로 바디를 포함할 수 있다. 다공부재는 흡열 바디와 접촉될 수 있다. 다공부재는 유로 바디와 이격될 수 있다.

방열판은 쿨런트 유로를 제1유로와, 제2유로로 구획하는 이너 가이드를 더 포함할 수 있다. 이너 가이드에는 제1유로와, 제2유로를 연통시키는 통공이 형성될 수 있다.

다공부재의 적어도 일부는 통공을 향할 수 있다. 다공부재는 통공 보다 클 수 있다. 다공부재와 이너 가이드의 사이에는 틈이 형성될 수 있다.

제2유로는 이너 가이드와 흡열 바디 사이에 형성될 수 있다. 다공부재는 제2유로에 위치될 수 있다.

흡열 바디는 냉각대상과 접촉되는 접촉부와, 냉각대상과 접촉되지 않는 비접촉부를 포함할 수 있다. 통공은 접촉부를 향할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 방열판 내부의 쿨런트 유로에 다공부재가 수용되어 압력손실은 최소화하면서 전열 면적을 최대화할 수 있고, 냉각대상의 방열 성능을 높일 수 있다.

또한, 다공부재는 흡열 바디와 접합되는 흡열 바디 접합단을 포함하여, 접촉열저항을 최소화할 수 있다.

또한, 쿨런트가 쿨런트 유로의 길이방향과 직교하게 유입되어 쿨런트의 불균일 분배를 최소화할 수 있고, 다공부재의 최대한 넓은 영역으로 쿨런트가 고르게 분산될 수 있으며, 다공부재를 이용한 신속한 방열을 도울 수 있다.

또한, 방열판 구조가 간단하여 제조가 용이하고 가공비가 절감될 수 있다.

또한, 방열판에 복수개 유로가 형성되고, 다공부재가 복수개 유로 중 온도가 상대적으로 높은 유로에만 배치되어, 다공부재에 의한 압력손실을 최소화하면서 냉각대상에서 전달된 열을 신속하게 방열시킬 수 있다.

또한, 이너 가이드의 통공을 통과한 쿨런트가 방열판 중 다공부재가 부착된 면에 제트 형태로 분사되면서 대류 열전달 효과를 극대화 할 수 있다.

또한, 방열판을 통과한 쿨런트 중 일부가 다공부재를 바이패스할 수 있어, 다공부재에 의해 압력손실이 과다하게 높아지지 않게 할 수 있고, 쿨런트 내 이물질이 다공부재를 막더라도 쿨런트가 방열판을 통과하면서 방열판을 냉각시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판 모듈이 도시된 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판 모듈이 냉각대상을 냉각할 때의 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다공부재가 흡열바디에 부착되었을 때의 사시도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판 모듈을 통과하는 쿨런트의 유동 패턴이 도시된 도,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 방열판 모듈이 냉각대상을 냉각할 때의 단면도이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면과 함께 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판 모듈이 도시된 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판 모듈이 냉각대상을 냉각할 때의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다공부재가 흡열바디에 부착되었을 때의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판 모듈을 통과하는 쿨런트의 유동 패턴이 도시된 도이다.

방열판 모듈은 방열판(1)과, 인렛 파이프(2)와, 아웃렛 파이프(3)와, 다공부재(4)를 포함한다.

방열판(1)은 냉각대상(100)과 열적으로 접촉되어 냉각대상(100)의 열을 흡열할 수 있다. 방열판(1)은 냉각대상(100)과 직접 접촉되는 것이 가능하고, 열전도성 접착제나 열전도성 접착시트나 용접 등에 의해 부착되는 것이 가능하다. 방열판(1)이 냉각대상(100)과 직접 접촉되는 경우와 방열판(1)이 냉각대상(100)에 열전도성 접착제나 열전도성 접착시트나 용접 등에 의해 부착되는 경우 각각을 방열판(1)과 냉각대상(100)이 접촉된 것으로 설명한다.

방열판(1)에는 냉각대상(100)에서 전달된 열을 흡열하는 쿨런트(C)가 통과하는 유로가 형성될 수 있다.

쿨런트(C)는 물 등의 냉각수나 냉동사이클 회로를 순환하는 냉매 등일 수 있다. 쿨런트(C)의 종류와 무관하게 액상 유체가 통과할 수 있는 유로가 제공된 방열판(1)은 수냉식 방열판일 수 있다.

방열판(1)은 냉각대상(100)과 접촉되는 흡열면(10)을 포함할 수 있다. 흡열면(10)는 방열판(1)의 외면 중 일부일 수 있고, 방열판(1)의 외면 중 냉각대상(100)을 향하고 냉각대상(100)과 접촉되는 면일 수 있다.

방열판(1)에는 쿨런트 입구(11) 및 쿨런트 출구(12)가 형성될 수 있다. 그리고, 방열판(1)에는 쿨런트유로(P)가 형성될 수 있다.

쿨런트유로(P)는 쿨런트 입구(11) 및 쿨런트 출구(12) 각각와 연통될 수 있고, 쿨런트 입구(11)로 유입된 쿨런트(C)는 쿨런트유로(P)를 통과한 후 쿨런트 출구(12)로 유동될 수 있고, 쿨런트(C)는 쿨런트유로(P)를 통과하면서 방열판(1)의 열을 흡열할 수 있다.

