KR20220160551A - 고전력 밀도(hpd) 변압기용 액체/유체 냉각 시스템 - Google Patents

고전력 밀도(hpd) 변압기용 액체/유체 냉각 시스템 Download PDF

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KR20220160551A
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지 조우
스티브 만케비치
마이클 듀셋
2세 안토니 마틴
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

고전력 밀도 전력 변환기(500)는 액체 냉각 시스템(200)을 이용하여 자신의 변압기(120)를 냉각한다. 일 실시예에서, 변압기(100)의 코일(135)은 열 전도성 고체(에폭시 또는 수지)에 매립된다. 수지 매립 코일(135)은, 코일(135) 사이에 끼워져 있고/있거나 코일(135)의 외부 표면과 접촉하는 냉각판(160)과 물리적/열적으로 접촉한다. 냉각판(160)은 추가적으로 또는 대안적으로 변압기 코어(145)와 물리적/열적으로 접촉할 수 있다. 냉각제 액체는 냉각판(160)을 통해 펌핑된다.
다른 실시예에서, 변압기(120)는 열 관리 인클로저(710) 내에서 오일과 같은 냉각제 유체(740)에 침지된다. 냉각판(160)은 인클로저(710)와 물리적/열적으로 접촉한다. 냉각판(160)을 통해 펌핑된 냉각제 액체(240)는 열을 오일로 둘러싸인 변압기(700)로부터 멀리 전도시킨다.

Description

고전력 밀도(HPD) 변압기용 액체/유체 냉각 시스템
본 발명의 대상은 일반적으로 냉각 시스템 및 고전력 전자 전력 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고전력 전력 시스템의 고전력 밀도(HPD) 변압기에 관한 것이다. 본 발명의 대상은 또한 HPD 변압기용 액체 냉각 시스템에 관한 것이다
변압기 개요: 변압기는 하나의 전기 회로("소스")에서 하나 이상의 다른 전기 회로("부하")로 전기 에너지를, 소스와 부하(들) 사이에 어떠한 전류 전달 없이도, 전달하는 수동 전기 디바이스이다. 에너지는 전계 전송을 통해서만 전달된다. 변압기는 일반적으로 하나 이상의 철(자성) 금속 코어를 감싼 적어도 2개의 분리된 와이어 코일을 갖는다. 변압기의 한 소스 코일에서 변화하는 전류는 변화하는 자계(자속)를 생성하고, 이러한 자계는 차례로 동일한 코어에 감긴 임의의 다른 부하 코일에 변화하는 기전력을 유도한다. 부하 코일이 전기 부하에 연결되면 전류가 부하 코일을 통해 흐른다. 전기 에너지는 소스와 부하 회로 사이의 전류 전도성 금속 접속부 없이도 (가능하게는 많은) 코일 사이에서 전달될 수 있다. 이를 통해 소스 전류와 부하 전류(들)를 물리적으로 완전히 분리할 수 있다.
변압기는 저전류에서 교류 전압을 높이거나(승압 변압기(step up transformer)) 고전류에서 교류 전압을 낮추기 위한(감압 변압기(step down transformer)) 전력 애플리케이션에 사용된다.
고전력 시스템 개요: 중-고 전력 시스템(medium-to-high power system)은 대규모 산업 플랜트, 공장, 대형 차량(예를 들어, 대형 선박 및 비행기), 사무실 건물, 아파트 블록, 또는 도시 전체에 전기를 공급할 수 있다. 전력 변환 시스템, 또는 전력 변환기는 중전력 및 고전력 전자 분산 전력 버스 및 그리드에서 전력을 변환하며, 예를 들어, 고전압을 저전압으로 변환하거나; 저전압을 고전압으로 변환하거나; 하나의 교류 주파수에서 다른 교류 주파수로 전기를 변환하거나; 또는 직류에서 교류로, 또는 교류에서 직류로 변환한다.
전력 시스템은 일반적으로 발전, 송전, 배전 및 최종 사용으로 구성된다. 전력은 전기 발전기 또는 태양광 발전과 같은 재생 에너지 시스템에 의해 공급된다. 최종 부하(전력을 사용하는 디바이스)로 가는 도중에, 전력은 일반적으로 하나 이상의 전력 변환기에 의해 수전 및 송전된다. 예를 들어, 발전기 측 변환기는 고정자 버스를 통해 발전기로부터 교류(AC) 전력을 수전할 수 있고, AC 전력을 송전 주파수(grid frequency)와 같은 적절한 출력 주파수로 변환할 수 있다. AC 전력은 라인 버스를 통해 전기 그리드에 공급된다.
저전압, 중전압, 및 고전압은 엄격하게 정의되지 않지만, 예를 들어, "저전압"이라는 용어는 1.5kV 이하의 전압을 지칭할 수 있고, "중전압"은 1.5kV 초과 100kV 미만의 전압을 지칭할 수 있고, 고전압은 100kV 이상의 전압을 지칭할 수 있다.
고출력 밀도(HPD) 전력 시스템 - 소형 공간 요구 사항이 있는 선박 및 기타 환경용 전력 변환기: 군함 및 상업용 선박, 항공기와 같은 특정 환경에서는 공간 활용이 중요하다. 결과적으로, 선박은 육상 환경에서 이용될 수 있는 것보다 더 컴팩트한 전력 변환기를 필요로 한다. 또한 해양 애플리케이션을 위한 전력 변환 시스템의 중량을 줄이는 것도 바람직하다. 전력 변환기 체적과 전력 변환기 중량의 감소는 선박의 항력 감소와 향상된 전력 밀도로 이어진다.
본 시스템 및 방법은 특히 선박과 비행기에서 볼 수 있는 것과 같은 마이크로그리드에 특히 적합하지만, 이들에만 적합한 것은 아니다. (그리드와 마이크로그리드는 일반적으로 본 문서에서 "전력 시스템"이라고 지칭된다.) 선박 및 비행기용 전력 시스템과 기타 소형의 물리적 공간에 적합한 전력 시스템은 가능한 한 물리적으로 작고 컴팩트하다는 이점이 있다. 주어진 전력 수준에 대해, 물리적 사이즈가 작을수록 전력 시스템 전체의 결과적인 전력 밀도는 높아진다. 고전력 밀도는 차례로 많은 양의 원치 않는 열 발생을 수반하며, 이러한 열은 방열되어야 한다.
고전력 밀도(HPD) 시스템의 일 예는 전력 전자 빌딩 블록(Power Electronic Building Block)(PEBB) 최소 교체 유닛(Least Replaceable Unit)(LRU)이며, 이는 전력 변환기의 구조적 및 기능적 요소이고, 임의의 입력 전력을 원하는 전압, 전류, 및 주파수 출력으로 변환하는 임의의 전력 프로세서일 수 있다. PEBB는, 일반적으로 상호 연결된 여러 PEBB를 사용하는 확장 가능한 모듈식 전력 변환기 아키텍처의 일부로 사용하기 위한 것이다.
PEBB는 일반적으로 구성 가능하고 명확하게 정의된 기능이 있는 빌딩 블록에 전력 디바이스, 게이트 드라이브, 변압기, 및 기타 컴포넌트를 통합한다.
에너지 효율적이고 효과적인 선상 공간 활용의 이유로 인해, 소형 요소, 고전력 밀도, 및 결과적으로 높은 열을 갖는 PEBB LRU를 제공하는 것이 바람직하다. 이러한 PEBB LRU 및 기타 소형의 고전력 시스템은 물리적으로 소형이고 저전압을 고전압으로 승압하는 변압기의 사용을 수반할 수 있다. 이러한 고전력 변압기는 1:1 권선비의 사용을 수반할 수 있거나 K:N 권선비의 사용을 수반할 수 있으며, 여기서 N은 K보다 크거나 같은 값이다. 낮은 체적은 특히 방열에 취약하며, 높은 권선비로 인해 더 많은 열이 발생하고 이에 상응하는 방열이 필요하다.
방열 개요: 전력 변환기 및 전력 변환기용 전력 전자 빌딩 블록(PEBB)의 전력 처리 한계는 주로 이러한 시스템에 사용되는 고주파수 변압기의 열 관리에 의해 결정된다. "열 관리"는 변압기에 대한 방열 능력을 언급하는 또 다른 방법이며, 이는 차례로 체적 및 중량과, 그에 따른 전력 변환기의 전력 밀도 및 비전력(specific power)을 주로 결정한다.
레거시 전력 변환기 및 전력 전자 빌딩 블록(PEBB)은 공랭식 변압기에 의존해 왔다. 전력 변환기 동작 중 변압기(들)에서 발생하는 열은 1차 및 2차 코일에서의 I2t 손실(코일 손실)과 자성 코어(magnetic core)에서의 열/전력 손실(코어 손실)로 구성된다.
코일 손실과 코어 손실 사이의 열 손실 분포는 사용되는 특정 설계 및 재료에 기반하여 가변된다. 일반적인 변압기 냉각 시스템은 공기 냉각을 이용하며, 이러한 공기 냉각은, 예를 들어, 변압기 주위와 이를 관통하게 공기를 강제로 통과시키는 팬을 포함할 수 있다. 이것은 차례로 공기 흐름을 위한 충분한 공간과 높은 공기 속도를 필요로 하며, 이 두 가지 모두는 전력 변환기의 전체 체적을 낮게 유지하려는 목표에 반하게 작용할 수 있다.
예를 들어, 체적 전력 밀도 문제와 같은 앞서 언급한 결함을 감안할 때, 필요한 것은 중-고전압 HPD 전기 변압기용 소형 냉각 시스템이다. 또한 효율적인 열 전달을 위해 액체 냉각을 이용하는 냉각 시스템이 필요하다. 추가로 필요한 것은 전력 변압기와의 구조적 통합을 제공하거나 하나 이상의 액체 냉각제와 전력 변압기의 전기적으로 활성인 발열 요소 사이의 넓은 접촉 영역을 제공하는 냉각 시스템이다.
본 시스템 및 방법은 액체 냉각식 열 관리 솔루션을 이용하여 공랭식 변환기를 발전시켜, 특히, 예로서 제한 없이, 군사용 또는 상업용 선박에 탑재된, 또는 비행기에 탑재된 것을 포함하여, 공간이 제한된 펄스 부하 전력 변환기 애플리케이션에 대해 향상된 체적 전력 밀도를 제공하지만 이에 국한되지는 않는다.
액체 대 유체: 일반적으로/공통적으로 사용되는 용어 "액체"와 "유체"는 일반적으로 또는 거의 동등하다. 화학 및 물리학에서, "유체"는 흐르는 모든 것(액체와 기체 모두 포함)인 반면, "액체"는 용기의 형상을 따르지만 압력과 무관하게 (거의) 일정한 체적을 유지하는 거의 압축 불가능한 유체이다. 본 문서에서, "액체" 및 "유체"라는 용어는 모두 거의 일정한 체적을 가진 거의 압축 불가능한 흐르는 재료를 지칭한다. (따라서 두 용어 모두 "액체이지만 기체가 아닌 유체"를 광범위하게 의미한다.) 그러나, 본 문서에서 "액체"와 "유체"는 별개의 의미가 추가로 할당된다:
(A) "액체"는 냉각제 액체 재료(240)(도 2 참조)를 지칭하며, 일부 실시예에서는 냉각판(160)(도 1 참조)을 통해 흐르는 물일 수 있고;
(B) "유체"는 열 전달 액체 재료(740)(도 7 참조)를 지칭하며, 일부 실시예에서는 열 관리 인클로저(710) 내부의 변압기(120)와 직접 접촉하여 사용하기 위한 오일일 수 있다.
"액체"(240)(예를 들어, 물) 대 "유체"(740)(예를 들어, 오일)의 사용은 판독의 편의만을 위한 것으로, 냉각을 제공하고/하거나 열을 전달하고 제거하는 서로 다른 액체에 대해 서로 다른 종류/애플리케이션을 독자가 구분하는 것을 보조하기 위한 것이다.
주목할 것은 본 문서에서 한 문맥에서의 "냉각제"에 대한 일관된 사용과 다른 문맥에서의 "열 전달"에 대한 일관된 사용도 또한 편의와 독자의 이해를 돕기 위한 것이라는 점이다. 관련 기술 분야의 다른 문헌에서는 "냉각제" 또는 "열전달 물질"과 같은 용어를 동등하게 또는 다른 의미로 사용할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 대한 유리한 설계는 독립항 및 종속항, 상세한 설명, 및 도면에 기인한다. 다음에서, 본 발명의 실시예에 대한 바람직한 예가 첨부된 도면의 도움으로 상세하게 설명된다. 본원에 포함되고 명세서의 일부를 형성하는 도면은 본 발명을 예시하고, 상세한 설명과 함께, 추가로 본 발명의 원리를 설명하고 관련 기술 분야(들)의 기술자가 본 발명을 제조 및 사용하게 하는 역할을 한다.
도 1은 본 시스템 및 방법의 일 실시예에 따른 통합된 냉각판을 갖는 예시적인 변압기를 도시한 것이다.
도 2는 본 시스템 및 방법의 일 실시예에 따른 예시적인 액체 냉각 시스템을 도시한 것이다.
도 3a는 본 시스템 및 방법의 일 실시예에 따른 통합된 냉각판을 갖는 예시적인 변압기를 도시한 것이다.
도 3b는 본 시스템 및 방법의 일 실시예에 따른 통합된 냉각판을 갖는 예시적인 변압기를 도시한 것이다.
도 4는 본 시스템 및 방법의 일 실시예에 따른 통합된 냉각판을 갖는 예시적인 변압기를 도시한 것이다.
도 5는 다수의 전력 전자 빌딩 블록을 갖는 예시적인 전력 변환기를 도시한 것으로, 각각의 전력 전자 빌딩 블록은 예시적인 액체 냉각 시스템을 갖는다.
도 6a는 본 시스템 및 방법에 따른 예시적인 변압기 코일을 도시한 것이다.
도 6b는 본 시스템 및 방법에 따른 예시적인 변압기 코일을 도시한 것이다.
도 7은 본 시스템 및 방법의 일 실시예에 따른 예시적인 유체 침지 변압기의 일부 요소를 도시한 것이다.
도 8은 본 시스템 및 방법의 실시예에 따른 예시적인 유체 침지 변압기의 일부 요소를 도시한 것이다.
도 9는 전력 변환기에 사용될 수 있는 하이브리드 전력 전자 빌딩 블록에 통합된 액체 또는 유체 냉각 변압기의 예시적인 적용을 도시한 것이다.
