JP7378551B2 - 液冷アセンブリおよび方法 - Google Patents

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Description

連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
本発明は、合衆国政府によって授与された契約第W911NF1820101号の下に、政府支援を受けてなされたものである。合衆国政府は、本発明に関して一定の権利を有する。
関連出願の相互参照
本出願は、2021年10月12日に出願された米国特許出願第17/499,324号の優先権を主張するものであり、その全体が、参照により本明細書に組み込まれている。
本開示は、一般に、電力モジュール部品に関し、より詳細には、電力モジュール部品の直接液冷のための構造を有するハウジングに関する。
電力系統は、発電機などの電源から電気負荷への電力の供給を管理する。一例では、ガスタービンエンジンが航空機の推進に使用され、通常は、発電機、始動機/発電機、永久磁石交流発電機(PMA: permanent magnet alternator)、燃料ポンプ、および油圧ポンプなどの多くの様々な付属装置、例えば、推進以外の、航空機上で必要とされる機能のための機器、に最終的に電力を供給する機械力をもたらす。例えば、現代の航空機は、航空電子機器、モータ、および他の電気機器のための電力を必要とする。ガスタービンエンジンに結合された発電機は、エンジンの機械力を電気エネルギーに変換し、電気エネルギーは、電力分配システムの電気的に結合されたノードにより航空機の至る所に分配される。さらに、そのような電力システム内の電気部品は、動作中、相当量の熱を生成する可能性があり、ヒートスプレッダ、熱交換器等を含む様々な機構が、そのようなシステムを冷却するために存在する。
本開示の態様および利点は、以下の説明において部分的に記載され、または該説明から明白となり、または本明細書における本開示の実践により学習され得る。
一態様では、本開示は電子部品のための液冷アセンブリに関する。該アセンブリは、少なくとも1つの部品室を画定するハウジングであって、ハウジングの外側上に設けられている挿入スロットを有する、ハウジングと、該部品室の第1の側に配置されている第1の衝突噴霧器と、部品室の第2の側に配置されている第2の衝突噴霧器と、該第1の衝突噴霧器および該第2の衝突噴霧器に流体連結されている、ハウジング上の入口と、部品室に流体連結されている、ハウジング上の出口と、該入口から、第1の衝突噴霧器および第2の衝突噴霧器のうちの少なくとも1つを通って、部品室を通って、該出口まで、ハウジングを通過する冷却液回路とを含む。
別の態様では、本開示は、基板に連結された1組の発熱部品を有する電子部品を冷却する方法に関する。本方法は、冷却液を、供給ラインを通して、電子部品の対向する側に配置されている第1の衝突噴霧器と第2の衝突噴霧器とへ流動させるステップと、該第1の衝突噴霧器および該第2の衝突噴霧器から、冷却液の衝突噴霧を、部品室内の電子部品の少なくとも2つの対向面上に放出するステップと、噴霧冷却液を、部品室に流体連結されている戻りラインを通して部品室から外に方向付けるステップとを含む。
本開示のこれらのかつ他の特徴、態様、および利点が、次の説明および添付の特許請求の範囲を参照して、よりよく理解されるようになるであろう。本明細書に組み込まれておりかつその一部を成す添付図面は、本開示を示し、本文と共に本明細書における本開示の原理を説明するのに役立つ。
当業者を対象とする、本開示の最良の形態を含む、完全かつ実施可能な開示が、本明細書に記載されており、該開示は添付の図を参照する。
本明細書に記載されている様々な態様による、パワーオーバーレイ(POL: power overlay)タイルの形の電子部品のためのモジュール液冷アセンブリの概略斜視図である。 図1のアセンブリ内の1つのモジュールユニットの概略斜視図である。 線III-IIIに沿った、図2のモジュールユニットの概略横断面図である。 本明細書に記載されている様々な態様による、電子部品のための別のモジュール液冷アセンブリの斜視図である。 線V-Vに沿った、図4のアセンブリの横断面図である。 線IV-IVに沿った、図4のアセンブリの横断面図である。 本明細書に記載されている様々な態様による、電子部品を冷却する方法を示す流れ図である。
本開示の態様が電力アセンブリまたは電力アーキテクチャに関する。説明のために、本開示は航空機電力系統の1つの例示的環境において説明される。当然のことながら、本開示の態様が、任意の電力系統、ならびに他のモバイル用途、および非モバイルの工業用途、商業用途、住宅用途などの非航空機用途への一般的適用性を有し得る。
典型的なパワーエレクトロニクスデバイスチップが、一般に、一方の側でデバイス表面の上方に延在している脆弱なワイヤボンディングまたはリボンボンディングで相互接続されており、チップからデバイスの他方の側への主熱除去経路を制限する。従来のワイヤボンディングまたはリボンボンディングデバイスが電力モジュールの容易な両側冷却または積層を可能にしない。これは、結果的に、別々の平面冷却板に取り付く二次元または平面「タイル状」デバイス構造をもたらす。そのような冷却板は熱除去経路内に付加的な熱抵抗を有し、デバイス自体における直接接触強制対流に対してより低い熱性能を有する。
さらに、冷却流体性能が、様々な種類の流体に関して異なる。電気絶縁冷却流体(例えば、油)が、一般に、直接接触冷却用の他のより弱い絶縁の冷却流体(例えば、水)と比較して、所定のポンプ力に関してより低い熱性能を有する。
本開示の態様が、デバイスの複数の面上での直接液体衝突によるパワーエレクトロニクスデバイス冷却のための装置および方法を可能にする。1つの非制限的例では、パワーオーバーレイ(POL)タイルなどの電子部品が、結果的に小型平面フォームファクタをもたらすワイヤボンディングのない構造で製造される。そのようなPOLタイルは、炭化ケイ素(SiC)チップ、バスバー等の、冷却を必要とするPOLタイルのすぐ隣接した部分に配置されている冷却液体の直接接触または衝突ジェットをもたらすハウジング内へ挿入される。ハウジングは、POLタイルが中へ挿入され得る漏れ留めフィードスルーと、他のデバイスに対して成された電気的接続とを含む。本開示のこれらのかつ他の態様が本明細書にさらに詳細に記載される。
