KR20170097421A - 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템 - Google Patents

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KR20170097421A
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Abstract

본 발명은 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템은 압축 공기를 발생시키는 압축기; 2차원으로 배열되는 다수의 전력변환장치에 각각 설치되며, 상기 압축기로부터 제공되는 압축 공기를 바탕으로 저온 공기를 발생시키는 보텍스 튜브; 상기 압축기와 상기 보텍스 튜브 사이에 설치되는 밸브; 상기 전력변환장치 내에 설치되어, 상기 전력변환장치 내부의 온도를 측정하는 온도 센서; 및 상기 온도 센서에 의해 측정되는 온도를 바탕으로 상기 보텍스 튜브를 이용하여 상기 전력변환장치 내로 저온 공기를 공급해야 하는지를 판단하는 제어부를 포함한다.

Description

2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템{Cooling system for two-dimensional array power converter}
본 발명은 냉각 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 보텍스 튜브를 적용하여 안정적으로 2차원으로 배열된 전력변환장치를 냉각시킬 수 있도록 구현된 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템에 관한 것이다.
산업 현장에서 사용되는 모터 구동용 인버터, 태양광 인버터, 에너지 저장 시스템(EES: Electrical energy storage) 등의 장치는 전력변환장치로서 구동 시 열을 발생시킨다.
이와 같이 전력변환장치가 구동하면서 발생되는 열은 장치의 성능 저하, 수명 감소, 동작 정지 등을 초래하기 때문에, 장치를 효율적으로 냉각시키기 위한 시스템의 개발이 지속적으로 요구되는 실정이다.
따라서, 전력변환장치를 냉각시키기 위한 다양한 냉각장치가 마련되며, 냉각장치는 송풍식과 수냉식으로 구분된다.
이때, 송풍식은 전력변환장치로부터 발생되는 열을 팬(Fan)을 이용하여 강제적으로 방열시키는 방법으로서, 강제 공랭식 냉각기법이라고도 하며, 팬을 구동하여 냉각핀 사이로 공기를 순환시켜 전력변환장치의 온도를 적정 온도로 유지시키는 기법이다.
일반적인 전력변환장치, 예를 들면 인버터의 경우, 송풍을 이용한 냉각을 위하여 전력변환장치의 내부 하부에 다수의 냉각 핀이 위치하고, 전력변환장치의 외형을 이루는 케이스의 상면에 다수의 팬이 위치한다.
따라서, 전력변환장치가 동작하면서 발생되는 열은 팬의 동작에 따라 상부로 이동하여, 팬을 통해 외부로 방열되는 것이다.
이와 같이, 종래에는 팬을 이용한 송풍 방식을 통해 전력변환장치를 냉각시켰기 때문에, 전력변환장치를 좌우 1차원으로 배치하는 것이 가능하였으나, 상하 2차원으로 배치하는 것은 불가능하였다. 따라서, 전력변환장치를 설치하기 위한 공간을 활용하는 데 제약이 따를 수밖에 없다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 보텍스 튜브를 적용하여 안정적으로 2차원으로 배열된 전력변환장치를 냉각시킬 수 있도록 구현된 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템은, 압축 공기를 발생시키는 압축기; 전력변환장치에 각각 설치되며, 상기 압축기로부터 제공되는 압축 공기를 바탕으로 저온 공기를 발생시키는 보텍스 튜브; 상기 압축기와 상기 보텍스 튜브 사이에 설치되는 밸브; 상기 전력변환장치 내에 설치되어, 상기 전력변환장치 내부의 온도를 측정하는 온도 센서; 및 상기 온도 센서에 의해 측정되는 온도를 바탕으로 상기 보텍스 튜브를 이용하여 상기 전력변환장치 내로 저온 공기를 공급해야 하는지를 판단하고, 판단결과에 따라 상기 밸브를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는, 상기 온도 센서에 의해 측정되는 온도를 기 설정된 설정 온도와 비교하여 상기 설정 온도를 초과하는 경우, 상기 밸브로 밸브 개방신호를 전송하고, 상기 설정 온도를 초과하지 않는 경우, 상기 밸브로 밸브 폐쇄신호를 전송한다.
상기 온도 센서는, 상기 전력변환장치의 케이스 내부에 인접하게 설치되어 상기 케이스의 온도를 측정하는 제 1 온도 센서, 및 상기 전력변환장치 내부에 위치하는 전력변환용 반도체 소자에 인접하여 설치되어 상기 전력변환용 반도체 소자의 온도를 측정하는 제 2 온도 센서 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 제어부는 상기 제 1 온도 센서에 의해 측정되는 온도가 제 1 설정 온도를 초과하거나 상기 제 2 온도에 의해 측정되는 온도가 제 2 설정 온도를 초과하는 경우에 상기 밸브로 밸브 개방신호를 전송한다.
