KR20150014950A - Plastic cooler for cooling electronic components - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자 부품이나 모듈을 냉각용 플라스틱 냉각기에 관한 것으로, 냉각 유체 공급용 공급 채널; 냉각 유체 배출용 배출 채널; 상기 공급 채널로 부터 배출 채널로 냉각 유체를 순환시키도록 공급 채널 및 배출 채널과 연통된 적어도 하나의 요홈 형태의 웰(well)을 포함하고, 상기 웰은 상부가 개방되어 그 위에 기밀되게 장착되는 전자부품의 저면에 웰을 통해 순환되는 냉각 유체가 직접 접촉하여 전자 부품을 냉각시키도록 구성된다. 이러한 본 발명의 냉각기는 모듈들에 대한 장착 영역을 제공할 뿐만 아니라, 경량성, 공간 보존, 부품들에 대한 내식성 냉각을 제공한다. 냉각기는 코어 손실에 의해서 발생된 열을 흡수하도록 인덕터의 코어에 장착될 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plastic cooler for cooling electronic components or modules, A discharge channel for discharging the cooling fluid; And at least one well-shaped well communicating with a supply channel and an outlet channel to circulate the cooling fluid from the supply channel to the discharge channel, wherein the well is open at the top and hermetically mounted thereon The cooling fluid circulating through the well is directly contacted to the bottom surface of the component to cool the electronic component. This cooler of the present invention not only provides a mounting area for the modules, but also provides lightweight, space-saving, corrosion-resistant cooling to the components. The cooler may be mounted to the core of the inductor to absorb heat generated by the core loss.
Description
관련 출원의 상호 참조Cross reference of related application
본 출원은 2007년 1월 22일자로 출원된 미합중국 임시 특허출원번호 제 60/885,932 호의 우선권을 주장한다.This application claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 885,932, filed January 22, 2007.
본 출원은 일반적으로 전자부품들의 냉각에 관한 것이다. 본 출원은 보다 상세하게는 가변 구동을 위한 냉각장치에 사용되는 전자 부품 냉각용 플라스틱 냉각기에 관한 것이다.The present application relates generally to the cooling of electronic components. BACKGROUND OF THE
가열, 통풍, 공기조화 및 냉방((HVAC&R) 응용을 위한 가변속 드라이브(VSD)는 정류기나 컨버터, DC 링크 및 인버터를 포함할 수 있다. 전류 소오스 인버터 기술을 응용한 가변속 드라이브들은 액체 냉각식 인덕터들을 자주 활용한다. 중전압 변속 드라이브들은 액체 냉각식 인덕터들을 또한 자주 활용한다.Variable speed drives (VSDs) for heating, ventilation, air conditioning and cooling (HVAC & R) applications can include rectifiers or converters, DC links and inverters. Variable speed drives employing current- Medium voltage variable drives frequently utilize liquid cooled inductors.
액체 냉각식 코일 인덕터가 사용되는 경우, 코일 인덕터들은 타원형상으로 압축되는 구리관들이 될 수 있다. 냉각제는 인덕터 배관을 직접 통과하면서 순환되며 구리가 냉각 매체 내로 도금되는 것을 회피하기 위해 탈이온수의 사용을 필요로 한다. 탈이온 냉각 루프는 냉각장치의 일부인 여러 다른 부품들 뿐만아니라 냉각제가 인덕터 배관과 접촉함에 따라서 냉각을 필요로 하는 다양한 전자 부품들 사이에 양호한 전기 절연을 가능하게 한다. When a liquid cooled coil inductor is used, the coil inductors can be copper tubes which are compressed in an elliptical shape. The coolant circulates directly through the inductor tubing and requires the use of deionized water to avoid copper being plated into the cooling medium. The deionization cooling loop allows for good electrical isolation between various other components that are part of the cooling system as well as various electronic components that require cooling as the coolant contacts the inductor tubing.
VSDs 및 인덕터와 관련하여 위에서 논의한 주제에 추가하여, 과거에 파워 어셈블리 디자인은 부피가 크고 무게가 많이 나가는 것이었다. 이들은 액체 전해질 및 밀봉재의 사용과 연관된 고유한 마모 메카니즘을 갖는 알루미늄 전해 캐패시터를 이용하였다. 알루미늄 전해 캐패시터들은 물리적으로 무겁고, 그들의 원통형상으로 인하여 장착이 어려웠다. 히트싱크들은 구리나 알루미늄 재료로 구성되었다. 알루미늄은 구리 성분들이 냉각 유체와 직접 접촉하는 폐쇄 루프 냉각장치에서 사용되는 경우에 부식문제를 야기한다. 금지된 유체가 사용되는 경우에도, 알려진 수명을 가지며, 주기적이고 규칙적인 보수를 필요로 한다. 그들의 상당한 무게로 인하여, 이러한 파워 어셈블리 디자인들은 진동의 결과로서 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 내에서 와이어본드 실패의 영역에서 취약함을 나타낸다. 이러한 취약함은 IGBT 모듈을 장착하는 히트싱크와 IGBT 모듈들을 전기적으로 함께 연결하는 적층 버스바(busbar) 사이에서 온도변화로 인한 파워/열 순환의 결과로서 널리 퍼져있다. 파워 어셈블리는 통상적으로 캐패시터들이 삽입되는 금속 프레임을 필요로 한다. TGBT 파워 모듈들은 통상적으로 히트싱크 위로 장착되고, 히트 싱크는 금속 프레임에 통상적으로 부착된다. 끝으로, 적층된 버스바 어셈블리는 어셈블리의 상부에 자주 위치하고, 스크루와 클램프들이 부조립체로서 조립체를 함께 고정시키는데 사용되는데, 이들은 디자인의 부피와 하중을 추가시키게 된다.In addition to the topics discussed above with respect to VSDs and inductors, in the past, power assembly designs were bulky and heavy. They used aluminum electrolytic capacitors with inherent wear mechanisms associated with the use of liquid electrolytes and seals. Aluminum electrolytic capacitors are physically heavy and difficult to mount due to their cylindrical shape. The heat sinks were made of copper or aluminum material. Aluminum causes corrosion problems when used in a closed loop cooling system in which copper components are in direct contact with the cooling fluid. Even when forbidden fluids are used, they have a known lifetime and require periodic, regular maintenance. Due to their significant weight, these power assembly designs exhibit weakness in the area of wire bond failure within the insulated gate bipolar transistor (IGBT) as a result of vibration. This vulnerability is widespread as a result of power / thermal cycling due to temperature changes between a heat sink with an IGBT module and a laminated bus bar electrically connecting the IGBT modules together. Power assemblies typically require a metal frame into which the capacitors are inserted. The TGBT power modules are typically mounted above the heat sink, and the heat sink is typically attached to the metal frame. Finally, stacked bus bar assemblies are often located on top of the assembly, and the screws and clamps are used to secure the assembly together as a subassembly, which adds to the volume and load of the design.
