JP2014525724A - 混合マニホールドおよび方法 - Google Patents

Abstract

電力変換装置の電力スタックを冷却する方法および冷却システム。液体冷却システム（８０）は、第１の冷却コンポーネントを含む第１の冷却ステージ（８２）であり、冷却コンポーネントは、並列冷却ブランチを形成するように接続される、第１の冷却ステージと、並列冷却ブランチ（８５ａ、８６ｎ）に流動的に接続され、その結果、並列冷却ブランチからの冷却液体の流れが混合マニホールド内で混合されるように構成される、混合マニホールド（８４）と、第２の冷却コンポーネントを含む第２の冷却ステージ（８６）であり、第２の冷却ステージは、冷却システムを通って流れる冷却液体に関して、第１の冷却ステージと直列に接続される、第２の冷却ステージと、を含む。
【選択図】図３

Description

本明細書に開示される主題の実施形態は、一般的には方法および装置に関し、より詳細には、電気的コンポーネントをより効率的に冷却するための機構および技法に関する。

電力変換器は、エネルギーの流れを制御するための、または電圧、電流もしくは周波数を変換するための多様な応用範囲で広く用いられており、これらはモーターもしくは発電機に接続し、あるいは電力系統とのインターフェースをとるために必要なものである。それらの応用のいくつかは、石油およびガス産業、金属産業、水道産業、鉱業ならびに海洋産業のためのモーター駆動を含むだけでなく、再生可能エネルギー（風力、太陽光）および電力産業のための電力／周波数変換器をも含む。

電力変換器（または電気モーターを駆動する電力変換器の特別なタイプである可変周波数ドライブ）のコアコンポーネントのいくつかは、電力半導体スイッチである。電力半導体スイッチは、それらの動作、すなわち電流を伝導し、電流をスイッチオンおよびスイッチオフする間に、電力損失を生じる。それらの電力半導体スイッチとしては、例えばプレス−パックパッケージ（ホッケーパック状セラミックハウジング内のシリコンウエハ）内の集積ゲート整流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、注入促進型ゲートトランジスタ（ＩＥＧＴ）、サイリスタ（ＥＴＴまたはＬＴＴ）、ダイオード、またはプラスチックモジュールパッケージ内のＩＧＢＴ、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、ダイオードなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらの電力半導体スイッチの能力、性能および信頼性は、より高い接合温度におけるターンオフ能力の低下、集中した電流伝導による局所的なホットスポットなどの理由により、それらの接合温度に敏感である。

このようなスイッチの冷却を達成し、接合温度を動作限界の範囲内に保つために、液体冷却は、電力スイッチ動作中の電力損失から発生する熱を取り除くための有効な手段である。液体冷却、例えば水冷は、電気的コンポーネント（例えば、電力半導体スイッチ）に取り付けられた冷却コンポーネント（例えば、ヒートシンクまたはコールドプレート）から熱を取り去るために、液体の流れを用いる。冷却コンポーネントの表面と電気的コンポーネントの表面とが直接に接触するので、より高い温度を有する要素（電気的コンポーネント）からより低い温度を有する要素（冷却コンポーネント）へ熱が移動する。冷却コンポーネントへ伝えられた熱を分散させるために、冷却コンポーネントの周囲に、および／またはそれを通して、液体が供給される。それから、液体の流れは、電気的コンポーネントから離れて、冷却されるべき場所に運ばれる。このような場所は、冷却塔または周囲空気に熱を放散させる、水から水へのまたは水から空気への熱交換器であってもよい。

プレス−パックデバイスについては、電力半導体スイッチの極面が電力半導体スイッチの電極と電気的に接続されているが、電力モジュールについては、ベースプレートが電力半導体スイッチの電極からガルバニックに分離されていることに留意されたい。液体冷却回路が異なる電気的コンポーネントを一緒に接続する場合には、電気的短絡を回避するために、プレス−パックスイッチのヒートシンクに対して脱イオン水を用いる必要があることを、この配置は意味する。

冷却システム１０の一例を、図１に示す。冷却システム１０は、様々な冷却コンポーネントを含む。冷却コンポーネントは、ヒートシンク、パイプ、バルブ、マニホールドなどであってもよい。冷却コンポーネントのいくつかは、電力スタック１２の３カラムアセンブリの電気的コンポーネントを伴う。カラムは、冷却コンポーネントおよび電気的コンポーネントの組合せを含むことができる。３カラム電力スタック１２は、様々な電気的コンポーネントの３つのカラム１２ａ〜１２ｃを含む。電気的コンポーネントは、それが３カラム電力スタックを有する場合には電力半導体スイッチであり得るが、それが他の電力変換デバイスを有する場合には、抵抗器、インダクタ、キャパシタおよび絶縁体であってもよい。３つのカラムは、同一でもよいし、または異なってもよい。カラム１２ａは、電力半導体スイッチ１４および対応するヒートシンク１６を含んでもよい。電力半導体スイッチの個数およびそれらの接続の個数は、電気回路のトポロジーによって決まる。冷却システムのトポロジーは、電力スタックのトポロジーに従うこともできるし、あるいは異なってもよい。第１および第２の絶縁体１８および２０は、電力スタックの金属フレームからカラムを電気的に絶縁する。

所与の個数の液体冷却された電気的コンポーネントのための液体冷却回路を形成するために、電気的コンポーネントと接触するか、またはその一部である冷却コンポーネントを、流動的に互いに接続する。典型的な冷却トポロジーを図１に示す。冷却システム１０は、第１の液体注入マニホールド３０、並列冷却ブランチ３５および第１の液体放出マニホールド３２を含む第１の経路に沿って液体が流れ、さらに第２の液体注入マニホールド３１、直列ブランチ３７および第２の液体放出マニホールド３３を含む第２の経路に沿って液体が流れるように、設計される。注入マニホールドは、加圧された液体を受け取るように構成される注入口３４を有する。圧力はポンプによって提供される。

