DE102005035654B4

DE102005035654B4 - Kühlsystem eines Stromhalbleitermoduls

Info

Publication number: DE102005035654B4
Application number: DE102005035654.0A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yamabuchi; Ryoji Nishiyama; Yuji Kuramoto; Satoshi Ishibashi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2019-06-27
Anticipated expiration: 2025-07-30
Also published as: US7538426B2; DE102005035654A1; JP2006156711A; US20060113661A1

Abstract

Kühlsystem eines Stromhalbleitermoduls, umfassend:
einen Fluidströmungspfad (FP), durch welchen ein Kühlfluid zum Kühlen eines Stromhalbleitermoduls (70) zirkuliert wird;
eine Kühlfluiddruckbeaufschlagungseinheit (110), welche das Kühlfluid mit Druck beaufschlagt und dieses zu dem Fluidströmungspfad zuführt;
eine Antriebseinheit (111) zum Antreiben der Kühlfluiddruckbeaufschlagungseinheit;
eine Temperaturerfassungseinheit (72), die in einem Halbleiterelement (71) als Wärmequelle, das in dem Stromhalbleitermodul vorgesehen ist, vorgesehen ist; und
eine Steuereinheit (PM), welche eine Veränderung eines Wärmeübertragungskoeffizienten von dem Stromhalbleitermodul zu dem Kühlfluid basierend auf einer Ausgabeinformation (Tj) der Temperaturerfassungseinheit (72) und einer Antriebsausgabeinformation (Sr) der Antriebseinheit (111) zum Antreiben der Kühlfluiddruckbeaufschlagungseinheit (110) abschätzt und die Kühlkapazität des Kühlfluids entsprechend einem abgeschätzten Ergebnis steuert.

Description

1. Kühlsystem eines Stromhalbleitermoduls, umfassend:
1. (a) einen Fluidströmungspfad (FP), durch welchen ein Kühlfluid zum Kühlen eines Stromhalbleitermoduls (70) zirkuliert wird;
2. (b) eine Pumpe als Kühlfluiddruckbeaufschlagungseinheit (110), welche das Kühlfluid mit Druck beaufschlagt und dieses in dem Fluidströmungspfad führt;
3. (c) einen Pumpenmotor als Antriebseinheit (111) zum Antreiben der Kühlfluiddruckbeaufschlagungseinheit;
4. (d) eine Temperaturerfassungseinheit (72), die in einem Halbleiterelement (71), das als Wärmequelle in dem Stromhalbleitermodul vorhanden ist, vorhanden ist;
5. (e) eine Steuereinheit (PM), welche einen Wärmeübertragungskoeffizienten von dem Stromhalbleitermodul zu dem Kühlfluid basierend auf einer Ausgabeinformation (Tj) der Temperaturerfassungseinheit (72) und einer Antriebsausgabeinformation (Sr) der Antriebseinheit (111) zum Antreiben der Kühlfluiddruckbeaufschlagungseinheit (110) abschätzt;
6. (f) eine Kühlfluidtemperaturerfassungseinheit (130) zum Erfassen der Temperatur des Kühlfluids; .
7. (g) eine Korrektureinheit (m2), die einen erfassten Wert (St) der Kühlfluidtemperaturerfassungsseinheit (130) zum Korrigieren des Wärmeübertragungskoeffizienten (h1) einsetzt, der anhand eines erfassten Werts (Tj) der Temperaturerfassungseinheit (72) des Stromhalbleitermoduls abgeschätzt ist;
8. (h) und eine Beurteilungseinheit (m3), die basierend auf einem Wert (h2) des Wärmeübertragungskoeffizienten, der durch die Korrektureinheit (m2) des Wärmeübertragungskoeffizienten korrigiert ist, einen arithmetischen Vorgang ausführt, um die Temperatur der Wärmeübertragungsfläche (73), an welcher das Stromhalbleitermodul in Kontakt mit dem Kühlfluid kommt, abzuschätzen, und einen abgeschätzten Wert (t1) der Temperatur der Wärmeübertragungsfläche mit einem Wert des Siedepunkts des Kühlfluids vergleicht,
9. (i) wobei ein Controller (190) eine solche Steuerung ausführt, dass in dem Falle, in welchem der abgeschätzte Temperaturwert (t1) der Wärmeübertragungsfläche geringer ist als der Siedepunkt des Kühlfluids, die Drehzahl der Antriebseinheit (111) vermindert wird, und
10. (j) in dem Falle, in welchem der abgeschätzte Temperaturwert (t1) der Wärmeübertragungsfläche höher ist als der Siedepunkt des Kühlfluids, die Drehzahl der Antriebseinheit (111) erhöht wird.
