DE112018002929B4

DE112018002929B4 - Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE112018002929B4
Application number: DE112018002929.8T
Authority: DE
Inventors: Seikoh Arimura; Takashi Masuzawa; Hitoshi Yoshimura; Hiroshi Taki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-06-09
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2022-06-23
Anticipated expiration: 2038-06-07
Also published as: DE112018002929T5; JP2018207072A; US10842056B2; WO2018225794A1; US20200120838A1; JP6693476B2

Abstract

Kühlvorrichtung (1) mit:einem Kühler (3), in dem ein flüssiges Kühlmittel zum Kühlen eines Leistungshalbleiterelements (21) eines Leistungsumwandlers (2) zirkulierbar ist, wobei der Kühler einen Wärmeaufnahmeabschnitt (31) umfasst, der Wärme von dem Leistungshalbleiterelement aufnimmt;einem Zirkulator (4), der das Kühlmittel in dem Kühler zirkuliert;einer Halbleitertemperaturdetektionseinheit (51), die eine Temperatur des Leistungshalbleiterelements detektiert;einer Kühlmitteltemperaturdetektionseinheit (52), die eine Temperatur eines Teils des Kühlmittels detektiert, wobei der Teil des Kühlmittels stromaufwärts des Wärmeaufnahmeabschnitts (31) fließt;einer Ausgabeerfassungseinheit (61), die eine Ausgabe des Leistungsumwandlers erfasst; undeiner Fließgeschwindigkeitssteuereinheit (62), die eine Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem Kühler steuert basierend auf einer detektierten Halbleitertemperatur (Tr), die die durch die Halbleitertemperaturdetektionseinheit detektierte Temperatur des Leistungshalbleiterelements ist, einer detektierten Kühlmitteltemperatur (Ts), die die durch die Kühlmitteltemperaturdetektionseinheit detektierte Temperatur des Teils des Kühlmittels ist, und einem Wert der Ausgabe (P) des Leistungsumwandlers, die durch die Ausgabeerfassungseinheit erfasst wird, wobeiwenn ein Ausgabebereich des Leistungsumwandlers in einen ersten Ausgabebereich (A1), der gleich oder kleiner einem vorbestimmten Schwellenwert (a) ist, und einen zweiten Ausgabebereich (A2), der den Schwellenwert überschreitet, unterteilt ist,die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit konfiguriert ist zum:Steuern, in dem ersten Ausgabebereich, der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels, sodass sie innerhalb eines Wertebereichs gehalten wird, in dem das Kühlmittel in dem Wärmeaufnahmeabschnitt in einem Nichtsiedezustand gehalten wird; undSteuern, in dem zweiten Ausgabebereich, der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels, sodass sie innerhalb eines Wertebereichs gehalten wird, in dem das Kühlmittel in dem Wärmeaufnahmeabschnitt in dem Nichtsiedezustand oder einem Blasensiedezustand ist,wobei die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem zweiten Ausgabebereich gleich oder größer einem oberen Grenzwert (V0) der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem ersten Ausgabebereich ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung mit einem Kühler zum Zirkulieren eines Kühl- bzw. Kältemittels.
Hintergrundtechnik
Es gibt Leistungsumwandlungsvorrichtungen, die konfiguriert sind zum Kühlen eines Halbleitermoduls unter Verwendung eines flüssigen Kühlmittels wie etwa Wasser. In einer solchen Leistungsumwandlungsvorrichtung siedet das Kühlmittel, wenn die Wärmeerzeugungsmenge in dem Halbleitermodul groß wird und ein Überhitzungsgrad zunimmt. Der Überhitzungsgrad meint eine Differenz zwischen der Temperatur einer Wärmeübertragungsfläche zu dem Kühlmittel und der Sättigungstemperatur des Kühlmittels. Ein Sieden des Kühlmittels in einem Blasensiedebereich ist aufgrund einer Verbesserung in dem Wärmeübertragungskoeffizienten bevorzugt. Wenn jedoch der Überhitzungsgrad weiter steigt und das Kühlmittel einen Übergangssiedebereich durchläuft und in einen Filmsiedebereich wechselt, wird das Kühlmittel an der Wärmeübertragungsfläche austrocknen, sodass es einen Wärmeübertagungsweg blockiert. Dies verhindert eine Kühlung des Halbleitermoduls.
Um ein solches Ereignis zu vermeiden, kann die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels für eine thermische Auslegung mit einer Toleranz ausreichend gesteigert werden, sodass das Halbleitermodul durch Flüssigphasenkühlung selbst in einem Zustand gekühlt werden kann, in dem die Wärmeerzeugungsmenge in dem Halbleitermodul extrem groß wird. Ein Erstellen einer thermischen Auslegung mit einer Toleranz, die die Wärmerzeugungsmenge zur Zeit der momentanen Ausgabe berücksichtigt, bedeutet jedoch zum Beispiel, dass eine übermäßige Kühlleistung zum Kühlen des Halbleitermoduls während einer stetigen Ausgabe bereitgestellt wird.
Außerdem, wie es vorstehend beschrieben ist, wird in dem Blasensiedebereich des Kühlmittels der Wärmeübertragungskoeffizient hoch, sodass die Kühlleistung verbessert wird. Daher ist die Kühlung des Halbleitermoduls effektiv, die den Blasensiedezustand verwendet, soweit dies angemessen bzw. möglich ist. Die Druckschrift JP 2013 - 089 924 A offenbart eine Siedekühlvorrichtung, die ein Halbleitermodul durch Siedekühlung kühlt.
Die in der Druckschrift JP 2013 - 089 924 A offenbarte Siedekühlvorrichtung umfasst einen Kondensator, der den Dampf einer Kühlmittelflüssigkeit kondensiert. Das heißt, dass die Siedekühlvorrichtung den durch Sieden der Kühlmittelflüssigkeit erzeugten Dampf in die flüssige Phase zurückbringen muss, und die Siedekühlvorrichtung umfasst zu diesem Zweck den Kondensator. Dies führt zu einer Vergrößerung der Kühlvorrichtung.
Ferner tritt bei der Auslegung zum stetigen Durchführen von Siedekühlung die Notwendigkeit zum Aufrechterhalten des Siedens auf. Dies verursacht ein Problem einer komplizierten Steuerung zur Erfüllung dieses Erfordernisses.
Weiterhin offenbart die Druckschrift DE 10 2005 035 654 A1 ein Kühlsystem eines Stromhalbleitermoduls. Das Kühlsystem umfasst einen Temperaturerfassungssensor, der in einem Halbleiterelement als Wärmequelle, das in einem Stromhalbleitermodul vorgesehen ist, vorgesehen ist, und einen Controller, der eine Veränderung eines Wärmeübertragungskoeffizienten von dem Stromhalbleitermodul zu dem Kühlwasser, basierend auf einer Ausgabeinformation des Temperaturerfassungssensors und einer Antriebsausgabeinformation eines Drehzahlerfassungssensors für einen Pumpenmotor zum Antreiben einer Kühlpumpe, abschätzt, den Pumpenmotor entsprechend diesem abgeschätzten Ergebnis steuert und die Kühlkapazität des Kühlwassers steuert.
Weiterer Stand der Technik ist aus der Druckschrift JP 2011 - 146 533 A bekannt, die eine Verdunstungskühlvorrichtung bereitstellt, die in der Lage ist, einen Verbindungsbruch/-zusammenbruch zu verhindern.
Kurzfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Kühlvorrichtung bereitzustellen, die eine Verkleinerung und eine Vereinfachung der Vorrichtung ermöglicht, sowie eine einfache Steuerung und eine Verbesserung in der Kühleffizienz erzielt.
