(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、当該装置は：
可変電流を受け取るように構成された少なくとも１つの巻線を有するコイル組立体と；
複数のセグメントを含むコアであって、前記少なくとも１つの巻線は、前記セグメントの一部に巻回されており、且つ磁束を発生するように構成される、コアと；
前記コイル組立体又はコアを冷却するために、前記コイル組立体又はコアを通して冷却媒体を輸送するように構成された複数の冷却流路であって、該複数の冷却流路は、（ｉ）前記コアを通って第１方向に延び前記コアの開口部に延びる複数の第１の冷却流路と、（ｉｉ）前記複数のセグメント同士の間のギャップに形成され且つ前記コアを通って第２方向に延びる複数の第２の冷却流路とを含み、第１方向と第２方向は互いに直交する、複数の冷却流路と；を備え、
前記コアの少なくともいくつかのセグメントは、前記コアの隣接するセグメントに接触して、前記隣接するセグメントから及び第２の冷却流路からの分離状態を維持する突起部を含み、
前記少なくとも１つの巻線は、前記コアを通って、第１及び第２方向に実質的に直交する第３方向に延びる、
装置。
【請求項２】
第２の冷却流路は、前記コアを通して冷却媒体を輸送するように構成される、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記セグメントは、複数の上部セグメントと、複数の下部セグメントとを含み、
前記セグメント同士の間の前記ギャップは、前記上部セグメント同士の間の複数の上部ギャップと、前記下部セグメント同士の間の複数の下部ギャップとを含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記コアの少なくとも１つの外面には、溝が設けられており、
該溝は、前記コアを通って流れる冷却媒体の第２の方向に整列される、
請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記コイル組立体は、少なくとも１つの絶縁スペーサーをさらに有しており、
該少なくとも１つの絶縁スペーサーは、複数の第３の冷却流路を有しており、
該複数の第３の冷却流路は、前記コイル組立体を通して冷却媒体を輸送するように構成される、
請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つの絶縁スペーサーは、
コアと巻線との間の絶縁を形成する１つ又は複数のスペーサーと、
巻線同士の間の絶縁を形成する１つ又は複数のスペーサーと、のうちの少なくとも１つを含む、
請求項５に記載の装置。
【請求項７】
システムであって、当該システムは：
冷却媒体を受け取るように構成された少なくとも１つの流入口と、冷却媒体を供給するように構成された少なくとも１つの流出口とを有するハウジングと；
前記ハウジング内で冷却される電子機器であって、該電子機器は、磁気装置を有しており、該磁気装置は、
可変電流を受け取るように構成された少なくとも１つの巻線を有するコイル組立体、
複数のセグメントを含むコアであって、少なくとも１つの巻線が、セグメントの一部に巻回されており、且つ磁束を発生するように構成される、コア、
前記コイル組立体又はコアを冷却するために、前記コイル組立体又はコアを通して冷却媒体を輸送するように構成された複数の冷却流路であって、該複数の冷却流路は、（ｉ）前記コアを通って第１方向に延び且つ前記コアの開口部に延びる複数の第１の冷却流路と、（ｉｉ）前記複数のセグメント同士の間のギャップに形成され且つ前記コアを通って第２方向に延びる複数の第２の冷却流路とを含み、第１方向及び第２方向は互いに直交する、複数の冷却流路を有する、電子機器と；
を有しており、
前記コアの少なくともいくつかのセグメントは、前記コアの隣接するセグメントに接触して、前記隣接するセグメント及び第２の冷却流路からの分離を維持する突起部を含み、
前記少なくとも１つの巻線は、前記コアを通って、第１及び第２方向に実質的に直交する第３方向に延びる、
システム。
【請求項８】
前記ハウジング及び前記電子機器に接続された絞り機構プレートをさらに有しており、該絞り機構プレートは、前記少なくとも１つの流入口から前記電子機器を介して前記少なくとも１つの流出口に、冷却媒体を強制的に送り込むように構成される、
請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
第２の冷却流路は、前記コアを通して冷却媒体を輸送するように構成される、
請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記セグメントは、複数の上部セグメントと、複数の下部セグメントとを含み、
前記セグメント同士の間の前記ギャップは、前記上部セグメント同士の間の複数の上部ギャップと、前記下部セグメント同士の間の複数の下部ギャップとを含む、
請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
第１の冷却流路は、前記セグメントの少なくとも一部を通って配置され、第２の冷却流路は、前記セグメントの少なくとも一部の外面に沿って配置されており、
当該システムは、第１及び第２の冷却流路を通る冷却媒体を循環させるように構成された複数の冷却ループをさらに含む、
請求項７に記載のシステム。
【請求項１２】
前記コアの少なくとも１つの外面には、溝が設けられており、
該溝は、前記コアを通って流れる冷却媒体の第２の方向に整列される、
請求項７に記載のシステム。
【請求項１３】
前記コイル組立体は、少なくとも１つの絶縁スペーサーをさらに有しており、
該少なくとも１つの絶縁スペーサーは、第３の冷却流路を有しており、
該第３の冷却流路は、前記コイル組立体を通して冷却媒体を輸送するように構成される、
請求項７記載のシステム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの絶縁スペーサーは、
コアと巻線との間の絶縁を形成する１つ又は複数のスペーサーと、
巻線同士の間の絶縁を形成する１つ又は複数のスペーサーと、のうちの少なくとも１つを含む、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