방열판(1)은 내부에 쿨런트 유로(P)가 형성된 박스 형상일 수 있고, 수평방향(X)의 길이가 수직방향(Z)의 길이(즉, 높이) 보다 긴 납작한 형상일 수 있다.

방열판(1)의 길이는 수평방향(X)의 길이일 수 있고, 방열판(1)의 단방향 길이와 장방향 길이 중 장방향 길이로 정의될 수 있다. 방열판(1)의 정사각형일 경우 방열판(1)의 길이는 쿨런트(C)의 유동 방향으로 정의될 수 있다.

쿨런트 유로(P)의 형상이 단순할 경우, 제조자는 방열판(1)의 가공비를 낮춰 방열판(1)의 제작비를 저감할 수 있고, 쿨런트유로(P)의 전체적인 형상은 수평방향(X)의 길이가 수직방향(Z)의 길이(즉, 높이) 보다 긴 다면체 형상 특히, 육면체 형상일 수 있다.

방열판(1)은 그 전부가 냉각대상(100)과 접촉되지 않고, 일부만 냉각대상(100)과 접촉될 수 있다.

방열판(1)은 흡열 바디(13)과 유로 바디(14)를 포함할 수 있다.

흡열 바디(13)는 방열판(1) 중 냉각대상(100)과 접촉되는 접촉 바디일 수 있다.

흡열 바디(13)는 최대한 넓은 접촉면적으로 냉각대상(1)과 접촉되는 것이 바람직하고, 흡열 바디(13)는 냉각대상(100)과 면접촉되는 것이 바람직하다. 흡열 바디(13)의 양면 중 냉각대상(100)을 향하는 면은 냉각대상(100)의 열을 흡열하는 흡열면(10)일 수 있다.

흡열 바디(13)는 전체적으로 판체 형상으로 형성되는 것이 가능하고, 흡열 바디(13) 중 냉각대상(100)과 면접촉되는 부분이 판체 형상으로 형성되는 것도 가능하다.

흡열 바디(13)의 양면은 냉각대상(100)을 향하는 흡열면(10)와, 흡열면(10)의 반대편에 위치하여 쿨런트 유로(P)를 향하는 면(16)을 포함할 수 있다.

쿨런트 유로(P)는 흡열 바디(13) 중 쿨런트 유로(P)를 향하는 면(16)과 유로 바디(14)의 내면 사이에 형성될 수 있다.

유로 바디(14)는 냉각대상(100)과 이격된 이격 바디일 수 있다. 유로 바디(14)는 방열판(1) 내부에 쿨런트 유로(P)를 형성하는 바디로서, 쿨런트 유로(P)는 흡열 바디(13)와 유로 바디(14) 사이에 형성될 수 있다.

유로 바디(14)는 냉각대상(100)과 직접 접촉되지 않고, 흡열 바디(13)를 통해 냉각대상(100)과 연결될 수 있다.

흡열 바디(13)와 유로 바디(14) 중 어느 하나는 쿨런트 유로(P)를 둘러싸는 둘레부(17)을 포함할 수 있다.

둘레부(17)의 일 예는 유로 바디(14)에서 흡열 바디(13)를 향해 돌출되고, 쿨런트 유로(P)는 이러한 둘레부(17)의 내측에 형성되는 것이 가능하다. 둘레부(17)의 다른 예는 흡열 바디(13)에서 유로 바디(14)를 향해 돌출되고, 쿨런트 유로(P)는 이러한 둘레부(17)의 내측에 형성되는 것이 가능하다. 둘레부(17)는 흡열 바디(13)와 유로 바디(14)의 각각과 별도로 제조되는 것도 가능하고, 흡열 바디(13)와 유로 바디(14) 사이에 위치되게 흡열 바디(13)와 유로 바디(14)에 고정되는 것도 가능하다.

유로 바디(14)는 둘레부(17)와, 흡열 바디(13)와 이격된 베이스(18)을 포함할 수 있다. 둘레부(17)는 베이스(18)에서 돌출되게 형성될 수 있고, 쿨런트 유로(P)는 수평 방향으로 둘레부(17)의 내측에 형성된 공간일 수 있고, 수직 방향으로 흡입 바디(13)와 베이스(17)의 사이에 형성된 공간일 수 있다. 즉, 쿨런트 유로(P)는 흡열 바디(13)와 둘레부(17)와 베이스(18)에 의해 형성된 공간에 의해 형성될 수 있다.

흡열 바디(13)는 흡열면(10)의 최대한 영역이 냉각대상(1)과 접촉되는 것이 바람직하고, 쿨런트 입구(11) 및 쿨런트 출구(12)는 흡열 바디(13) 이외에 형성되는 것이 바람직하다.

쿨런트 입구(11) 및 쿨런트 출구(13)가 흡열 바디(13)에 형성될 경우, 쿨런트 입구(11)에 연결되는 인렛 파이프(2) 및 아웃렛 파이프(3)는 냉각대상(1)과 간섭 가능성이 높게 된다.

인렛 파이프(2) 및 아웃렛 파이프(3)를 흡열 바디(13)에 연결할 경우, 인렛 파이프(2) 및 아웃렛 파이프(3)가 냉각대상(1)과 간섭되지 않게 하기 위해, 방열판(1)의 크기는 냉각대상(1) 보다 크게 형성되어야 한다.