2. Kühlsystem eines Stromhalbleitermoduls, umfassend:
1. (a) einen Kühlkörper (10), der einen Kühlfluidströmungspfad (FP) aufweist, durch welchen ein mit einer Wärmeübertragungsfläche (73) eines Stromhalbleitermoduls (70) in Kontakt kommendes Kühlfluid zirkuliert wird, und der einen Wärmetausch zwischen dem Stromhalbleitermodul und dem Kühlfluid ausführt;
2. (b) mehrere hervorstehende Elemente (50), die an einer Wandfläche des Kühlfluidströmungspfades gegenüberliegend zu der Wärmeübertragungsfläche (73) des Stromhalbleitermoduls vorgesehen sind und Wirbel in einer Strömung des Kühlfluids erzeugen;
3. (c) eine Pumpe (110) zum Druckbeaufschlagen des Kühlfluids in dem Kühlfluidströmungspfad;
4. (d) einen Pumpenmotor (111) zum Antreiben der Pumpe;
5. (e) eine Drehzahlerfassungseinheit (112) zum Erfassen einer Drehzahl des Pumpenmotors;
6. (f) einen Radiator (120) zum Strahlen von durch das Kühlfluid in dem Kühlkörper empfangener Wärme zur Außenluft;
7. (g) einen Controller (190) zum Verändern der Drehzahl des Pumpenmotors;
8. (h) eine Temperaturerfassungseinheit (72), die in dem Wärmeerzeugungselement (71) im Inneren des Stromhalbleitermoduls (70) vorhanden ist;
9. (i) eine Steuereinheit (PM), die einen Wärmeübertragungskoeffizienten von dem Stromhalbleitermodul (70) zu dem Kühlfluid basierend auf einer Ausgabeinformation (Tj) der Temperaturerfassungseinheit (72) und einer Ausgabeinformation (Sr) der Drehzahl des Pumpenmotors (111) von der Drehzahlerfassungseinheit (112) abschätzt,
10. (j) eine Kühlfluidtemperaturerfassungseinheit (130) zum Erfassen der Temperatur des Kühlfluids;
11. (k) eine Korrektureinheit (m2), die einen erfassten Wert (St) der Kühlfluidtemperaturerfassungsseinheit (130) zum Korrigieren des Wärmeübertragungskoeffizienten (h1) einsetzt, der anhand eines erfassten Werts (Tj) der Temperaturerfassungseinheit (72) des Stromhalbleitermoduls abgeschätzt ist;
12. (l) und eine Beurteilungseinheit (m3), die basierend auf einem Wert (h2) des Wärmeübertragungskoeffizienten, der durch die Korrektureinheit (m2) des Wärmeübertragungskoeffizienten korrigiert ist, einen arithmetischen Vorgang ausführt, um die Temperatur der Wärmeübertragungsfläche (73), an welcher das Stromhalbleitermodul in Kontakt mit dem Kühlfluid kommt, abzuschätzen, und einen abgeschätzten Wert (t1) der Temperatur der Wärmeübertragungsfläche mit einem Wert des Siedepunkts des Kühlfluids vergleicht,
13. (m) wobei der Controller (190) eine solche Steuerung ausführt, dass in dem Falle, in welchem der abgeschätzte Temperaturwert (t1) der Wärmeübertragungsfläche geringer ist als der Siedepunkt des Kühlfluids, die Drehzahl des Pumpenmotors (M, 111) vermindert wird, und
14. (n) in dem Falle, in welchem der abgeschätzte Temperaturwert (t1) der Wärmeübertragungsfläche höher ist als der Siedepunkt des Kühlfluids, die Drehzahl des Pumpenmotors (M, 111) erhöht wird.

Figurenliste

1A bis 1D sind dreiflächige Ansichten, die eine Struktur eines Kühlkörperteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen.
2 ist ein Blockdiagramm, das eine systematische Struktur eines Kühlsystems eines Stromhalbleitermoduls gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
3 ist eine Perspektivansicht, welche die Form einer konischen Rippe gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
4 ist eine Perspektivansicht, welche die Form einer zylindrischen Rippe gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
5 ist eine Perspektivansicht, welche die Form einer waschbrettförmigen Rippe gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
6 ist eine Perspektivansicht, welche die Form einer abgestuften zylindrischen Rippe gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
7 ist ein charakteristisches Kurvenliniendiagramm, welches die Beziehungen zwischen den Wärmeübertragungskoeffizienten und Temperaturen jeweiliger Teile in ein Kühlsystem gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsform 1
Eine Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 bis 7 beschrieben. 1A bis 1D sind dreiflächige Ansichten, die eine Struktur eines Kühlkörperteils gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt. 1A ist eine Draufsicht, 1B ist eine entlang der Linie B-B in 1C geführte Schnittansicht, 1C ist eine Seitenansicht, und 1D ist eine entlang der Linie D-D in 1C geführte Schnittansicht. 2 ist ein Blockdiagramm, das eine systematische Struktur eines Kühlsystems eines Stromhalbleitermoduls gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt. 3 ist eine Perspektivansicht, welche die Form einer konischen Rippe gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt. 4 ist eine Perspektivansicht, welche die Form einer zylindrischen Rippe gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt. 5 ist eine Perspektivansicht, welche die Form einer waschbrettartigen Rippe gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt. 6 ist eine Perspektivansicht, welche die Form einer abgestuften zylindrischen Rippe gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt. 7 ist ein charakteristisches Kurvenliniendiagramm, das die Beziehungen zwischen den Wärmeübertragungskoeffizienten und Temperaturen jeweiliger Teile in einem Kühlsystem gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
In 1A bis 1D, welche dreiflächige Ansichten um einen Kühlkörper in einem Stromhalbleiterkuhlsystem zeigt, sind Fluidströmungspfade 20 und 30 in der Innenseite des Kühlkörpers 10 zum Kühlen von Stromhalbleitermodulen 70 gebildet, und eine Platte 60 mit Mündungen 41 und 42 und mehreren hervorstehenden Elementen 50 ist in einer entsprechenden Position für jedes der Stromhalbleitermodule 70 derart eingesetzt, um die Fluidströmungspfade 20 und 30 abzudecken.
