(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-08-21
(54)【発明の名称】高出力密度（ＨＰＤ）変圧器用液体／流体冷却システム
(51)【国際特許分類】
H01F 27/16 20060101AFI20230814BHJP
H05K 7/20 20060101ALI20230814BHJP
H01F 27/12 20060101ALI20230814BHJP
H01F 27/02 20060101ALI20230814BHJP
H01F 27/28 20060101ALI20230814BHJP
H01F 30/10 20060101ALI20230814BHJP
H02M 3/28 20060101ALI20230814BHJP
【ＦＩ】
H01F27/16
H05K7/20 M
H01F27/12
H01F27/02 150
H01F27/28 176
H01F30/10 S
H01F30/10 M
H01F30/10 C
H02M3/28 Y
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022559298
(86)(22)【出願日】2020-03-31
(85)【翻訳文提出日】2022-11-25
(86)【国際出願番号】 US2020026026
(87)【国際公開番号】W WO2021201851
(87)【国際公開日】2021-10-07
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】390041542
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
(74)【代理人】
【識別番号】100105588
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 博
(74)【代理人】
【識別番号】100129779
【弁理士】
【氏名又は名称】黒川 俊久
(74)【代理人】
【識別番号】100151286
【弁理士】
【氏名又は名称】澤木 亮一
(72)【発明者】
【氏名】ツォ，ジィ
(72)【発明者】
【氏名】マンケヴィッチ，スティーブ
(72)【発明者】
【氏名】ドゥーシェット，マイケル
(72)【発明者】
【氏名】マーティン，セカンド，アンソニー
【テーマコード（参考）】
5E043
5E050
5E059
5E322
5H730
【Ｆターム（参考）】
5E043DA04
5E043DA06
5E043DB06
5E043DB09
5E050CA03
5E050CA06
5E059BB03
5E059BB17
5E322AA05
5E322AA09
5E322AB01
5E322AB06
5E322DA01
5E322DA03
5E322DA04
5E322FA01
5E322FA04
5H730AA15
5H730ZZ07
5H730ZZ16
(57)【要約】
高出力密度電力変換器（５００）は、その変圧器（１２０）を冷却するため液体冷却システム（２００）を用いる。一実施形態では、変圧器（１００）のコイル（１３５）は、熱伝導性固体（エポキシ又は樹脂）に埋設される。樹脂に埋設されたコイル（１３５）は、コイル（１３５）間に挟装される及び／又はコイル（１３５）の外表面と接触するコールドプレート（１６０）と物理的／熱的に接触する。併せて／或いは、コールドプレート（１６０）は変圧器コア（１４５）と物理的／熱的に接触していてもよい。冷却流体が、コールドプレート（１６０）内を流れるように送液される。別の実施形態では、変圧器は（１２０）、熱管理筐体（７１０）内で、油のような冷却流体（７４０）中に浸漬される。コールドプレート（１６０）は、筐体（７１０）と物理的／熱的に接触する。コールドプレート（１６０）内に送られる冷却液（２４０）は、油で囲まれた変圧器（７００）から熱を伝導させる。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
液体冷却式変圧器（１００）であって、当該液体冷却式変圧器（１００）が、各々電流を流すための複数のコイル部品（１３５）と、
前記複数のコイル部品（１３５）間で磁束を伝えるように構成されたコア（１４５）と、
前記コア（１４５）及び前記複数のコイル部品（１３５）の少なくとも一方と表面接触しかつ熱結合したコールドプレート（１６０）と
を備えており、前記コールドプレート（１６０）が、該コールドプレート（１６０）内で液体冷却剤（２４０）を運ぶように構成された冷却剤流路（２６０）を含む、液体冷却式変圧器（１００）。
【請求項2】
前記コールドプレート（１６０）が非鉄金属を含む、請求項１に記載の液体冷却式変圧器（１００）。
【請求項3】
前記コールドプレート（１６０）が、前記液体冷却剤（２４０）の流入及び流出のための２以上の冷却剤ポート（１７５）を備える、請求項１に記載の液体冷却式変圧器（１００）。
【請求項4】
前記コイル部品（１３５）が、連続的な導電材料（６１０）であって、電流が該導電材料（６１０）を流れるときに磁束を発生するように巻回、コイル巻回又は表面パターン化された連続的な導電材料（６１０）と、
前記導電性材料（６１０）を実質的に収容又は埋設するように構成され、かつ前記導電性材料（６１０）から熱伝達するように構成された熱伝導性非導電性非鉄コイル支持材料（６２０）と
を含む、請求項１に記載の液体冷却式変圧器（１００）。
【請求項5】
前記コールドプレート（１６０）の第１の表面と、前記コールドプレートが熱結合される前記コア（１４５）及び前記コイル部品（１３５．１，１３５．２）の少なくとも一方の第２の表面とが、拡大された表面接触を促進し、もって前記コア（１４５）及び前記コイル部品（１３５．１，１３５．２）の少なくとも一方の第２の表面と前記コールドプレート（１６０）の第１の表面との間の効果的な熱伝達を促進するように、相互に成形される、請求項１に記載の液体冷却式変圧器（１００）。
【請求項6】
第１の表面及び第２の表面が平坦な表面である、請求項５に記載の液体冷却式変圧器（１６０）。
【請求項7】
１枚のコールドプレート（１６０）が、第１の表面及び対向する第２の表面を有し、各表面が、前記コア（１４５）及び前記２つのコイル部品（１３５．１，１３５．２）から選択される複数の変圧器構成要素の異なるものと接触する、請求項１に記載の液体冷却式変圧器（１００）。
【請求項8】
前記コールドプレート（１６０）が、前記コア（１４５）と前記コイル部品（１３５．１，１３５．２）の一方、及び
前記コイル部品（１３５．１，１３５．２）の両方
の少なくともいずれかの間に物理的に位置し、かつ物理的に接触し、かつ熱結合している、請求項１に記載の液体冷却式変圧器（１００）。
【請求項9】
２以上の別個のコールドプレート（１６０）をさらに備えており、前記２以上のコールドプレート（１６０）が、前記コア（１４５）、第１のコイル部品（１３５．１）及び第２のコイル部品（１３５．２）から選択される２以上の異なる非隣接変圧器構成要素と物理的に接触しかつ熱接触するように構成及び配置される、請求項１に記載の液体冷却型変圧器（１００）。
【請求項10】
２以上の別個のコールドプレート（１６０）をさらに備えており、前記２以上のコールドプレート（１６０）が、前記コア（１４５）、第１のコイル部品（１３５．１）及び第２のコイル部品（１３５．２）から選択される３以上の異なる変圧器構成要素と物理的に接触しかつ熱接触するように構成及び配置される、請求項１に記載の液体冷却型変圧器（１００）。
【請求項11】
流体浸漬型変圧器（ＦＩＴ）（７００）であって、当該流体浸漬型変圧器（７００）が、ｉ）各々電流を流すための複数のコイル部品（１３５）、及び（ｉｉ）前記複数のコイル部品（１３５）間で磁束を伝えるように構成されたコア（１４５）を備える複数の変圧器部品（１３５，１４５）と、
前記変圧器部品（１３５，１４５）を収容するとともに、熱伝導性流体（７４０）を含むように構成された熱管理筐体（７１０）であって、前記熱伝導性流体（７４０）が、前記複数のコイル部品（１３５）及び前記コア（１４５）から前記熱管理筐体（７１０）の外壁（７５５）に熱を伝達するのに適している、熱管理筐体と、
前記熱管理筐体（７１０）の外壁（７５５）と面接触して熱結合しているか或いは前記熱管理筐体（７１０）の外壁（７５５）と一体化しているコールドプレート（１６０）と
を備えており、前記コールドプレート（１６０）が、該コールドプレート（１６０）内で該コールドプレート（１６０）を通して液体冷却剤（２４０）を運ぶように構成された冷却剤流路（２６０）を含んでおり、
前記変圧器部品（１３５，１４５）から前記外壁（７５５）に伝達された熱が、前記コールドプレートを通して流れる液体冷却剤（２４０）に伝達されることによりさらに除去される、流体浸漬型変圧器（７００）。
【請求項12】
前記コールドプレート（１６０）が非鉄金属を含む、請求項１１に記載の流体浸漬型変圧器（７００）。
【請求項13】
前記コールドプレート（１６０）が、前記液体冷却剤（２４０）の流入及び流出のための２以上の冷却剤ポート（１７５）を備える、請求項１１に記載の流体浸漬型変圧器（７００）。
【請求項14】
前記コイル部品（１３５）が、連続的な導電材料（６１０）であって、電流が該導電材料（６１０）を流れるときに磁束を発生するように巻回、コイル巻回又は表面パターン化された連続的な導電材料（６１０）と、
前記導電性材料（６１０）を実質的に収容又は埋設するように構成され、かつ前記導電性材料（６１０）から熱伝達するように構成された熱伝導性非導電性非鉄コイル支持材料（６２０）と
を含む、請求項１１に記載の流体浸漬型変圧器（７００）。
【請求項15】
前記熱伝導性流体（７４０）が非導電性油である、請求項１１に記載の流体浸漬型変圧器（７００）。
【請求項16】
前記液体冷却剤（２４０）が水性流体である、請求項１１に記載の流体浸漬型変圧器（７００）。
【請求項17】
前記複数の変圧器部品（１３５，１４５）が、該部品（１３５，１４５）の２以上の間に空間的ギャップ（７３０）を有するように構成しており、前記熱伝導性流体（７４０）が、熱対流の増加のために前記空間的ギャップ（７３０）を充填する、請求項１１に記載の流体浸漬型変圧器（７００）。
【請求項18】
３以上のコイル（１３５）を備える、請求項１１に記載の流体浸漬型変圧器（７００）。
【請求項19】
前記コア（１４５）の１以上及び前記コイル（１３５）の１つが、前記熱管理筐体（７１０）の内面と物理的及び熱的に直接接触している、請求項１１に記載の流体浸漬型変圧器（７００）。
【請求項20】
前記コイル（１３５）及び前記コア（１４５）のすべてが前記熱管理筐体（７１０）内にストラット（８０５）を介して懸架されており、かつ前記コイル（１３５）及び前記コア（１４５）がすべて物理的かつ熱的に直接接触しているとともに前記熱伝導性流体（７４０）によってすべての側面が実質的に囲繞されている、請求項１１に記載の流体浸漬型変圧器（７００）。
【請求項21】
前記コイル（１３５）及び前記コア（１４５）のすべてが前記熱管理筐体（７１０）内にストラット（８０５）を介して懸架されており、前記部品（１３５，１４５）の２以上の間に空間的ギャップ（７３０）が存在し、
前記熱伝導性流体（７４０）が、前記コイル（１３５）及び前記コア（１４５）のすべてを実質的に囲繞し、前記熱伝導性流体（７４０）がさらに対流増加のために前記空間的ギャップ（７３０）を充填する、請求項１１に記載の流体浸漬型変圧器（７００）。
【請求項22】
前記熱伝導性流体（７４０）を循環させるように構成されたポンプをさらに備える、請求項１１に記載の流体浸漬型変圧器（７００）。
【請求項23】
変圧器（１２０）を含む高出力変圧器システム（１００，７００）のための冷却システム（５００）であって、当該冷却システム（５００）が、冷却液（２４０）を送液するように構成されたポンプシステム（２１０）と、
前記高出力変圧器システムの１以上の構成要素（１３５，１４５、７１０）と物理的に接触して熱伝達するコールドプレート（１６０）であって、該コールドプレート（１６０）の内部を通して前記冷却液（２４０）を流すことができるように構成された内部冷却剤流路（２６０）を有するコールドプレート（１６０）と
を備えており、前記コールドプレート（１６０）が、前記ポンプシステム（２１０）から前記コールドプレートに送られた前記冷却液（２４０）を介して、前記高出力変圧器システム（１００）の変圧器（１２０）で発生した熱を除去するように構成している、冷却システム（５００）。
【請求項24】
前記コールドプレート（１６０）が、前記変圧器（１２０）のコイル（１３５）及び前記変圧器（１２０）の鉄コア（１４５）のうちの少なくとも１つと物理的に接触して熱伝達する、請求項２３に記載の冷却システム（５００）。
【請求項25】
複数のコールドプレートをさらに備えており、前記複数のコールドプレート（１６０）の各々が、前記変圧器（１２０）の各々の一次コイル（１３５．１）、前記変圧器（１２０）の各々の二次コイル（１３５．２）、又は前記変圧器（１２０）の各々の鉄コア（１４５）の少なくとも１つと物理的に接触して熱伝達する、請求項２３に記載の冷却装置（５００）。
【請求項26】
前記コールドプレート（１６０）が、前記変圧器（１２０）の一次コイル（１３５．１）、前記変圧器（１２０）の二次コイル（１３５．２）及び前記変圧器（１２０）の鉄コア（１４５）の２以上の間に位置して、物理的に接触しかつ熱伝達する、請求項２３に記載の冷却装置（５００）。
【請求項27】
前記冷却液（２４０）が、水、蒸留水、水道水、工業用水、冷水、脱イオン水、塩水、海水、及び不凍液で処理した水の１種以上を含む、請求項２３に記載の冷却システム（５００）。
【請求項28】
前記冷却液（２４０）が、油冷却剤、炭化水素系冷却剤、有機液体冷却剤及びシリコーン系冷却剤の１種以上を含む、請求項２３に記載の冷却システム（５００）。
【請求項29】
当該冷却システム（５００）が、前記変圧器（１２０）を収容し包囲する熱管理筐体（７１０）をさらに備えており、前記熱管理筐体（７１０）が、熱伝導性流体（７４０）を含むようにさらに構成しており、
前記熱管理筐体（７１０）が熱伝導性であり、
前記コールドプレート（１６０）が、前記熱管理筐体（７１０）と物理的に接触しかつ熱結合しており、
当該冷却システム（５００）が、前記変圧器（１２０）で発生した熱を、順次、前記熱伝導性流体（７４０）、前記熱管理筐体（７１０）、前記コールドプレート（１６０）及び前記冷却液（２４０）に熱伝達するように構成及び配置されている、請求項２３に記載の冷却システム（５００）。
【請求項30】
前記熱伝導性流体（７４０）が油である、請求項２３に記載の冷却システム（５００）。
【請求項31】
前記変圧器（１２０）が、（ｉ）前記変圧器（１２０）の一対のコイル（１３５）と（ｉｉ）前記変圧器のコイル（１３５）及び前記変圧器（１２０）のコア（１４５）との２以上の間に空間的ギャップ（７３０）を有するように構成しており、当該冷却システム（５００）が、前記空間的ギャップ（７３０）をさらに備えており、前記熱伝導性流体（７４０）が、空間的ギャップ（７３０）を充填して熱伝達性をもたらすように構成される、請求項２３に記載の冷却システム（５００）。
【請求項32】
前記熱伝導性流体（７４０）が前記変圧器（１２０）の実質的にすべての露出面と物理的及び熱的に接触するように、前記変圧器（１２０）が熱管理筐体（７１０）の内部に懸架されている、請求項２３に記載の冷却システム（５００）。
【請求項33】
電力変換器（５００）のためのパワーエレクトロニクスビルディングブロック（ＰＥＢＢ）（５１０）であって、当該パワーエレクトロニクスビルディングブロック（５１０）が、低電圧用の第１のブリッジ変換器（９１５．１）と、
高電圧用の第２のブリッジ変換器（９１５．２）と、