상기 제어부는 상기 제 1 온도 센서에 의해 측정되는 온도 및 상기 제 2 온도 센서에 의해 측정되는 온도가 상기 제 1 및 제 2 설정 온도를 초과하지 않는 경우에 상기 밸브로 밸브 폐쇄신호를 전송한다.
상기 보텍스 튜브는 상기 전력변환장치의 케이스 측에 설치되어 저온공기를 공급하는 제1 보텍스 튜브와 상기 전력변환장치의 전력변환용 반도체 소자 측에 설치되어 저온 공기를 공급하는 제2 보텍스 튜브를 포함한다.
상기 제어부는 상기 온도 센서와 상기 밸브 사이의 매칭 정보를 저장하고 있고, 저온 공기의 공급 여부를 판단한 후, 저온 공기의 공급 판단에 이용된 온도 센서에 대응하는 밸브를 상기 매칭 정보를 바탕으로 선택하고, 선택된 밸브의 개방 또는 폐쇄를 제어한다.
상기 제어부는 상기 온도 센서에서 측정되는 온도가 기 설정된 범위를 초과하는 경우, 초과 정도에 따라 밸브의 개방 정도를 조절하도록 제어한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 보텍스 튜브를 이용한 냉각 시스템을 전력변환장치를 냉각시키는데 적용함으로써, 팬리스(fanless) 전력변환장치의 설계가 가능하다.
따라서, 전력변환장치를 좌우로 배치할 수 있을 뿐만 아니라, 상하로 배치할 수 있기 때문에, 전력변환장치의 설치 공간을 줄일 수 있다.
또한, 팬을 교체하는 데 소요된 비용을 줄일 수 있고, 보텍스 튜브의 반영구적 내구성능으로 유지보수 비용이 지속적으로 감소하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 냉각 시스템을 적용하는 경우, 전력변환장치의 케이스를 밀폐형으로 제작할 수 있어 방진 성능을 확보할 수 있고, 방폭 성능 또한 확보를 할 수 있기 때문에 다양한 환경에 적용할 수 있다.
또한, 냉각 공기의 온도가 낮아 냉각 핀의 부피 및 개수를 줄일 수 있어, 전력변환장치의 부피 및 무게를 감소시킬 수 있다.
또한, 전력변환장치의 케이스를 밀폐형으로 제작 가능하고, 팬리스 제작이 가능하기 때문에 소음 성능이 향상되어 저소음 전력변환장치의 설계가 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템에 적용되는 전력변환장치의 내부 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템의 동작 순서를 도시한 플로우차트이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템의 구성 및 동작에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템이 적용되는 전력변환장치의 내부 구성을 도시한 도면이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 2차원 배열 전력변환용 냉각 시스템(100, 이하 '냉각 시스템')은 2차원으로 배열되는 다수의 전력변환장치(110), 온도 센서(120), 압축기(130), 밸브(140), 보텍스 튜브(150) 및 제어부(160)를 포함하며, 상기 냉각 시스템(100)의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 냉각 시스템(100)은 다수의 전력변환장치(110)를 포함하는데, 상기 다수의 전력변환장치(110)는 2차원으로 배열되며, 본 실시 예에서는 6개의 전력변환장치(110)가 [2×3] 구조로 배열된 것을 예로 드나, 이는 하나의 실시 예로서, 다수의 전력변환장치는 다양한 구조로 배열될 수 있음은 물론이다.
상기 전력변환장치(110)는 전력의 형태를 사용하는 곳에 따라 전류, 전압, 주파수 등을 변환해주는 장치로서, 예를 들면 모터 구동용 인버터, 태양광 인버터, 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS), 컨버터 등일 수 있다.
이때, 상기 전력변환장치(110)는 케이스(111) 내에 설치되는 냉각 핀(112), 전력변환용 반도체 소자(113)를 포함하며, 상기 케이스(111)는 밀폐형으로 형성된다.
즉, 종래의 전력변환장치는 팬을 포함하는 구조이기 때문에 개방형이었으나, 본 발명에 따른 전력변환장치(110)는 밀폐형으로 제작된다.