方法であって、当該方法は：
可変電流を受け取るように構成された少なくとも１つの巻線を含むようなコイル組立体を形成するステップと；
複数のセグメントを含むコアを形成するステップであって、前記少なくとも１つの巻線は、前記セグメントの一部に巻回されており、且つ磁束を発生するように構成される、形成するステップと；を含み、
前記コイル組立体又はコアは、該コイル組立体又はコアを冷却するために、前記コイル組立体又はコアを通して冷却媒体を輸送するように構成された複数の冷却流路であって、該複数の冷却流路は、（ｉ）前記コアを通って第１方向に延び且つ前記コアの開口部に延びる複数の第１の冷却流路と、（ｉｉ）前記複数のセグメント同士の間のギャップに形成され且つ前記コアを通って第２方向に延びる複数の第２の冷却流路とを含み、第１方向と第２方向は互いに直交する、複数の冷却流路を含み、
前記コアの少なくともいくつかのセグメントは、前記コアの隣接するセグメントに接触して、前記隣接するセグメントから及び第２の冷却流路からの分離状態を維持する突起部を含み、
前記少なくとも１つの巻線は、前記コアを通って、第１及び第２方向に実質的に直交する第３方向に延びる、
方法。
【請求項１６】
第２の冷却流路は、前記コアを通して冷却媒体を輸送するように構成される、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記セグメントは、複数の上部セグメントと、複数の下部セグメントとを含み、
前記セグメント同士の間の前記ギャップは、前記上部セグメント同士の間の複数の上部ギャップと、前記下部セグメント同士の間の複数の下部ギャップとを含む、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
第１の冷却流路は、前記セグメントの少なくとも一部を通って配置され、第２の冷却流路は、前記セグメントの少なくとも一部の外面に沿って配置されており、
当該方法は、第１及び第２の冷却流路を通して冷却媒体を循環させるように構成された複数の冷却ループに第１及び第２の冷却流路を結合するステップをさらに含む、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記コイル組立体は、少なくとも１つの絶縁スペーサーをさらに有しており、
該少なくとも１つの絶縁スペーサーは、第３の冷却流路を含んでおり、
該第３の冷却流路は、前記コイル組立体を通して冷却媒体を輸送するように構成される、
請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
複数のスペーサーをさらに含み、各スペーサーは第１の冷却流路のそれぞれを部分的に埋め、第１の冷却流路は、前記セグメントの少なくとも一部を通って配置され、
第２方向は、前記磁束の方向と平行及び前記磁束の方向と同一平面の少なくとも一方である、
請求項２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
米国政府のライセンス権
本発明は、米国国防総省によって与られた規約番号N00014-09-D-0726の下で政府の支援を受けて行われた。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。
【０００２】
本開示は、概して、トランスやインダクタ等の磁気装置を対象としている。より具体的には、本開示は、磁気装置の熱管理のための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
様々な電子機器には、通常、大きなインダクタや、トランス、又は磁気コアに巻き付けられた１つ又は複数のコイルを使用して形成された他の磁気装置を含む。特定のタイプの磁気装置は、数十キロヘルツから数メガヘルツ又はそれ以上の高い周波数範囲で作動する。これらのタイプの磁気装置は、大抵の場合、強制液体冷却又は強制空冷を使用して冷却される。しかしながら、これらのタイプの高周波数の磁気装置は、大抵の場合、フェライト物質や粉末状物質等のテープで巻回された材料又は固体材料から形成された磁気コアを有する。このようなコアは、典型的には、その材料の低い熱伝導率のため、数百ワットから数キロワットの範囲等の低電力レベルで均一に冷却することが困難である。また、コアと巻線との間の絶縁体及び巻線同士の間の絶縁体によって、これらの電子機器の冷却がさらに妨げられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、磁気装置の熱管理のための装置及び方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の実施形態では、装置が、コイル組立体を有しており、このコイル組立体は、可変電流を受け取るように構成された少なくとも１つの巻線を有する。装置は、複数のセグメンを含むコアも有しており、少なくとも１つの巻線は、セグメンの部分に巻回されており、且つ磁束を発生するように構成されている。装置は、コイル組立体又はコアを冷却するために、コイル組立体又はコアを通して冷却媒体を輸送するように構成された少なくとも１つの冷却流路をさらに有する。
【０００６】
第２の実施形態では、システムは、冷却媒体を受け取るように構成された少なくとも１つの流入口と、冷却媒体を供給するように構成された少なくとも１つの流出口とを有するようなハウジングを有する。システムは、ハウジング内で冷却される電子機器も有しており、この電子機器は、磁気装置を含む。磁気装置は、コイル組立体を含んでおり、このコイル組立体は、可変電流を受け取るように構成された少なくとも１つの巻線を有する。磁気装置は、複数のセグメンを有するコアを含んでおり、少なくとも１つの巻線は、セグメンの部分に巻回されており、且つ磁束を発生するように構成されている。磁気装置は、コイル組立体又はコアを冷却するために、コイル組立体又はコアを通して冷却媒体を輸送するように構成された少なくとも１つの冷却流路をさらに有する。
【０００７】
第３の実施形態では、方法は、コイル組立体を形成するステップを含んでおり、このコイル組立体は、可変電流を受け取るように構成された少なくとも１つの巻線を有する。この方法は、複数のセグメンを有するコアを形成するステップも含んでおり、少なくとも１つの巻線は、セグメンの部分に巻回されており、且つ磁束を発生するように構成されている。コイル組立体又はコアは、このコイル組立体又はコアを冷却するために、コイル組立体又はコアを通して冷却媒体を輸送するように構成された少なくとも１つの冷却流路を有する。