Erfindungsgemäß wird die vorgenannte Aufgabe erreicht durch eine Kühlvorrichtung, wie sie in den Patentansprüchen dargelegt ist.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Kühlvorrichtung, die umfasst: einen Kühler, in dem ein flüssiges Kühlmittel zum Kühlen eines Leistungshalbleiterelements eines Leistungsumwandlers zirkulierbar ist bzw. zirkulieren kann, wobei der Kühler einen Wärmeaufnahmeabschnitt umfasst, der Wärme von dem Leistungshalbleiterelement aufnimmt; einen Zirkulator, der das Kühlmittel in dem Kühler zirkuliert bzw. zirkulieren lässt; eine Halbleitertemperaturdetektionseinheit, die eine Temperatur des Leistungshalbleiterelements detektiert; eine Kühlmitteltemperaturdetektionseinheit, die eine Temperatur eines Teils des Kühlmittels detektiert, wobei der Teil des Kühlmittels stromaufwärts des Wärmeaufnahmeabschnitts fließt; eine Ausgabeerfassungseinheit, die eine Ausgabe des Leistungsumwandlers erfasst; und eine Fließgeschwindigkeitssteuereinheit, die eine Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem Kühler steuert basierend auf einer detektierten Halbleitertemperatur, die die durch die Halbleitertemperaturdetektionseinheit detektierte Temperatur des Leistungshalbleiterelements ist, einer detektieren Kühlmitteltemperatur, die die durch die Kühlmitteltemperaturdetektionseinheit detektierte Temperatur des Teils des Kühlmittels ist, und einen Wert der Ausgabe des Leistungsumwandlers, die durch die Ausgabeerfassungseinheit erfasst wird, wobei, wenn ein Ausgabebereich des Leistungsumwandlers in einen ersten Ausgabebereich, der gleich oder kleiner einem vorbestimmten Schwellenwert ist, und einen zweiten Ausgabebereich, der den Schwellenwert überschreitet, unterteilt ist, die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit konfiguriert ist zum: Steuern, in dem ersten Ausgabebereich, der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels, sodass sie innerhalb eines Wertebereichs gehalten wird, in dem das Kühlmittel in dem Wärmeaufnahmeabschnitt in einem Nichtsiedezustand gehalten wird; und Steuern, in dem zweiten Ausgabebereich, der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels, sodass sie innerhalb eines Wertebereichs gehalten wird, in dem das Kühlmittel in dem Wärmeaufnahmeabschnitt in dem Nichtsiedezustand oder einem Blasensiedezustand ist, wobei die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem zweiten Ausgabebereich gleich oder größer einem oberen Grenzwert der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem ersten Ausgabebereich ist.
Bei der Kühlvorrichtung steuert die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit die Fließ- bzw. Durchflussmenge des Kühlmittels, wobei der Ausgabebereich des Leistungsumwandlers in den ersten Ausgabebereich und den zweiten Ausgabebereich unterteilt wird/ist, wie es vorstehend beschrieben ist. Im Speziellen steuert die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit die Fließ- bzw. Durchflussmenge des Kühlmittels, wobei der Ausgabebereich in den ersten Ausgabebereich, wo die Wärmeerzeugungsmenge in dem Leistungshalbleiterelement relativ klein ist, und den zweiten Ausgabebereich, wo die Wärmeerzeugungsmenge in dem Leistungshalbleiterelement relativ groß ist, unterteilt wird/ist. Dementsprechend kann das Leistungshalbleiterelement durch Flüssigphasenkühlung unter einer einfachen Steuerung in dem ersten Ausgabebereich gekühlt werden, und kann es durch die effektive Verwendung von Siedekühlung in dem zweiten Ausgabebereich effizient gekühlt werden.
Die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem zweiten Ausgabebereich wird so eingestellt, dass sie gleich oder größer dem oberen Grenzwert der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem ersten Ausgabebereich ist. Dies ermöglicht eine ausreichende Kühlung des Leistungshalbleiterelements in dem zweiten Ausgabebereich ohne übermäßige Kühlleistung in dem ersten Ausgabebereich.
In dem zweiten Ausgabebereich steuert die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels innerhalb des Wertebereichs, in dem das Kühlmittel in dem Nichtsiedezustand oder dem Blasensiedezustand ist. Dies macht es möglich, Siedekühlung in dem Blasensiedebereich zu verwenden, wobei ein Wärmestrom von dem Leistungshalbleiterelement zu dem Kühlmittel dazu tendiert, in dem zweiten Ausgabebereich groß zu sein.
Ferner, selbst wenn das Kühlmittel zum Sieden kommt, ist das Kühlmittel in dem Blasensiedezustand und wird es durch den Zirkulator zirkuliert, und ist es daher einfach, einen unterkühlten Siedezustand beizubehalten. In diesem Zustand werden die durch Sieden erzeugten Luftblasen gekühlt, und platzen sie am Rand, indem/wenn das Kühlmittel in den Kühler fließt. Daher besteht keine Notwendigkeit zur Bereitstellung eines Kondensators, und kann die Vorrichtung verkleinert und vereinfacht werden.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Betriebsweise ist es möglich, eine Kühlvorrichtung bereitzustellen, die eine Verkleinerung und eine Vereinfachung der Vorrichtung ermöglicht, sowie eine einfache Steuerung und eine Verbesserung in der Kühleffizienz erzielt.
Figurenliste
Die vorgenannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden durch die folgenden ausführlichen Beschreibungen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen weiter verdeutlicht. Die Zeichnungen zeigen Folgendes:

1 ist eine konzeptionelle Konfigurationsdarstellung einer Kühlvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 ist ein Schaltbild eines Leistungsumwandlers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
3 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Wert der Ausgabe des Leistungsumwandlers und einer Temperatur des Leistungshalbleiterelements beschreibt, die durch die Kühlvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gesteuert wird;
4 ist ein Steuerungsablaufdiagramm einer Fließgeschwindigkeitssteuerung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
5 ist ein Diagramm, das eine Siedelinie beschreibt; und
6 ist ein Steuerungsablaufdiagramm einer Fließgeschwindigkeitssteuerung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Erstes Ausführungsbeispiel
Ausführungsbeispiele mit Bezug auf eine Kühlvorrichtung werden unter Bezugnahme auf 1 bis 5 beschrieben.
Wie es in 1 veranschaulicht ist, umfasst die Kühlvorrichtung 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Kühler 3, einen Zirkulator 4, eine Halbleitertemperaturdetektionseinheit 51, eine Kühlmitteltemperaturdetektionseinheit 52, eine Ausgabeerfassungseinheit 61 und eine Fließgeschwindigkeitssteuereinheit 62.
Ein flüssiges Kühlmittel zum Kühlen eines Leistungshalbleiterelements 21 eines Leistungsumwandlers 2 ist in dem Kühler 3 zirkulierbar. Der Zirkulator 4 zirkuliert das Kühlmittel in dem Kühler 3. Die Halbleitertemperaturdetektionseinheit 51 detektiert die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 21.
