(57)【要約】【課題】半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるパワー半導体モジュールの冷却システムを得る。【解決手段】パワー半導体モジュール７０に設けられた発熱源としての半導体素子に温度検出センサを設けるとともに、この温度検出センサの出力情報Ｔｊと、冷却ポンプ（Ｐ）１１０をポンプモータ回転数検出センサ（ＲＳ）１１２の駆動出力情報Ｓｒとに基づき、半導体パワーモジュール７０から冷却水への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果からポンプモータ（Ｍ）１１１を制御し冷却水による冷却能力を制御するコントローラ１９０を設けた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体モジュールの冷却を行うための冷却流体を流通する流体流路、前記冷却流体を加圧し前記流体流路へ送給する冷却流体加圧手段、前記冷却流体加圧手段を駆動する駆動手段を備えたパワー半導体モジュールの冷却システムにおいて、前記パワー半導体モジュールに設けられた発熱源としての半導体素子に温度検出手段を設けるとともに、この温度検出手段の出力情報と、前記冷却流体加圧手段を駆動する駆動手段の駆動出力情報とに基づき、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて前記冷却流体による冷却能力を制御する制御手段を設けたことを特徴とするパワー半導体モジュールの冷却システム。
【請求項２】
パワー半導体モジュールの放熱面に接する冷却流体を流通する冷却流体流路が設けられ前記パワー半導体モジュールの熱を冷却流体へ熱交換するヒートシンクと、前記パワー半導体モジュールの放熱面と対向する前記冷却流体流路の壁面に設けられ冷却流体の流れに渦乱流を発生させる複数の突起部材と、前記冷却流体流路に冷却流体を圧送するポンプと、前記ポンプを駆動するポンプモータと、前記ポンプモータの回転数を検出する回転数検出手段と、前記冷却流体が前記ヒートシンクで受熱した熱を外気に放熱するラジエータと、前記ポンプモータの回転数を可変させるコントローラとを備えたパワー半導体モジュールの冷却システムにおいて、前記パワー半導体モジュール内部の発熱素子に温度検出手段を設けるとともに、前記温度検出手段の出力情報と、前記ポンプモータの回転数検出手段による回転数の出力情報とに基づき、前記パワー半導体モジュールから冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果から冷却流体の流量あるいは圧送圧力を制御する制御手段を設けたことを特徴とするパワー半導体モジュールの冷却システム。
【請求項３】
前記渦乱流を生成する突起部材として、円錐状フィンを設けたことを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。
【請求項４】
前記渦乱流を生成する突起部材として、円柱状フィンを設けたことを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。
【請求項５】
前記渦乱流を生成する突起部材として、洗濯板状フィンを設けたことを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。
【請求項６】
前記渦乱流を生成する突起部材として、多段円柱状フィンを設けたことを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。
【請求項７】
前記冷却流体の流路中に少なくとも一つのオリフィスを設けたことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。
【請求項８】
前記冷却流体の温度を検出する冷却流体温度検出手段を備え、前記冷却流体温度検出手段の検出値を用いて前記パワー半導体モジュールの温度検出手段の検出値から推定した熱伝達率を補正する補正手段を有することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれかに記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。
【請求項９】
前記ポンプが発生する冷却流体の圧力を検出する圧力検出手段を備え、前記圧力検出手段の検出値を用いて前記パワー半導体モジュールの温度検出手段の検出値から推定した熱伝達率を補正する補正手段を有することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれかに記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。
【請求項１０】
前記パワー半導体モジュールへの通電に際し、前記パワー半導体モジュールへの通電より先に前記ポンプモータを起動させ、前記冷却流体の循環を発生させる制御手段を設けたことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれかに記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。