並列ブランチ３５は、注入パイプ２０、圧力補正器３６、ヒートシンク１６、別の圧力補正器４０および放出パイプ２２を含むことができる。直列ブランチ３７は、注入パイプ３８、多重ヒートシンク１６、接続パイプ４２および放出パイプ４４を含むことができる。直列ブランチが、直列に連結される２つ以上のヒートシンクまたは同等なデバイスを含むことに留意されたい。このように、冷却システム１０は、直列接続または並列接続、あるいは直列接続と並列接続との組合せなどの様々なタイプの接続を含む。

すべての冷却コンポーネントについて、直列液体接続は、並列接続に比べて総液体流量がより少ないが、圧力降下はより高い。したがって、ポンプのヘッドはより大きくなり、冷却コンポーネントにはより高い応力が働く。このため、より高い圧力によって液体冷却回路のリークが生じやすくなる。直列液体ループの別のマイナス要因は、１つの冷却ステージから次の冷却ステージへと熱が蓄積するにつれて、冷却ループの下流の温度が増加し続けるということである。この熱は、冷却ループの下流のコンポーネントに対する冷却効果を低下させる。したがって、より高い消費電力を有し、接合温度により敏感な電力半導体スイッチは、液体冷却ループの上流に配置することが望ましい。

すべての冷却コンポーネントについて、並列液体接続は、直列液体接続に比べて圧力降下がより小さくなる。しかし、並列液体接続はより高い総液体流量を有する。すなわち、より多くの液体量が必要である。この配置の重要な制限要因は、すべての並列冷却ブランチが同じΔＰ（圧力降下）でなければならないので、各ブランチについて結果として生じる液体流量が必要な値にならないおそれがあるということである。この問題を解決するためには、ΔＰのバランスをとるための付加的な要素（コイル３６または４０のような）を導入するか、あるいは各並列冷却ブランチの直径を注意深く設計するかのいずれかにより、複雑な設計が必要になる。別の方法としては、流量調整バルブを手動で制御して、各並列液体ブランチの流量が適正な量になることを確実にするように流量の分布を調整することができる。

図１に戻って、３カラム電力スタック１２の正確な構造によれば、カラム１２ａの電気的コンポーネントがカラム１２ｂおよび１２ｃの電気的コンポーネントより高い動作温度になる可能性がある。このように、カラム１２ａの電気的コンポーネントから来る冷却液体は、高温である。

この特定の配置では、高温液体がカラム１２ｂおよび１２ｃの冷却素子で再利用されないように、カラム１２ａからのヒートシンクの放出パイプ２２は第１の水放出マニホールド３２に直結される。しかし、接続パイプ４２からの冷却液体の温度は高くないので、この冷却液体が第２の水放出マニホールド３３に供給される前に、この冷却液体はカラム１２ｃの冷却コンポーネントを冷却するために用いられる。

しかし、図１の冷却配置には、３カラム電力スタック１２を冷却するために、圧力補正器デバイス（３６および４０）が様々なブランチに必要であり、さらに４つの水マニホールド（２つの注入口および２つの放出口）が必要であるという不利な点がある。

別の冷却配置を図２に示す。図２は、第１のヒートシンク５８から第２のヒートシンク６０へ、そして、第３のヒートシンク６２へ冷却液体を流すために、単一の液体注入マニホールド５２、単一の液体放出マニホールド５４および複数のパイプ５６を使用する冷却システム５０を示す。しかし、この方法には、以下の不利な点がある。電力半導体スイッチ６６が、ヒートシンク６０および５８と関係する電力半導体スイッチ６３および６４よりも高い温度で動作すると仮定する。この場合、ヒートシンク５８および６０からの冷却液体は、すでに加熱されているので、電力半導体スイッチ６６のヒートシンク６２を十分に冷却しないであろう。このように、電力半導体スイッチ６６は、十分に冷却されないので、初期故障が生じやすく、それは望ましくない。図２に示す配置のこの不利な点を回避する別の配置は、識別された高温の電力半導体スイッチに対して専用の冷却ループを設けることである。しかし、この最後の配置は、より複雑な冷却システムとより多くの配管とを必要とし、それもまた望ましくない。

したがって、上述した問題および欠点を回避するシステムおよび方法を提供することが望ましい。

欧州特許出願公開第０７６７６０１号公報

１つの例示的実施形態によれば、電力変換装置のための液体冷却システムがある。液体冷却システムは、電力変換装置の第１の冷却コンポーネントを含む第１の冷却ステージであり、冷却コンポーネントは、並列冷却ブランチを形成するように接続される、第１の冷却ステージと、並列冷却ブランチに流動的に接続され、その結果、並列冷却ブランチからの冷却液体の流れが混合マニホールド内で混合されるように構成される、混合マニホールドと、第２の冷却コンポーネントを含む第２の冷却ステージであり、第２の冷却ステージは、冷却システムを通って流れる冷却液体に関して、第１の冷却ステージと直列に接続される、第２の冷却ステージと、を含む。第１の冷却ステージからの冷却液体の流れは、第２の冷却ステージに送達される前に、混合マニホールド内で一緒に混合される。