Die Kühlmitteltemperaturdetektionseinheit 52 detektiert die Temperatur des Kühlmittels stromaufwärts eines Wärmeaufnahmeabschnitts 31. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 31 ist hier ein Innenteil des Kühlers 3, der Wärme von dem Leistungshalbleiterelement 21 aufnimmt. Im Speziellen ist der Wärmeaufnahmeabschnitt 31 ein Innenteil, in dem das Leistungshalbleiterelement 21 den Kühler 3 thermisch kontaktiert. Stromaufwärts des Wärmeaufnahmeabschnitts 31 tauscht das Kühlmittel Wärme mit dem Leistungshalbleiterelement 21. Das heißt, dass die Kühlmitteltemperaturdetektionseinheit 52 die Temperatur des Kühlmittels vor einem Wärmeaustausch mit dem Leistungshalbleiterelement 21 detektiert. Somit ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Kühlmitteltemperaturdetektionseinheit 52 nahe eines Kühlmitteleinlaufs des Kühlers 3 bereitgestellt.
Die Ausgabeerfassungseinheit 61 erfasst einen Wert der Ausgabe des Leistungsumwandlers 2. Die Ausgabe bezieht sich hier auf die Ausgangsleistung. In der folgenden Beschreibung meint die Ausgabe eine Ausgangsleistung, sofern es nicht anderweitig angegeben ist. Die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit 62 steuert die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem Kühler 3 basierend auf der detektierten Halbleitertemperatur, die die durch die Halbleitertemperaturdetektionseinheit 51 detektierte Temperatur des Leistungshalbleiterelements ist, der detektierten Kühlmitteltemperatur, die die durch die Kühlmitteltemperaturdetektionseinheit 52 detektierte Temperatur des Teils des Kühlmittels ist, und einem Wert der Ausgabe des Leistungsumwandlers, die durch die Ausgabeerfassungseinheit 61 erfasst wird.
Wie es in 3 veranschaulicht ist, ist der Ausgabebereich des Leistungsumwandlers 2 unterteilt in einen ersten Ausgabebereich A1, in dem ein Wert der Ausgabe gleich oder kleiner einem vorbestimmten Schwellenwert α ist, und einen zweiten Ausgabebereich A2, in dem ein Wert der Ausgabe den vorbestimmten Schwellenwert α überschreitet. Die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit 62 führt die folgende Steuerung in dem ersten Ausgabebereich A1 und dem zweiten Ausgabebereich A2 durch. In dem ersten Ausgabebereich A1 steuert die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit 62 nämlich die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels innerhalb eines Wertebereichs, in dem das Kühlmittel in dem Wärmeaufnahmeabschnitt 31 in einem Nichtsiedezustand ist. In dem zweiten Ausgabebereich A2 steuert die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit 62 die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels innerhalb eines Wertebereichs, in dem das Kühlmittel in dem Wärmeaufnahmeabschnitt 31 entweder in dem Nichtsiedezustand oder einem Blasensiedezustand ist. Die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem zweiten Ausgabebereich A2 wird so eingestellt, dass sie gleich oder größer einem oberen Grenzwert V0 der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem ersten Ausgabebereich A1 ist.
3 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einem Wert der Ausgabe P des Leistungsumwandlers 2 und einer Temperatur Tr des Leistungshalbleiterelements 21, das durch den Kühler 3 gekühlt wird. Eine nahezu sägezahnförmige durchgezogene Linie L bezeichnet ein Beispiel von Änderungen in der Temperatur Tr des Leistungshalbleiterelements 21 aufgrund des Werts der Ausgabe P. Das Bezugszeichen Ts bezeichnet die Temperatur des Kühlmittels vor einem Wärmeaustausch mit dem Leistungshalbleiterelement 21. Das heißt, dass die durch die Kühlmitteltemperaturdetektionseinheit 52 detektierte Kühlmitteltemperatur Ts ist.
Fünf Halbgeraden, die sich von einem Punkt aus, wo P = 0, Tr = Ts gilt, in unterschiedlichen Winkelrichtungen nach oben rechts erstrecken, bezeichnen Änderungen in der Temperatur des Leistungshalbleiterelements 21, das einer Flüssigphasenkühlung durch das Kühlmittel unterzogen wird, das mit jeweiligen spezifischen Fließgeschwindigkeiten V fließt. Mit anderen Worten sind die fünf Linien Verlängerungen von Liniensegmenten, die eine Beziehung zwischen dem Leistungshalbleiterelement 21, das einer Flüssigphasenkühlung unterzogen wird, und der Ausgabe P bezeichnen. Diese Halbgeraden sind mit Ausnahme von Abschnitten, die sich mit der durchgezogenen Linie L überlappen, durch gestrichelte Linien gezeigt.
Die Halbgeraden mit Bezugszeichen „V = VL2“, „V = VL1“, „V = V0“, „V = VH1“ und „V = VH2“ bezeichnen die Temperaturen des Leistungshalbleiterelements 21, das einer Flüssigphasenkühlung unterzogen wird, wobei die Fließgeschwindigkeiten V gleich VL2, VL1, V0, VH1 und VH2 sind. In diesem Fall gilt VL2 < VL1 < V0 < VH1 < VH2.
Eine Gerade N bezeichnet die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 21, das durch das Kühlmittel in dem Blasensiedezustand gekühlt wird. Die Gerade N ist mit Ausnahme der Abschnitte, die sich mit der durchgezogenen Linie L überlappen, durch eine feine gestrichelte Linie gezeigt.
Der Leistungsumwandler 2, der durch die Kühlvorrichtung 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels gekühlt wird, kann zum Beispiel ein Leistungsumwandler für ein Fahrzeug sein, der in einem Elektroauto, einem Hybridauto oder dergleichen installiert ist. In diesem Fall, wie es in 1 und 2 veranschaulicht ist, ist der Leistungsumwandler 2 zwischen einer Gleichstromleistungsquelle 101 und einer drehenden elektrischen Wechselstrommaschine 102 verbunden, um eine Leistungsumwandlung zwischen diesen durchzuführen.
Der Leistungsumwandler 2 umfasst eine Vielzahl von Leistungshalbleiterelementen 21. 1 ist eine schematische Darstellung, die nur ein Leistungshalbleiterelement 21 veranschaulicht. Der Leistungsumwandler 2 ist konfiguriert zum Durchführen einer Leistungsumwandlung zwischen Gleichstromleistung und Wechselstromleistung durch Schaltvorgänge der Vielzahl von Leistungshalbleiterelementen 21. Daher erzeugen die Leistungshalbleiterelemente 21 Wärme einhergehend mit einer Aktivierung des Leistungsumwandlers 2. Somit ist die Kühlvorrichtung 1 konfiguriert zum Kühlen der Leistungshalbleiterelemente 21.
Gemäß dem Wert der Ausgabe des Leistungsumwandlers 2 ändert sich ein in das Leistungshalbleiterelement 21 fließender Strom, und ändert sich auch der Verlust, nämlich die Wärmeerzeugungsmenge. Daher, wie es vorstehend beschrieben ist, stellt die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit 62 eine Methode zum Steuern der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels gemäß der Ausgabe des Leistungsumwandlers 2, nämlich gemäß dem unterteilten ersten Ausgabebereich A1 und zweiten Ausgabebereichs A2, ein.
Der Kühler 3 ist in thermischem Kontakt mit den Leistungshalbleiterelementen 21 bereitgestellt. Die Leistungshalbleiterelemente 21 sind in ein Halbleitermodul 210 eingebaut, das mit Dioden, Anschlüssen, Wärmeabstrahlungselementen und anderen integriert ist. Das Halbleitermodul 210 und der Kühler 3 können in direktem Kontakt miteinander stehen oder können mit einem thermisch leitfähigen Element dazwischen in Kontakt stehen. Das flüssige Kühlmittel ist in dem Kühler 3 zirkulierbar. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Kühlmittel Wasser. Das Kühlmittel ist jedoch nicht auf Wasser beschränkt, sondern kann ein anderes flüssiges Kühl- bzw. Kältemittel sein. Beispiele von anderen Kühl- bzw. Kältemitteln als Wasser umfassen Ammoniak/-wasser, Wasser gemischt mit Ethylenglykol-basiertem Frostschutzmittel, Karbonfluoridbasierte Kühl- bzw. Kältemittel wie etwa Fluorinert^®, FCKW-basierte Kühl- bzw. Kältemittel wie etwa HCFC123 und HFC1234a, Alkohol-basierte Kühl- bzw. Kältemittel wie etwa Methanol und Alkohol, Keton-basierte Kühl- bzw. Kältemittel wie etwa Aceton.