全ての方向の言及(例えば、径方向、軸方向、上部、下部、上向き、下向き、左、右、横、前、後、最上部、底部、上、下、垂直、水平、時計回り、反時計回り)が、本開示の読者の理解を助けるために、識別目的で使用されているに過ぎず、特にその位置、配向、または使用に関して制限を作り出さない。接続の言及(例えば、取り付けられた、連結された、接続された、結合された)が広く解釈されるべきであり、別段の指示がない限り、一群の要素間の中間部材と要素間の相対運動とを含み得る。したがって、接続の言及が、2つの要素が直接接続されかつ互いに固定関係にあることを必ずしも示唆するとは限らない。非制限的例では、接続または切断が、それぞれの要素間の電気的接続を設ける、有効にする、無効にする等のために選択的に構成され得る。
「1組の」様々な要素が記載されるが、当然のことながら、「組」は、1つだけの要素を含む、それぞれの要素の任意の数を含み得る。さらに、「電圧」、「電流」、および「電力」などの用語が本明細書において用いられる可能性があるが、電気回路または回路動作の態様を説明する場合、これらの用語は互いに交換可能であることが、当業者には明白であろう。
本開示は、スイッチを有する任意の電気回路環境において実施され得る。本開示の態様を含み得る電気回路環境の1つの非制限的例には、航空機電気系統アーキテクチャが含まれ得、それは、ガスタービンエンジンなどのタービンエンジンの少なくとも1つのスプールから電力の生産を可能にし、電力を、固体電力制御装置(SSPC: solid state power controller)切替デバイスなどの少なくとも1つの個体スイッチ経由で1組の電気負荷に供給する。SSPCの1つの非制限的例には、炭化ケイ素(SiC)または窒化ガリウム(GaN)ベースのハイパワースイッチなどの金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET: metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)が含まれ得る。SiCまたはGaNは、それらの固体材料構成、より小さくより軽いフォームファクタにおいて高電圧および大電力レベルを取り扱うそれらの能力、ならびに電気的動作を非常に迅速に実施するそれらの高速切替え能力に基づいて選択され得る。追加の切替デバイスまたは追加のシリコンベースの電源スイッチが含まれ得る。
本明細書において用いられているように、「システム」または「コントローラモジュール」という用語は少なくとも1つのプロセッサおよびメモリを含み得る。メモリの非制限的例には、ランダムアクセスメモリ(RAM)、リードオンリメモリ(ROM)、フラッシュメモリ、またはディスク、DVD、CD-ROM等の1つもしくは複数の異なる種類の可搬型電子メモリ、あるいはこれらの種類のメモリの任意の適切な組合せが含まれ得る。プロセッサは、様々な方法、機能、処理タスク、計算等を実行して、本明細書に記載されている技術的操作もしくは動作を可能にするかまたは実現するように設計されている任意の適切なプログラムあるいは実行可能な命令を実行するように構成され得る。
例示的図面は例示目的のものに過ぎず、本明細書に添付されている図面に表示されている寸法、位置、順序、および相対的サイズは変わる可能性がある。
図1は、本明細書に記載されている様々な態様による、電子部品のための例示的液冷アセンブリ10(以下「アセンブリ10」)の概略図である。該電子部品はパワーオーバーレイ(POL)タイル14の例示的形態で描写される。本開示の態様が、非制限的例においてプリント基板(PCB)カードまたはPCBタイルを含む任意の適切な電子部品に適用され得る。
アセンブリ10は、対応するPOLタイル14を担持している複数の連結されたハウジング12を含む。図示の例では、1つのPOLタイル14が、対応するハウジング12内に配置されているが、そうである必要はない。
各POLタイル14は第1の端部16から第2の端部18まで延在している。該POLタイル14は、第2の端部18において、例えば発電機、バス、または他の電源により、電力供給されることが可能であり、第1の端部16経由で、供給された電力を、接続されたデバイスに切替え可能に供給することができる。デバイス取付けのために複数のワイヤボンディングを利用する従来のデバイスと対照的に、POLタイル14は、直接接続が可能にされてインダクタンスを低減し、デバイス切替え性能を向上させ、またはデバイス切替え時間を減少させる、ワイヤボンディングのないアーキテクチャを含み得ることが考えられる。本開示の明瞭さまたは理解を向上させる必要がある場合を除いて、POLタイル14の特別な詳細が記載されない。
アセンブリ10はモジュールアセンブリの形であり得る。図示の例では、1つのハウジング12および1つのPOLタイル14がモジュールユニット20を集合的に画定している。さらにまたはあるいは、モジュールユニット20は、複数のPOLタイル14を受容する単一ハウジング12により画定され得る。各モジュールユニット20は固定され、積層され、または連結されて、非制限的例において水平にかつ垂直になどの少なくとも2つの方向に延在することができる。このようにして、アセンブリ10は連結されかつ複数の方向に沿って配置された複数のモジュールユニットを有し、電力需要を満たすために、さらに高い電力密度を有する多次元液冷アセンブリを形成し得る。
1つの非制限的例では、液冷アセンブリ10は、1つまたは複数の流体接続部15(破線で概略的に示されている)を含み得る。任意の数の流体接続部15が利用され得る。そのような流体接続部15は、非制限的例において、モジュールユニット20への流体入口と、モジュールユニット20への流体出口と、または2つのモジュールユニット20間の流体継ぎ手とを設けることができる。
図2を参照すると、ハウジング12とPOLタイル14とを備えた1つの例示的モジュールユニット20が、アセンブリ10内で利用され得るように示されている。該POLタイル14は、1組の電気デバイス24を担持する基板22をさらに含む。該1組の電気デバイス24は、固体切替デバイス、それぞれの固体切替デバイスのゲートを動作させるように構成されているゲートデバイス、ダイオードなどの整流部品、電池などの電源デバイス等、またはそれらの任意の組合せを含み得る。第2の端部18は、必要に応じた他の電気デバイスへの接続のためのピン配列コネクタ26を含む。随意に、絶縁または誘電体コーティング25が、1組の電気デバイス24上またはPOLタイル14全体上を含む、POLタイル14の任意の部分上に設けられ得る。そのようなコーティング25は、非制限的例においてシリコーンまたはパリレンを含む、任意の適切な絶縁材料を含み得る。図示の例では、コーティング25は、1組の電気デバイス24を含む基板22の部分上に示されているが、そうである必要はない。