Ein Stromhalbleiterelement 71 ist in das Innere des Stromhalbleitermoduls 70 eingebettet, und ferner ist ein Temperaturerfassungssensor 72 integral in der Innenseite des Elements 71 enthalten. Eine Wärmestrahlungsfläche 73 ist an der Unterseite des Stromhalbleitermoduls 70 gebildet. Ein Fluidströmungspfad FP ist zwischen der Wärmestrahlungsfläche 73, die an dem Boden des Stromhalbleitermoduls 70 vorgesehen ist, und der Platte 60, die zum Abdecken der Fluidströmungspfade 20 und 30 vorgesehen ist, gebildet. Der Fluidströmungspfad FP kommuniziert mit dem Fluidströmungspfad 20 über die Mündung 41, und kommuniziert mit dem Fluidströmungspfad 30 über die Mündung 42. Die mehreren hervorstehenden Elemente 50, die an der Platte 60 vorgesehen sind, liegen der an dem Boden des Stromhalbleitermoduls 70 gebildeten Wärmestrahlungsfläche 73 über ein Kühlfluid mit Kühlwasser, das durch den Fluidströmungspfad FP zirkuliert, gegenüber.
Die mehreren Stromhalbleitermodule 70 sind nebeneinander an dem gemeinsamen Kuhlkörper 10 angeordnet, der Fluidströmungspfad FP jedes Halbleitermoduls 70 kommuniziert mit den gemeinsamen Fluidströmungspfaden 20 und 30, die in dem Kühlkörper 10 vorgesehen sind, über die Mündungen 41 und 42, und eine gleiche Menge von Kühlwasser wird zu den jeweiligen Stromhalbleitermodulen 70 durch die Strömungsratenverteilungsfunktion der Mündungen 41 und 42 zugeführt.
In 2, die ein systematisches Diagramm des gesamten Kühlsystems zeigt, zirkuliert Kühlwasser als Kühlfluid durch das Innere eines Rohrs 100, und eine Pumpe (P) 110, ein Radiator 120, der Kühlkörper 10, ein Kühlwassertemperatursensor (TS) 130 und ein Drucksensor (PS) 140 sind mit den Mittelpunkten eines Zirkulationsströmungspfades verbunden, der durch das Rohr 100 gebildet ist.
Ein Pumpenmotor (M) 111 und ein Pumpenmotordrehzahlerfassungssensor (RS) 112 sind integral an der Pumpe (P) 110 angebracht.
Ferner werden Erfassungssignale, die durch den Kühlwassertemperatursensor (TS) 130, den Kühlwasserdrucksensor (PS) 140 und den Pumpenmotordrehzahlerfassungssensor (RS) 112 erzeugt werden, zu einem A/D-Wandler 155 über ein Kabel 150 übertragen, und die durch die Sensoren 130, 140 und112 erzeugten Analogsignale werden in Digitalsignale gewandelt. Die gewandelten Digitalsignale verlaufen durch ein Kabel 150 und werden zu einer CPU 160 übertragen.
Nun wird eine Vergleichsbeurteilung im Inneren der CPU 160 im Hinblick auf zu vergleichende Schwellwerte vorgenommen, wie ein vorbestimmter Temperaturwert, der in einem Speicher 170 gespeichert ist, oder eine externe Information, die in einer Datenbank (DB) 180 gespeichert ist, und entsprechend dem Ergebnis der Beurteilung wird ein Befehlssignal, um zu veranlassen, dass die Drehzahl des Pumpenmotors (M) 111 eine vorbestimmte Drehzahl wird, zu einem Controller 190 mit einem Wechselrichter über ein Kabel 150 übertragen. Der Controller 190, der die Befehle empfangen hat, führt elektrischen Strom zu dem Pumpenmotor (M) 111 zu, um die vorbestimmte Drehzahl zu erreichen.
Als nächstes wird der Betrieb beschrieben.
Wenn Strom an das Stromhalbleitermodul 70 angelegt wird, bevor die Energiebeaufschlagung des Stromhalbleitermoduls 70 beginnt, wird der Befehl des Controllers 190 an den Pumpenmotor (M) 111 über das Kabel 150 gegeben, so dass der Pumpenmotor (M) 111 mit Energie beaufschlagt wird.
Die Pumpe (P) 110 wird durch den Pumpenmotor (M) 111 angetrieben, und das Kühlfluid einschließlich des Kühlwassers strömt durch das Rohr 100, passiert durch den in jedem der mehreren Stromhalbleitermodule 70 vorgesehenen Fluidströmungspfad FP von dem Fluidströmungspfad 20 als Einlassströmungspfad, der in dem Kühlkörper 10 vorgesehen ist, durch die Mündung 41 und wird unter Druck zu dem Fluidströmungspfad 30 als Auslassströmungspfad durch die Mündung 42 geschickt. Das Kühlwasser wird von dem Fluidströmungspfad 30 durch den Radiator 120 zu der Pumpe (P) 110 zirkuliert.
Das Kühlwasser zirkuliert durch die Fluidströmungspfade 20, FP und 30, die in dem Kühlkörper 10 vorgesehen sind, und Strom wird an das Stromhalbleitermodul 70 in einem solchen Zustand angelegt, in welchem die Vorbereitungen für das Kühlen abgeschlossen sind. Der Controller 190 gibt Energiebeaufschlagungsbefehle zu den Stromhalbleitermodulen 70 über die CPU 160 und den A/D-Wandler 155 aus.
Wenn Strom an das Stromhalbleitermodul 70 angelegt ist und die Temperatur des Stromhalbleitermoduls 70 durch Warmeerzeugung des Stromhalbleiterelements 71 in dem Stromhalbleitermodul 70 ansteigt, wird ein Wärmetausch zwischen dem Kühlwasser, das durch den Fluidströmungspfad FP von dem Fluidströmungspfad 20 durch die Mündung 41 fließt, und durch die Mündung 42 zu dem Fluidströmungspfad 30 fließt, und der Wärmestrahlungsfläche 73 des Stromhalbleitermoduls 70 ausgeführt, und das Stromhalbleitermodul 70 einschließlich des Stromhalbleiterelements 71 als Wärmequelle wird gekühlt.