【請求項１１】
前記熱伝達率の補正手段により補正された熱伝達率の値を基に、前記パワー半導体モジュールが冷却流体と接触する熱伝達面の温度を演算により推定するとともに、前記熱伝達面の温度の推定値と、前記冷却流体の沸点の値とを比較判定する判定手段を備えたことを特徴とする請求項８または請求項９に記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。
【請求項１２】
前記冷却流体温度検出手段によって検出される流体温度の値を基に、前記パワー半導体モジュールが冷却流体と接触する熱伝達面の温度を演算により推定するとともに、前記熱伝達面の温度の推定値と、前記冷却流体の沸点の値とを比較判定する判定手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれかに記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。
【請求項１３】
前記判定手段の判定結果に基づき、前記冷却流体加圧手段の加圧状態を制御する調整手段を設けたことを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワー半導体モジュールの冷却システム、特に、冷却流体による冷却能力を制御することで所望の温度環境を実現維持するパワー半導体モジュールの冷却システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来からパワー半導体を用いたインバータ装置においては、冷却のために水冷や液冷の冷却システムが適用されている例が多数見られる。
【０００３】
従来技術では、温度センサを被冷却部のプレートに固着させる構成で、プレートの温度を検出して、所定の温度を超えないかどうかを監視し、プレートの温度が所定の温度を超えた場合には、電源を自動的に遮断する制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特許第２５８１３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
温度センサの検出温度が所定の温度を超えた場合の制御手段として、電源を遮断する場合、例えば電気自動車やハイブリッド車の負荷であるモータを制御する場合には、車両の挙動が急変することになり運転者にとって好ましくない状態となる。
【０００６】
また、冷却を実際に行う熱交換部においては、冷却水の流れの状態が熱伝達率に大きく影響を及ぼすことが知られている。
【０００７】
この発明は、上記のような点に鑑みなされたもので、半導体パワーモジュールから冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るパワー半導体モジュールの冷却システムでは、冷却流体を加圧しパワー半導体モジュールの冷却を行うための冷却流体を流通する流体流路へ送給する冷却流体加圧手段、前記冷却流体加圧手段を駆動する駆動手段を備えたパワー半導体モジュールの冷却システムにおいて、前記パワー半導体モジュールに設けられた発熱源としての半導体素子に温度検出手段を設けるとともに、この温度検出手段の出力情報と、前記冷却流体加圧手段を駆動する駆動手段の駆動出力情報とに基づき、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果から前記冷却流体による冷却能力を制御する制御手段を設けたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、半導体パワーモジュールから冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
この発明による実施の形態を図１から図７について説明する。図１は、この発明による実施の形態に係るヒートシンク部の構成を示す三面図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は、図１（ｃ）のＢ−Ｂ線における断面図、図１（ｃ）は側面図、図１（ｄ）は図１（ｃ）のＤ−Ｄ線における断面図である。図２は、この発明による実施の形態に係るパワー半導体モジュールの冷却システムの系統構成を示すブロック図である。図３は、この発明による実施の形態に係る円錐状（コニカル）フィンの形状を示す斜視図である。図４は、この発明による実施の形態に係る円柱フィンの形状を示す斜視図である。図５は、この発明による実施の形態に係る洗濯板状フィンの形状を示す斜視図である。図６は、この発明による実施の形態に係る段付き円柱フィンの形状を示す斜視図である。図７は、この発明による実施の形態に係る冷却系の熱伝達率と各部の温度の関係を示す特性曲線図である。
【００１１】