도면의 텍스트에 대해: 도면의 모든 텍스트는 편의 상 이해를 돕기 위해 제공되며, 독자에게 일부 요소의 특성에 대해 구두로 상기시켜 준다. 이러한 텍스트는 제한적인 것으로 해석되어서는 안 되며, 서면 개시 내용 내에 설명된 바와 같이, 추가 또는 대안적인 라벨, 명명법, 또는 대안적인 실시예에 의해 서로 다른 요소가 알려지거나 이해될 수 있다. 도시된 요소의 보다 완전한 설명을 위해, 독자는 도면에 도시된 참조 번호를 참조하고, 이들 참조 번호와 관련된 개시 내용의 논의를 참조할 뿐만 아니라 참조 번호가 생략될 수 있는 본 개시 내용의 다른 설명을 참조하고 있다.
도면에 도시된 특정 기능 또는 동작 값(예를 들어, 전압 값, 전력 값, 구조적 치수, 및 다른 수치 값)은 기재된 개시 내용에서 제한적인 것으로 기재되지 않는 한, 단지 예시적인 것으로만 해석되어야 하며 제한적인 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 본원에서 특정 애플리케이션을 위한 예시적인 실시예와 함께 설명되지만, 본 발명은 이에 제한되지는 않는다는 것을 이해해야 한다.
다음의 상세한 설명은 본질적으로 예시일 뿐이며, 교시된 시스템, 구성, 및 방법을 제한하거나, 교시된 시스템, 구성, 및 방법의 요소 또는 단계를 제한하거나, 본원에 개시된 바와 같은 본 발명의 시스템, 방법, 및 구성의 적용을 제한하도록 의도되지 않는다. 또한, 발명의 범위가 앞의 배경이나 개요에 제시된 임의의 이론에 구속 또는 제한되거나 이러한 이론에 의해 구속 또는 제한될 의도가 없을 뿐만 아니라, 다음의 상세한 설명에서도 그러할 의도는 없다. 본원에 제공된 교시 내용에 접근할 수 있는 본 기술 분야의 기술자는 본 발명의 범위 및 본 발명이 상당한 유용성을 가질 수 있는 추가적인 분야 내의 추가적인 수정례, 애플리케이션, 및 실시예를 인식할 것이다.
본 출원 전반에 걸쳐, 다양한 실시예에 대한 설명은, 본 시스템 및 방법이 기술된 특정 요소 또는 단계를 포함할 수 있지만; 본 시스템 및 방법이 또한 기술되지 않았거나, 또는 다른 실시예와 함께 기술될 수 있거나, 또는 도면에서만 도시될 수 있거나, 또는 전력 시스템의 기능에 필요한 것으로 본 기술 분야에서 널리 알려진 다른 요소 또는 단계를 포함할 수 있다는 것을 나타내는 "포함하는" 언어를 사용할 수 있다. 그러나, 본 기술 분야의 기술자는 일부 특정 사례에서 실시예가 "본질적으로 ~로 구성된" 또는 "~로 구성된"이라는 언어를 사용하여 대안적으로 설명될 수 있음을 이해할 것이다.
본 교시 내용을 더 잘 이해하기 위해 그리고 본 교시 내용의 범위를 어떤 식으로든 제한하지 않기 위해, 단수형의 사용이 달리 구체적으로 언급되지 않는 한 복수형을 포함한다는 것이 본 기술 분야의 기술자에게는 명백할 것이다. 따라서, 단수 형태의 용어 및 "적어도 하나"는 본 출원에서 상호교환적으로 사용된다.
이러한 상세한 설명에 사용된 부제는 본 문서를 읽고 쉽게 탐색할 수 있도록 돕기 위해 제시될 뿐이며, 정의하거나 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 시스템 및 방법은 예시에 불과한 후술하는 실시예에 제한되지는 않는다. 오히려, 본 시스템 및 방법의 전체 범위는 후속하는 청구항에 열거되고 있다. 첨부된 청구항 그 자체가 개시 내용이며, 본 시스템 및 방법의 전체 범위는 청구항에만 열거되는 요소를 포함할 수 있음이 추가로 이해될 것이다.
변압기용의 예시적인 액체 냉각 요소 및 시스템
본 기술 분야의 기술자는 변압기를 위한 방열을 포함하여 전기 시스템의 효과적인 동작을 위해 방열이 필요하다는 것을 이해할 것이다. 레거시 전력 변환기는 냉각 팬과 같은 공랭식을 이용하거나, 경우에 따라 통풍구 및 히트 싱크로 보완되는 주변 환경의 일반적인 공기 흐름만을 이용할 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 소형 환경을 위한 신흥 전력 변환기는 (레거시 전력 변환기의 전력 밀도/비전력과 비교하여) 상당히 증가된 고전력 밀도(HPD) 및 비전력(specific power)을 가질 수 있다. 증가된 전력 밀도 및 비전력은 레거시 전력 변환기에서 생성되는 것보다 더 많은 체적 또는 중량적 열(또는 단위 체적 또는 중량당 열)과 더 높은 온도를 생성한다. 또한, 이러한 시스템은 전류를 고주파수(HF)로 변환하기 위해 HPD 변압기(120)를 이용할 수 있으며, 이는 열 발생을 더욱 증가시킨다.
HPD 변환기에서 HPD-HF 변압기에 의해 발생된 열을 발산시키기 위해, 공기 기반 냉각과 조합하거나 변압기(120)에 대한 공기 기반 냉각을 실질적으로 대체하기 위해 액체 기반 냉각 시스템이 HPD 변압기(120)에 이용될 수 있다.
특히, HPD 전력 변환기 전체에 대한 보다 높은 전압, 다수의 변압기 권선, 및 보다 압축된 사이즈의 조합은 HPD-HF 변압기(120)에 의한 강한 발열을 초래할 수 있다. 동작 중 HPD-HF 변압기(120)에서 발생되는 열은 변압기(120)에 대한 1차 및 2차 코일에서의 I2t 손실(전류 제곱(I2) 시간 손실)과 자성 코어에서의 열/전력 손실(코어 손실)로 이루어진다.
일부 실시예에서, 본 시스템 및 방법은 HPD-HF 변압기(120)를 위한 전용 액체 기반 냉각을 도입한다.
따라서, 일부 실시예에서, 본 시스템은 액체 냉각식 열 관리 솔루션을 이용하여 공랭식을 발전시켜, 특히 공간이 제한된 펄스 부하 변환기 애플리케이션(예를 들어, 군용 또는 상업용 선박에 탑재됨)을 위한 체적 전력 밀도를 추가로 향상시킨다. 코일 손실과 코어 손실 사이의 열 손실 분포는 사용되는 특정 설계 및 재료에 기반하여 가변된다. 체적을 줄이고 전력 밀도를 증가시키기 위해, 본 시스템 및 방법의 실시예는 변압기 코일 컴포넌트(135.2, 135.1) 및 변압기 코어(145)에 대한 열 관리를 위한 액체 냉각식 솔루션과 함께 액체 냉각식 HPD-HF 변압기(100)를 이용한다.
통합된 냉각판을 갖는 예시적인 HPD-HF 변압기: 도 1은 본 시스템 및 방법의 일 실시예에 따른 액체 냉각 시스템(200)(도 2 참조)의 통합된 냉각판(160)을 갖는 예시적인 HPD-HF 변압기(120)(도 1에서, 통합된 냉각판(160)을 갖는 적절한 결합된 변압기(120)(즉, 코일과 자성 코어)(이하 "TICP")는 참조 번호 100.1로 라벨링된다)의 개략도를 제공한다. 일 실시예에서, TICP는 구조적으로 통합된 유닛을 형성하며, 즉 액체 냉각 시스템(200)의 일부 요소(160, 165)는 HPD-HF 변압기(120)의 구조 내에 매립된다.
코일 컴포넌트(코일) 및 코어: 일 실시예에서, HPD-HF 변압기(120)는 1개, 2개, 또는 그 초과의 1차(고전압/HV) 코일 컴포넌트(135.1); 1개, 2개, 또는 그 초과의 2차(저전압/LV) 코일 컴포넌트(135.2); 1개, 2개, 3개, 또는 그 초과의 자성(철) 코어(145)(도면에는 3개 도시됨), 및 전기 접속부(185)(도면에는 1개만이 도시됨)를 포함한다. 하나 이상의 코어(145)는 코일(135)의 간극 및/또는 냉각판(160)의 간극을 관통할 수 있는 하나 이상의 내부 코어 요소(들)(147)를 가질 수 있다. 내부 코어 요소(들)(147)는 구조적 지지만을 제공할 수 있거나, 코일(135) 사이에 추가적인 자기 결합/인덕턴스를 제공하기 위해 철 재료로 만들어질 수 있다.
1차 코일(135.1) 및 2차 코일(135.2)의 금속성 전기 전도성 요소(610)는 실제로 도 1에 도시되어 있지 않고(대신 도 6a 및 도 6b 참조); 오히려, 도면에는, 예를 들어, 실리콘, 수지, 에폭시, 세라믹, 유리, 또는 다른 비 전기 전도성 물질 또는 재료(620.1, 620.2)(코일(135)의 단면도에 대한 도 6a 및 도 6b 참조)로 만들어질 수 있는 고체 코일 컴포넌트(135.1, 135.2)의 외부가 도시되어 있으며, 전기 전도성(전형적으로 금속성) 코일(610)은 내부에 매립되어 있다. 본 문서에서, 간결함을 위해 "코일 컴포넌트"(135)는 일반적으로 간단히 "코일"(135)이라고 지칭된다. 일 예시적인 실시예에서, 코일 와이어(610)는 리츠 와이어(Litz wire)일 수 있다.
에폭시, 수지, 유리, 세라믹 재료 또는 이와 유사한 접합/인클로저 재료는 일반적으로 "코일 지지 재료"(620.1, 620.2)라고 지칭되며, 효과적인 열 전도체가 된다. 코일(135)의 전기 전도성 요소(예를 들어, 와이어, 필라멘트, 또는 호일)(610)에 의해 발생된 열은 코일 컴포넌트(135.1, 135.2)의 주변 에폭시, 수지, 또는 세라믹 재료(620.1, 620.2)로 쉽게 전달된다.
도시된 예시적인 실시예에서, 3개의 냉각판(160)("열 교환판"(160)으로도 지칭됨)이 모든 코일 컴포넌트(135.1, 135.2)와 코어(들)(145) 사이에 물리적으로 삽입되거나 끼워져 이들과 실질적으로 접촉하게 된다. 일 실시예에서, 냉각판은 비철(비자성) 금속으로 만들어진다. 대안적인 실시예에서, 냉각판(160)은 열 전도에 적합한 다른 비철, 비금속성 재료로 만들어질 수 있다.
각각의 냉각판(160)을 관통하는 것은 냉각제 액체(240)(도 2 참조), 예를 들어, 탈이온수, 음료용 냉각수, 또는 석유 화학 첨가제가 있거나 없는 처리수, 또는 다른 냉각제 액체(240)를 전도하기에 적합한 하나 이상의 내부 액체 수송 채널(260)(또는 "냉각제 채널"(260))(도 1에는 도시되지 않음, 도 2 참조)이다.
2개 이상의 냉각제 튜브(165)(또는 "냉각제 파이프"(165))가 냉각제 포트(175)에 있는 냉각판(160)에 연결되며, 이러한 냉각제 포트(175)는 냉각판(160)의 외부 표면을 따르는 유체 입/출력 포트가 된다. 냉각제 포트(175)는 도면에 도시되지 않은 밸브 또는 다른 유체 제어 메커니즘을 가질 수 있다. 냉각제 튜브(165)는 냉각판(160)의 내부 냉각제 채널(260) 안팎으로 액체 냉각제(240)를 전달한다. 냉각판(160)의 내부 냉각제 채널(들)(260)을 통한 냉각제 액체(240)의 수송은 열을 변압기(120)로부터 멀리 전도하고, 전력 변환 동안 변압기(120)를 안전한 동작 온도로 유지하는 역할을 한다.
대안적인 실시예에서, 외부 냉각제 튜브(165) 또는 냉각제 파이프(165)는 냉각판(160) 내로 통합될 수 있거나, 냉각제 포트(175)에 접합되거나, 또는 부착될 수 있고/있거나 내부 냉각제 채널(260)의 통합된 연장부일 수 있다.
본 기술 분야의 기술자는 열 결합 재료 또는 접착제와 같은 다양한 추가 열 전도성 재료(도 1에 도시되지 않음)의 얇은 층이 코일(135.2, 135.1)과 냉각판(160)의 표면을 갖는 코어(145)의 표면들을 접합 또는 부착하는 것을 돕는 데 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이러한 열 전도성 재료는 또한 효율적이고 균일한 열 전달을 유지하는 데 도움이 될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 열 전도성 재료는 1㎜ 이하의 얇은 층으로 도포될 수 있고; 대안적인 실시예에서는, 더 두꺼운 층이 사용될 수 있고; 대안적인 실시예에서는, 접합을 위해 추가적인 열 전도성 재료 또는 접착제가 사용되지 않는다. 대신에, 코일(135.2, 135.1) 및 냉각판(160)은 나사(도면에 미도시), 클램프(미도시), 볼트(현재 도시)와 같은 기계적 수단을 통해 또는 주변 코어(145)에 의해 가해지는 격납 및 압력을 통해 함께 결속되어 열적 접촉 상태로 유지될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 코일(135.2, 135.1) 및 냉각판(160)의 일부 또는 전부는, 제조 공정 동안 다음과 같이: 즉 (i) 가열, 압축, 표면 용매의 도포 또는 유사한 수단을 사용하여, 얇은 표면 층 및/또는 코일(135.2, 135.1) 및/또는 냉각판의 가장자리를 녹이거나, 부분적으로 녹이거나, 화학적으로 연화하고; (ii) 코일(135.2, 135.1) 및/또는 냉각판을 함께 기계적으로 압착하고; 및 (iii) 그런 다음 그렇게 처리된 표면/가장자리가 물리적으로 경화되고 분자 레벨에서 함께 결합되도록 하는 것에 의해, 함께 결속되고 영구적인 열적 접촉 상태로 유지될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 나사, 클램프, 볼트, 코어(145), 열 전도성 재료 및 접착제, 및 화학적/열 결합 중 2개 이상의 조합을 사용하여, 코일(135.2, 135.1)과 냉각판(160) 간의 접촉, 가압, 및 필요한 정도의 열 전도성 상태를 유지할 수 있다.
본 문서의 추가적인 논의에서, "냉각판"은 대문자 "C"로, 2차/저전압 코일은 "S"로, 1차/고전압 코일은 "P"로 약칭하는 경우가 있다. 본 시스템 및 방법의 다양한 실시예는 이들 요소의 적층 순서에 따라 간략하게 참조될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 예시적인 실시예 100.1에서, 적층 순서는 "C-S-P-C-P-S-C"이다.