Dabei werden Wirbel durch die an der Platte 60 vorgesehenen, hervorstehenden Elemente 50 in dem Strom des Kühlwassers erzeugt, das zwischen der Wärmestrahlungsfläche 73 des Stromhalbleitermoduls 70 und der Platte 60, die einander gegenüberliegen, in dem Fluidströmungspfad FP strömt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers zunimmt, und der Warmetausch zwischen dem Kühlwasser und der Wärmestrahlungsfläche 73 des Stromhalbleitermoduls 70 wird effizient ausgeführt.
Der Druck des von der Pumpe (P) 110 durch das Rohr 100 zu den Fluidströmungspfaden 20, FP und 30, die in dem Kühlkörper 10 vorgesehen sind, zugeführten Kühlwassers wird durch den Kühlwasserdrucksensor (PS) 140 gemessen, und sein gemessener Druckwert Sp wird als Daten in den A/D-Wandler 155 über das Kabel 150 eingegeben.
Die Temperatur des von der Pumpe (P) 110 durch das Rohr 100 zu den in dem Kühlkörper 10 vorgesehenen Fluidströmungspfaden 20, FP und 30 zugeführten Kühlwassers wird durch den Kühlwassertemperatursensor (TS) 130 gemessen, und sein erfasster Temperaturwert St wird als Daten in den A/D-Wandler 155 über das Kabel 150 eingegeben.
Ferner wird die Drehzahl des Pumpenmotors (M) 111 zum Antreiben der Pumpe (P) 110 durch den Pumpenmotordrehzahlerfassungssensor (RS) 112 gemessen, und sein erfasster Druckwert Sr wird in den A/D-Wandler 155 über das Kabel 150 eingegeben.
Die Temperatur des Stromhalbleiterelements 71 in dem Stromhalbleitermodul 70 wird durch den Temperaturerfassungssensor 72 gemessen, und sein erfasster Temperaturwert Tj wird in den A/D-Wandler 155 über das Kabel 150 eingegeben.
Analogdaten einschließlich der erfassten Werte Sp, St, Sr und Tj, die in den A/D-Wandler 155 eingegeben sind, werden in Digitaldaten durch den A/D-Wandler 155 gewandelt und werden in die CPU 160 eingegeben.
Die CPU 160, der Speicher 170 und die Datenbank (DB) 180 bilden eine Informationsverarbeitungsvorrichtung PM, und diese Informationsbearbeitungsvorrichtung PM führt beispielsweise einen arithmetischen Vorgang zum Abschätzen, basierend auf den zu der CPU 160 eingegebenen Digitaldaten, eines Wärmeübertragungskoeffizienten von der Wärmestrahlungsfläche 73 des Stromhalbleitermoduls 70 zu dem durch den Fluidströmungspfad FP verlaufenden Kühlwasser aus und schätzt das Vorhandenseins eines Kochens des Kühlwassers ab, und führt als Steuereinheit eine arithmetische Verarbeitung aus, wie nachfolgend beschrieben.
In der Informationsverarbeitungsvorrichtung PM ist eine Wärmeübertragungskoeffizientensteuereinheit (m1) gebildet, die eine arithmetische Verarbeitung zum Beurteilen des Vorhandenseins eines Kochens des Kühlwassers basierend auf dem erfassten Temperaturwert Tj des Temperatursensors 72, um die Temperatur des Stromhalbleiterelements 71 in dem Stromhalbleitermodul 70 zu erfassen, und der erfassten Drehzahl Sr des Pumpenmotordrehzahlerfassungssensors (RS) 112 ausführt, um die Drehzahl des Pumpenmotors (M) 111 zu erfassen, der die Pumpe (P) 110 antreibt. Das heißt, die Wärmeübertragungskoeffizientensteuereinheit (m1) führt die arithmetische Verarbeitung zum Umwandeln des erfassten Temperaturwerts Tja des Temperatursensors 72 und der erfassten Drehzahl Sr des Pumpenmotordrehzahlerfassungssensors (RS) 112 durch den A/D-Wandler 155 von Analogdaten in Digitaldaten, das Eingeben der Digitaldaten in die CPU 160, das Abschätzen, basierend auf den Digitaldaten, das Wärmeübertragungskoeffizienten (h1) von der Wärmestrahlungsfläche 73 Stromhalbleitermoduls 70 zu dem durch die Fluidströmungspfade 20, FP und 30 strömenden Kühlwasser durch die CPU 160, und das Beurteilen des Vorhandenseins des Kochens des Kühlwassers basierend auf dem abgeschätzten Wärmeübertragungskoeffizienten (h1) aus.
Der Wärmeübertragungskoeffizient (h1) als Ergebnis des arithmetischen Vorganges durch die CPU 160 wird in dem Speicher 170 gespeichert, und wird von der CPU 160 zu dem Controller 190 als Ergebnis der arithmetischen Verarbeitung durch die Wärmeübertragungskoeffizientensteuereinheit (m1) in der Informationsverarbeitungsvorrichtung (PM). Der Controller 190 steuert den Pumpenmotor (M) 111, um die Pumpe (P) 110 entsprechend des Ergebnisses der arithmetischen Verarbeitung von der Informationsverarbeitungsvorrichtung PM anzutreiben. Wenn der abgeschätzte Wärmeübertragungskoeffizient (h1) entsprechen dem Ergebnis der arithmetischen Verarbeitung, das aus der Informationsverarbeitungsvorrichtung PM abgeleitet ist, geringer ist als ein vorbestimmter Wert, wird die Drehzahl des Pumpenmotors (M) 111 erhöht, um die Pumpe (P) 110 zu beschleunigen und die Kühlkapazität des in Rohr 100 zirkulierenden Kühlwassers wird erhöht.