封止要素28がアセンブリ10内に設けられ得る。図示の例では、封止要素28はPOLタイル14に連結されている。さらにまたはあるいは、封止要素28はハウジング12もしくはPOLタイル14のどちらかまたは両方に連結され得る。図示の例は、図示のように、第1の端部16に近接した第1のシール30と、第2の端部18に近接した第2のシール32とを含む。封止要素28は、ゴム、シリコーン、誘電材料、ポリマー材料、複合材料、もしくは繊維ガラス材料等、またはそれらの組合せを含むがそれらに限定されない任意の適切な材料で形成され得る。さらに、一対のシールを含むように示されているが、封止要素28は、1つだけまたは3つ以上を含む任意の数のシールを含み得る。別の非制限的例では、封止要素28は、その遠位端でPOLタイル14に連結されているU形封止体などの、複数の位置でPOLタイル14に連結されている単一体として形成され得る。さらに、封止要素28は略矩形の要素として示されているが、これは単に視覚的明瞭さのためであり、封止要素28の設計、大きさ、または形状はそれに限定されない。封止要素28は任意の適切な幾何学的外形と、当該技術分野において知られている、係止機構、締結具等を含む他の構成要素を有し得る。
ハウジング12は、内部36の境界をつけている外壁34を含む。第1の挿入スロット38の形の開口部が外壁34を貫通して内部36まで延在している。POLタイルは、図示のように、該第1の挿入スロット38を通してハウジング12内へ挿入され得る。
任意の適切な製造方法またはプロセスがアセンブリ10を形成することにおいて利用されることが可能であり、鋳造、機械加工、または積層造形を含む。本明細書において用いられている「積層造形」(AM: additive manufacturing)という用語は、構成要素が材料の連続堆積により層ごとに構築されるプロセスを指す。AMは、材料の層上に層を付加することにより3D物体を構築する技術を説明するのに適切な名であり、材料はプラスチックまたは金属のどちらかである。AM技術は、コンピュータ、3Dモデリングソフトウェア(コンピュータ支援設計またはCAD)、機械装置、および積層材料を利用し得る。CADスケッチが作り出されると、AM機器がCADファイルからデータを読み込み、層上に層の方法で、液体、粉末、シート材料、または他の材料の連続層を置くかまたは付加して、3D物体を製造することができる。「積層造形」という用語は、3D印刷、ラピッドプロトタイピング(RP: Rapid Prototyping)、ダイレクトデジタルマニュファクチュアリング(DDM: Direct Digital Manufacturing)、積層造形(layered manufacturing)、および積層造形(additive fabrication)のようなサブセットを含む多くの技術を包含することを理解すべきである。積層造形構成要素を形成するのに利用され得る積層造形の非制限的例には、粉末床溶融結合、液槽光重合、バインダジェッティング、材料押出し、指向性エネルギー堆積、材料噴射、またはシート積層が含まれる。
図3は、ハウジング12および挿入後のPOLタイル14の概略断面図を示す。視覚的明瞭さのために、コーティング25は図3に示されていない。当然のことながら、POLタイル14の任意の部分が誘電体コーティング25を含み得る。
ハウジング12は、内部36へ延在している、外壁34を貫通する第2のスロット40をさらに含む。図示の例では、第2のスロット40は第1の挿入スロット38と位置合わせしているが、そうである必要はない。POLタイル14の第1の端部16は第1の挿入スロット38に隣接して配置されている。POLタイル14の該第2の端部18は第2のスロット40に隣接して配置されている。このようにして、第2の端部18は第2のスロット40により受容され得るかまたはそれを貫通して延在することができ、例えばピン配列コネクタ26(図1)への外部アクセスを可能にする。別の例では、POLタイルが第1の挿入スロット38を通して挿入された場合、追加スロットが必要とされず、第2の端部18はハウジング12内に残っていることができる。
ハウジング12がPOLタイル14の液体衝突冷却をもたらし得ることがさらに考えられる。より具体的には、ハウジング12の外壁34は少なくとも1つの流体入口42と流体出口44とを画定し得る。複数の流体入口42および複数の流体出口44が設けられることが可能であるが、そうである必要はない。第1の流体チャネル46および第2の流体チャネル48がハウジング12内に配置され、流体入口42に流体連結されることが可能である。衝突室の形の中心部品室52が第1の流体チャネル46と第2の流体チャネル48との間に配置され、流体出口44へ流体連結されることが可能である。第1の内壁56が第1の流体チャネル46を部品室52から分割する。第2の内壁58が第2の流体チャネル48を部品室52から分割する。このようにして、第1の内壁56は部品室52の第1の側面を形成することができ、第2の内壁58は部品室52の第2の側面を形成することができる。
第1の衝突噴霧器66および第2の衝突噴霧器68が衝突流をPOLタイル14上へ方向付ける。該衝突噴霧器はPOLタイル14の対向面にまたは部品室52の対向面に配置され得る。図示の通り、1つの可能性のある実施が、衝突噴霧器66、68をそれぞれの第1の内壁56および第2の内壁58内に組み込むことである。図示の例では、第1の衝突噴霧器66は、第1の内壁56を貫通して延在する第1の組の衝突穴部67の形であり、第2の衝突噴霧器68は、第2の内壁58を貫通して延在している第2の組の衝突穴部69の形である。衝突噴霧器66、68は、非制限的例において円形穴部、矩形スロット、ジェットノズル、シャワーヘッドノズル等を含む、任意の適切な形態を有し得る。別の非制限的例では、衝突噴霧器66、68のどちらかまたは両方が、液体供給ラインに連結されている噴霧器体またはノズルを含み得る。また、第1の衝突噴霧器66または第2の衝突噴霧器68のどちらかまたは両方が、図示のように、それぞれの第1の流体チャネル46および第2の流体チャネル48を部品室52に流体連結し得る。このようにして、第1の内壁56および第2の内壁58は部品室52を少なくとも部分的に画定し得る。
