KR20210148441A - 전력 증폭기들의 열 관리를 위한 수냉식 플레이트 - Google Patents

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리부 고탐
아난트크리슈나 주푸디
비노드 라마찬드란
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

솔리드 스테이트 전력 증폭기들에 대한 냉각 플레이트를 위한 방법들 및 장치가 본 명세서에서 제공된다. 일부 실시예들에서, 솔리드 스테이트 전력 증폭기의 냉각 플레이트는, 직사각형 형상, 제2 측벽에 대향하는 제1 측벽, 및 제4 측벽에 대향하는 제3 측벽을 갖는 바디(body); 복수의 열 생성 마이크로전자 컴포넌트들을 장착하도록 구성된, 바디의 제1 측 상에 배치된 복수의 홀들; 및 바디 내에 배치되고, 제1 측벽 상에 배치된 제1 포트로부터 제1 측벽 상에 배치된 제2 포트로 연장되는 복수의 세그먼트들을 갖는 채널을 포함한다.

Description

전력 증폭기들의 열 관리를 위한 수냉식 플레이트
[0001] 본 개시내용의 실시예들은 일반적으로 전력 증폭기들을 위한 냉각 플레이트에 관한 것이다.
[0002] 솔리드 스테이트 전력 증폭기(solid state power amplifier; SSPA)들과 같은 전력 증폭기들은 마이크로파 및 RF(radio frequency) 애플리케이션들을 위한 전력 증폭을 제공한다. SSPA들은 열 생성 마이크로전자 컴포넌트들을 포함한다. 강제 공기 대류는 통상적으로 SSPA들을 냉각시키는 데 사용된다. 그러나, 더 높은 전력(200 W 초과)의 콤팩트 사이즈 SSPA들의 경우, 강제 공기 대류는 높은 열 소산에 대한 제한들을 갖는다.
[0003] 따라서, 본 발명자들은 SSPA들을 냉각시키기 위한 개선된 방법들 및 장치를 제공하였다.
[0004] 솔리드 스테이트 전력 증폭기들에 대한 냉각 플레이트를 위한 방법들 및 장치가 본 명세서에서 제공된다. 일부 실시예들에서, 솔리드 스테이트 전력 증폭기의 냉각 플레이트는, 직사각형 형상, 제2 측벽에 대향하는 제1 측벽, 및 제4 측벽에 대향하는 제3 측벽을 갖는 바디(body); 복수의 열 생성 마이크로전자 컴포넌트들을 장착하도록 구성된, 바디의 제1 측 상에 배치된 복수의 홀들; 및 바디 내에 배치되고, 제1 측벽 상에 배치된 제1 포트로부터 제1 측벽 상에 배치된 제2 포트로 연장되는 복수의 세그먼트들을 갖는 채널을 포함한다.
[0005] 일부 실시예들에서, 솔리드 스테이트 전력 증폭기는 냉각 플레이트를 포함하며, 냉각 플레이트는, 복수의 열 생성 마이크로전자 컴포넌트들을 장착하도록 구성된 제1 측, 및 냉각 플레이트 내에 배치되고 유입구로부터 배출구로 연장되는 채널을 갖고, 여기서 유입구 및 배출구는 냉각 플레이트의 제1 측벽 상에 배치되고, 채널은 냉각제를 순환시키도록 구성되고, 냉각 플레이트는 약 15.0 mm 내지 약 45.0 mm의 두께를 갖는다.
[0006] 일부 실시예들에서, 솔리드 스테이트 전력 증폭기를 냉각시키는 방법은, 냉각 플레이트 내에 유입구로부터 배출구로 연장되는 채널을 생성하기 위해 냉각 플레이트의 측벽들을 드릴링하는 단계 ― 냉각 플레이트는 복수의 열 생성 마이크로전자 컴포넌트들을 장착하도록 구성된 제1 측을 갖고, 채널은 액체 냉각제를 순환시키도록 구성됨 ―; 및 냉각제 소스로부터 채널을 통해 액체 냉각제를 유동시키는 단계를 포함한다.
[0007] 본 개시내용의 다른 및 추가적인 실시예들이 아래에서 설명된다.