第１のブリッジ変換器（９１５．１）及び第２のブリッジ変換器（９１５．２）を電気的に結合する変圧器（１２０）と、
冷却液（２４０）を送液するように構成されたポンプシステム（２１０）と、
前記変圧器（１２０）と熱結合したコールドプレート（１６０）であって、該コールドプレート（１６０）を通して前記冷却液（２４０）を運ぶための冷却剤流路（２６０）を含む、コールドプレート（１６０）と
を備えており、
前記変圧器（１２０）で発生した熱が、前記変圧器（１２０）から前記コールドプレート（１６０）への熱伝達並びに前記冷却液（２４０）による環境ヒートシンク（２９５）への熱対流によって環境ヒートシンク（２９５）に熱伝達される、パワーエレクトロニクスビルディングブロック（５１０）。
【請求項34】
前記冷却液（２４０）が水性液体である、請求項３３に記載のパワーエレクトロニクスビルディングブロック（５１０）。
【請求項35】
前記コールドプレート（１６０）が、前記変圧器（１２０）の１以上の発熱素子（１３５，１４５）と物理的に直接接触している、請求項３３に記載のパワーエレクトロニクスビルディングブロック（５１０）。
【請求項36】
前記変圧器（１２０）を収容しかつ囲繞する熱管理筐体（７１０）をさらに備えており、前記熱管理筐体（７１０）が、さらに熱伝導性流体（７４０）を収容するように構成しており、
前記熱管理筐体（７１０）が熱伝導性であり、
前記コールドプレート（１６０）が、前記熱管理筐体（７１０）と物理的に接触しかつ熱結合しており、
前記冷却システム（５００）が、前記変圧器（１２０）で発生した熱を、順次、前記熱伝導性流体（７４０）、前記熱管理筐体（７１０）、前記コールドプレート（１６０）及び前記冷却液（２４０）に熱伝達するように構成及び配置されている、請求項３３に記載のパワーエレクトロニクスビルディングブロック（５１０）。
【請求項37】
熱伝導性流体（７４０）が油である、請求項３６に記載のパワーエレクトロニクスビルディングブロック（５１０）。
【請求項38】
変圧器（１２０）が高出力密度／高周波変圧器である、請求項３６に記載のパワーエレクトロニクスビルディングブロック（５１０）。
【請求項39】
前記変圧器（１２０）が、Ｋ：Ｎの巻線比であって、Ｎ＞Ｋである巻線比を用いており、かつＫ：Ｎの巻線比の変圧器（１２０）の発熱量が、１：１の巻線比の変圧器の発熱量よりも高い、請求項３８に記載のパワーエレクトロニクスビルディングブロック（５１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、広義には冷却システム及び高出力電子電力システムに関し、特に高出力電力システムにおける高出力密度（ＨＰＤ）変圧器に関する。本願は、さらに、ＨＰＤ変圧器用の液体冷却システムに関する。
【背景技術】
【0002】
変圧器の概要
変圧器は、ある電気回路（「電源」）と１以上の他の電気回路（「負荷」）との間で電流を転送することなく、電源から負荷に電気エネルギーを転送する受動的な電気デバイスである。エネルギーは専ら電界伝送によって伝達される。変圧器は、２以上の独立した線材コイルを有しており、各々通例１以上の鉄（磁性）金属コアの周りに巻回されている。変圧器のいずれか１つの電源コイルを流れる電流が変化すると、変化する磁界（磁束）が発生し、同じコアに巻回された他のあらゆる負荷コイルに変化する起電力を誘導する。負荷コイルが電気負荷に接続されていると、負荷コイルに電流が流れる。電源回路と負荷回路との間に導電性金属接続がなくても、電気エネルギーを（おそらくは多数の）コイル間で伝達することができる。こうして、電源電流と負荷電流とを物理的に完全に分離することができる。
変圧器は、ある電気回路（「電源」）と１以上の他の電気回路（「負荷」）との間で電流を転送することなく、電源から負荷に電気エネルギーを転送する受動的な電気デバイスである。エネルギーは専ら電界伝送によって伝達される。変圧器は、２以上の独立した線材コイルを有しており、各々通例１以上の鉄（磁性）金属コアの周りに巻回されている。変圧器のいずれか１つの電源コイルを流れる電流が変化すると、変化する磁界（磁束）が発生し、同じコアに巻回された他のあらゆる負荷コイルに変化する起電力を誘導する。負荷コイルが電気負荷に接続されていると、負荷コイルに電流が流れる。電源回路と負荷回路との間に導電性金属接続がなくても、電気エネルギーを（おそらくは多数の）コイル間で伝達することができる。こうして、電源電流と負荷電流とを物理的に完全に分離することができる。
【0003】
変圧器は、電力用途において、低電流で交流電圧を増加させる（昇圧変圧器）又は高電流で交流電圧を減少させる（降圧変圧器）ために使用される。
【0004】
高出力システムの概要
中乃至高出力システムは、大規模な産業プラント、工場、大型輸送機関（大型船舶及び航空機など）、オフィスビル、集合住宅又は都市全体に電力を供給し得る。電力変換システム又は電力変換器は、中乃至高出力電子分散型電力バス及びグリッドで電力を変換し、例えば、高電圧から低電圧への変換、低電圧から高電圧への変換、ある交流周波数から別の周波数への電流の変換、直流から交流への或いは交流から直流への変換などを行う。
中乃至高出力システムは、大規模な産業プラント、工場、大型輸送機関（大型船舶及び航空機など）、オフィスビル、集合住宅又は都市全体に電力を供給し得る。電力変換システム又は電力変換器は、中乃至高出力電子分散型電力バス及びグリッドで電力を変換し、例えば、高電圧から低電圧への変換、低電圧から高電圧への変換、ある交流周波数から別の周波数への電流の変換、直流から交流への或いは交流から直流への変換などを行う。
【0005】
電力システムは概して、発電、送電、配電及び最終用途から構成される。電力は、１又は複数の発電機によって、或いは太陽光発電のような再生可能エネルギーシステムによって供給される。最終負荷（電力を使用する装置）に至るまでの経路において、電力は通例、１以上の電力変換器によって受電及び送電される。例えば、発電機側の変換器は、発電機から固定子バスを介して交流（ＡＣ）電力を受け取って、ＡＣ電力をグリッド周波数のような適切な出力周波数に変換することができる。交流電力は、ラインバスを介して電力グリッドに供給される。
【0006】
低電圧、中電圧、高電圧は一義的に定義されてはいないが、例えば、「低電圧」は１．５ｋＶ以下の電圧をいうことがあり、「中電圧」は１．５ｋＶ超１００ｋＶ未満の電圧をいうことがあり、「高電圧」は１００ｋＶ以上の電圧をいうことがある。
【0007】
高出力密度（ＨＰＤ）電力システム－コンパクトな空間設計が要求される船舶その他の環境向けの電力変換器
軍用及び商用船舶並びに航空機のようなある種の環境では、スペースの有効活用が重視される。そのため、船舶では、陸上環境で使用されるものよりも小型の電力変換器が必要とされる。また、船舶用途向けの電力変換システムでは軽量化も望まれている。電力変換器の体積及び重量の削減は、電力密度の向上及び船舶の抗力の低減につながる。
軍用及び商用船舶並びに航空機のようなある種の環境では、スペースの有効活用が重視される。そのため、船舶では、陸上環境で使用されるものよりも小型の電力変換器が必要とされる。また、船舶用途向けの電力変換システムでは軽量化も望まれている。電力変換器の体積及び重量の削減は、電力密度の向上及び船舶の抗力の低減につながる。
【0008】
本システム及び方法は、限定されるものではないが、船舶及び航空機にみられるようなマイクログリッドに特に適している。（グリッド及びマイクログリッドは、本明細書では、一般に「電力システム」と呼ばれる）。船舶及び航空機の電力システム並びに他のコンパクトな物理空間に適した電力システムは、物理的にできるだけ小さくコンパクトであることの利点がある。所与の電力レベルでは、物理的サイズが小さいほど、電力システム全体の電力密度が高まる。ただし、電力密度が高いと、大量の熱が発生してしまい、熱を放散させる必要がある。
【0009】
高出力密度（ＨＰＤ）システムの一例は、パワーエレクトロニクスビルディングブロック（ＰＥＢＢ）最小互換ユニット（ＬＲＵ）であるが、これは電力変換器の構造及び機能素子であり、任意の入力電力を所望の電圧、電流及び周波数の出力へと変換する電力プロセッサであってもよい。ＰＥＢＢは、通例複数の相互接続されたＰＥＢＢを用いるモジュール式で拡張性のある電力変換器アーキテクチャの一部としての使用が意図される。
【0010】
ＰＥＢＢは、通例、パワーデバイス、ゲートドライブ、変圧器及びその他の部品が、設定可能で明確に定義された機能を有するビルディングブロックに組み込まれている。
【0011】
エネルギー効率及び船内空間の有効活用の観点から、小型素子を備え、高出力密度で、多量の熱を生じるＰＥＢＢ ＬＲＵを提供することが望まれている。かかるＰＥＢＢ ＬＲＵ並びに他の小型高出力システムは、物理的にコンパクトで、低電圧を高電圧に昇圧する変圧器の使用を必要とすることがある。かかる高出力変圧器は、１：１の巻線比の使用を必要とすることもあれば、Ｋ：Ｎの巻線比（ＮはＫと同一又はそれ以上の値）の使用を必要とすることもある。体積が小さいと特に熱放散を起こし易く、巻線比が高いと、さらに多量の熱が発生し、それに応じた熱放散が必要となる。
【0012】
熱放散の概要
電力変換器及び電力変換器用パワーエレクトロニクスビルディングブロック（ＰＥＢＢ）の電力処理の限界は、かかるシステムで用いられる高周波変圧器の熱管理によって大きく左右される。「熱管理」は、変圧器の熱放散能力を言い換える表記であり、変圧器の体積及び重量、ひいては電力変換器の電力密度及び比出力を大きく左右する。
電力変換器及び電力変換器用パワーエレクトロニクスビルディングブロック（ＰＥＢＢ）の電力処理の限界は、かかるシステムで用いられる高周波変圧器の熱管理によって大きく左右される。「熱管理」は、変圧器の熱放散能力を言い換える表記であり、変圧器の体積及び重量、ひいては電力変換器の電力密度及び比出力を大きく左右する。
【0013】
従来の電力変換器及びパワーエレクトロニクスビルディングブロック（ＰＥＢＢ）は、空冷式変圧器に依拠していた。電力変換器の動作中に変圧器から発生する熱は、一次コイル及び二次コイルのＩ２ｔ損失（コイル損失）と、磁気コアの熱／電力損失（コア損失）からなる。
【0014】
コイル損失及びコア損失の熱損失分布は、特定の設計及び使用材料に応じて変化する。典型的な変圧器の冷却システムは空冷式であり、例えば、変圧器の周囲及び内部に空気を送り込むファンなどを含む。そのため、空気の流れのための十分なスペースと高い空気速度が必要とされるが、これらはいずれも電力変換器の全体積を低く保つという目標に反しかねない。
【0015】
体積電力密度の課題のような上述の短所に鑑みて、中乃至高電圧ＨＰＤ変圧器のためのコンパクトな冷却システムが必要とされている。さらに、効率的な熱伝達のため液体冷却を用いる冷却システムも必要とされている。さらに、電力変圧器との構造的一体化をもたらす冷却システム、或いは１種以上の液体冷却剤と電力変圧器の電気的に活性な発熱素子との広い接触面積をもたらす冷却システムも必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0016】
【特許文献1】米国特許出願公開第２０１２／００９２１０８号明細書
【発明の概要】
【0017】
本システム及び方法は、空冷式変換器を、特に、例えば、限定されるものではないが、軍用又は商用船舶の船内或いは航空機の機内を始めとするスペースに制約のあるパルス負荷電力変換器用途などに向けた、向上した体積電力密度をもたらすための液体冷却式熱管理ソリューションで進歩させたものである。
【0018】
液体と流体
一般的／通常の用法では、「液体」という用語と「流体」という用語は概して又は略同義である。化学及び物理では、「流体」は（液体及び気体の両者を含めて）流れるものであり、一方、「液体」はその容器の形状に適合するが、圧力とは無関係に（略）一定体積を保つ略非圧縮性の流体である。本明細書では「液体」及び「流体」という用語はいずれも、流動性があって体積が略一定な略非圧縮性の物質をいう。（つまり、どちらの用語も広義には「液体であるが気体でない流体」を意味する）。ただし、本明細書では「液体」と「流体」にはさらに別々の意味が当てられる。
（Ａ）「液体」は、コールドプレート１６０（図１参照）に流される冷却液材料２４０（図２参照）（幾つかの実施形態では、水である。）をいう。
（Ｂ）「流体」は、熱管理筐体７１０内の変圧器１２０と直接接触して使用するための熱伝導液体材料７４０（図７参照）（幾つかの実施形態では、油である。）をいう。
一般的／通常の用法では、「液体」という用語と「流体」という用語は概して又は略同義である。化学及び物理では、「流体」は（液体及び気体の両者を含めて）流れるものであり、一方、「液体」はその容器の形状に適合するが、圧力とは無関係に（略）一定体積を保つ略非圧縮性の流体である。本明細書では「液体」及び「流体」という用語はいずれも、流動性があって体積が略一定な略非圧縮性の物質をいう。（つまり、どちらの用語も広義には「液体であるが気体でない流体」を意味する）。ただし、本明細書では「液体」と「流体」にはさらに別々の意味が当てられる。
（Ａ）「液体」は、コールドプレート１６０（図１参照）に流される冷却液材料２４０（図２参照）（幾つかの実施形態では、水である。）をいう。
（Ｂ）「流体」は、熱管理筐体７１０内の変圧器１２０と直接接触して使用するための熱伝導液体材料７４０（図７参照）（幾つかの実施形態では、油である。）をいう。
【0019】
「液体」２４０（例えば水）の語義及び「流体」７４０（例えば油）の語義は、冷却を提供する及び／又は熱を伝達及び除去する種々の液体の異なる種類／用途を区別できるようにするため、理解を図るための便宜的なものにすぎない。
【0020】
本明細書において、文脈に応じて「冷却剤」と「熱伝達」とが一貫した用法で用いられているのも、理解を図るための便宜的なものである。関連する技術分野の他の文献では、「冷却剤」又は「熱伝達物質」のような用語が同義に用いられることもあれば、異なる意味で用いられることもある。
【0021】
本発明の実施形態の有利な設計は、独立請求項及び従属請求項、明細書及び図面から得られる。以下、本発明の実施形態の好ましい例について、添付の図面を用いて詳細に説明する。図面は、本明細書に組み込まれて本明細書の内容の一部をなし、本発明を例示し、発明の詳細な説明と併せて、当業者が本発明を実施することができるように本発明の原理を説明するのにも役立つ。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本システム及び方法の一実施形態に係る一体型コールドプレートを備える例示的な変圧器を示す図である。
【図2】本システム及び方法の一実施形態に係る例示的な液体冷却システムを示す図である。
【図3A】本システム及び方法の一実施形態に係る一体型コールドプレートを備える例示的な変圧器を示す図である。
【図3B】本システム及び方法の一実施形態に係る一体型コールドプレートを備える例示的な変圧器を示す図である。
【図4】本システム及び方法の一実施形態に係る一体型コールドプレートを備える例示的な変圧器を示す図である。
【図5】複数のパワーエレクトロニクスビルディングブロックを備える例示的な電力変換器であって、各パワーエレクトロニクスビルディングブロックが例示的な液体冷却システムを有する、例示的な電力変換器を示す図である。
【図6A】本システム及び方法に係る例示的な変圧器コイルを示す図である。
【図6B】本システム及び方法に係る例示的な変圧器コイルを示す図である。
【図7】本システム及び方法の一実施形態に係る例示的な流体浸漬型変圧器の幾つかの構成要素を示す図である。
【図8】本システム及び方法の実施形態に係る例示的な流体浸漬型変圧器の幾つかの構成要素を示す図である。
【図9】電力変換器に使用し得るハイブリッドパワーエレクトロニクスビルディングブロックに一体化された液体又は流体冷却式変圧器の例示的用途を示す図である。
