KR20160139094A

KR20160139094A - 히트파이프를 구비한 전력전자 기기용 밀폐형 외함

Info

Publication number: KR20160139094A
Application number: KR1020150072890A
Authority: KR
Inventors: 유성열
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2016-12-07
Also published as: EP3099152A1; US20160353606A1; JP2016225621A; CN106211707A

Abstract

전력전자 기기용 외함에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부 기기에서 발생되는 열을 효과적으로 방출할 수 있도록 함과 동시에 외함의 소형화와 내부 기기의 내구성을 향상시킬 수 있도록 하는 히트파이프를 구비한 전력전자 기기용 밀폐형 외함에 관하여 개시한다.
본 발명은 전력전자 기기가 수용되는 밀폐 공간을 제공하는 기기 수용공간; 상기 기기 수용공간과 분리되어 형성되며 상기 기기 수용공간에서 발생하는 열을 방출하기 위한 방열덕트; 및 상기 기기 수용공간의 발열소자에 부착되는 히트싱크와, 상기 방열덕트에 배치되는 방열핀과, 상기 히트싱크의 열을 상기 방열핀으로 전달하는 히트파이프를 포함하는 방열수단;을 포함하는 전력전자 기기용 밀폐형 외함을 제공한다.

Description

히트파이프를 구비한 전력전자 기기용 밀폐형 외함{CLOSED CABINET FOR ELECTRIC DEVICE HAVING HEAT PIPE}

본 발명은 전력전자 기기용 외함에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부 기기에서 발생되는 열을 효과적으로 방출할 수 있도록 함과 동시에 외함의 소형화와 내부 기기의 내구성을 향상시킬 수 있도록 하는 히트파이프를 구비한 전력전자 기기용 밀폐형 외함에 관한 것이다.

일반적으로 전력전자 기기의 외함은 다수의 열이 많이 발생하는 내부 기기(예를 들면 인버터 등)를 포함한다.

외함에는 내부 기기가 적정 온도에서 동작할 수 있도록 하기 위한 방열 수단이 구비된다.

도 1은 전력전자 기기 외함의 일종인 중대형 인버터 외함을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 중대형 인버터 외함(10)은 내부에 인버터를 포함한 다양한 전기, 전자 부품들을 수용하고 있다.

일반적인 중대형 인버터 외함(10)은 내부에 전력전자 기기를 수용하는 기기 수용공간을 복층의 형태로 구비하고 있고, 각 층의 기기 수용공간에 전력전자 기기들(20)이 적층 수용된다.

또한, 중대형 인버터 외함(10)은 내부 전력전자 기기(20)에서 발생하는 열을 방출하기 위한 구조를 가지고 있다. 방열은 외부의 공기를 흡입하는 공냉식으로 이루진다.

중대형 인버터 외함(10)은 냉각을 위하여, 일면에 흡입구(14)를 구비하며, 상부에 방열팬(16)을 구비한다.

방열팬(16)을 구동시켜 외부의 차가운 공기를 외함(10)의 내부로 유입하여 내부의 공기를 밀어내고 새로운 공기가 들어와서 내부를 냉각시키고 다시 외부로 배출되는 대류 방식의 냉각 구조를 가지고 있었다.

한편, 종래의 중대형 인버터 외함(20) 내부에 구비된 발열량이 높은 전력전자 기기(이하, 발열소자)의 보다 효과적인 냉각을 위하여, 발열소자(22)의 일면에 방열핀(24)을 부착하였다.

그런데, 이러한 대류 방식의 냉각구조는 상대적으로 현저히 온도가 낮은 외부의 공기가 외함(10)의 내부로 직접 유입될 경우 내장된 전기, 전자부품들의 주변온도가 갑자기 떨어지면서 결로 현상이 발생할 수 있고, 발생된 결로가 결빙되면 부품들의 정상동작을 불가능하게 하는 문제가 발생한다. 이를 방지하기 위하여 별도의 제습장치를 부가하거나, 흡입구에 필터를 부착하여 수분, 염분, 먼지 등의 여과하는 방법을 취하고 있었는데,

별도의 제습장치를 부가하는 경우 외함의 구조가 복잡해지고 크기가 커져야 하며, 필터를 설치하게 되면 필터의 설치로 인하여 흡입 저항이 증가하게 되므로 냉각에 필요한 공기의 유량 및 유속을 확보하기 위하여 더 큰 용량의 팬을 사용해야 하므로 전력소모가 증가하게 되고, 필터의 정기적인 세척 또는 교체가 필요한 문제점을 가지고 있었다.

