DE10014625A1 - Heizelementkühlgerät und Heizelementkühlverfahren - Google Patents

Abstract

Eine Kühlflüssigkeit (28) mit einer Siedetemperatur, die niedriger als die zulässige maximale Betriebsumgebungstemperatur der Schaltelemente (42) ist und die in hohem Maße isolierend ist, wird zum Kapseln der Schaltelemente (42) in Flüssigkeit verwendet. Diese Kühlflüssigkeit (28) wird durch einen Flüssigkeitskühler (50) gekühlt. Die Kühlflüssigkeit (28) verdampft und entfernt die durch die Schaltelemente (42) erzeugte Wärme, um die Schaltelemente (42) zu kühlen. Eine verdampfte Kühlflüssigkeit (28) wird durch den Flüssigkeitskühler (50) gekühlt und wird verflüssigt. Die Schaltelemente (42) können wirksam gekühlt und die Größe des Geräts kann verringert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Heizelementkühlgerät und ein Heizelementkühlverfahren.

Es wurde eine Bauart eines Heizelementkühlgeräts vorgeschlagen, in der als Heizelemente verwendete IGBT- (bi­ polare Isolierschichttransistor) Elemente (Schaltelemente) durch einen Wandler gekühlt werden, der von den auf einer Öffnung eines Flüssigkeitskühlkörpers montierten IGBT-Elementen gebildet ist. Dies ist zum Beispiel in der JP 9-121557 A beschrieben. Bei diesem Gerät wird die durch die IGBT-Elemente erzeugte Wärme durch Wärmeleitung zum Flüssigkeitskühlkörper übertragen und durch ein Kühlmittel, wie zum Beispiel Wasser, entfernt, das über eine an der Öffnung des Flüssigkeitskühlkörpers ausgebildete Bahn fließt. Dadurch werden die IGBT-Elemente gekühlt.

Es ist ein anderes Heizelementkühlgerät vorgeschlagen, bei dem Halbleiterelemente durch Freon in Flüssigkeit gekapselt sind und Untertrennungen zwischen den Halbleiterelementen vorgesehen sind (zum Beispiel die JP 57-141945 A). Bei diesem Gerät werden die Halbleiterelemente durch ein Entfernen der Verdampfungswärme von Freon von den Halbleiterelementen gekühlt. Bei diesem Gerät wird eine Verminderung der Kühlwirkung aufgrund eines Bläschenfilms zwischen den Halbleitern durch Vorsehen von Untertrennungen verhindert.

Bei dieser Bauart eines Geräts zum Kühlen von IGBT- Elementen unter Verwendung eines Flüssigkeitskühlkörpers besteht jedoch ein Problem, daß die IGBT-Elemente nicht wirksam oder ausreichend gekühlt werden können.

Insbesondere in den vergangenen Jahren besteht ein starker Bedarf, die Größe aller Vorrichtungen inklusive dem Wandler usw. zu verringern, und zur Erfüllung dieses Bedarfs werden die Schaltelemente des Wandlers dicht gepackt. Dadurch ist die Wärmemenge, die durch eine eine Wärmeleitung verwendende Kühlung entfernt werden kann, nicht ausreichend, obwohl eine ausreichende Kühlung dieser Schaltelemente ein Erfordernis bleibt.

Bei dem Gerät, bei dem die Halbleiterelemente durch Freon in Flüssigkeit gekapselt sind, werden einige der Halbleiterelemente von der Flüssigkapselung freigesetzt, wenn das Gerät geneigt wird, wodurch ein Problem hervorgerufen wird, bei dem die Halbleiterelemente nicht ausreichend gekühlt werden. Überdies erreicht, wenn die Halbleiterelemente für einen langen Zeitraum verwendet werden, die Temperatur von Freon seine Siedetemperatur, was intensives Verdampfen hervorruft, einen Verdampfungsfilm rund um die Halbleiterelemente erzeugt und wieder ein Problem hervorruft, daß die Halbleiterelemente nicht ausreichend gekühlt werden.