【0023】
図面の中の説明について
図面の中の説明は、ある構成要素の性状について言葉で思い出させるべく、理解をはかるための便宜的なものである。これらの説明は、限定的に解釈すべきではなく、本明細書で説明する通り、様々な構成要素は、追加の又は別の標記、命名又は別の実施形態によって知られていたり、理解されていることがある。図面に記載された構成要素に関するさらに詳しい説明については、図面に記載された符号、発明の詳細な説明におけるそれらの符号に関する説明、さらには発明の詳細な説明において符号が省略されている箇所の説明を参照されたい。
図面の中の説明は、ある構成要素の性状について言葉で思い出させるべく、理解をはかるための便宜的なものである。これらの説明は、限定的に解釈すべきではなく、本明細書で説明する通り、様々な構成要素は、追加の又は別の標記、命名又は別の実施形態によって知られていたり、理解されていることがある。図面に記載された構成要素に関するさらに詳しい説明については、図面に記載された符号、発明の詳細な説明におけるそれらの符号に関する説明、さらには発明の詳細な説明において符号が省略されている箇所の説明を参照されたい。
【0024】
図面に記載された特定の機能又は動作値（例えば、電圧値、電力値、構造寸法その他の数値）は、本明細書において限定的なものと記載されていない限り、例示にすぎず、限定的に解釈すべきではない
【発明を実施するための形態】
【0025】
本明細書では、特定の用途のための例示的な実施形態で本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0026】
以下の詳細な説明は、例示にすぎず、教示されたシステム、構成及び方法を限定するものでも、教示されたシステム、構成及び方法の構成要素又はステップを限定するものでも、本明細書に開示した本システム、方法及び構成の用途を限定するものでもない。さらに、上述の背景技術の欄及び発明の概要の欄並びに以下の詳細な説明で紹介した理論に束縛されないし、それらの理論によって技術的範囲が限定されるわけでもない。本明細書の教示内容に接した当業者には、その技術的範囲内での追加の修正、用途及び実施形態、並びに本発明が重要な有用性を有する追加の分野は明らかであろう。
【0027】
本願全体を通して、様々な実施形態に関する説明で、「含む」という表現を用いるが、これはシステム及び方法が、記載した特定の構成要素又はステップを含んでいることを意味し、システム及び方法は、その他の構成要素又はステップであって、記載されていないもの、他の実施形態に関して記載されたもの、図にしか記載されていないもの、或いは電力システムの機能に必要なものとして当技術分野で周知のものを含んでいてもよい。ただし、幾つかの特定の例では、実施形態を「から基本的になる」又は「からなる」という表現で記載できることは当業者には明らかであろう。
【0028】
本教示の範囲を限定するためのものではなく、本教示の理解を深めるために、単数形で記載したものであっても、別途明示しない限り、複数のものを含むことは、当業者には明らかであろう。したがって、単数形の冠詞と「少なくとも１つ」は、本願では互換的に用いられる。
【0029】
発明の詳細な説明で用いる見出しは、本明細書を読み易くするためのものにすぎず、定義又は限定的なものと解釈すべきではない。
【0030】
本システム及び方法は、以下に記載する実施形態に限定されるものではなく、それらは例示にすぎない。システム及び方法の全範囲は、以下の特許請求の範囲に記載される。添付の特許請求の範囲はそれ自体が開示であり、システム及び方法の全範囲は、特許請求の範囲に記載された構成要素だけを含んでいればよい。
【0031】
変圧器用の例示的な液体冷却素子及び液体冷却システム
電気システムの効果的な動作には、変圧器の熱放散を始めとする熱放散が必要とされることは当業者には明らかであろう。従来型の電力変換器では空冷が用いられ、例えば冷却ファン、或いは周囲環境の空気の全般的な流れだけが用いられ、場合によってはベント及びヒートシンクで補完される。
電気システムの効果的な動作には、変圧器の熱放散を始めとする熱放散が必要とされることは当業者には明らかであろう。従来型の電力変換器では空冷が用いられ、例えば冷却ファン、或いは周囲環境の空気の全般的な流れだけが用いられ、場合によってはベント及びヒートシンクで補完される。
【0032】
上述の通り、コンパクトな環境向けの新たな電力変換器は、（従来の電力変換器の電力密度／比出力と比較して）大幅に増加した高出力密度（ＨＰＤ）及び比出力を有し得る。電力密度及び比出力の増加によって、従来の電力変換器よりも多量の体積熱又は重量熱（つまり単位体積又は単位重量当たりの熱）及び高温を生じる。さらに、かかるシステムでは、電流を高周波（ＨＦ）に変換するためＨＰＤ変圧器１２０が用いられることがあるが、それによって熱の発生量がさらに増加する。
【0033】
ＨＰＤ変換器におけるＨＰＤ－ＨＦ変圧器で発生する熱を放散させるため、液体冷却システムを、空冷との組合せで、或いは変圧器１２０の空冷を実質的に置き換えるために、ＨＰＤ変圧器１２０に使用することができる。
【0034】
特に、ＨＰＤ電力変換器の高電圧と複数の変圧器巻線と圧縮されたサイズとの組合せは、全体として、ＨＰＤ－ＨＦ変圧器１２０による激しい発熱をもたらしかねない。動作中のＨＰＤ－ＨＦ変圧器１２０から発生する熱は、一次及び二次コイルにおけるＩ２ｔ損失（電流二乗（Ｉ２）時間損失）（コイル損失）と変圧器１２０の磁気コアにおける熱／電力損失（コア損失）からなる。
【0035】
幾つかの実施形態では、本システム及び方法は、ＨＰＤ－ＨＦ変圧器１２０のための専用の液体冷却を導入する。
【0036】
例えば、幾つかの実施形態では、本システムは、空冷を、特にスペースに制約のあるパルス負荷変換器用途（例えば、軍用又は商用船舶の船内或いは航空機の機内）のための体積電力密度をさらに向上させるための液体冷却式熱管理ソリューションで進歩させたものである。コイル損失及びコア損失の熱損失分布は、特定の設計及び使用材料に応じて変化する。体積を減少させ、かつ電力密度を増加させるため、本システム及び方法の実施形態は、変圧器コイル部品１３５．２，１３５．１及び変圧器コア１４５の熱管理のための液体冷却ソリューションを備える液体冷却ＨＰＤ－ＨＦ変圧器１００を用いる。
【0037】
一体型コールドプレートを備える例示的なＨＰＤ－ＨＦ変圧器
図１は、本システム及び方法の一実施形態に係る、液体冷却システム２００（図２参照）の一体型コールドプレート１６０を備える例示的なＨＰＤ－ＨＦ変圧器１２０の概略図である（図１中、一体型コールドプレート１６０を備える複合変圧器１２０自体（コイル＋磁気コア）（以下「ＴＩＣＰ」）には、符号１００．１を付した）。一実施形態では、ＴＩＣＰは、構造的に一体化されたユニットを形成し、換言すると、ＨＰＤ－ＨＦ変圧器１２０の構造内に液体冷却システム２００の幾つかの構成要素１６０，１６５が埋設されている。
図１は、本システム及び方法の一実施形態に係る、液体冷却システム２００（図２参照）の一体型コールドプレート１６０を備える例示的なＨＰＤ－ＨＦ変圧器１２０の概略図である（図１中、一体型コールドプレート１６０を備える複合変圧器１２０自体（コイル＋磁気コア）（以下「ＴＩＣＰ」）には、符号１００．１を付した）。一実施形態では、ＴＩＣＰは、構造的に一体化されたユニットを形成し、換言すると、ＨＰＤ－ＨＦ変圧器１２０の構造内に液体冷却システム２００の幾つかの構成要素１６０，１６５が埋設されている。
【0038】
コイル部品（コイル）及びコア
一実施形態では、ＨＰＤ－ＨＦ変圧器１２０は、１又は２以上の一次（高電圧／ＨＶ）コイル部品１３５．１と、１又は２以上の二次（低電圧／ＬＶ）コイル部品１３５．２と、１又は２又は３以上の磁気（鉄）コア１４５（図には３個示してある）と電気接続１８５（図には１個しか示してない）とを含む。コア１４５の１以上は、コイル１３５のギャップ又は間隙及び／又はコールドプレート１６０の間隙を通り抜ける１以上の内部コア素子１４７を有していてもよい。１又は複数の内部コア素子１４７は、構造的支持をもたらすだけのものでもよいし、或いはコイル１３５間の追加の磁気結合／インダクタンスをもたらすための鉄材料製のものでもよい。
一実施形態では、ＨＰＤ－ＨＦ変圧器１２０は、１又は２以上の一次（高電圧／ＨＶ）コイル部品１３５．１と、１又は２以上の二次（低電圧／ＬＶ）コイル部品１３５．２と、１又は２又は３以上の磁気（鉄）コア１４５（図には３個示してある）と電気接続１８５（図には１個しか示してない）とを含む。コア１４５の１以上は、コイル１３５のギャップ又は間隙及び／又はコールドプレート１６０の間隙を通り抜ける１以上の内部コア素子１４７を有していてもよい。１又は複数の内部コア素子１４７は、構造的支持をもたらすだけのものでもよいし、或いはコイル１３５間の追加の磁気結合／インダクタンスをもたらすための鉄材料製のものでもよい。
【0039】
一次コイル１３５．１及び二次コイル１３５．２の金属製導電素子６１０は、図１には記載されておらず（代わりに図６Ａ及び図６Ｂ参照）、図示されているのは固体コイル部品１３５．１，１３５．２の外面であり、これらは、例えばシリコン、樹脂、エポキシ、セラミック、ガラスその他の非導電性物質又は材料６２０．１，６２０．２から作ることができ（コイル１３５の断面図については図６Ａ及び図６Ｂ参照）、その中に導電性（典型的には金属）コイル６１０が埋設されている。本明細書では、簡潔さのため、「コイル部品」１３５は典型的には単に「コイル」１３５と簡略化していう。ある例示的な実施形態では、コイル線６１０はリッツ線とすることができる。
【0040】
エポキシ、樹脂、ガラス、セラミック材料などの接着／筐体材料は概して「コイル支持材料」６２０．１，６２０．２と呼ばれ、効果的な熱伝達体である。コイル１３５の導電性素子（ワイヤ、フィラメント又は箔など）６１０で発生した熱は、コイル部品１３５．１，１３５．２の周囲のエポキシ、樹脂又はセラミック材料６２０．１，６２０．２に容易に伝達される。
【0041】
図に示す例示的な実施形態では、３枚のコールドプレート１６０（「熱交換プレート」１６０とも呼ばれる）が、コイル部品１３５．１，１３５．２及びコア１４５のすべての間に物理的に挿入又は挟装されて、それらと実質的に接触する。一実施形態では、コールドプレートは、非鉄（非磁性）金属で作られる。別の実施形態では、コールドプレート１６０は、熱伝達に適した他の非鉄非金属材料から製造し得る。
【0042】
各コールドプレート１６０を貫通しているのは、脱イオン水、冷水、石油化学系添加剤入り又は無しの処理水、その他の冷却液２４０のような、冷却液２４０（図２参照）を導くのに適した１以上の内部液体輸送流路２６０（又は「冷却剤流路」２６０）（図１には図示せず、図２参照）である。
【0043】
２以上の冷却剤管１６５（又は「冷却剤導管」１６５）が、冷却剤ポート１７５でコールドプレート１６０に接続されるが、冷却ポート１７５は、コールドプレート１６０の外面に沿った流体入出力ポートである。冷却剤ポート１７５には、図に示していない弁その他の流体制御機構を有していてもよい。冷却剤管１６５は、コールドプレート１６０の内部冷却剤流路２６０に冷却液２４０を流入・流出させる。コールドプレート１６０の内部冷却剤流路２６０を介した冷却液２４０の輸送は、変圧器１２０から熱伝達により熱を奪い、電力変換中に変圧器１２０を安全な動作温度に維持するのに役立つ。
【0044】
別の実施形態では、外部冷却剤管１６５又は冷却剤導管１６５を、コールドプレート１６０と一体化し、冷却剤ポート１７５に接合はその他の方法で取り付け、及び／又は内部冷却剤流路２６０の一体化された延長部としてもよい。
【0045】
当業者には明らかであろうが、コイル１３５．２，１３５．１及びコア１４５の表面とコールドプレート１６０の表面との接合又は接着を促進するため、熱結合材料又は接着剤のような各種の追加の熱伝導材料（図１には図示せず）の薄層を使用してもよい。かかる熱伝導材料は、効率的で均一な熱伝導を維持するのに役立つこともある。幾つかの実施形態では、かかる熱伝導材料は、１ｍｍ以下のオーダーの薄層で施工してもよく、別の実施形態では、もっと厚い層を使用してもよく、別の実施形態では、接着のための追加の熱伝導材料又は接着剤は使用しない。代わりに、ネジ（図示せず）、クランプ（図示せず）、ボルト（図示せず）のような機械的手段を介して、或いは周囲のコア１４５からの封込め及び圧力を介して、コイル１３５．２，１３５．１とコールドプレート１６０を一緒に結合して熱接触を維持してもよい。
【0046】
別の実施形態では、製造プロセスにおいて、（ｉ）熱、圧縮、表面溶媒の施用などの手段を用いて、コイル１３５．２，１３５．１及び／又はコールドプレートの薄い表面層及び／又は縁部を溶融、部分溶融又は化学的に軟化せしめ、（ｉｉ）コイル１３５．２，１３５．１及び／又はコールドプレートを一緒に機械的にプレスし、（ｉｉｉ）こうして処理した表面／縁部を物理的に硬化し分子レベルで互いに結合させることによって、コイル１３５．２，１３５．１及びコールドプレート１６０の一部又は全部を一緒に結合して永続的な熱接触状態を維持してもよい。
【0047】
別の実施形態では、コイル１３５．２，１３５．１とコールドプレート１６０の間の接触、圧力及び所要の熱伝導度を維持するため、ネジ、クランプ、ボルト、コア１４５、熱伝導材料及び接着剤、及び化学／熱接合の２以上の組合せを用いてもよい。
【0048】
本明細書における以降の説明では、「コールドプレート」を大文字の「Ｃ」、二次／低電圧コイルを「Ｓ」、一次／高電圧コイルを「Ｐ」で略すことがある。本システム及び方法の様々な実施形態について、これらの構成要素の積層順序に準じて、簡略化して示すことがある。例えば、図１の例示的な実施形態１００．１における積層順序は「Ｃ－Ｓ－Ｐ－Ｃ－Ｐ－Ｓ－Ｃ」である。
【0049】
主（大）表面
図面から明らかな通り、幾つかの実施形態並びに幾つかの形状において、コールドプレート１６０、コイル１３５及び／又はコア１４５の幾つかの平坦な表面１９０又は実質的に平坦な表面１９０は、それらの構成要素の最大表面であってもよいし、或いは２つの対向する最大表面のうちの一方であってもよい。かかる最大表面１９０は、本明細書では「主表面」１９０と呼ばれ、かかる主表面１９０がコールドプレート１６０への熱伝達に特に適していることは明らかであろう。面積の小さい副表面１９５も同様に熱伝達を促進し得る。別の実施形態では、幾つかの変圧器部品１３５，１４５は略又は実質的に立方体であり、その場合、主表面１９０と副表面１９５と面積による区別は意味をなさなくなる。
図面から明らかな通り、幾つかの実施形態並びに幾つかの形状において、コールドプレート１６０、コイル１３５及び／又はコア１４５の幾つかの平坦な表面１９０又は実質的に平坦な表面１９０は、それらの構成要素の最大表面であってもよいし、或いは２つの対向する最大表面のうちの一方であってもよい。かかる最大表面１９０は、本明細書では「主表面」１９０と呼ばれ、かかる主表面１９０がコールドプレート１６０への熱伝達に特に適していることは明らかであろう。面積の小さい副表面１９５も同様に熱伝達を促進し得る。別の実施形態では、幾つかの変圧器部品１３５，１４５は略又は実質的に立方体であり、その場合、主表面１９０と副表面１９５と面積による区別は意味をなさなくなる。
【0050】
例示的な液体冷却システム（ＬＣＳ）
当業者には明らかであろうが、変圧器１２０のための完全な又は機能的に完全な液体冷却システム２００は、冷却システム１００．１の液体冷却素子（ＬＣＳ）１６０，１６５及び冷却液２４０だけでなく、様々な追加の構成要素を含んでおり、その一部又は全部は外部にあってもよく、場合によっては変圧器１２０から遠隔にあってもよい。
