DE102008005353B4

DE102008005353B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung eines elektrischen Bauelements für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102008005353B4
Application number: DE102008005353.8A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Müller
Original assignee: Renk GmbH
Current assignee: Renk GmbH
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2028-01-22
Also published as: CA2700756A1; US9433133B2; DE102008005353A1; IL204894A; EP2260685A1; US20100287962A1; IL204894A0; WO2009092410A1

Abstract

Kühlvorrichtung für eine Anordnung mit wenigstens einem elektrischen Bauelement, insbesondere eine Leistungselektronik (1), für ein Fahrzeug, wobei die Anordnung über ein Fluid (2) im Siedekühlverfahren kühlbar ist, gekennzeichnet durch eine Wärmekraftmaschine (4), insbesondere eine Dampfturbine oder Verdrängermaschine, zur Entspannung von beim Siedekühlen verdampftem Fluid.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine Anordnung mit wenigstens einem elektrischen Bauelement, insbesondere eine Leistungselektronik, für ein Fahrzeug, insbesondere ein Fahrzeug mit gekapseltem oder teilgekapseltem Triebwerksraum, wobei die Anordnung über ein Fluid im Siedekühlverfahren kühlbar ist, ein Fahrzeug mit einer solchen Kühlvorrichtung sowie ein Verfahren zur Kühlung einer Anordnung mit wenigstens einem elektrischen Bauelement.
Elektrische, insbesondere elektronische Bauelemente, wie sie beispielsweise in einer Leistungselektronik zur Bereitstellung elektrischer Energie enthalten sind, die in sogenannten Powerpacks, i. e. Antriebsaggregaten mit Motor und Getriebeeinheit, für militärische Fahrzeuge eingesetzt wird, sind bisher auf einer mit Kühlwasser durchströmten Platte montiert, um ihre Abwärme abzuführen. Die Oberseite der Bauelemente wird von Luft umströmt, die über Ventilatoren aktiv zirkuliert wird, um lokale thermische Spitzenlasten zu vermeiden. Der mehrfache Wärmeübergang vom Entstehungsort der Abwärme im Bauelement zum Kühlwasser über mehrere Gehäusewände erfordert eine relative große Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasser und Bauelement, so dass Kühlwassertemperaturen von maximal 70°C zugelassen werden.
Aus der DE 93 09 428 U1 ist allgemein bekannt, elektronische Bauelemente durch ein Siedekühlverfahren zu kühlen. Aus betriebsinterner Praxis ist ein Antrieb mit einer siedegekühlten Leistungselektronik in einem Kettenfahrzeug oder einem Fahrzeug mit Radseitenlenkung bekannt, bei der elektronische Bauelemente durch ein siedendes Fluid gekühlt werden. Der Dampf wird in einem Kondensator kondensiert und der Leistungselektronik flüssig wieder zugeführt. Die dabei im verdampften Fluid gespeicherte Enthalpie bleibt ungenutzt, so dass der Wirkungsgrad der Kühlung suboptimal ist.
Weiterhin wird auf die DE 10 2006 029 571 A1 , die DE 100 09 521 A1 , die DE 195 32 128 A1 , die US 2006/0056994 A1 und die US 2003/0093995 A1 verwiesen, die diverse Kühleinrichtungen zur Kühlung elektrischer Bauteile offenbaren. Bei diesen Kühleinrichtungen wird ein Phasenwechsel des Kühlfluides genutzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Kühlung einer Anordnung mit wenigstens einem elektrischen Bauelement in einem Fahrzeug zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Kühlvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet. Anspruch 10 stellt das zugehörige Kühlverfahren, Anspruch 9 ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung unter Schutz. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist zur Kühlung einer Anordnung mit wenigstens einem elektrischen Bauelement, insbesondere einer Leistungselektronik, für ein Fahrzeug vorgesehen und so ausgebildet, dass die Anordnung über ein Fluid im Siedekühlverfahren kühlbar ist. Hierzu ist in einer bevorzugten Ausführung eine Fluidzu- und -abfuhr zu bzw. von der Anordnung sowie ein Fluidsumpf vorgesehen, in dem die elektrischen Bauelemente, vorzugsweise ohne Gehäuse, ganz oder teilweise eingetaucht sind. Das Fluid weist bei dem im Fluidsumpf vorliegenden Druck bevorzugt eine Siedetemperatur auf, die unter einer für diese Bauelemente kritischen Betriebstemperatur liegt. Weisen verschiedene Bauelemente der Anordnung unterschiedliche kritische Betriebstemperaturen auf, so weist das Fluid bevorzugt eine Siedetemperatur auf, die unter der niedrigsten dieser kritischen Betriebstemperaturen liegt.