개시된 장치들 및/또는 방법들의 장점들은 이와같은 필요성들중 하나 또는 그 이상을 충족시키거나 혹은 다른 바람직한 특징들을 제공하는 것이다. 다른 특징과 장점들은 본 명세서를 통해서 명백하게 밝혀질 것이다. 하기 실시 예들에 관하여 서술하는 내용들은 위에서 언급한 필요성들중 하나 또는 그 이상을 달성하는지의 여부에 관계없이 특허청구범위의 영역 내에 있다. The advantages of the disclosed devices and / or methods are to meet one or more of these needs or to provide other desirable features. Other features and advantages will be apparent from the specification. The following description of the embodiments is within the scope of the claims whether or not they achieve one or more of the above-mentioned needs.
일 실시 예는 전자 부품들을 냉각시키기 위한 플라스틱 냉각기를 포함하는데, 이는 베이스, 상기 베이스의 상부에 형성되어 상부로 개방된 냉각 웰(well), 냉각 웰로 도입될 냉각유체를 수용하기 위하여 상기 베이스에 형성된 공급 채널, 운반될 냉각 유체가 상기 냉각 웰로부터 나와서 통과하도록 상기 베이스에 형성된 배출 채널, 상기 냉각 웰에 형성되어 상기 공급 채널과 연통하는 냉각 웰 유입구, 그리고 상기 냉각웰 유입구에 대향하여 상기 냉각 웰에 형성되어 상기 공급 채널과 연통하는 냉각 웰 배출구를 포함한다. 공급 채널은 냉각 유체가 냉각기를 통해서 유동하는 경우에 공급 채널에 걸친 압력강하가 웰에 걸친 압력강하보다 상당히 작도록 웰과 냉각웰 유입구와 배출구의 크기 및 유동 특성들에 대하여 충분히 크다.One embodiment includes a plastic cooler for cooling electronic components comprising a base, a cooling well formed at the top of the base and open at the top, a cooling well formed in the base to receive a cooling fluid to be introduced into the cooling well A supply channel, a discharge channel formed in the base to allow the cooling fluid to be transported to flow out of the cooling well, a cooling well inlet formed in the cooling well and in communication with the supply channel, And a cooling well outlet communicating with the supply channel. The feed channel is large enough for the size and flow characteristics of the well and the cooling well inlet and outlet such that the pressure drop across the feed channel is significantly less than the pressure drop across the well when the cooling fluid flows through the cooler.
다른 예는 입력 AC전압을 제공하는 AC전력원에 연결된 컨버터 스테이지, 상기 컨버터 스테이지에 연결된 DC링크, 그리고 상기 DC 링크에 연결된 인버터 스테이지를 갖는 VSD장치를 구비한 가변속 구동장치용 플라스틱 냉각장치를 포함한다. 플라스틱 냉각장치는 또한 가변속 구동장치에 있는 부품들을 냉각시키기 위한 냉각장치를 포함한다. 냉각장치는 전자부품과 결합하여 이를 고정시키기 위한 다수의 패스너들을 수용하도록 구성된 플라스틱 냉각기를 포함한다. Another example includes a plastic cooling device for a variable speed drive having a VSD device having a converter stage coupled to an AC power source providing an input AC voltage, a DC link connected to the converter stage, and an inverter stage connected to the DC link . The plastic cooling device also includes a cooling device for cooling the components in the variable speed drive. The cooling device includes a plastic cooler configured to receive a plurality of fasteners for engaging and securing the electronic component.
다른 실시 예는 코어와 코일을 갖춘 인덕터를 구비한 인덕터용 플라스틱 냉각장치를 포함한다. 냉각장치는 또한 코어와 열교환하는 히트싱크를 구비한다. 냉각장치에서 히트싱크에서의 액체 유동은 코어와 코일 손실에 의해서 발생된 열을 흡수한다. Another embodiment includes a plastic cooling device for an inductor having an inductor with a core and a coil. The cooling device also includes a heat sink for heat exchange with the core. In the cooling system, the liquid flow in the heat sink absorbs the heat generated by the core and coil losses.
여기에서 설명한 실시 예들의 장점들은 인덕터의 크기, 하중 및 비용이 감소하고 인덕터들의 코일들이 코어에 대한 열의 냉각전도를 제공한다는 것이다.Advantages of the embodiments described herein are that the size, load, and cost of the inductors are reduced and the coils of the inductors provide a cooling conduction of heat to the core.
대안적인 실시 예들은 다른 특징들에 관한 것이고, 특징들의 조합은 특허청구범위에서 일반적으로 다시 인용된다.
Alternate embodiments relate to other features, and combinations of features are generally recited in the claims.
도 1a 및 1b는 일반적인 장치 구성의 실시 예들의 개략적인 다이어그램이다.
도 2a 및 2b는 가변속 드라이브의 실시 예들의 개략적인 다이어그램이다.
도 3은 냉방장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 플라스틱 냉각기의 일 실시 예의 평면도이다.
도 5는 도 4의 선 3-3을 따라 도시한 플라스틱 냉각기의 단면도이다. 도 7은 도 4의 선 4-4를 따라 도시한 플라스틱 냉각기의 단면도이다.
도 6은 도 4의 플라스틱 냉각기의 웰과 오(O)링을 나타낸 평면도이다.
도 8은 웰과 오(O)링의 제 2 실시 예를 나타낸 평면도이다.
도 9는 필름 캐패시터, 플라스틱 냉각기 및 이와 연관된 장착 부품들을 나타낸 도면이다.