Wenn der abgeschätzte Wärmeübertragungskoeffizient (h1) entsprechend dem von der Informationsverarbeitungsvorrichtung PM abgeleiteten Ergebnis der arithmetischen Verarbeitung größer ist als der vorbestimmte Wert, wird die Drehzahl des Pumpenmotors (M) 111 vermindert, um die Pumpe (P) 110 zu verlangsamen, und die Kühlkapazität des in dem Rohr 100 zirkulierenden Kuhlwassers wird vermindert.
Zusätzlich dazu, dass die Wärmeübertragungskoeffizientensteuereinheit (m1) durch die Informationsverarbeitungsvorrichtung PM mit der CPU 160, dem Speicher 170 und der Datenbank (DB) 180 gebildet ist, ist eine Korrekturfunktionssteuereinheit (m2) vorgesehen, die durch die Informationsverarbeitungsvorrichtung PM mit der CPU 160, dem Speicher 170 und der Datenbank (DB) 180 gebildet ist.
In der Korrekturfunktionssteuereinheit (m2), die durch die Informationsverarbeitungsvorrichtung PM der CPU 160, dem Speicher 170 und der Datenbank (DB) 180 gebildet ist, wird, wenn der erfasste Temperaturwert St von dem Kühlwassertemperatursensor (RS) 130 einen vorbestimmten Wert überschreitet, eine Verarbeitung zum Korrigieren des abgeschätzten Wärmeübertragungskoeffizienten (h1) als arithmetisches Ergebnis der Wärmeübertragungskoeffizientensteuereinheit (m1) in einer ansteigenden Richtung ausgeführt, um einen korrigierten Wärmeübertragungskoeffizienten (h1) abzuleiten. Daneben wird, wenn der erfasste Druckwert Sp von Drucksensor (PS) geringer wird als der vorbestimmte Wert, eine Verarbeitung zum Korrigieren des abgeschätzten Wärmeübertragungskoeffizienten (h1) als arithmetisches Ergebnis der Wärmeübertragungskoeffizientensteuereinheit (m1) in einer absteigenden Richtungausgefuhrt, um einen korrigierten Wärmeubertragungskoeffizienten (h2) abzuleiten.
Wenn, wie oben angegeben, der abgeschätzte Wärmeubertragungskoeffizient (h1) als Ergebnis der arithmetischen Verarbeitung der Wärmeübertragungskoeffizientensteuereinheit (m1), die durch die Informationsverarbeitungsvorrichtung PM mit der CPU 160, dem Speicher 170 und der Datenbank 180 gebildet ist, durch die Korrekturfunktionssteuereinheit (m2) korrigiert wird, die durch die Informationsverarbeitungsvorrichtung PM mit der CPU 160, dem Speicher 170 und der Datenbank (DB) 180 gebildet ist, und der korrigierte Wärmeübertragungskoeffizient (h2) abgeleitet wird, wird der korrigierte Wärmeübertragungskoeffizient (h2) von der CPU 160 über das Kabel 150 zu dem Controller 180 übertragen, und der Controller 190 führt die Steuerung zum Erhöhen der Drehzahl des Pumpenmotors (M) 111 entsprechend den korrigierten Wärmeübertragungskoeffizienten (h2) aus, um die Pumpe (P) 110 zu beschleunigen und die Kühlkapazität des in dem Rohr 100 zirkulierenden Wassers zu erhöhen.
Zusätzlich zu der Wärmeübertragungskoeffizientensteuereinheit (m1), die durch die Informationsverarbeitungsvorrichtung PM mit der CPU 160, dem Speicher 170 und der Datenbank (DB) 180 gebildet ist, und die Korrekturfunktionssteuereinheit (m2), sind ferner eine Beurteilungseinheit (m3), die durch die Informationsverarbeitungsvorrichtung PM mit der CPU 160, dem Speicher 170 und der Datenbank (DB) 180 gebildet ist, und eine Einstelleinheit (m4) vorgesehen.
In der Beurteilungseinheit (m3), die durch die Informationsverarbeitungsvorrichtung PM mit der CPU 160, dem Speicher 170 und der Datenbank (DB) 180 gebildet ist, wird basierend auf dem korrigierten Wärmeübertragungskoeffizienten (h2), der durch Korrigieren des abgeschätzten Wärmeübertragungskoeffizienten (h1) als Ergebnis der arithmetischen Verarbeitung der Wärmeübertragungskoeffizienten Steuereinheit (m1) durch die Korrekturfunktionssteuereinheit (m2) erhalten ist, oder den erfassten Temperaturwert des Kühlfluidtemperatursensors (TS) 130, eine Temperatur (t1) einer Wärmeübertragungsfläche abgeschätzt, welche die Wärmestrahlungsfläche 73 enthält, an welcher das Stromhalbleitermodul 70 in Kontakt mit dem durch die Fluidströmungspfade 20, FP und 30 zirkulierenden Kühlwasser kommt, durch einen arithmetischen Vorgang der CPU 160, und der abgeschätzte Temperaturwert (t1) der Wärmeübertragungsfläche wird mit dem Siedepunkt des durch die Fluidströmungspfade 20, FP und 30 zirkulierenden Kühlwassers verglichen. Der Siedepunkt des durch die Fluidströmungspfade 20, FP und 30 zirkulierenden Kühlwassers wird als ein bekannter Wert in dem Speicher 170 und der Datenbank (DB) 180 gespeichert und die CPU 160 führt die Vergleichsbeurteilungsverarbeitung des abgeschätzten Temperaturwerts (t1) der Wärmeübertragungsfläche und des Siedepunktes des Kuhlwassers aus.