Es ist eine Aufgabe eines Heizelementkühlgeräts gemäß der Erfindung, die Heizelemente wirksam und ausreichend zu kühlen. Das Heizelementkühlgerät der Erfindung soll auch eine ausreichende Kühlung der Heizelemente vorsehen, selbst wenn das Gerät geneigt ist. Ferner soll das Heizelementkühlgerät der Erfindung eine Verringerung der Größe des Geräts vorsehen. Eine Aufgabe eines erfindungsgemäßen Heizelementkühlverfahrens ist es, ein Verfahren zum wirksamen und ausreichenden Kühlen der Heizelemente vorzusehen.

Um die oben angeführten Aufgaben zu lösen, sind das Heizelementkühlgerät und das Heizelementkühlverfahren gemäß der Erfindung aufgebaut, wie unten beschrieben.

Das erfindungsgemäße Heizelementkühlgerät ist ein Kühlgerät zum Kühlen von Heizelementen, das einen Flüssigkeitskapselbehälter zum Kapseln der Heizelemente in Flüssigkeit unter Verwendung einer Kühlflüssigkeit mit einer Siedetemperatur, die niedriger als die zulässige Betriebsumgebungstemperatur der Heizelemente ist, und einen Kühlmechanismus zum Kühlen der Kühlflüssigkeit aufweist.

Mit dem Heizelementkühlgerät der Erfindung werden die Heizelemente gekühlt, indem die Verdampfungswärme der Kühlflüssigkeit mit einer Siedetemperatur, die niedriger als die zulässige Betriebsumgebungstemperatur der Heizelemente ist, direkt oder indirekt von den Heizelementen entfernt wird, wodurch der Kühlungswirkungsgrad erhöht wird. Ferner kann das verdampfte Gas der Kühlflüssigkeit verflüssigt werden, indem das Gas mit dem Kühlmechanismus gekühlt wird. Das wiederverflüssigte Gas kann zum Kühlen der Heizelemente wiederverwendet werden, wodurch die Betriebsumgebungstemperatur der Heizelemente in der zulässigen Temperaturspanne gesetzt wird.

Gemäß einer Ausgestaltung des Heizelementkühlgeräts der Erfindung kann der Flüssigkeitskapselbehälter eine Einrichtung zum Entfernen anderer Fluide als der Kühlflüssigkeit und zum Kapseln der Heizelemente in Flüssigkeit unter Verwendung der Kühlflüssigkeit sein. Mit diesem Aufbau setzen sich die Heizelemente nicht aus der Kühlflüssigkeit frei, selbst wenn das Gerät geneigt ist, und die Heizelemente können sogar in einem derartigen Fall gekühlt werden.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung des Heizelementkühlgeräts der Erfindung kann der Flüssigkeitskapselbehälter eine Einrichtung sein, die einen Durchflußweg für das durch den Kühlmechanismus verwendete Kühlmittel aufweist. Auf diese Weise kann die zum Kapseln in Flüssigkeit verwendete Kühlflüssigkeit unter Verwendung des Kühlmittels gekühlt werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Heizelementkühlgeräts der Erfindung können die Heizelemente Schaltelemente sein und die Kühlflüssigkeit kann ein Isolator sein. Mit diesem Aufbau kann ein elektrischer Kurzschluß durch ein Kapseln in Flüssigkeit verhindert werden. Bei dem Heizelementkühlgerät dieser Ausgestaltung der Erfindung kann die Kühlflüssigkeit ein Perfluorkohlenstoff sein.

