DE112005000386T5

DE112005000386T5 - Duales Regelungssystem zum Halten der Temperatur eines IC-Chips in der Nähe eines Sollwertes

Info

Publication number: DE112005000386T5
Application number: DE112005000386T
Authority: DE
Inventors: Jerry Ihor Mission Viejo Tustaniwskyj; James Wittman Escondido Babcock
Original assignee: Delta Design Inc
Current assignee: Delta Design Inc
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2025-02-04
Also published as: JP2007526636A; US7199597B2; US20070013394A1; DE112005000386B4; KR20070007102A; CN1934454A; WO2005081003A1; JP4651626B2

Abstract

Duales Regelungssystem zum Halten der Temperatur eines IC-Chips in der Nähe eines Sollwertes, während der IC-Chip eine variierende Menge von elektrischer Leistung dissipiert, wobei das System folgendes umfaßt:
einen Verdampfer für ein flüssiges Kühlmittel und eine elektrische Heizvorrichtung, deren eine Seite mit dem Verdampfer verbunden ist und deren andere Seite zur Kopplung mit dem IC-Chip bestimmt ist,
eine Verdampfersteuerung, die mit dem Verdampfer gekoppelt ist und eine Heizvorrichtungssteuerung, die mit der elektrischen Heizvorrichtung gekoppelt ist, wobei die Heizvorrichtungssteuerung erste Regelkreismittel zum Senden von elektrischer Leistung zur elektrischen Heizvorrichtung mit einer variablen Größe enthält, die Änderungen in der Leistung des IC-Chips kompensiert, und
wobei die Verdampfersteuerung zweite Regelkreismittel enthält, um das flüssige Kühlmittel mit einer variablen Flußrate zum Verdampfer zu leiten, die den Verbrauch elektrischer Leistung in der Heizvorrichtung gegenüber dem Leistungsverbrauch verringert, der auftritt, wenn die Flußrate fest ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG:
Komplexe IC-Chips (Integrierte-Schaltkreis-Chips) werden bei der Herstellung mehreren Tests unterzogen, um sowohl ihre Funktionalität festzustellen, als auch ihre zukünftige Zuverlässigkeit sicherzustellen. Ein „Wafer"-Test wird üblicherweise zuerst durchgeführt. Während dieses Tests werden individuelle IC-Chips in dem Wafer untersucht. Dies ist ein schneller Test, bei dem nur gewisse Arten von Defekten in den IC-Chips detektiert werden. Eine thermische Kontrolle wird während des Wafer-Tests typischerweise einfach mit einer kalten Platte erreicht, die den Wafer berührt.
Der nächste Test, der stattfindet, nachdem die IC-Chips gepackt werden, wird „Burn-In" genannt. Der Burn-In oder Einbrenntest beansprucht die IC-Chips thermisch und elektrisch, um „Kindersterblichkeits"-Versagen zu beschleunigen. Die Beanspruchung verursacht unmittelbares Versagen, welches anderenfalls während der ersten 10% der Lebensdauer des IC-Chips im Gebrauch auftreten würde, wodurch ein zuverlässigeres Produkt für den Benutzer sichergestellt wird. Den Burn-In-Test durchzuführen kann viele Stunden dauern, und die Temperatur des IC-Chips wird typischerweise in dem Bereich von 100°C bis 140°C gehalten. Da die IC-Chips außerdem höheren als den normalen Spannungen ausgesetzt werden, kann die Leistungsdissipation in dem IC-Chip wesentlich höher sein, als im normalen Betrieb. Diese zusätzliche Leistungsdissipation macht die Aufgabe, die Temperatur des IC-Chips zu steuern oder zu regeln, sehr schwierig. Darüberhinaus ist es außerdem erstrebenswert, die Temperatur des IC-Chips so hoch wie möglich zu halten, ohne den IC-Chip zu beschädigen, um die Zeit zu minimieren, die für den Burn-In benötigt wird.
Üblicherweise folgt dem Burn-In-Test ein „Klassen"-Test. Hierbei werden die IC-Chips nach ihrer Geschwindigkeit sortiert, und die Grundfunktion eines jeden IC-Chips wird bestätigt. Während dieses Test kann die Leistungsdissipation in dem IC-Chip wild variieren, während dem IC-Chip ein Strom von Testsignalen zugesandt wird. Da der Betrieb eines IC-Chips sich verlangsamt, wenn die Temperatur des IC-Chips ansteigt, wird während des Klassen-Tests eine sehr genaue Temperatursteuerung des IC-Chips benötigt. Dies stellt sicher, daß die Geschwindigkeit, mit der IC-Chip arbeitet, genau bei einer bestimmten Temperatur gemessen wird. Wenn die IC-Chiptemperatur zu hoch ist, wird der Betrieb des IC-Chips eine niedrigere Geschwindigkeitsbewertung erhalten. Dann wird der IC-Chip als ein Teil mit niedrigerem Preis verkauft.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben bereits im Stand der Technik ein System offenbart, welches die Temperatur eines IC-Chips bei einem Sollwert halten wird, wenn der IC-Chip dem oben beschriebenen „Burn-In"-Test und dem „Klassen"-Test unterzogen wird. Dieses System aus dem Stand der Technik ist in dem US Patent 5,812,505 offenbart, welches den Titel „TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FOR AN ELECTRONIC DEVICE WHICH ACHIEVES A QUICK RESPONSE BY INTERPOSING A HEATER BETWEEN THE DEVICE AND A HEAT SINK" trägt. Sämtliche Details dieses Patents werden durch Bezugnahme in die vorliegende Schrift aufgenommen.
Obwohl das System des Patents US 5,812,505 tatsächlich die Temperatur eines IC-Chips sehr genau regelt, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung jedoch jetzt einen bestimmten technischen Nachteil bei diesem System entdeckt. Dieser Nachteil hat nichts mit der Genauigkeit zu tun, mit der die Temperatur des IC-Chips aufrechterhalten wird, und er wird hier in der detaillierten Beschreibung in Verbindung mit 5 bis 10 beschrieben.
Dementsprechend besteht die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein neues Temperaturregelungssystem für einen IC-Chip anzugeben, welches sich einem technischen Nachteil in dem System des Patents US 5,812,505 annimmt und diesen aufhebt.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein duales Regelungssystem zum Halten der Temperatur eines IC-Chips in der Nähe eines Sollwertes, während der IC-Chip eine variierende Menge von elektrischer Leistung dissipiert. Dieses System enthält einen Verdampfer für ein flüssiges Kühlmittel und eine elektrische Heizvorrichtung, die eine Fläche hat, die mit dem Verdampfer verbunden ist, und eine gegenüberliegende Fläche zum Berühren des IC-Chips. Außerdem enthält dieses System eine Verdampfersteuerung, die mit dem Verdampfer gekoppelt ist, und eine Heizvorrichtungssteuerung, die mit der elektrischen Heizvorrichtung gekoppelt ist. Ferner enthält die Heizvorrichtungssteuerung einen ersten Regelkreis, der elektrische Leistung mit einer variablen Höhe, die Änderungen in der elektrischen Leistung, die der IC-Chip dissi piert, kompensiert, zu der elektrischen Heizvorrichtung sendet. Darüberhinaus enthält die Verdampfersteuerung einen zweiten Regelkreis, der das flüssige Kühlmittel mit einer variablen Flußrate in den Verdampfer leitet, die den Verbrauch elektrischer Leistung in der Heizvorrichtung gegenüber dem Leistungsverbrauch verringert, der anderenfalls auftritt, wenn die Flußrate des Kühlmittels fest ist.
Zwei numerische Beispiele, die die Größe der Leistungsersparnisse illustrieren, die mit dem zweiten Regelkreis erzielt werden, werden hier in 5 bis 10 angegeben. In dem Beispiel von 5 bis 7 wird der Verbrauch elektrischer Leistung in der Heizvorrichtung um 61% verringert. In dem Beispiel von 8 bis 10 wird der Verbrauch elektrischer Leistung in der Heizvorrichtung um 66% verringert. Diese Leistungseinsparungen beziehen sich auf einen Vergleich zu dem oben genannten Temperaturregelungssystem aus dem Stand der Technik von US Patent 5,821,505.
In einer speziellen Ausführungsform erfaßt der zweite Regelkreis die instantane Leistung, die der elektrischen Heizvorrichtung zugeführt wird. Dann schickt der zweite Regelkreis das flüssige Kühlmittel mit einer Flußrate zu dem Verdampfer, die a) abnimmt, wenn der Durchschnitt der erfaßten Leistung, die der elektrischen Heizvorrichtung zugeführt wird, über einem gewissen Zeitintervall oberhalb eines oberen Leistungsgrenzwerts liegt, und b) ansteigt, wenn der Durchschnitt über diesem Zeitintervall unterhalb eines unteren Leistungsgrenzwerts liegt.
In einer anderen speziellen Ausführungsform erfaßt der zweite Regelkreis die Temperatur des Verdampfers. Dann sendet der zweite Regelkreis das flüssige Kühlmittel mit einer Flußrate zu dem Verdampfer, die a) abnimmt, wenn der Sollwert minus der Temperatur des Verdampfers mehr als eine maximale Differenz beträgt, und b) ansteigt, wenn der Sollwert minus der Temperatur des Verdampfers geringer als eine minimale Differenz ist.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN:
1 zeigt ein duales Regelungssystem zum Halten der Temperatur eines IC-Chips in der Nähe eines Sollwerts, welches eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 zeigt ein schematisches Diagramm, das zeigt, wo elektrische Leistung und thermische Leistung durch das System von 1 fließen.
3 ist dasselbe schematische Diagramm wie in 2, außer daß in 3 verschiedenen Bestandteilen numerische Werte zugewiesen sind.
4 zeigt einen Satz von Gleichungen, die die Leistung bestimmen, die der Heizvorrichtung in dem schematischen Diagramm von 3 zugeführt wird.
5 ist dasselbe Diagramm wie das schematische Diagramm von 3, außer daß die Leistung, die der IC-Chip dissipiert, in 5 von 150 Watt auf 70 Watt verringert ist.
6 ist ein Satz von Gleichungen, die die Leistung bestimmen, die der Heizvorrichtung in dem schematischen Diagramm von 5 zugeführt wird.
7 ist ein Satz von Gleichungen, die die Leistung bestimmen, die der Heizvorrichtung in dem schematischen Diagramm von 5 zugeführt wird, unter der Bedingung, daß die Verdampfer-Steuerungsschaltung von 1 die Temperatur des Verdampfers von –5°C auf +7°C ändert.
8 ist dasselbe Diagramm wie das schematische Diagramm von 3, außer daß der Sollwert für den IC-Chip von 25°C auf 40°C erhöht wurde.
9 ist ein Satz von Gleichungen, die die Leistung bestimmen, die der Heizvorrichtung in dem schematischen Diagramm von 8 zugeführt wird.
10 ist ein Satz von Gleichungen, die die Leistung bestimmen, die der Heizvorrichtung in dem schematischen Diagramm von 8 zugeführt wird, unter der Bedingung, daß die Verdampfer-Steuerungsschaltung von 1 die Temperatur des Verdampfers von –5°C auf +10°C ändert.
11 ist ein Diagramm, das zeigt, wie die Heizvorrichtungs-Steuerungsschaltung von 1 und die Verdampfer-Steuerungsschaltung von 1 im Ablauf der Zeit arbeiten.
12 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der inneren Struktur der Verdampfer-Steuerungsschaltung von 1
Detaillierte Beschreibung:

Ein duales Regelungssystem zum Halten der Temperatur eines IC-Chips in der Nähe eines Sollwertes, welches eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wird nun in Verbindung mit 1 beschrieben. In dieser Figur bezeichnet Bezugsziffer 10 den IC-Chip, dessen Temperatur beibehalten wird, und Bezugszeichen 11 ist ein Substrat, auf dem der IC-Chip befestigt ist. Alle übrigen Komponenten in 1 bilden das duale Regelungssystem, und diese Komponenten werden unten in Tabelle 1 identifiziert. Tabelle 1

Komponente	Beschreibung

20	Komponente 20 ist eine dünne, flache elektrische Heizvorrichtung. Diese Heizvorrichtung 20 hat eine ebene Seite, die den IC-Chip 10 berührt, und eine gegenüberliegende ebene Seite, die direkt mit der Komponente 21 verbunden ist. Über Leiter 20a wird elektrische Leistung P_H zur Heizvorrichtung 20 gechickt. Die Temperatur der Heizvorrichtung 20 wird von einem Sensor 20b in der Heizvorrichtung 20 detektiert. Diese Temperatur wird durch ein Signal ST_H auf dem Leiter 20c angezeigt.

21	Komponente 21 ist ein Verdampfer für ein Kühlmittel. Das Kühlmittel tritt in einem flüssigen Zustand durch eine Leitung 21a in den Verdampfer 21 ein, und das Kühlmittel verläßt den Verdampfer 21 durch eine Leitung 21b im gasförmigen Zustand. Die Temperatur des Verdampfers 21 wird durch einen Sensor 21c auf dem Äußeren des Verdampfers detektiert. Diese Temperatur wird durch ein Signal ST_E auf Leiter 21d angezeigt.

22	Komponente 22 ist ein Ventil, welches das Kühlmittel in einem flüssigen Zustand aus einer Leitung 22a empfängt, und welches das Kühlmittel mit einer wählbaren Flußrate an die Leitung 21a weitergibt. Die Flußrate durch das Ventil 22 wird durch ein Steuersignal SF_V auf Leitern 22b gewählt. In einer Ausführungsform ist das Signal SF_V ein pulsmoduliertes Signal, und das Ventil 22 öffnet sich für die Dauer eines jeden Pulses. In einer anderen Ausführungsform ist das Signal SF_V ein amplitudenmoduliertes Analogsignal, und das Ventil 22 öffnet sich zu einem Grad, der proportional zur Amplitude des Signals ist.

23	Komponente 23 ist ein Kompressor-Kondensator, der einen Eingang hat, der mit der Leitung 21b verbunden ist, und einen Ausgang, der mit der Leitung 22a verbunden ist. Der Kompressor-Kondensator 23 empfängt das Kühlmittel im gasförmigen Zustand und komprimiert und kondensiert dann das Kühlmittel in den flüssigen Zustand.

24	Komponente 24 ist ein Sockel bzw. eine Steckstelle, die das Substrat 11 hält. Elektrische Leiter 24a, 24b und 24c verlaufen durch die Steckstelle zum IC-Chip 10. Die Leiter 24a führen Testsignale zu und von dem IC-Chip 10. Die Leiter 24b führen elektrische Leistung P_E zum IC-Chip 10. Die Leiter 24c führen Signale ST_C, die die Temperatur des IC-Chips 10 anzeigen. Diese Signale ST_C werden durch einen Temperatursensor 10a erzeugt, der mit dem IC-Chip 10 integriert ist.

25	Komponente 25 ist eine Stromversorgung, die die elektrische Leistung P_H mit einer wählbaren Größe an die elektrische Heizvorrichtung 20 schickt. Die Menge der Leistung, die zu einem gegebenen Zeitpunkt geschickt wird, wird durch ein Signal SP_H auf Leitern 25a ausgewählt.