도 11은 5개 다리 코어, 액체 냉각식 인덕터를 나타낸 도면이다. 도 10은 5개 다리 코어, 액체 냉각 인덕터의 단면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 5개 다리 코어, 액체 냉각 인덕터의 CFD 분석을 나타낸 도면이다.Figures 1A and 1B are schematic diagrams of embodiments of general device configurations.
Figures 2a and 2b are schematic diagrams of embodiments of variable speed drives.
3 is a schematic view of a cooling apparatus.
4 is a plan view of an embodiment of a plastic cooler according to the present invention.
5 is a cross-sectional view of the plastic cooler shown along line 3-3 of FIG. 7 is a cross-sectional view of the plastic cooler shown along line 4-4 of FIG.
6 is a plan view showing a well and an O (O) ring of the plastic cooler of FIG.
8 is a plan view showing a second embodiment of a well and an O (O) ring.
Figure 9 shows a film capacitor, a plastic cooler and associated mounting components.
11 is a view showing a five-leg core, liquid cooling type inductor. 10 is a cross-sectional view of a five-legged core, liquid cooled inductor.
12 is a view showing CFD analysis of the five-leg core, liquid cooling inductor shown in Fig.
도 1a 및 1b는 일반적인 장치 구성을 나타낸 도면이다. AC 전력원(102)은 모터(106)(도 1A참조) 또는 모터(106)(도 1B참조)에 파워를 인가하는 변속드라이브(VSD)(104)에 전력을 공급한다. 모터(106)는 냉장 혹은 냉각장치(도 3 참조)의 대응하는 압축기를 구동시키도록 사용될 수 있다. AC전력원(102)은 현장에서 존재하는 AC 전력 그리드나 분배장치로부터 VSD(104)로 단상 또는 다상(즉, 3상) 고정전압과 고정 주파수의 교류(AC)전력을 제공한다. AC 전력원(102)은 대응하는 AC 전력 그리드에 따라서 50 Hz or 60 Hz의 라인 주파수로 200 V, 230 V, 380 V, 460 V, 또는 600 V의 AC전압 혹은 라인전압을 바람직하게 공급할 수 있다.1A and 1B are diagrams showing a general apparatus configuration.
VSD(104)는 AC전력원(102)으로부터 특별한 고정 라인전압과 고정 라인주파수를 갖는 AC전력을 수용하고, 특별한 요구조건을 만족시키도록 변할 수 있는 원하는 전압과 원하는 주파수로 그 AC전력을 모터(106)로 제공한다. 바람직하게는, VSD(104)는 모터(106)의 정격 전압과 정격 주파수보다 높은 전압과 주파수 혹은 낮은 전압과 주파수를 갖는 AC전력을 모터(106)로 제공할 수 있다. 다른 실시 예에 있어서, VSD(104)는 모터(106)의 정격 전압과 정격 주파수보다 높거나 낮은 주파수 그리고 같거나 낮은 전압을 제공할 수 있다. 모터(106)는 유도 전동기가 될 수 있거나, 아니면 가변 속도로 작동할 수 있는 소정 형식의 모터를 포함할 수 있다. 유도 전동기는 2개 자극, 4개 자극 혹은 6개 자극을 포함하는 소정의 적당한 자극 배열을 구비할 수 있다.The
도 2A 및 2B는 VSD(104)의 다른 실시 예들을 나타낸 도면이다. VSD(104)는 3개의 스테이지; 컨버터 스테이지(202), DC링크 스테이지(204) 및 하나의 인버터(206)(도 2A 참조)나 다수의 인버터들(206)(도 2B 참조)을 갖춘 출력 스테이지를 구비할 수 있다. 컨버터(202)는 AC전력원(102)으로부터 나오는 고정 라인 주파수, 고정 라인 전압의 AC전력을 DC전력으로 변환시킨다. DC링크(204)는 컨버터(202)로부터 나오는 DC전력을 필터링하여 에너지 저장 부품들에게 제공한다. DC링크(204)는 높은 신뢰율과 매우 낮은 실패율을 나타내는 수동장치들인 캐패시터들과 인덕터들로 구성될 수 있다. 끝으로, 도 2A의 실시 예에 있어서, 인버터(206)는 DC링크(204)로부터 나오는 DC전력을 모터(106)에 대한 가변 주파수, 가변 전압 AC전력으로 변환시키고, 도 2B에 도시된 실시 예에 있어서, 인버터들(206)은 DC링크(204)에 병렬로 연결되고, 각각의 인버터(206)는 DC링크(204)로부터 나오는 DC전력을 대응하는 모터(106)에 대한 가변 주파수, 가변 전압 AC전력으로 변환시킨다. 인버터들(206)은 파워 트랜지스터들, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 파워 스위치들 및 와이어 본드 기술을 사용하여 상호 연결된 인버스 다이오드들을 포함할 수 있는 파워 모듈이 될 수 있다. 또한, VSD(104)의 DC링크(204)와 인버터들(206)이 적절한 출력전압과 주파수를 모터(106)에 제공할 수 있는 한, VSD(104)의 DC링크(204)와 인버터들(206)은 위에서 언급한 다른 부품들을 통합할 수 있다. 2A and 2B are diagrams illustrating other embodiments of the
