DE102006040187B4 - Cooling system and cooling method for cooling components of power electronics - Google Patents
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Abstract
Kühlsystem zur Kühlung von Bauelementen (10) einer, insbesondere an Bord eines Flugzeuges installierten, Leistungselektronik, umfassend eine Kühlvorrichtung (30), die mit den Bauelementen der Leistungselektronik wärmeübertragend und flächig koppelbar ist und mindestens zwei fluidmäßig voneinander entkoppelte Wärmesenken (32, 34, 36, 38, 39, 50) aufweist, und mindestens zwei Kühlkreisläufe, die jeweils eine Kühlfluidquelle aufweisen, wobei die Wärmesenken der Kühlvorrichtung getrennt voneinander von den Kühlfluidquellen mit Kühlfluid beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (30) eine Kühlplatte ist, in der die Wärmesenken (32, 34, 36, 38, 39, 50) als eine Vielzahl zueinander benachbarter Kühlkanäle (32, 34, 36, 38, 39) ausgebildet sind, wobei das Volumen der Kühlkanäle (32, 34, 36, 38, 39) nahezu dem Volumen der Kühlplatte (30) entspricht.Cooling system for cooling components (10) of a, in particular installed on board an aircraft, power electronics, comprising a cooling device (30) which is heat transfer and surface coupling with the components of the power electronics and at least two fluidly decoupled from each other heat sinks (32, 34, 36 , 38, 39, 50), and at least two cooling circuits, each having a cooling fluid source, wherein the heat sinks of the cooling device are acted upon separately from the cooling fluid sources with cooling fluid, characterized in that the cooling device (30) is a cooling plate, in the the heat sinks (32, 34, 36, 38, 39, 50) are formed as a plurality of mutually adjacent cooling channels (32, 34, 36, 38, 39), wherein the volume of the cooling channels (32, 34, 36, 38, 39 ) corresponds almost to the volume of the cooling plate (30).
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem zur Kühlung von Bauelementen einer an Bord eines Flugzeuges, insbesondere eines Passagierflugzeuges, installierten Leistungselektronik, die mit den Bauelementen der Leistungselektronik wärmeübertragend und flächig koppelbar ist sowie ein einsprechendes Kühlverfahren.The The present invention relates to a cooling system for cooling of Components of an aboard an aircraft, in particular a Passenger aircraft, installed power electronics, with the Components of the power electronics heat transfer and surface coupled is as well as an appealing cooling method.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Bauelemente einer Leistungselektronik müssen aufgrund der im Lastbetrieb entstehenden Wärmeentwicklung gekühlt werden. Die Kühlung der Bauelemente stellt ein Sicherheitsmerkmal dar, das die ordnungsgemäße Funktionsweise der Bauelemente sicherstellt.components need a power electronics be cooled due to the heat generated during load operation. The cooling The components represent a safety feature that ensures proper functioning ensures the components.
Da
eine Luftkühlung
in vielen Fällen
keine hinreichende Kühlung
der Bauelemente der Leistungselektronik gewährleistet, werden, wie in der
Ein Nachteil der herkömmlichen Kühlplatten besteht darin, dass im Falle des Auftretens einer Leckage im Kühlfluidkreislauf die Kühlplatte nicht mehr hinreichend mit Kühlfluid durchströmt wird, und dadurch keine ausreichende Kühlung der Bauelemente der Leistungselektronik sichergestellt ist. Die Folge wäre eine Überhitzung dieser Bauelemente.One Disadvantage of the conventional Cold plates exists in that in the event of the occurrence of a leak in the cooling fluid circuit the cooling plate no longer adequate with cooling fluid flows through is, and thus no sufficient cooling of the components of the power electronics is ensured. The result would be an overheating of these components.
Insbesondere bei der an Bord eines Flugzeuges installierten Leistungselektronik muss sichergestellt sein, dass die Bauelemente ständig hinreichend gekühlt werden, um einen möglicherweise auftretenden Ausfall der Bauelemente wegen Überhitzung zu vermeiden. Eine Überhitzung der Bauelemente von elektronischen Flugsicherheitssystemen hätte nachteilige Auswirkungen auf die Flugsicherheit der Passagiere.Especially in the power electronics installed on board an aircraft It must be ensured that the components are constantly sufficiently cooled, possibly one occurring failure of the components due to overheating to avoid. Overheating the components of electronic flight safety systems would be disadvantageous Impact on the flight safety of passengers.