[0008] 위에서 간략하게 요약되고 아래에서 더 상세히 논의되는 본 개시내용의 실시예들은 첨부된 도면들에서 도시된 본 개시내용의 예시적인 실시예들에 대한 참조에 의해 이해될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면들이 본 개시내용의 전형적인 실시예들을 예시하는 것이므로, 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 하는데, 이는 상기 개시내용이 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
[0009] 도 1은 본 개시내용의 일부 실시예들에 따른 냉각 플레이트의 개략적인 평면도이다.
[0010] 도 2는 냉각 플레이트의 일 측을 따른 도 1의 냉각 플레이트의 사시도이다.
[0011] 도 3은 냉각 플레이트의 상이한 측을 따른 도 1의 냉각 플레이트의 사시도이다.
[0012] 이해를 용이하게 하기 위하여, 도면들에 공통적인 동일한 엘리먼트들을 지정하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 도면들은 실척대로 도시되지 않으며, 명확화를 위해 간략화될 수 있다. 일 실시예의 엘리먼트들 및 특징들은 추가적인 인용 없이 다른 실시예들에 유익하게 통합될 수 있다.
[0013] 솔리드 스테이트 전력 증폭기(SSPA)에 대한 냉각 플레이트를 위한 방법들 및 장치의 실시예들이 본 명세서에서 제공된다. SSPA는 복수의 열 생성 마이크로전자 컴포넌트들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 열 생성 마이크로전자 컴포넌트들은 약 5.0 내지 7.0 기가헤르츠의 마이크로파 주파수 범위에서 약 0.03 와트의 마이크로파 입력으로부터 800 와트 초과의 마이크로파 출력을 제공하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 복수의 열 생성 마이크로전자 컴포넌트들은 전계-효과 트랜지스터(field-effect transistor; FET)들을 포함한다. 본 명세서에서 제공되는 방법들 및 장치에서, 냉각 플레이트는 SSPA를 냉각시키기 위해 냉각제를 내부에서 유동시키도록 구성된 채널을 포함한다. 일부 실시예들에서, 채널은 복수의 열 생성 마이크로전자 컴포넌트들의 레이아웃에 따라 구성된다. 냉각 플레이트는 유리하게, 컴팩트한 설계를 갖는다. 냉각 플레이트는 유리하게, 값비싼 용접 옵션들을 사용하지 않고 냉각 플레이트의 바디에 홀들을 드릴링하고 연결시킴으로써 채널이 제조되므로 비용 효율적인 설계를 갖는다. 채널은 유리하게, 채널을 밀봉하기 위해 유입구 또는 배출구와 대응하지 않는 위치들에서 후속하여 플러깅(plug)될 수 있다.
[0014] 도 1은 본 개시내용의 일부 실시예들에 따른 냉각 플레이트의 개략적인 평면도이다. 냉각 플레이트는 바디(100)를 포함하며, 그 바디(100)는, 바디(100)의 제1 측(104) 상에 복수의 열 생성 마이크로전자 컴포넌트들을 장착하기에 적합한 형상을 갖는다. 일부 실시예들에서, 바디(100)는 직사각형 형상을 갖는다. 일부 실시예들에서, 바디(100)는 약 15.0 mm 내지 약 45.0 mm의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 바디는 양호한 열 전도율을 갖는 재료로 형성된다. 일부 실시예들에서, 바디는 약 150 W/m-K 이상의 열 전도율을 갖는다. 일부 실시예들에서, 바디는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 또는 은(Ag)을 포함한다.
[0015] 도 1에 도시된 바와 같이, 바디(100)는 제2 측벽(120)에 대향하는 제1 측벽(110) 및 제4 측벽(140)에 대향하는 제3 측벽(130)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 바디(100)는, 제3 측벽(130)으로부터 제4 측벽(140)까지의 거리에 의해 정의되는 바와 같이, 약 350.0 mm 내지 약 500.0 mm의 폭을 갖는다. 일부 실시예들에서, 폭은 19.0 인치 랙(rack) 상에 SSPA를 장착하기에 적합하다. 일부 실시예들에서, 바디(100)는, 제1 측벽(110)으로부터 제2 측벽(120)까지의 거리에 의해 정의되는 바와 같이, 약 300.0 mm 내지 약 700.0 mm의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, 길이는 약 500.0 mm 내지 약 700.0 mm이다. 바디(100)는 제1 측벽(110)에 근접한 제1 부분(152) 및 제2 측벽(120)에 근접한 제2 부분(154)을 포함한다. 도 1에서 직사각형으로 도시되지만, 냉각 플레이트는 다른 기하학적 구성들을 갖는 바디(100)를 가질 수 있다.