別の例示的実施形態は、電力変換装置であって、第１および第２の電気的コンポーネントを含む電力スタックと、電力変換装置の第１の冷却ステージに流動的に接続され、第１の冷却ステージに関係する第１の電気的コンポーネントを冷却するために第１の冷却ステージに冷却流体を供給するように構成された注入マニホールドと、第１の冷却ステージに流動的に接続され、（ｉ）第１の冷却ステージから、異なる温度を有する加熱された冷却液体の流れを受け取り、（ｉｉ）実質的に単一の温度になるように、加熱された冷却液体の流れを混合させ、（ｉｉｉ）第２の冷却ステージと関係する第２の電気的コンポーネントを冷却するために、電力変換装置の第２の冷却ステージに、混合された冷却液体の流れを供給するように、構成される混合マニホールドと、電力変換装置の第２の冷却ステージに流動的に接続され、第２の冷却ステージから混合された冷却液体の流れを受け取るように構成される放出マニホールドと、を含む。

さらに別の例示的実施形態によれば、電力変換装置を冷却する方法がある。本方法は、冷却液体を注入マニホールドに供給するステップと、注入マニホールドから電力変換装置の第１の冷却ステージのヒートシンクへ冷却液体を移動させるステップであり、ヒートシンクは並列冷却ブランチに設けられる、ステップと、第１の冷却ステージのヒートシンクを冷却するステップと、第１の冷却ステージの並列冷却ブランチから、異なる温度を有する加熱された冷却液体の流れを、混合マニホールドにおいて受け取るステップと、混合マニホールド内で、加熱された冷却液体の流れを混合するステップと、電力変換装置の第２の冷却ステージのヒートシンクに、混合された冷却液体の流れを供給するステップと、第２の冷却ステージに接続される放出マニホールドにおいて、第２の冷却ステージからの混合された冷却液体の流れを収集するステップと、を含む。

添付の図面は、本明細書中に組み込まれて、その一部を構成し、１つまたは複数の実施形態を示し、そして説明と共に、これらの実施形態を説明する。図面の説明は以下の通りである。

冷却システムを有する従来の電力スタックデバイスの概略図である。 冷却システムを有する従来の電力スタックデバイスの別の概略図である。 例示的実施形態による電力変換装置を冷却するためのマニホールドシステムの概略図である。 例示的実施形態によるマルチカラム電力スタックを冷却するためのマニホールドシステムの概略図である。 冷却するためのマニホールドシステムのヒートシンクの概略図である。 別の例示的実施形態によるマルチカラム電力スタックを冷却するためのマニホールドシステムの概略図である。 例示的実施形態による水混合マニホールドの様々な形状を示す図である。 例示的実施形態による水混合マニホールドの様々な形状を示す図である。 例示的実施形態による水混合マニホールドの様々な形状を示す図である。 例示的実施形態によるマルチカラム電力スタックを冷却するためのマニホールドシステムのさらに別の概略図である。 例示的実施形態によるマルチカラム電力パックを冷却するための方法を示すフローチャートである。

例示的実施形態の以下の説明では、添付の図面を参照する。異なる図面の同一の符号は、同一または類似の要素を識別する。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。その代わりに、本発明の範囲は、添付した特許請求の範囲によって定義される。以下の実施形態では、説明を簡単にするため、水冷３カラム電力スタックの用語および構造に関して論じる。しかし、次に論じる実施形態は、これらの電力スタックに限定されず、冷却する必要のあるコンポーネントを有する他のスタックまたは電力変換装置に適用することができる。

「１つの実施形態」または「ある実施形態」に対する本明細書の全体にわたる参照は、ある実施形態に関連して記載されている特定の特徴、構造または特性が、開示される発明の主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。このように、本明細書の全体にわたる様々な箇所に現れる「１つの実施形態において」または「ある実施形態において」の語句は、必ずしも同一の実施形態を参照しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、いかなる好適な方法によっても、１つまたは複数の実施形態に組み合わせることができる。

例示的実施形態によれば、多重カラム電力スタックを冷却するためのマニホールド冷却システムがある。マニホールド冷却システムは、液体注入マニホールド、液体放出マニホールドおよび液体混合マニホールドを含む。冷却コンポーネントは、マニホールドを通る冷却液体を循環させるために、マニホールドを流動的に接続する。後で定義されるように、冷却コンポーネントは並列ブランチおよび直列ブランチにグループ化される。電気的コンポーネントは、冷却コンポーネントのいくつかに取り付けられるか、または提供される。液体混合マニホールドは、並列ブランチから冷却液体の流れを収集し、それらを混合し、そして冷却のために残りのブランチへ混合された冷却液体を供給する。

次に論じられる新規な冷却システムは、動作条件に関わらず液体ループの下流で冷却されている電力半導体スイッチに対して、一貫したより均一な熱的性能を有利に提供する。このような動作条件には、液体冷却ループによって冷却する必要のある電力半導体スイッチにおいて均一に分布しない電力損失が含まれ、さらに、時間に依存する電力損失、すなわち回路動作原理、電力源（送電網など）および／または負荷（モーターおよびコンプレッサなど）条件に依存する電力損失が含まれる。これらの条件下で、液体ループの上流および下流の電力半導体スイッチのための、最も効果的な冷却システムを有することが望ましい。そのためには、並列な液体冷却配置のいくつかのデバイスが他のデバイスより熱の発生が少ないという事実を利用する。並列ブランチを冷却した後に、そして下流の電力半導体スイッチに液体を送達する前に、冷却液体を混合することによって、液体温度を平均化し、消費電力が最も高いブランチからの最高液体温度より低い値にすることができる。

さらに、次に述べる例示的実施形態は、並列冷却ブランチ間の潜在的に不一致なΔＰを解決する簡潔な方法を提供する。この点に関しては、ΔＰのバランスをとるための付加的な要素は、新しい実施形態では必要でない。さらに、各並列冷却ブランチの直径を注意深く設計する必要がない、あるいは各並列液体ブランチの流量が適正な量になることを確実にするように流量の分布を調整するための流量調整バルブを設ける必要がない。

