JP2014150283A - 可変速ドライブ及びインダクタ用の冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】軽量で、空間を取らず、耐蝕性があり、トランジスタ（ＩＧＢＴ）モジュール用の取り付け領域を提供するとともに、冷却器によるコア損によって発生した熱を吸収するすることにより、寿命性、保守性、重量対応、振動によるトランジスタモジュール内でのワイヤボンド破損を防止したパワーアセンブリ、インダクタを提供する。
【解決手段】フィルムコンデンサーと、フィルムコンデンサーに取り付けられた冷却デバイスであるプラスチック冷却器１０とを含み、冷却デバイスは、フィルムコンデンサー用のヒートシンクとして作動し、冷却デバイスを通して冷却流体を循環する流体チャネル１２，１３を形成し、更に、冷却デバイスに取り付けられた冷却デバイス内を循環する冷却流体によって冷却される電子部品を含み、冷却デバイスはプラスチック材料で形成する。
【選択図】図４

Description

本願は、２００７年１月２２日に出願された米国仮特許出願第６０／８８５，９３２号の優先権を主張するものである。
本願は、全体として、電子部品の冷却に関する。本願は、更に詳細には、可変速ドライブ(variable speed drive)及びインダクタ用の冷却システムに関する。

暖房、換気、空調、及び冷却（ＨＶＡＣ＆Ｒ）用の可変速ドライブ（ＶＳＤ）は、整流器又はコンバータ、直流リンク及びインバータを含んでいてもよい。電源インバータ技術を含む可変速ドライブは、多くの場合、液冷式インダクタを使用する。中電圧可変速ドライブもまた、液冷式インダクタを使用してもよい。

液冷式コイルインダクタを使用する場合、コイルの導体は、楕円形形状になるように圧縮した銅製チューブであってもよい。インダクタのチューブを通してクーラントを直接循環する上で脱イオン水を使用する必要がある。これは、銅がイオン化して冷媒中に脱離しないようにするためである。脱イオン冷却ループにより、冷却を必要とする様々な電子部品間を良好に電気絶縁できる。これは、クーラントがインダクタのチューブ並びに冷却システムの一部であるこの他の様々な構成要素と接触するためである。

可変速ドライブ（ＶＳＤ）及びインダクタに関して上文中に説明した事項に加え、従来、パワーアセンブリ設計は、嵩張り且つ重量があるものであった。これらのパワーアセンブリは、電解液の使用と関連した固有の磨耗機構及びシールを持つアルミニウム電解コンデンサーを使用していた。アルミニウム電解コンデンサーは、物理的に重量があり、円筒形形状であったために取り付けが困難であった。ヒートシンクは、銅材料又はアルミニウム材料で形成されていた。アルミニウムは、閉ループ非抑制冷却システム(closed loop uninhibited cooling system)で使用した場合、腐蝕の懸念がある。このシステムでは、銅製部品もまた冷却流体と接触している。抑制流体(inhibited fluid) を使用した場合でも周知の寿命を持ち、定期的な保守を必要とする。これらのパワーアセンブリ設計は、重量が非常に大きいため、振動により、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）モジュール内でのワイヤボンド破損の領域に弱点がある。更に、この弱点は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）モジュールを取り付けるヒートシンクと、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）モジュールを互いに電気的に接続する積層バスバーとの間の温度変化によるパワー／熱サイクルのため、一般的である。パワーアセンブリは、代表的には、コンデンサーを挿入する金属製フレームを必要とする。絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）パワーモジュールは、代表的にはヒートシンクに取り付けられ、このヒートシンクは、代表的には、金属製フレームに取り付けられる。最後に、積層バスバーアセンブリが、多くの場合、アセンブリの頂部に配置され、ねじ及びクランプを使用してアセンブリを互いに部分アセンブリとして保持する。これにより、設計の容積及び重量が追加される。

開示のシステム及び／又は方法の所期の利点は、これらの必要の一つ又はそれ以上を満たし、又はこの他の有利な特徴を提供する。この他の特徴及び利点は、本明細書から明らかになるであろう。開示の教示は、これらが以上の必要のうちの一つ又はそれ以上を満たすかどうかに関わらず、特許請求の範囲の範囲内の実施例を含む。

一実施例は、電子部品を冷却するためのプラスチック冷却システムを含む。この冷却システムは、ベースと、このベース上に形成された、上部が開放した冷却ウェルと、冷却流体を受け取ってこれを冷却ウェルに導入するためにベースに形成された供給チャンネルと、ベースに形成されたドレンチャンネルであって、このドレンチャンネルを通して冷却流体を冷却ウェルから運び去るためのドレンチャンネルと、冷却ウェルに形成されており、供給チャンネルと連通した冷却ウェル入口と、冷却ウェルに冷却ウェル入口とは反対側に形成された、ドレンチャンネルと連通した冷却ウェル出口とを含む。供給チャンネルは、ウェル及び冷却ウェル入口及び出口の大きさ及び流れ特性に対して十分に大きい。そのため、冷却流体が冷却デバイスを通って流れるとき、供給チャンネルの前後の圧力降下は、ウェルの前後の圧力降下よりもかなり小さい。

別の実施例は、可変速ドライブシステム用プラスチック冷却システムを含む。このプラスチック冷却システムは、入力交流電圧を提供する交流電源に接続されたコンバータ段と、このコンバータ段に接続された直流リンクと、この直流リンクに接続されたインバータ段を含む可変速ドライブ（ＶＳＤ）システムを有する。プラスチック冷却システムは、更に、可変速ドライブシステムの構成要素を冷却するためのクーラントシステムを含む。クーラントシステムは、電子部品と係合してこれを固定するための複数のファスナを受け入れる形体を持つプラスチック冷却器を含む。