또한, 방열팬(16)을 외함(10)의 외부에 구비하는 구조가 되므로, 방열팬(16)에 대한 방수가 어렵고 방열팬에 이물질이 부착되어, 방열팬(16)의 수명이 단축되거나 쉽게 고장이 발생하는 문제점을 가지고 있었다. 또한 방열팬(16)이 정상적으로 동작하지 않게 되면 전력전자기기 외함의 방열효율이 저하되므로, 내부의 전자부품이 과열로 인하여 손상되거나 수명이 짧아지는 문제를 일으킬 수 있다.

본 발명의 목적은 전력전자 기기에서 발생하는 열을 효과적으로 배출할 수 있는 전력전자 기기용 밀폐형 외함을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 전력전자 기기가 수용된 수용공간으로 외기를 도입하여 순환시키지 않고 별도의 방열덕트로 외기를 도입함으로써 전력전자 기기 수용공간의 오염을 방지하는 전력전자 기기용 밀폐형 외함을 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전력전자 기기가 수용되는 밀폐 공간을 제공하는 기기 수용공간; 상기 기기 수용공간과 분리되어 형성되며 상기 기기 수용공간에서 발생하는 열을 방출하기 위한 방열덕트; 및 상기 기기 수용공간의 발열소자에 부착되는 히트싱크와, 상기 방열덕트에 배치되는 방열핀과, 상기 히트싱크의 열을 상기 방열핀으로 전달하는 히트파이프를 포함하는 방열수단;을 포함하는 전력전자 기기용 밀폐형 외함을 제공한다.

상기 방열덕트는 수직방향으로 형성되어 도입되는 외기가 상방향의 흐름을 가지도록 하는 것이 바람직하다.

상기 방열덕트로 도입되는 외기의 흐름을 가속하기 위한 방열팬을 구비하면 더욱 바람직하다.

상기 히트파이프는 상기 방열핀과 결합되는 구간이 상향경사지게 형성될 수 있다.

이 때, 상기 방열핀은 수직방향으로 형성되어 상기 히트파이프와의 접촉면적을 증가시키는 바람직하다.

한편, 상기 히트파이프는 수평방향으로 형성되며, 내부에 열교환유체를 히트 싱크 측으로 귀환시키기 위한 윅(wick)을 구비할 수 있다.

이 때, 상기 방열핀은 상기 히트파이프에 경사지게 부착될 수 있다.

상기 방열수단은 상기 전력전자 기기용 밀폐형 외함의 내부에 복층의 형태로 배치되며, 상층 방열수단의 방열핀이 상대적으로 넓은 열교환면적을 가지도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전력전자 기기용 밀폐형 외함은 전력전자 기기가 수용된 기기 수용공간으로 외기를 도입하여 순환시키지 않고, 별도로 형성된 방열덕트로 외기를 유입하여 냉각함으로써, 전력전자 기기 수용공간이 외기와 함께 유입되는 빗물이나 이물질에 의하여 오염되지 않도록 할 수 있는 효과를 가져온다.

또한, 본 발명에 따른 전력전자 기기용 밀폐형 외함은 히트파이프를 사용하여 발열소자에서 발생하는 열을 효과적으로 배출하는 효과를 가져온다.

도 1은 종래의 전력전자 기기용 외함을 나타난 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력전자 기기용 밀폐형 외함을 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 방열수단을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 방열수단을 나타낸 측면도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 방열수단을 나타낸 측시도이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 방열수단을 나타낸 측면도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 방열수단을 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 방열수단을 나타낸 측면도이다.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력전자 기기용 밀폐형 외함을 나타낸 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전력전자 기기용 밀폐형 외함(100)은 전력전자 기기가 적층 수용되는 기기 수용공간(120)과, 상기 기기 수용공간(120)에서 발생하는 열을 방출하기 위한 방열덕트(140)와, 상기 기기 수용공간(120)의 발열소자(125)에서 발생하는 열을 상기 방열덕트(140)로 방출하기 위한 방열수단(160)을 포함한다.