26	Komponente 26 ist eine Steuerungsschaltung für die Stromversorgung 25 der Heizvorrichtung. Diese Steuerungsschaltung 26 erzeugt das Signal SP_H auf den Leitern 25a in Antwort auf die Signale ST_E, ST_H, ST_C und SP, die sie auf den Leitern 21d, 20c, 24c und 26a empfängt. Das Signal SP zeigt eine Sollwerttemperatur an, auf der der IC-Chip 10 gehalten werden soll. Die Steuerungsschaltung 26 bildet zusammen mit der Stromversorgung 25 und der elektrischen Heizvorrichtung 20 eine erste Rückkopplungsschleife im Regelungssystem von Fig. 1. Diese erste Rückkopplungsschleife kompensiert schnell Änderungen in der Leistungsdissipation im IC-Chip 10 und hält daher die Temperatur des IC-Chips 10 in der Nähe des Sollwerts.

27	Komponente 27 ist eine Steuerungsschaltung für das Ventil 22. Diese Steuerungsschaltung 27 erzeugt das Signal SF_V auf den Leitern 22b in Antwort auf die Signale SP_H, ST_E und SP, welche sie von den Leitern 25a, 21d und 26a empfängt. Die Steuerungsschaltung 27 bildet zusammen mit dem Ventil 22 und dem Verdampfer 21 eine zweite Rückkopplungsschleife in dem Regelungssystem von Fig. 1. Diese zweite Rückkopplungsschleife leitet das flüssige Kühlmittel mit einer variablen Flußrate durch den Verdampfer, die den gesamten Verbrauch elektrischer Leistung im System von Fig. 1 verringert.

Als nächstes werden unter Bezugnahme auf 2 bis 11 zusätzliche Details beschrieben, um zu erklären, wie die erste und die zweite Regelschleife arbeiten. Zu Beginn wird auf 2 Bezug genommen, die ein schematisches Diagramm ist, welches zeigt, wo im stabilen Zustand elektrische Leistung und thermische Leistung durch das System von 1 fließen. Mehrere Symbole werden in 2 verwendet, und diese Symbole werden unten in Tabelle 2 definiert. Tabelle 2

Symbol	Bedeutung

P_C	P_C ist die gegenwärtige bzw. instantane elektrische Leistung, die zum IC-Chip 10 gesendet wird. Diese Leistung variiert auf zufällige Weise in Antwort auf die TEST-Signale in Fig. 1. Diese Leistung variiert außerdem proportional mit dem Gleichspannungsniveau, auf dem die Leistung gesendet wird. Das Gleichspannungsniveau kann während mancher Tests über das normale Niveau angehoben werden, um gewisse Arten von Versagen im IC-Chip 10 zu erfassen.

P_H	P_H ist die gegenwärtige elektrische Leistung, die zu der Heizvorrichtung 20 gesendet wird.

T_C	T_C ist die gegenwärtige Temperatur des IC-Chips 10.

T_H	T_H ist die gegenwärtige Temperatur der Heizvorrichtung 20.

T_E	T_E ist die gegenwärtige Temperatur des Verdampfers 21.

θ(C-H)	θ(C-H) ist der thermische Widerstand zwischen dem IC-Chip 10 und der Heizvorrichtung 20.

θ(H-E)	θ(H-E) ist der thermische Widerstand zwischen der Heizvorrichtung 20 und dem Verdampfer 21.