更に別の実施例は、コア及びコイルを含むインダクタを持つインダクタ用のプラスチック冷却システムを含む。冷却システムは、更に、コアと熱的に連通したヒートシンクを有する。冷却システムのヒートシンク内の液体の流れが、コア及びコイル損によって発生した熱を吸収する。

本明細書中に説明した実施例の特定の利点は、インダクタの大きさ、重量、及び費用が低減されること、及びインダクタのコイルもまた、コアに伝達される熱を冷却するということである。

特許請求の範囲に列挙されているように、別の例示の実施例が、この他の特徴及びこれらの特徴の組み合わせと関連している。

システムの全体形体の実施例の概略図である。 システムの全体形体の実施例の概略図である。 可変速ドライブの実施例の概略図である。 可変速ドライブの実施例の概略図である。 冷却システムの概略図である。 プラスチック冷却器の平面図である。 図４の３−３線に沿ったプラスチック冷却器の断面図である。 図４のプラスチック冷却器のウェル及びＯ−リングを示す平面図である。 図４の４−４線に沿ったプラスチック冷却器の断面図である。 ウェル及びＯ−リングの第２実施例を示す平面図である。 フィルムコンデンサー、プラスチック冷却器、及び関連した取り付け構成要素の図である。 ５脚コアを持つ液冷式インダクタの断面図である。 ５脚コアを持つ液冷式インダクタの斜視図である。 図１１の５脚コアを持つ液冷式インダクタのＣＦＤ分析を示す図である。

図１Ａ及び図１Ｂは、システムの形体をおおまかに示す。交流電源１０２が可変速ドライブ（ＶＳＤ）１０４に電力を供給し、この可変速ドライブ１０４が一つのモータ１０６に電力を供給し（図１Ａ参照）、又は複数のモータ１０６に電力を供給する（図１Ｂ参照）。モータ１０６は、冷却−冷蔵システム（全体について、図３を参照されたい）の対応するコンプレッサの駆動に使用できる。交流電源１０２は、固定電圧及び固定周波数の単相又は多相（例えば三相）交流電力を、現場に設置された交流電力グリッド又は配電システムから、可変速ドライブ１０４に提供する。交流電源１０２は、対応する交流電力グリッドに応じて、好ましくは、２００ｖ、２３０ｖ、３８０ｖ、４６０ｖ、又は６００ｖの交流電圧即ちライン電圧を、５０Ｈｚ、又は６０Ｈｚのライン周波数で、可変速ドライブ１０４に供給できる。

可変速ドライブ１０４は、特定の固定ライン電圧及び固定ライン周波数の交流電力を交流電源１０２から受け取り、所望の電圧及び所望の周波数の交流電力をモータ１０６に提供する。これらの所望の電圧及び所望の周波数は、両方とも、特定の要件を満たすように変化させることができる。好ましくは、可変速ドライブ１０４は、電圧及び周波数がモータ１０６の定格電圧及び周波数よりも高いモータ１０６、及び低いモータ１０６に交流電力を提供できる。別の実施例では、可変速ドライブ１０４は、同様にモータ１０６の定格電圧及び定格周波数よりも高い周波数及び低い周波数を提供するが、モータ１０６の定格電圧及び定格周波数と同じ電圧か又はこれよりも低い電圧しか提供しない。モータ１０６は、インダクションモータであってもよいが、可変速で作動できる任意の種類のモータを含むことができる。インダクションモータは、２極、４極、又は６極を含む任意の適当な磁極構成を備えていてもよい。

図２Ａ及び図２Ｂは、可変速ドライブ１０４の別の実施例を示す。可変速ドライブ１０４は、コンバータ段２０２、直流リンク段２０４、及び出力段の三つの段階を有する。出力段は、一つのインバータ２０６を含み（図２Ａ参照）、又は複数のインバータ２０６を含む（図２Ｂ参照）。コンバータ２０２は、交流電源１０２からの固定ライン周波数で固定ライン電圧の交流電力を直流電力に変換する。直流リンク段２０４は、コンバータ段２０２からの直流電力を濾波し、エネルギ貯蔵部品を提供する。直流リンク段２０４は、コンデンサー及びインダクタを含んでいてもよい。これらは受動的デバイスであり、信頼性が高く破損率が非常に低い。最後に、図２Ａの実施例では、インバータ２０６は、直流リンク段２０４からの直流電力を、モータ１０６用の可変周波数で可変電圧の交流電力に変換する。図２Ｂの実施例では、インバータ２０６は直流リンク段２０４に並列に接続されており、各インバータ２０６が直流リンク段２０４からの直流電力を、対応するモータ１０６用の可変周波数で可変電圧の交流電力に変換する。インバータ２０６は、パワートランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、パワースイッチ、結合技術で相互接続された逆ダイオード(inverse diode) を含むパワーモジュールであってもよい。更に、可変速ドライブ１０４の直流リンク段２０４及びインバータ２０６は、可変速ドライブ１０４の直流リンク段２０４及びインバータ２０６がモータ１０６に適当な出力電圧及び周波数を提供できる限り、上文中に論じた部品の様々な部品を含んでいてもよいということは理解されるべきである。