주요(보다 큰) 표면: 일부 실시예 및 일부 기하학적 구조에서, 냉각판(160), 코일(135), 및/또는 코어(들)(145)의 일부 평평한 표면(190) 또는 실질적으로 평평한 표면(190)이 이들 요소 중 가장 큰 표면일 수 있거나 2개의 반대되는 가장 큰 표면 중 하나일 수 있다는 것이 도면으로부터 명백할 것이다. 이러한 가장 큰 표면(190)은 본 문서에서 "주요 표면"(190)으로 지칭되며, 이러한 주요 표면(190)은 냉각판(160)으로의 열 전달에 특히 적합하다는 것이 명백할 것이다. 보다 작은, 부 표면(minor surface)(195)도 또한 열 전달을 가능하게 할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 일부 변압기 컴포넌트(135, 145)는 대략적으로 또는 실질적으로 입방체일 수 있고, 이 경우에 주요 표면(190)과 부 표면(195) 간의 면적 구별은 중요하지 않을 수 있다.
예시적인 액체 냉각 시스템(LCS)
관련 기술 분야의 기술자는 변압기(120)를 위한 전체 또는 기능적으로 완전한 액체 냉각 시스템(200)이 냉각 시스템(100.1)의 액체 냉각 요소(LCS)(160, 165) 및 냉각제 액체(들)(240)뿐만 아니라 다양한 추가 요소를 포함할 것이고, 그러한 요소의 일부 또는 전부는 외부에 있을 수 있고, 가능하다면 변압기(120)에서 멀리 떨어져 있을 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 2는 본 시스템 및 방법에 따른 HPD-HF 변압기(120)를 위한 예시적인 액체 냉각 시스템(LCS)(200)을 도시한 것이다. 첨부된 청구항의 범위와 일치하는 예시적인 LCS 200 및 다른 LCS 시스템은 다른 요소들 중에서도 다음을 이용할 수 있다:
(i) 도 1(및 도 3, 도 4, 도 5, 및 도 6 참조)과 관련하여 위에서 논의된 통합된 냉각판을 갖는 예시적인 변압기(TICP)(100);
(ii) 예시적인 유체 침지 변압기(FIT)(700)(도 7 및 도 8 참조, 그리고 추가 논의를 위해 도 6도 참조);
(iii) 첨부된 청구항의 범위와 일치하는 모든 변압기.
LCS(200)는 이미 위에서 논의된 하나 이상의 냉각판(160)을 포함하며, 이들 냉각판(160)은 HPD-HF 변압기(120)의 요소에 결합되거나, 내부에 매립되거나, 그렇지 않으면 HPD-HF 변압기(120)의 요소와 긴밀한 구조적 접촉/열적으로 결합된다.
냉각판: 주목할 것은 본 문서의 도면에서는 냉각판(160)은 6개의 실질적으로 편평하고 상호 직교하는 표면을 갖는 실질적으로 입방체로 도시되어 있지만, 다른 형상도 가능하다는 것이다. 본 시스템 및 방법의 일부 실시예에서, 냉각판이 비입방체 형상으로 성형되거나, 다양한 연장부를 갖는 수정된 입방체 형상으로 성형되어, 변압기(100)의 다른 요소(135.2, 135.1, 145)와의 표면 접촉에 더 잘 순응하거나, 그러한 표면 접촉을 증가시키거나, 또는 변압기(100)의 다른 요소(135.2, 135.1, 145)와의 전류 또는 자성 상호 작용을 증가시키는 것이 유리하다는 것을 증명할 수 있다. 본 시스템 및 방법의 일부 실시예에서 ― 그리고 가능하게는 냉각판(160)의 중량을 감소시키거나, 추가적인 열 전도성을 제공하거나, 또는 냉각판(160)을 위한 보충 공기 냉각을 제공하기 위해 ―, 냉각판이, 예로서 그리고 제한 없이, 릿지, 범프, 홈, 다른 질감 또는 표면 높이의 변화를 포함하는 질감이 있는 표면을 갖거나 비선형(곡선) 부분을 갖는 것이 유리하다는 것을 증명할 수 있다.
일부 실시예에서, 냉각판(160)은 단일 금속, 단일 금속 합금, 단일 세라믹 재료, 단일 폴리머 재료, 탄소 기반 재료, 또는 다른 단일 비철, 비 전기 전도성이지만, 열 전도성 재료로 만들어질 수 있다. 대안적인 실시예에서, 냉각판(160)은 2개 이상의 재료로 만들어질 수 있으며, 예를 들어, 별도의 상이한 재료가 냉각판의 제1 측면, 냉각판의 제2 측면, 및 가능하게는 내부 채널(260)의 라이닝(아래에서 논의됨)을 위한 제3 재료용으로 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 공기에 노출되는 냉각판의 표면은 노출되는 표면에 대해 절연 재료를 부착하여, 열 누출을 방지하고, 화재 또는 화상을 방지하고/하거나 냉각제 채널(260)을 통한 최대 열 전달을 유지할 수 있다.
냉각제 채널: 냉각판(160) 내부에는 냉각판(160)을 통해 냉각제 액체(240)를 전도하는 하나 이상의 냉각제 채널(260)이 있다. 주목할 것은 도 2에 도시된 냉각제 채널(260)의 개수, 기하학적 구성, (냉각판의 사이즈와 관련한) 상대적인 폭 및/또는 직경, 및 배열은 단지 예시일 뿐이며; 냉각제 채널(260)의 많은 대안적인 배열이 본 시스템 및 방법의 범위 내에서 이용될 수 있다는 것이다. 냉각제 채널(260)은 (냉각판(160)의 가장 짧은 폭(310)(도 3a 참조) 정도의 직경을 갖는) 벌크/매크로 채널일 수 있거나, 냉각판(160)의 짧은 폭(310)보다 실질적으로 더 작은 직경을 갖는 마이크로 채널일 수 있다.
추가로 주목할 것은 냉각제 채널(260)이 본 문서에서 냉각판(160)의 "내부"로 설명되어 있지만, "내부 채널"은 냉각판(160)의 금속성 표면이 냉각판(160)의 평평하거나 평활되거나 융기된 표면 위로 부분적으로 연장되거나 돌출될 수 있는 냉각제 채널; 및/또는 냉각판(160)의 편평하거나 평활되거나 융기된 표면에 접합되는 냉각제 액체(240)를 운반하는 냉각 파이프(예를 들어, 금속 파이프)를 포함하는 것으로 해석된다는 것이다.
냉각제 튜브: 냉각판(160) 내의 냉각제 채널(260) 안팎으로 액체 냉각제(240)를 공급하는 것은 하나 이상의 유입 냉각제 튜브(165.1) 및 하나 이상의 유출 냉각제 튜브(165.2)이다. 여기서 다시, 도 2에 도시된 단일 유입 냉각제 튜브(165.1) 및 단일 유출 냉각제 튜브(165.2)는 예시일 뿐이며, (도 1에서와 같이) 더 많은 수의 냉각제 튜브(165)가 이용될 수 있다. 도 1 및 도 2는 모두 좁은 측면 표면(185)을 따라 냉각판(160)에 진입/퇴출하는 냉각제 튜브(165)를 도시하지만, 이는 예시일 뿐이다. 대안적인 실시예에서, 하나 이상의 냉각제 튜브(165)가 부착될 수 있고, 냉각판(160)의 보다 큰 평면 표면(190)을 따라 냉각제 유입 또는 유출을 제공할 수 있다.
예시적인 냉각 시스템(200)은 또한, 예로서 제한 없이, 더 많거나 더 적은 냉각판(160); 자성 코어(145)(도 4 참조)의 외부 표면(들)에 접합된 하나 이상의 대안적 또는 추가 냉각판(160); 다른 대안적인 기하학적 구조물; 및 첨부된 청구항의 범위 내의 다른 변형례를 포함할 수 있다.
예시적인 냉각 시스템(200)은 또한 첨부된 청구항에서 단순히 "펌핑 시스템(210)"으로 지칭되는 펌핑/열 교환 서브시스템(210)을 포함할 수 있고, 이러한 서브시스템(210)은 또한 "조절 시스템"(210), "필터링 시스템(210)", "냉각제 컨디셔닝 시스템"(210), 및 다른 유사한 용어로도 지칭될 수 있다. 펌핑/열 교환 서브시스템(210)은, 예로서 제한 없이, 다음을 포함할 수 있다:
(i) 액체 펌프(215). 일 실시예에서, 제1 냉각제 펌프(215)는 입력 냉각제 튜브(들)(165.1)를 통해 냉각판(160) 내로 저온 냉각제(240)를 투입하기 위한 압력을 제공하고; 한편, 제2 냉각제 펌프(215)는 사용된 냉각제 및 새로운 냉각제 중 하나 또는 둘 모두를 (바이패스/혼합 밸브(220)로부터) 냉각제 컨디셔닝 유닛(225) 내로 가압한다. 도시된 2개의 펌프는 예시일 뿐이다. 다른 펌프도 이용될 수 있는데, 예를 들어, 냉각제 튜브(165) 내로 또는 열 교환기(235) 내로 직접 새로운 저온 냉각제 액체(240)를 투입하는 새로운 냉각제 입력 펌프(도면에 도시되지 않음)가 이용될 수 있고;
(ii) 고온 냉각제(240)로부터 열을 제거하여 환경 히트 싱크(295)로 전달하고; 그리고/또는 환경 냉각원(201)을 통해 액체 냉각제(240)에 대한 냉각을 제공하기 위한 열교환기(235);
(iii) 가열된 냉각제(240)의 일부를 새로운 냉각제 액체(240)와 혼합하거나 또는 저온 냉각제(240)와 재활용된 고온 액체(240)를 교대로 사용함으로써 가열된 냉각제(240)의 일부를 재활용할 수 있는 바이패스/혼합 밸브(220);
(iv) 금속 또는 비금속 입자, 먼지 및 외부 화학물질을 제거하기 위해 냉각제 액체(240)를 세정 또는 필터링할 수 있거나, 또는 냉각제 액체(240)에 화학적 첨가제(예를 들어, 부동액)를 제공할 수 있는 냉각제 컨디셔닝 유닛(225);
(v) 냉각제 액체(240)를 위한 단기 저장 또는 냉각제 버퍼를 제공하는 냉각제 저장소(230).
관련 기술 분야의 기술자는 예시적인 냉각 시스템(200), 특히 펌핑/열 교환 서브시스템(210)이 도 2에 도시되지 않은 다른 요소를 포함할 수 있고, 예로서 제한 없이, 밸브; 온도 감지 디바이스; 압력 감지 디바이스; 추가 화학물질 또는 냉각제 저장소; 소프트웨어 및 펌웨어를 통해 냉각 시스템(220)을 제어하기 위한 내부 처리 및 메모리; 펌프(215), 밸브, 프로세서 및 메모리에 전력을 공급하기 위한 내부 전기 시스템; 및 냉각 시스템(200)의 외부 모니터링을 위한 입력 및 출력 제어/데이터 포트를 포함한다는 것을 이해할 것이다. 이러한 추가 요소는, 일부 실시예에서, 액체 냉각 요소(100, 700)를 갖는 하나 이상의 변압기를 포함하는 구조적으로 PEBB LRU 및/또는 전력 변환기의 일부일 것이다.
본 시스템 및 방법의 일 실시예에서, 펌핑/열 교환 서브시스템(210)의 다수의 요소는 편리한 장착 및 모듈성을 제공할 수 있는 서브시스템 인클로저(280)에 공통으로 하우징되어 구조적으로 결합될 수 있다. 본 시스템 및 방법의 실시예에서, 인클로저(280) 내의 펌핑 시스템(210) 요소는 다수의 변압기(100)(도 2에 도시된 하나의 단일 변압기(100)는 예시일 뿐이고, 제한되지 않음)를 위해 압력 및 컨디셔닝된 냉각제를 공급할 수 있고, 가열된 냉각제를 제거할 수 있다.
공기 기반 냉각이 없거나 또는 제한된 공기 기반 냉각: 본 시스템 및 방법의 액체 기반 변압기 냉각은 변압기(120)에 의해 발생된 열의 전부 또는 실질적으로 대부분을 변압기의 고체 재료 컴포넌트, 냉각판(160), 및 액체 냉각제(240)를 통한 열 전달에 의해 제거한다는 것이 위의 설명 및 도면뿐만 아니라 아래의 추가 설명 및 도면으로부터 명백할 것이다. 일부 실시예에서, 변압기(120)를 바로 둘러싸는 주변 공기를 통한 열 전달은 본질적으로 무시할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 근접하게 둘러싸는 공기를 통한 변압기(120)로부터의 열 전달은 어느 정도의 실질적이거나 유익한 추가 냉각을 제공할 수 있지만; 열 제거를 위한 지배적인 모드는 여전히 주로 다음을 통해: 즉, (i) 변압기 코일(135) 및 코어(들)(145)로부터 냉각판(160)으로의 열의 흐름, 그리고 나서 (ii) 냉각판(160)으로부터 냉각판(들)(160)을 관통하는 액체 냉각제(240)를 통해 외부 환경 히트 싱크(295)로의 열의 흐름을 통해 이루어진다.
냉각원 및 환경 히트 싱크: 도 2에 도시된 예시적인 환경 냉각원(201) 및 예시적인 환경 히트 싱크(295)는 예시적인 냉각 시스템(200)과는 별개로 보다 큰 환경의 요소인 것으로 이해된다. 예를 들어, 선박 기반 전력 변환기 애플리케이션의 경우, 환경 냉각원(201) 및 환경 히트 싱크(295)는 전체 선상 공정 용수 또는 음료용 냉각수 공급 시스템일 수 있거나 선박이 운항하는 바다, 대양 또는 강의 물일 수 있다. 다른 예로서, 비행기 기반 전력 변환기 애플리케이션의 경우, 환경 냉각원(201) 및 환경 히트 싱크(295) 모두는 항공기 외부의 공기일 수 있다.
도 3a는 액체 냉각 시스템(200)(도 2 참조)의 통합된 냉각판을 갖는 예시적인 HPD-HF 변압기(120)(TICP)를 도시한 것이다. (도 3a에서, 통합된 냉각판을 갖는 결합된 변압기(120)(TICP)는 참조 번호 100.2로 라벨링된다). 예시적인 TICP(100.2)의 일부 요소는 도 1의 예시적인 TICP(100.1) 및/또는 도 2의 냉각 시스템(200)의 요소와 동일하거나 실질적으로 유사하며; 중복을 피하기 위해, 도 1 및/또는 도 2에서 이미 설명된 요소의 일부 세부 사항은 여기에서 반복되지 않는다.
도 3a에서, 통합된 냉각판을 갖는 변압기(TICP)(100.2)가 단면도로 도시되어 있고, 도 1의 실시예(100.1)와 비교하여 일부 요소가 생략되어 있다. 도 3a의 단면도에서, 내부 코어 요소(147)는 존재하지 않는다.