도 1B와 2B를 참조하면, 각각의 인버터(206)가 인버터들(206)의 각각에 제공된 제어 명령어나 공통의 제어신호를 기초로 하여 대응하는 모터에 동일한 원하는 전력과 주파수로 AC전력을 제공하도록 인버터들(206)은 제어장치에 의해서 함께 제어된다. 다른 실시 예에 있어서, 각각의 인버터(206)가 인버터들(206)의 각각에 제공된 제어 명령어나 별도의 제어신호를 기초로 하여 대응하는 모터(106)에 다른 원하는 전력과 주파수로 AC전력을 제공할 수 있도록 인버터들(206)은 제어장치에 의해서 개별적으로 제어된다. 다른 전압과 주파수의 AC전력을 제공함으로써, VSD(104)의 인버터들(206)은 모터(106)를 보다 효과적으로 만족시킬 수 있고, 장치는 다른 인버터들(206)에 연결된 다른 모터(106)와 장치들의 요구조건들과는 독립된 명령을 제공한다. 예를 들면, 한 인버터(206)는 모터(106)에 전체 전력을 제공할 수 있는 반면, 다른 인버터(206)는 다른 모터(106)에 절반의 전력을 제공할 수 있다. 각각의 실시 예에서 인버터(206)의 제어는 제어 패널 또는 다른 적당한 제어장치에 의해서 이루어질 수 있다.1B and 2B, each
VSD(104)에 의해서 전력을 인가받는 각각의 모터(106)에 대하여, VSD(104)의 출력 스테이지에는 대응하는 인버터(206)가 존재한다. VSD(104)에 의해서 전력을 인가받을 수 있는 다수의 모터들(106)이 VSD(104) 내로 통합되는 인버터들(206)의 수에 의존한다. 일 실시 예에 있어서, 2개 또는 3개의 인버터들(206)이 VSD(104)에 통합될 수 있는데, 이들은 DC링크(204)에 병렬로 연결되고 대응하는 모터(106)에 전력을 인가하도록 사용된다. VSD(104)는 2개 내지 3개의 인버터들(206)을 가질 수 있는데, DC링크(204)가 인버터들(206)의 각각에 적절한 DC전압을 제공하고 유지할 수 있는한, 3개 이상의 인버터들(206)이 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. For each
도 3은 도 1A와 2A의 장치 구성과 VSD(104)를 사용하는 냉장 혹은 냉각장치의 실시 예를 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, HVAC, 냉장 혹은 액체 냉각장치(300)는 압축기(302), 응축기(304), 액체 냉각기 혹은 증발기(306) 및 제어 패널(308)을 포함한다. 압축기(302)는 VSD(104)에 의해서 전력을 인가받는 모터(106)에 의해서 구동된다. VSD(104)는 AC전력원(102)으로부터 특별한 고정 라인전압과 고정 라인주파수를 갖는 AC전력을 수용하고, 특별한 요구조건을 만족시키도록 변할 수 있는 원하는 전압과 원하는 주파수로 그 AC전력을 모터(106)로 제공한다. 제어 패널(308)은 아닐로그 디지털(A/D) 변환기, 마이크로프로세서, 비휘발성 메모리, 및 냉장장치(300)의 작동을 제어하기 위한 인터페이스 보드와 같은 다양한 부품들을 포함할 수 있다. 제어 패널(308)은 VSD(104), 모터(124) 및 압축기(106)의 작동을 제어하도록 사용될 수 있다.FIG. 3 illustrates an embodiment of the refrigeration or refrigeration apparatus using the
압축기(302)는 냉각제 증기를 압축하고 배출라인을 통해서 응축기(304)로 운반한다. 압축기(302)는 스크루 압축기, 원심형 압축기, 왕복 압축기, 스크롤 압축기 또는 다른 적당한 형식의 압축기가 될 수 있다. 압축기(302)에 의해서 응축기(304)로 운반된 냉각제 증기는 유체, 즉 공기나 물과 열교환을 하게 되고, 다음에는 유체와의 열교환의 결과로서 냉각제 액체로의 상변화를 겪게된다. 응축기(304)로부터 나오는 응축된 액체 냉각제는 대응하는 팽창장치(도시되지 않음)를 통해서 증발기(306)로 유동한다.
증발기(306)에 있는 액체 냉각제는 유체의 온도를 낮추기 위해서 유체, 즉 공기나 물과 열교환을 하게된다. 증발기(306)에 있는 냉각제 액체는 유체와의 열교환의 결과로서 냉각제 증기로의 상변화를 겪게된다. 증발기(306)에 있는 증기 냉각제는 증발기(306)를 빠져 나가고, 사이클을 완결하도록 흡입 라인에 의해서 압축기(302)로 복귀한다. 증발기(306)는 냉각 부하의 공급 라인과 복귀 라인에 대한 연결부들을 포함할 수 있다. 2차 액체, 예를 들어 물, 에틸렌, 염화칼슘 브라인 또는 염화나트륨 브라인은 복귀 라인을 거쳐서 증발기(306) 내로 이동하고 공급 라인을 거쳐서 증발기(306)를 빠져나간다. 증발기(306)에 있는 액체 냉각제는 2차 액체의 온도를 낮추기 위해서 2차 액체와 열교환을 하게된다. 응축기(304)와 증발기(306)에서 냉각제의 적절한 상 변화가 얻어질 수 있도록 제공된 응축기(304)와 증발기(306)의 적당한 구성이 장치(300)에 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.The liquid coolant in the
HVAC, 냉장 혹은 액체 냉각장치(300)는 도 3에는 도시되지 않은 많은 다른 특징들을 포함할 수 있다. 또한, 도 3은 단일 냉각 회로로 연결된 하나의 압축기를 갖는 HVAC, 냉장 혹은 액체 냉각장치(300)를 도시하였지만, 장치(300)는 도 1B와 2B에 도시된 바와 같이 단일의 VSD에 의해서 혹은 다중의 VSD에 의해서 전력을 인가받는 다중 압축기들을 구비할 수 있음을 이해할 수 있음을 이해할 수 있을 것이며, 일반적으로 도 1A와 2A에 도시된 실시 예에서는 하나 또는 그 이상의 냉각회로에서 각각 연결됨을 알 수 있다.The HVAC, refrigerated or
도 4 내지 도 8은 상기한 냉각장치에 적용될 수 있는, 전자 부품들이나 모듈들, 즉 고속 스위치들(IGBTs와 같은)(도시되지 않음)로 냉각 유체를 향하게 하는 본 발명에 따른 플라스틱 냉각기(10)를 도시하고 있다.Figures 4-8 illustrate a plastic cooler 10 according to the present invention that can be applied to the cooling system described above and directs the cooling fluid to electronic components or modules, such as high speed switches (such as IGBTs) (not shown) Respectively.