任意の数の衝突噴霧器が設けられ得る。さらに、任意の数の衝突穴部が、第1の組の衝突穴部67および第2の組の衝突穴部69内に設けられ得る。図示の例では、第1の組の衝突穴部67は第2の組の衝突穴部69よりも少ない衝突穴部を含有するが、そうである必要はない。例えば、POLタイル14は、動作中、個別のもしくは局部的な加熱領域または「ホットスポット」を有し得る。そのような場合には、衝突噴霧器または衝突穴部の集団がそのような領域に隣接してまたは面して配置されて、局部的な衝突冷却をもたらし得る。衝突噴霧器の数および配置は、改善された冷却および効率性のために、パワーオーバーレイタイルに合わせられ得る。さらに、衝突噴霧器の相対的なサイズ、配置、および配列は調節され得るか、または液体供給ラインを通る流体流率に基づいて調整され得る。1つの非制限的例では、該供給ラインおよび衝突噴霧器は、0.1m/sから1m/sの間の、または1m/sから3m/sの間の、または3m/sよりも速い衝突噴霧器により、流体速度またはジェット速度を実現するように構成され得る。
POLタイル14がPOL室52内へ挿入された場合、封止要素28は、ハウジング12の対応する内面または内部表面に当接するかまたは接触することができる。図示の例では、第1のシール30は第1の挿入スロット38に隣接した第1の表面76に当接し、第2のシール32は第2のスロット40に隣接した第2の表面78に当接するが、そうである必要はない。封止要素28は衝突室52の流体封止をもたらし、第1の挿入スロット38または第2のスロット40を通る漏出を防止することができる。このようにして、第1の内壁56、第2の内壁、または封止要素28は部品室52を少なくとも部分的に画定し得る。
図1～図3を全般的に参照すると、動作中、熱がPOLタイル14上の1組の電気デバイス24により生成され得る。水などの冷却液90、水－エチレングリコール、油、または誘電性流体が、流体入口42により、ハウジング12内へ流入し得る。POLタイル14が誘電体コーティング25を含む非制限的例では、POLタイル14内の部品の電気絶縁を維持しながら、冷却液90として水が使用され得る。
より具体的には、冷却液90は第1の流体チャネル46および第2の流体チャネル48に進入することができ、第1の衝突噴霧器66および第2の衝突噴霧器68を通って流動し、流体出口44を通ってハウジング12を出る前に、室52内のPOLタイルの両面に衝突する。このようにして、冷却液回路92が流体入口42から、第1の流体チャネル46および第2の流体チャネル48のうちの少なくとも1つまで、第1の衝突噴霧器66および第2の衝突噴霧器68のうちの少なくとも1つまで、部品室52まで、流体出口44までハウジング12を通過することができる。供給ライン94が、流体入口42および一方または両方の衝突噴霧器66、68により、少なくとも部分的に画定され得る。戻りライン96が、部品室52および流体出口44により、少なくとも部分的に画定され得る。供給ライン94および戻りライン96は冷却液回路92を少なくとも部分的に形成し得る。このようにして、ハウジング12は、中に挿入されるPOLタイル14の少なくとも両面の液体衝突冷却をもたらし得る。
また、1つの可能性のある実施では、冷却液90は戻りライン96と供給ライン94との間で再循環させられ得ることが考えられる。図示の例では、冷却液90は、ポンプ93により、リザーバ91から引き出され得る。該ポンプ93は、POLタイル14の衝突冷却のために、冷却液90を供給ライン94へ方向付けることができる。戻りライン96は、POLタイル14からの冷却液内に含有される余分な熱を除去するために、冷却液90をハウジング12から外に熱交換器95または他の冷却機構へ方向付けることができる。還元温度の冷却液90は、次いで、ハウジング12内のPOLタイル14のさらなるまたは継続的な衝突冷却のために、供給ライン94へ方向付けられ戻されることが可能である。リザーバ91、ポンプ93、および熱交換器95は、視覚的明瞭さのために、冷却液回路92の共通部分に沿って示されている。当然のことながら、冷却液回路92は、他の部分、分岐等、および該技術分野において既知の、弁、スイッチ等の他の構成要素を含み得る。
アセンブリ10およびモジュールユニット20のいくつかの追加の非制限的例または実施が後述される。当然のことながら、そのような例は例示目的で与えられている。
1つの例示的実施では、複数のモジュールユニット20が、対応する流体入口42と流体出口44との間に流体連結され得る。一例では、第1のモジュールユニットの流体出口は、複数のモジュールユニットが連続して流体連結されておりかつ共通の冷却液回路を共同使用するように、第2のモジュールユニットの流体入口に連結され得る。
別の例示的実施では、2つのモジュールユニットが流動的に分離した冷却液回路を設けられ得る。例えば、第1のモジュールユニットが第1の冷却液を供給されることが可能であり、第2のモジュールユニットが第2の冷却液を供給されることが可能である。そのような装置は、1つの非制限的例におけるPOLタイルおよびPOLカードなどの2つの異なる種類の電子部品を冷却するために利用され得ると考えられる。
別の例示的実施では、第1の群のモジュールユニットが、例えば流体入口が流体出口に連続して連結されている状態で、第1の冷却液回路を共同使用することができ、一方第2の群のモジュールユニットが第2の冷却液回路を共同使用する。
別の例示的実施では、単一のモジュールユニット20が複数の冷却液回路を設けられ得る。例えば、ハウジングは第1の流体入口と第1の流体出口とを含むことができ、第1の冷却液回路がそれらの間にハウジングを通って延在している。また、ハウジングは、第2の流体入口と第2の流体出口とを含むことができ、第2の冷却液回路がそれらの間にハウジングを通って延在している。第1の冷却液回路および第2の冷却液回路は同一のまたは異なる冷却液を持ち得る。一例では、第1の冷却液回路は電子部品の一方の面に流体連結されており、第2の冷却液回路は電子部品の別の面に流体連結されている。一例では、第1の冷却液回路は、冷却液を第1の速度で電子部品の一方の面に衝突させ、第2の冷却液回路は、冷却液を第2の速度で電子部品の第2の面に衝突させる。一例では、第1の冷却液回路は第1の冷却液、例えば油、を電子部品の一方の面に供給し、第2の冷却液回路は第2の冷却液、例えば水、を電子部品の他方の面に供給する。
モジュール液冷アセンブリ10は、各モジュールユニットへ供給される1つまたは複数の種類の冷却液を有し得ることが考えられる。また、該モジュール液冷アセンブリ10は、中に含有されているPOLタイルなどの各電子部品へ供給される1つまたは複数の種類の冷却液を有し得ることが考えられる。1つまたは複数の種類の冷却液は、冷却のニーズ、性能、または他の検討事項に基づいて、各モジュールユニットまたは各部品室に合わせられることが可能である。