즉, 본 실시예는 인렛 파이프(2) 및 아웃렛 파이프(3)가 유로 바디(14)에 연결되므로, 방열판(1)의 컴팩트화가 가능할 수 있고, 인렛 파이프(2) 및 아웃렛 파이프(3)나 냉각대상(100)의 손상을 최소화할 수 있다.

한편, 방열판 모듈은 냉각대상(100)의 저면에 흡열 바디(13)가 접촉되고, 인렛 파이프(2) 및 아웃렛 파이프(3)가 유로 바디(14)의 하부에 연결되는 것이 바람직하다.

쿨런트 입구(11) 및 쿨런트 출구(12)는 유로 바디(14)에 형성될 수 있다. 쿨런트 입구(11) 및 쿨런트 출구(12)는 쿨런트(C)의 유동 방향이 방열판(1) 내부에서 적어도 1회 꺽일 수 있는 위치에 형성되는 것이 바람직하다.

쿨런트 입구(11) 및 쿨런트 출구(12)는 흡열 바디(13) 중 쿨런트 유로(P)를 향하는 면(16)을 향할 수 있다. 쿨런트 입구(11) 및 쿨런트 출구(12)는 쿨런트유로(P)의 길이 방향(X)과 교차하는 방향(Z)으로 개방될 수 있다.

쿨런트 입구(11) 및 쿨런트 출구(12) 각각은 흡열 바디(13) 중 쿨런트 유로(P)를 향하는 면(16)과 상하 방향(Z)으로 이격될 수 있다.

이 경우, 쿨런트 입구(11)를 통해 쿨런트 유로(P)로 유입된 쿨런트(C)는 흡열 바디(13) 중 쿨런트 유로(P)를 향하는 면(16)에 부딪힐 수 있고, 이후 넓게 퍼질 수 있다.

방열판(1) 특히, 흡열 바디(13)는 다공부재(4)가 접촉되는 접촉 영역(A1)과, 다공부재(4)가 접촉되지 않는 비접촉 영역(A2)(A3)을 포함할 수 있다.

방열판(1) 특히, 흡열 바디(13)는 한 쌍의 비접촉 영역(A2)(A3)를 포함할 수 있고, 접촉 영역(A1)는 한 쌍의 비접촉 영역(A2)(A3)사이에 위치될 수 있다.

쿨런트 입구(11) 및 쿨런트 출구(12)는 비접촉 영역(A2)(A3)을 향할 수 있다. 쿨런트 입구(11)는 한 쌍의 비접촉 영역(A2)(A3) 중 어느 하나(12)를 향할 수 있고, 쿨런트 출구(12)는 한 쌍의 비접촉 영역(A2)(A3) 중 다른 하나(13)를 향할 수 있다.

쿨런트 입구(11)는 한 쌍의 비접촉 영역(A2)(A3) 중 제1비접촉 영역(A2)의 아래에 제1비접촉 영역(A2)과 상하 방향(Z)으로 이격될 수 있다.

쿨런트 출구(12)는 한 쌍의 비접촉 영역(A2)(A3) 중 제2비접촉 영역(A3)의 아래에 제2비접촉 영역(A3)과 상하 방향(Z)으로 이격될 수 있다.

비접촉 영역(A2)(A3) 중 어느 하나(A2)와 쿨런트 입구(11)의 주변부 사이에는 쿨런트 입구(11)로 유입된 쿨런트가 다공부재(4)로 넓게 퍼지기 위한 입구측 헤더공간(S1)이 형성될 수 있다.

그리고, 비접촉 영역(A2)(A3) 중 다른 하나(A3)와 쿨런트 출구(12)의 주변부 사이에는 다공부재(4)를 통과한 쿨런트(C)가 쿨런트 출구(12)로 모이는 출구측 헤더공간(S2)이 형성될 수 있다.

방열판(1)은 입구측 헤더공간(S1)과 출구측 헤더공간(S2)의 사이에 다공부재(4)가 위치되는 다공부재 수용공간(S3)이 위치될 수 있다.

본 실시예의 냉각대상(100)은 작동시 발열량이 많은 전력 반도체모듈일 수 있고, 이러한 전력 반도체모듈의 일예는 IGBT 모듈일 수 있다.

이하, 본 실시예의 냉각대상(100)은 IGBT 모듈인 것으로 설명하나, IGBT 모듈에 한정되지 않음은 물론이다.

IGBT 모듈은 기판(102)와, 기판(102)에 설치된 적어도 하나의 전력 반도체 소자(104)(105)를 포함할 수 있다.

IGBT 모듈의 일예는 기판(102)에 전력 반도체 소자(104)(105)와 연결된 회로가 형성되어 기판(102)이 회로기판으로 구성되는 것이 가능하다.

IGBT 모듈의 다른 예는 기판(102)과 별도의 회로기판(미도시)의 전력 반도체 소자(104)(105)와 연결되는 것도 가능하다.

기판(102)에는 전력 반도체 소자(104)(105) 뿐만 아니라 다이오드나 캐패시터 등의 타 전자부품도 설치될 수 잇다.

전력 반도체 소자(104)(105)는 기판(102)의 일면에 배치된 IGBT 소자일 수 있고, 이러한 IGBT 소자는 기판(102)과 방열판(1)의 사이에 위치될 수 있다.

전력 반도체 소자(104)(105)는 기판(102)의 반대편에 방열판(1)과 접촉되는 방열면(106)이 위치될 수 있다.