본 발명에 따른 전력전자 기기용 외함(100)에서 밀폐형의 의미는 전력전자 기기가 수용되는 기기 수용공간(120)이 밀폐됨을 뜻하는 것이다. 또한 여기서 밀폐의 의미는 완전히 밀봉되는 것을 의미하는 것이 아니라 종래의 전력전자 기기 외함들이 전력전자 기기 수용공간으로 외기를 유입하여 순환시키던 구조인 것에 반하여 본 발명의 전력전자 기기 외함의 경우 기기 수용공간(120)으로 외기를 도입시켜 냉각시키지 않는 다는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 전력전자 기기용 외함(100)은 전력전자 기기가 수용되는 기기 수용공간(120)과는 별도의 방열덕트(140)를 형성하고, 상기 방열덕트(140)로 외기를 도입하여 공냉식으로 전력전자 기기에서 발생하는 열을 방출하도록 함으로써, 기기 수용공간(120)에 외기와 함께 이물질이나 빗물 등이 유입되는 것을 방지할 수 있다.

방열덕트(140)는 도시된 바와 같이 수직방향의 유로를 가지도록 형성될 수 있다. 가열된 공기는 상승하는 흐름을 가지게 되므로 방열덕트(140)가 수직방향의 유로를 가지도록 형성되면 방열덕트(140) 내부의 공기가 자연 대류를 통해 상부 측으로 배출될 수 있다.

방열덕트(140)는 하부에 유입구(142)를 구비하고, 상부에 배출구(144)를 구비할 수 있다. 도시된 실시예의 경우에는 배출구(144)에 방열팬(145)이 구비된 형태를 나타낸 것이나, 상기 유입구(142)에 방열팬이 구비될 수도 있으며, 유입구(142)와 배출구(144) 모두에 방열팬이 구비될 수도 있다.

유입구(142)에 구비되는 방열팬은 외부의 공기를 방열덕트(140) 내부로 유입시키도록 동작하고, 배출구(144)에 구비되는 방열팬(145)은 방열덕트(140) 내부의 공기를 외부로 배출하도록 동작한다.

본 발명에 따른 전력전자 기기용 외함에 구비되는 방열수단(160)은 기기 수용공간(120)에 수용되는 발열소자(125)에 부착되는 히트싱크(162)와, 상기 히트싱크(162)의 열을 상기 방열덕트(140) 측으로 전달시키기 위한 히트파이프(164)와, 상기 방열덕트(140) 내부의 히트파이프(164)에 결합되어 외기와의 접촉을 통해 열을 방출하는 방열핀(166)을 포함한다.

이러한 방열수단(160)은 히트싱크(162)가 발열소자(125)의 열을 흡수하고, 히트싱크(162)로 흡수된 열이 히트파이프(164)를 통해 방열덕트(140)에 배치되는 방열핀(166)으로 전달하며, 방열핀(166)이 방열덕트(140)에서 도입되는 외부 공기와 접촉하며 열을 방출하는 구조이다.

한편, 유입구(142)를 통해서 도입되는 외부공기는 상승하면서 방열핀(166)과 열교환을 하게 되므로, 방열덕트(140)의 내부의 공기 온도는 상승할 수록 온도가 높아지게 된다. 다시말해, 방열덕트(140) 내부의 공기는 높이에 따라 온도차를 가지게 된다. 방열핀(166)의 방열 효과는 접촉하는 외부 공기의 온도에 영향을 받게 되므로, 높이차에 따라 균일한 방열 효과를 얻기 위해서 상대적으로 상층에 위치하는 방열핀의 열교환면적을 상대적으로 하층에 위치하는 방열핀의 열교환면적보다 크게 할 수 있다. 이러한 구조는 상하부의 온도편차에 따른 방열효과의 편차를 방열면적의 변화를 통해서 극복할 수 있도록 해준다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 방열수단을 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 방열수단을 나타낸 측면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전력전자 기기용 밀폐형 외함에 구비되는 방열수단은 발열소자(예를 들면 인버터 등에 구비되는 전력반도체)에 부착되는 히트싱크(162)와, 일측은 상기 히트싱크(162)에 매립되고 타측은 상기 방열덕트 내부로 연장 형성된 히트파이프(164)와, 상기 방열덕트 내부의 상기 히트파이프(164)에 부착되는 방열핀(166)을 포함한다.