当業者には明らかであろうが、変圧器１２０のための完全な又は機能的に完全な液体冷却システム２００は、冷却システム１００．１の液体冷却素子（ＬＣＳ）１６０，１６５及び冷却液２４０だけでなく、様々な追加の構成要素を含んでおり、その一部又は全部は外部にあってもよく、場合によっては変圧器１２０から遠隔にあってもよい。
【0051】
図２は、本システム及び方法に係るＨＰＤ－ＨＦ変圧器１２０のための例示的な液体冷却システム（ＬＣＳ）２００を示す。特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する例示的なＬＣＳ２００及び他のＬＣＳシステムでは、数ある中でも、特に以下のものを用いることができる。
（ｉ）図１に関して上述した例示的な一体型コールドプレートを備える変圧器（ＴＩＣＰ）１００（図３、図４、図５及び図６も参照されたい）；
（ｉｉ）例示的な流体浸漬型変圧器（ＦＩＴ）７００（詳細については図７、図８及び図６も参照）；
（ｉｉｉ）特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する任意の変圧器。
（ｉ）図１に関して上述した例示的な一体型コールドプレートを備える変圧器（ＴＩＣＰ）１００（図３、図４、図５及び図６も参照されたい）；
（ｉｉ）例示的な流体浸漬型変圧器（ＦＩＴ）７００（詳細については図７、図８及び図６も参照）；
（ｉｉｉ）特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する任意の変圧器。
【0052】
ＬＣＳ２００は、上述の通り、１以上のコールドプレート１６０を含んでおり、それらは、ＨＰＤ－ＨＦ変圧器１２０の構成要素に接着、その中に埋設又は他の方法で構造的に密着／熱結合される。
【0053】
コールドプレート
図面では、コールドプレート１６０は、６つの実質的に平坦で互いに直交する表面を有する実質的に立方体として示してあるが、その他の形状も可能である。本システム及び方法の幾つかの実施形態では、変圧器１００の他の構成要素１３５．２，１３５．１，１４５との適合性を高め、表面接触を増加させ、或いは電流又は磁気相互作用を増加させるため、コールドプレートを非立方体に成形すること又は様々な拡張部を有する修正立方体に成形することが有利となることがある。本システム及び方法の幾つかの実施形態では、コールドプレート１６０を軽量化するため、追加の熱伝導性を与えるため、又はコールドプレート１６０に補助的な空冷を与えるため、コールドプレートが、例えば、限定されるものではないが、隆線、隆起、溝、他のテクスチャ又は表面高さの変動を始めとする、テクスチャ表面を有すること或いは非線形（湾曲）部分を有することが有利となることがある。
図面では、コールドプレート１６０は、６つの実質的に平坦で互いに直交する表面を有する実質的に立方体として示してあるが、その他の形状も可能である。本システム及び方法の幾つかの実施形態では、変圧器１００の他の構成要素１３５．２，１３５．１，１４５との適合性を高め、表面接触を増加させ、或いは電流又は磁気相互作用を増加させるため、コールドプレートを非立方体に成形すること又は様々な拡張部を有する修正立方体に成形することが有利となることがある。本システム及び方法の幾つかの実施形態では、コールドプレート１６０を軽量化するため、追加の熱伝導性を与えるため、又はコールドプレート１６０に補助的な空冷を与えるため、コールドプレートが、例えば、限定されるものではないが、隆線、隆起、溝、他のテクスチャ又は表面高さの変動を始めとする、テクスチャ表面を有すること或いは非線形（湾曲）部分を有することが有利となることがある。
【0054】
幾つかの実施形態では、コールドプレート１６０は、１種類の金属、１種類の金属合金、１種類のセラミック材料、１種類のポリマー材料、炭素系材料その他の１種類の非鉄・非導電性・熱伝導材料から製造し得る。別の実施形態では、コールドプレート１６０は、２種以上の材料から製造してもよく、例えば、コールドプレートの第１の側面とコールドプレートの第２の側面に異なる種類の材料を用いてもよく、場合によっては内部流路２６０（後述）のライニングに第３の材料を用いてもよい。一実施形態では、空気に露出されるコールドプレートの表面は、熱漏れを防ぐため、火災又は火傷を防ぐため、及び／又は冷却剤流路２６０を通しての最大熱伝達を維持するため、その露出表面に取り付けられた絶縁材料を有していてもよい。
【0055】
冷却剤流路
コールドプレート１６０の内部には、コールドプレート１６０を通して冷却液２４０を導く１以上の冷却剤流路２６０がある。図２に示す冷却剤流路２６０の数、幾何学的構成、（コールドプレートの寸法に対する）相対的な幅及び／又は直径、並びに配置は例示にすぎず、本システム及び方法の技術的範囲内で冷却剤流路２６０の数多くの代替構成を使用し得る。冷却剤流路２６０は、コールドプレート１６０の最短幅３１０（図３Ａ参照）と同程度の直径を有するバルク／マクロチャネルであってもよいし、或いはコールドプレート１６０の最短幅３１０よりも実質的に小さな直径を有するマイクロチャネルであってもよい。
コールドプレート１６０の内部には、コールドプレート１６０を通して冷却液２４０を導く１以上の冷却剤流路２６０がある。図２に示す冷却剤流路２６０の数、幾何学的構成、（コールドプレートの寸法に対する）相対的な幅及び／又は直径、並びに配置は例示にすぎず、本システム及び方法の技術的範囲内で冷却剤流路２６０の数多くの代替構成を使用し得る。冷却剤流路２６０は、コールドプレート１６０の最短幅３１０（図３Ａ参照）と同程度の直径を有するバルク／マクロチャネルであってもよいし、或いはコールドプレート１６０の最短幅３１０よりも実質的に小さな直径を有するマイクロチャネルであってもよい。
【0056】
冷却剤流路２６０について、本明細書ではコールドプレート１６０の「内部」と記載しているが、「内部流路」とは、コールドプレート１６０の金属表面がコールドプレート１６０の平坦面、平滑面又は隆起面の上に部分的に延在又は突出し得る冷却流路、及び／又はコールドプレート１６０の平坦面、平滑面又は隆起面に結合された冷却液２４０を運ぶ冷却管（例えば金属管）を含むと解される。
【0057】
冷却剤管
液体冷却剤２４０をコールドプレート１６０内の冷却剤流路２６０に流入・流出させるのは、１以上の流入冷却剤管１６５．１及び１以上の流出冷却剤管１６５．２である。ここでも、図２に示す１本の流入冷却剤管１６５．１及び１本の流出冷却剤管１６５．２は例示にすぎず、（図１と同様に）さらに多くの冷却剤管１６５を用いてもよい。図１及び図２はいずれも、冷却剤管１６５を狭い側面１８５に沿ってコールドプレート１６０に流入／流出するものとして示しているが、これは例示にすぎない。別の実施形態では、１以上の冷却剤管１６５を、コールドプレート１６０の大きな平坦表面１９０に沿って取り付け、冷却剤の流入及び流出させてもよい。
液体冷却剤２４０をコールドプレート１６０内の冷却剤流路２６０に流入・流出させるのは、１以上の流入冷却剤管１６５．１及び１以上の流出冷却剤管１６５．２である。ここでも、図２に示す１本の流入冷却剤管１６５．１及び１本の流出冷却剤管１６５．２は例示にすぎず、（図１と同様に）さらに多くの冷却剤管１６５を用いてもよい。図１及び図２はいずれも、冷却剤管１６５を狭い側面１８５に沿ってコールドプレート１６０に流入／流出するものとして示しているが、これは例示にすぎない。別の実施形態では、１以上の冷却剤管１６５を、コールドプレート１６０の大きな平坦表面１９０に沿って取り付け、冷却剤の流入及び流出させてもよい。
【0058】
例示的な冷却システム２００は、例えば、限定されるものではないが、枚数を増減させたコールドプレート１６０、磁気コア１４５（図４参照）の外面に接合させた１以上の代替又は追加のコールドプレート１６０、他の代替幾何形状、及び添付の特許請求の範囲の技術的範囲に属する他の変形を含んでいてもよい。
【0059】
例示的な冷却システム２００は、添付の特許請求の範囲では単に「ポンプシステム（２１０）」と呼ぶポンプ／熱交換サブシステム２１０を含んでいてもよく、これは、「調節システム」２１０、「濾過システム」２１０、「冷却剤前処理システム」２１０などの用語で呼ぶこともある。ポンプ／熱交換サブシステム２１０としては、例えば、限定されるものではないが、以下のものを挙げることができる。
（ｉ）液体ポンプ２１５。一実施形態では、第１の冷却剤ポンプ２１５は、入力冷却剤管１６５．１を介してコールドプレート１６０に低温冷却剤２４０を流入させるための圧力を加え、第２の冷却剤ポンプ２１５は、使用済み冷却剤及び（バイパス／混合弁２２０からの）新鮮な冷却剤のいずれか又は両方を冷却剤前処理ユニット２２５に圧入する。図示した２つのポンプは例示にすぎない。他のポンプも使用することができ、例えば、新鮮な低温冷却液２４０を冷却剤管１６５に直接又は熱交換器２３５に引き込むための新鮮冷却剤入力ポンプ（図示せず）を使用してもよい。
（ｉｉ）高温冷却剤２４０から熱を除去して環境ヒートシンク２９５に伝達するため及び／又は環境冷熱源２０１を介して液体冷却剤２４０を冷却するための熱交換器２３５。
（ｉｉｉ）加熱された冷却液２４０の一部を新鮮な冷却液２４０と混合することによって、又は低温冷却液２４０とリサイクル高温冷却液２４０とを交互に使用することによって、加熱された冷却液２４０の一部をリサイクルすることができるバイパス／混合弁２２０。
（ｉｖ）金属又は非金属粒子、汚れ及び外来化学物質を除去するため冷却液２４０を清浄化又は濾過することができる、或いは冷却液２４０に化学添加剤（不凍剤など）を供給するこｌとができる冷却剤前処理ユニット２２５。
（ｖ）冷却液２４０のための短期的貯蔵又は冷却剤緩衝装置を提供する冷却剤貯蔵槽２３０。
（ｉ）液体ポンプ２１５。一実施形態では、第１の冷却剤ポンプ２１５は、入力冷却剤管１６５．１を介してコールドプレート１６０に低温冷却剤２４０を流入させるための圧力を加え、第２の冷却剤ポンプ２１５は、使用済み冷却剤及び（バイパス／混合弁２２０からの）新鮮な冷却剤のいずれか又は両方を冷却剤前処理ユニット２２５に圧入する。図示した２つのポンプは例示にすぎない。他のポンプも使用することができ、例えば、新鮮な低温冷却液２４０を冷却剤管１６５に直接又は熱交換器２３５に引き込むための新鮮冷却剤入力ポンプ（図示せず）を使用してもよい。
（ｉｉ）高温冷却剤２４０から熱を除去して環境ヒートシンク２９５に伝達するため及び／又は環境冷熱源２０１を介して液体冷却剤２４０を冷却するための熱交換器２３５。
（ｉｉｉ）加熱された冷却液２４０の一部を新鮮な冷却液２４０と混合することによって、又は低温冷却液２４０とリサイクル高温冷却液２４０とを交互に使用することによって、加熱された冷却液２４０の一部をリサイクルすることができるバイパス／混合弁２２０。
（ｉｖ）金属又は非金属粒子、汚れ及び外来化学物質を除去するため冷却液２４０を清浄化又は濾過することができる、或いは冷却液２４０に化学添加剤（不凍剤など）を供給するこｌとができる冷却剤前処理ユニット２２５。
（ｖ）冷却液２４０のための短期的貯蔵又は冷却剤緩衝装置を提供する冷却剤貯蔵槽２３０。
【0060】
当業者には明らかであろうが、例示的な冷却システム２００、特にポンプ／熱交換システム２１０は、図２に記載されていない他の構成要素、例えば、弁；温度検知装置；圧力検知装置；追加の化学物質又は冷却剤貯蔵槽；ソフトウェア及びファームウェアを介して冷却システム２２０を制御する内部プロセッサ及びメモリ；ポンプ２１５、弁、プロセッサ及びメモリに電力を供給する内部電気システム、並びに冷却システム２００の外部モニタリングのための入力及び出力制御／データポートなどを含んでいてもよい。かかる追加の構成要素は、幾つかの実施形態では、ＰＥＢＢ ＬＲＵ及び／又は液体冷却素子１００，７００を備える１以上の変圧器を含む電力変換器の構造の一部をなす。
【0061】
本システム及び方法の実施形態では、ポンプ／熱交換サブシステム２１０の複数の構成要素は、共通のサブシステム筐体２８０に収容し、構造的に統合してもよく、便利な装着及びモジュール化をもたらす。本システム及び方法の実施形態では、筐体２８０内のポンプシステム２１０構成要素は、複数の変圧器１００（図２に示す単一の変圧器１００は例示にすぎず、限定的なものではない）に圧力、前処理冷却水、及び加熱冷却水の除去をもたらしてもよい。
【0062】
無空冷又は限定的空冷
上述の説明及び図面並びに以降の説明及び図面から明らかな通り、本システム及び方法の液体式変圧器冷却は、変圧器の固体材料成分とコールドプレート１６０と液体冷却剤２４０との熱伝達を介して変圧器１２０で発生する熱のすべて又は実質的に大半を除去する。幾つかの実施形態では、変圧器１２０のすぐ周囲にある周囲空気を介しての熱伝達は、本質的に無視できる程度であってもよい。
上述の説明及び図面並びに以降の説明及び図面から明らかな通り、本システム及び方法の液体式変圧器冷却は、変圧器の固体材料成分とコールドプレート１６０と液体冷却剤２４０との熱伝達を介して変圧器１２０で発生する熱のすべて又は実質的に大半を除去する。幾つかの実施形態では、変圧器１２０のすぐ周囲にある周囲空気を介しての熱伝達は、本質的に無視できる程度であってもよい。
【0063】
別の実施形態では、変圧器１２０からその周囲の空気を介しての熱伝達は、ある程度の実質的又は有益な追加冷却をもたらし得るが、熱除去の支配的モードは、依然として、主に、（ｉ）変圧器コイル１３５及びコア１４５からコールドプレート１６０への熱の流れ、次いで（ｉｉ）コールドプレート１６０内を流れる液体冷却剤２４０を介してのコールドプレート１６０から外部環境ヒートシンク２９５への熱の流れによるものである。
【0064】
冷熱源及び環境ヒートシンク
図２に示す例示的な環境冷熱源２０１及び例示的な環境ヒートシンク２９５は、例示的な冷却システム２００とは別に多大な環境要素であると理解される。例えば、船舶向け電力変換器用途の場合、環境冷熱源２０１及び環境ヒートシンク２９５はいずれも、全般的な船舶処理水又は冷水供給システム、船舶が航行する海、海洋又は河川の水とし得る。別の例として、航空機向け電力変換器用途の場合、環境冷熱源２０１及び環境ヒートシンク２９５はいずれも、航空機の外部の空気とし得る。
図２に示す例示的な環境冷熱源２０１及び例示的な環境ヒートシンク２９５は、例示的な冷却システム２００とは別に多大な環境要素であると理解される。例えば、船舶向け電力変換器用途の場合、環境冷熱源２０１及び環境ヒートシンク２９５はいずれも、全般的な船舶処理水又は冷水供給システム、船舶が航行する海、海洋又は河川の水とし得る。別の例として、航空機向け電力変換器用途の場合、環境冷熱源２０１及び環境ヒートシンク２９５はいずれも、航空機の外部の空気とし得る。
【0065】
図３Ａは、液体冷却システム２００（図２参照）の一体型コールドプレート（ＴＩＣＰ）を備える例示的なＨＰＤ－ＨＦ変圧器１２０を示す。（図３Ａ中、一体型コールドプレート（ＴＩＣＰ）を備える結合型変圧器１２０には、符号１００．２を付した）。例示的なＴＩＣＰ１００．２の幾つかの構成要素は、図１の例示的なＴＩＣＰ１００．１及び／又は図２の冷却システム２００の構成要素と同一又は実質的に同様であり、冗長さを避けるため、図１及び／又は図２で既に説明したそれらの構成要素の詳細について繰り返し説明することは避ける。
【0066】
図３Ａでは、一体型コールドプレートを備える変圧器（ＴＩＰＣ）１００．２を断面図で示しており、図１の実施形態１００．１と比べると、幾つかの構成要素が省略されている。図３Ａの断面図では、内部コア素子１４７は存在しない。
【0067】
ＴＩＣＰ１００．２では、一次コイル１３５．１は１個しか用いられておらず、２つの二次コイル１３５．２の間に挟装されている。二次コイル１３５．２の外周面には、２枚のコールドプレート１６０が用いられる。コールドプレート１６０は、磁気コア１４５とも熱的に接触している。コールドプレート１６０（又は熱交換プレート１６０）を貫く内部流路２６０を有する冷却剤導管１６０も示してある。ＴＬＣＳ１００．２の積層順序は「Ｃ－Ｓ－Ｐ－Ｓ－Ｃ」である。