방열판(1)은 전력 반도체 소자(104)(105)와 접촉될 수 있고, 기판(102)을 사이에 두고 방열판(1)과 이격될 수 있다. 방열판(1)은 IGBT 모듈 중 다이오드나 캐패시터 등의 타 전자부품 보다 고온인 전력 반도체 소자(104)(105)를 우선적으로 냉각할 수 있다.

인렛 파이프(2)는 쿨런트 입구(11)와 연통되게 연결될 수 있다.

아웃렛 파이프(3)는 쿨런트 출구(12)에 연통되게 연결될 수 있다.

인렛 파이프(2)와 아웃렛 파이프(3) 중 적어도 하나는 방열판(1)에 방열판(1)의 길이방향(X)과 직교하게 연결될 수 있다. 인렛 파이프(2) 및 아웃렛 파이프(3)는 다공부재(4)의 길이방향(X)과 직교한 방향(Z)으로 방열판(1)에 연결될 수 있다.

다공부재(4)는 압력손실을 최소화할 수 있으면서 쿨런트(C)로 열을 신속하게 전도시킬 수 있는 전열면적을 갖는 것이 비람직하다.

다공부재(4)는 다공성 물질(Porous material)로 이루어질 수 있고, 적어도 하나의 와이어가 규칙적 또는 불규칙으로 배치된 금속 와이어 메쉬로 이루어지거나 메탈 폼으로 이루어질 수 있다.

다공부재(4)는 열전도율이 높은 구리나 알루미늄 등의 금속 재질로 형성될 수 있다.

다공부재(4)는 방열 용량이나 압력손실 등을 고려하여, 공극율(Porosity)과 공극 사이즈가 적용될 수 있고, 압력손실을 줄이기 위해서는 공극 사이즈가 크게 형성되는 것이 바람직하고, 방열 성능을 ?냅堅? 위해서는 공극 사이즈는 작고, 공극율은 높게 제작되는 것이 바람직하다.

다공부재(4)는 쿨런트 입구(11) 및 쿨런트 출구(12) 각각과 이격되며 방열판(1)의 내면에 접촉될 수 있다.

다공부재(4)는 흡열 바디(13)와 접합되는 흡열 바디 접합단(41)을 포함할 수 있다. 다공부재(4)는 흡열 바디(13)와 접합을 통해 접촉 저항을 저감할 수 있다. 방열판(1)과 다공부재(4)의 접합을 통해 접촉저항을 저감하여 방열판(1)의 열저항을 낮추고 방열 성능을 향상시킬 수 있다.

방열판(1)과 다공부재(4)는 다양한 접합법에 의해 접합 가능하고, 다공부재(4)는 브레이징, 솔더링, 써멀 본딩 등에 접합법에 방열판(1) 특히, 흡열 바디(13)에 접합될 수 있다.

한편, 흡열 바디(13)의 양면 중 흡열면(10)의 반대면에는 다공부재(4)의 일부 특히, 흡열 바디 접합단(41)이 수용되는 단턱홈이 함몰 형성될 수 있다.

다공부재(4)는 유로 바디(14)와 접촉되는 유로 바디 접촉단(42)을 더 포함할 수 있다. 다공부재(4)의 유로 바디 접촉단(42)는 다공부재(4) 중 베이스(18)를 향하는 단부로서, 베이스(18)와 접촉될 수 있다.

다공부재(4)의 길이(L1)는 쿨런트 유로(P)의 전체 길이(L2) 보다 짧고, 다공부재(4)는 쿨런트 유로(P)의 일부에 수용될 수 있다.

다공부재(4)의 길이(L1)는 다공부재(4)의 장방향 길이로 정의될 수 있고, 쿨런트 유로(P)의 전체 길이(L2)는 쿨런트 유로(P)의 장방향 길이로 정의될 수 있다.

쿨런트(C)는 다공부재(4)의 일부 영역으로 집중되지 않고, 최대한 다공부재(4)의 넓은 영역으로 분산되는 것이 바람직하다.

이를 위해, 방열판 모듈은 쿨런트 유동 방향(X, 즉, 방열판((1)의 길이 방향)으로 다공부재(4)의 전,후에 쿨런트가 넓게 퍼질 수 있는 분배 구조가 적용되는 것이 바람직하다.

이를 위해, 방열판 모듈은 수직형 인렛 파이프(2)와, 헤더형 분배 구조를 갖는 것이 바람직하다.

다공부재(4)는 길이 방향의 일단(43)이 둘레부(17)과 이격될 수 있고, 길이 방향의 타단(44)이 둘레부(17)와 이격될 수 있다.

다공부재(4)의 일단(43)과 둘레부 사이는 입구측 헤더공간(S1)으로 정의될 수 있다. 그리고, 다공부재(4)의 타단(44)과 둘레부(17) 사이는 출구측 헤더공간(S2)으로 정의될 수 있다.

입구측 헤더공간(S1)는 수평한 방향으로 길게 형성되되, 전체적으로 쿨런트 유로(P)의 길이방향(X)과 직교한 방향(Y)으로 길게 형성될 수 있다.

쿨런트 입구(11)는 쿨런트 유로(P)의 길이방향(X) 및 입구측 헤더공간(S1)의 길이방향(Y) 각각과 직교한 방향으로 개방될 수 있다. 그리고, 인렛 파이프(2)는 입구측 헤더공간(S1)에 직교할 수 있다.