제1실시예는 히트파이프가 상기 방열핀(166)과 결합되는 구간이 상향경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

히트파이프(164)는 밀폐된 관체의 내부에 열전달유체를 수용하는 구조를 가지고 있으며, 내부의 열전달유체가 기화와 응축을 반복하며 순환되면서 열을 전달하도록 구성된다.

기화는 히트싱크(162)에 매립되어 있는 부분에 이루어지고, 응축은 방열핀(166)이 부착된 부분에서 이루어지게 된다. 따라서, 응축이 발생하는 구간이 상향 경사지게 형성되면, 응축된 열전달유체가 자중에 의하여 기화가 발생되는 부분(히트 싱크측)으로 흘러 내려오게 되므로 열전달유체가 순환하며 히트싱크(162)의 열이 방열핀(166)으로 전달된다.

상기 방열핀(166)은 핀면이 수직방향과 나란하게 배치되는 것이 바람직하다. 방열덕트(도 2의 140) 내부에서 공기가 상방향의 흐름을 가지게 되므로, 방열핀(166)을 수직으로 배치하게 되면 공기의 흐름 저항을 최소화활 수 있다.

또한, 방열핀(166)이 결합되는 구간의 히트파이프(164)는 상향경사진 형태로 형성되므로, 방열핀(166)이 수직방향으로 배치되는 경우 방열핀(166)과 히트파이프(164)가 연결되는 단면이 타원형의 형상을 가지게 된다. 따라서, 방열핀(166)과 히트파이프(164)의 접촉면적이 증가하게 되어, 히트파이프(164)에서 방열핀(166)으로의 전도율이 향상되는 효과를 가져온다.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 방열수단을 나타낸 측면도이다.

본 발명의 제2실시예에 따른 방열수단은 방열핀(166)이 히트파이프(164)에 수직으로 결합되는 것을 특징으로 한다.

제2실시예는 히트파이프(164)의 단위길이당 방열핀(166)의 설치개수를 증가시킬 수 있는 장점을 가진다.

예를 들어, 방열덕트 내부에서 히트파이프(164)가 30도 상향경사지게 형성된 형태이고, 방열핀(166)이 설치되는 구간의 히트파이프의 길이가 10cm 이고, 방열핀 사이의 간격이 2mm인 경우일 경우, 제1실시예와 같이 방열핀(166)을 방열덕트에 수직방향으로 설치하게 되면 방열핀을 86개 설치할 수 있으나, 제2실시예와 같이 방열핀을 히트파이프에 수직방향으로 설치하게 되면 방열핀을 100개 설치할 수 있다.

도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 방열수단을 나타낸 측면도이고, 도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 방열수단을 나타낸 단면도이다.

본 발명의 제3실시예는 히트파이프(164)가 전체적으로 수평방향으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

제1실시예나 제2실시예와 같이, 히트파이프(164)가 방열핀 설치구간에서 상향경사지게 형성되면, 전력전자 기기 외함 내부의 공간이 협소할 경우 방열수단(160)의 설치 작업이 번거로울 수 있다. 다시 말해 전력전자 기기 외함에서 기기 수용공간의 높이가 방열핀 설치구간이 통과할 수 없는 높이가 될 수 있으며, 이 경우 방열수단(160)을 방열덕트 측에서 기기 수용공간으로 밀어넣는 방법으로 설치해야 하므로 작업성이 좋지 못할 수 있다.

제3실시예는 히트파이프(164)를 전체적으로 수평이 되도록 형성함으로써, 방열핀 설치구간의 높이를 감소시킨 것을 특징으로 한다.