ここで図4を参照すると、別の液冷アセンブリ110が示されている。アセンブリ110はアセンブリ10に類似している。したがって、同様の部品が100増加した同様の番号で表され、当然のことながら、記載のない限り、アセンブリ10の同様の部品の説明はアセンブリ110に適用される。
アセンブリ110は流体入口142と流体出口144とを備えたハウジング112を含む。アセンブリ10と比較した1つの相違は、ハウジング112が、複数の電子部品、例えば複数のPOLタイル、を受容するように構成されている複数の挿入スロット138を含むことである。図示の例では、ハウジング112は(破線輪郭線で示されている)第1のPOLタイル114Aおよび第2のPOLタイル114Bを受容するように構成されている。第1のPOLタイル114Aおよび第2のPOLタイル114Bは積層構造内のハウジング112内に受容され得る。当然のことながら、ハウジング112は、単一のPOLタイルまたは3つ以上のPOLタイルを含む、任意の数のPOLタイルを収容することができる。さらに、POLタイルは、積層構造、平面構造、環状構造等、またはそれらの組合せを含めて、ハウジング112内に任意の適切な方法で配置され得る。さらに、複数のハウジング112が設けられ共に連結されて、モジュールパワーオーバーレイアセンブリまたは装置を形成することができる。また、そのようなモジュールパワーオーバーレイアセンブリは複数の方向に延在して形成され得る。
液体供給ライン194が、流体入口142に進入して示されており、液体戻りライン196が流体出口144を出て示されている。また、前述されているように、冷却液が戻りライン196から供給ライン194へ再循環させられ得ることが考えられる。さらにまたはあるいは、誘電体コーティング25と類似した誘電体コーティングが、その任意の部分を含めて、第1のPOLタイル114Aおよび第2のPOLタイル114Bのどちらかまたは両方に設けられ得る。
図5を参照すると、第1のPOLタイル114Aおよび第2のPOLタイル114Bが適所にある状態で、線V-Vに沿ったハウジング112の横断面図が示されている。流体入口142は、第1の流体チャネル146、第2の流体チャネル148、および第3の流体チャネル150として示されている、1つまたは複数の流体チャネルに送り込むことができる内部入口室180に連結されている。第1のPOLタイル114Aが第1の部品室152内へ挿入され、第2のPOLタイル114Bが第2の部品室154内へ挿入される。該第1の部品室152および該第2の部品室154は内部出口室182に流体連結し得る。内部出口室182は流体出口144に流体連結し得る。
ハウジング112は、対応する流体チャネルおよび部品室を分割しかつ形成する複数の内壁を含み得る。図示の例では、第1の内壁156は、第1の流体チャネル146と第1の部品室152とを分離し、少なくとも部分的に画定している。第2の内壁158は、第2の流体チャネル148と第1の部品室152とを分離し、少なくとも部分的に画定している。第3の内壁160は、第2の流体チャネル148と第2の部品室154とを分離し、少なくとも部分的に画定している。第4の内壁162は、第3の流体チャネル150と第2の部品室154とを分離し、少なくとも部分的に画定している。このようにして、第1の内壁156および第2の内壁158は第1の部品室152の対向面を形成し、第3の内壁160および第4の内壁162は第2の部品室154の対向面を形成する。
流体チャネル146、148、150およびPOL室152、154は積層構造で示されているが、内壁、流体チャネル、および部品室の任意の配列または配置が利用され得る。一例では、POLタイルは、冷却液体がPOLタイルの上部に衝突し、重力でPOLタイルの表面に沿って下方に流動するように、ハウジング内に垂直に受容され得る。別の例では、POLタイルは共通ハウジング内に、水平に、垂直に、斜めに等、またはそれらの組合せを含めて、複数の配向で配置され得る。
さらに、第1の衝突噴霧器166、第2の衝突噴霧器168、第3の衝突噴霧器170、および第4の衝突噴霧器172が、衝突流をPOLタイル114A、114Bのどちらかまたは両方に方向付けるために設けられ得る。図示の通り、1つの可能性がある実施が、衝突噴霧器166、168、170、172を、それぞれの第1の内壁156、第2の内壁158、第3の内壁160、および第4の内壁162内に組み込むことである。該衝突噴霧器166、168、170、172は各々、対応する流体チャネルに流体連結することができる衝突穴部の組を含むように示されており、POL室は各内壁156、158、160、162により分離されている。
冷却液回路192がハウジング112を通過し、供給ライン194および戻りライン196を含む。視覚的明瞭さのために、冷却液はハウジング112内に図示されていない。当然のことながら、冷却液は、供給ライン194と戻りライン196とを含む該冷却液回路192を通って流動することができる。
冷却液回路192の1つの可能性がある実施を示す図示の例では、図示の例の供給ライン194は流体入口142を通過して入口室180へ、第1の流体チャネル146、第2の流体チャネル148、および第3の流体チャネル150へ進み、第1の衝突噴霧器166、第2の衝突噴霧器168、および第3の衝突噴霧器170に進入する。戻りライン196は、第1の部品室152および第2の部品室154から出口室182および流体出口144まで通っている。
図6は、線IV-IV(図4)に沿った、ハウジング112の別の横断面図を示し、別の観点で冷却液回路192を示す。第1の封止要素128Aおよび第2の封止要素128Bがアセンブリ110内に設けられ得る。図示の例では、第1の封止要素128Aは第1のPOLタイル114Aに連結されており、第2の封止要素128Bは第2のPOLタイル114Bに連結されているが、そうである必要はない。別の非制限的例では、封止要素128A、128Bのどちらかまたは両方がハウジング112に直接連結され得る。
図示の例の第1の封止要素128Aは第1のシール130Aと第2のシール132Aとを含み、図示のように、第2の封止要素128Bは第1のシール130Bと第2のシール132Bとを含む。より具体的には、該第1のシール130A、130Bはそれぞれの第1の端部116A、116Bに近接して配置されており、第2のシール132A、132Bはそれぞれの第1のPOLタイル114Aおよび第2のPOLタイル114Bのそれぞれの第2の端部118A、118Bに近接して配置されている。このようにして、第1の封止要素128Aおよび第2の封止要素128Bは対応する第1の部品室152および第2の部品室154の流体封止を実現し得る。