Geben die elektrischen Bauelemente Wärme ab, so nimmt das sie umgebende, dabei wenigstens teilweise in flüssiger Phase vorliegende Fluid unter Sieden bzw. Verdampfen diese Wärme auf. Während des Siedevorgangs bleibt die Fluidtemperatur vorteilhaft im Wesentlichen konstant.
Der beim Sieden entstehende Dampf wird nun erfindungsgemäß einer Wärmekraftmaschine, beispielsweise einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine, oder einer Verdrängermaschine, zugeführt, in der der Dampf entspannt, i. e. der Druck des dabei wenigstens teilweise dampfförmig vorliegenden Fluids reduziert und somit dem Dampf Energie entzogen wird.
In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung erfolgt die Entspannung in der Wärmekraftmaschine ohne Phasenwechsel, um die Wärmekraftmaschine günstig zu betreiben. Gleichermaßen ist es jedoch auch möglich, den Dampf bereits in der Wärmekraftmaschine ganz oder teilweise wieder in die flüssige Phase zu entspannen, i. e. ganz oder teilweise zu kondensieren.
Erfindungsgemäß wird einerseits vorteilhaft Energie aus dem Kühlfluid entnommen, indem der entstehende Dampf in der Wärmekraftmaschine entspannt wird. Durch die Verminderung der Energie des Dampfes in der Wärmekraftmaschine kann die dann beispielsweise noch über einen Kondensator oder dergleichen abzuführende Wärmeenergie gegenüber einer betriebsintern bekannten Kühlvorrichtung, in der die gesamte Wärmeenergie über einen solchen Kondensator abzuführen ist, vorteilhaft reduziert werden. Entsprechend kann ein solcher Kondensator kleiner und kompakter bauen.
Auf der anderen Seite kann die Abwärme der elektrischen Bauelemente vorteilhaft wenigstens teilweise, beispielsweise zum Betrieb von Pumpen, Generatoren und/oder anderen Verbrauchern genutzt und so der Wirkungsgrad der Kühlung verbessert werden.
In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung weist das Fluid bei 20°C eine elektrische Leitfähigkeit von höchstens 10^–6 (Ωm)^–1 auf, so dass es im Wesentlichen als elektrischer Isolator dient und insbesondere die elektrischen Bauelemente der Anordnung gegeneinander elektrisch isoliert. Dies ermöglicht eine besonders leistungsdichte Bauweise.
Bevorzugt weist die Kühlvorrichtung einen Kondensator zum Rückkühlen des Fluids unter wenigstens teilweiser Kondensation sowie eine von der Wärmekraftmaschine antreibbare Lüfterpumpe zur Beaufschlagung des Kondensators durch einen Luftstrom, beispielsweise Umgebungsluft, auf.
Durch die Versorgung der Lüfterpumpe durch die Wärmekraftmaschinenenergie ist die Kühlvorrichtung vorteilhaft von einer Fahrzeugkühlung unabhängig. Sie kann genauer auf den Bedarf der elektrischen Bauelemente ausgelegt und unabhängig vom Betriebszustand einer Fahrzeugsantriebsanlage betrieben werden. Zudem kann durch das aktive Anströmen des Kondensators mit Luft dessen Wirkungsgrad verbessert werden, was wiederum kompaktere Kondensatoren ermöglicht.
Zusätzlich oder alternativ zu einer Lüfterpumpe kann eine von der Wärmekraftmaschine antreibbare Speisepumpe zur Rückförderung von wenigstens teilweise kondensiertem Fluid zu der Anordnung mit wenigstens einem elektrischen Bauelement vorgesehen sein, die das wenigstens teilweise kondensierte Fluid aus einem Niederdrucksammel- bzw. -ausgleichsbehälter zurück zu der Anordnung befördert. Hierdurch kann vorteilhaft Fluid aktiv umgewälzt und so die Kühlleistung verbessert werden.