図３に示す例示的実施形態によれば、電力変換装置の複数の電気的コンポーネントを冷却するための冷却システム８０があり、複数の電気的コンポーネントは冷却コンポーネントと関係する。図３の詳細について述べる前に、いくつかの概念導入するのが適当であると考えられる。電力変換装置は、１つまたは複数のカラム、電力モジュール、またはカラムと電力モジュールとの組合せを有するものであってもよい。このように、新しい実施形態が適用する電力変換装置のいくつかは、カラムを有さなくてもよい。電気的コンポーネントは、電力半導体スイッチ、インダクタ、キャパシタ、抵抗器、バスバーまたは絶縁体のうちの１つまたは複数を指す。電力半導体スイッチは、例えばＩＧＣＴ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどの能動スイッチでもよく、あるいは例えばダイオードなどの受動スイッチでもよい。電気的コンポーネントの冷却は、例えば水冷インダクタ、水冷抵抗器などコンポーネントの一部として集積化することができる。さもなければ、電気的コンポーネントの冷却は、電気的コンポーネントに取り付けられる別個の冷却コンポーネントを必要とする。冷却コンポーネントは、ヒートシンク、混合マニホールド、注入マニホールド、放出マニホールド、シンセティックジェット、水パイプ、水チューブ、圧力補正デバイス、螺旋水チューブ、圧力調整バルブ、水パイプ／チューブの様々な直径、または熱交換器のうちの１つまたは複数である。

図３に戻って、冷却システム８０は第１の冷却ステージ８２を含み、第１の冷却ステージ８２は部分的または全体的に液体混合マニホールド８４に流動的に接続することができ、液体混合マニホールド８４は部分的または全体的に第２の冷却ステージ８６に次々と流動的に接続することができる。液体混合マニホールド８４は、第１の冷却ステージ８２の複数の並列冷却ブランチ８６ａ〜８６ｎからの冷却液体の流れを収集する。並列ブランチの個数ｎは、２以上である。液体混合マニホールド８４は、複数の冷却ブランチ８６ａ〜８６ｎからの加熱された冷却液体の流れを混合し、第２の冷却ステージ８６の直列冷却ブランチ８８ａ〜８８ｍに、混合された冷却液体を供給する。ここで、ｍは１または２以上である。直列冷却ブランチ８８ａ〜８８ｍは、ｐ個のヒートシンクを含むことができる。ここで、ｐは１または２以上である。並列ブランチ８６の個数は、直列ブランチ８８の個数と等しくなくてもよいことに留意されたい。

液体注入マニホールド９０および液体放出マニホールド９２は、それぞれ冷却システムに冷却液体を供給し、冷却システムから冷却液体を取り除くために、設けることもできる。このように、並列ブランチは、液体注入マニホールド９０を混合マニホールド８４に流動的に接続する。また、直列ブランチは、混合マニホールド８４を液体放出マニホールド９２に流動的に接続する。さらに、いくつかのブランチ８７ａ〜８７ｋが、注入マニホールド９０を、混合マニホールド８４に接続せずに、放出マニホールド９２に流動的に接続することに留意されたい。ここで、ｋは０、または１以上の数である。

図３に示す実施形態は、様々な冷却コンポーネントを含む。例えば、冷却ブランチ８６ａは、配管９４ａおよびヒートシンク９４ｂを含む。第１および第２の冷却ステージの残りの冷却ブランチについても同じである。ヒートシンクは、電気的コンポーネントと関係してもよい。このような電気的コンポーネント９４ｃは、冷却コンポーネントと接触することができ、冷却コンポーネントと熱を交換することができる。冷却コンポーネントおよび電気的コンポーネントの個数は、図示するように、ステージによって変化してもよいし、また図示するように、ブランチによってさえ変化してもよい。図３は例示的な図であって、ブランチまたはコンポーネントなどの正確な個数を示すことは意図していない。このために、次の実施形態および図では、例示的実施形態をより良く理解するための、より確定的な冷却システムを提示する。しかし、以下の図は、本発明をこれらの図に示したカラムまたは冷却セクションの個数に限定するものと解釈してはならない。

図４に示す例示的実施形態では、電力変換装置１００は、冷却システム１０２および３カラム電力スタック１５０を含む。上述したように、新しい特徴は、より少ないカラムを有する電力変換装置またはカラムを有さない電力変換装置にも適用する。しかし、説明の目的で、３カラム電力スタックについて次に述べる。このように、３カラム電力スタックは、新しい特徴の適用可能性を限定するものと解釈されてはならない。冷却システム１０２は、第１の冷却ステージ１０４および第２の冷却ステージ１０６を含む。各冷却ステージは、複数の冷却ブランチを有する。第１の冷却ステージ１０４は、並列冷却ブランチ１０４ａ〜１０４ｎを有し、ここでｎは２以上の所定の整数である。第２の冷却ステージ１０６は、直列冷却ブランチ１０６ａ〜１０６ｍを含み、ここでｍは１以上の所定の整数である。Ｎおよびｍは、等しくてもよく、異なってもよい。

図４は、ヒートシンク１６０を各々有する並列冷却ブランチ１０４ａ〜１０４ｎを示す。上に論じたように、他の構成が可能である。すなわち、１つの並列ブランチについて、より少ないヒートシンクがあってもよいし、より多くのヒートシンクがあってもよい。ヒートシンク１６０は、後述するような、対応する電気的コンポーネント１５８を有する。冷却システム１０２は、液体注入マニホールド１０８、液体放出マニホールド１１０および液体混合マニホールド１１２を含むこともできる。３カラム電力スタック（例示的実施形態は多重カラム電力スタックまたはカラムのない電力変換装置にも適用できる）１５０は、複数の電気的コンポーネント、例えば電力半導体スイッチ１５８を含む。３カラム電力変換装置１００は、半導体装置の第１のカラム１５２、第２のカラム１５４および第３のカラム１５６を含む。上述したように、冷却システムを用いて、より多くまたはより少ないカラムを冷却することができる。図４は、各カラムが、複数のヒートシンク１６０間に挿入された複数の電力半導体スイッチ１５８を有することを示す。他の電気的コンポーネントおよび冷却コンポーネントが、存在してもよい。