Ein erfindungsgemäßes Heizelementkühlverfahren ist ein Kühlverfahren zum Kühlen von Heizelementen mit den Schritten eines Kühlens der Heizelemente unter Verwendung der Verdampfungswärme einer Kühlflüssigkeit, die eine niedrigere Siedetemperatur als die zulässige Betriebsumgebungstemperatur der Heizelemente aufweist und mit zumindest einigen der Heizelemente in Kontakt ist, und eines Kühlens der Kühlflüssigkeit, die ein Kühlmittel verwendet, das sich von der Kühlflüssigkeit unterscheidet.

Mit dem Heizelementkühlverfahren der Erfindung kann eine Kühlung wirksam durchgeführt werden, weil die Heizelemente gekühlt werden, indem die Verdampfungswärme der Kühlflüssigkeit mit einer Siedetemperatur, die niedriger als die zulässige Betriebsumgebungstemperatur der Heizelemente ist, direkt oder indirekt von den Heizelementen entfernt wird. Überdies kann ein verdampftes Gas der Kühlflüssigkeit verflüssigt werden, indem die Kühlflüssigkeit, die ein anderes Kühlmittel als die Kühlflüssigkeit verwendet, gekühlt wird, und das verflüssigte Gas kann zum Kühlen der Heizelemente wiederverwendet werden, wodurch die Betriebsumgebungstemperatur der Heizelemente in der zulässigen Temperaturspanne gehalten wird.

Gemäß einer Ausgestaltung des Heizelementkühlverfahrens der Erfindung können die Heizelemente Schaltelemente sein und die Kühlflüssigkeit kann ein Isolator sein. Auf diese Weise kann ein elektrischer Kurzschluß durch das Kapseln in Flüssigkeit verhindert werden. Bei dem Heizelementkühlverfahren dieser Ausgestaltung der Erfindung kann die Kühlflüssigkeit ein Perfluorkohlenstoff sein.

Fig. 1 ist ein Aufbaudiagramm, das schematisch ein Aufbaubeispiel eines Heizelementkühlgeräts gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert beschrieben.

Fig. 1 ist ein Aufbaudiagramm, das schematisch den Aufbau eines Heizelementkühlgeräts 20 zum Kühlen von Schaltelementen 42 zeigt, die Heizelemente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind. Wie in der Figur gezeigt ist, weist das Heizelementkühlgerät 20 dieses Ausführungsbeispiels ein kastenförmiges Gehäuse 22 zum Lagern einer Vielzahl von Schaltelementen 42 in einem Lagerabschnitt 23, wobei eine Kühlflüssigkeit 28 in den Lagerabschnitt 23 des Gehäuses 22 gefüllt ist, und einen Flüssigkeitskühler 50 zum Kühlen der Kühlflüssigkeit 28 auf.

Das Gehäuse 22 ist mit einem in der Außenwand befindlichen Durchflußweg 26 für ein Kühlmittel, wie zum Beispiel Wasser, versehen. Ein Einlaufende 24 und ein Auslaufende 25 des Kühlmittels sind zu einem Umlaufrohr 52 des Flüssigkeitskühlers 50 verbunden. Der Lagerabschnitt 23 innerhalb des Gehäuses 22 ist gekapselt und Schaltelemente 42 sind durch ein Drahtbonden 44 an der Unterseite des Lagerabschnitts 23 auf eine Platte 40 gesetzt. In diesem Beispiel werden IGBT-Elemente als die Heizelemente verwendet. Weil das Montagegrundmaterial und die elektrische Verdrahtung der Schaltelemente 42 nicht den Hauptteil der Erfindung bilden, werden sie weder gezeigt, noch erläutert.

Die in den Lagerabschnitt 23 des Gehäuses 22 zu füllende Kühlflüssigkeit 28 hat eine Siedetemperatur in der Spanne von Betriebsumgebungstemperaturen, bei denen die Schaltelemente ziemlich gut arbeiten können. Diese Kühlflüssigkeit 28 ist auch in hohem Maße isolierend. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es ein Perfluorkohlenstoff (wie zum Beispiel Frorinate, das durch Sumitomo 3M, Co. hergestellt wird), der in hohem Maße isolierend ist und dessen Siedetemperatur niedriger als die zulässige Betriebsumgebungstemperatur von IGBT ist. Die Kühlflüssigkeit 28 kühlt die Schaltelemente 42 durch ein Entfernen der Wärme, die durch die Schaltelemente 42 durch ein Verdampfen erzeugt wurde.