본 발명의 플라스틱 냉각기(10)는 구리나 알루미늄 기초 히트싱크보다 가벼우며, 제조 및 조립에 있어서 경제적이다. 냉각기를 통해서 순환하는 냉각 유체는 적당한 유체, 즉 물, 글리콜이나 냉매가 될 것이다. 또한, 플라스틱 냉각기(10)는 통상적으로 시간이 많이 걸리는 알루미늄 냉각기와 같이 부식되지 않는다. 플라스틱 냉각기는 반도체 모듈의 베이스플레이트로 하여금 섭씨 약 100도의 연속적인 사용 온도하에서 작동할 수 있게 한다.The
전자부품들이나 모듈들의 전체 작동을 용이하게 하기 위하여, 플라스틱 냉각기(10)는 섭씨 약 100도의 연속적인 온도에서 사용될 수 있고, 인화성(UL746A-E)에 대한 플라스틱 재료의 승인을 위해서 보험업자 연구소에서 규정한 적합한 표준을 만족시킨다. 냉각기(10)에 대하여 사용된 플라스틱 재료는 낮은 수준의 액체 흡수력을 가지며, 고 인장강도를 가져서 물리적으로 내구성이 있고, 사출성형되거나 기계가공될 수 있다. 냉각기(10)가 장착된 파워 어셈블리들이 온도와 전력 모두에 의해서 순환되기 때문에, 냉각기(10)의 플라스틱 재료는 플라스틱 냉각기(10)와 반도체 모듈 단자들에 부착된 구리 박막형 구조물 사이에서의 열팽창 계수의 부조화로 인한 반도체 모듈 내에서 와이어 본드 파괴를 피하기 위해 낮은 열팽창 계수를 나타내야 한다. 또한, 플라스틱 냉각기(10)는 단일의 적층 버스바 구조물이 전기적 연결을 위해서 사용될 수 있도록 다중의 파워 장치들을 함께 부착시킬 수 있고 이에 의해서 전체 파워 어셈블리의 크기와 하중이 감소할 수 있게 하는 패스너로서 작용한다. 플라스틱 냉각기(10)에 사용되는 플라스틱 재료는 노릴(Noryl(R)) (폴리페닐렌 산화물;polyphenylene oxide, 변형됨), 발록스(Valox(R)) (폴리부틸렌 테레프탈레이트; polybutylene terephthalate (PBJ)), 또는 베스펠(Vespel(R)) (폴리아미드; polymide)가 될 수 있다.To facilitate the overall operation of electronic components or modules, the
도 4에 도시된 플라스틱 냉각기(10)는 장착 공들(11)을 구비하는데, 이들은 전자부품들과 결합하고 현장에서 고정되는 스크루들이나 볼트들을 수용하도록 설계될 수 있다. 비록 플라스틱 냉각기(10)는 플라스틱 냉각기(10)의 베이스 플레이트에 전자 부품을 고정시키기 위해서 장착 공들을 사용하는 것으로 도시되었을지라도, 클램핑 장치들, 접착제, 용접 등과 같은 다른 고정 장치나 기술들이 전자 부품을 플라스틱 냉각기(10)에 고정시키기 위해서 사용될 수 있다.The plastic cooler 10 shown in Fig. 4 has mounting
2개의 주 유체 채널로서의 공급 및 배출 채널(12,13)들이 플라스틱 냉각기(10)에 기계가공되거나 형성되고, 이에 의해서 냉각 유체가 공급 채널(12)을 경유하여 냉각기(10) 내로 도입된 후 배출 채널(13)을 경유하여 냉각기(10)를 빠져나가게 될 것이다. 도시된 실시 예에 있어서, 이러한 채널들은 플라스틱 냉각기(10)의 길이방향을 따라서 연장되는 비교적 큰 원통형 채널이다. 채널들은 그들의 길이를 따라서 비교적 낮은 압력 강하를 갖도록 크기가 정해지고 형상화된다. The supply and discharge
플라스틱 냉각기(10)의 상부에는 적어도 하나의, 도면에 도시된 실시예에서는 복수개의 오목한 형태의 웰(20)들이 존재한다. 일 실시 예에 있어서, 상기 웰(20)은 각각 오(O)링이 배치될 오(O)링 홈(31)에 의해서 둘러싸여 유체가 누출되지 않게 밀폐된다. 냉각될 전자부품 또는 모듈들은 웰(20) 각각의 위로 제위치에 놓이고 장착공들(11)을 경유하거나 혹은 다른 장치들이나 기술들을 통해서 고정되며, 이에 의해서 오링에 의해 거쳐서 전자부품과 플라스틱 냉각기(10) 사이에 수밀이 생성된다. 냉각될 각각의 개별적인 전자부품이나 모듈에 대하여 개별적인 웰(20)이 존재할 수 있고, 전자부품은 웰(20)위로 직접적으로 위치하고, 그래서 전자부품의 저면은 냉각 유체와 직접 접촉하게 된다.On top of the plastic cooler 10 there are at least one well 20 in the form of a plurality of recesses in the illustrated embodiment. In one embodiment, each of the
웰(20)들은 냉각될 전자부품의 폭, 길이 및 형상과 부합하도록 설계된 폭과 길이 및 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 전자부품들이 스위치절환되는 HVAC 응용에 있어서, 웰(20)들은 약 1.5인치의 폭과 3인치의 길이를 가질 수 있다. 냉각 유체는 웰(20)에 형성된 유입구(21)를 통해서 공급 채널(12)로부터 웰(20)로 들어가고, 웰(20)을 통해서 유동한 다음, 배출구(22)를 빠져나가서 배출 채널(13)로 들어간다. 공급 채널(12)과 배출 채널(13)은 배출 채널(13)을 빠져 나가는 냉각 유체와의 냉각을 위해서 열교환기에 연결된다. The
플라스틱 냉각기(10)와 그것의 부품들은 냉각유체와 전자부품 사이에서 효율적이고 경제적인 방식으로 최적의 열전달을 제공한다. 0.02 내지 0.20인치 범위의 깊이를 가지며 0.05 내지 0.20인치의 유압 직경으로 연결되고 웰(20) 위로 위치된 전자부품의 표면에 대하여 약 90도 각도로 냉각 유체를 분사하는 90도 각도의 노즐들이 배치된 유입구를 구비하는 웰(20)들에 의해서, 최적의 결과들이 달성될 수 있다. 웰(20)들의 유압 직경은 다음의 방정식에 의해서 정의된다; 유압 직경 = 4×단면적/(2×웰 깊이 + 2×웰 폭). 도면들에 도시된 바와 같이 노즐들은 웰(20)의 단부에 바람직하게 위치하며, 그래서 냉각 유체는 전자부품의 표면과 노즐에 인접한 웰(20)의 벽들로부터 반사된다.The
노즐들은 전자부품의 표면에 대한 냉각유체의 충돌로 인하여 높은 정도의 난류를 증진시킨다. 이러한 난류는 웰 깊이와 유압 직경의 적절한 선택에 의해서 조절될 수 있다. 낮은 웰 깊이와 작은 유압 직경은 유동을 다시 약하게 하는 경향이 있으며, 이에 의해서 열전달에 있어서 어느정도의 향상을 감소시킨다. 다시 말해서, 깊은 웰 깊이나 큰 유압직경은 표면에 인접한 유체의 속도에서의 감소로 인하여 열전달 향상을 감소시키는 경향을 보인다.The nozzles promote a high degree of turbulence due to the collision of the cooling fluid with the surface of the electronic component. This turbulence can be controlled by appropriate choice of well depth and hydraulic diameter. The low well depth and small hydraulic diameter tend to weaken the flow again, thereby reducing some improvement in heat transfer. In other words, deep well depths or large hydraulic diameters tend to reduce heat transfer enhancement due to a decrease in the velocity of the fluid adjacent to the surface.
