-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem, insbesondere ein Kühlsystem, das bei einer Halbleitervorrichtung verwendet wird.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Herkömmlicherweise weist ein Kühlsystem 1 eines Wechselrichters eine Plattenform auf, Leistungsmodule 2 (wie z. B. SiC-Vorrichtungen) sind parallel auf der Oberfläche der Platte fixiert (in 1 wird eine Dreiphasenanwendung gezeigt, 31, 32, 33 stellen eine U-Phase, eine V-Phase bzw. eine W-Phase dar). Das Kühlmittel strömt durch einen Einlass 11 in das Kühlsystem hinein und strömt durch einen Auslass 12 aus dem Kühlsystem hinaus. Unter Bezugnahme auf 2 und 3 werden zwei herkömmliche Serpentinenkühlrohre verwendet, sind der Einlass 1 und der Auslass 2 auf derselben Seite des Kühlsystems vorgesehen und sind Leistungsmodule entlang diesen Serpentinenkühlrohren vorgesehen (in 2 und 3 wird der Kühlmittelstrom durch die Pfeile gezeigt), dadurch wird die von den Leistungsmodulen erzeugte Wärme durch den Strom 3 des Kühlmittels abgeleitet. Die Temperatur in der Nähe des Auslasses ist jedoch deutlich höher als die Temperatur in der Nähe des Einlasses, wodurch eine Temperaturungleichverteilung verursacht wird. Die Temperaturverteilung wird mit zunehmender Anzahl an parallel angeordneten Leistungsmodulen ungleichförmiger. Da ein EV (Elektric Vehicle - Elektrofahrzeug) mehr Strom erfordert, werden mehr SiC-Vorrichtungen verwendet, und wenn sie weiterhin parallel angeordnet werden, würde aufgrund der Temperaturungleichverteilung ein unsymmetrischer Strom verursacht und einige der SiC-Vorrichtungen würden sogar zerstört.
-
Darüber hinaus wird bei EV-Anwendungen eine leichtere und kompakte Struktur erwartet, ein größeres und schwereres Kühlsystem mit mehr parallelen Leistungsmodulen ist für EV definitiv nicht gut.
-
Des Weiteren ist das oben erwähnte Kühlsystem bei Anwendungen mit parallelen Leistungsmodulen ein einseitiges Kühlsystem und eignet sich scheinbar nicht für eine kompakte Struktur (EV-Anwendungen) mit Leistungsmodulen auf beiden Seiten.
-
KURZDARSTELLUNG
-
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Kühlsystem bereitzustellen, das Leistungsmodule in beiden Richtungen in kurzer Zeit abkühlt und eine Temperaturgleichverteilung während eines Kühlprozesses erzielt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kühlsystem bereitzustellen, das auf beiden Seiten des Kühlsystems vorgesehene Leistungsmodule abkühlen kann.
-
Das Kühlsystem umfasst: eine Struktur, einen Einlass und einen Auslass, die auf derselben Fläche der Struktur vorgesehen sind, einen Hohlteil, der durch die Struktur definiert wird, und einen Weg in der Struktur, der mit dem Einlass und dem Auslass für Kühlmittel verbunden ist, wobei mindestens ein Wärmetauschglied in dem Weg vorgesehen ist und das unterste Ende des Einlasses weiter unten als das unterste Ende des Auslasses liegt.
-
Vorzugsweise wird der Einlass von dem Auslass entfernt gehalten, so dass der Weg zwischen dem Einlass und dem Auslass so lang wie möglich gehalten wird. Anders ausgedrückt teilt sich das in den Einlass strömende Kühlmittel in zwei Richtungen auf, somit kann der Weg in einen ersten Teilweg und einen zweiten Teilweg aufgeteilt werden, dann liegt die Länge des ersten Teilwegs so nah wie möglich bei der Länge des zweiten Teilwegs, wodurch sichergestellt wird, dass das Kühlmittel gleichmäßig in dem Weg verteilt wird.
-
Figurenliste
-
- 1 ist eine Draufsicht eines herkömmlichen Kühlsystems für Leistungsmodule.
- 2 stellt einen herkömmlichen Kühlmittelstrom dar.
- 3 stellt einen weiteren herkömmlichen Kühlmittelstrom dar.
- 4 stellt eine perspektivische Ansicht des durch eine Ausführungsform der Erfindung offenbarten ersten Kühlsystems dar.
- 5 stellt eine auseinandergezogene Ansicht des ersten Kühlsystems dar.
- 6 stellt eine weitere auseinandergezogene Ansicht des ersten Kühlsystems aus einem anderen Blickwinkel dar.
- 7 stellt den Kühlmittelstrom einer Ausführungsform der Erfindung dar.
- 8 stellt eine perspektivische Ansicht des durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung offenbarten zweiten Kühlsystems dar.
- 9 stellt eine auseinandergezogene Ansicht des zweiten Kühlsystems dar.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Unter nun erfolgender Bezugnahme auf die Zeichnungen werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. 4 ist eine perspektivische Ansicht des ersten Kühlsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
Das erste Kühlsystem umfasst eine ringförmige Struktur 3 mit einer Außenfläche, einen Einlass 1 und einen Auslass 2. Die Außenfläche der Struktur 3 umfasst eine obere Fläche, eine untere Fläche und zwei Seitenwände, der Einlass 1 und der Auslass 2 befinden sich auf derselben Fläche der Struktur 3 (der oberen Fläche bei der vorliegenden Ausführungsform). Ein Hohlteil A wird durch die Struktur definiert. Andere elektrische Elemente, wie z. B. Kondensator, Leistungsmodule können in dem Hohlteil angeordnet sein, wenn das Kühlsystem für eine Halbleitervorrichtung verwendet wird.