図4～図6を全般的に参照すると、冷却液が、供給ライン194を通る冷却液回路192を通って流動し、流体入口142および入口室180に進入し得る。該冷却液は、次いで、第1の流体チャネル146、第2の流体チャネル148、および第3の流体チャネル150内へ方向付けられる。第1の噴霧器166および第2の噴霧器168は、冷却液の衝突噴霧を、部品室152内の第1のPOLタイル114Aの対向面上に放出することができる。第3の衝突噴霧器170および第4の衝突噴霧器172は、冷却液の衝突噴霧を、第2の部品室154内のPOLタイル114Bの対向面上に放出することができ、それにより、動作中、POLタイル114A、114Bから熱を除去する。温まった冷却液は、戻りライン196を通して出口室182へ方向付けられ、流体出口144経由でハウジング112を出ることができる。
図7は、POLタイル14、114A、114Bなどの基板に連結されている1組の発熱部品を有する電子部品を冷却する方法200を示す。該方法200は、供給ライン94、194を通して、POLタイル14、114A、114Bなどの電子部品の対向面に配置されている第1の衝突噴霧器66、68、166、168、170、172と第2の衝突噴霧器66、68、166、168、170、172とへ冷却液90を流動させることにより、202において開始する。204において、方法200は冷却液90の衝突噴霧を、部品室52、152、154内で、第1の衝突噴霧器66、68、166、168、170、172および第2の衝突噴霧器66、68、166、168、170、172から、POLタイル14、114A、114Bなどの電子部品の少なくとも2つの対向面上へ放出するステップを含む。206において、本方法は、噴霧された冷却液90を、部品室52、152、154に流体連結されている戻りライン96、196を通して、部品室52、152、154から外に方向付けるステップを含む。随意に、本方法200は、冷却液90を、ハウジング12、112内の少なくとも2つの流体チャネル46、48、146、148、150内へ方向付けるステップを含む。該少なくとも2つの流体チャネル46、48、146、148、150は衝突噴霧器66、68、166、168、170、172の上流に配置され得る。随意に、本方法200は、冷却液90を、ハウジング12、112の内壁56、58、156、158、160、162にある1組の衝突穴部67、69を通して、部品室52、152、154内へ流動させるステップを含み、1組の衝突穴部67、69は、第1の衝突噴霧器66、68、166、168、170、172および第2の衝突噴霧器66、68、166、168、170、172を少なくとも部分的に画定している。随意に、本方法200は、冷却液90を、少なくとも2つの流体チャネル46、48、146、148、150の上流の入口室180内へ流動させるステップと、供給ライン94、194を少なくとも部分的に画定するステップとを含む。随意に、本方法200は、冷却液90を、部品室52、152、154から、戻りライン96、196を少なくとも部分的に画定している下流の出口室182内へ方向付けるステップを含む。随意に、本方法200は、冷却液90を、供給ライン94、194を少なくとも部分的に形成している流体入口42、142経由で、POLタイル14、114A、114Bなどの電子部品を担持するハウジング12、112内へ引き込むステップと、冷却液90を、戻りライン96、196を少なくとも部分的に形成している流体出口44、144経由で、ハウジング12、112から除去するステップとを含む。1つの非制限的例において、冷却液90は外部リザーバから引き出され得る。随意に、本方法200は、冷却液90を、戻りライン96、196から供給ライン94、194へ戻して再循環させるステップを含む。
本開示の態様が様々な利益をもたらす。本明細書に記載されている液冷アセンブリは、POLモジュールアセンブリまたは他の電力モジュールアセンブリの低コスト製造可能性および相互作用的配置を実現し得る、実質的に類似した基本フォームファクタ(例えば、設置面積、または共通の接続部)を有する交換可能な構築ブロックまたはタイルを含み得る。共通のまたは再利用可能なフォームファクタが、結果的に、より高い製造工程または製造の歩留り、および大幅な設計変更を伴わない異なるモジュール構造をさらにもたらし得る。さらに、記載されているアセンブリは、所定のパワーオーバーレイタイルが、必要に応じて容易に除去され、交換され、または補修されるので、改善された修理可能性をもたらす。封止されたモジュールハウジングは、パワーエレクトロニクスシステムへの、複数のデバイスの小型の超高出力密度組立てをもたらす。本明細書に記載されているハウジング設計は、交換可能なまたは常設の封止されたパワーエレクトロニクスデバイスを可能にする。
直接液体衝突または噴霧の使用は、ヒートスプレッダ、伝導板等を利用する従来の設計と比較して、パワーオーバーレイタイルの改善された冷却をもたらす。パワーオーバーレイタイルの複数面が、タイルの対向面を含めて、直接液体接触により同時に冷却されることが可能であり、それにより、冷却時間を短縮し、パワーオーバーレイアセンブリの性能を向上させる。タイル表面に誘電体コーティングが利用される例では、パワーオーバーレイタイル設計は、絶縁コーティングがPOLタイルを覆って設けられている例の場合を含めて、絶縁流体(例えば、油)と比較して、よりよい冷却性能を有する非絶縁冷却流体(例えば、水)の使用をさらに可能にする。
より小型の効率的な冷却手法が、より高い出力密度を有するパワーエレクトロニクスシステムの将来の設計のために必要とされている。パワーエレクトロニクスデバイスの両面上での直接接触強制対流冷却が、従来の方法と比較して、より短い所要時間でのより効率的な熱除去をもたらす。ジェット衝突または噴霧による強制対流は、内部発熱部品の各々に直接対向して標的とされ得る局所的により高い熱伝達率により、この熱除去をさらに向上させる。本明細書に記載されている、封止されたモジュールハウジングは、より高い出力密度と、高出力需要を満たすようによりよく適合されている3次元構造を可能にする。
上記図に示されているものに加えて、多くの他の可能性のある態様および構成が本開示により検討される。