플라스틱 냉각기(10)는 웰에 적용되는 압력 강하보다 상당히 낮은 압력 강하를 공급 채널(12)의 길이에 걸쳐서 가질 수 있다. 공급 채널(12)에 걸친 감소된 압력은 이러한 상대적인 압력 강하관계를 달성하기 위해서 웰(20) 및 유입구(21)와 배출구(22)의 크기, 형상 및 유동특성에 대하여 적어도 공급 채널(12)의 크기를 증가시킴으로써 달성된다. 공급 채널(12)의 길이에 걸친 압력 강하는 개별적인 웰(20)에 걸친 압력 강하의 1/10보다 커서는 안된다. 일 실시 예에 있어서, 각각의 웰(20)은 동일한 크기, 형상 및 유량 특성을 갖는다.The
웰(20)의 유입구(21)와 배출구(22)는 긴 슬롯의 형태를 취한다. 슬롯들은 전자 부품들의 바닥면에 대하여 냉각유체를 흐르게 하는 노즐들로서 작용한다. 냉각 유체가 웰(20)의 각각 내로 유동함에 따라서 채널(13)에 걸쳐서 압력 강하가 측정될 수 없을만큼 유입구(21)와 배출구(22)는 채널들(12,13)과 비교하여 충분히 작다. 도 8에 도시된 바와 같이, 유입구(21)와 배출구(22)의 다른 실시 예가 도시되어 있고, 이에 의해서 유입구(21)와 배출구(22)는 실제로 웰(20)의 단부 내로 형성된 다수의 홀(25)들이 된다. 포트들(도 6 참조)은 웰의 바닥으로부터 공급 및 배출 채널(12,13)들 쪽으로 하방향으로 연장되는 긴 슬롯들로서 형성될 것이다. 이 슬롯들은 플라스틱 냉각기(10)의 표면에 대하여 수직하다. 이러한 조합은 상당한 충격압력 강하없이 열전달을 향상시키는 보다 거친 유동을 달성한다. 웰들, 유입구들 및 채널들의 복잡하지 않은 형상은 다양한 깊이들의 웰들을 가지며 난류를 향상시키기 위해서 유동 경로에 위치한 장애물들의 사용이 요구되는 다른 관련 장치들과 연관된 것보다 훨씬 용이한 제조를 제공한다. The inlet (21) and outlet (22) of the well (20) take the form of long slots. The slots act as nozzles that allow cooling fluid to flow against the bottom surface of the electronic components. The
채널들(12,13)은 두 채널들의 전체 길이를 따라서 실질적으로 동등한 압력을 제공하며, 그 결과 각각의 웰(20)에서 동일한 유입구 압력과 압력차를 볼 수 있으며, 동등한 유동을 가질 수 있어서 동등한 냉각 능력을 가질 수 있다.The
이러한 특성들을 갖는 채널들의 사용은 각각의 부수적인 웰에서 감소된 유동의 문제를 최소화하고, 바람직하게는 회피하게 된다.The use of channels with these properties minimizes, and preferably avoids, the problem of reduced flow in each of the subsidiary wells.
또한, 제 1 웰로부터 마지막 웰까지 일련의 냉각 유량을 갖는 것에 대응하여 각각의 웰(20)을 유입구(12)에 직접적으로 연결함으로써, 웰(20)의 모두의 냉각 능력을 최소화하는 깨끗한 냉각제가 각각의 웰(20)에 공급된다. A clean coolant that minimizes the cooling capacity of all of the
파워 어셈블리는 고전력 출력 수준이 요구되는 응용을 위해서 단상으로서 작동하거나, 또는 저전력 출력 수준이 요구되는 응용을 위해서 3상으로서 작동한다. 도 9를 참조하면, 필름 캐패시터(500)는 통상적인 전해질 캐패시터의 용도로서 사용된다. 필름 패캐시터(500)의 사용은 제조단가를 감소시키며, 어셈블리의 전체 하중을 감소시키고, 어셈블리의 전체 크기를 감소시키며, 장치의 신뢰성을 증가시킨다. 필름 캐패시터(500)는 통상적인 전해 캐패시터들이 사용되는 경우에 존재하는 전해질 액체를 증발시켜야 하는 필요성을 제거함으로써 어셈블리의 신뢰성을 향상시킨다. 다른 부품들이나 부조립체들, 즉 버스 플레이트들(506), 각이진 버스 플레이트들(508), IGBT 모듈들(512,514) 및 VSD 폐쇄부(도시되지 않음)에서 어셈블리를 부착하기 위한 장착장치를 장착시키기 위해서 장착 틈새들(504)이 캐패시터들(500) 상에 배치된다. 또한, 전체 어셈블리를 선반이나 다른 적당한 표면(도시되지 않음)에 장착시키기 위해서 장착 베이스들(510)이 필름 캐패시터(500) 상에 배치된다. 패스너들(516), 즉 스크루나 다른 적당한 패스너들이 부품들을 캐패시터에 고정하기 위해서 틈새(504)에 부합하도록 사용된다. The power assembly operates as a single phase for applications requiring high power output levels, or as a three phase for applications requiring low power output levels. Referring to Figure 9, the
다른 예에 있어서, 추가적인 전자 부품들이 웰과 대향하는 표면상에서 플라스틱 냉각기(10)에 부착될 수 있다. 추가적인 개방 웰들이 대향하는 표면상에 포함될 것이며, 추가적인 파워장치로부터 나오는 열은 플라스틱 냉각기에서 추가적인 전자부품의 바닥과 직접적으로 접촉하는 액체 냉각제에 의해서 제거될 수 있다. 이와는 달리, 만일 대향하는 표면 상에 냉각 웰이 사용되지 않으면, 전자부품들은 열을 부품을 통해서 플라스틱 냉각기로 다음에는 액체로 전달함으로써 냉각될 수 있다.In another example, additional electronic components may be attached to the