출구측 헤더공간(S2)는 수평한 방향으로 길게 형성되되, 전체적으로 쿨런트 유로(P)의 길이방향(X)과 직교한 방향(Y)으로 길게 형성될 수 있고, 쿨런트 출구(12)는 쿨런트 유로(P)의 길이방향(X) 및 출구측 헤더공간(S2)의 길이방향(Y) 각각과 직교한 방향으로 개방되며, 아웃렛 파이프(3)는 출구측 헤더공간(S2)에 직교할 수 있다.

쿨런트(C)는 쿨런트 입구(11)를 통해 클런트 유로(P)의 길이방향(X)과 직교한 방향(X)으로 입구측 헤더공간(S1)으로 유입될 수 있다. 쿨런트 입구(11)를 통과한 쿨런트 중 일부는 흡열 바디(13) 중 쿨런트 유로(P)를 향하는 면(16)에 부딪힌 후, 입구측 헤더공간(S1)으로 퍼질 수 있다.

상기와 같이, 입구측 헤더공간(S1)으로 유입된 쿨런트(C1)는 입구측 헤더공간(S1)의 길이방향(Y) 및 쿨런트 유로(P)의 길이 방향(X)을 포함하는 모든 수평 방향으로 넓게 퍼질 수 있다.

입구측 헤더공간(S1)에서 넓게 퍼진 쿨런트(C1)는 입구측 헤더공간(S1)과 출구측 헤더공간(S2) 사이에 위치하는 다공부재 수용공간(S3)를 통과할 수 있다. 입구측 헤더공간(S1)의 쿨런트(C1)는 다공부재(4)의 일단(43)를 통해 다공부재(4)로 유입될 수 있고, 다공부재(4)을 통공을 통과할 수 있고, 다공부재(4)의 통공을 통과하는 쿨런트(C2)는 쿨런트 유로(P) 특히, 다공부재 수용공간(S3)의 길이방향(X)으로 유동될 수 있다.

이러한 쿨런트(C2)는 다공부재(4)의 다수개 통공을 통과하면서 다공부재(4)와 열접촉될 수 있고, 냉각대상(100)에서 다공부재(4)로 전달된 열을 흡열할 수 있다.

다공부재(4)를 통과한 쿨런트(C2)는 다공부재(4)의 타단(44)을 통해 다공부재(4)를 빠져나올 수 있고, 출구측 헤더공간(S2)으로 유동될 수 있다. 출구측 헤더공간(S2)의 쿨런트(C3)는 그 유동 방향(X)과 직교한 방향(Z)으로 개방된 쿨런트 출구(12)를 향해 모일 수 있고, 쿨런트 출구(12)를 통해 쿨런트 유로(P)의 길이방향(X) 및 출구측 헤더공간(S2)의 길이방향(Y) 각각과 직교한 방향(Z)으로 배출될 수 있다.

본 실시예의 비교예는 쿨런트 인렛이 다공부재(4)의 일단(43)을 향하는 경우일 수 있고, 쿨런트 인렛(11)을 통과한 쿨런트는 입구측 헤더공간(S1)에서 수평 방향으로 넓게 퍼지지 않고, 다공부재(4)의 일단(43)을 향해 직진될 수 있다.

이 경우, 쿨런트는 다공부재(4)의 넓은 영역을 고르게 통과하지 않고, 다공부재(4) 중 쿨런트 인렛(11)을 향하는 일부 영역만을 통과할 수 있고, 방열판(1) 및 다공부재(4)의 방열 성능이 낮을 수 있다.

반면에, 본 실시예는 방열판(1)의 내부에 다공부재(4)가 위치되지 않는 입구측 헤더공간(S1)과 출구측 헤더공간(S2)이 각각 형성되므로, 다공부재(4)가 입구측 헤더공간(S1) 또는 출구측 헤더공간(S2)에 위치하는 경우 보다 압력손실이 적을 수 있다.

그리고, 쿨런트 인렛(11)을 통과한 쿨런트는 입구측 헤더공간(S1)에서 다공부재(4)에 부딪히지 않고, 흡열 바디(13)에 강하게 부딪힐 수 있고, 흡열 바디(13)에 부딪힌 후, 입구측 헤더공간(S1)으로 신속하고 넓게 퍼질 수 있다.

복수개 핀을 갖는 핀형 방열판의 경우에는 핀 가공 제작에 큰 비용이 소요되어 방열판 모듈의 비용이 높게 되는데, 상기와 같이 간단한 유로 구조를 갖는 방열판(1)에 다공부재(4)를 접합하게 되면, 복수개 핀을 갖는 핀형 방열판의 경우 보다 제작비를 절감할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 방열판 모듈이 냉각대상을 냉각할 때의 단면도이다.

본 실시예의 방열판(1')은 냉각대상(100)과 접촉되는 흡열 바디(13)와, 냉각대상(100)과 이격된 유로 바디(14)를 포함할 수 있다. 쿨런트 유로(P')는 흡열 바디(13)와 유로 바디(14) 사이에 형성될 수 있다. 그리고, 다공부재(4')는 흡열 바디(13)와 접촉되되 유로 바디(14)와 이격될 수 있다.