Das Kühlmittel, das in den Kühler 3 eingeführt wurde, verläuft durch das Innere des Kühlers 3 und tauscht Wärme mit dem Leistungshalbleiterelement 21 in dem Wärmeaufnahmeabschnitt 31 des Kühlers 3, und wird dann aus dem Kühler 3 abgeführt. Das Kühlmittel, das die Wärme von dem Leistungshalbleiterelement 21 aufgenommen hat und aus dem Kühler 3 abgeführt wurde, zirkuliert in einem in 1 veranschaulichten Zirkulationspfad 41. Dann gibt bzw. strahlt das Kühlmittel Wärme durch Luftkühlung in einer Wärmeabstrahlungseinheit 42 ab, die in dem Zirkulationspfad 41 bereitgestellt ist. Nachdem es erneut eine niedrige Temperatur erreicht hat, wird das Kühlmittel in den Kühler 3 zurückgebracht. Diese Zirkulation des Kühlmittels wird durch den Zirkulator 4 durchgeführt. Der Zirkulator 4 ist zum Beispiel eine Zirkulationspumpe. Der Zirkulator 4 ist so konfiguriert, dass er imstande ist, die Zirkulationsgeschwindigkeit des Kühlmittels anzupassen. Das heißt, dass der Zirkulator 4 die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem Wärmeaufnahmeabschnitt 31 des Kühlers 3 anpassen bzw. regulieren kann. Die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit 62 ist konfiguriert zum Steuern der Leistung des Zirkulators 4.
Der erste Ausgabebereich A1 ist ein stetiger Ausgabebereich, in dem der Leistungsumwandler 2 kontinuierlich arbeitet. Der zweite Ausgabebereich A2 ist ein nichtstetiger Ausgabebereich, in dem der Leistungsumwandler 2 mit einer hohen Ausgabe, die eine stetige Ausgabe überschreitet, temporär bzw. vorübergehend/zeitweise arbeitet.
Der Leistungsumwandler 2 treibt die drehende elektrische Maschine 102 innerhalb der Nennausgabe/-leistung zum Beispiel während einer stetigen Fahrt des Fahrzeugs an. Indessen kann der Leistungsumwandler 2 zur Zeit eines plötzlichen Startens, einer plötzlichen Beschleunigung, einer plötzlichen Verlangsamung oder dergleichen die drehende elektrische Maschine 102 mit einer Ausgabe/Leistung antreiben, die die Nennausgabe/-leistung überschreitet. Der Wert der Nennausgabe/-leistung stellt den vorbestimmten Schwellenwert α dar, der die Obergrenze in dem ersten Ausgabebereich A1 ist. Das heißt, dass ein Bereich, in dem der Wert der Ausgabe/Leistung gleich oder kleiner dem Wert der Nennausgabe/-leistung ist, den ersten Ausgabebereich A1 darstellt, und ein Bereich, in dem der Wert der Ausgabe/Leistung den Wert der Nennausgabe/ -leistung überschreitet, den zweiten Ausgabebereich A2 darstellt.
Selbst wenn die drehende elektrische Maschine 102 in dem zweiten Ausgabebereich A2 angetrieben wird, nämlich mit einem Wert der Ausgabe, der einen Wert der Nennausgabe überschreitet, wird der Wert der Ausgabe einen momentanen maximalen Ausgabewert, der ein voreingestellter oberer Grenzwert ist, nicht überschreiten. Das heißt, dass ein oberer Grenzwert β in dem zweiten Ausgabebereich A2 auch als ein maximaler Ausgabewert des Leistungsumwandlers 2 vorbestimmt ist. Der obere Grenzwert β kann zum Beispiel ungefähr 1,2 bis 5 mal der Schwellenwert α sein.
Der erste Ausgabebereich A1 kann kontinuierlich beibehalten werden, und der zweite Ausgabebereich A2 kann nur für eine kurze Zeit, wie etwa zum Beispiel mehrere Sekunden bis mehrere zehn Sekunden, beibehalten werden. Normalerweise wird der Betrieb in dem ersten Ausgabebereich A1 durchgeführt, und wird der Betrieb in dem zweiten Ausgabebereich A2 nur temporär bzw. vorübergehend/zeitweise durchgeführt. Daher ist der Anteil der Betriebszeit in dem zweiten Ausgabebereich A2 zu der Gesamtbetriebszeit extrem niedrig. Wenn die thermische Auslegung der Kühlvorrichtung gemäß einem solchen geringfügigen Anteil des zweiten Ausgabebereichs A2 vorgenommen wird, wird die Kühlleistung meistens übermäßig werden. Das heißt, dass Kühlenergie übermäßig verbraucht wird. Somit steuert die Kühlvorrichtung 1 die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels, das in den Kühler 3 fließt, in den unterteilten Bereichen, nämlich in dem ersten Ausgabebereich A1 und dem zweiten Ausgabebereich A2.
Als nächstes wird ein spezielles Beispiel der Fließgeschwindigkeitssteuerung des Kühlmittels in der Kühlvorrichtung 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf das Steuerungsablaufdiagramm gemäß 4 beschrieben.
Während eines Betriebs des Leistungsumwandlers 2 detektiert die Halbleitertemperaturdetektionseinheit 51 in Schritt S1 die Temperatur Tr des Leistungshalbleiterelements 21. In Schritt S2 erfasst die Ausgabeerfassungseinheit 61 den Wert der Ausgabe P des Leistungsumwandlers 2. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wie es in 1 und 2 veranschaulicht ist, ist ein Amperemeter 103 in einer Ausgangsverdrahtung von dem Leistungsumwandler 2 zu der drehenden elektrischen Maschine 102 bereitgestellt. Der Leistungsumwandler 2 hat ein Voltmeter 104, das eine Spannung detektiert, die zwischen einer Hochpotentialverdrahtung 22H und einer Niederpotentialverdrahtung 22L anliegt.
Die Ausgabeerfassungseinheit 61 berechnet den Wert der Ausgabe P des Leistungsumwandlers 2 basierend auf dem durch das Amperemeter 103 gemessenen Stromwert und dem durch das Voltmeter 104 gemessenen Spannungswert. Die Ausgabeerfassungseinheit 61 und die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit 62 sind in einer Steuervorrichtung 6 zusammen mit einer Temperaturschätzeinheit 63 und einer Siedezustandsbestimmungseinheit 64, die nachstehend beschrieben werden, bereitgestellt.
In Schritt S3 wird eine geschätzte Halbleitertemperatur Tj berechnet. Die geschätzte Halbleitertemperatur Tj bezieht sich auf die Temperatur der Leistungshalbleiterelemente 21 unter der Annahme, dass eine Flüssigphasenkühlung in dem zweiten Ausgabebereich A2 durchgeführt wird. Die geschätzte Halbleitertemperatur Tj wird durch die Temperaturschätzeinheit 63 basierend auf einer eingestellten Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels, die durch die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit 62 eingestellt wird, der detektierten Kühlmitteltemperatur Ts und dem erfassten Wert der Ausgabe P berechnet.