まだ記載されていない範囲まで、様々な態様の様々な特徴および構造が、所望に応じて、互いに組み合わせて使用され得る。1つの特徴が態様の全てに示されていないことが、それは含まれないと見なされるという意味ではなく、説明の簡潔さのために行われている。したがって、該新しい態様が明示的に記載されているか否かに関わらず、様々な態様の様々な特徴は、所望に応じて、混合され、調和されて、本開示の新しい態様を形成する。本明細書に記載されている特徴の全組合せまたは置換が本開示により包含される。
この書面による明細は、例を用いて、最良の形態を含む、本開示の態様を開示し、任意のデバイスまたはシステムを作成し使用することおよび任意の包含された方法を実施することを含め、当業者が本開示の態様を実践することも可能にする。本開示の特許性のある範囲は請求項により定められ、当業者に思い付く他の例を含み得る。そのような他の例は、請求項の文言と異ならない構造要素をそれらが有する場合、または請求項の文言と非実質的な相違を有する均等な構造要素をそれらが含む場合、請求項の範囲内にあるものとする。
また、本開示の様々な特性、態様、および利点が、列挙された態様において定められた次の技術的解決策を含むがそれらに限定されない、本開示の態様の任意の置換において具現化され得る。
1.電子部品のための液冷アセンブリであって、少なくとも1つの部品室を画定しているハウジングであって、該ハウジングの外側上に設けられている挿入スロットを有する、ハウジングと、該部品室の第1の側に配置されている第1の衝突噴霧器と、部品室の第2の側に配置されている第2の衝突噴霧器と、該衝突噴霧器に流体連結されている、ハウジング上の入口と、部品室に流体連結されている、ハウジング上の出口と、該入口から、第1の衝突噴霧器および第2の衝突噴霧器の少なくとも1つを通って、部品室を通って、該出口まで、ハウジングを通過する冷却液回路とを備える、液冷アセンブリ。
2.第1の衝突噴霧器は、ハウジングの第1の内壁を通って延在している第1の組の衝突穴部を含む、条項1に記載の液冷アセンブリ。
3.第2の衝突噴霧器は、ハウジングの第2の内壁を通って延在している第2の組の衝突穴部を含む、任意の前項に記載の液冷アセンブリ。
4.第1の組の衝突穴部は、第2の組の衝突穴部に面している、任意の前項に記載の液冷アセンブリ。
5.部品室の第1の側は、部品室の第2の側に対向して配置されている、任意の前項に記載の記載の液冷アセンブリ。
6.部品室内に配置されており、ハウジングの内面に当接して部品室を流体封止する封止要素をさらに含む、任意の前項に記載の記載の液冷アセンブリ。
7.電子部品は、パワーオーバーレイ(POL)タイルを含み、液冷アセンブリは、ハウジング内の積層構造内に複数の部品室をさらに含み、複数の対応するPOLタイルを受容するように構成されている複数の対応する挿入スロットを有する、任意の前項に記載の液冷アセンブリ。
8.ハウジング、部品室、第1の衝突噴霧器、および第2の衝突噴霧器は、モジュールユニットを少なくとも部分的に画定する、任意の前項に記載の液冷アセンブリ。
9.連結され、少なくとも2つの方向に沿って配置されて、多次元液冷アセンブリを形成する複数のモジュールユニットをさらに含む、任意の前項に記載の液冷アセンブリ。
10.冷却液回路内に冷却液をさらに含み、水、水－エチレングリコール、油、または誘電液体のうちの1つを含む、任意の前項に記載の液冷アセンブリ。
11.ハウジングの外側上に、挿入スロットと位置合わせして設けられている第2のスロットをさらに含む、任意の前項に記載の液冷アセンブリ。
12.挿入スロットおよび第2のスロットの各々は、部品室に流体連結されている、任意の前項に記載の液冷アセンブリ。
13.電子部品の少なくとも一部上に絶縁コーティングをさらに含む、任意の前項に記載の液冷アセンブリ。
14.絶縁コーティングは、誘電体コーティングを含む、任意の前項に記載の液冷アセンブリ。
15.基板に連結されている1組の発熱部品を有する電子部品を冷却する方法であって、供給ラインを通して、電子部品の対向する側に配置されている第1の衝突噴霧器と第2の衝突噴霧器とへ、冷却液を流動させるステップと、冷却液の衝突噴霧を、第1の衝突噴霧器と第2の衝突噴霧器から部品室内の電子部品の少なくとも2つの対向面上に放出するステップと、噴霧された冷却液を、部品室に流体連結されている戻りラインを通して、部品室から外に方向付けるステップとを含む、方法。
16.冷却液を、ハウジング内の少なくとも2つの流体チャネル内へ方向付けるステップであり、該少なくとも2つの流体チャネルは、1組の衝突噴霧器の上流に配置されている、方向付けるステップをさらに含む、任意の前項に記載の方法。
17.冷却液を、ハウジングの内壁にある1組の衝突穴部を通して、部品室内へ流動させるステップであり、該1組の衝突穴部は、1組の衝突噴霧器を少なくとも部分的に画定している、流動させるステップをさらに含む、任意の前項に記載の方法。
18.冷却液を、少なくとも2つの流体チャネルの上流の、かつ、供給ラインを少なくとも部分的に画定する入口室内へ流動させるステップをさらに含む、任意の前項に記載の方法。
19.冷却液を、部品室から、戻りラインを少なくとも部分的に画定している、下流の出口室内へ方向付けるステップをさらに含む、任意の前項に記載の方法。
20.冷却液を、供給ラインを少なくとも部分的に形成しているハウジング入口経由で、電子部品を担持するハウジング内へ引き込むステップをさらに含む、任意の前項に記載の方法。
21.冷却液を、戻りラインを少なくとも部分的に形成しているハウジング出口経由で、ハウジングから除去するステップをさらに含む、任意の前項に記載の方法。
22.冷却液を、戻りラインから供給ラインへ戻して再循環させるステップをさらに含む、任意の前項に記載の方法。
10、110 液冷アセンブリ
12、112 ハウジング
14 パワーオーバーレイ(POL)タイル
15 流体接続部
16、116A、116B (パワーオーバーレイタイルの)第1の端部
18、118A、118B (パワーオーバーレイタイルの)第2の端部
20 モジュールユニット
22 基板
24 電気デバイス
25 誘電体コーティング
26 ピン配列コネクタ
28 封止要素
30、130A、130B 第1のシール
32、132A、132B 第2のシール
34 (ハウジングの)外壁
36 (ハウジングの)内部
38 第1の挿入スロット
40 第2のスロット
42、142 流体入口
44、144 流体出口
46、146 第1の流体チャネル
48、148 第2の流体チャネル
52 中心部品室、POL室、衝突室
56、156 第1の内壁