[0016] 일부 실시예들에서, 제1 부분(152)은 SSPA의 컴포넌트들을 수용하도록 구성된 리세스(174)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제1 부분(152)은 SSPA의 컴포넌트들을 수용하도록 구성된, 바디(100)를 통해 연장되는 하나 이상의 절취부(cutout)들(176)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제2 부분(154)은 SSPA의 컴포넌트들을 수용하도록 구성된 리세스(172)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 바디(100)는 SSPA의 다른 컴포넌트들에 대한 바디(100)의 커플링을 용이하게 하도록 구성된, 바디(100)의 제1 측(104)의 주변 에지에 근접한 복수의 개구들(178)을 포함한다.
[0017] 바디(100)는 바디(100) 내에 배치된 복수의 세그먼트들(150)을 갖는 채널(102)을 포함한다. 채널(102)은 냉각제 소스(180)에 커플링된다. 동작 시에, 냉각제 소스(180)에 배치된 액체 냉각제는 SSPA를 냉각시키기 위해 바디(100)를 통해 유동된다. 일부 실시예들에서, 바디(100)를 통과하는 냉각제의 유량은 유입구 냉각제 온도에 기반하여 계산된다. 일부 실시예들에서, 액체 냉각제는 물이다. 일부 실시예들에서, 액체 냉각제는 탈이온수, 에틸렌 글리콜(CH2OH)2, 물과 에틸렌 글리콜(CH2OH)2의 혼합물, 또는 임의의 다른 적합한 냉각제를 포함한다. 일부 실시예들에서, 액체 냉각제는 섭씨 약 5.0 내지 약 25.0도의 온도를 갖는다. 일부 실시예들에서, 액체 냉각제는 분당 약 3.0 리터 내지 약 12.0 리터의 레이트로 바디(100)를 통해 유동된다. 일부 실시예들에서, 액체 냉각제는 분당 약 6.0 리터 내지 약 8.0 리터의 레이트로 바디(100)를 통해 유동된다.
[0018] 일부 실시예들에서, 채널(102)은 제1 측벽(110) 상에 배치된 제1 포트(106)로부터 제1 측벽(110) 상에 배치된 제2 포트(108)로 연장된다. 일부 실시예들에서, 제1 포트(106)는 제3 측벽(130)에 근접한다. 일부 실시예들에서, 제2 포트(108)는 제4 측벽(140)에 근접한다. 일부 실시예들에서, 제1 포트(106)는 배출구에 대응하고, 제2 포트(108)는 유입구에 대응한다. 일부 실시예들에서, 제1 포트(106)는 유입구에 대응하고, 제2 포트(108)는 배출구에 대응한다. 일부 실시예들에서, 채널(102)은 약 4.0 mm 내지 약 15.0 mm의 직경을 갖는 원형 단면을 갖는다.
[0019] 채널(102)의 복수의 세그먼트들(150)은 제1 포트(106)로부터 제2 측벽(120)을 향해 제1 접합부(132)로 연장되는 제1 세그먼트(112)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제1 세그먼트(112)는 제3 측벽(130)에 근접하게 배치된다. 복수의 세그먼트들(150)은 제1 접합부(132)로부터 제4 측벽(140)을 향해 제2 접합부(134)로 연장되는 제2 세그먼트(114)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 세그먼트들(150)은 제2 접합부(134)로부터 제2 포트(108)로 연장되는 제3 세그먼트(116)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 세그먼트들(150)은, 제2 접합부(134)로부터 제3 접합부(136)로 연장되는 제3 세그먼트(116), 제3 접합부(136)로부터 제3 측벽(130)을 향해 제4 접합부(138)로 연장되는 제4 세그먼트(118), 제4 접합부(138)로부터 제1 측벽(110)을 향해 제5 접합부(142)로 연장되는 제5 세그먼트(122), 제5 접합부(142)로부터 제4 측벽(140)을 향해 제6 접합부(144)로 연장되는 제6 세그먼트(124), 및 제6 접합부(144)로부터 제2 포트(108)로 연장되는 제7 세그먼트(126)를 포함한다. 복수의 세그먼트들(150)은 유리하게, 더 높은 밀도의 열 생성 마이크로전자 컴포넌트들에 대응하는 영역들에서 더 많은 냉각을 제공하도록 포지셔닝된다.
