DE102007023057B3

DE102007023057B3 - Vorrichtung zur Regelung eines Kühlmittelvolumenstromes

Info

Publication number: DE102007023057B3
Application number: DE200710023057
Authority: DE
Inventors: Vladislav Damec; Ingolf Hoffmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2027-05-17

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung eines Kühlmittelvolumenstromes einer Kühlvorrichtung (2) mittels einer Einrichtung (6) zur Einstellung des Volumenstromes in Abhängigkeit einer von einem Regelkreis generierten Stellgröße (S<SUB>M</SUB>). Erfindungsgemäß ist als Regelkreis eine zwei Regelkreise (20, 22) aufweisende Kaskadenregelung (4) vorgesehen, deren Ist-Eingänge jeweils mit einem Temperaturmessglied (36, 34) verknüpft sind, und ist eine Minimalwertaufschaltung vorgesehen, die eingangsseitig jeweils mit einem Temperaturmessglied (34, 36) und ausgangsseitig mit einem Grenzwert-Eingang eines Begrenzers (32) verknüpft ist, der eingangsseitig mit einem Ausgang des Reglers (28) des überlagerten Regelkreises (20) und ausgangsseitig mit einem Sollwert-Eingang des unterlagerten Regelkreises (22) verbunden ist. Somit erhält man eine Vorrichtung zur Regelung eines Kühlmittelvolumenstromes einer Kühlvorrichtung (2), mit der einerseits die Kühlvorrichtungstemperatur (T<SUB>KK</SUB>) und der Kühlmittelvolumenstrom direkt gekoppelt sind und andererseits ein schonender Anlauf für die Kühlung realisiert wird, wodurch zu kühlende Vorrichtungen (16, 18) einer geringeren thermischen Belastung ausgesetzt sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Erfindung zur Regelung eines Kühlmittelvolumenstromes einer Kühlvorrichtung mittels einer Einrichtung zur Einstellung des Volumenstromes in Abhängigkeit einer von einem Regelkreis generierten Stellgröße.
Bei einer bekannten Vorrichtung zur Regelung eines Kühlmittelvolumenstromes einer Kühlvorrichtung ist im Kühlmittelablauf ein Stellventil, insbesondere ein Thermostatventil, angeordnet, das von einem Regelkreis eine Stellgröße erhält. Dieser Regelkreis weist einen proportional wirkenden Regler, der auch als P-Regler bezeichnet wird, auf. Dieser Regelkreis regelt eine Rücklauftemperatur des Kühlmittels auf einen vorbestimmten Sollwert, wodurch das Thermostatventil entweder offen oder geschlossen ist. Dadurch werden Vorrichtungen, die mittels Kühlvorrichtungen gekühlt werden, schlagartig thermisch belastet. Das heißt, die zu kühlenden Vorrichtungen werden thermisch gestresst, wodurch deren Lebensdauer verringert wird.
Bei einer weiteren bekannten Vorrichtung zur Regelung eines Kühlmittelvolumenstromes einer Kühlvorrichtung ist ebenfalls im Kühlmittelablauf ein Stellventil, insbesondere ein Thermostatventil, angeordnet. Der zugehörige Regelkreis weist als Regler einen Zweipunkt-Regler auf. Durch die Verwendung dieses Zweipunkt-Reglers wird die Rücklauftemperatur des Kühlmittels innerhalb eines Temperaturbandes (Hysterese) um den Sollwert der Temperatur des Kühlmittels gehalten. Dadurch reduziert sich die thermische Stressbelastung der zu kühlenden Vorrichtungen während des Betriebes dieser Vorrichtung. Beim Einschalten eines elektronischen Gerätes, das die zu kühlenden Vorrichtungen aufweist, werden diese Vorrichtungen schlagartig thermisch belastet. Außerdem weist der Zweipunkt-Regler eine große Regel-Hysterese auf, wodurch immer große Temperaturschwankungen an den zu kühlenden Vorrichtungen auftreten.