도 10을 참조하면, 인덕터(400)는 2개의 주요 부조립체들, 즉 코어(402)와 코일(403)를 포함한다. 코어(402) 부조립체는 라미네이션으로 불리는 다수의 얇은 강 스트립들(404)로서 구성될 수 있다. 다중의 라미네이션 시이트들(404)은 인덕터(400)의 코어(402)를 형성하도록 쌓인다. 제조과정 동안에, 라미네이션(404)의 전기저항성을 개선하기 위해서 실리콘이 강에 추가될 수 있다. 라미네이션(404)의 그레인 배향은 손실들을 낮추고, 코어(402) 재료의 유용한 작동의 경계를 연장시킨다. 라미네이션들(404)은 인덕터(400)의 작동 주파수가 증가함에 따라서 관심도가 증가하는 와상전류 및 와상전류와 연관된 손실들을 최소화하도록 사용된다. 실리콘 강 라이네이션(404)이 일 실시 예에서 사용될 수 있지만, 다른 형식의 적당한 재료가 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 대안적인 라미네이션 재료들은, 하기의 예로서 제한되는 것은 아니지만, 니켈 철, 코발트 합금, 분말화 철, 제 1 합금, 몰리브덴 퍼멀로이 분말화 철, 니켈-철 분말, 세라믹 페라이트, 망간 아연 페라이트, 니켈 아연 페라이트 및 망간 페라이트를 포함한다. 10, the
코어 손실들은 히스테리시스 손실과 와상전류 손실에 의해서 야기되며, 손실들은 코어(402)의 작동 온도를 증가시키고 인덕터(400)의 효율을 감소시킨다. 코어(402)의 작동온도는 절연재료나 광택제와 같이 인덕터(400)에서 사용되는 다른 재료에 영향을 미친다. 각각의 재료는 최대 작동온도를 가지며, 코어(402)의 작동온도는 절연 재료에 대한 유용한 옵션을 결정한다. 절연재료가 감소됨에 따라서 작동온도가 사용에 유용한 옵션들의 수를 증가시킴에 따라서, 재료비가 증가하게 된다. 인덕터의 유효수명은 인덕터의 작동온도가 증가함에 따라서 영향을 받게 된다.The core losses are caused by hysteresis losses and eddy current losses, which increase the operating temperature of the
코일(403) 부조립체는 절연재료들 및 전류 운반 컨덕터들로 구성된다. 컨덕터들은 적당한 형식의 전도성 재료, 즉 구리와 알루미늄이 될 수 있다. 구리 컨덕터들은 알루미늄 컨덕터들에 비해서는 낮은 저항성을 가지며 가격은 높고 무게는 작다. 컨덕터들의 시이트들은 통상적으로 절연재료의 층들에 끼워 넣어진다. 절연재료는 적당한 절연 재료, 즉 노멕스(Nomex(R)) 브랜드 섬유(E. I. du Pont de Nemours and Company 사에 의해서 제조됨), 세라믹 또는 직조 유리섬유가 될 수 있다. 에어 덕트들은 공기, 가압된 공기나 자연 대류의 이동을 위해서 코일 층들 사이에 제공되며, 코일과 연관된 손실에 의해서 발생한 열을 제거한다. 코일 컨덕터들과 절연체들의 작동온도는 궁극적으로는 손실과 공기 운동의 조합에 의해서 결정된다. The
도 11을 참조하면, 냉각기(도 4 참조)는 인덕터(600)의 코어(602)의 상부면에 적용된다. 냉각기(10)는 코어(602)를 냉각시키기 위해서 물, 글리콜 또는 냉매와 같은 유체를 사용한다. 유체는 냉각기를 통해서 유동하고 코어에 의해서 발생된 열을 흡수한다.Referring to FIG. 11, a cooler (see FIG. 4) is applied to the upper surface of the
코어 갭들을 포함하는 코어(602)를 통해서 열 전도를 가능하게 하기 위하여, 열 도전성 비-강자성(non-ferromagnetic) 재료가 적절한 코어 갭을 제공하도록 사용되는 반면, 코어 갭을 통한 열전달이 가능하다. Saint Gobain Ceramics사에 의해서 제조된 "Grade A Solid Boron Nitride"와 같은 재료가 사용될 수 있으나, 사용 가능한 다른 재료들은 질화알루미늄 세라믹과 알루미나 세라믹을 포함한다.In order to enable heat conduction through the
코일(604)은 낮은 온도 임피던스 코일 부조립체를 형성하기 위해서 전기 절연 및 열 전도성 재료의 층들을 알루미늄이나 구리 박막의 층들 사이에 치밀하게 끼워 넣어서 형성된다. 코일 부조립체에 의해서 발생된 열은 코일(604)로부터 코어(602)로의 열전달에 의해서 전달되고 부수적으로는 코어(602)에 연결된 히트싱크에 전달되며, 여기에서는 히트 싱크를 통해서 유동하는 액체에 의해 흡수된다. 절연 열 전도성 시이트들 재료는 상업적으로 유용한 재료, 즉 Cho-Therm(TM), Therma-Gap(TM), Therm-Attach(TM) and Therma-Flow(TM)가 될 수 있다. 다른 실시 예들에 있어서, 종래의 인덕터 제조과정에서 사용되는 표준 절연 광택제와 양립하여 다른 적당한 재료가 사용될 수 있으며, 이는 200도 근처의 최대 연속적인 사용 작동 온도하에서 tear-through capability를 나타낸다. 코일 층들은 코어에 대하여 열 전도 경로를 제공하기 위해서 코어 레그 주위로 치밀하게 감겨진다.