ヒートシンク１６０は、図５に示すように流路１６６によって互いに接続された注入口１６２および放出口１６４を有する金属ブロックでもよい。水は注入口１６２に入って、流路１６６を通って移動し、放出口１６４を通って流れ出ることができる。導管１６６は、図５では単純な形状で示されている。しかし、流路１６６は、精巧な形状または単純な形状を含むことができる。このような導管は冷却コンポーネントでもあり、この流路はヒートシンクだけでなく、例えば水冷インダクタとも関係することができる。流路１６６の目的は、ヒートシンクまたは他の冷却コンポーネントから流路を通って流れる流体までの熱伝達を容易にすることである。

さらに図４について、液体注入マニホールド１０８は、注入口１１３で冷却液体を受け取るように構成される。冷却液体は、電気的コンポーネントを冷却するための、適切な温度を有する。液体は、第１の冷却ステージ１０４のヒートシンク１６０に冷却液体を給送する一組の注入配管１１４に分配される。注入配管１１４は、液体注入マニホールド１０８と混合マニホールド１１２との間に並列に接続される。ここから、冷却液体はヒートシンクに入って、熱を取り除いた後、冷却液体は、液体混合マニホールド１１２に加熱された冷却液体を運ぶ放出配管１１６に入る。

混合マニホールド１１２は、第１のカラム１５２のすべてのヒートシンク１６０から、加熱された冷却液体の流れを受け取ることができることに留意されたい。このように、第１のカラム１５２の１つまたは複数の電力半導体スイッチが同じカラムの他の電力半導体スイッチより高い温度で動作する場合には、これらのコンポーネントから来る冷却液体の流れは、混合マニホールド１１２内で一緒に混合される。このようにして、直列ブランチ１０６ａ〜１０６ｍに分配される前に、冷却液体を実質的に一定の温度にする。換言すれば、第１の冷却ステージ１０４の異なる温度を有する冷却液体の流れが一緒に混合されて、実質的に均一な温度を有する冷却液体を第２の冷却ステージ１０６のブランチに供給する。

例示的実施形態では、冷却液体の流れの混合を強化するために、機構１１８を液体混合マニホールド１１２の内部に設けたり、あるいは液体混合マニホールド１１２に接続することができる。このような機構１１８は、例えば、シンセティックジェットでもよい。シンセティックジェットは、いくつかの方法で、例えば電磁ドライバ、圧電ドライバ、またはピストンなどの機械式ドライバによっても実現することができる。各ドライバは、１秒間に膜またはダイアフラムを上下に何回も動かして、チャンバへ周囲の流体を吸引し、それからそれを放出する。

液体混合マニホールド１１２は、電力変換装置１００内のカラムの機械的配置に応じて、異なる形状を有することができる。図４は、Ｕ字型の形状を有する液体混合マニホールド１１２を示す。Ｖ字型の形状または直線の形状のものとこのマニホールドに用いることもできる。しかし、Ｕ字型の形状は、第１のカラムから来る様々な液体の流れのより良好でより速い混合をもたらすことが認められた。液体混合マニホールド１１２は、様々な長さおよび直径のパイプ１１４、１１６、１２０、１２２、および１２４へ（直接または間接的に）接続することができる。パイプは、例えばステンレス鋼またはプラスチックまたは複合材料などの耐食性のある、高温、および／または、ガルバニック絶縁材料で作製することができる。

第１の冷却ステージ１０４のヒートシンクから収集された液体の流れを混合した後に、液体混合マニホールド１１２は、混合された冷却液体を、別の一組の注入配管１２０に供給することができる。注入配管１２０は、液体混合マニホールド１１２を、第２の冷却ステージ１０６および第２のカラム１５４のヒートシンクに接続する。後で論じるように、注入配管１２０は他の配管と直列に接続することができる。カラム１５４および１５６の電力半導体スイッチが、カラム１５２のスイッチよりも低い温度で動作することができるので、第２のカラム１５４の電気的コンポーネントと関係するヒートシンクからの冷却液体は、中間配管１２２を介して第３のカラム１５６の電気的コンポーネントと関係するヒートシンクへ供給される。ここから、一組の放出配管１２４（注入配管１２０および中間配管１２２と直列に接続される）は、液体放出マニホールド１１０に加熱された冷却液体を送る。加熱された冷却液体は、熱交換器（図示せず）を通して冷却し、液体注入マニホールド１０８に戻すことができる、あるいは排出することができる。

図４に示す実施形態は、３つのカラムに様々なタイプの電気的コンポーネントを有することができる。電気的コンポーネントは、電力半導体スイッチを含むことができる。例えば、カラム１５２の電力半導体スイッチは、ダイオードなどの受動スイッチより高い電力損失を有するＩＧＣＴまたはＩＥＧＴまたはプレス−パックＩＧＢＴであってもよい。一方、カラム１５４および１５６のスイッチはダイオードであってもよい。当業者によって認識されるように、電力半導体スイッチの他の組合せが可能である。