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Regelung eines Kühlmittelvolumenstromes anzugeben, bei der die zuvor genannten Nachteile nicht mehr auftreten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Diese erfindungsgemäße Vorrichtung beruht zum einen auf der direkten Kopplung von Temperatur der Kühlvorrichtung und Volumenstrom des Kühlmittels und zum anderen auf der Möglichkeit, einen schonenden Anlauf für die Kühlung zu realisieren. Außerdem ist diese Vorrichtung unabhängig von der Ausführungsform des Kühlmittels. Das heißt, dass als Kühlmittel Kühlflüssigkeit oder Kühlluft vorgesehen werden kann. Die Ausgestaltung der Einrichtung zur Einstellung des Volumenstromes hängt von der Wahl des Kühlmittels ab. Wird als Kühlmittel Kühlluft verwendet, wird als Einrichtung zur Einstellung des Volumenstromes eine Umlenkklappe verwendet, wogegen bei der Verwendung von Kühlflüssigkeit als Kühlmittel diese Einrichtung zumindest ein Motorventil ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch veranschaulicht sind.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, wogegen in der
2 eine vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung veranschaulicht ist.
In der 1 sind mit 2 eine Kühlvorrichtung, mit 4 eine Regelkaskade, mit 6 eine Einrichtung zur Einstellung des Volumenstromes, mit 8 ein Kühlmittelzulauf und mit 10 ein Kühlmittelablauf bezeichnet. Die Kühlvorrichtung 2 ist in zwei Kühlbereichen, nämlich einem Bereich 12 für hohe Verlustleis tung, und einem Bereich 14 für geringe bis mittlere Verlustleistung, unterteilt. Diese beiden Kühlbereiche 12 und 14 können auch eigenständige Kühlvorrichtungen sein, die kühlmittelmäßig in Reihe geschaltet sind. Der Kühlbereich 12 ist für eine maximale Verlustleistung ausgelegt und nimmt beispielsweise die Verlustleistung von abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern 16 eines nicht näher dargestellten Stromrichters, insbesondere eines Wechselrichters, auf. Dagegen ist der Kühlbereich 14 der Kühlvorrichtung 2 für eine mittlere bis niedrige Verlustleistung, beispielsweise die Verlustleistung von Beschaltungselementen 18 der abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter 16, ausgelegt. Außerdem können diesem Kühlbereich 14 auch noch Elektrolytkondensatoren des Stromrichters zugeordnet werden. Das heißt, auf diesem Kühlbereich 14 können alle Bauelemente des Stromrichters angeordnet werden, die eine geringe Verlustleistung aufweisen und gekühlt werden müssen.
Die Regelkaskade 4 weist zwei Regelkreise 20 und 22 auf. Der Regelkreis 22 ist dem Regelkreis 20 unterlagert. Jeder Regelkreis 20 bzw. 22 weist einen Vergleicher 24 bzw. 26 und einen Regler 28 bzw. 30 auf. Als Regler 28 und 30 sind Regler mit proportionalintegralem Verhalten vorgesehen, die auch als PI-Regler bezeichnet werden. Der übergeordnete Regelkreis 20 weist außerdem einen Begrenzer 32 auf, der eingangsseitig mit einem Ausgang eines Reglers 28 und ausgangsseitig mit einem nicht invertierenden Eingang des Vergleichers 26 des unterlagerten Regelkreises 22 verknüpft ist, der auch als Sollwert-Eingang dieses unterlagerten Regelkreises 22 bezeichnet wird. Am Ausgang des Reglers 30 des unterlagerten Regelkreises 22 steht eine Stellgröße S_M an, die der Einrichtung 6 zur Einstellung eines Kühlmittelvolumenstromes zugeführt wird. Ein invertierender Eingang des Vergleichers 26, der den Istwert-Eingang dieses unterlagerten Regelkreises 22 bildet, ist mit einem Ausgang eines ersten Temperaturmessgliedes 34 verknüpft, der wärmemäßig mit der Kühlvorrichtung 2, insbesondere mit dem Kühlbereich 12, thermisch verbunden ist. Mittels dieses Temperaturmessgliedes 34 wird die Temperatur T_KK der Kühlvorrichtung 2 ermittelt. Am Kühlmittelausgang ist ein weiteres Temperaturmessglied 36 vorgesehen, mit dem eine Kühlmittelrücklauftemperatur T_KMR gemessen wird. Der Kühlmittelausgang befindet sich am Ausgang der Kühlvorrichtung 2, insbesondere des Kühlbereichs 14. Der Ausgang dieses weiteren Temperaturmessgliedes 36 ist signaltechnisch mit einem invertierenden Eingang des Vergleichers 24 des überlagerten Regelkreises 20 verknüpft, der einen Istwert-Eingang dieses Regelkreises 20 bildet. Am nicht invertierenden Eingang des Vergleichers 24 des überlagerten Regelkreises, der einen Sollwert-Eingang dieses Regelkreises 20 bildet, steht ein Sollwert T*KM