TICP(100.2)에서는 2개의 2차 코일(135.2) 사이에 끼워진 단일 1차 코일(135.1)만이 이용되고 있다. 2차 코일(135.2)의 외부 표면 상에는 2개의 냉각판(160)이 이용된다. 냉각판(160)은 또한 자성 코어(145)와 열 접촉하고 있다. 냉각판(160)(또는 열 교환판(160))을 관통하는 내부 채널(260)을 갖는 냉각제 파이프(160)도 도시되어 있다. TICP(100.2)에서, 적층 순서는 "C-S-P-S-C"이다.
도 3b는 액체 냉각 시스템(200)의 통합된 냉각판을 갖는 다른 예시적인 HPD-HF 변압기(120)(TICP)(100.3)를 도시한 것이다. (도 3b에서, 통합된 냉각판(160)을 갖는 적절한 결합된 변압기(120)(TICP)는 참조 번호 100.3으로 라벨링된다).
도 3b에서, 통합된 냉각판을 갖는 변압기(TICP)(100.3)가 단면도로 도시되어 있고, 도 1의 실시예(100.1)와 비교하여 일부 요소가 생략되어 있다. 도 3b의 단면도에서, 내부 코어 요소(147)는 존재하지 않는다.
예시적인 TICP(100.3)의 일부 요소는 도 1의 예시적인 TICP(100.1) 및/또는 도 2의 냉각 시스템(200)의 요소와 동일하거나 실질적으로 유사하며; 도 1 및/또는 도 2에서 이미 설명된 요소의 세부 사항은 여기에서 반복되지 않는다.
도 3b에서, TICP(100.3)가 단면도로 도시되어 있고, 도 1의 실시예(100.1)와 비교하여 일부 요소가 생략되어 있다. TICP(100.3)에서는 단일 1차 코일(135.1)과 단일 2차 코일(135.2)만이 이용되며, 이들 사이에는 단일 냉각판/열 교환판이 열적으로 결합되어 있다. 냉각판(160)은 또한 자성 코어(145)와 제한된 열 접촉 상태에 있다. TICP(100.3)에서, 적층 순서는 "S-C-P"이다.
도 4는 액체 냉각 시스템(200)의 통합된 냉각판을 갖는 다른 예시적인 HPD-HF 변압기(120)(TICP)(100.4)를 도시한 것이다. 예시적인 TICP(100.4)의 일부 요소는 도 1의 예시적인 TICP(100.1) 및/또는 도 2의 냉각 시스템(200)의 요소와 동일하거나 실질적으로 유사하며; 도 1 및/또는 도 2에서 이미 설명된 요소의 세부 사항은 여기에서 반복되지 않는다. 도 4의 단면도에서는 내부 코어 요소(147)가 존재한다(따라서, 각각의 단일 코일(135) 뿐만 아니라 2개의 단일 냉각판(160' 및 160")이 2개의 부분으로 분할된 것처럼 보인다).
도 4에서는 TICP(100.4)가 도시되어 있고, 도 1의 실시예(100.1)와 비교하여 일부 요소가 생략되어 있다. TICP(100.4)에서는 단일 1차 코일(135.1)과 2개의 2차 코일(135.2)만이 이용되고 있다. 4개의 냉각판/열 교환기(160)가 이용되며: 즉, (i) 2개의 냉각판(160', 160")은 2개의 2차 코일(135.2)의 2개의 각각의 표면과 물리적으로 그리고 열적으로 결합되며, 또한 자성 코어(145)와 내부 물리적/열적 접촉 상태에 있으며; (ii) 2개의 냉각판(160)은 철 코어(145)의 외부 표면에 부착되어 열적으로 결합된다. TICP(100.4)에서, 적층 순서는 "C-F-C-S-P-S-C-F-C"이다.
위의 실시예에서 예시되고 논의된 1차 코일(135.1), 2차 코일(135.2), 냉각판(160), 및 철 코어 부품(145, 147)의 요소의 배열 및 순서는 예시일 뿐이며 제한적이지 않다. 이하에서 더 논의되는 바와 같이, 첨부된 청구항의 범위 내에서 다른 배열이 쉽게 구상될 수 있다.
일반화된 변압기 컴포넌트 배열: 관련 기술 분야의 기술자에게 명백한 바와 같이, 그리고 위의 논의 및 관련 도면에 기반하여, 액체 냉각식 변압기(100)의 다양한 실시예는, 예로서 제한 없이, 다음을, 단독으로, 또는 일부의 경우 조합으로 포함할 수 있다:
(i) 냉각판(160)의 제1 주요 표면(190)(최대 표면 또는 2개의 최대 표면 중 하나)은 (i) 코어(145)와 (ii) 코일 컴포넌트(135.1, 135.2)의 하나 중의 적어도 하나의 제2 주요 표면(190)과 접촉하여 열적으로 결합된다. 제1 및 제2 주요 표면(190)은 연장된 표면 접촉을 가능하게 하여 제1 주요 표면(190)과 제2 주요 표면(190) 간의 효과적인 열 전달을 가능하게 하도록 상호 성형된다. (예를 들어, 도 1, 도 3a/b, 도 4, 및 도 5가 참조된다.) (주목되는 것은 도 1에서, 코어(145)와 코일 컴포넌트(135)의 접촉 주요 표면은 이러한 접촉 표면이 직접적인 시야에서 가려지기 때문에 참조 번호로 라벨링되지 않는다는 것이다.)
(ii) 제1 주요 표면(190) 및 제2 주요 표면(190)이 평평한 표면인, 바로 위의 목록 항목 (i)에 설명된 액체 냉각식 변압기(160). (예를 들어, 도 1, 도 3a/b, 도 4, 및 도 5가 참조된다.)
(iii) 단일 냉각판(160)은 제1 주요 표면(190) 및 제2 대향 주요 표면(190)을 가지며, 두 개의 대향 주요 표면(190) 각각은 코어(145)와 두 개의 코일 컴포넌트(135.1, 135.2) 중 서로 다른 변압기 요소로부터의 주요 표면(190)과 접촉하고 있다. (예를 들어, 도 1, 도 3a/b, 도 4, 및 도 5가 참조된다.)
(iv) 단일 냉각판(160)은 (a) 코어(145)와 코일 컴포넌트(135.1, 135.2) 중 하나(도 1 및 도 3 참조), 또는 (b) 2개의 코일 컴포넌트(135.1)(도 1, 도 4, 도 5 참조) 중 적어도 하나의 사이에서 물리적으로 위치되고, 이들과 주요 표면(190)을 따라 물리적으로 접촉하고, 그리고 이들과 주요 표면(190)을 따라 열적으로 결합되어 있다.
(v) 적어도 2개의 별도의 냉각판(160), 여기서 적어도 2개의 냉각판(160)은 코어(145), 제1 코일 컴포넌트(135.1), 및 제2 코일 컴포넌트(135.2) 중에서 적어도 2개의 서로 다른 인접하지 않은 변압기 요소와 물리적으로 접촉하고, 열적으로 접촉하도록 구성 및 배열된다. (도 3a 참조).
(vi) 적어도 2개의 별도의 냉각판(160), 여기서 적어도 2개의 냉각판(160)은 코어(145), 제1 코일 컴포넌트(135.1), 및 제2 코일 컴포넌트(135.2) 중에서 적어도 3개의 서로 다른 변압기 요소와 물리적으로 접촉하고, 열적으로 접촉하도록 구성 및 배열된다. (도 1, 도 3, 도 5 참조).
(Vii) 2개 이상의 1차 코일(135.1), 및/또는 2개 이상의 2차 코일(135.2)(도 1, 도 3, 및 도 5 참조)이 이용될 수 있다. 이러한 실시예는 일반적으로 다양한 코일(135) 사이에 끼워지는 2개 이상의 별도의 냉각판(160)을 이용할 것이지만, 반드시 그러한 것은 아니다.
(viii) 1차 코일(135.1) 및 2차 코일(135.2)은 하나 또는 2개의 냉각판(160)과 직접 물리적으로 그리고 열적으로 접촉하도록 배치될 수 있고, 하나 또는 2개의 냉각판(160)은 직접 물리적으로 결합된 코일(135)에 부착되어 이들 모두로부터 열을 제거할 수 있다.
(ix) 단일 냉각판(160)은 2개의 서로 다른 코일(135)(135.1/135.1, 135.1/135.2, 또는 135.2/135.2)과 직접 물리적 및 열적 접촉을 위해 구성될 수 있고, 또한 하나 이상의 코어(145)로부터 직접 물리적 및 열적 접촉을 위해 구성될 수 있어, 코일(135)과 코어 모두로부터 열을 제거할 수 있다. 일부 실시예에서, 이것은 냉각판(160)의 대면하는 주요 측면(190)이 2개의 서로 다른 코일(135)과 접촉하는 동안 냉각판(160)의 부 측면(195) 중 적어도 하나를 코어(들)(145)와 접촉하게 함으로써 달성된다.
일반적으로, 코일(135), 코어(들)(145), 및 냉각판(들)(160)에 대한 형상 및 상대적 사이즈 뿐만 아니라 다른 기하학적 배열이 구상될 수 있고, 첨부된 청구항의 범위 내에 속할 수 있다. 예를 들어, 예시되지 않은 실시예에서, 코어(145)는 2개의 코일(135.1, 135.2) 사이에 층으로서 고정되어, 블록 구조물을 형성할 수 있으며, 결과적인 블록의 2개, 3개, 또는 최대 6개 측면에 다수의 냉각판(160)이 배치될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 1차 및 2차 코일(135)의 최대 개수는 각 종류별로 2개이지만, 적절하게 전기적으로 결합된다면 한 종류별(저전압 및/또는 고전압)로 2개 초과의 코일(135)이 이용될 수 있다. 그 후 추가의 냉각판(160)이 필요에 따라 이용될 수 있다.
예시적인 애플리케이션의 전력 변환기: 도 5는 본 시스템 및 방법에 따른 액체 냉각 시스템(200)을 이용하거나 액체 침지 변압기(700)(아래의 도 7 및 관련 논의 참조)를 이용하는 예시적인 전력 변환기(500)를 도시한 것이다. 예시적인 전력 변환기(500)는, 예로서 제한 없이, 다음을 포함할 수 있다:
(i) 2개 이상의 전력 전자 빌딩 블록 최소 교체 유닛(PEBB)(510); 각각의 PEBB(510.1, 510.2)는 자체 TICP(100), 및 또한 전력 스위치(도 5에 상세하게 도시되지 않음)를 갖는 브리지 변환기와 같은 다른 전력 요소(515)를 갖는다. 예시적인 PEBB(510), 특히 하이브리드 PEBB (HPEBB)에 대한 추가 논의는 아래의 도 9가 참조된다. 2개의 PEBB(510.1, 510.2)는 하나 이상의 전력 커플링(530)에 의해 전기/전류 연결된다. 전력 변환기(500)는 또한 도면에 도시되지 않은 적어도 하나의 소스(또는 입력) 전력 접속부 및 적어도 하나의 부하(또는 출력) 전력 접속부를 가질 것이다.
(ii) 적어도 하나의 펌핑/열 교환 서브시스템(210). 도시된 실시예에서, 단일 펌핑/열 교환 서브시스템(210)은 전력 변환기(500)의 모든 냉각판에 냉각제를 제공할 수 있다. 도시되지 않은 대안적인 실시예에서, 2개 이상의 펌핑/열 교환 서브시스템(210)이 이용될 수 있다.
(iii) 예로서 제한 없이, 추가 또는 보충 냉각 시스템(예를 들어, 팬 기반 공기 냉각 시스템); 제어 시스템 및 회로; 모니터링 시스템; 및 입력 및 출력 전력 포트를 포함할 수 있는 다른 변환기 요소(520).
(iv) 변압기(100)에 통합된 냉각판(160.1) 외에도, 추가적인 시스템 냉각을 위해 추가 냉각판(160.2)이 제공될 수 있다. 예를 들어, PEBB(510)의 외부에 부착될 수 있는 4개의 예시적인 추가 냉각판(160.2)이 도 5에 도시되어 있지만, 다른 냉각판(160)도 구상될 수 있다. 전력 변환기(500)의 외부에 부착된 하나의 예시적인 냉각판(160.3)이 또한 도 5에 도시되어 있지만, 추가적인 외부 냉각판(160.3)이 이용될 수 있다.
주목될 것은 도 5에 도시된 두 PEBB(510.1, 510.2)의 변압기(100)는 "C-S-P-S-C" 적층 배열을 이용하지만, 이것은 예시일 뿐이고 다른 적층 배열도 본 시스템 및 첨부된 청구항의 범위 내에 속한다는 것이다.
예시적인 TICP(100', 100'')의 일부 요소는 도 1의 예시적인 TICP(100.1) 및/또는 도 2의 냉각 시스템(200)의 요소와 동일하거나 실질적으로 유사하며; 도 1 및/또는 도 2에서 이미 설명된 요소의 세부 사항은 여기에서 반복되지 않는다.
코일 컴포넌트(코일) 도 6a는 저전압/2차 코일(135.2) 또는 고전압 1차 코일(135.1)일 수 있는 예시적인 변압기(100)의 예시적인 고체 코일 컴포넌트(135)(또는 간단히 "코일(135)")의 실시예의 단면도를 제공한다. 전도성 와이어/금속 필름(610)은 코일 지지 재료(620)의 평면 내부 표면 상에 다양한 평탄화된 나선형 표면 배열 중 임의의 것으로 배열될 수 있으므로, 와이어/금속 필름(610)은 외부 전기 접속부(640)를 제외하고는 코일 지지 재료(620) 내에 완전히 매립된다. 본 시스템 및 방법에 따라, 전도성 와이어/금속 필름(610)을 위해 다른 코일형 또는 권선 표면 패턴(도시되지 않음)이 또한 만들어질 수 있고, 이러한 패턴은 외부 전기 접속부(640)를 제외하고는 전도성 필라멘트(610)를 코일 지지 재료(620) 내에 완전히 매립된 상태로 남겨 둔다. 도 6b는 저전압/2차 코일(135.2) 또는 고전압 1차 코일(135.1)일 수 있는 예시적인 변압기(100)의 고체 코일 컴포넌트(135)(또는 간단히 "코일(135)")의 다른 예시적인 실시예의 2개의 단면도(I, II)를 제공한다. 도시된 단면 실시예에서, 코일(135)의 전기 전도성 와이어(610) 또는 금속 필름(610)은 코일 지지 재료(620)의 평탄화된 섹션(620.1) 주위에 감길 수 있고; 와이어(610) 및 평탄화된 섹션은 코일 지지 재료(620)의 인클로징 블록(620.2) 내에 추가로 매립된다.