【０００８】
他の技術的特徴は、以下の図面、詳細な説明、及び特許請求の範囲から当業者には容易に明らかになるであろう。
本開示及びその特徴をより完全に理解するために、参照が、添付の図面と併せて以下の詳細な説明に対して行われる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示による熱管理用の冷却流路を有する第１の磁気装置の例を示す図である。
【図２Ａ】本開示による図１の磁気装置における冷却媒体の流れの例を示す図である。
【図２Ｂ】本開示による図１の磁気装置における冷却媒体の流れの例を示す図である。
【図３】本開示による磁気装置のコアの例を示す図である。
【図４Ａ】本開示による第２の磁気装置の冷却媒体の流れの例を示す図である。
【図４Ｂ】本開示による第２の磁気装置の冷却媒体の流れの例を示す図である。
【図５Ａ】本開示による磁気装置のコイル組立体用の冷却流路の例を示す図である。
【図５Ｂ】本開示による磁気装置のコイル組立体用の冷却流路の例を示す図である。
【図６】本開示による磁気装置のコイル組立体用の冷却流路の例を示す図である。
【図７Ａ】本開示による磁気装置のコイル組立体用の冷却流路の例を示す図である。
【図７Ｂ】本開示による磁気装置のコイル組立体用の冷却流路の例を示す図である。
【図７Ｃ】本開示による磁気装置のコイル組立体用の冷却流路の例を示す図である。
【図８】本開示による磁気装置のコイル組立体用の冷却流路の例を示す図である。
【図９Ａ】本開示による磁気装置のコイル組立体用の冷却流路の例を示す図である。
【図９Ｂ】本開示による磁気装置のコイル組立体用の冷却流路の例を示す図である。
【図１０】本開示による冷却流路を含む磁気装置を有するような組立体の例を示す図である。
【図１１Ａ】本開示による冷却流路を含む磁気装置を有するような組立体の別例を示す図である。
【図１１Ｂ】本開示による冷却流路を含む磁気装置を有するような組立体の別例を示す図である。
【図１１Ｃ】本開示による冷却流路を含む磁気装置を有するような組立体の別例を示す図である。
【図１２】本開示による冷却流路を含む磁気装置を形成する方法の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下で説明される図１〜図１２、及び本特許明細書において本発明の原理を説明するために使用される様々な実施形態は、単なる例示であり、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。当業者であれば、本発明の原理が、適切に配置された任意のタイプの装置又はシステムで実現してもよいことを理解するであろう。
【００１１】
上述したように、特定のタイプの高周波数磁気装置は、大抵の場合、強制液体冷却又は強制空冷を使用して冷却される。しかしながら、それらのコア材料の低い熱伝導率や、コアと巻線との間の絶縁体及び巻線同士の間の絶縁体の使用により、これらのタイプの装置は、大抵の場合、十分に冷却することが困難である。とりわけ、この冷却の困難性によって、コアの中心からコアの外面に著しい温度勾配の生成がもたらされ、コア内にホットスポットが形成される。平面磁石又は埋め込まれた磁石等の他のアプローチでは、典型的には、装置の巻線とコアとの両方を効果的に冷却できない、すなわち高周波数の又は高出力の用途の電圧、電流、又は損失の要件に対処することができない。この明細書には、セグメントに分割されたセグメント化コアを有する様々な磁気装置が開示されており、そのコアには、冷却媒体が流れるような冷却流路が含まれる。また、この明細書では、コイル組立体を冷却するための冷却流路を含む種々の磁気装置を開示しており、そのコイル組立体は、コアと巻線との間の絶縁体又は巻線同士の間の絶縁体を含む。
【００１２】
図１には、本開示による熱管理用の冷却流路を有する第１の磁気装置１００の例が示されている。図１に示されるように、磁気装置１００は、コア１０２とコイル組立体１０４とを有するようなトランスを表す。トランス内のコイル組立体１０４は、一般に、絶縁材等の関連部品と一緒に、（少なくとも１つの一次巻線と、少なくとも１つの二次巻線とを含む）２つ以上のコイル又は電気巻線を有する。コイル組立体１０４の一次巻線（複数可）の電流を変化させることによって、コア１０２内で変化する磁束を発生させ、次に、コイル組立体１０４の二次巻線（複数可）内に可変電流を形成する。
【００１３】
コア１０２は、少なくとも１つの他方の巻線の電流を変化させることに基づいて、少なくとも一方の巻線に可変電流の生成を容易にするような任意の適切な構造体を含む。コア１０２は、強磁性粉末材料等の任意の適切な材料（複数可）から形成することができる。コア１０２は、テープ巻付け材料又は固体材料等を使用することで、任意の適切な形態として製造することもできる。コア１０２は、さらに任意の適切なサイズ及び形状を有することもできる。
【００１４】
トランス内のコイル組立体１０４は、電気信号を搬送するように構成された複数の巻線を含むような任意の適切な構造体を含む。コイル組立体１０４は、例えば、巻線を電気的に分離するような絶縁構造体と一緒に複数の巻線を収容することができる。各巻線は、任意の適切な導電性物質（複数可）から形成されており、任意数の巻回を含むことができる。各巻線は、任意の適切な方法で形成することもできる。
【００１５】
図１に示されるように、コア１０２は、複数の「スライス」又はセクション１０６に分割又は分離されており、これらのセクションは、完全なコア組立体を形成するために再結合される。この例では、コア１０２は、５つのセクション１０６を有しており、そのうちの２つのセクションが、説明目的のために、図１に部分的に透明となるように示されている。いくつかの実施形態では、コア１０２は、装置１００に形成される磁束の方向に対して平行な方向の又はこの磁束の方向と同一平面となる方向のセクション１０６に分割されており、これは、コア１０２の磁気特性に悪影響を与えるようなセクション分割を防ぐことに役立つ。
【００１６】