【0068】
図３Ｂは、液体冷却システム２００の一体型コールドプレート（ＴＩＣＰ）１００．３を備える別の例示的なＨＰＤ－ＨＦ変圧器１２０を示す。（図３Ｂ中、一体型コールドプレート（１６０）を備える複合変圧器１２０自体（ＴＩＣＰ）には、符号１００．３を付した）。
【0069】
図３Ｂでは、一体型コールドプレートを備える変圧器（ＴＩＰＣ）１００．３を断面図で示しており、図１の実施形態１００．１と比べると、幾つかの構成要素が省略されている。図３Ｂの断面図において、内部コア素子１４７は存在しない。
【0070】
例示的なＴＩＣＰ１００．３の幾つかの構成要素は、図１の例示的なＴＩＣＰ１００．１及び／又は図２の冷却システム２００の構成要素と同一又は実質的に同様であり、図１及び／又は図２で既に説明したそれらの構成要素の詳細について繰り返し説明することは避ける。
【0071】
図３Ｂでは、ＴＩＣＰ１００．３を断面図で示しており、図１の実施形態１００．１と比べると、幾つかの構成要素が省略されている。ＴＩＣＰ１００．３では、１個の一次コイル１３５．１と１個の二次コイル１３５．２だけが使用され、それらの間に１枚のコールドプレート／熱交換プレートが熱結合される。コールドプレート１６０は、磁気コア１４５とも限定的に熱接触している。ＴＩＣＰ１００．３の積層順序は「Ｓ－Ｃ－Ｐ」である。
【0072】
図４は、液体冷却システム２００の一体型コールドプレート（ＴＩＣＰ）１００．４を備える別の例示的なＨＰＤ－ＨＦ変圧器１２０を示す。例示的なＴＩＣＰ１００．４の幾つかの構成要素は、図１の例示的なＴＩＣＰ１００．１及び／又は図２の冷却システム２００の構成要素と同一又は実質的に同様であり、図１及び／又は図２で既に説明したそれらの構成要素の詳細について繰り返し説明することは避ける。図４の断面図では、内部コア素子１４７が存在する（そのため、２枚のコールドプレート１６０’及び１６０”の各々並びに各々１個づつのコイル１３５が２つの部分に分割されているように見える）。
【0073】
図４に示すＴＩＣＰ１００．４は、図１の実施形態１００．１と比べると、幾つかの構成要素が省略されている。ＴＩＣＰ１００．４では、１個の一次コイル１３５．１及び２個の二次コイル１３５．２だけが使用される。４枚のコールドプレート／熱交換器１６０が使用されており、（ｉ）２枚のコールドプレート１６０’、１６０”は、２個の二次コイル１３５．２の各々の表面と物理的かつ熱的に結合され、磁気コア１４５とも物理的／熱的に内部接触し、（ｉｉ）２枚のコールドプレート１６０が鉄コア１４５の外部表面に取り付けられて熱結合している。ＴＩＣＰ１００．４の積層順序は「Ｃ－Ｆ－Ｃ－Ｓ－Ｐ－Ｓ－Ｃ－Ｆ－Ｃ」である。
【0074】
以上の実施形態で例示及び説明した一次コイル１３５．１、二次コイル１３５．２、コールドプレート１６０及び鉄コア部材１４５、１４７の構成要素の配置及び順序は、例示にすぎず、限定的なものでない。以下でさらに説明するように、添付の特許請求の範囲の技術的範囲内で他の配置も容易に想定できる。
【0075】
一般化された変圧器部品の配置
当業者には明らかであろうが、また、上記の説明及び関連する図面に基づいて、液体冷却式変圧器（１００）の様々な実施形態は、例えば、限定されるものではないが、以下の（ｉ）～（ｉｘ）を、単独で又は場合によっては組合せて含むことができる。
（ｉ）コールドプレート１６０の第１の主表面１９０（最大面又は２つの最大面のうちの一方）が、（ｉ）コア１４５及び（ｉｉ）コイル部品１３５．１，１３５．２のうちの少なくとも１つの第２の主表面１９０と接触し、かつ熱結合しているもの。第１及び第２の主表面１９０は、拡大された表面接触を促進し、もって第１の主表面１９０と第２の主表面１９０との間の効果的な熱伝達を促進するように相互に成形されている。（例えば図１、図３Ａ／図３Ｂ、図４、図５参照）。（なお、図１中、コア１４５とコイル部品１３５の接触主表面は、直接見えていないので、符号は付していない。）。
（ｉｉ）上記（ｉ）に記載の液体冷却式変圧器１６０であって、第１の主表面１９０及び第２の主表面１９０が平坦な表面であるもの。（例えば図１、図３Ａ／図３Ｂ、図４、図５参照）。
（ｉｉｉ）１枚のコールドプレート１６０が第１の主表面１９０と対向する第２の主表面１９０とを有し、対向する２つの主表面１９０の各々が、コア１４５及び２個のコイル部品（１３５．１，１３５．２）から選択される複数の変圧器構成要素の異なるものの主表面１９０と接触しているもの。（例えば図１、図３Ａ／図３Ｂ、図４、図５参照）。
（ｉｖ）１枚のコールドプレート１６０が、（ａ）コア１４５とコイル部品１３５．１，１３５．２の一方（図１、図３参照）又は（ｂ）２個のコイル部品１３５．１（図１、図４、図５参照）の少なくともいずれかの間に物理的に位置し、その主表面１９０に沿って物理的に接触し、かつその主表面１９０に沿って熱結合しているもの。
（ｖ）２以上の別個のコールドプレート１６０であって、２以上のコールドプレート１６０が、コア１４５、第１のコイル部品１３５．１及び第２のコイル部品１３５．２から選択される２以上の異なる非隣接変圧器構成要素と物理的に接触しかつ熱的に接触するように構成及び配置されているもの（図３Ａ参照）。
（ｖｉ）２以上の別個のコールドプレート１６０であって、２以上のコールドプレート１６０が、コア１４５、第１のコイル部品１３５．１及び第２のコイル部品１３５．２から選択される３以上の異なる変圧器構成要素に物理的に接触しかつ熱接触するように構成及び配置されているもの。（図１、図３、図５参照）。
（ｖｉｉ）２以上の一次コイル１３５．１及び／又は２以上の二次コイル１３５．２（図１、図３及び図５参照）を使用してもよい。かかる実施形態では、必須ではないが、通例、様々なコイル１３５間に挟装される２以上の別個のコールドプレート１６０が用いられる。
（ｖｉｉｉ）一次コイル１３５．１及び二次コイル１３５．２を物理的及び熱的に直接接触するように配置し、両者から熱を除去するため、物理的に直接結合したコイル１３５に１又は２枚のコールドプレート１６０を取り付けてもよい。
（ｉｘ）１枚のコールドプレート１６０を、コイル１３５及びコアの両者からの熱除去のため、２つの異なるコイル１３５（１３５．１／１３５．１、１３５．１／１３５．２又は１３５．２／１３５．２）と物理的及び熱的に直接接触し、かつ１以上のコア１４５とも物理的及び熱的に直接接触するように構成してもよい。幾つかの実施形態では、これは、コールドプレート１６０の副表面１９５の少なくとも一方をコア１４５と接触させ、コールドプレート１６０の向かい合った主表面１９０を２つの異なるコイル１３５と接触しさせることによって達成される。
当業者には明らかであろうが、また、上記の説明及び関連する図面に基づいて、液体冷却式変圧器（１００）の様々な実施形態は、例えば、限定されるものではないが、以下の（ｉ）～（ｉｘ）を、単独で又は場合によっては組合せて含むことができる。
（ｉ）コールドプレート１６０の第１の主表面１９０（最大面又は２つの最大面のうちの一方）が、（ｉ）コア１４５及び（ｉｉ）コイル部品１３５．１，１３５．２のうちの少なくとも１つの第２の主表面１９０と接触し、かつ熱結合しているもの。第１及び第２の主表面１９０は、拡大された表面接触を促進し、もって第１の主表面１９０と第２の主表面１９０との間の効果的な熱伝達を促進するように相互に成形されている。（例えば図１、図３Ａ／図３Ｂ、図４、図５参照）。（なお、図１中、コア１４５とコイル部品１３５の接触主表面は、直接見えていないので、符号は付していない。）。
（ｉｉ）上記（ｉ）に記載の液体冷却式変圧器１６０であって、第１の主表面１９０及び第２の主表面１９０が平坦な表面であるもの。（例えば図１、図３Ａ／図３Ｂ、図４、図５参照）。
（ｉｉｉ）１枚のコールドプレート１６０が第１の主表面１９０と対向する第２の主表面１９０とを有し、対向する２つの主表面１９０の各々が、コア１４５及び２個のコイル部品（１３５．１，１３５．２）から選択される複数の変圧器構成要素の異なるものの主表面１９０と接触しているもの。（例えば図１、図３Ａ／図３Ｂ、図４、図５参照）。
（ｉｖ）１枚のコールドプレート１６０が、（ａ）コア１４５とコイル部品１３５．１，１３５．２の一方（図１、図３参照）又は（ｂ）２個のコイル部品１３５．１（図１、図４、図５参照）の少なくともいずれかの間に物理的に位置し、その主表面１９０に沿って物理的に接触し、かつその主表面１９０に沿って熱結合しているもの。
（ｖ）２以上の別個のコールドプレート１６０であって、２以上のコールドプレート１６０が、コア１４５、第１のコイル部品１３５．１及び第２のコイル部品１３５．２から選択される２以上の異なる非隣接変圧器構成要素と物理的に接触しかつ熱的に接触するように構成及び配置されているもの（図３Ａ参照）。
（ｖｉ）２以上の別個のコールドプレート１６０であって、２以上のコールドプレート１６０が、コア１４５、第１のコイル部品１３５．１及び第２のコイル部品１３５．２から選択される３以上の異なる変圧器構成要素に物理的に接触しかつ熱接触するように構成及び配置されているもの。（図１、図３、図５参照）。
（ｖｉｉ）２以上の一次コイル１３５．１及び／又は２以上の二次コイル１３５．２（図１、図３及び図５参照）を使用してもよい。かかる実施形態では、必須ではないが、通例、様々なコイル１３５間に挟装される２以上の別個のコールドプレート１６０が用いられる。
（ｖｉｉｉ）一次コイル１３５．１及び二次コイル１３５．２を物理的及び熱的に直接接触するように配置し、両者から熱を除去するため、物理的に直接結合したコイル１３５に１又は２枚のコールドプレート１６０を取り付けてもよい。
（ｉｘ）１枚のコールドプレート１６０を、コイル１３５及びコアの両者からの熱除去のため、２つの異なるコイル１３５（１３５．１／１３５．１、１３５．１／１３５．２又は１３５．２／１３５．２）と物理的及び熱的に直接接触し、かつ１以上のコア１４５とも物理的及び熱的に直接接触するように構成してもよい。幾つかの実施形態では、これは、コールドプレート１６０の副表面１９５の少なくとも一方をコア１４５と接触させ、コールドプレート１６０の向かい合った主表面１９０を２つの異なるコイル１３５と接触しさせることによって達成される。
【0076】
一般に、コイル１３５、コア１４５及びコールドプレート１６０の他の幾何学的配置並びに形状及び相対的寸法も想定され、添付の特許請求の範囲の技術的範囲に属することがある。例えば、図示していない実施形態では、コア１４５を、２つのコイル１３５．１，１３５．２の間に層として固定してブロック構造を形成し、得られたブロックの２面、３面又は最大６面に複数のコールドプレート１６０を配置してもよい。また、図に示す一次及び二次コイル１３５の最大の数は各々２つであるが、適切に電気的に結合すれば、あるタイプ（低電圧及び／又は高電圧）の２以上のコイル１３５を用いてもよい。必要に応じて追加のコールドプレート１６０を使用してもよい。
【0077】
例示的な用途、電力変換器
図５は、本システム及び方法に従って、液体冷却システム２００又は液体浸漬変圧器７００（図７及び以下の関連する説明参照）を用いる例示的な電力変換器５００を示す。例示的な電力変換器５００は、例えば、限定されるものではないが、以下の（ｉ）～（ｉｖ）を含んでいてもよい。
（ｉ）２以上のパワーエレクトロニクスビルディングブロック最小互換ユニット（ＰＥＢＢ）５１０。各ＰＥＢＢ５１０．１，５１０．２は、それ自身のＴＩＣＰ１００、さらにパワースイッチを有するブリッジ変換器のような他のパワー要素５１５（図５では詳細には図示せず）を有する。例示的なＰＥＢＢ５１０、特にハイブリッドＰＥＢＢ（ＨＰＥＢＢ）のさらに詳しい説明については、以下の図９を参照されたい。２つのＰＥＢＢ５１０．１，５１０．２は、１以上の電力カップリング５３０によって電気的／電流的にリンクされる。電力変換器５００は、少なくとも電源（又は入力）電力接続及び１以上の負荷（又は出力）電力接続を有するが、図示していない。
（ｉｉ）１以上のポンプ／熱交換サブシステム２１０。図示した実施形態では、１個のポンプ／熱交換サブシステム２１０で、電力変換器５００のすべてのコールドプレートに冷却剤を供給してもよい。図示しない別の実施形態では、２以上のポンプ／熱交換サブシステム２１０を使用してもよい。
（ｉｉｉ）他の変換器要素５２０。例えば、限定されるものではないが、追加又は補足の冷却システム（ファン式空冷システムなど）、制御システム及び回路、監視システム、並びに入力及び出力電力ポートなどが挙げられる。
（ｉｖ）変圧器１００に一体化されたコールドプレート１６０．１に加えて、追加のシステム冷却のため追加のコールドプレート１６０．２を設けてもよい。図５には、例えばＰＥＢＢ５１０の外部に取り付けることができる４つの例示的な追加のコールドプレート１６０．２が示してあるが、他のコールドプレート１６０も想定し得る。図５には、電力変換器５００の外部に取り付けられた１つの例示的なコールドプレート１６０．３も示してあるが、追加の外部コールドプレート１６０．３を使用してもよい。
図５は、本システム及び方法に従って、液体冷却システム２００又は液体浸漬変圧器７００（図７及び以下の関連する説明参照）を用いる例示的な電力変換器５００を示す。例示的な電力変換器５００は、例えば、限定されるものではないが、以下の（ｉ）～（ｉｖ）を含んでいてもよい。
（ｉ）２以上のパワーエレクトロニクスビルディングブロック最小互換ユニット（ＰＥＢＢ）５１０。各ＰＥＢＢ５１０．１，５１０．２は、それ自身のＴＩＣＰ１００、さらにパワースイッチを有するブリッジ変換器のような他のパワー要素５１５（図５では詳細には図示せず）を有する。例示的なＰＥＢＢ５１０、特にハイブリッドＰＥＢＢ（ＨＰＥＢＢ）のさらに詳しい説明については、以下の図９を参照されたい。２つのＰＥＢＢ５１０．１，５１０．２は、１以上の電力カップリング５３０によって電気的／電流的にリンクされる。電力変換器５００は、少なくとも電源（又は入力）電力接続及び１以上の負荷（又は出力）電力接続を有するが、図示していない。
（ｉｉ）１以上のポンプ／熱交換サブシステム２１０。図示した実施形態では、１個のポンプ／熱交換サブシステム２１０で、電力変換器５００のすべてのコールドプレートに冷却剤を供給してもよい。図示しない別の実施形態では、２以上のポンプ／熱交換サブシステム２１０を使用してもよい。
（ｉｉｉ）他の変換器要素５２０。例えば、限定されるものではないが、追加又は補足の冷却システム（ファン式空冷システムなど）、制御システム及び回路、監視システム、並びに入力及び出力電力ポートなどが挙げられる。
（ｉｖ）変圧器１００に一体化されたコールドプレート１６０．１に加えて、追加のシステム冷却のため追加のコールドプレート１６０．２を設けてもよい。図５には、例えばＰＥＢＢ５１０の外部に取り付けることができる４つの例示的な追加のコールドプレート１６０．２が示してあるが、他のコールドプレート１６０も想定し得る。図５には、電力変換器５００の外部に取り付けられた１つの例示的なコールドプレート１６０．３も示してあるが、追加の外部コールドプレート１６０．３を使用してもよい。
【0078】
なお、図５に示す２つのＰＥＢＢ５１０．１，５１０．２の変圧器１００は、「Ｃ－Ｓ－Ｐ－Ｓ－Ｃ」積層配置を用いているが、これは例示にすぎず、他の積層配置も本システム及び添付の特許請求の範囲の技術的範囲に属する。
【0079】
例示的なＴＩＣＰ１００’、１００”の幾つかの構成要素は、図１の例示的なＴＩＣＰ１００．１及び／又は図２の冷却システム２００の構成要素と同一又は実質的に同様であり、図１及び／又は図２で既に説明したそれらの構成要素の詳細について繰り返し説明することは避ける。
