그러한 냉각장치가 M.P.Bowers 와 I.Mudawar의 " 저유량에서 고유속 비등, 낮은 압력 손실 미니 채널 및 마이크로 채널 히트 싱크" 에 기술되어 있다.Such chillers are described in M.P.Bowers and I. Mudawar in "High Flow Boiling, Low Pressure Loss Mini-Channel and Micro-Channel Heat Sinks".
보편적으로 예를 들어 퍼스 인버터(Pulse inverter)와 같은 현재의 파워 전자 장치의 부품 또는 부품군은 주로 알루미늄 또는 구리로 이루어진 거대한 히트 싱크에 의해 냉각된다. 따라서 열 방출이 냉각제에 의해 이루어지고, 상기 냉각제는 히트 싱크의 홀로 유도된다.In general, parts or groups of current power electronics, such as, for example, a pulse inverter, are cooled by a huge heat sink, mainly made of aluminum or copper. The heat release is thus effected by the coolant, which is directed to the holes in the heat sink.
또한 대안적으로 파워 전자 장치 부품에서 열연액 냉각에 의한 열 방출이 공지되어 있다. 따라서 열은 전기적 비전도성 액체의 증발에 의해 방출되고, 상기 액체는 부품과 직접 접촉한다.Alternatively heat dissipation by hot lead cooling in power electronics components is also known. The heat is thus released by the evaporation of the electrically nonconductive liquid, which is in direct contact with the part.
거대한 히트 싱크에서 예를 들어 30 mm 두께인 파워 전자 장치 부품의 냉각을 위해 지금까지 사용된 방법은 거대한 부품의 부피와 무게에 의해 제한되었다. 그러한 거대한 히트 싱크의 제한된 냉각 작용에 의해 파워 전자 장치 부품의 막대한 열흐름 손실이 부품 온도의 눈에띄는 상승을 야기한다. 높은 부품 온도는 전자 부품의 바람직하지 못한 효율 및 파손을 야기할 수 있다.The methods used so far for the cooling of power electronic components, for example 30 mm thick in large heat sinks, have been limited by the volume and weight of the huge components. Due to the limited cooling action of such a huge heat sink, the enormous heat flow loss of the power electronics component causes a noticeable rise in the part temperature. High component temperatures can cause undesirable efficiency and breakage of electronic components.
열연액 냉각시 부품은 열을 전도하는 액체와 직접 접촉한다. 따라서 대개 불소-탄화수소가 사용된다. 온도의 변화에 의해서 액체의 증기 압력을 다양한 압력 단위로 변화시키기 때문에 이러한 냉매의 사용은 대규모의 밀봉 수단을 필요로 한다. 또한 차량 내의 파워 전자 장치의 부속은 고도의 기계적 부하 때문에 더 나은 안정성을 위해 실리콘 탄성고무 화합물과 같은 재료에 의해 주조된다. 이것은 히트 싱크 사용 시에만 제한적으로 가능하다.In hot lead cooling, the part is in direct contact with the liquid conducting heat. Therefore, fluorine-hydrocarbons are usually used. The use of such refrigerants requires extensive sealing means since the vapor pressure of the liquid is varied by varying the temperature in various pressure units. The parts of the power electronics in the vehicle are also cast by materials such as silicone elastomer compounds for better stability due to the high mechanical loads. This is limited only when using heat sinks.
본 발명은 특히 양호한 열 접촉시 부품에 의해 작동하는 마이크로 열 교환기에 의해 유동하는 냉매를 이용한 파워 전자 장치의 부품 냉각을 위한 냉각장치에 관한 것이다.The present invention relates in particular to a cooling device for cooling parts of a power electronic device with a refrigerant flowing by a micro heat exchanger operating by the parts in good thermal contact.
도 1은 본 발명에 따른 냉각장치의 첨부된 도면을 근거로 한 제 1 실시예의 개략도.1 is a schematic view of a first embodiment based on the accompanying drawings of a cooling device according to the invention;
도 2는 본 발명에 따른 냉각장치의 제 2 실시예의 개략도.2 is a schematic view of a second embodiment of a cooling apparatus according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 제 3 실시예의 개략도.3 is a schematic diagram of a third embodiment according to the present invention;
본 발명의 목적은 소량의 냉매를 사용하는 가운데 장착된 열 전도체의 낮은 온도와 경미한 무게에서 좁은 면적에 활발한 열 흐름이 방출가능하며, 냉매와 전자 부품사이에 어떠한 접촉도 이루어지지 않도록 특히 파워 전자 장치의 부품의 냉각을 위한 냉각장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to enable active heat flow in a small area at low temperatures and light weights of a thermal conductor mounted while using a small amount of refrigerant, and in particular to prevent any contact between the refrigerant and electronic components. It is to provide a cooling device for the cooling of parts.