대안적인 실시예(도시되지 않음)에서, 전도성 와이어/금속 필름(610)은 코일 지지 재료(620)의 좁은 또는 마이크로 채널 내부 표면 상에서 임의의 다양한 평탄화된 나선형 표면 배열 중 (전류 흐름으로 인한 자기 유도에 적합한) 다른 평탄화된 권선 표면 패턴으로 배열될 수 있고, 외부 전기 접속부(640)를 제외하고는 코일 지지 재료(620) 내에 여전히 완전히 매립되어 있다. 본 시스템 및 방법에 따라, 전도성 와이어/금속 필름(610)을 위해 다른 기하학적 코일형 또는 권선 배열(도시되지 않음)이 또한 만들어질 수 있고, 이러한 배열은 외부 전기 접속부(640)를 제외하고는 필라멘트를 코일 지지 재료(620) 내에 완전히 매립된 상태로 남겨 둔다.
대안적인 실시예(도시되지 않음)에서, 코일(135)은 와이어/필라멘트(610)의 일부가 코일 지지 재료(620) 내부에 매립, 권취 및/또는 코일링되도록 구성될 수 있고; 가능하게도 적절한 전기 절연체를 갖는 와이어/필라멘트(610)의 일부는 고체 코일(135)의 하나 이상의 외부 표면에 근접하거나, 부분적으로 또는 전체적으로 이들 표면 상에 노출될 수 있다.
그러나, 본 기술 분야의 기술자는 와이어/필라멘트(610)가 코일 지지 재료(620)와 관련하여 배열되거나 구성될 수 있으며, 그에 따라: (i) 코일 지지 재료(620)는 와이어/필라멘트(610)에 의해 발생된 실질적으로 모든 열을 흡수하고; (ii) 고체 코일 컴포넌트(135)는 열적으로 결합된 인접한 재료(냉각판(160) 또는 다른 고체 코일(135)일 수 있거나; 또는 오일(740)과 같은 주변 열 전달 유체(740)일 수 있음)로 열을 발산하기에 적합한 적어도 하나의 노출된 외부 표면을 갖게 된다는 것을 이해할 것이다.
코일 재료: 본 시스템 및 방법의 실시예에서, 코일 지지 재료(620)는 실리콘일 수 있다. 대안적인 실시예에서, 코일 지지 재료(들)(620)는, 예로서 제한 없이, 수지, 에폭시, 세라믹, 유리, 또는 다른 비 전기 전도성이지만 열적으로 전도성인 물질 또는 재료를 포함할 수 있다. 코일(135)은 또한, 예로서 제한 없이, 다음을 포함하는 다른 재료를 포함할 수 있다: (i) 폴리머 또는 폴리머 복합물(절연용), 예를 들어, 에폭시 또는 비스페놀-A 형 에폭시, 여기에 60중량%의 석영 충전재가 추가됨; 및/또는 (ii) 폴리머 또는 폴리머 복합물에 대한 대안으로서 절연용으로 사용되는 세라믹(예컨대, 알루미나).
일 실시예에서, 코일 지지 재료(620)는 내부에 매립된 전도성(전형적으로 금속성) 코일(610)에 의해 발생될 수 있는 최대 200℃의 온도를 (용융, 파괴, 연소 또는 기타 붕괴 없이) 쉽게 유지할 수 있도록 선택된다. 전도성 재료: 예시적인 실시예에서, 코일(135)은 금속 또는 리츠(Litz) 와이어와 같은 금속 합금, 또는 다른 금속 또는 금속 합금으로 만들어질 수 있다.
예시적인 HPD-HF 유체 침지 변압기
본 시스템 및 방법의 실시예에서, 그리고 본 문서에서 위에서 논의된 실시예에 대한 대안으로서 또는 이에 대한 추가물로서, 전체 HF 변압기(120)는 실질적으로 밀봉된 용기(710) 내에 구조적으로 고정 및/또는 매달릴 수 있다. 전체 용기는 비 전기 전도성이지만 열 전도성 유체(740), 예를 들어, 광유("오일")로 채워져, 변압기(120)를 오일(740) 또는 다른 열 전도성 유체(740)에 침지시킬 수 있다.
일 실시예에서, 선택된 오일(740)은 변압기(120)로부터의 열 전달 매체이다. 오일(740)은 매우 우수한 열 전도체이고 우수한 전기 절연체이다. 또한, 오일 또는 다른 열 전도성 유체이건 간에 열 전달 매체로서 유체(740)를 사용하게 되면, 최적의 열 제거를 위해 열 전달 매체가 변압기(120)의 모든 노출된 표면과 완전히 접촉하는 것이 보장된다.
잠재적인 냉각 매체로서의 공기와 비교하여, 오일(740)은 더 높은 열 용량과 더 나은 열 전도율을 가지고 있다. 표 1은 (본 시스템 및 방법에 적용될 수 있는 동작 온도 및 압력 범위에 대해 선택되는) 물, 공기, 및 오일에 대한 대략적인 상대 열 용량 및 열 전도율을 나열하고 있다. 단순화를 위해 공기에는 정규화된 열 용량 1이 할당된다. 주목할 것은: (1) 상대 열 용량과 열 전도율은 사용될 수 있는 다양한 종류의 오일에 따라 달라질 것이고; (2) 물은 오일에 비해 열 용량/열 전도율이 훨씬 우수하지만, 물의 전기 전도율로 인해 변압기(120)를 직접 침지하기 위한 유체(740)로서 물을 사용할 수 없지만; 물은 냉각판(160)의 냉각제 채널(260)에 사용하기에 적합하다는 것이다.
표 1 - 상대 열 용량 및 열 전도율
열 전도체 상대 열 용량 열 전도율(와트/(미터 * 켈빈))
공기 1 ~ 0.02 → 0.05
오일 ~ 1.6 → 2.0 ~ 0.1 → 0.2
물 ~ 4.2 ~ 0.5 → 0.7
도 7은 본 시스템 및 방법의 일 실시예에 따라 열 전달 유체(heat-transferring fluid)(HTF)(740)(오일(740)일 수 있음) 내에 침지된 예시적인 HPD-HF 변압기(120)를 도시한 것으로, 이들 모두는 부착되거나 통합된 표면 냉각판(160)을 갖는 열 관리 인클로저(heat management enclosure)(HME)(710) 내에 포함된다.
도 7에서, HTF(740), HME(710), 및 냉각판(160)과 함께 적절한 결합된 변압기(120)(이하 "유체 침지 변압기"(FIT))는 참조 번호 700.1로 라벨링된다. FIT(700.1)는, 예를 들어, 펄스 부하 전력 변환 애플리케이션을 위해 이용될 수 있는 고전력 밀도, 고주파수(HPD-HF) 변압기(120)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 예시적인 FIT(700.1)는 구조적으로 통합된 유닛을 형성하며, 즉 액체 냉각 시스템(200)의 일부 요소(160, 165, 710, 740)가 HPD-HF 변압기(120)의 구조와 물리적으로 및/또는 열적으로 결합되어 있다. FIT(700.1)는 S-P-P-S 구성에서 2개의 1차(고전압/HV) 코일(135.1) 및 2개의 2차(저전압/LV) 코일(135.2)로 구성/조립된다.
냉각 유체를 위한 공간 간극: 도면에 도시된 실시예에서, 2개의 고전압 코일(135.1)의 보다 큰 평면 표면 사이에는 공간 간극(730)이 존재한다. 이 공간 간극(730)은 열 전달 유체(HTF)(740)가 공간 간극(730)을 채울 수 있게 하여, 고전압 코일(135.1)과 HTF(740) 사이의 열 전달 속도가 증가하도록 한다. 대안적인 실시예에서, 간극(730)은 존재하지 않거나, 대신 비 전기 전도성 재료로 채워진다.
열 관리 인클로저: 변압기(120)는 인클로저(710)의 하나 이상의 내부 표면(755)에 부착될 수 있거나, 스트럿, 브래킷, 또는 유사한 부착물(805)(도 8 참조)을 통해 인클로저(710)에 기계적으로 결합되고 그 내부에 매달릴 수 있다. 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 변압기(120)는 HTF(740)에 의해 다수의 변압기 측면 및/또는 다수의 변압기 표면 상에서 실질적으로 둘러싸이도록 인클로저(710) 내에 배치될 수 있다.
열 관리 인클로저(HME)(710)는 변압기(120)에 대한 전기 접속을 위한 적절한 유체 밀봉 포트(도시되지 않음)를 이용하여 유체 누출을 방지하도록 밀봉된다. HME(710)의 하나 이상의 외부 벽/표면(755) 상에는 HME(710)와 냉각판(160) 사이의 효과적인 열 전도성을 위해 적절하게 접합된 하나 이상의 냉각판(160)이 있다. 2개의 냉각판(160)이 도 7에 도시되어 있지만, HME(710)의 다른 외부 표면(755)에도 추가 냉각판(160)이 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 냉각판(160)은 인클로저 벽/스킨의 면과 실질적으로 동일하게 성형된다(예를 들어, 직사각형 형상을 갖는다).
대안적인 실시예에서, 냉각판(160) 대신에 다른 형상(예를 들어, 원형 또는 타원형)이 이용될 수 있다. 대안적인 실시예에서, HME(710)는 입방체 이외의 형상(예를 들어, 구형, 난형, 또는 6개 초과의 평평한 외부 표면(755)을 가짐)을 가질 수 있으며, 부착된 냉각판(160)에 대한 적합한 형상을 통해 냉각판(160)과 HME(710) 사이의 효과적인 열 접촉을 보장할 수 있다.
HME(710)는, 고온 유체(740)를 포함하고 유체(740)로부터 냉각판(160)으로 열을 전달하기에 적합한 재료로 만들어질 수 있다. 그러한 재료는, 예로서 제한 없이, 변압기(120)로부터 적절한 전기적 절연을 갖는 금속 또는 금속 합금(바람직하게는 비철 금속); 세라믹 재료, 폴리머 재료; 유리 재료; 또는 탄소 복합 재료를 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, HME(710) 및 냉각판은 단일의 통합된 구조 유닛을 형성하기 위해 형성, 주조 또는 금속 결합될 수 있다. 이러한 실시예에서, 냉각판(160)은 또한 HME(710)의 두꺼운 벽(들)을 관통하는 냉각제 채널(260)과 함께, 열 관리 인클로저(710)의 하나 이상의 두꺼운 벽(755)으로 간주되거나 이해될 수 있다.
변압기의 동작 동안, 권선 코일(135.2, 135.1) 및 자성 코어 본체(145)로부터 발생된 열은 HTF(740)를 통해 HME 스킨/벽(755)으로 전도/수송될 것이다.
냉각제 유체/액체: 주목될 것은 2개의 서로 다른 냉각 유체/액체가 예시적인 유체 침지 변압기(700.1)와 함께 이용될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 열 전달 유체(HTF)(740)는, 열 전도에 효과적이지만 전기 절연체에도 효과적인 오일 또는 다른 복합 탄화수소 액체일 수 있지만; 냉각판(160)의 냉각제 채널(260)을 관통하는 액체 냉각제(240)는, 예로서 제한 없이, 수돗물, 공업용수, 음료용 냉각수, 탈이온수, 해수, 또는 부동액과 같은 적합한 컨디셔닝 유체는 물론 오일 냉각제, 유기 액체 냉각제 또는 실리콘 기반 냉각제로 처리된 물일 수 있다. 첨부된 청구항의 범위와 일치하는 다른 냉각제 액체가 또한 이용될 수 있다.
잠재적으로 부식성일 수 있는 냉각제 액체(240)(예를 들어, 선박 기반 전력 변환기에 사용되는 소금기 있는 해수 또는 대양수)를 이용하도록 구성된 실시예에서, 적합한 부식 방지 재료 또는 라이닝이 냉각제 채널(260)의 내부 표면에 이용될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 필터링 요소(도시되지 않음)는 잠재적으로 부식성인 재료를 필터링하는 데 사용될 수 있다.
예시적인 냉각판(160) 및 냉각제 채널(260)에 대한 다른 세부 사항은 본 문서에서 위에서 논의되었으며, 그 세부 사항은 여기에서 반복되지는 않을 것이다.
펌핑 시스템: 변압기(120)에 의해 생성되는 대부분의 폐열을 제거하고 최소한의 열량을 주변 환경으로 배출하기 위해, 필요한 유량, 압력 및 액체 품질(여과 등)을 제공하기 위한 펌핑/열 교환 서브시스템(210)(첨부된 청구항의 "펌핑 시스템(210)")이 필요할 수 있다. 이러한 펌핑 시스템은, 예로서 제한 없이, 펌프, 밸브, 열 교환기, 냉각제 컨디셔닝 컴포넌트(예컨대, 여과, 가스 제거, 디아이어닝(de-ironing) 등), 및 냉각제 저장소(240)를 포함할 수 있다. 도 2의 예시적인 펌핑/열 교환 서브시스템(210)과 동일하거나 실질적으로 유사한 펌핑 시스템(210)이 여기에서도 이용될 수 있으며, 따라서 상세한 논의는 반복되지 않는다.
열 전달 유체의 순환: 도시되지 않은 대안적인 실시예에서, HME(710) 내에서 HTF(740)의 순환을 제공하는 것이 열 전달에 유리한 것으로 입증될 수 있다. 이를 위해 내부 팬 또는 펌핑 시스템(도 7에 미도시)이 HME(710) 내부에 포함될 수 있다. 대안적인 실시예에서, HTF(740)의 내부 공간 내에서 HTF(740)를 순환시키기 위한 적절한 파이프와 함께, 별도의 HTF 펌핑 시스템이 인클로저(710)의 외부에 위치될 수 있다.
유체 침지 변압기의 추가 실시예: 도 8은 본 시스템 및 방법의 대안적인 실시예에 따라 변압기(120)가 열 전달 유체(HTF)(740) 내에 침지될 수 있는 예시적인 유체 침지 변압기(FIT)(700)의 여러 대안적인 실시예의 단면도를 도시한 것으로, 이들 모두는 냉각판(160)이 부착된 열 관리 인클로저(HME)(710)에 포함된다.
도 8에서, FIT(740)는 각각 740.2 내지 740.5로 라벨링된다. FIT(740.2 내지 740.5)는 일반적으로 위의 도 7의 예시적인 FIT(740.1)와 유사한 방식으로 구성 및 배열되어야 하고, 유사한 배열 및 구성을 가져야 한다. 도 7 및 위의 다른 도면과 관련하여 위에서 논의된 일부 세부 사항은 여기에서 반복되지 않을 것이다.
도 8에서, 본 시스템 및 방법의 일 실시예에서, FIT(700.2)는 SGP 레이아웃으로 유체 간극(730)을 사이에 두고, 하나의 1차(고전압/HV) 코일(135.1) 및 하나의 2차(저전압/LV) 코일(135.2)을 포함한다. 냉각판(160)의 냉각제 채널(260)은 단면도의 평면에 수직이다.