セクション１０６の一部は、コア１０２を通る冷却流路１０８を形成するために互いに分離されている。冷却流路１０８は、液体や空気等の冷却媒体が、コア１０２を通過する（だけでなくコア１０２の外面上も通過する）ような領域を表す。これにより、冷却媒体と接触するようになるコア１０６の表面積が増大され、コア１０２から熱をより効果的に除去するのに役立つ。実装形態に依存して、冷却流路１０８によって、冷却媒体と接触するようになるコア１０２の表面積を最大５０％又はそれ以上に増大させることができる。各冷却流路１０８は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有することができる。冷却流路１０８は、任意の適切な方法で形成することもできる。
【００１７】
以下でより詳細に説明するように、コイル組立体１０４は、１つ又は複数の冷却流路１１０を含むことができる。この冷却流路１１０によって、冷却媒体がコイル組立体１０４の様々な部分上に又はこの組立体を通って流れることが可能になる。これによって、コイル組立体１０４が、様々な種類の絶縁体を含む場合であっても、磁気装置１００から熱を除去するのにさらに役立つ。以下に示されるように、様々なタイプの冷却流路をコイル組立体に使用することができる。
【００１８】
このようにして、磁気装置１００からの熱を、巻線及びコアの両方からより効果的に除去することができる。とりわけ、これは、コア１０２の中心部からコア１０２の外面への温度勾配を減少させるのを助長することができ、こうして、コア１０２内のホットスポットの深刻化を軽減することができる。これにより、磁気装置１００を、高周波数又は高電力用途で使用することも可能になる。
【００１９】
図１には、熱管理用の冷却流路を含む磁気装置１００の第１例が示されているが、様々な変更を、図１の磁気装置に対して行ってもよい。例えば、コア１０２は、任意の適切な数のセクション１０６を含むことができる。また、コイル組立体１０４は、任意の適切な数の巻線を含むことができ、各巻線は、任意の適切な数の巻回を含むことができる。
【００２０】
図２Ａ及び２Ｂには、本開示による図１の１００磁気装置における冷却媒体の流れの例が示されている。特に、図２Ａには、装置１００を側面から視たときに、冷却媒体が磁気装置１００を通って流れることが示されており、図２Ｂには、装置１００を頂部又は底部から視たときに、冷却媒体が磁気装置１００を通って流れることが示されている。
【００２１】
図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、コア１０２内の冷却流路１０８を通るような冷却媒体の流れ２０２が形成される。この冷却媒体に加えて、この流れは、装置１００の外面の周りを流れる。冷却流路１０８が存在するので、冷却媒体は、はるかに大きな表面領域のコア１０２に接触することができ、コア１０２から離れる方向により多くの熱量を輸送するのに役立つ。ここで、冷却媒体の流れ２０２は、頂部から底部へ装置１００を通って流れる一般に上下方向であり、冷却媒体の流れ２０２は、装置１００によって形成される磁束の方向と同一平面又はこの磁束の方向に対して平行である。
【００２２】
図２Ｂに示される実施形態では、コア１０２の少なくとも一部のセクション１０６によって、これらのセクション１０６の表面に隆起したスペーサー又は他の突起部２０４を収容する。１つのセクション１０６での突起部２０４は、隣接するセクション１０６に接触して、これらのセクション１０６を所定の距離だけ離間した状態を保持するのに役立ち、これにより、冷却流路１０８が形成される。従って、突起部２０４は、冷却媒体の流れ２０２用に十分に規定された流路１０８を形成するために使用することができる。冷却媒体の流れ２０２は、突起部２０４の高さ（複数可）によって部分的に制御される。
【００２３】
突起部２０４は、これら突起部２０４を含むように、フェライト又は他のコアを製造するために設計された機具を使用してコア１０２のセクション１０６を機械加工することによって、或いはセクション１０６を型成形することによって、任意の適切な方法で形成することができる。突起部２０４は、セラミック又は他の非磁性材料（複数可）で形成されたロッド又は他の構造体等の、コア１０２のセクション１０６に接合された又は他の方法でこのセクションに取り付けられる別個の構造体も表すことができる。１つ又は複数のセクション１０６の一部である突起部２０４を用いることによって、（スペーサー装置の使用も可能であるが、）別個のスペーサー装置が冷却流路１０８を形成するために使用されることで、コア１０２を必要としなくてもよい。さらに、セクション１０６の一体化部分である突起部２０４を使用することにより、冷却流路１０８の形成のために失われるようなコアの断面積の一部を回復するのを助長することができ、これにより、磁束密度及び関連するコア損失を低減させることができる。さらに、突起部２０４によって、冷却媒体が接触するようなコア１０２の表面積を増大させることができ、さらに熱伝達を改善することができる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、コア１０２は、溝２０６が形成された１つ又は複数の表面も含むことができる。溝２０６は、冷却媒体の流れの方向に整列させることができ、さらに冷却媒体に接触するようなコアの表面積を増大させることができ、より一層熱を除去するのが容易になる。溝２０６は、溝２０６を含むように、コア１０２のセクション１０６を機械加工することによって、又はセクション１０６を型成形等することによって、任意の適切な方法で形成することができる。溝２０６は、任意の適切なサイズ及び形状を有することができ、溝２０６は、コア１０２の任意の適切な表面（複数可）上に形成することができる。
【００２５】
図２Ａ及び図２Ｂには、図１の磁気装置１００内の冷却媒体の流れの例が示されているが、種々の変更を図２Ａ及び図２Ｂの磁気装置に対して行ってもよい。例えば、任意の適切な数の突起部２０４を使用して、コア１０２の隣接するセクション１０６を分離することができ、コア１０２は、任意の適切な数のセクション１０６及び冷却流路１０８を含むことができる。
【００２６】