예를 들어, 상기 냉각 핀(112)이 상기 전력변환장치(110) 내 가장 아래 지점에 위치하고, 상기 전력변환용 반도체 소자(113)가 냉각 핀(112) 상측에 위치할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 다수개의 전력변환용 반도체(113)가 전력변환장치(110) 내에 위치할 수 있는데, 본 실시 예에서는 4개의 전력변환용 반도체 소자(113)가 전력변환장치(110)에 포함되는 것을 예로 들었으나, 전력변환장치(110)에 포함되는 전력변환용 반도체 소자(113)의 개수는 다양하게 설정될 수 있다.
상기 온도 센서(120)는 다수의 전력변환장치(110) 내에 각각 설치되어, 전력변환장치(110) 내의 온도를 측정하여 제어부(160)로 제공한다.
이때, 상기 온도 센서(120)는 전력변환장치(110) 내부의 온도를 측정하기 위하여 케이스(111)에 인접하여 설치되는 제 1 온도 센서(121)와 전력변환용 반도체 소자(113)에 인접하여 설치되는 제 2 온도 센서(122)로 구성될 수 있다.
특히, 상기 제 1 온도 센서(121)는 전력변환장치(110)의 케이스(111)에 설치되어, 상기 케이스(111)의 온도를 측정하고, 상기 제 2 온도 센서(122)는 전력변환용 반도체 소자(113)에 설치되어, 전력 변환용 반도체 소자(113)의 온도를 측정하도록 마련될 수 있다.
상기 압축기(130)는 압축 공기를 보텍스 튜브(150)로 공급하기 위해 마련되는 것으로, 압축 공기의 온도 및 압력에 따라 보텍스 튜브(150)로부터 발생되는 저온 공기 및 고온 공기의 온도가 달라질 수 있다.
따라서, 상기 압축기(130)에 의해 공급되는 압축 공기의 온도 및 압력은 냉각 시스템(100)의 용도, 설치 환경에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
예를 들어, 상기 압축기(130)는 압축 공기를 발생하는 펌프와 펌프에 의해 발생된 압축 공기를 저장하는 압력 탱크로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 밸브(140)는 압축기(130)와 보텍스 튜브(150) 사이에 설치되어, 제어부(160)의 제어에 따라 개방 혹은 폐쇄되어 압축 공기의 흐름을 제어한다.
즉, 상기 밸브(140)는 제어부(160)의 제어에 따라 개방되어 압축기(130)로부터 제공되는 압축 공기가 보텍스 튜브(150)로 공급되도록 하고, 제어부(160)의 제어에 따라 폐쇄되어 압축기(130)로부터 제공되는 압축 공기가 보텍스 튜브(150)로 공급되는 것을 차단한다.
이때, 상기 압축기(130)와 보텍스 튜브(150)는 배관으로 연결되며, 상기 밸브(140)는 배관 상에 설치될 수 있다.
한편, 상기 밸브(140)가 하나 구비되는 경우, 하나의 밸브를 통하여 모든 보텍스 튜브(150)로 압축 공기가 공급되므로, 냉각이 필요하지 않은 전력변환장치의 보텍스 튜브에도 압축 공기가 공급된다.
이에, 상기 밸브(140)는 다수의 전력변환장치(110)에 구비되는 보텍스 튜브(150)와 일대일 대응으로 구비되는 것이 바람직하다.
물론, 이와 같이 다수의 밸브(140)가 구비되는 경우에는, 다수의 밸브(140)와 다수의 보텍스 튜브(150)를 각각 연결하는 다수의 배관이 설치된다.
상기 보텍스 튜브(150)는 Ranque-Hilsch vortex tube라고 불리기도 하는 것으로, 압축기(130)로부터 공급되는 압축 공기를 분리하여 고온 공기와 저온 공기를 발생시킨다.
이때, 본 발명에 따른 냉각 시스템(100)의 경우, 상기 보텍스 튜브(150)는 다수의 전력변환장치(110) 각각에 설치되며, 본 실시 예에서는 전력변환장치(110) 각각에 하나의 보텍스 튜브(150)가 설치되는 것을 예로 들었으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 보텍스 튜브(150)에 대한 구체적인 형상 및 설계 제반 사항은 사용 목적 및 설치 환경에 따라 당업자가 적절하게 선택할 수 있는 것으로서, 기 공지되어 있는 다양한 보텍스 튜브들 중에서 선택될 수 있다.
이때, 상기 보텍스 튜브(150)로부터 발생된 저온 공기는 전력변환장치(110) 내부로 공급되어 전력변환장치(110)의 온도를 낮추는 역할을 한다.
특히, 상기 보텍스 튜브(150)는 전력변환장치(110)의 케이스(111)와 전력변환용 반도체 소자(113)의 온도를 낮추기에 적절한 위치에 배치된다.