パワー半導体冷却システムにおけるヒートシンク周りの三面図を示す図１において、パワー半導体モジュール７０を冷却するためのヒートシンク１０の内部には流体流路２０，３０が形成され、オリフィス４１，４２と複数の突起部材５０を有するプレート６０が、パワー半導体モジュール７０毎に対応する位置で、流体流路２０，３０の上に被さるように嵌め込まれる。
パワー半導体モジュール７０の内部にはパワー半導体素子７１が埋設され、さらに温度検出センサ７２が素子７１の内部に一体的に組み込まれている。パワー半導体モジュール７０の底面には放熱面７３が形成されている。パワー半導体モジュール７０の底面に設けられた放熱面７３と流体流路２０，３０の上に被さって設けられたプレート６０との間には流体流路ＦＰが形成される。流体流路ＦＰはオリフィス４１を介して流体流路２０と連通され、オリフィス４２を介して流体流路３０と連通される。プレート６０に設けられた複数の突起部材５０はパワー半導体モジュール７０の底面に形成された放熱面７３と流体流路ＦＰを流通する冷却水からなる冷却流体を介して対向する関係にある。
このパワー半導体モジュール７０は、共通のヒートシンク１０に複数個が並設され、それぞれのパワー半導体モジュール７０における流体流路ＦＰは、それぞれオリフィス４１，４２を介してヒートシンク１０に設けられた共通の流体流路２０，３０に連通され、オリフィス４１，４２による流量配分機能によって各パワー半導体モジュール７０が等量の冷却水を供給される。
【００１２】
冷却システム全体の系統図を示す図２において、配管１００には、冷却流体としての冷却水が内部を流通しており、配管１００で形成される循環流路の途中にポンプ（Ｐ）１１０、ラジエータ１２０、ヒートシンク１０、冷却水温度センサ（ＴＳ）１３０、圧力センサ（ＰＳ）１４０が接続される。
また、ポンプ（Ｐ）１１０にはポンプモータ（Ｍ）１１１およびポンプモータ回転数検出センサ（ＲＳ）１１２が一体的に取り付けられている。
【００１３】
さらに、冷却水温度センサ（ＴＳ）１３０、冷却水圧力センサ（ＰＳ）１４０、ポンプモータ回転数検出センサ（ＲＳ）１１２から発生する検出信号は配線１５０によりＡ／Ｄ変換器１５５に送信され、センサ１３０，１４０，１１２が発生するアナログ信号をデジタル信号に変換する。変換されたデジタル信号は同じく配線１５０を通過しＣＰＵ１６０に伝送される。
ここで、メモリ１７０に格納されている所定の温度の値など比較すべき閾値あるいはデータベース（ＤＢ）１８０に格納されている外部からの情報とをＣＰＵ１６０の内部で比較判定し、判定の結果により、同じく配線１５０を通過してインバータを有するコントローラ１９０にポンプモータ（Ｍ）１１１の回転数を所定の回転数とする指令信号が伝送される。指令を受けたコントローラ１９０はポンプモータ（Ｍ）１１１に所定の回転数となるように電力を供給する。
【００１４】
次に、動作について説明する。
パワー半導体モジュール７０への通電に際し、パワー半導体モジュール７０への通電よりも先に、コントローラ１９０による指令が配線１５０を介してポンプモータ（Ｍ）１１１に印加されることにより、ポンプモータ（Ｍ）１１１が付勢される。
ポンプ（Ｐ）１１０はポンプモータ（Ｍ）１１１により駆動されて、冷却水からなる冷却流体が配管１００を介してヒートシンク１０に設けられた入口流路としての流体流路２０からオリフィス４１を介して複数のパワー半導体モジュール７０にそれぞれ設けられた流体流路ＦＰを通り、オリフィス４２を介して出口流路としての流体流路３０へ圧送される。冷却水は流体流路３０からラジエータ１２０を通りポンプ（Ｐ）１１０へ循環される。
【００１５】
ヒートシンク１０に設けられた流体流路２０，ＦＰ，３０に冷却水が流通し、冷却態勢が調った状態で、パワー半導体モジュール７０は通電される。
コントローラ１９０はＣＰＵ１６０およびＡ／Ｄ変換器１５５を介してパワー半導体モジュール７０への通電指令を与える。
【００１６】
パワー半導体モジュール７０が通電され、パワー半導体モジュール７０におけるパワー半導体素子７１の発熱によってパワー半導体モジュール７０の温度が上昇すると、流体流路２０からオリフィス４１を介して流体流路ＦＰを通りオリフィス４２を介して流体流路３０に至る冷却水とパワー半導体モジュール７０の放熱面７３との間で熱交換が行われ、発熱源としてのパワー半導体素子７１を有するパワー半導体モジュール７０の冷却が行われる。
ここで、流体流路ＦＰにおいて互いに対向するパワー半導体モジュール７０の放熱面７３とプレート６０との間を流通する冷却水の流れには、プレート６０に設けられた突起部材５０によって渦乱流が生成され、冷却水の流速は増大して、この冷却水とパワー半導体モジュール７０の放熱面７３との間の熱交換は効率的に遂行される。
【００１７】
ポンプ（Ｐ）１１０からヒートシンク１０に設けられた流体流路２０，ＦＰ，３０へ配管１００を介して供給される冷却水の圧力は、冷却水圧力センサ（ＰＳ）１４０で計測され、その検出圧力値Ｓｐは配線１５０を介しＡ／Ｄ変換器１５５へデータ入力される。
また、ポンプ（Ｐ）１１０からヒートシンク１０に設けられた流体流路２０，ＦＰ，３０へ配管１００を介して供給される冷却水の温度は、冷却水温度センサ（ＴＳ）１３０で計測され、その検出温度値Ｓｔは配線１５０を介しＡ／Ｄ変換器１５５へデータ入力される。