대안적인 실시예에서, FIT(700.3)에 의해 예시된 바와 같이, 변압기(120)는 서로 직접 물리적 및 열적으로 접촉하는 (P-S 구성의) 하나의 1차(고전압/HV) 코일(135.1) 및 하나의 2차(저전압/LV) 코일(135.2)을 갖는다. HME(710)의 내부 벽에 변압기(120)를 고정하기 위해 스트럿(805) 또는 다른 기계적 접속부가 이용될 수 있다. 열은 변압기(120)의 측면, 상단 및 하단 상의 HTF(740)를 통해 외부로 방출된다. 냉각판(160)은 단면도의 평면에 수직인 다수의 마이크로-채널 냉각제 채널(260)을 갖는다. FIT(700.3)은 또한 예시적인 변압기 전기 접속부(185)를 도시하지 않았지만 이러한 변압기 전기 접속부(185)는 변압기(120)를 위해 반드시 존재한다.
대안적인 실시예에서, FIT(700.4)에 의해 예시된 바와 같이, 변압기(120)는 P-G-S-G-P 구성을 위해 2개의 1차(고전압/HV) 코일(135.1) 및 1개의 2차(저전압/LV) 코일(135.2)을 가지며, 이러한 3개의 코일(135) 사이에는 HTF(740)로 채워진 2개의 간극(740)이 존재한다. 냉각제 유체는 또한 인클로저(710)의 내부 공간에서 변압기(120)의 입력 및 출력 측 상에 존재한다. 열은 변압기(120)의 측면, 상단 및 하단 상의 HTF(740)를 통해 외부로 방출된다. 냉각판(160)은 단면도의 평면에 평행한 다수의 마이크로-채널 냉각제 채널(260)을 갖는다.
대안적인 실시예에서, FIT(700.5)에 의해 예시된 바와 같이, 변압기(120)는 P-S-P 구성을 위해, 상호 물리적 및 열적으로 접촉하는 2개의 1차(고전압/HV) 코일(135.1) 및 하나의 2차(저전압/LV) 코일(135.2)을 갖는다. 변압기(120)는 스트럿(805) 또는 다른 기계적 접속부를 통해 열 관리 인클로저(HME)(710) 내에 매달려 있다. 열은 변압기(120)의 측면, 상단 및 하단 상의 HTF(740)를 통해 외부로 방출된다.
냉각제 유체는 또한 인클로저(710)의 내부 공간에서 변압기(120)의 입력 및 출력 측 상에 존재한다. 열은 변압기(120)의 측면, 상단 및 하단 상의 HTF(740)를 통해 외부로 방출된다. 냉각판(160)은 단면도의 평면에 평행한 다수의 마이크로-채널 냉각제 채널(260)을 갖는다.
관련 기술 분야의 기술자는 도 7 및 도 8의 FIT(700)의 실시예가 예시일 뿐이며, 서로 다른 예시적 실시예의 요소들이 다양한 방식으로 결합될 수 있음을 이해할 것이다. 예로서 제한 없이, S-P-S, S-G-P-S, S-P-G-S, S-G-P-G-S, S-P-P-S, S-P-G-P-S, S-G-P-G-P-S-G와 같은 구성, 및 또한 다른 구성으로 배열된 코일(135)을 포함하는 다른 구성/실시예가 또한 본 시스템 및 방법의 범위 내에서 가능하다.
열 전달: FIT(700)에서, 변압기 본체(120)는 오일과 같은 HTF(740)에 침지된다. 변압기(120)에 의해 발생된 열은 오일(740)을 통해 HME(710)의 스킨/인클로저 벽(755)으로 열적으로 수송된다. 이 열은 그 후 인클로저 스킨/벽(755)과 물리적 및 열적 접촉 상태에 있는 냉각판(160)의 냉각제 채널을 관통하는 냉각 액체(240)에 의해 제거된다.
추가 FIT 실시예: FIT(700)에 대한 본 시스템 및 방법의 일부 예시적인 실시예에서, 냉각판(160)("열 교환기 플레이트"(160)라고 지칭되기도 함)은 위의 도면에 예시된 바와 같이 코일(135)의 평면과 평행하게 구성된다. 대안적인 실시예에서, 냉각판(160)은 코일(135)의 평면에 직교하는 평면을 따라 인클로저 벽(755)의 외부 표면에 부착될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 2개 이상의 냉각판(160)이 HME(710)의(755)의 서로 다른 외부 벽을 따라 부착될 수 있어서, 일부 냉각판(160)은 코일(135)의 평면에 평행하게 부착될 수 있고, 다른 냉각판(160)은 코일(135)의 평면에 수직으로 부착될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 인클로저(710)의 하나의 벽(755)에 부착된 단일 냉각판(160)은 변압기(120)를 냉각시키기에 충분할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 하나 이상의 냉각판(160)은 냉각판을 통해 냉각제 액체(240)를 흐르도록 부착된 적절한 냉각제 튜브(165)와 함께 HME(710)의 내부에 위치될 수 있다.
대안적인 실시예에서, HME(710)의 내부에서 오일(740)을 순환시키기 위해 오일 펌핑 시스템이 이용될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 2개 이상의 변압기(120)는 단일 열 관리 인클로저(710) 내에 포함될 수 있으며, 냉각판(160)은 단일 HME(710)에 부착되어 모든 변압기에 의해 발생된 열을 제거할 수 있다.
관련 기술 분야의 기술자는 또한 변압기에 의해 발생될 전력 및 의도된 전력 변환기 애플리케이션에 대한 공간적 제약을 포함하는 애플리케이션 세부 사항에 따라 임의의 최종 설계의 많은 세부 사항이 달라질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 코일(135)의 개수, 코어(145)의 개수와 사이즈, 냉각판(160)의 사이즈/중량/재료/배치, 냉각제 채널(260)의 개수와 단면 형상, 이용될 냉각제 유체의 종류(들)(240, 740), 및 기타 많은 특정 설계 요소가 특정 애플리케이션에 대해 결정되고 최적화될 것이다. 특정 TICP(100) 또는 FIT(700)에 대한 최적 또는 거의 최적의 특정 구조, 재료, 및 구성 선택을 식별하기 위해, 제안된 설계 선택에 대한 실험실 및 실제 테스트가 필요할 수 있다.
주목할 것은 위에서 상세히 논의된 변압기 컴포넌트(135, 145) 이외에도, 변압기(120)는 다양한 추가 컴포넌트, 예를 들어, 전류/전기 커넥터(185), 및 다양한 나사, 너트, 볼트, 클램프, 브레이스, 및 열을 발생시킬 수 있거나 코일(135) 및/또는 코어(들)(145)로부터 열을 전달받을 수 있는 다른 물리적 컴포넌트(예를 들어, 전류/전기 커넥터(185))를 포함할 수 있다는 것이다. 열 전달 유체(740)는 또한 이들 추가 변압기 요소의 노출된 부분과의 물리적 접촉 및 열 전도성 상태에 있을 수 있으며, 이에 의해 추가 물리적 컴포넌트의 노출된 표면으로부터 열을 제거할 수 있다.
냉각 액체 및 유체
다양한 실시예에서, 본 시스템 및 방법은 직접 물리적 접촉에 의해 가능해지는 열 전도 및 열 대류의 여러 진행 단계를 이용하여, 변압기 컴포넌트/요소(135, 145)로부터 다음 중 하나로 열을 전달한다:
(i) 전도를 통해, 그리고 추가로 냉각판(160)을 통해 펌핑된 냉각제 액체(240)를 통한 열 대류에 의해 냉각판(160)으로, 또는
(ii) 열 전도성 유체(740)에서, 변압기(120) 및 열 전도성 유체(740)를 포함하는 열 관리 인클로저(710)의 벽(들)(755)으로의 대류; 그 다음 추가로 열 전도를 통해 벽(들)(755)에 부착된 냉각판(160)으로; 그리고 더욱 더 냉각판(160)을 통해 펌핑된 냉각제 액체(240)를 통한 열 대류에 의해.
위에서 설명된 실시예에서, 이용된 냉각 액체(240) 및 열 전달 유체(740)는 일반적으로 실온에서 액체 상태인 액체/유체(예를 들어, 물 또는 물 기반의 액체, 또는 대부분의 오일)로 특징지어지거나; 또는 보다 일반적으로 물의 빙점을 초과하는 온도 범위에서 액체 상태로 존재한다. 이러한 유체는 튜브와 파이프를 통해 쉽게 저장되고 운반될 수 있다. 편의상, 이러한 냉각제는 이하 "실온 냉각제"라고 지칭된다.
이러한 실온 냉각제는 (i) 풍부하고 편리한 공급(예를 들어, 선박 기반 전력 변환기의 경우 해수, 강물 또는 대양수에서 대량으로, 또는 심지어는 소형 육상 기반 전력 변환기의 경우 강에서 끌어올 수 있음)이 가능하고; 및/또는 (ii) 즉시 상업적인 공급(예를 들어, 다양한 오일)이 가능하고, 및/또는 (iii) 단열이 제한적이거나 전혀 필요하지 않은 비교적 가벼운 저장소에 즉시 편리하게 보관이 가능한 이점을 가질 수 있다. 이러한 냉각제는 또한 어떠한 특별한 압축기도 필요로 하지 않을 수 있다.
대안적인 실시예에서, 액체/유체(240, 740)는 (전체적으로, 또는 "실온" 유체에 대한 보충물로) 사용될 수 있으며, 실온에서 일반적으로 기체이며, 따라서 액체로서 사용되도록 압축기로 냉각 또는 과냉각되어야 한다. 이러한 과냉각 유체는, 예로서 제한 없이, 액체 질소, 액체 헬륨, 액체 산소, 액체 이산화탄소, 및 다양한 상업용 냉매를 포함할 수 있다. 본 기술 분야의 기술자는 이러한 액체의 사용자가 압축기, 특수 저장 저장소, 및 본 출원의 다른 곳에서 설명되지 않은 기타 요소를 필요로 할 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 이러한 압축기/과냉각 유체를 갖는 본 시스템 및 방법의 실시예는 실온 유체를 사용하는 실시예보다 무거울 수 있고 냉각을 위해 더 많은 전기를 필요로 할 수 있지만; 그러한 실시예는 초밀도/소형 전력 변환기 및 매우 작은 공간에서 (예를 들어, 훨씬 더 높은 전압 전력 스위치 및 더 높은 변압기 권선비로) 훨씬 더 높은 수준의 전력을 생성하도록 설계된 미래의 전력 변환기에 유용할 수 있다.
공랭식 변압기와의 비교
공랭식 변압기와 비교하여, (일반적으로 실온 냉각제/유체(240, 740)를 이용하지만 반드시 그러하지는 않는) 본 시스템 및 방법은 특정 이점을 제공할 수 있다. 이들 이점은, 예로서 제한 없이, 다음을 포함할 수 있다:
(i) 공냉식 HF 고체 상태 변압기와 비교하여 (약 35%) 감소된 체적;
(ii) 공랭식 HF 고체 상태 변압기와 비교하여 (~1.5x) 증가된 전력 밀도;
(iii) 주변 환경으로의 열 방출 감소(즉, 전력 변환기를 수용하고 있는 실내 또는 시설에서 사람의 활동 및 호흡을 위한 공기의 가열 감소), 이는 인간 환경을 위한 공조/냉각에 대한 요구를 추가로 줄이는 데 도움을 주며; 그리고
(iv) 통합된 냉각판을 갖는 변압기(TICP)(100)와 유체 침지 변압기(FIT)(700) 모두 (공랭식 변압기와 비교하여) 군용 및 상업용 선박의 협소하고 제한된 공간에 적합하도록 더 잘 어울리게 될 것이고, 축소된 공간은 "절감된 공간"을 다른 목적으로 유용하게 사용할 수 있게 한다.
예시적 적용: HPEBB
도 9는 본 시스템 및 방법에 따른 액체/유체 냉각 시스템(200, 700)(위의 도 2, 도 5, 및 도 7과 관련 논의 참조)을 이용하는 예시적인 전력 전자 빌딩 블록(PEBB)(510)을 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 9는 예시적인 하이브리드 전력 전자 빌딩 블록(HPEBB)(510.1)을 도시한 것이다. 주목할 것은 PEBB는 또한 "[하이브리드] 전력 전자 빌딩 블록 최소 교체 유닛"(PEBB LRU 또는 HPEBB LRU")(510/510.1)이라고 지칭될 수도 있다는 것이다.
레거시 PEBB(510)는 일반적으로 PEBB(510) 전체에 걸쳐 동일한 정격 전압(예를 들어, 1000볼트 공칭 동작의 경우 1700볼트)의 전력 스위치(915)를 이용한다. 레거시 PEBB는 또한 일반적으로 권선비가 1:1인 고전력 변압기(120)를 이용한다.
예시적인 HPEBB LRU(510.1)는 일부 실시예에서 실리콘 탄화물(SiC) 스위치일 수 있는 저전압 및 고전압 스위치(915)(따라서 "하이브리드"라는 용어가 사용됨)를 모두 이용한다. 예를 들어, 예시적인 실시예에서, 저전압 스위치(915.1)는 1000볼트 공칭 동작을 위한 1700볼트의 정격 스위치일 수 있는 반면, 고전압 스위치(915.2)는 6000볼트 공칭 동작을 위한 10000볼트의 정격 스위치일 수 있다. 일반적으로, 동작 전압은 A 및 B일 수 있으며, 여기서 B > A이고, 여기서 A는, 예로서 제한 없이, 1000볼트 또는 2000볼트이거나, 또는 다른 전압일 수 있고; B는, 예로서 제한 없이, 2000볼트, 3000볼트, 6000볼트, 또는 다른 전압일 수 있다. 액체 냉각을 위한 본 시스템 및 방법은 부분적으로, 본 출원 시점에 개발 중인(또는 막 등장하는) 고전력 스위치(115.2)로부터 이익을 얻는 HPEBB LRU(510) 및 전력 변환기(500)를 위한 냉각을 위해 설계된다.
예시적인 HPEBB LRU(510)는 또한 K:N 권선비(N > K; K = 1, 2, ...; N= 2, 3, ...)를 갖는 고전력의 고주파수 변압기(120)를 이용한다.