図３には、本開示による磁気装置のコア３００の例が示されている。コア３００は、例えば、図１の磁気装置１００のコア１０２として使用することができる。図３に示されるように、コア３００は、複数の下部セグメント３０２と複数の上部セグメント３０４に分割される（ただし、１つの上部セグメント３０４のみが示されている）。複数の下部セグメント３０２は、下部コア半体を形成するために一緒に接合又は他の方法で接続され、複数の上部セグメント３０４は、上部コア半体を形成するために一緒に接合又は他の方法で接続される。コイル組立体は、コア半体内に挿入することができ、これらコア半体は、磁気装置を形成するために接合又は他の方法で接続される。コイル組立体は、コア３００のセグメント３０２〜３０４を通って２つの開口部３０６内に収まる。
【００２７】
セグメント３０２〜３０４の少なくとも一部は、隣接するセグメント３０２〜３０４の分離を維持するとともに、冷却流路３１０を形成するために使用されるような突起部３０８を含む。下部セグメント３０２上の突起部３０８は、下部コア半体の形成中に、隣接するセグメント３０２に接合され、及び上部セグメント３０４上の突起部３０８は、上部コア半体の形成中に、隣接するセグメント３０４に接合される。突起部３０８は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有することができる。特定の実施形態では、突起部３０８は、１．２７ミリメートル（ｍｍ）（0.05inches）の幅と、１．２７ｍｍ（0.05inches）の高さとを有することができる。
【００２８】
図３に示されるように、各開口部３０６の左右側面には、幅広の溝３１２が含まれる。この幅広の溝３１２によって、冷却媒体が、セグメント３０２〜３０４の開口部３０６内に挿入されたコイル組立体の周りを通過するのを可能にする。溝３１２は、任意の適切なサイズ及び形状の溝を有することができ、例えば深さ２．５４ｍｍ（0.1inches）の溝である。
【００２９】
図３には、磁気装置のコア３００の一例が示されているが、様々な変更を、図３のコアに対して行ってもよい。例えば、任意の数の下部及び上部セグメント３０２〜３０４を、コア３００に使用することができる。また、図３には、下部及び上部セグメント３０２〜３０４のサイズが、ほぼ等しく示されているが、これは必須ではなく、サイズ不均一の又は異なるセグメントの他の設計を使用することもできる。例えば、下部セグメント３０２は、コア３００のほぼ高さ全体に及ぶことがあり、及び１つ又は複数の上部セグメント３０２は、開口部３０６上に蓋を単に形成することがある。
【００３０】
図４Ａ及び図４Ｂには、本開示による第２の磁気装置４００の冷却媒体の流れの例が示されている。特に、図４Ａには、装置４００を側面から視たときに、冷却媒体が磁気装置４００を通って流れることが示されており、図４Ｂには、装置４００を頂部又は底部から視たときに、冷却媒体が磁気装置４００を通って流れることが示されている。
【００３１】
磁気装置４００は、コア４０２と、可変電流を運ぶことができるコイルを含むコイル組立体４０４とを有するようなインダクタを表す。コア４０２は、スライス又はセクション４０６に分割され、コア４０２のセクション分割は、装置４００内に形成される磁束の方向に対して平行な方向に又はこの磁束の方向と同一平面上となる方向に行うことができる。冷却流路４０８が、コア４０２のセクション４０６同士の間に存在する。図１のトランスと同様に、これらの冷却流路４０８によって、冷却媒体の流れ４１０がコア４０２を通過するのが可能になり、それによって、コア４０２から熱を除去するのを助長することができる。冷却流路４０８は、少なくともいくつかのセクション４０６の側面から突出するような突起部４１２を用いて形成することができる。コア４０２の１つ又は複数の表面は、溝４１４も含むことができる。
【００３２】
様々なタイプのインダクタを、ギャップが形成されたコアに使用して、（磁気）飽和を回避してもよい。例えば、共振コンバータで使用されるＡＣインダクタは、大抵の場合、磁束密度及び関連するコア損失を低減するために、特に大きなギャップを必要とする。しかしながら、単一の大きなギャップによって、隣接する巻線を貫通し、且つ追加の損失を発生させるような「フリンジ磁束」を生成することがある。これらの損失を低減するために、装置４００は、磁路の長さに沿って分布する複数の小さなギャップ４１６を使用する。従来は、コアの断面全体を覆うセラミック等の固体材料から形成されたスペーサーが、ギャップに導入される。装置４００では、断面領域の一部のみを覆うような複数の小さなスペーサー４１８が使用される。スペーサー４１８は、任意の適切な材料（複数可）から、任意の適切な方法で形成することができる。ギャップ４１６の存在と、このギャップ４１６を部分的に充填するような小さなスペーサー４１８の使用とによって、インダクタを通って流れるような追加の冷却媒体の流れ４２０を形成し、さらに装置４００を冷却する。冷却媒体の流れ４２０は、ここで装置４００の磁束の方向に対してほぼ直交しており、それによって、これらの流れ４２０は、冷却媒体の流れ４１０に対しほぼ直交することができる。
【００３３】
図４Ａ及び図４Ｂに示されるコア４０２は、各セグメント３０２〜３０４が水平方向ギャップ４１６及びスペーサー４１８を含むことを除いて、図３に示されるような全体構造と同じ構造を有することに注意されたい。いくつかの実施形態では、セグメント３０２〜３０４は、水平方向ギャップ４１６をより大きな構造体に作製し、次に、この大きな構造体を垂直方向スライス（当然のことながら、構成要素の他の向きが使用される）に切断するによって形成することができる。複数の下部セグメント３０２は、次に、下部コア半体を形成するために組み立てることができ、上部セグメント３０４は、上部コア半体を形成するために組み立てることができ、コイル組立体４０４を挿入することができ、セグメント３０２〜３０４を互いに接続することができる。この手順によって、隣接するセグメントのギャップ４１６同士の間にあるオフセットがもたらされ、このオフセットの許容値は、コアをセグメントにスライスすることによって失われたコア領域を補うように決定することができる。厳しい公差のインダクタが必要な場合は、そのインダクタンスは、１つ又は複数のギャップ４１６をトリミングすることによって調整できることに注意されたい。図示しないが、磁気装置４００のコイル組立体４０４は、絶縁体の存在下であっても、装置４００をさらに冷却するのに役立つような、１つ又は複数の冷却流路も含むことができる。