さらに、ポンプ（Ｐ）１１０を駆動するポンプモータ（Ｍ）１１１の回転数は、ポンプモータ回転数検出センサ（ＲＳ）１１２で計測され、その検出圧力値Ｓｒは配線１５０を介しＡ／Ｄ変換器１５５へデータ入力される。
そして、パワー半導体モジュール７０におけるパワー半導体素子７１の温度は、温度検出センサ７２で計測され、その検出温度値Ｔｊは配線１５０を介しＡ／Ｄ変換器１５５へデータ入力される。
Ａ／Ｄ変換器１５５へ入力された検出値Ｓｐ，Ｓｔ，Ｓｒ，Ｔｊからなるアナログデータは、Ａ／Ｄ変換器１５５によってデジタルデータに変換されてＣＰＵ１６０へ入力される。
【００１８】
ＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０は情報処理装置ＰＭを構成し、この情報処理装置ＰＭでは、ＣＰＵ１６０に入力されるこれらのデジタルデータに基づいて、パワー半導体モジュール７０の放熱面７３から流体流路ＦＰを通る冷却水への熱伝達率を推定し冷却水の沸騰の有無を推定する演算を行うなどの、次のような演算処理を制御手段として実行するものである。
情報処理装置ＰＭにおいては、パワー半導体モジュール７０におけるパワー半導体素子７１の温度を検出する温度センサ７２の検出温度値Ｔｊおよびポンプ（Ｐ）１１０を駆動するポンプモータ（Ｍ）１１１の回転数を検出するポンプモータ回転数検出センサ（ＲＳ）１１２の検出回転数Ｓｒに基づいて冷却水の沸騰の有無を判定する演算処理を行う熱伝達率制御手段（ｍ１）が構成される。すなわち、熱伝達率制御手段（ｍ１）では、温度センサ７２の検出温度値Ｔｊａおよびポンプモータ回転数検出センサ（ＲＳ）１１２の検出回転数ＳｒをＡ／Ｄ変換器１５５でアナログデータからデジタルデータに変換し、これらのデジタルデータをＣＰＵ１６０に入力して、これらのデジタルデータに基づいてＣＰＵ１６０でパワー半導体モジュール７０の放熱面７３から流体流路２０，ＦＰ，３０を通る冷却水への熱伝達率（ｈ１）を推定し、この推定された熱伝達率（ｈ１）に基づいて、冷却水の沸騰の有無を判定する演算処理を行う。
【００１９】
ＣＰＵ１６０による演算結果としての推定熱伝達率（ｈ１）は、メモリ１７０に格納されるとともに、情報処理装置ＰＭにおける熱伝達率制御手段（ｍ１）による演算処理結果としてＣＰＵ１６０からコントローラ１９０に送られる。
情報処理装置ＰＭからの演算処理結果に応じてコントローラ１９０はポンプ（Ｐ）１１０を駆動するポンプモータ（Ｍ）１１１を制御する。情報処理装置ＰＭから導出される演算処理結果による推定熱伝達率（ｈ１）が所定値よりも小さければ、ポンプモータ（Ｍ）１１１の回転数を大きくしてポンプ（Ｐ）１１０を加速し、配管１００を循環する冷却水による冷却能力を上昇させる。
情報処理装置ＰＭから導出される演算処理結果による推定熱伝達率（ｈ１）が所定値よりも大きければ、ポンプモータ（Ｍ）１１１の回転数を小さくしてポンプ（Ｐ）１１０を減速し、配管１００を循環する冷却水による冷却能力を減少させる。
【００２０】
ＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される熱伝達率制御手段（ｍ１）には、同じくＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される補正機能制御手段（ｍ２）が併設される。
このＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される補正機能制御手段（ｍ２）では、冷却水温度センサ（ＴＳ）１３０からの検出温度値Ｓｔが所定値を超えると、熱伝達率制御手段（ｍ１）による演算結果としての推定熱伝達率（ｈ１）を減少方向に補正し補正熱伝達率（ｈ２）を導出する処理を行う。また、圧力センサ（ＰＳ）１４０からの検出圧力値Ｓｐが所定値を下まわると、熱伝達率制御手段（ｍ１）による演算結果としての推定熱伝達率（ｈ１）を減少方向に補正し補正熱伝達率（ｈ２）を導出する処理を行う。
このように、ＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される熱伝達率制御手段（ｍ１）による演算処理結果としての推定熱伝達率（ｈ１）が同じくＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される補正機能制御手段（ｍ２）によって補正され補正熱伝達率（ｈ２）が導出されると、補正熱伝達率（ｈ２）はＣＰＵ１６０から配線１５０を介してコントローラ１９０に送られ、コントローラ１９０は補正熱伝達率（ｈ２）に応じてポンプモータ（Ｍ）１１１の回転数を大きくしてポンプ（Ｐ）１１０を加速し、配管１００を循環する冷却水による冷却能力を上昇させる制御を行う。
【００２１】
ＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される熱伝達率制御手段（ｍ１）および補正機能制御手段（ｍ２）には、同じくＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される判定手段（ｍ３）および調整手段（ｍ４）が更に併設される。
ＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される判定手段（ｍ３）では、熱伝達率制御手段（ｍ１）による演算処理結果としての推定熱伝達率（ｈ１）を補正機能制御手段（ｍ２）によって補正した補正熱伝達率（ｈ２）、あるいは、冷却水温度センサ（ＴＳ）１３０の温度検出値に基づいて、パワー半導体モジュール７０が流体流路２０，ＦＰ，３０を流通する冷却水と接触する放熱面７３からなる熱伝達面の温度（ｔ１）をＣＰＵ１６０による演算によって推定するとともに、この熱伝達面の温度推定値（ｔ１）と流体流路２０，ＦＰ，３０を流通する冷却水の沸点とを比較判定する。この流体流路２０，ＦＰ，３０を流通する冷却水の沸点は、既知の値としてメモリ１７０およびデータベース（ＤＢ）１８０に格納されており、ＣＰＵ１６０で、熱伝達面の温度推定値（ｔ１）と、この冷却水の沸点とが比較判定処理される。
【００２２】
このＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される判定手段（ｍ３）による比較判定処理結果は、ＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される調整手段（ｍ４）に送られ、ＣＰＵ１６０から配線１５０を介してコントローラ１９０に送られる。
コントローラ１９０では、比較判定処理結果に基づいて、熱伝達面の温度推定値（ｔ１）が流体流路２０，ＦＰ，３０を流通する冷却水の沸点より低い場合には、ポンプモータ（Ｍ）１１１の回転数を小さくしてポンプ（Ｐ）１１０を減速し、配管１００を循環する冷却水による冷却能力を低下させる制御を行う。
比較判定処理結果として、熱伝達面の温度推定値（ｔ１）が流体流路２０，ＦＰ，３０を流通する冷却水の沸点より高いと判定されている場合には、ポンプモータ（Ｍ）１１１の回転数を大きくしてポンプ（Ｐ）１１０を加速し、配管１００を循環する冷却水による冷却能力を上昇させる制御を行う。
【００２３】
なお、ＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される熱伝達率制御手段（ｍ１）および補正手段（ｍ２）ならびに判定手段（ｍ３）および調整手段（ｍ４）は、それぞれＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０におけるハードウエアと、これらの情報処理装置ＰＭにおけるハードウエアの動作を制御するためメモリ１７０に格納されたプログラムとしてのソフトウエアによって、その機能が遂行されるものである。
【００２４】
パワー半導体モジュール７０の冷却システムにおける冷却水の沸騰発生状況に関し、沸騰の有無を判定することについて図７を用いて説明する。
通常、このような冷却系の設計の原点はパワー半導体モジュール７０におけるパワー半導体素子７１の耐熱温度Ｔｊｍａｘを起点として構築される。ところが、パワー半導体モジュール７０と流体流路ＦＰを流通する冷却水との放熱面７３からなる熱伝達面としての熱交換部の熱伝達率を比較的低い程度で構成した場合、あるいは、冷却水の入口温度の最高温度を比較的高い程度に設定した場合などは、確かに素子耐熱温度Ｔｊｍａｘを満たす冷却が行われているとしても、実際には熱交換部の冷却水の温度Ｔｃは沸点Ｔｃａに達してしまうことがある。
【００２５】
冷却水が沸騰することは、沸騰しない場合と比較すると、加熱面あるいは下流周辺域での沸騰気泡の消滅が集中して発生する部位において、侵食作用による構造部材の磨耗が進行することが一般的に良く知られている。鍋の底に孔が空くのはこの侵食が作用するためである。よって，冷却系の耐久信頼性に課題が生じることになる。
【００２６】
この発明の実施の形態では、冷却水の沸騰を推定するために、パワー半導体モジュール７０におけるパワー半導体素子７１に組み込まれる温度センサ７２の検出温度値Ｔｊ、ここでは例えばある特定できる負荷の駆動状態の場合に予め分かっているパワー半導体素子７１の温度Ｔｊａとすると、このとき熱交換部の熱伝達率ｈａとなるようにヒートシンク１０を設計している。
【００２７】
熱伝達率ｈａを得るためにポンプモータ（Ｍ）１１１の回転数も予め既知となっている（ポンプモータの回転数∝冷却水の圧力∝冷却水流量∝熱伝達率ｈの関係より演算で求めることが可能）。
【００２８】
また、冷却水の入口温度Ｔｗについては、先の素子耐熱温度Ｔｊｍａｘを起点として熱伝達率ｈとラジエータ１２０の放熱性能および外気の空気の温度および風量との相互関係より、冷却水の沸点Ｔｗｖを想定して、冷却水の最高温度Ｔｗｍａｘも設計で規定されてる。
【００２９】