In
der
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlsystem zur Kühlung von Bauelementen einer, insbesondere an Bord eines Flugzeuges installierten, Leistungselektronik vorzusehen, die eine hohe Ausfallsicherheit der Bauelemente gewährleistet und andererseits gewichtssparend aufgebaut ist.It It is therefore an object of the present invention to provide a refrigeration system for cooling of components of a, in particular installed on board an aircraft, Power electronics provide a high reliability ensures the components and on the other hand, it has a weight-saving design.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die voranstehend erwähnte Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.The mentioned above Task is done according to a first aspect of the invention by a cooling system having the features of claim 1.
Da das Kühlsystem eine Kühlvorrichtung mit mindestens zwei fluidmäßig voneinander entkoppelten Wärmesenken aufweist, können die beiden Wärmesenken beispielsweise mit getrennt voneinander ausgebildeten Kühlfluidkreisläufen verbunden werden. Das erfindungsgemäße Kühlsystem kann eine hinreichende Kühlung der Bauelemente der Leistungselektronik selbst bei Ausfall eines Kühlfluidkreislaufes sicherstellen. Im Falle der Kühlung elektronischer Flugsicherheitssysteme wird dadurch eine erhöh te Ausfallsicherheit erzielt. Es kann aber auch nur eine Wärmesenke mit einem Kühlfluidkreislauf verbunden sein, während die andere Wärmesenke lediglich mit einem Kühlfluid in Wärmekontakt gebracht wird. Somit kann bei Ausfall eines mit der ersten Wärmesenke verbundenen Kühlfluidkreislaufes, beispielsweise durch Auftreten einer Leckage, die zweite Wärmesenke weiterhin eine hinreichende Kühlung der Kühlvorrichtung und somit der Bauelemente der Leistungselektronik sicherstellen.Since the cooling system has a cooling device with at least two heat sinks that are fluidly decoupled from one another, the two heat sinks can be connected, for example, to cooling fluid circuits formed separately from one another. The cooling system according to the invention can ensure sufficient cooling of the components of the power electronics even in the event of failure of a cooling fluid circuit. In the case of cooling electronic flight safety systems, this results in an increased reliability. However, only one heat sink can be connected to one cooling fluid circuit, while the other heat sink is merely brought into thermal contact with a cooling fluid. Thus, in case of failure of a connected to the first heat sink cooling fluid circuit, for example by the occurrence of leakage, the second heat sink continues to provide adequate cooling of the cooling device and thus the compo ensure power electronics.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine der mindestens zwei Wärmesenken als redundante Wärmesenke in der Kühlvorrichtung ausgebildet ist. Diese redundante zweite Wärmesenke stellt eine hinreichende Kühlung der Bauelemente bei Ausfall eines mit der ersten Wärmesenke verbundenen Kühlfluidkreislaufes sicher. Die Redundanz erfordert, dass die Anordnung und die Kühlkapazität der mindestens zwei Wärmesenken in der Kühlvorrichtung so gewählt ist, dass lediglich eine Wärmesenke (im Falle von insgesamt zwei in der Kühlvorrichtung vorhandenen Wärmesenken) ausreicht, um eine hinreichende Kühlung der Bauelemente sicherzustellen. In einem solchen Fall übernimmt die zweite Wärmesenke die gesamte Kühlung der Kühlvorrichtung.A preferred embodiment of the invention provides that at least one of the at least two heat sinks as a redundant heat sink in the cooler is trained. This redundant second heat sink provides a sufficient cooling the components in case of failure of one with the first heat sink connected cooling fluid circuit for sure. The redundancy requires that the arrangement and the cooling capacity of at least two heat sinks in the cooler so chosen is that only a heat sink (in the case of a total of two heat sinks present in the cooling device) sufficient to ensure adequate cooling of the components. In such a case takes over the second heat sink the entire cooling the cooling device.
Vorzugsweise sind die Wärmesenken der Kühlvorrichtung als eine Vielzahl zueinander benachbarter Kühlkanäle ausgebildet. Bei einer Kühlvorrichtung, die eine Vielzahl zueinander benachbarter Kühlkanäle aufweist, kann der Kühlwirkungsgrad der Kühlvorrichtung bei Ausfall eines Kühlfluidkreislaufes erhöht sein, wenn jeweils benachbarte Kühlkanäle von unterschiedlichen Kühlfluidkreisläufen versorgt werden. Bei Ausfall eines Kühlfluidkreislaufes werden weiterhin ungefähr 50% der in der Kühlvorrichtung vorgesehenen Kühlkanäle von einem Kühlfluid durchströmt, wodurch eine Überhitzung der Bauelemente der Leitungselektronik vermieden wird.Preferably are the heat sinks the cooling device formed as a plurality of adjacent cooling channels. In a cooling device, which has a plurality of mutually adjacent cooling channels, the cooling efficiency the cooling device be increased in case of failure of a cooling fluid circuit if each adjacent cooling channels of different Cooling fluid circuits are supplied. In case of failure of a cooling fluid circuit will continue about 50% of that in the cooler provided cooling channels of a Cooling fluid flows through, thereby an overheating the components of the line electronics is avoided.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Kühlkanäle in der Kühlvorrichtung zumindest abschnittsweise parallel zueinander. Durch den zumindest abschnittsweise parallelen Verlauf der Kühlkanäle kann die Kühlvorrichtung zumindest bereichsweise die auf der Kühlvorrichtung angeordneten, zu kühlenden Bauelemente auch bei Ausfall eines Kühlfluidkreislaufes gleichmäßig auf eine Temperatur abkühlen, die deren ordnungsgemäße Funktionsweise sicherstellt.To a preferred embodiment the cooling channels in the cooler at least in sections, parallel to each other. By the least sections of parallel course of the cooling channels, the cooling device at least partially arranged on the cooling device, to be cooled Components even in case of failure of a cooling fluid circuit evenly cool a temperature, their proper functioning ensures.