Im Speziellen wird die geschätzte Halbleitertemperatur Tj durch die folgende Gleichung berechnet: $Tj [° C] = Ts [° C] + Rth [° C/W] \times W [W]$
In der vorgenannten Gleichung stellt Rth einen Wärmewiderstand zwischen dem Leistungshalbleiterelement 21 und dem Kühlmittel bei der eingestellten Fließgeschwindigkeit V dar. Der Wärmewiderstand Rth bezieht sich zum Beispiel auf einen Messwert eines Wärmewiderstands, der bei jeder eingestellten Fließgeschwindigkeit V im Voraus gemessen wird, oder einen Berechnungswert eines Wärmewiderstands, der durch eine Herleitungsformel gemäß der eingestellten Fließgeschwindigkeit V berechnet wird.
Außerdem stellt W den Verlust des Leistungshalbleiterelements 21 in einem Wert der Ausgangsleistung P dar. Der Verlust W bezieht sich auf einen Verlustwert des Leistungshalbleiterelements 21, der aus dem durch das Voltmeter 104 detektierten Spannungswert und dem durch das Amperemeter 103 detektierten Stromwert mit jedem erfassten Wert der Ausgabe P hergeleitet wird. Der Verlust W kann ein Verlustwert sein, der aus einem Kennfeld hergeleitet wird, das durch Vorabmessung erhalten wird, oder ein Verlustwert sein, der aus einer Verlustherleitungsformel berechnet wird.
Die geschätzte Halbleitertemperatur Tj wird zum Beispiel durch Halbgeraden V = V0, V = VH1 und V = VH2 dargestellt, die in 3 veranschaulicht sind. Von diesen Halbgeraden bezeichnen insbesondere die Abschnitte, die über der durchgezogenen Linie L durch gestrichelte Linien gezeigt sind, die geschätzten Temperaturen des Leistungshalbleiterelements 21, die erreicht würden, wenn eine Flüssigphasenkühlung ohne einen Wechsel in den Blasensiedezustand bei den jeweiligen Fließgeschwindigkeiten durchgeführt wird.
Dann wird in Schritt S4, der in 4 veranschaulicht ist, der Wert der Ausgabe P mit dem Schwellenwert α verglichen. Im Speziellen wird bestimmt, ob die Ausgabe P des Leistungsumwandlers 2 in dem ersten Ausgabebereich A1 oder dem zweiten Ausgabebereich A2 liegt. Wenn bestimmt wird, dass P ≤ α gilt, das heißt, dass die Ausgabe P in dem ersten Ausgabebereich A1 liegt, wird die Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels nach Zweckmäßigkeit innerhalb des Wertebereichs von V ≤ V0 in Schritt S5 eingestellt. Dann wird der Zirkulator 4 gemäß dem eingestellten Wert der Fließgeschwindigkeit V gesteuert. In diesem Fall wird die Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels nach Zweckmäßigkeit innerhalb des Bereichs von V0 und kleiner eingestellt, während eine Flüssigphasenkühlung beibehalten wird. Zu dieser Zeit, wie es in 3 veranschaulicht ist, kann die Fließgeschwindigkeit V gemäß der Größe der Ausgabe P angepasst bzw. reguliert werden.
Andererseits, wenn in Schritt S4, der in 4 veranschaulicht ist, bestimmt wird, dass P > α gilt, das heißt, dass die Ausgabe P in dem zweiten Ausgabebereich A2 liegt, wird die Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels nach Zweckmäßigkeit innerhalb des Bereichs von V ≥ V0 in Schritt S6 und den nachfolgenden Schritten eingestellt. Die Fließgeschwindigkeit V innerhalb des Bereichs von V ≥ V0 wird zunächst gemäß der Bestimmung bezüglich des Siedezustands des Kühlmittels durch die Siedezustandsbestimmungseinheit 64 entschieden. Das heißt, dass in Schritt S7 eine Differenz ΔT zwischen der geschätzten Halbleitertemperatur Tj und der detektierten Halbleitertemperatur Tr berechnet wird. Basierend auf der Differenz ΔT bestimmt die Siedezustandsbestimmungseinheit 64, ob das Kühlmittel in dem Wärmeaufnahmeabschnitt 31 des Kühlers 3 in dem Nichtsiedezustand oder dem Blasensiedezustand ist. Im Speziellen wird bestimmt, ob das Kühlmittel in dem Nichtsiedezustand oder dem Blasensiedezustand ist, abhängig davon, ob die Differenz ΔT gleich oder kleiner einem vorbestimmten Schwellenwert T0 ist. Diese Bestimmung wird in Schritt S8 durchgeführt.
Wenn in Schritt S8 bestimmt wird, dass ΔT ≤ T0 gilt, bestimmt die Siedezustandsbestimmungseinheit 64, dass das Kühlmittel in dem Nichtsiedezustand ist. Das heißt, wenn das Kühlmittel in dem Wärmeaufnahmeabschnitt 31 in dem Nichtsiedezustand ist, stimmt die tatsächliche Temperatur des Leistungshalbleiterelements 21 theoretisch mit der geschätzten Halbleitertemperatur Tj überein. Dies ist deshalb so, da die geschätzte Halbleitertemperatur Tj als die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 21 unter der Annahme geschätzt wird, dass eine Flüssigphasenkühlung durchgeführt wird, wie es vorstehend beschrieben ist. In Wirklichkeit kann jedoch die detektierte Halbleitertemperatur Tr als die detektierte Temperatur des Leistungshalbleiterelements 21 einen geringfügigen Fehler gegenüber der tatsächlichen Temperatur des Leistungshalbleiterelements 21 aufweisen, und kann die berechnete geschätzte Halbleitertemperatur Tj aufgrund von Fehlern in den individuellen Werten zur Verwendung in der Berechnung auch fehlerhaft sein. Daher können selbst in dem Nichtsiedezustand Tj und Tr nicht vollständig miteinander übereinstimmen. In dem Nichtsiedezustand liegt jedoch die Differenz ΔT zwischen Tj und Tr innerhalb des Wertebereichs, der die vorstehend beschriebenen Fehler berücksichtigt. Wenn die Differenz ΔT gleich oder kleiner dem vorbestimmten Schwellenwert T0 ist, kann somit bestimmt werden, dass das Kühlmittel in dem Wärmeaufnahmeabschnitt 31 in dem Nichtsiedezustand ist.
Auf diese Art und Weise bestimmt die Siedezustandsbestimmungseinheit 64, wenn in Schritt S8 bestimmt wird, dass ΔT ≤ T0 gilt, dass das Kühlmittel in dem Nichtsiedezustand ist. In diesem Fall wird in Schritt S9 ein Zählerstand bzw. eine Zählung ta einer Dauer des Blasensiedezustands auf Null initialisiert und ein Zählerstand bzw. eine Zählung tb einer Dauer des Nichtsiedezustands inkrementiert. Danach wird in Schritt S10 bestimmt, ob der Zählerstand bzw. die Zählung tb gleich oder größer einem Schwellenwert t2 ist. Im Fall von tb ≥ t2 wird in Schritt S11 die Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels gesenkt. Der Zustand V ≥ V0 wird jedoch beibehalten. Die Senkungsbreite der Fließgeschwindigkeit V wird/ist zum Beispiel im Voraus eingestellt, und es wird (um) die eingestellte Breite herabgesetzt. Die Fließgeschwindigkeit wird zum Beispiel von V = VH2 auf V = VH1 oder von V = VH1 auf V = V0 gesenkt. Diese Senkung der Fließgeschwindigkeit V entspricht einer Aufwärtsbewegung von abgestuften Abschnitten M1 und M2 der in 3 veranschaulichten durchgezogenen Linie L.