【0080】
コイル部品（コイル）
図６Ａは、例示的な変圧器１００の例示的な固体コイル部品１３５（単に「コイル１３５」ともいう）の実施形態の断面図であり、固体コイル部品１３５は低電圧／二次コイル１３５．２又は高電圧一次コイル１３５．１のいずれであってもよい。導電性ワイヤ／金属フィルム６１０は、外部電気接続部６４０を除いてワイヤ／金属フィルム６１０がコイル支持材料６２０中に完全に埋設されるように、コイル支持材料６２０の平坦な内面上で様々な平坦化されたらせん表面配置の列のいずれで配置すればよい。本システム及び方法に則して、外部電気接続部６４０を除いて導電性フィラメント６１０がコイル支持材料６２０内に完全に埋設されたまま残る導電性ワイヤ／金属フィルム６１０に対して、他のコイル巻回又は巻線状表面パターン（図示せず）を同様に行ってもよい。図６Ｂは、例示的な変圧器１００の固体コイル部品１３５（単に「コイル１３５」ともいう）の別の例示的実施形態の２つの断面図（Ｉ、ＩＩ）であり、固体コイル部品１３５は低電圧／二次コイル１３５．２又は高電圧一次コイル１３５．１のいずれであってもよい。図示した断面の実施形態では、コイル１３５の導電性ワイヤ６１０又は金属フィルム６１０を、コイル支持材料６２０の平坦化セクション６２０．１の周りに巻回してもよく、ワイヤ６１０及び平坦化セクションは、コイル支持材料６２０の封入ブロック６２０．２内にさらに埋設される。
図６Ａは、例示的な変圧器１００の例示的な固体コイル部品１３５（単に「コイル１３５」ともいう）の実施形態の断面図であり、固体コイル部品１３５は低電圧／二次コイル１３５．２又は高電圧一次コイル１３５．１のいずれであってもよい。導電性ワイヤ／金属フィルム６１０は、外部電気接続部６４０を除いてワイヤ／金属フィルム６１０がコイル支持材料６２０中に完全に埋設されるように、コイル支持材料６２０の平坦な内面上で様々な平坦化されたらせん表面配置の列のいずれで配置すればよい。本システム及び方法に則して、外部電気接続部６４０を除いて導電性フィラメント６１０がコイル支持材料６２０内に完全に埋設されたまま残る導電性ワイヤ／金属フィルム６１０に対して、他のコイル巻回又は巻線状表面パターン（図示せず）を同様に行ってもよい。図６Ｂは、例示的な変圧器１００の固体コイル部品１３５（単に「コイル１３５」ともいう）の別の例示的実施形態の２つの断面図（Ｉ、ＩＩ）であり、固体コイル部品１３５は低電圧／二次コイル１３５．２又は高電圧一次コイル１３５．１のいずれであってもよい。図示した断面の実施形態では、コイル１３５の導電性ワイヤ６１０又は金属フィルム６１０を、コイル支持材料６２０の平坦化セクション６２０．１の周りに巻回してもよく、ワイヤ６１０及び平坦化セクションは、コイル支持材料６２０の封入ブロック６２０．２内にさらに埋設される。
【0081】
別の実施形態（図示せず）では、導電性ワイヤ／金属フィルム６１０は、コイル支持材料６２０の狭い内面又はマイクロチャネル内面上の様々な平坦化されたらせん表面配置、他の平坦化巻線表面パターン（電流による磁気誘導に好適）のいずれで配置してもよく、外部の電気接続６４０を除いて依然としてコイル支持材料６２０内に完全に埋設される。本システム及び方法に則して、外部電気接続部６４０を除いてフィラメントがコイル支持材料６２０内に完全に埋設されたまま残る導電性ワイヤ／金属フィルム６１０に対して、他の幾何学的なコイル状又は巻線配置（図示せず）を同様に行ってもよい。
【0082】
別の実施形態（図示せず）では、コイル１３５は、ワイヤ／フィラメント６１０の一部が、コイル支持材料６２０の内部に埋設され、巻回及び／又はコイル巻回されるように構成してもよく、ワイヤ／フィラメント６１０の一部は、場合によっては適切な電気絶縁と共に、固体コイル１３５の１以上の外面に近接していても、或いは部分的に又は全体的に露出していてもよい。
【0083】
当業者には明らかであろうが、ワイヤ／フィラメント６１０は、コイル支持材６１０に関連して、（ｉ）コイル支持材料６２０が、ワイヤ／フィラメント６１０で発生する熱を実質的にすべて吸収するように、かつ（ｉｉ）固体コイル部品１３５が、熱結合した隣接材料（コールドプレート１６０又は別の固体コイル１３５のいずれかであってもよいし、或いは油７４０のような周囲の熱伝導性流体７４０であってもよい）に熱を放散するのに適した１以上の露出外表面を有するように、配置又は構成することができる。
【0084】
コイル材料
本システム及び方法の実施形態では、コイル支持材料６２０は、シリコンであってもよい。別の実施形態では、１以上のコイル支持材料６２０は、例えば、限定されるものではないが、樹脂、エポキシ、セラミック、ガラスその他の非導電性であるが熱伝導性の物質又は材料を含んでいてもよい。コイル１３５は、他の材料を含んでいてもよく、例えば、限定されるものではないが、（ｉ）ポリマー又はポリマー複合材料（絶縁用）、例えば、エポキシ又はビスフェノールＡ型エポキシに６０ｗｔ％の石英充填材を添加したもの、及び／又は（ｉｉ）ポリマー又はポリマー複合材料の代替物として絶縁に使用されるセラミック（例えばアルミナ）が挙げられる。
本システム及び方法の実施形態では、コイル支持材料６２０は、シリコンであってもよい。別の実施形態では、１以上のコイル支持材料６２０は、例えば、限定されるものではないが、樹脂、エポキシ、セラミック、ガラスその他の非導電性であるが熱伝導性の物質又は材料を含んでいてもよい。コイル１３５は、他の材料を含んでいてもよく、例えば、限定されるものではないが、（ｉ）ポリマー又はポリマー複合材料（絶縁用）、例えば、エポキシ又はビスフェノールＡ型エポキシに６０ｗｔ％の石英充填材を添加したもの、及び／又は（ｉｉ）ポリマー又はポリマー複合材料の代替物として絶縁に使用されるセラミック（例えばアルミナ）が挙げられる。
【0085】
一実施形態では、コイル支持材料６２０は、その内部に埋設された導電性（典型的には金属性）コイル６１０で発生しかねない最大２００℃の温度でも（溶融、破壊、燃焼その他の崩壊を起こさずに）容易に維持できるように選択される。
【0086】
導電性材料
例示的な実施形態では、コイル１３５は、リッツ線のような金属又は金属合金或いは他の金属又は金属合金から製造し得る。
例示的な実施形態では、コイル１３５は、リッツ線のような金属又は金属合金或いは他の金属又は金属合金から製造し得る。
【0087】
例示的なＨＰＤ－ＨＦ型流体浸漬型変圧器
本システム及び方法の一実施形態では、本明細書で上述した実施形態の代替又は追加として、ＨＦ変圧器１２０全体を、実質的に密閉された容器７１０内に構造的に固定及び／又は懸架してもよい。容器全体に、鉱油（「油」）のような非導電性であるが熱伝導性の流体７４０を満たして、変圧器１２０が油７４０その他の熱伝導性流体７４０中に浸漬されるようにしてもよい。
本システム及び方法の一実施形態では、本明細書で上述した実施形態の代替又は追加として、ＨＦ変圧器１２０全体を、実質的に密閉された容器７１０内に構造的に固定及び／又は懸架してもよい。容器全体に、鉱油（「油」）のような非導電性であるが熱伝導性の流体７４０を満たして、変圧器１２０が油７４０その他の熱伝導性流体７４０中に浸漬されるようにしてもよい。
【0088】
一実施形態では、選択される油７４０は、変圧器１２０からの熱伝達の媒体である。油７４０は、非常に優れた熱伝達体であると同時に優れた電気絶縁体である。さらに、流体７４０を熱伝達媒体として使用すると、油であれ他の熱伝達流体であれ、熱伝達媒体が最適な熱除去のため変圧器１２０のすべての露出面と完全に接触するのを担保できる。
【0089】
潜在的な冷却媒体としての空気と比較すると、油７４０は高い熱容量と良好な熱伝導率を有する。表１に、水、空気及び油（本システム及び方法に適用できる動作温度及び圧力の範囲に対して選択される）の近似的な相対的熱容量及び熱伝導率を示す。簡単のため、空気に正規化された熱容量の１を割り当てた。なお、（１）相対熱容量及び熱伝導率は、使用し得る油の種類によって変化し、（２）水は、油に比べて格段に優れた熱容量／熱伝導率を有するが、水の電気伝導率のため変圧器１２０の直接浸漬用の液体７４０としては使用できない。ただし、水は、コールドプレート１６０の冷却流路２６０での使用には適している。
【0090】
【表1】
【0091】
図７は、本システム及び方法の一実施形態に係る熱伝達流体（ＨＴＦ）７４０（油７４０であってもよい）中に浸漬された例示的なＨＰＤ－ＨＦ変圧器１２０を示し、これはすべて、表面にコールドプレート１６０が取付け又は一体化された熱管理筐体（ＨＭＥ）７１０内に収容されている。
【0092】
図７において、ＨＴＦ７４０、ＨＭＥ７１０及びコールドプレート１６０との複合変圧器１２０自体（以下「流体浸漬型変圧器」（ＦＩＴ））には、符号７００．１を付した。ＦＩＴ７００．１は、例えば、パルス負荷電力変換用途に使用し得る高出力密度／高周波（ＨＰＤ－ＨＦ）変圧器１２０を含んでいてもよい。
【0093】
一実施形態では、例示的なＦＩＴ７００．１は、構造的に一体化されたユニットを形成し、換言すると、液体冷却システム２００の幾つかの構成要素１６０，１６５，７１０，７４０と共にＨＰＤ－ＨＦ変圧器１２０の構造と物理的及び／又は熱的に結合される。ＦＩＴ７００．１は、２つの一次（高電圧／ＨＶ）コイル１３５．１及び２つの二次（低電圧／ＬＶ）コイル１３５．２と共にＳ－Ｐ－Ｐ－Ｓ構成で構成／組み立てられる。
【0094】
冷却流体用の空間的ギャップ
図に示す実施形態では、２つの高電圧コイル１３５．１の大きい平面間に空間的ギャップ７３０が存在する。この空間的ギャップ７３０は、熱伝達流体（ＨＴＦ）７４０が空間的ギャップ７３０を充填して、高電圧コイル１３５．１とＨＴＦ７４０の間の熱伝達の速度を増加できるようにする。別の実施形態では、ギャップ７３０は存在しないか、或いは非導電性材料で充填される。
図に示す実施形態では、２つの高電圧コイル１３５．１の大きい平面間に空間的ギャップ７３０が存在する。この空間的ギャップ７３０は、熱伝達流体（ＨＴＦ）７４０が空間的ギャップ７３０を充填して、高電圧コイル１３５．１とＨＴＦ７４０の間の熱伝達の速度を増加できるようにする。別の実施形態では、ギャップ７３０は存在しないか、或いは非導電性材料で充填される。
【0095】
熱管理筐体
変圧器１２０は、筐体７１０の１以上の内表面７５５に取り付けてもよいし、或いはストラット、ブラケットなどの取り付け具８０５を介して筐体７１０に機械的に結合して筐体内に懸架してもよい（図８参照）。図７に見られるように、変圧器１２０は、変圧器の複数の側面及び／又は複数の表面でＨＴＦ７４０によって実質的に囲繞されるように、筐体７１０内に配置してもよい。
変圧器１２０は、筐体７１０の１以上の内表面７５５に取り付けてもよいし、或いはストラット、ブラケットなどの取り付け具８０５を介して筐体７１０に機械的に結合して筐体内に懸架してもよい（図８参照）。図７に見られるように、変圧器１２０は、変圧器の複数の側面及び／又は複数の表面でＨＴＦ７４０によって実質的に囲繞されるように、筐体７１０内に配置してもよい。
【0096】
熱管理筐体（ＨＭＥ）７１０は流体の漏れを防ぐために密閉され、変圧器１２０との電気接続のための適切な流体封止ポート（図示せず）を備える。ＨＭＥ７１０の１以上の外壁／表面７５５には１以上のコールドプレート１６０が設けられ、ＨＭＥ７１０とコールドプレート１６０との間の効果的な熱伝達のために好適には接着される。図７には２枚のコールドプレート１６０が示してあるが、追加のコールドプレート１６０をＨＭＥ７１０の別の外面７５５に配置してもよい。一実施形態では、コールドプレート１６０は、筐体の壁／外装面と実質的に同じ形状（例えば長方形）である。
【0097】
別の実施形態では、別の形状（例えば円形又は楕円形）をコールドプレート１６０に用いてもよい。別の実施形態では、ＨＭＥ７１０は、立方体以外の形状（例えば球形、卵形又は６以上の平坦な外面７５５を有する）を有していてもよく、コールドプレート１６０とＨＭＥ７１０の間の効果的な熱接触を確保するため、コールドプレート１６０の取付けに適した形状を有する。
【0098】
ＨＭＥ７１０は、高温流体７４０を収容するとともに流体７４０からコールドプレート１６０へと熱を伝えるのに適した材料で作ることができる。かかる材料としては、例えば、限定されるものではないが、変圧器１２０と適切に電気的絶縁された金属又は金属合金（好ましくは非鉄金属）、セラミック材料、ポリマー材料、ガラス材料又は炭素複合材料などが挙げられる。
【0099】
別の実施形態では、ＨＭＥ７１０とコールドプレートは、単一の一体化構造ユニットを形成するように、成形、鋳造又は金属接合してもよい。かかる実施形態では、コールドプレート１６０は、ＨＭＥ７１０の厚肉化した壁内を冷却剤流路２６０が貫通する熱管理筐体７１０の１以上の厚肉化された壁７５５として視認することができる。
【0100】
変圧器の動作中、巻線コイル１３５．２，１３５．１及び磁性コア本体１４５で発生した熱は、ＨＴＦ７４０を介してＨＭＥ外装／壁７５５に伝達／輸送される。
【0101】
冷却液／液体
２種類の異なる冷却流体／液体を、例示的な流体浸漬型変圧器７００．１に関して使用し得る。例えば、熱伝導性流体（ＨＴＦ）７４０は、熱伝達に有効であるが有効な電気絶縁体でもある油その他の複雑な炭化水素液体であってもよいし、コールドプレート１６０の冷却流路２６０を流れる液体冷却剤２４０は、例えば、限定されるものではないが、水道水、産業用水、冷水、脱イオン水、海水、又は不凍液のような適切な調整液で処理した水、並びに場合により油性冷却剤、有機液体冷却剤又はシリコーン系冷却剤であってもよい。他の冷却液も、添付の特許請求の範囲に則して使用することができる。
２種類の異なる冷却流体／液体を、例示的な流体浸漬型変圧器７００．１に関して使用し得る。例えば、熱伝導性流体（ＨＴＦ）７４０は、熱伝達に有効であるが有効な電気絶縁体でもある油その他の複雑な炭化水素液体であってもよいし、コールドプレート１６０の冷却流路２６０を流れる液体冷却剤２４０は、例えば、限定されるものではないが、水道水、産業用水、冷水、脱イオン水、海水、又は不凍液のような適切な調整液で処理した水、並びに場合により油性冷却剤、有機液体冷却剤又はシリコーン系冷却剤であってもよい。他の冷却液も、添付の特許請求の範囲に則して使用することができる。
【0102】
潜在的に腐食性である冷却液２４０（例えば、船舶向け電力変換器で使用される塩分を含む海水又は海洋水）を用いるように構成された実施形態では、冷却剤流路２６０の内表面に適切な防食材料又はライニングを用いてもよい。別の実施形態では、潜在的に腐食性の物質を濾別するためにフィルタエレメント（図示せず）を使用してもよい。
【0103】
例示的なコールドプレート１６０及び冷却剤流路２６０のその他の詳細については、本明細書で既に説明しており、ここで詳細を繰り返すことは避ける。
【0104】
ポンプシステム
ポンプ／熱交換サブシステム２１０（添付の特許請求の範囲では「ポンプシステム２１０」と記載）は、所要の流量、圧力及び液体質（濾過等）をもたらし、変圧器１２０で発生する廃熱の大半を除去し、周囲環境に放出される熱を最小限にするために必要とされることがある。かかるポンプシステムは、例えば、限定されるものではないが、ポンプ、弁、熱交換器、冷却剤前処理部品（例えば濾過、脱ガス、脱鉄など）及び冷却剤２４０貯蔵槽を含んでいてもよい。図２の例示的なポンプ／熱交換サブシステム２１０と同一又は実質的に同様のポンプシステム２１０をここでも用いることができるので、詳細について繰り返し説明することは避ける。