これらのことから、通常の負荷の運転においては、（１）パワー半導体モジュール７０におけるパワー半導体素子７１による負荷の駆動状態が所定の負荷電流値Ｉａによる駆動状態にあること、（２）パワー半導体モジュール７０におけるパワー半導体素子７１の温度を検出する温度センサ７２の検出温度値Ｔｊａであること、かつ、（３）ポンプ（Ｐ）１１０を駆動するポンプモータ（Ｍ）１１１の回転数を検出するポンプモータ回転数検出センサ（ＲＳ）１１２の検出回転数がＳｒであることの３つの情報より、熱伝達率ｈａに対応するパワー半導体モジュール７０の放熱面７３における熱伝達面からなる熱交換部の温度ＴｃａをＣＰＵ１６０による演算によって求めることができ、これらの３つのパラメータの組合せに対する演算結果としての熱交換部における温度Ｔｃａの分布をマップとしてメモリ１７０に記録しておけば、常に冷却水が沸騰するか否かを判定することができる。
すなわち、パワー半導体モジュール７０におけるパワー半導体素子７１の温度を検出する温度センサ７２の検出温度値Ｔｊと、ポンプモータ回転数検出センサ（ＲＳ）１１２の検出回転数Ｓｒとに基づいて熱交換部温度ＴｃをＣＰＵ１６０により演算することによって、図７における熱交換部温度Ｔｃの曲線に相当する熱伝導率ｈａを基準とする熱伝導率ｈおよび熱交換部温度Ｔｃについての特性データを得ることができ、冷却水が沸騰するか否かの判定を容易に行うことができる。
【００３０】
さらに、配管途中に冷却水温度センサ（ＴＳ）１３０あるいは／および冷却水圧力センサ（ＰＳ）１４０を設けることにより、何らかの原因で冷却水が所定の最高温度を超えた場合、あるいは、冷却水が循環しない状態を確実に検出することができ、フェイルセーフ機能を確保している。
【００３１】
次に、図３〜図６を用いて熱交換部のプレート６０に設ける突起部材５０の詳細を説明する。
図３は、円錐状の形状を持つコニカルフィンの形状を表したもので、複数の円錐状（コニカル）突起部材２００の底面をプレート６０に接合した構造となっている。
図４は、円柱状突起部材からなる複数の円柱フィン２１０の一端面をプレート６０に接合した構造である。
図５は、リブ状突起部材２２０を洗濯板状に蛇行させ構成し、プレート６０に接合した構造である。
図６は、段付きの円柱状突起部材からなる段付き円柱フィン２３０の大径側の端面をプレート６０に接合した構造である。
【００３２】
この発明による実施の形態では、水温を検出し、所定の温度を超えた場合には、ポンプモータ（Ｍ）１１１の回転数を増加させ水流を増す制御を行うために、発熱源のパワー半導体モジュール７０の電源を切断する必要がなく、結果として負荷の運転を継続させることが可能となる。
【００３３】
また、熱交換部に水流を増加させる突起部材５０からなるフィンを設けることで熱伝達率を増すことが可能となり、同じポンプ消費電力に対して、より多くの奪熱量が得られるために、冷却性能が向上する。
【００３４】
さらに、水路中にオリフィス４１，４２を設けることで、複数のパワー半導体モジュール７０におけるそれぞれの熱交換部の水量を均等化でき、複数の熱源の冷却性能を均質化できる。
【００３５】
また、負荷を駆動する前の段階で、先に冷却水のポンプ（Ｐ）１１０を駆動することで、熱交換部での瞬間的な温度上昇による構造部材の溶解や冷却水の沸騰などによる部材の侵食劣化を防止することができる。
【００３６】
同じく、熱交換部での冷却水の温度を推定することは、沸騰を防止することが可能となり、構造部材の溶解や冷却水の沸騰などによる部材の侵食劣化を防止することができる。
【００３７】
この発明による実施の形態においては、特に、温度センサを独立させることなく、パワー半導体素子の内部に一体的に組み込まれた温度センサの情報をもとに、所定の温度を監視あるいは推定するとともに、所定の温度を超えた場合には、電源を瞬間的に絶つのではなく、冷却水系の水量を増加させ、等価熱伝達率を増加させることで所定の温度を維持しようとするフィードバック機能を有すことを提案するものである。さらに、この発明では熱交換部の流れに渦乱流を発生させることで流速を向上させるためのフィンを併設することで、熱交換部の高効率化を実現するものである。
【００３８】
この発明による実施の形態によれば、半導体パワーモジュール７０の冷却を行うための冷却水からなる冷却流体を流通する流体流路２０，ＦＰ，３０、前記冷却流体を加圧し前記流体流路２０，ＦＰ，３０へ送給するポンプ（Ｐ）１１０からなる冷却流体加圧手段、前記ポンプ（Ｐ）１１０からなる冷却流体加圧手段を駆動するポンプモータ（Ｍ）１１１からなる駆動手段を備えたパワー半導体モジュールの冷却システムにおいて、前記パワー半導体モジュール７０に設けられた発熱源としての半導体素子７１に温度センサ７２からなる温度検出手段を設けるとともに、この温度センサ７２からなる温度検出手段の検出温度値からなる出力情報と、前記ポンプ（Ｐ）１１０からなる冷却流体加圧手段を駆動するポンプモータ（Ｍ）１１１からなる駆動手段のポンプモータ回転数検出センサ（ＲＳ）１１２による検出回転数Ｓｒからなる駆動出力情報とに基づき、前記半導体パワーモジュール７０から前記流体流路ＦＰを流通する冷却流体への熱伝達率（ｈ）の変化を推定し、この推定結果に応じてコントローラ１９０を介して前記ポンプ（Ｐ）１１０からなる冷却流体加圧手段を駆動するポンプモータ（Ｍ）１１１の回転数を制御し前記流体流路２０，ＦＰ，３０を流通する冷却流体による冷却能力を制御するＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される熱伝達率制御手段（ｍ１）からなる制御手段を設けたので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。