한편, 본 발명의 실시 예에서는 하나의 보텍스 튜브(150)가 다수의 전력변환장치(110)에 각각 설치되는 것을 예로 들었으나, 다수개의 보텍스 튜브(150)가 하나의 전력변환장치(110) 각각에 설치될 수 있다.
예를 들어, 2개의 보텍스 튜브(150)가 다수의 전력변환장치(110) 각각에 설치되는 경우, 하나의 보텍스 튜브(150)는 보텍스 튜브(150)로부터 발생된 저온 공기가 직접적으로 케이스(111)로 향하도록 설치되고, 다른 하나의 보텍스 튜브(150)는 전력변환용 반도체 소자(113)의 온도를 낮출 수 있도록 전력변환용 반도체 소자(110)와 인접하도록 설치될 수 있다.
이와 같이, 다수개의 보텍스 튜브(150)가 하나의 전력변환장치(110)에 설치되는 경우, 보텍스 튜브(150)가 증가하는 만큼 밸브(140)의 개수도 증가함은 당연하다.
상기 제어부(160)는 온도 센서(120)에 의해 측정되는 온도를 수신하고, 수신한 온도를 바탕으로 보텍스 튜브(150)를 이용하여 전력변환장치(110)로 저온 공기를 공급해야 하는지를 판단한다.
즉, 상기 제어부(160)는, 제 1 온도 센서(121)에 의해 측정된 온도('제1 온도')를 기 설정된 제 1 설정 온도와 비교하여, 제 1 설정 온도를 초과하는 경우에, 제 1 보텍스 튜브(150)를 이용하여 전력변환장치(110)로 저온 공기를 공급해야 하는 것으로 판단한다.
또한, 상기 제어부(160)는 제 2 온도 센서(122)에 의해 측정된 온도('제2 온도')를 기 설정된 제 2 설정 온도와 비교하여 제 2 설정 온도를 초과하는 경우에, 제 2 보텍스 튜브(170)를 이용하여 전력변환장치(110)로 저온 공기를 공급해야 하는 것으로 판단한다.
이때, 상기 제 1 및 제 2 설정 온도는 적용 시스템, 설치 환경 등을 고려하여 당업자에 의해 설정될 수 있는 것으로서, 제 1 설정 온도는 80℃ ~ 100℃ 범위에서 설정될 수 있고, 제 2 설정 온도는 100℃ ~ 120℃ 범위에서 설정될 수 있다.
또한, 상기 제어부(160)는 다수의 전력변환장치(100) 각각에 설치되어 있는 온도 센서(120)에 의해 측정되는 온도를 바탕으로 판단된 저온 공기의 공급 여부를 기반으로 하여 밸브(140)를 각각 제어한다.
즉, 상기 제어부(160)는 온도 센서(120)와 밸브(140) 사이의 매칭 정보를 저장하고 있으며, 온도 센서(120)에 의해 측정된 온도를 바탕으로 저온 공기의 공급 여부를 판단하고, 매칭 정보를 참조하여, 저온 공기의 공급 여부를 판단하는데 이용된 온도 센서(120)와 매칭되는 밸브(140)를 제어한다.
한편, 상기 제어부(160)는, 보텍스 튜브(150)를 이용하여 전력변환장치(110)로 저온 공기를 공급해야 하는 것으로 판단하는 경우, 밸브(140)로 밸브 개방신호를 전송한다.
따라서, 상기 밸브(140)는 제어부(160)의 밸브 개방신호를 수신함에 따라 개방되며, 이에 따라 압축기(130)로부터 제공되는 압축 공기가 밸브(140)를 거쳐 보텍스 튜브(150)로 공급된다.
이때, 보텍스 튜브(150)에 의해 공급되는 저온 공기의 유량은 밸브에 의해 조절될 수 있다. 온도 센서(120)에서 감지된 온도가 기 설정된 온도 범위보다 높다고 판단되어 밸브(140)가 열리도록 제어하는 경우 밸브(140)의 열림 정도를 제어하여 유량을 조절할 수 있다. 초과하는 정도에 따른 유입되는 공기의 유량 정도는 미리 설정될 수 있다. 예를 들어 1℃~10℃ 초과하는 경우의 유량, 11℃~20℃ 초과하는 경우의 유량을 미리 설정해 두고, 제어부(160)는 설정된 유량이 유입될 수 있도록 밸브(140)를 제어한다.