Im stabilen Zustand bzw. Gleichgewichtszustand, (der in 2 gezeigt ist) befindet sich T_C auf der Sollwerttemperatur, und die Temperaturen T_H und T_E sind progressiv kälter. Außerdem fließt im stabilen Zustand thermische Leistung vom IC-Chip 10 entlang des Pfades 31 zum Kühlmittel, und thermische Leistung fließt von der Heizvorrichtung 20 entlang des Pfades 32 zum Kühlmittel. Ferner sind im stabilen Zustand die thermische Leistung auf dem Pfad 31 und die elektrische Leistung P_C, die zum IC-Chip 10 gesendet wird, gleich, und die thermische Leistung auf dem Pfad 32 ist gleich der elektrischen Leistung P_H, die zur Heizvorrichtung 20 gesendet wird.
Es sei angenommen, daß nun P_C auf ein höheres Niveau P_C(+) ansteigt. Dann wird in Antwort darauf T_C dazu neigen, über den Sollwert anzusteigen. Um diesen Effekt zu kompensieren, wird die Steuerungsschaltung 26 der Heizvorrichtung P_H senken. In Antwort darauf wird T_H abfallen, und dies wird den IC-Chip 10 auf dem Sollwert halten, während er den höheren Grad an Leistung P_C(+) dissipiert.
Anders herum sei angenommen, daß P_C auf ein niedrigeres Leistungsniveau P_C(–) abnimmt. In Antwort darauf wird T_C dazu neigen, unter den Sollwert zu fallen. Um diesen Effekt zu kompensieren, wird die Steuerungsschaltung 26 P_H anheben. In Antwort darauf wird T_H ansteigen, und dies wird den IC-Chip 10 auf dem Sollwert halten, während er den verringerten Grad an Leistung P_C(–) dissipiert.
In 3 und 4 ist ein numerisches Beispiel dafür gezeigt, wie unter Gleichgewichtsbedingungen die spezielle Leistung P_H der Heizvorrichtung zu bestimmen ist, die T_C auf dem Sollwert hält. In 3 ist der IC-Chip 10 auf einen Sollwert von 25°C gesetzt, und die Temperatur des Verdampfers beträgt –5°C. Außerdem betragen in 3 die thermischen Widerstände θ(C-H) und θ(H-E) 0,1°C/W bzw. 0,05°C/W.
Die spezielle Leistung P_H der Heizvorrichtung, die den IC-Chip 10 auf dem Sollwert von 3 hält, wird durch Gleichungen 1 bis 4 in 4 berechnet. Gleichung 1 sagt, daß die Temperaturabnahme von T_C auf T_E gleich P_C mal sämtlicher thermischer Widerstände im Pfad 31 plus P_H mal sämtlicher thermischer Widerstände im Pfad 32 ist. Dann wird Gleichung 2 erhalten, indem numerische Werte von 3 in Gleichung 1 eingesetzt werden. Als nächstes wird Gleichung 3 erhalten, indem die verschiedenen numerischen Werte, die in Gleichung 2 auftreten, addiert und subtrahiert werden. Dann wird Gleichung 4 erhalten, indem die Gleichung 3 nach der Leistung P_H der Heizvorrichtung aufgelöst wird. Aus Gleichung 4 wird berechnet, daß die Leistung P_H der Heizvorrichtung 150 Watt beträgt.
Nun sei angenommen, daß die Leistung P_C des IC-Chips von 150 Watt, wie in 3 gezeigt ist, auf 70 Watt abnimmt, wie in 5 gezeigt ist. Wenn dies geschieht, muß die Leistung P_H für die elektrische Heizvorrichtung erhöht werden, um die Temperatur des IC-Chips 10 auf dem Sollwert zu halten. Die spezielle Leistung P_H der Heizvorrichtung, die den IC-Chip 10 auf dem Sollwert im Gleichgewichtszustand hält, wird durch Gleichungen 10 bis 12 in 6 berechnet.
Gleichung 10 sagt aus, daß der Temperaturabfall von T_C auf T_E gleich P_C mal dem thermischen Widerstand in Pfad 31 plus P_H mal dem thermischen Widerstand im Pfad 32 ist. Dann wird die Gleichung 11 erhalten, indem die verschiedenen numerischen Werte, die in Gleichung 10 auftreten, addiert und subtrahiert werden. Dann wird Gleichung 12 erhalten, indem die Gleichung 11 nach der Leistung P_H der Heizvorrichtung aufgelöst wird. Aus Gleichung 12 wird berechnet, daß die Leistung P_H der Heizvorrichtung 390 Watt beträgt.
Wenn der obige Abfall in der Leistung des IC-Chips von 150 Watt auf 70 Watt nur ein transienter Vorgang ist, der als Teil der zufälligen Änderungen in P_C in Folge der TEST-Signale auftritt, unternimmt die Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 nichts in Antwort darauf. Wenn jedoch der Durchschnitt der Heizvorrichtungsleistung während eines vorbestimmten Intervalls ΔT bei 390 Watt bleibt, antwortet die Verdampfer-Steuerungsschaltung 27, indem die Flußrate des Kühlmittels in den Verdampfer 21 abgesenkt wird, wodurch die Temperatur T_E des Verdampfers 21 angehoben wird.
Das Anheben von T_E macht den Betrieb Operation des Systems von 1 effizienter. Ein numerisches Beispiel dafür ist durch die Gleichungen 13 bis 16 von 7 gezeigt.
Gleichung 13 sagt aus, daß T_E von –5°C auf +7°C angehoben wird. Die Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 tut dies, indem sie das Signal SF_V von 1 erzeugt, so daß die Flußrate des Kühlmittels durch das Ventil 22 verringert wird. Wenn die Flußrate abnimmt, steigt die Temperatur T_E an, da weniger Kühlmittel im Verdampfer 21 vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht.
Gleichung 14 sagt aus, daß die Temperaturabnahme von T_C auf T_E gleich P_C mal dem thermischen Widerstand im Pfad 31 plus P_H mal dem thermischen Widerstand im Pfad 32 ist. Dann wird Gleichung 15 erhalten, indem die verschiedenen numerischen Werte, die in Gleichung 14 auftreten, addiert und subtrahiert werden. Dann wird Gleichung 16 erhalten, indem die Gleichung 15 nach der Leistung P_H der Heizvorrichtung aufgelöst wird. Aus Gleichung 16 wird berechnet, daß die Leistung P_H der Heizvorrichtung 150 Watt beträgt.
Der Vergleich von Gleichung 16 mit Gleichung 12 zeigt an, daß aufgrund der Operation der Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 240 Watt gespart werden. Mit anderen Worten verringert der zweite Regelkreis des Systems von 1 den Verbrauch der elektrischen Leistung im Heizer 20 von 390 Watt auf 150 Watt bzw. um 61%.
Außerdem muß in dem System von 1 der Kompressor-Kondensator 23 härter arbeiten, wenn die Leistung der Heizvorrichtung erhöht wird. Daher wird zusätzliche Leistung durch den Kompressor-Kondensator gespart, wenn die Leistung der Heizvorrichtung nur 150 Watt im Vergleich zu 390 Watt beträgt.
Bei dem Temperaturregelungssystem des Standes der Technik aus US 5,812,505 (auf welches hier unter der Überschrift HINTERGRUND Bezug genommen wurde) gibt es keine zweite Regelschleife. In dem System aus US 5,812,505 fließt ein flüssiges Kühlmittel mit einer konstanten Flußrate und einer konstanten Temperatur durch eine Wärmesenke. Wenn die Leistung des IC-Chips in dem System aus der US 5,812,505 von 150 Watt auf 70 Watt abfällt, wird die elektrische Leistung, die zu der Heizvorrichtung gesendet wird, um diesen Abfall zu kompensieren, durch Gleichungen 10 bis 12 von 6 bestimmt.
Als nächstes sei angenommen, daß das System von 1 wiederum unter den zuvor beschriebenen Gleichgewichtsbedingungen arbeitet, die in 3 gezeigt sind. Dann soll betrachtet werden, was passiert, wenn die Sollwerttemperatur von 25°C auf 40°C erhöht wird. Wenn diese Änderung in dem Sollwert auftritt, ändert sich der Gleichgewichtsbetrieb, der in 5 gezeigt ist, zu dem Gleichgewichtsbetrieb, der in 8 gezeigt ist.
Die spezielle Leistung P_H der Heizvorrichtung von 8, die den IC-Chip 10 im Gleichgewichtszustand beim Sollwert hält, wird durch Gleichungen 20 bis 22 in 9 berechnet. Gleichung 20 sagt aus, daß der Temperaturabfall T_C auf T_E gleich P_C mal dem thermischen Widerstand im Pfad 31 plus P_H mal dem thermischen Widerstand im Pfad 32 ist. Dann wird Gleichung 21 erhalten, indem die verschiedenen numerischen Werte, die in Gleichung 20 auftreten, addiert und subtrahiert werden. Dann wird Gleichung 22 erhalten, indem die Gleichung 21 nach der Leistung P_H der Heizvorrichtung aufgelöst wird. Aus Gleichung 22 wird berechnet, daß die Leistung P_H der Heizvorrichtung 450 Watt beträgt.
Der obige Anstieg in der Heizvorrichtungsleistung von 150 Watt in 3 auf 450 Watt in 8 ist nicht einfach ein transienter Vorgang, der als Teil von zufälligen Änderungen in P_C in Folge von TEST-Signalen auftritt. Somit antwortet die Verdampfer-Steuerungsschal-tung 27, indem sie die Temperatur T_E des Verdampfers 21 anhebt, um den Betrieb des Systems von 1 wiederum effizienter zu machen. Ein numerisches Beispiel dafür wird durch Gleichungen 23 bis 26 von 10 gezeigt.
Gleichung 23 sagt aus, daß T_E von –5°C auf +10°C angehoben wird. Die Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 tut dies, indem sie das Signal SF_V von 1 erzeugt, so daß die Flußrate des Kühlmittels durch das Ventil 22 verringert wird. Gleichung 24 sagt aus, daß der Temperaturabfall von T_C auf T_E gleich P_C mal dem thermischen Widerstand im Pfad 31 plus P_H mal dem thermischen Widerstand im Pfad 32 ist. Als nächstes wird Gleichung 25 erhalten, indem die verschiedenen numerischen Werte, die in Gleichung 24 auftreten, addiert und subtrahiert werden. Dann wird Gleichung 26 erhalten, indem die Gleichung 25 nach der Heizvorrichtungsleistung P_H aufgelöst wird. Aus Gleichung 26 wird berechnet, daß die Heizvorrichtungsleistung P_H 150 Watt beträgt.