Ein Senken der Fließgeschwindigkeit V dient zum Wechseln des Nichtsiedezustands in den Blasensiedezustand in dem zweiten Ausgabebereich A2, wenn der Nichtsiedezustand für zumindest eine vorbestimmte Zeit fortgedauert hat.
Das heißt, dass ein Verhindern des Andauerns bzw. der Fortsetzung der Flüssigphasenkühlung und ein effektives Verwenden einer Siedekühlung in dem zweiten Ausgabebereich A2 die Effizienz der Kühlung der Leistungshalbleiterelemente 21 verbessert. Andererseits, wenn in Schritt S10 bestimmt wird, dass tb < t2 gilt, wird die Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels unverändert gelassen.
Andererseits, wenn in Schritt S8, der in 4 veranschaulicht ist, bestimmt wird, dass ΔT > T0 gilt, bestimmt die Siedezustandsbestimmungseinheit 64, dass das Kühlmittel in dem Blasensiedezustand ist. Das heißt, wenn das Kühlmittel in dem Wärmeaufnahmeabschnitt 31 in dem Blasensiedezustand ist, ist es im Vergleich zu dem Fall einer Flüssigphasenkühlung wahrscheinlich, dass die Leistungshalbleiterelemente 21 gekühlt werden. Das heißt, dass ein Wärmestrom in dem Blasensiedebereich größer ist als in dem Nichtsiedebereich. Wenn die Leistungshalbleiterelemente 21 Wärme mit dem Kühlmittel in dem Blasensiedebereich austauschen, nimmt somit die Temperatur viel mehr ab als in dem Fall, in dem die Leistungshalbleiterelemente 21 Wärme mit dem Kühlmittel in dem Nichtsiedebereich austauschen. Als Folge hiervon ist die detektierte Halbleitertemperatur Tr niedriger als die geschätzte Halbleitertemperatur Tj, und wird ΔT größer. Wenn die Differenz ΔT den vorbestimmten Schwellenwert T0 überschreitet, kann daher bestimmt werden, dass das Kühlmittel in dem Wärmeaufnahmeabschnitt 31 in dem Blasensiedezustand ist.
Dann wird in Schritt S12 der Zählerstand bzw. die Zählung ta der Dauer des Blasensiedezustands inkrementiert und der Zählerstand bzw. die Zählung tb der Dauer des Nichtsiedezustands auf Null initialisiert. Danach wird in Schritt S13 bestimmt, ob der Zählerstand bzw. die Zählung ta gleich oder größer einem Schwellenwerts t1 ist. Das heißt, dass bestimmt wird, ob der Blasensiedezustand für eine vorbestimmte Zeit (nämlich t1) fortgedauert hat. Im Fall von ta ≥ t1 wird die Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels in Schritt S14 erhöht. Die Erhöhungsbreite der Fließgeschwindigkeit V wird/ist zum Beispiel im Voraus eingestellt, und es wird (um) die eingestellte Breite angehoben. Die Fließgeschwindigkeit wird zum Beispiel von V = V0 auf V = VH1 oder von V = VH1 auf V = VH2 erhöht. Die Erhöhung der Fließgeschwindigkeit V entspricht einer Abwärtsbewegung der abgestuften Abschnitte M1 und M2 der in 3 veranschaulichten durchgezogenen Linie.
Andererseits, wenn in Schritt S13 bestimmt wird, dass ta < t1 gilt, wird die Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels unverändert gelassen, wodurch der Blasensiedezustand beibehalten wird.
Dieser Steuerungsablauf wird auf periodischer Basis wiederholt, um die geeignete Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels sequentiell einzustellen, und der Zirkulator 4 wird derart gesteuert, dass das Kühlmittel mit dem eingestellten Wert der Fließgeschwindigkeit fließen kann. Dementsprechend können die Leistungshalbleiterelemente 21 effizient gekühlt werden.
Als Nächstes werden Betriebsvorgänge und Wirkungen des vorliegenden Ausführungsbeispiels beschrieben.
Bei der Kühlvorrichtung 1 steuert die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit 62 die Fließ- bzw. Durchflussmenge des Kühlmittels, wobei der Ausgabebereich des Leistungsumwandlers 2 in den ersten Ausgabebereich A1 und den zweiten Ausgabebereich A2 unterteilt wird/ist, wie es vorstehend beschrieben ist. Das heißt, dass die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit 62 die Fließgeschwindigkeit steuert, wobei der Ausgabebereich in den ersten Ausgabebereich A1, wo die Wärmeerzeugungsmenge in den Leistungshalbleiterelementen 21 relativ klein ist, und den zweiten Ausgabebereich A2, wo die Wärmeerzeugungsmenge in den Leistungshalbleiterelementen 21 relativ groß ist, unterteilt wird/ist. Dementsprechend können die Leistungshalbleiterelemente 21 durch Flüssigphasenkühlung unter einer einfachen Steuerung in dem ersten Ausgabebereich A1 gekühlt werden, und können sie durch die effektive Verwendung einer Siedekühlung in dem zweiten Ausgabebereich A2 effizient gekühlt werden.
Die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem zweiten Ausgabebereich A2 wird so eingestellt, dass sie gleich oder größer dem oberen Grenzwert V0 der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem ersten Ausgabebereich A1 ist. Dies ermöglicht eine ausreichende Kühlung der Leistungshalbleiterelemente 21 in dem zweiten Ausgabebereich A2 ohne übermäßige Kühlleistung in dem ersten Ausgabebereich Al.
In dem zweiten Ausgabebereich A2 steuert die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit 62 die Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels innerhalb des Wertebereichs, in dem das Kühlmittel in dem Nichtsiedezustand oder dem Blasensiedezustand ist. Dies macht es möglich, eine Siedekühlung in dem Blasensiedebereich zu verwenden, wobei ein Wärmestrom von den Leistungshalbleiterelementen 21 zu dem Kühlmittel dazu tendiert, in dem zweiten Ausgabebereich A2 groß zu sein.
Weiterhin, selbst wenn das Kühlmittel gesiedet hat, ist das Kühlmittel in dem Blasensiedezustand, und wird es durch den Zirkulator 4 zirkuliert, und ist es somit einfach, einen unterkühlten Siedezustand beizubehalten. In diesem Zustand werden die Luftblasen, die durch Sieden erzeugt werden, in einem Zustand gehalten, in dem sie gekühlt sind und von dem Rand platzen, indem/wenn das Kühlmittel in den Kühler 3 fließt. Daher besteht kein Erfordernis zum Bereitstellen eines Kondensators, und kann die Vorrichtung verkleinert und vereinfacht werden.
Der vorstehend dargelegte Sachverhalt wird unter Bezugnahme auf eine Siedelinie, die in 5 veranschaulicht wird, weiter beschrieben.
Es ist bekannt, dass die Siedezustände des Kühlmittels einen Blasensiedezustand, einen Übergangssiedezustand und einen Filmsiedezustand umfassen, die sich gemäß dem Überhitzungsgrad voneinander unterscheiden. Der Graph der Siedelinie in 5 ist ein doppellogarithmischer Graph, in dem die horizontale Achse einen Logarithmus eines Überhitzungsgrad IogΔT_sat bezeichnet und die vertikale Achse einen Logarithmus eines Wärmestroms logq bezeichnet. Eine Siedelinie B bezeichnet Änderungen in dem Wärmestrom des Kühlmittels von einem Nichtsiedebereich b0 bis zu einem Filmsiedebereich b3. Wie es vorstehend beschrieben ist, bezieht sich der Überhitzungsgrad auf die Differenz zwischen der Temperatur einer Wärmeübertragungsfläche zu dem Kühlmittel und der Sättigungstemperatur des Kühlmittels. Der Wärmestrom ist ein Index einer Kühlleistung.