다양한 실시예에서, 본 시스템 및 방법에 따른 HPEBB 기반 변환기(500)는 레거시 시스템에서 요구될 레거시 PEBB LRU의 수보다 더 적은 수의 HPEBB LRU(510)를 요구할 수 있다(레거시 PEBB는 "PEBB 1000 LRU"로 지칭될 수 있고, 일반적으로 1000볼트 공칭 동작을 위한 정격 전력 스위치만을 이용한다). 이에 따라, 본 시스템 및 방법에 따른 전력 변환기(500)는 전력 변환기(500)의 전체 체적 및 중량을 감소시킬 수 있고, 변환기(500)의 전력 밀도 및 비전력을 증가시킬 수 있다. 본 시스템 및 방법의 일 실시예에서, 전력 스위치(915)는 도 9에 도시된 바와 같이, 다이오드와 병렬 상태에 있는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)로서 구현된다. 대안적인 실시예에서, 전력 스위치(915)는 도 9에 도시된 바와 같이, 다이오드와 병렬 상태에 있는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)에서와 같이 구현된다. 관련 기술 분야의 기술자는 전력 스위치(915)가, 본 시스템 및 방법의 범위 내에서, 하나 이상의 전력 트랜지스터와 다른 컴포넌트, 예를 들어, 갈륨 질화물(GaN) 광대역 갭 디바이스, JFET, 통합 게이트 정류 사이리스터(IGCT), 및 다이오드의 다른 조합으로 구현될 수 있음을 인식할 것이다.
도 9의 예시적인 HPEBB LRU(510)에서는 총 4개의 브리지 변환기(910)가 이용된다. 대안적인 실시예에서, 총 2개, 3개, 또는 4개 이상의 브리지 변환기(910)가 이용될 수 있다. 또한, 본 기술 분야에서 브리지 변환기(910)는 때때로, 예로서 제한 없이, 전력 스테이지, 전력 브리지, H-브리지 변환기, 및 풀 브리지 변환기를 포함하는 다른 용어로 지칭된다는 것으로 이해될 것이다.
예시적인 HPEBB LRU(510)는 또한 저전압 요소(905.1) 및 고전압 요소(905.2)를 연결하도록 구성된 K:N(N=2, 3, ….) 고주파수(HF) 변압기(120)를 예시한 것이다. 즉, 예시적인 HPEBB(510)는, 예를 들어, K:N과 같은 단위 (1:1) 권선비보다 높은, 예로서 제한 없이, 1:3 비율 또는 1:6 비율을 갖는 고주파수(HF) 변압기(120)를 통해 저전압 요소(905.1) 및 고전압 요소(905.2)를 연결한다.
본 시스템의 일부 실시예에서, 예시적인 고전력 스위칭 디바이스(915.2)는 본 출원 당시 Cree(Cree, Inc., 4600 Silicon Drive, Durham, North Carolina, 27703)에 의해 개발 중에 있던 10kV SiC MOSFET으로 구성되거나 이를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 저전압 측(905.1) 상의 브리지 변환기(910.1)는 1.7kV SiC MOSFET/IGBT 디바이스를 사용할 수 있는 반면, 고전압 측(905.2) 상의 브리지 변환기(910.2)는 10kV SiC MOSFET/IGBT 디바이스를 사용할 수 있다. 1:3의 권선/턴 비율(저전압 측에서는 1개, 고전압 측에서는 3개)을 갖는 HF 고체 상태 변압기(120)의 예시적인 실시예에서, 이러한 경우 다수의 HPEBB(510)는 공간 및 전력 밀도가 효율적인 1kVdc 대 13.8kVAC 전력 변환을 위해 단일 전력 변환기로 구성될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 고전력 스위치(115.2)는 고전력 MOSFET 및/또는 고전력 IGBT를 포함하지만 이에 제한되지 않는 공지된 또는 개발 중인 다른 고전력 스위치를 통해 구현될 수 있다. HF 변압기(120)의 더 높은 턴 비율(예를 들어, 1:3)은 전압 부스트를 제공하고, 하이브리드 PEBB(1000/6000)가 더 높은 중전압(MV)(>12kV) 애플리케이션에 대해 전압 제한을 더 이상 받지 않도록 한다.
HPEBB 열 관리: 저전압 컴포넌트(905.1)와 고전압 컴포넌트(905.2) 사이의 갈바닉 절연을 제공하는 K:N 고전력 밀도의 고주파수 변압기(120)는 본 문서 전체에 걸쳐 설명되고 있는 예시적인 냉각 시스템(100, 200, 700)으로부터 이익을 얻기에 충분한 수준의 열(및 열 생성 레이트)을 발생시킬 수 있다. 결과적으로, HPEBB LRU(510)는, 예로서 제한 없이, 냉각 유체/액체(240, 740)를 포함하는, 본 문서 전체에 걸쳐 설명된 냉각 요소를 포함할 수 있다.
전력 변환기 체적 및 중량: 하이브리드 PEBB LRU 변환기(510)의 체적과 중량은 1차 측 또는 고전압 측(905.2) 상의 PEBB 6000 컴포넌트(910.2, 915.2)의 사용으로 인해 다소 증가할 수 있으며; 추가 냉각 요구 사항으로 인해 추가로 증가할 수 있다. 그러나, (레거시 전력 변환기와 비교하여) HPEBB LRU(510)의 총 개수에 대한 감소된 요구 사항으로 인해, 다양한 실시예에서, 예시적인 1kVdc - 13.8kV 1MW 하이브리드 PEBB 전력 변환기(510)의 총 체적 및 중량은 (동일한 전압/전력 용량을 가진 레거시 PEBB 1000 LRU 기반 전력 변환기의 중량/체적과 비교하여) 상당히 감소될 것이다.
이에 상응하게, 다양한 실시예에서, 본 시스템은 (총 전력 용량이 동일한 레거시 PEBB 1000 LRU 기반 전력 변환기의 전력 밀도/비전력과 비교하여) 본 출원의 냉각 시스템 및 방법을 이용하는 HPEBB LRU(510)의 사용을 통해 상당히 증가된 전력 밀도 및 비전력을 갖는 HPEBB 전력 변환기(500.1)를 제공한다.
예시적인 HPEBB 전력 변환기(500)는 일반적으로 위의 모든 요소뿐만 아니라 도면에 도시되지 않았지만 본 기술 분야에서 알려진 다른 요소를 포함하는 캐비닛 또는 하우징(525)(위의 도 5 참조)에 포함된다. 캐비닛(525)은, 예로서 제한 없이, 다양한 내부 구조 지지 요소(도시하지 않음), 시스템 버스, 전력 버스, 외부 요소와의 접속 및 외부 시스템과의 접속을 위한 포트, 공기 흐름용 통풍구, 냉각 시스템(들)(525)과 연관된 냉각제용 파이프 또는 덕트, 외부 상태 디스플레이(들), 피드백 및 제어 시스템(프로세서 및 메모리를 포함함)을 위한 전자 장치, 및 도 2에 도시되지 않은 다른 요소를 포함하거나, 수용하거나 부착할 수 있다.
캐비닛 또는 하우징(525)은 본 문서에서 상세하게 논의된 바와 같이, 하나 이상의 냉각 시스템(210)의 요소를 포함할 수 있다.
제어 시스템
다양한 예시적인 실시예에서, 본 시스템 및 방법은 스위치, 캐패시터, 냉각 시스템, 밸브, 펌프, 필터, 및 실시간 제어를 필요로 하는 다른 요소의 조절을 위한 제어 시스템의 사용 또는 통합을 수반할 수 있다. 이러한 제어 시스템은 마이크로프로세서, 디지털 입력/출력 요소, 메모리(예를 들어, 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및 다양한 형태의 비휘발성 메모리), 디스플레이 시스템, 오디오 입력 및/또는 오디오 시그널링 시스템, 및/또는 본 기술 분야에 공지되어 있거나 개발될 아날로그 제어 요소의 사용을 수반할 수 있다. 이러한 제어 시스템은 시스템 동작의 다양한 양태를 제어하기 위해 메모리에 저장된 적절한 코딩 소프트웨어를 이용할 수 있다.
마이크로프로세서에서 실행되는 제어 시스템과 같이, 본 시스템 및 방법에 컴퓨터 코드가 필요한 경우, 컴퓨터 판독 가능한 코드는 반도체, 자기 디스크, 광학 디스크(예를 들어, CD-ROM, DVD-ROM)를 포함하는 임의의 알려진 컴퓨터 사용 가능한 매체에 배치될 수 있고, 컴퓨터 사용 가능한(예컨대, 판독 가능한) 전송 매체(예를 들어, 반송파, 또는 디지털, 광학, 또는 아날로그 기반 매체를 포함하는 임의의 다른 매체)에 구현된 컴퓨터 데이터 신호로서 배치될 수 있다. 따라서, 이러한 코드는 인터넷 및 인트라넷을 포함한 통신 네트워크를 통해 전송될 수 있다.
위에 설명된 시스템 및 기법과 관련하여 달성될 제어 기능 또는 모니터링 기능은, 프로그램 코드로 구현되고 적절한 회로, 무선 통신, 및/또는 광학 메시징을 통해 하드웨어로 변환될 수 있는 코어(예를 들어, CPU 코어)에서 표현될 수 있는 것으로 이해된다.
결론
해군 전력 시스템 및 에너지 시스템(Naval Power System and Energy System)(NPES) 기술과 같은 해군 애플리케이션을 포함한 해양 목적의 경우, 다기능 에너지 저장 모듈(multi-function energy storage module)(MFESM) 노력의 일환으로, HPEBB 브리지 변환기(910), HPEBB LRU(510), 및 전력 변환기(500)가 개발되고 있다. 새로운 하이브리드 PEBB LRU(510)는 특히 소형 공간에서 많은 양의 열을 발생시킬 수 있는 고전력 변압기를 이용한다. 본 시스템 및 방법의 HPD-HF 변압기용 액체/유체 냉각 시스템(200)은 이러한 시스템에 의해 발생된 열을 관리하는 데 상당한 이점을 제공한다.
본 개시 내용에 여전히 포함되는 대안적 실시예, 예, 및 수정례는 특히 다음의 교시 내용의 관점에서 본 기술 분야의 기술자에 의해 만들어질 수 있다. 또한, 본 개시 내용을 설명하는 데 사용된 용어는 제한이 아니라 설명의 단어의 성격을 띠도록 의도된 것으로 이해되어야 한다.
본 기술 분야의 기술자는 또한 본 개시 내용의 범위 내에서, 전술한 바람직하고 대안적인 실시예에 대해 다양한 적응 및 수정이 구성될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 첨부된 청구항의 범위 내에서, 본 개시 내용은 본원에 구체적으로 기술된 것과는 다르게 실시될 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명은 위에서 특정 기능 및 그 관계의 구현을 예시하는 기능적 빌딩 블록의 도움으로 설명되었다. 이러한 기능적 빌딩 블록의 경계는 설명의 편의를 위해 본원에서 임의로 정의되었다. 특정된 기능과 그 관계가 적절하게 수행되는 한 대체 경계가 정의될 수 있다.
주목되어야 하는 것은 본 발명의 다양한 실시예의 시뮬레이션, 합성, 및/또는 제조는 부분적으로 금속, 비금속, 수지, 에폭시, 반도체; 유리, 폴리머, 철 재료, 비철 재료, 도체, 절연체; 및 냉각을 위한 물 또는 물 기반 액체, 냉각을 위한 오일 및 다른 탄화수소 기반 유체(이들 중 일부는 본 기술 분야에서 공지되어 있고 일부는 앞으로 개발될 것임)를 포함하는 다양한 재료의 사용을 통해 달성될 수 있다는 것이다.
(발명의 개요 및 요약서 부분이 아닌) 상세한 설명 부분은 주로 청구항을 해석하기 위해 사용되는 것으로 이해되어야 한다. 발명의 개요 및 요약서 부분은 본 발명자(들)에 의해 고려되는 바와 같은 본 발명의 모든 예시적인 실시예가 아닌 하나 이상의 실시예를 설명할 수 있으며, 따라서 본 발명 및 첨부된 청구항을 어떤 식으로든 제한하도록 의도되지는 않는다.
추가로, 첨부된 청구항과 관련하여, 모든 참조 부호/번호는 청구항을 더 쉽게 이해할 수 있도록 제공되며, 청구항에 의해 보호되는 사항의 범위를 제한하는 것으로 취급되어서는 안 되며; 이들의 유일한 기능은 개시 내용 및 도면의 요소에 대한 명확한 참조를 제공하는 것이다.

Claims (39)

  1. 액체 냉각식 변압기(100)로서,
    전류를 각각 전도하기 위한 복수의 코일 컴포넌트(135);
    상기 복수의 코일 컴포넌트(135) 사이의 자속을 전달하도록 구성된 코어(145); 및
    상기 코어(145)와 상기 복수의 코일 컴포넌트(135)의 코일 컴포넌트(135.1, 135.2) 중 적어도 하나와 표면 접촉하고, 열적으로 결합되는 냉각판(160)을 포함하고;
    상기 냉각판(160)은 상기 냉각판(160) 내에 액체 냉각제(240)를 전달하도록 구성된 냉각제 채널(260)을 포함하는, 액체 냉각식 변압기(100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각판(160)은 비철 금속을 포함하는, 액체 냉각식 변압기(100).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각판(160)은 상기 액체 냉각제(240)의 유입 및 유출을 위한 2개 이상의 냉각제 포트(175)를 포함하는, 액체 냉각식 변압기(100).
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코일 컴포넌트(135)는:
    전류가 전도성 재료(610)를 통해 흐를 때 자속을 생성하도록 감기거나, 코일링되거나, 또는 표면 패터닝되는 연속적인 전기 전도성 재료(610); 및
    상기 전기 전도성 재료(610)를 실질적으로 포함하거나 매립하고, 상기 전기 전도성 재료(610)로부터의 열을 멀리 전도시키도록 구성된 열 전도성, 비 전기 전도성, 비철 코일 지지 재료(620)를 포함하는, 액체 냉각식 변압기(100).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각판(160)의 제1 표면과 상기 냉각판(160)이 열적으로 결합되는 상기 코어(145)와 상기 코일 컴포넌트(135.1, 135.2) 중 적어도 하나의 제2 표면은, 연장된 표면 접촉을 가능하게 하여 상기 코어(145)와 상기 코일 컴포넌트(135.1, 135.2) 중 적어도 하나의 제2 표면과 상기 냉각판(160)의 제1 표면 사이의 효과적인 열 전달을 가능하게 하도록 상호 성형되는, 액체 냉각식 변압기(100).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 표면과 상기 제2 표면은 평평한 표면인, 액체 냉각식 변압기(100).
  7. 제1항에 있어서,
    단일 냉각판(160)은 제1 표면 및 제2 대향 표면을 가지며, 각각의 표면은 상기 코어(145)와 2개의 코일 컴포넌트(135.1, 135.2) 중 서로 다른 변압기 요소와 접촉하는, 액체 냉각식 변압기(100).
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉각판(160)은:
    상기 코어(145)와 상기 복수의 코일 컴포넌트(135.1, 135.2) 중 하나와;
    모든 상기 코일 컴포넌트(135.1, 135.2);
    중 적어도 하나의 사이에 물리적으로 위치하고, 이들과 물리적으로 접촉하고, 그리고 이들과 열적으로 결합되는, 액체 냉각식 변압기(100).