図１Ｂ及び図２Ｂに関し、インバータ２０６は、これらのインバータ２０６の各々に提供された共通の制御信号又は制御指令に基づいて、各インバータ２０６が、対応するモータに、同じ所望の電圧及び周波数の交流電力を提供するように、制御システムによって連帯的に制御される。別の実施例では、インバータ２０６は、各インバータ２０６に提供された別々の制御信号又は制御指令に基づいて、各インバータ２０６が、対応するモータ１０６に、様々な所望の電圧及び周波数の交流電力を提供できるように、制御システムによって個々に制御される。様々な電圧及び周波数の交流電力を提供することによって、可変速ドライブ１０４のインバータ２０６は、モータ１０６及びシステムの要求及び負荷を、他のインバータ２０６に接続されたモータ１０６及びシステムの要求とは別個に更に効果的に満たす。例えば、一つのインバータ２０６が一つのモータ１０６に電力を一杯に提供でき、一方、別のインバータ２０６が別のモータ１０６に半分の電力を提供できる。いずれの実施例でも、インバータ２０６の制御は、コントロールパネル又は他の適当な制御デバイスによって行うことができる。

可変速ドライブ１０４の出力段には、可変速ドライブ１０４によって電力が提供される各モータ１０６毎に、対応するインバータ２０６が設けられている。可変速ドライブ１０４によって電力が提供されるモータ１０６の数は、可変速ドライブ１０４に組み込んだインバータ２０６の数で決まる。一実施例では、可変速ドライブ１０４に組み込んだインバータ２０６は２個又は３個であり、これらのインバータ２０６は直流リンク段２０４に並列に接続されており、対応するモータ１０６に電力を提供するために使用される。可変速ドライブ１０４は、２個又は３個のインバータ２０６を備えていてもよいが、直流リンク段２０４がインバータ２０６の各々に適当な直流電圧を提供でき且つ維持できる限り、３個以上のインバータ２０６を使用してもよいということは理解されよう。

図３は、システム形体及び図１Ａ及び図２Ａの可変速ドライブ１０４を使用する冷却又は冷蔵システム（refrigeration or chiller system)の一実施例を概略に示す。図３に示すように、ＨＶＡＣ（暖房、換気、空調）及び冷却又は液体冷蔵（liquid chiller）システム３００は、コンプレッサ３０２と、凝縮器３０４と、液体冷蔵器又は蒸発器３０６と、コントロールパネル３０８とを含む。コンプレッサ３０２は、ＶＳＤ（可変速ドライブ）１０４によって電力が提供されるモータ１０６によって駆動される。ＶＳＤ（可変速ドライブ）１０４は、特定の固定電圧及び固定ライン周波数の交流電力を交流電源１０２から受け取り、所望の電圧及び所望の周波数の交流電力をモータ１０６に提供する。これらの電圧及び周波数は、両方とも、特定の要件を満たすように変化できる。コントロールパネル３０８は、冷却システム３００の作動を制御するため、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ、マイクロプロセッサ、不揮発性メモリ、及びインターフェースボード等の様々な部品を含んでいてもよい。コントロールパネル３０８は、更に、ＶＳＤ（可変速ドライブ）１０４及びモータ１０６の作動を制御するのにも使用できる。

コンプレッサ３０２は、冷媒蒸気を圧縮し、排出ラインを通して蒸気を凝縮器３０４に送出する。コンプレッサ３０２は、スクリューコンプレッサ、遠心コンプレッサ、往復コンプレッサ、スクロールコンプレッサ又は他の適当な種類のコンプレッサであってもよい。コンプレッサ３０２が凝縮器３０４に送出した冷媒蒸気は、流体、例えば空気や水と熱交換関係となり、相変化を受けて冷媒液体になる。これは、流体と熱交換関係になることによる。凝縮した液体冷媒が凝縮器３０４から膨張デバイス（図示せず）を通って蒸発器に流入する。

蒸発器３０６内の液体冷媒が流体、例えば空気や水と熱交換関係となり、流体の温度を下げる。蒸発器３０６の冷媒液体は相変化を受けて冷媒蒸気になる。これは、流体と熱交換関係になることによる。蒸発器３０６内の蒸気冷媒は吸引ラインによって蒸発器３０６を出てコンプレッサ３０２に戻り、サイクルを完了する。蒸発器３０６は、冷却負荷の供給ライン及び戻しライン用の連結部を備えていてもよい。第２液体、例えば水、エチレン、塩化カルシウムブライン、又は塩化ナトリウムブラインが戻しラインを介して蒸発器３０６に入り、供給ラインを介して蒸発器３０６を出る。液体冷媒は蒸発器３０６で第２液体と熱交換関係となり、第２液体の温度を下げる。冷媒が凝縮器３０４及び蒸発器３０６内で適当に相変化する限り、任意の適当な形体の凝縮器３０４及び蒸発器３０６をシステム３００で使用できるということは理解されるべきである。

ＨＶＡＣ（暖房、換気、空調）及び冷却又は液体冷蔵システム３００は、図３に示してない多くの他の特徴を備えていてもよい。更に、図３は、ＨＶＡＣ（暖房、換気、空調）及び冷却又は液体冷蔵システム３００を、単一の冷媒回路に連結された一つのコンプレッサを持つものとして示すが、システム３００は、多数のコンプレッサを含んでいてもよいということは理解されるべきである。これらの多数のコンプレッサは、図１Ｂ及び図２Ｂに示すように単一のＶＳＤ（可変速ドライブ）１０４によって電力が提供されるか或いは、一つ又はそれ以上の冷媒回路の各々に連結された多数のＶＳＤ（可変速ドライブ）１０４によって電力が提供される（図１Ａ及び図２Ａに示す実施例を参照されたい）。