반면, 상기 제어부(160)는, 제 1 온도 센서(121)에 의해 측정된 온도가 제 1 설정 온도를 초과하지 않으면(제 1 설정 온도 이하이면), 보텍스 튜브(150)를 이용하여 전력변환장치(110)로 저온 공기를 공급하지 않아도 되는 것으로 판단한다.
또한, 상기 제어부(160)는, 제 2 온도 센서(122)에 의해 측정된 온도가 제 2 설정 온도를 초과하지 않으면(제 2 설정 온도 이하이면), 보텍스 튜브(150)를 이용하여 전력변환장치(110)로 저온 공기를 공급하지 않아도 되는 것으로 판단한다.
이때, 상기 제어부(180)는 보텍스 튜브(150)를 이용하여 전력변환장치(110)로 저온 공기를 공급하지 않아도 되는 것으로 판단하는 경우, 밸브(140)로 밸브 폐쇄신호를 전송한다.
따라서, 상기 밸브(140)는 제어부(160)의 밸브 폐쇄신호를 수신함에 따라 폐쇄되며, 이에 따라 압축기(130)로부터 제공되는 압축 공기가 밸브(140)에 의해 차단되어 보텍스 튜브(150)로 공급되지 않는다.
한편, 본 실시 예에서는 상기 제어부(160)가 제 1 및 제 2 온도 센서(121, 122)에 의해 측정되는 온도를 바탕으로 보텍스 튜브(150)를 이용하여 전력변환장치(110)로 저온 공기를 공급해야 하는지를 판단하는 것을 예로 들어 설명하였다.
하지만, 제 1 및 제 2 온도 센서(121, 122) 중 하나의 온도 센서만 설치되는 경우에도 본 발명은 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.
즉, 상기 냉각 시스템(100)이 제 1 온도 센서(121)만을 구비하는 경우, 제어부(160)는 제 1 온도 센서(121)에 의해 측정되는 온도만을 바탕으로 보텍스 튜브(150)를 이용하여 전력변환장치(110)로 저온 공기를 공급해야 하는지를 판단한다.
마찬가지로, 상기 냉각 시스템(100)이 제 2 온도 센서(122)만을 구비하는 경우, 제어부(160)는 제 2 온도 센서(122)에 의해 측정되는 온도만을 바탕으로 보텍스 튜브(150)를 이용하여 전력변환장치(110)로 저온 공기를 공급해야 하는지를 판단한다.
따라서, 보텍스 튜브(150)를 이용한 냉각 시스템을 이용하여 전력변환장치(110)를 냉각시키는 경우, 전력변환장치(110)가 팬(fan)을 구비하지 않아도 된다. 이에, 전력변환장치(110)를 좌우로 배치할 수 있을 뿐만 아니라, 상하로 배치할 수 있기 때문에, 전력변환장치의 설치 공간을 줄일 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시 예에 따른 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템의 구성에 대해서 살펴보았다. 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템의 동작에 대해서 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템의 동작 순서를 도시한 플로우차트이다.
도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템의 동작을 설명하되, 전력변환장치용 냉각 시스템(100)은 구동되어, 온도 센서(120) 및 압축기(130)는 정상적으로 동작하고 있으며, 온도 센서(120)는 제 1 및 제 2 온도 센서(121, 122)로 구성되어 있는 것으로 가정하고, 제 1 온도 센서(121)는 냉각 핀(112)에 인접하여 설치되는 것으로 가정하며, 제 2 온도 센서(122)는 전력변환용 반도체 소자(113)에 인접하여 설치되는 것으로 가정한다.
도 3을 참조하면, 제어부(160)는 제 1 및 제 2 온도 센서(121, 122)에 의해 각각 측정된 제 1 및 제 2 온도를 수신하고(S310), 수신된 제 1 및 제 2 온도와 제 1 및 제 2 설정 온도를 비교하여, 제 1 및 제 2 설정 온도를 초과하는지를 판단한다(S320).
만약, 단계 S320에 따른 판단 결과, 수신된 제 1 또는 제 2 온도가 제 1 또는 제 2 설정 온도를 초과하는 경우(S320-Yes), 제어부(160)는 밸브(140)로 밸브 개방신호를 전송하고(S330), 수신된 제 1 및 제 2 온도가 제 1 및 제 2 설정 온도를 초과하지 않는 경우(S320-No), 제어부(160)는 밸브(140)로 밸브 폐쇄신호를 전송한다(S340).
이때, 단계 S330에 따라 밸브(140)가 밸브 개방신호를 수신하면, 밸브(140)가 개방되어 압축 공기가 보텍스 튜브(150)로 공급되고(S350), 보텍스 튜브(150)가 저온 공기를 전력변환장치(110)로 공급한다(S360).