한편, 히트파이프(164)가 수평방향으로 형성되는 경우에는 도 7에 도시된 바와 같이, 히트파이프(164) 내부에 열교환유체를 히트싱크(162)측으로 귀환시키기 위한 윅(wick)(164b)을 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제3실시예에 따른 히트파이프(164)는 밀폐된 관체(164a)의 내부에 열전달유체가 충진되며, 열전달유체의 순환을 위한 모세관 구조를 가지는 윅(164b)을 구비한다.

히트싱크(162)가 가열되면, 히트싱크(162)와 연결된 히트파이프(164) 내부의 윅(164b)은 열전달유체가 기화하여 건조되고, 방열핀(166)과 연결된 히트파이프(164) 내부의 윅(164b)은 응축된 열전달유체가 흡입된다. 또한, 열전달유체는 방열핀(166)측의 윅에서 히트싱크(162)측의 윅(164b)으로 모세관 현상을 통해서 귀환하게 되므로, 열전달유체가 순환하며 히트싱크(162)의 열이 방열핀(166)으로 전달될 수 있다.

도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 방열수단을 나타낸 측면도이다.

본 발명의 제4실시예는 방열핀(166)을 히트파이프(164)에 대하여 경사지게 형성함으로써, 방열핀(166)이 설치된 구간의 높이를 감소시킨 것을 특징으로 한다.

이렇게, 방열핀(166)이 히트파이프(164)에 대하여 경사지게 연결되면, 앞서 제1실시예에서 설명한 바와 같이, 방열핀(166)과 히트파이프(164)의 접촉면이 타원형이 되어 이들간의 접촉면적이 증가하여 열전달 효율을 향상할 수 있다.

또한, 방열핀(166)을 히트파이프(164)에 경사지게 형성하면 전체적인 방열수단(160) 전체의 높이를 감소시킬 수 있어 전력전자 기기 외함의 내부 공간이 협소할 경우에도 설치 작업이 용이해지는 효과를 가져온다.

전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 전력전자 기기용 밀폐형 외함
120 : 기기 수용공간
125 : 발열소자
140 : 방열덕트
142 : 유입구
144 : 배출구
145 : 방열팬
160 : 방열수단
162 : 히트싱크
164 : 히트파이프
164a : 관체
164b : 윅(wick)
166 : 방열핀

Claims

전력전자 기기가 수용되는 밀폐 공간을 제공하는 기기 수용공간;
상기 기기 수용공간과 분리되어 형성되며 상기 기기 수용공간에서 발생하는 열을 방출하기 위한 방열덕트; 및
상기 기기 수용공간의 발열소자에 부착되는 히트싱크와, 상기 방열덕트에 배치되는 방열핀과, 상기 히트싱크의 열을 상기 방열핀으로 전달하는 히트파이프를 포함하는 방열수단;을 포함하는 전력전자 기기용 밀폐형 외함.
제 1 항에 있어서,
상기 방열덕트는 수직방향으로 형성되어 도입되는 외기가 상방향의 흐름을 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 전력전자 기기용 밀폐형 외함.
제 2 항에 있어서,
상기 외기의 흐름을 가속하기 위한 방열팬을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력전자 기기용 밀폐형 외함.
제 1 항에 있어서,
상기 히트파이프는 상기 방열핀과 결합되는 구간이 상향경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 전력전자 기기용 밀폐형 외함.
제 4 항에 있어서,
상기 방열핀은 수직방향으로 형성되어 상기 히트파이프와 접촉면적을 증가시킨 것을 특징으로 하는 전력전자 기기용 밀폐형 외함.
제 1 항에 있어서,
상기 히트파이프는 수평방향으로 형성되며, 내부에 열교환유체를 히트 싱크 측으로 귀환시키기 위한 윅(wick)을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력전자 기기용 밀폐형 외함.
제 6 항에 있어서,
상기 방열핀은 상기 히트파이프에 경사지게 부착되는 것을 특징으로 하는 전력전자 기기용 밀폐형 외함.
제 1 항에 있어서,
상기 방열수단은 상기 전력전자 기기용 밀폐형 외함의 내부에 복층의 형태로 배치되며, 상층 방열수단의 방열핀이 상대적으로 넓은 열교환면적을 가지는 것을 특징으로 하는 전력전자 기기용 밀폐형 외함.