図４乃至図８は、電子部品又はモジュール、例えば高速スイッチ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等）（図示せず）に冷却剤流体を差し向けるプラスチック冷却器１０を示す。電子部品又はモジュールは、冷却器１０に取り付けられていてもよい。プラスチック冷却器１０は、銅やアルミニウムを使用したヒートシンクよりも軽量であり、製造及び組み立てが安価である。冷却器１０を通って循環する冷却剤流体は、任意の適当な流体、例えば水、グリコール、又は冷媒であってもよい。更に、プラスチック冷却器１０は、アルミニウムや銅のように経時的に腐蝕しない。プラスチック冷却器１０により、半導体モジュールのベースプレートを約１００℃の連続使用温度で作動できる。

電子部品又はモジュールをフル作動するため、プラスチック冷却器１０は、約１００℃の連続温度で作動でき、プラスチック材料の耐火性についてのアンダーライターズ研究所(Underwriters Laboratory) の適当な規格（ＵＬ７５６Ａ−Ｅ）を満たす。冷却器１０に使用されるプラスチック材料は、液体の吸収が低レベルであり、高い引張荷重が作用した状態で物理的に丈夫であり、射出成形又は機械加工を行うことができる。冷却器１０を取り付けることができるパワーアセンブリには、温度及び電力の両方が周期的に加わるため、冷却器１０のプラスチック材料は、熱膨張率が低くなければならない。これは、プラスチック冷却器１０と半導体モジュール端子に取り付けられた銅製積層構造との間の熱膨張率の不適合により半導体モジュール内のワイヤボンドが切れないようにするためである。更に、プラスチック冷却器１０は、多数のパワーデバイスを一緒に取り付けることができるファスナとして作用する。これにより、単一の積層バスバー構造を電気的接続に使用でき、これによりパワーアセンブリ全体の大きさ及び重量を低減できる。プラスチック冷却器１０に使用されるプラスチック材料は、ノリル（ノリル（Ｎｏｒｙｌ）は登録商標である）（ポリフェニレンオキシド、改質）、ヴァロックス（ヴァロックス（Ｖａｌｏｘ）は登録商標である）（ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＪ））、又はヴェスペル（ヴェスペル（Ｖｅｓｐｅｌ）は登録商標である）（ポリイミド）であってもよい。

図４に示すプラスチック冷却器１０には取り付け穴１１が設けられている。これらの取り付け穴１１は、電子部品と係合してこれを所定の場所に保持するねじ又はボルトを受け入れるように設計できる。プラスチック冷却器１０は、電子部品をプラスチック冷却器１０のベースプレートに固定するのに取り付け穴を使用するように示してあるが、クランプデバイス、接着剤、溶接、等の他のファスニングデバイス又は技術を使用して電子部品をプラスチック冷却器１０に取り付けてもよい。

二つの主流体チャンネル１２及び１３が機械加工又はその他の方法でプラスチック冷却器１０に形成されている。これによって、冷却流体を、供給チャンネル１２を介してプラスチック冷却器１０に導入でき、ドレンチャンネル１３を介してプラスチック冷却器１０から出すことができる。例示の実施例では、これらのチャンネルは比較的大きく、円筒形チャンネルがプラスチック冷却器１０の長さに沿って延びる。これらのチャンネルは、それらの長さに沿った圧力降下が比較的小さいような大きさになっており且つ設計されている。

プラスチック冷却器１０の上部には、一連の凹状のウェル２０が形成されている。一実施例では、これらのウェル２０は、Ｏ−リングを配置できるＯ−リング溝３１によって取り囲まれている。次いで、冷却されるべき電子デバイスをウェル２０上の所定の場所に位置決めし、取り付け穴１１を介して、又は他のデバイス又は技術によって取り付け、これによって、電子部品とプラスチック冷却器１０との間にＯ−リングによって水密シールを形成する。冷却されるべき個々の電子部品又はモジュールの各々に対して個々のウェルが形成されていてもよいし、電子部品の底部が冷却流体と直接接触して配置されるように、電子部品をウェル２０上に直接位置決めしてもよい。

ウェル２０は、冷却されるべき電子部品の幅、長さ、及び形状と合うように設計された所定の幅、長さ、及び形状を備えていてもよい。例えば、電子部品がスイッチングを行うＨＶＡＣ（暖房、換気、空調）の用途では、ウェル２０の幅は約３．８１ｃｍ（約１．５インチ）であり、長さが７．６２ｃｍ（３インチ）である。冷却流体は、供給チャンネル１２から、ウェル２０に形成された入口ポート２１を通ってウェル２０に進入し、ウェル２０を通って流れ、次いで出口ポート２２を通って出て出口チャンネル１３に流入する。入口チャンネル１２及び出口チャンネル１３は、出口チャンネル１３を出た冷却流体を冷却するための熱交換器に連結されている。

プラスチック冷却器１０及びその構成要素は、冷却流体と電子部品との間で、効率的に且つ対費用効果に優れた方法で最適の熱伝達を提供する。深さが０．５０８ｍｍ乃至５．０８０ｍｍ（０．０２インチ乃至０．２０インチ）の範囲内のウェル２０で最適の結果を得ることができる。これらのウェル２０は、１．２７ｍｍ乃至５．０８０ｍｍ（０．０５インチ乃至０．２０インチ）の液圧直径(hydraulic diameter)で連結されており、９０°ノズルである入口を備えており、ウェル２０に配置された電子部品の表面に冷却流体を約９０°の角度で適用する。ウェル２０の液圧直径は、かくして、一般的には、以下の方程式によって定義される。即ち、
液圧直径＝４×断面積／（２×ウェルの深さ＋２×ウェルの幅）
ノズルは、好ましくは、添付図面に示すようにウェル２０の端部に配置されており、そのため、冷却流体は、実際には、電子部品の表面及びノズルと隣接したウェル２０の壁の両方から跳ね返る。