반면, 단계 S340에 따라 밸브(140)가 밸브 폐쇄신호를 수신하면, 밸브(140)가 폐쇄되어 압축 공기가 보텍스 튜브(150)로 공급되는 것이 차단되고(S370), 보텍스 튜브(150)가 저온 온기를 전력변환장치(110)로 공급하는 것이 차단된다(S380).
한편, 단계 S330에 따라 밸브 개방신호를 전송하거나, 단계 S340에 따라 밸브 폐쇄신호를 전송하는 경우, 제어부(160)는 제 1 온도 또는 제 2 온도를 전송한 온도 센서(120)와 매칭되는 밸브(140)로 밸브 개방신호 또는 밸브 폐쇄신호를 전송한다.
이때, 상기 제어부(160)는 온도 센서(120)와 밸브(140) 사이의 매칭 정보를 바탕으로 온도 센서(120)와 매칭되는 밸브(140)를 선택할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템 구성을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 2차원 배열 냉각 시스템(200)은 2차원으로 배열되는 다수의 전력변환장치(210), 온도 센서(220), 압축기(230), 밸브(240), 보텍스 튜브(250) 및 제어부(260)를 포함하며, 상기 냉각 시스템(100)의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
제 1 실시 예에서는 다수의 전력변환장치 각각에 보텍스 튜브가 형성되어 있었으나, 제 2 실시 예에서는 하나의 보텍스 튜브(250)가 전력변환장치 외부에 설치되고 보텍스 튜브(250)와 다수의 전력변환장치(210) 사이에 다수의 밸브(240)가 설치된다.
상기 냉각 시스템(200)은 다수의 전력변환장치(210)를 포함하는데, 상기 다수의 전력변환장치(110)는 2차원으로 배열되며, 본 실시 예에서는 6개의 전력변환장치(110)가 [2×3] 구조로 배열된 것을 예로 드나, 이는 하나의 실시 예로서, 다수의 전력변환장치는 다양한 구조로 배열될 수 있음은 물론이다.
상기 전력변환장치(210)는 전력의 형태를 사용하는 곳에 따라 전류, 전압, 주파수 등을 변환해주는 장치로서, 예를 들면 모터 구동용 인버터, 태양광 인버터, 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS), 컨버터 등일 수 있다.
이때, 상기 전력변환장치(210)는 케이스(211) 내에 설치되는 냉각 핀(112), 전력변환용 반도체 소자(213)를 포함하며, 상기 케이스(211)는 밀폐형으로 형성된다.
즉, 종래의 전력변환장치는 팬을 포함하는 구조이기 때문에 개방형이었으나, 본 발명에 따른 전력변환장치(210)는 밀폐형으로 제작된다.
예를 들어, 상기 냉각 핀(212)이 상기 전력변환장치(210) 내 가장 아래 지점에 위치하고, 상기 전력변환용 반도체 소자(213)가 냉각 핀(212) 상측에 위치할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 다수개의 전력변환용 반도체(213)가 전력변환장치(210) 내에 위치할 수 있는데, 본 실시 예에서는 4개의 전력변환용 반도체 소자(213)가 전력변환장치(210)에 포함되는 것을 예로 들었으나, 전력변환장치(210)에 포함되는 전력변환용 반도체 소자(213)의 개수는 다양하게 설정될 수 있다.
상기 온도 센서(120)는 다수의 전력변환장치(210) 내에 각각 설치되어, 전력변환장치(210) 내의 온도를 측정하여 제어부(260)로 제공한다.
이때, 상기 온도 센서(120)는 전력변환장치(210) 내부의 온도를 측정하기 위하여 케이스(211)에 인접하여 설치되는 제 1 온도 센서(221)와 전력변환용 반도체 소자(213)에 인접하여 설치되는 제 2 온도 센서(222)로 구성될 수 있다.
특히, 상기 제 1 온도 센서(221)는 전력변환장치(210)의 케이스(211)에 설치되어, 상기 케이스(211)의 온도를 측정하고, 상기 제 2 온도 센서(222)는 전력변환용 반도체 소자(213)에 설치되어, 전력 변환용 반도체 소자(113)의 온도를 측정하도록 마련될 수 있다.
상기 압축기(230)는 압축 공기를 보텍스 튜브(250)로 공급하기 위해 마련되는 것으로, 압축 공기의 온도 및 압력에 따라 보텍스 튜브(250)로부터 발생되는 저온 공기 및 고온 공기의 온도가 달라질 수 있다.