für das Kühlmittel an, der von einem Sollwertgeber 38 geliefert wird. Mittels dieses Sollwertgebers 38 wird der Kühlmittel-Sollwert T*KM auf einen Temperaturwert eingestellt, der beispielsweise höher liegt, als der Wert der Temperatur T_L der Luft, die die zu kühlenden Vorrichtungen 16 und 18 umgibt. Das heißt, der Kühlmittel-Sollwert T*KM ist größer oder gleich 40°C. Dieser überlagerte Regelkreis 20, der die Kühlmittelrücklauftemperatur T_KMR auf den Kühlmittel-Sollwert T*KM regelt, generiert am Ausgang des Begrenzers 32 eine Stellgröße T*KK , die der Sollwert für den unterlagerten Regelkreis 22 ist. Mittels diesem unterlagerten Regelkreis 22 wird die Kühlvorrichtungstemperatur T_KK auf diesen vorbestimmten Kühlvorrichtungs-Sollwert T*KK geregelt. Mittels dieser Regelkaskade 4 wird der Kühlmittelvolumenstrom derart eingestellt, dass einerseits die Kühlmittelrücklauftemperatur T_KMR gleich einem Temperaturwert ist, der größer oder gleich einer Lufttemperatur T_L ist, und andererseits dass die zu kühlenden Vorrichtung 16 und 18 in ihren sicheren Temperaturbereichen bleiben.
Außerdem weist diese Vorrichtung zur Kühlung eines Kühlmittelvolumenstromes eine Minimalwertaufschaltung 40 auf, die ausgangsseitig mit einem Grenzwert-Eingang des Begrenzers 32 des überlagerten Regelkreises 20 verknüpft ist. Der Ausgang des weiteren Temperaturmessgliedes 36 ist außerdem mit einem Eingang dieser Minimalwertaufschaltung 40 verbunden. Auch der Ausgang des Temperaturmessgliedes 34 ist mit einem Eingang dieser Minimalaufschaltung 40 verknüpft. Am Ausgang dieser Minimalwertaufschaltung 40 steht ein Grenzwert T_GR an, mit dem das Ausgangssignal T*KK des Begrenzers 32 eingestellt wird. Dieser Grenzwert T_GR wird so eingestellt, dass eine ermittelte Differenz zwischen Kühlmittelrücklauftemperatur T_KMR und Kühlvorrichtungstemperatur T_KK kleiner oder gleich eines vorgegebenen Wertes dT_max ist, der auch als Temperaturhub bezeichnet wird. Mittels dieses Grenzwerts T_GR wird der Kühlvorrichtungs-Sollwert T*KK so eingestellt, dass der Kühlkörper 2 maximal um den vorgegebenen Temperaturhub dT_max warmer sein kann als das Kühlmittel. Mittels dieser Minimalwertaufschaltung 40 begrenzt die Vorrichtung zur Regelung eines Kühlmittelvolumenstromes den thermischen Stress der zu kühlenden Vorrichtungen 16 und 18.
In dieser Darstellung der ersten Ausführungsform der Vorrichtung zur Regelung eines Kühlmittelvolumenstromes ist als Einrichtung 6 zur Einstellung des Volumenstromes ein Motorventil vorgesehen. Somit handelt es sich bei dieser Ausführungsform um eine Flüssigkeitskühlung. Als Kühlmittel ist eine Kühlflüssigkeit vorgesehen, deren Volumenstrom vom Motorventil gesteuert wird.
Anstelle einer Kühlflüssigkeit als Kühlmittel kann auch Kühlluft vorgesehen sein. Wird Kühlluft als Kühlmittel vorgesehen, so ist als Einrichtung 6 zur Einstellung des Volumenstromes eine Umlenkklappe vorgesehen. Außerdem weist dann die Kühlvorrichtung 2 anstelle von Kühlkanälen Kühlrippen auf, über die dann in Abhängigkeit der Stellung der Umlenkklappe ein Teil der Kühlluft geleitet wird. Die Kaskadenregelung 4 und die Minimalwertaufschaltung 40 bleiben unverändert.
In der 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung zur Regelung eines Kühlmittelvolumenstromes dargestellt, die sich von der Ausführungsform gemäß 1 dadurch unterscheidet, dass die Einrichtung 6 zur Einstellung des Volumenstromes im Kühlmittelablauf 10 angeordnet ist. Außerdem ist als Einrichtung 6 ein Drei-Wege-Mischventil vorge sehen, dessen zweiter Eingang mittels einer Bypassleitung 42 kühlmittelmäßig mit dem Kühlmittelzulauf 8 verbunden ist. Durch diese Änderungen gegenüber der Ausführungsform gemäß 1, insbesondere bei mehreren Kühlvorrichtungen, d. h. mehrere zu kühlende Stromrichter, die kühlmittelmäßig parallel geschaltet sind, einer Kühlmittelanlage ergeben sich folgende Vorteile:

– Die gesamte Kühlmittelanlage wird nicht mit Druckstößen beaufschlagt.
– Der Volumenstrom von der Kühlvorrichtung ist nahezu konstant.
– Die gesamte Kühlmittelanlage wird immer mit dem nahezu konstanten Druckabfall der Kühlvorrichtung belastet.

Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung eines Kühlmittelvolumenstromes einer Kühlvorrichtung wird einerseits die Kühlvorrichtungstemperatur T_KK und der Kühlmittelvolumenstrom direkt gekoppelt und andererseits ein schonender Anlauf für die Kühlung realisiert. Gegenüber einer konventionellen Lösung, beispielsweise mit einem Thermostatventil, hat man den Vorteil, dass ein Sollwert T*KM des Kühlmittels an eine Taupunkt-Lufttemperatur adaptiert werden kann, wodurch die zu kühlenden Vorrichtungen 16 und 18 einer geringeren thermischen Belastung ausgesetzt sind, die dadurch eine höhere Lebensdauer aufweisen. Außerdem kann diese Vorrichtung sehr leicht an verschieden große Kühlvorrichtungen mit mehr als einem Temperaturmessglied 34 angepasst werden, in dem dann ein ermittelter Minimalwert der mehreren ermittelten Kühlvorrichtungstemperaturen T_KKl, ..., T_KKn dem unterlagerten Regelkreis 22 der Vorrichtung zugeführt wird. Ferner kann mit dieser Vorrichtung sehr leicht ein Betauungsschutz realisiert werden, in dem als Kühlmittel-Sollwert T*KM eine Taupunktemperatur ausgewählt wird.

Claims

Vorrichtung zur Regelung eines Kühlmittelvolumenstromes einer Kühlvorrichtung (2) mittels einer Einrichtung (6) zur Einstellung des Volumenstromes in Abhängigkeit einer von einer zwei Regelkreise (20, 22) aufweisenden Kaskadenregelung (4) generierten Stellgröße (S_M), wobei ein Temperaturmessglied (34) der Kühlvorrichtung (2) ausgangsseitig einerseits mit einem Istwert-Eingang des unterlagerten Regelkreises (22) und andererseits mit einem ersten Eingang einer Minimalwertaufschaltung (40) verbunden ist, die ausgangsseitig mit einem Begrenzer (32) des überlagerten Regelkreises (20) verknüpft ist, wobei ein weiteres Temperaturmessglied (36) am Kühlmittelausgang der Kühlvorrichtung (2) einerseits mit einem Istwert-Eingang des überlagerten Regelkreises (20) und andererseits mit einem zweiten Eingang der Minimalwertaufschaltung (40) verbunden ist, wobei der Begrenzer (32) eingangsseitig mit einem Ausgang eines Reglers (28) des überlagerten Regelkreises (20) und ausgangsseitig mit einem Sollwert-Eingang des unterlagerten Regelkreises (22) verknüpft ist und wobei ein Sollwert-Eingang des überlagerten Regelkreises (20) mit einem Sollwertgeber (38) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) zur Einstellung des Volumenstromes im Kühlmittelzulauf (8) der Kühlvorrichtung (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) zur Einstellung des Volumenstromes im Kühlmittelablauf (10) der Kühlvorrichtung (2) angeordnet ist, wobei diese Einrichtung (6) mittels einer Bypass-Leitung (42) mit dem Kühlmittelzulauf (8) der Kühlvorrichtung (2) verknüpft ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung (6) zur Einstellung des Volumenstromes ein Motorventil vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung (6) zur Einstellung des Volumenstromes ein motorbetriebenes Drei-Wege-Mischventil vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung (6) zur Einstellung des Volumenstromes eine Umlenkklappe vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel Kühlflüssigkeit vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel Kühlluft vorgesehen ist.