  9. 제1항에 있어서,
    적어도 2개의 별도의 냉각판(160)을 더 포함하고, 상기 적어도 2개의 냉각판(160)은, 상기 코어(145), 상기 제1 코일 컴포넌트(135.1), 및 상기 제2 코일 컴포넌트(135.2) 중에서 적어도 2개의 서로 다른 인접하지 않은 변압기 요소와 물리적으로 접촉하고, 열적으로 접촉하도록 구성 및 배열되는, 액체 냉각식 변압기(100).
  10. 제1항에 있어서,
    적어도 2개의 별도의 냉각판(160)을 더 포함하고, 상기 적어도 2개의 냉각판(160)은 상기 코어(145), 상기 제1 코일 컴포넌트(135.1), 및 상기 제2 코일 컴포넌트(135.2) 중에서 적어도 3개의 서로 다른 변압기 요소와 물리적으로 접촉하고, 열적으로 접촉하도록 구성 및 배열되는, 액체 냉각식 변압기(100).
  11. 유체 침지 변압기(fluid immersed transformer, FIT)(700)로서,
    (i) 전류를 각각 전도하기 위한 복수의 코일 컴포넌트(135), 및 (ii) 상기 복수의 코일 컴포넌트 사이의 자속을 전달하도록 구성된 코어(145)를 포함하는 복수의 변압기 컴포넌트(135, 145)(135);
    상기 변압기 컴포넌트(135, 145)를 포함하고, 열 전도성 유체(740)를 포함하도록 구성된 열 관리 인클로저(710) ― 상기 열 전도성 유체(740)는 상기 복수의 코일 컴포넌트(135) 및 상기 코어(145)로부터 상기 열 관리 인클로저(710)의 외부 벽(755)으로 열을 전달하기에 적합함 ―; 및
    상기 열 관리 인클로저(710)의 외부 벽(755)과 표면 접촉하고, 열적으로 결합되거나, 또는 상기 열 관리 인클로저(710)의 외부 벽(755)에 통합되는 냉각판(160)을 포함하고,
    상기 냉각판(160)은 상기 냉각판(160) 내부에 그리고 상기 냉각판(160)을 관통하게 액체 냉각제(240)를 전달하도록 구성된 냉각제 채널(260)을 포함하고;
    상기 변압기 컴포넌트(135, 145)로부터 상기 외부 벽(755)으로 전달된 열은 상기 냉각판을 관통하게 흐르는 액체 냉각제(240)로의 전달을 통해 추가로 제거되는, 유체 침지 변압기(FIT)(700).
  12. 제11항에 있어서,
    상기 냉각판(160)은 비철 금속을 포함하는, 유체 침지 변압기(FIT)(700).
  13. 제11항에 있어서,
    상기 냉각판(160)은 상기 액체 냉각제(240)의 유입 및 유출을 위한 2개 이상의 냉각제 포트(175)를 포함하는, 유체 침지 변압기(FIT)(700).
  14. 제11항에 있어서,
    상기 코일 컴포넌트(135)는:
    전류가 전도성 재료(610)를 통해 흐를 때 자속을 생성하도록 감기거나, 코일링되거나, 또는 표면 패터닝되는 연속적인 전기 전도성 재료(610); 및
    상기 전기 전도성 재료(610)를 실질적으로 포함하거나 매립하고, 상기 전기 전도성 재료(610)로부터의 열을 멀리 전도시키도록 구성된 열 전도성, 비 전기 전도성, 비철 코일 지지 재료(620)를 포함하는, 유체 침지 변압기(FIT)(700).
  15. 제11항에 있어서,
    상기 열 전도성 유체(740)는 비 전기 전도성 오일인, 유체 침지 변압기(FIT)(700).
  16. 제11항에 있어서,
    상기 액체 냉각제(240)는 물 기반 유체인, 유체 침지 변압기(FIT)(700).
  17. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 변압기 컴포넌트(135, 145)는 상기 컴포넌트(135, 145) 중 적어도 2개 사이의 공간 간극(730)을 갖도록 구성되고, 상기 열 전도성 유체(740)는 열 대류를 증가시키기 위해 상기 공간 간극(730)을 채우는, 유체 침지 변압기(FIT)(700).
  18. 제11항에 있어서,
    적어도 3개의 코일(135)을 포함하는, 유체 침지 변압기(FIT)(700).
  19. 제11항에 있어서,
    상기 코어(145)와 상기 코일(135) 중 하나 중의 적어도 하나는 상기 열 관리 인클로저(710)의 내부 표면과 물리적 및 열적으로 직접 접촉하는, 유체 침지 변압기(FIT)(700).
  20. 제11항에 있어서,
    상기 코일(135) 및 코어(들)(145) 모두는 스트럿(805)을 통해 상기 열 관리 인클로저(710) 내에 매달려 있고;
    상기 코일(135) 및 코어(들)(145)는 모두 상기 열 전도성 유체(740)와 직접 물리적 및 열적으로 접촉해 있고, 실질적으로 모든 면 상에서 상기 열 전도성 유체(740)에 의해 둘러싸여 있는, 유체 침지 변압기(FIT)(700).
  21. 제11항에 있어서,
    상기 코일(135) 및 코어(들)(145) 모두는 스트럿(805)을 통해 상기 열 관리 인클로저(710) 내에 매달려 있고;
    상기 컴포넌트(135, 145) 중 적어도 2개 사이에는 공간 간극(730)이 존재하고;
    상기 열 전도성 유체(740)는 실질적으로 상기 코일(135) 및 코어(들)(145) 모두를 둘러싸고, 상기 열 전도성 유체(740)는 대류를 증가시키기 위해 상기 공간 간극(730)을 추가로 채우는, 유체 침지 변압기(FIT)(700).
  22. 제11항에 있어서,
    상기 열 전도성 유체(740)를 순환시키도록 구성된 펌프를 더 포함하는, 유체 침지 변압기(FIT)(700).
  23. 변압기(120)를 포함하는 고전력 변압기 시스템(100, 700)용 냉각 시스템(500)으로서,
    상기 냉각 시스템(500)은:
    냉각제 액체(240)를 펌핑하도록 구성된 펌핑 시스템(210); 및
    상기 고전력 변압기 시스템의 하나 이상의 요소(135, 145, 710)와 물리적으로 접촉하고, 열적으로 전도성인 냉각판(160)을 포함하고, 상기 냉각판(160)은 상기 냉각제 액체(240)가 상기 냉각판(160)의 내부를 통과할 수 있게 구성되는 내부 냉각제 채널(260)을 가지며,
    상기 냉각판(160)은 상기 고전력 변압기 시스템(100)의 변압기(120)에 의해 발생된 열을, 상기 펌핑 시스템(210)으로부터 상기 냉각판에 의해 수령되는 냉각제 액체(240)를 통해 제거하도록 구성되는, 변압기(120)를 포함하는 고전력 변압기 시스템(100, 700)용 냉각 시스템(500).
  24. 제23항에 있어서,
    상기 냉각판(160)은 상기 변압기(120)의 코일(135)과 상기 변압기(120)의 철 코어(145) 중 적어도 하나와 물리적으로 접촉하고 열적으로 전도성인, 변압기(120)를 포함하는 고전력 변압기 시스템(100, 700)용 냉각 시스템(500).
  25. 제23항에 있어서,
    복수의 냉각판을 더 포함하고, 상기 복수의 냉각판 중 제각기의 냉각판(160)은 상기 변압기(120)의 제각기의 1차 코일(135.1), 상기 변압기(120)의 제각기의 2차 코일(135.2) 중 하나, 또는 상기 변압기(120)의 제각기의 철 코어(145) 중 하나 중의 적어도 하나와 물리적으로 접촉하고 열적으로 전도성인, 변압기(120)를 포함하는 고전력 변압기 시스템(100, 700)용 냉각 시스템(500).
  26. 제23항에 있어서,
    상기 냉각판(160)은 상기 변압기(120)의 1차 코일(135.1), 상기 변압기(120)의 2차 코일(135.2), 및 상기 변압기(120)의 철 코어(145) 중 적어도 2개 사이에 위치하고, 이들과 물리적으로 접촉하고 열적으로 전도성인, 변압기(120)를 포함하는 고전력 변압기 시스템(100, 700)용 냉각 시스템(500).
  27. 제23항에 있어서,
    상기 냉각제 액체(240)는 물, 증류수, 수돗물, 공업용수, 음료용 냉각수, 탈이온수, 염수, 해수, 및 부동액 처리수 중의 적어도 하나를 포함하는, 변압기(120)를 포함하는 고전력 변압기 시스템(100, 700)용 냉각 시스템(500).
  28. 제23항에 있어서,
    상기 냉각제 액체(240)는 오일 냉각제, 탄화수소 기반 냉각제, 유기 액체 냉각제, 및 실리콘 기반 냉각제 중 적어도 하나를 포함하는, 변압기(120)를 포함하는 고전력 변압기 시스템(100, 700)용 냉각 시스템(500).
  29. 제23항에 있어서,
    상기 변압기(120)를 포함하고 둘러싸는 열 관리 인클로저(710)를 더 포함하고,
    상기 열 관리 인클로저(710)는 열 전달 유체(740)를 포함하도록 추가로 구성되며;
    상기 열 관리 인클로저(710)는 열적으로 전도성이며;
    상기 냉각판(160)은 상기 열 관리 인클로저(710)와 물리적으로 접촉하고 열적으로 결합되며;
    상기 냉각 시스템(500)은, 상기 변압기(120)에 의해 발생된 열이 상기 열 전달 유체(740), 상기 열 관리 인클로저(710), 상기 냉각판(160), 상기 냉각제 액체(240)에 연속적으로 열적으로 전달되도록 구성 및 배열되는, 변압기(120)를 포함하는 고전력 변압기 시스템(100, 700)용 냉각 시스템(500).
  30. 제23항에 있어서,
    상기 열 전달 유체(740)는 오일인, 변압기(120)를 포함하는 고전력 변압기 시스템(100, 700)용 냉각 시스템(500).
  31. 제23항에 있어서,
    상기 변압기(120)는 (i) 상기 변압기(120)의 한 쌍의 코일(135)과 (ii) 상기 변압기의 코일(135)과 상기 변압기(120)의 코어(145) 중 적어도 2개 사이의 공간 간극(730)을 갖도록 구성되고,
    상기 냉각 시스템(500)은 상기 공간 간극(730)을 더 포함하고, 상기 열 전달 유체(740)는 상기 공간 간극(730)을 채우고, 상기 공간 간극(730) 내에서 열 전달을 제공하도록 구성되는, 변압기(120)를 포함하는 고전력 변압기 시스템(100, 700)용 냉각 시스템(500).
  32. 제23항에 있어서,
    상기 변압기(120)는 상기 열 관리 인클로저(710) 내부에 매달려 있어서, 상기 열 전달 유체(740)는 상기 변압기(120)의 실질적으로 모든 노출된 표면과 물리적 및 열적 접촉 상태에 있게 되는, 변압기(120)를 포함하는 고전력 변압기 시스템(100, 700)용 냉각 시스템(500).
  33. 전력 변환기(500)를 위한 전력 전자 빌딩 블록(power electronic building block, PEBB)(510)으로서,
    상기 PEBB(510)는:
    저전압용 제1 브리지 변환기(915.1);
    고전압용 제2 브리지 변환기(915.2);
    상기 제1 브리지 변환기(915.1)와 상기 제2 브리지 변환기(915.2)를 전기적으로 연결하는 변압기(120);
    냉각제 액체(240)를 펌핑하도록 구성된 펌핑 시스템(210); 및
    상기 변압기(120)와 열적으로 결합된 냉각판(160)을 포함하고, 상기 냉각판(160)은 상기 냉각판(160)을 통해 상기 냉각제 액체(240)를 전달하기 위한 냉각제 채널(260)을 포함하고,
    상기 변압기(120)에 의해 발생된 열은, 상기 변압기(120)로부터 상기 냉각판(160)으로의 열 전도 및 상기 냉각제 액체(240)에 의한 상기 환경 히트 싱크(295)로의 열 대류를 통해 상기 환경 히트 싱크(295)로 열적으로 전도되는, 전력 변환기(500)를 위한 전력 전자 빌딩 블록(PEBB)(510).
  34. 제33항에 있어서,
    상기 냉각제 액체(240)는 물 기반 액체인, 전력 전자 빌딩 블록(PEBB)(510).
  35. 제33항에 있어서,
    상기 냉각판(160)은 상기 변압기(120)의 하나 이상의 발열 요소(135, 145)와 직접 물리적으로 접촉하는, 전력 전자 빌딩 블록(PEBB)(510).
  36. 제33항에 있어서,
    상기 변압기(120)를 포함하고 둘러싸는 열 관리 인클로저(710)를 더 포함하고,
    상기 열 관리 인클로저(710)는 열 전달 유체(740)를 포함하도록 추가로 구성되며;
    상기 열 관리 인클로저(710)는 열적으로 전도성이며;
    상기 냉각판(160)은 상기 열 관리 인클로저(710)와 물리적으로 접촉하고 열적으로 결합되며;
    상기 냉각 시스템(500)은, 상기 변압기(120)에 의해 발생된 열이 상기 열 전달 유체(740), 상기 열 관리 인클로저(710), 상기 냉각판(160), 및 상기 냉각제 액체(240)에 연속적으로 열적으로 전달되도록 구성 및 배열되는, 전력 전자 빌딩 블록(PEBB)(510).
  37. 제36항에 있어서,
    상기 열 전달 유체(740)는 오일인, 전력 전자 빌딩 블록(PEBB)(510).
  38. 제36항에 있어서,
    상기 변압기(120)는 고전력 밀도의 고주파수 변압기인, 전력 전자 빌딩 블록(PEBB)(510).
  39. 제38항에 있어서,
    상기 변압기(120)는 K:N 권선비를 이용하며, 여기서 N > K이고;
    권선비가 K:N인 변압기(120)에 의해 발생되는 열은 권선비가 1:1인 변압기에 의해 발생되는 열보다 높은, 전력 전자 빌딩 블록(PEBB)(510).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US8519813B2 (en) * 2004-06-17 2013-08-27 Grant A. MacLennan Liquid cooled inductor apparatus and method of use thereof
US20120268227A1 (en) * 2009-09-24 2012-10-25 Jeremy Howes Embedded cooling of wound electrical components
US8081054B2 (en) * 2009-12-10 2011-12-20 Guentert Iii Joseph J Hyper-cooled liquid-filled transformer
CN102456475A (zh) * 2010-10-19 2012-05-16 通用电气公司 磁性元件
CN204029551U (zh) * 2014-06-19 2014-12-17 辽宁荣信防爆电气技术有限公司 水冷型移相整流变压器
CN204884782U (zh) * 2015-08-28 2015-12-16 湘潭电机股份有限公司 一种新型液冷磁性元件管路布局结构

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