【００３９】
また、この発明による実施の形態によれば、パワー半導体モジュール７０の放熱面７３に接する冷却水からなる冷却流体を流通する冷却流体流路２０，ＦＰ，３０が設けられ前記パワー半導体モジュール７０の熱を冷却流体へ熱交換するヒートシンク１０と、前記パワー半導体モジュール７０の放熱面７３と対向する前記冷却流体流路ＦＰの壁面に設けられ冷却流体の流れに渦乱流を発生させる複数の突起部材５０と、前記冷却流体流路ＦＰに冷却流体を圧送するポンプ（Ｐ）１１０と、前記ポンプ（Ｐ）１１０を駆動するポンプモータ（Ｍ）１１１と、前記ポンプモータ（Ｍ）１１１の回転数を検出するポンプモータ回転数検出センサ（ＲＳ）１１２からなる回転数検出手段と、前記冷却流体が前記ヒートシンク１０で受熱した熱を外気に放熱するラジエータ１２０と、前記ポンプモータ（Ｍ）１１１の回転数を可変させるコントローラ１９０とを備えたパワー半導体モジュールの冷却システムにおいて、前記パワー半導体モジュール７０内部の発熱素子７１に温度センサ７２からなる温度検出手段を設けるとともに、前記温度センサ７２からなる温度検出手段の検出温度値からなる出力情報と、前記ポンプモータ（Ｍ）１１１の回転数検出手段による回転数の出力情報とに基づき、前記パワー半導体モジュール７０から前記流体流路ＦＰを流通する冷却流体への熱伝達率（ｈ）の変化を推定し、この推定結果に応じてコントローラ１９０を介して前記ポンプ（Ｐ）１１０からなる冷却流体加圧手段を駆動するポンプモータ（Ｍ）１１１の回転数を制御することにより前記流体流路２０，ＦＰ，３０を流通する冷却流体の流量あるいは圧送圧力を制御するＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される熱伝達率制御手段（ｍ１）からなる制御手段を設けたので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるとともに、所定形状の突起部材により前記冷却流体の流れに渦乱流を生成し前記冷却流体による熱交換効率を向上できるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。
【００４０】
さらに、この発明による実施の形態によれば、前項の構成において、前記冷却流体の流れに渦乱流を生成する突起部材５０として、円錐状フィン２００，円柱状フィン２１０，洗濯板状フィン２２０，多段円柱状フィン２３０の少なくともいずれかを設けたので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるとともに、円錐状フィン，円柱状フィン，洗濯板状フィン，多段円柱状フィンからなる特定形状の突起部材により前記冷却流体の流れに渦乱流を生成し前記冷却流体による熱交換効率を向上できるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。
【００４１】
そして、この発明による実施の形態によれば、前３項の構成において、複数の前記半導体パワーモジュール７０のそれぞれ設けられ冷却流体を流通する各半導体パワーモジュール７０における前記冷却流体流路２０，ＦＰ，３０中に少なくとも一つのオリフィス４１，４２を設けたので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるとともに、冷却流体の流路配分を適切に行うことができるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。
【００４２】
なお、この発明による実施の形態によれば、前４項の構成において、前記冷却流体の温度を検出する冷却水温度センサ（ＴＳ）１３０からなる冷却流体温度検出手段または／および前記ポンプ（Ｐ）１１０が発生する冷却流体の圧力を検出する圧力センサ（ＰＳ）１４０からなる圧力検出手段を備え、前記冷却水温度センサ（ＴＳ）１３０からなる冷却流体温度検出手段の温度検出値Ｓｔまたは圧力センサ（ＰＳ）１４０からなる圧力検出手段の圧力検出値Ｓｐを用いて前記パワー半導体モジュール７０の温度センサ７２からなる温度検出手段の検出値Ｔｊから推定した熱伝達率（ｈ）を補正するＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される補正機能制御手段（ｍ２）からなる補正手段を有するので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるとともに、推定熱伝達率を補正することによりフェイルセーフ機能を付与できるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。
【００４３】