Der Vergleich von Gleichung 26 mit Gleichung 22 zeigt an, daß 300 Watt durch die Operation der Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 gespart werden. Somit reduzierte die zweite Regelschleife des Systems von 1 den elektrischen Leistungsverbrauch in der Heizvorrichtung 20 von 450 Watt auf 150 Watt bzw. um 66%. Hier wird wiederum zusätzliche Leistung durch den Kompressor-Kondensator 23 gespart, da er nicht so hart arbeiten muß, wenn die Heizvorrichtungsleistung nur 150 Watt anstelle von 450 Watt beträgt.
Im Vergleich hierzu fließt bei dem Temperaturregelungssystem des Standes der Technik von US 5,812,505 ein flüssiges Kühlmittel mit einer konstanten Flußrate und einer konstanten Temperatur durch eine Wärmesenke. Wenn somit der Sollwert in dem System von US 5,812,505 von 25°C auf 40°C ansteigt, wird die elektrische Leistung, die zu der Heizvorrichtung gesendet wird, um diesen Anstieg zu kompensieren, durch Gleichungen 20 bis 22 von 9 bestimmt.
Als nächstes wird auf 11 Bezug genommen, die zeigt, wie die Heizvorrichtungs-Steuerungsschaltung 26 und die Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 im Verlauf der Zeit arbeiten. In 11 nimmt die Zeit von links nach rechts entlang der horizontalen Achse zu. Außerdem zeigt eine Wellenform 41 in 11 den laufenden Durchschnitt der Leistung an, die zur Heizvorrichtung 20 gesendet wird. Dieser Durchschnitt zu einer gegebenen Zeit t wird während eines Zeitintervalls ΔT genommen, der zur Zeit t endet.
Ferner zeigt in 11 eine Wellenform 42 die instantane Leistung an, die zur Heizvorrichtung 20 gesendet wird. Diese instantane Leistung wird durch die Steuerungsschaltung 26 der Heizvorrichtung schnell angehoben, wenn T_C beginnt, unter den Sollwert zu fallen, und sie wird schnell abgesenkt, wenn T_C beginnt, über den Sollwert zu steigen. Somit bleibt T_C stets bei oder in der Nähe des Sollwerts.
Um 11 zu vereinfachen, wird die instantane Heizvorrichtungsleistung, wie sie durch die Wellenform 42 angezeigt ist, nur für die Zeit von t1 bis t2 gezeigt, während die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung von der Zeit t1 bis zur Zeit t9 durch Wellenform 41 angezeigt ist. Es versteht sich, daß die schnellen Änderungen in der Wellenform 42 der Wellenform 41 von Zeit t2 bis Zeit t9 überlagert sind, genauso wie dies zwischen Zeit t1 und Zeit t2 der Fall ist.
Ferner zeigen Bezugszeichen 43 und 44 in 11 einen oberen Grenzwert bzw. unteren Grenzwert für die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung an. Signale, die die beiden Grenzwerte 43 und 44 repräsentieren, sind in der Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 gespeichert.
Wenn die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung 41 über den oberen Grenzwert 43 ansteigt, senkt die Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 die Flußrate F_R des Kühlmittels in den Verdampfer 21 ab. Wem jedoch die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung 41 unter den unteren Grenzwert 44 fällt, erhöht die Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 die Flußrate F_R des Kühlmittels in den Verdampfer 21. Die Flußrate F_R ist in 11 durch die Wellenform 45 gezeigt.
Zwischen Zeit t1 und Zeit t2 bleibt in 11 die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung 41 innerhalb der Grenzwerte 43 und 44. Somit veranlaßt die Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 keine Änderung in der Flußrate F_R.
Dann tritt zur Zeit t2 eine Stufe in der Sollwerttemperatur auf. Somit tritt eine große Differenz zwischen der Sollwerttemperatur und der Temperatur T_C des IC-Chips 10 auf. In Antwort darauf erhöht die Heizvorrichtungs-Steuerungsschaltung 26 die durchschnittliche Leistung 41 für die Heizvorrichtung 20.
Auch die Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 reagiert auf stufenartige Änderungen in der Solltemperatur. Insbesondere sendet die Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 das flüssige Kühlmittel zu dem Verdampfer 21 mit einer Flußrate, die a) abnimmt, wenn der Sollwert minus der Temperatur des Verdampfers 21 einen oberen Grenzwert überschreitet und b) ansteigt, wenn der Sollwert minus der Temperatur des Verdampfers 21 einen unteren Grenzwert unterschreitet. Ein geeigneter oberer Grenzwert beträgt 50°C und ein geeigneter unterer Grenzwert beträgt 30°C.
In 11 verringert die Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 die Flußrate F_R des Kühlmittels, wie durch die Wellenform 45 gezeigt ist, zwischen der Zeit t2 und der Zeit t3. Wenn die Flußrate F_R abnimmt, nimmt die Temperatur T_E des Verdampfers zu. Somit tritt eine Abnahme in der durchschnittlichen Heizvorrichtungsleistung 41 auf, die benötigt wird, um den IC-Chip 10 im Gleichgewichtszustand auf dem Sollwert zu halten.
Zur Zeit t3 sinkt die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung 41 unter den oberen Grenzwert 43. Wenn dies geschieht, hört die Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 auf, die Flußrate F_R des Kühlmittels zu ändern.
Zwischen der Zeit t3 und der Zeit t4 sinkt die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung 41 langsam von dem oberen Grenzwert 43 zum unteren Grenzwert 44. Dies zeigt an, daß die Flußrate F_R, die zur Zeit t3 angesetzt wurde, zu gering ist.
Somit reagiert die Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 zwischen der Zeit t4 und der Zeit t5, indem sie die Flußrate F_R erhöht, wie durch Wellenform 45 gezeigt ist. Dieses senkt die Temperatur T_E des Verdampfers 21. In Antwort darauf erhöht die Heizvorrichtungs-Steuerungsschaltung 26 die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung 41, um den IC-Chip 10 auf dem Sollwert SP im Gleichgewichtszustand zu halten.
Zur Zeit t5 steigt die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung 41 über den unteren Grenzwert 44. Wem dies geschieht, hört die Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 auf, die Flußrate F_R des Kühlmittels zu ändern.
Danach bleibt zwischen der Zeit t5 und der Zeit t6 die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung 41 innerhalb der beiden Grenzwerte 43 und 44. Somit tritt keine Änderung in der Flußrate F_R auf.
Als nächstes tritt zur Zeit t6 eine stufenförmige Abnahme in der durchschnittlichen Leistung P_C des IC-Chips 10 auf. Dies kann durch eine stufenförmige Abnahme in der Gleichspannung verursacht sein, bei der die Leistung zu dem IC-Chip 10 gesendet wird. Dies kann auch durch eine Änderung zwischen einer Sequenz von TEST-Signalen zu einer anderen Sequenz von TEST-Signalen verursacht sein, die weniger Transistoren innerhalb des IC-Chips 10 schalten.
In Antwort auf die obige Leistungsabnahme beginnt die Temperatur des IC-Chips 10 unter den Sollwert abzufallen. Diese Temperaturabnahme wird durch die Heizvorrichtung-Steuerungsschaltung 26 erfaßt, die reagiert, indem sie schnell die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung 41 erhöht.
Wenn die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung 41 über den oberen Grenzwert 43 steigt, antwortet die Verdampfer-Steuerungsschaltung 27, indem sie die Flußrate F_R des Kühlmittels verringert. Dies wird durch die Wellenform 45 zwischen Zeit t6 und Zeit t7 gezeigt. Aufgrund der verringerten Flußrate nimmt die Temperatur des Verdampfers 21 zu. Diese erhöhte Verdampfertemperatur gestattet es, daß die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung 41 gesenkt wird und dennoch der IC-Chip 10 im Gleichgewichtszustand bei dem Sollwert gehalten wird.
Zwischen Zeit t7 und Zeit t8 sinkt die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung 41 langsam von dem oberen Grenzwert 43 auf den unteren Grenzwert 44. Dies zeigt an, daß die Flußrate F_R bei Zeit t7 zu gering angesetzt war.
Somit reagiert die Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 zwischen Zeit t8 und Zeit t9, indem sie die Flußrate F_R erhöht, wie durch die Wellenform 45 gezeigt ist. In Antwort darauf nimmt die Verdampfertemperatur T_E ab. Somit erhöht die Heizvorrichtungs-Steuerungsschaltung 26 die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung 41, um den IC-Chip 10 im Gleichgewichtszustand auf dem Sollwert zu halten.
Zur Zeit t9 steigt die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung 41 über den unteren Grenzwert 44. Wenn dies geschieht, hört die Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 auf, die Flußrate F_R zu ändern. Danach bleibt die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung 41 innerhalb der beiden Grenzwerte 43 und 44, so daß der Verdampfer-Steuerungsschaltkreis 27 keine Änderungen an der Flußrate F_R vornimmt.