Der Flüssigkeitskühler 50 weist ein Umlaufrohr 52, das mit dem Einlaufende 24 und dem Auslaufende 25 des Gehäuses 22 verbunden ist und das eine Umlaufbahn mit dem Durchflußweg 26 des Gehäuses 22 ausbildet, eine Umlaufpumpe 54, die zum Zirkulieren des Kühlmittels durch das Umlaufrohr 52 an dieses Umlaufrohr 52 montiert ist, und einen Radiator 56 auf, der zum Kühlen des Kühlmittels unter Verwendung der Außenluft auch an dieses Umlaufrohr 52 montiert ist. Der Flüssigkeitskühler 50 kühlt die Kühlflüssigkeit 28, die den Lagerabschnitt 23 des Gehäuses 22 füllt, indem das flüssige Mittel, das durch die Außenluft gekühlt wurde, unter Verwendung der Zirkulierpumpe 54 über das Umlaufrohr 52 zirkuliert wird. Dadurch wird die Kühlflüssigkeit 28, die durch die Wärme der Schaltelemente 42 verdampft wurde, gekühlt und durch den Flüssigkeitskühler 50 verflüssigt.

Mit dem Heizelementkühlgerät 20, wie es oben beschrieben ist, können die Schaltelemente 42 durch ein direktes oder indirektes Entfernen der Verdampfungswärme der Kühlflüssigkeit 28 gekühlt werden, die eine Siedetemperatur hat, die niedriger als die zulässige Betriebsumgebungstemperatur der Schaltelemente 42 ist. Überdies kann, weil die Kühlflüssigkeit 28 durch den Flüssigkeitskühler 50 gekühlt wurde, eine verdampfte Kühlflüssigkeit 28 verflüssigt und zum Kühlen der Schaltelemente 42 wiederverwendet werden. Infolgedessen kann der Wirkungsgrad der Kühlung verbessert und gleichzeitig die Größe des Geräts verringert werden. Ferner tritt kein elektrischer Kurzschluß auf, weil die Kühlflüssigkeit 28 in hohem Maße isolierend ist. Die Betriebsumgebungstemperatur der Schaltelemente 42 kann in der zulässigen Temperaturspanne gesetzt werden.

Weil der Lagerabschnitt 23 des Gehäuses 22 so ausgebildet ist, daß er einen gekapselten Aufbau hat, und mit der Kühlflüssigkeit 28 gefüllt ist, setzen sich bei dem Heizelementkühlgerät 20, wie es beschrieben ist, die Schaltelemente 42 nicht aus der Kühlflüssigkeit 28 frei, selbst wenn das Heizelementkühlgerät 20 geneigt ist, was ein wirksames Kühlen der Schaltelemente 42 auch unter derartigen Bedingungen ermöglicht.

Auch wenn das Heizelementkühlgerät 20 des vorliegenden Ausführungsbeispiels so gestaltet ist, daß die Schaltelemente 42 gekühlt werden, die IGBT sind, die wie die Heizelemente verwendet werden, kann es auch so gestaltet sein, daß andere Schaltelemente als IGBT gekühlt werden oder andere Heizelemente als Schaltelemente gekühlt werden.

Bei dem oben beschriebenen Heizelementkühlgerät 20 wird ein Perfluorkohlenstoff als die den Lagerabschnitt 23 des Gehäuses 22 auffüllende Kühlflüssigkeit 28 verwendet, aber auch andere flüssige Kältemittel können verwendet werden, sofern sie ausreichend isolierend sind und eine Siedetemperatur haben, die in der zulässigen Spanne der Betriebsumgebungstemperaturen der Schaltelemente 42 ist. Wenn es nicht nötig ist, einen elektrischen Kurzschluß für die Heizelemente in Betracht zu ziehen, muß die Flüssigkeit nicht in hohem Maße isolierend sein.