さらにまた、この発明による実施の形態によれば、前５項の構成において、前記パワー半導体モジュール７０への通電に際し、前記パワー半導体モジュール７０への通電より先に前記ポンプモータ（Ｍ）１１２を付勢させ、ポンプ（Ｐ）１００の優先駆動により前記冷却流体の循環を優先的に発生させるコントローラ１９０からなる制御手段を設けたので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるとともに、冷却流体による冷却機能を的確に遂行できるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。
【００４４】
そしてまた、この発明による実施の形態によれば、前々項における構成において、前記ＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される補正機能制御手段（ｍ２）からなる熱伝達率の補正手段により補正された熱伝達率の値を基に、前記パワー半導体モジュール７０が冷却流体と接触する放熱面７３からなる熱伝達面の温度を演算により推定するとともに、前記熱伝達面の温度の推定値と、前記冷却流体の沸点の値とを比較判定するＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される判定手段（ｍ３）からなる判定手段を備えたので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるとともに、補正された熱伝達率の値を基に冷却流体における沸騰状況を的確に検出できるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。
【００４５】
なおまた、この発明による実施の形態によれば、前々々項における構成において、前記冷却水温度センサ（ＴＳ）１３０からなる冷却流体温度検出手段によって検出される流体温度Ｓｔの値を基に、前記パワー半導体モジュール７０が冷却流体と接触する放熱面７３からなる熱伝達面の温度を演算により推定するとともに、前記熱伝達面の温度の推定値と、前記冷却流体の沸点の値とを比較判定するＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される判定手段（ｍ３）からなる判定手段を備えたので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるとともに、冷却流体温度を基に冷却流体における沸騰状況を的確に検出できるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。
【００４６】
さらになお、この発明による実施の形態によれば、前２項における構成において、前記ＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される判定手段（ｍ３）からなる判定手段の判定結果に基づき、前記ポンプ（Ｐ）１１０からなる冷却流体加圧手段の加圧状態をコントローラ１９０を介して制御するＣＰＵ１６０およびメモリ１７０ならびにデータベース（ＤＢ）１８０からなる情報処理装置ＰＭで構成される調整手段（ｍ４）からなる調整手段を設けたので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるとともに、冷却流体における沸騰状況を的確に検出し、しかも、冷却流体加圧手段の加圧状態を制御して冷却流体による冷却能力を的確に制御できるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】この発明による実施の形態に係るヒートシンク部の構成を示す三面図である。
【図２】この発明による実施の形態に係るパワー半導体モジュールの冷却システムの系統構成を示すブロック図である。
【図３】この発明による実施の形態に係る円錐状（コニカル）フィンの形状を示す斜視図である。
【図４】この発明による実施の形態に係る円柱フィンの形状を示す斜視図である。
【図５】この発明による実施の形態に係る洗濯板状フィンの形状を示す斜視図である。
【図６】この発明による実施の形態に係る段付き円柱フィンの形状を示す斜視図である。
【図７】この発明による実施の形態に係る冷却系の熱伝達率と各部の温度の関係を示す特性曲線図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  ヒートシンク、２０  流路（入口）、３０  流路（出口）、４０  オリフィス、５０  突起、６０  プレート、７０  パワー半導体モジュール、７１  パワー半導体素子、７２  素子温度センサ、１００  配管、１１０  ポンプ、１２０  ラジエータ、１３０  冷却水温度センサ、１４０  冷却水圧力センサ、１５０  配線、１５５  Ａ／Ｄ変換器、１６０  ＣＰＵ、１７０  メモリ、１８０  外部情報、１９０  コントローラ、２００  円錐状（コニカル）フィン、２１０  円柱フィン、２２０  洗濯板状フィン、２３０  段付き円柱フィン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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