ポンプ／熱交換サブシステム２１０（添付の特許請求の範囲では「ポンプシステム２１０」と記載）は、所要の流量、圧力及び液体質（濾過等）をもたらし、変圧器１２０で発生する廃熱の大半を除去し、周囲環境に放出される熱を最小限にするために必要とされることがある。かかるポンプシステムは、例えば、限定されるものではないが、ポンプ、弁、熱交換器、冷却剤前処理部品（例えば濾過、脱ガス、脱鉄など）及び冷却剤２４０貯蔵槽を含んでいてもよい。図２の例示的なポンプ／熱交換サブシステム２１０と同一又は実質的に同様のポンプシステム２１０をここでも用いることができるので、詳細について繰り返し説明することは避ける。
【0105】
熱伝導性流体の循環
図示していない別の実施形態では、ＨＭＥ７１０内でＨＴＦ７４０を循環させることが熱伝導に有利となることがある。この目的のために、内部ファン又はポンプシステム（図７には図示せず）を、ＨＭＥ７１０内に内在させてもよい。別の実施形態では、別個のＨＴＦポンプシステムを筐体７１０の外部に配置してもよく、適切な管を設けてＨＴＦ７４０の内部空間内でＨＴＦ７４０を循環させる。
図示していない別の実施形態では、ＨＭＥ７１０内でＨＴＦ７４０を循環させることが熱伝導に有利となることがある。この目的のために、内部ファン又はポンプシステム（図７には図示せず）を、ＨＭＥ７１０内に内在させてもよい。別の実施形態では、別個のＨＴＦポンプシステムを筐体７１０の外部に配置してもよく、適切な管を設けてＨＴＦ７４０の内部空間内でＨＴＦ７４０を循環させる。
【0106】
流体浸漬型変圧器の追加の実施形態
図８は、本システム及び方法の別の実施形態に係る例示的な流体浸漬変流器（ＦＩＴ）７００の別の幾つかの実施形態の断面図を示し、本システム及び方法の代替の実施形態に従って、変圧器１２０を熱伝達流体（ＨＴＦ）７４０中に浸漬することができ、全体が、コールドプレート１６０が取り付けられた熱管理筐体（ＨＭＥ）７１０内に収容される。
図８は、本システム及び方法の別の実施形態に係る例示的な流体浸漬変流器（ＦＩＴ）７００の別の幾つかの実施形態の断面図を示し、本システム及び方法の代替の実施形態に従って、変圧器１２０を熱伝達流体（ＨＴＦ）７４０中に浸漬することができ、全体が、コールドプレート１６０が取り付けられた熱管理筐体（ＨＭＥ）７１０内に収容される。
【0107】
図８において、ＦＩＴ７４０には、それぞれ７４０．２～７４０．５を付した。ＦＩＴ７４０．２～７４０．５は、概して、図７の例示的なＦＩＴ７４０．１と同様の方法並びに同様の配置及び構成で構成及び配置される。図７並びに他の図面に関して既に説明した幾つかの詳細については、繰り返して説明することは避ける。
【0108】
図８において、本システム及び方法の一実施形態では、ＦＩＴ７００．２は、１つの一次（高電圧／ＨＶ）コイル１３５．１と１つの二次（低電圧／ＬＶ）コイル１３５．２とをそれらの間に流体ギャップ７３０を挟んでＳ－Ｇ－Ｐ配置で含んでいる。コールドプレート１６０の冷却流路２６０は、断面図の平面に対して直交している。
【0109】
別の実施形態では、ＦＩＴ７００．３で示すように、変圧器１２０は、互いに物理的及び熱的に直接接触する１つの一次（高電圧／ＨＶ）コイル１３５．１及び１つの二次（低電圧／ＬＶ）コイル１３５．２（Ｐ－Ｓ構成）を有する。変圧器１２０をＨＭＥ７１０の内壁に固定するために、ストラット８０５その他の機械的接続を用いてもよい。熱は、変圧器１２０の側面、上面及び底面上のＨＴＦ７４０を介して運び去られる。コールドプレート１６０は、断面図の平面と直交する多数のマイクロチャネル冷却剤流路２６０を有する。ＦＩＴ７００．３は、例示的な変圧器電気接続部１８５を示すが、これらは図示されていなくても変圧器１２０に必ず存在する。
【0110】
別の実施形態では、ＦＩＴ７００．４で示すように、変圧器１２０は、２つの一次（高電圧／ＨＶ）コイル１３５．１及び１つの二次（低電圧／ＬＶ）コイル１３５．２を有し、３つのコイル１３５の間にＨＴＦ７４０で満たされた２つのギャップ７８０があり、Ｐ－Ｇ－Ｓ－Ｇ－Ｐ構成をなしている。変圧器１２０の入力側及び出力側の筐体７１０の内部空間にも、冷却流体が存在する。熱は、変圧器１２０の側面、上面及び底面上のＨＴＦ７４０を介して運び去られる。コールドプレート１６０は、断面図の平面と平行な多数のマイクロチャネル冷却剤流路２６０を有する。 ｄ
【0111】
別の実施形態では、ＦＩＴ７００．５で示すように、変圧器１２０は、すべて互いに物理的及び熱的に接触する２つの一次（高電圧／ＨＶ）コイル１３５．１及び１つの二次（低電圧／ＬＶ）コイル１３５．２を備えており、Ｐ－Ｓ－Ｐ構成をなす。変圧器１２０は、ストラット８０５その他の機械的接続を介して熱管理筐体（ＨＭＥ）７１０内に懸架される。熱は、変圧器１２０の側面、上面及び底面上のＨＴＦ７４０を介して運び去られる。
【0112】
変圧器１２０の入力側及び出力側の筐体７１０の内部空間にも、冷却流体が存在する。熱は、変圧器１２０の側面、上面及び底面上のＨＴＦ７４０を介して運び去られる。コールドプレート１６０は、断面図の平面と平行な多数のマイクロチャネル冷却剤流路２６０を有する。
【0113】
当業者には明らかであろうが、図７及び図８のＦＩＴＳ７００の実施形態は例示にすぎず、異なる例示的な実施形態の構成要素を種々組合せることができる。本システム及び方法の技術的範囲内で他の構成／実施形態も可能であり、例えば、限定されるものではないが、コイル１３５を、Ｓ－Ｐ－Ｓ、Ｓ－Ｇ－Ｐ－Ｓ、Ｓ－Ｐ－Ｇ－Ｓ、Ｓ－Ｇ－Ｐ－Ｇ－Ｓ、Ｓ－Ｐ－Ｐ－Ｓ、Ｓ－Ｇ－Ｐ－Ｓ、Ｓ－Ｇ－Ｐ－Ｓその他の構成で配置などの構成で配置してもよい。
【0114】
熱伝達
ＦＩＴ７００では、変圧器本体１２０は、油のようなＨＴＦ７４０中に浸漬される。変圧器１２０で発生した熱は、油７４０を介して、ＨＭＥ７１０の外装／筐体壁７５５に熱輸送される。この熱は、次いで、筐体外装／壁７５５と物理的及び熱的に接触するコールドプレート１６０の冷却剤流路を流れる冷却液２４０によって除去される。
ＦＩＴ７００では、変圧器本体１２０は、油のようなＨＴＦ７４０中に浸漬される。変圧器１２０で発生した熱は、油７４０を介して、ＨＭＥ７１０の外装／筐体壁７５５に熱輸送される。この熱は、次いで、筐体外装／壁７５５と物理的及び熱的に接触するコールドプレート１６０の冷却剤流路を流れる冷却液２４０によって除去される。
【0115】
追加のＦＩＴの実施形態
ＦＩＴ７００に関する本システム及び方法の幾つかの例示的な実施形態では、コールドプレート１６０（「熱交換器プレート」１６０ともいう）は、図面に示すように、コイル１３５の平面と平行に構成される。代替的な実施形態では、コールドプレート１６０は、コイル１３５の平面と直交する平面に沿って筐体壁７５５の外面に取り付けてもよい。代替的な実施形態では、２以上のコールドプレート１６０をＨＭＥ７１０の７５５の異なる外面に沿って取り付けてもよく、その結果、幾つかのコールドプレート１６０をコイル１３５の平面に平行に取り付け、他のコールドプレート１６０をコイル１３５の平面に直交するように取り付けてもよい。別の実施形態では、１枚のコールドプレート１６０を筐体７１０の１つの壁７５５に取り付ければ、変圧器１２０を冷却するのに十分であることもある。
ＦＩＴ７００に関する本システム及び方法の幾つかの例示的な実施形態では、コールドプレート１６０（「熱交換器プレート」１６０ともいう）は、図面に示すように、コイル１３５の平面と平行に構成される。代替的な実施形態では、コールドプレート１６０は、コイル１３５の平面と直交する平面に沿って筐体壁７５５の外面に取り付けてもよい。代替的な実施形態では、２以上のコールドプレート１６０をＨＭＥ７１０の７５５の異なる外面に沿って取り付けてもよく、その結果、幾つかのコールドプレート１６０をコイル１３５の平面に平行に取り付け、他のコールドプレート１６０をコイル１３５の平面に直交するように取り付けてもよい。別の実施形態では、１枚のコールドプレート１６０を筐体７１０の１つの壁７５５に取り付ければ、変圧器１２０を冷却するのに十分であることもある。
【0116】
別の実施形態では、１以上のコールドプレート１６０をＨＭＥ７１０の内部に配置し、コールドプレートを通して冷却液２４０を流すための適切な冷却剤管１６５を取り付けてもよい。
【0117】
別の実施形態では、油７４０をＨＭＥ７１０の内部で循環させるために、油ポンプシステムを使用してもよい。
【0118】
別の実施形態では、２以上の変圧器１２０を１個の熱管理筐体７１０内に収容し、１個のＨＭＥ７１０にコールドプレート１６０を取り付けて、すべての変圧器で発生する熱を除去してもよい。
【0119】
当業者には明らかであろうが、ある最終設計の多くの詳細は、変圧器で生成すべき電力及び所期の電力変換器用途のための空間的制約を始めとする、用途の仕様に応じて変わることがある。したがって、コイル１３５の数、コア１４５の数及び寸法、コールドプレート１６０の寸法／重量／材料／配置、冷却剤流路２６０の数及び断面形状、使用すべき冷却剤流体２４０，７４０の種類、その他の多くの特定の設計要因などの詳細は、特定の用途に応じて決定及び最適化される。特定のＴＩＣＰ１００又はＦＩＴ７００について、至適又は近至適な、特定の構造、材料及び構成の選択を特定するために、提案された設計選択の実験室及び実環境試験が必要とされることがある。
【0120】
以上で詳しく説明した変圧器部品１３５，１４５に加えて、変圧器１２０は、電流／電気コネクタ１８５、並びに様々なネジ、ナット、ボルト、クランプ、ブレースその他の物理的部品など、熱を発生するもの（例えば電流／電気コネクタ（１８５））、或いはコイル１３５及び／又はコア１４５から熱を受け取るものなど、様々な追加部品を含むことがある。熱伝達性流体７４０は、これらの追加の変圧器構成要素の露出部分とも物理的に接触して熱伝達してもよく、追加の物理的部品の露出表面から熱を除去する。
【0121】
冷却液／流体
様々な実施形態では、本システム及び方法は、直接的な物理的接触によって促進される熱伝達及び熱対流の幾つかの進行段階を用いて、変圧器部品／構成要素１３５，１４５から以下の（ｉ）～（ｉｉ）のいずれかへ熱を移動させる。
（ｉ）伝導によって、さらにはコールドプレート１６０内を流れる冷却液２４０による熱対流によって、コールドプレート１６０へ、又は
（ｉｉ）熱伝導性流体７４０中の対流によって、変圧器１２０及び熱伝導性流体７４０を収容する熱管理筐体７１０の壁７５５へ、次いで熱伝導によって、さらにはコールドプレート１６０内を流れる冷却液２４０による熱対流によって、壁７５５に取り付けられたコールドプレート１６０へ。
様々な実施形態では、本システム及び方法は、直接的な物理的接触によって促進される熱伝達及び熱対流の幾つかの進行段階を用いて、変圧器部品／構成要素１３５，１４５から以下の（ｉ）～（ｉｉ）のいずれかへ熱を移動させる。
（ｉ）伝導によって、さらにはコールドプレート１６０内を流れる冷却液２４０による熱対流によって、コールドプレート１６０へ、又は
（ｉｉ）熱伝導性流体７４０中の対流によって、変圧器１２０及び熱伝導性流体７４０を収容する熱管理筐体７１０の壁７５５へ、次いで熱伝導によって、さらにはコールドプレート１６０内を流れる冷却液２４０による熱対流によって、壁７５５に取り付けられたコールドプレート１６０へ。
【0122】
上述の実施形態では、用いられる冷却液２４０及び熱伝導性流体７４０は、一般に、室温で通常液体状態である液体／流体（水又は水性液体、又はほとんどの油など）として特徴付けられ、さらに一般的には水の氷点超の温度範囲で液体状態である。かかる流体は、容易に貯蔵でき、管及び導管を介して輸送することができる。以下、便宜上、これらの冷却剤を「室温冷却剤」と呼ぶ。
【0123】
かかる室温冷却剤は、（ｉ）膨大で便利な供給（例えば、船舶向け電力変換器では海水、河川水又は海水から、コンパクト陸用電力変換器では河川からも、大量に吸水できる）、及び／又は（ｉｉ）市販品として入手可能（各種油など）、及び／又は（ｉｉｉ）比較的軽量の貯蔵槽に容易かつ簡便に貯蔵できるなどの利点を有し得る。かかる冷却剤は、特別な圧縮機を必要としないこともある。
【0124】
別の実施形態では、通常室温で気体である液体／流体２４０，７４０を（全体として又は「室温」流体に補助的に）使用することができ、そのため液体として使用するには圧縮機冷却又は過冷却しなければならない。かかる過冷却流体としては、例えば、限定されるものではないが、液体窒素、液体ヘリウム、液体酸素、液体二酸化炭素並びに各種の市販冷却剤が挙げられる。当業者には明らかであろうが、これらの液体のユーザーは、圧縮機、特別な貯蔵槽、及び本願に記載されていない他の構成要素を必要とすることがある。そのため、かかる圧縮機／過冷却流体を有する本システム及び方法の実施形態は、室温流体を用いる実施形態よりも重く、冷却のため多くの電力が必要とする。ただし、かかる実施形態は、超密／コンパクト電力変換器並びに非常にコンパクトな空間で一段と高レベルの電力発生（例えば一段と高い電圧電力スイッチ及び高い変圧器の巻線比）に設計される将来の電力変換器に有用である可能性がある。
【0125】
空冷式変圧器との比較
空冷式変圧器と比べると、本システム及び方法（典型的には、必須ではないが室温冷却剤／流体２４０，７４０を用いる）は、幾つかの利点をもたらす。利点として、例えば、限定されるものではないが、以下のものを挙げることができる。
（ｉ）空冷式ＨＦソリッドステート変圧器に比して、体積の減少（約３５％）、
（ｉｉ）空冷ＨＦソリッドステート変圧器に比して、電力密度の向上（～１．５倍）、
（ｉｉｉ）周囲環境への熱放出の減少（すなわち、電力変換器を収容する室又は施設の人間の活動及び呼吸のための空気の加熱の減少）、さらに人間環境のための空調／冷却の需要の減少に役立つこと、及び
（ｉｖ）一体型コールドプレートを備える変圧器（ＴＩＣＰ）１００及び流体浸漬型変圧器（ＦＩＴ）７００は、いずれも（空冷式変圧器に比して）軍用及び商用船舶の狭い／制約されたスペースへの適合性に優れ、減少したスペースは、他の目的のための「省スペース」の有益な利用法をもたらす。
空冷式変圧器と比べると、本システム及び方法（典型的には、必須ではないが室温冷却剤／流体２４０，７４０を用いる）は、幾つかの利点をもたらす。利点として、例えば、限定されるものではないが、以下のものを挙げることができる。
（ｉ）空冷式ＨＦソリッドステート変圧器に比して、体積の減少（約３５％）、
（ｉｉ）空冷ＨＦソリッドステート変圧器に比して、電力密度の向上（～１．５倍）、
（ｉｉｉ）周囲環境への熱放出の減少（すなわち、電力変換器を収容する室又は施設の人間の活動及び呼吸のための空気の加熱の減少）、さらに人間環境のための空調／冷却の需要の減少に役立つこと、及び
（ｉｖ）一体型コールドプレートを備える変圧器（ＴＩＣＰ）１００及び流体浸漬型変圧器（ＦＩＴ）７００は、いずれも（空冷式変圧器に比して）軍用及び商用船舶の狭い／制約されたスペースへの適合性に優れ、減少したスペースは、他の目的のための「省スペース」の有益な利用法をもたらす。
【0126】
例示的用途：ＨＰＥＢＢ
図９は、本システム及び方法に係る液体／流体冷却システム２００，７００（図２、図５及び図７並びに上述の関連する説明参照）を用いる例示的なパワーエレクトロニクスビルディングブロック（ＰＥＢＢ）５１０を示す。具体的には、図９は、例示的なハイブリッドパワーエレクトロニクスビルディングブロック（ＨＰＥＢＢ）５１０を示す。なお、ＰＥＢＢは、「［ハイブリッド］パワーエレクトロニクスビルディングブロック最小互換ユニット」（ＰＥＢＢ ＬＲＵ又はＨＰＥＢＢ ＬＲＵ）５１０／５１０．１とも呼ぶことができる。
図９は、本システム及び方法に係る液体／流体冷却システム２００，７００（図２、図５及び図７並びに上述の関連する説明参照）を用いる例示的なパワーエレクトロニクスビルディングブロック（ＰＥＢＢ）５１０を示す。具体的には、図９は、例示的なハイブリッドパワーエレクトロニクスビルディングブロック（ＨＰＥＢＢ）５１０を示す。なお、ＰＥＢＢは、「［ハイブリッド］パワーエレクトロニクスビルディングブロック最小互換ユニット」（ＰＥＢＢ ＬＲＵ又はＨＰＥＢＢ ＬＲＵ）５１０／５１０．１とも呼ぶことができる。