【００３４】
図４Ａ及び図４Ｂには、第２の磁気装置４００の冷却媒体の流れの例が示されているが、様々な変更を、図４の磁気装置に対して行ってもよい。例えば、コア４０２は、任意の適切な数のセクション４０６を含むことができる。また、コイル組立体４０４は、任意の適切な巻回を含むことができる。さらに、任意の適切な数の突起部４１２及び冷却流路４０８を使用することができ、任意の適切な表面（複数可）には、溝４１４を設けることができる。
【００３５】
図５Ａ〜図９Ｂには、本開示による磁気装置のコイル組立体用の冷却流路の例が示されている。上述したように、磁気装置内のコイル組立体は、コイル組立体の巻線（複数可）に亘って冷却媒体を供給するのに役立つような冷却流路を含むことができる。これにより、磁気装置をさらに冷却するのを助長することができる。
【００３６】
図５Ａ及び図５Ｂには、冷却流路をコイル組立体内に形成するための例示的な方法が示されている。図５Ａに示されるように、スペーサー５０２は、複数の溝５０４を含む。溝５０４は、スペーサー５０２の高さ全体に亘って延びており、スペーサー５０２の両面に配置されている。スペーサー５０２及び溝５０４は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有することができる。特定の実施形態では、スペーサー５０２は、２．５４ｍｍ(0.1inches)の全体的な厚さを有しており、各溝５０４は、スペーサー５０２内に１．５７５ｍｍ(0.062inches)延びている。スペーサー５０２は、任意の適切な材料（複数可）、例えばガラスエポキシ等の絶縁材料から形成することができる。
【００３７】
図５Ｂに示されるように、コイル組立体５０６は、第１の巻線５０８と第２の巻線５１０とを分離するために使用されるような２つのスペーサー５０２を含む。スペーサー５０２は、それらスペーサーが異なる巻線の間で別々に配置されているので、巻線同士の間の絶縁体を表す。各スペーサー５０２が、そのスペーサーの両面に溝５０４を有しているので、冷却媒体が、スペーサー５０２を通って流れることができ、両方の巻線５０８〜５１０から熱を除去することができる。２つの追加のスペーサー５１２〜５１４を、コイル組立体５０６の外側で使用することができる。これらのスペーサー５１２〜５１４は、それらのスペーサーがコアからの巻線の間で別々に配置されているので、コアと巻線との間の絶縁体を表す。コアに形成された溝５１６によって、冷却媒体が、コアとスペーサー５１２〜５１４との間で流れることを可能にし、コイル組立体５０６から熱をさらに除去することができる。
【００３８】
図６には、コイル組立体用の別のスペーサー６００の例が示されている。スペーサー６００は、ここで、ガラスエポキシ等の１つ又は複数の絶縁材料から形成することができる。様々な流路６０２が、機械加工又は型成形等によって、スペーサー６００の側面に形成される。１つ又は複数のコイルが、スペーサー６００に巻き付けされるとき、流路６０２は、コイルの周りを流れる冷却媒体用の通路を提供する。
【００３９】
図７Ａ〜図７Ｃには、コイル組立体用の別のスペーサー７００の例が示されている。図７Ａに示されるように、スペーサー７００は、（ガラスエポキシ等の）１つ又は複数の絶縁材料から形成することができ、様々な流路７０２が、（機械加工又は型成形等によって）スペーサー７００の側面に形成される。図７Ｂに示されるように、複数のスペーサー７００（例えば、４のスペーサー）は、コイル組立体７０４においてコアと巻線との間の絶縁材及び巻線同士の間の絶縁材として使用することができる。図７Ｃに示されるように、スペーサー７００の少なくとも一部の流路７０２は、可変サイズとすることができる。この例では、スペーサー７００の長辺上の流路７０２は、最も内側のスペーサー７００が最も狭い流路７０２を有しており、最も外側のスペーサー７００が最も幅広の流路７０２を有するように変化する。
【００４０】
図８には、コイル組立体用のさらに別のスペーサー８００の例が示されている。スペーサー８００は、（ガラスエポキシ等の）１つ又は複数の絶縁材料から形成することができ、様々な流路８０２が、（機械加工又は型成形等によって）スペーサー８００の側面に形成される。ここでは、流路８０２は、頂部から底部へほぼ直線の側面を有しており、スペーサー８００の高さに沿って実質的に直線状の流路８０２がもたらされる。
【００４１】
図９Ａ及び図９Ｂには、コイル組立体用のさらに別のスペーサー９００の例が示されている。図９Ａでは、スペーサー９００は、（ガラスエポキシ等の）１つ又は複数の絶縁材料から形成することができ、様々な流路９０２が、（機械加工又は型成形等によって）スペーサー８００の側面に形成される。ここでは、流路９０２は、例えば図５Ａ〜図８において示された他の実施形態よりも多い数の流路及びより深い流路である。図９Ｂでは、複数の巻線９０４〜９０６が、スペーサー９００に巻回されており、及び流路９０２は、作動中に、これらの巻線９０４〜９０６を冷却するための冷却媒体用通路を提供するために使用される。
【００４２】
図５Ａ〜図９Ｂには、磁気装置のコイル組立体用の冷却流路の例が示されているが、種々の変更を図５Ａ〜図９Ｂのコイル組立体に対して行ってもよい。例えば、図５Ａ〜図９Ｂに確認されるように、各種の冷却流路を、コイル組立体で使用される絶縁スペーサーに設けることができる。他のサイズ、形状、又は寸法を有する他の冷却流路を、磁気装置に使用することができる。また、これらの冷却流路の組み合わせは、コアと巻線との間のスペーサーが一形態の冷却流路を有しており、巻線同士の間のスペーサーが別形態の冷却通路を有している場合に、使用することができる。
【００４３】
図１０には、本開示による冷却流路を含む磁気装置を備えた組立体１０００の例が示されている。図１０に示されるように、組立体１０００は、組立体１０００の他の構成要素を包み込むようなハウジング１００２を含む。このハウジング１００２は、（空気又は流体等の）冷却媒体がハウジング１００２に流入する１つ又は複数の流入口１００４と、冷却媒体がハウジング１００２から流出する１つ又は複数の流出口１００６とを有する。ハウジング１００２は、冷却すべき少なくとも１つの構成要素を包み込むように構成された任意の適切な構造体を含む。流入口１００４及び流出口１００６は、冷却媒体の通過を可能にするように構成された任意の適切な構造体を含む。空気を冷却媒体として使用するようないくつかの実施形態では、流入口１００４及び流出口１００６にはファンが取り付けられる。