ノズルは、冷却流体が電子部品の表面に衝突することにより高度の乱流を発生する。ウェルの深さ及び液圧直径を最適に選択することにより、この乱流を維持する。ウェルの深さが浅かったり液圧直径が小さかったりすると、流れの再層流化が生じ、これによって熱伝達の向上が或る程度低下する。他方、ウェルの深さが深かったり液圧直径が大きかったりすると、表面と隣接した流体の速度が低下することにより、熱伝達の向上が低下する。

プラスチック冷却器１０は、入口チャンネル１２の長さに亘る圧力降下が、ウェルに亘る圧力降下よりも大幅に小さい。入口チャンネル１２に亘る圧力降下の低下は、少なくとも入口チャンネル１２の大きさを、ウェル２０及びその入口２１及び出口２２の大きさ、形状、及び流れ特性に対して増大することによって行われ、この相対的圧力降下関係を達成する。入口チャンネル１２の長さに亘る圧力降下は、個々のウェル２０に亘る圧力降下の１／１０よりも大きくてはならない。一実施例では、ウェル２０の各々は、大きさ、形状、及び流体流れ特性が同じである。

ウェル２０の入口２１及び出口２２は、細長いスロットの形態である。これらのスロット２１は、冷却流体を電子部品の底面に差し向けるノズルとして作動する。入口２１及び出口２２は、入口チャンネル１２及び出口チャンネル１３と比較して十分に小さく、冷却流体がウェル２０の各々に流入するとき、出口チャンネル１３に亘る大幅な圧力降下が計測されない。入口ポート２１及び出口ポート２２の別の実施例を図８に示すように、入口ポート２１及び出口ポート２２は、実際には、ウェル２０のいずれかの端部に形成された複数の開口部２５である。これらのポート（例えば、図６を参照されたい）は、ウェル２０の底部から下方に、入口チャンネル１２及び出口チャンネル１３内に延びる細長いスロットとして形成されていてもよい。これらのスロットは、好ましくは、プラスチック冷却器１０の表面に対して垂直である。この組み合わせにより更に多くの乱流が得られ、圧力降下に大きな影響を及ぼすことなく、熱伝達を向上する。ウェル、入口、及びチャンネルの形状が複雑でないため、様々な深さのウェルを持つ、又は乱流を増大するために流路に配置した障害物を使用することを必要とする他の関連したデバイスと関連した製造よりも製造が遥かに容易になる。

入口チャンネル１２及び出口チャンネル１３は、両チャンネルの全長に沿ってほぼ等しい圧力を提供する。これにより、各ウェル２０は、入口圧力及び圧力差が同じであり、流れを等しくでき、及びかくして冷却性能が等しい。こうした特性を持つチャンネルを使用することにより、続いて設けられた各ウェルの流れが減少するという問題点を小さくし、好ましくはなくす。

更に、冷却流体を第１ウェルから最後のウェルまで直列に流すのでなく、各ウェル２０を入口チャンネル１２に直接的に連結することによって、各ウェル２０に新たなクーラントを供給する。これにより全てのウェル２０の冷却性を最大にする。

パワーアセンブリは、比較的高い電力出力レベルを必要とする用途については単相として作動してもよく、又は比較的低い電力出力レベルを必要とする用途については三相として作動してもよい。次に図９を参照すると、従来の電解コンデンサーの代わりにフィルムコンデンサー５００を使用する。フィルムコンデンサー５００を使用することにより、製造費を引き下げ、アセンブリの総重量を低減し、アセンブリの全体としての大きさを減少し、システムの信頼性を向上する。フィルムコンデンサー５００は、従来の電解コンデンサーを使用した場合の電解液を蒸発させる必要をなくすことによってアセンブリの信頼性を向上する。例えばバスプレート５０６、アングル状バスプレート５０８、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）モジュール５１２、５１４、及びアセンブリを可変速ドライブ（ＶＳＤ）の筐体（図示せず）に取り付けるための取り付けデバイス等の他の構成要素又は部分アセンブリを取り付けるため、取り付け穴５０４がコンデンサー５００に配置されている。更に、アセンブリ全体を棚板又は他の適当な表面（図示せず）に取り付けるため、取り付けベース５１０がフィルムコンデンサー５００に配置されている。ファスナ５１６、例えばねじ又は他の適当なファスナを使用して穴５０４に嵌着し、部品をコンデンサー５００に固定する。

別の実施例では、追加の電子部品を、プラスチック冷却器１０のウェルが設けられた表面とは反対側の表面に取り付けることができる。追加の開放ウェルが反対側の表面に設けられていてもよく、追加のパワーデバイスからの熱を、追加の電子部品の底部と直接的に接触するプラスチック冷却器１０の液体クーラントによって取り除くことができる。別の態様では、反対側の表面で冷却ウェルを使用しない場合には、熱を電子部品を通してプラスチック冷却器に及び次いで液体に伝達することによって、電子部品の冷却を行うことができる。

次に図１０を参照すると、インダクタ４００は、二つの主な部分アセンブリ（サブアセンブリ）、即ちコア部分アセンブリ４０２及びコイル部分アセンブリ４０３を含む。コア部分アセンブリ４０２は、積層体４０４と呼ばれる複数の薄い鋼製ストリップを含んでいてもよい。多数の積層シート４０４を積み重ねてインダクタ４００のコア４０２を形成する。積層体４０４の電気抵抗を改善するため、製造中、鋼にシリコンを追加できる。積層体４０４の粒界配向により、損失を低下し、コア４０２の材料の有効作動の境界を延長する。積層体４０４は、インダクタ４００の作動周波数の増大に従って懸念の多くを占めるようになる渦電流及びこの渦電流と関連した損失を小さくするのに使用される。一実施例では、シリコン鋼積層体４０４を使用できるが、任意の種類の適当な材料を使用してもよいということは理解されるべきである。例えば、この他の積層体材料には、ニッケル鉄、コバルト合金、粉体鉄、合金鉄、モリブデンパーマロイ粉体鉄、ニッケル−鉄粉体、セラミックフェライト、マンガン亜鉛フェライト、ニッケル亜鉛フェライト、及びマンガンフェライトが含まれるが、これらの材料に限定されない。