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 12 eine bevorzugte Ausführungsform der inneren Struktur der Verdampfer-Steuerungsschaltung 27 beschrieben. Diese Ausführungsform von 12 enthält alle der Komponenten 51 bis 66, und diese Komponenten werden unten in Tabelle 3 identifiziert. Tabelle 3

Komponente	Beschreibung

51	Komponente 51 ist ein Register, welches digitale Signale hält, die den oberen Grenzwert für die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung spezifizieren. Geeigneterweise beträgt dieser obere Grenzwert 250 Watt als ein Beispiel, wie in Fig. 12 gezeigt ist. Vorzugsweise beträgt der obere Grenzwert mindestens das Doppelte des unteren Grenzwerts.

52	Komponente 52 ist ein Register, welches digitale Signale enthält, die den unteren Grenzwert für die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung spezifizieren. Vorzugsweise ist dieser untere Grenzwert nicht weniger als 50 Watt, wie in Fig. 12 gezeigt ist.

53	Komponente 53 ist ein Register, welches digitale Signale enthält, die die Zeitspanne ΔT spezifizieren, während der der laufende Durchschnitt der Heizvorrichtungsleistung bestimmt wird. Vorzugsweise beträgt diese Zeitspanne zwischen 0,5 und 10 Sekunden.

54	Komponente 54 ist eine Schaltung, die den laufenden Durchschnitt der Heizvorrichtungsleistung ermittelt. Ein Ausgabesignal S1 von Schaltung 54 zeigt diesen Durchschnitt an. Eine spezielle Ausführungsform der Schaltung 54 ist ein digitaler Tiefpaßfilter, der die instantane Heizvorrichtungsleistung während des Zeitintervalls ΔT abtastet.

55	Komponente 55 ist eine arithmetische Schaltung, die ihre negative Eingabe von ihrer positiven Eingabe subtrahiert. Ein Ausgabesignal S2 von Schaltung 55 zeigt diesen Unterschied an.

56a, 56b	Komponenten 56a und 56b sind eine Diode bzw. ein Widerstand, die zusammen ein Signal S3 erzeugen. Das Signal S3 ist gleich dem Signal S2, wenn das Signal S2 größer als Null ist. Ansonsten ist das Signal S3 Null.

57	Komponente 57 ist eine arithmetische Schaltung, die ihre negative Eingabe von ihrer positiven Eingabe subtrahiert. Ein Ausgabesignal S4 aus Schaltung 57 zeigt diese Differenz an.

58a, 58b	Komponenten 58a und 58b sind eine Diode bzw. ein Widerstand, die zusammen ein Signal S5 erzeugen. Das Signal S5 ist gleich dem Signal S4, wenn das Signal S4 größer als Null ist. Ansonsten ist das Signal S5 gleich Null.

59	Komponente 59 ist ein Register, das digitale Signale enthält, die den oberen Grenzwert für die Sollwerttemperatur minus der Temeratur des Verdampfers 21 enthält. Vorzugsweise übersteigt dieser obere Grenzwert nicht 50°C, wie in Fig. 12 gezeigt ist.

60	Komponente 60 ist ein Register, welches digitale Signale enthält, die den unteren Grenzwert für die Sollwerttemperatur minus der Temperatur des Verdampfers 21 enthält. Vorzugsweise beträgt dieser untere Grenzwert mindestens 30°C, wie in Fig. 12 gezeigt ist.

61	Komponente 61 ist eine arithmetische Schaltung, die ihre negative Eingabe von ihrer positiven Eingabe subtrahiert. Ein Ausgabesignal S6 aus Schaltung 61 zeigt diese Differenz an.

62	Komponente 62 ist eine arithmetische Schaltung, die ihre negative Eingabe von ihrer positiven Eingabe subtrahiert. Ein Ausgabesignal S7 aus Schaltung 62 zeigt diese Differenz an.

63a, 63b	Komponenten 63a und 63b sind eine Diode bzw. ein Widerstand, die zusammen ein Signal S8 erzeugen. Das Signal S8 ist gleich dem Signal S7, wenn das Signal S7 größer als Null ist. Anderenfalls ist Signal S8 gleich Null.

64	Komponente 64 ist eine arithmetische Schaltung, die ihre negative Eingabe von ihrer positiven Eingabe subtrahiert. Ein Ausgabesignal S9 von Schaltung 64 zeigt diese Differenz an.

65a, 65b	Komponenten 65a und 65b sind eine Diode bzw. ein Widerstand, die zusammen ein Signal S10 erzeugen. Das Signal S10 ist gleich dem Signal S9, wenn das Signal S9 größer als Null ist. Anderenfalls ist das Signal S10 gleich Null.

66	Komponente 66 ist eine Schaltung, die das Signal SF_V in Antwort auf die Signale S3, S5, S8 und S10 erzeugt. Wie dies geschieht, wird unten beschrieben.