Wie es aus 5 gesehen werden kann, ist der Wärmestrom in dem Nichtsiedebereich b0 klein. Das heißt, dass die Kühleffizienz in dem Flüssigphasenkühlzustand relativ niedrig ist. Im Gegensatz dazu wird der Wärmestrom in dem Blasensiedebereich b1 schnell hoch. Das heißt, dass in dem Blasensiedebereich b1 der sogenannte Siedekühlzustand erreicht wird, und die Kühleffizienz hoch wird.
Wenn der Überhitzungsgrad hoch wird und das Kühlmittel in den Übergangssiedebereich b2 wechselt, wird der Wärmestrom allmählich kleiner. Wenn der Überhitzungsgrad weiter hoch wird und das Kühlmittel in den Filmsiedebereich b3 wechselt, steigt dann der Wärmestrom erneut an. In dem Filmsiedezustand verbinden sich jedoch Blasen in dem Kühlmittel miteinander in eine Filmform an der Wärmeübertragungsfläche, und blockiert der Gasfilm den Wärmeabstrahlungspfad von der Wärmeübertragungsfläche zu der Kühlmittelflüssigkeit. Als Folge hiervon kann die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 21 scharf/stark hoch werden. Daher wird im Fall der Verwendung von Siedekühlung in dem zweiten Ausgabebereich A2 der Blasensiedebereich verwendet, um einen Wechsel in den Übergangssiedebereich oder den Filmsiedebereich zu verhindern. Andererseits, wenn die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem zweiten Ausgabebereich A2 zu stark erhöht wird, wird die Flüssigphasenkühlung fortgesetzt und kann somit die Kühleffizienz nicht gesteigert werden. Daher kann die effektive Verwendung des Blasensiedebereichs erzielt werden, indem verhindert wird, dass die Fließgeschwindigkeit zu hoch wird.
Wenn das Sieden des Kühlmittels zu lang andauert, kann jedoch das Kühlmittel verschlechtert werden. Das heißt, wenn das Sieden zu lang andauert, kann zum Beispiel sich die Zusammensetzung des Kühlmittels ändern oder irgendeine Komponente des Kühlmittels als Feststoff von dem Kühlmittel ab-/getrennt werden. Als Folge hiervon kann die Kühlleistung beeinträchtigt werden. Wenn der Blasensiedezustand des Kühlmittels in dem Wärmeaufnahmeabschnitt 31 für eine vorbestimmte Zeit (nämlich t1) in dem zweiten Ausgabebereich A2 andauert, erhöht daher die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit 62 die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels, um einen temporären bzw. vorübergehenden/zeitweisen Wechsel von dem Blasensiedezustand in den Nichtsiedezustand zu bewirken. Dies verhindert die Verschlechterung des Kühlmittels.
Indessen ist ein zu langes Andauern bzw. Fortsetzen des Nichtsiedezustands in dem zweiten Ausgabebereich A2 im Hinblick auf die Kühlleistung unvorteilhaft. Wenn der Nichtsiedezustand des Kühlmittels in dem Wärmeaufnahmeabschnitt 31 für eine vorbestimmte Zeit (nämlich t2) in dem zweiten Ausgabebereich A2 andauert, senkt daher die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit 62 die Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels, um einen Wechsel von dem Nichtsiedezustand in den Blasensiedezustand zu bewirken. Dies macht es möglich, die Verwendung von Siedekühlung zu gewährleisten und die Kühleffizienz zu verbessern.
Die Kühlvorrichtung 1 berechnet die geschätzte Halbleitertemperatur Tj als die Temperatur der Leistungshalbleiterelemente 21 unter der Annahme, dass eine Flüssigphasenkühlung in dem zweiten Ausgabebereich A2 durchgeführt wird, durch die Temperaturschätzeinheit 63. Dies macht es möglich, die Differenz ΔT zwischen der geschätzten Halbleitertemperatur Tj und der detektierten Halbleitertemperatur Tr zu erhalten, wodurch der Nichtsiedezustand oder der Blasensiedezustand einfach zu bestimmen ist, wie es vorstehend beschrieben ist.
Der erste Ausgabebereich A1 ist ein Bereich einer stetigen Ausgabe, in dem der Leistungsumwandler 2 kontinuierlich arbeitet, und der zweite Ausgabebereich A2 ist ein Bereich nichtstetiger Ausgabe, in dem der Leistungsumwandler 2 mit einer hohen Ausgabe, die die stetige Ausgabe überschreitet, temporär bzw. vorübergehend/zeitweise arbeitet. Somit wird eine Flüssigphasenkühlung stetig durchgeführt, während die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels niedergehalten wird. Dies erzielt eine Kühlung der Leistungshalbleiterelemente 21 unter einer einfachen Steuerung, während die Leistung des Zirkulators 4 niedergehalten wird. Außerdem steigert die angemessene Verwendung einer Siedekühlung in dem temporär bzw. vorübergehend/zeitweise auftretenden zweiten Ausgabebereich A2 die Kühlleistung.
Wie es vorstehend beschrieben ist, ist es gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel möglich, eine Kühlvorrichtung bereitzustellen, die eine Verkleinerung und eine Vereinfachung der Vorrichtung ermöglicht, sowie eine einfache Steuerung und eine Verbesserung in der Kühleffizienz erzielt.
Zweites Ausführungsbeispiel
Bei der Kühlvorrichtung 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels, wie es in 6 veranschaulicht ist, erhöht die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit 62 die Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels, wenn in dem zweiten Ausgabebereich A2 die Differenz ΔT zwischen der geschätzten Halbleitertemperatur Tj und der detektierten Halbleitertemperatur Tr gleich oder größer einem vorbestimmten Wert T1 wird.
Das heißt, wenn in Schritt S8 des in 6 veranschaulichten Steuerungsablaufs bestimmt wird, dass ΔT > T0 gilt, das heißt, dass das Kühlmittel in dem Wärmeaufnahmeabschnitt 31 in dem Blasensiedezustand ist, ist der Prozessablauf so, wie es nachstehend beschrieben ist. Zunächst wird in Schritt S12a ein Zählerstand bzw. eine Zählung tb einer Dauer des Nichtsiedezustands auf Null initialisiert. Dann wird in Schritt S13a die Differenz ΔT mit einem vorbestimmten Schwellenwert T1 verglichen. Der Schwellenwert T1 ist größer als der Schwellenwert T0. Der Schwellenwert T1 kann abhängig von der Fließgeschwindigkeit V zu dieser Zeit variieren. Das heißt, dass der Schwellenwert T1 ein vorbestimmter Wert gemäß jeder Fließgeschwindigkeit V sein kann.
Wenn in Schritt S13a bestimmt wird, dass ΔT ≥ T1 gilt, wird die Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels in Schritt S14a erhöht. Das heißt, wenn die Differenz ΔT zu groß wird, kann das Kühlmittel verschlechtert werden. Das heißt, wenn die Differenz ΔT zu groß wird, kann es wahrscheinlicher sein, dass der Siedezustand fortgesetzt wird, wodurch eine Verschlechterung des Kühlmittels gefördert wird. Wenn die Differenz ΔT den vorbestimmten Schwellenwert T1 erreicht, wird daher die Fließgeschwindigkeit V erhöht, um einen Wechsel in die Flüssigphasenkühlung zu bewirken. Andererseits wird die Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels unverändert gelassen, wenn in Schritt S13a bestimmt wird, dass ΔT < T1 gilt.