Das Ergebnis der Vergleichsbeurteilungsverarbeitung der Beurteilungseinheit (m3), die durch die Informationsverarbeitungsvorrichtung PM mit der CPU 160, dem Speicher 170 und der Datenbank (DB) 180 gebildet ist, wird zu der Einstelleinheit (m4) gesandt, die durch die Informationsverarbeitungsvorrichtung PM mit der CPU 160, dem Speicher 170 und der Datenbank (DB) 180 gebildet ist, und wird zu dem Controller 190 von der CPU 160 über das Kabel 150 gesandt.
Der Controller 190 führt eine solche Steuerung aus, dass basierend auf dem Ergebnis der Vergleichsbeurteilungsverarbeitung in dem Falle, in welchem der abgeschätzte Temperaturwert (t1) der Wärmeübertragungsfläche geringer ist als der Siedepunkt des durch die Fluidströmungspfade 20, FP und 30 zirkulierenden Kühlwassers, die Drehzahl des Pumpenmotors (M) 111 vermindert wird, um die Pumpe (P) 110 zu verlangsamen, und die Kühlkapazität des durch das Rohr 100 zirkulierenden Kühlwassers wird vermindert.
In dem Falle, in welchem im Hinblick auf das Ergebnis der Vergleichsbeurteilungsverarbeitung beurteilt wird, dass der abgeschätzte Temperaturwert (t1) der Wärmeübertragungsfläche höher ist als der Siedepunkt des durch die Fluidströmungspfade 20, FP und 30 zirkulierenden Kühlwassers, wird eine Steuerung ausgeführt, um die Drehzahl des Pumpenmotors (M) 111 zu erhöhen, um die Pumpe (P) 110 zu beschleunigen, und die Kühlkapazität des durch das Rohr 100 zirkulierenden Kühlwassers zu erhöhen.
Übrigens wird in der Wärmeübertragungskoeffizientensteuereinheit (m1), der Korrektureinheit (m2), der Beurteilungseinheit (m3), die jeweils durch die Informationsverarbeitungsvorrichtung PM mit der CPU 160, dem Speicher 170 und der Datenbank (DB) 180 gebildet sind, die Funktion durch die Hardware der CPU 160, des Speichers 170 und der Datenbank (DB) 180 und die als Programme in dem Speicher 170 gespeicherte Software ausgeführt, um den Betrieb der Hardware der Informationsverarbeitungsvorrichtung PM zu steuern.
Im Hinblick auf den Zustand des Auftretens des Siedens des Kühlwassers in dem Kühlsystem des Stromhalbleitermoduls 70 wird eine Beurteilung des Vorhandenseins eines Siedens unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
Im allgemeinen ist der Ausgangspunkt des Entwurfs des oben beschriebenen Kühlsystems gebildet, während eine Wärmewiderstandstemperatur Tjmax des Stromhalbleiterelements 71 in dem Stromhalbleitermodul 70 als Ausgangspunkt genommen wird. In dem Fall, in welchem der Wärmeübertragungskoeffizient des Wärmetauschteils als Wärmeübertragungsfläche einschließlich der Wärmestrahlungsfläche 73 im Stromhalbleitermodul 70 und dem durch den Fluidstromungspfad FP zirkulierenden Kühlwasser als relativ gering konstruiert ist, oder in dem Fall, in welchem die maximale Temperatur einer Einlasstemperatur des Kühlwassers als relativ hoch eingestellt ist, kann allerdings, selbst wenn das Kühlen zum Erfüllen der sicher ausgeführt wird, die Temperatur Tc des Kühlwassers an dem Wärmetauschteil tatsächlich den Siedepunkt Tca erreichen.
Es ist allgemein bekannt, dass verglichen mit dem Fall, in welchem ein Sieden nicht auftritt, wenn das Kühlwasser siedet, eines strukturellen Elements durch Erosion in einem Teil fortschreitet, in welchem ein Verschwinden von Siedeblasen konzentriert wird an der Heizfläche oder an dem stromabwärtsgelegenen Randbereich auftritt. Ein Loch wird in den Boden einer Pfanne gebohrt, da diese Erosion auftritt. Somit tritt ein Problem hinsichtlich der Dauerhaftigkeit des Kühlsystems auf.
In der Ausführungsform der Erfindung, ist, um das Sieden des Kühlwassers abzuschätzen, der Kühlkörper 10 derart ausgelegt, dass wenn der erfasste Temperaturwert Tj des Temperatursensors 72, der in dem Stromhalbleiterelement 71 des Stromhalbleitermoduls 70 enthalten ist, beispielsweise die Temperatur Tja des vorbekannten Stromhalbleiterelements 71 im Falle eines Antriebszustands einer bestimmten spezifischen Last wirkt, das Wärmetauschteil einen Wärmeübertragungskoeffizienten ha besitzt.
Die Drehzahl des Pumpenmotors (M) 111 zum Erzielen des Wärmeübertragungskoeffizienten ha ist vorbekannt (sie kann durch die Beziehung der Drehzahl des Pumpenmotors ∝ des Kühlwasserdrucks ∝ der Kühlwasserströmungsrate ∝ des Wärmeübertragungskoeffizienten h erhalten werden.
Im Hinblick auf die Einlasstemperatur Tw des Kühlwassers wird die Wärmewiderstandstemperatur Tjmax des ersteren Elements als Ausgangspunkt genommen, und der Siedepunkt Twv des Kühlwassers wird anhand der Relativrelation des Wärmeübertragungskoeffizienten h, der Wärmestrahlungsleistung des Radiators 120, der Temperatur der Außenluft und des Luftvolumens abgeschätzt, und die maximale Temperatur Twmach des Kühlwassers wird ebenso durch Entwurf gesteuert.