Der Betrieb der Schaltung von 12 beginnt mit dem Laden aller Register 51, 52, 53, 59 und 60 mit ihren Parametern. Um dies zu tun, werden den Registern 51, 52, 53, 59 und 60 ihre Parameter sequentiell über einen Datenbus DB zugesandt, der in Zeitteilung (Time-Sharing) betrieben wird. Die betreffenden Parameter werden von einem Bediener ausgewählt und von einem Terminal des Bedieners gesendet (nicht gezeigt).
Danach werden die Signale SP_H, SP, ST_E kontinuierlich von Komponenten 54 und 61 empfangen. Dann werden in Antwort darauf diese Signale kontinuierlich durch die Komponenten 54, 55, 56a, 56b, 57, 58a, 58b, 61, 62, 63a, 63b, 64, 65a und 65b verarbeitet. Auf diese Weise werden die Signale S3, S5, S8 und S10 kontinuierlich erzeugt.
Signal S3 zeigt den Grad an, zu dem die Flußrate durch Ventil 22 verringert werden sollte, wenn die Heizvorrichtungs-Leistung zu hoch ist. Anders herum zeigt Signal S5 den Grad an, zudem die Flußrate durch das Ventil 22 erhöht werden sollte, wenn die Heizvorrichtungs-Leistung zu gering ist.
Signal S8 zeigt den Grad an, zu dem die Flußrate durch das Ventil 22 verringert werden sollte, wenn die Verdampfer-Temperatur zu weit unterhalb des Sollwerts liegt. Anders herum zeigt Signal S10 den Grad an, zu dem die Flußrate durch das Ventil 22 erhöht werden sollte, wenn die Verdampfertemperatur zu nahe am Sollwert liegt.
Ein Anstieg der Flußrate, der durch das Signal S5 angezeigt ist, wird durch einen Abfall der Flußrate, der durch das Signal S8 angezeigt ist, verschoben. Auf ähnliche Weise wird eine Flußratenzunahme, die durch das Signal S10 angezeigt ist, durch eine Flußratenabnahme, die durch das Signal S3 angezeigt ist, verschoben.
Wenn der Nettowert von sämtlichen der Signale S3, S5, S8 und S10 anzeigt, daß die Flußrate durch das Ventil 22 zu niedrig ist, änderte die Schaltung 66 das Signal SF_V in einer Weise, die die Flußrate erhöht. Wenn auf ähnliche Weise der Nettowert von sämtlichen der Signale S3, S5, S8 und S10 anzeigt, daß die Flußrate durch das Ventil 22 zu hoch ist, ändert die Schaltung 66 das Signal SF_V in einer Weise ab, die die Flußrate absenkt. Zu allen übrigen Zeiten, wenn die Signale S3, S5, S8 und S10 gleich Null sind, veranlaßt die Schaltung 66 keine Änderung des Signals SF_V.
Geeigneterweise wird das Signal SF_V als ein pulsmoduliertes Signal erzeugt, welches das Ventil 22 für die Zeitdauer eines jeden Pulses in dem Signal vollständig öffnet. Alternativ wird das Signal SF_V als ein amplitudenmoduliertes Signal erzeugt, welches das Ventil 22 zu einem Grad öffnet, der proportional zur Amplitude des Signals ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des dualen Regelungssystems zum Halten der Temperatur eines IC-Chips in der Nähe eines Sollwertes wurde nun im Detail beschrieben. Nun werden verschiedene Modifikationen beschrieben, die vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Als eine Modifikation kann der IC-Chip 10, dessen Temperatur in der Nähe des Sollwertes gehalten wird, in einer jeglichen Art von „Chip-Package" vorliegen. In 1 ist der IC-Chip 10 so gezeigt, daß er nur auf dem Substrat 11 gepackt ist. Alternativ kann der IC-Chip 10 „ungepackt" sein und direkt von dem Sockel bzw. der Steckstelle 14 gehalten werden. Außerdem kann alternativ der IC-Chip 10 auf dem Substrat 11 vollständig mit einer Abdeckung bedeckt sein. Somit kann die Heizvorrichtung 20 in 1 den IC-Chip direkt berühren oder eine Abdeckung berühren, die den IC-Chip einschließt.
Als eine andere Modifikation kann der IC-Chip 10, dessen Temperatur in der Nähe des Sollwerts gehalten wird, entweder seinen eigenen Temperatursensor enthalten oder keinen eigenen Temperatursensor enthalten. In 1 ist der IC-Chip 10 so gezeigt, daß er seinen eigenen Temperatursensor 10a enthält. Wenn jedoch der IC-Chip 10 nicht solch einen Temperatursensor hat, kann die Heizvorrichtungs-Steuerungsschaltung 26 die Temperatur T_C des IC-Chips 10 abschätzen, indem sie die Temperatur der Heizvorrichtung 20 über das Signal ST_H und die Temperatur des Verdampfers über das Signal ST_E abschätzt. Wie diese Abschätzung durchgeführt wird, wird durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung in dem US Patent 5,844,208 offenbart, welches den Titel „TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FOR AN ELECTRONIC DEVICE IN WHICH DEVICE TEMPERATURE IS ESTIMATED FROM HEATER TEMPERATURE AND HEAT SINK TEMPERATURE" trägt.
Als noch eine weitere Modifikation kann das System von 1 so erweitert werden, daß eine Vielzahl von N IC-Chips 10 simultan mit ihrer Temperatur in der Nähe eines jeweiligen Sollwerts erhalten werden. In diesem erweiterten System werden sämtliche Komponenten 20 bis 22 und 24 bis 27 N mal nachgebildet. Der Kompressor-Kondensator 23 kann ein oder mehrmals auftreten, wie dies erwünscht wird. Das Kühlmittel wird in einem flüssigen Zustand von dem Kompressor-Kondensator bzw. den Kompressor-Kondensatoren 23 zu allen der nachgebildeten Ventile 22 gesendet, und das Kühlmittel wird in einem Gaszustand von sämtlichen der nachgebildeten Verdampfer 21 zu dem oder den Kompressor-Kondensatoren 23 zurückgeführt.
Ferner kann als eine weitere Modifikation die spezielle Verdampfer-Steuerungsschaltung 27, die in 12 gezeigt ist, vereinfacht werden. Eine Vereinfachung wird hergestellt, indem sämtliche Parameter, die in den Registern 51, 52, 53, 59 und 60 gehalten werden, festgelegt werden. Diese festgelegten Parameter werden dann in die Komponenten 54, 55, 57, 62 und 64 eingebaut. Dies erlaubt, daß sämtliche Register 51, 52, 53, 59 und 60 sowie der Datenbus DB fortgelassen werden.
Eine zweite Vereinfachung der Verdampfer-Steuerungsschaltung von 12 wird erreicht, indem sämtliche Komponenten weggelassen werden, die die Signale S8 und S10 erzeugen. Dies sind die Komponenten 59, 60, 61, 62, 63a, 63b, 64, 65a und 65b. Mit dieser Modifikation wird die elektrische Leistung, die von der Heizvorrichtung 20 verbraucht wird, immer noch im Vergleich zu einem System, in dem die Flußrate durch das Ventil 22 fest ist, verringert. Jedoch kann es sein, daß die Leistungsersparnisse nicht so groß sind, wie diejenigen, die mit der Steuerungsschaltung von 12 erreicht werden.
Auf ähnliche Weise wird eine dritte Vereinfachung an der Verdampfer-Steuerungsschaltung von 12 vorgenommen, indem sämtliche Komponenten weggelassen werden, die die Signale S3 und S5 erzeugen. Dies sind die Komponenten 51, 52, 53, 54, 55, 56a, 56b, 57, 58a und 58b. Bei dieser Modifikation wird hier wiederum die elektrische Leistung, die durch die Heizvorrichtung 20 verbraucht wird, im Vergleich zu einem System verringert, bei dem die Flußrate durch das Ventil 22 fest ist. Jedoch kann es sein, daß die Leistungsersparnisse nicht so groß sind, wie diejenigen, die durch die Steuerungsschaltung von 12 erreicht werden.
Eine vierte Vereinfachung an der Verdampfer-Steuerungsschaltung von 12 besteht darin, daß der obere Leistungsgrenzwert, der in dem Register 51 gehalten ist, und der untere Leistungsgrenzwert, der in dem Register 52 gehalten ist, gleich sein können. In diesem Fall kann das Register 52 fortgelassen werden, und die Ausgabe des Registers 51 wird zu dem positiven Eingang der arithmetischen Schaltung 57 sowie zu dem negativen Eingang der arithmetischen Schaltung 55 gesendet. Auf ähnliche Weise kann der obere Grenzwert der Temperaturdifferenz, der im Register 59 gehalten wird, der gleiche sein, wie der untere Grenzwert der Temperaturdifferenz, der im Register 60 gehalten wird. In diesem Fall kann das Register 60 fortgelassen werden, und die Ausgabe des Registers 59 wird in den positiven Eingang der arithmetischen Schaltung 64 sowie in den negativen Eingang der arithmetischen Schaltung 62 gesendet.
Außerdem kann eine jede der Komponenten 51 bis 66 in dem Verdampfer-Steuerungsschaltkreis 27, die in 12 gezeigt sind, auf eine beliebige erwünschte Weise implementiert werden. Beispielsweise kann eine jede der arithmetischen Schaltungen 55, 57, 61, 62 und 64 eine digitale arithmetische Schaltung sein, die digitale Signale subtrahiert, oder eine analoge arithmetische Schaltung, die analoge Signale subtrahiert. Als ein weiteres Beispiel können die Diode-Widerstands-Paare 56a–56b, 58a–58b, 63a–63b und 65a–65b als ein beliebiger Schaltkreis implementiert werden, der die Signale S2, S4, S7 und S9 durchläßt, wenn diese Signale größer als Null sind, und ansonsten eine Ausgabe von Null erzeugt. Als noch ein weiteres Beispiel können die arithmetischen Schaltungen 55, 57, 62 und 64 so implementiert werden, daß sie eine Ausgabe von Null erzeugen wenn ihre negative Eingabe dem Betrag nach größer als ihre positive Eingabe ist, und dann können die Diode-Widerstands-Paare 56a–56b, 58a–58b, 63a–63b und 65a–65b fortgelassen werden.
Als eine weitere Modifikation kann das im System von 1 verwendete Kühlmittel eine jegliche Substanz sein, die in dem Verdampfer ihren Agregarzustand von flüssig zu gasförmig ändert. Beispielsweise können diese Kühlmittel Fluorkohlenwasserstoffe wie beispielsweise Fluormethan oder Fluorethan, Wasser, flüssigen Stickstoff oder irgendeine andere Flüssigkeit mit geeigneten Verdampfungseigenschalten sein.
In Anbetracht der obigen Ausführungen versteht es sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf sämtliche Details oder nur eine spezielle Ausführungsform beschränkt ist, sondern durch die anhängenden Ansprüche definiert ist.
Zusammenfassung
Ein duales Regelungssystem hält die Temperatur eines IC-Chips in der Nähe eines Sollwertes, während der IC-Chip eine variierende Menge von elektrischer Leistung dissipiert. Der erste Regelkreis sendet elektrische Leistung zu einer elektrischen Heizvorrichtung mit einer variablen Höhe, die Änderungen in der Leistung des IC-Chips kompensiert. Der zweite Regelkreis leitet ein flüssiges Kühlmittel zu einem Verdampfer, der mit der Heizvorrichtung verbunden ist, und zwar mit einer variablen Flußrate, die den Verbrauch elektrischer Leistung in der Heizvorrichtung verringert verglichen mit demjenigen, der auftritt, wenn die Flußrate fest ist.