【００４４】
ハウジング１００２内の構成要素１００８は、冷却すべき磁気装置を表す。この例での構成要素１００８は、トランスを表すが、この構成要素は、インダクタ又は他の磁気装置を表すことができる。構成要素１００８は、上述したように、コア及びコイル組立体を通る様々な冷却流路を含むことができる。
【００４５】
絞り機構プレート１０１０が、ハウジング１００２及び冷却すべき構成要素１００８に接合又は他の方法で接続される。絞り機構プレート１０１０は、ハウジング１００２と構成要素１００８とのシールを形成しており、それによって、流入口１００４から流出口１００６に流れる冷却媒体が、構成要素１００８の冷却流路を通って流れるように強制的に送り込まれる。絞り機構プレート１０１０は、プラスチック等の任意の適切な材料（複数可）から形成することができる。
【００４６】
組立体１０００は、任意の適切なより大きな装置又はシステムの一部を形成することができる。例えば、組立体１０００は、高密度、高電圧電源を使用するような防空システム又は他のシステムで使用することができる。組立体１０００は、様々なタイプの高電圧出力コンバータ、電気系統又は太陽光グリッドもしくはマイクログリッド、及びこのような高密度出力コンバータを使用するような種々の商業用途に使用することができる。
【００４７】
図１０には、冷却流路を含む磁気装置を有するような組立体１０００の例が示されているが、種々の変更を、図１０の組立体に対して行うことができる。例えば、組立体１０００は、任意の数の冷却すべき構成要素を含むことができる。
【００４８】
図１１Ａ〜図１１Ｃには、本開示による冷却流路を含む磁気装置を有するような別の組立体１１００の例が示されている。図１１Ａ〜図１１Ｃに示されるように、組立体１１００は、セグメントに分割されたセグメント化コア１１０２を有するような磁気装置を含む。セグメント化コア１１０２は、この例では、５つのセグメント１１０４を含むが、コア１１０２は、任意数のセグメント１１０４を含むことができる。セグメント１１０４は、コイル組立体（それ自体に冷却流路を含む又は含まないコイル組立体）を挿入することができるような開口部１１０６を含む。
【００４９】
組立体１１００は、セグメント１１０４から熱を除去するために、コア１１０２のセグメント１１０４に冷却媒体を供給するような複数の冷却ループも含んでいる。少なくとも１つのポンプ１１０８が、冷却ループ内で冷却媒体の移動を生じさせるように作動する。ポンプ１１０８は、冷却媒体の移動を形成するための任意の適切な構造体を含む。単一のポンプ１１０８が、複数の冷却ループと共に使用することができ、又は各冷却ループが独自のポンプ１１０８を有することができることに注意されたい。また、ポンプ１１０８のサイズは、例えば、組立体１１００使用される特定の用途に応じて変化する可能性があることに注意されたい。
【００５０】
各冷却ループは、供給及び返送チューブ１１１０ａ〜１１１０ｂと、供給及び返送マニホールド１１１２ａ〜１１１２ｂとを含む。供給チューブ１１１０ａは、ポンプ１１０８から供給マニホールド１１１２ａに冷却媒体を供給する。各供給マニホールド１１１２ａは、側部冷却流路１１１４及びコアセグメント１１０４のうちの１つに関連する中央冷却流路１１１６に冷却媒体を輸送する。側部冷却流路１１１４が、セグメント１１０４の外面に沿って冷却媒体を輸送する一方、中央冷却流路１１１６が、セグメント１１０４を通して冷却媒体を輸送する。供給マニホールド１１１２ａが、明瞭にするために、図１１Ｃにおいて取り外されている。冷却媒体は、そのセグメント１１０４から熱を除去するように、コア１１０２の各セグメント１１０４から流路１１１４〜１１１６を通って流れる。各返送マニホールド１１１２ｂは、セグメント１１０４のうちの１つで流路１１１４〜１１１６から冷却媒体を受け取り、返送チューブ１１１０ｂを通じて１１０８ポンプに冷却媒体を供給する。このように、組立体１１００は、磁気装置のコア１１０２のセグメント１１０４内に及びこれらセグメントの周囲に冷却媒体を循環させるような冷却システムを形成する。コア１１０２は、ここでは、トランスに使用されるコアに似ているが、コア１１０２はまた、（水平方向及び垂直方向の流れ等の）追加の冷却媒体の流れを有するようなインダクタ又は他の磁気装置のコアを表すこともできることに注意されたい。
【００５１】
特定の実施形態では、組立体１１００は、磁気構成要素用の専用の筐体を使用する必要がないような中程度の電力出力用途に使用することができる。また、特定の実施形態では、チューブ１１１０ａ〜１１１０ｂは、非金属材料（複数可）から形成することができ、冷却流路１１１４は、熱伝導性材料（複数可）を使用して形成することができる。また、冷却流路のサイズ（複数可）及び構成（複数可）は、特定の用途のための熱的な及びパッケージングの要件を満たすように設計することができる。
【００５２】
図１１Ａ〜図１１Ｃには、冷却流路を含む磁気装置を有するような組立体１１００の別の例が示されているが、様々な変更を、図１１Ａ〜図１１Ｃの組立体に対して行ってもよい。例えば、冷却流路１１１６は、コア１１０２のセグメント１１０４を通るような循環通路を形成するものとして示されているが、冷却流路１１１６は、任意の他の適切な断面形状を有することができる。また、複数の冷却流路１１１６を、各セグメント１１０４を貫通して形成することができる。
【００５３】
図１２には、本開示による冷却流路を有する磁気装置を形成するための方法例１２００が示されている。図１２に示されるように、磁気装置についての可能な設計が、ステップ１２０２で特定される。この設計特定は、例えば、トランス又はインダクタの設計及びの動作特性を特定することを含む。磁気装置の設計は、ステップ１２０４で最悪の可能性を想定する動作条件の下でのその期待動作を特定するために分析される。この分析は、例えば、長期間の連続運転中での設計されたトランス又はインダクタの挙動をシミュレートすることを含む。全電力消費、損失、コアと磁気装置の巻線との間の絶縁破壊について、シミュレートした動作に基づいて、ステップ１２０６で特定される。