Zusätzlich oder alternativ zu einer Lüfterpumpe und/oder Speisepumpe kann ein von der Wärmekraftmaschine antreibbarer Generator zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Wärmeverlustleistung der Anordnung vorgesehen sein. Beispielsweise kann an eine Welle der Wärmekraftmaschine ein Generator angeschlossen sein, der bei Überkapazitäten der Wärmekraftmaschine Strom erzeugt und somit den Gesamtwirkungsgrad des Systems weiter verbessert. Der Generator kann gleichermaßen dauernd mit der Wärmekraftmaschine verbunden oder mit dieser wahlweise, beispielsweise über eine Kupplung, koppelbar sein, wobei durch ein zwischen Wärmekraftmaschine und Generator geschaltetes Getriebe beide in jeweils günstigen Drehzahlbereichen betrieben werden können. Durch den Generator kann bevorzugt auch die Leistungsabgabe an die Wärmekraftmaschine und damit der Betrieb der Kühlvorrichtung geregelt werden. Hierzu können zusätzlich oder alternativ auch Regelventile und/oder regelbare Pumpen, insbesondere eine regelbare Lüfterpumpe und/oder Speisepumpe vorgesehen sein.
Die Anordnung mit wenigstens einem elektrischen Bauelement kann in einem dicht abgeschlossenen, von dem Fluid wenigstens teilweise gefüllten Gehäuse angeordnet sein, welches eine Fluidzu- und/oder -abfuhr aufweist, und in dem ein Fluidsumpf ausgebildet ist, in dem die elektrischen Bauelemente, vorzugsweise ohne Gehäuse, ganz oder teilweise eingetaucht sind.
Dieses vorzugsweise separate dicht abgeschlossenen Gehäuse kann bevorzugt in einem Triebwerksraum, beispielsweise einem Getriebegehäuse oder einem Elektromotorgehäuse, angeordnet, insbesondere integriert sein.
Eine besonderes vorteilhafte Anwendung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ergibt sich bei Kettenfahrzeugen oder Fahrzeugen mit Radseitenlenkung, die einen gekapselten oder wenigstens teilgekapselten Triebwerksraum aufweisen.
Aufgrund einer vorteilhaft vom Kühlwasser unabhängigen Kühlvorrichtung entfällt die oben erläuterte Begrenzung der Kühlwassertemperatur. Auch bei hohen Außentemperaturen, beispielsweise mehr als 50°C, kann sichergestellt werden, dass die Elektronik nicht überhitzt. Erfindungsgemäß kann eine Leistungselektronik deshalb vorteilhaft im wenigstens teilgekapselten Triebwerksraum integriert werden, wo Temperaturen von teilweise deutlich über 100°C herrschen können.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert, die einzige
1 eine Kühlvorrichtung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Die in 1 dargestellte Kühlvorrichtung ist dazu vorgesehen, eine Leistungselektronik 1, die in einem gekapselten Triebwerksraum eines Fahrzeugs integriert ist (nicht dargestellt), nachhaltig zu kühlen.
Die Elektronik 1 wird im normalen Betriebszustand von der flüssigen Phase eines als sogenannter Nassdampf, i. e. sowohl in flüssiger als auch gas- bzw. dampfförmiger Phase vorliegenden Fluids 2 umspült und komplett bedeckt, um jederzeit die Überhitzung von Bauelementen der Leistungselektronik 1 zu verhindern sowie gleichzeitig die elektrische Isolation gegeneinander und gegen ein fluiddichtes Gehäuse 3 zu gewährleisten. Dies gilt auch für Schräglagen, wie sie insbesondere bei Kettenfahrzeugen regelmäßig auftreten.
Im Betrieb entwickelt die Elektronik 1 Wärme, die sie an das Fluid 2 abgibt. Dies führt zu einem teilweisen Verdampfen der flüssigen Phase des Fluids 2, wobei jedoch die Elektronik 1 weiterhin von der flüssigen Phase umspült und komplett bedeckt bleibt. Der entstehende Dampf, i. e. die gas- bzw. dampfförmige Phase des Fluids 2 sammelt sich aufgrund der Schwerkraft im oberen Bereich des Kühlvorrichtungsgehäuses 3. Das Kühlvorrichtungsgehäuse 3 ist als druckfester Behälter ausgeführt.
