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KR101519717B1 - 전자 제어 유닛용 방열 장치 - Google Patents

전자 제어 유닛용 방열 장치 Download PDF

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KR101519717B1
KR101519717B1 KR1020130092875A KR20130092875A KR101519717B1 KR 101519717 B1 KR101519717 B1 KR 101519717B1 KR 1020130092875 A KR1020130092875 A KR 1020130092875A KR 20130092875 A KR20130092875 A KR 20130092875A KR 101519717 B1 KR101519717 B1 KR 101519717B1
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thermally conductive
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housing
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KR1020130092875A
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곽진우
송경화
김경복
추인창
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 전자 제어 유닛용 방열 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자 제어 유닛의 하우징을 중공부를 갖는 구조로 만들고, 중공부내에 열전달 및 방출을 위한 작동유체를 충진시킨 새로운 구조의 전자 제어 유닛용 방열 장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 전자 제어 유닛의 하우징을 열전도성 필러가 함유된 재질을 이용하여 중공부를 갖는 구조로 성형하는 동시에 중공부내에 열전달용 작동유체를 충진하여, 냉각 효율 증대 및 경량화를 달성할 수 있고, 또한 하우징의 중공부에 충진된 작동유체의 상단부에 기화된 작동유체를 응축시키는 응축부를 형성하여 작동유체의 열교환 효과를 극대화시킬 수 있도록 한 전자 제어 유닛용 방열 장치에 관한 것이다.