Vorzugsweise verlaufen die Kühlkanäle geradlinig oder mäanderförmig durch die Kühlvorrichtung. Durch den mäanderförmigen Verlauf der Kühlkanäle wird die Wegstrecke zwischen Kühlkanaleinlass und Kühlkanalauslass im Vergleich zu einem geradlinigen Verlauf verlängert, wodurch sich die Aufenthaltsdauer des die Kühlvor richtung durchströmenden Kühlfluids in den Kühlkanälen erhöht und somit der Wärmeübertrag von den Bauelementen auf das Kühlfluid maximiert wird.Preferably the cooling channels are straight or meandering through the cooling device. Through the meandering course the cooling channels is the distance between the cooling channel inlet and cooling duct outlet extended in comparison to a straight-line course, thereby increasing the length of stay of the Kühlvor direction flowing through cooling fluid increased in the cooling channels and thus the Heat transfer from the components to the cooling fluid is maximized.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist jeder Kühlkanal einen Kühlfluideinlass und einen Kühlfluidauslass auf, die jeweils getrennt voneinander ausgebildet sind. Dadurch, dass jeder Kühlkanal einen separaten Kühlfluideinlass und einen Kühlfluidauslass aufweist, kann jeder Kühlkanal auf einfache Weise mit einem Kühlfluidkreislauf verbunden und so mit Kühlfluid versorgt werden. Ferner ergibt sich dadurch die Möglichkeit, einen Teil der in der Kühlvorrichtung vorhandenen Kühlkanäle als redundante Kühlkanäle vorzusehen, die die Ausfallssicherheit der Kühlvorrichtung und somit der Bauelemente der Leistungselektronik erhöhen.To Another embodiment of the invention, each cooling channel a cooling fluid inlet and a cooling fluid outlet on, which are each formed separately from each other. Thereby, that every cooling channel a separate cooling fluid inlet and a cooling fluid outlet has, each cooling channel can on simple way with a cooling fluid circuit connected and so with cooling fluid be supplied. Furthermore, this gives the possibility a part of the in the cooling device existing cooling channels as redundant To provide cooling channels, the reliability of the cooling device and thus increase the components of the power electronics.
Vorzugsweise sind die Kühlfluideinlässe und die Kühlfluidauslässe an gegenüberliegenden Enden der Kühlvorrichtung angeordnet, wodurch die Kühlvorrichtung auf einfache Weise über mehrere Kühlfluidkreisläufe mit mehreren Kühlfluidquellen verbunden werden kann. Weiterhin bevorzugt können die Kühlfluideinlässe und die Kühlfluidauslässe am gleichen Ende der Kühlvorrichtung angeordnet sein. Damit erleichtert sich bei bestimmten räumlichen Gegebenheiten der Einbau der Kühlvorrichtung, da die Kühlvorrichtung lediglich von einer Seite für die Verbindung der Kühlfluideinlässe und der Kühlfluidauslässe mit den Kühlfluidquellen zugänglich sein muss.Preferably are the cooling fluid inlets and the Coolant fluid outlets on opposite Ends of the cooler arranged, whereby the cooling device in a simple way over several cooling fluid circuits with several sources of cooling fluid can be connected. Further preferably, the cooling fluid inlets and the cooling fluid outlets may be the same End of the cooler be arranged. This facilitates with certain spatial Conditions of installation of the cooling device, because the cooling device only from one side for the connection of the cooling fluid inlets and the Kühlfluidauslässe with the cooling fluid sources accessible have to be.