図４に示す実施形態では、３カラム電力スタックは、１つのカラム１５２が、他の２つのカラムの要素より高い損失と温度不良に対するより多くの感応性とをもつ要素を有すると仮定している。しかし、２つのカラムがより高い損失をもつ電気的コンポーネントを有する場合には、図６は、第２のカラム１５４と第３のカラム１５６との間に設けられる付加的な液体混合マニホールド２０２を含む冷却システム２００の実施形態を示す。すなわち、第２の冷却ステージ１０６が分割されて、第２の冷却ステージ１０６’および第３の冷却ステージ１０６’’になる。この配置では、第２および第３の冷却ステージのヒートシンク（または他の冷却コンポーネント）を付加的な液体混合マニホールド２０２へ流動的に接続するために、補足的な配管２０４および２０６の組が必要である。より多くのカラムおよび付加的な液体混用マニホールドを用いる、他の配置が可能である。

上で論じたように、液体混合マニホールドは、図７に示すようなＶ字型の形状、または図８に示すような直線の形状、または図９に示すような円形の形状を有することができる。図７の液体混合マニホールド３００は注入配管３０２および放出配管３０４を有し、液体混合マニホールド４００は注入配管４０２および放出配管４０４を有し、図９の液体混合マニホールド５００は注入配管５０２および放出配管５０４を有する。

別の例示的実施形態では、冷却セクションのすべてのヒートシンク（または他の冷却コンポーネント）が、液体混合マニホールドに接続されるとは限らない。例えば、図１０はこのような実施形態を示し、冷却システム６００は、液体注入マニホールド６０２、液体混合マニホールド６０４および液体放出口マニホールド６０６を含む。しかし、第１の冷却ステージ６１６のヒートシンク６０８は、液体混合マニホールド６０４に接続され、さらに第２の冷却セクション６１８のヒートシンク６１０に接続されるが、一方、第１の冷却スタック６１６の別のヒートシンク６１２は第２の冷却ステージ６１８のヒートシンク６１４に直接接続される。ヒートシンクと液体混合マニホールドとの接続を他のものに置き換えることは可能であり、それは例示的実施形態に包含されるものである。

上に論じた新規の例示的実施態様のうちの１つまたは複数は、電力半導体スイッチを冷却するために供給される液体流体に対して、温度分布さえ有利に提供する。また、これらの実施形態のうちの１つまたは複数は、様々なカラムのスイッチング素子が異なる温度で発熱する場合に、液体の流れのより良好な分布をもたらし、および／または冷却システムの構造を縮小する。

例示的実施形態によれば、以下の規則を、電力変換装置のために実現することができる。並列ブランチでは、高損失で、温度に敏感な（例えば、電流伝送、およびターンオフ能力、故障など）電気的コンポーネントに対して、並列接続の等しい圧力降下を有する冷却コンポーネント（例えば、ヒートシンク）を配置する。並列な冷却コンポーネントの最大数は、冷却システムの最大許容流量によって制限される。大部分の温度に敏感で高損失の電気的コンポーネントのための冷却コンポーネントは、冷却システムの第１の冷却ステージに並列に配置され、続いて混合マニホールドの注入口に接続される。

直列ブランチでは、異なる圧力降下を有する冷却コンポーネント、および温度に対する敏感性がより少ない電気的コンポーネントに取り付けられる冷却コンポーネントは、流量を減らすために直列に配置することができる。直列に接続することができる冷却コンポーネントの最大数は、最後のステージの総許容圧力降下および最大注入口温度によって制限される。冷却コンポーネントの多重直列ブランチ（好ましくは、例えば直列接続されたフェーズＡ、Ｂ、Ｃコンポーネントなどの電気回路トポロジーにしたがって構成される）は、並列に接続することができる。

混合マニホールドの使用については、並列冷却コンポーネントに取り付けられるそれらの電気的コンポーネントの損失が、動作条件に応じて変化する場合には、冷却液体をさらに下流の冷却コンポーネントに供給する前に、冷却液体の流れを混合マニホールド内で混合する。

混合マニホールドは、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、テフロン（登録商標）またはシリコンゴムホースで作製することができる。

図１１に示す例示的実施形態によれば、電力変換装置を冷却する方法でがる。この方法は、液体注入マニホールドに冷却液体を供給するステップ１１００と、液体注入マニホールドから電力変換装置の第１の冷却ステージのヒートシンクへ冷却液体を移動するステップ１１０２と、第１の冷却ステージのヒートシンクを冷却するステップ１１０４と、第１の冷却ステージからの異なる温度を有する加熱された冷却液体の流れを液体混合マニホールドで受け取るステップ１１０６と、液体混合マニホールド内で加熱された冷却液体の流れを混合するステップ１１０８と、電力変換装置の第２の冷却ステージのヒートシンクに混合された冷却液体の流れを供給するステップ１１１０と、液体放出マニホールドで第２の冷却ステージからの冷却液体の流れを収集するステップ１１１２とを含む。

開示された例示的実施形態は、多重冷却ブランチを有する多重カラム電力スタックおよび／または電力変換器をより良好に冷却するためのシステムおよび方法を提供する。この説明が本発明を限定する目的ではないことを理解すべきである。反対に、例示的実施形態は、代替例、変形例および均等例を包含するものであり、これらは添付した特許請求の範囲によって定義されるような本発明の趣旨および範囲に含まれる。さらに、例示的実施形態の詳細な説明において、多数の特定の詳細は、特許請求される本発明の包括的な理解を与えるために記載したものである。しかし、当業者は、様々な実施形態がこのような特定の詳細がなくとも実施できることを理解するであろう。

本例示的実施形態の特徴および要素が特定の組合せで実施形態に記載されているが、実施形態の他の特徴および要素なしに単独で、または本明細書に開示された他の特徴および要素との様々な組合せで、またはこれらを含まない様々な組合せで、各特徴または要素を用いることができる。