Bei dem Heizelementkühlgerät 20 des Ausführungsbeispiels ist der Durchflußweg 26 für das Kühlmittel an der Außenwand des Gehäuses 22 vorgesehen, aber auch innerhalb des Lagerabschnitts 23 kann ein Rohr zum Ausbilden des Durchflußwegs für das Kühlmittel vorgesehen werden.

Es wurde das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, aber diese Beschreibung soll nicht den Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche beschränken, und Abänderungen und Abwandlungen können im Bereich des Schutzumfangs der beigefügten Patentansprüche verwirklicht werden.

Eine Kühlflüssigkeit 28 mit einer Siedetemperatur, die niedriger als die zulässige maximale Betriebsumgebungstemperatur der Schaltelemente 42 ist und die in hohem Maße isolierend ist, wird zum Kapseln der Schaltelemente 42 in Flüssigkeit verwendet. Diese Kühlflüssigkeit 28 wird durch einen Flüssigkeitskühler 50 gekühlt. Die Kühlflüssigkeit 28 verdampft und entfernt die durch die Schaltelemente 42 erzeugte Wärme, um die Schaltelemente 42 zu kühlen. Eine verdampfte Kühlflüssigkeit 28 wird durch den Flüssigkeitskühler 50 gekühlt und wird verflüssigt. Die Schaltelemente 42 können wirksam gekühlt und die Größe des Geräts kann verringert werden.

Claims (8)

1. Heizelementkühlgerät zum Kühlen von Heizelementen mit
einem Flüssigkeitskapselbehälter zum Kapseln von Heizelementen in Flüssigkeit unter Verwendung einer Kühlflüssigkeit (28) mit einer Siedetemperatur in der zulässigen Betriebsumgebungstemperaturspanne der Heizelemente, und
einem Kühlmechanismus zum Kühlen der Kühlflüssigkeit (28).

2. Heizelementkühlgerät nach Patentanspruch 1, wobei der Flüssigkeitskapselbehälter andere Fluide als die Kühlflüssigkeit (28) entfernt und die Heizelemente unter Verwendung der Kühlflüssigkeit (28) in Flüssigkeit kapselt.

3. Heizelementkühlgerät nach Patentanspruch 1, wobei der Flüssigkeitskapselbehälter einen Durchflußweg (26) für ein Kühlmittel hat, das durch den Kühlmechanismus verwendet wird.

4. Heizelementkühlgerät nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, wobei die Heizelemente Schaltelemente (42) sind und die Kühlflüssigkeit (28) ein Isolator ist.

5. Heizelementkühlgerät nach Patentanspruch 4, wobei die Kühlflüssigkeit (28) ein Perfluorkohlenstoff ist.

6. Heizelementkühlverfahren zum Kühlen von Heizelementen, mit den Schritten
eines Kühlens von Heizelementen unter Verwendung der Verdampfungswärme einer Kühlflüssigkeit (28), die eine Siedetemperatur in der zulässigen Betriebsumgebungstemperaturspanne der Heizelemente hat und Kontakt mit einem oder mehreren der Heizelemente hat, und
eines Kühlens der Kühlflüssigkeit (28) unter Verwendung eines anderen Kühlmittels als der Kühlflüssigkeit (28).

7. Heizelementkühlverfahren nach Patentanspruch 6, wobei die Heizelemente Schaltelemente (42) sind und die Kühlflüssigkeit (28) ein Isolator ist.

8. Heizelementkühlverfahren nach Patentanspruch 7, wobei die Kühlflüssigkeit (28) ein Perfluorkohlenstoff ist.