따라서, 상기 압축기(230)에 의해 공급되는 압축 공기의 온도 및 압력은 냉각 시스템(200)의 용도, 설치 환경에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
예를 들어, 상기 압축기(230)는 압축 공기를 발생하는 펌프와 펌프에 의해 발생된 압축 공기를 저장하는 압력 탱크로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 밸브(240)는 보텍스 튜브(250)와 다수의 전력변환장치(210) 사이에 설치되어, 제어부(260)의 제어에 따라 개방 혹은 폐쇄되어 압축 공기의 흐름을 제어한다.
즉, 상기 밸브(240)는 제어부(260)의 제어에 따라 개방되어 보텍스 튜브(250)로부터 제공되는 저온 공기가 각각의 전력변환장치(210)로 공급되도록 하고, 제어부(260)의 제어에 따라 폐쇄되어 보텍스 튜브(240)로부터 제공되는 저온 공기가 전력변환장치(210)로 공급되는 것을 차단한다.
이때, 상기 압축기(230), 보텍스 튜브(250), 및 전력변환장치(210)는 배관으로 연결되며, 상기 밸브(240)는 배관 상에 설치되고, 전력변환장치(210)와 1:1 매칭되도록 설치된다.
상기 보텍스 튜브(250)는 압축기(230)로부터 공급되는 압축 공기를 분리하여 고온 공기와 저온 공기를 발생시킨다.
상기 보텍스 튜브(250)에서 발생된 저온 공기는 배관을 통해 전력변환장치(210) 내부로 제공된다. 이때 상기 배관의 배출구는 전력변환장치의 케이스(211)와 전력변환용 반도체소자(213)의 온도를 낮추기에 적절한 위치에 배치된다. 즉, 배출구가 케이스(211)에 인접하도록 배치되거나 반도체소자(213)에 인접하도록 배치될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 보텍스 튜브를 이용한 냉각 시스템을 전력변환장치를 냉각시키는데 적용함으로써, 팬리스(fanless) 전력변환장치의 설계가 가능하다.
따라서, 전력변환장치를 좌우로 배치할 수 있을 뿐만 아니라, 상하로 배치할 수 있기 때문에, 전력변환장치의 설치 공간을 줄일 수 있다.
또한, 팬을 교체하는 데 소요된 비용을 줄일 수 있고, 보텍스 튜브의 반영구적 내구성능으로 유지보수 비용이 지속적으로 감소하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 냉각 시스템을 적용하는 경우, 전력변환장치의 케이스를 밀폐형으로 제작할 수 있어 방진 성능을 확보할 수 있고, 방폭 성능 또한 확보를 할 수 있기 때문에 다양한 환경에 적용할 수 있다.
또한, 냉각 공기의 온도가 낮아 냉각 핀의 부피 및 개수를 줄일 수 있어, 전력변환장치의 부피 및 무게를 감소시킬 수 있다.
또한, 전력변환장치의 케이스를 밀폐형으로 제작 가능하고, 팬리스 제작이 가능하기 때문에 소음 성능이 향상되어 저소음 전력변환장치의 설계가 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템의 구성 및 이의 동작 방법을 실시 예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 범위 내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
따라서, 본 발명에 기재된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 전력변환용 냉각 시스템 110 : 전력변환장치
111 : 케이스 112 : 냉각 핀
113 : 전력변환용 반도체 소자 120 : 온도 센서
121 : 제 1 온도 센서 122 : 제 2 온도 센서
130 : 압축기 140 : 밸브
150 : 보텍스 튜브 160 : 제어부

Claims (15)

  1. 압축 공기를 발생시키는 압축기;
    다수의 전력변환장치에 각각 설치되며, 상기 압축기로부터 제공되는 압축 공기를 바탕으로 저온 공기를 발생시키는 보텍스 튜브;
    상기 압축기와 상기 보텍스 튜브 사이에 설치되는 밸브;
    상기 전력변환장치 내에 설치되어, 상기 전력변환장치 내부의 온도를 측정하는 온도 센서; 및
    상기 온도 센서에 의해 측정되는 온도를 바탕으로 상기 보텍스 튜브를 이용하여 상기 전력변환장치 내로 저온 공기를 공급해야 하는지를 판단하고, 판단결과에 따라 상기 밸브를 제어하는 제어부를 포함하는 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 온도 센서에 의해 측정되는 온도를 기 설정된 설정 온도와 비교하여 상기 설정 온도를 초과하는 경우, 상기 밸브로 밸브 개방신호를 전송하고, 상기 설정 온도를 초과하지 않는 경우, 상기 밸브로 밸브 폐쇄신호를 전송하는 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 센서는, 상기 전력변환장치의 케이스에 인접하게 설치되어 상기 케이스의 