Description

전자 제어 유닛용 방열 장치{HEAT TRANSFER DEVICE FOR ELECTRONIC CONTROL UNITS}
본 발명은 전자 제어 유닛용 방열 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자 제어 유닛의 하우징을 중공부를 갖는 구조로 만들고, 중공부내에 열전달 및 방출을 위한 작동유체를 충진시킨 새로운 구조의 전자 제어 유닛용 방열 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 자동차에 탑재되는 각종 전기 및 전자 부품(이하, 전자 제어 유닛으로 칭함)의 증가 및 고밀도 직접화가 이루어지고 있고, 이와 더불어 전기 및 전자 부품을 냉각하는 냉각수단의 경량화 및 안정성 문제, 특히 방열성의 문제가 심각하게 대두되고 있다.
여기서, 자동차에 탑재되는 각종 전자 제어 유닛을 냉각시키는 위한 종래의 냉각시스템을 살펴보면 다음과 같다.
종래의 냉각시스템은 수냉식을 주로 적용하고 있으며, 그 이유는 공냉식은 수냉식 대비 냉각효율이 떨어지므로, 배터리, 인버터 등과 같은 고발열 부품에 적용할 수 없는 단점이 있기 때문이다.
종래의 냉각시스템은 예를 들어, 연료전지 차량의 모터 제어 유닛을 냉각하는 냉각시스템의 경우, 폐루프의 열교환기를 이용한 수냉식 구조로 구성되어 있고, 친환경 차량의 인버터 시스템은 IGBT 파워 모듈의 냉각을 위해 액체 직접 냉각 시스템(direct liquid cooled system)을 채택하고 있다.
종래의 수냉식 냉각시스템은 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 각 제어 유닛의 파워 디바이스에 열방출용 히트싱크(heat sink)가 일체로 부착되고, 이 히트싱크에 작동유체가 순환하는 쿨링튜브가 밀착된 구조를 이루고 있다.
그러나, 종래의 수냉식 냉각시스템은 냉각시스템을 구성하는 각 구성물들의 무게가 많이 나가는 점, 냉각수 순환채널을 구성하기 위한 쿨링튜브 등의 성형에 어려움이 있는 점, 히트싱크와 같은 금속소재의 내부식 한계가 존재하는 점, 냉각수가 누설되는 점 등의 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 전자 제어 유닛의 하우징을 열전도성 필러가 함유된 재질을 이용하여 중공부를 갖는 구조로 성형하는 동시에 중공부내에 열전달용 작동유체를 충진하여, 차량의 각종 전자 제어 유닛의 공냉식 및 수냉식 냉각시스템 대비 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있고, 수냉식 대비 경량화를 달성할 수 있도록 한 전자 제어 유닛용 방열 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 하우징의 중공부에 충진된 작동유체의 상단부에 기화된 작동유체를 응축시키는 응축부로서, 응축을 효과적으로 할 수 있는 방열핀 형상이나 열전소자의 냉각부를 부착하여 작동유체의 열교환 효과를 극대화시킬 수 있도록 하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전자 제어 유닛의 하우징을 열전도성 소재를 이용하여 성형하되, 중공부를 갖는 구조로 성형하고, 중공부내에 열전달용 작동유체를 충진하여서 된 것을 특징으로 하는 전자 제어 유닛용 방열 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 하우징은 열전도성 필러가 함유된 열전도성 엔지니어링 플라스틱으로 성형된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 열전도성 엔진니어링 플라스틱 대비 열전도성 필러는 30중량% ~ 60중량% 범위로 함유되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전도성 필러는 판상 입자로 된 그라파이트 또는 보론나이트라이드로 채택된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 중공부의 상단부에는 기화된 작동유체를 응축시키는 열전소자가 배치된 것을 특징으로 한다.
상기 작동유체는 열흡수시 기화되는 아세톤, 암모니아, 메탄올, 물, 수은 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합된 것임을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 중공부의 강성 보강을 위하여 복수개의 리브가 중공부의 바닥면에 일체로 형성되며 위쪽으로 연장된 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 전자 제어 유닛의 하우징을 열전도성 필러가 함유된 재질을 이용하여 중공부를 갖는 구조로 성형하고, 중공부내에 열전달용 작동유체를 충진함으로써, 기존의 공냉식 및 수냉식 냉각시스템 대비 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있고, 수냉식 대비 경량화를 달성할 수 있다.
특히, 하우징의 중공부에 충진된 작동유체 위쪽 즉, 작동유체가 기화되는 상단부에 작동유체의 응축을 효과적으로 할 수 있는 방열핀 형상이나 열전소자의 냉각부를 부착하여 작동유체의 열교환 동작에 의거 전자 제어 유닛에서 발생된 열을 방출하는 효과를 극대화시킬 수 있다.
또한, 하우징의 중공부에 별도의 리브를 일체로 형성하여, 하우징의 강성을 보강할 수 있다.
도 1은 종래의 전자 제어 유닛의 방열 수단을 도시한 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 전자 제어 유닛용 방열 장치의 일 실시예를 도시한 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 전자 제어 유닛용 방열 장치의 다른 실시예를 도시한 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 전자 제어 유닛용 방열 장치에 적용된 열전도성 필러의 역할을 설명하는 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 2에서, 도면부호 10은 전자 제어 유닛의 하우징을 나타낸다.
상기 하우징(10)은 전자 제어 유닛(예를 들어, 연료전지 차량의 모터 제어 유닛, 하이브리드 차량의 배터리, 인버터, IGBT 파워 모듈 등)을 보호하기 위하여 감싸는 것으로서, 기존 금속재 대비 경량화를 실현하기 위하여 열전도성 플라스틱 소재로 제작된다.
보다 상세하게는, 상기 하우징(10)은 전자 제어 유닛에서 발생된 열을 외부로 전달하여 방출하고자, 열전도성 필러가 함유된 열전도성 엔지니어링 플라스틱으로 성형되고, 바람직하게는 열전도성 엔진니어링 플라스틱 대비 열전도성 필러는 30중량% ~ 60중량% 범위로 함유된다.
이때, 상기 열전도성 필러는 판상 입자로 된 그라파이트 또는 보론나이트라이드로 채택될 수 있고, 그 밖에 열전도 특성을 가지는 동시에 판상의 입자로 된 어떠한 소재라도 채택 가능하다.
특히, 상기 하우징(10)은 열전도성 소재를 이용하여 전자 제어 유닛을 감싸는 구조로 성형되고, 그 내부에 중공부(12)를 갖는 구조로 성형 구비된다.
바람직하게는, 상기 하우징(10)의 사방 벽체의 내부에 상부가 개방된 중공부(12)가 형성되도록 함으로써, 하우징(10)의 사방 벽체는 중공부(12)를 사이에 두고 외부 벽체와 내부 벽체로 구분되도록 한다.
이렇게 상기 하우징(10)을 중공부(12)를 갖는 구조로 성형한 다음, 중공부(12)의 상부 개방부를 통하여 중공부(12)내에 열전달용 작동유체(14)를 충진하는 바, 이 작동유체는 열흡수시 기화되는 아세톤, 암모니아, 메탄올, 물, 수은 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합된 것을 충진시킬 수 있다.
따라서, 전자 제어 유닛에서 발생된 열이 하우징(10)의 내부 벽체를 구성하는 열전도성 엔진니어링 플라스틱에 함유된 열전도성 필러(16)를 매개로 중공부(12)내의 작동유체(14)로 방출되고, 작동유체(14)는 열을 흡수하여 기화된다.
이때, 상기 하우징(10)의 외부 벽체를 구성하는 열전도성 엔진니어링 플라스틱에 함유된 열전도성 필러(16)는 작동유체(14)에서 흡수된 열의 일부를 외부로 방출하는 역할을 하는 동시에 작동유체의 기화된 기체 분자 또는 액상의 분자가 외부로 누설되는 것을 차단해주는 역할을 한다.
즉, 첨부한 도 4에서 보듯이 판상의 입자로 된 열전도성 필러(16)가 작동유체의 분자가 외부로 이동하여 나가는 경로를 최대화시키는 역할을 하므로, 작동유체의 분자가 하우징의 외부로 누설되는 것을 방지할 수 있다.
다시 말해서, 도 4에서 열전도성 필러 입자가 함유되지 않는 경우 작동유체의 분자 이동경로는 't' 이지만, 열전도성 필러가 함유된 경우에는 't''만큼 이동경로가 증가하게 되므로, 모든 열전도성 필러가 인-프레인(in-plane)으로 배향되는 경우 작동유체 분자의 외부 이동을 완벽하게 차단할 수 있다.
이렇게, 본 발명의 하우징에 채택된 열전도성 필러는 전자 제어 유닛의 열방출을 위한 매개체 역할을 하는 동시에 작동유체의 분자가 외부로 누설되는 것을 방지하는 두 가지의 특성을 동시에 구현하게 된다.
한편, 상기 하우징(10)의 중공부(12)의 개방된 상부에는 기화된 작동유체(14)를 응축시키는 통상의 열전소자(18)가 배치된다.
바람직하게는, 상기 열전소자(18)는 커버하우징(20)의 상면 또는 저면에 부착되어, 커버하우징(20)을 하우징(10)의 위에 덮어서 조립할 때, 작동유체(14)가 충진된 중공부(12)의 응축공간 위쪽에 배치되는 상태가 되도록 한다.
따라서, 상기와 같이 전자 제어 유닛에서 발생된 열이 하우징(10)의 내부 벽체를 구성하는 열전도성 엔진니어링 플라스틱에 함유된 열전도성 필러(16)를 매개로 중공부(12)내의 작동유체(14)로 방출되어, 작동유체(14)가 열을 흡수하여 열전소자(18)쪽으로 기화되면, 열전소자(18)의 냉각 작용에 의하여 기화된 작동유체(14)가 응축되고, 이에 작동유체는 중공부(12)의 벽면을 타고 본래 충진 위치로 복귀하게 된다.
본 발명의 다른 실시예로서, 상기 하우징(10)의 내부에 중공부(12)를 형성함에 따라, 하우징(10)의 강성이 약화될 수 있는 점을 감안하여, 중공부(12)내에 보강을 위한 리브(22)가 일체로 형성된다.
첨부한 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(10)의 중공부(12)의 바닥면에 위쪽으로 연장되는 복수개의 리브(22)를 일체로 형성함으로써, 중공부(12)의 강성 보강이 이루어질 수 있다.
이때, 상기 복수개의 리브(22)는 중공부(12)를 여러개의 공간으로 나누어주는 격벽 역할을 하게 되고, 여러개로 나누어진 각 중공부(12)내에 작동유체(14)가 고르게 나누어져 충진되어, 상기와 같이 전자 제어 유닛의 열방출을 위한 기화 및 응축을 반복하게 된다.
10 : 하우징
12 : 중공부
14 : 작동유체
16 : 열전도성 필러
18 : 열전소자
20 : 커버하우징
22 : 리브