Durch das Verdampfen des Fluids bildet sich im Behälter 3 ein Überdruck. Der Fluiddampf wird zu einer Wärmekraftmaschine in Form einer Turbine 4 abgeführt, die sich vorzugsweise im Deckel des Behälters befindet bzw. mit einer dort angeordneten Fluidabfuhr kommuniziert.
Die Turbine 4 entspannt den Dampf und gibt dabei Energie an eine Welle 5 ab. Die Turbine 4 trennt damit eine Hoch- und eine Niederdruckseite des Fluiddampfes. Der entspannte Dampf wird an einen Kondensator 8 weitergeleitet.
Die Wellenenergie der Welle 5 wird primär von einer Lüfterpumpe 6 verbraucht, die Umgebungsluft 7a ansaugt, und einen Kühlluftstrom 7b bzw. 7c erzeugt, der auf einer Luftseite den Kondensator 8 durchströmt. Die Kondensationsenergie des Fluids wird dabei an die Luft übertragen und von dieser in die Umgebung abgeführt.
Im Kondensator 8 wird das Fluid wenigstens teilweise kondensiert. Das flüssige Kondensat sammelt sich in einem Reservoir 9. Das Reservoir 9 ist ebenfalls druckdicht ausgeführt. Über eine Speisepumpe 10 wird flüssiges Fluid durch eine Fluidzufuhr in den Druckraum des Kühlvorrichtungsgehäuse 3 zurückgefördert. Die Speisepumpe 10 ist über die Welle 5 ebenfalls mit der Turbine 4 verbunden, die die Speisepumpe 10 so mit Energie versorgt.
Optional kann an die Welle 5 ein Generator 11 angekoppelt werden, der überschüssige Wellenenergie abnimmt, in einem elektrischen Zwischenkreis speichert, und somit den Gesamtwirkungsgrad des Systems verbessert.
Bezugszeichenliste

1: Leistungselektronik
2: Fluid
3: Kühlvorrichtungsgehäuse
4: Turbine
5: Welle
6: Lüfterpumpe
7a: Angesaugte Umgebungsluft
7b: Luft vor Kondensator
7c: Luft nach Kondensator
8: Kondensator
9: Reservoir
10: Speisepumpe
11: Generator

Claims

Kühlvorrichtung für eine Anordnung mit wenigstens einem elektrischen Bauelement, insbesondere eine Leistungselektronik (1), für ein Fahrzeug, wobei die Anordnung über ein Fluid (2) im Siedekühlverfahren kühlbar ist, gekennzeichnet durch eine Wärmekraftmaschine (4), insbesondere eine Dampfturbine oder Verdrängermaschine, zur Entspannung von beim Siedekühlen verdampftem Fluid.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid eine Siedetemperatur aufweist, die unter einer für die elektrischen Bauelemente der Anordnung kritischen Betriebstemperatur liegt.
Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid bei 20°C eine elektrische Leitfähigkeit von höchstens 10^–6 (Ωm)^–1 aufweist, insbesondere die elektrischen Bauelemente der Anordnung gegeneinander elektrisch im Wesentlichen isoliert.
Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine von der Wärmekraftmaschine antreibbare Lüfterpumpe (6).
Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Kondensator (8) zum Rückkühlen des Fluids, der durch einen Luftstrom (7b) von der Lüfterpumpe beaufschlagbar ist.
Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine von der Wärmekraftmaschine antreibbare Speisepumpe (10) zur Rückförderung von wenigstens teilweise kondensiertem Fluid zu der Anordnung mit wenigstens einem elektrischen Bauelement.
Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen von der Wärmekraftmaschine antreibbaren Generator (11) zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Wärmeverlustleistung der Anordnung.
Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mit wenigstens einem elektrischen Bauelement in einem dicht abgeschlossenen, von dem Fluid wenigstens teilweise gefüllten Gehäuse (3) angeordnet ist.
Fahrzeug, insbesondere Kettenfahrzeug oder Fahrzeug mit Radseitenlenkung, mit gekapseltem oder teilgekapseltem Triebwerksraum und einer Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mit wenigstens einem elektrischen Bauelement im Triebwerksraum des Fahrzeugs angeordnet ist.
Verfahren zur Kühlung eine Anordnung mit wenigstens einem elektrischen Bauelement (1) mittels einer Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8 mit den Schritten: Kühlen der Anordnung über ein Fluid (2) im Siedekühlverfahren; und Entspannung von beim Siedekühlen verdampftem Fluid mittels der Wärmekraftmaschine (4).