온도를 측정하는 제 1 온도 센서, 및 상기 전력변환장치 내부에 위치하는 전력변환용 반도체 소자에 인접하여 설치되어 상기 전력변환용 반도체 소자의 온도를 측정하는 제 2 온도 센서 중 적어도 하나를 포함하는 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 1 온도 센서에 의해 측정되는 온도가 제 1 설정 온도를 초과하거나 상기 제 2 온도에 의해 측정되는 온도가 제 2 설정 온도를 초과하는 경우에 상기 밸브로 밸브 개방신호를 전송하는 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 1 온도 센서에 의해 측정되는 온도 및 상기 제 2 온도 센서에 의해 측정되는 온도가 상기 제 1 및 제 2 설정 온도를 초과하지 않는 경우에 상기 밸브로 밸브 폐쇄신호를 전송하는 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보텍스 튜브는 상기 전력변환장치의 케이스 측에 설치되어 저온공기를 공급하는 제1 보텍스 튜브와
    상기 전력변환장치의 전력변환용 반도체 소자 측에 설치되어 저온 공기를 공급하는 제2 보텍스 튜브를 포함하는 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 온도 센서와 상기 밸브 사이의 매칭 정보를 저장하고 있고, 저온 공기의 공급 여부를 판단한 후, 저온 공기의 공급 판단에 이용된 온도 센서에 대응하는 밸브를 상기 매칭 정보를 바탕으로 선택하고, 선택된 밸브의 개방 또는 폐쇄를 제어하는 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 온도 센서에서 측정되는 온도가 기 설정된 범위를 초과하는 경우, 초과 정도에 따라 밸브의 개방 정도를 조절하도록 제어하는 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템.
  9. 압축 공기를 발생시키는 압축기;
    상기 압축기로부터 제공되는 압축 공기를 바탕으로 저온 공기를 발생시키는 보텍스 튜브;
    상기 보텍스 튜브에 연결되어 유입되는 저온 공기의 양을 조절하는 다수의 밸브;
    상기 다수의 밸브 각각에 연결되어 상기 보텍스 튜브에서 발생한 저온 공기가 유입되는 다수의 전력변환장치를 포함하고,
    상기 전력변환장치는 상기 전력변환장치 내부의 온도를 측정하는 온도 센서; 및 상기 온도 센서에 의해 측정되는 온도를 바탕으로 상기 보텍스 튜브를 이용하여 상기 전력변환장치 내로 저온 공기를 공급해야 하는지를 판단하고, 판단결과에 따라 상기 밸브를 제어하는 제어부를 포함하는 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 온도 센서에 의해 측정되는 온도를 기 설정된 설정 온도와 비교하여 상기 설정 온도를 초과하는 경우, 상기 밸브로 밸브 개방신호를 전송하고, 상기 설정 온도를 초과하지 않는 경우, 상기 밸브로 밸브 폐쇄신호를 전송하는 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 온도 센서는, 상기 전력변환장치의 케이스에 인접하게 설치되어 상기 케이스의 온도를 측정하는 제 1 온도 센서, 및 상기 전력변환장치 내부에 위치하는 전력변환용 반도체 소자에 인접하여 설치되어 상기 전력변환용 반도체 소자의 온도를 측정하는 제 2 온도 센서 중 적어도 하나를 포함하는 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 1 온도 센서에 의해 측정되는 온도가 제 1 설정 온도를 초과하거나 상기 제 2 온도에 의해 측정되는 온도가 제 2 설정 온도를 초과하는 경우에 상기 밸브로 밸브 개방신호를 전송하는 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 1 온도 센서에 의해 측정되는 온도 및 상기 제 2 온도 센서에 의해 측정되는 온도가 상기 제 1 및 제 2 설정 온도를 초과하지 않는 경우에 상기 밸브로 밸브 폐쇄신호를 전송하는 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 온도 센서와 상기 밸브 사이의 매칭 정보를 저장하고 있고, 저온 공기의 공급 여부를 판단한 후, 저온 공기의 공급 판단에 이용된 온도 센서에 대응하는 밸브를 상기 매칭 정보를 바탕으로 선택하고, 선택된 밸브의 개방 또는 폐쇄를 제어하는 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 온도 센서에서 측정되는 온도가 기 설정된 범위를 초과하는 경우, 초과 정도에 따라 밸브의 개방 정도를 조절하도록 제어하는 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템.
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