Daraus kann während des Betriebes eine Normallast anhand dreier Informationen (1) der Antriebszustand der Last durch das Stromhalbleiterelement 71 in dem Stromhalbleitermodul 70 in einem Antriebszustand mit einem vorbestimmten Laststromwert Ia ist, (2) der erfasste Temperaturwert des Temperatursensors 72 zum Erfassen der Temperatur des Stromhalbleiterelements 71 in dem Stromhalbleitermodul 70 Tja ist, und (3) die erfasste Drehzahl des Pumpenmotordrehzahlerfassungssensors (RS), das zum Erfassen der Drehzahl des Pumpenmotors (M) 111 zum Antreiben der Pumpe (P) 110 Sr ist, die Temperatur Tca des Wärmetauschteils einschließlich der Wärmeübertragungsfläche an der Wärmestrahlungsfläche 73 des Stromhalbleitermoduls 70 entsprechend dem Wärmeüberträgungskoeffizienten ha durch den arithmetischen Vorgang der CPU 160 erhalten werden. Wenn die Verteilung der Temperatur Tca in dem Wärmetauschteil als arithmetisches Ergebnis in Bezug auf die Kombination der drei Parameter als Tabelle in dem Speicher 170 aufgezeichnet wird, ist es möglich, stets zu beurteilen, ob das Kühlwasser siedet oder nicht.
Das heißt, basierend auf dem erfassten Temperaturwert Tj des Temperatursensors 72 zum Erfassen der Temperatur des Stromhalbleiters 71 in dem Stromhalbleitermodul 70 und der erfassten Drehzahl Sr des Pumpenmotordrehzahlerfassungssensors (RS) 112 wird die Wärmetauschteiltemperatur Tc durch die CPU 160 berechnet, so dass die charakteristischen Daten des Wärmeübertragungskoeffizienten h und der Wärmetauschteiltemperatur Tc auf der Basis des Warmeübertragungskoeffizienten ha entsprechend der gekrümmten Linie der Wärmetauschteiltemperatur Tc in 7 erhalten werden können, und es ist möglich, leicht eine Beurteilung dahingehend vorzunehmen, ob das Kühlwasser siedet oder nicht.
Wenn ferner der Kühlwassertemperatursensor (TS) 130 und/oder der Kühlwasserdrucksensor (PS) 140 in einem Mittelpunkt in dem Rohr vorgesehen ist, ist es möglich, zuverlässig den Fall zu erfassen, in welchem das Kühlwasser eine vorbestimmte Maximaltemperatur aus einem bestimmten Grund überschreitet, oder den Zustand zu erfassen, in welchem das Kühlwasser nicht zirkuliert, und es wird eine Ausfallsicherheitsfunktion sichergestellt.
Als nächstes werden die Details des hervorstehenden Elements 50, das an der Platte 60 des Wärmetauschteils vorgesehen ist, unter Bezugnahme auf 3 bis 6 beschrieben.
3 zeigt die Form einer konischen Rippe, die eine konische Form besitzt, und die Böden mehrerer konisch hervorstehender Elemente 200 sind mit der Platte 60 verbunden.
4 zeigt eine Struktur, bei welcher Endflächen mehrerer zylindrischer Rippen 210, die jeweils durch ein zylindrisches hervorstehendes Element gebildet sind, mit der Platte 60 verbunden sind.
5 zeigt eine Struktur, bei welcher rippenförmige, hervorstehende Elemente 220 meanderartig mit einer Waschbrettform ausgeführt sind und mit der Platte 60 verbunden sind.
6 zeigt eine Struktur, bei welcher eine auf einer Seite des Durchmessers gelegene Endfläche einer abgestuften, zylindrischen Rippe 230, die durch ein abgestuftes, zylindrisches, hervorstehendes Element gebildet ist, mit der Platte 60 verbunden ist.
In der Ausführungsform der Erfindung wird die Steuerung derart ausgeführt, dass die Wassertemperatur erfasst wird, und in dem Falle, dass sie die vorbestimmte Temperatur überschreitet, wird die Drehzahl des Pumpenmotors (M) 111 erhöht, um den Wasserstrom zu erhöhten, und dementsprechend ist es nicht erforderlich, die Stromzufuhr des Stromhalbleitermoduls 70 der Wärmequelle abzutrennen, und dementsprechend wird es möglich, den Betrieb der Last fortzusetzen.
Daneben kann der Wärmeübertragungskoeffizient durch Vorsehen der durch die hervorstehenden Elemente 50 gebildeten Rippen erhöht werden, um den Wasserstrom an den Wärmetauschteil zu erhöhen, und es wird eine größere Menge absorbierter Wärme bei demselben durch die Pumpe verbrauchten elektrischen Strom erhalten, so dass die Kühlleistung verbessert wird.
Ferner sind die Mündung 41 und 42 in dem Wasserpfad vorgesehen, so dass die Wassermenge an dem Wärmetauschteil in jedem der mehreren Stromhalbleitermodule 70 gleich gemacht werden kann, und die Kühlleistungen für die mehreren Wärmequellen kann gleichmäßiger gemacht werden.
Daneben wird die Pumpe (P) 110 des Kühlwassers vorab in einer Phase betrieben, bevor eine Last angetrieben wird, so dass es möglich wird, zu verhindern, dass ein strukturelles Element infolge eines plötzlichen Temperaturanstiegs an dem Wärmetauschteil schmilzt, und dass ein Element infolge des Siedens des Kühlwassers errotiert und verschlechtert wird.