いかなる当業者であっても同じことを実施できるようにするために、本明細書は開示した本発明の主題の実施例を用いる。それは、いかなるデバイスまたはシステムをも製作し、使用し、またいかなる組み込まれた方法をも実行することを含む。本発明の主題の特許され得る範囲は、特許請求の範囲によって定義され、また当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲に含まれるものとする。

１０ 冷却システム
１２ 電力スタック
１２ａ〜１２ｃ カラム
１４ 電力半導体スイッチ
１６ ヒートシンク
１８ 絶縁体
２０ 注入パイプ
２２ 放出パイプ
３０ 第１の液体注入マニホールド
３１ 第２の液体注入マニホールド
３２ 第１の液体放出マニホールド
３３ 第２の液体放出マニホールド
３４ 注入口
３５ 並列ブランチ
３６ 圧力補正器
３７ 直列ブランチ
３８ 注入パイプ
４０ 圧力補正器
４２ 接続パイプ
４４ 放出パイプ
５０ 冷却システム
５２ 液体注入マニホールド
５４ 液体放出マニホールド
５６ パイプ
５８ 第１のヒートシンク
６０ 第２のヒートシンク
６２ 第３のヒートシンク
６３ 電力半導体スイッチ
６４ 電力半導体スイッチ
６６ 電力半導体スイッチ
８０ 冷却システム
８２ 第１の冷却ステージ
８４ 液体混合マニホールド
８６ 第２の冷却ステージ
８６ａ〜８６ｎ 並列冷却ブランチ
８７ａ〜８７ｋ ブランチ
８８ａ〜８８ｍ 直列冷却ブランチ
９０ 液体注入マニホールド
９２ 液体放出マニホールド
９４ａ 配管
９４ｂ ヒートシンク
９４ｃ 電気的コンポーネント
１００ 電力変換装置
１０２ 冷却システム
１０４ 第１の冷却ステージ
１０４ａ〜１０４ｎ 並列冷却ブランチ
１０６ 第２の冷却ステージ
１０６ａ〜１０６ｍ 直列冷却ブランチ
１０６’ 第２の冷却ステージ
１０６’’ 第３の冷却ステージ
１０８ 液体注入マニホールド
１１０ 液体放出マニホールド
１１２ 液体混合マニホールド
１１３ 注入口
１１４ 注入配管
１１６ 放出配管
１１８ 機構
１２０ 注入配管
１２２ 中間配管
１２４ 放出配管
１５０ ３カラム電力スタック
１５２ 第１のカラム
１５４ 第２のカラム
１５６ 第３のカラム
１５８ 電力半導体スイッチ
１６０ ヒートシンク
１６２ 注入口
１６４ 放出口
１６６ 流路
２００ 冷却システム
２０２ 付加的な液体混合マニホールド
２０４ 補足的な配管
２０６ 補足的な配管
３００ 液体混合マニホールド
３０２ 注入配管
３０４ 放出配管
４００ 液体混合マニホールド
４０２ 注入配管
４０４ 放出配管
５００ 液体混合マニホールド
５０２ 注入配管
５０４ 放出配管
６００ 冷却システム
６０２ 液体注入マニホールド
６０４ 液体混合マニホールド
６０６ 液体放出マニホールド
６０８ ヒートシンク
６１０ ヒートシンク
６１２ ヒートシンク
６１４ ヒートシンク
６１６ 第１の冷却ステージ
６１８ 第２の冷却ステージ
１１００ 水注入マニホールド内に水を供給する
１１０２ 水注入マニホールドから電力デバイスの第１のカラムのヒートシンクへ、水を移動させる
１１０４ 第１のカラムのヒートシンクを冷却する
１１０６ 第１のカラムからの異なる温度を有する加熱された水の流れを、水混合マニホールドで受け取る
１１０８ 水混合マニホールド内で、加熱された水の流れを混合する
１１１０ 電力デバイスの第２および第３のカラムのヒートシンクに、混合された水の流れを供給する
１１１２ 第３のカラムに接続された水放出マニホールドで、水を収集する

Claims (20)