도 12는 도 11에 도시된 코어(602)를 갖는 인덕터(600) 내의 온도분포를 예견하기 위한 컴퓨터 시뮬레이션 결과들을 나타낸 것으로서, 가변 컬러의 그림자들로서 인덕터(600) 내의 온도 구배를 보여준다. 아래의 표는 피크 인덕터 온도 상승시 다양한 열 전도성 절연 재료의 영향을 나타낸다. FIG. 12 shows computer simulation results for predicting the temperature distribution in the
[W/m-K]Thermal conductivity of winding material
[W / mK]
[W/m-K]Thermal conductivity of the gap material
[W / mK]
표 1Table 1
다른 실시 예는, 여기에서는 참조로서 통합된 공동소유의 미국 특허출원 제 11/073,830 호에 설명한 예비충전 장치와 같은 파워 어셈블리에서 DC 링크 캐패새터들의 예비충전을 제어하기 위한 일체형 수단을 갖춘 능동 컨버터 모듈을 포함한다. Another embodiment is an active converter module having an integrated means for controlling the precharge of DC link capacitors in a power assembly such as the precharge device described in co-owned U. S. Patent Application Serial No. 11 / 073,830, .
본 출원은 명세서에서 발표하거나 혹은 도면들에 기재한 상세한 내용이나 또는 방법론으로 한정되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 여기에서 채용된 어구(phraseology)나 용어(terminology)는 단지 설명을 목적으로 사용된 것이고 본 발명의 범위를 제한시키고자 한 것은 아닌 것으로 이해되어야 한다.It will be understood that the present application is not limited to the details or methodology disclosed in the specification or described in the drawings. It is also to be understood that the phraseology or terminology employed herein is for the purpose of description and is not intended to limit the scope of the invention.
도면에 설명되고 여기에 기술한 예시적인 실시 예들이 바람직하며, 이러한 실시 예들은 단지 예로서 제공된 것임을 이해하여야 한다. 따라서, 본 출원은 특정 실시 예로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위의 영역 내에서 다양한 변경으로 확장된다. 어떤 공정들이나 방법 단계들의 순서는 다른 실시 예에 따라서 변화되거나 순서가 바뀔 수 있다.It is to be understood that the exemplary embodiments described in the drawings and described herein are preferred, and that these embodiments are provided by way of example only. Accordingly, the present application is not limited to the specific embodiments, but extends to various modifications within the scope of the appended claims. The order of certain processes or method steps may be changed or reordered according to other embodiments.
다양한 예시적인 실시 예들에서 나타난 바와 같은 가변속 드라이브와 인덕터들에 대한 플라스틱 냉각기의 구성과 배열은 단지 설명을 위한 것이다. 비록 몇몇 실시 예들이 본 명세서에 상세하게 설명되었지만, 본 명세서를 보는 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에서 재인용된 대상물의 장점들 및 새로운 기술들로부터 벗어남이 없이 많은 변경들(즉, 여러가지 요소들의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율, 매개변수들의 값, 장착 배열들, 재료의 사용, 색상, 배향 등)이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 일체로 형성된 것으로 보여지는 요소들은 다중 부품이나 요소들로서 구성될 수 있고, 요소들의 위치는 뒤바뀌거나 변화될 수 있고, 불균일한 요소들의 특성이나 개수 혹은 위치들이 변경될 수 있을 것이다. 따라서, 모든 그러한 변경들은 본 출원서의 범위 내에 포함될 것이다. 어떤 공정들이나 방법 단계들의 순서는 다른 실시 예에 따라서 변화되거나 순서가 바뀔 수 있다. 특허청구범위에 있어서, 수단-기능 절은 재인용한 기능을 수행하는 것과 같이 여기에서 설명한 구조들 그리고 구조적 등가물 뿐만 아니라 동등한 구조물을 포괄하도록 의도된 것이다. 본 출원의 범위를 벗어남이 없이 설계, 작동 조건 및 예시적인 실시 예들의 배열에 있어서 다른 대체, 변형 및 변화들과 생략이 이루어질 수 있다.The configuration and arrangement of plastic coolers for variable speed drives and inductors as shown in various exemplary embodiments is for illustrative purposes only. Although several embodiments have been described in detail herein, those skilled in the art will appreciate that many modifications (i. E., Without departing from the spirit and scope of the present invention) It will be appreciated that the size, dimensions, structure, shape and ratio of various elements, values of parameters, mounting arrangements, use of materials, color, orientation, etc.) are possible. For example, the elements shown as being integrally formed can be composed of multiple parts or elements, the positions of the elements can be reversed or changed, and the properties, number or locations of nonuniform elements can be changed. Accordingly, all such modifications are intended to be included within the scope of the present application. The order of certain processes or method steps may be changed or reordered according to other embodiments. In the claims, the means-function clause is intended to encompass the equivalents as well as the structures described herein and structural equivalents, such as those recited herein. Other permutations, modifications, and variations and omissions may be made in the design, operating conditions, and arrangement of the exemplary embodiments without departing from the scope of the present application.
10 : 냉각기 12 : 공급 채널
13 : 배출 채널 20 : 웰
21 : 유입구 22 : 배출구
25 : 노즐 홀10: cooler 12: supply channel
13: exhaust channel 20: well
21: inlet 22: outlet
25: nozzle hole
Claims (5)
냉각 유체 공급용 공급 채널;
냉각 유체 배출용 배출 채널;
상기 공급 채널로 부터 배출 채널로 냉각 유체를 순환시키도록 공급 채널 및 배출 채널과 연통된 적어도 하나의 요홈 형태의 웰(well)을 포함하고,
상기 웰은 상부가 개방되어 그 위에 기밀되게 장착되는 전자부품의 저면에 웰을 통해 순환되는 냉각 유체가 직접 접촉하여 전자 부품을 냉각시키도록 구성된, 전자 부품 냉각용 플라스틱 냉각기.As a plastic cooler for cooling electronic parts,
A supply channel for supplying a cooling fluid;
A discharge channel for discharging the cooling fluid;
At least one well-shaped well communicating with a supply channel and an outlet channel to circulate the cooling fluid from the supply channel to the discharge channel,
Wherein the well is configured to cool the electronic component by directly contacting the cooling fluid circulating through the well to the bottom surface of the electronic component that is open at the top and hermetically mounted thereon.
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