【0127】
従来型ＰＥＢＢ５１０は、典型的には、ＰＥＢＢ５１０全体で等しい電圧定格（例えば１０００Ｖの公称動作で１７００Ｖ）の電力スイッチ９１５を用いる。従来型ＰＥＢＢは、典型的には巻線比１対１の高出力変圧器１２０を用いる。
【0128】
例示的なＨＰＥＢＢ ＬＲＵ５１０．１は、低電圧スイッチ及び高電圧スイッチ９１５の両方を使用し（そのため「ハイブリッド」という用語が当てられる）、これらは、幾つかの実施形態では炭化ケイ素（ＳｉＣ）スイッチであってもよい。例えば、例示的な実施形態では、低電圧スイッチ９１５．１は、１０００Ｖの公称動作のための１７００Ｖ定格スイッチであってもよく、高電圧スイッチ９１５．２は、６０００Ｖの公称動作のための１００００Ｖ定格スイッチであってもよい。一般に、動作電圧をＡ及びＢ（ただしＢ＞Ａ）で表すと、Ａは例えば限定されるものではないが１０００Ｖ又は２０００Ｖ或いはその他の電圧とすることができ、Ｂは例えば限定されるものではないが２０００Ｖ、３０００Ｖ、６０００Ｖ或いはその他の電圧とすることができる。液体冷却のための本システム及び方法は、部分的には本願出願時に開発中の（ちょうど出現しつつある）高電力スイッチ１１５．２が活用されるＨＰＥＢＢ ＬＲＵ５１０及び電力変換器５００のための冷却のために設計される。
【0129】
例示的なＨＰＥＢＢ ＬＲＵ５１０は、巻線比Ｋ：Ｎ（Ｎ＞Ｋ、Ｋ＝１、２…、Ｎ＝２、３…）の高出力高周波変圧器１２０も用いる。
【0130】
様々な実施形態では、本システム及び方法に係るＨＰＥＢＢ式の変換器５００は、従来型システムで必要とされる従来型ＰＥＢＢ ＬＲＵ（従来型ＰＥＢＢは、「ＰＥＢＢ１０００ＬＲＵ」と呼ばれ、通例公称１０００Ｖ動作のための定格パワースイッチしか用いられない）の数よりも小数のＨＰＥＢＢ ＬＲＵ５１０しか必要としない。そのため、本システム及び方法に係る電力変換器５００は、電力変換器５００の総体積及び重量が低減し、電力変換器５００の電力密度及び比出力を増大させることができる。本システム及び方法の一実施形態では、電力スイッチ９１５は、図９に示すように、ダイオードと並列のＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）として実装される。別の実施形態では、パワースイッチ９１５は、図９に図示されるように、ダイオードと並列にＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）として実装される。当業者には明らかであろうが、パワースイッチ９１５は、本システム及び方法の技術的範囲内で、ＧａＮ（窒化ガリウム）ワイドバンドギャップデバイス、ＪＦＥＴ、ＩＧＣＴ（集積化ゲート転流型サイリスタ）及びダイオードなどの１以上のパワートランジスタ及び他の部品の他の組合せとして実装し得る。
【0131】
図９の５１０の例示的なＨＰＥＢＢ ＬＲＵでは、合計４つのブリッジ変換器９１０が用いられる。別の実施形態では、合計２又は３個以上のブリッジ変換器９１０を使用してもよい。なお、当技術分野において、ブリッジ変換器９１０は、例えば、限定されるものではないが、パワーステージ、パワーブリッジ、Ｈブリッジ変換器及びフルブリッジ変換器を始めとする別の用語で呼ばれることもある。
【0132】
例示的なＨＰＥＢＢ ＬＲＵ５１０は、低電圧素子９０５．１と高電圧素子９０５．２とを連結するように構成されたＫ：Ｎ（Ｎ＝２、３…）高周波（ＨＦ）変圧器１２０も例示している。すなわち、例示的なＨＰＥＢＢ５１０は、例えば、限定されるものではないが、１：３比又は１：６比などのＫ：Ｎのように、１（１：１）よりも高い巻線比の高周波（ＨＦ）変圧器１２０を介して、低電圧素子９０５．１と高電圧素子９０５．２を結合させる。
【0133】
本システムの幾つかの実施形態では、例示的な高出力スイッチングデバイス９１５．２は、本願の出願時にＣｒｅｅ社（米国ノースカロライナ州ダーラム、シリコンドライブ４６００）によって開発中の１０ｋＶ ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴからなる又は含むことができる。例示的な実施形態では、低電圧側９０５．１のブリッジ変換器９１０．１は、１．７ｋＶのＳｉＣＭＯＳＦＥＴ／ＩＧＢＴデバイスを使用することができ、高電圧側９０５．２のブリッジ変換器９１０．２は、１０ｋＶのＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ／ＩＧＢＴデバイスを使用することができる。巻線／巻数比１：３（低電圧側で１、高電圧側で３）のＨＦソリッドステート変圧器１２０を備える例示的な実施形態では、複数のそうしたＨＰＥＢＢ５１０は、スペース及び電力密度効率の良い１ｋＶｄｃ－１３．８ｋＶＡＣ電力変換のための単一の電力変換器として構成することができる。
【0134】
別の実施形態では、高出力スイッチ１１５．２は、限定されるものではないが、高出力ＭＯＳＦＥＴ及び／又は高出力ＩＧＢＴを始めとする、公知又は開発中の他の高出力スイッチを介して実装してもよい。ＨＦ変圧器１２０の高い巻数比（例えば１：３）は電圧ブーストをもたらし、ハイブリッドＰＥＢＢ（１０００／６０００）が高い中電圧（ＭＶ）（＞１２ｋＶ）用途でも電圧制限されないようにする。
【0135】
ＨＰＥＢＢ熱管理
低電圧側部品９０５．１と高電圧側部品９０５．２との間のガルバニ絶縁をもたらすＫ：Ｎ高出力密度／高周波変圧器１２０は、本明細書全体に記載された例示的冷却システム１００，２００，７００の恩恵を受けるのに十分なレベルの熱（及び熱生成の速度）を発生する可能性がある。その結果、ＨＰＥＢＢ ＬＲＵ５１０は、例えば、限定されるものではないが、本願明細書全体に記載された冷却流体／液体２４０，７４０を始めとする、冷却要素を含んでいてもよい。
低電圧側部品９０５．１と高電圧側部品９０５．２との間のガルバニ絶縁をもたらすＫ：Ｎ高出力密度／高周波変圧器１２０は、本明細書全体に記載された例示的冷却システム１００，２００，７００の恩恵を受けるのに十分なレベルの熱（及び熱生成の速度）を発生する可能性がある。その結果、ＨＰＥＢＢ ＬＲＵ５１０は、例えば、限定されるものではないが、本願明細書全体に記載された冷却流体／液体２４０，７４０を始めとする、冷却要素を含んでいてもよい。
【0136】
電力変換器の体積及び重量
ハイブリッドＰＥＢＢ ＬＲＵ変換器５１０の体積及び重量は、一次側すなわち高電圧側９０５．２でのＰＥＢＢ６０００部品９１０．２，９１５．２の使用に伴って若干増加し、追加の冷却要件によってはさらに増加するおそれがある。しかし、必要とされるＨＰＥＢＢ ＬＲＵ５１０の総数が（従来型電力変換器に比べて）減少するため、様々な実施形態では、例示的な１ｋＶｄｃ－１３．８ｋＶ１ＭＷハイブリッドＰＥＢＢ電力変換器５１０の総体積及び重量は（電圧／電力容量が同じ従来型ＰＥＢＢ１０００ＬＲＵ型電力変換器の重量／体積に比べて）格段に減少する。
ハイブリッドＰＥＢＢ ＬＲＵ変換器５１０の体積及び重量は、一次側すなわち高電圧側９０５．２でのＰＥＢＢ６０００部品９１０．２，９１５．２の使用に伴って若干増加し、追加の冷却要件によってはさらに増加するおそれがある。しかし、必要とされるＨＰＥＢＢ ＬＲＵ５１０の総数が（従来型電力変換器に比べて）減少するため、様々な実施形態では、例示的な１ｋＶｄｃ－１３．８ｋＶ１ＭＷハイブリッドＰＥＢＢ電力変換器５１０の総体積及び重量は（電圧／電力容量が同じ従来型ＰＥＢＢ１０００ＬＲＵ型電力変換器の重量／体積に比べて）格段に減少する。
【0137】
このことに対応して、様々な実施形態では、本システムは、本願の冷却システム及び方法を用いたＨＰＥＢＢ ＬＲＵ５１０の使用によって電力密度及び比出力が（同じ総電力容量を有する従来型ＰＥＢＢ１０００ＬＲＵ式の電力変換器の電力密度／比出力に比べて）格段に増加したＨＰＥＢＢ電力変換器５００．１を提供する。
【0138】
例示的なＨＰＥＢＢ電力変換器５００は、通例、キャビネット又はハウジング５２５（図５参照）内に収容され、かかるキャビネット又はハウジング５２５には、上述の構成要素及び図示していないが当技術分野で公知の他の構成要素のすべてが収容される。キャビネット５２５には、例えば、限定されるものではないが、様々な内部構造支持要素（図示せず）、システムバス、電力バス、外部素子との接続用及び外部システムへの接続用のポート、空気流のための通気口、冷却システム５２５に関連する冷却剤のための配管又はダクト、外部状態表示ディスプレイ、フィードバック及び制御システム用の電子機器（プロセッサ及びメモリを含む）、並びに図２に記載されていない他の構成要素などが収容又は取り付けられていてもよい。
【0139】
キャビネット又はハウジング５２５は、本明細書で詳細に説明した通り、１以上の冷却システム２１０の構成要素を収容していてもよい。
【0140】
制御システム
様々な例示的実施形態では、本システム及び方法は、スイッチ、コンデンサ、冷却システム、弁、ポンプ、フィルタその他のリアルタイム制御を必要とする因子の調節のための制御システムの使用又は統合を必要とすることがある。かかる制御システムは、当技術分野で公知の又は将来的に開発されるマイクロプロセッサ、デジタル入力／出力素子、メモリ（ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び様々な形態の不揮発性メモリなど）、ディスプレイシステム、音声入力及び／又は音声信号システム、及び／又はアナログ制御素子の使用を要することがある。かかる制御システムは、システム動作の様々な態様を制御するために、メモリに格納された適切なコード化されたソフトウェアを用いることができる。
様々な例示的実施形態では、本システム及び方法は、スイッチ、コンデンサ、冷却システム、弁、ポンプ、フィルタその他のリアルタイム制御を必要とする因子の調節のための制御システムの使用又は統合を必要とすることがある。かかる制御システムは、当技術分野で公知の又は将来的に開発されるマイクロプロセッサ、デジタル入力／出力素子、メモリ（ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び様々な形態の不揮発性メモリなど）、ディスプレイシステム、音声入力及び／又は音声信号システム、及び／又はアナログ制御素子の使用を要することがある。かかる制御システムは、システム動作の様々な態様を制御するために、メモリに格納された適切なコード化されたソフトウェアを用いることができる。
【0141】
マイクロプロセッサ上で動作する制御システムのように、本システム及び方法にコンピュータコードが必要とされる場合、コンピュータ可読コードは、半導体、磁気ディスク、光ディスク（ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭなど）を始めとする公知のコンピュータ可用媒体、並びにコンピュータ可用（例えば可読）伝送媒体（搬送波その他デジタル、光学、アナログ媒体を始めとする媒体など）に具現されたコンピュータデータ信号として配設することができる。このように、コードは、インターネット及びイントラネットを含む通信ネットワークで伝送することができる。
【0142】
なお、上述のシステム及び技術に関連して達成すべき制御機能又は監視機能は、プログラムコードで具現化されるコア（ＣＰＵコアなど）で表すことができ、適切な回路、無線通信及び／又は光メッセージングを介してハードウェアに変換できる。
【0143】
結論
米海軍電力システム及びエネルギーシステム（ＮＰＥＳ）技術のような海軍用途を始めとする船舶用途では、ＨＰＥＢＢブリッジ変換器９１０、ＨＰＥＢＢ ＬＲＵ５１０及び電力変換器５００は、多機能エネルギー貯蔵モジュール（ＭＦＥＳＭ）の取り組みの一環として開発されている。特に、新興ハイブリッドＰＥＢＢ ＬＲＵ５１０では、コンパクトなスペースで大量の熱が発生する可能性のある高出力変圧器を用いる。本システム及び方法のＨＰＤ－ＨＦ変圧器用液体／流体冷却システム２００は、かかるシステムで発生する熱を管理する上で多大な利点をもたらす。
米海軍電力システム及びエネルギーシステム（ＮＰＥＳ）技術のような海軍用途を始めとする船舶用途では、ＨＰＥＢＢブリッジ変換器９１０、ＨＰＥＢＢ ＬＲＵ５１０及び電力変換器５００は、多機能エネルギー貯蔵モジュール（ＭＦＥＳＭ）の取り組みの一環として開発されている。特に、新興ハイブリッドＰＥＢＢ ＬＲＵ５１０では、コンパクトなスペースで大量の熱が発生する可能性のある高出力変圧器を用いる。本システム及び方法のＨＰＤ－ＨＦ変圧器用液体／流体冷却システム２００は、かかるシステムで発生する熱を管理する上で多大な利点をもたらす。
【0144】
当業者は、特に上述の教示内容に照らして、本開示に依然として包含される代替的な実施形態、例及び修正をなすことができるであろう。さらに、本開示の説明に用いた用語は、限定ではなく、説明を言語的本質とするものである。
【0145】
本開示の技術的範囲から逸脱することなく、上述の好ましい実施形態及び代替的な実施形態の様々な適合及び修正を構成できることは当業者には明らかであろう。したがって、添付の特許請求の範囲の技術的範囲内で、本明細書に具体的に記載された以外の形態で本開示を実施することができる。
【0146】
以上、特定の機能の具体例及びそれらの関係を例示する機能構成ブロックを用いて本発明を説明してきた。これらの機能構成ブロックの境界は、説明の便宜上、本明細書では任意に定義される。所定の機能及びそれらの関係が適切に実施できる限り、代替的な境界を定義することができる。
【0147】
本発明の様々な実施形態のシミュレーション、合成及び／又は製造は、部分的には、当技術分野で公知であると未開発であるとを問わず、金属、非金属、樹脂、エポキシ、半導体、ガラス、ポリマー、鉄材料、非鉄材料、導体、絶縁体、及び冷却用の水又は水性液体、冷却用の油その他の炭化水素系液体を始めとする、様々な材料の使用によって達成できる。
【0148】
発明を実施するための形態の欄（発明の概要の欄でも要約書でもなく）は、特許請求の範囲の解釈に用いられることを主目的とする。発明の概要の欄及び要約書は、発明者が想到した実施形態の１以上を記載したものであるが、すべてを記載したものとは限らず、本発明及び添付の特許請求の範囲を限定するものではない。
【0149】
添付の特許請求の範囲において、符号は請求項の理解を図るためのものであり、請求項の保護範囲を限定するものではなく、それらの唯一の機能は、明細書及び図面における各構成要素への明確な参照を提供することである。
【符号の説明】
【0150】
１００ 液体冷却式変圧器
１２０ 変圧器
１３５ コイル部品
１４５ 変圧器コア
１６０ コールドプレート
１６５ 冷却剤管
１７５ 冷却剤ポート
１８５ 電気接続
１９０ 主表面
１９５ 副表面
２００ 液体冷却システム
２０１ 環境冷熱源
２２０ バイパス／混合弁
２２５ 冷却剤前処理ユニット
２３０ 冷却剤貯蔵槽
２３５ 熱交換器
２４０ 冷却液
２６０ 冷却剤流路
２８０ 筐体
２９５ 環境ヒートシンク
５２５ キャビネット又はハウジング
６１０ 導電性材料
７００ 流体浸漬型変圧器
７１０ 熱管理筐体
１２０ 変圧器
１３５ コイル部品
１４５ 変圧器コア
１６０ コールドプレート
１６５ 冷却剤管
１７５ 冷却剤ポート
１８５ 電気接続
１９０ 主表面
１９５ 副表面
２００ 液体冷却システム
２０１ 環境冷熱源
２２０ バイパス／混合弁
２２５ 冷却剤前処理ユニット
２３０ 冷却剤貯蔵槽
２３５ 熱交換器
２４０ 冷却液
２６０ 冷却剤流路
２８０ 筐体
２９５ 環境ヒートシンク
５２５ キャビネット又はハウジング
６１０ 導電性材料
７００ 流体浸漬型変圧器
７１０ 熱管理筐体
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9】
【国際調査報告】