방열판(1') 내부의 압력손실은 다공부재(4)에 형성된 공극율과 공극 크기 뿐만 아니라 다공부재(4)의 전체 크기에 의해 결정될 수 있다. 다공부재(4)의 공극율과 공극 크기가 동일하다 가정할 경우, 다공부재(4)의 전체 크기가 클수록 압력손실 및 방열성능을 클 수 있고, 다공부재(4)의 전체 크키가 작을수록 압력손실 및 방열성능을 작을 수 있다.

다공부재(4')는 냉각대상(100)에서 흡열 바디(13)로 전달된 열을 쿨런트(C)로 전달하는 열전달부재로서, 흡열 바디(13) 중 비교적 고온인 부분에 접촉되거나 흡열 바디(13) 중 비교적 고온인 부분에 최대한 근접하게 접촉되는 것이 바람직하다.

방열판(1')은 흡열 바디(13) 중 비교적 고온인 부분으로 쿨런트(C)가 집중될 수 있는 내부유로를 갖는 것이 바람직하고, 방열판(1')은 이러한 내부유로를 형성하기 위한 이너 가이드(19)를 포함할 수 있다. 방열판(1')은 쿨런트 유로(P)를 제1유로(P2)와, 제2유로(P2)로 구획하는 이너 가이드(19)를 더 포함할 수 있다.

제1유로(P1)와 제2유로(P2) 중 어느 하나(P1)는 냉각대상(100)과 먼 유로일 수 있고, 제1유로(P1)와 제2유로(P2) 중 다른 하나(P2)는 냉각대상(100)과 가까운 유로일 수 있다.

제1유로(P1)는 유로 바디(14)와 이너 가이드(19) 사이에 형성된 유로일 수 있다. 그리고, 제2유로(P2)는 흡열 바디(13)와 이너 가이드(19) 사이에 형성된 유로일 수 있다.

이너 가이드(19)의 일면과 유로 바디(14)의 내면 사이에는 제1유로(P1)가 형성될 수 있고, 이너 가이드(19)의 타면과 흡열 바디(13)의 내면 사이에는 제2유로(P2)가 형성될 수 있다.

다공부재(4A)(4B)는 제1유로(P1)와 제2유로(P2) 중 냉각대상(100)과 가까운

제2유로(P2)에 위치되는 것이 바람직하다. 그리고, 다공부재(4A)(4B)는 냉각대상(100)과 먼 제1유로(P1)에 배치되지 않을 수 있고, 이 경우, 제1유로(P1)의 유동 저항은 최소화될 수 있다.

본 실시예는 클런트 유로(P')의 전체에 다공부재(4A)4B)를 배치시키지 않고, 방열판(1') 중 발열이 집중되는 부분이나 그 주변에만 다공부재(4A)(4B)를 배치시켜 발열이 집중되는 부분을 신속하게 냉각시키면서 다공부재(4A)(4B)에 의한 압력손실을 최소화할 수 있다.

흡열 바디(13)는 냉각대상(100)과 접촉되는 접촉부(1A)(1B)와, 냉각대상(100)과 접촉되지 않는 비접촉부(1C)(1D)(1E)를 포함할 수 있다.

다공부재(4A)(4B)는 적어도 일부가 접촉부(1A)(1B)에 접촉되게 배치될 수 있다. 다공부재(4A)(4B)는 접촉부(1A)(1B)에 는 브레이징, 솔더링, 써멀 본딩 등에 의해 접합될 수 있다.

이너 가이드(19)에는 제1유로(P1)와, 제2유로(P2)를 연통시키는 통공(20)(21)이 형성될 수 있다. 통공(20)(21)은 제1유로(P1)를 통과한 쿨런트(C)가 제2유로(P2)로 유동되게 형성될 수 있다.

통공(20)(21)은 접촉부(1A)(1B)를 향할 수 있고, 통공(20)(21)은 쿨런트(C)가 접촉부(1A)(1B)를 향해 유동되게 쿨런트(C)를 안내할 수 있다. 제1유로(P1)을 통과한 냉각수(C)는 통공(20)(21)을 통과한 후 접촉부(1A)(1B)를 향해 분사될 수 있고, 이 경우, 흡열 바디(13)의 접촉부(1A)(1B)와 비접촉부(1C)(1D)(1E) 중 접촉부(1A)(1B)를 우선적으로 집중 냉각할 수 있다.

다공부재(4A)4B)는 흡열 바디(13)의 열을 흡열하여, 쿨런트(C)로 전도하는 구조물로서, 접촉부(1A)(1B)에 접촉되게 배치되는 것이 바람직하다. 다공부재(4A)4B)는 접촉부(1A)(1B)에 접합되는 접촉부 접합단(41)을 포함할 수 있다.

다공부재(4A)(4B)의 적어도 일부는 통공(20)(21)을 향할 수 있다. 이 경우, 통공(20)(21)을 통과한 쿨런트(C)는 다공부재(4A)(4B)를 향해 분사될 수 있다.

통공(20)(21)을 통과한 쿨런트(C)는 흡열 바디(13) 중 다공부재(4A)(4B)가 부착된 면에 제트의 형태로 분사될 수 있고, 이 경우 대류 열전달이 효과가 높아질 수 있다.

쿨런트(C)는 다공부재(4A)(4B)를 통과하면서 1차적으로 다공부재(4A)(4B)의 열을 흡열할 수 있다. 쿨런트(C) 중 다공부재(4A)(4B)를 통과한 쿨런트 중 일부는 접촉부(1A)(1B)에 부딪힌 후 그 유동 방향이 전환될 수 있다.