[0020] 일부 실시예들에서, 제2 세그먼트(114), 제4 세그먼트(118), 및 제6 세그먼트(124)는 서로 실질적으로 평행하다. 일부 실시예들에서, 제1 세그먼트(112), 제3 세그먼트(116), 제5 세그먼트(122), 및 제7 세그먼트(126) 중 적어도 2개는 서로 실질적으로 평행하다. 일부 실시예들에서, 서로 평행하게 연장되는 복수의 세그먼트들(150)의 인접한 세그먼트들은 반대 방향들로 냉각제를 유동시키도록 구성된다. 반대 방향들로 냉각제를 유동시키는 것은 유리하게, 그러한 구역들에서 더 많은 냉각을 제공한다. 예컨대, 제2 세그먼트(114)는 제4 세그먼트(118)에서의 냉각제의 유동과 반대 방향으로 냉각제를 유동시키도록 구성된다.
[0021] 도 2 및 도 3은 도 1의 냉각 플레이트의 사시도들이다. 일부 실시예들에서, 제2 부분(154)은 복수의 열 생성 마이크로전자 컴포넌트들을 장착하도록 구성된 나사형 홀들(202)을 갖는 장착 구역(204)을 포함한다. 복수의 세그먼트들(150)은 장착 구역(204)에 대응한다. 일부 실시예들에서, 제2 세그먼트(114)는 제2 접합부(134)를 지나 제4 측벽(140)의 제1 개구(210)까지 연장된다. 일부 실시예들에서, 제4 세그먼트(118)는 제3 접합부(136)를 지나 제4 측벽(140)의 제2 개구(220)까지 연장된다. 일부 실시예들에서, 제6 세그먼트(124)는 제6 접합부(144)를 지나 제4 측벽(140)의 제3 개구(230)까지 연장된다. 일부 실시예들에서, 플러그(168)는 채널(102)을 밀봉하기 위해 제4 측벽(140)에 인접하게 제2 세그먼트(114), 제4 세그먼트(118), 및 제6 세그먼트(124) 각각에 배치된다.
[0022] 일부 실시예들에서, 복수의 세그먼트들(150)은 제2 측벽(120)의 개구(304)로부터 제2 접합부(134) 또는 제3 접합부(136)로 연장되는 제1 가이드 채널(148)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제1 가이드 채널(148)은 리세스(172)에 의해 제1 가이드 채널(148)의 나머지로부터 분리된 상부 부분(146)을 포함한다. 리세스(172)를 갖는 실시예들에서, 제1 가이드 채널(148)은 제2 측벽(120)의 개구(304)와 정렬된 리세스(172)의 측벽 상에 개구(308)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 플러그(168)는 채널(102)을 밀봉하기 위해 개구(308)에 인접하게 제1 가이드 채널(148)에 배치된다.
[0023] 일부 실시예들에서, 복수의 세그먼트들(150)은 제4 접합부(138)로부터 리세스(174)로 연장되는 제2 가이드 채널(156)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제2 가이드 채널(156)은 채널(102)을 밀봉하기 위해 리세스(174)에 인접한 플러그(168)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 채널(102)은 바디(100)의 측벽들을 드릴링함으로써 생성된다. 일부 실시예들에서, 바디(100)는 제2 세그먼트(114), 제4 세그먼트(118), 제5 세그먼트(122), 및 제6 세그먼트(124)를 생성하기 위해 바디(100)를 드릴링하기 전에 제1 가이드 채널(148) 및 제2 가이드 채널(156)을 생성하도록 드릴링된다. 후속하여, 채널(102)은 유입구 또는 배출구와 대응하지 않는 임의의 측벽들 또는 리세스들에 인접한 위치들에서 플러깅될 수 있다.
[0024] 전술한 것이 본 개시내용의 실시예들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 다른 및 추가적인 실시예들은 본 개시내용들의 기본적인 범위를 벗어나지 않으면서 안출될 수 있다.