본 발명의 핵심은 마이크로 열 교환기를 사용하여 파워 전자 장치 부품의 냉각을 위한, 예를 들어 증발 냉각시 위상전이의 조합에 있다. 마이크로 열 교환기는 1 mm 이하의 매우 작은 크기의 채널 장치를 구비한다.At the heart of the present invention is the combination of phase transitions for the cooling of power electronic components, for example evaporative cooling, using micro heat exchangers. The micro heat exchanger is equipped with a very small sized channel device of 1 mm or less.
마이크로 열 교환기의 사용은 하기의 여러 가지 장점을 제공한다.The use of a micro heat exchanger provides several advantages as follows.
- 작은 설계 치수는 가벼운 무게와 연관된다.Small design dimensions are associated with light weight.
- 냉매용 채널의 넓은 열 전도 면적 및 이를 통한 전자 부품의 양호한 부분적 냉각A large heat conduction area of the channel for the refrigerant and good partial cooling of the electronic components through it
대개 마이크로 열 교환기에서 열 방출은 관류하는 액체의 열 전도에 의해 이루어진다.Usually in a micro heat exchanger, heat release is by heat conduction of the flowing liquid.
결정적인 장점은 적절한 냉매를 포함하는 마이크로 열 교환기의 관류에서 나타나고, 상기 냉매는 소정의 부품 온도에서 증발된다. 마이크로 열 교환기는 관류된 다수의 채널을 통해 열 전도 면적을 가지며, 상기 면적이 적합한 냉매에 의해 관류되면 소정 온도에서 활발한 열 유출이 방출될 수 있다. 또한 냉각 채널을 따라 온도 차이가 단일점 주도형의 대류에 의한 열 전도 보다 작다. 왜냐하면 열의 대부분은 위상전이 온도에서 전도되기 때문이다. 따라서 냉각될 부품의 영역에 균일한 온도 분포가 설정된다. 부품의 좁은 채널 직경에 의해 마이크로 열 교환기는 고압에서 사용하기에 적합하다. 또한 밀봉 문제는 히트 싱크에서 보다 쉽게 달성된다.The decisive advantage is seen in the perfusion of the micro heat exchanger with the appropriate refrigerant, which is evaporated at the desired part temperature. The micro heat exchanger has a heat conduction area through a number of channels through, and if the area is perfused by a suitable refrigerant, active heat outflow can be released at a given temperature. In addition, the temperature difference along the cooling channel is less than the heat conduction by convective single-point driving. Because most of the heat is conducted at phase transition temperatures. Thus, a uniform temperature distribution is set in the region of the part to be cooled. The narrow channel diameter of the part makes the micro heat exchanger suitable for use at high pressures. Sealing problems are also more easily achieved in heat sinks.
본 발명에 따른 냉각장치는 이어지는 상세한 설명에서 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명된다.The cooling apparatus according to the present invention is described in detail with reference to the accompanying drawings in the detailed description that follows.
도 1 내지 3에 파워 전자 장치 부품의 냉각을 위한 본 발명에 따른 냉각장치의 세 가지 변형이 도시되어 있다.1 to 3 three variants of the cooling device according to the invention for the cooling of power electronics components are shown.
도 1에 도시된 제 1 실시예에서 절연 회로기판 보조 프레임(2)의 후면 위에 마이크로 열 교환기(10)는 냉각될 부품(1)의 맞은편에 배치되고, 상기 부품은 보조 프레임(2)의 정면에 전기, 열에 의한 접촉부(6) 및 납땜층(5)에 의해 회로기판 보조 프레임과 연결된다. 파워 전자 장치 부품(1) 내에 납땜, 전기, 열에 의한 접촉부 (6) 및 회로기판 보조 프레임(2)(간단히 기판)에 의해 마이크로 열 교환기(10)에 방출되는 열 유출이 발생된다.In the first embodiment shown in FIG. 1, on the rear face of the insulated circuit board auxiliary frame 2, a micro heat exchanger 10 is arranged opposite the part 1 to be cooled, which part of the auxiliary frame 2. It is connected to the circuit board auxiliary frame by a contact portion 6 and a solder layer 5 which are electrically and thermally formed on the front surface. Heat leakage emitted to the micro heat exchanger 10 is generated in the power electronics component 1 by the contact portions 6 by the solder, electricity, and heat and the circuit board auxiliary frame 2 (simply the substrate).
마이크로 열 교환기(10)에 약간 과냉된 액체 냉매가 안내된다. 상기 냉매는 비등점으로 가열되고 마이크로 열 전환기(10)의 채널에서 끓기 시작한다. 따라서 포화액의 유동 비등이라고 한다.A slightly subcooled liquid refrigerant is guided to the micro heat exchanger 10. The refrigerant is heated to the boiling point and begins to boil in the channels of the micro heat converter 10. Therefore, it is called flow boiling of saturated liquid.