상기와 같이, 다공부재(4A)(4B)로 유입된 후 접촉부(1A)(1B)에 부딪힌 쿨런트(C)는 다시 다공부재(4A)(4B)를 통과한 후 다공부재(4A)(4B)의 주변으로 유동될 수 있다.

쿨런트(C)가 다공부재(4A)(4B)로 유입되는 쿨런트 유입방향과, 다공부재(4A)(4B)의 쿨런트(C)가 다공부재(4A)(4B)의 주변으로 유출되는 쿨런트 유출방향이 서로 동일하지 않는 방향일 수 있고, 교차하는 방향일 수 있다. 예를 들어, 유입방향은 통공(20)(21)의 개방된 방향일 수 있고, 유출 방향은 이러한 유입방향과 직교한 방향일 수 있다. 유입방향은 수직방향(Z)일 수 있고, 유출방향은 수평방향일 수 있다.

다공부재(4A)(4B)는 통공(20)(21)을 향하는 단부(42')를 갖게 배치될 수 있다. 이러한 단부(42')는 접촉부 접합단(41)의 반대편에 위치될 수 있다.

이와 같이 통공(20)(21)을 향하는 단부(42')는 쿨런트(C)가 다공부재(4A)(4B)로 유입되는 입구단일 수 있다.

다공부재(4A)(4B)는 외둘레(46)를 갖는 입체적 형상일 수 있다. 쿨런트(C)는 다공부재(4A)(4B)의 외둘레(46)를 통해 다공부재(4A)(4B)를 빠져나올 수 있다.

즉, 다공부재(4A)(4B)의 외둘레(46)는 쿨런트(C)가 다공부재(4A)(4B)에서 유출되는 출구단일 수 있다.

다공부재(4A)4B)는 통공(20)(21) 보다 클 수 있다. 다공부재(4A)(4B)의 단면적(A4)은 통공(20)(21)의 단면적(A5) 보다 클 수 있다.

이 경우, 통공(20)(21)을 통과한 쿨런트(C)는 주로 다공부재(4A)4B)와 접촉되면서 다공부재(4A)4B)의 열을 흡열할 수 있다.

본 실시예는 쿨런트(C)의 일부가 다공부재(4A)(4B)를 바이패스할 수 있는 구조를 갖을 수 있다. 다공부재(4A)(4B)와 이너 가이드(19)의 사이에는 틈(G1)(G2)이 형성될 수 있다. 다공부재(4A)(4B)는 이너 가이드(19)와 이격될 수 있다.

통공(20)(21)을 통과한 후 제2유로(P2)로 유입된 쿨런트(C) 중 일부는 다공부재(4A)(4B)를 통과하면서 다공부재(4A)(4B)의 열을 흡열할 수 있다. 그리고, 통공(20)(21)을 통과한 후 제2유로(P2)로 유입된 쿨런트(C) 중 나머지는 틈(G1)(G2)을 통과할 수 있으며, 이 경우, 다공부재(4A)(4B)에 의한 압력손실은 과다하지 않게 된다.

통공(20)(21)을 통과한 모든 쿨런트(C)가 다공부재(4A)(4B)를 통과하게 되면, 다공부재(4A)(4B)에 의한 압력손실이 클 수 있다.

반면에, 본 실시예와 같이, 통공(20)(21)을 통과한 쿨런트(C) 중 일부만 다공부재(4A)(4B)를 통과하게 되면, 다공부재(4A)(4B)로 인한 압력손실은 과다하지 않을 수 있다.

한편, 본 실시예의 냉각대상(100)은 전력 반도체 모듈일 수 있고, 전력 반도체 모듈은 기판(102)와 전력 반도체 소자(104)(105)를 갖을 수 있다. 전력 반도체 모듈은 이격된 복수개 전력 반도체소자(104)(105)를 포함할 수 있다. 복수개 전력 반도체소자(104)(105)는 기판(102)의 길이 방향(X)으로 이격될 수 있다.

방열판(1')은 전력 반도체소자(104)(105)가 접촉되는 접촉부(1A)(1B)와, 전력 반도체소자(104)(105)가 접촉되지 않는 비접촉부(1C)(1D)(1E)를 포함할 수 있다.

다공부재(4A)(4B)의 적어도 일부는 접촉부(1A)(1B)와 접촉될 수 있다.

다공부재의 복수개(4A)(4B)는 복수개 전력 반도체소자(104)(105)의 이격 방향(X)과 나란한 방향으로 이격될 수 있다.

다공부재(4A)(4B)는 전력 반도체소자(104)(105)과 1:1 대응될 수 있고, 냉각대상(100)인 전력 반도체 모듈이 이격된 2개의 전력 반도체소자(104)(105)를 포함할 경우, 방열판(1')의 내부에는 이격된 2개의 다공부재(4A)(4B)가 배치될 수 있다.

냉각대상(100)인 전력 반도체 모듈이 이격된 3개의 전력 반도체 소자를 포함할 경우, 방열판(1')의 내부에는 이격된 3개의 다공부재가 배치될 수 있다.

한편, 본 실시예는 쿨런트 유로(P') 중 다공부재(4A)(4B)가 위치하는 영역 이외에 다공부재(4A)(4B) 보다 압력손실이 적은 핀 등의 열전달 바디가 배치되는 것도 가능하다. 핀은 흡열 바디(13)와 이너 가이드(19) 중 하나에 일체로 돌출될 수 있다.