鉄損は、ヒステリシス損及び渦電流損によって生じる。これらのエネルギ損失は、コア４０２の作動温度を上昇し、インダクタ４００の効率を低下する。コア４０２の作動温度は、インダクタ４００で使用されている絶縁体やワニス等の他の材料に影響を及ぼす。各材料には最大作動温度があり、コア４０２の作動温度により、いずれの絶縁体を利用できるのかが決まる。作動温度の上昇に従って、絶縁体として使用するための利用可能な選択肢の数が少なくなり、材料費が上昇する。インダクタ４００の有効寿命もまた、インダクタ４００の作動温度の上昇に従って低下する。

コイル部分アセンブリ４０３は、絶縁体及び電流搬送導体でできている。導体は、任意の適当な種類の導体、例えば銅及びアルミニウムであってもよい。銅導体は抵抗が小さいが、アルミニウム導体よりも高価であり、重量がある。代表的には、導体でできたシートを絶縁体層と互い違いに重ねる。絶縁体は、例えばノメックス（ノメックス（Ｎｏｍｅｘ）は登録商標である）ファイバ（Ｅ．Ｉ．デュポン社が製造している）、セラミック、又は織製ガラスファイバ等の任意の適当な絶縁体であってもよい。空気を強制空気対流又は自然対流のいずれかで移動するため、コイルと関連した損失によって発生した熱を除去する空気ダクトがコイル層間に設けられている。コイル導体及び絶縁体の作動温度は、最終的には、損失及び空気の移動の組み合わせで決まる。

図１１を参照すると、冷却器１０（例えば図４参照）がインダクタ６００のコア６０２の上面に適用してある。冷却器１０は、水、グリコール、又はコア６０２を冷却するための冷媒を使用する。流体は、冷却器１０を通って移動し、コアが発生した熱を吸収する。

コアギャップを含むコア６０２を通して熱を伝導できるようにするため、熱伝導性非強磁性材料を使用し、適正な磁気ギャップを提供する。これにより、更に、磁気ギャップを横切って熱を伝達できる。セントゴバインセラミックス社(Saint Gobain Ceramics) が製造している「Ａ等級固体窒化硼素」材料等の材料を使用できるが、窒化アルミニウムやアルミナセラミックを含むこの他の材料を使用してもよい。

コイル６０４は、熱インピーダンスが低いコイル部分アセンブリを形成するため、互い違いに密に重ねたアルミニウム又は銅でできた層及び電気絶縁熱で伝導性の材料層で形成されている。コイル部分アセンブリのところで発生した熱は、コイル６０４からコア６０２へ熱伝導によって伝達され、次いでコア６０２に連結されたヒートシンクに伝達され、ここでヒートシンクを通って流れる液体によって吸収される。電気絶縁性であるが熱伝導性の材料シートは、例えば、一般的に入手可能なチョサーム（チョサーム（Ｃｈｏ−Ｔｈｅｒｍ）は登録商標である）材料、サーマギャップ（サーマギャップ（Ｔｈｅｒｍａ−Ｇａｐ）は登録商標である）材料、サームアタッチ（サームアタッチ（Ｔｈｅｒｍ−Ａｔｔａｃｈ）は登録商標である）材料、及びサーマフロー（サーマフロー（Ｔｈｅｒｍａ−Ｆｌｏｗ）は登録商標である）材料である。他の実施例では、従来のインダクタ製造プロセスで使用された標準的な絶縁ワニスと適合性の任意の適当な材料を使用できる。この材料は、更に、２００℃に達する最大連続使用作動温度での引裂性(tear-through capability) を呈する。コイル層は、コアの脚部に密に巻き付けてあり、コア６０２への熱伝導経路を提供する。

図１２は、図１１に示すコア６０２を持つインダクタ６００内の温度分布を予測するコンピュータシミュレーションの結果を示す。この図では、インダクタ６００内の温度勾配を様々な濃さのシェードで示す。以下の表は、熱伝導性で電気絶縁性の様々な材料がインダクタのピーク温度上昇に及ぼす影響を示す。

別の実施例は、パワーアセンブリの直流リンクコンデンサーの予備充電を制御する一体の手段を備えた能動コンバータモジュールを含む。例えば、このような予備充電システムは、一般に譲渡された米国特許出願第００／０７３，８３０号に記載されている。出典を明示することにより、この出願に開示された全ての内容は本明細書の開示の一部とされる。

用途は、以下の説明に記載された又は添付図面に示す詳細又は方法に限定されないということは理解されるべきである。更に、本明細書中で使用した言い回し又は用語は、単に説明を目的としたものであって、限定を意図したものではないということは理解されるべきである。

添付図面に示し、本明細書中に説明した例示の実施例は、現在の好ましい実施例であるけれども、これらの実施例は例として提案されたものに過ぎないということは理解されるべきである。従って、本願は、特定の実施例に限定されず、添付の特許請求の範囲の範疇の様々な変形例を含む。プロセス又は方法の工程の順序は、変形例に従って変えてもよいし再構築してもよい。