Die Ausführungsform der Erfindung schlägt insbesondere vor, die Feedbackfunktion vorzusehen, bei welcher der Temperatursensor nicht unabhängig ausgeführt ist, und basierend auf der Information des integral im Inneren des Stromhalbleiterelements enthaltenen Temperatursensors wird die vorbestimmte Temperatur überwacht oder abgeschätzt, und in dem Falle, in welchem die Temperatur die vorbestimmte Temperatur überschreitet, wird, anstelle des sofortigen Abtrennens der Stromzufuhr, die Wassermenge des Kühlwassersystems erhöht, und der äquivalente Wärmeübertragungskoeffizient wird erhöht, um die vorbestimmte Temperatur aufrecht zu erhalten. Ferner sind bei dieser Erfindung die Rippen zum Verbessern der Strömungsgeschwindigkeit durch Erzeugen von Strudeln in der Strömung an dem Wärmetauschteil zusätzlich vorgesehen, so dass eine Verbesserung der Effizienz des Wärmetauschteils verwirklicht wird.

Claims

Kühlsystem eines Stromhalbleitermoduls, umfassend: einen Fluidströmungspfad (FP), durch welchen ein Kühlfluid zum Kühlen eines Stromhalbleitermoduls (70) zirkuliert wird; eine Kühlfluiddruckbeaufschlagungseinheit (110), welche das Kühlfluid mit Druck beaufschlagt und dieses zu dem Fluidströmungspfad zuführt; eine Antriebseinheit (111) zum Antreiben der Kühlfluiddruckbeaufschlagungseinheit; eine Temperaturerfassungseinheit (72), die in einem Halbleiterelement (71) als Wärmequelle, das in dem Stromhalbleitermodul vorgesehen ist, vorgesehen ist; und eine Steuereinheit (PM), welche eine Veränderung eines Wärmeübertragungskoeffizienten von dem Stromhalbleitermodul zu dem Kühlfluid basierend auf einer Ausgabeinformation (Tj) der Temperaturerfassungseinheit (72) und einer Antriebsausgabeinformation (Sr) der Antriebseinheit (111) zum Antreiben der Kühlfluiddruckbeaufschlagungseinheit (110) abschätzt und die Kühlkapazität des Kühlfluids entsprechend einem abgeschätzten Ergebnis steuert.
Kühlsystem eines Stromhalbleitermoduls, umfassend: einen Kühlkörper (10), der einen Kühlfluidströmungspfad (FP) aufweist, durch welchen ein mit einer Wärmestrahlungsfläche (73) eines Stromhalbleitermoduls (70) in Kontakt kommendes Kühlfluid zirkuliert wird, und der einen Wärmetausch zwischen dem Stromhalbleitermodul und dem Kühlfluid ausführt; mehrere hervorstehende Elemente (50), die an einer Wandfläche des Kühlfluidströmungspfades gegenüberliegend zu der Wärmestrahlungsfläche des Stromhalbleitermoduls vorgesehen sind und Strudel in einer Strömung des Kühlfluids erzeugen; eine Pumpe (110) zum druckbeaufschlagten Senden des Kühlfluids zu dem Kühlfluidströmungspfad; einen Pumpenmotor (111) zum Antreiben der Pumpe; eine Drehzahlerfassungseinheit (112) zum Erfassen einer Drehzahl des Pumpenmotors; einen Radiator (120) zum Strahlen von durch das Kühlfluid in dem Kühlkörper empfangener Wärme zur Außenluft; einen Controller (190) zum Verändern der Drehzahl des Pumpenmotors; eine Temperaturerfassungseinheit(72), die in dem Wärmeerzeugungselement (71) im Inneren des Stromhalbleitermoduls (70) vorgesehen ist; und eine Steuereinheit (PM), die eine Veränderung eines Wärmeübertragungskoeffizienten von dem Stromhalbleitermodul (70) zu dem Kühlfluid basierend auf einer Ausgabeinformation (Tj) der Temperaturerfassungseinheit (72) und einer Ausgabeinformation (Sr) der Drehzahl des Pumpenmotors (111) von der Drehzahlerfassungseinheit (112) abschätzt, und eine Strömungsrate oder einen Zufuhrdruck des Kühlfluids entsprechend einem abgeschätzten Ergebnis steuert.
Kühlsystem eines Stromhalbleitermoduls nach Anspruch 2, bei welchem die hervorstehenden Elemente (50) zum Erzeugen der Winkel konische Elemente (200) sind.
Kühlsystem eines Stromhalbleitermoduls nach Anspruch 2, bei welchem die hervorstehenden Elemente (50) zum Erzeugen der Winkel zylindrische Elemente (210) sind.
Kühlsystem eines Stromhalbleitermoduls nach Anspruch 2, bei welchem die hervorstehenden Elemente (50) zum Erzeugen der Winkel waschbrettförmige Rippen (220) sind.
Kühlsystem eines Stromhalbleitermoduls nach Anspruch 2, bei welchem die hervorstehenden Elemente (50) zum Erzeugen der Winkel mehrstufige, zylindrische Elemente (230) sind.
Kühlsystem eines Stromhalbleitermoduls nach einem der Ansprüche 1 bis %, ferner umfassend: eine Druckerfassungseinheit (140) zum Erfassen des Drucks des Kühlfluids, der durch die Kühlfluiddruckbeaufschlagungseinheit(110) erzeugt ist; und die eine Korrektureinheit (m2) einen erfassten Wert (Sp) der Druckerfassungseinheit (140) einsetzt, um den Wärmeübertragungskoeffizienten (h1) zu korrigieren, der anhand eines erfassten Werts (Tj) der Temperaturerfassungseinheit (72) des Stromhalbleitermoduls abgeschätzt ist.
Kühlsystem eines Stromhalbleitermoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuereinheit (PM), den Pumpenmotor (111) mit Energie beaufschlagt, bevor der Strom an das Stromhalbleitermodul angelegt ist, und eine Zirkulation des Kühlfluids erzeugt.