이 경우, 방열판(1') 중 냉각대상(100)과 접촉되는 접촉부(1A)(1B)의 열은 다공부재(4A)(4B)를 통해 쿨런트(C)로 전달될 수 있다 그리고, 방열판(1') 중 냉각대상(100)과 접촉되지 않는 비접촉부(1C)(1D)(1E)의 열은 핀을 통해 쿨런트(C)로 전달될 수 있다.

이러한 핀은 다공부재(4A)(4B)와 접촉될 수 있고, 이 경우, 접촉부(1A)(1B)의 열은 다공부재(4A)(4B)를 통해 핀으로 전달될 수 있다.

방열판(1')이 다공부재(4A)(4B)와 핀을 모두 포함할 경우, 핀은 제2유로(P2)에 위치될 수 있고, 다공부재(4A)(4B)의 주변에 위치될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 방열판 2: 인렛 파이프
3: 아웃렛 파이프 4: 다공부재
11: 쿨런트 입구 12: 쿨런트 출구
P: 쿨런트 유로

Claims

쿨런트 입구 및 쿨런트 출구와 연통되는 쿨런트 유로가 형성된 방열판과;
상기 쿨런트 입구와 연통된 인렛 파이프와;
상기 쿨런트 출구에 연통된 아웃렛 파이프와;
상기 쿨런트 입구 및 쿨런트 출구 각각과 이격되며 상기 방열판의 내면에 접촉된 다공부재를 포함하는,
상기 방열판은
냉각대상과 접촉되는 흡열 바디와,
상기 냉각대상과 이격되고 상기 흡열 바디와 사이에 상기 쿨런트 유로가 형성된 유로 바디와,
상기 쿨런트 유로를 제1유로와, 제2유로로 구획하는 이너 가이드를 포함하고,
상기 이너 가이드에는 상기 제1유로와, 제2유로를 연통시키는 통공이 형성되고,
상기 다공부재는 상기 이너 가이드와 이격되도록 위치하여
상기 다공부재와 상기 이너 가이드의 사이에는 틈이 형성된,
방열판 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 방열판은
냉각대상과 접촉되는 흡열 바디와,
상기 냉각대상과 이격되고 상기 흡열 바디와 사이에 상기 쿨런트유로가 형성된 유로 바디를 포함하고,
상기 다공부재는 상기 흡열 바디와 접합되는 흡열 바디 접합단을 포함하는 방열판 모듈.
제 2 항에 있어서,
상기 다공부재는 상기 유로 바디와 접촉되는 유로 바디 접촉단을 더 포함하는 방열판 모듈.
제 2 항에 있어서,
상기 쿨런트 입구 및 쿨런트 출구는 상기 유로 바디에 형성된 방열판 모듈.
제 2 항에 있어서,
상기 쿨런트 입구 및 쿨런트 출구는 상기 흡열 바디 중 상기 쿨런트 유로를 향하는 면을 향하는 방열판 모듈.
제 2 항에 있어서,
상기 쿨런트 입구 및 쿨런트 출구는 상기 쿨런트유로의 길이 방향과 교차하는 방향으로 개방된 방열판 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 방열판은 상기 다공부재가 접촉되는 접촉 영역과, 상기 다공부재가 접촉되지 않는 비접촉 영역을 포함하고,
상기 쿨런트 입구 및 쿨런트 출구는 상기 비접촉 영역을 향하는 방열판 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 인렛 파이프와 아웃렛 파이프 중 적어도 하나는 상기 방열판에 상기 방열판의 길이방향과 직교하게 연결된 방열판 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 방열판은
냉각대상과 접촉되는 흡열 바디와,
상기 냉각대상과 이격되고 상기 흡열 바디와 사이에 상기 쿨런트 유로가 형성된 유로 바디를 포함하고,
상기 다공부재는 상기 흡열 바디와 접촉되고, 상기 유로 바디와 이격된 방열판 모듈.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 다공부재의 적어도 일부는 상기 통공을 향하는 방열판 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 다공부재는 상기 통공 보다 큰 방열판 모듈.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 제2유로는 상기 이너 가이드와 흡열 바디 사이에 형성되고,
상기 다공부재는 상기 제2유로에 위치된 방열판 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 흡열 바디는 상기 냉각대상과 접촉되는 접촉부와, 상기 냉각대상과 접촉되지 않는 비접촉부를 포함하고,
상기 통공은 상기 접촉부를 향하는 방열판 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 방열판은 전력 반도체 모듈에 접촉되고,
상기 전력 반도체 모듈은
기판과,
상기 기판에 설치된 적어도 하나의 전력 반도체소자를 포함하며,
상기 방열판은
상기 전력 반도체소자가 접촉되는 접촉부와,
상기 전력 반도체소자가 접촉되지 않는 비접촉부를 포함하고,
상기 다공부재의 적어도 일부는 상기 접촉부와 접촉되는 방열판 모듈.
제 16 항에 있어서,
상기 전력 반도체 모듈은 이격된 복수개 전력 반도체소자를 포함하고,
상기 다공부재의 복수개는 상기 복수개 전력 반도체소자의 이격 방향과 나란한 방향으로 이격된 방열판 모듈.