58、158 第2の内壁
66、68、166、168、170、172 第1の衝突噴霧器
67 第1の組の衝突穴部
66、68、166、168、170、172 第2の衝突噴霧器
69 第2の組の衝突穴部
76 (ハウジングの)第1の表面、内面
78 (ハウジングの)第2の表面、内面
90 冷却液、還元温度の冷却液
91 リザーバ
92、192 冷却液回路
93 ポンプ
94、194 供給ライン
95 熱交換器
96、196 戻りライン
114A 第1のPOLタイル
114B 第2のPOLタイル
128A 第1の封止要素
128B 第2の封止要素
138 挿入スロット
150 第3の流体チャネル
152 第1の部品室、POL室
154 第2の部品室、POL室
160 第3の内壁
162 第4の内壁
170 第3の衝突噴霧器
172 第4の衝突噴霧器
180 内部入口室
182 内部出口室
194 液体供給ライン
196 液体戻りライン
200 方法
III-III、V-V、IV-IV 線

Claims (14)

  1. 電子部品(14、24、114A、114B)のための液冷アセンブリ(10、110)であって、
    少なくとも1つの部品室(52、152、154)を画定するハウジング(12、112)であって、前記ハウジング(12、112)の外側上に設けられている挿入スロット(38、40、138)を有する、ハウジング(12、112)と、
    前記部品室(52、152、154)の第1の側に配置されている第1の衝突噴霧器(66、68、166、168、170、172)と、
    前記部品室(52、152、154)の第2の側に配置されている第2の衝突噴霧器(66、68、166、168、170、172)と、
    前記第1の衝突噴霧器(66、68、166、168、170、172)および前記第2の衝突噴霧器(66、68、166、168、170、172)に流体連結されている、前記ハウジング(12、112)上の入口(42、142)と、
    前記部品室(52、152、154)に流体連結されている、前記ハウジング(12、112)上の出口(44、144)と、
    前記入口(42、142)から、前記第1の衝突噴霧器(66、68、166、168、170、172)および前記第2の衝突噴霧器(66、68、166、168、170、172)のうちの少なくとも1つを通って、前記部品室(52、152、154)を通って、前記出口(44、144)まで、前記ハウジング(12、112)を通過する冷却液回路(92、192)と
    を備える、液冷アセンブリ(10、110)。
  2. 前記第1の衝突噴霧器(66、68、166、168、170、172)は、前記ハウジング(12、112)の第1の内壁(56、58、156、158、160、162)を通って延在している第1の組の衝突穴部(67、69)を含む、請求項1に記載の液冷アセンブリ(10、110)。
  3. 前記第2の衝突噴霧器(66、68、166、168、170、172)は、前記ハウジング(12、112)の第2の内壁(56、58、156、158、160、162)を通って延在している第2の組の衝突穴部(67、69)を含む、請求項2に記載の液冷アセンブリ(10、110)。
  4. 前記第1の組の衝突穴部(67、69)は、前記第2の組の衝突穴部(67、69)に面している、請求項3に記載の液冷アセンブリ(10、110)。
  5. 前記部品室(52、152、154)の前記第1の側は、前記部品室(52、152、154)の前記第2の側に対向して配置されている、請求項1から4のいずれか一項に記載の液冷アセンブリ(10、110)。
  6. 前記部品室(52、152、154)内に配置されており、前記ハウジング(12、112)の内面(76、78)に当接して前記部品室(52、152、154)を流体封止する封止要素(28、30、32、128A、128B、130A、130B、132A、132B)をさらに備える、請求項1から4のいずれか一項に記載の液冷アセンブリ(10、110)。
  7. 前記電子部品(14、24、114A、114B)は、パワーオーバーレイ(POL)タイル(14、114A、114B)を含み、前記液冷アセンブリは、前記ハウジング(12、112)内の積層構造内に複数の部品室(52、152、154)をさらに備える、請求項1から4のいずれか一項に記載の液冷アセンブリ(10、110)。
  8. 前記複数の部品室(52、152、154)は、複数の対応するPOLタイル(14、114A、114B)を受容するように構成されている複数の対応する挿入スロット(38、40、138)を有する、請求項7に記載の液冷アセンブリ(10、110)。
  9. 前記ハウジング(12、112)、前記部品室(52、152、154)、前記第1の衝突噴霧器(66、68、166、168、170、172)、および前記第2の衝突噴霧器(66、68、166、168、170、172)は、モジュールユニット(20)を少なくとも部分的に画定する、請求項1から4のいずれか一項に記載の液冷アセンブリ(10、110)。
  10. 連結され、少なくとも2つの方向に沿って配置されて、多次元液冷アセンブリ(10、110)を形成する複数のモジュールユニット(20)をさらに備える、請求項9に記載の液冷アセンブリ(10、110)。
  11. 前記冷却液回路(92、192)内に冷却液(90)をさらに含み、水、水－エチレングリコール、油、または誘電液体のうちの1つを含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の液冷アセンブリ(10、110)。
  12. 前記ハウジング(12、112)の前記外側上に、前記挿入スロット(38、40、138)と位置合わせして設けられている第2のスロット(38、40、138)をさらに備える、請求項1から4のいずれか一項に記載の液冷アセンブリ(10、110)。
  13. 前記第2のスロット(38、40、138)は、前記電子部品(14、24、114A、114B)の第2の端部(18、118A、118B)を受容するように構成されている、請求項12に記載の液冷アセンブリ(10、110)。
  14. 前記挿入スロット(38、40、138)および前記第2のスロット(38、40、138)の各々は、前記部品室(52、152、154)に流体連結されている、請求項13に記載の液冷アセンブリ(10、110)。
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