様々な例示の実施例に示す可変速ドライブ及びインダクタ用のプラスチック冷却器の構造及び構成は、単なる例示であるというに着目することが重要である。本開示では、数個の実施例しか詳細に説明しないけれども、当業者は、本開示を検討することにより、特許請求の範囲に列挙した要旨の新規な教示及び利点から大きく逸脱することなく、多くの変更（大きさの変更、様々なエレメントの寸法、構造、形状、及び比率、パラメータの値、取り付け構成、使用される材料、色、配向、等）が可能であるということを容易に理解するであろう。例えば、一体に形成されたものとして示したエレメントは、多数の部品又はエレメントで形成されていてもよく、エレメントの位置を逆にする等の変更を行ってもよく、別個のエレメント又は位置の性質又は数を変更してもよい。従って、こうした変更は全て、本願の特許請求の範囲の範疇に含まれる。任意のプロセス又は方法の工程の順序は、変形例に従って変えてもよいし再構築してもよい。特許請求の範囲では、手段及び機能に関する言及は、列挙した機能を実施するものとして本明細書中に説明した構造を、構造的等価物ばかりでなく、等価の構造も含もうとするものである。例示の実施例の設計、作動状態、及び構成において、本願の範囲を逸脱することなく、この他の代替、変更、変形、省略を行ってもよい。

１０ プラスチック冷却器
１１ 取り付け穴
１２、１３ 流体チャンネル
２０ ウェル
２１ 入口ポート
２２ 出口ポート
２５ 開口部
３１ Ｏ−リング溝
１０２ 交流電源
１０４ 可変速ドライブ
１０６ モータ
２０２ コンバータ段
２０４ 直流リンク段
２０６ インバータ
３０２ コンプレッサ
３０４ 凝縮器
３０６ 蒸発器

様々な例示の実施例に示す可変速ドライブ及びインダクタ用のプラスチック冷却器の構造及び構成は、単なる例示であるというに着目することが重要である。本開示では、数個の実施例しか詳細に説明しないけれども、当業者は、本開示を検討することにより、特許請求の範囲に列挙した要旨の新規な教示及び利点から大きく逸脱することなく、多くの変更（大きさの変更、様々なエレメントの寸法、構造、形状、及び比率、パラメータの値、取り付け構成、使用される材料、色、配向、等）が可能であるということを容易に理解するであろう。例えば、一体に形成されたものとして示したエレメントは、多数の部品又はエレメントで形成されていてもよく、エレメントの位置を逆にする等の変更を行ってもよく、別個のエレメント又は位置の性質又は数を変更してもよい。従って、こうした変更は全て、本願の特許請求の範囲の範疇に含まれる。任意のプロセス又は方法の工程の順序は、変形例に従って変えてもよいし再構築してもよい。特許請求の範囲では、手段及び機能に関する言及は、列挙した機能を実施するものとして本明細書中に説明した構造を、構造的等価物ばかりでなく、等価の構造も含もうとするものである。例示の実施例の設計、作動状態、及び構成において、本願の範囲を逸脱することなく、この他の代替、変更、変形、省略を行ってもよい。
本発明は以下の形態を有する。
[形態１]
可変速ドライブシステム用パワーアセンブリにおいて、
フィルムコンデンサーと、
前記フィルムコンデンサーに取り付けられた少なくとも一つの冷却デバイスとを含み、
前記少なくとも一つの冷却デバイスは、前記フィルムコンデンサー用のヒートシンクとして作動し、前記少なくとも一つの冷却デバイスを通して冷却流体を循環するように形成されており、更に、
前記少なくとも一つの冷却デバイスに取り付けられた、前記少なくとも一つの冷却デバイス内を循環する冷却流体によって冷却される少なくとも一つの電子部品を含み、
前記少なくとも一つの冷却デバイスは、プラスチック材料で形成されている、パワーアセンブリ。
[形態２]
形態１に記載のパワーアセンブリにおいて、
前記フィルムコンデンサーは、追加の構成要素を取り付けるための、及びパワーシステムをエンクロージャーに取り付けるための取り付けファスナを含む、パワーアセンブリ。[形態３]
形態１に記載のパワーアセンブリにおいて、
前記冷却デバイスはプラスチックである、パワーアセンブリ。
[形態４]
形態１に記載のパワーアセンブリにおいて、
前記冷却デバイスは、約１００℃の連続使用温度で作動する、パワーアセンブリ。
[形態５]
形態１に記載のパワーアセンブリにおいて、
前記冷却器を通して差し向けられた前記流体は、冷媒、グリコール、又は水である、パワーアセンブリ。
[形態６]
形態１に記載のパワーアセンブリにおいて、
前記ベースは、射出成形プロセス、鋳造プロセス、又は機械加工プロセスによって製造される、パワーアセンブリ。
[形態７]
形態１に記載のパワーアセンブリにおいて、
前記プラスチック材料は、ＵＬ７４６Ａ−Ｅ規格を満たす、パワーアセンブリ。
[形態８]
形態１に記載のパワーアセンブリにおいて、
複数の電子部品が前記冷却器に取り付けられている、パワーアセンブリ。
[形態９]
形態１に記載のパワーアセンブリにおいて、
前記フィルムコンデンサーに取り付けられた前記少なくとも一つの冷却デバイスは、前記フィルムコンデンサーに少なくとも一つのファスナで固定されている、パワーアセンブリ。
[形態１０]
形態９に記載のパワーアセンブリにおいて、
前記少なくとも一つのファスナはねじである、パワーアセンブリ。
[形態１１]
インダクタにおいて、
少なくとも一つのコア脚部を持つコアと、
前記少なくとも一つのコア脚部と熱的に連通したコイルと、
前記コアに取り付けられた、前記コアと熱的に連通した冷却デバイスとを含み、
前記冷却デバイスは、前記コア用のヒートシンクとして作動し、
前記冷却デバイスは、前記冷却デバイスを通して冷却流体を循環し、前記コアが発生した熱を吸収するように形成されている、インダクタ。
[形態１２]
形態１１に記載のインダクタにおいて、
前記コイルは、熱伝導性で電気絶縁性の材料層を含む、インダクタ。
[形態１３]
形態１１に記載のインダクタにおいて、
前記コアは、熱導体で充填された空隙を含む、インダクタ。
[形態１４]
形態１１に記載のインダクタにおいて、
前記冷却デバイスはプラスチックである、インダクタ。
[形態１５]
形態１１に記載のインダクタにおいて、
前記冷却デバイスは、約２００℃の連続使用温度で作動する、インダクタ。
[形態１６]
形態１１に記載のインダクタにおいて、
前記冷却器を通して差し向けられた前記流体は、冷媒、グリコール、又は水である、インダクタ。
[形態１７]
形態１１に記載のインダクタにおいて、
前記ベースは、射出成形プロセス、鋳造プロセス、又は機械加工プロセスによって製造される、インダクタ。
[形態１８]
形態１１に記載のインダクタにおいて、
前記コイルは、熱伝導性で電気絶縁性の材料層を含む、インダクタ。
[形態１９]
形態１１に記載のインダクタにおいて、
前記コアは、熱導体で充填された空隙を含む、インダクタ。
[形態２０]
形態１９に記載のインダクタにおいて、
前記熱導体はセラミックである、インダクタ。

