Performance analysis of a loop heat pipe system for IGBT module application

Abstract

최근 철도 산업은 저탄소, 고효율 운송수단으로 그 중요성이 증대되고 있다. 특히 분산형 동력방식의 고속철도는 집중형 동력방식의 고속철도 대비 가속도와 운송효율이 좋아 관심 받고 있으며, 관련 기술개발도 활발하게 일어나고 있다. 분산형 동력방식의 고속철도는 추진 시스템이 열차마다 각각 설치되어, 냉각을 위한 냉각기 설치 공간에 한계가 있다. 이에 따라 냉각시스템의 냉각성능과 효율적인 공간활용의 중요성이 증대되고 있다. 본 연구에서는 고속철도 및 지하철 추진시스템에 적용되어 있는 반도체 트랜지스터인 IGBT의 냉각을 위하여, 단위 부피당 냉각 열량의 증대와 온도 분포의 균일성을 개선할 수 있는 냉각방법을 연구하였고 루프형 히트파이프를 개선 방안으로 제시하였다. 루프형 히트파이프의 적용 가능성을 분석하기 위해, 지하철에 설치할 수 있는 공간에 설치 가능하며, IGBT의 발열량을 냉각할 수 있는 히트파이프를 설계 및 제작하였다. 루프형 히트파이프의 성능은 별도로 제작한 일반적인 히트파이프와 비교하였다. 루프형 히트파이프의 제작을 위해 이론적 분석이 선행되었으며 정확한 성능을 측정하기 위하여 냉각 시스템의 최적 운전조건에 관한 연구와 실험을 진행하였다. 작동 유체와 충전 비율을 결정하기 위한 실험을 수행하였고, 물을 작동 유체로 34.4%의 충전율로 운전 하였을 경우가 최적 조건임을 실험적으로 확인하였다. 일반적인 히트파이프와 루프형 히트파이프의 실험은 고속철도 또는 지하철 운전 환경을 모사하여 진행하였다. 강제 대류 환경에서 모사한 IGBT의 발열량을 1800 W에서 2400 W까지 상승시켜가며, 각각의 히트파이프의 성능을 비교분석 하였다. 실험결과 루프형 히트파이프를 활용할 경우가 IGBT의 최고온도가 더 낮았으며, 최대 냉각가능 용량도 더 크게 계산되었다. 루프형 히트파이프를 사용하였을 경우와 일반 히트파이프를 사용하였을 경우 모두 IGBT 냉각 성능은 만족하였다. IGBT의 운전 수명을 고려하였을 때, IGBT의 온도 균일성도 중요한 냉각성능이다. 히트 파이프에 의해 냉각된 IGBT의 온도 균일성을 비교하는 실험을 진행하였고, 루프형 히트파이프에서 더 개선된 결과를 얻을 수 있었다. 루프형 히트파이프가 분산형 동력방식에 적용되는 IGBT를 냉각 효율을 증가시킬 수 있음을 실험적으로 증명하였다. 또한 미래 반도체 부품의 고밀도화와 소형화를 고려하였을 때, 루프형 히트파이프는 향후 다양한 방면에 적용 가능한 효율적인 냉각 방법이 될 수 있음을 확인하였다.

Recently, the importance of the railroad industry is increasing as a low-carbon, high-efficiency, mass transportation method. In particular, the decentralized-power type train is preferred because of its excellent acceleration and transport efficiency compared to the centralized-power type train, and related technology developments are actively taking place. In the case of decentralized-power type high-speed railway, a propulsion system is installed for each vehicle, so there is a limited space for a cooling system. Accordingly, the importance of cooling performance and efficient space utilization of the cooling system is increasing. In this study, a loop type heat pipe was studied for temperature management of IGBT which is a semiconductor transistor applied to high-speed railway and subway propulsion systems. It was applied to increase the amount of cooling capacity per unit volume and the uniformity of the heat. To analyze the applicability, three heat pipes were designed and manufactured. The performance of each heat pipe was compared by experiments. Theoretical analysis was conducted in order to manufacture the loop type heat pipe. Experiments were conducted regarding the optimal operating conditions to measure the accurate performance. An experiment was performed to confirm the sort of refrigerant and its charging rate, and it could be experimentally verified that the optimal condition was when the water was selected as the refrigerant with charging rate of 34.4%. The conventional and loop type heat pipe experiments were conducted by simulating the high-speed railway or subway operating environment. The performance of each manufactured heat pipe was compared and analyzed while increasing the heat load of the simulated IGBT from 1800 W to 2400 W in a forced convection environment. As a result, the maximum temperature of the IGBT was lower when the loop type heat pipe was used, and the maximum cooling capacity was also calculated to be larger. Both heat pipes were satisfied the target performance for IGBT cooling. Considering the operating life of the IGBT, the temperature uniformity of the IGBT is also an important cooling performance. An experiment was conducted to compare the temperature uniformity of the IGBT cooled by the heat pipe, and more improved results were obtained by the loop type. It has been experimentally proven that the loop type heat pipe can increase the cooling efficiency for the decentralized-power system. At the same time, it was confirmed that a loop type heat pipe could be an efficient cooling method when considering the high density and miniaturization of future semiconductor components.