【００５４】
磁気装置におけるコアの所望の温度が、ステップ１２０８で特定される。この温度特定は、例えば、シミュレーションに基づいて、長期間安定動作を維持するために、コアの所望の温度を特定することを含むことができる。コアのセクション数が、ステップ１２１０で特定される。この数特定は、例えば、コアを、一体成形の中実コアを用いて所望の温度に又はより低い温度に維持するかどうかを判定することが含まれる。そうでない場合に、所望の温度に又はより低い温度にコアを維持するために必要な（関連する冷却流路を含む）コアセクションの数を特定することができる。コアセグメントの数の特定は、最終要素モデルを分析し使用する等の、任意の適切な方法で決定することができる。
【００５５】
個々のコアセクションを作製するとともにこれを使用して、ステップ１２１２でコア半体を形成する。この作製は、例えば、上部及び下部コアセグメントを製造することを含んでおり、ここで少なくとも一部のコアセグメントが、突起部又は一体型冷却流路を有する。これは、例えば、特注品のフェライト又は他のコアを機械加工することによって、或いは型成形することによって、行うことができる。下部セグメントは、下部コア半体を形成するために一緒に接合され又は他の方法で接続され、上部セグメントは、上部コア半体を形成するために一緒に接合され又は他の方法で接続される。各コア半体は、突起部、又は一体型冷却流路を使用して形成された１つ又は複数の冷却流路を含むことができる。必要に応じて、ギャップが、ステップ１２１４において形成される。このギャップ形成は、例えば、コアセグメントを通るような、又はコアセグメントを形成するために使用されるより大きなブロック材料を通るような水平方向切欠きを形成し、水平方法スペーサーをこれら切欠き内に挿入することを含む。インダクタが形成されるとき、ギャップの数及びサイズ（複数可）は、インダクタの所望のインダクタンス値に基づいて選択することができる。ギャップの形成は、コアセグメントの製造、コア半体の製造、又はコア全体の製造中にいつでも行える可能性があることに注意されたい。
【００５６】
コイル組立体が、ステップ１２１６で形成される。これは、例えば、任意の適切な数の巻回を含む１つ又は複数のコイルを有するようなコイル組立体を形成することを含む。この形成はまた、コイル組立体の形成中に、１つ又は複数の絶縁スペーサーを使用することを含むことができる。少なくとも１つの絶縁スペーサーは、冷却媒体が、絶縁スペーサーを通って流れ、且つコイル（複数可）から熱を除去することを可能にするような冷却流路を含むことができる。
【００５７】
コイル組立体は、ステップ１２１８で、１つのコア半体に設置され、これらコア半体は、ステップ１２２０において接続される。この接続は、例えば、下部コア半体の開口部内にコイル組立体を配置し、上部コア半体を下部コア半体接続する（ここでは、上半体と下半体とが逆にされているが）ことが含まれる。これらの半体は、任意の適切な方法で接続することができる。磁気装置の形成は、ステップ１２２２で終了する。この形成は、例えば必要に応じて、外部の静電シールド及び磁気シールド又は他の構成要素を形成することを含む。
【００５８】
図１２には、冷却流路を有する磁気装置を形成するための方法１２００の一例が示されているが、様々な変更を、図１２の方法に対して行ってもよい。例えば、一連のステップとして示されているが、図１２の様々なステップをオーバーラップさせるか、並列に発生させる、異なる順序で発生させる、或いは複数回発生させることができる。
【００５９】
以上の説明では、参照が、空気又は流体を使用して磁気装置の冷却をサポートすることについて行ってきた。しかしながら、ここで説明するアプローチを、単一の磁気装置と共に、複数の磁気装置を含む組立体と共に使用することができる。また、対流、対流及び伝導、強制空冷、強制液冷を含むような様々な方法が、磁気装置を冷却するために使用することができる。任意の適切な冷却媒体には、水、水とエチレングリコールとの混合物、油、大気ガス、又は極低温ガスを用いることができる。冷却媒体の制御が、必要とされても又は必要とされなくてもよいし、とりわけ消費される電力に依存し得る。これに加えて、コアでの冷却流路と磁気装置のコイル組立体での冷却流路との両方の使用が説明されるが、磁気装置は、コア内の冷却流路又はコイル組立体内の冷却流路を含むことができる。
【００６０】
なお、本特許明細書の全体を通して使用される特定の単語や語句の規定を説明することが有利であり得る。用語「含む、有する(include)」及び「備える、有する、含む(comprising)」並びにその派生語は、非限定的な包含を意味する。用語「又は」は包括的であり、「及び／又は」を意味する。「〜と関連付けられた」という語句及びその派生語は、〜を含む、〜内に含まれる、〜と相互接続する、〜を収容する、〜内に収容される、〜に又は〜と接続する、〜に又は〜と結合する、〜と通信する、〜と協働する、〜を交互配置する、〜を並置する、〜に近接する、〜に又は〜と接合する、〜を有する、〜の性質を有する、〜への又〜との関係を有する等を意味する。語句「〜の（うちの）少なくとも１つ」は、項目のリストで使用されるときに、列挙された項目のうちの１つ又は複数の異なる組み合わせを用いてもよく、リスト内の１つの項目のみが必要とされてもよいことを意味する。例えば、「Ａ、Ｂ、及びＣの少なくとも１つ」は、以下のいずれかの組み合わせが含まれる：Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡとＢ、ＡとＣ、ＢとＣ、及びＡとＢとＣが含まれる。
【００６１】
本開示について、特定の実施形態及び一般に関連する方法を説明したが、これらの実施形態及び方法の変更及び置換は当業者には明らかであろう。従って、例示的な実施形態についての上記の説明は、本開示を規定又は制約するものではない。他の変更、置換、及び交換は、以下の特許請求の範囲によって規定されるように、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、可能である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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