Claims (20)

1. 可変速ドライブシステム用パワーアセンブリにおいて、
   フィルムコンデンサーと、
   前記フィルムコンデンサーに取り付けられた少なくとも一つの冷却デバイスとを含み、
   前記少なくとも一つの冷却デバイスは、前記フィルムコンデンサー用のヒートシンクとして作動し、前記少なくとも一つの冷却デバイスを通して冷却流体を循環するように形成されており、更に、
   前記少なくとも一つの冷却デバイスに取り付けられた、前記少なくとも一つの冷却デバイス内を循環する冷却流体によって冷却される少なくとも一つの電子部品を含み、
   前記少なくとも一つの冷却デバイスは、プラスチック材料で形成されている、パワーアセンブリ。
2. 請求項１に記載のパワーアセンブリにおいて、
   前記フィルムコンデンサーは、追加の構成要素を取り付けるための、及びパワーシステムをエンクロージャーに取り付けるための取り付けファスナを含む、パワーアセンブリ。
3. 請求項１に記載のパワーアセンブリにおいて、
   前記冷却デバイスはプラスチックである、パワーアセンブリ。
4. 請求項１に記載のパワーアセンブリにおいて、
   前記冷却デバイスは、約１００℃の連続使用温度で作動する、パワーアセンブリ。
5. 請求項１に記載のパワーアセンブリにおいて、
   前記冷却器を通して差し向けられた前記流体は、冷媒、グリコール、又は水である、パワーアセンブリ。
6. 請求項１に記載のパワーアセンブリにおいて、
   前記ベースは、射出成形プロセス、鋳造プロセス、又は機械加工プロセスによって製造される、パワーアセンブリ。
7. 請求項１に記載のパワーアセンブリにおいて、
   前記プラスチック材料は、ＵＬ７４６Ａ−Ｅ規格を満たす、パワーアセンブリ。
8. 請求項１に記載のパワーアセンブリにおいて、
   複数の電子部品が前記冷却器に取り付けられている、パワーアセンブリ。
9. 請求項１に記載のパワーアセンブリにおいて、
   前記フィルムコンデンサーに取り付けられた前記少なくとも一つの冷却デバイスは、前記フィルムコンデンサーに少なくとも一つのファスナで固定されている、パワーアセンブリ。
10. 請求項９に記載のパワーアセンブリにおいて、
    前記少なくとも一つのファスナはねじである、パワーアセンブリ。
11. インダクタにおいて、
    少なくとも一つのコア脚部を持つコアと、
    前記少なくとも一つのコア脚部と熱的に連通したコイルと、
    前記コアに取り付けられた、前記コアと熱的に連通した冷却デバイスとを含み、
    前記冷却デバイスは、前記コア用のヒートシンクとして作動し、
    前記冷却デバイスは、前記冷却デバイスを通して冷却流体を循環し、前記コアが発生した熱を吸収するように形成されている、インダクタ。
12. 請求項１１に記載のインダクタにおいて、
    前記コイルは、熱伝導性で電気絶縁性の材料層を含む、インダクタ。
13. 請求項１１に記載のインダクタにおいて、
    前記コアは、熱導体で充填された空隙を含む、インダクタ。
14. 請求項１１に記載のインダクタにおいて、
    前記冷却デバイスはプラスチックである、インダクタ。
15. 請求項１１に記載のインダクタにおいて、
    前記冷却デバイスは、約２００℃の連続使用温度で作動する、インダクタ。
16. 請求項１１に記載のインダクタにおいて、
    前記冷却器を通して差し向けられた前記流体は、冷媒、グリコール、又は水である、インダクタ。
17. 請求項１１に記載のインダクタにおいて、
    前記ベースは、射出成形プロセス、鋳造プロセス、又は機械加工プロセスによって製造される、インダクタ。
18. 請求項１１に記載のインダクタにおいて、
    前記コイルは、熱伝導性で電気絶縁性の材料層を含む、インダクタ。
19. 請求項１１に記載のインダクタにおいて、
    前記コアは、熱導体で充填された空隙を含む、インダクタ。
20. 請求項１９に記載のインダクタにおいて、
    前記熱導体はセラミックである、インダクタ。

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