Claims

Duales Regelungssystem zum Halten der Temperatur eines IC-Chips in der Nähe eines Sollwertes, während der IC-Chip eine variierende Menge von elektrischer Leistung dissipiert, wobei das System folgendes umfaßt: einen Verdampfer für ein flüssiges Kühlmittel und eine elektrische Heizvorrichtung, deren eine Seite mit dem Verdampfer verbunden ist und deren andere Seite zur Kopplung mit dem IC-Chip bestimmt ist, eine Verdampfersteuerung, die mit dem Verdampfer gekoppelt ist und eine Heizvorrichtungssteuerung, die mit der elektrischen Heizvorrichtung gekoppelt ist, wobei die Heizvorrichtungssteuerung erste Regelkreismittel zum Senden von elektrischer Leistung zur elektrischen Heizvorrichtung mit einer variablen Größe enthält, die Änderungen in der Leistung des IC-Chips kompensiert, und wobei die Verdampfersteuerung zweite Regelkreismittel enthält, um das flüssige Kühlmittel mit einer variablen Flußrate zum Verdampfer zu leiten, die den Verbrauch elektrischer Leistung in der Heizvorrichtung gegenüber dem Leistungsverbrauch verringert, der auftritt, wenn die Flußrate fest ist.
Duales Regelungssystem nach Anspruch 1, bei dem die elektrische Heizvorrichtung Wärme mit schnellen Änderungen in der Menge erzeugt verglichen mit der Verdampfersteuerung, die ein Ventil umfaßt, das die Flußrate des flüssigen Kühlmittels mit wesentlich langsameren Änderungen in der Größe einstellt.
Duales Regelungssystem nach Anspruch 2, bei dem die zweiten Regelkreismittel die instantane Leistung erfassen, die der elektrischen Heizvorrichtung zugeführt wird, und das flüssige Kühlmittel mit einer Flußrate zum Verdampfer senden, die a) abnimmt, wenn der Durchschnitt der erfaßten Leistung, die der elektrischen Heizvorrichtung zugeführt wird, über ein gewisses Zeitintervall über einem oberen Leistungsgrenzwert liegt, und b) ansteigt, wenn der Durchschnitt über das Zeitintervall unterhalb eines unteren Leistungsgrenzwerts liegt.
Duales Regelungssystem nach Anspruch 3, bei dem der obere Leistungsgrenzwert mindestens doppelt so hoch ist, wie der untere Leistungsgrenzwert.
Duales Regelungssystem nach Anspruch 2, bei dem die zweiten Regelkreismittel die instantane Leistung erfassen, die der elektrischen Heizvorrichtung zugeführt wird, und das flüssige Kühlmittel mit einer Flußrate zu dem Verdampfer senden, die a) abnimmt, wenn der Durchschnitt der erfaßten Leistung, die der elektrischen Heizvorrichtung zugeführt wird, über ein gewisses Zeitintervall über einem bestimmten Leistungsgrenzwert liegt, und b) ansteigt, wenn der Durchschnitt über das Zeitintervall unter dem bestimmten Leistungsgrenzwert liegt.
Duales Regelungssystem nach Anspruch 2, bei dem die zweiten Regelkreismittel die Temperatur des Verdampfers erfassen und das flüssige Kühlmittel mit einer Flußrate zu dem Verdampfer senden, die a) abnimmt, wenn der Sollwert minus der Temperatur des Verdampfers mehr als eine maximale Differenz beträgt, und b) ansteigt, wenn der Sollwert minus der Temperatur des Verdampfers geringer als eine minimale Differenz ist.
Duales Regelungssystem nach Anspruch 6, bei dem der zweite Regelkreis den Verdampfer um 30°C bis 50°C kälter als die Temperatur des IC-Chips hält.
Duales Regelungssystem nach Anspruch 2, bei dem die zweiten Regelkreismittel die Temperatur des Verdampfers erfassen und das flüssige Kühlmittel mit einer Flußrate zu dem Verdampfer senden, die a) abnimmt, wenn der Sollwert minus der Temperatur des Verdampfers mehr als eine bestimmte Differenz beträgt, und b) ansteigt, wenn der Sollwert minus der Temperatur des Verdampfers geringer als die bestimmte Differenz ist.
Duales Steuerungssystem nach Anspruch 2, bei dem die ersten Regelkreismittel die Temperatur des IC-Chips von einem Sensor in dem IC-Chip lesen und eine elektrische Leistung zu der elektrischen Heizvorrichtung mit einer Größe senden, die a) ansteigt, wenn die Temperatur des IC-Chips unter den Sollwert sinkt und b) abnimmt, wenn die Temperatur des IC-Chips über den Sollwert ansteigt.
Duales Regelungssystem nach Anspruch 2, bei dem die ersten Regelkreismittel die Temperatur des IC-Chips als eine Funktion von der Temperatur von einem Sensor an dem Verdampfer und einem anderen Sensor an der elektrischen Heizvorrichtung abschätzen und elektrische Leistung mit einer Größe zu der elektrischen Heizvorrichtung senden, die a) ansteigt, wenn die Temperatur des IC-Chips unter den Sollwert sinkt und b) abnimmt, wenn die Temperatur des IC-Chips über den Sollwert ansteigt.
Duales Regelungssystem nach Anspruch 2, bei dem die Verdampfersteuerung ein programmierbares Element enthält, welches Signale speichert, die den oberen Leistungsgrenzwert und den unteren Leistungsgrenzwert festsetzen.
Duales Regelungssystem nach Anspruch 2, bei dem der zweite Regelkreis die durchschnittliche Heizvorrichtungsleistung bestimmt, indem die instantane Leistung, die der elektrischen Heizvorrichtung zugeführt wird, erfaßt und gefiltert wird.
Duales Regelungssystem nach Anspruch 2, bei dem die Kombination des Verdampfers, der elektrischen Heizvorrichtung, der Heizvorrichtungssteuerung und der Verdampfersteuerung in dem System mehrere male nachgebildet ist, so daß eine jede Kombination die jeweilige Temperatur eines jeweiligen IC-Chips in der Nähe eines jeweiligen Sollwertes hält.
Duales Regelungssystem nach Anspruch 2, bei dem die Verdampfersteuerung das Ventil mit einem pulsmodulierten Steuerungssignal öffnet und schließt.
Duales Regelungssystem nach Anspruch 2, bei dem die Verdampfersteuerung das Ventil zu einem Grad öffnet und schließt, der mit der Amplitude eines analogen Steuerungssignals ausgewählt wird.