1. 電力変換装置のための液体冷却システムであって、
   前記電力変換装置の第１の冷却コンポーネントを含む第１の冷却ステージであり、前記冷却コンポーネントは、並列冷却ブランチを形成するように接続される、第１の冷却ステージと、
   前記並列冷却ブランチに流動的に接続され、その結果、前記並列冷却ブランチからの冷却液体の流れが前記混合マニホールド内で混合されるように構成される、混合マニホールドと、
   第２の冷却コンポーネントを含む第２の冷却ステージであり、前記第２の冷却ステージは、前記冷却システムを通って流れる冷却液体に関して、前記第１の冷却ステージと直列に接続される、第２の冷却ステージと、
   を含み、
   前記第１の冷却ステージからの前記冷却液体の流れは、前記第２の冷却ステージに供給される前に、前記混合マニホールド内で一緒に混合される、液体冷却システム。
2. 前記第１の冷却ステージの前記並列冷却ブランチの少なくとも１つのブランチは、多重冷却コンポーネントを含む、請求項１記載の液体冷却システム。
3. 前記多重冷却コンポーネントは、直列に流動的に接続される冷却パイプおよびヒートシンクである、請求項２記載の液体冷却システム。
4. 前記第１または前記第２の冷却コンポーネントの冷却コンポーネントは、電気的コンポーネントの面と直接接触する面を有する、または、前記冷却コンポーネントは、前記電気的コンポーネントにより一体的に構築される、請求項１記載の液体冷却システム。
5. 前記第１の冷却ステージの前記第１の冷却コンポーネントにより冷却されるように構成される第１の電気的コンポーネントと、
   前記第２の冷却ステージの前記第２の冷却コンポーネントにより冷却されるように構成される第２の電気的コンポーネントと、
   をさらに含む、請求項１記載の液体冷却システム。
6. 前記第１の電気的コンポーネントまたは前記第２の電気的コンポーネントは、抵抗器、インダクタ、キャパシタまたは電力半導体スイッチのうちの１つまたは複数を含む、請求項５記載の液体冷却システム。
7. 前記電力半導体スイッチは、プレス−パックＩＧＣＴ、プレス−パックＩＧＢＴ、プレス−パックＩＥＧＴ、ＳＣＲ、ＩＧＢＴモジュール、ＭＯＳＦＥＴ、またはプレス−パックダイオードのうちの１つである、請求項６記載の液体冷却システム。
8. 前記第２の冷却ステージと直列に接続され、１つまたは複数の冷却ブランチを含む、少なくとも１つの第３の冷却ステージをさらに含む、請求項１記載の液体冷却システム。
9. 前記第１の冷却ステージは、電力半導体スイッチを含むカラムと関係し、前記第２の冷却ステージは、電力半導体スイッチを含む２つのカラムと関係する請求項１記載の液体冷却システム。
10. 前記第１の冷却ステージの前記並列冷却ブランチに流動的に接続された液体注入マニホールドと、
    前記第２の冷却ステージの前記第２の冷却コンポーネントに流動的に接続された液体放出マニホールドと、
    をさらに含み、
    前記混合マニホールドは、（ｉ）前記第１の冷却ステージから、異なる温度を有する前記加熱された冷却液体の流れを受け取り、（ｉｉ）実質的に単一の温度になるように、前記加熱された冷却液体の流れを混合させ、（ｉｉｉ）前記第２の冷却ステージの前記第２の冷却コンポーネントに、前記混合された冷却液体の流れを供給するように構成される、請求項１記載の液体冷却システム。
11. 前記第１の冷却ステージは、
    前記第１の冷却ステージの前記液体注入マニホールドとヒートシンクとの間に接続される注入配管と、
    前記第１の冷却ステージの前記ヒートシンクと前記混合マニホールドとの間に接続される放出配管と、
    をさらに含み、
    前記第１の冷却ステージの前記ヒートシンクは、電気的コンポーネントの第１のカラムと関係する、請求項１０記載の液体冷却システム。
12. 前記第２の冷却ステージは、
    電気的コンポーネントの第２のカラムと関係する前記第２の冷却ステージの前記混合マニホールドとヒートシンクとの間の注入配管と、
    前記第２のカラムと関係する前記第２の冷却ステージの前記ヒートシンクと電気的コンポーネントの第３のカラムと関係する前記第２の冷却ステージのヒートシンクとの間の中間配管と、
    前記第３のカラムと関係する前記第２の冷却セクションの前記ヒートシンクと前記液体放出マニホールドとの間の放出配管と、
    をさらに含み、
    前記注入配管、前記中間配管および前記放出配管は、前記液体混合マニホールドと前記液体放出マニホールドとの間に直列に接続される、請求項１１記載の液体冷却システム。
13. 前記混合マニホールドは、Ｕ字型の形状を有する、請求項１記載の液体冷却システム。
14. 前記混合マニホールドは、Ｖ字型の形状、直線の形状または円形の形状を有する、請求項１記載の液体冷却システム。
15. 前記冷却液体の流れの前記混合を容易にするための、前記混合マニホールドに接続される混合機構をさらに含む、請求項１記載の液体冷却システム。
16. 前記第２の冷却ステージと第３の冷却ステージとの間に接続される付加的な混合マニホールドをさらに含む、請求項１記載の液体冷却システム。
17. 電力変換装置であって、
    第１および第２の電気的コンポーネントを含む電力スタックと、
    前記電力変換装置の第１の冷却ステージに流動的に接続され、前記第１の冷却ステージと関係する前記第１の電気的コンポーネントを冷却するために、前記第１の冷却ステージに冷却液体を供給するように構成される注入マニホールドと、
    前記第１の冷却ステージに流動的に接続され、（ｉ）前記第１の冷却ステージから、異なる温度を有する加熱された冷却液体の流れを受け取り、（ｉｉ）実質的に単一の温度になるように、前記加熱された冷却液体の流れを混合させ、（ｉｉｉ）前記第２の冷却ステージと関係する第２の電気的コンポーネントを冷却するために、前記電力変換装置の第２の冷却ステージに、前記混合された冷却液体の流れを供給するように、構成される混合マニホールドと、
    前記電力変換装置の前記第２の冷却ステージに流動的に接続され、前記第２の冷却ステージから前記混合された冷却液体の流れを受け取るように構成される放出マニホールドと、
    を含む電力変換装置。
18. 前記混合マニホールドは、Ｕ字型の形状を有する、請求項１７記載の電力変換装置。
19. 前記注入マニホールドを前記放出マニホールドに直接接続する冷却ブランチをさらに含む、請求項１７記載の電力変換装置。
20. 電力変換装置を冷却する方法であって、
    冷却液体を注入マニホールドに供給するステップと、
    前記注入マニホールドから前記電力変換装置の第１の冷却ステージのヒートシンクへ前記冷却液体を移動させるステップであり、前記ヒートシンクは並列冷却ブランチに設けられる、ステップと、
    前記第１の冷却ステージの前記ヒートシンクを冷却するステップと、
    前記第１の冷却ステージの前記並列冷却ブランチから、異なる温度を有する加熱された冷却液体の流れを、混合マニホールドにおいて受け取るステップと、
    前記混合マニホールド内で、前記加熱された冷却液体の流れを混合するステップと、
    前記電力変換装置の第２の冷却ステージのヒートシンクに、前記混合された冷却液体の流れを供給するステップと、
    前記第２の冷却ステージに接続される放出マニホールドにおいて、前記第２の冷却ステージからの前記混合された冷却液体の流れを収集するステップと、
    を含む、方法。