Vorzugsweise sind die Kühlkanäle vollständig im Inneren der Kühlvorrichtung enthalten. Dadurch ergibt sich ein zur Längsachse der Kühlvorrichtung nahezu symmetrisches homogenes Temperaturprofil. Ferner können insbesondere Flüssigkeiten zur Kühlung der Kühlvorrichtung verwendet werden.Preferably the cooling channels are completely in Interior of the cooler contain. This results in a to the longitudinal axis of the cooling device nearly symmetrical homogeneous temperature profile. Furthermore, in particular Liquids for cooling the cooling device be used.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Kühlvorrichtung an ihrer Außenseite eine Vielzahl von Rippen auf, die zur Luftkühlung der Kühlvorrichtung vorgesehen sind. Die in Form der Vielzahl von Rippen vorgesehene Wärmesenke kann somit bei Ausfall der gesamten Fluidkühlung die Bauelemente der Leistungselektronik mittels der Rippen luftkühlen, was wiederum die Zuverlässigkeit und Ausfallssicherheit der Kühlvorrichtung erhöht.To a further preferred embodiment The invention relates to the cooling device on its outside a plurality of fins, which are provided for air cooling of the cooling device. The intended in the form of the plurality of ribs heat sink can thus in case of failure of the entire fluid cooling, the components of the power electronics cool by means of the ribs, which in turn means reliability and reliability of the cooling device elevated.
Vorzugsweise ist die Kühlvorrichtung als längliche Kühlplatte ausgebildet. Bauelemente einer Leistungselektronik können so auf einfache Weise mit einer Fläche der Kühlplatte wärmeübertragend gekoppelt werden.Preferably is the cooling device as elongated cooling plate educated. Components of power electronics can do so in a simple way with a surface the cooling plate coupled heat transfer become.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen von Bauelementen einer an Bord eines Flugzeuges, insbesondere eines Passagierflugzeuges, installierten Leistungselektronik, das die Merkmale des Patentanspruches 13 aufweist.One Another aspect of the present invention relates to a method for cooling of components of an aboard an aircraft, in particular one Passenger plane, installed power electronics, which the Features of claim 13.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Kühlvorrichtung verwendet, die eine Vielzahl von fluidmäßig voneinander entkoppelte Kühlkanäle aufweist, wobei jeweils benachbarte Kühlkanäle der Kühlvorrichtung von unterschiedlichen Kühlfluidquellen mit unter Druck stehendem Kühlfuid beaufschlagt werden.According to a preferred embodiment, a cooling device is used in the inventive method, which has a plurality of fluidly decoupled from one another cooling channels, wherein each adjacent cooling channels of the cooling device of different Kühlfluidquel be acted upon with pressurized Kühlfuid.
Durch getrenntes Beaufschlagen benachbarter Kühlkanäle mit unter Druck stehendem Kühlfluid kann auch bei Ausfall eines Kühlfluidkreislaufes die Kühlvorrichtung eine ausreichende Kühlung der Bauelemente der Leistungselektronik sicherstellen. Dadurch eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Kühlung der an Bord eines Verkehrsflugzeuges installierten Leistungselektronik, da die Flugsicherheit auf diese Weise in erheblichem Maße verbessert wird.By separate admission of adjacent cooling channels with pressurized cooling fluid can also in case of failure of a cooling fluid circuit the cooler adequate cooling ensure the components of the power electronics. This makes it suitable the process of the invention especially for cooling the power electronics installed on board a commercial aircraft, because aviation safety is significantly improved in this way becomes.
Vorzugsweise sind die Strömungsrichtungen des Kühlfluids in benachbarten Kühlkanälen der Kühlvorrichtung zueinander entgegengesetzt.Preferably are the flow directions of the cooling fluid in adjacent cooling channels of the cooling device opposite to each other.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung wird beispielhaft anhand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es stellen dar:The Invention will be exemplified by preferred embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings. They show:
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten AusführungsformenDetailed description of the preferred embodiments
In
Die
Kühlvorrichtung
Jeder
Kühlkanal
Bei
dem in
Die
Bauelemente der Leistungselektronik werden mit der Oberseite der
Kühlvorrichtung
Die
Die
Kühlkanäle
Die
Durch
diese zusätzlich
vorgesehene Luftkühlung
wird auch bei Ausfall der gesamten Fluidkühlung die Kühlvorrichtung
Bei
sämtlichen
der in der
Sämtliche Kühlvorrichtungen sind vorzugsweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt, beispielsweise Kupfer, Messing, Aluminium.All coolers are preferably made of a material with high thermal conductivity, for example Copper, brass, aluminum.
Als Kühlflüssigkeit kann beispielsweise niedrig temperiertes Wasser oder flüssiger Stickstoff verwendet werden.When coolant For example, low temperature water or liquid nitrogen be used.
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