Claims (15)

  1. 솔리드 스테이트 전력 증폭기(solid state power amplifier)의 냉각 플레이트로서,
    직사각형 형상, 제2 측벽에 대향하는 제1 측벽, 및 제4 측벽에 대향하는 제3 측벽을 갖는 바디(body);
    복수의 열 생성 마이크로전자 컴포넌트들을 장착하도록 구성된, 상기 바디의 제1 측 상에 배치된 복수의 홀들; 및
    상기 바디 내에 배치되고, 상기 제1 측벽 상에 배치된 제1 포트로부터 상기 제1 측벽 상에 배치된 제2 포트로 연장되는 복수의 세그먼트들을 갖는 채널을 포함하는, 냉각 플레이트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 포트는 배출구에 대응하고, 상기 제2 포트는 유입구에 대응하는, 냉각 플레이트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 채널은 약 4.0 mm 내지 약 15.0 mm의 직경을 갖는, 냉각 플레이트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 측벽과 상기 제2 측벽 사이의 거리는 약 300.0 mm 내지 약 700.0 mm인, 냉각 플레이트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 세그먼트들은 장착 구역에서 서로 평행하게 연장되며,
    서로 평행하게 연장되는 인접한 세그먼트들은 반대 방향들로 냉각제를 유동시키도록 구성되는, 냉각 플레이트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바디는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 또는 은(Ag)을 포함하는, 냉각 플레이트.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 세그먼트들은, 상기 제1 포트로부터 상기 제2 측벽을 향해 제1 접합부로 상기 제3 측벽을 따라 인접하게 연장되는 제1 세그먼트, 상기 제1 접합부로부터 상기 제4 측벽을 향해 제2 접합부로 연장되는 제2 세그먼트, 및 상기 제2 접합부로부터 상기 제2 포트를 향해 연장되는 제3 세그먼트를 포함하는, 냉각 플레이트.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 세그먼트는 상기 제2 접합부로부터 상기 제2 포트를 향해 제3 접합부로 연장되며,
    상기 복수의 세그먼트들은, 상기 제3 접합부로부터 상기 제3 측벽을 향해 제4 접합부로 연장되는 제4 세그먼트, 상기 제4 접합부로부터 상기 제1 측벽을 향해 제5 접합부로 연장되는 제5 세그먼트, 상기 제5 접합부로부터 상기 제4 측벽을 향해 제6 접합부로 연장되는 제6 세그먼트, 및 상기 제6 접합부로부터 상기 제2 포트로 연장되는 제7 세그먼트를 더 포함하는, 냉각 플레이트.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 세그먼트, 상기 제4 세그먼트, 및 상기 제6 세그먼트는 서로 실질적으로 평행한, 냉각 플레이트.
  10. 솔리드 스테이트 전력 증폭기로서,
    제1항에 설명된 냉각 플레이트를 포함하며,
    상기 복수의 열 생성 마이크로전자 컴포넌트들은 상기 냉각 플레이트에 장착되고, 상기 열 생성 마이크로전자 컴포넌트들 중 적어도 일부는 전계-효과 트랜지스터들을 포함하는, 솔리드 스테이트 전력 증폭기.
  11. 솔리드 스테이트 전력 증폭기를 냉각시키는 방법으로서,
    냉각 플레이트 내에 유입구로부터 배출구로 연장되는 채널을 생성하기 위해 상기 냉각 플레이트의 측벽들을 드릴링하는 단계 ― 상기 냉각 플레이트는 복수의 열 생성 마이크로전자 컴포넌트들을 장착하도록 구성된 제1 측을 갖고, 상기 채널은 액체 냉각제를 순환시키도록 구성됨 ―; 및
    냉각제 소스로부터 상기 채널을 통해 액체 냉각제를 유동시키는 단계를 포함하는, 솔리드 스테이트 전력 증폭기를 냉각시키는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 액체 냉각제를 유동시키는 단계는 물, 탈이온수, 또는 에틸렌 글리콜(CH2OH)2 중 적어도 하나를 유동시키는 단계를 포함하는, 솔리드 스테이트 전력 증폭기를 냉각시키는 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 액체 냉각제는 섭씨 약 5.0 내지 약 25.0도의 온도를 갖는, 솔리드 스테이트 전력 증폭기를 냉각시키는 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 액체 냉각제를 유동시키는 단계는, 분당 약 3.0 리터 내지 약 12.0 리터의 유량으로 상기 액체 냉각제를 순환시키는 단계를 포함하는, 솔리드 스테이트 전력 증폭기를 냉각시키는 방법.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입구 또는 상기 배출구에 대응하지 않는, 상기 냉각 플레이트의 측벽들 상의 개구들에서 상기 채널을 플러깅(plug)하는 단계를 더 포함하는, 솔리드 스테이트 전력 증폭기를 냉각시키는 방법.
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