In der Steuerung durch die Kühlvorrichtung 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird der Zählerstand bzw. die Zählung ta der Dauer des Blasensiedezustands, der bzw. die in der Steuerung durch die Kühlvorrichtung 1 des ersten Ausführungsbeispiels verwendet wird, nicht verwendet. Dementsprechend gibt es keine Initialisierung oder Erhöhung des Zählerstands bzw. der Zählung ta in Schritten S9a und S12a des in 6 veranschaulichten Prozessablaufs des vorliegenden Ausführungsbeispiels, anders als in Schritten S9 und S12 des in 4 veranschaulichten Prozessablaufs des ersten Ausführungsbeispiels. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann jedoch die Fließgeschwindigkeit V auch unter Berücksichtigung des Zählerstands bzw. der Zählung ta der Dauer des Blasensiedezustands gesteuert werden. Das heißt, dass zum Beispiel die Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels erhöht werden kann, wenn die Beziehung ΔT ≥ T1 oder ta ≥ t1 gilt.
In anderer Hinsicht ist das zweite Ausführungsbeispiel in der gleichen Art und Weise wie das erste Ausführungsbeispiel konfiguriert. Von den Bezugszeichen, die bei den zweiten und nachfolgenden Ausführungsbeispielen verwendet werden, bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen, die bei dem Ausführungsbeispiel verwendet werden, das bereits beschrieben wurde, die gleichen Bestandteile bzw. Bauelemente wie diejenigen bei dem Ausführungsbeispiel das bereits geschrieben wurde, sofern es nicht anderweitig angegeben ist.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erhöht die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit 62 die Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels, wenn die Differenz ΔT gleich oder größer dem vorbestimmten Wert T1 wird. Dies macht es möglich, die Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels selbst in dem Fall, dass sich die Ausgabe P des Leistungsumwandlers 2 in einer kurzen Zeit ändert, auf geeignete Weise zu steuern. Das heißt, dass es möglich ist, Fließgeschwindigkeitsänderungen des Kühlmittels besser auf Ausgabeschwankungen des Leistungsumwandlers 2 ansprechend zu machen bzw. vorzunehmen. Als Folge hiervon ist es möglich, einen Wärmeschock aufgrund einer scharfen/starken Temperaturänderung des Leistungshalbleiterelements 21 in einem großen Ausgabebereich der Ausgabe P zu unterbinden. Außerdem ist es einfacher, die Verschlechterung des Kühlmittels zu unterbinden.
In anderer Hinsicht erzeugt das zweite Ausführungsbeispiel die gleichen Betriebsvorgänge und Wirkungen wie diejenigen des ersten Ausführungsbeispiels.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Fließgeschwindigkeit V des Kühlmittels schrittweise geändert. Alternativ kann die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels kontinuierlich ändern.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend dargelegten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ist durch die Patentansprüche (umfassend deren Äquivalenzbereich) definiert.

Claims

Kühlvorrichtung (1) mit: einem Kühler (3), in dem ein flüssiges Kühlmittel zum Kühlen eines Leistungshalbleiterelements (21) eines Leistungsumwandlers (2) zirkulierbar ist, wobei der Kühler einen Wärmeaufnahmeabschnitt (31) umfasst, der Wärme von dem Leistungshalbleiterelement aufnimmt; einem Zirkulator (4), der das Kühlmittel in dem Kühler zirkuliert; einer Halbleitertemperaturdetektionseinheit (51), die eine Temperatur des Leistungshalbleiterelements detektiert; einer Kühlmitteltemperaturdetektionseinheit (52), die eine Temperatur eines Teils des Kühlmittels detektiert, wobei der Teil des Kühlmittels stromaufwärts des Wärmeaufnahmeabschnitts (31) fließt; einer Ausgabeerfassungseinheit (61), die eine Ausgabe des Leistungsumwandlers erfasst; und einer Fließgeschwindigkeitssteuereinheit (62), die eine Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem Kühler steuert basierend auf einer detektierten Halbleitertemperatur (Tr), die die durch die Halbleitertemperaturdetektionseinheit detektierte Temperatur des Leistungshalbleiterelements ist, einer detektierten Kühlmitteltemperatur (Ts), die die durch die Kühlmitteltemperaturdetektionseinheit detektierte Temperatur des Teils des Kühlmittels ist, und einem Wert der Ausgabe (P) des Leistungsumwandlers, die durch die Ausgabeerfassungseinheit erfasst wird, wobei wenn ein Ausgabebereich des Leistungsumwandlers in einen ersten Ausgabebereich (A1), der gleich oder kleiner einem vorbestimmten Schwellenwert (a) ist, und einen zweiten Ausgabebereich (A2), der den Schwellenwert überschreitet, unterteilt ist, die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit konfiguriert ist zum: Steuern, in dem ersten Ausgabebereich, der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels, sodass sie innerhalb eines Wertebereichs gehalten wird, in dem das Kühlmittel in dem Wärmeaufnahmeabschnitt in einem Nichtsiedezustand gehalten wird; und Steuern, in dem zweiten Ausgabebereich, der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels, sodass sie innerhalb eines Wertebereichs gehalten wird, in dem das Kühlmittel in dem Wärmeaufnahmeabschnitt in dem Nichtsiedezustand oder einem Blasensiedezustand ist, wobei die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem zweiten Ausgabebereich gleich oder größer einem oberen Grenzwert (V0) der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem ersten Ausgabebereich ist.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: der erste Ausgabebereich ein Bereich einer stetigen Ausgabe ist, in dem der Leistungsumwandler kontinuierlich arbeitet, und der zweite Ausgabebereich ein Bereich einer nichtstetigen Ausgabe ist, in dem der Leistungsumwandler temporär mit einer hohen Ausgabe arbeitet, die die stetige Ausgabe überschreitet.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei: die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit konfiguriert ist zum Erhöhen, in dem zweiten Ausgabebereich, der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels daraufhin, dass der Blasensiedezustand des Kühlmittels für eine vorbestimmte Zeit fortgedauert hat.
Kühlvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit konfiguriert ist zum Senken, in dem zweiten Ausgabebereich, der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels daraufhin, dass der Nichtsiedezustand des Kühlmittels für eine vorgeschriebene Zeit fortgedauert hat.
Kühlvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, mit: einer Temperaturschätzeinheit (63), die konfiguriert ist zum Berechnen einer geschätzten Halbleitertemperatur (Tj) als die Temperatur des Leistungshalbleiterelements basierend auf einem Wert der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels, die durch die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit eingestellt wird, der detektierten Kühlmitteltemperatur und dem Wert der Ausgabe des Leistungsumwandlers daraufhin, dass eine Flüssigphasenkühlung in dem zweiten Ausgabebereich durchgeführt wird; und einer Siedezustandsbestimmungseinheit (64), die bestimmt, ob das Kühlmittel in dem Wärmeaufnahmeabschnitt in dem Blasensiedezustand oder dem Nichtsiedezustand ist, basierend auf einer Differenz (ΔT) zwischen der geschätzten Halbleitertemperatur und der detektierten Halbleitertemperatur.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei: die Fließgeschwindigkeitssteuereinheit konfiguriert ist zum Erhöhen, in dem zweiten Ausgabebereich, der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels daraufhin, dass die Differenz zwischen der geschätzten Halbleitertemperatur und der detektierten Halbleitertemperatur gleich oder größer einem vorbestimmten Wert ist.