-
5 und 6 stellen die detaillierte Struktur des ersten Kühlsystems dar. In der Struktur ist ein Weg 4 (in 4 als gestrichelte Linie gezeigt), der mit dem Einlass 1 und dem Auslass 2 für Kühlmittel verbunden ist, vorgesehen, und einige Wärmetauschglieder 5 sind in dem Weg vorgesehen. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden Metallblöcke als Wärmetauschglieder 5 verwendet. Die Metallblöcke sind voneinander beabstandet, und zwischen benachbarten Metallblöcken werden Spalte gebildet, durch die das Kühlmittel hindurchströmen kann. Darüber hinaus ist es zur Erzielung einer gleichmäßigen Kühlwirkung wünschenswert, das Kühlmittel schnell über den gesamten Weg hinweg zu verteilen. Somit wird bevorzugt, den Einlass 1 von dem Auslass 2 entfernt zu halten, so dass der Weg 4 zwischen dem Einlass 1 und dem Auslass 2 so lang wie möglich gehalten wird. Bei einer ringförmigen Struktur sind der Einlass und der Auslass jeweils an zwei Enden des Durchmessers der Struktur vorgesehen. Das Kühlmittel verteilt sich von dem Einlass aus in beide Richtungen, der Kühlweg wird schnell mit dem Kühlmittel gefüllt, und somit kann jede Position auf dem Kühlweg in kurzer Zeit abgekühlt werden.
-
Das unterste Ende des Einlasses 1 liegt weiter unten als das unterste Ende des Auslasses 2, bei der vorliegenden Ausführungsform reicht das unterste Ende des Einlasses 1 bis zum Boden des Wegs und das unterste Ende des Auslasses 2 befindet sich in der Nähe des oberen Teils des Wärmetauschglieds 5. Unter Bezugnahme auf 7 wird der Kühlmittelstrom als Pfeil 6 gezeigt. Das Kühlmittel strömt durch den Einlass 1 in den ersten Teil 4a des Kühlwegs, strömt durch die Spalte, die von den Wärmetauschgliedern 5 gebildet werden, hindurch und strömt in den zweiten Teil 4b des Kühlwegs, danach wird das Kühlmittel durch eine Pumpe durch den Auslass 2 herausgesaugt. Während des Prozesses wird die Wärme der Struktur schnell auf das Kühlmittel übertragen, da die Wärmetauschglieder die Kontaktfläche zwischen dem Kühlmittel und dem Weg vergrößern.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt das unterste Ende des Auslasses 2 höher als der obere Teil des Wärmetauschglieds 5 und das unterste Ende des Einlasses 1 liegt weiter unten als das untere Ende des Wärmetauschglieds 5. Bei einer derartigen Konfiguration gelangt das Kühlmittel mit jeder Fläche der Wärmetauschglieder (einschließlich des oberen Teils der Wärmetauschglieder) in Kontakt, wodurch der Kontaktbereich zwischen dem Kühlmittel und dem Weg weiter vergrößert wird, da die Wärmetauschglieder in das Kühlmittel eintauchen. Alle Leistungsmodule, die auf der oberen Fläche, der unteren Fläche und zwei Seitenwänden vorgesehen sind, können in sehr kurzer Zeit abgekühlt werden.
-
Für einen Fachmann liegt auf der Hand, dass auch andere Formen des Wärmetauschglieds verwendet werden können. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden Wärmetauschglieder mit Stangenform oder Blattform verwendet. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden Wärmetauschglieder mit einer Kammstruktur zur Erzielung eines höheren Wärmetauschwirkungsgrads verwendet. Darüber hinaus können die Anzahlen und die Positionen der Wärmetauschglieder in Abhängigkeit von der speziellen Kühlanforderung variieren. Wenn eine riesige Anzahl von Leistungsmodulen auf der Außenfläche der Struktur angeordnet sind, können die Wärmetauschglieder auf dem gesamten Weg vorgesehen sein. Bei weiteren Ausführungsformen sind die Wärmetauschglieder lediglich in einigen speziellen Bereichen des Wegs vorgesehen, die einem Kühlbereich der Außenfläche, wo die Leistungsmodule vorgesehen sind, entsprechen.
-
Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 8 und 9 wird ein zweites Kühlsystem mit einer DreieckStruktur offenbart. Der Einlass 1 und der Auslass 2 sind dahingehend an verschiedenen Rändern des Dreiecks vorgesehen, den gesamten Weg mit dem Kühlmittel zu füllen. Vorzugsweise ist der Einlass (oder der Auslass) an einem Scheitelpunkt des Dreiecks vorgesehen und der Auslass (oder der Einlass) ist in der Mitte des dem Scheitelpunkt gegenüberliegenden Rands vorgesehen.
-
Für die bevorzugte Ausführungsformen sind eine Reihe von alternativen Strukturelementen und Verfahrensschritten vorgeschlagen worden. Jedoch ist die Beschreibung, obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben worden ist, beispielhaft für die Erfindung und nicht als eine Beschränkung der Erfindung aufzufassen. Ohne Verlassen des wahren Gedankens und Schutzumfangs der Erfindung entsprechend der Definition durch die anhängigen Ansprüche können dem Fachmann verschiedene Modifikationen und Anwendungen in den Sinn kommen.