Claims (7)

  1. 전자 제어 유닛의 하우징을 판상 입자의 열전도성 필러가 함유된 열전도성 엔지니어링 플라스틱을 이용하여 전자 제어 유닛을 감싸는 구조로 성형함과 더불어 내부에 중공부를 갖는 구조로 성형하고, 상기 중공부의 내부에 열전달용 작동유체를 충진함과 더불어 하우징의 개방된 상부에는 기화된 작동유체를 응축시키는 열전소자를 배치하여,
    전자 제어 유닛에서 발생된 열이 하우징의 내부 벽체를 구성하는 열전도성 플라스틱에 함유된 열전도성 필러를 매개로 중공부 내의 작동유체로 방출되고, 작동유체는 열을 흡수하여 열전소자 쪽으로 기화되고, 열전소자의 냉각작용에 의하여 기화된 작동유체가 응축되고, 이에 작동유체는 중공부의 벽면을 타고 본래 충진위치로 복귀하도록 한 것을 특징으로 하는 전자 제어 유닛용 방열 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전도성 엔진니어링 플라스틱 대비 열전도성 필러는 30중량% ~ 60중량% 범위로 함유되는 것을 특징으로 하는 전자 제어 유닛용 방열 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 열전도성 필러는 판상 입자로 된 그라파이트 또는 보론나이트라이드로 채택된 것을 특징으로 하는 전자 제어 유닛용 방열 장치.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 작동유체는 열흡수시 기화되는 아세톤, 암모니아, 메탄올, 물, 수은 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합된 것임을 특징으로 하는 전자 제어 유닛용 방열 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 중공부의 강성 보강을 위하여 복수개의 리브가 중공부의 바닥면에 일체로 형성되며 위쪽으로 연장된 것을 특징으로 하는 하는 전자 제어 유닛용 방열 장치.
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