유동비등은 냉매로 사용되는 과냉각된 액체의 유동 비등은 하나의 대안적인 것이다. 이때 과냉각된 액체는 마이크로 열 교환기(10)로 흘러 들어가고, 유동 비등과 대조적으로 포화액이 이미 벽에 또는 바로 인접한 벽 주변에서 컬렙스(collaps)되는 기포가 형성된다. 이때 나타나는 개선된 열 전도는 기포 발생지점의 아래쪽 벽 주변 액체에서 동시적인 기화 및 응축 또는 강화된 난류로 역류될 수 있다.Flow boiling is one alternative to the flow boiling of supercooled liquids used as refrigerants. The supercooled liquid then flows into the micro heat exchanger 10 and, in contrast to the flowing boiling, bubbles are formed in which the saturate is already collapsed to or near the wall. The improved thermal conduction that appears can be countercurrent to simultaneous vaporization and condensation or enhanced turbulence in the liquid around the bottom wall of the bubble origin.
도 2는 본 발명에 따른 냉각장치의 제 2 실시예를 도시하며, 상기 장치에서 마이크로 열 교환기(11)(예를 들어 칩)는 냉각될 부품 위에 바로 접하여, 그리고 냉각될 부품 위에 배치된다.2 shows a second embodiment of a cooling device according to the invention, in which a micro heat exchanger 11 (eg a chip) is placed directly on and above the part to be cooled.
다른 실시예가 3에 도시된다. 마이크로 열 교환기(12)는 회로 기판 보조 프레임(3)에 직접 통합되어 마이크로 열 교환기(3)의 마이크로 채널은 보조 프레임 면에 연장되어 있으며, 냉각될 부품(1) 및 상기 부품의 전기적, 열에 의한 접촉부(6)에 인접하여 연장된다.Another embodiment is shown in 3. The micro heat exchanger 12 is integrated directly into the circuit board auxiliary frame 3 so that the microchannel of the micro heat exchanger 3 extends on the side of the auxiliary frame, and the component 1 to be cooled and the electrical and thermal It extends adjacent to the contact 6.
도 1 내지 3에 도시된 실시예의 적당한 방법으로 조합이 가능하다. 즉, 마이크로 열 교환기는 개별 섹션으로 세분될 수 있고, 상기 섹션들은 각각 도 1 내지 3에 도시된 구조와 위치를 가질 수 있다.Combinations may be made in any suitable manner in the embodiments shown in FIGS. That is, the micro heat exchanger may be subdivided into individual sections, which sections may each have the structure and location shown in FIGS.
냉매 및 적당한 증발 과정을 조절하는 시스템 압력은 열 흐름을 전기 부품으로부터 방출하고 부품 또는 칩 영역의 최대 허용 온도를 초과하지 않도록 선택된다. 유출 비등의 경우 공급된 냉매의 다량이 증발하면, 이어서 응축되고 마이크로 열 교환기에서 다시 발생된다. 마이크로 열 교환기로부터 발생하는 기화된 냉매의 응축을 위해 사용되는 도시되지 않은 응축기는 미세 구조화되거나 종래 방식으로 구성될 수 있으며, 중앙에 또는 중심에서 떨어져 배치된다. 응축기에 응축된 냉매의 역 수송은 도시되지 않은 펌프에 의해 능동적으로, 또는 중력에 의해 수동적으로, 또는 모세관 파이프에 의해 마이크로 열 교환기 내부로 이루어진다.The system pressure to control the refrigerant and the proper evaporation process is chosen so as to dissipate heat flow out of the electrical component and not exceed the maximum allowable temperature of the component or chip region. In the case of outflow boiling, when a large amount of the supplied refrigerant evaporates, it is then condensed and generated again in the micro heat exchanger. An unshown condenser used for the condensation of vaporized refrigerant originating from a micro heat exchanger can be microstructured or constructed in a conventional manner and is disposed centrally or away from the center. Reverse transport of the refrigerant condensed in the condenser takes place either inside the micro heat exchanger either actively by a pump (not shown) or manually by gravity, or by capillary pipes.
마이크로 열 교환기 채널 내부의 적은 부피의 조건에서 포화 상태 및 과냉각된 액체의 유출 비등을 위해 단 소량의 냉매가 필요하다.In small volume conditions inside the micro heat exchanger channel, only a small amount of refrigerant is required for saturation and outflow boiling of the supercooled liquid.
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0105 | International application | Patent event date:20021009 Patent event code:PA01051R01D Comment text:International Patent Application | |
| PG1501 | Laying open of application | ||
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| PA0201 | Request for examination | Patent event code:PA02012R01D Patent event date:20060209 Comment text:Request for Examination of Application | |
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection | Comment text:Notification of reason for refusal Patent event date:20061123 Patent event code:PE09021S01D | |
| E601 | Decision to refuse application | ||
| PE0601 | Decision on rejection of patent | Patent event date:20070226 Comment text:Decision to Refuse Application Patent event code:PE06012S01D Patent event date:20061123 Comment text:Notification of reason for refusal Patent event code:PE06011S01I |